(57)【要約】【課題】点火プラグの電極への固化したシロキサンの付着を防止して、点火プラグの寿命の延長を可能ならしめるようにした、経済性に優れたガスエンジンを提供する。【解決手段】シリンダ２内に、主燃料として有機シロキサン化合物を事前に除去した消化ガスが供給される主燃焼室２ａを備えたガスエンジン１において、前記シリンダ２のヘッドカバー４に、前記主燃焼室２ａに燃焼火炎１３ｂを噴射する火炎噴射ノズル１３ａを有する火炎導入管路１３を介して連通する副燃焼室９を設け、この副燃焼室９に前記消化ガスとは異なる都市ガスまたは灯油を供給する混合気導入ライン１１を連通させると共に、この副燃焼室９に、都市ガスまたは灯油を点火させる点火プラグ１５を設ける。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に、主燃料として消化ガスが供給される主燃焼室を備えたガスエンジンにおいて、前記シリンダのヘッドカバーに、燃焼火炎を噴射する火炎噴射ノズルを有する火炎導入管路を介して、前記主燃焼室に連通する副燃焼室を設け、この副燃焼室にクリーン燃料を供給するクリーン燃料供給ラインを連通させると共に、この副燃焼室に、クリーン燃料を点火させる点火プラグを設けたことを特徴とするガスエンジン。
【請求項２】
シリンダ内に、主燃料として消化ガスが供給される主燃焼室を備えたガスエンジンにおいて、前記シリンダのヘッドカバーに、クリーン燃料を供給するクリーン燃料供給ラインを連通させて設け、このクリーン燃料供給ラインの前記主燃焼室側の近傍に電極を臨ませた点火プラグを配設したことを特徴とするガスエンジン。
【請求項３】
前記副燃焼室に供給されるクリーン燃料は、都市ガスであることを特徴とする請求項１または２のうちの何れか一つの項に記載のガスエンジン。
【請求項４】
前記副燃焼室に供給されるクリーン燃料は、灯油であることを特徴とする請求項１または２のうちの何れか一つの項に記載のガスエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばコージェネレイションシステムの動力源として使用されるガスエンジンに係り、より詳しくは、汚泥処理現場等で発生する消化ガスを主燃料とするガスエンジンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、排ガスがクリーン（ＮＯｘの排出が少なく、ＳＯｘにいたっては排出されない）であるという理由により、ガスエンジンの燃料に天然ガスが使用されている。特に、希薄燃焼ガスエンジンは、低ＮＯｘと高い熱効率を同時に実現できると期待されている。このようなガスエンジンは、シリンダのヘッドカバーに、前記シリンダの主燃焼室に連通し、天然ガスが供給される副燃焼室が設けられると共に、この副燃焼室に供給される天然ガスを点火させる点火プラグが設けられている。つまり、このガスエンジンは、先ず副燃焼室内の天然ガスを燃焼させ、この副燃焼室内の天然ガスの燃焼により主燃焼室内の天然ガスを燃焼させるように構成されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
ところで、汚泥処理現場等においては、メタンガスを主成分とする消化ガスが発生する。しかしながら、従来、このような消化ガスは主として燃焼させた後に大気中に放散させており、燃料として使用し得るにもかかわらず有効に活用されていなかった。近年、省エネルギー、ＣＯ２削減の観点から、消化ガスの有効利用に対するニーズが高まってきており、例えば、上記非特許文献１に記載されているような構成のガスエンジン等が、例えばコージェネレイションシステムの動力源として用いられるようになってきている。
【０００４】
ところが、消化ガス等には多種類の有機シロキサン化合物が含まれており、これら有機シロキサン化合物がガスエンジンの燃焼室内で燃焼し、気体から固体に変化する。そして、これら有機シロキサン化合物が固体に変化する際に、点火プラグの貴金属（例えば、イリジウム／白金）からなる電極に付着するために、点火プラグの電極が腐食する。このような電極の腐食に加えて、ガスエンジンのシリンダライナやピストンリングが早期磨耗してしまうので、点火プラグ、シリンダライナやピストンリングの寿命が短命になる。さらに、高温の排ガスが接触する部位では、生成した固体が付着しており、付着量が多い場合にはガスエンジンの部品を交換しなければならないという不具合が発生する。
【０００５】
なお、シロキサン化合物とは、シロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）を基本骨格とした鎖状または環状構造の化合物をいう。鎖状化合物としては、例えば、メトキシトリメチルシラン、ジメトキシジメチルシラン、ヘキサメチルジシロキサン、オクタメチルトリシロキサン、デカメチルテトラシロキサン、およびドデカメチルペンタシロキサン等が挙げられる。また、環状化合物としては、例えばヘキサメチルシクロトリシロキサン（Ｄ３体）、オクタメチルシクロテトラシロキサン（Ｄ４体）、デカメチルシクロペンタシロキサン（Ｄ５体）、およびドデカメチルシクロヘキサシロキサン（Ｄ６体）等が挙げられる。ここに列挙した化合物は、化合物中の官能基がメチル基で構成されているが、メチル基に類する炭化水素基で置換された化合物、または水素の代わりにフッ素、塩素等で置換された化合物も含まれ、さらには分子量の大きい多重合化合物もある。
【０００６】
そのため、消化ガスに含まれている有機シロキサン化合物を事前に除去して、ガスエンジンやガスタービンに供給するようにした、下記のような「消化ガス発電設備」が提案されている。この「消化ガス発電設備」は、脱硫処理、ミスト除去処理した消化ガスを消化ガスタンクに貯留し、この消化ガスタンクに貯留した消化ガスを消化ガス精製装置に導入し、この消化ガス精製装置によって有機シロキサン化合物を除去する。そして、有機シロキサン化合物を除去した消化ガスを、ガスエンジンに供給することにより、上記のような問題を解決するようにしている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
また、燃料電池、ガスタービンまたはガスエンジンに消化ガスを供給する前に、精製工程において消化ガスからシロキサン化合物を除去する。次いで、前記精製工程に設けた吸収工程において、前記精製工程にてシロキサン化合物を除去して精製した消化ガスから二酸化炭素および硫化水素をアルカリ吸収液によって吸収分離するようにした「消化ガスによる発電方法および発電システム」がある。なお、この「消化ガスによる発電方法および発電システム」の場合には、二酸化炭素および硫化水素を吸収したアルカリ吸収液を、酸素を含む発電工程の排ガスを用いて再生し、再利用するようにしている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１３８８５１号公報（第７−９、第２図）
【特許文献２】
特開２００２−２７５４８２号公報（第５−６、第１図）
【非特許文献１】
（社）日本エネルギー学会編、「天然ガスコージェネレイション計画・設計マニュアル２０００」、第３版第１刷、日本工業出版株式会社、２０００年３月３１日、ｐ．１１５
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のとおり、特許文献１や２に記載されている技術では、消化ガスをガスエンジンやガスタービンに供給する前に、消化ガスに含まれている有機シロキサン化合物を除去処理するのであるから、確かに点火プラグ、シリンダライナ、ピストンリングの寿命を延長させることができる。しかしながら、消化ガスを事前に精製するだけでは、有機シキロサン化合物を完全に除去することができない。
そのため、特に、有機シロキサンが付着し易い貴金属（イリジウム／白金）からなる電極を備えた点火プラグについては、依然として、経済性やメインテナンス性を満足する寿命を確保し得るに至っていないのが現状である。
【００１０】
従って、本発明の目的は、上記課題を解決し、点火プラグの電極への固化したシロキサンの付着を防止して、点火プラグの寿命の延長を可能ならしめるようにした、経済性に優れたガスエンジンを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
発明者等は、鋭意研究を進めた結果、点火プラグの電極を消化ガスの燃焼火炎から遮断する手段を講じてやれば、点火プラグの電極への固化したシロキサンの付着を防止することが可能になるということを知見して、本発明のガスエンジンを具現したものである。
【００１２】
従って、上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係るガスエンジンが採用した手段の特徴とするところは、シリンダ内に、主燃料として消化ガスが供給される主燃焼室を備えたガスエンジンにおいて、前記シリンダのヘッドカバーに、燃焼火炎を噴射する火炎噴射ノズルを有する火炎導入管路を介して、前記主燃焼室に連通する副燃焼室を設け、この副燃焼室にクリーン燃料を供給するクリーン燃料供給ラインを連通させると共に、この副燃焼室に、クリーン燃料を点火させる点火プラグを設けたところにある。
【００１３】
本発明の請求項２に係るガスエンジンが採用した手段の特徴とするところは、シリンダ内に、主燃料として消化ガスが供給される主燃焼室を備えたガスエンジンにおいて、前記シリンダのヘッドカバーに、クリーン燃料を供給するクリーン燃料供給ラインを連通させて設け、このクリーン燃料供給ラインの前記主燃焼室側の近傍に電極を臨ませた点火プラグを配設したところにある。
【００１４】
本発明の請求項３に係るガスエンジンが採用した手段の特徴とするところは、請求項１または２のうちの何れか一つの項に記載のガスエンジンにおいて、前記副燃焼室に供給されるクリーン燃料は、都市ガスであるところにある。
【００１５】
本発明の請求項４に係るガスエンジンが採用した手段の特徴とするところは、請求項１または２のうちの何れか一つの項に記載のガスエンジンにおいて、前記副燃焼室に供給されるクリーン燃料は、灯油であるところにある。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態１に係るガスエンジンを、そのシリンダの上部部分の模式的断面図の図１を参照しながら説明する。なお、図１において、点火プラグは実際には、変位した位置に設けられている。
【００１７】
図１に示す符号１は、例えばコージェネレイションシステムの動力源として使用されるガスエンジンであって、このガスエンジン１はピストン３を収容するシリンダ２を備えている。このシリンダ２の上部はヘッドカバー４で閉塞されており、このシリンダ２内の前記ピストン３とヘッドカバー４の間に主燃焼室２ａが形成されている。前記ヘッドカバー４には、空気と、精製されて有機シクロサン化合物が除去された消化ガスとの主混合気を主燃焼室２ａ内に導入し、吸気弁６により開閉される吸気ポート５が設けられている。また、前記ヘッドカバー４には、主燃焼室２ａ内の燃焼排ガスを排気し、排気弁８により開閉される排気ポート７が設けられている。
【００１８】
なお、前記吸気弁６および排気弁８は何れも、図示しないコイルばねにより上方に付勢されている。つまり、これら吸気弁６および排気弁８は前記吸気ポート５および排気ポート７を閉じ、カム機構のカムにより押下げられて前記吸気ポート５および排気ポート７を開くように構成されている。
【００１９】
前記ヘッドカバー４の吸気ポート５と排気ポート７との間には、後述する構成になる副燃焼室９が設けられている。この副燃焼室９の上部には空気と、前記消化ガスとは異なるクリーン燃料、例えば都市ガスまたは灯油とからなる副混合気が、クリーン燃料供給ラインである混合気導入ライン１１より導入される混合気導入室１０が設けられている。そして、これら副燃焼室９と混合気導入室１０とは、前記吸気弁６および排気弁８と同様のカム機構によって昇降される副吸気弁１２により連通、かつ遮断されるように構成されている。
【００２０】
また、前記副燃焼室９の下部には、この副燃焼室９から前記主燃焼室２ａに連通し、主燃焼室２ａへの突出端に斜め下方に向かって、前記副混合気の燃焼火炎１３ｂを噴射する火炎噴射ノズル１３ａを備えた火炎導入管路１３が設けられている。さらに、前記ヘッドカバー４には、外方より前記副燃焼室９の底部付近に連通するプラグ収容ポート１４が設けられており、このプラグ収容ポート１４に、前記副燃焼室９内に導入された副混合気に点火して、この副混合気を燃焼させる点火プラグ１５が収容されてなる構成になっている。
【００２１】
以下、上記実施の形態１に係るガスエンジン１の作用態様について説明する。即ち、ピストン３の下降による吸気工程においては、排気弁８は閉じられており、そして吸気弁６および副吸気弁１２は開けられている。従って、吸気ポート５から主燃焼室２ａ内に主混合気が流入し、混合気導入ライン１１より導入された副混合気が混合気導入室１０を介して副燃焼室９内に流入する。
【００２２】
ピストン３の上昇による主、副混合気の圧縮工程において、吸気弁６、排気弁８および副吸気弁１２は閉じられている。従って、主燃焼室２ａ内に吸入された主混合気、および副燃焼室９内に吸入された副混合気は、何れも所定圧力になるまで圧縮される。
【００２３】
副混合気中の都市ガスまたは灯油の燃焼、主混合気中の消化ガスの燃焼による膨張工程において、吸気弁６、排気弁８および副吸気弁１２は閉じられているので、先ず副燃焼室９内の副混合気中の都市ガスまたは灯油が点火プラグ１５の放電により点火されて燃焼する。そして、燃焼火炎１３ｂが火炎導入路１３を経て火炎噴射ノズル１３ａから主燃焼室２ａ内に噴射するので、この噴射する燃焼火炎１３ｂによって、この主燃焼室２ａ内の主混合気中の消化ガスが燃焼し、燃焼による膨張によりピストン３が押下げられる。
【００２４】
上記のような各燃料の燃焼による膨張工程が終了すると、ピストン３の上昇により主燃焼室２ａ内の燃焼排ガスを排気する掃気工程に移る。この掃気工程では、吸気弁６、副吸気弁１２が閉じられ、排気弁８が開けられているので、ピストン３の上昇により、燃焼排ガスが排気ポートから排気されると共に、次の吸気工程に移り、同様の工程が繰り返されてガスエンジン１が駆動され、出力が得られることとなる。
【００２５】
本実施の形態１に係るガスエンジン１は、上記のとおり、副燃焼室９内に都市ガスまたは灯油を供給し、これを点火プラグ１５により点火させると共に、これらの燃焼火炎１３ｂを火炎噴射ノズル１３ａから主燃焼室２ａ内に噴射させて、この主燃焼室２ａ内の消化ガスを燃焼させる構成である。そのため、消化ガスの燃焼排気ガスが副燃焼室９内に侵入するようなことがないから、点火プラグ１５の電極にシロキサンの固化物が付着し、溶損するような恐れがない。従って、本実施の形態１に係るガスエンジン１によれば、消化ガスを主燃料とするにもかかわらず、点火プラグの寿命が大幅に延長され、長時間の連続運転が可能になるから、本実施の形態１に係るガスエンジン１は極めて経済性に優れている。
【００２６】
次に、本発明の実施の形態２に係るガスエンジンを、そのシリンダの上部部分の模式的断面図の図２を参照しながら、上記実施の形態１と同一のもの並びに同一機能を有するものに同一符号を付し、かつ同一名称を以って説明する。
【００２７】
本実施の形態２に係るガスエンジン１は、シリンダ２のヘッドカバー４に、上部が開口する若干傾斜したプラグ収容ポート１４が設けられており、このプラグ収容ポート１４に点火プラグ１５が収容されている。この点火プラグ１５の電極は、シリンダ２の主燃焼室２ａに供給された空気と、消化ガスとからなる主混合気に点火し得る位置に臨ませてある。そして、この点火プラグ１５の電極の近傍に、空気と、都市ガスまたは灯油とからなる副混合気を噴射する混合気導入ライン１１が設けられている。
【００２８】
本実施の形態２に係るガスエンジン１では、点火プラグ１５の電極の周囲を覆っている副混合気中の都市ガスまたは灯油が、この点火プラグ１５で点火されて燃焼し、次いで都市ガスまたは灯油の燃焼火炎により点火されて主混合気中の消化ガスが燃焼する。そのため、消化ガスの燃焼中、排ガスの排気中においても点火プラグ１５の電極は都市ガスまたは灯油の燃焼排ガスにより保護され続ける。従って、本実施の形態２に係るガスエンジン１によれば、点火プラグ１５の電極に消化ガスの燃焼排ガスが触れるようなことがないから、上記実施の形態１と同等の効果を期待することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の請求項１、３または４に係るガスエンジンは、副燃焼室内にクリーン燃料である都市ガスまたは灯油を供給し、都市ガスまたは灯油を点火プラグにより点火させる。そして、都市ガスまたは灯油の燃焼火炎を火炎噴射ノズルから主燃焼室内に噴射させて、この主燃焼室内の消化ガスを燃焼させる構成になっている。そのため、消化ガスの燃焼排気ガスが副燃焼室内に侵入するようなことがないから、点火プラグの電極にシロキサンの固化物が付着し、溶損するような恐れがない。従って、消化ガスを燃料とするにもかかわらず、点火プラグの寿命が大幅に延長され、長時間の連続運転が可能になるから、本発明の請求項１、３または４に係るガスエンジンは極めて経済性に優れている。
【００３０】
また、本発明の請求項２乃至４に係るガスエンジンでは、点火プラグにより、この点火プラグの電極を覆う副混合気中の都市ガスまたは灯油が燃焼し、次いで都市ガスまたは灯油の燃焼により主混合気中の消化ガスが燃焼するが、この消化ガスの燃焼中、排ガスの排気中においても点火プラグの電極は、都市ガスまたは灯油の燃焼排ガスにより保護され続ける。従って、本発明の請求項２乃至４に係るガスエンジンによれば、点火プラグの電極に消化ガスの燃焼排ガスが触れるようなことがないから、上記請求項１、３または４に係るガスエンジンの場合と同様に、消化ガスを燃料とするにもかかわらず、点火プラグの寿命が大幅に延長され、長時間の連続運転が可能になるから、極めて経済性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係るガスエンジンのシリンダの上部部分の模式的断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係るガスエンジンのシリンダの上部部分の模式的断面図である。
【符号の説明】
１…ガスエンジン
２…シリンダ、２ａ…主燃焼室
３…ピストン
４…ヘッドカバー
５…吸気ポート
６…吸気弁
７…排気ポート
８…排気弁
９…副燃焼室
１０…混合気導入室
１１…混合気導入ライン
１２…副吸気弁
１３…火炎導入管路、１３ａ…火炎噴射ノズル、１３ｂ…燃焼火炎
１４…プラグ収容ポート
１５…点火プラグ
【図１】
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【図２】
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