(57)【要約】【課題】  ガス供給源のガス圧が低くなっても、一定のガス流量を維持して、混焼エンジンを安定的に運転できるようにするとともに、発電機負荷の遮断によりエンジンスピードが大きくオーバーシュートするのを防止する。  【解決手段】  軽油等を燃焼室に噴射供給するとともに、吸気配管に燃料ガスを供給して燃焼させる混焼エンジンの吸気配管４の途中に、ベンチュリ効果により燃料ガスを吸気配管４内に供給するミキサー１２を設け、かつ、燃料ガスの供給源とミキサー１２との間にゼロガバナ８を設けて、燃料ガスを、ゼロガバナ８により大気圧と同じ圧力にしてから、ミキサー１２のベンチュリ効果により吸気配管４内に導入する。さらに、燃料ガスの供給路に電磁弁９を設け、発電機２の負荷電流が遮断された時、電磁弁９を閉じることにより燃料ガスの供給を遮断する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼルエンジンの吸気配管に燃料ガスを供給して燃焼させる混焼エンジンであって、
前記吸気配管の途中に設けられ、ベンチュリ効果により燃料ガスを吸気配管の中に供給するミキサーと、前記燃料ガスの供給源と前記ミキサーとの間に設けられたゼロガバナと、前記ミキサーと前記ゼロガバナとの間に設けられ、燃料ガスの供給量を調整する燃料弁とを備えたことを特徴とする混焼エンジン。
【請求項２】
発電機を駆動する請求項１に記載の混焼エンジンであって、
前記発電機の負荷量と前記燃料ガスの種類とに対応させてガス供給量を設定し、発電機の負荷量と、設定されたガス供給量とに基づいて、前記燃料弁の開度を調整して燃料ガスの供給量を制御することを特徴とする混焼エンジン。
【請求項３】
発電機を駆動する請求項１又は２に記載の混焼エンジンであって、
前記燃料ガスの供給路に電磁弁を設け、前記発電機の負荷量が急減した時、前記電磁弁を閉じることにより前記燃料ガスの供給を遮断するようにしたことを特徴とする混焼エンジン。
【請求項４】
前記発電機の負荷量が、第１の設定値まで減少した時に計時を開始し、その後、所定時間以内に、前記第１の設定値より低い第２の設定値まで低下した時、前記燃料ガスの供給を遮断するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の混焼エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽油等を主燃料とするディーゼルエンジンの吸気配管から副生水素等の燃料ガスを供給し、主燃料と燃料ガスを燃焼させて駆動する混焼エンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ディーゼルエンジンの燃料として副生水素のような燃料ガスを用い、その投入量を増加させて高出力化するためには、燃料ガスを主燃料とした専焼エンジンが考えられるが、この場合、エンジンの圧縮比を燃料ガスの熱量に見合ったレベルまで下げ、点火プラグを追加する等の大幅なエンジン改造を必要とするため、汎用ディーゼルエンジンや既設エンジンに適用することは困難である。また、燃料ガスを高圧で噴射することから、燃料ガス供給源の圧力が低い場合は、必要な圧力レベルまで昇圧するための設備が必要となる。
【０００３】
また、エンジンの仕様変更をより少なくして効率的に燃料ガスを燃焼させる方法として、軽油等の液体燃料を主燃料とするディーゼルエンジンをそのまま生かして、吸気側あるいは気筒内に高圧噴射する混焼エンジンが考えられる。しかし、この場合も、燃料ガス供給源の圧力が低い場合は、必要な圧力レベルまで昇圧するための設備が必要となり、さらに、燃料ガスを高圧で供給するため、逆火やノッキング等の問題が起こりやすく、制御が困難である。
【０００４】
そのような問題がある中、例えば、特許文献１では、ディーゼルエンジンの吸気配管にバイオガスの供給管を、流量調節弁を介して接続し、該流量調節弁の開度を一定にし、軽油の供給量を調節することにより、エンジンの回転数を一定に制御することが提案されている。
【０００５】
また、特許文献２では、ディーゼルエンジンの給気管に低カロリー燃料の導入管を、レギュレータ及び流量調節弁（Ａ／Ｆバルブ）を介して接続し、軽油の供給量は固定で、前記レギュレータ及び流量調節弁により低カロリー燃料の供給量を制御することにより、機関の失火や性能悪化を防止しながらエンジンを運転できるようにすることが提案されている。
【０００６】
なお、副生水素は、製鉄所のコークス炉ガス精製水素，苛性ソーダ工場の塩電解水素，製油所等で副生物として発生する水素等である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３０９９７９号公報
【特許文献２】特開２００４−２７８４２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に示されるような混焼エンジンでは、バイオガスの供給管と吸気配管との間に、流量調節弁が設けられており、また、特許文献２に示されるような混焼エンジンでは、流量調節弁の手前にレギュレータが設けられていて、バイオガスの流量が調整されるようになっている。
【０００９】
しかしながら、特許文献１，２のものに用いられているレギュレータや流量調節弁は、ある程度以上のガス圧力があれば、多少の圧力変動があっても、ガス圧力やガス流量を一定範囲に維持できるが、ガス供給源のガス圧が低くなりすぎると、一定のガス圧やガス流量を維持できなくなる。そのため、特許文献１，２に示されるような混焼エンジンでは、ガス供給源のガス圧が変動して所定値以下になると、安定的なガス供給ができなくなるという問題点があった。
【００１０】
また、発電機から大きな負荷に給電中に、負荷側の事情により負荷が遮断されたとき、エンジンスピードが急激に増加してオーバーシュートするおそれがある。それに対して、軽油だけを燃料とする通常のディーゼルエンジンでは、ガバナにより、瞬時に軽油の供給を絞ってエンジンスピードが大きくオーバーシュートするのを防ぐことができる。しかし、特許文献１，２に示されるような混焼エンジンでは、大きな負荷が遮断されたとき、軽油の供給はガバナの作用によって絞れても、ガス燃料側にはそのような対策が施されていないため、制御が間に合わず、エンジンスピードが大きくオーバーシュートして、過周波数，過電圧に陥り、商用電源との連系を行わない単独運転の場合は、負荷設備に損傷を与えるおそれがあるという問題点もあった。
【００１１】
本発明は、そのような問題点に鑑み、逆火やノッキングが起こりにくく、ガス供給源のガス圧が低くなっても、一定のガス流量を維持して、混焼エンジンを安定的に運転できるようにするとともに、エンジンを改造することなく、負荷遮断によるエンジンスピードが大きくオーバーシュートするのを防止できる予混合式（燃料ガスを予め吸気の中に混合してから燃焼室に供給する方式）の混焼エンジンを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決するため、本願の請求項１にかかる発明は、ディーゼルエンジンの吸気配管に燃料ガスを供給して燃焼させる混焼エンジンであって、前記吸気配管の途中に設けられ、ベンチュリ効果により燃料ガスを吸気配管の中に供給するミキサーと、前記燃料ガスの供給源と前記ミキサーとの間に設けられたゼロガバナと、前記ミキサーと前記ゼロガバナとの間に設けられ、燃料ガスの供給量を調整する燃料弁とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
また、本願の請求項２にかかる発明は、発電機を駆動する請求項１に記載の混焼エンジンであって、前記発電機の負荷量と前記燃料ガスの種類とに対応させてガス供給量を設定し、発電機の負荷量と、設定されたガス供給量とに基づいて、前記燃料弁の開度を調整して燃料ガスの供給量を制御することを特徴とする。
【００１４】
また、本願の請求項３にかかる発明は、発電機を駆動する請求項１又は２に記載の混焼エンジンであって、前記燃料ガスの供給路に電磁弁を設け、前記発電機の負荷量が急減した時、前記電磁弁を閉じることにより前記燃料ガスの供給を遮断するようにしたことを特徴とする。
【００１５】
また、本願の請求項４にかかる発明は、請求項３に記載の発明において、前記発電機の負荷量が、第１の設定値まで減少した時に計時を開始し、その後、所定時間以内に、前記第１の設定値より低い第２の設定値まで低下した時、前記燃料ガスの供給を遮断するようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、次のような効果を奏する。
すなわち、請求項１にかかる発明においては、吸気配管の途中に、ベンチュリ効果により燃料ガスを吸気配管の中に供給するミキサーを設け、燃料ガスの供給源とミキサーとの間にゼロガバナを設けた。その結果、ガス供給源のガス圧が低くなっても、ゼロガバナにより、供給するガス圧を大気圧と同じ圧力で一定に保持し、そのようにして調整した低い圧力の燃料ガスでも、ミキサーのベンチュリ効果により吸気配管内に吸い込むことにより、燃料ガスを安定的に供給できるようになる。
【００１７】
また、請求項２にかかる発明においては、発電機を駆動する請求項１に記載の混焼エンジンにおいて、発電機の負荷量と燃料ガスの種類とに対応させてガス供給量を設定し、発電機の負荷量と、設定されたガス供給量とに基づいて、燃料ガスの供給量を制御するようにした。その結果、ＬＰＧ，ＣＮＧ，バイオガス，副生水素等の燃料ガスの種類と負荷量に応じて、燃料ガスの供給量を最適な量に制御することができ、燃料ガス供給量の割合を大幅に増加させることができる。
【００１８】
また、請求項３にかかる発明においては、発電機を駆動する請求項１又は２に記載の混焼エンジンにおいて、燃料ガスの供給路に電磁弁を設け、発電機の負荷量が急減した時、電磁弁を閉じることにより燃料ガスの供給を遮断するようにした。その結果、負荷が遮断されたときにエンジンスピードが大きくオーバーシュートするのを防止できる。
【００１９】
また、請求項４にかかる発明においては、請求項３にかかる混焼エンジンにおいて、発電機の負荷量が、第１の設定値まで減少した時に計時を開始し、その後、所定時間以内に、第１の設定値より低い第２の設定値まで低下した時、燃料ガスの供給を遮断するようにした。その結果、負荷電流の低下スピードが所定以上あるか否かにより、負荷遮断とエンジンスピードが大きくオーバーシュートしない範囲での負荷低下とを判別して、負荷遮断のときだけ燃料ガスの供給を遮断するようにできる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施例に係る混焼エンジンのシステム概略構成図である。
【図２】燃料弁とミキサーの構造図である。
【図３】負荷電流と燃料弁開度の関係を示す図である。
【図４】発電機の負荷量が急減したときの制御を説明するための図である。
【図５】本発明の混焼エンジンにおけるガス供給制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本実施例では、燃料ガスとして副生水素を用いるものとして説明する。
【実施例】
【００２２】
図１は、本発明の一実施例に係る混焼エンジンのシステム概略構成図である。図１において、１はディーゼルエンジン、２はディーゼルエンジン１によって駆動される発電機、３はエアクリーナ、４は吸気配管、５は排気配管、６は軽油噴射ノズル、７はレギュレータ、８はゼロガバナ、９は電磁弁、１０は消炎フィルタ、１１は燃料弁、１２はミキサー、１３は圧力センサ、１４は電磁弁９や燃料弁１１を制御するためのコントローラである。
【００２３】
ディーゼルエンジン１は、軽油噴射ノズル６によって燃焼室内に噴射される軽油と、ミキサー１２によって吸気の中に混入される副生水素とを燃料として運転され、発電機２を駆動する。発電機２は、ディーゼルエンジン１によって駆動されて３相交流を出力し、遮断器ＣＢを介して各種負荷に電力を供給する。
【００２４】
副生水素は、ガス供給源（図示せず）からレギュレータ７，ゼロガバナ８，電磁弁９，消炎フィルタ１０，燃料弁１１，ミキサー１２を介して吸気配管４の中に導入される。レギュレータ７は、ガス供給源から受ける副生水素の圧力を、所定の範囲内になるように、例えば１ＭＰａ程度まで減圧してゼロガバナ８に与える。ゼロガバナ８は、一次側の圧力変化及び流量変化に関係なく二次側のガス圧力を大気圧付近に保つ機能を有するもので、ガス供給源の圧力変動を吸収するため、一旦大気圧と同じ圧力に落とすために設けている。このゼロガバナ８としては、汎用品として製造販売されている公知のものを用いることができる。
【００２５】
電磁弁９は、発電機２の負荷が遮断したとき、ディーゼルエンジン１の過大なオーバーシュートを防ぐために、コントローラ１４の制御により副生水素を遮断するためのものある。また、消炎フィルタ１０は、波形金属リボンを渦巻き状に巻回して、断面がハニカム状になるように形成された消炎エレメントにより火炎の伝播を阻止するようにしたものであり、ここでは、副生水素の供給路中に設けて、ディーゼルエンジン１の燃焼室から生ガスを伝わってガス供給源に火が移るのを防ぐようにしている。この消炎フィルタ１０としては、汎用品として製造販売されている公知のものを用いることができる。
【００２６】
燃料弁１１は、図２に示すように、先端が円錐状に形成された弁本体１５を、ステッピングモータ１６により移動させて副生水素の投入量を制御する。ステッピングモータ１６は、コントローラ１４により制御され、弁本体１５の全閉から全開まで、１ステップずつ多段階（例えば、１４０段階）に駆動できる。また、個々の弁は、弁本体１５の先端の角度を変えることで流量が調整でき、角度を鈍角にすると１ステップ毎の流量変化が小さくなり、角度を鋭角にすると、１ステップ毎の流量変化が大きくなる。
【００２７】
弁本体１５の動作速度は、例えば、０．０１ｓｅｃ／ステップとする。遅ければ遅いほど制御の安定性が増すが、レスポンスが遅くなるのでこの程度の動作速度が選定される。また、エンジン出力の容量が大きくなるに従ってガス投入量も多くなるが、必要なガス投入量に対して燃料弁１１が１個では不足する場合は、図２に示すように４個、あるいはそれ以外の２，３，５，・・・個と並列に増やしていくことが可能である。
【００２８】
ミキサー１２は、ベンチュリ効果により副生水素を吸気配管４内に供給するものであり、図２に示すように、エアクリーナ３とディーゼルエンジン１をつなぐ吸気配管４の途中に接続し、燃料弁１１から送られる副生水素を吸気配管４内に導入する。このように、本発明は、吸気負圧を利用して燃料ガスを吸気配管４内に導入する方法を採用しているため、ディーゼルエンジン１がノンターボであれ、ターボ付であれ適用可能である。
【００２９】
ミキサー１２に内蔵されるベンチュリ部は、エンジン出力及び燃料ガスの種類などに応じて、最適な径φを選択する。その際、径φを絞るほど副生水素を吸い込みやすくなるが、径φを絞りすぎると、ディーゼルエンジン１の吸気負圧が高くなって、燃焼室に送られる酸素濃度が下がるので、異常燃焼や異常振動などが発生しない安全な範囲に制限される。
【００３０】
このようなミキサー１２を吸気配管４の途中に設け、副生水素の供給源とミキサー１２との間にゼロガバナ８を設けて、ガス供給源のガス圧が低くなっても、ゼロガバナ８により、ガス圧を大気圧と同じ圧力で一定に保持し、ミキサー１２のベンチュリ効果により吸気配管４内に吸い込むようにしたので、副生水素のガス流量を一定に制御でき、副生水素の供給割合を大幅（例えば、７割程度）に増加させても、逆火やノッキング等を生じさせることなく、エンジンを安定的に運転することができる。
【００３１】
圧力センサ１３は、エアクリーナ３の下流側に設けられ、吸気配管４内の圧力を検出し、コントローラ１４に出力する。そして、エアクリーナ３が目詰まりしてその下流側が所定値（例えば、６．２２ｋＰａ）以下まで低下したときに、コントローラ１４は、電磁弁９を閉じて副生水素を遮断し、副生水素が吸気配管４内に過大に導入されないようにする。
【００３２】
コントローラ１４は、変流器ＣＴによって負荷電流を検出し、ディーゼルエンジン１の運転中に負荷が遮断された時は、ディーゼルエンジン１の過大なオーバーシュートを防ぐため、電磁弁９を閉じて副生水素を遮断する。また、発電機２の負荷量に応じて、最適なステップを演算して燃料弁１１を制御する。なお、発電機２の負荷量は、本来は、発電機２から出力される電力で判定すべきであるが、本実施例では、簡単化のため、負荷電流を検出することで、負荷量を判定することとした。
【００３３】
コントローラ１４には、図３に示すような、負荷電流と燃料弁開度との関係を、燃料ガスの種類毎に示すデータが、複数登録されている。図３において、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは燃料ガスの種類別の登録データを示しており、このようなデータを発電機２の容量に対応させて登録している。この負荷電流と燃料弁開度との関係は、必ずしも直線的ではない。そして、最小単位の間隔毎の負荷電流に対応させて燃料弁開度を細かく登録してもよいし、屈折点のデータのみを登録して、それらの中間部分は計算によって求めるようにしてもよい。
【００３４】
コントローラ１４は、変流器ＣＴによって負荷電流を検出し、上記登録されたデータに基づいて、検出した負荷電流に対応する燃料弁開度を求め、その燃料弁開度に対応するステッピングモータ１６のステップを演算して、燃料弁１１を制御する。
【００３５】
また、前述したように、コントローラ１４は、ディーゼルエンジン１の運転中に負荷が遮断されて、負荷電流が急激に低下した時は、発電機が無負荷になったものと判断し、電磁弁９を閉じて副生水素を遮断する。その際、発電機の負荷電流が、第１の設定値まで減少した時に計時を開始し、その後、所定時間以内に、前記第１の設定値より低い第２の設定値まで低下した時に発電機が無負荷になったものと判断する。
【００３６】
図４は、発電機の負荷量が急減したときの制御を説明するための図である。発電機２が負荷電流ＩＬで運転している際に、負荷電流が低下して第１の設定値であるＩ１になった時、計時を開始する。そして、所定の時間（例えば、０．３秒）以内に、第２の設定値であるＩ２以下になった時、発電機が無負荷になったものと判定する。なお、上記第１の設定値Ｉ１としては、例えば、定格電流の７５％，第２の設定値Ｉ２としては、定格電流の２５％の値を設定すればよい。
【００３７】
そのようにすれば、ディーゼルエンジン１の過大なオーバーシュートが発生しないような速度で負荷電流が低下しているときは燃料ガスの供給を遮断せず、ディーゼルエンジン１が過大なオーバーシュートをするおそれがある、負荷電流の低下スピードが所定以上のときだけ、負荷遮断と判別して、燃料ガスの供給を遮断することができる。
【００３８】
次に、コントローラ１４のガス供給量制御の動作を、図５に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、変流器ＣＴによって検出される負荷電流の大きさに基づいて、発電機２が負荷運転中であるか否かを判別する（ステップＳ１）。例えば、負荷電流が定格電流の５％以上あれば、負荷運転中であると判定する。
【００３９】
ステップＳ１で負荷運転中であったら、確認のため、Ｔ秒（例えば、３秒）が経過したか否か判別し（ステップＳ２）、Ｔ秒経過したら、電磁弁９を開いて副生水素を供給する（ステップＳ３）。
【００４０】
そして、発電機２が負荷運転継続中であるか否かを判別し（ステップＳ４）、負荷運転が継続されていなかったら、確認のため、Ｔ秒が経過したか否か判別し（ステップＳ５）、Ｔ秒経過したら、電磁弁９を閉じて副生水素の供給を止める（ステップＳ６）。
【００４１】
一方、ステップＳ４で、負荷運転が継続していたら、圧力センサ１３の出力に基づいて、吸気配管４内の負圧が所定値（例えば、６．２２ｋＰａ）まで低下したか否かを判別し（ステップＳ７）、所定値まで低下したら、エアクリーナ３が目詰まりしている可能性があるので、エアクリーナ３の点検を指示し（ステップＳ８）、ステップＳ６に移り、電磁弁９を閉じて副生水素の供給を止める。
【００４２】
また、ステップＳ７で、負圧が所定値まで低下していなかったら、変流器ＣＴの出力に基づいて、負荷電流がＩ１以下になったかを判別し（ステップＳ９）、Ｉ１以下になっていなければ、図３に示したような登録データに基づいて、検出された負荷電流に対応した燃料弁１１の開度を演算する（ステップＳ１０）。そして、演算した開度と現在の開度とを比較して、演算値が現在値より大きいか否かを判別し（ステップＳ１１）、演算値が現在値より大きければ、ステッピングモータ１６を制御して、演算値に対応する値になるように燃料弁１１の開度を増加させる（ステップＳ１２）。また、演算値が現在値より小さければ、ステッピングモータ１６を制御して、演算値に対応する値になるように燃料弁１１の開度を減少させる（ステップＳ１３）。
【００４３】
一方、ステップＳ９で、負荷電流がＩ１以下になったら、タイマーをスタートさせて、ｔ秒（例えば、０．３秒）が経過したか否かを判別し（ステップＳ１４）、ｔ秒経過したら、負荷電流がＩ１より小さい値であるＩ２以下になったか否かを判別し（ステップＳ１５）、Ｉ２以下になっていなければ、ステップＳ１に戻るが、Ｉ２以下になっていたら、負荷が遮断されたことになるので、ステップＳ６に移り、電磁弁９を閉じて副生水素の供給を止める。
【００４４】
本発明の混焼エンジンにおいては、このようにして燃料ガスの供給が制御される。
【符号の説明】
【００４５】
１…ディーゼルエンジン
２…発電機
３…エアクリーナ
４…吸気配管
５…排気配管
６…軽油噴射ノズル
７…レギュレータ
８…ゼロガバナ
９…電磁弁
１０…消炎フィルタ
１１…燃料弁
１２…ミキサー
１３…圧力センサ
１４…コントローラ
１５…弁本体
１６…ステッピングモータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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