JP6601445B2 - 排気タービン発電システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関からの排気ガスを用いて発電を行う排気タービン発電システムに関する。

特許文献１は、内燃機関の排気エネルギーによって発電を行う排気タービン発電システムを開示している。その排気タービン発電システムでは、排気ガス流路が２系統に分離されている。第１の排気ガス流路は、ブローダウン流れによる排気ガスを、排気タービン発電機のタービン部に供給する。タービン部より上流側の第１の排気ガス流路には、排気エネルギーを蓄える排気レシーバが設けられている。第２の排気ガス流路は、スカベンジング流れによる排気ガスを、排気レシーバ及びタービン部をバイパスさせて流す。

特許文献２は、過給機付き内燃機関を開示している。その内燃機関は、過給機のタービンに通じる第１排気通路と、タービンを通らない第２排気通路と、排気通路から吸気通路に向かうＥＧＲ通路とを備える。ＥＧＲ通路は、タービン上流の第１排気通路に接続された第１ＥＧＲ通路と、第２排気通路に接続された第２ＥＧＲ通路とを含む。

特開２０１５−２１４４８号公報 特開２０１０−２４９７２号公報

排気タービン発電システムにおいてタービン仕事を増やすためには、タービンの膨張比を高めることが重要である。そのためには、タービン入口のガス圧力を高めることが必要である。しかしながら、上記の特許文献２に開示されている構成では、タービン上流の第１排気通路に第１ＥＧＲ通路が接続されている。その場合、第１ＥＧＲ通路を通して排気ガスの一部が吸気側に戻る上、第１ＥＧＲ通路の存在によりタービン上流の容積が増大する。そのため、第１排気通路における排気ガスの圧力が上昇しにくい、すなわち、タービン入口のガス圧力が上昇しにくい。その結果、タービン仕事が減少してしまう。

本発明の１つの目的は、２系統の排気経路を有する排気タービン発電システムにおけるタービン仕事を向上させることができる技術を提供することにある。

第１の発明は、排気タービン発電システムを提供する。
排気タービン発電システムは、
各気筒が吸気開口部、第１排気開口部及び第２排気開口部を有する内燃機関と、
内燃機関からの排気ガスでタービンを回転させることにより発電を行う排気タービン発電機と、
吸気開口部につながる吸気管と、
第１排気開口部とタービンの入口部との間を接続する第１排気管と、
タービンを介さずに、第２排気開口部とタービンの下流のタービン下流排気管との間を接続する第２排気管と、
第１排気管に接続されることなく、第２排気管と吸気管との間を接続するＥＧＲ配管と
を備える。

第２の発明は、第１の発明において、更に次の特徴を有する。
第２排気管の径は、第１排気管の径より大きい。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、更に次の特徴を有する。
内燃機関の複数の気筒のそれぞれにつながる複数の第２排気管は、合流点において合流する。
ＥＧＲ配管は、合流点よりも上流において複数の第２排気管のいずれかに接続されている。

第１の発明に係る排気タービン発電システムでは、排気経路が２系統に分けられている。第１排気管は、排気ガスを排気タービン発電機のタービンに導くために用いられる。一方、第２排気管は、排気ガスをタービンを通さずに排出するために用いられる。そして、ＥＧＲ配管は、第１排気管に接続されることなく、第２排気管と吸気管との間を接続している。従って、第１排気管中の排気ガスの一部がＥＧＲガスとして取り出されることはなく、タービンに入力される排気ガス量は減少しない。また、タービンの上流の容積の増大も発生しない。そのため、タービン入口部のガス圧力が上昇しやすくなり、また、当該ガス圧力の上昇幅も大きくなる。すなわち、排気ガスのエネルギーを有効にタービンに導き、タービン入力仕事を増加させることが可能となる。その結果、タービンの膨張比が高まり、排気タービン発電システムにおけるタービン仕事が向上する。

第２の発明に係る排気タービン発電システムでは、第２排気管の径は、第１排気管の径より大きい。第１排気管の径を小さくすることにより、第１排気管の容積を小さくして、タービン仕事を更に増加させることが可能となる。一方、タービンを通らない第２排気管の径が大きくなることにより、管路圧損が小さくなり、気筒から排気ガスを押し出すのに必要な力が小さくなる。その結果、ポンピングロスが低減される。すなわち、タービン仕事の増加とポンピングロスの低減の両立が可能となる。

第３の発明に係る排気タービン発電システムでは、ＥＧＲ配管は、複数の第２排気管の合流点よりも上流においていずれかの第２排気管に接続されている。合流点よりも上流にＥＧＲ配管をつなぐことにより、ＥＧＲ配管を短くすることができる。そして、ＥＧＲ配管が短くなることにより、圧損が減少し、所望量のＥＧＲガスを適切に吸気管に導入することが可能となる。すなわち、ＥＧＲ特性が向上する。

本発明の第１の実施の形態に係る排気タービン発電システムの構成例を示す概略図である。 本発明の第１の実施の形態に係る排気タービン発電システムにおける弁制御を示すグラフ図である。 一般的な排気圧力の変化を説明するためのグラフ図である。 タービン入力仕事の排気容積に対する依存性を示すグラフ図である。 本発明の第２の実施の形態に係る排気タービン発電システムの特徴を説明するための概略図である。 本発明の第３の実施の形態に係る排気タービン発電システムの構成例を示す概略図である。

添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

１．第１の実施の形態
１−１．基本構成
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る排気タービン発電システム１の構成例を示す概略図である。排気タービン発電システム１は、主な構成として、内燃機関１０（エンジン）、排気タービン発電機５０、電気装置７０、及び制御装置１００を備えている。

内燃機関１０は、燃焼が行われる気筒１１（燃焼室）を有している。図１には代表として１つの気筒１１だけが示されているが、気筒１１の数は任意である。気筒１１内には、ピストン（図示されない）が上下往復運動可能なように設けられている。ピストンが上下往復運動することにより、吸気及び排気が行われる。

吸気管２０（吸気ポート）は、気筒１１に吸気ガスを供給するために設けられている。吸気管２０の気筒１１に対する開口部は、吸気開口部２１である。つまり、吸気管２０は、吸気開口部２１において気筒１１につながっている。その吸気開口部２１には、吸気弁（図示されない）が開閉可能に設けられている。吸気弁の開閉を制御することにより、気筒１１への吸気ガスの供給が制御される。また、吸気管２０の途中には、吸気量を調節するためのスロットルバルブ２５が配置されている。

排気管３０（排気ポート）は、気筒１１から排気ガスを排出するために設けられている。排気管３０の気筒１１に対する開口部は、排気開口部３１である。つまり、排気管３０は、排気開口部３１において気筒１１につながっている。その排気開口部３１には、排気弁（図示されない）が開閉可能に設けられている。排気弁の開閉を制御することにより、気筒１１からの排気ガスの排出が制御される。

ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）配管４０は、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気側に戻すために設けられている。そのために、ＥＧＲ配管４０は、排気管３０と吸気管２０との間を接続するように配置されている。ＥＧＲ配管４０と吸気管２０との接続点は、ＥＧＲ接続点２４である。このＥＧＲ接続点２４は、スロットルバルブ２５よりも下流に位置している。一方、ＥＧＲ配管４０と排気管３０との接続点は、ＥＧＲ接続点３４である。このＥＧＲ接続点３４の詳細については、後述される。また、ＥＧＲ配管４０の途中には、ＥＧＲガスの量を調節するためのＥＧＲバルブ４５が配置されている。

排気タービン発電機５０は、一部の排気管３０とつながっており、内燃機関１０からの排気ガスを用いて発電を行う。より詳細には、排気タービン発電機５０は、タービン５１と、タービン５１の出力軸に接続された発電機５２とを有している。タービン５１のガス入口とガス出口は、それぞれ、タービン入口部５１Ｉとタービン出口部５１Ｅである。内燃機関１０からの排気ガスはタービン入口部５１Ｉを通してタービン５１に供給され、それによりタービン５１が回転する。そして、タービン５１が回転することにより、発電機５２が駆動され、発電を行う。このように、排気タービン発電機５０は、内燃機関１０からの排気エネルギーを電気エネルギーに変換する。

タービン５１のタービン出口部５１Ｅは、タービン下流排気管６０に接続されている。タービン５１を通った排気ガスは、タービン出口部５１Ｅからタービン下流排気管６０に流れる。タービン下流排気管６０の途中には、排気ガス浄化用の触媒８０が配置されている。

電気装置７０は、排気タービン発電機５０によって生成された電力を使用する。より詳細には、電気装置７０は、インバータ７１、スイッチ７２、バッテリ７３、及び電気負荷７４を含んでいる。排気タービン発電機５０によって生成された電力は、インバータ７１によって変換され、バッテリ７３あるいは電気負荷７４に供給される。バッテリ７３への供給と電気負荷７４への供給は、スイッチ７２によって切り替え可能である。また、スイッチ７２を切り替えることによって、バッテリ７３から放電される電力を電気負荷７４に供給することも可能である。例えばハイブリッド車の場合、電気負荷７４は、車両駆動用モータを含む。

制御装置１００は、内燃機関１０及び電気装置７０の運転を制御する。典型的には、制御装置１００は、プロセッサ、記憶装置、及び入出力インタフェースを備えるマイクロコンピュータである。制御装置１００は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）とも呼ばれる。制御装置１００は、スロットルバルブ２５の開度、ＥＧＲバルブ４５の開度、吸気弁及び排気弁の開閉タイミング、燃料噴射等を制御することにより、内燃機関１０の運転を制御する。また、制御装置１００は、インバータ７１及びスイッチ７２を制御することにより、バッテリ７３の充放電及び電気負荷７４への電力供給を制御する。

１−２．２系統の排気経路
本実施の形態では、排気経路は２系統に分離されている。より詳細には、図１に示されるように、排気管３０は、第１排気管３０Ａ（主排気管）と第２排気管３０Ｂ（副排気管）とに分けられている。第１排気管３０Ａは、第１排気開口部３１Ａにおいて気筒１１につながっている。一方、第２排気管３０Ｂは、第２排気開口部３１Ｂにおいて気筒１１につながっている。つまり、気筒１１は、第１排気開口部３１Ａと第２排気開口部３１Ｂを有している。

第１排気管３０Ａは、排気ガスを排気タービン発電機５０のタービン５１に導くために用いられる。そのために、第１排気管３０Ａは、第１排気開口部３１Ａとタービン入口部５１Ｉとの間を接続するように配置されている。

一方、第２排気管３０Ｂは、排気ガスをタービン５１を通さずに排出するために用いられる。そのために、第２排気管３０Ｂは、タービン５１を介さずに、第２排気開口部３１Ｂとタービン下流排気管６０との間を接続するように配置されている。つまり、第２排気管３０Ｂは、タービン５１を通らないバイパス排気経路を構成している。図１に示されるように、第２排気管３０Ｂは、バイパス接続点６１においてタービン下流排気管６０につながっている。そのバイパス接続点６１は、タービン５１よりも下流で、且つ、触媒８０よりも上流に位置している。

図２は、本実施の形態における弁制御を示すグラフ図である。横軸はクランク角を表し、縦軸は各弁のリフト量を表している。説明のため、第１排気開口部３１Ａに設けられた排気弁を「第１排気弁」と呼び、第２排気開口部３１Ｂに設けられた排気弁を「第２排気弁」と呼ぶ。

第１排気弁は、通常のタイミングで開閉する、つまり、排気下死点付近で開き、排気上死点付近で閉じる。第１排気弁が開く前、内燃機関１０の燃焼・膨張行程において、気筒１１内の温度及び圧力は高まっている。よって、第１排気弁が開いた直後、高温高圧の排気ガスが音速に近い高速度で排出される。このような排気行程初期の排気流れは、「ブローダウン流れ」と呼ばれる。高温高圧のブローダウン流れが、第１排気管３０Ａを通してタービン５１に導かれるため、タービン５１の駆動効率が高くなる。

第２排気弁の開閉タイミングは、第１排気弁の開閉タイミングのそれぞれよりも後である。具体的には、第２排気弁は、第１排気弁によるブローダウンが終了する付近で開き、排気上死点付近で閉じる。尚、第２排気弁の最大リフト量は、第１排気弁の最大リフト量よりも小さい。

１−３．タービン仕事の向上
図３は、一般的な排気圧力の変化を説明するためのグラフ図である。横軸はクランク角を表し、縦軸は圧力あるいは排気弁のリフト量を表している。排気弁がリフトした直後、弁リフト量は少なく、ガスが流出する開口面積は小さい。また、ガス流れは音速で律速される。よって、排気弁がリフトした直後、排気管に流れ込む排気ガス量は限られる。その後、弁リフト量が増加するにつれ、排気ガスは徐々に流出していく。従って、図３に示されるように、排気行程初期の段階では、排気圧力はゆっくりと上昇することになる。排気圧力がゆっくりと上昇するという傾向は、排気管の容積が大きくなるにつれて、更に顕著になる。

図１で示された本実施の形態の構成について同じことを考える。図３中の排気弁のリフト量は、本実施の形態における第１排気開口部３１Ａ側の第１排気弁のリフト量（図２参照）に相当する。第１排気弁がリフトした直後、第１排気管３０Ａに流れ込む排気ガス量は限られる。このとき、第１排気管３０Ａの容積が大きいと、第１排気管３０Ａにおける排気圧力はゆっくり上昇することになる。その場合、タービン５１のタービン入口部５１Ｉのガス圧力もゆっくり上昇することになる。

排気タービン発電システム１においてタービン仕事を増やすためには、タービン５１の膨張比を高めることが重要である。そのためには、タービン５１のタービン入口部５１Ｉのガス圧力を高めることが必要である。しかしながら、上述の通り、第１排気管３０Ａの容積が大きい場合、排気行程初期において排気圧力が上昇しにくくなり、タービン入口部５１Ｉのガス圧力も上昇しにくくなる。

図４は、タービン入力仕事の排気容積に対する依存性を示すグラフ図である。横軸は排気容積／１気筒容積を表しており、縦軸はタービン入力仕事を表している。ここで、排気容積とは、第１排気管３０Ａの容積であり、第１排気開口部３１Ａからタービン入口部５１Ｉまでの容積である。１気筒容積は、１つの気筒１１の容積である。図４から、排気容積が大きくなるにつれ、タービン入力仕事が減少することが分かる。

以上に説明したように、排気ガスのエネルギーを有効にタービン５１に導き、タービン仕事を増加させるためには、第１排気管３０Ａの容積をできるだけ小さくすることが好ましい。本実施の形態に係る排気タービン発電システム１は、この観点に基づいて設計されている。

再度図１を参照して、本実施の形態によれば、ＥＧＲ配管４０は、第１排気管３０Ａには接続されず、第２排気管３０Ｂと吸気管２０との間を接続している。より詳細には、ＥＧＲ配管４０は、第２排気管３０Ｂ上のＥＧＲ接続点３４と吸気管２０上のＥＧＲ接続点２４との間を接続している。タービン５１の上流の第１排気管３０Ａには、いかなるＥＧＲ配管もつながっていない。すなわち、タービン５１の上流の第１排気管３０Ａから排気ガスの一部がＥＧＲガスとして取り出されることはない。

比較例として、ＥＧＲ配管４０がタービン５１の上流の第１排気管３０Ａにつながっている場合を考える。この比較例の場合、第１排気管３０Ａ中の排気ガスの一部が、ＥＧＲガスとして取り出され、ＥＧＲ配管４０を通して吸気側に戻ってしまう。つまり、タービン５１に入力される排気ガス量が減少してしまう。また、ＥＧＲ配管４０が第１排気管３０Ａに接続されることは、第１排気管３０Ａの容積が増大することと等価である。これらのことから、排気行程初期において排気圧力が上昇しにくくなり、タービン入口部５１Ｉのガス圧力も上昇しにくくなる。その結果、タービン仕事が減少してしまう。

一方、本実施の形態によれば、タービン５１の上流の第１排気管３０Ａには、いかなるＥＧＲ配管もつながっていない。従って、第１排気管３０Ａ中の排気ガスの一部がＥＧＲガスとして取り出されることはなく、タービン５１に入力される排気ガス量は減少しない。また、タービン５１の上流の容積の増大も発生しない。そのため、タービン入口部５１Ｉのガス圧力が上昇しやすくなり、また、当該ガス圧力の上昇幅も大きくなる。すなわち、排気ガス（特に、排気行程初期のブローダウン流れ）のエネルギーを有効にタービン５１に導き、タービン入力仕事を増加させることが可能となる（図４参照）。その結果、タービン５１の膨張比が高まり、排気タービン発電システム１におけるタービン仕事が向上する。

２．第２の実施の形態
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る排気タービン発電システム１の特徴を説明するための概略図である。図５において、電気装置７０や制御装置１００の図示は省略されている。また、上記の第１の実施の形態と重複する説明は適宜省略する。

本実施の形態によれば、第２排気管３０Ｂの径（流路断面積）は、第１排気管３０Ａの径より大きい。タービン５１側の第１排気管３０Ａの径を小さくすることにより、第１排気管３０Ａの容積を小さくして、タービン仕事を更に増加させることが可能となる。一方、タービン５１を通らない第２排気管３０Ｂの径が大きくなることにより、管路圧損が小さくなり、気筒１１から排気ガスを押し出すのに必要な力が小さくなる。その結果、ポンピングロスが低減される。すなわち、本実施の形態によれば、タービン仕事の増加とポンピングロスの低減の両立が可能となる。

３．第３の実施の形態
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る排気タービン発電システム１の構成例を示す概略図である。図６において、電気装置７０や制御装置１００の図示は省略されている。また、既出の実施の形態と重複する説明は適宜省略する。

図６には、複数の気筒１１−ｉ（ｉ＝１〜３）が示されている。各々の気筒１１−ｉの第１排気開口部３１Ａ及び第２排気開口部３１Ｂには、それぞれ、第１排気管３０Ａ−ｉ及び第２排気管３０Ｂ−ｉがつながっている。複数の気筒１１−ｉ（ｉ＝１〜３）のそれぞれから延びる複数の第１排気管３０Ａ−ｉは、合流点３３Ａにおいて合流した後、タービン入口部５１Ｉにつながっている。また、複数の気筒１１−ｉ（ｉ＝１〜３）のそれぞれから延びる複数の第２排気管３０Ｂ−ｉは、合流点３３Ｂにおいて合流した後、タービン下流排気管６０上のバイパス接続点６１につながっている。

本実施の形態によれば、ＥＧＲ配管４０は、合流点３３Ｂよりも上流において複数の第２排気管３０Ｂ−ｉのいずれかに接続される。図６に示される例では、ＥＧＲ配管４０は、合流点３３Ｂよりも上流の第２排気管３０Ｂ−３に接続されている。合流点３３Ｂよりも上流にＥＧＲ配管４０をつなぐことにより、ＥＧＲ配管４０を短くすることができる。そして、ＥＧＲ配管４０が短くなることにより、圧損が減少し、所望量のＥＧＲガスを適切に吸気管２０に導入することが可能となる。すなわち、ＥＧＲ特性が向上する。

４．第４の実施の形態
矛盾しない限りにおいて、上述の第１〜第３の実施の形態のうちいくつかを組み合わせることも可能である。

１ 排気タービン発電システム
１０ 内燃機関
１１、１１−１、１１−２、１１−３ 気筒
２０ 吸気管
２１ 吸気開口部
２４ ＥＧＲ接続点
２５ スロットルバルブ
３０ 排気管
３０Ａ、３０Ａ−１、３０Ａ−２、３０Ａ−３ 第１排気管
３０Ｂ、３０Ｂ−１、３０Ｂ−２、３０Ｂ−３ 第２排気管
３１ 排気開口部
３１Ａ 第１排気開口部
３１Ｂ 第２排気開口部
３３Ａ 合流点
３３Ｂ 合流点
３４ ＥＧＲ接続点
４０ ＥＧＲ配管
４５ ＥＧＲバルブ
５０ 排気タービン発電機
５１ タービン
５１Ｉ タービン入口部
５１Ｅ タービン出口部
５２ 発電機
６０ タービン下流排気管
６１ バイパス接続点
７０ 電気装置
７１ インバータ
７２ スイッチ
７３ バッテリ
７４ 電気負荷
８０ 触媒
１００ 制御装置（ＥＣＵ）

Claims (2)

1. 各気筒が吸気開口部、第１排気開口部及び第２排気開口部を有する内燃機関と、
   前記内燃機関からの排気ガスでタービンを回転させることにより発電を行う排気タービン発電機と、
   前記吸気開口部につながる吸気管と、
   前記第１排気開口部と前記タービンの入口部との間を接続する第１排気管と、
   前記タービンを介さずに、前記第２排気開口部と前記タービンの下流のタービン下流排気管との間を接続する第２排気管と、
   前記第１排気管に接続されることなく、前記第２排気管と前記吸気管との間を接続するＥＧＲ配管と
   を備え、
   排気行程において、前記第１排気開口部に設けられた第１排気弁が開くタイミングは、前記第２排気開口部に設けられた第２排気弁が開くタイミングよりも早く、
   前記第１排気管と前記吸気管との間を接続するＥＧＲ配管は存在しておらず、
   前記第２排気管の径は、前記第１排気管の径より大きい
   排気タービン発電システム。
2. 請求項１に記載の排気タービン発電システムであって、
   前記内燃機関の複数の気筒のそれぞれにつながる複数の第２排気管は、合流点において合流し、
   前記第２排気管と前記吸気管との間を接続する前記ＥＧＲ配管は、前記合流点よりも上流において前記複数の第２排気管のいずれかに接続されている
   排気タービン発電システム。

Images