WO2018070125A1 - ガスエンジンシステム - Google Patents

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gas engine
gas
exhaust
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洋輔 野中
尚 堀江
隆文 樋口
元 清瀧
雅人 仲井
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川崎重工業株式会社
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a gas engine system including a catalyst installed in an exhaust gas flow path from a gas engine to a supercharger (turbocharger).
  • a gas engine system including a gas engine that burns fuel gas to drive a generator, for example, and a supercharger that sends compressed air to the gas engine using exhaust gas discharged from the gas engine as a drive source is known. ing.
  • Patent Document 1 discloses that a catalyst is used to oxidize unburned fuel gas in exhaust gas.
  • the catalyst is installed in the exhaust gas flow path from the gas engine to the supercharger. Since the temperature of the exhaust gas before being expanded by the supercharger is high, if a catalyst is installed in the exhaust system from the gas engine to the upstream of the supercharger, rather than installing the catalyst downstream of the supercharger, The catalyst can oxidize unburned fuel gas more effectively.
  • the catalyst immediately after the cold start of the engine is at a room temperature that is far lower than the temperature condition at which the catalyst exhibits a suitable exhaust gas purification ability. Therefore, when the engine is started, even if a catalyst is installed in the exhaust system of the engine, the exhaust gas released into the atmosphere contains a large amount of unburned fuel gas. Therefore, it has been proposed to quickly increase the temperature of the catalyst at the time of starting the engine to ensure the exhaust gas purification ability of the catalyst earlier.
  • Patent Document 2 when the catalyst provided in the exhaust system of the engine is in a cold state, fuel is injected in the expansion process of the engine, unburned fuel and oxygen are supplied to the exhaust passage, and this unburned fuel is supplied.
  • a fuel injection control device for an internal combustion engine configured to cause fuel and oxygen to react with each other with a catalyst to quickly raise the temperature of the catalyst.
  • the main component of natural gas widely used as a fuel for gas engines is hydrocarbon (methane) having 1 carbon.
  • gasoline which is a fuel for gasoline engines, is a mixture of hydrocarbons having 7 to 10 carbon atoms.
  • a hydrocarbon having a small carbon number has a higher energy value in an activated state related to a catalytic reaction in a catalyst as compared with a hydrocarbon having a large carbon number. This is because the C—C (carbon-carbon) bond of hydrocarbons with a small number of carbons is stronger than the C—C bond of hydrocarbons with a large number of carbons, and has a greater energy when extracting C (carbon). Is necessary.
  • an object of the present invention is to activate a catalyst earlier in a gas engine system provided with a catalyst in an exhaust system from the gas engine immediately after the cold start of the gas engine.
  • a gas engine system includes: A gas engine, An exhaust pipe connected to the gas engine and through which exhaust gas discharged from the gas engine is conducted; A supercharger connected to the exhaust pipe; A catalyst that is disposed in a flow path from the exhaust pipe to the supercharger and that oxidizes unburned fuel gas in the exhaust gas discharged from the gas engine; A catalyst temperature measuring means for measuring the temperature of the catalyst; A catalyst activation device for supplying an activation accelerator for the catalyst to a flow path from the exhaust pipe to the catalyst; And a control device having a first function unit that operates the catalyst activation device so that the activation accelerator is supplied when the catalyst temperature measured by the catalyst temperature measurement means is lower than a predetermined threshold value.
  • the activation accelerator includes a hydrocarbon whose energy value in an activated state related to a catalytic reaction in the catalyst is lower than the fuel gas of the gas engine.
  • the temperature of the catalyst satisfies a temperature range (hereinafter referred to as an optimum temperature range) where the catalyst is activated and exhibits a desired purification capacity.
  • the activation promoter is supplied to the flow path from the exhaust pipe to the catalyst.
  • the catalyst and the activation accelerator come into contact with each other and a catalytic reaction of the activation accelerator occurs, the temperature of the catalyst rises due to the heat of reaction.
  • the activation accelerator tends to cause a catalytic reaction even in a situation where the temperature of the catalyst is lower than the optimum temperature range as compared with the unburned fuel gas in the exhaust gas of the gas engine. Therefore, as compared with the case where the activation accelerator is not supplied, the temperature of the catalyst can be quickly raised to the optimum temperature range, and the catalyst can be activated earlier.
  • the gas engine system further includes a bypass pipe that sends exhaust gas from the exhaust pipe to the supply side of the gas engine without passing through the catalyst,
  • the supercharger is disposed adjacent to the gas engine, and has an exhaust gas inlet that opens in a direction other than a direction toward the exhaust pipe,
  • the exhaust pipe is disposed above the gas engine and has a first exhaust gas outlet that opens in a direction other than a direction toward the supercharger,
  • the gas engine may have an air supply port that opens in a direction toward the supercharger.
  • the temperature of the catalyst when the temperature of the catalyst is less than the optimum temperature range such as immediately after the cold start of the system, a part or all of the exhaust gas cooled by the gas engine is supplied to the gas engine without passing through the catalyst. It can be flushed to the air side. As a result, the catalyst does not come into contact with the cooled exhaust gas, or the flow rate of the cooled exhaust gas that comes into contact with the catalyst decreases, so that it is possible to prevent the temperature rise of the catalyst from being hindered by the cooled exhaust gas.
  • the piping from the exhaust gas outlet of the exhaust pipe to the exhaust gas inlet of the supercharger is provided even if the supercharger is arranged adjacent to the gas engine. You can freely decide the route you want to pass. That is, the catalytic converter can be disposed in the exhaust gas flow path from the gas engine to the supercharger while the supercharger is disposed adjacent to the gas engine.
  • the bypass pipe provided so as to connect the exhaust pipe and the air supply port of the gas engine is relatively short. Therefore, the system can be configured simply and compactly.
  • the exhaust pipe may further include a second exhaust gas outlet that opens in a direction toward the supercharger, and an upstream end of the bypass pipe may be connected to the second exhaust gas outlet.
  • the bypass pipe can be made shorter and the bypass pipe can be simplified. Therefore, the system can be configured simply and compactly.
  • the gas engine system further includes a bypass valve provided in a flow path in the bypass pipe, and when the control device has a catalyst temperature measured by the catalyst temperature measuring means lower than a predetermined threshold, You may have the 2nd function part comprised so that the said bypass valve might be operated so that the opening degree of a bypass valve might increase.
  • the temperature of the catalyst when the temperature of the catalyst, such as immediately after the cold start of the system, is less than the optimum temperature range, part or all of the exhaust gas cooled by the gas engine does not pass through the bypass pipe and passes through the gas engine. To the air supply side. As a result, the catalyst does not come into contact with the cooled exhaust gas, or the flow rate of the cooled exhaust gas that comes into contact with the catalyst decreases, so that it is possible to prevent the temperature rise of the catalyst from being hindered by the cooled exhaust gas. Furthermore, since the unburned fuel gas concentration in the supply air of the gas engine increases and the excess air ratio decreases, the temperature of the exhaust gas of the gas engine becomes higher than during normal operation.
  • the catalyst is brought into contact with the exhaust gas at a higher temperature, and the unburned fuel gas in the exhaust gas at the higher temperature causes a catalytic reaction, thereby promoting the temperature rise of the catalyst.
  • the temperature of the catalyst can be raised more quickly to the optimum temperature range, and the catalyst can be activated earlier.
  • the gas engine system further comprises oxygen concentration measuring means for measuring the oxygen concentration of the exhaust gas of the gas engine upstream of the catalyst, and air supply amount measuring means for measuring the air supply amount of the gas engine,
  • the control device measures the oxygen concentration measured by the oxygen concentration measuring means and the air supply measured by the air supply amount measuring means. And adjusting at least one of the supply amount of the gas engine, the oxygen concentration in the supply air, and the fuel injection amount of the gas engine to reduce the excess air rate from the excess air rate during normal operation You may have the 3rd function part comprised so that.
  • the excess air ratio of the gas engine is reduced when the temperature of the catalyst is less than the optimum temperature range such as immediately after the cold start of the system.
  • the temperature of the exhaust gas from the gas engine is higher than during normal operation.
  • the catalyst is brought into contact with the exhaust gas at a higher temperature, and the unburned fuel gas in the exhaust gas at the higher temperature causes a catalytic reaction, thereby promoting the temperature rise of the catalyst.
  • the temperature of the catalyst can be raised more quickly to the optimum temperature range, and the catalyst can be activated earlier.
  • the gas engine system may further include a heater for heating the catalyst.
  • the catalyst can be heated by the heater when the temperature of the catalyst is less than the optimum temperature range, such as immediately after the cold start of the system. Therefore, the temperature of the catalyst can be raised more rapidly to the optimum temperature range, and the catalyst can be activated earlier.
  • the activation accelerator may include at least one of oil, oxygen, oxygen-enriched air, hydrogen, and the fuel gas. According to this configuration, at least one of oil, oxygen, oxygen-enriched air, hydrogen, and the fuel gas is in contact with the catalyst.
  • the activation accelerator containing at least one of oil, hydrogen, and fuel gas comes into contact with the catalyst, the activation accelerator causes a catalytic reaction, and the heat of reaction raises the temperature of the catalyst.
  • the activation promoter containing at least one of oxygen and oxygen-enriched air comes into contact with the catalyst, the temperature at which the catalyst is activated can be lowered. Therefore, the temperature of the catalyst can be raised more rapidly to the optimum temperature range, and the catalyst can be activated earlier.
  • the catalyst when the temperature of the catalyst, such as immediately after the cold start of the system, is less than the optimum temperature range, the catalyst can be raised to the optimum temperature range more quickly, so that the catalyst can be made earlier. Can be activated.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a gas engine system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a view of the gas engine system shown in FIG. 1 as viewed from the generator side.
  • 2B is a view of the gas engine system shown in FIG. 1 as viewed from the supercharger side.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a part of the gas engine and the exhaust pipe included in the gas engine system shown in FIG.
  • FIG. 4 is a longitudinal sectional view of the catalytic converter.
  • FIG. 5 is a diagram showing a control configuration of the gas engine system.
  • FIG. 6 is a flowchart of catalyst warm-up control by the engine control device.
  • FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a gas engine system according to a modification.
  • FIG 1, 2A, and 2B show a gas engine system 1 according to an embodiment of the present invention. This embodiment is for realizing a layout suitable for a four-stroke gas engine.
  • the gas engine system 1 includes a four-stroke gas engine 2 that burns fuel gas and a generator 15 that is driven by the gas engine 2. Further, the gas engine system 1 includes a supercharger 5 disposed adjacent to the gas engine 2, an air cooler 12 provided in a flow path between the compressor of the supercharger 5 and the gas engine 2, 2 and a catalytic converter 6 provided in a flow path between the turbine of the supercharger 5 and an engine control device 80.
  • the fact that the supercharger 5 is “adjacently arranged” to the gas engine 2 means that the length, width, and height from the center of the gas engine 2 are 1.5 times the center of the gas engine 2. It means that at least a part of the supercharger 5 exists in the space expanded to be.
  • the gas engine 2 includes a crankshaft 22 and an engine frame 21 that accommodates most of the crankshaft 22.
  • An end portion of the crankshaft 22 protruding from the engine frame 21 is connected to the generator 15 via the flywheel 14.
  • the flywheel 14 is driven by a starter motor which is an air motor (not shown) when the gas engine 2 is started.
  • the engine frame 21 has a plurality of cylinders 3 incorporated therein.
  • the cylinders 3 are arranged in two rows in the axial direction of the crankshaft 22.
  • the cylinders 3 in one row and the cylinders 3 in the other row are inclined at the same angle with respect to the vertical direction.
  • the angle between the cylinders 3 when viewed from the axial direction of the crankshaft 22 is an acute angle, and the cylinders 3 are V-shaped.
  • the cylinders 3 in one row and the cylinders 3 in the other row may be inclined at different angles with respect to the vertical direction.
  • the angle between the cylinders 3 when viewed from the axial direction of the crankshaft 22 is a right angle
  • the cylinders 3 may be L-shaped.
  • the cylinders 3 may be arranged in a line.
  • Each cylinder 3 is provided with a combustion chamber 30 formed by the cooperation of a piston 33 and a cylinder head 32 disposed in the cylinder 3.
  • the cylinder head 32 is formed with an air supply port 3a and an exhaust port 3b.
  • the cylinder head 32 is provided with an air supply valve 34 for opening and closing the opening of the air supply port 3a to the combustion chamber 30 and an exhaust valve 35 for opening and closing the opening of the exhaust port 3b to the combustion chamber 30.
  • a fuel valve 36 for injecting fuel gas is provided in the air supply port 3a.
  • the fuel gas is, for example, natural gas mainly composed of methane.
  • An air supply chamber 2 a extending in the axial direction of the crankshaft 22 is formed between the cylinder 3 in one row and the cylinder 3 in the other row of the engine frame 21.
  • the air supply port 3a of each cylinder 3 is connected to the air supply chamber 2a by the first communication pipe 2c.
  • An exhaust pipe 4 extending in the axial direction of the crankshaft 22 is disposed directly above the air supply chamber 2a.
  • the exhaust port 3b of each cylinder 3 is connected to the exhaust pipe 4 by a second communication pipe 2b.
  • the supercharger 5 is disposed at a position away from the end of the exhaust pipe 4 opposite to the generator 15 in the axial direction of the crankshaft 22. In other words, the supercharger 5 is disposed on the opposite side of the generator 15 with the gas engine 2 interposed therebetween.
  • the axial direction of the crankshaft 22 is referred to as the front-rear direction (particularly, the turbocharger 5 side is the front and the generator 15 side is the rear), and the horizontal direction orthogonal to the front-rear direction is the left-right direction. (In particular, the near side in the direction orthogonal to the paper surface of FIG. 1 is the right side and the far side is the left side.)
  • the supercharger 5 includes a compressor having an air inlet 51 and an air outlet 52, and a turbine having an exhaust gas inlet 53 and an exhaust gas outlet 54.
  • An air flow meter 79 for measuring the air flow rate of the supercharger 5 is provided upstream of the air inlet 51 of the supercharger 5 (see FIG. 5).
  • the air inlet 51 opens leftward
  • the air outlet 52 opens obliquely downward.
  • the exhaust gas inlet 53 opens upward (in a direction other than the direction toward the exhaust pipe 4), and the exhaust gas outlet 54 opens forward.
  • the air cooler 12 is disposed directly below the supercharger 5 and in front of the gas engine 2.
  • the air outlet 52 of the supercharger 5 is connected to the air cooler 12 by the first air supply pipe 11, and the air cooler 12 is connected to the air inlet 45 of the gas engine 2 by the second air supply pipe 13.
  • the air supply opening 45 opens forward (in the direction toward the supercharger 5).
  • the first air supply pipe 11 is smoothly bent from diagonally downward to diagonally laterally, and the second air supply pipe 13 has a linear shape extending in the front-rear direction.
  • An air supply throttle valve 78 is provided between the air cooler 12 and the air supply port 45 of the gas engine 2 (see FIG. 5).
  • the air supply throttle valve 78 is, for example, an electronic control type whose opening degree can be changed using a step motor, and the amount of air supplied to the air supply chamber 2a of the gas engine 2 according to the opening degree. (Supply amount) changes.
  • the catalytic converter 6 is disposed above the generator 15. In other words, the catalytic converter 6 is disposed on the opposite side of the supercharger 5 with the exhaust pipe 4 interposed therebetween.
  • the catalytic converter 6 has an inlet that opens forward and an outlet that opens backward, and incorporates a catalyst 65 that oxidizes unburned fuel gas in the exhaust gas discharged from the gas engine 2.
  • An exhaust gas outlet 41 that opens backward (in a direction other than the direction toward the supercharger 5) is provided at the rear end of the exhaust pipe 4, and a first opening that opens forward is provided at the front end of the exhaust pipe 4.
  • a first bypass port (first exhaust gas outlet) 42 and a second bypass port (second exhaust gas outlet) 44 are provided.
  • the exhaust gas outlet 41 of the exhaust pipe 4 is connected to the inlet of the catalytic converter 6 by the first connecting pipe 71, and the outlet of the catalytic converter 6 is connected to the exhaust gas inlet 53 of the supercharger 5 by the second connecting pipe 72. ing.
  • the first connection pipe 71, the catalytic converter 6 and the second connection pipe 72 constitute a flow path from the exhaust gas outlet 41 of the exhaust pipe 4 to the exhaust gas inlet 53 of the supercharger 5.
  • the catalytic converter 6 is disposed in a flow path from the exhaust gas outlet 41 of the exhaust pipe 4 to the exhaust gas inlet 53 of the supercharger 5.
  • the first connecting pipe 71 is a straight line extending in the front-rear direction.
  • the second connecting pipe 72 includes a straight part extending in the front-rear direction above the catalytic converter 6 and the exhaust pipe 4, a 180-degree bent part extending from the outlet of the catalytic converter 6 to the upstream end of the straight part, and downstream of the straight part. It includes a 90-degree bend from the end to the exhaust gas inlet 53 of the supercharger 5.
  • the expansion member for absorbing thermal expansion may be integrated in the 1st connection pipe 71 and the 2nd connection pipe 72 in a proper place.
  • the first bypass port 42 of the exhaust pipe 4 is connected to the upstream end of the exhaust system bypass pipe 7.
  • the downstream end of the exhaust system bypass pipe 7 is connected to a second connection pipe 72 that connects the outlet of the catalytic converter 6 and the exhaust gas inlet 53 of the supercharger 5.
  • the exhaust system bypass pipe 7 can send exhaust gas from the exhaust pipe 4 to the upstream side of the supercharger 5 without passing through the catalytic converter 6.
  • a check valve 88 that allows the flow of exhaust gas from the catalytic converter 6 to the supercharger 5 is provided between the outlet of the catalytic converter 6 and the connection portion of the exhaust system bypass pipe 7. It has been.
  • the check valve 88 is open during normal operation, but is closed during maintenance of the catalyst 65 of the catalytic converter 6 described later.
  • the second bypass port 44 of the exhaust pipe 4 is connected to the upstream end of the bypass pipe 8.
  • the downstream end of the bypass pipe 8 is connected to the second air supply pipe 13 that connects the air cooler 12 and the air supply port 45 of the gas engine 2.
  • the bypass pipe 8 forms a flow path for exhaust gas recirculation (EGR) for sending exhaust gas from the exhaust pipe 4 to the supply side of the gas engine 2 without passing through the catalytic converter 6.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • the downstream end of the bypass pipe 8 is the supply side of the supercharger 5 or the first supply pipe. 11 may be connected.
  • the downstream end portion of the bypass pipe 8 may be connected to the exhaust side of the supercharger 5.
  • the exhaust pipe 4 is provided with two bypass ports 42 and 44.
  • the exhaust pipe 4 is provided with one bypass port, and the exhaust system bypass pipe 7 and the bypass pipe are connected to the bypass port via a branch joint. 8 may be connected.
  • the exhaust gas from the exhaust pipe 4 is usually led to the catalytic converter 6 through the first connection pipe 71, and is led to the upstream side of the supercharger 5 without passing through the catalytic converter 6 through the exhaust system bypass pipe 7 in a special situation.
  • the air is led to the air supply side of the gas engine 2 through the bypass pipe 8 mainly for adjusting the excess air ratio.
  • the first connecting pipe 71 is provided with an exhaust valve 75 as a flow rate adjusting means or a flow path switching means, and the exhaust system bypass pipe 7 is exhausted as a flow rate adjusting means or a flow path switching means.
  • a bypass valve 85 is provided, and a bypass valve 76 as a flow rate adjusting means is provided in the bypass pipe 8.
  • the exhaust gas is exhausted depending on the opening direction of the exhaust gas outlet 41 of the exhaust pipe 4 and the exhaust gas inlet 53 of the supercharger.
  • a route through which the pipe passes from the exhaust gas outlet 41 of the pipe 4 to the exhaust gas inlet 53 of the supercharger 5 can be freely determined. That is, regardless of the position of the catalytic converter 6, the catalytic converter 6 can be connected to the exhaust gas outlet 41 of the exhaust pipe 4 and the exhaust gas inlet 53 of the supercharger 5.
  • the catalytic converter 6 can be disposed in the exhaust gas flow path from the gas engine 2 to the supercharger 5 while the supercharger 5 is disposed adjacent to the gas engine.
  • the bypass pipe 8 provided so as to connect the exhaust pipe 4 and the air inlet 45 of the gas engine 2 is relatively It will be short. Therefore, complication and enlargement of the gas engine system 1 can be suppressed.
  • the catalytic converter 6 includes a housing 60 in which the catalyst 65 is accommodated.
  • the housing 60 includes a cylindrical housing body 62 extending in the front-rear direction, an upstream hood 61 that expands toward the housing body 62, and a downstream hood 63 that shrinks from the housing body 62.
  • the casing main body 62 has a rectangular cross-sectional shape, but the casing main body 62 may have a circular cross-sectional shape, for example.
  • the catalyst 65 is accommodated in the housing main body 62.
  • the catalyst 65 is obtained by coating a metal carrier base material with a coating material carrying a catalytically active component.
  • the carrier substrate may be, for example, a stainless steel metal honeycomb or a metal structure in which corrugated plates and flat plates are alternately laminated.
  • the catalytically active component may be metal fine particles made of, for example, platinum or palladium.
  • the interior of the housing 60 is partitioned into a plurality of small rooms by a lattice member 64 that supports the catalyst 65. And in each small room, the some catalyst 65 is arrange
  • the catalyst 65 can be easily attached to and detached from the casing main body 62 when the casing main body 62 is removed from the other part of the casing 60.
  • the exhaust valve 75 and the check valve 88 are closed and the exhaust bypass valve 85 is opened, so that the catalyst converter 6 can be disassembled and the catalyst 65 can be replaced even during operation of the gas engine system 1. .
  • the casing 60 of the catalytic converter 6 is provided with a heater 19 for heating the catalyst 65.
  • the heater 19 includes a heating wire 18 provided around the casing body 62 of the casing 60.
  • the heater 19 is configured to generate heat when a current flows through the heating wire 18 and heat the catalyst 65 with this heat.
  • the catalyst converter 6 is provided with a temperature sensor 67 (see FIG. 5).
  • the temperature sensor 67 is a catalyst temperature measuring means for measuring the temperature of the catalyst 65.
  • a lambda sensor 82 is provided upstream of the catalyst 65 (see FIG. 5).
  • the lambda sensor 82 is oxygen concentration measuring means for measuring the oxygen concentration in the exhaust gas flowing to the catalyst 65.
  • the upstream side hood portion 61 of the catalytic converter 6 is provided with a catalyst activation device 9 that ejects an activation accelerator toward the catalyst 65.
  • the catalyst activation device 9 includes, for example, a main pipe 91 that extends in the left-right direction above the upstream hood part 61 and a plurality of branch pipes 92 that hang from the main pipe 91 and enter the upstream hood part 61.
  • Each branch tube 92 is provided with rearward nozzles at a constant pitch.
  • An activation accelerator is supplied to the main pipe 91 from the first activation accelerator source 93 via the supply pipe 95.
  • the catalyst activation device 9 according to this embodiment is configured to inject the activation accelerator toward the catalyst 65.
  • the activation accelerator is not present in the flow path from the exhaust valve 75 to the catalyst 65. You may be comprised so that it may be ejected. Even in this configuration, the activation accelerator passes through the catalyst 65 by the gas flow, and therefore, the same effect as in the case of injecting the activation accelerator toward the catalyst 65 can be expected.
  • the activation accelerator is a hydrocarbon whose activation state energy value related to the catalytic reaction in the catalyst 65 is lower than the main component of the fuel gas of the gas engine 2, or a gas or liquid containing the hydrocarbon as a main component. is there.
  • the general fuel gas of the gas engine 2 is natural gas, and the main component of natural gas is methane.
  • Methane is a hydrocarbon having 1 carbon. A hydrocarbon having a smaller number of carbon atoms is less likely to cause a catalytic reaction in the catalyst 65 (not easily oxidized).
  • the main component of the fuel gas is methane
  • a hydrocarbon whose activation state energy value related to the catalytic reaction in the catalyst 65 is lower than that of methane is included in the activation accelerator.
  • Such a hydrocarbon is, for example, an alkane having 2 or more carbon atoms.
  • gaseous alkanes that is, alkanes having 2 to 4 carbon atoms (ethane, propane, and butane) are more preferable.
  • the activation accelerator may contain at least one of oil, oxygen, oxygen-enriched air, hydrogen, and fuel gas.
  • the first activation promoter source 93 and the second activation promoter source 96 are connected in parallel to the main pipe 91 of the catalyst activation device 9 by the supply pipe 95, so that the first activation is performed.
  • the hydrocarbon is supplied from the promoter source 93, and at least one of oil, oxygen, oxygen-enriched air, hydrogen, and fuel gas is supplied from the second activation promoter source 96, respectively.
  • the catalyst activation device 9 includes an activation accelerator from the first activation accelerator source 93 and an activation accelerator from the second activation accelerator source 96 from the nozzle of the branch pipe 92. It is configured to spout.
  • the supply amount of the activation accelerator from the first activation accelerator source 93 is adjusted by a supply amount adjusting means 94 such as a valve provided in the supply pipe 95, and the supply amount from the second activation accelerator source 96 is The supply amount of the activation accelerator is adjusted by the supply amount adjusting means 97.
  • the gas engine system 1 includes a plurality of catalyst activating devices 9, and each catalyst activating device 9 supplies an activation accelerator including different activation promoting elements to a flow path from the exhaust pipe 4 to the catalyst 65. It may be configured as follows. Moreover, the catalyst activation device 9 may include two or more activation promoter sources.
  • the engine control unit (ECU) 80 is a processor that performs calculation and control related to the operation of the gas engine system 1.
  • the engine control device 80 includes a CPU, a ROM, a RAM, an A / D converter, an input / output interface, and the like (not shown).
  • Various instruments such as a temperature sensor 67, an air flow meter 79, and a lambda sensor 82 are electrically connected to the engine control apparatus 80, and detection signals are sent from these instruments to the engine control apparatus 80.
  • the engine control device 80 includes an open / close actuator for each of the exhaust valve 75, the bypass valve 76, the exhaust bypass valve 85, the fuel valve 36, and the air supply throttle valve 78, and a supply amount adjusting means for the catalyst activation device 9. 94 and 97 and the heater 19 are electrically connected, and a control signal is sent from the engine control device 80 to these devices.
  • the engine control device 80 performs various controls related to the operation of the gas engine 2 based on detection signals from various instruments.
  • the catalyst warm-up control performed by the engine control device 80 when the system is started will be described in detail.
  • the catalyst warm-up control described below is performed by executing a predetermined program stored in the ROM by the CPU of the engine control device 80.
  • the engine control device 80 includes at least functional units that control the operation of the catalyst activation device 9, a functional unit that controls the operation of the heater 19, and a functional unit that controls the excess air ratio of the gas engine 2. .
  • Each functional unit may be configured as a memory or a control circuit that stores a program executed by the engine control device 80. In the catalyst warm-up control, these functional units are caused to function in order to effectively warm up the catalyst early.
  • FIG. 6 is a flowchart of catalyst warm-up control by the engine control device 80.
  • the engine control device 80 first acquires the catalyst temperature detected by the temperature sensor 67 (step S1).
  • the engine control device 80 compares the detected catalyst temperature with a predetermined threshold value (step S2).
  • the predetermined threshold is a lower limit value or a value larger than the lower limit of the temperature range (optimum temperature range) at which the catalyst 65 is activated and exhibits a desired purification capacity.
  • the optimum temperature range of the catalyst 65 varies depending on the catalyst and the catalytic reaction.
  • step S3 the engine control device 80 operates the catalyst activation device 9 to start supplying the activation accelerator (step S3).
  • the activation accelerator is ejected from the nozzle provided in the branch pipe 92 of the catalyst activation device 9 toward the catalyst 65.
  • the activation promoter supplied into the flow path from the exhaust pipe 4 to the catalyst 65 comes into contact with the catalyst 65, and the activation of the catalyst 65 is promoted.
  • the temperature of the catalyst 65 rises due to the reaction heat.
  • the hydrocarbon contained in the activation accelerator is likely to undergo a catalytic reaction even when the temperature of the catalyst 65 is lower than the optimum temperature range as compared with the unburned fuel gas in the exhaust gas of the gas engine 2. Therefore, as compared with the case where the activation accelerator is not supplied, the temperature of the catalyst can be quickly raised to the optimum temperature range, and the catalyst can be activated earlier.
  • the activation accelerator may contain at least one of mist oil, oxygen, oxygen-enriched air, hydrogen, and fuel gas in addition to or in place of the hydrocarbon.
  • the activation accelerator includes at least one element of mist oil, fuel gas, and hydrogen
  • the element comes into contact with the catalyst 65 and the catalytic reaction of the element occurs.
  • the temperature of the catalyst 65 quickly rises due to the heat of reaction.
  • oxygen or oxygen-enriched air is contained in the activation accelerator, the temperature at which the catalyst 65 is activated falls below a predetermined threshold.
  • the temperature of the catalyst 65 is lower than the predetermined threshold, unburned fuel gas in a larger amount of exhaust gas causes a catalytic reaction, and the temperature of the catalyst 65 rapidly increases due to the reaction heat.
  • step S4 the engine control device 80 operates the heater 19 (step S4).
  • a current is passed through the heating wire 18 of the heater 19, and the catalyst 65 is heated by heat conduction from the heating wire 18 that has reached a high temperature.
  • the temperature of the catalyst 65 rises quickly compared to the case where there is no heating by the heater 19.
  • the engine control device 80 reduces the excess air ratio ⁇ to a predetermined value (step S5).
  • the target value of the excess air ratio ⁇ during normal operation of the gas engine 2 is about 2, and the target value of the excess air ratio ⁇ is within a range of 1.0 to 1.8 during catalyst warm-up control.
  • the catalyst 65 comes into contact with the exhaust gas having a higher temperature, and the unburned fuel gas in the exhaust gas having the higher temperature causes a catalytic reaction, so that the temperature of the catalyst 65 is increased.
  • the excess air ratio ⁇ is based on at least the oxygen concentration of the exhaust gas measured by the lambda sensor 82 and the air supply amount measured by the air flow meter 79, and the fuel valve 36, the bypass valve 76, and the air supply throttle valve 78. By adjusting the opening degree of each valve, it is controlled so as to approach the target value. In order to reduce the excess air ratio ⁇ , the engine control device 80 performs these valves 78, so as to perform at least one of a decrease in the opening degree of the air supply throttle valve 78 and an increase in the opening degree of the bypass valve 76. The open / close actuator 76 is operated. When the opening degree of the supply air throttle valve 78 decreases, the supply air amount of the gas engine 2 decreases.
  • the opening degree of the bypass valve 76 increases, the cooled exhaust gas of the gas engine 2 immediately after the cold start does not contact the catalyst 65 or the flow rate of the cooled exhaust gas that contacts the catalyst 65 decreases. Therefore, the temperature rise of the catalyst is not hindered by the cooled exhaust gas.
  • the engine control device 80 continuously acquires the catalyst temperature detected by the temperature sensor 67 (step S6). As described above, the temperature of the catalyst 65 rises, and eventually the temperature of the catalyst 65 becomes equal to or higher than a predetermined threshold, that is, within the optimum temperature range. When the detected catalyst temperature becomes equal to or higher than a predetermined threshold (NO in step S7), the engine control device 80 operates the catalyst activation device 9 to stop the supply of the activation accelerator (step S8), and the heater 19 Is stopped (step S9), and the excess air ratio ⁇ is increased to the target value during normal operation (step S10). Note that the order of the steps S3 to S5 and the steps S8 to S10 may be interchanged between these steps, or any one or more of these steps may be executed.
  • the temperature of the catalyst 65 when the temperature of the catalyst 65 is less than the optimum temperature range such as immediately after the cold start of the gas engine 2, the temperature increase of the catalyst 65 is promoted. Is taken. Therefore, as compared with the case where the above treatment is not performed, the temperature of the catalyst 65 quickly rises to the optimum temperature range, and the catalyst purification capability can be secured earlier by activating the catalyst 65 earlier. it can.
  • the catalytic converter 6 is disposed on the opposite side of the supercharger 5 with the exhaust pipe 4 interposed therebetween. According to this arrangement, the catalytic converter 6 and the exhaust gas outlet 41 of the exhaust pipe 4 can be connected at the shortest distance. However, as shown in FIG. 7, the catalytic converter 6 may be disposed above the exhaust pipe 4. In this case, the exhaust gas outlet 41 of the exhaust pipe 4 opens upward, and the exhaust gas outlet 41 and the upstream hood portion 61 of the catalytic converter 6 are connected by a 90-degree vent pipe. According to this arrangement, the catalytic converter 6 can be arranged using a relatively useless space above the exhaust pipe 4.
  • the gas engine system of the present invention can activate the catalyst installed in the exhaust system of the gas engine earlier, it is useful for suppressing unburned fuel gas released to the atmosphere.

Abstract

ガスエンジンシステムは、ガスエンジン、ガスエンジンから排出される排ガスが導通される排気管、排気管と接続された過給機、ガスエンジンの排ガス中の未燃燃料ガスを酸化させる触媒、触媒の温度を測定する温度センサ、排気管から触媒へ至る流路へ触媒の活性化促進剤を供給する触媒活性化装置、及びエンジン制御装置を備えている。活性化促進剤は、触媒での触媒反応に関する活性化状態のエネルギー値がガスエンジンの燃料ガスよりも低い炭化水素を含んでいる。

Description

ガスエンジンシステム
　本発明は、ガスエンジンから過給機（ターボチャージャ）への排ガス流路中に設置された触媒を備えたガスエンジンシステムに関する。
　従来から、燃料ガスを燃焼させて例えば発電機を駆動するガスエンジンと、ガスエンジンから排出される排ガスを駆動源としてガスエンジンに圧縮空気を送り込む過給機とを備えたガスエンジンシステムが知られている。
　ところで、ガスエンジンとして、シリンダの燃焼室内に供給された燃料ガスと圧縮空気の混合気に種火（点火プラグによる火花やパイロット油の自発火）によって点火する火炎伝播方式のガスエンジンを用いた場合には、燃焼室の壁面近くで燃料ガスが燃え残り、その未燃燃料ガスが排ガスと共にガスエンジンから排出される。例えば、燃料ガスとしてメタンを主成分とする天然ガスを用いた場合には、排ガス中の未燃燃料ガスに多くのメタンが含まれる。
　このような問題に対し、特許文献１には、触媒を用いて排ガス中の未燃燃料ガスを酸化させることが開示されている。触媒は、ガスエンジンから過給機への排ガス流路中に設置される。過給機で膨張される前の排ガスの温度は高いために、ガスエンジンから過給機の上流への排気系に触媒を設置すれば、過給機の下流側に触媒を設置するよりも、触媒によって未燃燃料ガスをより効果的に酸化させることができる。
　一般に、エンジンの冷間始動直後の触媒は、当該触媒が好適な排ガス浄化能力を発揮する温度条件から遥かに低い常温である。したがって、エンジンの始動時には、エンジンの排気系に触媒が設置されていても、大気放出される排ガスには多くの未燃燃料ガスが含まれている。そこで、エンジンの始動時に触媒の温度を速やかに上昇させて、触媒の排ガス浄化能力をより早く確保することが提案されている。例えば、特許文献２では、エンジンの排気系に設けられた触媒が冷えた状態にあるときには、エンジンの膨張工程で燃料噴射を行い、排気通路に未燃燃料と酸素とを供給し、この未燃燃料と酸素とを触媒で反応させて触媒の温度を速やかに上昇させるように構成された内燃機関の燃料噴射制御装置が示されている。
特開平１１－３５０９４２号公報 特開２００１－２６３１２７号公報
　ガスエンジンの燃料として広く用いられている天然ガスの主成分は、炭素数１の炭化水素（メタン）である。参考までに、ガソリンエンジンの燃料であるガソリンの主成分は、炭素数７－１０の炭化水素の混合物である。炭素数の小さな炭化水素は、炭素数の大きな炭化水素と比較して、触媒での触媒反応に関する活性化状態のエネルギー値が高い。これは、炭素数の小さな炭化水素のＣ－Ｃ（炭素－炭素）結合は、炭素数の大きな炭化水素のＣ－Ｃ結合と比較して強固であり、Ｃ（炭素）を引き抜く際により大きなエネルギーが必要となるためである。つまり、炭素数の小さな炭化水素は、炭素数の大きな炭化水素と比較して、触媒反応が起こりにくく反応速度も低い。したがって、特許文献２に記載された技術をガスエンジンに適用させて、ガスエンジンの冷間始動直後に燃料ガスをガスエンジンの排気系に供給しても、触媒を早期に活性化させることは難しい。
　そこで、本発明は、ガスエンジンからの排気系に触媒を備えたガスエンジンシステムにおいて、ガスエンジンの冷間始動直後に触媒をより早期に活性化させることを目的とする。
　本発明の一態様に係るガスエンジンシステムは、
ガスエンジンと、
前記ガスエンジンと接続され、当該ガスエンジンから排出される排ガスが導通される排気管と、
前記排気管と接続された過給機と、
前記排気管から前記過給機へ至る流路中に配置され、前記ガスエンジンから排出される排ガス中の未燃燃料ガスを酸化させる触媒と、
前記触媒の温度を測定する触媒温度測定手段と、
前記排気管から前記触媒へ至る流路へ前記触媒の活性化促進剤を供給する触媒活性化装置と、
前記触媒温度測定手段で計測された触媒温度が所定の閾値よりも低いときに前記活性化促進剤が供給されるように前記触媒活性化装置を動作させる第１機能部を有する制御装置とを備え、
前記活性化促進剤が、前記触媒での触媒反応に関する活性化状態のエネルギー値が前記ガスエンジンの燃料ガスよりも低い炭化水素を含んでいるものである。
　上記ガスエンジンシステムによれば、システムの冷間起動直後などの、触媒の温度が、当該触媒が活性化されて望ましい浄化能力を発揮するような温度範囲（以下、至適温度範囲という）に満たないときに、活性化促進剤が排気管から触媒へ至る流路に供給される。そして、触媒と活性化促進剤が接触し、活性化促進剤の触媒反応が起こると、その反応熱で触媒の温度が上昇する。活性化促進剤は、ガスエンジンの排ガス中の未燃燃料ガスと比較して、触媒の温度が至適温度範囲より低い状況でも触媒反応が起こりやすい。よって、活性化促進剤が供給されない場合と比較して、触媒の温度を速やかに至適温度範囲まで昇温させることができ、触媒をより早期に活性化させることができる。
　上記ガスエンジンシステムが、前記排気管から前記触媒を通らずに前記ガスエンジンの給気側へ排ガスを送るバイパス管を更に備え、
前記過給機は、前記ガスエンジンに隣接して配置されて、前記排気管に向かう方向以外の方向に開口する排ガス入口を有し、
前記排気管は、前記ガスエンジンの上方に配置されて、前記過給機に向かう方向以外の方向に開口する第１排ガス出口を有し、
前記ガスエンジンは、前記過給機に向かう方向に開口する給気口を有していてよい。
　上記構成によれば、システムの冷間起動直後などの触媒の温度が至適温度範囲に満たないときに、ガスエンジンの冷えた排ガスの一部又は全部を、触媒を通さずにガスエンジンの給気側へ流すことができる。これにより、触媒が冷えた排ガスと接触しないか、或いは、触媒と接触する冷えた排ガスの流量が減少するので、触媒の温度上昇が冷えた排ガスにより妨げられることを抑制することができる。また、排気管の排ガス出口と過給機の排ガス入口の開口方向により、過給機がガスエンジンに隣接して配置されていても、排気管の排ガス出口から過給機の排ガス入口まで配管を通すルートを自由に決定することができる。すなわち、過給機をガスエンジンに隣接して配置したままで、触媒コンバータをガスエンジンから過給機への排ガス流路中に配置することができる。そして、このように配置されたガスエンジン、過給機、及び触媒コンバータにおいて、排気管とガスエンジンの給気口とを繋ぐように設けられるバイパス管は比較的短いものとなる。よって、システムを簡易且つコンパクトに構成することができる。
　上記ガスエンジンシステムにおいて、前記排気管は、前記過給機に向かう方向に開口する第２排ガス出口を更に有し、前記バイパス管の上流側端部が前記第２排ガス出口と接続されていてよい。
　上記構成によれば、バイパス管の管路をより短くすることができ、バイパス管の配管を単純化することができる。したがって、システムを簡易且つコンパクトに構成することができる。
　上記ガスエンジンシステムが、前記バイパス管内の流路中に設けられたバイパス弁を更に備え、前記制御装置が、前記触媒温度測定手段で計測された触媒温度が所定の閾値よりも低いときに、前記バイパス弁の開度が増加するように前記バイパス弁を動作させるように構成された第２機能部を有していてよい。
　上記構成によれば、システムの冷間起動直後などの触媒の温度が至適温度範囲に満たないときに、ガスエンジンの冷えた排ガスの一部又は全部はバイパス管を通じて触媒を通らずにガスエンジンの給気側へ送られる。これにより、触媒が冷えた排ガスと接触しないか、或いは、触媒と接触する冷えた排ガスの流量が減少するので、触媒の温度上昇が冷えた排ガスにより妨げられることを抑制することができる。さらに、ガスエンジンの給気中の未燃燃料ガス濃度が増加して空気過剰率が低下するので、ガスエンジンの排ガスの温度が通常運転時よりも高くなる。そして、触媒がより高い温度の排ガスと接触することと、より高い温度の排ガス中の未燃燃料ガスが触媒反応を起こすこととにより、触媒の昇温が促進される。この結果、触媒を至適温度範囲までより速やかに昇温させることができ、触媒をより早期に活性化させることができる。
　上記ガスエンジンシステムが、前記触媒の上流側で前記ガスエンジンの排ガスの酸素濃度を計測する酸素濃度計測手段と、前記ガスエンジンの給気量を計測する給気量計測手段とを更に備え、
前記制御装置が、前記触媒温度測定手段で計測された触媒温度が所定の温度よりも低いときに、前記酸素濃度計測手段で計測された酸素濃度と前記給気量計測手段で計測された給気量とに基づき、空気過剰率を通常運転時の空気過剰率から減少させるために前記ガスエンジンの給気量、給気中の酸素濃度、及び前記ガスエンジンの燃料噴射量の少なくとも１つを調整するように構成された第３機能部を有していてよい。
　上記構成によれば、システムの冷間起動直後などの触媒の温度が至適温度範囲に満たないときに、ガスエンジンの空気過剰率が減少する。ガスエンジンは通常運転時と比較して燃料リッチな状態で燃焼する結果、ガスエンジンからの排ガスの温度が通常運転時よりも高くなる。そして、触媒がより高い温度の排ガスと接触することと、より高い温度の排ガス中の未燃燃料ガスが触媒反応を起こすこととにより、触媒の昇温が促進される。この結果、触媒を至適温度範囲までより速やかに昇温させることができ、触媒をより早期に活性化させることができる。
　上記ガスエンジンシステムが、前記触媒を加熱するヒーターを更に備えていてよい。この構成によれば、システムの冷間起動直後などの触媒の温度が至適温度範囲に満たないときに、ヒーターで触媒を加熱することができる。したがって、触媒を至適温度範囲までより速やかに昇温させることができ、触媒をより早期に活性化させることができる。
　上記ガスエンジンシステムにおいて、前記活性化促進剤が、油、酸素、酸素富化空気、水素、及び前記燃料ガスのうち少なくとも１つを含んでいてよい。この構成によれば、油、酸素、酸素富化空気、水素及び前記燃料ガスのうち少なくとも１つが触媒と接触する。油、水素、及び燃料ガスのうち少なくとも１つを含む活性化促進剤が触媒と接触することにより、活性化促進剤が触媒反応を起こし、その反応熱により触媒の温度が上昇する。また、酸素及び酸素富化空気のうち少なくとも１つを含む活性化促進剤が触媒と接触することにより、触媒が活性化する温度を低下させることができる。よって、触媒を至適温度範囲までより速やかに昇温させることができ、触媒をより早期に活性化させることができる。
　本発明によれば、システムの冷間起動直後などの触媒の温度が至適温度範囲に満たないときに、触媒を至適温度範囲までより速やかに昇温させることができるので、触媒をより早期に活性化させることができる。
図１は、本発明の実施形態に係るガスエンジンシステムの概略構成図である。 図２Ａは、図１に示すガスエンジンシステムを発電機側から見た図である。 図２Ｂは、図１に示すガスエンジンシステムを過給機側から見た図である。 図３は、図１に示すガスエンジンシステムに含まれるガスエンジンの一部及び排気管の断面図である。 図４は、触媒コンバータの縦断面図である。 図５は、ガスエンジンシステムの制御構成を示す図である。 図６は、エンジン制御装置による触媒暖機制御のフローチャートである。 図７は、変形例に係るガスエンジンシステムの概略構成図である。
　図１，図２Ａ及び図２Ｂに、本発明の実施形態に係るガスエンジンシステム１が示されている。本実施形態は、４ストロークガスエンジンに適したレイアウトを実現するためのものである。
　ガスエンジンシステム１は、燃料ガスを燃焼させる４ストロークガスエンジン２と、ガスエンジン２により駆動される発電機１５とを備えている。さらに、ガスエンジンシステム１は、ガスエンジン２に隣接して配置された過給機５と、過給機５のコンプレッサとガスエンジン２の間の流路に設けられたエアクーラー１２と、ガスエンジン２と過給機５のタービンの間の流路に設けられた触媒コンバータ６と、エンジン制御装置８０とを備えている。上記において、過給機５がガスエンジン２に「隣接して配置」されていることは、ガスエンジン２の輪郭を、ガスエンジン２の中心からの長さ、幅及び高さが１．５倍となるように拡大した空間内に、過給機５の少なくとも一部が存在することをいう。
　ガスエンジン２は、クランクシャフト２２と、クランクシャフト２２の大部分を収容するエンジンフレーム２１とを含んで構成されている。クランクシャフト２２のエンジンフレーム２１から張り出している端部は、フライホイール１４を介して発電機１５と連結されている。フライホイール１４は、ガスエンジン２の起動時に図示しないエアモータであるスタータモータにより駆動される。
　図３に示されるように、エンジンフレーム２１には、複数のシリンダ３が組み込まれている。本実施形態では、シリンダ３がクランクシャフト２２の軸方向に二列で配列されている。一方の列のシリンダ３と他方の列のシリンダ３は鉛直方向に対して同一の角度で傾斜している。クランクシャフト２２の軸方向から見たときのシリンダ３間の角度は鋭角であり、シリンダ３はＶ字状をなしている。但し、一方の列のシリンダ３と他方の列のシリンダ３は鉛直方向に対して異なる角度で傾斜していてもよい。また、クランクシャフト２２の軸方向から見たときのシリンダ３間の角度が直角であり、シリンダ３がＬ字状をなしていてもよい。さらには、シリンダ３は一列で配列されていてもよい。
　各シリンダ３には、当該シリンダ３内に配置されたピストン３３とシリンダヘッド３２との協働により形成された燃焼室３０が設けられている。シリンダヘッド３２には、給気ポート３ａと排気ポート３ｂが形成されている。また、シリンダヘッド３２には、給気ポート３ａの燃焼室３０への開口を開閉する給気弁３４及び排気ポート３ｂの燃焼室３０への開口を開閉する排気弁３５が設けられているとともに、給気ポート３ａ内に燃料ガスを噴射する燃料弁３６が設けられている。燃料ガスは、例えばメタンを主成分とする天然ガスである。
　エンジンフレーム２１の一方の列のシリンダ３と他方の列のシリンダ３の間には、クランクシャフト２２の軸方向に延びる給気室２ａが形成されている。各シリンダ３の給気ポート３ａは、第１連絡管２ｃにより給気室２ａと接続されている。給気室２ａの真上には、クランクシャフト２２の軸方向に延びる排気管４が配置されている。各シリンダ３の排気ポート３ｂは、第２連絡管２ｂにより排気管４と接続されている。
　図１に戻って、過給機５は、排気管４の発電機１５側と反対側の端部からクランクシャフト２２の軸方向に離れた位置に配置されている。換言すれば、過給機５はガスエンジン２を挟んで発電機１５と反対側に配置されている。以下では、説明の便宜のために、クランクシャフト２２の軸方向を前後方向（特に、過給機５側を前方、発電機１５側を後方）というとともに、前後方向と直交する水平方向を左右方向（特に、図１の紙面と直交する方向の手前側を右方、奥側を左方）という。
　過給機５は、空気入口５１及び空気出口５２を有するコンプレッサと、排ガス入口５３及び排ガス出口５４を有するタービンとを含む。過給機５の空気入口５１より上流側には、過給機５の空気流量を測定するためのエアフローメータ７９が設けられている（図５、参照）。本実施形態では、空気入口５１が左向きに開口しており、空気出口５２が斜め下向きに開口している。一方、排ガス入口５３は上向きに（排気管４に向かう方向以外の方向に）開口しており、排ガス出口５４は前向きに開口している。
　エアクーラー１２は、過給機５の真下であってガスエンジン２の前方に配置されている。過給機５の空気出口５２は第１給気管１１によりエアクーラー１２と接続されており、エアクーラー１２は第２給気管１３によりガスエンジン２の給気口４５と接続されている。給気口４５は、前向き（過給機５に向かう方向）に開口している。第１給気管１１は、斜め下向きから斜め横向きに滑らかに折れ曲がっており、第２給気管１３は、前後方向に延びる直線状である。エアクーラー１２からガスエンジン２の給気口４５の間には、給気スロットル弁７８が設けられている（図５、参照）。給気スロットル弁７８は、例えば、ステップモータを用いて開度変更が可能な電子制御式のものであり、その開度に応じてガスエンジン２の給気室２ａへ給入される空気の量（給気量）が変化する。
　触媒コンバータ６は、発電機１５の上方に配置されている。換言すれば、触媒コンバータ６は、排気管４を挟んで過給機５と反対側に配置されている。触媒コンバータ６は、前向きに開口する入口と後向きに開口する出口を有し、ガスエンジン２から排出される排ガス中の未燃燃料ガスを酸化させる触媒６５を内蔵する。
　排気管４の後端部には、後向きに（過給機５に向かう方向以外の方向に）開口する排ガス出口４１が設けられており、排気管４の前端部には、前向きに開口する第１バイパス口（第１排ガス出口）４２及び第２バイパス口（第２排ガス出口）４４が設けられている。そして、排気管４の排ガス出口４１は第１接続管７１により触媒コンバータ６の入口と接続されており、触媒コンバータ６の出口は第２接続管７２により過給機５の排ガス入口５３と接続されている。これらの第１接続管７１、触媒コンバータ６及び第２接続管７２により、排気管４の排ガス出口４１から過給機５の排ガス入口５３へ至る流路が構成されている。そして、触媒コンバータ６は、排気管４の排ガス出口４１から過給機５の排ガス入口５３へ至る流路中に配置されている。
　第１接続管７１は、前後方向に延びる直線状である。一方、第２接続管７２は、触媒コンバータ６及び排気管４の上方で前後方向に延びる直線部と、触媒コンバータ６の出口から直線部の上流端へ至る１８０度屈曲部と、直線部の下流端から過給機５の排ガス入口５３へ至る９０度屈曲部を含む。なお、図示は省略するが、第１接続管７１及び第２接続管７２には、熱膨張を吸収するための伸縮部材が適所に組み込まれていてもよい。
　排気管４の第１バイパス口４２は、排気系バイパス管７の上流側端部と接続されている。排気系バイパス管７の下流側端部は、触媒コンバータ６の出口と過給機５の排ガス入口５３とを繋ぐ第２接続管７２と接続されている。排気系バイパス管７により、触媒コンバータ６を通さずに、排気管４から過給機５の上流側へ排ガスを送ることができる。第２接続管７２において、触媒コンバータ６の出口と排気系バイパス管７との接続部との間には、触媒コンバータ６から過給機５への排ガスの流れを許容する逆止弁８８が設けられている。この逆止弁８８は、定常時は開放されているが、後述する触媒コンバータ６の触媒６５のメンテナンス時に閉止される。
　排気管４の第２バイパス口４４は、バイパス管８の上流側端部と接続されている。バイパス管８の下流側端部は、エアクーラー１２とガスエンジン２の給気口４５とを繋ぐ第２給気管１３と接続されている。バイパス管８により、触媒コンバータ６を通らずに、排気管４からガスエンジン２の給気側へ排ガスを送る排気再循環（ＥＧＲ）用の流路が形成される。但し、バイパス管８はガスエンジン２の排ガスをガスエンジン２の給気側へ送ることができればよいので、バイパス管８の下流側端部は、過給機５の給気側又は第１給気管１１と接続されていてもよい。また、バイパス管８の下流側端部は、過給機５の排気側と接続されていてもよい。また、排気管４には、２つのバイパス口４２，４４が設けられているが、排気管４に１つのバイパス口を設け、このバイパス口に分岐ジョイントを介して排気系バイパス管７とバイパス管８との両方を接続してもよい。
　排気管４からの排ガスは、通常は第１接続管７１を通じて触媒コンバータ６に導かれ、特殊な状況で排気系バイパス管７を通じて触媒コンバータ６を通らずに過給機５の上流側へ導かれ、主に空気過剰率の調整のためにバイパス管８を通じてガスエンジン２の給気側へ導かれる。この排ガスの流れを操作するために、第１接続管７１に流量調節手段又は流路切換手段としての排気弁７５が設けられ、排気系バイパス管７に流量調節手段又は流路切換手段としての排気バイパス弁８５が設けられ、バイパス管８に流量調節手段としてのバイパス弁７６が設けられている。これらの弁７５，７６，８５は、本実施形態においてはいずれもバタフライ弁が採用されているが、弁７５，７６，８５の構造はこれに限定されない。
　上記ガスエンジンシステム１の構成によれば、過給機５がガスエンジン２に隣接して配置されていても、排気管４の排ガス出口４１と過給機の排ガス入口５３の開口方向により、排気管４の排ガス出口４１から過給機５の排ガス入口５３まで配管を通すルートを自由に決定することができる。すなわち、触媒コンバータ６がどのような位置に配置されていても、触媒コンバータ６を排気管４の排ガス出口４１及び過給機５の排ガス入口５３と接続することができる。換言すれば、過給機５をガスエンジンに隣接して配置したままで、触媒コンバータ６をガスエンジン２から過給機５への排ガス流路中に配置することができる。そして、このように配置されたガスエンジン２、過給機５、及び触媒コンバータ６において、排気管４とガスエンジン２の給気口４５とを繋ぐように設けられたバイパス管８は、比較的短いものとなる。よって、ガスエンジンシステム１の煩雑化及び巨大化を抑制することができる。
　次に、図４を参照して、触媒コンバータ６の構成を詳細に説明する。触媒コンバータ６は、触媒６５が収容される筐体６０を備えている。筐体６０は、前後方向に延びる筒状の筐体本体部６２と、筐体本体部６２に向かって拡大する上流側フード部６１と、筐体本体部６２から縮小する下流側フード部６３を含む。本実施形態では、筐体本体部６２の断面形状が矩形状であるが、筐体本体部６２の断面形状は例えば円形状であってもよい。触媒６５は筐体本体部６２に収容されている。触媒６５は、金属製の担体基材に、触媒活性成分を担持したコート材をコーティングしたものである。担体基材は、例えば、ステンレス製のメタルハニカムや、波板と平板が交互に積層された金属製構造体であってよい。触媒活性成分は、例えば、白金やパラジウムなどからなる金属微粒子であってよい。
　筐体６０の内部は、触媒６５を支持する格子部材６４によって複数の小部屋に仕切られている。そして、各小部屋に、複数の触媒６５が排ガスの流れ方向に積層された状態で配置されている。触媒６５は、筐体本体部６２を筐体６０の他の部分から取り外せば、容易に筐体本体部６２へ着脱することができる状態となる。触媒６５の交換に際して、排気弁７５及び逆止弁８８を閉止して排気バイパス弁８５を開放することにより、ガスエンジンシステム１の運転中でも触媒コンバータ６を解体して触媒６５を交換することができる。
　触媒コンバータ６の筐体６０には、触媒６５を加熱するためのヒーター１９が設けられている。ヒーター１９は、筐体６０の筐体本体部６２の周囲に設けられた電熱線１８等で構成されている。ヒーター１９は、電熱線１８に電流が流れると発熱し、この熱によって触媒６５を加熱するように構成されている。
　触媒コンバータ６には、温度センサ６７が設けられている（図５、参照）。温度センサ６７は、触媒６５の温度を測定するための触媒温度計測手段である。さらに、触媒６５の上流にラムダセンサ８２が設けられている（図５、参照）。ラムダセンサ８２は、触媒６５へ流れる排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度計測手段である。
　触媒コンバータ６の上流側フード部６１には、触媒６５に向かって活性化促進剤を噴出する触媒活性化装置９が設けられている。触媒活性化装置９は、例えば、上流側フード部６１の上方で左右方向に延びる主管９１と、主管９１から垂れ下がって上流側フード部６１内に入り込む複数の枝管９２で構成される。各枝管９２には、後向きのノズルが一定のピッチで設けられている。主管９１へは、第１活性化促進剤源９３から供給管９５を介して活性化促進剤が供給される。なお、本実施例に係る触媒活性化装置９は、活性化促進剤を触媒６５へ向けて噴射するように構成されているが、排気弁７５から触媒６５までの流路において活性化促進剤が噴出されるように構成されていてもよい。この構成であっても、ガスの流れにより活性化促進剤が触媒６５を通過するので、活性化促進剤を触媒６５に向けて噴射する場合と同様の効果が期待できる。
　活性化促進剤は、触媒６５での触媒反応に関する活性化状態のエネルギー値が、ガスエンジン２の燃料ガスの主成分よりも低い炭化水素、又は、その炭化水素を主成分とする気体又は液体である。ガスエンジン２の一般的な燃料ガスは天然ガスであり、天然ガスの主成分はメタンである。メタンは、炭素数が１の炭化水素である。炭素数の少ない炭化水素ほど、触媒６５での触媒反応が起こりにくい（酸化しにくい）。燃料ガスの主成分がメタンであるときには、触媒６５での触媒反応に関する活性化状態のエネルギー値がメタンよりも低い炭化水素が、活性化促進剤に含まれる。このような炭化水素は、例えば、炭素数が２以上のアルカンである。その中でも、気体状のアルカン、すなわち、炭素数が２－４のアルカン（エタン、プロパン、及びブタン）がより望ましい。
　また、活性化促進剤には、油、酸素、酸素富化空気、水素、及び燃料ガスのうち少なくとも１つが含まれていてもよい。本実施形態においては、触媒活性化装置９の主管９１に、第１活性化促進剤源９３と、第２活性化促進剤源９６とが供給管９５によって並列的に接続され、第１活性化促進剤源９３から上記炭化水素が、第２活性化促進剤源９６から油、酸素、酸素富化空気、水素、及び燃料ガスのうち少なくとも１つが、それぞれ供給される。そして、触媒活性化装置９は、第１活性化促進剤源９３からの活性化促進剤と、第２活性化促進剤源９６からの活性化促進剤とが、枝管９２のノズルから併せて噴出するように構成されている。なお、第１活性化促進剤源９３からの活性化促進剤の供給量は、供給管９５に設けられた弁等の供給量調整手段９４により調整され、第２活性化促進剤源９６からの活性化促進剤の供給量は、供給量調整手段９７によって調整される。
　上記の通り、１つの触媒活性化装置９が、２種以上の活性化促進要素を含む活性化促進剤を排気管４から触媒６５へ至る流路へ供給するよう構成されていることにより、ガスエンジンシステム１の構造をより単純化することができる。但し、ガスエンジンシステム１が複数の触媒活性化装置９を備え、各触媒活性化装置９が異なる活性化促進要素を含む活性化促進剤を、排気管４から触媒６５へ至る流路へ供給するように構成されていてもよい。また、触媒活性化装置９が備える活性化促進剤源は、２つ以上であってもよい。
　続いて、図５を参照して、ガスエンジンシステム１の制御構成について説明する。エンジン制御装置（ＥＣＵ）８０は、ガスエンジンシステム１の運転に関わる演算と制御を行うプロセッサである。エンジン制御装置８０は、図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器、及び入出力インターフェースなどを含んで構成される。エンジン制御装置８０には、温度センサ６７、エアフローメータ７９、及びラムダセンサ８２などの各種計器が電気的に接続されており、これらの計器から検出信号がエンジン制御装置８０へ送られる。また、エンジン制御装置８０には、排気弁７５、バイパス弁７６、排気バイパス弁８５、燃料弁３６、及び給気スロットル弁７８の各弁の開閉アクチュエータと、触媒活性化装置９の供給量調整手段９４，９７と、ヒーター１９とが電気的に接続されており、エンジン制御装置８０からこれらの機器へ制御信号が送られる。エンジン制御装置８０では、各種計器からの検出信号に基づき、ガスエンジン２の運転に関わる各種制御が行われる。以下では、エンジン制御装置８０がシステムの起動時に行う触媒暖機制御について詳細に説明する。
　エンジン制御装置８０のＣＰＵでＲＯＭに記憶された所定のプログラムが実行されることにより、次に説明する触媒暖機制御が行われる。エンジン制御装置８０は、触媒活性化装置９の動作を制御する機能部、ヒーター１９の動作を制御する機能部、ガスエンジン２の空気過剰率を制御する機能部の各機能部を少なくとも備えている。各機能部は、エンジン制御装置８０で実行されるプログラムを格納したメモリや制御回路として構成され得る。触媒暖機制御では、効果的に触媒を早期に暖機させるために、これらの各機能部を機能させる。
　図６は、エンジン制御装置８０による触媒暖機制御のフローチャートである。図６に示されるように、エンジン制御装置８０は、ガスエンジンシステム１の起動時に、まず、温度センサ６７により検出された触媒温度を取得する（ステップＳ１）。エンジン制御装置８０は、検出された触媒温度と所定の閾値とを比較する（ステップＳ２）。なお、所定の閾値とは、触媒６５が活性化されて望ましい浄化能力を発揮するような温度範囲（至適温度範囲）の下限値又はそれより大きな値である。触媒６５の至適温度範囲は、触媒により、また、触媒反応により異なる。
　検出された触媒温度が所定の閾値に満たなければ（ステップＳ２でＹＥＳ）、エンジン制御装置８０は、活性化促進剤の供給を開始するように触媒活性化装置９を動作させる（ステップＳ３）。これにより、触媒活性化装置９の枝管９２に設けられたノズルから触媒６５へ向けて活性化促進剤が噴出される。そして、排気管４から触媒６５へ至る流路内へ供給された活性化促進剤と触媒６５とが接触し、触媒６５の活性化が促される。
　触媒６５と活性化促進剤に含まれる炭化水素とが接触し、活性化促進剤中の炭化水素の触媒反応（発熱反応）が起こると、その反応熱で触媒６５の温度が上昇する。活性化促進剤に含まれる炭化水素は、ガスエンジン２の排ガス中の未燃燃料ガスと比較して、触媒６５の温度が至適温度範囲より低い状況でも触媒反応が起こりやすい。よって、活性化促進剤が供給されない場合と比較して、触媒の温度を速やかに至適温度範囲まで昇温させることができ、触媒をより早期に活性化させることができる。
　活性化促進剤には、上記炭化水素に加えて又は代えて、霧状の油、酸素、酸素富化空気、水素、及び燃料ガスのうち少なくとも１つが含まれていてもよい。例えば、活性化促進剤に霧状の油、燃料ガス、及び水素のうち少なくとも１つの要素が含まれる場合は、その要素が触媒６５と接触し、その要素の触媒反応が生じる。その結果、反応熱により触媒６５の温度が速やかに上昇する。また、例えば、活性化促進剤に酸素又は酸素富化空気が含まれる場合には、触媒６５が活性化される温度が所定の閾値より下がる。その結果、触媒６５が所定の閾値より低い温度であっても、より多くの排ガス中の未燃燃料ガスが触媒反応を起こし、その反応熱により触媒６５の温度が速やかに上昇する。
　続いて、エンジン制御装置８０は、ヒーター１９を作動させる（ステップＳ４）。ヒーター１９の電熱線１８に電流が流され、高温となった電熱線１８からの熱伝導により触媒６５が加熱される。その結果、ヒーター１９による加熱が無い場合と比較して、触媒６５の温度が速やかに上昇する。
　さらに、エンジン制御装置８０は、空気過剰率λを所定の値まで低下させる（ステップＳ５）。なお、ガスエンジン２の通常運転時の空気過剰率λの目標値は２程度であり、触媒暖気制御時には、空気過剰率λの目標値が１．０～１．８までの範囲に含まれる所定の値とされる。空気過剰率λが減少すると、ガスエンジン２が通常運転時と比較して燃料リッチな状態で燃焼する結果、ガスエンジン２からの排ガスの温度が通常運転時と比較して高くなる。そして、触媒６５がより高い温度の排ガスと接触することと、より高い温度の排ガス中の未燃燃料ガスが触媒反応を起こすこととにより、触媒６５の昇温が促進される。
　空気過剰率λは、少なくとも、ラムダセンサ８２で計測された排ガスの酸素濃度と、エアフローメータ７９で計測された給気量とに基づき、燃料弁３６、バイパス弁７６、及び給気スロットル弁７８の各弁の開度を調整することによって、目標値に近づくように制御される。空気過剰率λを減少させるために、エンジン制御装置８０は、給気スロットル弁７８の開度の減少、及びバイパス弁７６の開度の増大のうち少なくとも一方を行うように、これらの弁７８，７６の開閉アクチュエータを動作させる。給気スロットル弁７８の開度が減少すると、ガスエンジン２の給気空気量が減少する。バイパス弁７６の開度が増大すると、ガスエンジン２の排ガスの一部が触媒コンバータ６及び過給機５を通さずにガスエンジン２の給気側へ送られるので、過給機５による過給圧が低下する。加えて、ガスエンジン２の給気中の未燃燃料ガス濃度が増加する。
　さらに、バイパス弁７６の開度が増大することによって、冷間始動直後のガスエンジン２の冷えた排ガスが触媒６５と接触しないか、或いは、触媒６５と接触する冷えた排ガスの流量が減少する。したがって、触媒の温度上昇が冷えた排ガスにより妨げられない。
　エンジン制御装置８０は、温度センサ６７により検出された触媒温度を継続的に取得する（ステップＳ６）。上述のように触媒６５の温度が上昇し、やがて、触媒６５の温度は所定の閾値以上、即ち、至適温度範囲内となる。検出された触媒温度が所定の閾値以上となると（ステップＳ７でＮＯ）、エンジン制御装置８０は、活性化促進剤の供給を停止するよう触媒活性化装置９を動作させ（ステップＳ８）、ヒーター１９を停止させ（ステップＳ９）、空気過剰率λを通常運転時の目標値まで増加させる（ステップＳ１０）。なお、上記ステップＳ３～Ｓ５と、上記ステップＳ８～Ｓ１０とは、それらのステップの間で順序が入れ換わったり、それらのステップのうちいずれか１つ以上が実行されたりしても構わない。
　以上説明した通り、本実施形態に係るガスエンジンシステム１では、ガスエンジン２の冷間始動直後などの触媒６５の温度が至適温度範囲に満たないときに、触媒６５の温度上昇を促進させるための処置がなされる。したがって、前記処置がなされない場合と比較して、触媒６５の温度は速やかに至適温度範囲まで上昇し、触媒６５がより早期に活性化されることで触媒浄化能力をより早く確保することができる。
　以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。
　例えば、上記実施形態に係る触媒コンバータ６は、排気管４を挟んで過給機５と反対側に配置されている。この配置によれば、触媒コンバータ６と排気管４の排ガス出口４１とを最短距離で接続することができる。但し、図７に示されるように、触媒コンバータ６が排気管４の上方に配置されていてもよい。この場合、排気管４の排ガス出口４１は上方に向けて開口し、この排ガス出口４１と触媒コンバータ６の上流側フード部６１とが９０度ベント管で接続されている。この配置によれば、排気管４の上方の比較的に使い道のないスペースを利用して触媒コンバータ６を配置することができる。
　本発明のガスエンジンシステムは、ガスエンジンの排気系に設置される触媒をより早期に活性化させることができるので、大気へ放出される未燃燃料ガスを抑制するのに有用である。
　１　ガスエンジンシステム
　２　ガスエンジン
　２２　クランクシャフト
　３　　シリンダ
　４　　排気管
　４１　排ガス出口（第１排ガス出口）
　４２　バイパス口
　４４　バイパス口（第２排ガス出口）
　５　　過給機
　５３　排ガス入口
　５４　排ガス出口
　６　　触媒コンバータ
　６０　筐体
　６１　上流側フード部
　６２　筐体本体部
　６３　下流側フード部
　６５　触媒
　６７　温度センサ（触媒温度測定手段）
　７１，７２　接続管
　７５，７６　弁
　７，８　バイパス管
　９　　触媒活性化装置
　８０　エンジン制御装置

Claims (7)

  1. 　ガスエンジンと、
    　前記ガスエンジンと接続され、当該ガスエンジンから排出される排ガスが導通される排気管と、
    　前記排気管と接続された過給機と、
    　前記排気管から前記過給機へ至る流路中に配置され、前記ガスエンジンから排出される排ガス中の未燃燃料ガスを酸化させる触媒と、
    　前記触媒の温度を測定する触媒温度測定手段と、
    　前記排気管から前記触媒へ至る流路へ前記触媒の活性化促進剤を供給する触媒活性化装置と、
    　前記触媒温度測定手段で計測された触媒温度が所定の閾値よりも低いときに前記活性化促進剤が供給されるように前記触媒活性化装置を動作させる第１機能部を有する制御装置とを備え、
    　前記活性化促進剤が、前記触媒での触媒反応に関する活性化状態のエネルギー値が前記ガスエンジンの燃料ガスよりも低い炭化水素を含んでいる、ガスエンジンシステム。
  2. 　前記排気管から前記触媒を通らずに前記ガスエンジンの給気側へ排ガスを送るバイパス管を更に備え、
    　前記過給機は、前記ガスエンジンに隣接して配置されて、前記排気管に向かう方向以外の方向に開口する排ガス入口を有し、
    　前記排気管は、前記ガスエンジンの上方に配置されて、前記過給機に向かう方向以外の方向に開口する第１排ガス出口を有し、
    　前記ガスエンジンは、前記過給機に向かう方向に開口する給気口を有する、請求項１に記載のガスエンジンシステム。
  3. 　前記排気管は、前記過給機に向かう方向に開口する第２排ガス出口を更に有し、
    　前記バイパス管の上流側端部が前記第２排ガス出口と接続されている、請求項２に記載のガスエンジンシステム。
  4. 　前記バイパス管内の流路中に設けられたバイパス弁を更に備え、
    　前記制御装置が、前記触媒温度測定手段で計測された触媒温度が所定の閾値よりも低いときに、前記バイパス弁の開度が増加するように前記バイパス弁を動作させるように構成された第２機能部を有する、請求項２又は３に記載のガスエンジンシステム。
  5. 　前記触媒の上流側で前記ガスエンジンの排ガスの酸素濃度を計測する酸素濃度計測手段と、
    　前記ガスエンジンの給気量を計測する給気量計測手段とを更に備え、
    　前記制御装置が、前記触媒温度測定手段で計測された触媒温度が所定の温度よりも低いときに、前記酸素濃度計測手段で計測された酸素濃度と前記給気量計測手段で計測された給気量とに基づき、空気過剰率を通常運転時の空気過剰率から減少させるために前記ガスエンジンの給気量、給気中の酸素濃度、及び前記ガスエンジンの燃料噴射量の少なくとも１つを調整するように構成された第３機能部を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載のガスエンジンシステム。
  6. 　前記触媒を加熱するヒーターを更に備えている、請求項１～５のいずれか一項に記載のガスエンジンシステム。
  7. 　前記活性化促進剤が、油、酸素、酸素富化空気、水素、及び前記燃料ガスのうち少なくとも１つを含んでいる、請求項１～６のいずれか一項に記載のガスエンジンシステム。
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