特許 6778077 ガスエンジンシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6778077

(24)【登録日】2020年10月13日

(45)【発行日】2020年10月28日

(54)【発明の名称】ガスエンジンシステム

(51)【国際特許分類】

   F01N 3/20 20060101AFI20201019BHJP

   F02M 21/02 20060101ALI20201019BHJP

   F02B 43/00 20060101ALI20201019BHJP

【ＦＩ】

   F01N3/20 D

   F01N3/20 F

   F01N3/20 K

   F02M21/02 L

   F02B43/00 A

   F02M21/02 P

【請求項の数】7

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2016-201657(P2016-201657)

(22)【出願日】2016年10月13日

(65)【公開番号】特開2018-62898(P2018-62898A)

(43)【公開日】2018年4月19日

【審査請求日】2019年9月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】特許業務法人 有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】野中 洋輔

(72)【発明者】

【氏名】堀江 尚

(72)【発明者】

【氏名】樋口 隆文

(72)【発明者】

【氏名】清瀧 元

(72)【発明者】

【氏名】仲井 雅人

【審査官】 沼生 泰伸

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−３５０９４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２６６６３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１３８７６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０４７６４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１９０１４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１１３１３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２６３１２７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｎ ３／２０

Ｆ０１Ｎ ３／２４

Ｆ０２Ｂ ４３／００

Ｆ０２Ｍ ２１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガスエンジンと、
前記ガスエンジンと接続され、当該ガスエンジンから排出される排ガスが導通される排気管と、
前記排気管と接続された過給機と、
前記排気管から前記過給機へ至る流路中に配置され、前記ガスエンジンから排出される排ガス中の未燃燃料ガスを酸化させる触媒と、
前記触媒の温度を測定する触媒温度測定手段と、
前記排気管から前記触媒へ至る流路へ前記触媒の活性化促進剤を供給する触媒活性化装置と、
前記触媒温度測定手段で計測された触媒温度が所定の閾値よりも低いときに前記活性化促進剤が供給されるように前記触媒活性化装置を動作させる第１機能部を有する制御装置と、
前記排気管から前記触媒を通らずに前記ガスエンジンの給気側へ排ガスを送るバイパス管とを備え、
前記活性化促進剤が、前記触媒での触媒反応に関する活性化状態のエネルギー値が前記ガスエンジンの燃料ガスよりも低い炭化水素を含み、
前記過給機は、前記ガスエンジンに隣接して配置されて、前記排気管に向かう方向以外の方向に開口する排ガス入口を有し、
前記排気管は、前記ガスエンジンの上方に配置されて、前記過給機に向かう方向以外の方向に開口する第１排ガス出口を有し、
前記ガスエンジンは、前記過給機に向かう方向に開口する給気口を有する、
ガスエンジンシステム。

【請求項2】

前記排気管は、前記過給機に向かう方向に開口する第２排ガス出口を更に有し、
前記バイパス管の上流側端部が前記第２排ガス出口と接続されている、請求項１に記載のガスエンジンシステム。

【請求項3】

前記バイパス管内の流路中に設けられたバイパス弁を更に備え、
前記制御装置が、前記触媒温度測定手段で計測された触媒温度が所定の閾値よりも低いときに、前記バイパス弁の開度が増加するように前記バイパス弁を動作させるように構成された第２機能部を有する、請求項１又は２に記載のガスエンジンシステム。

【請求項4】

前記触媒の上流側で前記ガスエンジンの排ガスの酸素濃度を計測する酸素濃度計測手段と、
前記ガスエンジンの給気量を計測する給気量計測手段とを更に備え、
前記制御装置が、前記触媒温度測定手段で計測された触媒温度が所定の温度よりも低いときに、前記酸素濃度計測手段で計測された酸素濃度と前記給気量計測手段で計測された給気量とに基づき、空気過剰率を通常運転時の空気過剰率から減少させるために前記ガスエンジンの給気量、給気中の酸素濃度、及び前記ガスエンジンの燃料噴射量の少なくとも１つを調整するように構成された第３機能部を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスエンジンシステム。

【請求項5】

前記触媒を加熱するヒーターを更に備えている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスエンジンシステム。

【請求項6】

前記活性化促進剤が、油、酸素、酸素富化空気、水素、及び前記燃料ガスのうち少なくとも１つを含んでいる、請求項１〜５のいずれか一項に記載のガスエンジンシステム。

【請求項7】

ガスエンジンと、
前記ガスエンジンと接続され、当該ガスエンジンから排出される排ガスが導通される排気管と、
前記排気管と接続された過給機と、
前記排気管から前記過給機へ至る流路中に配置され、前記ガスエンジンから排出される排ガス中の未燃燃料ガスを酸化させる触媒と、
前記触媒の温度を測定する触媒温度測定手段と、
活性化促進剤が前記触媒での触媒反応に関する活性化状態のエネルギー値が前記ガスエンジンの燃料ガスよりも低い炭化水素を含み、前記排気管から前記触媒へ至る流路へ前記活性化促進剤を供給する触媒活性化装置と、
前記触媒の上流側で前記ガスエンジンの排ガスの酸素濃度を計測する酸素濃度計測手段と、
前記ガスエンジンの給気量を計測する給気量計測手段と、
前記触媒温度測定手段で計測された触媒温度が所定の閾値よりも低いときに、前記活性化促進剤が供給されるように前記触媒活性化装置を動作させる第Ｉ機能部と、前記触媒温度測定手段で計測された触媒温度が所定の温度よりも低いときに、前記酸素濃度計測手段で計測された酸素濃度と前記給気量計測手段で計測された給気量とに基づき、空気過剰率を通常運転時の空気過剰率から減少させるために前記ガスエンジンの給気量、給気中の酸素濃度、及び前記ガスエンジンの燃料噴射量の少なくとも１つを調整するように構成された第II機能部と有する制御装置とを、備える、
ガスエンジンシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガスエンジンから過給機（ターボチャージャ）への排ガス流路中に設置された触媒を備えたガスエンジンシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、燃料ガスを燃焼させて例えば発電機を駆動するガスエンジンと、ガスエンジンから排出される排ガスを駆動源としてガスエンジンに圧縮空気を送り込む過給機とを備えたガスエンジンシステムが知られている。

【0003】

ところで、ガスエンジンとして、シリンダの燃焼室内に供給された燃料ガスと圧縮空気の混合気に種火（点火プラグによる火花やパイロット油の自発火）によって点火する火炎伝播方式のガスエンジンを用いた場合には、燃焼室の壁面近くで燃料ガスが燃え残り、その未燃燃料ガスが排ガスと共にガスエンジンから排出される。例えば、燃料ガスとしてメタンを主成分とする天然ガスを用いた場合には、排ガス中の未燃燃料ガスに多くのメタンが含まれる。

【0004】

このような問題に対し、特許文献１には、触媒を用いて排ガス中の未燃燃料ガスを酸化させることが開示されている。触媒は、ガスエンジンから過給機への排ガス流路中に設置される。過給機で膨張される前の排ガスの温度は高いために、ガスエンジンから過給機の上流への排気系に触媒を設置すれば、過給機の下流側に触媒を設置するよりも、触媒によって未燃燃料ガスをより効果的に酸化させることができる。

【0005】

一般に、エンジンの冷間始動直後の触媒は、当該触媒が好適な排ガス浄化能力を発揮する温度条件から遥かに低い常温である。したがって、エンジンの始動時には、エンジンの排気系に触媒が設置されていても、大気放出される排ガスには多くの未燃燃料ガスが含まれている。そこで、エンジンの始動時に触媒の温度を速やかに上昇させて、触媒の排ガス浄化能力をより早く確保することが提案されている。例えば、特許文献２では、エンジンの排気系に設けられた触媒が冷えた状態にあるときには、エンジンの膨張工程で燃料噴射を行い、排気通路に未燃燃料と酸素とを供給し、この未燃燃料と酸素とを触媒で反応させて触媒の温度を速やかに上昇させるように構成された内燃機関の燃料噴射制御装置が示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平１１−３５０９４２号公報

【特許文献2】特開２００１−２６３１２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ガスエンジンの燃料として広く用いられている天然ガスの主成分は、炭素数１の炭化水素（メタン）である。参考までに、ガソリンエンジンの燃料であるガソリンの主成分は、炭素数７−１０の炭化水素の混合物である。炭素数の小さな炭化水素は、炭素数の大きな炭化水素と比較して、触媒での触媒反応に関する活性化状態のエネルギー値が高い。これは、炭素数の小さな炭化水素のＣ−Ｃ（炭素−炭素）結合は、炭素数の大きな炭化水素のＣ−Ｃ結合と比較して強固であり、Ｃ（炭素）を引き抜く際により大きなエネルギーが必要となるためである。つまり、炭素数の小さな炭化水素は、炭素数の大きな炭化水素と比較して、触媒反応が起こりにくく反応速度も低い。したがって、特許文献２に記載された技術をガスエンジンに適用させて、ガスエンジンの冷間始動直後に燃料ガスをガスエンジンの排気系に供給しても、触媒を早期に活性化させることは難しい。

【0008】

そこで、本発明は、ガスエンジンからの排気系に触媒を備えたガスエンジンシステムにおいて、ガスエンジンの冷間始動直後に触媒をより早期に活性化させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一態様に係るガスエンジンシステムは、
ガスエンジンと、
前記ガスエンジンと接続され、当該ガスエンジンから排出される排ガスが導通される排気管と、
前記排気管と接続された過給機と、
前記排気管から前記過給機へ至る流路中に配置され、前記ガスエンジンから排出される排ガス中の未燃燃料ガスを酸化させる触媒と、
前記触媒の温度を測定する触媒温度測定手段と、
前記排気管から前記触媒へ至る流路へ前記触媒の活性化促進剤を供給する触媒活性化装置と、
前記触媒温度測定手段で計測された触媒温度が所定の閾値よりも低いときに前記活性化促進剤が供給されるように前記触媒活性化装置を動作させる第１機能部を有する制御装置と、
前記排気管から前記触媒を通らずに前記ガスエンジンの給気側へ排ガスを送るバイパス管とを備え、
前記活性化促進剤が、前記触媒での触媒反応に関する活性化状態のエネルギー値が前記ガスエンジンの燃料ガスよりも低い炭化水素を含み、
前記過給機は、前記ガスエンジンに隣接して配置されて、前記排気管に向かう方向以外の方向に開口する排ガス入口を有し、
前記排気管は、前記ガスエンジンの上方に配置されて、前記過給機に向かう方向以外の方向に開口する第１排ガス出口を有し、
前記ガスエンジンは、前記過給機に向かう方向に開口する給気口を有するものである。

【0010】

上記ガスエンジンシステムによれば、システムの冷間起動直後などの、触媒の温度が、当該触媒が活性化されて望ましい浄化能力を発揮するような温度範囲（以下、至適温度範囲という）に満たないときに、活性化促進剤が排気管から触媒へ至る流路に供給される。そして、触媒と活性化促進剤が接触し、活性化促進剤の触媒反応が起こると、その反応熱で触媒の温度が上昇する。活性化促進剤は、ガスエンジンの排ガス中の未燃燃料ガスと比較して、触媒の温度が至適温度範囲より低い状況でも触媒反応が起こりやすい。よって、活性化促進剤が供給されない場合と比較して、触媒の温度を速やかに至適温度範囲まで昇温させることができ、触媒をより早期に活性化させることができる。

【0012】

上記構成によれば、システムの冷間起動直後などの触媒の温度が至適温度範囲に満たないときに、ガスエンジンの冷えた排ガスの一部又は全部を、触媒を通さずにガスエンジンの給気側へ流すことができる。これにより、触媒が冷えた排ガスと接触しないか、或いは、触媒と接触する冷えた排ガスの流量が減少するので、触媒の温度上昇が冷えた排ガスにより妨げられることを抑制することができる。また、排気管の排ガス出口と過給機の排ガス入口の開口方向により、過給機がガスエンジンに隣接して配置されていても、排気管の排ガス出口から過給機の排ガス入口まで配管を通すルートを自由に決定することができる。すなわち、過給機をガスエンジンに隣接して配置したままで、触媒コンバータをガスエンジンから過給機への排ガス流路中に配置することができる。そして、このように配置されたガスエンジン、過給機、及び触媒コンバータにおいて、排気管とガスエンジンの給気口とを繋ぐように設けられるバイパス管は比較的短いものとなる。よって、システムを簡易且つコンパクトに構成することができる。

【0013】

上記ガスエンジンシステムにおいて、前記排気管は、前記過給機に向かう方向に開口する第２排ガス出口を更に有し、前記バイパス管の上流側端部が前記第２排ガス出口と接続されていることが好ましい。

【0014】

上記構成によれば、バイパス管の管路をより短くすることができ、バイパス管の配管を単純化することができる。したがって、システムを簡易且つコンパクトに構成することができる。

【0015】

上記ガスエンジンシステムが、前記バイパス管内の流路中に設けられたバイパス弁を更に備え、前記制御装置が、前記触媒温度測定手段で計測された触媒温度が所定の閾値よりも低いときに、前記バイパス弁の開度が増加するように前記バイパス弁を動作させるように構成された第２機能部を有することが好ましい。

【0016】

上記構成によれば、システムの冷間起動直後などの触媒の温度が至適温度範囲に満たないときに、ガスエンジンの冷えた排ガスの一部又は全部はバイパス管を通じて触媒を通らずにガスエンジンの給気側へ送られる。これにより、触媒が冷えた排ガスと接触しないか、或いは、触媒と接触する冷えた排ガスの流量が減少するので、触媒の温度上昇が冷えた排ガスにより妨げられることを抑制することができる。さらに、ガスエンジンの給気中の未燃燃料ガス濃度が増加して空気過剰率が低下するので、ガスエンジンの排ガスの温度が通常運転時よりも高くなる。そして、触媒がより高い温度の排ガスと接触することと、より高い温度の排ガス中の未燃燃料ガスが触媒反応を起こすこととにより、触媒の昇温が促進される。この結果、触媒を至適温度範囲までより速やかに昇温させることができ、触媒をより早期に活性化させることができる。

【0017】

上記ガスエンジンシステムが、前記触媒の上流側で前記ガスエンジンの排ガスの酸素濃度を計測する酸素濃度計測手段と、前記ガスエンジンの給気量を計測する給気量計測手段とを更に備え、
前記制御装置が、前記触媒温度測定手段で計測された触媒温度が所定の温度よりも低いときに、前記酸素濃度計測手段で計測された酸素濃度と前記給気量計測手段で計測された給気量とに基づき、空気過剰率を通常運転時の空気過剰率から減少させるために前記ガスエンジンの給気量、給気中の酸素濃度、及び前記ガスエンジンの燃料噴射量の少なくとも１つを調整するように構成された第３機能部を有することが好ましい。
また、ガスエンジンシステムは、
ガスエンジンと、
前記ガスエンジンと接続され、当該ガスエンジンから排出される排ガスが導通される排気管と、
前記排気管と接続された過給機と、
前記排気管から前記過給機へ至る流路中に配置され、前記ガスエンジンから排出される排ガス中の未燃燃料ガスを酸化させる触媒と、
前記触媒の温度を測定する触媒温度測定手段と、
活性化促進剤が前記触媒での触媒反応に関する活性化状態のエネルギー値が前記ガスエンジンの燃料ガスよりも低い炭化水素を含み、前記排気管から前記触媒へ至る流路へ前記活性化促進剤を供給する触媒活性化装置と、
前記触媒の上流側で前記ガスエンジンの排ガスの酸素濃度を計測する酸素濃度計測手段と、
前記ガスエンジンの給気量を計測する給気量計測手段と、
前記触媒温度測定手段で計測された触媒温度が所定の閾値よりも低いときに、前記活性化促進剤が供給されるように前記触媒活性化装置を動作させる第I機能部と、前記触媒温度測定手段で計測された触媒温度が所定の温度よりも低いときに、前記酸素濃度計測手段で計測された酸素濃度と前記給気量計測手段で計測された給気量とに基づき、空気過剰率を通常運転時の空気過剰率から減少させるために前記ガスエンジンの給気量、給気中の酸素濃度、及び前記ガスエンジンの燃料噴射量の少なくとも１つを調整するように構成された第II機能部と有する制御装置とを、備えるものであってよい。

【0018】

上記構成によれば、システムの冷間起動直後などの触媒の温度が至適温度範囲に満たないときに、ガスエンジンの空気過剰率が減少する。ガスエンジンは通常運転時と比較して燃料リッチな状態で燃焼する結果、ガスエンジンからの排ガスの温度が通常運転時よりも高くなる。そして、触媒がより高い温度の排ガスと接触することと、より高い温度の排ガス中の未燃燃料ガスが触媒反応を起こすこととにより、触媒の昇温が促進される。この結果、触媒を至適温度範囲までより速やかに昇温させることができ、触媒をより早期に活性化させることができる。

【0019】

上記ガスエンジンシステムが、前記触媒を加熱するヒーターを更に備えていることが好ましい。この構成によれば、システムの冷間起動直後などの触媒の温度が至適温度範囲に満たないときに、ヒーターで触媒を加熱することができる。したがって、触媒を至適温度範囲までより速やかに昇温させることができ、触媒をより早期に活性化させることができる。

【0020】

上記ガスエンジンシステムにおいて、前記活性化促進剤が、油、酸素、酸素富化空気、水素、及び前記燃料ガスのうち少なくとも１つを含んでいることが好ましい。この構成によれば、油、酸素、酸素富化空気、水素及び前記燃料ガスのうち少なくとも１つが触媒と接触する。油、水素、及び燃料ガスのうち少なくとも１つを含む活性化促進剤が触媒と接触することにより、活性化促進剤が触媒反応を起こし、その反応熱により触媒の温度が上昇する。また、酸素及び酸素富化空気のうち少なくとも１つを含む活性化促進剤が触媒と接触することにより、触媒が活性化する温度を低下させることができる。よって、触媒を至適温度範囲までより速やかに昇温させることができ、触媒をより早期に活性化させることができる。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、システムの冷間起動直後などの触媒の温度が至適温度範囲に満たないときに、触媒を至適温度範囲までより速やかに昇温させることができるので、触媒をより早期に活性化させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の実施形態に係るガスエンジンシステムの概略構成図である。

【図2】（ａ）は図１に示すガスエンジンシステムを発電機側から見た図、（ｂ）は同ガスエンジンシステムを過給機側から見た図である。

【図3】図１に示すガスエンジンシステムに含まれるガスエンジンの一部及び排気管の断面図である。

【図4】触媒コンバータの縦断面図である。

【図5】ガスエンジンシステムの制御構成を示す図である。

【図6】エンジン制御装置による触媒暖機制御のフローチャートである。

【図7】変形例に係るガスエンジンシステムの概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

図１，図２（ａ）及び２（ｂ）に、本発明の実施形態に係るガスエンジンシステム１が示されている。本実施形態は、４ストロークガスエンジンに適したレイアウトを実現するためのものである。

【0024】

ガスエンジンシステム１は、燃料ガスを燃焼させる４ストロークガスエンジン２と、ガスエンジン２により駆動される発電機１５とを備えている。さらに、ガスエンジンシステム１は、ガスエンジン２に隣接して配置された過給機５と、過給機５のコンプレッサとガスエンジン２の間の流路に設けられたエアクーラー１２と、ガスエンジン２と過給機５のタービンの間の流路に設けられた触媒コンバータ６と、エンジン制御装置８０とを備えている。上記において、過給機５がガスエンジン２に「隣接して配置」されていることは、ガスエンジン２の輪郭を、ガスエンジン２の中心からの長さ、幅及び高さが１．５倍となるように拡大した空間内に、過給機５の少なくとも一部が存在することをいう。

【0025】

ガスエンジン２は、クランクシャフト２２と、クランクシャフト２２の大部分を収容するエンジンフレーム２１とを含んで構成されている。クランクシャフト２２のエンジンフレーム２１から張り出している端部は、フライホイール１４を介して発電機１５と連結されている。フライホイール１４は、ガスエンジン２の起動時に図示しないエアモータであるスタータモータにより駆動される。

【0026】

図３に示されるように、エンジンフレーム２１には、複数のシリンダ３が組み込まれている。本実施形態では、シリンダ３がクランクシャフト２２の軸方向に二列で配列されている。一方の列のシリンダ３と他方の列のシリンダ３は鉛直方向に対して同一の角度で傾斜している。クランクシャフト２２の軸方向から見たときのシリンダ３間の角度は鋭角であり、シリンダ３はＶ字状をなしている。但し、一方の列のシリンダ３と他方の列のシリンダ３は鉛直方向に対して異なる角度で傾斜していてもよい。また、クランクシャフト２２の軸方向から見たときのシリンダ３間の角度が直角であり、シリンダ３がＬ字状をなしていてもよい。さらには、シリンダ３は一列で配列されていてもよい。

【0027】

各シリンダ３には、当該シリンダ３内に配置されたピストン３３とシリンダヘッド３２との協働により形成された燃焼室３０が設けられている。シリンダヘッド３２には、給気ポート３ａと排気ポート３ｂが形成されている。また、シリンダヘッド３２には、給気ポート３ａの燃焼室３０への開口を開閉する給気弁３４及び排気ポート３ｂの燃焼室３０への開口を開閉する排気弁３５が設けられているとともに、給気ポート３ａ内に燃料ガスを噴射する燃料弁３６が設けられている。燃料ガスは、例えばメタンを主成分とする天然ガスである。

【0028】

エンジンフレーム２１の一方の列のシリンダ３と他方の列のシリンダ３の間には、クランクシャフト２２の軸方向に延びる給気室２ａが形成されている。各シリンダ３の給気ポート３ａは、第１連絡管２ｃにより給気室２ａと接続されている。給気室２ａの真上には、クランクシャフト２２の軸方向に延びる排気管４が配置されている。各シリンダ３の排気ポート３ｂは、第２連絡管２ｂにより排気管４と接続されている。

【0029】

図１に戻って、過給機５は、排気管４の発電機１５側と反対側の端部からクランクシャフト２２の軸方向に離れた位置に配置されている。換言すれば、過給機５はガスエンジン２を挟んで発電機１５と反対側に配置されている。以下では、説明の便宜のために、クランクシャフト２２の軸方向を前後方向（特に、過給機５側を前方、発電機１５側を後方）というとともに、前後方向と直交する水平方向を左右方向（特に、図１の紙面と直交する方向の手前側を右方、奥側を左方）という。

【0030】

過給機５は、空気入口５１及び空気出口５２を有するコンプレッサと、排ガス入口５３及び排ガス出口５４を有するタービンとを含む。過給機５の空気入口５１より上流側には、過給機５の空気流量を測定するためのエアフローメータ７９が設けられている（図５、参照）。本実施形態では、空気入口５１が左向きに開口しており、空気出口５２が斜め下向きに開口している。一方、排ガス入口５３は上向きに（排気管４に向かう方向以外の方向に）開口しており、排ガス出口５４は前向きに開口している。

【0031】

エアクーラー１２は、過給機５の真下であってガスエンジン２の前方に配置されている。過給機５の空気出口５２は第１給気管１１によりエアクーラー１２と接続されており、エアクーラー１２は第２給気管１３によりガスエンジン２の給気口４５と接続されている。給気口４５は、前向き（過給機５に向かう方向）に開口している。第１給気管１１は、斜め下向きから斜め横向きに滑らかに折れ曲がっており、第２給気管１３は、前後方向に延びる直線状である。エアクーラー１２からガスエンジン２の給気口４５の間には、給気スロットル弁７８が設けられている（図５、参照）。給気スロットル弁７８は、例えば、ステップモータを用いて開度変更が可能な電子制御式のものであり、その開度に応じてガスエンジン２の給気室２ａへ給入される空気の量（給気量）が変化する。

【0032】

触媒コンバータ６は、発電機１５の上方に配置されている。換言すれば、触媒コンバータ６は、排気管４を挟んで過給機５と反対側に配置されている。触媒コンバータ６は、前向きに開口する入口と後向きに開口する出口を有し、ガスエンジン２から排出される排ガス中の未燃燃料ガスを酸化させる触媒６５を内蔵する。

【0033】

排気管４の後端部には、後向きに（過給機５に向かう方向以外の方向に）開口する排ガス出口４１が設けられており、排気管４の前端部には、前向きに開口する第１バイパス口（第１排ガス出口）４２及び第２バイパス口（第２排ガス出口）４４が設けられている。そして、排気管４の排ガス出口４１は第１接続管７１により触媒コンバータ６の入口と接続されており、触媒コンバータ６の出口は第２接続管７２により過給機５の排ガス入口５３と接続されている。これらの第１接続管７１、触媒コンバータ６及び第２接続管７２により、排気管４の排ガス出口４１から過給機５の排ガス入口５３へ至る流路が構成されている。そして、触媒コンバータ６は、排気管４の排ガス出口４１から過給機５の排ガス入口５３へ至る流路中に配置されている。

【0034】

第１接続管７１は、前後方向に延びる直線状である。一方、第２接続管７２は、触媒コンバータ６及び排気管４の上方で前後方向に延びる直線部と、触媒コンバータ６の出口から直線部の上流端へ至る１８０度屈曲部と、直線部の下流端から過給機５の排ガス入口５３へ至る９０度屈曲部を含む。なお、図示は省略するが、第１接続管７１及び第２接続管７２には、熱膨張を吸収するための伸縮部材が適所に組み込まれていてもよい。

【0035】

排気管４の第１バイパス口４２は、排気系バイパス管７の上流側端部と接続されている。排気系バイパス管７の下流側端部は、触媒コンバータ６の出口と過給機５の排ガス入口５３とを繋ぐ第２接続管７２と接続されている。排気系バイパス管７により、触媒コンバータ６を通さずに、排気管４から過給機５の上流側へ排ガスを送ることができる。第２接続管７２において、触媒コンバータ６の出口と排気系バイパス管７との接続部との間には、触媒コンバータ６から過給機５への排ガスの流れを許容する逆止弁８８が設けられている。この逆止弁８８は、定常時は開放されているが、後述する触媒コンバータ６の触媒６５のメンテナンス時に閉止される。

【0036】

排気管４の第２バイパス口４４は、バイパス管８の上流側端部と接続されている。バイパス管８の下流側端部は、エアクーラー１２とガスエンジン２の給気口４５とを繋ぐ第２給気管１３と接続されている。バイパス管８により、触媒コンバータ６を通らずに、排気管４からガスエンジン２の給気側へ排ガスを送る排気再循環（ＥＧＲ）用の流路が形成される。但し、バイパス管８はガスエンジン２の排ガスをガスエンジン２の給気側へ送ることができればよいので、バイパス管８の下流側端部は、過給機５の給気側又は第１給気管１１と接続されていてもよい。また、バイパス管８の下流側端部は、過給機５の排気側と接続されていてもよい。また、排気管４には、２つのバイパス口４２，４４が設けられているが、排気管４に１つのバイパス口を設け、このバイパス口に分岐ジョイントを介して排気系バイパス管７とバイパス管８との両方を接続してもよい。

【0037】

排気管４からの排ガスは、通常は第１接続管７１を通じて触媒コンバータ６に導かれ、特殊な状況で排気系バイパス管７を通じて触媒コンバータ６を通らずに過給機５の上流側へ導かれ、主に空気過剰率の調整のためにバイパス管８を通じてガスエンジン２の給気側へ導かれる。この排ガスの流れを操作するために、第１接続管７１に流量調節手段又は流路切換手段としての排気弁７５が設けられ、排気系バイパス管７に流量調節手段又は流路切換手段としての排気バイパス弁８５が設けられ、バイパス管８に流量調節手段としてのバイパス弁７６が設けられている。これらの弁７５，７６，８５は、本実施形態においてはいずれもバタフライ弁が採用されているが、弁７５，７６，８５の構造はこれに限定されない。

【0038】

上記ガスエンジンシステム１の構成によれば、過給機５がガスエンジン２に隣接して配置されていても、排気管４の排ガス出口４１と過給機の排ガス入口５３の開口方向により、排気管４の排ガス出口４１から過給機５の排ガス入口５３まで配管を通すルートを自由に決定することができる。すなわち、触媒コンバータ６がどのような位置に配置されていても、触媒コンバータ６を排気管４の排ガス出口４１及び過給機５の排ガス入口５３と接続することができる。換言すれば、過給機５をガスエンジンに隣接して配置したままで、触媒コンバータ６をガスエンジン２から過給機５への排ガス流路中に配置することができる。そして、このように配置されたガスエンジン２、過給機５、及び触媒コンバータ６において、排気管４とガスエンジン２の給気口４５とを繋ぐように設けられたバイパス管８は、比較的短いものとなる。よって、ガスエンジンシステム１の煩雑化及び巨大化を抑制することができる。

【0039】

次に、図４を参照して、触媒コンバータ６の構成を詳細に説明する。触媒コンバータ６は、触媒６５が収容される筐体６０を備えている。筐体６０は、前後方向に延びる筒状の筐体本体部６２と、筐体本体部６２に向かって拡大する上流側フード部６１と、筐体本体部６２から縮小する下流側フード部６３を含む。本実施形態では、筐体本体部６２の断面形状が矩形状であるが、筐体本体部６２の断面形状は例えば円形状であってもよい。触媒６５は筐体本体部６２に収容されている。触媒６５は、金属製の担体基材に、触媒活性成分を担持したコート材をコーティングしたものである。担体基材は、例えば、ステンレス製のメタルハニカムや、波板と平板が交互に積層された金属製構造体であってよい。触媒活性成分は、例えば、白金やパラジウムなどからなる金属微粒子であってよい。

【0040】

筐体６０の内部は、触媒６５を支持する格子部材６４によって複数の小部屋に仕切られている。そして、各小部屋に、複数の触媒６５が排ガスの流れ方向に積層された状態で配置されている。触媒６５は、筐体本体部６２を筐体６０の他の部分から取り外せば、容易に筐体本体部６２へ着脱することができる状態となる。触媒６５の交換に際して、排気弁７５及び逆止弁８８を閉止して排気バイパス弁８５を開放することにより、ガスエンジンシステム１の運転中でも触媒コンバータ６を解体して触媒６５を交換することができる。

【0041】

触媒コンバータ６の筐体６０には、触媒６５を加熱するためのヒーター１９が設けられている。ヒーター１９は、筐体６０の筐体本体部６２の周囲に設けられた電熱線１８等で構成されている。ヒーター１９は、電熱線１８に電流が流れると発熱し、この熱によって触媒６５を加熱するように構成されている。

【0042】

触媒コンバータ６には、温度センサ６７が設けられている（図５、参照）。温度センサ６７は、触媒６５の温度を測定するための触媒温度計測手段である。さらに、触媒６５の上流にラムダセンサ８２が設けられている（図５、参照）。ラムダセンサ８２は、触媒６５へ流れる排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度計測手段である。

【0043】

触媒コンバータ６の上流側フード部６１には、触媒６５に向かって活性化促進剤を噴出する触媒活性化装置９が設けられている。触媒活性化装置９は、例えば、上流側フード部６１の上方で左右方向に延びる主管９１と、主管９１から垂れ下がって上流側フード部６１内に入り込む複数の枝管９２で構成される。各枝管９２には、後向きのノズルが一定のピッチで設けられている。主管９１へは、第１活性化促進剤源９３から供給管９５を介して活性化促進剤が供給される。なお、本実施例に係る触媒活性化装置９は、活性化促進剤を触媒６５へ向けて噴射するように構成されているが、排気弁７５から触媒６５までの流路において活性化促進剤が噴出されるように構成されていてもよい。この構成であっても、ガスの流れにより活性化促進剤が触媒６５を通過するので、活性化促進剤を触媒６５に向けて噴射する場合と同様の効果が期待できる。

【0044】

活性化促進剤は、触媒６５での触媒反応に関する活性化状態のエネルギー値が、ガスエンジン２の燃料ガスの主成分よりも低い炭化水素、又は、その炭化水素を主成分とする気体又は液体である。ガスエンジン２の一般的な燃料ガスは天然ガスであり、天然ガスの主成分はメタンである。メタンは、炭素数が１の炭化水素である。炭素数の少ない炭化水素ほど、触媒６５での触媒反応が起こりにくい（酸化しにくい）。燃料ガスの主成分がメタンであるときには、触媒６５での触媒反応に関する活性化状態のエネルギー値がメタンよりも低い炭化水素が、活性化促進剤に含まれる。このような炭化水素は、例えば、炭素数が２以上のアルカンである。その中でも、気体状のアルカン、すなわち、炭素数が２−４のアルカン（エタン、プロパン、及びブタン）がより望ましい。

【0045】

また、活性化促進剤には、油、酸素、酸素富化空気、水素、及び燃料ガスのうち少なくとも１つが含まれていてもよい。本実施形態においては、触媒活性化装置９の主管９１に、第１活性化促進剤源９３と、第２活性化促進剤源９６とが供給管９５によって並列的に接続され、第１活性化促進剤源９３から上記炭化水素が、第２活性化促進剤源９６から油、酸素、酸素富化空気、水素、及び燃料ガスのうち少なくとも１つが、それぞれ供給される。そして、触媒活性化装置９は、第１活性化促進剤源９３からの活性化促進剤と、第２活性化促進剤源９６からの活性化促進剤とが、枝管９２のノズルから併せて噴出するように構成されている。なお、第１活性化促進剤源９３からの活性化促進剤の供給量は、供給管９５に設けられた弁等の供給量調整手段９４により調整され、第２活性化促進剤源９６からの活性化促進剤の供給量は、供給量調整手段９７によって調整される。

【0046】

上記の通り、１つの触媒活性化装置９が、２種以上の活性化促進要素を含む活性化促進剤を排気管４から触媒６５へ至る流路へ供給するよう構成されていることにより、ガスエンジンシステム１の構造をより単純化することができる。但し、ガスエンジンシステム１が複数の触媒活性化装置９を備え、各触媒活性化装置９が異なる活性化促進要素を含む活性化促進剤を、排気管４から触媒６５へ至る流路へ供給するように構成されていてもよい。また、触媒活性化装置９が備える活性化促進剤源は、２つ以上であってもよい。

【0047】

続いて、図５を参照して、ガスエンジンシステム１の制御構成について説明する。エンジン制御装置（ＥＣＵ）８０は、ガスエンジンシステム１の運転に関わる演算と制御を行うプロセッサである。エンジン制御装置８０は、図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器、及び入出力インターフェースなどを含んで構成される。エンジン制御装置８０には、温度センサ６７、エアフローメータ７９、及びラムダセンサ８２などの各種計器が電気的に接続されており、これらの計器から検出信号がエンジン制御装置８０へ送られる。また、エンジン制御装置８０には、排気弁７５、バイパス弁７６、排気バイパス弁８５、燃料弁３６、及び給気スロットル弁７８の各弁の開閉アクチュエータと、触媒活性化装置９の供給量調整手段９４，９７と、ヒーター１９とが電気的に接続されており、エンジン制御装置８０からこれらの機器へ制御信号が送られる。エンジン制御装置８０では、各種計器からの検出信号に基づき、ガスエンジン２の運転に関わる各種制御が行われる。以下では、エンジン制御装置８０がシステムの起動時に行う触媒暖機制御について詳細に説明する。

【0048】

エンジン制御装置８０のＣＰＵでＲＯＭに記憶された所定のプログラムが実行されることにより、次に説明する触媒暖機制御が行われる。エンジン制御装置８０は、触媒活性化装置９の動作を制御する機能部、ヒーター１９の動作を制御する機能部、ガスエンジン２の空気過剰率を制御する機能部の各機能部を少なくとも備えている。各機能部は、エンジン制御装置８０で実行されるプログラムを格納したメモリや制御回路として構成され得る。触媒暖機制御では、効果的に触媒を早期に暖機させるために、これらの各機能部を機能させる。

【0049】

図６は、エンジン制御装置８０による触媒暖機制御のフローチャートである。図６に示されるように、エンジン制御装置８０は、ガスエンジンシステム１の起動時に、まず、温度センサ６７により検出された触媒温度を取得する（ステップＳ１）。エンジン制御装置８０は、検出された触媒温度と所定の閾値とを比較する（ステップＳ２）。なお、所定の閾値とは、触媒６５が活性化されて望ましい浄化能力を発揮するような温度範囲（至適温度範囲）の下限値又はそれより大きな値である。触媒６５の至適温度範囲は、触媒により、また、触媒反応により異なる。

【0050】

検出された触媒温度が所定の閾値に満たなければ（ステップＳ２でＹＥＳ）、エンジン制御装置８０は、活性化促進剤の供給を開始するように触媒活性化装置９を動作させる（ステップＳ３）。これにより、触媒活性化装置９の枝管９２に設けられたノズルから触媒６５へ向けて活性化促進剤が噴出される。そして、排気管４から触媒６５へ至る流路内へ供給された活性化促進剤と触媒６５とが接触し、触媒６５の活性化が促される。

【0051】

触媒６５と活性化促進剤に含まれる炭化水素とが接触し、活性化促進剤中の炭化水素の触媒反応（発熱反応）が起こると、その反応熱で触媒６５の温度が上昇する。活性化促進剤に含まれる炭化水素は、ガスエンジン２の排ガス中の未燃燃料ガスと比較して、触媒６５の温度が至適温度範囲より低い状況でも触媒反応が起こりやすい。よって、活性化促進剤が供給されない場合と比較して、触媒の温度を速やかに至適温度範囲まで昇温させることができ、触媒をより早期に活性化させることができる。

【0052】

活性化促進剤には、上記炭化水素に加えて又は代えて、霧状の油、酸素、酸素富化空気、水素、及び燃料ガスのうち少なくとも１つが含まれていてもよい。例えば、活性化促進剤に霧状の油、燃料ガス、及び水素のうち少なくとも１つの要素が含まれる場合は、その要素が触媒６５と接触し、その要素の触媒反応が生じる。その結果、反応熱により触媒６５の温度が速やかに上昇する。また、例えば、活性化促進剤に酸素又は酸素富化空気が含まれる場合には、触媒６５が活性化される温度が所定の閾値より下がる。その結果、触媒６５が所定の閾値より低い温度であっても、より多くの排ガス中の未燃燃料ガスが触媒反応を起こし、その反応熱により触媒６５の温度が速やかに上昇する。

【0053】

続いて、エンジン制御装置８０は、ヒーター１９を作動させる（ステップＳ４）。ヒーター１９の電熱線１８に電流が流され、高温となった電熱線１８からの熱伝導により触媒６５が加熱される。その結果、ヒーター１９による加熱が無い場合と比較して、触媒６５の温度が速やかに上昇する。

【0054】

さらに、エンジン制御装置８０は、空気過剰率λを所定の値まで低下させる（ステップＳ５）。なお、ガスエンジン２の通常運転時の空気過剰率λの目標値は２程度であり、触媒暖気制御時には、空気過剰率λの目標値が１．０〜１．８までの範囲に含まれる所定の値とされる。空気過剰率λが減少すると、ガスエンジン２が通常運転時と比較して燃料リッチな状態で燃焼する結果、ガスエンジン２からの排ガスの温度が通常運転時と比較して高くなる。そして、触媒６５がより高い温度の排ガスと接触することと、より高い温度の排ガス中の未燃燃料ガスが触媒反応を起こすこととにより、触媒６５の昇温が促進される。

【0055】

空気過剰率λは、少なくとも、ラムダセンサ８２で計測された排ガスの酸素濃度と、エアフローメータ７９で計測された給気量とに基づき、燃料弁３６、バイパス弁７６、及び給気スロットル弁７８の各弁の開度を調整することによって、目標値に近づくように制御される。空気過剰率λを減少させるために、エンジン制御装置８０は、給気スロットル弁７８の開度の減少、及びバイパス弁７６の開度の増大のうち少なくとも一方を行うように、これらの弁７８，７６の開閉アクチュエータを動作させる。給気スロットル弁７８の開度が減少すると、ガスエンジン２の給気空気量が減少する。バイパス弁７６の開度が増大すると、ガスエンジン２の排ガスの一部が触媒コンバータ６及び過給機５を通さずにガスエンジン２の給気側へ送られるので、過給機５による過給圧が低下する。加えて、ガスエンジン２の給気中の未燃燃料ガス濃度が増加する。

【0056】

さらに、バイパス弁７６の開度が増大することによって、冷間始動直後のガスエンジン２の冷えた排ガスが触媒６５と接触しないか、或いは、触媒６５と接触する冷えた排ガスの流量が減少する。したがって、触媒の温度上昇が冷えた排ガスにより妨げられない。

【0057】

エンジン制御装置８０は、温度センサ６７により検出された触媒温度を継続的に取得する（ステップＳ６）。上述のように触媒６５の温度が上昇し、やがて、触媒６５の温度は所定の閾値以上、即ち、至適温度範囲内となる。検出された触媒温度が所定の閾値以上となると（ステップＳ７でＮＯ）、エンジン制御装置８０は、活性化促進剤の供給を停止するよう触媒活性化装置９を動作させ（ステップＳ８）、ヒーター１９を停止させ（ステップＳ９）、空気過剰率λを通常運転時の目標値まで増加させる（ステップＳ１０）。なお、上記ステップＳ３〜Ｓ５と、上記ステップＳ８〜Ｓ１０とは、それらのステップの間で順序が入れ換わったり、それらのステップのうちいずれか１つ以上が実行されたりしても構わない。

【0058】

以上説明した通り、本実施形態に係るガスエンジンシステム１では、ガスエンジン２の冷間始動直後などの触媒６５の温度が至適温度範囲に満たないときに、触媒６５の温度上昇を促進させるための処置がなされる。したがって、前記処置がなされない場合と比較して、触媒６５の温度は速やかに至適温度範囲まで上昇し、触媒６５がより早期に活性化されることで触媒浄化能力をより早く確保することができる。

【0059】

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

【0060】

例えば、上記実施形態に係る触媒コンバータ６は、排気管４を挟んで過給機５と反対側に配置されている。この配置によれば、触媒コンバータ６と排気管４の排ガス出口４１とを最短距離で接続することができる。但し、図７に示されるように、触媒コンバータ６が排気管４の上方に配置されていてもよい。この場合、排気管４の排ガス出口４１は上方に向けて開口し、この排ガス出口４１と触媒コンバータ６の上流側フード部６１とが９０度ベント管で接続されている。この配置によれば、排気管４の上方の比較的に使い道のないスペースを利用して触媒コンバータ６を配置することができる。

【産業上の利用可能性】

【0061】

本発明のガスエンジンシステムは、ガスエンジンの排気系に設置される触媒をより早期に活性化させることができるので、大気へ放出される未燃燃料ガスを抑制するのに有用である。

【符号の説明】

【0062】

１ ガスエンジンシステム
２ ガスエンジン
２２ クランクシャフト
３ シリンダ
４ 排気管
４１ 排ガス出口（第１排ガス出口）
４２ バイパス口
４４ バイパス口（第２排ガス出口）
５ 過給機
５３ 排ガス入口
５４ 排ガス出口
６ 触媒コンバータ
６０ 筐体
６１ 上流側フード部
６２ 筐体本体部
６３ 下流側フード部
６５ 触媒
６７ 温度センサ（触媒温度測定手段）
７１，７２ 接続管
７５，７６ 弁
７，８ バイパス管
９ 触媒活性化装置
８０ エンジン制御装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】