JP2005299542A - エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、主燃料ＭＦからなる混合気ＭＧを圧縮した燃焼室１において、燃料噴射弁２５から副燃料ＳＦを噴射して自己着火燃焼させることで混合気ＭＧを着火させる噴射着火運転を行うように構成され、燃焼室１への混合気ＭＧの吸気量を調整してエンジン回転数を目標回転数範囲内に設定するエンジン回転数設定手段４１を備えたエンジン１００に関し、その目的は、簡単な構成によりエンジン回転数の許容範囲を超える一時的な増加を抑制することができる技術を提供する点にある。
【解決手段】 エンジン回転数が目標回転数範囲を超える高回転数状態を判定する判定手段４２と、判定手段４２で高回転数状態を判定したときに、燃料噴射弁２５による副燃料ＳＦの噴射量を低下若しくは停止させる回転数上昇回避処理を行う処理手段４３とを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主燃料と酸素含有ガスとの混合気を圧縮した燃焼室において、燃料噴射弁から副燃料を噴射して自己着火燃焼させることで前記混合気を着火させる噴射着火運転を行うように構成され、前記燃焼室への混合気の吸気量を調整してエンジン回転数を目標回転数範囲内に設定するエンジン回転数設定手段を備えたエンジンに関する。

天然ガスなどの主燃料と空気（酸素含有ガス）との混合気を圧縮した燃焼室において、燃料噴射弁から軽油や灯油などの副燃料を噴射して自己着火燃焼させることで該混合気を着火させる噴射着火運転を行うエンジン（上記副燃料を着火用パイロット燃料と呼ぶ場合があることから、このようなエンジンをパイロット着火エンジンと呼ぶ場合がある。）が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
また、このようなエンジンは、上記噴射着火運転において、主燃料からなる混合気の着火のために燃料噴射弁により副燃料を噴射して自己着火させるので、副燃料の噴射量の総熱量に対する熱量比が数％と微量である点でディーゼルエンジンとは異なる。

上記のようなエンジンでは、主燃料からなる混合気を副燃料の自己着火燃焼により発生する熱エネルギにより安定して着火させることができるので、燃焼室における平均有効圧を高めて高効率化を図ることができ、更には、上記主燃料からなる混合気を比較的低当量比で安定して希薄燃焼させることができるので、低ＮＯｘ化を図ることができる。

また、従来のコージェネレーションシステムやヒートポンプシステム等の駆動源として用いられるエンジンでは、エンジン・コントロール・ユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ）が機能するエンジン回転数設定手段により、燃焼室への混合気の吸気量を吸気路に設けられたスロットルバルブの開度調整により調整してエンジン回転数を所定の目標回転数範囲内に設定するように構成されている場合がある。

特開２０００−６４８３８号公報

上記特許文献１に記載のエンジンにおいて、ＥＣＵが機能するエンジン回転数設定手段によりエンジン回転数を所定の目標回転数範囲内に設定するように構成した場合に、急激な負荷変動等により、エンジン回転数が目標回転数範囲外に変動する場合がある。
そして、上記エンジン回転数設定手段は、その変動したエンジン回転数を目標回転数範囲内に収めるために、エンジン回転数の変動に追従して燃焼室への混合気の吸気量を変動させるのであるが、上記エンジン回転数の変動が急激な場合には、吸気路に設けられたスロットルバルブの開度を変動させてから燃焼室への混合気の吸気量が変化するまでの遅れ時間が存在することから、エンジン回転数が一時的に大幅に変動してしまう場合がある。

特に、急激な負荷低下によりエンジンの回転数が一時的に許容範囲を超えて増加した場合には、エンジンの損傷を防止するための安全装置が働いてエンジンが停止されてしまい、エンジンの点検及び再起動等の煩雑な作業が必要となる。

従って、本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、所謂パイロット着火エンジンにおいて、簡単な構成によりエンジン回転数の許容範囲を超える一時的な増加を抑制することができる技術を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係るエンジンは、主燃料と酸素含有ガスとの混合気を圧縮した燃焼室において、燃料噴射弁から副燃料を噴射して自己着火燃焼させることで前記混合気を着火させる噴射着火運転を行うように構成され、前記燃焼室への混合気の吸気量を調整してエンジン回転数を目標回転数範囲内に設定するエンジン回転数設定手段を備えたエンジンであって、その第１特徴構成は、エンジン回転数が前記目標回転数範囲を超える高回転数状態を判定する判定手段と、
前記判定手段で前記高回転数状態を判定したときに、前記燃料噴射弁による副燃料の噴射量を低下若しくは停止させる回転数上昇回避処理を行う処理手段とを備えた点にある。

上記第１特徴構成によれば、上記判定手段によりエンジン回転数が目標回転数範囲を超える高回転数状態となったことを判定し、エンジン回転数がそれ以上増加するとエンジンの損傷等の恐れがある場合には、上記処理手段により上記回転数上昇回避処理を行うことで、瞬時に副燃料の自己着火燃焼により発生する熱エネルギを低下若しくは無くすことができ、燃焼室において燃焼を抑制できる。よって、エンジン回転数がそれ以上増加してエンジンが損傷することを抑制して、エンジン回転数を低下させて目標回転数範囲内に戻すことができる。

本発明に係るエンジンの第２特徴構成は、エンジン負荷の低下速度が許容速度を超える負荷急低下状態を判定する判定手段と、
前記判定手段で前記負荷急低下状態を判定したときに、前記燃料噴射弁による副燃料の噴射量を低下若しくは停止させる回転数上昇回避処理を行う処理手段とを備えた点にある。

上記第２特徴構成によれば、上記判定手段によりエンジン負荷の低下速度が許容速度を超えて負荷急低下状態となったことを判定し、エンジン負荷の急低下によりエンジン回転数が目標回転数範囲を超えてエンジンの損傷等の恐れがある場合には、上記処理手段により上記回転数上昇回避処理を行うことで、上記第１特徴構成と同様に、エンジン回転数がそれ以上増加してエンジンが損傷することを抑制して、エンジン回転数を低下させて目標回転数範囲内に戻すことができる。

上記目的を達成するための本発明に係るエンジンの第３特徴構成は、前記燃焼室として、シリンダ内に形成された主室と、シリンダヘッド内に形成され前記主室に連通する副室とを備え、
前記燃料噴射弁が前記副室に配置されている点にある。

上記第３特徴構成によれば、燃焼室として上記主室と上記副室とを設け、その副室に燃料噴射弁を配置することで、副室に噴射された副燃料を燃焼室全体に拡散することを抑制しながら副室において良好に自己着火燃焼させることができ、その自己着火燃焼により発生する火炎ジェットを主室に噴出させることで主室の例えば低当量比の混合気を良好に着火させることができる。
そして、このようなエンジンにおいても、判定手段と処理手段を備えることで、エンジン回転数の許容範囲を超える一時的な上昇を抑制することができる。

本発明に係るエンジンの第４特徴構成は、前記複数の燃焼室を備えて多気筒式に構成され、
前記処理手段が、一部の前記燃焼室に対してのみ前記回転数上昇回避処理を行うように構成されている点にある。

複数の燃焼室を備えて多気筒式に構成されたエンジンにおいては、処理手段により全ての燃焼室に対して上述した回転数上昇回避処理を行うと、全ての燃焼室において副燃料の自己着火燃焼により発生する熱エネルギが低下若しくは無くなって燃焼を抑制し、エンジン回転数の過剰低下を招く場合がある。そこで、上記第４特徴構成によれば、上記処理手段により、複数の燃焼室のうちの一部の燃焼室に対してのみ上記回転数上昇回避処理を行うことで、上記のようなエンジン回転数の過剰低下を回避することができる。

本発明の実施の形態について、図１〜図３に基づいて説明する。
エンジン１００は、ピストン２と、ピストン２を収容するシリンダ３とを備え、ピストン２をシリンダ３内で往復運動させると共に、吸気弁４及び排気弁５を開閉動作させて、シリンダ３内に形成された燃焼室１において吸気、圧縮、燃焼・膨張、排気の諸行程を行い、ピストン２の往復動をクランク軸１７の回転運動として出力されるものであり、このような構成は、通常の４ストローク内燃機関と変わるところはない。

このエンジン１００は、メタンを主成分とする天然ガスである主燃料ＭＦと空気との混合気ＭＧを吸気路６に形成し、吸気行程において吸気弁４を開状態として吸気路６からその混合気ＭＧを燃焼室１に吸気して、圧縮行程において排気弁５を閉状態としてその吸気した混合気ＭＧを圧縮し、燃焼・膨張行程においてその圧縮した混合気を着火して燃焼させ、排気行程において排気弁５を開状態として燃焼後の排ガスを排気路７に排出する。
尚、混合気ＭＧの当量比は、１未満、好ましくは０．５以上０．７以下の範囲内程度に設定される。

燃焼室１には、上記吸気路６から吸気される主燃料ＭＦとは異なり、主燃料ＭＦよりも着火性に優れた液体燃料である軽油や灯油などの副燃料ＳＦを、圧縮行程終了時に燃焼室１に高圧噴射して自己着火させる燃料噴射弁２５が設けられている。

この燃料噴射弁２５は、一般的なディーゼルエンジンなどで用いられている例えばコモンレール方式の燃料噴射機構と同様の構成を採用することができ、高圧縮された状態で供給された副燃料ＳＦを燃焼室１に噴射するように構成される。

しかし、そのディーゼルエンジン用の燃料噴射機構は高圧噴射した液体燃料を拡散燃焼させることによりピストンを押し下げるために比較的多くの液体燃料を噴射する点と比較して、この燃料噴射弁２５は、副燃料ＳＦの噴射量が微量である点で相違する。

即ち、本実施形態のエンジン１００では、圧縮行程終了時において、燃料噴射弁２５から燃焼室１に微量の副燃料ＳＦを高圧噴射して自己着火燃焼させることにより、燃焼・膨張行程において、その副燃料ＭＦの自己着火燃焼により発生した熱エネルギによって吸気路６から吸気された混合気ＭＧが安定して着火されて燃焼し、その燃焼によりピストン２が押し下げられて、運転が継続されるのである。

尚、燃料噴射弁２５による副燃料ＳＦの噴射量は、主燃料ＭＦと副燃料ＳＦとの熱量の合計に対する熱量比で０．２％以上５％以下の範囲内好ましくは１％以下の範囲内とされる。
即ち、副燃料ＳＦの噴射量の総熱量に対する熱量比を０．２％よりも小さくすると、その自己着火燃焼により発生する熱量が小さすぎて混合気ＭＧを安定して着火させることができずに失火が発生する場合があり、一方５％よりも大きくすると、その自己着火燃焼により発生する熱量が大きすぎて燃焼室１の最高圧力が過剰に大きくなりノッキング等が発生する場合があり、更に、主燃料ＭＦに対する副燃料ＳＦの消費量が大きくなるから、副燃料ＳＦを貯留しておくタンクなどの大型化により装置の大型化を招いてしまう。
また、副燃料ＳＦの噴射量の総熱量に対する熱量比を１％未満とすることで、上記のような失火及びノッキングを回避しながら、一層の小型化を図ることができる。

そして、エンジン１００は、上記のような構成を採用することにより、主燃料ＭＦとして天然ガス等を用いた当量比０．５〜０．７の混合気ＭＧを、燃料噴射弁２５から高圧噴射された微量の副燃料ＭＦの自己着火燃焼により安定して着火させることができるので、燃焼室１における図示平均有効圧力を高くして、高出力且つ高効率化を図ることができる。

また、燃料噴射弁２５への副燃料ＳＦを供給する副燃料供給手段５０について説明を加えると、副燃料ＳＦは、副燃料タンク５３に貯留されており、その副燃料ＳＦが、副燃料供給路５４において、クランク軸１７の回転動力を利用して駆動する燃料ポンプ５１により高圧縮され、燃料噴射弁２５に供給される。
また、燃料噴射弁２５による副燃料ＳＦの噴射量は、燃料噴射弁２５自身の作動を調整することにより調整される。尚、この燃料噴射弁２５における噴射量は、副燃料供給路５４に設けたガバナを調整して、燃料噴射弁２５へ供給される副燃料ＳＦの圧力を調整することでも調整することができる。
また、副燃料供給路５４には、副燃料ＳＦの流量を計測する流量計５２が設けられている。

また、本実施形態のエンジン１００は、燃焼室１として、シリンダ３の内面とピストン２の頂面とシリンダヘッド９の下面とで規定される主室１１と、シリンダヘッド９の中央部（シリンダ３の軸心に沿った部分）に設けられた副室口金２０内に形成された副室２１とが設けられ、この主室１１と副室２１とは、上記副室口金２０の主室１１への突出部に形成された連通孔２２を介して連通する。尚、上記副室２１の容積比は、燃焼室１全体の２％以上２０％以下程度が好ましい。

更に、ピストン２の頂面の中央部には、ピストン２が上死点に位置するときに、主室１１に突出する上記副室口金２０を囲う形態で凹部２ａが形成されており、凹部２ａにより、圧縮行程においてピストン２が上昇するときに、ピストン２の頂面外周部から凹部２ａの中心部に流れるスキッシュが発生する。

更に、燃料噴射弁２５は、上記副室口金２０の上方に設けられて、副室２１に副燃料ＳＦを高圧噴射するように構成されている。

即ち、このエンジン１００は、上記のような構成を採用することにより、主室１１に吸気された混合気ＭＧをピストン２の上昇により圧縮して、圧縮された混合気ＭＧを主室１１に開口する連通孔２２を介して副室２１に流入させ、副室２１において圧縮された混合気ＭＧに燃料噴射弁２５により副燃料ＳＦを噴射して自己着火燃焼させることで火炎を形成し、その火炎を副室２１から連通孔２２を介して主室１１に火炎ジェットＦＪとして噴射して、この火炎ジェットＦＪにより主室１１の混合気ＭＧを着火させて燃焼させる所謂噴射着火運転を行うように構成されている。

エンジン１００には、コンピュータからなるエンジン・コントロール・ユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ。）４０が設けられ、このＥＣＵ４０は、クランク軸１７の回転角度を測定するクランク角センサ１６の検出結果によりエンジン回転数を監視しながら、そのエンジン回転数が所望の目標回転数範囲内に設定するように、吸気路６に設けられたスロットルバルブ１５の開度調整により燃焼室１への混合気ＭＧの吸気量を調整するエンジン回転数設定手段４１として機能するように構成されている。

エンジン１００は、図２に示すように、燃料噴射弁２５が燃焼室１の中央部に配置され、複数具体的には２個の点火プラグ３０が燃焼室１の中央部を中心に対称配置されており、更に、燃料噴射弁２５は副室２１に配置され、複数の点火プラグ３０は主室１１に配置されている。また、これら点火プラグ３０は、例えば起動運転時や無負荷運転時等の燃焼室１において副燃料ＳＦの自己着火や混合気ＭＧの着火が安定していないときに、ＥＣＵ４０により作動されて、主室１１に吸気された混合気ＭＧを安定して火花点火して燃焼させるものである。

エンジン回転数設定手段４１によりエンジン回転数を所定の目標回転数範囲内に設定するように構成しても、急激な負荷変動等により、エンジン回転数が目標回転数範囲外に変動する場合があるが、エンジン１００においては、そのようなエンジン回転数の過剰な変動を回避するように構成されている。以下、その詳細構成について説明を加える。

ＥＣＵ４０は、エンジン負荷３６の低下速度が許容速度を超える負荷急低下状態若しくはその負荷急低下状態等に起因してクランク角センサ１６の検出結果から認識されるエンジン回転数が目標回転数範囲を超える高回転数状態、又は、エンジン負荷３６の上昇速度が許容速度を超える負荷急上昇状態若しくはその負荷急上昇状態等に起因してエンジン回転数が目標回転数範囲を下回る低回転数状態を判定する判定手段４２として機能するように構成されている。更に、ＥＣＵ４０は、上記判定手段４２により負荷急低下状態若しくは高回転数状態を判定したときにエンジン回転数の過剰な上昇を回避するための回転数上昇回避処理を行い、一方、上記判定手段４２により負荷急上昇状態若しくは低回転数状態を判定したときにエンジン回転数の過剰な低下を回避するための回転数低下回避処理を行う処理手段４３として機能するように構成されている。

即ち、処理手段４３は、上記判定手段４２により負荷急低下状態若しくは高回転数状態を判定したときに、燃料噴射弁２５による副燃料ＳＦの噴射量を瞬時に低下若しくは停止させるように上記回転数上昇回避処理を行って、副燃料の自己着火燃焼により発生する熱エネルギを低下若しくは無くして、エンジン回転数がそれ以上増加してエンジンが損傷することを抑制して、エンジン回転数を目標回転数範囲内に低下させる。

一方、処理手段４３は、上記判定手段４２により負荷急上昇状態若しくは低回転数状態を判定したときに、主燃料ＭＦの供給量を増加させることで燃焼室１に吸気される混合気ＭＧの当量比を増加させると共に、燃料噴射弁２５からの副燃料ＳＦの噴射量を低下させるように上記回転数低下回避処理を行って、燃焼室１の燃焼を活性化し、エンジン回転数がそれ以上低下してエンジンが停止することを抑制して、エンジン回転数を目標回転数範囲内に上昇させる。
また、上記回転数低下処理において、上記副燃料ＳＦの噴射量を低下させるので、混合気ＭＧの当量比の増加に起因する副室口金２０等の熱損傷が抑制される。
尚、本実施形態では、上記回転数低下回避処理において、混合気ＭＧの当量比を当初０．５程度であったものを０．７程度に増加させ、副燃料ＳＦの噴射量は、その総熱量に対する熱量比で、当初１％程度であったものを０．５％程度に低下させる。

また、上記処理手段４３は、エンジン１００が、燃焼室１を複数備えた多気筒式に構成されている場合には、全ての燃焼室１に対して上記回転数上昇回避処理又は上記回転数低下回避処理を行うことでエンジン回転数の過剰な低下又は上昇等が発生することを抑制するために、複数の燃焼室１の内の予め決定してある一部の燃焼室１に対して上記回転数上昇回避処理又は上記回転数低下回避処理を行うように構成される。

また、処理手段４３は、回転数低下回避処理において、燃料噴射弁２５からの副燃料ＳＦの噴射量を低下させることで混合気ＭＧに対する着火性が低下することを防止するために、点火プラグ３０を作動させるように構成されている。

〔別実施形態〕
（１）上記実施の形態では、回転数上昇回避処理における副燃料ＳＦの噴射量の低下幅は、エンジン回転数の過剰の上昇を回避できる範囲内で適宜設定可能である。

（２）上記実施の形態では、燃料噴射弁２５を燃焼室１の中央部に配置された副室２１に配置し、更に、点火プラグ３０を燃焼室１としての主室１１の中央部を中心に対称配置したが、上記燃料噴射弁２５及び点火プラグ３０の配置は適宜改変可能である。
また、点火プラグ３０は設けなくても構わない。

（３）上記実施の形態では、燃焼室１として主室１１及び副室２１を設けたが、別に、副室２１を設けることなく、主室１１のみで燃焼室１を構成しても構わない。

（４）上記実施の形態では、主燃料ＭＦとして天然ガスを、副燃料ＳＦとして軽油や灯油を用いたが、別に、主燃料ＭＦ及び副燃料ＳＦは適宜改変可能である。尚、特に、副燃料ＳＦについては、燃焼室１に高圧状態で噴射して自己着火させるので、着火性に優れた液体燃料を利用することが好ましい。

エンジンの燃焼室部分の側断面及び概略構成を示す図 エンジンの燃焼室部分の側断面図 エンジンの燃焼室部分の平断面図

符号の説明

１：燃焼室
１１：主室（燃焼室）
１５：スロットルバルブ
１６：クランク角センサ
２１：副室（燃焼室）
２２：連通孔
２５：燃料噴射弁
３０：点火プラグ
３６：エンジン負荷
４０：エンジン・コントロール・ユニット（ＥＣＵ）
４１：エンジン回転数設定手段
４２：判定手段
４３：処理手段
５０：副燃料供給手段
１００：エンジン
ＭＦ：主燃料
ＳＦ：副燃料
ＭＧ：混合気

Claims (4)

1. 主燃料と酸素含有ガスとの混合気を圧縮した燃焼室において、燃料噴射弁から副燃料を噴射して自己着火燃焼させることで前記混合気を着火させる噴射着火運転を行うように構成され、前記燃焼室への混合気の吸気量を調整してエンジン回転数を目標回転数範囲内に設定するエンジン回転数設定手段を備えたエンジンであって、
   エンジン回転数が前記目標回転数範囲を超える高回転数状態を判定する判定手段と、
   前記判定手段で前記高回転数状態を判定したときに、前記燃料噴射弁による副燃料の噴射量を低下若しくは停止させる回転数上昇回避処理を行う処理手段とを備えたエンジン。
2. 主燃料と酸素含有ガスとの混合気を圧縮した燃焼室において、燃料噴射弁から副燃料を噴射して自己着火燃焼させることで前記混合気を着火させる噴射着火運転を行うように構成され、前記燃焼室への混合気の吸気量を調整してエンジン回転数を目標回転数範囲内に設定するエンジン回転数設定手段を備えたエンジンであって、
   エンジン負荷の低下速度が許容速度を超える負荷急低下状態を判定する判定手段と、
   前記判定手段で前記負荷急低下状態を判定したときに、前記燃料噴射弁による副燃料の噴射量を低下若しくは停止させる回転数上昇回避処理を行う処理手段とを備えたエンジン。
3. 前記燃焼室として、シリンダ内に形成された主室と、シリンダヘッド内に形成され前記主室に連通する副室とを備え、
   前記燃料噴射弁が前記副室に配置されている請求項１又は２に記載のエンジン。
4. 前記複数の燃焼室を備えて多気筒式に構成され、
   前記処理手段が、一部の前記燃焼室に対してのみ前記回転数上昇回避処理を行うように構成されている請求項１から３の何れか１項に記載のエンジン。
   

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