説明

エネルギシステム

【課題】エンジンにおける異常燃焼の発生を抑制しながら、熱負荷での要求熱量や電力負荷での要求電力量の変化に対応するように、発生熱電比率を変更する。
【解決手段】エンジンの燃焼モードとして、燃焼室2で燃焼する混合気Mの空気過剰率をストイキ範囲内に設定するストイキ燃焼モードと、燃焼室2で燃焼する混合気Mの空気過剰率をストイキ範囲内に設定し且つEGR手段24にてエンジン1の排ガスの一部E1を燃焼室2に再循環させるストイキ・EGR燃焼モードとを有し、電力負荷21への供給電力量よりも熱負荷16への供給熱量を優先すべき状況で、燃焼モードをストイキ燃焼モードに切り換え、且つ、熱負荷16への供給熱量よりも電力負荷21への供給電力量を優先すべき状況で、燃焼モードをストイキ・EGR燃焼モードに切り換える燃焼モード切換手段53を備えている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、混合気を燃焼室で圧縮して燃焼させ軸動力を出力するエンジンと、前記エンジンの排熱を回収して熱負荷に供給する熱を発生する排熱回収手段と、前記エンジンの軸動力により発電して電力負荷に供給する電力を発生する発電手段とを備えたエネルギシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
上記のようなエネルギシステムでは、排熱回収手段が、例えば、エンジンからの排ガスやジャケット水との熱交換により湯水を加熱する熱交換器、及び、その熱交換器で加熱された湯水を貯留させる貯湯タンクを備え、貯湯タンクに貯留した湯水を給湯部や暖房機器等の熱負荷に供給するように構成されている。発電手段は、例えば、エンジンの軸動力により発電する発電機であり、発電機で発生した電力を電力機器等の電力負荷に供給するように構成されている。このような排熱回収手段や発電手段を備えたエネルギシステムとして、所謂コージェネレーションシステム等が知られている。
【0003】
熱負荷での要求熱量や電力負荷での要求電力量は、時間帯や季節等の各種条件の変化に伴って変化する。よって、省エネルギー化を向上するためには、熱負荷での要求熱量や電力負荷での要求電力量の変化に対応して、発電手段の発生電力量に対する排熱回収手段の発生熱量の比率である発生熱電比率(=発生熱量/発生電力量)を変更させることが求められている。特に、コージェネレーションシステムでは、熱負荷での要求熱量や電力負荷での要求電力量が刻々と変化することから、刻々と変化する熱負荷での要求熱量や電力負荷での要求電力量に応じて発生熱電比率を変更させることが求められている。
【0004】
そこで、従来のエネルギシステムでは、火花点火式のエンジンにおいて、そのエンジンの点火時期を変更させることにより、発生熱電比率を変更させるようにしている(例えば、特許文献1参照。)。従来のエネルギシステムでは、点火時期を遅角側に変更するとエンジンの軸出力が低下する分、排ガスの温度が上昇するという特性を有している。そこで、その特性を利用して、排ガスの温度上昇により排熱回収手段の発生熱量を増大させて、発生熱電比率が高くなるように変更している。逆に、火花点火時期を進角側に変更することにより、排熱回収手段の発生熱量を減少させて発生熱電比率が低くなるように変更している。
【0005】
【特許文献1】特開2005−264755号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上記従来のエネルギシステムでは、発生熱電比率を変更するために、点火時期を大幅に変更しなければならない。よって、ノッキングや失火等の異常燃焼が発生し易くなり、エンジンの損傷や停止の原因となる。
特に、発電効率を高めるために、混合気の空気過剰率を燃料が希薄な範囲内に設定して、その混合気を燃焼室でリーン燃焼させるようなエンジンを用いる場合には、エンジンの点火時期を遅角側に変更すると、失火が起こり易くなり、未燃炭化水素の排出量が増加するという問題が生じる。
【0007】
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、エンジンにおける異常燃焼の発生を抑制しながら、熱負荷での要求熱量や電力負荷での要求電力量の変化に対応するように、発生熱電比率を変更することができるエネルギシステムを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
この目的を達成するために、本発明に係るエネルギシステムの特徴構成は、混合気を燃焼室で圧縮して燃焼させ軸動力を出力するエンジンと、前記エンジンの排熱を回収して熱負荷に供給する熱を発生する排熱回収手段と、前記エンジンの軸動力により発電して電力負荷に供給する電力を発生する発電手段とを備えたエネルギシステムであって、
前記エンジンの燃焼モードとして、前記燃焼室で燃焼する混合気の空気過剰率をストイキ範囲内に設定するストイキ燃焼モードと、前記燃焼室で燃焼する混合気の空気過剰率をストイキ範囲内に設定し且つEGR手段にて前記エンジンの排ガスの一部を前記燃焼室に再循環させるストイキ・EGR燃焼モードとを有し、前記電力負荷への供給電力量よりも前記熱負荷への供給熱量を優先すべき状況で、前記燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードに切り換え、且つ、前記熱負荷への供給熱量よりも前記電力負荷への供給電力量を優先すべき状況で、前記燃焼モードを前記ストイキ・EGR燃焼モードに切り換える燃焼モード切換手段を備えている点にある。
【0009】
空気過剰率とは、混合気の空燃比を理論空燃比で割ったものを言う。つまり、混合気において、燃料成分が少ないほどその空気過剰率は高いと言え、燃料成分が多くなるほどその混合気の空気過剰率は低いと言える。
本発明に係るエネルギシステムでは、ストイキ燃焼モードでも、ストイキ・EGR燃焼モードでも、混合気の空気過剰率を例えば1.0程度のストイキ範囲内に設定している。ストイキ燃焼モードでは、燃焼速度が高くノッキングが発生する可能性があるが、例えば、点火時期を調整することによってノッキングを回避することができる。また、ストイキ・EGR燃焼モードでは、排ガスの燃焼室への再循環により燃焼状態が多少不安定になる可能性があるが、例えば、同様に、点火時期を調整することによって燃焼状態の安定化を図ることができ、安定した燃焼状態を維持できる。
【0010】
ストイキ燃焼モードでは、理論空気量分の空気と燃料との混合気を用いるので、投入熱量あたりの混合気の熱容量が小さく、燃焼ガスの温度が高温になる。そのために燃焼室内での熱損失量が大きくなり発電手段の発電効率が低下する。一方、燃焼ガスの高温化により、エンジンの排ガスやエンジンを冷却した後のジャケット水が高温になり、排熱回収手段の発生熱量を大きくできる。その結果、ストイキ燃焼モードでは、発電手段の発生電力量に対する排熱回収手段の発生熱量の比率である発生熱電比率(=発生熱量/発生電力量)を高くできる。
ストイキ・EGR燃焼モードでは、排ガスの再循環により燃焼ガスの温度上昇を抑えることができる。これにより、燃焼室内での熱損失量が小さくなり発電手段の発電効率を高くできる。一方、燃焼ガスの温度上昇が抑制されることにより、排熱回収手段の発生熱量が小さくなる。その結果、ストイキ・EGR燃焼モードでは、発生熱電比率を低くできる。
燃焼モード切換手段は、例えば熱負荷での要求熱量が設定熱量よりも大きいと、電力負荷への供給電力量よりも熱負荷への供給熱量を優先すべき状況であるとして、エンジンの燃焼モードをストイキ燃焼モードに切り換える。また、燃焼モード切換手段は、例えば電力負荷での要求電力量が設定電力量よりも大きいと、熱負荷への供給熱量よりも電力負荷への供給電力量を優先すべき状況であるとして、エンジンの燃焼モードをストイキ・EGR燃焼モードに切り換える。これにより、熱負荷での要求熱量や電力負荷での要求電力量の変化に対応させて発生熱電比率を変更させることができる。
【0011】
よって、本発明のエネルギシステムでは、エンジンにおける異常燃焼の発生を抑制しながら、熱負荷での要求熱量や電力負荷での要求電力量の変化に対応するように、発生熱電比率を変更できる。
【0012】
本発明に係るエネルギシステムの更なる特徴構成は、前記燃焼モード切換手段は、前記電力負荷での要求電力量に対する前記熱負荷での要求熱量の要求熱電比率が設定比率よりも高い場合に、前記電力負荷への供給電力量よりも前記熱負荷への供給熱量を優先すべき状況であるとして、前記燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードに切り換え、且つ、前記要求熱電比率が前記設定比率よりも低い場合に、前記熱負荷への供給熱量よりも前記電力負荷への供給電力量を優先すべき状況であるとして、前記燃焼モードを前記ストイキ・EGR燃焼モードに切り換えるように構成されている点にある。
【0013】
本特徴構成によれば、燃焼モード切換手段は、要求熱電比率が設定比率よりも高いか低いかによって、エンジンの燃焼モードをストイキ燃焼モードとストイキ・EGR燃焼モードとに切り換える。これにより、要求熱電比率に対応させて発生熱電比率を変更させることができ、熱負荷での要求熱量及び電力負荷での要求電力量の変化に柔軟に且つ的確に対応できる。
【0014】
本発明に係るエネルギシステムの更なる特徴構成は、前記熱負荷での要求熱量及び前記電力負荷での要求電力量について、過去の要求熱量及び過去の要求電力量に基づいて、将来の要求熱量及び要求電力量を予測する負荷予測手段を備え、前記燃焼モード切換手段は、前記熱負荷での要求熱量及び前記電力負荷での要求電力量として、前記負荷予測手段にて予測された将来の要求熱量及び要求電力量を用いるように構成されている点にある。
【0015】
本特徴構成によれば、燃焼モード切換手段は、負荷予測手段にて予測された将来の要求熱量及び将来の要求電力量の変化に応じて、エンジンの燃焼モードをストイキ燃焼モードとストイキ・EGR燃焼モードとに切り換えることができる。よって、将来の要求熱量及び要求電力量の変化に対応して発生熱電比率の変更を的確に行うことができ、省エネルギー化の向上を的確に図ることができる。
【0016】
本発明に係るエネルギシステムの更なる特徴構成は、前記排熱回収手段は、前記エンジンの排熱により加熱された湯水を貯留する貯湯タンクを備え、前記貯湯タンクに貯留された湯水を前記熱負荷に供給するように構成され、前記燃焼モード切換手段は、前記貯湯タンクに給水される給水温度が設定温度よりも低い場合に、前記電力負荷への供給電力量よりも前記熱負荷への供給熱量を優先すべき状況であるとして、前記燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードに切り換え、且つ、前記給水温度が前記設定温度よりも高い場合に、前記熱負荷への供給熱量よりも前記電力負荷への供給電力量を優先すべき状況であるとして、前記燃焼モードを前記ストイキ・EGR燃焼モードに切り換えるように構成されている点にある。
【0017】
本特徴構成によれば、給水温度が設定温度よりも低い場合には、例えば冬季と判断することができ、冬季では、熱負荷での要求熱量が大きくなることから、電力負荷への供給電力量よりも熱負荷への供給熱量を優先すべきである。逆に、給水温度が設定温度よりも高い場合には、例えば夏季と判断することができ、夏季では、熱負荷での要求熱量が小さくなることから、熱負荷への供給熱量よりも電力負荷への供給電力量を優先すべきである。よって、燃焼モード切換手段は、給水温度と設定温度とを比較することにより、熱負荷への供給熱量と電力負荷への供給電力量とのどちらを優先すべきかを適切に判断して、エンジンの燃焼モードをストイキ燃焼モードとストイキ・EGR燃焼モードとに切り換えることができる。よって、省エネルギー化の向上を的確に図ることができる。
【0018】
本発明に係るエネルギシステムの更なる特徴構成は、前記ストイキ・EGR燃焼モードでは、前記燃焼室への混合気の流量に対する前記燃焼室に再循環させる排ガス流量のEGR率が15%以上となるように設定している点にある。
【0019】
ストイキ・EGR燃焼モードにおいて、EGR手段にて燃焼室に再循環させる排ガスの流量を増大させてEGR率を大きくすると、燃焼ガスの温度上昇の抑制をより効果的に図ることが可能となる。よって、EGR率を大きくすることにより、発生熱電比率を低くすることが可能となる。本特徴構成によれば、ストイキ・EGR燃焼モードでは、EGR率を15%以上とすることにより、ストイキ・EGR燃焼モードでの発生熱電比率を極力低くすることが可能となる。これにより、ストイキ燃焼モードでの発生熱電比率とストイキ・EGR燃焼モードでの発生熱電比率との差を極力大きくできる。よって、エンジンの燃焼モードをストイキ燃焼モードとストイキ・EGR燃焼モードとに切り換えることによって、発生熱電比率を極力大きく変更させることができ、発生熱電比率を効果的に変更させることができる。
【0020】
本発明に係るエネルギシステムの更なる特徴構成は、前記エンジンの排気路には、前記ストイキ燃焼モード及び前記ストイキ・EGR燃焼モードの何れの燃焼モードにおいても排ガスが通過する部位に三元触媒が配置されている点にある。
【0021】
本特徴構成によれば、例えば、アルミナ等の無機担体に白金、パラジウム、ロジウム等の貴金属成分を担持してなる三元触媒を排気路に配置することにより、そのNOx(窒素酸化物)を含む排ガスが三元触媒を通過することでNOxを還元除去することができる。その結果、NOxの排出量を規定量以下に抑制することができる。しかも、ストイキ燃焼モード及びストイキ・EGR燃焼モードの何れの燃焼モードにおいても、ストイキ条件は保持されるので、排ガスに含まれる酸化性成分と還元性成分とが釣り合っている状態となる。よって、三元触媒では、NOxの還元除去と同時に、CO(一酸化炭素)、HC(炭化水素)等の酸化除去を行うことができる。その結果、排ガスに含まれるNOx、CO、及び、HCを的確に除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0022】
本発明に係るエネルギシステムの実施形態を図面に基づいて説明する。
〔第1実施形態〕
このエネルギシステム100は、図1に示すように、熱に加え電力を発生するコージェネレーションシステムとして構成されている。エネルギシステム100は、混合気Mを燃焼室2で圧縮して燃焼させ軸動力を出力するエンジン1と、エンジン1の排熱を回収して熱負荷16に供給する熱を発生する排熱回収手段7と、エンジン1の軸動力により発電して電力負荷21に供給する電力を発生する発電機5(発電手段の一例)とを備えている。尚、この発電機5は、商用電力系統20と連系して発電した電力を電気機器などの電力負荷21に供給するように構成されている。
【0023】
エンジン1は、燃料供給弁6を介して供給された燃料Gと空気Aとの混合気Mを吸気路3から燃焼室2に吸気し、その混合気Mを燃焼室2において圧縮し、その混合気Mを燃焼室2において点火して燃焼・膨張させ、その燃焼により発生した排ガスEを排気路4に排出するというように、通常の4サイクルエンジンと同様の構成を有する。
【0024】
燃焼室2から排出された排ガスEが流通する排気路4には、排ガスEの酸素濃度を検出する酸素センサ18が設けられている。エンジン1の運転を制御する制御装置50は、酸素センサ18で検出される排ガスEの酸素濃度を監視しながら燃料供給弁6の開度を制御するように構成されている。これにより、吸気路3に形成される混合気Mの空気過剰率を任意に設定することができる。
【0025】
排熱回収手段7は、エンジン1を冷却した後のジャケット水JWと燃焼室2から排出された排ガスEとの両方からエンジン1の排熱を回収し、その回収した排熱により加熱した湯水HWを給湯部や暖房機器等の熱負荷16へ供給するように構成されている。排熱回収手段7は、循環ポンプ10を作動させることによりジャケット水JWを循環させる。これにより、ジャケット水JWは、エンジン1を冷却して昇温した後に、排気路4に設けられた伝熱管11を通過することで排ガスEの熱を回収して一層加熱される。排熱回収手段7は、伝熱管11を通過した後の高温のジャケット水JWと湯水HWとの熱交換を行う排熱回収熱交換器8と、排熱回収熱交換器8で加熱される湯水を貯える貯湯タンク9とを備えており、貯湯タンク9に貯えられた高温の湯水HWを熱負荷16に供給する。
【0026】
貯湯タンク9は、上部に高温の湯水HWが滞留する高温層を形成するとともに、その高温層の下部に低温の湯水HWが滞留する低温層を形成するようにして湯水HWを貯留する所謂温度成層型に構成されている。ポンプ15を作動することにより、貯湯タンク9の下端部にある比較的低温の湯水を排熱回収熱交換器8に通過させて適切な目標貯湯温度(例えば75℃)以上に加熱した後に、貯湯タンク9の上端部に戻す。これにより、貯湯タンク9は温度成層を形成して湯水HWを貯留する。貯湯タンク9の上端部から取り出した高温の湯水HWが熱負荷16に供給される。それと同時に、消費された分の湯水HWに相当する給水Wが貯湯タンク9の下端部に補充される。
【0027】
エンジン1の排ガスEは排気路4を通過して排出される。排気路4には、例えば、アルミナ等の無機担体に白金、パラジウム、ロジウム等の貴金属成分を担持してなる三元触媒12が配置されている。
排気路4の排ガスの一部E1を吸気路3に戻すEGR流路22と、EGR流路22を閉状態と開状態とに切換自在で且つ開状態においてその開度を調整自在なEGR弁23とが設けられている。EGR弁23を開状態とすることにより、EGR流路22にて排気路4の排ガスの一部E1を吸気路3に戻して、その排ガスE1を燃焼室2に再循環させることができる。EGR弁23を開状態としてその開度を調整することにより、EGR流路22にて吸気路3に戻す排ガス量を調整して、燃焼室2に再循環させる排ガス量を調整することができる。これにより、EGR流路22及びEGR弁23がEGR手段24として機能するように構成されている。このEGR手段24は、EGR流路22を用いて排ガスを再循環させる、所謂外部EGRを実現するように構成されている
【0028】
制御装置50は、所定のコンピュータプログラムを実行することにより、負荷予測手段51、出力制御手段52、燃焼モード切換手段53、及び、EGR制御手段54として機能するように構成されている。
【0029】
負荷予測手段51は、熱負荷16での要求熱量及び電力負荷21での要求電力量について、過去の要求熱量及び過去の要求電力量に基づいて、将来の要求熱量及び要求電力量を予測するように構成されている。つまり、負荷予測手段51は、熱負荷16における過去の消費熱量及び電力負荷21における過去の消費電力量を記憶している。例えば、負荷予測手段51は、1週間を曜日ごとに区分けして、各曜日の設定期間(例えば24時間)における消費電力量及び消費熱量を記憶している。負荷予測手段51は、記憶している過去の消費電力量及び過去の消費熱量に基づいて、将来の設定期間(例えば24時間)において、予測される消費熱量を将来の要求熱量として予測し、予測される消費電力量を将来の要求電力量として予測するように構成されている。
ここで、熱負荷16における消費熱量は、例えば貯湯タンク9から熱負荷16に供給される湯水HWの流量と温度を計測し、それら計測結果から求めることができる。電力負荷21における消費電力量は、発電機5及び商用電力系統20から電力負荷21に供給される電力量を計測して求めることができる。
【0030】
出力制御手段52は、エンジン1に設けられたスロットルバルブ(図示せず)の開度を制御する等の形態で、エンジン1の出力を電力負荷21での要求電力量に応じて制御する所謂電主運転制御、又は、エンジン1の出力を熱負荷16での要求熱量に応じて制御する所謂熱主運転制御を実行するように構成されている。
例えば、出力制御手段52が電主運転制御を行う場合には、発電機5の発生電力量が、電力負荷21の要求電力量と等しい量又はそれよりも一定量少ない量になって、要求電力量に追従して変化するように、エンジン1の出力が要求電力量に応じて制御される。
また、出力制御手段52が熱主運転制御を行う場合には、排熱回収手段7の発生熱量が、熱負荷16の要求熱量と等しい量又はそれよりも一定量少ない量になって、要求熱量に追従して変化するように、エンジン1の出力が要求熱量に応じて制御される。
【0031】
エンジン1の燃焼モードとして、燃焼室2で燃焼する混合気の空気過剰率をストイキ範囲内に設定するストイキ燃焼モードと、燃焼室2で燃焼する混合気の空気過剰率をストイキ範囲内に設定し且つEGR手段24にてエンジン1の排ガスEの一部を燃焼室2に再循環させるストイキ・EGR燃焼モードとを有する。燃焼モード切換手段53は、図2に示すように、電力負荷21での要求電力量に対する熱負荷16での要求熱量の要求熱電比率(=要求熱量/要求電力量)が設定比率よりも高い場合に、燃焼モードをストイキ燃焼モードに切り換え、且つ、要求熱電比率が設定比率よりも低い場合に、燃焼モードを前記ストイキ・EGR燃焼モードに切り換えるように構成されている。このとき、燃焼モード切換手段53は、熱負荷16での要求熱量及び電力負荷21での要求電力量について、負荷予測手段51にて予測された要求熱量及び要求電力量を用いている。
【0032】
ストイキ燃焼モード及びストイキ・EGR燃焼モードの何れの燃焼モードにおいても、制御装置50は、酸素センサ18で検出される排ガスEの酸素濃度が略ゼロの低酸素濃度となるように燃料供給弁6の開度を調整することにより、燃焼室2に供給される混合気Mの空気過剰率を略1.0程度のストイキ範囲内に設定している。ストイキ燃焼モードでは、燃焼速度が高くノッキングが発生する可能性があるが、例えば、点火時期を調整することによってノッキングを回避することができる。また、ストイキ・EGR燃焼モードでは、排ガスE1の燃焼室2への再循環により燃焼状態が多少不安定になる可能性があるが、例えば、同様に、点火時期を調整することによって燃焼状態の安定化を図ることができ、安定した燃焼状態を維持できる。
【0033】
ストイキ・EGR燃焼モードでは、燃焼室2に供給される混合気Mの空気過剰率を略1.0程度のストイキ範囲内に設定することに加えて、EGR制御手段54が、EGR弁23を開状態として、排気路4の排ガスEの一部をEGR流路22にて吸気路3に戻して排ガスEを燃焼室2に再循環させる。
【0034】
ストイキ燃焼モードでは、投入熱量あたりの混合気の熱容量が小さく、燃焼ガスの温度が高温になる。そのために燃焼室内での熱損失量が大きくなり発電機5の発電効率が低下する。一方、燃焼ガスの高温化により、エンジン1の排ガスEやエンジン1を冷却した後のジャケット水JWが高温になり、排熱回収手段7の発生熱量を大きくできる。その結果、ストイキ燃焼モードでは、発電機5の発生電力量に対する排熱回収手段7の発生熱量の比率である発生熱電比率(=発生熱量/発生電力量)を高くできる。
ストイキ・EGR燃焼モードでは、排ガスEの燃焼室2への再循環により燃焼ガスの温度上昇を抑えることができる。これにより、燃焼室2内での熱損失量が小さくなり発電機5の発電効率を高くできる。一方、燃焼ガスの温度上昇が抑制されることにより、排熱回収手段7の発生熱量が小さくなる。その結果、ストイキ・EGR燃焼モードでは、発生熱電比率を低くできる。
【0035】
よって、燃焼モード切換手段53が、図2に示すように、要求熱電比率が設定比率よりも高いか低いかによって、エンジン1の燃焼モードをストイキ燃焼モードとストイキ・EGR燃焼モードとに切り換えることにより、要求熱電比率に対応させて発生熱電比率を変更させることができる。
しかも、燃焼モード切換手段53は、負荷予測手段51にて予測された要求熱量及び要求電力量を用いている。これにより、将来予測されている要求熱電比率に応じて発生熱電比率を変更させることができ、省エネルギー化の向上を的確に図ることができる。
【0036】
排気路4には三元触媒12が配置されているので、NOx(窒素酸化物)を含む排ガスが三元触媒を通過することでNOxを還元除去することができる。これにより、NOxの排出量を規定量以下に抑制することができる。しかも、ストイキ燃焼モード及びストイキ・EGR燃焼モードの何れの燃焼モードにおいても、排ガスEの酸素濃度が略ゼロの低酸素濃度となっているので、排ガスEに含まれる酸化性成分と還元性成分とが釣り合っている状態である。よって、三元触媒12では、NOxの還元除去と同時に、CO(一酸化炭素)、HC(炭化水素)等の酸化除去を行うことができる。よって、排ガスEに含まれるNOx、CO、及び、HCを的確に除去することができる。
【0037】
ストイキ・EGR燃焼モードでは、燃焼室2への混合気Mの流量に対する燃焼室2に再循環させる排ガス流量のEGR率が15%以上となるように設定している。EGR率を15%以上(例えば20%)とするためのEGR弁23の目標開度を予め設定している。EGR制御手段54は、その目標開度にEGR弁23の開度を調整することにより、EGR率を15%以上(例えば20%)としている。
【0038】
ストイキ・EGR燃焼モードにおいて、例えば、EGR率を0%から20%に変化させたときの発生熱電比率の変化を図3に示している。ちなみに、EGR率が0%とはストイキ燃焼モードのときである。
EGR率が0%〜20%の範囲では、EGR率が高くなると発生熱電比率が低下するという事が分かる。そこで、ストイキ・EGR燃焼モードではEGR率を15%以上とすることにより、ストイキ・EGR燃焼モードでの発生熱電比率を例えば2.125以下とすることができる。これにより、ストイキ燃焼モードでの発生熱電比率とストイキ・EGR燃焼モードでの発生熱電比率との差を大きくできる。よって、エンジン1の燃焼モードをストイキ燃焼モードとストイキ・EGR燃焼モードとに切り換えることによって、発生熱電比率を大きく変更させることができ、発生熱電比率を効果的に変更させることができる。
ちなみに、EGR率を高くすると、燃焼室2での燃焼が不安定になる虞があるが、例えば、エンジン1の筒内(シリンダ内)での混合気等の流動量を大きくする等により、EGR率を15%以上(例えば20%)としても、燃焼室2での燃焼が安定するようにしている。EGR率の上限は、例えば25%としている。
【0039】
〔第2実施形態〕
この第2実施形態は、上記第1実施形態におけるEGR手段24の別実施形態である。以下、第2実施形態におけるEGR手段24について、図4及び図5に基づいて説明する。その他の構成については上記第1実施形態と同様であるので、説明は省略する。
【0040】
図4に示すように、EGR流路22は、吸気路4において吸気量を調整するスロットルバルブ25よりも上流側に排気路4の排ガスの一部E1を戻すように構成されている。吸気路3には、空気と燃料とを混合させるベンチュリーミキサ等の混合部26及びスロットルバルブ25をバイパスするバイパス路27が設けられ、そのバイパス路27にバイパス弁28が設けられている。
【0041】
ストイキ・EGR燃焼モードでは、EGR制御手段54が、EGR弁23の開度を調整するとともに、バイパス弁28の開度を調整する。これにより、排気路4の排ガスの一部E1を吸気路3に戻し、その排ガスE1を含む空気の一部をバイパス路27にてスロットルバルブ25及び混合部26をバイパスさせながら、空気と燃料とを混合させて燃焼室2に供給するようにしている。よって、EGR流路22、EGR弁23、バイパス路27、及び、バイパス弁28がEGR手段24として機能するように構成されている。
燃焼室2への吸気量はスロットルバルブ25にて調整されているが、ストイキ・EGR燃焼モードでは、EGR流路22にて排ガスE1を吸気路3に戻すことになる。よって、スロットルバルブ25の開度を増大側に調整することが必要となる。しかしながら、スロットルバルブ25の開度を過度に開き側に調整すると、吸気量を制御できなくなる可能性があることから、多量の排ガスE1を燃焼室2に再循環させることができない可能性がある。そこで、上述の如く、バイパス弁28を開状態としてバイパス路27を通しても燃焼室2に吸気することによって、スロットルバルブ25の開度を吸気量が制御不能となるような大きな開度に調整することなく、多量の排ガスE1を燃焼室2に再循環させることができる。
【0042】
ストイキ・EGR燃焼モードでは、EGR制御手段54が、EGR弁23の開度を目標開度に調整するようにしているが、バイパス弁28の開度の調整について、例えば、EGR弁23の目標開度に対して予め設定された目標開度になるようにバイパス弁28の開度を調整することができる。例えば、EGR弁23の目標開度を50%とすると、バイパス弁28の目標開度を20%とする。よって、ストイキ燃焼モードからストイキ・EGR燃焼モードに切り換えたときには、EGR制御手段54が、EGR弁23の開度を0%から50%に向けて大きくしていくとともに、バイパス弁28の開度を0%から20%に向けて大きくする。そして、最終的には、EGR制御手段54が、EGR弁23の開度を50%に調整し且つバイパス弁28の開度を20%に調整する。
【0043】
また、この第2実施形態において、図4に示すバイパス路27及びバイパス弁28に代えて、図5に示すように、吸気路3においてスロットルバルブ25よりも上流側に第2スロットルバルブ29を設けることもできる。この場合、例えば、ストイキ燃焼モードでは、第2スロットルバルブ29を半閉状態(開度50%)に調整し、ストイキ・EGR燃焼モードでは、第2スロットルバルブ29を半閉状態よりも設定開度だけ大きな開度(例えば開度70%)に調整する。
【0044】
〔第3実施形態〕
この第3実施形態は、上記第1及び第2実施形態における燃焼モード切換手段53の別実施形態である。以下、第3実施形態における燃焼モード切換手段53について説明する。
燃焼モード切換手段53は、貯湯タンク9に給水される給水温度が設定温度よりも低い場合に、燃焼モードをストイキ燃焼モードに切り換え、且つ、給水温度が設定温度よりも高い場合に、燃焼モードをストイキ・EGR燃焼モードに切り換えるように構成されている。貯湯タンク9に給水される給水温度を検出するために、給水温度検出センサ13が設けられており、燃焼モード切換手段53は、給水温度検出センサ13の検出温度が設定温度(例えば、15℃)よりも低い場合には、例えば冬季であると判断して、燃焼モードをストイキ燃焼モードに切り換える。これにより、冬季には要求熱電比率が高くなるが、ストイキ燃焼モードに切り換えて発生熱電比率を高くすることにより、その高い要求熱電比率に応えることができる。また、燃焼モード切換手段53は、給水温度検出センサ13の検出温度が設定温度(例えば、15℃)よりも高い場合には、例えば夏季であると判断して、燃焼モードをストイキ・EGR燃焼モードに切り換える。これにより、夏季には要求熱電比率が低くなるが、ストイキ・EGR燃焼モードに切り換えて発生熱電比率を低くすることにより、その低い要求熱電比率に応えることができる。
【0045】
〔別実施形態〕
(1)上記第1〜第3実施形態では、EGR手段として、EGR流路22を用いて排ガスを再循環させる、所謂外部EGRを用いた場合を例示したが、燃焼室2の排ガスをそのまま燃焼室2に残留させたり、排ガスを逆流させる等により排ガスの一部を再循環させる、所謂内部EGRを用いることもできる。
例えば、下死点から上死点に至る間の排気行程途中に排気弁を閉弁することにより、燃焼室2の排ガスをそのまま燃焼室2に残留させて、内部EGRを実現することができる。また、排気路に絞り弁を設け、その絞り弁の閉弁等により排気圧を上昇させることにより、燃焼室2の排ガスをそのまま燃焼室に残留させたり、排気路4の排ガスを排気弁から燃焼室2内に逆流させたりして、内部EGRを実現することができる。
【0046】
(2)上記第1及び第2実施形態では、燃焼モード切換手段53が、要求熱電比率が設定比率よりも高いか低いかによって、燃焼モードをストイキ燃焼モードとストイキ・EGR燃焼モードとに切り換えるようにしているが、例えば、熱負荷16での要求熱量が設定熱量よりも大きい場合に、燃焼モードをストイキ燃焼モードに切り換え、電力負荷21での要求電力量が設定電力量よりも大きい場合に、燃焼モードをストイキ・EGR燃焼モードに切り換えることもできる。この場合、熱負荷16での要求熱量が設定熱量よりも大きく且つ電力負荷21の要求電力量が設定電力量よりも大きい場合、及び、熱負荷16での要求熱量が設定熱量よりも小さく且つ電力負荷21の要求電力量が設定電力量よりも小さい場合には、ストイキ燃焼モードとストイキ・EGR燃焼モードとのうち、予め定めた一方に切り換えるようにしておく。
【0047】
また、上記第3実施形態では、燃焼モード切換手段53が、給水温度が設定温度よりも高いか低いかによって、燃焼モードをストイキ燃焼モードとストイキ・EGR燃焼モードとに切り換えるようにしているが、例えば、燃焼モード切換手段53が、日付を管理するカレンダー機能等を備えており、冬季にはストイキ燃焼モードに切り換え、夏季にはストイキ・EGR燃焼モードに切り換えることもできる。
【0048】
(3)上記第1〜第3実施形態では、出力制御手段52が、電主運転制御において要求電力量に応じてエンジン1の出力を制御したり、熱主運転制御において要求熱量に応じてエンジン1の出力を制御しているが、例えば、電主運転制御及び熱主運転制御において、エンジン1の出力を一定出力とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【0049】
本発明は、混合気を燃焼室で圧縮して燃焼させ軸動力を出力するエンジンと、エンジンの排熱を回収して熱負荷に供給する熱を発生する排熱回収手段と、エンジンの軸動力により発電して電力負荷に供給する電力を発生する発電手段とを備え、エンジンにおける異常燃焼の発生を抑制しながら、熱負荷での要求熱量や電力負荷での要求電力量の変化に対応するように、発生熱電比率を変更できる各種のエネルギシステムに適応可能である。
【図面の簡単な説明】
【0050】
【図1】エネルギシステムの概略構成図
【図2】要求熱電比率に応じた燃焼モードの切り換え状態を示す図
【図3】発生熱電比率とEGR率との関係を示すグラフ
【図4】第2実施形態におけるエネルギシステムの要部を示す図
【図5】第2実施形態におけるエネルギシステムの要部を示す図
【符号の説明】
【0051】
1 エンジン
2 燃焼室
4 排気路
5 発電手段(発電機)
7 排熱回収手段
12 三元触媒
16 熱負荷
21 電力負荷
51 負荷予測手段
53 燃焼モード切換手段

【特許請求の範囲】
【請求項1】
混合気を燃焼室で圧縮して燃焼させ軸動力を出力するエンジンと、
前記エンジンの排熱を回収して熱負荷に供給する熱を発生する排熱回収手段と、
前記エンジンの軸動力により発電して電力負荷に供給する電力を発生する発電手段とを備えたエネルギシステムであって、
前記エンジンの燃焼モードとして、前記燃焼室で燃焼する混合気の空気過剰率をストイキ範囲内に設定するストイキ燃焼モードと、前記燃焼室で燃焼する混合気の空気過剰率をストイキ範囲内に設定し且つEGR手段にて前記エンジンの排ガスの一部を前記燃焼室に再循環させるストイキ・EGR燃焼モードとを有し、
前記電力負荷への供給電力量よりも前記熱負荷への供給熱量を優先すべき状況で、前記燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードに切り換え、且つ、前記熱負荷への供給熱量よりも前記電力負荷への供給電力量を優先すべき状況で、前記燃焼モードを前記ストイキ・EGR燃焼モードに切り換える燃焼モード切換手段を備えているエネルギシステム。
【請求項2】
前記燃焼モード切換手段は、前記電力負荷での要求電力量に対する前記熱負荷での要求熱量の要求熱電比率が設定比率よりも高い場合に、前記電力負荷への供給電力量よりも前記熱負荷への供給熱量を優先すべき状況であるとして、前記燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードに切り換え、且つ、前記要求熱電比率が前記設定比率よりも低い場合に、前記熱負荷への供給熱量よりも前記電力負荷への供給電力量を優先すべき状況であるとして、前記燃焼モードを前記ストイキ・EGR燃焼モードに切り換えるように構成されている請求項1に記載のエネルギシステム。
【請求項3】
前記熱負荷での要求熱量及び前記電力負荷での要求電力量について、過去の要求熱量及び過去の要求電力量に基づいて、将来の要求熱量及び要求電力量を予測する負荷予測手段を備え、
前記燃焼モード切換手段は、前記熱負荷での要求熱量及び前記電力負荷での要求電力量として、前記負荷予測手段にて予測された将来の要求熱量及び要求電力量を用いるように構成されている請求項2に記載のエネルギシステム。
【請求項4】
前記排熱回収手段は、前記エンジンの排熱により加熱された湯水を貯留する貯湯タンクを備え、前記貯湯タンクに貯留された湯水を前記熱負荷に供給するように構成され、
前記燃焼モード切換手段は、前記貯湯タンクに給水される給水温度が設定温度よりも低い場合に、前記電力負荷への供給電力量よりも前記熱負荷への供給熱量を優先すべき状況であるとして、前記燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードに切り換え、且つ、前記給水温度が前記設定温度よりも高い場合に、前記熱負荷への供給熱量よりも前記電力負荷への供給電力量を優先すべき状況であるとして、前記燃焼モードを前記ストイキ・EGR燃焼モードに切り換えるように構成されている請求項1に記載のエネルギシステム。
【請求項5】
前記ストイキ・EGR燃焼モードでは、前記燃焼室への混合気の流量に対する前記燃焼室に再循環させる排ガス流量のEGR率が15%以上となるように設定している請求項1〜4の何れか1項に記載のエネルギシステム。
【請求項6】
前記エンジンの排気路には、前記ストイキ燃焼モード及び前記ストイキ・EGR燃焼モードの何れの燃焼モードにおいても排ガスが通過する部位に三元触媒が配置されている請求項1〜5の何れか1項に記載のエネルギシステム。

【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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【公開番号】特開2009−299664(P2009−299664A)
【公開日】平成21年12月24日(2009.12.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−158265(P2008−158265)
【出願日】平成20年6月17日(2008.6.17)
【出願人】(000000284)大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Fターム(参考)】