JP5995732B2

JP5995732B2 - エンジン発電機及びエンジン発電機の運転方法

Info

Publication number: JP5995732B2
Application number: JP2013009326A
Authority: JP
Inventors: 吉田　一郎; 一郎吉田; 俊和渡辺
Original assignee: Nippon Sharyo Ltd
Current assignee: Nippon Sharyo Ltd
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2013-01-22
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2033-01-22
Also published as: JP2014143790A

Description

本発明は、エンジン発電機及びエンジン発電機の運転方法に関し、詳しくは、ディーゼルエンジンで発電機を駆動して発電するエンジン発電機及びその運転方法に関する。

発電機の駆動源としてディーゼルエンジンを使用したエンジン発電機は、建設現場などの幅広い用途に用いられているが、例えば、河川工事で水汲みポンプの電源としてエンジン発電機を用いる場合、ポンプの始動電流（突入電流）を考慮してポンプの定常運転に必要な電力の５倍以上の発電能力を有するエンジン発電機を使用する必要がある。このため、ポンプ運転中は、エンジン発電機が軽負荷（低負荷）で長時間運転されることになり、シリンダ内での燃焼温度が低下して未燃焼燃料やカーボンが排ガスに混入し、これらがマフラ内に溜まって目詰まり状態になってしまうなどの様々な不都合が発生することがある。特に、第３次排ガス規制対応エンジンでは、マフラ内に未燃焼燃料やカーボンが溜まりやすいという問題がある。

一方、ハイブリッド電気自動車において、エンジンを所定時間以上にわたりアイドリング運転するときには、アイドリング運転中に、間欠的に短時間だけエンジンを発電運転することにより、排ガス浄化装置の触媒を加熱することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００５−２４８８７５号公報

しかし、特許文献１に記載されたハイブリッド電気自動車では、アイドリング運転中に行う発電運転により、搭載した走行用バッテリーを充電することができるが、ハイブリッド電気自動車のような走行用バッテリーを搭載していない一般的なエンジン発電機に適用することはできなかった。

そこで本発明は、一般的なエンジン発電機に容易に適用可能で、第３次排ガス規制対応エンジンにおいても、マフラ内に未燃焼燃料やカーボンが溜まることを確実に防止することができる機能を備えたエンジン発電機及びエンジン発電機の運転方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明のエンジン発電機は、ディーゼルエンジンで発電機を駆動して発電するエンジン発電機において、該エンジン発電機に接続された機器に電力供給を行っている際に、前記発電機の発電電力量から負荷率を算出する負荷率算出手段と、該負荷率算出手段で算出した負荷率に基づいて、該負荷率が低くなるほど値が大きくなる負荷係数を設定する負荷係数設定手段と、該負荷係数設定手段で設定した負荷係数と発電機の運転時間とに基づいて軽負荷積算時間を算出する軽負荷積算時間算出手段と、該軽負荷積算時間算出手段で算出した軽負荷積算時間があらかじめ設定された軽負荷積算時間の基準時間を超えたときに、あらかじめ設けられた負荷率上昇用負荷への電力供給を開始する電力供給手段とを備えていることを特徴としている。

さらに、本発明のエンジン発電機は、前記負荷率上昇用負荷が複数設けられ、前記電力供給手段は、各負荷率上昇用負荷を個別に選択して電力供給が可能に形成されていることを特徴としている。

また、本発明のエンジン発電機の運転方法は、ディーゼルエンジンで発電機を駆動して発電するエンジン発電機の運転方法において、該エンジン発電機に接続された機器に電力供給を行っている際に、前記発電機の発電電力量から負荷率を算出し、算出した負荷率に基づいて、該負荷率が低くなるほど値が大きくなる負荷係数を設定し、設定した負荷係数と発電機の運転時間とに基づいて軽負荷積算時間を算出し、算出した軽負荷積算時間があらかじめ設定された軽負荷積算時間の基準時間を超えたときに、あらかじめ設けられた負荷率上昇用負荷への電力供給を開始することを特徴としている。

さらに、本発明のエンジン発電機の運転方法は、前記負荷率上昇用負荷が複数設けられ、算出した前記負荷率に応じて電力供給する負荷率上昇用負荷の数を選択することを特徴としている。

本発明によれば、発電機の負荷率に応じて設定される負荷係数と発電機の運転時間とに基づいて軽負荷積算時間を算出し、算出した軽負荷積算時間が軽負荷積算時間の基準時間を超えたときに負荷率上昇用負荷への電力供給を開始するので、発電機を駆動するディーゼルエンジンの負荷を増大させて排ガスの温度を上昇させることができ、高温の排ガスによってマフラ内に溜まった未燃焼燃料やカーボンを燃焼させてマフラ内から除去することができる。また、負荷率上昇用負荷が複数設けて電力供給する負荷率上昇用負荷の数を選択することにより、燃費の削減や騒音の低減を図ることができる。

本発明のエンジン発電機の第１形態例を示すブロック図である。本発明のエンジン発電機の運転状態の一例を示す説明図である。第１形態例に示したエンジン発電機の運転方法の一例を示すフローチャートである。燃焼運転内のフローチャートである。本発明のエンジン発電機の第２形態例を示す要部のブロック図である。第２形態例に示すエンジン発電機の運転方法における燃焼運転内のフローチャートである。本発明のエンジン発電機の第３形態例を示す要部のブロック図である。

図１は、本発明のエンジン発電機の第１形態例を示すもので、本形態例に示すエンジン発電機は、発電機１１と、該発電機１１を駆動するディーゼルエンジン１２と、発電機１１で発電した電力を、該エンジン発電機に接続された機器（以下、外部負荷１３という）に供給する電力供給回路１４とを備えるとともに、電力供給回路１４には、接触器１５を介して負荷率上昇用の負荷装置１６が接続されている。

また、電力供給回路１４には、該電力供給回路１４の電圧や電流を測定して発電機１１の状態を監視する運転状態監視部１７が設けられ、さらに、各種データ類を記憶し、該運転状態監視部１７での監視結果に基づいて各種演算処理を行うとともに、演算処理結果に基づいて判断を行う演算処理部１８が設けられている。演算処理部１８には、該演算処理部１８での演算処理結果に基づいて各種表示を行う表示器１９や軽負荷警告を発生するためのブザー２０及び警告灯２１が設けられるとともに、前記接触器１５を開閉するためのリレー２２を作動させるリレー回路２３が設けられている。

前記演算処理部１８は、運転状態監視部１７で測定した電圧及び電流から求めた発電機１１の発電電力量と、外部負荷１３に供給している電力量とに基づいて発電機１１の負荷率を算出する負荷率算出手段と、該負荷率算出手段で算出した負荷率に基づいて、該負荷率が低くなるほど値が大きくなる負荷係数を設定する負荷係数設定手段と、該負荷係数設定手段で設定した負荷係数と発電機１１の運転時間とに基づいて軽負荷積算時間を算出する軽負荷積算時間算出手段と、該軽負荷積算時間算出手段で算出した軽負荷積算時間があらかじめ設定された軽負荷積算時間の基準時間（以下、軽負荷基準時間という）を超えたときに、前記リレー２２を作動させる電力供給手段とを備えている。

前記負荷係数設定手段で設定する負荷係数は、例えば、負荷率が１０〜３０％の範囲では「１」、負荷率が１０％未満では「２」というように、負荷率が低いほど大きな値になるように設定されており、軽負荷積算時間算出手段で算出する軽負荷積算時間は、負荷率が２０％の運転が１０分間継続すれば「１０×１」で１０分となり、負荷率が５％の運転が１０分間継続すれば「１０×２」で２０分となる。この場合、負荷率が３０％を超える範囲の負荷係数は「０」となっている。また、軽負荷積算時間は、負荷率が３０％を超えたときにリセットされて「０」となるように設定されている。

前記軽負荷基準時間は、エンジン発電機の仕様に応じて適宜な値、例えば６００分に設定されており、軽負荷積算時間が軽負荷基準時間に達すると、負荷装置１６への電力供給が行われる。負荷装置１６に電力を供給して高温の排ガスによりマフラ内の未燃焼燃料やカーボンを燃焼させる燃焼運転を行う時間（負荷運転時間）も、エンジン発電機の仕様に応じて適宜な時間、例えば３０分に設定されている。

前記負荷装置１６は、発電機１１の負荷率を、例えば７０％以上に増加させることができる消費電力量のものが用いられており、例えば、空気加熱用のヒータを用いることができる。また、前記表示器１９には、電圧、電流、周波数などのエンジン発電機の運転に必要な情報が表示され、さらに、エンジン発電機の運転に必要なスイッチ類が設けられている。

図２は、エンジン発電機の運転状態の一例を示すもので、運転時間の経過に対する負荷率の変動、軽負荷積算時間の変化、軽負荷警告の発生状態及び負荷装置１６への電力供給状態を表している。なお、本例では、負荷率が１０〜３０％の範囲で負荷係数が「１」、１０％未満で負荷係数が「２」、軽負荷基準時間が６００分、負荷運転時間が３０分として説明する。

まず、時刻ｔ１から時刻ｔ２までは、負荷率が１０〜３０％の範囲にあるので、軽負荷積算時間は、負荷係数が「１」の状態で緩やかに増加する。時刻ｔ２で負荷率が３０％を超える運転状態になると、軽負荷積算時間の積算が停止するとともに、軽負荷積算時間がリセットされて「０」となる。時刻ｔ３で負荷率が１０〜３０％の範囲に低下すると、再び軽負荷積算時間の積算が「０」から始まり、軽負荷積算時間は、緩やかに増加していく。時刻ｔ４で負荷率が１０％未満に低下すると、負荷係数が「２」となるので、軽負荷積算時間が急激に増加していく。

そして、時刻ｔ５で軽負荷積算時間が軽負荷基準時間に達すると、ブザー２０が鳴動し、警告灯２１が点灯して軽負荷警告が発生するとともに、演算処理部１８からリレー回路２３への信号でリレー２２が作動し、接触器１５が閉じて発電機１１から負荷装置１６に電力が供給されて負荷運転（燃焼運転）が始まる。時刻ｔ５で負荷装置１６への電力供給を開始してから、時刻ｔ６で負荷率が３０％を超えるまでの間は、負荷率が１０〜３０％の範囲にあるので、軽負荷積算時間は緩やかに増加している。時刻ｔ６で負荷率が３０％を超えても、燃焼運転中なので軽負荷積算時間はリセットされることなく、そのときの値を保持する。

時刻ｔ７で、負荷率が７０％を超えると、負荷運転の経過時間が計測され、負荷運転の経過時間が３０分となった時刻ｔ８で負荷運転が終了し、接触器１５が開いて負荷装置１６への電力供給が終了するとともに、軽負荷積算時間がリセットされて「０」となり、ブザー２０及び警告灯２１も作動を終了する。負荷運転の終了に伴って負荷率が減少し、時刻ｔ９で負荷率が１０〜３０％の範囲に低下すると、再び軽負荷積算時間の積算が「０」から始まる。また、時刻ｔ１０で、負荷率が３０％以下のときにエンジン発電機の運転を終了すると、軽負荷積算時間は演算処理部１８内に保持され、次の運転開始時には、保持した軽負荷積算時間から軽負荷運転時間の積算が始まる。

次に、本発明のエンジン発電機の運転方法の第１形態例を図３及び図４に示すフローチャートに基づいて説明する。なお、負荷係数の数値などは、前記図２における説明と同一の値を用いて説明する。

まず、図３に示すフローチャートにおいて、ステップ５１でディーゼルエンジン１２を始動してエンジン発電機の運転を開始した後、ステップ５２で発電機１１が発電中か否かを判断し、ステップ５２で発電中であると判断したときは、ステップ５３に進み、電圧や電流の測定時間間隔、例えば１秒間隔で測定するように設定した場合は、測定時間である１秒が経過したか否かを判断する。ステップ５３で１秒経過したと判断したときにはステップ５４に進み、運転状態監視部１７で測定した電圧や電流に基づいて、演算処理部１８で外部負荷１３に供給している電力値と、発電機１１の最大発電電力量とに基づいて負荷率を算出する。

ステップ５４で算出した負荷率は、ステップ５５で負荷率が３０％以下か否かが判断され、負荷率が３０％以下ではないと判断した場合は、ステップ５６に進み、軽負荷積算時間をリセットしてステップ５７に進む。また、ステップ５５で負荷率が３０％以下であると判断した場合は、ステップ５８に進んで負荷率が１０％未満か否かを判断し、負荷率が１０％未満ではないと判断したとき、すなわち、負荷率が１０〜３０％の範囲のときにはステップ５９に進み、測定時間に負荷係数の「１」を乗じた値で軽負荷積算時間（Ｔ）を更新してからステップ５７に進む。また、ステップ５８で負荷率が１０％未満であると判断したときにはステップ６０に進み、測定時間に負荷係数の「２」を乗じた値で軽負荷積算時間（Ｔ）を更新してからステップ５７に進む。

ステップ５７では、軽負荷積算時間（Ｔ）が基準時間以上か否かを判断し、軽負荷積算時間（Ｔ）が基準時間以上であると判断した場合は、ステップ６１に進んでブザー２０や警告灯２１を作動させて軽負荷警告を発報し、ステップ６２に進んで未燃焼燃料やカーボンを燃焼させるための負荷運転（燃焼運転）を自動的に行うか（自動運転ＯＮ）、手動で行うか（自動運転ＯＦＦ）が判断される。このステップ６２で燃焼運転を自動的に行うと判断した場合は、ステップ６３に進み、図４に示すフローチャートに基づいて燃焼運転が行われる。

また、前記ステップ５７で軽負荷積算時間（Ｔ）が基準時間以上になっていないと判断した場合は、ステップ６５に進み、ブザー２０や警告灯２１が作動していれば停止して警報をリセットしてからステップ６４に進む。ステップ６４ではエンジン停止状態と判断したらステップ６６で一連の作業が終了し、エンジンが運転中ならば、前記ステップ５２に戻る。また、前記ステップ５２で発電機１１が発電中ではないと判断したときやステップ５３で１秒経過していないと判断したときもステップ６４に進む。

前記ステップ６３における燃焼運転では、図４のフローチャートに示すように、ステップ７１で、現時点で外部負荷１３に供給している電力量と、負荷装置１６の消費電力量とから負荷量（負荷率）を算出し、算出した負荷量をステップ７２で発電機１１の最大発電電力量と比較する。ステップ７２で負荷量が最大発電電力量の１００％以下であると判断した場合は、ステップ７３に進んで接触器１５を閉じ状態（ＯＮ）とし、負荷装置１６への電力供給を開始あるいは継続して燃焼運転を行う。

一方、ステップ７２で負荷量が最大発電電力量の１００％を超えていると判断した場合は、負荷装置１６に電力を供給すると発電機１１が過負荷状態になるので、ステップ７４で接触器１５を開き（ＯＦＦ）、負荷装置１６への電力供給を停止する。続いてステップ７５で、前記ステップ７１と同様にして負荷量を算出し、算出した負荷量を、ステップ７６で前記最大発電電力量と比較し、負荷量が最大発電電力量の７０％以上の場合は、負荷装置１６に電力供給して燃焼運転を行っていると判断し、ステップ７７に進んで測定時間で燃焼時間（Ｔｂ）を更新する。

ステップ７３からあるいはステップ７６からステップ７７に進んで更新した燃焼時間（Ｔｂ）を、ステップ７８で前記負荷運転時間（燃焼完了時間）と比較し、燃焼時間（Ｔｂ）が燃焼完了時間以上になって燃焼完了と判断したら燃焼運転を終了する。次いで、ステップ７９に進んで前記軽負荷積算時間（Ｔ）をゼロにリセットし、ステップ８０から前記ステップ６４に進む。また、燃焼時間（Ｔｂ）が燃焼完了時間未満の場合は、軽負荷積算時間（Ｔ）をリセットすることなくステップ８０に進み、次いで前記ステップ６４に進む。また、前記ステップ７６で負荷量が最大発電電力量の７０％未満の場合は、負荷装置１６に電力供給していない状態になるので、ステップ８１に進んで燃焼時間（Ｔｂ）をリセットしてからステップ８０に進む。

このように、ステップ７１で測定した外部負荷１３への供給電力量と、負荷装置１６の消費電力量とを合計した負荷量が、発電機１１の最大発電電力量を超えないように、負荷装置１６への電力供給を制御することにより、発電機１１やディーゼルエンジン１２が過負荷状態になることを防止でき、発電機１１を保護しながら燃焼運転を行い、マフラ内の未燃焼燃料やカーボンを確実に燃焼させて除去することができる。

手動で燃焼運転を行う場合は、一定時間毎あるいは前記ステップ６１でのブザー２０や警告灯２１の作動によって燃焼運転を開始し、あらかじめ設定された時間、例えば３０分間の燃焼運転を行うようにすればよい。

図５は、本発明のエンジン発電機の第２形態例を示す要部のブロック図である。なお、以下の説明において、前記第１形態例に示したエンジン発電機の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

本形態例に示すエンジン発電機は、消費電力量が異なる３個の負荷Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を組み合わせた負荷装置１６ａを使用している。負荷Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の電力消費量は、負荷Ｌ１は発電機の負荷率を１０％上昇させる消費電力量のものを、負荷Ｌ２は発電機の負荷率を２０％上昇させる消費電力量のものを、負荷Ｌ３は発電機の負荷率を４０％上昇させる消費電力量のものを、それぞれ使用しており、各負荷に対応する接触器１５ａ，１５ｂ，１５ｃのＯＮ・ＯＦＦを制御して３個の負荷Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の使用状態を適宜選択することにより、負荷率を１０〜７０％の７段階で上昇させることができるように形成している。

図６は、図５に示した負荷装置１６ａを使用したときの燃焼運転時のフローチャートを示している。なお、他のステップは、前記図３に示したフローチャートにおけるステップ５１〜６２及びステップ６４〜６６と同様のステップで構成することができるので、これらのステップの図示及び説明は省略する。

まず、ステップ９１では、負荷装置１６ａの負荷Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３のなかで接続する負荷の選択を行う。この負荷の選択は、燃焼運転時の目標負荷率、例えば７０％と、現時点で外部負荷１３に供給している電力の負荷率との差から、あらかじめ設定した計算式、例えば、ステップ９１に記載した計算式を用いてＬ値（整数）を算出する。例えば、現時点で外部負荷１３に供給している電力量が負荷率２０％の場合、負荷テーブルのＬ値として「５」が得られる。

ステップ９２では、負荷テーブルを参照してステップ９１で算出したＬ値「５」に対応する負荷Ｌ１，Ｌ３への電力供給を選択し、負荷Ｌ１，Ｌ３に対応する接触器１５ａ，１５ｃをＯＮ、Ｌ２に対応する接触器１５ｂをＯＦＦとし、負荷装置１６ａへの電力供給を開始あるいは継続して燃焼運転を行う。次のステップ９３では、前記Ｌ値がゼロ未満が否かを判断し、Ｌ値がゼロ以下、すなわち、負荷装置１６ａに電力を供給していない場合は、ステップ９４に進んで燃焼時間（Ｔｂ）をゼロにリセットし、ステップ９５に進んで前記ステップ６４に戻る。

また、ステップ９３でＬ値がゼロ以上、すなわち、負荷装置１６ａに電力供給を行っていると判断した場合は、ステップ９６に進んで測定時間で燃焼時間（Ｔｂ）を更新した後、ステップ９７で更新した燃焼時間（Ｔｂ）と燃焼完了時間とを比較する。ステップ９７で燃焼時間（Ｔｂ）が燃焼完了時間以上になったと判断したら、燃焼完了であるから燃焼運転を終了し、次いで、ステップ９８に進んで前記軽負荷積算時間（Ｔ）をゼロにリセットしてステップ９５から前記ステップ６４に進む。ステップ９７で更新した燃焼時間（Ｔｂ）が燃焼完了時間以上になっていないと判断したら、そのままステップ９５に進んで前記ステップ６４に進む。

このように、消費電力量が異なる複数の負荷で構成した負荷装置１６ａを用いることにより、発電機１１の負荷率を７０〜８０％の範囲として燃焼運転を行うことができるので、ディーゼルエンジン１２の負荷を必要最小限に抑えることができ、燃料費の削減や騒音の低減を図ることができる。なお、負荷装置１６ａ内に設ける負荷の数は任意であり、消費電力が同じ負荷を使用することもできる。

図７は、本発明のエンジン発電機の第２形態例を示す要部のブロック図である。本形態例は、外部負荷１３への電力供給を中断しても問題が無い場合に適用されるもので、接触器１５に代えて切替開閉器２４を使用し、負荷装置１６に電力供給を行う場合は、外部負荷１３への電力供給を中断するように形成している。

なお、負荷係数は、エンジン発電機の仕様に応じて適宜設定すればよく、負荷係数を３段階以上に設定することもできる。また、負荷装置は、ヒータ以外のものを使用することも可能であり、ケーシング内に発電機やディーゼルエンジンなどを収納した可搬式エンジン発電機では、ケーシング内に負荷装置を収納するようにしてもよい。

１１…発電機、１２…ディーゼルエンジン、１３…外部負荷、１４…電力供給回路、１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…接触器、１６…負荷装置、１７…運転状態監視部、１８…演算処理部、１９…表示器、２０…ブザー、２１…警告灯、２２…リレー、２３…リレー回路、２４…切替開閉器、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…負荷装置内の負荷

Claims

ディーゼルエンジンで発電機を駆動して発電するエンジン発電機において、該エンジン発電機に接続された機器に電力供給を行っている際に、前記発電機の発電電力量から負荷率を算出する負荷率算出手段と、該負荷率算出手段で算出した負荷率に基づいて、該負荷率が低くなるほど値が大きくなる負荷係数を設定する負荷係数設定手段と、該負荷係数設定手段で設定した負荷係数と発電機の運転時間とに基づいて軽負荷積算時間を算出する軽負荷積算時間算出手段と、該軽負荷積算時間算出手段で算出した軽負荷積算時間があらかじめ設定された軽負荷積算時間の基準時間を超えたときに、あらかじめ設けられた負荷率上昇用負荷への電力供給を開始する電力供給手段とを備えていることを特徴とするエンジン発電機。
前記負荷率上昇用負荷が複数設けられ、前記電力供給手段は、各負荷率上昇用負荷を個別に選択して電力供給が可能に形成されていることを特徴とする請求項１記載のエンジン発電機。
ディーゼルエンジンで発電機を駆動して発電するエンジン発電機の運転方法において、該エンジン発電機に接続された機器に電力供給を行っている際に、前記発電機の発電電力量から負荷率を算出し、算出した負荷率に基づいて、該負荷率が低くなるほど値が大きくなる負荷係数を設定し、設定した負荷係数と発電機の運転時間とに基づいて軽負荷積算時間を算出し、算出した軽負荷積算時間があらかじめ設定された軽負荷積算時間の基準時間を超えたときに、あらかじめ設けられた負荷率上昇用負荷への電力供給を開始することを特徴とするエンジン発電機の運転方法。
前記負荷率上昇用負荷が複数設けられ、算出した前記負荷率に応じて電力供給する負荷率上昇用負荷の数を選択することを特徴とする請求項３記載のエンジン発電機の運転方法。