使用低热值气体燃料的燃气发动机 技术领域 本发明涉及一种使用低热值气体燃料的燃气发动机， 其以煤矿甲烷等甲烷浓度低 至 50％以下的低热值气体为燃料， 在副燃烧室中配置火花塞， 向副燃烧室内喷射该低热值 气体并通过所述火花塞点火， 使该副燃烧室内通过点火燃烧而产生的点火火焰通过将副燃 烧室与主燃烧室连接的连通孔喷出至该主燃烧室， 通过该喷出火焰， 使与所述副燃烧室侧 分离并由通过进气口吸入的低热值气体所形成的主燃烧室的混合气体燃烧。
背景技术 以煤矿甲烷等甲烷浓度低至 50％以下的低热值气体为燃料的燃气发动机构成为， 向副燃烧室内喷射该低热值气体并通过火花塞点火， 使该副燃烧室内的通过点火燃烧而产 生的点火火焰通过将副燃烧室与主燃烧室连接的连通孔喷出至该主燃烧室， 通过该喷出火 焰， 使与所述副燃烧室侧分离并由通过进气口吸入的低热值气体所形成的主燃烧室的混合 气体燃烧。
图 3 是表示以低热值气体为燃料的上述燃气发动机结构的燃烧室周围的结构图。
在图 3 中， 附图标记 100 所表示的发动机 ( 燃气发动机 ) 是使用火花塞的副燃烧 室点火式四冲程燃气发动机， 其具有 ： 往复滑动自如地嵌合于汽缸套 102a 内的活塞 102 ； 由 汽缸盖 105 的底面、 所述活塞 102 的顶面及汽缸套 102a 的内壁面划分而形成于它们之间的 主燃烧室 101。
并且， 所述发动机 100 具有 ： 连接于所述主燃烧室 101 的进气口 103 ； 对该进气口 103 进行开闭的进气阀 104 ； 连接于该主燃烧室 101 的排气口 106 ； 对该排气口 106 进行开 闭的排气阀 107。
所述排气口 106 经由排气管 118 与排气涡轮增压机 130 的涡轮 108 连接。驱动该 涡轮 108 后的废气通过排气管 117 进入由催化剂层等构成的废气净化装置 111， 在该废气净 化装置 111 中净化后， 从排气管 116 排出到大气中。
另一方面， 与该涡轮 108 同轴驱动的压缩机 109， 将吸入的空气压缩， 压缩空气通 过空气管 120 进入气体混合器 110。
燃料气体使用煤矿甲烷等甲烷浓度低至 50％以下的低热值气体， 该低热值气体被 收纳于低热值气体供给源 123。
并且， 所述低热值气体通过主燃气管 121， 到达流量调节阀 115， 由该流量调节阀 115 调节气体量以及开闭时期， 之后进入气体混合器 110。
在该气体混合器 110 中， 将来自所述空气管 120 的空气和来自所述主燃气管 121 的低热值气体预混合而生成预混合气体， 将该预混合气体输入发动机的进气口 103。
而且， 该预混合气体经由进气口 103 到达进气阀 104， 通过打开该进气阀 104， 将该 预混合气体供给至所述主燃烧室 101 内。
副燃烧室金属盖 12a( 口金 ) 通过金属盖按压件 14 从上方固定于汽缸盖 105。在 所述副燃烧室金属盖 12a 内形成有具有一定容积的副燃烧室 12。
在该副燃烧室 12 的上部固定有火花塞 13， 通过该火花塞 13 对副燃烧室 12 内的气 体进行点火。
并且， 所述金属盖按压件 14 上拧入有连接器 16， 该连接器 16 的一端侧经由与所述 主燃气管 121 分离的燃气管 122 与所述低热值气体供给源 123 连接， 另一端侧与朝副燃烧 室 12 开口的燃料通路 15 连接。
在燃烧时， 如上所述， 来自低热值气体供给源 123 的低热值气体， 通过所述燃气管 122， 进入燃料通路 15 并从该燃料通路 15 喷出至副燃烧室 12 内。此时在规定的时期通过 所述火花塞 13 产生火花放电， 因点火燃烧而产生的点火火焰， 通过所述连通孔 11 喷出至该 主燃烧室 101。
另一方面， 通过所述主燃气管 121 的分离后的低热值气体， 由流量调节阀 115 调节 气体量以及开闭时期， 之后进入气体混合器 110。
在所述气体混合器 110 中， 如上所述， 生成低热值气体与空气的预混合气体， 将该 预混合气体输入发动机的进气口 103。该预混合气体经由进气口 103 到达进气阀 104， 通过 打开该进气阀 104， 将上述预混合气体供给至所述主燃烧室 101 内。
另一方面， 通过所述火花塞 13 产生火花放电， 因点火燃烧而产生的点火火焰， 通 过所述连通孔 11 喷出至该主燃烧室 101 中的预混合气体， 使主燃烧室 101 中的气体燃烧。 在主燃烧室中燃烧后产生的废气， 通过排气口 106， 并经由排气管 118 输送至排气 涡轮增压机 130 的涡轮 108。
另外， 在专利文献 1( 日本特许 3649479 号公报 ) 中， 设有将点火用或起动用燃料 气体与通常的燃料气体分开使用的机构。
并且， 在专利文献 2( 日本特开 2000-8960 号公报 ) 中， 设有使用形成稀薄混合气 体的第一燃料和比第一燃料燃烧速度快且点火性能强的第二燃料、 以稀薄混合气体来填充 主燃烧室并以第二燃料来填充副燃烧室的机构。
但是， 上述现有技术存在以下需要解决的技术问题。
即， 如上所述， 以甲烷浓度低至 50％以下的低热值气体为燃料的低热值气体发动 机构成为， 向副燃烧室内喷射该低热值气体并通过火花塞点火， 使该副燃烧室内的通过点 火燃烧而产生的点火火焰， 通过将所述副燃烧室与主燃烧室连接的连通孔喷出至该主燃烧 室， 使与所述副燃烧室侧分离并由通过进气口吸入的低热值气体所形成的主燃烧室的混合 气体燃烧。
但是， 以煤矿甲烷等甲烷浓度低至 50％以下的低热值气体为燃料的燃气发动机， 如使用图 4 的 A 所示的低热值气体那样， 与常规热值的燃气发动机 B 相比， 发热量只有 30％ 左右， 在通常状态下不能经火花塞点燃。
因此， 如所述专利文献 2 所示， 使用如下机构， 即、 使用形成稀薄混合气体的第一 燃料和比第一燃料燃烧速度快且点火性能强的第二燃料， 并以稀薄混合气体来填充主燃烧 室、 以第二燃料来填充副燃烧室， 使用形成稀薄混合气体的第一燃料和比第一燃料燃烧速 度快且点火性能强的第二燃料， 并以稀薄混合气体来填充主燃烧室、 以第二燃料来填充副 燃烧室， 但此机构并不能直接适用于以甲烷浓度低至 50％以下的低热值气体为燃料的发动 机。
发明内容 本发明鉴于上述现有技术的问题而作出， 其目的在于提供一种使用低热值气体燃 料的燃气发动机， 该燃气发动机以煤矿甲烷等甲烷浓度低至 50％以下的低热值气体为燃 料， 使甲烷浓度上升并将低热值气体喷射至副燃烧室内而能够通过火花塞点火使其燃烧。
为了实现上述目的， 本发明的使用低热值气体燃料的燃气发动机， 其以甲烷浓度 低至 50％以下的低热值气体为燃料， 在副燃烧室中配置火花塞， 向副燃烧室内喷射该低热 值气体并通过所述火花塞点火， 使该副燃烧室内的通过点火燃烧而产生的点火火焰通过将 所述副燃烧室与主燃烧室连接的连通孔喷出至该主燃烧室， 通过该喷出火焰， 使与所述副 燃烧室侧分离并由通过进气口吸入的低热值气体所形成的主燃烧室的混合气体燃烧，
所述使用低热值气体燃料的燃气发动机的特征在于， 将所述低热值气体送入 PSA 处理装置， 在该 PSA 处理装置中实施变压吸附式处理 (PSA 处理 )、 即从所述低热值气体中吸 附分离杂质及惰性气体 ( 除甲烷气体之外 ) 而得到甲烷浓度高的甲烷气体， 将经此 PSA 处 理后的气体导入所述副燃烧室内并通过所述火花塞点火使其燃烧。
在此发明中， 优选在将所述低热值气体导入所述 PSA 处理装置之前使其分支并作 为主燃烧用低热值气体， 使该主燃烧用低热值气体通过流量调节阀来调节气体量， 之后将 所述主燃烧用低热值气体导入气体混合器并在该气体混合器中生成所述低热值气体与空 气的预混合气体， 将该预混合气体输入发动机的进气口。
并且， 在此发明中， 优选在所述 PSA 处理装置的出口设置缓冲罐， 该缓冲罐将经所 述 PSA 处理后的气体导入并使该气体的甲烷浓度均匀化。
本发明的使用低热值气体燃料的燃气发动机， 其以甲烷浓度低至 50％以下的低热 值气体为燃料， 在副燃烧室中配置火花塞， 向副燃烧室内喷射该低热值气体并通过所述火 花塞点火， 使该副燃烧室内通过点火燃烧而产生的点火火焰通过将所述副燃烧室与主燃烧 室连接的连通孔喷出至该主燃烧室， 通过该喷出火焰， 使与所述副燃烧室侧分离并由通过 进气口吸入的低热值气体所形成的主燃烧室的混合气体燃烧， 所述使用低热值气体燃料的 燃气发动机的特征在于， 将所述低热值气体送入 TSA 处理装置， 在 TSA 处理装置中实施变温 吸附式处理 (TSA 处理 )、 即通过约 200℃的升温从所述低热值气体中吸附分离杂质及惰性 气体 ( 除甲烷气体之外 ) 而得到甲烷浓度高的甲烷气体， 将经此 TSA 处理后的气体导入所 述副燃烧室内并通过所述火花塞点火使其燃烧。
并且， 在此发明中， 优选将传送所述燃气发动机的废气的废气导入管连接于所述 TSA 处理装置， 在该 TSA 处理装置中， 将所述废气的热量用于所述低热值气体的升温处理。
根据本发明， 由于使用低热值气体燃料的燃气发动机构成为， 将所述低热值气体 送入 PSA 处理装置， 在该 PSA 处理装置中实施变压吸附式处理 (PSA 处理 )、 即从低热值气 体中吸附分离杂质及惰性气体 ( 除甲烷气体之外 ) 而得到甲烷浓度高的甲烷气体， 将经此 PSA 处理后的气体导入所述副燃烧室内并通过所述火花塞点火使其燃烧。
在 PSA 处理装置中， 与所述常规热值的燃气发动机相比， 将发热量只有 30％左右 的低热值气体 ( 参照图 4) 加压并流过如沸石那样的吸附物质以吸附分离杂质， 从而能够得 到浓度为 100％的甲烷气体。
由于发动机副燃烧室内的用于生成点火火焰的气体量为甲烷量 2％左右， 因此， 用 上述浓度为 100％的甲烷气体足够， 此甲烷气体喷出至副燃烧室内。
而且， 该喷出的甲烷气体在规定时期通过火花塞产生火花放电， 因点火燃烧而产 生的点火火焰通过所述连通孔喷出至该主燃烧室。
因此， 根据本发明， 在 PSA 处理装置中， 通过变压吸附式处理 (PSA 处理 )， 能够从低 热值气体得到浓度为 100％的甲烷气体， 通过将该甲烷气体喷出至副燃烧室内并利用火花 塞产生火花放电， 从而也能够适用于以甲烷浓度低至 50％以下的低热值气体为燃料的发动 机而不会使副燃烧室内的点火性能降低。
并且， 在所述发明中， 由于构成为， 在将低热值气体导入 PSA 处理装置之前将其分 支并作为主燃烧用低热值气体， 将该主燃烧用低热值气体通过流量调节阀而调节气体量， 之后将所述主燃烧用低热值气体导入气体混合器并在该气体混合器中生成所述低热值气 体与空气的预混合气体， 将该预混合气体输入发动机的进气口， 因此， 在 PSA 处理装置中， 通过变压吸附式处理处理 (PSA 处理 )， 能够从低热值气体得到浓度为 100％的甲烷气体， 通 过将该甲烷气体喷出至副燃烧室内并通过火花塞产生火花放电， 能够容易地确保副燃烧室 内的点火性能。
由于即使将低热值气体作为主燃烧用气体来使用， 也能够可靠地确保所述副燃烧 室内的点火性能， 因此， 能够容易地将该低热值气体导入气体混合器并生成与空气预混合 的预混合气体， 即， 能够容易地生成低热值气体与空气混合的可以燃烧的稀薄混合气体。 并且， 由于在 PSA 处理装置的出口设置缓冲罐， 该缓冲罐将经所述 PSA 处理后的气 体导入并使该气体的甲烷浓度均匀化， 因此， 在 PSA 处理装置中， 使从低热值气体得到的浓 度为 100％的甲烷气体的浓度不均一部分流过缓冲罐而使浓度均一化， 能够向副燃烧室供 给浓度一定的气体。
并且， 根据本发明， 由于构成为， 在使用低热值气体燃料的燃气发动机中， 将低热 值气体送入 TSA 处理装置， 在 TSA 处理装置中实施变温吸附式处理 (TSA 处理 )、 即通过约 200℃的升温从低热值气体中吸附分离杂质及惰性气体 ( 除甲烷气体之外 ) 而得到甲烷浓 度高的甲烷气体， 将经此 TSA 处理后的气体导入所述副燃烧室内并通过所述火花塞点火使 其燃烧。
在 TSA 处理装置中， 与所述常规热值的燃气发动机相比， 将发热量只有 30％左右 的低热值气体 ( 参照图 4)， 通过约 200℃的升温而吸附分离杂质， 能够得到浓度为 100％的 甲烷气体。
由于发动机副燃烧室内的用于生成点火火焰的气体量为甲烷量 2％左右， 因此用 所述浓度为 100％的甲烷气体足够， 此甲烷气体喷出至副燃烧室内。
而且， 该喷出的甲烷气体在规定时期通过火花塞产生火花放电， 因点火燃烧而产 生的点火火焰通过所述连通孔喷出至该主燃烧室， 从而容易进行副燃烧室内的点火燃烧。
并且， 在此发明中， 由于将传送所述燃气发动机的废气的废气导入管连接于所述 TSA 处理装置， 在该 TSA 处理装置中， 将所述废气的热量用于所述低热值气体的升温处理， 因此， 能够将废气的热量用于 TSA 处理装置中的低热值气体的升温处理， 能够有效利用发 动机的废热。
附图说明
图 1 是表示本发明第一实施方式的以低热值气体为燃料的燃气发动机结构的燃烧室周围的结构图。
图 2 是表示本发明第二实施方式的以低热值气体为燃料的燃气发动机结构的燃 烧室周围的结构图。
图 3 是表示现有技术的以低热值气体为燃料的燃气发动机结构的燃烧室周围的 结构图。
图 4 是低热值气体与现状气体的甲烷浓度比较图。 具体实施方式
以下， 用图示实施方式来详细说明本发明。 但是， 该实施方式所记载的构成部件的 尺寸、 材质、 形状、 其相对配置等并非限定于特定的记载， 并非将本发明的范围限定于此， 该 实施方式仅作为说明例。
第一实施方式
图 1 是表示本发明第一实施方式的以低热值气体为燃料的燃气发动机结构的燃 烧室周围的结构图。
燃料气体使用煤矿甲烷等甲烷浓度低至 50％以下的发热量只有 30％左右的低热 值气体 ( 参照图 4)， 该低热值气体被收纳于低热值气体供给源 123。 所述低热值气体供给源 123 的出口与 PSA 处理装置 1 连接。
在该 PSA 处理装置 1 中， 实施变压吸附式处理 (PSA 处理 )， 即， 将发热量只有常规 热值的燃气发动机的 30％左右的低热值气体 ( 参照图 4) 加压并使其流过如沸石那样的吸 附物质， 通过吸附分离杂质， 得到浓度为 100％的甲烷气体。 另外， 由于 PSA 处理装置 1 中的 详细工作情况已公知， 因此省略详细说明。
在 PSA 处理装置 1 的出口设置有缓冲罐 2， 向该缓冲罐 2 中导入实施所述 PSA 处理 后的气体， 使该气体的甲烷浓度均匀化。
即， 使在 PSA 处理装置 1 中从低热值气体得到的浓度为 100％的甲烷气体中的浓度 不均一部分通过缓冲罐 2， 使浓度均一化， 从而能够向后述副燃烧室 12 供给浓度一定的气 体。
所述缓冲罐 2 输出的气体通过燃气管 3， 与拧入金属盖按压件 14 的连接器 16 的燃 料通路 15 连接， 该燃料通路 15 在所述金属盖按压件 14 内穿孔并朝副燃烧室 12 开口。
所述副燃烧室 12 的副燃烧室金属盖 12a， 通过金属盖按压件 14 而从上方被推压而 固定于汽缸盖 105。
在所述副燃烧室 12 的上部固定有火花塞 13， 通过该火花塞 13 对副燃烧室 12 内的 气体进行点火。
另一方面， 来自所述低热值气体供给源 123 并与所述 PSA 处理装置 1 分支的低热 值气体， 通过主燃气管 4 并通过流量调节阀 115， 由该流量调节阀 115 调节气体量以及开闭 时期， 之后进入气体混合器 110。
在该气体混合器 110 中， 将来自所述压缩机 109 并经过空气管 120 的压缩空气与 来自所述主燃气管 4 的低热值气体预混合并生成预混合气体， 将该预混合气体输入发动机 的进气口 103。
而且， 该预混合气体经由进气口 103 到达进气阀 104， 通过打开该进气阀 104， 将上
述预混合气体供给至所述主燃烧室 101 内。
下面对所述发动机 100 的燃烧时的工作进行说明。
如上所述， 来自低热值气体供给源 123 的低热值气体在所述 PSA 处理装置 1 中实 施变压吸附式处理 (PSA 处理 )， 即， 将发热量只有常规热值的燃气发动机的 30％左右的低 热值气体 ( 参照图 4)， 加压并使其流过如沸石那样的吸附物质， 吸附分离杂质， 从而得到浓 度为 100％的甲烷气体。
向设置于 PSA 处理装置 1 的出口的缓冲罐 2 中导入实施所述 PSA 处理后的气体， 使该气体的甲烷浓度均匀化。
来自所述缓冲罐 2 的浓度均匀化后的气体， 在通过所述燃气管 3 时， 利用节流阀 5 限制通路面积后， 进入燃料通路 15， 并从该燃料通路 15 喷出至副燃烧室 12 内。
此时， 在规定时期， 通过所述火花塞 13 产生火花放电， 因该点火燃烧而产生的点 火火焰， 通过所述连通孔 11 喷出至该主燃烧室 101。
另一方面， 来自所述低热值气体供给源 123 并与所述 PSA 处理装置 1 分支的低热 值气体， 通过主燃气管 4 并通过流量调节阀 115， 由该流量调节阀 115 调节气体量以及开闭 期间后， 进入气体混合器 110。 在该气体混合器 110 中， 将来自所述压缩机 109 并经过空气管 120 的压缩空气与 来自所述主燃气管 4 的低热值气体预混合并生成预混合气体， 将该预混合气体输入发动机 的进气口 103。
而且， 该预混合气体经由进气口 103 到达进气阀 104， 通过打开该进气阀 104， 将该 预混合气体供给至所述主燃烧室 101 内。
而且， 在所述副燃烧室 12 内， 通过火花塞 13 的火花放电进行点火燃烧而产生的点 火火焰， 通过所述连通孔 11 喷出至该主燃烧室 101 中的预混合气体， 通过该喷出气体， 使主 燃烧室 101 的预混合气体燃烧。
燃烧后的废气通过排气口 106， 并经由排气管 118 输送至排气涡轮增压机 130 的涡 轮 108。
如上所述， 根据该实施方式， 向副燃烧室供给的气体量为全部气体量的 2％左右， 为了从该 2％左右的供给气体生成副燃烧室 12 内的用于生成点火火焰的浓度为 100％的甲 烷气体， 即便设置 PSA 处理装置 1， 也不需要较大地变更气体供给装置整体结构， 能够将成 本增加抑制在最低限度。
并且， 根据此实施方式， 在 PSA 处理装置 1 中， 通过变压吸附式处理 (PSA 处理 )， 能 够从低热值气体得到浓度为 100％的甲烷气体， 将该甲烷气体喷出至副燃烧室 12 内， 通过 火花塞 13 产生火花放电， 从而， 能够适用于以甲烷浓度低至 50％以下的低热值气体为燃料 的发动机而不会使副燃烧室 12 内的点火性能降低。
并且， 根据此实施方式， 在 PSA 处理装置 1 中， 通过变压吸附式处理 (PSA 处理 )， 能 够从低热值气体得到浓度为 100％的甲烷气体， 将该甲烷气体喷出至副燃烧室 12 内并通过 火花塞 13 产生火花放电， 能够容易地确保副燃烧室内的点火性能， 所以即使将低热值气体 作为主燃烧用气体来使用， 也能够可靠地确保所述副燃烧室 12 内的点火性能， 因此， 通过 将该低热值气体导入气体混合器 110 并与来自增压机的空气进行预混合而能够容易地生 成预混合气体， 即， 能够容易地生成低热值气体与空气混合的可以燃烧的稀薄混合气体。
第二实施方式
图 2 是表示本发明第二实施方式的以低热值气体为燃料的燃气发动机结构的燃 烧室周围的结构图。
在该第二实施方式中， 将所述第一实施方式中的 PSA 处理装置 1 替换为变温吸附 式处理装置 (TSA 处理装置 )6。
即， 在第二实施方式中， 将来自低热值气体供给源 123 的低热值气体送入 TSA 处理 装置 6。
即， 在该 TSA 处理装置 6 中， 如上所述， 实施变温吸附式处理 (TSA 处理 )， 即， 将发 热量只有常规热值的燃气发动机的 30％左右的低热值气体 ( 参照图 4)， 通过约 200℃的升 温吸附分离杂质而得到浓度为 100％的甲烷气体。 另外， 由于 TSA 处理装置 6 中的详细工作 情况已公知， 因此省略详细说明。
而且， 与所述第一实施方式同样， 向设置于 TSA 处理装置 6 出口的缓冲罐 2 导入实 施所述 TSA 处理后的气体， 使该气体的甲烷浓度均匀化。 通过该缓冲罐 2， 使浓度均一化， 并 向后述副燃烧室 12 供给浓度一定的气体。
所述缓冲罐 2 输出的气体， 通过燃气管 3， 与拧入金属盖按压件 14 的连接器 16 的 燃料通路 15 连接， 该燃料通路 15 在所述金属盖按压件 14 内穿孔并朝副燃烧室 12 开口。
所述副燃烧室 12 的副燃烧室金属盖 12a， 通过金属盖按压件 14 从上方被推压而固 定于汽缸盖 105。
在所述副燃烧室 12 的上部固定有火花塞 13， 通过该火花塞 13 对副燃烧室 12 内的 气体进行点火。
并且， 在该第二实施方式中， 所述燃气发动机的废气在经废气净化装置 111 处理 后， 从排气管 116 经由废气导入管 9 连接于所述 TSA 处理装置 6， 在该 TSA 处理装置 6 中， 将 来自所述排气管 116 的废气的热量用于所述低热值气体的升温处理。另外， 所述废气的热 量也可从废气净化装置 111 的上游侧取出。
通过如上所述的结构， 由于能够将废气的热能用于 TSA 处理装置 6 中的低热值气 体的升温处理， 因此能够有效利用发动机的废热。
并且， 根据第二实施方式， 向发动机 100 的副燃烧室 12 供给的气体量为全部气体 量的 2％左右， 为了从该 2％左右的供给气体生成副燃烧室 12 内的用于生成点火火焰的浓 度为 100％的甲烷气体， 即便设置 TSA 处理装置 6， 也不需要较大地变更气体供给装置整体 结构， 能够将成本增加抑制在最低限度。
并且， 通过 TSA 处理装置 6， 能够从低热值气体得到浓度为 100％的甲烷气体， 将该 甲烷气体喷出至副燃烧室 12 内， 在规定的时期通过火花塞 13 产生火花放电， 因点火燃烧而 产生的点火火焰， 通过所述连通孔 11 喷出至该主燃烧室 101， 在副燃烧室 12 内能够容易地 点火燃烧。
上述结构以外的结构， 与所述第一实施方式相同， 对与第一实施方式相同的部件 以同一附图标记来表示。
工业实用性
根据本发明， 能够提供一种使用低热值气体燃料的燃气发动机， 该燃气发动机以 煤矿甲烷等甲烷浓度低至 50％以下的低热值气体为燃料， 使甲烷浓度上升并将低热值气体喷射至副燃烧室内而能够通过火花塞点火使其燃烧。