JP5988663B2

JP5988663B2 - 可搬式エンジン発電機

Info

Publication number: JP5988663B2
Application number: JP2012091567A
Authority: JP
Inventors: 俊和渡辺
Original assignee: Nippon Sharyo Ltd
Current assignee: Nippon Sharyo Ltd
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2032-04-13
Also published as: JP2013223267A

Description

本発明は、可搬式エンジン発電機に関し、詳しくは、粒子状物質捕集装置（ＤＰＦ）を備えたディーゼルエンジンで発電機を駆動する可搬式エンジン発電機に関する。

発電機の駆動源としてディーゼルエンジンを使用した可搬式エンジン発電機では、排ガス中に含まれる黒煙（カーボン粒子）などの粒子状物質（ＰＭ）を除去するため、排ガス経路中に粒子状物質捕集装置（ＤＰＦ）を設けている。ＤＰＦは、捕集したＰＭを高温の排ガスで燃焼、焼却して再生するように設定されているが、ディーゼルエンジンの負荷が低い場合は、排ガスの温度が低いためにＰＭを十分に燃焼させることができなくなり、ＤＰＦにＰＭが堆積して目詰まりした状態になってしまう。

このため、ＤＰＦの目詰まり状態を背圧の変化で検出するように設定し、圧力センサで検出した背圧が上昇したときに、排ガスの温度を上昇させるための昇温剤を燃焼触媒の前段に噴射してＤＰＦに流入する排ガスの温度を上昇させたり、あるいは、ＤＰＦの前後の圧力を圧力センサで検出し、両圧力センサから得た差圧が大きくなったときに、排ガスを加熱するヒータに通電して排ガスの温度を上昇させたりすることにより、ＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼させる再生操作を行うことが知られている（例えば、特許文献１，２参照。）。

特開２０１０−４３６３３号公報特開２０１０−２８１２１１号公報

しかし、特許文献１，２に記載されたものでは、排ガスの背圧や差圧を検出するための圧力センサをはじめとする特別な機器を、通常設けられているエンジン制御用機器とは別に設けなければならず、機器の増加によって構造も複雑化するため、可搬式エンジン発電機を製作する際のコストアップの要因となる。

そこで本発明は、簡単な構造でＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼させて除去することができる可搬式エンジン発電機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の可搬式エンジン発電機は、ケーシングの内部に、発電機と該発電機を駆動するディーゼルエンジンとを配置するとともに、前記ディーゼルエンジンの排ガス経路に粒子状物質捕集装置を備えた可搬式エンジン発電機において、前記発電機から負荷に出力されている電力量を負荷電力量として計測する電力量計測手段と、該電力量計測手段で計測した負荷電力量とあらかじめ設定した第１の閾値とを比較する比較手段と、前記粒子状物質捕集装置に流入する排ガスを加熱することによって粒子状物質捕集装置を加熱する第１のヒータと、前記比較手段で前記負荷電力量が前記第１の閾値を下回ったときに、前記発電機から出力される電力の一部を前記第１のヒータに供給するヒータ電力供給手段と、前記排ガス経路内に蓄積される未燃焼燃料を気化させるための第２のヒータとを備え、前記比較手段は、前記第１の閾値に設定した電力量より低い電力量に設定された第２の閾値と、前記電力量計測手段で計測した前記負荷電力量とを比較し、前記ヒータ電力供給手段は、前記負荷電力量が前記第２の閾値を下回ったときに前記第２のヒータに前記発電機から出力される電力の一部を供給することを特徴としている。

さらに、本発明の可搬式エンジン発電機は、前記ヒータ電力供給手段が、前記比較手段で前記負荷電力量が前記閾値を下回った時間、及び、前記負荷電力量と前記閾値との差に基づいて前記第１のヒータへの電力供給時間を設定することを特徴としている。

また、前記ヒータ電力供給手段は、前記第１のヒータによる加熱開始から前記粒子状物質捕集装置の温度があらかじめ設定された加熱目標温度に上昇するまで前記第１のヒータに電力を供給する予熱段階と、該予熱段階経過後に、前記第１のヒータへの電力供給を断続的に行って前記粒子状物を加熱燃焼させる燃焼段階とを行い、該燃焼段階の経過時間があらかじめ設定された再生時間に到達したときに、前記粒子状物質捕集装置の再生操作を終了することを特徴としている。

本発明の可搬式エンジン発電機によれば、エンジン発電機が備えている制御装置に簡単な制御手段及び制御手順を追加するとともに、所定の位置にヒータ及び電気配線を配置するだけで、粒子状物質捕集装置に捕集されている粒子状物質を燃焼、焼却して除去することができる。

参考例を示すブロック図である。ディーゼルエンジンの負荷に対する粒子状物質の発生量、粒子状物質捕集装置への粒子状物質の堆積発生量及び未燃焼燃料の発生量の関係示す説明図である。ディーゼルエンジンの負荷率と排ガス温度との関係を示す説明図である。粒子状物質捕集装置に粒子状物質がほとんど堆積しない運転状態の一例を示す説明図である。粒子状物質捕集装置に粒子状物質が堆積する運転状態の一例を示す説明図である。閾値と負荷電力量との差に対する再生時間の関係を示す説明図である。粒子状物質捕集装置を加熱して再生する手順の一例を示すフローチャートである。同じくヒータの制御手順の一例を示すフローチャート図である。ヒータ通電時間と粒子状物質捕集装置の温度変化との関係を示す説明図である。粒子状物質捕集装置を再生する際のヒータの作動状態の一例を示す説明図である。本発明の可搬式エンジン発電機の第１形態例を示すブロック図である。粒子状物質捕集装置を再生する第１ヒータの作動状態を示す説明図である。未燃焼燃料を気化させる第２ヒータの作動状態を示す説明図である。

まず、図１乃至図１０に示す参考例において、本参考例に示す可搬式エンジン発電機は、図示しないケーシングの内部に、発電機（オルタネータ）１１と、該発電機１１を駆動するディーゼルエンジン１２とを配置するとともに、前記ディーゼルエンジン１２の排ガス経路１３に、排ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集するための粒子状物質捕集装置（ＤＰＦ）１４を備えている。さらに、発電機１１から負荷１５に電力を供給する電源回路１６には、発電機１１から負荷１５に供給している電力量を計測する電力量計測手段１７が設けられている。また、前記排ガス経路１３におけるＤＰＦ１４の前段には、ＤＰＦ１４に流入する排ガスを加熱するためのヒータ１８が設けられるとともに、ＤＰＦ１４の後段にはマフラ１９が接続されている。

前記ヒータ１８は、この可搬式エンジン発電機に設けられている制御装置に組み込まれた制御部２０によって制御される。この制御部２０は、前記電力量計測手段１７で計測した負荷電力量とあらかじめ設定した電力量の閾値とを比較する比較手段と、該比較手段で前記負荷電力量が前記閾値を下回ったときに、前記発電機１１から出力される電力の一部を前記ヒータ１８に供給するためのヒータ用電源回路２１に設けたスイッチ２２を開閉して前記ヒータ１８に供給する電力を制御するヒータ電力供給手段とを備えている。

ＮＯｘの発生を抑えるために燃焼温度を低く設定しているディーゼルエンジン１２では、一般的に、図２に示すように、負荷率の増大に伴って燃料消費量が増大すると排ガス中の粒子状物質（ＰＭ）の発生量Ａも増大し、ＤＰＦ１４に捕集されるＰＭの量も増大する。一方、図３に示すように、負荷率の増大に伴って燃焼量が増加すると排ガスの温度が上昇するため、負荷率が低い範囲ではＤＰＦ１４におけるＰＭの堆積量Ｂが多くなるが、負荷率がある程度高くなって排ガス温度が上昇するとＤＰＦ１４に捕集されているＰＭが燃焼するため、ＤＰＦ１４におけるＰＭの堆積量は少なくなり、負荷率が高い範囲では、ＤＰＦ１４へのＰＭの堆積は発生しない。また、負荷率が低い場合には、不完全燃焼によってＰＭとなる炭素微粒子が発生するだけでなく、シリンダ内で燃焼しなかった未燃焼燃料の発生量Ｃが増大して排ガス経路１３に排出される。

前記比較手段に設定する閾値は、ＤＰＦ１４におけるＰＭの堆積状態と負荷率との関係に基づいて設定されるもので、通常は、排ガスの温度がＤＰＦ１４に捕集されたＰＭを燃焼可能な温度以上になる負荷率、例えば、図２における負荷率Ｄに対応した電力量を閾値Ｅとして設定する。図４及び図５は、可搬式エンジン発電機から負荷に供給する負荷電力量の変化の一例をそれぞれ示すもので、図４に示すように、負荷電力量が大きく変動して負荷電力量が閾値Ｅより高くなる状態Ｆがある場合には、ＤＰＦ１４にＰＭが捕集されても高温の排ガスにより燃焼して除去されるため、ＰＭが堆積することはほとんどない。一方、図５に示すように、負荷電力量が閾値Ｅより低い状態が継続する場合は、捕集したＰＭが堆積することによってＤＰＦ１４が次第に目詰まりする状態になる。

したがって、可搬式エンジン発電機から電力を供給する負荷の種類などに応じて適切な閾値、例えば、負荷率０．３に対応した電力量を閾値（図４，図５の閾値Ｅ）に設定し、図５に示すように、負荷電力量が閾値Ｅを下回る状態が継続した場合は、ＰＭの堆積によってＤＰＦ１４が目詰まりする前にヒータ１８に通電し、ＤＰＦ１４を加熱してＰＭを燃焼、焼却し、ＤＰＦ１４から除去する必要がある。

排ガスを介してＤＰＦ１４を加熱し、ＰＭを燃焼させてＤＰＦ１４を再生するためのヒータ１８への電力供給時間（通電時間，燃焼時間又は再生時間）は、一定の時間に設定することもできるが、ＤＰＦ１４へのＰＭの堆積量に応じて設定することが好ましい。例えば、図６に示すように、閾値に設定した電力量と負荷電力量との差が大きい場合は、ディーゼルエンジン１２の負荷率が極めて小さいことから、ＰＭの発生量は少ないものの、そのほとんど全量がＤＰＦ１４に捕集されて堆積する状態となり、かつ、排ガスの温度が低いため、ＤＰＦ１４からＰＭを十分に除去するには、ヒータ１８への通電時間を長くする必要がある。逆に、負荷率と負荷電力量との差が小さい場合は、排ガスの温度が比較的高い状態となっていることから、ＤＰＦ１４に捕集されたＰＭの一部乃至大部分が燃焼し、ＤＰＦ１４へのＰＭの堆積量が少なくなっているので、ヒータ１８への通電時間を短くしてもＤＰＦ１４からＰＭを十分に除去することができる。また、負荷電力量が閾値より低い時間が長い場合には、ＤＰＦ１４へのＰＭの堆積量が多くなっていくので、適当な時間間隔を基準時間に設定して負荷電力量を計測し、ＤＰＦ１４へのＰＭの堆積が進まないうちにヒータ１８への電力供給を開始することが望ましい。このように、ＰＭの堆積量に応じてヒータ１８への通電時間を調整することにより、ディーゼルエンジン１２や発電機１１の負担を軽減して燃料消費量の増大を抑えながらＰＭの除去を行うことができる。

図７は、ＤＰＦ１４からＰＭを除去する再生操作を自動的に行うための再生手順の一例を示している。まず、ステップ５１で閾値の設定、再生操作を開始する時間間隔である基準時間の設定、ＤＰＦ１４の再生時間の設定などの初期設定を確認した後、ステップ５２で電力量計測手段１７による電力量（負荷電力量）の計測が行われる。ステップ５３であらかじめ設定された基準時間を経過したか否かを判断し、基準時間を経過していないときにはステップ５２に戻る。ステップ５３で基準時間が経過したと判断したときにはステップ５４に進み、前記ステップ５２で計測した負荷電力量と前記ステップ５１で設定した閾値とを前記比較手段が比較し、負荷電力量が閾値以上の場合には、ＤＰＦ１４の再生操作が不要であると判断してステップ５５に進み、負荷電力量をリセットしてステップ５２に戻る。

ステップ５４で負荷電力量が閾値未満の場合には、ＤＰＦ１４の再生操作が必要と判断し、ステップ５６に進んでヒータ電力供給手段がスイッチ２２を閉じて発電機１１から出力される電力の一部をヒータ用電源回路２１からヒータ１８に供給してヒータ１８をＯＮにする。ヒータ１８からの加熱によってＤＰＦ１４に堆積したＰＭを燃焼させるのに必要な時間は、あらかじめ設定された一定の再生時間あるいは前記図６に示したような閾値と負荷電力量との差に基づいて算出した再生時間に設定され、ステップ５７でヒータ通電時間が再生時間を経過したかを判断する。ヒータ通電時間が再生時間の経過前ならばステップ５６に戻ってヒータ１８への通電を継続し、ステップ５７でヒータ通電時間が再生時間を超えたと判断したときは、ステップ５８でヒータ１８をＯＦＦとした後、ステップ５５に進んで負荷電力量をリセットしてからステップ５２に戻る。

このように、あらかじめ設定された時間間隔で、あらかじめ設定された閾値と負荷電力量とを比較し、比較結果に基づいて発電機１１から出力される電力の一部をヒータ１８に供給してＤＰＦ１４の加熱再生操作を行うことにより、堆積したＰＭを燃焼させてＤＰＦ１４から自動的に除去することができ、ＤＰＦ１４の目詰まりを防止できる。

図８は、前記再生手順のステップ５６におけるヒータ１８の制御手順の一例を示しており、前述の図３に示した負荷率と排ガス温度との関係、及び、図９に示すヒータ１８の通電時間とＤＰＦ１４の温度との関係に基づいて、図１０に示すようなヒータ１８のＯＮ・ＯＦＦ制御を行うものである。

まず、前記ステップ５６から進んだ最初のステップ６１でヒータ１８をＯＮにするとともに（図１０のＴ１）、次のステップ６２で、前記図３に示した負荷率と排ガス温度との関係から、現在のディーゼルエンジン１２の負荷率に基づいて排ガス温度を求め、さらに、次のステップ６３で、求められた温度の排ガスをヒータ１８によって加熱し、ＤＰＦ１４の温度（図１０のＨ）をあらかじめ設定された加熱目標温度（図１０のＪ）に上昇させるのに要する通電時間、即ち予熱時間（図１０のｔ１）を求める。前述のように、負荷率が高い場合には、ヒータ１８の通電開始時の排ガス温度が高いため、ＤＰＦ１４を加熱目標温度（Ｊ）に上昇させる予熱段階における通電時間（ｔ１）が短くなり、例えば、図１０では、負荷率が３／１０で通電開始時の温度が約３００℃の排ガスを加熱目標温度の６００℃に昇温させるための通電時間（ｔ１）に対し、負荷率が５／１０で通電開始時の温度が約４００℃の排ガスを加熱目標温度の６００℃に昇温させるための通電時間（ｔａ）は約８０％の時間となる。

図９に示すように、ヒータ１８をＯＮとしてからのＤＰＦ１４の温度変化は、ヒータ１８の加熱能力、ヒータ１８によって加熱される排ガスの温度及び流量、ＤＰＦ１４の周囲温度などの条件によって異なるが、ヒータ１８の加熱能力に比べて排ガスの温度が低い領域では、時間の経過とともに直線的に上昇するが、排ガスの温度が高い領域では、放熱量の増加などによって加熱効率が低下し、加熱時間に対する温度上昇量は小さくなる。このため、ヒータ１８として、時間の経過とともに直線的にＤＰＦ１４の温度を上昇させることが可能な加熱能力、すなわち、図９における範囲Ｇで排ガスを加熱できる能力を有するヒータを選定することにより、ヒータ１８による加熱開始からＤＰＦ１４の温度が加熱目標温度以上に上昇するまでのヒータ通電時間を確実に求めることができる。

ステップ６４では、前記ステップ６３で求めたヒータ通電時間（ｔ１）と、ステップ６１でヒータ１８をＯＮにしてからの経過時間とを比較し、経過時間がヒータ通電時間に満たない場合はこのステップ６４を繰り返し、経過時間がヒータ通電時間以上になったときに予熱段階終了と判断してステップ６５に進み、ヒータ１８をＯＦＦとして加熱を停止する（図１０のＴ２）。同時に、加熱を停止したときのＤＰＦ１４の温度を図９に示す関係から求め、加熱停止後のＤＰＦ１４の温度が加熱目標温度以下に下降するまでの温度下降時間を求める（図１０のｔ２）。加熱目標温度以下、例えば、加熱目標温度より低いあらかじめ設定された温度までＤＰＦ１４の温度が下降するまでの温度下降時間は、そのときの負荷率から求めた排ガス温度と加熱停止時のＤＰＦ１４の温度とに基づいて容易に算出することができる。

ステップ６６では、前記ステップ６５で求めた温度下降時間（ｔ２）と、ステップ６５でヒータ１８をＯＦＦにしてからの経過時間とを比較し、経過時間が温度下降時間に満たない場合はこのステップ６６を繰り返し、経過時間が温度下降時間以上になったときにステップ６７に進んでヒータ１８をＯＮとしてＤＰＦ１４の加熱を再開する（図１０のＴ３）。同時に加熱を再開してからＤＰＦ１４の温度が加熱目標温度以上になるまでのヒータ通電時間（ヒータ再通電時間）を求める（図１０のｔ３）。

次のステップ６８は、前記ステップ６１でヒータ１８をＯＮにして加熱を開始し、ＤＰＦ１４が加熱目標温度に到達してからの経過時間、すなわち、予熱段階終了によって燃焼段階が始まり、ステップ６５でヒータ１８をＯＦＦ（Ｔ２）にしてからの燃焼段階の経過時間（図１０のｔ４）が、ＤＰＦ１４の再生時間を経過したかを判断し、経過前ならばステップ６４に戻り、前記同様にしてヒータ１８のＯＮ・ＯＦＦを繰り返し（図１０のＴ４，Ｔ５，…）、ステップ６７で再生時間が経過するまでステップ６４からステップ６８を繰り返す。ステップ６８で再生時間が経過したと判断したときは、ステップ６９から前記再生手順のステップ５８に戻ってヒータ１８をＯＦＦにする。

このように、ヒータ１８の能力と排ガス温度とに基づいてヒータ１８のＯＮ・ＯＦＦを制御することにより、ＤＰＦ１４の再生を行うために発電機１１からヒータ１８に供給する電力を必要最小限に抑えることができ、ディーゼルエンジン１２や発電機１１の負担を軽減してディーゼルエンジン１２の燃料消費量を低減することができる。

図１１乃至図１３は、本発明の可搬式エンジン発電機の第１形態例を示している。なお、以下の説明において、前記参考例に示した可搬式エンジン発電機の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

本形態例に示す可搬式エンジン発電機は、ＤＰＦ１４を加熱して再生するための前記ヒータ（第１ヒータ）１８に加えて、前記排ガス経路１３内に排出された未燃焼燃料を気化させるために排ガスを加熱する第２ヒータ３１及び該第２ヒータ３１への電力供給を行うための第２のスイッチ３２を備えている。前記図２に示したように、第１ヒータ１８を作動させる閾値（第１の閾値）は、ＤＰＦ１４におけるＰＭの堆積状態に応じて設定され、第２ヒータ３１を作動させる第２の閾値は、未燃焼燃料が排ガス経路１３に排出される状態に応じて設定される。例えば、本形態例では、第１の閾値Ｐが、負荷率０．５に対応した負荷電力量に設定されており、第２の閾値Ｑは、第１の閾値よりも低い負荷率０．３に対応した負荷電力量に設定されている。

図１２は、第１ヒータ１８の作動状態を示すもので、負荷電力量（負荷率Ｒ）が時間の経過とともに変動し、負荷率Ｒが第１の閾値Ｐを下回る範囲Ｓ及び負荷率Ｒが第２の閾値Ｑを下回る範囲Ｔでは、制御部２０によりスイッチ２２が閉じられて第１ヒータ１８がＯＮとなり、排ガスを介してＤＰＦ１４を加熱してＰＭを燃焼、焼却し、ＤＰＦ１４からＰＭを除去する。

図１３は、第２ヒータ３１の作動状態を示すもので、前記負荷率Ｒが第２の閾値Ｑを下回る範囲Ｔでは、制御部２０によりスイッチ３２が閉じられて排ガス経路１３の上流側に設けられた第２ヒータ３１がＯＮとなり、排ガス経路１３内に排出されて蓄積した未燃焼燃料、更には排ガス経路１３に排出された潤滑用オイルを加熱して気化させ、燃焼させて排ガス経路１３から除去する。このとき、第２ヒータ３１による加熱によって排ガスの温度をＤＰＦ１４のＰＭ除去目標温度以上に上昇させることができる場合は、負荷率Ｒが第２の閾値Ｑを下回る範囲Ｔで第２ヒータ３１をＯＮにしたときに第１ヒータ１８をＯＦＦにしておくことも可能である。

このように、一定周波数の電力を供給するために一定回転数でエンジンが回転するエンジン発電機では、負荷電力量を計測することによってエンジンの負荷率を求めることができることから、加熱用ヒータの他は、圧力センサや温度センサなどの特別な計測手段をＤＰＦ１４の近傍に設けずに、可搬式エンジン発電機が備えている制御装置の電力計測手段を利用し、制御手順に僅かに手を加えるだけでＤＰＦ１４の再生を自動的に行うことができ、初期コストや保守コストの増大を抑えながらＤＰＦ１４の再生を確実に行うことができる。

１１…発電機、１２…ディーゼルエンジン、１３…排ガス経路、１４…粒子状物質捕集装置（ＤＰＦ）、１５…負荷、１６…電源回路、１７…電力量計測手段、１８…ヒータ（第１ヒータ）、１９…マフラ、２０…制御部、２１…ヒータ用電源回路、２２…スイッチ、３１…第２ヒータ、３２…第２のスイッチ

Claims

ケーシングの内部に、発電機と該発電機を駆動するディーゼルエンジンとを配置するとともに、前記ディーゼルエンジンの排ガス経路に粒子状物質捕集装置を備えた可搬式エンジン発電機において、
前記発電機から負荷に出力されている電力量を負荷電力量として計測する電力量計測手段と、該電力量計測手段で計測した負荷電力量とあらかじめ設定した第１の閾値とを比較する比較手段と、前記粒子状物質捕集装置に流入する排ガスを加熱することによって粒子状物質捕集装置を加熱する第１のヒータと、前記比較手段で前記負荷電力量が前記第１の閾値を下回ったときに、前記発電機から出力される電力の一部を前記第１のヒータに供給するヒータ電力供給手段と、前記排ガス経路内に蓄積される未燃焼燃料を気化させるための第２のヒータとを備え、
前記比較手段は、前記第１の閾値に設定した電力量より低い電力量に設定された第２の閾値と、前記電力量計測手段で計測した前記負荷電力量とを比較し、
前記ヒータ電力供給手段は、前記負荷電力量が前記第２の閾値を下回ったときに前記第２のヒータに前記発電機から出力される電力の一部を供給する
ことを特徴とする可搬式エンジン発電機。
前記ヒータ電力供給手段は、前記比較手段で前記負荷電力量が前記閾値を下回った時間、及び、前記負荷電力量と前記閾値との差に基づいて前記第１のヒータへの電力供給時間を設定することを特徴とする請求項１記載の可搬式エンジン発電機。
前記ヒータ電力供給手段は、前記第１のヒータによる加熱開始から前記粒子状物質捕集装置の温度があらかじめ設定された加熱目標温度に上昇するまで前記第１のヒータに電力を供給する予熱段階と、該予熱段階経過後に、前記第１のヒータへの電力供給を断続的に行って前記粒子状物を加熱燃焼させる燃焼段階とを行い、該燃焼段階の経過時間があらかじめ設定された再生時間に到達したときに、前記粒子状物質捕集装置の再生操作を終了することを特徴とする請求項１又は２記載の可搬式エンジン発電機。