JP2007205293A - コジェネレーションエンジン発電装置の起動制御機構 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスエンジンの温度に応じて、スロットル開度を調整してガスエンジンを最適に起動する。
【解決手段】コジェネレーションエンジン発電装置100のガスエンジン121には、スロットル135を介して燃料ガスが供給される。制御器123には、ガスエンジン121のストールやオーバーシュートを発生させることなく、ガスエンジン121の起動をすることができる開度が各温度毎に設定されている。制御器123は、温度センサＴ1等により検出した起動時の温度に対応した開度を選択し、この温度に対応した開度となるように、スロットル135の開度を調節する。これにより最適にガスエンジン121の起動ができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、コジェネレーションエンジン発電装置の起動制御機構に関するものである。

近年では、運転の効率化を図ったコジェネレーションタイプの各種の自家用発電装置が開発されている。このような自家用発電装置の一種として、都市ガスやＬＰガスを燃料とするガスエンジンで小型発電機を駆動して発電をすると共に、ガスエンジンの排熱を利用して給湯を行う、家庭用のコジェネレーションエンジン発電装置が研究・開発されている。

このコジェネレーションエンジン発電装置では、ガスを燃焼して回転駆動するガスエンジンに、発電機が機械的に連結されている。この発電機は電動機としても機能するものである。

かかるコジェネレーションエンジン発電装置では、起動時には、発電機を電動機として機能させ、電動機として機能する発電機により、ガスエンジンを起動させる。ガスエンジンが回転し始めた状態で、ガスエンジンに燃料ガスを供給すると共に、イグナイタにて点火制御をする。そうすると、回転数が所定回転数以上になると、ガスエンジンが完爆して自発回転していく。自発回転し始めた後には、発電機（電動機として機能している）によるガスエンジンの回転駆動を停止する。

ガスエンジンが完爆したら、暖機運転をする。即ち、ガスエンジンの回転数が暖機運転回転数（例えば１４００ｒｐｍ）になるように、ガスエンジンに供給する燃料ガスの供給量を調整する。具体的には、スロットルの開度を制御して、ガスエンジンに供給する混合気の量を調整して、ガスエンジンの回転数を暖機運転回転数に維持する。

暖機が完了したら、再びスロットルの開度を調整して、ガスエンジンの回転数を定常回転数（例えば１６００ｒｐｍ）にまで上昇させる。ガスエンジンが定常回転数で自発回転をすると、系統連系インバータの運転を開始して、発電電力を家庭内電力として供給する（特許文献１〜４参照）。

一方、冷却媒体としての水をガスエンジンに流通させて水を加熱すると共に、ガスエンジンから排出される高温の排気ガスにより、前記水を更に加熱し、このようにして加熱した水（湯）を、家庭用の給湯器に供給している。

このようなコジェネレーションエンジン発電装置では、給湯器から運転指令が送られてくると、自動的にガスエンジンを起動させる構成となっている。起動時において、ガスエンジンが冷たい場合には、ガスエンジン温度が高い場合に比べて、多量のガスをガスエンジンに供給しなければ起動することができない。

特開２００２−８９３６７ 特開２００２−７０６０６ 特開２００２−７０６０７ 特開２０００−８７８０１

上述したコジェネレーションエンジン発電装置では、ガスエンジンの温度が低くなっているエンジン起動時において、ガスエンジンに供給するガス量が不足していると、ガスエンジンがストールしてしまう。このようなストールが多数回発生すると、使用者から、機器提供サービス会社に、故障であるとの連絡がくることになり、サービス業務が多くなるという問題がある。
起動時において、ストールすることなくガスエンジンが起動するには、ガスエンジンの温度が低い程、多量のガスをガスエンジンに供給する必要がある。

一方、起動時において、ストールを防止すべく過剰のガスを供給してしまうと、起動時における回転数上昇率が急峻となり過ぎ、ガスエンジンが自発回転して定常運転状態に入るときに、回転数がオーバーシュートしてしまう（定常回転数を大きく越えてから定常回転数に収束する事態となる）おそれがある。
回転数がオーバーシュートすると発電機回転数が過回転となって発電電圧が過大になるため、発電用素子を保護すべくガスエンジンを緊急停止させている。したがって、オーバーシュートになる事態は回避しなければならない。

従来では、ガスエンジンの温度変化に応じて、ストールやオーバーシュートの発生を防止しつつ、最適にコジェネレーションエンジン発電装置のガスエンジンを起動させる制御手法がなかった。

本発明は、上記従来技術に鑑み、コジェネレーションエンジン発電装置のガスエンジンを、ストールやオーバーシュートなく、最適に起動することができるコジェネレーションエンジン発電装置の起動制御機構を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の構成は、
ガスと空気とを混合した燃料ガスを燃焼して回転駆動するガスエンジンと、
前記ガスエンジンの回転軸と連結されるとともに、電動機としても機能する発電機と、
前記燃料ガスが前記ガスエンジンに供給される供給量を、開度調節することにより調節するスロットルと、
冷却媒体としての水を前記ガスエンジンに供給する給湯器と、
前記ガスエンジンを流通してきて加熱された前記水を、前記ガスエンジンから排出される排気ガスにより更に加熱し、加熱した水を前記給湯器に送る排ガス熱交換器と、
前記発電機により発電された電力を系統に送る系統連系インバータと、
前記系統に接続され、前記発電機に電力を送ることによりこの発電機を電動機として回転駆動させる起動インバータと、
前記ガスエンジンの内部または前記ガスエンジンの周囲の温度を検出する温度センサと、
ストールやオーバーシュートを発生させることなく前記ガスエンジンを起動させることができる前記スロットルの開度を、各温度毎に設定したスロットル初期開度・温度特性が予め設定されている制御器とを有し、
前記制御器は、前記ガスエンジンを起動させる際には、
前記起動インバータから前記発電機に電力を供給してこの発電機を電動機として機能させて回転を開始させるとともに、
前記スロットル初期開度・温度特性を参照して、前記温度センサにより検出した温度に対応するスロットル初期開度を選択し、前記スロットルの開度を選択した初期開度にするよう制御することを特徴とする。

また本発明の構成は、
ガスと空気とを混合した燃料ガスを燃焼して回転駆動するガスエンジンと、
前記ガスエンジンの回転軸と連結されるとともに、電動機としても機能する発電機と、
前記燃料ガスが前記ガスエンジンに供給される供給量を、開度調節することにより調節するスロットルと、
冷却媒体としての水を前記ガスエンジンに供給する給湯器と、
前記ガスエンジンを流通してきて加熱された前記水を、前記ガスエンジンから排出される排気ガスにより更に加熱し、加熱した水を前記給湯器に送る排ガス熱交換器と、
前記発電機により発電された電力を系統に送る系統連系インバータと、
前記系統に接続され、前記発電機に電力を送ることによりこの発電機を電動機として回転駆動させる起動インバータと、
前記ガスエンジンの内部または前記ガスエンジンの周囲の温度を検出する温度センサと、
ストールやオーバーシュートを発生させることなく前記ガスエンジンを起動させることができる前記スロットルの開度を、各温度毎に設定したスロットル初期開度・温度特性が予め設定されている制御器とを有し、
前記制御器は、前記ガスエンジンを起動させる際には、
前記起動インバータから前記発電機に電力を供給してこの発電機を電動機として機能させて回転を開始させるとともに、
前記スロットル初期開度・温度特性を参照して、前記温度センサにより検出した温度に対応するスロットル初期開度を選択し、前記スロットルの開度を選択した初期開度にするよう制御し、
前記スロットルの開度を、前記選択した初期開度にしても、前記ガスエンジンが自力で回転駆動しない場合には、前記選択した初期開度に予め設定した所定の開度を付加した開度を更新した初期開度とし、前記スロットルの開度を更新した初期開度に変更することを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記温度センサは、前記ガスエンジン内を流通してきた前記水の温度を検出すること、または、
前記温度センサは、前記ガスエンジン内を循環流通する潤滑油の温度を検出すること、または、
前記温度センサは、前記ガスエンジンを収納するケーシング内の庫内温度を検出することを特徴とする。

本発明によれば、ガスエンジンを起動する際に、スロットルの開度を、その時の温度に応じて、ストールやオーバーシュートを発生させることなく起動させることができる開度に調整するため、ストールやオーバーシュートを発生させることなく最適に起動することができる。
また、仮に起動失敗が発生した場合には、前記開度に、予め決めた所定開度を付加した開度を更新した開度とし、スロットルの開度を更新した開度にして、再び起動動作をする学習機能があるため、最適かつ確実な起動をすることができる。

以下に本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づき詳細に説明する。

本発明の実施例１に係るコジェネレーションエンジン発電装置の起動制御機構を、図１を参照して説明する。
コジェネレーションエンジン発電装置１００は、一般家庭用に用いられるものであり、屋外に設置される。一方、給湯器１０は、一般家庭の屋内に設置される。

コジェネレーションエンジン発電装置１００は、ケーシング１１０内に、ガスエンジン１２１、発電機１２２、制御器１２３、系統連系インバータ１２４、起動インバータ１２５、排ガス熱交換器１２６等を組み込んで（収納して）構成されている。

ガスエンジン１２１の回転軸と発電機１２２の回転軸は機械的に連結されている。ガスエンジン１２１が回転駆動して、発電機１２２を回転させると、発電機１２２は発電を行い、発電された電力は、系統連系インバータ１２４により波形や周波数が整えられてから、系統（家庭用の屋内配線）に供給される。
一方、系統２０に接続された起動インバータ１２５から発電機１２２に電力を供給すると、発電機１２２は電動機として機能し、回転力を発生してガスエンジン１２１を起動回転させることができるようになっている。なお、発電機１２２を電動機として機能させ、ガスエンジン１２１を起動する際には、起動インバータ１２５から発電機１２２に供給する電力（三相電力）の周波数を、零から徐々に定格周波数にまで上昇させていく、ソフトスタートをしている。

ミキサ１３０には、エアクリーナ１３１を介して空気が供給されると共に、ガスライン１３２を介してガスが供給され、ミキサ１３０にて空気とガスとが混合される。ガスライン１３２には、燃料遮断弁１３３と燃料弁１３４が介装されており、燃料遮断弁１３３が開となっている状態で、燃料弁１３４の開度を調整することにより、空燃比が調節される。
ミキサ１３０にて空気とガスとが混合されてなる燃料ガスは、スロットル１３５を介してガスエンジン１２１に吸い込まれる。このとき、スロットル１３５の開度を調節することにより、ガスエンジン１２１への燃料ガスの供給量を調節することができる。

なお、燃料遮断弁１３３の開閉制御や、燃料弁１３４及びスロットル１３５の開度制御は、制御器１２３により行っている。

ガスエンジン１２１は、燃料ガスが供給されるとともに、イグナイタ１２１ａからスパークを発生することにより、回転駆動する。なおイグナイタ１２１ａの点火時期制御は制御器１２３により行なわれる。

ガスエンジン１２１から排出される排気ガスは、排ガス熱交換器１２６及びマフラー１２７を介して、外部に排出される。

ガスエンジン１２１には、水ライン１３６を介して冷却媒体としての水Ｗが給湯器１０から供給される。この水Ｗは、ガスエンジン１２１内を流通してガスエンジン１２１を冷却し、水Ｗは加熱される。ガスエンジン１２１を流通してきた水Ｗは、更に排ガス熱交換器１２６に送られ、排気ガスにより更に加熱される。このようにして加熱された水Ｗは、余剰電力ヒータ１２８を通過してから、給湯器１０に送られる。

なお、余剰電力ヒータ１２８には定常運転時には電力は供給されないが、発電機１２２が発電しているときに、系統２０の負荷が急に遮断（停電）されたときに、発電電力が供給されるものであり、このようにして振り替えて供給された電力によりヒータ加熱して水Ｗを加熱するものである。

なお、ガスエンジン１２１には、ガスエンジン１２１の回転数を検出する回転数センサ１４０が備えられている。回転数センサ１４０で検出したエンジン回転数は、制御器１２３に送られる。

水ライン１３６のうち、ガスエンジン１２１と排ガス熱交換器１２６との間の部分には、ガスエンジン１２１にて加熱された水Ｗの温度を検出する温度センサＴ１が配置されている。
なお、ガスエンジン１２１内を循環流通する潤滑油の温度を検出する温度センサＴ２をガスエンジン１２１に配置したり、ケーシング１１内の庫内温度を検出する温度センサＴ３をケーシング１１０内に配置することもある。
各温度センサＴ１，Ｔ２，Ｔ３で検出した温度を示す温度検出信号は、制御器１２３に送出される。温度センサＴ１，Ｔ２は、ガスエンジン１２１の内部の温度を検出する温度センサであり、温度センサＴ３はガスエンジン１２１の周囲の温度を検出する温度センサである。

この実施例１では、温度センサＴ１の温度検出信号を用いて起動制御をし、後述する実施例２，３では、温度センサＴ２，Ｔ３の温度検出信号を用いて起動制御をしている。

上述した構成となっている実施例１により行なわれる起動制御手順を、以下に説明する。この起動制御手順は、制御器１２３の制御を基に行なわれる。

図２はガスエンジン１２１の起動時におけるガスエンジン回転数の上昇状態を示し、図３は起動時における起動シーケンスを示し、図４はスロットル初期開度と温度との特性（スロットル初期開度・温度特性）を示す。

図４に示す特性は、制御器１２３に予め設定されている。この特性では、ガスエンジン１２１を流通してきた、冷却媒体である水Ｗの温度が低い場合にはスロットル１３５の開度を大きくし、水Ｗの温度が高くなるにつれてスロットル１３５の開度を小さくする特性となっている。
この図４に示す特性は、ガスエンジン１２１のストールやオーバーシュートを発生させることなく、ガスエンジン１２１の起動をすることができる開度を、各温度毎に設定したものである。

給湯器１０から制御器１２３に、運転指令が送られてくると（図３のステップＳ１）、制御器１２３は、起動インバータ１２５を起動させてクランキング制御する。即ち、起動インバータ１２５から発電機１２２に電力を供給し、しかも、供給電力の周波数を、零から定格周波数にまで上昇させていく（ステップＳ２）。
このため、発電機１２２が電動機として機能して、ガスエンジン１２１をクランキング回転させる。このため、停止していたガスエンジン１２１が回転し始め、その回転数は、発電機１２２の定格回転数である１４００ｒｐｍに向かって上昇していく。

ガスエンジン１２１の回転数（回転数センサ１４０にて検出した回転数）が、２００ｒｐｍを越えると、制御器１２３はエンジン起動制御（ステップＳ３）をする。
即ち、まず燃料遮断弁１３３を開くと共に、イグナイタ１２１ａを点火させる。なお、空燃比を設定する燃料弁１３４の開度は、使用するガスの種類に応じて、設定された開度に調整されている。
更に、予め設定されている図４の特性を参照し、水Ｗの温度（図４の横軸の温度値）に対応するスロットル初期開度［％］（図４の縦軸の開度値）を選択して、スロットル１３５の開度を、この選択した初期開度になるように制御する。

これにより、ガスエンジン１２１に、起動時における最適量の燃料ガスが供給され、この燃料ガスはスパークにより点火される。

前述したように、図４に示す特性は、ガスエンジン１２１のストールやオーバーシュートを発生させることなく、ガスエンジン１２１の起動をすることができる開度を、各温度毎に設定したものである。したがって、スロットル１３５の開度を、この図４の特性に基づき設定した初期開度にすることにより、ガスエンジン１２１を最適に（ストールやオーバーシュートを発生することなく）起動することができる。

ガスエンジン１２１の回転数が例えば７３０ｒｐｍを越えたら、ガスエンジン１２１が完爆している（自力で回転している状態）と判定する（ステップＳ４）。

このようにガスエンジン１２１の回転数が７３０ｒｐｍを越えたら、エンジン暖機制御をする（ステップＳ５）。即ち、起動インバータ１２５から発電機１２２への給電を停止し、ガスエンジン１２１の回転数が１４００ｒｐｍとなるようにスロットル１３５の開度を制御する。

そして、暖機が完了したら、即ち、水Ｗの温度が予め設定した温度を越えたら（ステップＳ６）、発電開始をする（ステップＳ７）。即ち系統連系インバータ１２４を作動させ、ガスエンジン１２１の回転数が１６００ｒｐｍとなるようにスロットル１３５の開度を制御する。
このようにして、ガスエンジン１２１ひいては発電機１２２が１６００ｒｐｍの回転数で回転することにより、発電機１２２から発電電力が出力され、この電力は系統インバータ１２４を介して系統２０に供給される。

またガスエンジン１２１及び排ガス熱交換器１２６を流通することにより加熱された水Ｗは、給湯器１０に供給される。

ところで、ステップＳ４において、なんらかの原因により、ガスエンジン１２１が完爆せずその回転数が７３０ｒｐｍを越えないと判定されたときには、ステップＳ８にて、クランキングが３回以内か否か、即ちステップ２，３の制御をしたのに完爆に至らなかったと判定した回数が３回以内か否かを判定する。クランキングが３回以内であれば、ステップＳ２，Ｓ３に戻って再度、クランキング制御及びエンジン起動制御をする。

ステップＳ８において、クランキングが３回を越えたと判定された場合には、ステップＳ９にて、３分遅延してから、今度は、ステップＳ３にて選択したスロットル初期開度に所定開度（例えば５％）だけ付加した開度を、更新したスロットル初期開度とする。

そして、起動失敗回数が３回以内であるときには（ステップＳ１０にてＹＥＳのとき）、スロットル１３５の開度を、更新したスロットル初期開度としてエンジン起動制御（ステップＳ２，３）を再び行なう。

このように、最初の起動制御で完爆に至らないときでも、次回では、スロットル初期開度を前回よりも大きくしてエンジン起動制御を行なうため、確実にガスエンジン１２１の起動を行なうことができる。

なお本実施例では、ガスエンジン１２１が完爆に至らないでスロットル初期開度を更新する（開度を５％付加する）回数は、３回に設定している。

このように、スロットル初期開度を３回更新して起動制御をしても、何らかの原因により、起動失敗が３回を越えたら（ステップＳ１０）、制御器１２３から給湯器１０に、起動失敗信号を送り、給湯器１０の表示器（図示省略）に起動失敗を示すエラー表示がされる（ステップＳ１１）。

結局、実施例１では、
（１）水Ｗの温度に応じて、ストールやオーバーシュートを発生させることのないスロットル初期開度を、図４に示す特性により選択し、起動時におけるスロットル１３５の開度を選択した初期開度に設定する（スロットル１３５の開度を、環境温度に応じた初期開度に設定する）とともに、
（２）スロットル１３５の開度を、上記（１）の選択した初期開度にして起動しても、起動できない場合には、前記初期開度に所定開度を付加した開度を更新した初期開度とし、次回には、スロットル開度１３５の開度を更新した初期開度にして起動をする学習機能を有しているため、
ガスエンジン１２１の起動を確実かつ最適に行なうことができるようになっている。

上記実施例１では、図４の横軸に示す温度として、温度センサＴ１により検出した水Ｗの温度を用いたが、実施例２では、温度センサＴ２により検出した潤滑油の温度を用いる。他の制御手法は実施例１と同様である。

上記実施例１では、図４の横軸に示す温度として、温度センサＴ１により検出した水Ｗの温度を用いたが、実施例３では、温度センサＴ３により検出したケーシング１１０の庫内温度（ケーシング内の室内温度）を用いる。他の制御手法は実施例１と同様である。

コジェネレーションエンジン発電装置の起動制御機構を示すブロック構成図。 ガスエンジンの起動時におけるガスエンジン回転数の上昇状態を示す特性図。 起動時における起動シーケンスを示すフローチャート。 スロットル初期開度と温度との特性を示す特性図。

符号の説明

１０ 給湯器
２０ 系統
１００ コジェネレーションエンジン発電装置
１１０ ケーシング
１２１ ガスエンジン
１２２ 発電機
１２３ 制御器
１２４ 系統連系インバータ
１２５ 起動インバータ
１２６ 排ガス熱交換器
１２７ マフラー
１２８ 余剰電力ヒータ
１３０ ミキサ
１３１ エアークリーナ
１３２ ガスライン
１３３ 燃料遮断弁
１３５ スロットル
１３６ 水ライン
Ｗ 水
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３ 温度センサ

Claims (5)

1. ガスと空気とを混合した燃料ガスを燃焼して回転駆動するガスエンジンと、
   前記ガスエンジンの回転軸と連結されるとともに、電動機としても機能する発電機と、
   前記燃料ガスが前記ガスエンジンに供給される供給量を、開度調節することにより調節するスロットルと、
   冷却媒体としての水を前記ガスエンジンに供給する給湯器と、
   前記ガスエンジンを流通してきて加熱された前記水を、前記ガスエンジンから排出される排気ガスにより更に加熱し、加熱した水を前記給湯器に送る排ガス熱交換器と、
   前記発電機により発電された電力を系統に送る系統連系インバータと、
   前記系統に接続され、前記発電機に電力を送ることによりこの発電機を電動機として回転駆動させる起動インバータと、
   前記ガスエンジンの内部または前記ガスエンジンの周囲の温度を検出する温度センサと、
   ストールやオーバーシュートを発生させることなく前記ガスエンジンを起動させることができる前記スロットルの開度を、各温度毎に設定したスロットル初期開度・温度特性が予め設定されている制御器とを有し、
   前記制御器は、前記ガスエンジンを起動させる際には、
   前記起動インバータから前記発電機に電力を供給してこの発電機を電動機として機能させて回転を開始させるとともに、
   前記スロットル初期開度・温度特性を参照して、前記温度センサにより検出した温度に対応するスロットル初期開度を選択し、前記スロットルの開度を選択した初期開度にするよう制御することを特徴とするコジェネレーションエンジン発電装置の起動制御機構。
2. ガスと空気とを混合した燃料ガスを燃焼して回転駆動するガスエンジンと、
   前記ガスエンジンの回転軸と連結されるとともに、電動機としても機能する発電機と、
   前記燃料ガスが前記ガスエンジンに供給される供給量を、開度調節することにより調節するスロットルと、
   冷却媒体としての水を前記ガスエンジンに供給する給湯器と、
   前記ガスエンジンを流通してきて加熱された前記水を、前記ガスエンジンから排出される排気ガスにより更に加熱し、加熱した水を前記給湯器に送る排ガス熱交換器と、
   前記発電機により発電された電力を系統に送る系統連系インバータと、
   前記系統に接続され、前記発電機に電力を送ることによりこの発電機を電動機として回転駆動させる起動インバータと、
   前記ガスエンジンの内部または前記ガスエンジンの周囲の温度を検出する温度センサと、
   ストールやオーバーシュートを発生させることなく前記ガスエンジンを起動させることができる前記スロットルの開度を、各温度毎に設定したスロットル初期開度・温度特性が予め設定されている制御器とを有し、
   前記制御器は、前記ガスエンジンを起動させる際には、
   前記起動インバータから前記発電機に電力を供給してこの発電機を電動機として機能させて回転を開始させるとともに、
   前記スロットル初期開度・温度特性を参照して、前記温度センサにより検出した温度に対応するスロットル初期開度を選択し、前記スロットルの開度を選択した初期開度にするよう制御し、
   前記スロットルの開度を、前記選択した初期開度にしても、前記ガスエンジンが自力で回転駆動しない場合には、前記選択した初期開度に予め設定した所定の開度を付加した開度を更新した初期開度とし、前記スロットルの開度を更新した初期開度に変更することを特徴とするコジェネレーションエンジン発電装置の起動制御機構。
3. 前記温度センサは、前記ガスエンジン内を流通してきた前記水の温度を検出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコジェネレーションエンジン発電装置の起動制御機構。
4. 前記温度センサは、前記ガスエンジン内を循環流通する潤滑油の温度を検出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコジェネレーションエンジン発電装置の起動制御機構。
5. 前記温度センサは、前記ガスエンジンを収納するケーシング内の庫内温度を検出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコジェネレーションエンジン発電装置の起動制御機構。

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