JP2016037890A - 二元燃料エンジン及びその燃焼方法 - Google Patents

Abstract

【課題】主燃料と補助燃料を併用した二元燃焼モードと、補助燃料のみによる単独燃焼モードを切り替えて運転を行う二元燃料エンジンにおいて、簡便な構造で主燃料インジェクタの過熱を防止し得る二元燃料エンジンを提供する。【解決手段】二元燃料エンジン１の燃焼室４に主燃料を噴射する主燃料インジェクタ８に主燃料を供給する主燃料供給ライン１５の途中に切替弁１６を備え、燃焼室４に補助燃料５を噴射する補助燃料インジェクタ６に補助燃料５を供給する補助燃料供給ライン１２と切替弁１６とを冷却ライン１７で接続し、単独燃焼モードによる運転の際、切替弁１６を操作して主燃料インジェクタ８に対し補助燃料供給ライン１２から冷却ライン１７を介して補助燃料５を供給し、主燃料インジェクタ８から補助燃料５のパイロット噴射を実行するよう構成する。【選択図】図２

Description

本発明は、二種類の燃料を併用した二元燃焼を行う二元燃料エンジン及び二元燃料エンジンの燃焼方法に関する。

近年、自動車等の内燃機関において、省エネルギー、ＣＯ_２削減、大気汚染対策などの観点から、従来の石油燃料に代えて天然ガス等の低公害燃料を利用することが試みられている。

そうした試みのひとつとして、圧縮天然ガス（ＣＮＧ：Compressed Natural Gas）などの気体燃料を主燃料に用い、軽油などの液体燃料で着火補助を行う二元燃焼を採用した二元燃料エンジンが開発されている。燃料として圧縮天然ガスを用い、火花で点火する形式の天然ガスエンジンは従来知られているところであるが、そうした従来の天然ガスエンジンにおいては、急激な燃焼によりノッキングが発生しやすいという問題がある。そこで火花点火を避け、燃焼室内に噴射した気体燃料を吸気と混合して圧縮し、圧縮上死点近傍で高温高圧となった燃焼室内にさらに少量の液体燃料をパイロット噴射することで液体燃料を自己着火させ、この火炎を気体燃料に延焼させることで自己着火性の低い気体燃料を燃焼させるようにしたのが圧縮着火式の二元燃料ディーゼルエンジンである。こうして、自己着火性が低い気体燃料の燃焼特性を、自己着火性の高い液体燃料による着火補助で補うようにしている。このような形式の二元燃料エンジンにおいては、ノッキングを防止する効果に加え、圧縮比を高くとることができ、吸気の過給が可能で熱効率が良いという利点もあり、一部では既に実用化されている。

図３〜図５は二元燃料エンジンによる二元燃焼の様子を示しており、ここでは、補助燃料として軽油を、主燃料として圧縮天然ガスを用いる二元燃料ディーゼルエンジン１を例示している。二元燃料エンジン（二元燃料ディーゼルエンジン）１を構成する各気筒２の内部にはピストン３が収容され、気筒２の内頂面２ａと内周面２ｂ、ピストン３の上面３ａとで燃焼室４を形成している。気筒２の内頂面２ａには、補助燃料（軽油）５を燃焼室４内に噴射する補助燃料インジェクタ６と、主燃料（圧縮天然ガス）７を燃焼室４内に噴射する主燃料インジェクタ８が備えられている。

上記二元燃料ディーゼルエンジン１による二元燃焼の行程を説明する。図示しない吸気ポートから燃焼室４内に吸気が導入された後、続いてピストン３が上昇し、燃焼室４内に導入した吸気の圧縮が行われる（図３（ａ）、（ｂ））。吸気の圧縮と同時に、主燃料インジェクタ８から圧縮天然ガス７が噴射され、吸気と混合される。ここで、図３（ｂ）に示す如く、主燃料インジェクタ８からの圧縮天然ガス７の噴射方向は、気筒２の径方向に対して角度を有しているため、燃焼室４内に噴射された圧縮天然ガス７は燃焼室４内で気筒２の周方向に旋回する流れを生じ、これによって吸気との混合が促進される。

ピストン３が圧縮上死点近傍に達した時点で（図４（ａ）、（ｂ））、燃焼室４内に補助燃料インジェクタ６から少量の軽油５がパイロット噴射され、該軽油５が圧縮着火される（図５（ａ）、（ｂ））。この圧縮着火の火炎が圧縮天然ガス７に延焼することで、主燃料である圧縮天然ガス７に着火され、燃焼室４内で爆発が起こり、ピストン３は下降に移る。主燃料に補助燃料を併用した二元燃焼は、例えば以上のような行程で行われる。

ただし、このような二元燃料エンジンにおいては、常に上記のように気体燃料を主燃料とした二元燃焼による運転ができるわけではない。すなわち、気体燃料は燃焼に必要な温度が高いため、燃焼室内の温度が比較的低い低負荷の運転領域では、燃焼室内の気体燃料が燃焼しきらずに燃え残りが発生し、結果的に燃焼効率が下がってしまう。特に、燃焼室の中でも気筒内周壁付近は温度が低く、燃え残りが発生しやすい。このため、二元燃料エンジンにおいては、上記のような二元燃焼による運転は中〜高負荷の運転領域で運転する場合に限定し、低負荷の運転領域では気体燃料の噴射を行わず、通常のエンジンと同様に液体燃料のみの単独燃焼により運転するのが一般的である。また、気体燃料を補給可能な補給設備が限られているなどの事情から、気体燃料の残量がなくなった場合には運転領域の如何にかかわらず液体燃料の単独燃焼による運転を行うよう、自動的に燃焼方式の切り替え制御を行う場合もある。

ここで、二元燃焼による運転を行っている間は、上記したように燃焼室に対して補助燃料インジェクタと主燃料インジェクタの両方から燃料が供給される。一方、単独燃焼による運転を行っている間は、燃焼室に対し燃料の供給を行うのは補助燃料インジェクタのみであり、主燃料インジェクタは動作しない。

エンジンの運転中、インジェクタは常に燃焼による高温に曝されているが、インジェクタが作動し、該インジェクタから燃料の供給が行われている限り、インジェクタは内部を流通する燃料によって冷却されるため、過熱して損傷を起こすことはない。しかし、上記したように、二元燃料エンジンにおいては、運転時であっても、主燃料インジェクタからは燃料の供給が行われない場合がある。このため、主燃料インジェクタが燃焼の高温に曝される一方で燃料によって冷却されず、過剰に温度が上昇して焼きつきなどの損傷を起こす虞がある。

このような二元燃料エンジンにおけるインジェクタの過熱を防止するための技術を記載した文献としては、例えば、下記特許文献１がある。

特開２００８−５１１２１号公報

上記特許文献１には、二元燃料エンジンにおいて、補助燃料である軽油単独によるディーゼル運転を行う際、主燃料インジェクタから空気や水等の冷却流体を噴射することにより前記主燃料インジェクタを冷却し、インジェクタの過熱を防止する装置が記載されている。しかしながら、冷却流体として空気を用いる場合には、インジェクタから噴射し得る圧縮空気を作るためのエネルギーが必要であるし、水を用いる場合には、燃焼室内に多量の水分が導入されることによる腐食の懸念や、冬季には水分の供給ラインが凍結する虞もある。また、冷却流体のタンクや加圧装置など余分の機器を搭載しなければならないため、車体重量が増加するという問題もある。

本発明は、斯かる実情に鑑み、主燃料インジェクタの過熱を好適に防止し得る二元燃料エンジン及び二元燃料エンジンの燃焼方法を提供しようとするものである。

本発明は、主燃料に補助燃料を併用した二元燃焼モードと、補助燃料のみによる単独燃焼モードを切り替えて運転を行う二元燃料エンジンにおいて、単独燃焼モードによる運転の際、主燃料インジェクタから補助燃料のパイロット噴射を実行するよう構成したことを特徴とする二元燃料エンジンにかかるものである。

而して、このようにすれば、単独燃焼モードによる運転時においても主燃料インジェクタの内部を流通する補助燃料によって前記主燃料インジェクタを冷却し、該主燃料インジェクタの過熱を防止することができる。

本発明の二元燃料エンジンにおいては、二元燃料エンジンの燃焼室に主燃料を噴射する主燃料インジェクタに主燃料を供給する主燃料供給ラインの途中に切替弁を備え、前記燃焼室に補助燃料を噴射する補助燃料インジェクタに補助燃料を供給する補助燃料供給ラインと前記切替弁とを冷却ラインで接続し、単独燃焼モードによる運転の際、前記切替弁を操作して前記主燃料インジェクタに対し前記補助燃料供給ラインから前記冷却ラインを介して補助燃料を供給し、前記主燃料インジェクタから補助燃料のパイロット噴射を実行するよう構成することが好ましく、このようにすれば、主燃料インジェクタの冷却に際して複雑な構造や余分な機器を必要とせず、簡便な構造で主燃料インジェクタの過熱を防止することができる。

また、本発明は、主燃料と補助燃料を併用した二元燃焼モードと、補助燃料のみによる単独燃焼モードを切り替えて運転を行う二元燃料エンジンの燃焼方法において、単独燃焼モードによる運転の際、主燃料インジェクタから補助燃料のパイロット噴射を実行することを特徴とする二元燃料エンジンの燃焼方法にかかるものである。

本発明の二元燃料エンジン及び二元燃料エンジンの燃焼方法によれば、主燃料インジェクタの過熱を好適に防止し得るという優れた効果を奏し得る。

本発明の実施例の二元燃焼モードにおける作動を示す概略図である。 本発明の実施例の単独燃焼モードにおける作動を示す概略図である。 二元燃料エンジンによる二元燃焼の一行程を示す概略図であり、（ａ）は気筒の一部の正断面図、（ｂ）は（ａ）をＩＩＩＢ−ＩＩＩＢの方向から見た断面矢視図である。 二元燃料エンジンによる二元燃焼の一行程を示す概略図であり、（ａ）は気筒の一部の正断面図、（ｂ）は（ａ）のＩＶＢ−ＩＶＢの方向から見た断面矢視図である。 二元燃料エンジンによる二元燃焼の一行程を示す概略図であり、（ａ）は気筒の一部の正断面図、（ｂ）は（ａ）のＶＢ−ＶＢの方向から見た断面矢視図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１、図２は本発明の実施による二元燃料エンジンを示しており、図中、図３〜図５と同一の符号を付した部分は同一物を表わし、基本的な構成は図３〜図５に示す従来のものと同様である。ここでは、上記従来例と同様、補助燃料として軽油を、主燃料として圧縮天然ガスを用いる二元燃料ディーゼルエンジン１に対して本発明を実施した装置を例示している。二元燃料エンジン（二元燃料ディーゼルエンジン）１を構成する各気筒２の内部にピストン３が収容され、気筒２の内頂面２ａと内周面２ｂ、ピストン３の上面３ａとで燃焼室４を形成している。気筒２の内頂面２ａには、補助燃料（軽油）５を燃焼室４内に噴射する補助燃料インジェクタ６と、主燃料（圧縮天然ガス）７を燃焼室４内に噴射する主燃料インジェクタ８が備えられている。補助燃料インジェクタ６、主燃料インジェクタ８の配置は、図３（ｂ）に示した従来例の場合と同様であり、補助燃料インジェクタ６の噴射口は気筒２の内頂面２ａの中心部に位置し、主燃料インジェクタ８の噴射口は気筒２の内頂面２ａの周辺部に位置している。

補助燃料インジェクタ６には、燃料タンク９から燃料ポンプ１０を介して燃料噴射装置１１に送られた軽油５が燃料噴射装置１１から高圧で供給されるようになっており、燃料タンク９から燃料ポンプ１０、燃料噴射装置１１を介して補助燃料インジェクタ６に至るまでの流路で補助燃料供給ライン１２を形成している。

主燃料インジェクタ８には、燃料ボンベ１３からレギュレータ１４を介して主燃料インジェクタ８に圧縮天然ガス７が送られるようになっており、燃料ボンベ１３からレギュレータ１４を介して主燃料インジェクタ８に至るまでの流路で主燃料供給ライン１５を形成している。

本実施例の特徴とするところは、前記主燃料供給ライン１５の途中であってレギュレータ１４と主燃料インジェクタ８の間の一箇所に切替弁１６を備え、補助燃料供給ライン１２の一部をなす燃料噴射装置１１と切替弁１６とを冷却ライン１７で接続し、燃料噴射装置１１から冷却ライン１７と切替弁１６を介して下流の主燃料インジェクタ８に軽油５を供給し得るようにした点にある。

次に、上記した本実施例の作動を説明する。

圧縮天然ガス７の残量があり、且つ、運転状態が燃焼室内の温度が比較的高い中〜高負荷の領域にある場合、二元燃料ディーゼルエンジン１は、軽油５と圧縮天然ガス７を併用した二元燃焼モードで運転を行う。この場合には、図１に示す如く、切替弁１６の操作により、レギュレータ１４から主燃料インジェクタ８に至る主燃料供給ライン１５が開通され、冷却ライン１７は閉塞されている。したがって、補助燃料インジェクタ６には補助燃料供給ライン１２を通して軽油５が供給され、主燃料インジェクタ８には主燃料供給ライン１５を通して圧縮天然ガス７が供給される。これにより、中〜高負荷の領域で運転する場合、本実施例の二元燃料ディーゼルエンジン１は、上記した従来例と同様の二元燃焼を実行するようになっている。すなわち、ピストン３を上昇中に主燃料インジェクタ８から圧縮天然ガス７を噴射し、吸気と混合しながら圧縮し、圧縮上死点近傍で補助燃料インジェクタ６から少量の軽油５をパイロット噴射して軽油５を自己着火させ、圧縮天然ガス７に着火するようになっており、この過程で、補助燃料インジェクタ６は内部を流通する軽油５により、主燃料インジェクタ８は内部を流通する圧縮天然ガス７により、それぞれ冷却されることになる。

一方、圧縮天然ガス７の残量がない場合や、運転状態が燃焼室内の温度が比較的低い低負荷の領域にある場合には、本実施例の二元燃料ディーゼルエンジン１は、圧縮天然ガス７と軽油５の併用による二元燃焼を行わず、軽油５のみを燃焼させる単独燃焼モードにより運転を行う。この場合は、図２に示す如く、切替弁１６の操作により、レギュレータ１４から主燃料インジェクタ８に至る主燃料供給ライン１５が途中で閉塞され、代わりに燃料噴射装置１１から切替弁１６を介して下流に軽油５を供給する冷却ライン１７が開通される。

単独燃焼モードによる運転の場合、本実施例の二元燃料ディーゼルエンジン１の作動は、基本的には通常のディーゼルエンジンの作動と同様である。ピストン３の上昇行程で吸気を圧縮し、圧縮上死点近傍で補助燃料インジェクタ６から燃焼室４内に軽油５を噴射すると、この軽油５が圧縮着火されて軽油５の燃焼による爆発が生じる。

このとき、上記したように主燃料供給ライン１５は切替弁１６で閉塞されているので、圧縮天然ガス７が主燃料インジェクタ８に供給されることはない。しかし、本実施例では、この単独燃焼モードによる運転時、上記したように冷却ライン１７が開通されているため、この冷却ライン１７と切替弁１６を通して補助燃料供給ライン１２の一部をなす燃料噴射装置１１から主燃料インジェクタ８に軽油５が供給され、主燃料インジェクタ８から少量の軽油５がパイロット噴射される。パイロット噴射された軽油５は、補助燃料インジェクタ６から噴射された軽油５とともに燃焼される。こうして、単独燃焼モードによる運転時には、補助燃料インジェクタ６と主燃料インジェクタ８の両方が、内部を流通する軽油５により冷却されることになる。

而して、本実施例の二元燃料エンジン及び二元燃料エンジンの燃焼方法によれば、主燃料（圧縮天然ガス）７と補助燃料（軽油）５を併用した二元燃焼モードと、補助燃料（軽油）５のみによる単独燃焼モードを切り替えて運転を行う二元燃料エンジン（二元燃料ディーゼルエンジン）１において、単独燃焼モードによる運転の際、主燃料インジェクタ８から補助燃料（軽油）５のパイロット噴射を実行するよう構成しているので、単独燃焼による運転時においても主燃料インジェクタ８の内部を流通する補助燃料（軽油）５によって主燃料インジェクタ８を冷却し、該主燃料インジェクタ８の過熱を防止することができる。

また、本実施例の二元燃料ディーゼルエンジン１においては、二元燃料エンジン（二元燃料ディーゼルエンジン）１の燃焼室４に主燃料（圧縮天然ガス）７を噴射する主燃料インジェクタ８に主燃料（圧縮天然ガス）７を供給する主燃料供給ライン１５の途中に切替弁１６を備え、燃焼室４に補助燃料（軽油）５を噴射する補助燃料インジェクタ６に補助燃料（軽油）５を供給する補助燃料供給ライン１２と切替弁１６とを冷却ライン１７で接続し、単独燃焼モードによる運転の際、切替弁１６を操作して主燃料インジェクタ８に対し補助燃料供給ライン１２から冷却ライン１７を介して補助燃料（軽油）５を供給し、主燃料インジェクタ８から補助燃料（軽油）５のパイロット噴射を実行するよう構成しているので、主燃料インジェクタ８の冷却に際して複雑な構造や余分な機器を必要とせず、簡便な構造で主燃料インジェクタ８の過熱を防止することができる。

したがって、上記本実施例によれば、主燃料インジェクタ８の過熱を好適に防止し得る。

尚、本発明の二元燃料エンジン及び二元燃料エンジンの燃焼方法は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、例えば、本実施例においては補助燃料として軽油を用いる二元燃料ディーゼルエンジンを例に説明したが、主燃料に圧縮天然ガス、補助燃料にガソリンを用い、ガソリンに火花着火する二元燃料エンジン等、複数の燃料を併用する形式のエンジンであれば他の種類のエンジンにも適用し得ること、また、燃料としては圧縮天然ガスと軽油を用いた例で説明したが、他の種類の燃料も種々使用し得ること等、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 二元燃料エンジン（二元燃料ディーゼルエンジン）
４ 燃焼室
５ 補助燃料（軽油）
６ 補助燃料インジェクタ
７ 主燃料（圧縮天然ガス）
８ 主燃料インジェクタ
１２ 補助燃料供給ライン
１５ 主燃料供給ライン
１６ 切替弁
１７ 冷却ライン

Claims (3)

1. 主燃料に補助燃料を併用した二元燃焼モードと、補助燃料のみによる単独燃焼モードを切り替えて運転を行う二元燃料エンジンにおいて、単独燃焼モードによる運転の際、主燃料インジェクタから補助燃料のパイロット噴射を実行するよう構成したことを特徴とする二元燃料エンジン。
2. 二元燃料エンジンの燃焼室に主燃料を噴射する主燃料インジェクタに主燃料を供給する主燃料供給ラインの途中に切替弁を備え、
   前記燃焼室に補助燃料を噴射する補助燃料インジェクタに補助燃料を供給する補助燃料供給ラインと前記切替弁とを冷却ラインで接続し、
   単独燃焼モードによる運転の際、前記切替弁を操作して前記主燃料インジェクタに対し前記補助燃料供給ラインから前記冷却ラインを介して補助燃料を供給し、前記主燃料インジェクタから補助燃料のパイロット噴射を実行するよう構成したことを特徴とする請求項１に記載の二元燃料エンジン。
3. 主燃料と補助燃料を併用した二元燃焼モードと、補助燃料のみによる単独燃焼モードを切り替えて運転を行う二元燃料エンジンの燃焼方法において、単独燃焼モードによる運転の際、主燃料インジェクタから補助燃料のパイロット噴射を実行することを特徴とする二元燃料エンジンの燃焼方法。

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