WO2011152218A1 - ガスエンジン - Google Patents

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supercharger
methane
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裕一 清水
鈴木　元
秀樹 西尾
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三菱重工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a gas engine that effectively uses natural gas, biogas, or methane-containing gas discharged from a coal mine as an intake gas or fuel.
  • methane CH 4 and CO 2 Public interest in the regulation of greenhouse gas emissions such as methane CH 4 and CO 2 is increasing year by year.
  • methane has a greenhouse effect 21 times that of CO 2 , and emission of methane into the atmosphere cannot be ignored.
  • methane when coal is mined, a large amount of methane of 10 to 40 Nm 3 (equivalent to pure methane) per ton of coal is released into the atmosphere from the coal mine.
  • Methane-containing gas discharged from the coal mine mine is mixed in the coal seam, and recovered methane-containing gas CMM (Coal Mine Methane, methane concentration of about 20 to 50% by weight, which is recovered by a vacuum pump from the vent hole for safety. ) And ventilated methane-containing gas VAM (Ventilation Air Methane, methane concentration of less than 1% by weight) discharged from the tunnel and face for ventilation.
  • CMM Coal Mine Methane, methane concentration of about 20 to 50% by weight, which is recovered by a vacuum pump from the vent hole for safety.
  • VAM Vententilation Air Methane, methane concentration of less than 1% by weight
  • Patent Document 1 discloses a gas turbine in which a gas having a methane concentration lower than a flammable limit can be used as fuel, such as landfill gas generated at a landfill site for garbage, coal mine exhaust gas, and the like. .
  • Patent Document 2 discloses a power generation gas engine that uses a methane-containing gas discharged from a coal mine as a fuel.
  • the gas engine power generation facility disclosed in Patent Document 2 will be described with reference to FIG.
  • FIG. 7 schematically illustrates a coal mine CM and a gas engine power generation facility 200 provided in the vicinity of the coal mine CM. 7, the coal mine CM, the coal seams C 0 and mining coal seams C 1 are formed in layers.
  • a ventilation hole 206 is provided to communicate the inside of the coal mine mine with the outside.
  • a degassing boring hole 208 is formed in the mined coal bed C 1 at the face 204 in the coal mine mine, and the CMM gas discharged from the boring hole 208 is gasified by a vacuum pump 211 from a pipe line 210 disposed in the ventilation hole 206. It is sent to the engine power generation facility 200.
  • the VAM gas b discharged from the coal mine through the ventilation hole 206 is sent to the gas engine power generation facility 200 through the pipe line 212.
  • Electric power E and steam S generated by the operation of the gas engine power generation facility 200 are sent to the coal mine utility facility 202 or other demand destinations.
  • a gas engine using methane gas as a fuel is an internal combustion engine that has the advantage of extremely low environmental pollution and is expected to be widely used in the future.
  • methane-containing gas discharged from the coal mine underground since violent fluctuations in its emissions over time, or the supply amount can be maintained is a challenge that how stable against gas engine.
  • the intake gas that has become high pressure and high temperature after passing through the supercharger is controlled to a certain range of temperature by the intake air cooler (intercooler), but when using the methane-containing gas discharged from the coal mine, It is not easy to control the temperature of the mixed gas supplied to the combustion chamber because the amount of gas varies greatly and the performance of the intake air cooler is limited.
  • the object is to enable stable control of the optimum excess air ratio even for fluctuations.
  • the temperature of the mixed gas supplied to the combustion chamber is optimally controlled to prevent abnormal combustion such as knocking, and the stability of the mixed gas supplied to the combustion chamber against fluctuations in the amount of methane-containing gas.
  • the purpose is to enable efficient temperature control.
  • the gas engine of the present invention provides: A generator connected to the output shaft, an intake passage to which a lean-concentrated methane-containing gas for air conditioning discharged from a coal mine is supplied, and a gas mixing unit for mixing the high-concentration methane-containing gas in the middle of the intake passage
  • a supercharger provided in the upstream intake passage of the gas mixing unit
  • an air mixing unit provided in the upstream intake passage of the supercharger for mixing the atmosphere with the lean-concentrated methane-containing gas
  • the air mixing unit A mixture ratio adjusting device that adjusts the mixing ratio of the gas containing lean methane and the atmosphere, and an intake control that controls the temperature or flow rate of the intake gas flowing into the supercharger by controlling the mixing ratio adjusting device Means.
  • the apparatus of the present invention By using the VAM gas for air conditioning discharged from the coal mine mine as a lean-concentrated methane-containing gas and further using the CMM gas discharged from the coal mine mine as a high-concentration methane-containing gas by the apparatus of the present invention, greenhouse gas The amount of methane gas released into the atmosphere from the coal mine can be reduced. Furthermore, by effectively using the VAM gas for air conditioning, the amount of fuel gas consumed by the gas engine can be reduced. That is, the consumption of high-concentration methane-containing gas can be reduced.
  • the high-concentration methane-containing gas supplied to the gas engine for example, the CMM gas, natural gas, biogas, by-product gas discharged from a factory, landfill gas, or the like can be used.
  • the mixing ratio adjusting device is controlled by the intake air control means, and the mixing ratio of the lean methane-containing gas and the atmosphere is adjusted so that the temperature or flow rate of the intake gas flowing into the supercharger is controlled within a certain range. Therefore, the control of the excess air ratio by the supercharger and the temperature control by the intake air cooler provided downstream of the supercharger can be performed stably, even when the amount of methane-containing gas varies It is possible to quickly and accurately control the optimum excess air ratio and mixed gas temperature and maintain stable combustion.
  • the mixing ratio adjusting device is constituted by, for example, a flow rate adjusting valve or the like provided in the introduction path of the atmosphere or VAM gas, and mixing the atmosphere and VAM gas in the intake passage by adjusting the opening degree thereof.
  • the ratio can be adjusted.
  • a bypass passage that is provided in parallel with the turbine of the supercharger provided in the exhaust passage and bypasses a part of the exhaust gas from the turbine, and an exhaust flow rate adjustment that adjusts an exhaust gas flow rate of the bypass passage
  • a supercharger control means for controlling the operation of the supercharger by controlling the exhaust flow rate adjusting valve, and the excess air ratio of the mixed gas supplied to the combustion chamber becomes the target excess air ratio
  • the intake gas flow rate passing through the supercharger may be controlled by the supercharger control means.
  • the supercharger control means controls the flow rate of the intake gas passing through the supercharger to control the mixed gas supplied to the combustion chamber to the target excess air ratio.
  • the temperature or flow rate or the temperature and flow rate of the intake gas flowing into the supercharger is controlled in advance within a certain range by the intake air control means, so even if the amount of methane-containing gas varies, the supercharger
  • the intake air control means includes an intake air temperature controller, and the intake air temperature controller controls the mixing ratio adjusting device to adjust the mixing ratio of the gas containing lean methane and the atmosphere.
  • the intake gas temperature in the intake passage upstream of the supercharger may be controlled within a certain temperature range in which the control to the target excess air ratio is stably performed by the supercharger control means.
  • the constant temperature range in which the control to the target excess air ratio by the supercharger control means is performed stably is controlled to 20 to 25 ° C., for example.
  • a target excess air ratio correcting means for correcting a target excess air ratio is provided, and a supercharger is provided even if the mixing ratio of the lean-concentrated methane-containing gas and the atmosphere is controlled by the intake air temperature control unit.
  • the target excess air ratio correction means may be used to change the target excess air ratio.
  • the target excess air ratio correction means corrects the target excess air ratio suitable for operation in a temperature region outside the set range, and adjusts the gas engine so that the corrected target excess air ratio is obtained. Let it run.
  • the intake air control unit includes an intake air flow rate control unit, and the intake air flow rate control unit controls the mixing ratio adjusting device to control the intake gas flow rate upstream of the supercharger. It is good to control within the fixed range where control to the target excess air ratio by a feeder control means is performed stably. As a result, even when the amount of methane-containing gas fluctuates, the amount of intake gas flowing into the turbocharger stabilizes and converges to the target excess air ratio quickly and accurately by controlling the excess air ratio by the turbocharger control means. Can be made.
  • the mixing ratio control device may be controlled so that the flow rate of the lean-concentrated methane-containing gas supplied to the atmospheric mixing unit is always an allowable maximum amount.
  • the VAM gas can be used to the maximum extent as the fuel for the gas engine, so that the amount of methane gas released to the atmosphere can be minimized.
  • the fuel gas consumption of the engine can be reduced by effectively using the VAM gas for air conditioning. That is, the consumption of high-concentration methane-containing gas can be reduced.
  • apparatus it is good to comprise so that a part of high concentration methane containing gas may be supplied to the intake passage of the upstream of a supercharger and the downstream of an air
  • the high-concentration methane-containing gas is supplied separately to the intake passage on the downstream side of the turbocharger and the intake passage on the upstream side, so a gas mixing unit that mixes the high-concentration methane-containing gas in the intake passage is configured.
  • Equipment such as control valves can be divided and arranged. By dividing and arranging in this way, each device can be reduced in size and weight. Since devices such as control valves can be reduced in size and weight, the problem of installation space can be solved and the cost of parts can be reduced.
  • the generator connected to the output shaft, the intake passage to which the lean-concentrated methane-containing gas for air conditioning discharged from the coal mine is supplied, and the high-concentration methane-containing gas is placed in the middle of the intake passage.
  • a gas engine comprising a gas mixing unit for mixing, mixing a lean-concentrated methane-containing gas and a high-concentrated methane-containing gas, supplying the gas to the combustion chamber, and combusting it, provided in an upstream intake passage of the gas mixing unit Provided in the upstream intake passage of the supercharger and mixing the atmosphere with the lean methane-containing gas, and the mixture ratio of the lean methane-containing gas and the atmosphere in the atmosphere mixer
  • the mixture ratio adjusting device for adjusting the mixing ratio adjusting device, and the intake control means for controlling the temperature or flow rate of the intake gas flowing into the supercharger by controlling the mixing ratio adjusting device, thereby providing the lean methane-containing gas.
  • VAM gas for air conditioning discharged from the coal mine and further using CMM gas discharged from the coal mine as a high-concentration methane-containing gas, the amount of greenhouse gas methane gas released from the coal mine to the atmosphere Can be reduced. Furthermore, by effectively using the VAM gas for air conditioning, the amount of fuel gas consumed by the gas engine can be reduced. That is, the consumption of high-concentration methane-containing gas can be reduced.
  • a power generation gas engine 10 includes an engine body 12 including a plurality of (four in FIG. 1) combustion cylinders in which combustion chambers are formed, and a generator 16 is an output shaft 14 of the engine body 12. It is connected with.
  • the intake pipe 18 connected to the engine body 12 is provided with an air mixing chamber (atmosphere mixing portion) 20 on the upstream side.
  • An atmospheric introduction pipe 22 and a VAM gas introduction pipe 24 are connected to the atmospheric mixing chamber 20.
  • the atmosphere a is introduced into the atmosphere introduction pipe 22, and the VAM gas b for air conditioning discharged from the coal mine mine is introduced into the VAM gas introduction pipe 24.
  • VAM gas is a methane-containing gas discharged for ventilation from a mine shaft and face in a coal mine mine, and contains a methane gas having a methane concentration of less than 1% by weight.
  • the inside of the air mixing chamber 20 becomes an intake air mixed gas d in which the air a and the VAM gas b are mixed.
  • the air introduction pipe 22 and the VAM gas introduction pipe 24 are provided with flow rate adjusting valves 26 and 28, respectively, and their opening degrees are controlled by an engine control device (intake control means) 90A. By controlling the opening degree of the flow rate adjusting valves 26 and 28, the mixing ratio of the intake gas mixture d in the air mixing chamber 20 is adjusted.
  • the intake pipe 18 is provided with a compressor 32 of the supercharger 30 on the downstream side of the air mixing chamber 20.
  • the compressor 32 is connected to a turbine 34 provided in an exhaust pipe 62, which will be described later, by a rotary shaft 36, pressurizes the intake mixed gas d, and supplies it to the combustion cylinder of the engine body 12.
  • An intake air cooler (intercooler) 38 is provided on the downstream side of the supercharger 30. Cooling water w is introduced into the intake air cooler 38, and the intake gas that has passed through the supercharger 30 is heat-exchanged with the cooling water w and cooled, and then passes through the common intake pipe 40 and the intake branch pipes 42a to 42d. It is supplied to each combustion cylinder 56a-d.
  • the temperature control of the intake gas by the intake cooler 38 is controlled by the engine control device 90A.
  • the CMM gas c discharged from the coal mine is supplied from the fuel gas supply pipe 44 to the engine body 12.
  • the CMM gas c is mixed in the coal seam and, as shown in FIG. 7, is a recovered methane-containing gas recovered by the vacuum pump 211 from the degassing borehole 208 for safety, and has a methane concentration of about 20 to 50 weight. High concentration methane containing gas.
  • a buffer tank 46, a flow rate adjusting valve 48, and a gas compressor 50 are provided in this order from the upstream side.
  • the opening degree of the flow rate adjusting valve 48 is controlled by the engine control device 90A.
  • the fuel gas supply pipe 44 is branched into four fuel branch pipes 52a to 52d, and the fuel branch pipes 52a to 52d are connected to the intake branch pipes 42a to 42d, respectively.
  • the CMM gas c sent to the fuel gas supply pipe 44 is compressed by the gas compressor 50 and supplied to the intake branch pipes 42a to 42d via the fuel branch pipes 52a to 52d.
  • the intake mixed gas d and the CMM gas c are premixed in the intake branch pipe, and this mixed gas becomes the fuel gas g (see FIG. 2) and is supplied to the combustion cylinders 56a to 56d.
  • the fuel branch pipes 52a to 52d are provided with flow rate adjusting valves 54a to 54d, respectively, and the opening degree of these flow rate adjusting valves is controlled by the engine control device 90A.
  • the flow rate adjusting valves 54a to 54d constitute a gas mixing section which is a connection portion of the fuel branch pipes 52a to 52d to the intake branch pipes 42a to 42d.
  • the exhaust branch pipes 58a to 58d are connected to the head portions of the combustion cylinders 56a to 56d, respectively.
  • the exhaust branch pipes 58a to 58d are connected to a common exhaust pipe 60, and the common exhaust pipe 60 is further connected to an exhaust pipe 62.
  • the exhaust pipe 62 is provided with the turbine 34 of the supercharger 30.
  • Exhaust gas e exhausted from each combustion cylinder 56a-d is exhausted through exhaust branch pipes 58a-d, common exhaust pipe 60 and exhaust pipe 62.
  • a bypass pipe 64 that bypasses the turbine 34 is connected to the exhaust pipe 62, and a flow rate adjusting valve 66 is interposed in the bypass pipe 64.
  • the opening degree of the flow regulating valve 66 is controlled by the engine control device 90A.
  • the piston 70 reciprocates inside the combustion cylinders 56a to 56d.
  • a recess 70a is formed on the upper surface of the piston 70, and a main combustion chamber m is formed above the recess 70a.
  • An injector case 72 is attached to the center of the upper surface of the combustion cylinders 56a to 56d.
  • An injector 76 is mounted inside the injector case 72, and a sub chamber s is formed below the injector 76.
  • a conduit 78 is connected to the injector 76 through the injector case 72, and the pilot fuel p is supplied into the injector 76 through the conduit 78.
  • an intake port that communicates with the intake branch pipes 42a to 42d and an exhaust port that communicates with the exhaust branch pipes 58a to 58d.
  • An intake valve 80 for opening and closing the intake port and an exhaust valve 82 for opening and closing the exhaust port are provided.
  • Each exhaust branch pipe 58a-d is provided with an exhaust temperature sensor 84 for detecting the temperature of the exhaust gas, and the detected value of the exhaust temperature sensor 84 is sent to the engine control device 90A.
  • the CMM gas c is supplied from the fuel branch pipes 52a to 52d to the intake gas mixture d flowing through the intake branch pipes 42a to 42d, and the two are premixed to become the fuel gas g, and from the intake port to the combustion cylinders 56a to 56a. d is supplied.
  • the fuel gas g in the combustion cylinder is pressurized by the piston 70 and enters a sub chamber s through an injection hole 74 formed in a lower portion of the injector case 72 in a high pressure and high temperature state.
  • the pilot fuel p is sprayed from the injector 76 to the sub chamber s, and the pilot fuel p is ignited by the fuel gas g in a high temperature and high pressure state.
  • the ignited flame in the sub chamber s is pierced in the lower part of the injector case 72. It propagates from the provided hole 74 to the main combustion chamber m, and the flame f spreads in the main combustion chamber m.
  • the fuel gas g expands in the main combustion chamber m, and the piston 70 is pushed downward to rotate the output shaft 14.
  • the exhaust gas e after combustion is discharged through the exhaust branch pipes 58a to 58d, the common exhaust pipe 60, and the exhaust pipe 62.
  • a rotational speed sensor 85 for detecting the rotational speed of the output shaft 14, an in-cylinder pressure sensor (not shown) for detecting the pressure in the main combustion chamber m of each combustion cylinder 56a to 56d, and the like are provided. Detection values detected by the sensors including the sensor 84 are sent to the engine control device 90A. Based on these detected values, the engine output control means 92 controls the output of the gas engine 10 and the combustion state in the main combustion chamber m. Further, an intake air temperature sensor 87 for detecting the temperature of the intake gas mixture d flowing into the compressor 32 of the supercharger 30 and an intake gas pressure are detected in the intake pipe 18 between the supercharger 30 and the air mixing chamber 20. An intake pressure sensor 88 is provided. These detection values are sent to the engine control device 90A.
  • the opening degree of the flow rate adjusting valve 66 is controlled by the supercharger control means 94 of the engine control device 90A, and the flow rate of the exhaust gas flowing through the bypass pipe 64 is controlled.
  • the flow rate of the exhaust gas flowing through the exhaust pipe 62 is controlled, the turbine speed of the supercharger 30 is controlled, and the flow rate of the intake gas flowing through the intake pipe 18 is controlled.
  • the excess air ratio ⁇ of the mixed gas g supplied to the combustion chamber is controlled to the target excess air ratio.
  • the calculation method of the excess air ratio ⁇ detects the temperature and pressure of the intake gas mixture d with the intake air temperature sensor 87 and the intake air pressure sensor 88, and calculates the density of the intake gas mixture d from these detected values. Next, the flow rate is calculated from this density. On the other hand, the flow rate of the CMM gas c flowing through the fuel gas supply pipe 44 is calculated from the opening degree of the flow rate adjustment valve 48. The excess air ratio approximate value ⁇ ′ is calculated from the flow rate of the intake gas mixture d and the flow rate of the CMM gas c thus calculated.
  • the intake gas mixture d contains the methane gas of the VAM gas b
  • the above calculation method does not give an accurate calculated value of the excess air ratio ⁇ , but the methane concentration of the VAM gas b is usually less than 1% by weight. Since it is extremely low, the intake mixed gas d in the intake pipe 18 is treated as equivalent to air, and the calculation is performed assuming that ⁇ ′ ⁇ .
  • the temperature of the atmosphere a introduced from the atmosphere introduction pipe 22 is represented by T Air
  • the flow rate is represented by Q Air
  • the temperature of the VAM gas b introduced from the VAM gas introduction pipe 24 is represented by T VAM
  • the flow rate is represented by Q VAM
  • the temperature of the VAM gas b discharged from the coal mine mine is normally 20 to 25 ° C. under atmospheric pressure, but the intake mixed gas d flowing through the intake pipe 18 is heated by the compressor 32.
  • the temperature of the fuel gas g supplied to the main combustion chamber m affects the combustion state of the fuel gas g in the main combustion chamber m, and abnormal combustion such as misfire or knocking may occur depending on the temperature of the fuel gas g. . Further, since the density of the intake gas mixture d varies depending on the temperature, the temperature of the intake gas mixture d also affects the excess air ratio ⁇ .
  • the temperature of the fuel gas g supplied to the main combustion chamber m needs to be controlled within a predetermined range of 40 to 45 ° C. or less.
  • the intake mixed gas d is cooled by the intake air cooler 38 on the downstream side of the supercharger 30.
  • the supercharger The temperature of the intake gas mixture d flowing into the gas 30 needs to be 20 to 25 ° C. This intake air temperature control procedure will be described with reference to FIG.
  • the supercharger control means 94 controls the flow rate Q V + A of the intake mixed gas d that passes through the compressor 32 of the supercharger 30 and is supplied to the combustion chamber, so that the target excess air ratio ⁇ 0 is obtained. Controlled by flow rate.
  • FIG. 3 shows a control procedure for controlling the temperature T V + A of the intake gas mixture d to the set temperature T SUC (T SUC1 ⁇ T SUC ⁇ T SUC2 ) in the control state of the turbocharger 30 with the target excess air ratio. It is a flowchart.
  • This T SUC range is, for example, a range of 20 ° C. to 25 ° C. as a constant temperature range.
  • step S10 control is started in step S10, and when T V + A ⁇ T SUC1 in step S12, the process proceeds to step S14.
  • the intake temperature control unit 96 controls the opening degree of the flow rate adjusting valves 26 and 28, thereby increasing the VAM gas flow rate Q VAM and decreasing the atmospheric flow rate Q Air .
  • the temperature TV + A of the intake gas mixture d is raised so as to be within the set temperature range.
  • the flow rate Q V + A of the intake gas mixture d which is the total flow rate of the VAM gas flow rate Q VAM and the atmospheric flow rate Q Air , is not changed.
  • step S16 If T SUC1 ⁇ T VAM is not satisfied in step S14, the process proceeds to step S16.
  • T SUC1 ⁇ T Air in step S16 the VAM gas flow rate Q VAM is decreased and the atmospheric flow rate Q Air is increased. As a result, the temperature TV + A of the intake gas mixture d is raised so as to be within the set temperature range. If T SUC1 ⁇ T Air is not satisfied in step S16, it is determined that the temperature of the intake mixed gas d cannot be controlled within the set range because both the VAM gas temperature T VAM and the atmospheric temperature T Air are higher than T SUC1 .
  • step S18 If T V + A ⁇ T SUC1 is not satisfied in step S12, the process proceeds to step S18.
  • T SUC2 ⁇ T V + A is not satisfied in step S18, the intake mixed gas temperature T V + A is within the set temperature range, and the process returns to step S12.
  • T SUC2 ⁇ T V + A in step S18 the process proceeds to step S20. If T VAM ⁇ T SUC2 in step S20, the VAM gas flow rate Q VAM is increased and the atmospheric flow rate Q Air is decreased. As a result, the temperature T V + A of the intake gas mixture d is lowered so as to fall within the set temperature range.
  • step S22 If T VAM ⁇ T SUC2 is not satisfied in step S20, the process proceeds to step S22.
  • T Air ⁇ T SUC2 in step S22 the VAM gas flow rate Q VAM is decreased and the atmospheric flow rate Q Air is increased. As a result, the temperature TV + A of the intake gas mixture d is lowered so as to be within the set range.
  • the flow rate Q VAM of the VAM gas b is always controlled to be maximum within the allowable range.
  • the VAM gas amount can be utilized to the maximum.
  • the methane gas that is a greenhouse gas is used.
  • the amount of air released from the coal mine can be reduced.
  • the excess air ratio ⁇ of the fuel gas g supplied to the combustion cylinders 56a to 56d is set to the target air. The excess rate can be controlled. Therefore, generation of NO X and the like in the exhaust gas e can be suppressed, and engine performance can be maximized without causing abnormal combustion such as knocking.
  • the intake gas mixture d of the atmosphere a and the VAM gas b is used as the intake gas
  • the supply of the intake gas to the combustion cylinders 56a to 56d is achieved by adjusting the air supply amount according to the supply amount of the VAM gas b. Can be stabilized. Therefore, the supply amount of the intake gas to the combustion cylinders 56a to 56d can be stabilized even if the VAM gas b varies greatly.
  • the intake gas temperature is controlled by introducing the atmosphere a into the intake gas, the intake gas temperature can be easily controlled. Then, by controlling the intake gas temperature before flowing into the supercharger 30 to be in the range of 20 to 25 ° C., the control of the excess air rate by the supercharger control means 94 and the downstream of the supercharger 30 are performed.
  • the intake air temperature can be stably controlled by the intake air cooler 38 installed on the side, the optimal excess air ratio is controlled even when the amount of methane-containing gas fluctuates, and the optimal mixing into the combustion chamber Control to the gas temperature can be performed quickly and accurately, and stable combustion can be maintained.
  • the gas engine can be stably operated by setting the controllable target excess air ratio.
  • the mixing ratio of the atmosphere a and the VAM gas b is within a range where the excess air ratio ⁇ can be controlled to the target excess air ratio and the temperature of the intake gas mixture d can be controlled within a set range. Has been adjusted to maximize. As a result, the amount of VAM gas b released into the atmosphere can be reduced to the maximum, and the amount of heat of the methane gas contained in the VAM gas b can be maximized, so that the consumption of the CMM gas in the high-concentration methane-containing gas can be reduced.
  • FIG. 4 shows an engine control device 90B of the present embodiment.
  • the engine control device 90B is provided with an intake air flow rate control unit 100 instead of the intake air temperature control unit 96 and the ⁇ correction means 98 of the engine control device 90A, as compared with the engine control device 90A used in the first embodiment.
  • Other configurations of the engine control device 90B are the same as those of the engine control device 90A.
  • the overall configuration other than the engine control device is the same as that of the first embodiment.
  • the intake air flow rate control unit 100 adjusts the opening degree of the flow rate adjusting valves 26 and 28 based on the detected values of the intake air temperature sensor 87 and the intake pressure sensor 88, thereby changing the mixing ratio of the atmosphere a and the VAM gas b. By adjusting, the flow rate of the intake mixed gas d flowing into the supercharger 30 can be adjusted.
  • the flow rate adjustment procedure of the intake gas mixture d of the present embodiment will be described with reference to FIG.
  • FIG. 5 is a flowchart for controlling the flow rate Q V + A of the intake gas mixture d within a certain range (Q SUC1 ⁇ Q SUC ⁇ Q SUC2 ). That is, the minimum value of the control range of the flow rate Q V + A of the intake gas mixture d with respect to the set target excess air ratio ⁇ is Q SUC1 , the maximum value is Q SUC2 , Q V + A is in this control range, and the flow rate of the VAM gas b An example is shown in which control is performed to maximize the Q VAM supply. In the figure, Q VAM2 is the maximum limit amount of the VAM gas b.
  • step S30 control is started in step S30. If Q V + A ⁇ Q SUC1 in step S32, the process proceeds to step S34. If Q VAM ⁇ Q VAM2 in step S34, the flow rate of the VAM gas b is increased, and the flow rate of the intake gas mixture d is increased so as to be within the set range. When Q VAM ⁇ Q VAM2 is not satisfied, the VAM gas flow rate is decreased so that the VAM gas flow rate is equal to or lower than Q VAM2, and the flow rate of the intake gas mixture d is increased by increasing the flow rate of the atmosphere a so as to be within the set range. To do.
  • step S36 If Q V + A ⁇ Q SUC1 is not satisfied in step S32, the process proceeds to step S36. If Q SUC2 ⁇ Q V + A is not satisfied in step S36, the flow rate of the intake gas mixture d is within the set range, so the process returns to step S32 and the same procedure is repeated. If Q SUC2 ⁇ Q V + A in step S36, Q V + A exceeds the set range, and the process proceeds to step S38. In step S38, if 0 ⁇ Q Air , the flow rate of the atmosphere a is reduced so that Q V + A falls within the set range. When 0 ⁇ Q Air is not satisfied, the flow rate of the VAM gas b is decreased so that Q V + A falls within the set range.
  • a fuel gas branch pipe 110 is connected to the buffer tank 46, and a gas mixer 112 is provided in the intake pipe 18 between the compressor 32 and the atmospheric mixing chamber 20.
  • the fuel gas branch pipe 110 is connected to the gas mixer 112 so that a part of the CMM gas c is supplied from the gas mixer 112 to the intake pipe 18.
  • a filter 114 and a flow rate adjusting valve 116 are interposed in the fuel gas branch pipe 110.
  • the opening degree of the flow regulating valve 116 is controlled by the engine control device 90A.
  • Other configurations including the engine control device 90A are the same as those in the first embodiment.
  • the gas mixing section is configured by the flow rate adjusting valves 54a to 54d and the gas mixer 112.
  • the control of the excess air ratio and the temperature control of the intake gas mixture d are performed by the same operation as in the first embodiment.
  • a part of the CMM gas c is supplied to the intake pipe 18 through the fuel gas branch pipe 110.
  • the CMM supplied to the intake branch pipes 42a to 42d through the fuel gas supply pipe 44.
  • the flow rate of the gas c can be reduced. For this reason, since the devices such as the intake branch pipes 42a to 42d and the flow rate adjusting valves 54a to 54d can be reduced in size, there is an advantage that an installation space is not required and the equipment cost is low.
  • the methane-containing gas can be effectively used to suppress the release of greenhouse gases, and stable combustion can be performed under an appropriate excess air ratio.

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Abstract

　出力軸に連結された発電機（１６）と、炭鉱から排出される空調用の希薄濃度メタン含有ガス（ＶＡＭガス）が供給される吸気通路（１８）と、該吸気通路（１８）の途中に高濃度メタン含有ガス（ＣＭＭガス）を混合するガス混合部（５４ａ～ｄ）とを備え、希薄濃度メタン含有ガスと高濃度メタン含有ガスとを混合して燃焼室に供給し燃焼させるようにしたガスエンジン（１０）において、ガス混合部の上流側吸気通路に設けられた過給機（３０）の上流側吸気通路に、希薄濃度メタン含有ガス及び大気の混合割合を調整する混合割合調整装置（２６、２８）を設けて、過給機（３０）に流入する吸気ガスの温度又は流量を吸気制御手段（９０Ａ）によって一定範囲内に制御することを特徴とする。

Description

ガスエンジン
　本発明は、天然ガスやバイオガス、又は炭鉱坑内等から排出されるメタン含有ガスを吸気ガスや燃料として有効活用したガスエンジンに関する。
　メタンＣＨ４やＣＯ２等の温室効果ガスの排出規制に対する世論の関心は、年々高まっている。特に、メタンはＣＯ２の２１倍の温室効果があり、メタンの大気中への排出は無視できない。一方、石炭の採掘時には、炭鉱坑内から石炭１トン当り１０～４０Ｎｍ３（純メタン換算）という多量のメタンが大気に放出されている。
　炭鉱坑内から排出されるメタン含有ガスは、石炭層中に混在し、保安のためにガス抜きボーリング穴から真空ポンプで回収する回収メタン含有ガスＣＭＭ（Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ　Ｍｅｔｈａｎｅ。メタン濃度約２０～５０重量％）と、坑道及び切羽から換気のために排出される換気メタン含有ガスＶＡＭ（Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ　Ａｉｒ　Ｍｅｔｈａｎｅ。メタン濃度１重量％未満）とがある。
　そのため、炭鉱坑内から大気に放出されるメタン含有ガスを大気に放出することなく有効活用することは、社会的かつ経済的貢献が極めて大きい。
　特許文献１には、ごみの埋立処分場で発生するランドフィルガスや、前記炭鉱排出ガス等のように、メタン濃度が可燃限界より低いガスを燃料として利用可能にしたガスタービンが開示されている。
　特許文献２には、炭鉱坑内から排出されるメタン含有ガスを燃料として用いる発電用ガスエンジンが開示されている。以下、特許文献２に開示されたガスエンジン発電設備を図７により説明する。図７は、炭鉱ＣＭと炭鉱ＣＭの近傍に設けられたガスエンジン発電設備２００を模式的に示す。図７において、炭鉱ＣＭでは、炭層Ｃ０と採掘炭層Ｃ１とが層状に形成されている。炭鉱坑内と外部とを連通する換気孔２０６が設けられている。
　炭鉱坑内の切羽２０４で、採掘炭層Ｃ１にガス抜きボーリング穴２０８が穿設され、ボーリング穴２０８から排出されるＣＭＭガスは、換気孔２０６内に配置された管路２１０から真空ポンプ２１１によってガスエンジン発電設備２００に送られる。また、炭鉱坑内から換気孔２０６を通して排出されたＶＡＭガスｂは、管路２１２を通ってガスエンジン発電設備２００に送られる。ガスエンジン発電設備２００が稼動して生じた電力Ｅ及び蒸気Ｓは、炭鉱坑内ユーティリティ設備２０２又はその他の需要先に送られる。
特開２０１０－１９２４７号公報 米国特許出願公開第２００５／０２０５０２２号明細書
メタンガスを燃料としたガスエンジンは、環境汚染が極めて少ないという長所をもち、今後広く普及することが期待される内燃機関である。しかし、炭鉱坑内から排出されるメタン含有ガスは、時間によってその排出量の変動が激しいため、ガスエンジンに対して如何に安定した供給量を維持できるかが課題となっている。
　また、排ガス中に発生するＮＯＸ濃度を低減する等の理由で、燃料ガス量と空気量との混合割合を所定の最適空気過剰率に保持する必要があるが、炭鉱から排出されるメタン含有ガスは、前述のように、排出量が大きく変動するため、所定の空気過剰率に維持するのが容易ではない。
　また、ガスエンジンでは、燃焼室に供給される混合ガスの温度を４０～４５℃以下の一定範囲の温度にしないと、ノッキング等の異常燃焼が発生するおそれがある。そのため、過給機通過後に高圧高温になった吸気ガスを吸気冷却器（インタークーラ）によって一定範囲の温度に制御しているが、炭鉱から排出されるメタン含有ガスを用いるときは、該メタン含有ガス量の変動が激しく、さらに吸気冷却器の性能にも限界があるため、燃焼室に供給される混合ガスの温度を制御するのは容易ではない。
　本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、メタン含有ガスを発電用ガスエンジンの燃料として用いる場合に、最適な空気過剰率に維持してＮＯＸの発生量を抑えると共に、メタン含有ガス量の変動に対しても最適な空気過剰率の安定的な制御を可能にすることを目的とする。
　また、燃焼室に供給される混合ガスの温度を最適に制御して、ノッキング等の異常燃焼の発生を防止すると共に、メタン含有ガス量の変動に対して燃焼室に供給される混合ガスの安定的な温度制御を可能とすることを目的とする。
　かかる目的を達成する為、本発明のガスエンジンは、
　出力軸に連結された発電機と、炭鉱から排出される空調用の希薄濃度メタン含有ガスが供給される吸気通路と、該吸気通路の途中に高濃度メタン含有ガスを混合するガス混合部とを備え、希薄濃度メタン含有ガスと高濃度メタン含有ガスとを混合して燃焼室に供給し燃焼させるようにしたガスエンジンにおいて、
　前記ガス混合部の上流側吸気通路に設けられた過給機と、該過給機の上流側吸気通路に設けられ、希薄濃度メタン含有ガスに大気を混合させる大気混合部と、該大気混合部で希薄濃度メタン含有ガス及び大気の混合割合を調整する混合割合調整装置と、該混合割合調整装置を制御して過給機に流入する吸気ガスの温度又は流量を一定範囲内に制御する吸気制御手段と、を備えたものである。
　本発明装置により、希薄濃度メタン含有ガスとして炭鉱坑内から排出される空調用のＶＡＭガスを利用し、さらに、高濃度メタン含有ガスとして炭鉱坑内から排出されるＣＭＭガスを利用すれば、温室効果ガスであるメタンガスの炭鉱坑内からの大気放出量を削減できる。さらに、空調用のＶＡＭガスを有効利用することによって、ガスエンジンの燃料ガスの消費量を削減できる。すなわち、高濃度メタン含有ガスの消費量を削減できる。
　ガスエンジンに供給される高濃度メタン含有ガスとして、例えば、前記ＣＭＭガス、天然ガス、バイオガス、工場等から排出される副生ガス、ランドフィルガス等が利用できる。
　また、前記吸気制御手段で前記混合割合調整装置を制御し、希薄濃度メタン含有ガスと大気との混合割合を調整して、過給機に流入する吸気ガスの温度又は流量が一定範囲内に制御されるので、過給機による空気過剰率の制御や、過給機の下流側に設けられた吸気冷却器による温度制御を安定的に行うことができ、メタン含有ガス量が変動する場合においても、最適な空気過剰率や混合ガス温度へ迅速かつ精度よく制御でき、安定した燃焼を維持できる。
　なお、前記混合割合調整装置は、例えば、大気やＶＡＭガスの導入路に設けられた流量調整弁等で構成し、これらの開度を調整することで、吸気通路における大気とＶＡＭガスとの混合割合を調整できる。
　本発明装置において、排気通路に設けられた前記過給機のタービンと並設され、排気ガスの一部を該タービンからバイパスさせるバイパス路と、該バイパス路の排気ガス流量を調整する排気流量調整弁と、該排気流量調整弁を制御して過給機の動作を制御する過給機制御手段と、を備え、前記燃焼室に供給される混合ガスの空気過剰率が目標空気過剰率になるように、該過給機制御手段によって過給機を通過する吸気ガス流量を制御するとよい。
　過給機制御手段により、過給機を通過する吸気ガス流量を制御して、燃焼室に供給される混合ガスを目標空気過剰率に制御する。この際に、吸気制御手段により、過給機に流入する吸気ガスの温度又は流量若しくは温度と流量が予め一定範囲内に制御されるため、メタン含有ガス量が変動する場合においても、過給機による空気過剰率の制御や、過給機の下流側に設けられ吸気冷却器による温度制御によって、最適な空気過剰率へ迅速かつ精度よく制御可能となり、安定した燃焼を維持できる。
　また、本発明装置において、前記吸気制御手段には吸気温度制御部を有し、該吸気温度制御部は、前記混合割合調整装置を制御して希薄濃度メタン含有ガスと大気との混合割合を調整し、過給機上流側の吸気通路の吸気ガス温度を、前記過給機制御手段による目標空気過剰率への制御が安定的に行われる一定温度範囲内に制御するとよい。
　前記過給機制御手段による目標空気過剰率への制御が安定的に行われる一定温度範囲とは、例えば２０～２５℃に制御する。これによって、メタン含有ガス量が変動する場合においても、過給機に流入される吸気ガス温度が安定し、過給機制御手段による空気過剰率制御、および過給機の下流側の吸気冷却器での温度制御が安定化して、排気ガス性能（ＮＯＸ排出量等）を適正化できると共に、ノッキング等の異常燃焼を生じることなく、エンジン性能を最大限に発揮できる。
　また、前記構成に加えて、目標空気過剰率を補正する目標空気過剰率補正手段を備え、前記吸気温度制御部によって希薄濃度メタン含有ガスと大気との混合割合を制御しても、過給機に流入する吸気ガスの温度を一定温度範囲内に制御できないとき、この目標空気過剰率補正手段によって目標空気過剰率を変更するとよい。
　前記吸気制御手段によって、希薄濃度メタン含有ガスと大気との混合割合を調整しても、ＶＡＭガス又は大気の温度状態によっては、吸気ガス温度を設定範囲に制御できないときがある。このようなときに、前記目標空気過剰率補正手段によって、設定範囲から外れた温度領域での運転に適した目標空気過剰率に補正し、補正後の目標空気過剰率となるようにガスエンジンを運転させる。例えば、目標空気過剰率λをλ＝２．０から、ガスエンジンが制御可能な目標空気過剰率であるλ＝１．９に補正することで、ガスエンジンを安定的に運転することができる。
　また、本発明装置において、前記吸気制御手段には吸気流量制御部を有し、該吸気流量制御部は、前記混合割合調整装置を制御して過給機上流側の吸気ガス流量を、前記過給機制御手段による目標空気過剰率への制御が安定的に行われる一定範囲内に制御するとよい。
　これによって、メタン含有ガス量が変動する場合においても、過給機に流入する吸気ガス量が安定し、過給機制御手段よる空気過剰率制御によって、早期にかつ精度良く目標空気過剰率に収束させることができる。
　また、本発明装置において、前記大気混合部に供給される希薄濃度メタン含有ガスの流量が常に許容最大量となるように前記混合割合制御装置を制御するようにするとよい。
　これによって、ガスエンジンの燃料としてＶＡＭガスを最大限に利用できるので、メタンガスの大気放出量を最小限にできる。また、空調用のＶＡＭガスを有効利用することでエンジンの燃料ガスの消費量を削減できる。すなわち、高濃度メタン含有ガスの消費量を削減できる。
　また、本発明装置において、高濃度メタン含有ガスの一部を過給機の上流側でかつ大気混合部の下流側の吸気通路に供給するように構成するとよい。
　高濃度メタン含有ガスを過給機の下流側の吸気通路と、上流側の吸気通路とに分けて供給するようにしたため、吸気通路の途中に高濃度メタン含有ガスを混合するガス混合部を構成する制御弁等の機器類を分割配置できる。このように分割配置することにより、夫々の機器類を小型軽量化できる。制御弁等の機器類を小型軽量化できるため、設置スペースの問題を解消できると共に、部品コストを節減できる。
　本発明装置によれば、出力軸に連結された発電機と、炭鉱から排出される空調用の希薄濃度メタン含有ガスが供給される吸気通路と、該吸気通路の途中に高濃度メタン含有ガスを混合するガス混合部とを備え、希薄濃度メタン含有ガスと高濃度メタン含有ガスとを混合して燃焼室に供給し燃焼させるようにしたガスエンジンにおいて、前記ガス混合部の上流側吸気通路に設けられた過給機と、該過給機の上流側吸気通路に設けられ、希薄濃度メタン含有ガスに大気を混合させる大気混合部と、該大気混合部で希薄濃度メタン含有ガス及び大気の混合割合を調整する混合割合調整装置と、該混合割合調整装置を制御して過給機に流入する吸気ガスの温度又は流量を制御する吸気制御手段と、を備えたことにより、希薄濃度メタン含有ガスとして炭鉱坑内から排出される空調用のＶＡＭガスを利用し、さらに、高濃度メタン含有ガスとして炭鉱坑内から排出されるＣＭＭガスを利用すれば、温室効果ガスであるメタンガスの炭鉱坑内からの大気放出量を削減できる。さらに、空調用のＶＡＭガスを有効利用することによって、ガスエンジンの燃料ガスの消費量を削減できる。すなわち、高濃度メタン含有ガスの消費量を削減できる。
　また、吸気制御手段で混合割合調整装置を制御し、大気とＶＡＭガスとの混合割合を調整することにより、過給機に流入する吸気ガスの温度又は流量を制御できる。
　過給機に流入する吸気ガスの温度又は流量が予め一定範囲内に制御されるので、過給機による空気過剰率の制御や、過給機の下流側に設置された吸気冷却器による吸気ガス温度の制御を安定的に行うことができ、メタン含有ガス量が変動する場合においても最適な空気過剰率や混合ガス温度へ迅速かつ精度よく制御でき、安定した燃焼を維持できる。
本発明装置の第１実施形態に係る構成図である。 第１実施形態のガスエンジンの燃焼シリンダの断面図である。 第１実施形態のガスエンジンの制御手順を示すフローチャートである。 本発明装置の第２実施形態に係るエンジン制御装置のブロック線図である。 第２実施形態のガスエンジンの制御手順を示すフローチャートである。 本発明装置の第３実施形態に係る構成図である。 炭鉱近傍に設けられたガスエンジン発電設備の模式図である。
　以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
（実施形態１）
　本発明装置の第１実施形態を図１～図３に基づいて説明する。本実施形態の発電用ガスエンジンは、炭鉱近傍に配設され、燃料ガス及び吸気ガスとして炭鉱坑内から排出されるメタン含有ガスを用いる。図１において、発電用ガスエンジン１０は、内部に燃焼室が形成される複数（図１では４個）の燃焼シリンダを備えた機関本体１２を備え、発電機１６が機関本体１２の出力軸１４と連結されている。
　機関本体１２に接続される吸気管１８には、上流側で大気混合室（大気混合部）２０が設けられている。大気混合室２０には大気導入管２２とＶＡＭガス導入管２４とが接続されている。大気導入管２２には大気ａが導入され、ＶＡＭガス導入管２４には、炭鉱坑内から排出された空調用のＶＡＭガスｂが導入される。ＶＡＭガスは、炭鉱坑内の坑道及び切羽から換気のために排出されるメタン含有ガスで、メタン濃度が１重量％未満の希薄濃度のメタンガスが含まれている。大気混合室２０の内部は、大気ａとＶＡＭガスｂとが混合された吸気混合ガスｄとなる。
　大気導入管２２及びＶＡＭガス導入管２４には、夫々流量調整弁２６及び２８が介設され、これらの開度はエンジン制御装置（吸気制御手段）９０Ａによって制御される。流量調整弁２６及び２８の開度を制御することによって、大気混合室２０内の吸気混合ガスｄの混合割合が調整される。吸気管１８には、大気混合室２０の下流側に、過給機３０のコンプレッサ３２が設けられている。コンプレッサ３２は、後述する排気管６２に設けられたタービン３４と回転軸３６で連結され、吸気混合ガスｄを加圧して機関本体１２の燃焼シリンダに供給している。
　過給機３０の下流側には、吸気冷却器（インタークーラ）３８が設けられている。この吸気冷却器３８には冷却水ｗが導入され、過給機３０を通過した吸気ガスはこの冷却水ｗと熱交換され冷却された後、共通吸気管４０及び吸気枝管４２ａ～ｄを経て各燃焼シリンダ５６ａ～ｄに供給される。吸気冷却器３８による吸気ガスの温度制御はエンジン制御装置９０Ａによって制御される。
　一方、炭鉱坑内から排出されるＣＭＭガスｃが、燃料ガス供給管４４から機関本体１２に供給される。ＣＭＭガスｃは、石炭層中に混在し、図７に示すように、保安のためにガス抜きボーリン穴２０８から真空ポンプ２１１で回収する回収メタン含有ガスであり、メタン濃度が約２０～５０重量％含有する高濃度メタン含有ガスである。燃料ガス供給管４４には、上流側から順に、バッファタンク４６、流量調整弁４８及びガス圧縮機５０が介設されている。流量調整弁４８の開度はエンジン制御装置９０Ａによって制御される。
　燃料ガス供給管４４は４個の燃料枝管５２ａ～ｄに分岐し、各燃料枝管５２ａ～ｄは夫々吸気枝管４２ａ～ｄに接続されている。
　燃料ガス供給管４４に送られたＣＭＭガスｃは、ガス圧縮機５０で圧縮され、燃料枝管５２ａ～ｄを経て吸気枝管４２ａ～ｄに供給される。該吸気枝管内で吸気混合ガスｄとＣＭＭガスｃとが予混合され、この混合ガスが燃料ガスｇとなって（図２参照）、各燃焼シリンダ５６ａ～ｄに供給される。各燃料枝管５２ａ～ｄには、夫々流量調整弁５４ａ～ｄが設けられ、これら流量調整弁の開度は、エンジン制御装置９０Ａによって制御される。なお、流量調整弁５４ａ～ｄによって吸気枝管４２ａ～ｄへの燃料枝管５２ａ～ｄの接続部であるガス混合部を構成している。
　各燃焼シリンダ５６ａ～ｄのヘッド部には、夫々排気枝管５８ａ～ｄが接続されている。排気枝管５８ａ～ｄは共通排気管６０に接続され、共通排気管６０はさらに排気管６２に接続されている。排気管６２には過給機３０のタービン３４が設けられている。各燃焼シリンダ５６ａ～ｄから排出される排気ガスｅは、排気枝管５８ａ～ｄ、共通排気管６０及び排気管６２を経て排気される。また、タービン３４をバイパスするバイパス管６４が排気管６２に接続され、バイパス管６４には流量調整弁６６が介設されている。流量調整弁６６の開度は、エンジン制御装置９０Ａによって制御される。
　次に、図２により、機関本体１２の燃焼シリンダ５６ａ～ｄのヘッド部の構成を説明する。図２において、燃焼シリンダ５６ａ～ｄの内部でピストン７０が往復動する。ピストン７０の上面に凹み７０ａが刻設され、この凹み７０ａの上方に主燃焼室ｍが形成される。燃焼シリンダ５６ａ～ｄの上面中央には、インジェクタケース７２が装着されている。インジェクタケース７２の内部には、インジェクタ７６が装着されており、インジェクタ７６の下方には副室ｓが形成されている。インジェクタ７６には、インジェクタケース７２を貫通して導管７８が接続されており、導管７８を通してインジェクタ７６の内部にパイロット燃料ｐが供給される。
　インジェクタケース７２の両側の燃焼シリンダ上面には、吸気枝管４２ａ～ｄに連通した吸気口と、排気枝管５８ａ～ｄに連通した排気口とが設けられている。また、該吸気口を開閉する吸気弁８０と、該排気口を開閉する排気弁８２とが設けられている。各排気枝管５８ａ～ｄには、排気ガスの温度を検出する排気温度センサ８４が設けられ、排気温度センサ８４の検出値はエンジン制御装置９０Ａに送られる。
　吸気枝管４２ａ～ｄを流れる吸気混合ガスｄに対して、燃料枝管５２ａ～ｄからＣＭＭガスｃが供給され、両者は予混合し、燃料ガスｇとなって、吸気口から燃焼シリンダ５６ａ～ｄ内に供給される。該燃焼シリンダ内の燃料ガスｇは、ピストン７０によって加圧され、高圧高温状態となってインジェクタケース７２の下部に穿設された噴孔７４から副室ｓに入る。一方、インジェクタ７６から副室ｓにパイロット燃料ｐが噴霧され、該パイロット燃料ｐは、高温高圧状態の燃料ガスｇによって着火し、着火した副室ｓ内の火炎は、インジェクタケース７２の下部に穿設された孔７４から主燃焼室ｍに伝播し、主燃焼室ｍで火炎ｆが広がる。
主燃焼室ｍで燃料ガスｇが膨脹し、ピストン７０を下方へ押し下げて出力軸１４を回転させる。燃焼した後の排ガスｅは、排気枝管５８ａ～ｄ、共通排気管６０及び排気管６２を通って排出される。
　図１に戻り、出力軸１４の回転速度を検出する回転速度センサ８５や、各燃焼シリンダ５６ａ～ｄの主燃焼室ｍの圧力を検出する図示省略の筒内圧力センサ等が設けられ、排気温度センサ８４を含む前記センサで検出された検出値は、エンジン制御装置９０Ａに送られる。これらの検出値に基づいて、エンジン出力制御手段９２によってガスエンジン１０の出力や主燃焼室ｍでの燃焼状態が制御される。
　また、過給機３０と大気混合室２０との間の吸気管１８に、過給機３０のコンプレッサ３２に流入する吸気混合ガスｄの温度を検出する吸気温度センサ８７と、吸気ガス圧力を検出する吸気圧力センサ８８が設けられている。これらの検出値がエンジン制御装置９０Ａに送られる。
　かかる構成において、エンジン制御装置９０Ａの過給機制御手段９４によって、流量調整弁６６の開度が制御され、バイパス管６４を流れる排気ガスの流量が制御される。これによって、排気管６２を流れる排気ガス流量が制御されて、過給機３０のタービン回転数が制御され、吸気管１８を流れる吸気ガスの流量が制御される。
　このように、過給機３０に流入する吸気ガスの流量を制御することによって、前記燃焼室に供給される混合ガスｇの空気過剰率λを目標空気過剰率に制御する。
　空気過剰率λの算出方法は、吸気温度センサ８７及び吸気圧力センサ８８で吸気混合ガスｄの温度及び圧力を検出し、これらの検出値から吸気混合ガスｄの密度を算出する。次に、この密度から流量を算出する。一方、燃料ガス供給管４４を流れるＣＭＭガスｃの流量を流量調整弁４８の開度から算出する。こうして算出された吸気混合ガスｄの流量と、ＣＭＭガスｃの流量とから、空気過剰率近似値λ’を算出する。吸気混合ガスｄにはＶＡＭガスｂのメタンガスが含まれているため、前記計算方法では空気過剰率λの正確な計算値は出ないが、ＶＡＭガスｂのメタン濃度は、通常１重量％未満と極めて低いので、吸気管１８内の吸気混合ガスｄを空気と同等として扱い、λ’≒λと見做して算出する。
　図１において、大気導入管２２から導入する大気ａの温度をＴＡｉｒ、流量をＱＡｉｒで表し、ＶＡＭガス導入管２４から導入するＶＡＭガスｂの温度をＴＶＡＭ、流量をＱＶＡＭで表し、過給機３０に流入する吸気混合ガスｄの温度をＴＶ＋Ａ、流量をＱＶ＋Ａで表す。なお、ＱＶ＋Ａ＝ＱＡｉｒ＋ＱＶＡＭである。
　炭鉱坑内から排出されるＶＡＭガスｂの温度は、通常、大気圧下で２０～２５℃であるが、吸気管１８を流れる吸気混合ガスｄは、コンプレッサ３２で昇温する。主燃焼室ｍに供給される燃料ガスｇの温度は、主燃焼室ｍでの燃料ガスｇの燃焼状態に影響し、燃料ガスｇの温度によっては失火やノッキング等の異常燃焼が生じるおそれがある。また、吸気混合ガスｄの密度は温度によって異なるので、吸気混合ガスｄの温度は空気過剰率λにも影響する。
　そのため、通常、主燃焼室ｍに供給される燃料ガスｇの温度は、４０～４５℃以下の所定の範囲内に制御される必要がある。過給機３０の下流側の吸気冷却器３８によって、吸気混合ガスｄは冷却制御されるが、吸気冷却器３８の性能の限界、および、安定した空気過剰率制御を行うために、過給機３０に流入する吸気混合ガスｄの温度を２０～２５℃にする必要がある。この吸気温度制御手順を図３により説明する。
　本実施形態では、過給機制御手段９４によって、過給機３０のコンプレッサ３２を通過して燃焼室に供給される吸気混合ガスｄの流量ＱＶ＋Ａが制御され、目標空気過剰率λ０となる流量に制御される。目標空気過剰率λ０は、例えば、排気ガスｅ中のＮＯＸ濃度の低減等の観点から、λ０＝２．０と設定される。図３は、この目標空気過剰率の過給機３０の制御状態において、該吸気混合ガスｄの温度ＴＶ＋Ａを設定温度ＴＳＵＣ（ＴＳＵＣ１＜ＴＳＵＣ＜ＴＳＵＣ２）に制御する制御手順を示すフローチャートである。このＴＳＵＣの範囲は、例えば一定温度の範囲としては２０℃～２５℃の範囲である。
　図３において、ステップＳ１０で制御を開始し、ステップＳ１２でＴＶ＋Ａ＜ＴＳＵＣ１であるとき、ステップＳ１４に進む。ステップＳ１４でＴＳＵＣ１＜ＴＶＡＭのとき、吸気温度制御部９６で流量調整弁２６及び２８の開度を制御することによって、ＶＡＭガス流量ＱＶＡＭを増やし、大気流量ＱＡｉｒを減らす。これによって、吸気混合ガスｄの温度ＴＶ＋Ａを上昇させ、設定温度範囲になるようにする。なお、ＶＡＭガス流量ＱＶＡＭと大気流量ＱＡｉｒとの合計流量である吸気混合ガスｄの流量ＱＶ＋Ａは変更しない。
　ステップＳ１４でＴＳＵＣ１＜ＴＶＡＭでないときはステップＳ１６に進む。ステップＳ１６でＴＳＵＣ１＜ＴＡｉｒであるとき、ＶＡＭガス流量ＱＶＡＭを減らし、大気流量ＱＡｉｒを増やす。これによって、吸気混合ガスｄの温度ＴＶ＋Ａを上昇させ、設定温度範囲になるようにする。
　ステップＳ１６でＴＳＵＣ１＜ＴＡｉｒでないときは、ＶＡＭガス温度ＴＶＡＭ、および大気温度ＴＡｉｒがともにＴＳＵＣ１より高いため、吸気混合ガスｄの温度を設定範囲に制御できないと判断する。そのため、空気過剰率補正手段９８で、吸気混合ガスｄが外れた温度域である場合の運転に適した目標空気過剰率λ０’（例えばλ０’＝２．０＋０．１）に補正する。そして、補正後の目標空気過剰率λ０’となるように、吸気混合ガスｄの設定流量ＱＳＵＣを変更し（ＱＳＵＣ→ＱＳＵＣ＋ｉ）、過給機制御手段９４によって、吸気混合ガスｄの流量がＱＳＵＣ＋ｉとなるように流量調整弁６６の開度を制御する。
　また、ステップＳ１２でＴＶ＋Ａ＜ＴＳＵＣ１でないとき、ステップＳ１８に進む。ステップＳ１８でＴＳＵＣ２＜ＴＶ＋Ａでないときは、吸気混合ガス温度ＴＶ＋Ａが設定温度範囲にあるので、ステップＳ１２に戻る。ステップＳ１８でＴＳＵＣ２＜ＴＶ＋Ａであるときは、ステップＳ２０に進む。ステップＳ２０でＴＶＡＭ＜ＴＳＵＣ２であるときは、ＶＡＭガス流量ＱＶＡＭを増やし、大気流量ＱＡｉｒを減らす。これによって、吸気混合ガスｄの温度ＴＶ＋Ａを下降させ、設定温度範囲になるようにする。
　ステップＳ２０でＴＶＡＭ＜ＴＳＵＣ２でないときは、ステップＳ２２に進む。ステップＳ２２でＴＡｉｒ＜ＴＳＵＣ２のときは、ＶＡＭガス流量ＱＶＡＭを減らし、大気流量ＱＡｉｒを増やす。これによって、吸気混合ガスｄの温度ＴＶ＋Ａを下降させ、設定範囲になるようにする。
　ステップＳ２２でＴＡｉｒ＜ＴＳＵＣ２でないときは、ＶＡＭガス温度ＴＶＡＭ、および大気温度ＴＡｉｒがともにＴＳＵＣ２より低いため、吸気混合ガスｄの温度を設定範囲に制御できないと判断する。そのため、空気過剰率補正手段９８で、混合ガスが外れた温度域である場合の運転に適した目標空気過剰率λ０’’（例えばλ０’’＝２．０－０．１）に補正する。そして、補正後の目標空気過剰率λ０’’となるように、吸気混合ガスｄの設定流量ＱＳＵＣを変更し（ＱＳＵＣ→ＱＳＵＣ－ｉ）、過給機制御手段９４によって吸気混合ガスｄの流量がＱＳＵＣ－ｉとなるように流量調整弁６６の開度を制御する。
　なお、本実施形態では、吸気温度制御部９６によって吸気混合ガスｄの温度ＴＶ＋Ａを制御するとき、許容範囲内でＶＡＭガスｂの流量ＱＶＡＭが常に最大となるように制御している。これによって、ＶＡＭガス量を最大限に利用できるようにしている。
　本実施形態によれば、炭鉱坑内から排出されるＶＡＭガスｂをガスエンジン１０の吸気ガスとして利用すると共に、ＣＭＭガスｃをガスエンジン１０の燃料ガスとして利用するので、温室効果ガスであるメタンガスの炭鉱坑内からの大気放出量を削減できる。
　また、過給機制御手段９４によって過給機３０のタービン３４をバイパスする排気ガスｅの流量を制御することにより、燃焼シリンダ５６ａ～ｄに供給される燃料ガスｇの空気過剰率λを目標空気過剰率に制御できる。そのため、排気ガスｅ中のＮＯＸ等の発生を抑制できると共に、ノッキング等の異常燃焼を生じることなく、エンジン性能を最大限に発揮できる。
　また、大気ａとＶＡＭガスｂとの吸気混合ガスｄを吸気ガスとしているので、ＶＡＭガスｂの供給量に応じて大気供給量を調整することにより、燃焼シリンダ５６ａ～ｄへの吸気ガスの供給を安定化できる。そのため、ＶＡＭガスｂが大きく変動しても燃焼シリンダ５６ａ～ｄへの吸気ガスの供給量を安定化できる。
　さらに、吸気ガス中に大気ａを導入することで、吸気ガス温度を制御しているので、吸気ガス温度の制御が容易になる。そして、過給機３０への流入前の吸気ガス温度を２０～２５℃の範囲になるように制御することによって、過給機制御手段９４による空気過剰率の制御や、過給機３０の下流側に設置された吸気冷却器３８による吸気ガス温度の制御を安定的に行うことができ、メタン含有ガス量が変動する場合においても最適な空気過剰率の制御、および燃焼室への最適な混合ガス温度への制御が、迅速かつ精度よく行うことができ、安定した燃焼を維持できる。
　また、吸気管１８の大気ａとＶＡＭガスｂとの混合割合を調整しても、吸気混合ガスｄの温度を設定範囲に調整できないときは、空気過剰率補正手段９８によって、吸気混合ガスｄが外れた温度領域で運転される場合に適した目標空気過剰率に変更しているので、ガスエンジンの運転に支障を来たさない。すなわち、目標空気過剰率λが、例えばλ＝２．０から１．９に補正した場合には、理論的な空気過剰率からずれるためにＮＯｘ等の排ガス性能に悪影響を及ぼすが、ガスエンジンが制御可能な目標空気過剰率とすることでガスエンジンを安定的に運転することができる。
　また、大気ａとＶＡＭガスｂとの混合割合は、空気過剰率λを目標空気過剰率に制御できる範囲で、かつ吸気混合ガスｄの温度を設定範囲に制御できる条件の下で、ＶＡＭガス流量が最大限となるように調整されている。そのため、ＶＡＭガスｂの大気放出量を最大限削減できると共に、ＶＡＭガスｂ中に含まれるメタンガスの熱量を最大限利用できるので、高濃度メタン含有ガスのＣＭＭガスの消費量を削減できる。
（実施形態２）
　次に、本発明装置の第２実施形態を図４及び図５により説明する。本実施形態は、吸気混合ガスｄの温度が既に設定範囲に入っており、このとき、空気過剰率λを目標空気過剰率に制御する場合の例である。図４は、本実施形態のエンジン制御装置９０Ｂを示す。エンジン制御装置９０Ｂは、第１実施形態で用いられるエンジン制御装置９０Ａと比べて、エンジン制御装置９０Ａの吸気温度制御部９６及びλ補正手段９８の代わりに、吸気流量制御部１００を設けている。エンジン制御装置９０Ｂのその他の構成は、エンジン制御装置９０Ａと同一である。また、エンジン制御装置以外の全体構成も第１実施形態と同一である。
　吸気流量制御部１００は、吸気温度センサ８７及び吸気圧力センサ８８の検出値に基づいて、流量調整弁２６及び２８の開度を調整し、これによって、大気ａとＶＡＭガスｂとの混合割合を調整して、過給機３０に流入する吸気混合ガスｄの流量を調整可能にしている。以下、本実施形態の吸気混合ガスｄの流量調整手順を図５により説明する。
　図５では、吸気混合ガスｄの流量ＱＶ＋Ａを一定の範囲内（ＱＳＵＣ１＜ＱＳＵＣ＜ＱＳＵＣ２）に制御するフローチャートである。即ち、設定した目標空気過剰率λに対する
吸気混合ガスｄの流量ＱＶ＋Ａの制御範囲の最小値をＱＳＵＣ１，最大値をＱＳＵＣ２とし，ＱＶ＋Ａがこの制御範囲に入り、且つＶＡＭガスｂの流量ＱＶＡＭを供給可能な中で最大とする制御を行う例を示す。図中、ＱＶＡＭ２はＶＡＭガスｂの最大限界量である。
　図５において、ステップとＳ３０で制御を開始する。ステップＳ３２で、ＱＶ＋Ａ＜ＱＳＵＣ１であるときは、ステップＳ３４に進む。ステップＳ３４で、ＱＶＡＭ＜ＱＶＡＭ２であるときは、ＶＡＭガスｂの流量を増やして、吸気混合ガスｄの流量を増量し、設定範囲になるようにする。ＱＶＡＭ＜ＱＶＡＭ２でないときは、ＶＡＭガス流量を減らして、ＶＡＭガス流量をＱＶＡＭ２以下にすると共に、大気ａの流量を増やして吸気混合ガスｄの流量を増量し、設定範囲になるようにする。
　ステップＳ３２で、ＱＶ＋Ａ＜ＱＳＵＣ１でないときは、ステップＳ３６に進む。ステップＳ３６で、ＱＳＵＣ２＜ＱＶ＋Ａでないときは、吸気混合ガスｄの流量が設定範囲内であるので、ステップＳ３２に戻り、同じ手順を繰り返す。
　ステップＳ３６で、ＱＳＵＣ２＜ＱＶ＋Ａであるときは、ＱＶ＋Ａが設定範囲を越えており、ステップＳ３８に進む。ステップＳ３８で、０＜ＱＡｉｒのときは、大気ａの流量を減らして、ＱＶ＋Ａが設定範囲となるようにする。０＜ＱＡｉｒでないときは、ＶＡＭガスｂの流量を減らして、ＱＶ＋Ａが設定範囲になるようにする。
　このようにして、過給機３０の流入側の吸気混合ガスｄの流量を設定範囲に維持する。本実施形態によれば、吸気流量制御部１００によって、過給機３０の流入側の吸気混合ガス量を制御することによって、過給機制御手段９４による空気過剰率の制御を急速かつ精度良く行なうことができる。また、メタン含有ガス量が変動する場合においても、空気過剰率の制御を安定的に行うことができる。
（実施形態３）
　次に、本発明装置の第３実施形態を図６により説明する。図６において、バッファタンク４６に燃料ガス分岐管１１０を接続すると共に、コンプレッサ３２と大気混合室２０との間の吸気管１８にガスミキサ１１２を設けている。そして、燃料ガス分岐管１１０をガスミキサ１１２に接続して、ＣＭＭガスｃの一部をガスミキサ１１２から吸気管１８に供給するようにしている。燃料ガス分岐管１１０には、フィルタ１１４と流量調整弁１１６とが介設されている。流量調整弁１１６の開度はエンジン制御装置９０Ａによって制御される。エンジン制御装置９０Ａを含めて、その他の構成は、前記第１実施形態と同一である。
　なお、第３実施形態においては、流量調整弁５４ａ～ｄとガスミキサ１１２とによってガス混合部を構成している。
　本実施形態では、第１実施形態と同様の操作で、空気過剰率の制御と吸気混合ガスｄの温度制御とが行なわれる。その際、ＣＭＭガスｃの一部は、燃料ガス分岐管１１０を通して吸気管１８に供給される。
　本実施形態では、ＣＭＭガスｃの一部を吸気管１８に供給しているので、第１実施形態の作用効果に加えて、燃料ガス供給管４４を通して吸気枝管４２ａ～ｄに供給されるＣＭＭガスｃの流量を低減できる。そのため、吸気枝管４２ａ～ｄ及び流量調整弁５４ａ～ｄ等の機器類を小型化できるので、設置スペースを要さず、設備費が低コストとなる利点がある。
　本発明の発電用ガスエンジンによれば、メタン含有ガスを有効利用して温室効果ガスの放出を抑制できると共に、適正空気過剰率の下で安定燃焼を行なうことができる。

Claims (7)

  1. 　出力軸に連結された発電機と、炭鉱から排出される空調用の希薄濃度メタン含有ガスが供給される吸気通路と、該吸気通路の途中に高濃度メタン含有ガスを混合するガス混合部とを備え、希薄濃度メタン含有ガスと高濃度メタン含有ガスとを混合して燃焼室に供給し燃焼させるようにしたガスエンジンにおいて、
    　前記ガス混合部の上流側吸気通路に設けられた過給機と、該過給機の上流側吸気通路に設けられ、希薄濃度メタン含有ガスに大気を混合させる大気混合部と、該大気混合部で希薄濃度メタン含有ガス及び大気の混合割合を調整する混合割合調整装置と、該混合割合調整装置を制御して前記過給機に流入する吸気ガスの温度又は流量を一定範囲内に制御する吸気制御手段と、を備えたことを特徴とするガスエンジン。
  2. 　排気通路に設けられた前記過給機のタービンと並設され、排気ガスの一部を該タービンからバイパスさせるバイパス路と、該バイパス路の排気ガス流量を調整する排気流量調整弁と、該排気流量調整弁を制御して過給機の動作を制御する過給機制御手段と、を備え、前記燃焼室に供給される混合ガスの空気過剰率が目標空気過剰率になるように、該過給機制御手段によって過給機を通過する吸気ガス流量を制御することを特徴とする請求項１に記載のガスエンジン。
  3. 　前記吸気制御手段には吸気温度制御部を有し、該吸気温度制御部は、前記混合割合調整装置を制御して希薄濃度メタン含有ガスと大気との混合割合を調整し、過給機上流側の吸気通路の吸気ガス温度を、前記過給機制御手段による目標空気過剰率への制御が安定的に行われる一定温度範囲内に制御することを特徴とする請求項２に記載のガスエンジン。
  4. 　目標空気過剰率を補正する目標空気過剰率補正手段を備え、前記吸気温度制御部によって希薄濃度メタン含有ガスと大気との混合割合を制御しても、過給機に流入する吸気ガスの温度を前記一定温度範囲内に制御できないとき、前記目標空気過剰率補正手段によって目標空気過剰率を変更するようにしたことを特徴とする請求項３に記載のガスエンジン。
  5. 　前記吸気制御手段には吸気流量制御部を有し、該吸気流量制御部は、前記混合割合調整装置を制御して過給機上流側の吸気ガス流量を、前記過給機制御手段による目標空気過剰率への制御が安定的に行われる一定範囲内に制御することを特徴とする請求項２に記載のガスエンジン。
  6. 　前記大気混合部に供給される希薄濃度メタン含有ガスの流量が常に許容最大量となるように前記混合割合制御装置を制御するようにしたことを特徴とする請求項１～５のいずれかの項に記載のガスエンジン。
  7. 　高濃度メタン含有ガスの一部を前記過給機の上流側でかつ前記大気混合部の下流側の吸気通路に供給するように構成したことを特徴とする請求項１～６のいずれかの項に記載のガスエンジン。
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