JP2012172553A - ガスエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガスを適切に分析することができ、燃料ガスを効率よく燃焼することができるガスエンジンを提供することにある。
【解決手段】副室式のエンジン本体と、主室に燃料ガスと希釈ガスを混合した混合ガスを供給し、副室に少なくとも燃料ガスを含む気体を供給する燃料供給手段および燃料ガスを分析する分析計を有するガスエンジン制御ユニットと、を有し、分析計は、第１燃料ガス供給配管の経路中に配置された主管、主管に連結した入射管、主管に連結した出射管、入射管と連結された第１パージガス供給管及び出射管と連結された第２パージガス供給管で構成された計測セルと、希釈ガス供給経路に案内される希釈ガスをパージガスとして計測セルの第１パージガス供給管および第２パージガス供給管に供給するパージガス供給部と、を有することで、上記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主室と副室とを備えるガスエンジンに関する。

ガスエンジンは、燃焼室にガス燃料と空気を供給して燃焼する。ガスエンジンは、燃焼室に供給するガス燃料と空気との混合比（空燃比）を制御することで、効率よく燃料を燃焼させることができる。ガス燃料と空気との混合比を制御するガスエンジンとしては、特許文献１、特許文献２に記載の装置がある。

特許文献１には、燃料ガスが低カロリーである場合又はエンジン出力が高出力である場合、燃料ガス供給管の燃料流量制御弁より上流側にて燃料ガスの一部を分岐し、分岐した燃料ガス流量が分岐された側の燃料ガス流量より少ない一定流量となるようにし、分岐制御弁を介して分岐した燃料ガスを燃焼室内に供給し、ガス供給主管を介して燃料流量制御弁に燃料ガスの残分を供給し、混合ガスが所定の空燃比となるように燃料ガス量を制御するようにするとともに、燃料ガスが高カロリーである場合又はエンジン出力が低出力である場合には、分岐制御弁を閉としガス供給主管にのみ燃料ガスを供給することが記載されている。

特許文献２には、ガスタービンの燃焼制御装置ではあるが、低カロリガスを燃料ガスとしてガスタービンに供給するための低カロリガス供給通路と、該低カロリガス供給通路に接続された、低カロリガス供給通路に空気を供給するための空気供給通路と、上記低カロリガス供給通路に配設された、ガス中の発熱量を検出するための発熱量検出装置と、該発熱量検出装置の検出結果に基づいて空気供給通路による空気供給動作を制御しうる制御装置とを備えてなる低カロリガス供給設備が記載されている。また、発熱量検出装置は、ガスの発熱量を直接計測する所謂カロリメータ、可燃成分の含有量（濃度）を計測する装置などを用いる構成が記載されている。

特開２００９−１４４６２８号公報 国際公開第２００６／０３３１７５号

ここで、ガスエンジンとしては、ピストンが配置された主室と、当該主室の先端（ピストンの上死点よりも上側）に形成され点火プラグが配置された副室と、を有する燃焼室を備える副室式のガスエンジンがある。副室式のガスエンジンも空燃比を調整することで、燃料を効率よく燃焼することができる。

これに対して、特許文献１の装置は、燃料ガスのカロリーに応じて制御を切り換えているが、カロリーが不明な燃料ガスの場合の制御については記載されていない。また、特許文献２には、発熱量検出装置を用いることが記載されているが具体的な構成については記載されていない。

また、燃料ガスを分析する分析計として、燃焼式の発熱量計測装置を用いることがあるが、燃焼式の発熱量計測装置では、計測に分単位の字願が必要なため高い応答性での制御が困難である。燃料ガスの解析の応答性が低いと、燃料ガスの燃焼効率が低下する場合がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、燃料ガスを適切に分析することができ、燃料ガスを効率よく燃焼することができるガスエンジンを提供することを課題とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、主室および前記主室の上面に連結された副室を備える燃焼室、前記主室内で往復運動するピストンおよび前記副室内に配置された点火プラグを有するエンジン本体と、前記主室に燃料ガスと希釈ガスを混合した混合ガスを供給し、前記副室に少なくとも燃料ガスを含む気体を供給する燃料供給手段、前記燃料ガスを分析する分析計、前記分析計の解析結果を取得し運転状態を監視する状態監視装置および各部を制御する制御装置を有するガスエンジン制御ユニットと、を有し、前記燃料供給手段は、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料ガス供給装置から供給される前記燃料ガスを前記主室に案内する第１燃料ガス供給配管と、前記燃料ガス供給装置から供給される前記燃料ガスを前記副室に案内する第２燃料ガス供給配管と、前記希釈ガスを供給する希釈ガス供給装置と、前記希釈ガス供給装置から供給される前記希釈ガスを案内する第１希釈ガス供給配管と、を備え、前記分析計は、前記第１燃料ガス供給配管の経路中に前記第１燃料ガス供給配管の一部として配置され燃料ガスが流れる主管、前記主管に連結し前記主管と連結している側と反対側の端部に光が通過可能な窓部が形成された入射管、前記主管に連結し前記主管と連結している側と反対側の端部に光が通過可能な窓部が形成された出射管、前記入射管と連結された第１パージガス供給管及び前記出射管と連結された第２パージガス供給管で構成された計測セルと、前記希釈ガス供給経路に案内される前記希釈ガスをパージガスとして前記計測セルの前記第１パージガス供給管および前記第２パージガス供給管に供給するパージガス供給部と、測定光を出力する発光部と、前記発光部から射出された測定光を前記計測セルに案内する光学系と、前記出射部から出射された光を受光し、受光した光を受光信号として出力する受光部と、前記受光部から出力される受光信号を処理する信号処理部と、前記信号処理部で処理した結果に基づいて、前記計測セルを流れる前記測定対象気体に含まれる燃料ガスの成分を分析する燃料分析部と、各部の動作を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

ここで、前記燃料供給手段は、前記第１希釈ガス供給配管を流れる前記希釈ガスの流量を調整するパージガス流量調整弁をさらに備え、前記制御装置は、前記状態監視部で検出した状態に基づいて前記パージガス流量調整弁を調整し、前記第１希釈ガス供給配管を流れる前記希釈ガスの流量を調整することが好ましい。

また、前記燃料供給手段は、前記第１燃料ガス供給配管の前記計測セルが設置されている位置よりも上流側に、前記希釈ガス供給装置から供給される前記希釈ガスを案内する第２希釈ガス供給配管と、をさらに備えることが好ましい。

また、前記燃料供給手段は、前記第２希釈ガス供給配管を流れる前記希釈ガスの流量を調整する予混合流量調整弁をさらに備え、前記制御装置は、前記状態監視部で検出した状態に基づいて前記予混合流量調整弁を調整し、前記第２希釈ガス供給配管を流れる前記希釈ガスの流量を調整することが好ましい。

また、前記燃料供給手段は、前記燃料ガス供給装置から供給される前記燃料ガスを前記主室に直接案内する第３燃料ガス供給配管と、をさらに備えることが好ましい。

また、前記ガスエンジン制御ユニットは、前記主室の圧力を検出する内筒圧力センサをさらに備え、前記状態監視装置は、前記温度センサの検出結果に基づいて運転状態を判定し、前記制御装置は、前記状態監視装置で判定した運転状態に基づいて、前記燃料供給手段から前記主室に供給する燃料ガスおよび希釈ガスを制御することが好ましい。

また、前記ガスエンジン制御ユニットは、前記主室の温度を検出する温度センサをさらに備え、前記状態監視装置は、前記温度センサの検出結果に基づいて運転状態を判定し、前記制御装置は、前記状態監視装置で判定した運転状態に基づいて、前記燃料供給手段から前記主室に供給する燃料ガスおよび希釈ガスを制御することが好ましい。

また、前記燃料分析部は、前記燃料ガスのカロリーを算出することが好ましい。

また、前記制御装置は、前記状態監視装置で判定した運転状態に基づいて、前記主室への混合ガスの噴射タイミング、前記副室への燃料ガスの噴射タイミング、前記点火プラグの着火タイミングの少なくとも１つを制御することが好ましい。

また、前記受光部は、前記入射部から入射され、前記計測セルを通過した前記測定光を受光することが好ましい。

また、前記発光部は、測定対象の物質に固有な吸収波長を含む波長域のレーザ光を出力し、前記燃料分析部は、前記受光信号に含まれる前記測定対象の物質に固有な吸収波長の出力に基づいて前記測定対象の物質の濃度を算出することが好ましい。

本発明にかかるガスエンジンは、燃料ガスを適切に分析することができ、燃料ガスを効率よく燃焼することができるという効果を奏する。

図１は、ガスエンジンの一実施形態の概略構成を示す模式図である。 図２は、分析計の一実施形態の概略構成を示す模式図である。 図３は、図２に示す分析計の計測セルの一部を拡大して示す拡大模式図である。 図４は、ガスエンジンの他の実施形態の概略構成を示す模式図である。 図５は、ガスエンジンの他の実施形態の概略構成を示す模式図である。 図６は、ガスエンジンの他の実施形態の概略構成を示す模式図である。 図７は、ガスエンジンの他の実施形態の概略構成を示す模式図である。

以下に、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、下記の実施形態によりこの発明が限定されるものではない。なお、以下の実施形態で説明するガスエンジンを有する装置としては、車両、船舶、発電機等種々の装置が例示される。

（実施形態１）
図１は、ガスエンジンの一実施形態の概略構成を示す模式図である。図１に示すガスエンジン１００は、燃料ガスを燃焼させ発生した熱エネルギを機械的エネルギに変換するエンジン本体１０２と、エンジン本体１０２に燃料ガス、希釈ガス等を供給し、エンジン本体１０２の動作を制御するガスエンジン制御ユニット１０３と、を有する。なお、燃料ガスとは、炭化水素等の燃焼する気体を含む気体である。希釈ガスとは、燃料ガスの燃焼時必要な酸素を含む気体であり、空気（大気）等である。

エンジン本体１０２は、主室１２２および副室１２４を備える燃焼室１２１とピストン１２３と点火プラグ１２５と吸気管１２６と排気管１２８と吸気弁１３０と排気弁１３２とを有する。なお、エンジン本体１０２は、上記構成に加え、ガスエンジンに必要な各種構成を備えている。また、図１では、エンジン本体１０２として、主室１２２および副室１２４を備える燃焼室１２１とピストン１２３と点火プラグ１２５と吸気管１２６と排気管１２８と吸気弁１３０と排気弁１３２と副室ガス供給管１３４とを組み合わせた１つの気筒を示したが、この気筒を複数備えていてもよい。

燃焼室１２１は、燃料ガスを燃焼する領域であり、主室１２２および副室１２４で構成される。主室１２２は、円筒形のシリンダであり、軸方向の一方の端面（円形の面）が開放されている。また、副室１２４は、主室１２２の上面（軸方向の他方の端面）に配置されている。副室１２４は、主室１２１よりも小さい空間である。燃焼室１２１は、主室１２２と副室１２４との間に複数個（例えば４〜１０個）の副室噴孔が形成された板状部材が配置されている。副室１２４は、主室１２２と副室噴孔で繋がっている。このように、主室１２２と副室１２４との間は、気体が流通可能な状態で繋がっている。

ピストン１２３は、主室１２２に摺動可能な状態で配置（挿入）されている。ピストン１２３は、ピストンロッド等に連結されており、主室１２２内で主室１２２の円筒の軸に平行な方向に摺動する。エンジン本体１０２は、主室１２２とピストン１２３の上面と副室１２４とで閉じられた空間が形成され、この領域が燃料ガスを燃焼する空間（燃焼空間）となる。点火プラグ１２５は、副室１２４内に配置されている。点火プラグ１２５は、火花点火する着火装置であり、火花点火することで、副室１２４内に噴射された燃料ガスを燃焼させる。

吸気管１２６および排気管１２８は、主室１２２に連結した配管である。吸気管１２６は、ガスエンジン制御ユニット１０３の後述する燃料供給手段１０４から燃料ガスと希釈ガスを混合した混合ガスが供給される。吸気管１２６は、供給された混合ガスを案内し、主室１２２に供給する。排気管１２８は、主室１２２内の空気を外部に排出する。

吸気弁１３０は、吸気管１２６と主室１２２との連結部に配置され、吸気管１２６の開閉を切り換える弁である。エンジン本体１０２は、吸気弁１３０を開くことで吸気管１２６から主室１２２に混合ガスが供給され、閉じることで吸気管１２６から主室１２２に混合ガスを供給しない状態とする。排気弁１３２は、排気管１２８と主室１２２との連結部に配置され、排気管１２８の開閉を切り換える弁である。エンジン本体１０２は、排気弁１３２を開くことで主室１２２内の空気が排気管１２８に排出し、閉じることで主室１２２内の空気を排気管１２８から排出しない状態とする。

副室ガス供給管１３４は、副室１２４に連結されており、副室１２４内に燃料ガスを供給する。つまり、副室ガス供給管１３４は、トーチガス導入通路（点火用補助ガス通路）である。

エンジン本体１０２は、吸気行程、圧縮行程、燃焼・膨張行程、排気行程を行う４サイクルエンジンである。エンジン本体１０２は、吸気行程として、給気弁１３０を開いて混合ガスが主室１２２内に給気する。その後、エンジン本体１０２は、圧縮工程として、ピストン１２３を上死点側（主室１２２の上面側）に移動させ、主室１２２とピストン１２３とで構成される空間の体積を小さくする。また、エンジン本体１０２は、圧縮行程において、副室ガス供給管１３４から燃料ガスを副質１２４に噴出し、燃料ガスに主室６から複数個の副室噴孔を経由して副室１２４に流入した混合ガスを混合して、点火プラグ１２５により着火可能な濃度とする。

次にエンジン本体１０２は、燃焼・膨張工程として、点火プラグ１２５で火花点火を行い、副室１２４内の燃料ガスに着火し、副室１２４内と副室１２４と繋がっている主室１２２内の燃料ガスを燃焼させる。つまり燃焼室１２１内の燃料ガスを燃焼させる。また、エンジン本体１０２は、燃焼室１２１内の燃料ガスを燃焼させることで燃焼室１２１内の空気を膨張させ、ピストン１２３に下死点側に向かう圧力を加える。その後、エンジン本体１０２は、排気行程として、排気弁１３２を開き、燃焼室１２１内の空気を排気管１２８から排出する。エンジン本体１０２は、排気行程が終了したら、再び吸気行程に進み、上記処理を繰り返す。また、エンジン本体１０２は、１サイクルでピストン１２３を２回上下動（上下方向に２往復）させる。

ガスエンジン制御ユニット１０３は、燃料供給手段１０４と分析計１０と制御装置１０６と状態監視装置１０８と内筒圧力センサ１１０と温度センサ１１２とを有する。燃料供給手段１０４は、エンジン本体１０２の燃焼室に燃料ガスおよび希釈ガスを供給する機構である。燃料供給手段１０４は、燃料ガス供給装置１４０と希釈ガス供給装置１４２と燃料ガス配管１４４、１４６、１４８と希釈ガス配管１４９と流量調整弁１５０、１５１、１５２、１５４とを有する。

燃料ガス供給装置１４０は、燃料ガスを供給する装置であり、燃料ガスを貯留する燃料ガスタンクや燃料ガスを送出するポンプ等を有する。燃料ガス供給装置１４０は、燃料ガス配管１４４と連結しており、燃料ガス配管１４４に燃料ガス１６０を送出する。希釈ガス供給装置１４２は、希釈ガスを供給する装置であり、希釈ガスを貯留する希釈ガスタンクや希釈ガスを希釈ガス配管１４９に送るポンプ等をする。なお、希釈ガスとして大気を用いる場合は、希釈ガスタンクは設けなくてもよい。希釈ガス供給装置１４２は、希釈ガス配管１４９と連結しており、希釈ガス配管１４９に希釈ガス１６２を送出する。

燃料ガス配管１４４、１４６、１４８は、燃料ガスを案内する配管である。燃料ガス配管１４４は、燃料ガス供給装置１４０と燃料ガス配管１４６と燃料ガス配管１４８に連結されており、燃料ガス供給装置１４０から供給された燃料ガス１６０を、燃料ガス配管１４６、燃料ガス配管１４８のそれぞれに案内する。燃料ガス配管１４６は、燃料ガス配管１４８と吸気管１２６とに連結している。燃料ガス配管１４６は、燃料ガス配管１４８から案内された燃料ガス１６０を吸気管１２６に案内する。なお、燃料ガス配管１４６には、分析計１０が設けられており、燃料ガス１６０は、分析計１０の通過時に希釈ガス１６２と混合され混合ガス１６４となる。燃料ガス配管１４８は、燃料ガス配管１４８と副室ガス供給管１３４とに連結している。燃料ガス配管１４６は、燃料ガス配管１４８から案内された燃料ガス１６０を副室ガス供給管１３４に案内する。

希釈ガス配管１４９は、希釈ガスを案内する配管である。希釈ガス配管１４９は、希釈ガス供給装置１４２と分析計１０とに連結している。希釈ガス配管１４９は、希釈ガス供給装置１４２から供給される希釈ガス１６２を分析計１０に案内する。また、希釈ガス配管１４９は、分析計１０側の端部が２つに分岐している。つまり希釈ガス配管１４９は、分岐した２つの管路が分析計１０と連結しており、希釈ガス供給装置１４２とは１つの管路が連結している。

流量調整弁１５０、１５１、１５２、１５４は、開度を調整可能な電磁弁であり、配置されている配管を流れるガスの流量を調整する。なお、流量調整弁１５０、１５１、１５２、１５４は、開度を調整する電磁弁に限定されず、配置されている配管のガスの流量を調整することができる弁であればよい。例えば、流量調整弁１５０、１５１、１５２、１５４として開状態と閉状態とを切り換える弁を用い、単位時間当たりの開状態の時間と閉状態の時間を調整することでも配置されている配管を流れるガスの流量を調整することができる。

流量調整弁１５０は、燃料ガス配管１４４の燃料ガス配管１４６との連結部および燃料ガス配管１４８との連結部よりも燃料ガス供給装置１４０側の部分に配置されている。流量調整弁１５０は、燃料ガス配管１４４を流れる燃料ガス１６０の流量、より具体的には燃料ガス供給装置１４０から燃料ガス配管１４６および燃料ガス配管１４８に供給される燃料ガス１６０の流量を調整する。流量調整弁１５１は、燃料ガス配管１４６の分析計１０が配置されている部分よりも燃料ガス配管１４４との連結部側の部分に配置されている。流量調整弁１５１は、燃料ガス配管１４６を流れる燃料ガス１６０の流量、より具体的には燃料ガス配管１４６から分析計１０に供給される燃料ガス１６０の流量を調整する。流量調整弁１５２は、燃料ガス配管１４８に配置されている。流量調整弁１５２は、燃料ガス配管１４８を流れる燃料ガス１６０の流量、より具体的には燃料ガス配管１４６から副室ガス供給管１３４に供給される燃料ガス１６０の流量を調整する。流量調整弁１５４は、希釈ガス配管１４９の分岐している部分よりも希釈ガス供給装置１４０側に配置されている。流量調整弁１５４は、希釈ガス配管１４９を流れる希釈ガス１６２の流量、より具体的には希釈ガス供給装置１４２から分析計１０に供給される希釈ガス１６２の流量を調整する。

次に、分析計１０は、燃料ガス配管１４６の流量調整弁１５１と吸気管１２６との間に配置されている。つまり分析計１０は、流量調整弁１５１よりも下流で吸気管１２６よりも上流側となる位置に配置されている。なお、燃料ガス配管１４６は、分析計１０よりも上流側の部分を配管１４６ａとし、分析計１０よりも下流側の部分（分析計１０を通過したガス）を配管１４６ｂとする。分析計１０は、設置されている配管を流れる気体を分析するセンサであり、本実施形態では燃料ガス配管１４６を流れる燃料ガス１６０の成分を分析する。分析計１０は、燃料ガス１６０の計測結果を状態監視装置１０８に送る。

分析計１０は、希釈ガス配管１４９が接続されており、希釈ガス１６２が供給される。分析計１０は、経路内で燃料ガス１６０を分析しつつ、燃料ガス配管１４６を流れる燃料ガス１６０と、希釈ガス配管１４９から供給される希釈ガス１６２と、を混合し経路内を流れるガスを混合ガス１６４とする。これにより、分析計１０の下流の配管１４６ｂを流れるガスは、燃焼ガス１６０に希釈ガス１６２を混合した混合ガス１６４となる。なお、分析計１０の構成については後述する。

制御装置１０６は、ガスエンジン本体１０２の各部およびガスエンジン制御ユニット１０３の各部の動作を制御する。具体的には、制御装置１０６は、状態監視装置１０８で検出した運転状態に基づいて、燃料供給手段１０４による燃料ガス１６０の供給動作、希釈ガス１６２の供給動作、点火プラグ１２５の着火タイミング、吸気弁１３０および排気弁１３２の開閉タイミング等を制御する。なお、燃料ガス１６０の供給動作、希釈ガス１６２の供給動作は、燃料ガス供給装置１４０と希釈ガス供給装置１４２とのガス供給動作や、流量調整弁１５０、１５１、１５２、１５４の開閉動作を制御することで制御できる。

状態監視装置１０８は、各部の検出結果に基づいてガスエンジン１００の運転状態を検出、監視する。状態監視装置１０８は、分析計１０での燃料ガス１６０の分析結果や、内筒圧力センサ１１０および温度センサ１１２の検出結果に基づいて運転状態を検出する。

内筒圧力センサ１１０は、圧力を検出するセンサであり、検出素子が主室１２２に配置されている。内筒圧力センサ１１は、主室１２２の燃焼領域の圧力を検出する。内筒圧力センサ１１０は、検出結果を状態監視装置１０８に送る。温度センサ１１２は、温度を検出するセンサであり、検出素子が主室１２２に配置されている。温度センサ１１２は、主室１２２の燃焼領域の温度を検出する。温度センサ１１２は、検出結果を状態監視装置１０８に送る。

次に、図２および図３を用いて分析計１０について説明する。図２は、本発明の分析計の一実施形態の概略構成を示す模式図であり、図３は、図２に示す分析計の計測セルの一部を拡大して示す拡大模式図である。図２に示すように分析計１０は、計測セル１２と、計測手段１４と、パージガス供給手段１６と、を有する。ここで、分析計１０は、混合ガス１６４が流れる燃料ガス配管１４６の経路中に設けられている。なお、上述したように本実施形態では、分析計１０の上流側の燃料ガス配管１４６を配管１４６ａとし、分析計１０の下流側の燃料ガス配管１４６を配管１４６ｂとする。また、燃料ガス１６０は、配管１４６ａの上流側の燃料ガス配管１４４から供給され、配管１４６ａ、分析計１０、配管１４６ｂを通過し、配管１４６ｂよりも下流側の吸気管１２６に排出される。なお、分析計１０は、パージガス供給手段１６がパージガスとして希釈ガス１６２を計測セル１２内に供給する。パージガスは、希釈ガス１６２と同様のガスであるので、以下パージガス１６２ともいう。このため、燃料ガス１６０は、分析計１０で希釈ガス１６２と混合され、配管１４６ｂへの排出時には、混合ガス１６４となる。

計測セル１２は、基本的に主管２０と、入射管２２と、出射管２４とを有する。また、入射管２２には、窓２６と、パージガス供給管３０とが設けられており、出射管２４は、窓２８と、パージガス供給管３２が設けられている。主管２０は、筒状の管状部材であり、一方の端部が配管１４６ａと連結され、他方の端部が配管１４６ｂと連結されている。つまり、主管２０は、混合ガス１６４が流れる流路の一部となる位置に配置されている。これにより、混合ガス１６４は、配管１４６ａ、主管２０、配管１４６ｂの順に流れる。また、配管１４６ａを流れる燃料ガス１６０は、基本的に全て主管２０を流れる。

入射管２２は、管状部材であり、一方の端部が主管２０に連結されている。また、主管２０は、入射管２２との連結部が、入射管２２の開口（端部の開口）と略同一形状の開口となっている。つまり、入射管２２は、主管２０と、空気の流通が可能な状態で連結されている。また、入射管２２の他方の端部には、窓２６が設けられており、窓２６により封止されている。なお、窓２６は、光を透過する部材、例えば、透明なガラス、樹脂等で構成されている。これにより、入射管２２は、窓２６が設けられている端部が、空気が流通しない状態で、かつ、光が透過できる状態となる。

入射管２２は、図２及び図３に示すように、窓２６側の端部の開口（つまり、窓２６により塞がれている開口）の面積と、主管２０側の端部（つまり、主管２０と連結している部分の開口）の面積とが実質的に同一の円筒形状である。なお、入射管２２の形状は円筒形状に限定されず、空気及び光を通過させる筒型の形状であればよく、種々の形状とすることができる。例えば、断面が四角、多角形、楕円、非対称曲面となる形状としてもよい。また筒形状の断面の形状、径が位置によって変化する形状でもよい。なお、入射管２２は、パージガス１６２が安定して流れる形状とすることが好ましい。

また、入射管２２には、さらにパージガス供給管３０が連結されている。パージガス供給管３０は、図３に示すように、窓２６が封止されている端部と主管２０と連結されている端部との間に配置されている。パージガス供給管３０は、パージガス供給手段１６から供給されたパージガスを入射管２２に案内する。また、パージガス供給管３０は、パージガス１６２の噴出し口となる部分が窓２６側に向けて傾斜している。

出射管２４は、入射管２２と略同一形状の管状部材であり、一方の端部が主管２０に連結され、出射管２４の他方の端部には、窓２８が設けられている。出射管２４も、主管２０と空気が流通可能な状態で、窓２８が設けられている端部が、空気が流通しない状態で、かつ、光が透過できる状態となる。また、出射管２４は、中心軸が入射管２２の中心軸と略同一となる位置に配置されている。つまり、入射管２２と出射管２４とは、主管２０の対向する位置に配置されている。

また、出射管２４も、窓２８側の端部の開口（つまり、窓２８により塞がれている開口）の面積と、主管２０側の端部（つまり、主管２０と連結している部分の開口）の面積とが実質的に同一の円筒形状である。なお、出射管２４も形状は円筒形状に限定されず、空気及び光を通過させる筒型の形状であればよく、種々の形状とすることができる。例えば、断面が四角、多角形、楕円、非対称曲面となる形状としてもよい。また筒形状の断面の形状、径が位置によって変化する形状でもよい。なお、出射管２４も、後述するパージガスが安定して流れる形状とすることが好ましい。

また、出射管２４の、窓２８が封止されている端部と主管２０と連結されている端部との間には、パージガス供給管３２が連結されている。パージガス供給管３２は、パージガス供給手段１６から供給されたパージガスを出射管２４に案内する。また、パージガス供給管３２も吹出し口が窓２８側を向いた形状である。

次に、計測手段１４は、発光部４０と、光ファイバ４２と、受光部４４と、光源ドライバ４６と、信号処理部４７と、燃料分析部４８と、制御部５０と、を有する。なお、本実施形態では、信号処理部４７と、燃料分析部４８と、を別々に設けたが一体で（１つの処理部として）設けてもよい。また、光源ドライバ４６と、信号処理部４７と、燃料分析部４８と、制御部５０と、を一体で（１つの処理部として）設けてもよい。また、本実施形態では、発光部４０と光源ドライバ４６と信号処理部４７と燃料分析部４８と制御部５０とを、分析計本体３９とする。

発光部４０は、所定波長のレーザ光を出力（発光）させる発光素子を有する。なお、発光部４０の発光素子は、出力するレーザ光の出力波長を所定の波長幅（周波数幅）で設定した周波数で変化させることができる発光素子である。発光素子としては、波長可変の半導体レーザ素子（ＬＤ：Laser Diode）を用いることができる。発光部４０は、測定対象の物質（ガス）が吸収する波長域（好ましくは近赤外波長域）を含む波長域のレーザ光を出力する。なお、測定対象の物質とは、燃料ガス１６０の分析の対象となる成分である。例えば、計測対象がメタン（ＣＨ_４）の場合、発光部４０は、メタンを吸収する近赤外波長域を含む波長域のレーザ光を出力する。エタン（Ｃ_２Ｈ_６）の場合、発光部４０は、エタンを吸収する近赤外波長域を含む波長域のレーザ光を出力する。計測対象が酸素の場合、発光部４０は、酸素を吸収する近赤外波長域を含む波長域のレーザ光を出力する。また、計測対象が窒素の場合、発光部４０は、窒素を吸収する近赤外波長域の波長域を含むレーザ光を出力する。また、計測対象が二酸化炭素の場合、発光部４０は、二酸化炭素を吸収する近赤外波長域の波長域を含むレーザ光を出力する。なお、測定対象が複数の物質である場合、発光部４０は、夫々の物質が吸収する波長域の光を発光する発光素子を複数備え、それぞれの波長域の光を出力するようにしてもよい。光ファイバ４２は、発光部４０から出力されたレーザ光を案内し、窓２６から計測セル１２内に入射させる。発光部４０は、測定対象の物質が吸収する波長域（好ましくは近赤外波長域）を含む波長域のレーザ光を出力する。光ファイバ４２は、発光部４０から出力されたレーザ光を案内し、窓２６から計測セル１２内に入射させる。

受光部４４は、計測セル１２の主管２０の内部を通過し、出射管２４の窓２８から出力されたレーザ光を受光する受光部である。なお、受光部４４は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ、Photodiode）等の受光素子（光検出器）を備え、受光素子によってレーザ光を受光し、その光の強度を検出する。受光部４４は、受光したレーザ光の強度（光量）を受光信号として、信号処理部４７に送る。

光源ドライバ４６は、発光部４０を駆動する機能を有し、発光部４０に供給する電流、電圧を調整することで、発光部４０から出力されるレーザ光の波長、強度を調整する。光源ドライバ４６は、発振器であり、電流、電圧を所定の波形で発光部４０に供給することで時間により波長が変化するレーザ光を出力させる。本実施形態の光源ドライバ４６は、設定された変調周波数でレーザ光の波長を振動させる。光源ドライバ４６は、制御部５０を介して燃料分析部４８に、発光部４０から出力しているレーザ光の強度の情報を出力する。これにより、発光部４０は、測定対象の物質が吸収する波長域（好ましくは近赤外波長域）を含む波長域のレーザ光を変調周波数で波長を変調しつつ出力する。具体的には、発光部４０は、測定対象の物質が吸収する吸収波長を中心とした一定波長幅で波長を変調させる。この時の一定波長幅の波長の変動を周期的に行い、その変動の周期の周波数が変調周波数となる。光源ドライバ４６は、変調周波数として、８０ｋＨｚ以上の周波数を用いることが好ましく、１００ｋＨｚ以上の周波数を用いることがより好ましい。変調周波数を８０ｋＨｚ以上、より好ましくは１００ｋＨｚ以上とすることで、ノイズの低減効果を大きく得ることができる。具体的には、変調周波数を８０ｋＨｚ以上とすることで計測セルを流れるガスの流量によらず、−７０ｄＢ以下かつ−８０ｄＢの近傍まで飛躍的に低減することができる。さらに、変調周波数を１００ｋＨｚ以上（指定周波数を２００ｋＨｚ以上）とすることで計測セルを流れるガスの流量によらず、より−８０ｄＢの近傍まで低減することができる。なお、ノイズ成分の−８０ｄＢは、装置固有のノイズ成分である。このように、変調周波数を８０ｋＨｚ以上、より好ましくは１００ｋＨｚとすることで、測定対象の物質の濃度等の検出時のノイズ成分を好適に低減、具体的には、装置固有のノイズ成分と同程度のノイズ以外は生じない状態とすることができる。これにより、分析計１０は、測定対象の物質をより高い精度で計測することができる。

信号処理部４７は、受光部４４がレーザ光を受光することで生成した信号（受光信号）を処理する。具体的には、信号処理部４７は、受光信号に含まれるノイズ成分を除去し、発光部４０から出力され受光部４４に到達したレーザ光の成分（つまり変調周波数に対応した信号成分）を抽出する。なお、抽出して生成される信号を以下スペクトル信号という。ここで、本実施形態の信号処理部４７は、受光信号から、変調周波数の２倍の周波数成分を抽出することで、測定対象の物質のレーザ光の吸収の反応を示す波形（スペクトル信号）を検出する。なお、明細書においては信号処理部４７が受光信号から抽出する成分の周波数、つまりスペクトル信号の抽出に用いた周波数を指定周波数という。

燃料分析部４８は、信号処理部４７から出力されたスペクトル信号に基づいて、計測セル１２を流れる燃料ガス１６０に含まれる測定対象の物質の濃度を算出する。燃料分析部４８は、信号処理部４７から出力されたスペクトル信号と、制御部５０により光源ドライバ４６を駆動させている条件とに基づいて、測定対象の物質の濃度を算出する。具体的には、燃料分析部４８は、制御部５０により光源ドライバ４６を駆動させている条件に基づいて発光部４０から出力されるレーザ光の強度を算出し、信号処理部４７で生成されたスペクトル信号に基づいて受光したレーザ光の強度を算出する。燃料分析部４８は、この発光したレーザ光の強度と受光したレーザ光の強度と比較し、燃料ガス１６０に含まれる測定対象の物質の濃度を算出する。

具体的には、発光部４０から出力された近赤外の波長域のレーザ光Ｌは、光ファイバ４２から計測セル１２の所定経路、具体的には、窓２６、入射管２２、主管２０、出射管２４、窓２８を通過した後、受光部４４に到達する。このとき、計測セル１２内の燃料ガス１６０中に測定対象の物質が含まれていると、計測セル１２を通過するレーザ光が吸収される。そのため、レーザ光Ｌは、燃料ガス１６０中の測定対象の物質の濃度によって、受光部４４に到達するレーザ光の出力が変化する。受光部４４は、受光したレーザ光を受光信号に変換する。受光部４４で生成された受光信号は、信号処理部４７で処理されスペクトル信号として燃料分析部４８に入力される。また、制御部５０および光源ドライバ４６は、発光部４０から出力したレーザ光Ｌの強度を燃料分析部４８に出力する。燃料分析部４８は、発光部４０から出力した光の強度と、スペクトル信号から算出される強度とを比較し、その減少割合から計測セル１２内を流れる燃料ガス１６０に含まれる測定対象の物質の濃度を算出する。このように本実施形態の計測手段１４は、いわゆるＴＤＬＡＳ方式（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy：可変波長ダイオードレーザー分光法）を用いることで、出力したレーザ光の強度と、受光部４４で検出した受光信号とに基づいて主管２０内の所定位置、つまり、測定位置を通過する燃料ガス１６０中の測定対象の濃度を、算出および／または計測することができる。また、計測手段１４は、連続的に測定対象の物質の濃度を、算出および／または計測することができる。なお、分析計１０は、発光部４０から出力されるレーザ光の強度を一定として、スペクトル信号のみに基づいて燃料ガス１６０に含まれる測定対象の物質の濃度を算出してもよい。

燃料分析部４８は、燃料ガス１６０の測定対象の物質の濃度を算出することで、燃焼ガス１６０の燃焼成分の構成を分析することができる。なお、燃料分析部４８は、燃料成分の構成から燃料ガス１６０のカロリーを算出してもよい。また、燃料分析部４８は、パージガス１６２の流量と燃料ガス１６０の流量とに基づいて、混合ガス１６４に含まれる燃焼成分の構成（濃度）やカロリーを算出してもよい。なお、この換算は状態監視装置１０８で行ってもよい。また、分析計１０は、予め実験、試験等によりパージガス１６２（希釈ガス１６２）の供給が燃料ガス１６０の分析に与える影響を検出しておくことで、供給されるパージガス１６２の流量等に基づいて影響を考慮した分析結果を算出することができる。燃料分析部４８は、燃料ガス１６０の分析結果を状態監視装置１０８に送る。

制御部５０は、各部の動作を制御する制御機能を有し、必要に応じて、各部の動作を制御する。なお、制御部５０は、計測手段１４の制御のみならず、分析計１０の全体の動作を制御する。つまり、制御部５０は、分析計１０の動作を制御する制御部である。

パージガス供給手段１６は、希釈ガス配管１４９と流量調整弁１５４とを有する。なお、希釈ガス配管１４９と流量調整弁１５４とは、燃料供給手段１０４の一部でもある。パージガス供給手段１６は、計測セル１２のパージガス供給管３０、３２に所定流量の希釈ガス１６２を供給する。

希釈ガス配管１４９は、分岐した２つの管路がそれぞれパージガス供給管３０、３２と連結している。また、希釈ガス配管１４９には、流量調整弁１５４が配置されている。流量調整弁１５４は、開度および開閉の少なくとも一方を調整することで、希釈ガス配管１４９からパージガス供給管３０、３２に供給するパージガス１６２の流量を調整する。分析計１０は、以上のような構成である。

ガスエンジン１００は、状態監視装置１０８が分析計１０の分析結果に基づいてガスエンジン１００の運転状態を検出する。さらに、制御装置１０６が状態監視装置１０８で検出した運転状態に基づいて、各部の動作を制御する。ガスエンジン１００は、このように、運転状態を検出しその運転状態に基づいて各部の動作を制御する。

ガスエンジン１００の制御装置１０６は、分析計１０が検出した燃料ガス１６０の分析結果を用いて状態監視装置１０８が検出した運転状態に基づいて、混合ガス１６４の混合比を調整する。例えば、燃料ガス１６０のカロリーが低下した場合は、燃焼ガス１６０の割合を高くし、燃料ガス１６０のカロリーが増加した場合は、燃焼ガス１６０の割合を低くする。なお、混合ガス１６４の燃焼ガス１６０の割合を高くする場合は、燃料供給手段１０４の燃料ガス１６０の供給量を増加させるか、希釈ガス１６２の供給量を減少させればよい。

このように、ガスエンジン１００は主室１２２に供給される燃料ガス１６０を分析計１０で分析することで、燃料ガス１６０の成分を高い精度で検出することができる。つまり、主室１２２に供給される前の燃料ガス１６０を直接分析することで、燃料ガス１６０の成分を高い精度で検出することができる。これにより、混合ガス１６４の空燃比（混合比）をより適切にすることができ、燃料ガス１６０の燃焼成分をより効率よく燃焼室１２１で燃焼させることができる。

また、ガスエンジン１００は、レーザ光の吸収により測定対象の成分を計測する、特に近赤外のレーザ光を用いるＴＤＬＡＳ方式の分析計１０を用いることで、高い応答性かつ高い精度で燃料ガス１６０を分析することができる。これにより、高い応答性かつ高い精度で燃料供給手段１０４の動作を調整することができ、エンジン本体１０２により適切な空燃費の混合ガス１６４を供給することができる。エンジン本体１０２により適切な混合ガスを供給できることで、エンジン本体１０２の駆動効率を高くすることができ、排出される窒素酸化物を低減することができる。

さらに、分析計１０は、パージガス１６２を供給し、燃料ガス１６０が入射管２２、出射管２４に侵入しにくい構成とし、窓２４、２６が汚れない構成とすることで、燃料ガス１６０の計測精度をより高くすることができる。また、パージガス１６２として希釈ガス１６２を用いることで、ガスエンジン本体１０２の燃焼室１２１に供給するガスの燃料成分が低下することを抑制することができる。

また、分析計１０を主室１２２に燃料ガスを供給する燃料ガス配管１４６に設け、副室１２４に燃料ガスを供給する燃料ガス配管１４８は、燃料ガス配管１４６とは別系統で燃料ガス供給装置１４０と連結した構成とすることで、副室１２４に供給する燃料ガスが希釈ガス１６４や他のガスで希釈されることを抑制することができる。これにより、副室１２４には、より燃料成分が多いガスを供給することができ、副室１２４に供給された燃料成分をより着火しやすい状態にすることができる。副室１２４の燃料成分が着火しやすい状態とすることで、エンジン本体１０２をより適切に駆動させることができる。

また、分析計１０は、使用するパージガス１６２に希釈ガスを用いることで、燃料ガスの燃料成分の分析と、混合ガス１６４の生成を一度に行うことができる。

また、光学式の分析計１０を用いることで、分析時に燃料ガスに含まれている燃焼成分が燃焼することができる。これにより燃料ガスの成分に実質的に影響を与えることなく分析を計測することができる。この点でも計測精度を高くすることができる。

また、分析計１０は、レーザ光を用いた測定であるため使用による劣化等も少なくすることができる。具体的には、検出素子（受光部、発光部）を配管内に設ける必要がない、つまり燃焼ガスと検出素子が触れないため、燃焼ガスにより検出素子が腐食することを抑制できる。また、レーザ光を案内する光学系を設けることで発光部、受光部等の電子機器は計測セルから離れた位置に配置することができ、配管が高温多湿等厳しい条件に配置されている場合も電子機器を厳しい条件で配置する必要がない。これにより、装置の耐久性をより高くすることができる。

ここで、本実施形態の分析計１０を用いる場合、指定周波数は、上記実施形態のように変調周波数の２倍の周波数を用いることが好ましい。指定周波数を変調周波数の２倍の周波数とすることで、検出信号をより大きい強度で検出することができる。なお、上記効果を得ることができるため指定周波数は、変調周波数の２倍の周波数とすることが好ましいが、変調周波数の整数倍の種々の周波数も用いることができる。指定周波数として、変調周波数の４倍の周波数を用いても、変調周波数に含まれる吸収スペクトル（検出対象のスペクトル）の変化を検出することができる。なお、指定周波数として、変調周波数の４倍の周波数を用いて解析を行うとスペクトルの４次微分波形が検出される。このように変調周波数の２倍以外の周波数を用いることで、変調周波数の２倍の周波数にノイズ成分がある場合も吸収スペクトル（検出対象のスペクトル）の変化を検出することができる。

分析計１０は、発光部４０から出力するレーザ光の波長を変調周波数よりも低い周波数である掃引周波数（例えば０．１ｋＨｚ、１ｋＨｚ）で掃引することが好ましい。レーザ光を掃引周波数掃引させることで、測定対象の物質の吸収波長がずれている場合や、レーザ光の出力波長が変動した場合でも補正することができ、測定対象の物質の物理量をより高い精度で計測できる。ここで、変調周波数に基づいたレーザ光の波長の振動の振動幅は、掃引周波数に基づいたレーザ光の波長の変化幅よりも小さくすることが好ましい。これにより、発光部４０から出力されるレーザ光は、変調周波数で振動する振動の中心が、掃引周波数に基づいて変化するレーザ光となる。また、上記実施形態では、レーザ光を所定周波数以上の変調周波数で変調したがこれに限定されない。

また、分析計は、分析計本体から出力されるレーザ光を光学系（ＶＯＡ等）で２つに分割し、一方は計測セルを通過させた後受光部で受光し、他方は計測セルを通過させずに受光部で受光し、その２つの受光信号の差分に基づいて酸素の濃度を計測する構成としてもよい。この場合、燃料分析部は、信号処理部から送られる受光信号の差分の情報と、発光部を駆動させている条件、光学系（特にＶＯＡによる減衰）の条件とに基づいて、解析を行い、酸素の濃度を算出する。具体的には、燃料分析部は、各種条件に基づいて計測セルに入射したレーザ光の強度を算出し、算出したレーザ光の強度と、受光部で受光したレーザ光の強度と比較し、混合気体に含まれる酸素の濃度を算出する。つまり入射光と出射光との強度の比較から、計測セルを通過することで、計測セル中の混合気体の酸素によるレーザ光の吸収量を算出し、その吸収量に基づいて、混合気体に含まれる酸素の濃度を算出する。なお、燃料分析部、信号処理部から送られる信号と、予め記憶されている条件のみに基づいて酸素濃度を算出してもよい。

また、上記実施形態の分析計１０は、主に測定対象の物質の吸収波長域を含む近赤外波長域のレーザ光を照射し、レーザ光の吸収を検出することで、測定対象の物質の濃度を計測したが、分析計１０に用いることができる計測方法はこれに限定されない。分析計１０としては、測定光を用いて計測セル１２を通過するガスに含まれる成分のうち燃料成分の少なくとも１つを計測することができる計測方法であれば種々の方法を用いることができる。例えば、分析計１０は、測定光として、一定の波長域の光を照射し、受光部で受光した光をスペクトル分析し、スペクトル分布と各成分の吸収波長とを比較することで、各成分の濃度を計測してもよい。また、分析計１０は、測定対象の物質のラマン散乱光を検出し、検出したラマン散乱光の強度から測定対象の物質の濃度を検出してもよい。

また、上記実施形態では、分析した結果に基づいて運転状態を検出し、その運転状態に基づいて制御装置１０６により各部の動作を制御したがこれに限定されない。ガスエンジン１００は、単に分析計１０によって燃料ガスを分析するのみでもよい。つまり分析結果に基づいて制御を行わなくてもよい。ガスエンジン１００は、分析計１０で分析を行うことで運転状態を検出することができ、ガスエンジン１００で発生させたカロリーの算出を行ったり、燃料ガスのカロリーに対するガスエンジン１００の出力の割合を算出したりすることができる。また、このように、分析計１０を分析のみに用いた場合でも、上述したように分析計１０が汚れることを抑制しつつ、エンジン本体１０２での燃焼に与える影響を少なくできる。これにより、ガスエンジン１００に分析計１０を設けていない構成により近い状態での分析を行うことができる。

（実施形態２）
次に、図４を用いてガスエンジンの他の実施形態について説明する。ここで、図４は、ガスエンジンの他の実施形態の概略構成を示す模式図である。なお、図４に示すガスエンジン２００は、ガスエンジン制御ユニット２０３の燃料供給手段２０４の構成を除いて他の構成は、ガスエンジン１００と同様である。そこで、ガスエンジン２００のうち、ガスエンジン１００と同様の構成については、同一の符号を付して詳細な説明は省略し、ガスエンジン２００に特有の点を説明する。図４に示すガスエンジン２００は、エンジン本体１０２とガスエンジン制御ユニット２０３とを有する。ガスエンジン制御ユニット２０３は、燃料供給手段２０４と分析計１０と制御装置１０６と状態監視装置１０８と内筒圧力センサ１１０と温度センサ１１２とを有する。

燃料供給手段２０４は、ガスエンジン制御ユニット１０３の燃料供給手段１０４の各部に加え、希釈ガス配管２３０と流量調整弁２３２とを有する。希釈ガス配管２３０は、希釈ガス１６２を案内する配管であり、一方の端部が希釈ガス配管２３０の流量調整弁１５４よりも希釈ガス供給装置１４２側と連結し、他方の端部が燃料ガス配管１４６の配管１４６ａの流量調整弁１５１と分析部１０との間となる部分と連結している。希釈ガス配管２３０は、希釈ガス供給装置１４２から供給された希釈ガス１６２を燃料ガス配管１４６に案内する。つまり、希釈ガス配管２３０は、燃料ガス配管１４６の分析計１０よりも上流側の部分に希釈ガス１６２を供給する。

流量調整弁２３２は、上述した流量調整弁１５１等と同様に配置されている配管を流れるガスの流量を調整する弁であり、希釈ガス配管２３０に配置されている。流量調整弁２３２は、希釈ガス配管２３０を流れる希釈ガス１６２の流量、より具体的には希釈ガス供給装置１４２から燃料ガス配管１４６に供給される希釈ガス１６２の流量を調整する。

燃料供給手段２０４は、希釈ガス配管２３０により分析計１０に流入する前の燃料ガス１６０に希釈ガス１６２を混合する。これにより、燃料ガス１６０と希釈ガス１６２とが混合したガスを分析計１０で分析することができる。これにより、主室１２２に投入される混合ガス１６４により近い状態のガスに含まれる燃料成分を分析することができる。なお、分析計１０は、希釈ガス配管２３０により供給された希釈ガス１６２の流量と燃料ガス配管１４６を流れる燃料ガス１６０の流量とに基づいて希釈割合をすることで、希釈前の燃料ガス１６０に含まれる燃料成分の濃度やカロリーも算出、分析することができる。

また、燃料供給手段２０４は、パージガス供給手段１６に加え、希釈ガス配管２３０でも主室１２２に供給する燃料ガス１６０に希釈ガス１６２を供給することで、パージガス供給手段１６で大量のパージガスを供給しなくても、混合ガス１６４の空燃比を所定の値にすることができる。つまり、パージガス供給手段１６から必要以上のパージガスを供給しなくても配管１４６ｂを流れるガスを所望の混合ガス１６４とすることができる。また、分析計１０よりも上流側で燃料ガス１６０と希釈ガス１６２とを混合することで、混合ガス１６４を主室１２２への到達時により均一に混合した状態とすることができる。これにより、エンジン本体１０２での燃焼をより安定させることができる。

ガスエンジン２００の制御装置１０６は、流量調整弁２３２の開度を調整して、燃料ガス配管１４６に供給する希釈ガスを調整することが好ましい。このように、流量調整弁２３２で流量を調整することでパージガスの供給量を一定としつつ、空燃比を調整することができる。

（実施形態３）
次に、図５を用いてガスエンジンの他の実施形態について説明する。ここで、図５は、ガスエンジンの他の実施形態の概略構成を示す模式図である。なお、図５に示すガスエンジン３００は、ガスエンジン制御ユニット３０３の燃料供給手段３０４の構成を除いて他の構成は、ガスエンジン１００と同様である。そこで、ガスエンジン３００のうち、ガスエンジン１００と同様の構成については、同一の符号を付して詳細な説明は省略し、ガスエンジン３００に特有の点を説明する。図５に示すガスエンジン３００は、エンジン本体１０２とガスエンジン制御ユニット３０３とを有する。ガスエンジン制御ユニット３０３は、燃料供給手段３０４と分析計１０と制御装置１０６と状態監視装置１０８と内筒圧力センサ１１０と温度センサ１１２とを有する。

燃料供給手段３０４は、ガスエンジン制御ユニット１０３の燃料供給手段１０４の各部に加え、主室ガス供給管３１０と燃料ガス配管３２０と流量調整弁３２２とを有する。なお、主室ガス供給管３１０は、エンジン本体１０２の一部してもよい。主室ガス供給管３１０は、主室１２２に連結されており、主室１２２内に燃料ガス１６０を供給する。

燃料ガス配管３２０は、燃料ガスを案内する配管である。燃料ガス配管３２０は、燃料ガス配管１４８と主室ガス供給管３１０とに連結している。燃料ガス配管３２０は、燃料ガス配管１４８から案内された燃料ガス１６０を主室ガス供給管３１０に案内する。

流量調整弁３２２は、上述した流量調整弁１５１等と同様に配置されている配管を流れるガスの流量を調整する弁であり、燃料ガス配管３２０に配置されている。流量調整弁３２２は、燃料ガス配管３２０を流れる燃料ガス１６０の流量、より具体的には燃料ガス供給装置１４０から燃料ガス配管１４４を介して燃料ガス配管３２０に供給される燃料ガス１６０の流量を調整する。

燃料供給手段３０４は、主室ガス供給管３１０および燃焼ガス配管３２０を用いて燃焼ガス１６０を直接主室１２２に供給することができる。これにより、ガスエンジン３００の制御装置１０６は、燃料ガス配管１４６ｂを流れ主室１２２に到達した混合ガス１６４に燃料ガス１６０を追加することができる。従って、制御装置１０６は、状態監視装置１０８で検出した運転状態に基づいて、燃料ガス配管１４６ｂを流れる混合ガス１６４の燃料成分の濃度が低い、混合ガス１６４のカロリーが低いと判定した場合、主室ガス供給管３１０および燃焼ガス配管３２０を用いて主室１２２に燃料ガス１６０を供給することができる。これにより、主室１２２内のガスの燃焼成分の濃度を高くすることができ、カロリーを高くすることができる。

このように、ガスエンジン３００の制御装置１０６は、分析計１０で分析した燃料ガス１６０の分析結果に基づいて、主室１２２に供給されるガスの総カロリーを調整することができる。これにより、各サイクルで燃焼されるガスのカロリーの変化を抑制することができ、エンジン本体１０２で安定した燃焼を行うことができる。

また、ガスエンジン３００の制御装置１０６は、主室ガス供給管３１０から基準量の燃料ガス１６０を毎回供給し、分析計１０での分析結果に基づいて、供給する燃料ガス１６０の量を調整してもよい。これにより、分析した結果カロリーが多いと判定した場合であっても主室ガス供給管３１０から供給する燃料を少なくすることで、主室１２２に供給されるガスの総カロリーを一定にすることができる。

また、上記実施形態では、主室ガス供給管を設けたが、燃料ガスを供給する燃料ガス配管３２０の分析計１０よりも下流側であればよく、燃料ガス１６０を配管１４６ｂに供給する構成としてもよい。

なお、上記実施形態では、燃料ガス供給装置１４０から供給される燃料ガスを主室１２２に直接供給したがこれに限定されない。主室１２２に直接供給する燃焼成分を含むガスとしては、別の燃焼ガスも用いることができる。なお、この場合別の燃料ガスは、燃料ガス１６０よりも高カロリーのガス（高発熱量のガス）を用いることが好ましい。別の燃焼ガスを高発熱量のガスとすることで、供給するガスの量を少量とすることができる。

また、別の燃料ガスを用いる場合は、カロリーが既知の燃料ガスを用いることが好ましい。これにより、安定した制御を行うことができる。また、別の燃料ガスを用いる場合は、別の燃料ガスの配管にも分析計を設けてもよい。ガスエンジンは、分析計を設け別の燃料ガスを分析することで、制御装置でより適切な制御を行うことができる。なお、この場合も、別の燃料ガスの配管に設けた分析計は、パージガスとして希釈ガスを用いることが好ましい。これにより、別の燃料ガスの配管に設けた分析計も汚れることを防止できる。

（実施形態４）
次に、図６を用いてガスエンジンの他の実施形態について説明する。ここで、図６は、ガスエンジンの他の実施形態の概略構成を示す模式図である。なお、図６に示すガスエンジン４００は、ガスエンジン制御ユニット４０３の燃料供給手段４０４の構成を除いて他の構成は、ガスエンジン１００と同様である。そこで、ガスエンジン４００のうち、ガスエンジン１００と同様の構成については、同一の符号を付して詳細な説明は省略し、ガスエンジン４００に特有の点を説明する。図６に示すガスエンジン４００は、エンジン本体１０２とガスエンジン制御ユニット４０３とを有する。ガスエンジン制御ユニット４０３は、燃料供給手段４０４と分析計１０と制御装置１０６と状態監視装置１０８と内筒圧力センサ１１０と温度センサ１１２とを有する。

燃料供給手段４０４は、ガスエンジン制御ユニット１０３の燃料供給手段１０４の各部に加え、希釈ガス配管４３０と流量調整弁４３２とを有する。希釈ガス配管４３０は、希釈ガス１６２を案内する配管であり、一方の端部が希釈ガス配管２３０の流量調整弁１５４よりも希釈ガス供給装置１４２側と連結し、他方の端部が燃料ガス配管１４６の配管１４６ｂ（燃料ガス配管１４６の分析部１０と吸気管１２６の間となる部分）と連結している。希釈ガス配管４３０は、希釈ガス供給装置４４２から供給された希釈ガス１６２を燃料ガス配管１４６に案内する。つまり、希釈ガス配管４３０は、燃料ガス配管１４６の分析計１０よりも下流側の部分に希釈ガス１６２を供給する。

流量調整弁４３２は、上述した流量調整弁１５１等と同様に配置されている配管を流れるガスの流量を調整する弁であり、希釈ガス配管４３０に配置されている。流量調整弁４３２は、希釈ガス配管４３０を流れる希釈ガス１６２の流量、より具体的には希釈ガス供給装置１４２から燃料ガス配管１４６に供給される希釈ガス１６２の流量を調整する。

燃料供給手段４０４は、希釈ガス配管４３０により分析計１０から排出された混合ガス１６４に希釈ガス１６２を混合する。これにより、ガスエンジン４００の制御装置１０６は、燃料ガス配管１４６ｂを流れる混合ガス１６４に希釈ガス１６２を追加することができる。従って、制御装置１０６は、状態監視装置１０８で検出した運転状態に基づいて、燃料ガス配管１４６ｂを流れる混合ガス１６４の燃料成分の濃度が高い、混合ガス１６４のカロリーが高いと判定した場合、希釈ガス配管４３０から燃料ガス配管１４６ｂに希釈ガス１６２を供給することができる。これにより、燃料ガス配管１４６ｂを流れる混合ガス１６４の燃焼成分の濃度を低くすることができ、カロリーを低くすることができる。

このように、ガスエンジン４００の制御装置１０６は、分析計１０で分析した燃料ガス１６０の分析結果に基づいて、主室１２２に供給されるガスの総カロリーを調整することができる。これにより、各サイクルで燃焼されるガスのカロリーの変化を抑制することができ、エンジン本体１０２で安定した燃焼を行うことができる。

また、ガスエンジン４００の制御装置１０６は、希釈ガス配管４３０から基準量の希釈ガス１６２を毎回供給し、分析計１０での分析結果に基づいて、供給する希釈ガス１６２の量を調整してもよい。これにより、分析した結果カロリーが少ないと判定した場合であっても希釈ガス配管４３０から供給する燃料を少なくすることで、主室１２２に供給されるガスの総カロリーを一定にすることができる。

また、上記実施形態では、希釈ガス１６２を配管１４６ｂに供給としたが、燃料ガスを供給する燃料ガス配管１４６の分析計１０よりも下流側であればよく、希釈ガス１６２を主室１２２に供給する構成としてもよい。なお、上記実施形態の場合は、主室１２２に流入するガスの量を一定とするように弁等を設けることが好ましい。

また、上記実施形態では、いずれもガスエンジンの制御装置は、分析計１０の分析結果から状態監視装置が算出、判定した運転状態に基づいて、燃料供給手段の動作を制御したが、これには限定されない。状態監視装置は、分析計１０の分析結果に加え、内筒圧力センサ１１０および温度センサ１０２の少なくとも一方の検出結果に基づいて、運転状態を判定することが好ましい。また、制御装置も分析計１０の分析結果に加え、内筒圧力センサ１１０および温度センサ１１２の少なくとも一方の検出結果に基づいて判定された運転状態に基づいて各部の制御を行うことが好ましい。分析計１０の分析結果に加え、内筒圧力センサ１１０および温度センサ１１２の少なくとも一方の検出結果を加味することで、ガスエンジンの動作をより高い精度で制御することができ、燃料ガスの燃焼効率をより向上させることができ、窒素酸化物の発生をより抑制することができる。

（実施形態５）
次に、図７を用いてガスエンジンの他の実施形態について説明する。ここで、図７は、ガスエンジンの他の実施形態の概略構成を示す模式図である。なお、図７に示すガスエンジン５００は、ガスエンジン制御ユニット５０３の分析手段５０９を設けた点を除いて他の構成は、ガスエンジン１００と同様である。そこで、ガスエンジン５００のうち、ガスエンジン１００と同様の構成については、同一の符号を付して詳細な説明は省略し、ガスエンジン５００に特有の点を説明する。図７に示すガスエンジン５００は、エンジン本体１０２とガスエンジン制御ユニット５０３とを有する。ガスエンジン制御ユニット５０３は、燃料供給手段１０４と分析手段５０９と制御装置１０６と状態監視装置１０８と内筒圧力センサ１１０と温度センサ１１２とを有する。

なお、分析手段５０９は、燃料ガス配管１４６を流れる燃料ガス１０６を分析するものであり、分析計１０に加え、分岐管５１４と流量制御弁５１６と酸化触媒５１８と分析計５２０とを有する。分析計１０は、上述したガスエンジン１００の分析計１０と同様の構成である。なお、本実施形態の分析計１０は、Ｈ_２Ｏの濃度、ＣＨ_４の濃度、ＣＯの濃度、ＣＯ_２の濃度を計測する。

分岐管５１４は、配管１４６ａつまり燃料ガス配管１４６の流量調整弁１５１と分析計１０との間を起点として燃料ガス配管１４６から分岐した配管である。分岐管５１４は、燃料ガス配管１４６を流れる燃料ガス１６０の一部が案内される。分岐管５１４は、起点から順に流量調整弁５１６と酸化触媒５１８と分析計５２０とが配置されている。

流量調整弁５１６は、上述した流量調整弁１５１等と同様に配置されている配管を流れるガスの流量を調整する弁であり、分岐管５１４に配置されている。流量調整弁５１６は、分岐管５１４を流れる燃料ガス１６０の流量を調整する。なお、流量調整弁５１６は、基本的に開閉を切り換え、燃料ガス１６０を流すか流さないかを制御する。

酸化触媒５１８は、通過する燃料ガスに含まれる水素を酸化させ、つまり水素と酸素を反応させて、Ｈ_２Ｏに変換する。酸化触媒５１８としては、水素を酸化する各種触媒を用いることができる。ここで、酸化触媒５１８としては、白金を含む一般的な燃焼触媒などを用いることができる。

分析計５２０は、分析計１０と同様の構成であり、酸化触媒５１８を通過した後の燃料ガス１６０の成分を分析する。分析計５２０も、Ｈ_２Ｏの濃度、ＣＨ_４の濃度、ＣＯの濃度、ＣＯ_２の濃度を計測する。なお、配管の図示は省略したが、分析計５２０も分析計１０と同様にパージガスとして希釈ガス１６２が供給される。

分析手段５０９は、このように分析計１０により、水素を変換していない燃料ガスに含まれるＨ_２Ｏの濃度、ＣＨ_４の濃度、ＣＯの濃度、ＣＯ_２の濃度（以下「第１計測値」ともいう。）の各濃度を計測し、このように分析計５２０により、酸化触媒５２０で水素を変換した燃料ガスに含まれるＨ_２Ｏの濃度、ＣＨ_４の濃度、ＣＯの濃度、ＣＯ_２の濃度（以下「第２計測値」ともいう。）の各濃度を計測する。その後、分析手段５０９は、計測した第１計測値のＨ_２Ｏの濃度と、第２計測値Ｈ_２Ｏの濃度との差分により、燃料ガスに含まれる水素の濃度を算出する。つまり、燃料ガスに含まれる測定対象の水素に由来するＨ_２Ｏと、共存ガスとを合計した濃度（第２計測値のＨ_２Ｏの濃度）から、共存ガスの濃度（第１計測値のＨ_２Ｏの濃度）を引くことで、燃料ガスに含まれる水素に由来するＨ_２Ｏの濃度を算出することができる。分析手段５０９は、燃料ガスに含まれる水素に由来するＨ_２Ｏの濃度に基づいて、燃料ガスに含まれる水素の濃度を計測する。さらに、分析手段５０９、燃料ガス配管１４６、分岐管５１４のガスの流量を計測し、燃料ガスに含まれる水素に由来するＨ_２Ｏと燃料ガスの流量の関係、また、水素から酸化物への反応の過程による各成分の増減を加味（補正）することで、燃料ガスに含まれる測定対象の水素の濃度を算出することができる。

また、分析手段５０９は、第１計測値と第２計測値に基づいて、燃料ガスに含まれるＣＨ_４の濃度を計測する。なお、ＣＨ_４は、酸化触媒５１８を通過しても変化しないので、基本的には、第１計測値で算出したＣＨ_４の濃度がＣＨ_４の濃度となる。次に、分析手段５０９は、第１計測値と第２計測値に基づいて、燃料ガスに含まれるＣＯの濃度を計測する。なお、ＣＯの濃度は、基本的には、第１計測値で算出したＣＯの濃度がＣＯの濃度となる。

その後、分析手段５０９は、算出したＨ_２の濃度と、算出したＣＯの濃度と、ＣＨ_４の濃度とに基づいて、燃料ガスに含まれる物質のうち、燃焼により発熱する成分を計測し、その計測結果に基づいて発熱量を算出する。ここで、燃料ガスの発熱量は、流量×（Ｈ_２濃度×３．０２６ｋｃａｌ／Ｌ＋ＣＯ濃度×３．０１８ｋｃａｌ／Ｌ＋ＣＨ_４濃度×９，４６５ｋｃａｌ／Ｌ）で算出することができる。

このように、酸化触媒５１８を設け水素を酸化させることで、分析計としてＴＤＬＡＳ方式の分析計を用いる場合でも、かつ、燃焼成分として水素も検出することができる。なお、分岐管５１４は、終端を配管１４６ｂと連結させてもよい。分岐管５１４を流れる燃料ガス１６０は、水素が変換されているが炭化水素は変換されていないので、一定の燃料成分を有している。このため、燃焼室１２１に供給することで、燃焼させることができる。また、酸化触媒等の変換手段を設け、水素の濃度も計測する構成は、上記実施形態に限定されない。例えば、水素を変換するか否かを切り換え可能な変換手段を設けて１つの分析計で計測する構成としてもよい。

１０ 分析計
１２ 計測セル
１４ 計測手段
２０ 主管
２２ 入射管
２４ 出射管
２６、２８ 窓
４０ 発光部
４２ 光ファイバ
４４ 受光部
４６ 光源ドライバ
４８ 燃料分析部
５０ 制御部
１００ ガスエンジン
１０２ エンジン本体
１０３ ガスエンジン制御ユニット
１０４ 燃料供給手段
１０６ 制御装置
１０８ 状態監視装置
１１０ 内筒圧力センサ
１１２ 温度センサ
１２１ 燃焼室
１２２ 主室
１２３ ピストン
１２４ 副室
１２５ 点火プラグ
１２６ 吸気管
１２８ 排気管
１３０ 吸気弁
１３ 排気弁
１３４ 副室ガス供給管
１４０ 燃料ガス供給装置
１４２ 希釈ガス供給装置
１４４、１４６、１４８ 燃料ガス配管
１４９ 希釈ガス配管
１５０、１５１、１５２、１５４ 流量調整弁
１６０ 燃料ガス
１６２ 希釈ガス
１６４ 混合ガス

Claims (11)

1. 主室および前記主室の上面に連結された副室を備える燃焼室、前記主室内で往復運動するピストンおよび前記副室内に配置された点火プラグを有するエンジン本体と、
   前記主室に燃料ガスと希釈ガスを混合した混合ガスを供給し、前記副室に少なくとも燃料ガスを含む気体を供給する燃料供給手段、前記燃料ガスを分析する分析計、前記分析計の解析結果を取得し運転状態を監視する状態監視装置および各部を制御する制御装置を有するガスエンジン制御ユニットと、を有し、
   前記燃料供給手段は、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
   前記燃料ガス供給装置から供給される前記燃料ガスを前記主室に案内する第１燃料ガス供給配管と、
   前記燃料ガス供給装置から供給される前記燃料ガスを前記副室に案内する第２燃料ガス供給配管と、
   前記希釈ガスを供給する希釈ガス供給装置と、
   前記希釈ガス供給装置から供給される前記希釈ガスを案内する第１希釈ガス供給配管と、を備え、
   前記分析計は、前記第１燃料ガス供給配管の経路中に前記第１燃料ガス供給配管の一部として配置され燃料ガスが流れる主管、前記主管に連結し前記主管と連結している側と反対側の端部に光が通過可能な窓部が形成された入射管、前記主管に連結し前記主管と連結している側と反対側の端部に光が通過可能な窓部が形成された出射管、前記入射管と連結された第１パージガス供給管及び前記出射管と連結された第２パージガス供給管で構成された計測セルと、
   前記希釈ガス供給経路に案内される前記希釈ガスをパージガスとして前記計測セルの前記第１パージガス供給管および前記第２パージガス供給管に供給するパージガス供給部と、
   測定光を出力する発光部と、
   前記発光部から射出された測定光を前記計測セルに案内する光学系と、
   前記出射部から出射された光を受光し、受光した光を受光信号として出力する受光部と、
   前記受光部から出力される受光信号を処理する信号処理部と、
   前記信号処理部で処理した結果に基づいて、前記計測セルを流れる前記測定対象気体に含まれる燃料ガスの成分を分析する燃料分析部と、
   各部の動作を制御する制御部と、を備えることを特徴とするガスエンジン。
2. 前記燃料供給手段は、前記第１希釈ガス供給配管を流れる前記希釈ガスの流量を調整するパージガス流量調整弁をさらに備え、
   前記制御装置は、前記状態監視部で検出した状態に基づいて前記パージガス流量調整弁を調整し、前記第１希釈ガス供給配管を流れる前記希釈ガスの流量を調整することを特徴とする請求項１に記載のガスエンジン。
3. 前記燃料供給手段は、前記第１燃料ガス供給配管の前記計測セルが設置されている位置よりも上流側に、前記希釈ガス供給装置から供給される前記希釈ガスを案内する第２希釈ガス供給配管と、をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載のガスエンジン。
4. 前記燃料供給手段は、前記第２希釈ガス供給配管を流れる前記希釈ガスの流量を調整する予混合流量調整弁をさらに備え、
   前記制御装置は、前記状態監視部で検出した状態に基づいて前記予混合流量調整弁を調整し、前記第２希釈ガス供給配管を流れる前記希釈ガスの流量を調整することを特徴とする請求項３に記載のガスエンジン。
   
5. 前記燃料供給手段は、前記燃料ガス供給装置から供給される前記燃料ガスを前記主室に直接案内する第３燃料ガス供給配管と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のガスエンジン。
6. 前記ガスエンジン制御ユニットは、前記主室の圧力を検出する内筒圧力センサをさらに備え、
   前記状態監視装置は、前記温度センサの検出結果に基づいて運転状態を判定し、
   前記制御装置は、前記状態監視装置で判定した運転状態に基づいて、前記燃料供給手段から前記主室に供給する燃料ガスおよび希釈ガスを制御することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のガスエンジン。
7. 前記ガスエンジン制御ユニットは、前記主室の温度を検出する温度センサをさらに備え、
   前記状態監視装置は、前記温度センサの検出結果に基づいて運転状態を判定し、
   前記制御装置は、前記状態監視装置で判定した運転状態に基づいて、前記燃料供給手段から前記主室に供給する燃料ガスおよび希釈ガスを制御することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のガスエンジン。
8. 前記燃料分析部は、前記燃料ガスのカロリーを算出することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のガスエンジン。
9. 前記制御装置は、前記状態監視装置で判定した運転状態に基づいて、前記主室への混合ガスの噴射タイミング、前記副室への燃料ガスの噴射タイミング、前記点火プラグの着火タイミングの少なくとも１つを制御することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のガスエンジン。
10. 前記受光部は、前記入射部から入射され、前記計測セルを通過した前記測定光を受光することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のガスエンジン。
11. 前記発光部は、測定対象の物質に固有な吸収波長を含む波長域のレーザ光を出力し、
    前記燃料分析部は、前記受光信号に含まれる前記測定対象の物質に固有な吸収波長の出力に基づいて前記測定対象の物質の濃度を算出することを特徴とする請求項１０に記載のガスエンジン。

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