JP7251184B2 - ガスエンジン - Google Patents

Description

本開示は、ガスエンジンに関する。

従来、ガスエンジンには、主燃焼室の他に副燃焼室が形成されたものがある。燃焼室と副燃焼室は、連通路によって連通される。燃料ガスと空気の混合気は、連通路を通って燃焼室から副燃焼室に流入する。副燃焼室内で生じた火炎は、連通路から主燃焼室に噴出する。副燃焼室から主燃焼室に噴出された火炎は、主燃焼室内の混合気を燃焼させる。

特開２０１０－１４４５１６号公報

ところで、副燃焼室から主燃焼室に噴出する火炎は、エンジン負荷によって適切な長さが異なる。そこで、エンジン負荷に応じて、副燃焼室から主燃焼室に噴出する火炎の長さを制御する技術の開発が希求されている。

本開示は、このような課題に鑑み、エンジン負荷に応じて、副燃焼室から主燃焼室に噴出する火炎の長さを制御することが可能なガスエンジンを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係るガスエンジンは、主燃焼室と副燃焼室に開口する連通路と、連通路に設けられる調整弁と、エンジン負荷が第１負荷のとき、第１負荷よりも高負荷である第２負荷のときよりも、圧縮行程においてピストンが上死点位置となったときの調整弁の開度である上死点開度を、大きくする弁制御部と、ノッキングの発生有無を検知する検知部と、を備え、弁制御部は、ノッキングの発生が検知された場合、ノッキングの発生が検知されていない場合よりも、上死点開度を小さくし、クランク角の変化量に対する調整弁の開度の変化量を大きくする。

弁制御部は、始動から予め設定された暖機条件が満たされるまで、ピストンの位置に拘らず、調整弁の開度を中間開度よりも小さく、かつ、全閉よりも大きく維持してもよい。

本開示によれば、エンジン負荷に応じて、副燃焼室から主燃焼室に噴出する火炎の長さを制御することが可能となる。

ガスエンジンの概略的な構成を示す図である。 図１における副燃焼室近傍の抽出図である。 ガスエンジンの制御系を説明するための機能ブロック図である。 調整弁の開度（開口面積）と、クランク角との関係を示す図である。 変形例を説明するための図である。 図５のＶＩ矢視図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、ガスエンジン１００の概略的な構成を示す図である。図１に示すように、ガスエンジン１００は、シリンダブロック１０２、シリンダヘッド１０４、および、ピストン１０６を備える。シリンダブロック１０２にシリンダ１０２ａが形成される。シリンダ１０２ａの内周面は、シリンダブロック１０２の内部に圧入または鋳込まれたシリンダライナ（スリーブ）によって形成されてもよい。シリンダ１０２ａには、ピストン１０６が収容される。

主燃焼室１０８は、シリンダ１０２ａ内部に形成される。主燃焼室１０８は、シリンダブロック１０２（シリンダ１０２ａ）、シリンダヘッド１０４、および、ピストン１０６の冠面１０６ａによって囲繞される。

シリンダヘッド１０４には、不図示の給気ポートおよび排気ポートが形成される。給気ポートおよび排気ポートは、主燃焼室１０８に開口する。給気ポートから主燃焼室１０８に空気が供給される。排気ガスは、主燃焼室１０８から排気ポートに排出される。給気ポートおよび排気ポートは、それぞれ、不図示のバルブにより開閉される。

シリンダヘッド１０４には、挿入孔１０４ａが形成される。挿入孔１０４ａは、例えば、ピストン１０６の中心軸上に形成される。挿入孔１０４ａには、挿入部材１２０が挿入される。挿入部材１２０には、副燃焼室１２２および連通路１２４が形成される。

連通路１２４は、主燃焼室１０８と副燃焼室１２２の間に位置する。副燃焼室１２２は、連通路１２４を介して主燃焼室１０８と連通する。副燃焼室１２２は、例えば、主燃焼室１０８に対し、ピストン１０６と反対側に位置する。ただし、主燃焼室１０８と副燃焼室１２２が連通していれば、副燃焼室１２２は、この配置に限定されない。副燃焼室１２２は、例えば、主燃焼室１０８よりも、ピストン１０６の径方向（以下、単に径方向という）の大きさが小さい。

ガスエンジン１００は、例えば、４サイクルエンジンである。給気行程において、ピストン１０６が下死点に向かう。燃料ガスと空気との混合気が給気ポートから主燃焼室１０８に流入する。圧縮行程において、ピストン１０６が上死点に向かう。ピストン１０６によって圧縮された混合気が、主燃焼室１０８から副燃焼室１２２に導かれる。

膨張（爆発）行程において、不図示の点火装置によって副燃焼室１２２の混合気が点火され、火炎が主燃焼室１０８に噴出する。主燃焼室１０８において混合気が燃焼し、ピストン１０６が下死点側に押圧される。排気行程において、ピストン１０６が上死点に向かう。排気ガスは、排気ポートを通って主燃焼室１０８から排出される。

図２は、図１における副燃焼室１２２近傍の抽出図である。図２に示すように、連通路１２４は、挿入部材１２０に形成された孔である。連通路１２４の内周面は、第１テーパ面１２４ａとなっている。第１テーパ面１２４ａは、主燃焼室１０８から離隔するほど（図２中、上側ほど）、径方向の内側となる向きに傾斜する。連通路１２４は、副燃焼室１２２よりも径方向の外側まで延在する。ただし、副燃焼室１２２、連通路１２４の形状は、これに限定されないことは言うまでもない。

連通路１２４には、調整弁１３０が設けられる。調整弁１３０は、弁体１３２とシャフト１３４を備える。弁体１３２は、例えば、円板形状である。弁体１３２の外周面には、第２テーパ面１３２ａが形成される。第２テーパ面１３２ａは、第１テーパ面１２４ａと同じ向きに傾斜している。すなわち、第１テーパ面１２４ａと第２テーパ面１３２ａは、大凡平行である。

弁体１３２のうち、副燃焼室１２２側の背面に、シャフト１３４が設けられる。シャフト１３４は、弁体１３２の背面から、主燃焼室１０８から離隔する側（図２中、上側）に延在する。

シャフト１３４は、挿入部材１２０を貫通する。シャフト１３４には、不図示のアクチュエータが連結されている。シャフト１３４は、図２中、破線の両矢印で示すように、アクチュエータの動力により移動する。これに伴い、調整弁１３０全体が、副燃焼室１２２に近接する側（図２中、上側）に移動したり、主燃焼室１０８に近接する側（図２中、下側）に移動したりする。

その結果、図２中、実線の両矢印で示すように、調整弁１３０の開度（第１テーパ面１２４ａと第２テーパ面１３２ａの間の隙間の大きさ）が変化する。

図３は、ガスエンジン１００の制御系を説明するための機能ブロック図である。図３に示すように、ガスエンジン１００は、ノッキングセンサＳａ、クランク角センサＳｂ、制御装置１４０、および、上記の調整弁１３０を含む。なお、ここでは、調整弁１３０の制御に関する構成を主に挙げ、それ以外の構成は省略する。

ノッキングセンサＳａは、例えば、加速度センサや圧力センサなどにより構成される。ノッキングセンサＳａは、シリンダ１０２ａの加速度変動（振動）やシリンダ１０２ａの内圧変動を示す信号を制御装置１４０に出力する。ノッキングセンサＳａは、ノッキングの検出が可能な信号を出力できれば、加速度センサや圧力センサに限定されない。

クランク角センサＳｂは、例えば、クランクシャフトに設けられる。クランク角センサＳｂは、クランク角を特定するための信号を制御装置１４０に出力する。

制御装置１４０（例えば、ＥＣＵ（Engine Control Unit））は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路で構成され、ガスエンジン１００全体を制御する。また、制御装置１４０は、検知部１４２、弁制御部１４４としても機能する。

検知部１４２は、ノッキングの発生有無を検知する。具体的に、検知部１４２は、ノッキングセンサＳａからの信号に基づいて、ノッキングが発生しているか否かを判定する。検知部１４２は、ノッキングが発生していると判定する（すなわち、ノッキングの発生を検知する）と、その旨、弁制御部１４４に通知する。

弁制御部１４４は、アクチュエータを制御して調整弁１３０の開度を調整する。具体的に、弁制御部１４４は、例えば、燃料ガスの噴射量、エンジン回転数などからエンジン負荷を推定する。そして、弁制御部１４４は、エンジン負荷と、クランク角センサＳｂからの信号に基づいて特定されるクランク角に応じ、調整弁１３０の開度を調整する。

図４は、調整弁１３０の開度（開口面積）と、クランク角との関係を示す図である。図４では、二点鎖線の凡例は、ガスエンジン１００の始動時の調整弁１３０の開度を示す。一点鎖線の凡例は、エンジン負荷が第１負荷のときの調整弁１３０の開度を示す。実線の凡例は、エンジン負荷が第２負荷のときの調整弁１３０の開度を示す。第２負荷は、第１負荷よりも高負荷である。破線の凡例は、ノッキング検出時の調整弁１３０の開度を示す。

ガスエンジン１００の始動から予め設定された暖機条件が満たされるまで、弁制御部１４４は、ピストン１０６の位置に拘らず、調整弁１３０の開度を中間開度よりも小さく、全閉よりも大きい開度（小開度）に維持する。中間開度は、調整弁１３０が全開と全閉の中間に位置するときの開度である。

調整弁１３０が全開というとき、調整弁１３０が制御される範囲で最も開度が大きい状態を示す。調整弁１３０が全開の状態は、必ずしも、調整弁１３０の可動域の限界まで開かれていなくともよい。

暖機条件は、ガスエンジン１００が暖気したと推定される条件であり、例えば、ガスエンジン１００の始動から設定時間が経過したことや、ガスエンジン１００の所定部位の温度が閾値以上となったことなどである。

このように、始動時に調整弁１３０の開度が小開度に維持されることで、燃焼後の排気ガスを副燃焼室１２２内に留め、副燃焼室１２２の暖機が行われる。その結果、ガスエンジン１００の始動安定性が向上する。

暖機条件が満たされると、弁制御部１４４は、エンジン負荷が予め設定された閾値（負荷閾値）以上であるか否かを判定する。第１負荷は、負荷閾値未満であり、第２負荷は、負荷閾値以上であるものとする。

エンジン負荷が負荷閾値未満である場合（第１負荷である場合）、図４に一点鎖線で示すように、調整弁１３０の開度が調整される。すなわち、小開度に維持された調整弁１３０の開度が、給気行程の途中から大きくなり、圧縮行程の途中から全開となる。そして、調整弁１３０の開度は、燃焼（膨張）行程の途中から小さくなり、排気行程で小開度に戻る。

このように、弁制御部１４４は、圧縮行程の最後に（燃焼行程の最初に）ピストン１０６が上死点（ＴＤＣ）位置となったときの調整弁１３０の開度を全開とする。なお、圧縮工程でピストン１０６が上死点に位置するときの調整弁１３０の開度を上死点開度と称する。

上死点開度を全開とすることで、副燃焼室１２２から主燃焼室１０８に噴出する火炎の長さ（火炎伝播距離）が短くなる。その結果、熱損失を低減することが可能となる。

一方、エンジン負荷が負荷閾値以上である場合（第２負荷である場合）、図４に実線で示すように、調整弁１３０の開度が調整される。すなわち、全開に維持された調整弁１３０の開度が、圧縮行程の始めから小さくなり、燃焼行程の始めに小開度となる。そして、調整弁１３０の開度は、徐々に大きくなり排気行程の始めに全開に戻る。

このように、弁制御部１４４は、調整弁１３０の上死点開度を小開度とする。上死点開度を小開度とすることで、火炎が生じた後の副燃焼室１２２内の圧力が高くなる。そのため、副燃焼室１２２から主燃焼室１０８に噴出する火炎の長さが長くなる。その結果、主燃焼室１０８において、噴出した火炎によって混合気の燃焼が開始する範囲が大きくなり、燃焼が完了するまでの燃焼期間が短縮される。これにより、主燃焼室１０８内で混合気が自着火するタイミングがなくなり、ノッキングを抑制することが可能となる。

すなわち、弁制御部１４４は、エンジン負荷が第１負荷（低負荷）のとき、第２負荷（高負荷）のときよりも上死点開度を大きくする。

また、検知部１４２がノッキングの発生を検知した場合、図４に破線で示すように、調整弁１３０の開度が調整される。すなわち、全開に維持された調整弁１３０の開度が、圧縮行程の途中から小さくなり、燃焼行程の始めに最小開度となる。最小開度は、小開度よりも小さい。そして、調整弁１３０の開度は、徐々に大きくなり燃焼行程の途中に全開に戻る。

このように、弁制御部１４４は、ノッキングの発生が検知された場合、ノッキングの発生が検知されていない場合よりも、上死点開度を小さくする。そのため、副燃焼室１２２から主燃焼室１０８に噴出する火炎の長さが一層長くなる。その結果、燃焼期間を短縮してノッキングを抑制することが可能となる。

また、弁制御部１４４は、ノッキングの発生が検知された場合、ノッキングの発生が検知されていない場合よりも、クランク角の変化量に対する、調整弁１３０の開度の変化量を大きくする。すなわち、図４における破線が、上死点開度に向かって急傾斜となる。調整弁１３０の開度の変化速度が増加する。

これにより、調整弁１３０の開度が全開となっている期間を長く確保し、副燃焼室１２２内の排気ガスの排出を促進することが可能となる。そのため、上死点開度を小さくしても、副燃焼室１２２内の排気ガスの排出性の低下が抑制される。

図５は、変形例を説明するための図である。図５では、変形例における図２に対応する部位が示される。図５に示すように、変形例では、挿入部材２２０と調整弁２３０は、二重管構造となっている。

挿入部材２２０は、円管であって、主燃焼室１０８と反対側（図５中、上側）が閉じられた形状である。挿入部材２２０の内壁面には、大径部２２６および小径部２２８が形成される。大径部２２６は、小径部２２８よりも、主燃焼室１０８側（図５中、下側）に位置する。大径部２２６の内径は、小径部２２８の内径よりも大きい。

調整弁２３０は、円管であって、主燃焼室１０８側（図５中、下側）が底面部２３２によって閉じられている形状である。調整弁２３０は、大径部２２６に挿通される。調整弁２３０は、大径部２２６内で図中矢印方向に回転可能である。調整弁２３０の内径は、小径部２２８の内径と大凡等しい。ただし、調整弁２３０の内径は、小径部２２８の内径と異なっていてもよい。副燃焼室２２２は、小径部２２８および調整弁２３０によって囲繞された空間である。

底面部２３２のうち、副燃焼室２２２側の背面に、シャフト２３４が設けられる。シャフト２３４は、底面部２３２の背面から、主燃焼室１０８から離隔する側（図５中、上側）に延在する。

シャフト２３４は、挿入部材２２０を貫通する。シャフト２３４には、不図示のモータやギヤが連結されている。シャフト２３４は、図５中、破線の矢印で示すように、モータの動力により回転する。これに伴い、調整弁２３０全体が回転する。

挿入部材２２０の大径部２２６には、連通路２２６ａが形成される。連通路２２６ａは、大径部２２６を内周面から外周面まで貫通する。連通路２２６ａは、挿入部材２２０の周方向に離隔して複数設けられる。連通路２２６ａは、径方向の内側ほど、ピストン１０６から離隔する側（図５中、上側）となる向きに傾斜する。

調整弁２３０には、貫通孔２３０ａが形成される。貫通孔２３０ａは、調整弁２３０を内周面から外周面まで貫通する。貫通孔２３０ａは、調整弁２３０の周方向に離隔して複数設けられる。貫通孔２３０ａは、連通路２２６ａと大凡平行である。

連通路２２６ａと貫通孔２３０ａでは、内径が大凡等しい。連通路２２６ａの内径端と貫通孔２３０ａの外径端では、シャフト２３４の回転軸方向（図５中、上下方向）の位置が大凡等しい。そのため、調整弁２３０の回転位置によっては、連通路２２６ａの内径端と貫通孔２３０ａの外径端が重なる。すなわち、連通路２２６ａと貫通孔２３０ａが重なる。

図６は、図５のＶＩ矢視図である。図６では、連通路２２６ａと貫通孔２３０ａのみを示す。図６では、連通路２２６ａと貫通孔２３０ａが重なっている部分をハッチングで示す。図６中、左端の図では、連通路２２６ａと貫通孔２３０ａが完全に重なっている。調整弁２３０が徐々に回転すると、連通路２２６ａと貫通孔２３０ａの重なり具合は、図６中、右側の図の状態に順次、変化する。図６中、右側の図ほど、連通路２２６ａと貫通孔２３０ａが重なる面積が小さくなる。すなわち、図６中、右側の図ほど、調整弁２３０の開度が小さくなる。

このように、挿入部材２２０と調整弁２３０は、二重管構造となっていても、調整弁２３０の開度を調整することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態および変形例では、弁制御部１４４は、ノッキングが生じる場合、ノッキングが生じない場合よりも、上死点開度を小さくする場合について説明した。ただし、弁制御部１４４は、ノッキングが生じる場合、ノッキングが生じない場合よりも、上死点開度を大きくしてもよいし、上死点開度を変えなくてもよい。

また、上述した実施形態および変形例では、弁制御部１４４は、ノッキングが生じる場合、ノッキングが生じない場合よりも、クランク角の変化に対して、調整弁１３０、２３０の開度を大きく変化させる場合について説明した。ただし、弁制御部１４４は、ノッキングが生じる場合、ノッキングが生じない場合よりも、クランク角の変化に対して、調整弁１３０、２３０の開度を大きく変化させなくてもよい。

また、上述した実施形態および変形例では、弁制御部１４４は、ガスエンジン１００の始動から暖機条件が満たされるまで、ピストン１０６の位置に拘らず、調整弁１３０、２３０の開度を中間開度よりも小さく維持する場合について説明した。ただし、弁制御部１４４は、ガスエンジン１００の始動から、調整弁１３０、２３０の開度を中間開度よりも大きくしてもよい。

また、上述した実施形態および変形例では、弁制御部１４４は、エンジン負荷に拘らず、調整弁１３０、２３０が開かれた状態を維持する場合について説明した。ただし、弁制御部１４４は、エンジン負荷によっては、調整弁１３０、２３０を全閉にしてもよい。

本開示は、ガスエンジンに利用することができる。

１００ ガスエンジン
１０６ ピストン
１０８ 主燃焼室
１２２ 副燃焼室
１２４ 連通路
１３０ 調整弁
１４２ 検知部
１４４ 弁制御部
２２２ 副燃焼室
２２６ａ 連通路
２３０ 調整弁

Claims (2)

1. 主燃焼室と副燃焼室に開口する連通路と、
   前記連通路に設けられる調整弁と、
   エンジン負荷が第１負荷のとき、前記第１負荷よりも高負荷である第２負荷のときよりも、圧縮行程においてピストンが上死点位置となったときの前記調整弁の開度である上死点開度を、大きくする弁制御部と、
   ノッキングの発生有無を検知する検知部と、
   を備え、
   前記弁制御部は、ノッキングの発生が検知された場合、ノッキングの発生が検知されていない場合よりも、前記上死点開度を小さくし、クランク角の変化量に対する前記調整弁の開度の変化量を大きくするガスエンジン。
2. 前記弁制御部は、始動から予め設定された暖機条件が満たされるまで、前記ピストンの位置に拘らず、前記調整弁の開度を中間開度よりも小さく、かつ、全閉よりも大きく維持する請求項１に記載のガスエンジン。

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