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JP4964193B2 - Energy system - Google Patents

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JP4964193B2
JP4964193B2 JP2008158265A JP2008158265A JP4964193B2 JP 4964193 B2 JP4964193 B2 JP 4964193B2 JP 2008158265 A JP2008158265 A JP 2008158265A JP 2008158265 A JP2008158265 A JP 2008158265A JP 4964193 B2 JP4964193 B2 JP 4964193B2
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良胤 ▲高▼島
俊作 中井
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Osaka Gas Co Ltd
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Osaka Gas Co Ltd
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Description

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。   The present invention includes an engine that compresses and burns an air-fuel mixture in a combustion chamber and outputs shaft power, exhaust heat recovery means that recovers exhaust heat of the engine and supplies heat to a heat load, The present invention relates to an energy system including power generation means for generating electric power generated by shaft power and generating electric power supplied to an electric load.

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。   In the energy system as described above, the exhaust heat recovery means stores, for example, a heat exchanger that heats hot water by exchanging heat with exhaust gas from an engine or jacket water, and hot water heated by the heat exchanger. A hot water storage tank is provided, and hot water stored in the hot water storage tank is configured to be supplied to a heat load such as a hot water supply unit or a heating device. The power generation means is, for example, a power generator that generates power using shaft power of the engine, and is configured to supply power generated by the power generator to a power load such as a power device. A so-called cogeneration system or the like is known as an energy system provided with such exhaust heat recovery means and power generation means.

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。   The required heat amount at the heat load and the required power amount at the power load change with changes in various conditions such as time zone and season. Therefore, in order to improve energy saving, the ratio of the generated heat amount of the exhaust heat recovery means to the generated power amount of the power generation means corresponding to the change in the required heat amount at the heat load and the required power amount at the power load. It is required to change the generated thermoelectric ratio (= generated heat amount / generated power amount). In particular, in cogeneration systems, the required heat amount at the heat load and the required power amount at the power load change every moment, so depending on the changing required heat amount at the heat load and the required power amount at the power load. There is a need to change the generated thermoelectric ratio.

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。   Therefore, in the conventional energy system, in the spark ignition type engine, the generated thermoelectric ratio is changed by changing the ignition timing of the engine (see, for example, Patent Document 1). The conventional energy system has a characteristic that when the ignition timing is changed to the retard side, the temperature of the exhaust gas increases as the shaft output of the engine decreases. Therefore, by utilizing the characteristics, the amount of heat generated by the exhaust heat recovery means is increased by the temperature rise of the exhaust gas, and the generated thermoelectric ratio is increased. Conversely, by changing the spark ignition timing to the advance side, the amount of heat generated by the exhaust heat recovery means is decreased so that the generated thermoelectric ratio is lowered.

特開2005−264755号公報JP 2005-264755 A

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。
In the conventional energy system described above, the ignition timing must be significantly changed in order to change the generated thermoelectric ratio. Therefore, abnormal combustion such as knocking or misfire is likely to occur, causing engine damage or stoppage.
In particular, in order to increase the power generation efficiency, when using an engine in which the excess air ratio of the mixture is set within a lean fuel range and the mixture is lean burned in the combustion chamber, the ignition timing of the engine If is changed to the retarded angle side, misfire is likely to occur, and there is a problem that the amount of unburned hydrocarbons increases.

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。   The present invention has been made paying attention to such a point, and its purpose is to cope with changes in required heat amount at a thermal load and required power amount at an electric load while suppressing the occurrence of abnormal combustion in the engine. Thus, it exists in the point which provides the energy system which can change the generated thermoelectric ratio.

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。
In order to achieve this object, the characteristic configuration of the energy system according to the present invention includes an engine that compresses and burns an air-fuel mixture in a combustion chamber and outputs shaft power, and recovers exhaust heat of the engine to a heat load. An energy system comprising: exhaust heat recovery means for generating heat to be supplied; and power generation means for generating electric power generated by shaft power of the engine to be supplied to an electric load,
As the combustion mode of the engine, the stoichiometric combustion mode for setting the excess air ratio of the air-fuel mixture combusting in the combustion chamber within the stoichiometric range, and the excess air ratio of the air-fuel mixture combusting in the combustion chamber are set within the stoichiometric range. And a stoichiometric / EGR combustion mode in which a part of the exhaust gas of the engine is recirculated to the combustion chamber by the EGR means, and the amount of heat supplied to the heat load is given priority over the amount of power supplied to the power load. In a situation where the combustion mode is switched to the stoichiometric combustion mode and the amount of power supplied to the power load is prioritized over the amount of heat supplied to the thermal load, the combustion mode is changed to the stoichiometric / EGR combustion. Combustion mode switching means for switching to the mode ,
The stoichiometric EGR combustion mode is a combustion mode in which the EGR rate is increased as the required thermoelectric ratio of the required heat amount at the thermal load to the required electric energy at the electric load decreases .

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。
The excess air ratio is obtained by dividing the air-fuel ratio of the air-fuel mixture by the stoichiometric air-fuel ratio. That is, it can be said that the excess air ratio is higher as the fuel component is smaller in the air-fuel mixture, and the air excess ratio is lower as the fuel component is increased.
In the energy system according to the present invention, the excess air ratio of the air-fuel mixture is set within a stoichiometric range of, for example, about 1.0 in both the stoichiometric combustion mode and the stoichiometric / EGR combustion mode. In the stoichiometric combustion mode, the combustion speed is high and knocking may occur. For example, knocking can be avoided by adjusting the ignition timing. In the stoichiometric / EGR combustion mode, the combustion state may become somewhat unstable due to the recirculation of exhaust gas into the combustion chamber. For example, the combustion state can be stabilized by adjusting the ignition timing. Can be achieved, and a stable combustion state can be maintained.

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。
In the stoichiometric combustion mode, a mixture of air and fuel corresponding to the theoretical air amount is used, so that the heat capacity of the mixture per input heat amount is small, and the temperature of the combustion gas becomes high. As a result, the amount of heat loss in the combustion chamber increases and the power generation efficiency of the power generation means decreases. On the other hand, due to the high temperature of the combustion gas, the exhaust gas of the engine and the jacket water after cooling the engine become high temperature, and the amount of heat generated by the exhaust heat recovery means can be increased. As a result, in the stoichiometric combustion mode, the generated thermoelectric ratio (= generated heat amount / generated power amount), which is the ratio of the generated heat amount of the exhaust heat recovery means to the generated power amount of the power generating means, can be increased.
In the stoichiometric EGR combustion mode, the temperature increase of the combustion gas can be suppressed by recirculation of the exhaust gas. Thereby, the amount of heat loss in the combustion chamber is reduced, and the power generation efficiency of the power generation means can be increased. On the other hand, the amount of heat generated by the exhaust heat recovery means is reduced by suppressing the temperature rise of the combustion gas. As a result, in the stoichiometric / EGR combustion mode, the generated thermoelectric ratio can be lowered.
For example, if the required heat amount at the heat load is larger than the set heat amount, the combustion mode switching means determines that the supply heat amount to the heat load should be given priority over the supply power amount to the power load. Switch to stoichiometric combustion mode. Further, the combustion mode switching means determines that the power supply amount to the power load should be given priority over the heat supply amount to the heat load when the required power amount at the power load is larger than the set power amount. The combustion mode is switched to the stoichiometric / EGR combustion mode. Thereby, the generated thermoelectric ratio can be changed corresponding to the change in the required heat amount at the heat load and the required power amount at the power load.
Since the stoichiometric / EGR combustion mode is a combustion mode in which the EGR rate is increased as the required thermoelectric ratio of the required heat amount at the heat load relative to the required electric energy at the electric load decreases from the stoichiometric combustion mode, the generated thermoelectric ratio Can be appropriately followed by the required thermoelectric ratio.

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。   Therefore, in the energy system of the present invention, the generated thermoelectric ratio can be changed so as to respond to changes in the required heat amount at the heat load and the required power amount at the power load while suppressing the occurrence of abnormal combustion in the engine.

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。   In a further characteristic configuration of the energy system according to the present invention, the combustion mode switching means is configured so that the required thermoelectric ratio of the required heat amount at the thermal load relative to the required electric energy at the power load is higher than a set ratio. When the combustion mode is switched to the stoichiometric combustion mode and the required thermoelectric ratio is lower than the set ratio, assuming that the amount of heat supplied to the heat load should be given priority over the amount of power supplied to the power load In addition, the combustion mode is switched to the stoichiometric / EGR combustion mode, assuming that the amount of power supplied to the power load should be given priority over the amount of heat supplied to the heat load.

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。   According to this characteristic configuration, the combustion mode switching means switches the engine combustion mode between the stoichiometric combustion mode and the stoichiometric / EGR combustion mode depending on whether the required thermoelectric ratio is higher or lower than the set ratio. As a result, the generated thermoelectric ratio can be changed in correspondence with the required thermoelectric ratio, and the change in the required heat amount at the heat load and the required electric energy at the power load can be flexibly and accurately handled.

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。   A further characteristic configuration of the energy system according to the present invention is that the required heat amount at the heat load and the required power amount at the power load are determined based on the past required heat amount and the past required power amount, A load prediction unit that predicts a required power amount, and the combustion mode switching unit includes a future required heat amount predicted by the load prediction unit as a required heat amount at the thermal load and a required power amount at the power load. And it is in the point comprised so that required electric energy may be used.

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。   According to this characteristic configuration, the combustion mode switching means changes the engine combustion mode between the stoichiometric combustion mode and the stoichiometric / EGR combustion in accordance with changes in the future required heat amount and the future required electric energy predicted by the load predicting means. You can switch to mode. Therefore, it is possible to accurately change the generated thermoelectric ratio in response to changes in the required heat amount and the required power amount in the future, and it is possible to accurately improve the energy saving.

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。   According to a further characteristic configuration of the energy system according to the present invention, the exhaust heat recovery means includes a hot water storage tank for storing hot water heated by the exhaust heat of the engine, and the hot water stored in the hot water storage tank is stored in the thermal load. The combustion mode switching means is configured to supply the amount of heat supplied to the heat load rather than the amount of power supplied to the power load when the temperature of the water supplied to the hot water storage tank is lower than a set temperature. When the combustion mode is switched to the stoichiometric combustion mode and the feed water temperature is higher than the set temperature, the supply to the power load is higher than the supply heat amount to the heat load. As a situation where priority should be given to the amount of electric power, the combustion mode is switched to the stoichiometric / EGR combustion mode.

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。   According to this feature configuration, when the feed water temperature is lower than the set temperature, for example, it can be determined that it is winter, and in winter, the required heat amount at the heat load increases, so the amount of power supplied to the power load Priority should be given to the amount of heat supplied to the heat load. Conversely, when the feed water temperature is higher than the set temperature, for example, it can be determined that it is summer, and in summer, the required heat amount at the heat load is small, so the amount of heat supplied to the power load is greater than the amount of heat supplied to the heat load. Priority should be given to the amount of power supplied. Therefore, the combustion mode switching means appropriately determines whether the priority should be given to the amount of heat supplied to the heat load or the amount of power supplied to the power load by comparing the feed water temperature and the set temperature. The combustion mode can be switched between the stoichiometric combustion mode and the stoichiometric / EGR combustion mode. Therefore, energy saving can be improved accurately.

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。   A further characteristic configuration of the energy system according to the present invention is such that, in the stoichiometric / EGR combustion mode, an EGR rate of an exhaust gas flow rate recirculated to the combustion chamber with respect to a flow rate of an air-fuel mixture to the combustion chamber becomes 15% or more. It is in the point set to.

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。   In the stoichiometric EGR combustion mode, if the EGR rate is increased by increasing the flow rate of the exhaust gas recirculated to the combustion chamber by the EGR means, it is possible to more effectively suppress the temperature rise of the combustion gas. Therefore, it is possible to reduce the generated thermoelectric ratio by increasing the EGR rate. According to this characteristic configuration, in the stoichiometric / EGR combustion mode, the generated thermoelectric ratio in the stoichiometric / EGR combustion mode can be made as low as possible by setting the EGR rate to 15% or more. Thereby, the difference between the generated thermoelectric ratio in the stoichiometric combustion mode and the generated thermoelectric ratio in the stoichiometric / EGR combustion mode can be maximized. Therefore, by switching the engine combustion mode between the stoichiometric combustion mode and the stoichiometric / EGR combustion mode, the generated thermoelectric ratio can be changed as much as possible, and the generated thermoelectric ratio can be changed effectively.

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。   A further characteristic configuration of the energy system according to the present invention is that a three-way catalyst is disposed in the exhaust passage of the engine at a portion through which exhaust gas passes in both the stoichiometric combustion mode and the stoichiometric / EGR combustion mode. It is in the point.

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。   According to this characteristic configuration, for example, a NOx (nitrogen oxide) is contained by disposing a three-way catalyst in which a noble metal component such as platinum, palladium, or rhodium is supported on an inorganic carrier such as alumina in the exhaust passage. NOx can be reduced and removed by passing the exhaust gas through the three-way catalyst. As a result, the NOx emission amount can be suppressed to a specified amount or less. In addition, the stoichiometric condition is maintained in both the stoichiometric combustion mode and the stoichiometric / EGR combustion mode, so that the oxidizing component and the reducing component contained in the exhaust gas are balanced. Therefore, the three-way catalyst can remove CO (carbon monoxide), HC (hydrocarbon) and the like simultaneously with the reduction and removal of NOx. As a result, NOx, CO, and HC contained in the exhaust gas can be accurately removed.

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。
An embodiment of an energy system according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
As shown in FIG. 1, the energy system 100 is configured as a cogeneration system that generates electric power in addition to heat. The energy system 100 includes an engine 1 that compresses and burns an air-fuel mixture M in a combustion chamber 2 to output shaft power, and exhaust heat recovery means that recovers exhaust heat of the engine 1 and generates heat supplied to a heat load 16. 7 and a generator 5 (an example of a power generation means) that generates electric power by the shaft power of the engine 1 and generates electric power to be supplied to the electric power load 21. The generator 5 is configured to supply electric power generated in connection with the commercial power system 20 to a power load 21 such as an electric device.

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。   The engine 1 sucks a mixture M of fuel G and air A supplied via the fuel supply valve 6 from the intake passage 3 into the combustion chamber 2, compresses the mixture M in the combustion chamber 2, and mixes the mixture M The gas M is ignited in the combustion chamber 2 to be combusted / expanded, and the exhaust gas E generated by the combustion is discharged to the exhaust passage 4 to have the same configuration as that of a normal four-cycle engine.

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。   An oxygen sensor 18 that detects the oxygen concentration of the exhaust gas E is provided in the exhaust passage 4 through which the exhaust gas E discharged from the combustion chamber 2 flows. The control device 50 that controls the operation of the engine 1 is configured to control the opening of the fuel supply valve 6 while monitoring the oxygen concentration of the exhaust gas E detected by the oxygen sensor 18. Thereby, the excess air ratio of the air-fuel mixture M formed in the intake passage 3 can be arbitrarily set.

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。   The exhaust heat recovery means 7 recovers exhaust heat of the engine 1 from both the jacket water JW after cooling the engine 1 and the exhaust gas E discharged from the combustion chamber 2, and the hot water HW heated by the recovered exhaust heat Is supplied to a heat load 16 such as a hot water supply unit or a heating device. The exhaust heat recovery means 7 circulates the jacket water JW by operating the circulation pump 10. Thereby, after cooling the engine 1 and raising the temperature, the jacket water JW recovers the heat of the exhaust gas E by passing through the heat transfer pipe 11 provided in the exhaust passage 4 and is further heated. The exhaust heat recovery means 7 includes an exhaust heat recovery heat exchanger 8 that performs heat exchange between the hot jacket water JW after passing through the heat transfer tube 11 and the hot water HW, and hot water heated by the exhaust heat recovery heat exchanger 8. The hot water storage tank 9 for storing the hot water HW stored in the hot water storage tank 9 is supplied to the heat load 16.

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。   The hot water storage tank 9 forms a high temperature layer in which the high temperature hot water HW stays at the upper part, and so-called temperature stratification for storing the hot water HW so as to form a low temperature layer in which the low temperature hot water HW stays in the lower part of the high temperature layer. It is structured into a mold. By operating the pump 15, the relatively low temperature hot water at the lower end of the hot water storage tank 9 is passed through the exhaust heat recovery heat exchanger 8 and heated to an appropriate target hot water storage temperature (for example, 75 ° C.) or higher. Return to the upper end of the tank 9. Thereby, the hot water storage tank 9 forms temperature stratification and stores the hot water HW. Hot hot water HW taken out from the upper end of the hot water storage tank 9 is supplied to the heat load 16. At the same time, the water supply W corresponding to the consumed hot water HW is replenished to the lower end of the hot water storage tank 9.

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
The exhaust gas E of the engine 1 passes through the exhaust passage 4 and is discharged. In the exhaust path 4, for example, a three-way catalyst 12 is disposed which is formed by supporting a noble metal component such as platinum, palladium or rhodium on an inorganic carrier such as alumina.
An EGR passage 22 for returning a part E1 of the exhaust gas in the exhaust passage 4 to the intake passage 3, an EGR valve 23 that can be switched between a closed state and an open state, and whose opening degree is adjustable in the open state. And are provided. By opening the EGR valve 23, a part of the exhaust gas E1 in the exhaust passage 4 can be returned to the intake passage 3 in the EGR passage 22, and the exhaust gas E1 can be recirculated to the combustion chamber 2. By adjusting the opening degree of the EGR valve 23 in the open state, the amount of exhaust gas returned to the intake passage 3 through the EGR passage 22 can be adjusted, and the amount of exhaust gas recirculated to the combustion chamber 2 can be adjusted. Thereby, the EGR flow path 22 and the EGR valve 23 are configured to function as the EGR means 24. The EGR means 24 is configured to realize a so-called external EGR in which exhaust gas is recirculated using the EGR flow path 22.

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。   The control device 50 is configured to function as a load prediction unit 51, an output control unit 52, a combustion mode switching unit 53, and an EGR control unit 54 by executing a predetermined computer program.

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。
The load predicting means 51 predicts the future required heat amount and the required power amount based on the past required heat amount and the past required power amount with respect to the required heat amount at the heat load 16 and the required power amount at the power load 21. It is configured. That is, the load predicting means 51 stores the past heat consumption in the heat load 16 and the past power consumption in the power load 21. For example, the load prediction unit 51 divides one week for each day of the week, and stores power consumption and heat consumption during a set period (for example, 24 hours) of each day of the week. The load predicting means 51 predicts the predicted heat consumption as the future required heat amount in the future setting period (for example, 24 hours) based on the stored past power consumption and past heat consumption, It is configured to predict a consumed power amount as a future required power amount.
Here, the amount of heat consumed in the heat load 16 can be obtained from, for example, the flow rate and temperature of the hot water HW supplied from the hot water storage tank 9 to the heat load 16 and the measurement results. The amount of power consumed in the power load 21 can be obtained by measuring the amount of power supplied from the generator 5 and the commercial power system 20 to the power load 21.

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。
The output control means 52 controls the output of the engine 1 in accordance with the required power amount at the power load 21 in a form such as controlling the opening of a throttle valve (not shown) provided in the engine 1. The main operation control or so-called thermal main operation control for controlling the output of the engine 1 in accordance with the required heat amount at the heat load 16 is executed.
For example, when the output control means 52 performs the main operation control, the generated power amount of the generator 5 becomes equal to the required power amount of the power load 21 or smaller by a certain amount than the required power amount. The output of the engine 1 is controlled according to the required power amount so as to change following the amount.
Further, when the output control means 52 performs the heat main operation control, the amount of heat generated by the exhaust heat recovery means 7 becomes equal to or less than the required heat quantity of the heat load 16, and the required heat quantity. The output of the engine 1 is controlled in accordance with the required heat amount so as to change following the above.

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。   As the combustion mode of the engine 1, the stoichiometric combustion mode in which the excess air ratio of the air-fuel mixture combusted in the combustion chamber 2 is set within the stoichiometric range, and the excess air ratio of the air-fuel mixture combusted in the combustion chamber 2 is set within the stoichiometric range. In addition, the EGR means 24 has a stoichiometric / EGR combustion mode in which a part of the exhaust gas E of the engine 1 is recirculated to the combustion chamber 2. As shown in FIG. 2, the combustion mode switching unit 53 is configured such that the required thermoelectric ratio (= required heat amount / required power amount) of the required heat amount at the heat load 16 with respect to the required power amount at the power load 21 is higher than the set ratio. Furthermore, the combustion mode is switched to the stoichiometric combustion mode, and the combustion mode is switched to the stoichiometric / EGR combustion mode when the required thermoelectric ratio is lower than the set ratio. At this time, the combustion mode switching unit 53 uses the required heat amount and the required power amount predicted by the load prediction unit 51 for the required heat amount at the heat load 16 and the required power amount at the power load 21.

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。   In both the stoichiometric combustion mode and the stoichiometric / EGR combustion mode, the control device 50 controls the fuel supply valve 6 so that the oxygen concentration of the exhaust gas E detected by the oxygen sensor 18 becomes a low oxygen concentration that is substantially zero. By adjusting the opening, the excess air ratio of the air-fuel mixture M supplied to the combustion chamber 2 is set within a stoichiometric range of about 1.0. In the stoichiometric combustion mode, the combustion speed is high and knocking may occur. For example, knocking can be avoided by adjusting the ignition timing. Further, in the stoichiometric / EGR combustion mode, the combustion state may become somewhat unstable due to the recirculation of the exhaust gas E1 to the combustion chamber 2. For example, similarly, the combustion state is stabilized by adjusting the ignition timing. The stable combustion state can be maintained.

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。   In the stoichiometric EGR combustion mode, in addition to setting the excess air ratio of the mixture M supplied to the combustion chamber 2 within a stoichiometric range of about 1.0, the EGR control means 54 opens the EGR valve 23. As a state, a part of the exhaust gas E in the exhaust passage 4 is returned to the intake passage 3 through the EGR passage 22 to recirculate the exhaust gas E to the combustion chamber 2.

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。
In the stoichiometric combustion mode, the heat capacity of the air-fuel mixture per input heat amount is small, and the temperature of the combustion gas becomes high. For this reason, the amount of heat loss in the combustion chamber increases, and the power generation efficiency of the generator 5 decreases. On the other hand, due to the high temperature of the combustion gas, the exhaust gas E of the engine 1 and the jacket water JW after cooling the engine 1 become high temperature, and the amount of heat generated by the exhaust heat recovery means 7 can be increased. As a result, in the stoichiometric combustion mode, the generated thermoelectric ratio (= generated heat amount / generated power amount) that is the ratio of the generated heat amount of the exhaust heat recovery means 7 to the generated power amount of the generator 5 can be increased.
In the stoichiometric EGR combustion mode, the temperature increase of the combustion gas can be suppressed by recirculation of the exhaust gas E to the combustion chamber 2. Thereby, the amount of heat loss in the combustion chamber 2 is reduced, and the power generation efficiency of the generator 5 can be increased. On the other hand, the amount of heat generated by the exhaust heat recovery means 7 is reduced by suppressing the temperature rise of the combustion gas. As a result, in the stoichiometric / EGR combustion mode, the generated thermoelectric ratio can be lowered.

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。
Accordingly, as shown in FIG. 2, the combustion mode switching means 53 switches the combustion mode of the engine 1 between the stoichiometric combustion mode and the stoichiometric / EGR combustion mode depending on whether the required thermoelectric ratio is higher or lower than the set ratio. The generated thermoelectric ratio can be changed corresponding to the required thermoelectric ratio.
In addition, the combustion mode switching unit 53 uses the required heat amount and the required power amount predicted by the load prediction unit 51. Thereby, the generated thermoelectric ratio can be changed according to the required thermoelectric ratio predicted in the future, and the energy saving can be improved accurately.

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。   Since the three-way catalyst 12 is arranged in the exhaust passage 4, NOx can be reduced and removed by passing exhaust gas containing NOx (nitrogen oxide) through the three-way catalyst. Thereby, the amount of NOx emission can be suppressed to a specified amount or less. Moreover, in both the stoichiometric combustion mode and the stoichiometric / EGR combustion mode, the oxygen concentration of the exhaust gas E is a low oxygen concentration that is substantially zero, so that the oxidizing component and reducing component contained in the exhaust gas E Is in a balanced state. Therefore, the three-way catalyst 12 can perform oxidative removal of CO (carbon monoxide), HC (hydrocarbon), etc. simultaneously with the reduction and removal of NOx. Therefore, NOx, CO, and HC contained in the exhaust gas E can be accurately removed.

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。   In the stoichiometric EGR combustion mode, the EGR rate of the exhaust gas flow rate recirculated to the combustion chamber 2 with respect to the flow rate of the air-fuel mixture M to the combustion chamber 2 is set to 15% or more. A target opening degree of the EGR valve 23 for setting the EGR rate to 15% or more (for example, 20%) is set in advance. The EGR control means 54 adjusts the opening degree of the EGR valve 23 to the target opening degree, thereby setting the EGR rate to 15% or more (for example, 20%).

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。
In the stoichiometric EGR combustion mode, for example, FIG. 3 shows a change in the generated thermoelectric ratio when the EGR rate is changed from 0% to 20%. Incidentally, the EGR rate of 0% is in the stoichiometric combustion mode.
It can be seen that when the EGR rate is in the range of 0% to 20%, the generated thermoelectric ratio decreases as the EGR rate increases. Thus, by setting the EGR rate to 15% or more in the stoichiometric / EGR combustion mode, the generated thermoelectric ratio in the stoichiometric / EGR combustion mode can be set to 2.125 or less, for example. Thereby, the difference between the generated thermoelectric ratio in the stoichiometric combustion mode and the generated thermoelectric ratio in the stoichiometric / EGR combustion mode can be increased. Therefore, by switching the combustion mode of the engine 1 between the stoichiometric combustion mode and the stoichiometric / EGR combustion mode, the generated thermoelectric ratio can be greatly changed, and the generated thermoelectric ratio can be effectively changed.
Incidentally, if the EGR rate is increased, the combustion in the combustion chamber 2 may become unstable. For example, by increasing the flow amount of the air-fuel mixture or the like in the cylinder of the engine 1 (in the cylinder), the EGR Even when the rate is 15% or more (for example, 20%), combustion in the combustion chamber 2 is stabilized. The upper limit of the EGR rate is, for example, 25%.

〔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。
[Second Embodiment]
The second embodiment is another embodiment of the EGR means 24 in the first embodiment. Hereinafter, the EGR means 24 in the second embodiment will be described with reference to FIGS. 4 and 5. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.

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。   As shown in FIG. 4, the EGR flow path 22 is configured to return a part of the exhaust gas E1 in the exhaust path 4 upstream of the throttle valve 25 that adjusts the intake air amount in the intake path 4. The intake passage 3 is provided with a mixing portion 26 such as a venturi mixer that mixes air and fuel, and a bypass passage 27 that bypasses the throttle valve 25, and a bypass valve 28 is provided in the bypass passage 27.

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。
In the stoichiometric EGR combustion mode, the EGR control means 54 adjusts the opening degree of the EGR valve 23 and the opening degree of the bypass valve 28. As a result, a part of the exhaust gas E1 in the exhaust passage 4 is returned to the intake passage 3, and a part of the air containing the exhaust gas E1 is bypassed through the bypass passage 27 in the throttle valve 25 and the mixing unit 26, and Are mixed and supplied to the combustion chamber 2. Therefore, the EGR flow path 22, the EGR valve 23, the bypass path 27, and the bypass valve 28 are configured to function as the EGR means 24.
The intake air amount to the combustion chamber 2 is adjusted by the throttle valve 25, but in the stoichiometric / EGR combustion mode, the exhaust gas E <b> 1 is returned to the intake passage 3 through the EGR passage 22. Therefore, it is necessary to adjust the opening degree of the throttle valve 25 to the increase side. However, if the opening degree of the throttle valve 25 is adjusted to the excessively open side, the intake air amount may not be controlled, so that a large amount of exhaust gas E1 may not be recirculated to the combustion chamber 2. Therefore, as described above, the opening degree of the throttle valve 25 is adjusted to a large opening degree that makes the intake air amount uncontrollable by opening the bypass valve 28 and sucking the combustion chamber 2 through the bypass path 27. And a large amount of exhaust gas E1 can be recirculated to the combustion chamber 2.

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。   In the stoichiometric EGR combustion mode, the EGR control means 54 adjusts the opening degree of the EGR valve 23 to the target opening degree. For the adjustment of the opening degree of the bypass valve 28, for example, the target opening degree of the EGR valve 23 is set. The opening degree of the bypass valve 28 can be adjusted so that the target opening degree is set in advance with respect to the degree. For example, if the target opening of the EGR valve 23 is 50%, the target opening of the bypass valve 28 is 20%. Therefore, when the stoichiometric combustion mode is switched to the stoichiometric / EGR combustion mode, the EGR control means 54 increases the opening degree of the EGR valve 23 from 0% to 50% and the opening degree of the bypass valve 28. Increase from 0% to 20%. Finally, the EGR control means 54 adjusts the opening degree of the EGR valve 23 to 50% and the opening degree of the bypass valve 28 to 20%.

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。   In the second embodiment, instead of the bypass passage 27 and the bypass valve 28 shown in FIG. 4, a second throttle valve 29 is provided upstream of the throttle valve 25 in the intake passage 3 as shown in FIG. You can also. In this case, for example, in the stoichiometric combustion mode, the second throttle valve 29 is adjusted to a half-closed state (opening degree 50%), and in the stoichiometric / EGR combustion mode, the second throttle valve 29 is set to a set opening degree rather than the half-closed state. The opening is adjusted to a larger opening (for example, 70% opening).

〔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。
[Third Embodiment]
This third embodiment is another embodiment of the combustion mode switching means 53 in the first and second embodiments. Hereinafter, the combustion mode switching means 53 in the third embodiment will be described.
The combustion mode switching means 53 switches the combustion mode to the stoichiometric combustion mode when the feed water temperature supplied to the hot water storage tank 9 is lower than the set temperature, and switches the combustion mode when the feed water temperature is higher than the set temperature. It is configured to switch to the stoichiometric / EGR combustion mode. In order to detect the feed water temperature supplied to the hot water storage tank 9, a feed water temperature detection sensor 13 is provided, and the combustion mode switching means 53 is configured so that the detected temperature of the feed water temperature detection sensor 13 is a set temperature (for example, 15 ° C.). If it is lower than that, for example, it is determined that it is winter, and the combustion mode is switched to the stoichiometric combustion mode. Thereby, although the required thermoelectric ratio becomes high in winter, the high required thermoelectric ratio can be met by switching to the stoichiometric combustion mode and increasing the generated thermoelectric ratio. Further, when the detected temperature of the feed water temperature detection sensor 13 is higher than a set temperature (for example, 15 ° C.), the combustion mode switching means 53 determines that it is summer, for example, and sets the combustion mode to the stoichiometric / EGR combustion mode. Switch to. Thereby, although the required thermoelectric ratio becomes low in summer, the low required thermoelectric ratio can be met by switching to the stoichiometric / EGR combustion mode to reduce the generated thermoelectric ratio.

〔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。
[Another embodiment]
(1) In the first to third embodiments, the case where so-called external EGR is used as the EGR means for recirculating exhaust gas using the EGR flow path 22 is exemplified. However, the exhaust gas in the combustion chamber 2 is burned as it is. It is also possible to use so-called internal EGR in which a part of the exhaust gas is recirculated by remaining in the chamber 2 or by causing the exhaust gas to flow backward.
For example, by closing the exhaust valve during the exhaust stroke from the bottom dead center to the top dead center, the exhaust gas in the combustion chamber 2 remains in the combustion chamber 2 as it is, and internal EGR can be realized. Further, by providing a throttle valve in the exhaust passage and increasing the exhaust pressure by closing the throttle valve, the exhaust gas in the combustion chamber 2 remains in the combustion chamber as it is, or the exhaust gas in the exhaust passage 4 is burned from the exhaust valve. The internal EGR can be realized by backflowing into the chamber 2.

(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。 (2) In the first and second embodiments, the combustion mode switching means 53 switches the combustion mode between the stoichiometric combustion mode and the stoichiometric / EGR combustion mode depending on whether the required thermoelectric ratio is higher or lower than the set ratio. However, for example, when the required heat amount at the heat load 16 is larger than the set heat amount, the combustion mode is switched to the stoichiometric combustion mode, and when the required power amount at the power load 21 is larger than the set power amount, The combustion mode can be switched to the stoichiometric / EGR combustion mode. In this case, when the required heat amount at the heat load 16 is larger than the set heat amount and the required power amount of the power load 21 is larger than the set power amount, and when the required heat amount at the heat load 16 is smaller than the set heat amount and power When the required power amount of the load 21 is smaller than the set power amount, switching to a predetermined one of the stoichiometric combustion mode and the stoichiometric / EGR combustion mode is performed.

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。   In the third embodiment, the combustion mode switching means 53 switches the combustion mode between the stoichiometric combustion mode and the stoichiometric / EGR combustion mode depending on whether the feed water temperature is higher or lower than the set temperature. For example, the combustion mode switching means 53 has a calendar function for managing the date, etc., and can be switched to the stoichiometric combustion mode in the winter and switched to the stoichiometric / EGR combustion mode in the summer.

(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。 (3) In the first to third embodiments, the output control means 52 controls the output of the engine 1 according to the required power amount in the main operation control, or the engine according to the required heat amount in the heat main operation control. However, for example, in the electric main operation control and the heat main operation control, the output of the engine 1 can be a constant output.

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。   The present invention relates to an engine that compresses and burns an air-fuel mixture in a combustion chamber and outputs shaft power, exhaust heat recovery means that recovers exhaust heat of the engine and supplies heat to a heat load, and engine shaft power Power generation means for generating electric power to generate electric power to be supplied to the electric power load, and responding to changes in the required heat amount at the heat load and the required electric energy at the electric load while suppressing the occurrence of abnormal combustion in the engine Furthermore, it can be applied to various energy systems that can change the generated thermoelectric ratio.

エネルギシステムの概略構成図Schematic configuration diagram of energy system 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Diagram showing switching mode of combustion mode according to required thermoelectric ratio 発生熱電比率とEGR率との関係を示すグラフA graph showing the relationship between the generated thermoelectric ratio and the EGR rate 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The figure which shows the principal part of the energy system in 2nd Embodiment. 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The figure which shows the principal part of the energy system in 2nd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

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
1 Engine 2 Combustion chamber 4 Exhaust path 5 Power generation means (generator)
7 Waste heat recovery means 12 Three-way catalyst 16 Thermal load 21 Electric power load 51 Load prediction means 53 Combustion mode switching means

Claims (6)

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。
An engine that compresses and burns the air-fuel mixture in the combustion chamber and outputs shaft power;
Exhaust heat recovery means for recovering exhaust heat of the engine and generating heat to be supplied to a heat load;
An energy system including power generation means for generating electric power generated by shaft power of the engine and supplying electric power to an electric load,
As the combustion mode of the engine, the stoichiometric combustion mode for setting the excess air ratio of the air-fuel mixture combusting in the combustion chamber within the stoichiometric range, and the excess air ratio of the air-fuel mixture combusting in the combustion chamber are set within the stoichiometric range. And a stoichiometric / EGR combustion mode in which a part of the exhaust gas of the engine is recirculated to the combustion chamber by the EGR means,
In a situation where the amount of heat supplied to the heat load should be given priority over the amount of power supplied to the power load, the combustion mode is switched to the stoichiometric combustion mode, and the power load is more than the amount of heat supplied to the heat load. the supply amount of power in a situation to be priority, includes a combustion mode switching means for switching the combustion mode to the stoichiometric · EGR combustion mode,
The stoichiometric EGR combustion mode is an energy system in which the EGR rate is increased as the required thermoelectric ratio of the required heat amount at the thermal load to the required electric energy at the power load decreases .
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。 Said combustion mode switching means, when the request thermoelectric ratio is higher than the set ratio, the amount of heat supplied to the heat load than the amount of power supplied to the power load as the situation should be prioritized, the combustion mode When switching to the stoichiometric combustion mode and the required thermoelectric ratio is lower than the set ratio, it is assumed that the amount of power supplied to the power load should be given priority over the amount of heat supplied to the heat load. The energy system of claim 1, configured to switch a combustion mode to the stoichiometric EGR combustion mode. 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。
A load prediction means for predicting a future required heat amount and a required power amount based on a past required heat amount and a past required power amount for the required heat amount in the heat load and the required power amount in the power load,
The combustion mode switching unit is configured to use the future required heat amount and the required power amount predicted by the load prediction unit as the required heat amount at the thermal load and the required power amount at the power load. The energy system according to claim 2.
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。
The exhaust heat recovery means includes a hot water storage tank that stores hot water heated by exhaust heat of the engine, and is configured to supply hot water stored in the hot water storage tank to the thermal load.
The combustion mode switching means is in a situation where priority should be given to the amount of heat supplied to the heat load over the amount of power supplied to the power load when the temperature of the water supplied to the hot water storage tank is lower than a set temperature. When the combustion mode is switched to the stoichiometric combustion mode and the feed water temperature is higher than the set temperature, the amount of power supplied to the power load should be given priority over the amount of heat supplied to the heat load. The energy system according to claim 1, wherein the energy system is configured to switch the combustion mode to the stoichiometric EGR combustion mode.
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。   5. In the stoichiometric EGR combustion mode, the EGR rate of the exhaust gas flow rate recirculated to the combustion chamber with respect to the flow rate of the air-fuel mixture to the combustion chamber is set to be 15% or more. 2. The energy system according to item 1. 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。   6. The three-way catalyst is disposed in the exhaust passage of the engine at a portion through which exhaust gas passes in any of the stoichiometric combustion mode and the stoichiometric / EGR combustion mode. The energy system described in 1.
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