JP2005273556A - 予混合燃焼機関による発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な装置構成及び制御により排気ガスをＥＧＲに利用し、予混合燃焼機関の効率を低下させることなくノッキングの発生を抑制することができる予混合燃焼機関による発電装置を提供すること。
【解決手段】発電機２を駆動するガスエンジン１０と、ガスエンジン１０から排出される排気ガスの廃熱を利用する排ガスボイラ３とを具備し、ガスエンジン１０の給気に、ガスエンジン１０から導入して排ガスボイラ３で熱交換した後の排気ガスを加えて排気ガス再循環を行うように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえばガソリンエンジンやガスエンジンのような予混合燃焼機関で発電機を駆動して発電可能な予混合燃焼機関による発電装置に関するものである。

従来より、たとえばガソリンエンジンやガスエンジンのように、燃料と空気とを所定の割合（混合比）で予混合した燃焼室内の混合気に点火して燃焼させる内燃機関である予混合燃焼機関を発電機の駆動源として発電する発電装置が知られている。このような発電装置の予混合燃焼機関においては、点火時期の設定に応じて予混合気が急激に燃焼する状態（いわゆるノッキング）を生じ、安定した運転が得られないという問題を有している。
このようなノッキング対策として、一般的にはノッキングが発生すると点火時期を遅延させるという手法を採用している。しかしながら、このようなノッキング対策では、予混合燃焼機関の効率を低下させるという問題が生じてくる。そこで、従来より知られている排気ガス再循環（ＥＧＲ）を採用し、燃焼室内の酸素分圧を低下させることでノッキングの発生を抑制することが考えられる。しかし、発電装置に使用されるガスエンジン等の予混合内燃機関から排出される排気ガスは、そのガス温度が高温であることから、燃焼室に取り込まれる気体の温度レベルが上昇するため、これもノッキングの原因となる。

また、発電機を駆動して発電する発電装置のガスエンジンとして、排気ガスによりターボチャージャを駆動して発電するとともに、このターボチャージャで仕事をした排気ガスを再利用することにより、発電機を備えたエネルギー回収装置のタービンを駆動するように構成したコジェネレーション型ガスエンジンが提案されている。
この場合、エネルギー回収装置を駆動した排気ガスが蒸気発生装置で再度利用されて水を蒸気に変換し、この蒸気を使用して駆動される蒸気タービンも発電機の駆動源として利用するので、排気ガスの保有する熱エネルギーを有効利用し、複数段階にわたって電気エネルギーに変換して回収することができる。

こうしてターボチャージャ、タービン及び蒸気発生器を通過した排気ガスは、熱交換等により順次温度低下してからターボチャージャのコンプレッサに送り込まれ、ここで昇圧されたものをＥＧＲに使用するように構成されているので、ガスエンジンから排出されるＮＯｘの低減に有効とされる。（たとえば、特許文献１参照）
特開平６−１０８８６５号公報

上述したように、発電装置に使用されるガスエンジン等の予混合内燃機関から排出される排気ガスは、そのガス温度が高温であるため、そのままＥＧＲに使用するとＮＯｘの発生が問題となる。
また、特許文献１に記載されたコジェネレーション型ガスエンジンのように、ターボチャージャ、タービン及び蒸気発生器を通過することで温度低下した排気ガスをＥＧＲに利用する構成では、ＮＯｘの低減には有効である反面、複雑な構成となることに加えて、制御も困難になるという問題がある。

このような背景から、ガスエンジン等の予混合内燃機関から排出される高温の排気ガスをＥＧＲに使用する場合には、簡単な装置構成及び制御により排気ガスの温度を低下させてＮＯｘの発生を抑制するとともに、予混合燃焼機関の効率を低下させることなくノッキングの発生を抑制することが望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単な装置構成及び制御により排気ガスをＥＧＲに利用し、予混合燃焼機関の効率を低下させることなくノッキングの発生を抑制することができる予混合燃焼機関による発電装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る予混合燃焼機関による発電装置は、発電機を駆動する予混合燃焼機関と、該予混合燃焼機関から排出される排気ガスの廃熱を利用する排ガスボイラとを具備し、前記予混合燃焼機関の給気に、前記予混合燃焼機関から導入して前記排ガスボイラで熱交換した後の排気ガスを加えて排気ガス再循環を行うように構成したことを特徴とするものである。

このような予混合燃焼機関による発電装置によれば、予混合燃焼機関の給気に、予混合燃焼機関から導入して排ガスボイラで熱交換した後の排気ガスを加えて排気ガス再循環を行うように構成したので、排気ガス再循環に使用する排気ガスは、高温の排気ガスが排ガスボイラで放熱して温度低下した低温のものとなる。このため、ＮＯｘの発生を抑制した排気ガス再循環を行ってノッキングを抑制できるようになるので、予混合燃焼機関の効率を低下させる原因となる点火時期遅延によるノッキング抑制が不要となる。

上記の発明において、前記予混合燃焼機関の着火方式がマイクロパイロットであることが好ましく、これにより、電着方式と比較して着火性が大幅に向上するので、圧縮比や筒内最高圧力の許容値を高く設定することができる。
上記の発明において、前記予混合燃焼機関の給気は、前記排ガス供給ボイラから導入する排気ガス量の制御手段と外気導入量の制御手段とにより混合割合が調整されることが好ましい。

上記の発明においては、前記予混合燃焼機関が、ノッキング指数の算出値に応じて排気ガスの再循環量を増減するか、あるいは、点火時期を進角または遅角させるフィードバック制御を行うことが好ましく、これにより、これにより、負荷に応じて最も効率のよい運転が可能なノッキング指数に設定することができる。すなわち、予混合燃焼機関の固有値である筒内最高圧力（Ｐmax）と、上死点（ＴＤＣ）前の所定クランク角度における筒内圧力（Ｐｃ）との比であるノッキング指数が、負荷に対応する最適値となるように自動制御することで効率のよい運転が可能になる。
この場合、前記ノッキング指数は、各気筒毎に設けられて筒内圧力を検出する圧力検出手段の検出値から算出することが好ましい。

上記の発明においては、前記予混合燃焼機関が、負荷に対する排気ガス再循環率を予め定めてマップ制御を行うことが好ましく、これにより、排ガスボイラで利用可能な廃熱量を最大限に確保し、かつ、排気ガス再循環に最適な排気ガス温度まで温度低下させるための放熱量を最小限に抑えることにより、効率のよい運転が可能になる。すなわち、排ガスボイラで最大限に廃熱を利用することが可能になるので、排ガスボイラと予混合内燃機関との間で冷却により放熱される熱量を最小限に抑えることができる。
この場合、前記排気ガス再循環率は、酸素濃度検出手段の検出値により算出されることが好ましい。

上記の発明においては、前記予混合燃焼機関がガスエンジンであることが好ましい。

上述した本発明によれば、予混合燃焼機関の給気に、予混合燃焼機関から導入して排ガスボイラで熱交換した後の排気ガスを加えて排気ガス再循環を行うように構成したので、排気ガス再循環に使用する排気ガスは、高温の排気ガスが排ガスボイラで放熱して温度低下した低温のものとなるから、簡単な装置構成及び制御によりＮＯｘの発生を抑制した排気ガス再循環を行ってノッキングを抑制できるようになる。このため、予混合燃焼機関の効率を低下させる点火時期遅延によるノッキング回避が不要となり、予混合燃焼機関の運転を高効率化するとともに、この予混合燃焼機関を駆動源とする発電装置の効率向上にも顕著な効果を奏する。
また、予混合燃焼機関の着火方式としてマイクロパイロットを採用することにより、着火性の向上により圧縮比や筒内済高圧力の許容値を高く設定できるようになり、従って、着火性を損なうことなく排気ガス再循環を実施でき、しかも、効率を向上させることもできる。

以下、本発明に係る予混合燃焼機関による発電装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す第１の実施形態では、発電装置１の予混合燃焼機関としてガスエンジン１０が採用されている。このガスエンジン１０は、発電機２を駆動するとともに、運転により発生した排気ガスを排ガスボイラ３に供給して廃熱を利用するように構成されている。ガスエンジン１０と排ガスボイラ３との間は高温排気ガス供給管（以下、「高温排ガス管」と呼ぶ）４で連結され、排ガスボイラ３内で熱交換した排気ガスは、必要に応じてＮＯｘ除去など適当な処理を施した後に煙突３ａから大気放出される。

排ガスボイラ３に導入された高温の排気ガスは、たとえば水と熱交換する温水製造等に使用されて温度低下するので、こうして低温となった排気ガス（以下、「低温排気ガス」と呼ぶ）は、その一部がガスエンジン１０のＥＧＲに使用される。
ＥＧＲに使用される低温排気ガスは、排ガスボイラ３の出口側適所、たとえば煙突３ａの下端部近傍から分岐する低温排気ガス供給管（以下、「低温排ガス管」と呼ぶ）５を介してガスエンジン１０の吸気室１１に導入される。排ガスボイラ３と低温排ガス管５との連結（分岐）部分には、低温排気ガスをＥＧＲに使用する時全開とされる開閉弁３ｂが設けられている。また、低温排ガス管５と吸気室１１との連結部分には、弁開度に応じて低温排気ガスの導入量を制御するガス量制御弁（排気ガス量の制御手段）６が設けられ、さらに、吸気室１１には、弁開度に応じて外気の導入量を制御する外気量制御弁（外気導入量の制御手段）７が設けられている。

また、低温排ガス管５の途中には、必要に応じて低温排気ガスを所望の温度までさらに冷却する冷却器８が設けられている。この冷却器８は、低温排気ガスと冷却媒体（たとえば水や大気など）との熱交換により、低温排気ガスから熱を奪ってＥＧＲに最適な温度まで低下させる機能を有している。
こうして吸気室１１に導入された外気及び低温排気ガスは、互いに混合されて酸素分圧の低下した給気となり、ガスエンジン１０の燃焼に使用される。この時、ガス量制御弁６と外気量制御弁７とを連動させた開度制御により、低温排気ガスの混合割合を所望の値に変化させることができるので、エンジン負荷等の運転状況に応じて最適な給気を供給することができる。

図２はガスエンジン１０の燃焼室１２を模式的に示した概略構成図であり、図中の符号１３は主室、１４は副室、１５はインジェクタ、１６は吸気弁、１７は吸気管、１８は排気弁、１９は排気管、２０はピストン、２１は圧力センサである。
このガスエンジン１０は、インジェクタ１５から副室１４内に噴射された液体燃料（Ａ重油や軽油等のパイロット燃料）を燃焼させ、そのエネルギーを主室１３内に送出することで希薄混合ガスを燃焼させるように構成したマイクロパイロット着火方式が採用されている。ここで使用する液体燃料の噴射量は、燃焼室１２における燃焼に使用する燃料が保有する全熱量の１パーセント程度である。すなわち、副室１４内でパイロット燃料を燃焼させてトーチ火炎を形成し、このトーチ火炎を主室１３内に噴出させて主燃料（ナチュラルガス）の希薄混合ガスに着火することにより、大きな着火エネルギーを確保して良好な着火性を得るように構成されている。

主室１３の適所には、筒内圧力を検出する圧力検出手段の圧力センサ２１が設けられている。この圧力センサ２１は、ガスエンジン１０の各気筒毎に設けられており、その検出値は図示しない制御部に入力される。この圧力センサ２１で検出した筒内圧力は、後述するノッキング指数の算出に使用される。

ここで、ノッキング指数について図３（ａ）を参照して説明する。なお、図中の横軸はクランク角度、縦軸は筒内圧力である。
さて、ノッキング指数は、筒内最高圧力（Ｐmax）と上死点（ＴＤＣ）前の所定クランク角度における筒内圧力（Ｐｃ）との比であり、Ｐmax／Ｐｃで表される。なお、図３（ｂ）の上部にはノッキング指数が大きい運転状態例を示し、下部にはノッキング指数が小さい運転状態例を示す。

筒内最高圧力の許容値は、個々のガスエンジン１０を設計する際に定めた強度上の上限値であり、運転時に許容される筒内圧力の上限を定めた値である。すなわち、ガスエンジン１０の体格により決まる固定値であり、ガスエンジン１０の運転時においては、ピストン２０が上死点を通過した後に到達する。なお、上述した筒内最高圧力（Ｐmax）は運転時における測定値であり、許容値を超えないように設定される。
一方、筒内圧力Ｐｃは、上死点前の所定クランク角度における筒内圧力を圧力センサ２１で検出した値である。この筒内圧力Ｐｃを検出するクランク角度は、ガスエンジン１０毎に適宜設定可能な値であり、ここではクランク角度が−１５degの筒内圧力を検出するものとする。

上述したノッキング指数は、その値が大きすぎるとノッキングを生じ、小さすぎると失火する。ノッキングが発生しないノッキング指数の上限値をＡとし、失火が発生しないノッキング指数の下限値をＢとすれば、ガスエンジン１０を正常に運転するためのノッキング指数は、下記の範囲内に入るよう制御する必要がある。
ノッキング指数制御範囲 ： Ｂ＜Ｐmax／Ｐｃ＜Ａ
なお、上記の上限値Ａ及び下限値Ｂは、ガスエンジン１０やガソリンエンジンなど予混合燃焼機関の種類や仕様、及び負荷などの諸条件に応じて適宜変更される値であり、各予混合燃焼機関毎にマップとして予め保有している値である。

さて、ガスエンジン１０を運転する際に、上述した低温排気ガスを導入してＥＧＲを行うと、たとえば図４に示すように、ノッキング指数が変化する。図示の例では、負荷ｘ％の運転状態でＥＧＲを行うことにより、分母の筒内圧力Ｐｃが増加するため、ノッキング指数はＢより小さいＣに低下する。この負荷ｘではノッキング指数Ｂが運転可能な下限値であるから、点火時期を進角させることにより、ノッキング指数がＢ以上となるまで上げて運転する。

このようなノッキング指数によるガスエンジン１０の運転制御は、図示しない制御部内において、図５に示すフローチャートに基づいて行われる。
ステップＳ１で制御がスタートすると、ステップＳ２で１サイクル毎にサンプリングを行う。この場合のサンプリングは、圧力センサ２１による筒内最高圧力（Ｐmax）と筒内圧力Ｐｃとの検出であり、この検出値が制御部に順次入力される。

次のステップＳ３では、測定値として入力された筒内最高圧力Ｐmax及び筒内圧力Ｐｃからノッキング指数を算出する。このノッキング指数は、次のステップＳ４で上限値Ａ及び下限値Ｂと比較され、結果に応じて対応が判断される。
最初に、ノッキング指数が上限値Ａより大きい場合には、ステップＳ５に進む。このステップＳ５では、低温排気ガスによるＥＧＲを増加するか、あるいは、点火時期を遅角させる方向に制御する。

次に、ノッキング指数が下限値Ｂより小さい場合には、ステップＳ６に進んで点火時期を進角させる。
最後に、ノッキング指数が下限値Ｂから上限値Ａまでの範囲内にある場合には、ステップＳ７に進む。このステップＳ７では、低温排気ガスによるＥＧＲを減少させるか、あるいは、点火時期を進角させる方向に制御する。

このようにしてステップＳ５、ステップ６またはステップＳ７のいずれかに進んで制御を行った後には、再度ステップ２に戻ってサンプリングを行い、以下同様にステップ４の判断まで進む。この時、上記の制御によりノッキング指数が変化しているので、算出されたノッキング指数に応じて再度ステップ５、ステップＳ６またはステップ７のいずれかが選択されるので、このようなフィードバック制御を繰り返すことにより、ノッキングや失火が発生しないのは勿論のこと、自動制御により負荷に応じて最適なノッキング指数に設定して最も効率のよい運転を行うことができる。

また、ＥＧＲに使用する排気ガスは、排ガスボイラ３で冷却されて低温になっているため、燃焼温度の上昇によりＥＧＲ効果が薄れるようなことはなく、ＮＯｘの発生量が減少するとともに、燃焼が緩慢になってノッキングもしにくくなる。特に、着火方式としてマイクロパイロットを採用することにより、圧縮比や筒内最高圧力の許容値を高く設定して高効率化が可能となるので、着火性を損なうことなくＥＧＲを採用し、効率のよい運転が可能となる。従って、失火の心配がなくなり、ＮＯｘの発生量を低減して効率のよい大型のガスエンジンを提供できるようになる。
さらに、低温排ガス管５及びその管路に配設されるバルブ類の素材についても、制約が少ない分設計が容易になり、かつ、安価なものを選定できるようになる。そして、低温排ガス管５に配設される冷却器８についても、その冷却能力を低減させることが可能になるので、冷却器８を小型化したり、あるいは、低温排ガス管５の周囲に空冷フィンを設けるだけの簡単な構成を採用して、コストを削減することができる。

続いて、本発明の第２の実施形態を図６及び図７に基づいて説明する。なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
さて、図６に示す発電装置１Ａは、高温排ガス管４と吸気室１１との酸素濃度を検出して排気ガス再循環率（ＥＧＲ率）を算出するための酸素濃度検出手段として、Ｏ_２ センサ９を設けた点が異なっている。このＯ_２ センサ９で検出した酸素濃度から算出されるＥＧＲ率は、低温排気ガスの供給量に応じて変化する値であり、実質的には給気の酸素濃度を表すものである。なお、低温排気ガスの供給量は、ガス量制御弁６や外気量制御弁７の開度に応じて変化する。

このような構成により得られたＥＧＲ率は、ガスエンジン１０の負荷に応じて予め定められたマップ制御により調整される。図７はマップ制御の一例を示す図で、負荷１００％におけるＥＧＲ率が２５％の直線Ｌ１と、負荷１００％におけるＥＧＲ率が５０％の直線Ｌ２との間にはいるように制御される。すなわち、負荷がｘ％の運転では、ＥＧＲ率がｅ１〜ｅ２の範囲内に入るように制御される。

このようなマップ制御を行えば、排ガスボイラ３で利用可能な廃熱量を最大限に確保できるとともに、冷却器８や空冷フィン８Ａで低温排気ガスをさらにＥＧＲに最適な排気ガス温度まで温度低下させるための放熱量を最小限に抑え、効率のよい運転を行うことが可能になる。すなわち、排ガスボイラ３で最大限に廃熱を利用することが可能になるので、排ガスボイラ３とガスエンジン１０との間で冷却により放熱される熱量を最小限に抑えることができる。
また、ＥＧＲ率の算出は、上述したＯ_２ センサ９の検出値を使用するほかにも、事前の試験により把握したガス量制御弁６及び外気量制御弁７の開度との相関関係に基づいて行うようにしてもよく、このような場合には酸素濃度検出手段は不要となる。

ところで、上述した実施形態においては、は発電機２の駆動源としてガスエンジン１０を使用していたが、ガソリンエンジンなど他の予混合気燃焼機関を採用可能なことはいうまでもない。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係る予混合燃焼機関による発電装置の第１の実施形態を示す構成図である。 ガスエンジンの燃焼室を模式的に示した概略構成図である。 クランク角度と筒内圧力との関係を示す説明図であり、（ａ）は筒内最高圧力（Ｐmax）及び筒内圧力（Ｐｃ）の説明図、（ｂ）は上部にノッキング指数大の運転状態を示し、下部にノッキング指数小の運転状態を示す説明図である。 負荷とノッキング指数との関係を示す図において、ＥＧＲにより変化したノッキング指数の制御例を示す説明図である。 算出したノッキング指数に基づくフィードバック制御例を示すフローチャートである。 本発明に係る予混合燃焼機関による発電装置の第２の実施形態を示す構成図である。 負荷とＥＧＲ率とのマップ制御例を示す図である。

符号の説明

１，１Ａ 発電装置
３ 排ガスボイラ
４ 高温排気ガス供給管（高温排ガス管）
５ 低温排気ガス供給管（低温排ガス管）
６ ガス量制御弁
７ 外気量制御弁
８ 冷却器
８Ａ 空冷フィン
９ Ｏ_２ センサ
１０ ガスエンジン（予混合燃焼機関）
２１ 圧力センサ

Claims (8)

1. 発電機を駆動する予混合燃焼機関と、該予混合燃焼機関から排出される排気ガスの廃熱を利用する排ガスボイラとを具備し、前記予混合燃焼機関の給気に、前記予混合燃焼機関から導入して前記排ガスボイラで熱交換した後の排気ガスを加えて排気ガス再循環を行うように構成したことを特徴とする予混合燃焼機関による発電装置。
2. 前記予混合燃焼機関の着火方式がマイクロパイロットであることを特徴とする請求項１に記載の予混合燃焼機関による発電装置。
3. 前記予混合燃焼機関の給気は、前記排ガス供給ボイラから導入する排気ガス量の制御手段と外気導入量の制御手段とにより混合割合が調整されることを特徴とする請求項１または２に記載の予混合燃焼機関による発電装置。
4. 前記予混合燃焼機関が、ノッキング指数の算出値に応じて排気ガスの再循環量を増減するか、あるいは、点火時期を進角または遅角させるフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の予混合燃焼機関による発電装置。
5. 前記ノッキング指数は、各気筒毎に設けられて筒内圧力を検出する圧力検出手段の検出値から算出することを特徴とする請求項４に記載の予混合燃焼機関による発電装置。
6. 前記予混合燃焼機関が、負荷に対する排気ガス再循環率を予め定めてマップ制御を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の予混合燃焼機関による発電装置。
7. 前記排気ガス再循環率は、酸素濃度検出手段の検出値により算出されることを特徴とする請求項６に記載の予混合燃焼機関による発電装置。
8. 前記予混合燃焼機関がガスエンジンであることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の予混合燃焼機関による発電装置。

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