JP2006249954A - ガスエンジンのガス供給装置及び運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 過給機出口での燃料ガスの爆発の可能性を皆無とすると共に、低カロリーガス（発熱量の低いガス）燃料を用いる場合においてもシリンダ毎の給気通路への燃料ガス圧縮用のガスコンプレッサの動力を低減して該ガスコンプレッサを小型、小容量化し得るガスエンジンのガス供給装置を提供する。
【解決手段】 燃料ガスの一方を過給機入口空気と混合しこの混合気を過給機に供給すると共に、燃料ガスの他方をシリンダ毎の給気通路内の給気と混合しこの混合気をエンジンの各シリンダに供給するように構成し、過給機側ガス供給通路のガス流量を調整する過給機側ガス量調整弁と各シリンダ側ガス供給通路のガス流量を調整するシリンダ側ガス量調整弁とを設け、過給機側ガス量調整弁の開度を制御して、過給機側ガス供給通路への燃料ガス量を、過給機に供給する混合気中の燃料ガス濃度が可燃下限界ガス濃度以下に保持されるように調整するガス量コントローラを設けた。
【選択図】 図２

Description

本発明は、特に低カロリーガス（発熱量の低いガス）を燃料に用いるガスエンジンに好適であり、排気ターボ過給機を備え、燃料ガス通路を通して供給される燃料ガスと空気とを混合し、この混合気をシリンダ内に供給して着火燃焼せしめるガスエンジンのガス供給装置に関する。

希薄燃焼ガスエンジンにおいては、燃料ガスと空気とを所要の空燃比に制御して混合し、この混合ガスをスロットル弁等の混合ガス流量調整手段を備えた給気管を通して、エンジンの燃焼室に供給している。
かかる希薄燃焼ガスエンジンのうち、排気ターボ過給機（以下過給機という）を備えたガスエンジンにおいては、次のような２種類の燃料ガスの供給方法が用いられている。
（１）各シリンダの給気枝管に、ガスコンプレッサによって過給空気圧よりも高圧に加圧された燃料ガスを各シリンダの直前で噴射する。
（２）燃料ガスを過給機入口空気と混合してこの混合気を過給機に供給し、過給機にてこの混合気を圧縮してエンジンに供給する。

さらに前記（１）の手段と（２）の手段とを組み合わせた技術として、特許文献１（特開２００１−１３２５５０号公報）の技術が提供されている。
かかる技術においては、ガスコンプレッサによって加圧された燃料ガスを給気通路のシリンダ入口またはシリンダ内に供給するとともに、前記ガスコンプレッサにて加圧する前の燃料ガスを過給機上流側の空気通路に供給し、前記シリンダ側への燃料ガス供給と過給機上流側への燃料ガス供給とを切換え可能に構成している。

特開２００１−１３２５５０号公報

しかしながら、特許文献１にて提供されている従来技術あっては、次のような問題点を有している。
即ち、かかる従来技術にあっては、ガスコンプレッサによって加圧された燃料ガスを給気通路のシリンダ入口またはシリンダ内に供給する燃料ガス供給系では、燃料ガスを過給空気圧よりも高圧に圧縮する必要があるが、燃料ガスとして炭鉱メタンガス等の低カロリーガス（発熱量の低いガス）を用いる場合には、低圧で大流量のガスを圧縮するために大型で大容量のガスコンプレッサを必要とする。
一方、前記ガスコンプレッサにて加圧する前の燃料ガスを過給機上流側の空気通路に供給する燃料ガス供給系では、可燃性の燃料ガスを過給機で高温、高圧に加圧するため、過給機出口で燃料ガスが爆発する危険性を内包している。

従って、本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、燃料ガスを過給機入口空気と混合しこの混合気を過給機に供給する燃料ガス供給系と燃料ガスをシリンダ側の給気通路内に供給する燃料ガス供給系とを併設したガスエンジンにおいて、過給機出口での燃料ガスの爆発
の可能性を皆無とするとともに、低カロリーガス（発熱量の低いガス）燃料を用いる場合においても、シリンダ側の給気通路への燃料ガス圧縮用のガスコンプレッサの動力を低減して該ガスコンプレッサを小型小容量化し得るガスエンジンのガス供給装置を提供することを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、排気ターボ過給機を備え、燃料ガス通路を通して供給される燃料ガスと空気とを混合し、この混合気をシリンダ内に供給して着火燃焼せしめるガスエンジンにおいて、前記燃料ガス通路を、前記過給機の空気入口に接続される過給機側ガス供給通路と、シリンダ毎の給気通路に接続され前記燃料ガスを圧縮するガスコンプレッサが介装されたシリンダ側ガス供給通路とに分岐し、前記過給機側ガス供給通路を通流する燃料ガスを過給機入口空気と混合しこの混合気を過給機に供給するとともに、前記シリンダ側ガス供給通路を通流する燃料ガスを前記シリンダ毎の給気通路内の給気と混合しこの混合気をエンジンの各シリンダに供給するように構成し、前記過給機側ガス供給通路には該過給機側ガス供給通路のガス流量を調整する過給機側ガス量調整弁を設け、前記シリンダ側ガス供給通路には各シリンダ側ガス供給通路のガス流量を調整するシリンダ側ガス量調整弁をシリンダ毎に設け、さらに前記過給機側ガス量調整弁の開度を制御して、前記過給機側ガス供給通路への燃料ガス量を、前記過給機に供給する混合気中の燃料ガス濃度が設定された可燃下限界ガス濃度以下に保持されるように調整するガス量コントローラを設けたことを特徴とする。
そして、かかるガスエンジンの運転方法は、燃料ガス通路を通して供給される燃料ガスと空気とを混合し、この混合気をシリンダ内に供給して着火燃焼せしめるガスエンジンの運転方法であって、前記燃料ガスの一部を過給機の空気入口に接続される過給機側ガス供給通路を通して過給機入口空気と混合しこの混合気を過給機に供給するとともに、前記燃料ガスの残分をシリンダ毎の給気通路に接続され前記燃料ガスを圧縮するガスコンプレッサが介装されたシリンダ側ガス供給通路を通してシリンダ毎の給気通路内の給気と混合しこの混合気をエンジンの各シリンダに供給し、前記過給機側ガス供給通路に設けた過給機側ガス量調整弁の開度を制御して、前記過給機側ガス供給通路への燃料ガス量を、前記過給機に供給する混合気中の燃料ガス濃度が可燃下限界ガス濃度以下に保持されるように調整することを特徴とする。

かかる発明によれば、燃料ガス通路を、過給機入口空気通路に接続される過給機側ガス供給通路とシリンダ毎の給気通路に接続されるシリンダ側ガス供給通路との２つの燃料ガス供給系に分岐し、過給機側ガス供給通路を通流する燃料ガスを過給機入口空気と混合して、この混合気を過給機に供給する一方、前記シリンダ側ガス供給通路を通流する燃料ガスをシリンダ毎の給気通路内の給気と混合して、この混合気をエンジンの各シリンダに供給するように構成したので、過給機側ガス量調整弁によって過給機側ガス供給通路側の燃料ガス流量を制御するとともに、シリンダ側ガス量調整弁によってガスコンプレッサで圧縮して各シリンダに供給する燃料ガス流量を制御することにより、過給機入口空気と混合してこの混合気を過給機に供給する燃料ガス量とシリンダ毎の給気通路内の給気と混合してこの混合気をエンジンの各シリンダに供給する燃料ガス量との割合を自在に制御することができる。

これにより、過給機側に供給する燃料ガス量を該過給機で高温、高圧に圧縮後における爆発を回避できる限界程度の燃料ガス量に設定することにより、該過給機側に供給する燃料ガス量を爆発を回避できる最大限の燃料ガス量に設定可能となり、かかる最大限の燃料ガス量を保持して前記爆発を皆無にできる。
またガスコンプレッサで圧縮して各シリンダに供給するシリンダ側ガス供給通路側の燃料ガス流量を前記過給機側に供給する燃料ガス量相当分低減できることとなり、従ってシリンダ側への燃料ガスを圧縮するガスコンプレッサの動力を低減でき、該ガスコンプレッサを小型、小容量化できる。
殊に、炭鉱メタンガス等の低カロリーガス（発熱量の低いガス）を用いる場合には、所要のエンジン出力を得るには多量の燃料ガスを必要とするが、過給機側の燃料ガス流量を該過給機で高温、高圧に圧縮後における爆発を回避できる限界程度の最大限の燃料ガス流量に設定することにより、ガスコンプレッサで圧縮して各シリンダに供給する燃料ガス流量を前記過給機側への燃料ガス流量相当分低減できることにより、ガスコンプレッサの動力低減効果がより大きくなる。

かかる発明において好ましくは、前記エンジンの給気圧力を検出する給気圧力センサと、前記エンジンの給気温度を検出する給気温度センサと、前記過給機側ガス供給通路を通流する燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量計とをそなえるとともに、前記ガス量コントローラは、前記給気圧力センサからの給気圧力検出値、前記給気温度センサからの給気温度検出値、及び前記燃料ガス流量計からの燃料ガス流量の検出値に基づいて前記過給機に供給する混合気中の燃料ガス濃度を算出し、該燃料ガス濃度の算出値と可燃下限界ガス濃度の設定値とを比較し、該燃料ガス濃度が前記可燃下限界ガス濃度設定値以下になるような前記過給機側ガス量調整弁の開度を算出して該過給機側ガス量調整弁を前記開度に制御する。
また、前記燃料ガスを炭鉱メタンガスにて構成する場合には、前記ガス量コントローラは、前記混合気中のメタンガス濃度を可燃下限界ガス濃度である５％以下に保持するように前記過給機側ガス量調整弁の開度を制御するように構成するのがよい。

かかる発明によれば、ガス量コントローラにおいて、エンジンの給気圧力、給気温度、及び燃料ガス流量の検出値を用いて実際の燃料ガス濃度を算出し、この実際の燃料ガス濃度と可燃下限界ガス濃度（炭鉱メタンガスでは５％以下の濃度）設定値とを比較して、過給機側ガス供給通路への燃料ガス量が前記可燃下限界ガス濃度以下を保持するように過給機側ガス量調整弁の開度を制御するので、過給機側ガス供給通路への燃料ガス量を、過給機で高温、高圧に圧縮後における爆発を回避できる限界程度の燃料ガス量に常時正確に保持できる。

また本発明は、前記燃料ガス通路を、前記過給機の空気入口への過給機入口空気通路に接続される過給機側ガス供給通路と、前記過給機の空気出口とエンジンの各シリンダとの間のシリンダ毎の給気通路に接続され前記燃料ガスを圧縮するガスコンプレッサが介装されたシリンダ側ガス供給通路とに分岐し、前記過給機側ガス供給通路を通流する燃料ガスを過給機入口空気と混合してこの混合気を過給機に供給するとともに、前記シリンダ側ガス供給通路を通流する燃料ガスをシリンダ毎に分岐しシリンダ毎の給気通路内の給気と混合してこの混合気をエンジンの各シリンダに供給するように構成し、前記過給機側ガス供給通路には該過給機側ガス供給通路のガス流量を調整する過給機側ガス量調整弁を設け、さらに前記シリンダ側ガス供給通路には各シリンダ側ガス供給通路のガス流量を調整するシリンダ側ガス量調整弁をシリンダ毎に設け、
前記過給機側ガス量調整弁の開度を制御して、前記過給機側ガス供給通路への燃料ガス量を、前記過給機に供給する混合気中の燃料ガス濃度が設定された可燃下限界ガス濃度以下に保持されるように調整するガス量コントローラを備えた前記発明に加えて、
前記排気ターボ過給機の排気タービンをバイパスして排気出口管に接続される排気バイパス通路と、該排気バイパス通路を開閉する排気バイパス弁をそなえるとともに、前記エンジンへの混合気量が目標混合気量になるように前記排気バイパス弁の開度を制御する空燃比コントローラをそなえて構成される。

かかる発明によれば、前記のように、過給機側ガス供給通路への燃料ガス量を、過給機で高温、高圧に圧縮後における爆発を回避できる限界程度の燃料ガス量に常時正確に保持し、かつガスコンプレッサで圧縮して各シリンダに供給する燃料ガス流量を前記過給機側への燃料ガス流量相当分低減した流量に正確に保持することにより、過給機で高温、高圧に圧縮後における爆発を回避しつつガスコンプレッサの動力を抑制し、所要のエンジン出力を得ることができ、これに加えて、
季節の変化等によって過給機の吸入空気温度が変化し、それによって過給機が吸い込む空気量が変化してエンジンへの混合気量が変化する場合でも、空燃比コントローラにより排気バイパス弁の開度を制御することによって、エンジンの各シリンダに供給される混合気の空気過剰率をほぼ一定に保持してエンジンを運転することが可能となる。

本発明によれば、燃料ガス通路を、過給機入口空気通路に接続される過給機側ガス供給通路とシリンダ毎の給気通路に接続されるシリンダ側ガス供給通路との２つの燃料ガス供給系に分岐し、過給機側ガス量調整弁によって過給機側ガス供給通路側の燃料ガス流量を制御するとともに、シリンダ側ガス量調整弁によってガスコンプレッサで圧縮して各シリンダに供給する燃料ガス流量を制御することにより、過給機入口空気と混合してこの混合気を過給機に供給する燃料ガス量とシリンダ毎の給気通路内の給気と混合してこの混合気をエンジンの各シリンダに供給する燃料ガス量との割合を自在に制御することができ、過給機側に供給する燃料ガス量を該過給機で圧縮後における爆発を回避できる最大限の燃料ガス量に設定することにより、かかる最大限の燃料ガス量を保持して前記爆発を皆無にできる。
またガスコンプレッサで圧縮して各シリンダに供給するシリンダ側ガス供給通路側の燃料ガス流量を前記過給機側に供給する燃料ガス量相当分だけ低減できることとなり、従ってシリンダ側への燃料ガスを圧縮するガスコンプレッサの動力を低減できて、該ガスコンプレッサを小型、小容量化できる。

また本発明によれば、前記効果に加えて、季節の変化等によって排気ターボ過給機の吸入空気温度が変化し、それによって過給機が吸い込む空気量が変化してエンジンへの混合気量が変化する場合でも、空燃比コントローラにより排気バイパス弁の開度を制御することによって、エンジンの各シリンダに供給される混合気の空気過剰率をほぼ一定に保持してエンジンを運転することが可能となるという相乗効果が得られる。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は本発明の実施例に係るガスエンジンのガス供給装置の全体構成図である。図１において、１はエンジン（ガスエンジン）、４は該エンジン１のシリンダヘッド、１３は該エンジン１に直結駆動される発電機、１４はフライホイール、７は排気タービン７ａ及びコンプレッサ７ｂからなる過給機である。３は前記各シリンダヘッド４の給気入口に接続される給気枝管、２は前記コンプレッサ７ｂの給気出口と前記各給気枝管３とを接続する給気管、９は該給気管２を流れる給気を冷却する給気冷却器である。
５は前記各シリンダヘッドの排気出口に接続される排気管、６は前記各排気管５に接続される排気集合管、１１０は前記排気タービン３ａの排気ガス出口からの排気ガスを排出するための排気出口管である。

１１は排気バイパス管で、前記排気集合管６の排気タービン７ａ入口側から分岐されて該排気タービン７ａをバイパスし、該排気タービン７ａ出口側の排気出口管１１０に接続されている。１２は該排気バイパス管１１の通路面積を変化せしめる排気バイパス弁である。
１０ａは外部から空気を前記過給機７のコンプレッサ７ｂに導入するための過給機入口空気通路、１０は該過給機入口空気通路１０ａに設置されたミキサーである。２１は燃料ガスを収容する燃料ガスタンク（図示省略）から燃料ガスが導入されるガス供給管で、該ガス供給管２１から過給機側ガス供給管２１１とシリンダ側ガス供給管２１２とが分岐されている。
前記過給機側ガス供給管２１１は、前記過給機入口空気通路１０ａに設置されたミキサー１０に接続されている。また前記シリンダ側ガス供給管２１２は途中でシリンダ毎に分岐されガス供給枝管２１３となって前記各各給気枝管３に接続されている。

１８は前記シリンダ側ガス供給管２１２に設置されて該シリンダ側ガス供給管２１２を流れる燃料ガスを圧縮するガスコンプレッサである。１９は前記過給機側ガス供給管２１１に設置されて該過給機側ガス供給管２１１の通路面積即ち燃料ガス流量を制御する過給機側ガス量調整弁、２０は前記各ガス供給枝管２１３に設置されて該各ガス供給枝管２１３の通路面積即ち燃料ガス流量を制御するシリンダ側ガス量調整弁である。

１５はエンジン回転数を検出する回転数センサ、０１３は前記発電機１３の負荷つまりエンジン負荷を検出する負荷検出器、１７は前記給気管２における給気圧力を検出する給気圧力センサ、１６は前記給気管２における給気温度を検出する給気温度センサである。０２１は前記過給機側ガス供給管２１１を流れる燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量計である。
２４は回転数コントローラ、２３は空燃比コントローラ、２２はガス量コントローラで、前記回転数センサ１５からのエンジン回転数の検出値は前記回転数コントローラ２４、空燃比コントローラ２３、及びガス量コントローラ２２に入力され、前記負荷検出器０１３からのエンジン負荷の検出値は空燃比コントローラ２３に入力され、前記給気圧力センサ１７からの給気圧力の検出値は空燃比コントローラ２３及びガス量コントローラ２２に入力され、前記給気温度センサ１６からの給気温度の検出値は空燃比コントローラ２３及びガス量コントローラ２２に入力され、前記燃料ガス流量計０２１からの燃料ガス流量の検出値はガス量コントローラ２２に入力される。

前記回転数コントローラ２４は、通常の電子ガバナーで、前記回転数センサ１５からのエンジン回転数の検出値に基づき設定された目標回転数となるよう前記各シリンダ側ガス量調整弁２０の開度を制御する。
前記空燃比コントローラ２３は、前記回転数センサ１５からのエンジン回転数の検出値、負荷検出器０１３からのエンジン負荷の検出値、給気圧力センサ１７からの給気圧力の検出値、及び給気温度センサ１６からの給気温度の検出値に基づき、後述する手段で前記排気バイパス弁１２の開度を制御する。前記ガス量コントローラ２２は、前記回転数センサ１５からのエンジン回転数の検出値、給気圧力センサ１７からの給気圧力の検出値、及び給気温度センサ１６からの給気温度の検出値に基づき、後述する手段で前記過給機側ガス量調整弁１９の開度を制御する。

かかるガスエンジンの運転時において、前記ガス供給管２１からの燃料ガスは該ガス供給管２１の途中で分岐される。そして分岐された燃料ガスの一方は前記過給機側ガス供給管２１１を通って前記ミキサー１０に導入され、該ミキサー１０において前記過給機空気入口通路１０ａからの空気と混合されこの混合気は過給機７のコンプレッサ７ｂに導入される。該コンプレッサ７ｂで高温、高圧に加圧された混合気は給気冷却器９で冷却されて降温し、給気管２を通って各シリンダの給気枝管３内に流入する。
また分岐された燃料ガスの他方はシリンダ側ガス供給管２１２に入り、ガスコンプレッサ１８で圧縮されて、各シリンダの各ガス供給枝管２１３を通り、前記各給気枝管３に入り、該給気枝管３内の前記混合気に混入されて各シリンダ内に送り込まれる。

そして、エンジン１の各シリンダからの排気ガスは排気管５を通って排気集合管６で合流され、過給機７の排気タービン７ａに供給されて該排気タービン７ａを駆動した後、排気出口管１１０を通って外部に排出される。
また、前記空燃比コントローラ２３からの後述するような制御操作信号によって排気バイパス弁１２が開かれると、前記排気集合管６内の排気ガスの一部は前記排気タービン７ａをバイパスして排気出口管１１０に排出される。

次に、図２、図３及び図１に基づきかかるガスエンジンの燃焼制御装置の動作を説明する。
図２は前記実施例におけるガス量コントローラの制御ブロック図である。図２において、前記給気圧力センサ１７からの給気圧力の検出値及び給気温度センサ１６からの給気温度の検出値及び回転数センサ１５からのエンジン回転数の検出値は、ガス量コントローラ２２の給気量算出部２２１に入力される。該給気量算出部２２１においては、前記給気圧力の検出値、給気温度の検出値、及びエンジン回転数の検出値を用いて実空気量を算出し、ガス濃度算出部２２２に入力する。
ガス濃度算出部２２２においては、前記燃料ガス流量計０２１からの燃料ガス流量の検出値及び前記給気量算出部２２１からの実空気量の算出値に基づき、前記コンプレッサ７ｂを通過する混合気中における燃料ガスの濃度を算出し、ガス濃度偏差算出部２２４に入力する。

２２３は可燃下限界ガス濃度設定部で、可燃下限界ガス濃度が燃料ガス別に設定されている。即ち、図４に示されるように、燃料ガス毎にガスの圧力とガスの可燃下限界濃度との関係が設定されており、図４において、各下限界線よりも低濃度側つまり各下限界線の左側が図中の番号１ないし１１で示されるガスの爆発が発生しないガス濃度である。この実施例で用いる炭鉱メタンガスの可燃下限界ガス濃度は混合気中のメタン濃度が５％未満となるように設定されている。
前記ガス濃度偏差算出部２２４においては、前記燃料ガス濃度の算出値と前記可燃下限界ガス濃度設定部２２３に設定された可燃下限界ガス濃度とを突きあわせて（比較して）、その濃度偏差から、過給機側ガス供給管２１１を通してミキサー１０に供給される燃料ガス流量の補正値を算出し、さらに該補正値に基づき混合気中における燃料ガスの濃度が前記可燃下限界ガス濃度以下（炭鉱メタンガスの可燃下限界ガス濃度は５％以下）を保持するような前記過給機側ガス量調整弁１９の開度を算出して、該過給機側ガス量調整弁１９に出力する。
これにより、該過給機側ガス量調整弁１９はミキサー１０に送り込む燃料ガス流量を、前記混合気中における燃料ガスの濃度が前記可燃下限界ガス濃度以下を保持するような流量に保持せしめる。

従って、かかる実施例によれば、ガス量コントローラ２２において、エンジンの給気圧力、給気温度、エンジン回転数、及び燃料ガス流量の検出値を用いて実際の燃料ガス濃度を算出し、この実際の燃料ガス濃度と可燃下限界ガス濃度（炭鉱メタンガスで５％以下の濃度）設定値とを比較して、過給機側ガス供給通路２１１への燃料ガス量が前記可燃下限界ガス濃度以下を保持するように過給機側ガス量調整弁１９の開度を制御するので、過給機側ガス供給通路２１１への燃料ガス流量を、過給機７で高温、高圧に圧縮後における爆発を回避できる最大限程度の燃料ガス流量に常時正確に保持でき、かかる最大限の燃料ガス量を保持して前記爆発を皆無にできる。
また、それとともに、該ガス供給管２１からシリンダ側ガス供給管２１２側に分岐されてガスコンプレッサ１８で圧縮され、各シリンダの各ガス供給枝管２１３及び各給気枝管３を通って各シリンダ内に送り込まれる燃料ガス流量を、前記過給機側ガス供給管２１１への燃料ガス流量の相当分減少でき、ガスコンプレッサ１８の動力を低減できて該ガスコンプレッサ１８を小型、小容量化できる。これによって、過給機７で高温、高圧に圧縮後における燃料ガスの爆発を回避しつつ、ガスコンプレッサ１８の動力を低減して、所要のエンジン出力を得ることができる。

殊に、この実施例で用いている炭鉱メタンガス等の低カロリーガス（発熱量の低いガス）の場合には、所要のエンジン出力を得るには多量の燃料ガスを必要とするが、過給機７側に供給する燃料ガス流量を該過給機７で高温、高圧に圧縮後における爆発を回避できる限界程度の最大限の燃料ガス流量に設定することにより、ガスコンプレッサ１８で圧縮して各シリンダに供給する燃料ガス流量を前記過給機７側の燃料ガス流量相当分低減できることにより、ガスコンプレッサ１８の動力低減効果がより大きくなる。

また、かかる実施例によれば、ガス量コントローラ２２において、エンジンの給気圧力、給気温度、エンジン回転数、及び燃料ガス流量の検出値を用いて実際の燃料ガス濃度を算出し、この実際の燃料ガス濃度と前記可燃下限界ガス濃度設定値とを比較して、過給機側ガス供給管２１１への燃料ガス量を、混合気中のガス濃度が前記可燃下限界ガス濃度以下を保持するように過給機側ガス量調整弁１９の開度を制御するので、過給機側ガス供給管２１１への燃料ガス量を、過給機７で高温、高圧に圧縮後における爆発を回避できる限界程度の燃料ガス流量に常時正確に保持できる。

また、本実施例では、温度センサと圧力センサから給気量を算出するようにしたが、給気量の算出方法はこれに限定されるものではなく、例えば、温度センサと流量計から給気量を算出するようにしてもよい。
また、本実施例では、回転数センサからの検出値をガス量コントローラ２２に入力するように構成したが、定格回転数で常時運転されるガスエンジンにおいてはガス量コントローラ２２に定格回転数設定部を設け、定格回転数設定値を予め入力するように構成しても良い。
さらに、本実施例では各センサからの入力をガス量コントローラ２２中で演算する構成としたが、予め給気圧力・温度、燃料ガス流量に対応するマップを用意して、これを読み出す構成としてもよい。

次に図３は、前記実施例における空燃比コントローラの制御ブロック図である。図３において、前記給気圧力センサ１７からの給気圧力の検出値及び給気温度センサ１６からの給気温度の検出値及び回転数センサ１５からのエンジン回転数の検出値は、空燃比コントローラ２３の給気量算出部２２１に入力される。該給気量算出部２２１においては、前記給気圧力の検出値、給気温度の検出値、及びエンジン回転数の検出値を用いて実空気量を算出し、混合気量算出部２３１に入力する。
また、前記負荷検出器０１３からのエンジン負荷の検出値は、空燃比コントローラ２３の目標混合気量算出部２３２及び前記混合気量算出部２３１に入力される。該混合気量算出部２３１においては、前記エンジン負荷の検出値に対応する燃料ガス量と前記実空気量とにより実際の混合気量を算出して混合気量偏差算出部２３３に入力する。

また、前記目標混合気量算出部２３２においては、前記エンジン負荷の検出値に対応する適正空気過剰率に基づく混合気量の目標値（目標混合気量）を算出して混合気量偏差算出部２３３に入力する。
そして、前記混合気量偏差算出部２３３においては、前記混合気量算出部２３１からの実際の混合気量と混合気量の目標値（目標混合気量）との混合気量偏差を算出して給気量調整量算出部２３４に入力する。
給気量調整量算出部２３４においては、前記混合気量偏差に基づき過給機出口の給気量の調整量を算出し排気バイパス弁開度算出部２３５に入力する。

ここで、かかるエンジン１においては、前記排気バイパス弁１２の開度を大きくし排気タービン７ａをバイパスする排気ガス量を増加して排気タービン７ａの出力を低下させると給気圧力が減少し、前記排気バイパス弁１２の開度を小さくし排気タービン７ａをバイパスする排気ガス量を減少して排気タービン７ａの出力を上昇させると給気圧力が増大する。
従って、排気バイパス弁開度算出部２３５においては、前記のような給気圧力と排気バイパス弁１２の開度との関係から、前記給気圧力の調整値に相当する排気バイパス弁１２６の開度の調整量を算出し、この排気バイパス弁開度調整量を該排気バイパス弁１２を駆動する排気バイパス弁駆動装置（図示省略）に出力し、該排気バイパス弁１２の開度を前記調整量だけ調整する。
これにより、エンジンの実空気量が前記必要空気量になるように給気圧力が変化せしめられ、実空気量は前記必要空気量と一致し、エンジン１は燃料ガス量に適応した一定の空気過剰率で以って運転される。

ガス量コントローラの場合と同様に、本実施例では、温度センサと圧力センサから給気量を算出するようにしたが、給気量の算出方法はこれに限定されるものではなく、例えば、温度センサと流量計から給気量を算出するようにしてもよい。
また、本実施例では、回転数センサからの検出値を空燃比コントローラ２３に入力するように構成したが、定格回転数で常時運転されるガスエンジンにおいては空燃比コントローラ２３に定格回転数設定部を設け、定格回転数設定値を予め入力するように構成しても良い。
さらに、本実施例では各センサからの入力を空燃比コントローラ２３中で演算する構成としたが、予め給気圧力・温度、エンジン負荷に対応するマップを用意して、これを読み出す構成としてもよい。

従ってかかる実施例によれば、前記のように、過給機側ガス供給管２１１への燃料ガス量を、過給機７で高温、高圧に圧縮後における爆発を回避できる限界程度の燃料ガス流量に常時正確に保持し、かつガスコンプレッサ１８で圧縮して各シリンダに供給する燃料ガス流量を前記過給機側への燃料ガス流量相当分減少した流量に正確に保持することにより、過給機７で高温、高圧に圧縮後における爆発を回避しつつ、ガスコンプレッサ１８の動力を抑制し、所要のエンジン出力を得ることができることに加えて、
季節の変化等によって過給機７の吸入空気温度が変化し、それによって該過給機７が吸い込む空気量が変化してエンジン１への混合気量が変化する場合でも、空燃比コントローラ２３により排気バイパス弁１２の開度を制御することによって、エンジン１の各シリンダに供給される混合気の空気過剰率をほぼ一定に保持して該エンジン１を運転することが可能となる。

本発明によれば、燃料ガスを過給機入口空気と混合しこの混合気を過給機に供給する燃料ガス供給系と燃料ガスをシリンダ毎の給気通路内に供給する燃料ガス供給系とを併設したガスエンジンにおいて、過給機出口での燃料ガスの爆発の可能性を皆無にできるとともに、低カロリーガス（発熱量の低いガス）燃料を用いる場合においてもシリンダ毎の給気通路への燃料ガス圧縮用のガスコンプレッサの動力を低減できて該ガスコンプレッサを小型小容量化したガスエンジンを提供できる。

本発明の実施例に係るガスエンジンのガスエンジンのガス供給装置の全体構成図である。 前記実施例におけるガス量コントローラの制御ブロック図である。 前記実施例における空燃比コントローラの制御ブロック図である。 燃料ガスの可燃下限界ガス濃度の説明図である。

符号の説明

１ エンジン（ガスエンジン）
２ 給気管
３ 給気枝管
６ 排気集合管
７ 過給機
７ａ 排気タービン
７ｂ コンプレッサ
１１ 排気バイパス管
１２ 排気バイパス弁
１０ａ 過給機入口空気通路
１３ 発電機
０１３ 負荷検出器
１５ 回転数センサ
１６ 給気温度センサ
１７ 給気圧力センサ
１８ ガスコンプレッサ
１９ 過給機側ガス量調整弁
２０ シリンダ側ガス量調整弁
２１ ガス供給管
２２ ガス量コントローラ
２３ 空燃比コントローラ
２４ 回転数コントローラ
０２１ 燃料ガス流量計
２１１ 過給機側ガス供給管
２１２ シリンダ側ガス供給管

Claims (7)

1. 排気ターボ過給機を備え、燃料ガス通路を通して供給される燃料ガスと空気とを混合し、この混合気をシリンダ内に供給して着火燃焼せしめるガスエンジンのガス供給装置において、前記燃料ガス通路を、前記過給機の空気入口に接続される過給機側ガス供給通路と、過給機後流の給気通路に接続され前記燃料ガスを圧縮するガスコンプレッサが介装されたシリンダ側ガス供給通路とに分岐し、前記過給機側ガス供給通路を通流する燃料ガスを過給機入口空気と混合しこの混合気を過給機に供給するとともに、前記シリンダ側ガス供給通路を通流する燃料ガスを前記過給機後流の給気通路内の給気と混合しこの混合気をエンジンの各シリンダに供給するように構成し、前記過給機側ガス供給通路には該過給機側ガス供給通路のガス流量を調整する過給機側ガス量調整弁を設け、前記シリンダ側ガス供給通路にはシリンダ側ガス供給通路のガス流量を調整するシリンダ側ガス量調整弁を設け、さらに前記過給機側ガス量調整弁の開度を制御して、前記過給機側ガス供給通路への燃料ガス量を、前記過給機に供給する混合気中の燃料ガス濃度が可燃下限界ガス濃度以下に保持されるように調整するガス量コントローラを設けたことを特徴とするガスエンジンのガス供給装置。
2. 排気ターボ過給機を備え、燃料ガス通路を通して供給される燃料ガスと空気とを混合し、この混合気をシリンダ内に供給して着火燃焼せしめるガスエンジンのガス供給装置において、前記燃料ガス通路を、前記過給機の空気入口に接続される過給機側ガス供給通路と、シリンダ毎の給気通路に接続され前記燃料ガスを圧縮するガスコンプレッサが介装されたシリンダ側ガス供給通路とに分岐し、前記過給機側ガス供給通路を通流する燃料ガスを過給機入口空気と混合しこの混合気を過給機に供給するとともに、前記シリンダ側ガス供給通路を通流する燃料ガスを前記シリンダ毎の給気通路内の給気と混合しこの混合気をエンジンの各シリンダに供給するように構成し、前記過給機側ガス供給通路には該過給機側ガス供給通路のガス流量を調整する過給機側ガス量調整弁を設け、前記シリンダ側ガス供給通路には各シリンダ側ガス供給通路のガス流量を調整するシリンダ側ガス量調整弁をシリンダ毎に設け、さらに前記過給機側ガス量調整弁の開度を制御して、前記過給機側ガス供給通路への燃料ガス量を、前記過給機に供給する混合気中の燃料ガス濃度が可燃下限界ガス濃度以下に保持されるように調整するガス量コントローラを設けたことを特徴とするガスエンジンのガス供給装置。
3. 前記エンジンの給気圧力を検出する給気圧力センサと、前記エンジンの給気温度を検出する給気温度センサと、前記過給機側ガス供給通路を通流する燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量計とをそなえるとともに、前記ガス量コントローラは、前記給気圧力センサからの給気圧力検出値、前記給気温度センサからの給気温度検出値、及び燃料ガス流量計からの燃料ガス流量の検出値に基づいて前記過給機に供給する混合気中の燃料ガス濃度を算出し、該燃料ガス濃度の算出値と前記可燃下限界ガス濃度の設定値とを比較し、該燃料ガス濃度が可燃下限界ガス濃度設定値以下になるような前記過給機側ガス量調整弁の開度を算出して該過給機側ガス量調整弁を前記開度に制御するように構成されてなることを特徴とする請求項１又は２の何れかの項に記載のガスエンジンのガス供給装置。
4. 前記燃料ガスは炭鉱メタンガスにて構成され、前記ガス量コントローラは、前記混合気中のメタンガス濃度を可燃下限界ガス濃度である５％以下に保持するように前記過給機側ガス量調整弁の開度を制御するように構成されたことを特徴とする請求項１又は２の何れかの項に記載のガスエンジンのガス供給装置。
5. 前記排気ターボ過給機の排気タービンをバイパスして排気出口管に接続される排気バイパス通路と、該排気バイパス通路を開閉する排気バイパス弁をそなえるとともに、前記エンジンへの混合気量が目標混合気量になるように前記排気バイパス弁の開度を制御する空燃比コントローラをそなえてなることを特徴とする請求項１又は２の何れかの項に記載のガスエンジンのガス供給装置。
6. 請求項１乃至５の何れかの項に記載のガス供給装置を備えることを特徴とするガスエンジン。
7. 燃料ガス通路を通して供給される燃料ガスと空気とを混合し、この混合気をシリンダ内に供給して着火燃焼せしめるガスエンジンの運転方法において、前記燃料ガスの一部を過給機の空気入口に接続される過給機側ガス供給通路を通して過給機入口空気と混合しこの混合気を過給機に供給するとともに、前記燃料ガスの残分をシリンダ毎の給気通路に接続され前記燃料ガスを圧縮するガスコンプレッサが介装されたシリンダ側ガス供給通路を通してシリンダ毎の給気通路内の給気と混合しこの混合気をエンジンの各シリンダに供給し、
   前記過給機側ガス供給通路に設けた過給機側ガス量調整弁の開度を制御して、前記過給機側ガス供給通路への燃料ガス量を、前記過給機に供給する混合気中の燃料ガス濃度が可燃下限界ガス濃度以下に保持されるように調整することを特徴とするガスエンジンの運転方法。
   

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