JP5506720B2

JP5506720B2 - ガスエンジンシステム

Info

Publication number: JP5506720B2
Application number: JP2011049706A
Authority: JP
Inventors: 晋作土橋; 昌純田浦; 千幸人塚原; 晃広柚木; 礼子百目木; 智美小松
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-03-07
Filing date: 2011-03-07
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2031-03-07
Also published as: JP2012184740A

Description

本発明は、オンラインで燃料ガスの組成を把握して、燃焼状態の良否を判定して安定燃焼を継続するガスエンジンシステムに関する。

従来から、気薄混合ガス燃料をエンジンの主室に導入し、主室に隣接して設けられた副室内に、ガス燃料及び主室内の気薄混合ガス燃料を着火しやすい濃度になるように導入して混合し、副室内で混合ガス燃料を着火し、複数の噴孔から噴出する火炎により主室に向けてトーチを形成して、主室内の気薄混合ガス燃料を燃焼させる副室式ガスエンジンが知られている（特許文献１）。

特開２００９−２０３９５２号公報

ところで、ガスエンジンにおいては、副室に導入されるガス燃料のカロリーが変動した場合、副室内の安定燃焼が実現されず、ガスエンジン全体の燃焼が不安定化する、という問題がある。

１）そのため、燃焼状態が安定しているかを常時監視する必要がある。
２）燃焼状態の安定性を監視する手段として、例えば排ガス組成の分析があり、例えば光吸収法やガスクロマトグラフ（ＧＣ）分析等が知られている。
３）しかしながら、燃焼状態を把握する際において、ＧＣ分析では、例えば水（Ｈ₂Ｏ）、光吸収分析では例えばＮ₂、Ｈ₂等の等核二原子分子の判定が困難であるという問題がある。
４）よって、排ガス組成分析手段としてＨ₂Ｏ、Ｎ₂、Ｈ₂等の分析が可能なラマン散乱光分析手法が注目されている。
５）ところで、このラマン散乱分析手法をエンジンの排ガス分析に適用する場合、ラマン散乱分析が、一点分析法であるので、分析装置が大掛かりとなる、という問題がある。
６）例えばガスエンジンでは、多気筒にて構成されるのが一般的であり、排ガスのサンプリング点が、複数存在する。
７）よって、複数点の排ガス組成を同時に測定することができるガスエンジンシステムの出現が切望されている。

本発明は、前記問題に鑑み、ガスエンジンからの排ガスをオンライン計測し、燃焼状態の把握が可能なガスエンジンシステムを提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、レーザ光を発振するレーザ照射装置、前記レーザ照射装置から発振されたレーザ光をガスエンジンの複数の気筒の排気管内の排ガスにそれぞれ照射してラマン散乱光を発生させる測定領域、及び発生した前記ラマン散乱光を計測するレーザ受光手段を備え、前記各排気管内の排ガス中の排ガス組成をそれぞれ分析するレーザ分析装置と、前記レーザ分析装置での分析の結果、分析結果に応じて燃焼の良否を判定する燃焼判定手段とを具備し、前記燃焼判定手段の判定結果に基づいて前記ガスエンジンの運転状態を制御する、ことを特徴とするガスエンジンシステムにある。

第２の発明は、第１の発明において、前記レーザ分析装置は、前記レーザ照射手段から照射されるパルスレーザ光のパルス幅に応じて連続撮影が可能な撮像手段を有することを特徴とするガスエンジンシステムにある。

第３の発明は、第１又は２の発明において、前記エンジンの運転制御が、各気筒への燃料の供給を遮断することを特徴とするガスエンジンシステムにある。

第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、前記燃焼判定手段は、排ガス中の水分（Ｈ _２Ｏ）、窒素（Ｎ _２）、及び酸素（Ｏ _２）を計測し、燃焼状態を判定することを特徴とするガスエンジンシステムにある。

第５の発明は、第４の発明において、前記燃焼判定手段の判定の結果、燃焼状態が不安定であると判断された排気管の排ガスは燃料ガス処理手段に導入する制御を行うことを特徴とするガスエンジンシステムにある。

第６の発明は、第４又は５の発明において、前記排気ガスと燃料ガスのガス組成を計測するレーザ分析装置を共用し、燃料ガス組成と排ガス組成とを同時に監視し、その燃焼状態を把握することを特徴とするガスエンジンシステムにある。

本発明によれば、ガスエンジンに導入する燃料ガスをオンラインで連続して燃焼状態の良否を判定して安定したガスエンジンの燃焼を確保することができる。

図１は、実施例１に係るガスエンジンシステムの概略図である。図２は、実施例１に係るガスエンジンシステムの排ガス処理の装置の概略図である。図３は、実施例１に係るガスエンジンシステムの排ガス処理監視状態を示す図である。図４は、実施例１に係る他のガスエンジンシステムの排ガス処理監視状態を示す図である。図５は、実施例２に係るガスエンジンシステムの概略図である。図６は、実施例１に係るガスエンジンシステムの排ガス計測チャートである。図７は、低カロリーガスを燃料とするガスエンジンの構成を示す燃焼室周りの構成図である。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

例えばガス化炉からのガス化ガス等のメタン濃度が低い低カロリーガスを燃料とするガスエンジンは、該低カロリーガスを副室内に噴射し点火プラグにて着火させて、かかる副室の着火燃焼により発生した着火火炎を、前記副室と主燃焼室を接続する連絡孔を通して該主燃焼室に噴出させて、該噴出火炎により、前記副室側と分離して給気ポートを通して吸入した低カロリーガスにより形成した主燃焼室の混合気を燃焼させるように構成されている。

図７は、低カロリーガスを燃料とするガスエンジンの構成を示す燃焼室周りの構成図である。図７において、符号１００で示されるエンジン（ガスエンジン）は、点火プラグを用いた副室点火式４サイクルガスエンジンであり、シリンダライナ１０２ａ内に往復摺動自在に嵌合されたピストン１０２、シリンダヘッド１０５の下面と前記ピストン１０２の上面とシリンダライナ１０２ａの内面との間に区画形成される主燃焼室１０１を備えている。

また、前記エンジン１００は、前記主燃焼室１０１に接続される給気ポート１０３、該給気ポート１０３を開閉する給気弁１０４、該主燃焼室１０１に接続される排気ポート１０６、該排気ポート１０６を開閉する排気弁１０７等を備えている。
前記排気ポート１０６は、排気管１０８を経て排気ターボ過給機１０９のタービン１０９ａに接続される。該タービン１０９ａを駆動した後の排ガスは排気管１０８を通って、触媒層等からなる排ガス浄化装置１１０に入り、該排ガス浄化装置１１０で浄化されてから、排ガス管１１１から大気中に排出される。
一方、該タービン１０９ａに同軸駆動されるコンプレッサ１０９ｂは、空気１１２を圧縮し、圧縮空気は空気管１１３を通ってガスミキサー１１４に入る。

燃料ガス１１は、例えば炭鉱メタン等のメタン濃度が低い低カロリーガスを使用し、該低カロリーガスが燃料ガス供給源１１５に収納されている。
また、燃料ガス１１は燃料ガス供給管１２から分岐された主室用燃料ガス管１２Ａを通して、ガス量調整弁１１６に至り、該ガス量調整弁１１６にてガス量及び開閉期間を調整されて、ガスミキサー１１４に入る。
該ガスミキサー１１４では、前記空気管１１３からの空気１１２と前記主室用燃料ガス管１２Ａからの低カロリーの燃料ガス１１とを予混合して予混合ガスを生成して、この予混合ガスをエンジンの給気ポート１０３に投入する。
そして、この予混合ガスは給気ポート１０３を経て給気弁１０４に達し、該給気弁１０４の開弁によって前記主燃焼室１０１内に供給されている。

副室口金１１７は、口金押え１１８によりシリンダヘッド１０５に上面から固定されている。前記副室口金１１７内には、一定容積を有する副室１１９が形成されている。該副室１１９の上部には点火プラグ１２０が固定され、該点火プラグ１２０によって副室１１９内のガスに点火するようになっている。また、前記口金押え１１８には継手１２１がねじ込まれ、該継手１２１は、一端側が前記燃料ガス供給管１２から分離した副室用燃料ガス管１２Ｂに接続され、他端側が副室１１９に開孔する燃料通路１２２に接続している。

燃焼時においては、前記のように、低カロリーガス供給源１１５からの低カロリーの燃料ガス１１は、前記燃料ガス供給管１２を通って、副室用燃料ガス管１２Ｂを介して燃料通路１２２に入り、該燃料通路１２２から副室１１９内に噴出される。この際に所定の時期に前記点火プラグ１２０によって火花放電され、この着火燃焼により発生した着火火炎が、連絡孔１２３を通して該主燃焼室１０１に噴出される。
一方、前記主室用燃料ガス管１２Ａを通った分岐後の低カロリーガスは、ガス量調整弁１１６にてガス量及び開閉期間を調整されて、ガスミキサー１１４に入る。

前記ガスミキサー１１４では、前記のようにして、低カロリーガスと空気との予混合ガスが生成されて、この予混合ガスをガスエンジン１００の給気ポート１０３に投入する。この予混合ガスは給気ポート１０３を経て給気弁１０４に達し、該給気弁１０４の開弁によって前記主燃焼室１０１内に供給される。
一方、前記点火プラグ１２０によって火花放電され、この着火燃焼により発生した着火火炎が、前記連絡孔１２３を通して該主燃焼室１０１中の予混合ガスに噴出され、主燃焼室１０１のガスが燃焼される。
主燃焼室１０１にて燃焼した燃焼後の排ガス１２４は排気ポート１０６を通り、排気管１０８を経て排気ターボ過給機１０９のタービン１０９ａに送られる。

本発明では、このようなガスエンジンからの排ガスを各気筒ごとにその性状を分析して適切な運転となるように制御するものである。

図１は、本実施例に係る燃料ガスエンジンシステムの概略図である。
図１に示すように、本実施例に係るガスエンジンシステム１０Ａは、ガスエンジン１００の各々の気筒（本例では４気筒）からの排ガス１２４Ａ〜１２４Ｄのガス組成をレーザ分析装置１４により計測している。なお、図１においては、燃料ガス１１のガス導入管は各気筒への図示を省略している。
なお、ガスエンジン１００は４気筒に限らず、その用途に応じて８気筒、１５気筒等の複数の気筒を備えることができる。

ここで、ガスエンジン１００に供給する燃料ガス１１としては、炭鉱メタン等の低カロリーガス、シェールガス、熱分解ガス、プロセスガス、石炭ガス、バイオマスガス化ガス、コンバータガス等を挙げることができる。

前記レーザ分析装置１４は、図１に示すように、レーザ光１３を発振するレーサ゛照射装置１５と、各排気管１０８Ａ〜１０８Ｄ内に発振されたレーザ光１３を導入し、燃料ガス１１に照射してラマン散乱光１６を発生させる測定領域と、発生したラマン散乱光１６を計測する分光部１８ａ及び撮像手段１８ｂを有するレーザ受光手段１８とを具備するものである。
図１中、符号２６はビームダンパ、２７ａ、２７ｂは石英窓を図示する。また、排ガスによる窓２７ｂの汚れを防止するために、窓２７ｂの内側に窒素パージを行い、清浄化を保つようにしている。

ここで、レーザ照射装置１５からのレーザ光１３は、図示しない集光手段により集光し、次いで各排気管１０８Ａ〜１０８Ｄ内へ送られ、測定領域内にレーザ光１３を入射させ、排ガス１２４Ａ〜１２４Ｄへ照射している。
なお、本実施例では、排気管内に直接レーザ光１３を導入するものであるが、排気管から分枝するサンプルラインを設け、このサンプルラインにレーザ光１３を導入するようにしてもよい。

また、測定領域から散乱されたラマン散乱光１６は、例えば偏光子、集光レンズ及びフィルタ等の光学群（図示せず）を介して分光部１８ａで分光され、該分光部１８ａに接続された例えばＩＣＣＤカメラ等の撮像手段１８ｂにより各波長の光の強度を計測する。

前記ＩＣＣＤカメラからの計測データは、データ処理手段（ＣＰＵ）１９に送られ、ここで計測データの処理がなされ、処理したデータは燃焼判定手段２０に送られ、ここで、排ガス中の水分（Ｈ₂Ｏ）、窒素（Ｎ₂）、酸素（Ｏ₂）を計測し、燃焼状態を燃焼判定手段２０により、判定する。

ここで、レーザ分析装置１４は、複数の排ガスと同時に計測するので、光検出器１８ｂとしてストリークカメラを用いている。

レーザ照射装置１５から発振されるレーザ光１３がパルスレーザ光の場合、パルスレーザのパルス幅は１×１０^-9ｓ（１ｎｓ）で空間分解能は約３０ｃｍであり、パルス幅が１×１０^-12ｓ（１ｐｓ）で空間分解能は約０．３ｍｍである。光検出器１８ｂにおいてストリークカメラを用いることにより、３０ｐｓの連続撮影が可能となる。ここで、このときの空間分解能は１．０ｃｍ程度である。よって、パルスレーザのパルス幅はストリークカメラの連続撮影が可能な撮影スピードに対応可能であり、パルスレーザのパルス幅とストリークカメラの撮影スピードとの間隔を調整することで、排ガス１２４Ａ〜１２４Ｄの計測が可能となる。

このストリークカメラを用いて、排ガスを分析することで、排ガス組成が一定である場合には、燃焼が良好であると判断し、排ガス組成が不安定（例えば燃料ガス組成が検出される等）の場合、燃焼が不安定であると判断する。

本実施例では、各排気管の排ガスの性状を同時に計測するように、排気管１０８Ａ〜１０８Ｄに対して１本のレーザ光１３を通過可能となるように、排気管を配置している。
また、ストリークカメラで計測する場合には、光ファイバ４４（４４Ａ〜４４Ｄ）の長さを同じとしているが、光ファイバ４４の長さを調節して、検出の時間を広げることにより、ＩＣＣＤカメラでの検出も可能である。

また、光ファイバの長さの調節による、遅延回路以外には、図４に示すように、各排気管の間に４箇所のミラー５１ａ〜５１ｄを設置し、ミラー５１ｂ、５１ｃは可動部５２に設置して、移動自在として、レーザ光の移動距離を可変としている。
これにより、時間差を用いてストリークカメラで計測することができる。

前述したように、ストリークカメラで排ガスの成分を計測する際、レーザ光１３のパルスは１ｎｓであり、光は約３０ｋｍ／ｓの速さで進むので、１ｎｓのパルスレーザ光は約３０ｃｍ／ｎｓとなる。排気管１０８Ａ〜１０８Ｄの配管同士の間隔Ｐ₁〜Ｐ₃が１.２ｍであると、４ｎｓ進むので、４ｎｓごとにずれたラマン散乱を受光部４３Ａ〜４３Ｄで受光することができる。

図６は、排気管ごとの排ガスのラマン散乱計測結果である。
そして、ラマン散乱計測の結果より、排ガス１２４Ａ〜１２４Ｄ（図６中、チャートＮｏ．１〜Ｎｏ．４に対応）中に燃料ガス成分の発生があるか否かをレーザ分析装置１４Ｂで計測し、燃料ガス成分の発生がある場合（図６ではＮｏ．３の排ガス１２４Ｃ）には、図３に示す燃料ガス処理手段４１を有するバイパスライン４２へ排ガスを供給して、ここで燃料ガス成分を処理する対策（対策３：※３）を行う。

これと同時に、制御手段２５では、該当する気筒への燃料ガス１１の供給を遮断する対策（対策４：※４）を行う。
なお、燃料ガス１１の遮断はガスエンジン１００の能力に応じて適宜変更することができる。

これにより、ガスエンジン１００に導入する燃料ガス１１をオンラインで連続しての燃焼状態の良否を判定し、安定したガスエンジン１００の燃焼を確保することができる。

次に、本発明の実施例２について説明する。なお、実施例１の構成部材と同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。
図５は、実施例３に係るガスエンジンシステムの概略図である。
図５に示すように、本実施例に係るガスエンジンシステム１０Ｂは、実施例１のガスエンジンシステム１０Ｂにおいて、さらに燃料ガス供給管１２内にレーザ光を照射可能とし、ガスエンジン１００に導入する燃料ガス１１も同時にレーザ分析装置１４で計測している。

これにより、燃料ガス組成と排ガス組成から、多点同時にガス組成（Ｈ₂、Ｎ₂、Ｏ₂、Ｈ₂Ｏ、ＣＯ、ＣＯ₂、ＣＨ₄）計測することができ、燃料状態を監視することができる。
また、排ガス組成から燃焼不安定と判断された場合、燃料ガス供給を遮断する制御を制御装置２５により行う。
また、エンジン状態監視手段３０により測定されたデータ（内筒圧、筒内温度、エンジン回転数等）を踏まえ、燃焼状態を判断することができる。

具体的には、この燃焼判定手段２０において、燃焼状態が悪化する燃料組成である又は排ガス組成から燃焼不良であると判定すると、制御手段２５により、警告を発する（対策１：※１）。
さらに、これ以上運転を継続すると失火のおそれがあると判断する場合には、対策を講じる警告を発する。具体的にはエンジン状態の監視手段３０からのデータと総合的に判断し、エンジン制御（内筒圧力調整等）による失火対策（対策２：※２）を行う。それでも失火が予測される場合には、気筒ごとに燃料供給を遮断すし、燃料ガスの外部への放出を防止する。
また、燃料の遮断の気筒が所定本数を超える場合には、ガスエンジン全体を停止し、燃料ガスの外部への放出を防止する。

これにより、ガスエンジン１００に導入する燃料ガス１１をオンラインで連続しての燃焼状態の良否を判定し、安定したガスエンジンの燃焼を確保することができる。

以上説明したように、本発明によれば、燃料ガス１１のカロリーの計測と、排気ガス１２４Ａ〜１２４Ｄの計測とを１台のレーザ分析装置１４Ｂで計測することができ、多点同時にガス組成を計測することができる、安定したエンジン燃焼に寄与することとなる。

１０Ａ〜１０Ｃガスエンジンシステム
１００ガスエンジン
１０１主燃焼室
１１９副室
１１燃料ガス
１２燃料ガス供給管
１３レーザ光
１４レーザ分析装置
１５レーザ照射装置
１６ラマン散乱光
１７測定領域
１８レーザ受光手段
２５制御手段

Claims

レーザ光を発振するレーザ照射装置、前記レーザ照射装置から発振されたレーザ光をガスエンジンの複数の気筒の排気管内の排ガスにそれぞれ照射してラマン散乱光を発生させる測定領域、及び発生した前記ラマン散乱光を計測するレーザ受光手段を備え、前記各排気管内の排ガス中の排ガス組成をそれぞれ分析するレーザ分析装置と、
前記レーザ分析装置での分析の結果、分析結果に応じて燃焼の良否を判定する燃焼判定手段とを具備し、
前記燃焼判定手段の判定結果に基づいて前記ガスエンジンの運転状態を制御する、
ことを特徴とするガスエンジンシステム。
請求項１において、
前記レーザ分析装置は、前記レーザ照射手段から照射されるパルスレーザ光のパルス幅に応じて連続撮影が可能な撮像手段を有することを特徴とするガスエンジンシステム。
請求項１又は２において、
前記エンジンの運転制御が、各気筒への燃料の供給を遮断することを特徴とするガスエンジンシステム。
請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
前記燃焼判定手段は、排ガス中の水分（Ｈ _２Ｏ）、窒素（Ｎ _２）、及び酸素（Ｏ _２）を計測し、燃焼状態を判定することを特徴とするガスエンジンシステム。
請求項４において、
前記燃焼判定手段の判定の結果、燃焼状態が不安定であると判断された排気管の排ガスは燃料ガス処理手段に導入する制御を行うことを特徴とするガスエンジンシステム。
請求項４又は５において、
前記排気ガスと燃料ガスのガス組成を計測するレーザ分析装置を共用し、燃料ガス組成と排ガス組成とを同時に監視し、その燃焼状態を把握することを特徴とするガスエンジンシステム。