JP4386781B2 - engine - Google Patents
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Description
本発明は、主燃料と酸素含有ガスとの混合気を圧縮した燃焼室において、燃料噴射弁から副燃料を噴射して自己着火燃焼させることで前記混合気を着火させる噴射着火運転を行うエンジンに関する。 The present invention relates to an engine that performs an injection ignition operation of igniting the air-fuel mixture by injecting auxiliary fuel from a fuel injection valve and performing self-ignition combustion in a combustion chamber in which the air-fuel mixture of main fuel and oxygen-containing gas is compressed. .
天然ガスなどの主燃料と空気(酸素含有ガス)との混合気を圧縮した燃焼室において、燃料噴射弁から軽油や灯油などの副燃料を噴射して自己着火燃焼させることで該混合気を着火させる噴射着火運転を行うエンジン(上記副燃料を着火用パイロット燃料と呼ぶ場合があることから、このようなエンジンをパイロット着火エンジンと呼ぶ場合がある。)が知られている(例えば、特許文献1を参照。)。
また、このようなエンジンは、上記噴射着火運転において、主燃料からなる混合気の着火のために燃料噴射弁により副燃料を噴射して自己着火させるので、副燃料の噴射量の総熱量に対する熱量比が数%と微量である点でディーゼルエンジンとは異なる。
In a combustion chamber in which a mixture of main fuel such as natural gas and air (oxygen-containing gas) is compressed, auxiliary fuel such as light oil and kerosene is injected from the fuel injection valve and self-ignition combustion is performed to ignite the mixture. An engine that performs an injection ignition operation to be performed (the above-mentioned sub fuel is sometimes referred to as an ignition pilot fuel, and therefore, such an engine is sometimes referred to as a pilot ignition engine) is known (for example, Patent Document 1). See).
In addition, in such an injection ignition operation, such an engine performs self-ignition by injecting secondary fuel by the fuel injection valve for ignition of the air-fuel mixture consisting of main fuel. It differs from a diesel engine in that the ratio is as small as a few percent.
上記のようなエンジンでは、主燃料からなる混合気を副燃料の自己着火燃焼により発生する熱エネルギにより安定して着火させることができるので、燃焼室における平均有効圧を高めて高効率化を図ることができ、更には、上記主燃料からなる混合気を比較的低当量比で安定して希薄燃焼させることができるので、低NOx化を図ることができる。 In the engine as described above, the air-fuel mixture consisting of the main fuel can be stably ignited by the thermal energy generated by the self-ignition combustion of the auxiliary fuel, so that the average effective pressure in the combustion chamber is increased and the efficiency is increased. Furthermore, since the air-fuel mixture comprising the main fuel can be stably lean burned at a relatively low equivalent ratio, NOx reduction can be achieved.
また、上記特許文献1のエンジンは、燃焼室に1つの点火プラグが設けられ、起動運転時などに燃焼室における副燃料の自己着火が安定して発生しない場合に、その点火プラグを作動させて、主燃料からなる混合気を点火する火花点火運転を行うように構成されている。また、燃料噴射弁から噴射された副燃料の自己着火が開始されて噴射着火運転が行われるようになっても、この点火プラグを継続して作動させることで主燃料からなる混合気の着火を補助するように構成されている。
Further, the engine disclosed in
上記特許文献1に記載のエンジンでは、起動運転時に、点火プラグを作動させた状態で、燃料噴射弁から噴射された副燃料の自己着火が開始されて噴射着火運転が開始されると、混合気の燃焼期間が短くなりすぎて、ノッキングなどが発生する場合がある。
In the engine described in
一方、エンジンにかかる負荷が遮断された無負荷状態においても、燃焼室の圧力が比較的低いことから、火花点火運転により点火プラグを作動させて混合気を火花点火する場合が考えられるが、この場合でも、無負荷状態からエンジンに負荷が加えられる加負荷状態に移行して、点火プラグを作動させた状態で、燃焼室の圧力が上昇することにより燃料噴射弁から噴射された副燃料の自己着火が開始されて噴射着火運転が開始されると、混合気の燃焼期間が短くなりすぎて、ノッキングなどが発生する場合がある。 On the other hand, even in a no-load state where the load on the engine is cut off, the pressure in the combustion chamber is relatively low, so it is conceivable that the spark plug is operated by spark ignition operation to spark the mixture. Even in this case, the state of the sub fuel injected from the fuel injection valve is increased when the pressure of the combustion chamber rises in the state where the engine is shifted from the no-load state to the applied state where the load is applied to the engine and the ignition plug is operated. When ignition is started and injection ignition operation is started, the combustion period of the air-fuel mixture becomes too short, and knocking or the like may occur.
また、上記のようなノッキングを回避するために、燃料噴射弁から噴射された副燃料の自己着火が開始されたときに点火プラグの作動を停止すると、副燃料が噴射される副室が充分に暖機されていないなどの理由により、副燃料の自己着火が不安定となって失火やエンジンストールが発生する場合がある。 Further, in order to avoid the knocking as described above, if the operation of the spark plug is stopped when the self-ignition of the sub fuel injected from the fuel injection valve is started, the sub chamber into which the sub fuel is injected is sufficiently provided. Due to reasons such as not being warmed up, the self-ignition of the secondary fuel may become unstable and misfire or engine stall may occur.
また、火花点火運転において、作動される点火プラグの点火エネルギが小さすぎると、失火が発生したり混合気の燃焼期間が長期化して燃焼した排ガスが例えば700℃程度と高温のまま排気路に排出されてしまう場合がある。 Further, in spark ignition operation, if the ignition energy of the spark plug to be operated is too small, the exhaust gas burned due to misfire or the combustion period of the air-fuel mixture being prolonged is discharged to the exhaust passage at a high temperature of about 700 ° C., for example. It may be done.
従って、本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、所謂パイロット着火エンジンにおいて、火花点火運転と噴射着火運転との間の移行をスムーズに行い、更には、火花点火運転において混合気を適切に燃焼させて失火及び排ガス温度の高温化を回避することができる技術を提供する点にある。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to perform a smooth transition between a spark ignition operation and an injection ignition operation in a so-called pilot ignition engine, and further to spark ignition. The object of the present invention is to provide a technique capable of appropriately burning the air-fuel mixture during operation and avoiding misfire and high exhaust gas temperature.
上記目的を達成するための本発明に係るエンジンは、主燃料と酸素含有ガスとの混合気を圧縮した燃焼室において、燃料噴射弁から副燃料を噴射して自己着火燃焼させることで前記混合気を着火させる噴射着火運転を行うエンジンであって、その第1特徴構成は、前記燃焼室に複数の点火プラグを備え、
起動運転時若しくは無負荷運転時に、前記燃焼室において圧縮された混合気を前記複数の点火プラグの全てを作動させて点火する火花点火運転を行うように構成され、
前記火花点火運転と前記噴射着火運転との間の移行時に、前記燃焼室において圧縮された混合気を前記複数の点火プラグのうち一部の点火プラグのみを作動させて点火する部分点火運転を移行運転として行うように構成されている点にある。
In order to achieve the above object, an engine according to the present invention includes a combustion chamber in which an air-fuel mixture of main fuel and oxygen-containing gas is compressed. An engine that performs an injection ignition operation for igniting the engine, wherein the first characteristic configuration includes a plurality of spark plugs in the combustion chamber,
At the time of start-up operation or no-load operation, it is configured to perform a spark ignition operation in which an air-fuel mixture compressed in the combustion chamber is ignited by operating all of the plurality of spark plugs,
Transition from partial ignition operation in which the air-fuel mixture compressed in the combustion chamber is ignited by activating only some of the plurality of ignition plugs at the time of transition between the spark ignition operation and the injection ignition operation. It exists in the point comprised so that it may perform as a driving | operation.
上記第1特徴構成によれば、上記起動運転時や無負荷運転時において、複数の点火プラグを作動させる火花点火運転を行うことで、点火エネルギを充分に大きくして主燃料からなる混合気を安定して点火することができるので、失火及び排ガスの高温化を回避することができる。
また、火花点火運転と噴射着火運転との間の移行時に行われる移行運転として上記部分点火運転を行うことで、燃料噴射弁から噴射された副燃料の自己着火が不安定となっている移行時において、一部の点火プラグの点火エネルギにより混合気の着火を補助して混合気を安定して燃焼させながら、点火エネルギを極力低下させることによりノッキングを回避することができ、火花点火運転と噴射着火運転との間の移行をスムーズに行うことができる。
According to the first characteristic configuration described above, during the start-up operation or the no-load operation, by performing a spark ignition operation that operates a plurality of spark plugs, the ignition energy is sufficiently increased so that an air-fuel mixture composed of main fuel is generated. Since it can ignite stably, misfire and high temperature of exhaust gas can be avoided.
Further, when the partial ignition operation is performed as the transition operation performed at the time of transition between the spark ignition operation and the injection ignition operation, the self-ignition of the auxiliary fuel injected from the fuel injection valve is unstable. In this case, knocking can be avoided by reducing ignition energy as much as possible while assisting the ignition of the air-fuel mixture by the ignition energy of some spark plugs and stably burning the air-fuel mixture, so that spark ignition operation and injection The transition between the ignition operation can be performed smoothly.
本発明に係るエンジンの第2特徴構成は、前記燃料噴射弁が前記燃焼室の中央部に配置され、前記複数の点火プラグが前記燃焼室の中央部を中心に対称配置されている点にある。 A second characteristic configuration of the engine according to the present invention is that the fuel injection valve is disposed in a central portion of the combustion chamber, and the plurality of spark plugs are disposed symmetrically about the central portion of the combustion chamber. .
上記第2特徴構成によれば、複数の点火プラグを設ける場合には、その複数の点火プラグを燃料噴射弁が配置されている燃焼室の中央部を中心に対称配置することで、火花点火運転において、その複数の点火プラグの全てを作動させて混合気を点火すると、混合気が燃焼室において均一な状態で燃焼することになるので、混合気の燃焼期間をできるだけ短くして、排ガス温度の高温化を一層抑制することができる。 According to the second characteristic configuration, when a plurality of spark plugs are provided, a spark ignition operation is performed by arranging the plurality of spark plugs symmetrically about the center of the combustion chamber in which the fuel injection valve is disposed. When the air-fuel mixture is ignited by operating all of the plurality of spark plugs, the air-fuel mixture is combusted in a uniform state in the combustion chamber. High temperature can be further suppressed.
上記目的を達成するための本発明に係るエンジンの第3特徴構成は、前記燃焼室に点火プラグを備えると共に、前記燃焼室の前記燃料噴射弁により副燃料が噴射される領域に予熱プラグを備え、
起動運転時若しくは無負荷運転時に、前記燃焼室において圧縮された混合気を前記点火プラグにより点火する火花点火運転を行うように構成され、
前記火花点火運転と前記噴射着火運転との間の移行時に、前記点火プラグの作動を停止させ前記予熱プラグを作動させた状態で前記燃料噴射弁により噴射される副燃料を自己着火燃焼させる予熱噴射着火運転を移行運転として行うように構成されている点にある。
In order to achieve the above object, a third characteristic configuration of the engine according to the present invention includes an ignition plug in the combustion chamber, and a preheating plug in a region in which auxiliary fuel is injected by the fuel injection valve in the combustion chamber. ,
At the time of start-up operation or no-load operation, it is configured to perform a spark ignition operation in which the air-fuel mixture compressed in the combustion chamber is ignited by the spark plug,
Preheat injection in which the auxiliary fuel injected by the fuel injection valve is self-ignited and burned in a state where the operation of the spark plug is stopped and the preheat plug is operated at the time of transition between the spark ignition operation and the injection ignition operation. The ignition operation is performed as the transition operation.
上記第3特徴構成によれば、上記起動運転時や無負荷運転時において、複数又は単数の点火プラグを作動させる火花点火運転を行う場合において、その火花点火運転と噴射着火運転との間の移行時に行われる移行運転として上記予熱噴射着火運転を行うことで、燃料噴射弁から噴射された副燃料の自己着火が不安定となっている移行時において、その副燃料を予熱プラグにより確実に燃焼させながら、点火プラグを停止させることによりノッキングを回避することができ、火花点火運転と噴射着火運転との間の移行をスムーズに行うことができる。 According to the third characteristic configuration, when performing a spark ignition operation that operates a plurality or a single spark plug during the start-up operation or no-load operation, the transition between the spark ignition operation and the injection ignition operation is performed. By performing the preheat injection ignition operation as a transition operation that is sometimes performed, at the time of transition where the self-ignition of the auxiliary fuel injected from the fuel injection valve is unstable, the auxiliary fuel is reliably burned by the preheating plug. However, knocking can be avoided by stopping the spark plug, and the transition between the spark ignition operation and the injection ignition operation can be performed smoothly.
本発明に係るエンジンの第4特徴構成は、前記燃焼室から排出される排ガス状態を検出する排ガス状態検出手段を備え、
前記排ガス状態検出手段の検出結果に基づいて前記火花点火運転と前記移行運転と前記噴射着火運転との間の移行時期を判定する移行時期判定手段を備えた点にある。
A fourth characteristic configuration of the engine according to the present invention includes an exhaust gas state detection means for detecting an exhaust gas state discharged from the combustion chamber,
There is a transition timing determination means for determining a transition timing among the spark ignition operation, the transition operation, and the injection ignition operation based on the detection result of the exhaust gas state detection means.
これまで説明してきた火花点火運転と移行運転と噴射着火運転との間の移行時期は、夫々の運転時間を予め決定し、その時間が経過したことにより判定しても構わないが、上記第4特徴構成によれば、排ガス状態検出手段により検出した排ガス状態の変化により上記移行時期を判定することができ、エンジンの運転環境等が変化した場合でも、その変化に応じて上記移行時期を適切な時期とすることができる。
例えば、排ガス状態検出手段により、上記排ガス状態として、排ガスの温度や酸素濃度を検出する場合には、排ガスの温度や酸素濃度の低下により、燃焼室に噴射された副燃料が自己着火し始めたか否かを認識することができるので、その自己着火が開始されたが未だ不安定である時期には上記移行運転を行い、その自己着火が安定した時期には上記噴射着火運転を行うように、上記移行時期を判定することができる。
The transition timing among the spark ignition operation, the transition operation, and the injection ignition operation that has been described so far may be determined by determining each operation time in advance and passing that time. According to the characteristic configuration, it is possible to determine the transition time based on the change in the exhaust gas state detected by the exhaust gas state detection means. Even when the engine operating environment or the like changes, the transition time is appropriately set according to the change. It can be time.
For example, when the exhaust gas temperature detection means detects the exhaust gas temperature and oxygen concentration as the exhaust gas condition, has the sub fuel injected into the combustion chamber started to self-ignite due to a decrease in the exhaust gas temperature or oxygen concentration? So that the transition operation is performed when the self-ignition is started but is still unstable, and the injection ignition operation is performed when the self-ignition is stable. The transition time can be determined.
本発明に係るエンジンの第5特徴構成は、前記燃焼室として、シリンダ内に形成された主室と、シリンダヘッド内に形成され前記主室に連通する副室とを備え、
前記燃料噴射弁が前記副室に配置され、前記点火プラグが前記主室に配置されている点にある。
A fifth characteristic configuration of the engine according to the present invention includes, as the combustion chamber, a main chamber formed in a cylinder, and a sub chamber formed in a cylinder head and communicating with the main chamber.
The fuel injection valve is disposed in the sub chamber, and the spark plug is disposed in the main chamber.
上記第5特徴構成によれば、燃焼室として上記主室と上記副室とを設け、その副室に燃料噴射弁を配置することで、副室に噴射された副燃料を燃焼室全体に拡散することを抑制しながら副室において良好に自己着火燃焼させることができ、その自己着火燃焼により発生する火炎ジェットを主室に噴出させることで主室の例えば低当量比の混合気を良好に着火させることができる。
そして、このようなエンジンにおいても、火花点火運転と噴射着火運転との間で、上述した移行運転を行うことで、その移行をスムーズに行うことができる。
According to the fifth feature, the main chamber and the sub chamber are provided as combustion chambers, and the fuel injection valve is disposed in the sub chamber, so that the sub fuel injected into the sub chamber is diffused throughout the combustion chamber. The sub-chamber can be successfully self-ignited and combusted while suppressing the occurrence of this, and the flame jet generated by the self-igniting combustion is injected into the main chamber, for example, to ignite the low-equivalent gas mixture in the main chamber. Can be made.
Even in such an engine, the transition can be smoothly performed by performing the transition operation described above between the spark ignition operation and the injection ignition operation.
本発明の実施の形態について、図1〜図3に基づいて説明する。
エンジン100は、ピストン2と、ピストン2を収容するシリンダ3とを備え、ピストン2をシリンダ3内で往復運動させると共に、吸気弁4及び排気弁5を開閉動作させて、シリンダ3内に形成された燃焼室1において吸気、圧縮、燃焼・膨張、排気の諸行程を行い、ピストン2の往復動をクランク軸17の回転運動として出力されるものであり、このような構成は、通常の4ストローク内燃機関と変わるところはない。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The
このエンジン100は、メタンを主成分とする天然ガスである主燃料MFと空気との混合気MGを吸気路6に形成し、吸気行程において吸気弁4を開状態として吸気路6からその混合気MGを燃焼室1に吸気して、圧縮行程において排気弁5を閉状態としてその吸気した混合気MGを圧縮し、燃焼・膨張行程においてその圧縮した混合気を着火して燃焼させ、排気行程において排気弁5を開状態として燃焼後の排ガスを排気路7に排出する。
尚、混合気MGの当量比は、1未満、好ましくは0.5以上0.7以下の範囲内程度に設定される。
The
The equivalence ratio of the air-fuel mixture MG is set to be less than 1, preferably in the range of 0.5 to 0.7.
燃焼室1には、上記吸気路6から吸気される主燃料MFとは異なり、主燃料MFよりも着火性に優れた液体燃料である軽油や灯油などの副燃料SFを、圧縮行程終了時に燃焼室1に高圧噴射して自己着火させる燃料噴射弁25が設けられている。
Unlike the main fuel MF sucked from the
この燃料噴射弁25は、一般的なディーゼルエンジンなどで用いられている例えばコモンレール方式の燃料噴射機構と同様の構成を採用することができ、高圧縮された状態で供給された副燃料SFを燃焼室1に噴射するように構成される。
The
しかし、そのディーゼルエンジン用の燃料噴射機構は高圧噴射した液体燃料を拡散燃焼させることによりピストンを押し下げるために比較的多くの液体燃料を噴射する点と比較して、この燃料噴射弁25は、副燃料SFの噴射量が微量である点で相違する。
However, the fuel injection mechanism for the diesel engine has a secondary
即ち、本実施形態のエンジン100では、圧縮行程終了時において、燃料噴射弁25から燃焼室1に微量の副燃料SFを高圧噴射して自己着火燃焼させることにより、燃焼・膨張行程において、その副燃料MFの自己着火燃焼により発生した熱エネルギによって吸気路6から吸気された混合気MGが安定して着火されて燃焼し、その燃焼によりピストン2が押し下げられて、運転が継続されるのである。
That is, in the
尚、燃料噴射弁25による副燃料SFの噴射量は、主燃料MFと副燃料SFとの熱量の合計に対する熱量比で0.2%以上5%以下の範囲内好ましくは1%以下の範囲内とされる。
即ち、副燃料SFの噴射量の総熱量に対する熱量比を0.2%よりも小さくすると、その自己着火燃焼により発生する熱量が小さすぎて混合気MGを安定して着火させることができずに失火が発生する場合があり、一方5%よりも大きくすると、その自己着火燃焼により発生する熱量が大きすぎて燃焼室1の最高圧力が過剰に大きくなりノッキング等が発生する場合があり、更に、主燃料MFに対する副燃料SFの消費量が大きくなるから、副燃料SFを貯留しておくタンクなどの大型化により装置の大型化を招いてしまう。
また、副燃料SFの噴射量の総熱量に対する熱量比を1%以下とすることで、上記のような失火及びノッキングを回避しながら、一層の小型化を図ることができる。
The injection amount of the auxiliary fuel SF by the
That is, if the calorie ratio of the injection amount of the auxiliary fuel SF to the total heat amount is smaller than 0.2%, the amount of heat generated by the self-ignition combustion is too small to stably ignite the mixture MG. Misfire may occur. On the other hand, if it is larger than 5%, the amount of heat generated by the self-ignition combustion is too large, the maximum pressure of the
Further, by making the heat amount ratio of the injection amount of the auxiliary fuel SF to the
そして、エンジン100は、上記のような構成を採用することにより、主燃料MFとして天然ガス等を用いた当量比0.5〜0.7の混合気MGを、燃料噴射弁25から高圧噴射された微量の副燃料MFの自己着火燃焼により安定して着火させることができるので、燃焼室1における図示平均有効圧力を高くして、高出力且つ高効率化を図ることができる。
By adopting the above-described configuration, the
また、燃料噴射弁25への副燃料SFを供給する副燃料供給手段50について説明を加えると、副燃料SFは、副燃料タンク53に貯留されており、その副燃料タンク53に貯留されている副燃料SFが、副燃料供給路54において、クランク軸17の回転動力を利用して駆動する燃料ポンプ51により高圧縮され、燃料噴射弁25に供給される。
また、燃料噴射弁25による副燃料SFの噴射量は、燃料噴射弁25自身の作動を調整することにより調整される。尚、この燃料噴射弁25における噴射量は、副燃料供給路54に設けたガバナを調整して、燃料噴射弁25へ供給される副燃料SFの圧力を調整することでも調整することができる。
また、副燃料供給路54には、副燃料SFの流量を計測する流量計52が設けられている。
Further, the auxiliary fuel supply means 50 for supplying the auxiliary fuel SF to the
Further, the injection amount of the auxiliary fuel SF by the
The auxiliary
また、本実施形態のエンジン100は、燃焼室1として、シリンダ3の内面とピストン2の頂面とシリンダヘッド9の下面とで規定される主室11と、シリンダヘッド9の中央部(シリンダ3の軸心に沿った部分)に設けられた副室口金20内に形成された副室21とが設けられ、この主室11と副室21とは、上記副室口金20の主室11への突出部に形成された連通孔22を介して連通する。尚、上記副室21の容積比は、燃焼室1全体の2%以上20%以下程度が好ましい。
Further, the
更に、ピストン2の頂面の中央部には、ピストン2が上死点に位置するときに、主室11に突出する上記副室口金20を囲う形態で凹部2aが形成されており、凹部2aにより、圧縮行程においてピストン2が上昇するときに、ピストン2の頂面外周部から凹部2aの中心部に流れるスキッシュが発生する。
Furthermore, a
更に、燃料噴射弁25は、上記副室口金20の上方に設けられて、副室21に副燃料SFを高圧噴射するように構成されている。
Further, the
即ち、このエンジン100は、上記のような構成を採用することにより、主室11に吸気された混合気MGをピストン2の上昇により圧縮して、圧縮された混合気MGを主室11に開口する連通孔22を介して副室21に流入させ、副室21において圧縮された混合気MGに燃料噴射弁25により副燃料SFを噴射して自己着火燃焼させることで火炎を形成し、その火炎を副室21から連通孔22を介して主室11に火炎ジェットFJとして噴射して、この火炎ジェットFJにより主室11の混合気MGを着火させて燃焼させる所謂噴射着火運転を行うように構成されている。
That is, the
エンジン100には、コンピュータからなるエンジン・コントロール・ユニット(以下、ECUと呼ぶ。)40が設けられ、このECU40は、クランク軸17の回転角度を測定するクランク角センサ16の検出結果によりエンジン回転数を監視しながら、そのエンジン回転数が所望の目標回転数範囲内に設定するように、吸気路6に設けられたスロットルバルブ15の開度調整により燃焼室1への混合気MGの吸気量を調整するエンジン回転数設定手段41として機能するように構成されている。
The
エンジン100は、図2に示すように、燃料噴射弁25が燃焼室1の中央部に配置され、複数具体的には2個の点火プラグ30が燃焼室1の中央部を中心に対称配置されており、更に、燃料噴射弁25は副室21に配置され、複数の点火プラグ30は主室11に配置されている。また、これら点火プラグ30は、例えば起動運転時や無負荷運転時等の燃焼室1において副燃料SFの自己着火や混合気MGの着火が安定していないときに、ECU40により作動されて、主室11に吸気された混合気MGを安定して火花点火して燃焼させるものである。
As shown in FIG. 2, in the
特に、エンジン100の起動運転時には、燃焼室1が充分に昇温しておらず、更には、燃料噴射弁25に供給される副燃料SFの圧力が充分に上昇していないので、噴射着火運転を行って燃料噴射弁25により副燃料SFを噴射しても、その副燃料SFが自己着火しない場合がある。
また、エンジン100のクランク軸17にかかるエンジン負荷が遮断された無負荷状態においても、燃焼室1の圧力が比較的低いことから、噴射着火運転を行って燃料噴射弁25により副燃料SFを噴射しても、その副燃料SFが自己着火しない場合がある。
In particular, during the start-up operation of the
Even when the engine load applied to the
そこで、ECU40は、起動運転時や無負荷運転時において、燃焼室1において圧縮された混合気MGを、上記点火プラグ30を作動させて点火する火花点火運転を行う運転制御手段42として機能するように構成されている。
Therefore, the
即ち、この運転制御手段42は、エンジン始動指令が入力されエンジン100を起動させる起動運転を行ったときに、先ず、モータ8によりクランク軸17を回転駆動させながら、上記点火プラグ30を作動させることにより、上記火花点火運転を行うことで、点火プラグ30の火花点火により混合気MGが火花点火されて燃焼し、その混合気MGの燃焼により、エンジン100が充分に暖機されることになり、上記火花点火運転の初期若しくは中期から燃料噴射弁25からの副燃料SFの噴射を開始することにより、エンジン100の暖機が進行して、その副燃料SFの自己着火燃焼が開始される。
That is, the operation control means 42 first operates the
そして、燃料噴射弁25により噴射された副燃料SFの自己着火燃焼が安定して発生する状態となったときに、運転制御手段42は、上記点火プラグ30の作動が停止されて、副燃料SFの自己着火燃焼により主燃料MFからなる混合気MGを着火させる噴射着火運転に移行させる。
When the self-ignition combustion of the sub fuel SF injected by the
また、この運転制御手段42は、エンジン負荷36が遮断されて無負荷状態となったときにも、上記点火プラグ30を作動させることにより、上記火花点火運転を行う。そして、エンジン負荷36が加えられる加負荷状態となったときには、上記点火プラグ30の作動を停止して、副燃料SFの自己着火燃焼により主燃料MFからなる混合気MGを着火させる噴射着火運転に移行させる。
In addition, the operation control means 42 performs the spark ignition operation by operating the
更に、上記火花点火運転から上記噴射着火運転との間の移行時においては、燃料噴射弁から噴射された副燃料の自己着火が不安定となっている場合がある。そこで、上記運転制御手段42は、その移行時において所定の移行運転を行うことで、その移行をスムーズなものとするように構成されている。 Furthermore, at the time of transition from the spark ignition operation to the injection ignition operation, the self-ignition of the auxiliary fuel injected from the fuel injection valve may be unstable. Therefore, the operation control means 42 is configured to make the transition smooth by performing a predetermined transition operation at the time of the transition.
即ち、運転制御手段42は、火花点火運転において、全ての点火プラグ30を作動させて混合気MGを火花点火している場合には、噴射着火運転との間の移行運転として、混合気MGを複数の点火プラグ30のうちの一部具体的には1個の点火プラグ30のみを作動させて点火する部分点火運転を行うように構成されており、この部分点火運転を移行運転として行うことで、一部の点火プラグ30の点火エネルギにより混合気MGの着火を補助して混合気MGを安定して燃焼させながら、点火エネルギを極力低下させることによりノッキングを回避することができる。
That is, in the spark ignition operation, the
尚、上記のように火花点火運転において複数の点火プラグ30で混合気MGを火花点火することにより、混合気MGの燃焼期間が長期化を抑制して、排気路7に排出される排ガスの温度を600℃程度と低下させることができる。
また、燃料噴射弁25により噴射された副燃料SFの自己着火が開始されて噴射着火運転が開始されると、混合気MGの燃焼期間が一層短くなって排気路7に排出される排ガスの温度が更に450℃程度と大幅に低下する。
ちなみに、火花点火運転において1つの点火プラグ30のみで混合気MGを火花点火した場合には、混合気MGの燃焼期間が長期化により、排ガスが例えば700℃程度と高温のまま排気路7に排出されてしまう。
Note that, as described above, in the spark ignition operation, the mixture gas MG is spark-ignited by the plurality of
Further, when the self-ignition of the sub fuel SF injected by the
Incidentally, when the mixture MG is spark-ignited with only one
更に、燃焼室1の燃料噴射弁25により副燃料SFが噴射される領域即ち副室21に予熱プラグ32が設けられており、運転制御手段42は、火花点火運転と噴射着火運転との間の移行運転として、点火プラグ30の作動を停止させ予熱プラグ32を作動させた状態で燃料噴射弁25により噴射される副燃料SFを自己着火燃焼させる予熱噴射着火運転を行うように構成されており、この予熱噴射着火運転を移行運転として行うことで、副燃料SFを予熱プラグ32により確実に燃焼させながら、点火プラグ30を停止させることによりノッキングを回避することができる。
Further, a preheating
また、運転制御手段42は、上記移行運転として、上記部分点火運転及び上記予熱噴射着火運転との一方のみを行うように構成することができるが、例えば、移行運転において、先ず上記部分点火運転を行って後に上記予熱噴射着火運転を行うように構成することができる。 The operation control means 42 can be configured to perform only one of the partial ignition operation and the preheat injection ignition operation as the transition operation. For example, in the transition operation, first, the partial ignition operation is performed. It can comprise so that the said preheating injection ignition driving | operation may be performed later.
更に、火花点火運転と噴射着火運転との移行時において、燃料噴射弁25による副燃料SFの噴射は継続しておくことができるが、火花点火運転において副燃料SFの噴射を停止し、例えば、移行時に先立って副燃料SFの噴射を再開するように構成しても構わない。
Further, at the time of transition between the spark ignition operation and the injection ignition operation, the injection of the sub fuel SF by the
また、エンジン100の排気路7には、燃焼室1から排出される排ガス状態として、排ガスEの温度を検出する温度センサ34(排ガス状態検出手段の一例)、及び、排ガスEの酸素濃度を検出する酸素濃度センサ35(排ガス状態検出手段の一例)が設けられている。
そして、ECU40は、温度センサ34及び酸素濃度センサ35で検出された排ガス状態としての排ガスEの温度又は酸素濃度に基づいて、上記火花点火運転と上記移行運転と上記噴射着火運転との間の移行時期を判定する移行時期判定手段43として機能するように構成されている。
即ち、移行時期判定手段43は、排ガスEの温度や酸素濃度が所定の閾値以下に低下となったときに、燃焼室1が、副燃料SGが安定して自己着火燃焼し得る状態となったと認識して、上記火花点火運転から上記移行運転への移行時期、若しくは、上記移行運転から上記噴射着火運転への移行時期であると判定することができる。
尚、上記火花点火運転から上記移行運転への切替えは、火花点火運転において600℃程度であった排ガスEの温度が副燃料SFの自己着火燃焼が開始された場合に450℃程度と大幅に低下することを利用して、排ガスEの温度が450℃よりも若干大きい閾値以下になったときに行うことが好ましい。
Further, in the
Then, the
That is, the transition timing determination means 43 indicates that the
Note that the switching from the spark ignition operation to the transition operation significantly reduces the temperature of the exhaust gas E, which was about 600 ° C. in the spark ignition operation, to about 450 ° C. when the self-ignition combustion of the auxiliary fuel SF is started. This is preferably performed when the temperature of the exhaust gas E falls below a threshold value slightly higher than 450 ° C.
また、起動運転時においてエンジン100の暖機が進行し、燃焼室1において混合気MGが安定して着火されるようになると、エンジン回転数やエンジン出力が安定状態となる。
そこで、移行時期判定手段43は、エンジン出力又はクランク角センサ16の検出結果から認識されるエンジン回転数を監視し、それらの分散が所定閾値以下となった場合に、エンジン100の暖機が進行したと認識して、火花点火運転から移行運転を介して噴射着火運転への移行時期であると判定しても構わない。
Further, when the
Therefore, the transition time determination means 43 monitors the engine speed recognized from the engine output or the detection result of the
〔別実施形態〕
(1)上記実施の形態では、火花点火運転で作動させる点火プラグ30を2個設けたが、別に、3個以上の点火プラグを設け火花点火運転において作動させても構わない。
また、火花点火運転において3個以上の点火プラグを作動させる場合には、部分点火運転において作動させる点火プラグの数を1個又は複数個づつ段階的減少させる形態で作動させることができる。
[Another embodiment]
(1) In the above embodiment, two
Further, when operating three or more spark plugs in the spark ignition operation, the spark plugs can be operated in such a manner that the number of spark plugs operated in the partial ignition operation is reduced stepwise by one or more.
(2)上記実施の形態では、火花点火運転と噴射着火運転との間の移行時に、部分点火運転と予熱噴射着火運転の両方を行うように構成したが、別に、一方のみを行うように構成しても構わない。また、予熱噴射着火運転を行わない場合には、予熱プラグ32を省略することができ、更に、火花点火運転で作動せる点火プラグ30の数を1個としても構わない。
(2) In the above embodiment, at the time of transition between the spark ignition operation and the injection ignition operation, both the partial ignition operation and the preheating injection ignition operation are performed. It doesn't matter. Further, when the preheating injection ignition operation is not performed, the preheating
(3)上記実施の形態では、燃料噴射弁25を燃焼室1の中央部に配置された副室21に配置し、更に、点火プラグ30を燃焼室1としての主室11の中央部を中心に対称配置したが、上記燃料噴射弁25及び点火プラグ30の配置は適宜改変可能である。
(3) In the above embodiment, the
(4)上記実施の形態では、火花点火運転と移行運転と噴射着火運転との移行時期を、排ガスEの温度や酸素濃度を用いて判定する移行時期判定手段43を設けたが、別に、火花点火運転と移行運転と噴射着火運転との夫々の運転時間を予め決定しておき、その運転時間が経過することにより、上記移行時期を判定しても構わない。 (4) In the above embodiment, the transition timing determination means 43 for determining the transition timing among the spark ignition operation, the transition operation, and the injection ignition operation using the temperature and oxygen concentration of the exhaust gas E is provided. Each transition time of the ignition operation, the transition operation, and the injection ignition operation may be determined in advance, and the transition timing may be determined by the passage of the operation time.
(5)上記実施の形態では、燃焼室1として主室11及び副室21を設けたが、別に、副室21を設けることなく、主室11のみで燃焼室1を構成しても構わない。
(5) Although the
(6)上記実施の形態では、主燃料MFとして天然ガスを、副燃料SFとして軽油や灯油を用いたが、別に、主燃料MF及び副燃料SFは適宜改変可能である。尚、特に、副燃料SFについては、燃焼室1に高圧状態で噴射して自己着火させるので、着火性に優れた液体燃料を利用することが好ましい。
(6) In the above embodiment, natural gas is used as the main fuel MF, and light oil or kerosene is used as the auxiliary fuel SF. However, the main fuel MF and the auxiliary fuel SF can be modified as appropriate. In particular, since the auxiliary fuel SF is injected into the
1:燃焼室
11:主室(燃焼室)
15:スロットルバルブ
16:クランク角センサ
21:副室(燃焼室)
22:連通孔
25:燃料噴射弁
30:点火プラグ
32:予熱プラグ
34:温度センサ(排ガス状態検出手段)
35:酸素濃度センサ(排ガス状態検出手段)
36:エンジン負荷
40:エンジン・コントロール・ユニット(ECU)
41:エンジン回転数設定手段
42:運転制御手段
43:移行時期判定手段
50:副燃料供給手段
100:エンジン
MF:主燃料
SF:副燃料
MG:混合気
1: Combustion chamber 11: Main chamber (combustion chamber)
15: Throttle valve 16: Crank angle sensor 21: Sub chamber (combustion chamber)
22: Communication hole 25: Fuel injection valve 30: Spark plug 32: Preheating plug 34: Temperature sensor (exhaust gas state detection means)
35: Oxygen concentration sensor (exhaust gas state detection means)
36: Engine load 40: Engine control unit (ECU)
41: Engine speed setting means 42: Operation control means 43: Transition timing determination means 50: Sub fuel supply means 100: Engine MF: Main fuel SF: Sub fuel MG: Air-fuel mixture
Claims (5)
前記燃焼室に複数の点火プラグを備え、
起動運転時若しくは無負荷運転時に、前記燃焼室において圧縮された混合気を前記複数の点火プラグの全てを作動させて点火する火花点火運転を行うように構成され、
前記火花点火運転と前記噴射着火運転との間の移行時に、前記燃焼室において圧縮された混合気を前記複数の点火プラグのうち一部の点火プラグのみを作動させて点火する部分点火運転を移行運転として行うように構成されているエンジン。 In the combustion chamber in which the mixture of the main fuel and the oxygen-containing gas is compressed, the engine performs an injection ignition operation of igniting the mixture by injecting auxiliary fuel from the fuel injection valve and performing self-ignition combustion,
A plurality of spark plugs in the combustion chamber;
At the time of start-up operation or no-load operation, it is configured to perform a spark ignition operation in which an air-fuel mixture compressed in the combustion chamber is ignited by operating all of the plurality of spark plugs,
Transition from partial ignition operation in which the air-fuel mixture compressed in the combustion chamber is ignited by activating only some of the plurality of ignition plugs at the time of transition between the spark ignition operation and the injection ignition operation. An engine that is configured to run as a run.
前記燃焼室に点火プラグを備えると共に、前記燃焼室の前記燃料噴射弁により副燃料が噴射される領域に予熱プラグを備え、
起動運転時若しくは無負荷運転時に、前記燃焼室において圧縮された混合気を前記点火プラグにより点火する火花点火運転を行うように構成され、
前記火花点火運転と前記噴射着火運転との間の移行時に、前記点火プラグの作動を停止させ前記予熱プラグを作動させた状態で前記燃料噴射弁により噴射される副燃料を自己着火燃焼させる予熱噴射着火運転を移行運転として行うように構成されているエンジン。 In the combustion chamber in which the mixture of the main fuel and the oxygen-containing gas is compressed, the engine performs an injection ignition operation of igniting the mixture by injecting the auxiliary fuel from the fuel injection valve and performing self-ignition combustion,
A spark plug is provided in the combustion chamber, and a preheating plug is provided in a region where auxiliary fuel is injected by the fuel injection valve of the combustion chamber,
At the time of start-up operation or no-load operation, it is configured to perform a spark ignition operation in which the air-fuel mixture compressed in the combustion chamber is ignited by the spark plug,
Preheat injection in which the auxiliary fuel injected by the fuel injection valve is self-ignited and burned in a state where the operation of the spark plug is stopped and the preheat plug is operated at the time of transition between the spark ignition operation and the injection ignition operation. An engine configured to perform an ignition operation as a transition operation.
前記排ガス状態検出手段の検出結果に基づいて前記火花点火運転と前記移行運転と前記噴射着火運転との間の移行時期を判定する移行時期判定手段を備えた請求項1から3の何れか1項に記載のエンジン。 An exhaust gas state detection means for detecting the exhaust gas state discharged from the combustion chamber;
4. The apparatus according to claim 1, further comprising a transition timing determination unit that determines a transition timing among the spark ignition operation, the transition operation, and the injection ignition operation based on a detection result of the exhaust gas state detection unit. Engine described in.
前記燃料噴射弁が前記副室に配置され、前記点火プラグが前記主室に配置されている請求項1から4の何れか1項に記載のエンジン。
The combustion chamber includes a main chamber formed in a cylinder, and a sub chamber formed in a cylinder head and communicating with the main chamber.
The engine according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel injection valve is disposed in the sub chamber, and the spark plug is disposed in the main chamber.
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