JP2005069042A - System and method for fuel-control of gas engine - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a system for fuel-control of a gas engine for enhancing a high thermal efficiency by controlling the amount of NOx-formation and increasing a compression ratio and an in-cylinder maximum pressure, while avoiding occurrence of a knock. <P>SOLUTION: The fuel control system of a torch-ignition type gas-engine includes a pressurizing means for pressurizing a high-concentration fuel gas to a prescribed pressure, a gas-injector, and a controller. The gas-injector is placed on a main combustion-chamber, and provided with a gas-injection valve ejecting high concentration fuel-gas from the pressurizing means at a torch flame. The controller changes injection-timing for high-concentration fuel-gas in the gas-injection device on the basis of operation conditions of the gas engine. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ガスエンジン、特にトーチ着火式ガスエンジンに適用され、副室内に充填されたガスにトーチ着火装置により着火して生成したトーチ火炎を主燃焼室内の希薄混合ガス中に噴出させて、該希薄混合ガスを燃焼せしめるように構成されたガスエンジンの燃料制御装置及び燃料制御方法に関する。   The present invention is applied to a gas engine, particularly a torch ignition type gas engine, and a torch flame generated by igniting a gas charged in a sub chamber by a torch ignition device is injected into a lean mixed gas in a main combustion chamber, The present invention relates to a fuel control device and a fuel control method for a gas engine configured to burn the lean mixed gas.

予混合希薄燃焼ガスエンジンにおいては、副室内に充填されたガスにトーチ着火装置により着火して生成したトーチ火炎を主燃焼室内の希薄混合ガス中に噴出させるトーチ着火方式として、副室に装着した点火プラグによって該副室内の濃混合比ガスに点火して着火し、このトーチ火炎を主燃焼室内の希薄混合ガス中に噴出せしめて主燃焼させる点火プラグ着火方式、並びに、副室に装着したパイロット燃料噴射弁によって該副室内の混合ガス中にパイロット燃料を噴射して着火し、このトーチ火炎を主燃焼室内の希薄混合ガス中に噴出せしめて主燃焼させるパイロット燃料噴射着火方式が用いられている。   In the premixed lean combustion gas engine, the torch ignition system is installed in the sub chamber as a torch ignition method in which the torch flame generated by igniting the gas charged in the sub chamber with the torch ignition device is injected into the lean mixed gas in the main combustion chamber Ignition plug ignition method in which a rich mixture ratio gas in the auxiliary chamber is ignited by an ignition plug and ignited, and this torch flame is injected into a lean mixed gas in the main combustion chamber to perform main combustion, and a pilot installed in the auxiliary chamber A pilot fuel injection ignition system is used in which pilot fuel is injected into the mixed gas in the auxiliary chamber by a fuel injection valve and ignited, and this torch flame is injected into the lean mixed gas in the main combustion chamber to cause main combustion. .

一方、大型ガスエンジンには、非特許文献１（日本マリンエンジニアリング学会誌 第３６巻 第９号 ２００１−９）に開示されているような、主燃焼室拡散燃焼方式が採用されている。
前記非特許文献１に開示されている主燃焼室拡散燃焼方式ガスエンジンは、主燃焼室に、高圧の燃料ガスを注入（噴射）するガス注入弁と、全燃料の８％以下の液体パイロット燃料を噴射するパイロット燃料噴射弁とを併設し、該ガス注入弁からの高圧燃料ガスとパイロット燃料噴射弁からの液体パイロット燃料とを同方向に噴射し、主燃焼室内において強い拡散燃焼によりディーゼルサイクルに近い燃焼サイクルをなさしめて、希薄混合ガスの着火性及びエンジンの熱効率の向上を図っている。 On the other hand, the main combustion chamber diffusion combustion system as disclosed in Non-Patent Document 1 (Journal of Japan Marine Engineering, Vol. 36, No. 9, 2001-9) is adopted for large gas engines.
The main combustion chamber diffusion combustion type gas engine disclosed in Non-Patent Document 1 includes a gas injection valve for injecting (injecting) high-pressure fuel gas into the main combustion chamber, and liquid pilot fuel of 8% or less of the total fuel. A high-pressure fuel gas from the gas injection valve and liquid pilot fuel from the pilot fuel injection valve are injected in the same direction, and into the diesel cycle by strong diffusion combustion in the main combustion chamber A near combustion cycle is achieved to improve the ignitability of the lean mixed gas and the thermal efficiency of the engine.

日本マリンエンジニアリング学会誌 第３６巻 第９号 ２００１−９Journal of the Japan Marine Engineering Society Vol.36 No.9 2001-9

前記トーチ着火方式ガスエンジンのうち、点火プラグ着火方式は点火プラグの火花放電着火であるため、筒内有効平均圧力の上昇が制限されるという課題がある。
また前記パイロット燃料噴射着火方式は、筒内有効平均圧力の上昇は可能であるが、ＴＤＣ（上死点）近傍でパイロット燃料を噴射して燃焼させることから、エンジンを高出力化していくとパイロット燃料噴射量の増大とともにＮＯｘの発生量が多くなるという課題を有している。 Among the torch ignition type gas engines, since the spark plug ignition type is spark discharge ignition of the spark plug, there is a problem that the increase of the in-cylinder effective average pressure is limited.
The pilot fuel injection ignition system can increase the effective in-cylinder pressure, but pilot fuel is injected and burned in the vicinity of TDC (top dead center). There is a problem that the amount of NOx generated increases as the fuel injection amount increases.

また前記非特許文献１に開示されている主燃焼室拡散燃焼方式ガスエンジンにあっては、主燃焼室に臨んで装着されたガス注入弁及びパイロット燃料噴射弁から高圧燃料ガス及び液体パイロット燃料を同方向に噴射して、主燃焼室内において強い拡散燃焼によりディーゼルサイクルに近い燃焼サイクルをなさしめるため、圧縮比及び筒内最高圧力を増大して高い熱効率を得ることが可能であるが、主燃焼室内における火炎伝播距離が長くなってＮＯｘの発生量が多くなる。
また、かかる従来技術にあっては、高圧燃料ガスを得るためのガス圧縮動力損失が避けられず、かかるガス圧縮動力損失の分だけガスエンジンが低下する。
等の問題点を有している。 In the main combustion chamber diffusion combustion type gas engine disclosed in Non-Patent Document 1, high-pressure fuel gas and liquid pilot fuel are supplied from a gas injection valve and a pilot fuel injection valve that are mounted facing the main combustion chamber. Injecting in the same direction to achieve a combustion cycle close to the diesel cycle by strong diffusion combustion in the main combustion chamber, it is possible to increase the compression ratio and the maximum in-cylinder pressure to obtain high thermal efficiency, but the main combustion The flame propagation distance in the room becomes longer and the amount of NOx generated increases.
Moreover, in such a prior art, the loss of gas compression power for obtaining high-pressure fuel gas is inevitable, and the gas engine is lowered by the amount of such gas compression power loss.
And so on.

従って、本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、ＮＯｘの発生量を抑制しつつ、ノッキングの発生をみることなく圧縮比及び筒内最高圧力を増大して高い熱効率を得ることを可能としたガスエンジンの燃料制御装置及び燃料制御方法を提供することを目的とする。   Therefore, in view of the problems of the prior art, the present invention is capable of obtaining a high thermal efficiency by suppressing the amount of NOx generated and increasing the compression ratio and the maximum in-cylinder pressure without observing the occurrence of knocking. It is an object of the present invention to provide an engine fuel control device and a fuel control method.

本発明はかかる目的を達成するもので、その第１発明は、副室内に充填されたガスにトーチ着火装置により着火して生成したトーチ火炎を主燃焼室内の希薄混合ガス中に噴出させて、該希薄混合ガスを燃焼せしめるように構成されたガスエンジンの燃料制御装置において、高濃度燃料ガスを所定圧力に加圧する加圧手段、及び前記主燃焼室に臨んで設けられて前記加圧手段からの高濃度燃料ガスを前記トーチ火炎に向けて噴出せしめるガス注入弁を有するガス注入装置と、前記ガスエンジンの運転条件に基づき前記ガス注入装置における前記高濃度燃料ガスの噴射タイミングを変化させる制御装置とを備えたことを特徴とする。   The present invention achieves such an object, the first invention is to jet a torch flame generated by igniting a gas charged in a sub chamber by a torch ignition device into a lean mixed gas in a main combustion chamber, In a fuel control apparatus for a gas engine configured to combust the lean mixed gas, a pressurizing unit that pressurizes a high-concentration fuel gas to a predetermined pressure, and a pressure unit provided facing the main combustion chamber. Injection device having a gas injection valve for injecting a high concentration fuel gas toward the torch flame, and a control device for changing the injection timing of the high concentration fuel gas in the gas injection device based on operating conditions of the gas engine It is characterized by comprising.

ここで、かかる前記第１発明において、前記ガスエンジンの運転条件としては、回転数検出器により検出されたガスエンジンの回転数、負荷検出器により検出されたガスエンジンの負荷（出力）を用いる。そして、これらガスエンジンの回転数、負荷、及びクランク角検出器により検出されたガスエンジンのクランク角を前記制御装置に入力し、該制御装置において、前記エンジン回転数の検出値、エンジン負荷の検出値、及びクランク角の検出値に基づき、これらの検出値に対応する前記高濃度燃料ガスの噴射タイミングを算出し、該算出値に従い前記ガス注入装置を駆動する。   Here, in the first invention, as the operating condition of the gas engine, the rotational speed of the gas engine detected by the rotational speed detector and the load (output) of the gas engine detected by the load detector are used. Then, the rotational speed, load, and crank angle of the gas engine detected by the crank angle detector are input to the control device, and in the control device, the detected value of the engine speed and detection of the engine load are detected. Based on the detected value and the detected value of the crank angle, the injection timing of the high-concentration fuel gas corresponding to the detected value is calculated, and the gas injection device is driven according to the calculated value.

かかる第１発明において、前記制御装置によって、前記ガス注入装置における前記高濃度燃料ガスの噴射開始時期を、前記トーチ着火装置による副室内ガスの着火時期と同時にまたは該着火時期よりも遅延させて前記副室から前記主燃焼室内に噴出されたトーチ火炎に向けて噴射させ、
さらに前記制御装置によって、前記ガス注入装置による前記高濃度燃料ガスの噴射量を、前記ガスエンジンのガバナにより制御される前記主燃焼室への主ガス量に関連させて調整するように構成するのがよい。 In the first aspect of the invention, the control device causes the high-concentration fuel gas injection start timing in the gas injection device to be the same as or delayed from the ignition timing of the sub-chamber gas by the torch ignition device. Injecting from the sub chamber toward the torch flame injected into the main combustion chamber,
Further, the control device is configured to adjust the injection amount of the high-concentration fuel gas by the gas injection device in relation to the main gas amount to the main combustion chamber controlled by the governor of the gas engine. Is good.

かかる第１発明によれば、吸入行程において、爆発限界ガス濃度以下の濃度（たとえば３％程度の濃度）で均一な予混合希薄混合気を主燃焼室内に形成し、圧縮行程にて該希薄混合気を圧縮し、ピストン上死点前の適当なタイミングで該トーチ着火装置により副室内のガスの着火を行い、該着火によるトーチ火炎を主燃焼室内に噴出し、前記トーチ着火装置による副室内ガスの着火時期と同時にまたは該着火時期よりも遅延した噴射タイミングになるように、制御装置によりガス注入装置を作動させて、該ガス注入装置のガス注入弁から高濃度燃料ガスを前記主燃焼室内のトーチ火炎に向けて噴射せしめる。
前記高濃度燃料ガスの噴射量は、ガバナにより制御される前記主燃焼室への主ガス量に対応させてエンジン負荷によって変化させ、また、該高濃度燃料ガスの前記噴射タイミングはエンジン回転数及びエンジン負荷によって変化させて、該高濃度燃料ガスの噴射後に主燃焼室で自己着火しないように、前記噴射量及び噴射タイミングを制御する。 According to the first invention, in the intake stroke, a uniform premixed lean mixture is formed in the main combustion chamber at a concentration lower than the explosion limit gas concentration (for example, a concentration of about 3%), and the lean mixture is formed in the compression stroke. The gas in the sub chamber is ignited by the torch ignition device at an appropriate timing before the top dead center of the piston, the torch flame generated by the ignition is injected into the main combustion chamber, and the gas in the sub chamber by the torch ignition device is discharged. The gas injection device is operated by the controller so that the injection timing coincides with the ignition timing of the fuel injection or is delayed from the ignition timing, and the high-concentration fuel gas is supplied from the gas injection valve of the gas injection device into the main combustion chamber. Inject toward the torch flame.
The injection amount of the high-concentration fuel gas is changed according to the engine load in correspondence with the main gas amount to the main combustion chamber controlled by the governor, and the injection timing of the high-concentration fuel gas is determined by the engine speed and The injection amount and the injection timing are controlled so as to change depending on the engine load and prevent self-ignition in the main combustion chamber after the injection of the high-concentration fuel gas.

従って、かかる第１発明によれば、吸気及び圧縮行程で、予め爆発限界ガス濃度以下の濃度で均一な予混合希薄混合気を主燃焼室内に形成し、この予混合希薄混合気中に副室からトーチ火炎を噴出させ、さらに該トーチ火炎に向けてガス注入装置のガス注入弁から高濃度燃料ガスを高速分散注入する。
これにより、吸気及び圧縮行程で主燃焼室内に形成された予混合希薄混合気中に副室からのトーチ火炎を噴出し、このトーチ火炎に高濃度燃料ガスを高速分散注入することによって最終予混合濃度を燃焼直前に形成することが可能となって、ノッキングの発生を回避しつつ火炎伝播距離が抑制されて、ＮＯｘの発生量が低減された燃焼がなされる。
また、前記燃焼形態により、ディーゼルサイクルに近い燃焼サイクルが得られて、ノッキングの発生を伴うことなく圧縮比を増大し筒内最高圧力を上昇することができ、エンジンの高出力化が可能となる。 Therefore, according to the first invention, in the intake and compression strokes, a uniform premixed lean mixture having a concentration equal to or lower than the explosion limit gas concentration is previously formed in the main combustion chamber, and the subchamber is contained in the premixed lean mixture. A torch flame is ejected from the high-concentration fuel gas at a high speed from the gas injection valve of the gas injection device toward the torch flame.
Thus, the final premixing is performed by injecting a torch flame from the sub chamber into the premixed lean mixture formed in the main combustion chamber in the intake and compression strokes and injecting high-concentration fuel gas into the torch flame at high speed. The concentration can be formed immediately before combustion, the flame propagation distance is suppressed while avoiding the occurrence of knocking, and combustion with reduced NOx generation is performed.
In addition, the combustion mode provides a combustion cycle close to the diesel cycle, increases the compression ratio without increasing knocking, and increases the maximum in-cylinder pressure, thereby increasing the engine output. .

また、かかる第１発明において、好ましくは、前記ガスエンジンの筒内圧力を検出する筒内圧力検出器と、該筒内圧力検出器から入力される筒内圧力の検出値に基づき前記燃焼室内における燃焼異常の判定を行う燃焼診断装置とを備え、該燃焼診断装置において前記筒内圧力の検出値に基づき燃焼室内における燃焼異常の判定を行い、前記制御装置において前記燃焼診断装置から入力される燃焼異常の判定結果に基づき前記高濃度燃料ガスの噴射タイミングを調整するように構成する。   In the first aspect of the invention, preferably, an in-cylinder pressure detector for detecting an in-cylinder pressure of the gas engine, and a detected value of the in-cylinder pressure input from the in-cylinder pressure detector, A combustion diagnostic device for determining a combustion abnormality, wherein the combustion diagnostic device determines a combustion abnormality in a combustion chamber based on a detected value of the in-cylinder pressure, and a combustion input from the combustion diagnostic device in the control device The injection timing of the high-concentration fuel gas is adjusted based on the abnormality determination result.

このように構成すれば、燃焼診断装置によって筒内圧力の検出値からノッキング、失火等の異常燃焼の発生の有無を判定し、この判定結果に基づき前記高濃度燃料ガスの噴射タイミング及びトーチ着火装置の着火タイミングを調整するので、ノッキング、失火等の異常燃焼の発生を回避しつつ、前記のようなＮＯｘ発生量の低減がなされるとともに、圧縮比の増大及び筒内最高圧力の上昇がなされ、エンジンの高出力化が可能となる。   If comprised in this way, the presence or absence of generation | occurrence | production of abnormal combustion, such as knocking and misfire, will be determined from the detected value of the in-cylinder pressure by the combustion diagnostic device, and the injection timing of the high-concentration fuel gas and the torch ignition device will be based on this determination result Since the ignition timing is adjusted, the amount of NOx generated is reduced while avoiding the occurrence of abnormal combustion such as knocking and misfire, and the compression ratio is increased and the maximum in-cylinder pressure is increased. High engine output is possible.

また、第２発明は、前記ガスエンジンの燃料制御装置において、高濃度燃料ガスを所定圧力に加圧する加圧手段、及び前記副室に臨んで設けられて前記加圧手段からの高濃度燃料ガスを前記副室内に噴出せしめるガス注入弁を有するガス注入装置と、前記ガス注入装置のガス噴出開始時期を前記トーチ着火装置による副室内ガスの着火時期と同時にまたは該着火時期よりも遅延せしめる制御装置とを備えたことを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the fuel control apparatus for the gas engine, a high-concentration fuel gas from the pressurizing means provided in the subchamber and a pressurizing unit that pressurizes the high-concentration fuel gas to a predetermined pressure. And a control device for delaying the gas injection start timing of the gas injection device simultaneously with or behind the ignition timing of the sub-chamber gas by the torch ignition device It is characterized by comprising.

かかる第２発明によれば、副室から主燃焼室にトーチ火炎を噴出し、次いで該副室内に高濃度燃料ガスを噴出せしめることにより、主燃焼室内においてトーチ火炎中に副室からの高濃度燃料ガスを高速分散注入する。これにより、前記第１発明と同様に、最終予混合濃度を燃焼直前に形成することが可能となって、ノッキングの発生を回避しつつ火炎伝播距離が抑制され、ＮＯｘの発生量が低減された燃焼がなされるとともに、ノッキングの発生をみることなく圧縮比の増大及び筒内最高圧力の上昇が可能となる。   According to the second aspect of the present invention, the high-concentration fuel gas is ejected from the sub chamber into the main combustion chamber, and then the high-concentration fuel gas is ejected into the sub-combustion chamber. Fuel gas is dispersed and injected at high speed. As a result, as in the first aspect, the final premixed concentration can be formed immediately before combustion, the flame propagation distance is suppressed while avoiding the occurrence of knocking, and the amount of NOx generated is reduced. In addition to combustion, the compression ratio can be increased and the maximum in-cylinder pressure can be increased without causing knocking.

また、前記第１、第２発明において、前記トーチ着火装置を、前記副室内のガス中にパイロット燃料噴射弁からパイロット燃料を噴射しトーチ着火させて前記主燃焼室に噴出するパイロット燃料着火式トーチ着火装置に構成しても、
あるいは該トーチ着火装置を、前記副室内のガスを点火プラグの火花放電によりトーチ着火させて前記主燃焼室に噴出する火花着火式トーチ着火装置に構成しても、該トーチ着火装置からのトーチ火炎に高濃度燃料ガスを高速分散注入することによって、最終予混合濃度を燃焼直前に形成することが可能となって、前記のようなＮＯｘ発生量の低減がなされるとともに、圧縮比の増大及び筒内最高圧力の上昇がなされたエンジンの高出力化が可能となる。 In the first and second aspects of the invention, the torch ignition device may be configured to inject pilot fuel from a pilot fuel injection valve into the gas in the sub chamber and torch the pilot fuel ignition type torch which is ejected to the main combustion chamber. Even if the ignition device is configured,
Alternatively, the torch ignition device may be configured as a spark ignition type torch ignition device in which the gas in the sub chamber is ignited by torch ignition by spark discharge of an ignition plug and ejected to the main combustion chamber, and the torch flame from the torch ignition device The high-concentration fuel gas is dispersed and injected at a high speed, so that the final premixed concentration can be formed immediately before combustion. This reduces the amount of NOx generated and increases the compression ratio and the cylinder. It is possible to increase the output of the engine whose internal maximum pressure has been increased.

さらに、前記第１、第２発明において、前記ガス注入装置に、磁界中に配置された磁歪材の磁気歪みにより前記ガス注入弁を開閉する磁歪アクチュエータを設けて、前記制御装置からの制御信号を該磁歪アクチュエータに伝送し、該磁歪アクチュエータよって前記ガス注入弁を開閉せしめるようにするのがよい。   Furthermore, in the first and second inventions, the gas injection device is provided with a magnetostrictive actuator that opens and closes the gas injection valve by magnetostriction of a magnetostrictive material disposed in a magnetic field, and receives a control signal from the control device. It is preferable to transmit to the magnetostrictive actuator and to open and close the gas injection valve by the magnetostrictive actuator.

本発明によれば、吸気及び圧縮行程で主燃焼室内に形成された予混合希薄混合気中に副室からのトーチ火炎を噴出し、このトーチ火炎に高濃度燃料ガスを高速分散注入することによって最終予混合濃度を燃焼直前に形成することが可能となって、火炎伝播距離が抑制されて、ＮＯｘの発生量が低減された燃焼がなされる。
また、前記燃焼形態により、ディーゼルサイクルに近い燃焼サイクルが得られて、ノッキングの発生を伴うことなく圧縮比を増大し筒内最高圧力を上昇することができ、エンジンの高出力化が可能となるとともに、エンジンの熱効率を上昇できる。
さらに、燃焼診断装置により筒内圧力の検出値からノッキング、失火等の異常燃焼の発生の有無を判定し、この判定結果に基づき前記高濃度燃料ガスの噴射タイミング及びトーチ着火装置の着火タイミングを調整することにより、ノッキング、失火等の異常燃焼の発生を回避しつつ、前記のようにＮＯｘ発生量を低減できるとともに、圧縮比を増大し筒内最高圧力を上昇できる。 According to the present invention, the torch flame from the sub chamber is ejected into the premixed lean mixture formed in the main combustion chamber in the intake and compression strokes, and high concentration fuel gas is injected into the torch flame at high speed by dispersion. The final premixed concentration can be formed immediately before combustion, the flame propagation distance is suppressed, and combustion with reduced NOx generation is performed.
In addition, the combustion mode provides a combustion cycle close to the diesel cycle, increases the compression ratio without increasing knocking, and increases the maximum in-cylinder pressure, thereby increasing the engine output. At the same time, the thermal efficiency of the engine can be increased.
Further, the combustion diagnostic device determines whether or not abnormal combustion such as knocking or misfiring has occurred from the detected value of the in-cylinder pressure, and adjusts the injection timing of the high-concentration fuel gas and the ignition timing of the torch ignition device based on the determination result By doing this, while avoiding the occurrence of abnormal combustion such as knocking and misfire, the amount of NOx generated can be reduced as described above, and the compression ratio can be increased to increase the maximum in-cylinder pressure.

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例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特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail using embodiments shown in the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the component parts described in this example are not intended to limit the scope of the present invention only to specific examples unless otherwise specified. Only.

図１は本発明の実施例に係るガスエンジンの燃料制御装置の全体構成図、図２はガス注入弁及び超磁歪アクチュエータの構成図である。図３はパイロット燃料噴射式トーチ着火装置の要部断面図、図４は火花点火式トーチ着火装置の要部断面図である。図５は前記燃料制御装置の制御ブロック図である。図６は前記燃料制御装置の制御フローチャートの第１例、図７は制御フローチャートの第２例を示す。図８は前記燃料制御装置の噴射タイミング線図である。図９は筒内圧力線図の比較例を示す。   FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel control device for a gas engine according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a configuration diagram of a gas injection valve and a giant magnetostrictive actuator. FIG. 3 is a cross-sectional view of the main part of the pilot fuel injection type torch ignition device, and FIG. 4 is a cross-sectional view of the main part of the spark ignition type torch ignition device. FIG. 5 is a control block diagram of the fuel control device. FIG. 6 shows a first example of a control flowchart of the fuel control device, and FIG. 7 shows a second example of the control flowchart. FIG. 8 is an injection timing diagram of the fuel control device. FIG. 9 shows a comparative example of the in-cylinder pressure diagram.

本発明の実施例に係る燃料制御装置を示す図１において、１００はガスエンジン、４５は該ガスエンジン１００のピストン、４６はクランク軸、４４は主燃焼室、４１は吸気弁、４２は排気弁、４３は排気管である。
９は前記吸気弁４１に通ずる吸気管であり、該吸気管９の管路の途中に該吸気管路９内を通流する空気（吸気）中に燃料ガスを噴射するガス噴射装置１０が設けられている。１３は燃料ガスを収容する燃料ガスタンク（図示省略）と前記ガス噴射装置１０とを接続するガス供給管である。７は該ガス供給管１３の前記ガス噴射装置１０入口に設けられたガス供給電磁弁で、図示しない電磁弁制御装置からの制御信号により開閉せしめられて前記ガス供給管路１３の流路面積を調整するとともに、図示しない燃焼制御装置からの制御信号により流路遮断あるいは開度制御されるものである。 In FIG. 1 showing a fuel control apparatus according to an embodiment of the present invention, 100 is a gas engine, 45 is a piston of the gas engine 100, 46 is a crankshaft, 44 is a main combustion chamber, 41 is an intake valve, and 42 is an exhaust valve. , 43 are exhaust pipes.
Reference numeral 9 denotes an intake pipe that communicates with the intake valve 41. A gas injection device 10 that injects fuel gas into the air (intake air) flowing through the intake pipe 9 is provided in the middle of the pipe of the intake pipe 9. It has been. Reference numeral 13 denotes a gas supply pipe that connects a fuel gas tank (not shown) that stores fuel gas and the gas injection device 10. Reference numeral 7 denotes a gas supply electromagnetic valve provided at the inlet of the gas injection device 10 of the gas supply pipe 13. The gas supply electromagnetic valve 7 is opened and closed by a control signal from an electromagnetic valve control device (not shown) to increase the flow area of the gas supply pipe 13. In addition to adjustment, the flow path is blocked or the opening degree is controlled by a control signal from a combustion control device (not shown).

１１は前記ガスエンジン１００の起動用のトーチ着火装置で、詳細は後述する。
６は前記燃焼室４４内のガス圧力即ち筒内圧力を検出する筒内圧力検出器、５は前記クランク軸４６のクランク角を検出するクランク角検出器、３は前記ガスエンジン１００の回転数を検出する回転数検出器、４は前記ガスエンジン１００の負荷（出力）を検出する負荷検出器である。
６０は燃焼診断装置で、前記筒内圧力検出器６から入力される筒内圧力の検出値に基づき前記燃焼室４４内における燃焼異常有無の判定を行うものである。
２はコントローラで、前記回転数検出器３からエンジン回転数の検出値が、前記負荷検出器４からエンジン負荷の検出値が、前記クランク角検出器５からクランク角の検出値が、さらに前記燃焼診断装置６０から燃焼異常有無の判定結果がそれぞれ入力され、これらの入力信号に基づき後述するような演算制御を行うものである。 Reference numeral 11 denotes a torch ignition device for starting the gas engine 100, which will be described in detail later.
6 is a cylinder pressure detector that detects the gas pressure in the combustion chamber 44, that is, the cylinder pressure, 5 is a crank angle detector that detects the crank angle of the crankshaft 46, and 3 is the rotational speed of the gas engine 100. The rotation speed detector 4 detects a load (output) of the gas engine 100.
Reference numeral 60 denotes a combustion diagnostic device for determining whether or not there is a combustion abnormality in the combustion chamber 44 based on the detected value of the in-cylinder pressure input from the in-cylinder pressure detector 6.
Reference numeral 2 denotes a controller, the detected value of the engine speed from the rotational speed detector 3, the detected value of the engine load from the load detector 4, the detected value of the crank angle from the crank angle detector 5, and the combustion The determination result of the presence or absence of combustion abnormality is input from the diagnostic device 60, and arithmetic control as described later is performed based on these input signals.

１は後述する燃料ガス管８を通して送り込まれる高濃度燃料ガスを高圧に加圧するガス加圧ポンプで、公知のジャーク式燃料噴射ポンプのような、往復式の容積型高圧ポンプが好適である。
３０は前記コントローラ２からの制御信号により駆動される超磁歪アクチュエータ、５０は前記主燃焼室４４に臨んで装着されたガス注入弁で、詳細は後述する。前記ガス加圧ポンプ１、超磁歪アクチュエータ３０及びガス注入弁５０によりガス注入装置を構成する。
８は前記ガス加圧ポンプ１、超磁歪アクチュエータ３０、からガス注入弁５０に接続される燃料ガス管である。 A gas pressurizing pump 1 pressurizes high-concentration fuel gas fed through a fuel gas pipe 8 described later to a high pressure, and a reciprocating positive displacement high-pressure pump such as a known jerk fuel injection pump is preferable.
30 is a giant magnetostrictive actuator driven by a control signal from the controller 2, and 50 is a gas injection valve mounted facing the main combustion chamber 44, which will be described in detail later. The gas pressurizing pump 1, the giant magnetostrictive actuator 30, and the gas injection valve 50 constitute a gas injection device.
Reference numeral 8 denotes a fuel gas pipe connected from the gas pressurizing pump 1 and the giant magnetostrictive actuator 30 to the gas injection valve 50.

前記超磁歪アクチュエータ３０及びガス注入弁５０の詳細を示す図２において、
該超磁歪アクチュエータ３０は次のように構成されている。
３６はガス燃料溜めで、前記ガス加圧ポンプ１で加圧されガス燃料管８を通ってガス燃料が導入されている。３１は該ガス燃料溜め３６とガス注入弁５０へのガス通路８ａとの間を開閉する弁体である。３３は磁石（電磁石）、３２は磁気歪により変位する超磁歪材で一旦側を前記弁体３１の根元の支持部に固着されており、前記磁石３３への通電によって超磁歪材３２が軸方向に変位することにより、前記弁体３１を往復動せしめるようになっている。３４は前記弁体３１の支持部とアクチュエータの本体部３５との間に介装されたばねで、前記弁体３１を閉弁する方向に付勢されている。
かかる超磁歪アクチュエータ３０の基本構成自体は公知であり、この実施例においては、該超磁歪アクチュエータ３０に前記弁体３１を連結して開閉駆動するように構成している。 In FIG. 2 showing the details of the giant magnetostrictive actuator 30 and the gas injection valve 50,
The giant magnetostrictive actuator 30 is configured as follows.
A gas fuel reservoir 36 is pressurized by the gas pressurizing pump 1 and gas fuel is introduced through the gas fuel pipe 8. A valve body 31 opens and closes between the gas fuel reservoir 36 and the gas passage 8 a to the gas injection valve 50. 33 is a magnet (electromagnet), 32 is a giant magnetostrictive material that is displaced by magnetostriction, and the side is once fixed to a support portion at the base of the valve body 31, and the giant magnetostrictive material 32 is axially moved by energization of the magnet 33. The valve body 31 is reciprocated by displacing the valve body 31. Reference numeral 34 denotes a spring interposed between the support portion of the valve body 31 and the main body portion 35 of the actuator, and is biased in the direction in which the valve body 31 is closed.
The basic configuration itself of the giant magnetostrictive actuator 30 is known, and in this embodiment, the valve element 31 is connected to the giant magnetostrictive actuator 30 and is driven to open and close.

また、前記ガス注入弁５０は次のように構成されている。
５６は弁本体、５２は該弁本体５６の先端部に１個または複数個穿孔された噴孔、５５は該噴孔５２に連通されるガス溜めである。該ガス溜め５５には、前記超磁歪アクチュエータ３０からの高濃度燃料ガスが燃料ガス通路８ａを通して導入されるようになっている。
５１は該弁本体５６内に往復摺動可能に嵌合された針弁である。５３は針弁ばね、５４は該針弁ばね５３用のばね受であり、前記針弁５１は該針弁ばね５３のばね力により前記ばね受５４を介して閉弁方向に押し付けられている。 The gas injection valve 50 is configured as follows.
Reference numeral 56 denotes a valve body, 52 denotes one or more nozzle holes perforated at the tip of the valve body 56, and 55 denotes a gas reservoir communicated with the nozzle hole 52. A high concentration fuel gas from the giant magnetostrictive actuator 30 is introduced into the gas reservoir 55 through the fuel gas passage 8a.
A needle valve 51 is fitted in the valve body 56 so as to be slidable back and forth. 53 is a needle valve spring, 54 is a spring bearing for the needle valve spring 53, and the needle valve 51 is pressed in the valve closing direction via the spring bearing 54 by the spring force of the needle valve spring 53.

次に、前記トーチ着火装置１１としては、図３に示されるパイロット燃料噴射式トーチ着火装置、あるいは図４に示される火花点火式トーチ着火装置を用いる。
パイロット燃料噴射式トーチ着火装置１１を示す図３において、１２２は本体、１１７は副室口金であり、該副室口金１１７は前記本体１２２をシリンダヘッド１５０に締め付けることにより、該シリンダヘッド１５０に固定されている。
１１１は前記副室口金１１７の内部に形成された副室、１１６は該副室１１１と前記主燃焼室４４とを連通する１個または複数個の副室噴口である。
１２０はパイロット燃料噴射弁で、液体燃料通路１２１を通って導入される軽油等の液体燃料を前記副室１１１内に噴射するもので、公知のジャーク式燃料噴射弁が用いられる。 Next, as the torch ignition device 11, a pilot fuel injection type torch ignition device shown in FIG. 3 or a spark ignition type torch ignition device shown in FIG. 4 is used.
In FIG. 3 showing the pilot fuel injection type torch ignition device 11, 122 is a main body, 117 is a sub chamber base, and the sub chamber base 117 is fixed to the cylinder head 150 by tightening the main body 122 to the cylinder head 150. Has been.
111 is a sub chamber formed inside the sub chamber base 117, and 116 is one or a plurality of sub chamber nozzles communicating the sub chamber 111 and the main combustion chamber 44.
A pilot fuel injection valve 120 injects liquid fuel such as light oil introduced through the liquid fuel passage 121 into the sub chamber 111, and a known jerk type fuel injection valve is used.

該パイロット燃料噴射式トーチ着火装置１１においては、図示しないパイロット燃料噴射制御装置によって制御されたパイロット噴射タイミング及び噴射量で以って、前記パイロット燃料噴射弁１２０から前記副室１１１内に充填されている混合気中に液体燃料（パイロット燃料）を噴射して該混合気を着火燃焼せしめてトーチ火炎１１ａを生成し、このトーチ火炎１１ａを前記副室噴口１１６から前記主燃焼室４４に噴出する。   In the pilot fuel injection type torch ignition device 11, the pilot fuel injection valve 120 fills the sub chamber 111 with a pilot injection timing and an injection amount controlled by a pilot fuel injection control device (not shown). Liquid fuel (pilot fuel) is injected into the air-fuel mixture, and the air-fuel mixture is ignited and combusted to generate a torch flame 11a. The torch flame 11a is ejected from the sub-chamber nozzle 116 into the main combustion chamber 44.

前記火花点火式トーチ着火装置１１を示す図４において、１１３は本体、１１７は副室口金であり、該副室口金１１７は前記本体１１３をシリンダヘッド１５０に締め付けることにより、該シリンダヘッド１５０に固定されている。
１１１は前記副室口金１１７の内部に形成された副室、１１６は該副室１１１と前記主燃焼室４４とを連通する１個または複数個の副室噴口である。
１１４は点火プラグ、１１５は着火用の高濃度燃料ガスを前記副室１１１内に供給するための燃料ガス通路である。
該火花点火式トーチ着火装置１１においては、図示しない点火制御装置によって制御された点火時期で以って、前記点火プラグ１１４から前記副室１１１内に導入された高濃度燃料ガスに火花放電し該高濃度燃料ガスを着火燃焼せしめてトーチ火炎１１ａを生成し、このトーチ火炎１１ａを前記副室噴口１１６から前記主燃焼室４４に噴出する。 In FIG. 4 showing the spark ignition type torch ignition device 11, 113 is a main body, 117 is a sub chamber base, and the sub chamber base 117 is fixed to the cylinder head 150 by fastening the main body 113 to the cylinder head 150. Has been.
111 is a sub chamber formed inside the sub chamber base 117, and 116 is one or a plurality of sub chamber nozzles communicating the sub chamber 111 and the main combustion chamber 44.
114 is a spark plug, and 115 is a fuel gas passage for supplying high concentration fuel gas for ignition into the sub chamber 111.
In the spark ignition type torch ignition device 11, spark discharge is performed on the high-concentration fuel gas introduced into the sub chamber 111 from the ignition plug 114 at an ignition timing controlled by an ignition control device (not shown). High-concentration fuel gas is ignited and combusted to generate a torch flame 11 a, and this torch flame 11 a is ejected from the sub-chamber nozzle 116 to the main combustion chamber 44.

次に、かかる構成からなるガスエンジンの燃料制御装置は、図６に示されるような第１の制御方式と、図７に示されるような第２の制御方式とにより制御操作される。
第１の制御方式においては、ガバナの出力信号に基づき、高濃度燃料ガスの噴射後に主燃焼室で自己着火しないような、高濃度燃料ガスの供給量を算出する（ステップ１）。
次いで、筒内圧力の検出値に基づき燃焼診断装置６０によりノッキング、失火等の異常燃焼の発生の有無を気筒毎に判定し、この判定結果に基づき前記異常燃焼が発生しないように、気筒毎の希薄燃料ガスの供給量を補正し（ステップ１１）、吸気時に該希薄燃料ガスを供給する（ステップ２）。 Next, the fuel control apparatus for a gas engine having such a configuration is controlled by a first control method as shown in FIG. 6 and a second control method as shown in FIG.
In the first control method, based on the output signal of the governor, the supply amount of the high concentration fuel gas is calculated so as not to self-ignite in the main combustion chamber after the injection of the high concentration fuel gas (step 1).
Next, the combustion diagnostic device 60 determines whether or not abnormal combustion such as knocking or misfire has occurred for each cylinder based on the detected value of the in-cylinder pressure, and based on this determination result, for each cylinder, the abnormal combustion does not occur. The supply amount of the lean fuel gas is corrected (step 11), and the lean fuel gas is supplied during intake (step 2).

次いで、圧縮行程の終期に、パイロット燃料噴射弁１２０から副室１１１内に充填されている混合気中に液体燃料を噴射して該混合気を着火燃焼せしめて（図３に示される該パイロット燃料噴射式トーチ着火装置１１の場合）トーチ火炎１１ａを生成し、このトーチ火炎１１ａを主燃焼室４４に噴出する（ステップ３）。
次いで、前記のようなトーチ着火時期と同時にまたは該着火時期よりも遅延したタイミングで、前記ガス加圧ポンプ１から燃料ガス管８を通り、超磁歪アクチュエータ３０を経た高濃度燃料ガスのガス噴流５０ａ（図１参照）を、ガス注入弁５０から前記トーチ火炎１１ａに向けて噴射する（ステップ４）。該高濃度燃料ガスを噴射後も筒内圧力センサ筒内圧力検出器により筒内圧力計測を継続する（ステップ１２）。
また、図７に示される第２の制御方式のように、図６に示される第１の制御方式における筒内圧力センサ（筒内圧力検出器６）からの筒内圧力検出値に基づく燃焼診断の過程を省略することも可能である。 Next, at the end of the compression stroke, liquid fuel is injected from the pilot fuel injection valve 120 into the air-fuel mixture filled in the sub chamber 111 to ignite and combust the air-fuel mixture (the pilot fuel shown in FIG. 3). In the case of the injection type torch ignition device 11), a torch flame 11 a is generated, and this torch flame 11 a is ejected into the main combustion chamber 44 (step 3).
Next, at the same time as the torch ignition timing or at a timing delayed from the ignition timing, a gas jet 50a of high-concentration fuel gas passes through the fuel gas pipe 8 from the gas pressurizing pump 1 and passes through the giant magnetostrictive actuator 30. (See FIG. 1) is injected from the gas injection valve 50 toward the torch flame 11a (step 4). Even after the high-concentration fuel gas is injected, the in-cylinder pressure measurement by the in-cylinder pressure sensor is continued (step 12).
Further, as in the second control method shown in FIG. 7, combustion diagnosis based on the in-cylinder pressure detection value from the in-cylinder pressure sensor (in-cylinder pressure detector 6) in the first control method shown in FIG. It is also possible to omit this process.

次に、図５に基づき、かかるガスエンジンの燃料制御装置における前記第１の制御方式の動作をさらに詳しく説明する。
前記回転数検出器３からのエンジン回転数の検出値及び前記負荷検出器４からのエンジン負荷の検出値が前記コントローラ２の燃焼室内ガス濃度算出部２０１に入力される。また、前記筒内圧力検出器６からの各シリンダの筒内圧力の検出値は前記燃焼診断装置６０に入力される。
さらに、ガバナ１０１の出力信号は、前記コントローラ２の主ガス量算出部２０３に入力される。 Next, the operation of the first control method in the fuel control apparatus of the gas engine will be described in more detail with reference to FIG.
The detected value of the engine speed from the engine speed detector 3 and the detected value of the engine load from the load detector 4 are input to the combustion chamber gas concentration calculation unit 201 of the controller 2. The detected value of the in-cylinder pressure of each cylinder from the in-cylinder pressure detector 6 is input to the combustion diagnostic device 60.
Further, the output signal of the governor 101 is input to the main gas amount calculation unit 203 of the controller 2.

前記主ガス量算出部２０３においては、前記主燃焼室４４で自己着火しないような主ガス量を算出する。
２０２は燃焼室内ガス濃度設定部で、燃焼室４４内におけるノッキングの発生を伴わない最大ガス濃度がエンジン回転数及びエンジン負荷毎に設定されている。
前記燃焼室内ガス濃度算出部２０１においては、前記エンジン回転数及びエンジン負荷の検出値に対応する最大ガス濃度を前記燃焼室内ガス濃度設定部２０２から選出して、注入ガス量算出部２０４に入力する。
該注入ガス量算出部２０４においては、前記最大ガス濃度に基づき、高濃度燃料ガスの噴射後に主燃焼室４４で自己着火しないような、高濃度燃料ガスの注入ガス量を算出してガス注入弁開閉タイミング制御部２０５に入力する。
２０７はパイロット噴射タイミング設定部で、前記副室１１１内におけるパイロット噴射の噴射タイミングが、エンジン回転数及びエンジン負荷毎に設定されている。 The main gas amount calculation unit 203 calculates a main gas amount that does not self-ignite in the main combustion chamber 44.
A combustion chamber gas concentration setting unit 202 sets a maximum gas concentration that does not cause knocking in the combustion chamber 44 for each engine speed and engine load.
In the combustion chamber gas concentration calculation unit 201, the maximum gas concentration corresponding to the detected values of the engine speed and the engine load is selected from the combustion chamber gas concentration setting unit 202 and input to the injection gas amount calculation unit 204. .
The injection gas amount calculation unit 204 calculates the injection gas amount of the high concentration fuel gas based on the maximum gas concentration so as not to self-ignite in the main combustion chamber 44 after the injection of the high concentration fuel gas. Input to the opening / closing timing control unit 205.
207 is a pilot injection timing setting unit, and the injection timing of pilot injection in the sub chamber 111 is set for each engine speed and engine load.

前記ガス注入弁開閉タイミング制御部２０５においては、前記クランク角検出器５からのクランク角検出値、及び前記パイロット噴射タイミング設定部に設定されているパイロット噴射の噴射タイミング（噴射始め時期）つまり着火時期に基づき、図８に示すように、前記ガス注入弁５０からの高濃度燃料ガスのガス注入タイミング（高濃度燃料ガスの噴射始め時期）Ｔ２を、前記パイロット噴射タイミングＴ１と同時あるいはパイロット噴射タイミングＴ１よりもΔＴＧ遅延したタイミングになり、かつ前記、注入ガス量算出部２０４にて算出された注入ガス量に対応する高濃度燃料ガス注入期間になるような制御信号をつくる。尚、図８において、ΔＴＰはパイロット噴射開始タイミングの範囲を示す。 In the gas injection valve opening / closing timing control unit 205, the crank angle detection value from the crank angle detector 5 and the pilot injection timing (injection start timing), that is, the ignition timing set in the pilot injection timing setting unit. As shown in FIG. 8, the high-concentration fuel gas injection timing (high-concentration fuel gas injection start timing) T 2 from the gas injection valve 50 is set at the same time as the pilot injection timing T 1 or pilot injection. become timing [Delta] T G delayed from the timing T 1, and the produce a control signal such that the high concentration fuel gas injection period corresponding to the injection gas amount calculated by the injection gas amount calculating unit 204. Note that in FIG. 8, [Delta] T P indicates a range of the pilot injection start timing.

また、前記燃焼診断装置６０においては、前記筒内圧力の検出値からノッキング、失火等の異常燃焼の発生の有無を判定し、この判定結果を前記ガス注入弁開閉タイミング制御部２０５に入力する。
そして、該ガス注入弁開閉タイミング制御部２０５においては、前記制御信号に加えて、前記燃焼診断装置６０の判定結果に基づき前記異常燃焼が発生しないように、気筒毎の希薄燃料ガスの供給量を補正し、この補正制御信号をアクチュエータ制御部２０６に出力する。
従って、前記燃焼診断装置６０の判定結果に基づき高濃度燃料ガスの供給量を調整するので、ノッキング、失火等の異常燃焼の発生を回避しつつ、ＮＯｘ発生量を低減し、圧縮比の増大及び筒内最高圧力の上昇をなすことが可能となる。 The combustion diagnostic device 60 determines whether or not abnormal combustion such as knocking or misfiring has occurred from the detected value of the in-cylinder pressure, and inputs the determination result to the gas injection valve opening / closing timing control unit 205.
In addition to the control signal, the gas injection valve opening / closing timing control unit 205 controls the supply amount of the lean fuel gas for each cylinder so that the abnormal combustion does not occur based on the determination result of the combustion diagnostic device 60. Then, the correction control signal is output to the actuator control unit 206.
Therefore, since the supply amount of the high-concentration fuel gas is adjusted based on the determination result of the combustion diagnostic device 60, the generation amount of NOx is reduced while the occurrence of abnormal combustion such as knocking and misfire is avoided, and the compression ratio is increased. It is possible to increase the in-cylinder maximum pressure.

前記アクチュエータ制御部２０６においては、前記高濃度燃料ガスのガス注入タイミング（高濃度燃料ガスの噴射始め時期）Ｔ２及び該高濃度燃料ガス注入期間に相当する超磁歪アクチュエータ３０の磁石電流による作動タイミング及び作動期間を算出して、該超磁歪アクチュエータ３０に出力する。
該超磁歪アクチュエータ３０においては、前記作動タイミング及び作動期間に相当する磁石電流値にて超磁歪アクチュエータ３０の磁石３３を作動させ、超磁歪材３２を前記ばね３４のばね力に抗して軸方向に変位させることにより、弁体３１が前記作動タイミング及び作動期間に対応して変位して、該ガス燃料溜め３６とガス注入弁５０へのガス通路８ａとの間を開閉する。
前記弁体３１が開弁すると、前記ガス燃料溜め３６内の高濃度燃料ガスはガス通路８ａを通ってガス注入弁５０のガス溜め５５に流入して、針弁ばね５３のばね力に打ち勝って針弁５１を開弁せしめ、噴孔５２からガス噴流５０ａとなって前記主燃焼室４４内に形成されているトーチ火炎１１ａに向けて噴射される。 Wherein the actuator control unit 206, the high gas injection timing of the concentrated fuel gas (injection start timing of the high-concentration fuel gas) T 2 and the operating timing by the magnet current super magnetostrictive actuator 30 corresponding to the high concentration fuel gas injection period And the operation period is calculated and output to the giant magnetostrictive actuator 30.
In the giant magnetostrictive actuator 30, the magnet 33 of the giant magnetostrictive actuator 30 is actuated at a magnet current value corresponding to the actuating timing and actuating period, so that the giant magnetostrictive material 32 resists the spring force of the spring 34 in the axial direction. As a result, the valve body 31 is displaced corresponding to the operation timing and operation period, and opens and closes between the gas fuel reservoir 36 and the gas passage 8a to the gas injection valve 50.
When the valve body 31 is opened, the high-concentration fuel gas in the gas fuel reservoir 36 flows into the gas reservoir 55 of the gas injection valve 50 through the gas passage 8a and overcomes the spring force of the needle valve spring 53. The needle valve 51 is opened, and a gas jet 50a is injected from the nozzle hole 52 toward the torch flame 11a formed in the main combustion chamber 44.

従って、かかる実施例によれば、吸気及び圧縮行程で、予め爆発限界ガス濃度以下の濃度で均一な予混合希薄混合気を主燃焼室４４内に形成し、この予混合希薄混合気中にトーチ着火装置１１の副室１１１からトーチ火炎１１を噴出させ、さらに該トーチ火炎１１ａに向けてガス注入弁５０から高濃度燃料ガスを高速分散注入することができる。
これにより、吸気及び圧縮行程で主燃焼室４４内に形成された予混合希薄混合気中に副室１１１からのトーチ火炎１１ａを噴出し、このトーチ火炎１１ａに高濃度燃料ガスを高速分散注入することによって最終予混合濃度を燃焼直前に形成することが可能となって、ノッキングの発生を回避しつつ火炎伝播距離が抑制され、ＮＯｘの発生量が低減された燃焼がなされる。
かかる燃焼形態により、図９（Ｂ）の筒内圧力線図に示されるような従来のガスエンジンのサバテサイクルから、図９（Ａ）の筒内圧力線図に示されるようなディーゼルサイクルに近い燃焼サイクルが得られて、ノッキングの発生を伴うことなく圧縮比を増大し筒内最高圧力Ｐｍａｘを上昇することが可能となる。尚、図９においてＰｃは圧縮圧力である。 Therefore, according to this embodiment, in the intake and compression strokes, a uniform premixed lean mixture is previously formed in the main combustion chamber 44 at a concentration equal to or less than the explosion limit gas concentration, and the torch is formed in the premixed lean mixture. The torch flame 11 can be ejected from the sub chamber 111 of the ignition device 11, and the high-concentration fuel gas can be dispersed and injected at high speed from the gas injection valve 50 toward the torch flame 11a.
Thereby, the torch flame 11a from the sub chamber 111 is ejected into the premixed lean air-fuel mixture formed in the main combustion chamber 44 in the intake and compression strokes, and high-concentration fuel gas is dispersed and injected into the torch flame 11a at high speed. As a result, the final premixed concentration can be formed immediately before combustion, the flame propagation distance is suppressed while avoiding the occurrence of knocking, and combustion with reduced NOx generation is performed.
With this combustion mode, combustion close to the diesel cycle as shown in the in-cylinder pressure diagram of FIG. 9 (A) from the Sabatate cycle of the conventional gas engine as shown in the in-cylinder pressure diagram of FIG. 9 (B). A cycle is obtained, and the compression ratio can be increased and the in-cylinder maximum pressure Pmax can be increased without causing knocking. In FIG. 9, Pc is the compression pressure.

また、本発明の他の実施例においては、図３に鎖線で示されるように、前記副室１１１に開口するガス注入通路７０を設け（７１は副室１１１への開口端）、該ガス注入通路７０を燃料ガス管８を介して前記超磁歪アクチュエータ３０に接続する。
そして、前記第１の実施例と同様に、前記コントローラ２により前記超磁歪アクチュエータ３０の開閉タイミングを制御して、前記ガス注入通路７０から副室１１１内に噴出する高濃度燃料ガスの噴出開始時期を前記トーチ着火装置１１による副室１１１内ガスの着火時期、つまりパイロット噴射の噴射タイミング（噴射始め時期）と同時に、または該着火時期よりも遅延せしめる。
かかる実施例によれば、副室１１１から主燃焼室４４にトーチ火炎１１ａを噴出し、次いで該副室１１１内に高濃度燃料ガスを噴出せしめることにより、主燃焼室４４内において前記トーチ火炎１１ａ中に副室１１１からの高濃度燃料ガスを高速分散注入することによって、前記第１実施例と同様に、最終予混合濃度を燃焼直前に形成することが可能となる。
これにより、主燃焼室４４内における火炎伝播距離が抑制され、ＮＯｘの発生量が低減された燃焼がなされるとともに、ノッキングの発生をみることなく圧縮比の増大及び筒内最高圧力の上昇が可能となる。 Further, in another embodiment of the present invention, as shown by a chain line in FIG. 3, a gas injection passage 70 opening to the sub chamber 111 is provided (71 is an opening end to the sub chamber 111). The passage 70 is connected to the giant magnetostrictive actuator 30 through the fuel gas pipe 8.
As in the first embodiment, the controller 2 controls the opening / closing timing of the giant magnetostrictive actuator 30 to start the injection of the high-concentration fuel gas that is injected from the gas injection passage 70 into the sub chamber 111. The ignition timing of the gas in the sub chamber 111 by the torch ignition device 11, that is, the injection timing (injection start timing) of the pilot injection is delayed or delayed from the ignition timing.
According to this embodiment, the torch flame 11a is ejected from the sub chamber 111 into the main combustion chamber 44, and then the high-concentration fuel gas is ejected into the sub chamber 111, thereby the torch flame 11a in the main combustion chamber 44. By high-speed dispersion injection of the high-concentration fuel gas from the sub chamber 111, the final premixed concentration can be formed immediately before combustion, as in the first embodiment.
As a result, the flame propagation distance in the main combustion chamber 44 is suppressed, combustion with reduced NOx generation is performed, and the compression ratio can be increased and the maximum in-cylinder pressure can be increased without observing the occurrence of knocking. It becomes.

本発明によれば、ＮＯｘの発生量を抑制し、ノッキングの発生を回避しつつ圧縮比及び筒内最高圧力を増大して高い熱効率を得ることができ、高出力化を可能としたガスエンジンを提供できる。   According to the present invention, a gas engine that suppresses the amount of NOx generated and increases the compression ratio and the in-cylinder maximum pressure while avoiding the occurrence of knocking to obtain high thermal efficiency, and enabling high output. Can be provided.

本発明の実施例に係るガスエンジンの燃料制御装置の全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of a fuel control device for a gas engine according to an embodiment of the present invention. ガス注入弁及び超磁歪アクチュエータの構成図である。It is a block diagram of a gas injection valve and a giant magnetostrictive actuator. パイロット燃料噴射式トーチ着火装置の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of a pilot fuel injection type torch ignition device. 火花点火式トーチ着火装置の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of a spark ignition type torch ignition device. 前記燃料制御装置の制御ブロック図である。It is a control block diagram of the fuel control device. 前記燃料制御装置の制御フローチャートの第１例である。It is a 1st example of the control flowchart of the said fuel control apparatus. 制御フローチャートの第２例である。It is a 2nd example of a control flowchart. 前記燃料制御装置の噴射タイミング線図である。It is an injection timing diagram of the fuel control device. 筒内圧力線図の比較例を示す。The comparative example of a cylinder pressure diagram is shown.

符号の説明Explanation of symbols

１ ガス加圧ポンプ
２ コントローラ
３ 回転数検出器
４ 負荷検出器
５ クランク角検出器
６ 筒内圧力検出器
９ 吸気管
１０ ガス噴射装置
１１ トーチ着火装置
３０ 超磁歪アクチュエータ
４４ 主燃焼室
４５ ピストン
４６ クランク軸
５０ ガス注入弁
６０ 燃焼診断装置
１００ ガスエンジン DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas pressurization pump 2 Controller 3 Rotation speed detector 4 Load detector 5 Crank angle detector 6 In-cylinder pressure detector 9 Intake pipe 10 Gas injection device 11 Torch ignition device 30 Giant magnetostriction actuator 44 Main combustion chamber 45 Piston 46 Crank Shaft 50 Gas injection valve 60 Combustion diagnostic device 100 Gas engine

Claims (11)

副室内に充填されたガスにトーチ着火装置により着火して生成したトーチ火炎を主燃焼室内の希薄混合ガス中に噴出させて、該希薄混合ガスを燃焼せしめるように構成されたガスエンジンの燃料制御装置において、高濃度燃料ガスを所定圧力に加圧する加圧手段、及び前記主燃焼室に臨んで設けられて前記加圧手段からの高濃度燃料ガスを前記トーチ火炎に向けて噴出せしめるガス注入弁を有するガス注入装置と、前記ガスエンジンの運転条件に基づき前記ガス注入装置における前記高濃度燃料ガスの噴射タイミングを変化させる制御装置とを備えたことを特徴とするガスエンジンの燃料制御装置。   Fuel control of a gas engine configured to inject a torch flame generated by igniting a gas filled in a sub chamber with a torch ignition device into a lean mixed gas in the main combustion chamber and burn the lean mixed gas In the apparatus, a pressurizing unit that pressurizes the high-concentration fuel gas to a predetermined pressure, and a gas injection valve that is provided facing the main combustion chamber and ejects the high-concentration fuel gas from the pressurization unit toward the torch flame A fuel control device for a gas engine, comprising: a gas injection device including: a control device that changes an injection timing of the high-concentration fuel gas in the gas injection device based on operating conditions of the gas engine. 前記制御装置は、前記ガス注入装置における前記高濃度燃料ガスの噴射開始時期を、前記トーチ着火装置による副室内ガスの着火時期と同時にまたは該着火時期よりも遅延させるように構成されてなることを特徴とする請求項１記載のガスエンジンの燃料制御装置。   The control device is configured to delay the injection start timing of the high-concentration fuel gas in the gas injection device simultaneously with or behind the ignition timing of the sub-chamber gas by the torch ignition device. The fuel control device for a gas engine according to claim 1, wherein the fuel control device is a gas engine. 前記制御装置は、前記ガス注入装置による前記高濃度燃料ガスの噴射量を、前記ガスエンジンのガバナにより制御される前記主燃焼室への主ガス量に関連させて調整するように構成されてなることを特徴とする請求項１記載のガスエンジンの燃料制御装置。   The control device is configured to adjust an injection amount of the high-concentration fuel gas by the gas injection device in relation to a main gas amount to the main combustion chamber controlled by a governor of the gas engine. The fuel control apparatus for a gas engine according to claim 1. 前記ガスエンジンの回転数を検出する回転数検出器と、前記ガスエンジンの負荷（出力）を検出する負荷検出器と、前記ガスエンジンのクランク角を検出するクランク角検出器とを備え、前記制御装置は、前記回転数検出器から入力されるエンジン回転数の検出値、前記負荷検出器から入力されるエンジン負荷の検出値、及び前記クランク角検出器から入力されるクランク角の検出値に基づき、これらの検出値に対応する前記高濃度燃料ガスの噴射タイミングを算出し該算出値に従い前記ガス注入装置を駆動するように構成されてなることを特徴とする請求項１記載のガスエンジンの燃料制御装置。   A rotation speed detector for detecting the rotation speed of the gas engine; a load detector for detecting a load (output) of the gas engine; and a crank angle detector for detecting a crank angle of the gas engine; The apparatus is based on a detection value of the engine speed input from the rotation speed detector, a detection value of the engine load input from the load detector, and a detection value of the crank angle input from the crank angle detector. 2. The fuel for a gas engine according to claim 1, wherein the fuel injection fuel gas is configured to calculate an injection timing of the high-concentration fuel gas corresponding to the detected values and drive the gas injection device according to the calculated values. Control device. 前記ガスエンジンの筒内圧力を検出する筒内圧力検出器と、該筒内圧力検出器から入力される筒内圧力の検出値に基づき前記燃焼室内における燃焼異常の判定を行う燃焼診断装置とを備え、前記制御装置は、前記燃焼診断装置から入力される燃焼異常の判定結果に基づき前記ガス注入装置からの高濃度燃料ガスの噴射タイミングを調整するように構成されてなることを特徴とする請求項１記載のガスエンジンの燃料制御装置。   An in-cylinder pressure detector that detects an in-cylinder pressure of the gas engine, and a combustion diagnostic device that determines a combustion abnormality in the combustion chamber based on a detected value of the in-cylinder pressure input from the in-cylinder pressure detector. The control device is configured to adjust the injection timing of the high-concentration fuel gas from the gas injection device based on the determination result of the combustion abnormality input from the combustion diagnostic device. Item 2. A fuel control device for a gas engine according to Item 1. 副室内に充填されたガスにトーチ着火装置により着火して生成したトーチ火炎を主燃焼室内の希薄混合ガス中に噴出させて、該希薄混合ガスを燃焼せしめるように構成されたガスエンジンの燃料制御装置において、高濃度燃料ガスを所定圧力に加圧する加圧手段、及び前記副室に臨んで設けられて前記加圧手段からの高濃度燃料ガスを前記副室内に噴出せしめるガス注入弁を有するガス注入装置と、前記ガス注入装置のガス噴出開始時期を前記トーチ着火装置による副室内ガスの着火時期と同時にまたは該着火時期よりも遅延せしめる制御装置とを備えたことを特徴とするガスエンジンの燃料制御装置。   Fuel control of a gas engine configured to inject a torch flame generated by igniting a gas charged in a sub chamber with a torch ignition device into a lean mixed gas in the main combustion chamber and burn the lean mixed gas In the apparatus, a gas having pressurizing means for pressurizing the high-concentration fuel gas to a predetermined pressure, and a gas injection valve that is provided facing the sub chamber and jets the high-concentration fuel gas from the pressurization means into the sub chamber. A fuel for a gas engine, comprising: an injection device; and a control device that delays a gas ejection start timing of the gas injection device simultaneously with or behind the ignition timing of the sub-chamber gas by the torch ignition device Control device. 前記トーチ着火装置を、前記副室内のガス中にパイロット燃料噴射弁からパイロット燃料を噴射しトーチ着火させて前記主燃焼室に噴出するパイロット燃料着火式トーチ着火装置に構成してなることを特徴とする請求項１または６のいずれかの項に記載のガスエンジンの燃料制御装置。   The torch ignition device is configured as a pilot fuel ignition type torch ignition device that injects pilot fuel into a gas in the sub chamber from a pilot fuel injection valve, ignites the torch, and jets it to the main combustion chamber. The fuel control device for a gas engine according to any one of claims 1 and 6. 前記トーチ着火装置を、前記副室内のガスを点火プラグの火花放電によりトーチ着火させて前記主燃焼室に噴出する火花着火式トーチ着火装置に構成してなることを特徴とする請求項１または６のいずれかの項に記載のガスエンジンの燃料制御装置。   7. The torch ignition device is configured as a spark ignition type torch ignition device in which gas in the sub chamber is ignited by a torch by a spark discharge of an ignition plug and ejected to the main combustion chamber. The fuel control device for a gas engine according to any one of the above. 前記ガス注入装置は、磁界中に配置された磁歪材の磁気歪みにより前記ガス注入弁を開閉する磁歪アクチュエータを備え、該磁歪アクチュエータは前記制御装置からの制御信号により前記ガス注入弁を開閉せしめるように構成されてなることを特徴とする請求項１または６のいずれかの項に記載のガスエンジンの燃料制御装置。   The gas injection device includes a magnetostrictive actuator that opens and closes the gas injection valve by magnetostriction of a magnetostrictive material disposed in a magnetic field, and the magnetostriction actuator opens and closes the gas injection valve by a control signal from the control device. The fuel control device for a gas engine according to claim 1, wherein the fuel control device is configured as follows. 副室内に充填されたガスにトーチ着火装置により着火して生成したトーチ火炎を主燃焼室内の希薄混合ガス中に噴出させて、該希薄混合ガスを燃焼せしめるように構成されたガスエンジンにおける燃料制御方法において、所定圧力に加圧された高濃度燃料ガスを、前記トーチ着火装置による副室内ガスの着火時期と同時にまたは該着火時期よりも遅延して、前記副室から前記主燃焼室内に噴出されたトーチ火炎に向けて噴射することを特徴とするガスエンジンの燃料制御方法。   Fuel control in a gas engine configured to inject a torch flame generated by igniting a gas charged in a sub chamber with a torch ignition device into a lean mixed gas in the main combustion chamber and combust the lean mixed gas In the method, high-concentration fuel gas pressurized to a predetermined pressure is jetted from the sub chamber into the main combustion chamber at the same time as or after the ignition timing of the sub chamber gas by the torch ignition device. A fuel control method for a gas engine, wherein the fuel is injected toward a torch flame. 前記ガスエンジンの筒内圧力を検出して、該筒内圧力の検出値に基づき前記燃焼室内における燃焼異常の判定を行い、該燃焼異常の判定結果に基づき前記高濃度燃料ガスの噴射タイミングを調整することを特徴とする請求項１０記載のガスエンジンの燃料制御方法。   Detecting in-cylinder pressure of the gas engine, determining combustion abnormality in the combustion chamber based on the detected value of the cylinder pressure, and adjusting the injection timing of the high-concentration fuel gas based on the determination result of the combustion abnormality The fuel control method for a gas engine according to claim 10, wherein:
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