JP2008240557A - エネルギシステム - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンにおける異常燃焼の発生を抑制しながら、要求熱量の状態特に要求熱電比率の変動に柔軟に対応するべく、比較的簡単な構成で発生熱量特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実現する。
【解決手段】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に供給される熱を発生する排熱回収手段７とを備えたエネルギシステム１００であって、熱負荷１６での要求熱量の状態に基づいて、エンジン１の燃焼モードを、混合気Ｍの当量比をストイキ当量比範囲内に設定するストイキ燃焼モードと混合気Ｍの当量比をストイキ当量比範囲よりも燃料が希薄なリーン当量比範囲内に設定するリーン燃焼モードとの間で切り換える燃焼モード切換制御を実行可能な燃焼モード切換手段５３を備えた。
【選択図】図１

Description

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される熱を発生する排熱回収手段とを備えたエネルギシステム、特に、このエネルギシステムに加えて、前記エンジンの軸動力により発電して電力負荷に供給される電力を発生する発電手段を備えて、電力と熱とを出力するように構成されたエネルギシステムに関する。

上記のようなエネルギシステムとしては、エンジンから排ガスやジャケット水等として排出された排熱との熱交換により湯水を加熱する熱交換部を備え、その熱交換部で加熱された湯水を一旦貯湯タンクに貯留して給湯部や暖房機器などの熱負荷に供給するというように、エンジンの排熱を回収して熱負荷に供給される熱を発生する排熱回収手段を備えた所謂熱源システムや、上記排熱回収手段に加えて、エンジンの軸動力により発電する発電機を備え、その発電機で発生した電力を電気機器などの電力負荷に供給するというように、エンジンの軸動力により発電して電力負荷に供給される電力を発生する発電手段を備えた所謂コージェネレーションシステムなどが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

また、このような熱源システムでは、熱負荷での要求熱量の状態の変化に柔軟に対応するために、排熱回収手段の発生熱量を上記要求熱量の状態に応じて変更可能とすることが望まれている。
特に、コージェネレーションシステムでは、刻々と変化する電力負荷での要求電力量に対する熱負荷での要求熱量の比率である要求熱電比率（＝要求熱量／要求電力量）に柔軟に対応して、省エネルギ性を向上するために、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）を上記要求熱電比率の変動に応じて変更可能とすることが望まれている。

そこで、上記特許文献１に記載のエネルギシステムでは、火花点火式エンジンにおいて火花点火時期を遅角側に変更することで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利用して、要求熱量が小さく上記要求熱電比率が低い場合には、エンジンの火花点火時期を、軸出力を比較的大きくできる進角側に設定して電力を優先して発生させ、一方、要求熱量が大きく上記要求熱電比率が高い場合には、エンジンの火花点火時期を、排ガス温度を比較的高くできる遅角側に設定して熱を優先して発生させる形態で、上記発生熱電比率を可変とするように構成されている。

特開２００５−２６４７５５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のコージェネレーションシステムのように、上記発生熱量特に上記発生熱電比率を可変とするべく点火時期を大幅に変更すると、ノッキングや失火等の異常燃焼が発生し、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、混合気の当量比を燃料が希薄な範囲内に設定して、当該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、当該エンジンの点火時期の遅角化により失火が起こりやすく、未燃炭化水素の排出が増加するという問題がある。

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、エンジンにおける異常燃焼の発生を抑制しながら、要求熱量の状態特に要求熱電比率の変動に柔軟に対応するべく、比較的簡単な構成で発生熱量特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実現する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係るエネルギシステムは、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される熱を発生する排熱回収手段とを備えたエネルギシステムであって、その第１特徴構成は、前記熱負荷での要求熱量の状態に基づいて、前記エンジンの燃焼モードを、前記燃焼室で燃焼する混合気の当量比をストイキ当量比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当量比を前記ストイキ当量比範囲よりも燃料が希薄なリーン当量比範囲内に設定するリーン燃焼モードとの間で切り換える燃焼モード切換制御を実行可能な燃焼モード切換手段を備えた点にある。
尚、当量比とは、混合気の燃空比を理論燃空比で割ったものを言う。即ち、混合気において、燃料成分が少ないほどその混合気の当量比は低いと言え、空気が少ないほどその混合気の当量比は高いと言える。

上記第１特徴構成によれば、上記燃焼モード切換手段により、上記燃焼モード切換制御を実行することで、熱負荷での要求熱量が比較的大きい場合にはエンジンの燃焼モードを上記ストイキ燃焼モードとし、一方、熱負荷での要求熱量が比較的小さい場合にはエンジンの燃焼モードを上記リーン燃焼モードとするというように、エンジンの燃焼室に供給される混合気の当量比を変更するという簡単な構成で、要求熱量の状態の変動に柔軟に対応するべく発生熱量を変更することができる。

即ち、ある出力で運転されるエンジンの燃焼モードを、混合気の当量比を１．０程度のストイキ当量比範囲内に設定する上記ストイキ燃焼モードとすると、ノッキングや失火等の異常燃焼の発生を抑制して安定した燃焼状態を維持しながら、燃焼室において燃焼熱を奪う空気が少ないことから当該燃焼熱による温度上昇が顕著になって、燃焼室から排出される排ガスやエンジンを冷却した後のジャケット水が比較的高温になる。よって、排熱回収手段では、この高温の排ガスやジャケット水から効率良く且つ多くの排熱を回収することになるので、エンジンの排熱による発生熱量が多くなる。

一方、上記ストイキ燃焼モード時と同じ出力で運転されるエンジンの燃焼モードを、混合気の当量比を０．６７程度のリーン当量比範囲内に設定する上記リーン燃焼モードとすると、ノッキングや失火等の異常燃焼の発生を抑制して安定した燃焼状態を維持しながら、燃焼室において燃焼熱を奪う空気が多いことから当該燃焼熱による温度上昇が緩慢になって、ＮＯｘ（窒素酸化物）の生成は抑制されるものの、燃焼室から排出される排ガスやエンジンを冷却した後のジャケット水が比較的低温になる。よって、排熱回収手段では、この低温の排ガスやジャケット水から排熱を回収することになるので、エンジンの排熱による発生熱量が少なくなる。
即ち、ある出力で運転されるエンジンの燃焼モードを、上記ストイキ燃焼モードと上記リーン燃焼モードとで切り換えることで、上記発生熱量を変更することができる。

従って、当該特徴構成により、エンジンにおける異常燃焼の発生を抑制しながら、要求熱量の状態の変動に柔軟に対応するべく、比較的簡単な構成で発生熱量を変更することができるエネルギシステムを実現することができる。

本発明に係るエネルギシステムの第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、前記エンジンの軸動力により発電して電力負荷に供給される電力を発生する発電手段と、
前記エンジンの出力を前記電力負荷での要求電力量に応じて制御する出力制御手段とを備え、
前記燃焼モード切換手段が、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比率に基づいて前記燃焼モード切換制御を実行する点にある。

上記第２特徴構成によれば、上記燃焼モード切換手段により、上記燃焼モード切換制御を実行することで、上記要求熱電比率（＝要求熱量／要求電力量）が比較的高い場合にはエンジンの燃焼モードを上記ストイキ燃焼モードとし、一方、上記要求熱電比率が比較的低い場合にはエンジンの燃焼モードを上記リーン燃焼モードとするというように、エンジンの燃焼室に供給される混合気の当量比を変更するという簡単な構成で、要求熱電比率の状態の変動に柔軟に対応するべく発生熱電比率（＝発生熱量／発生電力量）を変更することができる。

即ち、要求電力量に応じて設定された特定の出力で運転されるエンジンの燃焼モードを上記ストイキ燃焼モードとすると、排ガスやジャケット水が比較的高温になるので、エンジンの軸出力による発生電力量に対してエンジンの排熱による発生熱量が多くなって、上記発生熱電比率が高くなる。

一方、上記ストイキ燃焼モードと同様に要求電力量に応じて設定された特定の出力で運転されるエンジンの燃焼モードを上記リーン燃焼モードとすると、排ガスやジャケット水が比較的低温になるので、エンジンの軸出力による発生電力量に対するエンジンの排熱による発生熱量が少なくなって、上記発生熱電比率が低くなる。
即ち、ある出力で運転されるエンジンの燃焼モードを、上記ストイキ燃焼モードと上記リーン燃焼モードとで切り換えることで、上記発生熱電比率を変更することができる。

従って、当該特徴構成により、エンジンにおける異常燃焼の発生を抑制しながら、要求熱電比率の変動に柔軟に対応するべく、比較的簡単な構成で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実現することができる。

本発明に係るエネルギシステムの第３特徴構成は、上記第２特徴構成に加えて、前記燃焼モード切換手段が、前記エンジンの出力を、前記ストイキ燃焼モード時における出力調整可能範囲の下限値以上且つ前記リーン燃焼モード時における出力調整可能範囲の上限値以下の中出力範囲内に設定する場合に前記燃焼モード切換制御を実行する点にある。

例えば燃焼室への混合気の吸気量が同じ場合には、エンジンの燃焼モードをストイキ燃焼モードとする方が、リーン燃焼モードとするよりも、混合気に含まれている燃料の量が多いことから出力が大きくなる。よって、エンジンの出力を上記要求電力量に応じて調整するにあたり、吸気量を比較的大きくする高出力時においては、その出力を維持したままリーン燃焼モードに切り換えることができない場合があり、一方、吸気量を比較的小さくする低出力時においてはその出力を維持したままストイキ燃焼モードに切り換えることができない場合がある。
そこで、上記第３特徴構成によれば、エンジン出力を上記要求電力量に応じて調整するにあたり、エンジンの燃焼モード切換制御を実行する出力範囲を、ストイキ燃焼モード時における出力調整可能範囲の下限値以上且つリーン燃焼モード時における出力調整可能範囲の上限値以下の中出力範囲に規定することで、当該中出力範囲内において自由にエンジンの燃焼モードを切り換えることができる。

本発明に係るエネルギシステムの第４特徴構成は、上記第３特徴構成に加えて、前記燃焼モード切換手段が、前記エンジンの出力を前記中出力範囲の上限値よりも高い高出力範囲内に設定する場合には前記エンジンの燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードとし、前記エンジン出力を前記中出力範囲の下限値よりも低い低出力範囲内に設定する場合には前記エンジンの燃焼モードを前記リーン燃焼モードとする点にある。

上記第４特徴構成によれば、エンジン出力を上述した中出力範囲内に設定する場合に燃焼モード切換制御を実行するにあたり、エンジン出力を中出力範囲の上限値よりも高い上記高出力範囲内に設定したい場合には、要求熱量が比較的小さかったとしても、エンジンの燃焼モードを強制的にストイキ燃焼モードに切り換えて、出力を上昇させ、大きい要求電力量に見合った電力を発生させることができる。
一方、エンジン出力を中出力範囲の下限値よりも低い上記低出力範囲内に設定したい場合には、要求熱量が比較的大きかったとしても、エンジンの燃焼モードを強制的にリーン燃焼モードに切り換えて、出力を低下させ、小さい要求電力量に見合った電力を発生させることができる。
従って、要求電力量の大幅な変動にも適切に対応して、エンジンの出力を大幅に変更させながら、出力変動範囲の一部である中出力範囲内に出力を設定する場合おいては、燃焼モード切換制御を実行して、要求熱量特に要求熱電比率の変動に柔軟に対応して、適切な発生熱量特に発生熱電比率で電力及び熱を発生することができる。

本発明に係るエネルギシステムの第５特徴構成は、上記第１乃至上記第４の何れかの特徴構成に加えて、前記燃焼モード切換手段が、前記燃焼モード切換制御において、前記排熱回収手段での発生熱量が前記熱負荷での要求熱量に対して不足する熱不足状態である場合には前記エンジンの燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードとし、前記排熱回収手段での発生熱量が前記熱負荷での要求熱量に対して余る熱余り状態である場合には前記エンジンの燃焼モードを前記リーン燃焼モードとする点にある。

上記第５特徴構成によれば、上記燃焼モード切換制御において、エンジンの燃焼モードをストイキ燃焼モードとすることで、発生熱量特に発生熱電比率を増加させて上記熱不足状態を解消することができ、一方、エンジンの燃焼モードをリーン燃焼モードとすることで、発生熱量特に発生熱電比率を減少させて上記熱余り状態を解消することができ、結果、要求熱量の状態特に要求熱電比率の変動に一層柔軟に対応して、省エネルギ性を向上することができる。

本発明に係るエネルギシステムの第６特徴構成は、上記第１乃至上記第５の何れかの特徴構成に加えて、前記エンジンの排気路において前記ストイキ燃焼モード時及び前記リーン燃焼モード時に排出される排ガスが通過する部位に三元触媒を配置してなる点にある。

上記第６特徴構成によれば、上記排気路に、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配置することで、ストイキ燃焼モード時に排出される可能性があるＮＯｘを良好に還元除去すると共に、リーン燃焼モード時に排出される可能性があるＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、臭気成分（アルデヒド類、硫化物質、脂肪族類、アミン類等）を良好に酸化除去することができる。
即ち、上述したようにエンジンの燃焼モードをストイキ燃焼モードとしたときには、燃焼室において温度上昇が顕著になることにより比較的多くのＮＯｘが生成されることになるが、そのＮＯｘを含む排ガスが上記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、結果、ＮＯｘの排出量を規定量以下に抑制することができる。また、このストイキ燃焼モードでは、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であるので、上記三元触媒では、ＮＯｘの還元除去と同時に、ＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、臭気成分（アルデヒド類、硫化物質、脂肪族類、アミン類等）等の酸化除去を行うことができる。
一方、上述したようにエンジンの燃焼モードをリーン燃焼モードとしたときには、燃焼室において温度上昇が緩慢になることによりＮＯｘ（窒素酸化物）の生成が抑制されるので、ＮＯｘの排出量を規定量以下に抑制することができ、更に、排ガスが上記三元触媒を通過することでその排ガスに含まれるＣＯ、ＨＣ、臭気成分等を酸化除去することができる。

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。
図１に示すエネルギシステム（以下、「本システム」と呼ぶ。）１００は、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。
即ち、本システム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に供給される熱を発生する排熱回収手段７とを備えており、更には、エンジン１の軸動力により発電して電力負荷２１に供給される電力を発生する発電機５（発電手段の一例）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。

上記エンジン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を当該燃焼室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。

燃焼室２からは排出された排ガスＥが流通する排気路４には、当該排ガス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。
そして、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の開度を制御することで、吸気路３に形成される混合気Ｍの当量比を任意に設定する可能に構成されている。
即ち、制御装置５０は、上記酸素センサ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の開度を比較的大きめに調整することで、吸気路３に形成される混合気Ｍの当量比を略１．０程度のストイキ当量比範囲内に設定することができる。また、制御装置５０は、上記酸素センサ１８で検出される排ガスＥの酸素濃度が当量比に応じて設定された設定濃度となるように燃料供給弁６の開度を比較的小さめに調整することで、吸気路３に形成される混合気Ｍの当量比を例えば上記ストイキ当量比範囲よりも燃料が希薄な０．６７程度のリーン当量比範囲内に設定することができる。

更に、詳細については後述するが、このエンジン１は、燃焼室２で燃焼する混合気Ｍの当量比を上記ストイキ当量比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の当量比を上記ストイキ当量比範囲よりも燃料が希薄なリーン当量比範囲内に設定するリーン燃焼モードとの間で燃焼モードを切り換え可能に構成されている。
尚、このストイキ燃焼モード及びリーン燃焼モードは、公知のストイキ燃焼及びリーン燃焼により実現される燃焼モードであり、夫々における燃焼室２での燃焼状態は、ノッキングや失火等の異常燃焼の発生が抑制されて安定したものとなる。

更に、エンジン１が上記ストイキ燃焼モードで運転することで、燃焼室２に吸気される混合気Ｍ中に燃焼熱を奪う空気Ａが少ないことから、当該燃焼熱による温度上昇が顕著になり、燃焼室２から排出される排ガスＥやエンジン１を冷却した後のジャケット水ＪＷが比較的高温になる。
一方、エンジン１が上記リーン燃焼モードで運転することで、燃焼室２に吸気される混合気Ｍ中に燃焼熱を奪う空気Ａが多いことから、当該燃焼熱による温度上昇が緩慢になり、ＮＯｘ（窒素酸化物）の生成は抑制されるものの、燃焼室２から排出される排ガスＥやエンジン１を冷却した後のジャケット水ＪＷが比較的低温になる。

上記排熱回収手段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との両方から排熱を回収し、当該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などの熱負荷１６へ供給するように構成されている。
具体的には、循環ポンプ１０を作動させることによりエンジン１とラジエータ１３との間で循環するジャケット水ＪＷは、そのエンジン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。
その伝熱管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、当該排熱回収熱交換器８で加熱される湯水を貯える貯湯タンク９とが設けられており、貯湯タンク９に貯えられた高温の湯水ＨＷが熱負荷１６に供給される。

更に、上記貯湯タンク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共にその高温層の下部に低温の湯水ＨＷが滞留する形態で湯水ＨＷを貯留する所謂温度成層型に構成されている。
即ち、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。すると、貯湯タンク９は温度成層を形成して湯水ＨＷを貯留することになる。
この貯湯タンク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、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。

上述したストイキ燃焼モード時とリーン燃焼モード時とに排出される排ガスＥとは共に同じ排気路４を通過して排出される。
更に、図２に示すように、エンジン１の燃焼モードを上述したストイキ燃焼モードとしたときには、混合気Ｍの当量比が略１．０程度のストイキ当量比範囲内に設定されて燃焼室２における温度上昇が顕著になることから、ＮＯｘの生成量は促進され、逆に、エンジン１の燃焼モードを上述したリーン燃焼モードとしたときには、混合気Ｍの当量比が略０．６７程度のリーン当量比範囲内に設定されて燃焼室２における温度上昇が緩慢になることから、ＮＯｘの生成量は抑制されている。

そして、ストイキ燃焼モード時に排出されるＮＯｘを還元除去すると共に、ストイキ燃焼モード時及びリーン燃焼モード時に排出されるＣＯ、ＨＣ、臭気成分等を酸化除去するために、エンジン１の排気路４には、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り、酸化性成分と還元性成分とが釣り合った状態の理論当量比の排ガスＥが通過することで、その排ガスＥに含まれるＮＯｘ、ＣＯ、及びＨＣの排出物を同時除去する三元触媒１２が設けられている。

即ち、上述したストイキ燃焼モード時に排出される排ガスＥがこの三元触媒１２を通過すると、主に、その排ガスＥに含まれるＮＯｘが還元除去されて、ＮＯｘの排出量が規定値以下に抑制されることになる。また、このストイキ燃焼モード時に排出される排ガスＥは、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ので、上記ＮＯｘの還元除去と同時に、ＣＯ、ＨＣ、臭気成分等が酸化除去されることになる。
一方、上述したリーン燃焼モード時に排出される排ガスＥがこの三元触媒１２を通過すると、主に、その排ガスＥに含まれるＣＯ、ＨＣ、臭気成分等が酸化除去されることになる。また、このリーン燃焼モード時には、燃焼室２の温度上昇が緩慢になることから、その排ガスＥには元々ＮＯｘが殆ど含まれておらず、結果、ＮＯｘの排出量が規定値以下に抑制されることになる。

排気路４において、ジャケット水ＪＷを排ガスＥとの熱交換により加熱するための伝熱管１１は、上述した三元触媒１２と一体型に配置されている。即ち、伝熱管１１では、ジャケット水ＪＷとの熱交換により、排ガスＥの熱に加え、三元触媒１２での反応熱をも回収されることになる。

上記のようなエネルギシステム１００の運転を制御する制御装置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、後述する負荷予測手段５１、出力制御手段５２、及び、燃焼モード切換手段５３として機能するように構成されている。以下、第１乃至第３実施形態の夫々における制御装置５０が機能する各種手段の詳細構成について説明する。

〔第１実施形態〕
以下、第１実施形態における制御装置５０が機能する各種手段の詳細構成について説明する。
上記負荷予測手段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おき、それらに基づいて、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要求熱量として予測し、予測される消費電力量を要求電力量として予測するように構成されている。
尚、上記熱負荷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。
また、上記電力負荷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。

上記出力制御手段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）の開度を制御するなどの形態で、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、若しくは、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手段として構成されている。
具体的には、出力制御手段５２による上記電主運転制御では、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若しく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。
一方、出力制御手段５２による上記熱主運転制御では、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若しく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。

更に、上記燃焼モード切換手段５３は、上記負荷予測手段５１で予測した熱負荷１６での要求熱量の状態に基づいて、燃料供給弁６の開度を制御することで、上記エンジン１の燃焼モードを、上述したストイキ燃焼モードとリーン燃焼モードとの間で切り換える燃焼モード切換制御を実行可能に構成されている。

即ち、上記出力制御手段５２によりエンジン１の出力を特定の出力に設定する場合を想定して、上記燃焼モード切換手段５３によりエンジン１の燃焼モードをストイキ燃焼モードとしたときには、燃焼室２から排出される排ガスＥやエンジン１を冷却した後のジャケット水ＪＷが比較的高温となるので、排熱回収手段７での発生熱量が発電機５の発生電力量に対して比較的大きくなる。
逆に、上記出力制御手段５２によりエンジン１の出力を上記と同様の特定の出力に設定する場合を想定して、上記燃焼モード切換手段５３によりエンジン１の燃焼モードをリーン燃焼モードとしたときには、燃焼室２から排出される排ガスＥやエンジン１を冷却した後のジャケット水ＪＷが比較的低温となるので、排熱回収手段７での発生熱量が発電機５の発生電力量に対して比較的小さくなる。

そして、このことを利用して、上記燃焼モード切換手段５３は、上記燃焼モード切換制御において、負荷予測手段５１で予測した熱負荷１６での要求熱量、特に電力負荷２１での要求電力量に対する熱負荷１６での要求熱量の比率である要求熱電比率（＝要求熱量／要求電力量）が、予め設定された設定値以上である場合には、排ガスＥやジャケット水ＪＷが高温となるストイキ燃焼モードとして、排熱回収手段７での発生熱量、特に発電機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）を大きくする。
逆に、上記燃焼モード切換手段５３は、上記燃焼モード切換制御において、負荷予測手段５１で予測した熱負荷１６での要求熱量、特に上記要求熱電比率が、予め設定された設定値未満である場合には、排ガスＥやジャケット水ＪＷが低温となるリーン燃焼モードとして、排熱回収手段７での発生熱量、特に上記発生熱電比率を小さくする。
よって、このような燃焼モード切換制御を実行するという比較的簡単な構成により、要求熱量の状態特に要求熱電比率の変動に柔軟に対応するべく、発生熱量特に発生熱電比率を変更することができるのである。

更に、上記のように燃焼モード切換手段５３により、燃焼モード切換制御を実行する場合において、エンジン１の出力を非常に高くする高出力状態を維持したまま混合気Ｍの当量比を小さめのリーン当量比範囲内に設定するリーン燃焼モードを維持できなかったり、エンジン１の出力を非常に低くする低出力状態を維持したまま混合気Ｍの当量比を大きめのストイキ当量比範囲内に設定するストイキ燃焼モードを維持できないことがある。

即ち、図３に示すように、上記燃焼モード制御においては、要求熱電比率が高い場合にストイキ燃焼モードとし、要求熱電比率が低い場合にリーン燃焼モードとするのであるが、そのストイキ燃焼モード時においてエンジン１の出力を調整可能な範囲である出力調整可能範囲（図３においてＳｍｉｎ以上Ｓｍａｘ以下の範囲内）は、リーン燃焼モード時においてエンジン１の出力を調整可能な範囲である出力調整可能範囲（図３においてＬｍｉｎ以上Ｌｍａｘ以下の範囲内）と比べて、エンジン１の出力が高い側にずれた状態となる。
そこで、上記燃焼モード切換手段５３は、エンジン１の出力をストイキ燃焼モード時における出力調整可能範囲の下限値Ｓｍｉｎ以上且つリーン燃焼モード時における出力調整可能範囲の上限値Ｌｍａｘ以下の中出力範囲内（図３において実線で示される範囲内）に設定する場合に燃焼モード切換制御を実行して、自由にエンジン１の燃焼モードを切り換えるように構成されている。
尚、本実施形態において、図３の一点鎖線で示すように、ストイキ燃焼モード時においてエンジン１の出力をリーン燃焼モード時における出力調整可能範囲の上限値Ｌｍａｘを上回る範囲で運転したり、リーン燃焼モード時においてエンジン１の出力をストイキ燃焼モード時における出力調整可能範囲の下限値Ｌｍｉｎを下回る範囲で運転するように構成しても構わない。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態における制御装置５０が機能する各種手段の詳細構成について説明する。尚、上記第１実施形態と同様の構成については説明を割愛する場合がある。
上記出力制御手段５２は、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を実行する手段として構成されている。
上記負荷予測手段５１は、上記第１実施形態と同様に要求熱量と要求電力量とを予測すると共に、上記電主運転制御を実行すると仮定したときの排熱回収手段７での発生熱量を求め、その排熱回収手段７の発生熱量が熱負荷１６での要求熱量に対して不足する熱不足状態になるか否かを判定し、更には、その排熱回収手段７の発生熱量が熱負荷１６での要求熱量に対して余る熱余り状態となるか否かを判定するように構成されている。
例えば、熱不足状態及び熱余り状態の判定方法としては、温度成層型の貯湯タンク９の上方側に設けられた温度センサ１９ａにより検出される湯水ＨＷの温度が目標貯湯温度未満である場合には、貯湯タンク９の上方側に貯留されている高温の湯水ＨＷの量が少なすぎるとして、熱不足状態であると判定し、一方、温度成層型の貯湯タンク９の下方側に設けられた温度センサ１９ｂにより検出される湯水ＨＷの温度が目標貯湯温度以上である場合には、貯湯タンク９全体に高温の湯水ＨＷが貯留されている所謂満杯状態であるとして、熱余り状態であると判定することができる。

そして、上記燃焼モード切換手段５３は、燃焼モード切換制御において、上記負荷予測手段５１で熱不足状態であると判定した場合には、エンジン１の燃焼モードを上述したストイキ燃焼モードとして、排熱回収手段７の発生熱量特に発生熱電比率を増加させて上記熱不足状態を解消するように構成されている。
更に、上記燃焼モード切換手段５３は、燃焼モード切換制御において、上記負荷予測手段５１で熱余り状態であると判定した場合には、エンジン１の燃焼モードを上述したリーン燃焼モードとして、排熱回収手段７の発生熱量特に発生熱電比率を減少させて上記熱余り状態を解消するように構成されている。

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態における制御装置５０が機能する各種手段の詳細構成について説明する。尚、上記第１実施形態と同様の構成については説明を割愛する場合がある。
上記燃焼モード切換手段５３は、図４に示すように、エンジン１の出力をストイキ燃焼モード時における出力調整可能範囲の下限値Ｓｍｉｎ以上且つリーン燃焼モード時における出力調整可能範囲の上限値Ｌｍａｘ以下の中出力範囲内に設定するように構成されている。

そして、上記燃焼モード切換手段５３は、エンジン１の出力を中出力範囲の上限値Ｌｍａｘよりも高い高出力範囲内に設定する場合には、要求熱電比率が比較的低かったとしても、エンジン１の燃焼モードをストイキ燃焼モードとして、エンジン１の出力を上昇させるように構成されている。よって、電力負荷２１における要求電力量に応じて発電機５の発生電力量を変化させる電主運転制御を実行する場合において、その要求電力量が比較的大きい場合でも、発電機５の発生電力量を要求電力量に見合った大きなものとすることができる。

更に、上記燃焼モード切換手段５３は、エンジン１の出力を中出力範囲の下限値Ｓｍｉｎよりも低い低出力範囲内に設定する場合には、要求熱電比率が比較的高かったとしても、エンジン１の燃焼モードをリーン燃焼モードとして、エンジン１の出力を低下させるように構成されている。よって、電力負荷２１における要求電力量に応じて発電機５の発生電力量を変化させる電主運転制御を実行する場合において、その要求電力量が比較的小さい場合でも、発電機５の発生電力量を要求電力量に見合った小さなものとすることができる。

尚、上記実施形態では、本発明に係るエネルギシステムをコージェネレーションシステムに適用した例を説明したが、別に、本発明に係るエネルギシステムは、発電機５以外の回転機を駆動するエンジン１から排出される排ガスが有する熱を回収して熱負荷１６に供給するような熱源システムにも適用することができる。

本発明に係るエンジンは、エンジンにおける異常燃焼の発生を抑制しながら、要求熱量の状態特に要求熱電比率の変動に柔軟に対応するべく、比較的簡単な構成で発生熱量特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として有効に利用可能である。

エネルギシステムの概略構成図 当量比とＮＯｘ発生量の関係を示すグラフ図 第１実施形態におけるエンジンの燃焼モードの切り替え状態を示す説明図 第３実施形態におけるエンジンの燃焼モードの切り替え状態を示す説明図

符号の説明

１：エンジン
２：燃焼室
４：排気路
５：発電機（発電手段）
７：排熱回収手段
１６：熱負荷
２１：電力負荷
５２：出力制御手段
５３：燃焼モード切換手段
１００：エネルギシステム
Ｇ：燃料
Ｍ：混合気
Ｅ：排ガス

Claims (6)

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される熱を発生する排熱回収手段とを備えたエネルギシステムであって、
   前記熱負荷での要求熱量の状態に基づいて、前記エンジンの燃焼モードを、前記燃焼室で燃焼する混合気の当量比をストイキ当量比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当量比を前記ストイキ当量比範囲よりも燃料が希薄なリーン当量比範囲内に設定するリーン燃焼モードとの間で切り換える燃焼モード切換制御を実行可能な燃焼モード切換手段を備えたエネルギシステム。
2. 前記エンジンの軸動力により発電して電力負荷に供給される電力を発生する発電手段と、
   前記エンジンの出力を前記電力負荷での要求電力量に応じて制御する出力制御手段とを備え、
   前記燃焼モード切換手段が、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比率に基づいて前記燃焼モード切換制御を実行する請求項１に記載のエネルギシステム。
3. 前記燃焼モード切換手段が、前記エンジンの出力を、前記ストイキ燃焼モード時における出力調整可能範囲の下限値以上且つ前記リーン燃焼モード時における出力調整可能範囲の上限値以下の中出力範囲内に設定する場合に前記燃焼モード切換制御を実行する請求項２に記載のエネルギシステム。
4. 前記燃焼モード切換手段が、前記エンジンの出力を前記中出力範囲の上限値よりも高い高出力範囲内に設定する場合には前記エンジンの燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードとし、前記エンジン出力を前記中出力範囲の下限値よりも低い低出力範囲内に設定する場合には前記エンジンの燃焼モードを前記リーン燃焼モードとする請求項３に記載のエネルギシステム。
5. 前記燃焼モード切換手段が、前記燃焼モード切換制御において、前記排熱回収手段での発生熱量が前記熱負荷での要求熱量に対して不足する熱不足状態である場合には前記エンジンの燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードとし、前記排熱回収手段での発生熱量が前記熱負荷での要求熱量に対して余る熱余り状態である場合には前記エンジンの燃焼モードを前記リーン燃焼モードとする請求項１〜４の何れか一項に記載のエネルギシステム。
6. 前記エンジンの排気路において前記ストイキ燃焼モード時及び前記リーン燃焼モード時に排出される排ガスが通過する部位に三元触媒を配置してなる請求項１〜５の何れか一項に記載のエネルギシステム。

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