JP4576198B2 - Gas engine with EGR system - Google Patents
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Description
本発明は、ガス燃料と空気との混合ガスを給気ポートから燃焼室に供給し、該燃焼室に設けられた点火プラグにより該混合ガス中に火花放電して該混合ガスを着火燃焼せしめるように構成されたガスエンジンであって、EGRガスを燃焼室内の外周部位に向けて噴出せしめるようにしたEGRシステム付きガスエンジンに関する。 According to the present invention, a mixed gas of gaseous fuel and air is supplied from a supply port to a combustion chamber, and spark discharge is generated in the mixed gas by an ignition plug provided in the combustion chamber so that the mixed gas is ignited and burned. It is related with the gas engine with an EGR system which was made to eject the EGR gas toward the outer peripheral part in a combustion chamber.
ガス燃料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、該燃焼室に設けられた点火プラグにより該混合ガス中に火花放電して該混合ガスを着火燃焼せしめるように構成されたガスエンジンにおいて、給気中にEGRを混合して給気管を経てエンジンの燃焼室に供給するようにしたEGRシステム付きガスエンジンの1つに特許文献1(特開平10−141144号公報)にて提案された技術がある。 A mixed gas formed by injecting gas fuel into a supply passage from a gas injection device connected to the gas fuel supply passage is supplied to the combustion chamber, and the spark plug provided in the combustion chamber supplies the mixed gas into the mixture gas. A gas engine having an EGR system in which EGR is mixed in an air supply and supplied to an engine combustion chamber through an air supply pipe in a gas engine configured to ignite and discharge the mixed gas by spark discharge. One technique is proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-141144.
かかる技術においては、シリンダヘッドに、点火プラグ側給気ポートとライナ側給気ポートとを設け、点火プラグ側給気ポートからは点火プラグ近傍に元の空燃比のみからなる給気を供給し、ライナ側給気ポートからはシリンダ内壁面付近に環状に、EGRガスを混合した給気を供給して、シリンダ内に2層の給気圏を形成し、正常な点火とノッキング限界の上昇を図っている。 In such a technique, the cylinder head is provided with an ignition plug-side air supply port and a liner-side air supply port, and from the ignition plug-side air supply port, air supply consisting only of the original air-fuel ratio is supplied in the vicinity of the ignition plug, From the liner side air supply port, supply air that is mixed with EGR gas in the vicinity of the inner wall surface of the cylinder to form a two-layer air sphere in the cylinder to achieve normal ignition and increase of the knocking limit. Yes.
点火装置を備えたガスエンジンにおいては、点火プラグの点火時期を進角させると燃焼効率が向上して燃料消費率を低下できるが、ノッキングが発生し易いという相反する現象を有している。
また、EGRシステム付きガスエンジンでは、図11のように、給気中のEGR量(EGR率)を増加するとNOX(窒素酸化物)が低減し、またノッキング限界が上昇してノッキングが起こり難くなるということが知られている。
In a gas engine equipped with an ignition device, if the ignition timing of the ignition plug is advanced, the combustion efficiency is improved and the fuel consumption rate is reduced, but there is a conflicting phenomenon that knocking is likely to occur.
Further, in the gas engine with an EGR system, as shown in FIG. 11, when the EGR amount (EGR rate) in the supply air is increased, NO x (nitrogen oxide) is reduced, and the knocking limit is increased, so that knocking hardly occurs. It is known that
かかる知見から、前記特許文献1(特開平10−141144号公報)の技術にあっては、シリンダヘッドに設けた点火プラグ側給気ポートからは点火プラグ近傍に元の空燃比のみからなる給気を供給し、ライナ側給気ポートからはシリンダ内壁面付近にEGRガスを混合した給気を供給して、点火プラグ側給気ポートからの点火プラグ近傍への給気による正常な点火と、ライナ側給気ポートからのEGRガスを混合給気によるノッキング限界の上昇を図っている。 From this knowledge, in the technique of the above-mentioned patent document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 10-141144), the air supply comprising only the original air-fuel ratio in the vicinity of the spark plug from the spark plug side air supply port provided in the cylinder head. From the liner-side air supply port, supplying air mixed with EGR gas in the vicinity of the inner wall surface of the cylinder, normal ignition by supplying air from the spark plug-side air supply port to the vicinity of the spark plug, and the liner The EGR gas from the side air supply port is increased in the knocking limit due to the mixed air supply.
しかしながら、かかる従来技術にあっては、ライナ側給気ポートからのEGRガス混合給気を供給するために給気通路に新気とEGRガスとを混合する混合器を設置することを要するため、装置が複雑かつ高コストとなる。
また、かかる従来技術にあっては、ライナ側給気ポートからシリンダ内壁面寄りつまり燃焼室内の外周寄りにEGRガス混合の給気を供給しているが、かかるEGRガス混合給気を燃焼室内の外周寄りに供給するにとどまっているため、燃焼室内の外周寄りに分布して自着火によるノッキングを発生し易い状態にあるエンドガスに新気とEGRガスとの混合ガスが供給されることとなり、前記エンドガス中へのEGRガスの供給によるノッキング限界の上昇効果及びNOXの低減効果が十分に得られない。
等の問題点を有している。
However, in such a conventional technique, in order to supply the EGR gas mixed supply air from the liner side air supply port, it is necessary to install a mixer for mixing fresh air and EGR gas in the supply passage. The device is complicated and expensive.
In this conventional technique, the EGR gas mixture supply air is supplied from the liner side air supply port to the inner wall surface of the cylinder, that is, to the outer periphery of the combustion chamber. The EGR gas mixture supply air is supplied to the combustion chamber. Since it is only supplied near the outer periphery, a mixed gas of fresh air and EGR gas is supplied to the end gas that is distributed near the outer periphery in the combustion chamber and is likely to cause knocking due to self-ignition. reducing effect of increasing effect and nO X in the knock limit is not sufficiently obtained due to the supply of the EGR gas into the end gas.
And so on.
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、点火プラグにより混合ガスを着火燃焼せしめるように構成されEGRシステムを備えたガスエンジンにおいて、簡単な構造でかつ低コストの装置で以って、点火プラグによる着火燃焼性能を良好に保持するとともにEGRガスの供給による十分なノッキング限界の上昇効果及びNOXの低減効果が得られるEGRシステム付きガスエンジンを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the problems of the prior art, the present invention provides a gas engine having an EGR system configured to ignite and combust a mixed gas by means of a spark plug. providing EGR gas sufficient knock limit increasing effect and NO X EGR system with a gas engine which reduction effect can be obtained in accordance with the supply of while satisfactorily retaining the ignition combustion performance for the purpose of.
本発明はかかる目的を達成するもので、先ず参考技術としてガス燃料と空気との混合ガスを給気ポートから燃焼室に供給し、該燃焼室に設けられた点火プラグにより該混合ガス中に火花放電して該混合ガスを着火燃焼せしめるように構成されたガスエンジンにおいて、排気通路中の排気ガスから分流されたEGRガス(排気再循環ガス)を前記燃焼室内の外周部位に向けて噴出せしめるEGRガス噴出通路を設け、該EGRガス噴出通路から噴出されるEGRガスにより前記燃焼室内の外周部位の酸素濃度を燃焼室内の中央部位の酸素濃度よりも低下せしめるように構成した技術を提案する。 The present invention achieves such an object. First, as a reference technique , a mixed gas of gaseous fuel and air is supplied from a supply port to a combustion chamber, and sparks are introduced into the mixed gas by an ignition plug provided in the combustion chamber. In a gas engine configured to discharge and ignite and burn the mixed gas, EGR gas (exhaust gas recirculation) diverted from the exhaust gas in the exhaust passage is ejected toward the outer peripheral portion of the combustion chamber. A technique is proposed in which a gas jet passage is provided and the oxygen concentration at the outer peripheral portion of the combustion chamber is made lower than the oxygen concentration at the central portion in the combustion chamber by the EGR gas jetted from the EGR gas jet passage .
かかる参考技術によれば、燃焼室の外周部に残存しているNOX発生量が多くかつ自着火性の高いエンドガス中に、EGRガス噴出通路からEGRガスを集中的に噴出せしめることにより、該燃焼室の外周部にはEGRガスによる酸素濃度低下領域が形成される。
一方、点火プラグが設置されている燃焼室の中央部近傍では、給気ポートからEGRガスを含まない新気つまり燃料ガスと空気の希薄混合気が供給されるため、該点火プラグによる着火燃焼性の良好なガス状態となり、結局、前記燃焼室は中央部近傍に着火燃焼性の良好なガス領域が形成され、外周部にEGRガスによる酸素濃度低下領域が形成された層状のガス分布となる。
According to this reference technique, in a high NO X generation amount is large and self-ignition property remaining in the outer peripheral portion of the combustion chamber end gas, by allowed to intensively jetting the EGR gas from the EGR gas ejection passage, the A region where oxygen concentration is reduced by EGR gas is formed on the outer periphery of the combustion chamber.
On the other hand, in the vicinity of the center of the combustion chamber where the ignition plug is installed, fresh air that does not contain EGR gas, that is, a lean mixture of fuel gas and air, is supplied from the air supply port. As a result, the combustion chamber has a layered gas distribution in which a gas region having good ignition combustibility is formed in the vicinity of the center portion, and an oxygen concentration reduction region by EGR gas is formed in the outer peripheral portion.
従って、点火プラグによって中央部近傍の着火燃焼性の良好な混合ガスが着火燃焼されるので、着火燃焼性を良好に保持し、この着火火炎が高い火炎伝播速度で以って燃焼室を半径方向に拡散して外周部の酸素濃度低下領域へと伝播することができ、かかる着火火炎によって、EGRガスを含む外周部のエンドガスの低酸素雰囲気での燃焼性能が向上せしめられる。
これにより、燃焼室全体において高い燃焼効率を保持しつつ、外周部のエンドガスの燃焼時におけるNOX発生量が抑制され、さらには外周部に自着火性の大きいガスの残留が少なくなりあるいは無くなるためにノッキングの発生が抑制されてノッキング限界が上昇する。
Therefore, the ignition plug ignites and burns the gas mixture with good ignition combustibility near the center, so that the ignition combustibility is maintained well, and this ignition flame has a high flame propagation speed to move the combustion chamber in the radial direction. And can be propagated to the oxygen concentration lowering region in the outer peripheral portion, and the ignition performance improves the combustion performance of the end gas in the outer peripheral portion including the EGR gas in a low oxygen atmosphere.
Thus, while maintaining high combustion efficiency in the entire combustion chamber, NO X generation amount is suppressed at the time of combustion of end gas in the outer peripheral portion, and further the less residual self-ignitability of the large gas on the outer peripheral portion or eliminated for The occurrence of knocking is suppressed and the knocking limit is increased.
尚、かかる参考技術において、具体的には次の2つの構成をとるのがよい。
(1)EGRガス噴出通路を、前記給気ポートの周壁に、給気弁の開弁時に該EGRガス噴出通路から噴出されたEGRガスが前記燃焼室内の外周部位に到達するように指向して開口する。
(2)EGRガス噴出通路を前記給気ポートの内部に設けたEGRガス噴出管により構成し、該EGRガス噴出管は、給気弁の開弁時に該EGRガス噴出管から噴出されたEGRガスが前記燃焼室内の外周部位に到達するように指向して前記給気ポート内に開口する。
このように構成すれば、給気ポートの内部において、EGRガス噴出管の向きをある程度自由に設定できるので、目標とするEGRガスの噴出方向についての指向性が増し、目標とする外周部位に正確にEGRガスを供給できる。
In this reference technique , specifically, the following two configurations are preferable.
(1) The EGR gas ejection passage is directed to the peripheral wall of the air supply port so that the EGR gas ejected from the EGR gas ejection passage when the air supply valve is opened reaches the outer peripheral portion in the combustion chamber. Open.
(2) An EGR gas ejection passage is constituted by an EGR gas ejection pipe provided inside the air supply port, and the EGR gas ejection pipe is ejected from the EGR gas ejection pipe when the air supply valve is opened. Opens in the air supply port so as to reach the outer periphery of the combustion chamber.
With this configuration, the direction of the EGR gas ejection pipe can be set freely to some extent inside the air supply port, so that the directivity in the target EGR gas ejection direction is increased, and the target outer peripheral portion is accurately set. Can be supplied with EGR gas.
本発明は、前記ガスエンジンにおいて、排気通路中の排気ガスから分流されたEGRガス(排気再循環ガス)を前記燃焼室内の外周部位に向けて噴出せしめるEGRガス噴出通路を1シリンダに付き複数個設け、前記複数個のEGRガス噴出通路を前記燃焼室内において異なる方向に指向して開口し、該EGRガス噴出通路から噴出されるEGRガスにより前記燃焼室内の外周部位の酸素濃度を燃焼室内の中央部位の酸素濃度よりも低下せしめるように構成し、
更に前記複数個のEGRガス噴出通路を1つの給気ポートに付き2個設け、該2個のEGRガス噴出通路を前記燃焼室内において互いに逆方向に指向して該2個のEGR噴出通路を互いに逆方向に開口させることを特徴とする。
According to the present invention, in the gas engine, a plurality of EGR gas ejection passages for ejecting EGR gas (exhaust gas recirculation gas) diverted from the exhaust gas in the exhaust passage toward the outer peripheral portion in the combustion chamber is provided per cylinder. The plurality of EGR gas ejection passages are opened in different directions in the combustion chamber, and the oxygen concentration at the outer peripheral portion of the combustion chamber is determined by the EGR gas ejected from the EGR gas ejection passage in the center of the combustion chamber. Configure to lower the oxygen concentration of the site ,
Further, two of the plurality of EGR gas ejection passages are provided per one air supply port, and the two EGR gas ejection passages are directed in opposite directions in the combustion chamber so that the two EGR ejection passages are mutually connected. It is characterized by opening in the reverse direction.
かかる発明によれば、前記燃焼室内において異なる方向に指向して開口された1シリンダに付き複数個のEGRガス噴出通路、詳細には給気ポートに付き2個設けられて互いに逆方向に指向して開口されたEGRガス噴出通路から、前記燃焼室内の外周部のエンドガス内にEGRガスを互いに逆方向に噴出せしめるので、燃焼室内でのEGRガスによる混合ガスの乱れが促進され、燃焼室内における火炎伝播速度が上昇し、EGRガスを含む外周部のエンドガスの低酸素雰囲気での燃焼性能がさらに向上する。 According to this invention, a plurality of EGR gas ejection passages per cylinder opened in different directions in the combustion chamber, more specifically two per gas supply port, are provided and directed in opposite directions. Since the EGR gas is jetted in the opposite direction to the end gas at the outer peripheral portion of the combustion chamber from the EGR gas ejection passage opened in this manner, the disturbance of the mixed gas due to the EGR gas in the combustion chamber is promoted, and the flame in the combustion chamber The propagation speed is increased, and the combustion performance in the low oxygen atmosphere of the end gas in the outer peripheral portion containing the EGR gas is further improved.
また本発明は、前記ガスエンジンにおいて、排気通路中の排気ガスから分流されたEGRガス(排気再循環ガス)を前記燃焼室内の外周部位に向けて噴出せしめるEGRガス噴出通路と、該EGRガス噴出通路におけるEGRガス流量を調整するEGR弁と、前記ガスエンジンにおけるノッキングの強度を検出するノッキングセンサと、該ノッキングセンサからのノッキング強度検出値に基づき該ノッキング強度検出値が予め設定された許容ノッキング強度を超えたときEGRガス流量を増加するように前記EGR弁の開度を制御するコントローラとを備え、前記EGR弁によって流量を制御されて前記EGRガス噴出通路から噴出されるEGRガスにより前記燃焼室内の外周部位の酸素濃度を燃焼室内の中央部位の酸素濃度よりも低下せしめるように構成し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EGR弁を備えたEGRガス噴出通路を1シリンダに付き複数個設けて、前記複数個のEGRガス噴出通路を前記燃焼室内において異なる方向に指向して開口し、前記コントローラは、前記ノッキング強度検出値が前記許容ノッキング強度を超えたとき前記複数個のEGRガス噴出通路におけるEGRガス流量を個別に増加するように前記各EGR弁の開度を個別制御するように構成する。
The present invention also provides an EGR gas ejection passage for ejecting EGR gas (exhaust gas recirculation gas) diverted from the exhaust gas in the exhaust passage toward the outer peripheral portion of the combustion chamber in the gas engine, and the EGR gas ejection An EGR valve that adjusts the EGR gas flow rate in the passage, a knocking sensor that detects the knocking strength in the gas engine, and an allowable knocking strength in which the knocking strength detection value is preset based on the knocking strength detection value from the knocking sensor And a controller for controlling the opening degree of the EGR valve so as to increase the EGR gas flow rate when exceeding the EGR gas flow rate, and the EGR gas whose flow rate is controlled by the EGR valve and ejected from the EGR gas ejection passage. Lower the oxygen concentration at the outer periphery of the chamber than the oxygen concentration at the center of the combustion chamber. Characterized by being configured to so that.
In this invention, preferably, a plurality of EGR gas ejection passages provided with the EGR valve are provided per cylinder, and the plurality of EGR gas ejection passages are opened in different directions in the combustion chamber, The controller is configured to individually control the opening degree of each EGR valve so that the EGR gas flow rates in the plurality of EGR gas ejection passages are individually increased when the knocking strength detection value exceeds the allowable knocking strength. To do.
かかる発明によれば、ノッキングセンサによってエンジンにおけるノッキングの強度を検出してコントローラに入力し、該コントローラにおいてノッキング強度検出値と予め設定された許容ノッキング強度とを比較し、該ノッキング強度検出値が許容ノッキング強度を超えたときEGR弁の開度を増加してEGRガス流量を増加せしめ、該許容ノッキング強度以下になるとEGRガス流量を減少せしめることにより、EGRガス流量を前記許容ノッキング強度に近い流量で運転できる。
また、図11に示されるように、EGRガス流量が増加すると燃焼期間が長くなってエンジン性能が低下するが、かかる発明によればEGRガス流量を許容ノッキング強度以下になると減少せしめるように制御するので、EGRガス流量の過大に伴う燃焼期間の長期化によるエンジン性能の低下を防止しつつ、ノッキングの発生を確実に回避した運転が可能となる。
According to this invention, the knocking sensor detects the knocking strength in the engine and inputs the detected knocking strength to the controller. The controller compares the knocking strength detection value with a preset allowable knocking strength, and the knocking strength detection value is allowed. When the knocking strength is exceeded, the opening degree of the EGR valve is increased to increase the EGR gas flow rate, and when the knocking strength is less than the allowable knocking strength, the EGR gas flow rate is decreased to reduce the EGR gas flow rate to a flow rate close to the allowable knocking strength. I can drive.
Further, as shown in FIG. 11, when the EGR gas flow rate increases, the combustion period becomes longer and the engine performance deteriorates. Therefore, it is possible to perform an operation that reliably avoids the occurrence of knocking while preventing a decrease in engine performance due to a prolonged combustion period due to an excessive EGR gas flow rate.
また、かかる発明において好ましくは、前記コントローラは、前記ノッキング強度検出値が予め設定された許容ノッキング強度を超えたとき前記点火プラグの点火時期を遅らせる手段を備える。
このように構成すれば、前記のようなEGRガス流量を許容ノッキング強度に対応するガス流量以上に保持することによるノッキングの発生防止効果に加えて、ノッキング強度検出値が許容ノッキング強度を超えたとき点火プラグの点火時期を遅らせるように制御することによるノッキングの発生防止効果が重畳されて、さらなるノッキングの発生を回避した安定運転を実現できる。
In this invention, preferably, the controller includes means for delaying the ignition timing of the spark plug when the knocking strength detection value exceeds a preset allowable knocking strength.
According to this structure, when the knocking strength detection value exceeds the allowable knocking strength in addition to the effect of preventing the occurrence of knocking by maintaining the EGR gas flow rate above the gas flow rate corresponding to the allowable knocking strength as described above. The effect of preventing the occurrence of knocking by controlling the ignition plug so as to delay the ignition timing is superimposed, and a stable operation that avoids further occurrence of knocking can be realized.
以上のように本発明によれば、点火プラグによって中央部近傍の着火燃焼性の良好な混合ガスが着火燃焼されるので、着火燃焼性を良好に保持し、この着火火炎を高い火炎伝播速度で以って燃焼室を半径方向に拡散して外周部の酸素濃度低下領域へと伝播することができる。かかる着火火炎によって、EGRガスを含む外周部のエンドガスの低酸素雰囲気での燃焼性能が向上せしめられる。 As described above, according to the present invention , the ignition plug ignites and burns a mixed gas having good ignition combustibility in the vicinity of the center portion, so that the ignition combustibility is maintained well, and the ignition flame is kept at a high flame propagation speed. Thus, the combustion chamber can be diffused in the radial direction and propagated to the oxygen concentration lowering region in the outer peripheral portion. By this ignition flame, the combustion performance in the low oxygen atmosphere of the end gas of the outer peripheral part containing EGR gas is improved.
これにより、燃焼室全体において高い燃焼効率を保持しつつ、外周部のエンドガスの燃焼時におけるNOX発生量が抑制され、さらには外周部に自着火性の大きいガスの残留が少なくなりあるいは無くなるために、ノッキングの発生が抑制されてノッキング限界が上昇し、常時ノッキングの発生を抑制しNOX発生量を抑制しつつ、高い熱効率を保持してエンジンを運転できる。
また、本発明によれば、EGRガスを燃焼室内の外周部位に向けて噴出せしめるEGRガス噴出通路を給気ポートの周壁あるいは給気ポート内に設けるという、きわめて簡単で低コストの装置で以って、前記のようなノッキングの発生を抑制しNOX発生量を抑制しつつ、高い熱効率を保持したガスエンジンを提供できる。
Thus, while maintaining high combustion efficiency in the entire combustion chamber, NO X generation amount is suppressed at the time of combustion of end gas in the outer peripheral portion, and further the less residual self-ignitability of the large gas on the outer peripheral portion or eliminated for , the knocking limit is increased occurrence of knocking is suppressed, while suppressing the suppressing NO X generation amount generated constantly knocking can run the engine with retention of high thermal efficiency.
Further, according to the present invention, an EGR gas injection passage for injecting EGR gas toward the outer peripheral portion in the combustion chamber is provided with an extremely simple and low-cost apparatus in which the EGR gas injection passage is provided in the peripheral wall of the supply port or in the supply port. Te, while suppressing suppressing NO X generation amount of occurrence of the knocking, such as can provide a gas engine which retained high thermal efficiency.
さらに本発明によれば、ノッキング強度検出値と予め設定された許容ノッキング強度とを比較し、該ノッキング強度検出値が許容ノッキング強度を超えたときEGR弁の開度を増加してEGRガス流量を増加せしめ、該許容ノッキング強度以下になるとEGRガス流量を減少せしめることにより、EGRガス流量を前記許容ノッキング強度に近い流量で運転でき、これにより、EGRガス流量の過大に伴う燃焼期間の長期化によるエンジン性能の低下を防止しつつ、ノッキングの発生を確実に回避した運転が可能となる。 Furthermore, according to the present invention, the knocking strength detection value is compared with a preset allowable knocking strength, and when the knocking strength detection value exceeds the allowable knocking strength, the opening degree of the EGR valve is increased and the EGR gas flow rate is increased. When the EGR gas flow rate is decreased and the EGR gas flow rate is decreased below the allowable knocking strength, the EGR gas flow rate can be operated at a flow rate close to the allowable knocking strength, thereby extending the combustion period due to the excessive EGR gas flow rate. It is possible to perform an operation that reliably avoids the occurrence of knocking while preventing a decrease in engine performance.
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。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the embodiments shown in the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the component parts described in this example are not intended to limit the scope of the present invention only to specific examples unless otherwise specified. Only.
図10は本発明が適用されるEGRシステムを備えた直接点火式ガスエンジンの全体構成図である。
図10において、100はエンジン、101は該エンジンのシリンダ(この例では6シリンダ)、112はクランク軸、103は給気マニホールド、114は給気管、104は排気マニホールド、105は排気管である。111はエアクリーナ、113は燃料ガス供給管、110は前記燃料ガス供給管113からの燃料ガスをエアクリーナ111を経た空気と混合して希薄混合気を生成するガス混合装置、109は前記エンジン100に供給される前記希薄混合気の流量を調整するスロットル弁である。
FIG. 10 is an overall configuration diagram of a direct ignition gas engine provided with an EGR system to which the present invention is applied.
10, 100 is an engine, 101 is a cylinder of the engine (6 cylinders in this example), 112 is a crankshaft, 103 is an air supply manifold, 114 is an air supply pipe, 104 is an exhaust manifold, and 105 is an exhaust pipe. 111 is an air cleaner, 113 is a fuel gas supply pipe, 110 is a gas mixing device that mixes fuel gas from the fuel
102は前記排気管105から分岐されて前記給気管114に接続され該排気管105を流れる排気ガスの一部(EGRガス)を給気管114に還流するEGR管で、該EGR管102には前記EGRガスを冷却するEGRクーラ107及び該EGRガスの流量を調整するEGR弁108が設置されている。
50は前記スロットル弁109及びEGR弁108を開閉制御するとともに、各シリンダの点火プラグ(図1参照)の点火時期を制御するコントローラである。
本発明はかかる構成を備えた直接点火式ガスエンジンにおけるEGRシステムの改良に係るものである。
A
The present invention relates to an improvement of an EGR system in a direct ignition gas engine having such a configuration.
図1は本発明の第1実施例に係るEGRシステム付き直接点火式ガスエンジンにおける燃焼室周りの断面図を含む要部構成図、図2は燃焼室周りの概略平面図(説明図)、図3は該第1実施例におけるEGR効果の比較図である。
図1において、121はエンジンのピストン、129はシリンダヘッド、123はシリンダライナ、122は前記ピストン121の上面とシリンダヘッド129の下面とにより区画形成された燃焼室、120は給気ポート、125は該給気ポート120を開閉する給気弁、126は排気ポート、127は該排気ポート126を開閉する排気弁である。
128は前記シリンダヘッド129の燃焼室中央部位(123bはシリンダ中心)に装着されて前記燃焼室122内の混合ガスに火花放電する点火プラグである。
FIG. 1 is a main part configuration diagram including a sectional view around a combustion chamber in a direct ignition gas engine with an EGR system according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic plan view (explanatory view) around the combustion chamber. 3 is a comparison diagram of the EGR effect in the first embodiment.
In FIG. 1, 121 is an engine piston, 129 is a cylinder head, 123 is a cylinder liner, 122 is a combustion chamber defined by an upper surface of the
5は前記エンジン100(図10参照)の回転数(エンジン回転数)を検出するエンジン回転数検出器、6は前記エンジン100の負荷(エンジン負荷)を検出する負荷検出器である。2は前記エンジン100におけるノッキングを検知するノッキングセンサで、該エンジン100の筒内圧力を検出してノッキングの強度を検知するように構成するのが好適である。
50は後述する制御操作を行うコントローラである。前記エンジン回転数検出器5からのエンジン回転数の検出値、前記負荷検出器6からのエンジン負荷の検出値、及び前記ノッキングセンサ2からのノッキングの検出値は前記コントローラ50に入力され、該コントローラ50はこれらの検出値に基づき後述するような制御操作を行って、その結果によって前記点火プラグ128の点火時期を制御するようになっている。
図1において、1は前記シリンダヘッド129の内部に穿孔されたEGRガス噴出通路で、図10に示されるように、排気管105から分岐されEGRクーラ107及びEGRガスの流量を調整するEGR弁108が設置されたEGR管102に接続されて、該EGR管102を経たEGRガスが導入されている。
該EGRガス噴出通路1は、前記給気ポート120の周壁120aに、前記給気弁125の開弁時に該EGRガス噴出通路1から噴出されたEGRガスが前記燃焼室122内の外周部位、具体的には図2に示されるように、該外周部位のシリンダライナ内面123aに沿って滞留している自着火性の大きいエンドガス中に到達するように指向して開口されている。
In FIG. 1,
The EGR
かかる直接点火式ガスエンジン運転時において、図10に示されるように、燃料ガス供給管113を通して供給された燃料ガスは、ガス混合装置110においてエアクリーナを経た空気と混合されて希薄混合気となる。該希薄混合気は給気ポート120を通り給気弁125の開弁とともに燃焼室122内に導入される。
そして、前記給気弁125の開弁時に、図1、2のS1矢印のように、前記EGRガス噴出通路1からEGRガスを前記燃焼室122の外周部位のシリンダライナ内面123aに沿って滞留している自着火性の高いエンドガス中に集中的に噴出せしめる。かかるEGRガスの供給により、該燃焼室122のシリンダライナ内面123aに沿った外周部位にはEGRガスによる酸素濃度低下領域Z(図2参照)が形成される。
During the operation of the direct ignition gas engine, as shown in FIG. 10, the fuel gas supplied through the fuel
When the
前記のようなEGRガス噴出通路1からのEGRガスの噴出によって、燃焼室122内における酸素(O2)濃度分布は、図3に示されるように、Aで示す従来技術のような均一分布から、Bで示すような中央部寄りのO2濃度が大きくシリンダライナ内面123aに沿った外周部位がO2濃度が低下した酸素濃度低下領域Zとなる。
即ち、かかるEGRガス噴出通路1からのEGRガスの噴出によって、点火プラグ128が設置されている燃焼室122の中央部近傍では、給気ポート120からEGRガスを含まない新気つまり燃料ガスと空気の希薄混合気が供給されるため、該点火プラグ128による着火燃焼性の良好なガス状態となり、結局、前記燃焼室122は中央部近傍に着火燃焼性の良好なガス領域が形成され、外周部にEGRガスによる酸素濃度低下領域Zが形成された層状のガス分布となる。
As a result of the ejection of EGR gas from the EGR
That is, when the EGR gas is ejected from the EGR
そしてかかる層状のガス分布のもとで、図1に示されるように、シリンダヘッド129の燃焼室中央部位に装着された点火プラグ128により燃焼室122中央部近傍の希薄混合気中に火花放電し、該部の希薄混合気に点火して着火火炎を生成する。この着火火炎は燃焼室122内を半径方向に外周部に向かって拡散して行き、外周部の酸素濃度低下領域Zにおいてエンドガスの低酸素雰囲気での低NOX燃焼が行われる。
Then, under such a layered gas distribution, as shown in FIG. 1, a spark discharge is generated in the lean air-fuel mixture near the center of the
また、前記コントローラ50においては、前記点火プラグ128の点火時期を、前記エンジン回転数検出器5で検出されたエンジン回転数の増加、または負荷検出器6で検出されたエンジン負荷の増加に従い進角するように制御する。
さらに前記コントローラ50においては、前記ノッキングセンサ2からのノッキングの検出値に基づきノッキングの強度を算出し、該ノッキングの強度検出値と予め設定された許容ノッキング強度とを比較し、前記ノッキング強度検出値が許容ノッキング強度を超えたとき、該ノッキングの強度検出値が前記許容ノッキング強度以下になるまで、前記点火プラグ128の点火時期を進めるように制御する。
In the
Further, the
従って、かかる第1実施例によれば、点火プラグ128によって中央部近傍の着火燃焼性の良好な混合ガスが着火燃焼されるので、着火燃焼性を良好に保持し、この着火火炎を高い火炎伝播速度で以って燃焼室122内を半径方向に拡散して外周部の酸素濃度低下領域Zへと伝播することができ、かかる着火火炎によって、EGRガスを含む外周部のエンドガスの低酸素雰囲気での燃焼性能が向上せしめられる。
これにより、燃焼室122全体において高い燃焼効率を保持しつつ、外周部のエンドガスの燃焼時におけるNOX発生量が抑制され、さらには外周部に自着火性の大きいガスの残留が少なくなりあるいは無くなるために、ノッキングの発生が抑制されてノッキング限界つまり前記許容ノッキング強度を上昇せしめることができる。
Therefore, according to the first embodiment, the
Thus, while maintaining high combustion efficiency in the
図4は本発明の第2実施例を示す図1対応図である。
かかる第2実施例においては、EGRガス噴出通路を前記給気ポート120の内部に設けたEGRガス噴出管3により構成している。そして、該EGRガス噴出管3は、給気弁125の開弁時に該EGRガス噴出管3から噴出されたEGRガスが前記燃焼室122内の外周部位、具体的には図2に示されるように、該外周部位のシリンダライナ内面123aに沿って滞留している自着火性の大きいエンドガス中に到達するように指向して開口されている。
かかる第2実施例によれば、前記給気ポート120の内部において、EGRガス噴出管3の向きをある程度自由に設定できるので、目標とするEGRガスの噴出方向についての指向性が増し、目標とする外周部位のエンドガス中に正確にEGRガスを供給できる。
その他の構成、及び作用効果は、図1ないし図3に示される第1実施例と同様であり、これらと同様な部材あるいは要素は同一の符号で示す。
FIG. 4 is a view corresponding to FIG. 1 showing a second embodiment of the present invention.
In the second embodiment, the EGR gas ejection passage is constituted by the EGR
According to the second embodiment, since the direction of the EGR
Other configurations and operational effects are the same as those of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 3, and the same members or elements are denoted by the same reference numerals.
図5は本発明の第3実施例を示す図1対応図、図6は燃焼室周りの概略平面図(説明図)である。
かかる第3実施例においては、EGRガス噴出通路を1つの給気ポート120に付き2個設け、該2個のEGRガス噴出通路を前記燃焼室122内において互いに逆方向に指向して開口している。
即ち図5〜図6において、前記給気ポート120のそれぞれに設けられた2個のEGRガス噴出通路のうち、一方のEGRガス噴出通路1は、前記給気ポート120の周壁120aに、前記給気弁125の開弁時に該EGRガス噴出通路1から噴出されたEGRガスが、図6のS1矢印のように前記給気弁125からの給気流の上流側のシリンダライナ内面123aに沿って滞留しているエンドガス中に噴出するように指向して開口されている。
また他方のEGRガス噴出通路であるEGRガス噴出管3は、給気弁125の開弁時に該EGRガス噴出管3から噴出されたEGRガスが、図6のS2矢印のように前記給気弁125からの給気流の下流側のシリンダライナ内面123aに沿って滞留しているエンドガス中に噴出するように指向して開口されている。
FIG. 5 is a view corresponding to FIG. 1 showing a third embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a schematic plan view (explanatory view) around the combustion chamber.
In the third embodiment, two EGR gas ejection passages are provided for one
That is, in FIGS. 5 to 6, of the two EGR gas ejection passages provided in each of the
Further, the EGR
かかる第3実施例によれば、前記燃焼室122内において互いに逆方向に指向して開口されたEGRガス噴出通路、つまり前記給気ポート120に付き2個設けられて互いに逆方向に指向して開口されたEGRガス噴出通路1とEGRガス噴出管3とより、前記燃焼室122内の外周部のエンドガス内にEGRガスを互いに逆方向に噴出せしめるので、該燃焼室122内でのEGRガスによる混合ガスの乱れが促進される。
これにより、該燃焼室122内における火炎伝播速度が上昇し、EGRガスを含む外周部のエンドガスの低酸素雰囲気での燃焼性能がさらに向上する。
その他の構成、及び作用効果は、図1ないし図3に示される第1実施例と同様であり、これらと同様な部材あるいは要素は同一の符号で示す。
According to the third embodiment, two EGR gas ejection passages opened in opposite directions in the
Thereby, the flame propagation speed in the
Other configurations and operational effects are the same as those of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 3, and the same members or elements are denoted by the same reference numerals.
図7は本発明の第4実施例を示す図1対応図、図8は該第4実施例における作用説明図、図9は該第4実施例における制御ブロック図である。
かかる第4実施例においては、前記第3実施例におけるEGRガス噴出通路1及びEGRガス噴出管3に、該EGRガス噴出管3及びEGRガス噴出通路1におけるEGRガス流量を制御する第1、第2EGR弁7、8を設け、ノッキング強度の検出値によって該第1、第2EGR弁7、8の開度を変化させて、前記EGRガス噴出管3及びEGRガス噴出通路1からのEGRガス流量を制御している。
FIG. 7 is a diagram corresponding to FIG. 1 showing a fourth embodiment of the present invention, FIG. 8 is an operation explanatory diagram of the fourth embodiment, and FIG. 9 is a control block diagram of the fourth embodiment.
In the fourth embodiment, the EGR
即ち、図7において、7は前記第3実施例のEGRガス噴出管3に設けられ該EGRガス噴出管3から噴出されるEGRガス流量を制御する第1EGR弁、8は前記第3実施例のEGRガス噴出通路1に設けられ該EGRガス噴出通路1から噴出されるEGRガス流量を制御する第2EGR弁である。
5は前記エンジン100(図10参照)の回転数(エンジン回転数)を検出するエンジン回転数検出器、6は前記エンジン100の負荷(エンジン負荷)を検出する負荷検出器である。2は前記エンジン100におけるノッキングを検知するノッキングセンサで、該エンジン100の筒内圧力を検出してノッキングの強度を検知するように構成するのが好適である。
50は後述する制御操作を行うコントローラである。前記エンジン回転数検出器5からのエンジン回転数の検出値、前記負荷検出器6からのエンジン負荷の検出値、及び前記ノッキングセンサ2からのノッキングの検出値は前記コントローラ50に入力され、該コントローラ50はこれらの検出値に基づき後述するような制御操作を行って、その結果によって前記第1EGR弁7及び第2EGR弁8の開度、並びに点火プラグ128の点火時期を制御するようになっている。
That is, in FIG. 7, 7 is a first EGR valve that is provided in the EGR
次に、図9に基づきかかる第4実施例の制御操作について説明する。
前記ノッキングセンサ2からのノッキングの検出値は、前記コントローラ50のノッキングの強度比較部55に入力されてノッキングの強度が算出される。
また、前記エンジン回転数検出器5からのエンジン回転数の検出値、前記負荷検出器6からのエンジン負荷の検出値は、後述する点火時期算出部53及びEGR量算出部54に入力されている。
56は許容ノッキング強度設定部で、許容ノッキング強度つまりノッキング限界とEGRガス流量Qとの関係が、ノッキング強度が上がるに従いEGRガス流量Qを増加するように設定されている。
前記ノッキングの強度比較部55においては、前記ノッキング強度の検出値と前記許容ノッキング強度設定部56に設定された許容ノッキング強度とを比較し、その比較結果を点火時期算出部53及びEGR量算出部54に入力する。
Next, the control operation of the fourth embodiment will be described with reference to FIG.
The knocking detection value from the knocking
Further, the detected value of the engine speed from the
56 is an allowable knocking strength setting unit, and the relationship between the allowable knocking strength, that is, the knocking limit and the EGR gas flow rate Q is set so that the EGR gas flow rate Q increases as the knocking strength increases.
In the knocking
EGR量算出部54においては、前記ノッキングの強度比較部55からの比較結果においてノッキング強度検出値が許容ノッキング強度を超えているときには、EGRガス流量を増加し、EGR量設定部52に設定されたエンジン回転数及びエンジン負荷の検出値に対応したEGRガス流量に、前記EGRガス流量の増加量を加算して、EGR弁制御装置10に入力する。
該EGR弁制御装置10においては、前記EGRガス流量Qの、前記第1EGR弁7の配分量Q1及び第2EGR弁8の配分量Q2を算出する。
この場合、該EGR弁制御装置10においては、図8に示すように、前記ノッキング強度の大きさによって前記EGRガス流量Qの配分量Q1、Q2を変え(この場合はノッキング強度が大きくなるに従いQ1/Q2が小さくなるように設定されている)、ノッキング強度が大きくなるに従いノッキング強度の低減効果の大きい側のEGR弁、たとえばこの例の場合は第2EGR弁8のEGRガス流量Qの配分量Q2を大きくするように制御する。
In the EGR
In the EGR
In this case, in the EGR
従って、前記ノッキングの強度比較部55から、ノッキン強度の検出値が許容ノッキング強度を超えた比較結果が入力されると、該EGR弁制御装置10においては、前記のようなノッキングの強度に対応したEGRガス流量Qの配分量比に基づく、第1EGR弁7の配分量Q1及び第2EGR弁8の配分量Q2を算出し、該第1EGR弁7及び第2EGR弁8の開度を、前記EGRガス流量の配分量Q1及び第2EGR弁8の配分量Q2に相当する開度に制御する。
Therefore, when the comparison result that the detected value of the knocking intensity exceeds the allowable knocking intensity is input from the knocking
また、51は点火時期設定部で、前記ノッキング強度検出値が許容ノッキング強度を超えたとき、前記点火プラグ128の点火時期を、前記エンジン回転数またはエンジン負荷に関連させて、遅角するように設定している。
前記点火時期算出部53においては、前記ノッキングの強度の検出値を前記点火時期設定部51に設定された許容ノッキング強度と点火時期との関係から、前記ノッキング強度検出値が許容ノッキング強度を超えたとき、点火時期を遅らせるように点火回路9を制御し、該点火回路9により前記点火プラグ128の点火時期を遅延させる。これにより、該ノッキングの強度検出値が前記許容ノッキング強度以下になるまで、前記点火プラグ128の点火時期を遅角するように制御される。
An ignition
In the ignition timing
かかる第4実施例によれば、ノッキングセンサ2によってエンジンにおけるノッキングの強度を検出してコントローラ50に入力し、該コントローラ50においてノッキング強度検出値と予め設定された許容ノッキング強度とを比較し、該ノッキング強度検出値が許容ノッキング強度を超えたとき、第1EGR弁7及び第2EGR弁8の開度を、該第1EGR弁7側のEGRガス噴出管3のEGRガス流量Q1と該第2EGR弁8側のEGRガス噴出通路1のEGRガス流量Q2との配分量を制御つつ、EGRガス流量を増加せしめ、該許容ノッキング強度以下にになるとEGRガス流量を減少せしめることにより、EGRガス流量を前記許容ノッキング強度に近い流量で運転できる。
According to the fourth embodiment, the knocking
即ち、図11に示されるように、EGRガス流量が増加すると燃焼期間が長くなってエンジン性能が低下するが、かかる第4実施例によれば、EGRガス流量を許容ノッキング強度以下になると減少せしめるように制御することにより、EGRガス流量の過大に伴う燃焼期間の長期化によるエンジン性能の低下を防止しつつ、ノッキングの発生を確実に回避した運転が可能となる。
従ってかかる第4実施例によれば、前記のようなEGRガス流量を許容ノッキング強度に対応するガス流量以上に保持することによるノッキングの発生防止効果に、ノッキング強度検出値が許容ノッキング強度を超えたとき点火プラグの点火時期を遅らせるように制御することによるノッキングの発生防止効果を重畳して、さらなるノッキングの発生を回避した安定運転を実現できる。
That is, as shown in FIG. 11, when the EGR gas flow rate increases, the combustion period becomes longer and the engine performance deteriorates. However, according to the fourth embodiment, the EGR gas flow rate is decreased when the EGR gas flow rate is lower than the allowable knocking strength. By controlling in this way, it is possible to perform an operation that reliably avoids the occurrence of knocking while preventing a decrease in engine performance due to a prolonged combustion period due to an excessive EGR gas flow rate.
Therefore, according to the fourth embodiment, the knocking strength detection value exceeds the allowable knocking strength in the effect of preventing the occurrence of knocking by maintaining the EGR gas flow rate above the gas flow rate corresponding to the allowable knocking strength. When the ignition timing of the spark plug is controlled so as to be delayed, the knocking prevention effect by superimposing can be superimposed to realize stable operation that avoids further knocking.
本発明によれば、点火プラグにより混合ガスを着火燃焼せしめるように構成されEGRシステムを備えたガスエンジンにおいて、簡単な構造でかつ低コストの装置で以って、点火プラグによる着火燃焼性能を良好に保持することができ、EGRガスの供給による十分なノッキング限界の上昇効果及びNOXの低減効果が得られるEGRシステム付きガスエンジンを提供できる。 According to the present invention, in a gas engine having an EGR system that is configured to ignite and burn mixed gas by means of a spark plug, the ignition combustion performance by the spark plug is good with a simple structure and a low-cost device. It can be held to, provide adequate knock limit increasing effect and NO X EGR system with a gas engine which reduction effect can be obtained in accordance with the supply of the EGR gas.
1 EGRガス噴出通路
2 ノッキングセンサ
3 EGRガス噴出管
5 エンジン回転数検出器
6 負荷検出器
7 第1EGR弁
8 第2EGR弁
50 コントローラ
100 エンジン
120 給気ポート
121 ピストン
122 燃焼室
125 給気弁
128 点火プラグ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
更に前記複数個のEGRガス噴出通路を1つの給気ポートに付き2個設け、該2個のEGRガス噴出通路を前記燃焼室内において互いに逆方向に指向して該2個のEGR噴出通路を互いに逆方向に開口させることを特徴とするEGRシステム付きガスエンジン。 A gas mixture of gas fuel and air is supplied to a combustion chamber from an air supply port, and spark discharge is generated in the gas mixture by an ignition plug provided in the combustion chamber so that the gas mixture is ignited and combusted. In the gas engine, a plurality of EGR gas ejection passages for ejecting EGR gas (exhaust gas recirculation gas) diverted from the exhaust gas in the exhaust passage toward the outer peripheral portion of the combustion chamber are provided per cylinder. The EGR gas ejection passage is opened in different directions in the combustion chamber, and the oxygen concentration in the outer peripheral portion of the combustion chamber is determined from the oxygen concentration in the central portion of the combustion chamber by the EGR gas ejected from the EGR gas ejection passage. Is also configured to lower ,
Further, two of the plurality of EGR gas ejection passages are provided per one air supply port, and the two EGR gas ejection passages are directed in opposite directions in the combustion chamber so that the two EGR ejection passages are mutually connected. A gas engine with an EGR system that opens in the opposite direction .
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