(57)【要約】【課題】  本発明は、燃焼室２において圧縮された混合気を火花点火する点火手段３を有し回転機５を回転駆動するエンジン１と、エンジン１から排出された排ガスが有する排熱を回収して熱消費部２１へ供給する排熱回収機構７とを備えた熱源システムやコージェネレーションシステムなどのエネルギシステム１００に関し、熱消費部２１における消費熱量に対して排熱回収機構７で回収した回収熱量を適切なものとしてエネルギ効率の向上を図ることができる技術を提供する点にある。【解決手段】  排熱回収機構７で回収した回収熱量に対する熱消費部２１における消費熱量の状態に基づいて点火手段３の点火時期を補正する点火時期補正手段３１を備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室において圧縮された混合気を火花点火する点火手段を有し回転機を回転駆動するエンジンと、前記エンジンから排出された排ガスが有する排熱を回収して熱消費部へ供給する排熱回収機構とを備えたエネルギシステムであって、
前記排熱回収機構で回収した回収熱量に対する前記熱消費部における消費熱量の状態に基づいて前記点火手段の点火時期を補正する点火時期補正手段を備えたエネルギシステム。
【請求項２】
燃焼室において圧縮された混合気を火花点火する点火手段を有し回転機を回転駆動するエンジンと、前記エンジンから排出された排ガスが有する排熱を回収して熱消費部へ供給する排熱回収機構とを備えたエネルギシステムであって、
前記回転機が前記エンジンにより回転駆動されて電力を発生して電力消費部に供給する発電手段であり、
前記電力消費部における消費電力量に対する前記熱消費部における消費熱量の状態に基づいて前記点火手段の点火時期を補正する点火時期補正手段を備えたエネルギシステム。
【請求項３】
前記点火時期補正手段が、前記消費熱量が大きい熱不足状態において前記点火手段の点火時期を遅角側に補正し、前記消費熱量が小さい熱余り状態において前記点火手段の点火時期を進角側に補正する請求項１又は２に記載のエネルギシステム。
【請求項４】
前記排熱回収機構が、前記エンジンから排出された排ガスと水とを熱交換して湯水を生成する熱交換部と、前記熱交換部で生成された湯水を貯える貯湯タンクとを有し、前記貯湯タンクに貯えられた湯水を前記熱消費部に供給するように構成されている請求項１から３の何れか１項に記載のエネルギシステム。
【請求項５】
前記エンジンの不安定運転状態を判定する不安定運転状態判定手段と、
前記不安定運転状態判定手段の判定結果に基づいて前記点火時期制御手段による点火時期の補正範囲を設定する補正範囲設定手段とを備えた請求項１から４の何れか１項に記載のエネルギシステム。
【請求項６】
前記燃焼室に複数の点火手段を備え、
前記エンジンの不安定運転状態を判定する不安定運転状態判定手段と、
前記不安定運転状態判定手段の判定結果に基づいて作動状態とする前記点火手段の数である点火数を設定する点火数設定手段とを備えた請求項１から５の何れか１項に記載のエネルギシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室において圧縮された混合気を火花点火する点火手段を有し回転機を回転駆動するエンジンと、前記エンジンから排出された排ガスが有する排熱を回収して熱消費部へ供給する排熱回収機構とを備えたエネルギシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のエネルギシステムとしては、例えば、エンジンから排出された排ガスと水とを熱交換して湯水を生成する熱交換部と、その熱交換部で生成された湯水を貯える貯湯タンクとを有し、貯湯タンクに貯えられた湯水を給湯部や暖房機器などの熱消費部に供給するように構成された排熱回収機構を備えた所謂熱源システムや、上記排熱回収機構に加えて、エンジンにより駆動されて電力を発生して電気機器などの電気消費部に供給する回転機としての発電機を備えた所謂コージェネレーションシステム（例えば、特許文献１を参照。）などがある。
【０００３】
このようなエネルギシステムは、主に発電機などを駆動するために運転され、そのときに発生する排熱を有効利用するべく、排熱回収機構により排熱を回収して熱消費部に供給するものである。
【０００４】
また、燃焼室において混合気を圧縮して点火プラグ（点火手段）より点火する所謂火花点火式のエンジンにおいて、点火プラグの点火時期を遅角側に補正することにより、エンジンの軸出力が低下する分、排ガスの温度が上昇し、その排ガスの温度上昇を利用して、エンジンの暖機を促進させる技術が知られている（例えば、特許文献２を参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２４８９０９号公報
【特許文献２】特開平１１−９３８１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
熱源システムやコージェネレーションシステムなどの従来のエネルギシステムにおいて、エンジンの出力は、例えば発電機で発生した電力を消費する電力消費部の消費電力量に基づいて制御されるために、排熱回収機構で回収した回収熱量は熱消費部における消費熱量に関係ないものとなる。よって、上記消費熱量が上記回収熱量よりも多く熱不足状態となる場合には、エンジンとは別の給湯器等の補助熱源機を作動させて熱を発生させる必要があり、逆に、上記消費熱量が上記回収熱量よりも少なく熱余り状態となる場合には、上記回収熱量から上記消費熱量を差し引いた余剰熱量分を放熱させる必要があって、何れの場合においても、エネルギ効率の低下を招くことになる。
【０００７】
また、従来の火花点火式のエンジンにおいて、点火プラグの点火時期を遅角側に補正することにより排ガスの温度を上昇させる技術は、そのエンジンにおける暖機を促進させるために採用されているが、その火花点火式のエンジンを備えたエネルギシステムにおいて、その技術を積極的に利用するものはなかった。
【０００８】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱源システムやコージェネレーションシステムなどのエネルギシステムにおいて、熱消費部における消費熱量に対して排熱回収機構で回収した回収熱量を適切なものとしてエネルギ効率の向上を図ることができる技術を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明に係るエネルギシステムは、燃焼室において圧縮された混合気を火花点火する点火手段を有し回転機を回転駆動するエンジンと、前記エンジンから排出された排ガスが有する排熱を回収して熱消費部へ供給する排熱回収機構とを備えたエネルギシステムであって、その第１特徴構成は、前記排熱回収機構で回収した回収熱量に対する前記熱消費部における消費熱量の状態に基づいて前記点火手段の点火時期を補正する点火時期補正手段を備えた点にある。
【００１０】
上記第１特徴構成によれば、エネルギシステムを所謂熱源システムとして構成した場合において、上記点火時期補正手段により排ガスの温度を変動させることができる点火時期を補正することで、上記回収熱量を上記消費熱量に合った適切なものとして、エネルギ効率の向上を図ることができる。
【００１１】
上記目的を達成するための本発明に係るエネルギシステムの第２特徴構成は、前記回転機が前記エンジンにより回転駆動されて電力を発生して電力消費部に供給する発電手段であり、
前記電力消費部における消費電力量に対する前記熱消費部における消費熱量の状態に基づいて前記点火手段の点火時期を補正する点火時期補正手段を備えた点にある。
【００１２】
上記第２特徴構成によれば、エネルギシステムを所謂コージェネレーションシステムとして構成した場合において、上記点火時期補正手段により排ガスの温度を変動させることができる点火時期を補正することで、上記回収熱量を上記消費熱量に合った適切なものとしながら、エンジンにより回転駆動される発電手段の発電量を上記消費電力量に合った適切なものとして、エネルギ効率の向上を図ることができる。
【００１３】
本発明に係るエネルギシステムの第３特徴構成は、前記点火時期補正手段が、前記消費熱量が大きい熱不足状態において前記点火手段の点火時期を遅角側に補正し、前記消費熱量が小さい熱余り状態において前記点火手段の点火時期を進角側に補正する点にある。
【００１４】
即ち、点火手段を備えたエンジンにおいて、点火手段の点火時期を遅角側に補正することで、エンジンの軸出力が低下する分、排ガスの温度が上昇するので、上記回収熱量及び上記発電量に対する上記回収熱量の比率は増加し、逆に、点火手段の点火時期を進角側に補正することで、エンジンの軸出力が増加する分、排ガスの温度が低下するので、上記回収熱量及び上記発電量に対する上記回収熱量の比率は減少する。
そして、このことを利用して、上記第３特徴構成によれば、上記回収熱量や上記消費電力量に対して上記消費熱量が比較的大きい所謂熱不足状態である場合には、上記点火時期補正手段により点火時期を遅角側に補正されて、上記回収熱量及び上記発電量に対する上記回収熱量の比率が増加され、逆に、上記回収熱量や上記消費電力量に対して上記消費熱量が比較的小さい所謂熱余り状態である場合には、上記点火時期補正手段により点火時期を進角側に補正されて、上記回収熱量及び上記発電量に対する上記回収熱量の比率が減少されるので、上記回収熱量が上記消費熱量に合った適切なものとなり、更には、エンジンにより回転駆動される発電手段の発電量が上記消費電力量に追従した適切なものとなる。
【００１５】
本発明に係るエネルギシステムの第４特徴構成は、前記排熱回収機構が、前記エンジンから排出された排ガスと水とを熱交換して湯水を生成する熱交換部と、前記熱交換部で生成された湯水を貯える貯湯タンクとを有し、前記貯湯タンクに貯えられた湯水を前記熱消費部に供給するように構成されている点にある。
【００１６】
上記第４特徴構成によれば、上記熱消費部における熱消費は比較的断続して行われるため、上記排熱回収機構は、上記熱交換部により湯水を生成し、その湯水を一旦上記貯湯タンクに貯えるように構成することで、熱交換部により継続的に排熱を回収しながら、熱消費部に対して断続的に湯水を供給することができる。
更に、このように排熱回収機構を構成する場合には、上記回収熱量に対する上記消費熱量の状態を、貯湯タンクに貯えられた湯水の量若しくは温度として認識することもできる。
【００１７】
本発明に係るエネルギシステムの第５特徴構成は、前記エンジンの不安定運転状態を判定する不安定運転状態判定手段と、
前記不安定運転状態判定手段の判定結果に基づいて前記点火時期制御手段による点火時期の補正範囲を設定する補正範囲設定手段とを備えた点にある。
【００１８】
上記第５特徴構成によれば、上記補正範囲設定手段を備えることで、前述の点火時期補正手段により補正される点火手段の点火時期を、上記不安定運転状態判定手段により失火率や燃焼変動率などが所定の許容値を超える不安定運転状態が判定されないような適切な補正範囲内に制限して、エンジンの運転状態を安定したものとすることができる。
【００１９】
本発明に係るエネルギシステムの第６特徴構成は、前記燃焼室に複数の点火手段を備え、
前記エンジンの不安定運転状態を判定する不安定運転状態判定手段と、
前記不安定運転状態判定手段の判定結果に基づいて作動状態とする前記点火手段の数である点火数を設定する点火数設定手段とを備えた点にある。
【００２０】
上記第６特徴構成によれば、上記点火数設定手段を備えることで、前述の点火時期補正手段により点火手段の点火時期を補正することで失火率や燃焼変動率などが所定の許容値を超える不安定運転状態が発生する恐れがある場合でも、上記不安定運転状態判定手段で不安定運転状態が判定されないように点火数を設定することができ、エンジンの運転状態を安定したものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１に示すエネルギシステム１００は、熱と電力とを発生するコージェネレーションシステムとして構成されている。
即ち、エネルギシステム１００は、燃焼室２において圧縮された混合気を火花点火する点火プラグ３（点火手段の一例）を有し回転機としての発電機５（発電手段の一例）を回転駆動するエンジン１と、エンジン１から排出された排ガスが有する排熱を回収する排熱回収機構７とを備え、排熱回収機構７で回収された熱を湯水として給湯部や暖房機器などの熱消費部２１へ供給すると共に、発電機５で発電した電力を電気機器などの電気消費部２２へ供給するように構成されている。
【００２２】
上記排熱回収機構７は、エンジン１から排出された排ガスと水とを熱交換して湯水を生成する熱交換器８（熱交換部の一例）と、熱交換器８で生成された湯水を貯える貯湯タンク９とを有し、貯湯タンク９に貯えられた湯水を熱消費部２１に供給するように構成されている。また、貯湯タンク９には、その貯湯タンク９に貯えられている湯水の温度を検出する湯水温度センサ１４が設けられている。
【００２３】
エンジン１は、点火プラグ３を１サイクルにおける所定の点火時期に作動させる点火回路４が設けられ、その点火回路４は、コンピュータからなるコントロールユニット３０からの指令によりその点火プラグ３の点火時期を調整可能に構成されている。また、エンジン１は、２つの点火プラグ３を有し、上記点火回路４により夫々の点火プラグ３の点火時期が各別に調整可能且つ作動する点火プラグ３の数（以下、点火数と呼ぶ。）を１個若しくは２個と変更可能に構成されている。また、燃焼室１には、燃焼室２の圧力を検出する筒内圧センサ１１が設けられている。
【００２４】
そして、コントロールユニット３０は、所定のコンピュータプログラムを実行することにより、後述する点火時期補正手段３１、更には、不安定運転状態判定手段３２、点火数設定手段３３、及び、補正範囲設定手段３４として機能し、これら各種手段３１，３２，３３，３４を働かせて、エンジン１の運転状態を安定したものに維持しながら排熱回収機構７における回収熱量を熱消費部２１における消費熱量に合った適切なものとしてエネルギ効率を向上させるための回収熱量適正化処理を実行するように構成されている。以下、上記コントロールユニット３０が機能する各種手段３１，３２，３３，３４の詳細と共にそれにより実行される回収熱量適正化処理（図２を参照）の詳細について説明する。
【００２５】
コントロールユニット３０は、熱消費部２１における消費熱量の状態に基づいて点火プラグ３の点火時期を遅角側若しくは進角側に補正する点火時期補正手段３１として機能するように構成されている。
【００２６】
詳しくは、上記点火時期補正手段３１は、先ず、図２に示すように、熱消費部２１における消費熱量に対して排熱回収機構７で回収した回収熱量が不足している熱不足状態であるか、若しくは、熱消費部２１における消費熱量に対して排熱回収機構７で回収した回収熱量が余っている熱余り状態であるか、若しくは熱不足状態でも熱余り状態でもない適正状態であるかを判定する（ステップ＃１）。
そして、上記点火時期補正手段３１は、熱不足状態であると判定した場合には点火プラグ３の点火時期を遅角側に補正する（ステップ＃１１）ことで、エンジン１の軸出力が低下する分排ガスの温度を上昇させて上記回収熱量を増加させ、逆に、熱余り状態であると判定した場合には点火プラグ３の点火時期を進角側に補正する（ステップ＃２１）ことで、エンジン１の軸出力が低下する分排ガスの温度を低下させて上記回収熱量を減少させることで、上記回収熱量が上記消費熱量に合った適切なものとなる。また、上記点火時期補正手段３１は、ステップ＃１において適正状態であると判定した場合には、点火プラグ３の点火時期を補正することなく本処理を繰り返す。
【００２７】
尚、上記ステップ＃１における熱不足状態及び熱余り状態の判定について説明を加えると、上記点火時期補正手段３１は、貯湯タンク９に貯えられた湯水の温度を検出する湯水温度センサ１４の検出結果から、貯湯タンク９に貯えられた湯水の温度が適正温度範囲を下回る場合には熱不足状態と判定し、貯湯タンク９に貯えられた湯水の温度が適正温度範囲を超える場合には熱余り状態と判定する。また、上記点火時期補正手段３１は、貯湯タンク９に貯えられた湯水の温度が適正温度範囲内である場合に適正状態であると判定する。
【００２８】
また、上記ステップ＃１において熱不足状態と判定され点火プラグ３の点火時期が遅角側に補正された場合には、燃焼室２において失火が発生してエンジン１の回転数が安定せずに不安定となる状態（以下、このような状態を不安定運転状態と呼ぶ。）となる場合があり、一方、上記ステップ＃１において熱余り状態と判定され点火プラグ３の点火時期が進角側に補正された場合には、燃焼室２においてノッキング等が発生して同じく不安定運転状態となる場合がある。
【００２９】
そして、コントロールユニット３０は、上記のような不安定運転状態の発生を判定する不安定運転状態判定手段３２として機能するように構成されている。
【００３０】
即ち、不安定運転状態判定手段３２は、筒内圧センサ１１の検出結果から、１サイクルにおける燃焼室２の図示平均有効圧力若しくは最高圧力等の評価圧力値を算出し、その評価圧力値を所定のサイクル数に渡って集計して、その評価圧力値の標準偏差を平均値で割った値を運転変動率として算出する。そして、その運転変動率が許容値を超えた場合に、不安定運転状態が発生していると判定する。
【００３１】
そして、上記ステップ＃１１若しくは上記ステップ＃２１において、点火時期補正手段３１により点火時期が遅角側若しくは進角側に補正された後に、上記不安定運転状態判定手段３２により不安定運転状態の発生を判定する（ステップ＃１２、ステップ＃１４、ステップ＃２２、及び、ステップ＃２４）。
【００３２】
更に、コントロールユニット３０は、不安定運転状態判定手段３２の判定結果に基づいて作動状態とする点火プラグ３の数である点火数を設定する点火数設定手段３３として機能するように構成されている。
【００３３】
即ち、上記ステップ＃１において熱不足状態と判定され点火プラグ３の点火時期が遅角側に補正された後に、上記ステップ＃１２において不安定運転状態が発生していると判定した場合には、失火により不安定運転状態が発生していると考えられるので、上記点火数設定手段３３は、失火の発生を回避するべく、点火数を１個から２個へ増加させるように点火数を設定する（ステップ＃１３）。尚、上記ステップ＃１３において当初から点火数が２個の場合には本ステップはスキップされる。
一方、上記ステップ＃１において熱余り状態と判定され点火プラグ３の点火時期が進角側に補正された後に、上記ステップ１２において不安定運転状態が発生していると判定した場合には、ノッキングにより不安定運転状態が発生していると考えられるので、上記点火数設定手段３３は、ノッキングの発生を回避するべく、点火数を２個から１個へ減少させる（ステップ＃２３）。尚、上記ステップ＃２３において当初から点火数が１個の場合には本ステップはスキップされる。
【００３４】
更に、コントロールユニット３０は、不安定運転状態判定手段３２の判定結果に基づいて点火時期制御手段３１による点火時期の補正範囲を設定する補正範囲設定手段３４として機能するように構成されている。
【００３５】
即ち、上記ステップ＃１において熱不足状態と判定され点火プラグ３の点火時期が遅角側に補正された後に、上記ステップ＃１４において不安定運転状態が発生していると判定した場合には、失火の発生により不安定運転状態が発生していると考えられるので、上記補正範囲設定手段３４は、失火の発生を回避するべく、一旦遅角側に補正された点火時期を例えば不安定運転状態でなくなるまで段階的に進角側に戻す形態で、点火時期の補正範囲の最遅角側の限界を設定する（ステップ＃１５）。尚、上記点火数設定手段３３により実行されるステップ＃１３と上記補正範囲設定手段３４により実行されるステップ＃１５とを入れ替えて、ステップ＃１５をステップ＃１３よりも前に実行しても構わない。
【００３６】
一方、上記ステップ＃１において熱余り状態と判定され点火プラグ３の点火時期が進角側に補正された後に、上記ステップ＃２４において不安定運転状態が発生していると判定した場合には、ノッキングの発生により不安定運転状態が発生していると考えられるので、上記補正範囲設定手段３４は、ノッキングの発生を回避するべく、一旦進角側に補正された点火時期を例えば不安定運転状態でなくなるまで段階的に遅角側に戻す形態で、点火時期の補正範囲の最進角側の限界を設定する（ステップ＃２５）。即ち、上記補正範囲設定手段３４は、点火時期の補正範囲の最遅角側の限界及び最進角側の限界を設定することで、点火時期補正手段３１により補正される点火プラグ３の点火時期の補正範囲を設定するように構成されている。尚、上記点火数設定手段３３により実行されるステップ＃２３と上記補正範囲設定手段３４により実行されるステップ＃２５とを入れ替えて、ステップ＃２５をステップ＃２３よりも前に実行しても構わない。
【００３７】
〔別実施形態〕
（１）点火時期補正手段３１は、電力消費部２２における消費電力量に対する熱消費部２１における消費熱量の状態に基づいて、点火プラグ３の点火時期を補正することでも、排熱回収機構７で回収した回収熱量が熱消費部２１における消費熱量に合った適切なものとし、更に、エンジン１により回転駆動される発電機５の発電量を電力消費部２２における消費電力量に追従した適切なものとすることができ、その詳細について以下に説明する。
【００３８】
点火時期補正手段３１は、上述した図２におけるステップ＃１において、電力消費部２２における消費電力量に対する熱消費部２１における消費熱量の状態に基づいて熱不足状態及び熱余り状態の判定を行う。即ち、熱消費部２１における消費熱量を計測すると共に、電力消費部２２における消費電力量を計測して、消費電力量を基準にした消費熱量の比率である消費熱電比を算出する。そして、このように算出した消費熱電比と、エンジン１の点火時期を補正することなく通常運転した場合における発電機５の発電量を基準にした熱回収機構７の回収熱量の比率である通常熱電比とを比較して、消費熱電比が通常熱電比よりも大きく消費熱量が比較的大きい場合には、上記発電量を上記消費電力量に追従させる場合において熱不足状態となると判定し、逆に、消費熱電比が通常熱電比よりも小さく消費熱量が比較的小さい場合には上記発電量を上記消費電力量に追従させる場合において熱余り状態と判定する。
そして、このようにステップ＃１において熱不足状態及び熱余り状態を判定して、それ以降のステップにおいて、その判定結果に基づいて点火プラグ３の点火時期を補正することで、上記回収熱量を上記消費熱量に合った適切なものとしながら、エンジンにより回転駆動される発電手段の発電量を上記消費電力量に追従した適切なものとされる。
【００３９】
（２）上記実施の形態では、上記点火時期補正手段３１は、貯湯タンク９に貯えられた湯水の温度を用いて、同湯水の温度が適正温度範囲を下回る場合には熱不足状態と判定し、同湯水の温度が適正温度範囲を超える場合には熱余り状態と判定するように構成したが、貯湯タンク１４が例えば温度成層を形成する形態で所定温度の湯水を貯えるように構成する場合において、その湯水の量を用いて熱不足状態及び熱余り状態を判定しても構わない。また、貯湯タンク１４において湯水温度センサ１４の複数を鉛直方向に分散配置して、所定温度以上の湯水温度を検出した湯水温度センサ１４の設置範囲を認識することで、貯湯タンクにおいて湯水の層が形成されている範囲即ち湯水量を認識することができる。
【００４０】
（３）上記実施の形態では、不安定運転状態判定手段３２は筒内圧センサ１１の検出結果からエンジン１の不安定運転状態を判定するように構成したが、筒内圧力センサ１１で検出した評価圧力値の代わりに、例えば、排ガスの温度や圧力、又は、排ガスの酸素濃度等の排ガス状態を検出する排ガス状態検出手段１２を設け、その排ガス状態の変動率を求めて、その変動率が許容値を超えた場合に、不安定運転状態が発生していると判定しても構わない。また、エンジン回転数の変動率に基づいて不安定運転状態が発生しているか否かを判定しても構わない。
【００４１】
（４）上記実施の形態では、本発明に係るエネルギシステムをコージェネレーションシステムに適用した例を説明したが、別に、本発明に係るエネルギシステムは、発電機５以外の回転機を駆動するエンジン１から排出される排ガスが有する熱を回収して熱消費部２１に供給するような熱源システムにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】エネルギシステムの概略構成図
【図２】回収熱量適正化処理のフロー図
【符号の説明】
【００４３】
１：エンジン
２：燃焼室
３：点火プラグ（点火手段）
４：点火回路
５：発電機（発電手段）
７：排熱回収機構
８：熱交換器（熱交換部）
９：貯湯タンク
１１：筒内圧センサ
１２：排ガス状態検出手段
１４：湯水温度センサ
２１：熱消費部
２２：電気消費部
３０：コントロールユニット
３１：点火時期補正手段
３２：不安定運転状態判定手段
３３：点火数設定手段
３４：補正範囲設定手段
１００：エネルギシステム
【図１】
2005264755.tif 000003
【図２】
2005264755.tif 000004