(57)【要約】【課題】二酸化炭素の排出量を抑制しつつ確実な着火が可能なディーゼル機関を提供する。【解決手段】ディーゼル機関１は、シリンダ室ＣＣ内にガス燃料を噴射する第一のガス燃料噴射弁５０と、シリンダ室ＣＣと連通する着火室８０と、着火室８０に着火用燃料を噴射するパイロット弁６０と、着火室８０にガス燃料を噴射する第二のガス燃料噴射弁７０と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ室を有するシリンダと、前記シリンダ室内で往復動するピストンと、を備えるディーゼル機関であって、
前記シリンダ室内にガス燃料を噴射する第一のガス燃料噴射弁と、
前記シリンダ室と連通する着火室と、
前記着火室内に着火用燃料を噴射するパイロット弁と、
前記着火室内にガス燃料を噴射する第二のガス燃料噴射弁と、
を備えることを特徴とするディーゼル機関。
【請求項２】
請求項１に記載のディーゼル機関を、前記第一のガス燃料噴射弁、前記パイロット弁及び前記第二のガス燃料噴射弁を開閉制御する制御部が制御するディーゼル機関制御方法であって、
前記制御部が、前記パイロット弁を開弁させて前記着火室に前記着火用燃料を噴射することによって、前記着火室内で前記着火用燃料を自己着火させるステップと、
前記制御部が、前記第二のガス燃料噴射弁を開弁させて前記ガス燃料を前記着火室に噴射することによって、前記着火用燃料の自己着火による火炎を増幅して前記シリンダ室内に噴射させるステップと、
前記制御部が、前記第一のガス燃料噴射弁を開弁させて前記ガス燃料を前記シリンダ室内に噴射することによって、前記シリンダ室内で前記ガス燃料を燃焼させるステップと、
を含むことを特徴とするディーゼル機関制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼル機関及びディーゼル機関制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化防止に寄与するため、起動性が良好で熱効率の高いディーゼル機関が多くの分野で広く使用されている。かかるディーゼル機関においては、燃料を重油燃料からガス燃料に変更することによって、燃料組成の違いによって二酸化炭素の排出量を約２０％も削減している。
【０００３】
ここで、ガス燃料を使用するディーゼル機関においては、燃焼過程で未燃の炭化水素（ＨＣ）が生じるという問題がある。かかる問題は、ガス燃料がピストンの吸気工程においてシリンダ内に取り込まれてシリンダ内の空気と混合され、取り込まれたガス燃料が圧縮されることによって着火するため、温度が上昇しにくいシリンダの側壁近傍のガス燃料が未燃となりやすいことに起因する。
【０００４】
未燃のＨＣの排出量を削減することが可能なディーゼル機関として、ガス・インジェクション・ディーゼル機関（ＧＩＤＥ：Gas Injection Diesel Engine）が知られている（特許文献１参照）。
ＧＩＤＥにおいては、ピストン吸気工程において空気がシリンダ内に取り込まれ、ピストン上死点付近まで空気を圧縮し、続いて、高圧のガス燃料をシリンダ内に噴射することによって、ガス燃料の燃焼効率を高め、未燃のＨＣの発生を防いでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１４７０４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ガス燃料は自然着火温度が高く、ＧＩＤＥにおいて安定した着火を実現することは困難であるため、点火用のグロープラグ等の外部熱源を用いたり、軽油、重油等の着火用燃料をシリンダ内に導入したりすることによって、着火の確実性を高める工夫がなされている。
しかし、外部熱源を用いる場合には、外部熱源に電力を供給する外部電源が必要となるとともに、これらの制御が必要となるため、システムが複雑になってしまう。また、軽油、重油等の着火用燃料をシリンダ内に導入する場合には、着火用燃料の使用量に応じて二酸化炭素の排出量が増えてしまう。
【０００７】
本発明は、前記した問題に鑑みて創案されたものであり、二酸化炭素の排出量を抑制しつつ確実な着火が可能なディーゼル機関及びディーゼル機関制御方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明のディーゼル機関は、シリンダ室を有するシリンダと、前記シリンダ室内で往復動するピストンと、を備えるディーゼル機関であって、前記シリンダ室内にガス燃料を噴射する第一のガス燃料噴射弁と、前記シリンダ室と連通する着火室と、前記着火室内に着火用燃料を噴射するパイロット弁と、前記着火室内にガス燃料を噴射する第二のガス燃料噴射弁と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
かかる構成によると、パイロット弁が着火室に着火用燃料を噴射することによって着火室内で着火用燃料を自己着火させ、続いて第二のガス燃料噴射弁がガス燃料を着火室に噴射することによって火炎をシリンダ室内に噴射させ、続いて第一のガス燃料噴射弁がガス燃料をシリンダ室内に噴射することによってシリンダ室内でガス燃料を燃焼させる動作が可能となるので、確実に着火することができる。また、着火用燃料をシリンダ室内ではなく着火室内で自己着火させるので、着火用燃料の使用量を減らし、二酸化炭素の排出量を抑制することができる。
【００１０】
また、本発明のディーゼル機関制御方法は、請求項１に記載のディーゼル機関を、前記第一のガス燃料噴射弁、前記パイロット弁及び前記第二のガス燃料噴射弁を開閉制御する制御部が制御するディーゼル機関制御方法であって、前記制御部が、前記パイロット弁を開弁させて前記着火室に前記着火用燃料を噴射することによって、前記着火室内で前記着火用燃料を自己着火させるステップと、前記制御部が、前記第二のガス燃料噴射弁を開弁させて前記ガス燃料を前記着火室に噴射することによって、前記着火用燃料の自己着火による火炎を増幅して前記シリンダ室内に噴射させるステップと、前記制御部が、前記第一のガス燃料噴射弁を開弁させて前記ガス燃料を前記シリンダ室内に噴射することによって、前記シリンダ室内で前記ガス燃料を燃焼させるステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、二酸化炭素の排出量を抑制しつつ確実な着火が可能なディーゼル機関及びディーゼル機関制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係るディーゼル機関を示す模式断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るディーゼル機関を示す模式断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るディーゼル機関を示す模式断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る第一のガス燃料噴射弁、パイロット弁及び第二のガス燃料噴射弁の開弁時期及び開弁期間を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。同様の部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
図１に示すように、本発明の実施形態に係るディーゼル機関１は、高圧のガス燃料をシリンダ内に噴射するガス・インジェクション・ディーゼル機関（ＧＩＤＥ）であって、シリンダヘッド１０と、シリンダライナ２０と、ピストン３０と、連接棒４０と、噴射弁ユニットＶＵと、を備える。
【００１５】
シリンダヘッド１０は、高圧のガス燃料が流通するガス燃料流路１１と、高圧の着火用燃料（例えば、軽油、重油等の液体燃料）が流通する着火用燃料流路１２と、高圧のシール油が流通するシール油流路１３と、シール油及び着火用燃料が流通して外部へ排出されるドレン通路１４と、を備える。
【００１６】
シリンダライナ２０は、円筒形状を呈する部材であり、その内部に、ピストン３０及び連接棒４０を収容するとともに、その上部開口は、シリンダヘッド１０及び噴射弁ユニットＶＵによって塞がれている。
【００１７】
ピストン３０は、シリンダライナ２０内に収容された円板形状を呈する部材であり、その外径は、シリンダライナ２０の内径と略同一である。シリンダヘッド１０、シリンダライナ２０及び噴射弁ユニットＶＵがシリンダを構成しており、シリンダヘッド１０、シリンダライナ２０、ピストン３０及び噴射弁ユニットＶＵによって囲まれた空間が、シリンダ室ＣＣである。
【００１８】
連接棒４０は、ピストン３０に連結されており、ピストン３０を往復動させる。
【００１９】
噴射弁ユニットＶＵは、シリンダヘッド１０の孔部に装着されるユニットであり、第一のガス燃料噴射弁５０と、パイロット弁６０と、第二のガス燃料噴射弁７０と、着火室８０と、を一体的に備える。第一のガス燃料噴射弁５０、パイロット弁６０及び第二のガス燃料噴射弁７０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等からなる制御部１００によって開閉制御される。
【００２０】
第一のガス燃料噴射弁５０は、常閉型の電磁弁であり、通常時には、弁体５１が弁座５２に着座しており、ガス燃料流路１１と連通する流路５３と噴射孔５４とは遮断されている（閉弁状態）。第一のガス燃料噴射弁５０は、制御部１００から出力された開弁信号によりコイル（図示せず）に通電されると、電磁誘導作用によって弁体５１に連結された可動コア（図示せず）が図の上方に移動することによって弁体５１が弁座５２から離座し、ガス燃料流路１１と連通する流路５３と噴射孔５４とがガス流通可能な状態となり（開弁状態）、ガス燃料流路１１から流路５３に導入されたガス燃料を、噴射孔５４を介してシリンダ室ＣＣ内に噴射する。
【００２１】
パイロット弁６０は、常閉型の電磁弁であり、通常時には、着火用燃料流路１２と連通する流路６１と着火室８０とは遮断されている（閉弁状態）。パイロット弁６０は、制御部１００から出力された開弁信号によりコイル（図示せず）に通電されると、着火用燃料流路１２と連通する流路６１と着火室８０とが液体流通可能な状態となり（開弁状態）、着火用燃料流路１２と連通する流路６１に導入された着火用燃料を、着火室８０内に噴射する。
【００２２】
第二のガス燃料噴射弁７０は、常閉型の電磁弁であり、通常時には、弁体７１が弁座７２に着座しており、流路５３と連通する流路７３と着火室８０とは遮断されている（閉弁状態）。第二のガス燃料噴射弁７０は、制御部１００から出力された開弁信号によりコイル（図示せず）に通電されると、電磁誘導作用によって弁体７１に連結された可動コア（図示せず）が図の上方に移動することによって弁体７１が弁座７２から離座し、流路５３と連通する流路７３と着火室８０とがガス流通可能な状態となり（開弁状態）、ガス燃料流路１１から流路５３を介して流路７３に導入されたガス燃料を、着火室８０内に噴射する。
【００２３】
着火室８０は、パイロット弁６０及び第二のガス燃料噴射弁７０の下流側に設けられおり、その容積は、ピストン３０が上死点に位置するときのシリンダ室ＣＣの容積よりも小さい。かかる着火室８０は、噴射孔８１を介してシリンダ室ＣＣと連通している。
【００２４】
また、噴射弁ユニットＶＵは、流路ＶＵ１，ＶＵ２を備えており、シール油流路１３から供給されたシール油は、流路ＶＵ１を介して第一のガス燃料噴射弁５０及び第二のガス燃料噴射弁７０へ供給される。また、第一のガス燃料噴射弁５０、パイロット弁６０及び第二のガス燃料噴射弁から漏れたシール油（漏れ油）は、流路ＶＵ２及びドレン通路１４を介してディーゼル機関１の外部へ排出される。かかるシール油は、ガス燃料が着火用燃料側に漏れ出さないようにシールするための流体であり、シール油の圧力は、ガス燃料の圧力よりも高く設定される。
【００２５】
＜動作例＞
続いて、本発明の実施形態に係るディーゼル機関１の動作例について、図１ないし図４を参照して説明する。
【００２６】
まず、図１に示すように、制御部１００は、ピストン３０の位置と連動しているクランク軸（図示せず）の位置を検出するクランクパルスセンサＳａから出力された検出結果に基づいて、クランク軸の回転を伝達する連接棒４０の動きによってピストン３０が持ち上げられてピストン３０が上死点近傍まで達したことを認識し、パイロット弁６０に対して開弁信号を出力する（図４の時刻ｔ１）。パイロット弁６０は、開弁信号によって開弁し、着火用燃料流路１２から流路６１に導入された着火用燃料を着火室８０内に噴射する。
着火室８０内に噴射された着火用燃料は、ピストン３０による圧縮によって上昇した着火室８０内の空気温度によって、自己着火を起こす。
【００２７】
続いて、図２に示すように、制御部１００は、時刻ｔ１から第一の所定時間経過後に第二のガス燃料噴射弁７０に対して開弁信号を出力する（図４の時刻ｔ２）。第二のガス燃料噴射弁７０は、開弁信号によって開弁し、ガス燃料流路１１から流路５３を介して流路７３に導入されたガス燃料を着火室８０に噴射する。
着火室８０内に噴射されたガス燃料は、着火用燃料の自己着火によって発生した火炎によって着火し、かかる着火によって増幅された火炎は、噴射孔８１を介してシリンダ室ＣＣ内に噴射される。
続いて、制御部１００は、時刻ｔ１から第二の所定時間経過後にパイロット弁６０に対する開弁信号の出力を停止し（図４の時刻ｔ３）、パイロット弁６０を閉弁させる。
【００２８】
続いて、図３に示すように、制御部１００は、時刻ｔ１から第三の所定時間経過後に第一のガス燃料噴射弁５０に対して開弁信号を出力する（図４の時刻ｔ４）。第一のガス燃料噴射弁５０は、開弁信号によって開弁し、ガス燃料１１から流路５３に導入されたガス燃料をシリンダ室ＣＣ内に噴射する。
シリンダ室ＣＣ内に噴射されたガス燃料は、噴射孔８１から噴射された火炎によって着火し、燃焼を起こす。ピストン３０は、かかる燃焼で高まったシリンダ室ＣＣ内の圧力によって下方に押し下げられる。
続いて、制御部１００は、時刻ｔ１から第四の所定時間経過後に第二のガス燃料噴射弁７０に対する開弁信号の出力を停止し（図４の時刻ｔ５）、第二のガス燃料噴射弁７０を閉弁させる。
【００２９】
続いて、制御部１００は、時刻ｔ１から第五の所定時間経過後に第一のガス燃料噴射弁５０に対する開弁信号の出力を停止し（図４の時刻ｔ６）、第一のガス燃料噴射弁５０を閉弁させる。その後、制御部１００は、ピストン３０が上死点近傍まで達したときに、同じ動作を繰り返す。
【００３０】
なお、制御部１００は、前記した第一のガス燃料噴射弁５０、パイロット弁６０及び第二のガス燃料噴射弁７０の開弁時期及び開弁期間を、ディーゼル機関１の状態量等を示す以下の信号に基づいて変更することができる。
クランクパルスセンサ信号：制御部１００は、クランクパルスセンサＳａの検出結果であるクランクパルスセンサ信号を取得して回転数（回転速度）の換算し、例えば、回転数が大きい場合には、各弁５０，６０，７０の開弁期間を短く変更することができる。
負荷信号：制御部１００は、負荷信号（ディーゼル機関１が発電機を駆動する場合には、発電量を示す信号、ディーゼル機関１が船舶のプロペラを駆動する場合には、プロペラ負荷特性に基づくチャートから得られる信号）を取得し、負荷に基づいて、各弁５０，６０，７０の開弁時期及び開弁期間を変更することができる。
排気ガス温度信号：制御部１００は、各シリンダ室ＣＣからの排気ガスの温度を検出するセンサ（図示せず）の検出結果である排気ガス温度信号を取得し、排気ガス温度に基づいて、シリンダ室ＣＣ毎の偏差をなくすように各弁５０，６０，７０の開弁時期及び開弁期間を変更することができる。また、制御部１００は、排気ガス温度に基づいて、失火、異常燃焼等の状態を監視し、かかる状態に応じて各弁５０，６０，７０を制御することができる。
給気温度信号：制御部１００は、シリンダ室ＣＣ内に取り込まれる空気の温度を検出するセンサ（図示せず）の検出結果である給気温度信号を取得し、給気温度に基づいて各弁５０，６０，７０の開弁時期及び開弁期間を変更することによって所望の空燃比を実現することができる。
シリンダ内圧力信号：制御部１００は、シリンダ室ＣＣ内の圧力を検出するセンサ（図示せず）の検出結果であるシリンダ内圧力信号を取得し、その最大値（シリンダ内最高圧力）に基づいて、各弁５０，６０，７０の開弁時期及び開弁期間を変更することができる。例えば、シリンダ内最高圧力が大きいほど、熱効率が高まるが、排出されるＮＯＸの量も増え、シリンダ内の応力が高くなって装置の寿命が短くなるので、制御部１００は、シリンダ内最高圧力が適正値となるように各弁５０,６０,７０の開弁時期及び開弁期間を変更する。また、制御部１００は、シリンダ内圧力信号に基づいて、ガス燃料機関に特有なノッキング（異常燃焼）を検知することもできる。
ＮＯＸ排出量信号：制御部１００は、シリンダ室ＣＣから排出されるＮＯＸの量を検出するセンサ（図示せず）の検出結果であるＮＯＸ排出量信号を取得し、ＮＯＸの排出量が所定値よりも多い場合には、ＮＯＸの排出量が少なくなるように各弁５０，６０，７０の開弁時期及び開弁期間を変更することができる。
危急停止信号：制御部１００は、ユーザによるボタン等の操作による危急停止信号を取得した場合には、各弁５０，６０，７０の駆動を停止することができる。
なお、第一のガス燃料噴射弁５０が開弁する時期は、前記した信号によって変わるため、上死点（図４のＴＤＣ）よりも前の場合もあるし、上死点よりも後の場合もある。
【００３１】
本発明の実施形態に係るディーゼル機関１は、パイロット弁６０が着火室８０に着火用燃料を噴射することによって着火室８０内で着火用燃料を自己着火させ、続いて第二のガス燃料噴射弁７０がガス燃料を着火室８０に噴射することによって火炎をシリンダ室ＣＣ内に噴射させ、続いて第一のガス燃料噴射弁５０がガス燃料をシリンダ室ＣＣ内に噴射することによってシリンダ室ＣＣ内でガス燃料を燃焼させるので、確実に着火することができる。また、着火用燃料をシリンダ室ＣＣ内ではなく着火室８０内で自己着火させるので、着火用燃料の使用量を減らし、二酸化炭素の排出量を抑制することができる。
【００３２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更可能である。例えば、図示したディーゼル機関１は、中央に第一のガス燃料噴射弁５０、パイロット弁６０及び第二のガス燃料噴射弁７０を備えているが、これらの弁５０，６０，７０を複数組備える構成であってもよい。また、第一のガス燃料噴射弁５０及び第二のガス燃料噴射弁７０において、弁体５１,７１を移動させるための作動油としてシール油又は着火用燃料を適宜利用する構成であってもよい。例えば、開弁時において、作動油の一部を逃がすことで圧力のバランスを崩すことによって開弁する構成であってもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１      ディーゼル機関
１０    シリンダヘッド（シリンダ）
２０    シリンダライナ（シリンダ）
３０    ピストン
５０    第一のガス燃料噴射弁
６０    パイロット弁
７０    第二のガス燃料噴射弁
８０    着火室
ＣＣ    シリンダ室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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