JP6748699B2 - 簡易型非常用電力供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、小型のガスエンジン及び直流発電機を用いて、複数回又は何度でも停電事故が間欠的に続いても、高効率に非常用電力を供給できると共に、停電時と同時に適所に設けた音声出力部から数分以内に非常電力を給電するとの音声出力構成（スピーカ出力構成）を備えた簡易型非常用電力供給装置に関する。

災害などに備え家庭用や標識などで使う１０kW未満の停電時の小型の非常用電力供給装置(無停電電源装置など)としては、蓄電池式とエンジンにより発電する方式がある。蓄電池によるものは停電から点灯までの時間が短いことや、簡便なことなどの長所があるが質量が嵩むという大きな短所がある。

例えば、１kWの電力を７２時間(災害により破壊されたインフラの復旧の目処がつく３
日間)供給する場合の蓄電池の質量を求めてみる。1kWは1kJ/sであるから72時間では、1kJ/s×72×3600s＝259200kJとなる。しかし、蓄電池は直流であるので、これを交流に変換するインバータの効率を93%とすると、最低でも蓄電池には259200kJ/0.93＝278710kJ(≒2797MJ)の電気エネルギ−を蓄えていなければならない。エネルギ密度(単位質量あたりの電気エネルギ)が大きなリチウムイオン電池でもせいぜい100Wh/kgであるので100J/s×3600s＝360000J＝360kj、すなわち1kgあたり360kjとなる。従って、蓄電池の質量は278710kJ/(360kJ/kg)＝774kgの重さとなる。

一方、エンジンによる発電は燃料が続く限り発電できるが、エンジンを始動して安定した電気出力を供給できるまでには数十秒の時間が必要であり、この間は停電が続くことになる。さらに前記のように小型な装置では余力が少ないため要求電力(電気負荷)の急激な増大が生じた場合、エンジンの回転速度が低下して電力の供給が追いつかなくなったり、エンジンが停止してしまうことがある。このように、蓄電池式、エンジン発電機ともに大きな問題があった。

また、交流無停電電源装置としては、特許文献１が存在するが、本文献は商用電源用ではないが、山間部や離島等にて用いられるもので、特に、周波数の低下をインバータ制御にて低下しないようにしたものであり、この装置にはエンジン発電機は使用されてはいるが、そのエンジンの種別は不明であり、必ずしも優れたエンジン発電機とは言い難いものである。

また、特許文献２では、蓄電池及びエンジンにて無停電電源装置であるが、蓄電池の容量を小さくしてエンジンにて給電できるようにしたものであるが、特に大災害などで、複数回に亘って、商用電源が喪失した場合には、引用文献２では到底対応できないものであった。特許文献２のエンジンの種別も不明であり、優れたエンジン発電機とは言い難い。

特許文献１及び２においては、何れも無停電電源装置であるが、特に、パソコン等の小型で小容量は無停電の電源は別手段で賄うとしても、１日〜３日間の比較的長期である日常的な電源を停電時においても十分に使用できる優れたエンジン発電機は存在していない。さらに、停電時において、停電時と同時に適所に設けた音声出力部（スピーカ出力構成）から僅かな時間以内に非常電力を給電するとの音声出力構成を備えた簡易型非常用電力供給装置は存在しなかった。

特開平５−２０７６８４号公報 特開２００１−４５６８１号公報

本発明が解決しようとする課題（技術的課題又は目的等）は、停電時の瞬時には対応できなくとも、停電時が１日から３日間程度続いたとしても（大規模災害、例えば３．１１の東北大震災等）、家庭用のみならず信号機や各種の標識、監視カメラなどに簡易に電力を供給する小型の非常用電力供給装置を提供する。特に、災害などで、複数回に亘って（熊本大震災等）、商用電源が喪失した場合にも、十分に対応できることを実現することにある。さらに、停電時においての適所に設けた音声出力部（スピーカ出力構成）から僅かな時間以内に非常電力を給電するとの音声出力構成を備えた非常用電力供給装置の存在も実現したい。

そこで、発明者は上記課題を解決すべく鋭意，研究を重ねた結果、請求項１の発明を、排気量５０cc〜５００ccの小型のＬＰＧ用のガスエンジンと，該ガスエンジンの起動により発電する直流発電機と，エンジン用バッテリを有するエンジンコントロールユニットと，複数のオン・オフスイッチと，該オン・オフスイッチを制御する総合コントロールユニットとを備え、前記ガスエンジンのシリンダには２個の点火プラグが設けられると共に、前記シリンダを平面的に見て、第１の点火プラグ，吸気バルブ，第２の点火プラグ及び排気バルブが周回りに配され、且つ前記吸気バルブからの吸気が前記シリンダ内を平面的に見て、接線方向乃至接線に近似する方向に流入するように構成されてなり、通常時においては、前記オン・オフスイッチを介して商用電源の電力供給側を通電状態とし、何等かの事故等により前記商用電源が喪失した瞬間から前記エンジン用バッテリ及び前記エンジンコントロールユニットにて前述した構成の前記ガスエンジンを約１、２分内に起動させて該起動力により前記直流発電機にて発電し、前記ガスエンジンで発電した直流電力を交流電力に変換させつつ前記電力供給側に給電し、前記商用電源の復帰時まで前記ガスエンジンのみの電力にて給電し続けると共に前記商用電源の復帰時までの時間としてプロパン２０kgが充填済のボンベ１本で１ＫＷの電力を少なくとも７２時間は前記ガスエンジンのみの電力にて給電できるようにしてなり、前記事故時の前記ガスエンジンによる電力にても、或いは通常時の電力にても前記エンジン用バッテリに対して充電作用を提供してなることを特徴とする簡易型非常用電力供給装置としたことにより、前記課題を解決した。

請求項２の発明を、請求項１又は２記載の簡易型非常用電力供給装置において、前記ガスエンジンの前記吸気バルブ，前記第１の点火プラグ，前記排気バルブ及び前記第２の点火プラグが４等分に配されてなることを特徴とする簡易型非常用電力供給装置としたことにより、前記課題を解決した。請求項３の発明を、請求項１又は２記載の簡易型非常用電力供給装置において、前記ガスエンジンのシリンダ内に流入した混合気の主流が前記点火プラグの点火点を直撃せず、かつその近傍を流れるように構成されてなることを特徴とする簡易型非常用電力供給装置としたことにより、前記課題を解決した。

請求項４の発明を、請求項３に記載の簡易型非常用電力供給装置において、前記ガスエンジンのシリンダ上部のシリンダヘッド下面が扁平球面状凹面に形成されつつ、該扁平球面状凹面の下側面に、膨出部が１個の前記点火プラグの手前側で且つ前記混合気の下流側になるようにして設けられてなることを特徴とする簡易型非常用電力供給装置としたことにより、前記課題を解決した。請求項５の発明を、請求項１，２，３又は４に記載の簡易型非常用電力供給装置において、前記ガスエンジンと前記直流発電機との間にフライホイールが設けられてなることを特徴とする簡易型非常用電力供給装置としたことにより、前記課題を解決した。

請求項６の発明を、請求項１，２，３，４又は５に記載の簡易型非常用電力供給装置において、複数の前記オン・オフスイッチを前記総合コントロールユニットからの信号でオン・オフさせ、且つその電力はエンジンコントロールユニットと同等の低電圧の前記エンジン用バッテリから供給することを特徴とする簡易型非常用電力供給装置としたことにより、前記課題を解決した。請求項７の発明を、請求項１，２，３，４，５又は６に記載の簡易型非常用電力供給装置において、前記オン・オフスイッチをオン・オフリレースイッチとしたことを特徴とする簡易型非常用電力供給装置としたことにより、前記課題を解決したものである。

請求項１の発明においては、本発明では、特に、大災害などで、複数回に亘って、商用電源が喪失した場合でも、良好に対応できる。本発明では、停電時の瞬時には対応できなくとも（約数十秒のみが停電状態）、停電時が１日から３日間程度続いたとしても、ガスエンジンによる直流発電機の発電にて十分に対応できるし、特に、災害などで、複数回に亘って（熊本大震災等）、商用電源が喪失した場合にも、その電力の一部で先に消費した電気エネルギを補充するため、繰り返しの停電にも十分に対応できる利点がある。また、ＬＰＧとした効果として、日本全国のどこにでも存在しており、緊急時に極めて効率的な支援、復旧が可能にできる。

請求項２乃至４の発明では、特に、燃焼効率を上げ、ガスエンジンの立上げを良好にできる。請求項５の発明では、ガスエンジンのエンストを防止できる。請求項６の発明では、制御を簡易且つ確実にできる。請求項７の発明では、リレー装置が簡易な構成で安価に提供できる等の効果を奏する。

電力会社や自家用発電機などの主電源から正常に電力が供給されているときの本発明の通常時の構成図である。 非常時において、ガスエンジンが作動して直流発電機から安定して電力が供給しているときの状態の構成図である。 本発明のフローを示す図表である。 電気負荷の急激な増大のスロットル開度の制御特性を示す図表である。 （Ａ）は単気筒箇所の平面図、(Ｂ)は(Ａ)のＹ１−Ｎ−Ｏ−Ｘ線矢視拡大断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＹ２−Ｙ２矢視拡大断面図である。 単気筒箇所の一部断面を示す拡大状態斜視図である。 電力会社や自家用発電機などの主電源から正常に電力が供給されているときの本発明の通常時の構成図であって、特に、音声出力部を設けて音声吹き出しを図解した図である。 非常時において、ガスエンジンが作動して交流発電機から安定して電力が供給しているときの状態の構成図であって、特に、音声出力部を設けて音声吹き出しを図解した図である。 本発明内の組込みの音声出力部回路のフローチャート図である。

以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明すると、図１乃至図３は本発明の構成図及び動作を示した状態図である。図１が通常時の構成図であって、図２が非常時の動作状態図である。これらの図において、本来なら単相交流や直流ならば配線は２本、３相交流なら３本の配線が必要であるが、図を見やすくするため１本の線で代表して、接続関係を表すことにする。

図１は、発電所や工場や船舶などの自家発電設備から通常時において、商用電源が供給されているときの状態を示す。本発明の主要な構成としては、小型のガスエンジン１と、該ガスエンジン１の起動により発電する直流発電機３と、複数のオン・オフスイッチと、該オン・オフスイッチを制御する総合コントロールユニット６１（「ＴＣＵ」とも称する。）、低電圧のエンジン用バッテリ５から供給されるエンジンコントロールユニット６２（「ＥＣＵ」とも称する。）等が備えられている。

ここで前記総合コントロールユニット（ＴＣＵ）６１と前記エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２は連携し合っているが機能分担について説明する。総合コントロールユニット（ＴＣＵ）６１は商用電源の喪失か否かの監視とオン・オフスイッチのオンオフおよびエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２にガスエンジン1の始動と停止の信号を発信する。これに加えて図４で説明する直流発電機３の励磁電流の制御などの電気出力系の制御を行う。

一方、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２はガスエンジンへの燃料供給、点火時期やスロットルの開閉制御、ガスエンジン１の始動と停止、水温制御などを行う。前記総合コントロールユニット（ＴＣＵ）６１の電力はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２と同じの低電圧のエンジン用バッテリ５から供給される

図１において、ガスエンジン１と燃料供給装置２と直流発電機３とを備えた発電装置であって、燃料としては液化石油ガス（ＬＰＧ）用のガスボンベ２９が使用される。小型の非常用電源であるため前記ガスエンジン１は約５０cc〜約５００cc以下の小排気量である。該ガスエンジン１は一つのシリンダに２個の点火プラグを配設した多点点火エンジンである。これによりエンジンの始動時間が短くなり着火の機会を増やすとともに、急速燃焼を実現して熱効率（燃費）の改善を行う。

前記ガスエンジン１は、ピストン１０が上下運動可能に収納されたシリンダ１１の上部にはシリンダヘッド１２が設けられ、該シリンダヘッド１２の下面が扁平球面状凹面１２ａとして形成されている。前記シリンダヘッド１２（又は前記シリンダ１１）の上面側から平面的に見て、点火プラグ１３を２個と吸気バルブ１５及び排気バルブ１７が設けられている。前記吸気バルブ１５，前記点火プラグ１３，前記排気バルブ１７及び前記点火プラグ１３が４等分で周回りに配されている〔図５（Ａ）参照〕。

前記扁平球面状凹面１２ａの曲率半径Ｒは、前記シリンダ１１の中心軸ｎ上の任意の点Ｐに位置している。さらに、２個の前記点火プラグ１３の中心軸ｍも、前記吸気バルブ１５の中心軸ｗ及び排気バルブ１７の中心軸ｕも、それぞれ前記点Ｐ上を通過するように構成されている。つまり、前記点火プラグ１３の中心軸ｍも、前記吸気バルブ１５（吸気ポート１４の入口部）の中心軸ｗ及び排気バルブ１７（排気ポート１６の出口部）の中心軸ｕも、曲率半径Ｒなる前記扁平球面状凹面１２ａの球面の法線上に存在している。このような三次元としての燃焼室が構成されている〔図５（Ｂ）参照〕。

特に、前記吸気バルブ１５に吸気させる吸気ポート１４は、前記吸気バルブ１５からの吸気が前記シリンダ１１を平面的に見て、接線方向乃至接線に近似する方向から該シリンダ１１内に流入して渦流（スワールＧ）になるように構成されている。該シリンダ１１内のピストン１０が下降時において、このスワールＳ（渦流）が発生するようになっている〔図５（Ｂ）及び図６参照〕。

該スワールＳ（渦流）にても方向性は確保できることがある。十分な方向性の確保のためには次の構成とすることが多い。特に、前記扁平球面状凹面１２ａの下側面に、略三日月状又は台形山形状等の膨出部１２ｂが、１つの前記点火プラグ１３の手前側であって、且つ前記スワールＳ（渦流）の下流側になるようにして設けられている。該スワールＳ（渦流）の内容を詳述すると、スワールＳ（渦流）の主流が前記点火プラグ１３の点火点を直撃せず、かつその近傍を流れるように構成されている〔図５（Ａ）参照〕。

前記膨出部１２ｂは、略三日月状であって縦断面は略三角状をなし〔図５（Ａ）及び（Ｂ）参照〕、前記スワールＳ（渦流）の流れを変更する働きを成すものであり、最高位の高さは１ｍｍ前後でもよい。前記膨出部１２ｂ箇所でも、前記スワールＳ（渦流）は小さな乱流状態を起こし得る。また、前記膨出部１２ｂは、富士山を扁平状にした台形山形状又は該台形山形状を半分（縦割り）に形成されても（図示しない）、前述の三日月タイプの膨出部１２ｂと同様の効果を奏する。また、前記膨出部１２ｂは、前記スワールＳ（渦流）の方向性を変え得れば、その形状には限定されない。

さらに、図５（Ａ）及び（Ｂ）においては、主流対反主流の流量が８対２程度が好適である。反主流が存在するために、気流の乱れが発生してミキシング改善と共にガス（ＬＰＧ）燃焼の促進を一層良好にできる。このような構成は従来には存在しない大きな利点である。特に、図６に示すように、前記スワールＳ（渦流）における主流は、前記シリンダ１１内において、反主流を受けて速度が徐々に遅くなると同時に細かな乱流状態を呈するものであり、このときこそが、気体なる空気（エア）と気体なるＬＰＧとを渾然一体にできる。

仮に、強いスワールＳ（渦流）の主流が前記点火プラグ１３の点火点（スパークギャップ）を直撃すると、この部分の温度が下がり（例えば、４５０℃以下）、遊離カーボンが発生して先端部を汚損して火花が飛びにくくなるが、この先端部の直撃を避けながら、新しい混合気を点火点（スパークギャップ）に流れ込ませるようにする。そして、一旦、火がつくとスワールＳ（渦流）により火炎は極めて急激に燃焼空間（シリンダヘッド１２とシリンダ１１内壁面とピストン１０頂面で区画された空間全体）に三次元的に広がってゆきガスの燃焼効率を格段と上昇し得る。

この燃焼効率は、前記曲率半径Ｒなる前記扁平球面状凹面１２ａの球面としての三次元の燃焼室と、前記点火プラグ１３の点火点を避けたスワールＳ（渦流）とが相俟って極めて良好なる効果を奏する。さらに、停電直後におけるガスエンジン１の始動も極めて早期に立ち上げることができる最大の利点がある。
なお、前記点火プラグ１３の中心軸ｍと前記シリンダ１１の中心軸ｎとの角度θも、前記吸気バルブ１５の中心軸ｗと前記シリンダ１１の中心軸ｎとの角度θも、前記排気バルブ１７の中心軸ｕと前記シリンダ１１の中心軸ｎとの角度θもそれぞれ同一角度で、且つ約１２°〜約１４°に構成されている〔図５（Ｂ）参照〕。

前記ガスボンベ２９には減圧バルブ２８が設けられ、ここから供給配管２５が配置され、該供給配管２５の他端は、前記吸気ポート１２の手前の吸気ダクト１８に連続するミキサ１９のベンチュリ１９ａ内に連通するように構成されている。前記ガス配管２５には、電磁弁２７，調圧バルブ２６を介してＬＰＧが前記吸気ポート１２に流入され、最終的には、スロットルアクチュエータ２１によるスロットル２０を適宜開いて噴出される。つまり、図１及び図６に示すように、前記燃料供給装置２としては、該ロットル２０，スロットルアクチュエータ２１，ガス配管２５，調圧バルブ２６，電磁弁２７，減圧バルブ２８，ガスボンベ２９等にて構成されている。

さらに、燃料噴出箇所について説明すると、燃料（ＬＰＧ）は調圧バルブ２６で大気圧近くまで減圧され、オリフィス２５ａで計量され、前記ミキサ１９の中の燃料通路に導かれる。ベンチュリ１９ａのスリットステップホール２２およびアイドルミクスチャスクリュウ２３で調節され、スロットル２０の下流から吸入された空気に混合される。アイドリング時にはスロットル２０の下流、過渡時や低速時には主にスリットステップホール２２から燃料が供給される。ガスエンジン１の要求出力が大きくなると、ベンチュリ１９ａのスリットからの燃料の吸い出しが主になる。

燃料は前述したように、入手が容易でガスボンベ２９に充填されていて輸送に便利な液化石油ガス（ＬＰＧ）を用いる。該ＬＰＧは長期間の保存でもガソリンや軽油のように変質しない利点がある。さらに、これまでの軽油を燃料とする圧縮着火のディーゼルエンジンよりも、始動時間が短く、二酸化炭素や窒素酸化物の排出が少ない利点もある。図１に示すように、図中４４はラジエータ、４５はファンモータである。

また、図１の日常時において、エンジン用バッテリ５に交流→直流インバータ７２で低電圧（例えば１２Ｖ）の直流に変換して充電作業を行う（破線参照）。前記エンジン用バッテリ５は、自動車用の１２Ｖの鉛・希硫酸バッテリなどを用いることが多い。

図１の状態では、前記直流発電機３からの電力は使わないので、この回路のオン・オフイッチ８２は開位置を保持したままである。商用電源の状態(電気が来ているか否か)は接合点Ｐ１から固定抵抗８５を通して主電源信号ライン８６を経て前記総合コントロールユニット（ＴＣＵ）６１にかかる電圧で判断するように構成されている。前記固定抵抗８５の存在にて前記総合コントロールユニット（ＴＣＵ）６１が微弱な電流で停電か否かを判断できるからである。該総合コントロールユニット（ＴＣＵ）６１内にも抵抗がありこの前後の電圧を監視しておけば、もし主電源（商用電源）が喪失すれば、この電圧がゼロとなる。

通常時においては、図１に示すように、オン・オフスイッチ８１は閉じており、主電源からの電力は太い矢印のように接合点Ｐ１から接合点Ｐ２を経て出力する。前記オン・オフスイッチ８１は前記総合コントロールユニット(ＴＣＵ：Total Control Unit)６１からの信号で回路をオン・オフする機能を具備している。スイッチは電磁的に接点を開閉しても、トランジスタを用いた通常の無接点スイッチでもよい。

次に、非常時においての動作説明を図２に基づいて説明する。何等かの事故等により商用電源が喪失したことを検出すると、図1において、前記総合コントロールユニット(ＴＣＵ)６１の作動にて前記オン・オフスイッチ８１が開き、商用電源がブラックアウト（停電）となる。この瞬間からガスエンジン1にて発電し長時間に亘って本格的に電力を供給し続けるときの本発明の特徴について説明するが、その前に前記ガスエンジン１が始動するまでの過程について述べる。まず、前記総合コントロールユニット（ＴＣＵ）６１で、商用電源（主電源）の喪失を検出するとその信号は、該総合コントロールユニット（ＴＣＵ）６１からエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２に伝えられる。

該エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２からの信号でスターターリレー４２はエンジン用バッテリ（１２Ｖ）５２の電源でスターターモータ４１を駆動する。同時に前記エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２の信号にてガスボンベ２９（ＬＰＧ用）から通常用いる機械式の減圧バルブ２８を経て来たガスを遮断していた電磁弁２７に通電してこれを開く。

同時に殆ど大気圧に燃料の圧力を調整する調圧バルブ２６を作動させ、燃料をガスエンジン1の燃料供給装置２に供給する態勢が整う。一方、ガスエンジン１の運転に不可欠なエンジンオイルの供給は電動のオイルポンプ４６で、冷却水も電動のウォーターポンプ４７で循環させる。

前記スターターモータ４１が回転すると、ガスエンジン１がクランキングされて吸入によって発生する負圧で燃料供給装置２で計量された燃料と空気を吸入して、圧縮し点火して始動する。この始動性は多点点火（２個の点火プラグ１３を配設した）とガス燃料のためディーゼルエンジンに比べると格段に優れている。

ガスエンジン１が始動して定格の回転数に達し、これと同一回転数で回る直流発電機３から電力が供給できるようになると、オン・オフスイッチ８２は、閉状態に切り換わる。ここで、ガスエンジン１の回転速度はクランク回転センサ４８で検出した点火時期制御用の上死点信号を勘定して回転数を算出する。これが所定の回転数、例えば、２０００rpmになるように、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２の信号にて燃料供給装置２のスロットル２０の開度を調整する。

前記オン・オフスイッチ８１は開いたままであるがオン・オフスイッチ８２は閉じている。前記直流発電機３による直流は、前記直流→交流インバータ７１で直流が主電源と同じ交流電力と周波数の交流に変換されて前記オン・オフスイッチ８２を経て接合点Ｐ２から出力される。このとき、前記ガスエンジン１による直流発電機３の直流電力にて接合点Ｐ２から前記パワーコンディショナ７２で低電圧の直流に変換されて前記エンジン用バッテリ５も充電するように構成されている。

ガスエンジン１の作動中に冷却水温度が上昇すると、サーモスタット４３が開いて、冷却水がラジエータ４４を循環する。さらに、水温が上がるとファンモータ４５に通電して、冷却風で前記ラジエータ４４からの放熱を促進する。

次に、燃料の消費とこれによる発電エネルギについて説明する。例として、前記ガスボンベ２９にプロパンC₃H₈が２０kgが充填されているボンベを使った場合を想定する。C₃H₈の分子量は44、すなわち1モル、標準状態（０℃，１気圧）22.4リットルの質量が44である。一方、標準状態におけるプロパンの低発熱量(以後、発熱量と略す)は90.7MJ/m³である。

C₃H₈の1m³の質量は44g×1000/22.4＝1964gである。従って、20kgボンベには標準状態で(20kg)/(1.964kg/m³)＝10.18m³のプロパンが充填されている。その発熱量は90.7MJ/m³×10.18m³=923MJ(=923×10³kJ)となる。これだけの熱量で発電できる電気エネルギを求め、72時間1kWを供給できるかを検討する。

摩擦損失の小さい低速で回転する多点点火のエンジンで安定して得られた熱効率は36%である。発電機の効率を95%、直流→交流インバータ７１の転換効率を93%とする。また、接合点Ｐ２からの出力を最大の1kWを出し続けるとして、エンジンで消費するエネルギは、(1kJ/s)/(0.36×0.95×0.93)=3.1441kJ/sとなる。923×10³kJを消費する時間は(923×10³kJ)/(3.144kJ/s)≒293600s、即ち約81.5時間となる。20kgボンベ1本で８１時間以上の発電が可能であり、余裕をもって目標の７２時間を達成することができる。

商用電源（主電源）が回復するとこれを前記総合コントロールユニット（ＴＣＵ）６１が関知し、前記オン・オフスイッチ８２を開き、且つ前記オン・オフスイッチ８１を閉じて接合点Ｐ１からは接合２に主電源の電力が供給される。また、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２はエンジンを停止させると同時に前記電磁弁２７を閉じて、燃料を遮断する。そして図1の状態に戻る。

以上のように、何等かの事故等により商用電源が喪失した瞬間から電力はブラックアウトするが、本発明のガスエンジン１が始動して定格の回転数に達して回る交流発電機３から電力が供給できるようになるまでに、僅かな時間（約１０〜約４０秒前後）が掛かるのみである。このような僅かな時間（図３においてｂ工程時間）のみがブラックアウトするのみであり、その後は、商用電力が回復するまでの最大２〜３日間程度は前記直流発電機３による電力にて賄うことできる優れた発明である。

このような供給電力をフロー図（図３参照）で説明すると、商用電源による電力をａ工程時間、ブラックアウトする時間をｂ工程時間、ガスエンジン１による発電した電力を、ｃ工程時間として表している。図３では、２回のブラックアウトが発生してその都度ガスエンジン１による給電が行われている。そのブラックアウトする時間は実際には、約１０〜約４０秒前後であり、この時のみ別の小型のＵＰＳ（無停電電源装置）にてＰＣ等の電子機器対策を行えば、大きな容量の信号機や店の電源等は本発明のガスエンジン１による発電供給にて十分に対応できるものである。

前記ガスエンジン１が所定の出力より低い出力で定格の回転数で回っているとき急に要求電気出力が増大したとする。負荷の増大によりエンジンの回転数は低下する。これを回復しようとしてエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２からの信号で燃料供給装置２のスロットルを開くが、所定の回転数に戻るまでには短時間ではあるが時間を要する。

出力の余力が少ない小型エンジンではこれに対抗できずに、接合点Ｐ２の出力電圧が低下したり、極端な場合にはガスエンジン１が止まってしまうことがある。小型エンジンであってもガスエンジン自体で負荷の急な増大に対応できるようにしておくことも必要である。このような手段としてフライホイール９を設けることもある。

その構造としては、図１及び図２に示すように、外周囲の厚肉外周部を有するフライホイール９は、前記ガスエンジン１のクランクシャフトの端部に止着ボルトにて固定されている。さらに、前記フライホイール９の中央位置に形成されたボス部内の雌型スプラインに、前記直流発電機３の中央に設けた雄型スプライン３５が嵌合して固着されている。極めて簡易な構成で取付られている。

回転慣性モーメントＩｐ（単位はkgm²）が大きいと回転の下りが緩やかとなる。突入直後のエンジン回転数は従来型より高い。高いと吸い込み回数が多いのでミキサから前記シリンダ１内を満たすまでの時間が短くなる。すると、その間に供給される混合気の量が増大する。発生する熱エネルギが多い、即ち、力強く吹き上がる。前記回転慣性モーメントＩｐの大きさは100cc〜300ccのエンジンで1.2kgm²〜1.0kgm²であり、４シリンダの2000cc〜3500ccの火花点火エンジンと略同じ大きさである。

また、前記フライホイール９を設けた本発明のグラフと従来技術とを比較すると、従来技術では、非常時におけるガスエンジン１に急激な電気負荷が発生したときに、エンジン回転数が低下してエンスト限界まで立上りが下がり、収束（収斂）されるが遅く、本発明の立上げによる収束（収斂）時間は約半分であり、極めてエンストしにくい構成にできる利点がある。

前記直流発電機３としては、前記ガスエンジン１からの前記フライホイール９に直結した回転子３１に整流子３２が設けられ、整流子３２にはブラシ３４が接触可能に取り付けられている。前記回転子３１には、ステーターコイル３３が設けられている。これによって、前記ガスエンジン１の回転と同速度で前記直流発電機の回転子28が回転する。発電する電力の制御はブラシ３４から整流子３２、そして回転子３１に供給される励磁電流で行う。

前記総合コントロールユニット（ＴＣＵ）６１はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２から供給された電力で励磁電流を制御しながら回転子３１に供給する。これにより前記ステーターコイル３３には所定の電圧の電力が発生する。該ステーターコイル３３からの直流電力は直流→交流インバータ７１で商用電源と同じ電圧と周波数の交流に変換され、オン・オフスイッチ８２を経て接合点Ｐ２から出力する。

ここで、電気負荷が大きいとガスエンジン１の要求トルクが増大して回転数が下がるので、前記エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２からの信号でスロットルアクチュエータ２１を作動させてスロットル２０の開度を増大させて所定の回転数に維持する。回転数が上がり過ぎるとこの逆の制御を行う。

電気負荷の急な増大にフライホイール９の回転のエネルギだけでは不足するような場合の対策について説明すると、電気負荷が急に増大すると電圧は低下する。そしてガスエンジン１の回転数も所定の回転数Ｎｅ(例えば２０００rpm)から大きく低下する。すると、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２からの信号でスロットル２０は開度を増大させるので、ガスエンジン１の回転数は所定の回転速度Neに達する。しかし、そのままではさらに上昇し、発電電圧は所定の値を越してしまい、暴走状態になることがある。

そこで、図４で説明するスロットル開度制御を行う。下段のように、時刻Ｔで電気負荷がＬ１からＬ２に増大すると、中段のように即座にＬ１のときに所定のガスエンジン回転数を維持してきたスロットル開度β1からフロスロットルの状態にする。すると、上段のように一旦(1)まで低下したガスエンジン回転数は上昇し出す。

そして(2)で所定の回転数Neに達する。そこで中段のようにスロットル開度を、例えば1秒当たりに徐々に5%、あるいは1秒毎にステップ状に5%閉じる。これによりガスエンジン回転数の上昇が鈍り、低下に転ずる。(2)でNeまで下がつた瞬間に今度は毎秒当たり徐々に4%あるいは、ステップ状に4%開く。そして(4)に達したら3%ずつ閉じる。これを繰り返すと所定の回転数(例えば1800rpm)を維持するスロットル開度に収束する。 なお、この5%や4%などではなく実情により変えてもよいのは言うまでもない。

電気負荷が徐々に増大した場合にはガスエンジン１の回転数が徐々に下がるので、いきなりフルスロットルにせずにクランク回転センサ４８で検出した回転数が所定の回転数を維持するように、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２からの信号でスロットル２０を開く。ガスエンジン１の回転数が徐々に上がつた場合はこの逆で、前記クランク回転センサ４８で検出した回転数が所定の回転数を維持するように、前記エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２からの信号で前記スロットル２０を閉じる。

商用電源の復帰を総合コントロールユニット（ＴＣＵ）６１が検出したら、該総合コントロールユニット（ＴＣＵ）６１はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２にガスエンジン１の停止の信号を送るとともに、非常用電力系のオン・オフスイッチ８２をオフにすると同時にオン・オフスイッチ８１をオンにする。一方、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６２は点火をカットしスロットルアクチュエータ２１でスロットル２０を閉じ、電磁弁２７も閉じる。これで商用電源は接合点Ｐ１から本装置を素通りして接合点Ｐ２から出力される。なお、何らかの都合で点火カットが一瞬遅れても、前述のようにフライホイール９の回転慣性モーメントを大きく設定しておけば回転が上がり過ぎて、ガスエンジンを破壊するようなことはない。

前記各オン・オフスイッチ８１、８２は、各々オン・オフリレースイッチとして構成することもある。これらのリレースイッチは電磁的に接点を開閉しても半導体を用いた通常の無接点スイッチなどである。主に経済性による。また、図４の表では、特に、本発明の特徴が表わされている。

つまり、停電と復帰が所定時間（１日とから、３日とか）間隔で続いたとしても、その非常時においても、エンジン用バッテリ５を充電する構成であることによる。かかる構成は従来には存在しなかった最大の利点である。例えば、最近では、熊本大地震で、２４時間以内に震度７が２度も続いた場合でも十分に対応できる発明である。

一般には、公知技術であるスロットル２０を適宜開けると、ＬＰＧは前記オリフィス１８ａ箇所から吸気ダクト１８内に流入するが、あたかも、単に水道水が流入するようになっており、ＬＰＧも気体であり、空気とは、混合しにくい状況であり、前記ＬＰＧと空気との混合された混合気が、前述したように、前述したシリンダ１１内でのスワールＳ現象等によって、空気とＬＰＧとが良好に混合して、燃焼効率の良好なガスエンジン１を提供できるものである。

本発明の簡易型非常用電力供給装置には、組み込みの音声出力回路を備えるようにしたものである。具体的には、図７及び図８に示すように、総合コントロールユニット(ＴＣＵ)６１の内部に音声出力部６３が組み込まれている。さらに、本発明装置が屋外等に設置されている場合には、前記総合コントロールユニット(ＴＣＵ)６１から離れた屋内の適所に音声出力部６３が配設されて同ＴＣＵ６１に組み込まれている。前記音声出力部６３はコンピュータから出力されたり、或いはスピーカが内蔵されることもある。

組み込みの音声出力回路の出力としては、通常時及び非常時において常時充電されている前記エンジン用バッテリ５に連結され、この出力を前記総合コントロールユニット(ＴＣＵ)６１の制御にて音声情報として出力可能に構成されている。まず、非常時にとして突然の停電（ブラックアウト状態）であっても、本装置では、約１，２分でガスエンジン１による発電供給ができる発明であるが、停電と同時に、音声出力にて安心感を提供するものである。

つまり、突然の停電時においての最大の不安を感じる点を、数分以内で点灯することを音声出力（数回が好適）にて安心化させる構成である。特に、数分以内で点灯させるハード面での構成と、例え簡単なる構成であったとしても安心感保持のソフト面とが協働することで多大なる安心安全な効果を奏する簡易型非常用電力供給装置を提供できる。

非常時のフローチャートとしては、図９に示すように、停電した（Ｓ１）瞬間に、ガスエンジン１が始動準備に入る。つまり、エンジン始動準備となる（Ｓ２）。同時に、前記総合コントロールユニット(ＴＣＵ)６１内又は屋内の音声出力部６３から第１音声が出力される（Ｓ３）。例えば「安心して下さい。エンジン発電機が稼働します。」等である。

そして、数秒後には、ガスエンジン１の準備が完了する（Ｓ４）。この準備完了と同時に、前記音声出力部６３から第２音声が出力される（Ｓ５）。例えば、「エンジンを始動します。」等である。そして、前記スタータモータ４１を回転させてガスエンジン１をスタートオンする（Ｓ６）。

これでガスエンジン１を始動させる（Ｓ７）。該ガスエンジン１が始動して定格の回転数に達することで交流発電機３から電力が供給できる状態となる。すると、前記音声出力部６３から第３音声が出力される（Ｓ８）。例えば、「通電を開始します。」等である。この状態図が図８である。そして、通電開始が行なわれる（Ｓ９）。

このようにして、ガスエンジン１の発電機によって非常時の電力供給が行なわれる。具体的には、停電時におけるＳ１からＳ９の電力供給までの一連の動作の全体時間としても約１、２分程度である。なお、停電が発生して本機が作動すると、停電の長さが短い時は問題ないが１０時間も続くと燃料の補給と共に点検をおこなうので、このときにも本発明のシステムをリセットする。

さらに、本発明では、通常時（停電時でないとき）においても、一定期間後に、例えば、半年おきとか、１年おきに、非常用発電機の存在や、本装置の定期点検情報をアナウンスすることで安心感を与える構成とされている。この具体的な構成としては、前記総合コントロールユニット(ＴＣＵ)６１内蔵のタイマの信号にて時間的なタイミングは制御されている。

通常時のフローチャートとしては、図９に示すように、所定の時間経過後において（半年後、又は１年後）（Ｓ１０）、アナウンスを行なう（Ｓ１１）。このアナウンスとしては、最重要事項として、非常電源装置の存在のお知らせを行なう。例えば、「この建物には非常発電機が設置されています。」と出力する。これでも、この建物の危機管理機能を備えた建物であることは十分に出力できる。

さらに、続けてのアナウンスとして、定期点検情報も出力できる。例えば、「この際、定期点検・整備をお奨めします。」等と出力する。この情報出力の重要性としては、建物所有者の管理情報と建物をユーザーとが一体化した総合的な危機管理が可能な点にある。
なお、定期点検・整備が済んだらこの本発明のシステムがリセットされ、ゼロ時間からスートする。定期点検・整備時には必ずエンジンの始動点検を行うのでスタータシグナルでリセットしてもよい。

１…ガスエンジン、１１…シリンダ、１２…シリンダヘッド、１３…点火プラグ、
１５…吸気バルブ、１７…排気バルブ、１２ａ…扁平球面状凹面、１２ａ…膨出部、
２…燃料供給装置、３…交流発電機、５…エンジン用バッテリ、
６１…総合コントロールユニット(ＴＣＵ)、
６２…エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）、６３…音声出力部、
８１，８２…オン・オフスイッチ、９…フライホイール。

Claims (7)

1. 排気量５０cc〜５００ccの小型のＬＰＧ用のガスエンジンと，該ガスエンジンの起動により発電する直流発電機と，エンジン用バッテリを有するエンジンコントロールユニットと，複数のオン・オフスイッチと，該オン・オフスイッチを制御する総合コントロールユニットとを備え、
   前記ガスエンジンのシリンダには２個の点火プラグが設けられると共に、前記シリンダを平面的に見て、第１の点火プラグ，吸気バルブ，第２の点火プラグ及び排気バルブが周回りに配され、且つ前記吸気バルブからの吸気が前記シリンダ内を平面的に見て、接線方向乃至接線に近似する方向に流入するように構成されてなり、
   通常時においては、前記オン・オフスイッチを介して商用電源の電力供給側を通電状態とし、何等かの事故等により前記商用電源が喪失した瞬間から前記エンジン用バッテリ及び前記エンジンコントロールユニットにて前述した構成の前記ガスエンジンを約１、２分内に起動させて該起動力により前記直流発電機にて発電し、前記ガスエンジンで発電した直流電力を交流電力に変換させつつ前記電力供給側に給電し、前記商用電源の復帰時まで前記ガスエンジンのみの電力にて給電し続けると共に前記商用電源の復帰時までの時間としてプロパン２０kgが充填済のボンベ１本で１ＫＷの電力を少なくとも７２時間は前記ガスエンジンのみの電力にて給電できるようにしてなり、
   前記事故時の前記ガスエンジンによる電力にても、或いは通常時の電力にても前記エンジン用バッテリに対して充電作用を提供してなることを特徴とする簡易型非常用電力供給装置。
2. 請求項１に記載の簡易型非常用電力供給装置において、前記ガスエンジンの前記吸気バルブ，前記第１の点火プラグ，前記排気バルブ及び前記第２の点火プラグが４等分に配されてなることを特徴とする簡易型非常用電力供給装置。
3. 請求項１又は２に記載の簡易型非常用電力供給装置において、前記ガスエンジンのシリンダ内に流入した混合気の主流が前記点火プラグの点火点を直撃せず、かつその近傍を流れるように構成されてなることを特徴とする簡易型非常用電力供給装置。
4. 請求項３に記載の簡易型非常用電力供給装置において、前記ガスエンジンのシリンダ上部のシリンダヘッド下面が扁平球面状凹面に形成されつつ、該扁平球面状凹面の下側面に、膨出部が１個の前記点火プラグの手前側で且つ前記混合気の下流側になるようにして設けられてなることを特徴とする簡易型非常用電力供給装置。
5. 請求項１，２，３又は４に記載の簡易型非常用電力供給装置において、前記ガスエンジンと前記直流発電機との間にフライホイールが設けられてなることを特徴とする簡易型非常用電力供給装置。
6. 請求項１，２，３，４又は５に記載の簡易型非常用電力供給装置において、複数の前記オン・オフスイッチを前記総合コントロールユニットからの信号でオン・オフさせ、且つその電力はエンジンコントロールユニットと同等の低電圧の前記エンジン用バッテリから供給することを特徴とする簡易型非常用電力供給装置。
7. 請求項１，２，３，４，５又は６に記載の簡易型非常用電力供給装置において、前記オン・オフスイッチをオン・オフリレースイッチとしたことを特徴とする簡易型非常用電力供給装置。

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