JP5314637B2 - ガスエンジン - Google Patents

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Description

本発明は、天然ガスやバイオガス、又は炭鉱坑内等から排出されるメタン含有ガスを吸気ガスや燃料として有効活用したガスエンジンに関する。
メタンＣＨ４やＣＯ２等の温室効果ガスの排出規制に対する世論の関心は、年々高まっている。特に、メタンはＣＯ２の２１倍の温室効果があり、メタンの大気中への排出は無視できない。一方、石炭の採掘時には、炭鉱坑内から石炭１トン当り１０〜４０Ｎｍ３（純メタン換算）という多量のメタンが大気に放出されている。
炭鉱坑内から排出されるメタン含有ガスは、石炭層中に混在し、保安のためにガス抜きボーリング穴から真空ポンプで回収する回収メタン含有ガスＣＭＭ（Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ Ｍｅｔｈａｎｅ。メタン濃度約２０〜５０重量％）と、坑道及び切羽から換気のために排出される換気メタン含有ガスＶＡＭ（Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ Ａｉｒ Ｍｅｔｈａｎｅ。メタン濃度１重量％未満）とがある。
そのため、炭鉱坑内から大気に放出されるメタン含有ガスを大気に放出することなく有効活用することは、社会的かつ経済的貢献が極めて大きい。
特許文献１には、ごみの埋立処分場で発生するランドフィルガスや、前記炭鉱排出ガス等のように、メタン濃度が可燃限界より低いガスを燃料として利用可能にしたガスタービンが開示されている。
特許文献２には、炭鉱坑内から排出されるメタン含有ガスを燃料として用いる発電用ガスエンジンが開示されている。以下、特許文献２に開示されたガスエンジン発電設備を図７により説明する。図７は、炭鉱ＣＭと炭鉱ＣＭの近傍に設けられたガスエンジン発電設備２００を模式的に示す。図７において、炭鉱ＣＭでは、炭層Ｃ０と採掘炭層Ｃ１とが層状に形成されている。炭鉱坑内と外部とを連通する換気孔２０６が設けられている。
炭鉱坑内の切羽２０４で、採掘炭層Ｃ１にガス抜きボーリング穴２０８が穿設され、ボーリング穴２０８から排出されるＣＭＭガスは、換気孔２０６内に配置された管路２１０から真空ポンプ２１１によってガスエンジン発電設備２００に送られる。また、炭鉱坑内から換気孔２０６を通して排出されたＶＡＭガスｂは、管路２１２を通ってガスエンジン発電設備２００に送られる。ガスエンジン発電設備２００が稼動して生じた電力Ｅ及び蒸気Ｓは、炭鉱坑内ユーティリティ設備２０２又はその他の需要先に送られる。
特開２０１０−１９２４７号公報 米国特許出願公開第２００５／０２０５０２２号明細書
メタンガスを燃料としたガスエンジンは、環境汚染が極めて少ないという長所をもち、今後広く普及することが期待される内燃機関である。しかし、炭鉱坑内から排出されるメタン含有ガスは、時間によってその排出量の変動が激しいため、ガスエンジンに対して如何に安定した供給量を維持できるかが課題となっている。
また、排ガス中に発生するＮＯＸ濃度を低減する等の理由で、燃料ガス量と空気量との混合割合を所定の空気過剰率に保持する必要があるが、炭鉱から排出されるメタン含有ガスは、前述のように、排出量が大きく変動するため、所定の空気過剰率に維持するのが容易ではない。
また、ガスエンジンでは、燃焼室に供給される混合ガスの温度を４０〜４５℃以下の一定範囲の温度にしないと、ノッキング等の異常燃焼が発生するおそれがある。そのため、過給機通過後に高圧高温になった吸気ガスを吸気冷却器（インタークーラ）によって一定範囲の温度に制御しているが、炭鉱から排出されるメタン含有ガスを用いるときは、該メタン含有ガス量の変動が激しく、さらに吸気冷却器の性能にも限界があるため、燃焼室に供給される混合ガスの温度を制御するのは容易ではない。
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、メタン含有ガスを発電用ガスエンジンの燃料として用いる場合に、最適な空気過剰率に維持してＮＯＸの発生量を抑えると共に、メタン含有ガス量の変動に対して最適な空気過剰率の安定的な制御を可能にすることを目的とする。
また、燃焼室に供給される混合ガスの温度を最適に制御して、ノッキング等の異常燃焼の発生を防止すると共に、メタン含有ガス量の変動に対して燃焼室に供給される混合ガスの安定的な温度制御を可能とすることを目的とする。
かかる目的を達成する為、本発明のガスエンジンは、
出力軸に連結された発電機と、炭鉱から排出される空調用の希薄濃度メタン含有ガスが供給される吸気通路と、該吸気通路の途中に高濃度メタン含有ガスを混合するガス混合部とを備え、希薄濃度メタン含有ガスと高濃度メタン含有ガスとを混合して燃焼室に供給し燃焼させるようにしたガスエンジンにおいて、
前記ガス混合部の上流側吸気通路に設けられた過給機と、該過給機の上流側吸気通路に設けられ、希薄濃度メタン含有ガスに大気を混合させる大気混合部と、該大気混合部で希薄濃度メタン含有ガス及び大気の混合割合を調整する混合割合調整装置と、該混合割合調整装置を制御して前記過給機に流入する吸気ガスの温度を一定範囲内に制御する吸気制御手段と、を備え、
さらに、排気通路に設けられた前記過給機のタービンと並設され、排気ガスの一部を該タービンからバイパスさせるバイパス路と、該バイパス路の排気ガス流量を調整する排気流量調整弁と、該排気流量調整弁を制御して過給機の動作を制御する過給機制御手段と、を備え、前記燃焼室に供給される混合ガスの空気過剰率が目標空気過剰率になるように、該過給機制御手段によって過給機を通過する吸気ガス流量を制御し、
さらに、前記吸気制御手段には吸気温度制御部を有し、該吸気温度制御部は、前記混合割合調整装置を制御して希薄濃度メタン含有ガスと大気との混合割合を調整し、過給機上流側の吸気通路の吸気ガス温度を、前記過給機制御手段による目標空気過剰率への制御が安定的に行われる一定温度範囲内に制御することを特徴とする。
本発明装置により、希薄濃度メタン含有ガスとして炭鉱坑内から排出される空調用のＶＡＭガスを利用し、さらに、高濃度メタン含有ガスとして炭鉱坑内から排出されるＣＭＭガスを利用すれば、温室効果ガスであるメタンガスの炭鉱坑内からの大気放出量を削減できる。さらに、空調用のＶＡＭガスを有効利用することによって、ガスエンジンの燃料ガスの消費量を削減できる。すなわち、高濃度メタン含有ガスの消費量を削減できる。
ガスエンジンに供給される高濃度メタン含有ガスとして、例えば、前記ＣＭＭガス、天然ガス、バイオガス、工場等から排出される副生ガス、ランドフィルガス等が利用できる。
また、前記吸気制御手段で前記混合割合調整装置を制御し、希薄濃度メタン含有ガスと大気との混合割合を調整して、過給機に流入する吸気ガスの温度が一定範囲内に制御されるので、過給機による空気過剰率の制御や、過給機の下流側に設けられた吸気冷却器による温度制御を安定的に行うことができ、メタン含有ガス量が変動する場合においても、最適な空気過剰率や混合ガス温度へ迅速かつ精度よく制御でき、安定した燃焼を維持できる。
なお、前記混合割合調整装置は、例えば、大気やＶＡＭガスの導入路に設けられた流量調整弁等で構成し、これらの開度を調整することで、吸気通路における大気とＶＡＭガスとの混合割合を調整できる。
また、本発明装置は、排気通路に設けられた前記過給機のタービンと並設され、排気ガスの一部を該タービンからバイパスさせるバイパス路と、該バイパス路の排気ガス流量を調整する排気流量調整弁と、該排気流量調整弁を制御して過給機の動作を制御する過給機制御手段と、を備え、前記燃焼室に供給される混合ガスの空気過剰率が目標空気過剰率になるように、該過給機制御手段によって過給機を通過する吸気ガス流量を制御することを特徴とする。
過給機制御手段により、過給機を通過する吸気ガス流量を制御して、燃焼室に供給される混合ガスを目標空気過剰率に制御する。この際に、吸気制御手段により、過給機に流入する吸気ガスの温度が予め一定範囲内に制御されるため、メタン含有ガス量が変動する場合においても、過給機による空気過剰率の制御や、過給機の下流側に設けられ吸気冷却器による温度制御によって、最適な空気過剰率へ迅速かつ精度よく制御可能となり、安定した燃焼を維持できる。
また、本発明装置は、前記吸気制御手段には吸気温度制御部を有し、該吸気温度制御部は、前記混合割合調整装置を制御して希薄濃度メタン含有ガスと大気との混合割合を調整し、過給機上流側の吸気通路の吸気ガス温度を、前記過給機制御手段による目標空気過剰率への制御が安定的に行われる一定温度範囲内に制御することを特徴とする。
前記過給機制御手段による目標空気過剰率への制御が安定的に行われる一定温度範囲とは、例えば２０〜２５℃に制御する。これによって、メタン含有ガス量が変動する場合においても、過給機に流入される吸気ガス温度が安定し、過給機制御手段による空気過剰率制御、および過給機の下流側の吸気冷却器での温度制御が安定化して、排気ガス性能（ＮＯＸ排出量等）を適正化できると共に、ノッキング等の異常燃焼を生じることなく、エンジン性能を最大限に発揮できる。
また、前記構成に加えて、目標空気過剰率を補正する目標空気過剰率補正手段を備え、前記吸気温度制御部によって希薄濃度メタン含有ガスと大気との混合割合を制御しても、過給機に流入する吸気ガスの温度を一定温度範囲内に制御できないとき、この目標空気過剰率補正手段によって目標空気過剰率を変更するとよい。
前記吸気制御手段によって、希薄濃度メタン含有ガスと大気との混合割合を調整しても、ＶＡＭガス又は大気の温度状態によっては、吸気ガス温度を設定範囲に制御できないときがある。このようなときに、前記目標空気過剰率補正手段によって、設定範囲から外れた温度領域での運転に適した目標空気過剰率に補正し、補正後の目標空気過剰率となるようにガスエンジンを運転させる。例えば、目標空気過剰率λをλ＝２．０から、ガスエンジンが制御可能な目標空気過剰率であるλ＝１．９に補正することで、ガスエンジンを安定的に運転することができる。
また、本発明装置において、前記吸気制御手段には吸気流量制御部を有し、該吸気流量制御部は、前記混合割合調整装置を制御して過給機上流側の吸気ガス流量を、前記過給機制御手段による目標空気過剰率への制御が安定的に行われる一定範囲内に制御するとよい。
これによって、メタン含有ガス量が変動する場合においても、過給機に流入する吸気ガス量が安定し、過給機制御手段よる空気過剰率制御によって、早期にかつ精度良く目標空気過剰率に収束させることができる。
また、本発明装置において、前記大気混合部に供給される希薄濃度メタン含有ガスの流量が常に許容最大量となるように前記混合割合制御装置を制御するようにするとよい。
これによって、ガスエンジンの燃料としてＶＡＭガスを最大限に利用できるので、メタンガスの大気放出量を最小限にできる。また、空調用のＶＡＭガスを有効利用することでエンジンの燃料ガスの消費量を削減できる。すなわち、高濃度メタン含有ガスの消費量を削減できる。
また、本発明装置において、高濃度メタン含有ガスの一部を過給機の上流側でかつ大気混合部の下流側の吸気通路に供給するように構成するとよい。
高濃度メタン含有ガスを過給機の下流側の吸気通路と、上流側の吸気通路とに分けて供給するようにしたため、吸気通路の途中に高濃度メタン含有ガスを混合するガス混合部を構成する制御弁等の機器類を分割配置できる。このように分割配置することにより、夫々の機器類を小型軽量化できる。制御弁等の機器類を小型軽量化できるため、設置スペースの問題を解消できると共に、部品コストを節減できる。
本発明装置によれば、出力軸に連結された発電機と、炭鉱から排出される空調用の希薄濃度メタン含有ガスが供給される吸気通路と、該吸気通路の途中に高濃度メタン含有ガスを混合するガス混合部とを備え、希薄濃度メタン含有ガスと高濃度メタン含有ガスとを混合して燃焼室に供給し燃焼させるようにしたガスエンジンにおいて、前記ガス混合部の上流側吸気通路に設けられた過給機と、該過給機の上流側吸気通路に設けられ、希薄濃度メタン含有ガスに大気を混合させる大気混合部と、該大気混合部で希薄濃度メタン含有ガス及び大気の混合割合を調整する混合割合調整装置と、該混合割合調整装置を制御して過給機に流入する吸気ガスの温度を制御する吸気制御手段と、を備えたことにより、希薄濃度メタン含有ガスとして炭鉱坑内から排出される空調用のＶＡＭガスを利用し、さらに、高濃度メタン含有ガスとして炭鉱坑内から排出されるＣＭＭガスを利用すれば、温室効果ガスであるメタンガスの炭鉱坑内からの大気放出量を削減できる。さらに、空調用のＶＡＭガスを有効利用することによって、ガスエンジンの燃料ガスの消費量を削減できる。すなわち、高濃度メタン含有ガスの消費量を削減できる。
また、吸気制御手段で混合割合調整装置を制御し、大気とＶＡＭガスとの混合割合を調整することにより、過給機に流入する吸気ガスの温度を制御できる。
過給機に流入する吸気ガスの温度が予め一定範囲内に制御されるので、過給機による空気過剰率の制御や、過給機の下流側に設置された吸気冷却器による吸気ガス温度の制御を安定的に行うことができ、メタン含有ガス量が変動する場合においても最適な空気過剰率や混合ガス温度へ迅速かつ精度よく制御でき、安定した燃焼を維持できる。
本発明装置の第１実施形態に係る構成図である。 第１実施形態のガスエンジンの燃焼シリンダの断面図である。 第１実施形態のガスエンジンの制御手順を示すフローチャートである。 本発明装置の第２実施形態に係るエンジン制御装置のブロック線図である。 第２実施形態のガスエンジンの制御手順を示すフローチャートである。 本発明装置の第３実施形態に係る構成図である。 炭鉱近傍に設けられたガスエンジン発電設備の模式図である。
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い。
（実施形態１）
本発明装置の第１実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。本実施形態の発電用ガスエンジンは、炭鉱近傍に配設され、燃料ガス及び吸気ガスとして炭鉱坑内から排出されるメタン含有ガスを用いる。図１において、発電用ガスエンジン１０は、内部に燃焼室が形成される複数（図１では４個）の燃焼シリンダを備えた機関本体１２を備え、発電機１６が機関本体１２の出力軸１４と連結されている。
機関本体１２に接続される吸気管１８には、上流側で大気混合室（大気混合部）２０が設けられている。大気混合室２０には大気導入管２２とＶＡＭガス導入管２４とが接続されている。大気導入管２２には大気ａが導入され、ＶＡＭガス導入管２４には、炭鉱坑内から排出された空調用のＶＡＭガスｂが導入される。ＶＡＭガスは、炭鉱坑内の坑道及び切羽から換気のために排出されるメタン含有ガスで、メタン濃度が１重量％未満の希薄濃度のメタンガスが含まれている。大気混合室２０の内部は、大気ａとＶＡＭガスｂとが混合された吸気混合ガスｄとなる。
大気導入管２２及びＶＡＭガス導入管２４には、夫々流量調整弁２６及び２８が介設され、これらの開度はエンジン制御装置（吸気制御手段）９０Ａによって制御される。流量調整弁２６及び２８の開度を制御することによって、大気混合室２０内の吸気混合ガスｄの混合割合が調整される。吸気管１８には、大気混合室２０の下流側に、過給機３０のコンプレッサ３２が設けられている。コンプレッサ３２は、後述する排気管６２に設けられたタービン３４と回転軸３６で連結され、吸気混合ガスｄを加圧して機関本体１２の燃焼シリンダに供給している。
過給機３０の下流側には、吸気冷却器（インタークーラ）３８が設けられている。この吸気冷却器３８には冷却水ｗが導入され、過給機３０を通過した吸気ガスはこの冷却水ｗと熱交換され冷却された後、共通吸気管４０及び吸気枝管４２ａ〜ｄを経て各燃焼シリンダ５６ａ〜ｄに供給される。吸気冷却器３８による吸気ガスの温度制御はエンジン制御装置９０Ａによって制御される。
一方、炭鉱坑内から排出されるＣＭＭガスｃが、燃料ガス供給管４４から機関本体１２に供給される。ＣＭＭガスｃは、石炭層中に混在し、図７に示すように、保安のためにガス抜きボーリン穴２０８から真空ポンプ２１１で回収する回収メタン含有ガスであり、メタン濃度が約２０〜５０重量％含有する高濃度メタン含有ガスである。燃料ガス供給管４４には、上流側から順に、バッファタンク４６、流量調整弁４８及びガス圧縮機５０が介設されている。流量調整弁４８の開度はエンジン制御装置９０Ａによって制御される。
燃料ガス供給管４４は４個の燃料枝管５２ａ〜ｄに分岐し、各燃料枝管５２ａ〜ｄは夫々吸気枝管４２ａ〜ｄに接続されている。
燃料ガス供給管４４に送られたＣＭＭガスｃは、ガス圧縮機５０で圧縮され、燃料枝管５２ａ〜ｄを経て吸気枝管４２ａ〜ｄに供給される。該吸気枝管内で吸気混合ガスｄとＣＭＭガスｃとが予混合され、この混合ガスが燃料ガスｇとなって（図２参照）、各燃焼シリンダ５６ａ〜ｄに供給される。各燃料枝管５２ａ〜ｄには、夫々流量調整弁５４ａ〜ｄが設けられ、これら流量調整弁の開度は、エンジン制御装置９０Ａによって制御される。なお、流量調整弁５４ａ〜ｄによって吸気枝管４２ａ〜ｄへの燃料枝管５２ａ〜ｄの接続部であるガス混合部を構成している。
各燃焼シリンダ５６ａ〜ｄのヘッド部には、夫々排気枝管５８ａ〜ｄが接続されている。排気枝管５８ａ〜ｄは共通排気管６０に接続され、共通排気管６０はさらに排気管６２に接続されている。排気管６２には過給機３０のタービン３４が設けられている。各燃焼シリンダ５６ａ〜ｄから排出される排気ガスｅは、排気枝管５８ａ〜ｄ、共通排気管６０及び排気管６２を経て排気される。また、タービン３４をバイパスするバイパス管６４が排気管６２に接続され、バイパス管６４には流量調整弁６６が介設されている。流量調整弁６６の開度は、エンジン制御装置９０Ａによって制御される。
次に、図２により、機関本体１２の燃焼シリンダ５６ａ〜ｄのヘッド部の構成を説明する。図２において、燃焼シリンダ５６ａ〜ｄの内部でピストン７０が往復動する。ピストン７０の上面に凹み７０ａが刻設され、この凹み７０ａの上方に主燃焼室ｍが形成される。燃焼シリンダ５６ａ〜ｄの上面中央には、インジェクタケース７２が装着されている。インジェクタケース７２の内部には、インジェクタ７６が装着されており、インジェクタ７６の下方には副室ｓが形成されている。インジェクタ７６には、インジェクタケース７２を貫通して導管７８が接続されており、導管７８を通してインジェクタ７６の内部にパイロット燃料ｐが供給される。
インジェクタケース７２の両側の燃焼シリンダ上面には、吸気枝管４２ａ〜ｄに連通した吸気口と、排気枝管５８ａ〜ｄに連通した排気口とが設けられている。また、該吸気口を開閉する吸気弁８０と、該排気口を開閉する排気弁８２とが設けられている。各排気枝管５８ａ〜ｄには、排気ガスの温度を検出する排気温度センサ８４が設けられ、排気温度センサ８４の検出値はエンジン制御装置９０Ａに送られる。
吸気枝管４２ａ〜ｄを流れる吸気混合ガスｄに対して、燃料枝管５２ａ〜ｄからＣＭＭガスｃが供給され、両者は予混合し、燃料ガスｇとなって、吸気口から燃焼シリンダ５６ａ〜ｄ内に供給される。該燃焼シリンダ内の燃料ガスｇは、ピストン７０によって加圧され、高圧高温状態となってインジェクタケース７２の下部に穿設された噴孔７４から副室ｓに入る。一方、インジェクタ７６から副室ｓにパイロット燃料ｐが噴霧され、該パイロット燃料ｐは、高温高圧状態の燃料ガスｇによって着火し、着火した副室ｓ内の火炎は、インジェクタケース７２の下部に穿設された孔７４から主燃焼室ｍに伝播し、主燃焼室ｍで火炎ｆが広がる。
主燃焼室ｍで燃料ガスｇが膨脹し、ピストン７０を下方へ押し下げて出力軸１４を回転させる。燃焼した後の排ガスｅは、排気枝管５８ａ〜ｄ、共通排気管６０及び排気管６２を通って排出される。
図１に戻り、出力軸１４の回転速度を検出する回転速度センサ８５や、各燃焼シリンダ５６ａ〜ｄの主燃焼室ｍの圧力を検出する図示省略の筒内圧力センサ等が設けられ、排気温度センサ８４を含む前記センサで検出された検出値は、エンジン制御装置９０Ａに送られる。これらの検出値に基づいて、エンジン出力制御手段９２によってガスエンジン１０の出力や主燃焼室ｍでの燃焼状態が制御される。
また、過給機３０と大気混合室２０との間の吸気管１８に、過給機３０のコンプレッサ３２に流入する吸気混合ガスｄの温度を検出する吸気温度センサ８７と、吸気ガス圧力を検出する吸気圧力センサ８８が設けられている。これらの検出値がエンジン制御装置９０Ａに送られる。
かかる構成において、エンジン制御装置９０Ａの過給機制御手段９４によって、流量調整弁６６の開度が制御され、バイパス管６４を流れる排気ガスの流量が制御される。これによって、排気管６２を流れる排気ガス流量が制御されて、過給機３０のタービン回転数が制御され、吸気管１８を流れる吸気ガスの流量が制御される。
このように、過給機３０に流入する吸気ガスの流量を制御することによって、前記燃焼室に供給される混合ガスｇの空気過剰率λを目標空気過剰率に制御する。
空気過剰率λの算出方法は、吸気温度センサ８７及び吸気圧力センサ８８で吸気混合ガスｄの温度及び圧力を検出し、これらの検出値から吸気混合ガスｄの密度を算出する。次に、この密度から流量を算出する。一方、燃料ガス供給管４４を流れるＣＭＭガスｃの流量を流量調整弁４８の開度から算出する。こうして算出された吸気混合ガスｄの流量と、ＣＭＭガスｃの流量とから、空気過剰率近似値λ’を算出する。吸気混合ガスｄにはＶＡＭガスｂのメタンガスが含まれているため、前記計算方法では空気過剰率λの正確な計算値は出ないが、ＶＡＭガスｂのメタン濃度は、通常１重量％未満と極めて低いので、吸気管１８内の吸気混合ガスｄを空気と同等として扱い、λ’≒λと見做して算出する。
図１において、大気導入管２２から導入する大気ａの温度をＴＡｉｒ、流量をＱＡｉｒで表し、ＶＡＭガス導入管２４から導入するＶＡＭガスｂの温度をＴＶＡＭ、流量をＱＶＡＭで表し、過給機３０に流入する吸気混合ガスｄの温度をＴＶ＋Ａ、流量をＱＶ＋Ａで表す。なお、ＱＶ＋Ａ＝ＱＡｉｒ＋ＱＶＡＭである。
炭鉱坑内から排出されるＶＡＭガスｂの温度は、通常、大気圧下で２０〜２５℃であるが、吸気管１８を流れる吸気混合ガスｄは、コンプレッサ３２で昇温する。主燃焼室ｍに供給される燃料ガスｇの温度は、主燃焼室ｍでの燃料ガスｇの燃焼状態に影響し、燃料ガスｇの温度によっては失火やノッキング等の異常燃焼が生じるおそれがある。また、吸気混合ガスｄの密度は温度によって異なるので、吸気混合ガスｄの温度は空気過剰率λにも影響する。
そのため、通常、主燃焼室ｍに供給される燃料ガスｇの温度は、４０〜４５℃以下の所定の範囲内に制御される必要がある。過給機３０の下流側の吸気冷却器３８によって、吸気混合ガスｄは冷却制御されるが、吸気冷却器３８の性能の限界、および、安定した空気過剰率制御を行うために、過給機３０に流入する吸気混合ガスｄの温度を２０〜２５℃にする必要がある。この吸気温度制御手順を図３により説明する。
本実施形態では、過給機制御手段９４によって、過給機３０のコンプレッサ３２を通過して燃焼室に供給される吸気混合ガスｄの流量ＱＶ＋Ａが制御され、目標空気過剰率λ０となる流量に制御される。目標空気過剰率λ０は、例えば、排気ガスｅ中のＮＯＸ濃度の低減等の観点から、λ０＝２．０と設定される。図３は、この目標空気過剰率の過給機３０の制御状態において、該吸気混合ガスｄの温度ＴＶ＋Ａを設定温度ＴＳＵＣ（ＴＳＵＣ１＜ＴＳＵＣ＜ＴＳＵＣ２）に制御する制御手順を示すフローチャートである。このＴＳＵＣの範囲は、例えば一定温度の範囲としては２０℃〜２５℃の範囲である。
図３において、ステップＳ１０で制御を開始し、ステップＳ１２でＴＶ＋Ａ＜ＴＳＵＣ１であるとき、ステップＳ１４に進む。ステップＳ１４でＴＳＵＣ１＜ＴＶＡＭのとき、吸気温度制御部９６で流量調整弁２６及び２８の開度を制御することによって、ＶＡＭガス流量ＱＶＡＭを増やし、大気流量ＱＡｉｒを減らす。これによって、吸気混合ガスｄの温度ＴＶ＋Ａを上昇させ、設定温度範囲になるようにする。なお、ＶＡＭガス流量ＱＶＡＭと大気流量ＱＡｉｒとの合計流量である吸気混合ガスｄの流量ＱＶ＋Ａは変更しない。
ステップＳ１４でＴＳＵＣ１＜ＴＶＡＭでないときはステップＳ１６に進む。ステップＳ１６でＴＳＵＣ１＜ＴＡｉｒであるとき、ＶＡＭガス流量ＱＶＡＭを減らし、大気流量ＱＡｉｒを増やす。これによって、吸気混合ガスｄの温度ＴＶ＋Ａを上昇させ、設定温度範囲になるようにする。
ステップＳ１６でＴＳＵＣ１＜ＴＡｉｒでないときは、ＶＡＭガス温度ＴＶＡＭ、および大気温度ＴＡｉｒがともにＴＳＵＣ１より高いため、吸気混合ガスｄの温度を設定範囲に制御できないと判断する。そのため、空気過剰率補正手段９８で、吸気混合ガスｄが外れた温度域である場合の運転に適した目標空気過剰率λ０’（例えばλ０’＝２．０＋０．１）に補正する。そして、補正後の目標空気過剰率λ０’となるように、吸気混合ガスｄの設定流量ＱＳＵＣを変更し（ＱＳＵＣ→ＱＳＵＣ＋ｉ）、過給機制御手段９４によって、吸気混合ガスｄの流量がＱＳＵＣ＋ｉとなるように流量調整弁６６の開度を制御する。
また、ステップＳ１２でＴＶ＋Ａ＜ＴＳＵＣ１でないとき、ステップＳ１８に進む。ステップＳ１８でＴＳＵＣ２＜ＴＶ＋Ａでないときは、吸気混合ガス温度ＴＶ＋Ａが設定温度範囲にあるので、ステップＳ１２に戻る。ステップＳ１８でＴＳＵＣ２＜ＴＶ＋Ａであるときは、ステップＳ２０に進む。ステップＳ２０でＴＶＡＭ＜ＴＳＵＣ２であるときは、ＶＡＭガス流量ＱＶＡＭを増やし、大気流量ＱＡｉｒを減らす。これによって、吸気混合ガスｄの温度ＴＶ＋Ａを下降させ、設定温度範囲になるようにする。
ステップＳ２０でＴＶＡＭ＜ＴＳＵＣ２でないときは、ステップＳ２２に進む。ステップＳ２２でＴＡｉｒ＜ＴＳＵＣ２のときは、ＶＡＭガス流量ＱＶＡＭを減らし、大気流量ＱＡｉｒを増やす。これによって、吸気混合ガスｄの温度ＴＶ＋Ａを下降させ、設定範囲になるようにする。
ステップＳ２２でＴＡｉｒ＜ＴＳＵＣ２でないときは、ＶＡＭガス温度ＴＶＡＭ、および大気温度ＴＡｉｒがともにＴＳＵＣ２より低いため、吸気混合ガスｄの温度を設定範囲に制御できないと判断する。そのため、空気過剰率補正手段９８で、混合ガスが外れた温度域である場合の運転に適した目標空気過剰率λ０’’（例えばλ０’’＝２．０−０．１）に補正する。そして、補正後の目標空気過剰率λ０’’となるように、吸気混合ガスｄの設定流量ＱＳＵＣを変更し（ＱＳＵＣ→ＱＳＵＣ−ｉ）、過給機制御手段９４によって吸気混合ガスｄの流量がＱＳＵＣ−ｉとなるように流量調整弁６６の開度を制御する。
なお、本実施形態では、吸気温度制御部９６によって吸気混合ガスｄの温度ＴＶ＋Ａを制御するとき、許容範囲内でＶＡＭガスｂの流量ＱＶＡＭが常に最大となるように制御している。これによって、ＶＡＭガス量を最大限に利用できるようにしている。
本実施形態によれば、炭鉱坑内から排出されるＶＡＭガスｂをガスエンジン１０の吸気ガスとして利用すると共に、ＣＭＭガスｃをガスエンジン１０の燃料ガスとして利用するので、温室効果ガスであるメタンガスの炭鉱坑内からの大気放出量を削減できる。
また、過給機制御手段９４によって過給機３０のタービン３４をバイパスする排気ガスｅの流量を制御することにより、燃焼シリンダ５６ａ〜ｄに供給される燃料ガスｇの空気過剰率λを目標空気過剰率に制御できる。そのため、排気ガスｅ中のＮＯＸ等の発生を抑制できると共に、ノッキング等の異常燃焼を生じることなく、エンジン性能を最大限に発揮できる。
また、大気ａとＶＡＭガスｂとの吸気混合ガスｄを吸気ガスとしているので、ＶＡＭガスｂの供給量に応じて大気供給量を調整することにより、燃焼シリンダ５６ａ〜ｄへの吸気ガスの供給を安定化できる。そのため、ＶＡＭガスｂが大きく変動しても燃焼シリンダ５６ａ〜ｄへの吸気ガスの供給量を安定化できる。
さらに、吸気ガス中に大気ａを導入することで、吸気ガス温度を制御しているので、吸気ガス温度の制御が容易になる。そして、過給機３０への流入前の吸気ガス温度を２０〜２５℃の範囲になるように制御することによって、過給機制御手段９４による空気過剰率の制御や、過給機３０の下流側に設置された吸気冷却器３８による吸気ガス温度の制御を安定的に行うことができ、メタン含有ガス量が変動する場合においても最適な空気過剰率の制御、および燃焼室への最適な混合ガス温度への制御が、迅速かつ精度よく行うことができ、安定した燃焼を維持できる。
また、吸気管１８の大気ａとＶＡＭガスｂとの混合割合を調整しても、吸気混合ガスｄの温度を設定範囲に調整できないときは、空気過剰率補正手段９８によって、吸気混合ガスｄが外れた温度領域で運転される場合に適した目標空気過剰率に変更しているので、ガスエンジンの運転に支障を来たさない。すなわち、目標空気過剰率λが、例えばλ＝２．０から１．９に補正した場合には、理論的な空気過剰率からずれるためにＮＯｘ等の排ガス性能に悪影響を及ぼすが、ガスエンジンが制御可能な目標空気過剰率とすることでガスエンジンを安定的に運転することができる。
また、大気ａとＶＡＭガスｂとの混合割合は、空気過剰率λを目標空気過剰率に制御できる範囲で、かつ吸気混合ガスｄの温度を設定範囲に制御できる条件の下で、ＶＡＭガス流量が最大限となるように調整されている。そのため、ＶＡＭガスｂの大気放出量を最大限削減できると共に、ＶＡＭガスｂ中に含まれるメタンガスの熱量を最大限利用できるので、高濃度メタン含有ガスのＣＭＭガスの消費量を削減できる。
（実施形態２）
次に、本発明装置の第２実施形態を図４及び図５により説明する。本実施形態は、吸気混合ガスｄの温度が既に設定範囲に入っており、このとき、空気過剰率λを目標空気過剰率に制御する場合の例である。図４は、本実施形態のエンジン制御装置９０Ｂを示す。エンジン制御装置９０Ｂは、第１実施形態で用いられるエンジン制御装置９０Ａと比べて、エンジン制御装置９０Ａの吸気温度制御部９６及びλ補正手段９８の代わりに、吸気流量制御部１００を設けている。エンジン制御装置９０Ｂのその他の構成は、エンジン制御装置９０Ａと同一である。また、エンジン制御装置以外の全体構成も第１実施形態と同一である。
吸気流量制御部１００は、吸気温度センサ８７及び吸気圧力センサ８８の検出値に基づいて、流量調整弁２６及び２８の開度を調整し、これによって、大気ａとＶＡＭガスｂとの混合割合を調整して、過給機３０に流入する吸気混合ガスｄの流量を調整可能にしている。以下、本実施形態の吸気混合ガスｄの流量調整手順を図５により説明する。
図５では、吸気混合ガスｄの流量ＱＶ＋Ａを一定の範囲内（ＱＳＵＣ１＜ＱＳＵＣ＜ＱＳＵＣ２）に制御するフローチャートである。即ち、設定した目標空気過剰率λに対する
吸気混合ガスｄの流量ＱＶ＋Ａの制御範囲の最小値をＱＳＵＣ１，最大値をＱＳＵＣ２とし，ＱＶ＋Ａがこの制御範囲に入り、且つＶＡＭガスｂの流量ＱＶＡＭを供給可能な中で最大とする制御を行う例を示す。図中、ＱＶＡＭ２はＶＡＭガスｂの最大限界量である。
図５において、ステップとＳ３０で制御を開始する。ステップＳ３２で、ＱＶ＋Ａ＜ＱＳＵＣ１であるときは、ステップＳ３４に進む。ステップＳ３４で、ＱＶＡＭ＜ＱＶＡＭ２であるときは、ＶＡＭガスｂの流量を増やして、吸気混合ガスｄの流量を増量し、設定範囲になるようにする。ＱＶＡＭ＜ＱＶＡＭ２でないときは、ＶＡＭガス流量を減らして、ＶＡＭガス流量をＱＶＡＭ２以下にすると共に、大気ａの流量を増やして吸気混合ガスｄの流量を増量し、設定範囲になるようにする。
ステップＳ３２で、ＱＶ＋Ａ＜ＱＳＵＣ１でないときは、ステップＳ３６に進む。ステップＳ３６で、ＱＳＵＣ２＜ＱＶ＋Ａでないときは、吸気混合ガスｄの流量が設定範囲内であるので、ステップＳ３２に戻り、同じ手順を繰り返す。
ステップＳ３６で、ＱＳＵＣ２＜ＱＶ＋Ａであるときは、ＱＶ＋Ａが設定範囲を越えており、ステップＳ３８に進む。ステップＳ３８で、０＜ＱＡｉｒのときは、大気ａの流量を減らして、ＱＶ＋Ａが設定範囲となるようにする。０＜ＱＡｉｒでないときは、ＶＡＭガスｂの流量を減らして、ＱＶ＋Ａが設定範囲になるようにする。
このようにして、過給機３０の流入側の吸気混合ガスｄの流量を設定範囲に維持する。本実施形態によれば、吸気流量制御部１００によって、過給機３０の流入側の吸気混合ガス量を制御することによって、過給機制御手段９４による空気過剰率の制御を急速かつ精度良く行なうことができる。また、メタン含有ガス量が変動する場合においても、空気過剰率の制御を安定的に行うことができる。
（実施形態３）
次に、本発明装置の第３実施形態を図６により説明する。図６において、バッファタンク４６に燃料ガス分岐管１１０を接続すると共に、コンプレッサ３２と大気混合室２０との間の吸気管１８にガスミキサ１１２を設けている。そして、燃料ガス分岐管１１０をガスミキサ１１２に接続して、ＣＭＭガスｃの一部をガスミキサ１１２から吸気管１８に供給するようにしている。燃料ガス分岐管１１０には、フィルタ１１４と流量調整弁１１６とが介設されている。流量調整弁１１６の開度はエンジン制御装置９０Ａによって制御される。エンジン制御装置９０Ａを含めて、その他の構成は、前記第１実施形態と同一である。
なお、第３実施形態においては、流量調整弁５４ａ〜ｄとガスミキサ１１２とによってガス混合部を構成している。
本実施形態では、第１実施形態と同様の操作で、空気過剰率の制御と吸気混合ガスｄの温度制御とが行なわれる。その際、ＣＭＭガスｃの一部は、燃料ガス分岐管１１０を通して吸気管１８に供給される。
本実施形態では、ＣＭＭガスｃの一部を吸気管１８に供給しているので、第１実施形態の作用効果に加えて、燃料ガス供給管４４を通して吸気枝管４２ａ〜ｄに供給されるＣＭＭガスｃの流量を低減できる。そのため、吸気枝管４２ａ〜ｄ及び流量調整弁５４ａ〜ｄ等の機器類を小型化できるので、設置スペースを要さず、設備費が低コストとなる利点がある。
本発明の発電用ガスエンジンによれば、メタン含有ガスを有効利用して温室効果ガスの放出を抑制できると共に、適正空気過剰率の下で安定燃焼を行なうことができる。
１０ 発電用ガスエンジン
１２ 機関本体
１４ 出力軸
１６ 発電機
１８ 吸気管
２０ 混合室（大気混合部）
２２ 大気導入管
２４ ＶＡＭガス導入管
２６、２８ 流量調整弁（混合割合調整装置）
４８、６６、１１６ 流量調整弁
５４ａ〜ｄ 流量調整弁（ガス混合部）
３０ 過給機
３２ コンプレッサ
３４ タービン
３６ 回転軸
３８ 吸気冷却器
４０ 共通吸気管
４２ａ〜ｄ 吸気枝管
４４ 燃料ガス供給管
４６ ガスホルダ
５０ ガス圧縮機
５２ａ〜ｄ 燃料枝管
５６ａ〜ｄ 燃焼シリンダ
５８ａ〜ｄ 排気枝管
６０ 共通排気管
６２ 排気管
６４ バイパス管
７０ ピストン
７２ インジェクタケース
７４ 孔
７６ インジェクタ
７８ 導管
８０ 吸気弁
８２ 排気弁
８４ 排気温度センサ
８５ 回転速度センサ
８７ 吸気温度センサ
８８ 吸気圧力センサ
９０Ａ、９０Ｂ エンジン制御装置（吸気制御手段）
９２ エンジン制御手段
９４ 過給機制御手段
９６ 吸気温度制御部
９８ λ補正手段
１００ 吸気流量制御部
１１０ 燃料ガス分岐管
１１２ ガスミキサ（ガス混合部）
１１４ フィルタ
２００ ガスエンジン発電設備
２０２ 炭鉱坑内ユーティリティー設備
２０４ 切羽
２０６ 換気孔
２０８ ガス抜きボーリング穴
２１０，２１２ 管路
２１１ 真空ポンプ
ＣＭ 炭鉱
Ｃ０ 炭層
Ｃ１ 採掘炭層
ａ 大気
ｂ ＶＡＭガス
ｃ ＣＭＭガス
ｄ 吸気混合ガス
ｅ 排気ガス
ｇ 混合ガス（燃料ガス）
ｐ パイロット燃料
ｗ 冷却水

Claims (5)

  1. 出力軸に連結された発電機と、炭鉱から排出される空調用の希薄濃度メタン含有ガスが供給される吸気通路と、該吸気通路の途中に高濃度メタン含有ガスを混合するガス混合部とを備え、希薄濃度メタン含有ガスと高濃度メタン含有ガスとを混合して燃焼室に供給し燃焼させるようにしたガスエンジンにおいて、
    前記ガス混合部の上流側吸気通路に設けられた過給機と、該過給機の上流側吸気通路に設けられ、希薄濃度メタン含有ガスに大気を混合させる大気混合部と、該大気混合部で希薄濃度メタン含有ガス及び大気の混合割合を調整する混合割合調整装置と、該混合割合調整装置を制御して前記過給機に流入する吸気ガスの温度を一定範囲内に制御する吸気制御手段と、を備え、
    さらに、排気通路に設けられた前記過給機のタービンと並設され、排気ガスの一部を該タービンからバイパスさせるバイパス路と、該バイパス路の排気ガス流量を調整する排気流量調整弁と、該排気流量調整弁を制御して過給機の動作を制御する過給機制御手段と、を備え、前記燃焼室に供給される混合ガスの空気過剰率が目標空気過剰率になるように、該過給機制御手段によって過給機を通過する吸気ガス流量を制御し、
    さらに、前記吸気制御手段には吸気温度制御部を有し、該吸気温度制御部は、前記混合割合調整装置を制御して希薄濃度メタン含有ガスと大気との混合割合を調整し、過給機上流側の吸気通路の吸気ガス温度を、前記過給機制御手段による目標空気過剰率への制御が安定的に行われる一定温度範囲内に制御することを特徴とするガスエンジン。
  2. 目標空気過剰率を補正する目標空気過剰率補正手段を備え、前記吸気温度制御部によって希薄濃度メタン含有ガスと大気との混合割合を制御しても、過給機に流入する吸気ガスの温度を前記一定温度範囲内に制御できないとき、前記目標空気過剰率補正手段によって目標空気過剰率を変更するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のガスエンジン。
  3. 前記吸気制御手段には吸気流量制御部を有し、該吸気流量制御部は、前記混合割合調整装置を制御して過給機上流側の吸気ガス流量を、前記過給機制御手段による目標空気過剰率への制御が安定的に行われる一定範囲内に制御することを特徴とする請求項１に記載のガスエンジン。
  4. 前記大気混合部に供給される希薄濃度メタン含有ガスの流量が常に許容最大量となるように前記混合割合制御装置を制御するようにしたことを特徴とする請求項１〜３いずれかの項に記載のガスエンジン。
  5. 高濃度メタン含有ガスの一部を前記過給機の上流側でかつ前記大気混合部の下流側の吸気通路に供給するように構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載のガスエンジン。
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