JP5995748B2 - Sub-chamber type gas engine and operation control method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、副室式ガスエンジンに関し、特には、副室式ガスエンジンにおいて、レーザ点火プラグを用いることで希薄混合気においても、火炎伝播燃焼の効率を高め、低エミッションを可能とした、副室式ガスエンジンおよびその運転制御方法に関するものである。 The present invention relates to a sub-chamber gas engine, and more particularly, in a sub-chamber gas engine, by using a laser spark plug, even in a lean air-fuel mixture, the efficiency of flame propagation combustion is increased and low emission is enabled. The present invention relates to a room type gas engine and an operation control method thereof.
従来より、一般的なガスエンジンとして、燃焼室に点火プラグが配置され、点火プラグの着火により火炎伝播が行われている。
しかし、希薄予混合燃焼、またある程度ボア径が大きくなると、点火プラグの着火では、限られた時間内での火炎伝播燃焼は困難であり、効率向上が見込めない。かかる火炎伝播燃焼の効率を高めるためには、例えば、多点プラグ化、また副室式ガスエンジンが考えられる。
Conventionally, as a general gas engine, an ignition plug is disposed in a combustion chamber, and flame propagation is performed by ignition of the ignition plug.
However, when the premixed combustion is lean and the bore diameter is increased to some extent, it is difficult to perform the flame propagation combustion within a limited time in the ignition of the spark plug, and an improvement in efficiency cannot be expected. In order to increase the efficiency of such flame propagation combustion, for example, a multi-point plug or a sub-chamber type gas engine can be considered.
副室式ガスエンジンは、特に大口径希薄予混合燃焼のエンジンに用いられており、燃焼フローの一例として、以下のとおりの手順で実行される。
吸気行程付近で、副室ガス供給ラインより副室に燃料供給を行う。
圧縮行程で主室内の希薄予混合気が副室噴孔から流入し、副室内でミキシングされ、着火直前で、副室内はストイキ（量論混合比）近傍の混合気を形成する。
副室内で点火プラグがスパークし、副室内で火炎伝播燃焼が生じる。
副室噴孔より燃焼ガスがトーチとなって主室に流出する。
トーチ燃焼および火炎伝播燃焼で主室内の希薄予混合気が燃焼する。
以上のような副室式ガスエンジンによれば、主室内は希薄予混合気であるため、低エミッション（低ＮＯｘ排出量）を図ることができ、また希薄予混合気であっても、ある程度エネルギーのあるトーチが噴流されるため、主室も十分な速度で燃焼を完了させることができる。
The sub-chamber type gas engine is particularly used for a large-diameter lean premixed combustion engine, and is executed by the following procedure as an example of a combustion flow.
Near the intake stroke, fuel is supplied to the sub chamber from the sub chamber gas supply line.
In the compression stroke, the lean premixed gas in the main chamber flows in from the subchamber nozzle and is mixed in the subchamber, and immediately before ignition, the subchamber forms a mixture near the stoichiometric (stoichiometric mixture ratio).
The spark plug sparks in the sub chamber, and flame propagation combustion occurs in the sub chamber.
Combustion gas flows into the main chamber from the sub chamber nozzle as a torch.
The lean premixed gas in the main chamber burns in torch combustion and flame propagation combustion.
According to the sub-chamber type gas engine as described above, since the main chamber is a lean premixed gas, low emission (low NOx emission) can be achieved, and even a lean premixed gas has a certain amount of energy. Since the torch with a certain amount of jet is jetted, the main chamber can also complete the combustion at a sufficient speed.
一方で副室内は点火プラグに適したストイキ近傍の状態にあるため、ＮＯｘが発生しやすい環境にある。実際に副室式エンジンのエミッション（ＮＯｘ）のほとんどは副室起因と考えられている。
このため、トーチのエネルギーを確保できる最小限まで副室容積を小さくする工夫を行っている。しかしながら、副室容積は、バルブの大きさ、噴孔間距離確保などの制約から、最小化するには、限界がある。
最も、副室内もリーン化を図ることができれば、副室起因のＮＯｘの発生を低減させることができるが、副室内をリーンにすると、プラグ点火による火炎核の形成が十分でなく、火炎伝播に至らず失火する。また、サイクルごとの燃焼のばらつきが大きく燃焼安定性に繋がらないといった問題に直面することになる。
On the other hand, the sub-chamber is in the vicinity of the stoichiometric position suitable for the spark plug, so that it is in an environment where NOx is likely to be generated. Actually, most of the emission (NOx) of the sub-chamber engine is considered to be caused by the sub-chamber.
For this reason, the subchamber volume is devised to the minimum that can secure the energy of the torch. However, there is a limit to minimizing the volume of the sub chamber due to restrictions such as the size of the valve and the distance between the nozzle holes.
However, if the sub-chamber can be made leaner, the generation of NOx due to the sub-chamber can be reduced. However, if the sub-chamber is made lean, the formation of flame nuclei due to plug ignition is not sufficient, and flame propagation is difficult. Missed fire. In addition, there is a problem that the variation in combustion from cycle to cycle is large and does not lead to combustion stability.
そこで、近年、自動車エンジン用の着火手段として提案、開発が進められている、レーザ着火方式が注目されている（非特許文献１）。
かかるレーザ着火方式によれば、当量比が、従来のスパークプラグ点火方式が０．５８だったのに対し、レーザ着火方式では、０．５２となり、より当量比を下げた場合でも、効率を十分保てることがわかり、レーザ着火により、希薄可燃限界が拡大することができる。
Therefore, in recent years, a laser ignition method, which has been proposed and developed as an ignition means for automobile engines, has attracted attention (Non-Patent Document 1).
According to such a laser ignition method, the equivalence ratio is 0.58 in the conventional spark plug ignition method, whereas in the laser ignition method, it is 0.52, and even when the equivalence ratio is further lowered, sufficient efficiency is obtained. It can be seen that laser ignition can increase the lean flammability limit.
そこで、特許文献１において、自動車の内燃機関に用いられるレーザ点火プラグが開示されている。ここでは、レーザ点火プラグの燃焼室寄りの端部領域に、レーザ点火プラグと副室モジュールとの結合を可能にする結合手段が設けられていることにより、これにより、一方では、副室を備える点火プラグを製造するに際して、例えば種々異なるタイプの副室モジュールが本発明に係るレーザ点火プラグに結合可能であるので、有利には広い自由度が提供されているとしている。 Therefore, Patent Document 1 discloses a laser spark plug used for an internal combustion engine of an automobile. Here, in the end region close to the combustion chamber of the laser spark plug, there is provided a coupling means for enabling coupling of the laser spark plug and the sub chamber module, thereby providing a sub chamber on the one hand. In manufacturing the spark plug, for example, different types of subchamber modules can be coupled to the laser spark plug according to the invention, so that a wide degree of freedom is advantageously provided.
しかしながら、上述の非特許文献１においても、特許文献１においても、レーザ着火方式の構造は開示されているものの、レーザ点火プラグが配置される副室と主室との関係や、配置のための具体的構造を開示するものではない。
本発明は、以上のような背景から提案されたものであって、点火プラグの代わりに、レーザ点火プラグを用いることで、より希薄な混合気の燃焼が可能でしかも低エミッションである、副室式ガスエンジンおよびその運転制御方法を提供することを目的とする。
However, in the above-mentioned Non-Patent Document 1 and Patent Document 1, although the structure of the laser ignition system is disclosed, the relationship between the sub chamber and the main chamber in which the laser ignition plug is disposed, It does not disclose a specific structure.
The present invention has been proposed from the background as described above. By using a laser spark plug instead of a spark plug, a leaner air-fuel mixture can be burned and the sub-chamber has a low emission. An object of the present invention is to provide a gas engine and an operation control method thereof.
上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明では、シリンダとピストンと、該ピストンの上面とシリンダ内壁面とで閉鎖された主燃焼室と、シリンダのヘッド部に、主燃焼室と複数の噴孔を介して連通する副燃焼室を備えた副室式ガスエンジンにおいて、前記副燃焼室には、レーザ着火部が配置され、吸気管の途中にガス燃料を供給するガス燃料の供給系は、主燃焼室向けに配置され、前記主燃焼室に導入されるガス燃料と空気の混合気は、ピストンが上死点に達した時点で、前記主燃焼室と前記副燃焼室とを合わせた容積の空間内に閉じ込められた状態で、主燃焼室内及び副燃焼室内の空気過剰率はそれぞれ量論混合比に対して空気過剰の希薄混合気に設定され、前記副燃焼室の容積は、量論混合比で安定燃焼が行われるときの量論混合比の混合気が閉じ込められる副燃焼室内において発生するガス燃料の発熱量と同等の発熱量を、前記希薄混合気のガス燃料で発生させるのに必要な希薄混合気が閉じ込められる容積に設定されることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, in the present invention described in claim 1, a cylinder, a piston, a main combustion chamber closed by an upper surface of the piston and a cylinder inner wall surface, a main combustion chamber at a head portion of the cylinder, in the auxiliary combustion chamber antechamber type gas engine having a communicating via a plurality of injection holes, the the auxiliary combustion chamber, a laser ignition portion is disposed, the supply of fuel gas for supplying gas fuel to the intake pipe system is disposed in the main combustion chamber towards only, mixture of gas fuel and air introduced into the main combustion chamber, when the piston reaches the top dead center, the main combustion chamber and said auxiliary combustion chamber The excess air ratio in the main combustion chamber and the sub-combustion chamber is set to a lean air-fuel mixture with respect to the stoichiometric mixture ratio, and the volume of the sub-combustion chamber is confined in the space of the combined volume. Is the stoichiometry when stable combustion is performed at the stoichiometric mixture ratio. The calorific value equivalent to the calorific value of the gas fuel generated in the sub-combustion chamber in which the mixed gas mixture is confined is set to a volume in which the lean gas mixture necessary for generating the gas fuel of the lean gas mixture is confined. characterized in that that.
これにより、副燃焼室内へのガス燃料供給弁を配置しなくても、主燃焼室側から副燃焼室内に導入された希薄混合気であっても、レーザ着火部により、失火することなく着火することができ、噴孔を通過して主燃焼室に燃焼トーチとして噴出させ、主燃焼室内の火炎伝播燃焼へとつなげることができる。 Thus, even if a gas fuel supply valve is not arranged in the auxiliary combustion chamber, even the lean air-fuel mixture introduced from the main combustion chamber side into the auxiliary combustion chamber is ignited by the laser ignition unit without misfiring. It is possible to pass through the nozzle hole and eject it as a combustion torch in the main combustion chamber, which can be connected to flame propagation combustion in the main combustion chamber.
また、請求項２にかかる本発明では、前記副燃焼室の容積は、量論混合比で安定燃焼が行われるときの量論混合比の混合気が閉じ込められる副燃焼室内において発生するガス燃料の発熱量と同等の発熱量を、前記希薄混合気のガス燃料で発生させるのに必要な希薄混合気が閉じ込められる容積に設定されるように、下記式
Ｖ’=λ’／λ×Ｖ、（ただし、Ｖ’：副燃焼室の容積、λ’：副燃焼室内の空気過剰率、Ｖ：量論混合比で安定燃焼が行われる副燃焼室の容積、λ：副燃焼室内の量論混合比である空気過剰率）
に基づいて算出された容積である、ことを特徴とする。
Further, in the present invention according to claim 2, the volume of the auxiliary combustion chamber, the gas fuel mixture of stoichiometric mixture ratio occurs in the auxiliary combustion chamber confined when stable combustion at stoichiometric mixture ratio is carried out The following formula V ′ = λ ′ / λ × V, so that the calorific value equivalent to the calorific value is set to a volume in which the lean air-fuel mixture necessary for generating with the gas fuel of the lean air-fuel mixture is confined , Where V ′: the volume of the auxiliary combustion chamber, λ ′: the excess air ratio in the auxiliary combustion chamber, V: the volume of the auxiliary combustion chamber where stable combustion is performed at the stoichiometric mixing ratio , and λ: the stoichiometric mixing ratio in the auxiliary combustion chamber. Air excess rate)
It is the volume calculated based on.
これにより、副燃焼室内は、副燃焼室内の燃焼による発熱量が主燃焼室内の火炎伝播燃焼へとつなげるための必要な発熱量を確保することができる。
また、請求項３では、前記副燃焼室には、前記副燃焼室内にガス燃料を供給する副室内燃料供給バルブがさらに配置され、前記副室内燃料供給バルブは、運転開始時に一定回転数の定格運転に達し負荷運転が開始される前では開とされ、前記一定回転数に到達後の負荷運転が開始後では閉とされるように構成されることを特徴とする。
また、請求項４では、前記主燃焼室内及び前記副燃焼室内の空気過剰率はそれぞれ２．０の希薄混合気に設定され、前記副燃焼室の容積は量論混合比で安定燃焼が行われるときの量論混合比の副燃焼室の容積に対して倍の容積に設定されることを特徴とする。
As a result, the amount of heat generated by the combustion in the sub-combustion chamber can be ensured in the sub-combustion chamber to connect to the flame propagation combustion in the main combustion chamber.
According to a third aspect of the present invention, the sub-combustion chamber is further provided with a sub-chamber fuel supply valve that supplies gas fuel into the sub-combustion chamber, and the sub-chamber fuel supply valve is rated at a constant rotational speed at the start of operation. It is configured to be opened before reaching the operation and starting the load operation, and being closed after starting the load operation after reaching the constant rotational speed.
According to a fourth aspect of the present invention, the excess air ratio in each of the main combustion chamber and the sub-combustion chamber is set to a lean air-fuel mixture of 2.0, and the volume of the sub-combustion chamber is stably burned at a stoichiometric mixture ratio. It is characterized in that the volume is set to double the volume of the auxiliary combustion chamber of the stoichiometric mixture ratio.
また、請求項５にかかる本発明では、シリンダとピストンと、該ピストンの上面とシリンダ内壁面とで閉鎖された主燃焼室と、前記シリンダのヘッド部に、前記主燃焼室と複数の噴孔を介して連通する副燃焼室を備え、前記副燃焼室には、副燃焼室のガス燃料と空気との混合気に着火するためのレーザ着火部と、副燃焼室内にガス燃料を供給する副室内燃料供給バルブとが配置された副室式ガスエンジンの運転制御方法において、
運転開始時に、一定回転数の定格運転に達し負荷運転が開始される前には、前記副室内燃料供給バルブを開として、副燃焼室内にガス燃料を供給して、前記主燃焼室から前記副燃焼室に流入した希薄混合気と前記副燃焼室内で混合し、混合された燃料リッチな混合気に対して前記レーザ着火部により着火し、
前記一定回転数に到達後の負荷運転が開始後には、前記副室内燃料供給バルブを閉として、前記主燃焼室から前記副燃焼室に流入した希薄混合気に対して前記レーザ着火部により着火する、ことを特徴とする。
Further, in such the present invention in claim 5, the cylinder and piston and a main combustion chamber which is closed at the top and shea cylinder inner wall surface of the piston, the head portion of the cylinder, said main combustion chamber and a plurality of injection A sub-combustion chamber communicating through a hole, and supplying the gas fuel to the sub-combustion chamber; a laser ignition unit for igniting a mixture of gas fuel and air in the sub-combustion chamber; In the sub-chamber type gas engine operation control method in which the sub-chamber fuel supply valve is arranged ,
At the start of operation, before reaching the rated operation at a constant rotational speed and starting the load operation, the sub-chamber fuel supply valve is opened, gas fuel is supplied into the sub-combustion chamber, and the sub-combustion chamber supplies the gas fuel. Mixing the lean air-fuel mixture flowing into the combustion chamber with the sub-combustion chamber, and igniting the mixed fuel-rich air-fuel mixture with the laser ignition unit,
After starting the load operation after reaching the constant rotation speed, the sub-chamber fuel supply valve is closed, and the lean gas mixture flowing from the main combustion chamber into the sub-combustion chamber is ignited by the laser ignition unit. , characterized in that.
これにより、起動時に燃料リッチな混合気の燃焼は伴うものの、一定回転数の定格運転に達すれば、主燃焼室側からの希薄混合気による燃焼がなされるので、ＮＯｘの発生を抑制することができる。
As a result, combustion of the fuel-rich air-fuel mixture is accompanied at the time of start-up, but when the rated operation at a constant rotational speed is reached, combustion by the lean air-fuel mixture from the main combustion chamber side is performed, so that the generation of NOx can be suppressed. it can.
さらに、請求項５にかかる本発明では、新たなガス燃料が、副燃焼室内に導入されることを特徴とする。
Further, the present invention according to claim 5 is characterized in that new gas fuel is introduced into the auxiliary combustion chamber.
これにより、副燃焼室内において、主燃焼室側からの希薄混合気と副燃焼室内に導入される新たなガス燃料との混合で得られる燃料リッチな混合気を燃焼することができる。
Thereby, in the auxiliary combustion chamber, a fuel-rich air-fuel mixture obtained by mixing the lean air-fuel mixture from the main combustion chamber side and new gas fuel introduced into the auxiliary combustion chamber can be burned.
本発明によれば、副燃焼室内のガス燃料と空気との混合気が、主燃焼室内に導入された希薄混合気であっても、レーザ点火プラグにより、失火することなく混合気を着火することができ、噴孔を通過して主燃焼室に燃焼トーチとして噴出させ、主燃焼室内の火炎伝播燃焼へとつなげることができる。
副燃焼室内の燃焼が、量論混合比以下の空気過剰率における燃焼であるため、低エミッションを実現することができる。
According to the present invention, even if the mixture of gas fuel and air in the sub-combustion chamber is a lean mixture introduced into the main combustion chamber, the mixture is ignited by the laser spark plug without misfire. And can be ejected as a combustion torch into the main combustion chamber through the nozzle hole, and connected to flame propagation combustion in the main combustion chamber.
Since the combustion in the sub-combustion chamber is combustion at an excess air ratio below the stoichiometric mixture ratio, low emission can be realized.
以下、本発明にかかる副室式ガスエンジンおよびその運転制御方法を実施するための実施形態を挙げ、添付図に基づいて、詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の副室式ガスエンジン１におけるシリンダヘッド部の要部を示す。
Hereinafter, an embodiment for carrying out a sub-chamber gas engine and an operation control method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 shows a main part of a cylinder head portion in the sub-chamber gas engine 1 of the first embodiment.
図１に示す副室式ガスエンジン１では、シリンダ２内を昇降するピストン３の上方に、ピストン３の上面とシリンダ２内壁面とで閉鎖された主燃焼室Ｓ１が形成されている。
シリンダ２のヘッド中央部には、先細り形状の副燃焼室部材４が、先細り先端側を、ピストン３の上面とシリンダ２内壁面とで閉鎖された主燃焼室Ｓ１内に臨入する形で設けられている。副燃焼室部材４の先細り先端側には、複数の噴孔５が放射状に適宜角度ごとに設けられる。
この副燃焼室部材４の内部には副燃焼室Ｓ２が形成されている。副燃焼室部材４の上部には、副燃焼室Ｓ２内に向かって斜め上方から、副燃焼室Ｓ２のガス燃料と空気との混合気（以下、混合気）に着火するためのレーザ着火部を構成するレーザ点火プラグ６が設けられている。
主燃焼室Ｓ１と副燃焼室部材４内の副燃焼室Ｓ２とは、複数の噴孔５により連通状態にある。
In the sub-chamber gas engine 1 shown in FIG. 1, a main combustion chamber S <b> 1 closed by the upper surface of the piston 3 and the inner wall surface of the cylinder 2 is formed above the piston 3 that moves up and down in the cylinder 2.
A tapered sub-combustion chamber member 4 is provided at the center of the head of the cylinder 2 in such a manner that the tapered tip end side enters the main combustion chamber S1 closed by the upper surface of the piston 3 and the inner wall surface of the cylinder 2. It has been. A plurality of nozzle holes 5 are provided radially at appropriate angles on the tapered front end side of the auxiliary combustion chamber member 4.
A sub-combustion chamber S <b> 2 is formed inside the sub-combustion chamber member 4. A laser ignition part for igniting an air-fuel mixture (hereinafter referred to as an air-fuel mixture) of gas fuel and air in the sub-combustion chamber S2 is formed on the upper side of the sub-combustion chamber member 4 from obliquely upward toward the sub-combustion chamber S2. A laser spark plug 6 is provided.
The main combustion chamber S1 and the sub-combustion chamber S2 in the sub-combustion chamber member 4 are in communication with each other through the plurality of nozzle holes 5.
また、シリンダ２のヘッド部には、ガス燃料と空気の混合気を主燃焼室Ｓ１に送り込むための吸気管７が接続されている。この吸気管７とシリンダ２のヘッド部との境には、吸気弁８の傘部８ａが配設されている。この吸気弁８は、図示しないカムによってばね力に抗して下方に押圧されたり、ばねによる復元力で上方に付勢されたりすることで昇降する。吸気管７の途中には、ガス燃料を吸気管７に供給するためのガス燃料供給管（図示省略）が設けられる。なお、かかるガス燃料供給管には、主燃焼室Ｓ１へのガス燃料の量を調整するための主室燃料供給弁（図示省略）が設けられる。また主室燃料のガス供給系には、ガス燃料の量を連続的に調整できるように比例電磁弁や、ベンチュリ式弁が用いられる。 Further, an intake pipe 7 is connected to the head portion of the cylinder 2 for sending a gas fuel / air mixture to the main combustion chamber S1. At the boundary between the intake pipe 7 and the head part of the cylinder 2, an umbrella part 8a of the intake valve 8 is disposed. The intake valve 8 moves up and down by being pressed downward against a spring force by a cam (not shown) or urged upward by a restoring force of the spring. A gas fuel supply pipe (not shown) for supplying gas fuel to the intake pipe 7 is provided in the middle of the intake pipe 7. The gas fuel supply pipe is provided with a main chamber fuel supply valve (not shown) for adjusting the amount of gas fuel to the main combustion chamber S1. The main chamber fuel gas supply system uses a proportional solenoid valve or a venturi valve so that the amount of gas fuel can be continuously adjusted.
さらに、シリンダ２のヘッド部には、排気管９が接続されている。この排気管９とシリンダ２のヘッド部との境には、排気弁１０の傘部１０ａが配設されている。この排気弁１０も吸気弁８と同様に、カムによってばね力に抗して下方に押圧されたり、ばねによる復元力で上方に付勢されたりすることで昇降する。 Further, an exhaust pipe 9 is connected to the head portion of the cylinder 2. At the boundary between the exhaust pipe 9 and the head portion of the cylinder 2, an umbrella portion 10a of the exhaust valve 10 is disposed. Similarly to the intake valve 8, the exhaust valve 10 also moves up and down by being pressed downward against a spring force by a cam or being biased upward by a restoring force by a spring.
以上のような構成の副室式ガスエンジン１において、吸気管７を介して主燃焼室Ｓ１へ流入したガス燃料と空気の混合気は、上死点に達するまで上昇するピストン３に圧縮され、複数の噴孔５を介して、主燃焼室Ｓ１から副燃焼室部材４内の副燃焼室Ｓ２に流入する。
ここで、副燃焼室部材４内に向けて配置されたレーザ点火プラグ６により、レーザを混合気に向けて出射することで、ブレークダウンを起こして高温のプラズマを生成する。
その熱エネルギーにより、混合気に着火し副燃焼室Ｓ２内で火炎伝播燃焼が生じる。これにより、複数の噴孔５を介して燃焼ガスがトーチとなって、主燃焼室Ｓ１に流出し、トーチ燃焼および火炎伝播燃焼で主燃焼室Ｓ１が燃焼する。
主燃焼室Ｓ１が燃焼することで、ピストン３を押し下げた後に、クランク軸によって上昇するピストン３に押圧されて、シリンダ２のヘッド部に接続された排気管９から排気される燃焼サイクル動作が行われるようになっている。
In the sub-chamber gas engine 1 configured as described above, the gas fuel and air mixture flowing into the main combustion chamber S1 via the intake pipe 7 is compressed by the piston 3 that rises until reaching the top dead center, The main combustion chamber S1 flows into the auxiliary combustion chamber S2 in the auxiliary combustion chamber member 4 through the plurality of nozzle holes 5.
Here, the laser spark plug 6 disposed toward the sub-combustion chamber member 4 emits a laser toward the air-fuel mixture, thereby causing breakdown and generating high-temperature plasma.
The thermal energy ignites the air-fuel mixture and flame propagation combustion occurs in the auxiliary combustion chamber S2. Thus, the combustion gas becomes a torch through the plurality of nozzle holes 5 and flows out into the main combustion chamber S1, and the main combustion chamber S1 is combusted by torch combustion and flame propagation combustion.
As the main combustion chamber S1 burns, after the piston 3 is pushed down, it is pressed by the piston 3 that rises by the crankshaft, and a combustion cycle operation is performed in which the exhaust pipe 9 connected to the head portion of the cylinder 2 is exhausted. It has come to be.
次に、主燃焼室Ｓ１と副燃焼室部材４内の副燃焼室Ｓ２とについて説明する。
主燃焼室Ｓ１と副燃焼室Ｓ２とは、上述のレーザ点火プラグ６を用いた燃焼サイクル動作を行わせるために、詳しくは後述するが、容積が設定されている。
主燃焼室Ｓ１の容積、すなわち、ピストン３が上死点に達した際の容積はここでは４００ｃｃで、副燃焼室Ｓ２の容積は従来の点火プラグ使用時の容積が６ｃｃに対し、ここでは１２ｃｃとなっている。すなわち、副燃焼室Ｓ２の容積は、レーザ点火プラグ６によって副燃焼室Ｓ２内の希薄混合気での燃焼を可能とするための要件として、次式により求められる。
Ｖ’=λ’／λ×Ｖ：（ただし、Ｖ’が副燃焼室の容積で、λ’が副燃焼室内の空気過剰率で、量論混合比で燃焼が行われる副燃焼室の容積をＶ、副燃焼室内の量論混合比である空気過剰率をλとし、副燃焼室内の発熱量を従来と同等とした場合）
Next, the main combustion chamber S1 and the auxiliary combustion chamber S2 in the auxiliary combustion chamber member 4 will be described.
The main combustion chamber S1 and the sub-combustion chamber S2 have volumes set as will be described later in detail in order to perform the combustion cycle operation using the laser spark plug 6 described above.
The volume of the main combustion chamber S1, that is, the volume when the piston 3 reaches top dead center is 400 cc here, and the volume of the auxiliary combustion chamber S2 is 12 cc here compared to 6 cc when using the conventional spark plug. It has become. That is, the volume of the auxiliary combustion chamber S2 is obtained by the following equation as a requirement for enabling the laser ignition plug 6 to burn with the lean air-fuel mixture in the auxiliary combustion chamber S2.
V ′ = λ ′ / λ × V: (where V ′ is the volume of the sub-combustion chamber, λ ′ is the excess air ratio in the sub-combustion chamber, and the volume of the sub-combustion chamber in which combustion is performed at a stoichiometric mixing ratio) V, when the excess air ratio, which is the stoichiometric mixing ratio in the auxiliary combustion chamber, is λ, and the calorific value in the auxiliary combustion chamber is the same as before)
ここで、レーザ点火プラグ６について概略説明する。レーザ点火プラグ６は、レーザ光を出力するレーザ発振器と、レーザ発振器から出力されるレーザ光を導入して副燃焼室Ｓ２内においてレーザ光を集束するレンズ系が内蔵されている。レーザ発振器には、図示しないレーザ制御部からの点火時期に同期する信号を導入して、レーザ光を出力するように構成されている。 Here, the laser spark plug 6 will be schematically described. The laser spark plug 6 includes a laser oscillator that outputs laser light and a lens system that introduces the laser light output from the laser oscillator and focuses the laser light in the sub-combustion chamber S2. A laser oscillator is configured to output a laser beam by introducing a signal synchronized with an ignition timing from a laser control unit (not shown).
さらに、副室式ガスエンジン１においては、上述のレーザ点火プラグ６によって燃焼サイクル動作を可能とするための要件が設定されている。
ガス燃料には、例えばメタン（ＣＨ４）が用いられる。メタンの空気過剰率λは、１．０（空気：燃料＝１０：１）となっており、ストイキ状態のための要件である。通常の点火プラグを用いている場合は、ピストン３が上死点に達した際の副燃焼室Ｓ２内の空気過剰率λが、失火しないようにするために、１．０となるようにしている。
一方、レーザ点火プラグ６を用いるときは、空気過剰率λ’＝２．０（空気：燃料＝２０：１）となるように、希薄混合気を調整している。レーザ点火プラグ６を用いれば希薄混合気においても着火が可能であるからである。
また、副燃焼室Ｓ２の容積は、Ｖ’＝λ’／λ×Ｖから設定するようにしている。
Further, in the sub-chamber gas engine 1, requirements for enabling the combustion cycle operation are set by the laser spark plug 6 described above.
For example, methane (CH 4 ) is used as the gas fuel. The excess air ratio λ of methane is 1.0 (air: fuel = 10: 1), which is a requirement for the stoichiometric state. When a normal spark plug is used, the excess air ratio λ in the auxiliary combustion chamber S2 when the piston 3 reaches top dead center is set to 1.0 in order to prevent misfire. Yes.
On the other hand, when the laser spark plug 6 is used, the lean air-fuel mixture is adjusted so that the excess air ratio λ ′ = 2.0 (air: fuel = 20: 1). This is because the use of the laser spark plug 6 enables ignition even in a lean air-fuel mixture.
The volume of the auxiliary combustion chamber S2 is set from V ′ = λ ′ / λ × V.
以上のような副室式ガスエンジン１において、レーザ点火プラグ６を用いた燃焼サイクル動作について説明する。
運転開始で、吸気行程で吸気弁８の傘部８ａを作動させて吸気管７の吸気口Ｉｎを開口し、吸気管７を介して主燃焼室Ｓ１へガス燃料と空気との混合気を流入させる。このとき、吸気管７には、主室燃料供給弁によって連続的に調整された量のガス燃料が予め所定量の空気と混合された状態で、ガス燃料供給管を通じて供給される。
A combustion cycle operation using the laser spark plug 6 in the sub-chamber gas engine 1 as described above will be described.
At the start of operation, the umbrella portion 8a of the intake valve 8 is operated in the intake stroke to open the intake port In of the intake pipe 7, and the mixture of gas fuel and air flows into the main combustion chamber S1 via the intake pipe 7 Let At this time, the amount of gas fuel continuously adjusted by the main chamber fuel supply valve is supplied to the intake pipe 7 through the gas fuel supply tube in a state of being mixed with a predetermined amount of air in advance.
次いで、吸気行程から圧縮行程において、主燃焼室Ｓ１に流入したガス燃料と空気との混合気は、ピストン３が上死点に達するまで圧縮される。このとき、かかる混合気は、ピストン３の上昇によって複数の噴孔５を介して、主燃焼室Ｓ１から副燃焼室部材４内の副燃焼室Ｓ２に流入する。
ピストンが上死点に達した時点で、混合気は、主燃焼室Ｓ１の容積（４００ｃｃ）と副燃焼室Ｓ２の容積（１２ｃｃ）とを合わせた容積の空間に閉じ込められた状態となる。かかる状態で、空気過剰率λ’は２．０となるように設定される。
Next, in the compression stroke from the intake stroke, the air-fuel mixture flowing into the main combustion chamber S1 is compressed until the piston 3 reaches top dead center. At this time, the air-fuel mixture flows from the main combustion chamber S <b> 1 to the sub-combustion chamber S <b> 2 in the sub-combustion chamber member 4 through the plurality of nozzle holes 5 as the piston 3 moves up.
When the piston reaches top dead center, the air-fuel mixture is confined in a space having a volume that is the sum of the volume of the main combustion chamber S1 (400 cc) and the volume of the auxiliary combustion chamber S2 (12 cc). In such a state, the excess air ratio λ ′ is set to 2.0.
ここで、副燃焼室部材４に、副燃焼室Ｓ２内に向けて配置されたレーザ点火プラグ６におけるレーザ発振器が、レーザ制御部からの点火時期に同期する信号を導入してレーザ光を出力し、レンズ系により副燃焼室Ｓ２内の混合気に向けてレーザ光の集束光を出射することで、ブレークダウンを起こして高温のプラズマを生成することができる。
その熱エネルギーにより、空気過剰率λ’（２．０）の混合気に着火し副燃焼室Ｓ２内で火炎伝播燃焼が生じる。これにより、複数の噴孔５を介して燃焼ガスがトーチとなって、主燃焼室Ｓ１に流出し、トーチ燃焼および火炎伝播燃焼で主燃焼室Ｓ１内の希薄混合気が燃焼する（爆発行程）。
Here, the laser oscillator in the laser ignition plug 6 disposed in the auxiliary combustion chamber member 4 toward the auxiliary combustion chamber S2 introduces a signal synchronized with the ignition timing from the laser control unit and outputs laser light. By emitting the focused light of the laser beam toward the air-fuel mixture in the auxiliary combustion chamber S2 by the lens system, breakdown can be caused and high temperature plasma can be generated.
The thermal energy ignites the air-fuel mixture having an excess air ratio λ ′ (2.0) and flame propagation combustion occurs in the auxiliary combustion chamber S2. As a result, the combustion gas becomes a torch through the plurality of nozzle holes 5 and flows out into the main combustion chamber S1, and the lean air-fuel mixture in the main combustion chamber S1 is burned by torch combustion and flame propagation combustion (explosion stroke). .
かかる行程で主燃焼室Ｓ１内の希薄混合気が燃焼することで、ピストン３を押し下げた後に、クランク軸によって上昇するピストン３に押圧されて、シリンダ２のヘッド部に接続された排気管９から排気される排気行程へとつながり、燃焼サイクル動作を完遂することができる。 In this process, the lean air-fuel mixture in the main combustion chamber S1 burns, so that after the piston 3 is pushed down, it is pressed by the piston 3 rising by the crankshaft, and from the exhaust pipe 9 connected to the head portion of the cylinder 2 This leads to an exhaust stroke to be exhausted, and the combustion cycle operation can be completed.
ここで、図２に、ピストン３の上死点での主燃焼室Ｓ１と副燃焼室Ｓ２の容積と、空気と燃料との比、すなわち空気過剰率λとを、本実施形態と通常の点火プラグを用いた副室式ガスエンジンについて示し、レーザ点火プラグ６を用いることの有効性を検証する。
ここでは、通常の点火プラグを用いた副室式ガスエンジンについては従来技術とし、本実施形態の副室式ガスエンジンと対比することとする。なお、ガス燃料としては、ＣＨ４とする。
図２に示すように、従来では、ピストンの上死点の位置での主燃焼室Ｓ１の容積は４００ｃｃに対し、副燃焼室Ｓ２の容積は６ｃｃ（主燃焼室Ｓ１の容積の略１．５％）、副燃焼室Ｓ２の空気過剰率λは量論混合比である１．０で、主燃焼室Ｓ１内の空気過剰率λは、２．０である。
一方、本実施形態の副室式ガスエンジンでは、主燃焼室Ｓ１の容積は従来の副室式ガスエンジンと同じ４００ｃｃである。
副燃焼室Ｓ２の容積は、Ｖ’＝λ’／λ×Ｖから、１２ｃｃで、副燃焼室Ｓ２内および、主燃焼室Ｓ１内の空気過剰率λ’は２．０となっている。
Here, FIG. 2 shows the volume of the main combustion chamber S1 and the sub-combustion chamber S2 at the top dead center of the piston 3 and the ratio of air to fuel, that is, the excess air ratio λ. A sub-chamber gas engine using a plug will be shown, and the effectiveness of using a laser spark plug 6 will be verified.
Here, the sub-chamber type gas engine using a normal spark plug is assumed to be a conventional technique, and is compared with the sub-chamber type gas engine of the present embodiment. As the gaseous fuel, and CH 4.
As shown in FIG. 2, conventionally, the volume of the main combustion chamber S1 at the top dead center position of the piston is 400 cc, whereas the volume of the sub-combustion chamber S2 is 6 cc (approximately 1.5% of the volume of the main combustion chamber S1). %), The excess air ratio λ of the auxiliary combustion chamber S2 is 1.0, which is a stoichiometric mixture ratio, and the excess air ratio λ in the main combustion chamber S1 is 2.0.
On the other hand, in the sub chamber type gas engine of the present embodiment, the volume of the main combustion chamber S1 is 400 cc, which is the same as that of the conventional sub chamber type gas engine.
The volume of the auxiliary combustion chamber S2 is 12 cc from V ′ = λ ′ / λ × V, and the excess air ratio λ ′ in the auxiliary combustion chamber S2 and the main combustion chamber S1 is 2.0.
そして、副燃焼室Ｓ２内の発熱量Ｑを算出すると、従来では、
Ｑ＝１００００ｋｃａｌ／ｍ３×６ｃｃ×１／１０、これは、ガス燃料がストイキ状態のときの発熱量であり、安定した燃焼が行われるときの発熱量を示している。
これに対し、本実施形態の副燃焼室Ｓ２で行われる希薄燃焼のように、従来の副燃焼室Ｓ２の容積は６ｃｃで行われる空気過剰率λ’が２．０で行われる燃焼の発熱量Ｑ’は、
Ｑ’＝１００００ｋｃａｌ／ｍ３×６ｃｃ×１／２０＝１／２Ｑであるから、安定した燃焼が行われるときの発熱量の略半分であることがわかる。
したがって、空気過剰率λ’が２．０で、安定した燃焼が達成するためには、副燃焼室Ｓ２の容積が倍の１２ｃｃであれば、ガス燃料がストイキ状態のときの発熱量Ｑと同等となり、空気過剰率λ’が２．０であっても、レーザ点火プラグ６を用いることが有効であることがわかる。
And when calorific value Q in subcombustion chamber S2 is computed, conventionally,
Q = 10000 kcal / m 3 × 6 cc × 1/10, which is a calorific value when the gas fuel is in a stoichiometric state, and indicates a calorific value when stable combustion is performed.
On the other hand, as in the lean combustion performed in the sub-combustion chamber S2 of the present embodiment, the conventional sub-combustion chamber S2 has a volume of 6 cc and the excess air ratio λ ′ performed at 2.0 is 2.0. Q '
Since Q ′ = 10000 kcal / m 3 × 6 cc × 1/20 = 1 / 2Q, it can be seen that it is approximately half of the calorific value when stable combustion is performed.
Therefore, in order to achieve stable combustion at an excess air ratio λ ′ of 2.0, if the volume of the sub-combustion chamber S2 is 12 cc, which is twice that of the calorific value Q when the gas fuel is in the stoichiometric state, Thus, it can be seen that the use of the laser spark plug 6 is effective even when the excess air ratio λ ′ is 2.0.
以上のように、本実施形態では、副燃焼室Ｓ２および主燃焼室Ｓ１共に、空気過剰率λ’が２．０で、安定した燃焼を達成することができ、量論混合比である１．０より低い空気過剰率λ’が２．０での燃焼であるからＮＯｘ排出量を低減することができる。
また、上述のように、本実施形態では、副燃焼室Ｓ２へのガス燃料供給弁を配置しない構成であるので、構造を単純化することができ、余分な燃料供給ラインが不要であるので、通常の点火プラグを用いた副室式ガスエンジンに比較して安全面でも有利である。
さらに、副燃焼室Ｓ２へのガス燃料の供給系統が不要になった分、レーザ点火プラグ６の配置自由度が高まる。例えば、レーザ点火プラグ６は副燃焼室Ｓ２を構成する副燃焼室部材４の上部センターに配置することができ、副燃焼室Ｓ２でのプラズマから発生する燃焼核を中心に持っていくことができる。
したがって、副燃焼室Ｓ２での燃焼が対称的に伝播させることができ、円滑なトーチ燃焼、火炎伝播燃焼へとつなげることができ、安定した燃焼を行うことができる。
As described above, in the present embodiment, both the sub-combustion chamber S2 and the main combustion chamber S1 have an excess air ratio λ ′ of 2.0 and can achieve stable combustion, and have a stoichiometric mixing ratio of 1. Since the combustion is performed when the excess air ratio λ ′ lower than 0 is 2.0, the NOx emission amount can be reduced.
Further, as described above, in the present embodiment, since the gas fuel supply valve to the auxiliary combustion chamber S2 is not arranged, the structure can be simplified and an extra fuel supply line is unnecessary. Compared to a sub-chamber type gas engine using a normal spark plug, it is advantageous in terms of safety.
Furthermore, the degree of freedom of arrangement of the laser spark plug 6 is increased by the amount that the gas fuel supply system to the auxiliary combustion chamber S2 becomes unnecessary. For example, the laser spark plug 6 can be arranged at the upper center of the sub-combustion chamber member 4 constituting the sub-combustion chamber S2, and can bring the combustion nucleus generated from the plasma in the sub-combustion chamber S2 to the center. .
Therefore, the combustion in the sub-combustion chamber S2 can be propagated symmetrically, leading to smooth torch combustion and flame propagation combustion, and stable combustion can be performed.
本発明は、以下のような第２実施形態として実施することもできる。
（第２実施形態）
図３に第２実施形態にかかる副室式ガスエンジンを示す。なお、第２実施形態において、前述の第１実施形態と同様の構成要素に対しては、同符号を付して詳細な説明は省略する。
第２実施形態にかかる副室式ガスエンジン１では、副燃焼室Ｓ２を構成する副燃焼室部材４の上部センターに、副燃焼室Ｓ２内に、ガス燃料を供給する副室内燃料供給バルブ２０が設けられている。
さらに、第２実施形態では、副燃焼室Ｓ２にレーザ点火プラグ６の他に、通常のスパークプラグ３０を配置することもできる。
The present invention can also be implemented as a second embodiment as follows.
(Second Embodiment)
FIG. 3 shows a sub-chamber type gas engine according to the second embodiment. In the second embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
In the sub-chamber type gas engine 1 according to the second embodiment, a sub-chamber fuel supply valve 20 for supplying gas fuel into the sub-combustion chamber S2 is provided at the upper center of the sub-combustion chamber member 4 constituting the sub-combustion chamber S2. Is provided.
Furthermore, in the second embodiment, a normal spark plug 30 can be disposed in the auxiliary combustion chamber S2 in addition to the laser spark plug 6.
副燃焼室Ｓ２内に、ガス燃料を供給する副室内燃料供給バルブ２０を設けることにより、部分負荷運転時における負荷増大時（例えば負荷が急に変動するとき、回転数、起動時等、一時的に空気過剰率λが変動するとき）など、様々な運転状況、環境に即応した燃焼が可能となり、ＮＯｘ排出量が増大しないように適切な燃焼を確保することができ、好適な運転が可能となる。 By providing the sub-chamber fuel supply valve 20 for supplying gas fuel in the sub-combustion chamber S2, when the load increases during partial load operation (for example, when the load suddenly fluctuates, the rotational speed, the startup, etc. (When the excess air ratio λ fluctuates at the same time), it is possible to perform combustion that responds quickly to various operating conditions and the environment, and it is possible to ensure appropriate combustion so that NOx emissions do not increase, and suitable operation is possible. Become.
ここで図４に、部分負荷運転時における負荷増大時、例えば起動時に、副室内燃料供給バルブ２０により副燃焼室Ｓ２内に、ガス燃料を供給して運転するタイムチャートの一例を示し、運転制御方法を説明する。
運転開始で、吸気行程で吸気弁８の傘部８ａを作動させて吸気管７の吸気口Ｉｎを開口し、吸気管７を介して主燃焼室Ｓ１へガス燃料と空気との混合気を流入させる。このとき、吸気管７には、主室燃料供給弁によって連続的に調整された量のガス燃料が予め所定量の空気と混合された状態で、所定の希薄混合気がガス燃料供給管を通じて供給される。主燃焼室Ｓ１に流入したガス燃料と空気との混合気は、ピストン３が上死点に達するまで圧縮される。このとき、かかる混合気は、ピストン３の上昇によって複数の噴孔５を介して、主燃焼室Ｓ１から副燃焼室部材４内の副燃焼室Ｓ２に流入する。
Here, FIG. 4 shows an example of a time chart for operating by supplying gas fuel into the auxiliary combustion chamber S2 by the auxiliary chamber fuel supply valve 20 at the time of load increase during partial load operation, for example, at the start. A method will be described.
At the start of operation, the umbrella portion 8a of the intake valve 8 is operated in the intake stroke to open the intake port In of the intake pipe 7, and the mixture of gas fuel and air flows into the main combustion chamber S1 via the intake pipe 7 Let At this time, a predetermined lean air-fuel mixture is supplied to the intake pipe 7 through the gas fuel supply pipe in a state in which an amount of gas fuel continuously adjusted by the main chamber fuel supply valve is mixed with a predetermined amount of air in advance. Is done. The mixture of gas fuel and air that has flowed into the main combustion chamber S1 is compressed until the piston 3 reaches top dead center. At this time, the air-fuel mixture flows from the main combustion chamber S <b> 1 to the sub-combustion chamber S <b> 2 in the sub-combustion chamber member 4 through the plurality of nozzle holes 5 as the piston 3 moves up.
一方、運転開始で、同時に、副室内燃料供給バルブ２０を開として、副燃焼室Ｓ２内にガス燃料を供給し、主燃焼室Ｓ１から副燃焼室Ｓ２に流入した希薄混合気と副燃焼室Ｓ２内で混合され、燃料リッチな混合気となる。
次いで、レーザ点火プラグ６により燃料リッチな混合気に着火され、副燃焼室Ｓ２内で火炎伝播燃焼が生じる。これにより、複数の噴孔５を介して燃焼ガスがトーチとなって、主燃焼室Ｓ１に流出し、トーチ燃焼および火炎伝播燃焼で主燃焼室Ｓ１内の希薄混合気が燃焼する。
そして主燃焼室Ｓ１内の希薄混合気が燃焼することで、ピストン３を押し下げた後に、クランク軸によって上昇するピストン３に押圧されて、シリンダ２のヘッド部に接続された排気管９から排気される排気行程へと燃焼サイクル動作が開始される。
On the other hand, at the start of operation, at the same time, the sub-chamber fuel supply valve 20 is opened, gas fuel is supplied into the sub-combustion chamber S2, and the lean mixture and the sub-combustion chamber S2 that flowed from the main combustion chamber S1 into the sub-combustion chamber S2. The fuel is mixed in the fuel and becomes a fuel rich mixture.
Next, the fuel-rich air-fuel mixture is ignited by the laser spark plug 6, and flame propagation combustion occurs in the auxiliary combustion chamber S2. Thus, the combustion gas becomes a torch through the plurality of nozzle holes 5 and flows out into the main combustion chamber S1, and the lean air-fuel mixture in the main combustion chamber S1 is combusted by torch combustion and flame propagation combustion.
Then, the lean air-fuel mixture in the main combustion chamber S1 burns, and after pushing down the piston 3, it is pushed by the piston 3 rising by the crankshaft and exhausted from the exhaust pipe 9 connected to the head portion of the cylinder 2. The combustion cycle operation is started to the exhaust stroke.
運転開始で燃焼サイクル動作が開始されてから、ｔ１経過時に定格運転（例えば１５００ｒｐｍ）に達し、さらにｔ２経過時に負荷運転が開始されると、副室内燃料供給バルブ２０をＯＮとして、主燃焼室Ｓ１側の吸気弁８の傘部８ａを作動させて吸気管７の吸気口Ｉｎを開口し、吸気管７を介して主燃焼室Ｓ１へガス燃料と空気との混合気を流入させ、副燃焼室Ｓ２まで希薄混合気を送り込んでレーザ点火プラグ６による着火で、トーチ燃焼および火炎伝播燃焼を続行し、燃焼サイクル動作を行うことができる。
このように、起動時に燃料リッチな混合気の燃焼は伴うものの、定格運転（例えば１５００ｒｐｍ）に達すれば、主燃焼室Ｓ１側からの希薄混合気による燃焼がなされるので、ＮＯｘの発生を抑制することができる。
When the rated operation (for example, 1500 rpm) is reached when t1 has elapsed after the combustion cycle operation is started at the start of operation, and when the load operation is started after t2 has elapsed, the sub-chamber fuel supply valve 20 is turned ON, and the main combustion chamber S1 The umbrella portion 8a of the intake valve 8 on the side is actuated to open the intake port In of the intake pipe 7, and a mixture of gas fuel and air is introduced into the main combustion chamber S1 via the intake pipe 7 to obtain the auxiliary combustion chamber. The torch combustion and the flame propagation combustion can be continued by sending the lean air-fuel mixture up to S2 and igniting by the laser spark plug 6, and the combustion cycle operation can be performed.
In this way, combustion of the fuel-rich air-fuel mixture is accompanied at the time of start-up, but when the rated operation (for example, 1500 rpm) is reached, combustion with the lean air-fuel mixture from the main combustion chamber S1 side is performed, thereby suppressing the generation of NOx. be able to.
さらに、副燃焼室Ｓ２にレーザ点火プラグ６の他に、通常のスパークプラグ３０を配置することで、例えば、レーザ着火部に不具合が発生したようなときでも、バックアップとして、スパークプラグ３０によって運転を続行することができる。 Further, by arranging a normal spark plug 30 in addition to the laser spark plug 6 in the auxiliary combustion chamber S2, for example, even when a malfunction occurs in the laser ignition part, the spark plug 30 can be operated as a backup. You can continue.
以上、本発明について第１、第２実施形態を挙げ、説明した。
いずれにしても、本発明によれば、レーザ着火部を用いることで、これまでのようなストイキ状態の燃焼によって発生するＮＯｘの量を減らすことができる。しかも、レーザ着火部を用いることで、希薄燃焼が可能であり、また、副燃焼室へのガス燃料供給系統を減らすことができ、構造を単純化、且つ、安全度も高めることができる。
The present invention has been described with reference to the first and second embodiments.
In any case, according to the present invention, the amount of NOx generated by the combustion in the stoichiometric state as described above can be reduced by using the laser ignition part. Moreover, by using the laser ignition unit, lean combustion is possible, the gas fuel supply system to the auxiliary combustion chamber can be reduced, the structure can be simplified, and the safety level can be increased.
また、第２実施形態において、部分負荷運転時における起動時に、副室内燃料供給バルブ２０を用いた運転制御方法を説明したが、副室内燃料供給バルブ２０を用いることなく、主燃焼室Ｓ１へのガス燃料と空気との混合気を燃料リッチに調整して、運転制御することも可能である。
このように、部分負荷運転時における負荷増大時の運転においても、極力、ＮＯｘの発生量を抑えた、燃焼サイクル動作を行うことができる。
Further, in the second embodiment, the operation control method using the sub-chamber fuel supply valve 20 at the time of start-up during the partial load operation has been described. However, without using the sub-chamber fuel supply valve 20, the operation control method to the main combustion chamber S1 is performed. It is also possible to control the operation by adjusting the air-fuel mixture of gas fuel and air to be rich in fuel.
As described above, the combustion cycle operation can be performed while suppressing the generation amount of NOx as much as possible even in the operation when the load is increased during the partial load operation.
副室式ガスエンジンは、レーザ着火部を用いることで、ストイキ状態にならない、安定した希薄燃焼が可能であるので、公害の少ない、あらゆるエンジンに対し、適用することができる。 The sub-chamber type gas engine can be applied to any engine with less pollution because it uses the laser ignition unit and can perform stable lean combustion without being in a stoichiometric state.
１ 副室式ガスエンジン
２ シリンダ
３ ピストン
４ 副燃焼室部材
５ 噴孔
６ レーザ点火プラグ
７ 吸気管
８ 吸気弁
８ａ 傘部
９ 排気管
１０ 排気弁
１０ａ傘部
２０ 副室内燃料供給バルブ
３０ スパークプラグ
Ｓ１ 主燃焼室
Ｓ２ 副燃焼室
ｔｊ トーチジェット
Ｉｎ 吸気口
Ｅｘ 排気口
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Subchamber type gas engine 2 Cylinder 3 Piston 4 Subcombustion chamber member 5 Injection hole 6 Laser ignition plug 7 Intake pipe 8 Intake valve 8a Umbrella part 9 Exhaust pipe 10 Exhaust valve 10a Umbrella part 20 Subindoor fuel supply valve 30 Spark plug S1 Main combustion chamber S2 Sub combustion chamber tj Torch jet In Inlet Ex Exhaust
Claims (5)
前記副燃焼室には、レーザ着火部が配置され、
吸気管の途中にガス燃料を供給するガス燃料の供給系は、主燃焼室向けに配置され、前記主燃焼室に導入されるガス燃料と空気の混合気は、ピストンが上死点に達した時点で、前記主燃焼室と前記副燃焼室とを合わせた容積の空間内に閉じ込められた状態で、主燃焼室内及び副燃焼室内の空気過剰率はそれぞれ量論混合比に対して空気過剰の希薄混合気に設定され、前記副燃焼室の容積は、量論混合比で安定燃焼が行われるときの量論混合比の混合気が閉じ込められる副燃焼室内において発生するガス燃料の発熱量と同等の発熱量を、前記希薄混合気のガス燃料で発生させるのに必要な希薄混合気が閉じ込められる容積に設定されることを特徴とする副室式ガスエンジン。 Comprising a cylinder and a piston, a main combustion chamber which is closed at the top and shea cylinder inner wall surface of the piston, the head portion of the cylinder, the auxiliary combustion chamber communicating through said main combustion chamber and a plurality of injection holes In the secondary chamber type gas engine,
In the auxiliary combustion chamber, a laser ignition unit is disposed,
Supply system middle gas fuel supplying gas fuel intake pipe is disposed in the main combustion chamber towards only, mixture of gas fuel and air introduced into the main combustion chamber, piston reaches the top dead center When the main combustion chamber and the sub-combustion chamber are confined in a space having a combined volume, the excess air ratio in the main combustion chamber and the sub-combustion chamber is excessive with respect to the stoichiometric mixture ratio. The volume of the sub-combustion chamber is set to the amount of heat generated by the gas fuel generated in the sub-combustion chamber in which the mixture of the stoichiometric mixture ratio is confined when stable combustion is performed at the stoichiometric mixture ratio. A sub-chamber gas engine characterized by being set to a volume in which a lean air-fuel mixture necessary for generating an equivalent calorific value with the gas fuel of the lean air-fuel mixture is confined .
Ｖ’=λ’／λ×Ｖ、（ただし、Ｖ’：副燃焼室の容積、λ’：副燃焼室内の空気過剰率、Ｖ：量論混合比で安定燃焼が行われる副燃焼室の容積、λ：副燃焼室内の量論混合比である空気過剰率）
に基づいて算出された容積である、ことを特徴とする請求項１に記載の副室式ガスエンジン。 The volume of the auxiliary combustion chamber has a calorific value equivalent to the calorific value of the gas fuel generated in the auxiliary combustion chamber in which the air-fuel mixture having the stoichiometric mixture ratio is confined when stable combustion is performed at the stoichiometric mixture ratio, The following formula V ′ = λ ′ / λ × V, where V ′ is the volume of the sub-combustion chamber , so that the lean air-fuel mixture required to be generated by the gas fuel of the air-fuel mixture is set . λ ′: excess air ratio in sub-combustion chamber, V: volume of sub-combustion chamber where stable combustion is performed at stoichiometric mixing ratio, λ: excess air ratio as stoichiometric mixing ratio in sub-combustion chamber)
The sub-chamber gas engine according to claim 1, wherein the volume is calculated based on
運転開始時に、一定回転数の定格運転に達し負荷運転が開始される前には、前記副室内燃料供給バルブを開として、副燃焼室内にガス燃料を供給して、前記主燃焼室から前記副燃焼室に流入した希薄混合気と前記副燃焼室内で混合し、混合された燃料リッチな混合気に対して前記レーザ着火部により着火し、
前記一定回転数に到達後の負荷運転が開始後には、前記副室内燃料供給バルブを閉として、前記主燃焼室から前記副燃焼室に流入した希薄混合気に対して前記レーザ着火部により着火する、ことを特徴とする副室式ガスエンジンの運転制御方法。
Comprising a cylinder and a piston, a main combustion chamber which is closed at the top and shea cylinder inner wall surface of the piston, the head portion of the cylinder, the auxiliary combustion chamber communicating through said main combustion chamber and a plurality of injection holes The sub-combustion chamber includes a sub-chamber fuel supply valve for igniting a mixture of gas fuel and air in the sub-combustion chamber and a sub-chamber fuel supply valve for supplying the gas fuel into the sub-combustion chamber. In the operation control method of the room type gas engine,
At the start of operation, before reaching the rated operation at a constant rotational speed and starting the load operation, the sub-chamber fuel supply valve is opened, gas fuel is supplied into the sub-combustion chamber, and the sub-combustion chamber supplies the gas fuel. Mixing the lean air-fuel mixture flowing into the combustion chamber with the sub-combustion chamber, and igniting the mixed fuel-rich air-fuel mixture with the laser ignition unit,
After starting the load operation after reaching the constant rotation speed, the sub-chamber fuel supply valve is closed, and the lean gas mixture flowing from the main combustion chamber into the sub-combustion chamber is ignited by the laser ignition unit. A method for controlling the operation of a sub-chamber gas engine.
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