JP2013127232A - エンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガスと燃焼用空気との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、燃焼室への吸気量を調整してエンジンの出力を制御する出力制御手段とを備えたエンジンシステムにおいて、シェールガスなどの非在来型の燃料ガスを含む性状が不安定な燃料ガスを利用した場合でも、発熱量計測装置を設ける必要がなく簡単且つ合理的な構成で燃料ガスの発熱量を求めることができ、更には求めた発熱量を用いて運転制御を行って、燃焼室における燃焼状態を良好に安定化させることができる技術を実現する。
【解決手段】燃焼室１ａへの燃料ガスＧの供給量を一時的に所定量分増加させる燃料一時増加処理を実行可能な燃料一時増加手段７３と、燃料一時増加手段７３により燃料一時増加処理を実行したときのエンジン１の出力の上昇状態に基づいて、燃料ガスＧの発熱量を求める発熱量導出手段７４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスと燃焼用空気との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、
前記燃焼室への吸気量を調整して前記エンジンの出力を制御する出力制御手段とを備えたエンジンシステムに関する。

従来のエンジンシステムでは、供給される燃料ガスの単位体積あたりの発熱量（以下、単位体積あたりの発熱量を単に「発熱量」と呼ぶ。）等の性状が一定であることを前提した出力制御等の構成を採用しているが、将来的には、シェールガスなどの非在来型の燃料ガスを含む性状が不安定な燃料ガスを用いることも想定されている。

このように性状が不安定な燃料ガスを利用するエンジンシステムにおいては、燃焼室に吸気される混合気において燃料ガスの完全燃焼に必要な酸素が過不足なく存在する状態、即ち空気過剰率が１となる状態である理論空燃比が、燃料ガスの発熱量の変動に伴って変動することになる。よって、空燃比を燃焼用空気と燃料ガスとの体積流量比率を基準にして設定すると、形成される混合気の空気過剰率が変動し、エンジン本来の性能が発揮できず、安定した運転状態を維持できない場合がある。
例えば、燃料ガスの発熱量が低下側に変動した場合には、エンジンに供給する混合気の空気過剰率が所定の空気過剰率よりも高くなりすぎて（言い換えれば、燃料が希薄になりすぎて）、失火等が発生するなどの問題が発生する虞がある。逆に、燃料ガスの発熱量が上昇側に変動した場合には、混合気の空気過剰率が所定の空気過剰率よりも低くなりすぎて（言い換えれば、燃料が濃くなりすぎて）、排ガス中のＮＯｘ濃度が上昇するなどの問題が発生する虞がある。

そこで、このような性状が不安定な燃料ガスを利用するエンジンシステムとして、安定した運転状態を維持するため、燃料ガスの発熱量を計測する発熱量計測装置を設け、この発熱量計測装置の計測結果に基づいて燃焼用空気に対する燃料ガスの供給量を制御するように構成されたものが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２００１−５５９５２号公報

しかしながら、この種のエンジンシステムでは、高価な発熱量計測装置を備えるためコストが高くなり、更には、この発熱量計測装置において発熱量を計測するのに必要な時間分制御に遅れが生じることから、燃焼状態を十分に安定化させることができないという問題があった。

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、エンジンシステムにおいてシェールガスなどの非在来型の燃料ガスを含む性状が不安定な燃料ガスを利用した場合でも、発熱量計測装置を設ける必要がなく簡単且つ合理的な構成で燃料ガスの発熱量を求めることができ、更には求めた発熱量を用いて運転制御を行って、燃焼室における燃焼状態を良好に安定化させることができる技術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ンジンシステムは、
燃料ガスと燃焼用空気との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、
前記燃焼室への吸気量を調整して前記エンジンの出力を制御する出力制御手段とを備えたエンジンシステムであって、
その第１特徴構成は、
前記燃焼室への燃料ガスの供給量を一時的に所定量分増加させる燃料一時増加処理を実行可能な燃料一時増加手段と、
前記燃料一時増加手段により前記燃料一時増加処理を実行したときの前記エンジンの出力の上昇状態に基づいて、前記燃料ガスの発熱量を求める発熱量導出手段とを備えた点にある。

本特徴構成によれば、燃焼室への燃料ガスの供給量を一時的に所定量分増加させてエンジンの出力の上昇状態を測定する、というような簡単且つ合理的な構成を採用するだけで、燃料ガスの発熱量を求めることができる。
即ち、上記燃料一時増加手段により上記燃料一時増加処理を実行して燃焼室への燃料ガスの供給量を一時的に所定量分増加させると、その増加した燃料ガスの発熱量に応じた割合でエンジンの出力が一時的に上昇側に変動することになる。そして、このエンジンの出力の上昇状態は、燃料一時増加処理により増加された所定量の燃料ガスの発熱量に対応するものとなるため、上記発熱量導出手段により、当該エンジンの出力の上昇状態に基づいて、それに対応する燃料ガスの発熱量を簡単に求めることができる。

本発明に係るエンジンシステムの第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加え、
前記燃焼室に供給する燃焼用空気に対する燃料ガスの供給量の割合である空燃比を所定の設定空燃比に設定する空燃比設定手段を備え、
当該空燃比設定手段が、前記発熱量導出手段で求めた前記燃料ガスの発熱量に基づき前記設定空燃比を補正する点にある。

本特徴構成によれば、上述した発熱量導出手段で求めた燃料ガスの発熱量を、当該発熱量に基づき設定空燃比を補正する形態で用いることで、エンジンに供給する混合気の空気過剰率を常に安定したものとすることができるので、失火やＮＯｘ濃度上昇などの問題を回避して、燃焼室における燃焼状態を良好に安定化させることができる。
即ち、燃料ガスの発熱量が増加した場合には設定空燃比を増加側に補正し、逆に、燃料ガスの発熱量が減少した場合には設定空燃比を減少側に補正する。すると、燃焼室に吸気される混合気の発熱量及び当該混合気の空気過剰率は常に一定のものになって、燃焼室における混合気の燃焼状態が良好なものに安定化されることになる。

本発明に係るエンジンシステムの第３特徴構成は、上記第１乃至第２特徴構成に加え、
前記発熱量導出手段が、前記燃料一時増加処理を実行したときの前記エンジンの出力の上昇状態として、前記エンジンの出力の上昇率を計測し、当該上昇率と前記燃料ガスの発熱量の関係を参照して、前記燃料ガスの発熱量を求める点にある。

本特徴構成によれば、上記燃料一時増加処理を実行したときのエンジンの出力の上昇率と燃料ガスの発熱量の関係を予め実験等により求めて記憶しておくことで、上記発熱量導出手段により、上記燃料一時増加処理を実行したときのエンジンの出力の上昇率を計測し、当該計測した上昇率に対応する燃料ガスの発熱量を予め記憶している上記関係から抽出する形態で、当該燃料ガスの発熱量を求めることができる。

本発明に係るエンジンシステムの第４特徴構成は、上記第１乃至第３特徴構成に加え、
前記燃料一時増加手段が、一旦タンクに貯留した所定量の燃料ガスを前記エンジンの吸気路に放出する形態で、前記燃料一時増加処理を実行する点にある。

本特徴構成によれば、上記燃料一時増加処理における所定量の燃料ガスの計量を、燃料ガスを一時的に貯留可能なタンクを用いるという簡単な構成で実現することができる。
即ち、エンジンに常時供給される燃料ガスとは別に、当該燃料ガスを一旦貯留可能なタンクを設け、そのタンクに一旦貯留した燃料ガスを吸気路に放出する形態で、上述したような燃料一時増加処理、即ち燃料燃焼室への燃料ガスの供給量を一時的にタンクの容量に相当する所定量分増加させることができる。

本発明に係るエンジンシステムの第５特徴構成は、上記第４特徴構成に加え、
燃料ガスを前記エンジンの吸気路に導く副燃料ガス供給路と、当該副燃料ガス供給路に接続されたタンクと、前記副燃料ガス供給路における前記タンクの上流側に設けられたタンク入口弁と、前記副燃料ガス供給路における前記タンクの下流側に設けられたタンク出口弁とを備えると共に、
前記燃料一時増加手段が、前記タンク入口弁を開状態とし前記タンク出口弁を閉状態とする充填操作と、前記タンク入口弁を閉状態とし前記タンク出口弁を開状態とする放出操作とを順に実行する点にある。

本特徴構成によれば、上記燃料一時増加処理におけるタンクに対する燃料ガスの充填と放出とを、タンク入口弁とタンク出口弁との開閉操作のみという非常に簡単な構成で実現することができる。即ち、上記タンク入口弁を開状態とし上記タンク出口弁を閉状態とする充填操作を行うと、タンクの容量に相当する所定量の燃料ガスを、タンク入口弁を通じてタンクに流入させ充填することができる。そして、その充填操作に続いて、上記タンク入口弁を閉状態とし上記タンク出口弁を開状態とする放出操作を行うと、充填操作によりタンクに充填された所定量の燃料ガスを、タンク出口弁を通じて吸気路に放出することができる。

本発明に係るエンジンシステムの第６特徴構成は、上記第１乃至第５特徴構成に加え、
電力系統に接続された一次巻線を備える固定子と二次巻線を備える回転子とを有し、前記エンジンの回転動力で回転子を回転させる二次励磁発電機と、
交流側が前記電力系統に接続された第１電力変換機と、
交流側が前記二次巻線に接続された第２電力変換機と、
前記第１電力変換機の直流側と前記第２電力変換機の直流側とを接続する直流部とを備えて発電システムとして構成され、
前記発熱量導出手段が、前記燃料一時増加処理を実行したときの前記エンジンの回転数の上昇状態に基づいて、前記燃料ガスの発熱量を求める点にある。

本特徴構成によれば、二次励磁発電機をエンジンにより駆動する発電システムでは、発電出力に応じて最適なエンジン回転数を選択することができるため、上述したような燃料一時増加処理を実行しエンジンの回転数が一時的に変動したとしても、所定の周波数の電力を二次励磁発電機に発電させることができる。
即ち、第２電力変換機を制御して、上記所定の周波数に対する回転子の回転数の不足分（又は過剰分）に相当する周波数の励磁電力を二次励磁発電機の二次巻線に供給する（又は二次巻線から取り出す）ことで、第１電力変換機から上記所定の周波数の発電電力が取り出されることになる。
また、このような発電システムにおいて、エンジンの燃焼室への燃料ガスの供給量を一時的に所定量分増加させる燃料一時増加処理を実行した場合には、二次励磁発電機の発電出力が所望の発電出力に維持されたままエンジンの回転数の上昇が許容されるため、発熱量導出手段により、そのエンジンの回転数の上昇状態に基づいて燃料ガスの発熱量を求めることができる。

本発明の実施形態に係るエンジンシステムの全体構成を示す構成図 本発明の実施形態に係るエンジンシステムの燃料一時増加処理の制御動作を示すフロー図 本発明の実施形態に係るエンジンシステムの発電構成を示す構成図

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。
図１に示すように、エンジンシステム１００は、燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとの混合気Ｍを燃焼室１ａで圧縮して燃焼させて駆動力を出力するエンジン１と、燃焼室１ａへの吸気量を調整してエンジン１の出力を制御する出力制御手段７１等として機能する制御装置７０とを備えたシステムとして構成されている。
以下、その基本構成について説明する。

〔基本構成〕
エンジン１は、通常の４サイクル式のエンジンとして構成されている。エンジン１の燃焼室１ａには、混合気Ｍを吸引する吸気路３、及び、エンジン１から排出される排ガスＥが通流する排気路４が接続されている。吸気路３には、ミキサ８を介して、燃料ガスＧを供給する燃料供給路９が接続されている。
吸気路３の端部からエアークリーナ１１を通じて吸気される燃焼用空気Ａは、ミキサ８において燃料供給路９から供給される燃料ガスＧと混合されて、混合気Ｍが形成される。その混合気Ｍは、吸気路３において、過給機７のコンプレッサ７ａ及びインタークーラ５を順に通過して燃焼室１ａに吸気される。燃焼室１ａに吸気された混合気Ｍは、ピストン（図示せず）の上昇により圧縮された状態で点火プラグ（図示省略）にて点火されて燃焼・膨張することで、ピストンを押し下げてクランク軸１ｂが回転し、回転動力が出力される。燃焼により発生した排ガスＥは、燃焼室１ａから排気路４に押し出され、過給機７のタービン７ｂを回転させた後に、外部に排出される。
更に、このエンジン１には、クランク軸１ｂの回転数、即ちエンジン１の回転数を検出する回転数センサ１ｃが設けられており、回転数センサ１ｃの検出情報は制御装置７０に入力されるように構成されている。

吸気路３には、燃焼室１ａに吸気される混合気Ｍの吸気量を調整可能なスロットルバルブ６が設けられ、このスロットルバルブ６の開度は制御装置７０が機能する出力制御手段７１により回転数センサ１ｃの検出結果に基づいてフィードバック制御される。即ち、出力制御手段７１は、エンジン１の回転数が所定の設定回転数Ｒｔ（例えば１３００ｒｐｍ）に対して低下傾向にある場合にはスロットルバルブ６の開度を拡大して燃焼室１ａへの混合気Ｍの吸気量を増加させるように構成されている。逆に、出力制御手段７１は、エンジン１の回転数が同設定回転数に対して上昇傾向にある場合にはスロットルバルブ６の開度を縮小して燃焼室１ａへの混合気Ｍの吸気量を減少させる形態で、エンジン１の出力を調整しエンジン１の回転数を設定回転数付近に維持するように構成されている。

燃料供給路９には、ミキサ８への燃料ガスＧの供給量を調整可能な燃料供給弁１０が設けられている。この燃料供給弁１０の開度は、制御装置７０が機能する空燃比設定手段７２によりスロットルバルブ６の開度に基づいて制御される。即ち、空燃比設定手段７２は、スロットルバルブ６の開度が拡大しミキサ８を通流する燃焼用空気Ａの流量が増加する場合には、燃料供給弁１０の開度を拡大してミキサ８への燃料ガスＧの供給量を燃焼用空気Ａの流量増加に合わせて増加させるように構成されている。逆に、空燃比設定手段７２は、スロットルバルブ６の開度が縮小しミキサ８を通流する燃焼用空気Ａの流量が減少する場合には、燃料供給弁１０の開度を縮小してミキサ８への燃料ガスＧの供給量を燃焼用空気Ａの流量減少に合わせて減少させる形態で、ミキサ８への燃料ガスＧの供給量を調整し、ミキサ８に供給される燃焼用空気Ａの供給量に対する燃料ガスＧの供給量の割合である空燃比を所定の設定空燃比に設定するように構成されている。

このエンジンシステム１００は、例えば、燃料ガスＧとして、発熱量が安定している天然ガス系都市ガス１３Ａに、シェールガスなどのように都市ガスよりも発熱量が低く不安定な非在来型の燃料ガスを含んだものを使用しているため、エンジン１に供給される燃料ガスＧの発熱量は経時的に変化することになる。
よって、上記空燃比設定手段７２により体積流量比率を基準にしてミキサＭで形成される混合気Ｍの空燃比を設定空燃比に設定したとしても、上記のような燃料ガスＧの発熱量の変動に伴って、当該混合気Ｍの空気過剰率は変動し、そのままではエンジン１本来の性能が発揮できず、安定した運転状態を維持できない。
例えば、燃料ガスＧの発熱量が、天然ガス系都市ガス１３Ａの発熱量（４５．０ＭＪ／ｍ３）から低下した場合には、混合気Ｍの空気過剰率は、下記の表１のように変動することになる。

そこで、本実施形態におけるエンジンシステム１００の制御装置７０は、発熱量計測装置を設ける必要がなく簡単且つ合理的な構成で燃料ガスＧの発熱量を求めるための発熱量導出構成を有しており、その詳細について以下に説明する。

〔発熱量導出構成〕
図１に示すように、エンジンシステム１００の制御装置７０は、後述する燃料一時増加手段７３及び発熱量導出手段７４として機能する。
燃料一時増加手段７３は、燃焼室１ａへの燃料ガスＧの供給量を一時的に所定量分増加させる燃料一時増加処理を実行可能な手段として構成されている。
具体的には、吸気路３のミキサ８の下流側には、当該ミキサ８とは別の第２ミキサ２５が設けられており、その第２ミキサ２５には、燃料供給路９から分岐して燃料ガスＧを供給する第２燃料供給路２０が接続されている。

更に、この第２燃料供給路２０には、上流側から順に、開閉操作可能なタンク入口弁２１とタンク出口弁２４とが設けられており、このタンク入口弁２１とタンク出口弁２４との間には、所定の容量を有するタンク２２が接続されている。また、このタンク２２には、内圧を検出する圧力センサ２２ａが設けられている。
そして、燃料一時増加手段７３は、図２に示すように、先ずは、タンク入口弁２１を開状態としタンク出口弁２４を閉状態とする充填操作行う。すると、その充填操作を行っている充填操作期間においては、圧力センサ２２ａで検出されるタンク２２の内圧が大気圧程度の圧力Ｐｌから燃料ガスＧの供給圧力程度の圧力Ｐｈに上昇する形態で、タンク２２の容量に相当する所定量の燃料ガスＧがタンク入口弁２１を通じてタンク２２に流入し充填される。

その充填操作に続いて、燃料一時増加手段７３は、図２に示すように、上記タンク入口弁２１を閉状態としタンク出口弁２４を開状態とする放出操作を行う。すると、放出操作を行っている放出操作期間においては、タンク２２の内圧が圧力Ｐｈから圧力Ｐｌに低下する形態で、充填操作によりタンク２２に充填された所定量の燃料ガスＧがタンク出口弁２４及び第２ミキサ２５を通じて吸気路３に放出される。
即ち、燃料一時増加手段７３は、充填操作及び放出操作を順に行うことで、一旦タンク２２に貯留した所定量の燃料ガスＧをエンジン１の吸気路３に放出する形態で、燃料一時増加処理を実行するように構成されている。

上記のように燃料一時増加手段７３が、上記充填操作と上記放出操作とを順に行うことで、吸気路３を通じて燃焼室１ａに供給される燃料ガスＧの供給量は、一時的にタンク２２の容量に相当する所定量分増加することになる。
この際、空燃比設定手段７２は、ミキサ８における燃焼用空気Ａの供給量に対する燃料ガスＧの供給量の割合である空燃比を所定の設定空燃比に設定するべく、燃料供給弁１０の開度をスロットルバルブ６の開度に応じた所定の開度に設定している。それに加えて、ミキサ８の下流側にある第２ミキサ２５において、タンク２２の容量に相当する所定量分の燃料ガスＧが一時的に追加されることになるので、燃焼室１ａに吸気される混合気Ｍの空燃比は、一時的に燃料ガスＧの増加側へ低下することになる。

発熱量導出手段７４は、上述した燃料一時増加手段７３により燃料一時増加処理を実行したときのエンジン１の出力の上昇状態に基づいて、燃料ガスＧの発熱量を求める手段として構成されている。
具体的に、発熱量導出手段７４は、エンジン１を起動させ負荷６１を投入する前の無負荷運転時などの任意のタイミングにおいて、燃料一時増加手段７３により燃料一時増加処理を実行する。

燃料一時増加手段７３による燃料一時増加処理が実行されると、燃料ガスＧの供給量が一時的に所定量分増加して燃焼室１ａに吸気される混合気Ｍの空燃比が一時的に燃料ガスＧの増加側へ低下することになるので、図２に示すように、エンジン１の回転数は、タンク出口弁２４を開状態から開状態としてから若干の作動遅れが経過した後に一時的に上昇することになる。
この際、エンジン１の設定回転数Ｒｔに維持すべく、出力制御手段７１によるスロットルバルブ６のフィードバック制御は作動している。よって、スロットルバルブ６の開度は、エンジン１の回転数が一時的な上昇にあわせて若干の応答遅れが経過した後に一時的に低下することになる。
そして、この際のエンジン１の回転数の上昇量ΔＲは、燃料一時増加処理により増加された所定量の燃料ガスＧの発熱量に対応した量となるため、発熱量導出手段７４は、この上昇量ΔＲを計測することによって、燃料ガスＧの発熱量を求めることができる。

具体的に、発熱量導出手段７４は、燃料一時増加処理を実行したときのエンジン１の回転数の上昇率Ｒｒ（＝（Ｒｔ＋ΔＲ）／Ｒｔ）と燃料ガスＧの発熱量の関係を予め記憶している。この燃料ガスＧの発熱量とエンジン１の回転数の上昇率Ｒｒとの関係は、予め実験等により、燃料ガスＧの発熱量を逐次変化させつつ、燃料一時増加処理を実行したときのエンジン１の回転数の上昇率Ｒｒを計測して、燃料ガスＧの発熱量とエンジン１の回転数の上昇率Ｒｒとの関係値を求め、この関係値から得られる関数として記憶されている。

例えば、排気量が６５Ｌで、無負荷運転時におけるミキサ８での燃料ガスＧの供給量が８．５Ｌ／ｓｅｃであるエンジン１において、燃料ガスＧの発熱量と、燃料一時増加処理を実行したときのエンジン１の回転数の上昇率Ｒｒとの関係は、下記の表２に示すようになる。
尚、この際のタンク２２の容量は、任意に設定することができるが、本実施形態では、通常の都市ガス（発熱量＝４５．０ＭＪ／ｍ３）の燃料ガスＧを利用したときに、燃料一時増加処理を実行したときのエンジン１の回転数の上昇率Ｒｒが１０％程度になるようなものに設定されている。

そして、発熱量導出手段７４は、上記のように燃料一時増加処理を実行したときのエンジン１の出力の上昇状態としてエンジン１の出力の上昇率Ｒｒを計測し、当該計測した上昇率Ｒｒに対応する燃料ガスＧの発熱量を予め記憶している上記関係から抽出する形態で求めるように構成されている。
具体的には、燃料一時増加処理を実行したときのエンジン１の出力の上昇率Ｒｒが大きい場合には燃料ガスＧの発熱量は大きく、逆に、同上昇率Ｒｒが小さい場合には燃料ガスＧの小さいと認識することができる。

更に、空燃比設定手段７２は、発熱量導出手段７４で求めた燃料ガスＧの発熱量に基づき設定空燃比を補正するように構成されている。
具体的には、空燃比設定手段７２は、ミキサ８で形成される混合気Ｍの発熱量が一定になるように、当該ミキサ８に供給される燃料ガスＧの発熱量の変化に応じて、燃料供給弁１０の開度を調整する。
即ち、燃料ガスＧの発熱量が基準となる発熱量よりも大きい場合には、ミキサ８で形成される混合気Ｍの発熱量が増加傾向にあるとして燃料供給弁１０の開度を絞って、設定空燃比を増加側に補正する。逆に、燃料ガスＧの発熱量が基準となる発熱量よりも小さい場合には、ミキサ８で形成される混合気Ｍの発熱量が減少傾向にあるとして燃料供給弁１０の開度を拡大して、設定空燃比を減少側に補正する。ここで、燃料供給弁１０の開度の絞り割合及び拡大割合は、燃料ガスＧの基準となる発熱量に対する実際の発熱量の差分、あるいはエンジン１の回転数の上昇率に従って予め設定してある。
すると、燃焼室１ａに吸気される混合気Ｍの発熱量及び当該混合気Ｍの空気過剰率は常に一定のものになるので、燃焼室１ａにおける混合気Ｍの燃焼状態が良好なものに安定化されることになる。

これまで説明してきた本実施形態のエンジンシステム１００は、エンジン１の回転動力で駆動する二次励磁発電機２を有する発電システムユニット５０を付加して発電システムとして構成されており、その発電システムユニット５０の詳細について、以下に説明する。尚、本実施形態において、エンジン１は、電力に加えて別途需要のある熱を並行して供給することができるコジェネレーション設備の一角を担っている。このようなエンジン１として、例えば、定格出力が１［ｋＷ］、数十［ｋＷ］、或いは数［ＭＷ］等のものを採用することができる。

〔発電システムユニット〕
発電システムユニット５０は、図３に示すように、電力系統６０に接続された一次巻線（図示せず）を備える固定子２ｂ（ステータ）と二次巻線（図示せず）を備える回転子２ａ（ロータ）とを有し、エンジン１の回転動力で回転子２ａを回転させる二次励磁発電機２と、交流側が電力系統（商用電力系統）６０に接続された第１電力変換機３１と、交流側が回転子２ａの二次巻線に接続された第２電力変換機３２と、第１電力変換機３１の直流側と第２電力変換機３２の直流側とを接続する直流部３３とを備えて発電システムとして構成されている。そして、二次励磁発電機２は、電力系統６０と同じ周波数（例えば、５０［Ｈｚ］や６０［Ｈｚ］）の電力（三相の交流電力）を発電し、当該電力を、電力を消費する負荷６１や電力系統６０に供給することが可能に構成されている。尚、負荷６１としては、例えば、冷暖房設備が備える室内機や室外機、或いは電灯等がある。

二次励磁発電機２の固定子２ｂが備える一次巻線は、第１スイッチ４１及び第２スイッチ４２を介して電力系統６０に接続されている。また、固定子２ｂが備える一次巻線は、第１スイッチ４１及び第３スイッチ４３を介して負荷６１にも接続されている。一方、回転子２ａが備える二次巻線は、フィルタ回路３０、第２電力変換機３２、直流部３３、第１電力変換機３１、フィルタ回路３０、変圧器４４、及び第２スイッチ４２を介して電力系統６０に接続されている。また、回転子２ａが備える二次巻線は、フィルタ回路３０、第２電力変換機３２、直流部３３、第１電力変換機３１、フィルタ回路３０、変圧器４４、及び第３スイッチ４３を介して負荷６１にも接続されている。
以下の説明では、固定子２ｂが備える一次巻線側を「二次励磁発電機の一次側」と呼び、回転子２ａが備える二次巻線側を「二次励磁発電機の二次側」と呼ぶ場合がある。よって、二次励磁発電機２の一次側に発生する電力（電圧、電流）の周波数が、負荷６１や電力系統６０に供給される電力の周波数となる。

エンジン１は、二次励磁発電機２の回転子２ａに機械的に連結されており、当該回転子２ａを駆動（回転駆動）する。エンジン１の出力軸は、本例では、回転子２ａと一体回転するように連結（直結）されており、回転子２ａはエンジン回転数と同じ回転数で回転する。尚、エンジン１の出力軸と回転子２ａとの間に、減速機や増速機を設ける構成とすることもできる。エンジン１は、本例では、電力に加えて別途需要のある熱を並行して供給することができるコジェネレーション設備の一角を担っている。このようなエンジン１として、例えば、定格出力が１［ｋＷ］、数十［ｋＷ］、或いは数［ＭＷ］等のものを採用することができる。

第１電力変換機３１は、交流側（図１における右側）が第１スイッチ４１を介して二次励磁発電機２の固定子２ｂ（一次巻線）に接続されていると共に、第２スイッチ４２を介して電力系統６０に接続されており、更に第３スイッチ４３を介して負荷６１に接続されている。また、第１電力変換機３１は、直流側（図１における左側）が直流部３３に接続されている。第２電力変換機３２は、交流側（図１における左側）が二次励磁発電機２の回転子２ａ（二次巻線）に接続されている。また、第２電力変換機３２は、直流側（図１における右側）が直流部３３に接続されている。そして、これらの第１電力変換機３１及び第２電力変換機３２のそれぞれは、直流側の直流電力を交流電力に変換（逆変換）して交流側に供給するインバータとしての機能と、交流側の交流電力を直流電力に変換（順変換）して直流側に供給するコンバータとしての機能と、の双方を果たすことが可能に構成されている。

このような第１電力変換機３１や第２電力変換機３２は、複数（例えば６個）のスイッチング素子を備えて構成される。スイッチング素子としては、ＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の種々の構造のパワートランジスタを採用することができる。そして、第１電力変換機３１や第２電力変換機３２にはＰＷＭ（ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調）信号が入力され、当該ＰＷＭ信号に基づきスイッチング素子がスイッチング動作（オンオフ動作）を行う。尚、第１電力変換機３１や第２電力変換機３２を作動させるためのＰＷＭ信号は、制御装置７０により生成される。

第１電力変換機３１の交流側及び第２電力変換機３２の交流側の双方には、インダクタンスとコンデンサとからなるフィルタ回路３０が設けられている。このフィルタ回路３０は、スイッチング素子のスイッチングにより発生した高周波成分を除去するフィルタであり、このフィルタ回路３０により、第１電力変換機３１や第２電力変換機３２からの出力電圧波形が正弦波状に変換される。

また、第１電力変換機３１の交流側に設けられたフィルタ回路３０より二次励磁発電機２側（電力系統６０側）には、変圧器４４が設けられている。以下の説明では、「変圧器の一次側」は、変圧器４４の第１電力変換機３１側を指し、「変圧器の二次側」は、変圧器４４の二次励磁発電機２側を指す。

直流部３３は、第１電力変換機３１の直流側と第２電力変換機３２の直流側とを接続する部分である。直流部３３にはキャパシタ３４が備えられていると共に、蓄電装置６２が接続されている。蓄電装置６２は、発電システムユニット５０の起動時に必要となる電力を供給する。また、蓄電装置６２を利用して、負荷６１や電力系統６０に供給される電力の変動を抑えることも可能である。蓄電装置６２は、例えば、蓄電池や電気二重層キャパシタ等で構成され、直流部３３に対して電力を供給して放電すること、及び直流部３３から電力の供給を受けて充電することが可能に構成される。尚、蓄電装置６２と直流部３３との間にスイッチを介在させることもできる。

第１スイッチ４１は、二次励磁発電機２の固定子２ｂ（一次巻線）と第１電力変換機３１とを選択的に接続する。第２スイッチ４２は、電力系統６０と第１電力変換機３１とを選択的に接続する。第１スイッチ４１は、第２スイッチ４２と協働して、二次励磁発電機２の固定子２ｂ（一次巻線）と電力系統６０とを選択的に接続すると共に、第３スイッチ４３と協働して、二次励磁発電機２の固定子２ｂ（一次巻線）と負荷６１とを選択的に接続する。また、第２スイッチ４２は、第３スイッチ４３と協働して、電力系統６０と負荷６１とを選択的に接続する。

第１スイッチ４１、第２スイッチ４２、及び第３スイッチ４３のそれぞれは、制御装置７０のスイッチ制御部（不図示）が生成する開閉信号に基づき開閉制御される。これらのスイッチは、例えば、電磁石の動作によって開閉する電磁接触型のスイッチ等とすることができる。

以上のような構成を備えた発電システムユニット５０は、発電電力の周波数（電圧、電流の周波数）に関して自由度の高いシステムとなっている。発電システムユニット５０の発電電力の周波数（二次励磁発電機２の一次側に誘起される一次側電圧の周波数）をｆ１とし、回転子２ａの回転周波数をｆ０とし、回転子２ａの二次巻線を励磁するために当該二次巻線に供給される交流電流（励磁電力）の周波数をｆ２とすると、「ｆ１＝ｆ０＋ｆ２」となる。ここで、回転子２ａの回転周波数ｆ０は、回転子２ａの回転数をｍ［ｒｐｍ］とし、二次励磁発電機２の磁極数をｎとして、「ｆ０＝ｍ×ｎ／１２０」から求まる。

具体的には、回転子２ａの回転数が１１００［ｒｐｍ］であり、二次励磁発電機２の磁極数が「６」の場合には、回転子２ａの回転周波数ｆ０は５５［Ｈｚ］となる。よって、この場合に、第２電力変換機３２を制御して二次巻線に周波数が５［Ｈｚ］の励磁電力を供給すれば（ｆ２＝５［Ｈｚ］）、周波数が６０［Ｈｚ］の交流電力を得ることができる。また、逆に、第２電力変換機３２を制御して二次巻線から周波数が５［Ｈｚ］の励磁電力を取り出せば（ｆ２＝−５［Ｈｚ］）、周波数が５０［Ｈｚ］の交流電力を得ることができる。尚、回転子２ａの回転数（即ちエンジン１の回転数）は、同期回転数以外の任意の回転数を選択することができる。尚、同期回転数は、電力系統６０の周波数が６０［Ｈｚ］であり、二次励磁発電機２の磁極数が「６」である場合には、１２００［ｒｐｍ］となる。

このように、回転子２ａの回転数（即ちエンジン回転数）が同一であっても、回転子２ａの二次巻線に供給する励磁電力の周波数ｆ２及び向きを変えることで発電電力の周波数ｆ１を変化させることができる。尚、第２電力変換機３２と回転子２ａの二次巻線との間の励磁電力の向きは、第２電力変換機３２から二次巻線へ励磁電力を供給するときの供給方向Ｘと、二次巻線から第２電力変換機３２へ励磁電力を取り出すときの取出方向Ｙとの間で切り替えられる。
よって、上述した燃料一時増加処理によりエンジン１の回転数が変動したとしても、第２電力変換機３２を制御して、電力系統６０の周波数に対する回転子２ａの回転数の不足分（又は過剰分）に相当する周波数の励磁電力を二次励磁発電機２の二次巻線に供給する（又は二次巻線から取り出す）ことで、第１電力変換機３１から電力系統６０の周波数と同じ周波数の発電電力が取り出されることになる。

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態においては、吸気路３にミキサ８を設けて、燃料ガスＧを吸気路３に供給するように構成したが、別に、燃料ガスＧを、燃焼室１ａや燃焼室１ａ直前の吸気ポートに噴射するように構成しても構わない。

（２）上記実施形態においては、発熱量導出手段７４において燃料ガスＧの発熱量を求めるため、燃料一時増加処理を実行したときのエンジン１の回転数の上昇率Ｒｒを利用したが、エンジン１の回転数に代えて、クランク軸１ｂから出力されるトルクや仕事量など、別のエンジン１の出力の上昇率を利用しても構わない。また、エンジン１の出力の上昇率に代えて、上昇量ΔＲを利用して、燃料ガスＧの発熱量を求めることもできる。

（３）上記実施形態において、空燃比設定手段７２が、発熱量導出手段７４で求めた燃料ガスＧの発熱量に基づき設定空燃比を補正するべく、燃料供給弁１０の開度を調整したが、燃料供給弁１０の開度は一定に維持しつつ、燃料ガスＧの供給圧力を調整して、設定空燃比を補正しても構わない。

（４）上記実施の形態においては、出力制御手段７１によるスロットルバルブの開度制御によりエンジン１の回転数を調整し、空燃比設定手段７２による燃料供給弁１０の開度制御によりエンジン１に供給される混合気Ｍの空燃比を調整するように構成したが、燃料供給弁１の開度制御によりエンジン１の回転数を調整したり、スロットルバルブ６の開度制御により混合気Ｍの空燃比を調整するように構成しても構わない。

（５）上記実施形態において、燃料一時増加手段７３における燃料一時増加処理を実行するための構成として、一旦タンク２２に貯留した所定量の燃料ガスＧをエンジン１の吸気路３に放出する構成を採用したが、別に、燃料供給弁１０の開度を一時的に所定幅分増加させるなど、別の構成を採用することもできる。

（６）上記実施形態において、本発明に係るエンジンシステム１００を、エンジン１の回転動力で駆動する二次励磁発電機２を有する発電システムユニット５０を付加した発電システムとして構成したが、エンジン１の回転動力で駆動する圧縮式ヒートポンプを有する空調システムなどの別のシステムとして構成することもできる。

本発明は、燃料ガスと燃焼用空気との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、
前記燃焼室への吸気量を調整して前記エンジンの出力を制御する出力制御手段とを備えたエンジンシステムとして好適に利用可能である。

１ ：エンジン
１ａ ：燃焼室
２ ：二次励磁発電機
２ａ ：回転子
２ｂ ：固定子
３ ：吸気路
２１ ：タンク入口弁
２２ ：タンク
２４ ：タンク出口弁
３１ ：第１電力変換機
３２ ：第２電力変換機
３３ ：直流部
５０ ：発電システムユニット
７０ ：制御装置
７１ ：出力制御手段
７２ ：空燃比設定手段
７３ ：燃料一時増加手段
７４ ：発熱量導出手段
１００ ：エンジンシステム
Ａ ：燃焼用空気
Ｇ ：燃料ガス
Ｍ ：混合気
Ｒｒ ：上昇率

Claims (6)

1. 燃料ガスと燃焼用空気との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、
   前記燃焼室への吸気量を調整して前記エンジンの出力を制御する出力制御手段とを備えたエンジンシステムであって、
   前記燃焼室への燃料ガスの供給量を一時的に所定量分増加させる燃料一時増加処理を実行可能な燃料一時増加手段と、
   前記燃料一時増加手段により前記燃料一時増加処理を実行したときの前記エンジンの出力の上昇状態に基づいて、前記燃料ガスの発熱量を求める発熱量導出手段とを備えたエンジンシステム。
2. 前記燃焼室に供給する燃焼用空気に対する燃料ガスの供給量の割合である空燃比を所定の設定空燃比に設定する空燃比設定手段を備え、
   当該空燃比設定手段が、前記発熱量導出手段で求めた前記燃料ガスの発熱量に基づき前記設定空燃比を補正する請求項１に記載のエンジンシステム。
3. 前記発熱量導出手段が、前記燃料一時増加処理を実行したときの前記エンジンの出力の上昇状態として、前記エンジンの出力の上昇率を計測し、当該上昇率と前記燃料ガスの発熱量の関係を参照して、前記燃料ガスの発熱量を求める請求項１又は２に記載のエンジンシステム。
4. 前記燃料一時増加手段が、一旦タンクに貯留した所定量の燃料ガスを前記エンジンの吸気路に放出する形態で、前記燃料一時増加処理を実行する請求項１〜３の何れか１項に記載のエンジンシステム。
5. 燃料ガスを前記エンジンの吸気路に導く副燃料ガス供給路と、当該副燃料ガス供給路に接続されたタンクと、前記副燃料ガス供給路における前記タンクの上流側に設けられたタンク入口弁と、前記副燃料ガス供給路における前記タンクの下流側に設けられたタンク出口弁とを備えると共に、
   前記燃料一時増加手段が、前記タンク入口弁を開状態とし前記タンク出口弁を閉状態とする充填操作と、前記タンク入口弁を閉状態とし前記タンク出口弁を開状態とする放出操作とを順に実行する形態で、前記燃料一時増加処理を実行する請求項４に記載のエンジンシステム。
6. 電力系統に接続された一次巻線を備える固定子と二次巻線を備える回転子とを有し、前記エンジンの回転動力で回転子を回転させる二次励磁発電機と、
   交流側が前記電力系統に接続された第１電力変換機と、
   交流側が前記二次巻線に接続された第２電力変換機と、
   前記第１電力変換機の直流側と前記第２電力変換機の直流側とを接続する直流部とを備えて発電システムとして構成され、
   前記発熱量導出手段が、前記燃料一時増加処理を実行したときの前記エンジンの回転数の上昇状態に基づいて、前記燃料ガスの発熱量を求める請求項１〜５の何れか１項に記載のエンジンシステム。

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