JP2018062897A - ガスエンジンシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】ガスエンジンシステムにおいて、システムの煩雑化及び巨大化を抑制しつつ、触媒の焼損を防止する。
【解決手段】ガスエンジンシステムは、クランクシャフト及びクランクシャフトの軸方向と平行に配列された複数のシリンダを有するガスエンジンと、複数のシリンダに橋架され、ガスエンジンから排出された排ガスが流入する排気管と、排ガスを駆動源としてガスエンジンに圧縮空気を送り込む過給機と、排気管の第１排ガス出口と過給機の排ガス入口とを繋ぎ、排気管から過給機へ至る排ガス流路を形成する接続管と、排ガス流路に設けられ、排ガス中の未燃燃料ガスを酸化させる触媒を内蔵する触媒コンバータと、排ガス流路の第１排ガス出口から触媒コンバータまでの間において、触媒の過熱を抑制する過熱抑制剤として不活性ガス、空気、水蒸気、及び水のうち少なくとも１つを噴出する過熱抑制装置とを、備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスエンジンから過給機（ターボチャージャ）への排ガス流路中に設置された触媒を備えたガスエンジンシステムに関する。
従来から、燃料ガスを燃焼させて例えば発電機を駆動するガスエンジンと、ガスエンジンから排出される排ガスを駆動源としてガスエンジンに圧縮空気を送り込む過給機とを備えたガスエンジンシステムが知られている。
ところで、ガスエンジンとして、燃焼室内に供給された燃料ガスと圧縮空気の混合気に種火（点火プラグによる火花やパイロット油の自発火）によって点火する火炎伝播方式のガスエンジンを用いた場合には、燃焼室の壁面近くで燃料ガスが燃え残り、その未燃燃料ガスが排ガスと共にガスエンジンから排出される。例えば、燃料ガスとしてメタンを主成分とする天然ガスを用いた場合には、排ガス中の未燃燃料ガスに多くのメタンが含まれる。
このような問題に対し、特許文献１には、触媒を用いて排ガス中の未燃燃料ガスを燃焼（酸化）させることが開示されている。触媒は、ガスエンジンから過給機の上流への排ガス流路中に設置される。過給機で膨張される前の排ガスの温度は高いために、ガスエンジンから過給機への排ガス流路中に触媒を設置すれば、過給機の下流側に触媒を設置するよりも、触媒によって未燃燃料ガスをより効果的に酸化させることができる。
上記のように内燃機関排ガス中の炭化水素を酸化により浄化するための排ガス浄化触媒として、メタルハニカム等の金属製担体基材の表面に、触媒活性成分を担持したコート材をコーティングしたものが広く使用されている。メタルハニカムは、過熱により焼損したりするなどの不安定な状態となることが知られている。そこで、従来、触媒の過熱を防止する技術が提案されている。例えば、特許文献２では、内燃機関からの排気通路に触媒を回避するバイパス路を設け、触媒に触媒温度センサを設けて、触媒温度が耐熱上限温度に達すると排気ガスがバイパス路を流れるように構成された装置が示されている。
特開平１１−３５０９４２号公報 特開２００６−２９０８６号公報
前述の特許文献１に記載されたような、ガスエンジンから過給機への排気流路中に設置された触媒を備えたガスエンジンシステムでは、触媒が過給機の下流側に設置された場合と比較して、触媒に高温の排ガスが流れ込む。上記ガスエンジンシステムにおいて、例えば、ガスエンジンが停止してから触媒が十分に冷める前に再起動されると、比較的高温且つ高濃度の未燃燃料ガスを含む排ガスが触媒に流れ込むことが想定される。触媒に処理能力以上の濃度の未燃燃料ガスが導入されると、異常酸化により触媒が過熱状態となり、その結果、触媒が焼損するおそれがある。そこで、前述の特許文献２に記載されたように、触媒の過熱を防止するために、内燃機関の排ガスを触媒を通さずに下流側へ流すバイパス路を設けることが想定され得る。しかし、バイパス路を設けると、バイパス路のための配管が煩雑化して、システムが煩雑化且つ巨大化する傾向がある。
そこで、本発明は、ガスエンジンから過給機への排ガス流路中に設置された触媒を備えたガスエンジンシステムにおいて、システムの煩雑化及び巨大化を抑制しつつ、触媒の焼損を防止することを目的とする。
本発明に係るガスエンジンシステムは、
クランクシャフト及び前記クランクシャフトの軸方向と平行に配列された複数のシリンダを有するガスエンジンと、
前記複数のシリンダに橋架され、前記ガスエンジンから排出された排ガスが流入する排気管と、
前記排ガスを駆動源として前記ガスエンジンに圧縮空気を送り込む過給機と、
前記排気管の第１排ガス出口と前記過給機の排ガス入口とを繋ぎ、前記排気管から前記過給機へ至る排ガス流路を形成する接続管と、
前記排ガス流路に設けられ、前記排ガス中の未燃燃料ガスを酸化させる触媒を内蔵する触媒コンバータと、
前記排ガス流路の前記第１排ガス出口から前記触媒コンバータまでの間において、前記触媒の過熱を抑制する過熱抑制剤として不活性ガス、空気、水蒸気、及び水のうち少なくとも１つを噴出する過熱抑制装置とを、備えることを特徴としている。
上記ガスエンジンシステムによれば、触媒と過熱抑制剤とが直接的に接触することで、触媒が冷却される。よって、触媒の過熱が抑制され、触媒の焼損を防止できる。なお、過熱抑制剤が、不活性ガス又は／及び空気である場合には、触媒へ送られる排ガス中の未燃燃料ガス濃度が低下することによって、触媒の過熱が抑制される。また、過熱抑制剤が、水蒸気又は／及び水である場合には、触媒の活性が低下することによって、触媒の過熱が抑制される。
上記過熱抑制装置では、過熱抑制剤が触媒と直接的に接触することから効率的な過熱抑制効果が得られ、例えばジャケット式の冷却装置などの他の過熱抑制手段を備える場合と比較して、過熱抑制装置を小型化することができる。これにより、システムの煩雑化及び巨大化を抑制しつつ、触媒の焼損を防止することを目的とする。
また、上記ガスエンジンシステムが、前記排気管の第２排ガス出口と前記接続管の下流部とを繋ぎ、前記排気管から前記触媒コンバータを避けて前記過給機へ至るバイパス流路を形成する第１バイパス管、及び、前記排気管の前記第２排ガス出口と前記ガスエンジンの給気側とを繋ぎ、前記排気管から前記触媒コンバータ及び前記過給機を避けて前記ガスエンジンへ至るバイパス流路を形成する第２バイパス管のうち、少なくとも一方のバイパス管を更に備えていてよい。
上記ガスエンジンシステムによれば、触媒の過熱が見込まれるときに、排ガスがバイパス管を通じて触媒の下流側へ流れることによって、触媒の過熱を回避することができる。
また、上記ガスエンジンシステムにおいて、前記排気管は前記クランクシャフトの軸方向と平行に延伸し、当該排気管の一方の端部に前記第１排ガス出口が設けられ、且つ、他方の端部に前記第２排ガス出口が設けられており、前記過給機が、前記排気管の前記第２排ガス出口と隣接して配置されていてよい。ここで、「隣接して配置」とは、ガスエンジンの輪郭を、ガスエンジンの中心からの長さ、幅及び高さが１．５倍となるように拡大した空間内に、過給機の少なくとも一部が存することをいう。
上記ガスエンジンシステムでは、過給機が排気管の第２排ガス出口と隣接して配置され、且つ、排気管の第２排ガス出口と反対側の端部に第１排ガス出口が設けられていることで、排気管の第１排ガス出口に隣接して触媒コンバータを配置することができる。つまり、ガスエンジンに、過給機と触媒コンバータとをそれぞれ隣接して配置することができる。更に、排気管の第２排ガス出口は、過給機の排ガス入口及びガスエンジンの給気側の少なくとも一方とバイパス管で接続されるが、第２排ガス出口、排ガス入口、及びガスエンジンの給気側を近接して配置することができるので、バイパス管の配管長の短縮を図ることができる。よって、システムの煩雑化及び巨大化を抑制することができる。
また、上記ガスエンジンシステムが、前記排ガス流路の前記第１排ガス出口から前記触媒コンバータまでの間に設けられた第１弁と、前記バイパス流路に設けられた第２弁と、
前記触媒の温度を計測する触媒温度計と、前記排ガス流路の前記第１排ガス出口から前記触媒コンバータまでの間の未燃燃料ガス濃度を計測する未燃燃料ガス濃度計と、前記未燃燃料ガス濃度計で計測された未燃燃料ガス濃度が所定の許容濃度より高く、且つ、前記触媒温度計で計測された触媒温度が所定の許容温度より高いときに、前記第１弁の開度が低減し、前記第２弁の開度が増加するように、前記第１弁及び前記第２弁を制御する制御装置とを、更に備えていてよい。なお、上記及び以下において、「所定の許容濃度」とは、触媒の処理能力に対応した適切な未燃燃料ガス濃度範囲の上限又はそれ以下の濃度である。また、上記及び以下において、「所定の許容温度」とは、触媒の耐熱温度に対応した適切な温度範囲の上限又はそれ以下の温度である。
上記構成によれば、触媒温度が所定の許容温度より高く、且つ、触媒へ送られる未燃燃料ガス濃度が所定の許容濃度より高い場合に、触媒へ流れる排ガスが減少し、触媒を回避して下流へ流れる排ガスが増加するので、触媒の過熱を抑制することができる。
上記ガスエンジンシステムにおいて、前記制御装置が、前記未燃燃料ガス濃度計で計測された未燃燃料ガス濃度が所定の許容濃度より高く、且つ、前記触媒温度計で計測された触媒温度が所定の許容温度より高いときに、前記第１弁が閉止され、前記第２弁が開放されるように、前記第１弁及び前記第２弁を制御してよい。
上記構成によれば、触媒温度が所定の許容温度より高く、且つ、触媒へ送られる未燃燃料ガス濃度が所定の許容濃度より高い場合に、排ガスは触媒を回避して下流へ流れるので、触媒の過熱を抑制することができる。
本発明によれば、システムが煩雑化及び巨大化することを抑制しつつ、触媒の過熱を抑制することにより触媒の焼損を防止することができる。
本発明の実施形態に係るガスエンジンシステムの概略構成図である。 （ａ）は図１に示すガスエンジンシステムを発電機側から見た図、（ｂ）は同ガスエンジンシステムを過給機側から見た図である。 図１に示すガスエンジンシステムに含まれるガスエンジンの一部及び排気管の断面図である。 触媒コンバータの縦断面図である。 ガスエンジンシステムの制御構成を示す図である。 エンジン制御装置による触媒過熱防止制御のフローチャートである。 変形例に係るガスエンジンシステムの概略構成図である。
図１，図２（ａ）及び２（ｂ）に、本発明の実施形態に係るガスエンジンシステム１が示されている。本実施形態は、４ストロークガスエンジンに適したレイアウトを実現するためのものである。
ガスエンジンシステム１は、燃料ガスを燃焼させる４ストロークガスエンジン２と、ガスエンジン２により駆動される発電機１５とを備えている。さらに、ガスエンジンシステム１は、ガスエンジン２に隣接して配置された過給機５と、ガスエンジン２と過給機５の間に設けられたエアクーラー１２及び触媒コンバータ６と、エンジン制御装置８０とを備えている。上記において、過給機５がガスエンジン２に「隣接して配置」されていることは、ガスエンジン２の輪郭を、ガスエンジン２の中心からの長さ、幅及び高さが１．５倍となるように拡大した空間内に、過給機５の少なくとも一部が存在することをいう。
ガスエンジン２は、クランクシャフト２２と、クランクシャフト２２の大部分を収容するエンジンフレーム２１と、エンジンフレーム２１から突出する複数のシリンダ３とを含む。クランクシャフト２２のエンジンフレーム２１から張り出している端部は、フライホイール１４を介して発電機１５と連結されている。フライホイール１４は、ガスエンジン２の起動時に図示しないエアモータであるスタータモータにより駆動される。
図３に示されるように、エンジンフレーム２１には、複数のシリンダ３が組み込まれている。本実施形態では、シリンダ３がクランクシャフト２２の軸方向に二列で配列されている。一方の列のシリンダ３と他方の列のシリンダ３は鉛直方向に対して同一の角度で傾斜している。クランクシャフト２２の軸方向から見たときのシリンダ３間の角度は鋭角であり、シリンダ３はＶ字状をなしている。但し、一方の列のシリンダ３と他方の列のシリンダ３は鉛直方向に対して異なる角度で傾斜していてもよい。また、クランクシャフト２２の軸方向から見たときのシリンダ３間の角度が直角であり、シリンダ３がＬ字状をなしていてもよい。さらには、シリンダ３は一列で配列されていてもよい。
各シリンダ３には、シリンダ３内に配置されたピストン３３とシリンダヘッド３２との協動により形成された燃焼室３０が設けられている。シリンダヘッド３２には、給気ポート３ａと排気ポート３ｂが形成されている。また、シリンダヘッド３２には、給気ポート３ａの燃焼室３０への開口を開閉する給気弁３４及び排気ポート３ｂの燃焼室３０への開口を開閉する排気弁３５が設けられているとともに、給気ポート３ａ内に燃料ガスを噴射する燃料弁３６が設けられている。燃料ガスは、例えばメタンを主成分とする天然ガスである。
エンジンフレーム２１の一方の列のシリンダ３と他方の列のシリンダ３の間には、クランクシャフト２２の軸方向に延びる給気室２ａが形成されている。各シリンダ３の給気ポート３ａは、第１連絡管２ｃにより給気室２ａと接続されている。
給気室２ａの真上には、クランクシャフト２２の軸方向に延びる排気管４が配置されている。各シリンダ３の排気ポート３ｂは、第２連絡管２ｂにより排気管４と接続されている。
図１に戻って、過給機５は、排気管４の発電機１５側と反対側の端部からクランクシャフト２２の軸方向と平行に離れた位置に配置されている。換言すれば、過給機５はガスエンジン２を挟んで発電機１５と反対側に配置されている。以下では、説明の便宜のために、クランクシャフト２２の軸方向を前後方向（特に、過給機５側を前方、発電機１５側を後方）というとともに、前後方向と直交する水平方向を左右方向（特に、図１の紙面と直交する方向の手前側を右方、奥側を左方）という。
過給機５は、空気入口５１及び空気出口５２を有するコンプレッサと、排ガス入口５３及び排ガス出口５４を有するタービンとを含む。過給機５の空気入口５１より上流側には、過給機５の空気流量を測定するためのエアフローメータ７９が設けられている（図５、参照）。本実施形態では、空気入口５１が左向きに開口しており、空気出口５２が斜め下向きに開口している。一方、排ガス入口５３は上向きに（排気管４に向かう方向以外の方向に）開口しており、排ガス出口５４は前向きに開口している。
エアクーラー１２は、過給機５の真下であってガスエンジン２の前方に配置されている。過給機５の空気出口５２は第１給気管１１によりエアクーラー１２と接続されており、エアクーラー１２は第２給気管１３により給気室２ａと接続されている。第１給気管１１は、斜め下向きから斜め横向きに滑らかに折れ曲がっており、第２給気管１３は、前後方向に延びる直線状である。
触媒コンバータ６は、発電機１５の上方に配置されている。換言すれば、触媒コンバータ６は、排気管４を挟んで過給機５と反対側に配置されている。触媒コンバータ６は、前向きに開口する入口と後向きに開口する出口を有し、ガスエンジン２から排出される排ガス中の未燃燃料ガスを酸化させる触媒を内蔵する。
排気管４の後端部には、後向きに（過給機５に向かう方向以外の方向に）開口する第１排ガス出口４１が設けられており、排気管４の前端部には、前向きに開口する第２排ガス出口（上出口４２，下出口４４）が設けられている。そして、排気管４の第１排ガス出口４１は第１接続管７１により触媒コンバータ６の入口と接続されており、触媒コンバータ６の出口は第２接続管７２により過給機５の排ガス入口５３と接続されている。換言すれば、第１排ガス出口４１と排ガス入口５３とが接続管７１，７２で接続されており、接続管７１と接続管７２との間に触媒コンバータ６が介挿されている。接続管７１，７２（及び、触媒コンバータ６）によって、排気管４の排ガス出口４１から過給機５の排ガス入口５３へ至る排ガス流路が形成されている。そして、この排ガス流路中に触媒コンバータ６が設けられている。
第１接続管７１は、前後方向に延びる直線状を呈している。一方、第２接続管７２は、触媒コンバータ６及び排気管４の上方で前後方向に延びる直線部と、触媒コンバータ６の出口から直線部の上流端へ至る１８０度屈曲部と、直線部の下流端から過給機５の排ガス入口５３へ至る９０度屈曲部を含む。なお、図示は省略するが、第１接続管７１及び第２接続管７２には、熱膨張を吸収するための伸縮部材が適所に組み込まれていてもよい。
排気管４には、第２排ガス出口として上出口４２と下出口４４の２箇所の出口が設けられている。そのうち上出口４２は、第１バイパス管７の上流側端部と接続されている。第１バイパス管７の下流側端部は、触媒コンバータ６の出口と過給機５の排ガス入口５３とを繋ぐ第２接続管７２と接続されている。第１バイパス管７は、上出口４２から９０度折れ曲がって、第２接続管７２の直線部に下方から接合されている。バイパス管７により、排気管４から触媒コンバータ６を避けて、換言すれば、触媒コンバータ６を通さずに過給機５の上流側へ排ガスが送られる。
第２接続管７２において、触媒コンバータ６の出口と第１バイパス管７との接続部との間には、触媒コンバータ６から過給機５への排ガスの流れを許容する逆止弁７８が設けられている。この逆止弁７８は、定常時は開放されているが、後述する触媒コンバータ６の触媒６５のメンテナンス時に閉止される。
排気管４の第２排ガス出口のうち下出口４４は、第２バイパス管８の上流側端部と接続されている。第２バイパス管８の下流側端部は、エアクーラー１２とガスエンジン２の給気側とを繋ぐ第２給気管１３と接続されている。第２バイパス管８により、触媒コンバータ６を通らずに、排気管４からガスエンジン２の給気側へ排ガスを送る排気再循環（ＥＧＲ）用の流路が形成される。但し、第２バイパス管８はガスエンジン２の排ガスをガスエンジン２の給気側へ送ることができればよいので、第２バイパス管８の下流側端部は、過給機５の給気側又は第１給気管１１と接続されていてもよい。また、第２バイパス管８の下流側端部は、過給機５の排気側と接続されていてもよい。また、排気管４には、２つの第２排ガス出口４２，４４が設けられているが、排気管４に１つの第２排ガス出口を設け、この第２排ガス出口に分岐ジョイントを介して第１バイパス管７と第２バイパス管８との両方を接続してもよい。
排気管４からの排ガスは、通常は第１接続管７１を通じて触媒コンバータ６に導かれ、特殊な状況で第１バイパス管７を通じて触媒コンバータ６を通らずに過給機５の上流側へ導かれ、主に空気過剰率の調整のために第２バイパス管８を通じてガスエンジン２の吸気側へ導かれる。この排ガスの流れを操作するために、第１接続管７１に流量調節手段又は流路切換手段としての排気弁７５が設けられ、第１バイパス管７に流量調節手段又は流路切換手段としての排気バイパス弁８５が設けられ、第２バイパス管８に流量調節手段としてのバイパス弁７６が設けられている。これらの弁７５，７６，８５は、本実施形態においてはいずれもバタフライ弁が採用されているが、弁７５，７６，８５の構造はこれに限定されない。
次に、図４を参照して、触媒コンバータ６の構成を詳細に説明する。触媒コンバータ６は、触媒６５が収容される筐体６０を備えている。筐体６０は、前後方向に延びる筒状の筐体本体部６２と、筐体本体部６２に向かって拡大する上流側フード部６１と、筐体本体部６２から縮小する下流側フード部６３を含む。本実施形態では、筐体本体部６２の断面形状が矩形状であるが、筐体本体部６２の断面形状は例えば円形状であってもよい。触媒６５は筐体本体部６２に収容されている。触媒６５は、金属製の担体基材に、触媒活性成分を担持したコート材をコーティングしたものである。担体基材は、例えば、ステンレス製のメタルハニカムや、波板と平板が交互に積層された金属製構造体であってよい。触媒活性成分は、例えば、白金やパラジウムなどからなる金属微粒子であってよい。
筐体６０の内部は、触媒６５を支持する格子部材６４によって複数の小部屋に仕切られている。そして、各小部屋に、複数の触媒６５が排ガスの流れ方向に積層された状態で配置されている。触媒６５は、筐体本体部６２を筐体６０の他の部分から取り外せば、容易に筐体本体部６２へ着脱することができる状態となる。触媒６５の交換に際して、逆止弁７８及び排気弁７５を閉止してバイパス弁８５を開放することにより、ガスエンジンシステム１の運転中でも触媒コンバータ６を解体して触媒６５を交換することができる。
触媒６５の上流側には、未燃燃料ガス濃度計８１が設けられている。未燃燃料ガス濃度計８１は、ガスエンジン２の排ガス中に含まれる炭化水素濃度を測定する炭化水素濃度計であって、未燃燃料ガス濃度計８１により触媒６５へ送られる排ガス中の未燃燃料ガス濃度（炭化水素濃度）が測定される。この未燃燃料ガス濃度計８１で測定された排ガス中の未燃燃料ガス濃度に基づき、未燃燃料ガスの異常濃度の検出や、後述する触媒過熱防止制御が行われる。なお、未燃燃料ガス濃度計８１は排ガス出口４１から触媒６５へ至る流路中の未燃燃料ガス濃度を計測できればよいので、触媒コンバータ６又は第１接続管７１に設置される。
また、触媒コンバータ６には、触媒６５の温度を検出するための触媒温度計６７が設けられている。この触媒温度計６７で検出された触媒温度に基づき、未燃燃料ガスの濃度の上昇を伴うようなガスエンジン２の異常（例えば、燃料弁３６からの燃料ガスの漏洩）の検出や、後述する触媒過熱防止制御が行われる。
さらに、触媒６５の上流側には、ラムダセンサ８２が設けられている。このラムダセンサ８２は酸素濃度計である。ラムダセンサ８２で検出された排ガス中の酸素濃度（空気過剰率λ）やエアフローメータ７９で検出されたガスエンジン２の給入空気量などに基づき、燃料弁３６や排気バイパス弁７６の開度を変化させることなどによって、空気過剰率λが所望の空気過剰率となるように制御される。
触媒コンバータ６の上流側フード部６１には、触媒６５に向かって過熱抑制剤を噴出する過熱抑制装置９が設けられている。過熱抑制装置９は、例えば、上流側フード部６１の上方で左右方向に延びる主管９１と、主管９１から垂れ下がって上流側フード部６１内に入り込む複数の枝管９２で構成される。各枝管９２には、後向きのノズル９２ａが一定のピッチで設けられている。主管９１へは、過熱抑制剤源９３から供給管９５を介して過熱抑制剤が供給される。過熱抑制剤の供給量は、供給管９５に設けられた弁等の供給量調整手段９４により調整される。
エンジン制御装置（ＥＣＵ）８０は、ガスエンジンシステム１の動作を司る制御装置である。エンジン制御装置８０は、図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器、及び入出力インターフェースなどを含んで構成される。図５に示されるように、エンジン制御装置８０には、触媒温度計６７、エアフローメータ７９、未燃燃料ガス濃度計８１、及びラムダセンサ８２などの各種計器が電気的に接続されており、これらの各種計器からの検出信号がエンジン制御装置８０へ送られる。また、エンジン制御装置８０には、排気弁７５、逆止弁７８、バイパス弁８５、排気バイパス弁７６、及び燃料弁３６の各々の開閉アクチュエータと、過熱抑制装置９の供給量調整手段９４とが電気的に接続されており、エンジン制御装置８０からこれらの機器へ制御信号が送られる。エンジン制御装置８０では、各種計器からの検出信号に基づき、ガスエンジン２の運転に関わる各種制御が行われる。以下では、エンジン制御装置８０が触媒６５の過熱を防止するために行う、触媒過熱防止制御について詳細に説明する。
触媒６５の過熱は、例えば、ガスエンジン２が停止してから触媒６５が十分に冷める前に再起動された場合に生じやすい。そこで、エンジン制御装置８０は、ガスエンジン２の起動時に触媒過熱防止制御を行う。但し、触媒過熱防止制御はガスエンジン２の起動時以外の通常運転時にも行われてもよい。
図６は、エンジン制御装置８０による触媒過熱防止制御のフローチャートである。図６に示されるように、エンジン制御装置８０は、ガスエンジンシステム１の起動時に、まず、未燃燃料ガス濃度計８１により検出された排ガス中の未燃燃料ガス濃度を取得する（ステップＳ１）。エンジン制御装置８０は、検出された未燃燃料ガス濃度と所定の許容濃度とを比較し（ステップＳ２）、検出された未燃燃料ガス濃度が所定の許容濃度を超えると（ステップＳ２でＹＥＳ）、続いて、触媒温度計６７により検出された触媒温度を取得する（ステップＳ３）。エンジン制御装置８０は、検出された触媒温度と所定の許容温度とを比較し（ステップＳ４）、検出された触媒温度が所定の許容温度を超えると（ステップＳ４でＹＥＳ）、排気弁７５を閉止しバイパス弁８５を開放するようにこれらの開閉アクチュエータを動作させる（ステップＳ５）。エンジン制御装置８０は、未燃燃料ガス濃度計８１により検出された未燃燃料ガス濃度を継続的に取得し（ステップＳ７）、検出された未燃燃料ガス濃度が所定の許容濃度以下となると（ステップＳ８でＹＥＳ）、排気弁７５を開放し、バイパス弁８５を閉止するようにこれらの開閉アクチュエータを動作させる（ステップＳ８）。
上記において、未燃燃料ガス濃度の「所定の許容濃度」とは、触媒６５の処理能力に対応した適切な未燃燃料ガス濃度範囲の上限又はそれ以下の濃度である。また、上記において「所定の許容温度」とは、触媒６５の耐熱温度に対応した適切な温度範囲（触媒が熱劣化しない又は熱劣化が比較的緩やかな温度範囲）の上限又はそれ以下の温度である。
なお、ガスエンジン２の通常運転中には、エンジン制御装置８０は、触媒温度計６７により検出された触媒温度を監視し、基本的に、触媒温度が所定の許容温度を超えると、排気弁７５を閉止しバイパス弁８５を開放するようにこれらの開閉アクチュエータを動作させる。これによりガスエンジン２からの排気が触媒コンバータ６を通らないので、触媒６５の過熱と過熱による劣化とを抑制・防止することができる。通常運転中の触媒温度の許容温度と起動時の触媒温度の許容温度は、同じであっても異なっていてもよい。
エンジン制御装置８０は、上記のような触媒コンバータ６への排気流入規制に加えて、触媒へ向けて触媒過熱抑制作用を有する過熱抑制剤を噴射するように過熱抑制装置９を制御することができる。過熱抑制剤は、不活性ガス、空気、水蒸気、及び水のうち少なくとも１つである。なお、本実施例に係る過熱抑制装置９は、過熱抑制剤を触媒６５へ向けて噴射するように構成されているが、排気弁７５から触媒６５までの流路において過熱抑制剤が噴出されるように構成されていてもよい。この構成であっても、過給機５による吸引により過熱抑制剤が触媒６５を通過するので、過熱抑制剤を触媒６５に向けて噴射する場合と同様の効果が期待できる。
過熱抑制剤が窒素などの不活性ガスである場合には、過熱抑制剤源９３として不活性ガスが充填された不活性ガスボンベと、供給量調整手段９４として不活性ガスボンベの開閉弁とが、ガスエンジンシステム１に備えられる。触媒６５に不活性ガスが吹き付けられることにより、触媒６５が冷却されるとともに、触媒６５の上流の排ガス中の未燃燃料ガス濃度が低減される。
また、過熱抑制剤が空気である場合には、過熱抑制剤源９３は外気であり、供給量調整手段９４としてガスエンジン２の起動時にフライホイール１４を駆動するためのスタータモータ（エアモータ）が利用される。触媒６５に空気が吹き付けられることにより、触媒６５が冷却されるとともに、触媒６５上流の排ガス中の未燃燃料ガス濃度が低減される。
また、過熱抑制剤が水蒸気である場合には、過熱抑制剤源９３はガスエンジンシステム１に併設されたボイラ（図示せず）であり、供給量調整手段９４として開閉弁がガスエンジンシステム１に備えられる。触媒６５に蒸気が吹き付けられることにより、触媒６５が冷却されるとともに、触媒反応が抑制される。
また、過熱抑制剤が水である場合には、過熱抑制剤源９３はガスエンジン２の冷却水（図示せず）であり、供給量調整手段９４として開閉弁がガスエンジンシステム１に備えられる。触媒６５に水が吹き付けられることにより、その潜熱により触媒６５が冷却されるとともに、触媒反応が抑制される。
以上に説明した通り、本実施形態に係るガスエンジンシステム１は、クランクシャフト２２及びクランクシャフト２２の軸方向と平行に配列された複数のシリンダ３を有するガスエンジン２と、複数のシリンダ３に橋架され、ガスエンジン２から排出された排ガスが流入する排気管４と、排ガスを駆動源としてガスエンジン２に圧縮空気を送り込む過給機５と、排気管４の第１排ガス出口４１と過給機５の排ガス入口５３とを繋ぎ、排気管４から過給機５へ至る排ガス流路を形成する接続管７１，７２と、排ガス流路に設けられ、排ガス中の未燃燃料ガスを酸化させる触媒６５を内蔵する触媒コンバータ６と、排ガス流路の第１排ガス出口４１から触媒コンバータ６までの間において、触媒６５の過熱を抑制する過熱抑制剤として不活性ガス、空気、水蒸気、及び水のうち少なくとも１つを噴出する過熱抑制装置９とを、備えている。
上記ガスエンジンシステム１では、触媒６５の過熱が見込まれるときに、過熱抑制装置９で触媒コンバータ６の触媒６５へ向けて過熱抑制剤を噴出させると、この過熱抑制剤と触媒６５との接触により効果的に触媒６５の過熱を抑制・防止することができる。なお、過熱抑制剤が不活性ガス又は／及び空気である場合には、触媒６５へ送られる排ガス中の未燃燃料ガス濃度が低下することによって、触媒６５の過熱が抑制される。また、過熱抑制剤が水蒸気又は／及び水である場合には、触媒６５の活性が低下することによって、触媒の過熱が抑制される。
更に、上記の過熱抑制装置９では、過熱抑制剤が触媒６５と直接的に接触することから効率的な過熱抑制効果が得られ、例えばジャケット式の冷却装置などの他の過熱抑制手段を備える場合と比較して、過熱抑制装置９を小型化することができる。これにより、ガスエンジンシステム１の煩雑化及び巨大化を抑制しつつ、触媒６５の焼損を防止することができる。
また、本実施形態に係るガスエンジンシステム１では、排気管４の第２排ガス出口（上出口４２）と接続管７２の下流部とを繋ぎ、排気管４から触媒コンバータ６を避けて過給機５へ至るバイパス流路を形成する第１バイパス管７、及び、排気管４の第２排ガス出口（下出口４４）とガスエンジン２の給気側とを繋ぎ、排気管４から触媒コンバータ６及び過給機５を避けてガスエンジン２へ至るバイパス流路を形成する第２バイパス管８を備えている。なお、ガスエンジンシステム１は、第１バイパス管７と第２バイパス管８の双方を備えることが望ましいが、第１バイパス管７及び第２バイパス管８のうち少なくとも一方を備えてもよい。
上記構成のガスエンジンシステム１では、触媒６５の過熱が見込まれる場合に、ガスエンジン２の全ての排ガスを、触媒コンバータ６を通らずに、バイパス管７，８を通じて触媒コンバータ６の下流側へ送ることができる。このように、ガスエンジン２の触媒６５の過熱が抑制・防止されるので、触媒６５の過熱による劣化を抑制・防止することができる。
また、本実施形態に係るガスエンジンシステム１において、排気管４はクランクシャフト２２の軸方向と平行に延伸し、当該排気管４の一方の端部に第１排ガス出口４１が設けられ、且つ、他方の端部に第２排ガス出口４２，４４が設けられている。そして、過給機５が、排気管４の第２排ガス出口４２，４４と隣接して配置されている。
上記ガスエンジンシステム１では、過給機５が排気管４の第２排ガス出口４２，４４と隣接して配置され、且つ、排気管４の第２排ガス出口４２，４４と反対側の端部に第１排ガス出口４１が設けられていることで、排気管４の第１排ガス出口４１に隣接して触媒コンバータ６を配置することができる。つまり、ガスエンジン２に、過給機５と触媒コンバータ６とをそれぞれ隣接して配置することができる。更に、排気管４の第２排ガス出口４２，４４は、過給機５の排ガス入口５３及びガスエンジン２の給気側の少なくとも一方とバイパス管７，８で接続されるが、第２排ガス出口４２，４４、排ガス入口５３、及びガスエンジン２の給気側を近接して配置することができるので、バイパス管７，８の配管長の短縮を図ることができる。よって、ガスエンジンシステム１の煩雑化及び巨大化を抑制することができる。
また、本実施形態に係るガスエンジンシステム１は、排ガス流路の第１排ガス出口４１から触媒コンバータ６までの間に設けられた第１弁としての排気弁７５と、バイパス流路に設けられた第２弁としてのバイパス弁８５及び／又は排気バイパス弁７６と、触媒６５の温度を計測する触媒温度計６７と、排ガス流路の第１排ガス出口４１から触媒コンバータ６までの間の未燃燃料ガス濃度を計測する未燃燃料ガス濃度計８１と、制御装置８０とを、更に備えている。制御装置８０は、未燃燃料ガス濃度計８１で計測された未燃燃料ガス濃度が所定の許容濃度より高く、且つ、触媒温度計６７で計測された触媒温度が所定の許容温度より高いときに、第１弁７５の開度が低減し、第２弁８５，７６の開度が増加するように、第１弁７５及び第２弁８５，７６を制御する。
これにより、触媒温度が所定の許容温度より高く、且つ、触媒６５へ送られる未燃燃料ガス濃度が所定の許容濃度より高い場合に、触媒６５へ流れる排ガスが減少し、触媒６５を回避して下流へ流れる排ガスが増加するので、触媒６５の過熱を抑制することができる。
また、本実施形態に係るガスエンジンシステム１では、制御装置８０が、未燃燃料ガス濃度計８１で計測された未燃燃料ガス濃度が所定の許容濃度より高く、且つ、触媒温度計６７で計測された触媒温度が所定の許容温度より高いときに、第１弁７５が閉止され、第２弁８５，７６が開放されるように、第１弁７５及び第２弁８５，７６を制御する。
これにより、触媒６５の温度が所定の許容温度より高く、且つ、触媒６５へ送られる未燃燃料ガス濃度が所定の許容濃度より高い場合に、排ガスは触媒６５を回避して下流へ流れるので、触媒の過熱を抑制することができる。
以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。
例えば、エンジン制御装置８０の触媒過熱防止制御において、触媒コンバータ６への排ガス流入を完全に規制するのではなく、触媒コンバータ６の排ガス流量を低減させるとともに、第１バイパス管７の排ガス流量を増加させたうえで、上述の過熱抑制装置９による触媒過熱抑制作用を有する過熱抑制剤の噴射を行うように制御することもできる。この場合、図６のフローチャートは、開放されていた排気弁７５の開度を低減し、閉止されていたバイパス弁８５の開度を増加するように、これらの開閉アクチュエータ８６，８７を動作させるステップと、触媒過熱抑制作用を有する過熱抑制剤を噴射するように過熱抑制装置９を動作させるステップとを、ステップＳ５に代えて含むことができる。これにより、触媒温度が所定の許容温度より高く、且つ、触媒６５へ送られる未燃燃料ガス濃度が所定の許容濃度より高い場合に、触媒６５へ流れる排ガスが減少し、触媒６５を回避して下流へ流れる排ガスが増加するので、触媒６５の過熱を抑制することができる。
また、例えば、上記実施形態に係る触媒コンバータ６は、排気管４を挟んで過給機５と反対側に配置されている。この配置によれば、触媒コンバータ６と排気管４の排ガス出口４１とを最短距離で接続することができる。但し、図７に示されるように、触媒コンバータ６が排気管４の上方に配置されていてもよい。この場合、排気管４の第１排ガス出口４１は上方に向けて開口し、この第１排ガス出口４１と触媒コンバータ６の上流側フード部６１とが９０度ベント管で接続されている。この配置によれば、排気管４の上方の比較的に使い道のないスペースを利用して触媒コンバータ６を配置することができる。
また、例えば、上記実施形態に係るガスエンジンシステム１では、エンジン制御装置８０の触媒過熱防止制御で触媒コンバータ６への排ガス流入を規制する際に、第１バイパス管７を用いて排ガスが触媒コンバータ６を通さずに下流側へ送られる。これによれば、第１バイパス管７を通じて、過給機５の上流側へ送られた排ガスのエネルギーを、過給機５で利用することができる。但し、エンジン制御装置８０の触媒過熱防止制御で触媒コンバータ６への排ガス流入を規制する際に、第２バイパス管８を通じて、ガスエンジン２の排ガスが触媒コンバータ６を通さずにガスエンジン２の給気側へ送られてもよい。この場合、エンジン制御装置８０は、触媒過熱防止制御において第１バイパス管７のバイパス弁８５を開閉する代わりに、第２バイパス管８の排気バイパス弁７６を開閉するように制御する。これによれば、ガスエンジン２の排ガスを触媒コンバータ６を避けて下流側へ送るためのバイパス管を、空気過剰率λの調整のためにガスエンジン２の排ガスを再循環させるための配管（第２バイパス管８）と、共用することができる。つまり、第１バイパス管７を省くことができる。したがって、システムの煩雑化及び巨大化の抑制に寄与することができる。
本発明のガスエンジンシステムは、ガスエンジンの排ガスに含まれる未燃燃料ガスの異常燃焼により触媒が焼損することを防止するのに有用である。
１ ガスエンジンシステム
２ ガスエンジン
２２ クランクシャフト
３ シリンダ
４ 排気管
４１ 第１排ガス出口
４２ 第２排ガス出口（上出口）
４４ 第２排ガス出口（下出口）
５ 過給機
５３ 排ガス入口
５４ 排ガス出口
６ 触媒コンバータ
６０ 筐体
６１ 上流側フード部
６２ 筐体本体部
６３ 下流側フード部
６５ 触媒
６７ 触媒温度計
７１，７２ 接続管
７５，８５，７６ 弁
７，８ バイパス管
９ 過熱抑制装置
９２ａ ノズル
８０ エンジン制御装置
８１ 未燃燃料ガス濃度計

Claims (5)

  1. クランクシャフト及び前記クランクシャフトの軸方向と平行に配列された複数のシリンダを有するガスエンジンと、
    前記複数のシリンダに橋架され、前記ガスエンジンから排出された排ガスが流入する排気管と、
    前記排ガスを駆動源として前記ガスエンジンに圧縮空気を送り込む過給機と、
    前記排気管の第１排ガス出口と前記過給機の排ガス入口とを繋ぎ、前記排気管から前記過給機へ至る排ガス流路を形成する接続管と、
    前記排ガス流路に設けられ、前記排ガス中の未燃燃料ガスを酸化させる触媒を内蔵する触媒コンバータと、
    前記排ガス流路の前記第１排ガス出口から前記触媒コンバータまでの間において、前記触媒の過熱を抑制する過熱抑制剤として不活性ガス、空気、水蒸気、及び水のうち少なくとも１つを噴出する過熱抑制装置とを、備える、
    ガスエンジンシステム。
  2. 前記排気管の第２排ガス出口と前記接続管の下流部とを繋ぎ、前記排気管から前記触媒コンバータを避けて前記過給機へ至るバイパス流路を形成する第１バイパス管、及び、前記排気管の前記第２排ガス出口と前記ガスエンジンの給気側とを繋ぎ、前記排気管から前記触媒コンバータ及び前記過給機を避けて前記ガスエンジンへ至るバイパス流路を形成する第２バイパス管のうち、少なくとも一方のバイパス管を更に備えている、
    請求項１に記載のガスエンジンシステム。
  3. 前記排気管は前記クランクシャフトの軸方向と平行に延伸し、当該排気管の一方の端部に前記第１排ガス出口が設けられ、且つ、他方の端部に前記第２排ガス出口が設けられており、
    前記過給機が、前記排気管の前記第２排ガス出口と隣接して配置されている、
    請求項２に記載のガスエンジンシステム。
  4. 前記排ガス流路の前記第１排ガス出口から前記触媒コンバータまでの間に設けられた第１弁と、
    前記バイパス流路に設けられた第２弁と、
    前記触媒の温度を計測する触媒温度計と、
    前記排ガス流路の前記第１排ガス出口から前記触媒コンバータまでの間の未燃燃料ガス濃度を計測する未燃燃料ガス濃度計と、
    前記未燃燃料ガス濃度計で計測された未燃燃料ガス濃度が所定の許容濃度より高く、且つ、前記触媒温度計で計測された触媒温度が所定の許容温度より高いときに、前記第１弁の開度が低減し、前記第２弁の開度が増加するように、前記第１弁及び前記第２弁を制御する制御装置とを、更に備えている
    請求項２又は３に記載のガスエンジンシステム。
  5. 前記制御装置が、前記未燃燃料ガス濃度計で計測された未燃燃料ガス濃度が所定の許容濃度より高く、且つ、前記触媒温度計で計測された触媒温度が所定の許容温度より高いときに、前記第１弁が閉止され、前記第２弁が開放されるように、前記第１弁及び前記第２弁を制御する、
    請求項４に記載のガスエンジンシステム。
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