WO2024111168A1 - ガスエンジンシステム - Google Patents

Abstract

一実施形態に係るガスエンジンシステム（１）は、液化ガスが気化したガスを燃料とする、給気路を通じて空気が供給されるレシプロエンジンと、前記液化ガスが気化するときの冷熱を利用して液体空気を製造する液体空気製造機（５）と、前記液体空気中の液体窒素が気化した窒素ガスを前記給気路に供給する窒素ガス供給路（７１）を含む。例えば、前記液化ガスは液化水素である。

Description

ガスエンジンシステム

　本開示は、ガスエンジンシステムに関する。

　従来から、天然ガスや水素ガスなどを燃料とするレシプロエンジンを含むガスエンジンシステムが知られている。例えば、特許文献１には、水素ガスを燃料とするレシプロエンジンを含むガスエンジンシステムが開示されている。また、特許文献１のガスエンジンシステムでは、ＮＯｘの排出を抑制するために、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）により排気の一部が空気と混合されてレシプロエンジンへ供給される。

特開２００６－２９９８９０号公報

　上記のＥＧＲは、ＮＯｘの排出の抑制だけでなく、過早着火、逆火、ノッキングなどの異常燃焼の抑制にも有効である。しかしながら、ＥＧＲには専用のブロアやスクラバなどを用いることがあり、スペースおよびコストが問題となることがある。

　そこで、本開示は、ＥＧＲを用いることなく異常燃焼を抑制することができるガスエンジンシステムを提供することを目的とする。

　本開示は、液化ガスが気化したガスを燃料とする、給気路を通じて空気が供給されるレシプロエンジンと、前記液化ガスが気化するときの冷熱を利用して液体空気を製造する液体空気製造機と、前記液体空気中の液体窒素が気化した窒素ガスを前記給気路に供給する窒素ガス供給路と、を備える、ガスエンジンシステムを提供する。

　本開示によれば、ＥＧＲを用いることなく異常燃焼を抑制することができるガスエンジンシステムが提供される。

一実施形態に係るガスエンジンシステムにおけるレシプロエンジン回りの概略構成図である。 前記ガスエンジンシステムにおける燃料供給機および液体空気製造機回りの概略構成図である。 変形例のガスエンジンシステムにおける燃料供給機および液体空気製造機回りの概略構成図である。

　図１，２に、一実施形態に係るガスエンジンシステム１を示す。このガスエンジンシステム１は、液化ガスが気化したガスを燃料とするレシプロエンジン２と、レシプロエンジン２へ燃料を供給する燃料供給機４と、液化ガスが気化するときの冷熱を利用して液体空気を製造する液体空気製造機５を含む。

　液化ガスはタンク１５に貯留される。本実施形態では液化ガスが液化水素であり、燃料が水素ガスである。すなわち、タンク１５内の液化ガスの温度は－２５３℃である。ただし、燃料の元となる液化ガスとしては、液化水素以外の種々の液化ガスが採用可能である。

　レシプロエンジン２には給気路１１を通じて空気が供給され、レシプロエンジン２からは排気路１２を通じて排気が排出される。本実施形態では、給気路１１および排気路１２に、過給機３の圧縮機３１およびタービン３２がそれぞれ設けられている。また、給気路１１には、圧縮機３１の下流側にエアクーラ１３が設けられている。エアクーラ１３は、圧縮機３１で圧縮されて温度上昇した給気を冷却する。例えば、エアクーラ１３は、給気と大気や水などの熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器である。

　本実施形態では、レシプロエンジン２が４ストロークエンジンである。ただし、レシプロエンジン２は２ストロークエンジンであってもよい。

　レシプロエンジン２は、クランクシャフトの軸方向に並ぶ複数（図１では代表として１つのみを図示）のシリンダ２１と、各シリンダ２１に取り付けられたシリンダヘッド２２を含む。各シリンダ２１内にはピストン２３が配置されており、ピストン２３とシリンダヘッド２２の間には燃焼室２０が形成されている。

　シリンダヘッド２２には、給気ポート２ａおよび排気ポート２ｂが形成されている。また、シリンダヘッド２２には、給気ポート２ａの燃焼室２０に対する開口を開閉する給気弁２４と、排気ポート２ｂの燃焼室２０に対する開口を開閉する排気弁２５が設けられている。

　さらに、シリンダヘッド２２には、給気ポート２ａ内または燃焼室２０内で燃料を噴射する燃料噴射弁２６と、燃焼室２０内で給気と燃料の混合気に点火する点火装置２７が設けられている。なお、燃料噴射弁２６は必ずしもシリンダヘッド２２に設けられる必要はなく、給気路１１に設けられてもよい。

　点火装置２７は、点火プラグであってもよいし、噴孔を介して燃焼室２０と連通する副室を含む副室式のものであってもよい。あるいは、点火装置２７は、燃焼室２０内にパイロット油を噴射してパイロット油を自着火させるものであってもよい。

　燃料供給機４は、タンク１５と燃料噴射弁２６とを接続する燃料供給路４１を含む。燃料供給路４１には、上流側から順に、流量調整弁４２、主熱交換器６１、副熱交換器４３、バッファタンク４４および流量調整弁４５が設けられている。

　流量調整弁４２は、タンク１５から主熱交換器６１に流入する液化ガス（本実施形態では液化水素）の流量を調整する。主熱交換器６１は、液化ガスと空気との間で熱交換を行うことにより、液化ガスを気化させる。副熱交換器４３は、主熱交換器６１から流出する気化ガス（本実施形態では水素ガス）をレシプロエンジン２の要求温度まで加熱する。例えば、副熱交換器４３は、気化ガスと大気や水などの熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器である。副熱交換器４３で冷却された熱媒体は上述したエアクーラ１３で冷熱源として使用されてもよいし、副熱交換器４３自体がエアクーラ１３として使用されてもよい。バッファタンク４４は、気化ガスを一時的に貯留する。流量調整弁４５は、バッファタンク４４から燃料噴射弁２６へ供給される気化ガスの流量を調整する。

　液体空気製造機５は、一端が大気中で開口し、他端が精留塔６２に接続された空気路５１を含む。空気路５１には、上流側から順に、フィルタ５２、ブロア５３、水分・二酸化炭素分離機５４、第１副熱交換器５５、第２副熱交換器５６、主熱交換器６１およびポンプ５７が設けられている。すなわち、主熱交換器６１は、燃料供給機４と液体空気製造機５とに共有される。

　ブロア５３は空気路５１の一端から主熱交換器６１まで空気を送り出す手段であり、フィルタ５２は大気中から取り込まれる空気中の異物を除去する。水分・二酸化炭素分離機５４は、フィルタ５２を通過した空気から水分および二酸化炭素を除去する。水分および二酸化炭素が除去された空気は、第１副熱交換器５５および第２副熱交換器５６で予備的に冷却された後に、主熱交換器６１において液化ガス（本実施形態では液化水素）との間で熱交換が行われることにより窒素の沸点よりも低い温度となって液化される。主熱交換器６１から流出する液化空気は、ポンプ５７によって精留塔６２へ供給される。

　精留塔６２では、塔内を上昇する蒸気と、塔内を流下する還流液とが接触する。このため、精留塔６２の下部からは液体酸素が取り出され、精留塔６２の上部からは窒素ガスが取り出され、精留塔６２の中間部からは液体アルゴンが取り出される。なお、精留塔６２の中間部からは液体窒素を取り出すことも可能である。

　精留塔６２の下部から取り出された液体酸素は酸素供給路８１を通じて上述した第１副熱交換器５５へ導かれ、主熱交換器６１の上流側で空気を冷却するための冷熱源として利用される。第１副熱交換器５５で気化した酸素ガスは大気中に放出される。なお、酸素供給路８１には、液体酸素の取り出し量を調整する流量調整弁８２が設けられている。

　精留塔６２の上部から取り出された窒素ガス、換言すれば液体空気製造機５によって製造された液体空気中の液体窒素が気化した窒素ガスは、窒素ガス供給路７１を通じて給気路１１へ供給される。本実施形態では、窒素ガス供給路７１が圧縮機３１の上流側で給気路１１に合流しているが、窒素ガス供給路７１は圧縮機３１の下流側で給気路１１に合流してもよい。

　窒素ガス供給路７１には、上流側から順に、流量調整弁７２、熱交換器７３、バッファタンク７４および流量調整弁７５が設けられている。流量調整弁７２は、精留塔６２の上部から取り出される窒素ガスの流量を調整する。熱交換器７３は、窒素ガスを大気温程度まで加熱する。例えば、熱交換器７３は、窒素ガスと大気や水などの熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器である。熱交換器７３で冷却された熱媒体は上述したエアクーラ１３で冷熱源として使用されてもよいし、熱交換器７３自体がエアクーラ１３として使用されてもよい。バッファタンク７４は、窒素ガスを一時的に貯留する。流量調整弁７５は、バッファタンク７４から給気路１１へ供給される窒素ガスの流量を調整する。

　さらに、本実施形態では、窒素ガス供給路７１に、熱交換器７３をバイパスするようにバイパス路７６が接続されている。より詳しくは、本実施形態では流量調整弁７２が三方弁であり、この流量調整弁７２にバイパス路７６の上流端が接続されている。バイパス路７６の下流端は熱交換器７３の下流側で窒素ガス供給路７１に接続されている。

　バイパス路７６は液体空気製造機５の第２副熱交換器５６を経由しており、流量調整弁７２は、精留塔６２から取り出された窒素ガスを熱交換器７３と第２副熱交換器５６のどちらへ導くかを切り換える役割も果たす。窒素ガスが第２副熱交換器５６へ導かれると、主熱交換器６１の上流側で空気を冷却するための冷熱源として利用される。

　上述した流量調整弁４２，４５，７２，７５，８２は、コントローラ９により制御される。なお、図１，２では、図面の簡略化のために一部の信号線の作図を省略する。

　コントローラ９に関し、本明細書で開示する要素の機能は、開示された機能を実行するよう構成またはプログラムされた汎用プロセッサ、専用プロセッサ、集積回路、ASIC（Application Specific Integrated Circuits）、従来の回路、および/または、それらの組み合わせ、を含む回路または処理回路を使用して実行できる。プロセッサは、トランジスタやその他の回路を含むため、処理回路または回路と見なされる。本開示において、回路、ユニット、または手段は、列挙された機能を実行するハードウエアであるか、または、列挙された機能を実行するようにプログラムされたハードウエアである。ハードウエアは、本明細書に開示されているハードウエアであってもよいし、あるいは、列挙された機能を実行するようにプログラムまたは構成されているその他の既知のハードウエアであってもよい。ハードウエアが回路の一種と考えられるプロセッサである場合、回路、手段、またはユニットはハードウエアとソフトウエアの組み合わせであり、ソフトウエアはハードウエアおよび/またはプロセッサの構成に使用される。

　特に、流量調整弁４５の制御に関しては、コントローラ９は、クランクシャフトの回転角およびレシプロエンジン２に対する要求出力に基づいて、流量調整弁４５を制御する。

　また、コントローラ９は、酸素濃度計９１および圧力センサ９２と電気的に接続されている。酸素濃度計９１は、給気路１１における窒素ガス供給路７１の合流点よりも下流側の酸素濃度を検出し、圧力センサ９２は、燃焼室２０内の圧力を検出する。コントローラ９は、酸素濃度計９１で検出される酸素濃度および圧力センサ９２で検出される圧力に応じて流量調整弁７５を制御する。例えば、コントローラ９は、酸素濃度計９１で検出される酸素濃度が目標酸素濃度となるように流量調整弁７５を制御する。また、コントローラ９は、圧力センサ９２で検出される圧力に基づいて過早着火、逆火、ノッキングなどの異常燃焼の発生の有無を判定し、異常燃焼が発生したときに流量調整弁７５の開度を大きくする。

　以上説明した構成のガスエンジンシステム１では、給気と燃料の混合気中の窒素濃度が上昇するので、混合気に火炎伝播を発生させるために必要な最小点火エネルギーである最小着火エネルギーが大きくなる。このため、過早着火や逆火などの異常燃焼が抑制される。さらには、混合気中の窒素濃度の上昇により、混合気をある温度に保持してから着火するまでの時間である着火遅れが長くなるため、ノッキングも抑制される。従って、ＥＧＲを用いることなく異常燃焼を抑制することができる。また、混合気中の窒素濃度が上昇することで断熱火炎温度が低下するため、ＮＯｘも抑制することができる。しかも、燃料の元となる液化ガスが気化するときの冷熱を利用して窒素ガスが生成されるので、窒素ガスの生成にそれほど大きなエネルギーは必要ない。

　特に、本実施形態のように燃料が水素ガスである場合、水素はメタンと比べて着火遅れが短いだけでなく最小着火エネルギーも小さいため、過早着火を抑制するという観点から混合気中の窒素濃度を上昇させる重要性が高い。

　（変形例）
　本開示は上述した実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

　例えば、図３に示す変形例のガスエンジンシステム１Ａのように、タンク１５に貯留される液化ガスがＬＮＧであり、ＬＮＧが気化した天然ガスがレシプロエンジン２の燃料であってもよい。この場合、タンク１５内の液化ガスの温度は－１６２℃である。

　このガスエンジンシステム１Ａでは、前記実施形態の液体空気製造機５に対して、主熱交換器６１の位置が水分・二酸化炭素分離機５４と第１副熱交換器５５の間に変更されるとともに、ブロア５３およびポンプ５７の代わりに圧縮機５８および膨張タービン５９が用いられた液体空気製造機５Ａが採用されている。空気路５１を流れる空気は膨張タービン５９までは気体であり、膨張タービン５９で膨張されることで液化される。すなわち、膨張タービン５９から精留塔６２へは、液化酸素および液化窒素を含む液化空気（例えば、－２００℃）が供給される。

　図３に示すように液化ガスがＬＮＧである場合には、大気圧でのＬＮＧの温度が窒素の沸点よりも高いので、液体空気を製造する際に空気に対する圧縮動力が必要になる。これに対し、前記実施形態のように液化ガスが液化水素であれば、大気圧での液化水素の温度が窒素の沸点よりも低いので、そのような圧縮動力が不要である。

　なお、ガスエンジンシステム１Ａでは、精留塔６２と流量調整弁７２の間で窒素ガス供給路７１に、窒素ガスの送り出し手段としてブロア７７が設けられている。

　（まとめ）
　第１の態様として、本開示は、液化ガスが気化したガスを燃料とする、給気路を通じて空気が供給されるレシプロエンジンと、前記液化ガスが気化するときの冷熱を利用して液体空気を製造する液体空気製造機と、前記液体空気中の液体窒素が気化した窒素ガスを前記給気路に供給する窒素ガス供給路と、を備える、ガスエンジンシステムを提供する。

　上記の構成によれば、給気と燃料の混合気中の窒素濃度が上昇するので、混合気に火炎伝播を発生させるために必要な最小点火エネルギーである最小着火エネルギーが大きくなる。このため、過早着火や逆火などの異常燃焼が抑制される。さらには、混合気中の窒素濃度の上昇により、混合気をある温度に保持してから着火するまでの時間である着火遅れが長くなるため、ノッキングも抑制される。従って、ＥＧＲを用いることなく異常燃焼を抑制することができる。また、混合気中の窒素濃度が上昇することで断熱火炎温度が低下するため、ＮＯｘも抑制することができる。しかも、燃料の元となる液化ガスが気化するときの冷熱を利用して窒素ガスが生成されるので、窒素ガスの生成にそれほど大きなエネルギーは必要ない。

　第２の態様として、第１の態様において、前記液化ガスは液化水素であってもよい。液化ガスがＬＮＧである場合には、大気圧でのＬＮＧの温度が窒素の沸点よりも高いので、液体空気を製造する際に空気に対する圧縮動力が必要になる。これに対し、液化ガスが液化水素であれば、大気圧での液化水素の温度が窒素の沸点よりも低いので、そのような圧縮動力が不要である。

　第３の態様として、第１または第２の態様において、例えば、前記液体空気製造機は、水分および二酸化炭素が除去された空気と前記液化ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を含んでもよい。

　第４の態様として、第１乃至第３の態様の何れかにおいて、例えば、上記のガスエンジンシステムは、前記窒素ガス供給路に設けられた流量調整弁と、前記給気路における前記窒素ガス供給路の合流点よりも下流側の酸素濃度に応じて前記流量調整弁を制御するコントローラと、をさらに備えてもよい。
 

Claims (4)

1. 　液化ガスが気化したガスを燃料とする、給気路を通じて空気が供給されるレシプロエンジンと、
   　前記液化ガスが気化するときの冷熱を利用して液体空気を製造する液体空気製造機と、
   　前記液体空気中の液体窒素が気化した窒素ガスを前記給気路に供給する窒素ガス供給路と、
   を備える、ガスエンジンシステム。
2. 　前記液化ガスは液化水素である、請求項１に記載のガスエンジンシステム。
3. 　前記液体空気製造機は、水分および二酸化炭素が除去された空気と前記液化ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を含む、請求項１または２に記載のガスエンジンシステム。
4. 　前記窒素ガス供給路に設けられた流量調整弁と、
   　前記給気路における前記窒素ガス供給路の合流点よりも下流側の酸素濃度に応じて前記流量調整弁を制御するコントローラと、をさらに備える、請求項１または２に記載のガスエンジン。

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