JP4692884B2

JP4692884B2 - エンジン駆動作業装置

Info

Publication number: JP4692884B2
Application number: JP2005291209A
Authority: JP
Inventors: 信一郎栃尾
Original assignee: 西芝電機株式会社
Priority date: 2005-10-04
Filing date: 2005-10-04
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2025-10-04
Also published as: JP2007100581A

Description

本発明は、特にバイオマスを原料とする低発熱量で、かつその発熱量が変動するガスを燃料とするエンジン駆動作業装置に関する。

二酸化炭素排出量削減や省エネルギー等環境保全に対する社会的な対策の必要性が増しているなかで、バイオマスエネルギーの有効利用は国策としても推進される等利用拡大が進みつつある。特に、バイオマスをガス化してガスエンジンやガスタービン等のエンジン用燃料とすることが、特に有効な利用手段と考えられている。

メタン発酵や熱分解等の方法によってバイオマスをガス化して作られた燃料は発熱量が低く、また、原料であるバイオマスの性質によりガスの組成が変動する。例えば、メタン発酵によって発生するガスの組成は可燃成分としてメタンが６０％前後、残りは二酸化炭素であることが多いが、原料となるバイオマスの種類や発酵温度等の変動によってメタン濃度が変動する。同様に、熱分解等の方法によって発生するガスの場合も、組成は異なるもののバイオマスを原料にしている限り可燃成分の濃度変動は必ず発生する。しかし、エンジンの燃料としてバイオマスを原料としたガスを使用し可燃成分の濃度変動が発生すると出力の低下につながる。

以下、従来のエンジン駆動作業装置を図５のフロー図を参照して説明する。
図５において、メタン発酵プラントや熱分解ガス化炉等のバイオマスガス化設備１から発生する低発熱量ガスは、ガス昇圧装置２によって圧力を高められた後、減圧弁３によって一定圧力に調整されてミキサー４に供給される。エンジン５の吸気は、まずエアフィルター６によってゴミを濾過したのちミキサー４へと吸込まれる。ミキサー４では燃料となる低発熱量ガスが注入、混合されエンジン５に供給される。エンジン５の排気ガスは消音器９によって騒音を減衰してから大気に放出される。エンジン５には発電機等が接続され電力等のエネルギーを発生する。

次に、燃料とするガスの発熱量変動がエンジン５の出力低下につながる仕組みを説明する。
ミキサー４の中の吸気通路はベンチュリ構造となっているので、吸気速度、すなわち、エンジン５の吸気流量に応じた負圧を発生する。ミキサー４においてエンジン５の吸気に混合される低発熱量ガスの量はミキサー４のベンチュリ部に発生した負圧と低発熱量ガスの供給圧力との差によって決まる。すなわち、エンジン５の吸気流量が多ければ、ミキサー４のベンチュリ部に大きな負圧が発生し、ミキサー４に供給されている一定圧力の低発熱量ガスとの間に大きな差圧が発生するため吸気に混合される低発熱量ガスの量は多くなる。エンジン５の出力を調整する場合には、スロットルバルブ７によってエンジン５に吸い込まれる吸気流量を減少させるように調整する。このとき、吸気流量が少くなることによってミキサー４のベンチュリ部で発生する負圧は小さくなり、吸気に混合される低発熱量ガスの量は少くなる。このように、ミキサー４はエンジン５の吸気流量に応じた低発熱量ガスを供給し、吸気と低発熱量ガスの混合比率、すなわち空燃比を吸気流量が増減しても常に一定に保つ構造となっている。

図６は空燃比（吸気流量／燃料ガス流量）とエンジン５の出力との関係の一例を示す図であり、この図はメタン発酵によって発生したガスを燃料とした場合を示している。メタン発酵によるガスの組成はメタンが５０〜７０％、残りは二酸化炭素である場合が多い。実線はメタンの濃度が６０％のときの空燃比とエンジン出力の関係を示している。実線のように、空燃比５．８付近でエンジン５の出力が最大になり、それ以外では空燃比が大きくなっても、また、少くなってもエンジン５の出力は低下する。

また、図６ではエンジンの最大出力に対する割合と空燃比の関係を示しているが、燃料消費率と空燃比の関係も同様な相関関係がある。燃料消費率の場合はエンジン出力が最大となる空燃比よりも若干大きな空燃比において最小となる。エンジン出力、または、燃料消費率のどちらを最適な空燃比にするかはエンジンの使用目的や特性によって異なるが、いずれにしても最適な空燃比を外れればエンジン出力は低下し燃料消費率は増加する。

上記のエンジン駆動作業装置において、バイオマスガス化設備１から発生する低発熱量ガスの組成は設備の稼働状況によって変動する。特に、バイオマス原料の成分や処理量の変動、周囲温度の季節変動等の要因によって変動し、その結果、低発熱量ガスの発熱量も変動する。エンジン５の燃料とする低発熱量ガスの発熱量が変動すると、例えば、発熱量が小さくなった場合にエンジンの出力を一定に保つためには、エンジンの吸気に混合する低発熱量のガスの量を増やす必要がある。すなわち、エンジンの出力を最大とする空燃比は小さくなる。逆に、低発熱量ガスの発熱量が増加した場合には、エンジンの出力を最大とする空燃比は大きくなる。したがって、エンジン５の出力を一定に保つためには、低発熱量ガスの発熱量の変動にあわせて空燃比を適切な値に変える必要がある。例えば、図６の点線で表している曲線はメタン濃度が５０％に低下した場合を示しているが、この場合には空燃比を４．８まで小さくしないとエンジン５の最大出力は得られないことが分かる。

しかしながら、ミキサー４は空燃比を一定に保つようになっているため、例えば、メタン濃度が６０％の状態に合わせて空燃比が５．８になるようにミキサー４を設定したとすると、メタン濃度が５０％まで低下した場合にはエンジン５の出力は２割近くも低下してしまうことが分かる。このように、従来のエンジン駆動作業装置では低発熱量ガスの発熱量の変動がエンジン５の出力低下につながるという問題があった。

上記のような問題を解決するための一つの方法として、特許文献１が提案されている。この特許文献１では、バイオマスを原料とする低発熱量ガスを燃料として利用するにあたり、低発熱量ガスの供給量や組成に応じて補助燃料ガスと空気を混合し、その混合量を調整することによって発熱量が一定の混合ガスを調製し利用するものである。この方法であれば、バイオマスを原料とするガスの発熱量が変動しても、最終的にエンジンに供給される混合ガスの発熱量は一定に保たれるため、最適な空燃比も一定に保たれてエンジンの出力が変動することは無いが、補助燃料ガスとして化石燃料を使用することが必要となるので、二酸化炭素排出量削減や省エネルギーといった環境保全の目的に対しては問題がある。
特開２０００２−２２６８７８号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その課題は、エンジンの燃料とする低発熱量ガスの発熱量が変動した場合にも、補助燃料を使用すること無しに最適な空燃比に調整でき、エンジンの出力を一定に保つことができるエンジン駆動作業装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、低発熱量ガスと給気とを混合するミキサーと、前記ミキサーで吸気と混合された低発熱量ガスを燃料とするエンジンと、前記エンジンによって駆動される作業機とからなるエンジン駆動作業装置において、前記低発熱量ガスは発熱量が変動するガスであって、前記低発熱量ガスをガス昇圧装置で昇圧すると共にガス昇圧装置で昇圧する前の低発熱量ガスの発熱量をセンサーで計測し、前記センサーが計測した発熱量の出力信号で前記ガス昇圧装置を制御することにより、前記ミキサーに供給する低発熱量ガスの流量を制御し、低発熱量ガスのみでエンジンを駆動し、出力が一定になるような空燃比に調整するよう構成したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、低発熱量ガスと給気とを混合するミキサーと、前記ミキサーで吸気と混合された低発熱量ガスを燃料とするエンジンと、前記エンジンによって駆動される作業機とからなるエンジン駆動作業装置において、前記低発熱量ガスは発熱量が変動するガスであって、前記低発熱量ガスをガス昇圧装置で昇圧すると共にガス昇圧装置で昇圧する前の低発熱量ガスの発熱量をセンサーで計測し、前記ガス昇圧装置で昇圧された低発熱量ガスを一定の圧力に調整して前記ミキサーに供給する減圧弁と、前記減圧弁の下流で分岐し、前記ミキサー上流の吸気に前記ガス昇圧装置で昇圧した低発熱量ガスを供給するバイパス弁を備え、前記センサーが計測した発熱量の出力信号で前記バイパス弁を調整し、前記ミキサー上流の吸気に供給する低発熱量ガスの流量を制御することにより、低発熱量ガスのみでエンジンを駆動し、出力が一定になるような空燃比に調整するよう構成したことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、低発熱量ガスと給気とを混合するミキサーと、前記ミキサーで吸気と混合された低発熱量ガスを燃料とするエンジンと、前記エンジンによって駆動される作業機とからなるエンジン駆動作業装置において、前記低発熱量ガスは発熱量が変動するガスであって、前記低発熱量ガスをガス昇圧装置で昇圧すると共にガス昇圧装置で昇圧する前の低発熱量ガスの発熱量をセンサーで計測し、前記ガス昇圧装置で昇圧された低発熱量ガスを一定の圧力に調整して前記ミキサーに供給する減圧弁と、前記ミキサー下流でかつ前記エンジンの上流に空気を供給する吸込弁とを備え、前記センサーが計測した発熱量の出力信号で前記吸込弁を調整し、前記ミキサー下流に供給する空気の流量を制御することにより、低発熱量ガスのみでエンジンを駆動し、出力が一定になるような空燃比に調整するよう構成したことを特徴とする。

本発明によれば、エンジンの燃料とする低発熱量ガスの発熱量が変動した場合にも、補助燃料を使用すること無しに最適な空燃比に調整できるので、エンジンの出力を一定に保つことができるエンジン駆動作業装置を提供することができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態であるエンジン駆動作業装置をフローで示した構成図であり、図５の従来のエンジン駆動作業装置と同一部分には同一符号を符して重複説明は省略する。

図１に示すように、本実施形態のエンジン駆動作業装置は、バイオマスガス化設備１の出口側配管に、供給される低発熱量ガス中に含まれるメタンの濃度を計測する発熱量センサー１０を設けている。ガス昇圧装置２は発熱量センサー１０が計測した発熱量に応じた圧力でミキサー４に低発熱量ガスを供給するようにし、減圧弁３は廃している。ここで、ガス昇圧装置２は発熱量センサー１０が計測する発熱量が高いほど供給圧力を低下させ、逆に発熱量が低ければ供給圧力を増加させるように構成されている。

このように構成された本実施形態のエンジン駆動作業装置によって運転を行えば、発熱量が高くなった場合にはミキサー４に供給する低発熱量ガスの供給圧力が低下するので、ミキサー４内のベンチュリ部で発生する負圧との差圧が減少する。その結果、エンジン５の吸気流量に対し注入し混合される低発熱量ガスの流量は減少するので空燃比を大きくすることができる。逆に、発熱量が低くなった場合にはミキサー４に供給する低発熱量ガスの供給圧力が増加するので、ミキサー４内のベンチュリ部で発生する負圧との差圧が増加する。その結果、エンジン５の吸気流量に対し注入し混合される低発熱量ガスの流量は増加するので空燃比を小さくすることができる。このとき、ガス昇圧装置２は変動した発熱量に対し、エンジン５の出力が最大となる空燃比になるようにガス供給圧力を調整する。

発熱量センサー１０としては低発熱量ガスの発熱量を直接計測するものの他に、ガス中に含まれる可燃ガスの濃度を測定するようにしたものを使用してもよい。例えば、メタン発酵によって発生する低発熱量ガスの主成分はメタンと二酸化炭素がほとんどであるので、可燃ガスであるメタンの濃度を測定すれば間接的に発熱量を知ることができる。逆に、発熱量センサー１０として不燃ガスの濃度を測定するのでも良い。前述したメタン発酵によって発生する低発熱量ガスの場合であれば、二酸化炭素の濃度を計測すれば間接的にメタンの濃度も知ることができ、それにより発熱量を求めることができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態であるエンジン駆動作業装置をフローで示した構成図であり、図１の第１の実施形態と同一部分には同一符号を符して重複説明は省略する。

図２に示すように、本実施形態のエンジン駆動作業装置は、供給される低発熱量ガス中の発熱量を計測する発熱量センサー１０を設けており、また減圧弁３の代わりに調整弁１１をガス昇圧装置２の出口側配管に設けている。調整弁１１は発熱量センサー１０が計測した発熱量に応じた圧力でミキサー４に低発熱量ガスを供給するように構成されている。ここで、調整弁１１は発熱量センサー１０が計測する発熱量が高いほどミキサー４への供給圧力を低下させ、逆に発熱量が低ければ供給圧力を増加させるように構成されている。

このように構成された本実施形態のエンジン駆動作業装置によって運転を行えば、図１の第１の実施形態と同様の作用により、発熱量が高くなった場合には、エンジン５の吸気流量に対し混合される低発熱量ガスの流量は減少するので空燃比を大きくすることができる。逆に、発熱量が低くなった場合には、エンジン５の吸気流量に対し混合される低発熱量ガスの流量は増加するので空燃比を小さくすることができる。調整弁１１は変動した発熱量に対し、エンジン５の出力が最大となる空燃比になるようにガス供給圧力を調整する。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態であるエンジン駆動作業装置をフロー示した構成図であり、図１の第１の実施形態と同一部分には同一符号を符して重複説明は省略する。

図３に示すように、本実施形態のエンジン駆動作業装置は、供給される低発熱量ガス中に含まれるメタンの濃度を計測する発熱量センサー１０を設けており、また減圧弁３によって一定圧力に調整されたミキサー４へ供給されている低発熱量ガスの一部を、バイパス弁１２によって流量を調整し、ミキサー４の上流側のエンジン５の吸気に注入するように構成したものである。ここで、バイパス弁１２は発熱量センサー１０が計測する発熱量が高いほど注入する量を減少させ、逆に発熱量が低ければ注入量を増加させるように構成されている。

また、本実施形態におけるミキサー４の空燃比は、従来のエンジン駆動作業装置における空燃比より大きくなるように設定を行っておく。すなわち、エンジン５の吸気流量に対しミキサー４で混合する低発熱量ガスはエンジン５の出力が最大となる流量よりも少くなるように設定しておく。そして、ミキサー４の上流においてエンジン５の吸気に注入した低発熱量ガスの量と、ミキサー４によって混合される低発熱量ガスの合計が、エンジン５の出力が最大となる空燃比になるようにバイパス弁１２を調整する。

このように構成された本実施形態のエンジン駆動作業装置によって運転を行えば、発熱量が高くなった場合には、エンジン５の吸気へ注入する低発熱量ガスの流量は少くなり、その結果、ミキサー４で混合されるガスの空燃比を大きくすることができる。逆に、発熱量が低くなった場合には、エンジン５の吸気へ注入する低発熱量ガスの流量は増加するので、ミキサー４で混合されるガスの空燃比を小さくすることができる。

（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態であるエンジン駆動作業装置をフローで示した構成図であり、図１の第１の実施形態と同一部分には同一符号を符して重複説明は省略する。

図４に示すように、本実施形態のエンジン駆動作業装置は、供給される低発熱量ガス中に含まれるメタンの濃度を計測する発熱量センサー１０を設けており、また吸込弁１３によって流量を調整した空気をミキサー４の下流側のエンジン５の吸気に注入するように構成したものである。ここで、吸込弁１３は発熱量センサー１０が計測する発熱量が高いほど注入する量を増加させ、逆に発熱量が低ければ注入量を増加させるように構成されている。

また、本実施形態におけるミキサー４の空燃比は、従来のエンジン駆動作業装置における空燃比より小さくなるように設定を行っておく。すなわち、エンジン５の吸気流量に対して混合する低発熱量ガスはエンジン５の出力が最大となる流量よりも多くなるように設定しておく。そして、ミキサー４の下流においてエンジン５の吸気に注入した空気の量と、ミキサー４を通ってエンジン５に吸込まれる吸気と低発熱量ガスの混合ガスが、エンジン５の出力が最大となる空燃比になるように吸込弁１３を調整する。

このように構成された本実施形態のエンジン駆動作業装置によって運転を行えば、発熱量が高くなった場合には、エンジン５の吸気へ注入する空気の流量は少くなり、その結果、エンジン５が最終的に吸込むガスの空燃比を大きくすることができる。逆に、発熱量が低くなった場合には、エンジン５の吸気へ注入する空気の量は少くなるので、エンジン５が最終的に吸込むガスの空燃比を小さくすることができる。

本発明の第１の実施形態のエンジン駆動作業装置をフローで示した構成図。本発明の第２の実施形態のエンジン駆動作業装置をフローで示した構成図。本発明の第３の実施形態のエンジン駆動作業装置をフローで示した構成図。本発明の第４の実施形態のエンジン駆動作業装置をフローで示した構成図。従来のエンジン駆動作業装置をフローで示した構成図。空燃比とエンジンの最大出力に対する割合との関係を示す図。

符号の説明

１…バイオマスガス化設備、２…ガス昇圧装置、３…減圧弁、４…ミキサー、５…エンジン、６…エアフィルター、７…スロットルバルブ、８…作業機、９…消音器、１０…発熱量センサー、１１…調節弁、１２…バイパス弁、１３…吸込弁。

Claims

低発熱量ガスと給気とを混合するミキサーと、前記ミキサーで吸気と混合された低発熱量ガスを燃料とするエンジンと、前記エンジンによって駆動される作業機とからなるエンジン駆動作業装置において、
前記低発熱量ガスは発熱量が変動するガスであって、前記低発熱量ガスをガス昇圧装置で昇圧すると共にガス昇圧装置で昇圧する前の低発熱量ガスの発熱量をセンサーで計測し、
前記センサーが計測した発熱量の出力信号で前記ガス昇圧装置を制御することにより、前記ミキサーに供給する低発熱量ガスの流量を制御し、低発熱量ガスのみでエンジンを駆動し、出力が一定になるような空燃比に調整するよう構成したことを特徴とするエンジン駆動作業装置。
低発熱量ガスと給気とを混合するミキサーと、前記ミキサーで吸気と混合された低発熱量ガスを燃料とするエンジンと、前記エンジンによって駆動される作業機とからなるエンジン駆動作業装置において、
前記低発熱量ガスは発熱量が変動するガスであって、前記低発熱量ガスをガス昇圧装置で昇圧すると共にガス昇圧装置で昇圧する前の低発熱量ガスの発熱量をセンサーで計測し、
前記ガス昇圧装置で昇圧された低発熱量ガスを一定の圧力に調整して前記ミキサーに供給する減圧弁と、前記減圧弁の下流で分岐し、前記ミキサー上流の吸気に前記ガス昇圧装置で昇圧した低発熱量ガスを供給するバイパス弁を備え、前記センサーが計測した発熱量の出力信号で前記バイパス弁を調整し、前記ミキサー上流の吸気に供給する低発熱量ガスの流量を制御することにより、低発熱量ガスのみでエンジンを駆動し、出力が一定になるような空燃比に調整するよう構成したことを特徴とするエンジン駆動作業装置。
低発熱量ガスと給気とを混合するミキサーと、前記ミキサーで吸気と混合された低発熱量ガスを燃料とするエンジンと、前記エンジンによって駆動される作業機とからなるエンジン駆動作業装置において、
前記低発熱量ガスは発熱量が変動するガスであって、前記低発熱量ガスをガス昇圧装置で昇圧すると共にガス昇圧装置で昇圧する前の低発熱量ガスの発熱量をセンサーで計測し、
前記ガス昇圧装置で昇圧された低発熱量ガスを一定の圧力に調整して前記ミキサーに供給する減圧弁と、前記ミキサー下流でかつ前記エンジンの上流に空気を供給する吸込弁とを備え、前記センサーが計測した発熱量の出力信号で前記吸込弁を調整し、前記ミキサー下流に供給する空気の流量を制御することにより、低発熱量ガスのみでエンジンを駆動し、出力が一定になるような空燃比に調整するよう構成したことを特徴とするエンジン駆動作業装置。