JP6719356B2 - ガスエンジンシステム - Google Patents
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Description
本発明は、ガスエンジンおよび過給機（ターボチャージャ）を備えるガスエンジンシステムに関する。
従来から、燃料ガスを燃焼させて例えば発電機を駆動するガスエンジンと、ガスエンジンから排出される排ガスを駆動源としてガスエンジンに圧縮空気を送り込む過給機と、を備えたガスエンジンシステムが知られている。
ところで、ガスエンジンとして、燃焼室内に供給された燃料ガスと圧縮空気の混合気に種火（点火プラグによる火花やパイロット油の自発火）によって点火する火炎伝播方式のガスエンジンを用いた場合には、燃焼室の壁面近くで燃料ガスが燃え残り、その未燃燃料ガスが排ガスと共にガスエンジンから排出される。例えば、燃料ガスとしてメタンを主成分とする天然ガスを用いた場合には、排ガス中の未燃燃料ガスにメタンが多く含まれる。
このような問題に対し、特許文献１には、触媒を用いて排ガス中の未燃燃料ガスを酸化させることが開示されている。触媒は、ガスエンジンから過給機への排ガス流路中に設置される。過給機で膨張される前の排ガスの温度は高いために、ガスエンジンからの排ガス流路において過給機の上流側に触媒を設置すれば、触媒を過給機の下流側に設置するよりも、触媒によって未燃燃料ガスをより効果的に酸化させることができる。
また、特許文献２には、未燃燃料ガスを酸化させる触媒ではないものの、メタンを還元材として窒素酸化物（ＮＯX）を還元するＳＣＲ（選択触媒還元）に用いられる触媒が、ガスエンジンから過給機への排ガス流路中に設置されることが開示されている。
しかしながら、特許文献１には、ガスエンジンシステムの概略的な構成がブロック図として開示されているだけであり、どのようなレイアウトを採用すべきかは開示されていない。例えば、ガスエンジンと過給機とを直線的な配管で接続し、その配管の途中に触媒を内蔵する触媒コンバータを介在させると、ガスエンジンシステムの全長が非常に大きくなる。
一方、特許文献２には、触媒を内蔵する触媒コンバータをガスエンジンに対してシリンダの並び方向と直交する方向に配置し、その触媒コンバータとガスエンジンの間の隙間の上方に過給機を配置したレイアウトが開示されている。しかし、上述したとおり、特許文献２で触媒コンバータに内蔵される触媒は、ＳＣＲ用の触媒であって、未燃燃料ガスを酸化させる触媒ではない。
そこで、本発明は、過給機をガスエンジンに隣接して配置したままで、排ガス中の未燃燃料ガスを酸化させる触媒コンバータをガスエンジンから過給機への排ガス流路中に介在させることができるガスエンジンシステムを提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明のガスエンジンシステムは、クランクシャフトおよび前記クランクシャフトの軸方向に配列された複数のシリンダを有するガスエンジンと、前記複数のシリンダを橋架するように延びる排気管と、前記排気管の一方の端部から前記クランクシャフトの軸方向に離れた位置に配置された過給機と、前記ガスエンジンから排出される排ガス中の未燃燃料ガスを酸化させる触媒を内蔵する触媒コンバータと、前記ガスエンジンを挟んで前記過給機と反対側に配置され、前記クランクシャフトと連結された発電機と、を備え、前記触媒コンバータは、前記排気管の排ガス出口から前記過給機の排ガス入口へ至る流路中に介在し、前記発電機の上方に配置されている、ことを特徴とする。
上記の構成によれば、発電機がガスエンジンを挟んで過給機と反対側に配置されているので、特に排気管の過給機と反対側の端部に排ガス出口が設けられる場合に、発電機の上方の比較的に使い道のないスペースを利用して触媒コンバータを配置することができる。
前記排気管には、前記過給機側の一方の端部にバイパス口が設けられており、上記のガスエンジンシステムは、前記排ガス出口と前記触媒コンバータとを接続する第１中継管と、前記触媒コンバータと前記過給機の排ガス入口とを接続する第２中継管と、前記排気管のバイパス口から前記第２中継管へつながるバイパス管と、前記第１中継管に設けられた第１バイパス弁と、前記バイパス管がつながる位置よりも上流側で前記第２中継管に設けられた第２バイパス弁と、をさらに備えてもよい。この構成によれば、ガスエンジンシステムの運転中でも触媒を交換することができる。
前記触媒コンバータは、触媒担持体を収容する筒状の筐体と、前記筐体に向かって拡大する上流側フードと、前記筐体から縮小する下流側フードと、を含み、前記上流側フードには、前記触媒担持体に向かって水、蒸気または気体を噴射する噴射機構が設けられていてもよい。この構成によれば、触媒担持体を広い面積に展開することができる。また、噴射機構から触媒担持体に向かって水、蒸気または気体を噴射することにより、触媒の過剰な温度上昇を抑制したり、触媒担持体の表面に付着した異物を除去したり、起動時に触媒を早期に活性化したりすることができる。
前記触媒コンバータは、前記触媒の上流側に、前記触媒の性能を劣化させる物質を吸着可能な吸着材を内蔵してもよい。この構成によれば、触媒の寿命を引き延ばすことができる。
前記触媒コンバータには、当該触媒コンバータの温度を検出するための温度センサが設けられていてもよい。触媒による未燃燃料ガスの酸化反応は、排ガス中の未燃燃料ガスの濃度に非常に敏感である。従って、触媒コンバータに温度センサが設けられていれば、未燃燃料ガスの濃度の上昇を伴うようなガスエンジンの異常を検出することができる。
本発明によれば、過給機をガスエンジンに隣接して配置したままで、排ガス中の未燃燃料ガスを酸化させる触媒コンバータをガスエンジンから過給機への排ガス流路中に介在させることができる。
図１〜図２（ｂ）に、本発明の一実施形態に係るガスエンジンシステム１を示す。本実施形態は、４ストロークガスエンジンに適したレイアウトを実現するためのものである。
具体的に、ガスエンジンシステム１は、燃料ガスを燃焼させる４ストロークガスエンジン２と、ガスエンジン２により駆動される発電機１５を備えている。また、ガスエンジンシステム１は、ガスエンジン２に隣接して配置された過給機５と、ガスエンジン２と過給機５の間に設けられたエアクーラー１２および触媒コンバータ６を備えている。
ガスエンジン２は、クランクシャフト２２と、クランクシャフト２２の大部分を収容するエンジンフレーム２１を含む。クランクシャフト２２のエンジンフレーム２１から張り出す端部は、フライホイール１４を介して発電機１５と連結されている。フライホイール１４は、ガスエンジン２の起動時に図略のエアモータであるスタータモータにより駆動される。
図３に示すように、エンジンフレーム２１には、複数のシリンダ３１が組み込まれている。本実施形態では、シリンダ３１がクランクシャフト２２の軸方向に二列で配列されており、一方の列のシリンダ３１と他方の列のシリンダ３１は鉛直方向に対して同一の角度で傾斜している。クランクシャフト２２の軸方向から見たときのシリンダ３１間の角度は鋭角であり、シリンダ３１はＶ字状をなしている。ただし、一方の列のシリンダ３１と他方の列のシリンダ３１は鉛直方向に対して異なる角度で傾斜していてもよい。また、クランクシャフト２２の軸方向から見たときのシリンダ３１間の角度が直角であり、シリンダ３１がＬ字状をなしていてもよい。さらには、シリンダ３１は一列で配列されていてもよい。
各シリンダ３１は、当該シリンダ３１内に配置されたピストン３３とシリンダヘッド３２と共に燃焼室３０を形成する。シリンダヘッド３２には、給気ポート３ａと排気ポート３ｂが形成されている。また、シリンダヘッド３２には、給気ポート３ａの燃焼室３０への開口を開閉する給気弁３４および排気ポート３ｂの燃焼室３０への開口を開閉する排気弁３５が設けられているとともに、給気ポート３ａ内に燃料ガスを噴射する燃料弁３６が設けられている。燃料ガスは、例えばメタンを主成分とする天然ガスである。
一方の列のシリンダ３１と他方の列のシリンダ３１の間には、全てのシリンダ３１を橋架するようにクランクシャフト２２の軸方向に延びる給気室２ａが形成されている。個々のシリンダ３１毎に設けられた給気ポート３ａは、第１連絡管２ｃにより給気室２ａと接続されている。
給気室２ａの真上には、全てのシリンダ３１を橋架するようにクランクシャフト２２の軸方向に延びる排気管４が配置されている。個々のシリンダ３１毎に設けられた排気ポート３ｂは、第２連絡管２ｂにより排気管４と接続されている。
図１に戻って、過給機５は、排気管４の発電機１５側と反対側の端部からクランクシャフト２２の軸方向に離れた位置に配置されている。換言すれば、過給機５はガスエンジン２を挟んで発電機１５と反対側に配置されている。
以下では、説明の便宜のために、クランクシャフト２２の軸方向を前後方向（特に、過給機５側を前方、発電機１５側を後方）というとともに、前後方向と直交する水平方向を左右方向（特に、図１の紙面と直交する方向の手前側を右方、奥側を左方）という。
図１および図２（ｂ）に示すように、過給機５は、空気入口５１および空気出口５２を有するコンプレッサーと、排ガス入口５３および排ガス出口５４を有するタービンを含む。本実施形態では、空気入口５１が左向きに開口しており、空気出口５２が斜め下向きに開口している。一方、排ガス入口５３は上向きに（排気管４に向かう方向以外の方向に）開口しており、排ガス出口５４は前向きに開口している。
エアクーラー１２は、過給機５の真下であってガスエンジン２の前方に配置されている。過給機５の空気出口５２は第１給気管１１によりエアクーラー１２と接続されており、エアクーラー１２は第２給気管１３により給気室２ａと接続されている。第１給気管１１は、斜め下向きから斜め横向きに滑らかに折れ曲がっており、第２給気管１３は、前後方向に延びる直線状である。
図１および図２（ａ）に示すように、触媒コンバータ６は、発電機１５の上方に配置されている。換言すれば、触媒コンバータ６は、排気管４を挟んで過給機５と反対側に配置されている。触媒コンバータ６は、前向きに開口する入口と後向きに開口する出口を有し、ガスエンジン２から排出される排ガス中の未燃燃料ガスを酸化させる触媒を内蔵する。
排気管４の後端部には、後向きに開口する排ガス出口４１が設けられており、排気管４の前端部には、前向きに開口するバイパス口４２が設けられている。そして、排気管４の排ガス出口４１は第１中継管７１により触媒コンバータ６の入口と接続されており、触媒コンバータ６の出口は第２中継管７２により過給機５の排ガス入口５３と接続されている。すなわち、第１中継管７１、触媒コンバータ６および第２中継管７２は、排気管４の排ガス出口４１から過給機５の排ガス入口５３へ至る流路を構成する。換言すれば、触媒コンバータ６は、排気管４の排ガス出口４１から過給機５の排ガス入口５３へ至る流路中に介在している。
第１中継管７１は、前後方向に延びる直線状である。一方、第２中継管７２は、触媒コンバータ６および排気管４の真上で前後方向に延びる直線部と、触媒コンバータ６の出口から直線部の上流端へ至る１８０度屈曲部と、直線部の下流端から過給機５の排ガス入口５３へ至る９０度屈曲部を含む。なお、図示は省略するが、第１中継管７１および第２中継管７２には、熱膨張を吸収するための伸縮部材が適所に組み込まれていてもよい。
さらに、排気管４のバイパス口４２は、バイパス管８により第２中継管７２と接続されている。バイパス管８は、排気管４のバイパス口４２から９０度折れ曲がって第２中継管７２の直線部へつながっている。
排気管４からの排ガスは、通常は第１中継管７１を通じて触媒コンバータ６に導かれ、特別な状況でバイパス管８を通じて第２中継管７２に導かれる。第１中継管７１には第１バイパス弁７５が設けられ、第２中継管７２には第２バイパス弁７６が設けられている。第２バイパス弁７６は、バイパス管８が第２中継管７２へつながる位置よりも上流側に位置する。さらに、バイパス管８には第３バイパス弁８５が設けられている。通常は、第３バイパス弁８５が閉じられるとともに第１バイパス弁７５および第２バイパス弁７６が開かれ、特別な状況で、第１バイパス弁７５および第２バイパス弁７６が閉じられるとともに第３バイパス弁８５が開かれる。
次に、図４〜図５（ｂ）を参照して、触媒コンバータ６の構成を詳細に説明する。
触媒コンバータ６は、触媒担持体６５を収容する、前後方向に延びる筒状の筐体６２と、筐体６２に向かって拡大する上流側フード６１と、筐体６２から縮小する下流側フード６３を含む。本実施形態では、筐体６２の断面形状が矩形状であるが、筐体６２の断面形状は例えば円形状であってもよい。
筐体６２の内部は、格子部材６４によって複数の小部屋に仕切られている。そして、各小部屋に、複数の触媒担持体６５が排ガスの流れ方向に積層された状態で配置されている。各触媒担持体６５は、例えば、波板と平板が交互に積層された構造を有し、それらの表面に触媒を含むコーティング層が形成されている。触媒としては、例えば、白金やパラジウムなどからなる金属微粒子を用いることができる。
上流側フード６１には、触媒担持体６５に向かって水、蒸気または気体を噴射する噴射機構９が設けられている。噴射機構９は、例えば、上流側フード６１の上方で左右方向に延びる主管９１と、主管９１から垂れ下がって上流側フード６１内に入り込む複数の枝管９２で構成される。各枝管９２には、後向きのノズルが一定のピッチで設けられている。ただし、噴射機構９は省略されてもよい。
触媒コンバータ６には、当該触媒コンバータ６の温度を検出するための温度センサ６７が設けられていることが望ましい。触媒による未燃燃料ガスの酸化反応は、排ガス中の未燃燃料ガスの濃度に非常に敏感である。従って、触媒コンバータ６に温度センサ６７が設けられていれば、未燃燃料ガスの濃度の上昇を伴うようなガスエンジン２の異常（例えば、燃料弁３６からの燃料ガスの漏洩）を検出することができる。
以上説明したように、本実施形態のガスエンジンシステム１では、過給機５がガスエンジン２に隣接して配置されていても、排気管４の排ガス出口４１と過給機５の排ガス入口５３の開口方向により、排気管４の排ガス出口４１から過給機５の排ガス入口５３まで配管を通すルートを自由に決定することができる。すなわち、排ガス中の未燃燃料ガスを酸化させる触媒を内蔵する触媒コンバータ６がどのような位置に配置されていても、触媒コンバータ６を排気管４の排ガス出口４１および過給機５の排ガス入口５３と接続することができる。換言すれば、過給機５をガスエンジン２に隣接して配置したままで、触媒コンバータ６をガスエンジン２から過給機５への排ガス流路中に介在させることができる。
また、本実施形態では、排気管の後端部に排ガス出口４１が設けられ、排気管４の後方に触媒コンバータ６が配置されているので、触媒コンバータ６と排ガス出口４１とを最短距離で接続することができる。さらに、触媒コンバータ６は発電機１５の上方に配置されているので、発電機１５の上方の比較的に使い道のないスペースを利用して触媒コンバータ６を配置することができる。
さらに、本実施形態では、バイパス管８が設けられている。このため、第１バイパス弁７５および第２バイパス弁７６を閉じて第３バイパス弁８５を開けば、ガスエンジンシステム１の運転中でも触媒（本実施形態では、触媒担持体６５）を交換することができる。なお、ガスエンジンシステム１の停止中に触媒を交換する場合は、バイパス管８ならびに第１および第２バイパス弁７５，７６が省略されてもよい。
また、本実施形態では、触媒コンバータ６が両端から中央に向かって太くなるように構成されているので、触媒担持体６５を広い面積に展開することができる。これにより、圧力損失を低減することができる。また、触媒コンバータ６の上流側フード６１には噴射機構９が設けられているので、触媒の過剰な温度上昇を抑制したり、触媒担持体６５の表面に付着した異物を除去したり、起動時に触媒を早期に活性化したりすることができる。
例えば、排ガス中の未燃燃料ガスの濃度が上昇すると、触媒コンバータ６内で異常酸化が発生し、触媒が高温となりすぎることがある。そこで、触媒の過剰な温度上昇を抑制するために、噴射機構９から、窒素、空気、蒸気、水などを噴射してもよい。その中で、空気は、エアモータであるスタータモータへの空圧回路を利用してもよい。また、ガスエンジンシステム１にボイラーが併設される場合には、ボイラーから蒸気を噴射機構９に導いてもよい。
触媒担持体６５の表面に付着した異物（例えば、フライアッシュ）を物理的に除去するには、噴射機構９から空気または水を噴射すればよい。
起動時には、触媒の温度が低くなっているために、触媒の温度を迅速に上昇させて触媒を早期に活性化し、未燃燃料ガスの排出を抑制することが望ましい。これを実現するには、噴射機構９から、燃料ガスよりも反応し易いガスを噴射してもよい。例えば、燃料ガスとして天然ガスを用いる場合は、噴射機構９からエタンやプロパンを噴射してもよい。あるいは、噴射機構９からオイルや酸素を噴射してもよい。
また、噴射機構９から水を噴射すれば、触媒担持体６５を洗浄することができるため、触媒の性能の劣化を防止することができる。排ガスやエンジンオイル中には、硫黄酸化物、カルシウム、亜鉛などの、触媒の性能を劣化させる物質が含まれることがあるからである。なお、触媒の性能の劣化を防止する方法は、噴射機構９から水を噴射する以外にも、次の３つの方法がある。
１つ目の方法は、燃料弁３６からの燃料ガスの噴射量を多くして排ガス中の未燃燃料ガスの濃度を意図的に高くすることにより、触媒コンバータ６内での酸化反応を促進させて触媒コンバータ６の温度を高くする。これにより、触媒に付着した物質（例えば、ＳまたはＳＯ4）を酸化（ガス化）して除去する。二つ目の方法は、同様の目的で、噴射機構９から酸素を噴射することにより、触媒コンバータ６内での酸化反応を促進させて触媒コンバータ６の温度を高くする。三つ目の方法は、ガスエンジン２停止時またはバイパス管８を通じたバイパス運転時に、触媒担持体６５を触媒コンバータ６から取り出して水中に投入する。これにより、触媒にＳまたはＳＯ4が付着している場合は、それらをＨ2ＳＯ4として水中に溶解させることができる。
触媒の性能の劣化を防止するという観点からは、例えば、図６に示すように、触媒コンバータ６に、触媒の性能を劣化させる物質を吸着可能な吸着材６６が内蔵されていてもよい。例えば、吸着材６６は、格子部材６４によって仕切られる各小部屋内で、触媒担持体６５の上流側に配置される。この構成によれば、触媒の寿命を引き延ばすことができる。硫黄を吸着可能な吸着材６６としては、活性炭を用いてもよいし、カルシウムやマンガンを含有する吸着材を用いてもよい。
（その他の実施形態）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えば、過給機５の排ガス入口５３は、どのような方向に開口していてもよい。同様に、排気管４の排ガス出口４１は、どのような方向に開口していてもよい。
本発明のガスエンジンシステムは、種々の燃料ガスに対して未燃燃料ガスを抑制するのに有用である。
１ ガスエンジンシステム
２ ガスエンジン
２２ クランクシャフト
３１ シリンダ
４ 排気管
４１ 排ガス出口
４２ バイパス口
５ 過給機
５３ 排ガス入口
６ 触媒コンバータ
６１ 上流側フード
６２ 筐体
６３ 下流側フード
６５ 触媒担持体
６６ 吸着材
６７ 温度センサ
７１，７２ 中継管
７５ 第１バイパス弁
７６ 第２バイパス弁
８ バイパス管
９ 噴射機構
２ ガスエンジン
２２ クランクシャフト
３１ シリンダ
４ 排気管
４１ 排ガス出口
４２ バイパス口
５ 過給機
５３ 排ガス入口
６ 触媒コンバータ
６１ 上流側フード
６２ 筐体
６３ 下流側フード
６５ 触媒担持体
６６ 吸着材
６７ 温度センサ
７１，７２ 中継管
７５ 第１バイパス弁
７６ 第２バイパス弁
８ バイパス管
９ 噴射機構
Claims (5)
- クランクシャフトおよび前記クランクシャフトの軸方向に配列された複数のシリンダを有するガスエンジンと、
前記複数のシリンダを橋架するように延びる排気管と、
前記排気管の一方の端部から前記クランクシャフトの軸方向に離れた位置に配置された過給機と、
前記ガスエンジンから排出される排ガス中の未燃燃料ガスを酸化させる触媒を内蔵する触媒コンバータと、
前記ガスエンジンを挟んで前記過給機と反対側に配置され、前記クランクシャフトと連結された発電機と、を備え、
前記触媒コンバータは、前記排気管の排ガス出口から前記過給機の排ガス入口へ至る流路中に介在し、前記発電機の上方に配置されている、ガスエンジンシステム。 - 前記排気管には、前記過給機側の一方の端部にバイパス口が設けられており、
前記排ガス出口と前記触媒コンバータとを接続する第１中継管と、
前記触媒コンバータと前記過給機の排ガス入口とを接続する第２中継管と、
前記排気管のバイパス口から前記第２中継管へつながるバイパス管と、
前記第１中継管に設けられた第１バイパス弁と、
前記バイパス管がつながる位置よりも上流側で前記第２中継管に設けられた第２バイパス弁と、
をさらに備える、請求項１に記載のガスエンジンシステム。 - 前記触媒コンバータは、触媒担持体を収容する筒状の筐体と、前記筐体に向かって拡大する上流側フードと、前記筐体から縮小する下流側フードと、を含み、
前記上流側フードには、前記触媒担持体に向かって水、蒸気または気体を噴射する噴射機構が設けられている、請求項１または２に記載のガスエンジンシステム。 - 前記触媒コンバータは、前記触媒の上流側に、前記触媒の性能を劣化させる物質を吸着可能な吸着材を内蔵する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスエンジンシステム。
- 前記触媒コンバータには、当該触媒コンバータの温度を検出するための温度センサが設けられている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスエンジンシステム。
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