JP4831817B2

JP4831817B2 - Ｅｇｒガスを利用したタービン発電装置

Info

Publication number: JP4831817B2
Application number: JP2006071883A
Authority: JP
Inventors: 秀輝加藤; 幸浩辻; 宏明川原
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2026-03-15
Also published as: JP2007247525A

Description

本発明は、エンジンの排気ガスを再吸気させるＥＧＲシステムを備えたエンジンに使用されて好適な、ＥＧＲガスを利用したタービン発電装置に関する。

従来、例えば、トラック等の車両に搭載されるエンジンのＥＧＲシステムは、エンジンの排気ガスの一部をエンジンに再吸気させ、吸気中の酸素濃度を低下させることにより、エンジンの燃焼温度を下げて、主にＮＯ_Xの低減を図るものである。特に、近年におけるディーゼルエンジン等のＮＯ_X低減対策として極めて重要なシステムであり、排気ガスのうちＥＧＲガスとしてエンジンに再給気させる割合はますます増大している。

従来、このＥＧＲガスの流量調節は、ＥＧＲガス路に配設されたＥＧＲガス流量調節弁によって行なわれる。特にエンジンの高速運転時などには、排気と吸気との間の差圧が極めて大きくなり、吸気側に送り込まれるＥＧＲガス量が過大となるため、このＥＧＲガス流量調節弁によって絞りをかけて、その差圧を最適に調節している。

すなわち、エンジンの高速運転時などには排気と吸気との間の差圧をＥＧＲガス流量調節弁によって低下させており、必ずしもＥＧＲガスの有する差圧エネルギを有効利用しているとは言えない。一方、このＥＧＲガスの有する熱エネルギを一部利用する発明が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

具体的に特許文献１に記載の発明は、エンジンの吸気路にタービンからなるエアモータを配設し、このエアモータによって発電機を回転駆動させて、発電を行なうものである。しかしながら、この発明においては、エアモータがＥＧＲガスが外部吸気に合流した後のエンジン吸気路に配設され、特許文献１に明示されているように、ＥＧＲガスはあくまでも吸気の一部として利用されているにすぎない。したがって、エンジンの高速運転時などに発生するＥＧＲガスの排気と吸気との間の大きな差圧を、直接かつ積極的に有効利用するものではない。

この一方で、エンジンの低速運転時などには、ＥＧＲガスの排気と吸気との間の差圧が小さいため、ＥＧＲガスの流入がスムーズではなく、ＥＧＲガス量が不足するという問題がある。また、従来のＥＧＲガスシステムにおいては、上述のようにＥＧＲガス流量調節弁によってＥＧＲガスの流量調節を行なっているが、このＥＧＲガス流量調節弁及びそれを作動させるための装置が必要となり、コスト高になるという問題もある。
特開平６−２８８２５０号公報

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、ＥＧＲガスの有する差圧エネルギの有効回収を図ることができる、ＥＧＲガスを利用したタービン発電装置を提供することを課題とする。

併せて、エンジンの低速運転時など、排気と吸気との差圧が低い運転状態において、ＥＧＲガスを圧送することによって充分な量のＥＧＲガスを確保することができ、また、従来のＥＧＲガス流量調節弁を排除してコスト削減を図ることができる、ＥＧＲガスを利用したタービン発電装置を提供することを課題とする。

上述の課題を解決するために、本発明が採用する手段は、排気ガスをＥＧＲガス路を通してＥＧＲガスとして再吸気させるＥＧＲシステムを備えたエンジンに使用されるものであって、ＥＧＲガス路に介挿されてＥＧＲガスにより回転駆動されるタービンと、回転軸がタービンの回転軸に連結されてタービンにより回転駆動されて発電を行なう発電機とを備えたＥＧＲガスを利用したタービン発電装置を提供することにある。

このように、本発明のＥＧＲガスを利用したタービン発電装置によれば、ＥＧＲガス路に介挿されてＥＧＲガスにより回転駆動されるタービンと、このタービンにより回転駆動されて発電を行なう発電機とを備えるから、エンジンの高速運転時など、排気圧力と吸気圧力との間の差圧が大きい場合に、このＥＧＲガスによって発電を行なうことができ、これにより、ＥＧＲガスの有する差圧エネルギの有効回収を図ることができる。

好ましくは、上記エンジンは、ＥＧＲガス路に介挿されてＥＧＲガスの冷却を行なうＥＧＲガス熱交換器を備え、上記タービンは、このＥＧＲガス熱交換器の上流側のＥＧＲガス路に介挿される。これにより、ＥＧＲガス熱交換器による冷却前の高温のＥＧＲガスによりタービンの回転駆動が行なわれるから、極めて高効率の発電を行なうことができる。

また、ＥＧＲガス熱交換器によるＥＧＲガスの冷却をエンジン冷却水によって行なう場合には、ＥＧＲガスはタービンを通過するときに断熱膨張して温度低下するから、ＥＧＲガス熱交換器で吸収しなければならない熱量が減少する。このため、エンジン冷却水からこの吸収した熱を外気へ放熱するエンジンラジエータの負担を大幅に軽減することができる。

好ましくは、ＥＧＲガスの排気圧力を検出する排気圧力検出センサと、ＥＧＲガスの吸気圧力を検出する吸気圧力検出センサと、排気圧力検出センサが検出した排気圧力と吸気圧力検出センサが検出した吸気圧力とに基づいて発電機の作動を制御するコントローラとを備える。

このような排気圧力検出センサと吸気圧力検出センサとコントローラとを備えることにより、発電機の作動、すなわちこの発電機を回転駆動するタービンの作動を自動制御することができ、ＥＧＲガスの排気と吸気との間の差圧を適切に調節することができるようになる。これにより、従来のＥＧＲガス流量調節弁を排除することも可能となり、コスト削減を図ることができる。

例えば、コントローラは、排気圧力検出センサが検出した排気圧力と吸気圧力検出センサが検出した吸気圧力との差圧を検出し、この差圧が所定圧力を超える場合には、発電機に発電させる。及び又は、コントローラは、排気圧力検出センサが検出した排気圧力と吸気圧力検出センサが検出した吸気圧力との差圧を検出し、この差圧が所定圧力以下の場合には、発電機を電動モータとして作動させて上記タービンをＥＧＲ圧縮機として利用する。

このように、差圧が所定圧力を超える場合には発電機に発電をさせる一方、差圧が所定圧力以下の場合には、タービンをＥＧＲ圧縮機として利用することにより、ＥＧＲガスの排気と吸気との間の差圧を常に最適に維持することができる。これにより、低速運転時など、排気と吸気との差圧が低い運転状態においても、ＥＧＲガスの吸気をスムーズに行なうことができる。

本発明のＥＧＲガスを利用したタービン発電装置は、排気ガスをＥＧＲガス路を通して
ＥＧＲガスとして再吸気させるＥＧＲシステムを備えたエンジンに使用されるものであって、ＥＧＲガス路に介挿されてＥＧＲガスにより回転駆動されるタービンと、回転軸がタービンの回転軸に連結されてタービンにより回転駆動されて発電を行なう発電機とを備えるから、ＥＧＲガスの有する差圧エネルギの有効回収を図ることができる、という優れた効果を奏する。

本発明に係るＥＧＲガスを利用したタービン発電装置の発明を実施するための最良の形態を、図１ないし図３を参照して詳細に説明する。

図１を参照して、本発明の第１の実施の形態について説明する。図１に示すように、エンジン２の吸気側にインテークマニホールド４が、排気側にはエクゾーストマニホールド６がそれぞれ接続される。インテークマニホールド４はエンジン吸気路８に、エクゾーストマニホールド６はエンジン排気ガス路１０にそれぞれ接続される。

エンジン２には、エクゾーストマニホールド６から排気されるエンジン２の排気ガスの一部を、ＥＧＲガスとしてインテークマニホールド４に戻して再吸気させるためのＥＧＲシステムが配設される。このＥＧＲシステムは、上述のようにエンジン２の排気ガスの一部をエンジン２に再吸気させ、吸気中の酸素濃度を低下させることにより、エンジンの燃焼温度を下げて、主にＮＯ_Xの低減を図るものである。特に、エンジン２の一例としてのディーゼルエンジン等のＮＯ_X低減対策として極めて重要なシステムであり、ＥＧＲガスとしてエンジン２に再吸気させる割合は、最大時に排気ガス総量の約６０％にも達する。

具体的には、エクゾーストマニホールド６とインテークマニホールド４との間にＥＧＲガス路１２が配設され、このＥＧＲガス路１２には、ＥＧＲガス路１２を通るＥＧＲガスによって回転駆動されるタービン１４と、ＥＧＲガス路１２を通るＥＧＲガスをエンジン冷却水によって冷却するＥＧＲガス熱交換器１６とが、エクゾーストマニホールド６側からこの順にそれぞれ介挿される。ＥＧＲガス熱交換器１６で温度上昇したエンジン冷却水は、図示しないエンジンラジエータにより空気冷却される。

また、エクゾーストマニホールド６とタービン１４との間のＥＧＲガス路１２には、ＥＧＲガスのエンジン２からの排気圧力を検出する排気圧力検出センサ１８が配設され、ＥＧＲガス熱交換器１６とインテークマニホールド４との間のＥＧＲガス路１２には、ＥＧＲガスのエンジン２への吸気圧力を検出する吸気圧力検出センサ２０がそれぞれ配設される。

上述のタービン１４の回転軸１５には発電機２２の回転軸が連結され、このタービン１４が回転することにより発電を行なうことができる。この発電機２２には、発電機２２の作動を制御するコントローラ２４と、発電機２２によって発電された電気を蓄える蓄電池２６とが電気的に接続されている。発電機２２及び蓄電池２６は、図示しない外部システムへ電気を供給することができる。また、上述の排気圧力検出センサ１８及び吸気圧力検出センサ２０も、コントローラ２４と電気的に接続されている。

次に、本発明のＥＧＲガスを利用したタービン発電装置の作動について説明する。コントローラ２４は、排気圧力検出センサ１８が検出したＥＧＲガスのエンジン２からの排気圧力Ｐｅと、吸気圧力検出センサ２０が検出したＥＧＲガスのエンジン２への吸気圧力Ｐｉとを読み込む（ステップＳ２）。そして、このＥＧＲガスの排気圧力ＰｅとＥＧＲガスの吸気圧力Ｐｉとからその差圧ΔＰを検出し（ステップＳ４）、この差圧ΔＰが所定圧力Ｐｏを超えているか否かを判定する（ステップＳ６）。

ステップＳ６の判定結果が肯定（Ｙｅｓ）の場合、すなわち、差圧ΔＰが所定圧力Ｐｏを超えている場合には発電機２２に発電をさせ、この発電した電気は他のシステムへ供給され、あるいは蓄電池２６に蓄電される。この差圧ΔＰが所定圧力Ｐｏを超えている場合とは、すなわち、エンジン２が高速運転などをされて、エンジン２の吸気側に送り込まれるＥＧＲガスが充分に確保されている状態である。

しかしながら、このようにＥＧＲガスの有する差圧によりタービン１４を回転させて発電を行なうことにより、タービン１４内でＥＧＲガスの断熱膨張が起こり、ＥＧＲガスの圧力及び温度がともに低下する。このＥＧＲガスの圧力低下により、ＥＧＲガス路１２を通してエンジン２に再吸気されるＥＧＲガスのガス量が最適に調節される。これにより、ＥＧＲガスのガス量調節のために従来は必要とされたＥＧＲガス流量調節弁を排除することが可能となり、コスト削減を図ることができる。また、ＥＧＲガスの有する差圧エネルギが電気エネルギに変換されて、他のシステム等に利用されるから、ＥＧＲガスの有する差圧エネルギの有効回収を図ることができる。

また、ステップＳ６の判定結果が否定（Ｎｏ）の場合、すなわち、差圧ΔＰが所定圧力Ｐｏ以下の場合には、発電機２２を電動モータとして作動させる（ステップＳ１０）。これにより、タービン１４がＥＧＲ圧縮機として作動して、ＥＧＲガス路１２を通るＥＧＲガスのガス圧力を高める。これにより、エンジンの低速運転時などにおけるＥＧＲガスの差圧不足によるガス量不足を補うことができる。以下、ステップＳ２以降を繰り返す。

この一方、タービン１４を出たＥＧＲガスは、ＥＧＲガス熱交換器１６を通ることによりエンジン冷却水との熱交換を行なってその温度がさらに下げられた後に、外部吸気を取り入れるエンジン吸気路８に合流する。また、ＥＧＲガス熱交換器１６を通って温度上昇したエンジン冷却水は、図示しないエンジンラジエータにより空気冷却される。この場合、エンジン冷却水を介してエンジンラジエータから放熱しなければならないＥＧＲガスの熱エネルギは、タービン１４で吸収しきれなかった熱エネルギ分だけであるから、エンジンラジエータに対する負担が大幅に軽減される。

また、タービン１４はＥＧＲガス熱交換器１６の上流側のＥＧＲガス路１２に介挿されるから、ＥＧＲガス熱交換器１６による冷却前の高温のＥＧＲガスにより回転駆動される。したがって、極めて高効率の発電を行なうことができる。

なお、本発明は上述の一実施の形態に制約されるものではない。例えば、上述のタービン１４は固定容量型を前提にしたものであったが、これに代えて、図３に示すような可変容量型のタービン３０を用いてもよい。この可変容量型のタービン３０では、その入口案内静翼３２の角度を上述の排気圧力Ｐｅと吸気圧力Ｐｉとの差圧ΔＰなどによって変化させることができるから、より高効率の領域でタービン及び発電機の運転を行なうことができる。

また、ＥＧＲガスの排気圧力Ｐｅ及び吸気圧力Ｐｉの検出箇所は、必ずしも図１に示す位置に限定されるものではない。また、コントローラは排気圧力Ｐｅ及び吸気圧力Ｐｉを含む他のパラメータ、又はこれら以外の他のパラメータに基づいて、発電機２２の作動を制御することもできる。

本発明に係るＥＧＲガスを利用したタービン発電装置の第１の実施の形態を示す模試図である。図１のタービン発電装置の作動を示すフローチャートである。別のタービンを示す正面図である。

符号の説明

２エンジン
４インテークマニホールド
６エクゾーストマニホールド
８エンジン吸気路
１０エンジン排気ガス路
１２ＥＧＲガス路
１４タービン
１５回転軸
１６ＥＧＲガス熱交換器
１８排気圧力検出センサ
２０吸気圧力検出センサ
２２発電機
２４コントローラ
２６蓄電池
３０タービン
３２入口案内静翼
Ｐｅ排気圧力
Ｐｉ吸気圧力
Ｐｏ所定圧力
ΔＰ差圧

Claims

排気ガスをＥＧＲガス路（１２）を通してＥＧＲガスとして再吸気させるＥＧＲシステムを備えたエンジン（２）に使用されるものであって、前記ＥＧＲガス路に介挿されて前記ＥＧＲガスにより回転駆動されるタービン（１４）と、回転軸が前記タービンの回転軸（１５）に連結されて前記タービンにより回転駆動されて発電を行なう発電機（２２）と、前記ＥＧＲガスの前記エンジンからの排気圧力（Ｐｅ）を検出する排気圧力検出センサ（１８）と、前記ＥＧＲガスの前記エンジンへの吸気圧力（Ｐｉ）を検出する吸気圧力検出センサ（２０）と、前記排気圧力検出センサが検出した前記排気圧力と前記吸気圧力検出センサが検出した前記吸気圧力とに基づいて前記発電機の作動を制御するコントローラ（２４）とを備えたＥＧＲガスを利用したタービン発電装置において、
前記コントローラは、前記排気圧力検出センサが検出した前記排気圧力と前記吸気圧力検出センサが検出した前記吸気圧力との差圧（ΔＰ）を検出し、前記差圧が所定圧力（Ｐｏ）を超える場合には前記発電機に発電させると共に、前記差圧が所定圧力（Ｐｏ）以下の場合には前記発電機を電動モータとして作動させて前記タービンをＥＧＲ圧縮機として利用し、前記ＥＧＲガス路は、前記差圧を制御するためのＥＧＲガス流量調節弁を備えていないことを特徴とするＥＧＲガスを利用したタービン発電装置。