JP2015190328A - Fuel injection system of gas injection engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、天然ガス等のガス燃料を主燃料とするガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式に関する。 The present invention relates to a fuel injection system for a gas injection engine using gas fuel such as natural gas as a main fuel.
近年、環境保全の観点からクリーンなエネルギ源が求められている。この観点から、天然ガス等のガス燃料をその主燃料とし、着火のためのパイロット燃料噴射後にシリンダ内へ高圧のガス燃料を噴射するガスインジェクションエンジンの普及が期待されている。そして、ガスインジェクションエンジンにおいては、その燃料の特性等から、熱効率を向上させるために、この高圧のガス燃料を短期間にシリンダ内に噴射する必要がある。 In recent years, a clean energy source has been demanded from the viewpoint of environmental conservation. From this point of view, a gas injection engine that uses gas fuel such as natural gas as its main fuel and injects high-pressure gas fuel into a cylinder after pilot fuel injection for ignition is expected. In the gas injection engine, it is necessary to inject the high-pressure gas fuel into the cylinder in a short period of time in order to improve the thermal efficiency from the characteristics of the fuel.
なお、自己着火によるノッキングの問題が発生しているのは、着火のためのパイロット噴射前にガス燃料を予混合して燃焼させるオットーサイクルの予混合方式のガスエンジンであり(例えば、特許文献1参照)、このガスエンジンの高負荷時、あるいは燃料噴射量が多い場合に特にノッキングが発生しやすい。この一方、ディーゼルサイクルとなる上述のガスインジェクションエンジンについては、ノッキングの問題は発生していない。この点からも、ガスインジェクションエンジンの普及が期待されている。 The problem of knocking due to self-ignition occurs in an Otto cycle premixing type gas engine in which gas fuel is premixed and burned before pilot injection for ignition (for example, Patent Document 1). See), especially when the gas engine is under a high load or when the fuel injection amount is large. On the other hand, the knocking problem does not occur in the above-described gas injection engine serving as a diesel cycle. From this point of view, the spread of gas injection engines is expected.
他方、ガスインジェクションエンジンと基本的に同じ構造を有し、ディーゼル燃料を主燃料とするディーゼルエンジンにおいては、このディーゼル燃料を多段階に分けて噴射する多段階噴射が行われる場合がある(例えば、特許文献2参照)。しかし、これはあくまでもパイロット噴射後に前噴射、主噴射、後噴射等々、パイロット噴射後のディーゼル燃料の噴射を数回に分けて行なうものであり、上述のように、高圧のガス燃料を短期間にシリンダ内に噴射する必要があるガスインジェクションエンジンに適した噴射方式ではない。 On the other hand, in a diesel engine having basically the same structure as a gas injection engine and using diesel fuel as a main fuel, multistage injection in which this diesel fuel is injected in multiple stages may be performed (for example, Patent Document 2). However, this is to perform the injection of diesel fuel after pilot injection in several times, such as pre-injection, main injection, post-injection, etc. after pilot injection. It is not an injection method suitable for a gas injection engine that needs to be injected into a cylinder.
このように、近年、環境保全の観点からクリーンなエネルギ源が求められている。このため、天然ガス等のガス燃料を主燃料とするガスインジェクションエンジンの普及が期待されている。このため、ガスインジェクションエンジンについても、使用するガス燃料の量を少しでも減少させてコスト削減を図ると共に、排気ガス量を減少させて環境保全に貢献できるように、さらなる熱効率の改善が求められている。 Thus, in recent years, a clean energy source is required from the viewpoint of environmental conservation. For this reason, the spread of gas injection engines that use gas fuel such as natural gas as the main fuel is expected. For this reason, gas injection engines also require further improvements in thermal efficiency to reduce costs by reducing the amount of gas fuel used and to contribute to environmental conservation by reducing the amount of exhaust gas. Yes.
また、ガスインジェクションエンジンにおいて熱効率を改善する方法として、ガス燃料をより高圧で噴射することが有効とされているが、高圧ガスに対する安全性確保の観点から、一段レベルの高い安全対策が必要になると共に、高圧化するために必要な動力エネルギの増加を招くという問題がある。 In addition, it is effective to inject gas fuel at a higher pressure as a method for improving thermal efficiency in a gas injection engine. However, in order to ensure safety against high-pressure gas, a higher level of safety measures is required. At the same time, there is a problem in that the power energy required to increase the pressure is increased.
さらに、従来のガスインジェクションエンジンは、基本的にディーゼルエンジンと同じ熱サイクルで燃焼を行うことから、NOx の発生が比較的多いという問題もある。このため、環境保全の観点から、NOx の発生をさらに抑制することも必要である。 Furthermore, the conventional gas injection engine combusts basically in the same thermal cycle as that of a diesel engine, so that there is a problem that NOx is generated relatively frequently. For this reason, it is also necessary to further suppress the generation of NOx from the viewpoint of environmental conservation.
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、ガス燃料を現行以上の高圧で噴射することなく熱効率を向上させることができると共に、NOx の発生を抑制することができ、以って環境保全とコスト削減を図ることができる、ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式を提供することを課題とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and can improve the thermal efficiency without injecting the gaseous fuel at a higher pressure than the current level, and can suppress the generation of NOx. It is an object of the present invention to provide a fuel injection system for a gas injection engine that can achieve environmental conservation and cost reduction.
上記の課題を解決するために、本発明が採用する手段は、ガス燃料を主燃料とするガスインジェクションエンジンのシリンダヘッドに配設されてガス燃料をシリンダ内に高圧で噴射する主ガス燃料噴射弁及びこの主ガス燃料噴射弁からのガス燃料の噴射前にディーゼル燃料をシリンダ内にパイロット噴射するパイロット燃料噴射弁と、高圧ガス燃料を主ガス燃料噴射弁へ供給する主ガス燃料供給装置とを備えたガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式において、ガス燃料をガスインジェクションエンジンのシリンダ内に噴射する副ガス燃料噴射弁と、ガス燃料を副ガス燃料噴射弁へ供給する副ガス燃料供給装置とをさらに備え、副ガス燃料噴射弁は、パイロット燃料噴射弁からディーゼル燃料がパイロット噴射される前に燃焼に必要とされるガス燃料の一部を副ガス燃料供給装置から供給されてシリンダ内にプレ噴射し、主ガス燃料噴射弁は、パイロット燃料噴射弁からディーゼル燃料がパイロット噴射された後に上記の燃焼に必要とされるガス燃料の残部を主ガス燃料供給装置から供給されてシリンダ内に高圧で噴射することにある。 In order to solve the above problems, the present invention adopts a main gas fuel injection valve that is disposed in a cylinder head of a gas injection engine using gas fuel as a main fuel and injects the gas fuel into the cylinder at a high pressure. And a pilot fuel injection valve that pilot-injects diesel fuel into the cylinder before injection of gas fuel from the main gas fuel injection valve, and a main gas fuel supply device that supplies high-pressure gas fuel to the main gas fuel injection valve In the fuel injection method of the gas injection engine, the fuel injection system further includes a sub gas fuel injection valve that injects the gas fuel into the cylinder of the gas injection engine, and a sub gas fuel supply device that supplies the gas fuel to the sub gas fuel injection valve, The auxiliary gas fuel injection valve is required for combustion before diesel fuel is pilot injected from the pilot fuel injection valve. A part of the gas fuel supplied from the auxiliary gas fuel supply device is pre-injected into the cylinder, and the main gas fuel injection valve is required for the above-mentioned combustion after the diesel fuel is pilot injected from the pilot fuel injection valve. The remaining gas fuel is supplied from the main gas fuel supply device and injected into the cylinder at a high pressure.
本発明のガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式は、従来の高圧ガスを噴射する主ガス燃料噴射弁、及びこのディーゼル燃料を噴射するパイロット燃料噴射弁のほか、ガス燃料をガスインジェクションエンジンのシリンダ内に噴射するための副ガス燃料噴射弁と、ガス燃料をこの副ガス燃料噴射弁へ供給する副ガス燃料供給装置とをさらに備え、この副ガス燃料噴射弁は、パイロット燃料噴射弁からディーゼル燃料がパイロット噴射される前に、燃焼に必要とされるガス燃料の一部を副ガス燃料供給装置から供給されてシリンダ内にプレ噴射し、主ガス燃料噴射弁は、パイロット噴射後に上記の燃焼に必要とされるガス燃料の残部をシリンダ内に高圧で噴射する。 The fuel injection system of the gas injection engine according to the present invention includes a conventional main gas fuel injection valve that injects high-pressure gas and a pilot fuel injection valve that injects this diesel fuel, and also injects gas fuel into a cylinder of the gas injection engine. And a sub-gas fuel supply device for supplying gas fuel to the sub-gas fuel injection valve, wherein the sub-gas fuel injection valve is configured to inject diesel fuel from the pilot fuel injection valve. Before being injected, a part of the gas fuel required for combustion is supplied from the auxiliary gas fuel supply device and pre-injected into the cylinder, and the main gas fuel injection valve is required for the above-described combustion after the pilot injection. The remaining gas fuel is injected into the cylinder at high pressure.
このパイロット燃料噴射前に副ガス燃料噴射弁から噴射されるガス燃料は、パイロット噴射されるディーゼル燃料の燃焼により着火して燃焼する。これにより、主ガス燃料噴射弁からガス燃料が噴射される前のシリンダ内のガス温度が、従来のガスインジェクションエンジンよりも上昇する。このため、燃焼初期の熱発生を理想的なものに近づけることができ、さらなるガス燃料の高圧化等を行なうことなく、ガス燃料の燃焼による熱効率を向上させることができる。これにより、エンジン全体としての熱効率を大幅に向上させることができる。 The gas fuel injected from the auxiliary gas fuel injection valve before the pilot fuel injection is ignited and burned by the combustion of the pilot injected diesel fuel. As a result, the gas temperature in the cylinder before the gas fuel is injected from the main gas fuel injection valve rises compared to the conventional gas injection engine. For this reason, the heat generation in the initial stage of combustion can be brought close to an ideal one, and the thermal efficiency by combustion of the gas fuel can be improved without further increasing the pressure of the gas fuel. Thereby, the thermal efficiency as the whole engine can be improved significantly.
また、このようにガス燃料の一部をパイロット噴射前に噴射してパイロット噴射により着火するようにすれば、その燃焼はいわゆるリーンバーン燃焼となり、これによりNOx の発生を確実に減少させることができる。 In addition, if a part of the gas fuel is injected before pilot injection and ignited by pilot injection in this way, the combustion becomes so-called lean burn combustion, which can reliably reduce the generation of NOx. .
上記ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式において、副ガス燃料噴射弁は、シリンダの側部に配設されて低圧のガス燃料をシリンダ内に噴射することが望ましい。 In the fuel injection system of the gas injection engine, it is desirable that the auxiliary gas fuel injection valve is disposed on the side of the cylinder and injects low-pressure gas fuel into the cylinder.
このように、副ガス燃料噴射弁をシリンダの側部に配設して、副ガス燃料噴射弁から低圧のガス燃料をシリンダ内に噴射させることにより、プレ噴射として必要かつ十分な燃焼が得られると共に、高圧ガスとして取り扱わなければならないガス燃料の量を確実に減少させることができ、安全性が高められる。また、ガス燃料を高圧化するために必要な動力エネルギを抑制させることができ、コスト削減を図ることができる。 In this way, the auxiliary gas fuel injection valve is disposed on the side of the cylinder, and low pressure gas fuel is injected into the cylinder from the auxiliary gas fuel injection valve, so that necessary and sufficient combustion can be obtained as pre-injection. At the same time, the amount of gas fuel that must be handled as high-pressure gas can be reliably reduced, and safety is improved. In addition, it is possible to suppress the power energy necessary for increasing the pressure of the gas fuel, thereby reducing the cost.
上記ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式において、副ガス燃料噴射弁は、(5〜15)barの低圧でガス燃料をシリンダ内にプレ噴射することが望ましい。 In the fuel injection system of the gas injection engine, it is desirable that the auxiliary gas fuel injection valve pre-injects the gas fuel into the cylinder at a low pressure of (5 to 15) bar.
このように、副ガス燃料噴射弁から(5〜15)barの低圧でガス燃料をシリンダ内にプレ噴射することにより、パイロット燃料噴射による着火、及びその後のガス温度上昇を理想的なものとすることができる。 Thus, by pre-injecting the gas fuel into the cylinder at a low pressure of (5 to 15) bar from the auxiliary gas fuel injection valve, the ignition by the pilot fuel injection and the subsequent gas temperature increase are idealized. be able to.
上記ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式において、副ガス燃料噴射弁は、ガス燃料をクランク角で下死点後の(80〜120)°の範囲内の所定時期にシリンダ内にプレ噴射することが望ましい。 In the fuel injection system of the gas injection engine, it is desirable that the auxiliary gas fuel injection valve pre-injects the gas fuel into the cylinder at a predetermined time within a range of (80 to 120) ° after the bottom dead center at the crank angle. .
このように、プレ噴射が低圧噴射の場合には、ガス燃料をシリンダ内に副ガス燃料噴射弁からクランク角で下死点後の(80〜120)°の範囲内の所定時期にプレ噴射させることにより、パイロット燃料噴射による着火、及びその後のガス温度上昇を理想的なものとすることができる。 As described above, when the pre-injection is the low-pressure injection, the gas fuel is pre-injected into the cylinder at a predetermined timing within the range of (80 to 120) ° after the bottom dead center at the crank angle from the auxiliary gas fuel injection valve. Thereby, the ignition by pilot fuel injection and the subsequent gas temperature rise can be made ideal.
上記ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式において、副ガス燃料噴射弁は、シリンダヘッドに配設されて主ガス燃料をシリンダ内に高圧で噴射する主ガス燃料噴射弁からなり、副ガス燃料供給装置は、主ガス燃料噴射弁へ高圧ガス燃料を供給する主ガス燃料供給装置からなることが望ましい。 In the fuel injection system of the gas injection engine, the auxiliary gas fuel injection valve is a main gas fuel injection valve that is disposed in the cylinder head and injects the main gas fuel into the cylinder at a high pressure. It is desirable to comprise a main gas fuel supply device for supplying high pressure gas fuel to the main gas fuel injection valve.
パイロット燃料噴射前に副ガス燃料噴射弁から噴射されるガス燃料は、必ずしも低圧とする必要はなく、主ガス燃料噴射弁からの高圧噴射によっても燃焼初期の熱発生を理想的なものに近づけることができる。このように、主ガス燃料噴射弁からの高圧のガス燃料噴射をパイロット燃料噴射の前後に行うことにより、ガス燃料のさらなる高圧化を行なうことなく熱効率を向上させることができ、エンジン全体としての熱効率を大幅に向上させることができる。 The gas fuel injected from the auxiliary gas fuel injection valve before the pilot fuel injection does not necessarily have to be at a low pressure, and the heat generation at the initial stage of combustion is brought close to ideal by high pressure injection from the main gas fuel injection valve. Can do. Thus, by performing the high-pressure gas fuel injection from the main gas fuel injection valve before and after the pilot fuel injection, the thermal efficiency can be improved without further increasing the pressure of the gas fuel, and the overall thermal efficiency of the engine Can be greatly improved.
特に、副ガス燃料噴射弁を、シリンダヘッドに設けられて主ガス燃料をシリンダ内に高圧で噴射する主ガス燃料噴射弁とすることにより、プレ噴射のためのガス燃料噴射弁、及びこのガス燃料噴射弁へガス燃料を供給するためのガス燃料供給機構を別途設ける必要がなくなり、コスト増を回避することができる。 In particular, the auxiliary gas fuel injection valve is a main gas fuel injection valve that is provided in the cylinder head and injects main gas fuel into the cylinder at a high pressure. It is not necessary to separately provide a gas fuel supply mechanism for supplying gas fuel to the injection valve, and an increase in cost can be avoided.
上記ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式において、副ガス燃料噴射弁は、ガス燃料を(200〜300)barの高圧でシリンダ内にプレ噴射することが望ましい。
このように、副ガス燃料噴射弁から(200〜300)barの高圧でガス燃料をシリンダ内にプレ噴射することにより、パイロット燃料噴射による着火、及びその後のガス温度上昇を理想的なものとすることができる。
In the fuel injection system of the gas injection engine, it is desirable that the auxiliary gas fuel injection valve pre-injects the gas fuel into the cylinder at a high pressure of (200 to 300) bar.
Thus, by pre-injecting the gas fuel into the cylinder at a high pressure of (200 to 300) bar from the auxiliary gas fuel injection valve, the ignition by the pilot fuel injection and the subsequent gas temperature increase are idealized. be able to.
上記ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式において、副ガス燃料噴射弁は、ガス燃料をシリンダ内にクランク角で下死点後の(120〜160)°の範囲内の所定時期にプレ噴射することが望ましい。 In the fuel injection system of the gas injection engine, it is preferable that the auxiliary gas fuel injection valve pre-injects the gas fuel into the cylinder at a predetermined time within a range of (120 to 160) ° after bottom dead center at a crank angle. .
このように、プレ噴射が高圧噴射の場合には、副ガス燃料噴射弁からガス燃料をクランク角で下死点後の(120〜160)°の範囲内の所定時期にシリンダ内にプレ噴射することにより、パイロット燃料噴射による着火、及びその後のガス温度上昇を理想的なものとすることができる。 Thus, when the pre-injection is high-pressure injection, the gas fuel is pre-injected into the cylinder from the auxiliary gas fuel injection valve at a predetermined time within the range of (120 to 160) ° after the bottom dead center at the crank angle. Thereby, the ignition by pilot fuel injection and the subsequent gas temperature rise can be made ideal.
上記ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式において、副ガス燃料噴射弁は、ガスインジェクションエンジンの低負荷時に燃焼に必要なガス燃料の質量割合で50%以上の量のガス燃料をシリンダ内にプレ噴射することが望ましい。 In the fuel injection system of the gas injection engine, the auxiliary gas fuel injection valve pre-injects the gas fuel in an amount of 50% or more in the mass ratio of the gas fuel necessary for combustion at the time of low load of the gas injection engine. Is desirable.
従来の予混合のガスエンジンは、低負荷領域では、ガス噴射に伴うノッキングの発生が少ないという特性がある。したがって、低負荷時には比較的多量のガス燃料をプレ噴射してもノッキング発生の可能性が低く、特に燃焼に必要なガス燃料の質量割合で50%以上の量のガス燃料をシリンダ内にプレ噴射させることにより、パイロット燃料噴射による着火、及びその後のガス温度上昇をより理想的なものとすることができる。 A conventional premixed gas engine has a characteristic that occurrence of knocking due to gas injection is small in a low load region. Therefore, even when a relatively large amount of gas fuel is pre-injected at a low load, the possibility of knocking is low, and in particular, 50% or more of gas fuel in the mass ratio of gas fuel required for combustion is pre-injected into the cylinder. As a result, ignition by pilot fuel injection and subsequent increase in gas temperature can be made more ideal.
上記ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式において、副ガス燃料噴射弁は、ガスインジェクションエンジンの高負荷時に燃焼に必要なガス燃料の質量割合で50%以下の量のガス燃料をシリンダ内にプレ噴射することが望ましい。 In the fuel injection system of the gas injection engine, the auxiliary gas fuel injection valve pre-injects the gas fuel in an amount of 50% or less in the mass ratio of the gas fuel required for combustion at a high load of the gas injection engine into the cylinder. Is desirable.
従来の予混合のガスエンジンは、高負荷領域ではガス噴射に伴うノッキング発生の可能性が高くなることが知られている。したがって、高負荷時にはガス燃料のプレ噴射量を一定範囲内に抑える必要があり、特に燃焼に必要なガス燃料の質量割合で50%以下の量のガス燃料をシリンダ内にプレ噴射させることにより、ノッキングの発生を防止しつつ、パイロット燃料噴射による着火、及びその後のガス温度上昇を理想的なものとすることができる。 It is known that a conventional premixed gas engine has a high possibility of occurrence of knocking due to gas injection in a high load region. Therefore, it is necessary to keep the pre-injection amount of the gas fuel within a certain range at a high load, and in particular by pre-injecting the gas fuel in an amount of 50% or less in the mass ratio of the gas fuel necessary for combustion into the cylinder, While preventing the occurrence of knocking, ignition by pilot fuel injection and the subsequent increase in gas temperature can be made ideal.
上記ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式において、副ガス燃料供給装置は、副ガス燃料噴射弁からガス燃料を所定時間を超えて噴射させないようにするインターロック機構を備えていることが望ましい。 In the fuel injection system of the gas injection engine, it is desirable that the auxiliary gas fuel supply device includes an interlock mechanism that prevents the gas fuel from being injected from the auxiliary gas fuel injection valve beyond a predetermined time.
このように、副ガス燃料供給装置は、副ガス燃料噴射弁からガス燃料を所定時間を超えて噴射させないようにするインターロック機構を備えているから、異常発生時の副ガス燃料噴射弁からのガス燃料の連続噴射が確実に防止され、安全性が高められる。 As described above, the auxiliary gas fuel supply device includes the interlock mechanism that prevents the gas fuel from being injected from the auxiliary gas fuel injection valve beyond a predetermined time. Continuous injection of gas fuel is reliably prevented, and safety is improved.
本発明のガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式は、ガス燃料を主燃料とするガスインジェクションエンジンのシリンダヘッドに配設されてガス燃料をシリンダ内に高圧で噴射する主ガス燃料噴射弁及びこの主ガス燃料噴射弁からのガス燃料の噴射前にディーゼル燃料をシリンダ内にパイロット噴射するパイロット燃料噴射弁と、高圧ガス燃料を主ガス燃料噴射弁へ供給する主ガス燃料供給装置とを備えたガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式において、ガス燃料をガスインジェクションエンジンのシリンダ内に噴射する副ガス燃料噴射弁と、ガス燃料を副ガス燃料噴射弁へ供給する副ガス燃料供給装置とをさらに備え、副ガス燃料噴射弁は、パイロット燃料噴射弁からディーゼル燃料がパイロット噴射される前に燃焼に必要とされるガス燃料の一部を副ガス燃料供給装置から供給されてシリンダ内にプレ噴射し、主ガス燃料噴射弁は、パイロット燃料噴射弁からディーゼル燃料がパイロット噴射された後に燃焼に必要とされるガス燃料の残部を主ガス燃料供給装置から供給されてシリンダ内に高圧で噴射する。 A fuel injection system for a gas injection engine according to the present invention includes a main gas fuel injection valve that is disposed in a cylinder head of a gas injection engine using gas fuel as a main fuel and injects the gas fuel into the cylinder at a high pressure, and the main gas fuel. A gas injection engine having a pilot fuel injection valve that pilot-injects diesel fuel into a cylinder before injection of gas fuel from the injection valve, and a main gas fuel supply device that supplies high-pressure gas fuel to the main gas fuel injection valve In the fuel injection system, the auxiliary gas fuel injection valve further includes an auxiliary gas fuel injection valve that injects the gas fuel into the cylinder of the gas injection engine, and an auxiliary gas fuel supply device that supplies the gas fuel to the auxiliary gas fuel injection valve. Is required for combustion before the diesel fuel is pilot injected from the pilot fuel injection valve Part of the gas fuel is supplied from the auxiliary gas fuel supply device and pre-injected into the cylinder, and the main gas fuel injection valve is required for combustion after the diesel fuel is pilot injected from the pilot fuel injection valve The remainder of the gas fuel is supplied from the main gas fuel supply device and injected into the cylinder at a high pressure.
したがって、ガスインジェクションエンジンにおいて、ガス燃料を現行以上の高圧で噴射することなく熱効率を向上させることができると共に、NOx の発生を抑制することができ、以って環境保全とコスト削減を図ることができる、という優れた効果を奏する。 Therefore, in the gas injection engine, it is possible to improve the thermal efficiency without injecting the gaseous fuel at a higher pressure than the current level, and to suppress the generation of NOx, thereby achieving environmental conservation and cost reduction. There is an excellent effect of being able to.
本発明のガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式の、第1の発明を実施するための形態を、図1ないし図4を参照して詳細に説明する。この第1の発明の実施の形態は、プレ噴射を、図1に示す低圧ガス燃料噴射弁7から低圧で行なう場合である。
A mode for carrying out the first invention of a fuel injection system of a gas injection engine of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. The embodiment of the first invention is a case where the pre-injection is performed at a low pressure from the low-pressure gas
図1は、一例としての天然ガス等のガス燃料を主燃料とするガスインジェクションエンジンを示す。符号1はガスインジェクションエンジンのシリンダ、2はシリンダヘッド、3はシリンダライナ、4はシリンダライナ1内を上下に摺動するピストン、9はシリンダヘッド2に設けられてシリンダ1内の燃焼ガスを図示しない排気レシーバに排気する排気弁である。シリンダ1は、シリンダヘッド2とシリンダライナ3により形成される内円柱状空間である。
FIG. 1 shows a gas injection engine whose main fuel is gas fuel such as natural gas as an example.
シリンダヘッド2に、ガス燃料をシリンダ1内に高圧で噴射する高圧ガス燃料噴射弁(主ガス燃料噴射弁)5、高圧ガス燃料噴射弁5からガス燃料を噴射する前にディーゼル燃料をシンリダ1内にパイロット噴射するパイロット燃料噴射弁6が、それぞれ配設される。
A high pressure gas fuel injection valve (main gas fuel injection valve) 5 for injecting gas fuel into the
高圧ガス燃料噴射弁5には、高圧ガス燃料供給装置(主ガス燃料供給装置)8から、例えば(200〜300)barの高圧のガス燃料が供給される。低圧のガス燃料をシリンダ1内に噴射するための低圧ガス燃料噴射弁(副ガス燃料噴射弁)7が、シリンダライナ3の側部に配設される。低圧ガス燃料噴射弁7に対しては、後述するように、低圧のガス燃料が低圧ガス燃料供給装置(副ガス燃料供給装置)10から供給される。
The high-pressure gas
図2に示すように、低圧ガス燃料供給装置10は、例えば次のような構成を有し、異常発生時に低圧ガス燃料噴射弁7へのガス燃料の供給を別系統で遮断し、強制的にガス燃料の噴射を停止させることができるインターロック機構を有する。低圧のガス燃料が、図示しないガス燃料の供給源から油圧作動式のガス燃料の開閉弁12を介して、低圧ガス燃料噴射弁7へ供給される。
As shown in FIG. 2, the low-pressure gas
油圧ポンプ13から供給される油圧は、電磁作動式の開閉弁14を介して上記ガス燃料の開閉弁12へ供給されて、この開閉弁12を開閉させる。これと共に、開閉弁14を通った油圧は、電磁作動式の開閉弁15を介して低圧ガス燃料噴射弁7へ供給され、この油圧により低圧ガス燃料噴射弁7は開弁することができる。
The hydraulic pressure supplied from the
2つの電磁作動式の開閉弁14,15は、ガスインジェクションエンジンのエンジンコントローラ16により、その開閉が電気的に制御される。インターロック機構は、エンジンコントローラ16、電磁作動式の油圧開閉弁14,油圧作動式のガス燃料の開閉弁12により構成される。
The two electromagnetically operated on / off
通常運転時は、エンジンコントローラ16が油圧の開閉弁14を開弁させることにより、ガス燃料の開閉弁12が開弁して、ガス燃料が低圧ガス燃料噴射弁7へ供給される。これと共に、エンジンコントローラ16が油圧の開閉弁15を開弁させることにより、油圧が2つの開閉弁14、15を通って低圧ガス燃料噴射弁7へ供給され、低圧ガス燃料噴射弁7を開弁させる。
During normal operation, the
これにより、低圧ガス燃料噴射弁7は、図示しないガス燃料の供給源から供給された低圧のガス燃料を噴射することができる。また、エンジンコントローラ16が油圧の開閉弁15を閉弁させることにより、低圧ガス燃料噴射弁7は閉弁して、低圧のガス燃料の噴射を停止する。
Thereby, the low-pressure gas
次に、本ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式の作動について説明する。図3に示すように、例えば上死点のクランク角180°近辺において、ディーゼル燃料がパイロット燃料噴射弁6からシリンダ1内にパイロット噴射される。また、例えばパイロット燃料噴射終了直後からの一定のクランク角の範囲内で、例えば(200〜300)barの高圧のガス燃料が高圧ガス燃料噴射弁5からシリンダ1内に噴射される。
Next, the operation of the fuel injection system of the gas injection engine will be described. As shown in FIG. 3, for example, diesel fuel is pilot-injected into the
一方、エンジンコントローラ16は、ガス燃料を低圧ガス燃料噴射弁7から、例えばクランク角で下死点後の(80〜120)°の範囲内の所定時期であって、かつ、上記パイロット燃料噴射前に、シリンダ1内にプレ噴射する。低圧ガス燃料噴射弁7からのプレ噴射は、例えば(5〜15)barの低圧で行われる。
On the other hand, the
また、エンジンコントローラ16は、ガスインジェクションエンジンの低負荷時、例えば負荷が60%以下の場合には、燃焼に必要なガス燃料の質量割合で50%以上、例えば50〜95%又は50〜100%の量のガス燃料をシリンダ1内にプレ噴射する。
Moreover, the
これは、低負荷領域ではプレ噴射に伴うノッキング発生の可能性が低いため、低負荷時には比較的多量のガス燃料をプレ噴射させることができるからである。これにより、パイロット燃料噴射による着火、及びその後のガス温度上昇を理想的なものとすることができる。 This is because a relatively large amount of gas fuel can be pre-injected at low load because the possibility of knocking due to pre-injection is low in the low load region. Thereby, the ignition by pilot fuel injection and the subsequent gas temperature rise can be made ideal.
一方、エンジンコントローラ16は、ガスインジェクションエンジンの高負荷時、例えば負荷が60%を超える場合には、燃焼に必要なガス燃料の質量割合で50%以下、例えば10〜50%の量のガス燃料をシリンダ1内にプレ噴射する。
On the other hand, when the gas injection engine has a high load, for example, when the load exceeds 60%, the
これは、高負荷領域で多量のガス燃料をプレ噴射した場合、このプレ噴射に伴うノッキング発生の可能性が考えられるため、高負荷時にはガス燃料のプレ噴射量を一定範囲内に抑える必要があるからである。これにより、ノッキングの発生を防止しつつ、パイロット燃料噴射による着火、及びその後のガス温度上昇を理想的なものとすることができる。 This is because, when a large amount of gas fuel is pre-injected in a high load region, there is a possibility that knocking may occur due to this pre-injection. Because. Thereby, ignition by pilot fuel injection and subsequent gas temperature rise can be made ideal while preventing occurrence of knocking.
したがって、パイロット噴射後に高圧ガス燃料噴射弁5から噴射される高圧のガス燃料は、燃焼に必要なガス燃料の量から、上記プレ噴射されたガス燃料の量を差し引いた残部となり、その残部がパイロット燃料噴射後にシリンダ1内に、例えば(200〜300)barの高圧で噴射される。
Therefore, the high-pressure gas fuel injected from the high-pressure gas
このとき、エンジンコントローラ16は、通常運転時には、図3の電磁式の油圧開閉弁14を開弁させる。開閉弁14が開弁すると、油圧によりガス燃料の開閉弁12を開弁させ、低圧のガス燃料が低圧ガス燃料噴射弁7へ供給されている。
At this time, the
クランク角で下死点後の例えば(80〜120)°の範囲内の所定時期になると、エンジンコントローラ16は、図2の油圧開閉弁15を開弁させ、低圧ガス燃料噴射弁7の開閉部に油圧をかける。これにより、低圧ガス燃料噴射弁7が開弁して低圧のガス燃料がシリンダ1内に噴射される。
The
図3に示すように、噴射時間が経過すると、エンジンコントローラ16は、油圧開閉弁15を閉弁させ、低圧ガス燃料噴射弁7の開閉部を閉じる。これにより、低圧ガス燃料噴射弁7からのガス燃料のプレ噴射は終了する。
As shown in FIG. 3, when the injection time has elapsed, the
このパイロット燃料噴射前に低圧ガス燃料噴射弁7から噴射されたガス燃料は、パイロット噴射されるディーゼル燃料の燃焼により着火して燃焼する。これにより、高圧ガス燃料噴射前のシリンダ内のガス温度が、従来のガスインジェクションエンジンよりも上昇する。
The gas fuel injected from the low pressure gas
このため、燃焼初期の熱発生を理想的なものに近づけることができ、その後に行われる高圧ガス燃料の燃焼による熱効率を向上させることができる。これにより、エンジン全体のガス燃料の燃焼による熱効率が大幅に向上する。また、ガス燃料の一部をパイロット噴射前に噴射し、それをパイロット噴射により着火するようにしたから、その燃焼はいわゆるリーンバーン燃焼となり、これによりNOx の発生を確実に減少させることができる。
また、熱効率向上のために、ガス燃料をより高圧で噴射する必要もなくなる。さらに、この低圧ガス燃料のプレ噴射により、パイロット噴射後に高圧ガス燃料噴射弁5から噴射される高圧のガス燃料の量は、従来のガスインジェクションエンジンよりも減少する。したがって、高圧ガスとして取り扱わなければならないガス燃料の量を減らすことができ、安全性が高められると共に、ガス燃料を高圧化するために必要な動力エネルギを抑制することができる。これらにより、環境保全とコスト削減を図ることができる。
For this reason, the heat generation in the initial stage of combustion can be brought close to an ideal one, and the thermal efficiency by the combustion of the high-pressure gas fuel performed thereafter can be improved. Thereby, the thermal efficiency by combustion of the gas fuel of the whole engine improves significantly. In addition, since a part of the gas fuel is injected before the pilot injection and ignited by the pilot injection, the combustion is a so-called lean burn combustion, which can surely reduce the generation of NOx.
Moreover, it is not necessary to inject the gas fuel at a higher pressure in order to improve the thermal efficiency. Furthermore, the amount of the high-pressure gas fuel injected from the high-pressure gas
特に、低圧ガス燃料噴射弁7は、ガス燃料を(5〜15)barの低圧で、かつ、クランク角で下死点後の(80〜120)°の範囲内の所定時期にシリンダ1内にプレ噴射する。したがって、パイロット燃料噴射による着火、及びその後のガス温度上昇を理想的なものとすることができる。
In particular, the low-pressure gas
一方、エンジンコントローラ16は、低圧のガス燃料であっても、安全面から異常発生時に低圧ガス燃料噴射弁7から燃料が一定時間を超えて連続噴射されないように、インターロック機構として、図4に示すようなウインドウリミッタ17を備えており、何らかの理由により、このウインドウリミッタ17を超えて低圧ガス燃料噴射弁7からのガス噴射が継続している、あるいは継続することが予測される場合には、電磁式油圧開閉弁14を閉弁させて、ガス燃料の開閉弁12を閉弁させる。
On the other hand, the
これにより、低圧ガス燃料噴射弁7へのガス燃料の供給は停止される。これと共に、開閉弁14の閉弁によって低圧ガス燃料噴射弁7への油圧の供給も停止され、低圧ガス燃料噴射弁7の開閉部が閉となり、ガス噴射ができない状態となる。これにより、異常発生時の安全性が確保される。
Thereby, the supply of the gas fuel to the low pressure gas
次に、本発明のガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式の、第2の発明を実施するための形態を、図5ないし図8を参照して詳細に説明する。この第2の発明の実施の形態は、プレ噴射を、図5に示す高圧ガス燃料噴射弁18から高圧で行なう場合である。
Next, the form for implementing 2nd invention of the fuel-injection system of the gas injection engine of this invention is demonstrated in detail with reference to FIG. 5 thru | or FIG. The embodiment of the second invention is a case where the pre-injection is performed at a high pressure from the high-pressure gas
図5は、天然ガス等のガス燃料を主燃料とするガスインジェクションエンジンを示す。シリンダ1、シリンダヘッド2、シリンダライナ3、ピストン4、排気弁9は、上述の第1の発明を実施するための形態と同様である。
FIG. 5 shows a gas injection engine whose main fuel is a gas fuel such as natural gas. The
シリンダヘッド2に、ガス燃料をシリンダ内に高圧で噴射する高圧ガス燃料噴射弁(主ガス燃料噴射弁、副ガス燃料噴射弁)18、高圧ガス燃料噴射弁18からガス燃料を噴射する前にディーゼル燃料をシリンダ1内にパイロット噴射するパイロット燃料噴射弁6が配設される。
Before injecting gas fuel into the
図6に示すように、高圧ガス燃料噴射弁へ高圧ガス燃料を供給する高圧ガス燃料供給装置(主ガス燃料供給装置、副ガス燃料供給装置)20は、例えば次のような構成を有し、異常発生時に高圧ガス燃料噴射弁18へのガス燃料の供給を別系統で遮断し、強制的にガス燃料の噴射を停止させることができるインターロック機構を有する。
As shown in FIG. 6, a high-pressure gas fuel supply device (main gas fuel supply device, sub-gas fuel supply device) 20 that supplies high-pressure gas fuel to a high-pressure gas fuel injection valve has the following configuration, for example. It has an interlocking mechanism that can shut off the gas fuel injection by forcibly stopping the supply of the gas fuel to the high-pressure gas
図示しないガス燃料の供給源からアキュムレータ21、油圧作動式のガス燃料の開閉弁22を介して、高圧のガス燃料が高圧ガス燃料噴射弁18へ供給される。油圧ポンプ23から供給される油圧は、電磁作動式の開閉弁24を介して上記ガス燃料の開閉弁22へ供給され、この開閉弁22を開閉させる。
High-pressure gas fuel is supplied to a high-pressure gas
これと共に、開閉弁24を通った油圧は、電磁作動式の開閉弁25を介して高圧ガス燃料噴射弁18へ供給され、この油圧の供給により高圧ガス燃料噴射弁18は開弁することができる。
At the same time, the hydraulic pressure that has passed through the on-off
2つの電磁作動式の開閉弁24,25は、ガスインジェクションエンジンのエンジンコントローラ26により、その開閉が電気的に制御される。インターロック機構は、エンジンコントローラ26、電磁作動式の油圧開閉弁24,油圧作動式のガス燃料の開閉弁22により構成される。
The opening and closing of the two electromagnetically operated on / off
次に、本ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式の作動について説明する。図7に示すように、例えば上死点のクランク角180°近辺において、ディーゼル燃料がパイロット燃料噴射弁6からシリンダ1内にパイロット噴射される。また、パイロット燃料噴射終了直後からの一定のクランク角範囲で、例えば(200〜300)barの高圧のガス燃料が、高圧ガス燃料噴射弁18からシリンダ1内に噴射される。
Next, the operation of the fuel injection system of the gas injection engine will be described. As shown in FIG. 7, for example, the diesel fuel is pilot-injected into the
一方、エンジンコントローラ26は、ガス燃料を高圧ガス燃料噴射弁18から、クランク角で下死点後の(120〜160)°の範囲内の所定時期であって、かつ、パイロット燃料噴射弁6からのパイロット燃料噴射前に、シリンダ1内にプレ噴射する。高圧ガス燃料噴射弁7からのプレ噴射は、例えば(200〜300)barの高圧で行われる。
On the other hand, the
また、エンジンコントローラ16は、ガスインジェクションエンジンの低負荷時、例えば負荷が60%以下の場合には、燃焼に必要なガス燃料の質量割合で50%以上、例えば50〜95%又は50〜100%の範囲の量のガス燃料を、シリンダ1内にプレ噴射する。
Moreover, the
これは、低負荷領域ではプレ噴射に伴うノッキング発生の可能性が低いため、低負荷時には比較的多量のガス燃料をプレ噴射させることができるからである。これにより、パイロット燃料噴射による着火、及びその後のガス温度上昇を理想的なものとすることができる。 This is because a relatively large amount of gas fuel can be pre-injected at low load because the possibility of knocking due to pre-injection is low in the low load region. Thereby, the ignition by pilot fuel injection and the subsequent gas temperature rise can be made ideal.
一方、エンジンコントローラ16は、ガスインジェクションエンジンの高負荷時、例えば負荷が60%を超える場合には、燃焼に必要なガス燃料の質量割合で50%以下、例えば10〜50%の範囲の量のガス燃料を、シリンダ1内にプレ噴射する。
On the other hand, when the gas injection engine has a high load, for example, when the load exceeds 60%, the
これは、高負荷領域で多量のガス燃料をプレ噴射した場合、このプレ噴射に伴うノッキング発生の可能性が考えられるため、高負荷時にはガス燃料のプレ噴射量を一定範囲内に抑える必要があるからである。これにより、ノッキングの発生を防止しつつ、パイロット燃料噴射による着火、及びその後のガス温度上昇を理想的なものとすることができる。 This is because, when a large amount of gas fuel is pre-injected in a high load region, there is a possibility that knocking may occur due to this pre-injection. Because. Thereby, ignition by pilot fuel injection and subsequent gas temperature rise can be made ideal while preventing occurrence of knocking.
したがって、パイロット噴射後に高圧ガス燃料噴射弁5から噴射される高圧のガス燃料は、燃焼に必要なガス燃料の量から上記プレ噴射されたガス燃料の量を差し引いた残部となり、その残部がパイロット燃料噴射後に、高圧ガス燃料噴射弁18からシリンダ1内に、例えば(200〜300)barの高圧で噴射される。
Therefore, the high-pressure gas fuel injected from the high-pressure gas
このとき、エンジンコントローラ26は、通常運転時には、図6の電磁式の油圧開閉弁24を開弁させる。開閉弁24が開弁すると、油圧によりガス燃料の開閉弁22を開弁し、ガス燃料が高圧ガス燃料噴射弁18へ供給される。
At this time, the
クランク角で下死点後の(120〜160)°の範囲内の所定時期になると、エンジンコントローラ26は、図6の油圧開閉弁25を開弁させ、高圧ガス燃料噴射弁18の開閉部に油圧をかける。これにより、高圧ガス燃料噴射弁18は開弁して高圧のガス燃料をシリンダ1内に噴射する。図7に示すように、噴射時間が経過すると、エンジンコントローラ26は、油圧開閉弁25を閉弁させ、高圧ガス燃料噴射弁18からのガス燃料のプレ噴射を終了する。
When the crank angle reaches a predetermined time within the range of (120 to 160) ° after bottom dead center, the
このパイロット燃料噴射前に高圧ガス燃料噴射弁18から噴射されたガス燃料は、パイロット噴射されるディーゼル燃料の燃焼により着火して燃焼する。これにより、高圧の主ガス燃料噴射前のシリンダ内のガス温度が、従来のガスインジェクションエンジンよりも上昇する。
The gas fuel injected from the high-pressure gas
このため、燃焼初期の熱発生を理想的なものに近づけることができ、その後に行われる高圧の主ガス燃料の燃焼による熱効率を向上させることができる。また、熱効率向上のために、ガス燃料をより高圧で噴射する必要もなくなる。 For this reason, the heat generation in the initial stage of combustion can be brought close to an ideal one, and the thermal efficiency by the combustion of the high-pressure main gas fuel performed thereafter can be improved. Moreover, it is not necessary to inject the gas fuel at a higher pressure in order to improve the thermal efficiency.
また、ガス燃料の一部をパイロット噴射前に噴射し、それをパイロット噴射により着火するようにしたから、その燃焼はいわゆるリーンバーン燃焼となり、これによりNOx の発生を確実に減少させることができる。これらにより、環境保全とコスト削減を図ることができる。 In addition, since a part of the gas fuel is injected before the pilot injection and ignited by the pilot injection, the combustion is a so-called lean burn combustion, which can surely reduce the generation of NOx. As a result, environmental conservation and cost reduction can be achieved.
特に、本ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式においては、高圧ガス燃料噴射弁18からのプレ噴射が、(200〜300)barの高圧で、かつ、クランク角で下死点後の(120〜160)°の範囲内の所定時期に行われる。したかって、パイロット燃料噴射による着火、及びその後のガス温度上昇を理想的なものとすることができる。
In particular, in the fuel injection system of the present gas injection engine, the pre-injection from the high-pressure gas
一方、エンジンコントローラ26は、安全面から異常発生時に高圧ガス燃料噴射弁18から燃料が一定時間を超えて連続噴射されないように、インターロック機構として、上述の図7に示すと同様のウインドウリミッタを有しており、何らかの理由により、このウインドウリミッタを超えて高圧ガス燃料噴射弁18からのガス噴射が継続している、あるいは継続することが予測される場合には、電磁式油圧開閉弁24を閉弁させて、ガス燃料の開閉弁22を閉弁させる。
On the other hand, the
これにより、高圧ガス燃料噴射弁18へのガス燃料の供給は停止される。また、開閉弁24の閉弁により、高圧ガス燃料噴射弁18への油圧の供給も停止され、高圧ガス燃料噴射弁18の開閉部が閉となり、ガス噴射ができない状態となる。これにより、異常発生時の安全性が確保される。
Thereby, the supply of the gas fuel to the high-pressure gas
また、図8に示すように、このウインドウリミッタ27は、例えば、高圧ガス燃料噴射弁18からのパイロット燃料噴射前のプレ噴射と、パイロット燃料噴射後の高圧ガス燃料の噴射との連続時間が一定時間を超えないように設定することもできる。
Further, as shown in FIG. 8, the
なお、上述のガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式は、一例を述べたにすぎず、様々な変形が可能である。 The above-described fuel injection system of the gas injection engine is merely an example, and various modifications can be made.
1 シリンダ
2 シリンダヘッド
3 シリンダライナ
4 ピストン
5 高圧ガス燃料噴射弁(主ガス燃料噴射弁)
6 パイロット燃料噴射弁
7 低圧ガス燃料噴射弁(副ガス燃料噴射弁)
8 高圧ガス燃料供給装置(主ガス燃料供給装置)
9 排気弁
10 低圧ガス燃料供給装置(副ガス燃料供給装置)
12 開閉弁
13 油圧ポンプ
14 開閉弁
15 開閉弁
16 エンジンコントローラ
17 ウインドウリミッタ
18 高圧ガス燃料噴射弁(主ガス燃料噴射弁、副ガス燃料噴射弁)
20 高圧ガス燃料供給装置(主ガス燃料供給装置、副ガス燃料供給装置)
21 アキュムレータ
22 開閉弁
23 油圧ポンプ
24 開閉弁
25 開閉弁
26 エンジンコントローラ
27 ウインドウリミッタ
1
6 Pilot
8 High-pressure gas fuel supply device (main gas fuel supply device)
9
12 Open /
20 High-pressure gas fuel supply device (main gas fuel supply device, auxiliary gas fuel supply device)
21
Claims (10)
前記ガス燃料を前記ガスインジェクションエンジンの前記シリンダ内に噴射する副ガス燃料噴射弁(7,18)と、前記ガス燃料を前記副ガス燃料噴射弁へ供給する副ガス燃料供給装置(10,20)とをさらに備え、前記副ガス燃料噴射弁は、前記パイロット燃料噴射弁から前記ディーゼル燃料がパイロット噴射される前に燃焼に必要とされる前記ガス燃料の一部を前記副ガス燃料供給装置から供給されて前記シリンダ内にプレ噴射し、前記主ガス燃料噴射弁は、前記パイロット燃料噴射弁から前記ディーゼル燃料がパイロット噴射された後に燃焼に必要とされる前記ガス燃料の残部を前記主ガス燃料供給装置から供給されて前記シリンダ内に高圧で噴射することを特徴とするガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式。 A main gas fuel injection valve (5, 18) disposed in a cylinder head (2) of a gas injection engine using gas fuel as a main fuel and injecting the gas fuel into the cylinder (1) at a high pressure, and the main gas fuel injection A pilot fuel injection valve (6) for pilot-injecting diesel fuel into the cylinder before injection of the gas fuel from the valve, and a main gas fuel supply device (8) for supplying high-pressure gas fuel to the main gas fuel injection valve In the fuel injection system of a gas injection engine equipped with
A sub gas fuel injection valve (7, 18) for injecting the gas fuel into the cylinder of the gas injection engine, and a sub gas fuel supply device (10, 20) for supplying the gas fuel to the sub gas fuel injection valve The auxiliary gas fuel injection valve supplies a part of the gas fuel required for combustion from the auxiliary gas fuel supply device before the diesel fuel is pilot injected from the pilot fuel injection valve. The main gas fuel injection valve supplies the main gas fuel supply with the remainder of the gas fuel required for combustion after the diesel fuel is pilot injected from the pilot fuel injection valve. A fuel injection system for a gas injection engine, wherein the fuel injection system is supplied from an apparatus and is injected into the cylinder at a high pressure.
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