JP2000257510A

JP2000257510A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2000257510A
Application number: JP11057966A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Tsukita; 田宣朗槻; Tatsuo Sakonji; 樹生左近司
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1999-03-05
Filing date: 1999-03-05
Publication date: 2000-09-19

Abstract

(57)【要約】【課題】排気ガスタービン過給機を使用したストイキ
燃焼エンジンの負荷投入性を向上して、高効率及び高出
力と、良好な負荷投入性とを同時に達成することが出来
る様な内燃機関の提供。【解決手段】発電機（２４）と組み合わされ且つ常用
時及び非常時に兼用される内燃機関（１０）において、
内燃機関（１０）に対する混合気投入量を増大するため
の混合気投入量増大機構（３０、６０）を設けたことを
特徴としている。ここで前記内燃機関（１０）は、例え
ば排気ガスタービン過給機（２０）を備えたストイキ燃
焼エンジンである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関、特に発電装
置と組み合わされて、しかも常用発電装置と非常用発電
装置とを兼用する内燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関、例えば都市ガスを燃料として
用いており且つ発電機と組み合わされてコージェネレー
ションシステムに利用される定置式のガスエンジンにお
いて、常用発電装置と非常用発電装置とを兼用する場合
には、負荷投入性が防災に関連した電気設備全体のシス
テム性能を左右する。ここで負荷投入性とは、内燃機関
（エンジン）が、無負荷のアイドリング状態から、一定
の回転数（周波数）を保ったまま、瞬時に出力できる軸
出力（発電出力）の大きさを示し、或いは、アイドリン
グ状態から瞬時に作用させる事が出来る負荷の大きさを
示している。そして、負荷投入性が良好であれば、大容
量の電気負荷に対しても、安定した電力供給が可能であ
る。

【０００３】一般的に、常用時における高効率、高出力
を得るために、排気ガスタービン過給機により、排気ガ
スが保有するエネルギを回収して高い圧力でエンジン燃
焼室内に混合気を押し込む事が行われる。しかし、排気
ガスタービン過給機を使用した場合には、アイドリング
時には排気ガスが保有するエネルギが小さいため、その
エネルギを回収したとしても過給圧力は低く、過給圧力
が所定値まで上昇する（立ち上がる）のに時間がかかっ
てしまう。そのため、停電時その他の緊急時（非常時）
の様に、負荷が急激に増大する場合には、排気ガスター
ビン過給機を使用したエンジンでは対応が困難であっ
た。

【０００４】発電装置に用いられるガスエンジンとして
は、理論混合比（空気比λ＝１）で燃焼させるストイキ
燃焼エンジンと、空気が過剰な状態（空気比λ＝１．４
−２．１程度）で燃焼させる希薄燃焼エンジンとが存在
する。そして、排気ガスタービン過給機を用いた場合に
おいて、ストイキ燃焼エンジンと希薄燃焼エンジンとを
比較すると、希薄燃焼エンジンの方が過給圧力は高く、
負荷投入性が悪い。しかしながら、希薄燃焼エンジンの
場合には元々空気が過剰であるため、停電時その他の緊
急時（非常時）における対応手段として、燃料ガスのバ
イパス系統を設け、非常時にタイミング良く混合気の空
気比λを１近傍にシフトする事が可能である。そして、
非常時に混合気の空気比λを１近傍にシフトする事によ
り、運転状態を安定させて、負荷投入性を向上させる事
が可能である。換言すれば、排気ガスタービン過給機を
使用したエンジンであっても、希薄燃焼エンジンであれ
ば、常用時、非常時兼用のエンジンとして、停電時その
他の緊急時（非常時）の様に、負荷が急激に増大する場
合にも対応する事が出来る。

【０００５】これに対して、ストイキ燃焼エンジンにお
いては、常用時において既に空気比λを１にて運転を行
っているので、希薄燃焼エンジン等の場合のように、非
常時に空気比λを１近傍にシフトして、負荷投入量の増
大を図る事が出来ない。

【０００６】従来技術において、排気ガスタービン過給
機を使用したストイキ燃焼エンジンの負荷投入性を向上
して、高効率及び高出力と、良好な負荷投入性とを同時
に達成しようとする試みが為されてきた。しかし、高効
率、高出力、良好な負荷投入性を同時に成立させたもの
は、未だに提案されていない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述した従来
技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、排気ガス
タービン過給機を使用したストイキ燃焼エンジンの負荷
投入性を向上して、高効率及び高出力と、良好な負荷投
入性とを同時に達成することが出来る様な内燃機関の提
供を目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の内燃機関は、発
電機と組み合わされ且つ常用時及び非常時に兼用される
内燃機関において、内燃機関に対する混合気投入量を増
大するための混合気投入量増大機構を設けたことを特徴
としている。ここで前記内燃機関は、例えば排気ガスタ
ービン過給機を備えたストイキ燃焼エンジン（理論空燃
比λ＝１で燃焼するガスエンジン）である。

【０００９】かかる構成を具備する本発明の内燃機関に
よれば、停電時その他の緊急時或いは非常時において、
前記混合気投入量増大機構を作動せしめ、燃料ガス濃度
が変化すること無く、吸気系を流れる混合気の流量を増
大し、吸気系内の圧力（吸気管圧力）を増大させる事が
出来る。そして、混合気投入量増大機構により吸気管圧
力が増加すれば、例えば図２から明らかな様に、エンジ
ン出力も増加する。ここで、増加したエンジン出力は、
大気圧で押し込めるだけの負荷投入可能なエンジン出力
に対する増加分であり、混合気投入量増大機構の作用に
より増加した投入可能な負荷である。すなわち、混合気
投入量増大機構により吸気管圧力を増加すれば、増加し
たエンジン出力に対応する分だけ、負荷投入性も向上す
るのである。

【００１０】その結果、高出力、高効率の排気ガスター
ビン過給機を備えたストイキ燃焼エンジンの負荷投入性
を向上する事が出来る。換言すれば、高出力、高効率、
良好な負荷投入性を同時に充足する内燃機関が提供され
るのである。

【００１１】本発明の実施に際して、前記混合気投入量
増大機構は、ベンチュリミキサと、該ベンチュリミキサ
に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、コンプレッ
サと、コンプレッサで圧縮された圧縮エアを貯蔵する圧
縮エアタンクと、圧縮エアを噴射する噴射ノズルと、圧
縮エアタンクから噴射ノズルに至る配管系に介装された
開閉手段、とを備えているのが好ましい。そして、この
混合気投入量増大機構は、排気ガスタービン過給機の吸
気コンプレッサよりも上流側に設けられているのが好ま
しく、或いは、吸気系において、排気ガスタービン過給
機の吸気コンプレッサと、スロットルとの間の領域に設
けられているのが好ましい。

【００１２】また、前記混合気投入量増大機構は、スロ
ットルよりも下流側における吸気系に設けられており、
吸気系に合流する給気管と、該給気管に介装されたミキ
サと、吸気機構に連通して比較的高圧のエアを供給する
給気用配管と、燃料ガス供給機構に連通する燃料ガス用
配管とを備えており、前記ミキサは、給気用配管で供給
される高圧エアと燃料ガス用配管で供給される燃料ガス
とを混合して比較的高圧の混合気として前記吸気管へ供
給する様に構成されているのが好ましい。

【００１３】或いは、前記混合気投入量増大機構は、排
気ガスタービン過給機の吸気コンプレッサ或いは排気タ
ービンに結合され且つ該タービンを強制的に回転する様
に構成されたタービン回転機構から構成されているのが
好ましい。

【００１４】ここで、前記タービン回転機構は、吸気コ
ンプレッサ或いは排気タービンと結合している第３のタ
ービンと、該第３のタービンに圧縮エアを吹き付けて回
転させるための圧縮エア供給管路及び圧縮エア源とを有
するのが好ましい。そして、吸気コンプレッサ或いは排
気タービンと第３のタービンとを結合している軸を分離
・接続するカップリングを有するのが好ましい。

【００１５】これに加えて、本発明の実施に際しては、
前記混合気投入量増大機構は、ガスエンジンに接続され
た発電機の出力電流の周波数を計測する周波数計測手段
からの信号により作動する様に構成されているのが好ま
しい。或いは、前記混合気投入量増大機構は、ガスエン
ジンに接続された発電機に設けた発電機盤から発生する
発電負荷急増信号により作動する様に構成されているの
が好ましい。さらに、前記混合気投入量増大機構は、吸
気系に設けた圧力センサからの信号により作動する様に
構成されているのが好ましい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図１−図８を参照して、本
発明の実施の形態について説明する。なお、図におい
て、同様な部材は同様な符号を付してある。

【００１７】図１において、全体を符号１０で示す所謂
「ストイキ燃焼エンジン」であるガスエンジン（内燃機
関）は、その吸気系１２及び排気系１４にそれぞれ吸気
側タービン１６、排気タービン１８がそれぞれ介装され
ており、タービン１６、１８は排気ガスタービン過給機
（ターボチャージャ）２０を構成している。そして、吸
気系１２の吸気コンプレッサ１６の下流側（ガスエンジ
ン１０側）には、スロットル２２が介装されている。さ
らに、ガスエンジン１０には発電機２４が結合されてお
り、発電機２４には出力電流の周波数を計測する周波数
計測手段２６が設けられている。

【００１８】吸気系１２の吸気コンプレッサ１６の上流
側（吸気側）には、混合気投入量を増大するための機構
（混合気投入量増大機構）が設けられており、図１にお
いて、混合気投入量増大機構は全体を符号３０で示され
ている。

【００１９】混合気投入量増大機構３０は、ベンチュリ
ミキサ３２と、ベンチュリミキサ３２に燃料ガスを供給
する燃料ガス供給手段３４と、コンプレッサ３６と、コ
ンプレッサ３６で圧縮された圧縮エアを貯蔵する圧縮エ
アタンク３８と、ベンチュリミキサ３２に圧縮エアを噴
射する噴射ノズル４０、とを備えている。ここで、燃料
ガス供給手段３４は、図示しない燃料ガス供給源とベン
チュリミキサ３２とを連通しており、ベンチュリミキサ
３２内を流れる空気流の流速或いは流量が増大すると、
それに対応して燃料ガス供給量が増大する様に構成され
ている。

【００２０】また明確には図示されていないが、圧縮エ
アタンク３８には電磁弁（圧縮エアタンクから噴射ノズ
ルに至る配管系に介装された開閉手段）が内蔵されてお
り、該電磁弁は、信号伝達ラインＣＬを介して発電機２
４の周波数計測手段２６からの信号を受信して開閉する
様に構成されている。この場合、周波数計測手段２６に
代えて、発電機２４に発電機盤（図示せず）を設け、該
発電機盤は停電時その他の緊急時に発電負荷急増信号を
発生し、該信号が信号伝達ラインＣＬを介して送出され
るように構成しても良い。或いは、吸気系１２に圧力セ
ンサ（図示せず）を設け、停電時その他の緊急時におい
て吸気系１２内の圧力が低下したならば、その旨を示す
出力信号が信号伝達ラインＣＬを介して送られるように
構成しても良い。

【００２１】次に、この実施形態の作用を説明する。

【００２２】通常時、換言すれば図１の実施形態が常用
発電装置として用いられている場合には、前記混合気投
入量増大機構３０は格別の作動は行わない。

【００２３】これに対して、非常時、すなわち停電時そ
の他の緊急時においては、商用電力系統と分離された単
独運転状態で防災負荷等の大きな負荷が瞬時にかかる
と、発電機２４の出力電流の周波数が減少するので、周
波数計測手段２６は発電機２４の出力電流周波数が大幅
に減少した旨の信号を出力する。その信号は信号伝達ラ
インＣＬを介して圧縮エアタンク３８に設けられた電磁
弁（図示せず）を開放状態とする。その結果、コンプレ
ッサ３６によりタンク３８内に貯蔵された圧縮エアが噴
射ノズル４０から噴出し、吸気系１２内のベンチュリミ
キサ３２を通過する。

【００２４】その際に、ノズル４０から噴射された圧縮
エア噴流の分だけベンチュリミキサ３２を通過する空気
流量（或いはその流速）が増大するため、燃料ガス供給
手段３４から吸気系１２内へ供給される燃料ガスの供給
量も増大し、燃料ガス濃度が変化すること無く、吸気系
１２内を流れる混合気の流量が増大し、吸気系１２内の
圧力（吸気管圧力）も増大する事となる。

【００２５】図２を参照すれば明らかなように、上述し
た混合気投入量増大機構３０により吸気管圧力（図２に
おける縦軸）が図２において符号ｖだけ増加すれば、エ
ンジン出力（図２における横軸）も図２において符号ｕ
で示すだけ増加する。ここで、増加したエンジン出力ｕ
は、大気圧で押し込めるだけの負荷投入可能なエンジン
出力に対する増加分であり、混合気投入量増大機構３０
の作用により増加した投入可能な負荷である。換言すれ
ば、混合気投入量増大機構３０により吸気管圧力を符号
ｖだけ増加すれば、図２において符号ｕで示すエンジン
出力に対応する量だけ、負荷投入性も向上するのであ
る。

【００２６】図３は本発明の第２実施形態を示してい
る。図１で示す第１実施形態では、混合気投入量増大機
構３０は、吸気コンプレッサ１６よりも上流側（吸気
側）に配置されている。これに対して、図３の第２実施
形態では、混合気投入量増大機構３０は、吸気コンプレ
ッサ１６とスロットル２２との間の領域に配置されてい
る。

【００２７】その他の構成及び作用については、図３の
第２実施形態は図１の第１実施形態と同様である。

【００２８】図４は本発明の第３実施形態を示してい
る。図４において、吸気系１２のスロットル２２よりも
下流側（エンジン１０側）の領域には、給気管５０が合
流しており、該給気管５０はミキサ５６を介装してい
る。このミキサ５６は、図示しない吸気機構に連通して
比較的高圧のエアを供給する吸気用配管５２と、図示し
ない燃料ガス供給機構に連通する燃料ガス用配管５４
と、配管５２で供給される高圧エアと配管５４で供給さ
れる燃料ガスとを混合して比較的高圧の混合気として給
気管５０へ供給する様に構成されている。

【００２９】図４の第３実施形態は、常用時にはミキサ
５６は作動せず、給気管５０から吸気系１２へ混合気が
供給されることは無い。一方、停電時その他の緊急時に
おいては、ミキサ５６が作動して、配管５２から供給さ
れる高圧エアと配管５４から供給される燃料ガスとを混
合し、給気管５０を介して比較的高圧の混合気を吸気系
１２へ供給する。その結果、図１の第１実施形態と同様
に、給気管圧力が増加し、それに対応して負荷投入性も
向上するのである。

【００３０】図４で示す実施形態における他の構成及び
作用は、図１の実施形態と同様である。

【００３１】図５は本発明の第４実施形態を示してい
る。図１で示す実施形態におけるベンチュリミキサ３２
を有する混合気投入量増大機構３０に代えて、この実施
形態における混合気投入量増大機構は、吸気コンプレッ
サ１６に結合され且つ吸気コンプレッサ１６を強制的に
回転する様に構成されたタービン回転機構６０から構成
されている。

【００３２】停電時その他の緊急時においては、タービ
ン回転機構６０により吸気タービン１６を強制的に回転
する。その結果、吸気系１２内の圧力（吸気管圧力）が
上昇し、負荷投入性が向上するのである。その他の構成
及び作用については、図１の実施形態と同様である。

【００３３】図６で示す第５実施形態は、タービン回転
機構６０を排気タービン１８と結合している。そして、
停電時その他の緊急時においては、排気タービン１８を
強制的に回転し、以って、吸気系１２を介してエンジン
１０に投入される混合気供給量を増加せしめ、吸気管圧
力を上昇して、負荷投入性を向上せしめている。

【００３４】その他の構成及び作用は、上述した実施形
態と同様である。

【００３５】図７で示す第６実施形態は、図６において
符号６０で総括的に示したタービン回転機構を、より具
体的に示している。図７において、排気タービン１８は
軸６１を介して第３のタービン６２と結合している。こ
の第３のタービン６２は、圧縮エア源６４から圧縮エア
供給管路６６を介して圧縮エアが吹き付けられて回転す
る様に構成されている。

【００３６】停電時その他の緊急時においては、圧縮エ
ア源６４から圧縮エア供給管路６６を介して第３のター
ビン６２に対して圧縮エアが吹き付けられる。その結
果、第３のタービン６２が回転し、以って排気タービン
１８が強制的に回転する事となり、エンジン１０に投入
される混合気供給量が増加し、負荷投入性が向上する。
その他の構成及び作用は、上述した実施形態と同様であ
る。なお、軸６１、第３のタービン６２、圧縮エア源６
４、圧縮エア供給管路６６を、排気タービン１８ではな
く、吸気コンプレッサ１６に設ける事も可能である。

【００３７】図８で示す第７実施形態は、図７で示す第
６実施形態と概略同様である。しかし、図８で示す第７
実施形態では、排気タービン１６と第３のタービン６２
とを連結する軸６１は、カップリング７０により、排気
タービン１６側の部分６１Ａと、第３のタービン６２側
の部分６１Ｂとに分割されている。

【００３８】図８において、常用時にはカップリング７
０は部分６１Ａと部分６１Ｂとを完全に分離して、第３
のタービン６２が排気タービン１８の回転に際して損失
として作用してしまう事を防止している。一方、停電時
その他の緊急時（非常時）においては、カップリング７
０は部分６１Ａと部分６１Ｂとを接続し、以って、第３
のタービン６２の回転を確実に排気タービン１８に伝達
するのである。

【００３９】その他の構成及び作用は、上述した実施形
態と同様である。なお、軸６１、カップリング７０、第
３のタービン６２、圧縮エア源６４、圧縮エア供給管路
６６は、吸気コンプレッサ１６に設ける事も出来る。

【００４０】

【発明の作用】以上説明したように、本発明によれば、
停電時その他の緊急時（非常時）において、混合気の燃
料ガス含有率を所謂理論空燃比に保ちつつ、吸気系を流
れる混合気の流量を増加する事が出来るので、吸気系内
の圧力（吸気管圧力）を向上して、それに対応して負荷
投入性を向上させる事が出来る。

【００４１】換言すれば、常用時における高効率及び高
出力と、高い負荷投入性とを同時に成立させる事が出来
るのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示すブロック図。

【図２】図１の実施形態の作用を説明する特性図。

【図３】本発明の第２実施形態を示すブロック図。

【図４】本発明の第３実施形態を示すブロック図。

【図５】本発明の第４実施形態を示すブロック図。

【図６】本発明の第５実施形態を示すブロック図。

【図７】本発明の第６実施形態を示すブロック図。

【図８】本発明の第７実施形態を示すブロック図。

【符号の説明】

１０…ガスエンジン１２…吸気系１４…排気系１６…吸気コンプレッサ１８…排気タービン２０…排気ガスタービン過給機２２…スロットル２４…発電機２６…周波数計測手段３０…混合気投入量増大機構３２…ベンチュリミキサ３４…燃料ガス供給手段３６…コンプレッサ３８…圧縮エアタンク４０…噴射ノズル５０…給気管５２…吸気用配管５４…燃料ガス用配管５６…ミキサ６０…タービン回転機構６１…軸６１Ａ…排気タービン側の部分６１Ｂ…第３のタービン６２側の部分６２…第３のタービン６４…圧縮エア源６６…圧縮エア供給管路７０…カップリング７０

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発電機と組み合わされ且つ常用時及び非
常時に兼用される内燃機関において、内燃機関に対する
混合気投入量を増大するための混合気投入量増大機構を
設けたことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】前記内燃機関は、排気ガスタービン過給
機を備えたストイキ燃焼エンジンである請求項１の内燃
機関。
【請求項３】前記混合気投入量増大機構は、ベンチュ
リミキサと、該ベンチュリミキサに燃料ガスを供給する
燃料ガス供給手段と、コンプレッサと、コンプレッサで
圧縮された圧縮エアを貯蔵する圧縮エアタンクと、圧縮
エアを噴射する噴射ノズルと、圧縮エアタンクから噴射
ノズルに至る配管系に介装された開閉手段、とを備えて
いる請求項２の内燃機関。
【請求項４】前記混合気投入量増大機構は、排気ガス
タービン過給機の吸気コンプレッサよりも上流側に設け
られている請求項２、３のいずれかの内燃機関。
【請求項５】前記混合気投入量増大機構は、吸気系に
おいて、排気ガスタービン過給機の吸気コンプレッサ
と、スロットルとの間の領域に設けられている請求項
２、３のいずれかの内燃機関。
【請求項６】前記混合気投入量増大機構は、スロット
ルよりも下流側における吸気系に設けられており、吸気
系に合流する給気管と、該給気管に介装されたミキサ
と、吸気機構に連通して比較的高圧のエアを供給する給
気用配管と、燃料ガス供給機構に連通する燃料ガス用配
管とを備えており、前記ミキサは、給気用配管で供給さ
れる高圧エアと燃料ガス用配管で供給される燃料ガスと
を混合して比較的高圧の混合気として前記吸気管へ供給
する様に構成されている請求項２の内燃機関。
【請求項７】前記混合気投入量増大機構は、排気ガス
タービン過給機の吸気コンプレッサ或いは排気タービン
に結合され且つ該タービンを強制的に回転する様に構成
されたタービン回転機構から構成されている請求項２の
内燃機関。
【請求項８】前記タービン回転機構は、吸気コンプレ
ッサ或いは排気タービンと結合している第３のタービン
と、該第３のタービンに圧縮エアを吹き付けて回転させ
るための圧縮エア供給管路及び圧縮エア源とを有する請
求項７の内燃機関。
【請求項９】吸気コンプレッサ或いは排気タービンと
第３のタービンとを結合している軸を分離・接続するカ
ップリングを有する請求項８の内燃機関。
【請求項１０】前記混合気投入量増大機構は、ガスエ
ンジンに接続された発電機の出力電流の周波数を計測す
る周波数計測手段、およびエンジン回転数計測手段から
の信号により作動する様に構成されている請求項３−９
のいずれか１項の内燃機関。
【請求項１１】前記混合気投入量増大機構は、ガスエ
ンジンに接続された発電機に設けた発電機盤から発生す
る発電負荷急増信号により作動する様に構成されている
請求項３−９のいずれか１項の内燃機関。
【請求項１２】前記混合気投入量増大機構は、吸気系
に設けた圧力センサからの信号により作動する様に構成
されている請求項３−９のいずれか１項の内燃機関。