JP2006009691A - ガスエンジン装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 着火性が良く高熱効率でノッキングの生じない着火を行え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】 主シリンダへガス燃料と酸化剤とを供給し、上記主シリンダで圧縮された混合気を着火装置により着火するガスエンジン装置において、着火装置１１は主シリンダよりも小型の副シリンダ１２内に副ピストン１３を配して構成され、外気取入ライン３から取り入れた外気と上記主シリンダからの排ガスを排出する排気ライン７より分枝された排ガス分枝ライン１９を経て得られる排ガスの一部との少なくとも一方を副シリンダ１２に送入し、これを副シリンダ内で圧縮して高温ガスとし、該高温ガスを着火源として副シリンダ１２から上記主シリンダへ噴射するようになっている。
【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混合気を着火す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パイロット噴射ノズルをシリンダヘッドの中央位置で吸入バルブに向くように設け、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、燃焼用のガスの温度が低い場合、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、着火用として燃料を要することから不経済であり、さらには、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。

これに加えて、着火源としての液体燃料の噴射は、火炎がシリンダの中央位置から周囲に向けて大きく拡がってシリンダ内壁付近の未燃ガスを圧縮するために、ノッキングが起きやすい。また、パイロット火炎の温度が過度に高くなりやすく、パイロット噴射ノズルやエンジンのシリンダの内壁が焼損しやすい。

本発明は、このような点に鑑み、着火性が良く、高熱効率を可能とし、さらには、上記のノッキングが起きにくい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。

本発明のガスエンジン装置は、主シリンダへガス燃料と酸化剤とを供給し、上記主シリンダで圧縮された混合気を着火装置により着火する。

かかるガスエンジン装置において、着火装置は主シリンダよりも小型の副シリンダ内に副ピストンを配して構成され、外気取入ラインから取り入れた外気と上記主シリンダからの排ガスを排出する排気ラインより分枝された排ガス分枝ラインを経て得られる排ガスの一部との少なくとも一方を副シリンダに送入し、これを副シリンダ内で圧縮して高温ガスとし、該高温ガスを着火源として副シリンダから上記主シリンダへ噴射するようになっていることを特徴としている。

このような構成の本発明によれば、着火装置は着火用の燃料を用いることなく、外気や排ガスの一部、あるいはそれらの混合気を圧縮により高温化して主シリンダへ着火源として噴射するので、燃料が不要となって経済的であり、また、燃料を用いる場合に比し着火源の温度が過度に高くならない。燃料が不要であるということは、運転費が安価となるのみならず、着火用燃料の付帯設備が不要となることで設備費も安価となる。また、着火源の温度が過度に高くならないということは、主シリンダの内壁等の焼損が防止され、さらには窒素酸化物の排出抑制が図れる。

本発明では、排気ラインと外気取入ラインは熱交換装置に接続されていて、外気取入ラインから取り入れられた外気が排気ラインにおける排ガスとの熱交換により加熱された後に着火装置の副シリンダ内へ送入されるようになっているようにすることができる。上記熱交換装置を備えることにより、外気は排ガスの熱を利用して加熱されてから着火装置へ送入されるので、熱回収の点で省エネルギとなると共に、着火装置での圧縮比も大きくする必要がなく着火装置の小型化にもつながる。

本発明では、副シリンダは圧縮時の高温ガスの温度を検出する温度センサが設けられ、排ガス分枝ラインに排ガス量調整装置が設けられ、かつ上記温度センサによる検出温度が上昇時に上記排ガス量調整装置により排ガスの流量を増大せしめる制御装置を有していることが好ましい。こうすることにより、副シリンダ内の高温ガスの温度を適切に維持しながら、排ガスの送入により酸素濃度を調整して窒素酸化物の排出抑制が図れる。

本発明は、以上のごとく、着火装置に着火用の燃料を用いることなく、外気や排ガスの一部、あるいはそれらの混合気を圧縮により高温化して燃焼室内へ着火源として噴射することとしたので、燃料が不要となって経済的であり、また、燃料を用いる場合に比し着火源の温度が過度に高くならない。燃料が不要であるということは、運転費が安価となるのみならず、着火用燃料の付帯設備が不要となることで設備費も安価となる。また、着火源の温度が過度に高くならないということは、シリンダの内壁等の焼損が防止され、さらには窒素酸化物の排出抑制が図れる。

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。

＜第一実施形態＞
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るが、図１では、簡略図示のため主シリンダ、主ピストン等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は上記被駆動部２Ａがエンジン１の排気で回転駆動されてこれに連結されている加圧部２Ｂで外部からの取入れ空気を圧縮して上記エンジン１の主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、例えば、負荷として発電機（図示せず）が接続される。

過給機２の加圧部２Ｂには外気を取り入れる外気取入ライン３が接続されていて、さら
に加圧部２Ｂは吸気マニホルド４によりエンジン１の吸気側１Ｂに接続されている。上記外気取入ライン３と上記吸気マニホルド４によりエンジンの吸入ラインが形成されている。

上記吸気マニホルド４には、ガスエンジン１へガス燃料を供給するガス燃料源５からのガス燃料供給管６が接続されており、上記過給機２の加圧部２Ｂで加圧された吸気マニホルド４内の加圧空気へガス燃料が導入された後に、エンジン１の主シリンダ内へ混合気として供給される。

上記過給機２の被駆動部２Ａからは排気ライン７が延びており、排ガス処理装置８、ブロワー９を経て、煙突１０に至っている。排ガスは、排ガス処理装置８にて無害化処理された後に、煙突１０から大気へ放出される。

エンジン１には、着火装置１１が接続されている。該着火装置１１は、副シリンダ１２そして該副シリンダ１２内で往復動する副ピストン１３と、該副ピストン１３を駆動する高速油圧サーボやカム機構による駆動装置１４と、上記副シリンダ１２と主シリンダとを連通する噴射ライン１５に設けられた開閉弁１６とを有している。また、上記副シリンダ１２には、該副シリンダ１２内のガス温度を検出する温度センサ１７が設けられている。

上記着火装置１１は、過給機２の加圧部２Ｂで加圧された外気の一部を該着火装置１１の副シリンダ１２内へ送入すべく、送気管１８が吸気マニホルド４から分枝して上記副シリンダ１２に接続されている。この送気管１８には、選択的に、排気ライン７から分枝した排ガス分枝ライン１９が排ガス量調整装置２０、例えば調整弁とブロワを介して合流している。

上記着火装置１１には制御装置２１が接続されており、該制御装置２１は、副シリンダ１２に設けられた温度センサ１７によって検出された圧縮時のガス温度にもとづき上記排ガス量調整装置２０を制御、そして、副ピストン１３を駆動する駆動装置１４と、噴射ライン１５に設けられた開閉弁１６とを制御すべく、これらに接続されている。

以下、本実施形態装置の運転方法を説明する。

（１）先ず、外気取入ライン３から取り入れられた外気は過給機２の加圧部２Ｂで加圧されて高圧となってマニホルド４を経て、ガス燃料源５からのガス燃料とで混合気を形成してガスエンジンの主シリンダへ供給され、主ピストンにより圧縮される。

（２）一方、上記外気取入ライン３からの外気の一部は過給機２の加圧部２Ｂで加圧された後、マニホルド４から分枝された送気管１８を経て着火装置１１の副シリンダ１２内へ供給される。また、これと共に、選択的に、排気ライン７から分枝された排ガス分枝ライン１９を経てエンジンの排ガスの一部が上記副シリンダ１２へ供給される。上記外気そしてこの排ガスは、いずれか一方あるいは両者を上記副シリンダ１２へ供給できる。

（３）上記着火装置１１では、副ピストン１３の作動により、上記外気や排ガスあるいは両者の混合気が圧縮されて高温化され、主シリンダ内の混合気の着火温度以上、好ましくは着火温度より１５０〜２００℃高い高温ガスが形成される。

（４）上記エンジン１の混合気が圧縮されたとき、着火装置１１の開閉弁１６が制御装置２１の指令により瞬間的に開となり、副シリンダ１２内の圧縮高温ガスがエンジン１の主シリンダへ噴射される。かくして、この圧縮高温ガスの着火エネルギにより上記主シリンダ内の圧縮混合気が着火される。

（５）エンジン１の排ガスは排気ライン７にて過給機２の被駆動部２Ａを駆動した後、一部が上記排ガス分枝ライン１９にもたらされ、残りは排ガス処理装置８で無害化処理された後に煙突１０から大気へ放出される。

（６）上記着火装置１１とこれに関連する装置は制御装置２１により制御される。副シリンダ１３に設けられた温度センサ１７により検出された圧縮時の高温ガスの温度が所定値（例えば主シリンダ内混合気の着火温度より２００℃高い温度）に対して上昇したときには、排ガス量調整装置２０を調整して副ピストン１２への排ガス送入量を増大せしめ、圧縮高温ガスの酸素濃度を調整して主シリンダ内の混合気の燃焼火炎温度を調整して、過昇温を防ぎ、排ガス中の窒素酸化物の排出を抑制する。

＜第二実施形態＞
次に図２に示す第二実施形態について説明する。本実施形態では、外部から外気取入ライン３を経て取り入れられる外気が、着火装置１１に送入される分について熱交換装置２２で予め加熱される点で図１の形態と相違している。図２の形態で、図１と共通部分には同一符号を付しその説明は省略する。

本実施形態では、排気ライン７は熱交換装置２２にて、外気取入ライン３の分枝ライン３Ａと熱交換を行うようになっており、この分枝ライン３Ａ内の取入れ外気は加熱されて送気管１８Ａを経て副シリンダ１２へ送入される。副シリンダ１２へ送入される外気は、図１の形態では過給機２の加圧部２Ｂで加圧昇温されていたが、本実施形態ではすでに上記熱交換装置８で昇温しているので、加圧されることなく副シリンダ１２へ送入されている。

上記熱交換装置は、その形式に限定はないが、例えば、蓄熱高温空気製造装置を用いることができる。この蓄熱高温空気製造装置自体は公知であるので、詳細な説明を省略するが、例えば特開平１０−２６７２６３に開示されているものが用いられる。また金属製熱交換器を用いてもよい。

本実施形態でも、図１にて破線で示された排ガス分枝ライン１９を設けることによって、選択的に外気と共に、あるいは外気に代えて排ガスを副シリンダに送入することもできる。

また、図２にて破線で示されたように熱交換装置にて加熱された取入れ外気を選択的に過給機２の上流側またはマニホルド４に送入することによって、エンジンの主シリンダに供給される混合気の燃焼性を高めて、エンジンの熱効率を向上することもできる。

本発明の第一実施形態の概要構成図である。 本発明の第二実施形態の概要構成図である。

符号の説明

１ ガスエンジン
３ 外気取入ライン
７ 排気ライン
１１ 着火装置
１２ 副シリンダ
１３ 副ピストン
１９ 排ガス分枝ライン

Claims (3)

1. 主シリンダへガス燃料と酸化剤とを供給し、上記主シリンダで圧縮された混合気を着火装置により着火するガスエンジン装置において、着火装置は主シリンダよりも小型の副シリンダ内に副ピストンを配して構成され、外気取入ラインから取り入れた外気と上記主シリンダからの排ガスを排出する排気ラインより分枝された排ガス分枝ラインを経て得られる排ガスの一部との少なくとも一方を副シリンダに送入し、これを副シリンダ内で圧縮して高温ガスとし、該高温ガスを着火源として副シリンダから上記主シリンダへ噴射するようになっていることを特徴とするガスエンジン装置。
2. 排気ラインと外気取入ラインは熱交換装置に接続されていて、外気取入ラインから取り入れられた外気が排気ラインにおける排ガスとの熱交換により加熱された後に着火装置の副シリンダ内へ送入され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. 副シリンダは圧縮時の高温ガスの温度を検出する温度センサが設けられ、排ガス分枝ラインに排ガス量調整装置が設けられ、かつ上記温度センサによる検出温度が上昇時に上記排ガス量調整装置により排ガスの流量を増大せしめる制御装置を有していることとする請求項１又は請求項２に記載のガスエンジン装置。

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