KR20140071451A - 가스 엔진, 가스 엔진을 이용한 가스 히트 펌프 장치 및 코제너레이션 장치, 그리고 가스 엔진의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

스토이키오메트릭 운전과 린 운전의 스위칭을 원활하게 행할 수 있는 가스 엔진, 그것을 이용한 가스 히트 펌프 장치 및 코제너레이션 장치, 그리고 가스 엔진의 제어 방법을 제공한다. 고부하 시에는 스토이키오메트릭 운전하고 중저부하 시에는 린 운전하는 가스 엔진(1)이며, 가스 엔진(1)에 공기와 연료 가스의 혼합기체를 공급하는 밸브(2)는 스토이키오메트릭 운전을 실현하는 일정한 개구 면적이 확보되고, 스토이키오메트릭 운전으로부터 린 운전으로의 스위칭 운전 종료까지의 동안에 경시적으로 일정하게 개구 면적이 감소되고, 린 운전을 실현하는 일정한 개구 면적이 확보되고, 린 운전으로부터 스토이키오메트릭 운전으로의 스위칭 운전 종료까지의 동안에 경시적으로 개구 면적이 일정하게 증가하도록 스토이키오메트릭용 밸브부(21)와 린용 밸브부(22)를 직렬로 스토이키오메트릭용 밸브부(21)를 믹서(24)측에 연결하여 밸브의 개구 면적의 제어를 행하는 것이다.

Description

가스 엔진, 가스 엔진을 이용한 가스 히트 펌프 장치 및 코제너레이션 장치, 그리고 가스 엔진의 제어 방법{GAS ENGINE, GAS HEAT PUMP DEVICE AND COGENERATION DEVICE THAT USE GAS ENGINE, AND METHOD FOR CONTROLLING GAS ENGINE}
본 발명은 가스 엔진, 그것을 이용한 가스 히트 펌프 장치 및 코제너레이션 장치, 그리고 가스 엔진의 제어 방법에 관한 것이다.
가스 히트 펌프 장치 및 코제너레이션 장치 구동원으로서 가스 엔진이 알려져 있다.
종래부터, 이와 같은 가스 엔진으로서는 스토이키오메트릭 운전(stoichiometric operation)과 린 운전을 스위칭하도록 된 것이 개시되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
일본 특허 공개 2000-24465 호 공보
그러나, 상기 종래의 가스 엔진과 같이 스토이키오메트릭 운전과 린 운전을 스위칭할 경우 스토이키오메트릭 운전에 있어서 제어해야 할 이론 공연비인 공기 과잉률(λ=1)에 대하여 린 운전에 있어서 제어해야 할 공기 과잉률(λ=1.4~1.6)은 제어 영역에 폭이 있어 양자의 제어 정밀도가 크게 다르게 때문에, 린 운전용 공연비 제어 밸브에서는 린 운전으로부터 스토이키오메트릭 운전까지 이행할 수 있었다 해도 스토이키오메트릭 운전에 있어서 이론 공연비인 공기 과잉률(λ=1)을 제어할 수 없었다.
그 때문에, 스토이키오메트릭 운전용으로 설정한 공연비 제어 밸브를 이용하는 것이 고려되지만, 이 경우는 스토이키오메트릭 운전용으로 제어 정밀도를 설정하고 있으므로 린 운전 영역까지 공기 과잉률을 높일 수는 없었다.
또한, 스토이키오메트릭 운전용 공연비 제어 밸브와 린 운전용 공연비 제어 밸브 사이의 스위칭에 의해 양 운전을 커버하는 것이 고려되지만, 양 밸브의 제어 정밀도가 크게 다르게 때문에 스위칭 과정에 있어서 원활한 이행이 이루어지지 않는다. 특히 가스 엔진의 경우, 스토이키오메트릭 운전으로부터 린 운전으로 이행하는 도중에 배기 가스 내의 NOX의 발생량이 많아지는 공기 과잉률의 영역(λ=1~1.3)이 있기 때문에 스토이키오메트릭 운전과 린 운전 사이의 원활한 이행이 이루어지지 않으면 일시적으로 배기 가스 내의 NOX가 높아지거나, 가스 엔진 회전수의 변동이 높아지거나 한다는 문제가 발생하게 된다.
본 발명은 스토이키오메트릭 운전과 린 운전의 스위칭을 원활하게 행할 수 있는 가스 엔진, 그것을 이용한 가스 히트 펌프 장치 및 코제너레이션 장치, 그리고 가스 엔진의 제어 방법을 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 가스 엔진은 엔진의 고부하 시에는 스토이키오메트릭 운전하고, 중저부하 시에는 린 운전하는 가스 엔진으로서, 가스 엔진에 공기와 연료 가스의 혼합기체를 공급하는 밸브는 스토이키오메트릭 운전의 공기 과잉률을 실현하는 일정한 개구 면적이 확보되고, 스토이키오메트릭 운전으로부터 린 운전으로 스위칭할 때에는 스위칭 운전을 종료하기까지의 동안에 시간의 경과와 함께 일정하게 개구 면적이 감소해서 공기 과잉률이 상승하여 린 운전의 공기 과잉률을 실현하는 일정한 개구 면적이 확보되고, 린 운전으로부터 스토이키오메트릭 운전으로 스위칭할 때에는 스위칭 운전을 종료하기까지의 동안에 시간의 경과와 함께 개구 면적이 일정하게 증가해서 공기 과잉률이 감소하도록 개구 면적 제어가 행해지는 것이다.
또한, 상기 가스 엔진에 있어서 밸브는 스토이키오메트릭 운전의 공기 과잉률을 실현하는 스토이키오메트릭용 밸브부와 린 운전의 공기 과잉률을 실현하는 린용 밸브부를 직렬로 스토이키오메트릭용 밸브부를 엔진 흡기측에 연결하여 밸브의 개구 면적의 제어를 행하는 것이다.
스토이키오메트릭 운전에서는 린용 밸브부를 완전 개방으로 하고 스토이키오메트릭용 밸브부에 의해 밸브의 개구 면적의 제어를 행하고, 스토이키오메트릭 운전으로부터 린 운전으로 스위칭할 때는 스토이키오메트릭용 밸브부를 완전 개방으로 함과 아울러 린용 밸브부를 닫으면서 밸브의 개구 면적의 제어를 행해도 좋다.
린 운전에서는 스토이키오메트릭용 밸브부를 완전 개방으로 하고 린용 밸브부에 의해 밸브의 개구 면적의 제어를 행하고, 린 운전으로부터 스토이키오메트릭 운전으로 스위칭할 때는 린용 밸브부를 완전 개방으로 함과 아울러 스토이키오메트릭용 밸브부를 닫으면서 밸브의 개구 면적의 제어를 행해도 좋다.
스토이키오메트릭 운전으로부터 린 운전으로 스위칭할 때 또는 린 운전으로부터 스토이키오메트릭 운전으로 스위칭할 때에 스토이키오메트릭용 밸브부의 개구 면적과 린용 밸브부의 개구 면적의 합계를 추정 계산해서 개구 면적의 제어를 행해도 좋다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 가스 히트 펌프 장치는 상기 가스 엔진을 갖는 것이다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 코제너레이션 장치는 상기 가스 엔진을 갖는 것이다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 가스 엔진의 제어 방법은 엔진의 고부하 시에는 스토이키오메트릭 운전하고, 중저부하 시에는 린 운전하는 가스 엔진에 있어서, 가스 엔진에 공기와 연료 가스의 혼합기체를 공급하는 밸브는 스토이키오메트릭 운전일 때에는 그 스토이키오메트릭 운전의 공기 과잉률을 실현하는 일정한 개구 면적을 확보하고, 스토이키오메트릭 운전으로부터 린 운전으로 스위칭할 때에는 스위칭 운전을 종료하기까지의 동안에 시간의 경과와 함께 일정하게 개구 면적을 감소시켜서 공기 과잉률을 상승시키고, 린 운전일 때에는 그 린 운전의 공기 과잉률을 실현하는 일정한 개구 면적을 확보하고, 린 운전으로부터 스토이키오메트릭 운전으로 스위칭할 때는 스위칭 운전을 종료하기까지의 동안에 시간의 경과와 함께 개구 면적을 일정하게 증가시켜서 공기 과잉률을 감소시키도록 개구 면적 제어를 행하는 것이다.
[발명의 효과]
이상 서술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 일시적으로 NOX가 높아지거나 엔진 회전수의 변동이 높아지거나 하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 고부하가 필요한 경우에는 스토이키오메트릭 운전을 행하고, 중저부하 시는 린 운전을 행할 수 있어 대응 가능한 부하의 범위가 넓어지므로, 가스 히트 펌프 장치나 코제너레이션 장치 등의 각종 설비 장치에 이 가스 엔진을 사용할 경우 소배기량이어도 최적의 가스 엔진을 사용하는 것이 가능해져 비용의 저감 및 에너지 절약을 도모할 수 있다.
따라서, 이와 같은 가스 엔진을 사용한 가스 히트 펌프 장치는 연간 에너지 소비 효율(APF)의 향상을 도모할 수 있음과 아울러 코제너레이션 장치에 대해서도 종합적인 에너지 효율의 향상을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 가스 엔진의 전체 구성의 개략을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명에 의한 가스 엔진의 스토이키오메트릭 운전으로부터 린 운전으로 이행할 때의 밸브 개구 면적의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 의한 가스 엔진의 린 운전으로부터 스토이키오메트릭 운전으로 이행할 때의 밸브 개구 면적의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 의한 가스 엔진의 린 운전으로부터 스토이키오메트릭 운전으로 이행할 때의 이행 시간과 회전수 변동의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조해서 설명한다.
도 1은 가스 엔진(1)의 전체 구성의 개략을 나타내는 블록도를 나타내고, 도 2는 동 가스 엔진(1)에 의해 스토이키오메트릭 운전으로부터 린 운전으로 이행할 때의 밸브 개구 면적의 변화를 나타내고, 도 3은 동 가스 엔진(1)에 의해 린 운전으로부터 스토이키오메트릭 운전으로 이행할 때의 밸브 개구 면적의 변화를 나타내고 있다.
이 가스 엔진(1)은 고부하 시에는 스토이키오메트릭 운전하고, 중저부하 시에는 린 운전하는 가스 엔진(1)이며, 밸브(2)는 믹서(24)로부터 레귤레이터(23)에 걸쳐서 스토이키오메트릭 운전의 공기 과잉률을 실현하는 스토이키오메트릭용 밸브부(21)와, 린 운전의 공기 과잉률을 실현하는 린용 밸브부(22)를 직렬로 스토이키오메트릭용 밸브부(21)를 믹서(24)측에 연결하여 레귤레이터(23)와 믹서(24) 사이에 설치해서 구성하고 있다.
스토이키오메트릭용 밸브부(21)는 이론 공연비로 되는 공기 과잉률(λ=1)을 핀포인트로 제어하기 위해서, 연료 가스가 통과하는 개구 면적을 조정할 수 있도록 설계된 비례 제어 밸브에 의해 구성되어 있다. 이 스토이키오메트릭용 밸브부(21)는 개방도 0-100% 중 소정 개방도의 범위에서 이론 공연비로 되는 공기 과잉률(λ=1)을 제어할 수 있는 유량 특성의 것이라면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 가스 엔진(1)을 사용하는 환경 분위기 온도나 가스 엔진(1)의 사용 회전수 영역의 변화에 대응할 필요가 있기 때문에, 이들 변화에 추종해서 이론 공연비로 되는 공기 과잉률(λ=1)을 제어 가능한 유량 특성을 갖는 정밀도의 것이 사용된다.
린용 밸브부(22)는 린 연소가 되는 공기 과잉률의 범위(λ=1.4~1.6)를 제어하기 위해서 연료 가스의 통과 경로(20)의 개구 면적을 조정할 수 있도록 설계되고, 또한 개방도 100%의 상태로 연료 가스의 통과 통로(20)를 완전히 개방할 수 있도록 설계된 유량 특성의 비례 제어 밸브에 의해 구성되어 있다. 즉, 이 린용 밸브부(22)는 상술한 스토이키오메트릭용 밸브부(21)에 공급되는 가스의 상류측, 즉 레귤레이터(23)와 스토이키오메트릭용 밸브부(21) 사이에 설치되기 때문에 개방도 100%의 완전 개방 상태에서 스토이키오메트릭용 밸브부(21)에 의한 이론 공연비로 되는 공기 과잉률(λ=1)의 제어를 방해하지 않도록 개구되어야 한다. 따라서, 린용 밸브부(22)는 개방도 0-100% 중 소정 개방도 범위에서 린 연소가 되는 공기 과잉률의 범위(λ=1.4~1.6)를 제어할 수 있도록 설계되어 있고, 또한 개방도 100%의 상태로 연료 가스의 통과 통로(20)를 완전히 개방하여 스토이키오메트릭용 밸브부(21)에 의한 이론 공연비로 되는 공기 과잉률(λ=1)의 제어를 방해하지 않도록 개구되고, 스토이키오메트릭용 밸브부(21)의 제어 영역과 일부 중복되도록 되어 있다.
레귤레이터(23)는 항상 일정한 압력으로 연료 가스를 공급할 수 있도록 연료 가스의 압력을 제어하게 되어 있다.
믹서(24)는 연료 가스와 공기를 혼합하는 벤튜리관에 의해 구성되어 있다. 이 믹서(24)는 하류측에 설치된 스로틀 밸브(25)의 개방도에 따라서 흡입되는 공기의 벤튜리 효과에 의해 연료 가스와 공기를 혼합하도록 되어 있다.
상기 구성의 밸브(2)는 가스 엔진(1)의 실린더 헤드(10)의 흡기구(11)에 접속된다. 이 가스 엔진(1)에는 배기 가스 내의 산소 농도 등을 측정하는 센서(도시 생략)가 배기 경로 등에 설치되어 있고, 이 측정 검출 결과에 의거하여 공기 과잉률을 측정하도록 되어 있다. 가스 엔진(1)은 제어부(3)에 의해 이 센서 등에 의한 측정 검출 결과에 의거하여 밸브(2) 등의 제어를 행함으로써 스토이키오메트릭 운전과 린 운전을 원활하게 스위칭할 수 있다. 또한, 스토이키오메트릭 운전에서는 배기 가스 내의 NOX 농도가 높아지지만 배기 경로에 삼원촉매를 설치해서 환원 처리된다.
이어서, 제어부(3)에 의한 이 가스 엔진(1)의 제어에 대해서 설명한다.
우선, 고출력을 필요로 하는 운전 환경의 경우 스토이키오메트릭 운전이 행해진다. 이 스토이키오메트릭 운전은 이론 공연비인 공기 과잉률(λ=1)로 되도록 스토이키오메트릭용 밸브부(21)의 개방도를 제어해서 행해진다. 이때, 스토이키오메트릭용 밸브부(21)는 개방도를 올리면 개구 면적이 증가해서 연료 가스 농도가 짙어지게 되고, 즉 공기 과잉률이 내려가고, 개방도를 내리면 개구 면적이 감소해서 연료 가스 농도가 옅어지게 되고, 즉 공기 과잉률이 올라간다.
이때, 린용 밸브부(22)는 개방도 100%의 완전 개방 상태로 스토이키오메트릭용 밸브부(21)에 의한 이론 공연비로 되는 공기 과잉률(λ=1)의 제어를 방해하지 않도록 개구해 둔다.
상기 스토이키오메트릭 운전으로부터 고출력일 필요가 없는 운전 환경으로 되었을 경우는 스토이키오메트릭 운전으로부터 공기 과잉률 λ=1.4~1.6의 린 운전으로 스위칭한다.
이 스위칭을 행하기 위해서는 도 2에 나타낸 바와 같이 스토이키오메트릭용 밸브부(21)의 개방도를 100%의 완전 개방 상태까지 올려서 린용 밸브부(22)에 의한 공기 과잉률 λ=1.4~1.6의 제어를 방해하지 않도록 개구시킨다. 이때, 스토이키오메트릭용 밸브부(21)에 의한 개구 면적이 증가해서 공기 과잉률은 낮아지는 방향으로 작용하게 되어버리지만, 이 개구 면적의 증가에 동조시켜서 상기 스토이키오메트릭 운전을 방해하지 않도록 완전 개방되어 있던 린용 밸브부(22)의 개방도를 100%로부터 서서히 내린다. 이것에 의해, 린용 밸브부(22)의 개구 면적이 감소해 공기 과잉률은 실질적으로 이론 공연비인 공기 과잉률(λ=1)인 채로 공기 과잉률의 제어는 스토이키오메트릭용 밸브부(21)로부터 린용 밸브부(22)로 이행하게 된다. 또한, 스토이키오메트릭용 밸브부(21)의 개구 면적의 증가에 린용 밸브부(22)의 개구 면적의 감소를 동조시키기 위해서는 스토이키오메트릭용 밸브부(21)의 제어 정밀도와 린용 밸브부(22)의 제어 정밀도로부터 스토이키오메트릭용 밸브부(21)의 개방도의 변화에 의해 증대하는 개구 면적의 증가 비율과 린용 밸브부(22)의 개방도의 변화에 의해 감소하는 개구 면적의 감소 비율이 일치하도록, 스토이키오메트릭용 밸브부(21)의 개방도의 변화에 대한 린용 밸브부(22)의 개방도의 변화를 추정 계산해서 행한다.
그 후, 린용 밸브부(22)의 개방도를 제어함으로써 공기 과잉률 λ=1.4~1.6의 린 운전으로 스위칭할 수 있게 된다. 이때, 공기 과잉률 λ=1.4~1.6의 린 운전으로의 이행은 이미 이론 공연비인 공기 과잉률(λ=1)의 영역에서 스토이키오메트릭용 밸브부(21)의 제어로부터 린용 밸브부(22)의 제어로 이행하고 있으므로 원활하게 행할 수 있다. 따라서, NOX의 발생량이 많아지는 공기 과잉률 영역(λ=1~1.3)을 원활하게 통과해서 운전 스위칭에 의한 NOX의 발생량을 최저한으로 억제할 수 있다.
상기 린 운전으로부터 고출력이 필요한 운전 환경으로 되었을 경우는 공기 과잉률 λ=1.4~1.6의 린 운전으로부터 다시 이론 공연비로 되는 공기 과잉률(λ=1)의 스토이키오메트릭 운전으로 스위칭한다.
이 스위칭을 행하기 위해서는 도 3에 나타낸 바와 같이 린용 밸브부(22)의 개방도를 100%의 완전 개방 상태로까지 올려서 스토이키오메트릭용 밸브부(21)에 의한 공기 과잉률(λ=1)의 제어를 방해하지 않도록 개구시킨다. 이때, 린용 밸브부(22)에 의한 개구 면적이 증가해 공기 과잉률은 낮아지는 방향으로 작용하지만, 개방도가 100%로 되기 전에 이론 공연비로 되는 공기 과잉률(λ=1)에 도달해버리므로 그보다 개방도를 올리면 이론 공연비로 되는 공기 과잉률(λ=1)보다 더 공기 과잉률이 저하되어 버린다. 그래서, 이론 공연비로 되는 공기 과잉률(λ=1)보다 더 공기 과잉률이 저하되어 버리는 영역에서는 린용 밸브부(22)의 개구 면적의 증가에 동조시켜서 상기 린 운전을 방해하지 않도록 완전 개방되어 있던 스토이키오메트릭용 밸브부(21)의 개방도를 100%로부터 서서히 내린다. 이것에 의해, 스토이키오메트릭용 밸브부(21)의 개구 면적이 감소해 공기 과잉률은 실질적으로 이론 공연비인 공기 과잉률(λ=1)인 채로 공기 과잉률의 제어는 린용 밸브부(22)로부터 스토이키오메트릭용 밸브부(21)로 이행하게 된다. 이 경우도, 린용 밸브부(22)의 개구 면적의 증가에 스토이키오메트릭용 밸브부(21)의 개구 면적의 감소를 동조시키기 위해서는 린용 밸브부(22)의 제어 정밀도와 스토이키오메트릭용 밸브부(21)의 제어 정밀도로부터 린용 밸브부(21)의 개방도의 변화에 의해 증대하는 개구 면적의 증가 비율과, 스토이키오메트릭용 밸브부(21)의 개방도의 변화에 의해 감소하는 개구 면적의 감소 비율이 합치하도록 린용 밸브부(22)의 개방도의 변화에 대한 스토이키오메트릭용 밸브부(21)의 개방도의 변화를 추정 계산해서 행한다. 이때, 이론 공연비(λ=1) 영역까지의 이행은 린용 밸브부(22)에 의해 행하고, 이론 공연비로 되는 공기 과잉률(λ=1)의 영역에서 린용 밸브부(22)의 제어로부터 스토이키오메트릭용 밸브부(21)의 제어로 이행하므로, 공기 과잉률 λ=1.4~1.6의 린 운전의 영역으로부터 이론 공연비인 공기 과잉률(λ=1)의 영역까지의 이행을 원활하게 행할 수 있다. 따라서, NOX의 발생량이 많아지는 공기 과잉률 영역(λ=1~1.3)을 원활하게 통과해서 운전 스위칭에 의한 NOX의 발생량을 최저한으로 억제할 수 있다.
또한, 도 4에 나타낸 바와 같이 공기 과잉률 λ=1.4~1.6의 린 운전 영역에서부터 이론 공연비로 되는 공기 과잉률(λ=1) 영역까지의 이행을 행할 때, 급격히 단시간에 스위칭을 행하면 회전수 변동이 발생해서 가스 엔진(1)과 그 피구동물을 손상시켜 버리게 된다. 본원 발명의 경우는 이 이행 시간에 대해서는 린용 밸브부(22)의 제어에 의해 자유롭게 설정할 수 있으므로, 가스 엔진(1) 등을 손상시키지 않도록 가스 엔진(1)의 회전 변동이 소정 역치(A) 이하로 되는 스위칭 시간에 걸쳐 행할 수 있다.
그 후, 스토이키오메트릭용 밸브부(21)의 개방도를 제어함으로써 이론 공연비로 되는 공기 과잉률(λ=1)의 스토이키오메트릭 운전을 제어할 수 있게 된다. 이때, 스토이키오메트릭 운전의 영역에서는 린용 밸브부(22)의 제어로부터 스토이키오메트릭용 밸브부(21)의 제어로 이행하고 있으므로, 뛰어난 제어 정밀도로 이론 공연비로 되는 공기 과잉률(λ=1)의 제어를 행할 수 있다.
또한, 스토이키오메트릭 제어 시는 린 제어 시와 대비해서 밸브의 응답 속도를 빠르게 할 필요가 있어 스토이키오메트릭용 밸브부(21)를 린용 밸브부(22)보다 믹서(24)에 가까운 측에 배치하고 있으므로, 스토이키오메트릭용 밸브부(21)와 믹서(24) 거리가 가까워져서 체류 가스를 감소시킬 수 있으므로 제어 지연을 줄일 수 있다.
이와 같이 해서 구성되는 가스 엔진(1)은 린 운전으로부터 스토이키오메트릭 운전으로 스위칭할 경우, 또는 그 반대의 경우에 NOX의 발생량이 많아지는 공기 과잉률 영역(λ=1~1.3)을 원활하게 통과해서 운전 스위칭에 의한 NOX의 발생량을 최저한으로 억제할 수 있음과 아울러 회전수의 변동에 의한 가스 엔진(1)의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 이론 공연비로 되는 공기 과잉률(λ=1)로의 핀포인트 제어 정밀도가 요구되는 스토이키오메트릭 운전에서는 스토이키오메트릭용 밸브부(21)에 의해 제어를 행하고, 린 운전을 행하는 린용 밸브부(22)와의 스위칭에 의해 린 운전과 스토이키오메트릭 운전을 양립시킬 수 있다.
이와 같이 해서 구성되는 가스 엔진(1)은 가스 히트 펌프 장치(도시 생략)의 구동원으로서 적절히 사용할 수 있다. 즉, 가스 히트 펌프 장치는 겨울철이나 여름철은 고부하가 필요로 되지만, 봄이나 가을의 계절에는 중저부하로 충분히 대응할 수 있다. 또한, 가스 엔진(1)은 고부하가 필요로 될 경우는 복수 대의 컴프레서를 구동하고 있고, 반대로 저부하일 경우는 한 대의 컴프레서를 구동하고 있는 것이 통상이다. 따라서, 이 가스 엔진(1)을 사용한 가스 히트 펌프 장치는 중저부하일 경우에는 린 운전을 행하고, 고부하가 필요로 된 경우에는 스토이키오메트릭 운전으로 스위칭해서 대응할 수 있으므로 소배기량의 가스 엔진(1)을 사용해서 비용의 저감을 도모할 수 있다.
또한, 고부하 시에는 스토이키오메트릭 운전하기 때문에 열효율은 저하되지만, 복수대의 컴프레서를 구동하거나 함으로써 기계 효율이 높아지므로 열효율은 중저부하 시의 린 운전과 동등해진다. 당연히, 이 중저부하 시의 열효율은 린 운전하기 때문에 뛰어나다. 따라서, 연간 에너지 소비 효율(APF)의 고효율화를 도모할 수 있게 된다.
또한, 이 가스 엔진(1)은 코제너레이션 장치(도시 생략)의 구동원으로서도 적절히 사용할 수 있다. 즉, 코제너레이션 장치는 통상 운전 시는 린 운전을 행하고, 고부하로 되는 열주(熱主) 운전으로 스위칭할 때에 스토이키오메트릭 운전을 행함으로써 에너지 절약화를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명은 그 정신 또는 주요한 특징으로부터 일탈하지 않고 다른 다양한 형태로 실시할 수 있다. 그 때문에, 상술한 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않고, 한정적으로 해석해서는 안된다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 의해 나타낸 것이며, 명세서 본문에는 하등 구속되지 않는다. 또한, 특허청구범위에 속하는 변형이나 변경은 모두 본 발명의 범위 내의 것이다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명에 의한 가스 엔진은 각종 에너지 절약 설비의 구동원으로 이용된다.
1 : 가스 엔진 2 : 밸브
21 : 스토이키오메트릭용 밸브부 22 : 린용 밸브부
23 : 레귤레이터 24 : 믹서

Claims (8)

  1. 엔진의 고부하 시에는 스토이키오메트릭 운전하고, 중저부하 시에는 린 운전하는 가스 엔진으로서,
    가스 엔진에 공기와 연료 가스의 혼합기체를 공급하는 밸브는,
    스토이키오메트릭 운전의 공기 과잉률을 실현하는 일정한 개구 면적이 확보되고,
    스토이키오메트릭 운전으로부터 린 운전으로 스위칭할 때에는 스위칭 운전을 종료하기까지의 동안에 시간의 경과와 함께 일정하게 개구 면적이 감소해서 공기 과잉률이 상승하고,
    린 운전의 공기 과잉률을 실현하는 일정한 개구 면적이 확보되고,
    린 운전으로부터 스토이키오메트릭 운전으로 스위칭할 때에는 스위칭 운전을 종료할때까지의 동안에 시간의 경과와 함께 개구 면적이 일정하게 증가해서 공기 과잉률이 감소하도록 개구 면적 제어가 행해지는 것을 특징으로 하는 가스 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서,
    밸브는 스토이키오메트릭 운전의 공기 과잉률을 실현하는 스토이키오메트릭용 밸브부와 린 운전의 공기 과잉률을 실현하는 린용 밸브부를 직렬로 스토이키오메트릭용 밸브부를 엔진 흡기측에 연결하여 밸브의 개구 면적의 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 가스 엔진.
  3. 제 2 항에 있어서,
    스토이키오메트릭 운전에서는 린용 밸브부를 완전 개방으로 하고 스토이키오메트릭용 밸브부에 의해 밸브의 개구 면적의 제어를 행하고,
    스토이키오메트릭 운전으로부터 린 운전으로 스위칭할 때는 스토이키오메트릭용 밸브부를 완전 개방으로 함과 아울러 린용 밸브부를 닫으면서 밸브의 개구 면적의 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 가스 엔진.
  4. 제 2 항에 있어서,
    린 운전에서는 스토이키오메트릭용 밸브부를 완전 개방으로 하고 린용 밸브부에 의해 밸브의 개구 면적의 제어를 행하고,
    린 운전으로부터 스토이키오메트릭 운전으로 스위칭할 때에는 린용 밸브부를 완전 개방으로 함과 아울러 스토이키오메트릭용 밸브부를 닫으면서 밸브의 개구 면적의 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 가스 엔진.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    스토이키오메트릭 운전으로부터 린 운전으로 스위칭할 때 또는 린 운전으로부터 스토이키오메트릭 운전으로 스위칭할 때에 스토이키오메트릭용 밸브부의 개구 면적과 린용 밸브부의 개구 면적의 합계를 추정 계산해서 개구 면적의 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 가스 엔진.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 가스 엔진을 갖는 것을 특징으로 하는 가스 히트 펌프 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 가스 엔진을 갖는 것을 특징으로 하는 코제너레이션 장치.
  8. 엔진의 고부하 시에는 스토이키오메트릭 운전하고, 중저부하 시에는 린 운전하는 가스 엔진에 있어서,
    가스 엔진에 공기와 연료 가스의 혼합기체를 공급하는 밸브는,
    스토이키오메트릭 운전일 때에는 그 스토이키오메트릭 운전의 공기 과잉률을 실현하는 일정한 개구 면적을 확보하고,
    스토이키오메트릭 운전으로부터 린 운전으로 스위칭할 때에는 스위칭 운전을 종료하기까지의 동안에 시간의 경과와 함께 일정하게 개구 면적을 감소시켜서 공기 과잉률을 상승시키고,
    린 운전일 때에는 그 린 운전의 공기 과잉률을 실현하는 일정한 개구 면적을 확보하고,
    린 운전으로부터 스토이키오메트릭 운전으로 스위칭할 때에는 스위칭 운전을 종료하기까지의 동안에 시간의 경과와 함께 개구 면적을 일정하게 증가시켜서 공기 과잉률을 감소시키도록 개구 면적 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 가스 엔진의 제어 방법.
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