JP2003214257A - ガス機関の燃料供給装置 - Google Patents

ガス機関の燃料供給装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 無過給式のガス機関において、ガスコンプレ
ッサを使用することなく燃料ガスを吸気ポートへ供給可
能なガス機関の燃料供給装置を提供することである。 【解決手段】 無過給式でかつ空気と燃料とをミキサで
混合せずに吸気ポートへ供給するガス機関において、吸
気行程における吸気ポート内に発生する負圧を利用して
吸気ポート内へ燃料ガスを供給する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、無過給式でかつ空
気と燃料とをミキサで混合せずに吸気ポートへ供給する
ガス機関の燃料供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来のガス機関には、吸気ポートへ高圧
の燃料ガスを噴射するポートインジェクション方式のも
のが存在する。しかし、燃料ガスを高圧で噴射するには
ガスコンプレッサが必要となり、ガスコンプレッサを動
作させるための電力がガス機関全体の効率の低下を招
く。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明では、無
過給式のガス機関においてガスコンプレッサを使用する
ことなく燃料ガスを吸気ポートへ供給可能なガス機関の
燃料供給装置を提供することを課題としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
請求項１の発明では、無過給式でかつ空気と燃料とをミ
キサで混合せずに吸気ポートへ供給するガス機関におい
て、吸気行程における吸気ポート内に発生する負圧を利
用して吸気ポート内へ燃料ガスを供給するようにした。
請求項２の発明では請求項１の発明において、機関回転
数検出手段を設け、前記機関回転数検出手段により検出
された機関回転数が予め設定した所定範囲内に維持され
ているか否かを判定する判定手段を設け、前記機関回転
数が所定範囲内に収束するように１サイクル当たりの前
記燃料ガスの供給期間を調整する調整手段を備えた。請
求項３の発明では請求項１または請求項２の発明におい
て、燃料ガス供給通路に上流側から順にレギュレータと
バルブとを設け、前記レギュレータの圧力バランスライ
ンを吸気ポート内と大気のいずれかに切り換えて連通さ
せる切換手段を設け、始動時には前記切換手段により前
記圧力バランスラインを吸気ポート内と連通させるよう
にした。
【０００５】
【発明の実施の形態】図１は、請求項１〜３の発明を実
施したガス機関１００の外観略図である。燃焼室（図示
せず）と連通する吸気ポート１１には、途中にレギュレ
ータ１とバルブ５とを備えた燃料ガス供給管２が接続さ
れている。また、吸気ポート１１にはエアクリーナ９と
スロットル１０とを備えた空気供給管８が接続されてい
る。
【０００６】燃料ガスは、レギュレータ１により２ＫＰ
ａ（キロパスカル）程度から数十Ｐａ（パスカル）程度
までに調圧されている。バルブ５はドライバ１２により
開閉駆動され、燃料ガス供給管２の図示しないノズル
（低圧ポートインジェクション）から吸気ポート１１内
への燃料ガスの供給を可能にし、かつ供給の遮断を可能
にしている。空気はエアクリーナ９で清浄化され、スロ
ットル１０の開度に応じた量の空気が空気供給管８から
吸気ポート１１内に供給されるようになっている。
【０００７】ガス機関１００は図示しないセルモータに
より始動され、機関回転数は２００ｒ．ｐ．ｍ．程度ま
で向上し、その際の吸気行程における吸気ポート内の空
気圧は、燃料ガス供給管２内の燃料ガスの圧力よりも低
く（負圧に）なる。レギュレータ１は、このときの両者
の圧力差が数百ｍｍａｑとなるように燃料ガスの圧力を
調圧する。
【０００８】図１に示すように、レギュレータ１と吸気
ポート１１は圧力バランスライン３で接続されている。
圧力バランスライン３には途中にバルブ６を備えた分岐
管４が接続されており、圧力バランスライン３の分岐管
４との接続部よりも下流側にはバルブ７が設けてある。
このバルブ６とバルブ７（切換手段）とを開閉すること
により圧力バランスライン３を吸気ポート１１内、又は
大気と連通させることができる。
【０００９】始動時は、吸気ポート１１内の圧力はほぼ
大気圧となっており、機関回転数が高くなるにつれて吸
気行程における吸気ポート１１内の圧力は上昇し、機関
回転数が定格回転数に達っすると所定範囲の圧力に収ま
る。
【００１０】そこで、始動時には、バルブ６を閉じかつ
バルブ７を開き、圧力バランスライン３を吸気ポート１
１内と連通させ、レギュレータ１は吸気ポート１１内の
圧力を基準として燃料ガスの供給圧力を調整する。
【００１１】機関回転数が例えば２００ｒ．ｐ．ｍ．程
度となり、燃料ガス供給管２と吸気ポート１１との圧力
差が前述の数百ｍｍａｑ程度確保されるとバルブ７を閉
じかつバルブ６を開き、圧力バランスライン３を大気と
連通させて大気圧を基準に燃料ガスの供給圧力を調整す
る。
【００１２】図１に示すようにガス機関１００には機関
回転数検出センサ１４（機関回転数検出手段）が設けて
ある。機関回転数検出センサ１４は、検出した信号を信
号線１５，１６を介してＥＣＵ１３（判定手段）へ伝送
する。
【００１３】ＥＣＵ１３は、燃料ガス供給管２内の燃料
ガスの圧力と吸気ポート１１内の圧力の差の許容範囲を
記憶したメモリ（図示せず）を内蔵しており、伝送され
た信号による燃料ガス供給管２内の燃料ガスの圧力と吸
気ポート１１内の圧力の差が、メモリに記憶された予め
設定した所定範囲（許容範囲）内であるか否かを判定す
る。
【００１４】仮に、許容範囲内に収まっていれば、その
ままガス機関１００の運転は継続し、また、許容範囲内
に収まっていなければ、ＥＣＵ１３は信号線１７を介し
てドライバ１２へ制御信号を送り、バルブ５（調整手
段）を開閉操作する。
【００１５】機関回転数が許容範囲を超えるほど大きけ
れば、１サイクル当たりのバルブ５の開時間が短くなる
ように設定し、吸気ポート１１への燃料ガスの供給量を
低減する。逆に機関回転数が許容範囲に満たないほど小
さければ、１サイクル当たりのバルブ５の開時間が長く
なるように設定し、吸気ポート１１への燃料ガスの供給
量を増やす。
【００１６】図２は、吸気ポート１１付近の系統略図で
ある。燃料ガス供給管２の先端にはノズル２５が設けて
ある。ノズル２５は、空気流１８の下流方向に燃料ガス
供給口２８を向けた状態で燃料ガス供給管２に接続さ
れ、吸気ポート１１内に突出した状態で設置されてい
る。
【００１７】図２に示すようにノズル２５が吸気ポート
１１内に突出しかつ燃料ガス供給口２８（先端部）を空
気流１８の下流方向に向けて設けられていると、空気流
１８によりノズル２５の先端部近傍の空間に負圧が生
じ、燃料ガス１９を吸気ポート１１内に供給し易くな
る。
【００１８】吸気行程ではピストン２３が燃焼室２４の
容積を広げる方向に動き、シリンダヘッド２０，シリン
ダライナ２２及びピストン２３の頂面等で形成された燃
焼室２４には、開いた吸気弁２１を通過して空気流１８
と混合した燃料ガス１９が供給される。
【００１９】図３は、図１，図２とは別の始動時におけ
る吸気ポート１１への燃料ガスの供給経路を示す系統略
図である。図３に示すように、燃料ガス供給管２とスロ
ットル１０よりも上流側の空気供給管８とがバイパス管
２６で連通させてある。バイパス管２６の途中にはバル
ブ２７が設けてあり、始動時にはバルブ２７を開き、燃
料ガスを空気供給管８からスロットル１０を介して吸気
ポート１１内に供給することもできる。
【００２０】図４は、本発明（請求項１〜３のいずれか
の発明）を実施したガス機関における燃料ガス供給管２
内の燃料ガスの圧力及び吸気ポート１１内の圧力と、出
力の関係を示すグラフである。また、図５は過給式のガ
ス機関（ちなみに、本発明のガス機関１００は無過給
式）において、燃料ガスを給気ポート内に高圧で噴射す
る際の燃料ガスの圧力及び給気ポート内の圧力と、出力
の関係を示すグラフである。
【００２１】図５に示すように、燃料ガスが高圧で給気
ポート内に供給される場合には、出力が向上して差圧が
小さくなっても、その差圧の変化量の割合は比較的小さ
く、給気ポート内への燃料ガスの供給にほとんど影響を
与えない。しかし図４に示すように、本発明において
は、燃料ガスは高圧噴射ではなく、わずかな差圧により
吸気ポート内へ供給するようにすると、出力の向上に伴
って変化する差圧の変化量の割合が大きくなり、吸気ポ
ートへの燃料ガスの供給に無視できない影響を及ぼす恐
れがある。
【００２２】そこで、機関回転数検出センサ１４により
機関回転数を検出し、１サイクル当たりの燃料ガスの供
給量が適量となるように１サイクル当たりのバルブ５の
開時間を調整する。その結果、容易に出力を一定に維持
することが可能となる。
【００２３】図６は、本発明を実施したガス機関１００
と従来から実施されているベンチュリミキサ方式のガス
機関における同一出力時のスロットル開度と点火時期の
関係を示すグラフである。図６に示すように、本発明を
実施したガス機関１００の方がベンチュリミキサ方式の
ガス機関よりも点火時期によらず常にスロットル開度が
小さくなっている。
【００２４】スロットル開度が大きくなるほど高出力と
なるが、図６から本発明を実施したガス機関１００の方
がベンチュリミキサ方式のガス機関よりもスロットル開
度に余裕があることがわかる。
【００２５】すなわち、ベンチュリミキサ方式のガス機
関ではベンチュリ絞りのために圧力損失が発生し、出力
の向上が抑制されているが、本発明を実施したガス機関
１００にはベンリュリ絞りを設ける必要がない分だけス
ロットル開度に余裕ができたものである。
【００２６】図７，図８は、本発明を実施したガス機関
１００とベンチュリミキサ方式のガス機関の出力一定定
格時における排出ＮＯＸ量と点火時期の関係を示すグラ
フ，熱効率と点火時期の関係を示すグラフである。さら
に図９は、本発明を実施したガス機関１００とベンチュ
リミキサ方式のガス機関の出力一定定格時における熱効
率と排出ＮＯＸ量の関係を示すグラフである。図７〜図
９に示すように、本発明を実施したガス機関１００の方
が熱効率が高く（３〜４ポイント程度）、かつ排出ＮＯ
Ｘ量が少ないことがわかる。
【００２７】
【発明の効果】請求項１の発明によると、吸気行程にお
ける吸気ポート１１内に発生する負圧を利用して吸気ポ
ート１１内に燃料ガスを供給するようにしたので、従来
のポートインジェクション方式のガス機関のようにガス
コンプレッサを使用せず、ガスコンプレッサの駆動に要
する電力が不要となるので、システム全体としての効率
を向上させることができる。また、ベンチュリミキサ方
式のガス機関ではベンチュリ絞りのために圧力損失が生
じ出力の向上が抑制されていたが、請求項１の発明は、
吸気ポート１１に直接燃料ガスを供給する方式なのでベ
ンチュリ絞りを使用する必要がなく、最大出力を向上さ
せることができる。
【００２８】請求項２の発明では、機関回転数検出セン
サ１４により機関回転数の変動を検出し、機関回転数が
所定範囲内に収まるように燃料ガスの供給量を調整（バ
ルブ５の開時間を調整）するようにしたので、スロット
ル開度の違いにより、単位時間当たりの吸入空気量が変
動することを回避すること（つまり空気過剰率が変動す
ることを回避すること）ができる。
【００２９】請求項３の発明では、始動時には圧力バラ
ンスライン３を吸気ポート１１内と連通させる切換手段
（バルブ６，７）を設けたので、始動時における吸気ポ
ート１１内の圧力を基準に燃料の供給圧力を調整するこ
とができ、排気ガス中に含まれるＮＯＸ等の有害成分を
低減しながら円滑にガス機関１００を始動させることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 請求項１〜３の発明を実施したガス機関の外
観略図である。
【図２】 吸気ポート付近の系統略図である。
【図３】 図１，図２とは別の始動時における吸気ポー
トへの燃料ガスの供給経路を示す系統略図である。
【図４】 本発明（請求項１〜３のいずれかの発明）を
実施したガス機関における燃料供給通路内の燃料ガスの
圧力及び吸気ポート内の圧力と、出力の関係を示すグラ
フである。
【図５】 過給式のガス機関において、燃料ガスを給気
ポート内に高圧で噴射する際の燃料ガスの圧力及び給気
ポート内の圧力と、出力の関係を示すグラフである。
【図６】 本発明を実施したガス機関と従来から実施さ
れているベンチュリミキサ方式のガス機関における同一
出力時のスロットル開度と点火時期の関係を示すグラフ
である。
【図７】 本発明を実施したガス機関とベンチュリミキ
サ方式のガス機関の出力一定定格時における排出ＮＯＸ
量と点火時期の関係を示すグラフである。
【図８】 本発明を実施したガス機関とベンチュリミキ
サ方式のガス機関の出力一定定格時における熱効率と点
火時期の関係を示すグラフである。
【図９】 本発明を実施したガス機関とベンチュリミキ
サ方式のガス機関の出力一定定格時における熱効率と排
出ＮＯＸ量の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ レギュレータ ２ 燃料ガス供給管（燃料ガス供給通路） ３ 圧力バランスライン ４ 分岐管 ５ バルブ（調整手段） ６，７ バルブ（切換手段） ８ 空気供給管 ９ エアクリーナ １０ スロットル １１ 吸気ポート １２ ドライバ １３ ＥＣＵ（判定手段） １４ 機関回転数検出センサ（機関回転数検出手段） １５〜１７ 信号線 １８ 空気流 １９ 燃料ガス流 ２５ ノズル（低圧ポートインジェクタ） ２６ バイパス管 ２７ バルブ １００ ガス機関

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 無過給式でかつ空気と燃料とをミキサで
    混合せずに吸気ポートへ供給するガス機関において、吸
    気行程における吸気ポート内に発生する負圧を利用して
    吸気ポート内へ燃料ガスを供給するようにしたガス機関
    の燃料供給装置。
  2. 【請求項２】 機関回転数検出手段を設け、前記機関回
    転数検出手段により検出された機関回転数が予め設定し
    た所定範囲内に維持されているか否かを判定する判定手
    段を設け、前記機関回転数が所定範囲内に収束するよう
    に１サイクル当たりの前記燃料ガスの供給期間を調整す
    る調整手段を備えた請求項１に記載のガス機関の燃料供
    給装置。
  3. 【請求項３】 燃料ガス供給通路に上流側から順にレギ
    ュレータとバルブとを設け、前記レギュレータの圧力バ
    ランスラインを吸気ポート内と大気のいずれかに切り換
    えて連通させる切換手段を設け、始動時には前記切換手
    段により前記圧力バランスラインを吸気ポート内と連通
    させる請求項１又は請求項２に記載のガス機関の燃料供
    給装置。
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