JP2005299440A - ガスエンジン装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 着火性が良く、高熱効率、そして窒素酸化物の排出量低減を可能とするガスエンジン装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 シリンダ内にガス燃料と酸化剤との予混合気を供給する混合器７と、上記シリンダ内で圧縮された予混合気を着火する着火装置１２とを有するガスエンジン装置において、着火装置１２は水蒸気プラズマを生成し該プラズマをシリンダ内に噴出するプラズマ発生装置を有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスエンジン、特に、パイロット着火式ガスエンジン装置に関する。

この種のガスエンジンとしては特許文献１に開示されているものが知られている。

この特許文献１のエンジンは、シリンダ内へガス燃料と空気との予混合気を充填し、圧縮行程時に着火性のよいディーゼル燃料をノズルから噴射して上記予混合気に点火させるようになっている。

上記の特許文献１のエンジンでは、着火用のディーゼル燃料のノズルをシリンダヘッドの吸入バルブ近傍に設け、ガス燃料噴射ノズルはシリンダ壁に設けられている。かかる特許文献１のエンジンは、シリンダ内に吸入された空気中に吸入行程後期から圧縮行程後期の間の適正な時期にガス燃料を噴射させるガス燃料噴射ノズルがシリンダ壁から上記シリンダ内に臨ませて設けられているので、特許文献１によると、吸気行程時には空気のみをシリンダ内に吸入するためにシリンダ内に吸入する空気量を増大させることができ、したがって、エンジンの出力を向上させることができるとされている。
特開平６−１３７１５０

しかしながら、着火源として液体燃料を噴射する上記特許文献１のガスエンジンでは、次のような点で、改善が求められている。

先ず、ガスエンジンのみならず、他の形式のエンジンの場合にも共通しているが、液体燃料を着火源として噴射するエンジンにあっては、ガス燃料と空気との予混合気の温度が低い場合、上記着火源として噴射される液体燃料がその気化熱により温度が下がってしまい、特に始動時に着火しにくいという点がある。さりとて、吸気温度を高めると体積効率が低下してしまう。

また、着火用の燃料が液体燃料なので、燃焼時間が比較的長く、煤等の未反応物質が多く排出される傾向にある。

さらには、空気過剰率を下げ、理論混合気に近づけると、火炎温度が上昇し、これに伴って窒素酸化物の排出量が増大する。

本発明は、このような点に鑑み、着火性が良く、高熱効率、窒素酸化物の排出濃度の低減を可能とするパイロット着火式のガスエンジン装置を提供することを目的とする。

本発明に係るガスエンジン装置は、シリンダ内にガス燃料と酸化剤との予混合気を供給する混合器と、上記シリンダ内で圧縮された予混合気を着火する着火装置とを有する。

かかるガスエンジン装置において、本発明は、着火装置は水蒸気プラズマを生成し該プラズマをシリンダ内に噴出するプラズマ発生装置を有していることを特徴としている。

このような構成の本発明のガスエンジン装置では、混合器内で予混合されたガス燃料と
酸化剤はシリンダ内へ供給されここで圧縮された状態で、プラズマ発生装置で生成されて該シリンダ内へ噴出する水蒸気プラズマにより着火され燃焼する。

水蒸気プラズマは複数の方向、例えば放射状に噴出するため、予混合気に対して広範囲で着火する結果、燃焼が均一に行われて有害物の排出が抑制されて低公害となり、ノッキングが抑制されて高圧縮比運転のもとで高熱効率を得られる。すなわち、着火にこの水蒸気プラズマを利用することにより、簡易な装置で水蒸気プラズマを容易に得られ、設備費が安価となると共に、プラズマ流が予混合気の撹拌効果を良好にして局所高温領域の形成を阻止するので、窒素酸化物生成の低減化を可能とする。また、異常燃焼防止がなされるので、低公害化できる。そして可燃範囲が拡大する結果、予混合気へエンジンの排ガスの一部を混合させることを可能として、高排ガス循環率の達成によっても窒素酸化物生成の低減化を可能とする。

また、可燃範囲が拡大する結果、予混合気へエンジンの排ガスの一部を混合させることを可能とし、高排ガス循環率を達成し、窒素酸化物の排出量の低減化そして内部熱循環により高熱効率を得る。

さらには、シリンダ内の燃焼が均一化されるので、燃焼制御が容易となり、エンジンの構造を単純にすることができ、耐久性が向上すると共に、設備費を低減することができる。

さらに、本発明では、ガスエンジン装置は着火装置に加え点火装置をも有し、着火装置はエンジン始動時または部分負荷運転時にのみ作動し定格運転時に上記点火装置でシリンダ内の圧縮予混合気を着火するようにもできる。こうすることにより、エンジン始動が円滑に行える。また、定格出力よりも出力を低くした部分負荷運転時でも着火が円滑に行える。

さらに、本発明では、空気過剰率が１．６以上となるように設定されていることが望ましい。

ここで、空気過剰率とは、
（空気過剰率）＝（供給空気量）／（燃料の燃焼に必要な理論空気量）
で定義される。

空気過剰率を１．６以上とした希薄燃焼運転を行うことにより、煤、未燃炭化水素の排出を抑制すると共にシリンダ内の最高火炎温度を低下させ、窒素酸化物の排出を低減できる。

本発明では、さらに、外部から取り入れた空気とエンジンからの排ガスの一部を混合器へ供給して該混合器でガス燃料と共に予混合気を生成するように構成され、ガスエンジンの排ガス中の窒素酸化物の排出濃度の検出のための検出手段と、該検出手段の検出信号にもとづき作動する排ガス循環供給量調整手段、プラズマ発生装置での放電のための投入電力調整手段、空気過剰率調整手段の少なくとも一つを有していて窒素酸化物の排出濃度を所定値以下とするようになっていることが望ましい。

こうすることにより、排ガス中の窒素酸化物濃度が所定値以上になったときには、混合気への排ガス循環供給量を調整増加させることにより、予混合気の酸素濃度を低下させ、燃焼温度を低下させてサーマル窒素酸化物の発生を抑制する。また、外部からの空気供給量を低減すると共に排ガス循環供給量を増加させて、空気過剰率を１．１〜１．５の範囲で下げることによって、予混合気の酸素濃度を低下させサーマル窒素酸化物を抑制するこ
ともできる。

また、本発明では、空気とエンジンからの排ガスの一部を混合器へ供給して、ガス燃料と共に予混合気を生成し、好ましくは、空気過剰率が１．１〜１．５の間に設定される。この範囲とする理由は、空気過剰率が１．１未満では混合不足によって局所的な空気不足が発生し、煤や未燃炭化水素の排出量が増大するし、１．５より大きいと、シリンダ内の火炎が安定して自己伝播できなくなるし、排ガス量が増大して排ガスが持ち去る顕熱量が大きくなり、熱効率が低下するので好ましくないからである。

シリンダ内での空気過剰率を１．１〜１．５の間に設定して、低空気比燃焼を行うことにより、熱効率の向上、窒素酸化物の排出低減、未燃炭化水素の排出削減ができる。

本発明は、以上のごとく、シリンダ内の圧縮予混合気は、着火装置から噴出される水蒸気プラズマで着火されるようにしたので、このプラズマがシリンダ内で拡がる結果、予混合気に対して広範囲で着火することとなり、燃焼が均一に行われて低公害となり、また、ノッキングが抑制されて高圧縮化のもとで高熱効率を得られる。さらには、可燃範囲が拡大する結果、予混合気へエンジンの排ガスの一部を混合させることを可能とし、高排ガス循環率を達成し、窒素酸化物の排出量の低減化そして内部熱循環により高熱効率を得る。また、排ガス再循環を行わない場合には、空気過剰率１．６以上の希薄燃焼が、パイロット油着火方式を用いることなく、実現できる。

さらには、シリンダ内の燃焼の均一化の結果、燃焼制御が容易となり、エンジンの構造を簡単にすることができ、耐久性が向上すると共に、設備費を低減することができる。

以下、添付図面にもとづき、本発明の実施の形態を説明する。

図１において、符号１は本実施形態におけるガスエンジンであり、図１では、特にシリンダ、ピストンの図示が省略されている。本実施形態装置は、好ましい形態として、過給機２を有しており、その被駆動部２Ａがエンジン１の排気側１Ａに、そして加圧部２Ｂがエンジン１の吸気側１Ｂにそれぞれ接続されていて、上記過給機２はエンジン１の排気で回転駆動されて加圧部２Ｂで後述の混合器からの予混合気を圧縮して上記エンジン１のシリンダ内へ供給するようになっている。上記エンジン１には、その出力で発電機３を回転するように、該発電機３が接続されている。また、該発電機３にはインバータ３Ａが接続されており、該インバータ３Ａを介して所定の電力が得られるようになっている。

上記過給機２の被駆動部２Ａは管路４を経て排ガス処理装置５に接続され、加圧部２Ｂは管路６を経て後述の混合器７に接続されている。

混合器７は、管路８によりガス燃料源９と接続されていると共に、大気を加圧するブロワー１０からの空気を受けるように管路１１が接続され、また、上記排ガス処理装置５の出口部から処理済排ガスの一部を受けるように帰還路５Ｂを介して上記出口部と接続されている。この帰還路５Ｂには流量計５Ｃと調整弁５Ｄが設けられており、排ガス中の窒素濃度が所定値以上となったときには、この流量計５Ｃと調整弁５Ｄにもとづき循環供給する排ガス量を増やす。かくして、上記混合器７では、上記ガス燃料源９からのガス燃料と、管路１１からの空気そして排ガス処理装置５からの処理済排ガスの一部が予混合気として生成され、この予混合気が過給機の加圧部２Ｂで圧縮された後にエンジン１のシリンダ内へ供給される。

本実施形態では、プラズマ発生装置を有する着火装置１２がエンジン１と接続されている。プラズマ発生装置自体は公知であり、例えば特開平６−３４３８２０に開示されているが、その原理を簡単に説明しておく。プラズマ発生装置はガス流路に設置される。このプラズマ発生装置は、正極と負極を備え、負極に直流高圧電源が接続されている。上記プラズマ発生装置に水蒸気単体あるいは水蒸気と希釈ガスとの混合ガスをプラズマの作動ガスとして供給する。希釈ガスとしては、空気、窒素、酸素、炭酸ガス、アルゴンのうちの一種または数種の混合ガスを使用し、プラズマ発生装置に供給する。

このようなプラズマ発生装置を有する着火装置１２は、発生した水蒸気プラズマを噴出するノズルを有している。上記正極と負極との間でアークが生じ、アークの熱エネルギにより水供給源１４から受けた水を高温高圧水蒸気とし、その一部がプラズマ状態となってプラズマ炎としてシリンダ内へ噴出される。このプラズマの噴出は、シリンダ内の予混合気の着火時にタイミングを合わせて行なわれる。

上記着火装置１２は、コントローラ１３を介してインバータ３Ａと発電機３とに接続されており、上記コントローラ１３によりプラズマ発生装置での放電のための投入電力の調整を可能としている。

本実施形態装置の運転方法を以下に説明する。

（１）ブロワー１０は外部の空気を取り入れてこれを混合器７へ送る。

（２）混合器７へは、ブロワー１０から取り入れられた空気の他、排ガス処理装置５の出口部からの処理済排ガスの一部、そしてガス燃料源９からのガス燃料が送られてくる。混合器７では、これらを混合して酸素濃度が抑制された予混合気を生成する。

（３）予混合気は過給機２の加圧部２Ｂで圧縮されて、エンジン１のシリンダ内へ供給される。この予混合気はピストンの作動により圧縮されて高温化されたときに、着火装置１２から水蒸気プラズマがシリンダ内へ噴出されて着火し燃焼する。このように、燃焼を繰り返して発電機３を回転駆動し発電を行ない、インバータ３Ａを経て電力として取り出す。

（４）エンジン１の排ガスは排気側１Ａで過給機２の被駆動部２Ａを回転駆動して加圧部２Ｂの加圧に用いられた後、排ガス処理装置５で無害化されて、例えば煙突５Ａから大気へ放出される。また、エンジン１の排ガスの一部を管路５Ｂを経て混合器７へ供給して予混合気に必要に応じて混合することによって、予混合気の酸素濃度を低下させて、生成する窒素酸化物量を抑制する。

本発明は、上述した図示の実施形態に限定されず、種々変形が可能である。本発明の本質は、ガスエンジンにおけるシリンダ内の圧縮予混合気をプラズマ発生装置で得られた水蒸気プラズマで着火することにある。したがって、過給機２も、排ガス処理装置５からの排ガスの混合器７への帰還も、好ましい形態として示されているが、必須ではない。

また、本実施形態装置では、プラズマ発生装置を備えた着火装置１２を有し、これにより間欠的にシリンダ内の圧縮予混合気に着火していたが、本発明では、上記着火装置に加え、例えば点火栓、誘導コイル、電源からなる点火装置をも有するようにして、エンジン始動時または部分負荷運転時のみに上記着火装置を用い、定格運転時は点火装置で着火するようにしてもよい。このようにすることにより定格運転時の運転費を安くすることができる。なお、点火装置で着火する場合は着火装置とシリンダとの間を開閉手段により閉じておく。

本実施形態装置では、エンジンの運転状況に応じて、調整が可能である。例えば、エンジンの排ガス中の窒素酸化物の濃度を検出する検出手段を設けて、この濃度が所定値以上になるときには、排ガス循環供給量、プラズマ発生装置での放電のための投入電力、空気過剰率のうち少なくとも一つを調整して、窒素酸化物の濃度を所定値以下とする。例えば排ガス中の窒素酸化物の濃度が所定値以上になるときには、流量計５Ｃと弁５Ｄにもとづいて、混合器７に供給する排ガス量を増やして予混合気の酸素濃度を低下することもできる。本発明では、既述のとおり、排ガス循環を行う場合には、空気過剰率を１．１〜１．５の範囲とすることが好ましい。また、排ガス循環を行わない場合には、空気過剰率が１．６以上に設定されていることが好ましい。

また、上述した実施形態では、排ガス処理装置５の出口部からの処理済排ガスの一部を混合器７へ供給して予混合気に混合して排ガス循環供給しているが、排ガス処理装置５の上流側から排ガスの一部を抜き出し、ブロワーを介して混合器７へ循環供給するようにしてもよい。

なお、シリンダ内に供給される予混合気の着火直前の温度が着火温度以下となるように、排ガス循環供給量を調整することは言うまでもない。

本発明では、パイロット着火のためのプラズマは、シリンダ内、副室内あるいはピストンの上面凹部のいずれに向けて噴出されてもよい。

本発明の一実施形態装置の概要構成図である。

符号の説明

１ ガスエンジン
７ 混合器
１２ 着火装置

Claims (6)

1. シリンダ内にガス燃料と酸化剤との予混合気を供給する混合器と、上記シリンダ内で圧縮された予混合気を着火する着火装置とを有するガスエンジン装置において、着火装置は水蒸気プラズマを生成し該プラズマをシリンダ内に噴出するプラズマ発生装置を有していることを特徴とするガスエンジン装置。
2. 着火装置は放電により水蒸気プラズマを生成するようになっていることとする請求項１に記載のガスエンジン装置。
3. ガスエンジン装置は着火装置に加え点火装置をも有し、着火装置はエンジン始動時又は部分負荷運転時にのみ作動し定格運転時に上記点火装置でシリンダ内の圧縮予混合気を着火することとする請求項１に記載のガスエンジン装置。
4. 空気過剰率が１．６以上となるように設定されていることとする請求項１ないし請求項３のうちの一つに記載のガスエンジン装置。
5. 外部から取り入れた空気とエンジンからの排ガスの一部を混合器へ供給して該混合器でガス燃料と共に予混合気を生成するように構成され、ガスエンジンの排ガス中の窒素酸化物の排出濃度の検出のための検出手段と、該検出手段の検出信号にもとづき作動する排ガス循環供給量調整手段、プラズマ発生装置での放電のための投入電力調整手段、空気過剰率調整手段の少なくとも一つを有していて窒素酸化物の排出濃度を所定値以下とするようになっていることとする請求項１ないし請求項３のうちの一つに記載のガスエンジン装置。
6. 空気過剰率が１．１〜１．５の間の値に設定されていることとする請求項５に記載のガスエンジン装置。

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