(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合気を燃焼室で圧縮して燃焼させ軸動力を出力するエンジンと、
前記エンジンの排熱を回収して熱負荷に供給する熱を発生する排熱回収手段と、
前記エンジンの軸動力により発電して電力負荷に供給する電力を発生する発電手段とを備えたエネルギシステムであって、
前記エンジンの燃焼モードとして、前記燃焼室で燃焼する混合気の空気過剰率をストイキ範囲内に設定するストイキ燃焼モードと、前記燃焼室で燃焼する混合気の空気過剰率をストイキ範囲内に設定し且つＥＧＲ手段にて前記エンジンの排ガスの一部を前記燃焼室に再循環させるストイキ・ＥＧＲ燃焼モードとを有し、
前記電力負荷への供給電力量よりも前記熱負荷への供給熱量を優先すべき状況で、前記燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードに切り換え、且つ、前記熱負荷への供給熱量よりも前記電力負荷への供給電力量を優先すべき状況で、前記燃焼モードを前記ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードに切り換える燃焼モード切換手段を備え、
前記ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードは、前記電力負荷での要求電力量に対する前記熱負荷での要求熱量の要求熱電比率が低くなるに従ってＥＧＲ率を増加させる燃焼モードであるエネルギシステム。
【請求項２】
前記燃焼モード切換手段は、前記要求熱電比率が設定比率よりも高い場合に、前記電力負荷への供給電力量よりも前記熱負荷への供給熱量を優先すべき状況であるとして、前記燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードに切り換え、且つ、前記要求熱電比率が前記設定比率よりも低い場合に、前記熱負荷への供給熱量よりも前記電力負荷への供給電力量を優先すべき状況であるとして、前記燃焼モードを前記ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードに切り換えるように構成されている請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項３】
前記熱負荷での要求熱量及び前記電力負荷での要求電力量について、過去の要求熱量及び過去の要求電力量に基づいて、将来の要求熱量及び要求電力量を予測する負荷予測手段を備え、
前記燃焼モード切換手段は、前記熱負荷での要求熱量及び前記電力負荷での要求電力量として、前記負荷予測手段にて予測された将来の要求熱量及び要求電力量を用いるように構成されている請求項２に記載のエネルギシステム。
【請求項４】
前記排熱回収手段は、前記エンジンの排熱により加熱された湯水を貯留する貯湯タンクを備え、前記貯湯タンクに貯留された湯水を前記熱負荷に供給するように構成され、
前記燃焼モード切換手段は、前記貯湯タンクに給水される給水温度が設定温度よりも低い場合に、前記電力負荷への供給電力量よりも前記熱負荷への供給熱量を優先すべき状況であるとして、前記燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードに切り換え、且つ、前記給水温度が前記設定温度よりも高い場合に、前記熱負荷への供給熱量よりも前記電力負荷への供給電力量を優先すべき状況であるとして、前記燃焼モードを前記ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードに切り換えるように構成されている請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項５】
前記ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードでは、前記燃焼室への混合気の流量に対する前記燃焼室に再循環させる排ガス流量のＥＧＲ率が１５％以上となるように設定している請求項１〜４の何れか１項に記載のエネルギシステム。
【請求項６】
前記エンジンの排気路には、前記ストイキ燃焼モード及び前記ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードの何れの燃焼モードにおいても排ガスが通過する部位に三元触媒が配置されている請求項１〜５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、混合気を燃焼室で圧縮して燃焼させ軸動力を出力するエンジンと、前記エンジンの排熱を回収して熱負荷に供給する熱を発生する排熱回収手段と、前記エンジンの軸動力により発電して電力負荷に供給する電力を発生する発電手段とを備えたエネルギシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のようなエネルギシステムでは、排熱回収手段が、例えば、エンジンからの排ガスやジャケット水との熱交換により湯水を加熱する熱交換器、及び、その熱交換器で加熱された湯水を貯留させる貯湯タンクを備え、貯湯タンクに貯留した湯水を給湯部や暖房機器等の熱負荷に供給するように構成されている。発電手段は、例えば、エンジンの軸動力により発電する発電機であり、発電機で発生した電力を電力機器等の電力負荷に供給するように構成されている。このような排熱回収手段や発電手段を備えたエネルギシステムとして、所謂コージェネレーションシステム等が知られている。
【０００３】
熱負荷での要求熱量や電力負荷での要求電力量は、時間帯や季節等の各種条件の変化に伴って変化する。よって、省エネルギー化を向上するためには、熱負荷での要求熱量や電力負荷での要求電力量の変化に対応して、発電手段の発生電力量に対する排熱回収手段の発生熱量の比率である発生熱電比率（＝発生熱量／発生電力量）を変更させることが求められている。特に、コージェネレーションシステムでは、熱負荷での要求熱量や電力負荷での要求電力量が刻々と変化することから、刻々と変化する熱負荷での要求熱量や電力負荷での要求電力量に応じて発生熱電比率を変更させることが求められている。
【０００４】
そこで、従来のエネルギシステムでは、火花点火式のエンジンにおいて、そのエンジンの点火時期を変更させることにより、発生熱電比率を変更させるようにしている（例えば、特許文献１参照。）。従来のエネルギシステムでは、点火時期を遅角側に変更すると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という特性を有している。そこで、その特性を利用して、排ガスの温度上昇により排熱回収手段の発生熱量を増大させて、発生熱電比率が高くなるように変更している。逆に、火花点火時期を進角側に変更することにより、排熱回収手段の発生熱量を減少させて発生熱電比率が低くなるように変更している。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２６４７５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来のエネルギシステムでは、発生熱電比率を変更するために、点火時期を大幅に変更しなければならない。よって、ノッキングや失火等の異常燃焼が発生し易くなり、エンジンの損傷や停止の原因となる。
特に、発電効率を高めるために、混合気の空気過剰率を燃料が希薄な範囲内に設定して、その混合気を燃焼室でリーン燃焼させるようなエンジンを用いる場合には、エンジンの点火時期を遅角側に変更すると、失火が起こり易くなり、未燃炭化水素の排出量が増加するという問題が生じる。
【０００７】
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、エンジンにおける異常燃焼の発生を抑制しながら、熱負荷での要求熱量や電力負荷での要求電力量の変化に対応するように、発生熱電比率を変更することができるエネルギシステムを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的を達成するために、本発明に係るエネルギシステムの特徴構成は、混合気を燃焼室で圧縮して燃焼させ軸動力を出力するエンジンと、前記エンジンの排熱を回収して熱負荷に供給する熱を発生する排熱回収手段と、前記エンジンの軸動力により発電して電力負荷に供給する電力を発生する発電手段とを備えたエネルギシステムであって、
前記エンジンの燃焼モードとして、前記燃焼室で燃焼する混合気の空気過剰率をストイキ範囲内に設定するストイキ燃焼モードと、前記燃焼室で燃焼する混合気の空気過剰率をストイキ範囲内に設定し且つＥＧＲ手段にて前記エンジンの排ガスの一部を前記燃焼室に再循環させるストイキ・ＥＧＲ燃焼モードとを有し、前記電力負荷への供給電力量よりも前記熱負荷への供給熱量を優先すべき状況で、前記燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードに切り換え、且つ、前記熱負荷への供給熱量よりも前記電力負荷への供給電力量を優先すべき状況で、前記燃焼モードを前記ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードに切り換える燃焼モード切換手段を備え、
前記ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードは、前記電力負荷での要求電力量に対する前記熱負荷での要求熱量の要求熱電比率が低くなるに従ってＥＧＲ率を増加させる燃焼モードである点にある。
【０００９】
空気過剰率とは、混合気の空燃比を理論空燃比で割ったものを言う。つまり、混合気において、燃料成分が少ないほどその空気過剰率は高いと言え、燃料成分が多くなるほどその混合気の空気過剰率は低いと言える。
本発明に係るエネルギシステムでは、ストイキ燃焼モードでも、ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードでも、混合気の空気過剰率を例えば１．０程度のストイキ範囲内に設定している。ストイキ燃焼モードでは、燃焼速度が高くノッキングが発生する可能性があるが、例えば、点火時期を調整することによってノッキングを回避することができる。また、ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードでは、排ガスの燃焼室への再循環により燃焼状態が多少不安定になる可能性があるが、例えば、同様に、点火時期を調整することによって燃焼状態の安定化を図ることができ、安定した燃焼状態を維持できる。
【００１０】
ストイキ燃焼モードでは、理論空気量分の空気と燃料との混合気を用いるので、投入熱量あたりの混合気の熱容量が小さく、燃焼ガスの温度が高温になる。そのために燃焼室内での熱損失量が大きくなり発電手段の発電効率が低下する。一方、燃焼ガスの高温化により、エンジンの排ガスやエンジンを冷却した後のジャケット水が高温になり、排熱回収手段の発生熱量を大きくできる。その結果、ストイキ燃焼モードでは、発電手段の発生電力量に対する排熱回収手段の発生熱量の比率である発生熱電比率（＝発生熱量／発生電力量）を高くできる。
ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードでは、排ガスの再循環により燃焼ガスの温度上昇を抑えることができる。これにより、燃焼室内での熱損失量が小さくなり発電手段の発電効率を高くできる。一方、燃焼ガスの温度上昇が抑制されることにより、排熱回収手段の発生熱量が小さくなる。その結果、ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードでは、発生熱電比率を低くできる。
燃焼モード切換手段は、例えば熱負荷での要求熱量が設定熱量よりも大きいと、電力負荷への供給電力量よりも熱負荷への供給熱量を優先すべき状況であるとして、エンジンの燃焼モードをストイキ燃焼モードに切り換える。また、燃焼モード切換手段は、例えば電力負荷での要求電力量が設定電力量よりも大きいと、熱負荷への供給熱量よりも電力負荷への供給電力量を優先すべき状況であるとして、エンジンの燃焼モードをストイキ・ＥＧＲ燃焼モードに切り換える。これにより、熱負荷での要求熱量や電力負荷での要求電力量の変化に対応させて発生熱電比率を変更させることができる。
尚、ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードは、ストイキ燃焼モードから、電力負荷での要求電力量に対する熱負荷での要求熱量の要求熱電比率が低くなるに従ってＥＧＲ率を増加させる燃焼モードであるので、発生熱電比率を、要求熱電比率により適切に追従させることができる。
【００１１】
よって、本発明のエネルギシステムでは、エンジンにおける異常燃焼の発生を抑制しながら、熱負荷での要求熱量や電力負荷での要求電力量の変化に対応するように、発生熱電比率を変更できる。
【００１２】
本発明に係るエネルギシステムの更なる特徴構成は、前記燃焼モード切換手段は、前記電力負荷での要求電力量に対する前記熱負荷での要求熱量の要求熱電比率が設定比率よりも高い場合に、前記電力負荷への供給電力量よりも前記熱負荷への供給熱量を優先すべき状況であるとして、前記燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードに切り換え、且つ、前記要求熱電比率が前記設定比率よりも低い場合に、前記熱負荷への供給熱量よりも前記電力負荷への供給電力量を優先すべき状況であるとして、前記燃焼モードを前記ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードに切り換えるように構成されている点にある。
【００１３】
本特徴構成によれば、燃焼モード切換手段は、要求熱電比率が設定比率よりも高いか低いかによって、エンジンの燃焼モードをストイキ燃焼モードとストイキ・ＥＧＲ燃焼モードとに切り換える。これにより、要求熱電比率に対応させて発生熱電比率を変更させることができ、熱負荷での要求熱量及び電力負荷での要求電力量の変化に柔軟に且つ的確に対応できる。
【００１４】
本発明に係るエネルギシステムの更なる特徴構成は、前記熱負荷での要求熱量及び前記電力負荷での要求電力量について、過去の要求熱量及び過去の要求電力量に基づいて、将来の要求熱量及び要求電力量を予測する負荷予測手段を備え、前記燃焼モード切換手段は、前記熱負荷での要求熱量及び前記電力負荷での要求電力量として、前記負荷予測手段にて予測された将来の要求熱量及び要求電力量を用いるように構成されている点にある。
【００１５】
本特徴構成によれば、燃焼モード切換手段は、負荷予測手段にて予測された将来の要求熱量及び将来の要求電力量の変化に応じて、エンジンの燃焼モードをストイキ燃焼モードとストイキ・ＥＧＲ燃焼モードとに切り換えることができる。よって、将来の要求熱量及び要求電力量の変化に対応して発生熱電比率の変更を的確に行うことができ、省エネルギー化の向上を的確に図ることができる。
【００１６】
本発明に係るエネルギシステムの更なる特徴構成は、前記排熱回収手段は、前記エンジンの排熱により加熱された湯水を貯留する貯湯タンクを備え、前記貯湯タンクに貯留された湯水を前記熱負荷に供給するように構成され、前記燃焼モード切換手段は、前記貯湯タンクに給水される給水温度が設定温度よりも低い場合に、前記電力負荷への供給電力量よりも前記熱負荷への供給熱量を優先すべき状況であるとして、前記燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードに切り換え、且つ、前記給水温度が前記設定温度よりも高い場合に、前記熱負荷への供給熱量よりも前記電力負荷への供給電力量を優先すべき状況であるとして、前記燃焼モードを前記ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードに切り換えるように構成されている点にある。
【００１７】
本特徴構成によれば、給水温度が設定温度よりも低い場合には、例えば冬季と判断することができ、冬季では、熱負荷での要求熱量が大きくなることから、電力負荷への供給電力量よりも熱負荷への供給熱量を優先すべきである。逆に、給水温度が設定温度よりも高い場合には、例えば夏季と判断することができ、夏季では、熱負荷での要求熱量が小さくなることから、熱負荷への供給熱量よりも電力負荷への供給電力量を優先すべきである。よって、燃焼モード切換手段は、給水温度と設定温度とを比較することにより、熱負荷への供給熱量と電力負荷への供給電力量とのどちらを優先すべきかを適切に判断して、エンジンの燃焼モードをストイキ燃焼モードとストイキ・ＥＧＲ燃焼モードとに切り換えることができる。よって、省エネルギー化の向上を的確に図ることができる。
【００１８】
本発明に係るエネルギシステムの更なる特徴構成は、前記ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードでは、前記燃焼室への混合気の流量に対する前記燃焼室に再循環させる排ガス流量のＥＧＲ率が１５％以上となるように設定している点にある。
【００１９】
ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードにおいて、ＥＧＲ手段にて燃焼室に再循環させる排ガスの流量を増大させてＥＧＲ率を大きくすると、燃焼ガスの温度上昇の抑制をより効果的に図ることが可能となる。よって、ＥＧＲ率を大きくすることにより、発生熱電比率を低くすることが可能となる。本特徴構成によれば、ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードでは、ＥＧＲ率を１５％以上とすることにより、ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードでの発生熱電比率を極力低くすることが可能となる。これにより、ストイキ燃焼モードでの発生熱電比率とストイキ・ＥＧＲ燃焼モードでの発生熱電比率との差を極力大きくできる。よって、エンジンの燃焼モードをストイキ燃焼モードとストイキ・ＥＧＲ燃焼モードとに切り換えることによって、発生熱電比率を極力大きく変更させることができ、発生熱電比率を効果的に変更させることができる。
【００２０】
本発明に係るエネルギシステムの更なる特徴構成は、前記エンジンの排気路には、前記ストイキ燃焼モード及び前記ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードの何れの燃焼モードにおいても排ガスが通過する部位に三元触媒が配置されている点にある。
【００２１】
本特徴構成によれば、例えば、アルミナ等の無機担体に白金、パラジウム、ロジウム等の貴金属成分を担持してなる三元触媒を排気路に配置することにより、そのＮＯｘ（窒素酸化物）を含む排ガスが三元触媒を通過することでＮＯｘを還元除去することができる。その結果、ＮＯｘの排出量を規定量以下に抑制することができる。しかも、ストイキ燃焼モード及びストイキ・ＥＧＲ燃焼モードの何れの燃焼モードにおいても、ストイキ条件は保持されるので、排ガスに含まれる酸化性成分と還元性成分とが釣り合っている状態となる。よって、三元触媒では、ＮＯｘの還元除去と同時に、ＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）等の酸化除去を行うことができる。その結果、排ガスに含まれるＮＯｘ、ＣＯ、及び、ＨＣを的確に除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明に係るエネルギシステムの実施形態を図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
このエネルギシステム１００は、図１に示すように、熱に加え電力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。エネルギシステム１００は、混合気Ｍを燃焼室２で圧縮して燃焼させ軸動力を出力するエンジン１と、エンジン１の排熱を回収して熱負荷１６に供給する熱を発生する排熱回収手段７と、エンジン１の軸動力により発電して電力負荷２１に供給する電力を発生する発電機５（発電手段の一例）とを備えている。尚、この発電機５は、商用電力系統２０と連系して発電した電力を電気機器などの電力負荷２１に供給するように構成されている。
【００２３】
エンジン１は、燃料供給弁６を介して供給された燃料Ｇと空気Ａとの混合気Ｍを吸気路３から燃焼室２に吸気し、その混合気Ｍを燃焼室２において圧縮し、その混合気Ｍを燃焼室２において点火して燃焼・膨張させ、その燃焼により発生した排ガスＥを排気路４に排出するというように、通常の４サイクルエンジンと同様の構成を有する。
【００２４】
燃焼室２から排出された排ガスＥが流通する排気路４には、排ガスＥの酸素濃度を検出する酸素センサ１８が設けられている。エンジン１の運転を制御する制御装置５０は、酸素センサ１８で検出される排ガスＥの酸素濃度を監視しながら燃料供給弁６の開度を制御するように構成されている。これにより、吸気路３に形成される混合気Ｍの空気過剰率を任意に設定することができる。
【００２５】
排熱回収手段７は、エンジン１を冷却した後のジャケット水ＪＷと燃焼室２から排出された排ガスＥとの両方からエンジン１の排熱を回収し、その回収した排熱により加熱した湯水ＨＷを給湯部や暖房機器等の熱負荷１６へ供給するように構成されている。排熱回収手段７は、循環ポンプ１０を作動させることによりジャケット水ＪＷを循環させる。これにより、ジャケット水ＪＷは、エンジン１を冷却して昇温した後に、排気路４に設けられた伝熱管１１を通過することで排ガスＥの熱を回収して一層加熱される。排熱回収手段７は、伝熱管１１を通過した後の高温のジャケット水ＪＷと湯水ＨＷとの熱交換を行う排熱回収熱交換器８と、排熱回収熱交換器８で加熱される湯水を貯える貯湯タンク９とを備えており、貯湯タンク９に貯えられた高温の湯水ＨＷを熱負荷１６に供給する。
【００２６】
貯湯タンク９は、上部に高温の湯水ＨＷが滞留する高温層を形成するとともに、その高温層の下部に低温の湯水ＨＷが滞留する低温層を形成するようにして湯水ＨＷを貯留する所謂温度成層型に構成されている。ポンプ１５を作動することにより、貯湯タンク９の下端部にある比較的低温の湯水を排熱回収熱交換器８に通過させて適切な目標貯湯温度（例えば７５℃）以上に加熱した後に、貯湯タンク９の上端部に戻す。これにより、貯湯タンク９は温度成層を形成して湯水ＨＷを貯留する。貯湯タンク９の上端部から取り出した高温の湯水ＨＷが熱負荷１６に供給される。それと同時に、消費された分の湯水ＨＷに相当する給水Ｗが貯湯タンク９の下端部に補充される。
【００２７】
エンジン１の排ガスＥは排気路４を通過して排出される。排気路４には、例えば、アルミナ等の無機担体に白金、パラジウム、ロジウム等の貴金属成分を担持してなる三元触媒１２が配置されている。
排気路４の排ガスの一部Ｅ１を吸気路３に戻すＥＧＲ流路２２と、ＥＧＲ流路２２を閉状態と開状態とに切換自在で且つ開状態においてその開度を調整自在なＥＧＲ弁２３とが設けられている。ＥＧＲ弁２３を開状態とすることにより、ＥＧＲ流路２２にて排気路４の排ガスの一部Ｅ１を吸気路３に戻して、その排ガスＥ１を燃焼室２に再循環させることができる。ＥＧＲ弁２３を開状態としてその開度を調整することにより、ＥＧＲ流路２２にて吸気路３に戻す排ガス量を調整して、燃焼室２に再循環させる排ガス量を調整することができる。これにより、ＥＧＲ流路２２及びＥＧＲ弁２３がＥＧＲ手段２４として機能するように構成されている。このＥＧＲ手段２４は、ＥＧＲ流路２２を用いて排ガスを再循環させる、所謂外部ＥＧＲを実現するように構成されている
【００２８】
制御装置５０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、負荷予測手段５１、出力制御手段５２、燃焼モード切換手段５３、及び、ＥＧＲ制御手段５４として機能するように構成されている。
【００２９】
負荷予測手段５１は、熱負荷１６での要求熱量及び電力負荷２１での要求電力量について、過去の要求熱量及び過去の要求電力量に基づいて、将来の要求熱量及び要求電力量を予測するように構成されている。つまり、負荷予測手段５１は、熱負荷１６における過去の消費熱量及び電力負荷２１における過去の消費電力量を記憶している。例えば、負荷予測手段５１は、１週間を曜日ごとに区分けして、各曜日の設定期間（例えば２４時間）における消費電力量及び消費熱量を記憶している。負荷予測手段５１は、記憶している過去の消費電力量及び過去の消費熱量に基づいて、将来の設定期間（例えば２４時間）において、予測される消費熱量を将来の要求熱量として予測し、予測される消費電力量を将来の要求電力量として予測するように構成されている。
ここで、熱負荷１６における消費熱量は、例えば貯湯タンク９から熱負荷１６に供給される湯水ＨＷの流量と温度を計測し、それら計測結果から求めることができる。電力負荷２１における消費電力量は、発電機５及び商用電力系統２０から電力負荷２１に供給される電力量を計測して求めることができる。
【００３０】
出力制御手段５２は、エンジン１に設けられたスロットルバルブ（図示せず）の開度を制御する等の形態で、エンジン１の出力を電力負荷２１での要求電力量に応じて制御する所謂電主運転制御、又は、エンジン１の出力を熱負荷１６での要求熱量に応じて制御する所謂熱主運転制御を実行するように構成されている。
例えば、出力制御手段５２が電主運転制御を行う場合には、発電機５の発生電力量が、電力負荷２１の要求電力量と等しい量又はそれよりも一定量少ない量になって、要求電力量に追従して変化するように、エンジン１の出力が要求電力量に応じて制御される。
また、出力制御手段５２が熱主運転制御を行う場合には、排熱回収手段７の発生熱量が、熱負荷１６の要求熱量と等しい量又はそれよりも一定量少ない量になって、要求熱量に追従して変化するように、エンジン１の出力が要求熱量に応じて制御される。
【００３１】
エンジン１の燃焼モードとして、燃焼室２で燃焼する混合気の空気過剰率をストイキ範囲内に設定するストイキ燃焼モードと、燃焼室２で燃焼する混合気の空気過剰率をストイキ範囲内に設定し且つＥＧＲ手段２４にてエンジン１の排ガスＥの一部を燃焼室２に再循環させるストイキ・ＥＧＲ燃焼モードとを有する。燃焼モード切換手段５３は、図２に示すように、電力負荷２１での要求電力量に対する熱負荷１６での要求熱量の要求熱電比率（＝要求熱量／要求電力量）が設定比率よりも高い場合に、燃焼モードをストイキ燃焼モードに切り換え、且つ、要求熱電比率が設定比率よりも低い場合に、燃焼モードを前記ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードに切り換えるように構成されている。このとき、燃焼モード切換手段５３は、熱負荷１６での要求熱量及び電力負荷２１での要求電力量について、負荷予測手段５１にて予測された要求熱量及び要求電力量を用いている。
【００３２】
ストイキ燃焼モード及びストイキ・ＥＧＲ燃焼モードの何れの燃焼モードにおいても、制御装置５０は、酸素センサ１８で検出される排ガスＥの酸素濃度が略ゼロの低酸素濃度となるように燃料供給弁６の開度を調整することにより、燃焼室２に供給される混合気Ｍの空気過剰率を略１．０程度のストイキ範囲内に設定している。ストイキ燃焼モードでは、燃焼速度が高くノッキングが発生する可能性があるが、例えば、点火時期を調整することによってノッキングを回避することができる。また、ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードでは、排ガスＥ１の燃焼室２への再循環により燃焼状態が多少不安定になる可能性があるが、例えば、同様に、点火時期を調整することによって燃焼状態の安定化を図ることができ、安定した燃焼状態を維持できる。
【００３３】
ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードでは、燃焼室２に供給される混合気Ｍの空気過剰率を略１．０程度のストイキ範囲内に設定することに加えて、ＥＧＲ制御手段５４が、ＥＧＲ弁２３を開状態として、排気路４の排ガスＥの一部をＥＧＲ流路２２にて吸気路３に戻して排ガスＥを燃焼室２に再循環させる。
【００３４】
ストイキ燃焼モードでは、投入熱量あたりの混合気の熱容量が小さく、燃焼ガスの温度が高温になる。そのために燃焼室内での熱損失量が大きくなり発電機５の発電効率が低下する。一方、燃焼ガスの高温化により、エンジン１の排ガスＥやエンジン１を冷却した後のジャケット水ＪＷが高温になり、排熱回収手段７の発生熱量を大きくできる。その結果、ストイキ燃焼モードでは、発電機５の発生電力量に対する排熱回収手段７の発生熱量の比率である発生熱電比率（＝発生熱量／発生電力量）を高くできる。
ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードでは、排ガスＥの燃焼室２への再循環により燃焼ガスの温度上昇を抑えることができる。これにより、燃焼室２内での熱損失量が小さくなり発電機５の発電効率を高くできる。一方、燃焼ガスの温度上昇が抑制されることにより、排熱回収手段７の発生熱量が小さくなる。その結果、ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードでは、発生熱電比率を低くできる。
【００３５】
よって、燃焼モード切換手段５３が、図２に示すように、要求熱電比率が設定比率よりも高いか低いかによって、エンジン１の燃焼モードをストイキ燃焼モードとストイキ・ＥＧＲ燃焼モードとに切り換えることにより、要求熱電比率に対応させて発生熱電比率を変更させることができる。
しかも、燃焼モード切換手段５３は、負荷予測手段５１にて予測された要求熱量及び要求電力量を用いている。これにより、将来予測されている要求熱電比率に応じて発生熱電比率を変更させることができ、省エネルギー化の向上を的確に図ることができる。
【００３６】
排気路４には三元触媒１２が配置されているので、ＮＯｘ（窒素酸化物）を含む排ガスが三元触媒を通過することでＮＯｘを還元除去することができる。これにより、ＮＯｘの排出量を規定量以下に抑制することができる。しかも、ストイキ燃焼モード及びストイキ・ＥＧＲ燃焼モードの何れの燃焼モードにおいても、排ガスＥの酸素濃度が略ゼロの低酸素濃度となっているので、排ガスＥに含まれる酸化性成分と還元性成分とが釣り合っている状態である。よって、三元触媒１２では、ＮＯｘの還元除去と同時に、ＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）等の酸化除去を行うことができる。よって、排ガスＥに含まれるＮＯｘ、ＣＯ、及び、ＨＣを的確に除去することができる。
【００３７】
ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードでは、燃焼室２への混合気Ｍの流量に対する燃焼室２に再循環させる排ガス流量のＥＧＲ率が１５％以上となるように設定している。ＥＧＲ率を１５％以上（例えば２０％）とするためのＥＧＲ弁２３の目標開度を予め設定している。ＥＧＲ制御手段５４は、その目標開度にＥＧＲ弁２３の開度を調整することにより、ＥＧＲ率を１５％以上（例えば２０％）としている。
【００３８】
ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードにおいて、例えば、ＥＧＲ率を０％から２０％に変化させたときの発生熱電比率の変化を図３に示している。ちなみに、ＥＧＲ率が０％とはストイキ燃焼モードのときである。
ＥＧＲ率が０％〜２０％の範囲では、ＥＧＲ率が高くなると発生熱電比率が低下するという事が分かる。そこで、ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードではＥＧＲ率を１５％以上とすることにより、ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードでの発生熱電比率を例えば２．１２５以下とすることができる。これにより、ストイキ燃焼モードでの発生熱電比率とストイキ・ＥＧＲ燃焼モードでの発生熱電比率との差を大きくできる。よって、エンジン１の燃焼モードをストイキ燃焼モードとストイキ・ＥＧＲ燃焼モードとに切り換えることによって、発生熱電比率を大きく変更させることができ、発生熱電比率を効果的に変更させることができる。
ちなみに、ＥＧＲ率を高くすると、燃焼室２での燃焼が不安定になる虞があるが、例えば、エンジン１の筒内（シリンダ内）での混合気等の流動量を大きくする等により、ＥＧＲ率を１５％以上（例えば２０％）としても、燃焼室２での燃焼が安定するようにしている。ＥＧＲ率の上限は、例えば２５％としている。
【００３９】
〔第２実施形態〕
この第２実施形態は、上記第１実施形態におけるＥＧＲ手段２４の別実施形態である。以下、第２実施形態におけるＥＧＲ手段２４について、図４及び図５に基づいて説明する。その他の構成については上記第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。
【００４０】
図４に示すように、ＥＧＲ流路２２は、吸気路４において吸気量を調整するスロットルバルブ２５よりも上流側に排気路４の排ガスの一部Ｅ１を戻すように構成されている。吸気路３には、空気と燃料とを混合させるベンチュリーミキサ等の混合部２６及びスロットルバルブ２５をバイパスするバイパス路２７が設けられ、そのバイパス路２７にバイパス弁２８が設けられている。
【００４１】
ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードでは、ＥＧＲ制御手段５４が、ＥＧＲ弁２３の開度を調整するとともに、バイパス弁２８の開度を調整する。これにより、排気路４の排ガスの一部Ｅ１を吸気路３に戻し、その排ガスＥ１を含む空気の一部をバイパス路２７にてスロットルバルブ２５及び混合部２６をバイパスさせながら、空気と燃料とを混合させて燃焼室２に供給するようにしている。よって、ＥＧＲ流路２２、ＥＧＲ弁２３、バイパス路２７、及び、バイパス弁２８がＥＧＲ手段２４として機能するように構成されている。
燃焼室２への吸気量はスロットルバルブ２５にて調整されているが、ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードでは、ＥＧＲ流路２２にて排ガスＥ１を吸気路３に戻すことになる。よって、スロットルバルブ２５の開度を増大側に調整することが必要となる。しかしながら、スロットルバルブ２５の開度を過度に開き側に調整すると、吸気量を制御できなくなる可能性があることから、多量の排ガスＥ１を燃焼室２に再循環させることができない可能性がある。そこで、上述の如く、バイパス弁２８を開状態としてバイパス路２７を通しても燃焼室２に吸気することによって、スロットルバルブ２５の開度を吸気量が制御不能となるような大きな開度に調整することなく、多量の排ガスＥ１を燃焼室２に再循環させることができる。
【００４２】
ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードでは、ＥＧＲ制御手段５４が、ＥＧＲ弁２３の開度を目標開度に調整するようにしているが、バイパス弁２８の開度の調整について、例えば、ＥＧＲ弁２３の目標開度に対して予め設定された目標開度になるようにバイパス弁２８の開度を調整することができる。例えば、ＥＧＲ弁２３の目標開度を５０％とすると、バイパス弁２８の目標開度を２０％とする。よって、ストイキ燃焼モードからストイキ・ＥＧＲ燃焼モードに切り換えたときには、ＥＧＲ制御手段５４が、ＥＧＲ弁２３の開度を０％から５０％に向けて大きくしていくとともに、バイパス弁２８の開度を０％から２０％に向けて大きくする。そして、最終的には、ＥＧＲ制御手段５４が、ＥＧＲ弁２３の開度を５０％に調整し且つバイパス弁２８の開度を２０％に調整する。
【００４３】
また、この第２実施形態において、図４に示すバイパス路２７及びバイパス弁２８に代えて、図５に示すように、吸気路３においてスロットルバルブ２５よりも上流側に第２スロットルバルブ２９を設けることもできる。この場合、例えば、ストイキ燃焼モードでは、第２スロットルバルブ２９を半閉状態（開度５０％）に調整し、ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードでは、第２スロットルバルブ２９を半閉状態よりも設定開度だけ大きな開度（例えば開度７０％）に調整する。
【００４４】
〔第３実施形態〕
この第３実施形態は、上記第１及び第２実施形態における燃焼モード切換手段５３の別実施形態である。以下、第３実施形態における燃焼モード切換手段５３について説明する。
燃焼モード切換手段５３は、貯湯タンク９に給水される給水温度が設定温度よりも低い場合に、燃焼モードをストイキ燃焼モードに切り換え、且つ、給水温度が設定温度よりも高い場合に、燃焼モードをストイキ・ＥＧＲ燃焼モードに切り換えるように構成されている。貯湯タンク９に給水される給水温度を検出するために、給水温度検出センサ１３が設けられており、燃焼モード切換手段５３は、給水温度検出センサ１３の検出温度が設定温度（例えば、１５℃）よりも低い場合には、例えば冬季であると判断して、燃焼モードをストイキ燃焼モードに切り換える。これにより、冬季には要求熱電比率が高くなるが、ストイキ燃焼モードに切り換えて発生熱電比率を高くすることにより、その高い要求熱電比率に応えることができる。また、燃焼モード切換手段５３は、給水温度検出センサ１３の検出温度が設定温度（例えば、１５℃）よりも高い場合には、例えば夏季であると判断して、燃焼モードをストイキ・ＥＧＲ燃焼モードに切り換える。これにより、夏季には要求熱電比率が低くなるが、ストイキ・ＥＧＲ燃焼モードに切り換えて発生熱電比率を低くすることにより、その低い要求熱電比率に応えることができる。
【００４５】
〔別実施形態〕
（１）上記第１〜第３実施形態では、ＥＧＲ手段として、ＥＧＲ流路２２を用いて排ガスを再循環させる、所謂外部ＥＧＲを用いた場合を例示したが、燃焼室２の排ガスをそのまま燃焼室２に残留させたり、排ガスを逆流させる等により排ガスの一部を再循環させる、所謂内部ＥＧＲを用いることもできる。
例えば、下死点から上死点に至る間の排気行程途中に排気弁を閉弁することにより、燃焼室２の排ガスをそのまま燃焼室２に残留させて、内部ＥＧＲを実現することができる。また、排気路に絞り弁を設け、その絞り弁の閉弁等により排気圧を上昇させることにより、燃焼室２の排ガスをそのまま燃焼室に残留させたり、排気路４の排ガスを排気弁から燃焼室２内に逆流させたりして、内部ＥＧＲを実現することができる。
【００４６】
（２）上記第１及び第２実施形態では、燃焼モード切換手段５３が、要求熱電比率が設定比率よりも高いか低いかによって、燃焼モードをストイキ燃焼モードとストイキ・ＥＧＲ燃焼モードとに切り換えるようにしているが、例えば、熱負荷１６での要求熱量が設定熱量よりも大きい場合に、燃焼モードをストイキ燃焼モードに切り換え、電力負荷２１での要求電力量が設定電力量よりも大きい場合に、燃焼モードをストイキ・ＥＧＲ燃焼モードに切り換えることもできる。この場合、熱負荷１６での要求熱量が設定熱量よりも大きく且つ電力負荷２１の要求電力量が設定電力量よりも大きい場合、及び、熱負荷１６での要求熱量が設定熱量よりも小さく且つ電力負荷２１の要求電力量が設定電力量よりも小さい場合には、ストイキ燃焼モードとストイキ・ＥＧＲ燃焼モードとのうち、予め定めた一方に切り換えるようにしておく。
【００４７】
また、上記第３実施形態では、燃焼モード切換手段５３が、給水温度が設定温度よりも高いか低いかによって、燃焼モードをストイキ燃焼モードとストイキ・ＥＧＲ燃焼モードとに切り換えるようにしているが、例えば、燃焼モード切換手段５３が、日付を管理するカレンダー機能等を備えており、冬季にはストイキ燃焼モードに切り換え、夏季にはストイキ・ＥＧＲ燃焼モードに切り換えることもできる。
【００４８】
（３）上記第１〜第３実施形態では、出力制御手段５２が、電主運転制御において要求電力量に応じてエンジン１の出力を制御したり、熱主運転制御において要求熱量に応じてエンジン１の出力を制御しているが、例えば、電主運転制御及び熱主運転制御において、エンジン１の出力を一定出力とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、混合気を燃焼室で圧縮して燃焼させ軸動力を出力するエンジンと、エンジンの排熱を回収して熱負荷に供給する熱を発生する排熱回収手段と、エンジンの軸動力により発電して電力負荷に供給する電力を発生する発電手段とを備え、エンジンにおける異常燃焼の発生を抑制しながら、熱負荷での要求熱量や電力負荷での要求電力量の変化に対応するように、発生熱電比率を変更できる各種のエネルギシステムに適応可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】エネルギシステムの概略構成図
【図２】要求熱電比率に応じた燃焼モードの切り換え状態を示す図
【図３】発生熱電比率とＥＧＲ率との関係を示すグラフ
【図４】第２実施形態におけるエネルギシステムの要部を示す図
【図５】第２実施形態におけるエネルギシステムの要部を示す図
【符号の説明】
【００５１】
１    エンジン
２    燃焼室
４    排気路
５    発電手段（発電機）
７    排熱回収手段
１２  三元触媒
１６  熱負荷
２１  電力負荷
５１  負荷予測手段
５３  燃焼モード切換手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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