JP4101738B2 - ガス燃料供給装置を備えたガスエンジン - Google Patents

Description

本発明は、ガス供給通路に接続されるガス噴射装置からガス燃料を給気通路中に噴射することにより形成された混合ガスを燃焼室に供給して燃焼せしめるように構成されたガス燃料供給装置を備えたガスエンジンに関する。

ガス供給通路に接続されるガス供給装置を給気通路に設置し、該ガス供給装置からガス燃料を直接給気通路中に噴射するように構成されたガス燃料供給装置を備えた希薄燃焼ガスエンジンの１つとして、特許文献１（特開平５−１１３１４８号公報）の技術が提供されている。
かかる技術においては、給気ブロアに接続される給気通路にガスミキサーを設置し、該ガスミキサーを通過する空気中にガス供給通路からのガス燃料を噴出させて該ガス燃料と空気とを混合し、この混合ガスをエンジンの燃焼室内に供給するとともに、該ガスミキサーの空気入口に吸入空気流量調整弁を、ガスミキサーのガス燃料入口に燃料流量調整弁をそれぞれ設けている。
さらに、かかる技術においては、排気通路にＮＯｘ量検出器を設けて該ＮＯｘ量検出器からの該ＮＯｘ量検出値を制御装置に入力し、該制御装置においてＮＯｘ量によって前記吸入空気流量調整弁の開度を制御するように構成されている。

特開平５−１１３１４８号公報

希薄燃焼ガスエンジンにおいては、ＮＯｘ発生量を低減するため燃焼室への混合ガスを希薄化しており、このため燃焼速度が遅くなって失火による燃焼不安定状態が発生し易い。
殊に、エンジンへの負荷投入時には失火が発生し易いので迅速な負荷投入が困難となる。一方、前記失火の発生を回避するため混合ガス流量を増大して燃焼速度を速くするとＮＯｘ発生量が増大する。
従ってかかる希薄燃焼ガスエンジンにおいては、ガス燃料の流量と空気流量をバランスよく制御することを要する。

しかしながら、前記特許文献１においては、ＮＯｘ量検出値を制御装置に入力し、該制御装置においてＮＯｘ量の検出値によって給気通路に設置した吸入空気流量調整弁の開度を制御することによりＮＯｘ量の低減を行っているが、ガス燃料の流量制御は行っておらず、失火の発生を防止することは困難である。
また、給気通路に供給されるガス燃料の流量制御を行う手段は多く提案されているが、その大多数のものは、失火のみあるいはＮＯｘ量の低減のみを行うもので、失火の発生防止とＮＯｘ量の低減とを同時にかつ簡単な構造の装置で以って行う手段は提案されていない。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、きわめて簡単な構造かつ簡単な制御手段で以って失火の発生防止とＮＯｘ量の低減とを同時に行い得るガスエンジンのガス燃料供給装置を提供することを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、ガス供給通路に接続されるガス噴射装置からガス燃料を給気通路中に噴射することにより形成された混合ガスを燃焼室に供給して燃焼せしめるように構成されたガスエンジンにおいて、前記ガス噴射装置は、前記給気通路中にガス燃料を噴射するガス噴出孔を、これの径及び数を異ならしめて複数組備えるとともに、該複数組のガス噴出孔の前記給気通路への開口及び遮断を切り換えるガス噴出孔切換装置を備え、さらに前記ガスエンジンの燃焼状態によって前記ガス噴出孔切換装置の作動を制御するコントローラを有してなるガス燃料供給装置を備えたことを特徴とする。
かかる発明において、好ましくは、前記ガス噴射装置は、円周方向に沿って前記複数組のガス噴出孔が形成された第１の筒体と、該第１の筒体に嵌合され、該第１の筒体における前記複数組のガス噴出孔の給気通路中への開口及び遮断を切り換える第２の筒体とを有し、前記第１の筒体と第２の筒体とは前記ガス噴出孔切換装置により相対回転可能に構成されてなる。

また、かかる発明において、エンジンの失火の有無を検出する失火検出器を備え、前記コントローラは、該失火検出器から入力される失火の有無の検出信号に基づき前記ガス噴出孔切換装置を回転駆動して前記給気通路中に開口するガス噴出孔を切り換えるように構成し、さらには、エンジンからの排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）量を検出するＮＯｘ量検出器を備え、前記コントローラは、該ＮＯｘ量検出器から入力されるＮＯｘ量の検出値に基づき前記ガス噴出孔切換装置を回転駆動して前記給気通路中に開口するガス噴出孔を切り換えるように構成するのが好ましい。

かかる発明によれば、径及び数の異なる複数組のガス噴出孔が円周方向に沿って形成された第１の筒体に相対回転可能に第２の筒体を嵌合し、コントローラによりガスエンジンの燃焼状態によって回転を制御されるガス噴出孔切換装置で前記第１、第２の筒体を相対回転駆動するように構成し、さらには前記コントローラは、好ましくは失火の有無の検出信号及びＮＯｘ量の検出値により、失火の発生時、ＮＯｘ量の増加時等の燃焼状態によって前記ガス噴出孔切換装置で第１の筒体と第２の筒体とを相対回転駆動して、該燃焼状態に対応するガス噴出孔の径及び数を有するガス噴出孔からガス燃料が給気通路に噴出されるになるように自在に切り換えることができる。

従ってかかる発明によれば、径及び数の異なる複数組のガス噴出孔が形成された第１の筒体に相対回転可能に第２の筒体を嵌合し、エンジンの燃焼状態の検出値によって前記第１、第２の筒体を相対回転制御して、該燃焼状態に対応する径及び数を有するガス噴出孔からガス燃料を噴出せしめるという、きわめて簡単な構造でかつ簡単な制御操作方法で以って、失火の発生及びＮＯｘ量の増加を同時に回避して安定燃焼をなし得る燃焼制御を行うことができる。

また、本発明は、ガス供給通路に接続されるガス噴射装置からガス燃料を給気通路中に噴射することにより形成された混合ガスを燃焼室に供給して燃焼せしめるように構成されたガスエンジンにおいて、前記ガス噴射装置は、前記給気通路中にガス燃料を噴射するガス噴出孔を、これの径及び数を異ならしめて複数組設けた第１の筒体、及び該第１の筒体に嵌合されて該第１の筒体における前記複数組のガス噴出孔の前記給気通路中への開口及び遮断を切り換える第２の筒体を備え、該第１の筒体と第２の筒体とをガス噴出孔切換装置により相対回転可能に構成してなり、エンジンの失火の有無を検出する失火検出器と、エンジンからの排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）量を検出するＮＯｘ量検出器と、前記失火検出器から入力される失火の有無の検出信号及び前記ＮＯｘ量検出器から入力されるＮＯｘ量の検出値に基づき前記ガス噴出孔切換装置を回転駆動して前記給気通路中に開口するガス噴出孔を切り換えるコントローラとを備え、前記コントローラは、前記失火検出器から失火の検出信号が入力されたときは径が大きくかつ数の少ないガス噴出孔を前記給気通路中へ開口させ、前記ＮＯｘ量の検出値が所定の許容量を超えたときは径が小さくかつ数の多いガス噴出孔を前記給気通路中へ開口させるように構成されてなることを特徴とする。

このように構成すれば、コントローラでガス噴出孔切換装置を回転駆動することによって、失火の有無の検出信号及びＮＯｘ量の検出値に基づき、径及び数の異なる複数組のガス噴出孔を回転駆動して前記給気通路中に開口するガス噴出孔を切り換え制御し、失火の検出があったときには、径が大きくかつ数の少ないガス噴出孔から給気通路に多量のガス燃料を集中的に噴射して、高濃度のガスを給気通路に形成して着火を良化することによって失火を阻止し、該失火が阻止され、かつＮＯｘ量の検出値が許容量を超えたときは、径が小さくかつ数の多いガス噴出孔から給気通路中に燃料を分散して噴射し、空気との混合特性を良化し燃焼を安定させてＮＯｘ量を減少した運転を行うことにより、失火を阻止すると同時にＮＯｘ量を減少した運転を常時行うことができる。
また、前記のように失火を確実に阻止できるので、エンジンへの迅速な負荷投入が可能となる。

以上のように本発明によれば、径及び数の異なる複数組のガス噴出孔が形成された第１の筒体に相対回転可能に第２の筒体を嵌合し、エンジンの燃焼状態の検出値によって前記第１、第２の筒体を相対回転制御して、該燃焼状態に対応する径及び数を有するガス噴出孔からガス燃料を噴出せしめるという、きわめて簡単な構造でかつ簡単な制御操作方法で以って、失火の発生及びＮＯｘ量の増加を同時に回避して安定燃焼をなし得る燃焼制御を行うことができる。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図１は本発明の実施例に係るガスエンジンのガス燃料供給装置の全体構成図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。図３はガス供給管における内筒の要部側面図である。図４は前記ガス燃料供給装置の制御ブロック図である。

本発明の実施例に係るガス燃料供給装置の全体構成を示す図１において、１００はエンジン、１０１は該エンジン１００のピストン、１０２はシリンダ、１０３はクランク軸、１０４は燃焼室、１０５は給気通路、１０６は該給気通路１０５を開閉する給気弁、１０７は排気通路、１０８は該排気通路１０７を開閉する排気弁、１０３ａはクランク軸心である。
１は前記給気通路１０５内に挿入されたガス供給管であり、詳細は後述する。２は該ガス供給管１を回転駆動する回転装置、６は該ガス供給管１に接続されるガス主管、３は該回転装置２を回転駆動するガス供給管駆動装置である。

４は失火検出器で、前記燃焼室１０４に臨んで取り付けられて燃焼室１０４の圧力変化によりエンジンの失火の有無を検出する。２０はＮＯｘ検出器で、前記排気通路１０７に臨んで取り付けられて、エンジンからの排ガス中のＮＯｘ量を検出する。５は後述する制御操作を行うコントローラである。前記失火検出器４からの失火の有無の検出信号及び前記ＮＯｘ量検出器２０からのＮＯｘ量の検出値は前記コントローラ５に入力される。

前記ガス供給管１の詳細を示す図２〜３において、１２は前記給気通路１０５の周壁に固定された外筒で、円周方向に沿って複数組（この例では４組）のガス噴出孔１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄが穿孔されている。尚、この例では、前記複数のガス噴出孔１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄを該内筒１１の軸線方向に並べているが、該ガス噴出孔１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄを円周方向に所定のピッチでずらして配置してもよい。
該ガス噴出孔１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄは内径及び数が異なっており、図３のＡに示される該ガス噴出孔１５Ａは内径が最も大きく個数が元も少なく（この例では１個）、Ｂに示される該ガス噴出孔１５Ｂは内径がＡの次に小さく個数がＡよりも多く（この例では４個）、Ｃに示される該ガス噴出孔１５Ｃは内径がＢの次に小さく個数がＢよりも多く（この例では８個）、Ｄに示される該ガス噴出孔１５Ｄは内径が最も小さく個数が最も多く（この例では１６個）のように構成されている。尚、１ａはガス供給管１の中心である。

図２において１１は内部にガス通路１３が形成された回転内筒で、前記外筒１２の内周に該外筒１２と相対回転可能にかつ流体蜜に嵌合され、前記外筒１２のガス噴出孔１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄを選択的に開閉する制御ポート１４が穿孔されている。該回転内筒１１は前記回転装置２（図１参照）に直結されてたとえば図２のＮのように回転駆動される。

即ち、図１及び図２において、前記ガス供給管駆動装置３により回転装置２が回転駆動され、該回転装置２に直結された前記回転内筒１１が、たとえば図２のＮのように回転駆動されると、該回転内筒１１は、これに設けられた制御ポート１４が前記コントローラ５により選定されたガス噴出孔（たとえばガス噴出孔１５Ａ）を開口する位置まで回転し、制御ポート１４と当該ガス噴出孔（たとえばガス噴出孔１５Ａ）とが連通される。
これにより、前記ガス通路１３内の燃料ガスが制御ポート１４及びガス噴出孔（たとえばガス噴出孔１５Ａ）を通って前記給気通路１０５内に噴出され、該給気通路１０５内を流動する空気と混合され、混合ガスとなって前記給気弁１０６の開弁とともに前記燃焼室１０４に導入されて燃焼に供される。

次に、図４に基づきかかるガス燃料供給装置の制御操作について説明する。
失火検出器４からのエンジンの燃焼室１０４内における失火の有無を示す筒内圧力の検出信号及び前記ＮＯｘ量検出器２０から入力される排ガス中のＮＯｘ量の検出値はコントローラ５の燃焼状態判断部５１に入力される。５２は燃焼条件設定部で、失火発生時の筒内圧力条件が設定されるとともに、ＮＯｘ量の許容値が設定されている。
前記燃焼状態判断部５１においては、前記失火検出器４からの筒内圧力の検出信号（失火の有無を示す検出信号）と前記燃焼条件設定部５２に設定されている失火発生時の筒内圧力条件とを突き合わせて失火が発生していると判断したときは、その失火判断信号をガス供給ポート選定部５３に入力する。

該ガス供給ポート選定部５３においては、前記燃焼条件設定部５２から失火発生の判断信号が入力されると、前記ガス供給管１の外筒１２に形成されたガス噴出孔１５のうち、使用するガス噴出孔１５を選定する。
ここで、失火発生時にはガス噴出孔１５の内径が大きくかつ数の少ないガス噴出孔群から給気通路１０５に多量のガス燃料を集中的に噴射して、高濃度のガスを該給気通路１０５に形成することを要する。
従って、前記ガス供給ポート選定部５３においては、失火発生の判断信号が入力されると、前記ガス噴出孔１５のうちから、内径が大きくかつ数の少ないガス噴出孔群であるガス噴出孔１５Ａを選出して、その選出信号をガス供給管回転角算出部５４に入力する。

該ガス供給管回転角算出部５４においては、前記回転内筒１１の制御ポート１４が前記ガス供給ポート選定部５３により選定されたガス噴出孔１５Ａを開口する位置までの回転角を算出し、ガス供給管駆動装置３に入力する。該ガス供給管駆動装置３は前記のようにして前記回転内筒１１を回転駆動し、制御ポート１４とガス噴出孔１５Ａとが連通され、大径のガス噴出孔１５Ａから給気通路１０５に多量のガス燃料が集中的に噴射される。これにより高濃度のガスが該給気通路１０５に形成され燃焼室１０４に供給されて、該燃焼室１０４における着火を良化し失火を阻止する。

一方、前記燃焼状態判断部５１においては、前記ＮＯｘ量検出器２０からのＮＯｘ量の検出値と前記燃焼条件設定部５２に設定されているＮＯｘ量の許容値とを突き合わせて、ＮＯｘ量の検出値がＮＯｘ量の許容値を超えているときは、ＮＯｘ量過大の判断信号をガス供給ポート選定部５３に入力する。
該ガス供給ポート選定部５３においては、前記燃焼条件設定部５２からＮＯｘ量過大の判断信号が入力されると、前記ガス供給管１の外筒１２に形成されたガス噴出孔１５のうちから、使用するガス噴出孔１５を選定する。
ここで、ＮＯｘ量が過大のときは、ガス噴出孔１５の内径が小さくかつ数の多いガス噴出孔群をから給気通路１０５中に燃料を分散して噴射することにより、ガス燃料と空気との混合特性を良化し燃焼を安定させてＮＯｘ量を減少させることを要する。

従って、前記ガス供給ポート選定部５３においては、ＮＯｘ量過大の判断信号が入力されると、前記ガス噴出孔１５のうちから、内径が小さくかつ数の多いガス噴出孔群であるガス噴出孔１５Ｄを選出して、その選出信号をガス供給管回転角算出部５４に入力する。
該ガス供給管回転角算出部５４においては、前記回転内筒１１の制御ポート１４が前記ガス供給ポート選定部５３により選定されたガス噴出孔１５Ｄを開口する位置までの回転角を算出し、ガス供給管駆動装置３に入力する。
該ガス供給管駆動装置３は前記のようにして前記回転内筒１１を回転駆動し、制御ポート１４とガス噴出孔１５Ｄとが連通され、多数の小径のガス噴出孔１５Ｄから給気通路１０５にガス燃料が分散して噴射される。これによりガス燃料と空気との混合特性が良化して燃焼が安定し、ＮＯｘ発生量が減少する。
そして、前記のような失火もＮＯｘ発生量の過大もないときには、前記と同様な作動によって前記回転内筒１１を回転駆動することにより、制御ポート１４とガス噴出孔１５Ｂあるいは１５Ｃとを連通し、該ガス噴出孔１５Ｂあるいは１５Ｃから給気通路１０５にガス燃料を噴射する。

従ってかかる実施例によれば、前記コントローラ５でガス供給管１を回転駆動することによって、失火の有無の検出信号及びＮＯｘ量の検出値に基づき、ガス噴出孔１５の内径及び数の異なる複数組のガス噴出孔１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄを選択的に開閉するように回転装置２を回転駆動せしめて、給気通路１０５中に開口するガス供給管１のガス噴出孔１５を切り換え制御し、失火の検出があったときには、ガス噴出孔１５の内径が大きくかつ数の少ないガス噴出孔１５Ａから給気通路１０５に多量のガス燃料を集中的に噴射して、高濃度のガスを給気通路１０５に形成して着火を良化することによって失火を阻止し、該失火が阻止され、かつＮＯｘ量の検出値が許容量を超えたときは、ガス噴出孔の内径が小さくかつ数の多いガス噴出孔１５Ｄから給気通路１０５中に燃料を分散して噴射することにより、ガス燃料と空気との混合特性を良化し燃焼を安定させてＮＯｘ量を減少した運転を行うことによって、失火を阻止すると同時にＮＯｘ量を減少した運転を常時行うことができる。
また、前記のように失火を確実に阻止できるので、エンジン１００への迅速な負荷投入が可能となる。
尚、前記実施例においては、前記外筒１２を固定し内筒１１を回転駆動しているが、これとは逆に前記内筒１１を固定し外筒１２を回転駆動するように構成することもできる。

本発明によれば、ガスエンジンにおいて、きわめて簡単な構造かつ簡単な制御手段で以って失火の発生防止とＮＯｘ量の低減とを同時に行い得るガス燃料供給装置を提供することができる。

本発明の実施例にガスエンジンのガス燃料供給装置の全体構成図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 ガス供給管における内筒の要部側面図である。 前記ガス燃料供給装置の制御ブロック図である。

符号の説明

１ ガス供給管
２ 回転装置
３ ガス供給管駆動装置
４ 失火検出器
５ コントローラ
１１ 回転内筒
１２ 外筒
１３ ガス通路
１４ 制御ポート
１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄ ガス噴出孔
２０ ＮＯｘ検出器
１００ エンジン
１０１ ピストン
１０２ シリンダ
１０４ 燃焼室
１０５ 給気通路
１０６ 給気弁
１０７ 排気通路
１０８ 排気弁

Claims (5)

1. ガス供給通路に接続されるガス噴射装置からガス燃料を給気通路中に噴射することにより形成された混合ガスを燃焼室に供給して燃焼せしめるように構成されたガスエンジンにおいて、前記ガス噴射装置は、前記給気通路中にガス燃料を噴射するガス噴出孔を、これの径及び数を異ならしめて複数組備えるとともに、該複数組のガス噴出孔の前記給気通路への開口及び遮断を切り換えるガス噴出孔切換装置を備え、さらに前記ガスエンジンの燃焼状態によって前記ガス噴出孔切換装置の作動を制御するコントローラを有してなることを特徴とするガス燃料供給装置を備えたガスエンジン。
2. 前記ガス噴射装置は、円周方向に沿って前記複数組のガス噴出孔が形成された第１の筒体と、該第１の筒体に嵌合され、該第１の筒体における前記複数組のガス噴出孔の給気通路中への開口及び遮断を切り換える第２の筒体とを有し、前記第１の筒体と第２の筒体とは前記ガス噴出孔切換装置により相対回転可能に構成されてなることを特徴とする請求項１記載のガス燃料供給装置を備えたガスエンジン。
3. エンジンの失火の有無を検出する失火検出器を備え、前記コントローラは、該失火検出器から入力される失火の有無の検出信号に基づき前記ガス噴出孔切換装置を回転駆動して前記給気通路中に開口するガス噴出孔を切り換えるように構成されたことを特徴とする請求項１記載のガス燃料供給装置を備えたガスエンジン。
4. エンジンからの排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）量を検出するＮＯｘ量検出器を備え、
   前記コントローラは、該ＮＯｘ量検出器から入力されるＮＯｘ量の検出値に基づき前記ガス噴出孔切換装置を回転駆動して前記給気通路中に開口するガス噴出孔を切り換えるように構成されたことを特徴とする請求項１記載のガス燃料供給装置を備えたガスエンジン。
5. ガス供給通路に接続されるガス噴射装置からガス燃料を給気通路中に噴射することにより形成された混合ガスを燃焼室に供給して燃焼せしめるように構成されたガスエンジンにおいて、前記ガス噴射装置は、前記給気通路中にガス燃料を噴射するガス噴出孔を、これの径及び数を異ならしめて複数組設けた第１の筒体、及び該第１の筒体に嵌合されて該第１の筒体における前記複数組のガス噴出孔の前記給気通路中への開口及び遮断を切り換える第２の筒体を備え、該第１の筒体と第２の筒体とをガス噴出孔切換装置により相対回転可能に構成してなり、エンジンの失火の有無を検出する失火検出器と、エンジンからの排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）量を検出するＮＯｘ量検出器と、前記失火検出器から入力される失火の有無の検出信号及び前記ＮＯｘ量検出器から入力されるＮＯｘ量の検出値に基づき前記ガス噴出孔切換装置を回転駆動して前記給気通路中に開口するガス噴出孔を切り換えるコントローラとを備え、前記コントローラは、前記失火検出器から失火の検出信号が入力されたときは径が大きくかつ数の少ないガス噴出孔を前記給気通路中へ開口させ、前記ＮＯｘ量の検出値が所定の許容量を超えたときは径が小さくかつ数の多いガス噴出孔を前記給気通路中へ開口させるように構成されてなることを特徴とするガス燃料供給装置を備えたガスエンジン。

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