Gas-fired di - gas supply system of diesel engine

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はディーゼルエンジンへのガス供給装置に関し，
特に高圧ガス噴射拡散燃焼方式のディーゼルエンジンに供給するガス供給装置に関する。

〔従来の技術〕

ガスを燃料とするディーゼルエンジンには，低圧ガス予混合燃焼方式と高圧ガス噴射拡散燃焼方式とがあり，従来多くの場合低圧ガス予混合燃焼方式が採用されてきた。 この方法は吸入行程で予混合気を吸入するかあるいは圧縮工程初期から中期にかけてガス燃料をシリンダに噴射する方法であるが，圧縮工程中の断熱圧縮による温度上昇等により異常燃焼が発生し易く，油燃料運転の場合のディーゼルエンジンより圧縮比を下げるなどの処理を必要とし熱効率と出力が低くなる問題点があった。

このため高圧ガス噴射拡散燃焼方式の開発が現在各社により進められている。 第４図はこの高圧ガス噴射拡散燃焼方式の一例を示す。 図で液化天然ガスタンクａよりボイルオフしたガスが高圧圧縮装置ｂにより加圧され，熱交換器ｄにて海水により常温にまで冷却され，高圧ガス供給管ｅを通りディーゼルエンジンｆに供給される。 高圧圧縮装置ｂはレシプロ型４段圧縮機構ｂ _１ ，ｂ _２ ，ｂ
_３ ，ｂ _４からなり電動機ｇにより駆動される。 第３段圧縮機構ｂ _３と第４段圧縮機構ｂ _４との間には海水により加圧ガスを冷却するインタクーラｈが設けられている。
なお，ｉは液化ガスタンク設備，ｊはインターガスクーラである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが高圧ガス噴射拡散燃焼方式ではガスを高圧に加圧するため多くの動力を必要とする。 一試算例を示すと液化天然ガスタンク容量125,000ｍ ^３から１日当りその
0.1％がボイルオフする場合，この全量を250バール（気圧）に加圧するために必要な圧縮機動力は約700ｋＷとなる。

本発明の目的は前記従来装置の欠点を解消し，ボイルオフガスの加圧に必要な動力の少ないディーゼルエンジンへのガス供給装置を提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記問題点を解決するため，次の構成を具えたことを特徴とする。

(1) ディーゼルエンジンに燃料として供給するガスの一部分を低圧ガス予混合方式により供給する通路を有し，残部は高圧ガス噴射方式で供給する通路を有する。
低圧ガスとして供給されるガス量は圧縮工程で異常燃焼を発生させない範囲とする。

(2) ガスに液化ガスを添加して圧縮する。

〔作 用〕

(1) 使用される高圧ガスの量が少なくなるので，高圧ガスに加圧するための所要動力が少なくなる。

(2) ボイルオフガスの圧縮装置入口温度が低下する。
また，圧縮過程におけるガス温度上昇が低く押えられるので，加圧するための所要動力が少なくなる。

(3) 上記(1)と(2)との相乗効果によりディーゼルエンジンへのガス供給装置の加圧所要動力が大巾に低下する。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明の１実施例について説明すると，第１図は本発明の第１実施例としての，液化天然ガスタンクからのボイルオフガスを加圧してディーゼルエンジンに供給する装置の系統図，第２図はボイルオフガスの加圧工程における状態等を説明するためのメタンのＴ−Ｓ線図である。

第１図において，１０は液化天然ガスタンク設備，２０
は液化ガス添加装置，３０は高圧圧縮装置，４０は熱交換器，４１は高圧ガス供給管，５０は低圧圧縮装置，５
１は低圧圧縮機，５２は電動機，６０は熱交換機，６１
は低圧ガス供給管，７０はディーゼルエンジンである。

さらに１１は天然ガスタンク，１２は液化ガス移送ポンプ，２１はサービスタンク，２２は液化ガス加圧ポンプ，２３は液化ガス添加ノズル，２４は液滴分級器，３
１，３２，３３，３４は圧縮機構，３５は電動機である。

タンク１１内の液化天然ガスは常時外界より熱が侵入し蒸発し，ボイルオフガスが発生している。 ボイルオフガスの大部分は高圧圧縮装置３０により高圧に加圧され，
熱交換器４０にて海水により常温にまで冷却され，高圧ガス供給管４１をへてディーゼルエンジン７０に供給される。 高圧圧縮装置３０はレシプロ型４段の圧縮機構３
１，３２，３３，３４を有し，電動機３５により駆動される。 ボイルオフガスの一部分は低圧圧縮装置５０により低圧に加圧され熱交換器６０にて海水により常温にまで加温され，低圧ガス供給管６１を通りディーゼルエンジン７０に供給される。

ディーゼルエンジン７０では図示しないガス噴射ノズルおよび制御弁などが設けられており，低圧ガスはディーゼルエンジン７０の吸入行程に予混合気で供給するか圧縮行程の初期から中期にかけてシリンダに噴射される。
ここで噴射される低圧ガス量は，断熱圧縮行程中の温度上昇等による異常燃焼が発生しない範囲に制限される。

高圧ガスはピストンの上死点付近に於てシリンダに瞬時に噴射される。 この高圧ガス噴射とほぼ同時に，図示しないパイロツト油噴射装置により，着火用のパイロツト油がシリンダ内に噴射される。

これらの低圧ガス供給，高圧ガス噴射及びパイロツト油噴射に関するそれぞれの基本技術は，低圧ガス予混合燃焼方式および高圧ガス噴射拡散燃焼方式のディーゼルエンジンとして公知である。

また，第２図において，縦軸は温度Ｔ，横軸はエントロピーＳを示し，図中のＡ−Ｂは飽和液線，Ｄ−Ｆは飽和蒸気線，Ｅ−Ｈは250barの等圧線，Ａ−Ｃ−Ｆ−Ｇは1b
arの等圧線をそれぞれ示す。

上記装置において，タンク１１内の液化天然ガスは常時外界よりの熱侵入により蒸発してボイルオフガスが発生している。 ボイルオフガスは高圧圧縮装置３０にて加圧されるに先立つて，液化ガス添加装置２０において液化ガスが添加される。

即ち，上記液化ガス添加装置２０のサービスタンク２１
は液化ガス移送ポンプ１２によりタンク１１より送給された液化ガスを受入れる。 サービスタンク２１内の液化ガスは液化ガス加圧ポンプ２２により加圧され液化ガス添加ノズル２３においてボイルオフガスに噴射し添加される。

上記ガスの噴射量が少なければ添加された液化ガスの全量が蒸発するが，ボイルオフガスが飽和蒸気温度まで下がるに必要な量以上が噴射添加されれば，ボイルオフガスの気相と微小液滴状の液化ガスの液相とからなる２相流の状態となる。

液相は出来るだけ液滴が微小であることが望ましく，このため液滴分級器２４により粗い液滴を除いてサービスタンク２１に戻す。 粗い液滴が除去された２相流は圧縮装置３０によつて４段階にわたつて順次加圧された後，
熱交換器４０において海水により冷却又は昇温され，ディーゼルエンジン７０に燃料として供給される。

ボイルオフガスの各過程の状態変化を第２図のＴ−Ｓ線図で説明するために次の様に条件を仮定する。 即ち，液化天然ガスの成分は純メタンとし取扱う。 ボイルオフガスの温度は130゜K，圧力は1barとし，これより常温（約
300゜K），圧力250barの加圧ガスを得るものとする。
又，圧縮は等エントロピーの断熱圧縮とし，ボイルオフガスと噴射された液化ガスの液滴は理想的に均質に混相しているものと仮定し，さらに外界からの熱侵入，機械摩擦等は無視する事とする。

処置前のボイルオフガスの状態はＧ点で示される。 これをそのまゝ単純に４段圧縮して250barに加圧するとＨ点に到る。 これを250barの定圧のまま海水により常温（約
300゜K）まで冷却することによりＥ点に到り，ガスはこの状態でディーゼルエンジンに供給される。

Ｇ−Ｈ間のエンタルピー差は約170kcal／kgであり，Ｈ
−Ｅ間のエンタルピー差は約-130kcal/kgである。 これは，ボイルオフガス１kg当り約170kcal に相当する動力エネルギを費し，大部分の約130kcal を海水に熱エネルギーとして廃却していることを意味している。

次いで本発明による場合を説明すると，Ｇ点のボイルオフガスにＡ点の液化ガスが添加される。 添加される液化ガス量が少なければ全量が蒸発し，ボイルオフガスは主としてこの蒸発潜熱により温度が下がりＧ−Ｆの間にくる。 例えばＧ′となる。 これを４段圧縮すればＨ′となる。 Ｇ′−Ｈ′間のエンタルピー差はＧ−Ｈ間のエンタルピー差よりも少ない。

噴射添加される液化ガス量が多くなるに従い，添加後のガスはＦ点にまで温度が下がる。 さらに添加量が増すと，もはや添加後のガス温度はＦ点以下には下らず，Ｆ
点のガスとＡ点の液化ガスとの二相流となる。

Ｇ点のボイルオフガス１kgに対しＡ点の液化ガス0.5kg
を噴射添加した場合を例に述べれば，噴射後の二相流体はＣ点となる，これを250barまで４段圧縮するとＥ点となり，Ｅ点の温度は約300゜Kである。 Ｃ点からＥ点までの圧縮過程のうち，Ｃ点からＤ点までは二相流での圧縮である。 気相と液相を分けて説明すれば，気相分はＦ−
Ｄの飽和蒸気線に沿つて加圧され，一方液相分はＡ−Ｂ
の飽和液線に沿つてその一部が蒸発しながら加圧，昇温して行き，全量が蒸発し終ることによりＢ点にて液相分がなくなる。 Ｃ−Ｅ間のエンタルピー差は約85kcal/kg
である。

Ｇ点のボイルオフガス１kgに対しＡ点の液化ガス0.5kg
を添加しＣ点の二相流1.5kgを得る。 これを圧縮してＥ
点の加圧ガス1.5kgにするに要する動力エネルギーは85k
cal/kg×1.5kg≒130kcalに相当する。 このようにＧ点のボイルオフガスをそのまゝ圧縮する場合に較べ必要とする動力エネルギーは少なく，かつ，得られるＥ点のガス量は1.5倍である。

ボイルオフガス１kgに対し添加する液化ガス量が0.5kg
より多ければ得られる二相流の状態はＣ点よりもＡ点側，例えばＣ′となる。 逆に少なければＣ″となる。これを250barまで圧縮するとそれぞれＥ′，Ｅ″点のガスとなり，得られる高圧ガスの温度が変るとともに加圧に要する動力エネルギーが減少又は増加する。

この温度がディーゼルエンジン７０に供給するに許容される範囲を超えるようであれば，熱交換器４０において海水により昇温又は冷却する。

尚，予めボイルオフガスに対し添加する液化ガスの比率をある限られた範囲に設定する事が出来れば，即ち圧縮装置３０出口のガス温度を許容範囲に設定出来れば，熱交換器４０は省略出来る。

第３図は本発明の第２実施例を示す系統図である。

上記第１実施例においては，高圧加圧装置３０に入る前段階で添加すべき液化ガスの全量を添加したが，この実施例の場合は，高圧圧縮装置３０の４段の圧縮機構３
１，３２，３３，３４のそれぞれに対応して液化ガス添加ノズル２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄを配設して液化ガスを順次添加している。

二相流を圧縮する場合，液相は出来るだけ微小液滴状でガス中に均等に分布している事が望ましいが、このためには，一度に多量に液化ガスを添加する場合に比べ適量を順次添加する必要がある。 この実施例においては，圧縮機構３１，３２，３３，３４の夫々に対応して液化ガス添加ノズル２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄを設けたので，これが比較的容易に達成できる。

〔発明の効果〕

本発明は以上に示したように，高圧ガス噴射拡散燃焼方式のディーゼルエンジンのガス供給について，(1)ガス燃料の一部を低圧予混合方式により供給する，(2)ガス燃料に液化ガスを添加して圧縮することを特徴としており，上記(1)の手段によりガスの全量を高圧ガスとして供給する従来の方法に比べ，一部を低圧ガス状態で供給しているのでガスを加圧する所要動力が少なくなる。

又，上記(2)の手段によりガス圧縮時のＴ−Ｓ線上での状態が液化ガスを添加しない従来の装置に比べ低温側になり加圧所要動力が少なくなるが，手段(1)及び(2)を組合せたことにより，ボイルオフガス及び添加する液化ガスの量が一定の条件下で単に高圧圧縮すべきガス量が減少するのみでなく高圧圧縮時の状態がより一層低温側になり加圧所要動力が更に一段と低下する。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の１実施例としてのガス供給装置の系統図，第２図は第１図におけるガスの状態変化を説明するためのＴ−Ｓ線図，第３図は本発明の他の実施例としてのガス供給装置の系統図である。 第４図は従来のガス供給装置の系統図である。 １０……液化天然ガスタンク設備，１１……天然ガスタンク，１２……液化ガス移送ポンプ，２０……液化ガス添加装置，２１……サービスタンク，２２……液化ガス加圧ポンプ，２３……液化ガス添加ノズル，２３ａ，２
３ｂ，２３ｃ，２３ｄ……液化ガス添加ノズル，２４…
…液滴分級器，３０……高圧圧縮装置，３１，３２，３
３，３４……圧縮機構，３５……電動機，４０……熱交換器，４１……高圧ガス供給管，５０……低圧圧縮装置，５１……低圧圧縮機，５２……電動機，６０……熱交換器，６１……低圧ガス供給管，７０……ディーゼルエンジン