JP7479603B2 - 水素ガス供給装置及びエンジンの運転方法 - Google Patents

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Description

本発明は、水素ガスをガスエンジンに供給する装置と、この装置からの水素を利用したエンジンの運転方法に関する。
従来から、水素ガスを燃料として用いる提案がなされている。特許文献１には、内燃機関に混合気として供給される燃料中に水素ガスを添加する内容が開示され、また非特許文献１にはリーンバーンガスエンジンンに水素ガスを添加して燃焼させた結果について記載されている。
特許文献２には、燃料として水素を添加するのではなく、水素の火炎伝播速度が他のガスに比べて速いことを利用し、水素火炎の攪拌作用によって燃焼空間を攪拌することで、完全燃焼を行うことが記載されている。
非特許文献２には、水素の火炎伝播速度（惣層流燃焼速度）とメタンと比較した結果について、水素の火炎伝播速度はメタンよりも速いことが記載されている。
特開昭５１－０６８２１号公報 特開２０１８－２１５２２号公報
「水素混燃エンジンの現状と課題」 日本マリンエンジニア学会誌 第５４巻 第５号 ２０１９ 「安全に関る水素の性質」安全工学 Vol44 No.6（2005）
地球温暖化対策として排ガス中のＣＯ２やＳＯｘ（イオウ酸化物）を少なくするため、船舶（コンテナ船、自動車運搬船、ばら積船、客船、クルーズ船など）のディーゼルエンジンなどでは燃料をＬＮＧ（液化天然ガス）にすることが提案されつつある。
ガス燃料の未燃ガスとして排出されるメタンの温暖化係数はＣＯ２と比較して２５倍とも言われ、はるかに大きい。このため燃料を完全燃焼させることがエネルギー効率のみならず環境衛生上も必要である。
特許文献１や非特許文献に開示される内容は、燃料として水素を添加する内容で、水素を添加することによって完全燃焼に寄与するものではない。
特許文献２に開示される内容では、液体燃料を用いたエンジンの給気中に水素ガスを微量添加するもので、水素ガスを燃料として用いるのではなく、水素の火炎でシリンダ内を攪拌し、この攪拌によって液体燃料と燃焼空気との接触を多くし、完全燃焼を行うものである。
しかしながら、不完全燃焼はシリンダ内に供給される燃料の量に影響される。
即ちエンジンの回転数を上げるために供給する燃料を多くすると、それだけ不完全燃焼として排出される軽量炭化水素の量が増える。特許文献２では水素ガスの供給量をどのようにコントロールするかについての開示がない。
上記の課題を解決するため本発明に係るエンジンの運転方法は、エンジンの回転数を一定範囲に収めるために設けたガバナーから制御装置にエンジンの回転数に対応する信号を送り、この信号を受けた制御装置から吸気ラインに設けた調整バルブに対し、爆発限界以下の範囲で且つエンジンにかかる負荷に対応した量の水素ガスを供給する信号を送るようにした。燃料供給ラインに調節バルブを設け、前記同様のエンジンにかかる負荷に対応した量の水素ガスを供給する信号を送るようにしてもよい。
排ガス中に設けた未燃ガスセンサーから信号を送り、この信号を受けた制御装置から吸気ラインまたは燃料ガス供給ラインに設けた調節バルブに対して水素ガスを供給する信号を送るようにしてもよい。
前記水素ガスの供給源は、水素ボンベ、液体水素、水素吸蔵合金ボンベ或いは水の電気分解装置など任意である。あるいは、燃料メタンガスの一部を改質して一酸化炭素とともに水素ガスを得る、改質装置によってもよい。
本発明によれば、ガスエンジンの完全燃焼を助長し、排ガス中に含まれるメタンなどの軽量炭化水素の量を大幅に削減することができ、結果として温暖化対策に有効なエンジンの運転方法を提供できる。
エンジンの回転数を水素ガスの添加量に適用するには、ガバナーではなくエンジンの回転数を直接測定することも考えられる。しかしながら、ガバナーは、エンジンにかかる負荷に応じて供給するガス燃料の量をコントロールしてエンジンの回転数を一定範囲に収めるものであり、同じ回転数でもエンジンに供給されるガス燃料の量は同じではない。
即ち、エンジンにかかる負荷が大きいときに同じ回転数を維持するには、より多くの燃料を供給する必要がある。そして、排気ガス中の未燃分の量は供給された燃料の量に関係するため、エンジンの回転数を直接測定し、これに基づいて水素ガスの添加量を決めるのは、ガバナーからの信号に基づいて制御するよりも正確性に欠ける。
したがって、本願発明による運転方法は実際の運転に則した方法と言える。
本発明に係る運転方法の全体構成を示す図 排ガス中の未燃焼成分を検出して制御するシステムの構成図 未燃焼成分の自動解消アルゴリズム
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
ガスエンジン（ディーゼルエンジン）１とＬＮＧなどの燃料ガスタンク２との間には、ガス燃料を供給する供給ライン３が設けられている。
ガスエンジン１にはガバナー４が付設され、このガバナー４によってエンジンの駆動軸にかかる負荷を検出し、エンジンの回転数に応じた信号が制御装置５に送られる。
制御装置５はエンジンの駆動軸にかかる負荷に応じた信号を供給ライン３に設けたバルブ６に送り、エンジン１に供給されるガス燃料の量を調整する。例えば、エンジンの駆動軸にかかる負荷が大きくなった場合には供給するガス燃料を多くしてエンジンの回転数を一定範囲に保つ。同様に、駆動軸にかかる負荷が小さくなった場合には供給するガス燃料を少なくする。
また、バルブ６よりも下流側の供給ライン３には水素ガス源７からの水素を燃料ガスに添加するためのバルブ８を設けている。このバルブ８にも前記制御装置５からの開度を調整する信号が送られる。
前記バルブ８を介して燃料ガスに添加される水素ガスの量は、燃料ガスの容量に対して爆発限界値未満でエンジンにかかる負荷に対応した量とする。爆発限界値未満としたのは、本発明では、水素ガスは燃料として機能するのではなく燃焼空間を攪拌する手段として機能するためである。
前記バルブ６を設ける箇所は供給ライン３に限らず、例えば、エンジンのシリンダの周囲に水素ガスの噴射弁を設け、この噴射弁に供給する水素の量を調整する位置にバルブを設けてもよい。
以上において、ディーゼルエンジンのシリンダ内に供給された燃料ガスは、圧力の上昇に伴って、あるいは上死点近傍でパイロット燃料の噴射着火又はスパーク着火によって着火燃焼し体積を急激に膨張することでピストンを押し下げクランクを介して駆動軸を回転せしめる。
この時、吸気あるいは燃料ガスとともにシリンダ内に同時に供給された水素ガスは、燃料ガスの着火とともに着火する。そして、水素ガスの火炎伝播速度（火炎面の相対移動速度）は他のガスと比べて極めて速いため、水素ガスの火炎面の移動によってシリンダ内で燃料ガスと空気との混合が助長され、燃料ガスの完全燃焼が促進される。
図３及び図４は別実施例を示すものであり、この実施例では排ガス中のメタンスリップなどの未燃焼成分をセンサーで検出し、検出した未燃成分の量に基づいて水素供給量を調整する。
以下に、別実施例の内容を説明する。
この実施例では、必要最小限の水素量で、ガスエンジンにおける燃料ガスの不完全燃焼を解決する自動制御方法を示す。水素の爆発限界は空気量に対する割合で決まる。すなわち、単位時間にエンジンに取り込まれる空気量と同じ時間で投入される水素量の比が限界値以下で燃料ガスを完全燃焼させる最少の水素量と成るよう自動制御するものである。このシステムの構成は、エンジンの排ガス中の未燃ガス分を測定する検出器と、この値に基づき、効果のある最少水素量を求める制御器、および、制御器からの指令に基づき水素ガスをエンジンに送る供給装置である。
制御の内容は、先ず、制御の開始に当たり、エンジンの運転条件に合わせ水素の投入量(Qh)を決め、供給装置を始動させる。エンジンの運転条件が安定した状態で、排ガス中の燃料の未燃分の有無を確認し、未燃分が零であれば、水素投入量を一定量（ΔQh）減ずる。その結果、未燃分(Qm)零が続けば、水素投入量低減を持続し、未燃分が発生したとき、その時の水素量(Qh)に未燃分量に比例する水素量(KQm)を加えて供給する。この制御を、エンジン運転中、継続して行う。
１…ガスエンジン、２…ガス燃料タンク、３…ガス燃料供給ライン、４…ガバナー、５…制御装置、６…バルブ、７…水素ガス源、８…バルブ。

Claims (1)

  1. 天然ガス、バイオガス、石炭ガス、プロデューサーガスなどのガス燃料を使用するエンジンへの水素ガス供給装置であって、この装置は前記エンジンの排ガス中の未燃ガス分を測定する検出器と、前記ガス燃料中への水素ガスの供給を調整する調整バルブと、前記検出器および調整バルブを制御する制御装置を備え、前記検出器からの信号が制御装置に送られ、この制御装置から前記調整バルブに、エンジンの未燃ガス分に対応し且つ供給されるガス燃料に対する割合が爆発限界以下となる量の水素を供給する開度となる信号が送られることを特徴とする水素ガスの供給装置。
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