JP3897588B2

JP3897588B2 - Fuel supply mechanism and engine equipped with the same

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Publication number: JP3897588B2
Application number: JP2001379862A
Authority: JP
Inventors: 浩二守家; 裕紀佐藤; 雅司西垣
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2001-12-13
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2021-12-13
Also published as: JP2003184709A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素含有ガス流路を流通する酸素含有ガスに燃料を供給して、燃焼部に供給される混合気を形成する燃料供給機構と、その燃料供給機構を備え、前記酸素含有ガス流路としての吸気路から燃焼部としての燃焼室に吸気した混合気を燃焼させるエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような燃料供給機構が設けられる機器として、例えばエンジンがある。
従来、エンジンにおいて、燃焼室におけるＮＯｘの生成量を低減させる方法として、燃焼室に吸気する混合気の空気過剰率（空気比）を増加させ、燃焼室における燃料の燃焼温度を低下させる方法がある。また、ＮＯｘの生成量を低減させる別の方法としては、排ガスの一部を吸気系に再循環させる方法、所謂ＥＧＲがあり、ＥＧＲは、不活性な排ガスの熱容量を利用して燃焼室における燃焼温度を低下させることによって、ＮＯｘの生成を低下させることができる。
【０００３】
しかし、ＳＩエンジン等において、混合気の空気過剰率を極端に増加させると、エンジンの燃焼室における点火性能が低下するばかりでなく、点火した火炎の伝搬も不安定となり、失火又は部分燃焼が発生して、エンジン性能が著しく低下する。
また、ＥＧＲによる低ＮＯｘ化は、再循環させた排ガスの容量分だけ、容積効率の低下をもたらし、且つ混合気の空気過剰率を増加させたときと同様に点火性能を低下させる。
【０００４】
そこで、希薄混合気を燃焼させて低ＮＯｘ化を図ると共に、点火性能を向上させることができるエンジンとして、層状吸気方式のＳＩエンジンと、予混合圧縮自着火エンジンとがある。
【０００５】
前者の層状吸気方式とは、点火しやすい空気比（例えば１強程度）の混合気を点火プラグのまわりに形成し、その外側に希薄混合気を形成する吸気方式である。そして、まず点火プラグにより空気比が低い混合気に点火して、その火炎により希薄混合気を燃焼させることで、安定して混合気を燃焼させると共に、全体として空気比が高い混合気を燃焼させることで低ＮＯｘ化を図ることができる。
【０００６】
一方、後者の予混合圧縮自着火エンジンは、ＳＩエンジンの様に吸気路において予め形成された混合気を吸気口を介して燃焼室に吸気するのであるが、点火プラグにより混合気を着火するのではなく、燃焼室において混合気を圧縮して自着火燃焼させ、クランク軸の回転を続けるように構成される。このような予混合圧縮自着火エンジンは、混合気の空気過剰率を増加させて低ＮＯｘ化を図ることができると共に、圧縮比を増大させ高い効率を得ることが可能となり、さらに、燃料を比較的低圧の吸気路に供給することができるので、天然ガス等を気体燃料を用いるガスエンジンとして容易に構成することができる。
【０００７】
また、エンジン以外に、燃焼部において全体的に希薄な混合気を燃焼させて低ＮＯｘ化を図りながら、燃焼部における燃焼状態を安定したものとする機器として、濃淡燃焼バーナがある。これは、空気比が低い混合気を燃焼させる濃バーナと、濃バーナとは別の空気比が高い混合気を燃焼させる淡バーナとを交互に並設し、濃バーナにおける安定な火炎によって淡バーナの不安定な火炎を安定化（保炎）することにより、低ＮＯｘと保炎性を両立するものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような層状給気方式のエンジンにおいて、エンジン出力を増加させる場合、燃焼室の外側に形成する希薄混合気の空気比を低下させる必要があるので、ＮＯｘ生成の抑制効果が低減してしまう。
また、予混合圧縮自着火エンジンにおいて、エンジン出力を増加させる場合、混合気の空気比が理論空気比に近くなると、混合気の燃焼速度の増加により自着火後に急激な圧力伝播が発生し、ノッキングが発生することがある。
よって、高出力時においても低ＮＯｘ化を実現することができる技術が要求されている。
【０００９】
また、上記のような濃淡燃焼バーナは、燃焼部に供給する混合気の空気比が夫々異なる複数のバーナを設ける必要があり、さらに、このような濃淡燃焼バーナの構成を、例えばエンジンに利用しようとすると、エンジンの吸気路を空気比が異なる複数の流路に分割するなどの複雑な構成となる。
【００１０】
従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、エンジンの燃料供給機構として利用可能で、高出力時においても、燃焼部における燃焼状態を安定したものに維持しながら、燃焼部におけるＮＯｘの生成量を抑制することができる燃料供給技術を確立することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
〔構成１〕
本発明に係る燃料供給機構は、請求項１に記載したごとく、酸素含有ガス流路を流通する酸素含有ガスに燃料を供給して、燃焼部に供給される混合気を形成する燃料供給機構であって、
前記酸素含有ガス流路の途中に、互いに仕切られた複数の空間を設けた燃料濃度調整部を備え、
前記燃料濃度調整部の前記各空間を、所定の順に繰り返し、前記酸素含有ガス流路の上流側と下流側に各別に開放する開放手段を備え、
前記複数の空間の内、一部の空間に、他の空間よりも多く前記燃料を供給する燃料供給手段を備えたことを特徴とする。
【００１２】
〔作用効果〕
本構成の燃料供給機構によれば、上記燃料濃度調整部において、少なくとも１つの前記他の空間と、その空間よりも燃料が多く供給される少なくとも１つの前記一部の空間とを並設した各空間を、並設順等の所定の順に繰り返し、エンジンの吸気路等である酸素含有ガス流路の上流部と下流部に各別に開放することで、酸素含有ガスが流通する酸素含有ガス流路において、前記一部の空間が開放されて多くの燃料が供給される時期と、前記他の空間が開放されて少ない燃料が供給される、又は燃料が供給されない時期とを、周期的に繰り返し発生させることができる。結果、このように酸素含有ガス流路に形成される混合気に、酸素含有ガスの流れ方向において燃料濃度が大きく空気比が低い縞状の濃部と、隣接する濃部の間の燃料濃度が小さく空気比が高い縞状の淡部とからなる燃料の濃淡分布を、安定して発生させることができる。
そして、このような濃淡分布が発生した混合気を、エンジンの燃焼室等の燃焼部にて燃焼させることで、全体的に空気比が均一にしての濃淡分布が発生していない混合気よりも、淡部における燃焼速度低下により燃焼が緩慢になり、局所的な温度上昇を抑制できるので、ＮＯｘの生成を抑制することができ、さらに、濃部と淡部とが隣接しているので、濃部で発生した安定な火炎によって淡部における不安定な火炎を安定化させることができるので、安定した燃焼状態を維持することができる。
【００１３】
そして、このような燃料供給機構を、前述のエンジンに利用することで、高出力運転を行っても、燃焼を緩慢なものに維持してノッキングの発生を抑制しながら、低ＮＯｘ化を実現することができる。
即ち、本発明にかかるエンジンは、燃料供給機構によって吸気路に形成された濃淡分布を有する混合気が燃焼室に吸気されるので、着火時点の混合気を、燃料の酸素含有ガスに対する混合が抑制された混合抑制状態、所謂、燃料の濃淡分布が発生した燃料と酸素含有ガスとの混合状態を不均一な状態とすることができる。そして、着火時の燃焼室の混合気は、空気比が低い部分（濃部）と高い部分（淡部）が存在し、着火行程において、その混合気は、まず最初に濃部において着火し、その火炎が、隣接している淡部に伝播するというように燃焼するので、その着火直後の燃焼速度を、均一な混合状態のときに比べて低下させることができ、結果、ノッキングを抑制することができる。
従って、混合気の空気比を比較的低くして高出力運転を行っても、燃焼部における燃焼状態を安定なものに維持しながら、全体的に希薄な混合気を燃焼させて低ＮＯｘ化を図ることができるエンジンを実現できる。
【００１４】
〔構成２〕
本発明に係る燃料供給機構は、請求項２に記載したごとく、上記構成１の燃料供給機構の構成に加えて、前記開放手段が、前記一部の空間と前記他の空間とを交互に前記酸素含有ガス流路に開放する手段であることを特徴とする。
【００１５】
〔作用効果〕
本構成の燃料供給機構によれば、開放手段により、前記一部の空間と前記他の空間とを交互に繰り返し前記酸素含有ガス流路に開放するので、酸素含有ガス流路に形成される混合気の縞状の濃淡分布を、小ピッチ且つ安定したものにすることができる。よって、このような小ピッチ且つ安定した濃淡分布を有する混合気を燃焼部にて燃焼させることで、燃焼部において混合気全体を安定して燃焼させると共に、安定して生成された淡部における燃焼速度低下により燃焼を緩慢にして、ＮＯｘの生成を一層抑制することができる。
【００１６】
〔構成３〕
本発明に係る燃料供給機構は、請求項３に記載したごとく、上記構成１又は２の燃料供給機構の構成に加えて、前記燃料供給手段が、前記複数の空間の内、前記一部の空間には前記燃料を供給して、前記他の空間には前記燃料を供給しない手段であることを特徴とする。
【００１７】
〔作用効果〕
本構成の燃料供給機構によれば、前記他の空間には燃料を供給しないので、酸素含有ガス流路における混合気に、燃料濃度の差が大きい縞状の濃淡分布を発生させることができ、燃焼部において、淡部の燃料濃度を一層小さくして、燃焼状態をより緩慢にし、ＮＯｘの生成を一層抑制することができる。
【００１８】
〔構成４〕
本発明に係る燃料供給機構は、請求項４に記載したごとく、上記構成１から３の何れかの燃料供給機構の構成に加えて、前記開放手段が、前記複数の空間の夫々に、前記所定の順に繰り返し、前記酸素含有ガス流路の上流側から流入した酸素含有ガスを閉じ込めて、前記酸素含有ガス流路の下流側に導く手段であることを特徴とする。
【００１９】
〔作用効果〕
本構成の燃料供給機構によれば、上記開放手段により、複数の空間の夫々に、前記酸素含有ガス流路を流通する酸素含有ガスを所定の順に繰り返し一旦閉じ込めると共に、前記その空間を所定の順に繰り返し酸素含有ガス流路の下流側に開放するように構成されるので、酸素含有ガス流路の下流側の混合気に、確実に、酸素含有ガスの流れ方向において縞状の濃部と淡部との濃度分布を発生させることができ、燃料の濃淡分布による燃焼状態安定化及び低ＮＯｘ化の効果を確実に発揮させることができる。
【００２０】
〔構成５〕
本発明に係る燃料供給機構は、請求項５に記載したごとく、上記構成４の燃料供給機構の構成に加えて、単位時間あたりに前記酸素含有ガス流路の下流側に開放される前記空間の総容量が、前記単位時間あたりに前記燃焼部に供給される混合気の総体積と同等であることを特徴とする。
【００２１】
〔作用効果〕
上記構成４のように開放手段を構成した場合には、本構成のごとく、単位時間あたりに前記酸素含有ガス流路の下流側に開放される空間の総容量と、燃焼部に供給される混合気の総体積とを同等なものとすることで、開放手段において、酸素含有ガスを圧縮又は膨張させることなく、燃焼部側へ導くことになるので、開放手段において、酸素含有ガスを下流側へ導くための動力を比較的小さいものとすることができる。
【００２２】
〔構成６〕
本発明に係る燃料供給機構は、請求項６に記載したごとく、上記構成１から５の何れかの燃料供給機構の構成に加えて、ケース内に外周部の一部が前記酸素含有ガス流路に開放された環状又は円柱状のケース空間を形成して備え、
前記環状又は前記円柱状の軸心側から放射状に延出して、前記ケース空間を燃料濃度調整部として前記軸心回りに並設された前記複数の空間に仕切る複数の仕切羽を有すると共に、前記軸心回りに回転自在に構成された羽根車部材を備え、前記開放手段が、前記羽根車部材を前記酸素含有ガス流路における前記酸素含有ガスの流通方向に合わせて回転させて、前記燃料濃度調整部の前記各空間を前記並設順に繰り返し前記酸素含有ガス流路の上流側と下流側に各別に開放する手段であることを特徴とする。
【００２３】
〔作用効果〕
本構成の燃料供給機構によれば、上記開放手段により、外周部の一部が酸素含有ガス流路の上流側と下流側とに開放された環状又は円柱状のケース空間に設けられた羽根車部材を、その酸素含有ガスの流通方向に合わせて回転させることで、羽根車部材の軸芯の回りに並設され互いに羽根車部材の仕切羽により仕切られた燃料濃度調整部としての各空間を、上記回転方向に対向する周方向の沿った順で、繰り返し、酸素含有ガス流路の上流側と下流側に各別に開放させることができる。
従って、簡単な構成で、燃焼部に供給する混合気に、縞状の濃淡分布を発生させて、燃焼部における燃焼状態を安定したものとすると共に、ＮＯｘの生成を抑制することができる燃料供給機構を実現することができる。
【００２４】
〔構成７〕
本発明に係る燃料供給機構は、請求項７に記載したごとく、上記構成６の燃料供給機構の構成に加えて、前記開放手段が、前記酸素含有ガス流路を流通する前記酸素含有ガスの運動エネルギにより、前記羽根車部材を回転させるようにことを特徴とする。
【００２５】
〔作用効果〕
本構成の燃料供給機構によれば、上記開放手段により、酸素含有ガス流路を流通する酸素含有ガスの運動エネルギを、仕切羽に受けて、羽根車部材を回転させることができるので、羽根車部材を他の外部動力により回転させる必要がない。従って、本発明に係る燃料供給機構を、単純構造且つ小型に構成することができる。
【００２６】
〔構成８〕
本発明に係る燃料供給機構は、請求項８に記載したごとく、上記構成４の燃料供給機構の構成に加えて、前記開放手段が、外部動力を利用して、前記複数の空間の夫々に、前記所定の順に繰り返し、前記酸素含有ガス流路の上流側から酸素含有ガスを吸込んで、前記酸素含有ガス流路の下流側に過給する手段であることを特徴とする。
【００２７】
〔作用効果〕
本構成の燃料供給機構によれば、上記開放手段を上記のように構成して、燃料供給機構を所謂容積型の過給機として機能させることができ、燃料の濃淡分布を有する混合気を燃焼部において燃焼させることで燃焼状態安定化及び低ＮＯｘ化の効果を発揮させながらも、エンジンの燃焼室として構成される燃焼部に圧縮された混合気を供給することができるので、高出力且つ高効率化を図ることができる。
【００２８】
〔構成９〕
本発明に係る燃料供給機構は、請求項９に記載したごとく、上記構成１から８の何れかの燃料供給機構の構成に加えて、前記燃料が天然ガスであることを特徴とする。
【００２９】
〔作用効果〕
本発明の燃料供給機構は、特に酸素含有ガスとの混合が促進されやすい気体燃料である天然ガスを用いても、エンジンの吸気路等の酸素含有ガス流路に形成される混合気に濃淡分布を発生させ、燃焼状態安定化及び低ＮＯｘ化を図ることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る燃料供給機構５０の実施の形態として、その燃料供給機構５０を備えたエンジン１００について、図１及び図２に基づいて説明する。
【００３１】
図１（イ）に示すエンジン１００は、シリンダ２７と、シリンダ２７内に収容されてシリンダ２７と共に燃焼室２０を形成するピストン２３とを備え、そのピストン２３が、連接棒２４を介してクランク軸２５に連動連結されている。
前記シリンダ２７には、吸気弁２１を備えた吸気路１（酸素含有ガス流路の一例）と、排気弁２２を備えた排気路２６とが連通されており、燃焼室２０の混合気を着火する点火プラグ２８が設けられている。
【００３２】
そして、エンジン１００は、吸気弁２１と排気弁２２を開閉動作させながら、吸気行程において吸気路１に形成された混合気Ｍを燃焼室２０に吸気し、圧縮行程を経て、燃焼室２０に設けられた点火プラグ２８を働かせて混合気を点火し、燃焼・膨張、及び排気の諸行程を実行して、ピストン２３の往復運動をクランク軸２５の回転運動に変えて出力するように構成されている、所謂火花点火式エンジン（ＳＩエンジン）である。
【００３３】
また、エンジン１００には、吸気路１に流通する空気Ａ（酸素含有ガスの一例）に天然ガスである燃料Ｇを供給して混合気Ｍを形成する燃料供給機構５０が設けられており、その特徴構成について以下に説明する。
【００３４】
燃料供給機構５０には、図１（ロ）及び図２に示すように、内部に円柱状の空間５ａを有する皿状の筒状ケース５が設けられ、吸気路１の上流側を形成する吸気管１ａと吸気路の下流側を内部に形成する吸気管１ｂとが、その筒状ケース５の外周部に接続されて、その筒状ケース１内の円柱状の空間５ａの外周部の一部が、吸気路１の上流側と下流側とに開放されている。
また、筒状ケース１の底部の中心には、燃料流路３から燃料Ｇが供給される円形の燃料口３ａが形成されている。
【００３５】
また、筒状ケース１内には、筒状ケース１の底部の中心から筒状ケース１の開放部を塞ぐ円形の蓋部材１４の中心までに渡って設けられた軸１２と、軸１２回りに回転自在に設けられた羽根車部材１１が設けられている。
この羽根車部材１１は、上記軸１２を回転自在な状態で内挿する筒状の軸筒部９と、その軸筒部９の外側から放射状に延出して、筒状ケース１内の円柱状の空間５ａを、燃料濃度調整部として、その軸筒部９回りに等間隔に並設された８つの扇形状の空間１０に仕切る８つの仕切羽７と、上記仕切羽７の筒状ケース１の燃料口３ａが形成された端面側に渡って設けられた円形の端面部８とから構成されている。
【００３６】
また、羽根車部材１１の端面部８には、上記燃料濃度調整部としての８つの空間１０の内、軸筒部９回りに沿って１つ置きに配置された４つの空間（以下、「濃空間」と呼ぶ。）１０ａの部分に、４つの燃料口８ａが穿設されている。この燃料口８ａは、上記筒状ケース１の端面に形成された燃料口３ａに対応する位置に配置され、上記燃料口３ａから供給された燃料Ｇが、濃空間１０ａに流入することを許容する。
一方、上記８つの空間１０の内、夫々の濃空間１０ａの間に配置された４つの空間（以下、「淡空間」と呼ぶ。）１０ｂには、燃料口３ａから燃料Ｇが流入しないようになっている。
尚、この燃料口３ａ及び燃料口８ａのように、複数の空間１０の内、濃空間１０ａには燃料Ｇを供給して、淡空間１０ｂには燃料Ｇを供給しない手段を燃料供給手段Ｘと呼ぶ。
また、上記淡空間１０ｂの短面部８の部分に、上記濃空間１０ａの部分に設けた燃料口８ａよりも小さい燃料口を設けて、燃料供給手段Ｘを、複数の空間１０の内、一部の濃空間１０ａに供給する燃料Ｇを、他の淡空間１０ｂに供給する燃料Ｇよりも多くするように構成しても構わない。
【００３７】
そして、このように構成された燃料供給機構５０において、上記羽根車部材１１は、吸気路１において、吸気管１ａ側から吸気管１ｂ側へ流れる空気Ａの運動エネルギを利用して、軸１２回りに空気Ａの流通方向に合わせて回転する。
そして、燃料供給機構５０において、このように羽根車部材１１を回転させることで、その濃空間１０ａ及び淡空間１０ｂを交互に且つ繰り返し上流側の吸気管１ａ側と下流側の吸気管１ｂ側とに各別に開放する開放手段Ｙが構成され、この開放手段ｙにより、吸気管１ａ側から空間５ａ内に流入した空気Ａを、濃空間１０ａ及び淡空間１０ｂに、交互に且つ繰り返し閉じ込めると共に、その濃空間１０ａ及び淡空間１０ｂを交互に且つ繰り返し吸気管１ｂ側に開放することができる。
【００３８】
尚、上記開放手段Ｙは、上記羽根車部材１１を、空気Ａの運動エネルギを利用せずに、モータにより、又はクランク軸の回転動力を利用して、回転させるように構成しても構わない。また、このように外部動力により羽根車部材１１を回転させる場合には、単位時間あたりに吸気管１ｂに開放される空間１０の総容量が、単位時間あたりに燃焼室２０に供給される混合気Ｍの総体積、即ち、エンジンの排気量と回転数の積とが、同等になるように、羽根車部材１１の回転数を設定することが好ましく、このように回転数を設定することで、空気Ａを圧縮又は膨張させることないので、羽根車部材１１を比較的小さい動力で回転させることができる。
【００３９】
燃料供給機構５０は、上記のような燃料供給手段Ｘ及び開放手段Ｙを備えることで、吸気路１の吸気管１ｂにおいては、濃空間１０ａが開放されて多くの燃料Ｇが供給される時期と、淡空間１０ｂが開放されて燃料Ｇが供給されない時期とが、周期的に繰り返し発生するので、結果、形成される混合気Ｍは、流れ方向において燃料濃度が大きく空気比が低い縞状の濃部Ｍａと、隣接する濃部の間の燃料濃度が小さく空気比が高い縞状の淡部Ｍｂとからなる燃料の濃淡分布を有するものとなる。
【００４０】
このように吸気路１に形成された濃淡分布を有する混合気Ｍは、その濃淡分布を維持した混合抑制状態のままで、次の吸気行程において燃焼室２０に吸気される。
即ち、吸気路１において、燃料供給機構５０から吸気弁２１までの容積、即ち吸気管１ｂ内の容積が、一回の吸気行程において燃焼室２０に吸気される吸気量に対して、ほぼ同等に設定されており、このように吸気路１の吸気管１ｂに形成された濃淡分布を有する混合気Ｍは、その濃淡分布を維持した混合抑制状態のままで、次の吸気行程において燃焼室２０に吸気されることになる。尚、吸気路１の流路条件等を最適化することで、吸気路１に形成された混合気Ｍの混合抑制状態を、燃焼室２０まで維持することができるのであれば、吸気管１ｂの容積の上記吸気量に対する割合を、上記数値範囲外としても構わない。
【００４１】
従って、燃焼室２０に吸気された混合気Ｍは、混合が殆ど進んでいない濃淡分布を有する状態となっており、この混合気Ｍを圧縮して点火プラグ２８により点火しても、最初に濃部において着火して、その火炎が隣接している淡部に伝播する際に燃焼速度を低下させ、全体的な燃焼速度を低下させることで、全体的な空気比を高くしてＮＯｘの発生を抑制することができ、エンジン１００は、このような安定した濃淡分布を有する混合気を燃焼させることで、常に安定した運転状態を保つことができる。
【００４２】
尚、吸気路１に形成される混合気Ｍの濃淡分布においては、互いに隣接する濃部Ｍａの間隔又は互いに隣接する淡部Ｍｂの間隔（以下、濃淡分布のピッチと呼ぶ。）は、燃焼室２０に吸気されても濃淡分布を維持できる程度以上であることがこのましく、具体的には、濃淡分布のピッチは２ｍｍ以上が好ましい。
また、その濃淡分布のピッチ幅は、燃焼室２０において全体的に均一に燃焼させるためにできるだけ小さい方が好ましく、具体的には、５０ｍｍ以下が好ましい。
このように濃淡分布のピッチ幅を設定するには、夫々の濃空間１０ａ及び淡空間１０ｂの容積（筒状ケース５内の空間５ａの容積と空間１０の数（仕切羽７の数）とで決定される。）及び吸気路１の断面積を適宜設定することで可能である。
【００４３】
また、図１及び図２に示す燃料供給機構５０を備えたガスエンジン１００（実施例）と、その燃料供給機構５０を従来のベンチュリミキサに改造したエンジン（比較例１）と、その燃料供給機構５０を従来の燃料噴射弁に改造したエンジン（比較例２）とにおいて、排ガス中のＮＯｘ濃度及びエンジン１００の正味熱効率を測定したところ、下記の表１及び表２のような結果となった。
尚、エンジン１００の仕様は、以下の通りである。
〔表１及び表２におけるエンジンの共通仕様〕
主燃料：天然ガス系都市ガス１３Ａ
気筒数：１
過給機：なし
燃焼室容量：１Ｌ（１×１０⁶ｍｍ³）
回転数：１２００ｒｐｍ
空気Ａの温度：４０℃
吸気路１の断面積：１２５６ｍｍ²（直径４０ｍｍ）
筒状ケース５内の空間５ａの容積：２００９６０ｍｍ³
空間１０の数：８
単位時間あたりの吸気量：４００Ｌ／ｍｉｎ（４×１０⁸ｍｍ³／ｍｉｎ）
〔表１におけるエンジンの仕様〕
圧縮比：１０
混合気の平均空気比：１．６
〔表２におけるエンジンの仕様〕
圧縮比：１２
混合気の平均空気比：１．７
【００４４】
【表１】

【００４５】
【表２】

【００４６】
上記の表１及び表２に示すように、本発明に係る燃料供給機構５０を設けたエンジン１００は、従来の燃料供給機構（ベンチュリミキサ又は燃料噴射弁）を設けたエンジンと比較して、正味熱効率を同等又はそれ以上に維持することができると共に、ＮＯｘ濃度を３７％〜７０％程度に抑制することができる。また、例えば、従来のエンジンにおいて最低でも１００ｐｐｍ程度であった排ガス中のＮＯｘ濃度を７０ｐｐｍ程度に低下させることができ、排ガス中のＮＯｘを除去するための脱硝装置を省略又は簡略化して、コストダウン等を図ることができる。
【００４７】
〔別実施の形態〕
次に、本発明の燃料供給機構の別の実施の形態を図面に基づいて説明する。
〈１〉上記実施の形態においては、燃料供給機構において、開放手段Ｙを、空気Ａを圧縮又は膨張させずに、空気Ａを閉じ込めた複数の空間を吸気路１の吸気管１ｂ側に開放するように構成したが、別に、開放手段Ｙを、空気Ａを閉じ込めた複数の空間を圧縮した後に、吸気路１の吸気管１ｂ側に開放するように構成して、所謂燃料供給機構を容積形の圧縮機として機能させることができる。
即ち、図３に示す燃料供給機構６０は、燃焼室２０に吸気される混合気を、クランク軸の回転動力の一部を利用して圧縮する所謂ルーツ式スーパーチャージャとして構成されている。
詳しくは、この燃料供給機構６０の、ルーツ式スーパーチャージャとしての構成は、従来のものと同様であるが、楕円柱状の空間６１ａを内部に有する筒状ケース６１を備え、その空間６１ａ内に、互いに平行な回転軸を有し位相が９０℃ずれている一対のロータ６３とを備え、その一対のロータ６３が、クランク軸の回転動力の一部を利用して互いに逆回転で回転することで、吸気路１の上流側の吸気管１ａから夫々のロータ６３と筒状ケース６１との隙間の複数の空間７０に空気Ａを吸込んで、その空気Ａを吸気路１の吸気管１ｂ側に過給することができ、エンジンの高出力且つ高効率化を図ることができる。
【００４８】
さらに、筒状ケース１の端面の上方には、燃料流路３から燃料Ｇが供給される燃料口６５が形成されている。そして、この燃料口６３は、上方のロータ６３ａと筒状ケース６１の内面とで形成される濃空間７ａのみに開口して、その濃空間７ａに燃料Ｇを供給することができる。また、下方のロータ６３ｂと筒状ケース６１の内面とで形成される淡空間７ａには、燃料Ｇが供給されない。
尚、このように複数の空間７０の内、濃空間７０ａには燃料Ｇを供給して、淡空間７０ｂには燃料Ｇを供給しない手段を燃料供給手段Ｘと呼ぶ。
【００４９】
さらに、このように構成された燃料供給機構６０は、ルーツ式スーパーチャージャとして構成されているので、吸気管１ａ側から空気Ａを濃空間７０ａ及び淡空間７０ｂに交互に且つ繰り返し吸込むと共に、その濃空間７０ａ及び淡空間７０ｂを交互に且つ繰り返し吸気管１ｂ側に過給する開放手段Ｙが構成される。
【００５０】
そして、燃料供給機構５０は、上記のような燃料供給手段Ｘ及び開放手段Ｙを備えることで、吸気路１の吸気管１ｂにおいては、濃空間１０ａが開放されて多くの燃料Ｇが供給される時期と、淡空間１０ｂが開放されて燃料Ｇが供給されない時期とが、周期的に繰り返し発生するので、結果、形成される混合気Ｍは、流れ方向において燃料濃度が大きく空気比が低い縞状の濃部Ｍａと、隣接する濃部の間の燃料濃度が小さく空気比が高い縞状の淡部Ｍｂとからなる燃料の濃淡分布を有するものとなり、その濃淡分布を有する混合気Ｍを燃焼室２０において燃焼させることで、燃焼状態安定化及び低ＮＯｘ化を実現することができる。
【００５１】
〈２〉上記実施の形態において、吸気路に濃空間及び淡空間を交互に開放する構成を説明したが、別に交互でなく、例えば複数の濃空間を開放した後に淡空間を開放する、逆に、複数の淡空間を開放した後に濃空間を開放するように構成することもでき、混合気に形成される濃淡分布において、例えば淡部に対する濃部の幅等を適宜調整することができる。
【００５２】
〈３〉上記実施の形態において、４サイクルのＳＩエンジンを例に説明したが、本発明に係る燃料供給機構は、２サイクルのエンジンや、予混合圧縮自着火エンジン等の他のエンジンに利用することもできる。
【００５３】
〈４〉上記実施の形態において、仕切羽７により互いに仕切られた濃空間１０ａと淡空間１０ｂとからなる複数の空間１０は、濃空間１０ａに供給された燃料Ｇが淡空間１０ｂに流入することが抑制されて、濃空間１０ａと淡空間１０ｂとにおける燃料濃度が互いに異なる状態で吸気路１に開放される程度に仕切られていれば、本発明の作用効果を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料供給機構を備えたエンジンの概略構成図
【図２】燃料供給機構の分解斜視図
【図３】別実施形態の燃料供給機構の概略断面図
【符号の説明】
１吸気路（酸素含有ガス流路）
１ａ吸気管
１ｂ吸気管
３燃料流路
５筒状ケース
３ａ燃料口
５ａ空間
７仕切羽
８ａ燃料口
１０空間（燃料濃度調整部）
１０ａ濃空間
１０ｂ淡空間
１１羽根車部材
１２軸
２０燃焼室
５０燃料供給機構
６０燃料供給機構
１００エンジン
Ａ空気（酸素含有ガス）
Ｇ燃料
Ｍ混合気
Ｍｂ淡部
Ｍａ濃部
Ｘ燃料供給手段
Ｙ開放手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention includes a fuel supply mechanism that supplies fuel to an oxygen-containing gas that flows through an oxygen-containing gas flow path to form an air-fuel mixture that is supplied to a combustion section, and the fuel supply mechanism. The present invention relates to an engine that burns an air-fuel mixture sucked from an intake passage as a passage into a combustion chamber as a combustion section.
[0002]
[Prior art]
An example of equipment provided with the fuel supply mechanism as described above is an engine.
Conventionally, as a method for reducing the amount of NOx generated in a combustion chamber in an engine, there is a method of increasing the excess air ratio (air ratio) of the air-fuel mixture sucked into the combustion chamber and lowering the fuel combustion temperature in the combustion chamber. . Another method for reducing the amount of NOx produced is a method of recirculating a part of the exhaust gas to the intake system, so-called EGR. By reducing the temperature, the production of NOx can be reduced.
[0003]
However, if the excess air ratio of the air-fuel mixture is extremely increased in SI engines, etc., not only the ignition performance in the combustion chamber of the engine will deteriorate, but also the propagation of the ignited flame will become unstable, causing misfire or partial combustion. As a result, engine performance is significantly reduced.
Further, the reduction in NOx by EGR causes a reduction in volumetric efficiency by the amount of the exhaust gas recirculated, and lowers the ignition performance in the same manner as when the excess air ratio of the air-fuel mixture is increased.
[0004]
Therefore, there are a stratified intake SI engine and a premixed compression self-ignition engine as engines capable of reducing the NOx by burning a lean air-fuel mixture and improving the ignition performance.
[0005]
The former stratified intake system is an intake system in which an air-fuel mixture with an air ratio that is easy to ignite (for example, about 1) is formed around the spark plug, and a lean air-fuel mixture is formed outside the air-fuel mixture. First, the mixture with a low air ratio is ignited by the spark plug, and the lean mixture is combusted by the flame, so that the mixture is stably burned and the mixture with a high air ratio is burned as a whole. Thus, it is possible to reduce NOx.
[0006]
On the other hand, the latter premixed compression auto-ignition engine, like the SI engine, sucks the air-fuel mixture previously formed in the intake passage into the combustion chamber via the intake port, but ignites the air-fuel mixture by the spark plug. Instead, the air-fuel mixture is compressed and self-ignited and combusted in the combustion chamber, and the crankshaft continues to rotate. Such a premixed compression auto-ignition engine can reduce the NOx by increasing the excess air ratio of the air-fuel mixture, increase the compression ratio and obtain high efficiency, and compare the fuel Therefore, natural gas or the like can be easily configured as a gas engine using gaseous fuel.
[0007]
In addition to the engine, there is a light and dark combustion burner as a device that stabilizes the combustion state in the combustion section while reducing the NOx by burning a lean mixture on the whole in the combustion section. This is because a rich burner that burns an air-fuel mixture with a low air ratio and a light burner that burns an air-fuel mixture with a high air ratio, which are different from the rich burner, are arranged in parallel, and the light burner is heated by a stable flame in the rich burner. By stabilizing (flame holding) an unstable flame, low NOx and flame holding properties are both achieved.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the engine output is increased in the stratified charge system engine as described above, it is necessary to reduce the air ratio of the lean air-fuel mixture formed outside the combustion chamber. End up.
In addition, when increasing the engine output in a premixed compression self-ignition engine, if the air ratio of the mixture becomes close to the theoretical air ratio, rapid pressure propagation occurs after self-ignition due to an increase in the combustion speed of the mixture, and knocking occurs. May occur.
Therefore, there is a demand for a technology that can realize low NOx even at high output.
[0009]
In addition, the above-described concentration combustion burner needs to be provided with a plurality of burners having different air ratios of the air-fuel mixture supplied to the combustion section. Further, such a configuration of the concentration combustion burner should be used for an engine, for example. Then, it becomes a complicated structure, such as dividing the intake passage of the engine into a plurality of flow passages having different air ratios.
[0010]
Therefore, in view of the above circumstances, the present invention can be used as a fuel supply mechanism for an engine, and the amount of NOx generated in the combustion section while maintaining a stable combustion state in the combustion section even at high output. It aims at establishing the fuel supply technique which can suppress this.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
[Configuration 1]
  As described in claim 1, the fuel supply mechanism according to the present invention is a fuel supply mechanism that supplies fuel to an oxygen-containing gas that flows through an oxygen-containing gas flow path to form an air-fuel mixture that is supplied to a combustion section. There,
  In the middle of the oxygen-containing gas flow path, provided with a fuel concentration adjustment unit provided with a plurality of spaces partitioned from each other,
  Each of the spaces of the fuel concentration adjusting unit is repeated in a predetermined order, and provided with an opening means for separately opening the upstream side and the downstream side of the oxygen-containing gas flow path,
  A part of the plurality of spacessky ofIn betweensky ofIt is characterized by comprising a fuel supply means for supplying the fuel more than before.
[0012]
[Function and effect]
  According to the fuel supply mechanism of this configuration, in the fuel concentration adjusting unit, at least oneThe otherA space and at least one fuel supplied more than that spacePart of theEach of the spaces arranged side by side is repeated in a predetermined order such as the order of arrangement, and the oxygen-containing gas is released by opening it separately to the upstream portion and the downstream portion of the oxygen-containing gas flow path that is the engine intake passage or the like. In the flowing oxygen-containing gas flow path,Part of theWhen the space is opened and a lot of fuel is supplied,The otherThe time when the space is opened and a small amount of fuel is supplied or when the fuel is not supplied can be periodically generated. As a result, the air-fuel mixture formed in the oxygen-containing gas flow path in this way has a fuel concentration between the stripe-shaped rich portion where the fuel concentration is large and the air ratio is low in the flow direction of the oxygen-containing gas, and the adjacent rich portion. It is possible to stably generate a concentration distribution of fuel including a striped light portion having a small and high air ratio.
  Then, the air-fuel mixture in which such a light and shade distribution has occurred is burned in a combustion section such as the combustion chamber of the engine, so that the air-fuel mixture has a uniform air ratio as a whole and the air-fuel mixture in which the light and shade distribution does not occur Because the combustion becomes slow due to a decrease in the burning speed in the light part and the local temperature rise can be suppressed, the generation of NOx can be suppressed, and the dark part and the light part are adjacent to each other. Since an unstable flame in the light part can be stabilized by the stable flame generated in the part, a stable combustion state can be maintained.
[0013]
By using such a fuel supply mechanism for the aforementioned engine, low NOx can be achieved while suppressing the occurrence of knocking while maintaining a slow combustion even in high output operation. be able to.
That is, in the engine according to the present invention, since the air-fuel mixture having a concentration distribution formed in the intake passage by the fuel supply mechanism is sucked into the combustion chamber, the mixture at the time of ignition is suppressed from being mixed with the oxygen-containing gas. The mixed suppression state, that is, the so-called mixed state of the fuel in which the concentration distribution of the fuel has occurred and the oxygen-containing gas can be made non-uniform. The mixture in the combustion chamber at the time of ignition has a portion with a low air ratio (dense portion) and a portion with a high portion (light portion). In the ignition stroke, the mixture is first ignited in the rich portion, Since the flame burns so that it propagates to the adjacent light part, the combustion speed immediately after the ignition can be reduced compared to when it is in a uniform mixed state, thereby suppressing knocking. Can do.
Therefore, even if the air ratio of the air-fuel mixture is relatively low and high-power operation is performed, the overall lean air-fuel mixture is burned to reduce NOx while maintaining a stable combustion state in the combustion section. An engine that can be realized can be realized.
[0014]
[Configuration 2]
  In the fuel supply mechanism according to the present invention, as described in claim 2, in addition to the configuration of the fuel supply mechanism of the above configuration 1, the opening means includesPart ofSpace and saidotherIt is means for opening the space alternately to the oxygen-containing gas flow path.
[0015]
[Function and effect]
  According to the fuel supply mechanism of this configuration, the opening meansPart ofSpace and saidotherSince the space is alternately and repeatedly opened to the oxygen-containing gas flow path, the striped density distribution of the air-fuel mixture formed in the oxygen-containing gas flow path can be made small and stable. Therefore, by burning the air-fuel mixture having such a small pitch and stable density distribution in the combustion part, the entire air-fuel mixture is combusted stably in the combustion part, and combustion in the light part stably generated is performed. Combustion is slowed down by the speed reduction, and the production of NOx can be further suppressed.
[0016]
[Configuration 3]
  As described in claim 3, the fuel supply mechanism according to the present invention includes the fuel supply mechanism of the first or second configuration,fuelA supply means configured toPart ofSupply the fuel to the space, andotherIt is a means that does not supply the fuel to the space.
[0017]
[Function and effect]
  According to the fuel supply mechanism of this configuration,The otherSince no fuel is supplied to the space, it is possible to generate a striped density distribution with a large difference in fuel concentration in the air-fuel mixture in the oxygen-containing gas flow path, thereby further reducing the fuel concentration in the light part in the combustion part. Thus, the combustion state can be made slower and the generation of NOx can be further suppressed.
[0018]
[Configuration 4]
In the fuel supply mechanism according to the present invention, as described in claim 4, in addition to the structure of any one of the fuel supply mechanisms of the first to third aspects, the opening means includes the predetermined space in each of the plurality of spaces. In this order, the oxygen-containing gas flowing from the upstream side of the oxygen-containing gas channel is confined and guided to the downstream side of the oxygen-containing gas channel.
[0019]
[Function and effect]
According to the fuel supply mechanism of this configuration, the opening means temporarily confines the oxygen-containing gas flowing through the oxygen-containing gas flow path in a predetermined order in each of a plurality of spaces, and the spaces are sealed in a predetermined order. Since it is configured to open repeatedly to the downstream side of the oxygen-containing gas flow path, the gas mixture on the downstream side of the oxygen-containing gas flow path is surely striped thick and light portions in the flow direction of the oxygen-containing gas. And the effect of stabilizing the combustion state and reducing NOx by the fuel concentration distribution can be reliably exhibited.
[0020]
[Configuration 5]
  According to the fuel supply mechanism of the present invention, in addition to the configuration of the fuel supply mechanism of the configuration 4, the oxygen-containing gas flow path per unit time as described in claim 5.Downstream ofThe total capacity of the space that is opened at a time is equal to the total volume of the air-fuel mixture supplied to the combustion unit per unit time.
[0021]
[Function and effect]
  When the opening means is configured as in the above configuration 4, the unit per unit time as in this configuration.Downstream side of the oxygen-containing gas flow pathBy making the total capacity of the open space equal to the total volume of the air-fuel mixture supplied to the combustion part, the oxygen release gas is not compressed or expanded in the opening means to the combustion part side. Therefore, the power for guiding the oxygen-containing gas downstream can be made relatively small in the opening means.
[0022]
[Configuration 6]
According to the fuel supply mechanism of the present invention, as described in claim 6, in addition to the structure of the fuel supply mechanism according to any one of the structures 1 to 5, a part of the outer peripheral portion of the oxygen-containing gas flow path is formed in the case. Forming an annular or columnar case space open to
A plurality of partition blades extending radially from the annular or cylindrical axis side and partitioning the case space into the plurality of spaces arranged around the axis as a fuel concentration adjusting unit; and An impeller member configured to be rotatable around an axial center, wherein the opening means rotates the impeller member in accordance with a flow direction of the oxygen-containing gas in the oxygen-containing gas flow path, and the fuel concentration It is a means to open each said space of an adjustment part to the upstream and downstream of the said oxygen-containing gas flow path separately in the said arrangement | positioning order, respectively.
[0023]
[Function and effect]
According to the fuel supply mechanism of this configuration, the impeller provided in the annular or cylindrical case space in which a part of the outer peripheral portion is opened to the upstream side and the downstream side of the oxygen-containing gas flow path by the opening means. By rotating the member in accordance with the flow direction of the oxygen-containing gas, each space as a fuel concentration adjusting unit arranged in parallel around the axis of the impeller member and partitioned by the partition blades of the impeller member is provided. It is possible to repeatedly open the oxygen-containing gas flow channel separately on the upstream side and the downstream side in the order along the circumferential direction facing the rotation direction.
Accordingly, a fuel supply capable of generating a striped density distribution in the air-fuel mixture supplied to the combustion section with a simple configuration to stabilize the combustion state in the combustion section and to suppress the generation of NOx. A mechanism can be realized.
[0024]
[Configuration 7]
According to the fuel supply mechanism of the present invention, as described in claim 7, in addition to the structure of the fuel supply mechanism of the structure 6, the opening means moves the oxygen-containing gas flowing through the oxygen-containing gas flow path. The impeller member is rotated by energy.
[0025]
[Function and effect]
According to the fuel supply mechanism of the present configuration, the opening means can receive the kinetic energy of the oxygen-containing gas flowing through the oxygen-containing gas flow path in the partition blades and rotate the impeller member. There is no need to rotate the member by other external power. Therefore, the fuel supply mechanism according to the present invention can be configured with a simple structure and a small size.
[0026]
[Configuration 8]
In the fuel supply mechanism according to the present invention, as described in claim 8, in addition to the structure of the fuel supply mechanism of the structure 4, the opening means uses external power to each of the plurality of spaces. Repeating the predetermined order, the oxygen-containing gas is sucked from the upstream side of the oxygen-containing gas flow path, and is supercharged to the downstream side of the oxygen-containing gas flow path.
[0027]
[Function and effect]
According to the fuel supply mechanism of the present configuration, the opening means can be configured as described above so that the fuel supply mechanism can function as a so-called positive displacement supercharger and burns an air-fuel mixture having a fuel concentration distribution. It is possible to supply the compressed air-fuel mixture to the combustion section configured as the combustion chamber of the engine while exhibiting the effect of stabilizing the combustion state and reducing NOx by burning in the section. Efficiency can be improved.
[0028]
[Configuration 9]
The fuel supply mechanism according to the present invention is characterized in that, in addition to the fuel supply mechanism of any one of the first to eighth aspects, the fuel is natural gas.
[0029]
[Function and effect]
The fuel supply mechanism of the present invention has a light / dark distribution in the air-fuel mixture formed in the oxygen-containing gas flow path such as the engine intake passage even when natural gas, which is a gaseous fuel that is easily mixed with the oxygen-containing gas, is used. Can be achieved, and combustion state stabilization and NOx reduction can be achieved.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As an embodiment of a fuel supply mechanism 50 according to the present invention, an engine 100 including the fuel supply mechanism 50 will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
[0031]
The engine 100 shown in FIG. 1 (a) includes a cylinder 27 and a piston 23 that is accommodated in the cylinder 27 and forms the combustion chamber 20 together with the cylinder 27. The piston 23 is connected to the crankshaft via a connecting rod 24. 25 are linked to each other.
The cylinder 27 communicates with an intake passage 1 (an example of an oxygen-containing gas passage) provided with an intake valve 21 and an exhaust passage 26 provided with an exhaust valve 22 to ignite an air-fuel mixture in the combustion chamber 20. A spark plug 28 is provided.
[0032]
Then, the engine 100 sucks the air-fuel mixture M formed in the intake passage 1 during the intake stroke into the combustion chamber 20 while opening and closing the intake valve 21 and the exhaust valve 22, and is provided in the combustion chamber 20 through the compression stroke. The spark plug 28 is actuated to ignite the air-fuel mixture, execute various combustion / expansion and exhaust strokes, and convert the reciprocating motion of the piston 23 into the rotational motion of the crankshaft 25 for output. It is a so-called spark ignition engine (SI engine).
[0033]
Further, the engine 100 is provided with a fuel supply mechanism 50 that supplies a fuel G, which is a natural gas, to air A (an example of an oxygen-containing gas) that flows through the intake passage 1 to form an air-fuel mixture M. The characteristic configuration will be described below.
[0034]
As shown in FIGS. 1 (b) and 2, the fuel supply mechanism 50 is provided with a dish-shaped cylindrical case 5 having a columnar space 5 a therein, and intake air that forms the upstream side of the intake passage 1. A pipe 1a and an intake pipe 1b that forms the downstream side of the intake passage are connected to the outer peripheral part of the cylindrical case 5, and a part of the outer peripheral part of the columnar space 5a in the cylindrical case 1 Is open to the upstream side and the downstream side of the intake passage 1.
A circular fuel port 3 a through which fuel G is supplied from the fuel flow path 3 is formed at the center of the bottom of the cylindrical case 1.
[0035]
Further, in the cylindrical case 1, a shaft 12 provided from the center of the bottom portion of the cylindrical case 1 to the center of a circular lid member 14 that closes the open portion of the cylindrical case 1, An impeller member 11 that is rotatably provided is provided.
The impeller member 11 has a cylindrical shaft tube portion 9 for inserting the shaft 12 in a rotatable state, and extends radially from the outside of the shaft tube portion 9 to form a cylindrical shape in the cylindrical case 1. The partition 5 is divided into eight fan-shaped spaces 10 arranged in parallel at equal intervals around the shaft tube portion 9 as a fuel concentration adjusting portion, and the cylindrical case 1 of the partition blade 7 It is comprised from the circular end surface part 8 provided over the end surface side in which the fuel port 3a was formed.
[0036]
  In addition, the end surface portion 8 of the impeller member 11 has four spaces arranged alternately around the shaft tube portion 9 among the eight spaces 10 as the fuel concentration adjusting portion.(Less than,"Dark space" )Four fuel ports 8a are formed in the portion 10a. The fuel port 8a is disposed at a position corresponding to the fuel port 3a formed on the end surface of the cylindrical case 1, and allows the fuel G supplied from the fuel port 3a to flow into the rich space 10a. .
  On the other hand, four of the eight spaces 10 are arranged between the dark spaces 10a.Space (hereinafter “Light space" )In 10b, the fuel G does not flow from the fuel port 3a.
  In addition, like the fuel port 3a and the fuel port 8a, a means for supplying the fuel G to the rich space 10a and not supplying the fuel G to the light space 10b is referred to as the fuel supply means X. Call.
  Further, a fuel port smaller than the fuel port 8a provided in the portion of the concentrated space 10a is provided in the short surface portion 8 of the light space 10b, and the fuel supply means X is arranged in a part of the plurality of spaces 10. The fuel G supplied to the rich space 10a may be configured to be larger than the fuel G supplied to the other light space 10b.
[0037]
In the fuel supply mechanism 50 configured as described above, the impeller member 11 uses the kinetic energy of the air A flowing from the intake pipe 1a side to the intake pipe 1b side in the intake passage 1 to rotate around the shaft 12. Rotate according to the flow direction of air A.
Then, in the fuel supply mechanism 50, by rotating the impeller member 11 in this manner, the dense space 10a and the light space 10b are alternately and repeatedly arranged on the upstream side intake pipe 1a side and the downstream side intake pipe 1b side. Opening means Y that opens separately is configured, and by this opening means y, the air A that has flowed into the space 5a from the intake pipe 1a side is alternately and repeatedly confined in the dark space 10a and the light space 10b. The dark space 10a and the light space 10b can be alternately and repeatedly opened to the intake pipe 1b side.
[0038]
The opening means Y may be configured to rotate the impeller member 11 by a motor or by using the rotational power of the crankshaft without using the kinetic energy of the air A. . When the impeller member 11 is rotated by external power in this way, the total volume of the space 10 opened to the intake pipe 1b per unit time is the air-fuel mixture supplied to the combustion chamber 20 per unit time. It is preferable to set the rotation speed of the impeller member 11 so that the total volume of M, that is, the product of the engine displacement and the rotation speed is equal, and by setting the rotation speed in this way, Since the air A is not compressed or expanded, the impeller member 11 can be rotated with relatively small power.
[0039]
The fuel supply mechanism 50 includes the fuel supply means X and the opening means Y as described above, so that in the intake pipe 1b of the intake passage 1, the rich space 10a is opened and a large amount of fuel G is supplied. The period when the light space 10b is opened and the fuel G is not supplied periodically repeats, and as a result, the formed air-fuel mixture M has a striped concentration with a high fuel concentration and a low air ratio in the flow direction. The fuel has a fuel density distribution composed of a portion Ma and a striped light portion Mb having a small fuel concentration between adjacent dark portions and a high air ratio.
[0040]
Thus, the air-fuel mixture M having a concentration distribution formed in the intake passage 1 is sucked into the combustion chamber 20 in the next intake stroke while maintaining the mixture suppression state in which the concentration distribution is maintained.
That is, in the intake passage 1, the volume from the fuel supply mechanism 50 to the intake valve 21, that is, the volume in the intake pipe 1 b is substantially equal to the intake amount sucked into the combustion chamber 20 in one intake stroke. Thus, the air-fuel mixture M having the concentration distribution formed in the intake pipe 1b of the intake passage 1 in this way remains in the mixture suppression state maintaining the concentration distribution and enters the combustion chamber 20 in the next intake stroke. Inhaled. If the mixture suppression state of the air-fuel mixture M formed in the intake passage 1 can be maintained up to the combustion chamber 20 by optimizing the flow path conditions and the like of the intake passage 1, the intake pipe 1b The ratio of the volume to the intake air amount may be outside the numerical value range.
[0041]
Therefore, the air-fuel mixture M sucked into the combustion chamber 20 has a light and shade distribution in which the mixing hardly proceeds. Even if the air-fuel mixture M is compressed and ignited by the spark plug 28, the air-fuel mixture M is first concentrated. Igniting at the part, reducing the combustion speed when the flame propagates to the adjacent light part, and reducing the overall combustion speed, thereby increasing the overall air ratio and generating NOx. The engine 100 can always maintain a stable operation state by burning the air-fuel mixture having such a stable density distribution.
[0042]
In the density distribution of the air-fuel mixture M formed in the intake passage 1, the interval between the adjacent dense portions Ma or the interval between the adjacent adjacent light portions Mb (hereinafter referred to as the pitch of the concentration distribution) is referred to as the combustion chamber. Preferably, it is more than the level that can maintain the light and shade distribution even if it is inhaled by 20, and specifically, the pitch of the light and shade distribution is preferably 2 mm or more.
In addition, the pitch width of the light and shade distribution is preferably as small as possible in order to burn uniformly in the combustion chamber 20, and specifically, 50 mm or less is preferable.
Thus, in order to set the pitch width of the light and shade distribution, the volume of each dark space 10a and the light space 10b (the volume of the space 5a in the cylindrical case 5 and the number of the spaces 10 (the number of the partition blades 7)). And the sectional area of the intake passage 1 can be set as appropriate.
[0043]
  Moreover, the gas engine 100 (Example) provided with the fuel supply mechanism 50 shown in FIG.1 and FIG.2, and itsfuelAn engine (Comparative Example 1) in which the supply mechanism 50 is modified to a conventional venturi mixer, and itsfuelWhen the NOx concentration in the exhaust gas and the net thermal efficiency of the engine 100 were measured with an engine (Comparative Example 2) in which the supply mechanism 50 was modified to a conventional fuel injection valve, the results shown in Table 1 and Table 2 below were obtained. It was.
  The specifications of the engine 100 are as follows.
    [Common engine specifications in Tables 1 and 2]
  Main fuel: Natural gas city gas 13A
  Number of cylinders: 1
  Turbocharger: None
  Combustion chamber capacity: 1 L (1 × 10⁶mm^Three)
  Rotation speed: 1200rpm
  Air A temperature: 40 ° C
  Cross-sectional area of intake passage 1: 1256 mm²(Diameter 40mm)
  Volume of space 5a in cylindrical case 5: 200960 mm^Three
  Number of spaces 10: 8
  Intake amount per unit time: 400 L / min (4 × 10⁸mm^Three/ Min)
    [Engine specifications in Table 1]
  Compression ratio: 10
  Average air ratio of mixture: 1.6
    [Engine specifications in Table 2]
  Compression ratio: 12
  Average air ratio of air-fuel mixture: 1.7
[0044]
[Table 1]

[0045]
[Table 2]

[0046]
As shown in Tables 1 and 2 above, the engine 100 provided with the fuel supply mechanism 50 according to the present invention is more net compared to an engine provided with a conventional fuel supply mechanism (venturi mixer or fuel injection valve). The thermal efficiency can be maintained equal or higher, and the NOx concentration can be suppressed to about 37% to 70%. Further, for example, the NOx concentration in the exhaust gas, which has been at least about 100 ppm in the conventional engine, can be reduced to about 70 ppm, and the NOx removal device for removing NOx in the exhaust gas is omitted or simplified, thereby reducing the cost. Etc. can be achieved.
[0047]
[Another embodiment]
Next, another embodiment of the fuel supply mechanism of the present invention will be described with reference to the drawings.
<1> In the above embodiment, in the fuel supply mechanism, the opening means Y opens the plurality of spaces in which the air A is confined to the intake pipe 1b side of the intake passage 1 without compressing or expanding the air A. Separately, the opening means Y is configured to open to the intake pipe 1b side of the intake passage 1 after compressing a plurality of spaces in which the air A is confined. Can function as a compressor.
That is, the fuel supply mechanism 60 shown in FIG. 3 is configured as a so-called roots type supercharger that compresses the air-fuel mixture sucked into the combustion chamber 20 by using a part of the rotational power of the crankshaft.
Specifically, the configuration of the fuel supply mechanism 60 as a roots-type supercharger is the same as that of the conventional one, but includes a cylindrical case 61 having an elliptical columnar space 61a therein, and in the space 61a, A pair of rotors 63 that have mutually parallel rotation axes and whose phases are shifted by 90 ° C., and the pair of rotors 63 rotate in reverse rotation with each other by using a part of the rotational power of the crankshaft. Then, air A is sucked into a plurality of spaces 70 in the gaps between the respective rotors 63 and the cylindrical case 61 from the intake pipe 1a on the upstream side of the intake path 1, and the air A is passed to the intake pipe 1b side of the intake path 1 It is possible to increase the output and efficiency of the engine.
[0048]
Further, a fuel port 65 to which fuel G is supplied from the fuel flow path 3 is formed above the end surface of the cylindrical case 1. The fuel port 63 opens only to the rich space 7a formed by the upper rotor 63a and the inner surface of the cylindrical case 61, and can supply the fuel G to the rich space 7a. Further, the fuel G is not supplied to the light space 7 a formed by the lower rotor 63 b and the inner surface of the cylindrical case 61.
The means for supplying the fuel G to the rich space 70a and not supplying the fuel G to the light space 70b among the plurality of spaces 70 is referred to as fuel supply means X.
[0049]
Further, since the fuel supply mechanism 60 configured as described above is configured as a roots type supercharger, the air A is alternately and repeatedly sucked into the concentrated space 70a and the light space 70b from the intake pipe 1a side, and An opening means Y for supercharging the space 70a and the light space 70b alternately and repeatedly to the intake pipe 1b side is configured.
[0050]
The fuel supply mechanism 50 includes the fuel supply means X and the opening means Y as described above, so that in the intake pipe 1b of the intake passage 1, the concentrated space 10a is opened and a large amount of fuel G is supplied. Since the period and the period when the light space 10b is opened and the fuel G is not supplied periodically occur, as a result, the formed air-fuel mixture M has a stripe shape with a high fuel concentration and a low air ratio in the flow direction. And a striped light portion Mb having a small fuel concentration between the adjacent rich portions and a high air ratio, and a mixture M having the concentration distribution in the combustion chamber. Combustion at 20 makes it possible to achieve combustion state stabilization and NOx reduction.
[0051]
<2> In the above embodiment, the configuration in which the dark space and the light space are alternately opened in the intake passage has been described. However, the light space is not opened separately, for example, the light space is opened after a plurality of dark spaces are opened. The dark space can be opened after the plurality of light spaces are opened, and in the light and dark distribution formed in the air-fuel mixture, for example, the width of the dark portion with respect to the light portion can be appropriately adjusted.
[0052]
<3> Although the four-cycle SI engine has been described as an example in the above embodiment, the fuel supply mechanism according to the present invention is used for other engines such as a two-cycle engine and a premixed compression auto-ignition engine. You can also
[0053]
<4> In the above-described embodiment, the fuel G supplied to the dark space 10a flows into the light space 10b in the plurality of spaces 10 including the dark space 10a and the light space 10b partitioned from each other by the partition blades 7. If the fuel concentration in the rich space 10a and the light space 10b is partitioned so as to be opened to the intake passage 1 in a state where they are different from each other, the operational effects of the present invention can be exhibited.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an engine provided with a fuel supply mechanism.
FIG. 2 is an exploded perspective view of a fuel supply mechanism.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a fuel supply mechanism according to another embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Intake passage (oxygen-containing gas passage)
1a Intake pipe
1b Intake pipe
3 Fuel flow path
5 cylindrical case
3a Fuel port
5a space
7 Divider
8a Fuel port
10 space (fuel concentration adjustment part)
10a dark space
10b light space
11 Impeller member
12 axes
20 Combustion chamber
50 Fuel supply mechanism
60 Fuel supply mechanism
100 engine
A Air (oxygen-containing gas)
G fuel
M mixture
Mb Awabe
Ma Nobu
X Fuel supply means
Y release means

Claims

A fuel supply mechanism that supplies fuel to an oxygen-containing gas flowing through an oxygen-containing gas flow path to form an air-fuel mixture that is supplied to a combustion section,
In the middle of the oxygen-containing gas flow path, provided with a fuel concentration adjustment unit provided with a plurality of spaces partitioned from each other,
Each of the spaces of the fuel concentration adjusting unit is repeated in a predetermined order, and includes an opening means that opens the upstream side and the downstream side of the oxygen-containing gas flow path separately.
Wherein the plurality of the spaces, between the part of the sky, the fuel supply mechanism having a fuel supply means for supplying much the fuel than between other empty.

The fuel supply mechanism according to claim 1, wherein the opening means is means for alternately opening the partial space and the other space to the oxygen-containing gas flow path.

The fuel according to claim 1 or 2, wherein the fuel supply means is means for supplying the fuel to the part of the plurality of spaces and not supplying the fuel to the other spaces. Supply mechanism.

The opening means repeats in the predetermined order in each of the plurality of spaces, confines the oxygen-containing gas flowing from the upstream side of the oxygen-containing gas flow path, and guides it to the downstream side of the oxygen-containing gas flow path The fuel supply mechanism according to any one of claims 1 to 3.

The total volume of the space opened to the downstream side of the oxygen-containing gas flow path per unit time is equal to the total volume of the air-fuel mixture supplied to the combustion unit per unit time. Fuel supply mechanism.

In the case, a part of the outer periphery is provided with an annular or cylindrical case space opened to the oxygen-containing gas flow path,
A plurality of partition blades extending radially from the annular or columnar axis and partitioning the case space into the plurality of spaces arranged around the axis as a fuel concentration adjusting unit; and Comprising an impeller member configured to be rotatable about an axis;
The opening means rotates the impeller member in accordance with the flow direction of the oxygen-containing gas in the oxygen-containing gas flow path, and repeats the spaces of the fuel concentration adjusting unit in the order of arrangement. The fuel supply mechanism according to any one of claims 1 to 5, wherein the fuel supply mechanism is a means that opens separately to the upstream side and the downstream side of the flow path.

The fuel supply mechanism according to claim 6, wherein the opening means is configured to rotate the impeller member by kinetic energy of the oxygen-containing gas flowing through the oxygen-containing gas flow path.

The opening means repeatedly uses the external power to each of the plurality of spaces in the predetermined order, sucks oxygen-containing gas from the upstream side of the oxygen-containing gas flow path, and The fuel supply mechanism according to claim 4, which is a means for supercharging downstream.

The fuel supply mechanism according to any one of claims 1 to 8, wherein the fuel is natural gas.

An engine that burns an air-fuel mixture sucked from an intake passage into a combustion chamber,
An engine comprising the fuel supply mechanism according to any one of claims 1 to 9, wherein the intake passage is the oxygen-containing gas passage, and the combustion chamber is the combustion portion.