JP4436309B2 - 吸気装置及びこれをそなえたガスエンジン - Google Patents

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Description

本発明は、燃焼室のほぼ中央部に点火プラグ等の着火装置をそなえるとともに、燃焼室の中央側に向けて開口する第1の吸気弁をそなえた第1の吸気ポートと、前記燃焼室の外周側に向けて開口する第2の吸気弁をそなえた第2の吸気ポートを併設した吸気装置及びこれをそなえたガスエンジンに関する。
ガスエンジンの熱効率を上げるには、エンジンの圧縮比を上げたり点火プラグ等の着火装置による着火時期を早めたりすることが効果的である。しかしながら、かかるガスエンジンにおいては、前記のように圧縮比を上げあるいは着火時期を早めると、燃焼室内の未燃混合気の自着火現象であるノッキングが発生し易くなるという問題を抱えている。
かかるガスエンジンにおいて、EGRガス(排気再循環ガス)の供給によってNOxの発生を抑制するとともに、ノッキングの発生を抑制するようにした技術の一つとして、特許文献1(特開平10−141144号公報)の技術が提供されている。
かかる技術においては、燃焼室のほぼ中央部に点火プラグそなえるとともに、燃焼室の中央側に向けて開口する点火プラグ側吸気ポートと、前記燃焼室の外周側に向けて開口するライナ側吸気ポートとをそなえ、各シリンダ共通の予混合方式として、点火プラグ側吸気ポート及びライナ側吸気ポートに燃料ガスと空気との混合気を供給するとともに、ライナ側吸気ポートにはEGRガスを供給することにより、NOxの発生を抑制するとともにノッキングの発生を抑制している。
特開平10−141144号公報
前記特許文献1(特開平10−141144号公報)の技術にあっては、各シリンダ共通の予混合方式として、点火プラグ側吸気ポート及びライナ側吸気ポートに燃料ガスと空気との混合気を供給し、ライナ側吸気ポートにはEGRガスを供給することによりNOxの発生を抑制するとともにノッキングの発生を抑制しているが、各シリンダ共通の予混合方式として燃焼室中央部の点火プラグ側及び燃焼室外周側の双方に混合気を供給しているため、燃焼室外周側にはライナ側吸気ポートによって混合気及びEGRガスが供給されることとなって、EGRガスによる酸素濃度低下の効果を有するものの、混合気の存在による自着火の可能性が残っており、ノッキング限界を上げることは困難である。
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、燃焼室の中央側において着火装置による確実な着火及び燃焼室の中央側から外周側へ向けての火炎伝播を促進するとともに、燃焼室の外周側において混合気の存在を抑制して酸素濃度を十分に低下せしめることによりノッキング限界を上昇せしめ、エンジンの圧縮比を高くしあるいは着火時期を早めることを可能として、エンジンの熱効率を向上し得るエンジン、特にガスエンジンとその吸気装置を提供することを目的とする。
本発明はかかる目的を達成するもので、燃焼室のほぼ中央部に点火プラグをそなえるとともに、前記燃焼室の中央側に向けて開口する第1の吸気ポート及び該第1の吸気ポートを開閉する第1の吸気弁と、前記燃焼室の外周側に向けて開口する第2の吸気ポート及び該第2の吸気ポートを開閉する第2の吸気弁とをそなえたガスエンジンにおいて、前記第1の吸気ポートへの吸気通路に設置されたガスミキサーにより、燃料ガス管から導入された燃料ガスと吸気通路から導入された空気とを混合して混合気を形成するとともに、前記ガスミキサーからの空気と燃料ガスとの混合気を、前記第1の吸気ポート及び第1の吸気弁から、前記燃焼室の中央部に配置された点火プラグ近傍に供給し、前記第2の吸気ポート及び第2の吸気弁から前記燃焼室の外周近傍に空気及びEGRガス(排気再循環ガス)を供給するように構成されたことを特徴とする。
かかる発明によれば、点火プラグ等の着火装置が設置されている燃焼室の中央側に向けて開口する第1の吸気ポートから空気及び燃料ガスを供給することによって、燃焼室の中央側の着火装置近傍に濃混合気を供給して該着火装置による確実な着火及び燃焼室の中央側から外周側へ向けての火炎伝播を促進するとともに、燃焼室の外周側に向けて開口しスワール成分の強い第2の吸気ポートからは空気及びEGRガス(排気再循環ガス)を燃焼室の外周近傍に供給することにより、該燃焼室の外周側を、空気とEGRガスによって酸素濃度が低くノッキングが生じ難い状態、つまりノッキング限界が上昇した状態とすることが可能となる。
従って前記ノッキング限界の上昇によって、該ノッキング限界までエンジンの圧縮比を高くし、あるいは点火プラグの点火時期等の着火時期を早めることが可能となって、エンジンの熱効率を向上できる。
また、前記のようにノッキング限界が上昇するので、エンジンの圧縮比や着火時期を適正条件に設定しての運転時に、気温の変化等のノッキングを生じ易くする外乱が加わる事態となっても、適正運転状態を保持しつつノッキングの発生を回避できる。
また本発明は、燃焼室のほぼ中央部に点火プラグ等の着火装置をそなえるとともに、前記燃焼室の中央側に向けて開口する第1の吸気ポート及び該第1の吸気ポートを開閉する第1の吸気弁と、前記燃焼室の外周側に向けて開口する第2の吸気ポート及び該第2の吸気ポートを開閉する第2の吸気弁とをそなえたエンジンにおいて、前記第1の吸気ポート及び第1の吸気弁から前記燃焼室の中央近傍に空気を供給し、前記第2の吸気ポート及び第2の吸気弁から前記燃焼室の外周近傍に、空気のみまたは空気及びEGRガス(排気再循環ガス)のいずれかを供給するように構成するとともに、前記第1の吸気ポートの前記第1の吸気弁上流部位に開口されて燃料ガスを前記第1の吸気ポート内に噴出する燃料ガス噴出ノズルを設け、前記燃料ガス噴出ノズルを、前記着火装置の中心と前記第1の吸気弁の中心とを結ぶ直線に直角な方向で前記第1の吸気弁の中心を通る直線よりも前記着火装置寄りに開口したことを特徴とする
かかる発明によれば、前記第2の吸気ポートから空気及びEGRガスを燃焼室の外周近傍に供給するとともに、前記第1の吸気ポートからは、点火プラグが設置されている燃焼室の中央側に向けて空気及び第1の吸気弁上流部位に開口された燃料ガス噴出ノズルからの燃料ガスを集中的に供給するので、点火プラグ等の着火装置の周囲にさらに濃混合比の混合気を形成して着火装置によって着火燃焼せしめることが可能となる。
これにより、混合気の着火性が向上して燃焼速度が上昇し燃焼時間が短縮され、ガスエンジンの熱効率のさらなる上昇を実現できる。
のように構成すれば、燃焼室中央側の点火プラグ等の着火装置近傍に、燃料ガス噴出ノズルからの燃料ガスが集中して濃混合比の混合気を形成させることにより、さらなる混合気の着火性の向上効果及び燃焼速度の上昇に伴う燃焼時間の短縮効果が得られるとともに、燃焼室の外周側に流れる燃料ガスを抑制できて該外周側の酸素濃度の低下及びこれに伴うノッキングの抑制効果をさらに向上できる。
また本発明は、請求項1記載のガスエンジンにおいて、
前記第1の吸気ポートの前記第1の吸気弁上流部位に開口されて燃料ガスを前記第1の吸気ポート内に噴出する燃料ガス噴出ノズルと、前記第2の吸気ポートに接続されるEGRガス通路と、該EGRガス通路を開閉するEGR弁と、エンジン負荷によって前記EGR弁の開度を制御するEGR弁コントローラとをそなえたことを特徴とする。
かかる発明において好ましくは、前記EGR弁コントローラは、前記エンジン負荷が一定負荷以下の低負荷運転時には前記EGR弁を閉じ、前記一定負荷を超える中、高負荷運転時には前記EGR弁を解放するように構成する。
通常、ガスエンジンにおいては、エンジンの起動時やアイドリング運転時及び一定回転数以下の低負荷運転時には、EGRを行なわなくてもNOx発生量を低く保持でき、エンジンが高圧、高温域で運転される中、高負荷運転時にEGRを行なうことによりNOx発生量を低減している。
然るにかかる発明によれば、EGRの不要な低負荷運転時には、燃焼室の中央側の着火装置近傍に空気及び前記燃料ガス噴出ノズルからの燃料ガスを供給して、該着火装置近傍を起点とする着火、燃焼を促進するとともに、燃焼室の外周近傍には燃焼用の空気のみを供給してEGRガスの混入による燃焼効率の低下を防止できる。
一方、EGRの必要な中、高負荷運転時には、前記のように、燃焼室の中央側の着火装置近傍に空気及び前記燃料ガス噴出ノズルからの燃料ガスを供給して、該着火装置近傍を起点とする着火、燃焼を促進するとともに、前記EGR弁を開いてEGRガスを空気に混入し、燃焼室の外周近傍に燃焼用の空気及びEGRガスを供給することにより、NOx発生量を抑制することができる。
本発明によれば、第1の吸気ポートから燃焼室中央側の点火プラグ等の着火装置近傍に空気及び燃料ガス噴出ノズルからの燃料ガスからなる濃混合気を供給して、該着火装置による確実な着火及び燃焼室の中央側から外周側へ向けての火炎伝播を促進するとともに、第2の吸気ポートから空気及びEGRガスを燃焼室の外周近傍に供給することにより、該燃焼室の外周側を空気とEGRガスによって酸素濃度が低くノッキングが生じ難い状態として、ノッキング限界を上昇せしめることが可能となる。
従って、かかるノッキング限界の上昇によって、該ノッキング限界までエンジンの圧縮比を高くし、あるいは点火プラグの点火時期等の着火時期を早めることが可能となって、エンジンの熱効率を向上できる。さらには、かかるノッキング限界の上昇によって、エンジンの圧縮比や着火時期を適正条件に設定しての運転時に、気温の変化等のノッキングを生じ易くする外乱が加わる事態となっても、適正運転状態を保持しつつノッキングの発生を回避できる。
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。
図5は本発明が適用されるガスエンジンの概略構成図である。
図5において、100はエンジン(ガスエンジン)、4はシリンダライナ、2はピストン、3はクランク軸、1は前記ピストン2の上面が臨んで形成された燃焼室である。6は吸気ポート、5は該吸気ポート6を開閉する吸気弁、8は排気ポート、7は該排気ポート8を開閉する排気弁、9は前記燃焼室1の中央部に配置された点火プラグである。
10は前記吸気ポート6への吸気通路に設置されたガスミキサーで、燃料ガス管11から導入された燃料ガスと吸気通路から導入された空気とを混合して混合気を形成するものである。12は前記ガスミキサー10への燃料ガスの流量を制御する燃料ガス弁である。
かかるエンジン(ガスエンジン)の運転時において、図示しない過給機のコンプレッサから吸気通路を経て前記ガスミキサー10に送り込まれた燃焼用の空気は、該ガスミキサー10で前記燃料ガス管11を通して導入された燃料ガスと混合されて所定の空燃比の混合気を形成し、該混合気は吸気ポート6を通って、吸気弁5の開弁ととともに燃焼室1に導入される。
前記燃焼室1内の混合気は、点火プラグ9の火花放電によって着火、燃焼せしめられて、ピストン2に膨張仕事をなす。燃焼ガスは排気弁7の開弁により排気ポート8に入り、排気通路を通って図示しない過給機のタービンに送り込まれて該タービンを駆動する。
本発明は、以上のように構成された吸気装置に係るものである。
図1(A)は本発明の第1実施例に係るガスエンジンのシリンダ平面配置を示す構成図である。
この実施例に係るガスエンジンは、吸気弁及び排気弁を各2個備えたいわゆる4弁式の4サイクルガスエンジンであり、1は燃焼室、9は該燃焼室1の中央部に配置された点火プラグ、7,7は2個の排気弁である。6aは第1吸気ポート、5aは該第1吸気ポート6aを開閉する第1の吸気弁、6bは第2吸気ポート、5bは該第2吸気ポート6bを開閉する第2の吸気弁である。
前記第1吸気ポート6aは、前記燃焼室1の中央側の前記点火プラグ9の近傍に向けて開口され、図5に示すガスミキサー10からの空気と燃料ガスとの混合気を前記点火プラグ9の近傍に向けて供給するようになっている。
前記第2吸気ポート6bは、前記燃焼室1の外周の前記シリンダライナ4(図5参照)
に向けて該燃焼室1内の外周部に沿ってスワールを形成するように、図示しない過給機のコンプレッサからの圧縮空気と前記排気ポート8(図5参照)から抽出されたEGRガスとの混合体を供給するようになっている。
かかる第1実施例によれば、点火プラグ9が設置されている燃焼室1の中央側に向けて開口する第1吸気ポート6aから空気及び燃料ガスを供給することによって、燃焼室1の中央側の点火プラグ9近傍に濃混合気が供給されることとなるので、該点火プラグ9による混合気の確実な着火がなされるとともに、着火火炎の燃焼室1の中央側から外周側へ向けての火炎伝播が促進される。
一方、燃焼室1の外周側に向けて開口し、スワール成分の強い第2吸気ポート6bからは、空気とEGRガスとの混合体を燃焼室1の外周のシリンダライナ4内面近傍に供給することにより、該燃焼室1の外周側は空気とEGRガスによって酸素濃度が低くノッキングが生じ難い状態、つまりノッキング限界が上昇した状態とすることが可能となる。
図1(B)は、かかる第1実施例における燃焼室1の半径方向のガス分布を示し、図のように、点火プラグ9が設置されている燃焼室1の中央側では燃料ガス及び空気の割合が大きく、外周側のシリンダライナ4内面に近接した部位では、EGRガスと空気の割合が大きく燃料ガスの分布はきわめて小さくなっている。
このように、本発明においては、前記特許文献1(特開平10−141144号公報)の技術のように燃焼室1の外周側に燃料ガスを供給しないので、燃焼室1の外周側ではEGRガスと空気の割合が大きくなって酸素濃度が低くなり、ノッキングが生じ難く且つNOx発生量の低減効果も大きくなる。
従って、かかる第1実施例によれば、前記のようなノッキング限界の上昇によって、該ノッキング限界までエンジン100の圧縮比を高くし、あるいは点火プラグ9の点火時期を早めることが可能となって、エンジン100の熱効率を向上できる。
また、前記のようにノッキング限界が上昇するので、エンジン100の圧縮比や点火時期を適正条件に設定しての運転時に、気温の変化等のノッキングを生じ易くする外乱が加わるような事態となっても、適正運転状態を保持しつつノッキングの発生を回避できる。
図2(A)は、本発明の第2実施例を示す図1(A)対応図、(B)は(A)におけるA−A線断面図である。
かかる第2実施例においては、前記第1実施例と同様に、前記第2吸気ポート6bは前記燃焼室1の外周の前記シリンダライナ4(図5参照)に向けて該燃焼室1内の外周部に沿ってスワールを形成するように、図示しない過給機のコンプレッサからの圧縮空気と前記排気ポート8(図5参照)から抽出されたEGRガスとの混合体を供給するように構成されている。
一方、第1吸気ポート6aは、前記燃焼室1の中央側の点火プラグ9の近傍に向けて開口され、図示しない過給機のコンプレッサからの圧縮空気が導入されている。そして、図2(B)のように該第1吸気ポート6aの前記第1の吸気弁5a上流部位に、前記ガスミキサー10への燃料ガス管(図5参照)11から分岐された燃料ガス管15に接続される燃料ガス噴出ノズル15aを開口して、該燃料ガス噴出ノズル15aから第1の吸気弁5aの直上流に燃料ガスを噴出し、該第1の吸気弁5aの開弁とともに燃料ガスと空気との濃混合気を点火プラグ9の近傍に供給するようになっている。
かかる第2実施例によれば、前記第2吸気ポート6bから空気及びEGRガスを燃焼室1の外周近傍に供給するとともに、前記第1吸気ポート6aからは、点火プラグ9が設置されている燃焼室1の中央側に向けて空気及び前記燃料ガス噴出ノズル15aからの燃料ガスを集中的に供給するので、点火プラグ9の周囲に前記第1実施例よりもさらに濃混合比の混合気を形成して、点火プラグ9によって着火燃焼せしめることが可能となる。
これにより、混合気の着火性が向上して燃焼速度が上昇し燃焼時間が短縮され、エンジン100の熱効率のさらなる上昇を実現できる。
その他の構成は前記第1実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
図3は、本発明の第3実施例を示す図1(A)対応図である。
かかる第3実施例においては、前記第2実施例(図2)において、前記燃料ガス噴出ノズル15aを、前記点火プラグ9の中心9aと前記第1の吸気弁5aの中心5a1とを結ぶ直線に直角な方向で前記第1の吸気弁の中心5a1を通る直線S−Sよりも前記点火プラグ9寄りに開口している。
その他の構成は前記第2実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
かかる第3実施例によれば、燃焼室1中央側の点火プラグ9等の近傍に、燃料ガス噴出ノズル15aからの燃料ガスが集中して濃混合比の混合気を形成させることができ、これにより、さらなる混合気の着火性の向上効果及び燃焼速度の上昇に伴う燃焼時間の短縮効果が得られるとともに、燃焼室1の外周側に流れる燃料ガスを抑制できて該外周側の酸素濃度の低下及びこれに伴うノッキングの抑制効果をさらに向上できる。
図3は、本発明の第4実施例を示す図1(A)対応図である。
かかる第4実施例においては、前記第3実施例に対して、第2吸気ポート6bは前記燃焼室1の外周のシリンダライナ4(図5参照)に向けて該燃焼室1内の外周部に沿ってスワールを形成するように、図示しない過給機のコンプレッサからの圧縮空気を供給するように構成されるとともに、該第2吸気ポート6bの途中にEGRガス供給管21を開口している。
20はEGRガス供給管21の管路を開閉するEGR弁、23はエンジン100の負荷(エンジン出力)を検出する負荷検出器、22は該負荷検出器23からのエンジン負荷の検出値に基づき前記EGR弁20を開閉するEGR弁コントローラである。
かかる第4実施例において、前記負荷検出器23で検出されたエンジン負荷の検出値はEGR弁コントローラ22に入力され、該EGR弁コントローラ22においては、前記エンジン負荷の検出値が、予め設定された一定負荷以下の低負荷運転時には前記EGR弁21を閉じて、第2吸気ポート6bから燃焼室1の外周部へのEGRガスの供給を遮断し、該、第2吸気ポート6bからは燃焼用の空気のみを供給する。
また、前記エンジン負荷の検出値が、前記一定負荷を超える中、高負荷運転時には、前記EGR弁20を解放して、EGRガスを第2吸気ポート6bに供給し、燃焼室1の外周部に空気とEGRガスとの混合ガスを供給する。
図4(B)は、前記EGR弁20が閉じた場合の燃焼室1内のガス分布を示している。この場合も、燃焼室1の外周部では燃料ガスの分布が小さく、低酸素濃度状態となって、NOx発生量の抑制効果及びノッキングの抑制効果がある。
その他の構成は前記第2実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
かかる第4実施例によれば、EGRの不要な低負荷運転時には、燃焼室1の中央側の点火プラグ9近傍に空気及び前記燃料ガス噴出ノズル15aからの燃料ガスを供給して、該点火プラグ9近傍を起点とする着火、燃焼を促進するとともに、燃焼室1の外周近傍には燃焼用の空気のみを供給してEGRガスの混入による燃焼効率の低下を防止できる。
一方、EGRの必要な中、高負荷運転時には、前記のように、燃焼室1の中央側の点火プラグ9近傍に空気及び前記燃料ガス噴出ノズル15aからの燃料ガスを供給して、該点火プラグ9近傍を起点とする着火、燃焼を促進するとともに、前記EGR弁20を開いてEGRガスを空気に混入し、燃焼室1の外周近傍に燃焼用の空気及びEGRガスを供給することにより、NOx発生量を抑制することができる。
本発明によれば、燃焼室の中央側において着火装置による確実な着火及び燃焼室の中央側から外周側へ向けての火炎伝播を促進するとともに、燃焼室の外周側において混合気の存在を抑制して酸素濃度を十分に低下せしめることによりノッキング限界を上昇せしめ、エンジンの圧縮比を高くしあるいは着火時期を早めることを可能として、エンジンの熱効率を向上し得る吸気装置を提供できる。
(A)は本発明の第1実施例に係るガスエンジンのシリンダ平面配置を示す構成図、(B)は第1実施例における燃焼室の半径方向のガス分布を示す線図である。 (A)は本発明の第2実施例を示す図1対応図、(B)は(A)におけるA−A線断面図である。 本発明の第3実施例を示す図1対応図である。 (A)は本発明の第4実施例を示す図1対応図、(B)は第4実施例における燃焼室の半径方向のガス分布を示す線図である。 本発明が適用されるガスエンジンの概略構成図である。
符号の説明
1 燃焼室
2 ピストン
4 シリンダライナ
5a 第1の吸気弁
5b 第2の吸気弁
6a 第1吸気ポート
6b 第2吸気ポート
7 排気弁
9 点火プラグ
10 ガスミキサー
15 燃料ガス管
15a 燃料ガス噴出ノズル
20 EGR弁
21 EGR管
22 EGR弁コントローラ
23 負荷検出器
100 エンジン(ガスエンジン)

Claims (5)

  1. 燃焼室のほぼ中央部に点火プラグをそなえるとともに、前記燃焼室の中央側に向けて開口する第1の吸気ポート及び該第1の吸気ポートを開閉する第1の吸気弁と、前記燃焼室の外周側に向けて開口する第2の吸気ポート及び該第2の吸気ポートを開閉する第2の吸気弁とをそなえたガスエンジンにおいて、
    前記第1の吸気ポートへの吸気通路に設置されたガスミキサーにより、燃料ガス管から導入された燃料ガスと吸気通路から導入された空気とを混合して混合気を形成するとともに、前記ガスミキサーからの空気と燃料ガスとの混合気を、前記第1の吸気ポート及び第1の吸気弁から、前記燃焼室の中央部に配置された点火プラグ近傍に供給し
    前記第2の吸気ポート及び第2の吸気弁から前記燃焼室の外周近傍に空気及びEGRガス(排気再循環ガス)を供給するように構成されたことを特徴とするガスエンジンの吸気装置。
  2. 燃焼室のほぼ中央部に点火プラグ等の着火装置をそなえるとともに、前記燃焼室の中央側に向けて開口する第1の吸気ポート及び該第1の吸気ポートを開閉する第1の吸気弁と、前記燃焼室の外周側に向けて開口する第2の吸気ポート及び該第2の吸気ポートを開閉する第2の吸気弁とをそなえたエンジンにおいて、前記第1の吸気ポート及び第1の吸気弁から前記燃焼室の中央近傍に空気を供給し、前記第2の吸気ポート及び第2の吸気弁から前記燃焼室の外周近傍に、空気のみまたは空気及びEGRガス(排気再循環ガス)のいずれかを供給するように構成するとともに、前記第1の吸気ポートの前記第1の吸気弁上流部位に開口されて燃料ガスを前記第1の吸気ポート内に噴出する燃料ガス噴出ノズルを設け、前記燃料ガス噴出ノズルを、前記着火装置の中心と前記第1の吸気弁の中心とを結ぶ直線に直角な方向で前記第1の吸気弁の中心を通る直線よりも前記着火装置寄りに開口したことを特徴とする吸気装置。
  3. 請求項1記載のガスエンジンにおいて、
    前記第1の吸気ポートの前記第1の吸気弁上流部位に開口されて燃料ガスを前記第1の吸気ポート内に噴出する燃料ガス噴出ノズルと、前記第2の吸気ポートに接続されるEGRガス通路と、該EGRガス通路を開閉するEGR弁と、エンジン負荷によって前記EGR弁の開度を制御するEGR弁コントローラとをそなえたことを特徴とするガスエンジンの吸気装置。
  4. 前記EGR弁コントローラは、前記エンジン負荷が一定負荷以下の低負荷運転時には前記EGR弁を閉じ、前記一定負荷を超える中、高負荷運転時には前記EGR弁を解放するように構成されたことを特徴とする請求項記載のガスエンジンの吸気装置。
  5. 請求項2記載の吸気装置をそなえたことを特徴とするガスエンジン。
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