JP3422589B2 - トーチ点火式ガスエンジンの燃焼装置 - Google Patents

トーチ点火式ガスエンジンの燃焼装置

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    • Y02T10/30Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明はトーチ点火式ガスエンジ
ンの燃焼装置に関する。 【0002】 【従来の技術】図2は従来の技術によるトーチ点火式ガ
スエンジンの全体構成を示した説明図である。図2を参
照して従来の燃焼装置の構成について説明する。従来の
トーチ点火式ガスエンジンの燃料ガスの供給系には主燃
料ガス供給系とトーチ点火用の副室燃料ガス(以下副室
ガスと略記)供給系の2系統がある。主燃料ガスは燃料
ガス供給本管114から分岐された主燃料ガス供給管1
15に配設された主燃料ガスレギュレータ117及び主
燃料ガス量調整弁118を経由して、給気管110に配
設されたガスミキサ108で混合され、過給機のコンプ
レッサ109を介して吸気行程中にエンジン燃焼室10
2a内に導入される。 【0003】一方、副室ガスは燃料ガス供給本管114
から分岐された副室ガス供給管119に配設されたガス
コンプレッサ120で昇圧され、次いで副室ガスレギュ
レータ121で圧力調整され、副室104内の圧力が副
室ガスの供給圧力より低くなるとチェック弁123を介
して副室104内に純ガスが導入される。過給エンジン
の場合、吸気行程中の副室104内のガス圧力は過給機
のコンプレッサ109の出口空気圧力、即ち給気圧力と
同等であることから、通常給気圧導入管132を介して
給気圧力を副室ガスレギュレータ121に作動させ、給
気圧力よりも高めの一定の差圧で副室ガスが供給され
る。 【0004】次に従来例の作用について説明する。吸気
行程に入るとピストン102は下降し、希薄混合ガスが
主燃焼室102aに導入される。副室ガスは副室104
内の圧力が副室ガスの供給圧力より低下するため、チェ
ック弁123を介して副室104内には純ガスが導入さ
れて該室内はほぼ純ガスで充満され、その一部は副室1
04下端の噴口から主燃焼室102aに流入する。 【0005】圧縮行程に入るとピストン102が上昇し
て希薄混合ガスを圧縮し、その一部は副室104下端の
噴口から副室104内に流入し純ガスと混合する。この
時の副室104内の混合ガスの濃度は通常理論混合比に
近くなるよう経験的に副室ガス供給圧力を設定してい
る。圧縮行程の終り近くに副室104に取付けられた点
火プラグ125の火花放電によって副室104内の混合
ガスに点火し、副室104下端の噴口から火炎ジェット
を噴出させ、主燃焼室102a内の希薄混合ガスに着火
させ、主燃焼室内全体に火炎を伝播させ燃焼による圧力
上昇によってピストン102を押し下げる。次いで排気
行程へと移行し1サイクルを完結する。 【0006】 【発明が解決しようとする課題】トーチ点火式ガスエン
ジンは空気過剰率が2以上の希薄混合ガスを低い温度で
完全燃焼させるため、NOx の排出が少く熱効率が高い
という特徴があるが、排出するNOx の多くはトーチ点
火の副室104内で発生する。NOx の発生量は理論混
合比に近い混合条件で最も多く発生し、ガス濃度をこれ
より濃くしても、薄くしてもNOx の発生量は減少す
る。しかし、極端に濃くしたり薄くしたりすると、燃焼
が不安定になり熱効率は低下する。 【0007】副室104内の混合ガスの濃度を変えるに
は副室ガスの供給量(ガス圧力、供給時間)を変化させ
ることによりある一定範囲内で変化させることができ
る。NOx の発生量は、吸入空気量、温度、点火時期等
によって増減するが、従来の燃焼装置においては吸入空
気圧力のみをフィードバックして副室ガスの供給圧力を
制御しているため、NOx の排出量を十分に制御できな
かった。 【0008】本発明の目的はNOx の排出量を監視する
と共に、排出量を一定範囲内に制御できるトーチ点火式
ガスエンジンの燃焼装置を提供するにある。 【0009】 【課題を解決するための手段】本発明のトーチ点火式ガ
スエンジンの燃焼装置は、トーチ点火式ガスエンジンの
トーチ点火用副室燃料ガスの供給量を制御してNOX
出量を制御する燃焼装置において、排気管内の排気ガス
のNOXを連続的に計測するための排ガスサンプリング
管(28)及びNOX計測装置(25)と、副室燃料ガ
スの供給量を計測するための副室ガス圧センサ(29)
と、副室燃料ガス供給管(19)に設置されて前記副室
燃料ガスの供給量を調整する電磁制御ガスインジェクタ
(22)と、前記副室燃料ガスの供給量とNOX排出量
との関係があらかじめ設定され、NOX排出量の設定
と前記NOX計測装置でのNO X 濃度計測値とを比較し
て、前記NO X 濃度計測値がNO X 排出量の設定値を超え
たとき前記電磁制御ガスインジェクタの開弁時間を調整
して前記副室燃料ガスの供給量を増加し、該副室内の混
合気濃度を理論混合比よりも低くせしめるガスインジェ
クタ制御装置とを有してなることを特徴とする。 【0010】 【作用】エンジンが吸気行程になるとピストン02は下
降し吸気弁が開き希薄混合気が主燃焼室内に流入する。
主燃焼室内の圧力は給気圧力と等しくなるが副室内圧力
も給気圧力とほぼ同じ圧力になる。副室ガス供給管19
の上流部に配設された副室ガスレギュレータ21により
副室ガスの供給圧力を給気圧力よりやや高く設定する。
検出したクランク角信号により吸気行程の開始時期を判
定し、ガスインジェクタ制御装置24の制御信号により
電磁制御ガスインジェクタ22を開弁する。 【0011】この開弁時間により副室ガスの供給量が決
定するが、これは排気管13で直接計測するNOx 計測
装置25の計測信号を基準にして、同時に計測した給気
圧力、給気温度、副室ガス供給圧力、エンジンの回転数
及び負荷等の信号をガスインジェクタ制御装置24に入
力し、該装置の演算回路で開弁時間を決定する。 【0012】給気温度が上昇しNOx 計測値が所定の値
を越えた場合には、副室ガスの供給量を増加し副室内の
混合気濃度を理論混合比よりも低く(空気過剰率1以
下)することにより副室04内でのNOx の発生量が減
少する。主燃焼室におけるNOx の発生量はそれほど変
らないので全体としてのNOx の排出量は減少する。従
って所定のNOx 排出量に合せるには、NOx 排出値を
計測しながら副室への供給ガス量を制御することによっ
て可能となる。 【0013】 【実施例】図1は本発明の実施例に係るトーチ点火式ガ
スエンジンの全体構成を示した説明図である。図を参照
して実施例の燃焼装置について構成と作用を説明する。
主燃料ガスは燃料ガス供給本管14から主燃料ガス供給
管15を経て主燃料ガスレギュレータ17に送られて所
定圧力に調整され、次いで主燃料ガス量調整弁18で負
荷に応じた供給量に調整されてガスミキサ08に導入さ
れる。一方、空気は吸気口より空気フィルタ06を経て
空気調整弁07を通りガスミキサ08へ導入される。こ
こで燃料ガスと空気が混合され理論混合比の2倍以上の
希薄混合ガスとなり、過給機コンプレッサ09で加圧さ
れ給気管10を経て主燃焼室02aに至る。 【0014】副室供給ガスは燃料ガス供給本管14から
分岐された副室ガス供給管19に配設されたガスコンプ
レッサ20で数kgf/cm2 に昇圧され、副室ガスレ
ギュレータ21で給気圧力よりも高い所定の圧力に調整
されて電磁制御ガスインジェクタ22へ導入され、更に
チェック弁23を介して副室04内に導入されるように
なっている。前記電磁制御ガスインジェクタ22はガス
インジェクタ制御装置24によって開弁時期、開弁時間
が制御される。 【0015】エンジンの作動が吸気行程になるとピスト
ン02が下降し吸気弁が開いて希薄混合ガスが主燃焼室
02aに導入される。この時主燃焼室02a内の圧力は
給気圧力と同じになり、副室04内の圧力も副室04下
端の噴口が主燃焼室02と連通しているため給気圧力と
ほぼ同じになる。負荷計測器26やクランク角センサ2
7によって、エンジン負荷や回転するクランク軸から死
点信号やクランク角信号を検出して、ガスインジェクタ
制御装置24に送信し吸気行程の開始時期に電磁制御ガ
スインジェクタ22から副室04内へ副室ガスが噴射さ
れる。該噴射圧力は給気圧力よりも高くチェック弁23
の設定圧力よりも高いので副室ガスは副室04内に導入
される。 【0016】排気管13に配設した排ガスサンプリング
管28からサンプルガスをNOx 計測装置25に送って
NOx 排出量を計測しその計測信号をガスインジェクタ
制御装置24へ送信する。なお、同時に給気管10に配
設した給気圧力センサ30と給気温度センサ31の計測
信号及び副室ガス供給管19に配設した副室ガス圧セン
サ29の計測信号をガスインジェクタ制御装置24へ送
信し、それらの計測値とあらかじめ入力してある電磁制
御ガスインジェクタ22の開弁時間とガス噴射量の関係
を比較・演算し最適のガス噴射量に調整する。電磁制御
ガスインジェクタ22からの副室04内へのガスの噴射
は少くとも吸入行程の終りには終了するが、副室04内
に供給された純ガスの一部は副室04下端の噴口部から
主燃焼室02aに流出する。 【0017】圧縮行程になるとピストン02が上昇して
主燃焼室02a内の希薄混合気は圧縮されその一部は副
室04下端の噴口部より副室04内に流入し純ガスと混
合する。この時の副室04内の混合気濃度は圧縮比を一
定とした場合副室供給ガス量に比例する。 【0018】圧縮行程の終り近くに副室04に配設した
点火プラグ05の火花放電により副室04内の混合気に
点火し、その火炎噴流を副室04下端の噴口部から主燃
焼室02aに噴出させ、希薄混合気に着火して主燃焼室
02a内で火炎を伝播させ、燃焼による圧力上昇により
ピストン02を下方へ押し下げ、続いて排気行程へ移行
する。この時、NOx の排出量の計測値が予期した値と
相違する場合は、副室ガス供給量を前記した手順によっ
て制御し所定の排出量に調整する。 【0019】 【発明の効果】副室ガス供給系に、副室ガス供給量をフ
ィードバック制御できるように電磁制御ガスインジェク
タ22とガスインジェクタ制御装置24を配設すると共
に、排気管路でNOx の排出量を計測すると共に、エン
ジン運転条件に係る諸量の情報を検出し最適の副室ガス
供給量を演算し制御することによって、排出ガス中のN
x 量を監視すると共に、設定範囲内に抑制することが
できる。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の実施例に係るトーチ点火式ガスエンジ
ンの全体構成を示す説明図。 【図2】従来の技術によるトーチ点火式ガスエンジンの
全体構成を示す説明図。 【符号の説明】 19…副室燃料ガス供給管、22…電磁制御ガスインジ
ェクタ、24…ガスインジェクタ制御装置、25…NO
x 計測装置、28…排ガスサンプリング管、29…副室
ガス圧センサ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI F02M 21/02 F02M 21/02 311F (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F02B 19/10 F02D 19/02 F02D 41/00 - 41/40

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 トーチ点火式ガスエンジンのトーチ点火
    用副室燃料ガスの供給量を制御してNOX排出量を制御
    する燃焼装置において、排気管内の排気ガスのNOX
    連続的に計測するための排ガスサンプリング管(28)
    及びNOX計測装置(25)と、副室燃料ガスの供給量
    を計測するための副室ガス圧センサ(29)と、副室燃
    料ガス供給管(19)に設置されて前記副室燃料ガスの
    供給量を調整する電磁制御ガスインジェクタ(22)
    と、前記副室燃料ガスの供給量とNOX排出量との関係
    があらかじめ設定され、NOX排出量の設定値と前記
    NOX計測装置でのNO X 濃度計測値とを比較して、前記
    NO X 濃度計測値がNO X 排出量の設定値を超えたとき前
    記電磁制御ガスインジェクタの開弁時間を調整して前記
    副室燃料ガスの供給量を増加し、該副室内の混合気濃度
    を理論混合比よりも低くせしめるガスインジェクタ制御
    装置とを有してなることを特徴とするトーチ点火式ガス
    エンジンの燃焼装置。
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