JP2015190328A

JP2015190328A - ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式

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Publication number: JP2015190328A
Application number: JP2014065973A
Authority: JP
Inventors: 正樹大津; Masaki Otsu
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2015-11-02

Abstract

【課題】ガス燃料を現行以上の高圧で噴射することなく熱効率を向上させることができると共に、ＮＯxの発生を抑制することができ、以って環境保全とコスト削減を図ることができるようにする。【解決手段】ガス燃料をシリンダ１内に高圧で噴射する主ガス燃料噴射弁５及びディーゼル燃料をシリンダ内にパイロット噴射するパイロット燃料噴射弁６と、高圧ガス燃料を主ガス燃料噴射弁へ供給する主ガス燃料供給装置８と、さらにガス燃料をシリンダ内に噴射する副ガス燃料噴射弁７と、ガス燃料を副ガス燃料噴射弁へ供給する副ガス燃料供給装置１０とを備え、副ガス燃料噴射弁は、パイロット燃料噴射弁からディーゼル燃料がパイロット噴射される前に燃焼に必要とされるガス燃料の一部を副ガス燃料供給装置から供給されてシリンダ内にプレ噴射し、主ガス燃料噴射弁は、パイロット噴射後にガス燃料の残部をシリンダ内に高圧で噴射する。【選択図】図１

Description

本発明は、天然ガス等のガス燃料を主燃料とするガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式に関する。

近年、環境保全の観点からクリーンなエネルギ源が求められている。この観点から、天然ガス等のガス燃料をその主燃料とし、着火のためのパイロット燃料噴射後にシリンダ内へ高圧のガス燃料を噴射するガスインジェクションエンジンの普及が期待されている。そして、ガスインジェクションエンジンにおいては、その燃料の特性等から、熱効率を向上させるために、この高圧のガス燃料を短期間にシリンダ内に噴射する必要がある。

なお、自己着火によるノッキングの問題が発生しているのは、着火のためのパイロット噴射前にガス燃料を予混合して燃焼させるオットーサイクルの予混合方式のガスエンジンであり（例えば、特許文献１参照）、このガスエンジンの高負荷時、あるいは燃料噴射量が多い場合に特にノッキングが発生しやすい。この一方、ディーゼルサイクルとなる上述のガスインジェクションエンジンについては、ノッキングの問題は発生していない。この点からも、ガスインジェクションエンジンの普及が期待されている。

他方、ガスインジェクションエンジンと基本的に同じ構造を有し、ディーゼル燃料を主燃料とするディーゼルエンジンにおいては、このディーゼル燃料を多段階に分けて噴射する多段階噴射が行われる場合がある（例えば、特許文献２参照）。しかし、これはあくまでもパイロット噴射後に前噴射、主噴射、後噴射等々、パイロット噴射後のディーゼル燃料の噴射を数回に分けて行なうものであり、上述のように、高圧のガス燃料を短期間にシリンダ内に噴射する必要があるガスインジェクションエンジンに適した噴射方式ではない。

特開平１１−３２４８０５号公報特表２００２−０６６８１３号公報

このように、近年、環境保全の観点からクリーンなエネルギ源が求められている。このため、天然ガス等のガス燃料を主燃料とするガスインジェクションエンジンの普及が期待されている。このため、ガスインジェクションエンジンについても、使用するガス燃料の量を少しでも減少させてコスト削減を図ると共に、排気ガス量を減少させて環境保全に貢献できるように、さらなる熱効率の改善が求められている。

また、ガスインジェクションエンジンにおいて熱効率を改善する方法として、ガス燃料をより高圧で噴射することが有効とされているが、高圧ガスに対する安全性確保の観点から、一段レベルの高い安全対策が必要になると共に、高圧化するために必要な動力エネルギの増加を招くという問題がある。

さらに、従来のガスインジェクションエンジンは、基本的にディーゼルエンジンと同じ熱サイクルで燃焼を行うことから、ＮＯx の発生が比較的多いという問題もある。このため、環境保全の観点から、ＮＯx の発生をさらに抑制することも必要である。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、ガス燃料を現行以上の高圧で噴射することなく熱効率を向上させることができると共に、ＮＯx の発生を抑制することができ、以って環境保全とコスト削減を図ることができる、ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明が採用する手段は、ガス燃料を主燃料とするガスインジェクションエンジンのシリンダヘッドに配設されてガス燃料をシリンダ内に高圧で噴射する主ガス燃料噴射弁及びこの主ガス燃料噴射弁からのガス燃料の噴射前にディーゼル燃料をシリンダ内にパイロット噴射するパイロット燃料噴射弁と、高圧ガス燃料を主ガス燃料噴射弁へ供給する主ガス燃料供給装置とを備えたガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式において、ガス燃料をガスインジェクションエンジンのシリンダ内に噴射する副ガス燃料噴射弁と、ガス燃料を副ガス燃料噴射弁へ供給する副ガス燃料供給装置とをさらに備え、副ガス燃料噴射弁は、パイロット燃料噴射弁からディーゼル燃料がパイロット噴射される前に燃焼に必要とされるガス燃料の一部を副ガス燃料供給装置から供給されてシリンダ内にプレ噴射し、主ガス燃料噴射弁は、パイロット燃料噴射弁からディーゼル燃料がパイロット噴射された後に上記の燃焼に必要とされるガス燃料の残部を主ガス燃料供給装置から供給されてシリンダ内に高圧で噴射することにある。

本発明のガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式は、従来の高圧ガスを噴射する主ガス燃料噴射弁、及びこのディーゼル燃料を噴射するパイロット燃料噴射弁のほか、ガス燃料をガスインジェクションエンジンのシリンダ内に噴射するための副ガス燃料噴射弁と、ガス燃料をこの副ガス燃料噴射弁へ供給する副ガス燃料供給装置とをさらに備え、この副ガス燃料噴射弁は、パイロット燃料噴射弁からディーゼル燃料がパイロット噴射される前に、燃焼に必要とされるガス燃料の一部を副ガス燃料供給装置から供給されてシリンダ内にプレ噴射し、主ガス燃料噴射弁は、パイロット噴射後に上記の燃焼に必要とされるガス燃料の残部をシリンダ内に高圧で噴射する。

このパイロット燃料噴射前に副ガス燃料噴射弁から噴射されるガス燃料は、パイロット噴射されるディーゼル燃料の燃焼により着火して燃焼する。これにより、主ガス燃料噴射弁からガス燃料が噴射される前のシリンダ内のガス温度が、従来のガスインジェクションエンジンよりも上昇する。このため、燃焼初期の熱発生を理想的なものに近づけることができ、さらなるガス燃料の高圧化等を行なうことなく、ガス燃料の燃焼による熱効率を向上させることができる。これにより、エンジン全体としての熱効率を大幅に向上させることができる。

また、このようにガス燃料の一部をパイロット噴射前に噴射してパイロット噴射により着火するようにすれば、その燃焼はいわゆるリーンバーン燃焼となり、これによりＮＯx の発生を確実に減少させることができる。

上記ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式において、副ガス燃料噴射弁は、シリンダの側部に配設されて低圧のガス燃料をシリンダ内に噴射することが望ましい。

このように、副ガス燃料噴射弁をシリンダの側部に配設して、副ガス燃料噴射弁から低圧のガス燃料をシリンダ内に噴射させることにより、プレ噴射として必要かつ十分な燃焼が得られると共に、高圧ガスとして取り扱わなければならないガス燃料の量を確実に減少させることができ、安全性が高められる。また、ガス燃料を高圧化するために必要な動力エネルギを抑制させることができ、コスト削減を図ることができる。

上記ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式において、副ガス燃料噴射弁は、（５〜１５）ｂａｒの低圧でガス燃料をシリンダ内にプレ噴射することが望ましい。

このように、副ガス燃料噴射弁から（５〜１５）ｂａｒの低圧でガス燃料をシリンダ内にプレ噴射することにより、パイロット燃料噴射による着火、及びその後のガス温度上昇を理想的なものとすることができる。

上記ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式において、副ガス燃料噴射弁は、ガス燃料をクランク角で下死点後の（８０〜１２０）°の範囲内の所定時期にシリンダ内にプレ噴射することが望ましい。

このように、プレ噴射が低圧噴射の場合には、ガス燃料をシリンダ内に副ガス燃料噴射弁からクランク角で下死点後の（８０〜１２０）°の範囲内の所定時期にプレ噴射させることにより、パイロット燃料噴射による着火、及びその後のガス温度上昇を理想的なものとすることができる。

上記ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式において、副ガス燃料噴射弁は、シリンダヘッドに配設されて主ガス燃料をシリンダ内に高圧で噴射する主ガス燃料噴射弁からなり、副ガス燃料供給装置は、主ガス燃料噴射弁へ高圧ガス燃料を供給する主ガス燃料供給装置からなることが望ましい。

パイロット燃料噴射前に副ガス燃料噴射弁から噴射されるガス燃料は、必ずしも低圧とする必要はなく、主ガス燃料噴射弁からの高圧噴射によっても燃焼初期の熱発生を理想的なものに近づけることができる。このように、主ガス燃料噴射弁からの高圧のガス燃料噴射をパイロット燃料噴射の前後に行うことにより、ガス燃料のさらなる高圧化を行なうことなく熱効率を向上させることができ、エンジン全体としての熱効率を大幅に向上させることができる。

特に、副ガス燃料噴射弁を、シリンダヘッドに設けられて主ガス燃料をシリンダ内に高圧で噴射する主ガス燃料噴射弁とすることにより、プレ噴射のためのガス燃料噴射弁、及びこのガス燃料噴射弁へガス燃料を供給するためのガス燃料供給機構を別途設ける必要がなくなり、コスト増を回避することができる。

上記ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式において、副ガス燃料噴射弁は、ガス燃料を（２００〜３００）ｂａｒの高圧でシリンダ内にプレ噴射することが望ましい。
このように、副ガス燃料噴射弁から（２００〜３００）ｂａｒの高圧でガス燃料をシリンダ内にプレ噴射することにより、パイロット燃料噴射による着火、及びその後のガス温度上昇を理想的なものとすることができる。

上記ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式において、副ガス燃料噴射弁は、ガス燃料をシリンダ内にクランク角で下死点後の（１２０〜１６０）°の範囲内の所定時期にプレ噴射することが望ましい。

このように、プレ噴射が高圧噴射の場合には、副ガス燃料噴射弁からガス燃料をクランク角で下死点後の（１２０〜１６０）°の範囲内の所定時期にシリンダ内にプレ噴射することにより、パイロット燃料噴射による着火、及びその後のガス温度上昇を理想的なものとすることができる。

上記ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式において、副ガス燃料噴射弁は、ガスインジェクションエンジンの低負荷時に燃焼に必要なガス燃料の質量割合で５０％以上の量のガス燃料をシリンダ内にプレ噴射することが望ましい。

従来の予混合のガスエンジンは、低負荷領域では、ガス噴射に伴うノッキングの発生が少ないという特性がある。したがって、低負荷時には比較的多量のガス燃料をプレ噴射してもノッキング発生の可能性が低く、特に燃焼に必要なガス燃料の質量割合で５０％以上の量のガス燃料をシリンダ内にプレ噴射させることにより、パイロット燃料噴射による着火、及びその後のガス温度上昇をより理想的なものとすることができる。

上記ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式において、副ガス燃料噴射弁は、ガスインジェクションエンジンの高負荷時に燃焼に必要なガス燃料の質量割合で５０％以下の量のガス燃料をシリンダ内にプレ噴射することが望ましい。

従来の予混合のガスエンジンは、高負荷領域ではガス噴射に伴うノッキング発生の可能性が高くなることが知られている。したがって、高負荷時にはガス燃料のプレ噴射量を一定範囲内に抑える必要があり、特に燃焼に必要なガス燃料の質量割合で５０％以下の量のガス燃料をシリンダ内にプレ噴射させることにより、ノッキングの発生を防止しつつ、パイロット燃料噴射による着火、及びその後のガス温度上昇を理想的なものとすることができる。

上記ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式において、副ガス燃料供給装置は、副ガス燃料噴射弁からガス燃料を所定時間を超えて噴射させないようにするインターロック機構を備えていることが望ましい。

このように、副ガス燃料供給装置は、副ガス燃料噴射弁からガス燃料を所定時間を超えて噴射させないようにするインターロック機構を備えているから、異常発生時の副ガス燃料噴射弁からのガス燃料の連続噴射が確実に防止され、安全性が高められる。

本発明のガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式は、ガス燃料を主燃料とするガスインジェクションエンジンのシリンダヘッドに配設されてガス燃料をシリンダ内に高圧で噴射する主ガス燃料噴射弁及びこの主ガス燃料噴射弁からのガス燃料の噴射前にディーゼル燃料をシリンダ内にパイロット噴射するパイロット燃料噴射弁と、高圧ガス燃料を主ガス燃料噴射弁へ供給する主ガス燃料供給装置とを備えたガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式において、ガス燃料をガスインジェクションエンジンのシリンダ内に噴射する副ガス燃料噴射弁と、ガス燃料を副ガス燃料噴射弁へ供給する副ガス燃料供給装置とをさらに備え、副ガス燃料噴射弁は、パイロット燃料噴射弁からディーゼル燃料がパイロット噴射される前に燃焼に必要とされるガス燃料の一部を副ガス燃料供給装置から供給されてシリンダ内にプレ噴射し、主ガス燃料噴射弁は、パイロット燃料噴射弁からディーゼル燃料がパイロット噴射された後に燃焼に必要とされるガス燃料の残部を主ガス燃料供給装置から供給されてシリンダ内に高圧で噴射する。

したがって、ガスインジェクションエンジンにおいて、ガス燃料を現行以上の高圧で噴射することなく熱効率を向上させることができると共に、ＮＯx の発生を抑制することができ、以って環境保全とコスト削減を図ることができる、という優れた効果を奏する。

本発明のガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式の、第１の発明を実施するための形態を示す簡略図である。図１のガスインジェクションエンジンの副ガス燃料噴射弁と副ガス燃料供給装置とを示すシステム図である。図１のガスインジェクションエンジンのプレ噴射とパイロット噴射とパイロット噴射後のガス燃料噴射との関係を示す図である。図２の副ガス燃料供給装置のインターロック機構を説明する図である。本発明のガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式の、第２の発明を実施するための形態を示す簡略図である。図５のガスインジェクションエンジンの副ガス燃料噴射弁と副ガス燃料供給装置とを示すシステム図である。図５のガスインジェクションエンジンのプレ噴射とパイロット噴射とパイロット噴射後の燃料噴射との関係を示す図である。図６の副ガス燃料供給装置のインターロック機構を説明する図である。

本発明のガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式の、第１の発明を実施するための形態を、図１ないし図４を参照して詳細に説明する。この第１の発明の実施の形態は、プレ噴射を、図１に示す低圧ガス燃料噴射弁７から低圧で行なう場合である。

図１は、一例としての天然ガス等のガス燃料を主燃料とするガスインジェクションエンジンを示す。符号１はガスインジェクションエンジンのシリンダ、２はシリンダヘッド、３はシリンダライナ、４はシリンダライナ１内を上下に摺動するピストン、９はシリンダヘッド２に設けられてシリンダ１内の燃焼ガスを図示しない排気レシーバに排気する排気弁である。シリンダ１は、シリンダヘッド２とシリンダライナ３により形成される内円柱状空間である。

シリンダヘッド２に、ガス燃料をシリンダ１内に高圧で噴射する高圧ガス燃料噴射弁（主ガス燃料噴射弁）５、高圧ガス燃料噴射弁５からガス燃料を噴射する前にディーゼル燃料をシンリダ１内にパイロット噴射するパイロット燃料噴射弁６が、それぞれ配設される。

高圧ガス燃料噴射弁５には、高圧ガス燃料供給装置（主ガス燃料供給装置）８から、例えば（２００〜３００）ｂａｒの高圧のガス燃料が供給される。低圧のガス燃料をシリンダ１内に噴射するための低圧ガス燃料噴射弁（副ガス燃料噴射弁）７が、シリンダライナ３の側部に配設される。低圧ガス燃料噴射弁７に対しては、後述するように、低圧のガス燃料が低圧ガス燃料供給装置（副ガス燃料供給装置）１０から供給される。

図２に示すように、低圧ガス燃料供給装置１０は、例えば次のような構成を有し、異常発生時に低圧ガス燃料噴射弁７へのガス燃料の供給を別系統で遮断し、強制的にガス燃料の噴射を停止させることができるインターロック機構を有する。低圧のガス燃料が、図示しないガス燃料の供給源から油圧作動式のガス燃料の開閉弁１２を介して、低圧ガス燃料噴射弁７へ供給される。

油圧ポンプ１３から供給される油圧は、電磁作動式の開閉弁１４を介して上記ガス燃料の開閉弁１２へ供給されて、この開閉弁１２を開閉させる。これと共に、開閉弁１４を通った油圧は、電磁作動式の開閉弁１５を介して低圧ガス燃料噴射弁７へ供給され、この油圧により低圧ガス燃料噴射弁７は開弁することができる。

２つの電磁作動式の開閉弁１４，１５は、ガスインジェクションエンジンのエンジンコントローラ１６により、その開閉が電気的に制御される。インターロック機構は、エンジンコントローラ１６、電磁作動式の油圧開閉弁１４，油圧作動式のガス燃料の開閉弁１２により構成される。

通常運転時は、エンジンコントローラ１６が油圧の開閉弁１４を開弁させることにより、ガス燃料の開閉弁１２が開弁して、ガス燃料が低圧ガス燃料噴射弁７へ供給される。これと共に、エンジンコントローラ１６が油圧の開閉弁１５を開弁させることにより、油圧が２つの開閉弁１４、１５を通って低圧ガス燃料噴射弁７へ供給され、低圧ガス燃料噴射弁７を開弁させる。

これにより、低圧ガス燃料噴射弁７は、図示しないガス燃料の供給源から供給された低圧のガス燃料を噴射することができる。また、エンジンコントローラ１６が油圧の開閉弁１５を閉弁させることにより、低圧ガス燃料噴射弁７は閉弁して、低圧のガス燃料の噴射を停止する。

次に、本ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式の作動について説明する。図３に示すように、例えば上死点のクランク角１８０°近辺において、ディーゼル燃料がパイロット燃料噴射弁６からシリンダ１内にパイロット噴射される。また、例えばパイロット燃料噴射終了直後からの一定のクランク角の範囲内で、例えば（２００〜３００）ｂａｒの高圧のガス燃料が高圧ガス燃料噴射弁５からシリンダ１内に噴射される。

一方、エンジンコントローラ１６は、ガス燃料を低圧ガス燃料噴射弁７から、例えばクランク角で下死点後の（８０〜１２０）°の範囲内の所定時期であって、かつ、上記パイロット燃料噴射前に、シリンダ１内にプレ噴射する。低圧ガス燃料噴射弁７からのプレ噴射は、例えば（５〜１５）ｂａｒの低圧で行われる。

また、エンジンコントローラ１６は、ガスインジェクションエンジンの低負荷時、例えば負荷が６０％以下の場合には、燃焼に必要なガス燃料の質量割合で５０％以上、例えば５０〜９５％又は５０〜１００％の量のガス燃料をシリンダ１内にプレ噴射する。

これは、低負荷領域ではプレ噴射に伴うノッキング発生の可能性が低いため、低負荷時には比較的多量のガス燃料をプレ噴射させることができるからである。これにより、パイロット燃料噴射による着火、及びその後のガス温度上昇を理想的なものとすることができる。

一方、エンジンコントローラ１６は、ガスインジェクションエンジンの高負荷時、例えば負荷が６０％を超える場合には、燃焼に必要なガス燃料の質量割合で５０％以下、例えば１０〜５０％の量のガス燃料をシリンダ１内にプレ噴射する。

これは、高負荷領域で多量のガス燃料をプレ噴射した場合、このプレ噴射に伴うノッキング発生の可能性が考えられるため、高負荷時にはガス燃料のプレ噴射量を一定範囲内に抑える必要があるからである。これにより、ノッキングの発生を防止しつつ、パイロット燃料噴射による着火、及びその後のガス温度上昇を理想的なものとすることができる。

したがって、パイロット噴射後に高圧ガス燃料噴射弁５から噴射される高圧のガス燃料は、燃焼に必要なガス燃料の量から、上記プレ噴射されたガス燃料の量を差し引いた残部となり、その残部がパイロット燃料噴射後にシリンダ１内に、例えば（２００〜３００）ｂａｒの高圧で噴射される。

このとき、エンジンコントローラ１６は、通常運転時には、図３の電磁式の油圧開閉弁１４を開弁させる。開閉弁１４が開弁すると、油圧によりガス燃料の開閉弁１２を開弁させ、低圧のガス燃料が低圧ガス燃料噴射弁７へ供給されている。

クランク角で下死点後の例えば（８０〜１２０）°の範囲内の所定時期になると、エンジンコントローラ１６は、図２の油圧開閉弁１５を開弁させ、低圧ガス燃料噴射弁７の開閉部に油圧をかける。これにより、低圧ガス燃料噴射弁７が開弁して低圧のガス燃料がシリンダ１内に噴射される。

図３に示すように、噴射時間が経過すると、エンジンコントローラ１６は、油圧開閉弁１５を閉弁させ、低圧ガス燃料噴射弁７の開閉部を閉じる。これにより、低圧ガス燃料噴射弁７からのガス燃料のプレ噴射は終了する。

このパイロット燃料噴射前に低圧ガス燃料噴射弁７から噴射されたガス燃料は、パイロット噴射されるディーゼル燃料の燃焼により着火して燃焼する。これにより、高圧ガス燃料噴射前のシリンダ内のガス温度が、従来のガスインジェクションエンジンよりも上昇する。

このため、燃焼初期の熱発生を理想的なものに近づけることができ、その後に行われる高圧ガス燃料の燃焼による熱効率を向上させることができる。これにより、エンジン全体のガス燃料の燃焼による熱効率が大幅に向上する。また、ガス燃料の一部をパイロット噴射前に噴射し、それをパイロット噴射により着火するようにしたから、その燃焼はいわゆるリーンバーン燃焼となり、これによりＮＯx の発生を確実に減少させることができる。
また、熱効率向上のために、ガス燃料をより高圧で噴射する必要もなくなる。さらに、この低圧ガス燃料のプレ噴射により、パイロット噴射後に高圧ガス燃料噴射弁５から噴射される高圧のガス燃料の量は、従来のガスインジェクションエンジンよりも減少する。したがって、高圧ガスとして取り扱わなければならないガス燃料の量を減らすことができ、安全性が高められると共に、ガス燃料を高圧化するために必要な動力エネルギを抑制することができる。これらにより、環境保全とコスト削減を図ることができる。

特に、低圧ガス燃料噴射弁７は、ガス燃料を（５〜１５）ｂａｒの低圧で、かつ、クランク角で下死点後の（８０〜１２０）°の範囲内の所定時期にシリンダ１内にプレ噴射する。したがって、パイロット燃料噴射による着火、及びその後のガス温度上昇を理想的なものとすることができる。

一方、エンジンコントローラ１６は、低圧のガス燃料であっても、安全面から異常発生時に低圧ガス燃料噴射弁７から燃料が一定時間を超えて連続噴射されないように、インターロック機構として、図４に示すようなウインドウリミッタ１７を備えており、何らかの理由により、このウインドウリミッタ１７を超えて低圧ガス燃料噴射弁７からのガス噴射が継続している、あるいは継続することが予測される場合には、電磁式油圧開閉弁１４を閉弁させて、ガス燃料の開閉弁１２を閉弁させる。

これにより、低圧ガス燃料噴射弁７へのガス燃料の供給は停止される。これと共に、開閉弁１４の閉弁によって低圧ガス燃料噴射弁７への油圧の供給も停止され、低圧ガス燃料噴射弁７の開閉部が閉となり、ガス噴射ができない状態となる。これにより、異常発生時の安全性が確保される。

次に、本発明のガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式の、第２の発明を実施するための形態を、図５ないし図８を参照して詳細に説明する。この第２の発明の実施の形態は、プレ噴射を、図５に示す高圧ガス燃料噴射弁１８から高圧で行なう場合である。

図５は、天然ガス等のガス燃料を主燃料とするガスインジェクションエンジンを示す。シリンダ１、シリンダヘッド２、シリンダライナ３、ピストン４、排気弁９は、上述の第１の発明を実施するための形態と同様である。

シリンダヘッド２に、ガス燃料をシリンダ内に高圧で噴射する高圧ガス燃料噴射弁（主ガス燃料噴射弁、副ガス燃料噴射弁）１８、高圧ガス燃料噴射弁１８からガス燃料を噴射する前にディーゼル燃料をシリンダ１内にパイロット噴射するパイロット燃料噴射弁６が配設される。

図６に示すように、高圧ガス燃料噴射弁へ高圧ガス燃料を供給する高圧ガス燃料供給装置（主ガス燃料供給装置、副ガス燃料供給装置）２０は、例えば次のような構成を有し、異常発生時に高圧ガス燃料噴射弁１８へのガス燃料の供給を別系統で遮断し、強制的にガス燃料の噴射を停止させることができるインターロック機構を有する。

図示しないガス燃料の供給源からアキュムレータ２１、油圧作動式のガス燃料の開閉弁２２を介して、高圧のガス燃料が高圧ガス燃料噴射弁１８へ供給される。油圧ポンプ２３から供給される油圧は、電磁作動式の開閉弁２４を介して上記ガス燃料の開閉弁２２へ供給され、この開閉弁２２を開閉させる。

これと共に、開閉弁２４を通った油圧は、電磁作動式の開閉弁２５を介して高圧ガス燃料噴射弁１８へ供給され、この油圧の供給により高圧ガス燃料噴射弁１８は開弁することができる。

２つの電磁作動式の開閉弁２４，２５は、ガスインジェクションエンジンのエンジンコントローラ２６により、その開閉が電気的に制御される。インターロック機構は、エンジンコントローラ２６、電磁作動式の油圧開閉弁２４，油圧作動式のガス燃料の開閉弁２２により構成される。

次に、本ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式の作動について説明する。図７に示すように、例えば上死点のクランク角１８０°近辺において、ディーゼル燃料がパイロット燃料噴射弁６からシリンダ１内にパイロット噴射される。また、パイロット燃料噴射終了直後からの一定のクランク角範囲で、例えば（２００〜３００）ｂａｒの高圧のガス燃料が、高圧ガス燃料噴射弁１８からシリンダ１内に噴射される。

一方、エンジンコントローラ２６は、ガス燃料を高圧ガス燃料噴射弁１８から、クランク角で下死点後の（１２０〜１６０）°の範囲内の所定時期であって、かつ、パイロット燃料噴射弁６からのパイロット燃料噴射前に、シリンダ１内にプレ噴射する。高圧ガス燃料噴射弁７からのプレ噴射は、例えば（２００〜３００）ｂａｒの高圧で行われる。

また、エンジンコントローラ１６は、ガスインジェクションエンジンの低負荷時、例えば負荷が６０％以下の場合には、燃焼に必要なガス燃料の質量割合で５０％以上、例えば５０〜９５％又は５０〜１００％の範囲の量のガス燃料を、シリンダ１内にプレ噴射する。

一方、エンジンコントローラ１６は、ガスインジェクションエンジンの高負荷時、例えば負荷が６０％を超える場合には、燃焼に必要なガス燃料の質量割合で５０％以下、例えば１０〜５０％の範囲の量のガス燃料を、シリンダ１内にプレ噴射する。

したがって、パイロット噴射後に高圧ガス燃料噴射弁５から噴射される高圧のガス燃料は、燃焼に必要なガス燃料の量から上記プレ噴射されたガス燃料の量を差し引いた残部となり、その残部がパイロット燃料噴射後に、高圧ガス燃料噴射弁１８からシリンダ１内に、例えば（２００〜３００）ｂａｒの高圧で噴射される。

このとき、エンジンコントローラ２６は、通常運転時には、図６の電磁式の油圧開閉弁２４を開弁させる。開閉弁２４が開弁すると、油圧によりガス燃料の開閉弁２２を開弁し、ガス燃料が高圧ガス燃料噴射弁１８へ供給される。

クランク角で下死点後の（１２０〜１６０）°の範囲内の所定時期になると、エンジンコントローラ２６は、図６の油圧開閉弁２５を開弁させ、高圧ガス燃料噴射弁１８の開閉部に油圧をかける。これにより、高圧ガス燃料噴射弁１８は開弁して高圧のガス燃料をシリンダ１内に噴射する。図７に示すように、噴射時間が経過すると、エンジンコントローラ２６は、油圧開閉弁２５を閉弁させ、高圧ガス燃料噴射弁１８からのガス燃料のプレ噴射を終了する。

このパイロット燃料噴射前に高圧ガス燃料噴射弁１８から噴射されたガス燃料は、パイロット噴射されるディーゼル燃料の燃焼により着火して燃焼する。これにより、高圧の主ガス燃料噴射前のシリンダ内のガス温度が、従来のガスインジェクションエンジンよりも上昇する。

このため、燃焼初期の熱発生を理想的なものに近づけることができ、その後に行われる高圧の主ガス燃料の燃焼による熱効率を向上させることができる。また、熱効率向上のために、ガス燃料をより高圧で噴射する必要もなくなる。

また、ガス燃料の一部をパイロット噴射前に噴射し、それをパイロット噴射により着火するようにしたから、その燃焼はいわゆるリーンバーン燃焼となり、これによりＮＯx の発生を確実に減少させることができる。これらにより、環境保全とコスト削減を図ることができる。

特に、本ガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式においては、高圧ガス燃料噴射弁１８からのプレ噴射が、（２００〜３００）ｂａｒの高圧で、かつ、クランク角で下死点後の（１２０〜１６０）°の範囲内の所定時期に行われる。したかって、パイロット燃料噴射による着火、及びその後のガス温度上昇を理想的なものとすることができる。

一方、エンジンコントローラ２６は、安全面から異常発生時に高圧ガス燃料噴射弁１８から燃料が一定時間を超えて連続噴射されないように、インターロック機構として、上述の図７に示すと同様のウインドウリミッタを有しており、何らかの理由により、このウインドウリミッタを超えて高圧ガス燃料噴射弁１８からのガス噴射が継続している、あるいは継続することが予測される場合には、電磁式油圧開閉弁２４を閉弁させて、ガス燃料の開閉弁２２を閉弁させる。

これにより、高圧ガス燃料噴射弁１８へのガス燃料の供給は停止される。また、開閉弁２４の閉弁により、高圧ガス燃料噴射弁１８への油圧の供給も停止され、高圧ガス燃料噴射弁１８の開閉部が閉となり、ガス噴射ができない状態となる。これにより、異常発生時の安全性が確保される。

また、図８に示すように、このウインドウリミッタ２７は、例えば、高圧ガス燃料噴射弁１８からのパイロット燃料噴射前のプレ噴射と、パイロット燃料噴射後の高圧ガス燃料の噴射との連続時間が一定時間を超えないように設定することもできる。

なお、上述のガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式は、一例を述べたにすぎず、様々な変形が可能である。

１シリンダ
２シリンダヘッド
３シリンダライナ
４ピストン
５高圧ガス燃料噴射弁（主ガス燃料噴射弁）
６パイロット燃料噴射弁
７低圧ガス燃料噴射弁（副ガス燃料噴射弁）
８高圧ガス燃料供給装置（主ガス燃料供給装置）
９排気弁
１０低圧ガス燃料供給装置（副ガス燃料供給装置）
１２開閉弁
１３油圧ポンプ
１４開閉弁
１５開閉弁
１６エンジンコントローラ
１７ウインドウリミッタ
１８高圧ガス燃料噴射弁（主ガス燃料噴射弁、副ガス燃料噴射弁）
２０高圧ガス燃料供給装置（主ガス燃料供給装置、副ガス燃料供給装置）
２１アキュムレータ
２２開閉弁
２３油圧ポンプ
２４開閉弁
２５開閉弁
２６エンジンコントローラ
２７ウインドウリミッタ

Claims

ガス燃料を主燃料とするガスインジェクションエンジンのシリンダヘッド（２）に配設されてガス燃料をシリンダ（１）内に高圧で噴射する主ガス燃料噴射弁（５，１８）及び前記主ガス燃料噴射弁からの前記ガス燃料の噴射前にディーゼル燃料を前記シリンダ内にパイロット噴射するパイロット燃料噴射弁（６）と、高圧ガス燃料を前記主ガス燃料噴射弁へ供給する主ガス燃料供給装置（８）とを備えたガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式において、
前記ガス燃料を前記ガスインジェクションエンジンの前記シリンダ内に噴射する副ガス燃料噴射弁（７，１８）と、前記ガス燃料を前記副ガス燃料噴射弁へ供給する副ガス燃料供給装置（１０，２０）とをさらに備え、前記副ガス燃料噴射弁は、前記パイロット燃料噴射弁から前記ディーゼル燃料がパイロット噴射される前に燃焼に必要とされる前記ガス燃料の一部を前記副ガス燃料供給装置から供給されて前記シリンダ内にプレ噴射し、前記主ガス燃料噴射弁は、前記パイロット燃料噴射弁から前記ディーゼル燃料がパイロット噴射された後に燃焼に必要とされる前記ガス燃料の残部を前記主ガス燃料供給装置から供給されて前記シリンダ内に高圧で噴射することを特徴とするガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式。
前記副ガス燃料噴射弁（７）は、前記シリンダ（１）の側部に配設されて低圧の前記ガス燃料を前記シリンダ内に噴射することを特徴とする請求項１に記載のガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式。
前記副ガス燃料噴射弁（７）は、（５〜１５）ｂａｒの低圧で前記ガス燃料を前記シリンダ（１）内にプレ噴射することを特徴とする請求項２に記載のガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式。
前記副ガス燃料噴射弁（７）は、前記ガス燃料を前記シリンダ（１）内にクランク角で下死点後の（８０〜１２０）°の範囲内の所定時期にプレ噴射することを特徴とする請求項２又は３に記載のガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式。
前記副ガス燃料噴射弁は、前記シリンダヘッド（２）に配設されて前記主ガス燃料を前記シリンダ（１）内に高圧で噴射する前記主ガス燃料噴射弁（１８）からなり、前記副ガス燃料供給装置は、前記主ガス燃料噴射弁へ高圧のガス燃料を供給する前記主ガス燃料供給装置（２０）からなることを特徴とする請求項１に記載のガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式。
前記副ガス燃料噴射弁（１８）は、前記ガス燃料を（２００〜３００）ｂａｒの高圧で前記シリンダ（１）内にプレ噴射することを特徴とする請求項５に記載のガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式。
前記副ガス燃料噴射弁（１８）は、前記ガス燃料を前記シリンダ（１）内にクランク角で下死点後の（１２０〜１６０）°の範囲内の所定時期にプレ噴射することを特徴とする請求項５又は６に記載のガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式。
前記副ガス燃料噴射弁（７，１８）は、前記ガスインジェクションエンジンの低負荷時に燃焼に必要なガス燃料の質量割合で５０％以上の量の前記ガス燃料を前記シリンダ（１）内にプレ噴射することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式。
前記副ガス燃料噴射弁（７，１８）は、前記ガスインジェクションエンジンの高負荷時に燃焼に必要なガス燃料の質量割合で５０％以下の量の前記ガス燃料を前記シリンダ（１）内にプレ噴射することを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式。
前記副ガス燃料供給装置（１０，２０）は、前記副ガス燃料噴射弁（７，１８）から前記ガス燃料を所定時間を超えて噴射させないようにするインターロック機構（１２，１４，１６，２２，２４，２６）を備えていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のガスインジェクションエンジンの燃料噴射方式。