JP2022045953A

JP2022045953A - Gas engine

Info

Publication number: JP2022045953A
Application number: JP2020151733A
Authority: JP
Inventors: 永遠平山; Towa Hirayama; 歩実清水; Ayumi Shimizu; 大智久保; Daichi Kubo; 幸志郎内; Koshiro Uchi
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2020-09-10
Filing date: 2020-09-10
Publication date: 2022-03-23

Abstract

To provide a gas engine for jetting water to reduce a temperature of combustion chamber gas, which can suppress boosting capacity required for a water boosting pump, or can omit a water boosting pump.SOLUTION: A gas engine comprises: a cylinder; a piston that reciprocates in the cylinder; an air supply port that supplies air to a combustion chamber defined by the cylinder and piston; an exhaust port that exhausts exhaust from the combustion chamber; and an injection nozzle that merges water for lowering the temperature of combustion chamber gas with fuel gas immediately before injection to atomize it, and injects it together with the fuel gas to the air supply port or the combustion chamber.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本願は、ガスエンジンに関する。 This application relates to a gas engine.

天然ガスや水素ガスなどの燃料ガスを燃焼させるガスエンジンは、環境性能が高く近年注目されている。ガスエンジンには、燃焼室に向けて水を噴射するものがある（例えば、特許文献１参照）。燃焼室に向けて水を噴射することで、水の気化潜熱によって燃焼室ガス温度を低下させ、ノッキングを抑制することができる。また、燃焼室ガスの冷却を効率的に行うには、燃焼室に噴射する水を微粒化して、水の総表面積を大きくする必要がある。 Gas engines that burn fuel gases such as natural gas and hydrogen gas have high environmental performance and have been attracting attention in recent years. Some gas engines inject water toward the combustion chamber (see, for example, Patent Document 1). By injecting water toward the combustion chamber, the temperature of the combustion chamber gas can be lowered by the latent heat of vaporization of the water, and knocking can be suppressed. Further, in order to efficiently cool the combustion chamber gas, it is necessary to atomize the water injected into the combustion chamber to increase the total surface area of the water.

特開２０１２－２２５３１９号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-225319

燃焼室に噴射する水を微粒化するには、噴射する水を非常に高い圧力まで昇圧する必要がある。つまり、燃焼室に噴射する水を昇圧する水昇圧用ポンプには、高い昇圧能力が求められる。そのため、水を噴射して燃焼室ガス温度を低下させるガスエンジンでは、高価な水昇圧用ポンプを使用せざるを得ず、ガスエンジンの製造コストが上昇する一因となっている。 In order to atomize the water injected into the combustion chamber, it is necessary to boost the injected water to a very high pressure. That is, a water boosting pump that boosts the pressure of water injected into the combustion chamber is required to have a high boosting capacity. Therefore, in a gas engine that injects water to lower the gas temperature in the combustion chamber, an expensive water boosting pump must be used, which is one of the factors that increase the manufacturing cost of the gas engine.

本願は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、水を噴射して燃焼室ガス温度を低下させるガスエンジンであって、水昇圧用ポンプに求められる昇圧能力を抑制でき、又は、水昇圧用ポンプを省略可能なガスエンジンを提供することを目的としている。 The present application has been made in view of the above circumstances, and is a gas engine that injects water to lower the combustion chamber gas temperature, and can suppress the boosting capacity required for a water boosting pump, or The purpose is to provide a gas engine in which the water boosting pump can be omitted.

本願の一態様に係るガスエンジンは、シリンダと、前記シリンダ内を往復するピストンと、前記シリンダと前記ピストンによって画される燃焼室に給気を供給する給気ポートと、前記燃焼室から排気を排出する排気ポートと、燃焼室ガス温度を低下させるための水を噴射直前の燃料ガスに合流させて微粒化し、前記燃料ガスとともに前記給気ポート又は前記燃焼室に噴射する噴射ノズルと、を備えている。 The gas engine according to one aspect of the present application has a cylinder, a piston reciprocating in the cylinder, an air supply port for supplying air to the combustion chamber defined by the cylinder and the piston, and exhaust from the combustion chamber. It is provided with an exhaust port for discharging and an injection nozzle for merging water for lowering the temperature of the combustion chamber gas with the fuel gas immediately before injection to atomize the fuel gas and injecting the fuel gas into the air supply port or the combustion chamber. ing.

この構成によれば、燃焼室ガス温度を低下させるための水を高い圧力に昇圧しなくとも燃料ガスの流れによって微粒化することができる。そのため、水昇圧用ポンプに求められる昇圧能力を抑制でき、又は、水昇圧用ポンプを省略可能なガスエンジンを提供することができる。 According to this configuration, water for lowering the combustion chamber gas temperature can be atomized by the flow of fuel gas without boosting the pressure to a high pressure. Therefore, it is possible to provide a gas engine capable of suppressing the boosting capacity required for the water boosting pump or omitting the water boosting pump.

前述のとおり、上記の構成によれば、水を噴射して燃焼室ガス温度を低下させるガスエンジンであって、水昇圧用ポンプに求められる昇圧能力を抑制でき、又は、水昇圧用ポンプを省略可能なガスエンジンを提供することができる。 As described above, according to the above configuration, it is a gas engine that injects water to lower the combustion chamber gas temperature, and can suppress the boosting capacity required for the water boosting pump, or omits the water boosting pump. A possible gas engine can be provided.

図１は、ガスエンジンの概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a gas engine. 図２は、噴射ノズルの拡大断面図である。FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the injection nozzle.

以下、実施形態に係るガスエンジン１００について説明する。図１は、ガスエンジン１００の概略図である。ガスエンジン１００の燃料は、気体状の燃料ガスが用いられる。例えば、天然ガスや水素ガスがこの燃料ガスに相当する。また、本実施形態のガスエンジン１００は、４ストロークエンジンである。ただしガスエンジン１００は、２ストロークエンジンであってもよい。さらに、本実施形態のガスエンジン１００では燃料ガスを圧縮着火によって点火させているが、点火プラグを用いて点火させてもよい。 Hereinafter, the gas engine 100 according to the embodiment will be described. FIG. 1 is a schematic diagram of a gas engine 100. As the fuel of the gas engine 100, gaseous fuel gas is used. For example, natural gas and hydrogen gas correspond to this fuel gas. Further, the gas engine 100 of the present embodiment is a 4-stroke engine. However, the gas engine 100 may be a two-stroke engine. Further, although the gas engine 100 of the present embodiment ignites the fuel gas by compression ignition, it may be ignited by using a spark plug.

図１に示すように、ガスエンジン１００は、シリンダ１１と、ピストン１２と、給気ポート１３と、排気ポート１４と、噴射ノズル１５とを備えている。以下、これらの構成要素について順に説明する。 As shown in FIG. 1, the gas engine 100 includes a cylinder 11, a piston 12, an air supply port 13, an exhaust port 14, and an injection nozzle 15. Hereinafter, these components will be described in order.

シリンダ１１は、シリンダブロック２１とシリンダヘッド２２とによって形成されている。つまり、シリンダブロック２１はシリンダ１１の内側面を形成し、シリンダヘッド２２はシリンダ１１の天面を形成する。図１では、１つのシリンダ１１を示しているが、本実施形態に係るガスエンジン１００は複数のシリンダ１１を備えている。なお、図１の紙面上下方向が、シリンダ１１の中心軸方向である。 The cylinder 11 is formed by a cylinder block 21 and a cylinder head 22. That is, the cylinder block 21 forms the inner surface of the cylinder 11, and the cylinder head 22 forms the top surface of the cylinder 11. Although one cylinder 11 is shown in FIG. 1, the gas engine 100 according to the present embodiment includes a plurality of cylinders 11. The vertical direction of the paper surface in FIG. 1 is the central axis direction of the cylinder 11.

ピストン１２は、シリンダ１１内を往復する部材であって、コネクティングロッド２３を介してクランク軸に連結されている。ピストン１２とシリンダ１１とによって、燃料ガスが燃焼する燃焼室２４が画されている。燃焼室２４で燃料ガスが燃焼することによって発生するガスの温度（燃焼室ガス温度）が高くなりすぎると、点火方式にかかわらずノッキングが生じるおそれがある。そこで、本実施形態では、後述するように燃焼室ガス温度を低下させるための水を燃焼室２４に噴射する。 The piston 12 is a member that reciprocates in the cylinder 11 and is connected to the crank shaft via a connecting rod 23. A combustion chamber 24 in which the fuel gas is burned is defined by the piston 12 and the cylinder 11. If the temperature of the gas generated by the combustion of the fuel gas in the combustion chamber 24 (combustion chamber gas temperature) becomes too high, knocking may occur regardless of the ignition method. Therefore, in the present embodiment, as will be described later, water for lowering the combustion chamber gas temperature is injected into the combustion chamber 24.

給気ポート１３は、燃焼室２４に給気を供給するポートであって、シリンダヘッド２２に形成されている。なお、ガスエンジン１００が２ストロークエンジンである場合、「給気」は「掃気」に、「給気ポート」は「掃気ポート」にそれぞれ読み替えられる。したがって、給気には掃気が含まれ、給気ポートには掃気ポートが含まれるものとする。また、給気ポート１３は、給気弁２５によって所定のタイミングで開閉される。 The air supply port 13 is a port for supplying air to the combustion chamber 24, and is formed in the cylinder head 22. When the gas engine 100 is a 2-stroke engine, "supply air" is read as "scavenging" and "air supply port" is read as "scavenging port". Therefore, it is assumed that the air supply includes scavenging and the air supply port includes the scavenging port. Further, the air supply port 13 is opened and closed at a predetermined timing by the air supply valve 25.

排気ポート１４は、燃焼室２４から排気を排出するポートであって、シリンダヘッド２２に形成されている。排気ポート１４は、排気弁２６によって所定のタイミングで開閉される。なお、図１では、給気ポート１３及び排気ポート１４が１つずつ示されているが、１つのシリンダ１１に対して、それぞれ給気ポート１３及び排気ポート１４が複数形成されていてもよい。 The exhaust port 14 is a port for exhausting exhaust gas from the combustion chamber 24, and is formed in the cylinder head 22. The exhaust port 14 is opened and closed at a predetermined timing by the exhaust valve 26. Although the air supply port 13 and the exhaust port 14 are shown one by one in FIG. 1, a plurality of air supply ports 13 and exhaust ports 14 may be formed for each cylinder 11.

噴射ノズル１５は、燃料ガスとともに水を噴射する機器である。燃焼室２４の中心軸上の天面部分に位置し、燃焼室２４を臨むように配置されている。図２は、噴射ノズル１５の拡大断面図である。図２に示すように、噴射ノズル１５は、燃料ガス入口３１と、燃料ガス流路３２と、共通出口３３と、水入口３４と、水流路３５と、を有している。 The injection nozzle 15 is a device that injects water together with the fuel gas. It is located on the top surface of the combustion chamber 24 on the central axis and is arranged so as to face the combustion chamber 24. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the injection nozzle 15. As shown in FIG. 2, the injection nozzle 15 has a fuel gas inlet 31, a fuel gas flow path 32, a common outlet 33, a water inlet 34, and a water flow path 35.

燃料ガス入口３１は、噴射ノズル１５の基端部分に位置している。燃料ガス入口３１は、燃料ガス供給配管４１に接続されており、燃料ガス入口３１を介して燃料ガス供給配管４１から噴射ノズル１５に燃料ガスが供給される。なお、燃料ガスを噴射ノズル１５に供給するタイミングは、燃料ガス供給配管４１に設けられたバルブを開閉することにより制御される。噴射ノズル１５に供給される燃料ガスの圧力は、給気圧より高く、一例として０．５ＭＰａ高い。この場合、給気圧が０．１ＭＰａ（ゲージ圧、以下同じ）であれば、燃料ガスの圧力は０．６ＭＰａである。 The fuel gas inlet 31 is located at the base end portion of the injection nozzle 15. The fuel gas inlet 31 is connected to the fuel gas supply pipe 41, and fuel gas is supplied from the fuel gas supply pipe 41 to the injection nozzle 15 via the fuel gas inlet 31. The timing of supplying the fuel gas to the injection nozzle 15 is controlled by opening and closing the valve provided in the fuel gas supply pipe 41. The pressure of the fuel gas supplied to the injection nozzle 15 is higher than the supply air pressure, for example, 0.5 MPa higher. In this case, if the supply pressure is 0.1 MPa (gauge pressure, the same applies hereinafter), the pressure of the fuel gas is 0.6 MPa.

燃料ガス流路３２は、燃料ガス入口３１に連通する流路である。燃料ガス流路３２は、噴射ノズル１５の中心軸上に位置し、燃料ガス入口３１から噴射ノズル１５の軸方向に沿って延びている。燃料ガス入口３１に供給された燃料ガスは、燃料ガス流路３２を通って後述する共通出口３３に向かって流れる。 The fuel gas flow path 32 is a flow path that communicates with the fuel gas inlet 31. The fuel gas flow path 32 is located on the central axis of the injection nozzle 15 and extends from the fuel gas inlet 31 along the axial direction of the injection nozzle 15. The fuel gas supplied to the fuel gas inlet 31 flows through the fuel gas flow path 32 toward the common outlet 33 described later.

共通出口３３は、噴射ノズル１５の先端部分に位置しており、燃焼室２４に開口している。燃料ガス流路３２を通過した燃料ガスは、この共通出口３３を介して燃焼室２４に噴射される。 The common outlet 33 is located at the tip of the injection nozzle 15 and is open to the combustion chamber 24. The fuel gas that has passed through the fuel gas flow path 32 is injected into the combustion chamber 24 through the common outlet 33.

水入口３４は、噴射ノズル１５の側部に位置している。水入口３４は、水供給配管４２に接続されており、水入口３４を介して水供給配管４２から噴射ノズル１５に水が供給される。なお、水を噴射ノズル１５に供給するタイミングは、水供給配管４２に設けられたバルブを開閉することにより制御される。噴射ノズル１５に供給される水の圧力は、１ＭＰａ以下（一例として０．８ＭＰａ）である。 The water inlet 34 is located on the side of the injection nozzle 15. The water inlet 34 is connected to the water supply pipe 42, and water is supplied from the water supply pipe 42 to the injection nozzle 15 via the water inlet 34. The timing of supplying water to the injection nozzle 15 is controlled by opening and closing a valve provided in the water supply pipe 42. The pressure of water supplied to the injection nozzle 15 is 1 MPa or less (0.8 MPa as an example).

水流路３５は、水入口３４に連通する流路である。水流路３５は、燃料ガス流路３２を囲むように環状（円筒状）に形成されている。水入口３４に供給された水は、水流路３５を通って共通出口３３に向かって流れる。水が共通出口３３付近に達すると、噴射直前の燃料ガスと合流する。このとき、燃料ガスの流れによって水が微粒化する。微粒化した水は、燃料ガスとともに、共通出口３３から燃焼室２４に噴射される。 The water flow path 35 is a flow path that communicates with the water inlet 34. The water flow path 35 is formed in an annular shape (cylindrical shape) so as to surround the fuel gas flow path 32. The water supplied to the water inlet 34 flows toward the common outlet 33 through the water flow path 35. When the water reaches the vicinity of the common outlet 33, it merges with the fuel gas immediately before the injection. At this time, water is atomized by the flow of fuel gas. The atomized water is injected into the combustion chamber 24 from the common outlet 33 together with the fuel gas.

なお、噴射ノズル１５は、燃料ガス及び微粒化した水を燃焼室２４ではなく給気ポート１３に噴射してもよい。この場合、噴射ノズル１５は、給気ポート１３に臨むように設けられる。この場合であっても、微粒化した水は燃料ガス及び給気とともに燃焼室２４に達する。また、言うまでもなく、噴射ノズル１５の形状は、図２に示したものに限定されない。噴射ノズル１５は、燃料ガスの流れによって水を微粒化できる構造を備えていればよい。 The injection nozzle 15 may inject fuel gas and atomized water into the air supply port 13 instead of the combustion chamber 24. In this case, the injection nozzle 15 is provided so as to face the air supply port 13. Even in this case, the atomized water reaches the combustion chamber 24 together with the fuel gas and the supply air. Needless to say, the shape of the injection nozzle 15 is not limited to that shown in FIG. The injection nozzle 15 may have a structure capable of atomizing water by the flow of fuel gas.

上記のとおり、本実施形態に係るガスエンジン１００は、シリンダ１１と、シリンダ１１内を往復するピストン１２と、シリンダ１１とピストン１２によって画される燃焼室２４に給気を供給する給気ポート１３と、燃焼室２４から排気を排出する排気ポート１４と、燃焼室ガス温度を低下させるための水を噴射直前の燃料ガスに合流させて微粒化し、燃料ガスとともに給気ポート１３又は燃焼室２４に噴射する噴射ノズル１５と、を備えている。 As described above, the gas engine 100 according to the present embodiment has a cylinder 11, a piston 12 that reciprocates in the cylinder 11, and an air supply port 13 that supplies air to a combustion chamber 24 defined by the cylinder 11 and the piston 12. Then, the exhaust port 14 for discharging the exhaust from the combustion chamber 24 and the water for lowering the combustion chamber gas temperature are merged with the fuel gas immediately before the injection to be atomized, and are atomized together with the fuel gas in the air supply port 13 or the combustion chamber 24. It is provided with an injection nozzle 15 for injecting.

ここで、従来のように燃料ガスとは別に水を噴射する場合、つまり燃料ガスと水が別の噴射ノズルから噴射される場合、水を微粒化させるためには非常に高い圧力（例えば、１０ＭＰａ以上）にまで昇圧する必要があった。ところが、本実施形態のように水を噴射直前の燃料ガスに合流させて噴射させる場合は、水の圧力が低くとも（上記の例では、０．８ＭＰａ）十分に微粒化させることができる。つまり、水の微粒化に必要な水の圧力を劇的に（上記の例では１０分の１以下に）低減させることができる。そのため、水昇圧用ポンプに求められる昇圧能力を抑制することができる。 Here, when water is injected separately from the fuel gas as in the conventional case, that is, when the fuel gas and water are injected from different injection nozzles, a very high pressure (for example, 10 MPa) is required to atomize the water. It was necessary to boost the pressure to (above). However, when water is merged with the fuel gas immediately before injection and injected as in the present embodiment, even if the pressure of the water is low (0.8 MPa in the above example), it can be sufficiently atomized. That is, the pressure of water required for atomization of water can be dramatically reduced (less than 1/10 in the above example). Therefore, the boosting capacity required for the water boosting pump can be suppressed.

さらに、噴射ノズル１５内を通過する燃料ガスの速度が大きい場合、水は大きな力で吸引される。つまり、噴射ノズル１５の水を吸引する吸引能力が高くなる。そのため、噴射ノズル１５内を通過する燃料ガスの速度などの条件によっては、水昇圧用のポンプを省略することもできる。 Further, when the speed of the fuel gas passing through the injection nozzle 15 is high, the water is sucked with a large force. That is, the suction capacity for sucking the water of the injection nozzle 15 is increased. Therefore, depending on the conditions such as the speed of the fuel gas passing through the injection nozzle 15, the water boosting pump may be omitted.

なお、本実施形態では、燃焼室ガス温度を低下させるための水を噴射するタイミングは、燃料ガスを噴射するタイミングに限定される。しかしながら、燃料ガスを噴射するタイミングで水を燃焼室に噴射すれば、燃焼室ガス温度を十分に低下させることができる。 In the present embodiment, the timing of injecting water for lowering the combustion chamber gas temperature is limited to the timing of injecting fuel gas. However, if water is injected into the combustion chamber at the timing of injecting the fuel gas, the temperature of the combustion chamber gas can be sufficiently lowered.

また、上記のとおり、本実施形態に係るガスエンジン１００では、噴射ノズル１５は、燃焼室２４の中心軸上の天面部分に位置し、燃焼室２４を臨むように配置されている。 Further, as described above, in the gas engine 100 according to the present embodiment, the injection nozzle 15 is located on the top surface portion on the central axis of the combustion chamber 24 and is arranged so as to face the combustion chamber 24.

この構成によれば、燃焼室２４の全体に燃料ガス及び燃焼室ガス温度を低下させるための水を噴射することができる。その結果、燃料ガスの燃焼及び燃焼室ガス温度の低下を効率よく行うことができる。 According to this configuration, the fuel gas and water for lowering the temperature of the combustion chamber gas can be injected into the entire combustion chamber 24. As a result, the combustion of the fuel gas and the reduction of the combustion chamber gas temperature can be efficiently performed.

１１シリンダ
１２ピストン
１３給気ポート
１４排気ポート
１５噴射ノズル
１００ガスエンジン
11 Cylinder 12 Piston 13 Air supply port 14 Exhaust port 15 Injection nozzle 100 Gas engine

Claims

Cylinder and
A piston that reciprocates in the cylinder and
An air supply port that supplies air to the combustion chamber defined by the cylinder and the piston,
An exhaust port that exhausts exhaust from the combustion chamber and
A gas engine comprising: an injection nozzle for merging water for lowering a combustion chamber gas temperature with a fuel gas immediately before injection to atomize the fuel gas and injecting the fuel gas into the air supply port or the combustion chamber.

The gas engine according to claim 1, wherein the injection nozzle is located on a top surface portion on the central axis of the combustion chamber and is arranged so as to face the combustion chamber.