特開 2017-2799 水素エンジンシステムの制御装置、水素エンジンシステムおよび発電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2017-2799(P2017-2799A)

(43)【公開日】2017年1月5日

(54)【発明の名称】水素エンジンシステムの制御装置、水素エンジンシステムおよび発電システム

(51)【国際特許分類】

   F02D 19/02 20060101AFI20161209BHJP

   F02D 29/06 20060101ALI20161209BHJP

   F02D 41/02 20060101ALI20161209BHJP

   F02D 41/04 20060101ALI20161209BHJP

【ＦＩ】

   F02D19/02 B

   F02D29/06 N

   F02D41/02 330K

   F02D41/04 330P

   F02D41/04 330F

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2015-117251(P2015-117251)

(22)【出願日】2015年6月10日

(71)【出願人】

【識別番号】501455275

【氏名又は名称】岩井商事株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000280

【氏名又は名称】特許業務法人サンクレスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岩井 好朗

【テーマコード（参考）】

3G092

3G093

3G301

【Ｆターム（参考）】

3G092AB09

3G092AC08

3G092BB01

3G092EA01

3G092EA02

3G092EA08

3G092EA09

3G092EA17

3G092FA40

3G092GA04

3G092HB01Z

3G092HE01Z

3G093AA16

3G093AB00

3G093BA05

3G093CA04

3G093DA01

3G093DA08

3G093DB23

3G093EA03

3G093EA05

3G093FB01

3G093FB02

3G093FB05

3G301HA22

3G301HA27

3G301JA31

3G301KA07

3G301LB00

3G301MA11

3G301NE01

3G301NE06

3G301NE17

3G301NE19

3G301NE23

3G301PB03Z

3G301PE01Z

(57)【要約】

【課題】水素の供給量過多に起因して水素エンジンの駆動が停止するのを防止する。
【解決手段】水素エンジンシステム２の制御装置５は、水素を燃料とする水素エンジン４の回転数を検出する検出部１１と、水素エンジン４の燃焼室への水素の供給量を調整する調整バルブ１２と、検出部１１により検出された回転数が所定の下限値まで低下した場合に、水素の供給量を増加させるように調整バルブ１２を制御する制御部１３とを備える。水素の供給量の増加量は、その増加された水素が燃焼室に供給されたときに当該燃焼室内における水素の濃度が閾値以下となるように設定されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素を燃料とする水素エンジンを備えた水素エンジンシステムの制御装置であって、
前記水素エンジンの回転数を検出する検出部と、
前記水素エンジンの燃焼室への水素の供給量を調整する調整部と、
前記検出部により検出された前記回転数が所定の下限値まで低下した場合に、前記供給量を増加させるように前記調整部を制御する制御部と、を備え、
前記供給量の増加量は、その増加された水素が前記燃焼室に供給されたときに当該燃焼室内における水素の濃度が閾値以下となるように設定されていることを特徴とする水素エンジンシステムの制御装置。

【請求項2】

前記制御部は、前記検出部により検出された前記回転数が所定の上限値まで上昇した場合に、前記供給量を減少させるように前記調整部を制御する請求項１に記載の水素エンジンシステムの制御装置。

【請求項3】

水素を燃料とする水素エンジンと、
請求項１又は２に記載の水素エンジンシステムの制御装置と、
を備えることを特徴とする水素エンジンシステム。

【請求項4】

請求項３に記載の水素エンジンシステムと、
前記水素エンジンシステムの水素エンジンを駆動源とする発電機と、
を備えることを特徴とする発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水素エンジンシステムの制御装置、水素エンジンシステムおよび発電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、地球温暖化防止などの環境保全の観点から、再生可能な燃料を用いたエンジンとして、水素を燃料として用いる水素エンジンが着目されている。特許文献１には、水素エンジンを発電機を駆動するためのエンジンとして利用することが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９−１２７４２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

水素エンジンを用いる発電システムでは、発電機に負荷がかかった場合でもその発電量が低下しないように、水素エンジンの駆動を適切に制御する必要がある。例えば、発電機に負荷がかかると水素エンジンの回転数が低下するので、その回転数を増加させるために、燃料である水素の供給量を増加させるように水素エンジンを制御する。

【0005】

しかし、水素エンジンでは、水素の供給量が過多になると、燃焼室内において混合気に含まれる水素の濃度が高くなり過ぎて水素エンジンの駆動が停止するおそれがある。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、水素の供給量過多に起因して水素エンジンの駆動が停止するのを防止することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の水素エンジンシステムの制御装置は、水素を燃料とする水素エンジンを備えた水素エンジンシステムの制御装置であって、前記水素エンジンの回転数を検出する検出部と、前記水素エンジンの燃焼室への水素の供給量を調整する調整部と、前記検出部により検出された前記回転数が所定の下限値まで低下した場合に、前記供給量を増加させるように前記調整部を制御する制御部と、を備え、前記供給量の増加量は、その増加された水素が前記燃焼室に供給されたときに当該燃焼室内における水素の濃度が閾値以下となるように設定されていることを特徴とする。

【0007】

このように構成された水素エンジンシステムの制御装置によれば、水素エンジンの回転数が所定の下限値まで低下した場合に、燃焼室への水素の供給量を増加させることで、水素エンジンの回転数が下限値よりも低下するのを防止することができる。その際、燃焼室に供給される水素の増加量は、その増加された水素が燃焼室に供給されたときに当該燃焼室内における水素の濃度が閾値以下となるように設定されている。このため、前記閾値を適切な値に設定することで、水素の供給量過多に起因して水素エンジンの駆動が停止するのを防止することができる。

【0008】

前記水素エンジンシステムの制御装置において、前記制御部は、前記検出部により検出された前記回転数が所定の上限値まで上昇した場合に、前記供給量を減少させるように前記調整部を制御するのが好ましい。
この場合、水素エンジンの回転数が所定の上限値まで増加した場合に、燃焼室への水素の供給量を減少させることで、水素エンジンの回転数が上限値よりも増加するのを防止することができる。

【0009】

本発明の水素エンジンシステムは、水素を燃料とする水素エンジンと、上記の水素エンジンシステムの制御装置と、を備えることを特徴とする。
このように構成された水素エンジンシステムによれば、上述の水素エンジンシステムの制御装置と同様の作用効果を奏する。

【0010】

本発明の発電システムは、上記の水素エンジンシステムと、前記水素エンジンシステムの水素エンジンを駆動源とする発電機と、を備えることを特徴とする。
このように構成された発電システムによれば、水素の供給量過多に起因して水素エンジンの駆動が停止するのを防止することができるので、発電機による発電が停止するのを防止することができる。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、水素の供給量過多に起因して水素エンジンの駆動が停止するのを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態に係る水素エンジンシステムを備えた発電システムの構成を示す模式図である。

【図2】上記水素エンジンシステムの制御部が実行する処理を示すフローチャートである。

【図3】上記水素エンジンシステムの制御部が実行する処理を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る水素エンジンシステムを備えた発電システムの構成を示す模式図である。図１において、本実施形態の発電システム１は、水素エンジンシステム２と、この水素エンジンシステム２の水素エンジン４を駆動源とする発電機３とを備えている。

【0014】

水素エンジンシステム２は、水素ガスを燃料とする上記水素エンジン４と、この水素エンジン４の制御装置５とを備えている。水素エンジン４は、当該水素エンジン４を始動及び停止するための始動スイッチ及び停止スイッチ（いずれも図示省略）を有している。

【0015】

また、水素エンジン４は、その燃焼室（図示省略）に供給される水素ガスと空気とを混合する混合機４ａを有している。混合機４ａは、水素ガスと空気とを混合した混合気を前記燃焼室に供給する。水素エンジン４には、当該水素エンジン４を冷却するためのラジエータ６が設けられている。

【0016】

制御装置５は、検出部１１と、調整バルブ（調整部）１２と、制御部１３とを備えている。検出部１１は、例えば回転数センサからなり、水素エンジン４の回転数を検出するものである。なお、検出部１１は、水素エンジン４の回転数を検出するできるものであれば他のセンサ等を用いてもよい。

【0017】

調整バルブ１２は、例えばニードルバルブからなり、水素エンジン４の燃焼室へ水素ガスを供給する供給路７の途中に設けられている。調整バルブ１２は、その開度を調整することで、前記燃焼室への水素ガスの供給量を調整するものである。

【0018】

本実施形態の調整バルブ１２は、例えばその開度を０％から１００％までの間で１０％毎に調整することができるようになっている。なお、調整バルブ１２は、水素エンジン４の燃焼室への水素ガスの供給量を調整することができれば他のバルブを用いてもよい。

【0019】

制御部１３は、水素エンジン４の始動および停止を制御する。また、制御部１３は、検出部１１が検出する水素エンジン４の回転数に基づいて調整バルブ１２を制御する。本実施形態の制御部１３は、水素エンジン４の回転数が、発電機３が無負荷の状態で発電しているときの水素エンジン４の稼働回転数に対して±２％以内となるように調整バルブ１２を制御する。

【0020】

具体的には、制御部１３は、検出部１１により検出された回転数が所定の下限値まで低下した場合、水素ガスの供給量を増加させるように調整バルブ１２を制御する。下限値は、上記稼働回転数が１５００ｒｐｍの場合、その−２％（−３０ｒｐｍ）である１４７０ｒｐｍに設定される。

【0021】

また、水素ガスの増加量は、その増加された水素ガスが燃焼室に供給されたときに当該燃焼室内の混合気中における水素の濃度が閾値以下となるように設定される。さらにこの閾値は、水素ガスの供給量過多に起因して水素エンジン４の駆動を停止させる濃度値よりも低い値に設定される。

【0022】

また、制御部１３は、検出部１１により検出された回転数が所定の上限値まで上昇した場合、水素ガスの供給量を減少させるように調整バルブ１２を制御する。上限値は、上記稼働回転数が１５００ｒｐｍの場合、その＋２％（＋３０ｒｐｍ）である１５３０ｒｐｍに設定される。

【0023】

図２及び図３は、水素エンジンシステム２の制御部１３が実行する処理を示すフローチャートである。以下、図２及び図３を参照しつつ、制御部１３が実行する処理について説明する。なお、ここでは、水素エンジン４の稼働回転数を１５００ｒｐｍとした場合について説明する。
図２において、制御部１３は、水素エンジン４の始動スイッチがＯＮ操作されたときにその制御を開始する（ステップＳＴ１）。その開始前の状態において調整バルブ１２は閉鎖されている。

【0024】

始動スイッチがＯＮ操作されると、制御部１３は、調整バルブ１２を少し開放するように制御し、水素ガスを水素エンジン４に供給する。具体的には、制御部１３は、例えば調整バルブ１２の開度を１０〜３０％のうちから、水素ガスの圧力に応じて適切な開度となるように、当該調整バルブ１２を制御する（ステップＳＴ２）。

【0025】

次に、制御部１３は、検出部１１が検出した水素エンジン４の回転数が稼働回転数よりも低い８００ｒｐｍに達したか否かを判定する（ステップＳＴ３）。
ステップＳＴ３の判定結果が否定的である場合、制御部１３は、検出部１１が検出する水素エンジン４の回転数が８００ｒｐｍになるまで、ステップＳＴ３の判定を繰り返し行う。

【0026】

一方、ステップＳＴ３の判定結果が肯定的である場合、制御部１３は、所定時間（例えば２０分）のあいだ、水素エンジン４のアイドリング運転を開始する（ステップＳＴ４）。なお、制御部１３は、アイドリング運転中に停止スイッチがＯＮ操作されても上記所定時間が経過するまでは水素エンジン４の駆動を継続する。

【0027】

次に、制御部１３は、上記所定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳＴ５）。
ステップＳＴ５の判定結果が否定的である場合、制御部１３は、上記所定時間が経過するまでステップＳＴ５の判定を繰り返し行う。一方、ステップＳＴ５の判定結果が肯定的である場合、制御部１３は次のステップＳＴ６に移行する。

【0028】

ステップＳＴ６において、制御部１３は、調整バルブ１２をさらに開放するように制御し、水素エンジン４へ供給する水素ガスの供給量を増加させる。具体的には、制御部１３は、例えば調整バルブ１２の開度が６０％になるように当該調整バルブ１２を制御する。

【0029】

次に、制御部１３は、検出部１１が検出した水素エンジン４の回転数が稼働回転数である１５００ｒｐｍまで上昇したか否かを判定する（ステップＳＴ７）。
ステップＳＴ７の判定結果が否定的である場合、制御部１３は、検出部１１が検出する水素エンジン４の回転数が１５００ｒｐｍになるまで、ステップＳＴ７の判定を繰り返し行う。一方、ステップＳＴ７の判定結果が肯定的である場合、制御部１３は、水素エンジン４の稼働運転を開始する（ステップＳＴ８）。これにより、発電機３による発電が開始される。

【0030】

上記稼働運転中において、発電機３に接続されるモータ（図示省略）等の負荷が発電機３に作用しない無負荷状態であれば、水素エンジン４の回転数は１５００ｒｐｍ（稼働回転数）に維持される。このため、上記無負荷状態において、制御部１３は、調整バルブ１２の開度を６０％にしたまま、その開度の調整を行わない。

【0031】

しかし、上記負荷が発電機３に作用した負荷状態になると、水素エンジン４の回転数は低下する。この場合、制御部１３は、水素エンジン４の回転数が稼働回転数（１５００ｒｐｍ）に対して±３０ｒｐｍ（±２％）以内となるように、すなわち１４７０ｒｐｍ以上かつ１５３０ｒｐｍ以下となるように、調整バルブ１２の開度を調整する制御を行う。以下、その制御について説明する。

【0032】

図３において、制御部１３は、検出部１１が検出した水素エンジン４の回転数が下限値である１４７０ｒｐｍまで低下したか否かを判定する（ステップＳＴ９）。
ステップＳＴ９の判定結果が肯定的である場合、制御部１３は水素エンジン４の燃焼室への水素ガスの供給量を増加させるように調整バルブ１２を制御する。具体的には、制御部１３は、例えば調整バルブ１２の開度が７０％になるように当該調整バルブ１２を制御する（ステップＳＴ１０）。これにより、水素エンジン４の燃焼室への水素ガスの供給量が増加するので、水素エンジン４の回転数を上昇させることができる。

【0033】

次に、制御部１３は、検出部１１が検出した水素エンジン４の回転数が１５００ｒｐｍまで上昇したか否かを判定する（ステップＳＴ１１）。
ステップＳＴ１１の判定結果が否定的である場合、制御部１３は、検出部１１が検出する水素エンジン４の回転数が１５００ｒｐｍになるまで、ステップＳＴ１１の判定を繰り返し行う。

【0034】

ステップＳＴ１１の判定結果が肯定的である場合、制御部１３は、調整バルブ１２の開度が元の状態となるように、つまり調整バルブ１２の開度が６０％になるまで調整バルブ１２を制御する（ステップＳＴ１２）。これにより、水素エンジン４の回転数を１５００ｒｐｍの状態で再び維持することができる。

【0035】

一方、ステップＳＴ９の判定結果が否定的である場合、制御部１３は、検出部１１が検出した水素エンジン４の回転数が上限値である１５３０ｒｐｍまで上昇したか否かを判定する（ステップＳＴ１３）。
ステップＳＴ１３の判定結果が否定的である場合、制御部１３は、後述するステップＳＴ１６に移行する。一方、ステップＳＴ１３の判定結果が肯定的である場合、制御部１３は水素エンジン４の燃焼室への水素ガスの供給量を減少させるように調整バルブ１２を制御する。

【0036】

具体的には、制御部１３は、例えば調整バルブ１２の開度が５０％になるように当該調整バルブ１２を制御する（ステップＳＴ１４）。これにより、水素エンジン４の燃焼室への水素ガスの供給量が減少するので、水素エンジン４の回転数を低下させることができる。

【0037】

次に、制御部１３は、検出部１１が検出した水素エンジン４の回転数が１５００ｒｐｍまで低下したか否かを判定する（ステップＳＴ１５）。
ステップＳＴ１５の判定結果が否定的である場合、制御部１３は、検出部１１が検出する水素エンジン４の回転数が１５００ｒｐｍになるまで、ステップＳＴ１５の判定を繰り返し行う。

【0038】

ステップＳＴ１５の判定結果が肯定的である場合、制御部１３は、ステップＳＴ１２に移行し、調整バルブ１２の開度が元の状態となるように、つまり調整バルブ１２の開度が６０％になるまで調整バルブ１２を制御する。これにより、水素エンジン４の回転数を１５００ｒｐｍの状態で再び維持することができる。

【0039】

次に、制御部１３は、水素エンジン４の停止スイッチがＯＮ操作されたか否かを判定する（ステップＳＴ１６）。
制御部１３は、ステップＳＴ１６の判定結果が否定的である場合にはステップＳＴ９に戻り、ステップＳＴ１６の判定結果が肯定的である場合には処理を終了する。

【0040】

以上、本実施形態の水素エンジンシステム２及びその制御装置５によれば、水素エンジン４の回転数が所定の下限値まで低下した場合に、燃焼室への水素ガスの供給量を増加させるので、水素エンジン４の回転数が下限値よりも低下するのを防止することができる。その際、燃焼室に供給される水素ガスの増加量は、その増加された水素ガスが燃焼室に供給されたときに当該燃焼室内における水素の濃度が閾値以下となるように設定されている。このため、前記閾値を適切な値に設定することで、水素ガスの供給量過多に起因して水素エンジン４の駆動が停止するのを防止することができる。

【0041】

また、水素エンジン４の回転数が所定の上限値まで増加した場合には、燃焼室への水素ガスの供給量を減少させるので、水素エンジン４の回転数が上限値よりも増加するのを防止することができる。
また、本実施形態の発電システム１によれば、水素ガスの供給量過多に起因して水素エンジン４の駆動が停止するのを防止することができるので、発電機３による発電が停止するのを防止することができる。

【0042】

上述の実施形態はすべて例示であって制限的なものではない。本発明の権利範囲は特許請求の範囲によって規定され、そこに記載された構成と均等の範囲内のすべての変更は本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば、上述の実施形態における水素エンジンシステム２及びその制御装置５は、発電システム１に適用する場合について説明したが、その他のシステムに適用することも可能である。

【符号の説明】

【0043】

１ 発電システム
２ 水素エンジンシステム
３ 発電機
４ 水素エンジン
５ 制御装置
１１ 検出部
１２ 調整バルブ（調整部）
１３ 制御部

【図1】

【図2】

【図3】