JP2012172657A - 副室式火花点火ガスエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】副室内の圧力を検出せずに、他のパラメータを用いて簡易にさらなる安定燃焼を可能にする。
【解決手段】主室６８に燃料ガスｇを供給する主室ガス供給分岐管２８ａには主室ガス圧力調整弁４８ａが設けられ、副室７２に燃料ガスｇを供給する副室ガス供給分岐管２８ｂには副室ガス圧力調整弁４８ｂが設けられている。コントローラ５０により、主室燃料ガス圧Ｐｍと給気圧Ｐｓとの差圧ΔＰｍと、副室燃料ガス圧Ｐｐと給気圧Ｐｓとの差圧ΔＰｐとの比ΔＰｐ／ΔＰｍを制御することで、副室内空気過剰率λを理論空燃比となるように制御する。これによって、主室６８の安定燃焼を可能にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、副室内の空気過剰率を適正に制御して、安定燃焼を可能にした副室式火花点火ガスエンジンに関する。

副室式火花点火ガスエンジンは、シリンダヘッドに副室が設けられ、副室内に燃料ガスの一部を供給し、着火装置により着火させるものである。シリンダヘッドの内側とピストン上面間に主室が形成され、副室内で着火した燃焼ガスは、副室に設けられた噴孔を介して主室内の混合ガスを燃焼させる。これによって、主室内の混合ガスが希薄混合ガスであっても燃焼可能にすることで、低燃費を実現している。また、主室での希薄混合ガスの燃焼は、比較的低温の燃焼であるため、ＮＯ_Ｘ等の発生量を低減し、低公害を実現できる。

この副室式火花点火ガスエンジンでは、出力向上や熱効率向上を図る上で、ノッキングや失火の発生が問題となる。特許文献１には、副室式火花点火ガスエンジンにおいて、副室及び主室に燃料ガスを供給する供給管に、夫々圧力調整弁及び燃料ガス供給弁を介設した構成が開示されている。特許文献１では、ノッキング、失火を防止するためには、主室内の状態だけでなく、副室内の状態を検出し、副室内の状態を適正に制御する必要があるとの認識の下に、副室内の圧力を検出する圧力検出器を設け、副室内圧力を適正に制御することで、副室に供給する燃料ガス量を適正に制御するようにした安定燃焼手段を採用している。

該安定燃焼手段は、副室内ガス圧に基づき、副室に供給される燃料ガス量を調整する副室ガス圧力調整弁の開度を制御するコントローラを備え、圧縮行程における副室内ガス圧のピーク値を検出し、該ピーク値が許容範囲外であるとき、該コントローラによって副室ガス圧力調整弁の開度を増減し、副室に供給される燃料ガス量を調整し、これによって、副室内の燃料ガス濃度を常に適正濃度に保ち、副室内の燃焼のばらつきを抑えるようにしている。

特開２００９−２０３９５２号公開公報

特許文献１に開示された安定燃焼手段は、副室内圧力を検出する圧力検出器を設ける必要があり、そのため、制御手段が高価になる。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、副室式火花点火ガスエンジンにおいて、副室内の圧力を検出せずに、他のパラメータを用いて簡易かつ低コストでさらなる安定燃焼を可能にする制御手段を実現することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明の副室式火花点火ガスエンジンは、シリンダと、シリンダ内に収納され往復運動するピストンと、ピストンにより回転駆動されるクランク軸と、シリンダヘッドに設けられた副室と、シリンダヘッドの内側とピストンの上面間に形成された主室とを備えた副室式火花点火ガスエンジンにおいて、副室に供給される燃料ガス圧を調整する副室ガス圧力調整弁と、主室に給気する給気ポートに接続された燃料ガス供給管に設けられ、主室に供給される燃料ガス圧を調整する主室ガス圧力調整弁と、主室ガス圧力調整弁によって調整された主室燃料ガス圧Ｐｍと給気ポートから主室に供給される給気の圧力Ｐｓとの差ΔＰｍと、副室ガス圧力調整弁によって調整された副室燃料ガス圧Ｐｐと給気圧Ｐｓとの差ΔＰｐとを制御して副室内空気過剰率を制御するコントローラと、を備えているものである。

本発明者等は、副室式火花点火ガスエンジンにおいて、主室内の安定燃焼を実現するためには、副室内の空気過剰率を理論空燃比に制御することが極めて重要であるとの知見を得た。この知見に基き、本発明は、主室及び副室に供給する燃料ガスの圧力を給気圧に対して適正に制御することで、副室内空気過剰率を理論空燃比となるように制御するようにしたものである。

副室内空気過剰率は、主室から噴孔を介して副室に流入する混合ガスの流量と、副室内に供給される燃料ガス量とによって決まる。そのため、コントローラによって、ΔＰｍ及びΔＰｐを制御することにより、副室内空気過剰率を理論空燃比となるように制御し、副室内での着火を安定化させる。これによって、主室の安定燃焼を可能にし、ガスエンジンの出力及び熱効率をさらに向上できる。また、副室内ガス圧を検出する圧力検出器が不要になり、制御機構を簡素化かつ低コスト化できる。

本発明装置において、コントローラによって、ΔＰｐ／ΔＰｍが０．５〜０．７となるように制御するとよい。これによって、燃焼時に発生する主室内の最高圧力のばらつきを最小限に抑えることができ、さらなる安定燃焼を可能にする。

本発明装置において、主室ガス圧力調整弁及び副室ガス圧力調整弁が機械式圧力調整弁であり、ΔＰｍ及びΔＰｐが異なるエンジン負荷に対して常に一定値となるように構成されているとよい。このように、主室ガス圧力調整弁及び副室ガス圧力調整弁を機械式としたことにより、これらの圧力調整弁を電気的に制御するための制御機構が不要となり、これら圧力調整弁の制御機構を簡素化かつ低コスト化できる。

本発明装置において、主室ガス圧力調整弁及び副室ガス圧力調整弁が電気式圧力調整弁であり、コントローラによって、異なるエンジン負荷に対してΔＰｍ及びΔＰｐが可変となるように構成されているとよい。このように、圧力差ΔＰｍ及びΔＰｐを可変とすることで、副室内空気過剰率をより高精度に制御でき、これによって、主室の燃焼状態をさらに安定化できる。

本発明装置において、異なるエンジン負荷毎に、エンジン負荷と目標とする副室内空気過剰率となるΔＰｍ及びΔＰｐとの関係を示すマップを予め作成しておき、コントローラにより、前記マップに基づいてエンジン負荷の変動に応じてΔＰｍ及びΔＰｐを制御するようにするとよい。これによって、エンジン負荷が変動したときでも、常に安定燃焼を可能にし、ガスエンジンの出力向上及び熱効率向上を達成できる。

本発明装置によれば、シリンダと、シリンダ内に収納され往復運動するピストンと、ピストンにより回転駆動されるクランク軸と、シリンダヘッドに設けられた副室と、シリンダヘッドの内側とピストンの上面間に形成された主室とを備えた副室式火花点火ガスエンジンにおいて、副室に供給される燃料ガス圧を調整する副室ガス圧力調整弁と、主室に給気する給気ポートに接続された燃料ガス供給管に設けられ、主室に供給される燃料ガス圧を調整する主室ガス圧力調整弁と、主室ガス圧力調整弁によって調整された主室燃料ガス圧Ｐｍと給気ポートから主室に供給される給気の圧力Ｐｓとの差ΔＰｍと、副室ガス圧力調整弁によって調整された副室燃料ガス圧Ｐｐと給気圧Ｐｓとの差ΔＰｐと制御して副室内空気過剰率を理論空燃比となるように制御するコントローラと、を備えているので、副室での着火を安定化できる。これによって、主室内の燃焼状態を安定化でき、出力及び熱効率を向上できる。また、副室内ガス圧を検出する圧力検出器が不要になり、制御機構を簡素化かつ低コスト化できる。

本発明装置の第１実施形態に係るガスエンジンの系統図である。 前記ガスエンジンのシリンダヘッドの断面図である。 主室の燃焼安定度を示す実験データ線図である。 副室内空気過剰率が１のときの主室の燃焼安定度を示す実験データ線図である。 前記第１実施形態で、エンジン負荷に対して給気圧及び燃焼ガス圧を設定したマップである。 本発明装置の第２実施形態に係るガスエンジンの系統図である。 前記第２実施形態で、エンジン負荷に対して給気圧及び燃焼ガス圧を設定したマップである。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

（実施形態１）
本発明装置の第１実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。本実施形態の副室式火花点火ガスエンジン１０Ａは、エンジン本体１２に４個のシリンダ１４を備えている。給気ａは、過給機１８のコンプレッサ１８ｂによって給気管２０に導入される。給気管２０に導入された給気ａは、インタークーラ２２で冷却された後、給気枝管２４を経て、夫々のシリンダ１４のシリンダヘッド１４ａに供給される。

一方、燃料ガスｇは、ガス供給主管２６に供給され、その後主室ガス供給分岐管２８ａ及び副室ガス供給分岐管２８ｂに分岐される。主室ガス供給分岐管２８ａに分岐した燃料ガスｇは、主室ガス供給電磁弁３２を備えた主室ガス供給枝管３０を経て、各シリンダ１４のシリンダヘッド１４ａに導入される。副室ガス供給分岐管２８ｂに分岐した燃料ガスｇは、副室ガス供給電磁弁３６を備えた副室ガス供給分岐管３４を経て、シリンダヘッド１４ａに設けられた副室７２（図２参照）に供給される。副室ガス供給分岐管３４には、副室７２に供給された燃料ガスｇが逆流するのを防止する逆止弁３７が介設されている。

各シリンダ１４で燃焼した後の排気ｅは、各シリンダ１４の排気枝管３８から排気集合管４０に排出される。その後、過給機１８の排気タービン１８ａを駆動し、排気出口管４２から排気される。また、排気集合管４０には、排気タービン１８ａをバイパスする排気バイパス管４４が設けられ、排気バイパス管４４には、排気流量を調整する排気バイパス弁４６が設けられている。排気バイパス管４４を流れる排気流量を調整することで、排気タービン１８ａの回転数を調整し、これによって、給気管２０に導入される給気ａの流量を調整できる。

主室ガス供給分岐管２８ａ及び副室ガス供給分岐管２８ｂには、夫々主室ガス圧力調整弁４８ａ及び副室ガス圧力調整弁４８ｂが設けられている。これら圧力調整弁は機械式圧力調整弁であり、給気管２０の給気圧Ｐｓを主室ガス圧力調整弁４８ａ及び副室ガス圧力調整弁４８ｂに伝達する給気パイロット管２７が設けられている。給気パイロット管２７を介して伝達される給気圧Ｐｓに基づいて、これら圧力調整弁に内蔵されたバネ等の機械式開度調整機構によって弁開度が設定され、主室ガス供給分岐管２８ａを流れる燃料ガスｇの圧力Ｐｍ、及び副室ガス供給分岐管２８ｂを流れる燃料ガスｇの圧力Ｐｐを設定する。即ち、Ｐｐ＜Ｐｍの条件の下で、給気圧Ｐｓに応じて、ΔＰｍ（＝Ｐｍ−Ｐｓ）及びΔＰｐ（＝Ｐｐ−Ｐｓ）を設定する。

また、主室ガス供給分岐管２８ａ及び副室ガス供給分岐管２８ｂには、夫々これら分岐管内を流れる燃料ガスｇの圧力を検出する圧力センサ４９ａ及び４９ｂが設けられている。これら圧力センサの検出信号はコントローラ５０に送られる。

給気管２０には、給気管２０を流れる給気ａの圧力Ｐｓを検出する給気圧力センサ５２が設けられている。給気圧力センサ５２の検出値がコントローラ５０に送られ、コントローラ５０により、排気バイパス弁４６の開度を制御することで、給気圧Ｐｓが制御される。
また、コントローラ５０に発電出力信号（エンジン負荷信号）が送られる。

図２はシリンダヘッド１４ａを示す。図２において、シリンダ１４の内部にピストン６０が収納され、ピストン６０は、クランク室に設けられたクランク軸６２の回転により、往復動する。クランク軸６２のクランク角θは、クランク角検出器６３で検出され、この検出値はコントローラ５０に入力される。シリンダヘッド１４ａには、給気ポート６４と排気ポート６６とが接続されている。給気ポート６４には給気枝管２４が接続され、給気枝管２４から給気ポート６４に給気ａが供給される。また、給気ポート６４にはガス供給枝管３０が接続され、燃料ガスｇがガス供給枝管３０を介して給気ポート６４に供給される。Ｐｓ＜Ｐｍでないと、燃料ガスｇが給気ポート６４に供給されない。

シリンダヘッド１４ａの内側とピストン６０の上面間に主室６８が形成されている。シリンダヘッド１４ａの上面には点火栓取付金物７０が設けられ、点火栓取付金物７０の先端には、副室７２が形成されている。副室７２にはガス供給分岐管３４が接続されており、ガス供給分岐管３４から点火栓取付金物７０の内部に設けられたガス導入路７４を介して、燃料ガスｇが副室７２の内部に供給される。また、点火栓取付金物７０には点火プラグ７６が設けられ、点火プラグ７６によって副室７２内の燃料ガスｇが点火される。

図３は、給気圧Ｐｓ及び主室６８に供給する燃料ガスｇの供給圧力Ｐｍを一定とし、即ち、ΔＰｍを一定とし、副室７２に供給する燃料ガスｇの供給圧力Ｐｐを変更して主室６８の燃焼状態を検証した時の実験データ線図である。図３において、縦軸は、主室６８の燃焼ガス圧の最高圧力Ｐmaxのばらつき度を示す主室COV-Ｐmax比（最も燃焼が安定している試験ケースを基準としたCOV-Pmaxの比）、及び副室７２に燃料ガスｇが供給される燃料ガス供給期間Ｔであり、横軸は副室内空気過剰率λである。図中、燃料ガス供給期間Ｔは、本実験における燃料ガス供給期間の最小値を基準（１．０）とし、該基準に対する比で表している。副室λが１．０（理論空燃比）のとき、最もＰmax比のばらつき度が小さくなる。

ラインＡは、ΔＰｐ／ΔＰｍ＝１．０とし、ラインＢはΔＰｐ／ΔＰｍ＝０．７とし、ラインＣはΔＰｐ／ΔＰｍ＝０．５とし、ラインＤはΔＰｐ／ΔＰｍ＝０．２としたときの実験データである。ΔＰｐが大きいほど、即ち、副室７２に供給する燃焼ガスの圧力Ｐｐが大きいほど、燃料ガス供給期間Ｔが短くなる。

図４は、副室内空気過剰率λが理論空燃比（λ＝１．０）のときの実験データ線図であり、主室COV-Ｐmax比及びΔＰｐ／ΔＰｍを縦軸に、燃料ガス供給期間Ｔを横軸に取った場合を示している。図中、燃料ガス供給期間Ｔは、本実験における燃料ガス供給期間の最小値を基準（１．０）とし、該基準に対する比で表している。図４から、燃料ガス供給期間Ｔが３．０〜５．０のとき、主室COV-Ｐmax比のばらつき度が最も小さくなることがわかる。図４から、燃料ガス供給期間Ｔが３．０〜５．０のときに相当するΔＰｐ／ΔＰｍの値は、０．５〜０．７であることがわかる。従って、ΔＰｐ／ΔＰｍ＝０．５〜０．７としたとき、主室６８の燃焼状態が最も安定することがわかる。

これより、副室内空気過剰率λが１．０であっても、燃料ガス供給期間Tが異なれば、燃焼状態が異なり、最適なガス供給期間が存在することがわかる。これは、燃料ガス供給期間Tの相違により、副室内の混合状態が変化するためと推察される。

図５は、副室内空気過剰率λが目標値（理論空燃比）となるように、給気圧Ｐｓ、燃焼ガス圧Ｐｍ、Ｐｐとエンジン負荷Ｌとの関係を設定したマップである。主室ガス供給分岐管２８ａ及び副室ガス供給分岐管２８ｂは、機械式圧力調整弁であり、給気圧Ｐｓに対して一定のΔＰｍ及びΔＰｐが機械的（スプリング等のバネ力設定により）に設定される。そのため、ΔＰｍ及びΔＰｐは、給気圧Ｐｓに対して常に一定となるように設定される。その結果、給気圧Ｐｓをエンジン負荷Ｌに対して図５のマップを基に排気バイパス弁４６で調整すれば、ΔＰｐ／ΔＰｍをエンジン負荷Ｌの変動に対して常に一定に制御できる。

本実施形態によれば、主室６８及び副室７２に供給する燃料ガスｇの供給圧Ｐｍ及びＰｐと給気圧Ｐｓとの関係を、ΔＰｐ／ΔＰｍ＝０．５〜０．７としたことにより、副室内空気過剰率λを理論空燃比に制御でき、主室６８の燃焼状態を最も安定させることができる。これによって、ガスエンジン１０Ａの出力及び熱効率を極大にすることができる。また、副室７２の内部圧力を検出する圧力検出器を設ける必要がないので、制御機構を簡素化かつ低コスト化できる。

また、主室ガス圧力調整弁４８ａ及び副室ガス圧力調整弁４８ｂを機械式としたので、これらの圧力調整弁を電気的に制御するための制御機構が不要となり、これら圧力調整弁の制御機構を簡素化かつ低コスト化できる。さらに、図５に示すマップを予め作成しておき、エンジン負荷Ｌの変動に応じてこのマップに基づいて、コントローラ５０により給気圧Ｐｓを制御し、その結果、ΔＰｍ及びΔＰｐを制御するようにしているので、エンジン負荷が変動したときでも、常に安定燃焼を可能にし、ガスエンジン１０Ａの出力向上及び熱効率向上を達成できる。

（実施形態２）
次に、本発明装置の第２実施形態を図６及び図７により説明する。図６において、本実施形態の副室式火花点火ガスエンジン１０Ｂは、主室ガス供給分岐管２８ａ及び副室ガス供給分岐管２８ｂに、コントローラ５０によってその作動が制御される電磁弁で構成された主室ガス圧力調整弁８０ａ及び副室ガス圧力調整弁８０ｂが設けられている。そのため、主室燃料ガス圧Ｐｍ及び副室燃料ガス圧Ｐｐは、コントローラ５０によって可変とすることができる。従って、夫々給気圧Ｐｓとの差圧ΔＰｍ及びΔＰｐを任意に設定できる。

図７は、異なるエンジン負荷Ｌに対して、副室内空気過剰率λが目標値（理論空燃比）となるように、給気圧Ｐｓに対するＰｍ及びＰｐを設定したマップである。図７に示すように、ΔＰｍ及びΔＰｐは、前記第１実施形態のように異なるエンジン負荷Ｌに対して常に一定ではなく、任意に設定できる。例えば、図７に示すように、ΔＰｍ及びΔＰｐを、エンジン負荷Ｌの変動に対して、減少又は増加させるようにする。あるいはΔＰｍ又はΔＰｐの一方をエンジン負荷Ｌの変動に対して一定としてもよい（図示省略）。本実施形態のその他の構成は、第１実施形態と同一である。

本実施形態によれば、任意のエンジン負荷Ｌにおいて、ΔＰｍ及びΔＰｐを任意に設定できるので、任意のエンジン負荷Ｌに対して、常に副室内空気過剰率を理論空燃比となるように高精度に制御可能になる。従って、ガスエンジンの負荷が変動したときでも、常に安定燃焼を可能にし、ガスエンジンの出力向上及び熱効率向上を達成できる。

本発明によれば、副室式火花点火ガスエンジンにおいて、副室内空気過剰率を理論空燃比となるように制御することで、さらなる安定燃焼を実現できる。

１０Ａ，１０Ｂ 副室式火花点火ガスエンジン
１２ エンジン本体
１４ シリンダ
１４ａ シリンダヘッド
１８ 過給機
１８ａ 排気タービン
１８ｂ コンプレッサ
２０ 給気管
２２ インタークーラ
２４ 給気枝管
２６ ガス供給主管
２７ 給気パイロット管
２８ａ 主室ガス供給分岐管
２８ｂ 副室ガス供給分岐管
３０ 主室ガス供給枝管
３２ 主室ガス供給電磁弁
３４ 副室ガス供給枝管
３６ 副室ガス供給電磁弁
３７ 逆止弁
３８ 排気枝管
４０ 排気集合管
４２ 排気出口管
４４ 排気バイパス管
４６ 排気バイパス弁
４８ａ、８０ａ 主室ガス圧力調整弁
４８ｂ、８０ｂ 副室ガス圧力調整弁
４９ａ、４９ｂ 圧力センサ
５０ コントローラ
５２ 給気圧力センサ
６０ ピストン
６２ クランク軸
６３ クランク角検出器
６４ 給気ポート
６６ 排気ポート
６８ 主室
７０ 点火栓取付金物
７２ 副室
７４ ガス導入路
７６ 点火プラグ
Ｐｍ 主室燃料ガス圧
Ｐｐ 副室燃料ガス圧
Ｐｓ 給気圧
ａ 給気
ｇ 燃料ガス
λ 副室内空気過剰率

Claims (5)

1. シリンダと、該シリンダ内に収納され往復運動するピストンと、該ピストンにより回転駆動されるクランク軸と、シリンダヘッドに設けられた副室と、シリンダヘッドの内側とピストンの上面間に形成された主室とを備えた副室式火花点火ガスエンジンにおいて、
   前記副室に供給される燃料ガス圧を調整する副室ガス圧力調整弁と、
   前記主室に給気する給気ポートに接続された燃料ガス供給管に設けられ、主室に供給される燃料ガス圧を調整する主室ガス圧力調整弁と、
   主室ガス圧力調整弁によって調整された主室燃料ガス圧Ｐｍと給気ポートから主室に供給される給気の圧力Ｐｓとの差ΔＰｍと、副室ガス圧力調整弁によって調整された副室燃料ガス圧Ｐｐと給気圧Ｐｓとの差ΔＰｐとを制御して副室内空気過剰率を理論空燃比となるように制御するコントローラと、を備えていることを特徴とする副室式火花点火ガスエンジン。
2. 前記コントローラによって、ΔＰｐ／ΔＰｍが０．５〜０．７となるように制御することを特徴とする請求項１に記載の副室式火花点火ガスエンジン。
3. 前記主室ガス圧力調整弁及び前記副室ガス圧力調整弁が機械式圧力調整弁であり、ΔＰｍ及びΔＰｐが異なるエンジン負荷に対して常に一定値となるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の副室式火花点火ガスエンジン。
4. 前記主室ガス圧力調整弁及び前記副室ガス圧力調整弁が電気式圧力調整弁であり、前記コントローラによって異なるエンジン負荷に対してΔＰｍ及びΔＰｐが可変となるように制御されることを特徴とする請求項１又は２に記載の副室式火花点火ガスエンジン。
5. 異なるエンジン負荷毎に、エンジン負荷と目標とする副室内空気過剰率となるΔＰｍ及びΔＰｐとの関係を示すマップを予め作成しておき、前記コントローラにより、前記マップに基づいてエンジン負荷の変動に応じてΔＰｍ及びΔＰｐを制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の副室式火花点火ガスエンジン。

Images