JP5608723B2 - ガスエンジンの燃焼方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスエンジンの燃焼方法及び装置に関するものである。

図７はガスエンジンの構成の一例と作動を示す説明図、図８は予燃焼器の構成の一例を示す断面図であり、ガスエンジンは、図７に示すように、シリンダ１に収容されるピストン２とシリンダヘッド３との間に主燃焼室４´を形成しており、前記シリンダヘッド３には、主燃焼室４´に燃料ガスと空気とが混合された吸気５を吸気弁６の開操作により供給する吸気ポート７と、主燃焼室４´の排気ガス８を排気弁９の開操作により排出する排気ポート１０とが備えられている。

更に、前記シリンダヘッド３には予燃焼器１１が設置されている。該予燃焼器１１は、図８に示すように、ガスエンジンの圧縮行程で主燃焼室４´内の希薄混合気が加圧された加圧混合気１２を口金１３に設けた連通口１４を介して導入するようにした予燃焼室１５を有している。前記予燃焼室１５の上部（前記連通口１４に対して反対側）には液体燃料噴射弁１６が設けてあり、該液体燃料噴射弁１６により予燃焼室１５内の加圧混合気１２中に軽油等の液体燃料１７を噴射することで該液体燃料１７を着火燃焼せしめ、この着火火炎１８を連通口１４から主燃焼室４´内の希薄混合気中に噴出して希薄混合気を燃焼させるようにしている。前記予燃焼器１１に設けられる連通口１４は、図９に示すように、口金１３の軸中心に対して放射方向に複数個形成されている。

次に、図７を参照してガスエンジンの作動を説明する。

図７（ａ）は吸気行程を示し、ピストン２の下降時に吸気ポート７の吸気弁６を開けて、燃料ガスと空気とが混合された吸気５を主燃焼室４´に吸入している。

図７（ｂ）は、圧縮行程を示し、ピストン２の上昇により主燃焼室４´の希薄混合気を圧縮している。この時、図８に示すように主燃焼室４´の加圧された加圧混合気１２が予燃焼器１１の口金に設けた連通口１４を通して予燃焼室１５に導入される。

図７（ｃ）は、液体燃料の噴射状態を示し、ピストン２の上死点の直前において、図８の液体燃料噴射弁１６から予燃焼室１５内に導入される加圧混合気１２中に軽油等の液体燃料１７を噴射し、該液体燃料１７を着火燃焼させる。

図７（ｄ）は、着火火炎の噴出状態を示し、ピストン２の上死点の直後において、図８の予燃焼室１５内で着火燃焼された着火火炎１８が連通口１４を通して主燃焼室４´に噴出されることにより主燃焼室４´内の希薄混合気に着火される。

図７（ｅ）は、主燃焼室４´内での燃焼状態を示し、主燃焼室４´の着火された希薄混合気が一気に燃焼される。尚、上記図７（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は燃焼（爆発）行程を表わしている。

図７（ｆ）は、膨張行程を示し、主燃焼室４´内での燃焼によってピストン２が押し下げられて仕事が行われる。

図７（ｇ）は、排気行程を示し、ピストン２の上昇時に排気ポート１０の排気弁９を開けて、主燃焼室４´内の排気ガス８を排気している。

尚、前述の如きガスエンジンと関連する一般的技術水準を示すものとしては、例えば、特許文献１がある。

特開２００５−１７１９７５号公報

しかしながら、前述の如き従来のガスエンジンにおいては、図７（ｇ）に示す排気行程から図７（ａ）に示す吸気行程に移行する際の排気弁９と吸気弁６とのオーバラップ期間中に吸気側から排気側へ吸気５が吹き抜けるため、該吸気５中に含まれる未燃の燃料ガスが排気ガス８と一緒に排気ポート１０から排出され、該排気ガス８中のＴＨＣ（Total Hydro Carbon）濃度が増加してしまう虞があった。

又、火炎が伝播していく先に、吸気行程において主燃焼室４´に吸入された燃料ガスを全量含む予混合気としての吸気５が存在するため、該予混合気が自着火し、ノッキングが発生しやすくなるという欠点を有していた。

更に又、燃料ガス投入量（エンジン出力）一定の場合、燃料ガスと空気を均一混合すると、燃料ガス濃度が希薄になることから、着火の安定性が低下するという欠点をも有していた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、排気ガス中のＴＨＣ濃度の増加を抑制し得、ノッキングの発生を防止でき、着火の安定性を高め得るガスエンジンの燃焼方法及び装置を提供しようとするものである。

本発明は、吸気行程において、燃料ガスと空気とが混合された吸気を燃焼室に吸入し、続く圧縮行程において、前記吸気を圧縮した状態で、前記燃焼室へ燃料ガスを、要求されるエンジン出力に見合う全量から前記吸気に混合される燃料ガス量を差し引いた分だけ同一仮想円の円周上又は内側のいずれか一方に複数形成された燃料ガス噴射孔から放射状に広がるように直接噴射し、放射状に広がるように噴射された燃料ガスが存在する位置へ前記同一仮想円の円周上又は内側のいずれか他方に複数形成された液体燃料噴射孔から放射状に広がるように液体燃料を噴射することで燃料ガスを着火させ、前記燃焼室へ噴射される燃料ガスの、前記吸気に混合される燃料ガスに対する比率を大きく設定するようにしたことを特徴とするガスエンジンの燃焼方法にかかるものである。

一方、本発明は、吸気行程において、燃料ガスと空気とが混合された吸気を前記燃焼室に吸入し、続く圧縮行程において、前記吸気を圧縮した状態で、前記燃焼室へ燃料ガスを、要求されるエンジン出力に見合う全量から前記吸気に混合される燃料ガス量を差し引いた分を放射状に広がるように噴射する同一仮想円の円周上又は内側のいずれか一方に複数形成された燃料ガス噴射孔と、放射状に広がるように噴射された燃料ガスが存在する位置へ液体燃料を放射状に広がるように噴射することで燃料ガスを着火させる前記同一仮想円の円周上又は内側のいずれか他方に複数形成された液体燃料噴射孔と、を有した燃料噴射弁を備え、前記燃焼室へ噴射される燃料ガスの、前記吸気に混合される燃料ガスに対する比率を大きく設定するようにしたことを特徴とするガスエンジンの燃焼装置にかかるものである。

本発明のガスエンジンの燃焼方法及び装置によれば、以下のような作用が得られる。

排気行程から吸気行程に移行する際の排気弁と吸気弁とのオーバラップ期間中に吸気側から排気側へ吸気が吹き抜けたとしても、燃料ガスの全量或いは大部分は圧縮行程から燃焼（爆発）行程への移行時に燃焼室に噴射され、吸気行程において燃焼室に吸入される吸気は、空気のみ或いは燃料ガスを僅かに含む空気であり、燃料ガス濃度が高くないので、未燃の燃料ガスが排気ガスと一緒に排気ポートから排出されにくくなり、該排気ガス中のＴＨＣ濃度が増加してしまうことが避けられる。

又、火炎が伝播していく先に存在する吸気は、吸気行程において燃焼室に吸入された空気のみ或いは燃料ガスを僅かに含む空気であり、燃料ガス濃度が高くないので、予混合気が自着火する心配はなく、ノッキングは発生しなくなる。

更に又、燃料ガス投入量（エンジン出力）一定の場合であっても、燃料ガス濃度が局所的に高まることから、着火を安定して行うことが可能となる。

本発明のガスエンジンの燃焼方法及び装置によれば、排気ガス中のＴＨＣ濃度の増加を抑制し得、ノッキングの発生を防止でき、着火の安定性を高め得るという優れた効果を奏し得る。

（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）は本発明を実施する形態の一例とその作動を示す説明図である。 本発明を実施する形態の一例における燃料噴射弁を示す側断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視相当図であって、（ａ）は燃料ガス噴射時を示す図、（ｂ）は液体燃料噴射時を示す図である。 本発明を実施する形態の一例における燃焼室に噴射された燃料ガス噴流と液体燃料噴霧とを示す概略平面図である。 本発明を実施する形態の一例における他の燃料噴射弁を示す側断面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ矢視相当図であって、（ａ）は燃料ガス噴射時を示す図、（ｂ）は液体燃料噴射時を示す図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）は従来のガスエンジンの一例とその作動を示す説明図である。 従来のガスエンジンの一例における予燃焼器を示す断面図である。 従来のガスエンジンの一例における予燃焼器の連通口部分を示す切断平面図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１〜図４は本発明を実施する形態の一例であって、図中、図７と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、燃焼室４へ燃料ガスを直接噴射し、該噴射された燃料ガスが存在する位置へ軽油等の液体燃料を噴射する燃料噴射弁３０を備えたものである。

本図示例の場合、図１（ａ）に示す吸気行程において、空気のみとした吸気５を燃焼室４に吸入し、続く図１（ｃ）に示す圧縮行程において、前記吸気５を圧縮した状態で、前記燃焼室４へ燃料ガスを、要求されるエンジン出力に見合う全量噴射するようにしてある。

尚、図１（ａ）に示す吸気行程において、燃料ガスと空気とが混合された吸気５を燃焼室４に吸入し、続く図１（ｃ）に示す圧縮行程において、前記吸気５を圧縮した状態で、前記燃焼室４へ燃料ガスを、要求されるエンジン出力に見合う全量から前記吸気５に混合される燃料ガス量を差し引いた分だけ噴射し、前記燃焼室４へ噴射される燃料ガスの前記吸気５に混合される燃料ガスに対する比率を大きく設定するようにしても良い。

前記燃料噴射弁３０は、図２に示す如く、燃料ガス噴射弁３１の軸芯部に、液体燃料噴射弁３２を同芯状に配設してなる構成を有している。前記燃料ガス噴射弁３１は、円筒状の燃料ガス噴射弁本体３１ａに、燃料ガスが燃料ガス噴射制御弁３１ｂを介して導入される燃料ガス導入路３１ｃと、該燃料ガス導入路３１ｃに連通する円環状の燃料ガス溜部３１ｄと、該燃料ガス溜部３１ｄの円周方向複数所要箇所（図３（ａ）の例では六箇所）から先端側へ延びる燃料ガス噴射孔３１ｅとを形成し、前記燃料ガス噴射制御弁３１ｂの開閉制御により、所要のタイミングで所要量の燃料ガスを燃料ガス噴射孔３１ｅから噴射し得るようにしてある。又、前記液体燃料噴射弁３２は、前記燃料ガス噴射弁本体３１ａの軸芯部に挿入配置される液体燃料噴射弁本体３２ａに、液体燃料が導入される液体燃料導入路３２ｃと、該液体燃料導入路３２ｃに連通する液体燃料溜部３２ｄと、該液体燃料溜部３２ｄの前記燃料ガス噴射孔３１ｅに対応する円周方向複数所要箇所（図３（ｂ）の例では六箇所）から先端側へ延びる液体燃料噴射孔３２ｅとを形成すると共に、前記液体燃料噴射弁本体３２ａの軸芯部にニードル弁３２ｂを挿入配置し、該ニードル弁３２ｂの昇降に伴う開閉制御により、前記燃料ガスの噴射直後の所要のタイミングで所要量の液体燃料を液体燃料噴射孔３２ｅから噴射し得るようにしてある。

尚、前記燃料噴射弁３０の外周側に配設される燃料ガス噴射孔３１ｅと、内周側に配設される液体燃料噴射孔３２ｅは、内外を逆に設定することも可能である。

次に、上記図示例の作用を説明する。

先ず、図１（ａ）に示す吸気行程では、ピストン２の下降時に吸気ポート７の吸気弁６を開けて、空気のみとした吸気５或いは燃料ガスと空気とが混合された吸気５が燃焼室４に吸入される。

続く、図１（ｂ）に示す圧縮行程では、ピストン２の上昇により燃焼室４の吸気５が圧縮され、図１（ｃ）に示す如く、ピストン２の上死点の直前において、燃料噴射弁３０の燃料ガス噴射弁３１から燃焼室４内に燃料ガスが噴射される。このとき、前記燃料ガス噴射弁３１の燃料ガス噴射孔３１ｅから噴射される燃料ガスは、図３（ａ）に示すような形となる。

そして、図１（ｄ）に示す如く、ピストン２の上死点の直後において軽油等の液体燃料が噴射されるが、該噴射され液体燃料は、図３（ｂ）に示すような形となるため、前記燃焼室４内においては、図４に示す如く、前記噴射された燃料ガスが存在する位置へ軽油等の液体燃料が噴射される形となり、これにより、燃焼室４内の燃料ガスに着火される。

図１（ｅ）は、燃焼室４内での燃焼状態を示し、燃焼室４の着火された燃焼ガスと液体燃料とが一気に燃焼する。尚、上記図１（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は燃焼（爆発）行程を表わしている。

この後、図１（ｆ）に示す膨張行程では、燃焼室４内での燃焼によってピストン２が押し下げられて仕事が行われる。

更に、図１（ｇ）に示す排気行程では、ピストン２の上昇時に排気ポート１０の排気弁９が開かれて、燃焼室４内の排気ガス８が排気され、再び図１（ａ）に示す吸気行程に戻り、以下、前述と同様の作動が繰り返される。

この結果、図１（ｇ）に示す排気行程から図１（ａ）に示す吸気行程に移行する際の排気弁９と吸気弁６とのオーバラップ期間中に吸気側から排気側へ吸気５が吹き抜けたとしても、燃料ガスの全量或いは大部分は図１（ｃ）に示す圧縮行程から燃焼（爆発）行程への移行時に燃焼室４に噴射され、吸気行程において燃焼室４に吸入される吸気５は、空気のみ或いは燃料ガスを僅かに含む空気であり、燃料ガス濃度が高くないので、未燃の燃料ガスが排気ガス８と一緒に排気ポート１０から排出されにくくなり、該排気ガス８中のＴＨＣ濃度が増加してしまうことが避けられる。

又、火炎が伝播していく先に存在する吸気５は、吸気行程において燃焼室４に吸入された空気のみ或いは燃料ガスを僅かに含む空気であり、燃料ガス濃度が高くないので、予混合気が自着火する心配はなく、ノッキングは発生しなくなる。

更に又、燃料ガス投入量（エンジン出力）一定の場合であっても、燃料ガス濃度が局所的に高まることから、着火を安定して行うことが可能となる。

こうして、排気ガス８中のＴＨＣ濃度の増加を抑制し得、ノッキングの発生を防止でき、着火の安定性を高め得る。

一方、前記燃料噴射弁３０は、図２に示す如く、燃料ガス噴射弁３１の軸芯部に、液体燃料噴射弁３２を同芯状に配設する代わりに、図５に示す如く、燃料ガス噴射弁３１と液体燃料噴射弁３２とをホルダ３３内に並設することによって構成することもできる。この場合、前記燃料ガス噴射弁３１は、前記ホルダ３３内に挿入配置される燃料ガス噴射弁本体３１ａに、燃料ガスが燃料ガス噴射制御弁３１ｂを介して導入される燃料ガス導入路３１ｃと、該燃料ガス導入路３１ｃに連通する円環状の燃料ガス溜部３１ｄと、該燃料ガス溜部３１ｄの円周方向複数所要箇所（図６（ａ）の例では六箇所）から先端側へ延びる燃料ガス噴射孔３１ｅとを形成し、前記燃料ガス噴射制御弁３１ｂの開閉制御により、所要のタイミングで所要量の燃料ガスを燃料ガス噴射孔３１ｅから噴射し得るようにし、又、前記液体燃料噴射弁３２は、前記ホルダ３３内に前記燃料ガス噴射弁本体３１ａと平行となるよう挿入配置される液体燃料噴射弁本体３２ａに、液体燃料が導入される液体燃料導入路３２ｃと、該液体燃料導入路３２ｃに連通する液体燃料溜部３２ｄと、該液体燃料溜部３２ｄの前記燃料ガス噴射孔３１ｅに対応させる形とした円周方向複数所要箇所（図６（ｂ）の例では六箇所）から先端側へ延びる液体燃料噴射孔３２ｅとを形成すると共に、前記液体燃料噴射弁本体３２ａの軸芯部にニードル弁３２ｂを挿入配置し、該ニードル弁３２ｂの昇降に伴う開閉制御により、前記燃料ガスの噴射直後の所要のタイミングで所要量の液体燃料を液体燃料噴射孔３２ｅから噴射し得るようにしてある。

前記燃料噴射弁３０を図５に示す如く構成しても、燃焼室４へ燃料ガスを直接噴射し、該噴射された燃料ガスが存在する位置へ軽油等の液体燃料を噴射することが可能となり、前述と同様の作用効果が得られることとなる。

尚、本発明のガスエンジンの燃焼方法及び装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

４ 燃焼室
５ 吸気
６ 吸気弁
７ 吸気ポート
８ 排気ガス
９ 排気弁
１０ 排気ポート
３０ 燃料噴射弁
３１ 燃料ガス噴射弁
３１ｅ 燃料ガス噴射孔
３２ 液体燃料噴射弁
３２ｅ 液体燃料噴射孔

Claims (2)

1. 吸気行程において、燃料ガスと空気とが混合された吸気を燃焼室に吸入し、続く圧縮行程において、前記吸気を圧縮した状態で、前記燃焼室へ燃料ガスを、要求されるエンジン出力に見合う全量から前記吸気に混合される燃料ガス量を差し引いた分だけ同一仮想円の円周上又は内側のいずれか一方に複数形成された燃料ガス噴射孔から放射状に広がるように直接噴射し、放射状に広がるように噴射された燃料ガスが存在する位置へ前記同一仮想円の円周上又は内側のいずれか他方に複数形成された液体燃料噴射孔から放射状に広がるように液体燃料を噴射することで燃料ガスを着火させ、
   前記燃焼室へ噴射される燃料ガスの、前記吸気に混合される燃料ガスに対する比率を大きく設定するようにしたことを特徴とするガスエンジンの燃焼方法。
2. 吸気行程において、燃料ガスと空気とが混合された吸気を前記燃焼室に吸入し、続く圧縮行程において、前記吸気を圧縮した状態で、前記燃焼室へ燃料ガスを、要求されるエンジン出力に見合う全量から前記吸気に混合される燃料ガス量を差し引いた分を放射状に広がるように噴射する同一仮想円の円周上又は内側のいずれか一方に複数形成された燃料ガス噴射孔と、放射状に広がるように噴射された燃料ガスが存在する位置へ液体燃料を放射状に広がるように噴射することで燃料ガスを着火させる前記同一仮想円の円周上又は内側のいずれか他方に複数形成された液体燃料噴射孔と、を有した燃料噴射弁を備え、
   前記燃焼室へ噴射される燃料ガスの、前記吸気に混合される燃料ガスに対する比率を大きく設定するようにしたことを特徴とするガスエンジンの燃焼装置。

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