ガスエンジン

ガスエンジンは、石炭ガス、生産ガス、バイオガス、埋立地ガス、天然ガス、水素などの燃料ガス（気体燃料）で稼働する内燃機関です。英国およびイギリス英語圏の国では、この用語は明確です。米国では、ガソリン（ペトロール）の略語として「ガス」が広く使用されているため、このようなエンジンは、ガス燃料エンジンや天然ガスエンジンなどの明確な用語で呼ばれることがあります。

現代の一般的な用法では、ガスエンジンという用語は、年間8,760時間近く連続して全負荷で稼働できる大型産業用エンジンを指します。これは、軽量で高回転で、通常は全寿命中に4,000時間以上稼働しないガソリン自動車エンジンとは異なります。一般的な出力は10kW（13馬力）から4MW（5,364馬力）の範囲です。^[1]

19世紀にはガスエンジンの実験が数多く行われましたが、最初の実用的なガス燃料内燃機関は1860年にベルギーの技術者エティエンヌ・ルノアによって作られました^。[2]しかし、ルノアエンジンは出力が低く、燃料消費量が多いという欠点がありました。

ルノワールの研究は、ドイツの技術者ニコラウス・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。オットーは後に、ピストン室で燃料を直接効率的に燃焼させる初の4ストロークエンジンを発明することになる。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いたため、オットーの開発の可能性を垣間見、出会いの1か月後に、ケルンに世界初のエンジン工場、NA Otto & Cieを設立した。1867年、オットーは改良した設計の特許を取得し、1867年のパリ万国博覧会で大賞を受賞した。この大気圧エンジンは、ガスと空気の混合物を垂直のシリンダーに引き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が外側で燃え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ているピストンが上方に押し上げられ、その下に部分的な真空が形成される。上昇行程では作業は行われない。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、下降時に主軸とフライホイールを回転させることにより作業が行われます。既存の蒸気エンジンに比べて優れている点は、必要に応じて始動および停止できることで、はしけの積み下ろしなどの断続的な作業に最適です。^[3]

大気ガスエンジンは、オットーの4 ストロークエンジンに取って代わられました。4 ストロークエンジンへの移行は驚くほど速く、最後の大気エンジンは 1877 年に作られました。その後すぐに、ディーゼル (1898 年頃) またはガソリン (1900 年頃) を使用する液体燃料エンジンが登場しました。

英国で最も有名なガスエンジン製造者はマンチェスターのクロスリーで、同社は 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権を英国および世界 (ドイツを除く) で取得しました。1876 年には、より効率的なオットーの 4 ストローク サイクル エンジンの権利を取得しました。

マンチェスター地域には他にもいくつかの会社があった。バーミンガム近郊のスメスウィックに拠点を置くタンジー社は、1881年に最初のガスエンジン（公称1馬力の2サイクルタイプ）を販売し、1890年に4サイクルガスエンジンの製造を開始した。^[4]

イギリス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、これまでに作られた中で最大の稼働中のクロスリー大気圧エンジンを含む、いくつかの稼働中のガスエンジンを含むエンジンのコレクションがあります。

ガスエンジンの製造元には、現代重工業、ロールス・ロイス（ベルゲン・エンジンズAS）、川崎重工業、リープヘル、MTUフリードリヒスハーフェン、イニオ・イェンバッハ、キャタピラー社、パーキンス・エンジンズ、MWM、カミンズ、バルチラ、イニオ・ワウケシャ、グアスコール・エナジー、ドゥーツ、MTU、MAN、スカニアAB、フェアバンクス・モース、斗山、イートン（かつての別の大市場シェア保持者、クーパー・インダストリーズの後継）、ヤンマーなどがあります。出力は、約10kW（13馬力）のマイクロ熱電併給（CHP）から18MW（24,000馬力）まであります。^[5]一般的に言えば、現代の高速ガスエンジンは、状況にもよりますが、最大約50MW（67,000馬力）までのガスタービンと非常に競争力があり、最高のものはガスタービンよりもはるかに燃料効率に優れています。ロールスロイスとベルゲンエンジン、キャタピラー、その他多くのメーカーは、ディーゼルエンジンブロックとクランクシャフトをベースに製品を製造しています。INNIO JenbacherとWaukeshaは、ガス専用に設計され専用に設計されたエンジンを製造する唯一の2社です。

典型的な用途は、ベースロードまたは高時間発電方式であり、これには熱電併給（典型的な性能数値については^[6]を参照）、埋立地ガス、鉱山ガス、坑口ガス、バイオガスがあり、エンジンからの廃熱が消化槽の加温に使用できる。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、^[7]を参照。工場に設置された大型ガスエンジンCHPシステムのパラメータについては、^[8]を参照。ガスエンジンはスタンバイ用途にはほとんど使用されず、主にディーゼルエンジンの領域にとどまっている。唯一の例外は、農場、博物館、中小企業、住宅に設置されることが多い小型（<150kW）の非常用発電機である。これらの発電機は、公益事業からの天然ガスまたはオンサイト貯蔵タンクのプロパンに接続され、停電時に自動的に起動するように設定できる。

液化天然ガス（LNG）エンジンは船舶市場に拡大しており、希薄燃焼ガスエンジンは追加の燃料処理や排気ガス浄化システムなしで新しい排出ガス要件を満たすことができる。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る。英国のユーザーにはレディングバスが含まれる。ガスバスの使用はガスバスアライアンス^[9]によってサポートされており、メーカーにはスカニアAB ^[10]が含まれる。

天然ガス、主にメタンが、長い間経済的で入手しやすい燃料であったため、多くの産業用エンジンは、ガソリンではなくガスを使用するように設計または改造されています。ガスの運転では、複雑な炭化水素による汚染が少なく、エンジンの内部の問題も少なくなります。一例として、液化石油ガス、主にプロパンが挙げられます。このエンジンは、多数のフォークリフトで使用されています。米国では、「ガス」を「ガソリン」の意味でよく使用していますが、これには天然ガス エンジンであることが明示的に識別される必要があります。また、「天然ガソリン」というものもありますが、^{[11]この用語は}天然ガス液体のサブセットを指し、精製業界以外ではほとんど見られません。

ガス エンジンは、燃料と空気を混合する方法がガソリン 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 エンジンでは、多くの場合、単純なベンチュリー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 エンジンでは、空気とガスに別々の入口バルブを備えた 3 バルブ システムが使用されていました。

ディーゼルエンジンと比較したガスエンジンの弱点は排気バルブです。ガスエンジンの排気ガスは一定の出力に対してはるかに高温であるため、出力が制限されます。したがって、特定のメーカーのディーゼルエンジンは、通常、同じエンジンブロックサイズのガスエンジンバージョンよりも最大出力が高くなります。ディーゼルエンジンには通常、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 1 時間定格、12 時間定格、連続定格とも呼ばれますが、ガスエンジンには通常、連続定格のみがあり、ディーゼル連続定格よりも低くなります。

熱管点火装置や火花点火装置など、さまざまな点火システムが使用されています。現代のガスエンジンの中には、本質的にはデュアル燃料エンジンであるものもあります。主なエネルギー源はガスと空気の混合物ですが、少量のディーゼル燃料を噴射して点火します。

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。^[12] 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。^[13]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。^[8]大型エンジンは小型エンジンよりも効率的です。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%）、合成ガスは効率をさらに低下させます。GEイェンバッハの最近の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す。^[14]

エンジン効率を検討する際は、これがガスの低位発熱量(LHV) に基づくのか高位発熱量 (HHV)に基づくのかを考慮する必要があります。エンジン製造元は通常、ガスの低位発熱量、つまりガス自体に含まれる固有の水分を蒸発させるためにエネルギーを消費した後の効率に基づいて効率を見積もっています。ガス供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含有量に基づいて料金を請求します。LHV に基づく見積エンジン効率は 44% などですが、同じエンジンが天然ガスの HHV に基づくと 39.6% になる可能性があります。効率の比較は同一条件で行うことも重要です。たとえば、一部の製造元はエンジン冷却水の駆動に機械駆動ポンプを使用していますが、他の製造元は電動ポンプを使用しており、電気使用量が無視されることがあるため、直接駆動エンジンと比較して見かけの効率が誤って高くなってしまうことがあります。

エンジンの排熱は、建物の暖房やプロセスの暖房に使用できます。エンジンでは、廃熱の約半分が（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）温水として発生し、その温度は最大 110 °C になります。残りは高温熱として発生し、排気ガス熱交換器を使用して加圧された温水または蒸気を生成できます。

最も一般的なエンジンの種類は、空冷エンジンと水冷エンジンです。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（空圧または水圧）にはオイルクーラーが追加されています。

過熱は、通常は摩耗、ひび割れ、または歪みによりエンジンの故障を引き起こす可能性があるため、過剰な熱を除去するために冷却が必要です。

この式は、全負荷時の標準条件におけるガスエンジンのガス流量要件を示します。

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

どこ：

• ${\displaystyle Q}$標準状態でのガスの流れは
• ${\displaystyle {P}}$エンジンパワーは
• ${\displaystyle {\eta}}$機械効率は
• LHVはガスの低発熱量です

• 歴史的なガスエンジン
• 
  1905 ナショナル社の36馬力の普通ガスエンジン
• 
  1903 ケルティングガスエンジン
• 
  バックス直立型ガスエンジン
• 
  オットー水平ガスエンジン
• 
  オットー垂直ガスエンジン
• 
  ウェスティングハウスガスエンジン
• 
  クロスリーガスエンジンとダイナモ
• 
  プレミアツインガスエンジン発電所
• 
  125馬力のガスエンジンとダイナモ
• 
  クロスリー ブラザーズ社、1886 年 No. 1 エンジン、4.5 馬力単気筒、4 ストローク ガス エンジン、160 rpm。
• 
  1915年製クロスリーガスエンジン（タイプGE130 No75590）、150馬力。
• 
  ナショナルガスエンジン
• 
  プレミアタンデム掃気高出力ガスエンジン
• 
  吹き出しシリンダー付き高炉ガスエンジン
• 
  ストックポートガスエンジンとベルト駆動ダイナモ

• オートガス
• CHP指令
• コージェネレーション
• ガスタービン
• 内燃機関の歴史
• 天然ガス自動車一覧
• アンソンエンジン博物館

ウィキメディア・コモンズには、ガスエンジンに関連するメディアがあります。