JPH03294628A - ガスタービンの燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は車両用ガスタービンの燃料噴射装置に関する。

〔従来の技術〕

車両用ガスタービンエンジンはアイドリング等の軽負荷
運転から全負荷運転まで広範囲な負荷条件で運転される
ため、その燃料噴射装置も広い範囲の燃料流量領域での
作動が要求される。特に燃料噴射ノズルは広範囲な噴射
流量にわたり噴射燃料の良好な霧化を保つことが必要で
あり、従来単一の燃料噴射ノズルでは対応が困難であっ
た。

このため特開昭６２−７０６２８号公報に開示された燃
料噴射装置では１つの燃料噴射弁本体に大小の口径の２
つの独立した噴射口を設け、燃料噴射量に応じて一方若
しくは両方の噴射口から燃料を供給する構造としている
。

すなわち、アイドリング等の軽負荷時には小口径の噴射
口のみから燃料噴射を行ない、燃料噴射量が少ない領域
においても燃料噴射速度を大きく保ち燃料の霧化を良好
にすると共に、エンジン負荷が増大して燃料噴射量が増
加した場合には大小二つの噴射口から燃料を供給するこ
とにより高負荷時の燃料供給を確保せんとしたものであ
る。

しかし上記燃料噴射ノズルにおいてはアイドリング等の
軽負荷時には大口径側の噴射口からは燃料が噴射されな
いため、大口径側の噴射口に残留した燃料が燃焼室内の
高温により炭化して噴射口を閉塞するという問題が生じ
ていた。

本願出願人はこの問題を解決するために、先に特願平１
−２６０２４５号でアイドリング等の軽負荷時に前記大
小２つの口径の燃料噴射口の両方からパルス状に燃料を
間歇噴射するようにした燃料噴射装置を提案している。

この装置では、例えば２つの燃料噴射口から燃料を交互
に間歇噴射して噴射タイミングを調整することにより両
方の噴射口から噴射される燃料の合計量は常に一定にな
るようにされており、アイドリング等の軽負荷運転時に
も両方の噴射口から燃料が噴射されるため噴射口内での
燃料炭化が生じない。また、各々の噴射口からは交互に
パルス状燃料が噴射されるため全体として燃料噴射量が
少ない場合でも各々の噴射口で燃料噴射速度を高く保つ
ことができ、軽負荷運転時の燃料霧化が向上する効果が
ある。

〔発明が解決しようとする課題〕

一般にガスタービンエンジンは希薄燃焼でありガソリン
エンジン等に較べて排気ガス中のＨＣ，ＣＯ等の排出物
の量は少いがＮ０８（窒素酸化物）の排出量はやや高い
傾向にあり排気ガス中のＮＯ８量を減少させることが課
題となっている。この問題を解決するためには、ガスタ
ービンエンジンを通常より更に高い空燃比で運転し、燃
焼温度を下げることによりＮ口、の発生を抑制すること
も考えられるが、この方法はエンジンの出力低下や圧縮
機、燃焼室等の大型化を伴なう問題があり好ましくない
。

このためガスタービンエンジンにおいても他の自動車用
エンジンと同様に三元触媒を用いて排気ガスの浄化を行
なうことが検討されている。しかし、三元触媒を用いる
場合問題となるのはガスタービンのアイドリング等の軽
負荷運転時に触媒が機能せず排気ガス浄化が図れないこ
とである。これは、アイドリング時には燃料噴射量が低
下して空燃比が増加するため排気ガスの温度が三元触媒
の活性化温度より低くなることに起因している。

また三元触媒は排気ガス中の酸素濃度が高くなる（３） （４） とＮ０８の還元反応が急激に低下するため、ガスタービ
ンのアイドリング等軽負荷運転時には特にＮＯＸの浄化
率が低下する傾向にある。

この問題を解決するためにはアイドリング時等の軽負荷
運転時に燃料を増量して排気ガス温度を高め、同時に三
元触媒がＨＣ、Ｃｏ　、　Ｎｏ、の三成分を最も効率良
く浄化する理論空燃比での燃焼に近づけることが考えら
れるが、この方法をとった場合燃費が極端に悪化するこ
とになり実用的でない。

本発明は上記に鑑み、アイドリング等の軽負荷運転時に
おいても三元触媒を使用可能な燃焼状態を燃費の悪化を
伴わずに達成することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の燃料噴射装置は、アイドリング等の軽負荷運転
時に燃料噴射を断続的に行ない、短時間に集中して燃料
を噴射して燃料の総噴射量は従来のままで燃焼時の空燃
比を理論混合比に近づけるようにしたことを特徴とする
。

すなわち、本発明によればガスタービンエンジンの運転
負荷を検出する負荷検出手段と、少くとも１つの燃料噴
射ノズルとを備えたガスタービンエンジンの燃料噴射装
置であって、 ガスタービンエンジンの運転負荷が所定値以下の状態で
は、前記燃料噴射ノズルから所定間隔で断続的に燃料を
噴射する手段を備えたことを特徴とするガスタービンエ
ンジンの燃料噴射装置が提供される。

〔作　用〕

負荷検出手段によりエンジン負荷が所定値以下になった
ことが検出されると、燃料ノズルからの燃料噴射が連続
噴射から間歇噴射に切り換えられる。

上記間歇噴射は、噴射時間と休止時間の１サイクル当り
の平均流量は従来の連続噴射時の流量と等しく保ちなが
ら短時間に集中して燃料を噴射するため、全体として燃
料流量を増加させずに噴射流量（単位時間当りの燃料噴
射量）を増大させることができる。この結果燃焼時の空
燃比が理論空燃比に近くなり、排気ガス温度が上昇する
と共に残留酸素濃度が低下する。上記燃焼により排気ガ
ス通路に設けた三元触媒を通過する排気ガスの温度と酸
素濃度とは周期的に変化するがＨＣ、ＣＤ　、　Ｎｏ。

等の排出物を多く含む燃焼ガスが通過する際には三元触
媒表面温度が上昇し活性化領域に入り、同時に排気ガス
の酸素濃度が低下して三元触媒が効果的に作動する状態
になる。

また、特開昭６２−７０６２８号公報の噴射装置では各
々のノズルは間歇噴射しているが全体としては燃料が燃
焼室に連続的に供給されるのに対し、本装置では全く燃
料が供給されない噴射休止期間を設けているため、燃料
噴射期間中の噴射流量は大幅に増大し、ノズルからの噴
射速度が一層増大する。

〔実施例〕

第４図に本発明の燃料噴射装置を用いる車両用２軸ガス
タービンの実施例の概略構成を示す。このガスタービエ
ンジンはコンプレッサクービン４とパワータービン６と
が独立した２軸式であり、熱効率改善のための熱交換器
２と、触媒を用いた排気ガス浄化装置１０とを備えてい
る。図において空気入口から吸入された空気はコンプレ
ッサ１で圧縮され、熱交換器２で排気ガスにより加熱さ
れた後燃焼器３に送られる。

燃焼器３には燃料ノズル８と点火器９とが設けられてお
り、燃料は燃料噴射装置４０から燃料ノズル８に送られ
燃焼室３内に微細な霧状に噴射され、コンプレッサから
の空気と混合し、点火器９により着火され高温高圧の燃
焼ガスを発生する。この燃焼ガスは、まずコンプレッサ
タービン４を駆動しコンプレッサ１に動力を与え、次に
可変ノズル５を通った後パワータービン６を駆動して動
力を発生する。可変ノズル５は燃焼ガスエネルギーのコ
ンプレッサタービン４とパワータービン６との間の配分
を変えるために用いられ、負荷条件に即してそれぞれの
タービンが最適な運転状態を保つように自動的に調整さ
れる。

パワータービン６を駆動した後、排気ガスは次（７） に排気ガス浄化装置１０を通り触媒と接触した後熱交換
器２に流入し排熱を吸気に与えた後排気出口から大気に
放出される。またパワータービン６の回転は出力軸７か
ら図示しない減速機構を介して取り出され、車両を駆動
する。

本実施例においては触媒としてＨＣ、Ｃｏ　、　Ｎｏ、
の酸化還元反応を同時に生起し、これらをＮ２０．　Ｃ
Ｄ、。

Ｎ２に変化させる三元触媒を用いており、パワータービ
ン６出口の排気ガス通路部に触媒を充填して排気ガス浄
化装置１０としているが、触媒を熱交換器２のガス通路
に設け、熱交換器と排気ガス浄化装置とを兼用するよう
にしても良い。

次に第１図に本実施例の燃料噴射装置４０の構成を示す
。図において燃料タンク２１内の燃料はフィルタ２２を
通り燃料ポンプ２３により加圧され圧力調整弁２４によ
り一定圧力に調整された後流量調整弁２０を通り燃料ノ
ズル８から燃焼室３内に噴射される。また２５は流量調
整弁２０の上流に設けられた流量計、２６は燃料噴射ノ
ズル８に供給される燃料の通路を開閉して燃料噴射ノズ
ルからの燃料噴射を（８） 断絶させる噴射ノズルのアクチュエータである。

また２７は燃料を間歇噴射した場合に燃料噴射ノズル８
の上流側の燃料系統に圧力の脈動が発生することを防止
するアキュムレータ等の脈動ダンパ、９は燃焼室３に設
けられた点火プラグである。

本実施例においてはディジタルコンピュータから成る電
子制御ユニット（ＥＣ１ｌ）　３０がエンジンの各種制
御に用いられており燃焼噴射制御も８Ｃ［Ｉ　３０によ
り行なわれる。

ＥＣＬＩ　３０には上記流量計２５から燃料ノズル８へ
の燃料流量信号が入力されている。また、ＥＣ［Ｉ　３
０は流量調整弁２０のアクチュエータ２８を駆動し、流
量調整弁２０の開度を変えて燃料噴射ノズル８への燃料
流量を調節する他、噴射ノズル８のアクチュエータ２６
の駆動と、点火回路２９を介して点火プラグ９の作動を
行なう。

本実施例では通常の負荷運転時にはＢＣ［Ｉ　３０は点
火プラグ９のスパークを停止させ、アクチュエータ２６
により噴射ノズル８を開放して連続燃料噴射を行ない、
公知の方法で流量調整弁２０の開度を制御して燃料噴射
量を調節するが、エンジン負荷が低下して燃料流量が所
定の値を下回ったことを流量計２５により検知すると点
火プラグ９を連続的に作動させると共にアクチュエータ
２６を所定の間隔で開閉して燃料ノズル８からの燃料噴
射を間歇的に行なう。また、本実施例では間歇噴射を行
なう際、アクチュエータ２６の開閉タイミングは一定に
保持し、燃料噴射量の調節は流量調整弁２０の開度を変
え、燃料噴射ノズル８の人口圧力を調節することにより
行なっている。第２図は間歇噴射を行なう際の噴射タイ
ミングを示しており、図のｔ。

は燃料噴射時間（秒）を、また１Ｓは燃料噴射休止時間
（秒）を表わし、Ｇｏ　（ｇ／秒）は燃料噴射中の平均
燃料噴射流量を表わす。またＧ。′（ｇ／秒）は燃料噴
射量の１噴射サイクル（ｔ。

＋１ｓ）あたりの平均流量であり従来の燃料を、連続噴
射した場合の流量に等しくなるようにされている。また
、Ｇｏは燃料噴射ノズル８の上流側圧力を変えることに
より調整でき、００′　とＧ。

との関係はｔ。とｔｓ　との関係で決まり、Ｇ。

Ｇｏ’　ｘ　（ｔｏ　＋ｔｓ）／ｌｏとなる。

燃料噴射時間ｔ。と噴射休止時間ｔ５の１サイクルは回
転数変動防止等の点からできるだけ短くすることが好ま
しく本実施例ではｔ。＋１Ｓは２秒としている。またア
イドリング時にはガスタービンエンジンの空燃比は従来
の連続噴射流量Ｇ。′に対して１５０（空気過剰率λ！
＝ｉ１０）程度になることがあるため、このような場合
でも理論空燃比（λ″−，１，０）近くの燃焼が保証さ
れるようＧ。はＧｏ′の１０倍程度になるようにしてお
り、本実施例では燃料噴射時間ｔ。は０．２秒、休止時
間１Ｓは１．８秒としている。

本実施例では、アイドリング等の軽負荷運転時には従来
の１０倍の燃料噴射流量で燃料が供給され理論空燃比付
近の燃焼を行なう期間と、燃焼が行なわれない期間とが
交互に繰り返されることとなる。従って排気ガス浄化装
置の触媒を、高温で酸素濃度が低い理論空燃比の燃焼ガ
スと空気とが交互に通過することとなり、燃焼ガスの通
過時には触媒は表面温度が上昇して充分に活性化される
と（１１） （１２） 共に燃焼ガス性状が理論空燃比での燃焼のものとなるた
めＨＣ、ＣＤ　、　Ｎｏ、の３成分全部の浄化率を高め
ることができる。また、燃焼噴射ノズルではアイドリン
グ時にも従来の１０倍程度の燃料噴射速度が維持される
ため燃料の霧化が向上し、低流量時の燃焼特性が改善さ
れ、単一の噴射口を有する燃料噴射ノズルを用いてアイ
ドリングから全負荷運転までの広い負荷範囲をカバーす
ることが可能となる。また、軽負荷運転時には点火装置
を連続的に作動させるため理論空燃比近傍での燃焼でも
点火プラグのくすぶりが防止できる。

なお、本実施例では燃料噴射タイミングｔ０１ｓは固定
しており、軽負荷運転時の負荷変動に対しては前述の流
量調整弁２０により燃料噴射ノズルの入口圧力を連続的
に変化させて燃料噴射期間中の噴射流量Ｇ０を変えるこ
とにより１サイクル当りの平均噴射流量００′を調節し
ているが、第３図に示すようにＧｏは一定に保持し、噴
射期間ｔｏを変えることにより１サイクル当りの平均噴
射流量Ｇ。′を調整しても良い。

また、本実施例では点火プラグを連続的に作動させてい
るが、点火プラグは、燃料噴射に同期させて間歇的に作
動させるようにしても良い。

また上記実施例においては単一の噴射口を有する燃料噴
射はノズルについて説明したが本発明は従来同様複数の
噴射口を有する燃料噴射ノズルに適用することもでき、
各々の噴射口から同時に或いは交互に燃料噴射を行なう
ようにすれば軽負荷時のおけるノズル閉塞の問題を防止
することができる。

また、燃焼を間歇的に行なうことにより燃焼時の燃焼ガ
ス温度は従来より上昇するがコンプレッサタービンのブ
レードに耐熱コーティングを施すことによりブレードの
寿命等に影響が出ることを防止することができ、実用上
の問題は生じない。

〔発明の効果〕

上述のようにアイドリング等の軽負荷運転時に燃料を断
続的に噴射し、燃焼室内での燃焼を間歇的に行なうこと
により軽負荷運転時においても触媒を用いて排気ガスを
浄化することが可能となる。

また軽負荷運転時に燃料の霧化を向上させることができ
、排気ガスの性状改善と燃費向上とを達成することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による燃料噴射装置の実施例の概略構成
を示す図、第２図は同上実施例の燃料噴射タイミングを
示す図、第３図は燃料噴射タイミングの別の実施例を示
す図、第４図は車両用２軸ガスタービンの構成を示す図
である。 ３・・・燃焼室、 ４・・・コンプレッサタービン、 ６・・・パワータービン、　８・・・燃料噴射ノズノベ
９・・・点火プラグ、　　　１０・・・排気ガス浄化装
置、２６・・・噴射ノズルアクチュエータ、３０・・・
ＥＣＵ０ 因 八 手 続 補 正 書（方式） 補正の対象 図 面 平成２年８月２２日 ７゜ 補正の内容

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ガスタービンエンジンの運転負荷を検出する負荷検
   出手段と、少くとも１つの燃料噴射ノズルとを備えたガ
   スタービンエンジンの燃料噴射装置において、 ガスタービンエンジンの運転負荷が所定値以下の状態で
   は、前記燃料噴射ノズルから所定間隔で断続的に燃料を
   噴射する手段を備えたことを特徴とするガスタービンエ
   ンジンの燃料噴射装置。