(57)【要約】【課題】  経済的で、着火性が良く、高熱効率かつ低公害で、ノッキングの起きにくいガスエンジン装置を提供することを目的とする。【解決手段】  ガス燃料と酸素含有ガスとの予混合気をシリンダ内での圧縮時に着火するガスエンジン装置において、ガスエンジンの吸気ライン５と排気ライン８とが熱交換装置６に接続されていて吸気ライン５で外気から取り入れられる空気が排気ライン８との熱交換により加熱された後に酸素含有ガスとしてシリンダへ供給され、圧縮終りの時期に上記予混合気が自己着火するようにされている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス燃料と酸素含有ガスとの予混合気をシリンダ内での圧縮時に着火するガスエンジン装置において、ガスエンジンの吸気ラインと排気ラインとが熱交換装置に接続されていて吸気ラインで外気から取り入れられる空気が排気ラインとの熱交換により加熱された後に酸素含有ガスとしてシリンダへ供給され、上記予混合気が圧縮されて自己着火するようにされていることを特徴とするガスエンジン装置。
【請求項２】
吸気ラインは、熱交換装置よりも上流側に、酸素濃度調整手段が設けられており、熱交換装置へ入る吸気ラインでの酸素含有ガスの酸素濃度が２２〜３０％の範囲となっていることとする請求項１に記載のガスエンジン装置。
【請求項３】
ガスエンジンは過給機が接続されていて、吸気ラインの酸素含有ガスが熱交換装置で加熱された後に上記過給機の加圧部で加圧されてからシリンダ内へ供給されることとする請求項１又は請求項２に記載のガスエンジン装置。
【請求項４】
排気ラインは分枝ラインが設けられ、該分枝ラインが吸気ラインに接続されていて排ガスの一部が吸気ラインへ供給される循環路を形成し、予混合気の当量比が０．７〜０．９であることとする請求項１ないし請求項３に記載のガスエンジン装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスエンジン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスエンジンとしては、例えば特許文献１に開示されているパイロット着火式ガスエンジンが知られている。
【０００３】
この特許文献１のエンジンは、シリンダ内へガス燃料と空気との混合気を充填し、圧縮行程時に着火性のよいディーゼル燃料をノズルから噴射して上記混合気を着火するようになっている。
【０００４】
上記の特許文献１のエンジンでは、着火用のディーゼル燃料のパイロット噴射ノズルをシリンダヘッドの中央位置で吸入バルブに向くように設け、ガス燃料噴射ノズルはシリンダ壁に設けられている。かかる特許文献１のエンジンは、シリンダ内に吸入された空気中に吸入行程後期から圧縮行程後期の間の適正な時期にガス燃料を噴射させるガス燃料噴射ノズルがシリンダ壁から上記シリンダ内に臨ませて設けられているので、特許文献１によると、吸気行程時には空気のみをシリンダ内に吸入するためにシリンダ内に吸入する空気量を増大させることができ、したがって、エンジンの出力を向上させることができるとされている。
【特許文献１】特開平６−１３７１５０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、着火源として液体燃料を噴射する上記特許文献１のガスエンジンでは、次のような点で、改善が求められている。
【０００６】
先ず、特許文献１のガスエンジンでは、パイロット着火燃料が必要であること、該燃料を着火装置へ供給する装置が必要であることに起因し、運転費や設備費が嵩む。
【０００７】
次に、ガスエンジンのみならず、他の形式のエンジンの場合にも共通しているが、液体燃料を着火源として噴射するエンジンにあっては、燃焼用のガスの温度が低い場合、上記着火源として噴射される液体燃料がその気化熱により温度が下がってしまい、特に始動時に着火しにくいという点がある。さりとて、吸気温度を高めると体積効率が低下してしまう。
【０００８】
また、着火用燃料が液体燃料なので、燃焼時間が比較的長く、煤等の未反応物質が多く排出される傾向にある。
【０００９】
これに加えて、着火源としての液体燃料の噴射は、火炎がシリンダの中央位置から周囲に向けて大きく拡がってシリンダ内壁付近の未燃ガスを圧縮するために、ノッキングが起きやすい。また、パイロット火炎の温度が過度に高くなりやすく、パイロット噴射ノズルやエンジンのシリンダの内壁が焼損しやすい。
【００１０】
本発明は、このような点に鑑み、経済的で、かつ着火性が良く、高熱効率を可能とし、さらには、低公害で上記のノッキングが起きにくいガスエンジン装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のガスエンジン装置は、ガス燃料と酸化剤との予混合気をシリンダ内での圧縮時に着火する。
【００１２】
かかるガスエンジン装置において、本発明は、ガスエンジンの吸気ラインと排気ラインとが熱交換装置に接続されていて吸気ラインで外気から取り入れられる空気が排気ラインとの熱交換により加熱された後に酸素含有ガスとしてシリンダへ供給され、上記予混合気が圧縮されて自己着火するようにされていることを特徴としている。
【００１３】
本発明装置によると、特段の着火装置、したがって着火燃料を用いることなく、シリンダ内の予混合気を圧縮するだけで予混合気を自己着火させる。その際、本発明では、燃料と共に予混合気を形成する酸素含有ガスとしての空気を、エンジンの排ガスの熱を利用した熱交換装置で予め加熱してあるために、予混合気は圧縮されて容易に着火温度に到達する。すなわち、排ガスからの熱回収が行われ、排ガス顕熱の有効利用がなされるためガスエンジン装置の熱効率を向上させ、また運転費を安価とする。また予混合気の圧縮終りの温度を上昇できるので、着火・燃焼の安定化をもたらし、低公害化が図れる。
【００１４】
本発明においては、吸気ラインは、熱交換装置よりも上流側に、酸素濃度調整手段が設けられており、熱交換装置へ入る吸気ラインでの酸素含有ガスの酸素濃度が２２〜３０％の範囲となっていることが好ましい。
【００１５】
酸素含有ガスの酸素濃度を調整することにより、予混合気の着火温度の適正化がなされて、失火の防止や始動性の向上が図れる。失火の防止は着火・燃焼の安定化をもたらし、始動性の向上は装置の信頼性を高める。酸素濃度が２２％より低いと酸素含有ガスとして空気を用いた場合にくらべて、予混合気の着火温度を調整する効果が少なく、３０％より高いと予混合気の圧縮終りの温度が高くなりすぎ、ノッキングを生じやすい。
【００１６】
本発明において、ガスエンジンは過給機が接続されていて、吸気ラインの酸素含有ガスが熱交換装置で加熱された後に上記過給機の加圧部で加圧されてからシリンダ内へ供給されることが好ましい。こうすることにより、予混合気の圧縮終りの温度が、さらに上昇可能となり、着火・燃焼の安定化をもたらす。
【００１７】
本発明において、好ましくは、排気ラインは分枝ラインが設けられ、該分枝ラインが吸気ラインに接続されていて排ガスの一部が吸気ラインへ供給される循環路を形成し、予混合気の当量比が０．７〜０．９である。ここで当量比とは予混合気中の酸素含有ガス量に対するガス燃料の燃焼に必要な理論酸素含有ガス量の割合をいう。酸素含有ガスとしては外部から取り入れられ加熱された空気、酸素濃度が富化された酸素富化空気または酸素濃度が富化され加熱された酸素富化空気を用いる。このような当量比のもとで、予混合気の反応性が維持され、予混合気の容積が低減化される。予混合気の反応性の維持は着火・燃焼の安定化をもたらし、予混合気の容積の低減化は、エンジンへの予混合気の充填率を向上できるため、エンジンの重量当りの出力の向上をもたらす。さらには、当量比を上記範囲とする際に、エンジンの排ガスの再循環利用がなされるので、シリンダ内の酸素濃度を調整でき、生成窒素酸化物の低減化、ノッキング防止、エンジンの焼損防止が図れる。エンジンの焼損防止は補修費の削減したがって運転費の低減を図れる。当量比が０．７より低いと、予混合気の容積が大きくなり、エンジンの排ガスの一部を再循環して予混合気に混合することが困難となり、シリンダ内の酸素濃度を調整して、窒素酸化物の生成を抑制することが困難となる。また、当量比が０．９より高いと、予混合気中の酸素量がガス燃料量に対して不足しており、出力が低下し、未燃分が生成して排ガス性能が悪化する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、以上のごとく、ガスエンジンの吸気ラインと排気ラインとが熱交換装置に接続されていて吸気ラインで外気から取り入れられる空気が排気ラインとの熱交換により加熱された後に酸素含有ガスとしてシリンダへ供給され、圧縮終りの時期に上記予混合気が自己着火するようにされていることとしたので、特段の着火装置、したがって着火燃料を用いることなく、設備費そして運転費が安価となるだけでなく、熱交換装置での排ガスからの熱回収が行われ、排ガス顕熱の有効利用がなされるため、ガスエンジン装置の熱効率を向上させ、また運転費を安価とする。また予混合気の圧縮終りの温度を上昇できるので、着火・燃焼の安定化をもたらし、低公害化が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面にもとづき、本発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
図１において、符号１は本実施形態におけるガスエンジンであるが、図１では、簡略図示のためシリンダ、ピストン等の図示が省略されている。本実施形態装置は、好ましい形態として、過給機２を有しており、その被駆動部２Ａがエンジン１の排気側１Ａに、そして加圧部２Ｂがエンジン１の吸気側１Ｂにそれぞれ接続されていて、上記過給機２は上記被駆動部２Ａがエンジン１の排気で回転駆動されてこれに連結されている加圧部２Ｂで外部からの取入れ空気を圧縮して上記エンジン１のシリンダ内へ供給するようになっている。また、上記エンジン１はシリンダ内の予混合気の圧縮終りにおける温度を検出する温度センサ１Ｃを有している。上記エンジン１には、例えば、負荷として発電機３が接続される。
【００２１】
上記過給機２の加圧部２Ｂの下流側は、吸気マニホルド４を介してエンジン１の吸気側１Ｂに接続されている。上記過給機２の加圧部２Ｂの上流側には吸気ライン５が延びており、熱交換装置６そして外部から取り入れた空気の酸素濃度を調整して酸素富化空気とする手段を有する酸素富化装置７が接続されている。
【００２２】
また、エンジン１の排気側１Ａに接続されている上記過給機２の被駆動部２Ａからは排気ライン８が延びており、上記熱交換装置６、排ガス処理装置９、ブロワ１０を経て、煙突１１に至っている。排ガスは、上記熱交換装置６で吸気ライン５中の酸素富化空気を加熱して自らは降温し、排ガス処理装置９にて無害化処理された後に、煙突１１から大気へ放出される。
【００２３】
上記排気ライン８は、上記過給機２の被駆動部２Ａと熱交換装置６との間で分枝されて流量制御可能な調整弁１２とブロワを経て上記マニホルド４へ至る循環路１３が設けられていて、エンジンの排ガスの一部が供給されるようになっている。そして、該マニホルド４へは、ガス燃料源１４からガス燃料を受けるべく燃料供給管１５が接続されている。
【００２４】
さらに、本実施形態では、制御装置１６を有していて、エンジン１における予混合気の圧縮終りにおける温度を検知する温度センサ１Ｃからの信号を受けて、上記熱交換装置６、上記酸素富化装置７そして調整弁１２を制御すべくこれらと接続されている。該制御装置１６は、上記温度センサ１Ｃの検出温度が所定範囲よりも上昇そして下降する傾向にあるときには、それぞれ、熱交換装置６における酸素富化空気の温度を低下そして上昇させ、酸素富化装置７における酸素富化空気の酸素濃度を低下そして上昇させ、上記調整弁１２での排ガス循環量を増大そして減少する方向に制御する。
【００２５】
上記酸素富化装置７は、その形式に限定はなく、例えば膜式酸素富化装置が用いられる。具体的には、特開昭５８−１４０４５１、特開昭５６−５０２５３等に開示されているものでよい。
【００２６】
また、上記熱交換装置６も、その形式に限定はなく、例えば蓄熱高温空気製造装置が用いられる。この蓄熱高温空気製造装置自体は公知であり、例えば特開平１０−２６７２６３に開示されているものでよい。あるいは、これに代えて、通常の金属製の伝熱管等の熱交換器を用いることもできる。
【００２７】
以下、本実施形態装置の運転方法を説明する。
【００２８】
（１）エンジン１の運転中は、吸気ライン５から取り入れられた外部の空気は酸素富化装置７でその酸素濃度が高められてその酸素濃度が２２〜３０％の範囲とされた酸素富化空気とされ、熱交換装置６で排気ライン８の排ガスの熱により約４００℃位に加熱された後、過給機２の加圧部２Ｂで加圧されマニホルド４へ送られる。マニホルド４では、燃料源１４からのガス燃料とで当量比が０．７〜０．９の予混合気が形成され、該予混合気はエンジン１のシリンダ内へ供給される。シリンダ入口での予混合気の温度は１００〜３５０℃、好ましくは２５０〜３００℃位に制御される。さらにマニホルド４に循環路１３からエンジンの排ガスの一部が供給される。
【００２９】
（２）エンジン１はピストンにより上記予混合気を圧縮し、その圧縮終了時に、予混合気は着火温度に達して自己着火して燃焼する。
【００３０】
（３）エンジンでの燃焼後の排ガスは、排気ライン８で過給機２の被駆動部２Ａを駆動した後、５００℃位の温度で上記熱交換装置６に流入して吸気ライン５の酸素富化空気を熱交換により加熱し自らは降温して（約１５０℃）排ガス処理装置９で無害化処理され、煙突１１から大気へ放出される。
【００３１】
（４）エンジン１の運転中、予混合気の圧縮終りの温度を検知する温度センサ１Ｃからの信号を受けて、制御装置１６は、検出温度が所定範囲よりも上昇そして下降したときに、それぞれ熱交換装置６における酸素富化空気の温度を低下そして上昇させ、上記酸素富化装置７における酸素濃度を低下そして上昇させ、そして調整弁１２を調整して循環路１３における排ガス循環量を増大そして減少させる。
【００３２】
（５）エンジン１の始動時に、上記熱交換装置６での排ガスの熱が十分得られない場合には、酸素富化装置７で酸素濃度がより高く富化された空気が酸素富化装置７の後流側で分枝する吸気ライン５の分枝ライン５Ａにより、上記熱交換装置６を経ることなく、直接過給機２の加圧部２Ｂまたはマニホルド４へ送入される。こうすることにより、エンジン１の始動時に、排ガスの温度が低く熱交換装置６で、吸気ライン５の酸素富化空気を加熱することが困難な場合も、予混合気の酸素濃度を高くすることにより、圧縮時に確実に自己着火することができる。
【００３３】
（６）エンジン１の排ガスの温度が高くなり、熱交換装置６で吸気ラインの酸素富化空気を十分加熱でき、酸素富化空気の酸素濃度を空気よりも高くしなくても、予混合気が圧縮時に自己着火させることができる場合には、酸素富化装置の運転を停止して、外部からの空気を直接熱交換装置６へ供給するようにしてもよい。これにより、酸素富化装置の運転費を削減できる。
【００３４】
（７）エンジン運転中において、吸気ライン５の空気が熱交換装置６で十分加熱されて過給機２の加圧部２Ｂで加圧を受ける必要のないときには、該空気は上記加圧部２Ｂを経ることなく上記熱交換装置６の後流側で分枝する他の分枝ライン５Ｂを経て直接マニホルド４へ送入される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態装置を示す概要構成図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  ガスエンジン装置
２  過給機
２Ｂ  加圧部
５  吸気ライン
６  熱交換装置
７  酸素濃度調整手段（酸素富化装置）
８  排気ライン
１３  循環路
【図１】
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