JP5308466B2 - ガスエンジンの燃料ガス供給方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガス通路を介して供給される燃料ガスと、空気とを混合して混合ガスを燃焼室に供給して燃焼せしめるガスエンジンの燃料ガス供給方法および装置に関するものである。

従来、ガスエンジンのうち特に小型ガスエンジンにおいては、一般的に過給機上流にて燃料ガスと空気を混合させて燃焼室へ供給する過給機前吸込み方式を採用していた。
このような全量ガスを過給機前吸込み方式で供給する場合、燃料ガスのカロリー変動と共に給気室でのガス濃度も変動し、給気室内ガスの濃度によっては、給気室内で自己着火等の異常燃焼を生じるおそれがあり、給気室内の安全度が燃料ガスカロリーに依存してしまう。

一方、従来の大型ガスエンジンの多くは、燃料ガスと空気の混合比（空燃比）及びガス投入量を各シリンダにより均一化する必要があるため、各シリンダの直前に設置した燃料ガス調整弁にて燃焼室へ燃料ガスを供給している。この方式を採用することにより、各シリンダに供給される空燃比及びガス投入量が均一化されるとともに、各シリンダにおける仕事が効率化され、さらにまた、シリンダ直前にて燃料ガスと空気とを混合する構成であるため、混合ガス供給路における可燃域を短くすることができ安全性が向上する。

また、上記した２つの方式を組み合わせた技術として、特許文献１（特開２００１−１３２５５０号公報）の技術が知られており、この技術においては、ガスコンプレッサによる昇圧前の燃料ガスを過給機上流の給気通路に供給する供給手段と、ガスコンプレッサによって昇圧された燃料ガスをシリンダ室への給気通路またはシリンダ内に噴射供給する供給手段とを備え、過給機上流の給気通路に供給する供給手段が、供給作用状態と停止状態とに切換え自在に設けられている。

しかしながら、特許文献１に示された技術においては、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。また、燃料ガスを過給機上流の給気通路に供給する供給系では、給気通路において燃料ガスが可燃下限界以上のガス濃度になり自己着火等の異常燃焼を生じるおそれがある。

そこで、特許文献２（特開２００６−２４４９９５４号公報）では、燃料ガスの一方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共に、燃料ガスの他方を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、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と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とを設け、過給機側ガス量調整弁の開度を制御して、過給機側ガス供給通路への燃料ガス量を、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ガス量コントローラを設けた構成を開示している。

これによれば、過給機出口での燃料ガスの自己着火等の異常燃焼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して該ガスコンプレッサを小型化、小容量化することが可能となる。
この特許文献２と同様の燃料ガスの供給構成が示されたものとして特許文献３（特開２００９−１４４６２６号公報）も知られている。

特開２００１−１３２５５０号公報 特開２００６−２４４９９５４号公報 特開２００９−１４４６２６号公報

上記したように、特許文献２、３によれば、低カロリーガスであっても十分な燃料ガスの供給量を確保でき、また燃料ガス圧縮用のガスコンプレッサを小型化、小容量化することが可能であり、さらに、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によって、給気通路において燃料ガスが可燃下限界以上のガス濃度になり自己着火等の異常燃焼を生じないようにしている。
しかし、この自己着火等の異常燃焼の防止を行う制御および構成については具体的には開示されていない。さらに、燃料ガスがカロリー変動する場合でも、燃料ガスの濃度を直接計測する濃度計を用いずに簡単な構成によって、且つ確実に給気通路内で可燃性の燃料ガスが異常燃焼を生じることがない制御方法が望まれている。

従って、本発明は前記問題点に鑑み、低カロリーで発熱量が変動しやすい燃料ガスにおいて、燃料ガス量の供給制御によって、確実且つ簡単に過給機出口を含めた給気通路内での燃料ガスの自己着火等の異常燃焼を防止して安全性を確保できるガスエンジンの燃料ガス供給方法および装置を提供することを目的とする。

そこで、本発明はかかる課題を解決するために、低カロリーで変動がある燃料ガスを供給する燃料ガス通路が、過給機の空気入口側に設置されたミキサに接続される過給機側ガス供給通路と、シリンダへの給気通路に接続されるとともに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され、前記過給機側ガス供給通路の流量を制御する第１燃料ガス調整弁と、前記シリンダ側ガス供給通路の流量を制御する第２燃料ガス調整弁とを備えたガスエンジンの燃料ガス供給方法において、
前記第１燃料ガス調整弁によって調整される過給機側ガス供給通路の燃料ガス量Ｑ１と、前記第２燃料ガス調整弁によって調整されるシリンダ側ガス供給通路の燃料ガス量Ｑ２との流量比率Ｑ１／Ｑ２を一定値に保持し、燃料ガスのガス濃度が変化した際に、エンジン出力を一定に維持するように前記第２燃料ガス調整弁を調整して前記燃料ガス量Ｑ２を調整し、その後、前記流量比率に基づいて前記燃料ガス量Ｑ１を算出し、該燃料ガス量Ｑ１により前記第１燃料ガス調整弁を調整することを特徴とする。

かかる発明によれば、第１燃料ガス調整弁によって調整される過給機側ガス供給通路の燃料ガス量Ｑ１と、第２燃料ガス調整弁によって調整されるシリンダ側ガス供給通路の燃料ガス量Ｑ２との関係を、流量比率Ｑ１／Ｑ２が一定値に保持されるように設定して、燃料ガスのガス濃度が変化した際に、エンジン出力を一定に維持するように、まず第２燃料ガス調整弁を調整して燃料ガス量Ｑ２を調整する。その後、流量比率に基づいて燃料ガス量Ｑ１を算出し、該燃料ガス量Ｑ１より第１燃料ガス調整弁の開度を調整する。

このように、過給機側ガス供給通路の燃料ガス量Ｑ１と、シリンダ側ガス供給通路の燃料ガス量Ｑ２とを、流量比率Ｑ１／Ｑを一定に制御するとともに、エンジン出力を一定に維持するように第２燃料ガス調整弁を始めに制御して、次に流量比率に基づいて燃料ガス量Ｑ１を制御することによって、過給機側ガス供給通路から導入される燃料ガスの濃度を給気管内で自己着火や引火や爆発等の異常燃焼を生じるような濃度に上昇させることを防止できる。その結果も安全性が向上する。
また、本発明においては、ガス濃度計を設置することなく、燃料ガス量Ｑ１及びＱ２を制御することによって、給気管内での自己着火や引火や爆発等の異常燃焼を防止して安全性を確保できるので、制御装置が簡単化されて、システム全体を軽量コンパクトに構成できる。

低カロリーで変動がある燃料ガスは、例えば、炭鉱メタンガス（Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ Ｍｅｔｈａｎｅ、ＣＭＭガス）や、ランドフィルガス（バイオガス）等のような空気とメタンガスの混合によって成立しているものであり、メタンガス濃度が変化した場合には、その変化に応じて、濃度が高くなればエンジン出力が上昇し、濃度が低下すればエンジン出力は低下する。
このため、メタンガス濃度の変化時にエンジン出力を一定にするためには、メタンガス濃度が高くなったときには、燃料ガス流量を低下させ、メタンガス濃度が下がったときには、燃料ガス流量を増加させるようにしている。

従って、この燃料ガス流量の増減の際に、シリンダ側ガス供給通路の燃料ガス量Ｑ２と過給機側ガス供給通路から導入される燃料ガス量Ｑ１との関係をどのように設定するかが問題となる。
過給機側ガス供給通路から導入される燃料ガス量Ｑ１を常に一定にする制御をしている場合には、燃料ガスのメタンガス濃度が高まった場合に、過給機側ガス供給通路から導入されるメタンガス成分が増大して、給気管内で自己着火や引火や爆発等の異常燃焼を生じる濃度に達し易くなる危険性を有している。

しかし、本発明においては、過給機側ガス供給通路の燃料ガス量Ｑ１と、シリンダ側ガス供給通路の燃料ガス量Ｑ２とを、流量比率Ｑ１／Ｑ２を一定比率の関係に設定して制御する。さらに、エンジン出力を一定にするように制御するとともに、まず第２燃料ガス調整弁によってＱ２から制御することを特徴としている。
従って、メタンガス濃度が高くなったときには、一定出力なるようにシリンダ側ガス供給通路の燃料ガス量Ｑ２を低下させるとともに、一定比率によって、過給機側ガス供給通路の燃料ガス量Ｑ１をも低下させるので、過給機側ガス供給通路から導入されるメタン成分が増大して、給気管内で自己着火や引火や爆発等の異常燃焼を生じる危険性が回避される。

すなわち、本発明おいて好ましくは、燃料ガスのガス濃度が上昇したとき、前記エンジン出力を一定に維持するように前記燃料ガス量Ｑ２を低下させると共に、前記一定の流量比率に基づいて前記燃料ガス量Ｑ１を低下させて、前記ミキサによって混合されて過給機に導入される混合燃料ガスのガス濃度の上昇を抑えて略一定値に保持するとよい。なお、この前記略一定値に保持されるガス濃度が燃料ガスの空気に対して可燃下限界ガス濃度未満の所定の濃度であるとよい。

なお、燃料ガスのガス濃度が低下したときは、前記エンジン出力を一定に維持するように前記燃料ガス量Ｑ２を増加させると共に、前記一定の流量比率に基づいて前記燃料ガス量Ｑ１を増加させて、前記ミキサによって混合されて過給機に導入される混合燃料ガスのガス濃度の低下を抑え略一定値に保持するとよい。

このように、燃料ガスのガス濃度が低下したときには、前記エンジン出力を一定に維持するように前記燃料ガス量Ｑ２を増加すると共に、前記一定の流量比率に基づいて前記燃料ガス量Ｑ１を増加させるので、一定出力へ迅速に到達できる。

また、前記ガスエンジンは発電用エンジンであり、前記エンジン出力が一定に維持されることによって該ガスエンジンによる発電出力が一定になるように運転されるとよい。
さらに、前記燃料ガスが、発熱量が低くかつ変動し易い炭鉱メタンガスである場合に適する。

また、本発明のガスエンジンの燃料ガス供給方法を実施するための供給装置は、低カロリーで変動がある燃料ガスを供給する燃料ガス通路が、過給機の空気入口側に設置されたミキサに接続される過給機側ガス供給通路と、シリンダへの給気通路に接続されるとともに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され、前記過給機側ガス供給通路の流量を制御する第１燃料ガス調整弁と、前記シリンダ側ガス供給通路の流量を制御する第２燃料ガス調整弁とを備えたガスエンジンの燃料ガス供給装置において、
前記第１燃料ガス調整弁と前記第２燃料ガス調整弁との開度を制御するガス供給コントローラを備え、該ガス供給コントローラには、前記第１燃料ガス調整弁によって調整される過給機側ガス供給通路の燃料ガス量Ｑ１と、前記第２燃料ガス調整弁によって調整されるシリンダ側ガス供給通路の燃料ガス量Ｑ２との流量比率Ｑ１／Ｑ２を一定値に保持する流量比率保持手段と、燃料ガスのガス濃度が変化した際に、エンジン出力を一定に維持するように前記第２燃料ガス調整弁を調整して前記燃料ガス量Ｑ２を調整する第２燃料ガス調整弁制御手段と、その第２燃料ガス調整弁制御手段による燃料ガス量Ｑ２の調整後に、前記流量比率に基づいて前記燃料ガス量Ｑ１を算出し、該燃料ガス量Ｑ１より前記第１燃料ガス調整弁の開度を調整する第１燃料ガス調整弁制御手段と、を備えることを特徴とする。

かかる発明によれば、ガス供給コントローラの流量比率保持手段によって、第１燃料ガス調整弁によって調整される過給機側ガス供給通路の燃料ガス量Ｑ１と、第２燃料ガス調整弁によって調整されるシリンダ側ガス供給通路の燃料ガス量Ｑ２との関係が、流量比率Ｑ１／Ｑ２の一定値に保持され、第２燃料ガス調整弁制御手段によって、燃料ガスのガス濃度が変化した際に、まずエンジン出力を一定に維持するように、第２燃料ガス調整弁を調整し、その第２燃料ガス調整弁制御手段による燃料ガス量Ｑ２の調整後に、第１燃料ガス調整弁制御手段によって燃料ガス量Ｑ２の調整量と流量比率に基づいて燃料ガス量Ｑ１を算出し、該燃料ガス量Ｑ１より第１燃料ガス調整弁の開度を調整する。

このように、過給機側ガス供給通路の燃料ガス量Ｑ１と、シリンダ側ガス供給通路の燃料ガス量Ｑ２とを、流量比率Ｑ１／Ｑを一定に制御するとともに、エンジン出力を一定に維持するように第２燃料ガス調整弁を始めに制御して、次に流量比率に基づいて燃料ガス量Ｑ１を制御することによって、過給機側ガス供給通路から導入される燃料ガスの濃度を給気管内で自己着火や引火や爆発等の異常燃焼を生じるような濃度に上昇させることを防止し安全性を向上できる。

以上記載のごとく方法発明および装置発明それぞれにおいて、低カロリーで発熱量が変動しやすい燃料ガスにおいて、燃料ガス量の供給制御によって、確実且つ簡単に過給機出口を含めた給気通路内での燃料ガスの自己着火等の異常燃焼を防止して安全性を確保できる。
すなわち、過給機側ガス供給通路の燃料ガス量Ｑ１と、シリンダ側ガス供給通路の燃料ガス量Ｑ２とを、流量比率Ｑ１／Ｑを一定に制御するとともに、エンジン出力を一定に維持するように第２燃料ガス調整弁を始めに制御して、次に流量比率に基づいて燃料ガス量Ｑ１を制御することによって、過給機側ガス供給通路から導入される燃料ガスの濃度を給気管内で自己着火や引火や爆発等の異常燃焼を生じるような濃度に上昇させることを防止できる。その結果安全性が向上する。

本発明の実施形態に係るガスエンジンの燃料ガス供給装置の全体構成図である。 ガス供給コントローラ内の流量弁調整手段における流量と開度との一例を示す特性であり、（ａ）は第１燃料ガス調整弁、（ｂ）は第２燃料ガス調整弁を示す。 吸給ポートへの燃料ガスの流入状態を示す説明図である。 ガス供給コントローラにおける制御フロチャートを示す。 燃料ガス量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の関係と、給気管内の給気ガス濃度Ｈを説明する模式図である。 比較例との対比を示すグラフであり、（ａ）は流量Ｑ１を示し、（ｂ）は流量Ｑ２を示し、（ｃ）はＱ１／Ｑ２の比率状態を示し、（ｄ）は給気通路内でのガス濃度を示す。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。
但し、この実施形態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。

図１を参照して、本実施形態のガスエンジンの燃料供給装置の全体構成につき説明する。同図において、エンジン（ガスエンジン）１は、シリンダブロック３とシリンダヘッド５からなり、また、該エンジン１にはフライホイール７を介して直結駆動される発電機９が取り付けられている。

また、排気タービン１１ａ及びコンプレッサ１１ｂからなる過給機１１が備えられ、前記各シリンダヘッド５の給気入口に給気枝管１３が接続され、前記コンプレッサ１１ｂの給気出口と前記各給気枝管１３とを接続する給気管１５、および該給気管１５を流れる給気を冷却する給気冷却器１７が設けられている。
各シリンダヘッド５の排気出口に接続された各排気管１９は、排気集合管２１に接続され、該排気集合管２１は排気タービン１１ａに接続され、排気タービン１１ａ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２３が取りけられている。

また、排気集合管２１の排気タービン１１ａの入口側から分岐されて該排気タービン１１ａをバイパスし、該排気タービン１１ａの出口側の排気出口管２３に接続される排気バイパス管２５が設けられている。そして該排気バイパス管２５には通路面積を変化せしめる排気バイパス弁２７が設けられている。

外部から空気を前記過給機１１のコンプレッサ１１ｂに導入するための過給機入口空気通路２９が設けられ、過給機入口空気通路２９にはミキサ３１が設置され、該ミキサ３１には過給機側ガス供給管（過給機側ガス供給通路）３３が接続されている。

また、低カロリーで変動がある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（燃料ガス供給通路）３５は、途中で、該ガス供給管３５から前記過給機側ガス供給管３３とシリンダ側ガス供給管（シリンダ側ガス供給通路）３７とに分岐され、さらに、シリンダ側ガス供給管３７は途中でシリンダ毎に分岐されガス供給枝管３９となって各給気枝管１３に接続されている。さらに、シリンダ側ガス供給管３７には該シリンダ側ガス供給管３７を流れる燃料ガスを圧縮するガスコンプレッサ４１が設けられている。

なお、低カロリーで変動がある燃料ガスは、炭鉱メタンガス（ＣＭＭガス）や、ランドフィルガス（バイオガス）等であり、本実施形態では炭鉱メタンガスが用いられる例を示す。この炭鉱メタンガス（Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ Ｍｅｔｈａｎｅ、ＣＭＭガス）は、空気とメタンガスの混合によって構成されている。炭鉱メタンガスとは、石炭層中にはその生成過程で生じたメタンガスが含有されており、石炭採掘時に炭層およびその周辺から湧き出すメタンガスのことをいい、一般的に炭鉱メタンガス濃度の変動幅は１５％〜５０％である。

過給機側ガス供給管３３には過給機入口空気通路２９への燃料ガス流量Ｑ１を制御する過給機側ガス量調整弁（第１燃料ガス調整弁）４３が設けられている。また、各ガス供給枝管３９には該各ガス供給枝管３９を流れる燃料ガス流量Ｑ２'を制御するシリンダ側ガス量調整弁（第２燃料ガス調整弁）４５が設けられている。そして、各ガス供給枝管３９を流れる燃料ガス流量Ｑ２'の全気筒数分の合計としてシリンダ側ガス供給管３７によって供給される燃料ガス流量Ｑ２が制御される。

また、図１の給気枝管１３のＡ部分における燃料ガスの流入状態を図３に示す。
図３の給気ポート４７には、給気枝管１３を通って、過給機１１で加圧された燃料ガスが供給される。この燃料ガスは、過給機入口空気通路２９を通ってミキサ３１に導かれる空気Ｑａｉと過給機側ガス供給管３３を通ってミキサ３１に導かれる燃料ガス流量Ｑ１とが混合されたもので合計流量Ｑ３が流入する。
一方、各給気枝管１３に接続された各ガス供給枝管３９を流れる燃料ガス流量Ｑ２'は、給気弁４９の弁軸５１とシリンダヘッド５との摺動部、または摺動部に形成された溝５３等の通路を通って給気ポート４７に導かれるようになっている。

エンジン回転数を検出する回転数センサ５５、発電機９の負荷つまりエンジン負荷を検出する負荷検出器５７、給気管１５における給気圧力を検出する給気圧力センサ５９、給気管１５における給気温度を検出する給気温度センサ６１がそれぞれ設けられている。さらに、これらセンサからの信号は、ガス供給コントローラ６３に入力されている。

このガス供給コントローラ６３には、過給機側ガス量調整弁４３によって調整される過給機側ガス供給管３３の燃料ガス量Ｑ１と、シリンダ側ガス量調整弁４５によって調整されるシリンダ側ガス供給管３７の燃料ガス量Ｑ２との流量比率Ｑ１／Ｑ２を一定値に保持する流量比率保持手段６５と、燃料ガスのガス濃度が変化した際に、エンジン出力を一定に維持するようにシリンダ側ガス量調整弁４５を調整して燃料ガス量Ｑ２を調整する第２燃料ガス調整弁制御手段６７と、その第２燃料ガス調整弁制御手段６７による燃料ガス量Ｑ２の調整後に、設定された流量比率に基づいて燃料ガス量Ｑ１を算出し、該燃料ガス量Ｑ１より過給機側ガス量調整弁４３の開度を調整する第１燃料ガス調整弁制御手段６９と、を備えている。

エンジン１の運転時において、ガス供給管３５からの燃料ガスは該ガス供給管３５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過給機側ガス供給管３３を通ってミキサ３１に導入され、該ミキサ３１において過給機入口空気通路２９からの空気と混合されこの混合気燃料ガスは過給機１１のコンプレッサ１１ｂに導入される。
そして、該コンプレッサ１１ｂで高温、高圧に加圧された混合気燃料ガスは給気冷却器１７で冷却されて降温し、給気管１５を通って各シリンダの給気枝管１３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３７に入り、ガスコンプレッサ４１で圧縮されて、各シリンダの各ガス供給枝管３９を通り、各給気枝管１３に入り、図３のように給気ポート４７内で、給気管１５を通って各シリンダの給気枝管１３内に流入した混合気燃料ガスに混入して、各シリンダ内に送り込まれる。

そして、エンジン１の各シリンダ内で燃焼した燃料ガスは、燃焼後に排気ガスとして排気管１９を通って排気集合管２１で合流され、過給機１１の排気タービン１１ａに供給されて該排気タービン１１ａを駆動した後、排気出口管２３を通って外部に排出される。

次に、前記した構成を有するガスエンジンの燃料ガスの供給装置において、燃料ガスである炭鉱メタンガス（ＣＭＭガス）のメタン濃度が変化した際の制御方法について、図４を参照して以下に説明する。
まず、ステップＳ１で、炭鉱メタンガス（ＣＭＭガス）のメタン濃度が変化すると、ステップＳ２で、燃料ガスの発熱カロリーが変動するため、エンジン１の出力が変動する。それに伴い、発電機９からの発電出力が変動し、その変動値を回転数センサ５５、または負荷検出器５７によって検出する。

そして、ステップＳ３で、この発電機出力変化に対して、発電機出力を変化前の状態に戻すように出力調整を行う。この出力調整は、大きく見てステップＳ３のシリンダ側ガス量調整弁（第２燃料ガス調整弁）４５によって調整されるシリンダ側ガス供給管３７の燃料ガス量Ｑ２の調整と、ステップＳ７の過給機側ガス量調整弁４３によって調整される過給機側ガス供給管３３の燃料ガス量Ｑ１によって行われる。

ステップＳ３では、通常の電子ガバナー機能を行い、回転数センサ５５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に、または、負荷検出器５７からの負荷検出値に基づき設定された発電出力になるよう各シリンダ側ガス量調整弁４５の開度を制御する。
すなわち、燃料ガスのガス濃度が上昇したときは、エンジン出力を一定に維持するように燃料ガス量Ｑ２を低下するように各シリンダ側ガス量調整弁４５の開度を制御し、また、燃料ガスのガス濃度が低下したときは、エンジン出力を一定に維持するように燃料ガス量Ｑ２を増加する各シリンダ側ガス量調整弁４５の開度を制御する。

次に、ステップＳ４で、ステップＳ３の各シリンダ側ガス量調整弁４５の弁開度から各ガス供給枝管３９を流れる燃料ガス流量Ｑ２'を算出する。この算出に際しては、図２（ｂ）に示すようなガス供給コントローラ６３内の第２燃料ガス調整弁制御手段６７における流量と弁開度との特性関係を基に算出する。そして、各ガス供給枝管３９を流れる燃料ガス流量Ｑ２'の全気筒数分の合計としてシリンダ側ガス供給管３７によって供給される燃料ガス流量Ｑ２が算出される。

次に、ステップＳ５で、流量比率Ｑ１／Ｑ２を一定値に保持する流量比率保持手段６５に設定されている一定比率値（例えば、１より小さい値）に従って、過給機側ガス供給管３３の燃料ガス量Ｑ１を算出する。

次にステップＳ６で、過給機側ガス供給管３３の燃料ガス量Ｑ１より、過給機側ガス量調整弁４３の開度を算出する。そして、ステップＳ７では、その算出開度に基づいて過給機側ガス量調整弁４３の開度調整を行う。

次に、ステップＳ８で、発電機９の出力がキープされたか否かを回転数センサ５５、または負荷検出器５７の検出値に基づいて判定する。保持されていない場合には、ステップＳ３に戻って、再度、各シリンダ側ガス量調整弁４５の開度制御からのステップを繰り返す。

そして、ステップＳ８で、発電機９の出力が一定状態を保持している場合には終了する。また同時に、ステップＳ９に進み、発電出力が一定状態を保持している場合には過給機出口流量Ｑ３は一定に保持されていると判定し、排気バイパス弁２７の制御は行わない。この排気バイパス弁２７の制御は、外気温度や圧力が変化した場合には、空燃比の変化を回避して安定燃焼を維持するために過給機出口流量Ｑ３を一定にするように制御する。この過給機出口流量Ｑ３の一定制御は、給気圧力センサ５９および給気温度センサ６１からの信号に基づいて行われる。

燃料ガス量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の関係を基に、ミキサ３１からコンプレッサ１１ｂ、さらにコンプレッサ１１ｂの給気出口から各給気枝管１３と接続する給気管１５内の給気ガス濃度Ｈについて、図５の模式図を参照して説明する。
過給機側ガス供給管３３からの燃料ガス量Ｑ１において、メタン濃度をｍ％とすると、メタン量はＱ１×ｍ、空気量はＱ１×（１−ｍ）となる。同様に、シリンダ側ガス供給管３７からの燃料ガス量Ｑ２において、メタン濃度をｍ％とすると、メタン量はＱ２×ｍ、空気量はＱ２×（１−ｍ）となる。
コンプレッサ１１ｂの下流側の流量Ｑ３は、Ｑ３＝Ｑａｉ＋Ｑ１となる。また、このコンプレッサ１１ｂの下流側の給気ガス濃度Ｈは、Ｈ＝（Ｑ１×ｍ）／（Ｑ１＋Ｑａｉ）と表せる。

ここで、発電機９の発電出力一定（負荷一定）の条件、つまり、メタン量に基づくカロリー量が一定であることにより、（Ｑ１＋Ｑ２）×ｍ＝一定＝Ｋ１となる（メタン濃度変化に対して効率（出力）の変化は非常に小さいので一定とする）。
さらに、コンプレッサ１１ｂの出口ガス量が一定である場合には、Ｑ３＝Ｑａｉ＋Ｑ１＝一定＝Ｋ２となる。
また、本発明の特徴事項である、流量比率Ｑ１／Ｑ２＝一定＝Ｋ３となる。
これら、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３の条件を基に、このコンプレッサ１１ｂの下流側の給気ガス濃度ＨのＨ＝（Ｑ１×ｍ）／（Ｑ１＋Ｑａｉ）の式を書き換えると下記（１）のようになる。

Ｈ＝（Ｑ１×ｍ）／（Ｑ１＋Ｑａｉ）
＝（Ｑ１×ｍ）／（Ｑ１＋Ｑ３−Ｑ１）
＝（Ｑ１／Ｑ３）×ｍ
＝（Ｑ１×ｍ）／Ｑ３
＝（Ｋ１／（１＋Ｋ３））×１／Ｋ２ …（１）
となる。

従って、コンプレッサ１１ｂの下流側の給気ガス濃度Ｈは一定となることが示される。さらに、図６を参照して、確認試験結果を説明する。
図６は、燃料ガスとして供給されるＣＭＭガスのメタン濃度を横軸に示し、（ａ）は縦軸に流量Ｑ１を示し、（ｂ）は縦軸に流量Ｑ２を示し、（ｃ）は縦軸にＱ１／Ｑ２の比率を示し、（ｄ）は縦軸に給気管内でのガス濃度を示す。

なお、比較例は、過給機前ガス供給量の流量Ｑ１を一定にする制御をした場合を示し、図６（ａ）〜（ｄ）中点線で示す。この比較例の場合には、流量Ｑ１が一定のため、燃料ガス中のメタン濃度が高くなった場合に、エンジン出力一定の制御を行うために流量Ｑ２は低下させるが、流量Ｑ１は一定状態に維持されるため、Ｑ１／Ｑ２の比率は（ｃ）のように大きくなるとともに、流量Ｑ１中のメタン濃度が上昇することによって、給気管内のメタン濃度が上昇し、（ｄ）に示されるように、メタンが自己着火を生じて爆発等の危険領域まで濃度が上昇する危険性がある。

本実施形態では、燃料ガス量中のメタン濃度が高くなった場合には、流量Ｑ２をエンジン出力が一定になるように減少させ（図６（ｂ））、その後に、一定比率（図６（ｃ））に応じて流量Ｑ１を減少させる（図６（ａ））。
このようにＱ１／Ｑ２の一定比率、出力一定制御の基では、式（１）で示したように、コンプレッサ１１ｂの下流側の給気ガス濃度Ｈは一定となり（図６（ｄ））、給気管内のメタン濃度が上昇しメタンが自己着火して爆発等の危険領域への上昇が確実に防止される。

このように、過給機側ガス供給管３３の燃料ガス量Ｑ１と、シリンダ側ガス供給管３７の燃料ガス量Ｑ２との流量を制御するだけの簡単な制御によって、過給機側ガス供給管３３から導入されて給気管１５内に導かれた燃料ガスの濃度を給気管内で着火して、爆発等の異常燃焼を生じるような濃度に上昇させることを確実に防止できる。その結果安全性を向上できる。

なお、燃料ガスのガス濃度が逆に低下したときには、エンジン出力を一定に維持するように燃料ガス量Ｑ２を増加すると共に、前記一定の流量比率に基づいて燃料ガス量Ｑ１を増加させて、ミキサ３１によって混合されて過給機１１のコンプレッサ１１ｂに導入される混合燃料ガスのガス濃度の低下を抑え略一定値に保持するように作用するが、さらに、エンジン出力を一定に維持するように前記燃料ガス量Ｑ２を増加すると共に、前記一定の流量比率に基づいて前記燃料ガス量Ｑ１を増加させるので、一定出力へ迅速に到達できる作用も有する。

本発明によれば、低カロリーで発熱量が変動しやすい燃料ガスにおいて、燃料ガス量の制御によって、確実且つ簡単に過給機出口を含めた給気通路内での燃料ガスの着火や爆発等の異常燃焼を防止して安全性を確保できるので、ガスエンジンの燃料ガス供給方法および装置に用いるのに適している。

１ エンジン（ガスエンジン）
３ シリンダブロック
５ シリンダヘッド
９ 発電機
１１ 過給機
１３ 給気枝管
１５ 給気管（給気通路）
１７ 給気冷却器
１９ 排気管
２１ 排気集合管
２３ 排気出口管
２７ 排気バイパス弁
３１ ミキサ
３３ 過給機側ガス供給管（過給機側ガス供給通路）
３５ ガス供給管（燃料ガス通路）
３７ シリンダ側ガス供給管（シリンダ側ガス供給通路）
４１ ガスコンプレッサ
４３ 過給機側ガス量調整弁（第１燃料ガス調整弁）
４５ シリンダ側ガス量調整弁（第２燃料ガス調整弁）
６３ ガス供給コントローラ
６５ 流量比率保持手段
６７ 第２燃料ガス調整弁制御手段
６９ 第１燃料ガス調整弁制御手段

Claims (7)

1. 低カロリーで変動がある燃料ガスを供給する燃料ガス通路が、過給機の空気入口側に設置されたミキサに接続される過給機側ガス供給通路と、シリンダへの給気通路に接続されるとともに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され、
   前記過給機側ガス供給通路の流量を制御する第１燃料ガス調整弁と、前記シリンダ側ガス供給通路の流量を制御する第２燃料ガス調整弁とを備えたガスエンジンの燃料ガス供給方法において、
   前記第１燃料ガス調整弁によって調整される過給機側ガス供給通路の燃料ガス量Ｑ１と、前記第２燃料ガス調整弁によって調整されるシリンダ側ガス供給通路の燃料ガス量Ｑ２との流量比率Ｑ１／Ｑ２を一定値に保持し、
   燃料ガスのガス濃度が変化した際に、エンジン出力を一定に維持するように前記第２燃料ガス調整弁を調整して前記燃料ガス量Ｑ２を調整し、
   その後、前記流量比率に基づいて前記燃料ガス量Ｑ１を算出し、該燃料ガス量Ｑ１により前記第１燃料ガス調整弁を調整することを特徴とするガスエンジンの燃料ガス供給方法。
2. 燃料ガスのガス濃度が上昇したとき、前記エンジン出力を一定に維持するように前記燃料ガス量Ｑ２を低下させると共に、前記一定の流量比率に基づいて前記燃料ガス量Ｑ１を低下させて、前記ミキサによって混合されて過給機に導入される混合燃料ガスのガス濃度の上昇を抑えて略一定値に保持することを特徴とする請求項１記載のガスエンジンの燃料ガス供給方法。
3. 燃料ガスのガス濃度が低下したとき、前記エンジン出力を一定に維持するように前記燃料ガス量Ｑ２を増加させると共に、前記一定の流量比率に基づいて前記燃料ガス量Ｑ１を増加させて、前記ミキサによって混合されて過給機に導入される混合燃料ガスのガス濃度の低下を抑え略一定値に保持することを特徴とする請求項１記載のガスエンジンの燃料ガス供給方法。
4. 前記略一定値に保持されるガス濃度が燃料ガスの空気に対して可燃下限界ガス濃度未満の所定の濃度であることを特徴とする請求項２または３に記載のガスエンジンの燃料ガス供給方法。
5. 前記ガスエンジンは発電用エンジンであり、前記エンジン出力が一定に維持されることによって該ガスエンジンによる発電出力が一定になるように運転されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガスエンジンの燃料ガス供給方法。
6. 前記燃料ガスが、発熱量が低くかつ変動し易い炭鉱メタンガスであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガスエンジンの燃料ガス供給方法。
7. 低カロリーで変動がある燃料ガスを供給する燃料ガス通路が、過給機の空気入口側に設置されたミキサに接続される過給機側ガス供給通路と、シリンダへの給気通路に接続されるとともに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され、
   前記過給機側ガス供給通路の流量を制御する第１燃料ガス調整弁と、前記シリンダ側ガス供給通路の流量を制御する第２燃料ガス調整弁とを備えたガスエンジンの燃料ガス供給装置において、
   前記第１燃料ガス調整弁と前記第２燃料ガス調整弁との開度を制御するガス供給コントローラを備え、該ガス供給コントローラには、
   前記第１燃料ガス調整弁によって調整される過給機側ガス供給通路の燃料ガス量Ｑ１と、前記第２燃料ガス調整弁によって調整されるシリンダ側ガス供給通路の燃料ガス量Ｑ２との流量比率Ｑ１／Ｑ２を一定値に保持する流量比率保持手段と、
   燃料ガスのガス濃度が変化した際に、エンジン出力を一定に維持するように前記第２燃料ガス調整弁を調整して前記燃料ガス量Ｑ２を調整する第２燃料ガス調整弁制御手段と、
   その第２燃料ガス調整弁制御手段による燃料ガス量Ｑ２の調整後に、前記流量比率に基づいて前記燃料ガス量Ｑ１を算出し、該燃料ガス量Ｑ１より前記第１燃料ガス調整弁の開度を調整する第１燃料ガス調整弁制御手段と、を備えることを特徴とするガスエンジンの燃料ガス供給装置。
   

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