JP6116251B2 - ガスエンジンの排気装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスエンジンの排気装置に関し、特に、ガスエンジンから排出される未燃ガスが排気通路に残留することを防止するガスエンジンの排気装置に関する。

定置式の発電用のガスエンジンにおいては、予混合希薄燃焼ガスエンジンが用いられており、この予混合希薄燃焼ガスエンジンにおいては、副室内に充填された燃料ガスに着火装置により着火して生成したトーチ火炎を主燃焼室内の希薄混合ガス中に噴出させるトーチ着火方式が用いられている。
トーチ着火方式には、副室に装着した点火プラグによって該副室内の燃料ガスを着火し、このトーチ火炎を主燃焼室内の希薄混合気ガス中に噴出せしめて主燃焼させる点火プラグ着火方式と、副室に装着したパイロット燃料噴射弁によって該副室内の燃料ガス中にパイロット燃料を噴射して着火し、このトーチ火炎を主燃焼室内の希薄混合気ガス中に噴出せしめて主燃焼させるパイロット燃料噴射着火方式と、が知られている。

図８に、一般的な点火プラグ着火方式の全体構成を示す。
ガスエンジン１００は、シリンダ１０２ａ内に往復摺動自在に嵌合されたピストン１０２、前記ピストン１０２の上面とシリンダ１０２ａの内面との間に区画形成される主燃焼室１０１、該主燃焼室１０１に接続される吸気ポート１０３、該吸気ポート１０３を開閉する吸気弁１０４、主燃焼室１０１での燃焼後の排ガスを排出する排気ポート１１２、該排気ポート１１２を開閉する排気弁１１３、シリンダヘッド１０６等を備えている。

前記吸気ポート１０３の上流には、ガスミキサー１１０が設置され、燃料ガス管１０９を通して供給された燃料ガスと、空気とを該ガスミキサー１１０で予混合する。そして、この予混合した希薄混合気は吸気ポート１０３を経て吸気弁１０４に達し、該吸気弁１０４の開弁によって前記主燃焼室１０１に供給される。ガス開閉弁１１１で、前記燃料ガス管１０９を流れるガス量が調整可能に構成されている。

また、副室１１６が形成されるノズルホルダー１１７の内部には点火プラグ１１８が設置されている。ノズルホルダー１１７にはガス燃料入口管１１９が接続されて該ガス燃料入口管１１９から燃料ガスが副室１１６に流入される。
そして、圧縮行程時にガス燃料入口管１１９から副室１１６内に導入された燃料ガスが点火プラグ１１８によって着火燃焼されてこの燃焼により発生した着火火炎が、副室噴孔１２０を通して主燃焼室１０１内に噴出させて該主燃焼室１０１の予混合の希薄混合気を燃焼させるようになっている。

一方、このような予混合希薄燃焼ガスエンジン、特に、副室１１６に装着した点火プラグ１１８によって該副室１１６内の燃料ガスを着火し、このトーチ火炎を主燃焼室内の希薄混合気ガス中に噴出せしめて主燃焼させる点火プラグ着火方式においては、点火プラグの点火タイミング、副室内の燃料ガス濃度、副室内への燃料ガスの噴射タイミング等の関係で起動失敗や失火トリップが生じやすい。この場合に、副室内に供給された燃料ガスは、着火されずに主燃焼室１０１に供給された予混合の希薄混合気とともに、排気ポート１１２に排出される。
その結果、排気通路に未燃ガスとして残り、特に、排気通路に過給機を備える排気装置では、過給機の上流側に多量の未燃ガスが残るおそれがある。

ガスエンジンの未燃燃料ガスの残存を防止する技術としては、特許文献１（特開平８−１３５５１０号公報）が知られているが、この技術はエンジン停止時に残存燃料ガスを活性状態にある触媒上流に導入して、燃焼、清浄化して、吸気系への放散を防止するものであり、吸気系における技術である。

排気系における技術としては、特許文献２（特開２００３−１６１１４６号公報）を挙げることができる。この文献には、無負荷運転時に排ガス処理装置内での排ガスの温度上昇を抑えて排ガス処理触媒の機能低下を防止するものであり、無負荷運転時に排気管内に空気が導入されてガスエンジンの排ガス中の未燃ガスの濃度が低下される共に、排ガス温度が低下されて、排ガス処理装置内で、未燃ガス中のＣＯ、メタン等の酸化反応が起こらず、排ガス処理触媒が損傷して機能低下することが防止されることが開示されている。

特開平８−１３５５１０号公報 特開２００３−１６１１４６号公報

ガスエンジンにおいては、排気通路内に起動失敗時やエンジン失火による停止時に、エンジンンから排出される未燃の燃料ガスが溜まり再始動時に異常燃焼が生じる懸念があり有効に且つ効果的に除去する必要がある。特に、過給機の上流側の排気管内には未燃の燃料ガスが溜まり易く残留防止が課題となっている。
前記特許文献１は触媒を利用した未燃ガスの処理であり、特許文献２は排気ガス濃度を空気で希釈化するものであるが、過給機付きガスエンジンの排気パージについては開示していない。

そこで、本発明は、従来のガスエンジンが有する上記課題に鑑みてなされたものであり、過給機が装着された排気集合管を含む排気通路内において未燃ガスの残留を防止できるガスエンジンの排気装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため本発明は、ガスエンジンの複数の燃焼室からの排気ガスを集合して単一の排気流路を形成する排気集合管と、該排気集合管の下流端部に取り付けられた過給機と、前記排気集合管の上流端部に取り付けられて排気集合管内に残留する未燃ガスを除去するように圧縮空気を供給するパージ空気投入口と、該パージ空気投入口に連結するパージ通路を開閉するパージ弁と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、排気集合管内の上流端部から圧縮空気が供給されるので、排気集合管内に残留する未燃ガスを確実に、過給機側に押し出して排出できる。これによって、過給機の上流側の排気集合管内および過給機の下流側の排気通路内における未燃ガスの残留を防止できる。

また、本発明において好ましくは、前記パージ空気投入口には二又に分岐した分岐管が接続され、一方の分岐部に前記排気集合管内が異常圧力になった時に大気開放するリリース通路が接続され、他方の分岐部に前記パージ通路が接続されとよい。

この構成によれば、リリース通路とパージ通路とを互いにそれぞれ別個独立に排気集合管に取り付けるよりも簡単な構成となり、取付け作業が容易となる。

また、本発明において好ましくは、前記パージ弁は、前記ガスエンジンの運転終了時点または起動時に自動的に一定時間開放されるように前記パージ弁の開閉を制御するコントローラを備えるとよい。

このように、コントローラによってパージ弁の開閉制御を行い、エンジンの停止に伴って、自動的に一定期間（例えば、５分間）、パージ弁を開弁して圧縮空気を供給する。これによって、起動失敗や失火トリップが生じた場合であっても燃料ガスは排気集合管内には溜まらず過給機の下流側に押し出されて大気へと自動的に排出されるため、再起動時に未燃ガスが排気集合管内や排気通路内で異常燃焼を生じることを防止できる。

また、本発明において好ましくは、前記コントローラは、前記パージ弁の開作動と同時に、前記過給機のバイパス通路を開くとよい。

このように、過給機のバイパス通路をパージ弁の開作動と同時に開くことによって、排気集合管の上流端部から流入した圧縮空気は、バイパス通路を通っては過給機の下流側に排出されるため、残留する未燃ガスの排出をより効果的に行うことができる。

また、本発明において好ましくは、前記圧縮空気はガスエンジン起動時に行われるエアラン運転用の圧縮空気の一部を用いるとよい。

定置式の発電用のガスエンジンにおいては、始動時に所定回転数に上昇するまで圧縮空気を各シリンダの着火順に従って、シリンダ内にピストンを押し下げるように供給して回転させる、所謂エアラン運転を行うため、その際に使用する圧縮空気の発生装置（コンプレッサ）及び貯蔵装置（タンク）の設備を備えている。従って、このエアラン運転用の圧縮空気を用いることで、特別に圧縮空気の供給装置を設ける必要がないため、パージ用の圧縮空気を簡単確実に得ることができ、排気装置を大型化せずに構成できる。

また、本発明において好ましくは、前記排気集合管は前記ガスエンジンの上部に長手方向に沿って設けられ下流端部に前記過給機のタービン部が上流端部に前記パージ空気投入口が設けられているとよい。

このように構成することによって、排気集合管の上流端部から下流端部に向けて直線的に圧縮空気を供給することができるため、流路抵抗がなく、効率的に未燃ガスを押し出すことができため、効率よく未燃ガスの滞留を防止できる。

以上説明したように本発明によれば、排気集合管の上流端部から圧縮空気を供給することによって、エンジンと過給機との間の排気集合管内に未燃ガスが滞留することを防止できる。

本発明のガスエンジンの排気装置の第１実施形態を示し、全体構成を示す側面図である。 図１のガスエンジンの詳細側面図である。 第１実施形態のコントローラの制御フローチャートである。 第２実施形態を示し、全体構成を示す側面図である。 第２実施形態の分岐管の部分を示す説明図である。 第３実施形態を示し、全体構成を示す側面図である。 第３実施形態のコントローラの制御フローチャートであり、図３との変更箇所を示す。 ガスエンジンの燃焼室周りの構造を示す一部断面説明図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。ただし、この実施形態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の記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明にすぎない。

（第１実施形態）
図１及び図２に示すように、基台１１上には発電機１２を駆動する発電用のガスエンジン２１が設置されている。
ガスエンジン２１の燃焼室周りの構造は、図８に示す。
ガスエンジン１００は、シリンダ１０２ａ内に往復摺動自在に嵌合されたピストン１０２、前記ピストン１０２の上面とシリンダ１０２ａの内面との間に区画形成される主燃焼室１０１、該主燃焼室１０１に接続される吸気ポート１０３、該吸気ポート１０３を開閉する吸気弁１０４、主燃焼室１０１での燃焼後の排ガスを排出する排気ポート１１２、該排気ポート１１２を開閉する排気弁１１３、シリンダヘッド１０６等を備えている。

前記吸気ポート１０３の上流には、ガスミキサー１１０が設置され、燃料ガス管１０９を通して供給された燃料ガスと、空気とを該ガスミキサー１１０で予混合する。そして、この予混合した希薄混合気は吸気ポート１０３を経て吸気弁１０４に達し、該吸気弁１０４の開弁によって前記主燃焼室１０１に供給される。ガス開閉弁１１１で、前記燃料ガス管１０９を流れるガス量が調整可能に構成されている。

また、副室１１６が形成されるノズルホルダー１１７の内部には点火プラグ１１８が設置されている。ノズルホルダー１１７にはガス燃料入口管１１９が接続されて該ガス燃料入口管１１９から燃料ガスが副室１１６に流入される。
そして、圧縮行程時にガス燃料入口管１１９から副室１１６内に導入された燃料ガスが点火プラグ１１８によって着火燃焼されてこの燃焼により発生した着火火炎が、副室噴孔１２０を通して主燃焼室１０１内に噴出させて該主燃焼室１０１の予混合の希薄混合気を燃焼させるようになっている。

次に、吸気系、排気系の構造について説明する。
図１に示すように、ガスエンジン２１の吸気側には吸気通路２３が設けられて、過給機２５のコンプレッサ部２５ａに連結されている。
コンプレッサ部２５ａによって過給された空気は、過給機２５に並設された空気冷却器２７を通って、給気管２９に供給される。給気管２９の入口部分には、燃料となるガス燃料が供給されてガスミキサー１１０によって、過給された空気と混合して希薄混合気を生成するようになっている。給気管２９はガスエンジン２１の長手方向に沿って配置されて、各シリンダの部分で分岐されて各燃焼室に供給されるようになっている。

また、排気側は、各燃焼室に連通した排気ポート１１２から排出された排ガスは、単一の排気流路を形成する排気集合管３１に流れて集合する。
この排気集合管３１は、前記ガスエンジン２１の上部にガスエンジン２１の長手方向に沿って設けられ下流端部に前記過給機２５のタービン部２５ｂが、上流端部にパージ用の圧縮空気を供給するパージ空気投入口３３が設けられている。

排気集合管３１の上流端部から下流端部の過給機２５のタービン部２５ｂまで直線状に形成され、上流端面にパージ空気投入口３３が設けられ、過給機２５のタービン部２５ｂとパージ空気投入口３３とは対向して設けられ、該パージ空気投入口３３から下流方向に向かって噴出された圧縮空気は流路抵抗がなく、未燃ガスを効率よく過給機２５の下流側に押し出すことができる。

過給機２５のタービン部２５ｂの出口側には、排気通路３５が接続されて、タービン部２５ｂを通過した排ガスを下流側の消音機３７に導くようになっている。
さらに、消音機３７を通過した排ガスは、図示しない更なる消音機、及び排ガス熱と熱交換を行う排ガスボイラを通って外部に排出されるようになっている。なお、消音機３７と過給機２５との配管の接続部等には、振動吸収用のフレキシブルチューブ４１が介在されて接続されている。

また、過給機２５のタービン部２５ｂには、該タービン部２５ｂをバイパスするようにバイパス通路４３が設けられ、そのバイパス通路４３にはバイパス弁４５が設けられている。

パージ空気投入口３３には、パージ通路４７が接続され、パージ通路４７には該通路を開閉するパージ弁４９が設けられている。さらに、パージ通路４７には、圧縮空気Ａを供給する圧縮空気供給源５１が接続されている。圧縮空気供給源５１としては、電動の排気パージファンが設けられている。

なお、ガスエンジン２１によって駆動される専用のコンプレッサ、またはエンジンとは別個に駆動源を持つ専用のコンプレッサでもよく、さらには、エアラン運転で用いられる圧縮空気の一部を用いてもよい。

ガスエンジン２１においては、始動時に所定回転数に上昇するまで圧縮空気を各シリンダの着火順に従って、シリンダ１０２ａ内にピストン１０２を押し下げるように供給してエンジンを回転させる、所謂エアラン運転を行う。このため、その際に使用する圧縮空気の発生装置（コンプレッサ）及び貯蔵装置（タンク）の設備を備えている。
従って、このエアラン運転用の圧縮空気を用いることで、特別に圧縮空気の供給装置を設ける必要がないため、パージ用の圧縮空気を簡単確実に得ることができ、排気装置を大型化せずに構成できるメリットがある。

パージ通路４７に設けられたパージ弁４９はコントローラ５３によって開閉制御されるようになっており、次に、図３のフローチャートを参照して、コントローラ５３の制御について説明する。

まず、ステップＳ１で、ガスエンジン２１が、燃焼室内の燃焼状態が悪化して失火、または始動運転が失敗してエンジンが始動しないような、エンジン停止状態をエンジン回転センサ等の検出手段によって検出し、ガスエンジン２１が回転状態から停止状態になった場合には、ステップＳ２で、運転中または始動時の燃料ガスが燃焼室内に供給され、その未燃の燃料ガスが排気集合管３１および排気通路３５内に排出されているため、エンジン停止の判定と同時にパージ弁４９を開作動する。

そして、ステップＳ３で、パージ弁４９の開作動からの経過時間を計測し、一定時間経過したかを判定する。例えば５分というように一定時間の経過を判定する。なお、一定時間経過しない間に、再起動の指令があった場合には、前記一定時間が経過するまで再起動の指令を遅延して、パージ期間を確保した後に再起動させる。

一定時間経過後にステップＳ４で、パージ弁４９を閉じる。なお、圧縮空気がタンク等に溜められている場合には、パージ弁４９の開作動によって圧縮空気が供給されるが、電動の排気パージファンの場合には、パージ弁４９の開作動とともに、電動の排気パージファンを作動する。

以上のように第１実施形態によれば、排気集合管３１内の上流端部から圧縮空気が供給されるので、排気集合管３１内に残留する未燃ガスを確実に、過給機２５の下流側に押し出して排出できる。これによって、過給機２５の上流側の排気集合管３１内および過給機２５の下流側の排気通路３５内における未燃ガスの残留を防止できる。

また、コントローラ５３によってパージ弁４９の開閉制御を行い、ガスエンジン２１の停止に伴って、自動的に一定期間（例えば、５分間）、パージ弁４９を開弁して圧縮空気を供給するので、自動的に未燃ガスが排出され、これによって、起動失敗や失火トリップが生じた場合であっても、再起動時に未燃ガスによって、排気集合管３１内や排気通路３５内での異常燃焼を確実に防止できる。

（第２実施形態）
次に、図４、５を参照して、第２実施形態について説明する。
第２実施形態は、パージ空気投入口３３に、二又に分岐した分岐管５５が接続される構造である。

図４、５のように、排気集合管３１の上流端部に、Ｔ字形の分岐管５５が取り付けられ、この分岐管５５の一方の分岐部５５ａには排気集合管３１内が異常圧力になった時に大気開放するリリース通路５７が接続され、他方の分岐部５５ｂには前記パージ通路４７が接続される。リリース通路５７には安全開放弁５９が設けられている。
従って、分岐管５５を採用することにより、リリース通路５７とパージ通路４７とを互いにそれぞれ別個独立に排気集合管３１に取り付けるよりも簡単な構成となり、取付け作業が容易となる。

（第３実施形態）
次に、図６、７を参照して、第３実施形態について説明する。
第３実施形態は、コントローラ５３によって前記パージ弁４９の開作動と同時に、過給機２５のバイパス通路４３のバイパス弁４５を開作動する。

このように、過給機２５のバイパス通路４３のバイパス弁４５を、パージ弁４９の開作動と同時に開くことによって、排気集合管３１の上流端部から流入した圧縮空気は、バイパス通路４３を通って過給機２５の下流側に排出されるため、残留する未燃ガスの排出を第１実施形態よりも効果的に行うことができる。

制御フローは、図７に示すように、図３のフローチャートのステップＳ２、Ｓ４におけるパージ弁開を、ステップＳ２１でパージ弁開、Ｓ２２でバイパス弁開のように、パージ弁４９の開とバイパス弁４５の開とを連続的に行うフローチャートに置き換えることで実行される。

過給機が装着された排気集合管を含む排気通路内において未燃ガスの残留を防止できるため、ガスエンジンの排気装置への利用に適している。

２１ ガスエンジン
２３ 吸気通路
２５ 過給機
２７ 空気冷却器
２９ 給気管
３１ 排気集合管
３３ パージ空気投入口
３５ 排気通路
４７ パージ通路
４９ パージ弁
５３ コントローラ
５５ 分岐管
５５ａ 一方の分岐部
５５ｂ 他方の分岐部
５７ リリース通路
５９ 安全開放弁
１０１ 燃焼室
１１０ ガスミキサー

Claims (6)

1. ガスエンジンの複数の燃焼室からの排気ガスを集合して単一の排気流路を形成する排気集合管と、
   該排気集合管の下流端部に取り付けられた過給機と、
   前記排気集合管の上流端部に取り付けられて排気集合管内に残留する未燃ガスを除去するように圧縮空気を供給するパージ空気投入口と、
   該パージ空気投入口に連結するパージ通路を開閉するパージ弁と、を備えたことを特徴とするガスエンジンの排気装置。
2. 前記パージ空気投入口には二又に分岐した分岐管が接続され、一方の分岐部に前記排気集合管内が異常圧力になった時に大気開放するリリース通路が接続され、他方の分岐部に前記パージ通路が接続されたことを特徴とする請求項１記載のガスエンジンの排気装置。
3. 前記パージ弁は、前記ガスエンジンの運転終了時点または起動時に自動的に一定時間開放されるように前記パージ弁の開閉を制御するコントローラを備えたことを特徴とする請求項１記載のガスエンジンの排気装置。
4. 前記コントローラは、前記パージ弁の開作動と同時に、前記過給機のバイパス通路を開くことを特徴とする請求項３記載のガスエンジンの排気装置。
5. 前記圧縮空気はガスエンジン起動時に行われるエアラン運転用の圧縮空気の一部を用いることを特徴とする請求項１記載のガスエンジンの排気装置。
6. 前記排気集合管は前記ガスエンジンの上部に長手方向に沿って設けられ下流端部に前記過給機のタービン部が上流端部に前記パージ空気投入口が設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のガスエンジンの排気装置。
   

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