JP2003193874A

JP2003193874A - ガス燃料を併用する二元燃料ディーゼルエンジン

Info

Publication number: JP2003193874A
Application number: JP2001394164A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Hiraoka; 俊彦平岡
Original assignee: NIPPON EKOSU KK
Current assignee: NIPPON EKOSU KK
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2003-07-09
Also published as: HK1057079A1; CN1252383C; CN1428501A

Abstract

(57)【要約】【課題】ガス燃料を併用する二元燃料ディーゼルエン
ジンにおいて、生ガスの発生や黒煙の発生を防止して排
ガスの低公害化を達成する。【解決手段】液体燃料を供給する第１燃料供給系Ｆ１
と、ガス燃料を供給する第２燃料供給系Ｆ２とを備えて
いる。第２燃料供給系Ｆ２は、ガス供給源１７と、ガス
の供給圧力を調整する圧力調整器１９と、ガス燃料を吸
気ポート３０へ噴射供給するガスインジェクター２０な
どで構成する。ガスインジェクター２０は、エンジンの
外面に配置し、その噴射通路２１の出口３１を吸気ポー
ト３０に臨ませる。排気弁１１が閉じた後の第２吸気行
程Ｓ２において、ガス燃料をガスインジェクター２０で
吸気ポート３０に噴射供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体燃料に加えて
ガス燃料を燃焼空気中に混合して燃焼させる二元燃料デ
ィーゼルエンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、車両の排ガス規制の強化が求めら
れており、なかでもディーゼルエンジンを搭載したトラ
ックやバス等に対して排ガスの無害化を実現することが
強く要望されつつある。この種の排ガス対策には、エン
ジン本体における燃焼形態を改良して、排気ガスに含ま
れる黒煙、ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯなどの有害物質そのもの
の排出レベルを低下する手法と、排気通路に設けた排ガ
ス浄化装置で有害物質を除去する手法とがあり、多くの
場合には両手法を併用して排ガス規制に対応している。
前者の排ガス対策のひとつとして、ガス燃料と液体燃料
とを併用して燃焼する二元燃料ディーゼルエンジンが提
案されている。この種のディーゼルエンジンにおける燃
料の供給形態には、ガス燃料を燃焼空気中に分散状態で
供給する予混合方式と、ガス燃料をガスインジェクター
で燃焼室内に噴射供給する噴射方式とがある。

【０００３】噴射方式では、液体燃料と同様に圧縮行程
においてガス燃料をガスインジェクターで噴射供給する
が、圧縮行程の初期から中期にかけてガス燃料を供給す
る低圧供給形態と、圧縮行程の上死点付近で液体燃料と
ほぼ同時にガス燃料を噴射供給する高圧供給形態（特公
平６−３９９１６号公報、実公平３−５５８１０号公
報）とがある。多くの場合、この種のガスインジェクタ
ーは、アクチュエーターポンプから送給されるコントロ
ールオイルによって、噴射タイミングと噴射量とが制御
される。なお、アクチュエーターポンプは、液用の燃料
噴射ポンプと同様にエンジン動力を利用して同期的に駆
動される。因みに、特公平６−３９９１６号公報では、
液体燃料とガス燃料とを１個のインジェクターで供給し
ている。予混合方式は、例えば特公平６−４３８１４号
公報や特表昭６２−５００６７４号公報に見ることがで
き、そこでは低圧に調整されたガス燃料を燃焼空気中に
混合した状態で、吸気通路を介して供給している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような天然ガス
を燃料とする二元燃料ディーゼルエンジンは、排ガスの
低公害化と燃料コストの削減とを同時に達成できる利点
があるが、新規に設計されるエンジンの場合には問題な
く採用できるものの、既に運用されているトラックやバ
ス等に搭載された既存のエンジンに適用することは極め
て困難となる。既存のエンジンを二元燃料化するには、
少なくともガスインジェクターや、アクチュエーターポ
ンプ、あるいはアクチュエーターポンプ用の駆動系統な
どを付加設置しなければならないが、そのためにはエン
ジンの大掛かりな改造や換装などを行わねばならず、膨
大な費用負担を要するからである。

【０００５】先に述べたように、従来の燃料供給方式に
は、噴射方式と予混合方式とがあるが、それぞれに特長
を有するものの欠点もある。噴射方式では、圧縮行程の
途中でガス燃料を噴射供給する形式であるため、生ガス
が排気ガス中に排出されるのを防止できるうえに、ガス
燃料の供給量を厳密に規定できる。しかし、圧縮行程途
中にガス燃料を噴射供給するので、ガス燃料を燃焼空気
中に均等に分散させることが難しく、不完全燃焼を生じ
やすい。とくに、ガス燃料を液体燃料と同時に、上死点
付近で噴射供給する場合には、燃焼室内が高い圧力にな
っているため、燃料ガスを燃焼空気および噴霧された液
体燃料に対して均等に分散させることができず、その結
果、黒煙を生じることがある。

【０００６】この点、予混合方式では、燃焼室内へ吸込
まれる燃焼空気中にガス燃料を予め分散させて供給する
ので、ガス燃料を燃焼空気に対して均等に混合でき、従
って完全燃焼を期待できる。しかし、吸気行程が始まる
のと同時に、ガス燃料を含む燃焼空気が燃焼室へ導入さ
れるため、いわゆる生ガスを生じやすい点に問題があ
る。吸気行程の初期には、吸気弁と排気弁との双方が開
弁状態になっているため、燃焼室内に流れ込んだガス燃
料の一部が、排気弁の側から排気通路へ押し出されてし
まうからである。

【０００７】本発明の目的は、ガス燃料を併用するディ
ーゼルエンジンにおいて、ガス燃料を燃焼空気中に均等
に分散供給でき、しかも生ガスや黒煙を生じることもな
く完全燃焼でき、従って排ガスの低公害化を達成できる
二元燃料ディーゼルエンジンを提供することにある。本
発明の目的は、ガス燃料を供給するための機器を付加す
るだけで既存のディーゼルエンジンを二元燃料化するこ
とができ、従ってシリンダーブロックやヘッドブロック
などの再設計や大掛かりな構造変更を行う従来方式に比
べて、既存のディーゼルエンジンを低コストで低公害化
できる二元燃料ディーゼルエンジンを提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の二元燃料ディー
ゼルエンジンは、図１に示すごとく、液体燃料を供給す
る第１燃料供給系Ｆ１と、ガス燃料を供給する第２燃料
供給系Ｆ２とを備えている。第２燃料供給系Ｆ２は、ガ
ス供給源１７と、ガス供給源１７から供給されるガスの
供給圧力を調整する圧力調整器１９と、各燃焼室に対応
してガス燃料を吸気ポート３０へ噴射供給するガスイン
ジェクター２０とを含む。ガスインジェクター２０はエ
ンジンの外面に配置されて、その噴射通路２１の出口３
１が吸気ポート３０に臨んでいる。ガスインジェクター
２０の燃料噴射時期は、排気弁１１が閉じた後の第２吸
気行程Ｓ２に設定する。かくして、第１燃料供給系Ｆ１
の燃料噴射量および燃料噴射時期を調整する供給燃料制
御手段１５と、ガスインジェクター２０との駆動状態
が、運転制御装置３で統一的に制御されるようにしたこ
とを特徴とする。

【０００９】具体的には、図２に示すごとくガスインジ
ェクター２０が、エンジンの外面に固定した噴射ブロッ
ク２３に装着されていて、その噴射通路２１が吸気マニ
ホルド６から吸気ポート３０にわたって配置してある。

【００１０】別の二元燃料ディーゼルエンジンにおいて
は、図６に示すごとく吸気マニホルド６とヘッドブロッ
ク５との間に、各吸気ポート３０と、吸気マニホルド６
の各空気通路６ａとを個別に連通する中間ブロック３７
を配置し、各ガスインジェクター２０と噴射通路２１と
が、それぞれ中間ブロック３７に組み付けられている。
噴射通路２１は複数個設けることができる。

【００１１】

【発明の作用効果】本発明では、ガス燃料を供給するた
めの第２燃料供給系Ｆ２が、ガス供給源１７と、ガスの
供給圧力を調整する圧力調整器１９と、ガス燃料を吸気
ポート３０へ噴射供給するガスインジェクター２０等で
構成され、ガスインジェクター２０の噴射通路２１の出
口３１を吸気ポート３０に臨ませて、ガス燃料を燃焼室
に吸引される燃焼空気と共に供給するので、ガス燃料を
燃焼空気に対して均等に分散した状態で供給できる。従
って、ガス燃料の偏りに伴う黒煙を生じることがなく燃
料を完全燃焼できる。さらに、排気弁１１が閉じた後
の、排気動作を含まない第２吸気行程Ｓ２においてガス
燃料を噴射供給するので、生ガスが排気通路へ流出する
のを確実に防止でき、先のようにガス燃料を均等に分散
供給できることと相俟って、排ガスの低公害化を実現で
きる。排気弁１１が閉じた後の負圧状態の吸気ポート３
０に燃料を噴射供給するので、ガス燃料を低圧で噴射供
給でき、圧縮行程でガス燃料を噴射供給する場合に比べ
て、ガスインジェクター２０などの機器に対する負荷を
軽減できる。

【００１２】エンジンの外面にガスインジェクター２０
を配置し、噴射通路２１が吸気マニホルド６から吸気ポ
ート３０にわたって配置されたエンジン構造によれば、
吸気マニホルド６を改造するだけで済むので、シリンダ
ーブロック４やヘッドブロック５などのエンジンの基本
構造を改造する必要がなく、従ってエンジンの二元燃料
化を低コストで達成できる。

【００１３】吸気マニホルド６とヘッドブロック５との
間に中間ブロック３５を配置し、そこにガスインジェク
ター２０と噴射通路２１とをそれぞれ組み付けるように
したエンジン構造によれば、シリンダーブロック４やヘ
ッドブロック５などのエンジンの基本構造を改造する必
要がないうえ、吸気マニホルド６にガスインジェクター
２０や噴射通路２１を組み込む余裕がない状況下でも、
より少ない手間でエンジンの二元燃料化を実現でき、と
くに既存のディーゼルエンジンであっても、より少ない
費用で二元燃料化できる。

【００１４】複数個の噴射通路２１が設けてあると、ガ
ス燃料の噴出供給位置と範囲を拡大して、ガス燃料が燃
焼室の特定部位に集中するのを防止できるので、ガス燃
料を燃焼空気に対してさらに均等に分散させて、エンジ
ン稼動時の燃焼状態の向上を図り、完全燃焼を促進でき
る。

【００１５】

【実施例】図１ないし図５は、本発明に係る二元燃料デ
ィーゼルエンジンの実施例を示す。図２において二元燃
料ディーゼルエンジンは、従来から公知のディーゼルエ
ンジン（以下、単にエンジンという）をベースにして、
既に装備されている軽油などの液体燃料を供給する第１
燃料供給系Ｆ１とは別に、ガス燃料を供給するための第
２燃料供給系Ｆ２を付加し、さらに両燃料供給系Ｆ１・
Ｆ２を統一的に制御するための運転制御装置３、および
制御機器等を付加して構成される。図１においてエンジ
ンは、シリンダーブロック４、ヘッドブロック５、吸気
マニホルド６、排気マニホルド７などを有し、燃焼室内
のピストン８に対向して燃料噴射弁９と、吸気弁１０お
よび排気弁１１などをヘッドブロック５に設けてなる。
符号３０は吸気ポートである。

【００１６】第１燃料供給系Ｆ１は、図外の燃料タンク
および燃料送給ポンプと、シリンダーブロック４の外面
に組み付けられた燃料噴射ポンプ１３と、シリンダーブ
ロック４に組み込んだ燃料噴射弁９と、燃料噴射ポンプ
１３のポンプレバー１４を制御操作する供給燃料制御器
１５などで構成してある。供給燃料制御器（供給燃料制
御手段）１５は、電磁操作式のアクチュエーターからな
り、エンジンを二元燃料化するためのキットに含まれ
る。

【００１７】第２燃料供給系Ｆ２は、天然ガスを貯蔵す
るガスボンベ（ガス供給源）１７と、ガス供給通路を開
閉する供給弁１８と、ガスの供給圧力を所定の圧力に低
下調整する圧力調整器１９と、各燃焼室に対応して設け
られるガスインジェクター２０と、ガスインジェクター
２０から導出される噴射通路２１と、図３に示すように
ガスインジェクター２０を数個ずつまとめて支持する噴
射ブロック２３と、噴射ブロック２３を固定支持するブ
ラケット２４とからなる。第２燃料供給系Ｆ２を構成す
る全ての機器と、運転制御装置３を構成する全ての機器
とは、従来エンジンを二元燃料化するためのキットの主
要部を占める。

【００１８】図２において噴射ブロック２３には、圧力
調整器１９に連通する主通路２５を長手方向へ形成して
あり、この通路２５から分岐した入口ポート２６と、噴
射通路２１に連通する出口ポート２７との間にガスイン
ジェクター２０が介装されている。ガスインジェクター
２０は、その内部に設けた開閉弁を開閉操作して入口ポ
ート２６と出口ポート２７とを連通し、あるいは両ポー
トの間を遮断でき、これによりガス燃料の供給状態を制
御する。そのために、ガスインジェクター２０は、先の
開閉弁がソレノイドで高速開閉される電磁操作式のガス
噴射弁を用いており、たとえば最大回転数が５０００ｒ
ｐｍ前後のエンジンであっても、応答遅れを生じること
なくガス燃料を確実に断続供給できる。ガスインジェク
ター２０は、開閉弁の開閉時間を変更することによりガ
ス供給量を変更する。

【００１９】噴射通路２１は金属管材といくつかの管継
手とで形成する。詳しくは、出口ポート２７から導出さ
れる第１通路２１ａと、吸気マニホルド６の内面に固定
した第２通路２１ｂとで構成してある。第１通路２１ａ
と、第２通路２１ｂとは、吸気マニホルド６に通設した
通路を介して連結してある。第２通路２１ｂの出口３１
は吸気口を指向するよう設けてある。

【００２０】エンジンの燃焼サイクル、および吸排気弁
１０・１１の開閉タイミングは、概ね図４に示すように
設定されている。吸気行程Ｓは、吸気弁１０を上死点前
の所定角度で開弁操作した後、下死点を越えた所定角度
で吸気弁１０を閉弁操作して終了する。この吸気行程Ｓ
は排気行程の終期と重なる第１吸気行程Ｓ１を含んでい
る。詳しくは、第１吸気行程Ｓ１は、吸気弁１０が上死
点前の所定角度で開弁操作された後、上死点から所定角
度だけ進んだ位置で排気弁１１が閉弁されるまでの角度
領域である。第２吸気行程Ｓ２は、吸気行程Ｓ１を除く
残りの吸気行程の角度領域である。この第２吸気行程Ｓ
２の角度範囲内において、ガスインジェクター２０でガ
ス燃料を噴射供給することにより、ガス燃料が排気通路
へ押し出されてしまうのを解消して、生ガスの発生を防
止する。換言すると、ガスインジェクター２０の燃料噴
射時期は、排気弁１１が閉じた後の（排気動作を含まな
い）第２吸気行程Ｓ２の角度領域に設定されている。

【００２１】図５において運転制御装置３は、マイクロ
プロセッサーを含むコントローラー３３と、燃料噴射ポ
ンプ１３のポンプレバー１４を電気的に操作する供給燃
料制御器（供給燃料制御手段）１５と、コントローラー
３３に各種の運転制御信号を出力するセンサー群３４
と、運転制御状態を表示するための表示器３５などで構
成してある。ガスインジェクター２０の開閉弁を開閉す
るソレノイド、および供給弁１８も、コントローラー３
３からの動作指令信号を受けて作動する。コントローラ
ー３３に各種の運転制御信号を出力するセンサー群３４
は、アクセルベダルの動作量、エンジン回転数、噴射タ
イミングパルス、燃料噴射ポンプ１３のラック位置、吸
気温度、吸気圧力、冷却水温度、主通路２５におけるガ
ス圧力、などのセンシング信号を出力する。コントロー
ラー３３は、これらの信号を受けて、予め設定された制
御アルゴリズムに従って先の機器の動作状態を制御す
る。エンジンは、いくつかの運転モードに従って運転で
きる。例えば、常にガス燃料を主たる燃料とするモード
や、エンジンの出力向上を優先するモード、あるいは排
ガス中の有害物質の低下を優先するモードなどを選択で
きる。

【００２２】図６は本発明に係る二元燃料ディーゼルエ
ンジンの別実施例を示す。そこでは、吸気マニホルド６
とヘッドブロック５との間に中間ブロック３７を介装
し、この中間ブロック３７にガスインジェクター２０が
組み付けられている。中間ブロック３７には、各吸気ポ
ート３０と吸気マニホルド６の空気通路６ａとを連通す
る連通路３８を設けてあり、連通路３８の内面に噴射通
路２１を組み付ける。この場合には、中間ブロック３７
を利用してガスインジェクター２０を取り付けることが
できるので、先の実施例における第１通路２１ａを省略
できる。必要に応じて、複数個の噴射通路２１を連通路
３８の内面に配置することができる。このように、中間
ブロック３７を付加してエンジンを二元燃料化すると、
吸気マニホルド６に噴射通路２１を配置する余裕がない
場合でも、従来エンジンを二元燃料化できる。他は先の
実施例と同じであるので、同一部材に同じ符号を付して
その説明を省略する。

【００２３】図７は本発明に係る二元燃料ディーゼルエ
ンジンのさらに別の実施例を示している。この実施例
は、エンジンの吸気弁１０および排気弁１１が、それぞ
れ２個ずつ設けてある４バルブ方式のエンジンに対応し
たものであって、吸気ポート３０の大部分が個々の吸気
弁１０に対応して隔壁４０で２分されるので、各吸気弁
１０に対応して噴射通路２１を付加する点が先の実施例
と異なる。具体的には、出口ポート２７から導出される
第１通路２１ａと、吸気マニホルド６の内面に固定した
Ｔ字形の管継手を介して第１通路２１ａに連通される、
第２・第３の各通路２１ｂ・２１ｃとで噴射通路２１を
構成し、第２・第３の各通路２１ｂ・２１ｃを隔壁４０
で２分された通路に沿って分離配置した。このように、
第２・第３の通路２１ｂ・２１ｃを設けて、隔壁４０で
２分された通路ごとにガス燃料を噴射供給すると、ガス
燃料が燃焼室の特定部位に集中するのを防止しながら、
ガス燃料を燃焼空気に対して均等に分散させることがで
きる。このように、噴射通路２１の終端通路は、各燃焼
室ごとの吸気弁１０の数に応じて複数個ずつ設けること
ができる。

【００２４】上記の実施例では、コントローラー３３か
らの出力信号に基づいて供給燃料制御器１５を作動さ
せ、燃料噴射ポンプ１３の燃料噴射時期とその量を制御
する場合について説明したが、燃料噴射時期と燃料噴射
量を電子コントロールするディーゼルエンジンの場合に
は、エンジンに組み込まれている供給燃料制御手段をそ
のまま利用することができる。例えば、コモンレール式
の電子制御燃料噴射システムにおいては、エンジンの運
転状態に関係する各種のセンシング信号を受けたコント
ロールユニット（ＥＣＵ:ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏ
ｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）によって、サプライポンプ（燃
料供給ポンプ）や燃料噴射弁を電気的に制御し、個々の
燃焼室ごとに燃料噴射時期と燃料噴射量を最適化する
が、このような場合にはアクチュエーターからなる供給
燃料制御器１５を別途使用する必要がなく、運転制御装
置３のコントローラー３３は、先のコントロールユニッ
ト（ＥＣＵ）と協同して燃料噴射ポンプや燃料噴射弁を
電気的に制御することができる。つまり燃料噴射時期と
燃料噴射量を電子コントロールするディーゼルエンジン
の場合には、供給燃料制御手段として先のコントロール
ユニット（ＥＣＵ）をそのまま利用することができる。

【００２５】エンジンによっては、プレストローク式電
子制御燃料噴射ポンプ（略称ＴＩＣＳ）と称される燃料
噴射ポンプ１３を使用して、その運転状態をコントロー
ルユニット（ＥＣＵ）で電子的に制御し、燃料噴射の時
期や圧力などをコントロールする場合があるが、この場
合には、上記の電子制御方式のエンジンと同様に、本発
明の供給燃料制御手段として、コントロールユニット
（ＥＣＵ）をそのまま利用することができる。

【００２６】上記の実施例では、既存のエンジンを二元
燃料化する場合について説明したが、本発明は新規に製
造されるエンジンに適用してもよい。ガスインジェクタ
ー２０の開閉弁は、電気的に開閉する以外に、エンジン
動力を利用して機械的に開閉することができる。ガス燃
料は天然ガス以外のガス燃料であってもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】二元燃料化したディーゼルエンジンの原理説明
図である。

【図２】ガスインジェクターおよび噴射通路の配置構造
を示す断面図である。

【図３】ガスインジェクターを吸気マニホルドに組み付
けた状態での側面図である

【図４】燃焼サイクルの概略を示す図表である。

【図５】運転制御装置の概略を示す説明図である。

【図６】本発明の別実施例に係るガスインジェクターお
よび噴射通路の配置構造を示す断面図である。

【図７】本発明のさらに別の実施例に係るインジェクタ
ーおよび噴射通路の配置構造を示す断面図である。

【符号の説明】

Ｆ１第１燃料供給系Ｆ２第２燃料供給系３運転制御装置５ヘッドブロック６吸気マニホルド１１排気弁１３燃料噴射ポンプ１７ガス供給源１９圧力調整器２０ガスインジェクター２１噴射通路２４噴射ブロック３０吸気ポート３１出口３４供給燃料制御器

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｆ０２Ｍ 35/104 Ｆ０２Ｍ 35/10 １０２Ｂ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液体燃料を供給する第１燃料供給系Ｆ１
と、ガス燃料を供給する第２燃料供給系Ｆ２とを備えて
おり、第２燃料供給系Ｆ２が、ガス供給源１７と、ガス供給源
１７から供給されるガスの供給圧力を調整する圧力調整
器１９と、各燃焼室に対応してガス燃料を吸気ポート３
０へ噴射供給するガスインジェクター２０とを含み、ガスインジェクター２０はエンジンの外面に配置され
て、その噴射通路２１の出口３１が吸気ポート３０に臨
んでおり、ガスインジェクター２０の燃料噴射時期が、排気弁１１
が閉じた後の第２吸気行程Ｓ２に設定されており、第１燃料供給系Ｆ１の燃料噴射量および燃料噴射時期を
調整する供給燃料制御手段１５と、ガスインジェクター
２０との駆動状態が、運転制御装置３で統一的に制御さ
れるように構成したガス燃料を併用する二元燃料ディー
ゼルエンジン。
【請求項２】ガスインジェクター２０が、エンジンの
外面に固定した噴射ブロック２３に装着されていて、そ
の噴射通路２１が吸気マニホルド６から吸気ポート３０
にわたって配置してある請求項１記載のガス燃料を併用
する二元燃料ディーゼルエンジン。
【請求項３】吸気マニホルド６とヘッドブロック５と
の間に、各吸気ポート３０と、吸気マニホルド６の各空
気通路６ａとを個別に連通する中間ブロック３７が配置
されており、各ガスインジェクター２０と噴射通路２１とが、中間ブ
ロック３７に組み付けてある請求項１記載のガス燃料を
併用する二元燃料ディーゼルエンジン。
【請求項４】噴射通路２１が、複数個設けてある請求
項１または２または３記載のガス燃料を併用する二元燃
料ディーゼルエンジン。