JP2010127129A - ガスエンジンの燃料ガス供給装置とそのタール析出防止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気マニホールド内に適量の燃料ガスを供給することができ、かつ燃料ガスがタールを含む場合でもタールの析出を防止し、作動不良を確実に防止することができるガスエンジンの燃料ガス供給装置とそのタール析出防止方法を提供する。
【解決手段】ガスエンジンの吸気マニホールド１２に設けられその内部に燃料ガス３を供給する燃料ガス供給弁２２と、その内部をタールの露点よりも高い所定の温度に加熱し保持する加熱保持装置３０とを備える。加熱保持装置３０は、燃料ガス供給弁２２の内部温度を検出する温度センサ３２と、燃料ガス供給弁の内部にタールの露点よりも高温のガス４（例えば高温蒸気又は高温空気）を供給する高温ガス供給弁３４と、高温ガス供給弁を作動させて燃料ガス供給弁の内部をタールの露点よりも高い所定の温度に加熱し保持する弁制御器３６とからなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、タールを含む可燃ガスを燃料とするガスエンジンの燃料ガス供給装置とそのタール析出防止方法に関する。

ガスエンジンとは、燃料として可燃性のガスを用いる往復動エンジンをいう。かかるガスエンジンは、通常のディーゼルエンジンや火花点火エンジンと同様に、吸気、圧縮、爆発、排気の４工程を繰り返す４サイクルエンジンである。
しかし、燃料ガスとしてバイオマス原料を熱分解して得た熱分解ガスなど、タールを含む可燃ガスを用いる場合には、通常、主燃焼室の他に予燃焼室を備え、爆発工程において、予燃焼室にパイロット油を噴射して燃焼させ、その燃焼火炎が主燃焼室に噴出して、主燃焼室内の燃料ガスを着火する予燃焼室式（又は副燃焼室式）が採用される。

上述したガスエンジンに関し、例えば特許文献１〜３が既に提案されている。

特許文献１は、ＮＯｘを副燃焼室で十分に低減することを目的とする。
そのため、このガスエンジンは、図４に示すように、外部より供給された希薄ガスを燃焼して駆動出力を得るようシリンダ５３内に形成された主燃焼室５６と、主燃焼室５６に連通してパイロット燃料Ｐの燃焼ガスにより着火を起こす副燃焼室５８と、副燃焼室５８に水を噴霧し得る水噴射手段５４とを備える。これにより、パイロット燃料Ｐの噴射により圧力で着火させる際には、水噴射手段５４で水を噴霧することによって、強力な着火を維持すると同時に副燃焼室５８の燃焼温度を下げ、結果的に、燃焼温度の上昇で発生するＮＯｘを副燃焼室５８において低減するものである。
なお、この図において、５５はピストン、５９は吸気弁、５１は排気弁である。

特許文献２は、副室の熱による作動不良や熱疲労破壊の発生を防止して副室の掃気を確実行うことを目的とする。
そのため、このパイロット着火式ガスエンジンは、図５に示すように、給気通路６６から分岐されて副室６５に連通され給気通路内の給気の一部を副室内に供給する掃気通路６２を設けるとともに、該掃気通路６２に給気通路側から副室側に向かう給気の流れを許容し副室側から給気通路側に向かうガスを遮断する逆止弁６３を設け、前記掃気通路を通した給気の一部により副室内の掃気を行うようにしたものである。
なおこの図において、６１はガス噴射弁、６４は主燃焼室である。

特許文献３は、ガスエンジン用の主止弁の交換作業を容易にすることを目的とする。
そのため、図６に示すように、燃料容器とレギュレータとを接続する高圧配管に介装される主止弁７０には、そのケーシング７１の下面であってメイン弁７２の先端部を臨む位置に、内周に雌螺子を有する固定孔７３が形成され、外周に雄螺子が形成されたボルト，止め螺子などのプラグ７４が着脱可能に固定される。そして、主止弁７０を交換するときには、ケーシング７１に固定されたプラグ７４を取り外し、スプリング７５の付勢力に抗してメイン弁７２又はパイロット弁７６を開弁方向に強制的に移動させて燃料通路７７を開通させるべく、先端部でメイン弁７２又はパイロット弁７６を押し上げるボルトをねじ込む。そして、燃料通路７７を開通させることで、高圧配管内に残存するガス燃料の圧力が低下するため、これを取り外すときに振れ動くことがなく、その交換作業を容易にしたものである。

特開２００４−２５１１９４号公報、「ガスエンジン」 特開２００６−１３２４７８号公報、「副室掃気装置を備えたパイロット着火式ガスエンジン」 特開２００８−１２１４４６号公報、「ガスエンジンの燃料供給装置」

従来、上述した従来のガスエンジンの燃料供給装置として、吸気マニホールドの途中に燃料ガス供給弁を設け、この燃料ガス供給弁から吸気マニホールド内に燃料ガスを供給していた。この場合、燃料ガス供給弁は、電磁開閉弁であり、吸気弁の開閉に同期させて燃焼用空気中に最適量の燃料ガスを混入させている。
また、発電用のガスエンジンの場合、出力が例えば２０００ｋＷ〜５０００ｋＷに達するため、吸気マニホールド毎に設ける燃料ガス供給弁も大型となり、かつ低圧損であるために、燃料ガス供給弁の開口面積が大きく、シール面も大きくなる。

しかし、上述した従来のガスエンジンの燃料供給装置において、燃料ガスが、バイオマス原料を熱分解して得た熱分解ガスなどタールを含む場合に、タールが燃料ガス供給弁の弁座やシール面に析出し、燃料ガス供給弁がスティックして作動不良が生じることがあった。また、この作動不良を放置すると、燃料ガス供給弁が完全にスティックして動かなくなるおそれがあった。
そのため、このような場合、その都度エンジンを停止し、燃料ガス供給弁を分解、清掃してタールを除去する必要があり、頻繁にエンジンを停止させなければならず、かつ分解・清掃に手間がかかる問題点があった。
特に、ガスエンジンを発電用等に用いる場合には、ガスエンジンの信頼性が低下する問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、吸気マニホールド内に適量の燃料ガスを供給することができ、かつ燃料ガスがタールを含む場合でもタールの析出を防止し、作動不良を確実に防止することができるガスエンジンの燃料ガス供給装置とそのタール析出防止方法を提供することにある。

本発明によれば、ガスエンジンの吸気マニホールドに設けられその内部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給弁と、
該燃料ガス供給弁の内部をタールの露点よりも高い所定の温度に加熱し保持する加熱保持装置と、を備えたことを特徴とするガスエンジンの燃料ガス供給装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記加熱保持装置は、燃料ガス供給弁の内部温度を検出する温度センサと、燃料ガス供給弁の内部にタールの露点よりも高温の蒸気又は空気を供給する高温ガス供給弁と、該高温ガス供給弁を作動させて燃料ガス供給弁の内部をタールの露点よりも高い所定の温度に加熱し保持する弁制御器とからなる。

また別の好ましい実施形態によれば、前記加熱保持装置は、燃料ガス供給弁の内部温度を検出する温度センサと、燃料ガス供給弁に供給する燃料ガスをタールの露点よりも高い所定の温度に間接加熱する熱交換器と、該熱交換器に高温のガスを供給する高温ガス供給弁と、該高温ガス供給弁を作動させて燃料ガス供給弁の内部をタールの露点よりも高い所定の温度に加熱し保持する弁制御器とからなる。

また、本発明によれば、ガスエンジンの吸気マニホールドに設けられその内部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給弁の内部に、タールの露点よりも高温のガスを供給し、燃料ガス供給弁の内部をタールの露点よりも高い所定の温度に加熱し保持する、ことを特徴とするガスエンジンの燃料ガス供給装置のタール析出防止方法が提供される。

さらに、本発明によれば、ガスエンジンの吸気マニホールドに設けられその内部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給弁に供給する燃料ガスをタールの露点よりも高い所定の温度に間接加熱し、燃料ガス供給弁の内部をタールの露点よりも高い所定の温度に加熱し保持する、ことを特徴とするガスエンジンの燃料ガス供給装置のタール析出防止方法が提供される。

上記本発明の装置と方法によれば、ガスエンジンの吸気マニホールドに燃料ガス供給弁が隣接して設けられ、この燃料ガス供給弁は吸気マニホールドの内部に燃料ガスを供給するので、吸気マニホールド内に適量の燃料ガスを供給することができる。

また、加熱保持装置を備え、この加熱保持装置により、燃料ガス供給弁の内部に、タールの露点よりも高温のガス（例えば高温蒸気又は高温空気）を供給し、或いは、燃料ガス供給弁に供給する燃料ガスをタールの露点よりも高い所定の温度に間接加熱するので、燃料ガス供給弁の内部をタールの露点よりも高い所定の温度に加熱し保持することができる。従って、燃料ガスがタールを含む場合でも、タールの析出が防止されるのでタールが内部（弁座やシール面）に付着しなくなり、作動不良を確実に防止することができ、メンテナンス期間を飛躍的に延ばすことができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明の燃料ガス供給装置を備えたガスエンジンの構成図である。
この図において、ガスエンジン１０は、予燃焼室式ガスエンジンであり、ピストン１１、吸気マニホールド１２、排気マニホールド１３、吸気弁１４、排気弁１５、主燃焼室１６、および予燃焼室１７を備え、爆発工程において、予燃焼室１７にパイロット油１を噴射して燃焼させ、その燃焼火炎２が主燃焼室１６に噴出して、主燃焼室１６内の燃料ガス３を着火するようになっている。
なお、本発明において、ガスエンジン１０は予燃焼室式ガスエンジンに限定されず、その他のガスエンジン（例えば、火花点火式ガスエンジン）であってもよい。

図１において、本発明による燃料ガス供給装置２０は、ガスエンジン１０の吸気マニホールド１２の途中に隣接して設けられ、吸気マニホールド１２内に燃料ガス３を供給するようになっている。

なお、本発明において、燃料ガス３は、バイオマス原料を熱分解して得た熱分解ガスなど、タールを含む可燃ガスを対象としている。このタールは、例えば、フルフラール、ｏ−メトキシフェノール、フェノールなどを主成分とする。
これらのタールの露点は、例えば５０〜６０℃の範囲内である。

図２は、本発明による燃料ガス供給装置の第１実施形態図である。
この図において、本発明の燃料ガス供給装置２０は、燃料ガス供給弁２２と加熱保持装置３０を備える。

燃料ガス供給弁２２は、弁本体２３、弁座２４、弁２５、および電磁ソレノイド２６からなる。

弁本体２３は、ガス入口２３ａとガス出口２３ｂが内部で連通した密閉容器であり、ガス入口２３ａに連結された燃料ガス供給管４２から燃料ガス３を内部に導入し、ガス出口２３ｂに連結されたガスノズル４４から吸気マニホールド１２内に燃料ガス３を噴射するようになっている。

弁座２４は、弁本体２３のガス出口２３ｂの近傍に外縁が気密にシールされた平板状部材であり、その面内に複数の貫通穴２４ａを有する。この貫通穴２４ａは、例えば円形又は同心溝であり、この穴を通してガス入口２３ａ側からガス出口２３ｂ側に燃料ガス３を低圧損で流すようになっている。

弁２５は、弁座２４の貫通穴２４ａを閉鎖するガスシール２５ａを下面に備え、その上下動により、弁座２４の貫通穴２４ａを開閉するようになっている。また、弁２５は、その上面に取り付けられ、軸方向上方に延びるムービングロッド２５ｂを有する。

電磁ソレノイド２６は、弁２５のムービングロッド２５ｂを囲み、通電のＯＮ／ＯＦＦにより、ムービングロッド２５ｂを上下動させるようになっている。また、この例において、電磁ソレノイド２６は、弁本体２３の内部空間に内壁から間隔を隔てて固定されており、ガス入口２３ａからガス出口２３ｂまで、燃料ガス３を低圧損で流せるようになっている。

上述した燃料ガス供給弁２２により、ガスエンジン１０の吸気弁１４の開閉に同期して、電磁ソレノイド２６のＯＮ／ＯＦＦにより、弁座２４の貫通穴２４ａを開閉し、吸気マニホールド１２内に燃料ガス３を供給することができる。
なお、この同期は必須ではなく、例えば位相をずらしてもよい。

図２において、加熱保持装置３０は、温度センサ３２、高温ガス供給弁３４、および弁制御器３６を有する。

温度センサ３２は、例えば熱電対であり、弁本体２３に取り付けられ、燃料ガス供給弁２２の内部温度を検出し、検出信号は、弁制御器３６に入力される。なお、温度センサ３２を他の場所（例えば、吸気マニホールド１２）に取り付けてもよく、或いは別の温度センサ（例えば、ガスエンジン１０に設けられたセンサ）を代用してもよい。

高温ガス供給弁３４は、例えば電磁流量調節弁又は電磁開閉弁であり、燃料ガス供給弁２２の内部にタールの露点よりも高い高温ガス４を供給する。高温ガス４は、例えば高温蒸気又は高温空気である。また高温ガス４の温度は、燃料ガス供給弁２２の内部において、断熱膨張により温度が低下しても、タールの露点（例えば、５０〜６０℃）よりも高く、かつ燃料ガス供給弁２２を構成する各部品（例えば、ガスシール２５ａ）の耐熱温度（例えば１００℃）よりも低く設定するのがよい。

弁制御器３６は、温度センサ３２の検出信号に応じて、高温ガス供給弁３４を作動させ、燃料ガス供給弁２２の内部をタールの露点よりも高い所定の温度（例えば、６０〜７０℃）に加熱し保持する。

上述した燃料ガス供給装置２０を用い、本発明のタール析出防止方法は、ガスエンジン１０の吸気マニホールド１２の途中に隣接して設けられ、ガスエンジン１０の吸気弁１４の開閉に同期して開閉し、吸気マニホールド１２内に燃料ガス３を供給する燃料ガス供給弁２２の内部に、タールの露点よりも高温のガス４（蒸気又は空気）を供給し、燃料ガス供給弁２２の内部をタールの露点よりも高い所定の温度（例えば、６０〜７０℃）に加熱し保持する。

上述した本発明の装置と方法によれば、ガスエンジン１０の吸気マニホールド１２の途中に燃料ガス供給弁２２が隣接して設けられ、この燃料ガス供給弁２２はガスエンジン１０の吸気弁１４の開閉に同期して開閉し、吸気マニホールド１２内に燃料ガス３を供給するので、吸気マニホールド１２内に適量の燃料ガス３を吸気弁１４の開閉に同期させて供給することができる。

また、加熱保持装置３０を備え、この加熱保持装置３０により、燃料ガス供給弁２２の内部に、タールの露点よりも高温のガス４（蒸気又は空気）を供給するので、燃料ガス供給弁２２の内部をタールの露点よりも高い所定の温度（例えば、６０〜７０℃）に加熱し保持することができる。従って、燃料ガス３がタールを含む場合でも、タールの析出が防止されるのでタールが内部（弁座やシール面）に付着しなくなり、作動不良を確実に防止することができ、メンテナンス期間を飛躍的に延ばすことができる。

図３は、本発明による燃料ガス供給装置の第２実施形態図である。
この例において、本発明の燃料ガス供給装置３０は、さらに、燃料ガス供給弁２２に供給する燃料ガス３をタールの露点よりも高い所定の温度に間接加熱する熱交換器３８を備える。熱交換器３８は、この例では、燃料ガス供給管４２の内部を通る伝熱管であるが、燃料ガス供給管４２の回りに伝熱管を巻き付けてもよい。また、燃料ガス供給管４２の上流に別個に熱交換器３８を設けてもよい。
また、この例では高温ガス供給弁３４は、熱交換器３８に高温のガス（高温蒸気、高温空気又は排気ガス）を供給するようになっている。
その他の構成は、図２と同様である。

上述した燃料ガス供給装置２０を用い、本発明のタール析出防止方法は、ガスエンジン１０の吸気マニホールド１２の途中に隣接して設けられ、ガスエンジン１０の吸気弁１４の開閉に同期して開閉し、吸気マニホールド１２内に燃料ガス３を供給する燃料ガス供給弁２２に供給する燃料ガス３をタールの露点よりも高い所定の温度に間接加熱し、燃料ガス供給弁２２の内部をタールの露点よりも高い所定の温度（例えば、６０〜７０℃）に加熱し保持する。

上述した本発明の装置と方法によれば、この加熱保持装置３０により、燃料ガス供給弁２２に供給する燃料ガス３をタールの露点よりも高い所定の温度に間接加熱するので、燃料ガス供給弁の内部をタールの露点よりも高い所定の温度に加熱し保持することができる。従って、燃料ガスがタールを含む場合でも、タールの析出が防止されるのでタールが内部（弁座やシール面）に付着しなくなり、作動不良を確実に防止することができ、メンテナンス期間を飛躍的に延ばすことができる。
その他の効果は、第１実施形態と同様である。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

本発明の燃料ガス供給装置を備えたガスエンジンの構成図である。 本発明による燃料ガス供給装置の第１実施形態図である。 本発明による燃料ガス供給装置の第２実施形態図である。 特許文献１のガスエンジンの構成図である。 特許文献２のガスエンジンの構成図である。 特許文献３のガスエンジン用主止弁の構成図である。

符号の説明

１ パイロット油、２ 燃焼火炎、
３ 燃料ガス、４ 高温ガス（高温蒸気、高温空気、排気ガス）、
１０ ガスエンジン、１１ ピストン、
１２ 吸気マニホールド、１３ 排気マニホールド、
１４ 吸気弁、１５ 排気弁、１６ 主燃焼室、１７ 予燃焼室、
２０ 燃料ガス供給装置、２２ 燃料ガス供給弁、
２３ 弁本体、２３ａ ガス入口、２３ｂ ガス出口、
２４ 弁座、２４ａ 貫通穴、
２５ 弁、２５ａ ガスシール、２５ｂ ムービングロッド、
２６ 電磁ソレノイド、３０ 加熱保持装置、
３２ 温度センサ、３４ 高温ガス供給弁、
３６ 弁制御器、４２ 燃料ガス供給管、４４ ガスノズル

Claims (5)

1. ガスエンジンの吸気マニホールドに設けられその内部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給弁と、
   該燃料ガス供給弁の内部をタールの露点よりも高い所定の温度に加熱し保持する加熱保持装置と、を備えたことを特徴とするガスエンジンの燃料ガス供給装置。
2. 前記加熱保持装置は、燃料ガス供給弁の内部温度を検出する温度センサと、燃料ガス供給弁の内部にタールの露点よりも高温のガスを供給する高温ガス供給弁と、該高温ガス供給弁を作動させて燃料ガス供給弁の内部をタールの露点よりも高い所定の温度に加熱し保持する弁制御器とからなる、ことを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの燃料ガス供給装置。
3. 前記加熱保持装置は、燃料ガス供給弁の内部温度を検出する温度センサと、燃料ガス供給弁に供給する燃料ガスをタールの露点よりも高い所定の温度に間接加熱する熱交換器と、該熱交換器に高温のガスを供給する高温ガス供給弁と、該高温ガス供給弁を作動させて燃料ガス供給弁の内部をタールの露点よりも高い所定の温度に加熱し保持する弁制御器とからなる、ことを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの燃料ガス供給装置。
4. ガスエンジンの吸気マニホールドに設けられその内部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給弁の内部に、タールの露点よりも高温のガスを供給し、燃料ガス供給弁の内部をタールの露点よりも高い所定の温度に加熱し保持する、ことを特徴とする燃料ガス供給装置のタール析出防止方法。
5. ガスエンジンの吸気マニホールドに設けられその内部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給弁に供給する燃料ガスをタールの露点よりも高い所定の温度に間接加熱し、燃料ガス供給弁の内部をタールの露点よりも高い所定の温度に加熱し保持する、ことを特徴とする燃料ガス供給装置のタール析出防止方法。

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