JP5260085B2 - 発電用エンジンの始動装置および始動方法 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンで発電機を駆動して電力を供給するとともに、該エンジンの排熱を利用して水を加熱して給湯するいわゆるコジェネレーション装置に設置されるエンジンの始動装置およびその始動方法に関する。

最近、都市ガスを燃料とするガスエンジンによって発電機を駆動し、該エンジンを低出力で運転、例えば出力電力１ＫＷ程度の定格で運転するとともに、該ガスエンジンの排熱を熱源として給湯装置を作動して給湯するようにした家庭用のコジェネレーション装置が知られている。

このような家庭用のコジェネレーション装置としては、例えば、特許文献１に示され、電力使用装置側に蓄電手段と余剰電力消費ヒータとを設けて、家庭内での電力使用装置の使用量が小さいときに発電機の余剰電力を蓄電手段に蓄電するとともに余剰電力消費ヒータを作動させるように通電して、給湯用の加熱が行えるようにしたコジェネレーションシステムの技術が示されている。
また特許文献１のコジェネレーション装置の発電機を駆動するエンジンとしてガスエンジンが示され、ガスエンジンには、設定流量でガス燃料が供給されて、定格運転されるようになっている。

一方、コジェネレーション装置に設置されるガスエンジンに対して、始動の際には、リコイルスタータ（手動スタータ）や、セルモータや、発電機のモータリング等を用いて始動させている。そして、始動後にはエンジンが自立昇速するが、連続運転中にエンジンを停止しその直後に再始動する場合、例えば、落雷で保護機能が作動して瞬時に停止しその後再始動する場合には、エンジンオイルが高温化して低フリクション状態にあるため、エンジンをセルモータや発電機のモータリングで始動させると過回転が発生するおそれがある。

発電機に電圧調整機能が付設されていれば過回転による発電電圧を調整することが可能であるが、発電機出力に対して電圧調整機能が付いてないような小型軽量で、廉価な発電機装置の場合には、発電機を構成する磁石の回転速度に応じた電圧が発生するようになっているため、過回転によってインバータの耐電圧を超えた発電電圧が発生して、インバータを破損させるおそれがある。
そのため、電圧調整機能付でない発電装置においてはエンジンの温態状態での再始動時における過回転に伴う発電電圧過昇を抑制する制御が必要とされる。

なお、ガスエンジンについて、ガスエンジンの始動に際してエンストや過回転の発生を防止する技術として、特許文献２が知られている。
この、特許文献２には、ヒートポンプ等に用いられるガスエンジンにおいて、始動時のガスエンジンの温度を検出して、予め設定している対応関係に基づいてスロットル弁の開度を設定して始動して、スロットル弁をバイパスするアイドルポートを必要とせずに始動に際してエンストや過回転を防止する技術が示されている。
すなわち、ガスエンジンの始動時に、冷却水温度、潤滑油温度等のエンジン温度を検出し、該エンジン温度の検出値に基づきスロットル弁の開度を調整して、始動時におけるエンジンの過回転や始動不良の発生を防止するようにしたガスエンジンが開示されている。

特開２００６−１５８１４８号公報 特開平６−２８８２６８号公報

前記したように特許文献１には、家庭用のコジェネレーション装置が示され、コジェネレーション装置の発電機を駆動するエンジンとしてガスエンジンが設けられ、ガスエンジンには、設定流量でガス燃料が供給されて、定格運転されるようになっているが、該ガスエンジンの始動時の制御については示されてなく、特に、エンジンが温態状態での始動時における過回転に伴う発電電圧過昇を抑制する制御については示されていない。

また、特許文献２には、前記のようにガスエンジンについて、ガスエンジンの始動時にスロットル開度を抑えて過回転を防止するにとどまっており、エンジン回転数制御とエンジン負荷、すなわち発電機の電気負荷とを組み合わせての過回転防止をする技術までは示されてなく、コジェネレーション装置においての発電機を駆動するガスエンジンにおいての始動時の制御までは開示されていない。
さらに、前記特許文献２のように、ガスエンジンの始動時にエンジン温度の検出値に基づきスロットル弁の開度を調整して（絞って）エンジンの過回転の発生を防止する手段では、スロットル弁からエンジンの燃焼室までの吸気通路の長さが長くまた吸気通路の容積が大きいエンジンでは、スロットル弁の開度調整からエンジンの回転低下まで時間遅れつまりタイムラグがあるため、始動時における回転上昇抑制の応答性が低いという問題がある。

そこで、本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、エンジンによって発電機が直接駆動されるとともに、発電電圧調整機能が装着されてなく発電機の回転数に比例的に発電電圧が上昇する発電装置において、エンジンの始動時、特に温態始動時に発電機が過回転して発電電圧が過昇になることを抑えて、インバータの破損等を防止するエンジン始動装置および始動方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、第１発明は、発電機を駆動する発電機用エンジンの始動装置において、
エンジンに直結されるとともに、発電電圧調整機能を有さずに発電機の回転に比例的に発電電圧が出力される発電装置を備え、
エンジン回転数が予め設定された始動時許容回転数以下になるように、前記発電機に電気負荷を投入して発電負荷を増大する始動制御手段と、
前記エンジンの排熱によって加熱される給湯装置が設けられ、給湯指令によってエンジンの始動を検出し、およびエンジンオイル温度センサからの検出信号に基づいて、所定温度以上の場合にはエンジンが温態状態にあると判断する温態始動検出手段と、を備え、
該温態始動検出手段によって温態時における始動を検出したとき、前記始動制御手段を作動させることを特徴とする。

また、第２発明は、発電用エンジンの始動方法に関し、発電機を駆動する発電機用エンジンの始動方法において、エンジンに直結されるとともに、発電電圧調整機能を有さずに発電機の回転に比例的に発電電圧が出力される発電装置が設けられ、前記エンジンの排熱によって加熱される給湯装置が設けられ、給湯指令によってエンジンの始動を検出し、およびエンジンオイル温度センサからの検出信号に基づいて、所定温度以上の温態状態を検出したとき、エンジン回転数が予め設定された始動時許容回転数以下になるように、前記発電機に電気負荷を投入して発電負荷を増大することを特徴とする。

かかる装置発明、および方法発明によれば、エンジンの温態始動時に、エンジン回転数が予め設定された始動時許容回転数以下になるように、発電機に電気負荷を投入して発電負荷を増大するので、エンジンの過回転が防止され、発電機の発電電圧が一定値以上に上昇することが抑えられ、インバータの耐電圧以上の発電が防止されてインバータ等が破損することが防止される。

また、装置発明、および方法発明によれば、前記エンジンの排熱によって加熱される給湯装置が設けられ、給湯指令によってエンジンの始動を検出し、およびエンジンオイル温度センサからの検出信号に基づいて、所定温度以上の温態状態を検出したとき、エンジン回転数が予め設定された始動時許容回転数以下になるように、前記発電機に電気負荷を投入して発電負荷を増大するので、温態始動時にはエンジンオイルが高温化して低フリクション状態にあるため、過回転が生じやすいが、電気負荷の投入によって過回転が抑えられる。

また、装置発明において好ましくは、前記始動制御手段の電気負荷が余剰電力ヒータへの通電であるとよく、かかる構成によれば、余剰電力ヒータへの通電によって発電出力を消費させることにより、エンジンの過回転を防止できる。回転数が上がればヒータをＯＮし、回転数が下がればヒータをＯＦＦすることにより、回転数を制御できエンジンの回転数を制御できる。

さらに、前記給湯装置の給湯加熱源として前記排熱に加えて前記余剰電力ヒータが設置され、前記電気負荷投入時に該余剰電力ヒータに通電せしめるとよく、余剰電力ヒータの発熱を給湯器の加熱源として有効利用でき、給電と給湯とを行うコジェネシステムの熱効率を上げることができる。

また、装置発明において好ましくは、前記電気負荷の投入を前記発電機出力電圧によって制御するとよい、すなわち、エンジンの回転数または発電機の回転数を直接検出せずに、発電機の出力電圧を検出することでエンジンまたは発電機の回転数の増減を判定して、余剰電力ヒータへの投入を制御する。かかる構成によれば、発電電圧の過昇状態を直接的に検出して、検出電圧値が閾値電圧以上のときに余剰電力ヒータをＯＮするので、発電機の発電電圧も一定値以上に上昇することが抑えられ、インバータの耐電圧以下にして破損を防止する効果を確実に得ることができる。

また、装置発明において好ましくは、前記発電機出力電圧が閾値電圧以上のときに前記電気負荷をＯＮするとともに、前記閾値を時間とともに上げるとよく、また、前記発電機出力電圧が閾値電圧以上のときに前記電気負荷をＯＮするとともに、前記電気負荷の投入後に時間とともに該電気負荷を減らすとよい。

かかる構成によれば、前記閾値を時間とともに上げることで、エンジンにブレーキトルクがかかり続けることが防止されてエンジン回転数を増やしていき安定した始動が可能になる。
また、同様に電気負荷をＯＮし続けると、エンジンにブレーキトルクがかかり続けるため、エンジン回転数が上がっていかないので、これを防ぐために、余剰電力ヒータの負荷を時間とともに徐々に減らしていくことで、安定した始動が可能になる。

また、装置発明において好ましくは、前記始動制御手段はエンジンの出力を制御するエンジン制御手段を有し、前記電気負荷の投入後に前記始動時許容回転数を超える場合に前記エンジン制御手段によって吸気スロットルを絞るとよく、またはエンジンへの供給燃料を制限するとよい。

かかる構成によれば、電気負荷の投入によってもエンジン回転数が始動時許容回転数を超える場合には、エンジンの出力をスロットルを絞ることによって、または燃料供給を制限することによって、エンジン出力を直接抑制するので、発電機の発電電圧も一定値以上に上昇することが抑えられ、インバータの耐電圧以下にして破損を防止する効果を確実に得ることができる。

本発明によれば、エンジンによって発電機が直接駆動されるとともに、電圧調整機能が装着されてなく発電機の回転数に比例的に発電電圧が上昇する発電装置において、エンジンの始動時、特に温態始動時に発電機が過回転して発電電圧が過昇になることを抑えて、インバータの破損等を防止するエンジン始動装置および始動方法を得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

なお、実施形態の説明で参照する図面は次の通りである。
図１は本願発明が適用される家庭用のコジェネレーション装置の概要構成を示す説明図であり、図２はコジェネレーション装置の給電部（発電装置）のブロック構成図であり、図３はガスエンジンの全体構成を示す説明図であり、図４は始動制御手段を示す制御ブロック図であり、図５は、第１実施例におけるエンジン始動時におけるエンジン回転数及び発電出力（エンジン負荷）の時間変化を示すチャート図であり、図６は、第２実施例におけるエンジン始動時におけるエンジン回転数及び発電出力（エンジン負荷）の時間変化を示すチャート図である。

図１を参照して、本願発明が適用される家庭用のコジェネレーション装置１の概要について説明する。
コジェネレーション装置１は発電を行う給電部３と、給湯を行う給湯部５とで構成されている。
給電部３には発電機７を駆動するガスエンジン９が設けられ、該発電機７で発電された電力が系統連系用のインバータ１１によって外部電源たる商用系統の電圧と周波数が同じになるように揃えられて、給電線１３によって配電盤を通して家庭内の電力使用装置に送られる。また、ガスエンジン９は、稼動時に発電出力が約１ＫＷの定格で運転するようになっていて、この定格運転時に、振動騒音が最も小さくなるように設定されている。

給湯部５には、ガスエンジン９の排熱を利用するためのエンジンの冷却水が流れる冷却水配管１５が、ガスエンジン９を介して設けられ、さらに排熱交換器１７からもこの冷却水配管１５内の冷却水に熱が与えられると共に、余剰電力ヒータ１９によってもこの冷却水に熱が与えられる。

そして、熱せられた冷却水は熱交換器２１、２３によって貯湯タンク２５に蓄える水や、図示しない家庭内に設けられた屋内暖房用暖房端末などに供給する水を温める。また、熱交換器２７、２９は同様に、家庭内に給湯したりするための熱交換器であり、さらに熱源が不足した場合の補助熱源器３１が設けられている。

次に、図２にコジェネレーション装置１の発電を行う給電部３の詳細ブロック構成図を示す。図１の構成要素とは同一符号を付する。
ガスエンジン９に直結されて発電機７が設けられている。この発電機７は交流発電機であり、永久磁石が内蔵され、回転数に比例した誘起電圧が発生されるようになっている。
インバータ基板３５には、発電機７が発電した、例えば２５０Ｖ、２１３Ｈｚの交流を約３５０Ｖの直流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ３７と、この直流３５０Ｖを外部電源たる商用系統３９における電圧、周波数と同じ１００Ｖ／２００Ｖの交流にするためのＤＣ／ＡＣインバータ４１と、電流センサ４３からの電流値によって配電盤４５から商用系統への電力の流れ状況を確認するための回路が搭載されている。また、配電盤４５から家庭内の電力使用装置４７に電力が供給されるようになっている。

ガスエンジン９、発電機７、インバータ基板３５、ＥＣＵ基板４９によって給電部３が構成される。なお、ＡＣ／ＤＣコンバータ３７とＤＣ／ＡＣインバータ４１とは、外部電源たる商用系統３９は周波数や電圧の変動は少ないのに対し、発電機７で発電した電力はその電力の使用状況によって周波数や電圧が変動しやすいため、発電機７で発電した電気の電圧と周波数とを外部電源たる商用系統３９と同じになるよう揃えるために設けられるものである。

また、ＥＣＵ基板４９には、スロットル、ガス電磁弁、点火装置、各種センサ等の電子制御を行うＣＰＵ５１が搭載され、ガスエンジン９の運転を制御する。また、インバータ基板３５にはＥＣＵ基板４９やインバータ基板３５に電源を供給する制御電源５５が搭載されている。

さらに、インバータ基板３５には、ＡＣ／ＤＣコンバータ３７やＤＣ／ＡＣインバータ４１を制御すると共に、インバータ基板３５外に設けられた余剰電力ヒータ１９の消費電力を、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御によってデューティ（Ｄｕｔｙ）比を制御する半導体スイッチ５９に指示を送るＣＰＵ５３を備えている。

通常このようなコジェネレーション装置１においては、停電時に商用系統３９に電気が流れると電気系統の保守に支障を来たすため、ブレーカやリレー等のスイッチ６１が設けられ、商用系統３９の停電時等に通電を遮断するようになっている。

外部電源たる商用系統３９と配電盤４５との間には、電流センサ４３が設けられ、商用系統３９の使用電力が検出される。発電機７の出力は前記したように例えば１ＫＷと一定であるため、家庭内の電力使用装置４７の使用電力がこの１ＫＷを越えると、配電盤４５を介して商用系統３９から電力が供給される。

しかし逆に、家庭内の電力使用装置４７の使用電力がこの１ＫＷより少ないと、そのままでは余った電気が商用系統３９へ逆潮流する。それを防ぐため、商用系統３９と配電盤４５の間に設けられた電流センサ４３の測定結果がインバータ基板３５に搭載したＣＰＵ５３に常時送られ、このＣＰＵ５３が、送られてきた測定結果から商用系統３９から配電盤４５方向へ流れる電流の減少を検出すると、逆潮流が起きる可能性があるとして、余剰電力ヒータ１９の使用電力を制御する半導体スイッチ５９へ、余剰電力に相当する電力を消費するようＰＷＭ制御信号を送るようになっている。

以上のＥＣＵ基板４９に設けられたＣＰＵ５１と、インバータ基板３５に設けられたＣＰＵ５３とによって、本願発明の始動制御手段６３が構成されている。
次に、始動制御手段６３について図３、図４、図５を参照して説明する。この始動制御手段６３は、大きく分けてガスエンジン９を制御するエンジン制御手段６５と、発電機７の発電負荷を制御する電気負荷制御手段６７との部分から構成されている。

図３に本発明に係る始動制御手段６３の全体構成図を示す。図１、２と同一構成部品には同一符号を付する。
図３において、ガスエンジン９は単シリンダもしくは多シリンダの４サイクルガスエンジンであり、シリンダ７０内に往復摺動自在に嵌合されたピストン７２、該ピストン７２の往復動を回転に変換するクランク軸７４、前記ピストン７２の上面とシリンダ７０の内面との間に区画形成される燃焼室７６、該燃焼室７６に接続される吸気ポート７８、該吸気ポート７８を開閉する吸気弁８０、該燃焼室７６に接続される排気ポート８２、該排気ポート８２を開閉する排気弁８４等によって構成される。

前記吸気ポート７８の途中にはガスミキサー８６及びスロットル弁８８が設置され、燃料ガス管９０からガス量調整弁９２を通して供給された燃料ガスと新たに外部から取り込んだ空気とを該ガスミキサー８６で混合する。
そして、この混合気は前記スロットル弁８８の開度制御によって流量を調整されて、前記吸気弁８０の開弁によって前記燃焼室７６に供給される。
着火装置９４は、この例では点火プラグによって発生させる火花によって燃焼室内の混合気を燃焼させるもので、点火プラグ、点火コイルで構成されている。
かかる構成からなるガスエンジン９は、これのクランク軸７４に直結される発電機７を駆動する。

図３において、始動制御手段６３には、エンジン回転数検出器９６からガスエンジン９におけるエンジン回転数の検出値、負荷検出器９８から電気負荷即ちガスエンジン９に掛かるエンジン負荷の検出値、オイル温度センサ１００から前記ガスエンジン９の潤滑油温度の検出値、環境状態センサ１０２から前記ガスエンジン９の運転に関連する大気圧、大気温度、空気湿度等の環境状態の検出値が、それぞれ入力されている。さらに、発電機７の電圧検出器１０４から発電電圧値が入力される。エンジン回転数検出器９６は発電機７の発電交流周波数から検出してもエンジン出力軸の回転から検出しても良い。

そして、始動制御手段６３内のエンジン制御手段６５では、前記各検出値に基づき、スロットル弁８８の開度及びガス量調整弁９２の開度信号をそれぞれ出力する。また、始動制御手段６３内の電気負荷制御手段６７では、発電機７の電気負荷である余剰電力ヒータ１９の消費電力を制御する半導体スイッチ５９へ、余剰電力ヒータ１９への通電タイミングおよびデューティ比を指示する。さらに、始動制御手段６３では、発電機７に対する起動インバータ（ＡＣ／ＤＣコンバータ３７）によるモータリングの制御も行う。

次に、図４に始動制御手段６３の制御ブロック図を示し、この図４を参照して始動制御手段６３について説明する。
始動制御手段６３の始動回転数・負荷設定部１１０には、エンジンの始動時における許容最大エンジン回転数である始動時許容回転数、即ち図５に示す過回転判断回転数Ｎａが設定されている。また、該始動回転数・負荷設定部１１０には、エンジンの始動時において電気負荷として投入する余剰電力ヒータ１９の消費電力値（発電負荷値）Ｄが設定されている。さらに、余剰電力ヒータ１９への通電開始のヒータＯＮ閾回転数Ｎｂが設定されている。

エンジンを始動すると、図５に示されるエンジン始動時におけるエンジン回転数及び発電出力（エンジン負荷）の時間変化を示すチャート図のように、正常な始動及び負荷運転への移行時には、エンジン回転数は、図のＺ線に示すように、始動後無負荷状態で一定の無負荷時回転数（アイドル回転数）Ｎ１まで上昇し、このアイドル回転数Ｎ１で一定時間運転した後、負荷（発電電力）を投入して該負荷を上昇させるとともに、スロットル弁の開度を増してエンジン回転数を定格回転数Ｎ_０まで上昇せしめ、該定格回転数Ｎ_０で連続運転を行う。

エンジン停止後の時間間隔が短い時の再始動のように、ガスエンジン９が温態状態の時にはエンジンオイル温度が運転時に近い温度レベルにあるため、ガスエンジン９を始動する際には、図５のＳ線に示すように、無負荷状態でエンジン回転数が過回転判断回転数（始動時許容回転数）Ｎａを超えて上昇しようとする。

（第１の実施形態）
給湯指令によって、エンジン９の始動が開始される。まず、エンジンの温態状態がオイル温度センサ１００からの検出信号に基づいて、例えばエンジンオイル温度が５０℃以上の場合には、エンジン９が温態状態にあると判断する。
そして、ＣＰＵ５３（電気負荷制御手段６７）によって発電機７の起動インバータ（ＡＣ／ＤＣコンバータ３７）を作動して、発電機７をモータリングしてエンジン９の始動を開始する。なお、給湯指令の検出およびオイル温度センサ１００によって温態始動検出手段を構成している。

その後、エンジン回転数検出器９６からエンジン回転数が始動制御手段６３の始動時回転数・負荷制御部１１２に入力されると、該始動時回転数・負荷制御部１１２においては、エンジン回転数の検出値を前記始動回転数・負荷設定部１１０に設定されている図５に示す過回転判断回転数即ち始動時許容回転数ＮａおよびヒータＯＮ閾回転数Ｎｂと対比して、該エンジン回転数の検出値がヒータＯＮ閾回転数Ｎｂに達すると（ｔ１）、この時点（図５のＡ点）から、余剰電力ヒータ１９に通電を開始し電気負荷を投入する。

その後、余剰電力を投入してもさらに回転数が上昇し、始動時許容回転数Ｎａに達すると（図５のＥ点）、前記始動時回転数・負荷制御部１１２においては、スロットル弁８８の開度を絞る制御操作信号を該スロットル弁８８に送って混合気の流量を一定流量まで低下せしめるとともに、ガス量調整弁９２に制御操作信号を送って燃料ガス流量を減少させてエンジン出力を絞る。

また前記始動時回転数・負荷制御部１１２においては、エンジン負荷つまり電気負荷（余剰電力ヒータ１９）を、前記始動時回転数・負荷制御部１１２に設定されている始動時設定負荷に保持する（図５のＤ線）。これにより、エンジン回転数は図５のＢからＣの定格回転数Ｎ_０へと低下する。
以上の始動時の制御後（ｔ２）は、通常のエンジン制御に入り、エンジン負荷つまり電気負荷（余剰電力ヒータ１９）とスロットル弁８８及びガス量調整弁９２の開度制御によってエンジン９及び発電機７を定格回転数Ｎ_０及び定格負荷Ｇで運転する。

かかる実施形態によれば、商用系統３９へ逆潮流するのを防止するために設けられた余剰電力ヒータ１９を利用して、エンジンの温態始動時の発電機７の過回転を防止することができる。

さらに、余剰電力ヒータ１９への通電開始タイミングのヒータＯＮ閾回転数Ｎｂを超えると、まず、余剰電力ヒータ１９へ通電して発電機７に負荷を投入することで発電機７の回転上昇率を抑えるが、それでもなお過回転判断回転数（始動時許容回転数）Ｎａに達すると、スロットル弁８８の開度を絞る制御信号を該スロットル弁８８に送って混合気の流量を一定流量まで低下せしめるとともに、ガス量調整弁９２に制御操作信号を送って燃料ガス流量を減少させる制御を行う。

このため、従来技術のように、ガスエンジンの始動時にエンジン温度の検出値に基づきスロットル弁の開度を調整して（絞って）エンジンの過回転の発生を防止する手段では、スロットル弁からエンジンの燃焼室までの吸気通路の長さが長くまた吸気通路の容積が大きいエンジンでは、スロットル弁の開度調整からエンジンの回転低下まで時間遅れつまりタイムラグがあるため、始動時における回転上昇抑制の応答性が低いという問題があるが、本実施形態においては、前記のように、始動時にエンジン回転数が始動時許容回転数に達する前に、先ずエンジンに余剰電力ヒータ１９の負荷を掛けた後に、スロットル弁８８の開度を絞る制御を行うので、前記従来技術のような吸気通路の長さや容積によるタイムラグの発生がなく、始動時における回転上昇抑制の応答性が高くなって、始動時におけるエンジン過回転阻止効果がより高くなる。

（第２の実施形態）
次に、第２実施形態を説明する。
エンジンの温態状態がオイル温度センサ１００からの検出信号に基づいて、例えばエンジンオイルの温度が５０℃以上の場合には、エンジン９が温態状態にあると判断し、ＣＰＵ５３（電気負荷制御手段６７）によって発電機７の起動イバータが作動され、発電機７がモータリングしてエンジン９の始動を開始する。
エンジンの始動開始の直後から始動時回転数・負荷制御部１１２によって、余剰電力ヒータ１９への通電を開始するように半導体スイッチ５９へＯＮ信号を出力する。

その後、エンジン９が昇速しつつ電気負荷（余剰電力ヒータ１９）が作用しながらヒータＯＮ閾値変更開始回転数Ｎｃに達すると、その後はヒータＯＮ閾回転数Ｎｂによって余剰電力ヒータ１９へのヒータＯＮを制御するが、そのヒータＯＮ閾回転数Ｎｂを一定時間毎に段階的に上昇させる。このＯＮ閾回転数Ｎｂを一定時間毎に段階的に上昇する制御ではなく、ヒータＯＮ閾回転数Ｎｂを連続的に上昇させるようにしてもよい。
なお、ヒータＯＮ閾値変更開始回転数Ｎｃは、発電機７からの発電電流値が、始動時に起動インバータから発電機７に流すモータリングのための電流値を超える発電を開始する回転数とする。このようにすることで発電開始までを確実にモータリングして、その後はエンジン回転数をスムーズ上昇することができる。

すなわち、ヒータＯＮ閾回転数Ｎｂを一定時間毎に段階的に上昇させるようにして、余剰電力ヒータ１９のＯＮタイミングを実際のエンジン回転数の上昇よりも高い回転数に設定して、余剰電力ヒータ１９のＯＮ作動率を減らして電気負荷を減少させて、エンジン回転数を徐々に増加させるようにする。ヒータＯＮ閾回転数Ｎｂを一定時間毎に段階的に上昇させることによって図６に示すように段階的に発電機の負荷を減少させることができる。なお、ヒータＯＮ閾回転数Ｎｂを一定時間毎に段階的に上昇させるのではなく、連続的に上昇してもよい。

なお、ヒータＯＮ閾回転数Ｎｂを時間とともに上昇させる制御に代えて、余剰電力ヒータ１９の消費電力自体を時間とともに減少させることによって、余剰電力ヒータ１９のＯＮ作動率を減らして電気負荷の上昇率を減少させて、エンジン回転数を徐々に増加させるようにしてもよい。
余剰電力ヒータ１９の消費電力自体を時間とともに減少させる制御は、余剰電力ヒータ１９への通電を制御する半導体スイッチ５９によって通電のＯＮデューティ率を低下させる制御によって行う。

以上のように、余剰電力ヒータ１９へのＯＮによって、回転数の増加は抑制されるが、長時間通電を続けるとエンジンの昇速の妨げとなるため、ヒータＯＮ閾回転数Ｎｂを時間とともに上げ、もしくは余剰電力ヒータ１９の消費電力を低減することで、電気負荷を減少させて、エンジン回転数を徐々に増加できる。
回転数を上昇させる制御が可能になるので、エンジン９の温態状態での始動が開始されると同時に、余剰電力ヒータ１９への投入をＯＮし、その後ＯＮ、ＯＦＦ制御を繰り返すことによって、エンジン９の回転数を上昇、下降の制御できるため、実施形態１のように一定消費電力の余剰電力ヒータ１９を投入するだけの制御に比べて、定格回転数Ｎ_０へ短時間に迅速に移行できるようになる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態として余剰電力ヒータ１９をＯＮするタイミングの変形例を説明する。
オイル温度の閾値近傍では、エンジンの個体差によって過回転するものや過回転しないものがある。これを防ぐために、単に過回転判断回転数Ｎａを超えた場合に余剰電力ヒータ１９をＯＮするようにする。

そして、過回転判断回転数Ｎａを超えてさらに回転数があがる場合は、余剰電力ヒータ１９の負荷を過回転の度合いに応じてさらに発電機７に負荷を投入することで、回転上昇を抑える。

（第４の実施形態）
実施形態１、２、３においては、ガスエンジン９の回転数、すなわち発電機７の回転数信号によって余剰電力ヒータ１９のＯＮ、ＯＦＦの制御を行ったが、本第４実施形態では、回転数ではなく発電機７から発電される発電電圧を電圧検出器１０４によって直接検出して制御してもよい。
すなわち、ヒータＯＮ閾電圧値Ｖｂを予め設定して、そのヒータＯＮ閾電圧値Ｖｂに発電機７の出力電圧が達したときに余剰電力ヒータ１９への通電を開始するようにしてもよく、さらに、その後ヒータＯＮ閾電圧値Ｖｂを１〜７秒間隔ごとに、例えば１０Ｖ刻みに上げてもいく制御をしてもよい。ヒータＯＮ閾値変更開始電圧値Ｖｃは、前記回転数Ｎｃの設定と同様に、発電機７からの発電電流値が、始動時に起動イバータから発電機７に流すモータリングのための電流値を超える発電を開始した電圧値とする。

具体的には、このように電圧を基準として制御する場合の例として、ヒータＯＮ閾電圧値Ｖｂを次の式（１）によって算出および設定する。

なお、ＶｕはＵ相系統電圧（Ｖ）であり、ＶｖはＶ相系統電圧（Ｖ）である。そして、ヒータ電圧閾値範囲を３２０〜４１０（Ｖ）の範囲に設定している。

なお、ヒータＯＮ閾回転数Ｎｂ、過回転判断回転数（始動時許容回転数）Ｎａ
に対応する、ヒータＯＮ閾電圧値Ｖｂ、過回転判断電圧値（始動時許容電圧値）Ｖａは、予め計算されて始動回転数・負荷設定部１１０に設定されている。

本実施形態によれば、発電電圧の過昇状態を発電機の出力である発電電圧から直接検出して制御するので、エンジン温態時の発電機の過回転を確実に防止できる。

（第５の実施形態）
第５実施形態においては、エンジンの運転に関連する大気圧、大気温度、空気湿度等の環境状態及びエンジンの潤滑油温度によって、過回転判断回転数（始動時許容回転数）Ｎａ、過回転判断電圧値（始動時許容電圧値）Ｖａ、ヒータＯＮ閾回転数Ｎｂ、ヒータＯＮ閾電圧値Ｖｂ、及び余剰電力ヒータ１９の設定消費電力値（デューティ比）等について学習補正をして、安定的な始動を行う。

図４の制御ブロック図において、前記オイル温度センサ１００からのエンジン９出口の潤滑油温度の検出値、及び前記環境状態センサ１０２からのエンジン９の運転に関連する大気圧、大気温度、空気湿度等の環境状態の検出値は、前記始動制御手段６３の始動時回転数・負荷制御部１１２にそれぞれ入力される。

また、図４の始動条件記憶部１１４には、前記のようにして入力された環境状態センサ１０２からのエンジンの運転に関連する大気圧、大気温度、空気湿度等の環境状態のデータが、エンジンの運転実績等と対応づけて蓄積されている。
さらに、始動条件記憶部１１４には、この環境状態と前記始動時許容回転数Ｎａ、始動時許容電圧値Ｖａ、ヒータＯＮ閾回転数Ｎｂ、ヒータＯＮ閾電圧値Ｖｂ、及び余剰電力ヒ
ータ１９の消費電力値（デューティ比）との補正値の関係が設定されている。
さらに、始動条件記憶部１１４には、オイル温度センサ１００から入力される、エンジン９の出口のエンジンオイル温度の検出データが、エンジンの運転実績等と対応つけて蓄積され、この潤滑油温度と前記始動時許容回転数Ｎａ、始動時許容電圧値Ｖａ、ヒータＯＮ閾回転数Ｎｂ、ヒータＯＮ閾電圧値Ｖｂ、及び余剰電力ヒータ１９の消費電力値（デューティ比）との補正値の関係が設定されている。

前記始動時回転数・負荷制御部１１２においては、前記環境状態センサ１０２からの環境状態検出値及びオイル温度センサ１００からの潤滑油温度の検出値と、前記始動条件記憶部１１４に蓄積されている環境状態の蓄積データ及び潤滑油温度の蓄積データとを対比して、次の条件設定の補正演算を行う。

たとえば前記環境状態検出値のうち大気温度の検出値が、前記始動条件記憶部１１４に蓄積された大気温度データの平均値よりも高い場合は、大気温度が上昇すると過回転が起こり易いので、前記始動時許容回転数Ｎａ（Ｖａ）、ヒータＯＮ閾回転数Ｎｂ（Ｖｂ）を前記第１〜４実施形態での設定値よりも低い回転数に設定し、必要に応じて余剰電力ヒータ１９の消費電力値（デューティ比）を大きくする。
尚、前記大気温度の検出値が前記大気温度データの平均値よりも低い場合には、前記始動時許容回転数Ｎａ（Ｖａ）、ヒータＯＮ閾回転数Ｎｂ（Ｖｂ）及び余剰電力ヒータ１９の消費電力値（デューティ比）の補正は行わなくてもよい。
すなわち、低い場合には、潤滑油のフリクションが大きくなる方向に作用するため過回転の問題が生じにくいためである。

また、たとえば潤滑油温度の検出値が前記始動条件記憶部１１４に蓄積された潤滑油温度データの平均値よりも上昇している場合は、潤滑油温度が上昇すると過回転が起こり易いので、前記始動時許容回転数Ｎａ（Ｖａ）、ヒータＯＮ閾回転数Ｎｂ（Ｖｂ）を前記第１〜４実施形態での設定値よりも低い回転数に設定し、必要に応じて余剰電力ヒータ１９の消費電力値（デューティ比）を大きくする。
尚、前記潤滑油温度の検出値が前記潤滑油温度データの平均値よりも低い場合には、前記始動時許容回転数Ｎａ（Ｖａ）、ヒータＯＮ閾回転数Ｎｂ（Ｖｂ）及び余剰電力ヒータ１９の消費電力値（デューティ比）の補正は行わなくてもよい。
すなわち、低い場合には、潤滑油のフリクションが大きくなる方向に作用するため過回転の問題が生じにくいためである。

以上の第５実施形態によれば、エンジン９の運転に関連する大気圧、大気温度、空気湿度等の環境状態及びエンジン９の潤滑油温度と、前記始動時許容回転数Ｎａ（Ｖａ）、ヒータＯＮ閾回転数Ｎｂ（Ｖｂ）及び余剰電力ヒータ１９の消費電力値（デューティ比）との関係を、エンジン（９）の運転実績等と対応付けて取得して蓄積しておき、かかる蓄積データを用いて、エンジン９の温態始動時には、エンジン回転数及びエンジン負荷を前記始動時許容回転数Ｎａ（Ｖａ）、ヒータＯＮ閾回転数Ｎｂ（Ｖｂ）及び余剰電力ヒータ１９の消費電力値（デューティ比）を制御するので、エンジン９の始動時における過回転の回避を効果的に得ることができる。前記蓄積データを用いる学習効果によって正確に設定でき、前記環境状態及びエンジンの潤滑油温度のばらつきによる始動性のばらつきの発生や危険始動の発生を回避できる。

本発明によれば、エンジンによって発電機が直接駆動されるとともに、電圧調整機能が装着されてなく発電機の回転数に比例的に発電電圧が上昇する発電装置において、エンジンの始動時、特に温態始動時に発電機が過回転して発電電圧が過昇になることを抑えて、インバータの破損等を防止するエンジン始動装置および始動方法を得ることができるので、コジェネレーション装置等の発電機を駆動するエンジン始動装置への適用に際して有益である。

本願発明が適用される家庭用のコジェネレーション装置の概要構成を示す説明図である。 コジェネレーション装置の給電部のブロック構成図である。 ガスエンジンの全体構成を示す説明図である。 始動制御手段を示す制御ブロック図である。 第１実施形態におけるエンジン始動時におけるエンジン回転数及び発電出力（エンジン負荷）の時間変化を示すチャート図である。 第２実施形態におけるエンジン始動時におけるエンジン回転数及び発電出力（エンジン負荷）の時間変化を示すチャート図である。

符号の説明

１ コジェネレーション装置
３ 給電部
５ 給湯部
７ 発電機
９ ガスエンジン（エンジン）
１１ インバータ
１９ 余剰電力ヒータ
５９ 半導体スイッチ
６３ 始動制御手段
６５ エンジン制御手段
６７ 電気負荷制御手段
８８ スロットル弁
９２ ガス量調整弁
９６ エンジン回転数検出器
９８ 負荷検出器
１００ オイル温度センサ
１０２ 環境状態センサ
１０４ 電圧検出器
１１０ 始動回転数・負荷設定部
１１２ 始動回転数・負荷制御部
１１４ 始動条件記憶部
Ｎａ 過回転判断回転数（始動時許容回転数）
Ｎｂ ヒータＯＮ閾回転数
Ｖａ 過回転判断電圧値（始動時許容電圧値）
Ｖｂ ヒータＯＮ閾電圧値

Claims (9)

1. 発電機を駆動する発電機用エンジンの始動装置において、
   エンジンに直結されるとともに、発電電圧調整機能を有さずに発電機の回転に比例的に発電電圧が出力される発電装置を備え、
   エンジン回転数が予め設定された始動時許容回転数以下になるように、前記発電機に電気負荷を投入して発電負荷を増大する始動制御手段と、
   前記エンジンの排熱によって加熱される給湯装置が設けられ、給湯指令によってエンジンの始動を検出し、およびエンジンオイル温度センサからの検出信号に基づいて、所定温度以上の場合にはエンジンが温態状態にあると判断する温態始動検出手段と、を備え、
   該温態始動検出手段によって温態時における始動を検出したとき、前記始動制御手段を作動させることを特徴とする発電用エンジンの始動装置。
2. 前記始動制御手段の電気負荷が余剰電力ヒータへの通電であることを特徴とする請求項１記載の発電用エンジンの始動装置。
3. 前記給湯装置の給湯加熱源として前記排熱に加えて前記余剰電力ヒータが設置され、前記電気負荷投入時に該余剰電力ヒータに通電せしめることを特徴とする請求項２記載の発電用エンジンの始動装置。
4. 前記電気負荷の投入を前記発電機出力電圧によって制御することを特徴とする請求項１または２記載の発電用エンジンの始動装置。
5. 前記発電機出力電圧が閾値電圧以上のときに前記電気負荷をＯＮするとともに、前記閾値を時間とともに上げることを特徴とする請求項４記載の発電用エンジンの始動装置。
6. 前記発電機出力電圧が閾値電圧以上のときに前記電気負荷をＯＮするとともに、前記電気負荷の投入後に時間とともに該電気負荷を減らすことを特徴とする請求項４記載の発電用エンジンの始動装置。
7. 前記始動制御手段はエンジンの出力を制御するエンジン制御手段を有し、前記電気負荷の投入後に前記始動時許容回転数を超える場合に前記エンジン制御手段によって吸気スロットルを絞ることを特徴とする請求項１記載の発電用エンジンの始動装置。
8. 前記始動制御手段はエンジンの出力を制御するエンジン制御手段を有し、前記電気負荷の投入後に前記始動時許容回転数を超える場合に前記エンジン制御手段によってエンジンへの供給燃料を制限することを特徴とする請求項１記載の発電用エンジンの始動装置。
9. 発電機を駆動する発電機用エンジンの始動方法において、
   エンジンに直結されるとともに、発電電圧調整機能を有さずに発電機の回転に比例的に発電電圧が出力される発電装置が設けられ、
   前記エンジンの排熱によって加熱される給湯装置が設けられ、給湯指令によってエンジンの始動を検出し、およびエンジンオイル温度センサからの検出信号に基づいて、所定温度以上の温態状態を検出したとき、
   エンジン回転数が予め設定された始動時許容回転数以下になるように、前記発電機に電気負荷を投入して発電負荷を増大することを特徴とする発電用エンジンの始動方法。

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