(57)【要約】【課題】スロットルロスを小さくできるガスエンジンを提供することを目的とする。【解決手段】それぞれ水素ガスとメタンガスを貯蔵する第１、第２燃料ガスタンク（７１、７２）に、それぞれ第１、第２流量制御弁（８１、８２）が介装された第１、第２燃料ガス供給管（１１１、１１２）が接続されている。第１、第２燃料ガス供給管を集合した混合燃料ガス供給管（１１３）はミキサー（２０）に接続され、第１燃料ガスと第２燃料ガスが混合された混合燃料ガスはミキサーにおいてエアクリーナ（１０）から流入した空気と混合され、ターボチャージャー（３０）で加圧され、クーラー（４０）で冷却されてからエンジン（５０）に供給される。コントローラ（９０）が第１、第２流量制御弁の開度を調整し水素ガスとメタンガスの混合比を制御する。例えば、低負荷では水素ガスの割合が多くされ、高負荷では水素ガスの割合が小さくされる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと空気を混合して形成される予混合気に点火手段で点火する予混合強制点火式のガスエンジンであって、
互いに可燃範囲の異なる複数種類の燃料ガスを有し、該複数種類の燃料ガスを運転条件に応じた混合比で吸気管に供給することを特徴とするガスエンジン。
【請求項２】
エンジン負荷を検出し、エンジン負荷が小さい時には可燃範囲の広い燃料の割合を大きくし、エンジン負荷が大きい時には可燃範囲の広い燃料の割合を小さくすることを特徴とする予混合強制点火式ガスエンジン。
【請求項３】
空気過剰率をもとめ、空気過剰率が大きいほど可燃範囲の広い燃料ガスの割合を大きくすることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項４】
ノッキングを検出し、ノッキングが発生したら可燃範囲の広い燃料ガスの割合を小さくすることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項５】
失火を検出し、失火が発生したら可燃範囲の広い燃料ガスの割合を大きくすることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項６】
エンジンが副室を備える副室式エンジンであって、副室に可燃範囲の広い燃料ガスを多く供給することを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ガスを空気と予め混合し、この燃料ガスと空気の混合気を点火手段で点火する、予混合強制点火式のガスエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料ガスを空気と予め混合し、この燃料ガスと空気の混合気を点火手段で点火する、予混合強制点火式のガスエンジンが発電等に使用されている。例えば、特許文献１（特開２０００−３２０３６９号公報）に記載のガスエンジンがある。このようなガスエンジンにおいては使用するガス燃料は一種類であるので使用するガス燃料の可燃範囲内に混合比を制御する必要があり、例えば、都市ガスでは空気過剰率で１〜２．４程度で燃焼させる必要がある。
【０００３】
このために、低負荷域では空気量を減らすための絞りを必要とし、この絞りはスロットルロスとなりエンジンの熱効率を低下してしまう。また、高負荷域においてはこのスロットルが制限となってしまい、同じく熱効率が制限されるばかりか、夏場に空気密度が低下する際に出力が低下するという問題がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３２０３６９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題に鑑み、従来より高い空気過剰率で運転することで、スロットルロスの小さいガスエンジンを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、燃料ガスと空気を混合して形成される予混合気に点火手段で点火する予混合強制点火式のガスエンジンであって、
互いに可燃範囲の異なる複数種類の燃料ガスを有し、該複数種類の燃料ガスを運転条件に応じた混合比で吸気管に供給することを特徴とするガスエンジンが提供される。
このように構成されるガスエンジンでは、運転条件に応じて可燃範囲を変更することができ運転条件に適した燃料ガスで運転ができ広い範囲で良好な燃焼を得ることができる。
【０００７】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、エンジン負荷を検出し、エンジン負荷が小さい時には可燃範囲の広い燃料の割合を大きくし、エンジン負荷が大きい時には可燃範囲の広い燃料の割合を小さくすることを特徴とするガスエンジンが提供される。
このように構成されるガスエンジンでは、エンジン負荷が小さい時には要求発熱量は小さく、必要な燃料は少なくてよい、すなわち、大きな空気過剰率で運転することがのぞまれる。そこで、可燃範囲の広い燃料の割合を大きくして大きな空気過剰率で運転可能とする。
一方、エンジン負荷が大きいときにはノッキングが発生しやすいので可燃範囲の広い燃料の割合を小さくして燃焼速度を低下せしめてノッキングの発生を抑制する。
【０００８】
請求項３の発明によれば、請求項１の発明において、空気過剰率をもとめ、空気過剰率が大きいほど可燃範囲の広い燃料ガスの割合を大きくすることを特徴とするガスエンジンが提供される。
このように構成されるガスエンジンでは、空気過剰率が大きくなっても可燃範囲の広い燃料ガスの割合を大きくすることによりエンジンは良好に燃焼することができる。
【０００９】
請求項４の発明によれば、請求項１の発明において、ノッキングを検出し、ノッキングが発生したら可燃範囲の広い燃料ガスの割合を小さくすることを特徴とするガスエンジンが提供される。
このように構成されるガスエンジンでは、ノッキングは燃焼速度が大きくなりすぎることにより発生するものであるので、可燃範囲が広い燃料ガスの割合を小さくすれば燃料ガスが燃焼しにくい方向にシフトし燃焼速度が減少しノッキングの発生が抑制される。
【００１０】
請求項５の発明によれば、請求項１の発明において、失火を検出し、失火が発生したら可燃範囲の広い燃料ガスの割合を大きくすることを特徴とするガスエンジンが提供される。
このように構成されるガスエンジンでは、失火は燃料ガスが燃焼しうる可燃範囲を超える空気過剰率とされることにより発生するので、可燃範囲が広い燃料ガスの割合を大きくすれば燃焼しうる可燃範囲が拡大するので失火が抑制される。
【００１１】
請求項６の発明によれば、請求項１の発明において、エンジンが副室を備える副室式エンジンであって、副室に可燃範囲の広い燃料ガスを多く供給することを特徴とするガスエンジンが提供される。
このように構成されるガスエンジンでは、副室に可燃範囲の広い燃料ガスを多く供給することにより空気副室内における空気過剰率がばらついても安定して主混合気を着火させる火種を生成することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の各実施の形態を説明する。
初めに、各実施の形態に共通なハード構成について説明する。図１が各実施の形態の構成を概念的に示す図であって、エアクリーナ１０に第１吸気管１０１の一端が取り付けられ、第１吸気管１０１の他端はターボチャージャー３０のタービン部３１に接続されている。
【００１３】
第１吸気管１０１には空気流量を計測する空気流量計１１が付設され、その下流には、エアクリーナ１０から吸い込まれた空気に燃料ガスを混入するためのミキサ２０が介装されている。
ターボチャージャー３０のタービン部３１の下流側には第２吸気管１０２を介して混合気を冷却するためのインタークーラー４０が接続され、インタークーラー４０には第３吸気管１０３を介してエンジン５０が接続され、エンジン５０は発電機６０を駆動する。エンジン５０の排気ガスが排気管１０４を介してターボチャージャー３０のコンプレッサ部３２に接続されている。
【００１４】
第１燃料ガスタンク７１には第１燃料ガスとしての水素（Ｈ2）ガスが貯蔵され、第２燃料ガスタンク７２には第２燃料ガスとしてのメタン（ＣＨ4）ガスが貯蔵されている。第１、第２燃料ガスタンク７１、７２には第１、第２燃料ガス供給管１１１、１１２が接続され、第１、第２燃料ガス供給管１１１、１１２にはそれぞれ第１、第２流量制御弁８１、８２が介装されている。
【００１５】
第１、第２燃料ガス供給管１１１、１１２は混合燃料ガス供給管１１３に集合され、混合燃料ガス供給管１１３はミキサー２０に接続され、第１燃料ガスと第２燃料ガスが混合された混合燃料ガスはミキサー２０においてエアクリーナ１０から流入した空気と混合され、ターボチャージャー３０で加圧され、その後、インタークーラー４０で冷却されてからエンジン５０に供給される。
【００１６】
図２はエンジン５０の構造を示す図であって、エンジン５０はシリンダ５１とシリンダ５１内を往復動するピストン５２を有する。シリンダ５１にはシリンダヘッド５３に形成されている吸気ポート５３ｉと排気ポート５３ｅが接続され、吸気ポート５３ｉと排気ポート５３ｅは、それぞれ、吸気弁５４ｉと排気弁５４ｅで開閉される。
【００１７】
シリンダヘッド５３の下部の中央部分には副室形成部材５５が埋め込まれている。副室形成部材５５の内部には上側の上部室５５ｕと下側の副室５５ｃが形成されており、上部室５５ｕと副室５５ｃは副室バルブ５５ｖが開いたときに連通され、閉じたときには非連通にされる。上部室５５ｕには副室用燃料管５５ｉが接続され燃料ガスが供給される。上部室５５ｕに供給される燃料ガスは副室バルブ５５ｖが開いたときに副室５５ｃに導入される。副室５５ｃに導入された燃料ガスは副室５５ｃに配設された点火栓５６により点火されて燃焼し、燃焼ガスを発生する。
【００１８】
副室内で生成された燃焼ガスは副室形成部材５５の下端に形成された複数の噴孔５５ｊからシリンダ５１内に噴出する。シリンダ５１内に噴出した燃焼ガスは、吸気ポート５３ｉからシリンダ５１内に導入されたメインの混合気（燃料ガス（＝第１燃料ガス＋第２燃料ガス）＋空気）を点火し、その結果生成される燃焼ガスによりエンジン５０は動力を発生して発電機６０を駆動し電力を生成する。
【００１９】
図１において、参照符号９０で示されているのはコントローラであって、各実施の形態において、コントローラ９０からの制御信号により第１、第２流量制御弁８１、８２の開度が調整され第１燃料と第２燃料の混合比が制御される。
【００２０】
以下、各実施の形態における第１燃料と第２燃料の混合比の制御について説明する。
初めに、第１の実施の形態における第１燃料と第２燃料の混合比の制御について説明する。第１の実施の形態においては、コントローラ９０に発電機６０から負荷を示す信号が送られる。コントローラ９０は図３に示すような負荷に対する第１燃料と第２燃料の混合比のマップを記憶しており、発電機６０から送られる負荷に応じた混合比となるように第１、第２流量制御弁８１、８２の開度を調整する。そして、図３に示されるように、負荷が小さい場合には水素ガスの割合が大きくされ、負荷が大きい場合には水素ガスの割合が小さくされている。
【００２１】
エンジン負荷が小さい時には要求発熱量は小さく、必要とされる燃料は少ないが、上述した第１の実施の形態のように、可燃範囲の広い燃料の割合を大きくすれば、大きな空気過剰率で運転可能となるので、スロットルで空気流量を絞る割合が小さくて済む。その結果、スロットルロスが減り、燃焼効率が向上する。
一方、エンジン負荷が大きいときにはノッキングが発生しやすいが、上述のように可燃範囲の広い燃料の割合を小さくすることにより燃焼速度が低下するのでノッキングの発生が抑制される。
【００２２】
なお、この水素ガスとメタンガスの混合ガスと、エアクリーナ１０から吸入される空気流量の比、すなわち、空気過剰率λは別途定められる。
例えば、負荷に応じて所要の燃焼ガス発熱量をもとめ、燃焼ガス発熱量から燃料ガス流量を求め、燃料ガス流量と負荷に応じて決まる空気流量から空気過剰率λは決定される。
【００２３】
次に第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態では上述のように負荷に応じて水素とメタンの混合比を制御していたが、この第２の実施の形態では空気過剰率λに応じて水素とメタンの混合比を制御するようにされている。
空気過剰率λは第１の実施の形態で説明したようにしてもとめる。そして、図４に示すような空気過剰率λと燃料ガスの混合比のマップを予め記憶しておき、空気過剰率λに対応した混合比になるように第１、第２流量制御弁８１、８２を制御する。図４に示されるように、空気過剰率λが大きいほど水素ガスの割合が大きくされ、空気過剰率λが小さいほど水素ガスの割合が小さくされている。
このように、第２の実施の形態では、空気過剰率λが大きい場合には可燃範囲の広い水素ガスの割合を大きくするので空気流量を絞らずに運転でき、第１の実施の形態で述べたように、スロットルロスが小さくて済む。
【００２４】
なお、第１の実施の形態の場合、第２の実施の形態の場合とも、例えば、図５に示すような負荷に対する空気過剰率λのマップを備えておけば、負荷に応じて所要の燃焼ガス発熱量をもとめ、燃焼ガス発熱量から燃料ガス流量を求め、燃料ガス流量と空気流量から空気過剰率λを計算する必要はなくなりコントローラ９０の計算負荷は低減する。
【００２５】
次に第３の実施の形態について説明する。この第３の実施の形態では、エンジン５０に図１に破線で示されるようなノックセンサ５１が付設されており、ノックセンサ５１がノッキングの発生を検出した場合には可燃範囲が広い水素ガスの割合を減少させる。このようにすることにより水素ガスに比べると燃え難いメタンガスの割合が増え、燃焼速度が低下して、ノッキングの発生が抑制される。
【００２６】
次に第４の実施の形態について説明する。この第４の実施の形態では、排気管１０５に排気ガスの圧力を検出する圧力センサ５２が取り付けられており、この圧力センサ５２の検出した排気ガスの圧力変動が予め定めた範囲を超えた場合に、エンジン５０が失火していると判定し、失火していると判定された場合には可燃範囲の広い水素ガスの流量を増大させる。失火は、空気過剰率λが大きくなりすぎて発生するものであるが、水素ガスは大きな空気過剰率λでも燃焼可能であるので水素ガスの割合を大きくすることにより失火を抑制することができる。
なお、失火判定は上述の方法の他にも色々な方法がありどのような方法でもよい。例えば、回転変動から検出する方法でもよい。
【００２７】
なお、燃料ガスはミキサ２０で第１吸気管１０１内に導入されるのみならず、エンジン５０の副室５５ｃにも導入される。副室５５ｃは第１〜３吸気管１０１〜１０３を通って導入される混合気を点火させる火種を形成するところであるので、副室５５ｃの局所的な空気過剰率λｓは、第１〜３吸気管１０１〜１０３を通って導入される混合気の空気過剰率λｍよりも大きくされている。図４、５に示した空気過剰率λは副室５５ｃに導入される燃料ガスとミキサ２０で第１吸気管１０１に導入される燃料ガスの合計に対する、吸入空気量の比である。
そして、副室５５ｃに導入するガスは可燃範囲の広い水素ガスの割合を大きくする。これはできるだけ広い条件で火種を形成できるようにするためである。
【００２８】
なお、各実施の形態で第１燃料として使用している水素の可燃範囲（空気過剰率）は０．１４〜１０．０であり、第２燃料として使用しているメタンの可燃範囲は０．６〜２．０である。
その他の燃料ガスの可燃範囲は以下のとおりである。
エタン        ：０．４    〜  １．９４
プロパン      ：０．４    〜  １．９６
ブタン        ：０．３５  〜  １．７６
エチレン      ：０．１２  〜  ２．５２
アセチレン    ：０．０    〜  ３．２８
【００２９】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明は、燃料ガスと空気を混合して形成される予混合気に点火手段で点火する予混合強制点火式のガスエンジンであるが、互いに可燃範囲の異なる複数種類の燃料ガスを有し、該複数種類の燃料ガスを運転条件に応じた混合比で吸気管に供給するようにされており、運転条件に応じて可燃範囲を変更することができ運転条件に適した燃料ガスで運転ができ広い範囲で良好な燃焼を得ることができる。そして従来方式より高い空気過剰率で運転するのでスロットルロスが小さい。
【００３０】
特に請求項２の発明のように、エンジン負荷を検出し、エンジン負荷が小さい時には可燃範囲の広い燃料の割合を大きくし、エンジン負荷が大きい時には可燃範囲の広い燃料の割合を小さくれば、エンジン負荷が小さい時には可燃範囲の広い燃料の割合が大きいので高い空気過剰率で運転でき、エンジン負荷が大きいときには可燃範囲の広い燃料の割合が小さいので燃焼速度が低下しノッキングが発生しにくい。
特に請求項３の発明のように、空気過剰率をもとめ、空気過剰率が大きいほど可燃範囲の広い燃料ガスの割合を大きくすれば、空気過剰率が大きくなっても可燃範囲の広い燃料ガスの割合を大きくすることでエンジンは良好に燃焼することができる。
特に請求項４の発明のように、ノッキングを検出し、ノッキングが発生したら可燃範囲の広い燃料ガスの割合を小さくすれば、燃料ガスが燃焼しにくい方向にシフトし燃焼速度が減少しノッキングの発生が抑制される。
特に請求項５の発明のように、失火を検出し、失火が発生したら可燃範囲の広い燃料ガスの割合を大きくすれば、可燃範囲が拡大するので失火が抑制される。
特に請求項６の発明にように、エンジンが副室を備える副室式エンジンであって、副室に可燃範囲の広い燃料ガスを多く供給するようにすれば空気副室内における空気過剰率がばらついても安定して主混合気を着火させる火種を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のハード構成を概略的に示す図である。
【図２】エンジンの詳細を示す図である。
【図３】負荷に対する水素とメタンの混合比を示すマップである。
【図４】空気過剰率λに対する水素とメタンの混合比を示すマップである。
【図５】負荷に対する空気過剰率λの値を示すマップである。
【符号の説明】
１０…エアクリーナ
１１…空気流量計
２０…ミキサ
３０…ターボチャージャー
４０…クーラー
５０…エンジン
５１…ノックセンサ
５２…圧力センサ
５５…副室形成部材
５５ｃ…副室
５５ｉ…副室用燃料管
５５ｊ…噴孔
５５ｖ…副室バルブ
５６…点火栓
６０…発電機
７１、７２…第１、第２燃料ガスタンク
８１、８２…第１、第２流量制御弁
９０…コントローラ
１０１、１０２、１０３…第1、第２、第３吸気管
１０４…排気管
１１１、１１２…第１、第２燃料ガス供給管
１１３…混合燃料ガス供給管
【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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