(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主燃焼室に、燃料ガス主管と、排気タービンで作動されるブロアによって空気を送られる給気管とがそれぞれ連絡され、予燃焼室にパイロットガス主管が連絡されたガスエンジンにおいて、ガスエンジンに対する負荷投入時に、給気管から主燃焼室に供給される燃焼用空気に加えて限時空気補充源から主燃焼室と予燃焼室の両方又はいずれか一方に補充空気を供給し、ガスエンジンが所定の回転数に達したところで補充空気の供給を停止することを特徴とするガスエンジンの給気方法。
【請求項２】
主燃焼室に燃料ガス主管と給気管がそれぞれ連絡され、予燃焼室にパイロットガス主管が連絡されたガスエンジンにおいて、上記パイロットガス主管に、限時空気補充源が電磁弁で開閉される補充管によって接続されたことを特徴とするガスエンジンの給気装置。
【請求項３】
補充管はパイロットユニットを介してパイロットガス主管に接続されたことを特徴とする請求項２記載のガスエンジンの給気装置。
【請求項４】
主燃焼室に、燃料ガス主管と、排気タービンで作動されるブロアによって空気を送られる給気管とがそれぞれ連絡され、予燃焼室にパイロットガス主管が連絡されたガスエンジンにおいて、上記給気管に、限時空気補充源が電磁弁で開閉される補充管によって接続されたことを特徴とするガスエンジンの給気装置。
【請求項５】
補充管は、排気タービンによって作動させられるブロアを介して給気管に接続されたことを特徴とする請求項４記載のガスエンジンの給気装置。
【請求項６】
主燃焼室に燃料ガス主管と給気管がそれぞれ連絡され、予燃焼室にパイロットガス主管が連絡されたガスエンジンにおいて、上記主燃焼室に給気管を連絡した枝管に、パイロット分配弁で分配されたパイロットエアによって作動させられて開状態となる補充空気供給弁が連結され、該補充空気供給弁に、限時空気補充源が電磁弁で開閉される補充管によって接続されたことを特徴とするガスエンジンの給気装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主燃焼室のほかに予燃焼室を有するガスエンジンの給気方法及びその給気方法を実施するガスエンジンの給気装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスエンジンとして図８と図９に示すものが知られている（特開平１０−１１０６３５号公報）。このガスエンジンＥは、主燃焼室１ａと予燃焼室１ｂとが形成された複数のシリンダ１を有する。各主燃焼室１ａには、燃料ガス主管３がバランシングバルブ４をそれぞれ介して連絡され、また給気管６が枝管７をそれぞれ介して連絡されている。主燃焼室１ａと予燃焼室１ｂとは互いに連通している。
【０００３】
燃料ガス主管３は、ガス圧力調節弁９，１０を有し、燃料ガス供給源１１に接続されている。ガス圧力調節弁９はガバナ１２で制御される。ガス圧力調節弁１０の前後を連通するバイパス管１４には、圧力調整手段としてのニードルバルブ１５が設けられている。
【０００４】
また、各予燃焼室１ｂには、パイロットガス主管１７が連絡されている。このパイロットガス主管１７は、３基の圧力レギュレータ１８，１９，２０を持つパイロットユニット（調整ユニット）２１を介して燃料ガス主管３の中間部に接続されている。
【０００５】
符号２３はブロアであり、排気タービン２４で作動させられて空気を給気管６に送り込むようになっている。また符号２５はガスエンジンＥによって作動させられる発電機である。
【０００６】
上記のガスエンジンＥは、一般に予燃焼室方式希薄燃焼ガスエンジンと呼ばれるもので、予燃焼室１ｂは、主燃焼室１ａ内の希薄混合気を燃焼させる点火エネルギ付与の役割を持ち、低ＮＯｘを実現すると同時に発電効率を高める。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記構成のガスエンジンＥには、急激な負荷投入又は負荷操作（以下、単に負荷投入）において、予燃焼室内の混合状態が燃料過剰となり、失火エンストしやすいという解決すべき課題がある。
【０００８】
図１０は、定格８３５ｋｗ／１０００ｒｐｍの予燃焼室方式希薄燃焼ガスエンジンの負荷投入時の主燃焼室１ａと予燃焼室１ｂの空気過剰率を示す図である。図中○印、×印、△印の通常の上昇試験では、それぞれ１６６秒、５５秒、５８秒かかって、失火エンストすることなく正常に無負荷（負荷率０％）から定負荷（負荷率１００％）に立ち上がっていたものが、これらよりも早く負荷投入操作を試みた急速負荷運転（●印および▲印）ではいずれも負荷率４０％近辺で失火エンストを起こしていることが分かる。
【０００９】
上記の燃料過剰は次の理由によって生じる。
すなわち、負荷投入が行われるとエンジン回転数が低下する。ガバナ１２はこの回転数低下を検出し、ガス圧力調節弁９を動かして主燃焼室１ａ内に投入される燃料ガス量を増加させる。この動作は数１０μｓで行われる。
【００１０】
一方、燃焼用空気は、燃焼室１ａ，１ｂからの排ガスエネルギを動力源とする排気タービン２４で作動させられるブロア２３に吸い込まれコンプレッサインペラ５０（図１１参照）で圧縮されて燃焼室１ａ，１ｂに圧送される。排気タービン２４の時定数はタービンの容量にもよるが概ね数１０秒であり、ガバナ１２がガス圧力調節弁９を操作して燃料ガスを送り込む時間に比べて遥かに大きい。
このような制御時定数の差によって燃焼用空気不足となることが燃料過剰となる理由である。
【００１１】
このため、上記従来のガスエンジンは、瞬時負荷投入量や無負荷から定格負荷までの負荷操作スピードに制限が生じる。なお、この制限値は、予燃焼室を持たない理論混合気燃焼ガスエンジン（概ねシリンダ径２００ｍｍ未満の小型エンジンに多いタイプ）より低くなり、予燃焼室方式希薄燃焼ガスエンジンとしての特性を生かすことができない。
【００１２】
ところで、予燃焼室方式希薄燃焼ガスエンジンは、平時はコジェネレーション、非常時は防災用機として使用するシステムとすれば設備費が低減されることから、兼用機の期待が高まってきている。
しかし、上記の制限により、防災用としては初期投入負荷率（定格に対して２０〜３０％程度）が低く、兼用機の実現にブレーキがかかっているのが現状である。
【００１３】
本発明は、急激な負荷投入を可能にするガスエンジンの給気方法及び給気装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１記載の発明は、主燃焼室に、燃料ガス主管と、排気タービンで作動されるブロアによって空気を送られる給気管とがそれぞれ連絡され、予燃焼室にパイロットガス主管が連絡されたガスエンジンにおいて、ガスエンジンに対する負荷投入時に、給気管から主燃焼室に供給される燃焼用空気に加えて限時空気補充源から主燃焼室と予燃焼室の両方又はいずれか一方に補充空気を供給し、ガスエンジンが所定の回転数に達したところで補充空気の供給を停止する構成とした。
【００１５】
この手段では、限時空気補充源から供給される補充空気によって燃料過剰が防止され、燃料ガスと空気の混合比が適正に保たれる。
【００１６】
請求項２記載の発明は、主燃焼室に燃料ガス主管と給気管がそれぞれ連絡され、予燃焼室にパイロットガス主管が連絡されたガスエンジンにおいて、上記パイロットガス主管に、限時空気補充源が電磁弁で開閉される補充管によって接続した構成とした。
【００１７】
この手段では、負荷投入と同時に電磁弁を開いて限時空気補充源の圧縮空気をパイロットガス主管に流し、パイロットガス主管を通じてパイロットガス（パイロット燃料ガス）と一緒に予燃焼室に送り込む。限時空気補充源から予燃焼室に送り込まれた補充空気によって予燃焼室とこれに連通した主燃焼室の燃料過剰が防止され、燃料ガスと空気の混合比が適正に保たれる。
パイロットガス主管に、パイロットガスと限時空気補充源の補充空気とを混合するミキサを設けることが好ましい。補充管には、通常圧力レギュレータを設ける。
【００１８】
請求項２記載のガスエンジンの給気装置おいて、補充管をパイロットユニットを介してパイロットガス主管に接続することができる（請求項３）。
この構成においても限時空気補充源の補充空気は、パイロットユニットとパイロットガス主管とを通って予燃焼室に送り込まれ、空気不足による燃料過剰を防止する。この構成では、補充管の配管上の自由度が大きくなる。
【００１９】
請求項４記載の発明は、主燃焼室に、燃料ガス主管と、排気タービンで作動されるブロアによって空気を送られる給気管とがそれぞれ連絡され、予燃焼室にパイロットガス主管が連絡されたガスエンジンにおいて、上記給気管に、限時空気補充源を電磁弁で開閉される補充管によって接続した構成とした。
【００２０】
この手段では、負荷投入と同時に電磁弁を開いて限時空気補充源の補充空気を給気管に流し、給気管を流れてきた空気と一緒に主燃焼室に送り込む。この場合も、限時空気補充源から主燃焼室に送り込まれた補充空気によって、主燃焼室とこれに連通された予燃焼室の燃料過剰が防止され、混合比が適正に保たれる。補充管には、通常圧力レギュレータを設ける。
【００２１】
請求項４記載のガスエンジンの給気装置において、補充管を、排気タービンによって作動させられるブロアを介して給気管に接続することができる（請求項５）。
この構成とした場合は、限時空気補充源の補充空気はブロアと給気管を通って主燃焼室に送り込まれ、燃料過剰を防止する。この場合、ジェットアシスト機能付排気タービン（図１１）を搭載するエンジンでは、ジェットアシストインサート孔に連通する空間に補充空気を送り込んで、このジェットアシストインサート孔を介してコンプレッサインペラへ空気を吹きつけることにより排気タービンの応答性を改善して、主燃焼室に送り込む空気量を増加させることもできる。この構成においても、補充管の配管上の自由度が広くなる。
【００２２】
請求項６記載の発明は、主燃焼室に燃料ガス主管と給気管がそれぞれ連絡され、予燃焼室にパイロットガス主管が連絡されたガスエンジンにおいて、上記主燃焼室に給気管を連絡した枝管に、パイロット分配弁で分配されたパイロットエアによって作動させられて開状態となる補充空気供給弁を連結し、該補充空気供給弁に、限時空気補充源を電磁弁で開閉される補充管によって接続した構成とした。
【００２３】
この手段では、負荷投入と同時に電磁弁を開くと、パイロットエアがパイロット分配弁で定められたタイミングで補充空気供給弁に送られてこれを開く。したがって、限時空気補充源の補充空気は、枝管を流れたきた空気と一緒に主燃焼室に送り込まれ、主燃焼室と予燃焼室の燃料過剰を防止して混合比を適正に保つ。パイロット分配弁は、通常、給気カムや排気カム或いは燃料カムと同様にカム軸に設ける。
【００２４】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係るガスエンジンの給気装置の第１の実施の形態を示す。この図で符号３１はミキサであり、パイロットガス主管１７のパイロットユニット２１の上流側（燃料ガス供給源１１側）に設けられている。
【００２５】
ミキサ３１にはエアタンク等の限時空気補充源３２が補充管３３を介して接続されており、限時空気補充源３２内の圧縮補充空気をミキサ３１で燃料ガスと混合しパイロットガス主管１７を通じて予燃焼室１ｂに供給することができるようになっている。補充管３３には、補充管３３を開閉する電磁弁３５と、補充管３３を流れる補充空気の圧力を所定圧力に調整する圧力レギュレータ３６と、限時空気補充源３２からミキサ３１に向う補充空気の流れを自由にしてその逆の流れを阻止する逆止弁３７が設けられ、またパイロットガス主管１７のミキサ３１の上流側には、燃料ガス供給源１１からミキサ３１に向う燃料ガス（パイロットガス）の流れを自由にしてその逆の流れを阻止する逆止弁３８が設けられている。尚、逆止弁３７および３８は、ミキサ３１の構造、必要空気量によって逆止圧力が設定されるが、省略することもできる。
【００２６】
図１のガスエンジンの給気装置（ガスエンジンＥ）の他の構成は、図８及び図９の従来のガスエンジンＥと同一であるので、同一部材等に同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２７】
図１のガスエンジンの給気装置においては、ガスエンジンＥに対する負荷投入と同時に指令を出力して電磁弁３５を開き、限時空気補充源３２の補充空気を圧力レギュレータ３６の調整圧力（及び流量）でミキサ３１に送り、燃料ガスと一緒にパイロットガス主管１７を通じて各予燃焼室１ｂに供給する。このため、排気タービン２４（図９参照）の時定数が数１０秒で従来と変わりなく、ブロア２３からの空気の供給が遅れても、限時空気補充源３２からの補充空気の瞬時の供給によって燃料ガスが過剰になることがなく、これに起因する失火エンストが防止される。この様にしてガスエンジンＥの単位時間当たりの回転数が所定の回転数に立ち上ったら電磁弁３５を閉じて補充空気の供給を停止し、通常の運転に移行する。なお、予燃焼室１ｂに供給された補充空気の一部は主燃焼室１ａに入って燃料ガスを燃焼させる。
【００２８】
図２の（イ）は、負荷投入時の従来の回転数変化、（ロ）は本発明を実施した場合の回転数変化を示す。（イ）と（ロ）の比較から明らかなように、これまで回転低下量が大きくて失火エンストを生じていたものが、本発明の実施により回転低下量が小さく抑えられ、失火エンストに至らない好結果が得られた。
【００２９】
図３は本発明の第２の実施の形態を示すもので、補充管３３はパイロットガス主管１７のパイロットユニット２１の下流側に分岐状態で直接接続されている。他の構成は図１のガスエンジンの給気装置と同一である。
【００３０】
このガスエンジンの給気装置の場合は、限時空気補充源３２の補充空気がパイロットガスにミキサ３１（図１）で強制的に混合されないというだけで、パイロットガスと一緒にパイロットガス主管１７を通じて予燃焼室１ｂに供給されることには変りがない。
したがって、このガスエンジンの給気装置においても図１のガスエンジンの給気装置と同一の作用効果が期待できる。
【００３１】
なお、図３の補充管３３を図１と同様にミキサを介してパイロットガス主管１７に接続してもよい。また図１のミキサ３１を省くこともできる。
補充管３３を、パイロットユニット２１内でパイロットガス主管１７の中間部に直接或いはミキサを介して接続し、上記と同一の作用効果を得ることができる。
【００３２】
図４は本発明の第３の実施の形態を示すもので、補充管３３はブロア２３の吸入側に分岐状態で接続されている。ジェットアシスト機能付排気タービン（図１１）を搭載するエンジンであれば、ジェットアシストインサート孔５１を介してコンプレッサインペラ５０へ空気を吹きつけることにより排気タービンの応答性を改善して吸込空気量を増加させることもできる。他の構成は図１と図８及び図９のガスエンジンの給気装置と同一である。
【００３３】
この給気装置にあっては、限時空気補充源３２の補充空気はブロア２３に入って、直接またはジェットアシスト機能付排気タービンにおいてはジェットアシスト機能を生かして、給気管６を通り各主燃焼室１ａから予燃焼室１ｂに送り込まれて燃料ガスを燃焼させる。したがって、この場合も負荷投入直後の燃料ガスと空気の混合比が適正に保たれ、燃料過剰による失火エンストが防止される。
【００３４】
図５は本発明の第４の実施の形態を示すもので、補充管３３は給気管６の中間部に接続されている。他の構成は図１と図８及び図９のガスエンジンの給気装置と同一である。
【００３５】
この給気装置の場合は、限時空気補充源３２の補充空気は、ブロア２３から送られてきた空気と一緒に各主燃焼室１ａから予燃焼室１ｂに送り込まれ、燃料ガスを燃焼させる。したがって、この給気装置においても、燃料ガスと空気の混合比が適正に保たれ、失火エンストが防止される。
【００３６】
図６と図７は本発明の第５の実施の形態を示すもので、補充管３３は、補充空気供給弁４１と給気管６の枝管７とを介して各主燃焼室１ａに連絡されている。補充空気供給弁４１は、各枝管７に連絡してガスエンジンＥの給気マニホールドに設けられており、パイロット管４２にパイロットエアを流すと、弁体４１ａが戻しばね４１ｂの弾力に抗して図７で右に移動し、弁座４１ｃから離れて開状態となるようにされている。
【００３７】
パイロット管４２は、カム軸４３によって作動させられるパイロット分配弁４４に接続され、限時空気補充源３２の圧縮空気をパイロット分配弁４４により所定のタイミングで受けて補充空気供給弁４１を開く。カム軸４３には周知のように燃料カム４６と排気カム４７及び給気カム４８が設けられている。電磁弁３５と圧力レギュレータ３６等の他の構成は、図１と図８及び図９のガスエンジンの給気装置と同じである。
【００３８】
図６及び図７の給気装置においては、パイロット分配弁４４に設定されたタイミングで各補充空気供給弁４１が瞬時に開き、限時空気補充源３２の補充空気をブロア２３の燃焼用空気と一緒に枝管７を通じて各主燃焼室１ａに送り込む。
したがって、ガスエンジンＥは、この場合も燃料過剰による失火を防止され、迅速かつ確実に所定の回転数に立ち上がる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ガスエンジンに対する急激な負荷投入が可能となる。したがって、ガスエンジンを、平時のコジェネレーションと非常時の防災用機に兼用させて、それらの設備費を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガスエンジンの給気装置の第１の実施の形態を示す図である。
【図２】負荷投入から通常の運転に移行するまでのタイム線図である。
【図３】本発明に係るガスエンジンの給気装置の第２の実施の形態を示す図である。
【図４】本発明に係るガスエンジンの給気装置の第３の実施の形態を示す図である。
【図５】本発明に係るガスエンジンの給気装置の第４の実施の形態を示す図である。
【図６】本発明に係るガスエンジンの給気装置の第５の実施の形態を示す図である。
【図７】補充空気供給弁の一例を示す断面図である。
【図８】従来のガスエンジンの給気装置の図である。
【図９】図８のガスエンジンの給気装置のブロアと排気タービン等の関係を示す図である。
【図１０】図８の予燃焼室方式希薄燃焼ガスエンジンの負荷投入時の主燃焼室と予燃焼室の空気過剰率を示す図である。
【図１１】ジェットアシスト機能付排気タービンの断面図である。
【符号の説明】
Ｅ  ガスエンジン                    １  シリンダ
１ａ  主燃焼室                      １ｂ  予燃焼室
３  燃料ガス主管                    ６  給気管
７  枝管                            １７  パイロットガス主管
２１  パイロットユニット            ２３  ブロア
２４  排気タービン                  ３１  ミキサ
３２  限時空気補充源                ３３  補充管
３５  電磁弁                        ３６  圧力レギュレータ
４１  補充空気供給弁                ４２  パイロット管
４３  カム軸                        ４４  パイロット分配弁
【図１】
0003608775.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003608775.tif 000008
【図８】
0003608775.tif 000009
【図９】
0003608775.tif 000010
【図１０】
0003608775.tif 000011
【図１１】
0003608775.tif 000012