JP5562927B2 - ガスエンジンの副室ガス供給装置 - Google Patents

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Description

本発明は、副室を有するガスエンジンに適用され、電磁弁を開放して燃料ガス供給源から副室へと燃料ガスを供給する際に、電磁弁の開放時間によって副室への燃料ガス供給量が調整されるように構成されたガスエンジンの副室ガス供給装置に関する。
ガスエンジンは、一般に燃焼室として主室の他に副室を有している。そして、副室において混合気を着火してトーチ火炎を生成し、このトーチ火炎を主室に向かって噴出することで、主室にある混合気を燃焼するようになっている。副室には主室よりも濃い混合気が供給されるようになっており、主室とは別の供給路を介して、燃料ガスが供給されるようになっている。かかるガスエンジンの一般的な構成については、例えば、特許文献１、２などに開示されている。
図５は、ガスエンジンにおける給・排気弁の開閉タイミングと筒内圧力との関係を示した図である。図５において、主室電磁弁開とは、燃料供給源と主室とを繋ぐ主室ガス供給路を開閉する主室電磁弁が開放されていることを意味している。同様に、副室電磁弁開とは、燃料供給源と副室とを繋ぐ副室ガス供給路を開閉する副室電磁弁が開放されていることを意味している。
図５に示したように、主室および副室に燃料ガスを供給できる期間は、筒内圧力が低くなる吸入行程などの短い期間に限られる。そして、副室に供給される燃料ガス量は、この副室電磁弁が開放される短い時間によって調整されている。
特開２０１０−１５０９８３号公報 特開２０１０−２６５８３５号公報
ところで、電磁弁は、その特性上、弁の開閉速度に個体差があり、開閉動作が終了するまでの時間にバラつきが生じてしまう。弁の開閉動作が終了するまでの時間にバラつきが生ずると、燃料ガスの供給量にもバラつきが生じてしまう。例えば、図６に示したように、弁開速度（標準）の電磁弁（図６ａ）に対し、弁開速度（大）の電磁弁（図６ｂ）では、弁開速度が速い分だけ、供給される燃焼ガスが過剰となってしまう。一方、弁開速度（小）の電磁弁（図６ｃ）では、弁開速度が遅い分だけ、供給される燃焼ガスが不足してしまう。
上述した電磁弁の個体差に起因する燃料ガス供給量のバラつきは、副室に燃料ガスを供給する場合に、特に問題となる。すなわち、副室は主室と比べて容積が小さく、電磁弁が開放される時間自体が短いため、弁開閉速度のバラつきが、燃料ガス供給量のバラつきに大きな影響を与えてしまう。燃料ガス供給量にバラつきが生じると、例えば、燃料ガス供給量が標準より少ない場合は、燃焼が不安定になる恐れがある。また逆に、燃焼ガス供給量が標準より多い場合は、燃費が悪化してしまう恐れがある。また、複数の気筒間において燃焼ガス供給量にバラつきが生ずると、エンジン全体の性能が低下する恐れがある。
本発明はこのような従来技術の課題に鑑みなされた発明であって、副室に燃料ガスを供給するガスエンジンの副室ガス供給装置において、電磁弁の個体差に起因する副室への燃料ガス供給量のバラつきを抑制することができ、ガスエンジンの安定燃焼と、エンジン性能の向上を図ることのできるガスエンジンの副室ガス供給装置を提供することを目的としている。
本発明は、上述したような従来技術における課題及び目的を達成するために発明されたものであって、
本発明のガスエンジンの副室ガス供給装置は、
ピストンとシリンダヘッドとの間に画定される主室と、該主室と噴孔を介して連通される副室と、該副室に燃料ガスを供給する副室ガス供給路と、を備え、
前記副室ガス供給路は電磁弁を介して燃料ガス供給源と接続されており、該電磁弁が開放されると、電磁弁の開放時間に応じた量の燃料ガスが、前記燃料ガス供給源から副室ガス供給路を通って副室へと供給されるように構成されたガスエンジンの副室ガス供給装置において、
前記電磁弁は、前記副室に所定量の燃料ガスが供給されるようにその開放時間が設定されており、前記副室ガス供給路には、前記電磁弁の開放時間を延長せしめる絞り部が形成されていることを特徴とする。
このように本発明では、副室に所定量の燃料ガスが供給されるように電磁弁の開放時間が設定されており、副室ガス供給路には、電磁弁の開放時間を延長せしめる絞り部が形成されている。すなわち、絞り部によって燃料ガスの単位時間当たりの供給量が減少する分だけ、電磁弁の開放時間が延長されるようになっている。このため本発明では、絞り部が形成されていない従来のガスエンジンの副室ガス供給装置よりも、電磁弁の開放時間が長くなっている。そして、これにより、電磁弁の開閉速度のバラつきに起因する燃料ガス供給量のバラつきを小さくし、ガスエンジンの安定燃焼と、エンジン性能の向上を図ることができるようになっている。
上記発明において、前記絞り部が、前記副室ガス供給路に形成されたオリフィスであることが望ましい。
本発明をこのように構成することで、簡単な構成で、副室ガス供給路に絞り部を形成することができる。また、このようなオリフィスによる絞り部は、既存のガスエンジンの副室ガス供給装置に対して、後付けで簡単に形成することができるため、既存のガスエンジンの副室ガス供給装置の構成を大きく変更することなく、絞り部を形成することが可能となる。
また上記発明において、前記絞り部が、副室ガス供給路に配置された逆止弁を含み、該逆止弁の流量係数が０．０５〜０．３の範囲であることが望ましい。
このように、流量係数が０．０５〜０．３の範囲の逆止弁を副室ガス供給路に設置することで、副室ガス供給路に設置する逆止弁を絞り部として構成することができる。なお、本発明において絞り部とは、上述したように、燃料ガスの単位時間当たりの供給量を減少させることで、電磁弁の開放時間を延長せしめるものである。よって、流量係数の大きい逆止弁（流量係数が０．３以上）は本発明でいうところの絞り部には含まれないものとする。
本発明によれば、副室に燃料ガスを供給するガスエンジンの副室ガス供給装置において、電磁弁の個体差に起因する副室への燃料ガス供給量のバラつきを抑制することができ、ガスエンジンの安定燃焼と、エンジン性能の向上を図ることのできるガスエンジンの副室ガス供給装置を提供することができる。
第１の実施形態の副室ガス供給装置を備えたガスエンジンの副室周りの断面図である。 第１の実施形態の絞り部を示した図である。 本発明において、副室電磁弁の開放時間を長く設定することの効果について説明するための図である。 第２の実施形態の副室ガス供給装置を備えたガスエンジンの副室周りの断面図である。 図５は、ガスエンジンにおける給・排気弁の開閉タイミングと筒内圧力との関係を示した図である。 副室電磁弁の弁開速度と、供給される燃料ガスの量との関係を説明するための図である。
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいてより詳細に説明する。
ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態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、特に記載がない限り、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態の副室ガス供給装置を備えたガスエンジンの副室周りの断面図である。まず、図１を参照して、第１の実施形態のガスエンジンの副室ガス供給装置の全体構成について説明する。
図１において、ピストン（不図示）とシリンダヘッド１との間には、メイン燃焼室である主室６０が画定されている。また、シリンダヘッド１の上部に水室１ａに囲まれて副室口金２が固定されており、この副室口金２の内部には副室４（副室４の中心を４ａで表す）が形成されている。そして、この副室４は、主室６０と噴孔３を介して連通されている。また、副室口金２は、その上部の副室上面を点火プラグ押え１３及び押え金具１２により押圧されて、シリンダヘッド１に固定されている。また、点火プラグ１０は、点火プラグ押え１３内に取付けシート面を介して固定されている。
また、図１に示したように、点火プラグ押え１３の副室４の周囲には、ボアクール冷却孔１１ｓおよび逆止弁挿入孔６ｓが形成されている。ボアクール冷却孔１１ｓは、下側のボアクール横孔１１ａ（入口孔）から、点火プラグ１０の軸心線１０ａに平行な複数のボアクール縦孔（縦方向冷却孔）１１を通して、上方のボアクール横孔（出口孔）に通じるように構成されており、点火プラグ１０の高温部を囲むようにして形成されている。また、逆止弁挿入孔６ｓは、その中心６ａが、点火プラグ１０の中心１０ａと平行に設けられており、逆止弁挿入孔６ｓの下部には、逆止弁ホルダ９に支持された第１の逆止弁６が設置されている。そして、第１の逆止弁６が設置されることにより、逆止弁挿入孔６ｓの内部が、逆止弁上方室２８と逆止弁下方室２９の２つの空間に画成されており、逆止弁下方室２９と副室４とは、連絡孔５によって連通されている。
また、点火プラグ押え１３の側部には、燃料入口コネクタ１４ａ内に穿孔された燃料入口通路１４と逆止弁上方室２８とが連通するように、燃料入口コネクタ１４ａの一端が接続されている。燃料入口コネクタ１４ａは、点火プラグ押え１３とは別体に形成されており、点火プラグ押え１３にねじ込まれ、燃料ガス入口部１４ｓに固定されている。
また、燃料入口コネクタ１４ａの他端は、副室電磁弁２３を介して、燃料ガス供給源２４と接続されている。この燃料ガス供給源２４は、燃料入口通路１４に対して燃料ガスを略一定の圧力で吐出するよう構成されている。本実施形態において、該吐出圧は、ゲージ圧で０．０８〜０．０９Ｍｐａとなっている。また、燃料入口コネクタ１４ａには、副室電磁弁２３と燃料ガス入口部１４ｓとの間に、第２の逆止弁２２が設置されている。該第２の逆止弁２２および上述した第１の逆止弁６は、ともに燃料ガス供給源２４から副室４に向かう流れのみ許容するようになっており、副室４から燃焼ガスが逆流して、燃料入口通路１４にススなどが堆積するのを防止している。
副室電磁弁２３は、常時はバネなどによって閉弁方向に付勢されている弁体が、通電によってソレノイド部が励磁されることで、前記バネ力に抗して開弁方向に作動するように構成されている。また、通電が停止されると、バネ力によって弁体が閉弁方向に作動するように構成されている。副室電磁弁２３への開閉信号の入力、すなわち通電のオン／オフは、不図示のクランク角センサの信号に基づいて制御されている。
また、図１に示したように、本実施形態では、副室電磁弁２３と第２の逆止弁２２との間に、絞り部３０が形成されている。本実施形態の絞り部３０は、図２に示したように、オリフィス３０ａで構成されている。オリフィス３０ａのオリフィス径ｄ０は、燃料入口通路１４の孔径や長さ、燃料ガス供給源における燃料ガスの供給圧などにより若干異なるが、燃料入口通路１４の管径ｄ１に対して１／５〜１／９の範囲が好ましい。本実施形態では、燃料入口通路１４の管径ｄ１（７ｍｍ）に対して、オリフィス径ｄ０は１ｍｍであり、ｄ０＝１／７ｄ１となっている。なお、本実施形態の燃料入口通路１４の延長は約３００ｍｍとなっている。
このように構成される本実施形態のガスエンジンの副室ガス供給装置は、燃料ガス供給源２４と接続される副室電磁弁２３に弁開信号が入力されると、ソレノイド部が励磁されて弁体が開動し、燃料ガス供給源２４から燃料入口通路１４に燃料ガスが流出するようになっている。流出した燃料ガスは、燃料ガス入口部１４ｓを介して、逆止弁上方室２８へと流入し、逆止弁下方室２９から連絡孔５を介して、副室４に流入するようになっている。すなわち、上述した燃料入口通路１４、逆止弁上方室２８、逆止弁下方室２９、連絡孔５により、副室４に燃料ガスを供給する本発明の副室ガス供給路が構成されている。
また、副室４に供給すべき燃料ガスの標準量は、副室４の容積および主室６０の混合気濃度などから算出される。本実施形態では、副室電磁弁２３が開放されている時間によって、副室４に供給される燃料ガス量が調整されるようになっている。そして、本実施形態のガスエンジンの副室ガス供給装置は、上述したオリフィス３０ａを形成することにより、副室４に流入する単位時間あたりの燃料ガスの量を減少させ、これにより、副室電磁弁２３の開放時間を長く設定できるようになっている。
上述した副室電磁弁２３は、その特性上、弁の開閉速度に個体差があり、開閉動作が終了するまでの時間にバラつきが生じてしまう。上述したように、電磁弁の開閉動作が終了するまでの時間にバラつきが生ずると、燃料ガスの供給量にもバラつきが生じてしまう。しかしながら、本実施形態にように電磁弁の開放時間を長くすることで、図３に示したように、燃料ガスの供給量のバラつきを相対的に小さくすることが可能となる。
すなわち、図３（ｂ）に示したように、弁開速度が標準よりも大きい場合において、電磁弁の開放時間が長い実施例では、単位時間あたりに流れる燃料ガスの量が少ないため、電磁弁の開放時間が短い比較例と比べて、弁開速度のバラつきによる燃料ガスの過剰分が小さくなっている。また、図３（Ｃ）に示したように、弁開速度が標準よりも小さい場合において、電磁弁の開放時間が長い実施例では、単位時間あたりに流れる燃料ガスの量が少ないため、電磁弁の開放時間が短い比較例と比べて、弁開速度のバラつきによる燃料ガスの不足分が少なくなっている。
このように本実施形態では、副室４に所定量の燃料ガスが供給されるように副室電磁弁２３の開放時間が設定されており、副室ガス供給路には、副室電磁弁２３の開放時間を延長せしめる絞り部３０が形成されている。すなわち、絞り部３０によって燃料ガスの単位時間当たりの供給量が減少する分だけ、副室電磁弁の開放時間が延長されるようになっている。このため本実施形態では、絞り部３０が形成されていない従来のガスエンジンの副室ガス供給装置よりも、副室電磁弁２３の開放時間が長くなっている。そして、これにより、副室電磁弁２３の開閉速度のバラつきに起因する燃料ガス供給量のバラつきを小さくし、ガスエンジンの安定燃焼と、エンジン性能の向上を図ることができるようになっている。
また本実施形態では、絞り部３０が、副室ガス供給路に形成されたオリフィス３０ａとなっている。本実施形態では、このように構成することで、簡単な構成で、副室ガス供給路に絞り部を形成することができるようになっている。また、このようなオリフィス３０ａによる絞り部は、既存のガスエンジンの副室ガス供給装置に対して、後付けで簡単に形成することができるため、既存のガスエンジンの副室ガス供給装置の構成を大きく変更することなく、絞り部を形成することが可能である。
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について、図４を基に説明する。図４は、第２の実施形態の副室ガス供給装置を備えたガスエンジンの副室周りの断面図である。なお、この第２の実施形態は、上述した第１の実施形態と基本的には同様の構成になっており、同一の構成部材には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
この第２の実施形態にかかるガスエンジンの副室ガス供給装置は、上述した第１の実施形態と比べて、オリフィス３０ａからなる絞り部が形成されておらず、代わりに、第２の逆止弁２２´が、絞り部３０として構成されている点が、上述した実施形態と異なっている。
この第２の実施形態における第２の逆止弁２２´は、その弁の流量係数（Ｃｖ）が、０．０５〜０．３の範囲となっており、一般のガスエンジンの副室ガス供給装置において使用される逆止弁（流量係数が０．３〜０．９）よりも、流量係数が小さくなっている。このため、燃料ガスの圧力を減圧する絞り部３０としても作用するようになっている。
なお、弁の流量係数（Ｃｖ）は、一般に下記式（１）のとおり定義される。
Ｃｖ＝Ｑ×√（Ｇ／ΔＰ／２）／Ａ ・・・ （１）
（ここに、Ｑは流量、Ｇは流体の比重、ΔＰは弁前後の差圧、Ａは断面積である）
このような第２の実施形態では、上述した第１の実施形態と同様、絞り部３０が形成されることにより、副室電磁弁２３の開放時間が長くなることから、副室電磁弁２３の開閉速度のバラつきに起因する燃料ガス供給量のバラつきが小さくなり、ガスエンジンの安定燃焼と、エンジン性能の向上を図ることができるようになっている。
また、第２の逆止弁２２´として、流量係数が０．０５〜０．３の範囲の逆止弁を副室ガス供給路に設置することで、第２の逆止弁２２´を絞り部３０として構成することができる。
以上、本発明の好ましい形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。
本発明によれば、副室を有するガスエンジンの副室ガス供給装置として、好適に用いることができる。
１ シリンダヘッド
１ａ 水室
２ 副室口金
３ 噴孔
４ 副室
５ 連絡孔（副室ガス供給路）
６ 第１の逆止弁
６ｓ 逆止弁挿入孔
９ 逆止弁ホルダ
１０ 点火プラグ
１１ａ ボアクール横孔
１１ｓ ボアクール冷却孔
１２ 押え金具
１４ 燃料入口通路（副室ガス供給路）
１４ａ 燃料入口コネクタ
１４ｓ 燃料ガス入口部
２２ 第２の逆止弁
２３ 副室電磁弁（電磁弁）
２４ 燃料ガス供給源、
２８ 逆止弁上方室（副室ガス供給路）
２９ 逆止弁下方室（副室ガス供給路）
３０ 絞り部
３０ａ オリフィス
６０ 主室

Claims (4)

  1. ピストンとシリンダヘッドとの間に画定される主室と、該主室と噴孔を介して連通される副室と、該副室に燃料ガスを供給する副室ガス供給路と、を備え、
    前記副室ガス供給路は電磁弁を介して燃料ガス供給源と接続されており、該電磁弁が開放されると、電磁弁の開放時間に応じた量の燃料ガスが、前記燃料ガス供給源から副室ガス供給路を通って副室へと供給されるように構成されたガスエンジンの副室ガス供給装置において、
    前記電磁弁は、弁開度ではなく、該電磁弁の開放時間が制御されることで前記副室に供給される燃料ガス量が調整されるように構成されており、
    前記副室ガス供給路に絞り部を形成し、前記副室ガス供給路に絞り部が形成されていない場合と比べて前記副室に所定量の燃料ガスを供給するのに要する前記電磁弁の開放時間を長くすることで、前記副室に供給される燃料ガスの単位時間当たりの供給量が減少するように構成したことを特徴とするガスエンジンの副室ガス供給装置。
  2. 前記絞り部が、前記副室ガス供給路に形成されたオリフィスであることを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの副室ガス供給装置。
  3. 前記絞り部が、副室ガス供給路に設置された逆止弁を含み、該逆止弁の流量係数が０．０５〜０．３の範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載のガスエンジンの副室ガス供給装置。
  4. ピストンとシリンダヘッドとの間に画定される主室と、該主室と噴孔を介して連通される副室と、該副室に燃料ガスを供給する副室ガス供給路と、を備え、
    前記副室ガス供給路は電磁弁を介して燃料ガス供給源と接続されており、該電磁弁が開放されると、電磁弁の開放時間に応じた量の燃料ガスが、前記燃料ガス供給源から副室ガス供給路を通って副室へと供給されるように構成されたガスエンジンの副室ガス供給装置を複数準備し、
    前記電磁弁は、弁開度ではなく、該電磁弁の開放時間が制御されることで前記副室に供給される燃料ガス量が調整されるように構成されており、
    前記複数のガスエンジンの副室ガス供給装置のそれぞれの前記副室ガス供給路に絞り部を形成し、前記副室ガス供給路に絞り部が形成されていない場合と比べて前記副室に所定量の燃料ガスを供給するのに要する前記電磁弁の開放時間を長くすることで前記副室に供給される燃料ガスの単位時間当たりの供給量を減少させ、これにより前記複数のガスエンジンの副室ガス供給装置間における燃料ガス供給量のバラつきを抑制することを特徴とする、複数のガスエンジンの副室ガス供給装置間におけるバラつき抑制方法。
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