ガソリンエンジン

19世紀にはガスエンジンに関する多くの実験が行われましたが、最初の実用的なガス燃料内燃機関は、 1860年にベルギーのエンジニア、エティエンヌ・ルノワールによって製造されました。 ^{[ 2 ]}しかし、ルノワールエンジンは出力が低く、燃料消費量が多いという問題がありました。

ルノワールの研究は、後にピストン室で燃料を直接効率的に燃焼させる最初の4ストロークエンジンを発明することになるドイツ人エンジニア、ニコラウス・アウグスト・オットーによってさらに研究され、改良された。1864年8月、オットーはオイゲン・ランゲンと出会った。ランゲンは技術的な訓練を受けており、オットーの開発の可能性を垣間見て、会合の1か月後にケルンに世界初のエンジン工場、NAオットー＆シーを設立した。1867年、オットーは改良された設計の特許を取得し、1867年のパリ万国博覧会でグランプリを受賞した。この大気圧エンジンは、ガスと空気の混合物を垂直シリンダーに吸い込むことで作動する。ピストンが約8インチ上昇すると、ガスと空気の混合物は外部で燃えている小さなパイロット炎によって点火され、歯付きラックに接続されたピストンが上方に押し上げられ、その下に部分的な真空状態が作られる。上昇行程では仕事は行われない。ピストンと歯付きラックが大気圧と自重の影響で下降し、その際に主軸とフライホイールを回転させることで作業が行われます。既存の蒸気機関に対する利点は、必要に応じて始動および停止できることであり、はしけの積み込みや荷降ろしなどの断続的な作業に最適でした。^{[ 3 ]}

大気圧式ガスエンジンは、その後オットーの4ストロークエンジンに取って代わられた。4ストロークエンジンへの移行は驚くほど速く、最後の大気圧式エンジンは1877年に製造された。その後すぐに、ディーゼル（1898年頃）またはガソリン（1900年頃）を使用した液体燃料エンジンが登場した。

英国で最も有名なガスエンジンの製造者はマンチェスターのクロスリー社で、1869年にオットーとランゲンの新しいガス燃料大気圧エンジンの特許の英国および世界（ドイツを除く）での権利を取得しました。1876年には、より効率的なオットー4ストロークサイクルエンジンの権利を取得しました。エンジンは マンチェスター科学産業博物館に展示されています^{[ 4 ]。}

マンチェスター地域には他にもいくつかの企業があった。バーミンガム近郊のスメスウィックにあるタンジー社は、1881年に最初のガスエンジンである公称出力1馬力の2サイクルタイプを販売し、1890年には4サイクルガスエンジンの製造を開始した。^{[ 5 ]}

イングランドのストックポート近郊のポイントンにあるアンソンエンジン博物館には、稼働中のガスエンジンが数台含まれたエンジンコレクションがあり、その中にはこれまで製造された中で最大のクロスリー大気圧エンジンも含まれています。3/4 AE & H ロビンソンエンジンは、 マンチェスター科学産業博物館に展示されています^{[ 6 ] 。}

典型的な用途としては、ベースロードまたは高時間発電方式があり、熱電併給（典型的な性能数値については^{[ 8 ]}を参照）、埋立地ガス、鉱山ガス、井戸頭ガス、バイオガスなどが含まれます。バイオガスでは、エンジンからの廃熱を使用して消化槽を温めることができます。典型的なバイオガスエンジンの設置パラメータについては、 ^{[ 9 ]}を参照してください。工場に設置されている大型ガスエンジンCHPシステムのパラメータについては、^{[ 10 ]}を参照してください。ガスエンジンは、待機用途にはほとんど使用されず、待機用途は依然としてディーゼルエンジンが主流です。例外として、 農場、博物館、小規模企業、住宅などでよく設置される小型（150kW未満）の非常用発電機があります。公共事業体からの天然ガスまたは敷地内の貯蔵タンクからのプロパンに接続されたこれらの発電機は、停電時に自動的に起動するように構成できます。

液化天然ガス（LNG）エンジンは、リーンバーンガスエンジンが追加の燃料処理や排気浄化システムなしで新しい排出規制を満たすことができるため、船舶市場に拡大しています。圧縮天然ガス（CNG）で稼働するエンジンの使用もバス部門で増加しています。英国のユーザーには、Reading Busesなどがあります。ガスバスの使用は、Gas Bus Alliance ^{[ 11 ]}によってサポートされており、製造業者にはScania ABなどがあります。^{[ 12 ]}

ガスエンジンは、燃料と空気の混合方法においてガソリンエンジンと異なります。ガソリンエンジンはキャブレターまたは燃料噴射装置を使用しますが、ガスエンジンは多くの場合、単純なベンチュリシステムを使用して空気の流れにガスを導入します。初期のガスエンジンは、空気とガス用に別々の吸気バルブを備えた3バルブシステムを使用していました。

ガソリンエンジンの弱点は、ディーゼルエンジンと比較して排気バルブにあります。ガソリンエンジンの排気ガスは、同じ出力でもディーゼルエンジンよりはるかに高温になるため、出力が制限されます。そのため、同じメーカーのディーゼルエンジンは、同じエンジンブロックサイズのガソリンエンジンよりも、通常は最大出力が高くなります。ディーゼルエンジンには、一般的に スタンバイ、プライム、連続の3つの異なる定格があり、英国ではそれぞれ1時間定格、12時間定格、連続定格と呼ばれています。一方、ガソリンエンジンには、一般的に連続定格しかなく、ディーゼルエンジンの連続定格よりも低くなります。

点火方式には、熱管点火装置や火花点火など、さまざまな方式が用いられてきた。現代のガスエンジンの中には、基本的に二元燃料エンジンであるものもある。主なエネルギー源はガスと空気の混合気だが、少量のディーゼル燃料を噴射することで点火される。

天然ガスで稼働するガスエンジンの熱効率は通常 35〜45% ( LHV基準) です。^{[ 14 ]} 2018 年現在、最高のエンジンは最大 50% (LHV 基準) の熱効率を達成できます。^{[ 15 ]}これらのガスエンジンは通常中速エンジンです。ベルゲン エンジン燃料エネルギーは出力軸で発生し、残りは廃熱として現れます。^{[ 10 ]}大型エンジンは小型エンジンよりも効率が高いです。バイオガスで稼働するガスエンジンの効率は通常わずかに低く (約 1〜2%)、合成ガスではさらに効率が低下します。GE Jenbacher の 2013 年の J624 エンジンは、世界初の高効率メタン燃料 24 気筒ガスエンジンでした。^{[ 16 ]}

エンジンの効率を検討する際には、それがガスの低位発熱量（LHV）に基づくものか、高位発熱量（HHV）に基づくものかを考慮する必要があります。エンジンメーカーは通常、ガスの低位発熱量に基づく効率、つまりガス自体に含まれる水分を蒸発させるためにエネルギーが消費された後の効率を提示します。ガス配給ネットワークは通常、ガスの高位発熱量、つまり総エネルギー量に基づいて料金を請求します。LHVに基づくエンジンの効率は44%と提示されるかもしれませんが、同じエンジンでも天然ガスのHHVに基づく効率は39.6%になる可能性があります。効率の比較が同等の条件で行われるようにすることも重要です。たとえば、一部のメーカーは機械駆動ポンプを使用していますが、他のメーカーはエンジン冷却水を駆動するために電気駆動ポンプを使用しており、電気の使用が無視される場合があり、直接駆動エンジンと比較して見かけ上の効率が実際よりも高く見えることがあります。

エンジンの排熱は、建物の暖房やプロセスの加熱に利用できます。エンジンでは、排熱の約半分が（エンジンジャケット、オイルクーラー、アフタークーラー回路から）高温水として発生し、その温度は最大110℃に達することがあります。残りの熱は高温熱として発生し、排気ガス熱交換器 を使用することで、加圧された温水や蒸気を生成することができます。

最も一般的なエンジンタイプは、空冷エンジンと水冷エンジンの2種類です。現在、水冷エンジンは内燃機関に不凍液を使用しています。

一部のエンジン（空冷式または水冷式）には、オイルクーラーが追加されている。

過熱はエンジンの故障（通常は摩耗、ひび割れ、歪みなどによる）の原因となるため、過剰な熱を除去するには冷却が必要である。

この式は、標準状態における全負荷時のガスエンジンの必要ガス流量を示している。

${\displaystyle Q={\frac {P}{\eta }}\cdot {\frac {1}{LHV_{gas}}}}$

どこ：

• ${\displaystyle Q}$通常の条件下でのガス流量は
• ${\displaystyle {P}}$エンジン出力は
• ${\displaystyle {\eta }}$機械効率
• LHVはガスの低発熱量です