(57)【要約】【課題】  着火性が良く、高熱効率、窒素酸化物の排出抑制、そして高出力を可能とするガスエンジンとその着火装置を提供することを目的とする。【解決手段】  シリンダに供給されたガス燃料と酸化剤との混合気を圧縮時に着火装置３により着火するガスエンジン１において、着火装置３はガス燃料と酸化剤とが供給されて該ガス燃料の爆轟により超高温プラズマを発生し該プラズマを上記ガスエンジンの燃焼室へ噴射するようになっており、上記ガスエンジン１のシリンダと着火装置３に酸素富化装置５が接続されていて、外部から取り入れられる空気が酸素富化された後に上記ガスエンジン１のシリンダと着火装置３の酸化剤として供給される。【選択図】  図１
2006009690.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダに供給されたガス燃料と酸化剤との混合気を圧縮時に着火するガスエンジンのための着火装置において、着火装置はガス燃料と酸化剤とが供給されて該ガス燃料の爆轟により超高温プラズマを発生し該プラズマを上記ガスエンジンのシリンダ内に噴射するようになっており、上記着火装置に酸素富化装置が接続されていて、外部から取り入れられる空気が酸素富化された後に着火装置の酸化剤として供給されることを特徴とするガスエンジンのための着火装置。
【請求項２】
シリンダに供給されたガス燃料と酸化剤との混合気を圧縮時に着火装置により着火するガスエンジンにおいて、着火装置はガス燃料と酸化剤とが供給されて該ガス燃料の爆轟により超高温プラズマを発生し該プラズマを上記ガスエンジンのシリンダ内に噴射するようになっており、上記ガスエンジンのシリンダと着火装置に酸素富化装置が接続されていて、外部から取り入れられる空気が酸素富化された後に上記ガスエンジンのシリンダと着火装置の酸化剤として供給されることを特徴とするガスエンジン装置。
【請求項３】
エンジンの排ガスの一部を排ガス循環率調整手段を経てシリンダに循環するように構成されていると共に、圧縮終りの混合気温度を検出する検出手段と、着火装置の着火エネルギを調整する着火エネルギ調整手段と、酸素富化装置に備えられた酸素濃度調整手段と、シリンダに供給される酸素富化空気の酸素過剰率を調整する酸素過剰率調整手段と、これらを制御する制御手段とを備え、上記検出手段により検出された圧縮終りの混合気温度の上昇そして下降にしたがい、着火エネルギを減少そして増大させる制御、排ガス循環率を増大そして減少させる制御、酸素富化装置における酸素濃度を低下そして上昇させる制御、酸素過剰率を増大そして減少させる制御のうちの少なくとも一つの制御を制御手段により実行することとする請求項２に記載のガスエンジン装置。
【請求項４】
酸素富化装置が膜式酸素富化装置であることとする請求項２又は請求項３に記載のガスエンジン装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、着火装置及びガスエンジン、特に、パイロット着火装置及びこれを有するガスエンジン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の着火装置及びガスエンジンとしては特許文献１に開示されているものが知られている。
【０００３】
この特許文献１のエンジンは、シリンダ内へガス燃料と空気との混合気を充填し、圧縮行程時に着火性のよいディーゼル燃料をノズルから噴射して上記混合気を着火するようになっている。
【０００４】
上記の特許文献１のエンジンでは、着火用のディーゼル燃料のノズルをシリンダヘッドの吸入バルブ近傍に設け、ガス燃料噴射ノズルはシリンダ壁に設けられている。かかる特許文献１のエンジンは、シリンダ内に吸入された空気中に吸入行程後期から圧縮行程後期の間の適正な時期にガス燃料を噴射させるガス燃料噴射ノズルがシリンダ壁から上記シリンダ内に臨ませて設けられているので、特許文献１によると、吸気行程時には空気のみをシリンダ内に吸入するためにシリンダ内に吸入する空気量を増大させることができ、したがって、エンジンの出力を向上させることができるとされている。
【特許文献１】特開平６−１３７１５０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、着火源として液体燃料を噴射する上記特許文献１の着火装置を備えるガスエンジンでは、次のような点で、改善が求められている。
【０００６】
先ず、ガスエンジンのみならず、他の形式のエンジンの場合にも共通しているが、液体燃料を着火源として噴射するエンジンにあっては、燃焼用のガスの温度が低い場合、上記着火源として噴射される液体燃料がその気化熱により温度が下がってしまい、特に始動時に着火しにくいという点がある。さりとて、吸気温度を高めると体積効率が低下してしまう。
【０００７】
また、着火用の燃料が液体燃料なので、燃焼時間が比較的長く、煤等の未反応物質が多く排出される傾向にある。
【０００８】
さらには、空気過剰率を下げると、窒素酸化物の排出量が増大する。
【０００９】
本発明は、このような点に鑑み、着火性が良く、高熱効率、窒素酸化物の排出濃度の低減を可能とし、また、高い出力を得ることのできるパイロット着火式の着火装置及びガスエンジン装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
＜着火装置＞
本発明に係る着火装置は、ガスエンジンのシリンダに供給されたガス燃料と酸化剤との混合気を圧縮時に着火する。
【００１１】
かかるガスエンジンのための着火装置において、本発明では、上記着火装置はガス燃料
と酸化剤とが供給されて該ガス燃料の爆轟により超高温プラズマを発生し該プラズマを上記ガスエンジンのシリンダに噴射するようになっており、上記着火装置に酸素富化装置が接続されていて、外部から取り入れられる空気が酸素富化された後に着火装置の酸化剤として供給されることを特徴としている。
【００１２】
このような本発明の着火装置では、酸化剤、例えば外部から取り入れられる空気の酸素濃度が高められているので爆轟が発生しやすい。また、着火エネルギが増大して着火能力を高める。したがって、この着火能力を向上させるために、上記取入れ空気の初期圧を上げる等の専用の酸化剤増圧機構が不要となり、設備費を安価とする。
【００１３】
＜ガスエンジン装置＞
本発明に係るガスエンジンは、シリンダに供給されたガス燃料と酸化剤との混合気を圧縮時に着火装置により着火する。
【００１４】
かかるガスエンジンにおいて、本発明は既出の着火装置を備えていて、着火装置はガス燃料と酸化剤とが供給されて該ガス燃料の爆轟により超高温プラズマを発生し該プラズマを上記ガスエンジンのシリンダに噴射するようになっており、上記ガスエンジンのシリンダと着火装置に酸素富化装置が接続されていて、外部から取り入れられる空気が酸素富化された後に上記ガスエンジンのシリンダと着火装置の酸化剤として供給されることを特徴としている。
【００１５】
この本発明のガスエンジンでは、着火装置の場合と同様に、シリンダへ供給される酸化剤、例えば空気の酸素濃度を高めることとしているので、燃焼に寄与しない窒素量が少なくなり、混合気の容積を減少し、その分、シリンダに充填する混合気の充填率が向上し、その結果、高出力をもたらす。
【００１６】
本発明では、着火が超高温のプラズマにより行われるが、その場合、プラズマはビーム状に噴射され、複数の方向、例えば放射状に噴出することができるため、混合気に対して広範囲で着火する結果、燃焼が均一に行われて有害物の排出が抑制されて低公害となり、ノッキングが抑制されて高圧縮比運転のもとで高熱効率を得られる。また、シリンダ内の燃焼が均一化されるので、燃焼制御が容易となり、エンジンの構造を単純にすることができ、耐久性が向上すると共に、設備費を低減することができる。
【００１７】
本発明のガスエンジン装置において、エンジンの排ガスの一部をシリンダに循環するように構成されている。
【００１８】
酸素富化により混合気中の窒素量が少なくなるため充填率を高くでき出力を向上でき、さらに、着火の際、プラズマによる可燃範囲が拡大する結果、高排ガス循環率のもとで混合気へエンジンの排ガスの一部を混合させることを可能とし、混合気中の酸素濃度を調整できるので、窒素酸化物の発生を抑制できる。さらに内部熱循環により高熱効率を得る。
【００１９】
本発明のガスエンジン装置において、排ガス循環率調整手段と、圧縮終りの混合気温度を検出する検出手段と、着火装置の着火エネルギを調整する着火エネルギ調整手段と、酸素富化装置に備えられた酸素濃度調整手段と、シリンダに供給される酸素富化空気の酸素過剰率を調整する酸素過剰率調整手段と、これらを制御する制御手段とを備えていることが好ましい。
【００２０】
このような手段を備えていると、制御手段により、上記検出手段により検出された圧縮終りの混合気温度の上昇そして下降にしたがい、着火エネルギを減少そして増大させる制御、排ガス循環率を増大そして減少させる制御、酸素富化装置おける酸素濃度を低下そし
て上昇させる制御、酸素過剰率を増大そして減少させる制御のうちの少なくとも一つの制御を制御手段により実行する。こうして、最適条件下で着火そして燃焼室での燃焼が行われる。
【００２１】
ここで排ガス循環率とは、エンジンから排出される全排ガス量に対する循環排ガス量の割合をいう。排ガスをシリンダ内へ供給することにより、シリンダ内の混合気の酸素濃度を調整し、シリンダ内の燃焼温度の過昇温を防止して窒素酸化物の生成を抑制することができる。また、ここで酸素過剰率とはガス燃料の燃焼に必要な理論酸素富化空気量に対する、実際に供給される酸素富化空気量の割合をいう。  
【００２２】
すなわち、圧縮終りの混合気の温度が適正を保たれ、ノッキングが防止され、出力の低下やシリンダ内壁の破損が回避される。その結果、部分負荷性能が改善されて、高出力化と高排ガス循環率による排ガス中の窒素酸化物の排出抑制が図れる。
【００２３】
本発明のガスエンジンに用いられる酸素富化装置は、例えば膜式酸素富化装置とすることができる。着火装置における酸素富化装置についても同様である。また、ガスエンジンそして着火装置の酸素富化装置を共通の装置とすることもできる。上記膜式酸素富化装置は、設備費が安価であると共にスペースが小さくて済み、かかる装置を備えたガスエンジンの普及が図りやすい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、以上のごとく、シリンダ内の圧縮混合気は、着火装置から噴出される超高温のプラズマで着火されるようにしたので、このプラズマがシリンダ内で拡がる結果、混合気に対して広範囲で着火することとなり、燃焼が均一に行われて低公害となり、また、ノッキングが抑制されて高圧縮比運転のもとで高熱効率を得られる。
【００２５】
さらには、シリンダ内の燃焼の均一化の結果、燃焼制御が容易となり、エンジンの構造を簡単にすることができ、耐久性が向上すると共に、設備費を低減することができる。
【００２６】
また、本発明では、着火装置に酸素富化装置を接続することとしたので、爆轟が発生しやすくそして着火能力を向上させる。このため、着火用酸化剤としての空気の初期圧を上げるための専用増圧機構が不要となり能力の向上にもかかわらず設備が簡単となり安価となる。
【００２７】
さらには、上記着火装置のみならず、ガスエンジンにも酸素富化装置を接続することとしたので、混合気の容積を減少し、その分、充填率を向上させて高出力が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、添付図面にもとづき、本発明の実施の形態を説明する。
【００２９】
図１において、符号１は本実施形態におけるガスエンジンであり、図１では、特にシリンダ、ピストンの図示が省略されている。本実施形態装置は、好ましい形態として、過給機２を有しており、その被駆動部２Ａがガスエンジン１の排気側１Ａに、そして加圧部２Ｂがガスエンジン１の吸気側１Ｂにそれぞれ接続されていて、上記過給機２はガスエンジン１の排気で回転駆動されて加圧部２Ｂで酸化剤としての外部からの取入空気を後述する酸素富化装置により酸素富化した酸素富化空気を圧縮して上記ガスエンジン１のシリンダ内へ供給するようになっている。
【００３０】
上記ガスエンジン１には、爆轟装置（図示せず）を有する着火装置３が設けられている。爆轟装置は、ガス燃料源４からガス燃料を供給されて間欠的に燃焼して超高温のもとで
プラズマを発生し、シリンダ内の混合気の着火時にタイミングを合わせて該シリンダ内に上記プラズマを噴出する。爆轟自体の原理は公知なので、ここではその説明を省略する。この爆轟装置では、爆轟室からプラズマの噴出ノズルに向けその流路の断面積を収束するようにしておくと、さらに高温のプラズマを得る。
【００３１】
上記着火装置３はガス燃料の燃焼のための酸化剤として外部からの空気の供給を受けているが、この空気は酸素富化装置５を経て上記着火装置３の爆轟室へ供給される。酸素富化装置５は、その形式に限定はなく、例えば膜式酸素富化装置が用いられる。具体的には、特開昭５８−１４０４５１、特開昭５６−５０２５３等に開示されているものでよい。上記酸素富化装置５は、本実施形態では、着火装置３のみならず、ガスエンジン１の吸気ライン６へ、過給機２の加圧部２Ｂの上流位置で接続されている。
【００３２】
上記ガスエンジン１の排気管７は過給機２の被駆動部２Ａを経た後に、二つに分枝されていて、一方が排ガス処理装置８にそして他方が排ガス循環率調整装置としての流量調整弁９とブロワ（図示せず）に接続されている。
【００３３】
上記排ガス処理装置８は他のブロワ１０を経て煙突１１に接続されていて、排ガスを無害化処理後に大気へ放出するようになっている。
【００３４】
上記排ガス循環率調整装置９は循環路１２により、ガスエンジン１の吸気ライン６へ、過給機２の加圧部２Ｂの後流側で、ガスエンジン１の排ガスの一部を循環供給させるように上記吸気ライン６と接続されている。
【００３５】
本実施形態では、ガスエンジン１に設けられた温度センサ１３により、混合気の圧縮終りにおける温度を検出し、この検出温度にもとづいて、着火装置３、上記酸素富化装置５、排ガス循環率調整装置９、酸素過剰率調整装置を制御すべく制御装置１４がこれらに接続されている。
【００３６】
ここで着火装置の着火エネルギは着火装置に供給されるガス燃料量を調整することにより調整され、酸素富化空気の酸素濃度は外部から酸素富化装置に取り入れる空気量をブロワの送気量を調整すること等により調整される。また酸素過剰率はシリンダに供給されるガス燃料量と酸素富化空気量を計測して検知し、それぞれの流路に設けた流量調整弁により調整される。
【００３７】
以下、本実施形態装置におけるガスエンジン装置の運転方法を説明する。
【００３８】
（１）先ず、ガスエンジン１が始動すると、外部からの空気が酸素富化装置５へ取り入れられ、窒素の一部が除去されて、高酸素濃度の酸素富化空気が過給機２の加圧部２Ｂと着火装置３へ送られる。加圧部２Ｂではこの酸素富化空気を加圧して吸気ライン６を経てガスエンジン１の吸気側１Ｂへもたらし、排ガス循環率調整装置としての流量調整弁９からの排ガスの一部と、ガス燃料源４からのガス燃料と混合されて、混合気として吸気側１Ｂからガスエンジン１のシリンダ内へ供給される。
【００３９】
（２）上記ガス燃料と酸素富化空気とを供給されて着火装置３では、きわめて確実に爆轟を生じ、高着火エネルギの超高温プラズマをシリンダ内へ噴射する。この噴射は、ガスエンジン１のピストンにより上記混合気が圧縮されて高温化されたときに行われ、混合気を着火して燃焼せしめる。このように、ガスエンジン１はピストンでの混合気の圧縮毎に燃焼を繰り返す。
【００４０】
（３）ガスエンジン１の排ガスは排気側１Ａで過給機２の被駆動部２Ａを回転駆動して加
圧部２Ｂの加圧に用いられた後、一部は排ガス循環率調整装置としての流量調整弁９により、調整された量だけ上述のごとく循環路１２を経て吸気ライン６へ供給され、残部は排ガス処理装置８で無害化されて煙突１１から大気へ放出される。
【００４１】
（４）制御装置１４は、温度センサ１３により検出された混合気の圧縮終りの温度にもとづき、着火装置３の着火エネルギ、酸素富化装置５における酸素濃度、排ガス循環率調整装置９における排ガス循環率、酸素過剰率を制御して、上記混合気の圧縮終りの温度を所定範囲内に維持する。この温度は、ガスエンジンの始動後の時間の経過や、負荷の変動により変化し、燃焼性に影響が大きいので適切な所定範囲に保つ必要がある。具体的には、上記温度が上昇すると、その分、着火エネルギは低くてすむので、着火燃料の供給量を少なくし、排ガス循環率を高くしても燃焼性は低下しないので弁の開度の調整により排ガスを多く循環させて窒素酸化物の生成量を抑制し、さらには着火装置やエンジンへの酸化剤としての酸素富化空気の酸素濃度を低くして、また、酸素過剰率を高くして制御することのうち少なくとも一つ行って制御することとなる。また圧縮終りの混合気温度が下降する場合は、上述の制御をそれぞれ逆に行う。
【００４２】
圧縮終りの混合気温度はガスエンジンの始動時や部分負荷運転時には、定格運転時に比べて変動しており、またガスエンジンに供給するガス燃料の組成や供給量の変動に伴って変動する。このような圧縮終りの混合気温度の変動を検知し、これに対応して上述した制御のうち少なくとも一つを制御することにより、圧縮終りの混合気温度を所定範囲内に維持できるので、安定して熱効率の高いガスエンジンの運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態を示す概要構成図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  ガスエンジン
３  着火装置
４  ガス燃料源
５  酸素富化装置
９  排ガス循環率調整手段（装置）
１３  温度検出手段（温度センサ）
１４  制御手段
【図１】
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