JP2009500560A - 内燃機関運転方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、少なくとも１エンジンウンテン域において、主燃焼室（５）に供給された燃料ガス／空気混合気の燃焼が予燃焼室（６）内の着火性燃料／空気混合気の着火によって開始され、その際、予燃焼室内に圧縮行程の終了付近で液体燃料の自己着火によって燃焼する燃料／空気混合気が発生するように構成した、気体燃料で駆動される内燃機関の運転方法に関する。効率を上げると共にエミッションの低減を実現するため、１作動サイクル内に複数回液体燃料が前記予燃焼室（６）内に噴射される。

Description

本発明は、気体燃料で駆動される内燃機関を運転させるための方法であって、少なくとも１つのエンジン運転域において、主燃焼室に供給された燃料ガスと空気との混合気の燃焼が予燃焼室内の着火性燃料と空気との混合気の着火によって導かれ、その際、前記予燃焼室内において圧縮行程終了付近で液体燃料の自己着火によって燃焼する燃料と空気との混合気が生じるように構成されたものに関する。
少なくとも１つのエンジン運転域において、主燃焼室に供給された燃料ガスと空気との混合気の燃焼が予燃焼室における着火性燃料と空気との混合気の着火によって導かれる、気体燃料で駆動される内燃機関運転方法が知られている（例えば，特許文献１参照）。予燃焼室において燃料と空気との均質な混合気が発生させられ、予燃焼室内に生じたこの燃料と空気との均質な混合気は圧縮行程終了付近で自己着火プロセスによって自然かつ均質に燃焼する。これによって、エミッションをできるだけ低く保つと共に、高い効率を達成することが可能である。
予燃焼室式燃焼方法は、特に、一定のシリンダ行程容積以上のリーンバーン（つまり、高い空気／燃料比）方式で運転されるガス機関に適用される。主燃焼室での直接の燃焼開始ではなく予燃焼室で燃焼開始が行われる利点は、高い空気／燃料比であっても低い着火エネルギーでも十分にシリンダチャージ全体の効果的にもかかわらず有害物質排出の少ない燃焼が保証されることである。
燃料ガスと空気との混合気は圧縮行程の間に主燃焼室から予燃焼室に流入し、その結果、予燃焼室内に燃焼性混合気が生ずる。この燃料ガスと空気との混合気の着火のため、従来、電気点火システムまたはパイロット噴射方式が利用されている。電気火花点火の場合には、燃焼開始場所において主燃焼室に比較して著しく濃厚で、着火し易い混合気を得るために、さらになお多くの純粋な燃料ガスまたは燃料ガスと空気との混合気が予燃焼室内に供給される。電気点火システムの場合には、点火プラグの電極間の点火火花のフラッシオーバによって燃焼が開始されるが、他方、パイロット噴射方式の場合には、少量の液体燃料が高圧で予燃焼室内に噴射される。これは十分に高い圧縮温度時に自己着火し、続いて燃料ガスと空気との混合気の燃焼を導く。
主燃焼室内の燃料ガスと空気との混合気は予燃焼室から流れ込む火炎によって着火される。
予燃焼室内に高圧縮気体燃料が吹き込まれてそこで着火させられる、混合気圧縮過給式ガス機関の運転を最適化するための方法が公知である（例えば特許文献２参照）。この場合、吹き込みは約２５０乃至３００ｂａｒの圧力下で行われる。これには比較的高コストの吹き込みシステムが必要である。燃料の高圧縮化は付加的な仕事の発生と、それゆえの付加的な効率低下をもたらす。
電気点火方式およびパイロット噴射方式の短所は、予燃焼室内に窒素酸化物が多量に発生すると共に、場合により、これらの有害物質の排出量を相対的に高めるかなりの量の粒子も発生することである。他方、これらのエミッションに関する最適化技術もまた、予燃焼室から溢れ出る火炎のエネルギーが低く、したがって、主燃焼室内の燃焼が緩慢で、効率が悪化するという短所を有している。特に電気点火式の技術は点火プラグの寿命が限られているというさらに重大な短所を有している。
オーストリア登録実用新案第００６２９０号明細書 ドイツ出願公開第４４１９４２９号明細書
本発明の目的は、気体燃料で駆動される内燃機関を運転させるための方法であって、効率のさらなる向上とエミッションの低減を達成することができる内燃機関運転方法を提供することである。
上記目的を達成するため、本発明による内燃機関運転方法では、少なくとも１つのエンジン運転域において、主燃焼室に供給された燃料ガスと空気との混合気の燃焼が予燃焼室内の着火性燃料と空気との混合気の着火によって導かれ、その際、前記予燃焼室内において圧縮行程終了付近で液体燃料の自己着火によって燃焼する燃料と空気との混合気が生じるように構成され、１つの作動サイクルの間に液体燃料が前記予燃焼室内に複数回噴射される。
その際、好ましくは、少なくとも初回の噴射は圧縮行程の開始時に、好ましくは着火上死点前１８０°と本来の着火時点の直前までの間の領域内で行われ、好ましくは少なくとも第２回の噴射は圧縮行程の後半に、好ましくは上死点前３０°と上死点までの間の領域内で行われる。この場合、前記初回噴射の燃料量は前記第２回の噴射燃料量よりも多くてもよい。
前記初回の噴射が圧縮行程の早期相で行われることにより、前記予燃焼室内において燃料と空気との混合気の広範な均質化が達成される。着火上死点の領域における前記第２回の燃料噴射は本来の着火に使用され、その際、前記着火には非常に少量の燃料しか必要でない。
複数回噴射と前記少量の２回目の噴射とによって、点火時点には予燃焼室内に不均質な混合気成分は僅かに存在するにすぎず、そのため、前記予燃焼室内の燃料は非常に急速かつ有害物質低発生量の下で燃焼することができる。これは一方で、粒子およびＮＯｘエミッションに有利に作用すると共に、他方で、前記予燃焼室内のより多くのエネルギーが主燃焼室におけるより急速な燃焼に利用される結果をもたらす。結果として、より高い平均圧力が達成されることにより、より高い効率を達成することができる。
以下に本発明を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は往復ピストン２を備えた、気体燃料で駆動される内燃機関のシリンダ１を概略的に示している。燃料ガスと空気との混合気は吸気路３を経て吸気弁４の開放時に主燃焼室５内に流入し、その後、圧縮行程中に予燃焼室６内に押し込まれる。予燃焼室６内には噴射装置７によって燃料が複数回噴射され、その際、初回の燃料噴射は圧縮行程の開始時、着火上死点前１８０°のクランク角から本来の着火時点の直前までの間の領域内で行われる。この早期燃料噴射によって、予燃焼室６内に燃料と空気とのほぼ均質な混合気が形成される。本来の着火は着火上死点の領域での噴射装置７による２回目の燃料噴射によって実現する。その際、２回目の燃料噴射量は非常に僅かである。これにより、２回目の噴射に起因するエミッションをできるだけ低く抑えることができる。ただし、燃焼室温度が非常に高い場合には、早すぎ着火を回避するため、初回の燃料噴射量を２回目の噴射に比較して僅かに抑える程度のものとすることも好適である。
予燃焼室６は、１つのまたは複数の孔８を介して主燃焼室５と流通している。２回目の燃料噴射によって、予燃焼室６内にある燃料と空気との均質な混合気は圧縮行程の終了付近で、つまりピストン２が着火上死点に達する直前に着火させられ、それにより、予燃焼室６内の混合気全体が燃焼する。この自己着火プロセスを確実に開始させ得るように、加熱装置９又は断熱あるいはその両方による予燃焼室６の壁面の加熱が行なわれてもよい。
着火補助として、始動時には、場合により、予燃焼室６内または主燃焼室５内に取り付けられた点火プラグおよびグロープラグ１０を使用することができる。
予燃焼室６内における特に急速な燃焼は、高い圧力上昇と、その後に主燃焼室５内の燃料ガスと空気との混合気を着火させる極めて高いインパルスを有した高エネルギーの火炎とをもたらす。主燃焼室５内の燃焼挙動は予燃焼室６内の燃焼と同様に火炎面の動きに左右される。
上述した方法は、特にＮＯｘおよび粒子の最小限のエミッションならびに非常に高い効率を実現することを特徴としている。こうした低エミッションは、不均質なディーゼル分が減少させられて、極めて僅かのＮＯｘと粒子しか形成されず、主燃焼室５内でもこれらの有害物質が十分に高い空燃比によって同じく低く抑えられることによる。主燃焼室５内の高空燃比にもかかわらず、予燃焼室６から主燃焼室５内に流れ込む高エネルギーの火炎によって、高効率の急速な燃焼が保証される。
これらの結果、最高効率と同時に最小限のＮＯｘおよび粒子エミッションの実現が可能になる。
本発明による方法によって運転される、気体燃料で駆動される内燃機関のシリンダ１を概略的に示す模式図

Claims (5)

  1. 気体燃料で駆動される内燃機関を運転させるための方法であって、
    少なくとも１つのエンジン運転域において、主燃焼室（５）に供給された燃料ガスと空気との混合気の燃焼が予燃焼室（６）内の着火性燃料と空気との混合気の着火によって導かれ、その際、前記予燃焼室内において圧縮行程終了付近で液体燃料の自己着火によって燃焼する燃料と空気との混合気が生じるように構成され、１つの作動サイクルの間に液体燃料が前記予燃焼室（６）内に複数回噴射されることを特徴とする内燃機関運転方法。
  2. 少なくとも初回の噴射は圧縮行程の開始時に、好ましくは着火上死点前１８０°のクランク角から本来の着火時点の直前までの間の領域で行われることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関運転方法。
  3. 少なくとも２回目の噴射は圧縮行程の後半に、好ましくは上死点前３０°と上死点までの間の領域内で行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関運転方法。
  4. 初回噴射の燃料量は２回目の噴射燃料量よりも多いことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関運転方法。
  5. 初回の噴射後に前記予燃焼室（６）内に燃料と空気との均質な混合気が生ずることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関運転方法。
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