CN108730001B - 排气透平发电系统及其控制装置 - Google Patents

Abstract

一种排气透平发电系统，具备：内燃机；排气透平发电机，其通过使用来自内燃机的排气气体使透平旋转来进行发电；以及控制装置。控制装置控制排气透平发电机，执行使排气透平发电机进行发电的发电控制，并且在内燃机起动后且满足预定的结束条件之前，控制排气透平发电机，执行使排气透平发电机进行动力运行而使透平旋转的动力运行控制。

Description

排气透平发电系统及其控制装置

技术领域

本发明涉及使用来自内燃机的排气能量进行发电的排气透平发电系统及其控制装置。

背景技术

日本特开2014-020364公开了一种使用排气气体进行发电的内燃机。具体而言，在利用排气气体进行旋转的排气透平的旋转轴连接有发电机。所述内燃机对排气透平的转速进行计测。在计测值超过预先设定的阈值之前，内燃机不使发电机工作。在计测值超过了预先设定的阈值的情况下，内燃机使发电机工作来进行发电。

日本特开2015-021448公开了一种排气气体流路被分离成两个系统的排气透平发电系统。第1排气气体流路将排放(blow down)流动下的排气气体向排气透平发电机的透平部供给。第2排气气体流路使扫除(scavenging)流动下的排气气体绕过透平部地流动。

发明内容

根据日本特开2014-020364公开的技术，当排气透平的转速超过预先设定的阈值时，进行由发电机实现的发电。关于上述那样的发电控制，在内燃机刚起动(也包括再起动)之后，排气透平的转速相对低，因此难以尽快地开始发电。这意味着发电机会的减少，从而不优选。

本发明提供一种能够在使用来自内燃机的排气能量进行发电的排气透平发电系统中增加内燃机的起动后的发电机会的技术。

本发明的第1技术方案的排气透平发电系统具备：内燃机；排气透平发电机，其构成为使用来自内燃机的排气气体使透平旋转来进行发电；以及如下构成的电子控制装置。电子控制装置控制排气透平发电机，执行使排气透平发电机进行发电的发电控制。电子控制装置，在内燃机起动后且满足预定的结束条件之前，控制排气透平发电机，执行使排气透平发电机进行动力运行而使透平旋转的动力运行控制。

在本发明的第1技术方案中，电子控制装置也可以构成为，在内燃机起动后且满足预定的切换开始条件之前，不执行发电控制而是执行动力运行控制。电子控制装置也可以构成为，在内燃机起动后且满足预定的切换开始条件后，并且在满足预定的结束条件之前，执行交替地执行发电控制与动力运行控制的切换控制。

在本发明的第1技术方案中，所述电子控制装置也可以构成为，在执行所述切换控制时，在所述内燃机的排放期间的至少一部分期间执行所述发电控制。所述排放期间是在所述内燃机的排气循环中从所述内燃机的任意的汽缸朝向所述透平产生所述排气气体的排放流动的期间，所述排气循环是时间上连续的两个排气开始定时之间的期间，排气开始定时是从内燃机的任意的汽缸朝向透平开始排出排气气体的定时。

在本发明的第1技术方案中，电子控制装置也可以构成为，根据透平的转速使切换控制中的发电控制与动力运行控制的切换定时变化。

在本发明的第1技术方案中，预定的切换开始条件可以以透平的转速即透平转速达到切换开始转速这一情况为条件。预定的结束条件可以以透平转速达到比切换开始转速大的动力运行结束转速这一情况为条件。

在本发明的第1技术方案中，电子控制装置也可以构成为，在满足预定的结束条件的情况下，不执行动力运行控制而是执行发电控制。

本发明的第2技术方案是一种排气透平发电系统的控制装置。排气透平发电系统包括内燃机和排气透平发电机，所述排气透平发电机构成为使用来自内燃机的排气气体使透平旋转来进行发电，控制装置具备电子控制装置，所述电子控制装置构成为，控制排气透平发电机，执行使排气透平发电机进行发电的发电控制，在内燃机起动后且满足预定的结束条件之前，控制排气透平发电机，执行使排气透平发电机进行动力运行而使透平旋转的动力运行控制。

根据本发明的第1技术方案，电子控制装置，在内燃机起动后且满足预定的结束条件之前，执行排气透平发电机的动力运行控制。由此，排气透平发电机的透平转速更快地上升。即，能够使透平转速更快地上升至可发电转速，能够尽快地开始发电。其结果，内燃机起动后的发电机会以及发电量增加。

根据本发明的第1技术方案，在内燃机起动后且满足预定的切换开始条件之前，电子控制装置不执行发电控制而是仅执行动力运行控制。由此，能够使透平转速高效地上升。并且，在满足了预定的切换开始条件之后，电子控制装置执行交替地执行发电控制与动力运行控制的切换控制。由此，能够既使透平转速上升，也进行发电。即，发电机会以及发电量进一步增加。

根据本发明的第1技术方案，电子控制装置，在执行切换控制时，在产生排放流动的排放期间的至少一部分期间执行发电控制。通过有效地利用高能量的排放流动，从而发电效率提高，发电量也增加。即，在交替地执行发电控制与动力运行控制的切换控制中，能够高效地实现发电量的增加和透平转速的尽快上升这两方。

根据本发明的第1技术方案，电子控制装置根据透平转速使切换控制中的发电控制与动力运行控制的切换定时变化。由此，切换控制更精准，能够进一步提高发电效率。

根据本发明的第1技术方案，电子控制装置能够基于透平转速简单地对切换控制的开始和结束进行判定。

根据本发明的第1技术方案，电子控制装置，在满足了预定的结束条件的情况下，不执行动力运行控制而是执行发电控制。由此，可防止透平转速超过发电上限转速。

根据本发明的第2技术方案，能够得到与本发明的第1技术方案同样的效果。

附图说明

以下将参考附图对本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和产业意义进行说明，在附图中相似的附图标记表示相似的要素，并且其中：

图1是示出本发明的实施方式的排气透平发电系统的构成例的概略图。

图2是示出用于本发明的实施方式的排气透平发电系统中的发电控制以及动力运行控制的电路构成的一例的图。

图3是用于说明本发明的实施方式的排气透平发电系统中的辅助控制的概要的时间图。

图4是示出本发明的实施方式的排气透平发电系统中的辅助控制的一例的时间图。

图5是用于说明本发明的实施方式的排气透平发电系统中的排气循环的时间图。

图6是用于说明本发明的实施方式的排气透平发电系统中的切换控制的一例的时间图。

图7是用于说明本发明的实施方式的排气透平发电系统中的透平回收功与透平转速的关系的概念图。

图8是示出本发明的实施方式的排气透平发电系统中的发电控制与动力运行控制的切换定时的概念图。

图9是示出与本发明的实施方式的排气透平发电系统中的辅助控制相关联的功能块的框图。

图10是用于说明本发明的实施方式的排气透平发电系统中的切换开始转速映射的概念图。

图11是用于说明本发明的实施方式的排气透平发电系统中的动力运行结束转速映射的概念图。

图12是示出本发明的实施方式的排气透平发电系统中的辅助控制的流程图。

图13是示出本发明的实施方式的排气透平发电系统的第1变形例的概略图。

图14是示出本发明的实施方式的排气透平发电系统的第2变形例的概略图。

图15是示出第2变形例中的气门控制的图。

具体实施方式

参照附图，对本发明的实施方式进行说明。

1.排气透平发电系统

1-1.整体构成

图1是示出本发明的实施方式的排气透平发电系统1的构成例的概略图。排气透平发电系统1具备内燃机10(发动机)、排气透平发电机50、电气装置70以及电子控制装置100作为主要的构成。

内燃机10具有进行燃烧的汽缸11(燃烧室)。在图1示出了三个汽缸11-1、11-2、11-3，但汽缸11的数量是任意的。活塞(未图示)以能够上下往复运动的方式设置于汽缸11内。通过活塞进行上下往复运动，从而进行进气和排气。

进气管20(进气口)设置成用于向汽缸11供给进气气体。进气管20的相对于汽缸11的开口部是进气开口部21。也就是说，进气管20在进气开口部21与汽缸11相连。进气门(未图示)以能够开闭的方式设置于所述进气开口部21。通过控制进气门的开闭，从而控制进气气体向汽缸11的供给。在图1所示的例子中，汽缸11-i(i＝1～3)分别与进气管20-i相连。

排气管30(排气口)设置成用于从汽缸11排出排气气体。排气管30的相对于汽缸11的开口部是排气开口部31。也就是说，排气管30在排气开口部31与汽缸11相连。排气门(未图示)以能够开闭的方式设置于所述排气开口部31。通过控制排气门的开闭，控制排气气体从汽缸11的排出。在图1所示的例子中，汽缸11-i(i＝1～3)分别与排气管30-i相连。

排气透平发电机50与排气管30相连，并使用来自内燃机10的排气气体进行发电。更详细而言，排气透平发电机50具有透平51和与透平51的输出轴连接的发电机52。透平51的气体入口和气体出口分别是透平入口部51I和透平出口部51E。来自内燃机10的排气气体通过透平入口部51I被向透平51供给，由此使透平51旋转。通过透平51旋转，从而驱动发电机52来进行发电。如上所述，排气透平发电机50将来自内燃机10的排气能量变换为电能。

透平51的透平出口部51E与透平下游排气管60连接。通过透平51后的排气气体从透平出口部51E流向透平下游排气管60。在透平下游排气管60的中途配置有排气气体净化用的催化剂80。

以绕过透平51而将透平51的上游的排气管30与透平下游排气管60之间直接相连的方式设置有旁通排气管40。为了调节在所述旁通排气管40流动的排气气体流量，在旁通排气管40配置有旁通阀45。

电气装置70使用或储存由排气透平发电机50生成的电力。更详细而言，电气装置70包括变换器71、开关72、蓄电池73以及电气负载74。由排气透平发电机50生成的电力通过变换器71进行变换而向蓄电池73或电气负载74供给。向蓄电池73的供给和向电气负载74的供给能够通过开关72切换。通过切换开关72，也能够将从蓄电池73放出的电力向电气负载74供给。例如，在混合动力车的情况下，电气负载74包括车辆驱动用马达。

电子控制装置100控制内燃机10、排气透平发电机50以及电气装置70的运转。典型的是，电子控制装置100是具备处理器、存储装置以及输入输出接口的微型计算机。电子控制装置100也被称为ECU(Electronic Control Unit：电子控制单元)。在电子控制装置100的存储装置存储有用于执行各种控制的控制程序。通过电子控制装置100的处理器执行控制程序，从而实现各种控制。

更详细而言，在内燃机10、排气透平发电机50以及电气装置70设置有对各装置的运转状态进行检测的传感器组。电子控制装置100从传感器组接收表示各装置的运转状态的检测信息。电子控制装置100基于检测信息来控制节气门、进气门以及排气门的开闭正时、燃料喷射等，由此控制内燃机10的运转。电子控制装置100基于检测信息来控制排气透平发电机50的运转。而且，电子控制装置100基于检测信息来控制变换器71以及开关72，由此控制蓄电池73的充放电以及向电气负载74的电力供给。

在图1所示的例子中，传感器组包括空气流量计91、曲轴角传感器92以及透平转速传感器93。空气流量计91检测向内燃机10供给的空气量Ga，并将检测信息向电子控制装置100发送。曲轴角传感器92检测曲轴角，并将检测信息向电子控制装置100发送。电子控制装置100基于来自曲轴角传感器92的检测信息来算出发动机转速Ne。透平转速传感器93检测透平51的转速即透平转速Nt，并将检测信息向电子控制装置100发送。如后面详细说明，电子控制装置100基于上述的检测信息来控制排气透平发电机50的运转。

1-2.发电控制以及动力运行控制

由本实施方式的电子控制装置100执行的排气透平发电机50的控制包括“发电控制”和“动力运行控制”。发电控制是使排气透平发电机50进行发电的控制。即，在发电控制中，由使用来自内燃机10的排气气体进行旋转的透平51驱动发电机52来进行发电。另一方面，动力运行控制是使排气透平发电机50进行动力运行的控制。即，在动力运行控制中，向发电机52供给电力，使发电机52作为电动机工作，由此使透平51旋转。

图2是示出用于本实施方式的排气透平发电系统1中的发电控制以及动力运行控制的电路构成的一例的图。所述电路构成例如包含于排气透平发电机50。详细而言，节点N1经由第1开关SW1而与高电位侧节点NH连接，并且经由二极管D1接地。节点N2经由二极管D2而与高电位侧节点NH连接，并且经由第2开关SW2接地。发电机52连接于节点N1与节点N2之间。由电子控制装置100控制第1开关SW1以及第2开关SW2接通(ON)/断开(OFF)。

当透平51回收排气能量而透平51旋转时，发电机52的转子旋转，在发电机52的线圈产生感应电动势。发电机52中的感应电动势的方向由图2中的箭头表示。在发电控制中，电子控制装置100使第1开关SW1以及第2开关SW2均断开。在该情况下，电被引到高电位侧节点NH，排气透平发电机50成为“发电状态”。

在第1开关SW1断开、第2开关SW2接通的情况下，形成如图示那样的闭合电路(续流，flywheel)，由此排气透平发电机50成为“非发电状态”。电子控制装置100通过在将第1开关SW1维持为断开的状态下对第2开关SW2进行通断控制，从而也能够控制发电能力。

另一方面，在动力运行控制中，电子控制装置100使第1开关SW1以及第2开关SW2均接通。在该情况下，从高电位侧节点NH向发电机52供给电力，因此，排气透平发电机50成为“动力运行状态”。也就是说，发电机52作为电动机发挥功能而使透平51旋转。电子控制装置100通过在将第2开关SW2维持为接通的状态下对第1开关SW1进行通断控制，从而也能够控制动力运行能力。电子控制装置100通过执行上述那样的动力运行控制，能够使透平转速Nt上升。

2.辅助控制的概要

本申请发明人着眼于内燃机10的起动时。在以下的说明中，内燃机10的起动被称为“发动机起动”。发动机起动不仅包括冷起动，也包括怠速停止后的再起动(Stop&Start)。

通常，若透平转速Nt没有达到可发电转速以上，则无法在排气透平发电机50中进行适当的发电。在发动机刚起动之后，透平转速Nt低，需要等待直到透平转速Nt上升至可发电转速为止。换言之，在发动机刚起动之后，无法尽快地开始发电。这意味着发电机会以及发电量的减少，从而不优选。

在本实施方式中，提出了能够在发动机起动之后使透平转速Nt更快地上升的控制。以下，将用于使透平转速Nt更快地上升的控制称为“辅助控制”。更详细而言，在辅助控制中，电子控制装置100执行排气透平发电机50的动力运行控制(参照图2)。在此，“执行动力运行控制”不仅包括持续地执行动力运行控制，也包括断续地执行动力运行控制。也就是说，“执行动力运行控制”包括仅执行动力运行控制的情况和交替地执行动力运行控制与发电控制的情况这两方。

图3是用于说明本实施方式的辅助控制的概要的时间图。在图3中，横轴表示时间，纵轴表示发动机转速Ne或透平转速Nt。起动定时ts是内燃机10起动的定时。在起动定时ts之前，内燃机10处于停止状态，在起动定时ts之后，内燃机10处于运转状态。

在图3所示的例子中，电子控制装置100在起动定时ts的同时开始辅助控制。或者也可以是，电子控制装置100对发动机起动信号进行检测，比起动定时ts稍微提前地开始辅助控制。无论在哪种情况下，电子控制装置100都至少在起动定时ts之后执行辅助控制。如上所述，在辅助控制中，至少执行排气透平发电机50的动力运行控制。因此，与不执行辅助控制的情况相比，透平转速Nt更快地上升。

执行辅助控制直到满足预定的结束条件为止。在图3所示的例子中，在起动定时ts之后的时刻tx，满足预定的结束条件，辅助控制结束。即，电子控制装置100至少在发动机起动后且满足结束条件之前执行辅助控制(动力运行控制、一部分动力运行控制)。执行辅助控制的期间为辅助控制期间PA。

在辅助控制期间PA之后，电子控制装置100不进行动力运行控制，而是仅执行通常的发电控制。由此，可防止透平转速Nt超过发电上限转速。

如以上所说明，根据本实施方式，电子控制装置100至少在发动机起动后且满足结束条件之前执行辅助控制(动力运行控制、一部分动力运行控制)。由此，与不执行辅助控制的情况相比，透平转速Nt更快地上升。即，能够使透平转速Nt更快地上升至可发电转速，能够尽快地开始发电。其结果，发动机起动后的发电机会以及发电量增加。

尤其是，在混合动力车辆中，有可能频繁地进行发动机停止和发动机再起动。通过在发动机每次进行以较高的频度发生的再起动时执行本实施方式的辅助控制，能够得到优异的发电效果，燃料经济性也提高。

3.辅助控制的具体例

以下，对本实施方式的排气透平发电系统1中的辅助控制的具体例进行说明。

3-1.包括切换控制的辅助控制

图4是示出本实施方式的辅助控制的一例的时间图。在图4中，横轴表示时间，纵轴表示发动机转速Ne、控制的内容、或者透平转速Nt。

如图4所示，执行辅助控制的辅助控制期间PA被划分为两个期间PA1、PA2。在第1期间PA1，电子控制装置100不执行发电控制而是仅执行动力运行控制。另一方面，在第2期间PA2，电子控制装置100交替地执行发电控制与动力运行控制。以下将像上述那样交替地执行发电控制与动力运行控制的控制称为“切换控制”。以下将执行切换控制的第2期间PA2称为“切换控制期间PA2”。以下将开始切换控制的条件称为“切换开始条件”。例如，切换开始条件为透平转速Nt达到切换开始转速Nt1。

在图4所示的例子中，电子控制装置100在时刻t1开始动力运行控制(辅助控制)。时刻t1既可以与起动定时ts同时，也可以比起动定时ts稍微提前。时刻t1以后，透平转速Nt上升。然后，在时刻t2，透平转速Nt达到切换开始转速Nt1，即满足切换开始条件。由此，从时刻t1到时刻t2为止的期间是第1期间PA1。在所述第1期间PA1，电子控制装置100不执行发电控制而是仅执行动力运行控制。由此，能够使透平转速Nt高效地上升。

当在时刻t2满足切换开始条件时，电子控制装置100开始切换控制，切换控制期间PA2开始。在切换控制中，电子控制装置100交替地执行发电控制与动力运行控制。由此，能够既使透平转速Nt上升，也进行发电。即，发电机会以及发电量进一步增加。

执行切换控制直到满足预定的结束条件为止。例如，结束条件是透平转速Nt达到动力运行结束转速Nt2。动力运行结束转速Nt2比所述切换开始转速Nt1大(Nt2＞Nt1)。在图4所示的例子中，在时刻tx，透平转速Nt达到动力运行结束转速Nt2，即满足结束条件。从时刻t2到时刻tx为止的期间为切换控制期间PA2。

当在时刻tx满足结束条件时，电子控制装置100结束切换控制(辅助控制)。之后，电子控制装置100不执行动力运行控制而是仅执行通常的发电控制。由此，可防止透平转速Nt超过发电上限转速。

3-2.切换控制的详细情况

如上所述，在切换控制中，执行发电控制和动力运行控制这两方。在该情况下，为了提高发电效率，优选在来自内燃机10的排气能量尽可能高的期间执行发电控制。在本实施方式中，考虑来自内燃机10的排气能量的变动而进行发电控制与动力运行控制的切换。首先，对来自内燃机10的排气能量的变动进行说明。

图5是用于说明本实施方式中的排气循环CE的时间图。横轴表示曲轴角，纵轴表示透平输入功。透平输入功相当于从内燃机10向透平51输入的排气能量。

当在内燃机10的任意的汽缸11中打开排气门时，排气气体从所述汽缸11向排气管30排出而向透平51输入。以下将开始从汽缸11朝向透平51排出排气气体的定时称为“排气开始定时TE”。所述排气开始定时TE相当于排气门的打开正时。

排气开始定时TE周期性地到来。例如在图1所示的构成中，三个汽缸11-1、11-2、11-3的各自的排气门依次打开。在图5中，用TE-1以及TE-2示出了时间上连续的两个排气开始定时TE。所述连续的两个排气开始定时TE-1、TE-2之间的期间是本实施方式中的“排气循环CE”。所述排气循环CE与发动机转速Ne成反比例关系。也就是说，随着发动机转速Ne变低，排气循环CE变长。

如图5所示，一次排气循环CE中的透平输入功(排气能量)不恒定。透平输入功在排气循环CE的初期相对高，随着时间经过而逐渐变低。

更详细而言，在打开排气门之前，在内燃机10的燃烧/膨胀行程中，汽缸11内的温度以及压力升高。由此，在刚打开排气门之后，高温高压的排气气体以接近音速的高速度排出。上述那样的排气行程初期的排气流动被称为“排放流动”。在排气行程初期，因所述排放流动而透平输入功相对高。

汽缸11内的压力在排放流动之后降低至大气压附近。汽缸11内的残留气体因活塞的上升移动而被向排气管30推出。像上述那样被活塞推出的排气气体的流动被称为“扫除流动”。扫除流动的能量比排放流动的能量低。也就是说，排气行程后期的透平输入功比排气行程初期的透平输入功相对地降低。

如图5所示，根据透平输入功的大小，排气循环CE被划分为多个期间。更详细而言，排放期间Pb是因排放流动而透平输入功相对高的排气行程初期的期间。所述排放期间Pb从排气循环CE的开始定时即排气开始定时TE开始，并持续一段时间。扫除期间Ps是排放期间Pb之后的、透平输入功相对低的期间。扫除期间Ps中的透平输入功的总量比排放期间Pb中的透平输入功的总量小。

如上所述，在一次排气循环CE中透平输入功变动。在执行切换控制时，将透平输入功相对高的排放期间Pb主要分配给“发电控制”，这从发电效率的观点出发是优选的。另一方面，优选将透平输入功相对低的扫除期间Ps主要分配给用于使透平转速Nt上升的“动力运行控制”。由此，能够有效地实现发电量的增加和透平转速Nt的尽快上升这两方。

图6是用于说明本实施方式的切换控制的一例的时间图。横轴表示曲轴角，纵轴表示透平回收功。透平回收功是透平输入功与透平效率之积。透平回收功与透平输入功同样，在一次排气循环CE中变动。

在图6所示的例子中，为了切换发电控制与动力运行控制而使用“切换阈值Wth”。具体而言，在透平回收功为切换阈值Wth以上的情况下，电子控制装置100执行发电控制。另一方面，在透平回收功小于切换阈值Wth的情况下，电子控制装置100执行动力运行控制。在一次排气循环CE中，执行发电控制的期间为发电期间PG，执行动力运行控制的期间为动力运行期间PP。发电期间PG不一定与排放期间Pb完全一致，但包括排放期间Pb的至少一部分。通过在透平回收功比较大的发电期间PG执行发电控制，从而能够提高发电效率。

如上所述，通过使用切换阈值Wth，能够在一次排气循环CE中适当地切换发电控制与动力运行控制。发电控制与动力运行控制的切换定时也可以如以下说明的那样可变。

图7示出了透平回收功与透平转速Nt的关系。横轴表示曲轴角，纵轴表示透平回收功。如图7所示，一次排气循环CE中的透平回收功的最大值和变动模式根据透平转速Nt而变化。这是因为透平效率依赖于透平转速Nt。透平回收功为切换阈值Wth以上的发电期间PG根据透平转速Nt而变化。根据切换阈值Wth，也有可能存在在一次排气循环CE的期间有多个发电期间PG的情况。

图8是示出本实施方式的切换控制中的发电控制与动力运行控制的切换定时的概念图。横轴表示曲轴角，纵轴表示透平转速Nt。如图8所示，发电控制与动力运行控制的切换定时根据透平转速Nt而变化。

例如，考虑透平转速Nt从切换开始转速Nt1(参照图4)增加的状况。在该情况下，从发电控制(发电期间PG)向动力运行控制(动力运行期间PP)的切换定时渐渐变迟，之后再变早。另一方面，从动力运行控制(动力运行期间PP)向发电控制(发电期间PG)的切换定时渐渐变早，之后再变迟。也可以代替透平转速Nt而使用发动机转速Ne和空气量Ga。

如上所述，电子控制装置100也可以使切换控制中的发电控制与动力运行控制的切换定时根据透平转速Nt而变化。由此，切换控制更精准，能够进一步提高发电效率。

3-3.功能块以及流程图

图9是示出与本实施方式的排气透平发电系统1中的辅助控制相关联的功能块的框图。

空气流量计91检测向内燃机10供给的空气量Ga，并将检测信息向电子控制装置100发送。曲轴角传感器92检测曲轴角，并将检测信息向电子控制装置100发送。电子控制装置100基于来自曲轴角传感器92的检测信息来算出发动机转速Ne。透平转速传感器93检测透平转速Nt，并将检测信息向电子控制装置100发送。

电子控制装置100基于曲轴角、透平转速Nt、发动机转速Ne、空气量Ga等来执行排气透平发电机50的辅助控制。更详细而言，电子控制装置100具备处理器110和存储装置120。处理器110执行存储于存储装置120的控制程序，由此实现本实施方式的辅助控制。

也可以在存储装置120中存储切换开始转速映射MAP1、动力运行结束转速映射MAP2、以及切换定时映射MAP3。

图10是用于说明切换开始转速映射MAP1的概念图。为了算出切换开始转速Nt1(参照图4)而使用切换开始转速映射MAP1。例如，切换开始转速Nt1被作为空气量Ga以及发动机转速Ne的函数而给出。空气量Ga越多，另外发动机转速Ne越高，则切换开始转速Nt1也越高。切换开始转速映射MAP1是示出上述那样的输入参数(Ga、Ne)与切换开始转速Nt1的对应关系的映射。预先制作切换开始转速映射MAP1并将其存储于存储装置120。电子控制装置100通过参照存储于存储装置120的切换开始转速映射MAP1，能够算出与输入参数(Ga、Ne)相应的切换开始转速Nt1。

图11是用于说明动力运行结束转速映射MAP2的概念图。为了算出动力运行结束转速Nt2(参照图4)而使用动力运行结束转速映射MAP2。例如，动力运行结束转速Nt2被作为空气量Ga以及发动机转速Ne的函数而给出。空气量Ga越多，另外发动机转速Ne越高，则动力运行结束转速Nt2也越高。动力运行结束转速映射MAP2是示出上述那样的输入参数(Ga、Ne)与动力运行结束转速Nt2的对应关系的映射。预先制作动力运行结束转速映射MAP2并将其存储于存储装置120。电子控制装置100通过参照存储于存储装置120的动力运行结束转速映射MAP2，能够算出与输入参数(Ga、Ne)相应的动力运行结束转速Nt2。

切换定时映射MAP3为了取得切换控制中的发电控制与动力运行控制的切换定时而被使用。更详细而言，切换定时映射MAP3示出在图8中所示那样的切换定时与透平转速Nt的对应关系。预先制作切换定时映射MAP3并将其存储于存储装置120。电子控制装置100通过参照存储于存储装置120的切换定时映射MAP3，能够取得与透平转速Nt相应的切换定时。

图12是示出本实施方式的排气透平发电系统1中的辅助控制的流程图。图12所示的处理例程按每预定的循环反复执行。

步骤S10：电子控制装置100进行发动机起动的检测。例如，电子控制装置100进行指示发动机起动的发动机起动信号的检测。通过检测发动机起动信号，能够在内燃机10实际起动的起动定时ts(参照图3、图4)之前对发动机起动进行检测。在没有检测到发动机起动的情况下(步骤S10：“否”)，本次循环的处理结束。若检测到发动机起动(步骤S10：“是”)，则处理进入步骤S20。

步骤S20：电子控制装置100对旁通阀45是否关闭进行判定。在旁通阀45没有关闭的情况下(步骤S20：“否”)，处理进入步骤S30。另一方面，在旁通阀45关闭了的情况下(步骤S20：“是”)，处理进入步骤S100。

步骤S30：电子控制装置100关闭旁通阀45。之后，处理进入步骤S100。

步骤S100：电子控制装置100开始辅助控制。更详细而言，辅助控制期间PA中的第1期间PA1(参照图4)开始，电子控制装置100开始动力运行控制。之后，处理进入步骤S110。

步骤S110：电子控制装置100算出切换开始转速Nt1(参照图4)。具体而言，电子控制装置100通过使用切换开始转速映射MAP1(参照图10)来算出与输入参数(Ga、Ne)相应的切换开始转速Nt1。之后，处理进入步骤S120。

步骤S120：电子控制装置100对透平转速Nt是否超过了切换开始转速Nt1进行判定。在透平转速Nt没有超过切换开始转速Nt1的情况下(步骤S120：“否”)，处理返回步骤S110。另一方面，在透平转速Nt超过了切换开始转速Nt1的情况下(步骤S120：“是”)，处理进入步骤S200。

步骤S200：电子控制装置100开始切换控制。也就是说，辅助控制期间PA中的切换控制期间PA2(参照图4)开始。之后，处理进入步骤S210。

步骤S210：电子控制装置100算出本次排气循环CE中的发电控制与动力运行控制的切换定时。具体而言，电子控制装置100通过使用切换定时映射MAP3(参照图8)来算出与当前的透平转速Nt相应的切换定时。然后，电子控制装置100按照所算出的切换定时来执行切换控制，即执行发电控制以及动力运行控制。之后，处理进入步骤S220。

步骤S220：电子控制装置100算出动力运行结束转速Nt2(参照图4)。具体而言，电子控制装置100通过使用动力运行结束转速映射MAP2(参照图11)来算出与输入参数(Ga，Ne)相应的动力运行结束转速Nt2。之后，处理进入步骤S230。

步骤S230：电子控制装置100对透平转速Nt是否超过了动力运行结束转速Nt2进行判定。在透平转速Nt没有超过动力运行结束转速Nt2的情况下(步骤S230：“否”)，处理返回步骤S210。另一方面，在透平转速Nt超过了动力运行结束转速Nt2的情况下(步骤S230：“是”)，处理进入步骤S300。

步骤S300：电子控制装置100结束辅助控制。也就是说，电子控制装置100结束动力运行控制，仅执行通常的发电控制。

3-4.效果

如以上所说明，根据本实施方式，电子控制装置100至少在发动机起动后且满足结束条件之前执行辅助控制(动力运行控制、一部分动力运行控制)。由此，与不执行辅助控制的情况相比，透平转速Nt更快地上升。即，能够使透平转速Nt更快地上升至可发电转速，能够尽快地开始发电。其结果，发动机起动后的发电机会以及发电量增加。

在辅助控制期间PA的前半部分的第1期间PA1，电子控制装置100仅执行动力运行控制。由此，能够使透平转速Nt高效地上升。并且，在辅助控制期间PA的后半部分的切换控制期间PA2，电子控制装置100执行交替地执行发电控制与动力运行控制的切换控制。由此，能够既使透平转速Nt上升，也进行发电。即，发电机会以及发电量进一步增加。

考虑排气循环CE中的透平输入功的变动，电子控制装置100有效地执行切换控制。具体而言，电子控制装置100在产生排放流动的排放期间Pb的至少一部分期间执行发电控制。通过有效地利用高能量的排放流动，发电效率提高，发电量也增加。即，在交替地执行发电控制与动力运行控制的切换控制中，能够有效地实现发电量的增加和透平转速Nt的尽快上升这两方。

电子控制装置100也可以使切换控制中的发电控制与动力运行控制的切换定时根据透平转速Nt而变化。由此，切换控制更精准，能够进一步提高发电效率。

本实施方式的辅助控制尤其对混合动力车辆有效。在混合动力车辆中，有可能频繁地进行发动机停止和发动机再起动。通过在发动机每次进行以较高的频度发生的再起动时执行本实施方式的辅助控制，能够得到优异的发电效率，燃料经济性也提高。

4.排气透平发电系统的变形例

4-1.第1变形例

图13是示出本实施方式的排气透平发电系统1的第1变形例的概略图。适当省略与图1所示的构成的情况重复的说明。在图1所示的构成中，各汽缸11-i(i＝1～3)具有两个排气开口部31(排气门)，而在第1变形例中，各汽缸11-i仅具有一个排气开口部31。针对上述那样的第1变形例的构成，同样也能够应用本实施方式的辅助控制。

4-2.第2变形例

图14是示出本实施方式的排气透平发电系统1的第2变形例的概略图。在图14中，省略了电气装置70和电子控制装置100的图示。

在第2变形例中，排气路径被分离成两个系统。也就是说，排气管30被分为第1排气管30A(主排气管)和第2排气管30B(副排气管)。更详细而言，各汽缸11-i(i＝1～3)具有第1排气开口部31A和第2排气开口部31B。第1排气管30A-i在第1排气开口部31A与汽缸11-i相连。另一方面，第2排气管30B-i在第2排气开口部31B与汽缸11-i相连。

第1排气管30A-i用于向排气透平发电机50的透平51导入排气气体。因此，第1排气管30A-i以将第1排气开口部31A与透平入口部51I之间连接的方式配置。更详细而言，从多个汽缸11-i分别延伸的多个第1排气管30A-i在合流点33A合流之后，与透平入口部51I相连。

另一方面，第2排气管30B-i用于使排气气体不通过透平51地排出。因此，第2排气管30B-i以不经由透平51而将第2排气开口部31B-i与透平下游排气管60之间连接的方式配置。也就是说，第2排气管30B-i构成不通过透平51的旁通排气路径。如图14所示，从多个汽缸11-i分别延伸的多个第2排气管30B-i在合流点33B合流之后，与透平下游排气管60上的旁通连接点61相连。旁通连接点61位于比透平51靠下游且比催化剂80靠上游的位置。

图15是示出第2变形例中的气门控制的图。横轴表示曲轴角，纵轴表示各气门的提升量。为了说明，将设置于第1排气开口部31A的排气门称为“第1排气门”，将设置于第2排气开口部31B的排气门称为“第2排气门”。

第1排气门按通常的定时打开/关闭。也就是说，在排气下止点附近打开，在排气上止点附近关闭。在第1排气门打开之前，在内燃机10的燃烧/膨胀行程中，汽缸11内的温度以及压力升高。由此，在第1排气门刚打开之后，高温高压的排放流动以接近音速的高速度排出。上述那样的排气行程初期的排放流动通过第1排气管30A被导入透平51。

第2排气门的打开正时和关闭正时分别在第1排气门的打开正时和关闭正时之后。具体而言，第2排气门在通过第1排气门进行的排放结束的附近打开，在排气上止点附近关闭。在排气行程后期，排气气体的一部分不向透平51输入而是通过第2排气管30B排出。

针对上述那样的第2变形例的构成，同样也能够应用本实施方式的辅助控制。在该情况下，基于第1排气门的开闭来规定排气循环CE。在有两个系统的排气路径的情况下，在一次排气循环CE中向透平51输入的排气能量相对变少。因此，图6所示那样的考虑了透平回收功的变化的有效的切换控制尤其有效。

Claims (7)

1.一种排气透平发电系统，其特征在于，具备：

内燃机；

排气透平发电机，其构成为使用来自所述内燃机的排气气体使透平旋转来进行发电；以及

电子控制装置，其构成为：

所述电子控制装置控制所述排气透平发电机，执行使所述排气透平发电机进行发电的发电控制，

所述电子控制装置构成为，在所述内燃机起动后且满足预定的切换开始条件之前，控制所述排气透平发电机，不执行所述发电控制而是执行使所述排气透平发电机进行动力运行而使所述透平旋转的动力运行控制，

所述电子控制装置构成为，在所述内燃机起动后且满足所述预定的切换开始条件后，并且在满足预定的结束条件之前，执行交替地执行所述发电控制与所述动力运行控制的切换控制。

2.根据权利要求1所述的排气透平发电系统，其特征在于，

所述电子控制装置构成为，在执行所述切换控制时，在所述内燃机的排放期间的至少一部分期间执行所述发电控制，所述排放期间是在所述内燃机的排气循环中从所述内燃机的任意的汽缸朝向所述透平产生所述排气气体的排放流动的期间，所述排气循环是时间上连续的两个排气开始定时之间的期间，所述排气开始定时是从所述内燃机的任意的汽缸朝向所述透平开始排出所述排气气体的定时。

3.根据权利要求2所述的排气透平发电系统，其特征在于，

所述电子控制装置构成为，根据所述透平的转速使所述切换控制中的所述发电控制与所述动力运行控制的切换定时变化。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的排气透平发电系统，其特征在于，

所述预定的切换开始条件以所述透平的转速即透平转速达到切换开始转速这一情况为条件，

所述预定的结束条件以所述透平转速达到比所述切换开始转速大的动力运行结束转速这一情况为条件。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的排气透平发电系统，其特征在于，

所述电子控制装置构成为，在满足所述预定的结束条件的情况下，不执行所述动力运行控制而是执行所述发电控制。

6.根据权利要求4所述的排气透平发电系统，其特征在于，

所述电子控制装置构成为，在满足所述预定的结束条件的情况下，不执行所述动力运行控制而是执行所述发电控制。

7.一种排气透平发电系统的控制装置，所述排气透平发电系统包括内燃机和排气透平发电机，所述排气透平发电机构成为使用来自所述内燃机的排气气体使透平旋转来进行发电，所述控制装置的特征在于，具备：

电子控制装置，其构成为：

所述电子控制装置控制所述排气透平发电机，执行使所述排气透平发电机进行发电的发电控制，

所述电子控制装置构成为，在所述内燃机起动后且满足预定的切换开始条件之前，控制所述排气透平发电机，不执行所述发电控制而是执行使所述排气透平发电机进行动力运行而使所述透平旋转的动力运行控制，

所述电子控制装置构成为，在所述内燃机起动后且满足所述预定的切换开始条件后，并且在满足预定的结束条件之前，执行交替地执行所述发电控制与所述动力运行控制的切换控制。

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