JP3814247B2 - 予混合強制点火式ガスエンジン - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ガスを空気と予め混合し、この燃料ガスと空気の混合気を点火手段で点火する、予混合強制点火式のガスエンジンに関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料ガスを空気と予め混合し、この燃料ガスと空気の混合気を点火手段で点火する、予混合強制点火式のガスエンジンが発電等に使用されている。例えば、特許文献1(特開2000−320369号公報)に記載のガスエンジンがある。
このようなガスエンジンにおいては使用するガス燃料は一種類であるので使用するガス燃料の可燃範囲内に混合比を制御する必要があり、例えば、都市ガスでは空気過剰率で1〜2.4程度で燃焼させる必要がある。
【0003】
このために、低負荷域では空気量を減らすための絞りを必要とし、この絞りはスロットルロスとなりエンジンの熱効率を低下してしまう。また、高負荷域においてはこのスロットルが制限となってしまい、同じく熱効率が制限されるばかりか、夏場に空気密度が低下する際に出力が低下するという問題がある。
【0004】
【特許文献1】
特開2000−320369号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題に鑑み、従来より高い空気過剰率で運転することで、スロットルロスの小さいガスエンジンを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明によれば、燃料ガスと空気を混合して形成される予混合気に点火手段で点火するガスエンジンであって、互いに可燃範囲の異なる複数種類の燃料ガスを有し、該複数種類の燃料ガスを運転条件に応じた混合比で吸気管に供給する予混合強制点火式ガスエンジンにおいて、エンジン負荷を検出し、エンジン負荷が小さい時には可燃範囲の広い燃料ガスの割合を大きくし、エンジン負荷が大きい時には可燃範囲の広い燃料ガスの割合を小さくしてミキサにより混合した後、ガスエンジンに供給すると共に、空気過剰率をもとめ、空気過剰率が大きいほど可燃範囲の広い燃料ガスの割合を大きくして前記ミキサにより混合した後、ガスエンジンに供給することを特徴とする予混合強制点火式ガスエンジンが提供される。
このように構成されるガスエンジンでは、運転条件に応じて可燃範囲を変更することができ運転条件に適した燃料ガスで運転ができ広い範囲で良好な燃焼を得ることができる。
【0007】
また、このように構成されるガスエンジンでは、エンジン負荷が小さい時には要求発熱量は小さく、必要な燃料は少なくてよい、すなわち、大きな空気過剰率で運転することがのぞまれる。そこで、可燃範囲の広い燃料の割合を大きくして大きな空気過剰率で運転可能とする。
一方、エンジン負荷が大きいときにはノッキングが発生しやすいので可燃範囲の広い燃料の割合を小さくして燃焼速度を低下せしめてノッキングの発生を抑制する。
また、このように構成されるガスエンジンでは、空気過剰率が大きくなっても可燃範囲の広い燃料ガスの割合を大きくして前記ミキサよりエンジンに供給することによりエンジンは良好に燃焼することができる。
【0008】
請求項2の発明によれば、請求項1の発明において、失火を検出し、失火が発生したら可燃範囲の広い燃料ガスの割合を大きくして前記ミキサにより混合した後、ガスエンジンに供給することを特徴とする予混合強制点火式ガスエンジンが提供される。
このように構成されるガスエンジンでは、失火は燃料ガスが燃焼しうる可燃範囲を超える空気過剰率とされることにより発生するので、可燃範囲が広い燃料ガスの割合を大きくすれば燃焼しうる可燃範囲が拡大するので失火が抑制される。
【0009】
請求項3の発明によれば、請求項1又は請求項2の発明において、前記ガスエンジンが副室を備える副室式エンジンであって、副室に可燃範囲の広い燃料ガスを多く供給することを特徴とする予混合強制点火式ガスエンジンが提供される。
このように構成されるガスエンジンでは、副室に可燃範囲の広い燃料ガスを多く供給することにより空気副室内における空気過剰率がばらついても安定して主混合気を着火させる火種を生成することができる。
【0010】
請求項4の発明によれば、請求項1ないし請求項3の何れかの発明において、可燃範囲の異なる複数種類の燃料ガスを貯蔵する複数の燃料ガスタンクと、前記複数の燃料ガスタンクの燃料ガス供給管のそれぞれに設けられている流量制御弁と、前記流量制御弁の開度を調整するコントローラと、前記複数の流量制御弁よりの燃料ガスとエアクリーナよりの空気とを混合するミキサとを備えたことを特徴とする予混合強制点火式ガスエンジンが提供される。
【0011】
請求項5の発明によれば、請求項4の発明において、前記コントローラは、ガスエンジンにより駆動される発電機から負荷を示す信号、及び、ガスエンジンに付設されているノックセンサからの信号、及び、ガスエンジンの排気ガスの圧力を検出する信号により、前記流量制御弁の開度を調整することを特徴とする予混合強制点火式ガスエンジンが提供される。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の各実施の形態を説明する。
初めに、各実施の形態に共通なハード構成について説明する。図1が各実施の形態の構成を概念的に示す図であって、エアクリーナ10に第1吸気管101の一端が取り付けられ、第1吸気管101の他端はターボチャージャー30のタービン部31に接続されている。
【0013】
第1吸気管101には空気流量を計測する空気流量計11が付設され、その下流には、エアクリーナ10から吸い込まれた空気に燃料ガスを混入するためのミキサ20が介装されている。
ターボチャージャー30のタービン部31の下流側には第2吸気管102を介して混合気を冷却するためのインタークーラー40が接続され、インタークーラー40には第3吸気管103を介してエンジン50が接続され、エンジン50は発電機60を駆動する。エンジン50の排気ガスが排気管104を介してターボチャージャー30のコンプレッサ部32に接続されている。
【0014】
第1燃料ガスタンク71には第1燃料ガスとしての水素(H2)ガスが貯蔵され、第2燃料ガスタンク72には第2燃料ガスとしてのメタン(CH4)ガスが貯蔵されている。第1、第2燃料ガスタンク71、72には第1、第2燃料ガス供給管111、112が接続され、第1、第2燃料ガス供給管111、112にはそれぞれ第1、第2流量制御弁81、82が介装されている。
【0015】
第1、第2燃料ガス供給管111、112は混合燃料ガス供給管113に集合され、混合燃料ガス供給管113はミキサ20に接続され、第1燃料ガスと第2燃料ガスが混合された混合燃料ガスはミキサ20においてエアクリーナ10から流入した空気と混合され、ターボチャージャー30で加圧され、その後、インタークーラー40で冷却されてからエンジン50に供給される。
【0016】
図2はエンジン50の構造を示す図であって、エンジン50はシリンダ51とシリンダ51内を往復動するピストン52を有する。シリンダ51にはシリンダヘッド53に形成されている吸気ポート53iと排気ポート53eが接続され、吸気ポート53iと排気ポート53eは、それぞれ、吸気弁54iと排気弁54eで開閉される。
【0017】
シリンダヘッド53の下部の中央部分には副室形成部材55が埋め込まれている。副室形成部材55の内部には上側の上部室55uと下側の副室55cが形成されており、上部室55uと副室55cは副室バルブ55vが開いたときに連通され、閉じたときには非連通にされる。上部室55uには副室用燃料管55iが接続され燃料ガスが供給される。上部室55uに供給される燃料ガスは副室バルブ55vが開いたときに副室55cに導入される。副室55cに導入された燃料ガスは副室55cに配設された点火栓56により点火されて燃焼し、燃焼ガスを発生する。
【0018】
副室内で生成された燃焼ガスは副室形成部材55の下端に形成された複数の噴孔55jからシリンダ51内に噴出する。シリンダ51内に噴出した燃焼ガスは、吸気ポート53iからシリンダ51内に導入されたメインの混合気(燃料ガス(=第1燃料ガス+第2燃料ガス)+空気)を点火し、その結果生成される燃焼ガスによりエンジン50は動力を発生して発電機60を駆動し電力を生成する。
【0019】
図1において、参照符号90で示されているのはコントローラであって、各実施の形態において、コントローラ90からの制御信号により第1、第2流量制御弁81、82の開度が調整され第1燃料と第2燃料の混合比が制御される。
【0020】
以下、各実施の形態における第1燃料と第2燃料の混合比の制御について説明する。
初めに、第1の実施の形態における第1燃料と第2燃料の混合比の制御について説明する。第1の実施の形態においては、コントローラ90に発電機60から負荷を示す信号が送られる。コントローラ90は図3に示すような負荷に対する第1燃料と第2燃料の混合比のマップを記憶しており、発電機60から送られる負荷に応じた混合比となるように第1、第2流量制御弁81、82の開度を調整する。そして、図3に示されるように、負荷が小さい場合には水素ガスの割合が大きくされ、負荷が大きい場合には水素ガスの割合が小さくされている。
【0021】
エンジン負荷が小さい時には要求発熱量は小さく、必要とされる燃料は少ないが、上述した第1の実施の形態のように、可燃範囲の広い燃料の割合を大きくすれば、大きな空気過剰率で運転可能となるので、スロットルで空気流量を絞る割合が小さくて済む。その結果、スロットルロスが減り、燃焼効率が向上する。
一方、エンジン負荷が大きいときにはノッキングが発生しやすいが、上述のように可燃範囲の広い燃料の割合を小さくすることにより燃焼速度が低下するのでノッキングの発生が抑制される。
【0022】
なお、この水素ガスとメタンガスの混合ガスと、エアクリーナ10から吸入される空気流量の比、すなわち、空気過剰率λは別途定められる。
例えば、負荷に応じて所要の燃焼ガス発熱量をもとめ、燃焼ガス発熱量から燃料ガス流量を求め、燃料ガス流量と負荷に応じて決まる空気流量から空気過剰率λは決定される。
【0023】
次に第2の実施の形態について説明する。第1の実施の形態では上述のように負荷に応じて水素とメタンの混合比を制御していたが、この第2の実施の形態では空気過剰率λに応じて水素とメタンの混合比を制御するようにされている。
空気過剰率λは第1の実施の形態で説明したようにしてもとめる。そして、図4に示すような空気過剰率λと燃料ガスの混合比のマップを予め記憶しておき、空気過剰率λに対応した混合比になるように第1、第2流量制御弁81、82を制御する。図4に示されるように、空気過剰率λが大きいほど水素ガスの割合が大きくされ、空気過剰率λが小さいほど水素ガスの割合が小さくされている。
このように、第2の実施の形態では、空気過剰率λが大きい場合には可燃範囲の広い水素ガスの割合を大きくするので空気流量を絞らずに運転でき、第1の実施の形態で述べたように、スロットルロスが小さくて済む。
【0024】
なお、第1の実施の形態の場合、第2の実施の形態の場合とも、例えば、図5に示すような負荷に対する空気過剰率λのマップを備えておけば、負荷に応じて所要の燃焼ガス発熱量をもとめ、燃焼ガス発熱量から燃料ガス流量を求め、燃料ガス流量と空気流量から空気過剰率λを計算する必要はなくなりコントローラ90の計算負荷は低減する。
【0025】
次に第3の実施の形態について説明する。この第3の実施の形態では、エンジン50に図1に破線で示されるようなノックセンサ51が付設されており、ノックセンサ51がノッキングの発生を検出した場合には可燃範囲が広い水素ガスの割合を減少させる。このようにすることにより水素ガスに比べると燃え難いメタンガスの割合が増え、燃焼速度が低下して、ノッキングの発生が抑制される。
【0026】
次に第4の実施の形態について説明する。この第4の実施の形態では、排気管105に排気ガスの圧力を検出する圧力センサ52が取り付けられており、この圧力センサ52の検出した排気ガスの圧力変動が予め定めた範囲を超えた場合に、エンジン50が失火していると判定し、失火していると判定された場合には可燃範囲の広い水素ガスの流量を増大させる。失火は、空気過剰率λが大きくなりすぎて発生するものであるが、水素ガスは大きな空気過剰率λでも燃焼可能であるので水素ガスの割合を大きくすることにより失火を抑制することができる。
なお、失火判定は上述の方法の他にも色々な方法がありどのような方法でもよい。例えば、回転変動から検出する方法でもよい。
【0027】
なお、燃料ガスはミキサ20で第1吸気管101内に導入されるのみならず、エンジン50の副室55cにも導入される。副室55cは第1〜3吸気管101〜103を通って導入される混合気を点火させる火種を形成するところであるので、副室55cの局所的な空気過剰率λsは、第1〜3吸気管101〜103を通って導入される混合気の空気過剰率λmよりも大きくされている。図4、5に示した空気過剰率λは副室55cに導入される燃料ガスとミキサ20で第1吸気管101に導入される燃料ガスの合計に対する、吸入空気量の比である。
そして、副室55cに導入するガスは可燃範囲の広い水素ガスの割合を大きくする。これはできるだけ広い条件で火種を形成できるようにするためである。
【0028】
なお、各実施の形態で第1燃料として使用している水素の可燃範囲(空気過剰率)は0.14〜10.0であり、第2燃料として使用しているメタンの可燃範囲は0.6〜2.0である。
その他の燃料ガスの可燃範囲は以下のとおりである。
エタン :0.4 〜 1.94
プロパン :0.4 〜 1.96
ブタン :0.35 〜 1.76
エチレン :0.12 〜 2.52
アセチレン :0.0 〜 3.28
【0029】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明は、燃料ガスと空気を混合して形成される予混合気に点火手段で点火する予混合強制点火式のガスエンジンであるが、互いに可燃範囲の異なる複数種類の燃料ガスを有し、該複数種類の燃料ガスを運転条件に応じた混合比で吸気管に供給するようにされており、運転条件に応じて可燃範囲を変更することができ運転条件に適した燃料ガスで運転ができ広い範囲で良好な燃焼を得ることができる。そして従来方式より高い空気過剰率で運転するのでスロットルロスが小さい。
【0030】
また、エンジン負荷を検出し、エンジン負荷が小さい時には可燃範囲の広い燃料の割合を大きくし、エンジン負荷が大きい時には可燃範囲の広い燃料の割合を小さくすれば、エンジン負荷が小さい時には可燃範囲の広い燃料の割合が大きいので高い空気過剰率で運転でき、エンジン負荷が大きいときには可燃範囲の広い燃料の割合が小さいので燃焼速度が低下しノッキングが発生しにくい。
特に請求項1の発明のように、空気過剰率をもとめ、空気過剰率が大きいほど可燃範囲の広い燃料ガスの割合を大きくすれば、空気過剰率が大きくなっても可燃範囲の広い燃料ガスの割合を大きくすることでエンジンは良好に燃焼することができる。
特に請求項2の発明のように、失火を検出し、失火が発生したら可燃範囲の広い燃料ガスの割合を大きくすれば、可燃範囲が拡大するので失火が抑制される。
特に請求項3の発明にように、エンジンが副室を備える副室式エンジンであって、副室に可燃範囲の広い燃料ガスを多く供給するようにすれば空気副室内における空気過剰率がばらついても安定して主混合気を着火させる火種を生成することができる。
請求項1を引用する請求項4、5についても、上記と同様の作用効果を奏します。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のハード構成を概略的に示す図である。
【図2】 エンジンの詳細を示す図である。
【図3】 負荷に対する水素とメタンの混合比を示すマップである。
【図4】 空気過剰率λに対する水素とメタンの混合比を示すマップである。
【図5】 負荷に対する空気過剰率λの値を示すマップである。
【符号の説明】
10…エアクリーナ
11…空気流量計
20…ミキサ
30…ターボチャージャー
40…クーラー
50…エンジン
51…ノックセンサ
52…圧力センサ
55…副室形成部材
55c…副室
55i…副室用燃料管
55j…噴孔
55v…副室バルブ
56…点火栓
60…発電機
71、72…第1、第2燃料ガスタンク
81、82…第1、第2流量制御弁
90…コントローラ
101、102、103…第1、第2、第3吸気管
104…排気管
111、112…第1、第2燃料ガス供給管
113…混合燃料ガス供給管
Claims (5)
- 燃料ガスと空気を混合して形成される予混合気に点火手段で点火するガスエンジンであって、互いに可燃範囲の異なる複数種類の燃料ガスを有し、該複数種類の燃料ガスを運転条件に応じた混合比で吸気管に供給する予混合強制点火式ガスエンジンにおいて、エンジン負荷を検出し、エンジン負荷が小さい時には可燃範囲の広い燃料ガスの割合を大きくし、エンジン負荷が大きい時には可燃範囲の広い燃料ガスの割合を小さくしてミキサにより混合した後、ガスエンジンに供給すると共に、空気過剰率をもとめ、空気過剰率が大きいほど可燃範囲の広い燃料ガスの割合を大きくして前記ミキサにより混合した後、ガスエンジンに供給することを特徴とする予混合強制点火式ガスエンジン。
- 失火を検出し、失火が発生したら可燃範囲の広い燃料ガスの割合を大きくして前記ミキサにより混合した後、ガスエンジンに供給することを特徴とする請求項1に記載の予混合強制点火式ガスエンジン。
- 前記ガスエンジンが副室を備える副室式エンジンであって、副室に可燃範囲の広い燃料ガスを多く供給することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の予混合強制点火式ガスエンジン。
- 可燃範囲の異なる複数種類の燃料ガスを貯蔵する複数の燃料ガスタンクと、前記複数の燃料ガスタンクの燃料ガス供給管のそれぞれに設けられている流量制御弁と、前記流量制御弁の開度を調整するコントローラと、前記複数の流量制御弁よりの燃料ガスとエアクリーナよりの空気とを混合するミキサとを備えたことを特徴とする請求項1ないし請求項3の何れかに記載の予混合強制点火式ガスエンジン。
- 前記コントローラは、ガスエンジンにより駆動される発電機から負荷を示す信号、及び、ガスエンジンに付設されているノックセンサからの信号、及び、ガスエンジンの排気ガスの圧力を検出する信号により、前記流量制御弁の開度を調整することを特徴とする請求項4に記載の予混合強制点火式ガスエンジン。
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