JP4186159B2

JP4186159B2 - 燃料ガス供給装置

Info

Publication number: JP4186159B2
Application number: JP2003088583A
Authority: JP
Inventors: ▲隆▼志浜田; 邦夫大野
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: JP2004293465A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスエンジンに燃料ガスを供給する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
家畜糞尿や生ごみ等の有機廃棄物から発生するメタンガス等のバイオガスを有効活用するため、これを燃料ガスとしてガスエンジンを駆動し、発電やその排熱利用を行うコジェネレーションシステムが提案されている。一方、このようなバイオガスはその発生量や成分が大きく変動し易く、また、着火性が必ずしもよいのものではないため、ガスエンジンの始動が安定して行えないという問題がある。このため、メタンガスを希薄燃焼ガスエンジンの主燃料として用いる場合、ガスエンジンの始動時には、より熱量の大きいプロパンガス等を補助燃料ガスとして用いることが提案されている（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−１６５９５７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、プロパンガス等の熱量の大きいガスは一般的に高価である。従って、その消費量が可能な限り節約されることが望ましい。
【０００５】
従って、本発明の目的は、補助燃料ガスを節約しつつ、ガスエンジンの始動の安定性を向上し得る燃料ガス供給装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ガスエンジンに主燃料ガスと補助燃料ガスとを供給する燃料ガス供給装置であって、前記ガスエンジンに対する前記補助燃料ガスの供給を遮断する補助燃料ガス用の弁と、前記ガスエンジンに対する前記主燃料ガスの供給を遮断する主燃料ガス用の弁と、前記主燃料ガスの濃度を検出する検出手段と、前記補助燃料ガス用の弁及び前記主燃料ガス用の弁を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記ガスエンジンを始動する際、前記検出手段により検出された前記主燃料ガスの濃度が所定値以上の場合には、前記ガスエンジンに対して、前記主燃料ガスを供給する一方、前記補助燃料ガスの供給を遮断するように前記主燃料ガス用の弁及び前記補助燃料ガス用の弁を制御し、前記検出手段により検出された前記主燃料ガスの濃度が所定値未満の場合には、前記ガスエンジンに対して、前記主燃料ガスの供給を遮断する一方、前記補助燃料ガスを供給するように前記主燃料ガス用の弁及び前記補助燃料ガス用の弁を制御することを特徴とする燃料ガス供給装置が提供される。
【０００７】
この装置によれば、ガスエンジンの始動の際、主燃料ガスの濃度に応じて補助燃料ガス用の弁を制御することで、主燃料ガスの濃度が低く主燃料ガスではガスエンジンを始動できない場合に補助燃料ガスを供給する一方、主燃料ガスの濃度が高く主燃料ガスだけでガスエンジンを始動する場合には補助燃料ガスの供給を遮断することができる。このため、必要な場合にのみ補助燃料ガスがガスエンジンに供給され、補助燃料ガスを節約しつつ、ガスエンジンの始動の安定性を向上することができる。そして、主燃料ガスの濃度が所定値以上の場合は、主燃料ガスのみでガスエンジンを始動し、補助燃料ガスを節約することができる。また、主燃料ガスの濃度が所定値未満の場合は、主燃料ガスのみではガスエンジンの始動に支障をきたすおそれがあるので、補助燃料ガスを用いることでガスエンジンの始動の安定化を図ることができる。
【００１２】
また、この場合、更に、前記制御手段により制御され、前記ガスエンジンに供給される前記主燃料ガスの流量を調節する流量調節弁を備え、前記制御手段は、前記ガスエンジンを始動する際、前記ガスエンジンに前記主燃料ガスを供給する場合には、前記流量調節弁の開度を経時的に増加するようにすることもできる。主燃料ガスが正圧の場合、これがガスエンジンに急激に進入してエンジン停止等の障害を発生するおそれがあるところ、徐々に主燃料ガスの流量を増加することで係る障害の発生を回避することができる。
【００１３】
また、本発明においては、前記主燃料ガスがバイオガスであり、前記燃料ガス供給装置は、更に、廃棄物の発酵処理により前記バイオガスを発生させるガス発生手段を備えることもできる。本発明の装置は発生量や成分が変動するバイオガスに好適であり、これを発生するガス発生手段を設けることで廃棄物の有効利用を図ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について説明する。図１は本発明を適用した発電システムの例を示すブロック図である。この発電システムは、ガスエンジン１００の駆動により発電機１０１から電力を得るシステムであり、ガスエンジン１００に供給する燃料ガスのうち、主燃料ガスとしてバイオガス（メタンガス）を、補助燃料ガスとしてプロパンガスを用いたものであり、通常時にはメタンガスのみでガスエンジン１００を駆動し、出力不足の場合等、必要に応じてプロパンガスを補助的に用いてガスエンジン１００を駆動するものである。
【００１６】
主燃料ガスとしては、この他にも木炭ガス、一酸化炭素ガス等も採用可能である。補助燃料ガスとしては、補助燃料ガスとしては主燃料ガスよりも熱量の大きいガスが望ましく、都市ガス、純メタンガス等も採用可能である。
【００１７】
まず、主燃料ガス供給系の構成について説明する。発酵槽１は生ごみ等の有機廃棄物の発酵処理におりバイオガスとしてメタンガスを発生する装置である。この発酵槽１には粉砕された生ごみ等が収容されており、これにＮｉ等のメタン菌の栄養源を添加した上で微量の空気を供給すると共に加温することで生ごみ等が発酵し、メタンガスが発生する。加温の際にはガスエンジン１００の排熱を利用することができる。発酵槽１で発生したメタンガスは、その後脱硫処理等がされてガスホルダー２に蓄積される。
【００１８】
ガスホルダー２に蓄積されたガスは遮断弁３、弁４及びスロットル弁５を介してミキサー（ベンチュリ)６に導入される。遮断弁３はガスエンジン１００に対するメタンガスの供給を遮断する弁であり、ステッピングモータ等の駆動部を備えることで制御装置２０によりその開閉が制御される。弁４は流量調節弁であり、システムの稼動中一定の開度に維持される。スロットル弁５は、ガスエンジン１００に供給されるメタンガスの流量を調節する流量調節弁であり、ステッピングモータ等の駆動部を備えることで制御装置２０によりその開度が電気的に制御される。
【００１９】
次に、補助燃料ガス供給系の構成について説明する。ガスボンベ７はプロパンガスを収容するボンベである。このガスボンベ７に収容されたプロパンガスは遮断弁８、ゼロガバナ９、弁１０及びスロットル弁１１を介してミキサー６に導入される。遮断弁８はガスエンジン１００に対するプロパンガスの供給を遮断する弁であり、ステッピングモータ等の駆動部を備えることで制御装置２０によりその開閉が制御される。ゼロガバナ９はプロパンガスの気圧を大気圧に降圧するためのものである。弁１０は流量調節弁であり、システムの稼動中一定の開度に維持される。スロットル弁１１は、ガスエンジン１００に供給されるプロパンガスの流量を調節する流量調節弁であり、ステッピングモータ等の駆動部を備えることで制御装置２０によりその開度が電気的に制御される。
【００２０】
次に、スロットル弁１２はメタンガス及びプロパンガスと混合される空気の量を調節する流量調節弁でありステッピングモータ等の駆動部を備えることで制御装置２０によりその開度が電気的に制御される。このスロットル弁１２と、スロットル弁５及び１１とにより、空気とメタンガス及びプロパンガスとの空燃比が制御され、ミキサー６内でこれらが混合気体とされる。ミキサー６内の混合気体はスロットル弁１３により流量が制御されてインテークマニホールド（インマニ）からガスエンジン１００に吸引される。スロットル弁１３はステッピングモータ等の駆動部を備えることで制御装置２０によりその開度が電気的に制御される。
【００２１】
次に、各センサ類について説明する。濃度センサ１４は主燃料ガスであるメタンガスの濃度を検出するもので、遮断弁３の上流側に配設されている。この濃度センサ１４によりガスエンジン１００に供給される濃度を検出することで、該メタンガスが十分な熱量、とりわけガスエンジン１００の始動に足る熱量を有するものか否かが分かる。
【００２２】
圧力センサ１５はインマニ内の気圧を計測する負圧計であり、ガスエンジン１００の出力状態を判定し、その判定結果に従って空燃比制御を行うことができる。回転数センサ１６はガスエンジン１００の出力軸の回転数を計測するセンサであり、その計測結果はガスエンジン１００の始動時や発電機１０１の発電量の制御のため等に用いられる。Ｏ_２センサ１７はガスエンジン１００のエキゾーストマニホールド（エキマニ）から排出される排気ガス中の酸素濃度を検出するセンサであり、その計測結果は空燃比制御に用いられる。温度センサ１８は気温を計測するセンサである。
【００２３】
制御装置２０は、上位装置（図示しない）からの指令に基づき、各センサ類からの検出結果に応じて各弁を制御することでシステム全体を制御するものであり、例えば、ＣＰＵ等のプロセッサ、記憶デバイス（ＲＡＭ，ＲＯＭ等）、入出力インターフェース等から構成され、また、各センサからの出力信号をデジタル形式に変換するＡ／Ｄ変換器、遮断弁３及び８やスロットル弁５及び１１乃至１３の駆動部を駆動するドライバ回路等を備えることができる。
【００２４】
次に、本実施形態の発電システムにおけるガスエンジン１００の始動時の処理について説明する。図２はガスエンジン１００の始動処理を示すフローチャートである。制御装置２０は上位装置から発電開始の指令を受けると、同図のフローチャートに示す処理を実行してガスエンジン１００を始動させることになる。
【００２５】
Ｓ１ではシステムの初期設定を行う。具体的には、遮断弁３及び８を遮断すると共にスロットル弁５、１１、１２及び１３を全閉とする。Ｓ２では濃度センサ１４の検出結果を取得してガスエンジン１００に供給せんとするメタンガスのガス濃度を検出する。Ｓ３では検出したメタンガスのガス濃度が所定値以上か否かを判定する。所定値以上の場合、Ｓ４のメタンガス始動処理へ移行し、主燃料ガスであるメタンガスのみでガスエンジン１００を始動する。一方、所定値未満の場合、Ｓ５のプロパンガス始動処理へ移行し、補助燃料ガスであるプロパンガスのみでガスエンジン１００を始動する。
【００２６】
ここで、ガスエンジン１００の通常運転時であれば、例えば、圧力センサ１５の検出信号によりインマニ内の負圧の程度を測定することで、ガスエンジン１００の出力状態を判定し、補助燃料ガスであるプロパンガスを供給するか否かを定めることもできる。しかし、ガスエンジン１００の始動時にはガスエンジン１００が駆動していないのでその出力状態に基づき補助燃料ガスの供給の有無を判別することはできない。
【００２７】
そこで、本実施形態では、メタンガスの濃度に応じて補助燃料ガスであるプロパンガスをガスエンジン１００に供給するか否かを決定している。すなわち、メタンガスの濃度は、これが発生する熱量に比例するため、当該濃度を検出することで、ガスエンジン１００の始動が可能か否かを判別するのである。従って、Ｓ３の判定に用いられる所定値とは、ガスエンジン１００の始動が可能か否かをもって設定されることになる。
【００２８】
そして、メタンガスの濃度が所定値以上の場合にはメタンガスのみを用いることで、補助燃料ガスであるプロパンガスを節約することができる一方、メタンガスの濃度が所定値未満の場合にはプロパンガスを用いることで、いずれの場合においてもガスエンジン１００の始動を安定して行うことが可能となる。本実施形態によるガスエンジンの始動方式を採用することで、主燃料ガスであるメタンガスの平均的な濃度が４５％程度の極めて希薄なガスとしてもガスエンジンを安定した始動が可能となり、希薄燃焼方式に好適である。
【００２９】
なお、本実施形態ではメタンガスの濃度に応じてメタンガスかプロパンガスかのいずれかを択一的に選択しているようにしているが、例えば、メタンガスの濃度が所定値未満の場合、メタンガスとプロパンガスとの双方を用いるようにしてもよい。
【００３０】
次に、メタンガス始動処理について説明する。図３はメタンガス始動処理を示すフローチャートである。Ｓ１０１では空気の流量を調節するスロットル弁１２の初期開度を設定し、当該開度だけスロットル弁１２を開く。この初期開度は制御装置２０内にデータとして記憶しておいてもよく、また、オペレータに入力させて設定するようにしてもよい。また、同じ開度であっても気温に応じて空気の流量が異なるため、温度センサ１８により気温を計測し、当該気温に応じて初期開度を設定するようにしてもよい。
【００３１】
Ｓ１０２ではメタンガスの流量を調節するスロットル弁５の初期開度を設定し、当該開度だけスロットル弁５を開く。この初期開度も制御装置２０内にデータとして記憶しておいてもよく、また、オペレータに入力させて設定するようにしてもよい。また、スロットル弁１３も所定分だけ開く。Ｓ１０３ではセルモータ１０３を駆動し、ガスエンジン１００の始動を開始する。
【００３２】
Ｓ１０４では、回転数センサ１６によりガスエンジン１００の出力軸の回転数を検出し、ガスエンジン１００の回転数がクランキング回転数以上か否か、例えば、２００ｒｐｍ以上か否かを判定する。ガスエンジン１００の回転数がクランキング回転数以上の場合Ｓ１０５へ進み、そうでない場合はクランキング回転数に至るまでの待ちループとなる。
【００３３】
Ｓ１０５ではメタンガスを遮断する遮断弁３を開放し、ガスエンジン１００にメタンガスと空気の混合気体が供給されるようにする。その後、セルモータ１０３をＯＦＦにする。Ｓ１０６では、回転数センサ１６によりガスエンジン１００の出力軸の回転数を検出し、ガスエンジン１００の回転数が始動回転数以上か否か、例えば、６００ｒｐｍ以上か否かを判定する。ガスエンジン１００の回転数が始動回転数以上の場合、メタンガスと空気との混合気体がガスエンジン１００内で順調に燃焼しガスエンジン１００が始動したとしてＳ１０９へ進む。そうでない場合はＳ１０７へ進み、再度、回転数センサ１６によりガスエンジン１００の出力軸の回転数を検出し、ガスエンジン１００の回転数がクランキング回転数未満に下がったか否かを判定する。
【００３４】
ガスエンジン１００の回転数がクランキング回転数未満に下がったと判定した場合、混合気体の燃焼がうまくいかなかったとしてＳ１０８へ進む。Ｓ１０８でメタンガスの遮断弁３を閉鎖した後、Ｓ１０３へ戻り、上述した処理を行う。Ｓ１０７でガスエンジン１００の回転数がクランキング回転数未満ではないと判定した場合は混合気体の燃焼は行われているがガスエンジン１００の回転数が上昇途中であるとしてＳ１０６へ戻る。
【００３５】
Ｓ１０９〜Ｓ１１４の処理は、スロットル弁５の開度を経時的に増加する処理である。本実施形態のような生成方法の場合、メタンガスの気圧は大気圧よりも若干高くなる。従って、スロットル弁５の開度を直ちに定常運転時の標準的な開度にすると、負圧が望ましいガスエンジン１００内にメタンガスが一気に侵入してガスエンジン１００が停止する等、支障を生じえる。また、メタンガスの気圧は大気圧より若干高い程度であるのでゼロガバナを用いて気圧を下げることは有効ではない。そこで、本実施形態では、スロットル弁５の開度を徐々に増加することでメタンガスの流量を調節し、ガスエンジン１００内にメタンガスが一気に侵入することを防止する。また、これにあわせてスロットル弁１２の開度も調節する。
【００３６】
Ｓ１０９ではスロットル弁５の開度を調節する時間をセットする。例えば、１０秒程度である。Ｓ１１０では、スロットル弁５の開度が所定開度に至っているかを判定する。ここでの所定開度とは例えば定常運転時の標準的な開度である。所定開度に至っていない場合、Ｓ１１１へ進みスロットル弁５の開度を所定量（例えば１％）増加する。所定開度に至っている場合はＳ１１２へ進む。
【００３７】
Ｓ１１２ではスロットル弁１２の開度が所定開度に至っているかを判定する。この所定開度も例えば定常運転時の標準的な開度である。所定開度に至っていない場合、Ｓ１１３へ進みスロットル弁１２の開度を所定量（例えば５％）増加する。所定開度に至っている場合はＳ１１４へ進む。
【００３８】
Ｓ１１４ではＳ１０９でセットした時間を経過したか否かを判定する。経過していない場合、Ｓ１１０へ戻り、上述した処理を行う。経過している場合はＳ１１５へ進む。このようにＳ１１０〜Ｓ１１４の処理を所定時間内で繰り返すことで、スロットル弁５及び１２の開度が経時的に増加することになり、メタンガスが一気にガスエンジン１００へ侵入することを防止することができる。
【００３９】
Ｓ１１５では回転数センサ１６によりガスエンジン１００の出力軸の回転数を検出し、ガスエンジン１００の回転数が定常回転数以上か否かを判定する。定常回転数以上の場合、定常運転処理へ移行し、ガスエンジン１００の始動処理を終了する。そうでない場合はガスエンジン１００の回転数が定常回転数に至るまでの待ちループとなる。定常運転処理では、原則としてメタンガスでガスエンジン１００を駆動し、負荷の変動等、メタンガスのみではガスエンジン１００の所望の出力が得られない場合に、プロパンガスが補助的に供給されることになる。
【００４０】
次に、プロパンガス始動処理について説明する。図４はプロパンガス始動処理を示すフローチャートである。プロパンガスはメタンガスと比較して着火性もよく熱量も大きいため、メタンガス始動処理よりも単純な処理でガスエンジン１００を始動する。
【００４１】
Ｓ２０１ではプロパンガスの流量を調節するスロットル弁１１及び空気の流量を調節するスロットル弁１２の初期開度を設定し、当該開度だけスロットル弁１１及び１２を開く。この初期開度も制御装置２０内にデータとして記憶しておいてもよく、また、オペレータに入力させて設定するようにしてもよい。また、スロットル弁１３も所定分だけ開く。Ｓ２０２ではセルモータ１０３を駆動し、ガスエンジン１００の始動を開始する。
【００４２】
Ｓ２０３ではプロパンガスを遮断する遮断弁８を開放し、ガスエンジン１００にプロパンガスと空気の混合気体が供給されるようにする。その後、セルモータ１０３をＯＦＦにする。Ｓ２０４では、回転数センサ１６によりガスエンジン１００の出力軸の回転数を検出し、ガスエンジン１００の回転数が始動回転数以上か否かを判定する。ガスエンジン１００の回転数が始動回転数以上の場合、メタンガスと空気との混合気体がガスエンジン１００内で順調に燃焼しガスエンジン１００が始動したとしてＳ２０５へ進む。そうでない場合はガスエンジンの回転数が始動回転数に至るまでの待ちループとなる。
【００４３】
Ｓ２０５では、回転数センサ１６によりガスエンジン１００の出力軸の回転数を検出し、ガスエンジン１００の回転数が定常回転数以上か否かを判定する。ガスエンジン１００の回転数が定常回転数以上の場合、Ｓ２０６へ進みそうでない場合はガスエンジンの回転数が定常回転数に至るまでの待ちループとなる。
【００４４】
以上によりガスエンジン１００の始動が完了するが、Ｓ２０６以下では定常運転処理へ移行する前に、供給する燃料ガスをメタンガスに切り替える処理を行う。Ｓ２０６ではメタンガスの流量を調節するスロットル弁５と、プロパンガスの流量を調節するスロットル弁１１との開度をそれぞれ設定し、当該開度にする。この場合、スロットル弁５は例えば定常運転時の標準的な開度とされ、スロットル弁１１は状況に応じて例えば定常運転時の標準的な開度か又は閉鎖される。
【００４５】
Ｓ２０７では、メタンガスを遮断する遮断弁３を開放し、ガスエンジン１００にメタンガスが供給されるようにする。Ｓ２０８ではプロパンガスを遮断する遮断弁８を閉鎖し、プロパンガスの供給を断つ。その後、定常運転処理へ移行する。
【００４６】
【発明の効果】
以上述べたとおり本発明によれば、補助燃料ガスを節約しつつ、ガスエンジンの始動の安定性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した発電システムの例を示すブロック図である。
【図２】ガスエンジン１００の始動処理を示すフローチャートである。
【図３】メタンガス始動処理を示すフローチャートである。
【図４】プロパンガス始動処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１発酵槽
３遮断弁（主燃料ガス用）
５、１１〜１３スロットル弁
７ガスボンベ
８遮断弁（補助燃料ガス用）
１４濃度センサ
２０制御装置
１００ガスエンジン

Claims

ガスエンジンに主燃料ガスと補助燃料ガスとを供給する燃料ガス供給装置であって、
前記ガスエンジンに対する前記補助燃料ガスの供給を遮断する補助燃料ガス用の弁と、
前記ガスエンジンに対する前記主燃料ガスの供給を遮断する主燃料ガス用の弁と、
前記主燃料ガスの濃度を検出する検出手段と、
前記補助燃料ガス用の弁及び前記主燃料ガス用の弁を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記ガスエンジンを始動する際、前記検出手段により検出された前記主燃料ガスの濃度が所定値以上の場合には、前記ガスエンジンに対して、前記主燃料ガスを供給する一方、前記補助燃料ガスの供給を遮断するように前記主燃料ガス用の弁及び前記補助燃料ガス用の弁を制御し、前記検出手段により検出された前記主燃料ガスの濃度が所定値未満の場合には、前記ガスエンジンに対して、前記主燃料ガスの供給を遮断する一方、前記補助燃料ガスを供給するように前記主燃料ガス用の弁及び前記補助燃料ガス用の弁を制御することを特徴とする燃料ガス供給装置。
更に、前記制御手段により制御され、前記ガスエンジンに供給される前記主燃料ガスの流量を調節する流量調節弁を備え、
前記制御手段は、
前記ガスエンジンを始動する際、前記ガスエンジンに前記主燃料ガスを供給する場合には、前記流量調節弁の開度を経時的に増加することを特徴とする請求項１に記載の燃料ガス供給装置。
前記主燃料ガスがバイオガスであり、
前記燃料ガス供給装置は、更に、廃棄物の発酵処理により前記バイオガスを発生させるガス発生手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料ガス供給装置。