JP6397152B1

JP6397152B1 - 簡易型非常用電力供給装置

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Publication number: JP6397152B1
Application number: JP2018094971A
Authority: JP
Inventors: 山崎　正弘; 正弘山崎; 林　義正; 義正林
Original assignee: Ｙｇｋ通商株式会社
Priority date: 2018-05-16
Filing date: 2018-05-16
Publication date: 2018-09-26
Anticipated expiration: 2037-12-28
Also published as: JP2019122220A

Abstract

【目的】本発明は、排気量50cc〜500ccの小型のガスエンジン及び直流発電機を用いて、複数回又は何度でも停電事故が間欠的に続いても高効率に非常用電力を供給できること。【構成】小型のＬＰＧ用のガスエンジン１と直流発電機３と蓄電池５１とを備えていること。シリンダ１１を平面的に見て点火プラグ１３，吸気バルブ１５，点火プラグ１３，排気バルブ１７が周回りに配され、且つ吸気バルブ１５からの吸気がシリンダ１１内を平面的に見て、接線方向乃至接線に近似する方向に流入するように構成されていること。何等かの事故等により商用電源が喪失した瞬間に蓄電池５１から電力供給側に給電すると共に、この間にガスエンジン１を起動させて直流発電機３にて発電し、ガスエンジン１が所定の回転数に達したときに蓄電池５１からの電力の供給を中止し、且つガスエンジン１で発電した電力の交流電力を屋内回路に供給し続けること。【選択図】図１

Description

本発明は、小型のガスエンジン及び直流発電機を用いて、複数回又は何度でも停電事故が間欠的に続いても、高効率に非常用電力を供給できる簡易型非常用電力供給装置に関する。

災害などに備え家庭用や標識などで使う１０kW未満の停電時の小型の非常用電力供給装置(無停電電源装置など)としては、蓄電池式とエンジンにより発電する方式がある。蓄電池によるものは停電から点灯までの時間が短いことや、簡便なことなどの長所があるが質量が嵩むという大きな短所がある。

例えば、１kWの電力を７２時間(災害により破壊されたインフラの復旧の目処がつく３日間)供給する場合の蓄電池の質量を求めてみる。1kWは1kJ/sであるから72時間では、1kJ/s×72×3600s＝259200kJとなる。しかし、蓄電池は直流であるので、これを交流に変換するインバータの効率を93%とすると、最低でも蓄電池には259200kJ/0.93＝278710kJ(≒2797MJ)の電気エネルギ−を蓄えていなければならない。エネルギ密度(単位質量あたりの電気エネルギ)が大きなリチウムイオン電池でもせいぜい100Wh/kgであるので100J/s×3600s＝360000J＝360kj、すなわち1kgあたり360kjとなる。従って、蓄電池の質量は278710kJ/(360kJ/kg)＝774kgの重さとなる。

一方、エンジンによる発電は燃料が続く限り発電できるが、エンジンを始動して安定した電気出力を供給できるまでには数十秒の時間が必要であり、この間は停電が続くことになる。さらに前記のように小型な装置では余力が少ないため要求電力(電気負荷)の急激な増大が生じた場合、エンジンの回転速度が低下して電力の供給が追いつかなくなったり、エンジンが停止してしまうことがある。このように、蓄電池式、エンジン発電機ともに大きな問題があった。

また、交流無停電電源装置としては、特許文献１が存在するが、本文献は商用電源用ではないが、山間部や離島等にて用いられるもので、特に、周波数の低下をインバータ制御にて低下しないようにしたものであり、この装置にはエンジンは使用されてはいるが、構成としても全く相違している。

また、特許文献２では、蓄電池及びエンジンにて無停電電源装置であるが、
蓄電池の容量を小さくしてエンジンにて給電できるようにしたものであるが、特に、大災害などで、複数回に亘って、商用電源が喪失した場合には、引用文献２では到底対応できないものであった。

特開平５−２０７６８４号公報特開２００１−４５６８１号公報

本発明が解決しようとする課題（技術的課題又は目的等）は、大規模の非常用発電装置ではなく、家庭用のみならず信号機や各種の標識、監視カメラなどに簡易に電力を供給する小型の非常用電力供給装置を提供する。しかも、停電になると間髪をいれずに主電源と同じ電圧と周波数の交流電力を供給し、しかも3日間供給し続けることができ、特に、大災害などで、複数回に亘って、商用電源が喪失した場合にも、十分に対応できることを実現することにある。

そこで、発明者は上記課題を解決すべく鋭意，研究を重ねた結果、請求項１の発明を、排気量５０cc〜５００ccの小型のＬＰＧ用のガスエンジンと，該ガスエンジンの起動により発電する直流発電機と、電源用の蓄電池と、エンジン用バッテリと、複数のオン・オフスイッチと、該オン・オフスイッチを制御する総合コントロールユニットとを備え、前記ガスエンジンのシリンダには２個の点火プラグが設けられると共に、前記シリンダを平面的に見て、第１の点火プラグ，吸気バルブ，第２の点火プラグ及び排気バルブが周回りに配され、且つ前記吸気バルブからの吸気が前記シリンダ内を平面的に見て、接線方向乃至接線に近似する方向に流入するように構成されてなり、通常時においては、前記オン・オフスイッチを介して商用電源の電力供給側を通電状態とし、何等かの事故等により前記商用電源が喪失した瞬間に前記蓄電池からインバータを介して応急的に前記商用電源と同等の電圧で同等の周波数の交流電力を前記電力供給側に給電すると共に、前記商用電源が失した瞬間から前記エンジン用バッテリにて前述した構成の前記ガスエンジンを起動させて該起動力により前記直流発電機にて発電し、該発電中の前記ガスエンジンが所定の回転数に達したときに前記蓄電池からの電力の供給を中止すると同時に、前記ガスエンジンで発電した直流電力を電力供給側に給電し、前記商用電源の復帰時まで前記ガスエンジンのみの電力にて給電し続けることとしてなることを特徴とする簡易型非常用電力供給装置としたことにより、前記課題を解決した。

請求項２の発明を、請求項１に記載の簡易型非常用電力供給装置において、前記事故時の前記ガスエンジンによる電力にても、或いは通常時の電力にても前記蓄電池及び前記エンジン用バッテリに対して充電作用を提供することを特徴とする簡易型非常用電力供給装置としたことにより、前記課題を解決した。請求項３の発明を、請求項１又は２に記載の簡易型非常用電力供給装置において、前記ガスエンジンの前記吸気バルブ，前記第１の点火プラグ，前記排気バルブ及び前記第２の点火プラグが４等分に配されてなることを特徴とする簡易型非常用電力供給装置としたことにより、前記課題を解決した。請求項４の発明を、請求項１，２又は３に記載の簡易型非常用電力供給装置において、前記ガスエンジンのシリンダ内に流入した混合気の主流が前記点火プラグの点火点を直撃せず、かつその近傍を流れるように構成されてなることを特徴とする簡易型非常用電力供給装置としたことにより、前記課題を解決した。

請求項５の発明を、請求項４に記載の簡易型非常用電力供給装置において、前記ガスエンジンのシリンダ上部のシリンダヘッド下面が扁平球面状凹面に形成されつつ、該扁平球面状凹面の下側面に、膨出部が１個の前記点火プラグの手前側で且つ前記混合気の下流側になるようにして設けられてなることを特徴とする簡易型非常用電力供給装置としたことにより、前記課題を解決した。請求項６の発明を、請求項１，２，３，４又は５に記載の簡易型非常用電力供給装置において、前記ガスエンジンと前記直流発電機との間にフライホイールが設けられてなることを特徴とする簡易型非常用電力供給装置としたことにより、前記課題を解決した。請求項７の発明を、請求項１，２，３，４，５又は６に記載の簡易型非常用電力供給装置において、前記オン・オフスイッチをオン・オフリレースイッチとしたことを特徴とする簡易型非常用電力供給装置としたことにより、前記課題を解決したものである。

請求項１の発明においては、本発明では、特に、大災害などで、複数回に亘って、商用電源が喪失した場合でも、良好に対応できる。これは、停電時であってもガスエンジンによっても蓄電できるためである。また、その蓄電池を停電の瞬間のみに使うことによりその質量を1/350以下とし、簡易なオン・オフスイッチによる制御で、蓄電池からの電力をエンジンにより発電した電力に切り換えるともに、その電力の一部で先に消費した電気エネルギを補充するため、繰り返しの停電にも十分に対応できる利点がある。

さらに、請求項１及び２の発明では、小型エンジン故に不利な急激な負荷の増大に出力が追随しにくいことにも、回転慣性エネルギを増大させ、これを電気エネルギに換えて安定した電力を供給するとともに、蓄電池端子電圧と発電した交流を直流に変換後の電圧を同一にして、ごく短時間の電圧降下を防止する。また、ＬＰＧとした効果、日本全国のどこにでも存在しており、緊急時に極めて効率的な支援、復旧が可能にできる。

請求項３〜５の発明では、特に、燃焼効率を上げ、ガスエンジンの立上げを良好にできる。請求項６の発明では、ガスエンジンのエンストを防止できる。請求項７の発明では、リレー装置が簡易な構成で安価に提供できる等の効果を奏する。

電力会社や自家用発電機などの主電源から正常に電力が供給されているときの本発明の通常時の構成図である。主電源からの供給が途絶えた瞬間の本発明の非常用の蓄電池から電力を供給している供給状態の過渡状態の構成図である。非常時において、ガスエンジンが作動して直流発電機から安定して電力が供給しているときの状態の構成図である。本発明の動作状態を示す簡易なフローチャート図である。本発明のフローを示す図表である。電気負荷の急激な増大への対応状態を模式的に示す図表である。電気負荷の急激な増大のスロットル開度の制御特性を示す図表である。（Ａ）は単気筒箇所の平面図、(Ｂ)は(Ａ)のＹ１−Ｎ−Ｏ−Ｘ線矢視拡大断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＹ２−Ｙ２矢視拡大断面図である。単気筒箇所の一部断面を示す拡大状態斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明すると、図１乃至図３は本発明の構成図及び動作を示した状態図である。図１が通常時の構成図であって、図２及び３が非常時の動作状態図である。これらの図において、本来なら単相交流や直流ならば配線は２本、３相交流なら３本の配線が必要であるが、図を見やすくするため１本の線で代表して、接続関係を表すことにする。

図１は、発電所や工場や船舶などの自家発電設備から通常時において、商用電源が供給されているときの状態を示す。本発明の主要な構成としては、小型のガスエンジン１と、該ガスエンジン１の起動により発電する直流発電機３と、電源用の直流用の蓄電池５１と、複数のオン・オフスイッチと、該オン・オフスイッチを制御する総合コントロールユニット６１（「ＴＣＵ」とも称する。）、低電圧のエンジン用バッテリ５２から供給されるエンジンコントロールユニット６２（「ＥＣＵ」とも称する。）等が備えられている。

ここで前記総合コントロールユニット（ＴＣＵ）６１と前記エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２は連携し合っているが機能分担について説明する。総合コントロールユニット（ＴＣＵ）６１は商用電源の喪失か否かの監視とオン・オフスイッチのオンオフおよびエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２にガスエンジン1の始動と停止の信号を発信する。これに加えて図3で説明する直流発電機３の励磁電流の制御などの電気出力系の制御を行う。

一方、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２はガスエンジンへの燃料供給、点火時期やスロットルの開閉制御、ガスエンジン１の始動と停止、水温制御などを行う。前記総合コントロールユニット（ＴＣＵ）６１の電力はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２と同じの低電圧のエンジン用バッテリ５２から供給される。もしもこれに非常用の高い電圧の蓄電池５１を使うと、制御用の電源が2種類となるのでこれを避けるためである。

図１において、ガスエンジン１と燃料供給装置２と直流発電機３とを備えた発電装置であって、燃料としては液化石油ガス（ＬＰＧ）用のガスボンベ２９が使用される。小型の非常用電源であるため前記ガスエンジン１は約５０cc〜約５００cc以下の小排気量である。該ガスエンジン１は一つのシリンダに２個の点火プラグを配設した多点点火エンジンである。これにより着火の機会を増やすとともに、急速燃焼を実現して熱効率（燃費）の改善を行う。

前記ガスエンジン１は、ピストン１０が上下運動可能に収納されたシリンダ１１の上部にはシリンダヘッド１２が設けられ、該シリンダヘッド１２の下面が扁平球面状凹面１２ａとして形成されている。前記シリンダヘッド１２（又は前記シリンダ１１）の上面側から平面的に見て、点火プラグ１３を２個と吸気バルブ１５及び排気バルブ１７が設けられている。前記吸気バルブ１５，前記点火プラグ１３，前記排気バルブ１７及び前記点火プラグ１３が４等分で周回りに配されている〔図８（Ａ）参照〕。

前記扁平球面状凹面１２ａの曲率半径Ｒは、前記シリンダ１１の中心軸ｎ上の任意の点Ｐに位置している。さらに、２個の前記点火プラグ１３の中心軸ｍも、前記吸気バルブ１５の中心軸ｗ及び排気バルブ１７の中心軸ｕも、それぞれ前記点Ｐ上を通過するように構成されている。つまり、前記点火プラグ１３の中心軸ｍも、前記吸気バルブ１５（吸気ポート１４の入口部）の中心軸ｗ及び排気バルブ１７（排気ポート１６の出口部）の中心軸ｕも、曲率半径Ｒなる前記扁平球面状凹面１２ａの球面の法線上に存在している。このような三次元としての燃焼室が構成されている〔図８（Ｂ）参照〕。

特に、前記吸気バルブ１５に吸気させる吸気ポート１４は、前記吸気バルブ１５からの吸気が前記シリンダ１１を平面的に見て、接線方向乃至接線に近似する方向から該シリンダ１１内に流入して渦流（スワールＧ）になるように構成されている。該シリンダ１１内のピストン１０が下降時において、このスワールＳ（渦流）が発生するようになっている〔図８（Ｂ）及び図９参照〕。

該スワールＳ（渦流）にても方向性は確保できることがある。十分な方向性の確保のためには次の構成とすることが多い。特に、前記扁平球面状凹面１２ａの下側面に、略三日月状又は台形山形状等の膨出部１２ｂが、１つの前記点火プラグ１３の手前側であって、且つ前記スワールＳ（渦流）の下流側になるようにして設けられている。該スワールＳ（渦流）の内容を詳述すると、スワールＳ（渦流）の主流が前記点火プラグ１３の点火点を直撃せず、かつその近傍を流れるように構成されている〔図８（Ａ）参照〕。

前記膨出部１２ｂは、略三日月状であって縦断面は略三角状をなし〔図８（Ａ）及び（Ｂ）参照〕、前記スワールＳ（渦流）の流れを変更する働きを成すものであり、最高位の高さは１ｍｍ前後でもよい。前記膨出部１２ｂ箇所でも、前記スワールＳ（渦流）は小さな乱流状態を起こし得る。また、前記膨出部１２ｂは、富士山を扁平状にした台形山形状又は該台形山形状を半分（縦割り）に形成されても（図示しない）、前述の三日月タイプの膨出部１２ｂと同様の効果を奏する。また、前記膨出部１２ｂは、前記スワールＳ（渦流）の方向性を変え得れば、その形状には限定されない。

さらに、図８（Ａ）及び（Ｂ）においては、主流対反主流の流量が８対２程度が好適である。反主流が存在するために、気流の乱れが発生してミキシング改善と共にガス（ＬＰＧ）燃焼の促進を一層良好にできる。このような構成は従来には存在しない大きな利点である。特に、図９に示すように、前記スワールＳ（渦流）における主流は、前記シリンダ１１内において、反主流を受けて速度が徐々に遅くなると同時に細かな乱流状態を呈するものであり、このときこそが、気体なる空気（エア）と気体なるＬＰＧとを渾然一体にできる。

仮に、強いスワールＳ（渦流）の主流が前記点火プラグ１３の点火点（スパークギャップ）を直撃すると、この部分の温度が下がり（例えば、４５０℃以下）、遊離カーボンが発生して先端部を汚損して火花が飛びにくくなるが、この先端部の直撃を避けながら、新しい混合気を点火点（スパークギャップ）に流れ込ませるようにする。そして、一旦、火がつくとスワールＳ（渦流）により火炎は極めて急激に燃焼空間（シリンダヘッド１２とシリンダ１１内壁面とピストン１０頂面で区画された空間全体）に三次元的に広がってゆきガスの燃焼効率を格段と上昇し得る。

この燃焼効率は、前記曲率半径Ｒなる前記扁平球面状凹面１２ａの球面としての三次元の燃焼室と、前記点火プラグ１３の点火点を避けたスワールＳ（渦流）とが相俟って極めて良好なる効果を奏する。さらに、停電直後におけるガスエンジン１の始動も極めて早期に立ち上げることができる最大の利点がある。
なお、前記点火プラグ１３の中心軸ｍと前記シリンダ１１の中心軸ｎとの角度θも、前記吸気バルブ１５の中心軸ｗと前記シリンダ１１の中心軸ｎとの角度θも、前記排気バルブ１７の中心軸ｕと前記シリンダ１１の中心軸ｎとの角度θもそれぞれ同一角度で、且つ約１２°〜約１４°に構成されている〔図８（Ｂ）参照〕。

前記ガスボンベ２９には減圧バルブ２８が設けられ、ここから供給配管２５が配置され、該供給配管２５の他端は、前記吸気ポート１２の手前の吸気ダクト１８に連続するミキサ１９のベンチュリ１９ａ内に連通するように構成されている。前記ガス配管２５には、電磁弁２７，調圧バルブ２６を介してＬＰＧが前記吸気ポート１２に流入され、最終的には、スロットルアクチュエータ２１によるスロットル２０を適宜開いて噴出される。つまり、図１及び図９に示すように、前記燃料供給装置２としては、該ロットル２０，スロットルアクチュエータ２１，ガス配管２５，調圧バルブ２６，電磁弁２７，減圧バルブ２８，ガスボンベ２９等にて構成されている。

さらに、燃料噴出箇所について説明すると、燃料（ＬＰＧ）は調圧バルブ２６で大気圧近くまで減圧され、オリフィス２５ａで計量され、前記ミキサ１９の中の燃料通路に導かれる。ベンチュリ１９ａのスリットステップホール２２およびアイドルミクスチャスクリュウ２３で調節され、スロットル２０の下流から吸入された空気に混合される。アイドリング時にはスロットル２０の下流、過渡時や低速時には主にスリットステップホール２２から燃料が供給される。ガスエンジン１の要求出力が大きくなると、ベンチュリ１９ａのスリットからの燃料の吸い出しが主になる。

燃料は前述したように、入手が容易でガスボンベ２９に充填されていて輸送に便利な液化石油ガス（ＬＰＧ）を用いる。該ＬＰＧは長期間の保存でもガソリンや軽油のように変質しない利点がある。さらに、これまでの軽油を燃料とする圧縮着火のディーゼルエンジンよりも、始動時間が短く、二酸化炭素や窒素酸化物の排出が少ない利点もある。図１に示すように、図中４４はラジエータ、４５はファンモータである。

商用電源用としての直流用の蓄電池５１は非常時に使用する電源であり、該蓄電池５１の蓄電容量について説明する。前記ガスエンジン１が起動して安定した電力が直流発電機３から供給されるまでの時間は約１０秒から約４０秒である。この間を賄う電力は接合点Ｐ２から出力する電力を１kWとすると、最大でも１kJ/s×４０s＝４０kJとなる。ところがインバータ７１で所定の交流にする転換効率を９３%とすると、４０kJ/０．９３＝４３kJとなる。

前記蓄電池５１が一般的なリチウムイオン電池の場合、このエネルギ密度は３６０kJ/kg程度であるから４３kjの電気エネルギを蓄えるには、(43kj)/(360kJ/kg)＝０．１２kgでよいことになる。しかし、電池にはエネルギ密度(kJ/kg)とともに出力密度(W/kg)がある。リチウムイオン電池の場合、これが７００W/kg程度であるので、1kW/0.93＝１．０８kWを出力するためには、(1.08kW)/(0.7kW/kg)≒１．６kgが必要である。

エネルギ密度と出力密度を同時に満たす電池の質量は1.6kg以上となる。区切りのよいところで、２kgもあればエンジンによる発電が安定するまで所定の電力を十分に供給できる。前述のように、前記蓄電池５１からの電気エネルギの供給時間は直流発電機３の前記ガスエンジン１が起動するまでであり電力供給時間は短い。それをさらに短縮するには前記ガスエンジン１の起動時間をより短くすることが必須である。

また、図１の日常時において、エンジン用バッテリ５２に交流→直流インバータ７４で低電圧（例えば１２Ｖ）の直流に変換して充電作業を行う（破線参照）。さらに、非常用の前記蓄電池５１にも交流→直流インバータ７１を介して充電作業も行う（破線参照）。なお、前記エンジン用バッテリ５２は、自動車用の１２Ｖの鉛・希硫酸バッテリなど、前記蓄電池５１は、満充電制御機能がついたリチウムイオン電池やリチウムイオンキャパシタ、ニッケル水素電池などを用いることが多い。

図１の状態では、前記蓄電池５１や直流発電機３からの電力は使わないので、この回路（蓄電池５１と直流発電機３から商用電源出力側）のオン・オフイッチ８２及び８５は開位置を保持したままである。商用電源の状態(電気が来ているか否か)は接合点Ｐ１から固定抵抗９１を通して主電源信号ライン９０を経て前記総合コントロールユニット（ＴＣＵ）６１２にかかる電圧で判断するように構成されている。前記固定抵抗９１の存在にて前記総合コントロールユニット（ＴＣＵ）６１が微弱な電流で停電か否かを判断できるからである。該総合コントロールユニット（ＴＣＵ）６１内にも抵抗がありこの前後の電圧を監視しておけば、もし主電源（商用電源）が喪失すれば、この電圧がゼロとなる。

通常時においては、図１に示すように、オン・オフスイッチ８３は閉じており、主電源からの電力は太い矢印のように接合点Ｐ１から接合点Ｐ２を経て出力する。前記オン・オフスイッチ８３は前記総合コントロールユニット(ＴＣＵ：Total Control Unit)６１からの信号で回路をオン・オフする機能を具備している。スイッチは電磁的に接点を開閉しても、トランジスタを用いた通常の無接点スイッチでもよい。

次に、非常時においての動作説明を図２及び図３に基づいて説明する。
何等かの事故等により商用電源が喪失したことを検出すると、図1において、前記総合コントロールユニット(ＴＣＵ)６１の作動にて前記オン・オフスイッチ８１，８３が開き、前記オン・オフスイッチ８２、８５が閉じる。このとき、前記総合コントロールユニット(ＴＣＵ)６１の出力信号に時定数を設け、各々が閉じるのを数msでも遅くしておけば、万一のショートを避けることができる。

前述の各オン・オフスイッチ８２、８５、８１及び８３のオン・オフ状態は瞬時であり、これらが図２の状態となる（非常時：過渡期）。すなわち、何等かの事故等により商用電源が喪失した瞬間に、非常用の前記蓄電池５１から接合点Ｐ４を経てインバータ７１を介して応急的に前記商用電源と同等の電圧で同等の周波数の交流電力を接合点Ｐ２を経て電力供給側に供給する。

つまり、商用電源が喪失した瞬間に、非常用の前記蓄電池５１に蓄えられていた電力は、矢印のように接合点Ｐ４から直流→交流インバータ７１で主電源と同じ電圧と周波数となって、閉となったオン・オフスイッチ８２を通り接合点Ｐ２を経て電力供給側に出力する。図１乃至図３において、実線矢印は、電力出力の方向を示し、点線矢印は充電作用状態を示す。

また、オン・オフスイッチ８３が開となることによって前記蓄電池５１からの電力がＰ２を経て総合コントロールユニット（ＴＣＵ）６１に流れ、該総合コントロールユニット（ＴＣＵ）６１が主電源が復活したと誤認識しないようにする。同様にオン・オフスイッチ８３が開くのも逆流を防止するためである。それでも僅かな電力であるが、接合点Ｐ２からパワーコンディショナ７４を介して再び直流に変換されてエンジン用バッテリ５２に充電される。特に、非常時でも充電作用を提供できる。

次に、図３においてガスエンジン1にて発電し長時間に亘って本格的に電力を供給し続けるときの本発明の特徴について説明するが、その前に前記ガスエンジン１が始動するまでの過程について述べる。まず、前記総合コントロールユニット（ＴＣＵ）６１で、商用電源（主電源）の喪失を検出するとその信号は、該総合コントロールユニット（ＴＣＵ）６１からエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２に伝えられる。

該エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２からの信号でスターターリレー４２はエンジン用バッテリ（１２Ｖ）５２の電源でスターターモータ４１を駆動する。同時に前記エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２の信号にてガスボンベ２９（ＬＰＧ用）から通常用いる機械式の減圧バルブ２８を経て来たガスを遮断していた電磁弁２７に通電してこれを開く。

同時に殆ど大気圧の燃料の圧力を調整する調圧バルブ２６を作動させ、燃料をガスエンジン1の燃料供給装置２に供給する態勢が整う。一方、ガスエンジン１の運転に不可欠なエンジンオイルの供給は電動のオイルポンプ４６で、冷却水も電動のウォーターポンプ４７で循環させる。

前記スターターモータ４１が回転すると、ガスエンジン１がクランキングされて吸入によって発生する負圧で燃料供給装置２で計量された燃料と空気を吸入して、圧縮し点火して始動する。この始動性は多点点火（２個の点火プラグ１３を配設した）とガス燃料のためディーゼルエンジンに比べると格段に優れている。

ガスエンジン１が始動して定格の回転数に達し、これと同一回転数で回る直流発電機３から電力が供給できるようになると、オン・オフスイッチは図２の状態から図３のように切り換わる。ここで、ガスエンジン１の回転速度はクランク回転センサ４８で検出した点火時期制御用の上死点信号を勘定して回転数を算出する。これが所定の回転数、例えば、２０００rpmになるように、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２の信号にて燃料供給装置２のスロットル２０の開度を調整する。

前記オン・オフスイッチ８３は開いたままであるがオン・オフスイッチ８５及び８２は閉じる。前記直流発電機３による直流は、矢印のように接合点Ｐ４から、前述の図２の蓄電池５１から供給されていたのと全く同じに、前記直流→交流インバータ７１で直流が主電源と同じ電力と周波数の交流に変換されて前記オン・オフスイッチ８２を経て接合点Ｐ２から出力される。このとき、前記ガスエンジン１による直流発電機３の直流電力にて接合点Ｐ４から蓄電池５１に供給されて充電する。

これによって、先の放電で減少した該蓄電池５１の電気エネルギを満充電まで補充しておく。この非常時の充電機能が大きな利点である。これは主電源が回復後、また喪失したときに備えるためである。同様に前記パワーコンディショナ７４で低電圧の直流に変換されて前記エンジン用バッテリ５２も充電するように構成されている。

ガスエンジン１の作動中に冷却水温度が上昇すると、サーモスタット４３が開いて、冷却水がラジエータ４４を循環する。さらに、水温が上がるとファンモータ４５に通電して、冷却風で前記ラジエータ４４からの放熱を促進する。

次に燃料の消費とこれによる発電エネルギについて説明する。例として、前記ガスボンベ２９にプロパンC₃H₈が２０kgが充填されっているボンベを使った場合を想定する。C₃H₈の分子量は44、すなわち1モル、標準状態（０℃，１気圧）22.4リットルの質量が44である。一方、標準状態におけるプロパンの低発熱量(以後、発熱量と略す)は90.7MJ/m³である。

C₃H₈の1m³の質量は44g×1000/22.4＝1964gである。従って、20kgボンベには標準状態で(20kg)/(1.964kg/m³)＝10.18m³のプロパンが充填されている。その発熱量は90.7MJ/m³×10.18m³=923MJ(=923×10³kJ)となる。これだけの熱量で発電できる電気エネルギを求め、72時間1kWを供給できるかを検討する。

摩擦損失の小さい低速で回転する多点点火のエンジンで安定して得られた熱効率は36%である。発電機の効率を95%、直流→交流インバータ７１の転換効率をともに93%とする。また、接合点Ｐ２からの出力を最大の1kWを出し続けるとして、エンジンで消費するエネルギは、(1kJ/s)/(0.36×0.95×0.93)=3.1441kJ/sとなる。923×10³kJを消費する時間は(923×10³kJ)/(3.144kJ/s)≒294000s、即ち75.8時間となる。20kgボンベ1本で８１時間以上の発電が可能であり、余裕をもって目標の７２時間を達成することができる。

商用電源（主電源）が回復するとこれを前記総合コントロールユニット（ＴＣＵ）６１が関知し、前記オン・オフスイッチ８２、８５を開き、且つ前記オン・オフスイッチ８３を閉じて接合点Ｐ１からは接合２に主電源の電力が供給される。また、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２はエンジンを停止させると同時に前記電磁弁２７を閉じて、燃料を遮断する。そして図1の状態に戻る。

ここで、各オン・オフスイッチの切り替え速度は遅くても１０msである。一方、健康な人間の目の残像時間である1/16秒、すなわち62.5msである。これは一瞬の停電を人間の目では気づかないことを意味する。前記ガスエンジン１が所定の出力より低い出力で定格の回転数で回っているとき、急に要求電気出力が増大したとする。負荷の増大によりエンジンの回転数は低下する。これを回復しようとしてエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２からの信号で燃料供給装置２のスロットルを開くが、所定の回転数に戻るまでには短時間ではあるが時間を要する。

出力の余力が少ない小型エンジンではこれに対抗できずに、接合点Ｐ２の出力電圧が低下したり、極端な場合にはガスエンジン１が止まってしまうことがある。これに対して一時的に蓄電池５１からの電力放出も効果的であるが、小型エンジンであってもガスエンジン自体で負荷の急な増大に対応できるようにしておくことも必要である。このような手段としてフライホイール９を設けることもある。

その構造としては、図１乃至図３に示すように、外周囲の厚肉外周部を有するフライホイール９は、前記ガスエンジン１のクランクシャフトの端部に止着ボルトにて固定されている。さらに、前記フライホイール９の中央位置に形成されたボス部内の雌型スプラインに、前記直流発電機３の中央に設けた雄型スプライン３５が嵌合して固着されている。極めて簡易な構成で取付られている。

回転慣性モーメントＩｐ（単位はkgm²）が大きいと回転の下りが緩やかとなる。突入直後のエンジン回転数は従来型より高い。高いと吸い込み回数が多いのでミキサから前記シリンダ１内を満たすまでの時間が短くなる。すると、その間に供給される混合気の量が増大する。発生する熱エネルギが多い、即ち、力強く吹き上がる。前記回転慣性モーメントＩｐの大きさは100cc〜300ccのエンジンで1.2kgm²〜1.0kgm²であり、４シリンダの2000cc〜3500ccの火花点火エンジンと略同じ大きさである。

また、前記フライホイール９を設けた本発明のグラフと従来技術とを比較すると、従来技術では、非常時におけるガスエンジン１に急激な電気負荷が発生したときに、エンジン回転数が低下してエンスト限界まで立上りが下がり、収束（収斂）されるが遅く、本発明の立上げによる収束（収斂）時間は約半分であり、極めてエンストしにくい構成にできる利点がある。

前記直流発電機３としては、前記ガスエンジン１からの前記フライホイール９に直結した回転子３１に整流子３２が設けられ、整流子３２にはブラシ３４が接触可能に取り付けられている。前記回転子３１には、ステーターコイル３３が設けられている。これによって、前記ガスエンジン１の回転と同速度で前記直流発電機の回転子28が回転する。発電する電力の制御はブラシ３４から整流子３２、そして回転子３１に供給される励磁電流で行う。

前記総合コントロールユニット（ＴＣＵ）６１はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２から供給された電力で励磁電流を制御しながら回転子３１に供給する。これにより前記ステーターコイル３３には所定の電圧の電力が発生する。該ステーターコイル３３からの直流電力はオン・オフスイッチ８５を経て接合点Ｐ４で蓄電池５１との電力と並列となり、直流→交流インバータ７１で商用電源と同じ電圧と周波数の交流に変換され、オン・オフスイッチ８２を経て接合点Ｐ２から出力する。

ここで、電気負荷が大きいとガスエンジン１の要求トルクが増大して回転数が下がるので、前記エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２からの信号でスロットルアクチュエータ２１を作動させてスロットル２０の開度を増大させて所定の回転数に維持する。回転数が上がり過ぎるとこの逆の制御を行う。

電気負荷の急な増大にフライホイール９の回転のエネルギだけでは不足するような場合の対策について図６に示す。図の下のグラフのように、電気負荷が急にＬ１からＬ２に増大すると、ガスエンジン１による発電だけでは接合点Ｐ４の電圧はＥｃから低下する。そしてガスエンジン１の回転数も所定の回転数Ｎｅ(例えば２０００rpm)から大きく低下する。ここで、ガスエンジン１の回転数が所定の値を維持している間は、電気負荷にバランスした電力を供給していることを意味する。

このようにガスエンジン１の回転数が下がりかけた場合は、直流発電機３の出力側と蓄電池５１の端子が並列につながっているから、もし発電電圧が蓄電池５１の端子電圧(例えば96V)より低下すると、自動的に蓄電池５１から直流電力が直流→交流インバータ７１に供給される。これにより、図６の上段のグラフのように出力電圧は所定の交流電圧Eを維持することができるが、この内、接合点Ｐ２の部分は蓄電池５１からの電力によるものである。その放電による蓄電池５１の電気エネルギはガスエンジン１が定常の運転状態に戻った後に充電される。

なお、ガスエンジンの吹き上がりが鈍く、発電機の発電電圧が蓄電池５１電圧より低くなったときに、電位差が大きいと蓄電池５１から直流発電機３への逆流が生じることがある。これを防止するためには、ステーターコイル３３とオン・オフスイッチ８５の間もしくはオン・オフスイッチ８５と接合点Ｐ４の間にステーターコイル３３方向への逆流遮断機を挿入する。

蓄電池５１から電力が供給されると同時にエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２からの信号でスロットル２０は開度を増大させるので、ガスエンジン１の回転数は所定の回転速度Neに達する。しかし、そのままではさらに上昇し、発電電圧は所定の値を越してしまい、暴走状態になることがある。

そこで、図7で説明するスロットル開度制御を行う。下段のように、時刻Ｔで電気負荷がＬ１からＬ２に増大すると、中段のように即座にＬ１のときに所定のガスエンジン回転数を維持してきたスロットル開度β1からフロスロットルの状態にする。すると、上段のように一旦(1)まで低下したガスエンジン回転数は上昇し出す。

そして(2)で所定の回転数Neに達する。そこで中段のようにスロットル開度を、例えば1秒当たりに徐々に5%、あるいは1秒毎にステップ状に5%閉じる。これによりガスエンジン回転数の上昇が鈍り、低下に転ずる。(2)でNeまで下がつた瞬間に今度は毎秒当たり徐々に4%あるいは、ステップ状に4%開く。そして(4)に達したら3%ずつ閉じる。これを繰り返すと所定の回転数(例えば1800rpm)を維持するスロットル開度に収束する。なお、この5%や4%などではなく実情により変えてもよいのは言うまでもない。

電気負荷が徐々に増大した場合にはガスエンジン１の回転数が徐々に下がるので、いきなりフルスロットルにせずにクランク回転センサ４８で検出した回転数が所定の回転数を維持するように、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２からの信号でスロットル２０を開く。ガスエンジン１の回転数が徐々に上がつた場合はこの逆で、前記クランク回転センサ４８で検出した回転数が所定の回転数を維持するように、前記エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２からの信号で前記スロットル２０を閉じる。

商用電源の復帰を総合コントロールユニット（ＴＣＵ）６１が検出したら、該総合コントロールユニット（ＴＣＵ）６１はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２にガスエンジン１の停止の信号を送るとともに、非常用電力系のオン・オフスイッチ８５と８２をオフにすると同時にオン・オフスイッチ８１と８３をオンにする。一方、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２は点火をカットしスロットルアクチュエータ２１でスロットル２０を閉じ、電磁弁２７も閉じる。これで商用電源は接合点Ｐ１から本装置を素通りして接合点Ｐ２から出力される。なお、何らかの都合で点火カットが一瞬遅れても、前述のようにフライホイール９の回転慣性モーメントを大きく設定しておけば回転が上がり過ぎて、ガスエンジンを破壊するようなことはない。

前記各オン・オフスイッチ８１、８２、８３及び８５は、各々オン・オフリレースイッチとして構成することもある。これらのリレースイッチは電磁的に接点を開閉しても半導体を用いた通常の無接点スイッチなどである。主に、経済性による。また、図４のフローチャート図は、本発明の基本のステップを表している。さらに、図５の表では、特に、本発明の特徴が表わされている。

つまり、最下段のように、停電と復帰が所定時間（１日とから、３日とか）間隔で続いたとしても、その非常時においても、非常用の蓄電池５１等を充電する構成であることによる。かかる構成は従来には存在しなかった最大の利点である。例えば、最近では、熊本大地震で、２４時間以内に震度７が２度も続いた場合でも十分に対応できる発明である。

一般には、公知技術であるスロットル２０を適宜開けると、ＬＰＧは前記オリフィス１８ａ箇所から吸気ダクト１８内に流入するが、あたかも、単に水道水が流入するようになっており、ＬＰＧも気体であり、空気とは、混合しにくい状況であり、前記ＬＰＧと空気との混合された混合気が、前述したように、前述したシリンダ１１内でのスワールＳ現象等によって、空気とＬＰＧとが良好に混合して、燃焼効率の良好なガスエンジン１を提供できるものである。

１…ガスエンジン、１１…シリンダ、１２…シリンダヘッド、１３…点火プラグ、
１５…吸気バルブ、１７…排気バルブ、１２ａ…扁平球面状凹面、１２ｂ…膨出部、
２…燃料供給装置、３…直流発電機、５１…蓄電池、５２…エンジン用バッテリ、
６１…総合コントロールユニット(ＴＣＵ)、
８１，８２，８３，８５…オン・オフスイッチ、９…フライホイール。

Claims

排気量５０cc〜５００ccの小型のＬＰＧ用のガスエンジンと，該ガスエンジンの起動により発電する直流発電機と、電源用の蓄電池と、エンジン用バッテリと、複数のオン・オフスイッチと、該オン・オフスイッチを制御する総合コントロールユニットとを備え、
前記ガスエンジンのシリンダには２個の点火プラグが設けられると共に、前記シリンダを平面的に見て、第１の点火プラグ，吸気バルブ，第２の点火プラグ及び排気バルブが周回りに配され、且つ前記吸気バルブからの吸気が前記シリンダ内を平面的に見て、接線方向乃至接線に近似する方向に流入するように構成されてなり、
通常時においては、前記オン・オフスイッチを介して商用電源の電力供給側を通電状態とし、何等かの事故等により前記商用電源が喪失した瞬間に前記蓄電池からインバータを介して応急的に前記商用電源と同等の電圧で同等の周波数の交流電力を前記電力供給側に給電すると共に、前記商用電源が失した瞬間から前記エンジン用バッテリにて前述した構成の前記ガスエンジンを起動させて該起動力により前記直流発電機にて発電し、
該発電中の前記ガスエンジンが所定の回転数に達したときに前記蓄電池からの電力の供給を中止すると同時に、前記ガスエンジンで発電した直流電力を電力供給側に給電し、前記商用電源の復帰時まで前記ガスエンジンのみの電力にて給電し続けることとしてなることを特徴とする簡易型非常用電力供給装置。
請求項１に記載の簡易型非常用電力供給装置において、前記事故時の前記ガスエンジンによる電力にても、或いは通常時の電力にても前記蓄電池及び前記エンジン用バッテリに対して充電作用を提供することを特徴とする簡易型非常用電力供給装置。
請求項１又は２に記載の簡易型非常用電力供給装置において、前記ガスエンジンの前記吸気バルブ，前記第１の点火プラグ，前記排気バルブ及び前記第２の点火プラグが４等分に配されてなることを特徴とする簡易型非常用電力供給装置。
請求項１，２又は３に記載の簡易型非常用電力供給装置において、前記ガスエンジンのシリンダ内に流入した混合気の主流が前記点火プラグの点火点を直撃せず、かつその近傍を流れるように構成されてなることを特徴とする簡易型非常用電力供給装置。
請求項４に記載の簡易型非常用電力供給装置において、前記ガスエンジンのシリンダ上部のシリンダヘッド下面が扁平球面状凹面に形成されつつ、該扁平球面状凹面の下側面に、膨出部が１個の前記点火プラグの手前側で且つ前記混合気の下流側になるようにして設けられてなることを特徴とする簡易型非常用電力供給装置。
請求項１，２，３，４又は５に記載の簡易型非常用電力供給装置において、前記ガスエンジンと前記直流発電機との間にフライホイールが設けられてなることを特徴とする簡易型非常用電力供給装置。
請求項１，２，３，４，５又は６に記載の簡易型非常用電力供給装置において、前記オン・オフスイッチをオン・オフリレースイッチとしたことを特徴とする簡易型非常用電力供給装置。