燃料ガス中のガス成分調整装置及びガスエンジンシステム
【課題】オンラインで燃料ガスの組成を把握して、燃料ガスの調整が可能な燃料ガス中のガス成分調整装置及びガスエンジンシステムを提供する。
【解決手段】ガスエンジン１００に燃料ガス１１を供給する燃料ガス供給管１３０と、燃料ガス１１にレーザ光３０を照射するレーザ分析装置５０とを具備し、レーザ分析装置５０が、レーザ光３０を発振するレーザ照射装置１２と、発振されたレーザ光３０を導入し、燃料ガス１１に照射してラマン散乱光３１を発生させる測定領域１３と、発生したラマン散乱光３１を計測するレーザ受光手段１６と、ラマン散乱光３１の計測結果により、燃料ガス１１中のガス組成をラマン散乱光３１のピーク信号強度より求めると共に、燃料ガス１１中のガス組成から求めたカロリーが所望閾値に達していない場合に、高カロリーガス５３を導入し、所望カロリーの混合ガス１１Ａとなるように、調整を行う制御手段５２とを具備する。
【解決手段】ガスエンジン１００に燃料ガス１１を供給する燃料ガス供給管１３０と、燃料ガス１１にレーザ光３０を照射するレーザ分析装置５０とを具備し、レーザ分析装置５０が、レーザ光３０を発振するレーザ照射装置１２と、発振されたレーザ光３０を導入し、燃料ガス１１に照射してラマン散乱光３１を発生させる測定領域１３と、発生したラマン散乱光３１を計測するレーザ受光手段１６と、ラマン散乱光３１の計測結果により、燃料ガス１１中のガス組成をラマン散乱光３１のピーク信号強度より求めると共に、燃料ガス１１中のガス組成から求めたカロリーが所望閾値に達していない場合に、高カロリーガス５３を導入し、所望カロリーの混合ガス１１Ａとなるように、調整を行う制御手段５２とを具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オンラインで燃料ガスの組成を把握して、燃料ガスの調整が可能な燃料ガス中のガス成分調整装置及びガスエンジンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、気薄混合ガス燃料をエンジンの主室に導入し、主室に隣接して設けられた副室内に、ガス燃料及び主室内の気薄混合ガス燃料を着火しやすい濃度になるように導入して混合し、副室内で混合ガス燃料を着火し、複数の噴孔から噴出する火炎により主室に向けてトーチを形成して、主室内の気薄混合ガス燃料を燃焼させる副室式ガスエンジンが知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２０３９５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ガスエンジンにおいては、副室に導入されるガス燃料のカロリーが変動した場合、副室内の安定燃焼が実現されず、ガスエンジン全体の燃焼が不安定化する、という問題がある。筒内温度、回転数、内筒圧変動に伴い、ガス燃料のカロリーを制御する必要になった場合においても、カロリーが把握できないため、制御できないという問題がある。
【０００５】
また、燃料ガスのカロリーを安定化するために、ガス濃度の均質化するバッファタンクを設けるようにしているが、オンラインで迅速に燃料ガスのカロリーをガス燃料が燃焼されてしまう前に把握し、この把握したカロリーに応じて燃料ガスを調整する技術の出現が求められている。
【０００６】
本発明は、前記問題に鑑み、オンラインで燃料ガスの組成を把握して、燃料ガスの調整が可能な燃料ガス中のガス成分調整装置及びガスエンジンシステムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、ガスエンジンの主燃焼室と副室とに燃料ガスを供給する燃料ガス供給管と、前記燃料ガス供給管中の燃料ガスにレーザ光を照射するレーザ分析装置とを具備してなり、前記レーザ分析装置が、レーザ光を発振するレーザ照射装置と、発振されたレーザ光を導入し、燃料ガスに照射してラマン散乱光を発生させる測定領域と、発生したラマン散乱光を計測するレーザ受光手段と、ラマン散乱光の計測結果により、燃料ガス中のガス組成をラマン散乱光のピーク信号強度より求めると共に、燃料ガス中の組成から求めたカロリーが所望閾値に達していない場合に、高いカロリーガスを導入し、所望カロリーの混合ガスとなるように、調整を行う制御手段とを具備することを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置にある。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、燃料ガス中の組成から求めたカロリーが所望閾値を超えている場合に、希釈ガスを導入し、所望カロリーとなるように、調整を行う制御手段とを具備することを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置にある。
【０００９】
第３の発明は、第１又は２の発明において、高カロリーガスのカロリーを前記レーザ分析装置で計測して、調整するカロリーを制御手段で修正することを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置にある。
【００１０】
第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つにおいて、前記混合ガスのカロリーを前記レーザ分析装置で計測して、ガスエンジンに供給する燃料カロリーが適切であるか否かを制御手段で判断することを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置にある。
【００１１】
第５の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、前記混合ガスのカロリーを前記レーザ分析装置で計測して、ガスエンジンに供給する燃料カロリーが適切であるか否かを制御手段で判断し、所望カロリーとなるように修正することを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置にある。
【００１２】
第６の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、前記混合ガスのカロリーを前記レーザ分析装置で計測し、ガスエンジンの運転状況を監視するエンジン状態監視手段において、レーザ分析結果からの燃料ガスの状態を加味し、ガスエンジンの変動に応じて、燃料ガスのカロリーが所望カロリーとなるように制御手段で修正することを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置にある。
【００１３】
第７の発明は、第６の発明において、前記エンジン状態監視手段の監視項目が、筒内温度、回転数、内筒圧の少なくとも一つであることを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置にある。
【００１４】
第８の発明は、主燃焼室と副室とを備えたガスエンジンと、前記ガスエンジンの主燃焼室と副室とに燃料ガスを供給する燃料ガス供給管と、前記燃料ガス供給管中の燃料ガスにレーザ光を照射して燃料ガス組成を調整する第乃至７のいずれか一つの燃料ガス中のガス成分調整装置とを備えたことを特徴とするガスエンジンシステムにある。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ガスエンジンに導入する燃料ガスをオンラインで連続しての計測により、リアルタイムでの燃料ガスの組成を求めることができる。そして、燃料ガスのカロリーの低下の量に応じて、高カロリーガスを導入することができ、安定したガスエンジンの燃焼を確保することができる。
また、筒内温度、回転数、内筒圧等の変動に基づいた燃料ガスカロリーの設定を、ガス燃料が燃焼されてしまう前に迅速に行うことができ、ガスエンジンの安定運転が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、実施例１に係る燃料ガス中のガス成分調整装置の概略図である。
【図２】図２は、実施例２に係る燃料ガス中のガス成分調整装置の概略図である。
【図３−１】図３−１は、実施例３に係る燃料ガス中のガス成分調整装置の概略図である。
【図３−２】図３−２は、実施例３に係る他の燃料ガス中のガス成分調整装置の概略図である。
【図４】図４は、実施例４に係る燃料ガス中のガス成分調整装置の概略図である。
【図５】図５は、実施例５に係る燃料ガス中のガス成分調整装置の概略図である。
【図６】図６は、燃料ガスのラマン散乱計測チャートの一例である。
【図７】図７は、実施例１に係るガス成分計測装置の概略図である。
【図８】図８は、実施例１に係る他のガス成分計測装置の概略図である。
【図９】図９は、実施例２に係るガス成分計測装置の概略図である。
【図１０】図１０は、実施例３に係るガス成分計測装置の概略図である。
【図１１】図１１は、計測時間と、レーザ光の出力感度（測定チャンバ内のレーザ光の計測パワー強度：Ｉ1）／（レーザ装置１２から発振された際のレーザ光の基本パワー強度：Ｉ0）との関係図である。
【図１２】図１２は、計測時間と、所定ガス成分（例えばＮ2）ピーク感度（所定ガス成分（Ｎ2）ピーク強度：Ｉ2）／（レーザ光の基本パワー強度：Ｉ0）との関係図である。
【図１３】図１３は、低カロリーガスを燃料とするガスエンジンの構成を示す燃焼室周りの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００１８】
例えばガス化炉からのガス化ガス等のメタン濃度が低い低カロリーガスを燃料とするガスエンジンは、該低カロリーガスを副室内に噴射し点火プラグにて着火させて、かかる副室の着火燃焼により発生した着火火炎を、前記副室と主燃焼室を接続する連絡孔を通して該主燃焼室に噴出させて、該噴出火炎により、前記副室側と分離して給気ポートを通して吸入した低カロリーガスにより形成した主燃焼室の混合気を燃焼させるように構成されている。
【００１９】
図１３は、低カロリーガスを燃料とするガスエンジンの構成を示す燃焼室周りの構成図である。図１３において、符号１００で示されるエンジン（ガスエンジン）は、点火プラグを用いた副室点火式４サイクルガスエンジンであり、シリンダライナ１０２ａ内に往復摺動自在に嵌合されたピストン１０２、シリンダヘッド１０５の下面と前記ピストン１０２の上面とシリンダライナ１０２ａの内面との間に区画形成される主燃焼室１０１を備えている。
【００２０】
また、前記エンジン１００は、前記主燃焼室１０１に接続される給気ポート１０３、該給気ポート１０３を開閉する給気弁１０４、該主燃焼室１０１に接続される排気ポート１０６、該排気ポート１０６を開閉する排気弁１０７等を備えている。
前記排気ポート１０６は、排気管１０８を経て排気ターボ過給機１０９のタービン１０９ａに接続される。該タービン１０９ａを駆動した後の排ガスは排気管１０８を通って、触媒層等からなる排ガス浄化装置１１０に入り、該排ガス浄化装置１１０で浄化されてから、排ガス管１１１から大気中に排出される。
一方、該タービン１０９ａに同軸駆動されるコンプレッサ１０９ｂは、空気１１２を圧縮し、圧縮空気は空気管１１３を通ってガスミキサー１１４に入る。
【００２１】
燃料ガス１１は、例えば炭鉱メタン等のメタン濃度が低い低カロリーガスを使用し、該低カロリーガスが燃料ガス供給源１１５に収納されている。
また、燃料ガス１１は燃料ガス供給管１２から分岐された主室用燃料ガス管１２Ａを通して、ガス量調整弁１１６に至り、該ガス量調整弁１１６にてガス量及び開閉期間を調整されて、ガスミキサー１１４に入る。
該ガスミキサー１１４では、前記空気管１１３からの空気１１２と前記主室用燃料ガス管１２Ａからの低カロリーの燃料ガス１１とを予混合して予混合ガスを生成して、この予混合ガスをエンジンの給気ポート１０３に投入する。
そして、この予混合ガスは給気ポート１０３を経て給気弁１０４に達し、該給気弁１０４の開弁によって前記主燃焼室１０１内に供給されている。
【００２２】
副室口金１１７は、口金押え１１８によりシリンダヘッド１０５に上面から固定されている。前記副室口金１１７内には、一定容積を有する副室１１９が形成されている。該副室１１９の上部には点火プラグ１２０が固定され、該点火プラグ１２０によって副室１１９内のガスに点火するようになっている。また、前記口金押え１１８には継手１２１がねじ込まれ、該継手１２１は、一端側が前記燃料ガス供給管１２から分離した副室用燃料ガス管１２Ｂに接続され、他端側が副室１１９に開孔する燃料通路１２２に接続している。
【００２３】
燃焼時においては、前記のように、低カロリーガス供給源１１５からの低カロリーの燃料ガス１１は、前記燃料ガス供給管１２を通って、副室用燃料ガス管１２Ｂを介して燃料通路１２２に入り、該燃料通路１２２から副室１１９内に噴出される。この際に所定の時期に前記点火プラグ１２０によって火花放電され、この着火燃焼により発生した着火火炎が、連絡孔１２３を通して該主燃焼室１０１に噴出される。
一方、前記主室用燃料ガス管１２Ａを通った分岐後の低カロリーガスは、ガス量調整弁１１６にてガス量及び開閉期間を調整されて、ガスミキサー１１４に入る。
【００２４】
前記ガスミキサー１１４では、前記のようにして、低カロリーガスと空気との予混合ガスが生成されて、この予混合ガスをガスエンジン１００の給気ポート１０３に投入する。この予混合ガスは給気ポート１０３を経て給気弁１０４に達し、該給気弁１０４の開弁によって前記主燃焼室１０１内に供給される。
一方、前記点火プラグ１２０によって火花放電され、この着火燃焼により発生した着火火炎が、前記連絡孔１２３を通して該主燃焼室１０１中の予混合ガスに噴出され、主燃焼室１０１のガスが燃焼される。
主燃焼室１０１にて燃焼した燃焼後の排ガス１２４は排気ポート１０６を通り、排気管１０８を経て排気ターボ過給機１０９のタービン１０９ａに送られる。
【００２５】
本発明では、このようなガスエンジンの供給する燃料ガスの性状を分析して適切な運転となるように燃料ガスを調整するものである。
【００２６】
図１は、本実施例に係る燃料ガス中のガス成分調整装置の概略図である。
図１に示すように、本実施例に係る燃料ガス中のガス成分調整装置１０Ａは、前記ガスエンジン１００の主燃焼室１０１と副室１１９とに燃料ガス１１を供給する燃料ガス供給管１３０と、前記燃料ガス供給管１３０中の燃料ガス１１にレーザ光３０を照射するレーザ分析装置５０とを具備してなり、前記レーザ分析装置５０が、レーザ光３０を発振するレーザ照射装置１２と、発振されたレーザ光３０を導入し、燃料ガス１１に照射してラマン散乱光３１を発生させる測定領域１３と、発生したラマン散乱光３１を計測するレーザ受光手段１６と、ラマン散乱光３１の計測結果により、燃料ガス１１中のガス組成をラマン散乱光３１のピーク信号強度より求めると共に、燃料ガス１１中のガス組成から求めたカロリーが所望閾値に達していない場合に、高カロリーガス５３を導入し、所望カロリーの混合ガス１１Ａとなるように、調整を行う制御手段５２とを具備するものである。なお、図１中、符号５４はビームダンパである。
【００２７】
ガスエンジン１００に供給する燃料ガス１１としては、炭鉱メタン等の低カロリーガス、シェールガス、熱分解ガス、コークス炉ガス、プロセスガス、石炭ガス、バイオマスガス化ガス、コンバータガス等を挙げることができる。
【００２８】
ここで、レーザ照射装置１２からのレーザ光３０は、反射ミラーＭを介して燃料ガス供給管１３０側へ反射させて、集光手段である集光レンズＬにより集光し、次いで燃料供給ガス管１３０内へ送られ、測定領域１３内にレーザ光３０を入射させ、導入される燃料ガス１１へ照射している。
【００２９】
なお、本実施例では、燃料ガス供給管１２内に直接レーザ光１３を導入するものであるが、燃料ガス供給管１３０から分枝するサンプルラインを設け、このサンプルラインにレーザ光３０を導入して、レーザ分析するようにしてもよい。
【００３０】
ここで、レーザ分析装置５０の分析窓の汚れがあっても分析計を停止させることなく、計測が継続できる実施例について説明する。
【００３１】
＜レーザ分析装置５０Ａの構成＞
図７は、レーザ分析装置５０Ａの概略図である。
図７に示すように、レーザ分析装置５０Ａは、被計測ガス（燃料ガス：図示せず）にレーザ装置１２からのレーザ光３０を照射する測定チャンバ１３と、ガス導入方向と直交する方向にレーザ光３０を入射する一対の第１及び第２のレーザ入射部１４Ａ、１４Ｂを有する第１及び第２のレーザ入射ユニット１５Ａ、１５Ｂと、前記被計測ガス中の組成をレーザ分析（ラマン散乱、ミー散乱等）するレーザ受光手段１６と、第１及び第２のレーザ入射部１４Ａ、１４Ｂと各々対向して設けられ、レーザ光３０の出力感度を計測する第１又は第２の出力計２０Ａ、２０Ｂを有する第１及び第２の出力計ユニット２１Ａ、２１Ｂと、前記第１及び第２のレーザ入射ユニット１５Ａ、１５Ｂを測定チャンバ１３から脱着可能する第１及び第２のレーザ入射ユニット用脱着手段１７Ａ、１７Ｂと、前記測定チャンバ１３内と第１及び第２のレーザ入射ユニット１５Ａ、１５Ｂとを遮断する第１及び第２のゲートバルブ１８Ａ、１８Ｂと、第１及び第２のゲートバルブ１８Ａ、１８Ｂのいずれか一方が開いた際に、第１及び第２のレーザ入射部１２Ａ、１２Ｂの窓部１２ａ近傍を不活性ガス雰囲気とする不活性ガス導入手段１９と、前記第１及び第２の出力計ユニット２１Ａ、２１Ｂを測定チャンバ１３から脱着可能する第１及び第２の出力計ユニット用脱着手段１７Ｃ、１７Ｄと、前記測定チャンバ１３内と第１及び第２の出力計ユニット２１Ａ、２１Ｂとを遮断する第３及び第４のゲートバルブ１８Ｃ、１８Ｄと、第３及び第４のゲートバルブ１８Ｃ、１８Ｄのいずれか一方が開いた際に、第１及び第２の出力計ユニット２１Ａ、２１Ｂの窓部２１ａ近傍を不活性ガス雰囲気とする不活性ガス導入手段１９と、を具備し、第１のレーザ入射ユニット１５Ａでレーザ分析している際には、第１のゲートバルブ１８Ａ及び第３のゲートバルブ１８Ｃを開放して、第１の出力計ユニット２１Ａでレーザ光の出力を計測すると共に、第２のレーザ入射ユニット１５Ｂの第２のゲートバルブ１８Ｂ及び第２の出力計ユニット２１Ｂの第４のゲートバルブ１８Ｄを遮断し、第１のレーザ入射部１４Ａからのレーザ光の出力感度（測定チャンバ１３内のレーザ光の計測パワー強度：Ｉ1）／（レーザ装置１２から発振された際のレーザ光の基本パワー強度：Ｉ0）を、連続して求め、求めたレーザ光のパワー感度が閾値以下となった際に、遮断していた第２のゲートバルブ１８Ｂ及び第４のゲートバルブ１８Ｄを開放し、第２のレーザ入射部１４Ｂからレーザ光を照射して、引き続き被計測ガスをレーザ分析する制御を行う制御手段を有するものである。
【００３２】
本発明では、相対向する第１のレーザ入射部１４Ａ（第２のレーザ入射部１４Ｂ）と第１の出力計２０Ａ（第２の出力計２０Ｂ）を２系統用いて、被計測ガスにレーザ装置１２からのレーザ光３０を測定チャンバ１３内に照射し、ガス組成をレーザ分析する方法において、第１のレーザ入射部１４Ａでレーザ分析している際には、第２のレーザ入射部１４Ｂ及び第２の出力計２０Ｂは、第２及び第４のゲートバルブ１８Ｂ、１８Ｄを用いて遮断し、第１のレーザ入射部１４Ａからのレーザ光３０の出力感度（測定チャンバ１３内のレーザ光の計測パワー強度：Ｉ1）／（レーザ装置１２から発振された際のレーザ光の基本パワー強度：Ｉ0）を、連続して求め、求めたレーザ光のパワー感度が閾値以下となった際に、遮断していた第２及び第４のゲートバルブ１８Ｂ、１８Ｄを開放し、第２のレーザ入射部１４Ｂからレーザ光３０を照射して、引き続き被計測ガスをレーザ分析するようにしている。
このように、２系統の一対の入射ユニットと出力ユニットと設けているので、所定の感度の低下を確認したら、交互に使用することで、ガス成分や濃度の検出、煤塵濃度の検出を停止することなく、連続して精度の高い被計測ガスのガス成分や濃度の検出、煤塵濃度の検出が可能となる。
【００３３】
図７に示すように、測定チャンバ１３には、被計測ガスの導入方向（図中、紙面に垂直方向）と直交する方向にレーザ光３０を入射する一対の第１及び第２のレーザ入射部１４Ａ、１４Ｂを有する第１及び第２のレーザ入射ユニット１５Ａ、１５Ｂが、レーザ入射ユニット用脱着手段１７Ａ、１７Ｂにより着脱自在に設けられている。
【００３４】
この第１及び第２のレーザ入射ユニット用脱着手段１７Ａ、１７Ｂは、測定チャンバ１３のポート１３ａの内向きフランジ１３ｂと、第１の入射ユニット１５Ａの外向きフランジ１５ａとを着脱自在とする着脱ボルト１５ｂとから構成されており、例えば石英製の窓部１２ａが汚れた際に、外して清掃を行うことができる。
第１及び第２のゲートバルブ１８Ａ、１８Ｂは、測定チャンバ１３内と第１及び第２のレーザ入射ユニット１５Ａ、１５Ｂとの空間を遮断するものであり、図示しない制御装置の指令により開閉自在としている。
【００３５】
また、測定チャンバ１３には、第１及び第２のレーザ入射部１４Ａ、１４Ｂと各々対向して設けられ、レーザ光の出力感度を計測する第１又は第２の出力計２０Ａ、２０Ｂを有する第１及び第２の出力計ユニット２１Ａ、２１Ｂが設けられている。
この第１及び第２の出力計ユニット２１Ａ、２１Ｂも同様に出力計のユニット用脱着手段１７Ｃ、１７Ｄにより着脱自在に設けられている。
【００３６】
この第１及び第２の出力計ユニット用脱着手段１７Ｃ、１７Ｄは、第１及び第２のレーザ入射ユニット用脱着手段１７Ａと同様の構成であり、窓部１２ａが汚れた際に、外して清掃を行うことができる。
なお、測定チャンバ１３から第１及び第２のレーザ入射ユニット１５Ａ、１５Ｂ又は第１及び第２の出力計ユニット２１Ａ、２１Ｂを着脱可能となる手段であれば、本実施例に限定されず、いずれのものでもよい。
【００３７】
第１及び第２のゲートバルブ１８Ａ、１８Ｂ内には不活性ガス（Ｎ2）が不活性ガス導入手段１９により供給され、第１及び第２のレーザ入射部１４Ａ、１４Ｂの窓部１２ａ近傍の清浄化を維持するようにしている。
同様に、第３及び第４のゲートバルブ１８Ｃ、１８Ｄにも、不活性ガス（Ｎ2）が不活性ガス導入手段１９により供給され、第１及びのレーザ入射部１４Ａ、１４Ｂの窓部１２ａ、１２ｂ近傍の清浄化を維持するようにしている。
【００３８】
次に、被測定ガスを計測して、窓部１２ａの劣化が生じた際の、交換の手順について説明する。
図１１は、計測時間と、レーザ光の出力感度（測定チャンバ内のレーザ光の計測パワー強度：Ｉ1）／（レーザ装置から発振された際のレーザ光の基本パワー強度：Ｉ0）との関係図である。図１１に示すように、計測を行うにつれて、徐々にレーザ光の測定チャンバ１３内の出力感度の低下が確認される。
ここで、レーザ光の出力感度が例えば０．７を閾値とし、例えば石英製の窓部１２ａの汚れ又は劣化と判断することとして、レーザ光の切り替えの手順を説明する。
１）先ず、第１のレーザ入射部１４Ａからのレーザ光３０を用いて、測定領域Ｘを通過させ、レーザ光分析を行う（工程１）。
この第１のレーザ入射ユニット１５Ａでレーザ分析している際には、第１のゲートバルブ１８Ａ及び第３のゲートバルブ１８Ｃを開放し、第１の出力計ユニット２１Ａでレーザ光の出力を計測すると共に、第２のレーザ入射ユニット１５Ｂの第２のゲートバルブ１８Ｂ及び第２の出力計ユニット２１Ｂの第４のゲートバルブ１８Ｄを遮断しておく。
２）このレーザ光分析の際に、第１の出力計２０Ａでレーザ光のパワー感度（測定チャンバ内のレーザ光の出力強度Ｉ1）／（レーザ装置から発振された際のレーザ光の基本パワー強度Ｉ2）を、連続して求めておく（工程２）。
３）この計測は、例えば図１１に示すようなチャートとなる。
４）計測を行い、閾値（０．７）以下となった際に、遮断していた第２のゲートバルブ１８Ｂ及び第４のゲートバルブ１８Ｄを開放し、第２のレーザ入射部１４Ｂからレーザ光を照射して、引き続き被計測ガスをレーザ分析する指令を図示しない制御手段から行う（工程３）。
５）次いで、第１のレーザ入射ユニット用脱着手段１７Ａ及び第１の出力計ユニット２１Ａを開放して、窓部１２ａを清掃し、取り付ける。
この清掃の際には、不活性ガス供給手段１９により不活性ガス（Ｎ2）を供給して、内部に外部からの空気が浸入しないようにしている。
【００３９】
また、レーザ光の計測を一時停止して良い場合には、前述の工程３において、計測を行い、閾値（０．７）以下となった際に、第１のレーザ入射部１４Ａからレーザ光３０の照射を停止する。
次いで、遮断していた第２のゲートバルブ１８Ｂ及び第４のゲートバルブ１８Ｄを開放し、第２のレーザ入射部１４Ｂからレーザ光を照射して、引き続き被計測ガスをレーザ分析する指令を図示しない制御手段から行うようにしてもよい。
【００４０】
また、レーザ光３０の出力感度で閾値を判断する代わりに、所定ガス成分（例えばＮ2）ピーク感度（所定ガス成分（Ｎ2）ピーク強度：Ｉ2）／（レーザ光の基本パワー強度：Ｉ0）を、連続して求め、所定ガス成分（Ｎ2）ピーク感度が閾値以下となった際に、遮断していた第２のゲートバルブ１８Ｂを開放し、第２のレーザ入射部１４Ｂで引き続き被計測ガスのガス組成をレーザ分析する制御を行うようにしてもよい。
【００４１】
図６は、燃料ガスのラマン散乱光計測結果のチャートである。
本実施例では、この窒素のピークを指標として、所定ガス成分（例えばＮ2）ピーク感度を求めた。
ここで、窒素ガスをピークとする理由は、燃料ガスのバランスガスとして適用されることが多く、その組成が安定しているためである。なお、窒素ガス以外にもガス種によって適宜選定することができる。
【００４２】
図１２は、計測時間と、所定ガス成分（例えばＮ2）ピーク感度（所定ガス成分（Ｎ2）ピーク強度：Ｉ2）／（レーザ光の基本パワー強度：Ｉ0）との関係図である。図１２に示すように、計測を行うにつれて、除除にレーザ光の出力感度の低下が確認される。
【００４３】
ここで、本実施例では、レーザ受光部１６は、発生するラマン散乱光１５Ａを計測する受光部１６ａと、受光部１６ａから光ファイバ１６ｂを介して送られた散乱光を分光する分光部１６ｃとＩＣＣＤ（Ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｄ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラ１６ｄから構成されている。受光された信号はデータ処理手段（ＣＰＵ）で処理され、ガス組成のスペクトルピーク強度が求められる。
【００４４】
ここで、レーザ装置１２からのレーザ光３０は、測定チャンバ１３内でのレーザ光の出力を計測する第１及び第２の出力計２０Ａ、２０Ｂと、第１及び第２の出力計２０Ａ、２０Ｂが各々相対向して設置されている。
【００４５】
測定チャンバ１３は被測定ガスを内部に導入、保持又は排出させる機能を有するものであり、この導入は、生成ガスを送給する送給管の一部を又は送給管から分枝させて導入するようにしてもよい。
【００４６】
また、測定領域Ｘの中心部から散乱光されたラマン散乱光３１は、例えば偏光子、集光レンズ及びフィルタ等の光学群（図示せず）を介して分光部１６ｃで分光され、該分光部１６ｃに接続されたＩＣＣＤカメラ１６ｄにより各波長の光の強度を計測する。前記ＩＣＣＤカメラ１６ｄからの計測データは、データ処理手段（ＣＰＵ）に送られ、ここで計測データの処理がなされる。
【００４７】
なお、受光部における窓の汚れは、レーザ光が直接照射されるものではないので、ユニットを交換した後、所定の出力感度が得られない場合には、受光部の窓部１６ｅの汚れと判断し、計測を停止して、レーザ受光手段の窓部１６ｅの清掃をすることとなる。なお、窒素（Ｎ2）を導入して、窒素雰囲気として窓部１６ｅへの汚れの付着を回避するようにしている。なお、受光用の窓部１６ｅにおいても必要に応じて、本発明のようなゲートバルブを設けるようにしてもよい。
【００４８】
＜レーザ分析装置５０Ｂの構成＞
図８は、レーザ分析装置５０Ｂの概略図である。図７に示すレーザ分析装置５０Ａと同一の構成については、同一符号を付してその説明は省略する。
図８に示すように、ガス成分計測装置５０Ｂは、受光手段においても第５及び第６のゲートバルブ１８Ｅ、１８Ｆを設けた一例を示す。
そして、第１及び第２のレーザ受光ユニット用脱着手段１７Ｅ、１７Ｆは、第１及び第２のレーザ入射ユニット用脱着手段１７Ａ、１７Ｂと同様であり、説明は省略する。そして、例えば石英製の窓部１６ｅが汚れた際に、外して清掃を行うことができるようにしている。
この受光部の窓部１６ｅの劣化の判断は、（所定ガス成分（Ｎ2）ピーク濃度：Ｉ2）／（測定チャンバ１３内のレーザ光の計測パワー強度：Ｉ1）により求めたレーザ光のパワー感度が閾値以下となった際に、遮断していた第６のゲートバルブ１８Ｆを開放し、ラマン散乱光３１を第の受光ユニット２５Ｂで受光して、引き続き被計測ガスをレーザ分析するようにしている。
これにより、受光部の交換においても計測を停止することなく、実施することができる。
【００４９】
以下に、レーザ装置１２を用いたガス組成を計測できるガス成分計測装置の各構成部材について説明する。
【００５０】
レーザ装置１２からのレーザ光３０は、光ファイバ１２ｂを介して、第１及び第２のレーザ入射ユニット１５Ａ、１５Ｂ内の第１及び第２のレーザ入射部１４Ａ、１４Ｂに送られ、その後窓部１２ａを透過して、チャンバ１３内に出射される。
【００５１】
なお、測定チャンバ１３内に設けられる第１及び第２の出力計２０Ａ，２０Ｂは、レーザ光３０の進行方向上に設けられており、レーザ光３０の出力を正確に計測することが出来る計算機器である。この数値をフィードバックし、レーザ装置１３の出力状態と窓部の汚れ状態を確認する。
【００５２】
次に、レーザ光３０が照射できるような形で被測定ガスを保持又は流通させる機能を有する測定チャンバ１３について説明する。
測定チャンバ１３は、計測される被測定ガスが内部に存在しており、それを外部（レーザ部や分光器を含む）にリークさせないような構造をしている。
【００５３】
窓部１２ａは、被測定ガスを外部へ流出させないための石英ガラス製の窓である。石英ガラス製にしているのは、その窓をレーザ光３０が透過できるようにするためである。なお、この窓は二重にしており、石英ガラス１枚が破損しても、ガスがリークしないようにしている。
【００５４】
また、測定チャンバ１３のレーザ光３０の通路には、電磁弁である第１乃至第４のゲートバルブ１８Ａ〜１８Ｄが設けられており、通常は、閉じている。これは、長期間に亙って測定チャンバ１３側の窓部１２ａを被測定ガスに曝しておくと、該被測定ガス中の不純物により、汚れてしまい、その汚れの為にレーザによる測定が困難となるからである。なお、前記電磁弁は測定時には開口される。
【００５５】
＜レーザ分析装置５０Ｃの構成＞
図９は、レーザ分析装置５０Ｃの概略図である。図７及び８に示すレーザ分析装置５０Ａ、５０Ｂと同一の構成については、同一符号を付してその説明は省略する。
図９に示すように、ガス成分計測装置５０Ｃは、レーザ分析装置５０Ａの測定チャンバ１３に設けた第１の出力計２０Ａを有する第１の出力計ユニット２１Ａと、第２の出力計２０Ｂを有する第２の出力計ユニット２１ｂとを削除したものである。
なお、符号４０Ａ、４０Ｂはレーザ光を吸収するビームダンパである。
【００５６】
そして、所定ガス成分（例えばＮ2）ピーク感度（所定ガス成分（Ｎ2）ピーク強度：Ｉ2）／（レーザ光の基本パワー強度：Ｉ0）を、連続して求め、所定ガス成分（Ｎ2）ピーク感度が閾値以下となった際に、遮断していた第２のゲートバルブ１８Ｂを開放し、第２のレーザ入射部１４Ｂで引き続き被計測ガスのガス組成をレーザ分析する制御を行うようにしている。
本実施例によれば、測定チャンバ１３内に２つの出力計を有することがなくなり、装置構成を簡略化することができる。
【００５７】
＜レーザ分析装置５０Ｄの構成＞
図１０は、レーザ分析装置５０Ｄの概略図である。図７〜９に示すレーザ分析装置５０Ａ〜５０Ｃと同一の構成については、同一符号を付してその説明は省略する。
図１０に示すように、ガス成分計測装置５０Ｄは、第１のレーザ入射部１４Ａの周囲に第１のレーザ受光部１６Ａを配置し、これを一体として第１のレーザ入射ユニット１５Ａ内に設けている。同様に、第２のレーザ入射部１４Ｂの周囲に第２のレーザ受光部１６Ｂを配置し、これを一体として第２のレーザ入射ユニット１５Ｂ内に設けている。
例えば、第１のレーザ入射部１４Ａの周囲に第１の受光部１６Ａを同心円状に複数配置するように設け、この複数の受光部により散乱光を受光するようにしている。これにより、受光部の光学調整も不要となる。
受光された散乱光情報は、光ファイバ１６ｂを介して、レーザ受光手段１６に送られ、ここでデータ処理される。
【００５８】
また、レーザ入射部以外に受光部もゲートバルブで閉鎖するようにしているので、実施例１のような受光部用の窓部１６ｅの汚れも解消される。
【００５９】
また、図１に示すように、測定領域１３の中心部から散乱されたラマン散乱光３１は、例えば偏光子、集光レンズ及びフィルタ等の光学群（図示せず）を介して分光部１６ｃで分光され、該分光部１６ｃに接続された例えばＩＣＣＤカメラ１６ｄにより各波長の光の強度を計測する。
前記ＩＣＣＤカメラ１６ｄからの計測データは、データ処理手段（ＣＰＵ）５１に送られ、ここで計測データの処理がなされ、燃料ガス１１のカロリー変動の有無が確認される。
【００６０】
そして、本燃料ガス中のガス成分調整装置１０Ａを用いて燃料ガス１１のカロリーを計測するには、先ずレーザ分析装置５０で燃料ガス１１のカロリーを計測する。そして、計測カロリーが閾値を超えているか否かを判断し、超えていない場合には、ガスエンジン１００へ供給する燃料ガス１１の供給カロリーが低いので、高カロリーガス５３を高カロリーガス導入手段５４より導入し、混合ガス１１Ａを所定のカロリーとするようにしている。
【００６１】
高カロリーガス５３の調整は、ＯＮ−ＯＦＦバルブによる切替や、流量調整による調整により行うようにしている。また、導入量を計測しつつ流量調整手段により高カロリーガス５３の導入量を調整するようにしてもよい。ここで、流量調整手段としては、流路切替手段、調整弁及びマスフローコントローラ等の調整手段を挙げることができる。
【００６２】
図６は、燃料ガスのラマン散乱計測チャートの一例である。図６では、メタン（ＣＨ4）が７５％、二酸化炭素（ＣＯ2）が１２％、窒素（Ｎ2）が５％、水分（Ｈ2Ｏ）が５％、その他の燃料ガスが３％であった。
【００６３】
本実施例によれば、ガスエンジン１００に導入する燃料ガス１１をオンラインで連続しての計測により、リアルタイムでの燃料ガス１１の組成を求めることができる。
そして、燃料ガス１１のカロリーの低下の量に応じて、高カロリーガス５３を導入することができ、安定したガスエンジンの燃焼を確保することができる。
これにより、例えば高カロリーガスを供給するためのバッファタンクを設けることなく、安定したカロリーの燃料ガスを供給することができる。
【実施例２】
【００６４】
次に、本発明の実施例２について説明する。なお、実施例１の構成部材と同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。
図２は、実施例２に係る燃料ガス中のガス成分調整装置の概略図である。
図２に示すように、本実施例に係る燃料ガス中のガス成分調整装置１０Ｂは、実施例１の燃料ガス中のガス成分調整装置１０Ａにおいて、さらに燃料ガス供給管１３０に希釈ガス５５を希釈ガス導入手段５６から導入するものである。
【００６５】
本燃料ガス中のガス成分調整装置１０Ｂを用いて燃料ガス１１のカロリーを計測し、計測カロリーが閾値を超えているか否かを判断し、超えていない場合には、ガスエンジン１００へ供給する燃料ガス１１の供給カロリーが低いので、高カロリーガス５３を高カロリーガス導入手段５４より導入し、混合ガス１１Ａを所定のカロリーとするようにしている。
【００６６】
これに対して、計測カロリーが閾値を超えている場合には、ガスエンジン１００へ供給する燃料ガス１１の供給カロリーが高いので、希釈ガス５５を希釈ガス導入手段５６より導入し、混合ガス１１Ａを所定のカロリーとするようにしている。
【００６７】
本実施例では、燃料ガス１１のカロリーの変動（増減）を監視し、燃料ガス１１のカロリー変動（増加又は低下）に応じ、高カロリーガス５３又は希釈ガス５５を導入することができ、安定したガスエンジンの燃焼を確保することができる。
【００６８】
ここで、希釈ガス５５としては、例えば空気や不活性ガス（例えば窒素等）を用いることができる。
【００６９】
また、本実施例では、ガスエンジン１００の運転状況（例えば筒内温度、回転数、内筒圧等のエンジン状態監視項目）を監視するエンジン状態監視手段２００を設けており、データ処理手段１９からの燃料ガスの状態を加味し（※３）、ガスエンジン１００からの筒内温度、回転数、内筒圧等の変動に応じた、修正指示を行い（※４）、燃料ガス１１のカロリーが所望カロリーとなるように、を制御手段２５で修正指示（※１、※２）をするようにしている。
【００７０】
具体的には、例えば回転数や内筒圧が高いような場合において、その状態と燃料ガス１１のカロリーとを考慮し、制御手段２５へ例えば燃料ガス１１のカロリーを低下させるような指示を行い、流量制御弁Ｖ1、Ｖ2を適宜調整して、回転数や内筒圧を低下させるようにしている。
【００７１】
本実施例により、エンジン状態の監視項目（例えば筒内温度、回転数、内筒圧等）の変動に基づいた燃料ガスカロリーの設定を、ガス燃料が燃焼されてしまう前に迅速に行うことができ、ガスエンジンの安定運転が実現できる。
【実施例３】
【００７２】
次に、本発明の実施例３について説明する。なお、実施例１又は２の構成部材と同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。
図３−１及び図３−２は、実施例３に係る燃料ガス中のガス成分調整装置の概略図である。
図３−１に示すように、本実施例に係る燃料ガス中のガス成分調整装置１０Ｃ−１は、実施例２の燃料ガス中のガス成分調整装置１０Ｂにおいて、さらに高カロリーガス５３０のカロリーを計測するレーザ分析装置５０−２を設けている。
【００７３】
このレーザ分析装置５０−２により、高カロリーガス５３が所定のカロリーであるか否かを判断することができ、高カロリーガス５３に何等かの変動があった場合に、迅速に対応することができる。
すなわち、導入する高カロリーガス５３のカロリーが不安定の場合でも、本実施例によれば、導入する高カロリーガス５３の組成を求めることで、ガス調整を安定して行うことができる。
【００７４】
また、図３−２に示す燃料ガス中のガス成分調整装置１０Ｃ−２のように、レーザ分析装置５０を一台で共用して燃料ガス１１及び高カロリーガス５３のカロリーをレーザ分析するようにしてもよい。
【実施例４】
【００７５】
次に、本発明の実施例４について説明する。なお、実施例１乃至３の構成部材と同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。
図４は、実施例４に係る燃料ガス中のガス成分調整装置の概略図である。
図４に示すように、本実施例に係る燃料ガス中のガス成分調整装置１０Ｄは、実施例３の燃料ガス中のガス成分調整装置１０Ｃ−１において、さらに混合ガス１１Ａをカロリーの計測するレーザ分析装置５０−３を設けている。
【００７６】
これにより、混合ガス１１Ａが所定のカロリーに調整されているか否かを判断することができる。
【実施例５】
【００７７】
次に、本発明の実施例５について説明する。なお、実施例１乃至４の構成部材と同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。
図５は、実施例５に係る燃料ガス中のガス成分調整装置の概略図である。
図５に示すように、本実施例に係る燃料ガス中のガス成分調整装置１０Ｅは、実施例４の燃料ガス中のガス成分調整装置１０Ｄにおいて、さらに混合ガス１１Ａに対して高カロリーガス５３又は希釈ガス５４を導入するガス調整用の高カロリーガス導入手段５４と希釈ガス導入手段５６とを設けている。
【００７８】
これにより、レーザ分析装置１４５０−３での計測の結果、混合ガス１１Ａが所定のカロリーに調整されていない場合には、高カロリーガス５３又は希釈ガス５４を導入し再度調整し、常に安定した燃料ガスをガスエンジンに供給するようにしている。
【符号の説明】
【００７９】
１０Ａ〜１０Ｅ 燃料ガス中のガス成分調整装置
１００ ガスエンジン
１０１ 主燃焼室（主室）
１１９ 副室
１１ 燃料ガス
１２ 燃料ガス供給管
１３ レーザ光
１４ レーザ分析装置
１５ レーザ照射装置
１６ ラマン散乱光
１７ 測定領域
１８ レーザ受光手段
２５ 制御手段
５０、５０Ａ〜５０Ｄ レーザ分析装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オンラインで燃料ガスの組成を把握して、燃料ガスの調整が可能な燃料ガス中のガス成分調整装置及びガスエンジンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、気薄混合ガス燃料をエンジンの主室に導入し、主室に隣接して設けられた副室内に、ガス燃料及び主室内の気薄混合ガス燃料を着火しやすい濃度になるように導入して混合し、副室内で混合ガス燃料を着火し、複数の噴孔から噴出する火炎により主室に向けてトーチを形成して、主室内の気薄混合ガス燃料を燃焼させる副室式ガスエンジンが知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２０３９５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ガスエンジンにおいては、副室に導入されるガス燃料のカロリーが変動した場合、副室内の安定燃焼が実現されず、ガスエンジン全体の燃焼が不安定化する、という問題がある。筒内温度、回転数、内筒圧変動に伴い、ガス燃料のカロリーを制御する必要になった場合においても、カロリーが把握できないため、制御できないという問題がある。
【０００５】
また、燃料ガスのカロリーを安定化するために、ガス濃度の均質化するバッファタンクを設けるようにしているが、オンラインで迅速に燃料ガスのカロリーをガス燃料が燃焼されてしまう前に把握し、この把握したカロリーに応じて燃料ガスを調整する技術の出現が求められている。
【０００６】
本発明は、前記問題に鑑み、オンラインで燃料ガスの組成を把握して、燃料ガスの調整が可能な燃料ガス中のガス成分調整装置及びガスエンジンシステムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、ガスエンジンの主燃焼室と副室とに燃料ガスを供給する燃料ガス供給管と、前記燃料ガス供給管中の燃料ガスにレーザ光を照射するレーザ分析装置とを具備してなり、前記レーザ分析装置が、レーザ光を発振するレーザ照射装置と、発振されたレーザ光を導入し、燃料ガスに照射してラマン散乱光を発生させる測定領域と、発生したラマン散乱光を計測するレーザ受光手段と、ラマン散乱光の計測結果により、燃料ガス中のガス組成をラマン散乱光のピーク信号強度より求めると共に、燃料ガス中の組成から求めたカロリーが所望閾値に達していない場合に、高いカロリーガスを導入し、所望カロリーの混合ガスとなるように、調整を行う制御手段とを具備することを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置にある。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、燃料ガス中の組成から求めたカロリーが所望閾値を超えている場合に、希釈ガスを導入し、所望カロリーとなるように、調整を行う制御手段とを具備することを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置にある。
【０００９】
第３の発明は、第１又は２の発明において、高カロリーガスのカロリーを前記レーザ分析装置で計測して、調整するカロリーを制御手段で修正することを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置にある。
【００１０】
第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つにおいて、前記混合ガスのカロリーを前記レーザ分析装置で計測して、ガスエンジンに供給する燃料カロリーが適切であるか否かを制御手段で判断することを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置にある。
【００１１】
第５の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、前記混合ガスのカロリーを前記レーザ分析装置で計測して、ガスエンジンに供給する燃料カロリーが適切であるか否かを制御手段で判断し、所望カロリーとなるように修正することを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置にある。
【００１２】
第６の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、前記混合ガスのカロリーを前記レーザ分析装置で計測し、ガスエンジンの運転状況を監視するエンジン状態監視手段において、レーザ分析結果からの燃料ガスの状態を加味し、ガスエンジンの変動に応じて、燃料ガスのカロリーが所望カロリーとなるように制御手段で修正することを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置にある。
【００１３】
第７の発明は、第６の発明において、前記エンジン状態監視手段の監視項目が、筒内温度、回転数、内筒圧の少なくとも一つであることを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置にある。
【００１４】
第８の発明は、主燃焼室と副室とを備えたガスエンジンと、前記ガスエンジンの主燃焼室と副室とに燃料ガスを供給する燃料ガス供給管と、前記燃料ガス供給管中の燃料ガスにレーザ光を照射して燃料ガス組成を調整する第乃至７のいずれか一つの燃料ガス中のガス成分調整装置とを備えたことを特徴とするガスエンジンシステムにある。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ガスエンジンに導入する燃料ガスをオンラインで連続しての計測により、リアルタイムでの燃料ガスの組成を求めることができる。そして、燃料ガスのカロリーの低下の量に応じて、高カロリーガスを導入することができ、安定したガスエンジンの燃焼を確保することができる。
また、筒内温度、回転数、内筒圧等の変動に基づいた燃料ガスカロリーの設定を、ガス燃料が燃焼されてしまう前に迅速に行うことができ、ガスエンジンの安定運転が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、実施例１に係る燃料ガス中のガス成分調整装置の概略図である。
【図２】図２は、実施例２に係る燃料ガス中のガス成分調整装置の概略図である。
【図３−１】図３−１は、実施例３に係る燃料ガス中のガス成分調整装置の概略図である。
【図３−２】図３−２は、実施例３に係る他の燃料ガス中のガス成分調整装置の概略図である。
【図４】図４は、実施例４に係る燃料ガス中のガス成分調整装置の概略図である。
【図５】図５は、実施例５に係る燃料ガス中のガス成分調整装置の概略図である。
【図６】図６は、燃料ガスのラマン散乱計測チャートの一例である。
【図７】図７は、実施例１に係るガス成分計測装置の概略図である。
【図８】図８は、実施例１に係る他のガス成分計測装置の概略図である。
【図９】図９は、実施例２に係るガス成分計測装置の概略図である。
【図１０】図１０は、実施例３に係るガス成分計測装置の概略図である。
【図１１】図１１は、計測時間と、レーザ光の出力感度（測定チャンバ内のレーザ光の計測パワー強度：Ｉ1）／（レーザ装置１２から発振された際のレーザ光の基本パワー強度：Ｉ0）との関係図である。
【図１２】図１２は、計測時間と、所定ガス成分（例えばＮ2）ピーク感度（所定ガス成分（Ｎ2）ピーク強度：Ｉ2）／（レーザ光の基本パワー強度：Ｉ0）との関係図である。
【図１３】図１３は、低カロリーガスを燃料とするガスエンジンの構成を示す燃焼室周りの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００１８】
例えばガス化炉からのガス化ガス等のメタン濃度が低い低カロリーガスを燃料とするガスエンジンは、該低カロリーガスを副室内に噴射し点火プラグにて着火させて、かかる副室の着火燃焼により発生した着火火炎を、前記副室と主燃焼室を接続する連絡孔を通して該主燃焼室に噴出させて、該噴出火炎により、前記副室側と分離して給気ポートを通して吸入した低カロリーガスにより形成した主燃焼室の混合気を燃焼させるように構成されている。
【００１９】
図１３は、低カロリーガスを燃料とするガスエンジンの構成を示す燃焼室周りの構成図である。図１３において、符号１００で示されるエンジン（ガスエンジン）は、点火プラグを用いた副室点火式４サイクルガスエンジンであり、シリンダライナ１０２ａ内に往復摺動自在に嵌合されたピストン１０２、シリンダヘッド１０５の下面と前記ピストン１０２の上面とシリンダライナ１０２ａの内面との間に区画形成される主燃焼室１０１を備えている。
【００２０】
また、前記エンジン１００は、前記主燃焼室１０１に接続される給気ポート１０３、該給気ポート１０３を開閉する給気弁１０４、該主燃焼室１０１に接続される排気ポート１０６、該排気ポート１０６を開閉する排気弁１０７等を備えている。
前記排気ポート１０６は、排気管１０８を経て排気ターボ過給機１０９のタービン１０９ａに接続される。該タービン１０９ａを駆動した後の排ガスは排気管１０８を通って、触媒層等からなる排ガス浄化装置１１０に入り、該排ガス浄化装置１１０で浄化されてから、排ガス管１１１から大気中に排出される。
一方、該タービン１０９ａに同軸駆動されるコンプレッサ１０９ｂは、空気１１２を圧縮し、圧縮空気は空気管１１３を通ってガスミキサー１１４に入る。
【００２１】
燃料ガス１１は、例えば炭鉱メタン等のメタン濃度が低い低カロリーガスを使用し、該低カロリーガスが燃料ガス供給源１１５に収納されている。
また、燃料ガス１１は燃料ガス供給管１２から分岐された主室用燃料ガス管１２Ａを通して、ガス量調整弁１１６に至り、該ガス量調整弁１１６にてガス量及び開閉期間を調整されて、ガスミキサー１１４に入る。
該ガスミキサー１１４では、前記空気管１１３からの空気１１２と前記主室用燃料ガス管１２Ａからの低カロリーの燃料ガス１１とを予混合して予混合ガスを生成して、この予混合ガスをエンジンの給気ポート１０３に投入する。
そして、この予混合ガスは給気ポート１０３を経て給気弁１０４に達し、該給気弁１０４の開弁によって前記主燃焼室１０１内に供給されている。
【００２２】
副室口金１１７は、口金押え１１８によりシリンダヘッド１０５に上面から固定されている。前記副室口金１１７内には、一定容積を有する副室１１９が形成されている。該副室１１９の上部には点火プラグ１２０が固定され、該点火プラグ１２０によって副室１１９内のガスに点火するようになっている。また、前記口金押え１１８には継手１２１がねじ込まれ、該継手１２１は、一端側が前記燃料ガス供給管１２から分離した副室用燃料ガス管１２Ｂに接続され、他端側が副室１１９に開孔する燃料通路１２２に接続している。
【００２３】
燃焼時においては、前記のように、低カロリーガス供給源１１５からの低カロリーの燃料ガス１１は、前記燃料ガス供給管１２を通って、副室用燃料ガス管１２Ｂを介して燃料通路１２２に入り、該燃料通路１２２から副室１１９内に噴出される。この際に所定の時期に前記点火プラグ１２０によって火花放電され、この着火燃焼により発生した着火火炎が、連絡孔１２３を通して該主燃焼室１０１に噴出される。
一方、前記主室用燃料ガス管１２Ａを通った分岐後の低カロリーガスは、ガス量調整弁１１６にてガス量及び開閉期間を調整されて、ガスミキサー１１４に入る。
【００２４】
前記ガスミキサー１１４では、前記のようにして、低カロリーガスと空気との予混合ガスが生成されて、この予混合ガスをガスエンジン１００の給気ポート１０３に投入する。この予混合ガスは給気ポート１０３を経て給気弁１０４に達し、該給気弁１０４の開弁によって前記主燃焼室１０１内に供給される。
一方、前記点火プラグ１２０によって火花放電され、この着火燃焼により発生した着火火炎が、前記連絡孔１２３を通して該主燃焼室１０１中の予混合ガスに噴出され、主燃焼室１０１のガスが燃焼される。
主燃焼室１０１にて燃焼した燃焼後の排ガス１２４は排気ポート１０６を通り、排気管１０８を経て排気ターボ過給機１０９のタービン１０９ａに送られる。
【００２５】
本発明では、このようなガスエンジンの供給する燃料ガスの性状を分析して適切な運転となるように燃料ガスを調整するものである。
【００２６】
図１は、本実施例に係る燃料ガス中のガス成分調整装置の概略図である。
図１に示すように、本実施例に係る燃料ガス中のガス成分調整装置１０Ａは、前記ガスエンジン１００の主燃焼室１０１と副室１１９とに燃料ガス１１を供給する燃料ガス供給管１３０と、前記燃料ガス供給管１３０中の燃料ガス１１にレーザ光３０を照射するレーザ分析装置５０とを具備してなり、前記レーザ分析装置５０が、レーザ光３０を発振するレーザ照射装置１２と、発振されたレーザ光３０を導入し、燃料ガス１１に照射してラマン散乱光３１を発生させる測定領域１３と、発生したラマン散乱光３１を計測するレーザ受光手段１６と、ラマン散乱光３１の計測結果により、燃料ガス１１中のガス組成をラマン散乱光３１のピーク信号強度より求めると共に、燃料ガス１１中のガス組成から求めたカロリーが所望閾値に達していない場合に、高カロリーガス５３を導入し、所望カロリーの混合ガス１１Ａとなるように、調整を行う制御手段５２とを具備するものである。なお、図１中、符号５４はビームダンパである。
【００２７】
ガスエンジン１００に供給する燃料ガス１１としては、炭鉱メタン等の低カロリーガス、シェールガス、熱分解ガス、コークス炉ガス、プロセスガス、石炭ガス、バイオマスガス化ガス、コンバータガス等を挙げることができる。
【００２８】
ここで、レーザ照射装置１２からのレーザ光３０は、反射ミラーＭを介して燃料ガス供給管１３０側へ反射させて、集光手段である集光レンズＬにより集光し、次いで燃料供給ガス管１３０内へ送られ、測定領域１３内にレーザ光３０を入射させ、導入される燃料ガス１１へ照射している。
【００２９】
なお、本実施例では、燃料ガス供給管１２内に直接レーザ光１３を導入するものであるが、燃料ガス供給管１３０から分枝するサンプルラインを設け、このサンプルラインにレーザ光３０を導入して、レーザ分析するようにしてもよい。
【００３０】
ここで、レーザ分析装置５０の分析窓の汚れがあっても分析計を停止させることなく、計測が継続できる実施例について説明する。
【００３１】
＜レーザ分析装置５０Ａの構成＞
図７は、レーザ分析装置５０Ａの概略図である。
図７に示すように、レーザ分析装置５０Ａは、被計測ガス（燃料ガス：図示せず）にレーザ装置１２からのレーザ光３０を照射する測定チャンバ１３と、ガス導入方向と直交する方向にレーザ光３０を入射する一対の第１及び第２のレーザ入射部１４Ａ、１４Ｂを有する第１及び第２のレーザ入射ユニット１５Ａ、１５Ｂと、前記被計測ガス中の組成をレーザ分析（ラマン散乱、ミー散乱等）するレーザ受光手段１６と、第１及び第２のレーザ入射部１４Ａ、１４Ｂと各々対向して設けられ、レーザ光３０の出力感度を計測する第１又は第２の出力計２０Ａ、２０Ｂを有する第１及び第２の出力計ユニット２１Ａ、２１Ｂと、前記第１及び第２のレーザ入射ユニット１５Ａ、１５Ｂを測定チャンバ１３から脱着可能する第１及び第２のレーザ入射ユニット用脱着手段１７Ａ、１７Ｂと、前記測定チャンバ１３内と第１及び第２のレーザ入射ユニット１５Ａ、１５Ｂとを遮断する第１及び第２のゲートバルブ１８Ａ、１８Ｂと、第１及び第２のゲートバルブ１８Ａ、１８Ｂのいずれか一方が開いた際に、第１及び第２のレーザ入射部１２Ａ、１２Ｂの窓部１２ａ近傍を不活性ガス雰囲気とする不活性ガス導入手段１９と、前記第１及び第２の出力計ユニット２１Ａ、２１Ｂを測定チャンバ１３から脱着可能する第１及び第２の出力計ユニット用脱着手段１７Ｃ、１７Ｄと、前記測定チャンバ１３内と第１及び第２の出力計ユニット２１Ａ、２１Ｂとを遮断する第３及び第４のゲートバルブ１８Ｃ、１８Ｄと、第３及び第４のゲートバルブ１８Ｃ、１８Ｄのいずれか一方が開いた際に、第１及び第２の出力計ユニット２１Ａ、２１Ｂの窓部２１ａ近傍を不活性ガス雰囲気とする不活性ガス導入手段１９と、を具備し、第１のレーザ入射ユニット１５Ａでレーザ分析している際には、第１のゲートバルブ１８Ａ及び第３のゲートバルブ１８Ｃを開放して、第１の出力計ユニット２１Ａでレーザ光の出力を計測すると共に、第２のレーザ入射ユニット１５Ｂの第２のゲートバルブ１８Ｂ及び第２の出力計ユニット２１Ｂの第４のゲートバルブ１８Ｄを遮断し、第１のレーザ入射部１４Ａからのレーザ光の出力感度（測定チャンバ１３内のレーザ光の計測パワー強度：Ｉ1）／（レーザ装置１２から発振された際のレーザ光の基本パワー強度：Ｉ0）を、連続して求め、求めたレーザ光のパワー感度が閾値以下となった際に、遮断していた第２のゲートバルブ１８Ｂ及び第４のゲートバルブ１８Ｄを開放し、第２のレーザ入射部１４Ｂからレーザ光を照射して、引き続き被計測ガスをレーザ分析する制御を行う制御手段を有するものである。
【００３２】
本発明では、相対向する第１のレーザ入射部１４Ａ（第２のレーザ入射部１４Ｂ）と第１の出力計２０Ａ（第２の出力計２０Ｂ）を２系統用いて、被計測ガスにレーザ装置１２からのレーザ光３０を測定チャンバ１３内に照射し、ガス組成をレーザ分析する方法において、第１のレーザ入射部１４Ａでレーザ分析している際には、第２のレーザ入射部１４Ｂ及び第２の出力計２０Ｂは、第２及び第４のゲートバルブ１８Ｂ、１８Ｄを用いて遮断し、第１のレーザ入射部１４Ａからのレーザ光３０の出力感度（測定チャンバ１３内のレーザ光の計測パワー強度：Ｉ1）／（レーザ装置１２から発振された際のレーザ光の基本パワー強度：Ｉ0）を、連続して求め、求めたレーザ光のパワー感度が閾値以下となった際に、遮断していた第２及び第４のゲートバルブ１８Ｂ、１８Ｄを開放し、第２のレーザ入射部１４Ｂからレーザ光３０を照射して、引き続き被計測ガスをレーザ分析するようにしている。
このように、２系統の一対の入射ユニットと出力ユニットと設けているので、所定の感度の低下を確認したら、交互に使用することで、ガス成分や濃度の検出、煤塵濃度の検出を停止することなく、連続して精度の高い被計測ガスのガス成分や濃度の検出、煤塵濃度の検出が可能となる。
【００３３】
図７に示すように、測定チャンバ１３には、被計測ガスの導入方向（図中、紙面に垂直方向）と直交する方向にレーザ光３０を入射する一対の第１及び第２のレーザ入射部１４Ａ、１４Ｂを有する第１及び第２のレーザ入射ユニット１５Ａ、１５Ｂが、レーザ入射ユニット用脱着手段１７Ａ、１７Ｂにより着脱自在に設けられている。
【００３４】
この第１及び第２のレーザ入射ユニット用脱着手段１７Ａ、１７Ｂは、測定チャンバ１３のポート１３ａの内向きフランジ１３ｂと、第１の入射ユニット１５Ａの外向きフランジ１５ａとを着脱自在とする着脱ボルト１５ｂとから構成されており、例えば石英製の窓部１２ａが汚れた際に、外して清掃を行うことができる。
第１及び第２のゲートバルブ１８Ａ、１８Ｂは、測定チャンバ１３内と第１及び第２のレーザ入射ユニット１５Ａ、１５Ｂとの空間を遮断するものであり、図示しない制御装置の指令により開閉自在としている。
【００３５】
また、測定チャンバ１３には、第１及び第２のレーザ入射部１４Ａ、１４Ｂと各々対向して設けられ、レーザ光の出力感度を計測する第１又は第２の出力計２０Ａ、２０Ｂを有する第１及び第２の出力計ユニット２１Ａ、２１Ｂが設けられている。
この第１及び第２の出力計ユニット２１Ａ、２１Ｂも同様に出力計のユニット用脱着手段１７Ｃ、１７Ｄにより着脱自在に設けられている。
【００３６】
この第１及び第２の出力計ユニット用脱着手段１７Ｃ、１７Ｄは、第１及び第２のレーザ入射ユニット用脱着手段１７Ａと同様の構成であり、窓部１２ａが汚れた際に、外して清掃を行うことができる。
なお、測定チャンバ１３から第１及び第２のレーザ入射ユニット１５Ａ、１５Ｂ又は第１及び第２の出力計ユニット２１Ａ、２１Ｂを着脱可能となる手段であれば、本実施例に限定されず、いずれのものでもよい。
【００３７】
第１及び第２のゲートバルブ１８Ａ、１８Ｂ内には不活性ガス（Ｎ2）が不活性ガス導入手段１９により供給され、第１及び第２のレーザ入射部１４Ａ、１４Ｂの窓部１２ａ近傍の清浄化を維持するようにしている。
同様に、第３及び第４のゲートバルブ１８Ｃ、１８Ｄにも、不活性ガス（Ｎ2）が不活性ガス導入手段１９により供給され、第１及びのレーザ入射部１４Ａ、１４Ｂの窓部１２ａ、１２ｂ近傍の清浄化を維持するようにしている。
【００３８】
次に、被測定ガスを計測して、窓部１２ａの劣化が生じた際の、交換の手順について説明する。
図１１は、計測時間と、レーザ光の出力感度（測定チャンバ内のレーザ光の計測パワー強度：Ｉ1）／（レーザ装置から発振された際のレーザ光の基本パワー強度：Ｉ0）との関係図である。図１１に示すように、計測を行うにつれて、徐々にレーザ光の測定チャンバ１３内の出力感度の低下が確認される。
ここで、レーザ光の出力感度が例えば０．７を閾値とし、例えば石英製の窓部１２ａの汚れ又は劣化と判断することとして、レーザ光の切り替えの手順を説明する。
１）先ず、第１のレーザ入射部１４Ａからのレーザ光３０を用いて、測定領域Ｘを通過させ、レーザ光分析を行う（工程１）。
この第１のレーザ入射ユニット１５Ａでレーザ分析している際には、第１のゲートバルブ１８Ａ及び第３のゲートバルブ１８Ｃを開放し、第１の出力計ユニット２１Ａでレーザ光の出力を計測すると共に、第２のレーザ入射ユニット１５Ｂの第２のゲートバルブ１８Ｂ及び第２の出力計ユニット２１Ｂの第４のゲートバルブ１８Ｄを遮断しておく。
２）このレーザ光分析の際に、第１の出力計２０Ａでレーザ光のパワー感度（測定チャンバ内のレーザ光の出力強度Ｉ1）／（レーザ装置から発振された際のレーザ光の基本パワー強度Ｉ2）を、連続して求めておく（工程２）。
３）この計測は、例えば図１１に示すようなチャートとなる。
４）計測を行い、閾値（０．７）以下となった際に、遮断していた第２のゲートバルブ１８Ｂ及び第４のゲートバルブ１８Ｄを開放し、第２のレーザ入射部１４Ｂからレーザ光を照射して、引き続き被計測ガスをレーザ分析する指令を図示しない制御手段から行う（工程３）。
５）次いで、第１のレーザ入射ユニット用脱着手段１７Ａ及び第１の出力計ユニット２１Ａを開放して、窓部１２ａを清掃し、取り付ける。
この清掃の際には、不活性ガス供給手段１９により不活性ガス（Ｎ2）を供給して、内部に外部からの空気が浸入しないようにしている。
【００３９】
また、レーザ光の計測を一時停止して良い場合には、前述の工程３において、計測を行い、閾値（０．７）以下となった際に、第１のレーザ入射部１４Ａからレーザ光３０の照射を停止する。
次いで、遮断していた第２のゲートバルブ１８Ｂ及び第４のゲートバルブ１８Ｄを開放し、第２のレーザ入射部１４Ｂからレーザ光を照射して、引き続き被計測ガスをレーザ分析する指令を図示しない制御手段から行うようにしてもよい。
【００４０】
また、レーザ光３０の出力感度で閾値を判断する代わりに、所定ガス成分（例えばＮ2）ピーク感度（所定ガス成分（Ｎ2）ピーク強度：Ｉ2）／（レーザ光の基本パワー強度：Ｉ0）を、連続して求め、所定ガス成分（Ｎ2）ピーク感度が閾値以下となった際に、遮断していた第２のゲートバルブ１８Ｂを開放し、第２のレーザ入射部１４Ｂで引き続き被計測ガスのガス組成をレーザ分析する制御を行うようにしてもよい。
【００４１】
図６は、燃料ガスのラマン散乱光計測結果のチャートである。
本実施例では、この窒素のピークを指標として、所定ガス成分（例えばＮ2）ピーク感度を求めた。
ここで、窒素ガスをピークとする理由は、燃料ガスのバランスガスとして適用されることが多く、その組成が安定しているためである。なお、窒素ガス以外にもガス種によって適宜選定することができる。
【００４２】
図１２は、計測時間と、所定ガス成分（例えばＮ2）ピーク感度（所定ガス成分（Ｎ2）ピーク強度：Ｉ2）／（レーザ光の基本パワー強度：Ｉ0）との関係図である。図１２に示すように、計測を行うにつれて、除除にレーザ光の出力感度の低下が確認される。
【００４３】
ここで、本実施例では、レーザ受光部１６は、発生するラマン散乱光１５Ａを計測する受光部１６ａと、受光部１６ａから光ファイバ１６ｂを介して送られた散乱光を分光する分光部１６ｃとＩＣＣＤ（Ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｄ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラ１６ｄから構成されている。受光された信号はデータ処理手段（ＣＰＵ）で処理され、ガス組成のスペクトルピーク強度が求められる。
【００４４】
ここで、レーザ装置１２からのレーザ光３０は、測定チャンバ１３内でのレーザ光の出力を計測する第１及び第２の出力計２０Ａ、２０Ｂと、第１及び第２の出力計２０Ａ、２０Ｂが各々相対向して設置されている。
【００４５】
測定チャンバ１３は被測定ガスを内部に導入、保持又は排出させる機能を有するものであり、この導入は、生成ガスを送給する送給管の一部を又は送給管から分枝させて導入するようにしてもよい。
【００４６】
また、測定領域Ｘの中心部から散乱光されたラマン散乱光３１は、例えば偏光子、集光レンズ及びフィルタ等の光学群（図示せず）を介して分光部１６ｃで分光され、該分光部１６ｃに接続されたＩＣＣＤカメラ１６ｄにより各波長の光の強度を計測する。前記ＩＣＣＤカメラ１６ｄからの計測データは、データ処理手段（ＣＰＵ）に送られ、ここで計測データの処理がなされる。
【００４７】
なお、受光部における窓の汚れは、レーザ光が直接照射されるものではないので、ユニットを交換した後、所定の出力感度が得られない場合には、受光部の窓部１６ｅの汚れと判断し、計測を停止して、レーザ受光手段の窓部１６ｅの清掃をすることとなる。なお、窒素（Ｎ2）を導入して、窒素雰囲気として窓部１６ｅへの汚れの付着を回避するようにしている。なお、受光用の窓部１６ｅにおいても必要に応じて、本発明のようなゲートバルブを設けるようにしてもよい。
【００４８】
＜レーザ分析装置５０Ｂの構成＞
図８は、レーザ分析装置５０Ｂの概略図である。図７に示すレーザ分析装置５０Ａと同一の構成については、同一符号を付してその説明は省略する。
図８に示すように、ガス成分計測装置５０Ｂは、受光手段においても第５及び第６のゲートバルブ１８Ｅ、１８Ｆを設けた一例を示す。
そして、第１及び第２のレーザ受光ユニット用脱着手段１７Ｅ、１７Ｆは、第１及び第２のレーザ入射ユニット用脱着手段１７Ａ、１７Ｂと同様であり、説明は省略する。そして、例えば石英製の窓部１６ｅが汚れた際に、外して清掃を行うことができるようにしている。
この受光部の窓部１６ｅの劣化の判断は、（所定ガス成分（Ｎ2）ピーク濃度：Ｉ2）／（測定チャンバ１３内のレーザ光の計測パワー強度：Ｉ1）により求めたレーザ光のパワー感度が閾値以下となった際に、遮断していた第６のゲートバルブ１８Ｆを開放し、ラマン散乱光３１を第の受光ユニット２５Ｂで受光して、引き続き被計測ガスをレーザ分析するようにしている。
これにより、受光部の交換においても計測を停止することなく、実施することができる。
【００４９】
以下に、レーザ装置１２を用いたガス組成を計測できるガス成分計測装置の各構成部材について説明する。
【００５０】
レーザ装置１２からのレーザ光３０は、光ファイバ１２ｂを介して、第１及び第２のレーザ入射ユニット１５Ａ、１５Ｂ内の第１及び第２のレーザ入射部１４Ａ、１４Ｂに送られ、その後窓部１２ａを透過して、チャンバ１３内に出射される。
【００５１】
なお、測定チャンバ１３内に設けられる第１及び第２の出力計２０Ａ，２０Ｂは、レーザ光３０の進行方向上に設けられており、レーザ光３０の出力を正確に計測することが出来る計算機器である。この数値をフィードバックし、レーザ装置１３の出力状態と窓部の汚れ状態を確認する。
【００５２】
次に、レーザ光３０が照射できるような形で被測定ガスを保持又は流通させる機能を有する測定チャンバ１３について説明する。
測定チャンバ１３は、計測される被測定ガスが内部に存在しており、それを外部（レーザ部や分光器を含む）にリークさせないような構造をしている。
【００５３】
窓部１２ａは、被測定ガスを外部へ流出させないための石英ガラス製の窓である。石英ガラス製にしているのは、その窓をレーザ光３０が透過できるようにするためである。なお、この窓は二重にしており、石英ガラス１枚が破損しても、ガスがリークしないようにしている。
【００５４】
また、測定チャンバ１３のレーザ光３０の通路には、電磁弁である第１乃至第４のゲートバルブ１８Ａ〜１８Ｄが設けられており、通常は、閉じている。これは、長期間に亙って測定チャンバ１３側の窓部１２ａを被測定ガスに曝しておくと、該被測定ガス中の不純物により、汚れてしまい、その汚れの為にレーザによる測定が困難となるからである。なお、前記電磁弁は測定時には開口される。
【００５５】
＜レーザ分析装置５０Ｃの構成＞
図９は、レーザ分析装置５０Ｃの概略図である。図７及び８に示すレーザ分析装置５０Ａ、５０Ｂと同一の構成については、同一符号を付してその説明は省略する。
図９に示すように、ガス成分計測装置５０Ｃは、レーザ分析装置５０Ａの測定チャンバ１３に設けた第１の出力計２０Ａを有する第１の出力計ユニット２１Ａと、第２の出力計２０Ｂを有する第２の出力計ユニット２１ｂとを削除したものである。
なお、符号４０Ａ、４０Ｂはレーザ光を吸収するビームダンパである。
【００５６】
そして、所定ガス成分（例えばＮ2）ピーク感度（所定ガス成分（Ｎ2）ピーク強度：Ｉ2）／（レーザ光の基本パワー強度：Ｉ0）を、連続して求め、所定ガス成分（Ｎ2）ピーク感度が閾値以下となった際に、遮断していた第２のゲートバルブ１８Ｂを開放し、第２のレーザ入射部１４Ｂで引き続き被計測ガスのガス組成をレーザ分析する制御を行うようにしている。
本実施例によれば、測定チャンバ１３内に２つの出力計を有することがなくなり、装置構成を簡略化することができる。
【００５７】
＜レーザ分析装置５０Ｄの構成＞
図１０は、レーザ分析装置５０Ｄの概略図である。図７〜９に示すレーザ分析装置５０Ａ〜５０Ｃと同一の構成については、同一符号を付してその説明は省略する。
図１０に示すように、ガス成分計測装置５０Ｄは、第１のレーザ入射部１４Ａの周囲に第１のレーザ受光部１６Ａを配置し、これを一体として第１のレーザ入射ユニット１５Ａ内に設けている。同様に、第２のレーザ入射部１４Ｂの周囲に第２のレーザ受光部１６Ｂを配置し、これを一体として第２のレーザ入射ユニット１５Ｂ内に設けている。
例えば、第１のレーザ入射部１４Ａの周囲に第１の受光部１６Ａを同心円状に複数配置するように設け、この複数の受光部により散乱光を受光するようにしている。これにより、受光部の光学調整も不要となる。
受光された散乱光情報は、光ファイバ１６ｂを介して、レーザ受光手段１６に送られ、ここでデータ処理される。
【００５８】
また、レーザ入射部以外に受光部もゲートバルブで閉鎖するようにしているので、実施例１のような受光部用の窓部１６ｅの汚れも解消される。
【００５９】
また、図１に示すように、測定領域１３の中心部から散乱されたラマン散乱光３１は、例えば偏光子、集光レンズ及びフィルタ等の光学群（図示せず）を介して分光部１６ｃで分光され、該分光部１６ｃに接続された例えばＩＣＣＤカメラ１６ｄにより各波長の光の強度を計測する。
前記ＩＣＣＤカメラ１６ｄからの計測データは、データ処理手段（ＣＰＵ）５１に送られ、ここで計測データの処理がなされ、燃料ガス１１のカロリー変動の有無が確認される。
【００６０】
そして、本燃料ガス中のガス成分調整装置１０Ａを用いて燃料ガス１１のカロリーを計測するには、先ずレーザ分析装置５０で燃料ガス１１のカロリーを計測する。そして、計測カロリーが閾値を超えているか否かを判断し、超えていない場合には、ガスエンジン１００へ供給する燃料ガス１１の供給カロリーが低いので、高カロリーガス５３を高カロリーガス導入手段５４より導入し、混合ガス１１Ａを所定のカロリーとするようにしている。
【００６１】
高カロリーガス５３の調整は、ＯＮ−ＯＦＦバルブによる切替や、流量調整による調整により行うようにしている。また、導入量を計測しつつ流量調整手段により高カロリーガス５３の導入量を調整するようにしてもよい。ここで、流量調整手段としては、流路切替手段、調整弁及びマスフローコントローラ等の調整手段を挙げることができる。
【００６２】
図６は、燃料ガスのラマン散乱計測チャートの一例である。図６では、メタン（ＣＨ4）が７５％、二酸化炭素（ＣＯ2）が１２％、窒素（Ｎ2）が５％、水分（Ｈ2Ｏ）が５％、その他の燃料ガスが３％であった。
【００６３】
本実施例によれば、ガスエンジン１００に導入する燃料ガス１１をオンラインで連続しての計測により、リアルタイムでの燃料ガス１１の組成を求めることができる。
そして、燃料ガス１１のカロリーの低下の量に応じて、高カロリーガス５３を導入することができ、安定したガスエンジンの燃焼を確保することができる。
これにより、例えば高カロリーガスを供給するためのバッファタンクを設けることなく、安定したカロリーの燃料ガスを供給することができる。
【実施例２】
【００６４】
次に、本発明の実施例２について説明する。なお、実施例１の構成部材と同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。
図２は、実施例２に係る燃料ガス中のガス成分調整装置の概略図である。
図２に示すように、本実施例に係る燃料ガス中のガス成分調整装置１０Ｂは、実施例１の燃料ガス中のガス成分調整装置１０Ａにおいて、さらに燃料ガス供給管１３０に希釈ガス５５を希釈ガス導入手段５６から導入するものである。
【００６５】
本燃料ガス中のガス成分調整装置１０Ｂを用いて燃料ガス１１のカロリーを計測し、計測カロリーが閾値を超えているか否かを判断し、超えていない場合には、ガスエンジン１００へ供給する燃料ガス１１の供給カロリーが低いので、高カロリーガス５３を高カロリーガス導入手段５４より導入し、混合ガス１１Ａを所定のカロリーとするようにしている。
【００６６】
これに対して、計測カロリーが閾値を超えている場合には、ガスエンジン１００へ供給する燃料ガス１１の供給カロリーが高いので、希釈ガス５５を希釈ガス導入手段５６より導入し、混合ガス１１Ａを所定のカロリーとするようにしている。
【００６７】
本実施例では、燃料ガス１１のカロリーの変動（増減）を監視し、燃料ガス１１のカロリー変動（増加又は低下）に応じ、高カロリーガス５３又は希釈ガス５５を導入することができ、安定したガスエンジンの燃焼を確保することができる。
【００６８】
ここで、希釈ガス５５としては、例えば空気や不活性ガス（例えば窒素等）を用いることができる。
【００６９】
また、本実施例では、ガスエンジン１００の運転状況（例えば筒内温度、回転数、内筒圧等のエンジン状態監視項目）を監視するエンジン状態監視手段２００を設けており、データ処理手段１９からの燃料ガスの状態を加味し（※３）、ガスエンジン１００からの筒内温度、回転数、内筒圧等の変動に応じた、修正指示を行い（※４）、燃料ガス１１のカロリーが所望カロリーとなるように、を制御手段２５で修正指示（※１、※２）をするようにしている。
【００７０】
具体的には、例えば回転数や内筒圧が高いような場合において、その状態と燃料ガス１１のカロリーとを考慮し、制御手段２５へ例えば燃料ガス１１のカロリーを低下させるような指示を行い、流量制御弁Ｖ1、Ｖ2を適宜調整して、回転数や内筒圧を低下させるようにしている。
【００７１】
本実施例により、エンジン状態の監視項目（例えば筒内温度、回転数、内筒圧等）の変動に基づいた燃料ガスカロリーの設定を、ガス燃料が燃焼されてしまう前に迅速に行うことができ、ガスエンジンの安定運転が実現できる。
【実施例３】
【００７２】
次に、本発明の実施例３について説明する。なお、実施例１又は２の構成部材と同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。
図３−１及び図３−２は、実施例３に係る燃料ガス中のガス成分調整装置の概略図である。
図３−１に示すように、本実施例に係る燃料ガス中のガス成分調整装置１０Ｃ−１は、実施例２の燃料ガス中のガス成分調整装置１０Ｂにおいて、さらに高カロリーガス５３０のカロリーを計測するレーザ分析装置５０−２を設けている。
【００７３】
このレーザ分析装置５０−２により、高カロリーガス５３が所定のカロリーであるか否かを判断することができ、高カロリーガス５３に何等かの変動があった場合に、迅速に対応することができる。
すなわち、導入する高カロリーガス５３のカロリーが不安定の場合でも、本実施例によれば、導入する高カロリーガス５３の組成を求めることで、ガス調整を安定して行うことができる。
【００７４】
また、図３−２に示す燃料ガス中のガス成分調整装置１０Ｃ−２のように、レーザ分析装置５０を一台で共用して燃料ガス１１及び高カロリーガス５３のカロリーをレーザ分析するようにしてもよい。
【実施例４】
【００７５】
次に、本発明の実施例４について説明する。なお、実施例１乃至３の構成部材と同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。
図４は、実施例４に係る燃料ガス中のガス成分調整装置の概略図である。
図４に示すように、本実施例に係る燃料ガス中のガス成分調整装置１０Ｄは、実施例３の燃料ガス中のガス成分調整装置１０Ｃ−１において、さらに混合ガス１１Ａをカロリーの計測するレーザ分析装置５０−３を設けている。
【００７６】
これにより、混合ガス１１Ａが所定のカロリーに調整されているか否かを判断することができる。
【実施例５】
【００７７】
次に、本発明の実施例５について説明する。なお、実施例１乃至４の構成部材と同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。
図５は、実施例５に係る燃料ガス中のガス成分調整装置の概略図である。
図５に示すように、本実施例に係る燃料ガス中のガス成分調整装置１０Ｅは、実施例４の燃料ガス中のガス成分調整装置１０Ｄにおいて、さらに混合ガス１１Ａに対して高カロリーガス５３又は希釈ガス５４を導入するガス調整用の高カロリーガス導入手段５４と希釈ガス導入手段５６とを設けている。
【００７８】
これにより、レーザ分析装置１４５０−３での計測の結果、混合ガス１１Ａが所定のカロリーに調整されていない場合には、高カロリーガス５３又は希釈ガス５４を導入し再度調整し、常に安定した燃料ガスをガスエンジンに供給するようにしている。
【符号の説明】
【００７９】
１０Ａ〜１０Ｅ 燃料ガス中のガス成分調整装置
１００ ガスエンジン
１０１ 主燃焼室（主室）
１１９ 副室
１１ 燃料ガス
１２ 燃料ガス供給管
１３ レーザ光
１４ レーザ分析装置
１５ レーザ照射装置
１６ ラマン散乱光
１７ 測定領域
１８ レーザ受光手段
２５ 制御手段
５０、５０Ａ〜５０Ｄ レーザ分析装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスエンジンの主燃焼室と副室とに燃料ガスを供給する燃料ガス供給管と、
前記燃料ガス供給管中の燃料ガスにレーザ光を照射するレーザ分析装置とを具備してなり、
前記レーザ分析装置が、
レーザ光を発振するレーザ照射装置と、
発振されたレーザ光を導入し、燃料ガスに照射してラマン散乱光を発生させる測定領域と、
発生したラマン散乱光を計測するレーザ受光手段と、
ラマン散乱光の計測結果により、燃料ガス中のガス組成をラマン散乱光のピーク信号強度より求めると共に、燃料ガス中の組成から求めたカロリーが所望閾値に達していない場合に、高いカロリーガスを導入し、所望カロリーの混合ガスとなるように、調整を行う制御手段とを具備することを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置。
【請求項２】
請求項１において、
燃料ガス中の組成から求めたカロリーが所望閾値を超えている場合に、希釈ガスを導入し、所望カロリーとなるように、調整を行う制御手段とを具備することを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
高カロリーガスのカロリーを前記レーザ分析装置で計測して、調整するカロリーを制御手段で修正することを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
前記混合ガスのカロリーを前記レーザ分析装置で計測して、ガスエンジンに供給する燃料カロリーが適切であるか否かを制御手段で判断することを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
前記混合ガスのカロリーを前記レーザ分析装置で計測して、ガスエンジンに供給する燃料カロリーが適切であるか否かを制御手段で判断し、所望カロリーとなるように修正することを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
前記混合ガスのカロリーを前記レーザ分析装置で計測し、
ガスエンジンの運転状況を監視するエンジン状態監視手段において、レーザ分析結果からの燃料ガスの状態を加味し、ガスエンジンの変動に応じて、燃料ガスのカロリーが所望カロリーとなるように制御手段で修正することを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記エンジン状態監視手段の監視項目が、筒内温度、回転数、内筒圧の少なくとも一つであることを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置。
【請求項８】
主燃焼室と副室とを備えたガスエンジンと、
前記ガスエンジンの主燃焼室と副室とに燃料ガスを供給する燃料ガス供給管と、
前記燃料ガス供給管中の燃料ガスにレーザ光を照射して燃料ガス組成を調整する請求項１乃至７のいずれか一つの燃料ガス中のガス成分調整装置とを備えたことを特徴とするガスエンジンシステム。
【請求項１】
ガスエンジンの主燃焼室と副室とに燃料ガスを供給する燃料ガス供給管と、
前記燃料ガス供給管中の燃料ガスにレーザ光を照射するレーザ分析装置とを具備してなり、
前記レーザ分析装置が、
レーザ光を発振するレーザ照射装置と、
発振されたレーザ光を導入し、燃料ガスに照射してラマン散乱光を発生させる測定領域と、
発生したラマン散乱光を計測するレーザ受光手段と、
ラマン散乱光の計測結果により、燃料ガス中のガス組成をラマン散乱光のピーク信号強度より求めると共に、燃料ガス中の組成から求めたカロリーが所望閾値に達していない場合に、高いカロリーガスを導入し、所望カロリーの混合ガスとなるように、調整を行う制御手段とを具備することを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置。
【請求項２】
請求項１において、
燃料ガス中の組成から求めたカロリーが所望閾値を超えている場合に、希釈ガスを導入し、所望カロリーとなるように、調整を行う制御手段とを具備することを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
高カロリーガスのカロリーを前記レーザ分析装置で計測して、調整するカロリーを制御手段で修正することを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
前記混合ガスのカロリーを前記レーザ分析装置で計測して、ガスエンジンに供給する燃料カロリーが適切であるか否かを制御手段で判断することを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
前記混合ガスのカロリーを前記レーザ分析装置で計測して、ガスエンジンに供給する燃料カロリーが適切であるか否かを制御手段で判断し、所望カロリーとなるように修正することを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
前記混合ガスのカロリーを前記レーザ分析装置で計測し、
ガスエンジンの運転状況を監視するエンジン状態監視手段において、レーザ分析結果からの燃料ガスの状態を加味し、ガスエンジンの変動に応じて、燃料ガスのカロリーが所望カロリーとなるように制御手段で修正することを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記エンジン状態監視手段の監視項目が、筒内温度、回転数、内筒圧の少なくとも一つであることを特徴とする燃料ガス中のガス成分調整装置。
【請求項８】
主燃焼室と副室とを備えたガスエンジンと、
前記ガスエンジンの主燃焼室と副室とに燃料ガスを供給する燃料ガス供給管と、
前記燃料ガス供給管中の燃料ガスにレーザ光を照射して燃料ガス組成を調整する請求項１乃至７のいずれか一つの燃料ガス中のガス成分調整装置とを備えたことを特徴とするガスエンジンシステム。
【図１】
【図２】
【図３−１】
【図３−２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３−１】
【図３−２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１４５０５０（Ｐ２０１２−１４５０５０Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４４１０（Ｐ２０１１−４４１０）
【出願日】平成２３年１月１２日（２０１１．１．１２）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１２日（２０１１．１．１２）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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