JP2013047497A - エンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】コストの低減及び構成の簡素化を図りながら、燃料ガスの発熱量が大幅に変化しても、エンジンに供給する混合気の空気比を所定の値に保つことができ、エンジンを安定して運転させることができるエンジンシステムを提供する。
【解決手段】燃料ガスＧとして、第１燃料ガスＧ１と第２燃料ガスＧ２の混合燃料ガスＧ３または第２燃料ガスＧ２と燃焼用空気Ａとの混合気Ｍを生成するミキサー２と、その燃料ガスＧのミキサー２への供給流量を制御する燃料流量制御弁１３と、混合気Ｍをエンジン３に供給する流量を調整する混合気流量調整弁１４と、エンジン３の出力が目標出力となるように混合気流量調整弁１４の開度を制御するエンジン出力制御部１１ｃと、混合気供給路４にてエンジン３に供給する混合気Ｍの圧力が目標圧力となるように燃料流量制御弁１３の開度を制御する混合気圧力制御部１１ｂとを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスと燃焼用空気とを混合して混合気を生成するミキサーと、そのミキサーにて生成された混合気をエンジンに供給する混合気供給路とを備え、燃料ガスとして、第１発熱量を有する第１燃料ガスおよび第１発熱量より高い第２発熱量を有する第２燃料ガスとを混合させた混合燃料ガス、または、第２燃料ガスを用い、混合気供給路にて供給する混合気を燃焼させてエンジンを運転させるエンジンシステムに関する。

上記のようなエンジンシステムでは、例えば、燃料ガスとして、第１燃料ガスであるバイオガスを用い、このバイオガスと燃焼用空気とを混合させた混合気をエンジンに供給して燃焼させるものがある。しかしながら、バイオガスは、その発生条件により発熱量が変動することから、所望のエンジン出力を得ることができながら、エンジンを安定して運転させるには困難を伴うことがある。例えば、エンジンに希薄混合気（燃料ガス濃度の薄い混合気）を供給して燃焼させる希薄エンジンでは、エンジンに供給する混合気の空気比が所望の空気比よりも希薄になりすぎると失火が発生し、逆に、所望の空気比よりも過濃となると排ガス中のＮＯｘ濃度が高くなりすぎるという問題が発生する。よって、所望のエンジン出力を得ながら安定してエンジンを運転させるために、エンジンに供給する混合気の空気比を所望範囲（予め各エンジンで決まっている範囲）に維持することが求められるが、燃料ガスの発熱量が変動することで、その燃料ガスの理論空気量も変動することから、例えば、燃料ガスと燃焼用空気との流量比を一定とするだけでは、エンジンに供給する混合気の空気比が所望の空気比から外れてしまい、上述のような問題が発生する。

そこで、従来、発熱量が変動する燃料ガスを用いた場合でも、上述のような問題の発生を防止するために、燃料ガス供給路にてミキサーに供給する燃料ガスの供給量を調整自在な燃料ガス量調整弁を備え、エンジンに供給する混合気圧力がエンジン出力に対して予め定められた目標圧力となるように燃料ガス量調整弁の開度を制御しているものがある（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１に記載のエンジンシステムでは、燃料ガスとして、第１燃料ガスである炭鉱メタンガスを用いた場合を示しているが、燃料ガスとして、第１燃料ガスであるバイオガスを用いた場合においても、上述のような問題の発生を防止できる。

また、別の従来のエンジンシステムでは、燃料ガスとして、第１燃料ガスであるバイオガスと第２燃料ガスである都市ガスとの２種類の燃料ガスを混合させた混合燃料ガスを用い、その混合燃料ガスと燃焼用空気とを混合させた混合気をエンジンに供給して燃焼させるものもある（例えば、特許文献２参照。）。
この特許文献２に記載のシステムでは、バイオガスと都市ガスとを混合させた混合燃料ガスをミキサーに供給する混合燃料ガス供給路と、その混合燃料ガス供給路にてミキサーに供給する混合燃料ガスの流量を計測する流量計と、その混合燃料ガス供給路にてミキサーに供給する混合燃料ガスの流量を調整自在な燃料制御弁とを備えている。そして、エンジンにて駆動される発電機の発電量を所定の目標発電量とするように、エンジンに供給する混合気の流量を調整自在なスロットルバルブの開度を制御するとともに、エンジンに供給する混合気の空気比を所望の空気比に維持するように燃料制御弁の開度を制御している。燃料制御弁の開度の制御については、エンジンにて駆動される発電機の発電量を用いて、エンジンにて消費される単位時間当たりの想定消費熱量を求め、その求めた想定消費熱量と流量計にて計測した流量とを用いて、混合燃料ガスの単位体積当たりの想定発熱量を求め、その求めた想定発熱量から求められる目標開度になるように燃料制御弁の開度を制御している。

特許第４４５２０９２号公報 特開２０１０−７１２２０号公報

上記特許文献１に記載のシステムでは、燃料ガスの発熱量が変動しても、エンジンに供給する混合気圧力が目標圧力となるように燃料ガス量調整弁の開度を制御することで、エンジンに供給する混合気の空気比を所望の空気比に維持できる。しかしながら、炭鉱メタンガスの発生量が低下する等により、燃料ガスの発熱量が大幅に変化した場合には、燃料ガス量調整弁の開度を調整するだけではエンジンに供給する混合気の空気比を所望の空気比に維持することが困難となる。すなわち、燃料ガスの発熱量が低下した場合には、燃料ガス量調整弁の開度を開き側に調整することになるが、燃料ガスの発熱量が大幅に低下した場合には、燃料ガス量調整弁の開度を全開に調整しても、エンジンに供給する混合気圧力を目標圧力とすることができなくなる。その結果、エンジンに供給する混合気の空気比を所望の空気比に維持することができず、失火の発生や排ガス中のＮＯｘ濃度が高くなりすぎるという問題が発生して、エンジンを安定して運転させることができなくなる。よって、エンジンを安定して運転させるためには、燃料ガスの発熱量の範囲が限定された狭い範囲に制限されるという問題があり、燃料ガスの発熱量が大幅に低下した場合には、エンジンの運転を停止せざるを得ない状況になってしまう。

上記特許文献２に記載のシステムでは、バイオガスの発生量の低下等により混合燃料ガスの発熱量が大幅に変化した場合に、例えば、バイオガスのミキサーへの供給を停止させ、都市ガスのみをミキサーに供給して燃料ガスを都市ガスのみとすることで、エンジンに供給する混合気の空気比を所望の空気比に維持することができる。しかしながら、上記特許文献２に記載のシステムでは、基本的には、燃料ガスを、バイオガスと都市ガスとを混合させた混合燃料ガスとするものであり、この混合燃料ガスと燃焼用空気との混合気をエンジンに供給して燃焼させるようにしている。このように、バイオガスと都市ガスとの混合燃料ガスを用いる場合に、混合燃料ガス供給路に流量計を備え、その流量計にて計測した混合燃料ガスの流量を用いて燃料制御弁の開度を制御することで、エンジンに供給する混合気の空気比を所望の空気比に維持するようにしている。それ故に、高価な流量計を備えなければならず、コストアップを招くとともに、構成の複雑化を招くことになる。

本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、コストの低減及び構成の簡素化を図りながら、燃料ガスの発熱量が大幅に変化しても、エンジンに供給する混合気の空気比を所望の空気比に維持でき、エンジンを安定して運転させることができるエンジンシステムを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係るエンジンシステムは、
燃料ガスと燃焼用空気とを混合して混合気を生成するミキサーと、
そのミキサーにて生成された前記混合気をエンジンに供給する混合気供給路とを備え、
前記燃料ガスとして、第１発熱量を有する第１燃料ガスおよび前記第１発熱量より高い第２発熱量を有する第２燃料ガスとを混合させた混合燃料ガス、または、前記第２燃料ガスを用い、前記混合気供給路にて供給する前記混合気を燃焼させて前記エンジンを運転させるエンジンシステムにおいて、その特徴構成は、
前記ミキサーとして、第２燃料ガス供給路にて供給する前記第２燃料ガス、または、当該第２燃料ガスと第１燃料ガス供給路にて供給する前記第１燃料ガスを混合させた混合燃料ガスと前記燃焼用空気とを混合させて前記混合気を生成する単一の前記ミキサーが備えられ、
前記第１燃料ガス供給路においては、前記第１燃料ガスの供給圧力が、前記第２燃料ガスの供給圧力より高く維持されるとともに、前記第２燃料ガスの前記第１燃料ガス供給路への進入を防止する進入防止弁が備えられ、
前記第１燃料ガス供給路と前記第２燃料ガス供給路とが合流した合流流路部に備えられて、前記ミキサーに供給する前記第２燃料ガスまたは前記混合燃料ガスの流量を制御する燃料流量制御弁と、
前記混合気供給路に備えられて、前記エンジンに供給する前記混合気の流量を調整自在な混合気流量調整弁と、
前記エンジンの出力が目標出力となるように前記混合気流量調整弁の開度を制御するエンジン出力制御部と、前記混合気供給路にて前記エンジンに供給する混合気圧力が目標圧力となるように前記燃料流量制御弁の開度を制御する混合気圧力制御部とを備えている点にある。

上記特徴構成によれば、第１燃料ガスの供給圧力が第２燃料ガスの供給圧力よりも高く維持されているので、第１燃料ガス供給路と第２燃料ガス供給路とが合流した合流流路部に対して、供給圧力が高い第１燃料ガスの方が第２燃料ガスよりも優先して供給されることになる（エンジンでは第１燃料ガスを優先的に使用できる）。そして、第１燃料ガス供給路にて第１燃料ガスを供給可能であれば、合流流路部にてミキサーに供給される燃料ガスとしては、第１燃料ガスの方が第２燃料ガスよりも優先して供給され、求められている燃料ガスの供給量に対して第１燃料ガスの供給量にて不足する分が、第２燃料ガスにて補われる。このようにして、第１燃料ガス供給路にて第１燃料ガスを供給可能であれば、第１燃料ガスを第２燃料ガスよりも優先して供給しながら、第１燃料ガスと第２燃料ガスとの混合燃料ガスをミキサーに供給して、その混合燃料ガスと燃焼用空気との混合気をエンジンに供給して燃焼させてエンジンを運転させることができる。ここで、第１燃料ガス供給路に進入防止弁を設けているのは、第１燃料ガスの量が減少する等の理由により、第１燃料ガスのガス圧を得られなくなった場合に、第２燃料ガスが第１燃料ガス供給路に進入するのを防止するためである。

さらに、例えば、第１燃料ガスの供給量が低下する等により、第１燃料ガス供給路にて第１燃料ガスを供給できなくなると、第２燃料ガスのみがミキサーに供給されることになり、その第２燃料ガスと燃焼用空気との混合気をエンジンに供給して燃焼させてエンジンを運転させることができる。これにより、第１燃料ガスの供給量が低下する等により、燃料ガスの発熱量が大幅に低下する場合でも、ミキサーに対する燃料ガスの供給状態を、第１燃料ガスと第２燃料ガスとの混合燃料ガスを供給する混合燃料ガス供給状態から、第２燃料ガスのみを供給する第２燃料ガス供給状態に移行することになり、エンジンを運転させることができる。

そして、ミキサーに対する燃料ガスの供給状態を、第１燃料ガスと第２燃料ガスとの混合燃料ガスを供給する状態であっても、第２燃料ガスのみを供給する状態であっても、エンジン出力制御部が、エンジン出力が目標出力となるように混合気流量調整弁の開度を制御するので、エンジン出力を目標出力に維持して所望のエンジン出力を得ることができるとともに、混合気圧力制御部が、混合気圧力が目標圧力となるように第１燃料ガス流量調整弁及び第２燃料ガス流量調整弁の開度を制御するので、エンジンに供給する混合気の空気比を所望の空気比に維持することができる。

したがって、燃料ガスの発熱量が大幅に変化した場合でも、ミキサーに対する燃料ガスの供給状態が、第１燃料ガスと第２燃料ガスとの混合燃料ガスを供給する混合燃料ガス供給状態から、第２燃料ガスのみを供給する第２燃料ガス供給状態に移行して、エンジン出力を目標出力に維持して所望のエンジン出力を得ることができながら、エンジンに供給する混合気の空気比を所望の空気比に維持することができ、エンジンを安定して運転させることができる。
しかも、本特徴構成によれば、特許文献２に記載のシステムの如く、第１燃料ガスと第２燃料ガスとの混合燃料ガスの流量を計測する高価な流量計を備えなくてもよく、それだけコストの低減及び構成の簡素化を図ることができる。しかも、ミキサーについても、複数備えるのではなく、単一のミキサーを備えているだけであるので、この点からも、コストの低減及び構成の簡素化を図ることができる。

本発明に係るエンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記第１燃料ガス供給路に備えられ、第１燃料ガス貯留部に貯留されている前記第１燃料ガスの供給を断続自在な第１燃料ガス断続弁と、前記第１燃料ガス断続弁を開閉制御する弁開閉制御部とを備え、
前記弁開閉制御部は、前記ミキサーに対する前記燃料ガスの供給状態について、前記第１燃料ガス断続弁を開状態として、前記ミキサーに前記混合燃料ガスを供給する混合燃料ガス供給状態と、前記第１燃料ガス断続弁を閉状態として、前記ミキサーに前記第２燃料ガスのみを供給する第２燃料ガス供給状態との間で切替自在であり、且つ、前記第１燃料ガス貯留部における第１燃料ガス貯留残量の変化に応じて、前記混合燃料ガス供給状態と前記第２燃料ガス供給状態との間での切り替えを行うように構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、弁開閉制御部によって第１燃料ガス断続弁が開閉制御されて、第１燃料ガスのミキサーへの供給が断続自在とされているので、第１燃料ガス断続弁を開状態として、ミキサーに混合燃料ガスが供給される混合燃料ガス供給状態と、第１燃料ガス断続弁を閉状態として、ミキサーに第２燃料ガスのみが供給される第２燃料ガス供給状態との間で切り替え自在とすることができる。
また、第１燃料ガス貯留部における第１燃料ガス貯留残量の変化に応じて、混合燃料ガス供給状態と第２燃料ガス供給状態との間での切り替えを行うように構成されているので、例えば、第１燃料ガス貯留残量が少なくなった時に、当該断続弁を閉状態として、先に説明した進入防止弁として働かせることが可能となるとともに、第２燃料ガス供給状態に切り替えることができ、第１燃料ガス貯留残量が不足してエンジン運転の継続が不可能な状態となる前に、第２燃料ガスを使用してエンジンの運転を継続することができる。

本発明に係るエンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記第１燃料ガス供給路に備えられ、第１燃料ガス貯留部に貯留されている前記第１燃料ガスの供給を断続自在な第１燃料ガス断続弁と、前記第１燃料ガス断続弁を開閉自在に制御する弁開閉制御部を備え、
前記弁開閉制御部は、前記ミキサーに対する前記燃料ガスの供給状態について、前記第１燃料ガス断続弁を開状態として、前記ミキサーに前記混合燃料ガスを供給する混合燃料ガス供給状態と、前記第１燃料ガス断続弁を閉状態として、前記ミキサーに前記第２燃料ガスのみを供給する第２燃料ガス供給状態との間で切替自在に構成され、
前記第１燃料ガス供給路にて供給される前記第１燃料ガスの供給状態の変化に応じて、前記ミキサーに対する前記燃料ガスの供給状態を前記第２燃料ガス供給状態に切替えるための第１指令、前記混合燃料ガス供給状態に切り替えるための混合指令の何れかの指令を行なう指令手段が備えられ、前記弁開閉制御部が、前記指令手段による指令に基づいて、前記混合燃料ガス供給状態と前記第２燃料ガス供給状態との間での切り替えを行なうように構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、弁開閉制御部によって第１燃料ガス断続弁が開閉制御されて、第１燃料ガスのミキサーへの供給を断続自在とされているので、第１燃料ガス断続弁を開状態として、ミキサーに混合燃料ガスが供給される混合燃料ガス供給状態と、第１燃料ガス断続弁を閉状態として、ミキサーに第２燃料ガスのみが供給される第２燃料ガス供給状態との間で切り替え自在とすることができる。
また、第１燃料ガスの供給状態の変化に応じて、第２燃料ガス供給状態に切替えるための第１指令、混合燃料ガス供給状態に切り替えるための混合指令の何れかの指令を行なう指令手段が備えられるので、この指令手段において、第１指令混合指令を指令する条件を任意に選択して決定することができ、例えば、複数の条件を総合的に判断して第１指令または混合指令を指令する構成とすることができる。

本発明に係るエンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記弁開閉制御部は、前記混合燃料ガス供給状態から前記第２燃料ガス供給状態に切替えた場合に、前記燃料流量制御弁の開度を予め定められた第２燃料ガス用目標開度とするように前記燃料流量制御弁の開度を制御した後、前記混合気圧力制御部により前記混合気供給路にて前記エンジンに供給する混合気圧力が目標圧力となるように前記燃料流量制御弁の開度を制御するように構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、弁開閉制御部は、混合燃料ガス供給状態から第２燃料ガス供給状態に切替える場合に、混合気圧力制御部による制御を一旦中断させて、燃料流量制御弁の開度を、予め定められた第２燃料ガス用目標開度に調整することができる。即ち、この構成では、燃料流量制御弁の開度調整が強制的に実行される。これにより、この燃料ガス供給状態の切り替えに伴って変化する混合気供給路の混合気圧力に応じて混合気圧力制御部が燃料流量制御弁の開度を制御するのを待つことなく、燃料ガス供給状態が切り替えられた時に、第２燃料ガス供給状態に適するように予め定められた第２燃料ガス用目標開度に迅速に調整される。したがって、ミキサーに対する燃料ガスの供給状態を混合燃料ガス供給状態から第２燃料ガス供給状態に切り替える場合であっても、予め判明しているエンジンシステムの特性に従って、エンジンに供給する混合気の空気比を所望の状態に保ちつつ、エンジンの運転状態を安定に維持した状態で迅速に行なうことができる。
また、燃料流量制御弁の開度を第２燃料ガス用目標開度に調整した後においては、混合気圧力制御部により混合気圧力が目標圧力となるように燃料流量制御弁の開度を制御するように構成されているので、切り替え前と同様に、エンジンに供給する混合気の空気比を所定の値に保ちつつ、エンジンの運転状態を安定に維持することができる。

本発明に係るエンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記弁開閉制御部は、前記第２燃料ガス供給状態から前記混合燃料ガス供給状態に切替えた場合に、前記燃料流量制御弁の開度を予め定められた混合燃料ガス用目標開度とするように前記燃料流量制御弁の開度を制御した後、前記混合気圧力制御部により前記混合気供給路にて前記エンジンに供給する混合気圧力が目標圧力となるように前記燃料流量制御弁の開度を制御するように構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、弁開閉制御部は、第２燃料ガス供給状態から混合燃料ガス供給状態に切替えた場合に、混合気圧力制御部による制御を一旦中断させて、燃料流量制御弁の開度を、予め定められた混合燃料ガス用目標開度に調整することができる。即ち、この構成では、燃料流量制御弁の開度調整が強制的に実行される。これにより、この燃料ガス供給状態の切り替えに伴って変化する混合気供給路の混合気圧力に応じて混合気圧力制御部が燃料流量制御弁の開度を制御するのを待つことなく、燃料ガス供給状態が切り替えられた時に、混合燃料ガス供給状態に適するように予め定められた混合燃料ガス用目標開度に迅速に調整される。したがって、ミキサーに対する燃料ガスの供給状態を第２燃料ガス供給状態から混合燃料ガス供給状態に切り替える場合であっても、予め判明しているエンジンシステムの特性に従って、エンジンに供給する混合気の空気比を所望の状態に保ちつつ、エンジンの運転状態を安定に維持した状態で迅速に行なうことができる。
また、燃料流量制御弁の開度を混合燃料ガス用目標開度に調整した後においては、混合気圧力制御部により混合気圧力が目標圧力となるように燃料流量制御弁の開度を制御するように構成されているので、切り替え前と同様に、エンジンに供給する混合気の空気比を所定の値に保ちつつ、エンジンの運転状態を安定に維持することができる。

エンジンシステムの概略図。 混合燃料ガス供給状態から都市ガス供給状態に切り替えるときの燃料流量制御弁の開度を示す図。

以下に、本発明のエンジンシステムにかかる実施形態につき、図面に基づいて説明する。図１に示すエンジンシステム１は、燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとを混合して混合気Ｍを生成するミキサー２と、そのミキサー２にて生成された混合気Ｍが供給されて運転されるガスエンジン３とを備えている。そして、ガスエンジン３の出力によって、図示しない負荷（例えば発電機）を駆動させるように構成されている。このエンジンシステム１では、ガスエンジン３に供給する燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとの混合気Ｍを燃料ガス濃度の薄い希薄混合気としている。

また、図１に示すエンジンシステム１は、第１発熱量を有するバイオガスＧ１（第１燃料ガスの一例）をミキサー２へ供給するバイオガス供給路６（第１燃料ガス供給路に相当）と、第１発熱量より高い第２発熱量を有する都市ガスＧ２（第２燃料ガスの一例）をミキサー２へ供給する都市ガス供給路５（第２燃料ガス供給路に相当）とを有している。また、都市ガス供給路５とバイオガス供給路６とが合流した合流流路部１２はミキサー２と接続されており、ミキサー２に供給する燃料ガスＧの流量を制御する燃料流量制御弁１３が備えられている。そして、燃料ガスＧとして、都市ガスＧ２またはバイオガスＧ１と都市ガスＧ２とを混合させた混合燃料ガスＧ３の何れかがミキサー２を介してガスエンジン３に供給されている。

都市ガス供給路５には、予めガス圧力が一定に保たれた状態で都市ガスＧ２が供給されている。一方、バイオガス供給路６には、バイオガス加圧ポンプ７が設けられており、これにより、バイオガスＧ１の供給圧力が、都市ガスＧ２の供給圧力より高く維持されている。また、バイオガス貯留部８（第１燃料ガス貯留部に相当）に貯留されているバイオガスＧ１の供給を断続自在なバイオガス断続弁９（第１燃料ガス断続弁に相当）とを備えている。なお、バイオガス加圧ポンプ７の上流には、バイオガス発生部１０が設置されている。

また、バイオガス断続弁９は、制御装置１１の弁開閉制御部１１ａによって開閉制御されている。そして、弁開閉制御部１１ａは、ミキサー２に対する燃料ガスＧの供給状態について、バイオガス断続弁９を開状態として、ミキサー２に混合燃料ガスＧ３を供給する混合燃料ガス供給状態と、バイオガス断続弁９を閉状態（閉状態で「進入防止弁」に相当）として、ミキサー２に都市ガスＧ２のみを供給する都市ガス供給状態（第２燃料ガス供給状態に相当）との間で切替自在に構成されている。

バイオガス断続弁９を開状態としたときの開度は予め設定された値とされて、バイオガス断続弁９の開口面積およびバイオガス加圧ポンプ７によって加圧されるガス圧力に応じてバイオガスＧ１の供給量が決定される。従って、バイオガスＧ１の供給量は、バイオガス供給路６の管内圧力とバイオガス断続弁９の開度を変更することで調整することができる。そして、このようにして供給されるバイオガスＧ１と都市ガス供給路５から供給される都市ガスＧ２とが混合して混合燃料ガスＧ３が生成される。このとき、バイオガス加圧ポンプ７によってバイオガスＧ１の供給圧力は都市ガスＧ２の供給圧力よりも高く維持されており、例えば、都市ガス供給圧力に対して、バイオガス供給圧力を２〜４倍として維持されている。そして、本実施形態においては、都市ガス供給圧を２ｋＰａ程度とするとともに、バイオガス供給圧を４ｋＰａ程度（ともにゲージ圧力）に維持されて、これにより、バイオガスＧ１の方が都市ガスＧ２よりも優先して供給されるようになっている。なお、混合燃料ガスＧ３を生成するときのバイオガスＧ１および都市ガスＧ２のガス供給圧とバイオガス断続弁９の開度は予め設定された値とされており、バイオガスＧ１と都市ガスＧ２との合計供給流量に対するバイオガスＧ１の供給流量の割合が予め所定の値となるように決められている。

また、弁開閉制御部１１ａは、バイオガス貯留部８におけるバイオガス貯留残量（第１燃料ガス貯留残量に相当）の変化に応じて、混合燃料ガス供給状態と都市ガス供給状態との間での切り替えを行うように構成されており、例えば、バイオガス貯留残量の変化は、図1に示すようにバイオガス貯留部８に設けられた貯留部圧力計８ａによって検出することができる。

つまり、バイオガス加圧ポンプ７の上流側に設けられたバイオガス発生部１０においてバイオガスＧ１の発生量が少なくなって、その発生量がバイオガスＧ１のミキサー２への供給量を下回る状態が続くと、バイオガス貯留部８のバイオガスＧ１が不足して、貯留部圧力計８ａによって検出されるバイオガスＧ１の圧力が低下する。このようにして、貯留部圧力計８ａによって、バイオガスＧ１の貯留残量が少なくなっていることを検出することができる。そして、予め定められた所定の圧力値によってバイオガス断続弁９を閉状態として、混合燃料ガス供給状態から都市ガス供給状態に切り替えることができる。これにより、バイオガスＧ１の供給量が不足状態となる前に、バイオガスＧ１の供給を停止して、都市ガスＧ２のみを供給することができる。

また、ミキサー２は、都市ガス供給路５にて供給する都市ガスＧ２、または、バイオガス供給路６にて供給するバイオガスＧ１と都市ガスＧ２とを混合させた混合燃料ガスＧ３と燃焼用空気Ａとを混合させて混合気Ｍを生成する単一のミキサー２として構成されている。また、ミキサー２に接続される燃焼用空気Ａを供給する空気供給路Ａ１は大気に開放されており、空気供給路Ａ１の入口部には、ガスエンジン３への異物混入を防止するためのエアフィルターなど（図示せず）が配設されている。ここで、ミキサー２の構成については、詳細な説明や図示を省略するが、燃焼用空気Ａの流れに伴ってベンチュリーによる吸引作用にて吸引力を発生させ、その吸引力により燃焼用空気Ａへ燃料ガスＧを引き込んで、燃焼用空気Ａと燃料ガスＧとの混合気Ｍを生成するベンチュリー式にて構成されている。

以下に、本実施形態に係るエンジンシステム１の制御方法について説明する。
本実施形態に係るエンジンシステム１では、弁開閉制御部１１ａが、バイオガス貯留部８におけるバイオガス貯留残量（第１燃料ガス貯留残量に相当）の変化に応じて、ミキサー２に対する燃料ガスＧの供給状態を、バイオガス断続弁９を開状態とする混合燃料ガス供給状態と、バイオガス断続弁９を閉状態とする第２燃料ガス供給状態との間で切替を行うようにしている。
また、エンジンシステム１には、ミキサー２によって生成した混合気Ｍの流量を調整自在としてガスエンジン３に供給する混合気流量調整弁１４が混合気供給路４に備えられており、この混合気流量調整弁１４は、出力計測装置１５によって計測された出力が目標出力となるようにエンジン出力制御部１１ｃによって開度が制御されている。エンジン出力制御部１１ｃは、ガスエンジン３の出力が目標出力となるように、出力計測装置１５によって計測された出力をフィードバックして、混合気流量調整弁１４の開度を制御している。

さらに、混合気供給路４には混合気供給路４内の混合気Ｍの圧力を検出する混合気圧力計４ａ（圧力検出手段に相当）が設けられ、その混合気Ｍの圧力が目標圧力となるように燃料流量制御弁１３の開度を制御する混合気圧力制御部１１ｂが制御装置１１に設けられている。ここで、混合気圧力制御部１１ｂは、混合燃料ガス供給状態と都市ガス供給状態とのそれぞれの場合において、ガスエンジン３の運転条件に応じた混合気Ｍの目標圧力値が示されたマップを参照することを可能に構成されており、そのマップの目標圧力値に基づいて目標圧力が決定されている。そして、目標圧力を予め空気比が所定の値となる圧力に設定しており、ガスエンジン３に供給する混合気Ｍの空気比を所定の値に保つことができる。

従って、ミキサー２に対する燃料ガスＧの供給状態を混合燃料ガス供給状態に切り替えた場合であっても、都市ガス供給状態に切り替えた場合であっても、エンジン出力制御部１１ｃによる制御、及び、混合気圧力制御部１１ｂによる制御によって、所望のエンジン出力を得ることができながら、ガスエンジン３に供給する混合気Ｍの空気比を所定の値に保つことができる。
例えば、混合燃料ガス供給状態から都市ガス供給状態に切り替えた場合などにおいて、ガスエンジン３に供給される燃料ガスＧの発熱量が増加するが、この発熱量の増加に伴って増加するエンジン出力を目標出力に低下させるため混合気流量調整弁１４の開度を減少させるので、混合気供給路４の混合気圧力が低くなる。ここで、混合気圧力制御部１１ｂによって混合気供給路４にてガスエンジン３に供給する混合気圧力が目標圧力となるように燃料流量制御弁１３の開度が制御される。これにより、燃料流量制御弁１３の開度が小さく制御して、発熱量が増加した燃料ガスＧの燃料流量を減少させるとともに、その制御に伴うエンジン出力の変化に応じて、混合気流量調整弁１４の開度が調整され、エンジン出力が目標出力に制御された状態で、混合気圧力を目標圧力に調整することができる。

以下、本実施形態に係るエンジンシステム１の混合燃料ガス供給状態から都市ガス供給状態に切り替える場合の制御について説明する。
弁開閉制御部１１ａは、混合燃料ガス供給状態から都市ガス供給状態に切替えた場合に、燃料流量制御弁１３の開度を予め定められた都市ガス用目標開度Ｖ１（第２燃料ガス用目標開度に相当）とするように燃料流量制御弁１３の開度を制御した後、混合気圧力制御部１１ｂにより混合気供給路４にてガスエンジン３に供給する混合気圧力が目標圧力となるように燃料流量制御弁１３の開度を制御している。

上記のような、予め設定された開度調整を行わない場合の問題点について先ず説明する。混合燃料ガス供給状態から都市ガス供給状態に切り替えた場合における、混合気圧力制御部１１ｂによって制御される燃料流量制御弁１３の開度の変化を図２において破線Ｂで示す。図に示すように、時刻Ｔ１において、混合燃料ガス供給状態から弁開閉制御部１１ａによってバイオガス断続弁９を閉状態として都市ガス供給状態に切り替えたとする。この状況では、時刻Ｔ１において、ガスエンジン３に供給される燃料ガスＧの発熱量が増加することとなるが、破線Ｂで示すように、燃料流量制御弁１３の開度を、その切り替え後の燃料ガスＧの発熱量に見合った燃料供給量が実現される開度に調整するには、期間Ｐ１を要する。よって、その開度調整が完了するまでの期間Ｐ１においては、燃料流量制御弁１３の開度が大きすぎる状態となるため、混合気Ｍ中において燃料ガスＧが過濃な状態となって、ガスエンジン３の運転状態が不安定となり、ガスエンジン３の排ガスにおいてＮＯｘが発生する可能性がある。

そこで、本実施形態に係るエンジンシステム１の制御方法では、開度調整が完了するまでの期間Ｐ１において、混合気Ｍ中において燃料ガスＧが過濃な状態となって、ガスエンジン３の運転状態が不安定となることを回避するために、混合燃料ガス供給状態から都市ガス供給状態に切替えた場合に、混合気圧力制御部１１ｂによる制御を一旦中断させて、弁開閉制御部１１ａが燃料流量制御弁１３の開度を予め定められた都市ガス用目標開度Ｖ１（第２燃料ガス用目標開度に相当）とするように燃料流量制御弁１３の開度を制御するように構成されている。ここで、都市ガス用目標開度Ｖ１は、都市ガス供給状態に切り替えた場合に混合気Ｍの空気比を所定の値に維持できるように、都市ガス供給状態に適した開度が設定されている。

この場合、混合気圧力制御部１１ｂによって燃料流量制御弁１３が制御される場合とは異なり、図２の実線Ｃで示すように、時刻Ｔ１において、混合燃料ガス供給状態から弁開閉制御部１１ａによってバイオガス断続弁９を閉状態として都市ガス供給状態への切り替えを行なうとともに、弁開閉制御部１１ａによって燃料流量制御弁１３の開度を都市ガス用目標開度Ｖ１（第２燃料ガス用目標開度に相当）に短時間で制御できる為、切り替え時刻Ｔ１の前後において、混合気Ｍの空気比が変化することなく、混合気Ｍ中において燃料ガスＧが過濃となる状態等が発生せずに、ガスエンジン３の運転を安定した状態で継続させることができる。
また、このように弁開閉制御部１１ａが燃料流量制御弁１３の開度を制御した後は、上述の如く、混合気圧力制御部１１ｂにより混合気供給路４にてガスエンジン３に供給する混合気Ｍの圧力が目標圧力となるように燃料流量制御弁１３の開度を制御するように構成されている。

一方で、本実施形態に係るエンジンシステム１では、都市ガス供給状態から混合燃料ガス供給状態に切替えた場合にも、弁開閉制御部１１ａは、燃料流量制御弁１３の開度を予め定められた混合燃料ガス用目標開度（第１燃料ガス用目標開度に相当）とするように燃料流量制御弁１３の開度を制御した後、混合気圧力制御部１１ｂにより混合気供給路４にてガスエンジン３に供給する混合気圧力が目標圧力となるように燃料流量制御弁１３の開度を制御している。ここで、混合燃料ガス用目標開度は、混合燃料ガス供給状態に切り替えた場合に混合気Ｍの空気比を所定の値に維持できるように、混合燃料ガス供給状態に適した開度が設定されている。

この場合、混合気圧力制御部１１ｂによって燃料流量制御弁１３が制御される場合とは異なり、都市ガス供給状態から弁開閉制御部１１ａによってバイオガス断続弁９を開状態として混合燃料ガス供給状態への切り替えを行なうとともに、弁開閉制御部１１ａによって燃料流量制御弁１３の開度を混合燃料ガス用目標開度に短時間で制御されるため、燃料ガスＧの切り替えの前後において、混合気Ｍの空気比が変化することなく、混合気Ｍ中において燃料ガスＧが希薄となる状態等が発生せずに、ガスエンジン３の運転を安定した状態で継続させることができる。
また、このように弁開閉制御部１１ａが燃料流量制御弁１３の開度を制御した後は、上述の如く、混合気圧力制御部１１ｂにより混合気供給路４にてガスエンジン３に供給する混合気Ｍの圧力が目標圧力となるように燃料流量制御弁１３の開度を制御するように構成されている。

このようにして、燃料ガスＧのガス供給状態が、都市ガス供給状態と混合燃料ガス供給状態との間で切り替えられる場合であっても、ガスエンジン３に供給する混合気Ｍの空気比を所定の値に保ちつつ、ガスエンジン３の運転を安定状態として継続させることができる。

〔別実施形態〕
（Ａ）上記実施形態においては、バイオガス供給路６に、バイオガス断続弁９を設けているが、これに加えて、バイオガス断続弁９の下流側に都市ガスＧ２のバイオガス供給路６への進入を防止する逆止弁（進入防止弁に相当）を設けてもよい。これによって、合流流路部１２を経てミキサー２へと都市ガスＧ２を供給することができる。

（Ｂ）上記実施形態においては、弁開閉制御部１１ａは、バイオガス貯留部８におけるバイオガス貯留残量の変化に応じて、混合燃料ガス供給状態と都市ガス供給状態との間での切り替えを行うように構成されたが、これに限らず、バイオガスＧ１の供給状態の変化に応じて、都市ガス供給状態に切替えるための第１指令、混合燃料ガス供給状態に切り替えるための混合指令の何れかの指令を行なう指令手段を備えて、その指令手段による指令に基づいて、弁開閉制御部１１ａがバイオガス断続弁９を開閉制御して、混合燃料ガス供給状態と都市ガス供給状態との間での切り替えを行なうように構成してもよい。この場合、この指令手段において、第１指令または混合指令を指令する条件を任意に選択して決定することができ、例えば、複数の条件を総合的に判断して第１指令または混合指令を指令する構成とすることができる。

（Ｃ）上記実施形態では、第１燃料ガスをバイオガスＧ１としているが、例えば、第１燃料ガスを炭鉱ガスとすることもできる。

（Ｄ）上記実施形態では、バイオガス供給路６にバイオガス加圧ポンプ７が設けられ、バイオガスＧ１の供給圧力が、都市ガスＧ２の供給圧力より高く維持されたが、これに限らず、バイオガス発生部１０におけるバイオガスＧ１の圧力が十分高い状態であり、これにより、バイオガス供給路６におけるバイオガスＧ１の供給圧力を、都市ガスＧ２の供給圧力より高く維持できる場合は、バイオガス供給路６にバイオガス加圧ポンプ７を設けない構成とすることができる。

以上説明したように、コストの低減及び構成の簡素化を図りながら、燃料ガスの発熱量が大幅に変化しても、エンジンに供給する混合気の空気比を所定の値に保つことができ、エンジンを安定して運転させることができるエンジンシステムを提供することができる。

１ エンジンシステム
２ ミキサー
３ ガスエンジン（エンジン）
４ 混合気供給路
５ 都市ガス供給路（第２燃料ガス供給路）
６ バイオガス供給路（第１燃料ガス供給路）
８ バイオガス貯留部（第１燃料ガス貯留部）
９ バイオガス断続弁（第１燃料ガス断続弁、進入防止弁）
１１ａ 弁開閉制御部
１１ｂ 混合気圧力制御部
１１ｃ エンジン出力制御部
１２ 合流流路部
１３ 燃料流量制御弁
１４ 混合気流量調整弁
Ａ 燃焼用空気
Ｇ 燃料ガス
Ｇ１ バイオガス（第１燃料ガス）
Ｇ２ 都市ガス（第２燃料ガス）
Ｇ３ 混合燃料ガス
Ｍ 混合気
Ｖ１ 都市ガス用目標開度（第２燃料ガス用目標開度）

Claims (5)

1. 燃料ガスと燃焼用空気とを混合して混合気を生成するミキサーと、
   そのミキサーにて生成された前記混合気をエンジンに供給する混合気供給路とを備え、
   前記燃料ガスとして、第１発熱量を有する第１燃料ガスおよび前記第１発熱量より高い第２発熱量を有する第２燃料ガスとを混合させた混合燃料ガス、または、前記第２燃料ガスを用い、前記混合気供給路にて供給する前記混合気を燃焼させて前記エンジンを運転させるエンジンシステムにおいて、
   前記ミキサーとして、第２燃料ガス供給路にて供給する前記第２燃料ガス、または、当該第２燃料ガスと第１燃料ガス供給路にて供給する前記第１燃料ガスを混合させた混合燃料ガスと前記燃焼用空気とを混合させて前記混合気を生成する単一の前記ミキサーが備えられ、
   前記第１燃料ガス供給路においては、前記第１燃料ガスの供給圧力が、前記第２燃料ガスの供給圧力より高く維持されるとともに、前記第２燃料ガスの前記第１燃料ガス供給路への進入を防止する進入防止弁が備えられ、
   前記第１燃料ガス供給路と前記第２燃料ガス供給路とが合流した合流流路部に備えられて、前記ミキサーに供給する前記第２燃料ガスまたは前記混合燃料ガスの流量を制御する燃料流量制御弁と、
   前記混合気供給路に備えられて、前記エンジンに供給する前記混合気の流量を調整自在な混合気流量調整弁と、
   前記エンジンの出力が目標出力となるように前記混合気流量調整弁の開度を制御するエンジン出力制御部と、前記混合気供給路にて前記エンジンに供給する混合気圧力が目標圧力となるように前記燃料流量制御弁の開度を制御する混合気圧力制御部とを備えているエンジンシステム。
2. 前記第１燃料ガス供給路に備えられ、第１燃料ガス貯留部に貯留されている前記第１燃料ガスの供給を断続自在な第１燃料ガス断続弁と、前記第１燃料ガス断続弁を開閉制御する弁開閉制御部とを備え、
   前記弁開閉制御部は、前記ミキサーに対する前記燃料ガスの供給状態について、前記第１燃料ガス断続弁を開状態として、前記ミキサーに前記混合燃料ガスを供給する混合燃料ガス供給状態と、前記第１燃料ガス断続弁を閉状態として、前記ミキサーに前記第２燃料ガスのみを供給する第２燃料ガス供給状態との間で切替自在であり、且つ、前記第１燃料ガス貯留部における第１燃料ガス貯留残量の変化に応じて、前記混合燃料ガス供給状態と前記第２燃料ガス供給状態との間での切り替えを行うように構成されている請求項１記載のエンジンシステム。
3. 前記第１燃料ガス供給路に備えられ、第１燃料ガス貯留部に貯留されている前記第１燃料ガスの供給を断続自在な第１燃料ガス断続弁と、前記第１燃料ガス断続弁を開閉自在に制御する弁開閉制御部を備え、
   前記弁開閉制御部は、前記ミキサーに対する前記燃料ガスの供給状態について、前記第１燃料ガス断続弁を開状態として、前記ミキサーに前記混合燃料ガスを供給する混合燃料ガス供給状態と、前記第１燃料ガス断続弁を閉状態として、前記ミキサーに前記第２燃料ガスのみを供給する第２燃料ガス供給状態との間で切替自在に構成され、
   前記第１燃料ガス供給路にて供給される前記第１燃料ガスの供給状態の変化に応じて、前記ミキサーに対する前記燃料ガスの供給状態を前記第２燃料ガス供給状態に切替えるための第１指令、前記混合燃料ガス供給状態に切り替えるための混合指令の何れかの指令を行なう指令手段が備えられ、前記弁開閉制御部が、前記指令手段による指令に基づいて、前記混合燃料ガス供給状態と前記第２燃料ガス供給状態との間での切り替えを行なうように構成されている請求項１に記載のエンジンシステム。
4. 前記弁開閉制御部は、前記混合燃料ガス供給状態から前記第２燃料ガス供給状態に切替えた場合に、前記燃料流量制御弁の開度を予め定められた第２燃料ガス用目標開度とするように前記燃料流量制御弁の開度を制御した後、前記混合気圧力制御部により前記混合気供給路にて前記エンジンに供給する混合気圧力が目標圧力となるように前記燃料流量制御弁の開度を制御するように構成されている請求項２または３に記載のエンジンシステム。
5. 前記弁開閉制御部は、前記第２燃料ガス供給状態から前記混合燃料ガス供給状態に切替えた場合に、前記燃料流量制御弁の開度を予め定められた混合燃料ガス用目標開度とするように前記燃料流量制御弁の開度を制御した後、前記混合気圧力制御部により前記混合気供給路にて前記エンジンに供給する混合気圧力が目標圧力となるように前記燃料流量制御弁の開度を制御するように構成されている請求項２〜４の何れか１項に記載のエンジンシステム。

Images