JPWO2015056777A1 - 天然ガスの燃焼促進装置 - Google Patents
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Abstract
天然ガス燃料と空気の混合気に対しプラズマを照射することにより、含有されるメタン分子に対し、その一部を部分酸化させるプラズマリアクタ２を設置する。そして、このプラズマリアクタ２に印加する放電電圧を、総合効率が最大、あるいは排気ガス特性を含めて最適となるよう、制御装置１０によりフィードバック制御する。本発明によれば、燃焼室に水素を導入するための付加的な設備を用いることなく、燃焼空気とメタンガスを含有する天然ガスとの予混合気に非平衡プラズマを照射することにより、天然ガス中に含有されるメタンガス等のうち、そのごく一部を部分酸化することで、圧縮時のメタン分子等の低温反応の促進を通じた圧縮・着火時の燃焼特性の改善することができ、総合的な熱効率の改善を図るとともに、未燃焼ガス成分として排出されるのを抑制することができる。
Description
本発明は、スパーク着火、均一予混合圧縮自己着火エンジン(ＨＣＣＩエンジン)、並びに軽油と天然ガスを併用するＤＤＦエンジンで、天然ガスを燃料として利用する際の燃焼促進装置に関する。
天然ガスは、近年のシェールガスやコールベッドメタン(ＣＢＭ)等の新たな供給源の開発を受け、エネルギー資源としての重要性が年々増大しており、将来的には世界のエネルギー供給の大きな割合を担うものと予想されている。これらの天然ガスの組成は様々であるが、主要成分はメタンガスである。
メタンガスは水素原子に対する炭素原子の比率が小さい炭化水素燃料であり、他の炭化水素系燃料と比べて、燃焼による地球温暖化ガスである二酸化炭素の排出量が少ない利点を有する。
メタンガスは水素原子に対する炭素原子の比率が小さい炭化水素燃料であり、他の炭化水素系燃料と比べて、燃焼による地球温暖化ガスである二酸化炭素の排出量が少ない利点を有する。
また、圧縮によって自己着火しにくいガスでもあり、ノッキングを起こしにくいため、高圧縮比エンジンに用いることによる熱効率の向上も期待できるが、反面、特に高圧において、他の炭化水素燃料と比べて燃焼速度が低いという特性を有している。
このため、天然ガスエンジンの熱効率を向上するため、希薄燃焼を試みた場合に、未燃ガス成分として、メタンガス放出を引き起こす可能性が高い。しかし、メタンガス自体は、その地球温暖化係数は二酸化炭素の２０倍以上あるといわれていることから、メタンガスが未燃焼ガス成分として排出されるのをいかに抑制するかが、急務の技術的課題となっている。
この様な天然ガスを効率的に燃焼させるため、古くから例えば非特許文献１に報告されているように、水素を添加する方法が知られている。水素を混合して燃焼させることによって燃焼速度を増大させることができる。そして、水素を添加した天然ガスを内燃機関に用いることもすでに、例えば非特許文献２に示されるように提案されている。この場合、水素を別途供給するための設備などが実用上問題となる。
一方、メタン等の炭化水素燃料を、合成ガス(水素と一酸化炭素の混合ガス)に変換する改質技術も古くから知られ、現在、石油化学工業等で広く使われている。この水素を含む合成ガスの燃焼速度は天然ガスに比べて早く、内燃機関に用いることも、例えば非特許文献３に示されている。
合成ガスを得るために、プラズマを用いる方法も数多く提案されている。例えば特許文献１では、非平衡プラズマを天然ガスと水とをプラズマ反応させることで、水素分子と一酸化炭素を発生させる改質法が提案されている。
また、特許文献２では、高周波誘導加熱によって生成した熱プラズマに炭化水素ガスと二酸化炭素を供給して、水素と一酸化炭素を製造する方法が提案されている。
さらに、特許文献３では、メタンガスを含む低品位燃料ガスに対して、非平衡プラズマを用いて、そのメタンと水のプラズマ反応により水素を発生させ、ガスエンジンに供給することで効率の改善を図る提案が行われた。その要約書には、「低品位燃料ガス中に含まれるメタンの一部を、低温プラズマ化学反応によって水素に照射し、メタンおよび水素を含む混合ガスを生成する低温プラズマ装置１０５と、前記混合ガスを燃料として用いるガスエンジン１０３と、を有する低温プラズマ装置とガスエンジンとの複合システム。」と記載されている。
また、特許文献２では、高周波誘導加熱によって生成した熱プラズマに炭化水素ガスと二酸化炭素を供給して、水素と一酸化炭素を製造する方法が提案されている。
さらに、特許文献３では、メタンガスを含む低品位燃料ガスに対して、非平衡プラズマを用いて、そのメタンと水のプラズマ反応により水素を発生させ、ガスエンジンに供給することで効率の改善を図る提案が行われた。その要約書には、「低品位燃料ガス中に含まれるメタンの一部を、低温プラズマ化学反応によって水素に照射し、メタンおよび水素を含む混合ガスを生成する低温プラズマ装置１０５と、前記混合ガスを燃料として用いるガスエンジン１０３と、を有する低温プラズマ装置とガスエンジンとの複合システム。」と記載されている。
一方、非平衡プラズマそのものを用いた着火法としては、特許文献４にあるように、マイクロ波を用いるものや、特許文献５の非平衡プラズマを用いて化学的活性種(ラジカル)を供給することで着火を促進する方法などが提案されている。特許文献５の要約書には、「燃焼室１３内、または燃焼室１３に連通する吸気通路３０の少なくともいずれか一方に、混合気の着火性を高める化学活性種(ラジカル)を生成する非平衡プラズマ放電手段５０と、この非平衡プラズマ放電手段５０が放電時に発する光の少なくとも一部を吸収して、化学活性種(ラジカル)を生成する光触媒５２とを設けること」が記載されている。
G.Yu, C.K.Law, C.K.Wu, Laminar Flame Speeds of Hydrocarbon + Air Mixtures with Hydrogen Addition, COMBUSTION AND FLAME 63:p.339-347(1986)
S. Orhan Akansu, Zafer Dulger, Na1z Kahraman, T. Nejat Veziroglu, Internal combustion engines fueled by natural gas-hydrogen mixtures, International Journal of Hydrogen Energy 29 p.1527-1539(2004)
Andre L. Boehman and Olivier Le Corre, Combustion of Syngas in Internal Combustion Engines, Combustion Science and Technology, Volume 180, Issue 6, p.1193-1206(2008)
上述のように、メタンガスに水素を混合することで燃焼速度を向上させること、また炭化水素系の燃料に対して水蒸気等の含酸素分子を反応させることで水素を含む燃料に改質することは、従来技術として知られている。
特許文献３に記載された技術は、この従来技術をバイオガス等の低品位燃料に適用したもので、低品位燃料ガス中に含まれるメタンの一部に水蒸気を加えつつ、低温プラズマ化学反応により水素に変換し、この水素を燃焼室に添加することで、燃焼速度を改善することが可能となる。
特許文献３に記載された技術は、この従来技術をバイオガス等の低品位燃料に適用したもので、低品位燃料ガス中に含まれるメタンの一部に水蒸気を加えつつ、低温プラズマ化学反応により水素に変換し、この水素を燃焼室に添加することで、燃焼速度を改善することが可能となる。
しかし、燃焼速度を増大させるためには、メタンガスに対し、数十％の水素を添加する必要がある。このため、特許文献３に示されたような水蒸気改質の場合には、水タンク、気化装置の設備を必要とし、重量増、コストアップを招くとともに、定期的な水補給が必要になるという問題がある。他の改質方法を用いた場合にも高いエネルギーを要する付加的な改質装置を必要とする問題がある。
また、特許文献５に記載された、非平衡プラズマを吸気管、あるいはエンジン筒内で生成し、化学的活性種により着火の促進を図る方法では、特に寿命が極めて短い化学的活性種(ラジカル)が吸気管で供給された場合のエンジン筒内における効果は必ずしも明らかではなく、またメタンに対する言及はない。
そこで、本発明の目的は、水蒸気導入装置など、燃焼室に水素を導入するための付加的な設備を用いることなく、燃焼空気とメタンガスを含有する天然ガスとの予混合気に非平衡プラズマを照射することで、天然ガス中に含有されるメタンガス等のうち、その一部を部分酸化し、圧縮時の低温反応の促進を通じて、最終的な着火・燃焼特性を改善し、総合的な熱効率の改善を図るとともに、メタンガス等が未燃焼ガス成分として排出されるのを抑制することにある。
上記の目的を達成するため、本発明の燃焼促進装置は、天然ガス燃料を用いるエンジンの燃焼促進装置であって、天然ガス燃料と空気の混合気に対しプラズマを照射することにより、含有されるメタン分子等に対し、その一部を部分酸化させるプラズマリアクタを設置し、リアクタに印加する放電電圧、および関連する装置の動作時刻を、総合効率を最大に、あるいは排気ガス特性を含めた最適値となるようフィードバック制御するようにした。
本発明によれば、混合気にプラズマを照射するプラズマリアクタを設け、ごく一部の部分酸化反応により中間生成物を生成するため、低消費電力でメタン分子等の低温反応を進めることを通じた着火・燃焼の促進によりエンジンの等容度を改善し、これにより、天然ガスの総合的な熱効率が改善されるとともに、メタンガスが未燃焼ガス成分として排出されるのを抑制することができる。
本発明を実施するための全体構成を説明する。図１に全体構成を示す。エンジンに予混合気を供給する吸気管１に、プラズマリアクタとして、非熱平衡プラズマ放電リアクタ装置２を設置する。エンジンは本形態では電気的スパーク着火を想定しているが、パイロット噴射による着火やレーザースパークによる着火などについても同様に適用することができる。
エンジンシステム全体は、基本的には従来のガスエンジンを構成するピストン３とシリンダー４、点火プラグ５及び点火プラグ駆動回路６からなるスパーク着火(ＳＩ)装置、クランク角を検出するクランク角センサ７に、吸気管１の内部で天然ガスと空気の予混合気にプラズマ照射を行う非熱平衡プラズマ放電リアクタ装置２、この非熱平衡プラズマ放電リアクタ装置２にリアクタ電圧を印加して駆動する放電駆動回路８、およびエンジン燃焼を検知する圧力計９、あるいは軸出力計、そして点火プラグ駆動回路６、非熱平衡プラズマ放電リアクタ装置２を駆動する放電駆動回路８などを含め、全体を制御する制御装置１０から構成される。
制御装置１０は、エンジン全体の総合熱効率の向上、あるいは排気ガスの特性も含めてエンジンの動作を最適化するために、以下に説明する動作マップの取得などを行う。
制御装置１０は、エンジン全体の総合熱効率の向上、あるいは排気ガスの特性も含めてエンジンの動作を最適化するために、以下に説明する動作マップの取得などを行う。
通常、ＳＩ着火のガスエンジンは、ある回転数、負荷の条件下で、予混合気をエンジンに導入し、ピストン３により圧縮し、適切な時期に点火プラグ５により着火する。
後述する、放電駆動回路８により非平衡プラズマ放電リアクタ装置にリアクタ電圧(Ｖ１)を与え、一部が部分酸化された予混合気をエンジンに導入すると、圧縮プロセスにおけるメタンの低温反応が促進され、着火が進角する。そこで、最大トルクを発生する着火時期(ＭＢＴ)に点火プラグ５による着火時期を遅角(θ１)させる。燃焼が促進されることより等容度が向上し、熱効率が改善する。この時の総合熱効率は、エンジンの正味熱効率から非熱平衡プラズマ放電リアクタ装置２の消費電力を差し引いたものとなる。同様に、ほかの電圧Ｖ２、Ｖ３等に対してもＭＢＴのθ２、θ３を決定されるが、非熱平衡プラズマ放電リアクタ装置２の消費電力、排気ガス特性を考慮し、図２に示すような総合熱効率に関する等高線図を取得することによって、その回転数、負荷における最適なリアクタ電圧(Ｖopt)、並びにＳＩ着火時期(θopt)が決まる。
後述する、放電駆動回路８により非平衡プラズマ放電リアクタ装置にリアクタ電圧(Ｖ１)を与え、一部が部分酸化された予混合気をエンジンに導入すると、圧縮プロセスにおけるメタンの低温反応が促進され、着火が進角する。そこで、最大トルクを発生する着火時期(ＭＢＴ)に点火プラグ５による着火時期を遅角(θ１)させる。燃焼が促進されることより等容度が向上し、熱効率が改善する。この時の総合熱効率は、エンジンの正味熱効率から非熱平衡プラズマ放電リアクタ装置２の消費電力を差し引いたものとなる。同様に、ほかの電圧Ｖ２、Ｖ３等に対してもＭＢＴのθ２、θ３を決定されるが、非熱平衡プラズマ放電リアクタ装置２の消費電力、排気ガス特性を考慮し、図２に示すような総合熱効率に関する等高線図を取得することによって、その回転数、負荷における最適なリアクタ電圧(Ｖopt)、並びにＳＩ着火時期(θopt)が決まる。
その他の負荷、回転数条件においても同様に(Ｖ、θ)の最適化を行い、制御装置１０が使用する動作マップを取得する。基本的には高負荷では燃焼は早いので、リアクタ電圧Ｖは低く、高回転数では反応を促進するためにリアクタ電圧Ｖを高くし、低負荷、低回転ではリアクタ電圧Ｖを低くする。
なお、圧縮自己着火(ＨＣＣＩ)天然ガスエンジンに適用する場合には、上記の実施例とは異なり、着火のためにスパークプラグ等の装置を用いないため、エンジンの動作を圧力計や軸出力計により計測し、適切な時期に着火が実現できるように電圧を制御する。
また、ＨＣＣＩエンジンではプラズマ照射だけでは、圧縮に伴うメタンの低温反応の進展が不十分で自己着火に至らない可能性もある。その場合には予混合気の吸入温度そのものを上げる必要がある。
また、ＨＣＣＩエンジンではプラズマ照射だけでは、圧縮に伴うメタンの低温反応の進展が不十分で自己着火に至らない可能性もある。その場合には予混合気の吸入温度そのものを上げる必要がある。
次にメタンガスの一部を部分酸化することによる燃焼特性を改善することができることを検証した実験結果について説明する。この実験では、メタンガスと空気の予混合気をプラズマ反応器内でプラズマ照射し、そのガスを急速圧縮膨張装置(ＲＣＥＭ)というエンジンのシングルサイクルの圧縮膨張過程をシミュレーションすることができる装置のシリンダーに導入後、圧縮膨張行程の中で着火させた。着火方法に関しては、圧縮による自己着火と、レーザースパークによる着火の双方で実験を行った。
以下、図３を用いて、実験に用いた設備について説明する。
この実験設備では、メタンガスと空気の予混合気にプラズマを照射するため、プラズマリアクタとして、パックドベッド型(ＰＢ型)のプラズマリアクタ１１を用いた。
予混合気を生成するマスフローコントローラー１２ａ、１２ｂから、メタン含有ガスと空気が調量され、所定の当量比を有する混合気となってプラズマリアクタ１１に導入される。
プラズマリアクタ１１内では、所定の電圧と周波数の放電電圧が印加され、電気ヒータ１３を介して所定温度に加熱された後、急速圧縮膨張装置(ＲＣＥＭ)１４内部のシリンダー内で所定の圧縮比で圧縮が行われる。
この実験設備では、メタンガスと空気の予混合気にプラズマを照射するため、プラズマリアクタとして、パックドベッド型(ＰＢ型)のプラズマリアクタ１１を用いた。
予混合気を生成するマスフローコントローラー１２ａ、１２ｂから、メタン含有ガスと空気が調量され、所定の当量比を有する混合気となってプラズマリアクタ１１に導入される。
プラズマリアクタ１１内では、所定の電圧と周波数の放電電圧が印加され、電気ヒータ１３を介して所定温度に加熱された後、急速圧縮膨張装置(ＲＣＥＭ)１４内部のシリンダー内で所定の圧縮比で圧縮が行われる。
プラズマリアクタ１１内部には内径１８ｍｍのガラス管内部に直径２ｍｍのガラスビーズが充填されている。プラズマリアクタ１１の中心に直径６ｍｍの金属ガス配管を通した。
ガラス管外部に張られた幅３ｃｍの金属テープを接地電極とし、中心の金属ガス配管に高電圧を印加した。電極間の間隔は７ｍｍである。プラズマリアクタ１１を通過した予混合気にはホルムアルデヒド等の中間生成物がわずかに形成された。
ガラス管外部に張られた幅３ｃｍの金属テープを接地電極とし、中心の金属ガス配管に高電圧を印加した。電極間の間隔は７ｍｍである。プラズマリアクタ１１を通過した予混合気にはホルムアルデヒド等の中間生成物がわずかに形成された。
燃焼器内部の圧力はピエゾタイプの圧力計により計測した。燃焼器の上部には石英窓を有し、レーザー光を導入することができ、本実験では、この石英窓よりＮｄ：ＹＡＧレーザーを集光し、レーザースパークにより強制的に着火も併せて行った。
メタン予混合気に対する非熱平衡プラズマ照射による着火特性の変化を調べた。まず、圧縮による自己着火特性に対してプラズマリアクタ１１への印加電圧や当量比の影響の実験結果について、次にレーザースパークによる着火後の燃焼特性結果について述べる。
図４は、自己着火による圧力の時間変化を示すもので、初期温度３９３Ｋ、当量比を０.９７に固定した上で、プラズマリアクタ１１に印加する放電電圧を０とした場合、そして、１５ｋＶから１８.５ｋＶまで０.５ｋＶずつ上昇させた場合に得られた圧力上昇特性を示す。プラズマリアクタ１１により予混合気にプラズマを照射することによって、圧縮自己着火するようになっており、また、印加電圧によって着火時期を制御できることがわかる。
図４は、自己着火による圧力の時間変化を示すもので、初期温度３９３Ｋ、当量比を０.９７に固定した上で、プラズマリアクタ１１に印加する放電電圧を０とした場合、そして、１５ｋＶから１８.５ｋＶまで０.５ｋＶずつ上昇させた場合に得られた圧力上昇特性を示す。プラズマリアクタ１１により予混合気にプラズマを照射することによって、圧縮自己着火するようになっており、また、印加電圧によって着火時期を制御できることがわかる。
以上は、圧縮に伴う自己着火について検証したが、次に、レーザー照射によるスパーク着火後の燃焼の様子を圧力波形から検討する。
なお、本実験では、レーザースパークにより燃焼器の中央部より着火を行ったが、実際のエンジンに適用する場合には、通常の電気的スパークプラグを用いることができる。
なお、本実験では、レーザースパークにより燃焼器の中央部より着火を行ったが、実際のエンジンに適用する場合には、通常の電気的スパークプラグを用いることができる。
この実験では、プラズマリアクタ１１に印加する放電電圧を１６ｋＶに固定した。
図５にレーザースパーク着火の圧力波形を示す。レーザースパークによる着火は図で４０ｍｓに行われている。プラズマ照射をしない場合とした場合を比較すると、顕著に照射をしたほうが着火後の燃焼速度が上昇していることがわかる。
図５にレーザースパーク着火の圧力波形を示す。レーザースパークによる着火は図で４０ｍｓに行われている。プラズマ照射をしない場合とした場合を比較すると、顕著に照射をしたほうが着火後の燃焼速度が上昇していることがわかる。
以上のように本実施例では、メタンが含まれる予混合気に非熱平衡プラズマを照射して、極一部の部分酸化反応を生じさせることによって中間反応物を生成し、メタンの低温反応を律速となる開始反応を介さずに進め、着火・燃焼を促進する。プラズマリアクタ１１において必要となる換算電界はおおむね１００Ｔｄ程度であり、照射によって生成する中間反応物もおおむね、０.１％未満と非常に少ない。
プラズマリアクタ１１としては様々な構成が可能であり、具体的な電圧や内部を流れる予混合気の流量は必要となる中間生成物を形成する条件のなかで決定される。その必要となる中間生成物の量はエンジンの着火方法にも依存する。
以上説明したように、本発明によれば、天然ガスをエンジン燃料として使用する際に、プラズマリアクタにより混合気にプラズマを照射するとともに、その際の放電電圧を、総合熱効率が最大、あるいは排気ガス特性を含めて最適となるようフィードバック制御した。
これにより、低コストで、総合的な熱効率が改善されるとともに、メタンガスが未燃焼ガス成分として排出されるのを抑制することができるので、二酸化炭素の低排出特性を最大限活かした天然ガス燃焼促進装置として広く採用されることが期待できる。
これにより、低コストで、総合的な熱効率が改善されるとともに、メタンガスが未燃焼ガス成分として排出されるのを抑制することができるので、二酸化炭素の低排出特性を最大限活かした天然ガス燃焼促進装置として広く採用されることが期待できる。
１ 吸気管
２ 非熱平衡プラズマ放電リアクタ装置
３ ピストン
４ シリンダー
５ 点火プラグ
６ 点火プラグ駆動回路
７ クランク角センサ
８ 放電駆動回路
９ 圧力計
１０ 制御装置
１１ パックドベッド型(ＰＢ型)のプラズマリアクタ
１２ａ、１２ｂ マスフローコントローラー
１３ ヒータ
１４ 急速圧縮膨張装置(ＲＣＥＭ)
２ 非熱平衡プラズマ放電リアクタ装置
３ ピストン
４ シリンダー
５ 点火プラグ
６ 点火プラグ駆動回路
７ クランク角センサ
８ 放電駆動回路
９ 圧力計
１０ 制御装置
１１ パックドベッド型(ＰＢ型)のプラズマリアクタ
１２ａ、１２ｂ マスフローコントローラー
１３ ヒータ
１４ 急速圧縮膨張装置(ＲＣＥＭ)
Claims (1)
- 天然ガス燃料を用いるエンジンの燃焼促進装置であって、
前記天然ガス燃料と空気の混合気に対しプラズマを照射することにより、含有されるメタン分子に対し、その一部を部分酸化させるプラズマリアクタを設置し、
前記プラズマリアクタに印加する放電電圧を、総合熱効率が最大、あるいは排気ガス特性を含めて最適となるようフィードバック制御することを特徴とする燃焼促進装置。
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|---|---|
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2014
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