JP2018178735A - 排気タービン発電システムとその制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関からの排気エネルギーを用いて発電を行う排気タービン発電システムにおいて、内燃機関の始動後の発電機会を増加させること。【解決手段】排気タービン発電システムは、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、排気タービン発電機の運転を制御する制御装置と、を備える。制御装置は、排気タービン発電機に発電を行わせる発電制御と、排気タービン発電機に力行を行わせ、タービンを回転させる力行制御と、を行う。内燃機関の始動後、終了条件が満たされるまで、制御装置は力行制御を行う。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関からの排気エネルギー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、排気ガスを用いて発電を行う内燃機関を開示している。具体的には、排気ガスによって回転する排気タービンの回転軸に、発電機が接続されている。当該内燃機関は、排気タービンの回転数を計測する。計測値が予め設定された閾値を超えるまで、内燃機関は、発電機を動作させない。計測値が予め設定された閾値を超えた場合、内燃機関は、発電機を動作させ、発電を行う。

特許文献２は、排気ガス流路が２系統に分離された排気タービン発電システムを開示している。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。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、タービン部をバイパスして流す。

特開２０１４−０２０３６４号公報 特開２０１５−０２１４４８号公報

特許文献１に開示された技術によれば、排気タービンの回転数が予め設定された閾値を超えると、発電機による発電が行われる。このような発電制御に関し、本願発明者は、次のような問題点を認識した。すなわち、内燃機関の始動（再始動も含む）直後は、排気タービンの回転数が低いため、発電を早期に開始することができない。これは、発電機会の減少を意味し、好ましくない。

本発明の１つの目的は、内燃機関からの排気エネルギーを用いて発電を行う排気タービン発電システムにおいて、内燃機関の始動後の発電機会を増加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。
その排気タービン発電システムは、
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、
排気タービン発電機の運転を制御する制御装置と
を備える。
制御装置は、
排気タービン発電機に発電を行わせる発電制御と、
排気タービン発電機に力行を行わせ、タービンを回転させる力行制御と
を行う。
内燃機関の始動後、終了条件が満たされるまで、制御装置は力行制御を行う。

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。
内燃機関の始動後、切替開始条件が満たされるまで、制御装置は、発電制御を行うことなく力行制御を行う。
切替開始条件が満たされた後、終了条件が満たされるまで、制御装置は、発電制御と力行制御を交互に実施する切替制御を行う。

第３の発明は、第２の発明において、更に次の特徴を有する。
排気開始タイミングは、内燃機関の任意の気筒からタービンに向けて排気ガスの排出が開始するタイミングである。
排気サイクルは、時間的に連続する２つの排気開始タイミング間の期間である。
排気サイクルは、任意の気筒からタービンに向けて排気ガスのブローダウン流れが発生するブローダウン期間を含む。
切替制御を行う際、制御装置は、ブローダウン期間の少なくとも一部において発電制御を実施する。

第４の発明は、第３の発明において、更に次の特徴を有する。
制御装置は、切替制御における発電制御と力行制御との切替タイミングを、タービンの回転数に応じて変化させる。

第５の発明は、第２から第４の発明のいずれかにおいて、更に次の特徴を有する。
切替開始条件は、タービンの回転数であるタービン回転数が切替開始回転数に到達することである。
終了条件は、タービン回転数が切替開始回転数より大きい力行終了回転数に到達することである。

第６の発明は、第１から第５の発明のいずれかにおいて、更に次の特徴を有する。
終了条件が満たされた場合、制御装置は、力行制御を行うことなく発電制御を行う。

第７の発明は、排気タービン発電システムの制御装置を提供する。
排気タービン発電システムは、
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
を備える。
制御装置は、
排気タービン発電機に発電を行わせる発電制御と、
排気タービン発電機に力行を行わせ、タービンを回転させる力行制御と
を行う。
内燃機関の始動後、終了条件が満たされるまで、制御装置は力行制御を行う。

第１の発明によれば、制御装置は、内燃機関の始動後、終了条件が満たされるまで、排気タービン発電機の力行制御を行う。これにより、排気タービン発電機のタービン回転数がより早く上昇する。すなわち、タービン回転数を発電可能回転数までより早く上昇させることができ、発電を早期に開始することが可能となる。その結果、内燃機関の始動後の発電機会及び発電量が増加する。

第２の発明によれば、内燃機関の始動後、切替開始条件が満たされるまで、制御装置は、発電制御を行うことなく、力行制御だけを行う。これにより、タービン回転数を効果的に上昇させることが可能となる。そして、切替開始条件が満たされた後は、制御装置は、発電制御と力行制御を交互に実施する切替制御を行う。これにより、タービン回転数を上昇させつつ、発電も行うことが可能となる。すなわち、発電機会及び発電量が更に増加する。

第３の発明によれば、制御装置は、切替制御を行う際、ブローダウン流れが発生するブローダウン期間の少なくとも一部において発電制御を実施する。高エネルギーのブローダウン流れを有効に活用することによって、発電効率が向上し、発電量も増加する。すなわち、発電制御と力行制御を交互に実施する切替制御において、発電量の増加とタービン回転数の早期上昇の両方を効率的に実現することが可能となる。

第４の発明によれば、制御装置は、切替制御における発電制御と力行制御との切替タイミングを、タービン回転数に応じて変化させる。これにより、切替制御がより精密となり、発電効率を更に向上させることが可能となる。

第５の発明によれば、制御装置は、タービン回転数に基づいて、切替制御の開始及び終了を簡単に判定することができる。

第６の発明によれば、制御装置は、終了条件が満たされた場合、力行制御を行うことなく発電制御を行う。これにより、タービン回転数が発電上限回転数を超過することが防止される。

第７の発明によれば、第１の発明と同様の効果が得られる。

本発明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。 本発明の実施の形態に係る排気タービン発電システムにおける発電制御及び力行制御のための回路構成の一例を示す図である。 本発明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アシスト制御の概要を説明するためのタイミングチャートである。 本発明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アシスト制御の一例を示すタイミングチャートである。 本発明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排気サイクルを説明するためのタイミングチャートである。 本発明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切替制御の一例を説明するためのタイミングチャートである。 本発明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タービン回収仕事とタービン回転数との関係を説明するための概念図である。 本発明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発電制御と力行制御との切替タイミングを示す概念図である。 本発明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アシスト制御に関連する機能ブロックを示すブロック図である。 本発明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切替開始回転数マップを説明するための概念図である。 本発明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力行終了回転数マップを説明するための概念図である。 本発明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アシスト制御を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る排気タービン発電システムの第１の変形例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る排気タービン発電システムの第２の変形例を示す概略図である。 第２の変形例における弁制御を示すグラフ図である。

添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

１．排気タービン発電システム
１−１．全体構成
図１は、本発明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、３つの気筒１１−１、１１−２、１１−３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。図１に示される例では、気筒１１−ｉ（ｉ＝１〜３）のそれぞれに吸気管２０−ｉがつながっている。

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。図１に示される例では、気筒１１−ｉ（ｉ＝１〜３）のそれぞれに排気管３０−ｉがつながっている。

排気タービン発電機５０は、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。

また、タービン５１をバイパスして、タービン５１の上流の排気管３０とタービン下流排気管６０との間を直接つなぐように、バイパス排気管４０が設けられている。そのバイパス排気管４０を流れる排気ガス流量を調節するために、バイパス排気管４０にはバイパス弁４５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または貯蔵する。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、排気タービン発電機５０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の記憶装置には、各種制御を行うための制御プログラムが格納されている。制御装置１００のプロセッサが制御プログラムを実行することにより、各種制御が実現される。

より詳細には、内燃機関１０、排気タービン発電機５０及び電気装置７０には、各装置の運転状態を検出するセンサ群が設けられている。制御装置１００は、センサ群から、各装置の運転状態を示す検出情報を受け取る。制御装置１００は、検出情報に基づき、スロットルバルブ、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って、内燃機関１０の運転を制御する。また、制御装置１００は、検出情報に基づき、排気タービン発電機５０の運転を制御する。更に、制御装置１００は、検出情報に基づき、インバータ７１及びスイッチ７２を制御することによって、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。

図１に示される例において、センサ群は、エアフローメータ９１、クランク角センサ９２、及びタービン回転数センサ９３を含んでいる。エアフローメータ９１は、内燃機関１０に供給される空気量Ｇａを検出し、検出情報を制御装置１００に送る。クランク角センサ９２は、クランク角を検出し、検出情報を制御装置１００に送る。制御装置１００は、クランク角センサ９２からの検出情報に基づき、エンジン回転数Ｎｅを算出する。タービン回転数センサ９３は、タービン５１の回転数であるタービン回転数Ｎｔを検出し、検出情報を制御装置１００に送る。後に詳しく説明されるように、制御装置１００は、これら検出情報に基づいて、排気タービン発電機５０の運転を制御する。

１−２．発電制御及び力行制御
本実施の形態に係る制御装置１００による排気タービン発電機５０の制御には、「発電制御」と「力行制御」が含まれる。発電制御は、排気タービン発電機５０に発電を行わせる制御である。すなわち、発電制御は、内燃機関１０からの排気ガスで回転するタービン５１によって発電機５２を駆動し、発電を行う。一方、力行制御は、排気タービン発電機５０に力行を行わせる制御である。すなわち、力行制御は、発電機５２に電力を供給し、発電機５２を電動機として作動させ、それによりタービン５１を回転させる。

図２は、本実施の形態に係る排気タービン発電システム１における発電制御及び力行制御のための回路構成の一例を示す図である。この回路構成は、例えば排気タービン発電機５０に含まれている。詳細には、ノードＮ１は、第１スイッチＳＷ１を介して高電位側ノードＮＨに接続されており、ダイオードＤ１を介してグランドに接続されている。ノードＮ２は、ダイオードＤ２を介して高電位側ノードＮＨに接続されており、第２スイッチＳＷ２を介してグランドに接続されている。発電機５２は、ノードＮ１とノードＮ２との間に接続されている。第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２は、制御装置１００によってＯＮ／ＯＦＦ制御される。

タービン５１が排気エネルギーを回収し、タービン５１が回転すると、発電機５２のロータが回転し、発電機５２のコイルに誘導起電力が発生する。発電機５２における誘導起電力の向きは、図２中の矢印で示されている。発電制御において、制御装置１００は、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２を共にＯＦＦする。この場合、高電位側ノードＮＨに向けて電気がくみ上げられることになり、排気タービン発電機５０は「発電状態」となる。

第１スイッチＳＷ１がＯＦＦで、第２スイッチＳＷ２がＯＮの場合、図示されるような閉回路（フライホイール）が形成されるため、排気タービン発電機５０は「非発電状態」となる。制御装置１００は、第１スイッチＳＷ１をＯＦＦに維持したまま、第２スイッチＳＷ２をＯＮ／ＯＦＦ制御することによって、発電能力を制御することもできる。

一方、力行制御において、制御装置１００は、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２を共にＯＮする。この場合、高電位側ノードＮＨから発電機５２に電力が供給されるため、排気タービン発電機５０は「力行状態」となる。つまり、発電機５２は電動機として機能し、タービン５１を回転させる。制御装置１００は、第２スイッチＳＷ２をＯＮに維持したまま、第１スイッチＳＷ１をＯＮ／ＯＦＦ制御することによって、力行能力を制御することもできる。制御装置１００は、このような力行制御を行うことにより、タービン回転数Ｎｔを上昇させることができる。

２．アシスト制御の概要
本願発明者は、内燃機関１０の始動時に着目した。以下の説明において、内燃機関１０の始動は「エンジン始動」と呼ばれる。エンジン始動は、冷間始動だけでなく、アイドリングストップ後の再始動（Stop&Start）も含む。

一般的に、タービン回転数Ｎｔが発電可能回転数以上にならないと、排気タービン発電機５０において適切な発電を行うことができない。エンジン始動直後は、タービン回転数Ｎｔが低く、タービン回転数Ｎｔが発電可能回転数まで上昇するのを待つ必要がある。言い換えれば、エンジン始動直後は、発電を早期に開始することができない。これは、発電機会及び発電量の減少を意味し、好ましくない。

そこで、本実施の形態では、エンジン始動後にタービン回転数Ｎｔをより早く上昇させることができる制御を提案する。タービン回転数Ｎｔをより早く上昇させるための制御は、以下「アシスト制御」と呼ばれる。より詳細には、アシスト制御において、制御装置１００は、排気タービン発電機５０の力行制御（図２参照）を行う。ここで、「力行制御を行う」とは、力行制御を継続的に行うことだけでなく、力行制御を断続的に行うことも含む。つまり、「力行制御を行う」とは、力行制御だけを行う場合と、力行制御と発電制御を交互に行う場合の両方を含む。

図３は、本実施の形態に係るアシスト制御の概要を説明するためのタイミングチャートである。図３において、横軸は時間を表し、縦軸はエンジン回転数Ｎｅあるいはタービン回転数Ｎｔを表している。始動タイミングｔｓは、内燃機関１０が始動するタイミングである。始動タイミングｔｓよりも前、内燃機関１０は停止状態にあり、始動タイミングｔｓよりも後、内燃機関１０は運転状態にある。

図３に示される例では、制御装置１００は、始動タイミングｔｓと同時にアシスト制御を開始する。あるいは、制御装置１００は、エンジン始動信号を検知し、始動タイミングｔｓの少し前からアシスト制御を開始してもよい。いずれの場合であっても、制御装置１００は、少なくとも始動タイミングｔｓの後にアシスト制御を行う。上述の通り、アシスト制御では、排気タービン発電機５０の力行制御が少なくとも実施される。従って、アシスト制御が実施されない場合と比較して、タービン回転数Ｎｔがより早く上昇する。

アシスト制御は、所定の終了条件が満たされるまで行われる。図３に示される例では、始動タイミングｔｓよりも後の時刻ｔｘにおいて、所定の終了条件が満たされ、アシスト制御が終了する。すなわち、制御装置１００は、少なくともエンジン始動後、終了条件が満たされるまで、アシスト制御（力行制御、一部力行制御）を行う。アシスト制御が行われる期間は、アシスト制御期間ＰＡである。

アシスト制御期間ＰＡの後、制御装置１００は、力行制御を行わず、通常の発電制御だけを行う。これにより、タービン回転数Ｎｔが発電上限回転数を超過することが防止される。

以上に説明したように、本実施の形態によれば、制御装置１００は、少なくともエンジン始動後、終了条件が満たされるまで、アシスト制御（力行制御、一部力行制御）を行う。これにより、アシスト制御が実施されない場合と比較して、タービン回転数Ｎｔがより早く上昇する。すなわち、タービン回転数Ｎｔを発電可能回転数までより早く上昇させることができ、発電を早期に開始することが可能となる。その結果、エンジン始動後の発電機会及び発電量が増加する。

特に、ハイブリッド車両においては、エンジン停止とエンジン再始動が頻繁に行われる可能性がある。高頻度で発生するエンジン再始動のたびに本実施の形態に係るアシスト制御を実施することにより、優れた発電効果が得られ、燃費も向上する。

３．アシスト制御の具体例
以下、本実施の形態に係る排気タービン発電システム１におけるアシスト制御の具体例を説明する。

３−１．切替制御を含むアシスト制御
図４は、本実施の形態に係るアシスト制御の一例を示すタイミングチャートである。図４において、横軸は時間を表し、縦軸はエンジン回転数Ｎｅ、制御の内容、あるいはタービン回転数Ｎｔを表す。

図４に示されるように、アシスト制御が行われるアシスト制御期間ＰＡは、２つの期間ＰＡ１、ＰＡ２に区分けされる。第１の期間ＰＡ１では、制御装置１００は、発電制御を行うことなく、力行制御だけを行う。一方、第２の期間ＰＡ２では、制御装置１００は、発電制御と力行制御を交互に実施する。このように発電制御と力行制御を交互に実施する制御は、以下「切替制御」と呼ばれる。また、切替制御が行われる第２の期間ＰＡ２は、以下「切替制御期間ＰＡ２」と呼ばれる。切替制御を開始する条件は、以下「切替開始条件」と呼ばれる。例えば、切替開始条件は、タービン回転数Ｎｔが切替開始回転数Ｎｔ１に到達することである。

図４に示される例では、制御装置１００は、時刻ｔ１において力行制御（アシスト制御）を開始する。時刻ｔ１は、始動タイミングｔｓと同時でもよいし、始動タイミングｔｓの少し前であってもよい。時刻ｔ１以降、タービン回転数Ｎｔが上昇する。そして、時刻ｔ２において、タービン回転数Ｎｔが切替開始回転数Ｎｔ１に到達する、すなわち、切替開始条件が満たされる。よって、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間が、第１の期間ＰＡ１である。この第１の期間ＰＡ１において、制御装置１００は、発電制御を行うことなく、力行制御だけを行う。これにより、タービン回転数Ｎｔを効果的に上昇させることが可能となる。

時刻ｔ２において切替開始条件が満たされると、制御装置１００は切替制御を開始し、切替制御期間ＰＡ２が始まる。切替制御では、制御装置１００は、発電制御と力行制御を交互に実施する。これにより、タービン回転数Ｎｔを上昇させつつ、発電も行うことが可能となる。すなわち、発電機会及び発電量が更に増加する。

切替制御は、所定の終了条件が満たされるまで実施される。例えば、終了条件は、タービン回転数Ｎｔが力行終了回転数Ｎｔ２に到達することである。力行終了回転数Ｎｔ２は、上記の切替開始回転数Ｎｔ１よりも大きい（Ｎｔ２＞Ｎｔ１）。図４に示される例では、時刻ｔｘにおいて、タービン回転数Ｎｔが力行終了回転数Ｎｔ２に到達する、すなわち、終了条件が満たされる。時刻ｔ２から時刻ｔｘまでの期間が、切替制御期間ＰＡ２である。

時刻ｔｘにおいて終了条件が満たされると、制御装置１００は、切替制御（アシスト制御）を終了する。その後、制御装置１００は、力行制御を行うことなく、通常の発電制御だけを行う。これにより、タービン回転数Ｎｔが発電上限回転数を超過することが防止される。

３−２．切替制御の詳細
上述の通り、切替制御では、発電制御と力行制御の両方が実施される。このとき、発電効率を向上させるためには、内燃機関１０からの排気エネルギーがなるべく高い期間に発電制御を行うことが望ましい。そこで、本実施の形態では、内燃機関１０からの排気エネルギーの変動を考慮して、発電制御と力行制御の切り替えが行われる。まず、内燃機関１０からの排気エネルギーの変動について説明する。

図５は、本実施の形態における排気サイクルＣＥを説明するためのタイミングチャートである。横軸はクランク角を表し、縦軸はタービン入力仕事を表している。タービン入力仕事は、内燃機関１０からタービン５１に入力される排気エネルギーに相当する。

内燃機関１０の任意の気筒１１において排気弁が開くと、当該気筒１１から排気管３０に排気ガスが排出され、タービン５１に入力される。気筒１１からタービン５１に向けて排気ガスの排出が開始するタイミングは、以下「排気開始タイミングＴＥ」と呼ばれる。この排気開始タイミングＴＥは、排気弁の開弁タイミングに相当する。

排気開始タイミングＴＥは、周期的に到来する。例えば図１で示された構成において、３つの気筒１１−１、１１−２、１１−３のそれぞれの排気弁は、順番に開弁する。時間的に連続する２つの排気開始タイミングＴＥは、図５においてＴＥ−１及びＴＥ−２で示されている。それら連続する２つの排気開始タイミングＴＥ−１、ＴＥ−２の間の期間が、本実施の形態における「排気サイクルＣＥ」である。この排気サイクルＣＥは、エンジン回転数Ｎｅに反比例する。つまり、エンジン回転数Ｎｅが低くなるにつれ、排気サイクルＣＥは長くなる。

図５に示されるように、１回の排気サイクルＣＥにおけるタービン入力仕事（排気エネルギー）は一定ではない。タービン入力仕事は、排気サイクルＣＥの初期において相対的に高く、時間経過と共に低くなっていく。

より詳細には、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、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。排気行程初期には、このブローダウン流れによってタービン入力仕事が高くなる。

気筒１１内の圧力は、ブローダウン流れの後に大気圧近くまで低下する。そして、気筒１１内の残留ガスは、ピストンの上昇移動によって排気管３０に押し出される。このようにピストンによって押し出される排気ガスの流れは、「スカベンジング流れ」と呼ばれる。スカベンジング流れのエネルギーは、ブローダウン流れのエネルギーよりも低い。つまり、排気行程後期のタービン入力仕事は、排気行程初期のタービン入力仕事よりも相対的に低くなる。

図５に示されるように、排気サイクルＣＥは、タービン入力仕事の大きさに応じて複数の期間に区分けされる。より詳細には、ブローダウン期間Ｐｂは、ブローダウン流れによりタービン入力仕事が相対的に高くなる排気行程初期の期間である。このブローダウン期間Ｐｂは、排気サイクルＣＥの開始タイミングである排気開始タイミングＴＥから始まり、しばらくの間続く。スカベンジング期間Ｐｓは、ブローダウン期間Ｐｂよりも後の期間であり、タービン入力仕事が相対的に低くなる期間である。スカベンジング期間Ｐｓにおけるタービン入力仕事の総量は、ブローダウン期間Ｐｂにおけるタービン入力仕事の総量より小さい。

このように、１回の排気サイクルＣＥにおいてタービン入力仕事は変動する。切替制御を行う際には、タービン入力仕事が相対的に大きくなるブローダウン期間Ｐｂを主に「発電制御」に割り当てることが、発電効率の観点から好適である。一方、タービン入力仕事が相対的に小さくなるスカベンジング期間Ｐｓは、主に、タービン回転数Ｎｔを上昇させるための「力行制御」に割り当てることが好適である。これにより、発電量の増加とタービン回転数Ｎｔの早期上昇の両方を効率的に実現することが可能となる。

図６は、本実施の形態に係る切替制御の一例を説明するためのタイミングチャートである。横軸はクランク角を表し、縦軸はタービン回収仕事を表している。タービン回収仕事は、タービン入力仕事とタービン効率との積で与えられる。タービン回収仕事は、タービン入力仕事と同様に、１排気サイクルＣＥにおいて変動する。

図６に示される例では、発電制御と力行制御を切り替えるために、「切替閾値Ｗｔｈ」が用いられる。具体的には、タービン回収仕事が切替閾値Ｗｔｈ以上の場合、制御装置１００は、発電制御を行う。一方、タービン回収仕事が切替閾値Ｗｔｈ未満の場合、制御装置１００は、力行制御を行う。１排気サイクルＣＥ中で、発電制御が行われる期間は発電期間ＰＧであり、力行制御が行われる期間は力行期間ＰＰである。発電期間ＰＧは、ブローダウン期間Ｐｂと必ずしも完全には一致しないが、ブローダウン期間Ｐｂの少なくとも一部を含んでいる。タービン回収仕事が比較的大きい発電期間ＰＧにおいて発電制御を行うことによって、発電効率を向上させることが可能となる。

このように、切替閾値Ｗｔｈを用いることによって、１排気サイクルＣＥ中で発電制御と力行制御とを適切に切り替えることが可能となる。発電制御と力行制御との切替タイミングは、以下に説明されるように可変であってもよい。

図７は、タービン回収仕事とタービン回転数Ｎｔとの関係を示している。横軸はクランク角を表し、縦軸はタービン回収仕事を表している。図７に示されるように、１排気サイクルＣＥ中のタービン回収仕事の最大値や変動パターンは、タービン回転数Ｎｔに応じて変化する。これは、タービン効率がタービン回転数Ｎｔに依存するからである。タービン回収仕事が切替閾値Ｗｔｈ以上となる発電期間ＰＧは、タービン回転数Ｎｔに応じて変化する。切替閾値Ｗｔｈによっては、１排気サイクルＣＥの間に複数の発電期間ＰＧが存在する場合もあり得る。

図８は、本実施の形態に係る切替制御における発電制御と力行制御との切替タイミングを示す概念図である。横軸はクランク角を表し、縦軸はタービン回転数Ｎｔを表している。図８に示されるように、発電制御と力行制御との切替タイミングは、タービン回転数Ｎｔに応じて変化する。

例えば、タービン回転数Ｎｔが切替開始回転数Ｎｔ１（図４参照）から増加する状況を考える。このとき、発電制御（発電期間ＰＧ）から力行制御（力行期間ＰＰ）への切替タイミングは、徐々に遅くなり、その後再び早くなる。一方、力行制御（力行期間ＰＰ）から発電制御（発電期間ＰＧ）への切替タイミングは、徐々に早くなり、その後再び遅くなる。尚、タービン回転数Ｎｔの代わりに、エンジン回転数Ｎｅと空気量Ｇａが用いられてもよい。

このように、制御装置１００は、切替制御における発電制御と力行制御との切替タイミングを、タービン回転数Ｎｔに応じて変化させてもよい。これにより、切替制御がより精密となり、発電効率を更に向上させることが可能となる。

３−３．機能ブロック及びフローチャート
図９は、本実施の形態に係る排気タービン発電システム１におけるアシスト制御に関連する機能ブロックを示すブロック図である。

エアフローメータ９１は、内燃機関１０に供給される空気量Ｇａを検出し、検出情報を制御装置１００に送る。クランク角センサ９２は、クランク角を検出し、検出情報を制御装置１００に送る。制御装置１００は、クランク角センサ９２からの検出情報に基づき、エンジン回転数Ｎｅを算出する。タービン回転数センサ９３は、タービン回転数Ｎｔを検出し、検出情報を制御装置１００に送る。

制御装置１００は、クランク角、タービン回転数Ｎｔ、エンジン回転数Ｎｅ、空気量Ｇａ等に基づいて、排気タービン発電機５０におけるアシスト制御を行う。より詳細には、制御装置１００は、プロセッサ１１０及び記憶装置１２０を備えている。プロセッサ１１０が記憶装置１２０に格納された制御プログラムを実行することにより、本実施の形態に係るアシスト制御が実現される。

記憶装置１２０には、切替開始回転数マップＭＡＰ１、力行終了回転数マップＭＡＰ２、及び切替タイミングマップＭＡＰ３が格納されていてもよい。

図１０は、切替開始回転数マップＭＡＰ１を説明するための概念図である。切替開始回転数マップＭＡＰ１は、切替開始回転数Ｎｔ１（図４参照）を算出するために用いられる。例えば、切替開始回転数Ｎｔ１は、空気量Ｇａ及びエンジン回転数Ｎｅの関数として与えられる。空気量Ｇａが多くなるほど、また、エンジン回転数Ｎｅが高くなるほど、切替開始回転数Ｎｔ１も高くなる。切替開始回転数マップＭＡＰ１は、そのような入力パラメータ（Ｇａ、Ｎｅ）と切替開始回転数Ｎｔ１との対応関係を示すマップである。切替開始回転数マップＭＡＰ１は、予め作成され、記憶装置１２０に格納される。制御装置１００は、記憶装置１２０に格納されている切替開始回転数マップＭＡＰ１を参照することによって、入力パラメータ（Ｇａ、Ｎｅ）に応じた切替開始回転数Ｎｔ１を算出することができる。

図１１は、力行終了回転数マップＭＡＰ２を説明するための概念図である。力行終了回転数マップＭＡＰ２は、力行終了回転数Ｎｔ２（図４参照）を算出するために用いられる。例えば、力行終了回転数Ｎｔ２は、空気量Ｇａ及びエンジン回転数Ｎｅの関数として与えられる。空気量Ｇａが多くなるほど、また、エンジン回転数Ｎｅが高くなるほど、力行終了回転数Ｎｔ２も高くなる。力行終了回転数マップＭＡＰ２は、そのような入力パラメータ（Ｇａ、Ｎｅ）と力行終了回転数Ｎｔ２との対応関係を示すマップである。力行終了回転数マップＭＡＰ２は、予め作成され、記憶装置１２０に格納される。制御装置１００は、記憶装置１２０に格納されている力行終了回転数マップＭＡＰ２を参照することによって、入力パラメータ（Ｇａ、Ｎｅ）に応じた力行終了回転数Ｎｔ２を算出することができる。

切替タイミングマップＭＡＰ３は、切替制御における発電制御と力行制御との切替タイミングを取得するために用いられる。より詳細には、切替タイミングマップＭＡＰ３は、図８で示されたような切替タイミングとタービン回転数Ｎｔとの対応関係を示す。切替タイミングマップＭＡＰ３は、予め作成され、記憶装置１２０に格納される。制御装置１００は、記憶装置１２０に格納されている切替タイミングマップＭＡＰ３を参照することによって、タービン回転数Ｎｔに応じた切替タイミングを取得することができる。

図１２は、本実施の形態に係る排気タービン発電システム１におけるアシスト制御を示すフローチャートである。図１２に示される処理フローは、所定のサイクル毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０：
制御装置１００は、エンジン始動の検出を行う。例えば、制御装置１００は、エンジン始動を指示するエンジン始動信号の検出を行う。エンジン始動信号を検出することによって、内燃機関１０が実際に始動する始動タイミングｔｓ（図３、図４参照）よりも前にエンジン始動を検出することができる。エンジン始動が検出されない場合（ステップＳ１０；Ｎｏ）、今回のサイクルの処理は終了する。エンジン始動が検出されると（ステップＳ１０；Ｙｅｓ）、処理はステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０：
制御装置１００は、バイパス弁４５が閉じているか否かを判定する。バイパス弁４５が閉じていない場合（ステップＳ２０；Ｎｏ）、処理はステップＳ３０に進む。一方、バイパス弁４５が閉じている場合（ステップＳ２０；Ｙｅｓ）、処理はステップＳ１００に進む。

ステップＳ３０：
制御装置１００は、バイパス弁４５を閉じる。その後、処理はステップＳ１００に進む。

ステップＳ１００：
制御装置１００は、アシスト制御を開始する。より詳細には、アシスト制御期間ＰＡのうち第１の期間ＰＡ１（図４参照）が始まり、制御装置１００は力行制御を開始する。その後、処理はステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０：
制御装置１００は、切替開始回転数Ｎｔ１（図４参照）を算出する。具体的には、制御装置１００は、切替開始回転数マップＭＡＰ１（図１０参照）を用いることによって、入力パラメータ（Ｇａ、Ｎｅ）に応じた切替開始回転数Ｎｔ１を算出する。その後、処理はステップＳ１２０に進む。

ステップＳ１２０：
制御装置１００は、タービン回転数Ｎｔが切替開始回転数Ｎｔ１を超えたか否かを判定する。タービン回転数Ｎｔが切替開始回転数Ｎｔ１を超えていない場合（ステップＳ１２０；Ｎｏ）、処理はステップＳ１１０に戻る。一方、タービン回転数Ｎｔが切替開始回転数Ｎｔ１を超えた場合（ステップＳ１２０；Ｙｅｓ）、処理はステップＳ２００に進む。

ステップＳ２００：
制御装置１００は、切替制御を開始する。つまり、アシスト制御期間ＰＡのうち切替制御期間ＰＡ２（図４参照）が始まる。その後、処理はステップＳ２１０に進む。

ステップＳ２１０：
制御装置１００は、今回の排気サイクルＣＥにおける発電制御と力行制御との切替タイミングを算出する。具体的には、制御装置１００は、切替タイミングマップＭＡＰ３（図８参照）を用いることによって、現在のタービン回転数Ｎｔに応じた切替タイミングを算出する。そして、制御装置１００は、算出した切替タイミングに従って、切替制御、すなわち発電制御及び力行制御を実施する。その後、処理はステップＳ２２０に進む。

ステップＳ２２０：
制御装置１００は、力行終了回転数Ｎｔ２（図４参照）を算出する。具体的には、制御装置１００は、力行終了回転数マップＭＡＰ２（図１１参照）を用いることによって、入力パラメータ（Ｇａ、Ｎｅ）に応じた力行終了回転数Ｎｔ２を算出する。その後、処理はステップＳ２３０に進む。

ステップＳ２３０：
制御装置１００は、タービン回転数Ｎｔが力行終了回転数Ｎｔ２を超えたか否かを判定する。タービン回転数Ｎｔが力行終了回転数Ｎｔ２を超えていない場合（ステップＳ２３０；Ｎｏ）、処理はステップＳ２１０に戻る。一方、タービン回転数Ｎｔが力行終了回転数Ｎｔ２を超えた場合（ステップＳ２３０；Ｙｅｓ）、処理はステップＳ３００に進む。

ステップＳ３００：
制御装置１００は、アシスト制御を終了する。つまり、制御装置１００は、力行制御を終了し、通常の発電制御だけを行う。

３−４．効果
以上に説明されたように、本実施の形態によれば、制御装置１００は、少なくともエンジン始動後、終了条件が満たされるまで、アシスト制御（力行制御、一部力行制御）を行う。これにより、アシスト制御が実施されない場合と比較して、タービン回転数Ｎｔがより早く上昇する。すなわち、タービン回転数Ｎｔを発電可能回転数までより早く上昇させることができ、発電を早期に開始することが可能となる。その結果、エンジン始動後の発電機会及び発電量が増加する。

また、アシスト制御期間ＰＡの前半の第１の期間ＰＡ１では、制御装置１００は、力行制御だけを行う。これにより、タービン回転数Ｎｔを効果的に上昇させることが可能となる。そして、アシスト制御期間ＰＡの後半の切替制御期間ＰＡ２では、制御装置１００は、発電制御と力行制御を交互に実施する切替制御を行う。これにより、タービン回転数Ｎｔを上昇させつつ、発電も行うことが可能となる。すなわち、発電機会及び発電量が更に増加する。

更に、制御装置１００は、排気サイクルＣＥ中のタービン入力仕事の変動を考慮して、効率的に切替制御を行う。具体的には、制御装置１００は、ブローダウン流れが発生するブローダウン期間Ｐｂの少なくとも一部において、発電制御を実施する。高エネルギーのブローダウン流れを有効に活用することによって、発電効率が向上し、発電量も増加する。すなわち、発電制御と力行制御を交互に実施する切替制御において、発電量の増加とタービン回転数Ｎｔの早期上昇の両方を効率的に実現することが可能となる。

更に、制御装置１００は、切替制御における発電制御と力行制御との切替タイミングを、タービン回転数Ｎｔに応じて変化させてもよい。これにより、切替制御がより精密となり、発電効率を更に向上させることが可能となる。

本実施の形態に係るアシスト制御は、特にハイブリッド車両に有効である。ハイブリッド車両においては、エンジン停止とエンジン再始動が頻繁に行われる可能性がある。高頻度で発生するエンジン再始動のたびに本実施の形態に係るアシスト制御を実施することにより、優れた発電効果が得られ、燃費も向上する。

４．排気タービン発電システムの変形例
４−１．第１の変形例
図１３は、本実施の形態に係る排気タービン発電システム１の第１の変形例を示す概略図である。図１で示された構成の場合と重複する説明は適宜省略する。図１で示された構成では、各気筒１１−ｉ（ｉ＝１〜３）は２つの排気開口部３１（排気バルブ）を有していたが、第１の変形例では、各気筒１１−ｉは１つの排気開口部３１だけを有する。このような第１の変形例の構成に対しても、本実施の形態に係るアシスト制御を同様に適用可能である。

４−２．第２の変形例
図１４は、本実施の形態に係る排気タービン発電システム１の第２の変形例を示す概略図である。図１４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。

第２の変形例では、排気経路は２系統に分離されている。つまり、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。より詳細には、各気筒１１−ｉ（ｉ＝１〜３）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−ｉは、第１排気開口部３１Ａにおいて気筒１１−ｉにつながっている。一方、第２排気管３０Ｂ−ｉは、第２排気開口部３１Ｂにおいて気筒１１−ｉにつながっている。

第１排気管３０Ａ−ｉ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−ｉ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。より詳細には、複数の気筒１１−ｉ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。

一方、第２排気管３０Ｂ−ｉ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−ｉは、タービン５１を介さずに、第２排気開口部３１Ｂ−ｉ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−ｉ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１４に示されるように、複数の気筒１１−ｉ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。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１５は、第２の変形例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、高温高圧のブローダウン流れ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ブローダウン流れは、第１排気管３０Ａを通してタービン５１に導かれる。

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。排気行程後期においては、排気ガスの一部は、タービン５１には入力されず、第２排気管３０Ｂを通して排出されることになる。

このような第２の変形例の構成に対しても、本実施の形態に係るアシスト制御を同様に適用可能である。その場合は、第１排気弁の開閉に基づいて排気サイクルＣＥが規定される。２系統の排気経路が存在する場合、１回の排気サイクルＣＥにおいてタービン５１に入力される排気エネルギーは少なくなる。従って、図６で示されたような、タービン回収仕事の変化を考慮した効率的な切替制御は、特に有効である。

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、２０−１、２０−２、２０−３ 吸気管
２１ 吸気開口部
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
４０ バイパス排気管
４５ バイパス弁
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
９１ エアフローメータ
９２ クランク角センサ
９３ タービン回転数センサ
１００ 制御装置（ＥＣＵ）
１１０ プロセッサ
１２０ 記憶装置
ＭＡＰ１ 切替開始回転数マップ
ＭＡＰ２ 力行終了回転数マップ
ＭＡＰ３ 切替タイミングマップ

Claims (7)

1. 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、
   前記排気タービン発電機の運転を制御する制御装置と
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記排気タービン発電機に発電を行わせる発電制御と、
   前記排気タービン発電機に力行を行わせ、前記タービンを回転させる力行制御と
   を行い、
   前記内燃機関の始動後、終了条件が満たされるまで、前記制御装置は前記力行制御を行う
   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、
   前記内燃機関の始動後、切替開始条件が満たされるまで、前記制御装置は、前記発電制御を行うことなく前記力行制御を行い、
   前記切替開始条件が満たされた後、前記終了条件が満たされるまで、前記制御装置は、前記発電制御と前記力行制御を交互に実施する切替制御を行う
   排気タービン発電システム。
3. 請求項２に記載の排気タービン発電システムであって、
   排気開始タイミングは、前記内燃機関の任意の気筒から前記タービンに向けて前記排気ガスの排出が開始するタイミングであり、
   排気サイクルは、時間的に連続する２つの排気開始タイミング間の期間であり、
   前記排気サイクルは、前記任意の気筒から前記タービンに向けて前記排気ガスのブローダウン流れが発生するブローダウン期間を含み、
   前記切替制御を行う際、前記制御装置は、前記ブローダウン期間の少なくとも一部において前記発電制御を実施する
   排気タービン発電システム。
4. 請求項３に記載の排気タービン発電システムであって、
   前記制御装置は、前記切替制御における前記発電制御と前記力行制御との切替タイミングを、前記タービンの回転数に応じて変化させる
   排気タービン発電システム。
5. 請求項２乃至４のいずれか一項に記載の排気タービン発電システムであって、
   前記切替開始条件は、前記タービンの回転数であるタービン回転数が切替開始回転数に到達することであり、
   前記終了条件は、前記タービン回転数が前記切替開始回転数より大きい力行終了回転数に到達することである
   排気タービン発電システム。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の排気タービン発電システムであって、
   前記終了条件が満たされた場合、前記制御装置は、前記力行制御を行うことなく前記発電制御を行う
   排気タービン発電システム。
7. 排気タービン発電システムの制御装置であって、
   前記排気タービン発電システムは、
   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
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記排気タービン発電機に発電を行わせる発電制御と、
   前記排気タービン発電機に力行を行わせ、前記タービンを回転させる力行制御と
   を行い、
   前記内燃機関の始動後、終了条件が満たされるまで、前記制御装置は前記力行制御を行う
   制御装置。

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