WO2013061769A1

WO2013061769A1 - ガスエンジンならびにガスエンジンを利用したガスヒートポンプ装置およびコージェネレーション装置

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Publication number: WO2013061769A1
Application number: PCT/JP2012/076121
Authority: WO
Inventors: 中園　徹; 大坪　弘幸; 宏年鬼原
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2012-10-09
Publication date: 2013-05-02
Anticipated expiration: 2014-04-25
Also published as: JP2013092083A

Abstract

ストイキ運転とリーン運転との切り替えをスムーズに行えるガスエンジン、それを利用したガスヒートポンプ装置およびコージェネレーション装置、ならびにガスエンジンの制御方法を提供する。高負荷時にはストイキ運転し、中低負荷時にはリーン運転するガスエンジン（１）であって、ガスエンジン（１）に空気と燃料ガスとの混合気を供給するバルブ（２１）は、ストイキ運転、ストイキ運転からリーン運転への切り替え、リーン運転、リーン運転からストイキ運転への切り替えができるように、一つの比例制御弁に、開度が小さいストイキ運転領域ａと、開度が大きいリーン運転領域ｂと、その中間の切替運転領域ｃとが形成されたものである。

Description

ガスエンジンならびにガスエンジンを利用したガスヒートポンプ装置およびコージェネレーション装置

　本発明は、ガスエンジンと、それを利用したガスヒートポンプ装置およびコージェネレーション装置に関するものである。

　ガスヒートポンプ装置およびコージェネレーション装置の駆動源として、ガスエンジンが知られている。

　従来より、このようなガスエンジンとしては、ストイキ運転とリーン運転とを切り替えるようになされたものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００－２４４６５号公報

　しかし、上記従来のガスエンジンのように、ストイキ運転とリーン運転とを切り替える場合、ストイキ運転において制御すべき理論空燃比の空気過剰率（λ＝１）に対して、リーン運転において制御すべき空気過剰率（λ＝１．４～１．６）は、制御領域に幅があり、両者の制御精度が大きく異なるため、リーン運転用の空燃比制御バルブでは、リーン運転からストイキ運転まで移行できたとしても、ストイキ運転において、理論空燃比の空気過剰率（λ＝１）を制御することができなかった。

　そのため、ストイキ運転用に設定した空燃比制御バルブを用いることが考えられるが、この場合は、ストイキ運転用に制御精度を設定しているので、リーン運転の領域まで空気過剰率を上げることはできなかった。

　また、ストイキ運転用の空燃比制御バルブとリーン運転用の空燃比制御バルブとの間の切り替えによって両運転をカバーすることが考えられるが、両バルブの制御精度が大きく異なるため、切り替え過程において、スムーズな移行ができない。特にガスエンジンの場合、ストイキ運転からリーン運転に移行する途中に、排気ガス中のＮＯ_Ｘの発生量が多くなる空気過剰率の領域（λ＝１～１．３）があるため、ストイキ運転とリーン運転との間のスムーズな移行ができなければ、一時的に排気ガス中のＮＯ_Ｘが高くなったり、ガスエンジンの回転数の変動が高くなったりするといった不都合を生じることとなる。

　本発明は、ストイキ運転とリーン運転との切り替えをスムーズに行うことができるガスエンジンと、それを利用したガスヒートポンプ装置およびコージェネレーション装置を提供する。

　上記課題を解決するための本発明のガスエンジンは、エンジンの高負荷時にはストイキ運転し、中低負荷時にはリーン運転するガスエンジンであって、ガスエンジンに空気と燃料ガスとの混合気を供給するバルブは、ストイキ運転の空気過剰率を実現する一定の開口面積が確保され、ストイキ運転からリーン運転に切り替える際には、切替運転を終了するまでの間、時間の経過とともに一様に開口面積が減少して空気過剰率が上昇し、リーン運転の空気過剰率を実現する一定の開口面積が確保され、リーン運転からストイキ運転に切り替える際には、切替運転を終了するまでの間、時間の経過とともに開口面積が一様に増加して空気過剰率が減少する、ように開口面積制御が行われるものである。

　上記ガスエンジンにおいて、バルブは、バルブ開度とバルブ開口面積とが一定値で比例する異なった３つの比例制御領域が形成された一つの比例制御弁からなり、各比例制御領域は、開度が大きいストイキ運転領域と、開度が小さいリーン運転領域と、その中間の切替運転領域となされたものであってもよい。

　切替運転の運転時間と、それに伴うエンジンの回転変動幅との関係から、エンジンの回転変動幅が、所定の閾値以下となるように切替運転の運転時間を設定できるようになされたものであってもよい。

　また、上記課題を解決するための本発明のガスヒートポンプ装置は、上記のガスエンジンを有するものである。

　さらに、上記課題を解決するための本発明のコージェネレーション装置は、上記ガスエンジンを有するものである。

　さらに、上記課題を解決するための本発明のガスエンジンの制御方法は、エンジンの高負荷時にはストイキ運転し、中低負荷時にはリーン運転するガスエンジンにおいて、ガスエンジンに空気と燃料ガスとの混合気を供給するバルブは、ストイキ運転の際には、当該ストイキ運転の空気過剰率を実現する一定の開口面積を確保し、ストイキ運転からリーン運転に切り替える際には、切替運転を終了するまでの間、時間の経過とともに一様に開口面積を減少させて空気過剰率を上昇させ、リーン運転の際には、当該リーン運転の空気過剰率を実現する一定の開口面積を確保し、リーン運転からストイキ運転に切り替える際には、切替運転を終了するまでの間、時間の経過とともに開口面積を一様に増加させて空気過剰率を減少させる、ように開口面積制御を行うものである。

　以上述べたように、本発明によると、一時的に排気ガス中のＮＯ_Ｘが高くなったり、ガスエンジンの回転数の変動が高くなったりすることを防止することができる。

　また、高負荷が必要な場合にはストイキ運転を行い、中低負荷時はリーン運転を行うことができ、対応可能な負荷の範囲が広がるので、ガスヒートポンプ装置やコージェネレーション装置などの各種設備装置にこのガスエンジンを使用する場合、小排気量であっても最適なガスエンジンを使用することが可能となり、コストの低減および省エネルギーを図ることができる。

　さらに、複数のバルブを使用することなく、１つのバルブによってストイキ運転、リーン運転、切替運転を行うことができるので、エンジンをコンパクトに設計することができる。

　したがって、このようなガスエンジンを使用したガスヒートポンプ装置は通年エネルギー消費効率（ＡＰＦ）の向上を図ることができるとともに、コージェネレーション装置についても総合的なエネルギー効率の向上を図ることができる。

本発明に係るガスエンジンの全体構成の概略を示すブロック図である。本発明に係るガスエンジンに設けたバルブを示す概略図である。本発明に係るガスエンジンのリーン運転からストイキ運転へと移行する際のバルブ開度とバルブ開口面積との関係およびバルブ開度と空気過剰率との関係をそれぞれ示すグラフである。本発明に係るガスエンジンのリーン運転からストイキ運転へと移行する際の制御時間とバルブ開度との関係を示すグラフである。本発明に係るガスエンジンのリーン運転からストイキ運転へと移行する際の移行時間と回転数変動との関係を示すグラフである。

　以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

　図１はガスエンジン１の全体構成の概略を示すブロック図を示し、図２は同ガスエンジン１の比例制御バルブ２１を示し、図３は同ガスエンジン１によりリーン運転とストイキ運転との間を切り替える際のバルブ開口面積とバルブ開度との関係を示し、図４は同ガスエンジン１によりリーン運転とストイキ運転との間を切り替える際のバルブ開度と時間との関係を示している。

　このガスエンジン１は、高負荷時にはストイキ運転し、中低負荷時にはリーン運転するガスエンジン１であって、ストイキ運転領域ａ、リーン運転領域ｂ、切替運転領域ｃの異なった3つの比例制御領域を有する一つのバルブ２１を有している。

　このバルブ２１は、レギュレータ２２とミキサー２３との間に接続されて燃料供給装置２を構成している。

　バルブ２１は、バルブ開度とバルブ開口面積とが一定値で比例する異なった３つの比例制御領域が一つの比例制御弁に形成されている。各比例制御領域は、開度が大きいストイキ運転領域ａと、開度が小さいリーン運転領域ｂと、その中間の切替運転領域ｃとからなり、制御モータ２０によってバルブ開度の制御を行うように構成されている。

　ストイキ運転領域ａは、理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）をピンポイントで制御するために、バルブ開度に合わせて燃料ガスが通過する開口面積を調整できるように設計されている。すなわち、このストイキ運転領域ａは、図３に示すように、バルブ２１の開度０－１００％のうちの開度８０～１００の範囲、さらに好ましくは開度７０～１００の範囲に、当該バルブ２１の開度に合わせてバルブ２１の開口面積が一定値で比例する領域を形成して構成されている。ストイキ運転領域ａは、上記したバルブ開度の範囲で、理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）を制御することができる流量特性のものであれば特に限定されるものでは無いが、ガスエンジン１を使用する環境雰囲気温度やガスエンジン１の使用回転数域の変化に対応する必要があるため、これらの変化に追従して理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）を制御可能な流量特性を有するように比例制御領域を形成したものが使用される。

　リーン運転領域ｂは、リーン燃焼となる空気過剰率の範囲（λ＝１．４～１．６）を制御するために、バルブ２１の開度に合わせて燃料ガスが通過する開口面積を調整できるように設計されている。すなわち、このリーン運転領域ｂは、図３に示すように、バルブ２１の開度０－１００％のうちの開度０～３０の範囲、さらに好ましくは開度０～４０の範囲に、当該バルブ２１の開度に合わせてバルブ２１の開口面積が一定値で比例する領域を形成して構成されている。リーン運転領域ｂは、上記したバルブ開度の範囲で、リーン燃焼となる空気過剰率の範囲（λ＝１．４～１．６）を制御できる流量特性のものであれば特に限定されるものでは無いが、ガスエンジン１を使用する環境雰囲気温度やガスエンジン１の使用回転数域の変化に対応する必要があるため、これらの変化に追従してリーン燃焼となる空気過剰率の範囲（λ＝１．４～１．６）を制御可能な流量特性を有するように比例制御領域を形成したものが使用される。

　切替運転領域ｃは、上記した理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）から、リーン燃焼となる空気過剰率の範囲（λ＝１．４～１．６）への切替を制御するために、バルブ２１の開度に合わせて燃料ガスが通過する開口面積を調整できるように設計されている。すなわち、この切替運転領域ｃは、図３に示すように、バルブ２１の開度０－１００％のうち、上記ストイキ運転領域ａとリーン運転領域ｂとの間の開度７０～３０の範囲、好ましくは開度６０～４０の範囲に、当該バルブ２１の開度に合わせてバルブ２１の開口面積が一定値で比例する領域を形成して構成されている。切替運転領域ｃは、上記したバルブ開度の範囲で、理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）から、リーン燃焼となる空気過剰率の範囲（λ＝１．４～１．６）への切替を制御できる流量特性のものであれば特に限定されるものでは無いが、ガスエンジン１を使用する環境雰囲気温度やガスエンジン１の使用回転数域の変化に対応する必要があるため、これらの変化に追従して理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）から、リーン燃焼となる空気過剰率の範囲（λ＝１．４～１．６）への切替を制御可能な流量特性を有するように比例制御領域を形成したものが使用される。

　レギュレータ２２は、常に一定の圧力で燃料ガスを供給できるように、燃料ガスの圧力を制御するようになされている。

　ミキサー２３は、燃料ガスと空気とを混合するベンチュリ管によって構成されている。このミキサー２３は、下流側に設けられたスロットル弁２４の開度に応じて吸入される空気のベンチュリ効果で燃料ガスと空気とを混合するようになされている。

　上記構成の燃料供給装置２は、ガスエンジン１のシリッダヘッド１０の吸気口１１に接続される。このガスエンジン１には、排ガス中の酸素濃度などを測定するセンサ（図示省略）が、排気経路などに設けられており、この測定検出結果に基づいて空気過剰率を測定するようになされている。ガスエンジン１は、制御部３により、このセンサ等による測定検出結果に基づいて燃料供給装置２等の制御を行うことで、ストイキ運転とリーン運転とをスムーズに切り替えることができる。また、ストイキ運転では、排気ガス中のＮＯ_Ｘ濃度が高くなるが、排気経路に三元触媒を設けて還元処理される。

　次に、制御部３によるこのガスエンジン１の制御について説明する。

　まず、高出力を必要とする運転環境の場合、ストイキ運転が行われる。このストイキ運転は、理論空燃比の空気過剰率（λ＝１）となるように、バルブ２１の開度をストイキ運転領域ａで制御して行われる。バルブ２１は、開度を上げれば開口面積が増えて燃料ガス濃度が濃くなる、すなわち、空気過剰率が下がり、開度を下げれば開口面積が減って燃料ガス濃度が薄くなる、すなわち、空気過剰率が上がる。この際、バルブ２１のストイキ運転領域ａは、理論空燃比の空気過剰率（λ＝１）を制御し易いように、バルブ２１の開度に合わせてバルブ２１の開口面積が一定値で比例する領域を形成しているので、理論空燃比の空気過剰率（λ＝１）を容易に制御することができる。

　上記ストイキ運転から、高出力の必要が無い中低負荷の運転環境になった場合は、ストイキ運転から空気過剰率λ＝１．４～１．６のリーン運転へと切り替える。

　この切り替えを行うには、バルブ２１の開度を切替運転領域ｃで制御して行われる。この際、バルブ２１は、開度を下げれば開口面積が減って燃料ガス濃度が薄くなる、すなわち、空気過剰率が上がり、ストイキ運転となる理論空燃比の空気過剰率（λ＝１）から、リーン燃焼となる空気過剰率の範囲（λ＝１．４～１．６）へと移行する。

　なお、この切替運転の際、排気ガス中のＮＯ_Ｘの発生量が多くなる空気過剰率領域（λ＝１～１．３）をできるだけ早く通過したい。しかし、早く通過すると、図５に示すように、回転数変動を生じてガスエンジン１とその被駆動物を傷めてしまうこととなる。本願発明の場合は、この移行時間については、切替運転領域ｃにおいてバルブ２１の開度の制御時間を自由に設定できるので、ガスエンジン１等を傷めることの無いように、ガスエンジン１の回転変動が所定の閾値Ａ以下となる切替時間をかけて行うことができる。しかも、バルブ２１の切替運転領域ｃには、切替運転に適するように、バルブ２１の開度に合わせてバルブ２１の開口面積が一定値で比例する領域を形成しているので、このバルブ２１の開度を制御することによって排気ガス中のＮＯ_Ｘの発生量が多くなる空気過剰率領域（λ＝１～１．３）をスムーズに通過して運転切替を行うことができることとなり、排気ガス中のＮＯ_Ｘの発生量を最低限に抑えることができる。

　このようにしてリーン運転に切り替わった後は、リーン運転が行われる。このリーン運転は、リーン燃焼の空気過剰率の範囲（λ＝１．４～１．６）となるように、バルブ２１の開度をリーン運転領域ｂで制御して行われる。バルブ２１は、開度を下げれば開口面積が減って燃料ガス濃度が薄くなる、すなわち、空気過剰率が上がり、開度を上げれば開口面積が増えて燃料ガス濃度が濃くなる、すなわち、空気過剰率が下がる。この際、バルブ２１のリーン運転領域ｂは、リーン燃焼の空気過剰率の範囲（λ＝１．４～１．６）を制御し易いように、バルブ２１の開度に合わせてバルブ２１の開口面積が一定値で比例する領域を形成しているので、リーン燃焼の空気過剰率の範囲（λ＝１．４～１．６）を容易に制御することができる。

　上記リーン運転から、高出力が必要な運転環境になった場合は、空気過剰率λ＝１．４～１．６のリーン運転から、再度、バルブ２１の切替運転領域ｃを利用して理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）のストイキ運転へと切り替える。

　この切り替えを行うには、切替運転領域ｃにおいて、上記とは逆にバルブ開度を上げる方向に制御して理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）まで、すなわち、ストイキ運転領域ａまでバルブ２１の開度を上げることによって行われる。

　なお、バルブ開度と制御時間との関係は、図４に示すようになる。すなわち、ストイキ運転領域ａとリーン運転領域ｂとでは、所定のバルブ開度によって所定の空気過剰率を維持するように制御しているので、ストイキ運転領域ａにける制御時間ｔａおよびリーン運転領域ｂにおける制御時間ｔｂに対して、バルブ開度の変化はあまり無いが、切替運転領域ｃにおける制御時間ｔｃは、上記した閾値Ａ以下となる時間にわたり、バルブ開度を大きく変化させてストイキ運転からリーン運転またはその逆へと変化させる。

　このようにして構成されるガスエンジン１は、リーン運転からストイキ運転に切り替える場合、あるいはその逆の場合、バルブ２１に形成した切替運転領域ｃを利用して、排気ガス中のＮＯ_Ｘの発生量が多くなる空気過剰率領域（λ＝１～１．３）をスムーズに通過することができる。したがって、運転切り替えによる排気ガス中のＮＯ_Ｘの発生量を最低限に抑えることができるとともに、回転数の変動によるガスエンジン１の損傷を防止することができる。

　また、理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）でのピンポイントの制御精度が要求されるストイキ運転では、バルブ２１に形成したストイキ運転領域ａを利用して制御を行い、リーン燃焼の空気過剰率の範囲（λ＝１．４～１．６）での制御が要求されるリーン運転では、バルブ２１に形成したリーン運転領域ｂを利用して制御を行うことができるので、一つのバルブ２１により、リーン運転とストイキ運転と、両者間の切替運転とを両立させることができる。

　このようにして構成されるガスエンジン１は、ガスヒートポンプ装置（図示省略）の駆動源として好適に使用することができる。すなわち、ガスヒートポンプ装置は、冬場や夏場は高負荷が必要とされるが、春や秋の季節には中低負荷で十分対応できる。しかも、ガスエンジン１は、高負荷が必要とされる場合は、複数台のコンプレッサーを駆動しており、逆に低負荷の場合は、一台のコンプレッサーを駆動しているのか通常である。したがって、このガスエンジン１を使用したガスヒートポンプ装置は、中低負荷の場合には、リーン運転を行い、高負荷が必要となった場合にはストイキ運転に切り替えて対応することができるので、小排気量のガスエンジン１を使用してコストの低減を図ることができる。

　また、高負荷時には、ストイキ運転するため熱効率は低下するが、複数台のコンプレッサーを駆動したりすることで機械効率が高くなるので、熱効率は、中低負荷時のリーン運転と同等となる。当然、この中低負荷時の熱効率は、リーン運転するため優れている。したがって、通年エネルギー消費効率（ＡＰＦ）の高効率化を図ることができることとなる。さらに、一つのバルブ２１により、ストイキ運転からリーン運転までを行う燃料供給装置２を構成することができるので、ガスエンジン１自体の小排気量化だけでなく、ガスエンジン１全体を小型化することができる。

　また、このガスエンジン１は、コージェネレーション装置（図示省略）の駆動源としても好適に使用することができる。すなわち、コージェネレーション装置は、通常運転時はリーン運転を行い、高負荷となる熱主運転に切り替える際に、ストイキ運転を行うことで、省エネルギー化を図ることができる。

　なお、本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施例はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

　本発明に係るガスエンジンは、各種省エネルギー設備の駆動源に用いられる。

１　ガスエンジン
２　燃料供給装置
２１　バルブ
ａ　ストイキ運転領域
ｂ　リーン運転領域
ｃ　切替運転領域
λ　空気過剰率

Claims

　エンジンの高負荷時にはストイキ運転し、中低負荷時にはリーン運転するガスエンジンであって、
　ガスエンジンに空気と燃料ガスとの混合気を供給するバルブは、
　ストイキ運転の空気過剰率を実現する一定の開口面積が確保され、
　ストイキ運転からリーン運転に切り替える際には、切替運転を終了するまでの間、時間の経過とともに一様に開口面積が減少して空気過剰率が上昇し、
　リーン運転の空気過剰率を実現する一定の開口面積が確保され、
　リーン運転からストイキ運転に切り替える際には、切替運転を終了するまでの間、時間の経過とともに開口面積が一様に増加して空気過剰率が減少する、
　ように開口面積制御が行われることを特徴とするガスエンジン。
　バルブは、バルブ開度とバルブ開口面積とが一定値で比例する異なった３つの比例制御領域が形成された一つの比例制御弁からなり、各比例制御領域は、開度が小さいストイキ運転領域と、開度が大きいリーン運転領域と、その中間の切替運転領域となされた請求項１記載のガスエンジン。
　切替運転の運転時間と、それに伴うエンジンの回転変動幅との関係から、エンジンの回転変動幅が、所定の閾値以下となるように切替運転の運転時間を設定できるようになされた請求項２記載のガスエンジン。
　請求項１ないし３の何れか一記載のガスエンジンを有するガスヒートポンプ装置。
　請求項１ないし３の何れか一記載のガスエンジンを有するコージェネレーション装置。
エンジンの高負荷時にはストイキ運転し、中低負荷時にはリーン運転するガスエンジンにおいて、
　ガスエンジンに空気と燃料ガスとの混合気を供給するバルブは、
　ストイキ運転の際には、当該ストイキ運転の空気過剰率を実現する一定の開口面積を確保し、
　ストイキ運転からリーン運転に切り替える際には、切替運転を終了するまでの間、時間の経過とともに一様に開口面積を減少させて空気過剰率を上昇させ、
　リーン運転の際には、当該リーン運転の空気過剰率を実現する一定の開口面積を確保し、
　リーン運転からストイキ運転に切り替える際には、切替運転を終了するまでの間、時間の経過とともに開口面積を一様に増加させて空気過剰率を減少させる、
　ように開口面積制御を行うことを特徴とするガスエンジンの制御方法。