JP4599390B2 - マイクロパイロット噴射式ガスエンジン - Google Patents

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Description

本発明は、副室内に設けた燃料噴射弁から副室内に噴射される燃料ガスの燃焼により発生した着火火炎を、連絡孔を通して主燃焼室に噴出させて該主燃焼室の予混合混合気を燃焼させるようにしたマイクロパイロット噴射式ガスエンジンにおいて、ガス開閉弁の開閉を制御することによる始動時の空燃比制御手段に関する。
ガスエンジンは、一般に燃料ガスと空気とを予混合して主燃焼室に送り込み、燃料噴射弁を備えたマイクロパイロット噴射式等の着火装置により発生した着火火炎によって着火燃焼せしめるようにして、希薄混合気燃焼を行っているため、エンジンの始動性が他のエンジンに比べて困難であり、このため始動性の向上に主々の手段が用いられている。
図５は、従来技術に係るマイクロパイロット噴射式ガスエンジンの始動方法の一例を示すフローチャートである。図５により、マイクロパイロット噴射式ガスエンジンの始動方法ついて説明する。
図５において、エンジン制御装置より始動指令が出ると（ステップ（１））、まずエンジンは１／２スキップファイア間歇運転を行う（ステップ（２））。
間歇運転とは、図３に示すように、（Ａ）の１／２間歇運転では燃料供給しての着火運転（図３（１）の１）と燃料を遮断しての不着火運転（図３（１）の０）とをサイクルごとに交互に繰り返し、主燃焼室内に着火〜不着火の変動を繰り返す。
また、１／５スキップファイア間歇運転では燃料供給しての着火運転（図３（２）の１）と燃料を遮断しての不着火運転（図３（２）の０）とを、５サイクルに１回不着火運転（図４（２）の０）が入るようにサイクルごとに繰り返す。つまり、主燃焼室内に４回着火〜１回不着火の変動を繰り返す。
ここでスキップファイア間歇運転とは後記段落[００２４]等からも明らかなように、前記ガスエンジンの始動時においてエンジン回転数の検出値によって前記各シリンダのガス開閉弁をエンジンサイクル単位毎に開閉制御し、該ガス開閉弁より燃料供給しての着火運転と燃料を遮断しての不着火運転とを、複数のエンジンサイクルに１回に不着火運転が入るように前記ガス開閉弁の閉タイミングサイクルを複数ピッチサイクルごとに繰り返す間歇運転をいう。
次いで、前記１／２スキップファイア間歇運転をしながらエンジン回転数を予め設定した始動回転数N（アイドリング回転数）の８０％（８０％Ｎ）に上げる（ステップ（３））。
この段階で、タイマーを用いて３分間の暖気運転を行う（ステップ（４）、（５））。
次いで、前記始動回転数の９０％（９０％Ｎ）まで回転を上げる（ステップ（６））。
次いで、前記１／５スキップファイア間歇運転に移行し、燃料供給回数（スキップファイアが、５回に１回）を増加する（ステップ（７））。その後、前記始動回転数の１００％（１００％Ｎ）まで回転を上げる（ステップ（８））。
そして、前記始動回転数の１００％（１００％Ｎ）で、エンジン負荷の１０％を検出したら（ステップ（９））、始動回転数の１００％（１００％Ｎ）での通常運転に入る（ステップ（１０））。
また、特許文献１（特開平９−１４０５７号公報）には、主燃焼室に通ずる燃料供給通路と副室に通ずる副燃料供給通路とを設け、該副燃料供給通路に、エンジンの始動操作開始と同時に開弁し、時間の経過に比例して弁の開度を増し前開にいたるスローオープンバルブを設けて、該スローオープンバルブを開くことにより、副室内の混合気の空燃比を、一定時間燃焼可能範囲に保持して、始動性を向上させている。
特開平９−１４０５７号公報
しかしながら、前記従来技術には次のような解決すべき問題点がある。
即ち、前記４サイクルガスエンジンは、燃料ガスと空気とを予混合して燃焼室に送り込み、マイクロパイロット噴射式からなる着火装置により発生した着火火炎によって、着火燃焼せしめるようにして希薄混合気燃焼を行っているため、始動時におけるエンジン回転数の変動が、変化して安定しにくい傾向にある。
４サイクルガスエンジンは、所要の着火性能を確保するには、主燃焼室内の燃料ガスと空気との混合比つまり空燃比を理論混合比に近づける必要がある。しかし、始動時で低回転運転時には、必要なガス量が少ない一方、ピストン行程容積により主燃焼室内の空気量が決まるため、空気が多い状態つまり空燃比が大きくなってしまう。
係る空燃比が大きくなることについては、点火プラグを用いた電気着火方式のガスエンジンでは、給気ラインに絞りを入れて供給空気量を低下させる方法が採用されているが、マイクロパイロット噴射式ガスエンジンでは、かかる方法は採用できない。
そこで、マイクロパイロット噴射式ガスエンジンでは、図５の方法によって、１／２スキップファイア間歇運転と、１／５スキップファイア間歇運転とを織り交ぜて、始動時における燃料ガスの量（つまり燃料ガス変動量）を増加して、始動時の空燃比を制御している。
しかしながら、図５の方法では、エンジンの状態には関係なく、始動指令が出るとエンジンは１／２スキップファイア間歇運転に入り、エンジン回転数を予め設定した始動回転数Ｎ（アイドリング回転数）の８０％（８０％Ｎ）に上げ、この段階で、タイマーを用いて３分間の暖気運転を行う。次いで、前記始動回転数の９０％（９０％Ｎ）まで回転を上げるようになっている。
即ち、図５の方法では、エンジンの燃焼状態には関係なく、１／２スキップファイア間歇運転と、１／５スキップファイア間歇運転とを織り交ぜて始動回転数まで上げていって、さらに中間に３分間の暖気運転を行うようになっているため、エンジンの運転状態を間歇運転のデータに用いることが出来ず、また、暖気運転の時間の短縮が臨まれている。
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、マイクロパイロット噴射式ガスエンジンにおいて、始動時にエンジンの運転状態を間歇運転に取り入れて、始動時の空燃比の制御を高精度化するとともに、暖気運転の時間の短縮あるいはこれの除去を実現できるマイクロパイロット噴射式ガスエンジン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、燃料ガス通路からの燃料ガスと空気とを予混合してエンジンの各シリンダの主燃焼室に送り込むとともに、燃料噴射弁から副室内に噴射される液体燃料の燃焼により発生した着火火炎を、前記各シリンダの副室と主燃焼室を接続する連絡孔を通して該主燃焼室に噴出させて該主燃焼室の予混合の混合気を燃焼させるマイクロパイロット噴射式ガスエンジンにおいて、
前記各シリンダへの燃料ガス通路に設けられ、燃料ガスの通過面積と開閉期間を自在に変更可能に構成したガス開閉弁と、エンジン回転数を検出する回転数検出器と、前記各シリンダの筒内圧力から各シリンダ毎の燃焼状態を検出する燃焼診断装置と、前記回転数検出器からのエンジン回転数が入力され該エンジン回転数によって作動する弁間歇作動制御装置とをそなえ、前記弁間歇作動制御装置は、前記ガスエンジンの始動時においてエンジン回転数の検出値によって前記各シリンダのガス開閉弁をエンジンサイクル単位毎に開閉制御し、該ガス開閉弁より燃料供給しての着火運転と燃料を遮断しての不着火運転とを、複数のエンジンサイクルに１回に不着火運転が入るように前記ガス開閉弁の閉タイミングサイクルを複数ピッチサイクルごとに繰り返すスキップファイア間歇運転を行うと共に、
前記弁間歇作動制御装置は、前記燃焼診断装置からの各シリンダの燃焼状態検出値の検出波形のすべてのシリンダの検出波形が目標値に達している場合と、各シリンダの燃焼状態検出値の検出波形が目標値に達していない場合とで、前記ピッチサイクルを異ならせ、該検出波形のすべてが目標値に達している前者のピッチサイクル（ｎ：整数）ピッチを、検出波形が目標値に達していない後者のピッチサイクル（ｍ：０を含む整数）より大（ｎ＞ｍ）に設定したことを特徴とする。
かかる発明において、好ましくは、前記弁間歇作動制御装置は、各シリンダのガス開閉弁を空燃比が目標値になるように順次間歇開閉せしめる。
本発明によれば、前記弁間歇作動制御装置は、前記燃焼診断装置からの各シリンダの燃焼状態検出値の検出波形のすべてのシリンダの検出波形が目標値に達している場合と、各シリンダの燃焼状態検出値の検出波形が目標値に達していない場合とで、前記ピッチサイクルを異ならせ、該検出波形のすべてが目標値に達している前者のピッチサイクル（ｎ：整数）ピッチを、検出波形が目標値に達していない後者のピッチサイクル（ｍ：０を含む整数）より大（ｎ＞ｍ）に設定したために、
始動指令後、主燃焼室内には、所定開閉ピッチでガス開閉弁が開閉することにより、ガス開閉弁の間歇開閉に伴う、たとえば１／２スキップファイア間歇運転の着火〜不着火のガス変動量の圧力波が生起される。
そして、前記弁間歇作動制御装置は、前記燃焼診断装置においてエンジンの各シリンダの筒内圧力から各シリンダの燃焼状態を検出して、該シリンダ毎の燃焼状態検出値の検出波形に基づいて該検出波形の状態から燃焼状態を判断し、前記検出波形に適合する空燃比になるように、前記ガス開閉弁の開閉ピッチたとえば１／２スキップファイア間歇運転のときは着火〜不着火のサイクル数を決め、かかる開閉ピッチにて間歇的に開閉する。
尚、この場合、各シリンダのガス開閉弁を空燃比が目標値になるように順次間歇開閉せしめるのがよい。
従って、前記ガス開閉弁は、エンジンの始動時において燃焼診断装置からの燃焼状態検出値の検出波形が常時、弁間歇作動制御装置に入力されており、該燃焼診断装置からの燃焼状態検出値の検出波形に従い、検出波形に適合する空燃比になるような開閉ピッチで開閉されることとなって、始動時の空燃比の制御が、ガス開閉弁の開閉ピッチの設定により高精度化される。
また、以上の高精度制御により暖気運転は不要となり、エンジンの始動時間を短縮できる。
また、前記弁間歇作動制御装置は、前記の通り、検出波形のすべてが目標値に達している前者のピッチサイクル（ｎ：整数）ピッチを、検出波形が目標値に達していない後者のピッチサイクル（ｍ：０を含む整数）より大（ｎ＞ｍ）に設定したために、
燃焼診断装置からの各シリンダの燃焼状態検出値の検出波形が目標値に達していないシリンダについては、たとえば、１／２スキップファイア間歇運転では燃料供給しての着火運転（図３（１）の１）と燃料を遮断しての不着火運転（図３（１）の０）とをサイクルごとに交互に繰り返す。
燃焼が弱いシリンダがあった場合には、当該シリンダを燃焼が安定化するまで、第１のピッチ（後者のピッチサイクル）、つまり１／２スキップファイア間歇運転を継続することによって、燃焼状態検出値の検出波形に一致させる。また各シリンダの燃焼状態検出値の検出波形が目標値に達している場合には、そのまま、前記第１のピッチよりもエンジンサイクル単位毎の開度割合が高い第２のピッチ（後者のピッチサイクル）、たとえば１／５スキップファイア間歇運転でガス量開閉弁を間歇開閉作動する。
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４サイクルガスエンジンの全体構成図である。
図１において、符号１００で示されるエンジン（ガスエンジン）は、マイクロパイロット噴射式４サイクルガスエンジンであり、シリンダ１０２ａ内に往復摺動自在に嵌合されたピストン１０２、前記ピストン１０２の上面とシリンダ１０２ａの内面との間に区画形成される主燃焼室１０１、該主燃焼室１０１に接続される吸気ポート１０３、該吸気ポート１０３を開閉する吸気弁１０４、等を備えている。１０６はシリンダヘッドである。
前記吸気ポート１０３の上流には、ガスミキサー１１０が設置され、燃料ガス管１０９を通して供給された燃料ガスと、空気とを該ガスミキサー１１０で予混合する。そして、この予混合混合気は前記スロットル弁（図示省略）の開度制御によって流量を調整されて吸気ポート１０３を経て吸気弁１０４に達し、該吸気弁１０４の開弁によって前記主燃焼室１０１に供給されている。
ここで、１はガス開閉弁で、前記燃料ガス管１０９の通路面積と開閉期間を自在に変更可能に構成されている。
また、１０は副室口金で該副室口金１０の内部に副室１２が形成されている。１４はノズルホルダーで、該ノズルホルダー１４に内部には燃料噴射弁１３が設置されている。１５は液体燃料（軽油）の入口管で、液体燃料は前記入口管１５から燃料噴射弁１３に達する。
そして、前記吸気行程に主燃焼室１０１から連絡孔１１を通って、前記副室１２内に導入された予混合混合気中に前記燃料噴射弁１３から液体燃料が噴射されて燃焼し、この燃焼により発生した着火火炎が、前記連絡孔１１を通して該主燃焼室１０１に還流噴出させて該主燃焼室１０１の予混合混合気を燃焼させる。
以上の構成は、従来のマイクロパイロット噴射式ガスエンジンと同様である。本発明はかかるガスエンジンにおける始動性の向上に関するものである。
前記のように、ガス開閉弁１は、前記燃料ガス管１０９の通路面積と開閉期間を自在に変更可能に構成されている。
２は弁開閉作動制御装置で、該ガス開閉弁１を開閉動作するものである。
該弁開閉作動制御装置２には、エンジン１００の回転数を検出する回転数検出器４、及びエンジンの各シリンダの筒内圧力から各シリンダの燃焼状態を検出する燃焼診断装置３の診断結果が入力される。５はエンジンの各シリンダの筒内圧力を検出する筒内圧検出器５で該筒内圧検出器５からの筒内圧力検出信号は前記燃焼診断装置３に入力される。
次に図２〜図４を参照して本発明の作動を説明する。
図２は本発明の実施例にかかるマイクロパイロット噴射式ガスエンジンの始動方法の一例を示すフローチャート、図３は前記マイクロパイロット噴射式ガスエンジンの始動動作のシリンダ別配置表、図４は燃焼診断装置の検出結果の一例である。
図２において、エンジン制御装置より始動指令が出ると（ステップ（１））、まずエンジンは１／２スキップファイア間歇運転を行う（ステップ（２））。
間歇運転とは、前述のように、図３（Ａ）の１／２スキップファイア間歇運転では、燃料供給しての着火運転（図３（１）の１）と燃料を遮断しての不着火運転（図３（１）の０）とをエンジンサイクルごとに交互に繰り返し、主燃焼室内に着火〜不着火の変動を繰り返す。
また、１／５スキップファイア間歇運転では、燃料供給しての着火運転（図３（２）の１）と燃料を遮断しての不着火運転（図３（２）の０）とを、５サイクルに１回に不着火運転（図４（２）の０）が入るようにエンジンサイクルごとに繰り返す。つまり、主燃焼室内に４回着火〜１回不着火の変動を繰り返す。
次いで、前記１／２スキップファイア間歇運転をしながら（ステップ（２））、エンジン回転数を予め設定した始動回転数Ｎ（アイドリング回転数）の９０％（９０％Ｎ）に上げる（ステップ（６））。
そして始動指令において、この９０％Ｎで以って、エンジン１００の燃焼状態を燃焼診断装置３からのデータにより計測する（ステップ（１１））。
即ち前記弁間歇作動制御装置２は、前記燃焼診断装置３においてエンジンの各シリンダの筒内圧力検出器５から各シリンダの燃焼状態を検出して、該シリンダ毎の燃焼状態検出値の検出波形に基づいて該検出波形の状態から燃焼状態を判断する。つまり、図４のＡに示す筒内圧力が正規の筒内圧力（圧力Ｐ１）の場合である。これに対し図４のＢのように筒内圧力（圧力Ｐ０）が低下している場合は異常と判断する。
前記燃焼診断装置３における、診断結果が正常の場合、つまり図４のＡに示す筒内圧力が正規の筒内圧力（圧力Ｐ１）は、前記１／５スキップファイア間歇運転に移行し、燃料供給回数（スキップファイアが、５回に１回）を増加する（ステップ（１２））。
また、図４のＢのように筒内圧力（圧力Ｐ０）が低下している場合は、当該シリンダの燃焼に弱い部分があるものと判断して、前記１／２スキップファイア間歇運転を継続して、燃焼を安定化させる（ステップ（１３））。
即ち、燃焼診断装置３に検出波形に適合する空燃比となるような、該ガス開閉弁１の間歇開閉ピッチで、１／２スキップファイア間歇運転の着火〜不着火の間隔を変えてガス変動量の圧力波が生起させることにとり、始動時の空燃比の制御を行う。
また、前記検出波形に適合する空燃比になるように、前記ガス開閉弁１の開閉ピッチ、たとえば１／２スキップファイア間歇運転のときは着火〜不着火のサイクル数を決め、かかる開閉ピッチにてガス開閉弁１を間歇的に開閉する。
前記燃焼診断装置３の検出波形に一致すると、前記始動回転数の１００％（１００％Ｎ）まで回転を上げる（ステップ（８））。
そして、前記始動回転数の１００％（１００％Ｎ）で、エンジン負荷の１０％を検出したら（ステップ（９））、始動回転数の１００％（１００％Ｎ）での通常運転に入る（ステップ（１０））。
この場合、各シリンダのガス開閉弁１を、前記手段によって空燃比が目標値になるように、間歇開閉せしめる。このようにすれば、どのシリンダの主燃焼室１０１も同様に暖気されるので、シリンダによる燃焼のバラツキを抑えることができる。
以上のように、本発明の実施例によれば、
始動指令後、主燃焼室１０１内には、所定開閉ピッチでガス開閉弁１が開閉することにより、ガス開閉弁１の間歇開閉に伴う、たとえば１／２スキップファイア間歇運転の着火〜不着火のガス変動量の圧力波が生起される。
そして、前記弁間歇作動制御装置２は、前記燃焼診断装置３において、エンジン１００の各シリンダの筒内圧力検出器５によって筒内圧力から各シリンダ毎の燃焼状態を検出して、該シリンダ毎の燃焼状態検出値の検出波形に基づいて該検出波形の状態から燃焼状態を判断する。
そして、前記燃焼状態検出値の検出波形に適合する空燃比になるように、前記ガス開閉弁１の開閉ピッチ、たとえば１／２スキップファイア間歇運転のときは着火〜不着火のサイクル数を決め、かかる開閉ピッチにてガス開閉弁１を間歇的に開閉する。
従って、前記ガス開閉弁１は、エンジンの始動時において燃焼診断装置３からの燃焼状態検出値の検出波形が常時、弁間歇作動制御装置２に入力されており、該燃焼診断装置３からの燃焼状態検出値の検出波形に従い、検出波形に適合する空燃比になるような開閉ピッチで開閉されることとなって、始動時の空燃比の制御が、ガス開閉弁１の開閉ピッチの設定により高精度化される。
また、以上の高精度制御により暖気運転は不要となり、エンジン１００の始動時間を短縮できる。
本発明によれば、マイクロパイロット噴射式ガスエンジンにおいて、始動時にエンジンの運転状態を間歇運転に取り入れて、始動時の空燃比の制御を高精度化するとともに、暖気運転の時間の短縮あるいはこれの除去を実現できるマイクロパイロット噴射式ガスエンジンを提供できる。
本発明の実施例に係る４サイクルガスエンジンの全体構成図である。 本発明の実施例にかかるマイクロパイロット噴射式ガスエンジンの始動方法の一例を示すフローチャートである。 前記マイクロパイロット噴射式ガスエンジンの始動動作のシリンダ別配置表である。 燃焼診断装置の検出結果の一例である。 従来技術に係るマイクロパイロット噴射式ガスエンジンの始動方法の一例を示すフローチャートである。
１ ガス開閉弁
２ 弁開閉作動制御装置
３ 燃焼診断装置
４ 回転数検出器
５ 筒内圧検出器
１１ 連絡孔
１２ 副室
１３ 燃料噴射弁
１００ エンジン（ガスエンジン）
１０１ 主燃焼室
１０２ ピストン
１０３ 吸気ポート
１０４ 吸気弁
１０９ 燃料ガス管
１１０ ガスミキサー

Claims (2)

  1. 燃料ガス通路からの燃料ガスと空気とを予混合してエンジンの各シリンダの主燃焼室に送り込むとともに、燃料噴射弁から副室内に噴射される液体燃料の燃焼により発生した着火火炎を、前記各シリンダの副室と主燃焼室を接続する連絡孔を通して該主燃焼室に噴出させて該主燃焼室の予混合の混合気を燃焼させるマイクロパイロット噴射式ガスエンジンにおいて、
    前記各シリンダへの燃料ガス通路に設けられ、燃料ガスの通過面積と開閉期間を自在に変更可能に構成したガス開閉弁と、エンジン回転数を検出する回転数検出器と、前記各シリンダの筒内圧力から各シリンダ毎の燃焼状態を検出する燃焼診断装置と、前記回転数検出器からのエンジン回転数が入力され該エンジン回転数によって作動する弁間歇作動制御装置とをそなえ、前記弁間歇作動制御装置は、前記ガスエンジンの始動時においてエンジン回転数の検出値によって前記各シリンダのガス開閉弁をエンジンサイクル単位毎に開閉制御し、該ガス開閉弁より燃料供給しての着火運転と燃料を遮断しての不着火運転とを、複数のエンジンサイクルに１回に不着火運転が入るように前記ガス開閉弁の閉タイミングサイクルを複数ピッチサイクルごとに繰り返すスキップファイア間歇運転を行うと共に、
    前記弁間歇作動制御装置は、前記燃焼診断装置からの各シリンダの燃焼状態検出値の検出波形のすべてのシリンダの検出波形が目標値に達している場合と、各シリンダの燃焼状態検出値の検出波形が目標値に達していない場合とで、前記ピッチサイクルを異ならせ、該検出波形のすべてが目標値に達している前者のピッチサイクル（ｎ：整数）ピッチを、検出波形が目標値に達していない後者のピッチサイクル（ｍ：０を含む整数）より大（ｎ＞ｍ）に設定したことを特徴とするマイクロパイロット噴射式ガスエンジン。
  2. 前記弁間歇作動制御装置は、各シリンダのガス開閉弁を空燃比が目標値になるように順次間歇開閉せしめることを特徴とする請求項１記載のマイクロパイロット噴射式ガスエンジン。
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