(57)【要約】【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、発電に適したエンジン運転領域を拡大する。【解決手段】排気タービン発電機は、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、排気開始タイミングから始まる第１期間と、第１期間よりも後の第２期間とを含む。排気タービン発電機の発電負荷を制御する制御装置は、第１期間における第１発電負荷と第２期間における第２発電負荷を個別に制御し、第２発電負荷を第１発電負荷以下に抑える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項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発電負荷を制御する制御装置と
を備え、
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、前記排気開始タイミングから始まる第１期間と、前記第１期間よりも後の第２期間とを含み、
前記第１期間における前記発電負荷は、第１発電負荷であり、
前記第２期間における前記発電負荷は、第２発電負荷であり、
前記制御装置は、前記第１発電負荷と前記第２発電負荷を個別に制御し、前記第２発電負荷を前記第１発電負荷以下に抑える
排気タービン発電システム。
【請求項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、
前記制御装置は、前記第２発電負荷を前記第１発電負荷より低く設定する
排気タービン発電システム。
【請求項３】
請求項１に記載の排気タービン発電システムであって、
前記制御装置は、前記第１発電負荷を１００％未満に設定した場合、前記第２発電負荷を０％に設定し、
前記制御装置は、前記第１発電負荷を１００％に設定した場合、前記第２発電負荷を０〜１００％の範囲で設定する
排気タービン発電システム。
【請求項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、前記排気サイクルにおける前記タービンの回収仕事量を予測し、
前記回収仕事量が閾値未満の場合、前記制御装置は、前記第１発電負荷を前記回収仕事量に応じて０〜１００％の範囲で設定し、
前記回収仕事量が前記閾値以上の場合、前記制御装置は、前記第１発電負荷を１００％に設定し、更に、前記回収仕事量に応じて前記第２発電負荷を０〜１００％の範囲で設定する
排気タービン発電システム。
【請求項５】
請求項１に記載の排気タービン発電システムであって、
前記制御装置は、前記第１期間における前記タービンの回転数の上昇量を取得し、前記上昇量に応じて前記第２発電負荷を設定する
排気タービン発電システム。
【請求項６】
請求項５に記載の排気タービン発電システムであって、
前記上昇量が変化閾値未満の場合、前記制御装置は、前記第２発電負荷を０％に設定し、
前記上昇量が前記変化閾値以上の場合、前記制御装置は、前記上昇量に応じて前記第２発電負荷を０〜１００％の範囲で設定する
排気タービン発電システム。
【請求項７】
請求項５又は６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、前記排気サイクルにおける前記タービンの回収仕事量を予測し、
前記回収仕事量が閾値未満の場合、前記制御装置は、前記第１発電負荷を前記回収仕事量に応じて０〜１００％の範囲で設定し、
前記回収仕事量が前記閾値以上の場合、前記制御装置は、前記第１発電負荷を１００％に設定する
排気タービン発電システム。
【請求項８】
請求項１乃至７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、
前記制御装置は、排気弁の開弁タイミングを可変制御し、且つ、前記第１期間の開始タイミングを前記排気弁の前記開弁タイミングに一致させる
排気タービン発電システム。
【請求項９】
請求項１乃至８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、
前記排気サイクルは、排気エネルギーが前記第１期間よりも低い第３期間を含み、
前記制御装置は、前記第３期間において、前記排気タービン発電機の力行制御を行う
排気タービン発電システム。
【請求項１０】
請求項１乃至９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、
第１排気管と、
第２排気管と
を更に備え、
前記内燃機関の各気筒は、第１排気開口部と第２排気開口部を有し、
前記第１排気管は、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し、
前記第２排気管は、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し、
前記内燃機関から前記タービンへの前記排気ガスの供給は、前記第１排気管を通して行われる
排気タービン発電システム。
【請求項１１】
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、
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、前記排気開始タイミングから始まる第１期間と、前記第１期間よりも後の第２期間とを含み、
前記第１期間における前記排気タービン発電機の発電負荷は、第１発電負荷であり、
前記第２期間における前記発電負荷は、第２発電負荷であり、
前記制御装置は、前記第１発電負荷と前記第２発電負荷を個別に制御し、前記第２発電負荷を前記第１発電負荷以下に抑える
制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−２１４４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の特許文献１に開示されている排気タービン発電システムによれば、ブローダウン流れによる排気ガスがタービンに供給され、それにより発電が行われる。しかしながら、ブローダウン流れと次のブローダウン流れとの間の期間、タービンに入力される排気エネルギーは相対的に低い。排気エネルギーが相対的に低い期間においてもブローダウン流れの期間と同等の発電制御を継続すると、タービンの回転数が大きく低下してしまう。言い換えれば、タービン回転数を、適切な発電のための適正回転数に維持することが難しくなる。排気エネルギーの絶対値が十分に大きくなるようなエンジン運転領域では適切な発電を行うことができるかもしれないが、発電に適したエンジン運転領域が限られることは、発電機会が減ることを意味し、好ましくない。
【０００５】
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、発電に適したエンジン運転領域を拡大することができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、
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発電負荷を制御する制御装置と
を備える。
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、排気開始タイミングから始まる第１期間と、第１期間よりも後の第２期間とを含む。
第１期間における発電負荷は、第１発電負荷である。
第２期間における発電負荷は、第２発電負荷である。
制御装置は、第１発電負荷と第２発電負荷を個別に制御し、第２発電負荷を第１発電負荷以下に抑える。
【０００７】
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。
制御装置は、第２発電負荷を第１発電負荷より低く設定する。
【０００８】
第３の発明は、第１の発明において、更に次の特徴を有する。
制御装置は、第１発電負荷を１００％未満に設定した場合、第２発電負荷を０％に設定する。
制御装置は、第１発電負荷を１００％に設定した場合、第２発電負荷を０〜１００％の範囲で設定する。
【０００９】
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、排気サイクルにおけるタービンの回収仕事量を予測する。
回収仕事量が閾値未満の場合、制御装置は、第１発電負荷を回収仕事量に応じて０〜１００％の範囲で設定する。
回収仕事量が閾値以上の場合、制御装置は、第１発電負荷を１００％に設定し、更に、回収仕事量に応じて第２発電負荷を０〜１００％の範囲で設定する。
【００１０】
第５の発明は、第１の発明において、更に次の特徴を有する。
制御装置は、第１期間におけるタービンの回転数の上昇量を取得し、上昇量に応じて第２発電負荷を設定する。
【００１１】
第６の発明は、第５の発明において、更に次の特徴を有する。
上昇量が変化閾値未満の場合、制御装置は、第２発電負荷を０％に設定する。
上昇量が変化閾値以上の場合、制御装置は、上昇量に応じて第２発電負荷を０〜１００％の範囲で設定する。
【００１２】
第７の発明は、第５又は第６の発明において、更に次の特徴を有する。
制御装置は、排気サイクルにおけるタービンの回収仕事量を予測する。
回収仕事量が閾値未満の場合、制御装置は、第１発電負荷を回収仕事量に応じて０〜１００％の範囲で設定する。
回収仕事量が閾値以上の場合、制御装置は、第１発電負荷を１００％に設定する。
【００１３】
第８の発明は、第１乃至第７の発明のいずれかにおいて、更に次の特徴を有する。
制御装置は、排気弁の開弁タイミングを可変制御し、且つ、第１期間の開始タイミングを排気弁の開弁タイミングに一致させる。
【００１４】
第９の発明は、第１乃至第８の発明のいずれかにおいて、更に次の特徴を有する。
排気サイクルは、排気エネルギーが第１期間よりも低い第３期間を含む。
制御装置は、第３期間において、排気タービン発電機の力行制御を行う。
【００１５】
第１０の発明は、第１乃至第９の発明のいずれかにおいて、更に次の特徴を有する。
排気タービン発電システムは、第１排気管と、第２排気管とを更に備える。
内燃機関の各気筒は、第１排気開口部と第２排気開口部を有する。
第１排気管は、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２排気管は、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。
内燃機関からタービンへの排気ガスの供給は、第１排気管を通して行われる。
【００１６】
第１１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。
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、排気開始タイミングから始まる第１期間と、第１期間よりも後の第２期間とを含む。
第１期間における排気タービン発電機の発電負荷は、第１発電負荷である。
第２期間における発電負荷は、第２発電負荷である。
制御装置は、第１発電負荷と第２発電負荷を個別に制御し、第２発電負荷を第１発電負荷以下に抑える。
【発明の効果】
【００１７】
排気サイクルの第１期間における排気エネルギーは相対的に高く、第１期間より後の第２期間における排気エネルギーは相対的に低い。本発明に係る排気タービン発電システムは、このような排気サイクルにおける排気エネルギーの変化を考慮して、排気タービン発電機の発電負荷を制御する。
【００１８】
より詳細には、制御装置は、第１期間における第１発電負荷と第２期間における第２発電負荷を個別に制御し、第２発電負荷を第１発電負荷以下に抑える。このような発電負荷制御により、排気エネルギーが相対的に低い第２期間におけるタービン回転数の低下を抑えることが可能となる。その結果、タービン回転数を適正回転数に維持し、適切な発電を連続的に実施しやすくなる。
【００１９】
特に、排気エネルギーの絶対値が小さく、タービン回転数があまり上昇しない場合であっても、タービン回転数の低下が抑えられるため、タービン回転数を適正回転数に維持することが可能となる。このことは、発電に適したエンジン運転領域の拡大を意味する。発電に適したエンジン運転領域が拡大するため、発電機会が増える。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】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。
【図２】本発明の実施の形態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。
【図３】比較例を説明するための概念図である。
【図４】比較例の発電制御に適したエンジン運転領域を説明するためのグラフ図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る発電制御の概要を説明するための概念図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る発電負荷制御のための回路構成の一例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る発電負荷制御（デューティ制御）を説明するための図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る発電負荷制御のための回路構成の他の例を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る発電負荷制御の第１の例を説明するための概念図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る発電負荷制御の第１の例を説明するための概念図である。
【図１１】本発明の実施の形態に係る発電負荷制御の第１の例を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の実施の形態に係る発電負荷制御の第２の例を説明するための概念図である。
【図１３】本発明の実施の形態に係る発電負荷制御の第２の例を示すフローチャートである。
【図１４】本発明の実施の形態に係る発電負荷制御の第３の例を示すフローチャートである。
【図１５】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変形例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００２２】
１．排気タービン発電システムの構成
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。
【００２３】
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、４つの気筒１１−１、１１−２、１１−３、１１−４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。
【００２４】
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＝１〜４）のそれぞれに吸気管２０−ｉがつながっている。
【００２５】
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＝１〜４）のそれぞれに排気管３０−ｉがつながっている。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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にはウェイストゲートバルブ４５が配置されている。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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の発電負荷（発電デューティ）等を制御する。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。
【００３２】
２．本実施の形態の発電制御の概要
２−１．排気サイクルの説明
図２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ＣＲＮＫを表し、縦軸は排気エネルギーを表している。ここでの排気エネルギーは、タービン５１につながる排気管３０に排出される排気ガスのエネルギーであり、タービン５１に入力される排気ガスのエネルギーに相当する。
【００３３】
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ＴＳ」と呼ばれる。この排気開始タイミングは、排気弁の開弁タイミングに相当する。
【００３４】
排気開始タイミングＴＳ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、４つの気筒１１−１、１１−２、１１−３、１１−４のそれぞれの排気弁は、クランク角１８０［ｄｅｇ］毎に順番に開弁する。つまり、排気開始タイミングＴＳは、クランク角１８０［ｄｅｇ］毎に到来する。時間的に連続する２つの排気開始タイミングＴＳは、図２においてＴＳ−１及びＴＳ−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ＴＳ−１、ＴＳ−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、エンジン回転数に反比例する。つまり、エンジン回転数が低くなるにつれ、排気サイクルＣＥは長くなる。
【００３５】
図２に示されるように、１回の排気サイクルＣＥにおける排気エネルギーは一定ではない。排気エネルギーは、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。
【００３６】
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排気エネルギーが高くなる。
【００３７】
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、排気行程後期の排気エネルギーは、排気行程初期の排気エネルギーよりも相対的に低くなる。
【００３８】
図２に示されるように、排気サイクルＣＥは、排気エネルギーの大きさに応じて複数の期間に区分けされる。まず、第１期間Ｐ１は、ブローダウン流れにより排気エネルギーが相対的に高くなる排気行程初期の期間である。この第１期間Ｐ１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ＴＳから始まる。そして、第１期間Ｐ１は、排気開始タイミングＴＳから、およそクランク角６０［ｄｅｇ］の間続く。排気サイクルＣＥ中の第１期間Ｐ１は、エンジン回転数が低くなるにつれて相対的に少なくなり、また、排気ガス量が多くなるにつれて相対的に長くなる。
【００３９】
第２期間Ｐ２は、第１期間Ｐ１よりも後の期間であり、排気エネルギーが相対的に低くなる期間である。図２に示されるように、第１期間Ｐ１よりも後の期間は、排気行程後期に相当する第２期間Ｐ２と、排気エネルギーがゼロになる第３期間Ｐ３に区分けされてもよい。あるいは、第１期間Ｐ１よりも後の期間の全体を第２期間Ｐ２と呼んでもよい。いずれの場合であっても、第１期間Ｐ１の後の期間における排気エネルギーの総量は、第１期間Ｐ１における排気エネルギーの総量より小さい。
【００４０】
２−２．比較例の発電制御
本実施の形態に係る発電制御の特徴を分かりやすくするため、まず比較例について説明する。図３は、比較例を説明するための概念図である。図３には、排気タービン発電機５０の運転に関連する諸パラメータ（タービン回収仕事、発電仕事、タービンロータエネルギー収支、及びタービン回転数）のそれぞれの時間変化が示されている。タービン回収仕事は、排気エネルギー（図２参照）に比例し、排気エネルギーが高くなるにつれて増加する。本比較例では、発電仕事は、排気サイクルＣＥの間、一定に保たれる。
【００４１】
第１期間Ｐ１において、排気エネルギーは比較的高く、タービン回収仕事も比較的多い。従って、発電を行ったとしても、タービン回収仕事は、消費エネルギー（発電仕事と摩擦損失の和）を上回る。タービン回収仕事が過剰となるため、タービンロータエネルギー収支は正となり、タービン回転数が増加する。
【００４２】
第２期間Ｐ２において、排気エネルギーは相対的に低くなり、タービン回収仕事も少なくなる。このような状況において第１期間Ｐ１と同等の発電仕事を継続すると、消費エネルギーがタービン回収仕事を上回る。タービン回収仕事が不足するため、タービンロータエネルギー収支は負となり、タービン回転数は低下する。
【００４３】
第３期間Ｐ３において、排気エネルギー及びタービン回収仕事はゼロである。このような状況において第１期間Ｐ１と同等の発電仕事を継続すると、タービン回転数は更に低下する。
【００４４】
図３に示される例では、１回の排気サイクルＣＥの開始時と終了時とでタービン回転数を比較したとき、終了時のタービン回転数が開始時よりも低下している。このことは、タービン回転数を、適切な発電のための適正回転数に維持できないことを意味する。すなわち、同じ作動点で連続的に発電を実施することができない。
【００４５】
以上に説明したように、比較例の場合、排気エネルギーが相対的に低い第２期間Ｐ２及び第３期間Ｐ３においても、排気エネルギーが相対的に高い第１期間Ｐ１と同等の発電制御が実施される。その結果、タービン回転数が大きく低下するため、タービン回転数を適正回転数に維持することが難しく、適切な発電を連続的に実施することが難しい。排気エネルギーの“絶対値”が大きくなるようなエンジン運転領域では、タービン回転数も上昇しやすいため、比較例の発電制御を行うことができるかもしれない。しかしながら、発電に適したエンジン運転領域が限られることは、発電機会が減ることを意味し、好ましくない。
【００４６】
図４は、比較例の発電制御に適したエンジン運転領域を説明するためのグラフ図である。横軸はエンジン回転数を表し、縦軸はエンジントルクを表している。エンジン回転数が高くなるにつれ、排気エネルギーの“絶対値”も高くなる。図４中の領域ＲＯＫは、比較例の発電制御（通常制御）に適したエンジン運転領域である。一方、領域ＲＮＧは、比較例の発電制御には適さないエンジン運転領域である。上記の図３で示された例は、エンジン運転領域ＲＮＧにおける星印で示された運転状態の場合に対応している。本発明は、星印で示された運転状態においても適切に発電を行うこと、すなわち、エンジン運転領域ＲＯＫを拡大することを目的とする。
【００４７】
２−３．本実施の形態の発電制御の概要
図５は、本実施の形態に係る発電制御の概要を説明するための概念図である。図５のフォーマットは、図３のフォーマットと同じである。また、エンジンの運転状態は、上記の比較例の場合と同じく、図４中の星印で示された運転状態である。本実施の形態によれば、発電仕事は、排気サイクルＣＥにおける排気エネルギー（タービン回収仕事）の変化を考慮して可変制御される。
【００４８】
第１期間Ｐ１は、上記の比較例（図３参照）の場合と同様である。すなわち、排気エネルギーは比較的高く、タービン回収仕事も比較的多い。従って、発電を行ったとしても、タービン回収仕事は、消費エネルギー（発電仕事と摩擦損失の和）を上回る。タービン回収仕事が過剰となるため、タービンロータエネルギー収支は正となり、タービン回転数が増加する。
【００４９】
第２期間Ｐ２において、排気エネルギーは相対的に低くなり、タービン回収仕事も少なくなる。このタービン回収仕事の低下を考慮して、第２期間Ｐ２における発電仕事は、第１期間Ｐ１における発電仕事より少なくなるように制御される。これにより、消費エネルギーをタービン回収仕事と同等とすることができる。その結果、タービン回転数の低下が抑えられる。
【００５０】
第３期間Ｐ３において、排気エネルギー及びタービン回収仕事はゼロである。この第３期間Ｐ３における発電仕事はゼロに設定される。摩擦損失によりタービン回転数は少し低下する。
【００５１】
図５に示される例では、１回の排気サイクルＣＥの開始時と終了時とでタービン回転数を比較したとき、終了時のタービン回転数は開始時と同等である。このことは、タービン回転数を、適切な発電のための適正回転数に維持できることを意味する。すなわち、同じ作動点で連続的に発電を実施することができる。
【００５２】
このように、本実施の形態によれば、発電仕事は、タービン回収仕事を考慮して可変制御される。これにより、図４中の星印で示された運転状態であっても、タービン回転数を適正回転数に維持し、適切な発電を連続的に実施することが可能となる。このことは、発電に適したエンジン運転領域ＲＯＫが拡大したことを意味する。従って、比較例の場合と比較して発電機会が増える。
【００５３】
３．制御装置による発電負荷制御
本実施の形態に係る排気タービン発電システム１の制御装置１００は、発電仕事を制御するために、排気タービン発電機５０の「発電負荷（発電デューティ）」を制御する。
【００５４】
３−１．発電負荷制御のための回路構成例
図６は、本実施の形態に係る発電負荷制御のための回路構成の一例を示している。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、ダイオードＤ１を介して、高電位側ノードＮＨに接続されている。ノードＮ２は、グランドに接続されている。ノードＮ１とノードＮ２の間には、ダイオードＤ２、スイッチＳＷ、及び発電機５２が並列に接続されている。スイッチＳＷは、制御装置１００によってＯＮ／ＯＦＦ制御される。
【００５５】
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６中の矢印で示されている。ここで、スイッチＳＷがＯＦＦ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。一方、スイッチＳＷ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、電気のくみ上げは発生せず、排気タービン発電機５０は「非発電状態」となる。
【００５６】
図７は、制御装置１００による発電負荷制御（デューティ制御）を説明するための図である。図７中のグラフの横軸は発電負荷を表し、縦軸はＯＦＦ時間率を表している。ＯＦＦ時間率とは、一定時間の中でスイッチＳＷがＯＦＦとなる時間が占める割合、すなわち、デューティ比である。ＯＦＦ時間率が０％の場合、スイッチＳＷは常にＯＮであり、発電負荷は０％である（発電中止）。一方、ＯＦＦ時間率が１００％の場合、スイッチＳＷは常にＯＦＦであり、発電負荷は１００％である（フル発電）。発電負荷は、ＯＦＦ時間率に比例して増加する。従って、制御装置１００は、スイッチＳＷをＯＮ／ＯＦＦ制御することによって、発電負荷を０〜１００％の範囲で制御することができる。
【００５７】
３−２．本実施の形態の発電負荷制御の概要とその効果
本実施の形態によれば、制御装置１００は、排気サイクルＣＥにおける排気エネルギー（タービン回収仕事）の変化を考慮して発電負荷を制御する。説明のため、第１期間Ｐ１における発電負荷を「第１発電負荷ＤＵＴＹ１」と呼び、第２期間Ｐ２における発電負荷を「第２発電負荷ＤＵＴＹ２」と呼ぶ。制御装置１００は、第１発電負荷ＤＵＴＹ１と第２発電負荷ＤＵＴＹ２を個別に制御する。
【００５８】
例えば、上記の図５で示された例では、制御装置１００は、第２発電負荷ＤＵＴＹ２を第１発電負荷ＤＵＴＹ１より低く設定している。これにより、上述の通り、排気エネルギーが相対的に低い第２期間Ｐ２におけるタービン回転数の低下を抑えることが可能となる。その結果、タービン回転数を適正回転数に維持し、適切な発電を連続的に実施しやすくなる。このように第２発電負荷ＤＵＴＹ２を第１発電負荷ＤＵＴＹ１未満に設定することは、特に、排気エネルギーの絶対値が小さい運転状態（図４中の星印参照）において有効である。
【００５９】
後述されるように、排気エネルギーの絶対値が十分に大きい場合には、第２発電負荷ＤＵＴＹ２を第１発電負荷ＤＵＴＹ１と同レベルに設定してもよい。この場合でも、第１発電負荷ＤＵＴＹ１は第２発電負荷ＤＵＴＹ２より低くはならない。
【００６０】
このように、本実施の形態に係る制御装置１００は、第１発電負荷ＤＵＴＹ１と第２発電負荷ＤＵＴＹ２を個別に制御し、第２発電負荷ＤＵＴＹ２を第１発電負荷ＤＵＴＹ１以下に抑える。このような発電負荷制御により、排気エネルギーが相対的に低い第２期間Ｐ２におけるタービン回転数の低下を抑えることが可能となる。その結果、タービン回転数を適正回転数に維持し、適切な発電を連続的に実施しやすくなる。
【００６１】
特に、排気エネルギーの絶対値が小さく、タービン回転数があまり上昇しない場合であっても、タービン回転数の低下が抑えられるため、タービン回転数を適正回転数に維持することが可能となる。このことは、発電に適したエンジン運転領域ＲＯＫ（図４参照）の拡大を意味する。発電に適したエンジン運転領域ＲＯＫが拡大するため、発電機会が増える。
【００６２】
３−３．発電負荷制御のための回路構成の他の例
図８は、本実施の形態に係る発電負荷制御のための回路構成の他の例を示している。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Ｎ３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Ｄ３を介してグランドに接続されている。ノードＮ４は、ダイオードＤ４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Ｎ３とノードＮ４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。
【００６３】
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８中の矢印で示されている。ここで、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２が共にＯＦＦ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、発電負荷を０〜１００％の範囲で制御することができる（図７参照）。
【００６４】
排気エネルギーが低く、タービン回収仕事が少ない期間（例えば第３期間Ｐ３）、制御装置１００は「力行制御」を行ってもよい。具体的には、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２が共にＯＮ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ができる。
【００６５】
排気タービン発電機５０の力行制御を行うことにより、タービン回転数が上昇する。従って、排気エネルギーの絶対値が更に小さい運転状態においても、適切な発電を実施することが可能となる。すなわち、発電に適したエンジン運転領域ＲＯＫ（図４参照）を更に拡大することが可能となる。
【００６６】
４．発電負荷制御の様々な例
４−１．第１の制御例
図９は、排気サイクルＣＥにおけるタービン回転数の変化を示している。横軸は時間を表し、縦軸はタービン回転数を表している。上述の通り、排気タービン発電機５０を同じ作動点で連続的に運転するための条件は、１回の排気サイクルＣＥの開始時と終了時とでタービン回転数が同じになることである。その条件の下で、排気サイクルＣＥ中にタービン回転数をどのように変化させることが好ましいかを考える。
【００６７】
図９には、上記条件を満たすタービン回転数の変化パターンとして、２つのパターンが示されている。第１パターンでは、排気サイクルＣＥの前半におけるタービン回転数の上昇幅が比較的小さい。一方、第２パターンでは、排気サイクルＣＥの前半におけるタービン回転数の上昇幅が比較的大きい。図９に示されるように、第２パターンの場合のタービン回転数は、排気サイクルＣＥの全期間にわたって、第１パターンの場合のタービン回転数よりも大きくなる。
【００６８】
ここで、フリクションは“のべ回転数”に比例して大きくなることに留意されたい。従って、フリクション損失を低減するという観点から言えば、第２パターンよりも第１パターンの方が有利である。これは、タービン回転数が上昇するときにその上昇幅を可能な限り抑えることが好適であることを意味する。そして、上記の図５で示されたように、排気行程初期の第１期間Ｐ１が「タービン回転数が上昇するとき」に相当する。従って、第１期間Ｐ１におけるタービン回転数の上昇幅をなるべく抑えることが好適である。タービン回転数の上昇幅を抑えるには、第１期間Ｐ１における第１発電負荷ＤＵＴＹ１をなるべく高く設定すればよい。本実施の形態に係る発電負荷制御の第１の例は、この観点に立脚している。
【００６９】
図１０は、本実施の形態に係る発電負荷制御の第１の例を説明するための概念図である。横軸は回収仕事量Ｗを表し、縦軸は発電負荷の割り当てを表している。ここで、回収仕事量Ｗは、１回の排気サイクルＣＥにおけるタービン５１の回収仕事量である。第１期間Ｐ１における発電負荷は第１発電負荷ＤＵＴＹ１であり、第２期間Ｐ２における発電負荷は第２発電負荷ＤＵＴＹ２であり、第３期間Ｐ３における発電負荷は第３発電負荷ＤＵＴＹ３である。
【００７０】
回収仕事量Ｗが増えるにつれて、全体としてより多くの発電負荷を割り当てることできる。このとき、タービン回転数の上昇幅を抑えるためには、第１期間Ｐ１における第１発電負荷ＤＵＴＹ１をなるべく高く設定することが好ましい。そこで、第１の例では、割り当て可能な発電負荷を第１発電負荷ＤＵＴＹ１から優先的に割り当てる。そして、第１発電負荷ＤＵＴＹ１が１００％になった場合に限り、残りの発電負荷を第２発電負荷ＤＵＴＹ２等に割り当てることが許される。
【００７１】
より詳細には、図１０に示されるように、回収仕事量ＷがＷ１〜Ｗ２の範囲にある場合、第１発電負荷ＤＵＴＹ１は、回収仕事量Ｗに応じて０〜１００％の範囲で設定され、第２発電負荷ＤＵＴＹ２及び第３発電負荷ＤＵＴＹ３は共に０％に設定される。回収仕事量ＷがＷ２〜Ｗ３の範囲にある場合、第１発電負荷ＤＵＴＹ１は１００％に設定され、第２発電負荷ＤＵＴＹ２は、回収仕事量Ｗに応じて０〜１００％の範囲で設定され、第３発電負荷ＤＵＴＹ３は０％に設定される。回収仕事量ＷがＷ３〜Ｗ４の範囲にある場合、第１発電負荷ＤＵＴＹ１及び第２発電負荷ＤＵＴＹ２は共に１００％に設定され、第３発電負荷ＤＵＴＹ３は、回収仕事量Ｗに応じて０〜１００％の範囲で設定される。従って、「ＤＵＴＹ１≧ＤＵＴＹ２≧ＤＵＴＹ３」の関係が成り立つ。回収仕事量Ｗがどの値であっても、第１期間Ｐ１における第１発電負荷ＤＵＴＹ１は、他の期間の発電負荷より低くならない。
【００７２】
図１１は、本実施の形態に係る発電負荷制御の第１の例を示すフローチャートである。制御装置１００は、図１１に示されるフロー（ルーチン）を、例えばクランク角１８０［ｄｅｇ］ごとに繰り返し実行する。
【００７３】
ステップＳ１００：
制御装置１００は、回収仕事量Ｗを予測する。例えば、入力パラメータと回収仕事量Ｗとの対応関係を規定するマップが予め作成され、制御装置１００の記憶装置に格納される。入力パラメータは、例えば、エンジン回転数と要求トルクである。エンジン回転数は、内燃機関１０に設置されたエンジン回転数センサによって検出される。制御装置１００は、入力パラメータとマップに基づいて、回収仕事量Ｗを算出する。
【００７４】
ステップＳ１１０：
制御装置１００は、回収仕事量Ｗを各種閾値（Ｗ１〜Ｗ４）と比較する。回収仕事量Ｗが第１閾値Ｗ１未満の場合、処理はステップＳ１２０に進む。回収仕事量Ｗが第１閾値Ｗ１以上、第２閾値Ｗ２未満の場合、処理はステップＳ１３０に進む。回収仕事量Ｗが第２閾値Ｗ２以上、第３閾値Ｗ３未満の場合、処理はステップＳ１４０に進む。回収仕事量Ｗが第３閾値Ｗ３以上、第４閾値Ｗ４未満の場合、処理はステップＳ１５０に進む。回収仕事量Ｗが第４閾値Ｗ４以上の場合、処理はステップＳ１６０に進む。
【００７５】
ステップＳ１２０：
制御装置１００は、第１発電負荷ＤＵＴＹ１、第２発電負荷ＤＵＴＹ２、及び第３発電負荷ＤＵＴＹ３の全てを０％に設定する。すなわち、制御装置１００は、排気タービン発電機５０による発電を中止する。
【００７６】
ステップＳ１３０：
制御装置１００は、第１発電負荷ＤＵＴＹ１を、回収仕事量Ｗに応じて０〜１００％の範囲で設定する。このとき、回収仕事量Ｗが多くなるにつれ、第１発電負荷ＤＵＴＹ１は高くなる。また、制御装置１００は、第２発電負荷ＤＵＴＹ２及び第３発電負荷ＤＵＴＹ３を０％に設定する。
【００７７】
ステップＳ１４０：
制御装置１００は、第１発電負荷ＤＵＴＹ１を１００％に設定する。また、制御装置１００は、第２発電負荷ＤＵＴＹ２を、回収仕事量Ｗに応じて０〜１００％の範囲で設定する。このとき、回収仕事量Ｗが多くなるにつれ、第２発電負荷ＤＵＴＹ２は高くなる。また、制御装置１００は、第３発電負荷ＤＵＴＹ３を０％に設定する。
【００７８】
ステップＳ１５０：
制御装置１００は、第１発電負荷ＤＵＴＹ１及び第２発電負荷ＤＵＴＹ２を１００％に設定する。また、制御装置１００は、第３発電負荷ＤＵＴＹ３を、回収仕事量Ｗに応じて０〜１００％の範囲で設定する。このとき、回収仕事量Ｗが多くなるにつれ、第３発電負荷ＤＵＴＹ３は高くなる。
【００７９】
ステップＳ１６０、Ｓ１７０：
制御装置１００は、第１発電負荷ＤＵＴＹ１、第２発電負荷ＤＵＴＹ２、及び第３発電負荷ＤＵＴＹ３の全てを１００％に設定する（フル発電）。更に、制御装置１００は、ウェイストゲートバルブ４５（図１参照）を開弁する。
【００８０】
以上に説明された発電負荷制御の第１の例によれば、タービン回転数が上昇する第１期間Ｐ１における第１発電負荷ＤＵＴＹ１がなるべく高く設定される。その結果、第１期間Ｐ１におけるタービン回転数の上昇幅が抑制される。第１期間Ｐ１におけるタービン回転数の上昇幅が小さくなると、図９中の第１パターンで示されるように、排気サイクルＣＥにおける“のべ回転数”が減少する。これにより、フリクション損失が低減されるため、発電効率が向上する。
【００８１】
４−２．第２の制御例
図１２は、本実施の形態に係る発電負荷制御の第２の例を説明するための概念図である。図１２のフォーマットは既出の図２のフォーマットと同じであり、横軸はクランク角ＣＲＮＫを表し、縦軸は排気エネルギーを表している。本例では、排気サイクルＣＥ中の第１期間Ｐ１以外の期間の全てを第２期間Ｐ２とする。
【００８２】
排気サイクルＣＥの初期の第１期間Ｐ１において、タービン回転数は上昇する。排気サイクルＣＥの残りの第２期間Ｐ２において、タービン回転数は低下する。適正回転数を維持するためには、第１期間Ｐ１におけるタービン回転数の上昇量と第２期間Ｐ２におけるタービン回転数の低下量とをバランスさせることが好ましい。第２期間Ｐ２におけるタービン回転数の低下量は、第２発電負荷ＤＵＴＹ２が高くなるにつれ大きくなる。従って、第１期間Ｐ１におけるタービン回転数の上昇量に応じて第２発電負荷ＤＵＴＹ２を決定することにより、精度の良いタービン回転数制御を実現することが可能となる。本実施の形態に係る発電負荷制御の第２の例は、この観点に立脚している。
【００８３】
図１２には、第１発電負荷ＤＵＴＹ１と第２発電負荷ＤＵＴＹ２の決定タイミングも示されている。制御装置１００は、第１決定タイミングＣＡＬ１において第１発電負荷ＤＵＴＹ１を決定し、第２決定タイミングＣＡＬ２において第２発電負荷ＤＵＴＹ２を決定する。第１決定タイミングＣＡＬ１は、第１期間Ｐ１の開始タイミングと一致している。第２決定タイミングＣＡＬ２は、第２期間Ｐ２の開始タイミングと一致している。
【００８４】
図１３は、本実施の形態に係る発電負荷制御の第２の例を示すフローチャートである。制御装置１００は、図１３に示されるフロー（ルーチン）を、例えばクランク角３０［ｄｅｇ］ごとに繰り返し実行する。
【００８５】
ステップＳ２００：
制御装置１００は、現タイミングが第１決定タイミングＣＡＬ１かどうかを判定する。現タイミングが第１決定タイミングＣＡＬ１である場合（ステップＳ２００；Ｙｅｓ）、制御装置１００は、続くステップＳ２１０〜Ｓ２３０を実行する。それ以外の場合（ステップＳ２００；Ｎｏ）、処理はステップＳ２４０に進む。
【００８６】
ステップＳ２１０：
制御装置１００は、回収仕事量Ｗを予測する。例えば、制御装置１００は、上述のステップＳ１００と同じ方法で、回収仕事量Ｗを算出する。
【００８７】
ステップＳ２２０：
制御装置１００は、第１決定タイミングＣＡＬ１におけるタービン回転数である第１タービン回転数ＮＴ１を取得する。例えば、タービン回転数は、タービン５１に設けられた回転数センサを用いることによって測定される。第１タービン回転数ＮＴ１は、第１期間Ｐ１の開始タイミングにおけるタービン回転数に相当する。
【００８８】
ステップＳ２３０：
制御装置１００は、第１期間Ｐ１における第１発電負荷ＤＵＴＹ１を決定する。具体的には、回収仕事量Ｗが第１閾値Ｗ１未満の場合、制御装置１００は、第１発電負荷ＤＵＴＹ１を０％に設定する。回収仕事量Ｗが第１閾値Ｗ１以上、第２閾値Ｗ２未満の場合、制御装置１００は、第１発電負荷ＤＵＴＹ１を、回収仕事量Ｗに応じて０〜１００％の範囲で設定する。このとき、回収仕事量Ｗが多くなるにつれ、第１発電負荷ＤＵＴＹ１は高くなる。回収仕事量Ｗが第２閾値Ｗ２以上の場合、制御装置１００は、第１発電負荷ＤＵＴＹ１を１００％に設定する。
【００８９】
ステップＳ２４０：
制御装置１００は、現タイミングが第２決定タイミングＣＡＬ２かどうかを判定する。現タイミングが第２決定タイミングＣＡＬ２である場合（ステップＳ２４０；Ｙｅｓ）、制御装置１００は、続くステップＳ２５０〜Ｓ２７０を実行する。それ以外の場合（ステップＳ２４０；Ｎｏ）、処理はステップＳ２８０に進む。
【００９０】
ステップＳ２５０：
制御装置１００は、第２決定タイミングＣＡＬ２におけるタービン回転数である第２タービン回転数ＮＴ２を取得する。例えば、タービン回転数は、タービン５１に設けられた回転数センサを用いることによって測定される。第２タービン回転数ＮＴ２は、第２期間Ｐ２の開始タイミングにおけるタービン回転数に相当する。
【００９１】
ステップＳ２６０：
制御装置１００は、第２タービン回転数ＮＴ２と第１タービン回転数ＮＴ１との差分ｄＮＴを算出する。この差分ｄＮＴが、第１期間Ｐ１におけるタービン回転数の上昇量に相当する。あるいは、制御装置１００は、エンジン回転数とトルクに基づいて、第１期間Ｐ１におけるタービン回転数の上昇量を推定してもよい。
【００９２】
ステップＳ２７０：
制御装置１００は、第１期間Ｐ１におけるタービン回転数の上昇量に応じて、第２期間Ｐ２における第２発電負荷ＤＵＴＹ２を決定する。具体的には、差分ｄＮＴが第１変化閾値ｄＮＴ１未満の場合、制御装置１００は、第２発電負荷ＤＵＴＹ２を０％に設定する。差分ｄＮＴが第１変化閾値ｄＮＴ１以上、第２変化閾値ｄＮＴ２未満の場合、制御装置１００は、第２発電負荷ＤＵＴＹ２を、差分ｄＮＴに応じて０〜１００％の範囲で設定する。このとき、差分ｄＮＴが大きくなるにつれ、第２発電負荷ＤＵＴＹ２は高くなる。差分ｄＮＴが第２変化閾値ｄＮＴ２以上の場合、制御装置１００は、第２発電負荷ＤＵＴＹ２を１００％に設定する。
【００９３】
ステップＳ２８０：
制御装置１００は、排気タービン発電機５０の発電負荷を制御する。具体的には、第１期間Ｐ１の場合、制御装置１００は、排気タービン発電機５０の発電負荷を第１発電負荷ＤＵＴＹ１に制御する。一方、第２期間Ｐ２の場合、制御装置１００は、排気タービン発電機５０の発電負荷を第２発電負荷ＤＵＴＹ２に制御する。
【００９４】
以上に説明された発電負荷制御の第２の例によれば、第２期間Ｐ２における第２発電負荷ＤＵＴＹ２は、第１期間Ｐ１におけるタービン回転数の上昇量に応じて決定される。これにより、第１期間Ｐ１におけるタービン回転数の上昇量と第２期間Ｐ２におけるタービン回転数の低下量とをバランスさせることが可能となる。すなわち、適切な発電を連続的に行うためのタービン回転数制御を高精度に実現することが可能となる。
【００９５】
４−３．第３の制御例
制御装置１００は、可変バルブタイミング（VVT: Variable Valve Timing）機構により、排気弁の開閉タイミングを可変制御する。制御装置１００は、この排気弁の開閉タイミングの制御と連動して、第１期間Ｐ１の開始タイミングを変更する。つまり、制御装置１００は、第１期間Ｐ１の開始タイミングを排気弁の開弁タイミングに一致させる。
【００９６】
図１４は、本実施の形態における発電負荷制御の第３の例を示すフローチャートである。この第３の例に係るフローは、上記の発電負荷制御の各例と組み合わせて用いられる。
【００９７】
ステップＳ３００：
制御装置１００は、現タイミングがバルブタイミング決定タイミングであるか否かを判定する。現タイミングがバルブタイミング決定タイミングである場合（ステップＳ３００；Ｙｅｓ）、制御装置は、続くステップＳ３１０〜Ｓ３３０を実行する。それ以外の場合（ステップＳ３００；Ｎｏ）、処理フローは終了する。
【００９８】
ステップＳ３１０：
制御装置１００は、排気弁の開弁タイミングをクランク角ＥＶＯ［ｄｅｇ］に決定する。
【００９９】
ステップＳ３２０：
制御装置１００は、第１期間Ｐ１の開始タイミングをクランク角ＥＶＯ［ｄｅｇ］に設定する。つまり、制御装置１００は、第１期間Ｐ１の開始タイミングを排気弁の開弁タイミングに一致させる。
【０１００】
ステップＳ３３０：
制御装置１００は、第１期間Ｐ１の終了タイミングをクランク角ＥＶＯ＋所定値α［ｄｅｇ］に設定する。所定値αは、例えばクランク角６０［ｄｅｇ］である。
【０１０１】
以上に説明された発電負荷制御の第３の例によれば、第１期間Ｐ１をブローダウン流れの発生期間に確実に同期させることが可能となる。これにより、排気エネルギーを効率よく回収し、発電量を増加させることが可能となる。
【０１０２】
５．排気タービン発電システムの変形例
図１５は、本実施の形態に係る排気タービン発電システム１の変形例を示す概略図である。図１５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。
【０１０３】
本変形例では、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、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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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１５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。
【０１０６】
図１５に示される例では、４つの気筒１１−１、１１−２、１１−３、１１−４が示されている。各々の気筒１１−ｉ（ｉ＝１〜４）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。
【０１０７】
次に、図１５に示されるような２系統の排気経路が存在する場合の排気行程について説明する。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。
【０１０８】
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（すなわち、第１期間Ｐ１）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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
このように、２系統の排気経路が存在する場合、排気行程後期にタービン５１に入力される排気エネルギーは更に減少する。従って、本実施の形態に係る発電負荷制御は更に有効である。
【符号の説明】
【０１１１】
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、１１−４    気筒
２０、２０−１、２０−２、２０−３、２０−４    吸気管
２１    吸気開口部
３０    排気管
３０Ａ、３０Ａ−１、３０Ａ−２、３０Ａ−３、３０Ａ−４  第１排気管
３０Ｂ、３０Ｂ−１、３０Ｂ−２、３０Ｂ−３、３０Ｂ−４  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    ウェイストゲートバルブ
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）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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