JP7392234B1

JP7392234B1 - 発電用ガスエンジンシステム

Info

Publication number: JP7392234B1
Application number: JP2023085699A
Authority: JP
Inventors: 義正林; 貴弘山崎
Original assignee: Rise Pit Co Co Ltd
Current assignee: Rise Pit Co Co Ltd
Priority date: 2023-05-24
Filing date: 2023-05-24
Publication date: 2023-12-06
Anticipated expiration: 2043-05-24

Abstract

【目的】食物残滓，動物の糞尿などの無酸素状態で加熱された有機物から生成される燃料によって稼働し、且つ燃料の可燃性物質を有効に燃焼させて稼働させることができる作動効率の極めて高い発電用ガスエンジンシステムを提供する。【構成】家畜の糞尿，食物残滓等からなるバイオ系の主燃料ガスＧ1と、都市ガス等からなる支援ガスＧ2と、主燃料ガス低圧容器４１と、支援ガス圧力容器４２と、主燃料ガス低圧容器４１内の主燃料ガスＧ1を、支援ガス低圧容器４２内の支援ガスＧ2と同等圧力に設定する低圧電磁弁２と、主燃料ガス低圧容器４１と支援ガス低圧容器４２のそれぞれの下流側と、エンジン９との間に設けられ主燃料ガス低圧容器４１と支援ガス低圧容器４２から主燃料ガスＧ1と支援ガスＧ2とが送り込まれて内部にて両者が混合されて混合ガス燃料Ｇ3を生成する撹拌器５とが備えられる。混合ガス燃料Ｇ3がエンジン９に供給されること。【選択図】図１

Description

本発明は、食物残滓，動物の糞尿などの無酸素状態で加熱された有機物から生成される燃料によって稼働し、且つ燃料の可燃性物質を有効に燃焼させて稼働させることができる作動効率の極めて高い発電用ガスエンジンシステムに関する。

一般的に家畜動物の糞尿又は生ゴミ，残滓は、無酸素状態で蒸し焼きにして固化して埋め立てるというゴミ処理が行われており、その過程で発生するガスが大気に放出されることにより環境汚染につながるという問題がある。そこで、近年、家畜等の動物の糞尿又は食物の生ゴミ，残滓等による有機物から生成されるガスを燃料(バイオ系ガス燃料とも呼ばれる)として稼働するエンジンが発電用或いは通常の動力用として使用されるようになってきた。このような、バイオ系ガス燃料を使用した従来技術として、特許文献１(特開２００９－１７４３９２号公報)が存在する。

特開２００９－１７４３９２号公報

しかし、バイオ系ガス燃料からなる粗ガスをガスエンジンに使用するにあたって、以下の問題点が存在する。まず、粗ガスは前述したように、家畜の糞尿又は食物の残滓を原料とするいわゆる人工的なガスである。さらに、粗ガスにはＣＯやＨ2等の無機物が含まれ
ることもある。そのため、この粗ガスは、天然のガス(プロパンやメタン)に比べて産出量が少ない。そのため、大型のガスタービンに供するほどの量は確保し難い。よって、特許文献１に開示されたスターリングエンジンは外燃機関であり、前述した粗ガスをそのまま、スターリングエンジンに適用することは極めて困難であり、且つ不向きである。

次に、家畜の糞尿又は食物の残滓を無酸素状態で蒸し焼きにしたり発酵させる過程で可燃性のガス(これを粗ガスと称する)が発生し、これをガスエンジンの燃料とするものであるが、この粗ガスには二酸化炭素(ＣＯ2)が多く含まれることが多い。通常、特許文献１にみられるような技術では、ガスタービン又はスターリングエンジンは、連続燃焼であり、燃料中に二酸化炭素がある程度混在していても燃焼が可能である。しかし、火花点火エンジンでは、吸入・圧縮・点火膨張・排気を繰り返す間欠燃焼であり、燃料中の二酸化炭素が点火及び火炎核の構成と火炎の伝播を妨害する可能性がある。このような点において、火花点火エンジンでは、特許文献１に開示されている技術は適用され難いものである。

しかし、粗ガスを構成するいくつかの成分の中には、可燃性のものも含まれている。そして、この可燃性の成分を廃棄せずに、そのエネルギを徹底的に有効利用し、この燃え難いガスを２００kＷ以下の火花点火エンジンの燃料として使い、その動力で発電機を駆動して電気エネルギに変換することができるのであれば、再生資源の有効活用となり、環境保全に大いに寄与することになる。

そこで、本発明は、上記の技術的課題である、火花点火エンジンにおいて家畜の糞尿又は食物の残滓からなるバイオ系の粗ガスを最大限に有効に利用し、ひいては再生資源の有効活用及び環境保全に寄与することができる発電用ガスエンジンシステムを提供することにある。

そこで、発明者は上記課題を解決すべく鋭意，研究を重ねた結果、請求項１の発明を、家畜の糞尿，食物残滓等からなるバイオ系の主燃料ガスと、非バイオ系の都市ガス等からなる支援ガスと、前記主燃料ガスが貯留される主燃料ガス低圧容器と、前記支援ガスが貯留される支援ガス低圧容器と、前記主燃料ガス低圧容器内の前記主燃料ガスを、前記支援ガス低圧容器内の前記支援ガスと同等圧力に設定する低圧電磁弁と、前記主燃料ガス低圧容器と前記支援ガス低圧容器のそれぞれの下流側と、ガスエンジンとの間に設けられ前記主燃料ガス低圧容器と前記支援ガス低圧容器から前記主燃料ガスと前記支援ガスとが送り込まれて内部にて両者を撹拌して混合ガス燃料を生成する撹拌器とが備えられ、前記主燃料ガス低圧容器から送られる前記主燃料ガスと、前記支援ガス低圧容器から送られる前記支援ガスとが同等圧力で且つ所定比率にて前記撹拌器に送り込まれ、且つ該撹拌器内では空気を含まない前記混合ガス燃料として生成され、該混合ガス燃料が前記ガスエンジンに供給されると共に、さらに空気が前記ガスエンジンのミキサに供給されてなることを特徴とする発電用ガスエンジンシステムとしたことにより、上記課題を解決した。

請求項２の発明を、請求項１に記載の発電用ガスエンジンシステムにおいて、主燃料ガス低圧容器の主燃料ガスの圧力を感知して主燃料ガス低圧容器内の支援ガスと同等圧力にする低圧コントローラが設けられ、前記主燃料ガス低圧容器と前記支援ガス低圧容器のそれぞれの下流側と、前記エンジンとの間には空燃比調整電磁弁と該空燃比調整電磁弁を制御するＥＣＵが設けられ、前記エンジンの排気側にはＯ2センサが設けられ、前記空燃比調整電磁弁と前記Ｏ2センサにより前記エンジンに適正量の主燃料ガスと支援ガスとの混合燃料ガスが供給されてなることを特徴とする発電用ガスエンジンシステムとしたことにより、上記課題を解決した。

請求項３の発明を、請求項２に記載の発電用ガスエンジンシステムにおいて、前記低圧コントローラは矩形波状のパルス信号を発し、前記主燃料ガス低圧容器内の圧力が３kPaより低い場合においては、前記低圧電磁弁のノズルとシール部材との間隙は大きくなり、前記主燃料ガス低圧容器内の圧力が３kPaより高い場合においては、前記ノズルと前記シール部材との間隙は小さくなることを特徴とする発電用ガスエンジンシステムとしたことにより、上記課題を解決した。

請求項４の発明を、請求項１又は２に記載の発電用ガスエンジンシステムにおいて、前記主燃料ガス低圧容器と前記支援ガス低圧容器と前記撹拌器とを連通するそれぞれのガス流路には主燃料ガスオリフィスと支援ガスオリフィスが具備され、前記主燃料ガスオリフィスと前記支援ガスオリフィスによって前記撹拌器に送り込まれる前記主燃料ガスと前記支援ガスとの量が所定比率に制御されてなることを特徴とする発電用ガスエンジンシステムとしたことにより、上記課題を解決した。

請求項５の発明を、請求項１又は２に記載の発電用ガスエンジンシステムにおいて、前記攪伴器は、密閉容器内に配置され且つ羽根部を有するアジテータが備えられ、前記密閉容器の外部にモータにより回転する外部磁気回転子が配置され、密閉容器内には、内部磁気回転子が前記アジテータと共に回転するように回転軸に装着され、外部磁気回転子の磁力線による磁気誘導にて前記内部磁気回転子と共に前記アジテータを回転させてなる構成としたことを特徴とする発電用ガスエンジンシステムとしたことにより、上記課題を解決した。

請求項６の発明を、請求項５に記載の発電用ガスエンジンシステムにおいて、前記アジテータの前記羽根部は第１羽根と第２羽根からなり、前記第１羽根と前記第２羽根は回転軸に対して、それぞれの向い角が反対になる構成としてなることを特徴とする発電用ガスエンジンシステムとしたことにより、上記課題を解決したものである。

請求項１の発明では、粗ガスである主燃料ガスに対して、都市ガス等である可燃性の良好な成分を含んでいる支援ガスを混合して、主燃料ガス内の二酸化炭素の含有量の割合を小さくしながら混合ガス燃料としてガスエンジンに供給される。さらに、前記混合ガス燃料がガスエンジンに供給される空気と混合することにより、シリンダ内に送られる燃料は、総体的に二酸化炭素の含有量の割合は極めて小さくなり、点火プラグに到達する混合ガス燃料は、良好に発火し、良好なガスエンジンの稼働を実現できる。これによって、燃え難い粗ガスである主燃料ガスを火花点火のガスエンジンの燃料として使い、その動力で発電機を駆動して電気エネルギに変換することができ、再生資源の有効活用となり、環境保全に大いに寄与することができる。

請求項２の発明では、主燃料ガスと支援ガスとの混合比率を所望の比率に維持しつつ、この比率を管理して、主燃料ガスと支援ガスとが適正比率でガスエンジンに送られるようにすることができ、ガスエンジンを安定した稼働状態にすることができる。

請求項３の発明では、低圧コントローラは矩形波状のパルス信号を発し、前記主燃料ガス低圧容器内の圧力が低い場合においては、前記低圧コントローラの出力信号のデューティは大きく設定され、前記主燃料ガス低圧容器内の圧力が高い場合においては、前記低圧コントローラの出力信号のデューティは小さく設定されることにより、主燃料ガスの状態を常時一定に維持しつつ、支援ガスと混合して混合ガス燃料を生成し、良好な混合ガス燃料をガスエンジンに送り込むことができる。

請求項４の発明では、撹拌器における主燃料ガスと支援ガスとの所定比率を主燃料ガスオリフィスと支援ガスオリフィスによって制御することができ、最も簡易な構成にできる。請求項５では、撹拌器により、主燃料ガスと支援ガスとの撹拌が促進され、良好な混合ガス燃料を生成できる。請求項６の発明では、撹拌器による主燃料ガスと支援ガスとの撹拌の効率をより一層向上させることができる。

（Ａ）は本発明の全体の構成を説明する図、（Ｂ）はガスエンジンのシリンダヘッドを上方より見た略示図である。本発明の動作を示す行程図である。（Ａ）は本発明における撹拌器の縦断側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ1－Ｘ1矢視断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＹ1－Ｙ1矢視図、（Ｄ）は（Ａ）のＹ2－Ｙ2矢視図である。（Ａ）は撹拌器のアジテータの要部斜視図、（Ｂ）はアジテータの要部側面図、（Ｃ）の(i)乃至(iv)はアジテータの時計回りに半周回転ごとの風切り動作を示す図である。（Ａ）は空燃比調整電磁弁及び低圧調整電磁弁の構造を示す縦断側面図、（Ｂ）はパルスによる制御を示す図である。（Ａ）は点火プラグの全体を示す側面図、（Ｂ）の(i)乃至(iii)は燃料ガス中の二酸化炭素(ＣＯ2)が点火プラグにおける燃焼に与える影響を示す過程の図である。

以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。本発明における発電用ガスエンジンシステムは、主に主燃料ガス低圧容器４１と、支援ガス低圧容器４２と、低圧電磁弁２と、撹拌器５と、ガスエンジン９とによって構成されている〔図１(Ａ)参照〕。これらの装置は相互に関連するもの同士が管路Ｐで連結され、主燃料ガスＧ1，支援ガスＧ2及び混合ガス燃料Ｇ3が管路Ｐを介して上流側からガスエンジン９が存在する下流側に向かって流れるようになっている。

そして、これらの構成によって、バイオマス系の粗ガスである主燃料ガスＧ1と、都市ガス等の支援ガスＧ2が混合されて混合ガス燃料Ｇ3としてガスエンジン９に供給され、さらに別に供給される空気Ｇ0と共にガスエンジン９を稼働させる(図２参照)。本発明において粗ガスである主燃料ガスＧ1は、牛，豚等の家畜の糞尿或いは生ごみを無酸素状態で加熱して発生したガスである。そして、支援ガスＧ2は、都市ガス等の一般的なガスが使用される。本発明におけるガスエンジン９は、一般的な直列４シリンダの構成としたエンジンとして説明する。ガスエンジン９の基本的な構造としては、シリンダ部９１とシリンダヘッド９２とから構成され、複数のシリンダ部９１が直列に配置された構造を有するものである。

ピストンが上下運動可能に収納されたシリンダ部９１の上部にはシリンダヘッド９２が設けられ、該シリンダヘッド９２の下面が燃焼室壁面９２ａとして形成されている。該燃焼室壁面９２ａは、略球面形状さらに具体的には扁平球面状凹面をなしている。前記シリンダヘッド９２（又は前記シリンダ部９１）の上面側から平面的に見て、２個の点火プラグ８と、吸気バルブ９４及び排気バルブ９５が設けられている(図１参照)。

具体的には、前記吸気バルブ９４，点火プラグ８，前記排気バルブ９５及び点火プラグ８が４等分で周回りに配されている〔図１(Ｂ)参照〕。２個の点火プラグ８は、同一物であるが、燃焼室壁面９２ａに設置される位置が異なる。何れか１つの点火プラグ８は、吸気ポートからシリンダヘッド９２内に流入するガス燃料による混合気(混合気体又は混合ガスと称することもある)の噴流を最初に受けるものである。

本発明における発電用ガスエンジンシステムの構成は図１に示されており、発電用ガスエンジンシステムにおける主燃料ガスＧ1と支援ガスＧ2のガスエンジン９への供給工程は、図２に記載されている。本発明における主燃料ガスＧ1，支援ガスＧ2及び混合ガス燃料Ｇ3が、ガスエンジン９まで送り込まれる管路Ｐに亘って、配置される主要な構成要素(装置)は、主に圧力容器１１，１次減圧弁１１ａ，主燃料ガス低圧容器４１，支援ガス低圧容器４２，攪伴器５，空燃比調整電磁弁６であり、これらの構成要素(装置)を介して主燃料ガスＧ1，支援ガスＧ2及び混合ガス燃料Ｇ3がガスエンジン９に送り込まれるものである。

図１において、符号１は粗ガスである主燃料ガスＧ1が充填されている圧力容器(タンクと称してもよい)で、該圧力容器１１には１次減圧弁１１ａが設けられている。圧力容器１１は、主燃料ガス低圧容器４１と管路Ｐにて連結されている。圧力容器１１と主燃料ガス低圧容器４１との間の管路Ｐには、低圧電磁弁２，遮断弁３１が直列状に設けられている。

前記圧力容器１１内には、粗ガスである主燃料ガスＧ1が充填されており、圧力容器１１から排出される主燃料ガスＧ1は、まず１次減圧弁１１ａにて５０kPa程度まで減圧され、さらに低圧電磁弁２で３kPa程度の大気圧に近い圧力まで減圧され、さらに遮断弁３１を通過して主燃料ガス低圧容器４１に一旦蓄えられる。このとき、１次減圧弁１１ａによって圧力容器１１から排出される主燃料ガスＧ1が一気に３kPa程度の大気圧に近い圧力まで減圧できるのであれば、低圧電磁弁２は設けられず、これを不要としてもかまわない。

一方、主燃料ガスＧ1は、二酸化炭素(ＣＯ2)の含有割合が多いために、ガスエンジン９の点火プラグ８における着火と火炎核の構成と火炎伝播が起こり難い(図６参照)。そのために、点火プラグ８の着火と火炎核の構成と火炎伝播を促進するために、メタン(ＣＨ4)などの燃え易い支援ガスＧ2が加えられる。該支援ガスＧ2は、大部分がメタン(ＣＨ4)であり、そこで、入手が容易な都市ガスの使用が好適である。以下、支援ガスＧ2は、都市ガスが使用されることを前提とする。

支援ガスＧ2に都市ガスを使用する場合では、その供給源は、通常、地下のガス導管にて供給される。そして、この都市ガスとした支援ガスＧ2の供給源から管路Ｐを介して支援ガス低圧容器４２に連結している。支援ガス低圧容器４２の上流側管路Ｐには遮断弁３２が設けられ支援ガス供給源１２から支援ガス低圧容器４２への支援ガス供給を開放又は遮断する役目をなす。主燃料ガス低圧容器４１と支援ガス低圧容器４２は、それぞれの別の管路Ｐによって撹拌機５に連結し、主燃料ガス低圧容器４１内の主燃料ガスＧ1と、支援ガス低圧容器４２内の支援ガスＧ2はそれぞれ別の管路Ｐを介して撹拌機５に送られ、撹拌機５内で主燃料ガスＧ1と支援ガスＧ2とが撹拌混合され混合ガス燃料Ｇ3が生成される。

粗ガスである主燃料ガスＧ1は、その中に二酸化炭素の含有されている割合が大きく、この二酸化炭素によって点火直後の燃焼が阻害されることになる。支援ガスＧ2として都市ガスを使う場合は、該都市ガス自体の供給圧が３kPa程度と低いので、主燃料ガスＧ1と同じような１次減圧弁１１ａと低圧電磁弁２に相当する装置は不要である。

主燃料ガスＧ1は、圧力容器１１内から減圧されつつ遮断弁３１を介して直接、主燃料ガス低圧容器４１に一旦蓄えられる。また、支援ガスＧ2は、支援ガス供給源１２から遮断弁３２を介して支援ガス低圧容器４２に一旦蓄えられる。主燃料ガス低圧容器４１には主燃料ガスＧ1の圧力を検知チェックする低圧センサ４１ａが備わっている。そこで、主燃料ガス低圧容器４１の主燃料ガスＧ1の圧力を低圧センサ４１ａで検出して電子式の低圧コントローラ７１の信号で低圧電磁弁２を制御して支援ガス低圧容器４２内の支援ガスＧ2(都市ガス)の圧力と同圧にする(図２参照)。なお、支援ガス低圧容器４２にも、低圧センサ４２ａが備わっており、支援ガス低圧容器４２内の支援ガスＧ2の圧力チェックを行っている。

これは、同圧とされた主燃料ガスＧ1と支援ガスＧ2とが、撹拌器５に送り込まれ、該撹拌機５内で生成された混合ガス燃料Ｇ3のガスエンジン９への送り流量を、空燃比調整電磁弁６で制御することが簡単にできるようにするためである。主燃料ガス低圧容器４１内と、支援ガス低圧容器４２内のそれぞれのガス燃料は、攪伴機５に流入する。該撹拌器５の構造は後述する。撹拌器５内で均質に混ぜ合わされた主燃料ガスＧ1と支援ガスＧ2は、撹拌機５内で混合ガス燃料Ｇ3となる。そして、撹拌機５内の混合ガス燃料Ｇ3は、空燃比調整電磁弁６で流量を制御されながらガスエンジン９のミキサ９６にオリフィス９７を介して供給される(図１，図２参照)。

該オリフィス９７の役目は、主燃料ガス低圧容器４１，支援ガス低圧容器４２以降(下流側)に流れるガスは、ミキサ９６のべンチュリ９３で発生する負圧によって引っ張られて流れるため、負圧の脈動の影響で混合ガス燃料Ｇ3のガスエンジン９への供給が不必要に増大しないようにするためである。

空燃比調整電磁弁６に設けられた低圧センサ７５は、空燃比調整電磁弁６の出力のガスの圧力のモニタリング用である。ガスエンジン９の出力の制御は、ＥＣＵ７２からの指令で作動するミキサ９６に直結したスロットル９６ａで空気Ｇ0と混合ガス燃料Ｇ3の流量を制御する。そして、混合ガス燃料Ｇ3は、吸気バルブ９４からガスエンジン９のシリンダ部９１に流入し、ガスエンジン９中で点火プラグ８の火花で点火・着火・燃焼して排気系に吐き出される。

排気系には、Ｏ2センサ７３が装着されていて排気中の酸素を検出したら薄いと判断し、混合ガス燃料Ｇ3の流量を多くするように空燃比調整電磁弁６がＥＣＵ７２の指令で制御する。また、Ｏ2センサ７３で酸素が検出されなかったら濃いと判断してデューティを減らし混合燃料ガスの流量を減少させる。なお、Ｏ2センサ７３は、空燃比センサに置き換えてもよい。

このようにガスエンジン９には、理論空燃比の混合ガス燃料Ｇ3と、空気Ｇ0の混合気体が供給される。そして、三元触媒７４を作動させてＣＯ,ＨＣ,ＮＯｘの排出を低減する。ここで、点火プラグ８は、各シリンダ部９１に、該シリンダ部９１の直径中心に対して対称に２個配設することにより、火炎伝播を促進する効果が得られる〔図１(Ｂ)参照〕。

撹拌器５の構造について図３，図４に基づいて説明する。撹拌器５は、主燃料ガス低圧容器４１と支援ガス低圧容器４２の下流側に配置されている。そして、主燃料ガス低圧容器４１と支援ガス低圧容器４２からそれぞれ別々の管路Ｐを介して主燃料ガスＧ1と支援ガスＧ2とを受け取り、主燃料ガスＧ1と支援ガスＧ2とを撹拌器５の内部で撹拌して混合ガス燃料Ｇ3を生成するものである。撹拌器５は、主燃料ガスＧ1及び支援ガスＧ2が外部に漏れたり、或いは撹拌器５内に空気を吸い込むと火が付く可能性があるので、撹拌器５は密閉構造にすると共に、外部の動力源(モータ５７)によって混ぜる作業を行うようになっている。

撹拌器５は、主に密閉容器５１とアジテータ５Aと容器内磁気回転子５５と外部磁気回転子５６とモータ５７とによって構成されている。密閉容器５１は、上部ケース５１ａと、下部ケース５１ｂと、アジテータ５Aにより構成されている。上部ケース５１ａと下部ケース５１ｂにより構成される密閉容器５１は気密構成であり、内部にはアジテータ５Aが装着されている。アジテータ５Aは、回転軸５３ａとハブ５３ｂと羽根部５４を有しており、回転軸５３ａは、両軸端を支持する上下部のベアリング５３ｃ，５３ｃによって、密閉容器５１内に回転自在に軸支されている〔図３(Ａ)，（Ｂ）参照〕。

前記アジテータ５Aは、回転軸５３ａにハブ５３ｂが固着され、該ハブ５３ｂに羽根部５４が固着されている。密閉容器５１内の主燃料ガスＧ1と支援ガスＧ2とにより生成された混合ガス燃料Ｇ3は、アジテータ５Aにより混ぜ合わせられ、均質な混合ガス燃料Ｇ3となる。

アジテータ５Aの回転の動力源について説明する。密閉容器５１の外部に設けられたモータ５７及び該モータ５７にて回転する外部磁気回転子５６と、密閉容器５１内に設けられた容器内磁気回転子５５とが具備される。容器内磁気回転子５５は、アジテータ５Aの回転軸５３ａに直結固着されており、容器内磁気回転子５５が回転することによって回転軸５３ａが回転し、該回転軸５３ａと共にハブ５３ｂ及び羽根部５４が回転する。モータ５７及び外部磁気回転子５６と、密閉容器５１内の容器内磁気回転子５５とは非接触の構成である〔図３(Ａ)参照〕。

鉄系の金属製の外部磁気回転子５６及び容器内磁気回転子５５ともに先端部には永久磁石５６ａ及び５５ａが撹拌器５の密閉容器５１の上部ケース５１ａ(又は下部ケース５１ｂ)の天井をはさんで互いにＳ、Ｎの各磁極が向き合うようになる。そして、外部磁気回転子５６は、モータ５７で直接、回転駆動され、密閉容器５１内の容器内磁気回転子５５との間の磁力線が生じ、該磁力線で容器内磁気回転子５５に回転を伝達する。モータ５７が回転駆動すると外部磁気回転子５６が回転し、該外部磁気回転子５６と容器内磁気回転子５５との磁極Ｓと磁極Ｎが向き合って落ち着き、容器内磁気回転子５５が回転し、該容器内磁気回転子５５を介してアジテータ５Aが回転する。

アジテータ５Aの羽根部５４の実施形態について説明する。羽根部５４は、２枚の第１羽根５４ａと第２羽根５４ｂによって構成される。第１羽根５４ａと第２羽根５４ｂとは、回転軸５３ａのハブ５３ｂを中心とし、該ハブ５３ｂの左右両側に一直線となるように配置される。そして、第１羽根５４ａと第２羽根５４ｂとは、回転軌道の外方から見て迎え角が反対になるように回転軸５３ａの軸方向中央部にハブ５３ｂを介して取り付けられている〔図３(Ｃ)，（Ｄ），図４参照〕。

そして、第１羽根５４ａの迎え角を「+θ」とすると、第２羽根５４ｂの迎え角は「-θ」となる。また、第１羽根５４ａの迎え角を+θとし、第２羽根５４ｂの迎え角を-θとする構成により、第１羽根５４ａと第２羽根５４ｂとは、回転軸５３ａ(又はハブ５３ｂ)に対して左右対称に配置され、同一方向に傾斜する構造となる〔図４(Ｃ)，（Ｄ）参照〕。

これをアジテータ５Aの上方から見て矢印の方向に回転させる。ここでは、矢印の方向は時計回りの方向としているが、この回転方向に限定されるものではなく、反時計回りの方向でもかまわない。また、第１羽根５４ａの迎え角(+θ)と、第２羽根５４ｂの迎え角(-θ)は、上下方向に反対の傾斜であるが、θの数値(絶対値)は同一である。

そして、第１羽根５４ａと第２羽根５４ｂとが時計回りに回転すると、第１羽根５４ａは迎え角(+θ)により、粗ガスである主燃料ガスＧ1と、支援ガスＧ2を下方向に押し下げるように作用する〔図４(Ｂ)，（Ｃ）の(i),(iii)参照〕。また、第２羽根５４ｂは迎え角(-θ)により、粗ガスである主燃料ガスＧ1と、支援ガスＧ2を下方向に押し上げるように作用する〔図４(Ｂ)，（Ｃ）の(ii),(iv)参照〕。

このような動作が任意の位置においてアジテータ５Aの半周回転ごとに繰り返されることになる〔図４(Ｃ)の(i)乃至(iv)参照〕。アジテータ５Aの回転が高速であればあるほど、第１羽根５４ａと第２羽根５４ｂとによる上下方向の撹拌が瞬時に切り替わり、良好な撹拌動作ができる。これにより主燃料ガスＧ1と支援ガスＧ2とはアジテータ５Aの第１羽根５４ａと第２羽根５４ｂとによって撹拌され、迅速且つ均質に混ぜ合わされ混合ガス燃料Ｇ3を生成する。アジテータ５Aは、時計回り又は反時計回りの何れの回転方向であっても構わない。

さらに、特に図示しないが、第１羽根５４ａと第２羽根５４ｂを２枚１組とし、これを２組以上とすることもある。この場合第１羽根５４ａ及び第２羽根５４ｂは、それぞれ２枚以上となる。さらに、別の実施形態として、特に図示しないが、撹拌効率は下がるが、羽根部５４を通常の扇風機，換気扇等のファンと同様の形状とするものが使用されることもある。この実施形態では、羽根部５４を構成する２枚以上の羽根の形状は同一であり、その迎え角も全て同一である。

次に、低圧電磁弁２と空燃比調整電磁弁６について図５に基づいて説明する。図１に示されている低圧電磁弁２と空燃比調整電磁弁６は、ともに構造は同一である。図５（Ａ）には、空燃比調整電磁弁６の構造が示され、図５（Ｂ）には制御パルスの形状が示されている。低圧電磁弁２及び空燃比調整電磁弁６は、前述したように基本的には同じ構造であり、作動も同じであるが、低圧電磁弁２は主燃料ガスＧ1のみの低圧制御であることに対して、空燃比調整電磁弁６は主燃料ガスＧ1に支援ガスＧ2の体積が加わるので空燃比調整電磁弁６の方が大型になる。低圧電磁弁２の図示については、図５（Ａ）を兼用し、図５（Ａ）の低圧電磁弁２の符号は、空燃比調整電磁弁６において括弧付きの文言及び符号により示されている。

低圧電磁弁２及び空燃比調整電磁弁６における低圧コントローラ７１やＥＣＵ７２からの信号が入っていないときは、スプリング６２(２２)に押し戻されてアーマチャ６１(２１)の先端のシール部材６３(２３)がノズル６４(２４)を塞いでいる。低圧コントローラ７１又はＥＣＵ７２から図５のようなパルス信号が入ると、コイル６７(２７)により発生する磁力でアーマチャ６１(２１)は引き上げられ間隙ｋができ、１次減圧弁１１ａまたは撹拌器５からのガスはダイアフラム６５(２５)で区画された小室６６(２６)に流入する。そしてそのガスは遮断弁３１またはミキサ９６に流れ出るので該小室６６(２６)内の圧力が下がる。なお、大気開放穴は、ダイアフラム６５(２５)の動きをよくするための大気開放孔６６ａ(２６ａ)である。

図５の矩形波状のパルスの幅tで小室６６（２６）内の圧力を制御する。パルスとパルスの間隔はｔｏ(s)であるので、周波数Ｆは、Ｆ＝１／t(Hz)となる。このようにして流れる主燃料ガスＧ1，支援ガスＧ2或いは混合ガス燃料Ｇ3を３kPa程度の低い圧力に保つ。なお高速度撮影でシール部材６３(２３)の動きを観察するとシール部材６３(２３)はオンオフではなく、全閉と全開の中間の位置にとどまっている。そして、一定の周期(ｔｏ)で通電する矩形波状のパルスのパルス幅(ｔ)の周期(ｔｏ)に対する割合、即ちデューティｔ／ｔｏはｔが長いとノズル６４とシール部材６３との間の間隙ｋは大きくなり全開に近く、tが短いと前記間隙ｋは小さくなる。

ここで、点火プラグ８による点火直前に二酸化炭素(ＣＯ2)濃度が高いと燃焼が悪化することについて図６に基づいて説明する。イグナイタ８３から高電圧が点火プラグ８に送られると、側方電極８２と中心電極８１の間に電気路ができスパークが飛ぶ〔図６(Ｂ)の（i）参照〕。これを「ブレークダウン」と呼ぶ。そのとき電離し難い二酸化炭素(ＣＯ2)が絶縁材として妨害する。つまり、電界によってイオン化し難い二酸化炭素(ＣＯ2)が電気路(中心電極８１と側方電極８２との間に亘る空隙)の邪魔となり、火花が飛び難い状態となる。

次に、前記電気路の周辺に可燃ガスが活性化した火炎核が発生する。しかし、該火炎核は、発光していないので目視できない。このとき二酸化炭素(ＣＯ2)の熱容量で周囲の温度が下がる。そして、このことにより、火炎核の成長と、該火炎核が火炎に成長することを妨害することになる〔図６(Ｂ)の(ii)参照〕。つまり、二酸化炭素(ＣＯ2)の熱容量で温度が下がり火炎核の形成を妨害する。

次に、火炎核が火炎となっても二酸化炭素(ＣＯ2)の熱容量と、二酸化炭素(ＣＯ2)の分子が燃料の分子と吸入空気Ｇ0中の酸素との衝突を妨害するので火炎の伝播速度を下げる働きをする〔図６(Ｂ)の(iii)参照〕。つまり、二酸化炭素(ＣＯ2)の熱容量でガス温度が下がり火炎伝播速度が低下する。このようなことから、点火プラグ８近傍の燃料と吸入空気Ｇ0に対する二酸化炭素(ＣＯ2)の濃度が約５．２５％程度又はそれ以上になると間欠燃焼が著しく阻害され始めることが分かった。

以上のことから、体積割合で二酸化炭素(ＣＯ2)が５０％を占める粗ガスである主燃料ガスＧ1であるが、この主燃料ガスＧ1にはその他の残りの成分としてメタン，エタン，プロパン，ブタン等の可燃性ガスも含んでいる。しかし、主燃料ガスＧ1をそのまま空気Ｇ0と混合して、ガスエンジン９のシリンダ部９１に吸収してもガスエンジン９は火花点火エンジンとして作動しない。主燃料ガスＧ1に支援ガスＧ2を供給しないで、主燃料ガスＧ1のみとした場合の理論空燃比は５.４７である。

別に計算した結果、粗ガスである主燃料ガスＧ1の１モル(３３.５ｇ)を燃焼させるとき燃焼後に可燃ガスも酸素も余らないようにするのは、１４７リットル(１８３.３ｇ)の空気Ｇ0が必要である。したがって、粗ガスである主燃料ガスＧ1の理論空燃比は１８３.３ｇ／３３.５ｇ＝５.４７となる。つまり、支援ガスＧ2を供給しない粗ガスである主燃料ガスＧ1のみの理論空燃比では、主燃料ガスＧ1は、多量の二酸化炭素(ＣＯ2)を含んでいるため、点火直前のシリンダ部１１中の二酸化炭素(ＣＯ2)濃度が約７％と高いので、間欠燃焼は困難である。

そこで、支援ガスＧ2と該支援ガスＧ2を燃焼させるのに必要な吸入空気Ｇ0の流量を制御して主燃料ガスＧ1に混合し、支援ガスＧ2を燃焼させるのに必要な吸入空気Ｇ0の増加分を加えることによって、相対的に前記二酸化炭素(ＣＯ2)の濃度を薄めることになり、間欠燃焼ができる状態にすることができる。図１に示されているシステムにおける可燃性の支援ガスＧ2として例えばメタン(ＣＨ4)が大部分である都市ガスを使用し、この支援ガスＧ2を主燃料ガスＧ1(粗ガス)に混ぜ合わせ、或いはさら吸入空気Ｇ0を混ぜることにて、主燃料ガスＧ1に含まれる二酸化炭素(ＣＯ2)濃度が約５％台程度以下になるように調整する。

これによって、主燃料ガスＧ1と支援ガスＧ2とが同一圧力で且つ適正比率で混合された混合ガス燃料Ｇ3は、良好に燃焼できるガス燃料となる。ここで、支援ガスＧ2と混ぜ合わせられた主燃料ガスＧ1(粗ガス)中の二酸化炭素(ＣＯ2)濃度は、混合状態において全体として約４％乃至約６％程度とし、好ましくは約５.２５％程度以下であることが多い。つまり、混合ガス燃料Ｇ3の二酸化炭素(ＣＯ2)濃度は、約５．２５％程度以下であることが好ましい。

そして、混合ガス燃料Ｇ3における主燃料ガスＧ1と支援ガスＧ2との適正な混合比率を以下に示す。支援ガスＧ2として殆どがメタン(ＣＨ4)と見なせるＶ（リットル)の都市ガスと該と都市ガスを燃焼させるのに必要な吸入空気Ｇ0の体積をＶとする。主燃料ガスＧ1に加える。主燃料ガスＧ1(粗ガス)１モル(２２．４リットル)中の二酸化炭素(ＣＯ2)の体積は１１.２リットルであるから、
０.０５２５≧１１.２／（Ｖ＋１５８.２）、すなわちＶ≧５５.１リットル
これは、主燃料ガスＧ1(粗ガス)の体積２２.４リットルの２.４６倍に相当する。なお、上記式における数値１５８.２は、１４７リットルの空気Ｇ0と、１１．２リットルの二酸化炭素(ＣＯ2)の合計である。

次に、この５５.１リットルの都市ガスである支援ガスＧ2の体積を求める。支援ガスＧ2の成分は、ほとんどがＣＨ4と見なせる都市ガスである支援ガスＧ2の１モル(２２.４リットル)を燃焼させるのに必要な空気Ｇ0の体積は計算の結果、２１３.３リットルである。メタン１モルとこれを燃焼させるのに必要な空気Ｇ0の体積の合計は、
２２.４リットル＋２１３.３リットル＝２３５.７リットル(これは前記Ｖに相当)
である。

したがって、上記Ｖ中の都市ガスである支援ガスＧ2の体積は、
２２.４リットル×(５５.１リットル／２３５.７リットル)＝５.２４リットルである。
同様に、空気Ｇ0の体積は、
２１３.３リットル×(５５.１リットル／２３５.７リットル)＝４９.８リットルである。

そこで、混合ガス燃料Ｇ3における主燃料ガスＧ1と支援ガスＧ2との混合比率は、
１：約０.１５乃至約０．３５程度であり、好ましくは１：０.２３４程度となる。
なお、上記は、主燃料ガスＧ1と支援ガスＧ2とを混合して混合ガス燃料Ｇ3を生成したときの二酸化炭素(ＣＯ2)濃度を５.２５パーセントとした場合である。前述のように主燃料ガス低圧容器４１，支援ガス低圧容器４２，低圧センサ４１ａ, 低圧センサ４２ａ内の圧力が等しくなるように低圧電磁弁２で制御されているから、撹拌機５に流入前に主燃料ガスオリフィス４４と支援ガスオリフィス４５の流路断面積の比で制御できる。

すなわち、
(支援ガスオリフィス４５の面積)／(主燃料ガスオリフィス４４の面積)＝５.２４リットル／２２.４リットル＝０.２３４である。
つまり、支援ガスオリフィス４５の面積を支援ガスオリフィス４５の面積の２３.４％にすればよい。もちろんそれ以上の割合でもよい。

三元触媒７４を作動させるために、理論空燃比になるように主燃料ガスＧ1(粗ガス)および支援ガスＧ2を別々に計量しながらミキサ９６に供給して混合する。このように主燃料ガスＧ1(粗ガス)と支援ガスＧ2同圧の状態で計量、混合しておけば空燃比の制御は空燃比調整電磁弁６のみで行うことができる。主燃料ガスＧ1(粗ガス)に加わった支援ガスＧ2の発熱量だけ、混合ガス燃料Ｇ3の発熱量が増大する。

前述のように主燃料ガス低圧容器４１と支援ガス低圧容器４２内の圧力が等しくなるように低圧電磁弁２で制御されているから、撹拌器５への流入前に、主燃料ガスＧ1と支援ガスＧ2との比率を所定比率となるように調整する。この所定比率は上記の比率とすることが好適である。この所定比率は適宜設定されるものである。

つまり、主燃料ガスＧ1と支援ガスＧ2が混合されて生成される混合ガス燃料Ｇ3に含有される二酸化炭素(ＣＯ2)の量が点火プラグの発火の障害にならない程度の割合である。この混合ガス燃料Ｇ3における主燃料ガスＧ1と支援ガスＧ2との比率は、主燃料ガスオリフィス４４と支援ガスオリフィス４５による流路断面積の比で制御されて、撹拌器５に送り込まれる。

本発明は、以上述べたように、牛，豚等の家畜の糞尿或いは生ごみを無酸素状態で加熱して発生した粗ガスを主燃料ガスＧ1とし、これに都市ガス等の可燃性の良好な成分を多く含有する支援ガスＧ2を所定の条件で混合させることにより、総体的に二酸化炭素ＣＯ2の含有量の割合を小さくし可燃性の向上した混合ガス燃料Ｇ3を生成してガスエンジン９に供給するものである。

そして、さらに前記混合ガス燃料Ｇ3に、ガスエンジン９に供給される吸入空気Ｇ0と混合し、より一層、二酸化炭素ＣＯ2の含有量の割合を小さくすることができ、この状態で点火プラグ８に送り込むことで、混合ガス燃料Ｇ3は、良好に発火し、良好なガスエンジン９の稼働を実現できる。

これによって、二酸化炭素ＣＯ2を多く含んだ燃え難い粗ガスである主燃料ガスＧ1を、火花点火のガスエンジン９の燃料として使い、その動力で発電機を駆動して電気エネルギに変換することができ、再生資源の有効活用となり、環境保全に大いに寄与することができる。

Ｇ1…主燃料ガス、Ｇ2…支援ガス、Ｇ3…混合ガス燃料、２…低圧電磁弁、
４１…主燃料ガス低圧容器、４２…支援ガス低圧容器、４４…主燃料ガスオリフィス、
４５…支援ガスオリフィス、５…撹拌器、５１…密閉容器、５A…アジテータ、
５７…モータ、５６…外部磁気回転子、５５…内部磁気回転子、５４…羽根部、
５４ａ…第１羽根、５４ｂ…第２羽根、６…空燃比調整電磁弁、
７１…低圧コントローラ、７２…ＥＣＵ、７３…Ｏ2センサ、９…ガスエンジン。

Claims

家畜の糞尿，食物残滓等からなるバイオ系の主燃料ガスと、非バイオ系の都市ガス等からなる支援ガスと、前記主燃料ガスが貯留される主燃料ガス低圧容器と、前記支援ガスが貯留される支援ガス低圧容器と、前記主燃料ガス低圧容器内の前記主燃料ガスを、前記支援ガス低圧容器内の前記支援ガスと同等圧力に設定する低圧電磁弁と、前記主燃料ガス低圧容器と前記支援ガス低圧容器のそれぞれの下流側と、ガスエンジンとの間に設けられ前記主燃料ガス低圧容器と前記支援ガス低圧容器から前記主燃料ガスと前記支援ガスとが送り込まれて内部にて両者を撹拌して混合ガス燃料を生成する撹拌器とが備えられ、
前記主燃料ガス低圧容器から送られる前記主燃料ガスと、前記支援ガス低圧容器から送られる前記支援ガスとが同等圧力で且つ所定比率にて前記撹拌器に送り込まれ、且つ該撹拌器内では空気を含まない前記混合ガス燃料として生成され、該混合ガス燃料が前記ガスエンジンに供給されると共に、さらに空気が前記ガスエンジンのミキサに供給されてなることを特徴とする発電用ガスエンジンシステム。
請求項１に記載の発電用ガスエンジンシステムにおいて、主燃料ガス低圧容器の主燃料ガスの圧力を感知して主燃料ガス低圧容器内の支援ガスと同等圧力にする低圧コントローラが設けられ、前記主燃料ガス低圧容器と前記支援ガス低圧容器のそれぞれの下流側と、前記エンジンとの間には空燃比調整電磁弁と該空燃比調整電磁弁を制御するＥＣＵが設けられ、前記エンジンの排気側にはＯ2センサが設けられ、前記空燃比調整電磁弁と前記Ｏ2センサにより前記エンジンに適正量の主燃料ガスと支援ガスとの混合燃料ガスが供給されてなることを特徴とする発電用ガスエンジンシステム。
請求項２に記載の発電用ガスエンジンシステムにおいて、前記低圧コントローラは矩形波状のパルス信号を発し、前記主燃料ガス低圧容器内の圧力が３kPaより低い場合においては、前記低圧電磁弁のノズルとシール部材との間隙は大きくなり、前記主燃料ガス低圧容器内の圧力が３kPaより高い場合においては、前記ノズルと前記シール部材との間隙は小さくなることを特徴とする発電用ガスエンジンシステム。
請求項１又は２に記載の発電用ガスエンジンシステムにおいて、前記主燃料ガス低圧容器と前記支援ガス低圧容器と前記撹拌器とを連通するそれぞれのガス流路には主燃料ガスオリフィスと支援ガスオリフィスが具備され、前記主燃料ガスオリフィスと前記支援ガスオリフィスによって前記撹拌器に送り込まれる前記主燃料ガスと前記支援ガスとの量が所定比率に制御されてなることを特徴とする発電用ガスエンジンシステム。
請求項１又は２に記載の発電用ガスエンジンシステムにおいて、前記攪伴器は、密閉容器内に配置され且つ羽根部を有するアジテータが備えられ、前記密閉容器の外部にモータにより回転する外部磁気回転子が配置され、密閉容器内には、内部磁気回転子が前記アジテータと共に回転するように回転軸に装着され、外部磁気回転子の磁力線による磁気誘導にて前記内部磁気回転子と共に前記アジテータを回転させてなる構成としたことを特徴とする発電用ガスエンジンシステム。
請求項５に記載の発電用ガスエンジンシステムにおいて、前記アジテータの前記羽根部は第１羽根と第２羽根からなり、前記第１羽根と前記第２羽根は回転軸に対して、それぞれの向い角が反対になる構成としてなることを特徴とする発電用ガスエンジンシステム。