JP5925652B2

JP5925652B2 - エンジンシステム

Info

Publication number: JP5925652B2
Application number: JP2012208774A
Authority: JP
Inventors: 福田　健一; 健一福田; 弘樹成安; 宏年鬼原; 正二郎古賀
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2032-09-21
Also published as: JP2014062513A; US20140083084A1; US9157350B2

Description

本発明は、排ガス経路内に触媒が配置されたエンジンを有するエンジンシステムに関する。

従来、排ガス経路内に触媒が配置されたエンジンの技術であって、排ガス中の水分が凝縮することによって発生する凝縮水を除去するための技術が知られている。特許文献１は、排ガスの温度に基づいて点火時期や空燃比を制御することにより、排ガス経路内の凝縮水の発生を抑制する構成を開示している。

特開２０１０−２１６３９９号公報

冷態状態でエンジンが起動されると、排ガスが排ガス経路を通過するときに凝縮水が結露する。エンジンの運転が継続されると、排ガス経路の温度も上昇するので、一旦結露した凝縮水も蒸発し、除去される。ところが、短時間でエンジンの運転が中止されると、凝縮水が排ガス経路内に残留したままとなる。このような短時間の運転が繰り返されると、滞留する凝縮水の水量が無視できなくなり、排ガス経路内の触媒が凝縮水に浸される可能性が発生する。

特許文献１は、エンジンの運転中に発生する凝縮水を抑制する構成を開示している。しかし、特許文献１は、排ガス経路内に滞留した凝縮水を排出する構成を開示していない。また、排ガス経路にドレン経路を設けることによって凝縮水を排出できるが、エンジンのレイアウト上又はメンテナンス上、ドレン経路の設置が困難である場合がある。

そこで、本発明は、排ガス経路内に触媒が配置されたエンジンにおいて、排ガス経路内に滞留した凝縮水を排出できる構成を提供する。

本発明に係るエンジンシステムは、排ガス経路内に触媒が配置されたエンジンを有するエンジンシステムであって、エンジンが起動されると、冷態状態において排ガスから結露して排ガス経路内に滞留する凝縮水に、触媒が浸されているか否かを判定する判定器と、触媒が凝縮水に浸されていると判定される場合に、排出運転時間が必要時間を超えるように、エンジンの運転を継続させる運転継続器と、を備えており、排出運転時間は、エンジンの運転時間であって、単一の連続運転時間、又は暖態状態の停止時間を除いて連続する複数の運転時間の合計であり、暖態状態は、排ガス経路の温度が上昇して凝縮水の発生が抑制されている状態を示しており、必要時間は、排ガス経路内に滞留する凝縮水を完全に蒸発させるのに必要な排出運転時間として設定されており、エンジンの起動指示を受けて凝縮水の発生条件を満たす場合は排出運転時間の積算制御モードに移行し、積算制御モードに移行する場合で暖態起動の場合は前回排出運転時間を引き継いで、暖態起動でない場合は排出運転時間をリセットして排出運転時間を積算し、排出運転時間が必要時間以上となった場合に通常運転モードに移行し、排出運転時間の積算制御モードでエンジンの停止指示を受けた場合で触媒が凝縮水で浸されていると判定した場合はクールダウン時間として必要時間と追加時間との積算時間から停止指示を受けたときの排出運転時間を減じた時間に設定し、触媒が凝縮水で浸されてないと判定した場合はクールダウン運転時間を通常クールダウン運転時間に設定し、クールダウン運転中も排出運転時間の積算を継続し、排出運転時間が必要時間以上となった場合に通常運転モードに移行してエンジンを停止し、排出運転時間が停止指示を受けたときの排出運転時間とクールダウン運転時間との合計時間以上となった場合は触媒が凝縮水で浸される判定状況を更新してエンジンを停止することを特徴とする。

上述のエンジンシステムにおいて、判定器は、冷態発停の連続回数が所定回数を超える場合に、触媒が凝縮水に浸されていると判定するように構成されており、冷態発停は、エンジンが冷態状態で起動して必要時間以内に停止することを示している。

本発明に係るエンジンシステムは、排ガス経路内に触媒が配置されたエンジンにおいて、排ガス経路内に滞留した凝縮水を排出できる。

コージェネレーションシステムのブロック図である。凝縮水排出制御のフロー図である。

図１は、コージェネレーションシステム１００のブロック図である。コージェネレーションシステム１００は、エンジン１０を利用するエンジンシステムの１つである。システム１００は、エンジン１０、電気出力機構６０、熱回収器（熱出力機構）７０、及び制御機構８０を備えている。エンジン１０は、本実施形態ではガスエンジンである。電気出力機構６０は、エンジン１０から出力される動力を電気出力として取り出す機構である。熱回収器７０は、エンジン１０から出力される排熱を熱出力として取り出す熱出力機構であり、本実施形態では冷却水と温水との熱交換器であり、冷却水を介して排出されるエンジン１０の排熱を回収する。制御機構８０は、エンジン１０及び電気出力機構６０を制御する。

エンジン１０は、エンジン本体１、燃料供給機構２、排気排出機構３、冷却水回路４、及び凝縮水ドレン機構５を備えている。

燃料供給機構２は、エンジン本体１に至る燃料経路２１と、燃料経路２１を開閉する開閉弁２２、２３、２４とを備えており、エンジン本体１に燃料ガスを供給する。

排気排出機構３は、エンジン本体１から外気に至る排ガス経路であって、排ガス熱交換器３１、管路３２、サイレンサ３３、管路３４、及びミストセパレータ３５を備えている。排ガス熱交換器３１は、排ガスと冷却水との間で熱交換を行う。排ガスは、排ガス熱交換器３１、管路３２、サイレンサ３３、管路３４、及びミストセパレータ３５を順に経由して、外気に放出される。

排ガスを処理するための触媒６が、排ガス熱交換器３１内に配置されている。触媒６は、例えば、三元触媒である。なお、触媒６は、排ガス熱交換器３１の上流または下流に配置しても良い。

冷却水回路４は、冷却水経路４１、ポンプ４２、サーモスタットバルブ４３、ラジエータ４４、三方弁４５、フィルタ４６、給水ライン４７、補水口４８、及び冷却水タンク４９を備えている。冷却水経路４１上に、熱回収器７０も配置されている。冷却水は、ポンプ４２の駆動により冷却水経路４１に沿って流される。冷却水は、エンジン１０の水ジャケットを出た後、サーモスタットバルブ４３に到達し、冷却水の温度が所定温度（例えば６０℃）以上の場合に三方弁４５を流れ、所定温度未満の場合に水ジャケットに戻る。三方弁４５は、ラジエータ４４及び熱回収器７０を流れる冷却水の流量を制御する。上述したように、エンジン１０の排熱は、冷却水を介して熱回収器７０から取り出される。給水ライン４７は、補水口４８で冷却水経路４１に接続されており、給水ライン４７上に冷却水タンク４９が配置されている。必要に応じて、補水口４８から冷却水が、冷却水経路４１及び／又は冷却水タンク４９に補給される。

凝縮水ドレン機構５は、サイレンサ３３及びミストセパレータ３５に接続されるドレンフィルタ５１、及びドレン経路５２を備えている。凝縮水ドレン機構５は、サイレンサ３３の下流における排気排出機構３で発生した凝縮水を回収して排出する。

電気出力機構６０は、発電機６１、インバータ６２、及びトランス６３を備えている。発電機６１はエンジンの動力によって駆動され、電力を出力する。この発電電力はインバータ６２で変換され、システム１００外の分電盤２００を介して電力負荷２０１に供給される。また、商用電源２０２が変流器２０３を介して分電盤２００に接続されており、商用電力と発電電力の系統連係が可能である。

制御機構８０は、自動制御盤８１及びリモートコントローラ（システムコントローラ）８２を備えている。リモートコントローラ８２は自動制御盤８１を制御し、自動制御盤８１はエンジン１０及び電気出力機構６０を制御する。

システム１には、温水回路９０が接続されている。温水回路９０は、温水経路９１、タンク９２、及びポンプ９３を備えている。温水経路９１上に、熱回収器７０も配置されている。ポンプ９３の駆動により温水が温水経路９１に沿って流され、エンジン１０の排熱が熱回収器７０で取り出されて、タンク９２に供給される。

図２を参照して、凝縮水排出制御を説明する。冷態状態においてエンジン１０が起動すると、排ガス中の水分が凝縮して凝縮水が生成され、排ガス経路内に落下する。冷態状態における起動（冷態起動）の後、エンジン１０の運転が継続されると、排ガス経路の温度は排ガスの温度に近づくため、凝縮水の発生は抑制され、既に発生した凝縮水も蒸発する。一方、冷態起動後にエンジン１０の運転が短時間で終了すると、エンジン１０は未だ冷態状態にあるため、凝縮水は蒸発しない。このような冷態発停、つまり冷態起動後に短時間運転が行われて冷態停止（冷態状態における停止）することが行われると、排ガス経路内に凝縮水が滞留する。冷態発停が連続的に繰り返されると、滞留する凝縮水の水量が増大する。上述したように、サイレンサ３３の下流に発生する凝縮水は凝縮水ドレン機構５によって除去されるが、排ガス熱交換器３１内に発生する凝縮水は除去されない。特に、排ガス熱交換器３１内には触媒６が配置されており、凝縮水の水量が増大すると、触媒６が凝縮水に浸される可能性がある。凝縮水排出制御（以下、排出制御）は、触媒６が凝縮水に浸されている可能性の有無に基づいて、滞留した凝縮水が除去されるようにエンジン１０の運転を制御するための制御である。

図２は、凝縮水排出制御のフロー図である。図２において、ステップＳ２、Ｓ４は、凝縮水排出制御に入るための条件（ＩＮ条件）に関係する処理群であり、ステップＳ３、Ｓ５−Ｓ１５は、凝縮水排出制御の実行中における処理群である。

リモートコントローラ８２から送信されるエンジン１０の起動指示又は停止指示に基づいて、自動制御盤８１が凝縮水排出制御を含む図２のフローを実行する。図１において、自動制御盤８１は、凝縮水排出制御を実行するための判定器８１ａ及び運転継続器８１ｂを備えている。ステップＳ１は、エンジン１０の停止状態を示している。

起動指示が出されると、ステップＳ２が実行される。ステップＳ２では、冷却水の温度が所定温度（本実施形態では５０℃）未満か否かが判定される。冷却水の温度が所定温度（５０℃）未満の場合、エンジン１０の起動が冷態起動であると判定され、ステップＳ３が実行される。冷却水の温度が所定温度（５０℃）以上の場合、エンジン１０の起動が暖態起動であると判定され、ステップＳ４が実行される。暖態起動は、暖態状態におけるエンジン１０の起動を示しており、暖態状態は、排ガス経路の温度が上昇して凝縮水の発生が抑制されている状態を示している。冷態起動の有無を判定するための基準として、冷却水の温度の代わりに、エンジンオイルの温度が用いられても良い。

ステップＳ３では、凝縮水排出運転時間Ｔｅが０にリセットされる。

凝縮水排出運転時間（以下、排出運転時間）Ｔｅは、一旦滞留した凝縮水を蒸発させるのに役立つエンジン１０の運転時間である。滞留した凝縮水を蒸発させるには、所定の必要時間以上、排ガス経路の加熱を継続する必要がある。必要時間は、排ガス経路内に滞留する凝縮水を完全に蒸発させるのに必要な排出運転時間Ｔｅとして設定されている。本実施形態では、必要時間は１１分である。エンジン１０の運転が継続している限り、排ガスを介して排ガス経路は加熱されるので、この運転時間は排出運転時間Ｔｅに該当する。一方、エンジン１０の運転が停止されると排ガス経路が冷却されるので、停止前の運転時間が必要時間未満の場合、排出運転時間Ｔｅとしては機能しない。しかしながら、エンジンの運転が中断されても、直ちに次の起動が行われる場合は、つまり暖態状態が維持された状態でエンジン１０が起動される場合は、前回の運転時間も排出運転時間Ｔｅに含めることができる。このため、排出運転時間Ｔｅは、単一の連続運転時間、又は暖態状態の停止時間を除いて連続する複数の運転時間の合計である。

ステップＳ５はステップＳ３またはＳ４の次に実行される。ステップＳ５では、排出運転時間Ｔｅがカウントされる。ステップＳ６で停止指示が発生せず、ステップＳ８で排出運転時間Ｔｅが必要時間（１１分）を越えない限り、排出運転時間Ｔｅのカウントは継続される。ステップＳ６、Ｓ８は、詳しくは後述する。

ステップＳ６はステップＳ５の次に実行される。ステップＳ６では、停止指示が発生しているか否かが判定される。停止指示が発生している場合、ステップＳ７が実行され、停止指示が発生していない場合、ステップＳ８が実行される。停止指示が発生すると、エンジン１０を停止させるための制御が開始される。つまり、停止指示が発生すると直ちにエンジン１０が停止されるわけではなく、まず、無負荷に近い状態でのクールダウン運転が実行され、その後にエンジン１０が停止される。

ステップＳ７では、冷態発停の連続回数Ｎが所定回数より大きいか否かが判定される。

冷態発停は、エンジン１０が冷態状態で起動して必要時間以内に停止することを示している。冷態発停の連続回数は、今回の起動までに中断されることなく繰り返された冷態発停の回数を指している。前回の発停が冷態発停ではない場合、冷態発停の連続回数Ｎは０である。回数Ｎは、以後のステップＳ１３で０にリセットされる。

回数Ｎが所定回数より大きい場合、ステップＳ９が実行され、回数Ｎが所定回数以下である場合、ステップＳ１０が実行される。本実施形態では、所定回数は３回である。

所定回数は、凝縮水の水量の許容限界値に基づいて設定されている。上述したように、滞留する凝縮水の水量は、冷態発停が繰り返されるにつれて増大し、この結果、触媒６が凝縮水に浸る場合がある。滞留する凝縮水の水量を実験的に計測することによって、許容限界値を超えるときの所定回数を特定できる。

処理がステップＳ９に進む場合は、凝縮水の水量が許容限界値を超えており、凝縮水の排出が必要な場合である。ステップＳ９では、今回の運転で排出運転時間Ｔｅが必要時間を超えるように、処理が行われる。

ステップＳ９では、クールダウン運転時間Ｔｃが、停止指示が発生した時点の排出運転時間（以下、特定運転時間）Ｔｅ０に基づいて設定される。ここで、処理がステップＳ６からステップＳ７に進むと、排出運転時間Ｔｅのカウントは中断されるので、ステップＳ９における排出運転時間Ｔｅは、特定運転時間Ｔｅ０に等しい。クールダウン運転時間Ｔｃは、エンジン１０のクールダウン運転が実行される時間を示している。クールダウン運転もエンジン１０の運転の一形態であり、この運転中にも排ガス経路は加熱されているため、クールダウン運転時間Ｔｃも排出運転時間Ｔｅに含まれる。上述したように、クールダウン運転が終了するとエンジン１０が停止される。このため、クールダウン運転を含む排出運転時間Ｔｅが必要時間を超えるように、クールダウン運転時間Ｔｃが設定される。本実施形態では、クールダウン運転時間Ｔｃは次式で求められる。
Ｔｃ＝１１−Ｔｅ０＋１
Ｔｃ：クールダウン運転時間（分）
１１：必要時間（分）
Ｔｅ０：特定運転時間（分）
１：追加時間（分）

一方、処理がステップＳ１０に進む場合は、凝縮水の水量が許容限界値を越えていないため、凝縮水の排出が行われない場合である。

ステップＳ１０では、クールダウン運転時間Ｔｃが、所定の通常クールダウン運転時間に設定される。本実施形態では、通常クールダウン運転時間は２分である。

ステップＳ１１はステップＳ９又はＳ１０の次に実行される。ステップＳ１１では、排出運転時間Ｔｅが必要時間（１１分）以上であるか否かが判定される。排出運転時間Ｔｅが必要時間（１１分）未満である場合、ステップＳ１２が実行され、排出運転時間Ｔｅが必要時間（１１分）以上である場合、ステップＳ１３が実行される。

ステップＳ１２では、ステップＳ７で中断された排出運転時間Ｔｅが再度カウントされる。

ステップＳ１４はステップＳ１２の次に実行される。ステップＳ１４では、クールダウン運転が完了したか否かが判定される。クールダウン運転時間Ｔｃが経過すると、クールダウン運転は完了する。このためステップＳ１４では、具体的には、排出運転時間Ｔｅが、特定運転時間Ｔｅ０とクールダウン運転時間Ｔｃを合わせた運転時間よりも長いか否かが、判定される。クールダウン運転が完了している場合、ステップＳ１５が実行され、クールダウン運転が完了していない場合、ステップＳ１１が再度実行される。

ステップＳ１５では、冷態発停の連続回数Ｎが１だけ増加される。ステップＳ１５が実行される場合は、冷態状態で起動された後、排出運転時間Ｔｅが必要時間を超えることなく、エンジン１０が停止される場合である。この場合は、冷態発停に該当する。

次に、ステップＳ８を説明する。ステップＳ８は、上述したように、ステップＳ６で停止指示が発生しない場合に実行される。ステップＳ８では、排出運転時間Ｔｅが必要時間（１１分）以上であるか否かが判定される。排出運転時間Ｔｅが必要時間（１１分）以上である場合、ステップＳ１３が実行され、排出運転時間Ｔｅが必要時間（１１分）未満である場合、ステップＳ５が再度実行される。

ステップＳ１３が実行される場合は、排出運転時間Ｔｅが必要時間（１１分）以上になっており、凝縮水の排出のために運転時間を増大させる必要がない場合である。つまり、ステップＳ１３で、凝縮水排出制御が終了する。

ステップＳ１３では、冷態発停の連続回数Ｎが０にリセットされ、且つ排出運転時間Ｔｅが０にリセットされる。

ステップＳ１６はステップＳ１３の次に実行される。ステップＳ１６では、通常の運転制御が実行される。通常の運転制御では、停止指示が発生するまで運転が継続され、停止指示が発生するとクールダウン運転が開始され、エンジン１０は停止に至る。エンジン１０の停止状態はステップＳ１を示しているので、ステップＳ１６の次に処理がステップＳ１に戻る。

次に、ステップＳ４を説明する。ステップＳ４は、上述したように、ステップＳ２でエンジン１０の起動が暖態起動であると判定された場合に実行される。ステップＳ４では、冷態発停の連続回数Ｎが０より大きいか否かが判定される。つまり、今回の起動は暖態起動であるが、前回の発停が冷態発停であったか否かが、判定される。連続回数Ｎが０より大きい場合、ステップＳ５が実行され、連続回数Ｎが０である場合、ステップＳ１６が実行される。

処理がステップＳ４からステップＳ５に進む場合、排出運転時間Ｔｅを０にリセットするステップＳ３が無視される。このため、前回の発停で得られた排出運転時間Ｔｅが、今回の起動中も利用される。この場合は、上述したように、暖態状態が維持された状態でエンジン１０が起動されるため、前回の運転時間が排出運転時間Ｔｅに含められる場合である。なお、排出運転時間Ｔｅが不連続になる点を除いて、以後の処理は、ステップＳ３が実行される場合と同様である。

本実施形態に係るエンジンシステムは、上述した下記の構成により次の効果を有している。

（１）エンジンシステムは、判定器８１ａ及び運転継続器８１ｂを備えている。判定器８１ａは、エンジン１０が起動されると、冷態状態において排ガスから結露して排ガス経路内に滞留する凝縮水に、触媒６が浸されているか否かを判定する。判定器８１ａによるこの判定は、図２におけるステップＳ２−Ｓ８、Ｓ１１−Ｓ１２、Ｓ１４−Ｓ１５の処理に該当する。運転継続器８１ｂは、触媒６が凝縮水に浸されていると判定される場合に、排出運転時間Ｔｅが必要時間を超えるように、エンジン１０の運転を継続させる。運転継続器８１ｂによる処理は、図２におけるステップＳ９の処理に該当する。

このため、本実施形態に係るエンジンシステムは、排ガス経路内に滞留した凝縮水を排出できる。

（２）判定器８１ａは、冷態発停の連続回数Ｎが所定回数を超える場合に、触媒６が凝縮水に浸されていると判定するように構成されている。この判定は、図２におけるステップＳ７の処理に該当する。

このため、本実施形態に係るエンジンシステムは、直接的に検出することなく、排ガス経路内に滞留した凝縮水の水量を検出できる。

６触媒
１０エンジン
３１排ガス熱交換器（排ガス経路の一部）
８１ａ判定器
８１ｂ運転継続器
Ｔｅ排出運転時間
Ｎ連続回数

Claims

排ガス経路内に触媒が配置されたエンジンを有するエンジンシステムであって、
エンジンが起動されると、冷態状態において排ガスから結露して排ガス経路内に滞留する凝縮水に、触媒が浸されているか否かを判定する判定器と、
触媒が凝縮水に浸されていると判定される場合に、排出運転時間が必要時間を超えるように、エンジンの運転を継続させる運転継続器と、を備えており、
排出運転時間は、エンジンの運転時間であって、単一の連続運転時間、又は暖態状態の停止時間を除いて連続する複数の運転時間の合計であり、
暖態状態は、排ガス経路の温度が上昇して凝縮水の発生が抑制されている状態を示しており、
必要時間は、排ガス経路内に滞留する凝縮水を完全に蒸発させるのに必要な排出運転時間として設定されており、
エンジンの起動指示を受けて凝縮水の発生条件を満たす場合は排出運転時間の積算制御モードに移行し、積算制御モードに移行する場合で暖態起動の場合は前回排出運転時間を引き継いで、暖態起動でない場合は排出運転時間をリセットして排出運転時間を積算し、排出運転時間が必要時間以上となった場合に通常運転モードに移行し、排出運転時間の積算制御モードでエンジンの停止指示を受けた場合で触媒が凝縮水で浸されていると判定した場合はクールダウン時間として必要時間と追加時間との積算時間から停止指示を受けたときの排出運転時間を減じた時間に設定し、触媒が凝縮水で浸されてないと判定した場合はクールダウン運転時間を通常クールダウン運転時間に設定し、クールダウン運転中も排出運転時間の積算を継続し、排出運転時間が必要時間以上となった場合に通常運転モードに移行してエンジンを停止し、排出運転時間が停止指示を受けたときの排出運転時間とクールダウン運転時間との合計時間以上となった場合は触媒が凝縮水で浸される判定状況を更新してエンジンを停止することを特徴とする、エンジンシステム。
判定器は、冷態発停の連続回数が所定回数を超える場合に、触媒が凝縮水に浸されていると判定するように構成されており、
冷態発停は、エンジンが冷態状態で起動して必要時間以内に停止することを示している、請求項１に記載のエンジンシステム。