JP3930639B2 - Pre-combustion chamber type gas engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として定置型発電設備の駆動源として有用な予燃焼室方式ガスエンジンに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、低公害の要請から希薄燃焼ガスエンジンが注目されている。従来の希薄燃焼ガスエンジンは、点火プラグを着火源とする予燃焼室方式が主流であった。また、これとは別に、パイロット噴射ガスエンジン(デュアルフュエルエンジン)というエンジンも知られている。このエンジンは、全熱量比の5〜15%程度のパイロツト油(液体)を直接主燃焼室に噴射させ、これを着火源としてガス燃料を燃焼させる構造のエンジンである。これは一般的なディーゼルエンジンの主燃料噴射弁から少量のパイロット燃料を噴射させることで実現している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の点火プラグ付予燃焼室方式ガスエンジンは、希薄混合気の燃焼であるが故に、強力な点火エネルギを付与させないと、失火を伴う燃焼変動を生ずることがある。また、同一シリンダ径のディーゼルエンジンに比較すると、NOxは約1/10と低く、環境に対して有利であるが、エンジン熱効率が低い欠点がある。
【0004】
燃焼変動の改善に関しては、予燃焼室内の燃焼を確実にするために予燃焼室内での点火プラグ位置の最適化や予燃焼室内の混含気の均一化についての研究が種々行われている。しかし、点火エネルギの増大に寄与するものではないため、エンジン熱効率や燃焼変動の改善を図るにも限界があった。
【0005】
また、従来のパイロット噴射ガスエンジンは、NOxと煤塵を低減することには限界があり、ガスエンジンの利点である排ガス低公害性を生かしきれていない欠点があった。
【0006】
本発明は、上記事情を考慮し、低NOxを維持しながら、より高いエンジン熱効率を得ることができ、それによりガスエンジンの低公害性(低CO2)を生かすことのできる予燃焼室方式ガスエンジンを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、ピストンとシリンダとシリンダヘッドにより画定される主燃焼室に気体燃料を供給して燃焼させることにより駆動出力を得るガスエンジンであって、シリンダヘッドに、主燃焼室内の混合気の着火源となる点火プラグ付予燃焼室と、全熱量比0.2〜5%のパイロット油量を噴射するパイロット燃料噴射弁を備え前記主燃焼室内の混合気の着火源となるパイロット燃料噴射弁付予燃焼室とを設けたことを特徴とする。
【0008】
請求項2の発明は、請求項1において、同一燃焼サイクルにおいて前記点火プラグ付予燃焼室とパイロット燃料噴射弁付予燃焼室とをほぼ同時に、または若干ずらして機能させて、これらを着火源として主燃焼室の混合気を燃焼させることを特徴とする。
【0009】
請求項3の発明は、請求項1または2において、前記パイロット燃料噴射弁につながる燃料噴射ポンプを、クランクケースのカム室のドアに取り付けたことを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は実施形態のガスエンジンのシリンダヘッド部分の側断面図である。図において、2はシリンダ、2aはシリンダライナ、3はピストン、4はシリンダヘッドで、主燃焼室1は、ピストン3、シリンダライナ2a、シリンダヘッド4で囲まれている。この例では、シリンダヘッド4の中央に点火プラグ付予燃焼室ユニット10が配設され、両サイドにパイロット燃料噴射弁付予燃焼室ユニット30が配設されている。
【0011】
点火プラグ付予燃焼室ユニット(以下、単に「点火プラグ付予燃焼室」と言う場合もある)10は、シリンダヘッド4に、予燃焼室噴口14と予燃焼室本体13を組み込むことにより形成されている。15は、予燃焼室噴口14内に確保された予燃焼室12内へ直接燃料ガス(パイロットガス)を供給するための燃料噴射孔である。主燃焼室1と予燃焼室12は、予燃焼室12の下端部に設けられた複数の連絡孔17により連通されている。予燃焼室本体13には点火プラグ11が装着されており、これが予燃焼室12内の混合気の点火源となる。点火プラグ付予燃焼室ユニット10の予燃焼室12の容積比(圧縮上死点時の総燃焼室容積に対する比)を数%と小さくして、超低NOx化を実現している。
【0012】
また、パイロット燃料噴射弁付予燃焼室ユニット(以下、単に「パイロット燃料噴射弁付予燃焼室」と言う場合もある)30は、予燃焼室31内に臨ませてパイロット燃料噴射弁32を備えており、パイロット燃料の噴射により予燃焼室31内の混合気を点火させる。主燃焼室1と予燃焼室31は、予燃焼室下端部に設けられた単数または複数の連絡孔33により連通されている。
【0013】
このエンジンの場合、点火プラグ付予燃焼室10を主着火源として使用してエンジンを起動させる。つまり、ディーゼル起動はしないので、パイロット燃料噴射弁付予燃焼室ユニット30を小さくできる。パイロット油量を全熱量比の0.2〜5%程度とすると、予燃焼室31の容積比は全体の1〜3%程度に小さくすることができる。従って、シリンダヘッド4の両サイドに配置することが可能となる。これは、従来の予燃焼型ディーゼルエンジンの予燃焼室の容積比が20〜30%と設計されているのと大きく異なる点である。
【0014】
また、パイロット燃料噴射弁32につながる燃料噴射ポンプは、図2、図3に示すように、クランクケースのカム室のドアに取り付けられている。図2、図3において、50はクランクケース、51はカム軸、52はクランクケース上面、53はカム室のドア、54はカム面点検窓であり、カム室のドア53の座に燃料噴射ポンプ60が設けられている。この場合、パイロット油量がディーゼル運転を仮定した場合の定格噴射量に対して0.2〜5%程度と非常に少ないので、一般のディーゼルエンジン用のものと比べて非常に小型の燃料噴射ポンプ60が取り付けられている。
【0015】
次に運転モードについて説明する。
運転モードとしては、
(1)火花点火による予燃焼室方式ガスエンジン
(2)パイロット着火ガスエンジン
(3)2種着火源(火花点火、パイロット着火)ガスエンジン
のいずれかを任意に選択できる。点火源の数と方法が複数ある上、それらが並列系となっているので、点火源の信頼性が高まっている。
【0016】
実際には、起動時は点火プラグ着火、負荷時はパイロット噴射着火を併用するのが望ましく、そうすることで積極的に燃焼効率を改善することができるが、負荷時に火花着火を停止させても運転上は差し支えない。
【0017】
(1)火花点火による運転モードのとき:
この運転モードでは、燃料としては気体燃料(ガス)のみを用い、点火プラグ付予燃焼室を、主燃焼室1の気体燃料と空気との混合気の点火源とする。
具体的には、排気行程後半から吸気行程前半において、点火プラグ付予燃焼室ユニット10(以降の各符号は図1による)の燃料噴射孔15から、予燃焼室12内にパイロットガスを供給する。パイロットガスは、パイロツトガスヘッダ(図示略)内の圧力と主燃焼室1内の圧力との差圧により供給され、その量は前記差圧を変えることにより調整される。また、主燃焼室には、燃料ガスと空気の混合気を吸気行程において供給する。圧縮行程では、ピストン3により主燃焼室1内の希薄混含気が圧縮されることで、同混合気の一部が点火プラグ付予燃焼室ユニット10の連絡孔17を介して予燃焼室12に流入する。流入の際に、予燃焼室12内の燃料ガスと希薄混合気が混ざり、平均空気過剰率1.0程度の濃度となる。この状態になったところで、点火プラグ11のギャップ間において火花放電を生じさせて、予燃焼室内の混合気を着火燃焼させる。予燃焼室12において燃焼した火炎は、主燃焼室1へ伝播し、主燃焼室1の混合気の着火源となり、主燃焼室1内の混合気全体を燃焼させる。
【0018】
(2)パイロット燃料噴射による着火の運転モードのとき:
この運転モードでは、主燃料として気体燃料を用いるものの、副燃料として液体燃料をパイロット油として使用する。そして、パイロット燃料噴射弁付予燃焼室ユニット30の予燃焼室31内に、パイロット燃料噴射弁32よりパイロット油を噴射する。即ち、吸気行程において主燃焼室1に燃料と空気の混合気を供給すると、圧縮行程では、ピストン3により主燃焼室1内の希薄混合気が圧縮されて、予燃焼室連絡孔33を介して予燃焼室31に流入する。そこで、上死点直前の10〜30°(クランク角度)あたりで、パイロット燃料噴射弁32から少量の燃料油を噴射する。そうすると、噴射した燃料が着火燃焼し、これが点火源となって混合気が着火燃焼する。そして、予燃焼室31にて燃焼した火炎が、主燃焼室1へ伝播し、主燃焼室1の混合気の着火源となって、主燃焼室1の混合気全体が燃焼する。
【0019】
図4はパイロット燃料油量を変化させながら性能試験を実施した結果(正味熱効率とNOx・スモーク度の関係)を、各種燃焼方式(デュアルフュエルエンジン、ディーゼルエンジン、予燃焼室方式火花点火ガスエンジン)と比較して示している。本図から、パイロット燃料噴射でのエンジン性能は、予燃焼室方式火花点火ガスエンジンと同レベルの排気ガス性状(NOxと煤塵)を達成しながら、熱効率は火花点火よりも高く、ディーゼルエンジンと同レベルであることが分かる。
【0020】
なお、パイロット燃料噴射の場合、点火プラグ付予燃焼室10のパイロットガスは不要となる。また、パイロット油量は全熱量比0.2〜5%程度にできるので、常時噴射させてもガバニングに影響を与えない。従って、燃料噴射ポンプのラックは固定しても差し支えなく、複雑なリンク機構が不要である。また、エンジン運転時の調速は、エンジンガバナによって燃料ガス量を調整することにより実施することができる。
【0021】
(3)ハイブリッドイグニッションガスエンジン運転モード:
この運転モードでは、同一燃焼サイクルにおいて、中央の点火プラグ付予燃焼室10と、両サイドのパイロット燃料噴射弁付予燃焼室30をほぼ同時に、または若干ずらして作用させ、これらを着火源として主燃焼室1の混合気を燃焼させる。従って、多点点火による混合気の燃焼促進を実現できる。さらに、これら着火源の火花点火時期及びパイロット燃料噴射時期と噴射量を最適調整することにより、混合気の燃焼性が改善され、短期燃焼化による熱効率改善の効果が得られる。
【0022】
このように、ハイブリッドイグニッションガスエンジンモードで運転した場合の多点点火による急速燃焼化の作用効果について補足する。
図5(a)は単一燃焼室方式(予燃焼室を持たない主燃焼室だけの方式)と予燃焼室方式(本実施形態と類似の場合)の熱発生率の比較実験をした結果を示している。図5(a)において、PCCは予燃焼室方式を示し、OCは単一燃焼室方式を示す。但し、OCの場合、点火プラグ1個の場合=OC(1 Spark Plug)と、点火プラグ2個の場合=OC(2 Spark Plugs)についても比較した。実験に際しては、図5(b)に示すように、中央とサイドに第1、第2の点火プラグ(Spark Plug)A、Bを配置し、点火プラグ1個の場合は中央の点火プラグAのみ使用し、点火プラグ2個の場合は両方の点火プラグA、Bを使用した。
【0023】
図5(a)に示される熱発生率パターンは、多点点火(点火プラグ2個の場合)や、強力な点火エネルギの発生(予燃焼室を着火源とするPCCの場合)が、急速燃焼を実現するためにきわめて有効な技術であることを証明している。すなわち、点火プラグの本数を2本(図中一点鎖線)にすると、上死点後40度近辺までに熱発生が完了しており、点火プラグ1本(図中破線)に比較すると、短期燃焼していることが分かる。また、更に強力な点火エネルギを有する予燃焼室方式(図中実線)によれば、上死点後30度近辺までに熱発生が完了しており、より短期燃焼が実現できることが分かる。短期燃焼は熱効率の向上に寄与するので、本実施形態のように、強力な点火エネルギを有する点火源を多数配置する(予燃焼室を3つ配置する)ことにより、燃焼改善に寄与することができ、高熱効率を実現することができるようになる。
【0024】
ちなみに、点火エネルギについて比較してみると、点火プラグのみの場合は約0.1Jであるが、点火プラグ付予燃焼室(予燃焼室容積比2%)の場合は、供給燃料ガスの熱量を点火エネルギとすることができることから、3000Jにもなる。また、パイロット噴射の場合は、パイロット燃料の油量を全熱量比の1%とすると、約600Jになる。従って、点火プラグ付予燃焼室10及びパイロット燃料噴射弁付予燃焼室30による多点点火が燃焼改善に寄与するところは非常に大きいことが分かる。
【0025】
なお、上記実施形態では、中央に点火プラグ付予燃焼室10を配置し、両サイドにパイロット燃料噴射弁付予燃焼室30を配置した場合を示したが、中央にパイロット燃料噴射弁付予燃焼室30を配置し、両サイドに点火プラグ付予燃焼室10を配置してもよい。
【0026】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1及び2の発明によれば、シリンダヘッドに、主燃焼室内の混合気の着火源となる点火プラグ付予燃焼室と全熱量比0.2〜5%のパイロット油量を噴射するパイロット燃料噴射弁を備え前記主燃焼室内の混合気の着火源となるパイロット燃料噴射弁付予燃焼室とを設けたので、火花点火による着火、パイロット燃料噴射による着火、2種同時着火のいずれかの運転モードを任意に選択することができる。従って、起動時は点火プラグ着火、負荷時はさらにパイロット噴射着火を併用することにより、低NOxを維持しながら、高いエンジン熱効率を得ることができ、これによりガスエンジンの低公害性(低CO2)を生かすことができる。また、請求項3の発明によれば、小さな燃料噴射ポンプでもクランクケースを特別に改造せずに設置することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態のガスエンジンの要部側断面図である。
【図2】 本発明の実施形態のガスエンジンにおける燃料噴射ポンプの取付状態を示す平面図である。
【図3】 図2のIII−III矢視図である。
【図4】 実施形態のエンジンの性能の説明に用いる特性図である。
【図5】 同エンジンの性能の説明に用いる特性図で、(a)は単一燃焼室方式と予燃焼室方式の熱発生率の比較図、(b)は点火プラグの配置箇所を示す平面図である。
【符号の説明】
1 主燃焼室
2 シリンダ
3 ピストン
4 シリンダヘッド
10 点火プラグ付予燃焼室ユニット(点火プラグ付予燃焼室)
11 点火プラグ
12 予燃焼室
30 パイロット燃料噴射弁予燃焼室ユニット(パイロット燃料噴射弁予燃焼室)
31 予燃焼室
32 パイロット燃料噴射弁
53 カム室のドア
60 燃料噴射ポンプ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a pre-combustion chamber type gas engine that is mainly useful as a drive source for stationary power generation equipment.
[0002]
[Prior art]
In recent years, lean combustion gas engines have attracted attention due to demand for low pollution. A conventional lean combustion gas engine has mainly used a pre-combustion chamber system using an ignition plug as an ignition source. Apart from this, an engine called a pilot injection gas engine (dual fuel engine) is also known. This engine is an engine having a structure in which a pilot oil (liquid) of about 5 to 15% of the total heat ratio is directly injected into a main combustion chamber, and gas fuel is combusted using this as an ignition source. This is realized by injecting a small amount of pilot fuel from a main fuel injection valve of a general diesel engine.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, since the conventional pre-combustion chamber type gas engine with a spark plug is combustion of a lean air-fuel mixture, if a strong ignition energy is not applied, a combustion fluctuation accompanied by misfire may occur. Further, compared with a diesel engine having the same cylinder diameter, NOx is as low as about 1/10, which is advantageous to the environment, but has a drawback of low engine thermal efficiency.
[0004]
With regard to improvement in combustion fluctuation, various studies have been conducted on optimization of the spark plug position in the pre-combustion chamber and uniformization of the mixed air in the pre-combustion chamber in order to ensure combustion in the pre-combustion chamber. However, since it does not contribute to an increase in ignition energy, there is a limit to improving engine thermal efficiency and combustion fluctuation.
[0005]
Further, the conventional pilot injection gas engine has a limitation in reducing NOx and dust, and has a drawback that it cannot take full advantage of the low emission pollution that is an advantage of the gas engine.
[0006]
In consideration of the above circumstances, the present invention can obtain a higher engine thermal efficiency while maintaining a low NOx, thereby making it possible to take advantage of the low pollution (low CO2) of the gas engine. The purpose is to provide.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
A first aspect of the present invention is a gas engine that obtains a driving output by supplying gaseous fuel to a main combustion chamber defined by a piston, a cylinder, and a cylinder head and burning the gas fuel, and the cylinder head is mixed with the main combustion chamber. A pre-combustion chamber with a spark plug that serves as an ignition source for the gas and a pilot fuel injection valve that injects a pilot oil amount with a total heat ratio of 0.2 to 5% and serves as an ignition source for the air-fuel mixture in the main combustion chamber A pre-combustion chamber with a pilot fuel injection valve is provided.
[0008]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the pre-combustion chamber with the spark plug and the pre-combustion chamber with the pilot fuel injection valve function in the same combustion cycle at substantially the same time or slightly shifted from each other, so that As described above, the air-fuel mixture in the main combustion chamber is burned.
[0009]
The invention of
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a side sectional view of a cylinder head portion of a gas engine according to an embodiment. In the figure, 2 is a cylinder, 2a is a cylinder liner, 3 is a piston, 4 is a cylinder head, and the main combustion chamber 1 is surrounded by a
[0011]
A pre-combustion chamber unit with spark plug (hereinafter sometimes simply referred to as “pre-combustion chamber with spark plug”) 10 is formed by incorporating a
[0012]
The pre-combustion chamber unit with pilot fuel injection valve (hereinafter also referred to simply as “pre-combustion chamber with pilot fuel injection valve”) 30 includes a pilot
[0013]
In the case of this engine, the engine is started using the
[0014]
The fuel injection pump connected to the pilot
[0015]
Next, the operation mode will be described.
As operation mode,
(1) Pre-combustion chamber type gas engine by spark ignition (2) Pilot ignition gas engine (3) Two types of ignition sources (spark ignition, pilot ignition) gas engine can be arbitrarily selected. There are a plurality of ignition sources and methods, and since these are parallel systems, the reliability of the ignition sources is increased.
[0016]
Actually, it is desirable to use spark plug ignition at start-up and pilot injection ignition at load, so that the combustion efficiency can be improved positively, but even if spark ignition is stopped at load There is no problem in driving.
[0017]
(1) In operation mode with spark ignition:
In this operation mode, only gaseous fuel (gas) is used as the fuel, and the pre-combustion chamber with spark plug is used as an ignition source for the mixture of gaseous fuel and air in the main combustion chamber 1.
Specifically, from the second half of the exhaust stroke to the first half of the intake stroke, the pilot gas is supplied into the
[0018]
(2) In the operation mode of ignition by pilot fuel injection:
In this operation mode, although gaseous fuel is used as the main fuel, liquid fuel is used as the pilot fuel as the auxiliary fuel. Then, pilot oil is injected from the pilot
[0019]
Fig. 4 shows the results of performance tests (changes in net thermal efficiency and NOx / smoke degree) while changing the amount of pilot fuel oil. Various combustion systems (dual fuel engine, diesel engine, pre-combustion chamber system spark ignition gas engine) It shows in comparison with. From this figure, the engine performance with pilot fuel injection achieves the same level of exhaust gas properties (NOx and dust) as the pre-combustion chamber type spark ignition gas engine, but the thermal efficiency is higher than that of spark ignition, which is the same as that of a diesel engine. It turns out that it is a level.
[0020]
In the case of pilot fuel injection, pilot gas in the
[0021]
(3) Hybrid ignition gas engine operation mode:
In this operation mode, in the same combustion cycle, the central
[0022]
Thus, the effect of rapid combustion by multi-point ignition when operating in the hybrid ignition gas engine mode will be supplemented.
FIG. 5 (a) shows the results of a comparative experiment of the heat generation rate of the single combustion chamber method (method of only the main combustion chamber having no precombustion chamber) and the precombustion chamber method (in the case similar to this embodiment). Show. In FIG. 5A, PCC indicates a pre-combustion chamber system, and OC indicates a single combustion chamber system. However, in the case of OC, the case of one spark plug = OC (1 Spark Plug) and the case of two spark plugs = OC (2 Spark Plugs) were also compared. In the experiment, as shown in FIG. 5B, first and second spark plugs (Spark Plugs) A and B are arranged at the center and side, and in the case of one spark plug, only the center spark plug A is provided. In the case of two spark plugs, both spark plugs A and B were used.
[0023]
The heat release rate pattern shown in FIG. 5 (a) shows that multi-point ignition (in the case of two spark plugs) and generation of strong ignition energy (in the case of PCC having a precombustion chamber as an ignition source) are rapid. It proves to be a very effective technique for realizing combustion. In other words, if the number of spark plugs is 2 (dashed line in the figure), heat generation is completed by around 40 degrees after top dead center, and compared with one spark plug (dashed line in the figure), short-term combustion is achieved. You can see that In addition, according to the pre-combustion chamber method (solid line in the figure) having stronger ignition energy, heat generation is completed by around 30 degrees after top dead center, and it can be seen that short-term combustion can be realized. Since short-term combustion contributes to improvement of thermal efficiency, it is possible to contribute to improvement of combustion by arranging a large number of ignition sources (three pre-combustion chambers) having strong ignition energy as in this embodiment. And high thermal efficiency can be realized.
[0024]
By the way, when comparing the ignition energy, it is about 0.1 J when only the spark plug is used, but in the case of a pre-combustion chamber with a spark plug (pre-combustion
[0025]
In the above-described embodiment, the case where the
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the first and second aspects of the present invention, the cylinder head has a spark plug-equipped precombustion chamber that serves as an ignition source of the air-fuel mixture in the main combustion chamber and a total heat amount ratio of 0.2 to 5%. Since a pilot fuel injection valve for injecting a pilot oil amount is provided and a pre- combustion chamber with a pilot fuel injection valve serving as an ignition source of the air- fuel mixture in the main combustion chamber , ignition by spark ignition, ignition by pilot fuel injection, Any one of the two simultaneous ignition modes can be arbitrarily selected. Therefore, by using ignition plug ignition at the time of start-up and further pilot injection ignition at the time of load, high engine thermal efficiency can be obtained while maintaining low NOx, thereby reducing the low pollution (low CO2) of the gas engine. Can be used. According to the invention of
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side sectional view of a main part of a gas engine according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing an attached state of the fuel injection pump in the gas engine according to the embodiment of the present invention.
3 is a view taken in the direction of arrows III-III in FIG. 2;
FIG. 4 is a characteristic diagram used for explaining the performance of the engine of the embodiment.
FIG. 5 is a characteristic diagram used for explaining the performance of the engine, in which (a) is a comparison diagram of heat generation rates of the single combustion chamber method and the precombustion chamber method, and (b) is a plane showing the location of the ignition plug. FIG.
[Explanation of symbols]
1
11
31
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