JP3676964B2

JP3676964B2 - Dual fuel engine

Info

Publication number: JP3676964B2
Application number: JP2000193246A
Authority: JP
Inventors: 悟後藤
Original assignee: Niigata Power Systems Co Ltd
Current assignee: Niigata Power Systems Co Ltd
Priority date: 2000-06-27
Filing date: 2000-06-27
Publication date: 2005-07-27
Anticipated expiration: 2020-06-27
Also published as: JP2002004899A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、運転モードの選択により、気体燃料と液体燃料のいずれにも対応できるデュアルフューエルエンジンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発電装置を駆動するエンジンとして、気体燃料を使用するガス運転モードと液体燃料を使用するディーゼル運転モードの両方により運転を行うことができる所謂デュアルフューエルエンジンが知られている。このエンジンの一例として、運転モードの切り換えによって、ガス運転モード時に、シリンダヘッドの中央に設けた液体燃料噴射弁により、少量のパイロット油（全熱量の５〜１５％程度の液体燃料）を着火源として気体燃料を燃焼させて運転し、また、ディーゼル運転モード時に、前記液体燃料噴射弁により１００％の液体燃料を燃焼させて運転することができるようにしたものがある。
【０００３】
このデュアルフューエルエンジンでは、ガス運転モード時のノッキングを回避するため圧縮比をディーゼルエンジンに比べて低くしているので、起動時にパイロット油の圧縮着火が困難である。このため、ガス運転モード時は、予め着火性の優れた液体燃料によりエンジンを起動して暖機運転を行い、エンジンが暖まってエンジン運転負荷率が概ね３０％以上の負荷時に、液体燃料から気体燃料に切り換え、着火性の高い液体燃料をパイロット燃料として着火性の低い気体燃料の着火を助けるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来のエンジンにおいては、ガス運転モード時に全熱量比の５〜１５％程度の液体燃料をパイロット油として燃焼させることから、ガスエンジンに適用されるＮＯｘと煤塵の規制値を満足することはできない。また、ＮＯｘと煤塵を低減させるため、パイロット油着火方式に代えて、気体燃料のみを点火プラグ、グローブラグ等を利用して着火燃焼させることもできるが、この場合には、前記液体燃料噴射弁の他に気体燃料用のパイロット燃料噴射弁が必要になり、エンジン構造が複雑になり部品点数が増加してコスト高になる問題ある。
【０００５】
また、ガス運転モードでは、パイロット油の圧縮着火による起動が困難であり、前記のように暖機運転を必要とするために、速やかなエンジンの始動ができないと共に、圧縮比が低く設定されるために、低負荷時に熱効率が低く抑えられ、燃焼の安定性を向上させることができない問題がある。
さらに、ディーゼル運転モードでは、液体燃料を主燃焼室に直接噴射して燃焼させて高い燃焼効率を得ることができるが、排ガス中のＮＯｘ値が高いので、大都市での排ガス規制を満たすことができず、脱硝装置による後処理が必要となり、設備費が多大となる問題がある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、ガス運転とディーゼル運転とを任意に選択でき、常用発電をガス運転、防災用発電をディーゼル運転で行える上、ディーゼル運転でも低ＮＯｘ化が図れるデュアルフューエルエンジンを提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、シリンダ内で圧縮される気体の圧縮比を運転状態に応じて変更調節することができ、ガス運転時でも、速やかな始動ができ、全負荷領域で燃焼効率の高い運転ができるデュアルフューエルエンジンを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するために、以下の点を特徴としている。
すなわち、請求項１に係るデュアルフューエルエンジンは、シリンダと、該シリンダ内で往復動するピストンと、吸気弁を備えた吸気ポートおよび排気弁を備えた排気ポートを有するシリンダヘッドとにより区画される主燃焼室内で、運転モードに応じて気体燃料と液体燃料のいずれか一方を、前記ピストンにより圧縮された気体中で燃焼させることにより駆動出力を得るデュアルフューエルエンジンにおいて、
前記シリンダヘッドに、ガス運転モード時に前記主燃焼室に気体燃料を供給しディーゼル運転モード時に主燃焼室への気体燃料の供給を停止する燃料ガス供給装置と、ガス運転モード時に主燃焼室に供給された気体燃料と空気との混合気の前記ピストンによる圧縮の初期に、前記通気路を開閉して圧縮された混合気の一部を前記通気路に逃がして該混合気の圧縮比を可変し、ディーゼル運転モード時に前記通気路を閉鎖する圧縮比制御弁と、液体燃料噴射弁を有し前記主燃焼室と連絡する予燃焼室を備えると共の、ガス運転モード時に前記主燃焼室で圧縮されて前記予燃焼室に導入された混合気を、前記液体燃料噴射弁から噴射されたパイロット量の液体燃料で着火させて主燃焼室内の混合気中に噴出させ、ディーゼル運転モード時に主燃焼室で圧縮されて予燃焼室に導入された空気で前記液体燃料噴射弁から噴射された液体燃料を着火させて主燃焼室内の圧縮空気中に噴射させる予燃焼室ユニットとが設けられていることを特徴とする。
【０００８】
上記デュアルフューエルエンジンにおいては、ガス運転モードでは、燃料ガス供給装置からの気体燃料と吸気ポートからの空気とが混合された混合気が主燃焼室に供給されてピストンにより圧縮される。この圧縮された混合気は一部が予燃焼室ユニットの予燃焼室内に入って、液体燃料噴射弁から噴射される僅少なパイロット量の液体燃料により着火し、この着火した火炎によって主燃焼室内の混合気の残部が燃焼される。
前記ピストンによる混合気の圧縮の初期には、前記圧縮比制御弁によって前記通気路が開閉されて圧縮された混合気の一部が通気路を経て主燃焼室外に逃がされ、主燃焼室内の混合気の圧縮比が可変される。
【０００９】
また、ディーゼル運転モードでは、前記燃料ガス供給装置からの気体燃料の供給が絶たれると共に、前記圧縮比制御弁によって前記通気路が閉じられ、吸気ポートから主燃焼室に供給される空気はピストンによりディーゼル運転に適した圧縮比で圧縮される。この圧縮空気により、前記液体燃料噴射弁から噴射される１００％の液体燃料が前記予燃焼室で着火されて燃焼される。
【００１０】
このデュアルフューエルエンジンによれば、ガス運転モード時に、主燃焼室内に導入された混合気の圧縮比を、圧縮比制御弁で主燃焼室をその外部に連通する通気路を開閉して可変することができるので、エンジンの起動、低負荷時、高負荷時等の運転状態に応じて前記圧縮比を適宜に調節することにより、起動時における液体燃料の圧縮着火が、点火プラグ等の着火手段を使用しなくても行え、暖機運転なしにエンジンの起動が行われると共に、低負荷域でもディーゼル運転並の圧縮比とすることにより、熱効率や燃焼安定性の向上が実現されるため、全負荷域で高い熱効率が得られる。
【００１１】
また、ディーゼル運転モード時は、前記液体燃料噴射弁から噴射される１００％の液体燃料が前記予燃焼室で着火される予燃焼方式で燃焼されるので、ＮＯｘの排出濃度が比較的に低く抑えられる運転が行われる。
したがって、このデュアルフューエルエンジンは、気体燃料の低公害性を生かして、ガス運転モードで発電装置を常用運転し、非常時に前記発電装置をディーゼル運転して防災用電源の供給用に使用する等の両用に対応することができる。
【００１２】
請求項２に係るデュアルフューエルエンジンは、請求項１に記載のエンジンにおいて、圧縮比制御弁が、ガス運転モード時に、エンジンの起動、低負荷、高負荷等の運転状態に応じて前記通気路の開閉時期を変更し、起動、低負荷時には圧縮比を高くし、高負荷時は圧縮比を低く調整することを特徴とする。
このデュアルフューエルエンジンでは、ガス運転モード時において、起動、低負荷時は主燃焼室内の混合気の圧縮比が高いので、液体燃料噴射弁から予燃焼室内に噴射される僅少なパイロット量の液体燃料の圧縮着火が、着火手段を用いなくても確実に行えて、エンジンの起動が容易になると共に、燃焼効率や燃焼安定性が向上され、また、高負荷時は混合気の圧縮比が低いのでノッキングが回避され安定した燃焼が行われる。液体燃料の圧縮着火による燃焼も噴射量が僅少であるので、ＮＯｘや煤塵の排出濃度も極めて低く抑えられる。
【００１３】
請求項３に係るデュアルフューエルエンジンは、請求項２に記載のエンジンにおいて、圧縮比制御弁の開閉時期は、ピストンによる気体の圧縮行程の開始時期をエンジンのクランク軸回転角度を０°として、この時期に開弁する開閉調節弁の、クランク軸回転角度にもとづく閉弁時期によって設定されていることを特徴とする。
このデュアルフューエルエンジンでは、エンジンのクランク軸回転角度にもとづいて圧縮比制御弁における開閉調節弁の開閉時期が設定されるので、ガス運転モード時の主燃焼室内における気体の圧縮比が運転負荷に対して正確に設定される。
【００１４】
請求項４に係るデュアルフューエルエンジンは、請求項１〜３のいずれかに記載のエンジンにおいて、燃料ガス供給装置が、吸気ポートに連絡するガス供給管と、気体燃料源からガス供給管への気体燃料の供給量を調節する電磁弁と、該電磁弁を調速制御により開閉駆動する電磁弁ドライバーとを備えており、液体燃料噴射弁が、パイロット量の液体燃料の噴射と調速制御による液体燃料の噴射が可能となっており、また、圧縮比制御弁が、電磁コイルによって作動され、主燃焼室と通気路との連通を遮断したり、エンジンの運転状態に応じて主燃焼室と通気路とを連通すべく開弁してから閉弁するまでの弁開期間を調整可能にする開閉調節弁を備えており、さらに、前記電磁弁ドライバーと液体燃料噴射弁と電磁コイルとにはそれらを作動させる制御装置が接続されており、該制御装置は、運転モードの選択により動作し、ガス運転モード時には、前記電磁ドライバーを調速制御により電磁弁が開閉すべく作動させ、前記液体燃料噴射弁をパイロット量の液体燃料の噴射を行わせるべく作動させると共に、前記電磁コイルを開閉調節弁の弁開期間がエンジンの運転状態に応じて調節されるべく動作させ、ディーゼル運転モード時には、前記電磁ドライバーを電磁弁が閉じるべく作動させ、前記液体燃料噴射弁を調速制御による液体燃料の噴射を行わせるべく作動させると共に、前記電磁コイルを開閉調節弁が閉じるべく動作させるようになっていることを特徴とする。
【００１５】
このデュアルフューエルエンジンでは、ガス運転モード時には、制御装置の動作指令にもとづき、前記電磁ドライバーが調速制御により電磁弁を開閉させ、主燃焼室内に主燃料としての気体燃料が供給され、前記液体燃料噴射弁がパイロット量の液体燃料の噴射を行うと共に、前記電磁コイルが開閉調節弁の弁開期間をエンジンの運転状態に応じて調節するので、エンジンの起動、低負荷時は、開閉調節弁の弁開期間を短くして主燃焼室内の混合気の圧縮比が高く設定されるため、前記液体燃料噴射弁から噴射されるパイロット量の液体燃料の圧縮着火が容易になり、暖機運転によらずにエンジンが起動でき、燃焼効率のよい運転がなされると共に、高負荷時は、開閉調節弁の弁開期間を短くして混合気の圧縮比が低く設定されるため、ノッキングの発生が確実に防止されて安定した運転が行われる。
【００１６】
また、ディーゼル運転モード時には、制御装置の動作指令にもとづき、前記電磁ドライバーが電磁弁を閉じ、前記液体燃料噴射弁が調速制御により液体燃料を予燃焼室内に噴射すると共に、前記電磁コイルが開閉調節弁を閉じるので、主燃焼室内の空気の圧縮比が高く設定され、予燃焼方式により主燃料としての液体燃料が燃焼され、排ガスの低ＮＯｘ化を図れる運転が行われる。
【００１７】
請求項５に係るデュアルフューエルエンジンは、請求項１〜４のいずれかに記載のエンジンにおいて、通気路が、吸気ポートに連絡されていることを特徴とする。
このデュアルフューエルエンジンでは、主燃焼室内に導入された混合気の一部が吸気ポートに戻されるので、気体燃料が無駄になることがなく、有効に利用される。
【００１８】
請求項６に係るデュアルフューエルエンジンは、請求項１〜５に記載のエンジンにおいて、通気路が、排気ポートからの排気によって駆動され、吸気ポートに加圧空気を供給する排気タービン過給機のインサート吸気マニホールドに連絡されていることを特徴とする。
このデュアルフューエルエンジンでは、燃焼室内に導入された混合気の一部が排気タービン過給機におけるコンプレッサのインペラに吹き付けられるので、排気タービン過給機の過渡応答性が改善されるため、低負荷領域の排気温度上昇、黒煙排出量の改善が図られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
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は実施の形態のデュアルフューエルエンジンＥのシリンダヘッド部分の一側と他側の縦断面図である。図１、図２において、１はデュアルフューエルエンジンＥのシリンダライナで、該シリンダライナ１内にピストン２がクランク軸の回転に伴って上下に往復動するように設けられている。３は吸気ポート３ａと排気ポート（図示せず）とを有するシリンダヘッドで、前記シリンダライナ１とピストン２とで囲んで主燃焼室４を区画形成している。シリンダヘッド３の吸気ポート３ａと排気ポート（図示せず）とには、それらの主燃焼室４との連通部を開閉する吸気弁５と排気弁（図示せず）とがそれぞれ設けられている。
【００２０】
前記吸気ポート３ａは吸気マニホルド７を介してシリンダコラム８に設けた吸気トランク９に連絡されている。前記吸気マニホルド７には主燃焼室４に燃料ガス（気体燃料）を供給する燃料ガス供給装置１０が取り付けられている。該燃料ガス供給装置１０は、先端部を前記吸気ポート３ａ内に臨ませて開口し、Ｌ字状に折り曲げて吸気マニホルド７に固定した燃料ガス供給管１１と、該燃料ガス供給管１１を開閉する電磁弁１２とを備えている。
【００２１】
また、シリンダヘッド３の中央部には圧縮比制御弁１３が、両側部には電磁式燃料噴射弁（液体燃料噴射弁）１４を備えた予燃焼室ユニット１５がそれぞれ装着されている。圧縮比制御弁１３は、シリンダヘッド３に着脱自在に取り付けたホルダ１６の内部に固定され、前記主燃焼室４に連通する開口部１７ａに弁座１７ｂを設けた円筒状の弁箱１７と、弁箱１７内に上下動自在に挿入され、前記弁座１７ｂに当接する弁部１８ａを有する弁棒１８と、前記ホルダ１６の上端に固定され、弁棒１８の上端に設けた吸引軸１８ｂを吸引作動して弁棒１８を下方に移動させて、前記開口部１７ａを開放する電磁コイル１９と、前記弁箱１７の大径穴１７ｃ内にばね受け２０と前記吸引軸１８ｂに固定したばね座２１とに装着されて圧縮ばね２２とを備えている。
【００２２】
前記弁箱１７の下方の外周には環状溝１７ｄが形成され、該環状溝１７ｄは、弁箱１７に直径方向にあけた１つないし複数の孔１７ｅによって弁箱１７の内部１７ｆと連通していると共に、シリンダヘッド３にあけた通路３ｃを介して前記吸気ポート３ａに連通している。前記通路３ｃはシリンダヘッド３にあけた孔に代えて配管とすることもできる。また、前記弁棒１８は、弁箱１７内に軸方向に摺動自在に嵌合された案内軸部１８ｃに小径軸部１８ｄを介して前記弁部１８ａが結合されており、弁部１８ａが前記開口部１７ａを開放したときに、主燃焼室４が前記弁箱１７の内部１７ｆ、孔１７ｅ、環状溝１７ｄ、通路３ｃを介して前記吸気ポート３ａに連通するようになっている。
前記開口部１７ａ、弁箱１７の内部１７ｆ、孔１７ｅ、環状溝１７ｄ、通路３ｃが、主燃焼室４をその室外に連通する通気路Ａを構成し、前記弁箱１７，弁棒１８等が前記通気路Ａを開閉する圧縮比制御弁１３の開閉調節弁Ｂを構成している。
【００２３】
前記予燃焼室ユニット１５は、シリンダヘッド３に着脱自在に固定されたユニットホルダ２３と、該ユニットホルダ２３の下端に固定され、内部に円筒状の予燃焼室２４ａを有する予燃焼室部材２４と、該予燃焼室部材２４の下端に固定され、下端部に前記主燃焼室４と連絡する噴射口２５ａを１つないし複数個設けた予燃焼室蓋２５と、液体燃料を導入する油孔２６ａを有し、下端に前記電磁式燃料噴射弁１４を固定した弁ホルダ２６とを備えている。前記電磁式燃料噴射弁１４は、電磁コイル１４ａの励磁によってノズルが開閉され、前記油孔２６ａからの液体燃料を予燃焼室２４ａに噴射するようになっている。
【００２４】
次に、前記デュアルフューエルエンジンＥの制御装置について図３にもとづいて説明する。図３において、３０はデュアルフューエルエンジンＥのクランク軸によって駆動される高圧ポンプで、燃料タンク３１内の液体燃料を吸引、加圧して電磁比例圧力制御弁３０ａから配管ｐ１を介して蓄圧管３２に供給するようになっている。該蓄圧管３２は、圧力逃し弁３３を有する配管ｐ２を介して燃料タンク３１に連絡されており、前記電磁比例圧力制御弁３０ａによって蓄圧管３２に蓄圧される液体燃料の油圧が１０〜２００ＭＰａの範囲で任意に設定されるようになっている。
前記デュアルフューエルエンジンＥの各気筒に設けられる前記予燃焼室ユニット１５の電磁式燃料噴射弁１４は、その油孔２６ａが継手２６ｂを介して高圧管ｐ３により前記蓄圧管３２に接続されている。
【００２５】
また、３４は制御装置であり、前記燃料ガス供給装置１０のガス供給管１１に接続されたガス管３５に設けた燃料ガス遮断弁３６と、前記電磁弁１２を作動させる電磁弁ドライバー３７と、前記圧縮比制御弁１３の電磁コイル１９と、前記予燃焼室ユニット１５における電磁式燃料噴射弁１４の電磁コイル１４ａと、前記高圧ポンプ３０の電磁比例圧力制御弁３０ａとに、それぞれ、指令信号ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４、ｆ５を出力するように電気的に接続され、また、前記蓄圧管３２に取り付けられその内部の圧力を検出する圧力センサー３８からの信号ｉ１と、エンジンの回転数および出力等を検出するセンサーからの信号ｉ２を入力すると共に、運転モード切換器（図示せず）で選択されたエンジンのガス運転、ディーゼル運転の切換信号ｉ３を入力するようになっている。
【００２６】
そして、前記制御装置３４には、デュアルフューエルエンジンＥの運転制御を実行するロジックが組み込まれている。すなわち、運転モード切換器でガス運転モードが選択されたとき、図４にａ線で示すように、主燃焼室４の有効圧縮比（圧縮比）Ｐｃが、エンジンの起動時から低負荷の領域Ｌ１で一定の高い値に、中間負荷の領域Ｌ２では前記高い値から徐々に小さい値まで負荷に応じて変化され、高負荷の領域Ｌ３では前記小さい値の一定値に設定され、ディーゼル運転モードが選択されたときは、前記有効圧縮比Ｐｃが、図４にｂ線で示すように、前記ガス運転モード時の起動から低負荷の領域Ｌ１におけると同様に一定の高い値に設定されるようになっている。
【００２７】
そして、前記有効圧縮比Ｐｃは、図５に示すように、前記ピストン２の圧縮行程の開始時期（下死点（ＢＤＣ））に前記圧縮比制御弁１３の開閉調節弁Ｂが開き、気体（ガス運転のモードでは空気と燃料ガスの混合気、ディーゼル運転では空気）の一部が主燃焼室４から、圧縮比制御弁１３の弁箱１７と前記通路３ｃにおける通気路Ａを経て吸気ポート３ｂに排出されて後、圧縮比制御弁１３の開閉調節弁Ｂが閉じる時期Ｔｅまでの圧縮比制御弁１３の弁開期間Ｔによって定まる。
なお、図５においてＰｘはシリンダ３内の気体の圧力である。
【００２８】
すなわち、前記ピストン２の圧縮行程の開始時期（下死点（ＢＤＣ））をクランク軸の回転角度を０°として、このときに前記圧縮比制御弁１３の開閉調節弁Ｂが開弁すると、該開閉調節弁Ｂのクランク軸の回転角度にもとづく閉弁時期と有効圧縮比Ｐｃとの関係は、図６に示すようになる。
したがって、前記各負荷の領域Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３における圧縮比制御弁１３の開閉調節弁Ｂの閉弁時期は、図４と図６に示す関係にもとづいて設定され、これにより圧縮比制御弁１３の電磁コイル１９の励磁時間が制御されるようになっている。
【００２９】
また、前記予燃焼室ユニット１５の電磁式燃料噴射弁１４は、ガス運転モードでは、主燃焼室４の燃料ガス（気体燃料）と空気との混合気の着火源とするに必要な一定のパイロット量（全熱量比の約１％）の液体燃料が噴射されるように設定され、ディーゼル運転モードでは、調速制御によりエンジンの運転負荷に応じた量の液体燃料が噴射されるようになっている。
【００３０】
次に、上記構成のデュアルフューエルエンジンＥの作用について説明する。
運転モード切換器でディーゼル運転モードが選択され、その切換信号ｉ３が制御装置３４に入力されると、制御装置３４は指令信号ｆ１，ｆ２、ｆ３を燃料ガス遮断弁３６と、電磁ドライバー３７と、圧縮比制御弁１３の電磁コイル１９にそれぞれ送るので、燃料ガス遮断弁３６と燃料ガス供給装置１０の電磁弁１２が閉じられ、燃料ガスの吸気ポート３ａへの供給が停止されると共に、圧縮比制御弁１３の弁部１７ａが開口部１８ａを閉じ、開閉調節弁Ｂで主燃焼室４と通気路Ａとの連通が遮断される。
【００３１】
そして、制御装置３４から指令信号ｆ５が高圧ポンプ３０の電磁比例制御弁３０ａに送られて、圧力センサー３８からの検出値をもとに所定の圧力で蓄圧管３２に液体燃料が蓄圧されるように制御されると共に、各予燃焼室ユニット１５の電磁式燃料噴射弁１４に指令信号ｆ４が送られて、該電磁式燃料噴射弁１４が調速制御されるように設定される。これにより、エンジンの回転数、出力を検出するセンサーからの検出値にもとづく信号ｉ３により、運転負荷に応じた量の液体燃料が、電磁式燃料噴射弁１４から予燃焼室２４ａに噴射され、予燃焼室２４ａ内に主燃焼室４から導入された空気で着火し、さらに、噴射口２５ａから主燃焼室４内に噴射して、ディーゼル運転に適した高圧縮比で圧縮された空気で燃焼される。
このディーゼル運転モードでは、主燃料としての液体燃料を予燃焼室２４ａで着火して燃焼させる予燃焼方式でエンジンが運転されるので、ＮＯｘの排出濃度が小さく抑えられる。
【００３２】
また、運転モード切換器でガス運転モードが選択され、ディーゼル運転からガス運転への切換信号ｉ３が制御装置３４に入力されると、制御装置３４は、指令信号ｆ１，ｆ２、ｆ４を燃料ガス遮断弁３６と、電磁ドライバー３７と、各予燃焼室ユニット１５の電磁式燃料噴射弁１４にそれぞれ送るので、燃料ガス遮断弁３６が開かれ、電磁式燃料噴射弁１４による液体燃料の噴射量が徐々に減らされ、前記パイロット量（全熱量比の約１％）の設定値に固定されると共に、電磁ドライバー３７が燃料ガス供給装置１０の電磁弁１２を調速制御により開く状態にして、主燃料を燃料ガスに切り換えていく。この切換は任意のエンジン負荷で行うことが可能である。
この切換操作と同時に、制御装置３４から圧縮比制御弁１３の電磁コイル１９に対し、前記各負荷の領域Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３における圧縮比制御弁１３の開閉調節弁Ｂの閉弁時期Ｔｅが、図４と図６に示す関係にもとづいた設定状態になるように、励磁時間を制御する指令信号ｆ３が送られるようになる。
【００３３】
ディーゼル運転から切換えた後のガス運転では、制御装置３４の指令信号ｆ２で電磁弁ドライバー３７が動作して調速制御により電磁弁１２を開くので、運転負荷に応じた量の燃料ガスが、ガス管３５から燃料ガス供給装置１０のガス供給管１１を経て吸気ポート３ａ内に供給される。この燃料ガスは、吸気トランク８から吸気マニホルド７を経て吸気ポート３ａに送られる空気に混合されて主燃焼室４内に導入され、圧縮行程において圧縮されて後、一部が予燃焼室ユニット１５の予燃焼室２４ａ内で電磁式燃料噴射弁１４から噴射される前記パイロット量の液体燃料で着火し、噴射口２５ａから火炎を噴出するので、この火炎を着火源として主燃焼室４内の混合気が燃焼される。
【００３４】
その場合、ガス運転の起動時や低負荷時には、圧縮比制御弁１４が圧縮行程の開始時に開いてから閉じるまでの時間（弁開期間Ｔ）が短く設定されて、主燃焼室４から圧縮比制御弁１４の開口部１７ａ、孔１７ｅ、環状溝１７ｄ、通路３ｃからなる通気路Ａを経て吸気ポート３ａに逃げる混合気を少なくして、混合気の圧縮比が高く設定されるので、パイロット量の液体燃料の圧縮着火が、点火プラグやグローブラグ等の着火燃焼手段を用いなくても良好に行われて、エンジンの起動ができる。
したがって、暖気運転をしなくてもガス運転によるエンジンの速やかな始動が確実に行われると共に、熱効率や燃焼安定性が向上された状態で低負荷運転が円滑に行われる。また、着火燃焼手段を必要としないので、その分エンジン構造が簡単になり、部品点数が減って信頼性が増すと共に、製造費が安くなる利点がある。
【００３５】
また、高負荷時には、前記圧縮比制御弁１４の弁開期間Ｔが長く設定され、主燃焼室４から吸気ポート３ａに逃げる混合気が多くなって、混合気の圧縮比が低く設定され、また、低負荷時と高負荷時との間の中間負荷時には、負荷の増加に従って圧縮比が低負荷時の圧縮比から徐々に高負荷時の圧縮比まで低下するように制御される。
このため、上記各負荷時ではにはエンジンはノッキングを起こすことなく燃料ガスの主燃焼室４内での燃焼が良好に行われて高い熱効率が得られると共に、円滑なガス運転が行われる。
さらに、前記ガス運転時には、パイロット量の液体燃料の圧縮着火による燃焼も噴射量が僅少（全熱量比の約１％）であるので、着火時の液体燃料の燃焼によるＮＯｘや煤塵の排出濃度も極めて低く抑えることができ、ガス運転時の排ガス規制値を十分に満たすことができる。
【００３６】
なお、ガス運転からディーゼル運転への運転モードの切換は、制御装置３４の指令信号ｆ１で燃料ガス遮断弁３６が閉じられると同時に、指令信号ｆ４により電磁燃料噴射弁１４における液体燃料の噴射量の設定を、一定値に固定されたパイロット量から解除し、圧縮比制御弁１３の電磁コイル１９を消磁することによって容易に行われる。これにより、直ちに電磁燃料噴射弁１４による液体燃料の噴射が負荷に応じた調速制御で行われるようになる。電磁コイル１９が消磁されると、圧縮ばね２２により弁棒１８が上昇され、弁部１８ａが弁箱１７の開口部１７ａを閉じて主燃焼室４と通気路Ａとの連通が開閉調節弁Ｂにより遮断されるので、主燃焼室４内の空気の吸気ポート３ａへの逃げが無くなり、空気の圧縮比をディーゼル運転に適した高い値に設定される。
【００３７】
なお、前記実施の形態のデュアルフューエルエンジンＥにおいては、前記圧縮比制御弁１３の開閉時期を、前記ピストン２の圧縮行程の開始時期をクランク軸の回転角度を０°として、このときに開弁した圧縮比制御弁１３における開閉調節弁Ｂの、クランク軸の回転角度にもとづく閉弁時期によって設定したので、主燃焼室４内の有効圧縮比の設定が正確にできて極めて好ましいが、これに限らず、前記圧縮比制御弁１３の開閉調節弁Ｂの開閉時期は、ピストン２の圧縮行程の開始の初期であれば他のタイミングで設定してもよい。
【００３８】
なお、前記実施の形態のデュアルフューエルエンジンＥにおいては、主燃焼室４内の燃料ガスと空気との混合ガスの圧縮比を調節するために、圧縮比制御弁１３によって主燃焼室４内の混合気をシリンダヘッド３の通気路３ｃを介して吸気ポート３ａに逃がすようにしているが、これに代えて、図７，図８に示すように、デュアルフューエルエンジンＥに付設した排気タービン過給機Ｔｃのコンプレッサ４０のインペラ４０ａに、主燃焼室４からその外部へ逃がした混合気を吹き付けるようにしてもよい。
【００３９】
すなわち、圧縮比制御弁１３がシリンダヘッド３に取り付けられているホルダ１６等に、その軸方向に沿ってあけられてシリンダ３の上部に開口する通気孔４１が設けられ、その下端が前記孔１７ｅに連絡され、上部の開口部が配管４３を介して前記排気タービン過給機Ｔｃにおけるコンプレッサ４０のインペラ４０ａの周囲に形成されているインサート吸気マニホルド４４に接続される。該インサート吸気マニホルド４４には、コンプレッサ４０のインペラ４０ａの外周部に向けて周方向に複数のジェットアシストインサート孔４５があけられており、主燃焼室４から逃がされた圧縮混合気が前記ジェットアシストインサート孔４５からコンプレッサ４０のインペラ４０ａに吹き付けられるように構成される。
なお、図８において、４２はデュアルフューエルエンジンＥの排気ポート（図示せず）からの排ガスにより駆動される排気タービン、ＧはエンジンＥで駆動される発電機等の出力負荷装置である。
【００４０】
このように、排気タービン過給機Ｔｃにおけるコンプレッサ４０のインペラ４０ａに混合気が吹き付けられると、排気タービン過給機Ｔｃの過渡応答性が改善されて、主燃焼室４に送り込む空気量が増加され、これによって、低負荷時の排気温度の上昇と黒煙排出量の改善が図れる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば以下の優れた効果を奏する。
請求項１に係るデュアルフューエルエンジンによれば、ガス運転モード時に、主燃焼室内に導入された混合気の圧縮比を、圧縮比制御弁で主燃焼室をその外部に連通する通気路を開閉して可変することができるので、エンジンの起動、低負荷時、高負荷時等の運転状態に応じて前記圧縮比を適宜に調節することにより、起動時におけるパイロット量の液体燃料の圧縮着火を、点火プラグ等の着火燃焼手段を使用せずに行うことができ、暖機運転なしにエンジンの起動を行わせることができると共に、低負荷域でもディーゼル運転並の圧縮比とすることにより、熱効率や燃焼安定性の向上を図ることができるため、全負荷域で高い熱効率が得られる運転を行うことができる。このため、省エネルギー化や二酸化炭素の低減等による環境改善に貢献できる。
【００４２】
また、ディーゼル運転モード時は、液体燃料噴射弁から噴射される１００％の液体燃料を予燃焼方式で燃焼させるので、ＮＯｘの排出濃度が比較的に低く抑えられる運転を行うことができる。
したがって、このデュアルフューエルエンジンは、気体燃料の低公害性を生かして、ガス運転モードで発電装置を常用運転し、非常時に前記発電装置をディーゼル運転して防災用電源の供給用に使用する等の両用に１台で対応することができる。
【００４３】
請求項２に係るデュアルフューエルエンジンによれば、ガス運転モード時において、起動、低負荷時は主燃焼室内の混合気の圧縮比が高いので、液体燃料噴射弁から予燃焼室内に噴射される僅少なパイロット量の液体燃料の圧縮着火を、着火燃焼手段を用いなくても容易、確実に行うことができ、エンジンの起動時からガス運転が可能になると共に、低負荷時の熱効率や燃焼安定性が向上され、また、高負荷時は混合気の圧縮比が低いのでノッキングの発生を回避できるなど安定した燃焼と運転を実現できる。
【００４４】
さらに、パイロット量の液体燃料の圧縮着火による燃焼も噴射量が僅少であるので、着火時の液体燃料の燃焼によるＮＯｘや煤塵の排出濃度も極めて低く抑えることができ、ガス運転時の排ガス規制値を十分に満たすことができる。また、上記のように着火燃焼手段を用いなくてよいので、エンジンの構造が簡単となり、部品点数も減って製作費も安くなる利点がある。
【００４５】
請求項３に係るデュアルフューエルエンジンによれば、エンジンのクランク軸回転角度にもとづいて圧縮比制御弁における開閉調節弁の開閉時期が設定されるので、ガス運転モード時の主燃焼室内における気体の圧縮比を運転負荷に対して正確に設定することができて、ガス運転時における全負荷領域での気体燃料の燃焼を一層高効率に行わせることができる。
【００４６】
請求項４に係るデュアルフューエルエンジンによれば、制御装置の制御により燃料ガス供給装置と圧縮比制御弁と液体燃料噴射弁が確実に作動されるので、ガス運転モード時には、エンジンの運転状態に応じて、開閉調節弁の弁開期間を調節して主燃焼室内の混合気の圧縮比を的確に設定することができ、エンジンの起動時からのガス運転を可能にし、低負荷時から高負荷時に至る全負荷域において燃焼の安定した熱効率の高いガス運転を一層確実に実現することができる。
また、ディーゼル運転モード時には、前記液体燃料噴射弁の調速制御により液体燃料を予燃焼室内に噴射して、ディーゼル運転に適した圧縮比の空気で燃焼させる予燃焼方式が容易に実現できるので、排ガスの低ＮＯｘ化を確実に図れる運転を行うことができる。
【００４７】
請求項５に係るデュアルフューエルエンジンによれば、主燃焼室内に導入された混合気の一部が吸気ポートに戻されるので、気体燃料を無駄にすることなく、有効に利用することができる。
請求項６に係るデュアルフューエルエンジンによれば、主燃焼室内に導入された混合気の一部が排気タービン過給機におけるコンプレッサのインペラに吹き付けられるので、排気タービン過給機の過渡応答性を改善することができて、低負荷領域の排気温度上昇、黒煙排出量の改善を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るディーゼルエンジンの一実施の形態におけるシリンダヘッド部分の一側の縦断面図である。
【図２】同じくシリンダヘッド部分の他側の縦断面図である。
【図３】同じく制御装置の系統図である。
【図４】運転負荷と有効圧縮比との関係を示す線図である。
【図５】圧縮比制御弁の開弁期間を示す線図である。
【図６】圧縮比制御弁の閉弁時期と有効圧縮比との関係示す線図である。
【図７】本発明に係るディーゼルエンジンのジェットアシスト装置を示す系統図である。
【図８】ジェットアシスト装置付排気タービン過給機の縦断面図である。
【符号の説明】
１シリンダライナ２ピストン
３シリンダヘッド３ｃ通路
４主燃焼室５吸気弁
７吸気マニホルド１０燃料ガス供給装置
１１ガス供給管１２電磁弁
１３圧縮比制御弁
１４電磁式燃料噴射弁（液体燃料噴射弁）
１５予燃焼室ユニット１９電磁コイル
２４ａ予燃焼室３０高圧ポンプ
３２蓄圧管３４制御装置
３６燃料ガス遮断弁３７電磁弁ドライバー
３８圧力センサ４４インサート吸気マニホルド
Ａ通気路Ｂ開閉調節弁
ＥデュアルフューエルエンジンＴｃ排気タービン過給機[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a dual fuel engine that can handle both gaseous fuel and liquid fuel by selecting an operation mode.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a so-called dual fuel engine that can be operated in both a gas operation mode using gaseous fuel and a diesel operation mode using liquid fuel is known as an engine for driving a power generation device. As an example of this engine, by switching the operation mode, a small amount of pilot oil (liquid fuel of about 5 to 15% of the total heat amount) is ignited by the liquid fuel injection valve provided in the center of the cylinder head in the gas operation mode. There is one that can be operated by burning gaseous fuel as a source, and can be operated by burning 100% liquid fuel by the liquid fuel injection valve in the diesel operation mode.
[0003]
In this dual fuel engine, the compression ratio is made lower than that of a diesel engine in order to avoid knocking in the gas operation mode, so that it is difficult to perform compression ignition of pilot oil at the time of startup. For this reason, in the gas operation mode, the engine is started with a liquid fuel having excellent ignitability in advance to perform a warm-up operation. When the engine is warmed and the engine operation load factor is approximately 30% or more, the gas is discharged from the liquid fuel. Switching to fuel, liquid fuel with high ignitability is used as pilot fuel to assist ignition of gaseous fuel with low ignitability.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional engine, liquid fuel of about 5 to 15% of the total heat ratio is burned as pilot oil in the gas operation mode, so that the regulation values of NOx and dust applied to the gas engine cannot be satisfied. . Further, in order to reduce NOx and dust, instead of the pilot oil ignition method, only gaseous fuel can be ignited and burned using an ignition plug, a glove lug, etc. In this case, the liquid fuel injection valve In addition to this, a pilot fuel injection valve for gaseous fuel is required, which complicates the engine structure, increases the number of parts, and increases costs.
[0005]
Moreover, in the gas operation mode, it is difficult to start by compression ignition of the pilot oil, and since the warm-up operation is required as described above, the engine cannot be started quickly and the compression ratio is set low. In addition, there is a problem that the thermal efficiency is kept low at low load and the stability of combustion cannot be improved.
Furthermore, in the diesel operation mode, liquid fuel can be directly injected into the main combustion chamber and burned to obtain high combustion efficiency. However, since the NOx value in the exhaust gas is high, the exhaust gas regulations in large cities can be satisfied. However, there is a problem that post-processing by a denitration apparatus is required and the equipment cost is increased.
[0006]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and can be arbitrarily selected between gas operation and diesel operation, and can perform normal power generation by gas operation and disaster-prevention power generation by diesel operation. It aims at providing the dual fuel engine which can aim at.
Another object of the present invention is to change and adjust the compression ratio of the gas compressed in the cylinder according to the operating state, enabling quick start even during gas operation, and combustion efficiency in the full load range. It is to provide a dual fuel engine that can be operated at a high level.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is characterized by the following points in order to solve the above problems.
That is, according to claim 1 Dual fuel The engine is operated in a main combustion chamber defined by a cylinder, a piston that reciprocates in the cylinder, and a cylinder head having an intake port having an intake valve and an exhaust port having an exhaust valve, according to an operation mode. In a dual fuel engine that obtains a driving output by burning either one of gas fuel and liquid fuel in the gas compressed by the piston,
In the cylinder head, A fuel gas supply device for supplying gaseous fuel to the main combustion chamber during the gas operation mode and stopping supply of the gaseous fuel to the main combustion chamber during the diesel operation mode; and a gaseous fuel supplied to the main combustion chamber during the gas operation mode; In the initial stage of compression of the air-fuel mixture by the piston, a part of the air-fuel mixture compressed by opening and closing the air passage is released to the air passage to change the compression ratio of the air-fuel mixture, and during the diesel operation mode A compression ratio control valve for closing the air passage; Having a liquid fuel injection valve Contact main combustion chamber Pre-combustion chamber In the gas operation mode, the air-fuel mixture compressed in the main combustion chamber and introduced into the precombustion chamber is ignited with a pilot amount of liquid fuel injected from the liquid fuel injection valve, thereby In the compressed air in the main combustion chamber, the liquid fuel injected from the liquid fuel injection valve is ignited with the air compressed in the main combustion chamber and introduced into the precombustion chamber in the diesel operation mode. To spray Pre-combustion chamber unit Toga It is provided.
[0008]
In the dual fuel engine, in the gas operation mode, an air-fuel mixture obtained by mixing gaseous fuel from the fuel gas supply device and air from the intake port is supplied to the main combustion chamber and compressed by the piston. A part of this compressed air-fuel mixture enters the precombustion chamber of the precombustion chamber unit, and is ignited by a small amount of pilot fuel injected from the liquid fuel injection valve. The remainder of the mixture is burned.
In the initial stage of compression of the air-fuel mixture by the piston, a part of the air-fuel mixture compressed by opening and closing the air passage by the compression ratio control valve is released to the outside of the main combustion chamber through the air passage. The compression ratio of the mixture is varied.
[0009]
Further, in the diesel operation mode, the supply of gaseous fuel from the fuel gas supply device is cut off, the air passage is closed by the compression ratio control valve, and the air supplied from the intake port to the main combustion chamber is supplied by the piston. Compressed at a compression ratio suitable for diesel operation. With this compressed air, 100% of the liquid fuel injected from the liquid fuel injection valve is ignited and burned in the pre-combustion chamber.
[0010]
According to this dual fuel engine, in the gas operation mode, the compression ratio of the air-fuel mixture introduced into the main combustion chamber can be varied by opening and closing the air passage that communicates the main combustion chamber with the compression ratio control valve. Therefore, by appropriately adjusting the compression ratio according to the operating state of the engine, at low load, at high load, etc., the compression ignition of the liquid fuel at the time of startup can It can be used without using it, and the engine is started without warm-up, and the compression ratio is equivalent to that of diesel operation even in the low-load range, which improves thermal efficiency and combustion stability. High thermal efficiency is obtained in the region.
[0011]
Further, in the diesel operation mode, 100% liquid fuel injected from the liquid fuel injection valve is combusted by a pre-combustion system that is ignited in the pre-combustion chamber, so that the NOx emission concentration is kept relatively low. Operation is performed.
Therefore, this dual fuel engine makes full use of the low pollution property of gaseous fuel, operates the power generation device in the gas operation mode, and uses the power generation device in diesel operation for emergency power supply in an emergency. Can be used for both purposes.
[0012]
A dual fuel engine according to a second aspect is the engine according to the first aspect, wherein the compression ratio control valve is in the gas operation mode in accordance with an operation state such as engine start-up, low load, high load or the like. It is characterized by changing the opening / closing timing, increasing the compression ratio at start-up and low load, and adjusting the compression ratio low at high load.
In this dual fuel engine, in the gas operation mode, since the compression ratio of the air-fuel mixture in the main combustion chamber is high during start-up and low load, a small pilot amount of liquid fuel injected from the liquid fuel injection valve into the pre-combustion chamber This makes it possible to perform compression ignition reliably without using ignition means, facilitating engine start-up, improving combustion efficiency and combustion stability, and the mixture compression ratio is low at high loads. Knocking is avoided and stable combustion is performed. Since the injection amount of the combustion by the compression ignition of the liquid fuel is very small, the exhaust concentration of NOx and soot can be kept extremely low.
[0013]
The dual fuel engine according to claim 3 is the engine according to claim 2, wherein the compression ratio control valve is opened and closed with the gas compression stroke start timing of the piston as the crankshaft rotation angle of the engine being 0 °. The opening / closing control valve that opens at the timing is set by the valve closing timing based on the crankshaft rotation angle.
In this dual fuel engine, the opening / closing timing of the opening / closing control valve in the compression ratio control valve is set based on the rotation angle of the crankshaft of the engine, so that the gas compression ratio in the main combustion chamber during the gas operation mode depends on the operating load. Is set accurately.
[0014]
A dual fuel engine according to claim 4 is the engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the fuel gas supply device includes a gas supply pipe communicating with the intake port, and a gas from the gaseous fuel source to the gas supply pipe. An electromagnetic valve that adjusts the amount of fuel supplied and an electromagnetic valve driver that opens and closes the electromagnetic valve by speed control, and the liquid fuel injection valve is a liquid that controls the injection of the pilot amount of liquid fuel and the speed control. Fuel injection is possible, and the compression ratio control valve is actuated by an electromagnetic coil to shut off the communication between the main combustion chamber and the air passage, or to vent the main combustion chamber and the air according to the operating state of the engine. An open / close control valve that can adjust a valve opening period from when the valve is opened to communicate with the road until the valve is closed, and the electromagnetic valve driver, the liquid fuel injection valve, and the electromagnetic coil include Actuate The control device is operated by selecting an operation mode, and in the gas operation mode, the control device operates the electromagnetic driver so that the electromagnetic valve is opened and closed by speed control, and the liquid fuel injection valve is operated. The electromagnetic coil is operated so as to inject a pilot amount of liquid fuel, and the electromagnetic coil is operated so that a valve opening period of the on-off control valve is adjusted according to an operating state of the engine. The electromagnetic valve is operated to close, the liquid fuel injection valve is operated to inject liquid fuel by speed control, and the electromagnetic coil is operated to close the open / close control valve. And
[0015]
In this dual fuel engine, in the gas operation mode, the electromagnetic driver opens and closes the electromagnetic valve by speed control based on the operation command of the control device, and gaseous fuel as main fuel is supplied into the main combustion chamber. The injection valve injects a pilot amount of liquid fuel, and the electromagnetic coil adjusts the valve opening period of the opening / closing control valve according to the operating state of the engine. Since the valve opening period is shortened and the compression ratio of the air-fuel mixture in the main combustion chamber is set to be high, the compression ignition of the pilot amount of liquid fuel injected from the liquid fuel injection valve is facilitated. The engine can be started up without fail, and the combustion efficiency is improved.At high loads, the valve opening period of the on-off control valve is shortened to set the mixture compression ratio low. Stable operation is performed generating the ring is reliably prevented.
[0016]
In the diesel operation mode, the electromagnetic driver closes the electromagnetic valve, the liquid fuel injection valve injects liquid fuel into the pre-combustion chamber by speed control, and the electromagnetic coil opens and closes based on the operation command of the control device. Since the control valve is closed, the compression ratio of the air in the main combustion chamber is set high, the liquid fuel as the main fuel is burned by the pre-combustion method, and the operation for reducing the NOx of the exhaust gas is performed.
[0017]
A dual fuel engine according to a fifth aspect is the engine according to any one of the first to fourth aspects, wherein the air passage is communicated with an intake port.
In this dual fuel engine, part of the air-fuel mixture introduced into the main combustion chamber is returned to the intake port, so that gaseous fuel is not wasted and is used effectively.
[0018]
The dual fuel engine according to claim 6 is the engine according to any one of claims 1 to 5, wherein the air passage is driven by the exhaust from the exhaust port and supplies the compressed air to the intake port. It is connected to the intake manifold.
In this dual fuel engine, a part of the air-fuel mixture introduced into the combustion chamber is blown to the compressor impeller in the exhaust turbine supercharger, which improves the transient response of the exhaust turbine supercharger. The exhaust temperature rises and the amount of black smoke emission is improved.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
1 and 2 are longitudinal sectional views of one side and the other side of a cylinder head portion of a dual fuel engine E according to an embodiment. 1 and 2, reference numeral 1 denotes a cylinder liner of a dual fuel engine E, and a piston 2 is provided in the cylinder liner 1 so as to reciprocate up and down as the crankshaft rotates. Reference numeral 3 denotes a cylinder head having an intake port 3a and an exhaust port (not shown). The cylinder head 1 is enclosed by the cylinder liner 1 and the piston 2 to define a main combustion chamber 4. An intake port 3a and an exhaust port (not shown) of the cylinder head 3 are respectively provided with an intake valve 5 and an exhaust valve (not shown) for opening and closing the communicating portion with the main combustion chamber 4. .
[0020]
The intake port 3 a is connected to an intake trunk 9 provided in the cylinder column 8 via an intake manifold 7. A fuel gas supply device 10 that supplies fuel gas (gaseous fuel) to the main combustion chamber 4 is attached to the intake manifold 7. The fuel gas supply device 10 is opened with a tip portion facing the intake port 3a, bent into an L shape, and fixed to the intake manifold 7. The fuel gas supply device 11 opens and closes the fuel gas supply tube 11. And an electromagnetic valve 12 for performing the operation.
[0021]
A compression ratio control valve 13 is mounted at the center of the cylinder head 3, and a precombustion chamber unit 15 having an electromagnetic fuel injection valve (liquid fuel injection valve) 14 is mounted on both sides. The compression ratio control valve 13 is fixed inside a holder 16 that is detachably attached to the cylinder head 3, and has a cylindrical valve box 17 provided with a valve seat 17b in an opening 17a communicating with the main combustion chamber 4. A valve rod 18 having a valve portion 18a that is inserted into the valve box 17 so as to freely move up and down and abuts against the valve seat 17b, and a suction shaft 18b that is fixed to the upper end of the holder 16 and provided at the upper end of the valve rod 18 are provided. An electromagnetic coil 19 that opens the opening 17a by moving the valve rod 18 downward by suction, and a spring seat 20 fixed in the large diameter hole 17c of the valve box 17 to the suction shaft 18b. 21 and a compression spring 22.
[0022]
An annular groove 17d is formed in the outer periphery below the valve box 17, and the annular groove 17d communicates with the interior 17f of the valve box 17 by one or more holes 17e formed in the valve box 17 in the diameter direction. And communicates with the intake port 3a through a passage 3c opened in the cylinder head 3. The passage 3c may be a pipe instead of a hole formed in the cylinder head 3. In addition, the valve stem 18 is coupled to the guide shaft portion 18c fitted in the valve box 17 so as to be slidable in the axial direction via the small diameter shaft portion 18d, and the valve portion 18a is connected to the guide shaft portion 18c. When the opening 17a is opened, the main combustion chamber 4 communicates with the intake port 3a through the inside 17f of the valve box 17, a hole 17e, an annular groove 17d, and a passage 3c.
The opening 17a, the inside 17f of the valve box 17, the hole 17e, the annular groove 17d, and the passage 3c constitute a ventilation path A that communicates the main combustion chamber 4 with the outside, and the valve box 17, the valve stem 18 and the like An opening / closing control valve B of the compression ratio control valve 13 for opening and closing the air passage A is configured.
[0023]
The pre-combustion chamber unit 15 includes a unit holder 23 that is detachably fixed to the cylinder head 3, and a pre-combustion chamber member 24 that is fixed to the lower end of the unit holder 23 and has a cylindrical pre-combustion chamber 24a. The pre-combustion chamber member 24 is fixed to the lower end of the pre-combustion chamber member 24, and has a pre-combustion chamber lid 25 provided with one or a plurality of injection ports 25a communicating with the main combustion chamber 4 at the lower end, and an oil hole 26a for introducing liquid fuel. And a valve holder 26 to which the electromagnetic fuel injection valve 14 is fixed at the lower end. In the electromagnetic fuel injection valve 14, the nozzle is opened and closed by excitation of the electromagnetic coil 14a, and the liquid fuel from the oil hole 26a is injected into the precombustion chamber 24a.
[0024]
Next, the control apparatus for the dual fuel engine E will be described with reference to FIG. In FIG. 3, 30 is a high-pressure pump driven by the crankshaft of the dual fuel engine E, which sucks and pressurizes the liquid fuel in the fuel tank 31 and passes from the electromagnetic proportional pressure control valve 30a to the pressure accumulating pipe 32 via the pipe p1. It comes to supply. The pressure accumulating pipe 32 is connected to the fuel tank 31 via a pipe p2 having a pressure relief valve 33. The hydraulic pressure of the liquid fuel accumulated in the pressure accumulating pipe 32 by the electromagnetic proportional pressure control valve 30a is 10 to 200 MPa. It is set arbitrarily in the range.
The electromagnetic fuel injection valve 14 of the pre-combustion chamber unit 15 provided in each cylinder of the dual fuel engine E has an oil hole 26a connected to the pressure accumulating pipe 32 by a high pressure pipe p3 via a joint 26b.
[0025]
Reference numeral 34 denotes a control device, a fuel gas cutoff valve 36 provided in a gas pipe 35 connected to the gas supply pipe 11 of the fuel gas supply apparatus 10, an electromagnetic valve driver 37 for operating the electromagnetic valve 12, The command signal f1 is supplied to the electromagnetic coil 19 of the compression ratio control valve 13, the electromagnetic coil 14a of the electromagnetic fuel injection valve 14 in the pre-combustion chamber unit 15, and the electromagnetic proportional pressure control valve 30a of the high-pressure pump 30, respectively. , F2, f3, f4, f5, and a signal i1 from a pressure sensor 38 that is attached to the accumulator 32 and detects the internal pressure thereof, and the engine speed and output. The signal i2 from the sensor for detecting the engine and the like is input, and the gas operation of the engine selected by the operation mode selector (not shown) and the diesel operation switching signal It is adapted to enter the i3.
[0026]
The control device 34 incorporates logic for performing operation control of the dual fuel engine E. That is, when the gas operation mode is selected by the operation mode switch, the effective compression ratio (compression ratio) Pc of the main combustion chamber 4 is a low load region from the start of the engine as shown by line a in FIG. It is changed according to the load from the high value to a gradually small value in the intermediate load region L2 in the intermediate load region L2, and is set to the constant value of the small value in the high load region L3. When selected, the effective compression ratio Pc is set to a constant high value as in the low load region L1 from the start in the gas operation mode, as indicated by line b in FIG. It has become.
[0027]
As shown in FIG. 5, the effective compression ratio Pc is such that the opening / closing control valve B of the compression ratio control valve 13 is opened at the start timing of the compression stroke of the piston 2 (bottom dead center (BDC)). A part of the mixture of air and fuel gas in the gas operation mode and air in the diesel operation) passes from the main combustion chamber 4 through the valve box 17 of the compression ratio control valve 13 and the air passage A in the passage 3c. Is determined by the valve opening period T of the compression ratio control valve 13 until the timing Te when the opening / closing control valve B of the compression ratio control valve 13 is closed.
In FIG. 5, Px is the pressure of the gas in the cylinder 3.
[0028]
That is, when the rotation angle of the crankshaft is set to 0 ° as the start time (bottom dead center (BDC)) of the compression stroke of the piston 2, and the opening / closing control valve B of the compression ratio control valve 13 is opened, The relationship between the valve closing timing based on the rotation angle of the crankshaft of the opening / closing control valve B and the effective compression ratio Pc is as shown in FIG.
Therefore, the closing timing of the on-off control valve B of the compression ratio control valve 13 in each load region L1, L2, L3 is set based on the relationship shown in FIG. 4 and FIG. The excitation time of the electromagnetic coil 19 is controlled.
[0029]
In the gas operation mode, the electromagnetic fuel injection valve 14 of the pre-combustion chamber unit 15 is a constant that is necessary to serve as an ignition source of a mixture of fuel gas (gaseous fuel) and air in the main combustion chamber 4. A pilot amount (approximately 1% of the total heat ratio) of liquid fuel is set to be injected, and in the diesel operation mode, an amount of liquid fuel corresponding to the engine operating load is injected by speed control. ing.
[0030]
Next, the operation of the dual fuel engine E having the above configuration will be described.
When the diesel operation mode is selected by the operation mode changer and the switching signal i3 is input to the control device 34, the control device 34 sends the command signals f1, f2, and f3 to the fuel gas cutoff valve 36, the electromagnetic driver 37, Since the fuel gas shut-off valve 36 and the electromagnetic valve 12 of the fuel gas supply device 10 are closed, the supply of the fuel gas to the intake port 3a is stopped, and the compression ratio is controlled. The valve portion 17a of the control valve 13 closes the opening 18a, and the communication between the main combustion chamber 4 and the air passage A is blocked by the opening / closing control valve B.
[0031]
Then, a command signal f5 is sent from the control device 34 to the electromagnetic proportional control valve 30a of the high pressure pump 30 so that the liquid fuel is accumulated in the pressure accumulating pipe 32 at a predetermined pressure based on the detection value from the pressure sensor 38. And a command signal f4 is sent to the electromagnetic fuel injection valve 14 of each pre-combustion chamber unit 15 so that the speed control of the electromagnetic fuel injection valve 14 is performed. As a result, an amount of liquid fuel corresponding to the operating load is injected from the electromagnetic fuel injection valve 14 into the pre-combustion chamber 24a by the signal i3 based on the detected value from the sensor for detecting the engine speed and output. The combustion chamber 24a is ignited by air introduced from the main combustion chamber 4, and further injected from the injection port 25a into the main combustion chamber 4 and burned with air compressed at a high compression ratio suitable for diesel operation. The
In this diesel operation mode, the engine is operated in a pre-combustion system in which liquid fuel as the main fuel is ignited and combusted in the pre-combustion chamber 24a, so that the NOx emission concentration can be kept small.
[0032]
Further, when the gas operation mode is selected by the operation mode switching device and the switching signal i3 from the diesel operation to the gas operation is input to the control device 34, the control device 34 cuts off the command signals f1, f2, and f4 to the fuel gas. Since the valve 36, the electromagnetic driver 37, and the electromagnetic fuel injection valve 14 of each pre-combustion chamber unit 15 are respectively sent, the fuel gas cutoff valve 36 is opened and the injection amount of liquid fuel by the electromagnetic fuel injection valve 14 is gradually increased. And is fixed to the set value of the pilot amount (about 1% of the total heat ratio), and the electromagnetic driver 37 opens the electromagnetic valve 12 of the fuel gas supply device 10 by speed control, and the main fuel Switch to fuel gas. This switching can be performed at any engine load.
Simultaneously with this switching operation, the closing timing Te of the opening / closing control valve B of the compression ratio control valve 13 in each load region L1, L2, L3 is applied from the control device 34 to the electromagnetic coil 19 of the compression ratio control valve 13. A command signal f3 for controlling the excitation time is sent so that the setting state based on the relationship shown in FIGS. 4 and 6 is obtained.
[0033]
In the gas operation after switching from the diesel operation, the electromagnetic valve driver 37 is operated by the command signal f2 of the control device 34 and the electromagnetic valve 12 is opened by the speed control, so that an amount of fuel gas corresponding to the operation load is a gas The gas is supplied from the pipe 35 through the gas supply pipe 11 of the fuel gas supply apparatus 10 into the intake port 3a. This fuel gas is mixed with the air sent from the intake trunk 8 through the intake manifold 7 to the intake port 3a, introduced into the main combustion chamber 4, and compressed in the compression stroke. Since the pilot amount of liquid fuel injected from the electromagnetic fuel injection valve 14 is ignited in the pre-combustion chamber 24a and a flame is ejected from the injection port 25a, this flame is used as an ignition source in the main combustion chamber 4. The mixture is burned.
[0034]
In this case, when the gas operation is started or when the load is low, the time from when the compression ratio control valve 14 is opened to when it is closed at the start of the compression stroke (valve opening period T) is set short, and the compression ratio is controlled from the main combustion chamber 4 to the compression ratio. Since the air-fuel mixture that escapes to the intake port 3a through the air passage A including the opening 17a, the hole 17e, the annular groove 17d, and the passage 3c of the control valve 14 is reduced and the compression ratio of the air-fuel mixture is set high, the pilot amount The compression ignition of the liquid fuel can be performed satisfactorily without using an ignition combustion means such as a spark plug or a glove lug, and the engine can be started.
Accordingly, the engine can be quickly started by gas operation without performing warm-up operation, and low-load operation can be smoothly performed with improved thermal efficiency and combustion stability. Further, since no ignition combustion means is required, there is an advantage that the engine structure is simplified correspondingly, the number of parts is reduced, the reliability is increased, and the manufacturing cost is reduced.
[0035]
When the load is high, the valve opening period T of the compression ratio control valve 14 is set to be long, the air-fuel mixture escapes from the main combustion chamber 4 to the intake port 3a, and the compression ratio of the air-fuel mixture is set to be low. At an intermediate load between a low load and a high load, the compression ratio is controlled so as to gradually decrease from the compression ratio at the low load to the compression ratio at the high load as the load increases.
Therefore, at the time of each load described above, the engine does not knock and the fuel gas is burned well in the main combustion chamber 4 to obtain high thermal efficiency, and a smooth gas operation is performed.
In addition, during the gas operation, the amount of combustion due to the compression ignition of the pilot amount of liquid fuel is also very small (about 1% of the total heat ratio), so the NOx and soot emission concentrations due to the combustion of the liquid fuel at the time of ignition are also low. It can be kept extremely low, and the exhaust gas regulation value during gas operation can be sufficiently satisfied.
[0036]
The operation mode is switched from the gas operation to the diesel operation when the fuel gas cutoff valve 36 is closed by the command signal f1 of the control device 34 and at the same time the injection amount of the liquid fuel in the electromagnetic fuel injection valve 14 is determined by the command signal f4. The setting is easily performed by releasing the pilot amount fixed at a constant value and demagnetizing the electromagnetic coil 19 of the compression ratio control valve 13. As a result, the liquid fuel injection by the electromagnetic fuel injection valve 14 is immediately performed by the speed control according to the load. When the electromagnetic coil 19 is demagnetized, the valve rod 18 is raised by the compression spring 22, the valve portion 18 a closes the opening 17 a of the valve box 17, and the communication between the main combustion chamber 4 and the air passage A is the open / close control valve B. Therefore, the escape of the air in the main combustion chamber 4 to the intake port 3a is eliminated, and the compression ratio of the air is set to a high value suitable for diesel operation.
[0037]
In the dual fuel engine E according to the above embodiment, the opening / closing timing of the compression ratio control valve 13 is set so that the start timing of the compression stroke of the piston 2 is 0 ° and the rotation angle of the crankshaft is 0 °. Since the opening / closing control valve B in the compression ratio control valve 13 is set according to the closing timing based on the rotation angle of the crankshaft, the effective compression ratio in the main combustion chamber 4 can be set accurately, which is extremely preferable. Not limited to this, the opening / closing timing of the opening / closing control valve B of the compression ratio control valve 13 may be set at another timing as long as it is the initial stage of the start of the compression stroke of the piston 2.
[0038]
In the dual fuel engine E of the above embodiment, the mixing in the main combustion chamber 4 is performed by the compression ratio control valve 13 in order to adjust the compression ratio of the mixed gas of the fuel gas and air in the main combustion chamber 4. Although the air is allowed to escape to the intake port 3a through the air passage 3c of the cylinder head 3, instead of this, an exhaust turbine supercharger attached to the dual fuel engine E as shown in FIGS. You may make it blow the air-fuel mixture which escaped from the main combustion chamber 4 to the impeller 40a of the compressor 40 of Tc.
[0039]
That is, the holder 16 or the like attached with the compression ratio control valve 13 to the cylinder head 3 is provided with a vent hole 41 that is opened along the axial direction and opens at the upper part of the cylinder 3, and the lower end thereof is the hole 17e. The upper opening is connected to an insert intake manifold 44 formed around the impeller 40a of the compressor 40 in the exhaust turbine supercharger Tc via a pipe 43. A plurality of jet assist insert holes 45 are formed in the insert intake manifold 44 in the circumferential direction toward the outer peripheral portion of the impeller 40a of the compressor 40, and the compressed air-fuel mixture released from the main combustion chamber 4 is injected into the jet intake manifold 44. Assist insert hole 45 through compressor 40's Impeller 40a Configured to be sprayed on.
In FIG. 8, 42 is an exhaust turbine driven by exhaust gas from an exhaust port (not shown) of the dual fuel engine E, and G is an output load device such as a generator driven by the engine E.
[0040]
Thus, when the air-fuel mixture is blown to the impeller 40a of the compressor 40 in the exhaust turbine supercharger Tc, the transient response of the exhaust turbine supercharger Tc is improved, and the amount of air fed into the main combustion chamber 4 is increased. As a result, the exhaust temperature rises at the time of low load and the black smoke emission can be improved.
[0041]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the following excellent effects are obtained.
According to the dual fuel engine of the first aspect, in the gas operation mode, the compression ratio of the air-fuel mixture introduced into the main combustion chamber is opened and closed by the compression ratio control valve to open and close the air passage that communicates the main combustion chamber with the outside. Therefore, by adjusting the compression ratio appropriately according to the operating state such as engine start-up, low load, high load, etc. Of pilot quantity Compression ignition of liquid fuel can be performed without using an ignition combustion means such as a spark plug, the engine can be started without warm-up operation, and the compression ratio is equivalent to that of diesel operation even in a low load range. As a result, it is possible to improve the thermal efficiency and the combustion stability, and therefore it is possible to perform an operation that provides a high thermal efficiency in the entire load range. For this reason, it can contribute to environmental improvement by energy saving or reduction of carbon dioxide.
[0042]
Further, in the diesel operation mode, 100% liquid fuel injected from the liquid fuel injection valve is burned by the pre-combustion method, so that it is possible to perform an operation in which the NOx emission concentration is kept relatively low.
Therefore, this dual fuel engine makes full use of the low pollution property of gaseous fuel, operates the power generation device in the gas operation mode, and uses the power generation device in diesel operation for emergency power supply in an emergency. One unit can handle both.
[0043]
According to the dual fuel engine of the second aspect, in the gas operation mode, since the compression ratio of the air-fuel mixture in the main combustion chamber is high at the time of start-up and low load, a small amount is injected from the liquid fuel injection valve into the precombustion chamber. This makes it possible to easily and reliably perform compression ignition of a liquid amount of pilot fuel without using ignition and combustion means, enabling gas operation from the start of the engine, as well as thermal efficiency and combustion stability at low loads. In addition, since the compression ratio of the air-fuel mixture is low at high loads, knocking can be avoided and stable combustion and operation can be realized.
[0044]
Furthermore, since the injection amount of the pilot amount of liquid fuel due to compression ignition is very small, the emission concentration of NOx and dust due to the combustion of liquid fuel at the time of ignition can be suppressed to an extremely low level. Can be fully satisfied. Further, since it is not necessary to use the ignition combustion means as described above, there is an advantage that the structure of the engine is simplified, the number of parts is reduced, and the manufacturing cost is reduced.
[0045]
According to the dual fuel engine of the third aspect, the opening / closing timing of the opening / closing control valve in the compression ratio control valve is set based on the crankshaft rotation angle of the engine, so that the gas compression in the main combustion chamber during the gas operation mode The ratio can be accurately set with respect to the operating load, and the combustion of the gaseous fuel in the entire load region during the gas operation can be performed with higher efficiency.
[0046]
According to the dual fuel engine of the fourth aspect, the fuel gas supply device, the compression ratio control valve, and the liquid fuel injection valve are reliably operated by the control of the control device. Therefore, it is possible to accurately set the compression ratio of the air-fuel mixture in the main combustion chamber by adjusting the valve opening period of the open / close control valve, enabling gas operation from the start of the engine, from low load to high load It is possible to more reliably realize gas operation with stable combustion and high thermal efficiency in the entire load range.
In addition, in the diesel operation mode, a pre-combustion method in which liquid fuel is injected into the pre-combustion chamber by the speed control of the liquid fuel injection valve and burned with air having a compression ratio suitable for diesel operation can be easily realized. It is possible to perform an operation that can reliably reduce exhaust gas NOx.
[0047]
According to the dual fuel engine of the fifth aspect, since a part of the air-fuel mixture introduced into the main combustion chamber is returned to the intake port, it can be used effectively without wasting gaseous fuel.
According to the dual fuel engine of the sixth aspect, since a part of the air-fuel mixture introduced into the main combustion chamber is blown to the compressor impeller in the exhaust turbine supercharger, the transient response of the exhaust turbine supercharger is improved. Therefore, it is possible to improve the exhaust temperature rise and the black smoke emission amount in the low load region.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of one side of a cylinder head portion in an embodiment of a diesel engine according to the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the other side of the cylinder head portion.
FIG. 3 is a system diagram of the control device.
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between an operation load and an effective compression ratio.
FIG. 5 is a diagram showing a valve opening period of a compression ratio control valve.
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the closing timing of the compression ratio control valve and the effective compression ratio.
FIG. 7 is a system diagram showing a jet assist device for a diesel engine according to the present invention.
FIG. 8 is a longitudinal sectional view of an exhaust turbine supercharger with a jet assist device.
[Explanation of symbols]
1 Cylinder liner 2 Piston
3 Cylinder head 3c Passage
4 Main combustion chamber 5 Intake valve
7 Intake manifold 10 Fuel gas supply device
11 Gas supply pipe 12 Solenoid valve
13 Compression ratio control valve
14 Electromagnetic fuel injection valve (liquid fuel injection valve)
15 Pre-combustion chamber unit 19 Electromagnetic coil
24a Precombustion chamber 30 High pressure pump
32 accumulator 34 controller
36 Fuel gas shut-off valve 37 Solenoid valve driver
38 Pressure sensor 44 Insert intake manifold
A Air passage B Open / close control valve
E Dual fuel engine Tc Exhaust turbine turbocharger

Claims

In a main combustion chamber defined by a cylinder, a piston that reciprocates in the cylinder, and a cylinder head having an intake port with an intake valve and an exhaust port with an exhaust valve, gaseous fuel and In a dual fuel engine that obtains a driving output by burning any one of liquid fuels in a gas compressed by the piston,
A fuel gas supply device that supplies gas fuel to the main combustion chamber during the gas operation mode and stops supplying gas fuel to the main combustion chamber during the diesel operation mode, and supplies the cylinder head to the main combustion chamber during the gas operation mode. In the initial stage of compression of the mixture of gaseous fuel and air by the piston, a part of the compressed mixture is released by opening and closing the air passage and the compression ratio of the air mixture is varied. a compression ratio control valve for closing the vent path in diesel operation mode, comprising a pre-combustion chamber in communication with said main combustion chamber has a liquid fuel injection valve Rutotomoni, compressed in the main combustion chamber during the gas operation mode The air-fuel mixture introduced into the pre-combustion chamber is ignited by the pilot amount of liquid fuel injected from the liquid fuel injection valve and injected into the air-fuel mixture in the main combustion chamber, and the main combustion is performed in the diesel operation mode. In that the compressed with precombustion chamber unit to inject the compressed air in the main combustion chamber is ignited liquid fuel injected from the liquid fuel injection valve by introducing air into the precombustion chamber is provided Features a dual fuel engine.

The compression ratio control valve adjusts the opening / closing timing of the air passage according to the operating state such as engine start-up, low load, high load, etc. in the gas operation mode, and increases the compression ratio during start-up, low load. 2. The dual fuel engine according to claim 1, wherein the compression ratio is adjusted to be low during load.

The opening / closing timing of the compression ratio control valve is determined based on the crankshaft rotation angle of the opening / closing control valve that opens at this timing, with the start timing of the gas compression stroke by the piston being 0 ° as the crankshaft rotation angle of the engine. The dual fuel engine according to claim 2, wherein the dual fuel engine is set according to a valve timing.

The fuel gas supply device includes a gas supply pipe that communicates with the intake port, an electromagnetic valve that adjusts a supply amount of gaseous fuel from the gaseous fuel source to the gas supply pipe, and opens and closes the electromagnetic valve by speed control. An electromagnetic valve driver, and the liquid fuel injection valve is capable of injecting a pilot amount of liquid fuel and injecting liquid fuel by speed control, and the compression ratio control valve is an electromagnetic coil The valve opening period from when the valve is opened to close the main combustion chamber and the air passage so as to shut off the communication between the main combustion chamber and the air passage or to connect the main combustion chamber and the air passage according to the operating state of the engine And a control device for operating them is connected to the solenoid valve driver, the liquid fuel injection valve, and the solenoid coil. Operate by selection , Gas operation mode sometimes said by the governor control solenoid driver actuates to open and close the electromagnetic valve, actuates to cause the liquid fuel injection valve to perform the injection of the liquid fuel of the pilot quantity, closing modulate said electromagnetic coil The valve opening period of the valve is operated so as to be adjusted according to the operating state of the engine, and in the diesel operation mode , the electromagnetic driver is operated to close the solenoid valve, and the liquid fuel injection valve is controlled by the speed control. The dual fuel engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the dual fuel engine is operated so as to perform injection and the electromagnetic coil is operated so as to close an on-off control valve.

The dual fuel engine according to claim 1, wherein the air passage is connected to the intake port.

6. The air passage according to claim 1, wherein the air passage is driven by exhaust from the exhaust port and communicates with an insert intake manifold of an exhaust turbine supercharger that supplies pressurized air to the intake port. The dual fuel engine as described in any one.