JP2007032467A

JP2007032467A - 予混合圧縮着火エンジン発電システム及び予混合圧縮着火エンジンの起動運転方法

Info

Publication number: JP2007032467A
Application number: JP2005218777A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Fujimoto; 洋藤本; Takahiro Sako; 孝弘佐古; Hironori Sato; 裕紀佐藤; Shunsaku Nakai; 俊作中井
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2025-07-28
Also published as: JP4553809B2

Abstract

【課題】本発明は、予混合圧縮着火エンジン発電システムにおいて、商用電力系統に対する同期発電機の同期投入を行う際においても、同期発電機の発電周波数及び電圧を商用電力系統に対して極めて高い水準で同期させ、同期発電機による商用電力系統への連系状態を適切なものとすることができる技術を提供する点にある。
【解決手段】予混合圧縮着火エンジン５０が、燃焼室２において予混合気Ｍを圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を行う予混合圧縮着火運転モードと、燃焼室２において圧縮された予混合気Ｍを強制的に着火させる強制着火運転を行う強制着火運転モードとで運転モードを切り換え自在に構成され、予混合圧縮着火エンジン５０の運転モードを強制着火運転モードとした状態で、商用電力系統８０に対して解列状態であった同期発電機６０の同期投入を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室において予混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を行う予混合圧縮着火エンジンと、
前記予混合圧縮着火エンジンの駆動軸により連結駆動されて発電を行い商用電力系統に連系可能に構成された同期発電機とを備えた予混合圧縮着火エンジン発電システム、及び、その予混合圧縮着火エンジン発電システムにおける予混合圧縮着火エンジンの起動運転方法に関する。

近年、低公害且つ高効率を実現し得るエンジンとして、空気と燃料とを予め混合した予混合気を燃焼室に導入し、その予混合気をピストンの断熱圧縮により自己着火させる所謂予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ；ＨｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓＣｈａｒｇｅＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎＩｇｎｉｔｉｏｎ）運転を行う予混合圧縮着火エンジンが知られている。
かかる予混合圧縮着火エンジンは、極めて希薄な予混合気を自己着火により燃焼させることができることから、窒素酸化物（ＮＯｘ）や粒子状排出物質（ＰＭ）の生成を抑制することができ、ディーゼルエンジンのように高圧縮比等による高効率化を実現することができ、更には、燃料の高圧噴射を必要としないため天然ガス等の気体燃料を用いたガスエンジンにも簡単に適用することができる。

かかる予混合圧縮着火エンジンでは、燃焼室において予混合気を圧縮することで発火点まで昇温させて自己着火させる必要があるので、その自己着火が適切な時期に発生するか否かは筒内温度によって定まる。よって、筒内温度が比較的低く、エンジンが未だ暖機されていない起動時等においては、予混合気を圧縮しても十分に発火点まで昇温させることができず、失火等の発生により安定して運転することができない場合がある。

そこで、予混合圧縮着火エンジンを起動するにあたり、暖機を良好に行うために、予混合圧縮着火エンジンの運転モードを、燃焼室において圧縮された予混合気を強制的に着火させる強制着火運転を行う強制着火運転モードとした状態で、予混合圧縮着火エンジンの運転を開始して暖機が十分に進行した後に、予混合圧縮着火エンジンの運転モードを、上述したような予混合圧縮着火運転を行う予混合圧縮着火運転モードに切り換える形態で、起動運転を行う構成とする場合がある（例えば、特許文献１及び２を参照。）。

具体的には、予混合圧縮着火エンジンを、強制着火運転として例えば燃焼室において圧縮された予混合気を点火プラグにより火花点火する火花点火運転を行う火花点火運転モードと上記予混合圧縮着火運転モードとで運転モードを切り換え自在に構成する。そして、例えばスロットルバルブの開度を小さくして、燃焼室の圧縮前の圧力を低下させると共に、燃焼室に火花点火可能な当量比の予混合気を導入して、予混合圧縮着火エンジンの運転モードを火花点火運転モードとした状態で、予混合圧縮着火エンジンを始動する。そして、その火花点火運転モードでの運転を予混合圧縮着火エンジンの暖機が十分に進行するまで継続し、エンジンの暖機が十分に進行した後に、例えばスロットルバルブの開度を大きくして、燃焼室の圧縮前の圧力を上昇させると共に、燃焼室に低当量比の即ち希薄な予混合気を導入して、予混合圧縮着火エンジンの運転モードを前述の予混合圧縮着火運転モードに切り換える形態で、予混合圧縮着火エンジンの起動運転が実行される。

一方、エンジンの駆動軸により連結駆動されて発電を行い商用電力系統に連系可能に構成された同期発電機を備え、商用電力系統に対して同期発電機の同期投入（同期発電機の同期速度の運転を維持した状態で、同期発電機を商用電力系統に接続すること。）を行うエンジン発電システムにおいて、上記エンジンとして上述した予混合圧縮着火エンジンを採用した予混合圧縮着火エンジン発電システムを実現することが試みられている。

また、上記のような同期発電機を備えた予混合圧縮着火エンジン発電システムでは、通常、予混合圧縮着火エンジンの起動運転が完了し、燃焼室において予混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を継続している際に、商用電力系統に対して解列状態であった同期発電機の同期投入を行うように構成される。

特開２０００−２２０４８４号公報特開２００４−２６３６６３号公報

上記のような予混合圧縮着火エンジン発電システムでは、予混合圧縮着火運転を継続している際に、同期発電機の商用電力系統に対する同期投入を行うと、急激な負荷変動により駆動軸の回転速度が変動し、更には、自己着火の時期を適切な時期に維持しながら出力を高速制御することが困難であることから、同期発電機の発電周波数及び電圧が不安定な状態となり、結果、同期発電機により商用電力系統に連系して発電を行うことが困難となる場合がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、予混合圧縮着火エンジン発電システムにおいて、商用電力系統に対する同期発電機の同期投入を行う際においても、同期発電機の発電周波数及び電圧を商用電力系統に対して極めて高い水準で同期させ、同期発電機による商用電力系統への連系状態を適切なものとすることができる技術を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る予混合圧縮着火エンジン発電システムは、燃焼室において予混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を行う予混合圧縮着火エンジンと、
前記予混合圧縮着火エンジンの駆動軸により連結駆動されて発電を行い商用電力系統に連系可能に構成された同期発電機とを備えた予混合圧縮着火エンジン発電システムであって、その第１特徴構成は、前記予混合圧縮着火エンジンが、前記予混合圧縮着火運転を行う予混合圧縮着火運転モードと、前記燃焼室において圧縮された予混合気を強制的に着火させる強制着火運転を行う強制着火運転モードとで運転モードを切り換え自在に構成され、
前記予混合圧縮着火エンジンの運転モードを前記強制着火運転モードとした状態で、前記商用電力系統に対して解列状態であった前記同期発電機の同期投入を行うように構成されている点にある。

即ち、商用電力系統に対する同期発電機の同期投入を行う際には、予混合圧縮着火エンジンの運転モードが、常に燃焼室において圧縮された予混合気が適切な時期に強制的に着火される強制着火運転モードとされているので、上記同期投入を行うことにより急激に負荷変動しても、予混合圧縮着火エンジンにおける強制着火の時期を適切な時期に維持しながら出力を高速制御して駆動軸の回転速度を適切なものに安定させることができる。よって、その予混合圧縮着火エンジンが連結駆動する同期発電機の発電周波数及び電圧を商用電力系統に対して極めて高い水準で同期させることができ、同期発電機による商用電力系統への連系状態を適切なものとすることができる。

また、商用電力系統に対する同期発電機の同期投入を行った後には、低公害且つ高効率を図るために、予混合圧縮着火エンジンの運転モードを強制着火運転モードから予混合圧縮着火運転モードに切り換えることができる。
更に、同期発電機が商用電力系統に連系して発電を行うので、同期発電機における回転子と固定子との間には、回転子を連結駆動する駆動軸の回転数を安定させるように電磁力が働く。即ち、駆動軸に連結駆動される回転子の回転速度が同期速度よりも早くなろうとすると回転子に対してブレーキをかけ、一方、同回転速度が同期速度よりも遅くなろうとすると回転子に対して加速力を与えるような形態で、上記電磁力による制動作用が働く。従って、予混合圧縮着火エンジンの運転モードを強制着火運転モードから予混合圧縮着火運転モードに切り換える際の撹乱を上記同期発電機に働く制動作用により抑制することができる。

本発明に係る予混合圧縮着火エンジン発電システムの第２特徴構成は、前記予混合圧縮着火エンジンの起動運転を実行する運転制御手段を備え、
前記運転制御手段が、前記予混合圧縮着火エンジンの運転モードを前記強制着火運転モードとした状態で前記予混合圧縮着火エンジンの運転を開始し、前記予混合圧縮着火エンジンの運転を開始した後に前記商用電力系統に対して解列状態であった前記同期発電機の同期投入を行い、前記同期投入を行った後に前記予混合圧縮着火エンジンの運転モードを前記予混合圧縮着火運転モードに切り換える形態で、前記起動運転を実行するように構成されている点にある。

即ち、上記運転制御手段により、予混合圧縮着火エンジンの起動運転を実行するにあたり、予混合圧縮着火エンジンの運転モードを、上記強制着火運転モードとした状態で、予混合圧縮着火エンジンの運転を簡単に開始することができ、その強制着火運転モードを維持して暖機を十分に進行させた後に、予混合圧縮着火エンジンの運転モードを上記予混合圧縮着火運転モードに切り換えて、低公害且つ高効率を図ることができる。
そして、このような予混合圧縮着火エンジンの起動運転において、商用電力系統に対する同期発電機の同期投入を行う時期を、予混合圧縮着火エンジンの運転モードが強制着火運転モードから予混合圧縮着火運転モードに切り換えられる前の時期とすることで、上記同期投入を行うことにより急激に負荷変動しても、予混合圧縮着火エンジンにおける強制着火の時期を適切な時期に維持しながら出力を高速制御して駆動軸の回転速度を適切なものに安定させることができる。従って、予混合圧縮着火エンジンを適切に起動しながら、運転モードを予混合圧縮着火運転モードに切り換える前に、同期発電機の商用電力系統への同期投入を行って、同期発電機の発電周波数及び電圧を商用電力系統に対して極めて高い水準で同期させることができ、同期発電機による商用電力系統への連系状態を適切なものとすることができる。

本発明に係る予混合圧縮着火エンジン発電システムの第３特徴構成は、前記同期発電機が誘導電動機構造を有する点にある。

即ち、上記同期発電機が、同時に制動巻線のような上記誘導電動機構造を有するので、予混合圧縮着火エンジンを始動する際には、誘導電動機構造に駆動電力を供給して、同期発電機を誘導電動機として機能させることで、予混合圧縮着火エンジンの駆動軸を回転させる所謂モータリングを行うことができる。
また、同期発電機が商用電力系統に連系して発電を行っている際には、駆動軸に連結駆動される回転子の回転速度が同期速度から乖離しようとすると、上記誘導電動機構造により、その乖離を抑制する形態で回転子に対して制動作用が働くので、予混合圧縮着火エンジンの運転モードを強制着火運転モードから予混合圧縮着火運転モードに切り換える際の撹乱を誘導電動機構造による制動作用により良好に抑制することができる。

本発明に係る予混合圧縮着火エンジン発電システムの第４特徴構成は、前記強制着火運転モードが、前記強制着火運転として、前記燃焼室において圧縮された予混合気を火花点火する火花点火運転を行う火花点火運転モードである点にある。

これまで説明してきた強制着火運転は、燃焼室において圧縮された予混合気を火花点火する火花点火運転の他、燃焼室において圧縮された予混合気に着火用燃料を高圧噴射して着火させるディーゼル運転とすることができる。
しかしながら、上記ディーゼル運転では、予混合気を形成する燃料よりも着火性が高い着火用燃料を貯え、更には、圧縮状態の燃焼室にその着火用燃料を高圧噴射するための燃料噴射弁を必要とすることから、実用的ではない。
従って、上記第４特徴構成の如く、強制着火運転モードを、上記強制着火運転として点火プラグを追加するという実用的な上記火花点火運転を行う火花点火運転モードとすることで、燃焼室で圧縮された予混合気を適切な時期に火花点火し、更には、比較的簡単な構造でその火花点火の時期を適切な時期に維持しながら出力を高速制御することができ、駆動軸の回転速度を適切なものに安定させることができる。

上記目的を達成するための本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの起動運転方法は、上記第２特徴構成を有する予混合圧縮着火エンジン発電システムにおいて実行可能な予混合圧縮着火エンジンの起動運転方法であって、その特徴構成は、前記予混合圧縮着火エンジンを、前記予混合圧縮着火運転を行う予混合圧縮着火運転モードと、前記燃焼室において予混合気を強制的に着火させる強制着火運転を行う強制着火運転モードとで運転モードを切り換え自在に構成し、
前記予混合圧縮着火エンジンの運転モードを前記強制着火運転モードとした状態で前記予混合圧縮着火エンジンの運転を開始し、前記予混合圧縮着火エンジンの運転を開始した後に前記商用電力系統に対して解列状態であった前記同期発電機の同期投入を行い、前記同期投入を行った後に前記予混合圧縮着火エンジンの運転モードを前記予混合圧縮着火運転モードに切り換える形態で、前記予混合圧縮着火エンジンを起動させる点にある。

即ち、上記第２特徴構成を有する予混合圧縮着火エンジン発電システムと同様に、予混合圧縮着火エンジンの起動運転を実行するにあたり、予混合圧縮着火エンジンの運転モードを強制着火運転モードとした状態で、予混合圧縮着火エンジンの運転を簡単に開始し、暖機を十分に進行させた後に、予混合圧縮着火エンジンの運転モードを予混合圧縮着火運転モードに切り換えて、低公害且つ高効率を図ることができる。更に、予混合圧縮着火エンジンを適切に起動しながら、運転モードを予混合圧縮着火運転モードに切り換える前に、同期発電機の商用電力系統への同期投入を行って、同期発電機の発電周波数及び電圧を商用電力系統に対して極めて高い水準で同期させることができ、同期発電機による商用電力系統への連系状態を適切なものとすることができる。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１に示す予混合圧縮着火エンジン発電システムは、燃焼室２において予混合気Ｍを圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火エンジン５０と、その予混合圧縮着火エンジン５０のクランク軸（駆動軸）６により連結駆動されて発電を行い商用電力系統８０に連系可能に構成された同期発電機６０とを備えて構成されている。

先ず、予混合圧縮着火エンジン５０の詳細構成について説明する。
予混合圧縮着火エンジン５０は、シリンダ５の内面とピストン３の頂面とで規定される燃焼室２と、燃焼室２に吸気弁７を介して接続された吸気路１２と、燃焼室２に排気弁８を介して接続された排気路１３とが設けられている。

ピストン３は連結棒４に揺動自在に連結されており、ピストン３の往復動は連結棒４によって１つのクランク軸６の回転運動として得られ、このような構成は通常のエンジンと変わるところがない。

吸気路１２を流通する空気Ａ（新気）は、ミキサ１８において天然ガス系都市ガスの燃料Ｇが供給されて予混合気Ｍとなり、その予混合気Ｍが燃焼室２に吸気される。

そして、予混合圧縮着火エンジン５０は、燃焼室２に吸気された予混合気Ｍを、ピストン３の上昇により圧縮して発火点まで昇温させることで、予混合気Ｍが自己着火して燃焼する所謂予混合圧縮着火運転を行って燃料Ｇを燃焼させるように構成されている。

予混合圧縮着火エンジン５０には、コンピュータからなるエンジン・コントロール・ユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ）３０（運転制御手段の一例）が設けられ、ＥＣＵ３０は、予混合圧縮着火エンジンの起動運転制御等の各種制御を行うように構成されている。

吸気路１２には加熱部１５が設けられ、この加熱部１５は、例えば、シリンダ５等を冷却して高温となった冷却水や燃焼室２から排出された高温の排ガス等を熱源として、吸気路１２を流通する予混合気Ｍを加熱可能に構成されている。

更に、この加熱部１５は、吸気路１２を流通する予混合気Ｍに対する加熱部１５による加熱量を調整可能に構成されている。そして、ＥＣＵ３０は、吸気路１２の吸気弁７近傍に設けられた温度センサ２４の検出結果に基づいて、加熱部１５による加熱量を制御して、吸気路１２から燃焼室２に吸気される予混合気Ｍの温度が所定の目標温度となるように制御することができる。

また、ミキサ１８に供給される燃料Ｇは、燃料量調整弁１９により流量調整可能に構成されている。そして、ＥＣＵ３０は、例えば排気路１３に設けられ排ガスの酸素濃度を検出可能な酸素センサの検出結果に基づいて、吸気路１２の抵抗を制御して、ミキサ１８の特性と合わせて燃焼室２に吸気される予混合気Ｍの当量比を所定の目標当量比となるように制御することができる。

更に、予混合圧縮着火エンジン５０には、燃焼室２に吸気され圧縮された予混合気Ｍを火花点火可能な点火プラグ２６が設けられており、燃焼室２において圧縮された予混合気Ｍを強制的に着火させる強制着火運転として、燃焼室２において圧縮された予混合気Ｍを点火プラグ２６により火花点火する火花点火運転を実行可能に構成されている。
また、ＥＣＵ３０は、上記点火プラグ２６による点火の開始及び停止、更には、点火時期の制御を行う。

そして、予混合圧縮着火エンジン５０は、上述した予混合圧縮着火運転を行う予混合圧縮着火運転モードと、上述した火花点火運転を行う火花点火運転モード（強制着火運転モードの一例）とで運転モードを切り換え自在に構成されている。

具体的には、ＥＣＵ３０は、予混合圧縮着火エンジン５０の運転モードを上記火花点火運転モードとするにあたり、吸気路１２の吸気弁７近傍に設けられたスロットルバルブ１６の開度を上記予混合圧縮着火運転モードとするときよりも小さく設定して、燃焼室２の圧縮前の圧力を低下させると共に、燃料量調整弁１９の開度を上記予混合圧縮着火運転モードとするときよりも大きく設定して、ミキサ１８において生成され予混合気Ｍの当量比を火花点火可能な程度に上昇させる。そして、その予混合気Ｍを、燃焼室２に吸気しピストン３により圧縮して点火プラグ２６により火花点火して燃焼させ、上記火花点火運転を継続するように構成されている。

一方、ＥＣＵ３０は、予混合圧縮着火エンジン５０の運転モードを上記予混合圧縮着火運転モードとするにあたり、吸気路１２の吸気弁７近傍に設けられたスロットルバルブ１６の開度を上記火花点火運転モードとするときよりも大きく設定して、燃焼室２の圧縮前の圧力を上昇させると共に、燃料量調整弁１９の開度を上記火花点火運転モードとするときよりも小さく設定して、ミキサ１８において生成され予混合気Ｍの当量比をＮＯｘの生成が抑制される希薄状態に低下させる。そして、その予混合気Ｍを、燃焼室２に吸気しピストン３により圧縮して自己着火させて燃焼させ、上記予混合圧縮着火運転を継続するように構成されている。
そして、予混合圧縮着火エンジン５０は、燃焼室２において予混合気Ｍを圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を行って燃料Ｇを燃焼させるため、例えば圧縮比を２１程度と高く設定することができるため高効率であり、更に予混合気の当量比を例えば火炎伝播下限以下と希薄状態で燃焼させることができ、また、燃焼速度も速くできるため、低ＮＯｘを実現することができる。

更に、予混合圧縮着火エンジン５０には、火花点火停止状態とされた点火プラグ２６の電極間におけるイオン電流の発生状態に基づいて、燃焼室２における燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段２７を備え、ＥＣＵ３０は、点火プラグ２６を一旦火花点火停止状態とし、上記燃焼状態検出手段２７の検出結果により、燃焼室２において予混合気Ｍが安定して自己着火している否かを認識することができる。

次に、予混合圧縮着火エンジン５０の起動運転方法について説明する。
予混合圧縮着火エンジン５０は、起動運転において未だ十分に暖機されていないときには、予混合気Ｍを燃焼室２において圧縮しても充分に昇温させることができないので、自己着火のタイミングが変化したり、予混合気を自己着火させたりすることができず、安定して予混合圧縮着火運転を行うことができない場合がある。

よって、ＥＣＵ３０は、上記起動運転において、予混合圧縮着火エンジン５０の運転モードを上記火花点火運転モードとした状態で予混合圧縮着火エンジン５０の運転を開始し、予混合圧縮着火エンジン５０が火花点火運転を行うことで暖機が十分に進行してから、予混合圧縮着火エンジン５０の運転モードを予混合圧縮着火運転モードに切り換える形態で、起動運転を実行するように構成されている。

また、ＥＣＵ３０は、上記起動運転において、運転モードを上記火花点火運転モードとして予混合圧縮着火エンジン５０の運転を開始した後に、例えばエンジン冷却水温度が上昇して所定の温度に到達したとき、又は、シリンダ５の温度が上昇して所定の温度に到達したときに、暖機が完了したと判断し、運転モードを上記予混合圧縮着火に切り換える。

次に、同期発電機６０の詳細構成について説明する。
同期発電機６０は、図２に示すように、固定子６１と回転子６２とから構成され、本実施形態では、４つの永久磁石６８，６９，７０，７１を有する４極のものから構成されている。この同期発電機６０では、回転子６２の回転軸６３が、予混合圧縮着火エンジン５０のクランク軸６により連結駆動される。

回転子６２は、誘導電動機に用いられるかご形構造、即ち誘導電動機構造を有しつつ、内部に同期発電機に用いられる永久磁石６８，６９，７０，７１及び励磁巻線７２，７３，７４，７５からなる同期発電機構造を有する。ここで、励磁巻線７２，７３，７４，７５は出力電圧を微調整するためのものであり、後述する自動電圧調整器（ＡＶＲ：ＡｕｔｏｍａｔｉｃＶｏｌｔａｇｅＲｅｇｕｌａｔｏｒ）５５によりこの励磁巻線７２，７３，７４，７５へ流れる電流を変えて磁束が調整される。

この回転子６２には、周方向に実質的に等間隔で複数の挿入孔６４が形成され、この挿入孔６４にロータバー６５が挿入固定されている。
一方、固定子６１の内周面には周方向に実質的に等間隔で複数のスロット６６が形成され、互いに隣接するスロット６６により規定される歯部６７に誘導巻線（図示せず）が巻かれている。このように構成することにより、回転子６２にかご形が形成され、このかご形構造（回転子６２の構造）と固定子６１が誘導電動機構造を構成する。
よって、ＥＣＵ３０は、起動運転において、上記火花点火運転モードで予混合圧縮着火エンジン５０の運転を開始する際に、同期発電機６０の誘導電動機構造に駆動電力を供給して、同期発電機６０を誘導電動機として機能させて、予混合圧縮着火エンジン５０のクランク軸６を回転させる所謂モータリングを行うことができる。

また、回転子６２に、具体的にはこれらロータバー６５の径方向内側に、４つの永久磁石６８，６９，７０，７１が設けられている。この永久磁石６８，６９，７０，７１は、周方向に実質的に等間隔（９０°間隔）で配置され、互いに対向する永久磁石６８，７０（又は６９，７１）が実質的に平行に対面するように配置されている。このように構成することによって、回転子６２に同期磁石構造が形成され、この同期磁石構造（回転子４０の構造）と固定子６１が同期発電機構造を構成する。

次に、この同期発電機６０の商用電力系統８０に対する接続形態について説明する。
図１に示すように、同期発電機６０は、商用電力系統８０（例えば、三相２００Ｖ、６０Ｈｚの交流電力が供給される電力系統）に遮断器７８を介して接続されている。そして、遮断器７８が投入状態のときには、同期発電機６０が商用電力系統８０に対して電気的に接続状態となり、一方、遮断器７８が開放状態のときには、同期発電機６０が商用電力系統８０に対して解列状態となる。また、この遮断器７８と商用電力系統８０との接続ラインには、電灯や電気機器等の電力負荷８１が接続されており、この電力負荷８１で消費される電力は、同期発電機６０の発電電力で賄われ、更にはその発電電力だけでは不足する分の電力は商用電力系統８０の給電電力で賄われる。

遮断器７８の同期発電機６０側の接続部には、同期発電機６０で発電される電力の電圧を計測する電圧計測器７６が設置され、一方、遮断器７８の商用電力系統８０側の接続部には、商用電力系統８０から給電される電力の電圧を計測する電圧計測器７７が設置されている。また、これら電圧計測器７６，７７の計測結果は、ＥＣＵ３０に入力され、そのＥＣＵ３０は、その入力された計測結果から上記発電電力及び上記給電電力の電圧更にはその周波数を検出することができる。
更に、同期発電機６０には、電圧計測器７６で計測される同期発電機６０の発電電力の電圧を商用電力系統８０の給電電力の電圧と略同じものとするように、励磁巻線７２，７３，７４，７５の電流を制御する自動電圧調整器５５が設置されている。

また、クランク軸６には、クランク軸６の回転位相を検知するための回転位相検知センサ７９が設けられ、その回転位相検知センサ７９の検知結果がＥＣＵ３０に入力され、そのＥＣＵ３０は、その入力された検知結果から上記クランク軸６のクランク角度や回転数を検出することができる。

次に、商用電力系統８０に対する同期発電機６０の同期投入方法について、説明する。

予混合圧縮着火エンジン５０を備えた予混合圧縮着火エンジン発電システムでは、遮断器７８を投入状態として、商用電力系統８０に対して解列状態であった同期発電機６０の同期投入を行うことで、急激な負荷変動が発生した場合でも、同期発電機６０の発電周波数及び電圧を商用電力系統８０に対して同期させ、同期発電機６０による商用電力系統８０への連系状態を適切なものとする必要がある。

そこで、予混合圧縮着火エンジン発電システムは、予混合圧縮着火エンジン５０の運転モードを強制着火運転モードとした状態で、商用電力系統８０に対して同期発電機６０の同期投入を行うように構成されている。
よって、同期発電機６０の同期投入を行うことにより急激に負荷変動しても、予混合圧縮着火エンジン５０は火花点火運転モードにおいて火花点火運転を行っているので、ＥＣＵ３０はその火花点火の時期を適切な時期に維持しながら、スロットルバルブ１６の開度制御により出力を高速制御してクランク軸６の回転速度を適切なものに安定させ、同期発電機６０の発電電力の周波数を商用電力系統８０に対して極めて高い水準で同期させることができる。一方、同期発電機６０の発電電力の電圧は、上述したＡＶＲ５５の励磁巻線７２，７３，７４，７５の電流の制御により商用電力系統８０に対して極めて高い水準で同期される。

また、予混合圧縮着火エンジンの起動運転において、予混合圧縮着火エンジン５０の運転モードが強制着火運転モードから予混合圧縮着火運転モードに切り換えられる前の時期、即ち、予混合圧縮着火エンジン５０が火花点火運転を行っている時期に、商用電力系統８０に対して同期発電機６０の同期投入が行われる。

即ち、ＥＣＵ３０は、遮断器７８を開放状態として、予混合圧縮着火エンジン５０の火花点火運転を開始し、予混合圧縮着火エンジン５０を火花点火運転モードで運転する。
そして、電圧計測器７６で計測される同期発電機６０の発電電力の周波数及び電圧が、電圧計測器７７で計測される商用電力系統８０の給電電力の周波数及び電圧と同じものとなるように予混合圧縮着火エンジン５０の出力及びＡＶＲ５５による励磁巻線７２，７３，７４，７５への電流を制御する。

また、同期発電機６０の発電電力と商用電力系統８０の給電電力との周波数及び電圧が一致すれば、次に、スロットルバルブ１６の微調整により給電電力に対する発電電力の位相を一致させる。
具体的には、給電電力に対する発電電力の位相が遅れているときには、スロットルバルブ１６の開度を僅かに拡大し、一方、同位相が進んでいるときには、スロットルバルブ１６の開度を僅かに縮小することで、同期発電機６０の発電電力の位相を商用電力系統８０の給電電力の位相と一致させ、それらを同期させる。

そして、同期発電機６０の発電電力を商用電力系統８０の給電電力に同期させることができれば、遮断器７８を投入して、商用電力系統８０に対して同期発電機６０の同期投入を行う。
ここで、予混合圧縮着火エンジン５０の運転モードは火花点火運転モードとされているので、上記同期投入時に急激な負荷変動が発生しても、点火プラグ２６による火花点火の時期は適切な時期に維持され、スロットルバルブ１６の開度制御により出力が高速制御されてクランク軸６の回転速度が適切なものに安定される。

このような同期投入が行われれば、発電電力の周波数及び電圧は、巨大容量の商用電力系統８０の給電電力の周波数及び電圧で決定されるので、ＥＣＵ３０によるスロットルバルブ１６による出力制御及びＡＶＲ５５による励磁巻線７２，７３，７４，７５の電流制御は、同期発電機６０の無効電力及び有効電力の制御に切り換えられる。

そして、商用電力系統８０に対する同期発電機６０の同期投入が行われた後に、予混合圧縮着火エンジン５０の運転モードは、火花点火運転モードから、低公害且つ高効率を実現し得る予混合圧縮着火運転モードに切り換えられる。
尚、火花点火運転モードから予混合圧縮着火運転モードに運転モードを切り換える過渡状態においては、予混合気Ｍの当量比等の運転条件が急激に変動するため、着火不良やトルク変動などの不安定状態が発生する可能性があるが、これらの変動は、同期発電機が商用電力系統に連系しているため、商用電力系統からの電磁力により抑えられる。この際、誘導電動機構造の誘導巻線は、制御巻線として変動をおさえる制動力を強める働きをする。

〔別実施の形態〕
次に、本発明の別の実施の形態を説明する。
（１）上記実施の形態では、予混合圧縮着火エンジン５０の運転モードを火花点火運転モードとした状態で、商用電力系統８０に対して同期発電機６０の同期投入を行うように構成した例として、予混合圧縮着火エンジン５０の起動運転において、運転モードを火花点火運転モードから予混合圧縮着火運転モードに切り換える前に、上記同期投入を行う例について説明したが、別に、起動運転時以外にも、一旦解列状態となった同期発電機６０を商用電力系統８０に同期投入するときには、予混合圧縮着火エンジン５０の運転モードを火花点火運転モードとした後に同期投入するように構成することができる。

（２）上記実施の形態では、燃焼室２において圧縮された予混合気Ｍを強制的に着火させる強制着火運転を行う強制着火運転モードを、燃焼室２において圧縮された予混合気Ｍを火花点火する火花点火運転を行う火花点火運転モードとしたが、別に、強制着火運転モードを、強制着火運転として、燃焼室２において圧縮された予混合気Ｍに比較的着火性の高い着火用燃料を高圧噴射して着火させるディーゼル運転としたディーゼル運転モードとしても構わない。

（３）上記実施の形態では、同期発電機６０が誘導電動機構造を有するように構成したが、別に、クランク軸６に対して同期発電機６０とは別に誘導電動機を連結する構成としても構わない。また、同期発電機構造は、永久磁石６８，６９，７０，７１を用いずに励磁巻線７２，７３，７４，７５のみで構成しても構わない。また、励磁巻線７２，７３，７４，７５と誘導巻線とは、別巻線として説明したが、同一巻線を用い、回路の切り換えによって、その巻線を、励磁巻線又は誘導巻線（巻線への電流の供給を止めて入出力端を短絡する。）として択一的に機能させるように構成しても構わない。

〈４〉上記実施の形態では、本発明に係る予混合圧縮着火エンジンを単気筒型に構成した例を説明したが、別に、多気筒型の予混合圧縮着火エンジンに対しても本発明を実施することができる。

（５）また、火花点火運転モードから予混合圧縮着火運転モードへの運転モードの切り換え方式については、既述の方式によらず、例えば排気弁８の開閉タイミングの制御により内部ＥＧＲ量を調整して、行っても構わない。

本発明は、予混合圧縮着火エンジン発電システムにおいて、商用電力系統に対する同期発電機の同期投入を行う際においても、同期発電機の発電周波数及び電圧を商用電力系統に対して極めて高い水準で同期させ、更に火花点火運転モードから予混合圧縮着火運転モードへ運転モードを切り換える際の予混合圧縮着火エンジンの動揺を抑えることによって、同期発電機による商用電力系統への連系状態を適切なものとすることができる技術として有効に利用可能である。

本発明に係る予混合圧縮着火エンジン発電システムの概略構成図同期発電機の概略構成図

符号の説明

２：燃焼室
６：クランク軸（駆動軸）
２６：点火プラグ
３０：エンジン・コントロール・ユニット（運転制御手段）
５０：予混合圧縮着火エンジン
６０：同期発電機
７５：遮断器
８０：商用電力系統
Ｍ：予混合気

Claims

燃焼室において予混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を行う予混合圧縮着火エンジンと、
前記予混合圧縮着火エンジンの駆動軸により連結駆動されて発電を行い商用電力系統に連系可能に構成された同期発電機とを備えた予混合圧縮着火エンジン発電システムであって、
前記予混合圧縮着火エンジンが、前記予混合圧縮着火運転を行う予混合圧縮着火運転モードと、前記燃焼室において圧縮された予混合気を強制的に着火させる強制着火運転を行う強制着火運転モードとで運転モードを切り換え自在に構成され、
前記予混合圧縮着火エンジンの運転モードを前記強制着火運転モードとした状態で、前記商用電力系統に対して解列状態であった前記同期発電機の同期投入を行うように構成されている予混合圧縮着火エンジン発電システム。
前記予混合圧縮着火エンジンの起動運転を実行する運転制御手段を備え、
前記運転制御手段が、前記予混合圧縮着火エンジンの運転モードを前記強制着火運転モードとした状態で前記予混合圧縮着火エンジンの運転を開始し、前記予混合圧縮着火エンジンの運転を開始した後に前記商用電力系統に対して解列状態であった前記同期発電機の同期投入を行い、前記同期投入を行った後に前記予混合圧縮着火エンジンの運転モードを前記予混合圧縮着火運転モードに切り換える形態で、前記起動運転を実行するように構成されている請求項１に記載の予混合圧縮着火エンジン発電システム。
前記同期発電機が誘導電動機構造を有する請求項１又は２に記載の予混合圧縮着火エンジン発電システム。
前記強制着火運転モードが、前記強制着火運転として、前記燃焼室において圧縮された予混合気を火花点火する火花点火運転を行う火花点火運転モードである請求項１〜３の何れか一項に記載の予混合圧縮着火エンジン発電システム。
燃焼室において予混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を行う予混合圧縮着火エンジンと、
前記予混合圧縮着火エンジンの駆動軸により連結駆動されて発電を行い商用電力系統に連系可能に構成された同期発電機とを備えた予混合圧縮着火エンジン発電システムにおける予混合圧縮着火エンジンの起動運転方法であって、
前記予混合圧縮着火エンジンを、前記予混合圧縮着火運転を行う予混合圧縮着火運転モードと、前記燃焼室において予混合気を強制的に着火させる強制着火運転を行う強制着火運転モードとで運転モードを切り換え自在に構成し、
前記予混合圧縮着火エンジンの運転モードを前記強制着火運転モードとした状態で前記予混合圧縮着火エンジンの運転を開始し、前記予混合圧縮着火エンジンの運転を開始した後に前記商用電力系統に対して解列状態であった前記同期発電機の同期投入を行い、前記同期投入を行った後に前記予混合圧縮着火エンジンの運転モードを前記予混合圧縮着火運転モードに切り換える形態で、前記予混合圧縮着火エンジンを起動させることを特徴とする予混合圧縮着火エンジンの起動運転方法。