JP5053392B2 - 補助発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、補助発電装置、補助発電装置を備える車両、及び、レシプロエンジンがスイッチを切られている間、補助電力負荷に電力を供給するための方法に関する。また、本発明は、レシプロエンジンからの排出物を削減する方法を提供する。

主レシプロエンジンがスイッチを切られている間、補助電力負荷に電力を供給するために電力が必要とされる状況が生じ得る。そのような補助電力負荷には、車両の照明、暖房またはラジオ機能が含まれ得る。例えば、冷凍ユニットで食糧を運び、長距離移動する冷凍運搬車の運転手は、一時的に停車して休憩をとるかもしれない。運転手が運転室に残る場合、彼は暖房や、照明またはラジオを必要とするかもしれない。運搬車が止まっている間、冷凍ユニットは機能を継続する必要があり、そうしなければ、食糧が台無しになってしまう。

そのような低レベルの補助電力負荷に電力を供給するために車両バッテリーを使用することが知られている。バッテリーの充電は、残り少なくなると、運搬車が再始動されることで車両の交流電流によって再充電される。しかしながら、この方法の欠点は、バッテリーが、車両を再始動できないような定常運転に弱いことである。更に、バッテリーは、補助の負荷に電力を供給するための限られた電圧のみを提供することができる。これは、１つ以上の負荷が同時に必要とされた場合に不都合となり得る。このような状況では、運転手は補助の負荷に電力を供給するために、走っている車両の主エンジンを保持することを選択するかもしれない。

他の例として、コンサートや展示会などの固定された会場で、全出力が必要とされていない間、補助電力負荷に電力供給することが望ましい。例えば、主レシプロエンジンは、ほとんど又はすべての照明及びオーディオ機器が使用され、高い負荷が必要とされる夜間に、コンサート会場に電力を供給することができるが、コンサート前の昼の間のレシプロエンジンの運転は、わずかな照明、マイクロホン及びアンプだけが同時に必要であり、その必要とされる負荷は比較的低いため、電力の浪費かもしれない。

従って、本発明の効果は、代替装置、及び、レシプロエンジンがスイッチを切られている間、補助電力負荷に電力を供給するために使用する電力供給の方法、を提供することである。

本発明は、独立請求項に主張した通りである。好ましい、または、任意の特徴は、従属請求項に明記する。

本発明の第１の態様によれば、レシプロエンジンがスイッチを切られている間、補助電力負荷に電力を供給するための補助発電装置が提供される。補助発電装置は、レシプロエンジンの排気導管中に処理のために配置された燃焼器と、燃焼器に圧縮空気を供給するための燃焼器の入口と流体連結して配置されたコンプレッサーと、燃焼器からの燃焼生成物を電気エネルギーに変換するために配置されたタービン発電機と、補助電力負荷への電気エネルギーの供給を制御するための制御装置とを備える。

車両に用いる場合の本装置の利点は、車両バッテリー単独で使用するのに比べ、運転中のバッテリー切れのリスクなしで、より長い間、補助電力を提供することができることである。本装置が固定された発電装置に用いられる場合には、レシプロエンジンが運転されている場合より低い電力負荷で、より効率的に電力が生成され得る。

燃焼器は、液化石油ガス（ＬＰＧ）のような比較的きれいな燃料を供給されても良い。それは、レシプロエンジンを運転させ続けることにおいて、環境保全上の利点を有する。一般的に、ＬＰＧは、ガソリンやディーゼル燃料よりも安価であるため、車両／固定された発電装置の使用者は、燃料コストを抑制するために補助発電装置を運転することができる。補助電力装置によって生成される騒音や振動は、主レシプロエンジンを運転させることによって生成されるものよりも少ない。そして、補助電力装置は、エンジンの使用を減らすことができるため、エンジンの寿命を延ばす。

燃焼器は、炭化水素ベースの選択的触媒燃焼器であっても良い。そのようなものとして、触媒コンバーターの酸化段階触媒を置換しても良い。燃焼器は、第１酸化段階と第２還元段階とを備えても良い。

コンプレッサーは、電動コンプレッサーであっても良い。

本装置は、車両上に取り付けられても良い。本装置が取り付けられた車両は、エンジンと燃焼器との間のエンジン排気導管に配置されたターボチャージャーを更に備えても良い。

本発明の第２の態様によれば、レシプロエンジンが排気導管を有し、燃焼器が排気導管に配置され、コンプレッサーが燃焼器に圧縮空気を供給するための燃焼器の入口と流体連結して配置され、タービン発電機が燃焼器からの燃焼ガスによって駆動するよう配置される、レシプロエンジンがスイッチを切られている間、補助電力負荷に電力を供給する方法を提供する。本方法は、コンプレッサーに圧縮空気を含み、燃焼器の入口に圧縮空気を導入し、燃焼を起こすために圧縮空気と燃料を混合し、電力生成用のタービン発電機を駆動するために燃焼ガスを使用し、且つ、補助電力負荷に電力の少なくとも一部を供給する。

本装置は、レシプロエンジンが運転されている間、タービン発電機の出力を増加するよう作動されてもよいことが見出されている。

従って、本発明の更なる態様によれば、エンジンが排気導管を有し、燃焼器が排気導管に配置され、燃焼器が排気導管において排気ガスと流体連結する入口を有する、レシプロエンジンを作動する方法を提供する。本方法は、燃焼器の入口に排気ガスを導入し、燃焼を起こすために燃料とガスを混合し、且つ、大気中に燃焼したガスを排出することを含む。

この形式で作動された本装置は、レシプロエンジンが運転されている間、タービン発電機の出力を増加しても良い。

本方法は、エンジンの排出性能を改善へ導くことができるという特別な利点を有する。例えば、排気ガス中の過剰な空気は、ディーゼルエンジンからの排気ガスのＮＯｘ削減のために使用される触媒コンバーターを錆させることが知られている。本発明の本態様の方法において、排気ガス中の過剰の酸素は、燃焼器での燃焼反応に使用され、燃焼器に残存するガス中の酸素量を減少させる。これは、触媒コンバーターを錆させるエンジン排気ガス中の過剰な空気なしで、ＮＯｘ削減のための燃焼器の排出下流部でのスリーウェイ触媒コンバーターの使用を許容する。

更に、レシプロエンジンがディーゼルエンジンである場合、排気ガス中の粒子状物質は、燃焼過程で燃え落ちて、少なくとも一定量が削減される。これは、燃焼器の排気導管下流に配置されても良いディーゼル粒子フィルタに入る粒子状物質の量を削減することができる。

更に、エンジンは、エンジンの空気取り入れ口と排気導管との間に配置された排気ガス再循環システムを備えても良い。本方法は、排気導管中のガスの一部が、排気ガス再循環システムを介してエンジンの空気取り入れ口に戻って再循環され、且つ、排気導管中のガスの一部が、燃焼器を通って流れることを許容する工程を含んでも良い。燃焼器を通って流れることができるガスの一部は、実質的に５０％である。

更に、エンジンは、空気取り入れ口と、空気取り入れ口の空気導管に配置されるコンプレッサーを含むターボチャージャーとを備えても良い。本方法は、それが空気取り入れ口に入る前に、コンプレッサーでエンジン空気を圧縮する工程を更に備える。

燃焼器は、炭化水素ベースの選択的触媒燃焼器であっても良い。そのようなものとして、触媒コンバーターに酸化段階触媒を置換しても良い。

本発明の典型的な実施形態は、添付の図を参照して、以下の非限定的な記述によって、より詳細に説明される。

本発明に係る補助発電装置の一実施形態を示す概略図である。 図１の補助発電装置を含む車両の概略図である。

図１に、補助発電装置１を装着されたレシプロエンジンの実施形態の概略図を示す。レシプロエンジン２０は、共通軸５５にそれぞれ取り付けられたコンプレッサー５０及びタービン６０を備えたターボチャージャーを含む。タービン６０は、タービン入口７０とレシプロエンジン２０のエンジン排気ガス出口４０との間に延在する排気導管６２と流体連結された入口７０を含む。コンプレッサー５０は、その低圧力側に入口８０を備える。入口８０は、空気供給部８５に連結される。コンプレッサーは、空気取入導管の一端と連結される高圧力側に出口９０をも有する。空気取入導管の他端は、エンジン２０の空気取り入れ口３０に連結される。タービン６０は、タービン排気導管１１０と流体連結された出口６５を有する。

排気ガス再循環（ＥＧＲ）導管３５は、ターボチャージャーの空気取入導管と排気導管との間に延在している。ＥＧＲ導管は、空気取入導管と排出導管との間を流体連結するために開放でき、または、それを防止するために閉鎖できるバルブ３７を含む。従って、バルブが開放された場合、排気導管はＥＧＲ導管３５を介して空気取入導管と流体連結される。ＥＧＲ装置は、当技術分野では周知であり、低エンジン負荷でエンジンのＮＯｘ排気を削減するために使用される。通常の使用では、レシプロエンジンのスイッチが入っている場合、ＥＧＲは、エンジン排気導管中の排気ガスを、エンジンを通してガスを再利用するためのエンジン空気取り入れ口３０に戻すために使用することができる。

補助発電装置１は、燃焼器１５０、第２コンプレッサー２１０、タービン発電機１２０、及び制御装置２００を備える。制御装置ユニット２００は、ＤＣバス２４０を介して１つ以上の補助負荷１６０に必要な電力を分配する。補助負荷は、その装置の用途によっては、暖房、照明、オーディオ機器または冷凍ユニット等を含んでも良い。補助負荷は、電動発電機、コンデンサーであっても良く、あるいは、電力は任意の適当な電力受信側に電力を供給するために使用するレシプロエンジンの軸動力に加えられても良い。

一実施形態において、燃焼器１５０は、ガスタービンエンジンとして知られている触媒還元段階燃焼器である。一実施形態において、燃焼器は、第１酸化段階と第２還元段階とを備える。燃焼器１５０は、タービン排気導管１１０と流体連結される入口１４０を含む。燃料供給部１３０は、燃料供給ライン１２５を介して燃焼器１５０に連結され、燃焼器１５０の燃料入口１２７と連結される。第２コンプレッサー２１０は、第２コンプレッサーから流れる圧縮空気を燃焼器１５０に流体連結するように、導管２３５を介して燃焼器１５０の空気入口に連結される。バルブ２３７は、導管２３５に存在し、エンジンの作動に応じて導管を開放または閉鎖するよう選択することができる。特に、バルブ２３７は、導管を通じて逆流して、コンプレッサー２１０に入る排気導管中の排気空気を抑制するために、レシプロエンジン２０が運転されている間、導管２３５を閉鎖して使用されても良い。

第２空気供給ライン２２０は、コンプレッサー２１０の入口２２５に空気供給を提供する。コンプレッサー２１０は、第２動力装置２３０によって駆動される。動力装置２３０は、制御装置２００が電力を動力装置２３０に供給できるよう制御装置２００に連結される。

燃焼器排気導管１６５は、燃焼器１５０の出口に提供される。タービン発電機１２０は、燃焼器１５０のエネルギー出力から電力を生成する手段を提供するために燃焼器排気導管１６５に配置される。タービン発電機は、使用時に、燃焼器１５０からの廃棄ガスによって駆動されるタービン（図示せず）を含む。タービンは、タービン軸回転を電力に変換する交流発電機（図示せず）を駆動する。タービン発電機１２０によって出力された電力は、補助負荷（単数／複数）１６０のために必要な電力に従って制御装置ユニット２００によって制御される。タービン発電機排気導管１３５は、排気ガスの処理のためにタービン発電機の出口に提供される。

図１の装置を使用する補助電力負荷に電力を供給する方法を以下に説明する。レシプロエンジン２０は、スイッチが切られている。動力装置２３０はコンプレッサー２１０に電力を供給するために始動する。導管２３５中のバルブ２３７は、燃焼器１５０にコンプレッサー２１０からの空気の流れを可能にするために開放される。コンプレッサー２１０は回転して、空気供給ライン２２０から空気を引きこむ。空気は、コンプレッサー２１０で圧縮され、コンプレッサーを出て、燃焼器１５０の導管２３５と空気取入ライン２１５に入る。そこで、燃焼を起こすために燃料供給ライン１２５からの燃料と混合される。燃焼器１５０で生じたガスは、電力の生成用のタービン発電機１２０のタービンを駆動するために使用される。その後、生成された電力は、制御装置２００によって、１つ以上の補助負荷１６０に分配される。タービン発電機からの廃棄ガスは、タービン発電機排気導管１３５に排気され、大気中に排出される。

燃焼器１５０に供給される燃料は、レシプロエンジンに使用される燃料と異なる燃料であることが好ましく、一実施形態において、液体石油ガス（ＬＰＧ）または任意の適当な可燃燃料であって良い。

更なる実施形態においては、補助発電装置１は、エンジン２０が運転されている間、エンジン排気の削減を補助するために使用される。レシプロエンジン２０の使用の間、エンジンは排気導管６２に排気する。ＥＧＲ導管３５中のバルブ３７は、排気導管６２で排気ガスの一部がタービン６０の入口７０に流れるよう十分に開放され得る。該一部は、排気導管中の排気ガスの実質的に５０％であるが、他の割合も想定されても良い。排気導管６２の残りの排気ガスは、エンジン２０を通して再利用するため、ＥＧＲ導管３５を通って転換される。タービン６０に入った排気ガスの一部は、タービン中に展開され、燃焼器１５０のための流入空気として使用される。流入空気は、燃焼のための十分な酸素を提供するために必要であれば、コンプレッサー２１０から圧縮された気流によって供給されても良い。一方、バルブ２３７は、導管２３５を通って逆流する排気を防止するために閉鎖され得る。

前述の実施形態において、燃焼器は、炭化水素をベースとした選択的触媒還元段階燃焼器である。一実施形態において、レシプロエンジン２０がディーゼルエンジンであることを想定している。この場合、燃焼器１５０内部での排気ガスの燃焼は、排気ガス中の過剰の酸素を使い果たす。これは、言い換えると、排気ガスのＮＯｘ削減のために、燃焼器１５０の下流で、ディーゼルエンジンのスリーウェイ触媒コンバーター１７０の使用を可能にする。

更に、燃焼器１５０中でのディーゼル排気ガスの燃焼は、ガス中の粒子状物質を燃え落とすかもしれない。従って、排気ガス中の粒子状物質は削減される。粒子フィルタ１８０は、排出される粒子を更に削減するために、燃焼器の排気導管下流に取り付けられても良い。

一実施形態において、燃焼器１５０は、酸化段階と還元段階とを有する２つの段階燃焼器である。そのような燃焼器の使用は、燃焼器が事実上の酸化段階となるということで、排気ガス中の一酸化炭素を削減するための酸化触媒の必要性を排除するかもしれない。

従って、補助発電装置に取り付けられたエンジンの作動は、多くの方法でエンジン排気を改善することができる。

補助発電装置１は、図２に概略図で示すように車両レシプロエンジン上に取り付けることができる。または、固定された会場で電力を供給するための固定された発電装置に使用することができる。

記載されている実施形態は、添付の請求項で定義した本発明の範囲から逸脱することなく、様々に変更されても良い。

Claims (16)

1. レシプロエンジンがスイッチを切られている間、補助電力負荷に電力を供給するための補助発電装置であって、
   前記レシプロエンジンの排気導管中に処理のために配置された燃焼器と、
   前記燃焼器に圧縮空気を供給するための燃焼器の入口と流体連結して配置されたコンプレッサーと、
   前記燃焼器からの燃焼生成物を電気エネルギーに変換するために配置されたタービン発電機と、
   前記補助電力負荷への電気エネルギーの供給を制御するための制御装置と、
   を備える補助発電装置。
2. 前記燃焼器が、触媒による還元段階燃焼器である請求項１に記載の装置。
3. 前記燃焼器が、第１酸化段階及び第２還元段階を備える請求項１に記載の装置。
4. 前記燃焼器の燃料が、前記レシプロエンジンで使用される燃料と異なる請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記コンプレッサーが、電動コンプレッサーである請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置を備える車両。
7. 前記エンジンと前記燃焼器との間の前記エンジン排気導管に配置されたターボチャージャーを更に備える請求項６に記載の車両。
8. レシプロエンジンが排気導管を有し、燃焼器が前記排気導管に配置され、コンプレッサーが前記燃焼器に圧縮空気を供給するために燃焼器の入口と流体連結して配置され、タービン発電機が前記燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるよう配置される、前記レシプロエンジンがスイッチを切られている間、補助電力負荷に電力を供給する方法であって、
   前記コンプレッサーに圧縮空気を含み、前記燃焼器の入口に前記圧縮空気を導入し、燃焼を起こすために前記圧縮空気と燃料を混合し、前記電力生成用の前記タービン発電機を駆動するための前記燃焼ガスを使用し、且つ、前記補助電力負荷に前記電力の少なくとも一部を供給する方法。
9. エンジンが排気導管を有し、燃焼器が前記排気導管に配置され、前記燃焼器が前記排気導管に排気ガスを流体連結する入口を有する、レシプロエンジンを作動する方法であって、前記燃焼器の入口に前記排気ガスを導入し、燃焼を起こすために前記ガスと燃料を混合し、且つ、大気中に前記燃焼したガスを排出することを備える方法。
10. 前記大気中に前記燃焼したガスを排出する工程の前に、触媒コンバーター及び／又は粒子フィルタに前記排気ガスを通過させる工程を更に含む請求項９に記載の方法。
11. 前記レシプロエンジンが、前記エンジンの空気取り入れ口と排気導管との間に配置された排気ガス再循環システムを更に備え、前記排気導管中の前記ガスの一部が、前記排気ガス再循環システムを介して前記エンジンの空気取り入れ口に再循環されて戻り、且つ、前記排気導管中の前記ガスの一部が、前記燃焼器を通って流れる、請求項９又は請求項１０に記載の方法。
12. 前記燃焼器を通って流れる前記ガスの一部が、前記排気導管中の前記排気ガスの実質的に５０％を含む請求項１１に記載の方法。
13. 前記エンジンが、空気取り入れ口と、前記空気取り入れ口の空気導管に配置されるコンプレッサーを含むターボチャージャーとを更に備え、エンジン空気が前記空気取り入れ口に入る前に、前記コンプレッサーでエンジン空気を圧縮する工程を更に備える請求項９又は請求項１０又は請求項１１又は請求項１２に記載の方法。
14. 前記燃焼器が、触媒による還元段階燃焼器である請求項８又は請求項９に記載の方法。
15. 前記燃焼器が、第１酸化段階及び第２還元段階を備える請求項１４に記載の方法。
16. 前記レシプロエンジンに使用する燃料とは異なる燃料を前記燃焼器に供給することを含む請求項８〜１５のいずれか１項に記載の方法。

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