JP5542032B2

JP5542032B2 - コージェネレーション装置

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Publication number: JP5542032B2
Application number: JP2010256169A
Authority: JP
Inventors: 新吾薬師寺; 大樹田中; 良胤 ▲高▼島
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2010-11-16
Filing date: 2010-11-16
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2030-11-16
Also published as: JP2012107557A

Description

本発明は、電力負荷に供給する電力を発電する発電装置と、前記発電装置を駆動するエンジンと、前記エンジンの排熱を回収して熱負荷に供給自在な排熱回収手段とを備えているコージェネレーション装置に関する。

上記のコージェネレーション装置では、エンジンにて発電装置を駆動させて発電した電力を電力負荷である電力消費機器に供給するとともに、排熱回収手段が、エンジンの排ガスやエンジン冷却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利用箇所や暖房端末等の熱負荷に供給している（例えば、特許文献１参照。）。

このようなコージェネレーション装置では、例えば、電力負荷での要求電力（消費電力）の最大値に対しても対応できるように発電装置の発電出力が設定されていることから、電力負荷での要求電力（消費電力）が小さくなると、発電装置にて発電出力が電力負荷での要求電力（消費電力）よりも大きくなり、余剰電力が発生することになる。そこで、特許文献１に記載の装置では、余剰電力が発生すると、その余剰電力にて貯湯タンクに貯留されている湯水を加熱するヒータを備え、余剰電力が発生しても、その余剰電力を熱エネルギーに変換して貯湯タンクに蓄熱するようにしている。

特開平８−４５８６号公報

上記特許文献１に記載の装置では、電力負荷での要求電力（消費電力）が小さくなると、余剰電力が発生するので、無駄に電力を発電することになる。また、上記特許文献１に記載の装置では、余剰電力が発生すると、その余剰電力をヒータにより熱エネルギーに変換して貯湯タンクに蓄熱しているので、それだけ貯湯タンクの蓄熱量が多くなる。貯湯タンクの蓄熱量が多くなると、熱負荷に供給されずに放熱されるだけとなる熱も発生することになり、エネルギー効率の低下を招く虞があった。

そこで、余剰電力の発生を防止するために、電力負荷での要求電力の大きさに応じて発電装置の発電出力を可変させることが考えられる。発電装置の発電出力を可変させるには、発電装置を駆動するエンジンのエンジン出力を変更することが求められる。しかしながら、従来のエンジン出力を変更する方法では、エンジンの熱効率が低下するという問題が生じることになる。

従来、エンジン出力を変更する方法として、スロットルバルブの開度と燃料供給弁の開度を調整する方法が知られている。エンジンの回転速度を一定とする場合には、スロットルバブルの開度を調整することでエンジン出力を変更させる。この場合、エンジン出力を低下させるときには、スロットルバブルの開度を閉じ側に調整するので、スロットルバルブを閉めたことによりポンプ損失が増大する。したがって、図４に示すように、エンジンの回転速度を一定としてエンジン出力を変更する場合（図中Ｔ１にて示す）には、エンジンの熱効率（正味熱効率）が大きく低下することになる。
また、エンジンの回転速度を調整することでエンジン出力を変更することもできる。しかしながら、この場合（図中Ｔ２にて示す）も、熱損失が増大することから、図４に示すように、エンジンの熱効率（正味熱効率）が低下することになる。

図４は、エンジン出力と正味熱効率との関係を示すグラフである。エンジン出力を変更させるに当たり、エンジンの回転速度を一定とした場合をＴ１にて示しており、エンジンの回転速度を調整する場合をＴ２にて示している。Ｔ１では、エンジンの回転速度を２０００ｒｐｍの一定として、スロットルバイブルの開度を閉じ側に調整した場合を示している。Ｔ２では、エンジンの回転速度を、２０００ｒｐｍ、１６００ｒｐｍ、１２００ｒｐｍ、１０００ｒｐｍと順次調整した場合を示している。

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、エンジンの熱効率を低下させることなくエンジン出力を変更させることができ、電力負荷での要求電力の大きさに応じて発電装置の発電出力を可変させて、エネルギー効率の向上を図ることができるコージェネレーション装置を提供する点にある。

この目的を達成するために、本発明に係るコージェネレーション装置の特徴構成は、電力負荷に供給する電力を発電する発電装置と、前記発電装置を駆動するエンジンと、前記エンジンの排熱を回収して熱負荷に供給自在な排熱回収手段とを備えたコージェネレーション装置において、
前記エンジンの燃焼室からの排ガスの一部を前記燃焼室に再循環させるＥＧＲ手段と、
前記エンジンの回転速度を調整自在な回転速度調整手段と、
前記ＥＧＲ手段の作動を制御し、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比率であるＥＧＲ率を調整してエンジン出力を変更自在とするＥＧＲ制御、及び、前記回転速度調整手段の作動を制御し、エンジンの回転速度を調整してエンジン出力を変更自在とする回転速度制御を実行可能であり、要求されるエンジン出力にエンジン出力を制御自在なエンジン出力制御手段とが備えられ、
前記エンジン出力制御手段は、前記エンジン出力を低下させる場合に、まず前記ＥＧＲ制御を行い、次に前記ＥＧＲ率をゼロとして前記回転速度制御を行う制御サイクルを、前記回転速度制御を行う毎に繰り返し行う形態で、前記ＥＧＲ制御及び前記回転速度制御を実行自在とし、且つ、エンジン出力を低下させる制御において、前記制御サイクルの夫々では、前記ＥＧＲ制御を行う場合の熱効率が前記回転速度制御を行う場合の熱効率よりも低くなる移行条件が満たされるまでは前記ＥＧＲ率を増加させる形態で前記ＥＧＲ制御を継続し、前記移行条件が満たされると前記ＥＧＲ制御を行う制御状態から前記ＥＧＲ率をゼロとして前記回転速度制御を行う制御状態に移行するように構成されている点にある。

エンジン出力制御手段がＥＧＲ制御を行うと、再循環量を増加させる増加形態で排ガスの一部が燃焼室に再循環されるので、空気と燃料との混合気である新気の燃焼室への供給量が減少することになる。したがって、燃焼室に供給される燃料の供給量が減少することになり、エンジン出力を低下させることができる。ＥＧＲ制御では、スロットルバルブの開度を閉じ側に調整することもないので、ポンプ損失が増大することがなく、しかも、排ガスの再循環によって燃焼室での燃焼温度が低下するので、熱損失が低下することになる。よって、ＥＧＲ制御を行うことで、エンジンの熱効率を向上させることができながら、エンジン出力を低下側に変更させることができる。このように、ＥＧＲ制御を行うことでエンジン出力を低下させる場合には、エンジン出力の低下に伴ってＥＧＲ率を増加させていくことなる。しかしながら、ＥＧＲ率が増加するに伴い、燃焼変動も大きくなっていくので、ＥＧＲ率を過度に増加させると、エンジンを安定して運転できなくなり、かえって、エンジンの熱効率が低下することになる。

そこで、本発明に係るコージェネレーション装置では、エンジン出力を低下させる場合に、エンジン出力制御手段が、まず上述のＥＧＲ制御を行い、次にＥＧＲ率をゼロとして回転速度制御を行う制御サイクルを、回転速度制御を行う毎に繰り返し行う形態で、ＥＧＲ制御及び回転速度制御を実行する。そして、制御サイクルの夫々では、移行条件が満たされるまではＥＧＲ率を増加させる形態でＥＧＲ制御を継続し、移行条件が満たされるとＥＧＲ制御を行う制御状態からＥＧＲ率をゼロとして回転速度制御を行う制御状態に移行している。このように制御サイクルを行うことで、まずＥＧＲ制御を行い、エンジンの熱効率を向上することができながら、エンジン出力を低下させることができる。ＥＧＲ制御を継続するとエンジンの熱効率が低下するような状況になると、ＥＧＲ率をゼロとする回転速度制御に移行させて、ＥＧＲ制御を行うよりもエンジンの熱効率を高くすることができる。このような制御サイクルを繰り返し行うことで、エンジンの熱効率が低下するのを防止しながら、エンジン出力を低下させることができる。したがって、電力負荷での要求電力が低下すると、この制御サイクルを繰り返し行うことで、エンジンの熱効率を低下させることなくエンジン出力を変更させて、電力負荷での要求電力の大きさに応じて発電装置の発電出力を可変させ、エネルギー効率の向上を図ることができる。

本発明に係るコージェネレーション装置の更なる特徴構成は、前記エンジン出力制御手段は、前記ＥＧＲ制御を行う場合のエンジン出力と熱効率との関係を示す第１熱効率関係、及び、前記回転速度制御を行う場合のエンジン出力と熱効率との関係を示す第２熱効率関係を予め記憶しており、前記第１熱効率関係から求められる熱効率が前記第２熱効率関係から求められる熱効率よりも低くなると、前記移行条件が満たされていると判別するように構成されている点にある。

本特徴構成によれば、エンジン出力制御手段は、予め記憶している第１熱効率関係及び第２熱効率関係を用いることで、要求されるエンジン出力に対して、第１熱効率関係から求められる熱効率と第２熱効率関係から求められる熱効率とを比較することができる。移行条件を、第１熱効率関係から求められる熱効率が第２熱効率関係から求められる熱効率よりも低くなるという条件としているので、エンジンの熱効率を高く維持するために、ＥＧＲ制御を継続すべきか、或いは、ＥＧＲ率をゼロとする回転速度制御に移行すべきかを適切に判別でき、エンジン出力を変更させる場合のエンジンの熱効率の低下を適切に防止することができる。

本発明に係るコージェネレーション装置の更なる特徴構成は、前記エンジン出力制御手段は、前記ＥＧＲ制御における前記ＥＧＲ率が所定の移行用ＥＧＲ率に達すると、前記移行条件が満たされていると判別するように構成されている点にある。

ＥＧＲ制御におけるＥＧＲ率が高くなると、燃焼変動が大きくなりエンジンの運転状態が不安定となって、エンジンの熱効率が低下するので、ＥＧＲ制御におけるＥＧＲ率がどのような値となっているかを判別することで、エンジンの熱効率が低下するか否かを判別することができる。そこで、本特徴構成によれば、移行条件を、ＥＧＲ制御におけるＥＧＲ率が移行用ＥＧＲ率に達するという条件としており、ＥＧＲ率が移行用ＥＧＲ率に達するまでは、ＥＧＲ制御を継続させ、ＥＧＲ率が移行用ＥＧＲ率に達すると、ＥＧＲ率をゼロとする回転速度制御に移行している。これにより、ＥＧＲ率と移行用ＥＧＲ率とを比較するという容易な構成によって、ＥＧＲ制御を継続すべきか、或いは、ＥＧＲ率をゼロとする回転速度制御に移行すべきかを適切に判別でき、エンジン出力を変更させる場合のエンジンの熱効率の低下を適切に防止することができる。

本発明に係るコージェネレーション装置の更なる特徴構成は、前記エンジンの運転状態が不安定状態となっているか否かを判定するエンジン運転状態判定手段を備え、前記エンジン出力制御手段は、前記エンジン運転状態判定手段にて不安定状態と判定されると、前記移行条件が満たされていると判別するように構成されている点にある。

本特徴構成によれば、移行条件を、エンジン運転状態判定手段にて不安定状態と判定されるという条件としており、エンジン運転状態判定手段にて不安定状態と判定されるまでは、ＥＧＲ制御を継続させ、エンジン運転状態判定手段にて不安定状態と判定されると、ＥＧＲ率をゼロとする回転速度制御に移行している。したがって、エンジンの運転状態が不安定となるのを適切に捉えることができるので、ＥＧＲ制御を継続すべきか、或いは、ＥＧＲ率をゼロとする回転速度制御に移行すべきかを適切に判別でき、エンジン出力を変更させる場合のエンジンの熱効率の低下を適切に防止することができる。

本発明に係るコージェネレーション装置の更なる特徴構成は、前記燃焼室からの排ガスを通過させる三元触媒と、その三元触媒を通過させる排ガスの温度を検出する排ガス温度検出手段とが備えられ、前記エンジン出力制御手段は、前記排ガス温度検出手段にて検出する排ガスの温度が下限設定温度以下となると、前記移行条件が満たされるか否かにかかわらず、前記ＥＧＲ制御を行う状態から前記ＥＧＲ率をゼロとして前記回転速度制御を行う状態に移行するように構成されている点にある。

本特徴構成によれば、燃焼室からの排ガスが三元触媒を通過することで、排ガス中に含まれる有害物質（例えば、炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯ、窒素酸化物ＮＯｘ）を除去することができる。このように三元触媒の触媒性能を十分に得るためには、三元触媒を通過する排ガスの温度を一定の温度以上とする必要がある。しかしながら、エンジン出力制御手段がＥＧＲ制御を行うと、燃焼室での燃焼温度が低下することから、燃焼室からの排ガスの温度も低下することになる。そこで、エンジン出力制御手段は、排ガス温度検出手段にて検出する排ガスの温度が下限設定温度以下となると、移行条件が満たされるか否かにかかわらず、ＥＧＲ制御を行う状態からＥＧＲ率をゼロとして回転速度制御を行う状態に移行している。これにより、ＥＧＲ制御を継続すると、三元触媒の触媒性能を十分に得られなくなる状況になると、ＥＧＲ率をゼロとする回転速度制御への移行を強制的に行うことができ、三元触媒の触媒性能を十分に得て排ガス中に含まれる有害物質の除去を適切に行うことができながら、エンジン出力を低下させることができる。

本発明に係るコージェネレーション装置の実施形態における概略構成を示す図エンジン出力と熱効率（正味熱効率）との関係を示すグラフエンジン出力を低下させる場合のエンジン出力制御手段の動作を示すフローチャート本発明に係るコージェネレーション装置の実施形態と従来のコージェネレーション装置とについてのエンジン出力と熱効率（正味熱効率）との関係を示すグラフ

本発明に係るコージェネレーション装置の実施形態について図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
このコージェネレーション装置は、図１に示すように、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３に供給する排熱回収手段４と、エンジン１の軸動力により発電して電力負荷５に供給する電力を発生する発電機６（発電装置に相当する）とを備えている。この発電機６は、インバータ７を介して商用電力系統８と連系して発電した電力を電気機器等の電力負荷５に供給するように構成されている。

エンジン１は、通常の４サイクルエンジンと同様の構成を有している。エンジン１は、吸気弁１１及び排気弁１２を開閉させるとともに、点火プラグ１３による点火タイミングを所望のタイミングに制御することで、スロットルバルブ９を介して供給された空気Ａと燃料供給弁１０を介して供給された燃料Ｇとの混合気Ｍを吸気路１４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１５に排出するようにしている。エンジン１のピストン１６の往復動はクランク軸１７の回転運動に変換されている。発電機６は、クランク軸１７に連結されており、エンジン１の軸動力であるクランク軸１７の回転運動により回転駆動されて発電するように構成されている。スロットルバルブ９及び燃料供給弁１０の開度を制御することで、エンジン１の回転速度を調整自在に構成されており、スロットルバルブ９及び燃料供給弁１０がエンジン１の回転速度調整手段として構成されている。クランク軸１７の回転角度及び回転数を検出することでエンジン１の回転速度を検出可能な回転センサ１８が備えられている。

排熱回収手段４は、エンジン１を冷却した後のエンジン冷却水Ｒにて貯湯タンク１９の水を加熱する冷却水熱交換器２０と、エンジン１の燃焼室２から排出された排ガスＥにて貯湯タンク１９の水を加熱する排ガス熱交換器２１とを備えている。排熱回収手段４は、循環ポンプ２２を作動させて貯湯タンク１９の水を循環路２３にて循環させ、冷却水熱交換器２０及び排ガス熱交換器２１によって、エンジン１を冷却した後のエンジン冷却水Ｒ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の排熱を回収自在に構成されている。排熱回収手段４は、回収したエンジン１の排熱により加熱した水を貯湯タンク１９に貯留させ、その貯湯タンク１９に貯留させた水を給湯利用箇所や暖房機器等の熱負荷３に供給自在に構成されている。

エンジン１の排気路１５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２４が配置されている。燃焼室２から排気路１５に排気された排ガスＥが三元触媒２４を通過することで、その排ガスＥ中に含まれる有害物質（例えば、炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯ、窒素酸化物ＮＯｘ）が除去されている。
排気路１５の排ガスＥの一部Ｅ１を吸気路１４に戻すＥＧＲ流路２５と、ＥＧＲ流路２５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２６とが設けられている。ＥＧＲ弁２６を開状態とすることにより、ＥＧＲ流路２５にて排気路１５の排ガスＥの一部Ｅ１を吸気路１４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２６を開状態としてその開度を調整することにより、ＥＧＲ流路２５にて吸気路１４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２５及びＥＧＲ弁２６がＥＧＲ手段として構成されており、このＥＧＲ手段は、ＥＧＲ流路２５を用いて排ガスを再循環させる、所謂外部ＥＧＲを実現している。

コージェネレーション装置の運転を制御する制御装置１００が備えられ、制御装置１００が、エンジン１の運転を制御するように構成されている。ここで、エンジン１の燃焼室２に供給される混合気Ｍの空気過剰率については、制御装置１００が、排気路１５に設けられた図外の酸素センサにて検出される排ガスＥの酸素濃度が略ゼロとなるように燃料供給弁１０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されている。

本発明に係るコージェネレーション装置の実施形態では、電力負荷５での要求電力（消費電力）に応じて発電機６の発電出力を可変させて、余剰電力の発生を防止することで、エネルギー効率の向上を図るようにしている。本発明に係るコージェネレーション装置の実施形態では、発電機６の発電出力を変更させるために、発電機６を駆動するエンジン１のエンジン出力を変更しており、エンジン出力を制御自在なエンジン出力制御手段１０１が制御装置１００に備えられている。

制御装置１００は、電力負荷５での要求電力（消費電力）に追従して発電機６の発電電力を変更させるようにエンジン出力を変更させる電主運転を行うように構成されている。ここで、電力負荷５での要求電力は、電力負荷５での消費電力を示すものであり、発電機６及び商用電力系統８から電力負荷５に供給される電力を図外のセンサ等により計測することで、電力負荷５での要求電力を取得している。
電主運転では、例えば、制御装置１００が、発電機６の発電出力を電力負荷５での要求電力と等しく又はそれよりも一定量少なくするためのエンジン出力を求め、その求めたエンジン出力を要求されるエンジン出力としている。エンジン出力制御手段１０１は、ＥＧＲ制御及び回転速度制御を行うことで、要求されるエンジン出力にエンジン出力を制御するように構成されている。

ＥＧＲ制御では、エンジン出力制御手段１０１が、ＥＧＲ弁２６（ＥＧＲ手段）の作動を制御して、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比率であるＥＧＲ率を調整してエンジン出力を変更自在としている。エンジン出力制御手段１０１は、エンジン出力の各出力値を得るためのＥＧＲ率を示すエンジン出力とＥＧＲ率との関係を予め記憶しており、ＥＧＲ制御では、エンジン出力制御手段１０１が、その記憶している関係から要求されるエンジン出力を出力自在な目標ＥＧＲ率を求め、ＥＧＲ率がその求めた目標ＥＧＲ率になるようにＥＧＲ弁２６（ＥＧＲ手段）の作動を制御している。

回転速度制御では、エンジン出力制御手段１０１が、スロットルバルブ９及び燃料供給弁１０（回転速度調整手段）の作動を制御して、エンジン１の回転速度を調整してエンジン出力を変更自在としている。エンジン出力制御手段１０１は、エンジン出力の各出力値を得るためのエンジン１の回転速度を示すエンジン出力とエンジン１の回転速度との関係を予め記憶しており、回転速度制御では、エンジン出力制御手段１０１が、その記憶している関係から要求されるエンジン出力を出力自在な目標回転速度を求め、回転センサ１８にて検出されるエンジン１の回転速度が求めた目標回転速度になるようにスロットルバルブ９及び燃料供給弁１０（回転速度調整手段）の作動を制御している。

本発明に係るコージェネレーション装置の実施形態では、電力負荷５での要求電力（消費電力）の低下に伴いエンジン出力を低下させる。このエンジン出力を低下させる場合には、エンジン出力制御手段１０１が、まず現在のエンジン１の回転速度を維持した状態でＥＧＲ制御を行い、次にＥＧＲ率をゼロとして現在のエンジン１の回転速度よりも低下側の回転速度になるように回転速度制御を行う制御サイクルを、回転速度制御を行う毎に繰り返し行う。このように、エンジン出力を低下させる制御において、制御サイクルの夫々では、エンジン出力制御手段１０１が、ＥＧＲ制御を行う場合の熱効率が回転速度制御を行う場合の熱効率よりも低くなる移行条件が満たされるまでは現在のエンジン１の回転速度を維持してＥＧＲ率を増加させる形態でＥＧＲ制御を継続し、移行条件が満たされるとＥＧＲ制御を行う制御状態からＥＧＲ率をゼロとして回転速度制御を行う制御状態に移行する。

上述の如く、制御サイクルの夫々では、エンジン出力制御手段１０１が、移行条件が満たされなければ、ＥＧＲ制御を行う制御状態から、ＥＧＲ率をゼロとして回転速度制御を行う制御状態への移行を行わない。しかしながら、ＥＧＲ制御を継続させてＥＧＲ率が増加すると、燃焼室２からの排ガスＥの温度が低下して三元触媒２４の触媒性能を十分に得られなく可能性がある。そこで、本発明に係るコージェネレーション装置の実施形態では、排ガス温度センサ２７にて検出する排ガスの温度が下限設定温度（例えば、５００℃）以下となると、移行条件が満たされるか否かにかかわらず、ＥＧＲ制御を行う状態からＥＧＲ率をゼロとして回転速度制御を行う状態に移行するように構成されている。排ガス温度センサ２７（排ガス温度検出手段に相当する）については、排気路１５において、三元触媒２４を通過させる排ガスＥの温度を検出する位置に配設されている。

エンジン出力を低下させる場合のエンジン出力制御手段１０１の動作について、図２のエンジン出力と正味熱効率との関係を用いながら、図３のフローチャートに基づいて説明する。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は、エンジン出力とエンジン１の正味熱効率との関係を示している。図２（ａ）では、ＥＧＲ制御を行う場合のエンジン出力と熱効率（正味熱効率）との関係である第１熱効率関係Ｎ１、及び、回転速度制御を行う場合のエンジン出力と熱効率（正味熱効率）との関係である第２熱効率関係Ｎ２を示している。図２（ａ）では、ＥＧＲ率を０％としてエンジン１の回転速度を、２０００ｒｐｍ、１６００ｒｐｍ、１２００ｒｐｍ、１０００ｒｐｍの夫々に制御したときのエンジン出力と正味熱効率との関係を黒塗りの図形（２０００ｒｐｍは上向き三角、１６００ｒｐｍは四角、１２００ｒｐｍは丸、１０００ｒｐｍは下向き三角）にて示している。エンジン１の回転速度を一定の回転速度に維持した状態で、ＥＧＲ率を５％、１０％、１５％、２０％と順次増加させたときのエンジン出力と正味熱効率との関係を白抜き図形（２０００ｒｐｍは上向き三角、１６００ｒｐｍは四角、１２００ｒｐｍは丸、１０００ｒｐｍは下向き三角）にて示している。ＥＧＲ率を増加させるほどエンジン出力が低下するので、白抜き図形のうち、左側に位置するものほどＥＧＲ率を増加させている。第１熱効率関係Ｎ１は、黒塗り図形から同一形状の白抜き図形を順次結んだ線となっており、第２熱効率関係Ｎ２は、黒塗り図形を順次結んだ線となっている。

図３に示すように、エンジン出力を低下させる場合には、エンジン出力制御手段１０１が、まずＥＧＲ制御を行い、要求されるエンジン出力を出力自在な目標ＥＧＲ率を求め、ＥＧＲ率がその求めた目標ＥＧＲ率となるようにＥＧＲ弁２６の開度を制御する（ステップ＃１）。
エンジン出力制御手段１０１は、ＥＧＲ制御を行った後、排ガス温度センサ２７にて検出される排ガス温度が下限設定温度（例えば、５００℃）以下となっているか否かを判別して、排ガス温度が下限設定温度以下となっていると、ＥＧＲ制御を行う制御状態から、ＥＧＲ率をゼロとして回転速度制御を行う制御状態に移行している（ステップ＃２、＃５）。

排ガス温度センサ２７にて検出される排ガス温度が下限設定温度よりも高い場合（ステップ＃２のＮＯの場合）には、エンジン出力制御手段１０１は、移行条件を満たしているか否かを判別する（ステップ＃３）。エンジン出力制御手段１０１は、移行条件を満たしていない場合（ステップ＃３でＮＯの場合）には、ＥＧＲ制御を継続し（ステップ＃４）、移行条件を満たしている場合（ステップ＃３でＹＥＳの場合）には、ＥＧＲ制御を行う制御状態から、ＥＧＲ率をゼロとして回転速度制御を行う制御状態に移行している（ステップ＃５）。

移行条件について説明する。
エンジン出力制御手段１０１は、図２に示すように、ＥＧＲ制御を行う場合のエンジン出力と正味熱効率との関係を示す第１熱効率関係Ｎ１、及び、回転速度制御を行う場合のエンジン出力と正味熱効率との関係を示す第２熱効率関係Ｎ２を予め記憶している。エンジン出力制御手段１０１は、要求されるエンジン出力の出力値に対して、第１熱効率関係Ｎ１から求められる正味熱効率と第２熱効率関係Ｎ２から求められる正味熱効率とを比較することで、移行条件が満たされているか否かを判別している。エンジン出力制御手段１０１は、第１熱効率関係Ｎ１から求められる正味熱効率が第２熱効率関係Ｎ２から求められる正味熱効率以上であると、移行条件が満たされていないと判別して、ＥＧＲ制御を継続する。逆に、エンジン出力制御手段１０１は、第１熱効率関係Ｎ１から求められる正味熱効率が第２熱効率関係Ｎ２から求められる正味熱効率よりも低くなると、移行条件が満たされていると判別して、ＥＧＲ制御を行う制御状態からＥＧＲ率をゼロとして回転速度制御を行う制御状態に移行する。

このようにして、図３に示すように、エンジン出力制御手段１０１は、まず現在のエンジン１の回転速度を維持したままＥＧＲ制御を行い、移行条件が満たされるまでは現在のエンジン１の回転速度を維持したままＥＧＲ制御を継続してＥＧＲ率を増加させ、移行条件が満たされることによりＥＧＲ率をゼロとしてエンジン１の回転速度を現在の回転速度よりも低下側の回転速度になるように回転速度制御を行う制御サイクルを行う（ステップ＃１〜＃５）。そして、エンジン出力制御手段１０１は、上述の回転速度制御を行うことで、まずその回転速度制御にて制御されたエンジン１の回転速度を維持したままＥＧＲ制御を行い、次の制御サイクルを行う（ステップ＃１）。エンジン出力制御手段１０１は、次の制御サイクルにおいても、上述のステップ＃１〜＃５の動作を行い、回転速度制御を行う毎に制御サイクルを繰り返し行う。

エンジン１の回転速度を例えば２０００ｒｐｍに制御している状態でエンジン出力を低下させる場合について、図２（ａ）及び図２（ｂ）を用いて説明を加える。
制御サイクルでは、エンジン出力制御手段１０１がまず現在のエンジン１の回転速度を維持したままＥＧＲ制御を行うことで、ＥＧＲ率を例えば５％（１つ目の白抜き上向き三角）に増加させる。更にエンジン出力を低下させる場合には、エンジン出力制御手段１０１がそのエンジン出力の出力値について、第１熱効率関係Ｎ１から求められる正味熱効率と第２熱効率関係Ｎ２から求められる正味熱効率との大小を比較する。このとき、図２（ａ）では、第１熱効率関係Ｎ１の方が第２熱効率関係Ｎ２よりも上方側に位置しており、第１熱効率関係Ｎ１から求められる正味熱効率の方が第２熱効率関係Ｎ２から求められる正味熱効率よりも高くなる。したがって、エンジン出力制御手段１０１は、移行条件を満たしていないと判別して、ＥＧＲ制御を継続し、例えばＥＧＲ率を１０％（２つ目の白抜き上向き三角）に増加させる。更にエンジン出力を低下させる場合にも、同様にして、第１熱効率関係Ｎ１から求められる正味熱効率と第２熱効率関係Ｎ２から求められる正味熱効率との大小を比較するが、図２（ａ）では、第１熱効率関係Ｎ１の方が第２熱効率関係Ｎ２よりも上方側に位置していることから、エンジン出力制御手段１０１は、移行条件を満たしていないと判別して、現在のエンジン１の回転速度を維持したままＥＧＲ制御を継続することでＥＧＲ率を１５％（３つ目の白抜き上向き三角）、２０％（４つ目の白抜き上向き三角）に順次増加させていく。エンジン出力制御手段１０１は、ＥＧＲ率が上限値となると、ＥＧＲ制御を行う制御状態からＥＧＲ率をゼロとして回転速度制御を行う制御状態に移行して、エンジン１の回転速度を例えば、１６００ｒｐｍに制御する。
このような制御サイクルを行ったときのエンジン出力と正味熱効率の関係を、図２（ｂ）においてＮ３にて示しており、この図２（ｂ）のＮ３の関係は、図２（ａ）において、エンジン出力の各出力値について、第１熱効率関係Ｎ１と第２熱効率関係Ｎ２のうち、正味熱効率が高い方を結んだ線となっている。

このようにして、回転速度制御を行うことで、エンジン１の回転速度を例えば１６００ｒｐｍに制御している状態において、次の制御サイクルが行われる。この次の制御サイクルでも、同様に、エンジン出力制御手段１０１は、まずＥＧＲ制御を行うことでＥＧＲ率を例えば５％に増加させる。更にエンジン出力を低下させる場合にも、同様にして、第１熱効率関係Ｎ１から求められる正味熱効率と第２熱効率関係Ｎ２から求められる正味熱効率との大小を比較して、移行条件が満たされているか否かを判別する。図２（ａ）では、ＥＧＲ率を２０％（４つ目の白抜き図形）に増加させると、第２熱効率関係Ｎ２から求められる正味熱効率の方が第１熱効率関係Ｎ１から求められる正味熱効率よりも高くなる。そこで、エンジン出力制御手段１０１は、ＥＧＲ率を１５％（３つ目の白抜き図形）に増加させるまでは移行条件を満たしていないと判別して、ＥＧＲ制御を継続し、ＥＧＲ率を１５％（３つ目の白抜き図形）に増加させると移行条件を満たしていると判定して、ＥＧＲ率をゼロとして回転速度制御を行い、エンジン１の回転速度を例えば１２００ｒｐｍに制御する。このようにして、回転速度制御を行うことで、次の制御サイクルを繰り返し行う。

図２（ｂ）に示すように、上述のような制御サイクルを繰り返し行うことでエンジン出力を低下させることができる。図４は、エンジン出力と正味熱効率との関係について、本発明の図２（ｂ）におけるＮ３にて示す関係と、従来の関係（図中Ｔ１、Ｔ２）とを示したものである。これにより、本発明の図２（ｂ）におけるＮ３にて示す関係の方が、従来の関係（図中Ｔ１、Ｔ２）よりも、エンジン１の熱効率を低下させることなくエンジン出力を変更させることができることがわかる。

エンジン出力を低下させる場合について説明したが、エンジン出力を増加させる場合には、エンジン出力制御手段１０１は、例えば、常時、回転速度制御を行うことで、エンジン出力を増加させることができる。つまり、エンジン出力制御手段１０１は、要求されるエンジン出力を出力自在な目標回転速度を求め、回転センサ１８にて検出される回転速度が目標回転速度になるようにスロットルバルブ９及び燃料供給弁１０の開度を調整することで、要求されるエンジン出力にエンジン出力を制御することができる。

また、常時、回転速度制御を行う構成に代えて、例えば、エンジン出力制御手段１０１は、予め記憶している第１熱効率関係Ｎ１及び第２熱効率関係Ｎ２を用いて、要求されるエンジン出力の出力値について、現在のエンジン１の回転速度において第１熱効率関係Ｎ１から求められる正味熱効率と、現在のエンジン１の回転速度よりも一段高い回転速度において第２熱効率関係Ｎ２から求められる正味熱効率を比較している。そして、エンジン出力制御手段１０１は、現在のエンジン１の回転速度において第１熱効率関係Ｎ１から求められる正味熱効率が現在のエンジン１の回転速度よりも一段高い回転速度において第２熱効率関係Ｎ２から求められる正味熱効率以上であれば、現在の回転速度を維持したままＥＧＲ制御を行い、逆に、現在のエンジン１の回転速度よりも一段高い回転速度において第２熱効率関係Ｎ２から求められる正味熱効率の方が現在のエンジン１の回転速度において第１熱効率関係Ｎ１から求められる正味熱効率よりも高くなると、ＥＧＲ率をゼロとしてエンジン１の回転速度がその一段高い回転速度になるように回転速度制御を行うように構成されている。エンジン出力制御手段１０１が現在の回転速度を維持したままＥＧＲ制御を継続して行う場合には、エンジン出力を低下させる場合とは逆に、ＥＧＲ率を低下させる形態でＥＧＲ制御を継続させる。このようにして、エンジン出力を増加させる場合にも、エンジン出力を低下させる場合と同様に、エンジン出力と正味熱効率との関係を、図２（ｂ）にて示す関係Ｎ３とすることもできる。

〔第２実施形態〕
この第２実施形態は、上記第１実施形態における移行条件についての別実施形態である。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、その他の構成については説明を省略し、移行条件について説明を加える。

上記第１実施形態では、エンジン出力制御手段１０１は、図２に示すように、第１熱効率関係Ｎ１及び第２熱効率関係Ｎ２を予め記憶しており、要求されるエンジン出力の出力値について、第１熱効率関係Ｎ１から求められる正味熱効率と第２熱効率関係Ｎ２から求められる正味熱効率とを比較することで、移行条件が満たされているか否かを判別している。

この第２実施形態では、エンジン出力制御手段１０１が、ＥＧＲ制御におけるＥＧＲ率が移行用ＥＧＲ率に達すると、移行条件が満たされていると判別するように構成されている。移行用ＥＧＲ率については、例えば、図２に示すように、要求されるエンジン出力の出力値について、第１熱効率関係Ｎ１から求められる熱効率が第２熱効率関係Ｎ２から求められる熱効率よりも低くなる手前のＥＧＲ率を設定することができる。すなわち、図２において、エンジン１の回転速度が２０００ｒｐｍの場合には、移行用ＥＧＲ率を２０％と設定し、エンジン１の回転速度が１６００ｒｐｍの場合には、移行用ＥＧＲ率を１５％と設定し、エンジン１の回転速度が１２００ｒｐｍの場合には、移行用ＥＧＲ率を５％と設定することができる。このようにして、回転速度制御にて制御されるエンジン１の回転速度に応じて異なる移行用ＥＧＲ率を設定することもできる。

エンジン出力を低下させる場合には、例えば、エンジン出力制御手段１０１が、まずＥＧＲ制御を行うことでＥＧＲ率を５％とするので、そのＥＧＲ率が移行用ＥＧＲ率に達していなければ移行条件を満たしていないと判別して、ＥＧＲ制御を継続してＥＧＲ率を増加させる。エンジン出力制御手段１０１は、ＥＧＲ制御を継続することでＥＧＲ率が移行用ＥＧＲ率に達すると、移行条件を満たしていると判別して、ＥＧＲ率をゼロとして回転速度制御を行う。

〔第３実施形態〕
この第３実施形態は、上述の第２実施形態と同様に、上記第１実施形態における移行条件についての別実施形態である。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、その他の構成については説明を省略し、移行条件について説明を加える。

この第３実施形態では、エンジン１の運転状態が不安定状態となると、エンジン１の熱効率が低下することになるので、エンジン１の運転状態が不安定状態となっていると、移行条件が満たされているとしている。

図１に示すように、燃焼室２には、燃焼室２内の圧力を検出する圧力センサ２８が設けられている。制御装置１００には、圧力センサ２８の検出情報、及び、回転センサ１８の検出情報に基づいて、エンジン１の運転状態が不安定状態となっているか否かを判定するエンジン運転状態判定手段１０２が備えられている。エンジン運転状態判定手段１０２は、例えば、吸気行程、圧縮工程、燃焼・膨張行程、排気行程を行う１サイクル毎の圧力センサ２８の最大圧力が設定圧力未満であると、燃焼室２での燃焼が適正に行われていないとして、エンジン１の運転状態が不安定状態となっていると判定している。また、エンジン運転状態判定手段１０２は、例えば、回転センサ１８にて検出するエンジン１の回転速度が回転速度制御にて制御される回転速度を基準とする許容範囲から外れていると、エンジン１の回転速度が安定しておらず、エンジン１の運転状態が不安定状態となっていると判定している。

エンジン出力制御手段１０１は、エンジン運転状態判定手段１０２にて不安定状態と判定されているか否かによって、移行条件が満たされているか否かを判別している。エンジン出力制御手段１０１は、エンジン運転状態判定手段１０２にて不安定状態と判定されていなければ移行条件が満たされていないと判別し、逆に、エンジン運転状態判定手段１０２にて不安定状態と判定されていると移行条件が満たされていると判別している。

〔別実施形態〕
（１）上記第１〜第３実施形態では、エンジン出力制御手段１０１が、制御サイクルの夫々において、ＥＧＲ制御を行った後、移行条件が満たされているか否かを判別して、ＥＧＲ制御又は回転速度制御の何れかを行うようにしている。
この構成に代えて、例えば、移行条件が満たされるまではＥＧＲ率を増加させる形態でＥＧＲ制御を継続し、移行条件が満たされるとＥＧＲ制御を行う制御状態からＥＧＲ率をゼロとして回転速度制御を行う制御状態に移行するように、エンジン出力の出力値に対して、ＥＧＲ制御と回転速度制御とのどちらの制御を行うかを示す制御関係を予め定めておく。エンジン出力制御手段１０１は、その予め定められた制御関係を記憶しておき、その記憶している制御関係を用いて、要求されるエンジン出力の出力値に応じてＥＧＲ制御又は回転速度制御の何れかを行い、エンジン出力を変更させることもできる。

（２）上記第１〜第３実施形態では、ＥＧＲ手段として、ＥＧＲ流路２５とＥＧＲ弁とを備えた外部ＥＧＲを例示したが、例えば、排気弁１２を所望のタイミングよりも早く閉弁させて燃焼室２に排ガスＥを残留させる内部ＥＧＲを採用することもできる。

（３）上記第１実施形態では、移行条件が、第１熱効率関係から求められる熱効率が前記第２熱効率関係から求められる熱効率よりも低くなるという条件となっている。上記第２実施形態では、移行条件が、ＥＧＲ制御におけるＥＧＲ率が移行用ＥＧＲ率に達するとう条件となっている。上記第３実施形態では、移行条件が、エンジン運転状態判定手段にて不安定状態と判定されるという条件となっている。このように、第１〜第３実施形態では、移行条件が１つの条件となっているが、例えば、第１熱効率関係から求められる熱効率が前記第２熱効率関係から求められる熱効率よりも低くなるか、或いは、ＥＧＲ制御におけるＥＧＲ率が移行用ＥＧＲ率に達すると、移行条件が満たされているとすることもでき、移行条件を複数の条件から設定することもできる。

本発明は、電力負荷に供給する電力を発電する発電装置と、前記発電装置を駆動するエンジンと、前記エンジンの排熱を回収して熱負荷に供給自在な排熱回収手段とを備え、エンジンの熱効率を低下させることなくエンジン出力を変更させることができ、電力負荷での要求電力の大きさに応じて発電装置の発電出力を可変させて、エネルギー効率の向上を図ることができる各種のコージェネレーション装置に適応可能である。

１エンジン
２燃焼室
３熱負荷
４排熱回収手段
５電力負荷
６発電機（発電装置）
９スロットルバルブ（エンジン回転速度調整手段）
１０燃料供給弁（エンジン回転速度調整手段）
２４三元触媒
２５ＥＧＲ流路（ＥＧＲ手段）
２６ＥＧＲ弁（ＥＧＲ手段）
２７排ガス温度センサ（排ガス温度検出手段）
１０１エンジン出力制御手段
１０２エンジン運転状態判定手段

Claims

電力負荷に供給する電力を発電する発電装置と、前記発電装置を駆動するエンジンと、前記エンジンの排熱を回収して熱負荷に供給自在な排熱回収手段とを備えたコージェネレーション装置であって、
前記エンジンの燃焼室からの排ガスの一部を前記燃焼室に再循環させるＥＧＲ手段と、
前記エンジンの回転速度を調整自在な回転速度調整手段と、
前記ＥＧＲ手段の作動を制御し、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比率であるＥＧＲ率を調整してエンジン出力を変更自在とするＥＧＲ制御、及び、前記回転速度調整手段の作動を制御し、エンジンの回転速度を調整してエンジン出力を変更自在とする回転速度制御を実行可能であり、要求されるエンジン出力にエンジン出力を制御自在なエンジン出力制御手段とが備えられ、
前記エンジン出力制御手段は、前記エンジン出力を低下させる場合に、まず前記ＥＧＲ制御を行い、次に前記ＥＧＲ率をゼロとして前記回転速度制御を行う制御サイクルを、前記回転速度制御を行う毎に繰り返し行う形態で、前記ＥＧＲ制御及び前記回転速度制御を実行自在とし、且つ、エンジン出力を低下させる制御において、前記制御サイクルの夫々では、前記ＥＧＲ制御を行う場合の熱効率が前記回転速度制御を行う場合の熱効率よりも低くなる移行条件が満たされるまでは前記ＥＧＲ率を増加させる形態で前記ＥＧＲ制御を継続し、前記移行条件が満たされると前記ＥＧＲ制御を行う制御状態から前記ＥＧＲ率をゼロとして前記回転速度制御を行う制御状態に移行するように構成されているコージェネレーション装置。
前記エンジン出力制御手段は、前記ＥＧＲ制御を行う場合のエンジン出力と熱効率との関係を示す第１熱効率関係、及び、前記回転速度制御を行う場合のエンジン出力と熱効率との関係を示す第２熱効率関係を予め記憶しており、前記第１熱効率関係から求められる熱効率が前記第２熱効率関係から求められる熱効率よりも低くなると、前記移行条件が満たされていると判別するように構成されている請求項１に記載のコージェネレーション装置。
前記エンジン出力制御手段は、前記ＥＧＲ制御における前記ＥＧＲ率が所定の移行用ＥＧＲ率に達すると、前記移行条件が満たされていると判別するように構成されている請求項１又は２に記載のコージェネレーション装置。
前記エンジンの運転状態が不安定状態となっているか否かを判定するエンジン運転状態判定手段を備え、前記エンジン出力制御手段は、前記エンジン運転状態判定手段にて不安定状態と判定されると、前記移行条件が満たされていると判別するように構成されている請求項１〜３の何れか１項に記載のコージェネレーション装置。
前記燃焼室からの排ガスを通過させる三元触媒と、その三元触媒を通過させる排ガスの温度を検出する排ガス温度検出手段とが備えられ、前記エンジン出力制御手段は、前記排ガス温度検出手段にて検出する排ガスの温度が下限設定温度以下となると、前記移行条件が満たされるか否かにかかわらず、前記ＥＧＲ制御を行う状態から前記ＥＧＲ率をゼロとして前記回転速度制御を行う状態に移行するように構成されている請求項１〜４の何れか１項に記載のコージェネレーション装置。