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特集論

世界最高効率三菱リーンバーンガス
エンジン

文MITSUBISHI Lean-burn Gas Engine of the Highest
Thermal Efficiency in the World
角田明

下田裕

巳

高石龍夫

当社では小出力の GSR から大出力の MACH-30G までの低 NOx リーンバーンガスエンジンをラインナップし，広い出力レンジをカバーしている．MACH-30G は 3 650 〜 5 750kW の出力で点火プラグに代わる強力な着火能力を有するマイクロパイロットを特徴とし，GSR はミラーサイクル機構を有することを特徴として，コンパクトにパッケージングされ，280 〜 845kW をカバーする．各々同一出力クラスで世界最高レベルの発電端効率 44 ％と 40 ％を達成した．現在，ともに 20 台以上が稼動中であり高い性能と信頼性が評価されている．

1．はじ

1．1

め

MACH-30G と GSR により当社のガスエンジンは小〜大出に力まで高効率のラインアップをそろえることができた．

高効率ガスエンジン開発の経緯

2．MACH-30G の特徴

近年 CO 2 削減の必要が高まり発電用エンジンにおいてもCO2，NOx，ばい塵等の有害排出物の少ないガスエンジンのMACH-30G の特徴を以下に示す．

需要が伸びている．このような背景の下，当社では世界最高

2．1 パイロット着火方式の発電効率を目標に新技術を投入した低 NOx リーンバーン

図２にパイロット着火方式の特徴を従来の火花点火方式とガスエンジンの開発を実施し，この度その成果として比較して示す．パイロット着火方式の特徴は従来の点火プラ

5 000 kW クラスでは微量液体燃料を着火源としたパイロッグでの着火に替え，パイロットインジェクタから微量（熱量ト着火方式の MACH-30G を，また 1 000 kW 以下ではミラー比１％以下）の液体燃料を噴射し副室内のガスを着火する．

サイクルを適用した GSR を各々世界最高の発電効率で市場パイロット燃料は微量だが点火プラグに比し約 8 000 倍とい投入し，好評を得て受注を伸ばしているので以下に紹介する．

う強力な着火エネルギーを有するため燃焼が安定し効率が向

1．2

三菱重工のガスエンジンラインナップ上する．さらに強い着火エネルギーのおかげで火花着火機関

表１に主要目を従来機種と比較して示す．MACH-30G はで必要な副室内に濃い混合気を作る必要が無く，副室内での平均有効圧力を 13 bar から 20 bar へとディーゼル機関と同等NOx の生成を低減できたので他社製の半分以下に相当する

迄向上し，またパイロット着火方式と燃焼制御システムの導業界初の NOx 100 ppm（O2 ＝０％）仕様を実現し，脱硝装入により発電効率は従来の 39.3 ％から 44.0 ％に改善された．

置無しで地域規制を下回ることができる．

図１に MACH-30G プラントの外観を示す．

パイロット着火用燃料弁は同時に点火プラグの寿命がGSR ガスエンジンについては膨張比増大と高効率過給機

1 000 〜 2 000 時間であるのに対し，倍以上の 4 000 時間ごとでサイクル効率を向上するミラーサイクル化により従来機ののメンテナンスで対応可能である．また強力な着火エネルギ

発電効率 35 ％に対して５ポイント高い 40 ％を達成した．

ーを利用してバイオガス，廃棄物ガス等の低カロリーの多様

表１

三菱重工ガスエンジン主要諸元
MACH-30G

発電端出力（kW）

従来型

GSR

パイロット着火

従来型

ミラーサイクル
280〜845

2 400〜3 750

3 650〜5 750

320〜1 015

シリンダボア径／ストローク （mm）

300/380

300/380

170/180

170/180

回転数

（rpm）

720/750

720/750

1 500/1 800

1 200/1 500

正味平均有効圧力（bar）

1320

11

12（％）

39.3

44.0/42.53540（ppm，O2=０%）200

200/100

150

150（脱硝付）

発電効率NOx特徴

副室付希薄燃焼
火花着火

パイロット着火

副室付希薄燃焼
火花着火

ミラーサイクル

図１

MACH-30G 外観
国内某所プラントに設置された MACH-30Gの外観．

三菱重工技報 Vol.40 No.4（2003_7）

247パイロット燃料供給（コモンレール）システム

副室に燃料ガスを個別供給
点火プラグ（着火エネルギ 0.1J）

ガス供給電磁弁
圧力センサ

希薄混合気

副室（濃い混合気）

過給機

発電機

MACH-30G

火花点火方式

燃焼診断ユニット

電子ガバナ
パイロッ
トコントローラ

パイロット燃料供給
パイロットインジェクタ（着火エネルギ 800 J）

希薄混合気

メインコントローラ DIASYS

副室（希薄混合気）

図３

副室からの火炎(主燃焼室を燃焼)

主燃焼室
パイロット着火方式

図２

パイロット着火方式と火花点火方式の比較
従来方式の火花点火に代わり，MACH-30Gは着火エネルギが従来の8 000倍になるパイロット着火方式を採用．

M-RICS

電子燃料供給系と燃焼診断システム M-RICS（Mitsubishi Real time Intelligent Control System）
メインコントローラ DIASYS を用いてエンジンの燃焼状態を常に最適制御できる M-RICS．

ずに発電が継続できる自動シリンダカット機能を備えているので万一の突発事象に対しても余裕を持って対応が可能である．
なガスも安定して燃焼することができる．
2．2 燃焼コントロールシステム，M-RICS（Mitsubishi
Real time Intelligent Control System）（4）異常診断予防保全機能
MACH-30G の遠隔監視システムでは M-RICS の燃焼診断データを当社監視センターでモニタしている．したがって

図３に MACH-30G の電子燃料供給系と燃焼診断ユニット

従来の温度・圧力レベルによる異常診断に比べ，はるかにによる燃焼コントロールシステム，M-RICS（M-RICS は当社

正確で迅速な異常診断が可能となっているが，今後予防保の登録商標）を示す．M-RICS は，各シリンダに取り付けら全機能を更に充実していく予定である．

れた筒内圧力センサで直接センシングして得られた燃焼圧力

2．3 生産・受注実績

により燃焼状態を９段階に診断し，メインコントローラ

表２に MACH-30G の受注，納入実績を示す．平成 13 年度

DIASYS（DIASYS は当社の登録商標）を介して各シリンダは５プラント 19 台を受注し，その初号機・２号機が平成 14

個別にパイロット燃料・ガス燃料の量とタイミングを自動調年 10 月に当社横浜製作所内の MYP（MHI Yokohama Power）整することで燃焼を制御する．従来の振動計型ノックセンサにて営業運転に入った．タイトル図に MYP 全景を示す．平等を用いた方式に比べ，はるかに高精度で細かい診断が可能

成 15 年３月までに 19 台すべてが引き渡され，順調に稼動中であり，コモンレールを用いた電磁弁式パイロット燃料弁とである．さらに海外を含む 11 プラント 16 台を受注し，合計電磁弁式ガス弁により高い応答性を持って毎サイクルの制御受注台数は 35 台となった．

が可能なので，下記の特徴を有す（特許申請中）．
（1）全シリンダ燃焼均一化による効率改善
燃焼圧力診断結果に基づいてパイロット噴射時期を自動調整し，各シリンダの燃焼を常時同一に制御することが実現できたため，全シリンダとも最高効率点での運転が可能

2．4

今後の MACH-30G の展開（1）発電効率向上
MACH-30G は GSR にて開発済のミラーサイクルを含めた更なる発電効率向上試験を実施中である．
（2）総合効率向上
蒸気ニーズの大きい客先にもメリットを創出すべく当社で発電効率が向上した．
（2）カロリー変動に対する最適制御

独自のボイラ技術による従来の 2.5 倍の蒸気発生が可能な

M-RICS は使用燃料のカロリー変動や部品の経年劣化に対しても燃焼圧力自体を診断制御しているので，常時最適：MACH-30G（筒内圧波形）：他社（振動波形）

燃焼に自動調整され，長期間にわたって高効率を維持可能である．既に４種類の異なるカロリーの LNG を用いたプラントが順調に稼動中である．

ノッキングが明確

ノッキングが不明確（3）異常燃焼の回避制御
図４は M-RICS でとらえたノッキング時の筒内圧力波形と他社が採用している振動計ノックセンサ波形の例を比較したものを示す．M-RICS は直接筒内圧力をセンシングしているので，高精度で異常燃焼を診断しパイロット燃料量やガス量等を制御して異常燃焼を回避できる．さらに発電用エンジンとして重要な問題発生時でもエンジンを止めクランク角度

図４

ノッキング時の筒内圧波形と振動波形の比較
筒内圧波形は振動値よりも燃焼状態を正確に把握できる．
三菱重工技報 Vol.40 No.4（2003_7）

248

ダクトバーナ，MACH-DUET（Duct Burner for Utilityーションとなるが，基本システムをベースに標準化するこEfficient Technology）を開発，実証試験を終了した．とで客先仕様への迅速な対応を可能としている．

（3）遠隔運転

ガスエンジンを核としたコージェネレーションシステム

標準装備としている遠隔監視を更に発展させた遠隔地かは温水回収仕様と温水＋蒸気回収仕様の２とおりがある．

らの運転制御についてもシステム開発が終了し，実証設備そのため，両システムの共通部分と異なる部分を考慮してによる試験を計画中であり，今後の客先ニーズにこたえらユニット化を行い，発電機を含むユニット（発電セット）れるよう準備している．と熱回収機器を含むユニット（補機ユニット）の構成とし3．ミラーサイクルガスエンジンコージェネレーション
パッケージ
3．1

た．補機ユニットは温水回収仕様のものと温水＋蒸気回収仕様の２とおりを準備している．

GSR ミラーサイクルガスエンジン

発電セットはエンジン，発電機，始動用蓄電池，潤滑油

GSR ミラーサイクルガスエンジンは高効率，低 NOx を特槽，発電機制御盤，ガス弁機器，ガスコンプレッサ等の機長とする GSR 希薄燃焼ガスエンジンをベースに，ディーゼ器を搭載している．一方，補機ユニットは，蒸気ボイラ又ルエンジンに匹敵する発電効率を目指し開発した．燃焼サイは温水ボイラ，熱交換器，消音器，冷却水循環ポンプ，脱クルにミラーサイクルを採用し高膨張比化を図るとともに過硝装置，脱硝触媒等の機器を搭載している．図 5 に温水回収給機の高効率化，燃焼室形状の最適化等によりこのクラス世仕様の系統図，
図 6 に温水＋蒸気回収仕様の系統図を示す．

界最高の発電効率である 40 ％を達成している．
3．2

標準パッケージの設計に当たっては，メンテナンス性をコージェネレーションパッケージ考慮し，かつコンパクトに収めることに主眼をおいて設計（1）概要を行った．あわせて，従来機種を取り扱ってきた中でのメミラーサイクルガスエンジン発電装置は大阪ガス(株)との共同開発によって商品化され，平成 13 年４月以降市場

表２

MACH-30G の受注，納入実績H 12に投入されてきた．総合効率は通常の希薄燃焼ガスエンジ

H 13

H 14

H 15

運転実績（h）

ンコージェネレーションパッケージ（従来タイプ）と大差

プロトタイプ(６シリンダ) ：１台

約 8 000

ないが，発電端効率が従来タイプのものより約５％アップ

MHI 横浜パワー向：２台

約 5 000

することから電力供給を主眼とした客先向けに導入が続い

国内向

：７台

約 4 000ている．平成 15 年３月時点で 19 台が稼動中であり，現在

国内某所向

：10 台

約 2 000

試運転中のものも含め本年 10 月までにさらに 19 台の納入を予定している．以下にパッケージの概要を説明する．

H13 年度受注台数 国内 ５プラント19 台
H14 年度受注台数 国内 10 プラント15 台，海外１プラント１台(注) 運転実績は平成15年７月現在の時間（2）パッケージ化
エンジン周りのコージェネレーションシステムの構成機■ 温水＋蒸気回収器としては，エンジン，発電機，始動用蓄電池，ポンプ，：補機ユニット
蒸気ボイラ熱交換器，消音器，ボイラ，ガスコン等があり膨大なバリエ

蒸気出口
消音器

■ 温水回収排風口

排気ガス

排ガス温水器

温水入口

給水入口：補機ユニット
消音器

温水出口

排気ガス

温水出口
熱ジ
交ャ
換ケ
器ッ
ト
水

排風口

放熱
熱交換器

吸気口
ガスエンジン

発電機

温水入口

熱ジ
交ャ
換ケ
器ッ
ト
水

放熱
熱交換器

吸気口
ガスエンジン

冷却水出口

発電機

冷却水出口

冷却水入口

インタークーラ
熱交換器
自動給油装置
タ潤
ン滑
ク油

蓄電池

副主
燃燃
焼焼室室

空燃比
制御弁

ガス
コンプレッサ

冷却水入口

発電機
制御盤

インタークーラ
熱交換器
自動
給油装置

受変電室
配電盤へ

タ潤
ン滑
ク油

空燃比
制御弁

図 5 温水回収仕様の系統図
ット系統．

温水回収の場合の補機ユニ

発電機
制御盤

ガス
コンプレッサ
電磁弁

電磁弁
燃料ガス

蓄電池

副主燃燃
焼焼室室電力

燃料ガス

図 6 温水＋蒸気回収仕様の系統図
合の補機ユニット系統．

温水と蒸気を回収する場

三菱重工技報 Vol.40 No.4（2003_7）

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H1H2L1W型式

GS 6 R
GS12R
GS16R

寸法位置
温L3寸
L１

L2
質量（発電セット）

法（m）

L２

L３

H１ H２

W

質量（補機ユニット）

WET（t） DRY（t） WET（t） DRY（t）

水 10.4

5.0

3.8

3.3

8.0

7.5

4.8

3.3

2.8
2.8

16.5

5.0

2.8
3.9

17.0

温水＋蒸気 11.7

17.0

16.5

11.0

10.0

温

水 10.6
温水＋蒸気 12.4

5.7

3.2

3.3

4.1

3.0

8.0

7.5

5.0

3.3

4.3

3.0

23.5
23.5

22.05.722.0

11.0

10.0

温水 12.6

6.3

3.5

3.3

4.1

3.0

27.0

25.5

10.0

9.0

温水＋蒸気 13.3

6.3

5.0

3.3

4.4

3.0

27.0

25.5

11.6

11.0

図 7 パッケージ外観及び寸法
非常にコンパクトである．

図 8 稼動中の GSR パッケージ
温水回収仕様で稼動中の GS12R の外観．

パッケージは発電セットと補機ユニットから成り，ンテナンス部門，ユーザからの要望，意見，改良点も織り込むことを考慮した．ユニット化を行うことによって，機4．まとめ器据付け時に発電セットと補機ユニットを接続するだけ

MACH-30G は従来ガスエンジンを上回る低公害性を有しで，二次側の取合い（冷却水配管系，温水回収配管系，蒸ながらマイクロパイロットによる大幅な効率向上として発電気回収配管系，ドレン他）以降を現地で施工するだけとな

端効率 44 ％を達成した．各プラントにて安定した運転実績

り，現地工程の大幅な短縮が可能となった．

を継続しており，客先からも評価を頂いている．

パッケージの外観及び寸法等について図 7 に示す．またまた GSR ミラーサイクルガスエンジンコージェネレーシ

図 8 には実際に納入された GSR パッケージの外観を示す

ョンパッケージはミラーサイクルによる効率向上で 40 ％を（GS12R ミラーサイクル 560 kW，温水回収仕様の例）．

達成し，かつ標準化パッケージを設定することにより，納期短縮，低コスト化が図られ今後多くの受注が期待されている．

（3）ユニット化における考慮点
従来タイプの発電装置は高さが 3 300 mm を超えていた
ため輸送時発電セットの上部ダクト部分を分割する必要がまた，標準パッケージをベースに客先要求事項をオプション化した対応も可能である．

あった．本機では発電セットの高さを 3 300 mm 以下とし，現在はマイクロパイロット，ミラーサイクル，各々の技術低床台車での一体輸送が可能となったので，現地搬入の際を統合したガスエンジンのラインナップをそろえるべく開発にダクトの取り外し，再組立ての必要が無くなりコストダを進めておりディーゼルエンジンを凌駕する高い効率を広い

ウン，現地工程短縮を図ることができた．

出力レンジで達成する所存である．

一方，補機ユニットについては，エンジンごとにまた，バイオガスや廃棄物ガスに対応した発電プラントも1 200 min （60 Hz）と 1 500 min （50 Hz）用のユニッ予定しており，地球温暖化防止に寄与したいと考えている．

−1−1

トが共通化できるよう考慮した．また，温水回収側の熱交換器の二次側温度設定については，これまでのコージェネレーションパッケージの納入経験により，汎用性のある温度範囲（83 〜 88 ℃，吸収式冷凍機，ジェネリンク等により要求される範囲）に設定している．また，ヒートバラン
スは環境によって変化するので，熱的な裕度については，

参 考 文 献（1）中野ほか，高出力ガス機関 KU30GA の開発，三菱重工技報
Vol.38 No.4（2001-7）（2）小田ほか，三菱重工における分散型電源，三菱重工技報
Vol.39 No.3（2002-5）

熱交換器では 15 ％等を考慮している．
（4）今後のパッケージの展開
前述のとおりエンジン３機種（GS6R，GS12R，GS16R）

角田明

下田裕巳

横浜製作所
原動機技術部次長

汎用機・特車事業本部
エンジン技術部主席

についてそれぞれ，発電セット，温水回収仕様補機ユニッ
ト，温水＋蒸気回収仕様補機ユニットの標準化を行った．
平成 14 年 11 月のパッケージ見直し以来，既に GS6R は５台，GS12R 用は６台，GS16R 用は４台の受注があり，現在製作及び試運転中である．今後は補機ユニットについて，更なるコンパクト化を図って，市場ニーズにこたえていく

高石龍夫
技術本部
長崎研究所
内燃機・油機研究推進室長

とともに出力アップも図っていくことにしている．
三菱重工技報 Vol.40 No.4（2003_7）