JP4247191B2 - Gas supply device and operation method for gas engine - Google Patents
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Description
本発明は、特に低カロリーガス(発熱量の低いガス)を燃料に用いるガスエンジンに好適であり、排気ターボ過給機を備え、燃料ガス通路を通して供給される燃料ガスと空気とを混合し、この混合気をシリンダ内に供給して着火燃焼せしめるガスエンジンのガス供給装置に関する。 The present invention is particularly suitable for a gas engine using low-calorie gas (gas having a low calorific value) as a fuel, includes an exhaust turbocharger, mixes fuel gas and air supplied through a fuel gas passage, The present invention relates to a gas supply device for a gas engine that supplies this air-fuel mixture into a cylinder to cause ignition and combustion.
希薄燃焼ガスエンジンにおいては、燃料ガスと空気とを所要の空燃比に制御して混合し、この混合ガスをスロットル弁等の混合ガス流量調整手段を備えた給気管を通して、エンジンの燃焼室に供給している。
かかる希薄燃焼ガスエンジンのうち、排気ターボ過給機(以下過給機という)を備えたガスエンジンにおいては、次のような2種類の燃料ガスの供給方法が用いられている。
(1)各シリンダの給気枝管に、ガスコンプレッサによって過給空気圧よりも高圧に加圧された燃料ガスを各シリンダの直前で噴射する。
(2)燃料ガスを過給機入口空気と混合してこの混合気を過給機に供給し、過給機にてこの混合気を圧縮してエンジンに供給する。
In a lean combustion gas engine, fuel gas and air are mixed while controlling to a required air-fuel ratio, and this mixed gas is supplied to the combustion chamber of the engine through a supply pipe equipped with a mixed gas flow rate adjusting means such as a throttle valve. is doing.
Among such lean combustion gas engines, in a gas engine equipped with an exhaust turbocharger (hereinafter referred to as a supercharger), the following two types of fuel gas supply methods are used.
(1) The fuel gas pressurized to a pressure higher than the supercharging air pressure by the gas compressor is injected into the supply branch pipe of each cylinder immediately before each cylinder.
(2) The fuel gas is mixed with the supercharger inlet air and the air-fuel mixture is supplied to the supercharger. The air-fuel mixture is compressed by the supercharger and supplied to the engine.
さらに前記(1)の手段と(2)の手段とを組み合わせた技術として、特許文献1(特開2001−132550号公報)の技術が提供されている。
かかる技術においては、ガスコンプレッサによって加圧された燃料ガスを給気通路のシリンダ入口またはシリンダ内に供給するとともに、前記ガスコンプレッサにて加圧する前の燃料ガスを過給機上流側の空気通路に供給し、前記シリンダ側への燃料ガス供給と過給機上流側への燃料ガス供給とを切換え可能に構成している。
Further, as a technique combining the means (1) and the means (2), a technique disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-132550) is provided.
In this technique, the fuel gas pressurized by the gas compressor is supplied to the cylinder inlet or the cylinder of the supply passage, and the fuel gas before being pressurized by the gas compressor is supplied to the air passage upstream of the supercharger. The fuel gas supply to the cylinder side and the fuel gas supply to the turbocharger upstream side can be switched.
しかしながら、特許文献1にて提供されている従来技術あっては、次のような問題点を有している。
即ち、かかる従来技術にあっては、ガスコンプレッサによって加圧された燃料ガスを給気通路のシリンダ入口またはシリンダ内に供給する燃料ガス供給系では、燃料ガスを過給空気圧よりも高圧に圧縮する必要があるが、燃料ガスとして炭鉱メタンガス等の低カロリーガス(発熱量の低いガス)を用いる場合には、低圧で大流量のガスを圧縮するために大型で大容量のガスコンプレッサを必要とする。
一方、前記ガスコンプレッサにて加圧する前の燃料ガスを過給機上流側の空気通路に供給する燃料ガス供給系では、可燃性の燃料ガスを過給機で高温、高圧に加圧するため、過給機出口で燃料ガスが爆発する危険性を内包している。
However, the prior art provided in Patent Document 1 has the following problems.
That is, in the conventional technology, in the fuel gas supply system that supplies the fuel gas pressurized by the gas compressor to the cylinder inlet of the supply passage or into the cylinder, the fuel gas is compressed to a pressure higher than the supercharging air pressure. It is necessary, but when using low calorie gas (low calorific value gas) such as coal mine methane gas as a fuel gas, a large and large capacity gas compressor is required to compress a gas with a low pressure and a large flow rate. .
On the other hand, in the fuel gas supply system that supplies the fuel gas before being pressurized by the gas compressor to the air passage on the upstream side of the supercharger, the combustible fuel gas is pressurized to high temperature and high pressure by the supercharger. There is a risk of fuel gas explosion at the outlet of the feeder.
従って、本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、燃料ガスを過給機入口空気と混合しこの混合気を過給機に供給する燃料ガス供給系と燃料ガスをシリンダ側の給気通路内に供給する燃料ガス供給系とを併設したガスエンジンにおいて、過給機出口での燃料ガスの爆発
の可能性を皆無とするとともに、低カロリーガス(発熱量の低いガス)燃料を用いる場合においても、シリンダ側の給気通路への燃料ガス圧縮用のガスコンプレッサの動力を低減して該ガスコンプレッサを小型小容量化し得るガスエンジンのガス供給装置を提供することを目的とする。
Therefore, in view of the problems of the prior art, the present invention mixes the fuel gas with the supercharger inlet air and supplies the air-fuel mixture to the supercharger and the fuel gas in the air supply passage on the cylinder side. In a gas engine with a fuel gas supply system to be supplied, there is no possibility of explosion of fuel gas at the supercharger outlet, and even when using low calorie gas (gas with low calorific value) fuel, An object of the present invention is to provide a gas supply device for a gas engine that can reduce the power of a gas compressor for compressing a fuel gas into a cylinder-side air supply passage to reduce the size and capacity of the gas compressor.
本発明はかかる目的を達成するもので、排気ターボ過給機を備え、燃料ガス通路を通して供給される燃料ガスと空気とを混合し、この混合気をシリンダ内に供給して着火燃焼せしめるガスエンジンにおいて、前記燃料ガス通路を、前記過給機の空気入口に接続される過給機側ガス供給通路と、シリンダ毎の給気通路に接続され前記燃料ガスを圧縮するガスコンプレッサが介装されたシリンダ側ガス供給通路とに分岐し、前記過給機側ガス供給通路を通流する燃料ガスを過給機入口空気と混合しこの混合気を過給機に供給するとともに、前記シリンダ側ガス供給通路を通流する燃料ガスを前記シリンダ毎の給気通路内の給気と混合しこの混合気をエンジンの各シリンダに供給するように構成し、前記過給機側ガス供給通路には該過給機側ガス供給通路のガス流量を調整する過給機側ガス量調整弁を設け、前記シリンダ側ガス供給通路には各シリンダ側ガス供給通路のガス流量を調整するシリンダ側ガス量調整弁をシリンダ毎に設け、さらに前記過給機側ガス量調整弁の開度を制御して、前記過給機側ガス供給通路への燃料ガス量を、前記過給機に供給する混合気中の燃料ガス濃度が設定された可燃下限界ガス濃度以下に保持されるように調整するガス量コントローラを設けたことを特徴とする。
そして、かかるガスエンジンの運転方法は、燃料ガス通路を通して供給される燃料ガスと空気とを混合し、この混合気をシリンダ内に供給して着火燃焼せしめるガスエンジンの運転方法であって、前記燃料ガスの一部を過給機の空気入口に接続される過給機側ガス供給通路を通して過給機入口空気と混合しこの混合気を過給機に供給するとともに、前記燃料ガスの残分をシリンダ毎の給気通路に接続され前記燃料ガスを圧縮するガスコンプレッサが介装されたシリンダ側ガス供給通路を通してシリンダ毎の給気通路内の給気と混合しこの混合気をエンジンの各シリンダに供給し、前記過給機側ガス供給通路に設けた過給機側ガス量調整弁の開度を制御して、前記過給機側ガス供給通路への燃料ガス量を、前記過給機に供給する混合気中の燃料ガス濃度が可燃下限界ガス濃度以下に保持されるように調整することを特徴とする。
The present invention achieves such an object, and is a gas engine that includes an exhaust turbocharger, mixes fuel gas and air supplied through a fuel gas passage, and supplies the mixture into a cylinder for ignition and combustion. And a gas compressor for compressing the fuel gas connected to the air supply passage for each cylinder is interposed between the fuel gas passage and the supercharger side gas supply passage connected to the air inlet of the supercharger. The fuel gas which branches into the cylinder side gas supply passage and flows through the supercharger side gas supply passage is mixed with the supercharger inlet air to supply this mixture to the supercharger, and the cylinder side gas supply The fuel gas flowing through the passage is mixed with the supply air in the supply passage for each cylinder, and this mixture is supplied to each cylinder of the engine. Supply side gas supply A turbocharger side gas amount adjusting valve for adjusting the gas flow rate of the passage is provided, and a cylinder side gas amount adjusting valve for adjusting the gas flow rate of each cylinder side gas supply passage is provided for each cylinder in the cylinder side gas supply passage, Further, by controlling the opening degree of the supercharger-side gas amount adjusting valve, the fuel gas concentration in the air-fuel mixture for supplying the fuel gas amount to the supercharger-side gas supply passage to the supercharger is set. In addition, a gas amount controller is provided that adjusts the gas so as to be kept below the flammable lower limit gas concentration.
The gas engine operation method is a gas engine operation method in which fuel gas and air supplied through a fuel gas passage are mixed, and the mixture is supplied into a cylinder and ignited and combusted. A part of the gas is mixed with the supercharger inlet air through a supercharger side gas supply passage connected to the air inlet of the supercharger, and this mixture is supplied to the supercharger. A cylinder-side gas supply passage connected to an air supply passage for each cylinder and provided with a gas compressor for compressing the fuel gas is mixed with the air supply in the air supply passage for each cylinder, and this mixture is supplied to each cylinder of the engine. Supply and control the opening degree of the supercharger side gas amount adjusting valve provided in the supercharger side gas supply passage, and the amount of fuel gas to the supercharger side gas supply passage is supplied to the supercharger. Fuel in the mixture Scan concentration and adjusting so as to maintain below flammable lower limit gas concentration.
かかる発明によれば、燃料ガス通路を、過給機入口空気通路に接続される過給機側ガス供給通路とシリンダ毎の給気通路に接続されるシリンダ側ガス供給通路との2つの燃料ガス供給系に分岐し、過給機側ガス供給通路を通流する燃料ガスを過給機入口空気と混合して、この混合気を過給機に供給する一方、前記シリンダ側ガス供給通路を通流する燃料ガスをシリンダ毎の給気通路内の給気と混合して、この混合気をエンジンの各シリンダに供給するように構成したので、過給機側ガス量調整弁によって過給機側ガス供給通路側の燃料ガス流量を制御するとともに、シリンダ側ガス量調整弁によってガスコンプレッサで圧縮して各シリンダに供給する燃料ガス流量を制御することにより、過給機入口空気と混合してこの混合気を過給機に供給する燃料ガス量とシリンダ毎の給気通路内の給気と混合してこの混合気をエンジンの各シリンダに供給する燃料ガス量との割合を自在に制御することができる。 According to this invention, the fuel gas passage is divided into two fuel gases, that is, the supercharger side gas supply passage connected to the supercharger inlet air passage and the cylinder side gas supply passage connected to the air supply passage for each cylinder. The fuel gas branched into the supply system and flowing through the supercharger side gas supply passage is mixed with the supercharger inlet air, and this mixture is supplied to the supercharger, while the cylinder side gas supply passage is passed through. The fuel gas that flows is mixed with the supply air in the supply passage for each cylinder, and this mixture is supplied to each cylinder of the engine. The fuel gas flow rate on the gas supply passage side is controlled, and the fuel gas flow rate supplied to each cylinder after being compressed by the gas compressor by the cylinder side gas amount adjusting valve is mixed with the supercharger inlet air. Supply air-fuel mixture to turbocharger Fuel gas amount and is mixed with supply air in the supply passage for each cylinder the air-fuel mixture can be freely controlled the ratio of the amount of the fuel gas supplied to each cylinder of the engine that.
これにより、過給機側に供給する燃料ガス量を該過給機で高温、高圧に圧縮後における爆発を回避できる限界程度の燃料ガス量に設定することにより、該過給機側に供給する燃料ガス量を爆発を回避できる最大限の燃料ガス量に設定可能となり、かかる最大限の燃料ガス量を保持して前記爆発を皆無にできる。
またガスコンプレッサで圧縮して各シリンダに供給するシリンダ側ガス供給通路側の燃料ガス流量を前記過給機側に供給する燃料ガス量相当分低減できることとなり、従ってシリンダ側への燃料ガスを圧縮するガスコンプレッサの動力を低減でき、該ガスコンプレッサを小型、小容量化できる。
殊に、炭鉱メタンガス等の低カロリーガス(発熱量の低いガス)を用いる場合には、所要のエンジン出力を得るには多量の燃料ガスを必要とするが、過給機側の燃料ガス流量を該過給機で高温、高圧に圧縮後における爆発を回避できる限界程度の最大限の燃料ガス流量に設定することにより、ガスコンプレッサで圧縮して各シリンダに供給する燃料ガス流量を前記過給機側への燃料ガス流量相当分低減できることにより、ガスコンプレッサの動力低減効果がより大きくなる。
As a result, the amount of fuel gas supplied to the supercharger is set to the limit of the amount of fuel gas that can avoid explosion after being compressed to high temperature and high pressure by the supercharger, and supplied to the supercharger. The fuel gas amount can be set to the maximum fuel gas amount that can avoid the explosion, and the explosion can be eliminated while maintaining the maximum fuel gas amount.
Further, the flow rate of the fuel gas on the cylinder side gas supply passage side that is compressed by the gas compressor and supplied to each cylinder can be reduced by an amount corresponding to the amount of fuel gas supplied to the supercharger side, so that the fuel gas to the cylinder side is compressed. The power of the gas compressor can be reduced, and the gas compressor can be reduced in size and capacity.
In particular, when using low calorie gas such as coal mine methane gas (gas with low calorific value), a large amount of fuel gas is required to obtain the required engine output. By setting the maximum fuel gas flow rate to the limit that can avoid explosion after compression to high temperature and high pressure by the supercharger, the fuel gas flow rate compressed by the gas compressor and supplied to each cylinder is set to the supercharger. By being able to reduce the fuel gas flow rate to the side, the power reduction effect of the gas compressor is further increased.
かかる発明において好ましくは、前記エンジンの給気圧力を検出する給気圧力センサと、前記エンジンの給気温度を検出する給気温度センサと、前記過給機側ガス供給通路を通流する燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量計とをそなえるとともに、前記ガス量コントローラは、前記給気圧力センサからの給気圧力検出値、前記給気温度センサからの給気温度検出値、及び前記燃料ガス流量計からの燃料ガス流量の検出値に基づいて前記過給機に供給する混合気中の燃料ガス濃度を算出し、該燃料ガス濃度の算出値と可燃下限界ガス濃度の設定値とを比較し、該燃料ガス濃度が前記可燃下限界ガス濃度設定値以下になるような前記過給機側ガス量調整弁の開度を算出して該過給機側ガス量調整弁を前記開度に制御する。
また、前記燃料ガスを炭鉱メタンガスにて構成する場合には、前記ガス量コントローラは、前記混合気中のメタンガス濃度を可燃下限界ガス濃度である5%以下に保持するように前記過給機側ガス量調整弁の開度を制御するように構成するのがよい。
In this invention, preferably, an air supply pressure sensor for detecting an air supply pressure of the engine, an air supply temperature sensor for detecting an air supply temperature of the engine, and a fuel gas flowing through the supercharger side gas supply passage A fuel gas flow meter for detecting the flow rate of the fuel gas, and the gas amount controller includes a supply air pressure detection value from the supply air pressure sensor, a supply air temperature detection value from the supply air temperature sensor, and the fuel gas Calculate the fuel gas concentration in the air-fuel mixture supplied to the supercharger based on the detected value of the fuel gas flow rate from the flow meter, and compare the calculated value of the fuel gas concentration with the set value of the combustible lower limit gas concentration And calculating the opening degree of the supercharger side gas amount adjustment valve so that the fuel gas concentration is not more than the set value of the lower flammability limit gas concentration, and setting the supercharger side gas amount adjustment valve to the opening degree. Control.
In the case where the fuel gas is composed of coal mine methane gas, the gas amount controller controls the supercharger side so as to maintain the methane gas concentration in the air-fuel mixture at 5% or less, which is the flammable lower limit gas concentration. It is good to comprise so that the opening degree of a gas quantity adjustment valve may be controlled.
かかる発明によれば、ガス量コントローラにおいて、エンジンの給気圧力、給気温度、及び燃料ガス流量の検出値を用いて実際の燃料ガス濃度を算出し、この実際の燃料ガス濃度と可燃下限界ガス濃度(炭鉱メタンガスでは5%以下の濃度)設定値とを比較して、過給機側ガス供給通路への燃料ガス量が前記可燃下限界ガス濃度以下を保持するように過給機側ガス量調整弁の開度を制御するので、過給機側ガス供給通路への燃料ガス量を、過給機で高温、高圧に圧縮後における爆発を回避できる限界程度の燃料ガス量に常時正確に保持できる。 According to this invention, in the gas amount controller, the actual fuel gas concentration is calculated using the detected values of the engine air supply pressure, the air supply temperature, and the fuel gas flow rate, and the actual fuel gas concentration and the combustible lower limit are calculated. Compared with the set value of gas concentration (concentration of 5% or less for coal mine methane gas), the supercharger side gas so that the amount of fuel gas to the supercharger side gas supply passage is kept below the combustible lower limit gas concentration. Since the opening of the volume control valve is controlled, the amount of fuel gas to the gas supply passage on the turbocharger is always accurately adjusted to the limit of the amount of fuel gas that can avoid explosion after being compressed to high temperature and high pressure by the turbocharger. Can hold.
また本発明は、前記燃料ガス通路を、前記過給機の空気入口への過給機入口空気通路に接続される過給機側ガス供給通路と、前記過給機の空気出口とエンジンの各シリンダとの間のシリンダ毎の給気通路に接続され前記燃料ガスを圧縮するガスコンプレッサが介装されたシリンダ側ガス供給通路とに分岐し、前記過給機側ガス供給通路を通流する燃料ガスを過給機入口空気と混合してこの混合気を過給機に供給するとともに、前記シリンダ側ガス供給通路を通流する燃料ガスをシリンダ毎に分岐しシリンダ毎の給気通路内の給気と混合してこの混合気をエンジンの各シリンダに供給するように構成し、前記過給機側ガス供給通路には該過給機側ガス供給通路のガス流量を調整する過給機側ガス量調整弁を設け、さらに前記シリンダ側ガス供給通路には各シリンダ側ガス供給通路のガス流量を調整するシリンダ側ガス量調整弁をシリンダ毎に設け、
前記過給機側ガス量調整弁の開度を制御して、前記過給機側ガス供給通路への燃料ガス量を、前記過給機に供給する混合気中の燃料ガス濃度が設定された可燃下限界ガス濃度以下に保持されるように調整するガス量コントローラを備えた前記発明に加えて、
前記排気ターボ過給機の排気タービンをバイパスして排気出口管に接続される排気バイパス通路と、該排気バイパス通路を開閉する排気バイパス弁をそなえるとともに、前記エンジンへの混合気量が目標混合気量になるように前記排気バイパス弁の開度を制御する空燃比コントローラをそなえて構成される。
Further, the present invention provides a supercharger side gas supply passage connected to the fuel gas passage to a supercharger inlet air passage to an air inlet of the supercharger, an air outlet of the supercharger, and each of the engine Fuel that is connected to a cylinder-side gas supply passage that is connected to an air supply passage for each cylinder between the cylinder and that is provided with a gas compressor that compresses the fuel gas, and flows through the supercharger-side gas supply passage The gas is mixed with the supercharger inlet air and this mixture is supplied to the supercharger, and the fuel gas flowing through the cylinder side gas supply passage is branched for each cylinder to supply the gas in the supply passage for each cylinder. The supercharger side gas is configured to be mixed with air and supplied to each cylinder of the engine, and in the supercharger side gas supply passage, a gas flow rate in the supercharger side gas supply passage is adjusted. An amount adjustment valve is provided, and the cylinder side gas supply The road provided cylinder-side gas amount adjusting valve for adjusting the gas flow rates of the cylinder-side gas supply passage for each cylinder,
The opening degree of the supercharger-side gas amount adjusting valve was controlled, and the fuel gas concentration in the air-fuel mixture for supplying the fuel gas amount to the supercharger-side gas supply passage to the supercharger was set. In addition to the above invention with a gas amount controller that adjusts to keep below the lower flammable gas concentration,
An exhaust bypass passage that bypasses the exhaust turbine of the exhaust turbocharger and is connected to an exhaust outlet pipe, an exhaust bypass valve that opens and closes the exhaust bypass passage, and an air-fuel mixture amount to the engine An air-fuel ratio controller for controlling the opening degree of the exhaust bypass valve so as to be an amount is provided.
かかる発明によれば、前記のように、過給機側ガス供給通路への燃料ガス量を、過給機で高温、高圧に圧縮後における爆発を回避できる限界程度の燃料ガス量に常時正確に保持し、かつガスコンプレッサで圧縮して各シリンダに供給する燃料ガス流量を前記過給機側への燃料ガス流量相当分低減した流量に正確に保持することにより、過給機で高温、高圧に圧縮後における爆発を回避しつつガスコンプレッサの動力を抑制し、所要のエンジン出力を得ることができ、これに加えて、
季節の変化等によって過給機の吸入空気温度が変化し、それによって過給機が吸い込む空気量が変化してエンジンへの混合気量が変化する場合でも、空燃比コントローラにより排気バイパス弁の開度を制御することによって、エンジンの各シリンダに供給される混合気の空気過剰率をほぼ一定に保持してエンジンを運転することが可能となる。
According to this invention, as described above, the amount of fuel gas to the supercharger-side gas supply passage is always accurately adjusted to the limit of the amount of fuel gas that can avoid explosion after being compressed to high temperature and high pressure by the supercharger. The fuel gas flow rate that is held and compressed by the gas compressor and supplied to each cylinder is accurately maintained at a flow rate that is reduced by an amount corresponding to the fuel gas flow rate to the turbocharger, so that the turbocharger can be heated to high temperature and high pressure. In addition to suppressing the power of the gas compressor while avoiding an explosion after compression, the required engine output can be obtained.
Even if the intake air temperature of the turbocharger changes due to seasonal changes, etc., and the amount of air sucked into the turbocharger changes and the air-fuel mixture changes, the air-fuel ratio controller opens the exhaust bypass valve. By controlling the degree, it is possible to operate the engine while maintaining the air excess ratio of the air-fuel mixture supplied to each cylinder of the engine substantially constant.
本発明によれば、燃料ガス通路を、過給機入口空気通路に接続される過給機側ガス供給通路とシリンダ毎の給気通路に接続されるシリンダ側ガス供給通路との2つの燃料ガス供給系に分岐し、過給機側ガス量調整弁によって過給機側ガス供給通路側の燃料ガス流量を制御するとともに、シリンダ側ガス量調整弁によってガスコンプレッサで圧縮して各シリンダに供給する燃料ガス流量を制御することにより、過給機入口空気と混合してこの混合気を過給機に供給する燃料ガス量とシリンダ毎の給気通路内の給気と混合してこの混合気をエンジンの各シリンダに供給する燃料ガス量との割合を自在に制御することができ、過給機側に供給する燃料ガス量を該過給機で圧縮後における爆発を回避できる最大限の燃料ガス量に設定することにより、かかる最大限の燃料ガス量を保持して前記爆発を皆無にできる。
またガスコンプレッサで圧縮して各シリンダに供給するシリンダ側ガス供給通路側の燃料ガス流量を前記過給機側に供給する燃料ガス量相当分だけ低減できることとなり、従ってシリンダ側への燃料ガスを圧縮するガスコンプレッサの動力を低減できて、該ガスコンプレッサを小型、小容量化できる。
According to the present invention, the fuel gas passage is divided into two fuel gases: a supercharger side gas supply passage connected to the supercharger inlet air passage and a cylinder side gas supply passage connected to the air supply passage for each cylinder. Branches to the supply system, controls the fuel gas flow rate on the turbocharger side gas supply passage side by the supercharger side gas amount adjustment valve, and supplies it to each cylinder after being compressed by the gas compressor by the cylinder side gas amount adjustment valve By controlling the fuel gas flow rate, the mixture is mixed with the supercharger inlet air and the mixture is mixed with the amount of fuel gas supplied to the supercharger and the supply air in the supply passage for each cylinder. The ratio of the fuel gas supplied to each cylinder of the engine can be freely controlled, and the maximum amount of fuel gas that can avoid explosion after compression of the fuel gas supplied to the supercharger by the supercharger By setting the amount Possible to completely eliminate the explosion holds mow maximum amount of the fuel gas.
In addition, the fuel gas flow rate on the cylinder side gas supply passage side that is compressed by the gas compressor and supplied to each cylinder can be reduced by the amount corresponding to the amount of fuel gas supplied to the turbocharger side, so the fuel gas to the cylinder side is compressed. The power of the gas compressor can be reduced, and the gas compressor can be reduced in size and capacity.
また本発明によれば、前記効果に加えて、季節の変化等によって排気ターボ過給機の吸入空気温度が変化し、それによって過給機が吸い込む空気量が変化してエンジンへの混合気量が変化する場合でも、空燃比コントローラにより排気バイパス弁の開度を制御することによって、エンジンの各シリンダに供給される混合気の空気過剰率をほぼ一定に保持してエンジンを運転することが可能となるという相乗効果が得られる。 Further, according to the present invention, in addition to the above-described effects, the intake air temperature of the exhaust turbocharger changes due to a change in season, etc., whereby the amount of air sucked into the turbocharger changes and the air-fuel mixture amount to the engine Even when the air-fuel ratio changes, it is possible to keep the excess air ratio of the air-fuel mixture supplied to each cylinder of the engine almost constant by operating the engine by controlling the opening of the exhaust bypass valve with the air-fuel ratio controller A synergistic effect is obtained.
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the embodiments shown in the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the component parts described in this example are not intended to limit the scope of the present invention only to specific examples unless otherwise specified. Only.
図1は本発明の実施例に係るガスエンジンのガス供給装置の全体構成図である。図1において、1はエンジン(ガスエンジン)、4は該エンジン1のシリンダヘッド、13は該エンジン1に直結駆動される発電機、14はフライホイール、7は排気タービン7a及びコンプレッサ7bからなる過給機である。3は前記各シリンダヘッド4の給気入口に接続される給気枝管、2は前記コンプレッサ7bの給気出口と前記各給気枝管3とを接続する給気管、9は該給気管2を流れる給気を冷却する給気冷却器である。
5は前記各シリンダヘッドの排気出口に接続される排気管、6は前記各排気管5に接続される排気集合管、110は前記排気タービン3aの排気ガス出口からの排気ガスを排出するための排気出口管である。
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a gas supply apparatus for a gas engine according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is an engine (gas engine), 4 is a cylinder head of the
5 is an exhaust pipe connected to the exhaust outlet of each cylinder head, 6 is an exhaust collecting pipe connected to each
11は排気バイパス管で、前記排気集合管6の排気タービン7a入口側から分岐されて該排気タービン7aをバイパスし、該排気タービン7a出口側の排気出口管110に接続されている。12は該排気バイパス管11の通路面積を変化せしめる排気バイパス弁である。
10aは外部から空気を前記過給機7のコンプレッサ7bに導入するための過給機入口空気通路、10は該過給機入口空気通路10aに設置されたミキサーである。21は燃料ガスを収容する燃料ガスタンク(図示省略)から燃料ガスが導入されるガス供給管で、該ガス供給管21から過給機側ガス供給管211とシリンダ側ガス供給管212とが分岐されている。
前記過給機側ガス供給管211は、前記過給機入口空気通路10aに設置されたミキサー10に接続されている。また前記シリンダ側ガス供給管212は途中でシリンダ毎に分岐されガス供給枝管213となって前記各各給気枝管3に接続されている。
An
10a is a supercharger inlet air passage for introducing air from the outside to the compressor 7b of the
The supercharger side gas supply pipe 211 is connected to the
18は前記シリンダ側ガス供給管212に設置されて該シリンダ側ガス供給管212を流れる燃料ガスを圧縮するガスコンプレッサである。19は前記過給機側ガス供給管211に設置されて該過給機側ガス供給管211の通路面積即ち燃料ガス流量を制御する過給機側ガス量調整弁、20は前記各ガス供給枝管213に設置されて該各ガス供給枝管213の通路面積即ち燃料ガス流量を制御するシリンダ側ガス量調整弁である。
A gas compressor 18 is installed in the cylinder side
15はエンジン回転数を検出する回転数センサ、013は前記発電機13の負荷つまりエンジン負荷を検出する負荷検出器、17は前記給気管2における給気圧力を検出する給気圧力センサ、16は前記給気管2における給気温度を検出する給気温度センサである。021は前記過給機側ガス供給管211を流れる燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量計である。
24は回転数コントローラ、23は空燃比コントローラ、22はガス量コントローラで、前記回転数センサ15からのエンジン回転数の検出値は前記回転数コントローラ24、空燃比コントローラ23、及びガス量コントローラ22に入力され、前記負荷検出器013からのエンジン負荷の検出値は空燃比コントローラ23に入力され、前記給気圧力センサ17からの給気圧力の検出値は空燃比コントローラ23及びガス量コントローラ22に入力され、前記給気温度センサ16からの給気温度の検出値は空燃比コントローラ23及びガス量コントローラ22に入力され、前記燃料ガス流量計021からの燃料ガス流量の検出値はガス量コントローラ22に入力される。
15 is a rotation speed sensor for detecting the engine rotation speed, 013 is a load detector for detecting the load of the
前記回転数コントローラ24は、通常の電子ガバナーで、前記回転数センサ15からのエンジン回転数の検出値に基づき設定された目標回転数となるよう前記各シリンダ側ガス量調整弁20の開度を制御する。
前記空燃比コントローラ23は、前記回転数センサ15からのエンジン回転数の検出値、負荷検出器013からのエンジン負荷の検出値、給気圧力センサ17からの給気圧力の検出値、及び給気温度センサ16からの給気温度の検出値に基づき、後述する手段で前記排気バイパス弁12の開度を制御する。前記ガス量コントローラ22は、前記回転数センサ15からのエンジン回転数の検出値、給気圧力センサ17からの給気圧力の検出値、及び給気温度センサ16からの給気温度の検出値に基づき、後述する手段で前記過給機側ガス量調整弁19の開度を制御する。
The
The air-
かかるガスエンジンの運転時において、前記ガス供給管21からの燃料ガスは該ガス供給管21の途中で分岐される。そして分岐された燃料ガスの一方は前記過給機側ガス供給管211を通って前記ミキサー10に導入され、該ミキサー10において前記過給機空気入口通路10aからの空気と混合されこの混合気は過給機7のコンプレッサ7bに導入される。該コンプレッサ7bで高温、高圧に加圧された混合気は給気冷却器9で冷却されて降温し、給気管2を通って各シリンダの給気枝管3内に流入する。
また分岐された燃料ガスの他方はシリンダ側ガス供給管212に入り、ガスコンプレッサ18で圧縮されて、各シリンダの各ガス供給枝管213を通り、前記各給気枝管3に入り、該給気枝管3内の前記混合気に混入されて各シリンダ内に送り込まれる。
During operation of the gas engine, the fuel gas from the gas supply pipe 21 is branched in the middle of the gas supply pipe 21. Then, one of the branched fuel gases is introduced into the
The other of the branched fuel gas enters the cylinder side
そして、エンジン1の各シリンダからの排気ガスは排気管5を通って排気集合管6で合流され、過給機7の排気タービン7aに供給されて該排気タービン7aを駆動した後、排気出口管110を通って外部に排出される。
また、前記空燃比コントローラ23からの後述するような制御操作信号によって排気バイパス弁12が開かれると、前記排気集合管6内の排気ガスの一部は前記排気タービン7aをバイパスして排気出口管110に排出される。
The exhaust gases from the cylinders of the engine 1 are merged in the exhaust collecting pipe 6 through the
Further, when the
次に、図2、図3及び図1に基づきかかるガスエンジンの燃焼制御装置の動作を説明する。
図2は前記実施例におけるガス量コントローラの制御ブロック図である。図2において、前記給気圧力センサ17からの給気圧力の検出値及び給気温度センサ16からの給気温度の検出値及び回転数センサ15からのエンジン回転数の検出値は、ガス量コントローラ22の給気量算出部221に入力される。該給気量算出部221においては、前記給気圧力の検出値、給気温度の検出値、及びエンジン回転数の検出値を用いて実空気量を算出し、ガス濃度算出部222に入力する。
ガス濃度算出部222においては、前記燃料ガス流量計021からの燃料ガス流量の検出値及び前記給気量算出部221からの実空気量の算出値に基づき、前記コンプレッサ7bを通過する混合気中における燃料ガスの濃度を算出し、ガス濃度偏差算出部224に入力する。
Next, the operation of the combustion control apparatus for the gas engine will be described with reference to FIGS.
FIG. 2 is a control block diagram of the gas amount controller in the embodiment. In FIG. 2, the detected value of the supply pressure from the
In the gas
223は可燃下限界ガス濃度設定部で、可燃下限界ガス濃度が燃料ガス別に設定されている。即ち、図4に示されるように、燃料ガス毎にガスの圧力とガスの可燃下限界濃度との関係が設定されており、図4において、各下限界線よりも低濃度側つまり各下限界線の左側が図中の番号1ないし11で示されるガスの爆発が発生しないガス濃度である。この実施例で用いる炭鉱メタンガスの可燃下限界ガス濃度は混合気中のメタン濃度が5%未満となるように設定されている。
前記ガス濃度偏差算出部224においては、前記燃料ガス濃度の算出値と前記可燃下限界ガス濃度設定部223に設定された可燃下限界ガス濃度とを突きあわせて(比較して)、その濃度偏差から、過給機側ガス供給管211を通してミキサー10に供給される燃料ガス流量の補正値を算出し、さらに該補正値に基づき混合気中における燃料ガスの濃度が前記可燃下限界ガス濃度以下(炭鉱メタンガスの可燃下限界ガス濃度は5%以下)を保持するような前記過給機側ガス量調整弁19の開度を算出して、該過給機側ガス量調整弁19に出力する。
これにより、該過給機側ガス量調整弁19はミキサー10に送り込む燃料ガス流量を、前記混合気中における燃料ガスの濃度が前記可燃下限界ガス濃度以下を保持するような流量に保持せしめる。
In the gas concentration
As a result, the supercharger-side gas
従って、かかる実施例によれば、ガス量コントローラ22において、エンジンの給気圧力、給気温度、エンジン回転数、及び燃料ガス流量の検出値を用いて実際の燃料ガス濃度を算出し、この実際の燃料ガス濃度と可燃下限界ガス濃度(炭鉱メタンガスで5%以下の濃度)設定値とを比較して、過給機側ガス供給通路211への燃料ガス量が前記可燃下限界ガス濃度以下を保持するように過給機側ガス量調整弁19の開度を制御するので、過給機側ガス供給通路211への燃料ガス流量を、過給機7で高温、高圧に圧縮後における爆発を回避できる最大限程度の燃料ガス流量に常時正確に保持でき、かかる最大限の燃料ガス量を保持して前記爆発を皆無にできる。
また、それとともに、該ガス供給管21からシリンダ側ガス供給管212側に分岐されてガスコンプレッサ18で圧縮され、各シリンダの各ガス供給枝管213及び各給気枝管3を通って各シリンダ内に送り込まれる燃料ガス流量を、前記過給機側ガス供給管211への燃料ガス流量の相当分減少でき、ガスコンプレッサ18の動力を低減できて該ガスコンプレッサ18を小型、小容量化できる。これによって、過給機7で高温、高圧に圧縮後における燃料ガスの爆発を回避しつつ、ガスコンプレッサ18の動力を低減して、所要のエンジン出力を得ることができる。
Therefore, according to this embodiment, the
At the same time, the gas supply pipe 21 branches to the cylinder side
殊に、この実施例で用いている炭鉱メタンガス等の低カロリーガス(発熱量の低いガス)の場合には、所要のエンジン出力を得るには多量の燃料ガスを必要とするが、過給機7側に供給する燃料ガス流量を該過給機7で高温、高圧に圧縮後における爆発を回避できる限界程度の最大限の燃料ガス流量に設定することにより、ガスコンプレッサ18で圧縮して各シリンダに供給する燃料ガス流量を前記過給機7側の燃料ガス流量相当分低減できることにより、ガスコンプレッサ18の動力低減効果がより大きくなる。 In particular, in the case of a low calorie gas (a gas having a low calorific value) such as coal mine methane gas used in this embodiment, a large amount of fuel gas is required to obtain a required engine output. By setting the fuel gas flow rate supplied to the 7 side to the maximum fuel gas flow rate that can avoid an explosion after being compressed to a high temperature and high pressure by the supercharger 7, the cylinder is compressed by the gas compressor 18 The fuel gas flow rate to be supplied to the turbocharger 7 can be reduced by an amount corresponding to the fuel gas flow rate on the supercharger 7 side, so that the power reduction effect of the gas compressor 18 becomes greater.
また、かかる実施例によれば、ガス量コントローラ22において、エンジンの給気圧力、給気温度、エンジン回転数、及び燃料ガス流量の検出値を用いて実際の燃料ガス濃度を算出し、この実際の燃料ガス濃度と前記可燃下限界ガス濃度設定値とを比較して、過給機側ガス供給管211への燃料ガス量を、混合気中のガス濃度が前記可燃下限界ガス濃度以下を保持するように過給機側ガス量調整弁19の開度を制御するので、過給機側ガス供給管211への燃料ガス量を、過給機7で高温、高圧に圧縮後における爆発を回避できる限界程度の燃料ガス流量に常時正確に保持できる。
Further, according to this embodiment, the
また、本実施例では、温度センサと圧力センサから給気量を算出するようにしたが、給気量の算出方法はこれに限定されるものではなく、例えば、温度センサと流量計から給気量を算出するようにしてもよい。
また、本実施例では、回転数センサからの検出値をガス量コントローラ22に入力するように構成したが、定格回転数で常時運転されるガスエンジンにおいてはガス量コントローラ22に定格回転数設定部を設け、定格回転数設定値を予め入力するように構成しても良い。
さらに、本実施例では各センサからの入力をガス量コントローラ22中で演算する構成としたが、予め給気圧力・温度、燃料ガス流量に対応するマップを用意して、これを読み出す構成としてもよい。
In the present embodiment, the air supply amount is calculated from the temperature sensor and the pressure sensor. However, the method for calculating the air supply amount is not limited to this, and for example, the air supply amount is calculated from the temperature sensor and the flow meter. The amount may be calculated.
In this embodiment, the detection value from the rotation speed sensor is input to the
Further, in the present embodiment, the input from each sensor is configured to be calculated in the
次に図3は、前記実施例における空燃比コントローラの制御ブロック図である。図3において、前記給気圧力センサ17からの給気圧力の検出値及び給気温度センサ16からの給気温度の検出値及び回転数センサ15からのエンジン回転数の検出値は、空燃比コントローラ23の給気量算出部221に入力される。該給気量算出部221においては、前記給気圧力の検出値、給気温度の検出値、及びエンジン回転数の検出値を用いて実空気量を算出し、混合気量算出部231に入力する。
また、前記負荷検出器013からのエンジン負荷の検出値は、空燃比コントローラ23の目標混合気量算出部232及び前記混合気量算出部231に入力される。該混合気量算出部231においては、前記エンジン負荷の検出値に対応する燃料ガス量と前記実空気量とにより実際の混合気量を算出して混合気量偏差算出部233に入力する。
Next, FIG. 3 is a control block diagram of the air-fuel ratio controller in the embodiment. In FIG. 3, the detected value of the supply air pressure from the supply
Further, the detected value of the engine load from the
また、前記目標混合気量算出部232においては、前記エンジン負荷の検出値に対応する適正空気過剰率に基づく混合気量の目標値(目標混合気量)を算出して混合気量偏差算出部233に入力する。
そして、前記混合気量偏差算出部233においては、前記混合気量算出部231からの実際の混合気量と混合気量の目標値(目標混合気量)との混合気量偏差を算出して給気量調整量算出部234に入力する。
給気量調整量算出部234においては、前記混合気量偏差に基づき過給機出口の給気量の調整量を算出し排気バイパス弁開度算出部235に入力する。
Further, the target mixture
The mixture amount
In the air supply amount adjustment
ここで、かかるエンジン1においては、前記排気バイパス弁12の開度を大きくし排気タービン7aをバイパスする排気ガス量を増加して排気タービン7aの出力を低下させると給気圧力が減少し、前記排気バイパス弁12の開度を小さくし排気タービン7aをバイパスする排気ガス量を減少して排気タービン7aの出力を上昇させると給気圧力が増大する。
従って、排気バイパス弁開度算出部235においては、前記のような給気圧力と排気バイパス弁12の開度との関係から、前記給気圧力の調整値に相当する排気バイパス弁126の開度の調整量を算出し、この排気バイパス弁開度調整量を該排気バイパス弁12を駆動する排気バイパス弁駆動装置(図示省略)に出力し、該排気バイパス弁12の開度を前記調整量だけ調整する。
これにより、エンジンの実空気量が前記必要空気量になるように給気圧力が変化せしめられ、実空気量は前記必要空気量と一致し、エンジン1は燃料ガス量に適応した一定の空気過剰率で以って運転される。
Here, in such an engine 1, when the opening of the
Therefore, in the exhaust bypass valve opening
As a result, the supply air pressure is changed so that the actual air amount of the engine becomes the required air amount, the actual air amount matches the required air amount, and the engine 1 has a constant excess air adapted to the fuel gas amount. Driven at a rate.
ガス量コントローラの場合と同様に、本実施例では、温度センサと圧力センサから給気量を算出するようにしたが、給気量の算出方法はこれに限定されるものではなく、例えば、温度センサと流量計から給気量を算出するようにしてもよい。
また、本実施例では、回転数センサからの検出値を空燃比コントローラ23に入力するように構成したが、定格回転数で常時運転されるガスエンジンにおいては空燃比コントローラ23に定格回転数設定部を設け、定格回転数設定値を予め入力するように構成しても良い。
さらに、本実施例では各センサからの入力を空燃比コントローラ23中で演算する構成としたが、予め給気圧力・温度、エンジン負荷に対応するマップを用意して、これを読み出す構成としてもよい。
As in the case of the gas amount controller, in this embodiment, the air supply amount is calculated from the temperature sensor and the pressure sensor. However, the method of calculating the air supply amount is not limited to this. The air supply amount may be calculated from a sensor and a flow meter.
In this embodiment, the detection value from the rotation speed sensor is input to the air-
Further, in this embodiment, the input from each sensor is calculated in the air-
従ってかかる実施例によれば、前記のように、過給機側ガス供給管211への燃料ガス量を、過給機7で高温、高圧に圧縮後における爆発を回避できる限界程度の燃料ガス流量に常時正確に保持し、かつガスコンプレッサ18で圧縮して各シリンダに供給する燃料ガス流量を前記過給機側への燃料ガス流量相当分減少した流量に正確に保持することにより、過給機7で高温、高圧に圧縮後における爆発を回避しつつ、ガスコンプレッサ18の動力を抑制し、所要のエンジン出力を得ることができることに加えて、
季節の変化等によって過給機7の吸入空気温度が変化し、それによって該過給機7が吸い込む空気量が変化してエンジン1への混合気量が変化する場合でも、空燃比コントローラ23により排気バイパス弁12の開度を制御することによって、エンジン1の各シリンダに供給される混合気の空気過剰率をほぼ一定に保持して該エンジン1を運転することが可能となる。
Therefore, according to this embodiment, as described above, the amount of fuel gas to the supercharger-side gas supply pipe 211 is set to a fuel gas flow rate of a limit that can avoid an explosion after being compressed to a high temperature and high pressure by the supercharger 7. The fuel gas flow rate supplied to each cylinder after being compressed by the gas compressor 18 is accurately maintained at a flow rate reduced by an amount corresponding to the fuel gas flow rate to the supercharger. In addition to being able to suppress the power of the gas compressor 18 while avoiding an explosion after compression to a high temperature and high pressure, the required engine output can be obtained.
Even when the intake air temperature of the supercharger 7 changes due to a seasonal change or the like, and the amount of air sucked into the supercharger 7 thereby changes and the amount of air-fuel mixture into the engine 1 changes, the air-
本発明によれば、燃料ガスを過給機入口空気と混合しこの混合気を過給機に供給する燃料ガス供給系と燃料ガスをシリンダ毎の給気通路内に供給する燃料ガス供給系とを併設したガスエンジンにおいて、過給機出口での燃料ガスの爆発の可能性を皆無にできるとともに、低カロリーガス(発熱量の低いガス)燃料を用いる場合においてもシリンダ毎の給気通路への燃料ガス圧縮用のガスコンプレッサの動力を低減できて該ガスコンプレッサを小型小容量化したガスエンジンを提供できる。 According to the present invention, the fuel gas supply system for mixing the fuel gas with the supercharger inlet air and supplying the mixture to the supercharger, and the fuel gas supply system for supplying the fuel gas into the air supply passage for each cylinder, In a gas engine equipped with a gas engine, the possibility of explosion of fuel gas at the outlet of the turbocharger can be eliminated, and even when using low calorie gas (gas with low calorific value) fuel, The power of the gas compressor for fuel gas compression can be reduced, and a gas engine in which the gas compressor is reduced in size and capacity can be provided.
1 エンジン(ガスエンジン)
2 給気管
3 給気枝管
6 排気集合管
7 過給機
7a 排気タービン
7b コンプレッサ
11 排気バイパス管
12 排気バイパス弁
10a 過給機入口空気通路
13 発電機
013 負荷検出器
15 回転数センサ
16 給気温度センサ
17 給気圧力センサ
18 ガスコンプレッサ
19 過給機側ガス量調整弁
20 シリンダ側ガス量調整弁
21 ガス供給管
22 ガス量コントローラ
23 空燃比コントローラ
24 回転数コントローラ
021 燃料ガス流量計
211 過給機側ガス供給管
212 シリンダ側ガス供給管
1 Engine (gas engine)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2
Claims (7)
前記過給機側ガス供給通路に設けた過給機側ガス量調整弁の開度を制御して、前記過給機側ガス供給通路への燃料ガス量を、前記過給機に供給する混合気中の燃料ガス濃度が可燃下限界ガス濃度以下に保持されるように調整することを特徴とするガスエンジンの運転方法。
In a method for operating a gas engine in which fuel gas and air supplied through a fuel gas passage are mixed and the mixture is supplied into a cylinder and ignited and combusted, a part of the fuel gas is supplied to an air inlet of a supercharger. The fuel gas is mixed with the supercharger inlet air through the connected supercharger side gas supply passage, and this mixture is supplied to the supercharger. The fuel gas is connected to the air supply passage for each cylinder and the fuel gas is supplied to the supercharger. Through a cylinder-side gas supply passage in which a gas compressor that compresses the gas is mixed with the supply air in the supply passage for each cylinder, and this mixture is supplied to each cylinder of the engine,
Mixing for controlling the opening degree of the supercharger side gas amount adjusting valve provided in the supercharger side gas supply passage to supply the fuel gas amount to the supercharger side gas supply passage to the supercharger A method for operating a gas engine, characterized in that the fuel gas concentration in the air is adjusted so as to be kept below a flammable lower limit gas concentration.
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