(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却水温度、潤滑油温度、給気温度または燃料温度の少なくともいずれか一つの要素が設定値以上であることを検知したときに出力を制御する運転制御装置を有するエンジンにおいて、
冷却水温度、潤滑油温度、給気温度または燃料温度の少なくともいずれか一つの要素が各々の設定値以上であることを所定時間継続して検知した場合、検知した要素に拘わらず出力を所定値以下に一律に制限し、前記設定値以上であることを検知した要素の温度が出力制限状態で設定値以下であることを検知した場合、段階的に制限前の出力に復帰させることを特徴とするエンジン。
【請求項２】
前記請求項１記載のエンジンで発電機を駆動するエンジン発電機を、複数台並列運転するエンジン発電機システムにおいて、温度監視要素として発電機固定子温度を追加し、エンジン発電機を解列する場合、出力制限状態のエンジン発電機を優先的に解列することを特徴とするエンジン発電機システム。
【請求項３】
前記請求項２記載のエンジン発電機システムにおいて、エンジン出力の制限値を、契約電力に対する受電電力の余裕分に基づいて算出するか、または、手動によって設定することを特徴とするエンジン発電機システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンおよびエンジン発電機システムに係り、具体的には、コージェネレーション装置に採用されるエンジンのオーバーヒート防止構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、エンジン発電機において、冷却水温度に応じて出力電力を制限することでオーバーヒートの防止を図る構成が公知である（例えば、特許文献１参照）。かかる特許文献１に記載の構成は、２区分の冷却水温度範囲（１０３度以上１０４度未満、１０４度以上１０５度未満）が設定されており、各冷却水温度範囲毎に、高温度になるに従い段階的に制限電力値が減少するように、９ｋＷ、８ｋＷの制限電力値が設定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−７６５６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記特許文献１は、冷却水温度に応じて段階的に制限値を低減する構成である。この結果、冷却水温度が高くなるに従って制限電力設定値が小さくなるため、エンジンの出力を抑えてクールダウンを行う効果が小さいという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、クールダウン効果のより大きいエンジンのオーバーヒート不具合防止構成を提示する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、冷却水温度、潤滑油温度、給気温度または燃料温度の少なくともいずれか一つの要素が設定値以上であることを検知したときに出力を制御する運転制御装置を有するエンジンにおいて、
冷却水温度、潤滑油温度、給気温度または燃料温度の少なくともいずれか一つの要素が各々の設定値以上であることを所定時間継続して検知した場合、検知した要素に拘わらず出力を所定値以下に一律に制限し、前記設定値以上であることを検知した要素の温度が出力制限状態で設定値以下であることを検知した場合、段階的に制限前の出力に復帰させることにある。                                                                                 
【０００７】
前記本発明は、従来のように冷却水温度により段階的に出力を制限するのではなく、エンジン負荷に起因する冷却水温度、潤滑油温度、給気温度または燃料温度の少なくともいずれか一つの要素が設定値以上であることを検知したときに、一律に出力を所定値に制限するので、クールダウン効果が大きくなる。また、出力を段階的に復帰させるため、出力急増によるオーバーヒートの不具合の発生を防止できる。
【０００８】
また、本発明は、前記エンジンで発電機を駆動するエンジン発電機を、複数台並列運転するエンジン発電システムにおいて、温度監視要素として発電機固定子温度を追加し、エンジン発電機を解列する場合、出力制限状態のエンジン発電機を優先的に解列することにある。
【０００９】
前記本発明は、オーバーヒートが発生し掛けたエンジン発電機を優先的に休止でき、オーバーヒートによるエンジン停止を未然に防止できる。
【００１０】
また、本発明は、エンジン発電機システムにおいて、エンジン出力の制限値を、契約電力に対する受電電力の余裕分に基づいて算出するか、または、手動によって設定することにある。
【００１１】
前記本発明は、エンジン出力を制御する場合でも、契約電力を超過しない範囲において出力を制限することができる。また、手動の場合は、稼動現場に応じた任意の出力制限を行うことができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、冷却水温度、潤滑油温度、給気温度または燃料温度の少なくともいずれか一つの要素が各々の設定値以上である場合に、一律にエンジン出力を所定値に制限するので、クールダウン効果を大きくできる。また、出力を段階的に復帰するため、出力急増によるオーバーヒートの不具合の発生を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態を示すエンジン発電機の概略図である。
【図２】同エンジン発電機の制御を示す概略図である。
【図３】同エンジン発電機システムの概略図である。
【図４】（ａ）は同エンジン発電機における検知温度と運転時間との関係を示す図、（ｂ）は同エンジン発電機における発電機出力と運転時間との関係を示す図である。
【図５】同エンジン発電機の動作を示すフロー図である。
【図６】同エンジン発電機の各部の温度監視要素の設定温度を示す図である。
【図７】同エンジン発電機の動作を示すフロー図である。
【図８】同エンジン発電機の制御を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１〜図６は、本発明をコージェネレーション装置に採用されるエンジン発電機システムに採用した一実施形態を示す。
【００１５】
エンジン発電機システムは、図３に示すように複数基のエンジン発電機Ｘが並列に系統連係されて配置されている。エンジン発電機Ｘは、エンジン１と、エンジン１により駆動される発電機５６とを備えている。また、エンジン発電機Ｘは、遮断器５９を介して商用電源（図示省略）と接続されるとともに、負荷装置５７に接続されている。なお、遮断器５９とは、エンジン発電機Ｘと負荷側の電力系統とを接続したり、遮断したりするものである。
【００１６】
エンジン１は、図１に示すように、都市ガス（天然ガス）を動力源とするガスエンジンで、潤滑油系統２と冷却水系統３とを備えている。
【００１７】
先ず、潤滑油系統２について説明する。エンジン１には、潤滑油が貯留されているオイルパン５と、エンジン１内の各部にオイルパン５内の潤滑油を供給して各部を潤滑するための潤滑経路２０が設けられている。
【００１８】
潤滑経路２０上流端には、ストレーナ２１がオイルパン５内の潤滑油に浸漬するように設けられている。潤滑経路２０の途中には、ストレーナ２１を介して潤滑油を汲み上げる潤滑油ポンプ２２が設けられている。潤滑油ポンプ２２で汲み上げられた潤滑油は、潤滑油クーラ２５で冷却された後に、エンジン１内部に入って、各部を冷却し且つ潤滑する。各部を潤滑した潤滑油は、オイルパン５に戻るようになっている、
潤滑経路２０における潤滑油ポンプ２２と潤滑油クーラ２５との間には、潤滑経路２０を流れる潤滑油の温度を検知する潤滑油温度センサ２６が設けられている。この潤滑油温度センサ２６は、潤滑油ポンプ２２から吐出されてから潤滑油クーラ２５で冷却される以前の潤滑油温度を検知している。
【００１９】
オイルパン５から汲み上げられてエンジン１の各部に供給される以前の潤滑油の温度は、エンジン１の温度が反映されているため、エンジン１の負荷状態を測る要素の一つとなり、潤滑油温度センサ２６が、かかる潤滑油の温度を検知することにより、エンジン１の負荷状態を検出することができる。
【００２０】
次に、冷却水系統３について説明する。冷却水系統３は２系統が独立に設けられている。一方の冷却水系統３０は、エンジン１の各部（例えば、図示省略のシリンダブロックやシリンダヘッド）を冷却する冷却水系統である。他方の冷却水系統３１は、過給機３３で圧縮された空気を冷却するための給気冷却器（インタークーラ）３４に接続される冷却水系統である。
【００２１】
一方の冷却水系統３０は、放熱器（第１ラジエータ）で放熱された冷却水が、ポンプ３６により流れる冷却水経路３７を備えている。この冷却水経路３７は分岐されており、一方の経路３８がエンジン１内に設けられたジャケット（図示省略）等に連通されている。一方の経路３８を流れる冷却水は、エンジン各部を冷却した後に、図示省略の戻し経路を流れて第１ラジエータに戻るようになっている。
【００２２】
他方の経路３９は潤滑油クーラ２５に接続されており、他方の経路３９を流れる冷却水は、潤滑油クーラ２５において潤滑経路２０を流れる潤滑油を冷却する。潤滑油クーラ２５には戻し経路４０が接続されており、冷却水はこの戻し経路４０を流れて第１ラジエータに戻るようになっている。
【００２３】
戻し経路４０には、冷却水温度センサとしてクーリングウォータサーミスタ４１が設けられている。この冷却水温度センサ４１は、潤滑油クーラ２５において潤滑油を冷却した後で且つ第１ラジエータで放熱する以前の冷却水温度を検知している。かかる部分の冷却水は、実際にエンジン１のジャケットを通ってきているので、エンジン負荷（エンジンの温まり具合）が直接的に反映されている。従って、潤滑油を冷却した後で且つ第１ラジエータで放熱する以前の冷却水温度は、エンジン１の負荷状態を検出する要素の一つとなり、潤滑油温度センサ２６が、かかる冷却水温度を検知することにより、エンジン１の負荷状態を検出することができる。
【００２４】
他方の冷却水系統３１は、放熱器（第２ラジエータ）と給気冷却器３４と間を冷却水が循環移動して、過給機３３で圧縮された空気を冷却する。給気冷却器３４には、給気温度センサ４５が接続されている。エンジン１の負荷が増えてくると、燃料の噴射量が必然的に増加するため、排ガスの温度は上昇する。また、タービン４４の回転速度が上がって、タービン４４で吸い込まれる空気量が増加する。空気量が増加すると、温度が密度に比例するので、空気温度が上がってくる。
【００２５】
従って、排ガスの温度と燃料の噴射具合から、エンジンの負荷の状態が把握できる。このため、給気冷却器３４での給気温度は、エンジン１の負荷状態を検出する要素の一つとなり、給気温度センサ４５が給気温度を検知することにより、エンジン１の負荷状態を検出することができる。
【００２６】
都市ガスを動力源とするエンジン１には、過給機３３により高圧の空気がエンジン１に供給されるため、高圧の燃料をエンジン１に圧送する必要がある。そこで、燃料ガスコンプレッサ５１が設けられている。その燃料ガスコンプレッサ５１の出口経路５２に、燃料温度センサとしてのフューエルサーミスタ５０を設けて、燃料ガス温度を検知している。
【００２７】
また、燃料ガス消費量が増加する場合、燃料ガスコンプレッサ５１の回転が増加するとともに燃料ガスの温度も高くなる。従って、燃料ガスの温度は、エンジン１の負荷状態を検出する一つの要素となり、燃料温度センサ５０が燃料ガスの温度を検知することにより、エンジン１の負荷状態を検出することができる。
【００２８】
前記潤滑油温度センサ２６、冷却水温度センサ４１、給気温度センサ４５および燃料温度センサ５０は、図２に示すように、制御部としてのコントローラ５５に接続されており、前記各温度センサ２６、４１、４５、５０の信号がコントローラ５５に送信されるようになっている。コントローラ５５は、各温度センサ２６、４１．４５、５０の信号に基づいてエンジン１を制御し、定格電力で運転しているエンジン発電機Ｘの出力（以下、出力という。）を所定値以下に下げる負荷抑制制御（レートダウン）を行う。なお、各温度センサ２６、４１、４５、５０およびコントローラ５５により、運転制御装置５８が構成されている。
【００２９】
次に、上記構成からなるエンジン発電機システムの動作について、図５に示すエンジン発電機のフロー図を参照しながら説明する。かかるエンジン発電機システムの動作説明において、図３、図４および図６も適宜参照する。なお、図４（ａ）はエンジン発電機Ｘにおける検知温度と運転時間との関係を示し、同図（ｂ）はエンジン発電機Ｘにおける出力と運転時間との関係を示し、図６は各温度監視要素の設定温度を示す。
【００３０】
先ず、各エンジン発電機Ｘの遮断器５９を接続して、電力供給を開始する（Ｓ１）。通常の発電時において、出力は定格の１００パーセントに達している。
【００３１】
そして、エンジン発電機Ｘの定格電力を下げる負荷抑制が必要か否かの判定を行う（Ｓ２）。かかる負荷抑制判定に際しては、冷却水温度、潤滑油温度、給気温度または燃料温度を温度監視要素とし、その何れか一つでも温度上昇判定値Ｒ以上に達したか否を判定して行う。
【００３２】
具体的には、潤滑油温度センサ２６、冷却水温度センサ４１、給気温度センサ４５および燃料温度センサ５０が検知した信号が、コントローラ５５に送信される。コントローラ５５には、潤滑油温度、冷却水温度、給気温度および燃料温度の設定値が、それぞれ予め記憶されている。それぞれの具体的な設定値を図６に示す。同図において、軽故障とは、各温度センサがそれぞれの低温側温度の第１設定値を検出した際に、コントローラ５５がエンジン１の出力を制限する故障をいう。そして、低温側温度の第１設定値が温度上昇判定値Ｒとなる。
【００３３】
重故障とは、各温度センサ２６、４１、４５、５０がそれぞれの高温側温度の第２設定値を検知した際に、コントローラ５５がエンジン１を停止させる故障をいう。
【００３４】
図４（ａ）および（ｂ）に示すように、運転時間の経過とともに、各温度センサ２６、４１、４５、５０の検知温度Ｈが次第に上昇して、時間Ｔ１の位置において温度上昇判定値Ｒに到達する。なお、図４（ａ）は、各温度センサ２６、４１、４５、５０の内、最初に温度上昇判定値Ｒに到達した温度センサ２６、４１、４５、５０の検知温度変化を示す。
【００３５】
検知温度Ｈが温度上昇判定値Ｒに到達すると、コントローラ５５は負荷抑制が必要（冷却水温度、潤滑油温度、給気温度または燃料温度の何れか一つでも設定値以上）と判断する（Ｓ２：ＹＥＳ）。この判定結果に基づいて、コントローラ５５がエンジン１を制御して、出力を定格の所定パーセントのＡｋＷ（例えば、定格の５０パーセント）まで低下させる（Ｓ３およびＳ４）。
【００３６】
検知温度Ｈは、その後温度上昇判定値Ｒよりも上昇するが、負荷抑制により次第に低下して所定時間経過後に再び温度上昇判定値Ｒに到達する（図４（ａ）の時間Ｔ２の位置）。検知温度Ｈが再び温度上昇判定値Ｒに到達すると、コントローラ５５はＡｋＷの状態で出力を一定制御する（Ｓ５）。最新の出力到達時よりＥ分（例えば５分）経過したか否かを判断する（Ｓ６）。初回の判断は、検知温度Ｈが再び温度上昇判定値Ｒに到達してからＥ分経過した場合（Ｓ６：ＹＥＳ）に、ＣｋＷ（例えば１０パーセント）出力を上げる（Ｓ７および図４（ｂ）の時間Ｔ３の位置）。
【００３７】
さらに、エンジン発電機Ｘが定格出力に復帰したか否かを判断する（Ｓ８）。ＣｋＷ（１０パーセント）出力を上げてからＥ分（５分）経過していない場合には、Ｓ９に戻る。最新の出力到達よりＥ分（５分）経過した場合（Ｓ６：ＹＥＳ）には、さらにＣｋＷ出力を上げる（Ｓ７および図４（ｂ）の時間Ｔ４の位置）。
【００３８】
さらに、出力が定格に戻っていなければ（Ｓ８：ＮＯ）、またＳ９に戻る。このように、出力が定格に戻るまで、Ｅ分間同じ出力で運転した後に、ＣｋＷ出力を戻して（図４（ｂ）の時間Ｔ５の位置）、さらにＥ分間同じ出力で運転した後に、ＣｋＷ出力を戻して（図４（ｂ）の時間Ｔ６の位置）、ステップＳ６〜Ｓ９を繰り返して、段階的に出力を戻す（図４（ｂ）の時間Ｔ７の位置）。
【００３９】
そして、出力が定格に復帰した場合（Ｓ８：ＹＥＳ）には、負荷抑制制御を中止して通常運転に復帰する（Ｓ１０）。
【００４０】
仮に、出力を戻している途中において、検知温度Ｈが、温度上昇判定値Ｒ以上に上昇してしまった場合には、再び負荷抑制が必要と判断されてステップＳ６に戻る。
【００４１】
また、運転状況によっては、負荷抑制制御を解除したい場合がある。このような場合には、負荷抑制制御を手動で解除できる。コントローラ５５は、負荷抑制解除信号を監視している（Ｓ１１）。そして、解除釦を押した場合に負荷抑制制御を終了し通常運転に復帰する（Ｓ１２）。なお、手動モードに切り替えたとき、もしくは、コントローラ５５がエンジン発電機Ｘの停止信号を受信したときも、負荷抑制制御の解除信号とする。
【００４２】
前記のように、軽故障と判断されて出力が低下したエンジン発電機Ｘは、他のエンジン発電機Ｘから解列が可能となっている。従って、エンジン発電機Ｘを複数基自動運転中に、ある１基が負荷抑制制御中となった場合、制御中のエンジン発電機Ｘを系統から解列させて、出力を回復させる。このように、軽故障によりオーバーヒートが発生しかけたエンジン発電機Ｘを優先的に休止でき、エンジン１の高温状態継続による重故障停止を回避するとともに、その解列されたエンジン発電機Ｘのエンジン１のオーバーヒートを防止できる許容範囲内では電力供給を優先することができる。
【００４３】
本発明は、前記実施の形態に限定されるものではない。図７は、本発明の他の実施形態に係るエンジン発電機のフロー図を示す。図７に示す他の本実施の形態は、エンジン１の高温状態継続による重故障停止を回避するとともに、契約電力を超過しない範囲で負荷抑制制御を実施可能とするものである。
【００４４】
スーパーや病院等の施設においては、使用電力をエンジン発電機Ｘで発電するとともに、このエンジン発電機Ｘで発電する電力の不足分の電力を電力会社から購入している。従って、施設は購入予定電力に余裕分の電力を加えた電力を契約電力として、電力会社と契約している。そして、施設が実際に電力会社から供給を受ける電力（購入電力）が、契約電力を超える場合には、施設に月々基本料金および使用料金以外に罰金が請求されることとなる。
【００４５】
例えば、１２００ｋＷの電力を必要とする施設が、定格が５００ｋＷのエンジン発電機Ｘを２基使用する際には、２基のエンジン発電機Ｘで１０００ｋＷの電力を発電することができる。そこで、電力会社から少なくとも不足分の２００ｋＷ（受電電力）を購入すればよいことになる。そこで、余裕分の電力（１００ｋＷ）も考慮して電力会社の契約電力を３００ｋＷと設定する。従って、施設が３００ｋＷを越えて購入電力を使用すると、電力会社から罰金が請求されることとなる。
【００４６】
このような施設において、前記実施形態のように、仮に、軽故障と判断されたエンジン発電機Ｘを、定格出力の５０パーセントまで出力低下させると、５００ｋＷ（定格出力）が出力低下により２５０ｋＷにダウンする。その結果、エンジン発電機システム全体の発電能力は、７５０ｋＷ（５００ｋＷ＋２５０ｋＷ）となるため、電力会社から不足分の４５０ｋＷの電力を購入する必要がある。この結果、購入電力（４５０ｋＷ）は、契約電力（３００ｋＷ）を超えてしまうため、購入電力が契約電力を超過しない範囲で負荷抑制制御を実施する。
【００４７】
具体的には、前記コントローラ５５に契約電力として３００ｋＷを記憶させる。通常時の受電電力は２００ｋＷなので、契約電力（３００ｋＷ）−受電電力（２００ｋＷ）＝１００ｋＷまで余裕がある。そこで、負荷抑制する電力は、定格出力の５０パーセントではなくて、（１００ｋＷ／５００ｋＷ）×１００＝２０パーセントである。
【００４８】
そこで、本実施の形態のコントローラ５５は、定格出力の２０パーセントが契約電力を超過しない範囲（負荷抑制可能パーセント）であると自動で判断し、契約電力を超過しない範囲内で出力を下げるように制御する。このように、本実施の形態は、出力の制限値を契約電力に対する受電電力の余裕分に基づいて算出するようにしている。
【００４９】
次に、上記負荷抑制を行うエンジン発電機システムの動作について、図７に示すエンジン発電機のフロー図を参照しながら説明する。なお、図５に示すエンジン発電機のフロー図と同じステップ処理には、同一符号を付し、それぞれの具体的な説明は省略する。
【００５０】
先ず、ステップＳ１およびＳ２において、エンジン発電機Ｘの定格電力を下げる負荷抑制制御が必要と判断されると、負荷抑制可能パーセント（Ｇパーセント）まで出力を低下させる（Ｓ４Ａ）。Ｇパーセントとは、前記定格の２０パーセントに相当し、コントローラ５５が演算した値である。
【００５１】
負荷抑制可能パーセントの演算に使用される受電電力の値は、計測時によって誤差が生じる可能性がある。そこで、以下の式により、加重平均処理したものが採用されている。すなわち、受電電力の値は、（ｐ×Ｎ＋Ｐ）÷（Ｎ＋１）の式により求められる。なお、ｐは前回の加重平均受電電力、Ｐは最新の受電電力計測値、Ｎは受電電力加重平均回数である。Ｎを適宜設定することにより、加重平均処理した受電電力の値が求められる。
【００５２】
Ｇパーセント低下の出力を一定制御した（Ｓ５Ａ）後に、Ｅ分経過した場合（Ｓ６Ａ）には、ＣｋＷ出力を上げる（Ｓ７）。
【００５３】
出力が定格に戻っていなければ（Ｓ８：ＮＯ）、またステップＳ９に戻る。このように、出力が定格に戻るまで、ステップＳ６〜Ｓ９を繰り返して、段階的に出力を戻す。
【００５４】
そして、エンジン発電機出力が定格に復帰した場合（Ｓ８：ＹＥＳ）には、負荷抑制を中止して通常運転に復帰する（Ｓ１０）。
【００５５】
本発明は、前記実施形態に限定されるものではない。前記温度監視要素としては、冷却水温度、潤滑油温度、給気温度または燃料温度に限定されるものではない。例えば、図３（仮想線で示す）および図８に示すように、発電機５６に温度センサ６０を設けることも可能である。発電機５６は、図示省略の磁石からなる回転子と、鉄心からなる固定子とから構成されている。この固定子には、サーミスタ等の発電機固定子温度センサ６０が設けられている。発電機固定子温度センサ６０は、発電機５６の発電時に電流が流れるため、その発熱を検知することができる。
【００５６】
発電機固定子温度センサ６０は、図６に示すように、軽故障時の温度（第１設定値）と、重故障時の温度（第２設定値）とを検知する。発電機固定子温度は、エンジン１の負荷状態を検出する要素の一つとなり、発電機固定子温度センサ６０が、かかる発電機固定子温度を検知することにより、エンジン１の負荷状態を検出することができる。
【００５７】
そして、前記エンジン負荷に起因する温度監視要素として、冷却水温度、潤滑油温度、給気温度、燃料温度または発電機固定子温度の少なくともいずれか一つが設定値以上であることを検知したときに、コントローラ５５がエンジン発電機Ｘの出力を制御する。
【００５８】
また、コントローラ５５は、冷却水温度、潤滑油温度、給気温度、燃料温度または発電機固定子温度の全てを温度監視要素とする場合や、任意のものを適宜選択して温度監視要素とすることも可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１          エンジン
２          潤滑油系統
３          冷却水系統
２６        潤滑油温度センサ
４１        冷却水温度センサ
４５        給気温度センサ
５０        フューエルサーミスタ（燃料温度センサ）
５５        制御部（コントローラ）
５８        運転制御装置
６０        発電機固定子温度センサ
Ｘ          エンジン発電機
【図１】
0005530208.tif 000002
【図２】
0005530208.tif 000003
【図３】
0005530208.tif 000004
【図４】
0005530208.tif 000005
【図５】
0005530208.tif 000006
【図６】
0005530208.tif 000007
【図７】
0005530208.tif 000008
【図８】
0005530208.tif 000009