JP2008248850A

JP2008248850A - エンジン

Info

Publication number: JP2008248850A
Application number: JP2007093593A
Authority: JP
Inventors: Hironori Sato; 裕紀佐藤; Shunsaku Nakai; 俊作中井; Seiichi Ito; 誠一伊藤
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: JP4796531B2

Abstract

【課題】逆止弁を通じて燃料ガス通路から燃焼室に燃料ガスを供給するエンジンであって、簡単且つ小型な機構を追加するだけで、逆止弁の動作異常を迅速に判定することができるエンジンを提供する。
【解決手段】燃料ガス通路１４における１サイクルでの所定のガス状態を検出するガス状態検出手段４５と、１サイクル毎に、ガス状態検出手段４５の検出結果に基づいて逆止弁１３の動作異常の有無を判定する逆止弁動作異常判定手段５０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、逆止弁を通じて燃料ガス通路から燃焼室に燃料ガスを供給するエンジンに関する。

上記のように逆止弁を通じて燃料ガス通路から燃焼室に燃料ガスを供給するエンジンは、吸気行程において、ピストンの下降に伴う燃焼室の圧力低下に伴って、逆止弁が開状態となって当該逆止弁を通じて燃料ガス通路から燃焼室に燃料ガスが供給される。そして、圧縮行程において、その燃料ガスが吸気バルブを通じて吸気路から燃焼室に吸気された希薄予混合気と混合されて、燃焼室に混合気が形成される。その形成された混合気がピストンの上昇により圧縮し、燃焼・膨張行程において、その圧縮した混合気を点火プラグ等により点火し燃焼させてピストンを下降させ、排気行程においてその燃焼により生成された排ガスを、排気バルブを通じて排気路に排出するように作動する。
このような逆止弁を用いたエンジンは、大型且つ高コストな機械式の開閉弁を用いたエンジンと比較して、小型化及び低コスト化のメリットがあり、近年実用化が進められている。

このような逆止弁を通じて燃料ガス通路から燃焼室に燃料ガスを供給するエンジンとしては、ピストンに面する主室と当該主室に噴孔を介して連通する副室とを燃焼室として備え、上記燃料ガス通路が副室に接続されている副室式エンジンが知られている（例えば、特許文献１，２及び３を参照。）。
かかる副室式エンジンは、ピストン頂部に接する主室とその主室と噴孔を介して連通する副室とを燃焼室として備え、主室に吸気された希薄混合気等の新気をピストンの上昇により圧縮して、その圧縮された新気を、噴孔を介して副室に流入させ、副室に流入した新気と副室に逆止弁を通じて供給された燃料ガスとの混合気を点火プラグにより火花点火して燃焼させて、主室に開口する噴孔を介して主室に火炎ジェットを噴射するように構成されている。
また、このような副室式エンジンは、単室式エンジンと比較して、燃焼室全体として空気に対して燃料ガスが希薄な状態で燃料ガスを燃焼させる希薄燃焼が実現できるため、高効率化を図ることが可能であり、特に、効率向上が求められるコージェネレーションシステム等に導入されている。

上記のようなエンジンに設けられた逆止弁は、燃料ガス通路と燃焼室の圧力差が一定値以上になると開弁して燃料ガス通路から燃焼室に向かう順方向への燃料ガスの通流を許容する一方、同圧力差が一定値以下であると閉弁して例えば燃焼室から燃料ガス通路へ向かう逆方向へのガスの通流を阻止するように構成されている。
このような逆止弁は、例えば燃焼室で生成されたカーボンなどの固形物の付着などにより正常に閉弁又は開弁しなくなる所謂動作異常が発生する場合がある。例えば、上記逆止弁が正常に閉弁しなくなると、圧縮行程及び燃焼行程において燃焼室の圧力が上昇したときに、燃焼室の高温のガスが燃料ガス通路に逆流して、燃焼室に適切な燃料ガスの供給ができなくなることから、効率低下を招くだけでなく、失火が発生したり、通常は高温とならない燃料ガス通路が高温となって機器の故障を招く場合がある。逆に、上記逆止弁が正常に開弁しなくなると、吸気行程等において燃料ガス通路から燃焼室へ燃料ガスを供給できなくなって、失火が発生して効率低下や未燃炭化水素の排出量増加を招くだけでなく、吸気路から燃焼室に吸気された混合気が燃焼せずに排気路に流出して、アフターファイア等のトラブルの原因となる。

そこで、上記特許文献１に記載のエンジンでは、上記のような逆止弁のカーボンの付着による動作異常を解消するために、逆止弁に対して振動を加えて、逆止弁からカーボンをふるい落とすように構成されている。
また、上記特許文献３に記載のエンジンでは、燃料ガス通路の前記逆止弁の上流側通路に圧力センサを設け、その圧力センサで計測される上流側通路の圧力が所定の判定閾値以上に上昇した場合には、逆止弁が閉弁不能状態であると判断して、燃料ガスの供給を遮断するように構成されている。

実開平５−５８８６８号公報特開平１０−１８４４６２号公報特開昭６３−１０９２７５号公報

エンジンに設けられた逆止弁は、カーボンなどの固形物の付着以外に、過酷な条件下での繰り返しの開閉動作による老朽化等の原因でも動作異常が発生する場合がある。よって、上記特許文献１のように、上記逆止弁に振動を加えても、逆止弁の動作異常が解消されない場合があることから、逆止弁の動作異常が発生している場合には、迅速にエンジンの運転を停止して、点検や修理等の処置を施すべきであるが、従来のエンジンでは、逆止弁の動作異常の有無を判定するように構成されていなかった。
また、上記逆止弁の動作異常を判定するために、逆止弁の動作を常時監視するための機構を設けることが考えられるが、特に当該逆止弁が副室に接続されている燃料ガス通路に設けられている場合には、当該機構を設けるためのスペースを確保することは困難であった。
更に、上記特許文献３に記載のエンジンでは、逆止弁の上流側通路の圧力が、逆止弁が正常に作動している場合でも燃料ガスの脈動により変動することから、その逆止弁の閉弁不能状態を判定するための判定閾値は、比較的高めに設定しなければならない。よって、逆止弁が閉不能状態となっても、上記上流側通路の圧力が充分に上昇しなければ逆止弁の閉弁不能状態を判定することができないというように、逆止弁の動作異常を正確且つ迅速に判定し得るものではなかった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単且つ小型な機構を追加するだけで、逆止弁の動作異常を迅速に判定することができるエンジン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、逆止弁を通じて燃料ガス通路から燃焼室に燃料ガスを供給するエンジンであって、その第１特徴構成は、前記燃料ガス通路における１サイクルでの所定のガス状態を検出するガス状態検出手段と、
１サイクル毎に、前記ガス状態検出手段の検出結果に基づいて前記逆止弁の動作異常の有無を判定する逆止弁動作異常判定手段とを備えた点にある。

本発明者らは、燃料ガス通路における１サイクルでの所定のガス状態として、逆止弁が正常に動作しているときには各行程において予め予測可能なパターンで変動しているが、逆止弁の動作異常が発生しているときにはその正常時のパターンから乖離したパターンで変動するものがあることに着目して、本願発明を完成した。
即ち、上記第１特徴構成によれば、上記ガス状態検出手段により、そのような１サイクルでの所定のガス状態を検出し、上記逆止弁動作異常判定手段により、１サイクル毎に、その検出結果を上記正常時のものと比較して、双方の乖離が大きい場合に上記逆止弁の動作異常が発生していると判定し、逆に双方の乖離が小さい場合に上記逆止弁が正常であると判定することができる。
従って、本願発明により、燃料ガス通路のガス状態を検出するための簡単且つ小型な機構を追加するだけで、逆止弁の動作異常が発生してから少なくとも次のサイクル終了時までというように迅速に、逆止弁の動作異常を判定することができるエンジンを実現することができる。

本発明に係るエンジンの第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、前記燃焼室として、ピストンに面する主室と、当該主室に噴孔を介して連通する副室とを備え、
前記燃料ガス通路が、前記副室に接続されている点にある。

上記第２特徴構成によれば、上記副室を設ける場合のようにスペースに余裕がない場合でも、当該副室に接続された燃料ガス通路に設けられている逆止弁の動作異常を判定するべく、燃料ガス通路のガス状態を検出するための簡単且つ小型な機構を設けるためのスペースを容易に確保することができ、その検出結果を用いて逆止弁の動作異常を迅速に判定することができる。

本発明に係るエンジンの第３特徴構成は、上記第１乃至上記第２の何れかの特徴構成に加えて、前記燃料ガス通路の前記逆止弁の上流側通路に、オリフィスと、当該オリフィスの下流側に対する上流側の差圧を計測する差圧計測手段とを備え、
前記ガス状態検出手段として、前記差圧計測手段で計測された差圧の１サイクルでの状態を前記１サイクルでの所定のガス状態として検出する圧力状態検出手段を備えた点にある。

上記第３特徴構成によれば、上記燃料ガス通路における逆止弁よりも上流側の通路である上記上流側通路に、簡単且つ小型な上記オリフィスと上記差圧測定部とを設けることで、その差圧計測手段で計測された差圧は、上記オリフィスを上流側から下流側に向けて通過するガスの流速の大きさを示すものとなる。よって、上記上流側通路における１サイクルでのガスの流速の変動パターンが上記逆止弁の動作異常の発生により正常時のものに対して乖離したものとなれば、上記ガス状態検出手段としての上記圧力状態検出手段により上記１サイクルでの所定のガス状態として検出される上記差圧の１サイクルでの状態も正常時のものに対して乖離したものとなる。
従って、上記逆止弁動作異常判定手段により、１サイクル毎に、その差圧の１サイクルでの状態を上記正常時の差圧の状態と比較することで、上記逆止弁の動作異常を判定することができる。

本発明に係るエンジンの第４特徴構成は、上記第３特徴構成に加えて、前記圧力状態検出手段が、前記差圧計測手段で計測された差圧の１サイクルでの最小値及び変化程度を検出し、
前記逆止弁動作異常判定手段が、前記差圧の１サイクルでの最小値が許容値を下回る場合に前記逆止弁が閉弁不能状態であると判定し、前記差圧の１サイクルでの変化程度が許容程度を下回る場合に前記逆止弁が開弁不能状態であると判定する点にある。

上記第４特徴構成によれば、上記逆止弁が正常に閉弁しなくなる所謂閉弁不能状態であるときには、圧縮行程及び膨張行程における燃焼室の圧力上昇に伴って上流側通路において燃焼室側から上流側に向かう流速が異常に低下し更には逆流が発生するので、上記オリフィスを上流側から下流側に向けて通過するガスの流速の大きさを示す差圧計測手段で計測された差圧の１サイクルでの最小値が、正常時の差圧の１サイクルでの最小値を基準に設定された上記許容値を下回って更には負の値となれば、上記逆止弁が閉弁不能状態であると判定することができる。
一方、上記逆止弁が正常に開弁しなくなる所謂開弁不能状態であるときには、上記上流側通路におけるガスの通流が停止しているので、上記差圧計測手段で計測された差圧の１サイクルでの変化程度が、正常時の差圧の１サイクルでの変化程度を基準に設定された上記許容程度を下回って更には０となれば、上記逆止弁が開弁不能状態であると判定することができる。

本発明に係るエンジンの第５特徴構成は、上記第４特徴構成に加えて、前記圧力状態検出手段が、前記差圧の１サイクルでの変化程度として、前記差圧の１サイクルでの変化率又は変化幅を検出する点にある。

上記第５特徴構成によれば、逆止弁が正常に開弁しなくなる所謂開弁不能状態であるときには、上記上流側通路におけるガスの通流が停止しているので、上記差圧計測手段で計測された差圧の１サイクルでの変化率又は変化幅が、正常時の差圧の１サイクルでの変化率又は変化幅を基準に設定された上記許容程度を下回って更には０となれば、上記逆止弁が開弁不能状態であると判定することができる。

本発明に係るエンジンの第６特徴構成は、上記第１乃至上記第２の何れかの特徴構成に加えて、前記燃料ガス通路の前記逆止弁の下流側通路の温度を計測する温度計測手段を備え、
前記ガス状態検出手段として、前記温度計測手段で計測された温度の１サイクルでの状態を前記１サイクルでの所定のガス状態として検出する温度状態検出手段を備えた点にある。

上記第６特徴構成によれば、上記燃料ガス通路における逆止弁よりも下流側の通路である上記下流側通路に、簡単且つ小型な上記温度計測手段を設けることで、その温度計測手段で計測された温度は、その通路と連通する燃焼室での燃焼による圧力上昇に伴う断熱圧縮により上がり、燃焼室での圧力低下に伴う断熱膨張により下がるというように、燃焼室の圧力変動に伴って変動するものとなる。よって、上記下流側通路における１サイクルでの燃焼室からの高温ガスの流入状態が上記逆止弁の動作異常の発生により正常時のものに対して乖離したものとなれば、上記ガス状態検出手段としての上記温度状態検出手段により上記１サイクルでの所定のガス状態として検出される上記温度の１サイクルでの状態も正常時のものに対して乖離したものとなる。
従って、上記逆止弁動作異常判定手段により、１サイクル毎に、その下流側通路の温度の１サイクルでの状態を上記正常時の温度の状態と比較することで、上記逆止弁の動作異常を判定することができる。

本発明に係るエンジンの第７特徴構成は、上記第６特徴構成に加えて、前記温度状態検出手段が、前記温度計測手段で計測された温度の１サイクルでの最大値及び最大時期を検出し、
前記逆止弁動作異常判定手段が、前記温度の１サイクルでの最大値が許容値を上回る場合に前記逆止弁が閉弁不能状態であると判定し、一方、前記温度の１サイクルでの最大時期が許容時期より前である場合に前記逆止弁が開弁不能状態であると判定する点にある。

上記第７特徴構成によれば、上記逆止弁が正常に閉弁しなくなる所謂閉弁不能状態であるときには、圧縮行程及び膨張行程における燃焼室の圧力上昇に伴って燃焼室の高温ガスの多くが下流側通路に逆流して当該下流側通路の温度が異常に上昇することになるので、上記下流側通路の温度の１サイクルでの最大値が、正常時の温度の１サイクルでの最大値を基準に設定された上記許容値を上回っていれば、上記逆止弁が閉弁不能状態であると判定することができる。
一方、上記逆止弁が正常に開弁しなくなる所謂開弁不能状態であるときには、上記下流側通路におけるガスの通流が停止しており着火しないため、当該下流側通路の温度が圧縮行程における断熱圧縮により上昇するものの膨張行程が開始されて直ぐに低下することになるので、上記下流側通路の温度の１サイクルでの最大時期が、正常時の温度の１サイクルでの最大時期である膨張行程初期を基準に設定された上記許容時期より早まって例えば圧縮行程と膨張行程との間の時期となれば、上記逆止弁が開弁不能状態であると判定することができる。

本発明に係るエンジンの実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１及び図３に示すエンジン１００（１００Ａ，１００Ｂ）は、燃焼室１に設けられた逆止弁１３を通じて燃料ガス通路１４から燃焼室１に燃料ガスＧを供給するエンジンであって、詳細については後述するが、燃焼室１として、ピストン２に面する主室１０と、当該主室１０に噴孔２１を介して連通する副室１１とを備えると共に、当該副室１１に接続される燃料ガス通路１４に逆止弁１３を備え、圧縮工程において圧縮された混合気を副室１１に備えた点火プラグ１２を作動させて火花点火して燃焼させ、副室１１から噴孔２１を介して主室１０に火炎ジェットＦを噴射する形態で作動するように構成された副室式エンジンとして構成されている。

即ち、エンジン１００は、ピストン２と、ピストン２を収容してピストン２の頂面と共に主室１０を形成するシリンダ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、吸気バルブ４及び排気バルブ６を開閉動作させて、主室１０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の往復動を連結棒１５によってクランク軸１６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。

また、エンジン１００は、気体燃料ガスである都市ガス（１３Ａ）を燃料ガスＧとして利用するものであり、当該燃料ガスＧは、燃料ガス通路１４において、逆止弁１３よりも上流側の通路である上流側通路１４ａ、逆止弁１３、及び、逆止弁１３よりも下流側の通路である下流側通路１４ｂを順に通流した後に、副室１１に供給される。

そして、エンジン１００は、吸気行程において吸気バルブ４を開状態として、吸気路５から主室１０に空気と少量の燃料ガスＧとの混合気好ましくは希薄混合気である新気Ｉを吸入し、圧縮及び燃焼・膨張行程において吸気バルブ４及び排気バルブ６を閉状態として、この吸入した新気Ｉを圧縮して燃料ガスＧを燃焼・膨張させ、排気行程において排気バルブ６を開状態として、主室１０から排気路７に排ガスを排出するように運転される。

更に、排気路７を流通する排ガスの運動エネルギによりタービン２３ｂを回転させ、当該タービン２３ｂと同軸のコンプレッサ２３ａにより吸気路５を流通する新気Ｉを過給するターボ過給機２３が設けられている。
そのターボ過給機２３によって、コンプレッサ２３ａの下流側の吸気路５の圧力（以下、「吸気圧力」と呼ぶ。）は、比較的高い圧力（例えば、２２０ｋＰａ（Ｇａｕｇｅ））に維持されており、更に、タービン２３ｂの上流側の排気路７の圧力（以下、「排気圧力」と呼ぶ。）についても、タービン２３ｂの背圧により、上記吸気圧力と略同等の圧力に維持されている。

また、吸気行程において吸気バルブ４が開状態となると、燃焼室１と吸気路５とが連通状態となることから、燃焼室１の圧力も上記吸気圧力に略相当するものとなり、更に、排気行程において排気バルブ６が開状態となると、燃焼室１と排気路７とが連通状態となることから、燃焼室１の圧力も上記排気圧力に略相当するものとなる。
尚、上記吸気圧力及び排気圧力については、吸気路５及び排気路７に発生する脈動により変化する場合があるが、その場合には、後述する圧力応動式に構成される逆止弁１３の不意の開弁を防止するべく、その圧力変化の最低圧力を夫々の圧力として取り扱う。

エンジン１００のシリンダヘッド９には、主室１０と共に燃焼室１として設けられ、主室１０に連通路２０及び噴孔２１を介して連通する副室１１が設けられており、その副室１１には、副室１１の混合気を火花点火可能な点火プラグ１２が設けられている。

そして、副室１１の上方には、燃料ガス通路１４から燃料ガスＧが例えば２３０ｋＰａ（Ｇａｕｇｅ）程度の供給圧力で供給され、その供給された燃料ガスＧを副室１１に断続的に供給可能な逆止弁１３が設けられており、この逆止弁１３は、副室１１の圧力が所定の作動圧力以下に低下している間に開状態となり、逆に、副室１１の圧力が同作動圧力よりも高い間に閉状態となる圧力応動式に構成されており、その詳細構造について以下に説明する。

シリンダヘッド９に形成された副室１１を形成する円柱状の凹部の上方開口部には、当該開口部に嵌合する形態で内部に上記下流側通路１４ｂを形成する有底筒状の口金３１が取り付けられており、更に、当該口金３１の上方開口部には、当該開口部に嵌合する形態で内部に上記上流側通路１４ａを形成する燃料ガス供給管３３が取り付けられている。更に、口金３１の底部には、副室１１と口金３１内の上記下流側通路１４ｂとを連通する燃料ガス供給口３２が形成されている。

更に、上記口金３１内には、球状の弁体３５が設けられており、更に、この弁体３５は、上記燃料ガス供給管３３の先端開口部の内周縁部に形成された弁座部３４に当接して燃料ガス供給管３３の先端開口部を封鎖する状態と、当該弁座部３４から下方に離間して燃料ガス供給管３３の先端開口部を開放する状態とを切り換える形態で、上下方向に摺動自在に配置されている。
また、口金３１内の弁体３５の下方部には、上記弁体３５を下方から付勢する状態で配置されたコイルバネ等からなる付勢部材３６が設けられており、その付勢力は後述する作動圧力に応じて適切なものに設定されている。

そして、これら弁体３５、弁座部３４、及び、付勢部材３６は、上記圧力応動式の逆止弁１３として構成されることになる。
即ち、弁体３５の下方側に連通する副室１１の圧力（以下、「副室圧力」と呼ぶ。）が低下して所定の作動圧力以下になると、弁体３５の上方側に連通する燃料ガス通路１４の圧力（以下、「燃料ガス供給圧」と呼ぶ。）が、上記副室圧力と付勢部材３６の付勢力とに打ち勝ち、弁体３５が下方に移動して弁座部３４から離間し、燃料ガス供給管３３の先端開口部が開放される所謂開状態となることで、燃料ガス通路１４から燃料ガス供給口３２を通じて副室１１に燃料ガスＧが供給されることになる。
一方、副室圧力が上昇して所定の作動圧力よりも高くなると、上記副室圧力と付勢部材３６の付勢力とが燃料ガス供給圧に打ち勝ち、弁体３５が上方に移動して弁座部３４に当接し、燃料ガス供給管３３の先端開口部が閉鎖される所謂閉状態となることで、燃料ガス通路１４から副室１１への燃料ガスＧの供給が停止される。

更に、上記圧力応動式の逆止弁１３の作動圧力は、上記付勢部材３６の付勢力と燃料ガス供給圧力とを調整することにより決定することができるが、その作動圧力は排気圧力よりも低い圧力（例えば、２２５ｋＰａ（Ｇａｕｇｅ））に設定されている。
よって、この圧力応動式の逆止弁１３は、排気行程において排気バルブ６が開状態となり、燃焼室１即ち副室１１の圧力が上記排気圧力に略相当する圧力となった場合でも、弁体３５が良好に弁座部３４に当接して閉状態を維持することになり、同排気行程において燃料ガスＧが無用に副室１１に流出して排気路７に排出されることが防止されている。

また、吸気行程において、吸気バルブ４の閉タイミングを下死点よりも早い時期に設定することにより、公知のミラーサイクルエンジンと同様に、膨張比が圧縮比よりも高くなり、更に、ターボ過給機２３が圧縮仕事の不足分を補うことで、実質的に圧縮比が高まったと同一の効果を得て、効率が向上されている。

尚、吸気行程における燃料ガス通路１４から副室１１への燃料ガス供給量は、上記作動圧力、吸気圧力、その他燃料ガスＧの流通経路構造等により決定される。

そして、このエンジン１００は、圧縮工程において圧縮された混合気を副室１１に備えた点火プラグ１２を作動させて火花点火して燃焼させ、副室１１から噴孔２１を介して主室１０に火炎ジェットＦを噴射する形態で作動することができ、この作動状態の詳細について以下に説明を加える。

即ち、吸気行程において、ピストン２の下降に伴って、当該逆止弁１３が開状態となり、燃料ガス通路１４から副室１１に燃料ガスＧが供給され、吸気路５から主室１に開状態である吸気バルブ４を通じて新気Ｉが吸気される。次の圧縮行程の初期において、ピストン２の上昇に伴って、副室１１の圧力が圧力応動式の逆止弁１３の作動圧力よりも高くなることで、当該逆止弁１３が閉状態となり、燃料ガス通路１４から副室１１への燃料ガスＧの供給が停止される。

そして、次の圧縮行程では、ピストン２の上昇により、主室１０の容積減少によって、主室１０の新気Ｉが連通路２０介して副室１１に流入し、副室１１には、連通路２０から上方に向かう混合気流が発生し、その混合気流が点火プラグ１２の点火領域に到達する。
よって、副室１１の上記点火プラグ１２の点火領域では、その新気Ｉと燃料ガスＧとが混合されて、火花点火可能範囲内（例えば１程度）の当量比の混合気が形成される。
そして、上記圧縮行程終了時にて、副室１１には、当量比が比較的高い混合気が存在するのに対して、主室１０には、当量比が比較的低い希薄混合気が存在することになる。

そして、エンジン１００は、燃焼・膨張行程において、上死点直前の例えば８°ＢＴＤＣ付近において、点火プラグ１２を作動させて、上記副室１１に形成された混合気を火花点火して燃焼させ、ピストン２を下降させる。
すると副室１１では、燃焼が進み、副室１１の燃焼しなかった燃料ガスＧと共に、火炎ジェットＦが連通路２０を介して主室１０に噴出される。
一方、主室１０においては、連通路２０から噴出された火炎ジェットＦにより希薄混合気を燃焼させるので、高効率且つ低ＮＯｘとなる燃焼が行われる。
このような主室１０における燃焼状態は、通常のＳＩエンジンに近い状態であるが、希薄燃焼を実現できるため、熱効率を向上することができる。

そして、このように運転されるエンジン１００において、副室１１と主室１０とを連通する連通路２０は、副室１１から主室１０の軸心Ｘと同じ軸心を有する円筒状に主室１０側に延出形成されており、更に、その連通路２０は、上記主室１０の軸心Ｘを中心に周方向に等間隔で分散配置され主室１０に開口する複数の筒状の噴孔２１を有し、火炎ジェットＦが夫々の噴孔２１から主室１０に噴射される。

次に、エンジン１００は、排気行程において、排気バルブ６を開状態として、ピストン２の下死点からの上昇に伴って、燃焼室１に存在する排ガスを排気路７に排出する。
ここで、燃焼室１の圧力は比較的低い排気圧力となるが、圧力応動式の逆止弁１３の作動圧力がその排気圧力よりも小さく設定されていることから、当該逆止弁１３は閉状態に維持され、燃料ガス通路１４から燃料ガスＧが燃焼室１に流出することがない。

エンジンの運転を制御する運転制御手段３８は、吸気路５に設けられた圧力センサ２５で計測された吸気圧力と、燃料ガス通路１４の上流側通路１４ａの圧力センサ４１で計測された燃料ガス供給圧力との差圧（即ち、「燃料ガス供給圧力−吸気圧力」で示される圧力。）が一定値になるように、逆止弁１３への燃料ガス供給圧力を調整する圧力調整弁３７の作動を制御するように構成されている。

即ち、運転制御手段３８は、吸気行程において吸気圧力が変動した場合でも、その吸気圧力の変動に応じて圧力調整弁３７により燃料ガス供給圧力を変化させて、上記差圧を目標値（例えば、１０ｋＰａ）に安定して維持するように構成されている。
よって、吸気行程において、適切な時期に上記逆止弁１３が開状態となり、更に、適切な量の燃料ガスＧが副室１１に供給されることになる。
また、例えば、エンジン負荷に基づいて上記圧力調整弁３７における上記差圧の目標値を変更すれば、圧力応動式の逆止弁１３の作動圧力を変化させて、燃料ガス供給量をエンジン負荷に応じて変更することもできる。

また、運転制御手段３８は、吸気圧力に対する燃料ガス供給圧力の差圧を上記目標値に維持することで、排気圧力がターボ過給機２３の背圧により上記吸気圧力よりも高い一定の圧力となっていることから、上記運転制御手段３８で検出された差圧は、上記排気圧力に対する上記燃料ガス供給圧力の差圧に略同等の圧力としても取り扱うことができる。
よって、上記運転制御手段３８は、その差圧に基づいて圧力調整弁３７により燃料ガス供給圧力を制御することで、排気行程において圧力応動式の逆止弁１３が不意に開状態となることが防止されている。
尚、上記実施の形態では、上記ターボ過給機２３のような過給機を設置したが、このような過給機を省略しても構わない。

これまで説明してきたようなエンジン１００に設けられた逆止弁１３は、燃焼室１で生成されたカーボンなどの固形物の付着や過酷な条件下での繰り返しの開閉動作による老朽化等の原因により、常時開状態となって閉弁できなくなる閉弁不能状態や、常時閉状態となって開弁できなくなる開弁不能状態等の動作異常が発生する場合がある。
そこで、このエンジン１００は、燃料ガス通路１４における１サイクルでの所定のガス状態を検出するガス状態検出手段４５と、１サイクル毎に、ガス状態検出手段４５の検出結果に基づいて前記逆止弁の動作異常の有無を判定する逆止弁動作異常判定手段５０とを備えている。そして、ガス状態検出手段４５により、１サイクルでの所定のガス状態を検出し、逆止弁動作異常判定手段５０により、１サイクル毎に、その実際のガス状態と上記正常時のガス状態とを比較することで、上記実際のガス状態と正常時のガス状態との双方の乖離が大きい場合に上記逆止弁の動作異常が発生していると判定し、逆に当該双方の乖離が小さい場合に上記逆止弁が正常であると迅速に判定するように構成されている。
このような逆止弁１３の動作異常を迅速に判定するための特徴構成を有しており、その実施形態として、第１実施形態及び第２実施形態について以下に説明する。

〔第１実施形態〕
以下、第１実施形態のエンジン１００Ａの特徴構成について図１，２に基づいて説明する。
図１に示すエンジン１００Ａは、燃料ガス通路１４の逆止弁１３の上流側通路１４ａに、オリフィス４０と、当該オリフィス４０の下流側の圧力Ｐ２に対する上流側の圧力Ｐ１の差（以下、「差圧ΔＰ」と呼ぶ。）を計測する差圧計測手段４４とを備える。
かかる差圧計測手段４４は、オリフィス４０の上流側及び下流側の夫々に圧力センサ４１，４２を設け、圧力センサ４１で計測されたオリフィス４０の上流側の圧力Ｐ１から圧力センサ４２で計測されたオリフィス４０の下流側の圧力Ｐ２を差し引いた値を、上記差圧ΔＰとして求めるように構成されている。

更に、このエンジン１００Ａは、上述したガス状態検出手段４５として、前記差圧計測手段４４で計測された差圧ΔＰの１サイクルでの状態を前記１サイクルでの所定のガス状態として検出する圧力状態検出手段４５Ａを備えている。
即ち、圧力状態検出手段４５Ａは、クランク角センサ４６により検出されるクランク角度θを監視しながら、単位クランク角度毎に差圧計測手段４４で計測された差圧ΔＰを１サイクル分抽出して、図２に示すような１サイクルでの差圧ΔＰの推移を示す差圧データを生成する。
尚、図２のクランク角度の軸において、ピストン２が上死点位置にある点に「ＴＤＣ」を付し、ピストン２が下死点位置にある点に「ＢＤＣ」を付している。

逆止弁１３が正常に動作しているときの差圧データのパターンについて説明を加えると、図２の実線部で示すように、吸気行程開始時から圧縮行程初期に亘っては、逆止弁１３が開弁して上流側通路１４ａに設けられたオリフィス４０には副室１１に供給される燃料ガスＧが順方向（燃料ガス通路１４から副室１１に向かう方向）に流れるため、当該オリフィス４０では上流側に対して下流側の圧力が低下する状態で圧力損失が生じ、差圧計測手段４４で計測される差圧ΔＰが徐々に増加する。
次に、圧縮行程初期から膨張行程終了時までに亘っては、逆止弁１３が閉弁して副室１１への燃料ガスＧの供給が停止するが、吸気行程中に逆止弁１３とオリフィス４０との間の通路内の圧力が低下しているため、膨張行程途中の当該通路の圧力回復時まで、オリフィス４０における上記順方向の燃料ガスＧの流れは徐々になくなり、差圧計測手段４４で計測される差圧ΔＰが徐々に低下して０になる。
次に、排気行程においては、オリフィス４０における燃料ガスＧの流れは本来発生しないことから、差圧計測手段４４で計測された差圧ΔＰは０となるが、排気脈動により副室１１内の圧力が低下するタイミングがあり、そのため逆止弁１３が一時的に僅かに開弁して副室１１へ燃料ガスＧが一時的に僅かに供給される場合があり、そのため差圧計測手段４４で計測される差圧ΔＰも振動する。尚、この排気行程での差圧ΔＰの振動による最小値は、負の値となる場合があるが、その値は予め実験等で予測することができる。

次に、逆止弁１３の動作異常が発生している場合の差圧データのパターンについて説明を加える。
逆止弁１３が閉弁不能状態である場合には、図２の点線部に示すように、圧縮行程及び膨張行程においても逆止弁１３が完全に閉弁せずに、副室１１の圧力上昇に伴って、上流側通路１４ａに設けられたオリフィス４０には燃料ガスＧが逆方向（副室１１から燃料ガス通路１４に向かう方向）に流れる。よって、吸気行程中に圧力が低下した逆止弁１３とオリフィス４０との間の通路内の圧力回復が早くなって、差圧計測手段４４で計測される差圧ΔＰが比較的急激に低下し、更に、その圧力回復後にも上記逆方向の燃料ガスＧの流れが継続することで、膨張行程において当該差圧ΔＰが負の値をとることになる。
一方、逆止弁１３が開弁不能状態である場合には、図示は省略するが、オリフィス４０には燃料ガスＧが流れないために、差圧計測手段４４で計測される差圧ΔＰが常に０となり、当該差圧ΔＰの変化が見られなくなる。

以上のように逆止弁１３の動作異常状態での差圧データは、逆止弁１３が正常に動作しているときの差圧データに対して乖離したものとなるので、逆止弁動作異常判定手段５０は、その双方の差圧データの乖離が大きい場合に上記逆止弁１３の動作異常が発生していると判定し、逆に双方の差圧データの乖離が小さい場合に上記逆止弁が正常であると判定することができる。

具体的に、逆止弁１３の動作異常として閉弁不能状態の有無を判定するための構成としては、上記圧力状態検出手段４５Ａが、差圧計測手段４４で計測された差圧ΔＰの１サイクルでの最小値を検出し、上記逆止弁動作異常判定手段５０が、この検出された差圧ΔＰの１サイクルでの最小値が許容値（例えば排気行程での差圧ΔＰの振動による最小値よりも小さい値）を下回る場合に、圧縮行程及び膨張行程における燃焼室の圧力上昇に伴ってオリフィス４０において逆方向へ燃料ガスＧが流れているとして、逆止弁１３が閉弁不能状態であると判定するように構成されている。
そして、上記逆止弁動作異常判定手段５０は、逆止弁１３が上記閉弁不能状態になっていると判定した場合には、運転を制御する運転制御手段３８に対して停止信号を出力してエンジンの運転を迅速に異常停止させることで、副室１１に適切な燃料ガスＧの供給ができなくなることによる効率低下を防止することができ、更には、副室１１の高温ガスの上流側通路１４ａへの逆流による効率低下や上流側通路１４ａにおける機器の故障を防止することができる。

一方、逆止弁１３の動作異常として開弁不能状態の有無を判定するための構成としては、上記圧力状態検出手段４５Ａが、差圧計測手段４４で計測された差圧ΔＰの１サイクルでの変化率又は変化幅等の変化程度を検出し、上記逆止弁動作異常判定手段５０が、この検出された差圧ΔＰの１サイクルでの変化程度が許容程度を下回る場合に、オリフィス４０における燃料ガスＧの流れが停止しているとして、逆止弁１３が開弁不能状態であると判定するように構成されている。
そして、上記逆止弁動作異常判定手段５０は、逆止弁１３が上記開弁不能状態になっていると判定した場合には、運転制御手段３８に対して停止信号を出力してエンジンの運転を迅速に異常停止させることで、失火の発生による効率低下や未燃炭化水素の排出量増加を防止することができ、更には、吸気路５から主室１０に新気Ｉとして吸気された希薄混合気が燃焼せずに排気路７に流出することによるアフターファイア等のトラブルも防止することができる。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態のエンジン１００Ｂの特徴構成について図３，４に基づいて説明する。
図３に示すエンジン１００Ｂは、燃料ガス通路１４の逆止弁１３の下流側通路１４ｂに挿入された熱電対４７の熱起電力を計測することにより、当該下流側通路１４ｂの温度Ｔを計測する温度計測手段４８を備える。

更に、このエンジン１００Ａは、上述したガス状態検出手段４５として、前記温度計測手段４８で計測された温度Ｔの１サイクルでの状態を前記１サイクルでの所定のガス状態として検出する温度状態検出手段４５Ｂを備えている。
即ち、温度状態検出手段４５Ｂは、クランク角センサ４６により検出されるクランク角度θを監視しながら、単位クランク角度毎に温度計測手段４８で計測された温度Ｔを１サイクル分抽出して、図４に示すような１サイクルでの温度Ｔの推移を示す温度データを生成する。
尚、図４のクランク角度の軸において、ピストン２が上死点位置にある点に「ＴＤＣ」を付し、ピストン２が下死点位置にある点に「ＢＤＣ」を付している。

逆止弁１３が正常に動作しているときの温度データのパターンについて説明を加えると、図４の実線部で示すように、吸気行程においては、逆止弁１３が開弁して逆止弁１３の下流側の下流側通路１４ｂには副室１１に供給される燃料ガスＧが順方向（燃料ガス通路１４から副室１１に向かう方向）に流れるため、温度計測手段４８で計測される下流側通路１４ｂの温度Ｔは略一定となる。
次に、圧縮行程においては、逆止弁１３が閉止して、下流側通路１４ｂがピストン２の上昇に伴い副室１１と共に断熱圧縮されるため、温度計測手段４８で計測される下流側通路１４ｂの温度Ｔは上昇する。
次に、膨張行程初期においては、副室１１において燃料ガスＧが燃焼することにより、温度計測手段４８で計測される下流側通路１４ｂの温度Ｔは更に上昇する。但し、下流側通路１４ｂが副室１１に開口する燃料ガス供給口３２の径が充分に小さいため、副室１１で発生した火炎は燃料ガス供給口３２を通過する際に消炎するので、下流側通路１４ｂまで火炎は到達しない。
その後、膨張行程後期においては、ピストンの降下に伴って、温度計測手段４８で計測される下流側通路１４ｂの温度Ｔは低下し、更に、排気行程においては、排気により副室１１の圧力が低下するのに伴って、温度計測手段４８で計測される下流側通路１４ｂの温度Ｔは更に低下する。

次に、逆止弁１３の動作異常が発生している場合の温度データのパターンについて説明を加える。
逆止弁１３が閉弁不能状態である場合には、図４の点線部に示すように、圧縮行程及び膨張行程においても逆止弁１３が完全に閉弁せずに、副室１１の圧力上昇に伴って、下流側通路１４ｂには副室１１のガスが逆流する。よって、膨張行程においては、副室１１で燃焼した非常に高温のガスが下流側通路１４ｂに流入して、温度計測手段４８で計測される下流側通路１４ｂの温度Ｔは急激に上昇する。
一方、逆止弁１３が開弁不能状態である場合には、図４の一点鎖線部に示すように、副室１１において燃料ガスＧが供給されず燃焼が起こらないので、膨張行程においても温度計測手段４８で計測される下流側通路１４ｂの温度Ｔは上昇せず、逆に副室１１の断熱膨張に伴って低下するというように、圧縮行程で断熱圧縮により上昇した温度Ｔは膨張行程開始と同時に低下し始める。

以上のように逆止弁１３の動作異常状態での温度データは、逆止弁１３が正常に動作しているときの差圧データに対して乖離したものとなるので、逆止弁動作異常判定手段５０は、その双方の温度データの乖離が大きい場合に上記逆止弁１３の動作異常が発生していると判定し、逆に双方の温度データの乖離が小さい場合に上記逆止弁が正常であると判定することができる。

具体的に、逆止弁１３の動作異常として閉弁不能状態の有無を判定するための構成としては、上記温度状態検出手段４５Ｂが、温度計測手段４４で計測された下流側通路１４ｂの温度Ｔの１サイクルでの最大値を検出し、上記逆止弁動作異常判定手段５０が、この検出された温度Ｔの１サイクルでの最大値が許容値（例えば４００℃〜５００℃程度）を上回る場合に、膨張行程において副室１１で燃焼した非常に高温のガスが下流側通路１４ｂに流入したとして、逆止弁１３が閉弁不能状態であると判定するように構成されている。
そして、上記逆止弁動作異常判定手段５０は、逆止弁１３が上記閉弁不能状態になっていると判定した場合には、運転を制御する運転制御手段３８に対して停止信号を出力してエンジンの運転を迅速に異常停止させることで、副室１１に適切な燃料ガスＧの供給ができなくなることによる効率低下を防止することができ、更には、副室１１の高温ガスの上流側通路１４ａへの逆流による効率低下や上流側通路１４ａにおける機器の故障を防止することができる。

一方、逆止弁１３の動作異常として開弁不能状態の有無を判定するための構成としては、上記温度状態検出手段４５Ｂが、温度計測手段４８で計測された下流側通路１４ｂの温度Ｔの１サイクルでの最大時期（最大値となったときのクランク角度）を検出し、上記逆止弁動作異常判定手段５０が、この検出された温度Ｔの１サイクルでの最大時期が許容時期（例えば、膨張行程開始直後の時期）よりも前である場合（図４の一点鎖線で示す状態を参照）に、圧縮行程で断熱圧縮により上昇した温度Ｔは膨張行程開始と同時に低下し始めたとして、逆止弁１３が開弁不能状態であると判定するように構成されている。
そして、上記逆止弁動作異常判定手段５０は、逆止弁１３が上記開弁不能状態になっていると判定した場合には、運転制御手段３８に対して停止信号を出力してエンジンの運転を迅速に異常停止させることで、失火の発生による効率低下や未燃炭化水素の排出量増加を防止することができ、更には、吸気路５から主室１０に新気Ｉとして吸気された希薄混合気が燃焼せずに排気路７に流出することによるアフターファイア等のトラブルも防止することができる。

尚、上記実施の形態では、燃料ガスＧを都市ガス（１３Ａ）としたが、上記都市ガス以外に水素やプロパン等の気体燃料ガスやＣＯやＨ₂を主成分とする炭化水素以外の気体燃料ガスを用いることができる。
また、上記実施の形態では、本発明に係るエンジンを副室式エンジンとして構成したが、別に単室式のエンジンとして構成しても構わない。

本発明に係るエンジンは、逆止弁を通じて燃料ガス通路から燃焼室に燃料ガスを供給するにあたり、簡単且つ小型な機構を追加するだけで、逆止弁の動作異常を迅速に判定することができるエンジンとして有効に利用可能である。

第１実施形態のエンジンを示す概略構成図１サイクルでの差圧の状態を示すグラフ図第２実施形態のエンジンを示す概略構成図１サイクルでの温度の状態を示すグラフ図

符号の説明

１：燃焼室
１０：主室
１１：副室
１３：逆止弁
１４ｂ：下流側通路
１４ａ：上流側通路
１４：燃料ガス通路
２１：噴孔
４０：オリフィス
４４：差圧計測手段
４５：ガス状態検出手段
４５Ａ：圧力状態検出手段
４５Ｂ：温度状態検出手段
４８：温度計測手段
５０：逆止弁動作異常判定手段
１００，１００Ａ，１００Ｂ：エンジン
Ｇ：燃料ガス
Ｔ：温度
ΔＰ：差圧

Claims

逆止弁を通じて燃料ガス通路から燃焼室に燃料ガスを供給するエンジンであって、
前記燃料ガス通路における１サイクルでの所定のガス状態を検出するガス状態検出手段と、
１サイクル毎に、前記ガス状態検出手段の検出結果に基づいて前記逆止弁の動作異常の有無を判定する逆止弁動作異常判定手段とを備えたエンジン。
前記燃焼室として、ピストンに面する主室と、当該主室に噴孔を介して連通する副室とを備え、
前記燃料ガス通路が、前記副室に接続されている請求項１に記載のエンジン。
前記燃料ガス通路の前記逆止弁の上流側通路に、オリフィスと、当該オリフィスの下流側に対する上流側の差圧を計測する差圧計測手段とを備え、
前記ガス状態検出手段として、前記差圧計測手段で計測された差圧の１サイクルでの状態を前記１サイクルでの所定のガス状態として検出する圧力状態検出手段を備えた請求項１又は２に記載のエンジン。
前記圧力状態検出手段が、前記差圧計測手段で計測された差圧の１サイクルでの最小値及び変化程度を検出し、
前記逆止弁動作異常判定手段が、前記差圧の１サイクルでの最小値が許容値を下回る場合に前記逆止弁が閉弁不能状態であると判定し、前記差圧の１サイクルでの変化程度が許容程度を下回る場合に前記逆止弁が開弁不能状態であると判定する請求項３に記載のエンジン。
前記圧力状態検出手段が、前記差圧の１サイクルでの変化程度として、前記差圧の１サイクルでの変化率又は変化幅を検出する請求項４に記載のエンジン。
前記燃料ガス通路の前記逆止弁の下流側通路の温度を計測する温度計測手段を備え、
前記ガス状態検出手段として、前記温度計測手段で計測された温度の１サイクルでの状態を前記１サイクルでの所定のガス状態として検出する温度状態検出手段を備えた請求項１又は２に記載のエンジン。
前記温度状態検出手段が、前記温度計測手段で計測された温度の１サイクルでの最大値及び最大時期を検出し、
前記逆止弁動作異常判定手段が、前記温度の１サイクルでの最大値が許容値を上回る場合に前記逆止弁が閉弁不能状態であると判定し、一方、前記温度の１サイクルでの最大時期が許容時期より前である場合に前記逆止弁が開弁不能状態であると判定する請求項６に記載のエンジン。