WO2024106061A1 - エンジン発電システムの制御装置 - Google Patents

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WO2024106061A1
WO2024106061A1 PCT/JP2023/036638 JP2023036638W WO2024106061A1 WO 2024106061 A1 WO2024106061 A1 WO 2024106061A1 JP 2023036638 W JP2023036638 W JP 2023036638W WO 2024106061 A1 WO2024106061 A1 WO 2024106061A1
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WO
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engine
power generation
generation system
catalyst
control device
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PCT/JP2023/036638
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隆太郎 小祝
敦史 島田
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株式会社日立製作所
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M21/00—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
    • F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels

Definitions

  • the present invention relates to a control device for an engine power generation system that supports the mixed combustion of renewable energy-derived fuels such as hydrogen and hydrocarbon fuels such as gasoline and natural gas.
  • RE fuels renewable energy-derived fuels
  • Distributed power generation systems that use engine generators compatible with RE fuels are promising as systems that can respond to fluctuations in renewable energy while utilizing RE fuels that are ubiquitous in the region.
  • mass-produced engines such as existing automobile engines and industrial engines and using them as stationary power generation systems, it is possible to minimize initial equipment costs.
  • mixed combustion by using engines that can mix and burn RE fuels such as hydrogen with hydrocarbon fuels such as gasoline and natural gas (hereinafter referred to as mixed combustion), it becomes possible to operate the power generation system according to the amount of RE fuel produced or procured, thereby increasing the operating rate.
  • Patent Document 1 discloses a fuel supply device for an internal combustion engine that is configured to be able to supply hydrogen fuel and hydrocarbon-based fuel independently to a combustion chamber of an internal combustion engine, and that has a first combustion control mode that supplies the hydrocarbon-based fuel to a radial center portion of the combustion chamber or to a portion of the combustion chamber surrounding an ignition plug provided for the combustion chamber, and that supplies the hydrogen fuel to a portion of the combustion chamber surrounding a space to which the hydrocarbon-based fuel is supplied.
  • Engine exhaust contains carbon monoxide (CO), hydrocarbons (HC), nitrogen oxides (NOx), and other substances that are harmful to humans, animals, and plants, so it is necessary to suppress the emission of these harmful substances to the outside.
  • CO carbon monoxide
  • HC hydrocarbons
  • NOx nitrogen oxides
  • it is effective to provide an exhaust purification catalyst in the engine's exhaust path to purify harmful substances (NOx, THC, CO, etc.) and to reduce harmful substances directly emitted from the engine.
  • the challenge is to quickly activate the catalyst. This is because harmful substances can be effectively purified by raising the temperature of the catalyst and making it active.
  • lean combustion in which the minimum amount of air required for complete combustion is burned in a leaner state (hereinafter referred to as lean) than the theoretical air-fuel ratio, which is the ratio of fuel, is effective.
  • lean combustion reduces the combustion gas temperature, which can significantly suppress the amount of NOx generated by combustion.
  • lean combustion contains oxygen in the exhaust, both THC and CO can be purified with a three-way catalyst.
  • lean combustion reduces combustion stability, so the challenge is to quickly achieve a warm-up state in the engine that allows stable combustion (hereafter referred to as early engine warm-up).
  • the above-mentioned challenge must be resolved by taking into account the properties of each fuel.
  • Patent Document 1 a mixture of hydrocarbon fuel and hydrogen is burned when the catalyst is heated, so the time required to activate the catalyst increases compared to when only hydrocarbon fuel is burned. This is because the temperature of the exhaust gas generated by the combustion of hydrogen is lower than the temperature of the exhaust gas generated by the combustion of hydrocarbon fuel. Furthermore, the conventional technology described in Patent Document 1 is limited to configurations that include a means for controlling the spatial distribution of fuel in the combustion chamber, and for example, in a configuration in which hydrocarbon fuel and hydrogen are supplied from midway through the intake pipe, the hydrocarbon fuel and hydrogen are supplied to the combustion chamber in a well-mixed state, making it difficult to apply.
  • the present invention was made in consideration of these circumstances, and aims to provide a control device for an engine power generation system that can quickly activate the exhaust purification catalyst and quickly warm up the engine in a power generation system that is composed of an engine that can supply RE fuel and hydrocarbon fuel and can co-combust them.
  • the present invention provides an engine power generation system that generates power using an engine that is supplied with hydrocarbon fuel and hydrogen to enable co-combustion and has an engine warm-up state detection unit that detects whether the engine is in a warm-up state, the engine power generation system control device comprising a catalyst that is provided in the exhaust passage of the engine to purify exhaust gas, and a catalyst activation state detection unit that detects whether the catalyst is in an active state, the engine power generation system control device being characterized in that it controls the amount of hydrocarbon fuel or hydrogen supplied to the engine based on the catalyst activation state detected by the catalyst activation state detection unit and the warm-up state of the engine detected by the engine warm-up state detection unit.
  • the present invention it is possible to control the supply of hydrocarbon fuel and hydrogen depending on the activation state of the catalyst and the warm-up state of the engine, which allows for early activation of the catalyst and early warm-up of the engine, thereby making it possible to suppress the emission of harmful substances contained in the exhaust to the outside.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example in which a power generation system control device according to a first embodiment of the present invention is applied to a power generation system including an engine generator fueled by hydrogen and natural gas;
  • FIG. 2 is a block diagram showing an example of a hardware configuration of the power generation system control device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of an engine configuration according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing another example of an engine configuration according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing heat generation histories under natural gas mono-combustion conditions and hydrogen co-combustion conditions according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a graph showing the history of average gas temperatures in the cylinder under natural gas mono-fuel combustion conditions and hydrogen-mixed combustion conditions according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing the amount of heat transfer from the gas in the cylinder to the engine cylinder in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing lean limits under natural gas mono-combustion conditions and hydrogen co-combustion conditions according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing an indicated thermal efficiency at a lean limit according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing the amount of NOx generated at the lean limit according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing an operation mode according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a flowchart of engine generator control according to the first embodiment of the present invention. 4 is a time chart of a scene in which the catalyst according to the first embodiment of the present invention is inactive and the engine is started from a cold condition.
  • FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing an example in which a power generation system control device according to a second embodiment of the present invention is applied to a power generation system including a plurality of engine generators fueled by hydrogen and natural gas.
  • FIG. 6 is a block diagram showing an example of a hardware configuration of a power generation system control device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing an example in which a power generation system control device according to a second embodiment of the present invention is applied to a power generation system including a plurality of engine generators fueled by hydrogen and natural gas.
  • FIG. 6 is a block diagram showing an example of a hardware configuration of a power generation system control device according to a second embodiment of the
  • FIG. 11 is a diagram showing the indicated thermal efficiency under a natural gas mono-combustion condition and a hydrogen co-combustion condition according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing an operation mode according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of a flowchart of engine generator control according to a second embodiment of the present invention.
  • 10 is a time chart showing a scene in which the total required output increases from a state in which the engine A is operating at a rated output, and the engine B is newly started according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing an operation mode according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of a flowchart of engine generator control according to a second embodiment of the present invention.
  • 10 is a time chart showing a scene in which the total required output increases from a state in which the engine A is operating at a rated output, and the engine B is
  • FIG. 11 is a diagram showing the tendency of CO, HC, and NOx generation with respect to the air-fuel ratio in premixed combustion in a spark ignition engine according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of a flowchart of engine generator control according to a third embodiment of the present invention.
  • At least one fuel is hydrogen and the other fuel is a hydrocarbon fuel.
  • natural gas is exemplified as the hydrocarbon fuel, but diesel or gasoline may also be used. This combination of fuels can be selected as appropriate.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example in which a power generation system control device according to a first embodiment of the present invention is applied to a power generation system including an engine generator fueled by hydrogen and natural gas.
  • the power generation system 100 includes a power generation module GM that is composed of an engine 11, a generator 12, and a power converter 13.
  • the engine 11 includes an electronic control unit (ECU) 15 for controlling the engine 11.
  • the engine 11 is connected to a hydrogen generation device 2 via a hydrogen supply device 14, and is capable of being supplied with hydrogen fuel.
  • the engine 11 is also connected to a fuel tank that is capable of being supplied with natural gas, and is therefore capable of burning hydrogen fuel, natural gas, or a mixture of hydrogen and natural gas.
  • the output of this power generation module GM is electrically connected to the load side device 3.
  • the minimum configuration of the power generation module GM applicable to the present invention is that it must include an engine 11 and a generator 12, and depending on whether the load is an AC load or a DC load, it is sufficient to include an appropriate power converter 13.
  • the generator 12 may be either an AC generator or a DC generator.
  • a three-way catalyst 20 as an exhaust purification catalyst that purifies the exhaust gas
  • a catalyst upstream temperature sensor 18 that measures the temperature of the gas flowing into the three-way catalyst 20 (catalyst inlet gas temperature)
  • an air-fuel ratio sensor 17 which is one form of air-fuel ratio detector and detects the air-fuel ratio of the exhaust gas upstream of the three-way catalyst 20
  • an oxygen concentration sensor 19 which detects the oxygen concentration of the exhaust gas downstream of the three-way catalyst 20 are provided at appropriate positions in the exhaust passage 16 of the engine 11.
  • the three-way catalyst 20 oxidizes the hydrocarbons and carbon monoxide in the exhaust gas and reduces the nitrogen oxides at the same time, purifying the harmful gas components in the exhaust gas into carbon dioxide, water vapor, and nitrogen.
  • the ratio of the reaction components HC, NOx, CO, H2
  • the range of the air-fuel ratio of the mixture that realizes this state is called a window, and in a typical spark ignition engine, the mass ratio of air to fuel is a very narrow range near the theoretical air-fuel ratio (stoichiometric), which is the minimum ratio of air to fuel required for complete combustion.
  • the power generation system control device 1 is mounted on the power generation system 100.
  • the power generation system control device 1 calculates the required load of the power generation system 100 based on the required load Sg1 from the load side device 3.
  • the power generation system control device 1 receives supplyable hydrogen amount information Sg2 from the hydrogen generation device 2.
  • the power generation system control device 1 receives information (engine state) Sg3 of the sensors and actuators of the engine 11 from the engine 11.
  • the power generation system control device 1 receives the air-fuel ratio Sg4, catalyst inflow gas temperature (also called catalyst upstream temperature) Sg5, and oxygen concentration Sg6 as information related to the control of the three-way catalyst 20 from the air-fuel ratio sensor 17, catalyst upstream temperature sensor 18, and oxygen concentration sensor 19.
  • the power generation system control device 1 Based on this information (Sg1), the power generation system control device 1 sends the engine required output and a command for whether to drive (hereinafter simply referred to as the required output) Sd1 to the ECU 15 of the engine 11, and controls the hydrogen supply device 14 to realize the desired hydrogen supply amount (hydrogen supply target amount) Sd2.
  • the ECU 15 controls the output of the engine 11 based on the required output Sd1 from the power generation system control device 1. Specifically, the ECU 15 controls the natural gas fuel injection unit, the ignition unit, the throttle valve, and the starter.
  • the engine 11 is, for example, a four-cylinder engine that uses spark ignition combustion, and is an example of an internal combustion engine.
  • the generator 12 generates power using the driving force of the engine 11 to achieve the desired power load.
  • the power converter 13 adjusts the voltage and phase of the power generated by the generator 12, and supplies the adjusted power to the load side equipment 3.
  • FIG. 2 is a block diagram showing an example of the hardware configuration of the power generation system control device 1.
  • the power generation system control device 1 is configured using a computer device.
  • the required load Sg1, supplyable hydrogen amount Sg2, and engine state Sg3 output from the load side device 3, hydrogen generator 2, and ECU 15, respectively, are input to the input circuit 1a of the power generation system control device 1.
  • the input signals are not limited to these.
  • Each signal input to the input circuit 1a is sent to an input port (not shown) in the input/output port 1b.
  • the values sent to the input port are stored in the RAM (1c) and processed by the CPU (1e).
  • a control program describing the contents of the processing is written in advance in the ROM (1d).
  • the values indicating the operating amounts of the controlled objects (engine 11, hydrogen supply device 14, etc.) calculated according to the control program are stored in RAM (1c) and then sent to an output port (not shown) in input/output port 1b, and sent to each device (ECU 15, hydrogen supply device 14) via each output section (engine torque control output section 1f, hydrogen supply amount control output section 1g) as the required output Sd1 and the desired hydrogen supply amount (target hydrogen supply amount) Sd2.
  • the engine control device (ECU 15) is provided separately from the power generation system control device 1, but this is not limited to this form, and functional sections corresponding to the control devices of each device may be provided within the power generation system control device 1.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of the engine 11 according to the first embodiment.
  • the engine 11 has been modified so that hydrogen can be supplied to a four-cylinder automobile engine that performs spark ignition combustion.
  • An air flow sensor 21 that measures the amount of intake air and an electronically controlled throttle 26 that adjusts the intake pipe pressure are provided at appropriate positions in each intake pipe 27.
  • the engine 11 also has a spark plug 29 for each cylinder that supplies ignition energy to the combustion chamber 28 of each cylinder, and a coolant temperature sensor 24 that measures the temperature of the engine 11 coolant is provided at an appropriate position in the cylinder head 30.
  • the exhaust pipe 25 is connected to the exhaust passage 16.
  • a natural gas injection device 22 for injecting natural gas as fuel is provided within the combustion chamber 28.
  • the natural gas injection device 22 is connected to a fuel tank (not shown) by a fuel pipe.
  • a hydrogen supply passage 23 for supplying hydrogen into the intake pipe 27 is provided, and the hydrogen supply passage 23 is connected to a hydrogen supply device 14 that controls the amount of hydrogen supplied.
  • the hydrogen supply device 14 is connected to the hydrogen generation device 2 by a hydrogen pipe.
  • the above configuration makes it possible to switch between engine operation using natural gas (natural gas only), engine operation using hydrogen (hydrogen only), and engine operation using both hydrogen and natural gas at the same time (natural gas-hydrogen mixed combustion).
  • FIG. 4 is a diagram showing another example of the configuration of the engine 11 according to the first embodiment.
  • the engine 11 has been modified so that hydrogen can be supplied to a four-cylinder automobile engine that performs spark ignition combustion.
  • An air flow sensor 21 that measures the amount of intake air and an electronically controlled throttle 26 that adjusts the intake pipe pressure are provided at appropriate positions in each intake pipe 27.
  • the engine 11 also has a spark plug 29 for each cylinder that supplies ignition energy to the combustion chamber 28 of each cylinder, and a coolant temperature sensor 24 that measures the temperature of the engine 11 coolant is provided at an appropriate position in the cylinder head 30.
  • the exhaust pipe 25 is connected to the exhaust passage 16.
  • a natural gas injection device 22 for injecting natural gas as fuel is provided in the intake pipe 27.
  • the natural gas injection device 22 is connected to a fuel tank (not shown) by a fuel pipe.
  • a hydrogen supply passage 23 for supplying hydrogen into the combustion chamber 28 is provided, and the hydrogen supply passage 23 is connected to a hydrogen supply device 14 that controls the amount of hydrogen supplied.
  • the hydrogen supply device 14 is connected to the hydrogen generation device 2 by a hydrogen pipe.
  • the above configuration makes it possible to switch between engine operation using natural gas (natural gas only), engine operation using hydrogen (hydrogen only), and engine operation using both hydrogen and natural gas at the same time (natural gas-hydrogen mixed combustion).
  • the conditions illustrated in Figures 5 to 7 are natural gas mono-fuel combustion conditions and natural gas-hydrogen mixed combustion conditions, and are the same for each, with the engine speed and indicated mean effective pressure being constant, the air-fuel ratio being the theoretical air-fuel ratio, and the ignition timing being the optimal ignition timing.
  • Figure 5 shows the heat release history under conditions of natural gas mono-combustion and hydrogen co-firing.
  • the horizontal axis is crank angle, and the vertical axis is heat release rate.
  • Figure 5 shows the heat release history near the compression top dead center during the compression-expansion stroke.
  • Figure 5 shows that hydrogen co-firing makes heat release steeper. This is mainly due to the fact that the laminar burning speed of hydrogen is significantly higher than that of natural gas, which is primarily composed of methane.
  • Figure 6 shows the average in-cylinder gas temperature history under natural gas mono-combustion and hydrogen co-firing conditions.
  • Figure 6 shows that as a result of the steeper heat generation with hydrogen co-firing, the time when the average in-cylinder gas temperature reaches its maximum is earlier, and after 30 deg ATDC, the average in-cylinder gas temperature is lower than under natural gas mono-combustion.
  • Figure 7 shows the amount of heat transfer from the gas inside the cylinder to the engine cylinder (hereafter referred to as cylinder heat transfer). Hydrogen co-firing increases the amount of heat transfer in the cylinder. This is thought to be due to the fact that hydrogen combustion has a much faster burning speed than natural gas, and this is caused by the large gas flow generated by flame propagation, and the fact that the flame front reaches the combustion chamber wall quickly, resulting in large gas convection near the wall.
  • Figure 8 shows the lean limit for natural gas and hydrogen co-firing conditions.
  • the lean limit refers to the air-fuel ratio at which the engine's combustion stability reaches the allowable limit.
  • Figure 8 shows that the lean limit is larger under hydrogen co-firing conditions compared to natural gas. This is because the laminar burning speed of hydrogen is significantly greater than that of natural gas.
  • Figure 9 shows the indicated thermal efficiency at the lean limit. It can be seen from Figure 9 that the indicated thermal efficiency at the lean limit is higher under hydrogen co-firing conditions compared to natural gas mono-firing conditions. This is mainly because the increased degree of leanness reduces the combustion gas temperature, which in turn reduces the cooling loss.
  • Figure 10 shows the amount of NOx generated at the lean limit. It can be seen from Figure 10 that the amount of NOx generated at the lean limit is significantly lower under hydrogen co-firing conditions compared to natural gas mono-firing conditions. This is mainly because the lower combustion gas temperature suppresses the generation of thermal NOx, which is generated when nitrogen and oxygen react at high temperatures.
  • the amount of hydrocarbon fuel or hydrogen supplied to the engine is controlled based on the activation state of the catalyst and the warm-up state of the engine.
  • the hydrogen mixing ratio is the ratio of the amount of hydrogen to the total amount of fuel (natural gas and hydrogen) supplied to the engine.
  • the ratio may be a calorific value ratio, a volume ratio, a mass ratio, etc., and may be selected appropriately. Details of each operating mode are provided below.
  • Mode 1 Under the condition that the catalyst is inactive, only hydrocarbon fuel is supplied to the engine, and the engine is exclusively burned with hydrocarbon fuel. This increases the exhaust temperature and enables the catalyst to be activated early. In addition, ignition retard control may also be performed. This increases the exhaust temperature and enables the catalyst to be activated earlier. In addition, the air-fuel ratio of the engine is controlled so that the oxygen concentration of the exhaust flowing into the catalyst is equal to or less than a predetermined value C1.
  • the predetermined value C1 is the oxygen concentration of the exhaust when the engine is operated at a theoretical air-fuel ratio (stoichiometric).
  • the air-fuel ratio of the engine is not required to be strictly stoichiometric as long as it is controlled within the window range of the catalyst where the ratio of the reaction components (HC, NOx, CO, H2 ) is stoichiometrically ideal. This enables the catalyst to purify harmful gas components (HC, CO, NOx) in the exhaust.
  • the engine Under the condition that the catalyst is active and the engine is cold, the engine is supplied with hydrocarbon fuel and hydrogen to perform hydrogen co-combustion. This increases the amount of heat transfer in the cylinder, and the engine can be warmed up quickly.
  • the air-fuel ratio of the engine is controlled so that the oxygen concentration of the exhaust gas flowing into the catalyst is equal to or less than a predetermined value C1.
  • the predetermined value C1 is the oxygen concentration of the exhaust gas when the engine is operated at the theoretical air-fuel ratio (stoichiometric).
  • the air-fuel ratio does not need to be strictly stoichiometric as long as it is controlled within the window of the catalyst.
  • the relationship between the air-fuel ratio and the exhaust composition under the hydrogen co-combustion condition may be obtained in advance, and the air-fuel ratio may be controlled so that the ratio of the reaction components (HC, NOx, CO, H2 ) is stoichiometrically ideal. This allows the catalyst to purify harmful gas components (HC, CO, NOx) in the exhaust gas.
  • the predetermined value C2 is the oxygen concentration of the exhaust gas under lean conditions where the air-fuel ratio of the engine is such that the amount of NOx produced by the engine can be suppressed to a value that satisfies the exhaust gas regulation value without using an aftertreatment device (in other words, when the engine is operated at an air-fuel ratio where the amount of nitrogen oxides directly emitted from the engine is equal to or lower than a predetermined value). This allows the NOx emitted from the engine to be reduced, and the catalyst to purify CO and HC with high efficiency.
  • FIG. 12 shows an example of a flow chart for engine generator control according to this embodiment. Each step will be explained in detail below.
  • step S1 the power generation system control device 1 first reads information (required load) Sg1 from the connected load side device 3.
  • the information (required load) Sg1 from the load side device 3 is, for example, the current power consumption (voltage and current) of the device on the load side or a future predicted value.
  • the information is a current or future power request value from the grid side.
  • step S2 the power generation system control device 1 reads information (engine state) Sg3 of the engine 11 from the ECU 15 and the engine 11.
  • the information (engine state) Sg3 from the ECU 15 and the engine 11 is, for example, the engine state such as the current engine speed, torque, and engine temperature (cooling water temperature, intake air temperature, etc.) and engine specifications (displacement, compression ratio, fuel supply position, etc.).
  • step S3 the power generation system control device 1 reads hydrogen generation information (supplyable hydrogen amount) Sg2 from the hydrogen generation device 2.
  • the hydrogen generation device 2 is, for example, a water electrolytic cell that generates hydrogen from renewable energy, and information such as the power that can be input to the water electrolytic cell and output efficiency is read into the power generation system control device 1.
  • step S4 the power generation system control device 1 reads information related to catalyst control from the air-fuel ratio sensor 17, the catalyst upstream temperature sensor 18, and the oxygen concentration sensor 19.
  • the information related to catalyst control is the air-fuel ratio Sg4, the catalyst inflow gas temperature (catalyst upstream temperature) Sg5, and the oxygen concentration Sg6.
  • step S5 the power generation system control device 1 calculates a total required output required for the power generation system 100 based on the information (required load) Sg1 from the load side device 3.
  • the total required output for the engine is calculated taking into account losses in the power converter 13 and the generator 12, etc.
  • step S6 the power generation system control device 1 judges the activation state of the catalyst based on the catalyst inflow gas temperature Sg5.
  • the catalyst inflow gas temperature Tc is equal to or higher than a predetermined temperature Tc0, the catalyst is judged to be in an activated state, and if the catalyst inflow gas temperature Tc is lower than the predetermined temperature Tc0, the catalyst is judged to be in an inactivated state.
  • the activation state of the catalyst can be judged with high accuracy by judging based on a value obtained by directly detecting the temperature of the gas in the vicinity of the catalyst.
  • the power generation system control device 1 has a catalyst activation state detection unit that detects whether the catalyst is in an activated state.
  • the catalyst activation state detection unit detects the temperature of the gas flowing into the catalyst (catalyst inflow gas temperature) (from the catalyst inflow gas temperature measured by the catalyst upstream temperature sensor 18), and judges that the catalyst is in an activated state when the catalyst inflow gas temperature is equal to or higher than a predetermined value.
  • the means for detecting whether the catalyst is in an activated state is not limited to this.
  • step S7 the power generation system control device 1 judges the warm-up state of the engine based on information (engine state) Sg3 from the ECU 15 and the engine 11.
  • information (engine state) Sg3 from the ECU 15 and the engine 11.
  • the engine coolant temperature Tw is equal to or higher than a predetermined temperature Tw1
  • the engine coolant temperature Tw is lower than the predetermined temperature Tw1
  • the warm-up state of the engine can be judged with high accuracy. That is, in this embodiment, the power generation system control device 1 has an engine warm-up state detection unit that detects whether the engine is in a warm-up state.
  • the engine warm-up state detection unit detects the engine coolant temperature (from the coolant temperature measured by the coolant temperature sensor 24), and judges that the engine is in a warm-up state when the engine coolant temperature is equal to or higher than a predetermined value.
  • the means for detecting whether the engine is in a warm-up state is not limited to this.
  • step S8 the power generation system control device 1 calculates the engine operation mode based on the catalyst activation state and the engine warm-up state determined in steps S6 and S7.
  • the corresponding operation mode is set among the operation modes shown in FIG. 11.
  • mode 1 only hydrocarbon-based fuel is supplied to the engine and the engine is exclusively burned with hydrocarbon-based fuel
  • This increases the exhaust temperature and enables the catalyst to be activated early.
  • mode 2 hydrocarbon-based fuel and hydrogen are supplied to the engine and the engine is mixed and burned with hydrogen
  • mode 3 supplying hydrocarbon fuel and hydrogen to the engine for hydrogen co-combustion
  • step S9 the power generation system control device 1 calculates the hydrogen mixing ratio based on the operation mode calculated in step S8.
  • the hydrogen required by the power generation system 100 is set to be equal to or not exceed the hydrogen generateable amount obtained from the hydrogen generator 2.
  • the hydrogen mixing ratio is calculated by setting in advance the hydrogen mixing ratio relative to the hydrogen generateable amount obtained from the hydrogen generator 2 for each operation mode and storing the ratio in the ROM of the power generation system control device 1.
  • the hydrogen mixing ratio is set so that the lower the engine coolant temperature, the higher the hydrogen mixing ratio.
  • the amount of hydrocarbon fuel or hydrogen supplied to the engine is set (controlled) so that the proportion of hydrogen in the total fuel supply amount decreases as the engine coolant temperature increases.
  • step S10 the power generation system control device 1 sends the total required output calculated in step S5 to the ECU 15 as an engine torque command value (required output) Sd1, and executes the torque command.
  • step S11 the power generation system control device 1 executes hydrogen supply amount control so as to realize the hydrogen mixed combustion ratio of the engine calculated in step S9, sends a hydrogen supply amount command value (target hydrogen supply amount) Sd2 to the hydrogen supply device 14, and ends the series of controls.
  • Figure 13 shows a time chart of a scene in this embodiment where the catalyst is inactive and the engine is started from a cold condition. From the top, the vertical axis represents the total required output, catalyst activation state, engine warm-up state, operation mode, hydrogen mixture ratio, catalyst upstream gas air-fuel ratio, engine power generation, and cumulative amount of harmful substance emissions, while the horizontal axis represents time.
  • the solid line represents this embodiment, and the dashed line represents the conventional technology.
  • the colder the engine is (not shown, but the lower the engine coolant temperature), the higher the hydrogen mixture ratio is set, which promotes engine warm-up.
  • the operation mode is set to mode 3
  • the hydrogen mixture ratio is set to a predetermined value
  • the air-fuel ratio is set to lean.
  • hydrogen mixing is performed regardless of the activation state of the catalyst, so the exhaust temperature drops and the activation of the catalyst is delayed. As a result, harmful substances are emitted without being purified until the catalyst is activated, resulting in an increase in the cumulative amount of harmful substance emissions.
  • the method of starting the engine is not described, but in the period from engine cranking until combustion stabilizes, the air-fuel ratio may be enriched to stabilize combustion.
  • the air-fuel ratio may be enriched to stabilize combustion.
  • by using hydrogen mixed combustion or hydrogen only combustion at startup stable combustion is possible compared to exclusive combustion of hydrocarbon fuel, and emissions of unburned substances such as CO and THC can be reduced.
  • the catalyst activity state is directly detected by the catalyst upstream temperature sensor 18, but the catalyst activity state can also be estimated based on the engine operating conditions (e.g., intake air volume, fuel supply volume, ignition timing, engine speed, etc.).
  • the engine air-fuel ratio is obtained from the output value of the air-fuel ratio sensor 17, but it may also be calculated based on the intake air volume and fuel injection volume detected by the airflow sensor 21.
  • this embodiment is an engine power generation system (power generation system 100) that generates power using an engine that is supplied with hydrocarbon fuel and hydrogen to enable co-combustion and has an engine warm-up detection unit that detects whether the engine is in a warm-up state, and a control device (power generation system control device 1) for the engine power generation system that includes a catalyst that is provided in the exhaust passage of the engine to purify exhaust gas and a catalyst activation state detection unit that detects whether the catalyst is in an active state, and that controls the amount of hydrocarbon fuel or hydrogen supplied to the engine (more specifically, the ratio of the amount of hydrocarbon fuel and hydrogen supplied to the engine) based on the catalyst activation state detected by the catalyst activation state detection unit and the warm-up state of the engine detected by the engine warm-up state detection unit.
  • This enables early activation of the catalyst and early warm-up of the engine, and as a result, the amount of harmful substances emitted from the power generation system 100 can be suppressed.
  • Example 2 A second embodiment of the present invention will be described.
  • a method of applying a power generation system control device according to the present invention to a power generation system including a plurality of engine generators that use hydrogen and natural gas as fuel will be described. Note that in the second embodiment described below, the configuration described in the first embodiment is applied except for the differences from the first embodiment.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing an example in which a power generation system control device according to a second embodiment of the present invention is applied to a power generation system consisting of multiple engine generators that use hydrogen and natural gas as fuel.
  • the power generation system 100 is configured by connecting multiple power generation modules GM (GM1 to GMn) in parallel, each of which is made up of an engine 11, a generator 12, and a power converter 13.
  • the engines 11 are equipped with an electronic control unit (ECU) 15 for controlling each engine 11.
  • the engines 11 are connected to a hydrogen generator 2 via a hydrogen supply device 14, allowing the supply of hydrogen fuel.
  • the engines 11 are also connected to a fuel tank (not shown) allowing the supply of natural gas, allowing the combustion of hydrogen or natural gas, or a mixture of hydrogen and natural gas.
  • the outputs of these power generation modules GM (GM1 to GMn) are electrically connected to the load side equipment 3.
  • the minimum configuration of the power generation module GM applicable to the present invention is that it must include an engine 11 and a generator 12, and depending on whether the load is an AC load or a DC load, it is sufficient to include an appropriate power converter 13.
  • the generator 12 may be either an AC generator or a DC generator.
  • the exhaust pipes of each engine 11 are joined together in an exhaust passage 16.
  • a three-way catalyst 20 as an exhaust purification catalyst that purifies the exhaust gas
  • a catalyst upstream temperature sensor 18 that measures the temperature of the gas flowing into the three-way catalyst 20 (catalyst inlet gas temperature)
  • an air-fuel ratio sensor 17 which is one form of an air-fuel ratio detector and detects the air-fuel ratio of the exhaust gas upstream of the three-way catalyst 20
  • an oxygen concentration sensor 19 which detects the oxygen concentration of the exhaust gas downstream of the three-way catalyst 20 are provided at appropriate positions in the exhaust passage 16 after the exhaust pipes of each engine 11 are joined together.
  • the power generation system control device 1 is mounted on the power generation system 100.
  • the power generation system control device 1 calculates the required load of the power generation system 100 based on the required load Sg1 from the load side equipment 3.
  • the power generation system control device 1 receives supplyable hydrogen amount information Sg2 from the hydrogen generation device 2.
  • the power generation system control device 1 receives information (engine state) Sg3 (Sg31 to Sg3n) of the sensors and actuators of each engine 11 from the engine 11.
  • the power generation system control device 1 receives air-fuel ratio Sg4, catalyst inlet gas temperature (catalyst upstream temperature) Sg5, and oxygen concentration Sg6 from the air-fuel ratio sensor 17, catalyst upstream temperature sensor 18, and oxygen concentration sensor 19 as information related to the control of the three-way catalyst 20.
  • the power generation system control device 1 Based on this information (Sg1, Sg2, Sg3), the power generation system control device 1 sends the engine required output and a command for whether to drive (hereinafter simply referred to as required output) Sd1 (Sd11-Sd1n) to the ECU 15 of each engine 11, and controls each hydrogen supply device 14 to achieve the desired hydrogen supply amount (hydrogen supply target amount) Sd2 (Sd21-Sd2n).
  • the ECU 15 controls the output of the engine 11 based on the required output Sd1 from the power generation system control device 1. Specifically, the ECU 15 controls the natural gas fuel injection unit, the ignition unit, the throttle valve, and the starter.
  • the engine 11 is, for example, a four-cylinder engine that uses spark ignition combustion, and is an example of an internal combustion engine.
  • the generator 12 generates power using the driving force of the engine 11 to achieve the desired power load.
  • the power converter 13 adjusts the voltage and phase of the power generated by the generator 12, and supplies the adjusted power to the load side equipment 3.
  • FIG. 15 is a block diagram showing an example of the hardware configuration of the power generation system control device 1. Note that the power generation system control device 1 is configured using a computer device.
  • the required load Sg1, supplyable hydrogen amount Sg2, and engine state Sg3 (Sg31 to Sg3n) output from the load side device 3, hydrogen generator 2, and ECU 15, respectively, are input to the input circuit 1a of the power generation system control device 1.
  • the input signals are not limited to these.
  • Each signal input to the input circuit 1a is sent to an input port (not shown) in the input/output port 1b.
  • the values sent to the input port are stored in the RAM (1c) and processed by the CPU (1e).
  • a control program describing the contents of the processing is written in advance in the ROM (1d).
  • the values indicating the operating amount of the controlled object (engine 11, hydrogen supply device 14, etc.) calculated according to the control program are stored in RAM (1c) and then sent to an output port (not shown) in input/output port 1b, and sent to each device (ECU 15, hydrogen supply device 14) via each output section (engine torque control output section 1f, hydrogen supply amount control output section 1g) as the required output Sd1 (Sd11-Sd1n) and the desired hydrogen supply amount (hydrogen supply target amount) Sd2 (Sd21-Sd2n).
  • the control devices (ECU 15) for each engine are provided separately from the power generation system control device 1, but this is not limited to this form, and functional sections corresponding to the control devices of each device may be provided within the power generation system control device 1.
  • the number of operating power generation modules GM can be adjusted according to the total required load from the load side equipment. For example, assume that i power generation modules are operating at rated power at a certain total required output Pr1, and that all engines with active catalysts and in operation are in a warmed-up state and are operating in mode 3 (hydrogen mixed combustion (lean)) in embodiment 1. In this situation, assume that the total required output from the load side equipment increases to Pr2 at a certain timing. At this time, if the increase in the total required output cannot be accommodated by adjusting the output of the operating modules, the total required output Pr2 is achieved by operating k new modules.
  • the newly started k engines are cold, they are operated in mode 2 (hydrogen mixed combustion (stoichiometric)) in embodiment 1 in order to warm up the engines early.
  • mode 2 hydrogen mixed combustion (stoichiometric)
  • the air-fuel ratio of the i engines that were already operating must also be stoichiometric.
  • the control is performed under such conditions that a warmed-up engine and a cold engine are operating at the same time.
  • Figure 16 shows the indicated thermal efficiency under conditions of natural gas mono-combustion and hydrogen co-firing.
  • the conditions are the same for both natural gas mono-combustion and natural gas-hydrogen co-firing, with constant engine speed and indicated mean effective pressure, a theoretical air-fuel ratio, and optimal ignition timing.
  • hydrogen co-firing conditions the indicated thermal efficiency is lower than under conditions of natural gas mono-combustion. This is mainly due to an increase in the amount of heat transferred into the cylinder, which in turn increases cooling losses, as shown in Figure 7.
  • the amount of hydrocarbon fuel or hydrogen supplied to each engine is controlled based on the activation state of the catalyst and the warm-up state of each engine.
  • Modes 1 and 2 are similar to modes 1 and 2 in embodiment 1, so a description thereof will be omitted. Details of modes 3 and 4 are provided below.
  • Mode 3 When the catalyst is active, the engine is warmed up, and the cold engine is not running at the same time, a hydrocarbon fuel and hydrogen are supplied to the warm engine to perform hydrogen co-combustion. This allows the lean limit to be expanded. Also, the air-fuel ratio of each engine is controlled so that the oxygen concentration of the exhaust gas flowing into the catalyst is equal to or higher than a predetermined value C2.
  • the predetermined value C2 is the oxygen concentration of the exhaust gas under the air-fuel ratio (lean) condition of the engine, which can suppress the amount of NOx generated from the engine to a value that can sufficiently achieve the exhaust gas regulation value without using an aftertreatment device (in other words, when the engine is operated at an air-fuel ratio that makes the amount of nitrogen oxides directly emitted from the engine equal to or lower than a predetermined value). This allows the NOx emitted from the engine to be reduced when the cold engine is not running at the same time, and the catalyst can purify CO and HC with high efficiency.
  • Mode 4 When the catalyst is active, the engine is warmed up, and a cold engine is running at the same time, only hydrocarbon fuel is supplied to the warm engine, and the engine burns only hydrocarbon fuel. This allows the warm engine to operate under highly efficient conditions.
  • the air-fuel ratio of each engine is controlled so that the oxygen concentration of the exhaust gas flowing into the catalyst is equal to or lower than a predetermined value C1.
  • the predetermined value C1 is the oxygen concentration of the exhaust gas when the engine is running at a theoretical air-fuel ratio (stoichiometric).
  • the air-fuel ratio of the engine only needs to be controlled within the window of the catalyst where the ratio of the reaction components (HC, NOx, CO, H2 ) is stoichiometrically ideal, and does not need to be strictly stoichiometric. This allows the catalyst to purify harmful gas components (HC, CO, NOx) in the exhaust gas when a cold engine is running at the same time.
  • FIG. 18 shows an example of a flow chart for engine generator control according to this embodiment. Each step is explained in detail below.
  • Step S12 is the same process as step S1 in the first embodiment, and therefore a description thereof will be omitted.
  • step S13 the power generation system control device 1 reads information (engine state) Sg3 (Sg31 to Sg3n) of each engine 11 from each ECU 15 and the engine 11.
  • the information (engine state) Sg3 from the ECU 15 and the engine 11 is, for example, the engine state such as the current engine speed, torque, and engine temperature (cooling water temperature, intake air temperature, etc.) and engine specifications (displacement, compression ratio, fuel supply position, etc.).
  • Steps S14 to S16 are similar to steps S3 to S5 in the first embodiment, so their explanation will be omitted.
  • step S17 the power generation system control device 1 distributes the total required output Sd1 calculated in step S16 to each engine power generation module to obtain individual required outputs Sd11, Sd12, ..., Sd1n (processing step S5).
  • the number of engine power generation modules required to be driven is calculated from the total required output Sd1 and the rated output of each engine power generation module, and the total required output Sd1 is evenly distributed among the driven engine power generation modules.
  • Step S18 is the same process as step S6 in the first embodiment, so a description thereof will be omitted.
  • step S19 the power generation system control device 1 judges the warm-up state of each engine based on the information (engine state) Sg3 (Sg31 to Sg3n) from each ECU 15 and the engine 11.
  • the engine coolant temperature Tw is equal to or higher than a predetermined temperature Tw1, it is judged that the engine is warmed up, and if the engine coolant temperature Tw is lower than the predetermined temperature Tw1, it is judged that the engine is cold. In this way, since the judgment is based on a directly detected value of the engine coolant temperature, the warm-up state of the engine can be judged with high accuracy.
  • step S20 the power generation system control device 1 calculates the operation mode of each engine based on the activation state of the catalyst and the warm-up state of each engine determined in steps S18 and S19.
  • the corresponding operation mode is set among the operation modes shown in FIG. 17.
  • mode 1 only hydrocarbon-based fuel is supplied to the engine and the engine is exclusively burned with hydrocarbon-based fuel
  • This increases the exhaust temperature and enables the catalyst to be activated early.
  • mode 2 hydrocarbon-based fuel and hydrogen are supplied to the engine and the engine is mixed and burned with hydrogen. This increases the amount of heat transfer in the cylinder and enables the engine to be warmed up early.
  • mode 3 hydrogen co-combustion (lean) when the cold engine is not operating at the same time, thereby reducing NOx emitted from the engine and purifying CO and HC with high efficiency by the catalyst.
  • mode 4 is set, and only hydrocarbon fuel is supplied to the warm-up engine to perform hydrocarbon fuel mono-combustion (stoichiometric). This allows the warmed-up engine to be operated under highly efficient conditions, and allows the catalyst to purify HC, CO, and NOx with high efficiency.
  • step S21 the power generation system control device 1 calculates the hydrogen mixing ratio for each engine based on the operation mode calculated in step S20.
  • the other processing is the same as that in step S9 in the first embodiment, so detailed description will be omitted.
  • step S22 the power generation system control device 1 sends the torque command values (individual required outputs Sd11, Sd12, . . . Sd1n) for each engine calculated in step S17 to each ECU 15, and executes the torque commands.
  • step S23 the power generation system control device 1 executes hydrogen supply amount control so as to realize the hydrogen mixed combustion ratio for each engine calculated in step S21, sends individual hydrogen supply amount command values (Sd21, Sd22, ... Sd2n) to each hydrogen supply device 14, and ends the series of controls.
  • Fig. 19 shows a time chart of a scene in this embodiment where the total required output increases from a state in which engine A is operating at rated power, and engine B starts up. From the top, the vertical axis represents the total required output, catalyst activation state, warm-up state of engines A and B, operation mode, hydrogen mixture ratio, power generation, thermal efficiency, and catalyst upstream gas air-fuel ratio (exhaust air-fuel ratio), and the horizontal axis represents time.
  • the solid line represents this embodiment, and the dashed line represents the prior art.
  • engine B is started to respond to this.
  • the catalyst is active, engine A is warmed up, and engine B is cold, so in this embodiment, engine A is set to mode 4 (single-fuel hydrocarbon fuel), hydrogen mixture ratio is 0, and air-fuel ratio is stoichiometric, and engine B is set to mode 2 (mixed hydrogen fuel), hydrogen mixture ratio is a predetermined value, and air-fuel ratio is stoichiometric.
  • engine A and B are set to the previously set mode 2 (mixed hydrogen fuel), hydrogen mixture ratio is a predetermined value, and air-fuel ratio is stoichiometric.
  • engine A is mixed hydrogen in the conventional technology
  • engine A is single-fuel hydrocarbon fuel in this embodiment
  • the thermal efficiency of engine A can be improved compared to the conventional technology.
  • the colder the engine is the lower the engine coolant temperature, not shown
  • the higher the hydrogen mixture ratio is set, so engine B can be warmed up earlier in this embodiment compared to the conventional technology.
  • the catalyst is active and engine A and engine B are in warm-up condition, and for both engines A and B, the operating mode is set to mode 3, the hydrogen mixture ratio is set to a predetermined value, and the air-fuel ratio is set to lean, allowing for highly thermally efficient operation.
  • the catalyst is active and engines A and B are in warm-up condition at time t7, which is later than time t6, and the period until highly thermally efficient operation is achieved is lengthened.
  • the amount of hydrocarbon fuel or hydrogen supplied to each engine (more specifically, the ratio of the amount of hydrocarbon fuel and hydrogen supplied to each engine) is controlled based on the catalyst activation state and the warm-up state of each engine. This allows for early activation of the catalyst and early warm-up of the engine, thereby suppressing harmful substance emissions from the power generation system 100. Furthermore, when a cold engine is operating at the same time, the warm engine can be operated under conditions of high thermal efficiency, thereby reducing fuel consumption.
  • Example 3 A third embodiment of the present invention will be described.
  • a method for setting the air-fuel ratio of each engine in a power generation system control device according to the present invention applied to a power generation system consisting of multiple engine generators fueled by hydrogen and natural gas, so that the ratio of reaction components (HC, NOx, CO, H2 ) of the gas flowing into the catalyst becomes a stoichiometrically ideal value, will be described.
  • the configuration described in the second embodiment is applied except for the differences from the second embodiment.
  • Figure 20 shows the production trends of CO, HC, and NOx versus air-fuel ratio in premixed combustion in a spark ignition engine.
  • Premixed refers to a state in which air and fuel are mixed evenly before ignition.
  • CO and HC Since CO and HC are components of incomplete combustion, their amounts increase as the air-fuel ratio becomes smaller and the mixture becomes richer. When starting the engine, a rich mixture is necessary to stabilize combustion, and this tends to produce a large amount of CO.
  • NOx NOx is mainly NO, which is generated in large quantities at high temperatures and in the presence of oxygen and nitrogen.
  • the combustion gas is at its highest when the mixture ratio is slightly richer than the stoichiometric air-fuel ratio, where oxygen is present only during combustion, but after combustion there is no oxygen, and the amount of oxygen increases in the leaner range. As a result, the amount of NO generated reaches its maximum value when the mixture ratio is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio.
  • the air-fuel ratio of each engine is set based on the generation characteristics of CO, HC, and NOx relative to the air-fuel ratio. For example, consider a scenario in which engine A is operating at rated power, but the total required output increases, and engine B is started. When engine B starts, the air-fuel ratio of engine B is set to rich to stabilize combustion. At this time, large amounts of CO and HC are generated. Therefore, the air-fuel ratio of engine A is set to lean, and the amounts of NOx and oxygen are increased. This makes it possible to make the ratio of reactive components in the gas flowing into the catalyst stoichiometrically ideal, and to purify harmful substances with high efficiency using the catalyst.
  • Figure 21 shows an example of a flow chart for engine generator control according to this embodiment. Each step will be explained in detail below.
  • Steps S24 to S33 are similar to steps S12 to S21 in the second embodiment, and therefore their explanation will be omitted.
  • step S34 the power generation system control device 1 calculates the air-fuel ratio of each engine based on the information (engine state) Sg3 (Sg31 to Sg3n) from each ECU 15 and the engine 11.
  • the air-fuel ratio of the newly started engine is set to rich.
  • the air-fuel ratio of the already operating engine is set to lean or stoichiometric.
  • the air-fuel ratio of each engine is set so that the ratio of the reactive components of the gas flowing into the catalyst is a stoichiometrically ideal value.
  • the newly started engine may be set to rich and the already operating engines may all be set to lean, or one may be set to stoichiometric.
  • the air-fuel ratio of each engine in this way, harmful substances can be purified by the catalyst with high efficiency.
  • Steps S35 and S36 are similar to steps S22 and S23 in the second embodiment, and therefore their explanation will be omitted.
  • the air-fuel ratio of a newly started engine is controlled to be rich, and the air-fuel ratio of an engine that is already operating is controlled to be lean or stoichiometric.
  • the ratio of reactive components in the gas flowing into the catalyst becomes a stoichiometrically ideal value, and harmful substances can be purified with high efficiency by the catalyst.
  • the amount of harmful substances emitted from the power generation system 100 can be suppressed.
  • each of the above-mentioned embodiments describes the configuration of the device and system in detail and specifically in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to having all of the configurations described.
  • control lines and information lines shown are those considered necessary for the explanation, and do not necessarily show all control lines and information lines on the product. In reality, it can be assumed that almost all components are interconnected.
  • Power generation system control device (control device for engine power generation system) 1a: Input circuit 1b: Input/output port 1c: RAM 1d: ROM 1e: CPU 1f: engine torque control output section 1g: hydrogen supply amount control output section 2: hydrogen generation device 3: load side device 11: engine 12: generator 13: power converter 14: hydrogen supply device 15: ECU 16: exhaust passage 17: air-fuel ratio sensor 18: catalyst upstream temperature sensor 19: oxygen concentration sensor 20: exhaust purification catalyst (three-way catalyst) 21: Air flow sensor 22: Natural gas injector 23: Hydrogen supply passage 24: Cooling water temperature sensor 25: Exhaust pipe 26: Electronically controlled throttle 27: Intake pipe 28: Combustion chamber 29: Spark plug 30: Cylinder head

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Abstract

ＲＥ燃料と炭化水素系燃料とを供給可能で混焼が可能なエンジンから構成される発電システムにおいて、排気浄化触媒の早期活性化とエンジンの早期暖機化により、排気に含まれる有害物質の外部への排出を抑制するエンジン発電システムの制御装置を提供する。触媒活性状態検出部により検出された触媒活性状態、およびエンジン暖機状態検出部により検出されたエンジンの暖機状態に基づき、エンジンへの炭化水素系燃料供給量または水素供給量を制御する。

Description

エンジン発電システムの制御装置
　本発明は、水素などの再生可能エネルギー由来燃料とガソリンや天然ガスなどの炭化水素系燃料との混焼に対応したエンジン発電システムの制御装置に関するものである。
　エネルギーの脱炭素化に向けて、再生可能エネルギーの拡大が進むに伴い、その電力変動に対応するために、水素などの再生可能エネルギー由来燃料（以下、ＲＥ燃料という）を用いた調整用発電システムの重要性が増している。
　大規模ガス火力発電は調整電力として活用可能である一方で、その出力調整幅が定格運転の３０％から１００％の範囲に限られており、十分な調整力にはならない。また、設備設置場所が固定されるため、電力線増強が必要となり、設備コストが大きくなる。更に、大規模火力発電は利用する燃料の調達範囲が限定されるので、地域に遍在するＲＥ燃料を有効活用することが難しい。
　ＲＥ燃料に対応したエンジン発電機を活用した分散発電システムは、地域に遍在するＲＥ燃料を活用しながら再生可能エネルギーの変動に対応可能なシステムとして有望である。特に既存の自動車用エンジンや産業用エンジンなどの量産エンジンを活用し、それらを定置式発電システムとして用いることにより、初期の設備コストを最小化することが可能である。また、水素などのＲＥ燃料とガソリンや天然ガスなどの炭化水素系燃料との混合燃焼（以後、混焼という）が可能なエンジンとすることで、ＲＥ燃料の生成量や調達量に応じた発電システムの運用が可能となり、稼働率を高めることができる。
　係るエンジン発電システムの制御装置に関して、特許文献１が知られている。特許文献１には、「内燃機関の燃焼室に水素燃料と炭化水素系燃料とを独立して供給可能に構成され、前記燃焼室の径方向中央の部分、或いは前記燃焼室のうち、前記燃焼室に対して設けられている点火プラグの周辺部に前記炭化水素系燃料を供給し、且つ前記燃焼室のうち、前記炭化水素系燃料が供給される空間の周囲に前記水素燃料を供給する第１の燃焼制御モードを有する内燃機関の燃料供給装置。」が開示されている。
特許第５７７２９５８号公報
　エンジンの排気には人体や動植物に有害である、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）などが含まれるため、それら有害物質の外部への排出を抑制する必要がある。そのためには、エンジンの排気経路に排気浄化触媒を備え、有害物質（ＮＯｘ、ＴＨＣ、ＣＯなど）を浄化すること、およびエンジンから直接排出される有害物質を低減することが有効である。まず、触媒による浄化に関しては、触媒の早期活性化が課題となる。これは、触媒の温度を上昇させて活性状態とすることで有害物質を効果的に浄化できるためである。次に、エンジンから直接排出される有害物質の低減に関しては、完全燃焼に必要な最小空気量を燃料の比である理論空燃比よりも、燃料が希薄な状態（以後、リーンという）として燃焼させるリーン燃焼が有効である。これは、リーン燃焼により、燃焼ガス温度が低下することで燃焼によるＮＯｘの生成量も大幅に抑制できるためである。また、リーン燃焼では排気に酸素を含むので、ＴＨＣ、ＣＯともに三元触媒で浄化可能である。一方で、リーン燃焼では燃焼安定性が悪化するので、安定した燃焼が可能なエンジン暖機状態を早期に実現すること（以後、エンジン早期暖機化という）が課題となる。また、複数の燃料を独立に供給可能な混焼エンジンでは、各燃料の性質を考慮して上記課題を解決する必要がある。
　この点に関して、特許文献１に記載の従来技術では、触媒の昇温時に、炭化水素系燃料と水素の混焼とするため、炭化水素系燃料を専焼した場合と比較して触媒の活性化に要する時間が増加する。これは、水素が燃焼して発生する排気の温度が炭化水素系燃料が燃焼して発生する排気の温度に比べて低いためである。さらに、特許文献１に記載の従来技術では、燃焼室内における燃料の空間的な分布を制御可能な手段を備える構成に限られ、例えば吸気管の途中から炭化水素系燃料と水素を供給する構成では、炭化水素系燃料と水素がよく混合された状態で燃焼室内に供給されるため、適用が困難である。
　本発明は、このような状況に鑑みて成されたものであり、ＲＥ燃料と炭化水素系燃料とを供給可能で混焼が可能なエンジンから構成される発電システムにおいて、排気浄化触媒の早期活性化とエンジンの早期暖機化が可能なエンジン発電システムの制御装置を提供することを目的とする。
　以上の課題を解決するために、本発明においては、「炭化水素系燃料と水素が供給されて混焼が可能であり、かつ暖機状態にあるかを検出するエンジン暖機状態検出部を備えるエンジンにより発電を行うエンジン発電システムにおいて、前記エンジンの排気通路に備えられて排気を浄化する触媒と、前記触媒が活性状態にあるかを検出する触媒活性状態検出部と、を備えるエンジン発電システムの制御装置であって、前記触媒活性状態検出部により検出された触媒活性状態、および前記エンジン暖機状態検出部により検出されたエンジンの暖機状態に基づき、前記エンジンへの炭化水素系燃料供給量または水素供給量を制御することを特徴とするエンジン発電システムの制御装置」としたものである。
　本発明によれば、触媒の活性状態およびエンジンの暖機状態に応じて、炭化水素系燃料と水素の供給量を制御することが可能であるため、触媒の早期活性化およびエンジンの早期暖機化が可能であり、それにより排気に含まれる有害物質の外部への排出を抑制することが可能である。
　上記以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の実施例１に係る発電システム制御装置を、水素と天然ガスを燃料とするエンジン発電機からなる発電システムに適用した例を示す概略構成図。 本発明の実施例１に係る発電システム制御装置のハードウェア構成例を示すブロック図。 本発明の実施例１に係るエンジン構成の一例を示す図。 本発明の実施例１に係るエンジン構成の別の例を示す図。 本発明の実施例１に係る天然ガス専焼条件と水素混焼条件の熱発生履歴を示す図。 本発明の実施例１に係る天然ガス専焼条件と水素混焼条件の筒内平均ガス温度履歴を示す図。 本発明の実施例１に係る気筒内ガスからエンジンシリンダーへの熱伝達量を示す図。 本発明の実施例１に係る天然ガス専焼条件と水素混焼条件のリーン限界を示す図。 本発明の実施例１に係るリーン限界における図示熱効率を示す図。 本発明の実施例１に係るリーン限界におけるＮＯｘ生成量を示す図。 本発明の実施例１に係る運転モードを示す図。 本発明の実施例１に係るエンジン発電機制御のフローチャートの一例を示す図。 本発明の実施例１に係る触媒が非活性かつエンジンが冷機の条件から始動するシーンのタイムチャート。 本発明の実施例２に係る発電システム制御装置を、水素と天然ガスを燃料とする複数のエンジン発電機からなる発電システムに適用した例を示す概略構成図。 本発明の実施例２に係る発電システム制御装置のハードウェア構成例を示すブロック図。 本発明の実施例２に係る天然ガス専焼条件と水素混焼条件の図示熱効率を示す図。 本発明の実施例２に係る運転モードを示す図。 本発明の実施例２に係るエンジン発電機制御のフローチャートの一例を示す図。 本発明の実施例２に係るエンジンＡが定格運転している状態から総合要求出力が増加し、新たにエンジンＢが始動するシーンのタイムチャート。 本発明の実施例３に係る火花点火式エンジンにおける予混合燃焼のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘの空燃比に対する生成傾向を示す図。 本発明の実施例３に係るエンジン発電機制御のフローチャートの一例を示す図。
　以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明において少なくとも一方の燃料は水素、他方の燃料は炭化水素系燃料である。実施例では炭化水素系燃料として天然ガスを例示しているが、軽油、或いはガソリンであってもよい。この燃料の組み合わせは、適宜に選定することができる。
［実施例１］
　図１は、本発明の実施例１に係る発電システム制御装置を水素と天然ガスを燃料とするエンジン発電機からなる発電システムに適用した例を示す概略構成図である。
　発電システム１００は、エンジン１１、発電機１２、電力変換器１３から構成される発電モジュールＧＭを備え、エンジン１１は、エンジン１１を制御するための電子制御装置（ＥＣＵ）１５を備えている。エンジン１１は、水素供給装置１４を介して水素生成装置２に接続され、水素燃料を供給可能とされている。また、図示していないが燃料タンクに接続され、天然ガスを供給可能とされていることで、水素燃料、天然ガス、あるいは水素と天然ガスの混合燃料により燃焼可能とされている。この発電モジュールＧＭの出力は、負荷側機器３と電気的に接続されている。
　なお、本発明に適用可能な発電モジュールＧＭの最小の構成としては、エンジン１１と発電機１２を備える必要があり、負荷が交流負荷であるか、直流負荷であるかにより、適宜電力変換器１３を備えればよい。また、発電機１２は交流発電機、直流発電機のいずれであってもよい。
　さらに、排気を浄化する排気浄化触媒として三元触媒２０と、三元触媒２０に流入するガスの温度（触媒流入ガス温度）を計測する触媒上流温度センサ１８と、空燃比検出器の一態様であって、三元触媒２０の上流側にて排気の空燃比を検出する空燃比センサ１７と、三元触媒２０の下流側にて排気の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ１９がエンジン１１の排気通路１６の各々の適宜位置に備えられる。
　三元触媒２０は、排気中の炭化水素及び一酸化炭素の酸化と、窒素酸化物の還元を同時に行い、排気中の有害ガス成分を二酸化炭素、水蒸気及び窒素に浄化するものである。三元触媒２０による浄化効率を最大化するためには、反応成分（ＨＣ、ＮＯｘ、ＣＯ、Ｈ２）の比率が化学量論的に理想的な値になっている必要がある。この状態を実現する混合気の空燃比の範囲をウィンドウと呼び、一般的な火花点火式エンジンでは、空気と燃料の質量比が完全燃焼に必要となる最小空気量と燃料の比となる理論空燃比（ストイキ）付近のごく狭い範囲となる。
　発電システム制御装置１は、発電システム１００に搭載される。発電システム制御装置１は、負荷側機器３からの要求負荷Ｓｇ１により発電システム１００の要求負荷を演算する。さらに、発電システム制御装置１は、水素生成装置２から供給可能水素量情報Ｓｇ２を受け取る。さらに、発電システム制御装置１は、エンジン１１から、エンジン１１のセンサやアクチュエータの情報（エンジン状態）Ｓｇ３を受け取る。さらに、発電システム制御装置１は、空燃比センサ１７や触媒上流温度センサ１８、酸素濃度センサ１９から、三元触媒２０の制御に関連する情報として、空燃比Ｓｇ４や触媒流入ガス温度（触媒上流温度ともいう）Ｓｇ５、酸素濃度Ｓｇ６を受け取る。発電システム制御装置１は、この情報（Ｓｇ１）に基づき、エンジン１１のＥＣＵ１５にエンジン要求出力や駆動有無の指令（以下単に要求出力という）Ｓｄ１を送るとともに、所望の水素供給量（水素供給目標量）Ｓｄ２を実現するように水素供給装置１４を制御する。
　ＥＣＵ１５は、発電システム制御装置１からの要求出力Ｓｄ１に基づいてエンジン１１の出力を制御する。具体的には、ＥＣＵ１５は、天然ガス燃料噴射部、点火部、スロットルバルブ、スタータの制御を実施する。エンジン１１は、例えば火花点火式燃焼を用いる４気筒エンジンであり、内燃機関の一例である。エンジン１１の駆動力により発電機１２は所望の電力負荷を実現するよう発電する。電力変換器１３により、発電機１２により発生した電力の電圧や位相を調整し、負荷側機器３に調整後の電力を供給する。
　次に、実施例１に係る発電システム制御装置１の内部構成例について説明する。図２は、発電システム制御装置１のハードウェア構成例を示すブロック図である。なお、発電システム制御装置１は、計算機装置を用いて構成されている。
　図２において、発電システム制御装置１の入力回路１ａには、負荷側機器３、水素生成装置２、ＥＣＵ１５からそれぞれ出力された要求負荷Ｓｇ１、供給可能水素量Ｓｇ２、エンジン状態Ｓｇ３が入力される。ただし、入力信号は、これらに限られるものではない。入力回路１ａに入力された各信号は、入出力ポート１ｂ内の入力ポート（不図示）に送られる。入力ポートに送られた値は、ＲＡＭ（１ｃ）に保管され、ＣＰＵ（１ｅ）で演算処理される。演算処理の内容を記述した制御プログラムは、ＲＯＭ（１ｄ）に予め書き込まれている。
　制御プログラムに従って演算された制御対象（エンジン１１、水素供給装置１４等）の作動量を示す値は、ＲＡＭ（１ｃ）に保管された後、入出力ポート１ｂ内の出力ポート（不図示）に送られ、各出力部（エンジントルク制御出力部１ｆ、水素供給量制御出力部１ｇ）を経て各装置（ＥＣＵ１５、水素供給装置１４）に、要求出力Ｓｄ１、所望の水素供給量（水素供給目標量）Ｓｄ２として送られる。なお、図２では、発電システム制御装置１に対し、エンジンの制御装置（ＥＣＵ１５）を別に設けたが、この形態に限定されるものではなく、各装置の制御装置に該当する機能部を発電システム制御装置１内に備えてもよい。
　図３は、実施例１に係るエンジン１１の構成の一例を示す図である。エンジン１１は、火花点火式燃焼を実施する自動車用の４気筒エンジンに水素を供給可能とするように改造したものである。吸入空気量を計測するエアフロセンサ２１と、吸気管圧力を調整する電子制御スロットル２６が、吸気管２７の各々の適宜位置に備えられている。また、エンジン１１には、各気筒の燃焼室２８の中に点火エネルギーを供給する点火プラグ２９が気筒ごとに備えられ、エンジン１１の冷却水の温度を計測する冷却水温度センサ２４がシリンダヘッド３０の適宜位置に備えられている。排気管２５は排気通路１６と接続されている。
　燃料となる天然ガスを噴射するための天然ガス噴射装置２２を燃焼室２８内に備えている。天然ガス噴射装置２２は、燃料配管により燃料タンク（不図示）へ接続されている。さらに、吸気管２７内に水素を供給するための水素供給流路２３が備えられており、水素供給流路２３は、水素の供給量を制御する水素供給装置１４と接続されている。水素供給装置１４は、水素用配管によって水素生成装置２に接続されている。
　以上の構成によって、天然ガスを用いたエンジン駆動（天然ガス専焼）と、水素を用いたエンジン駆動（水素専焼）と、水素と天然ガスを同時に用いたエンジン駆動（天然ガス－水素混焼）を切り替えて使用することが可能となっている。
　図４は、実施例１に係るエンジン１１の別の構成例を示す図である。エンジン１１は、火花点火式燃焼を実施する自動車用の４気筒エンジンに水素を供給可能とするように改造したものである。吸入空気量を計測するエアフロセンサ２１と、吸気管圧力を調整する電子制御スロットル２６が、吸気管２７の各々の適宜位置に備えられている。また、エンジン１１には、各気筒の燃焼室２８の中に点火エネルギーを供給する点火プラグ２９が気筒ごとに備えられ、エンジン１１の冷却水の温度を計測する冷却水温度センサ２４がシリンダヘッド３０の適宜位置に備えられている。排気管２５は排気通路１６と接続されている。
　燃料となる天然ガスを噴射するための天然ガス噴射装置２２を吸気管２７内に備えている。天然ガス噴射装置２２は、燃料配管により燃料タンク（不図示）へ接続されている。さらに、燃焼室２８内に水素を供給するための水素供給流路２３が備えられており、水素供給流路２３は、水素の供給量を制御する水素供給装置１４と接続されている。水素供給装置１４は、水素用配管によって水素生成装置２に接続されている。
　以上の構成によって、天然ガスを用いたエンジン駆動（天然ガス専焼）と、水素を用いたエンジン駆動（水素専焼）と、水素と天然ガスを同時に用いたエンジン駆動（天然ガス－水素混焼）を切り替えて使用することが可能となっている。
　以下では本発明の実施例を詳細に説明する。初めに本実施例における制御のキーポイントを説明し、続いて本実施例の具体的な処理を説明する。
　初めに、触媒の早期活性化、エンジンの早期暖機化の観点から制御でキーとなるポイントを説明する。図５から図７で図示した条件は、天然ガス専焼条件および天然ガス－水素混焼条件であり、エンジン回転数および図示平均有効圧力は一定、空燃比は理論空燃比、点火時期は最適点火時期、でそれぞれ同一である。
　図５に天然ガス専焼条件と水素混焼条件の熱発生履歴を示す。横軸はクランク角、縦軸は熱発生率である。図５は圧縮－膨張行程における圧縮上死点近傍での熱発生履歴である。図５より、水素混焼により熱発生が急峻化することが分かる。これは、水素の層流燃焼速度がメタンを主成分とする天然ガスに対して顕著に大きいことが主な要因である。
　図６に天然ガス専焼条件と水素混焼条件の筒内平均ガス温度履歴を示す。図６より、水素混焼で熱発生が急峻化した結果、筒内平均ガス温度の最大となる時期が早期化し、３０ｄｅｇＡＴＤＣ以降は天然ガス専焼条件より筒内平均ガス温度が低下することが分かる。
　図７に気筒内ガスからエンジンシリンダーへの熱伝達量（以後、シリンダー熱伝達量）を示す。水素混焼によりシリンダー熱伝達量が増加する。これは、天然ガスに比べて燃焼速度が著しい水素の燃焼においては、火炎伝播によって生じるガス流動が大きく、火炎面が燃焼室壁面に急激に到達することによる壁面付近でのガス対流が大きいことが影響していると推察されている。
　以上より、触媒の早期活性化の観点では排気温度を高温化するために天然ガス専焼とすることが有効であり、エンジンの早期暖機化の観点ではシリンダー熱伝達量を増加させるために水素混合割合を増加させることが有効である。
　次に、触媒が活性化し、エンジンが暖機となった後の条件における、制御のポイントを説明する。
　図８に天然ガス専焼条件と水素混焼条件のリーン限界を示す。ここでリーン限界とは、エンジンの燃焼安定性が許容限界に達したときの空燃比を指す。図８より、水素混焼条件では天然ガス専焼条件と比較してリーン限界が拡大することが分かる。これは、水素の層流燃焼速度が天然ガスに対して顕著に大きいことが要因である。
　図９にリーン限界における図示熱効率を示す。図９より、水素混焼条件では天然ガス専焼条件と比較してリーン限界における図示熱効率が増加することが分かる。これは、リーン度合いが増加したことで燃焼ガス温度が低下し、その結果、冷却損失が低下することが主な要因である。
　図１０にリーン限界におけるＮＯｘ生成量を示す。図１０より、水素混焼条件では天然ガス専焼条件と比較してリーン限界におけるＮＯｘ生成量が著しく低下することが分かる。これは、燃焼ガス温度が低下することで、窒素と酸素が高温状態において反応して生成するサーマルＮＯｘの発生を抑制できることが主な要因である。
　以上より、触媒が活性化し、エンジンが暖機となった後の条件においては、水素混焼かつリーン燃焼とすることが有効である。
　以上の制御のキーポイントを踏まえ、本実施例では、触媒の活性状態、エンジンの暖機状態に基づき、エンジンへの炭化水素系燃料供給量または水素供給量を制御する。具体的には、図１１に示すように、水素混合割合および空燃比の異なる３つの運転モードを備え、触媒の活性状態、エンジンの暖機状態に応じて、運転モードを切り替える制御を実施する。ここで、水素混合割合とは、エンジンに供給する合計燃料量（天然ガスおよび水素）に対する水素量の割合である。なお、当該割合は、発熱量割合や体積割合、質量割合などであり、適当に選択すればよい。以下にて、各運転モードの詳細を示す。
モード１
　触媒が非活性の条件において、エンジンに炭化水素系燃料のみを供給し、炭化水素系燃料専焼とする。これにより排気温度を増加させ、触媒を早期に活性化できる。また、点火遅角制御も併せて実施してもよい。これにより、排気温度が増加し、触媒の活性化をより早期に実現できる。また、触媒に流入する排気の酸素濃度が所定値Ｃ１以下となるようにエンジンの空燃比を制御する。所定値Ｃ１とは、エンジンの空燃比を理論空燃比（ストイキ）で運転した場合の排気の酸素濃度である。なお、エンジンの空燃比は、反応成分（ＨＣ、ＮＯｘ、ＣＯ、Ｈ２）の比率が化学量論的に理想的な値となる触媒のウィンドウの範囲内に制御されていればよく、厳密にストイキであることは要しない。これにより、触媒で排気中の有害ガス成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）を浄化できる。
モード２
　触媒が活性かつエンジンが冷機の条件において、エンジンに炭化水素系燃料と水素を供給し、水素混焼とする。これによりシリンダー熱伝達量を増加させ、エンジンを早期に暖機化できる。また、触媒に流入する排気の酸素濃度が所定値Ｃ１以下となるようにエンジンの空燃比を制御する。所定値Ｃ１とは、エンジンの空燃比を理論空燃比（ストイキ）で運転した場合の排気の酸素濃度である。なお、空燃比は、触媒のウィンドウの範囲内に制御されていればよく、厳密にストイキであることは要しない。特に水素混焼条件では、燃焼が高温化してＮＯｘ生成量が増加し、水素供給量の増加によりＨ２生成量が増加し、一方で炭化水素系燃料供給量の減少によりＣＯ、ＴＨＣの生成量が低下する傾向があるため、予め水素混焼条件における空燃比と排気組成の関係を取得し、反応成分（ＨＣ、ＮＯｘ、ＣＯ、Ｈ２）の比率が化学量論的に理想的な値となるように、空燃比を制御するようにしてもよい。これにより、触媒で排気中の有害ガス成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）を浄化できる。
モード３
　触媒が活性かつエンジンが暖機の条件において、エンジンに炭化水素系燃料と水素を供給し、水素混焼とする。これにより、リーン限界を拡大することができる。また、触媒に流入する排気の酸素濃度が所定値Ｃ２以上となるようにエンジンの空燃比を制御する。所定値Ｃ２とは、エンジンの空燃比をエンジンからのＮＯｘの生成量を、後処理装置を使用せずとも排気規制値を十分達成できる値以下に抑制可能な（換言すると、エンジンから直接排出される窒素酸化物の量が所定値以下となる空燃比でエンジンを運転した場合の）リーン条件における排気の酸素濃度である。これにより、エンジンから排出されるＮＯｘを低減し、かつ触媒でＣＯ、ＨＣを高効率で浄化できる。
　続いて、本実施例の具体的な処理を説明する。
　図１２に本実施例に係るエンジン発電機制御のフローチャートの一例を示す。以下、ステップごとに詳細を説明する。
＜ステップＳ１＞
　ステップＳ１では、発電システム制御装置１が、まず接続されている負荷側機器３からの情報（要求負荷）Ｓｇ１を読み込む。負荷側機器３からの情報（要求負荷）Ｓｇ１は、例えば、負荷側に発生している機器の現在の消費電力（電圧および電流）や将来の予測値である。また、発電システム１００の出力が電力系統に接続されている場合は、系統側からの現在もしくは将来の電力要求値となる。
＜ステップＳ２＞
　ステップＳ２では、発電システム制御装置１が、ＥＣＵ１５やエンジン１１から、エンジン１１の情報（エンジン状態）Ｓｇ３を読み込む。ＥＣＵ１５やエンジン１１からの情報（エンジン状態）Ｓｇ３は、例えば、現在のエンジン回転数やトルク、エンジン温度（冷却水温度、吸気温度など）といったエンジン状態やエンジン仕様（排気量、圧縮比、燃料供給位置など）である。
＜ステップＳ３＞
　ステップＳ３では、発電システム制御装置１が、水素生成装置２から、水素生成情報（供給可能水素量）Ｓｇ２を読み込む。ここで水素生成装置２は、例えば再生可能エネルギーから水素を生成する水電解槽であり、水電解槽への入力可能電力や、出力効率などの情報を、発電システム制御装置１に読み込む。
＜ステップＳ４＞
　ステップＳ４では、発電システム制御装置１が、空燃比センサ１７や触媒上流温度センサ１８、酸素濃度センサ１９から、触媒の制御に関連する情報を読み込む。触媒の制御に関連する情報は、空燃比Ｓｇ４や触媒流入ガス温度（触媒上流温度）Ｓｇ５、酸素濃度Ｓｇ６である。
＜ステップＳ５＞
　ステップＳ５では、発電システム制御装置１が、負荷側機器３からの情報（要求負荷）Ｓｇ１に基づき、発電システム１００に要求されている総合要求出力を演算する。ここでは、電力変換器１３や発電機１２の損失などを考慮してエンジンに対するトータルの要求出力が演算される。
＜ステップＳ６＞
　ステップＳ６では、発電システム制御装置１が、触媒流入ガス温度Ｓｇ５に基づき、触媒の活性状態を判定する。ここでは、触媒流入ガス温度Ｔｃが所定温度Ｔｃ０以上であれば触媒が活性状態、触媒流入ガス温度Ｔｃが所定温度Ｔｃ０未満であれば触媒が非活性状態と判定する。このように触媒近傍のガスの温度を直接的に検出した値に基づき判定することで、触媒の活性状態を精度良く判定できる。つまり、本実施例においては、発電システム制御装置１が、触媒が活性状態にあるかを検出する触媒活性状態検出部を有する。触媒活性状態検出部は、触媒に流入するガスの温度（触媒流入ガス温度）を検出し（触媒上流温度センサ１８により計測した触媒流入ガス温度から）、触媒流入ガス温度が所定値以上であるとき、触媒が活性状態であると判定する。しかし、触媒が活性状態にあるかを検出する手段は、これに限られるものではない。
＜ステップＳ７＞
　ステップＳ７では、発電システム制御装置１が、ＥＣＵ１５やエンジン１１からの情報（エンジン状態）Ｓｇ３に基づき、エンジンの暖機状態を判定する。ここでは、エンジン冷却水温度Ｔｗが所定温度Ｔｗ１以上であればエンジンが暖機、エンジン冷却水温度Ｔｗが所定温度Ｔｗ１未満であればエンジンが冷機と判定する。このように、エンジンの冷却水温度を直接的に検出した値に基づき判定するので、エンジンの暖機状態を精度良く判定できる。つまり、本実施例においては、発電システム制御装置１が、エンジンが暖機状態にあるかを検出するエンジン暖機状態検出部を有する。エンジン暖機状態検出部は、エンジンの冷却水温度を検出し（冷却水温度センサ２４により計測した冷却水温度から）、エンジンの冷却水温度が所定値以上であるとき、エンジンが暖機状態であると判定する。しかし、エンジンが暖機状態にあるかを検出する手段は、これに限られるものではない。
＜ステップＳ８＞
　ステップＳ８では、発電システム制御装置１が、ステップＳ６およびステップＳ７で判定した触媒の活性状態およびエンジンの暖機状態に基づき、エンジンの運転モードを演算する。ここでは、図１１に示した運転モードのうち、該当する運転モードが設定される。触媒が非活性である時（換言すると、触媒活性状態検出部により触媒が非活性であると検出されたとき）、モード１（エンジンに炭化水素系燃料のみを供給し、炭化水素系燃料専焼とする）が設定される。これにより排気温度を増加させ、触媒を早期に活性化させることができる。触媒が活性かつエンジンが冷機である時（換言すると、触媒活性状態検出部により触媒が活性であると検出され、かつエンジン暖機状態検出部によりエンジンが冷機であると検出されたとき）、モード２（エンジンに炭化水素系燃料と水素を供給し、水素混焼とする）が設定される。これによりシリンダー熱伝達量を増加させ、エンジンを早期に暖機化することができる。触媒が活性かつエンジンが暖機である時（換言すると、触媒活性状態検出部により触媒が活性であると検出され、かつエンジン暖機状態検出部によりエンジンが暖機であると検出されたとき）、モード３（エンジンに炭化水素系燃料と水素を供給し、水素混焼とする）が設定される。これによりエンジンから排出されるＮＯｘを低減し、かつ触媒でＣＯ、ＨＣを高効率で浄化できる。
＜ステップＳ９＞
　ステップＳ９では、発電システム制御装置１が、ステップＳ８で演算した運転モードに基づき、水素混合割合を演算する。この際に発電システム１００の水素必要量が水素生成装置２から得られた水素生成可能量と同等になるもしくは超えないように設定される。例えば、運転モード毎に水素生成装置２から得られた水素生成可能量に対する水素混合割合を予め設定し、発電システム制御装置１のＲＯＭに記憶しておくことで、水素混合割合が演算される。例えば水素生成可能量の増加に伴い水素混合割合を増加する設定にすることで、モード２においては水素生成可能量が多い条件で、よりエンジン暖機を促進でき、モード３においては水素生成可能量が多い条件で、よりリーンな条件でエンジンを運転できるために高効率な運転ができる。
　また、モード２においては、エンジン冷却水温度が低いほど、水素混合割合が高くなるように、水素混合割合を設定する。言い換えると、モード２においては（エンジン暖機状態検出部によりエンジンが冷機であると検出されたとき）、エンジン冷却水温度が高いほど、総供給燃料量にしめる水素量の割合が低くなるようにエンジンへの炭化水素系燃料供給量または水素供給量を設定（制御）する。これにより、エンジンの冷却水温度が低いときほど水素混合割合が高くなり、シリンダー熱伝達量が増加するため、エンジン暖機を促進できる。
＜ステップＳ１０＞
　ステップＳ１０では、発電システム制御装置１が、ステップＳ５にて演算された総合要求出力をエンジントルク指令値（要求出力）Ｓｄ１としてＥＣＵ１５に送り、トルク指令を実行する。
＜ステップＳ１１＞
　ステップＳ１１では、発電システム制御装置１が、ステップＳ９にて演算されたエンジンの水素混焼割合を実現するよう水素供給量制御を実行する。水素供給量指令値（水素供給目標量）Ｓｄ２を水素供給装置１４に送り、一連の制御を終了する。
　図１３に、本実施例において、触媒が非活性かつエンジンが冷機の条件から始動するシーンのタイムチャートを示す。縦軸は、上段から、総合要求出力、触媒活性状態、エンジン暖機状態、運転モード、水素混合割合、触媒上流ガス空燃比、エンジン発電量、有害物質排出量積算量であり、横軸は、時間である。実線が本実施例、破線が従来技術を示す。
　図１３において、時刻ｔ０において、負荷側機器から情報が入り総合要求出力が算出される。この時、触媒は非活性かつエンジンは冷機の条件であるため、本実施例において、運転モードはモード１、水素混合割合は０、空燃比はストイキが設定される。その後、時刻ｔ１において、触媒が活性かつエンジンが冷機の条件となったため、本実施例において、運転モードはモード２、水素混合割合は所定値、空燃比はストイキが設定される。触媒が活性化したことで、有害物質が浄化され、有害物質排出量積算量はこれ以降ほぼ一定となる。また、エンジンが冷機の状態であるほど（図示していないが、エンジン冷却水温度が低いほど）、水素混合割合が高く設定されるので、エンジンの暖機が促進される。その後、時刻ｔ２にて触媒が活性かつエンジンが暖機の条件となったため、本実施例において、運転モードはモード３、水素混合割合は所定値、空燃比はリーンが設定される。一方、従来技術では、触媒の活性状態によらず水素混焼が実行されるため、排気温度が低下し、触媒の活性化が遅れる。それに伴い、触媒が活性化するまで有害物質が浄化されず排出され、結果として有害物質排出量積算量は増加する。
　本実施例では、エンジンの始動方法に関しては記述していないが、エンジンのクランキングから燃焼が安定するまでの期間は、空燃比をリッチ化し、燃焼を安定化させてもよい。また、始動時に水素混焼もしくは水素専焼とすることで、炭化水素系燃料専焼と比較して、安定した燃焼が可能となり、かつＣＯ、ＴＨＣといった未燃物質の排出量を減らすことができる。
　また、本実施例では、触媒の活性状態を触媒上流温度センサ１８により直接的に検出したが、エンジンの運転状態（例えば、吸入空気量、燃料供給量、点火時期、エンジン回転数等）に基づいて触媒の活性状態を推定することもできる。
　また、本実施例では、エンジンの空燃比を空燃比センサ１７の出力値から求めたが、エアフロセンサ２１により検出された吸入空気量と燃料噴射量とに基づいて算出してもよい。
　以上の説明から明らかなように、本実施例は、炭化水素系燃料と水素が供給されて混焼が可能であり、かつ暖機状態にあるかを検出するエンジン暖機検出部を備えるエンジンにより発電を行うエンジン発電システム（発電システム１００）において、前記エンジンの排気通路に備えられて排気を浄化する触媒と、前記触媒が活性状態にあるかを検出する触媒活性状態検出部と、を備えるエンジン発電システムの制御装置（発電システム制御装置１）であって、前記触媒活性状態検出部により検出された触媒活性状態、および前記エンジン暖機状態検出部により検出されたエンジンの暖機状態に基づき、前記エンジンへの炭化水素系燃料供給量または水素供給量（詳しくは、前記エンジンに供給する炭化水素系燃料と水素の供給量の割合）を制御することを特徴とするエンジン発電システムの制御装置（発電システム制御装置１）としたものである。これにより、触媒の早期活性化およびエンジンの早期暖機化が可能となり、その結果、発電システム１００からの有害物質排出量を抑制することができる。
［実施例２］
　本発明における実施例２について説明する。本実施例では、水素と天然ガスを燃料とする複数のエンジン発電機からなる発電システムに、本発明に係る発電システム制御装置を適用する方法を説明する。なお、以下で説明する実施例２において、実施例１との差異以外の構成は実施例１で説明した構成が適用される。
　図１４は、本発明の実施例２に係る発電システム制御装置を水素と天然ガスを燃料とする複数のエンジン発電機からなる発電システムに適用した例を示す概略構成図である。
　発電システム１００は、エンジン１１、発電機１２、電力変換器１３から構成される発電モジュールＧＭを複数組並列接続（ＧＭ１～ＧＭｎ）して構成され、エンジン１１は、各エンジン１１を制御するための電子制御装置（ＥＣＵ）１５を備えている。エンジン１１は、水素供給装置１４を介して水素生成装置２に接続され、水素燃料を供給可能とされている。また、図示していないが燃料タンクに接続され、天然ガスを供給可能とされていることで、水素または天然ガス、あるいは水素と天然ガスの混合燃料により燃焼可能とされている。これら発電モジュールＧＭ（ＧＭ１～ＧＭｎ）の出力は、負荷側機器３と電気的に接続されている。
　なお、本発明に適用可能な発電モジュールＧＭの最小の構成としては、エンジン１１と発電機１２を備える必要があり、負荷が交流負荷であるか、直流負荷であるかにより、適宜電力変換器１３を備えればよい。また、発電機１２は交流発電機、直流発電機のいずれであってもよい。
　各エンジン１１の排気管は排気通路１６に集合される。さらに、排気を浄化する排気浄化触媒として三元触媒２０と、三元触媒２０に流入するガスの温度（触媒流入ガス温度）を計測する触媒上流温度センサ１８と、空燃比検出器の一態様であって、三元触媒２０の上流側にて排気の空燃比を検出する空燃比センサ１７と、三元触媒２０の下流側にて排気の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ１９が、排気通路１６の各エンジン１１の排気管を集合した後の各々の適宜位置に備えられる。
　発電システム制御装置１は、発電システム１００に搭載される。発電システム制御装置１は、負荷側機器３からの要求負荷Ｓｇ１により発電システム１００の要求負荷を演算する。さらに、発電システム制御装置１は、水素生成装置２から供給可能水素量情報Ｓｇ２を受け取る。さらに、発電システム制御装置１は、エンジン１１から、各エンジン１１のセンサやアクチュエータの情報（エンジン状態）Ｓｇ３（Ｓｇ３１～Ｓｇ３ｎ）を受け取る。さらに、発電システム制御装置１は、空燃比センサ１７や触媒上流温度センサ１８、酸素濃度センサ１９から、三元触媒２０の制御に関連する情報として、空燃比Ｓｇ４や触媒流入ガス温度（触媒上流温度）Ｓｇ５、酸素濃度Ｓｇ６を受け取る。発電システム制御装置１は、これらの情報（Ｓｇ１、Ｓｇ２、Ｓｇ３）に基づき、各エンジン１１のＥＣＵ１５にエンジン要求出力や駆動有無の指令（以下単に要求出力という）Ｓｄ１（Ｓｄ１１～Ｓｄ１ｎ）を送るとともに、所望の水素供給量（水素供給目標量）Ｓｄ２（Ｓｄ２１～Ｓｄ２ｎ）を実現するように各水素供給装置１４を制御する。
　ＥＣＵ１５は、発電システム制御装置１からの要求出力Ｓｄ１に基づいてエンジン１１の出力を制御する。具体的には、ＥＣＵ１５は、天然ガス燃料噴射部、点火部、スロットルバルブ、スタータの制御を実施する。エンジン１１は、例えば火花点火式燃焼を用いる４気筒エンジンであり、内燃機関の一例である。エンジン１１の駆動力により発電機１２は所望の電力負荷を実現するよう発電する。電力変換器１３により、発電機１２により発生した電力の電圧や位相を調整し、負荷側機器３に調整後の電力を供給する。
　次に、実施例２に係る発電システム制御装置１の内部構成例について説明する。図１５は、発電システム制御装置１のハードウェア構成例を示すブロック図である。なお、発電システム制御装置１は、計算機装置を用いて構成されている。
　図１５において、発電システム制御装置１の入力回路１ａには、負荷側機器３、水素生成装置２、ＥＣＵ１５からそれぞれ出力された要求負荷Ｓｇ１、供給可能水素量Ｓｇ２、エンジン状態Ｓｇ３（Ｓｇ３１～Ｓｇ３ｎ）が入力される。ただし、入力信号は、これらに限られるものではない。入力回路１ａに入力された各信号は、入出力ポート１ｂ内の入力ポート（不図示）に送られる。入力ポートに送られた値は、ＲＡＭ（１ｃ）に保管され、ＣＰＵ（１ｅ）で演算処理される。演算処理の内容を記述した制御プログラムは、ＲＯＭ（１ｄ）に予め書き込まれている。
　制御プログラムに従って演算された制御対象（エンジン１１、水素供給装置１４等）の作動量を示す値は、ＲＡＭ（１ｃ）に保管された後、入出力ポート１ｂ内の出力ポート（不図示）に送られ、各出力部（エンジントルク制御出力部１ｆ、水素供給量制御出力部１ｇ）を経て各装置（ＥＣＵ１５、水素供給装置１４）に、要求出力Ｓｄ１（Ｓｄ１１～Ｓｄ１ｎ）、所望の水素供給量（水素供給目標量）Ｓｄ２（Ｓｄ２１～Ｓｄ２ｎ）として送られる。なお、図１５では、発電システム制御装置１に対し、各エンジンの制御装置（ＥＣＵ１５）を別に設けたが、この形態に限定されるものではなく、各装置の制御装置に該当する機能部を発電システム制御装置１内に備えてもよい。
　複数のエンジン発電機を備える構成においては、負荷側機器からの総合要求負荷に応じて、発電モジュールＧＭの稼働台数を調整することが可能となる。例えば、ある総合要求出力Ｐｒ１においてｉ台の発電モジュールが定格で稼働、また触媒が活性かつ稼働中のエンジンは全て暖機の状態であり、実施例１におけるモード３（水素混焼（リーン））で運転しているとする。当状況において、あるタイミングで負荷側機器からの総合要求出力がＰｒ２に増加したとする。この時、稼働中のモジュールの出力調整では総合要求出力の増加に対応できない場合、新たにｋ台のモジュールを稼働させることで総合要求出力Ｐｒ２を実現する。ここで、新たに起動したｋ台のエンジンは冷機であるので、エンジンの早期暖機化のため、実施例１におけるモード２（水素混焼（ストイキ））での運転となる。この時、触媒の浄化能を最大化するため、すでに稼働していたｉ台のエンジンの空燃比もストイキとする必要がある。本実施例では、このような、暖機のエンジンと冷機のエンジンが同時期に稼働する条件にて実施される制御である。
　図１６に天然ガス専焼条件と水素混焼条件の図示熱効率を示す。条件は、天然ガス専焼条件および天然ガス－水素混焼条件であり、エンジン回転数および図示平均有効圧力は一定、空燃比は理論空燃比、点火時期は最適点火時期、でそれぞれ同一である。水素混焼条件では天然ガス専焼条件と比較して図示熱効率が低下する。これは、図７に示すようにシリンダー熱伝達量が増加し、冷却損失が増加することが主な要因である。
　以上より、理論空燃比条件における図示熱効率の観点では天然ガス専焼とすることが有効である。
　そこで、本実施例では、触媒の活性状態および各エンジンの暖機状態に基づき、各エンジンへの炭化水素系燃料供給量または水素供給量を制御する。具体的には、図１７に示すように、水素混合割合および空燃比の異なる４つの運転モードを備え、触媒の活性状態、各エンジンの暖機状態に応じて、運転モードを切り替える制御を実施する。モード１およびモード２は実施例１のモード１およびモード２と同様であるため、説明は割愛する。以下にて、モード３、モード４の詳細を示す。
モード３
　触媒が活性かつエンジンが暖機の条件、かつ、冷機のエンジンが同時期に稼働していないときに、暖機のエンジンに炭化水素系燃料と水素を供給し、水素混焼とする。これにより、リーン限界を拡大することができる。また、触媒に流入する排気の酸素濃度が所定値Ｃ２以上となるように各エンジンの空燃比を制御する。所定値Ｃ２とは、エンジンからのＮＯｘの生成量を、後処理装置を使用せずとも排気規制値を十分達成できる値以下に抑制可能な（換言すると、エンジンから直接排出される窒素酸化物の量が所定値以下となる空燃比でエンジンを運転した場合の）、エンジンの空燃比（リーン）条件における排気の酸素濃度である。これにより、冷機のエンジンが同時期に稼働していないときに、エンジンから排出されるＮＯｘを低減し、かつ触媒でＣＯ、ＨＣを高効率で浄化できる。
モード４
　触媒が活性かつエンジンが暖機の条件、かつ、冷機のエンジンが同時期に稼働しているときに、暖機のエンジンに炭化水素系燃料のみを供給し、炭化水素系燃料専焼とする。これにより、暖機のエンジンを効率の高い条件で運転できる。また、触媒に流入する排気の酸素濃度が所定値Ｃ１以下となるように各エンジンの空燃比を制御する。所定値Ｃ１とは、エンジンの空燃比を理論空燃比（ストイキ）で運転した場合の排気の酸素濃度である。なお、エンジンの空燃比は反応成分（ＨＣ、ＮＯｘ、ＣＯ、Ｈ２）の比率が化学量論的に理想的な値となる触媒のウィンドウの範囲内に制御されていればよく、厳密にストイキであることは要しない。これにより、冷機のエンジンが同時期に稼働しているときに、触媒で排気中の有害ガス成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）を浄化できる。
　続いて、本実施例の具体的な処理を説明する。
　図１８に本実施例に係るエンジン発電機制御のフローチャートの一例を示す。以下、ステップごとに詳細を説明する。
＜ステップＳ１２＞
　ステップＳ１２では、実施例１のステップＳ１と同様の処理のため、説明は割愛する。
＜ステップＳ１３＞
　ステップＳ１３では、発電システム制御装置１が、各ＥＣＵ１５やエンジン１１から、各エンジン１１の情報（エンジン状態）Ｓｇ３（Ｓｇ３１～Ｓｇ３ｎ）を読み込む。ＥＣＵ１５やエンジン１１からの情報（エンジン状態）Ｓｇ３は、例えば、現在のエンジン回転数やトルク、エンジン温度（冷却水温度、吸気温度など）といったエンジン状態やエンジン仕様（排気量、圧縮比、燃料供給位置など）である。
＜ステップＳ１４～Ｓ１６＞
　ステップＳ１４～Ｓ１６では、実施例１のステップＳ３～Ｓ５と同様の処理のため、説明は割愛する。
＜ステップＳ１７＞
　ステップＳ１７では、発電システム制御装置１が、ステップＳ１６で演算した総合要求出力Ｓｄ１を、各エンジン発電モジュールに分配し、個別要求出力Ｓｄ１１、Ｓｄ１２、・・・Ｓｄ１ｎを得る（処理ステップＳ５）。例えば、トータルの要求出力Ｓｄ１と各エンジン発電モジュールの定格出力から、必要なエンジン発電モジュールの駆動台数を算出し、駆動するエンジン発電モジュールでトータル要求出力Ｓｄ１を均等に配分する。
＜ステップＳ１８＞
　ステップＳ１８では、実施例１のステップＳ６と同様の処理のため、説明は割愛する。
＜ステップＳ１９＞
　ステップＳ１９では、発電システム制御装置１が、各ＥＣＵ１５やエンジン１１からの情報（エンジン状態）Ｓｇ３（Ｓｇ３１～Ｓｇ３ｎ）に基づき、各エンジンの暖機状態を判定する。ここでは、エンジン冷却水温度Ｔｗが所定温度Ｔｗ１以上であればエンジンが暖機、エンジン冷却水温度Ｔｗが所定温度Ｔｗ１未満であればエンジンが冷機と判定する。このように、エンジンの冷却水温度を直接的に検出した値に基づき判定するので、エンジンの暖機状態を精度良く判定できる。
＜ステップＳ２０＞
　ステップＳ２０では、発電システム制御装置１が、ステップＳ１８およびステップＳ１９で判定した触媒の活性状態および各エンジンの暖機状態に基づき、各エンジンの運転モードを演算する。ここでは、図１７に示した運転モードのうち、該当する運転モードが設定される。触媒が非活性である時（換言すると、触媒活性状態検出部により触媒が非活性であると検出されたとき）、モード１（エンジンに炭化水素系燃料のみを供給し、炭化水素系燃料専焼とする）が設定される。これにより排気温度を増加させ、触媒を早期に活性化させることができる。触媒が活性かつエンジンが冷機である時（換言すると、触媒活性状態検出部により触媒が活性であると検出され、かつエンジン暖機状態検出部によりエンジンが冷機であると検出されたとき）、モード２（エンジンに炭化水素系燃料と水素を供給し、水素混焼とする）が設定される。これによりシリンダー熱伝達量を増加させ、エンジンを早期に暖機化することができる。触媒が活性かつエンジンが暖機の条件かつ冷機のエンジンが同時期に稼働していない時（換言すると、触媒活性状態検出部により触媒が活性であると検出され、かつエンジン暖機状態検出部によりエンジンが暖機であると検出され、かつ冷機のエンジンが同時期に稼働していないとき）、モード３（暖機のエンジンに炭化水素系燃料と水素を供給し、水素混焼とする）が設定される。これにより、冷機のエンジンが同時期に稼働していないときに、水素混焼（リーン）が可能となり、それによりエンジンから排出されるＮＯｘを低減し、かつ触媒でＣＯ、ＨＣを高効率で浄化できる。触媒が活性かつエンジンが暖機の条件かつ冷機のエンジンが同時期に稼働している時（換言すると、触媒活性状態検出部により触媒が活性であると検出され、かつエンジン暖機状態検出部によりエンジンが暖機であると検出され、かつ冷機のエンジンが同時期に稼働しているとき）、モード４が設定され、暖機のエンジンに炭化水素系燃料のみを供給し、炭化水素系燃料専焼（ストイキ）とする。これにより、暖機のエンジンを効率の高い条件で運転でき、かつ触媒にてＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを高効率に浄化できる。
＜ステップＳ２１＞
　ステップＳ２１では、発電システム制御装置１が、ステップＳ２０で演算した運転モードに基づき、各エンジンの水素混合割合を演算する。そのほかの処理は実施例１のステップＳ９と同様の処理のため、詳細説明は割愛する。
＜ステップＳ２２＞
　ステップＳ２２では、発電システム制御装置１が、ステップＳ１７にて演算されたエンジン別のトルク指令値（個別要求出力Ｓｄ１１、Ｓｄ１２、・・・Ｓｄ１ｎ）を各ＥＣＵ１５に送り、トルク指令を実行する。
＜ステップＳ２３＞
　ステップＳ２３では、発電システム制御装置１が、ステップＳ２１にて演算された各エンジンの水素混焼割合を実現するよう水素供給量制御を実行する。個別水素供給量指令値（Ｓｄ２１、Ｓｄ２２、・・・Ｓｄ２ｎ）を各水素供給装置１４に送り、一連の制御を終了する。
　図１９に、本実施例において、エンジンＡが定格運転している状態から総合要求出力が増加し、新たにエンジンＢが始動するシーンのタイムチャートを示す。縦軸は、上段から、総合要求出力、触媒活性状態、エンジンＡおよびエンジンＢそれぞれの暖機状態、運転モード、水素混合割合、発電量、熱効率、触媒上流ガス空燃比（排気空燃比）であり、横軸は、時間である。実線が本実施例、破線が従来技術を示す。
　図１９において、時刻ｔ５において、総合要求出力が増加し、それに対応するために新たにエンジンＢが始動する。この時、触媒は活性、エンジンＡは暖機、エンジンＢは冷機の条件であるため、本実施例において、エンジンＡに対して、運転モードはモード４（炭化水素系燃料専焼）、水素混合割合は０、空燃比はストイキが設定され、エンジンＢに対して、運転モードはモード２（水素混焼）、水素混合割合は所定値、空燃比はストイキが設定される。一方で、従来技術では、エンジンＡ、エンジンＢともに、運転モードは予め設定されたモード２（水素混焼）、水素混合割合は所定値、空燃比はストイキが設定される。このように、従来技術ではエンジンＡが水素混焼となるのに対し、本実施例ではエンジンＡが炭化水素系燃料専焼となるので、エンジンＡの熱効率を従来技術に対して向上できる。また、本実施例では、エンジンが冷機の状態であるほど（図示していないが、エンジン冷却水温度が低いほど）、水素混合割合が高く設定されるため、本実施例では従来技術に対してエンジンＢの暖機を早期化できる。時刻ｔ６にて、本実施例では触媒が活性かつエンジンＡおよびエンジンＢが暖機の条件となり、エンジンＡ、エンジンＢともに、運転モードはモード３、水素混合割合は所定値、空燃比はリーンが設定され、高熱効率な運転ができる。一方、従来技術では時刻ｔ６より後の時刻ｔ７にて触媒が活性かつエンジンＡおよびエンジンＢが暖機の条件となり、高熱効率な運転を実現するまでの期間が長期化する。
　このように本実施例では、触媒活性状態および各エンジンの暖機状態に基づき、各エンジンへの炭化水素系燃料供給量または水素供給量（詳しくは、各エンジンに供給する炭化水素系燃料と水素の供給量の割合）を制御する。これにより、触媒の早期活性化およびエンジンの早期暖機化が可能となり、発電システム１００からの有害物質排出量を抑制することができる。さらに、冷機のエンジンが同時期に稼働している場合に、暖機のエンジンを熱効率の高い条件で運転が可能となり、燃料消費量を低減することができる。
［実施例３］
　本発明における実施例３について説明する。本実施例では、水素と天然ガスを燃料とする複数のエンジン発電機からなる発電システムに適用した本発明に係る発電システム制御装置において、触媒に流入するガスの反応成分（ＨＣ、ＮＯｘ、ＣＯ、Ｈ２）の比率が化学量論的に理想的な値となるように、各エンジンの空燃比を設定する方法を説明する。なお、以下で説明する実施例３において、実施例２との差異以外の構成は実施例２で説明した構成が適用される。
　初めに、図２０を用いて、本実施例にて実施する各エンジンの空燃比の設定方法を説明する。
　図２０に火花点火式エンジンにおける予混合燃焼のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘの空燃比に対する生成傾向を示す。予混合とは、点火前に空気と燃料が均一に混合している状態をいう。ここでは炭化水素系燃料の単一燃料、または、炭化水素系燃料と水素の混合燃料を例として説明する。以下で、各成分の生成特性を説明する。
ＣＯおよびＨＣ
　ＣＯよびＨＣは不完全燃焼成分であるので、空燃比が小さく、リッチ混合気となるほど増加する。エンジン始動時などは、燃焼を安定させるためにリッチ混合気とせざるを得ないので、ＣＯが多量に発生しやすい。
ＮＯｘ
　ＮＯｘは主としてＮＯで、ＮＯは高温であるとともに酸素と窒素の存在のもとで多量に発生する。燃焼ガスが最高になるのは理論空燃比よりもわずかにリッチ混合比の場合であるが、そこでは燃焼中のみ酸素があるが、燃焼後は酸素がなくなり、リーン域ほど酸素が増す。それにより理論空燃比よりもリーン域でＮＯの生成量は最大値となる。
　このようなＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘの空燃比に対する生成特性を踏まえて各エンジンの空燃比を設定する。例えば、エンジンＡが定格運転している状態から総合要求出力が増加し、新たにエンジンＢが始動するシーンを想定する。エンジンＢの始動時に、燃焼を安定化させるためにエンジンＢの空燃比をリッチに設定する。この時、ＣＯおよびＨＣが多量に生成する。そこで、エンジンＡの空燃比をリーンに設定し、ＮＯｘおよび酸素の量を増加させる。それにより、触媒に流入するガスの反応成分の比率を化学量論的に理想的な値とし、触媒により高効率に有害物質を浄化することができる。
　続いて、本実施例の具体的な処理を説明する。
　図２１に本実施例に係るエンジン発電機制御のフローチャートの一例を示す。以下、ステップごとに詳細を説明する。
＜ステップＳ２４～Ｓ３３＞
　ステップＳ２４～Ｓ３３では、実施例２のステップＳ１２～Ｓ２１と同様の処理のため、説明は割愛する。
＜ステップＳ３４＞
　ステップＳ３４では、発電システム制御装置１が、各ＥＣＵ１５やエンジン１１からの情報（エンジン状態）Ｓｇ３（Ｓｇ３１～Ｓｇ３ｎ）に基づき、各エンジンの空燃比を演算する。ここでは、新たに始動するエンジンの空燃比をリッチに設定する。また、すでに稼働していたエンジンの空燃比をリーンまたはストイキに設定する。この際に、触媒に流入するガスの反応成分の比率が化学量論的に理想的な値となるように、各エンジンの空燃比が設定される。例えば、新たに始動するエンジンが１台、すでに稼働していたエンジンが２台の場合、新たに始動するエンジンはリッチ、すでに稼働していたエンジンを全てリーンとするか、一方はストイキと設定してもよい。このように各エンジンの空燃比を制御することで、触媒により高効率に有害物質を浄化することができる。
＜ステップＳ３５、Ｓ３６＞
　ステップＳ３５、Ｓ３６では、実施例２のステップＳ２２、Ｓ２３と同様の処理のため、説明は割愛する。
　このように本実施例では、少なくとも１台以上のエンジンが稼働している時、新たに始動するエンジンの空燃比をリッチ、すでに稼働しているエンジンの空燃比をリーンまたはストイキに制御する。このように各エンジンの空燃比を制御することで、触媒に流入するガスの反応成分の比率が化学量論的に理想的な値となり、触媒により高効率に有害物質を浄化することができる。その結果、発電システム１００からの有害物質排出量を抑制することができる。
　本発明は上述した各実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限り、その他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。
　例えば、上述した各実施例は本発明を分かりやすく説明するために装置及びシステムの構成を詳細かつ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、ここで説明した実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることは可能であり、さらにはある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。
　また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
１：発電システム制御装置（エンジン発電システムの制御装置）
１ａ：入力回路
１ｂ：入出力ポート
１ｃ：ＲＡＭ
１ｄ：ＲＯＭ
１ｅ：ＣＰＵ
１ｆ：エンジントルク制御出力部
１ｇ：水素供給量制御出力部
２：水素生成装置
３：負荷側機器
１１：エンジン
１２：発電機
１３：電力変換器
１４：水素供給装置
１５：ＥＣＵ
１６：排気通路
１７：空燃比センサ
１８：触媒上流温度センサ
１９：酸素濃度センサ
２０：排気浄化触媒（三元触媒）
２１：エアフロセンサ
２２：天然ガス噴射装置
２３：水素供給流路
２４：冷却水温度センサ
２５：排気管
２６：電子制御スロットル
２７：吸気管
２８：燃焼室
２９：点火プラグ
３０：シリンダヘッド

Claims (15)

  1. 　炭化水素系燃料と水素が供給されて混焼が可能であり、かつ暖機状態にあるかを検出するエンジン暖機状態検出部を備えるエンジンにより発電を行うエンジン発電システムにおいて、前記エンジンの排気通路に備えられて排気を浄化する触媒と、前記触媒が活性状態にあるかを検出する触媒活性状態検出部と、を備えるエンジン発電システムの制御装置であって、
    　前記触媒活性状態検出部により検出された触媒活性状態、および前記エンジン暖機状態検出部により検出されたエンジンの暖機状態に基づき、前記エンジンへの炭化水素系燃料供給量または水素供給量を制御することを特徴とするエンジン発電システムの制御装置。
  2. 　請求項１に記載のエンジン発電システムの制御装置であって、
    　前記触媒活性状態検出部により検出された触媒活性状態、および前記エンジン暖機状態検出部により検出されたエンジンの暖機状態に基づき、前記エンジンに供給する炭化水素系燃料と水素の供給量の割合を制御することを特徴とするエンジン発電システムの制御装置。
  3. 　請求項１に記載のエンジン発電システムの制御装置であって、
    　前記触媒活性状態検出部により触媒が非活性であると検出されたとき、前記エンジンに炭化水素系燃料のみを供給し、炭化水素系燃料専焼とすることを特徴とするエンジン発電システムの制御装置。
  4. 　請求項１に記載のエンジン発電システムの制御装置であって、
    　前記触媒活性状態検出部により触媒が活性であると検出されたとき、前記エンジンに炭化水素系燃料と水素を供給し、水素混焼とすることを特徴とするエンジン発電システムの制御装置。
  5. 　請求項４に記載のエンジン発電システムの制御装置であって、
    　前記エンジン暖機状態検出部によりエンジンが冷機であると検出されたとき、前記触媒に流入する排気の酸素濃度が所定値Ｃ１以下となるように前記エンジンの空燃比を制御し、
    　前記所定値Ｃ１は、前記エンジンの空燃比を理論空燃比で運転した場合の排気の酸素濃度であることを特徴とするエンジン発電システムの制御装置。
  6. 　請求項４に記載のエンジン発電システムの制御装置であって、
    　前記エンジン暖機状態検出部によりエンジンが暖機であると検出されたとき、前記触媒に流入する排気の酸素濃度が所定値Ｃ２以上となるように前記エンジンの空燃比を制御し、
    　前記所定値Ｃ２は、前記エンジンから直接排出される窒素酸化物の量が所定値以下となる空燃比で前記エンジンを運転した場合の排気の酸素濃度であることを特徴とするエンジン発電システムの制御装置。
  7. 　請求項１に記載のエンジン発電システムの制御装置であって、
    　前記触媒活性状態検出部は、前記触媒に流入するガスの温度である触媒流入ガス温度を検出し、前記触媒流入ガス温度が所定値以上であるとき、前記触媒が活性状態であると判定する、および／または
    　前記エンジン暖機状態検出部は、前記エンジンの冷却水温度を検出し、前記エンジンの冷却水温度が所定値以上であるとき、前記エンジンが暖機状態であると判定することを特徴とするエンジン発電システムの制御装置。
  8. 　請求項４に記載のエンジン発電システムの制御装置であって、
    　前記エンジン暖機状態検出部によりエンジンが冷機であると検出されたとき、前記エンジンの冷却水温度が高いほど、総供給燃料量にしめる水素量の割合が低くなるように前記エンジンへの炭化水素系燃料供給量または水素供給量を制御することを特徴とするエンジン発電システムの制御装置。
  9. 　請求項１に記載のエンジン発電システムの制御装置であって、
    　前記エンジン発電システムは、複数の前記エンジンと、前記複数のエンジンの各エンジンの排気管を集合した排気通路と、前記排気通路に備えられた前記触媒とを備え、
    　前記触媒活性状態検出部により検出された触媒活性状態、および前記エンジン暖機状態検出部により検出された前記各エンジンの暖機状態に基づき、前記各エンジンへの炭化水素系燃料供給量または水素供給量を制御することを特徴とするエンジン発電システムの制御装置。
  10. 　請求項９に記載のエンジン発電システムの制御装置であって、
    　前記触媒活性状態検出部により触媒が活性であると検出され、かつ前記エンジン暖機状態検出部により前記エンジンが冷機であると検出されたとき、前記エンジンに炭化水素系燃料と水素を供給し、水素混焼とすることを特徴とするエンジン発電システムの制御装置。
  11. 　請求項９に記載のエンジン発電システムの制御装置であって、
    　前記触媒活性状態検出部により触媒が活性であると検出され、かつ前記エンジン暖機状態検出部により前記エンジンが暖機であると検出され、かつ冷機の前記エンジンが同時期に稼働していないとき、暖機の前記エンジンに炭化水素系燃料と水素を供給し、水素混焼とすることを特徴とするエンジン発電システムの制御装置。
  12. 　請求項９に記載のエンジン発電システムの制御装置であって、
    　前記触媒活性状態検出部により触媒が活性であると検出され、かつ前記エンジン暖機状態検出部により前記エンジンが暖機であると検出され、かつ冷機の前記エンジンが同時期に稼働しているとき、暖機の前記エンジンに炭化水素系燃料のみを供給し、炭化水素系燃料専焼とすることを特徴とするエンジン発電システムの制御装置。
  13. 　請求項１２に記載のエンジン発電システムの制御装置であって、
    　前記エンジン暖機状態検出部により、冷機の前記エンジンが同時期に稼働していると検出されたとき、前記触媒に流入する排気の酸素濃度が所定値Ｃ１以下となるように前記各エンジンの空燃比を制御し、
    　前記所定値Ｃ１は、前記エンジンの空燃比を理論空燃比で運転した場合の排気の酸素濃度であることを特徴とするエンジン発電システムの制御装置。
  14. 　請求項１１に記載のエンジン発電システムの制御装置であって、
    　前記エンジン暖機状態検出部により、冷機の前記エンジンが同時期に稼働していないと検出されたとき、前記触媒に流入する排気の酸素濃度が所定値Ｃ２以上となるように前記各エンジンの空燃比を制御し、
    　前記所定値Ｃ２は、前記エンジンから直接排出される窒素酸化物の量が所定値以下となる空燃比で前記エンジンを運転した場合の排気の酸素濃度であることを特徴とするエンジン発電システムの制御装置。
  15. 　請求項９に記載のエンジン発電システムの制御装置であって、
    　少なくとも１台以上のエンジンが稼働しているとき、新たに始動するエンジンの空燃比をリッチ、すでに稼働しているエンジンの空燃比をリーンまたはストイキに制御することを特徴とするエンジン発電システムの制御装置。
PCT/JP2023/036638 2022-11-15 2023-10-06 エンジン発電システムの制御装置 WO2024106061A1 (ja)

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