JP2017008752A - ガスエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】予混合ガスの着火タイミングを適切に制御して異常燃焼を回避するとともに、燃焼安定性を高めて熱効率向上を図ることができるガスエンジンの燃焼方法を提供する。【解決手段】直噴マイクロパイロット油着火方式である予混合燃焼方式の過給式ガスエンジンであって、パイロット燃料の噴射を、予混合ガスの火炎伝播燃焼をアシストするプレ噴射と、予混合ガスの着火タイミングを制御し得るメイン噴射とに分け、エンジンの仕様に基づいて予め求められた予混合ガスの燃焼が開始しないクランクアングル及び噴射量の範囲で、プレ噴射を行い、さらにピストン１６により予混合ガスが圧縮された後、予混合ガスが着火燃焼に至るクランクアングル及び噴射量の範囲で、メイン噴射を行うように、パイロット燃料噴射弁２２の制御を行う制御手段４０を備えたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、天然ガス等のガス燃料を主燃料とする予混合燃焼方式の過給式ガスエンジンに係り、着火時にシリンダ内に微量のパイロット燃料（例えば軽油）を直接噴射するパイロット油着火方式（直噴マイクロパイロット着火方式）のエンジンに関し、デュアルフューエルエンジンにおけるガスモードも含まれる。

予混合燃焼方式のエンジンにおける着火方式としては、大きく分けて、主燃焼室火花点火方式、副室式火花点火方式、副室式マイクロパイロット油着火方式、直噴マイクロパイロット油着火方式などが知られている。主燃焼室点火方式は、主燃焼室に配置した点火プラグで予混合ガス（燃料ガスと空気の予混合気）に着火させる方式である。副室式火花点火方式は、主燃焼室の他に副室を備え、ここに点火プラグ及びパイロットガス供給システムを配置し、点火プラグによるパイロットガスへの着火により主燃焼室の予混合ガスに着火するという方式である。また、副室式マイクロパイロット油着火方式は、副室を備え、ここにパイロット油（軽油）を噴射することで着火を促すというものである（例えば特許文献１参照）。

本ガスエンジンに係る直噴マイクロパイロット油着火方式は、主燃焼室に直接パイロット油を噴射して着火する方式である。直噴マイクロパイロット油着火方式では、副室や副室へのガス供給システムを備えること無く、その噴射により、予混合ガスを確実に着火させることができる（例えば特許文献２参照）。

これまでに予混合ガスエンジンの直噴マイクロパイロット油着火方式において、パイロット燃料を２回に分けて噴射する方法が報告されている（特許文献３参照）。低負荷において、初期に噴射したパイロット燃料により予混合ガスの自己着火特性を促進することを目的としている。しかしこの方式では、初期に噴射したパイロット燃料により予混合ガスの燃焼が開始してしまう可能性があり、特に高負荷での運転を想定している過給式の予混合ガスエンジンにおいては、過早着火による異常燃焼に繋がることが大きなリスクとして挙げられる。

特開２００５−９０３８１号公報 特開２００７−２４７５６９号公報 特開２００５−５２２６２６号公報

地球温暖化対策や経済的観点から内燃機関（ガスエンジン）の熱効率向上が重要視されている。熱効率を向上させるため、予混合ガスの着火タイミングを早めることや運転負荷を増大させることなど、より厳しい条件で運転をすることが期待されるが、本ガスエンジンは過給予混合燃焼方式のため、より厳しい条件での運転は異常燃焼のリスクを高める。

これまでに予混合ガスエンジンの直噴マイクロパイロット油着火方式において、パイロット燃料を２回に分けて噴射する方法が報告されている（特許文献３参照）。低負荷において初期に噴射したパイロット燃料により予混合ガスの自己着火特性を促進することを目的としている。しかしこの方式では、初期に噴射したパイロット燃料により予混合ガスの燃焼が開始されてしまう可能性があり、特に高負荷での運転を想定している過給式の予混合ガスエンジンにおいては、過早着火による異常燃焼に繋がることが大きなリスクとして挙げられる。

一般に熱効率と排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）排出量はトレードオフの関係にある。熱効率を向上させるとＮＯｘ排出量は増加するが、環境負荷低減のため、ＮＯｘ排出量が増加することは好ましくない。

本発明はこれらを克服し、直噴マイクロパイロット油方式の特徴を生かして予混合ガスの着火タイミングを適切に制御し、異常燃焼を回避するとともに、着火安定性を高めて熱効率向上を図ることができ、さらに熱効率向上によるＮＯｘ排出量の増加を抑制できるガスエンジンの燃焼方法を提供する。

空気を加圧しシリンダに供給する過給機及び当該過給機により加圧される空気の圧力を負荷に応じて制御する機構を備えると共に、シリンダヘッドにパイロット燃料噴射弁を備え、予混合ガスを前記パイロット燃料噴射弁を介して前記シリンダ内にパイロット燃料として噴射することで着火燃焼を図るガスエンジンであって、前記パイロット燃料の噴射をプレ噴射とメイン噴射とに分け、予め求められた予混合ガスが未燃となるクランクアングル及び噴射量の範囲で、前記プレ噴射を行い、さらに前記ピストンにより予混合ガスが圧縮された後、前記予混合ガスが燃焼に至るクランクアングル及び噴射量の範囲で、前記メイン噴射を行うように、前記パイロット燃料噴射弁の制御を行う制御手段を備えたことを特徴とする。

上記のような特徴を有するガスエンジンでは、前記制御手段による前記プレ噴射のタイミング、及び量は、前記シリンダ内の圧縮温度が燃焼に至るクランクアングルに達した際に、噴射されたパイロット燃料が拡散し、運動量が失われている状態となるクランクアングル及び噴射量とすると良い。

このような特徴を持つことで、プレ噴射により噴射されたパイロット燃料は燃焼に至るまでの反応時間が長く、ピストンが上死点に至っても予混合ガスの燃焼が開始されにくい状態となる。

上記のような特徴を有するガスエンジンが４ストロークガスエンジンの場合における前記プレ噴射は、吸気弁が閉弁した後に行われるようにすると良い。

さらに、上記のような特徴を有するガスエンジンが２ストロークガスエンジンの場合における前記プレ噴射は、前記シリンダ内を摺動するピストンが、吸気ポートを塞いだ後又は排気弁が閉弁した後に行われるようにすると良い。

上記のような特徴を有するガスエンジンによれば、予混合ガスの着火タイミングを適切に制御して異常燃焼を回避するとともに、着火安定性を高めて熱効率向上を図ることができ、さらに熱効率向上によるＮＯｘ排出量の増加を抑制することができる。

実施形態に係る４ストロークガスエンジンのシリンダ、およびこのシリンダに付帯する制御手段の構成を示す図である。 異常燃焼時のシリンダ内圧を示した図である。 ピストンによるシリンダ内圧縮温度及びメイン噴射により予混合ガスを燃焼させた際のシリンダ内最高圧のサイクル変動係数を示した図である。 プレ噴射有り及びプレ噴射無しのシリンダ内圧を示した図である。 熱効率及びＮＯｘ排出量の関係を示した図である。 プレ噴射を行うタイミングとＮＯｘ排出量の関係を示した図である。 プレ噴射を行うタイミングと熱効率の関係を示した図である。 プレ噴射を行うタイミングと出力のサイクル変動の関係を示した図である。 ４ストロークガスエンジンにおけるプレ噴射を行った場合の燃焼概念図である。

以下、本発明のガスエンジンに係る実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、４ストロークの多気筒エンジンのうちの１つのシリンダ１０を示すものである。シリンダ１０は、ライナ１２とヘッド１４とより構成されており、ライナ１２内をピストン１６が往復する構成が採られている。ヘッド１４には、吸気口１８と排気口２０の他、パイロット燃料噴射弁２２や、ノックセンサ３６が設けられている。吸気口１８と排気口２０にはそれぞれ、吸気弁１８ａと排気弁２０ａが配設されている。また、吸気口１８と排気口２０にはそれぞれ、吸気管２４と、排気管３０が接続されている。吸気管２４には、燃料ガス供給弁２８及び燃料ガス供給管２６を介して燃料ガス室５４から燃料ガス（例えば都市ガス）が供給され、吸気管２４内で燃料ガスと給気（空気）の混合気が形成される。吸気管２４に供給される燃料ガス流量は、燃料ガス室５４内の圧力が燃料ガス圧力調節弁５２により調節された後、エンジン出力に応じて燃料ガス供給弁２８により制御され、給気流量は、必要とされる空気過剰率に応じて、過給機から給気室５６に供給される給気の圧力を給気圧力調節弁６２により制御されて、混合気中の燃料ガス濃度が所定の濃度に保つことが可能な構成とされている。

パイロット燃料噴射弁２２は、燃料管３２を介して高圧燃料管３４に接続されている。高圧燃料管３４は、パイロット燃料噴射弁２２から噴射するパイロット燃料を高圧化した状態で蓄えておくためのタンクである（高圧燃料管３４を設けることで、エンジン回転数に依存せず、パイロット燃料を噴射する際の圧力として好適な圧力を維持することが可能となる）。ノックセンサ３６は、ノッキング等の異常燃焼や失火の発生状態を監視するセンサである。

このようなシリンダ１０には、制御のための信号を送受する制御手段４０が付帯されている。制御手段４０からの送信信号としては、パイロット燃料噴射指令信号や、燃料ガス噴射指令信号、給気圧力調節弁開度指令信号などがある。各信号は、それぞれパイロット燃料噴射弁ドライバ４２、燃料ガス供給弁ドライバ４４、給気圧力調節弁６２に入力される。パイロット燃料噴射弁２２や燃料ガス供給弁２８は、信号の入力されたタイミングや長さに応じて、あらかじめ定められた単位時間当たりの噴射量、供給量で、パイロット燃料や燃料ガスを噴射、または供給する。また、給気圧力調節弁６２から開度に応じた量の余剰空気を外部に排出し、給気圧力を調節する。

制御手段４０へ入力される受信信号としては、ノックセンサが接続された燃焼診断ユニット４６を介して入力されるノッキング発生状態や失火発生状態を示す信号や、エンジンの出力状態を示す信号、およびクランクアングル、ピストン上死点位置信号（ＴＤＣ）、クランク軸の回転数、クランク軸の位相角などを示す信号がある他、給気量を制御するため、給気室５６内の温度を検出する給気温度センサ５８からの信号、並びに圧力を検出する給気圧力センサ６０からの信号などがある。

このような基本構成を有するガスエンジンでは、ピストン１６の降下の際に吸気口１８からシリンダ１０内に燃料ガス（予混合ガス）が導入される。吸気弁１８ａ、排気弁２０ａが閉じた状態で、ピストン１６が上昇し、燃料ガスが圧縮される。燃料ガス圧縮時に、パイロット燃料噴射弁２２から、パイロット燃料を噴射し、着火、燃焼を生じさせ、シリンダ内圧の上昇、およびピストン１６の降下がなされ、クランク軸に動力が与えられる。

本実施形態に係るエンジンでは、パイロット燃料噴射弁２２からのパイロット燃料の噴射を１サイクル中に複数回行うように、制御手段４０からの制御信号が出力される。

具体的には、予混合ガスが着火する前のパイロット燃料の噴射をプレ噴射、実際に予混合ガスを着火せしめるパイロット燃料の噴射をメイン噴射とし、ライナ１２内を摺動するピストン１６が、吸気弁閉弁から上死点に至るまでの間に、プレ噴射とメイン噴射の双方を行う。

なお、給気圧力の制御機構、パイロット燃料の噴射機構、燃料ガスの供給方法などは、多種多様であり、図１に示す方法に限定するものではない。

図２に異常燃焼時のシリンダ内の圧力波形を示す。異常燃焼は、火炎伝播燃焼する前の未燃混合気が自着火燃焼することにより発生するノッキングや、特に高負荷域において予混合ガスの着火が早過ぎることから発生する急激な圧力上昇を伴う現象を言い、通常よりも圧力上昇が激しいためにエンジン損傷の恐れがある。異常燃焼を防ぐために、予混合ガスが着火および燃焼するタイミングは適切に制御されなければならない。

プレ噴射によるパイロット燃料で予混合ガスが着火すると、過早着火となり異常燃焼の引き金となる。異常燃焼を抑制するため、プレ噴射のタイミング及び量を適切に制御する必要がある。

図３に、ピストンによる予混合ガスのシリンダ内圧縮温度を実線で、圧縮した予混合ガスをパイロット燃料メイン噴射によって燃焼させた際のシリンダ内最高圧の変動係数（３００サイクルの標準偏差／平均値）を破線で示す。横軸のクランクアングルは、吸気弁が閉まった後のピストン下死点を０度とし、シリンダ内最高圧の変動係数に関しては、メイン噴射を行ったクランクアングルを示している。

パイロット燃料の噴射量は全投入燃料熱量に対して０．４％、０．８％、１．４％の３ケースとし、これらはプレ噴射を行う場合のプレ噴射の量と同等としている。シリンダ内最高圧の変動係数をみると、３ケースいずれの場合も、燃焼が最も安定するのはパイロット燃料の噴射を行うタイミングが１６０ｄｅｇ．ＡＢＤＣ付近で、その前後のクランクアングルでは燃焼が不安定化していく傾向にあることが読み取れる。また、試験により、パイロット燃料を噴射するタイミングが１３０ｄｅｇ．ＡＢＤＣ以前では、予混合ガスが燃焼できずに失火してしまう可能性が高いという結果を得ることもできた。

ここで、１３０ｄｅｇ．ＡＢＤＣ以前にパイロット燃料を噴射する場合について考察すると、まず、噴射直後においては、パイロット燃料を噴射するタイミングが早過ぎるためにシリンダ内の温度が低く、パイロット燃料は着火せずに、予混合ガスの燃焼が開始されないということが考えられる。そして、その後のピストンの圧縮によりシリンダ内の温度が上昇した場合であっても、噴射から所定の時間が経過したパイロット燃料は予混合ガスと混ざって希薄なものとなり、かつ飛沫粒子が運動量を失っていることから燃焼の反応時間が長くなり、ピストンが上死点に至るまでに、予混合ガスの燃焼が開始されないと考えられる。

このため、プレ噴射による過早着火を防止するためには、プレ噴射によるパイロット燃料の噴射を図３における予混合ガスの未燃焼領域で行うようにし、かつその噴射量を調整すれば良い。なお、パイロット燃料の噴射量に関しては、図３から、噴射量が少ないほど、予混合ガスを安定燃焼させることが可能なクランクアングルの範囲が狭くなっていることを読み取ることができる。

上記のような試験を行うことによれば、プレ噴射におけるパイロット燃料の噴射量に応じた予混合ガスが未燃となるクランクアングル（未燃焼領域）と、予混合ガスが燃焼するクランクアングル（燃焼領域）を求めることができるが、これらの燃焼領域及び未燃焼領域はエンジンの仕様（エンジンサイズ、回転数、圧縮比、空気過剰率等）により変化するため、一概に好適な条件を導くことは困難であり、事前の試験により仕様に応じたエンジン毎に求めておく必要がある。

また、プレ噴射の実施により、万一異常燃焼が発生した場合には、プレ噴射のタイミング、及び量を変化させ、異常燃焼を抑制することも可能である。具体的には、異常燃焼または過大な燃焼圧力を検出した際には、プレ噴射を行うタイミングをさらに早くし、プレ噴射の量を少なくすることで過早着火を回避する。

パイロット燃料プレ噴射を行い、過早着火を抑制した本実施形態に係るガスエンジンでは、プレ噴射を行った後、パイロット燃料メイン噴射を行うことにより、予混合ガスが着火され燃焼が開始される。

図４に試験で得られたパイロット燃料プレ噴射有り（プレ噴射＋メイン噴射）及びパイロット燃料プレ噴射無し（メイン噴射のみ）におけるシリンダ内の圧力波形を示す。横軸のクランクアングルは吸気弁が閉まった後のピストン下死点を０度としている。本試験におけるプレ噴射の実施は、予め求められた予混合ガスの燃焼が開始されない噴射のタイミング及び量に基づいて行われている。プレ噴射有りの場合とプレ噴射無しの場合の波形を比較検討すると、予混合ガスの燃焼開始はプレ噴射の有無に関係なく、メイン噴射を行うタイミングによって決まっていることが読み取れる。すなわち、予混合ガスの着火は、プレ噴射ではなくメイン噴射によるパイロット燃料の燃焼によって成されている。

さらに予混合ガスの燃焼が開始されて得られるシリンダ内の最高圧は、パイロット燃料プレ噴射有りの方がプレ噴射無しよりも大きい。これはプレ噴射により噴射されたパイロット燃料がシリンダ内に拡がり、パイロット燃料メイン噴射により着火された後の予混合ガスの燃焼伝播を助けたためである。

図５に試験により得られたＮＯｘ排出量と熱効率の関係を示す。図中Ａから給気圧を低下させて空気過剰率を低下させた場合がＢであり、パイロット燃料プレ噴射を実施した場合がＣである。ＢよりもＣの方が熱効率の上昇は大きいがＮＯｘ排出量の増加は少ない。すなわち、プレ噴射を行った場合は、給気圧を低下させて空気過剰率を低下させた場合に比べ、熱効率の上昇は大きいがＮＯｘ排出量の増加は少ないことを示している。これは、プレ噴射を行うと予混合ガスの燃焼伝播がアシストされてシリンダ内の最高圧が上昇し、それに伴い熱効率は改善するが、プレ噴射により噴射されたパイロット燃料は予混合ガスと混ざって希薄になっているため、燃焼温度の上昇はさほど大きくなく、ＮＯｘ排出量の増加が抑制されたためである。

図６から図８に、パイロット燃料プレ噴射を１回行い、その後にパイロット燃料メイン噴射により予混合ガスを燃焼させた場合について、プレ噴射の量を一定のまま、プレ噴射を行うタイミングをプレ噴射により予混合ガスが燃焼しない範囲で変化させたときの試験結果を示す。プレ噴射の量を１．４％、メイン噴射の量を１．０％、メイン噴射を行うタイミングを１６０ｄｅｇ．ＡＢＤＣで一定としている。

図６にパイロット燃料プレ噴射を行うタイミングとＮＯｘ排出量の関係を示す。横軸のクランクアングルは、吸気弁が閉まった後のピストン下死点を０度としている。図６より、プレ噴射を行うタイミングが早いほど、ＮＯｘ排出量が低下することが読み取れる。これは、プレ噴射のタイミングが早いほど、噴射されたパイロット燃料の分布範囲が拡がり、予混合ガスと混ざって希薄になり、燃焼した際の温度上昇が抑制されたためである。

図７にパイロット燃料プレ噴射を行うタイミングと熱効率の関係を示す。横軸のクランクアングルは、吸気弁が閉まった後のピストン下死点を０度としている。図７より、プレ噴射を行うタイミングが早いほど、熱効率が上昇することが読み取れる。これは、プレ噴射のタイミングが早いほど、噴射されたパイロット燃料の到達距離が拡がって、燃えづらいシリンダ外縁部の予混合ガスの燃焼を助け、シリンダ内の最高圧が上昇したためである。

図８にパイロット燃料プレ噴射を行うタイミングとＰｉ（図示平均有効圧）の変動係数（３００サイクルの標準偏差／平均値）の関係を示す。横軸のクランクアングルは、吸気弁が閉まった後のピストン下死点を０度としている。プレ噴射を行うタイミングが早いほど、Ｐｉの変動係数が低下することが読み取れる。これも同様に、プレ噴射のタイミングが早いほど、燃えづらいシリンダ外縁部の予混合ガスの燃焼を助け、毎回の燃焼がより安定したためである。

以上のように、パイロット燃料プレ噴射を行うタイミングを変えることにより予混合ガスの燃焼状態が変化する。これはメイン噴射により予混合ガスが着火される時点における、プレ噴射によるパイロット燃料のシリンダ内の分布範囲が変化したためである。すなわち、早いタイミングでプレ噴射を行うほど、噴射されたパイロット燃料はシリンダ外縁部に多く分布し、中心部は少なくなる傾向がある。

このことから、パイロット燃料プレ噴射の実施においては、予め求められた予混合ガスの燃焼が開始されない噴射を行うタイミング及び量に基づき、これを複数回に分けて行うことにより、プレ噴射によるパイロット燃料のシリンダ内の分布範囲を変化させることも可能である。

最後に図９を参照し、パイロット燃料のプレ噴射無し（メイン噴射のみ）及びプレ噴射有り（プレ噴射＋メイン噴射）における予混合ガスの燃焼状態の相違について説明する。まず、プレ噴射無しの場合は、ピストンによる圧縮が不十分、すなわち図３における未燃焼領域においてプレ噴射は行われない。そして、クランクアングルが燃焼領域に至った時点で、パイロット燃料メイン噴射が行われ、予混合ガスの燃焼が開始される。

一方、パイロット燃料プレ噴射有りの場合、プレ噴射は、図３における未燃焼領域のクランクアングルの時に行われる。この場合、噴射されたパイロット燃料は、噴射された時点ではピストンの圧縮が十分でないため着火しない。その後、ピストンの圧縮により次第にシリンダ内の温度が上昇しても、パイロット燃料は予混合ガスと混ざって希薄なものとなり、かつ飛沫粒子が運動量を失っていることから燃焼の反応時間が長いため、予混合ガスの燃焼は開始されない。そして、パイロット燃料メイン噴射によって予混合ガスの燃焼が開始された際、その燃焼伝播が、シリンダ内に分布しているプレ噴射によるパイロット燃料によってアシストされる。

以上の効果により、パイロット燃料プレ噴射を実施することで、予混合ガスの着火タイミングを適切に制御して異常燃焼を回避するとともに、着火安定性を高めて熱効率向上を図ることができ、さらに熱効率向上によるＮＯｘ排出量の増加を抑制することができる。

上記実施形態では、エンジンの形態について、４ストロークエンジンを具体例として挙げ、それに適したパイロット燃料のプレ噴射とメイン噴射について解説した。しかし、本願に係る発明は、２ストロークの予混合ガスエンジンに対しても適用することができる。４ストロークエンジンと同様に、パイロット燃料の噴射をプレ噴射とメイン噴射とに分け、プレ噴射は予め求められた予混合ガスの燃焼が開始されない噴射を行うタイミング及び量に基づいて噴射され、メイン噴射によるパイロット燃料により予混合ガスの燃焼が開始される。２ストロークエンジンの場合には、ライナ内を摺動するピストンが、排気弁閉弁から上死点に至るまでの間に、プレ噴射とメイン噴射を行うようにする。

よって、制御手段からの制御信号の出力は、上記タイミングを満たすように出力される。このような条件を満たすことにより、２ストロークエンジンであっても、４ストロークエンジンの場合と同様の効果が発揮される。

１０………シリンダ、１２………ライナ、１４………ヘッド、１６………ピストン、１８………吸気口、１８ａ………吸気弁、２０………排気口、２０ａ………排気弁、２２………パイロット燃料噴射弁、２４………吸気管、２６………燃料ガス供給管、２８………燃料ガス供給弁、３０………排気管、３２………燃料管、３４………高圧燃料管、３６………ノックセンサ、４０………制御手段、４２………パイロット燃料噴射弁ドライバ、４４………燃料ガス供給弁ドライバ、４６………燃焼診断ユニット、５２………燃料ガス圧力調節弁、５４………燃料ガス室、５６………給気室、５８………給気圧力センサ、６０………給気温度センサ、６２………給気圧力調節弁。

本発明はこれらを克服し、直噴マイクロパイロット油方式の特徴を生かして予混合ガスの着火タイミングを適切に制御し、異常燃焼を回避するとともに、燃焼安定性を高めて熱効率向上を図ることができ、さらに熱効率向上によるＮＯｘ排出量の増加を抑制できるガスエンジンの燃焼方法を提供する。

空気を加圧しシリンダに供給する過給機及び当該過給機により加圧される空気の圧力を負荷に応じて制御する機構を備えると共に、シリンダヘッドにパイロット燃料噴射弁を備え、前記パイロット燃料噴射弁を介して前記シリンダ内に噴射されたパイロット燃料により前記シリンダ内に導入された予混合ガスの着火燃焼を図るガスエンジンであって、前記パイロット燃料の噴射を、前記予混合ガスの火炎伝播燃焼をアシストするプレ噴射と、前記予混合ガスの着火タイミングを制御し得るメイン噴射とに分け、予め求められた、前記予混合ガスの燃焼が開始しないクランクアングル及び噴射量の範囲で、前記プレ噴射を行った後、ピストンにより前記予混合ガスが圧縮され、前記予混合ガスが着火燃焼に至るクランクアングル及び噴射量の範囲で、前記メイン噴射を行うように、前記パイロット燃料噴射弁の制御を行う制御手段を備えたことを特徴とする。
上記のような特徴を有するガスエンジンにおいて前記制御手段は、前記プレ噴射の回数、タイミング、及び量の少なくともいずれか１つを変える事により、前記シリンダ内における前記パイロット燃料の分布範囲を変えることを可能とすると良い。
上記のような特徴を有するガスエンジンにおいて前記制御手段は、前記プレ噴射の回数、タイミング、及び量の少なくともいずれか１つを変える事により、前記メイン噴射により着火された予混合ガスの燃焼圧力を変えることができる。
上記のような特徴を有するガスエンジンにおいて前記制御手段は、異常燃焼が発生した場合に、前記プレ噴射を行うタイミングを早める構成とすることができる。このような特徴を有することにより、過早着火を回避し、異常燃焼を抑制することができる。
上記のような特徴を有するガスエンジンにおいて前記制御手段は、異常燃焼が発生した場合に、前記プレ噴射の量を少なくする構成とすることもできる。このような特徴を有する場合も、過早着火を回避し、異常燃焼を抑制することができる。

上記のような特徴を有するガスエンジンによれば、予混合ガスの着火タイミングを適切に制御して異常燃焼を回避するとともに、燃焼安定性を高めて熱効率向上を図ることができ、さらに熱効率向上によるＮＯｘ排出量の増加を抑制することができる。

さらに予混合ガスの燃焼が開始されて得られるシリンダ内の最高圧は、パイロット燃料プレ噴射有りの方がプレ噴射無しよりも大きい。これはプレ噴射により噴射されたパイロット燃料がシリンダ内に拡がり、パイロット燃料メイン噴射により着火された後の予混合ガスの燃焼及び火炎伝播を助けたためである。

図５に試験により得られたＮＯｘ排出量と熱効率の関係を示す。図中Ａから給気圧を低下させて空気過剰率を低下させた場合がＢであり、パイロット燃料プレ噴射を実施した場合がＣである。ＢよりもＣの方が熱効率の上昇は大きいがＮＯｘ排出量の増加は少ない。すなわち、プレ噴射を行った場合は、給気圧を低下させて空気過剰率を低下させた場合に比べ、熱効率の上昇は大きいがＮＯｘ排出量の増加は少ないことを示している。これは、プレ噴射を行うと予混合ガスの燃焼及び火炎伝播がアシストされてシリンダ内の最高圧が上昇し、それに伴い熱効率は改善するが、プレ噴射により噴射されたパイロット燃料は予混合ガスと混ざって希薄になっているため、燃焼温度の上昇はさほど大きくなく、ＮＯｘ排出量の増加が抑制されたためである。

一方、パイロット燃料プレ噴射有りの場合、プレ噴射は、図３における未燃焼領域のクランクアングルの時に行われる。この場合、噴射されたパイロット燃料は、噴射された時点ではピストンの圧縮が十分でないため着火しない。その後、ピストンの圧縮により次第にシリンダ内の温度が上昇しても、パイロット燃料は予混合ガスと混ざって希薄なものとなり、かつ飛沫粒子が運動量を失っていることから燃焼の反応時間が長いため、予混合ガスの燃焼は開始されない。そして、パイロット燃料メイン噴射によって予混合ガスの燃焼が開始された際、その燃焼及び火炎伝播が、シリンダ内に分布しているプレ噴射によるパイロット燃料によってアシストされる。

以上の効果により、パイロット燃料プレ噴射を実施することで、予混合ガスの着火タイミングを適切に制御して異常燃焼を回避するとともに、燃焼安定性を高めて熱効率向上を図ることができ、さらに熱効率向上によるＮＯｘ排出量の増加を抑制することができる。

Claims (4)

1. 空気を加圧しシリンダに供給する過給機及び当該過給機により加圧される空気の圧力を負荷に応じて制御する機構を備えると共に、シリンダヘッドにパイロット燃料噴射弁を備え、予混合ガスを前記パイロット燃料噴射弁を介して前記シリンダ内にパイロット燃料として噴射することで着火燃焼を図るガスエンジンであって、
   前記パイロット燃料の噴射をプレ噴射とメイン噴射とに分け、
   予め求められた予混合ガスが未燃となるクランクアングル及び噴射量の範囲で、前記プレ噴射を行い、さらに前記ピストンにより予混合ガスが圧縮された後、前記予混合ガスが燃焼に至るクランクアングル及び噴射量の範囲で、前記メイン噴射を行うように、前記パイロット燃料噴射弁の制御を行う制御手段を備えたことを特徴とするガスエンジン。
2. 前記制御手段による前記プレ噴射のタイミング、及び量は、前記シリンダ内の圧縮温度が燃焼に至るクランクアングルに達した際に、噴射されたパイロット燃料が拡散し、運動量が失われている状態となるクランクアングル及び噴射量としたことを特徴とする請求項１に記載のガスエンジン。
3. ４ストロークガスエンジンの場合における前記プレ噴射は、吸気弁が閉弁した後に行われることを特徴とする請求項２に記載のガスエンジン。
4. ２ストロークガスエンジンの場合における前記プレ噴射は、前記シリンダ内を摺動するピストンが、吸気ポートを塞いだ後又は排気弁が閉弁した後に行われることを特徴とする請求項２に記載のガスエンジン。
   

Images