JP2009144707A - ガスエンジン、特にガス状の燃料・空気混合気を点火するための点火装置を備えたガスオットーエンジン - Google Patents

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Abstract

【課題】新式のガスエンジンおよびガスエンジンのための新式の点火装置を考案すること
【解決手段】本発明は、ガス状燃料・空気混合気に点火するために燃焼室(１)内または予燃焼室(３)内に突出する点火装置を有する、ガス状燃料・空気混合気を燃焼させるためのガスエンジン、特に圧縮混合気を使用したガスオットーエンジンに関する。点火装置(２)は、高圧ガス噴射器(４)と、熱用シールド(６)を有する加熱部材(５)とを含む。加熱部材(５)と高圧ガス噴射器(４)との間隔が選択されることで噴射器(４)によって供給されるガス状燃料が加熱部材(５)の領域で体積(７)を決定し、当該体積においては、加熱部材(５)は開始プロセスにあたり、高圧縮のガス状燃料に点火を行うため自己点火温度を能動的に提供でき、その結果、高圧縮のガス状自己点火式燃料は再度、主燃焼室(１)に供給される量のガスの点火装置として機能しうる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスエンジン、特に請求項１のおいて書き部分に記載の点火装置を備えた、圧縮混合気を使用したガスオットーエンジンに関する。
ガスエンジンでは、ガス状の燃料・空気混合気が燃焼させられるが、当該ガス状燃料・空気混合気は、当該ガスエンジンの少なくとも１つの点火装置によって点火される。従来技術から知られているガスエンジンでは、当該点火装置は点火プラグとして形成され、当該プラグは仕切りのない燃料室内部か、または主燃料室から分離された予燃焼室内部へ突出し、燃料室もしくは予燃室内で当該ガス状燃料・空気混合気に点火する。このとき、点火するためには高い点火エネルギーと点火温度が必要となるが、当該エネルギーおよび温度は、エンジンの出力が上がるにつれ、過度に高くなる。特許文献１からは、圧縮混合気を使用して自己点火を行う内燃機関が知られており、当該内燃機関では、ガス状の燃料・空気からなる混合気への点火は点火装置を用いて行われ、当該点火装置の点火エネルギーを供給する点火源は、点火される燃料・空気混合気もしくは、点火される燃料・空気混合気から成るガス状大気と直接接触している。前記内燃機関では、噴射によって高い点火エネルギーが供給されるが、当該エネルギーはいわゆる火花点火式の場合よりも高いものである。したがって、従来技術では、点火装置の点火源は腐食しやすい条件に置かれており、それによって当該装置は早めに磨耗する可能性がある。そして最終的には、耐用期間の短縮もしくは保守整備間隔の短縮をもたらし、ガスエンジンのコストが増大する。
独国特許出願公開第１０２１７９９６号明細書
上記の点に鑑み、本発明の課題は、新式のガスエンジンおよびガスエンジンのための新式の点火装置を考案することにある。本課題は、請求項１に係るガスエンジンによって解決される。
本発明は、圧縮混合気を使用するガス状燃料のための火花点火式内燃機関であって、ガス状の燃料・空気混合気を燃焼させるために自己点火式点火装置、すなわちガスエンジン、特にガスオットーエンジンを備え、ガス状燃料・空気混合気に点火するために主燃焼室または予燃焼室に突出する少なくとも１つの点火装置を有し、このとき前記点火装置は高圧ガス噴射器と、熱用シールドを有する加熱部材とを備え、当該加熱部材と前記高圧ガス噴射器との間隔が選択され、それによって高圧ガス噴射器を用いて供給されるガス状燃料が加熱部材の領域で体積を決定し、当該体積においては、加熱部材は開始プロセスにあたり、高圧縮のガス状燃料に点火するために自己点火温度を能動的に提供することが可能であり、その結果、高圧縮のガス状自己点火式燃料はふたたび、前記主燃焼室に供給される量のガスの点火装置として機能しうる。
好適には、ガス状燃料は高圧ガス噴射器から噴射される際、熱力学的プロセスにおける圧縮最終圧力のほぼ１．５倍から３倍の圧力となる。
運転に用いる予定のガス状燃料全体の好適には０．２％〜５０％、さらに好適には０．５％〜１．５％が、高圧縮され、高圧ガス噴射器を用いて点火装置を通過する。
好適にはガス状燃料全体の約０．５％〜１．５％で、高圧縮されて供給されるガス状燃料は、最適の定格と運転挙動につながる。
第一の好適な実施例では、点火装置は主燃焼室から分離された予燃焼室に組み込まれており、当該予燃焼室は、少なくとも１つのブロー流出用開口部を介して前記主燃焼室と連通されている。ブロー流出用開口部の断面積全体に対する予燃焼室の体積の割合は、好適には５０〜８０ｃｍ３／ｃｍ２である。圧縮終了時には予燃焼室の体積は、好適には主燃焼室の体積の約０．５％〜５％となる。
本発明では、主燃焼室に至る噴出開口部の断面積に対する予燃焼室の体積の割合をあらかじめ定めることによって、サイクル変動が減少し、内燃機関の運転が安定するという利点が生じる。
本発明のさらなる有利な実施態様によれば、点火装置は主燃焼室に組み込まれており、点火を誘導するための点火可能な混合気の体積は、高圧縮された状態で噴射されるガス状燃料のジェット流拡散（ｆ（ｔ））によって決定されている。
本発明のさらなる有利な実施態様は、個々の従属請求項と後続の詳細な説明に記載されている。本発明の実施例については、以下に図を用いて詳細に説明するが、本発明はこれに限定されない。
図１はガスオットーエンジンを著しく単純化した図であって、当該図に図示されていないガスエンジンの燃焼室に点火装置（２）が突出しており、それによって前記燃焼室に直接供給されたガス状燃料・空気混合気に点火が行われる。点火装置（２）は高圧ガス噴射器（４）と、熱用シールド（６）を有する加熱部材（５）とを備え、加熱部材（５）と高圧ガス噴射器（４）との間隔が選択され、それによって高圧ガス噴射器（４）を用いて供給されるガス状燃料が加熱部材（５）の領域で体積（７）を決定し、当該体積においては、加熱部材（５）は開始プロセスにあたり、高圧縮されたガス状燃料に点火するために自己点火温度を能動的に提供することが可能である。
点火は、少量のガス状燃料を、高圧ガス噴射器（４）によって、加熱部材（５）の高温となっている表面付近に噴射することで実現される。加熱部材（５）の当該表面では、開始プロセスにあたり能動的な加熱が行われ、開始プロセス終了後には当該表面は、燃焼エネルギーによって加熱される蓄熱装置として機能する。当該表面は、能動的および受動的加熱のために、部材（５）（図１の左側）か、あるいは２つの互いに分離した部材（５ａ、５ｂ）の形で実施されうる。このとき、高圧ガス噴射器（４）は高圧ガス噴射弁を含むことができ、当該弁はコモンレールシステムのインジェクタのコンセプトに類似して実施される。
図２の実施例では、点火装置は主燃焼室（１）から分離された予燃焼室（３）に組み込まれており、当該予燃焼室は少なくとも１つのブロー流出用開口部を介して主燃焼室（１）と連通されている。このとき予燃焼室（３）は、ブロー流出用開口部の断面積全体に対する予燃焼室（３）の体積の割合が５０〜８０ｃｍ３／ｃｍ２となるように実施される。予燃焼室（３）の体積は、圧縮終了時には主燃焼室（１）の体積の約０．５％〜５％となるように設計されている。
燃料ガスを自己点火させるべく予燃焼室（３）中の圧力は急速に増大し、部分的に燃焼したガスはブロー流出用開口部を通じて燃焼室（１）へ流入し、当該燃焼室内で燃料ガス・空気混合気に点火する。ブロー流出用開口部の断面積に対する予燃焼室（３）の体積の割合をあらかじめ定めることによって、予燃焼室内（３）の最適な圧力増加と、それに続く主燃焼室（１）への集中的な流入が実現し、それによって主燃焼室（１）での燃料ガス・空気混合気の有利な安定した点火が実現しうる。
受動的な運転においても、加熱部材（５）は点火源として機能する。予燃焼室の点火エネルギーによって供給されたエネルギーは、点火装置（２）を自己点火温度に保つからである（原理：受動的蓄熱装置のキャリア）。
図３の実施例では、点火装置（２）は主燃焼室（１）に組み込まれている。点火を誘導するための点火可能な混合気の体積は、ジェット流拡散（ｆ（ｔ））によって決定されている。ガス状燃料は熱力学的プロセスにおける圧縮最終圧力のほぼ１．５倍から３倍の圧力で体積（７）中に噴射される。このとき、運転に使用されるガス状燃料全体の０．２％〜５０％が高圧縮されて体積（７）中に噴射されるが、しかしながら好適には運転に使用されるガス状燃料全体量の０．５％〜１．５％のみである。高圧ガス噴射器（４）によって熱用シールド（６）を有する加熱部材（５）の周囲に形成される、点火可能な混合気は、加熱部材（５）の高温表面によって必要な自己点火温度が実現することで、自己点火へと導かれる。自己点火した燃料ガスは、主燃焼室（１）への直接流入（８）によって供給されるガス・空気混合気（Λ約２．２）の形態の主燃料にとって、点火装置として機能するため、ここでは火花点火式内燃機関の原理が実現される。
図示されている実施例では、高圧ガス噴射器（４）は高圧ガス噴射弁を含む。当該ガス弁は、可動式ニードルを有するニードル台座を特徴とする。当該ニードルは切替え装置によって、ニードル台座とニードルの間の横断面を開放し、当該横断面を通じて、開放された横断面と生じている圧力差とから決定される量のガスが噴射される。当該ガス噴射弁に印加されるガス圧は、熱力学的プロセスにおける圧縮最終圧力のほぼ１．５倍から３倍となる。
本発明に係るガスエンジンの原理、特に本発明に係る点火装置を著しく単純化した図である。 本発明の第一の実施例による、本発明に係るガスエンジンを著しく単純化した図である。 本発明の第二の実施例による、本発明に係るガスエンジンを著しく単純化した図である。
符号の説明
１ 主燃焼室
２ 点火装置
３ 予燃焼室
４ 高圧ガス噴射器
５ 加熱部材
５ａ，５ｂ 分離した部材としての加熱部材
６ 熱用シールド
７ 体積
８ 主燃料の流入

Claims (10)

  1. ガス状燃料・空気混合気に点火するために主燃焼室内または予燃焼室内に突出している少なくとも１つの点火装置を有する、ガス状燃料・空気混合気を燃焼させるためのガスエンジン、特に圧縮混合気を使用したガスオットーエンジンであって、前記点火装置（２）は高圧ガス噴射器（４）と、熱用シールド（６）を有する加熱部材（５）とを含み、前記高圧ガス噴射器（４）に関する前記加熱部材（５）の配置が選択され、それによって前記高圧ガス噴射器（４）を用いて供給されるガス状燃料が前記加熱部材（５）の領域で体積（７）を決定し、当該体積においては、前記加熱部材（５）は開始プロセスにあたり、高圧縮されたガス状燃料に点火するために自己点火温度を能動的に提供することが可能であり、その結果、高圧縮されたガス状自己点火式燃料はふたたび、前記主燃焼室（１）に供給される量のガスの点火装置として機能しうることを特徴とするガスエンジン。
  2. 前記ガス状燃料は前記高圧ガス噴射器（４）から噴射される際、熱力学的プロセスにおける圧縮最終圧力のほぼ１．５倍から３倍の圧力となることを特徴とする請求項１に記載のガスエンジン。
  3. 運転に用いられるガス状燃料全体の０．２％〜５０％が高圧縮された状態で、前記高圧ガス噴射器（４）によって前記点火装置（２）を通過することを特徴とする請求項２に記載のガスエンジン。
  4. 運転に用いられるガス状燃料全体の０．５％〜１．５％が高圧縮された状態で、前記高圧ガス噴射器（４）によって前記点火装置（２）を通過することを特徴とする請求項２に記載のガスエンジン。
  5. 前記高圧ガス噴射器（４）が高圧ガス噴射弁を含むことを特徴とする請求項１に記載のガスエンジン。
  6. 前記加熱部材（５）の表面が、能動的および受動的加熱の際に、１つの部材（５）によって、あるいは２つの互いに分離した部材（５ａ、５ｂ）として実施されていることを特徴とする請求項１に記載のガスエンジン。
  7. 前記点火装置（２）は前記主燃焼室（１）から分離された予燃焼室（３）に組み込まれており、当該予燃焼室は、少なくとも１つのブロー流出用開口部を介して前記主燃焼室（１）と連通されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のガスエンジン。
  8. 前記ブロー流出用開口部の断面積全体に対する前記予燃焼室（３）の体積の割合が５０〜８０ｃｍ３／ｃｍ２であることを特徴とする請求項７に記載のガスエンジン。
  9. 圧縮終了時には前記予燃焼室（３）の体積が前記主燃焼室（１）の体積の約０．５％〜５％となることを特徴とする請求項７または請求項８に記載のガスエンジン。
  10. 前記点火装置（２）が前記主燃焼室（１）に組み込まれており、点火を誘導するための点火可能な混合気の体積（７）が、高圧縮された状態で噴射されるガス状燃料のジェット流拡散（ｆ（ｔ））によって決定されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のガスエンジン。
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