JP2001107809A - Gas fuel internal combustion engine - Google Patents

Gas fuel internal combustion engine

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JP2001107809A
JP2001107809A JP28497799A JP28497799A JP2001107809A JP 2001107809 A JP2001107809 A JP 2001107809A JP 28497799 A JP28497799 A JP 28497799A JP 28497799 A JP28497799 A JP 28497799A JP 2001107809 A JP2001107809 A JP 2001107809A
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Japan
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fuel injection
injection valve
fuel
ignition
main
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JP28497799A
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Japanese (ja)
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Yasuo Nakajima
泰夫 中島
Kimitaka Yamane
公高 山根
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Gotoh Educational Corp
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    • F02B23/02Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
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    • F02B23/0636Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston the combustion space having a substantially flat and horizontal bottom
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spark ignition type natural gas internal combustion engine provided with no throttle valve and control a load by an injection amount and to improve fuel consumption in a low load area. SOLUTION: This internal combustion engine comprises a main fuel injection valve 11 to inject natural gas in the cavity combustion chamber 14 of a piston 7; an auxiliary fuel injection valve 12 to inject natural gas to an ignition chamber 9; and an ignition plug 10 situated at the ignition chamber 9. Since, during idling, fuel is fed only from the auxiliary injection valve 12 and ignited and burnt in the ignition chamber 9, stable operation at a high excess air factor is practicable. At a partial load area, fuel is injected from the main fuel injection valve 11, and before fuel is excessively diffused in a cavity combustion chamber 14, flame generated due to combustion in the ignition chamber 9 is injected through a communication hole 13 for ignition and combustion. At a total load area, fuel is injected from the main fuel injection valve 11 in the vicinity of a bottom dead center and brought into a state approximately equal to premixture.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、天然ガスのよう
なガス燃料を用い、希薄燃焼を実現するようにした火花
点火式のガス燃料内燃機関に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a spark-ignition gas-fueled internal combustion engine which uses a gas fuel such as natural gas to realize lean combustion.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在、大型自動車の多くは、ディーゼル
エンジンによって駆動されているが、このような中型な
いしは大型のディーゼルエンジンは、大気汚染物質であ
るNOxや排気微粒子の低減が技術的に困難であり、地
球温暖化の原因となる二酸化炭素を多く排出することか
ら、その代替として、天然ガスを燃料とする内燃機関
が、近年、注目されている。
2. Description of the Related Art At present, many large vehicles are driven by a diesel engine. However, such a medium to large diesel engine is technically difficult to reduce NOx and exhaust particulates as air pollutants. In recent years, an internal combustion engine using natural gas as a fuel has been attracting attention as a substitute for emitting a large amount of carbon dioxide that causes global warming.

【0003】圧縮天然ガス(CNG)や液化天然ガス
(LNG)を燃料とするガス燃料内燃機関としては、一
般的なガソリン機関と同様に、吸気弁上流の吸気管内に
燃料を供給し、点火栓により点火する火花点火方式のも
のが知られており、この場合、吸気通路には、負荷に応
じて吸気量を制限するためのスロットルバルブが必要で
ある(例えば特開平10−61460号公報参照)。
[0003] As a gas-fueled internal combustion engine using compressed natural gas (CNG) or liquefied natural gas (LNG) as a fuel, fuel is supplied into an intake pipe upstream of an intake valve, and a spark plug is provided, similarly to a general gasoline engine. In this case, a throttle valve for restricting the amount of intake air according to the load is required in the intake passage (for example, see Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-61460). .

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】このような方式による
天然ガス内燃機関では、ディーゼルエンジンに比較し
て、NOxや排気微粒子の低減は実現できるものの、熱
効率の点では、ディーゼルエンジンよりも劣る。特に、
スロットルバルブによるポンピング損失があることか
ら、低負荷領域でディーゼルエンジンよりも熱効率が低
くなり、例えば、車室内の冷房もしくは暖房をアイドリ
ング状態で行っているようなときに、燃費が著しく悪化
する。また、部分負荷域において、ディーゼルエンジン
では超希薄混合気で燃焼しているが、上記の方式による
天然ガス内燃機関の可燃限界は、空気過剰率λが1.8
程度であり、これ以上希薄な混合気では燃焼できない。
現実的には、機関の安定性の上から、λ=1.6程度が
実用上の限界である。そのため、部分負荷域での燃費の
向上には限界がある。
The natural gas internal combustion engine of this type can reduce NOx and exhaust particulates as compared with a diesel engine, but is inferior to a diesel engine in terms of thermal efficiency. In particular,
Since there is a pumping loss due to the throttle valve, the thermal efficiency is lower than that of the diesel engine in a low load region, and for example, when the vehicle interior is being cooled or heated in an idling state, the fuel efficiency is significantly deteriorated. In the partial load range, the diesel engine burns with an ultra-lean mixture, but the flammability limit of the natural gas internal combustion engine according to the above method is that the excess air ratio λ is 1.8.
And cannot be burned with a leaner mixture.
In practice, λ = 1.6 is the practical limit from the viewpoint of engine stability. Therefore, there is a limit to the improvement in fuel efficiency in the partial load range.

【0005】このように、負荷の小さい領域で、ディー
ゼルエンジンに比べて燃費が劣ることが、天然ガス内燃
機関の普及を妨げる大きな要因となっている。また、二
酸化炭素の削減という観点でも、同一発熱量当たりでは
天然ガスの方が二酸化炭素排出量が少ないものの、燃料
消費量が多いことから、総量として、二酸化炭素削減の
メリットは少なくなってしまう。
[0005] As described above, the fuel efficiency is inferior to that of a diesel engine in an area where the load is small, which is a major factor hindering the spread of a natural gas internal combustion engine. Also, from the viewpoint of reducing carbon dioxide, natural gas emits less carbon dioxide per calorific value, but consumes more fuel, so that the merits of reducing carbon dioxide are reduced as a whole.

【0006】なお、主燃焼室とは別に副室を設け、この
副室に、比較的濃い混合気を生成して点火栓により点火
し、連絡孔から主燃焼室へ噴出する火炎によって、主燃
焼室内の比較的薄い混合気を着火させるようにした副室
式のガス燃料内燃機関も提案されている(例えば特開平
11−117814号公報)が、これはシリンダ内にほ
ぼ均一な希薄混合気が存在するようにし、スワールを利
用して主燃焼室内の燃焼の促進を図ったものであって、
仮にスロットルバルブを具備しないものとすると、アイ
ドルや低負荷域では、超希薄な均一混合気に着火させる
必要があり、到底、安定した運転を実現することはでき
ない。
A sub-chamber is provided separately from the main combustion chamber, and a relatively rich air-fuel mixture is generated in the sub-chamber, ignited by a spark plug, and the main combustion chamber is ignited by a flame ejected from the communication hole into the main combustion chamber. A sub-chamber type gas-fueled internal combustion engine in which a relatively thin air-fuel mixture in a room is ignited has also been proposed (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-178814). It is intended to promote the combustion in the main combustion chamber using swirl,
If the throttle valve is not provided, it is necessary to ignite a super-lean homogeneous air-fuel mixture in an idling or low load range, and stable operation cannot be realized at all.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】この発明に係るガス燃料
内燃機関は、上記の課題を解決するために、シリンダ内
の主燃焼室に向かってガス燃料を供給する主燃料噴射弁
と、シリンダヘッド内に形成され、かつ上記主燃焼室に
連絡孔を通して連通した点火室と、この点火室にガス燃
料を供給する副燃料噴射弁と、上記点火室に設けられた
点火栓と、機関運転条件に応じて、上記主燃料噴射弁お
よび副燃料噴射弁の燃料噴射量、噴射時期、ならびに上
記点火栓による点火時期をそれぞれ最適制御する制御手
段と、を備えていることを特徴としている。
In order to solve the above-mentioned problems, a gas-fueled internal combustion engine according to the present invention has a main fuel injection valve for supplying gas fuel to a main combustion chamber in a cylinder, and a cylinder head. An ignition chamber formed in the main combustion chamber and communicating with the main combustion chamber through a communication hole, an auxiliary fuel injection valve for supplying gas fuel to the ignition chamber, an ignition plug provided in the ignition chamber, and engine operating conditions. Accordingly, a control means for optimally controlling the fuel injection amount and the injection timing of the main fuel injection valve and the sub fuel injection valve, and the ignition timing of the ignition plug, respectively, is provided.

【0008】より具体的には、請求項2のように、吸気
系にスロットルバルブを具備しておらず、上記主燃料噴
射弁および副燃料噴射弁の総燃料噴射量によって内燃機
関の負荷が制御されるようになっている。
More specifically, the throttle valve is not provided in the intake system, and the load of the internal combustion engine is controlled by the total fuel injection amount of the main fuel injection valve and the auxiliary fuel injection valve. It is supposed to be.

【0009】すなわち、この発明のガス燃料内燃機関に
おいては、天然ガスなどのガス燃料が点火室内に噴射供
給され、ここで形成された混合気に、点火栓によって点
火が行われる。これにより、点火室内で燃焼が生じ、連
絡孔を通して、主燃焼室側へ火炎が噴出する。また、主
燃焼室内には、この火炎の噴出の前に、適当なタイミン
グで主燃料噴射弁からガス燃料が噴射されており、この
燃料が希薄燃焼限界以上に拡散する前に、上記火炎によ
って、主燃焼室内での燃焼が開始する。従って、全体と
して高い空気過剰率による安定した燃焼が可能である。
That is, in the gas-fueled internal combustion engine of the present invention, gaseous fuel such as natural gas is injected and supplied into the ignition chamber, and the mixture formed here is ignited by the ignition plug. As a result, combustion occurs in the ignition chamber, and a flame is blown out toward the main combustion chamber through the communication hole. In addition, gas fuel is injected into the main combustion chamber from the main fuel injection valve at an appropriate timing before the flame is jetted out, and before the fuel is diffused beyond the lean burn limit, the flame causes Combustion in the main combustion chamber starts. Therefore, stable combustion with a high excess air ratio as a whole is possible.

【0010】本発明では、請求項3のように、上記主燃
焼室を構成するキャビティ燃焼室がピストン頂面に凹設
されており、ピストン上死点において上記連絡孔の先端
がこのキャビティ燃焼室に向かって開口していることが
望ましい。
According to the present invention, the cavity combustion chamber constituting the main combustion chamber is recessed in the top surface of the piston, and the top end of the communication hole is located at the top dead center of the piston. It is desirable to open toward.

【0011】このようにキャビティ燃焼室を設けること
により、主燃料噴射弁から噴射されたガス燃料は、過度
に拡散することなく、該キャビティ燃焼室内に滞留す
る。そして、連絡孔から噴出する火炎が、このキャビテ
ィ燃焼室内に向かい、ここに形成された混合気が着火に
至る。従って、全体として高い空気過剰率であっても、
主燃焼室内で確実な着火燃焼が可能である。また、キャ
ビティ燃焼室の周囲に残されたスキッシュエリアによっ
て、上死点付近でスキッシュ流が生成され、主燃焼室内
の燃焼が促進される。
By providing the cavity combustion chamber in this way, the gas fuel injected from the main fuel injection valve stays in the cavity combustion chamber without excessively diffusing. Then, the flame ejected from the communication hole goes into the cavity combustion chamber, and the air-fuel mixture formed here ignites. Therefore, even if the excess air ratio is high as a whole,
Reliable ignition combustion is possible in the main combustion chamber. In addition, the squish area left around the cavity combustion chamber generates a squish flow near top dead center, thereby promoting combustion in the main combustion chamber.

【0012】また、請求項4の発明では、アイドリング
時には上記主燃料噴射弁の噴射量が0となり、必要な燃
料量が全て副燃料噴射弁から噴射される。
According to the fourth aspect of the present invention, the injection amount of the main fuel injection valve becomes zero during idling, and all the necessary fuel amount is injected from the auxiliary fuel injection valve.

【0013】このように副燃料噴射弁の燃料のみでアイ
ドリング運転を行うことにより、スロットルバルブを具
備せずに、全体として超希薄な燃焼となっても、点火室
内には、希薄燃焼限界以上の十分に濃い混合気が存在す
るため、安定した運転が可能である。
By performing the idling operation only with the fuel of the auxiliary fuel injection valve as described above, even if the combustion becomes extremely lean as a whole without the throttle valve, the ignition chamber is kept in the ignition chamber beyond the lean combustion limit. Since a sufficiently rich air-fuel mixture exists, stable operation is possible.

【0014】この請求項4に従属する請求項5の発明
は、アイドリングに繋がる低負荷域では、副燃料噴射弁
の燃料噴射量は点火に必要な最小限となり、負荷に応じ
て定まる残部の燃料量が主燃料噴射弁から噴射されるこ
とを特徴としている。
According to a fourth aspect of the present invention, the fuel injection amount of the auxiliary fuel injection valve is minimized for ignition in a low load region which leads to idling, and the remaining fuel determined by the load is reduced. The quantity is injected from the main fuel injector.

【0015】すなわち、アイドリングから僅かに負荷を
増やしたときに、そのまま主燃料噴射弁の燃料噴射を開
始すると、主燃料噴射弁には、ある程度の最小噴射量が
定まっており、それより少量の噴射を行うことができな
いことから、総燃料噴射量に段差が生じ、トルクが不連
続となる。そのため、請求項5の発明では、アイドリン
グから低負荷域に移行したときに、副燃料噴射弁の燃料
噴射量が点火に必要な最小限まで一旦低下し、残部の燃
料が主燃料噴射弁から主燃焼室内へ噴射される。これに
より、総燃料噴射量を、アイドリングから低負荷域へ連
続した特性のものとすることができる。
That is, when the fuel injection of the main fuel injection valve is started as it is when the load is slightly increased from idling, a certain minimum injection amount is determined for the main fuel injection valve. Cannot be performed, a step occurs in the total fuel injection amount, and the torque becomes discontinuous. Therefore, in the invention of claim 5, when the engine shifts from idling to the low load range, the fuel injection amount of the auxiliary fuel injection valve temporarily decreases to a minimum necessary for ignition, and the remaining fuel is mainly injected from the main fuel injection valve. It is injected into the combustion chamber. As a result, the total fuel injection amount can have a continuous characteristic from the idling to the low load region.

【0016】アイドリング時における副燃料噴射弁の燃
料噴射開始時期および点火時期、ならびに、部分負荷域
における主、副燃料噴射弁の燃料噴射開始時期および点
火時期は、請求項6のように、機関回転数に応じて、機
関回転数が高いほど進角側に設定される。
The fuel injection start timing and ignition timing of the sub-fuel injection valve during idling, and the fuel injection start timing and ignition timing of the main and sub-fuel injection valves in the partial load range are determined by the engine rotation. Depending on the engine speed, the higher the engine speed is, the more advanced it is set.

【0017】また、請求項7の発明では、主燃料噴射弁
の燃料噴射開始時期は、副燃料噴射弁の燃料噴射開始時
期よりも早く、両者の開始時期の差(τ)が、負荷が大
きくなるほど大きく与えられる。
Further, in the present invention, the fuel injection start timing of the main fuel injection valve is earlier than the fuel injection start timing of the sub fuel injection valve, and the difference (τ) between the two start timings is large, so that the load is large. It is given as much as possible.

【0018】さらに、請求項8の発明では、全負荷時に
は、主燃料噴射弁の燃料噴射開始時期は、圧縮行程の初
期となる。
Further, according to the present invention, at the time of full load, the fuel injection start timing of the main fuel injection valve is at the beginning of the compression stroke.

【0019】すなわち、負荷が大きくなって燃料噴射量
が多くなると、主燃焼室内に部分的に過濃な領域が生じ
やすい。そのため、燃料噴射量が多い運転条件では、そ
れだけ早期に燃料を噴射し、空気との混合を促進するこ
とが望ましい。特に、全負荷時には、全混合気をなるべ
く均一にλ=1の状態に近づけることが好ましいので、
圧縮行程初期に主燃料噴射弁の燃料噴射を開始し、予混
合に近い状態とする。
That is, when the load increases and the fuel injection amount increases, a partially rich region is likely to occur in the main combustion chamber. Therefore, under operating conditions where the fuel injection amount is large, it is desirable to inject fuel earlier so as to promote mixing with air. In particular, at the time of full load, it is preferable to make the total air-fuel mixture approach the state of λ = 1 as uniformly as possible.
The fuel injection of the main fuel injection valve is started in the early stage of the compression stroke to bring the state close to premixing.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】以下、この発明の好ましい実施の
形態を図面に基づいて詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0021】図1は、この発明に係るガス燃料内燃機関
の全体的な構成を示すもので、内燃機関本体1は、4サ
イクル機関として構成されており、シリンダ6内にピス
トン7が摺動可能に配置されているとともに、吸気通路
2を開閉する吸気弁3および排気通路4を開閉する排気
弁5を、各気筒に備えている。なお、上記吸気通路2
に、スロットルバルブは具備していない。この内燃機関
本体1は、シリンダ6内にピストン7によって形成され
る主燃焼室8とは別に、点火室9を備えており、この点
火室9に臨んで点火栓10が配置されている。
FIG. 1 shows the overall configuration of a gas-fueled internal combustion engine according to the present invention. The internal combustion engine body 1 is configured as a four-cycle engine, and a piston 7 can slide within a cylinder 6. , And an exhaust valve 3 for opening and closing the intake passage 2 and an exhaust valve 5 for opening and closing the exhaust passage 4 are provided for each cylinder. The intake passage 2
In addition, no throttle valve is provided. The internal combustion engine main body 1 includes an ignition chamber 9 separately from a main combustion chamber 8 formed by a piston 7 in a cylinder 6, and an ignition plug 10 is arranged facing the ignition chamber 9.

【0022】上記主燃焼室8の上面中央には、該主燃焼
室8内にガス燃料を噴射する主燃料噴射弁11が配設さ
れており、かつ上記点火室9には、副燃料噴射弁12が
配設されている。
A main fuel injection valve 11 for injecting gaseous fuel into the main combustion chamber 8 is provided at the center of the upper surface of the main combustion chamber 8, and an auxiliary fuel injection valve is provided in the ignition chamber 9. 12 are provided.

【0023】図2に示すように、上記点火室9は、シリ
ンダボアの一側部に偏った位置において、シリンダヘッ
ド15の内部に形成されており、シリンダボア中心に向
かって斜めに延びた連絡孔13を介して主燃焼室8に連
通している。上記副燃料噴射弁12は上記点火室9の上
部に位置し、かつ点火栓10は点火室9の側方から連絡
孔13の上端付近に臨んでいる。主燃料噴射弁11は、
シリンダボアの中心軸にほぼ沿って垂直に配置されてお
り、シリンダボアの中心から全周にガス燃料を供給して
いる。また、ピストン7の頂面中央には、深皿形のキャ
ビティ燃焼室14が凹設されており、上記主燃料噴射弁
11の先端噴孔は、このキャビティ燃焼室14の中心に
位置している。ピストン7の上死点位置においては、主
燃焼室8の容積の大部分は、このキャビティ燃焼室14
によって占められる。そして、上記連絡孔13の下端
は、ピストン7の上死点位置において、上記キャビティ
燃焼室14の中に向かって開口するようになっている。
換言すれば、キャビティ燃焼室14周囲に残るスキッシ
ュエリアとなるピストン7頂面に連絡孔13が塞がれる
ことはない。なお、例えばシリンダボア径が大きいよう
な場合には、上記連絡孔13を複数本形成し、キャビテ
ィ燃焼室14の複数箇所へ向かって火炎が噴出するよう
に構成することが望ましい。
As shown in FIG. 2, the ignition chamber 9 is formed inside the cylinder head 15 at a position deviated to one side of the cylinder bore, and has a communication hole 13 extending obliquely toward the center of the cylinder bore. Through the main combustion chamber 8. The auxiliary fuel injection valve 12 is located above the ignition chamber 9, and the ignition plug 10 faces the upper end of the communication hole 13 from the side of the ignition chamber 9. The main fuel injection valve 11
It is arranged vertically substantially along the center axis of the cylinder bore, and supplies gas fuel from the center of the cylinder bore to the entire circumference. At the center of the top surface of the piston 7, a deep dish-shaped cavity combustion chamber 14 is recessed, and the tip injection hole of the main fuel injection valve 11 is located at the center of the cavity combustion chamber 14. . At the top dead center position of the piston 7, most of the volume of the main combustion chamber 8 is
Occupied by. The lower end of the communication hole 13 opens toward the cavity combustion chamber 14 at the top dead center position of the piston 7.
In other words, the communication hole 13 is not blocked on the top surface of the piston 7 which is a squish area remaining around the cavity combustion chamber 14. In the case where the cylinder bore diameter is large, for example, it is desirable to form a plurality of the communication holes 13 so that the flame is ejected toward a plurality of locations of the cavity combustion chamber 14.

【0024】上記主燃料噴射弁11および副燃料噴射弁
12は、いずれも液圧により開閉動作する機械式の構成
であって、図1に示すように、それぞれを開作動させる
液圧を発生させるための噴射弁制御アクチュエータ2
1,22がそれぞれ設けられている。この噴射弁制御ア
クチュエータ21,22は、エンジンコントロールユニ
ット23が出力する噴射弁パルス信号に応答して液圧を
発生させ、噴射弁パルス信号とほぼ同一の期間、各噴射
弁11,12を開弁させるものである。また、この実施
例では、ガス燃料として、圧縮天然ガス(CNG)が用
いられており、燃料タンク24に貯蔵されているガス
が、70kg/cm2〜100kg/cm2程度の一定圧に調圧する
プレッシャレギュレータ25および圧力脈動を抑制する
サージタンク26を経由して、各噴射弁11,12に導
入されている。従って、噴射弁パルス信号に基づいて主
燃料噴射弁11もしくは副燃料噴射弁12が開くと、天
然ガスは、それ自身の圧力によって噴出し、噴射弁パル
ス信号のパルス幅に略比例した量のガスが供給される。
Each of the main fuel injection valve 11 and the auxiliary fuel injection valve 12 is of a mechanical type that opens and closes by hydraulic pressure, and generates hydraulic pressure for opening each of them as shown in FIG. Valve control actuator 2 for
1 and 22 are provided respectively. The injection valve control actuators 21 and 22 generate a hydraulic pressure in response to the injection valve pulse signal output from the engine control unit 23, and open the injection valves 11 and 12 for substantially the same period as the injection valve pulse signal. It is to let. Further, in this embodiment, as the gas fuel have been used compressed natural gas (CNG) is gas stored in the fuel tank 24 is pressure regulated to 70kg / cm 2 ~100kg / cm 2 approximately constant pressure It is introduced into each of the injection valves 11 and 12 via a pressure regulator 25 and a surge tank 26 for suppressing pressure pulsation. Therefore, when the main fuel injection valve 11 or the auxiliary fuel injection valve 12 is opened based on the injection valve pulse signal, the natural gas is injected by its own pressure, and the amount of the gas substantially proportional to the pulse width of the injection valve pulse signal is increased. Is supplied.

【0025】上記エンジンコントロールユニット23に
は、内燃機関の回転数を検出するクランク角センサ27
の検出信号と、負荷としてアクセルペダルの踏み込み量
を検出するアクセル開度センサ28の検出信号とが入力
されており、これらの運転条件に基づいて、主燃料噴射
弁11および副燃料噴射弁12のそれぞれの噴射量およ
び噴射時期、点火栓10による点火時期が、それぞれ最
適制御される。
The engine control unit 23 has a crank angle sensor 27 for detecting the rotational speed of the internal combustion engine.
And the detection signal of the accelerator opening sensor 28 for detecting the depression amount of the accelerator pedal as a load, and based on these operating conditions, the main fuel injection valve 11 and the sub fuel injection valve 12 The respective injection amounts and injection timings, and the ignition timing of the ignition plug 10 are optimally controlled.

【0026】上記点火室9の容積は、大きくするほど熱
損失が増加し、機関の熱効率が低下するが、副燃料噴射
弁12や点火栓10を配置するためには、最小限の大き
さは必要である。従って、ピストン7の上死点位置にお
ける燃焼室全体の容積に対し、3〜20パーセント、さ
らに望ましくは、5〜12パーセントの範囲に設定され
る。また連絡孔13の断面積Dは、点火室9の容積Vに
応じて、D/Vが所定範囲内となるように最適に設定さ
れる。この連絡孔13の大きさによって、主燃焼室8に
対する火炎の到達位置と火炎の速度とが定まる。
As the volume of the ignition chamber 9 increases, the heat loss increases and the thermal efficiency of the engine decreases. However, in order to dispose the auxiliary fuel injection valve 12 and the ignition plug 10, the minimum size is is necessary. Therefore, the volume is set in the range of 3 to 20%, more preferably 5 to 12% with respect to the volume of the entire combustion chamber at the top dead center position of the piston 7. The cross-sectional area D of the communication hole 13 is optimally set according to the volume V of the ignition chamber 9 so that D / V is within a predetermined range. The size of the communication hole 13 determines the position at which the flame reaches the main combustion chamber 8 and the speed of the flame.

【0027】次に、各運転条件における具体的な制御に
ついて説明する。なお、図3は、負荷に対応した各燃料
噴射弁11,12のそれぞれの噴射量および両者の和で
ある総噴射量を示している。
Next, specific control under each operating condition will be described. FIG. 3 shows the respective injection amounts of the respective fuel injection valves 11 and 12 corresponding to the load, and the total injection amount which is the sum of both.

【0028】まず、アイドリングにおいては、点火室9
に設けられた副燃料噴射弁12のみからガス燃料が噴射
され、主燃料噴射弁11の噴射量は0となる。副燃料噴
射弁12の燃料噴射時期(噴射開始時期)は、上死点近
く、具体的には、20°〜70°BTDCに設定され
る。点火時期は、この噴射開始時期から50°〜5°C
A遅れた位置に設定される。ここで、アイドリング回転
数が高いほど、燃料噴射時期は早められる。本発明で
は、スロットルバルブを具備しないことから、アイドリ
ング時には、全体としては空気過剰率λが非常に高くな
るが、点火室9のみに燃料を供給することにより、点火
室9には着火可能な濃さの混合気が確実に形成され、安
定した運転が可能である。これにより、アイドリング時
にディーゼル機関に近い燃費を得ることができる。
First, in idling, the ignition chamber 9
The gas fuel is injected only from the auxiliary fuel injection valve 12 provided in the main fuel injection valve 11, and the injection amount of the main fuel injection valve 11 becomes zero. The fuel injection timing (injection start timing) of the auxiliary fuel injection valve 12 is set near top dead center, specifically, 20 ° to 70 ° BTDC. The ignition timing is 50 ° to 5 ° C from the injection start timing.
A Set to the position delayed. Here, the higher the idling speed, the earlier the fuel injection timing. In the present invention, since the throttle valve is not provided, the excess air ratio λ becomes extremely high as a whole at the time of idling, but the fuel is supplied only to the ignition chamber 9 so that the ignition chamber 9 can be ignited. The air-fuel mixture is reliably formed, and stable operation is possible. This makes it possible to obtain fuel efficiency close to that of a diesel engine during idling.

【0029】次に、部分負荷域では、点火室9側の燃料
供給に先立って、主燃焼室8の主燃料噴射弁11からガ
ス燃料がキャビティ燃焼室14へ向けて噴射供給され、
このキャビティ燃焼室14内に形成された混合気に、点
火室9から連絡孔13を介して噴出する火炎によって、
着火が行われる。各燃料噴射弁11,12の噴射量は、
図3に示すように、負荷つまりアクセル開度に応じた総
噴射量となるように、制御される。特に、アイドリング
から低負荷域に移行するときには、図3に明らかなよう
に、副燃料噴射弁の燃料噴射量は、アイドリングに必要
な燃料量から点火に必要な最小限の量まで少なくなり、
これに主燃料噴射弁11の噴射量が加えられる。従っ
て、主燃料噴射弁11の最小噴射量がある程度の大きさ
にあるにも拘わらず、アイドリングから低負荷域に亘っ
て総噴射量は連続的に変化し、トルク変化が滑らかに連
続したものとなる。なお、図3の例では、副燃料噴射弁
12の燃料噴射量は、アイドリングを除く領域で一定と
なっているが、負荷に応じて徐々に少なくするようにし
てもよい。負荷が高くなって総噴射量が大となると、全
体の空気過剰率λが低くなるので、副燃料噴射弁12の
燃料噴射量を徐々に少なくしても、十分に着火燃焼し得
る。
Next, in the partial load region, prior to the fuel supply on the ignition chamber 9 side, gas fuel is injected and supplied from the main fuel injection valve 11 of the main combustion chamber 8 toward the cavity combustion chamber 14,
The flame that is jetted from the ignition chamber 9 through the communication hole 13 into the air-fuel mixture formed in the cavity combustion chamber 14,
Ignition is performed. The injection amount of each fuel injection valve 11, 12 is:
As shown in FIG. 3, control is performed so that the total injection amount according to the load, that is, the accelerator opening, is obtained. In particular, when shifting from idling to the low load region, as is apparent from FIG. 3, the fuel injection amount of the auxiliary fuel injection valve decreases from the fuel amount required for idling to the minimum amount required for ignition,
The injection amount of the main fuel injection valve 11 is added to this. Therefore, despite the fact that the minimum injection amount of the main fuel injection valve 11 is a certain amount, the total injection amount continuously changes from idling to a low load range, and the torque change is smoothly continuous. Become. In the example of FIG. 3, the fuel injection amount of the auxiliary fuel injection valve 12 is constant in a region excluding idling, but may be gradually reduced according to the load. When the load increases and the total injection amount increases, the overall excess air ratio λ decreases. Therefore, even if the fuel injection amount of the auxiliary fuel injection valve 12 is gradually reduced, ignition and combustion can be sufficiently performed.

【0030】図4は、部分負荷域における主燃料噴射弁
11および副燃料噴射弁12の燃料噴射時期ならびに点
火時期を示したもので、図示するように、主燃料噴射弁
11から先にキャビティ燃焼室14内へガス燃料が噴射
され、これから遅れて副燃料噴射弁12の燃料噴射が行
われる。そして、通常、副燃料噴射弁12の燃料噴射期
間中に、点火が行われる。これらのタイミングは、主燃
料噴射弁11からキャビティ燃焼室14内へ噴射された
ガス燃料が、希薄燃焼限界以上に拡散する前に、点火室
9から火炎が噴出して着火するように、運転条件に応じ
て設定される。それぞれの噴射開始時期は、機関回転数
が高速であるほど、早いものとなる。また、主燃料噴射
弁11の噴射開始時期から副燃料噴射弁12の噴射開始
時期までの遅れ期間τは、負荷が大きくなるほど大きく
与えられる。つまり、負荷が小さく、噴射量が少ない場
合には、キャビティ燃焼室14内で過度に拡散しないよ
うに、上死点に近い位置で主燃料噴射弁11の燃料噴射
が行われ、負荷が大きく噴射量が多いときには、キャビ
ティ燃焼室14内で部分的に過濃な領域が生じないよう
に、早めに噴射を開始して、空気との混合を促進するよ
うになっている。
FIG. 4 shows the fuel injection timing and ignition timing of the main fuel injection valve 11 and the auxiliary fuel injection valve 12 in the partial load range. As shown in FIG. Gas fuel is injected into the chamber 14, and fuel injection of the auxiliary fuel injection valve 12 is performed with a delay. Then, ignition is normally performed during the fuel injection period of the auxiliary fuel injection valve 12. These timings are set so that the gaseous fuel injected from the main fuel injection valve 11 into the cavity combustion chamber 14 is ignited by igniting a flame from the ignition chamber 9 before diffusing beyond the lean combustion limit. It is set according to. Each injection start timing is earlier as the engine speed is higher. Further, the delay period τ from the injection start timing of the main fuel injection valve 11 to the injection start timing of the sub fuel injection valve 12 is given larger as the load increases. In other words, when the load is small and the injection amount is small, the fuel is injected from the main fuel injection valve 11 near the top dead center so that the fuel is not excessively diffused in the cavity combustion chamber 14, and the load is large. When the amount is large, injection is started early to promote mixing with air so as not to generate a partially rich region in the cavity combustion chamber 14.

【0031】また、全負荷域では、主燃料噴射弁11の
燃料噴射開始時期は、最も早くなり、圧縮行程の初期つ
まり下死点近くとなる。図5は、この全負荷域における
燃料噴射時期ならびに点火時期を示している。このよう
に下死点近くで主燃料噴射弁11から燃料を噴射するこ
とにより、空気との混合が促進され、予混合に近い状態
となる。従って、全ての混合気が各部において均一にλ
=1の状態に近づけられ、良好な燃焼が確保される。な
お、全負荷域では、ほぼλ=1となるので、副燃料噴射
弁12からの燃料噴射を停止しても十分に点火するが、
過渡時に特性が不連続となるのを回避するために、部分
負荷域と同様に、最小限の燃料を噴射することが望まし
い。また、点火時期は、ノッキングを生じない範囲で最
大トルクとなる進角位置つまりMBT点に制御される。
In the full load range, the fuel injection start timing of the main fuel injection valve 11 is the earliest, and is at the beginning of the compression stroke, that is, near the bottom dead center. FIG. 5 shows the fuel injection timing and the ignition timing in this full load range. By injecting fuel from the main fuel injection valve 11 near the bottom dead center in this way, mixing with air is promoted, and a state close to premixing is achieved. Therefore, all the mixture is uniformly λ
= 1 and good combustion is ensured. Note that, in the full load range, λ = 1, so that even if the fuel injection from the auxiliary fuel injection valve 12 is stopped, the ignition is sufficient.
It is desirable to inject a minimum amount of fuel in the same manner as in the partial load range, in order to avoid discontinuous characteristics during transition. Further, the ignition timing is controlled to an advanced position, that is, an MBT point where the maximum torque is obtained in a range where knocking does not occur.

【0032】[0032]

【実施例】単気筒1000ccの内燃機関において、8
パーセントの容積率を有する点火室9を設け、図1のよ
うに構成した。点火室9の副燃料噴射弁12の噴射開始
時期を50°BTDC、点火時期を18°〜4°BTD
C(回転数が高いほど進角側とする)として、副燃料噴
射弁12の燃料のみでアイドリング運転したところ、図
6に示すように、空気過剰率λが2.5〜3.5程度の
超希薄混合気でもって安定した運転が可能であった。ま
た、250rpm〜300rpm付近での自立運転が可
能であることが同時に示されており、従って、一般的な
スタータモータを用いたクランキングによって、この内
燃機関を始動することが十分に可能である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In a 1000 cc single cylinder internal combustion engine, 8
An ignition chamber 9 having a percent volume ratio was provided and configured as shown in FIG. The injection start timing of the auxiliary fuel injection valve 12 in the ignition chamber 9 is 50 ° BTDC, and the ignition timing is 18 ° to 4 ° BTD.
When the idling operation was performed with only the fuel of the auxiliary fuel injection valve 12 as C (the higher the rotation speed, the more the advance angle), as shown in FIG. 6, the excess air ratio λ was about 2.5 to 3.5. Stable operation was possible with an ultra-lean mixture. It is also shown that self-sustaining operation is possible at around 250 rpm to 300 rpm. Therefore, it is sufficiently possible to start the internal combustion engine by cranking using a general starter motor.

【0033】[0033]

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、この発明
に係るガス燃料内燃機関によれば、主燃焼室の主燃料噴
射弁および点火室の副燃料噴射弁の噴射開始時期や噴射
量を最適制御することによって、スロットルバルブのよ
うな吸気絞りを用いずに高い空気過剰率での安定した運
転が可能となり、アイドリングを含む低負荷域でディー
ゼルエンジンに匹敵する高い熱効率を得ることができ
る。従って、天然ガス等のガス燃料を用いる内燃機関の
大きな欠点であった実用燃費を改善することができる。
As is apparent from the above description, according to the gas-fueled internal combustion engine of the present invention, the injection start timing and the injection amount of the main fuel injection valve of the main combustion chamber and the auxiliary fuel injection valve of the ignition chamber are determined. By performing the optimal control, a stable operation at a high excess air ratio can be performed without using an intake throttle such as a throttle valve, and a high thermal efficiency comparable to a diesel engine can be obtained in a low load region including idling. Therefore, it is possible to improve the practical fuel consumption, which is a major drawback of the internal combustion engine using a gas fuel such as natural gas.

【0034】特に請求項4のようにアイドリング時に点
火室側の副燃料噴射弁の燃料のみで運転することによ
り、高い空気過剰率での安定したアイドリング運転が可
能となり、アイドリング時の燃費が向上する。
In particular, by operating only the fuel of the auxiliary fuel injection valve on the ignition chamber side at the time of idling, stable idling operation with a high excess air ratio becomes possible, and fuel efficiency at the time of idling is improved. .

【0035】そして、このように主燃料噴射弁の燃料噴
射を停止したアイドリング運転から負荷が増えて主燃料
噴射弁の燃料噴射を開始するときに、請求項5のよう
に、副燃料噴射弁の燃料量をアイドリング時よりも低下
させることにより、アイドリングから低負荷域への繋が
りを非常に滑らかなものにすることができる。
When the load is increased from the idling operation in which the fuel injection of the main fuel injection valve is stopped to start the fuel injection of the main fuel injection valve, the fuel injection of the auxiliary fuel injection valve is started. By making the fuel amount lower than at the time of idling, the connection from idling to the low load region can be made very smooth.

【0036】また、請求項7の発明によれば、主燃料噴
射弁の燃料噴射開始時期から副燃料噴射弁の燃料噴射開
始時期までの遅れ期間を負荷に応じて設定することによ
り、燃料量つまり空気過剰率に応じた最適な火炎噴出時
期が得られる。
According to the seventh aspect of the present invention, by setting the delay period from the fuel injection start timing of the main fuel injection valve to the fuel injection start timing of the sub fuel injection valve according to the load, the fuel amount, that is, An optimal flame ejection timing according to the excess air ratio can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明に係るガス燃料内燃機関の全体構成を
示す構成説明図。
FIG. 1 is a configuration explanatory view showing the overall configuration of a gas-fueled internal combustion engine according to the present invention.

【図2】点火室部分の拡大断面図。FIG. 2 is an enlarged sectional view of an ignition chamber portion.

【図3】噴射量と負荷との関係を示す特性図。FIG. 3 is a characteristic diagram showing a relationship between an injection amount and a load.

【図4】部分負荷域における燃料噴射時期ならびに点火
時期を示したタイムチャート。
FIG. 4 is a time chart showing a fuel injection timing and an ignition timing in a partial load region.

【図5】全負荷域における燃料噴射時期ならびに点火時
期を示したタイムチャート。
FIG. 5 is a time chart showing a fuel injection timing and an ignition timing in a full load range.

【図6】実施例の内燃機関におけるアイドリング運転で
の回転数と空気過剰率との関係を示した特性図。
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the number of revolutions and the excess air ratio during idling operation in the internal combustion engine of the embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…内燃機関本体 8…主燃焼室 9…点火室 10…点火栓 11…主燃料噴射弁 12…副燃料噴射弁 13…連絡孔 14…キャビティ燃焼室 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Internal combustion engine main body 8 ... Main combustion chamber 9 ... Ignition chamber 10 ... Spark plug 11 ... Main fuel injection valve 12 ... Sub fuel injection valve 13 ... Communication hole 14 ... Cavity combustion chamber

フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F02D 41/08 330 F02D 41/08 330A 41/34 41/34 C 43/00 301 43/00 301H 301J 301B F02F 3/26 F02F 3/26 A F02P 5/15 F02P 5/15 C Fターム(参考) 3G022 AA01 CA03 CA06 CA07 CA08 CA09 DA01 GA01 GA05 GA08 3G084 AA05 BA13 BA15 BA17 CA00 CA03 CA09 DA02 DA13 EB08 FA10 FA33 FA38 3G092 AA06 AA07 AA08 AB07 AB08 BA09 BB01 BB06 EA03 EC09 FA24 GA03 GA04 GA05 GA16 HE03Z HF08Z 3G301 HA04 HA05 HA22 JA02 KA06 KA07 KA08 KA23 LA00 LB04 LB05 MA11 MA18 MA23 NC02 PE01Z PE03Z PF03Z Continuation of the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat II (reference) F02D 41/08 330 F02D 41/08 330A 41/34 41/34 C 43/00 301 43/00 301H 301J 301B F02F 3 / 26 F02F 3/26 A F02P 5/15 F02P 5/15 CF term (reference) 3G022 AA01 CA03 CA06 CA07 CA08 CA09 DA01 GA01 GA05 GA08 3G084 AA05 BA13 BA15 BA17 CA00 CA03 CA09 DA02 DA13 EB08 FA10 FA33 FA38 3G092 AA07 AB07 AB08 BA09 BB01 BB06 EA03 EC09 FA24 GA03 GA04 GA05 GA16 HE03Z HF08Z 3G301 HA04 HA05 HA22 JA02 KA06 KA07 KA08 KA23 LA00 LB04 LB05 MA11 MA18 MA23 NC02 PE01Z PE03Z PF03Z

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 シリンダ内の主燃焼室に向かってガス燃
料を供給する主燃料噴射弁と、シリンダヘッド内に形成
され、かつ上記主燃焼室に連絡孔を通して連通した点火
室と、この点火室にガス燃料を供給する副燃料噴射弁
と、上記点火室に設けられた点火栓と、機関運転条件に
応じて、上記主燃料噴射弁および副燃料噴射弁の燃料噴
射量、噴射時期、ならびに上記点火栓による点火時期を
それぞれ最適制御する制御手段と、を備えていることを
特徴とするガス燃料内燃機関。
A main fuel injection valve for supplying gaseous fuel toward a main combustion chamber in a cylinder; an ignition chamber formed in a cylinder head and communicating with the main combustion chamber through a communication hole; A fuel injection valve for supplying gaseous fuel to the fuel tank, an ignition plug provided in the ignition chamber, and a fuel injection amount, an injection timing of the main fuel injection valve and the auxiliary fuel injection valve according to engine operating conditions, and Control means for optimally controlling the ignition timing of each spark plug.
【請求項2】 吸気系にスロットルバルブを具備してお
らず、上記主燃料噴射弁および副燃料噴射弁の総燃料噴
射量によって内燃機関の負荷が制御されることを特徴と
する請求項1記載のガス燃料内燃機関。
2. The load of the internal combustion engine is controlled by a total fuel injection amount of the main fuel injection valve and the auxiliary fuel injection valve without having a throttle valve in the intake system. Gas fueled internal combustion engine.
【請求項3】 上記主燃焼室を構成するキャビティ燃焼
室がピストン頂面に凹設されており、ピストン上死点に
おいて上記連絡孔の先端がこのキャビティ燃焼室に向か
って開口していることを特徴とする請求項1または2に
記載のガス燃料内燃機関。
3. A cavity combustion chamber constituting the main combustion chamber is recessed in a top surface of a piston, and a tip of the communication hole is opened toward the cavity combustion chamber at a piston top dead center. The gas-fueled internal combustion engine according to claim 1 or 2, wherein:
【請求項4】 アイドリング時には上記主燃料噴射弁の
噴射量が0となり、必要な燃料量が全て副燃料噴射弁か
ら噴射されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか
に記載のガス燃料内燃機関。
4. The gas according to claim 1, wherein the injection amount of the main fuel injection valve becomes zero during idling, and all the necessary fuel amount is injected from the auxiliary fuel injection valve. Fuel internal combustion engine.
【請求項5】 アイドリングに繋がる低負荷域では、副
燃料噴射弁の燃料噴射量は点火に必要な最小限となり、
負荷に応じて定まる残部の燃料量が主燃料噴射弁から噴
射されることを特徴とする請求項4記載のガス燃料内燃
機関。
5. In a low load range that leads to idling, the fuel injection amount of the auxiliary fuel injection valve becomes a minimum necessary for ignition,
5. The gas-fueled internal combustion engine according to claim 4, wherein the remaining fuel amount determined according to the load is injected from the main fuel injection valve.
【請求項6】 アイドリング時および部分負荷域におけ
る主、副燃料噴射弁の燃料噴射開始時期および点火時期
は、機関回転数に応じて、機関回転数が高いほど進角側
に設定されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか
に記載のガス燃料内燃機関。
6. The fuel injection start timing and the ignition timing of the main and auxiliary fuel injection valves during idling and in a partial load range are set to be more advanced as the engine speed increases according to the engine speed. The gas-fueled internal combustion engine according to any one of claims 1 to 5, characterized in that:
【請求項7】 主燃料噴射弁の燃料噴射開始時期は、副
燃料噴射弁の燃料噴射開始時期よりも早く、両者の開始
時期の差(τ)が、負荷が大きくなるほど大きく与えら
れることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の
ガス燃料内燃機関。
7. The fuel injection start timing of the main fuel injection valve is earlier than the fuel injection start timing of the sub fuel injection valve, and the difference (τ) between the two start timings is given larger as the load increases. The gas-fueled internal combustion engine according to claim 1.
【請求項8】 全負荷時には、主燃料噴射弁の燃料噴射
開始時期は、圧縮行程の初期となることを特徴とする請
求項7記載のガス燃料内燃機関。
8. The gas-fueled internal combustion engine according to claim 7, wherein at full load, the fuel injection start timing of the main fuel injection valve is at the beginning of the compression stroke.
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