(57)【要約】【課題】装置の大型化およびコスト上昇を抑制しつつ始動時リッチ、運転時リーンの空燃比を実現できるガスエンジンの吸気構造を提供する。【解決手段】吸気通路１１におけるエアクリーナ１２よりも下流側にガスミキサ１３が設けられたガスエンジン１の吸気構造において、ケース２１内に設置されたフィルタエレメント２２によって吸気チャンバ４１が上流側チャンバ４２と下流側チャンバ４３とに区画されたエアクリーナ１２に、下流側チャンバ４３を更に上流側空間４３Ｕと下流側空間４３Ｌとに区画する隔壁４５を設けるとともに隔壁４５に吸気口４５ａを形成する。吸気口４５ａを開閉して、上流側空間４３Ｕから下流側空間４３Ｌへの流体の流れを許容する一方、下流側空間４３Ｌから上流側空間４３Ｕへの流体の流れを阻止するリードバルブ５０を設けることで、吸気負圧の小さい始動時には吸気流量を絞って燃料リッチとする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に接続する吸気通路に設けられたエアクリーナと、前記吸気通路における前記エアクリーナよりも下流側に設けられ、供給された燃料ガスと吸気とを混合するガスミキサとを備えたガスエンジンの吸気構造であって、
前記エアクリーナが、吸気チャンバを画成するケースと、当該ケース内に設置され、前記吸気チャンバを上流側チャンバと下流側チャンバとに区画するフィルタエレメントと、吸気口が形成され、前記下流側チャンバを更に上流側空間と下流側空間とに区画する隔壁と、前記隔壁の前記吸気口を開閉自在に設けられ、前記上流側空間から前記下流側空間への流体の流れを許容する一方、前記下流側空間から前記上流側空間への流体の流れを阻止する一方向弁とを有することを特徴とするガスエンジンの吸気構造。
【請求項２】
前記一方向弁が、前記隔壁における前記下流側空間側に取り付けられたリードバルブであることを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの吸気構造。
【請求項３】
クランク室と前記エアクリーナの前記下流側空間とを接続し、前記クランク室内のブローバイガスを前記下流側空間に導くブローバイガス通路を更に備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスエンジンの吸気構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばコージェネレーションシステムに好適なガスを燃料とするガスエンジンの吸気構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、コージェネレーションシステムに用いるガスエンジンの吸気構造では、始動から定格負荷運転までの運転可能条件を満たす吸気特性が得られるように吸気通路の面積が設定されている。始動から定格負荷運転までの運転可能条件とは、始動時には始動が可能な程度に燃料リッチであり、かつ始動後には良好な燃費が得られる程度に燃料リーンとなる適正な空燃比（Ａ／Ｆ）とすることであり、そのために燃料量および空気量を供給する必要がある。なお、空燃比の制御が行われないガスエンジンでは、始動しやすいように空燃比が低く設定されると燃費が悪化し、燃費を向上させるために空燃比が高く設定されると始動しにくい特性となる。
【０００３】
このような始動時リッチ、定格負荷運転時リーンの空燃比を実現し得る空燃比制御装置として、ガスエンジンの吸気通路に配置したエアクリーナの外気取入口に流入空気量調整弁を配置し、流入空気量調整弁の開閉度合いを開弁量制御装置で制御するようにしたものが公知となっている（特許文献１）。特許文献１の空燃比制御装置によれば、開弁量制御装置が、センサで検出したエンジン回転数とエアクリーナ内の負圧力とに基づいてエンジンの始動状態を判別し、始動時には流入空気量調整弁を閉弁方向に作動させ、始動状態を脱したときには流入空気量調整弁を全開状態に作動させることにより、始動時リッチ、運転時リーンの空燃比を実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２６４８２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の空燃比制御装置では、複数のセンサが必要になるうえ、流入空気量調整弁およびこれを制御する制御装置が必要になる。そのため、ガスエンジン全体としてのコストが上昇する。ここで、ガスエンジンの供給燃料量を増減させることで空燃比を制御することが考えられるが、ガスエンジンの燃料供給系で調整可能な圧力の上限となる燃料供給源の圧力が低い場合もあり、燃料供給系で調整するだけで始動時に必要な空燃比を確保することが困難な場合がある。また、流入空気量制御装置と同様な流入ガス量調整弁およびこれを制御する流入ガス量制御装置が必要となり、ガスエンジン全体としてのコストが増大することに変わりはない。更に、特許文献１の空燃比制御装置では、エアクリーナの上流側に流入空気量調整弁を設けるため、ガスエンジン全体が大型化する。
【０００６】
本発明は、このような背景に鑑み、装置の大型化およびコスト上昇を抑制しつつ始動時リッチ、運転時リーンの空燃比を実現できるガスエンジンの吸気構造を提供することを第１の課題とする。
【０００７】
また、燃費を向上させ、低エミッション化を図るために、クランクケース内のブローバイガスをエアクリーナに還流させる場合があるが、ブローバイガス通路をエアクリーナに接続する構成を特許文献１のガスエンジンの吸気構造に適用すると、ブローバイガスがフィルタエレメントに付着し、吸気特性を悪化させる虞がある。そこで、ブローバイガスによる吸気特性の悪化を防止できるガスエンジンの吸気構造を提供することを第２の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような課題を解決するために、本発明は、燃焼室（２ａ）に接続する吸気通路（１１）に設けられたエアクリーナ（１２）と、前記吸気通路における前記エアクリーナよりも下流側に設けられ、供給された燃料ガスと吸気とを混合するガスミキサ（１３）とを備えたガスエンジン（１）の吸気構造であって、前記エアクリーナが、吸気チャンバ（４１）を画成するケース（２１）と、当該ケース内に設置され、前記吸気チャンバを上流側チャンバ（４２）と下流側チャンバ（４３）とに区画するフィルタエレメント（２２）と、吸気口（４５ａ）が形成され、前記下流側チャンバを更に上流側空間（４３Ｕ）と下流側空間（４３Ｌ）とに区画する隔壁（４５）と、前記隔壁の前記吸気口を開閉自在に設けられ、前記上流側空間から前記下流側空間への流体の流れを許容する一方、前記下流側空間から前記上流側空間への流体の流れを阻止する一方向弁（５０）とを有する構成とする。
【０００９】
この構成によれば、始動時にはエンジン回転数が低いため、吸気負圧が小さく、一方向弁がその弾性率に応じて比較的小さく開いて燃料リッチ（低空燃比）になり、定格負荷運転には比較的大きな吸気負圧によって一方向弁が大きく開いて燃料リーン（高空燃比）になる。また、隔壁および一方向弁によって始動時リッチ、運転時リーンの空燃比を実現できるため、ガスエンジン全体のコスト増大を抑制できる。
【００１０】
また、上記の発明において、前記一方向弁が、前記隔壁における前記下流側空間側に取り付けられたリードバルブ（５０）である構成とすることができる。
【００１１】
この構成によれば、構成の簡単なリードバルブにより一方向弁を実現でき、コスト増大を抑制できる。また、負圧に対する開度の設定が容易であるため、ガスエンジンの状態に応じた所望の空燃比を設定することができる。
【００１２】
また、上記の発明において、クランク室（５ｂ）と前記エアクリーナの前記下流側空間とを接続し、前記クランク室内のブローバイガスを前記下流側空間に導くブローバイガス通路（１５）を更に備えることができる。
【００１３】
この構成によれば、ブローバイガス通路の下流端が隔壁よりも下流側の下流側空間に連通し、下流側空間が負圧のとき以外は吸気口が一方向弁によって閉じられるため、ブローバイガスのフィルタエレメントへの付着が抑制され、吸気特性の悪化を防止できる。
【発明の効果】
【００１４】
このように本発明によれば、装置の大型化およびコスト上昇を抑制しつつ始動時リッチ、運転時リーンの空燃比を実現できるガスエンジンの吸気構造を提供するとともに、ブローバイガスによる吸気特性の悪化を防止できるガスエンジンの吸気構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態に係るガスエンジンの概略構成図
【図２】図１に示すエアクリーナの断面図
【図３】図１に示す吸気構造による遮音特性を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１７】
図１に示すように、ガスエンジン１は、都市ガス（あるいはＬＰガスやＬＢガス。以下、単に「ガス」という。）を燃料とする４サイクル単気筒の火花点火式エンジンである。ガスエンジン１は、例えばコージェネレーション装置の電動機として用いることができる。ガスエンジン１をコージェネレーション装置の電動機として用いる場合、コージェネレーション装置は、ガスエンジン１の他、ガスエンジン１によって駆動されて発電する図示しない発電部、ガスエンジン１の余熱を熱源とする熱交換器などを備え、コージェネレーションケースに一体に収容される。
【００１８】
ガスエンジン１は、機関本体２と、機関本体２に燃料ガスと空気との混合気を供給する吸気系３と、機関本体２から排出される排出ガスを導く排気系４とを有している。機関本体２は、シリンダ５ａおよびクランク室５ｂを画成し、シリンダ軸線を水平にして配置されるエンジンブロック５と、エンジンブロック５のシリンダ５ａ側の一端に接合されるシリンダヘッド６と、シリンダヘッド６のエンジンブロック５と相反する側の端部に接合されるシリンダヘッドカバー７とを備えている。図示例では、エンジンブロック５が、クランクシャフト８を水平方向に延在させる向きに配置されているが、クランクシャフト８を鉛直方向に延在させる向きに配置されてもよい。
【００１９】
吸気系３は、大気に開放される上流端１１ａおよび機関本体２の燃焼室２ａに接続される下流端１１ｂを有する吸気通路１１と、吸気通路１１に設けられたエアクリーナ１２と、吸気通路１１におけるエアクリーナ１２よりも下流側に設けられたガスミキサ１３と、図示外の燃料供給源に接続される上流端およびガスミキサ１３に接続される下流端１４ｂを有する燃料供給路１４とを有している。ガスミキサ１３は、吸気通路１１から供給される新気と燃料供給路１４から供給される燃料ガスとを混合する。また、吸気系３は、クランク室５ｂに連通する上流端１５ａおよび吸気通路１１に連通する下流端１５ｂを有し、クランク室５ｂ内のブローバイガスを吸気通路１１に還流させるブローバイガス通路１５を含んでいる。
【００２０】
エアクリーナ１２は、箱状に形成されたケース２１と、ケース２１の内部に設置されたフィルタエレメント２２とを有する。ケース２１は、フィルタエレメント２２を保持するケース本体２３と、ケース本体２３に着脱可能に取り付けられるカバー部材２４とにより構成される。カバー部材２４が着脱可能に取り付けられることにより、フィルタエレメント２２のメンテナンスが可能になっている。
【００２１】
カバー部材２４の上面には、上方に延出した後湾曲して略水平に延在する吸気管２５が一体形成されており、吸気管２５の先端に開口する吸気入口が吸気通路１１の上流端１１ａを構成している。ケース本体２３は、吸気の流れ方向に２分割された２つのケース部材２６、２７によって構成されている。以下、２つのケース部材２６，２７を上流側から順に第１ケース部材２６および第２ケース部材２７とする。エアクリーナ１２は、吸気入口から吸入した空気を浄化し、浄化された空気をガスミキサ１３に送る。エアクリーナ１２の詳細については後述する。
【００２２】
燃料供給路１４には比例弁ユニット３１が設けられている。比例弁ユニット３１は、電磁弁３２と電磁弁３２よりも下流側に設けられた比例弁３３とを有している。電磁弁３２は、常時閉型の開閉弁であり、図示しない電源から供給される電力によって開駆動される。電磁弁３２は、ガスエンジン１の停止時には閉弁して燃料ガスが機関本体２に供給されるのを禁止し、ガスエンジン１の駆動時には開弁して燃料ガスを機関本体２に供給する。比例弁３３は、供給される燃料ガスの圧力に依存することなく通電電流の大きさに応じて燃料ガスの供給圧力を制御することで、燃料供給路１４を通過する燃料ガス流量を制御する電磁比例弁である。比例弁３３が燃料ガスの供給圧力を略一定に保持できることにより、従来のような調圧器を省略することができ、装置のコンパクト化が図られている。なお、このような比例弁３３は、例えば特開平８−４２４００号公報に記載されるような公知の構成であってよいため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００２３】
ガスミキサ１３は、燃料供給路１４の下流端１４ｂに設けられるガスノズル（図示せず）、スロットルバルブ（図示せず）およびスロットルバルブを開閉駆動するスロットルモータ３４を有しており、ガスノズルから吸気負圧に応じて噴出された量の燃料ガスを吸気に混合して混合ガスを生成する。生成された混合ガスは、吸気通路１１を通って機関本体２の燃焼室２ａに送られる。
【００２４】
シリンダヘッド６には、燃焼室２ａに電極を臨ませるように点火プラグ（図示せず）が設けられている。点火プラグは、図示しない電源からの電力がイグニッションコイルを含む点火装置を介して供給されることにより、所定のタイミングで火花放電を生じ、混合気に着火して燃料ガスを燃焼させる。
【００２５】
また、燃料ガスの燃焼時には、燃焼室２ａ内で高圧になったガスがピストンとシリンダ５ａの周壁面との隙間からクランク室５ｂに漏れる。クランク室５ｂに漏れたブローバイガスは、未燃焼の混合気やオイルを含んでおり、そのまま大気放出すると大気汚染の原因になることから、吸気系３の負圧を利用して吸引し、ブローバイガス通路１５を介して吸気通路１１に還流される。
【００２６】
排気系４は、燃焼室２ａで発生した既燃焼ガスを大気に導く排気通路３６を有している。排気通路３６にはマフラー３７が設けられている。
【００２７】
図２に示すように、エアクリーナ１２のケース２１は、内部に吸気チャンバ４１を画成している。フィルタエレメント２２は、ケース本体２３のカバー部材２４側の端部開口に着脱可能に取り付けられている。これにより、吸気チャンバ４１は、フィルタエレメント２２によってダスト室となる上流側チャンバ４２と浄化した吸気を流通させる下流側チャンバ４３とに区画される。
【００２８】
エアクリーナ１２の第１ケース部材２６は、フィルタエレメント２２を保持する角筒状の周壁４４と、周壁４４のフィルタエレメント２２と相反する側に周壁４４の開口を塞ぐように設けられた隔壁４５とを有している。一方、第２ケース部材２７には、左側面の下部から側方に延出してエアクリーナ１２の下流端をなす吸気接続管４６が一体形成されている。これにより、下流側チャンバ４３は、隔壁４５によって更に上流側空間４３Ｕと下流側空間４３Ｌとに区画される。隔壁４５の略中央には吸気口４５ａが穿設されている。
【００２９】
また第２ケース部材２７には、下面から下方に延出してブローバイガス通路１５の下流端１５ｂをなすブローバイガス接続管４７が一体形成されている。これにより、ブローバイガス通路１５の下流端１５ｂは、エアクリーナ１２における隔壁４５よりも下流側の下流側空間４３Ｌに連通している。
【００３０】
隔壁４５の下流側空間４３Ｌ側の面には、吸気口４５ａを開閉自在にリードバルブ５０が設けられている。リードバルブ５０は、弾性を有する平板からなり、一端側をボルト・ナット５１によって隔壁４５に固定されている。リードバルブ５０は、下流側空間４３Ｌの圧力と上流側空間４３Ｕの圧力とが均衡しているときには、隔壁４５に当接して吸気口４５ａを閉塞し、吸気通路１１に吸気負圧が発生して下流側空間４３Ｌの圧力が上流側空間４３Ｕの圧力よりも低くなると、想像線で示すように隔壁４５から離反する向きに弾性変形して吸気口４５ａを開放する。これにより、上流側空間４３Ｕから下流側空間４３Ｌへの流体の流れが許容される一方、下流側空間４３Ｌから上流側空間４３Ｕへの流体の流れが阻止される。リードバルブ５０は、吸気負圧（圧力差）が大きいほど大きく弾性変形し、吸気口４５ａを通過する吸気流量を増大させる。リードバルブ５０の隔壁４５と相反する側には、ボルト・ナット５１によってリードバルブ５０と共に隔壁４５に固定され、リードバルブ５０の開方向への移動を規制するストッパ５２が設けられている。これにより、リードバルブ５０の変形量が制限される。
【００３１】
吸気構造がこのように構成されたガスエンジン１は、次のように作動する。まず、ガスエンジン１の始動時は、エンジン回転数（速度）が低いため、ガスミキサ１３を介して吸気通路１１に比較的小さな吸気負圧が発生することで、リードバルブ５０が小さく弾性変形し、比較的少量の吸気がガスミキサ１３に供給される。一方、燃料ガスは、比例弁３３によって所定の圧力でガスミキサ１３に供給される。そのため、燃料リッチの混合ガスがガスミキサ１３で生成されて燃焼室２ａに供給される。これにより、ガスエンジン１の始動性が良好になる。
【００３２】
一方、ガスエンジン１が定格負荷運転を行っているときには、エンジン回転数が始動時に比べて高くなるため、ガスミキサ１３を介して吸気通路１１に発生する吸気負圧が比較的大きくなる。そのため、リードバルブ５０が大きく弾性変形し、比較的大量の吸気がガスミキサ１３に供給される。一方、燃料ガスは、比例弁３３によって所定の圧力でガスミキサ１３に供給される。そのため、燃料リーンの混合ガスがガスミキサ１３で生成されて燃焼室２ａに供給される。これによりガスエンジン１の燃費性能が向上する。
【００３３】
また、吸気には脈動があり、機関本体２から吹き返し方向の音圧が吸気通路１１を伝わって吸気管２５の先端から漏れることで騒音となるが、実施形態に係るガスエンジン１では、吸気通路１１に吹き返し方向の圧力が加わるとリードバルブ５０が吸気口４５ａを閉じて脈動圧力を遮断する。図３は、本発明に係るガスエンジン１（リードバルブ５０を設けている）が発生する騒音（音圧レベル）を実線で、比較例に係るガスエンジン（リードバルブ５０を設けない）が発生する騒音を破線でそれぞれ示している。同図に示すように、本発明に係るガスエンジン１では、吹き返し方向の音圧が吸気通路１１を伝わる際にリードバルブ５０が吸気口４５ａを閉じることにより、発生する騒音の音圧レベルが比較例に比べて低下する。
【００３４】
以上説明したように、本実施形態では、エアクリーナ１２が、吸気口４５ａが形成された隔壁４５と吸気口４５ａを開閉するリードバルブ５０とを有することにより、始動時にはリードバルブ５０がその弾性率に応じて比較的小さく開いて燃料リッチ（低空燃比）になり、定格負荷運転には比較的大きな吸気負圧によってリードバルブ５０が大きく開いて燃料リーン（高空燃比）になる。また、隔壁４５およびリードバルブ５０によって始動時リッチ、運転時リーンの空燃比が実現できるため、ガスエンジン１全体のコスト増大が抑制される。
【００３５】
また、本実施形態では、上流側空間４３Ｕから下流側空間４３Ｌへの流体の流れを許容する一方、下流側空間４３Ｌから上流側空間４３Ｕへの流体の流れを阻止する一方向弁が下流側空間４３Ｌに配置されて隔壁４５に取り付けられたリードバルブ５０により構成されているため、簡単な構成で一方向弁の実現が可能になり、コストの増大が抑制される。また、リードバルブ５０は、負圧に対する開度の設定が容易であるため、ガスエンジン１の状態に応じて所望の空燃比を設定することが容易である。更に、リードバルブ５０は、吸気通路１１を画成する吸気管部材の断面積に比べて大きな面積を有する隔壁４５に取り付けられるため、取り付けが容易であり、作業性がよい。
【００３６】
本実施形態では、ブローバイガス通路１５の下流端１５ｂが下流側空間４３Ｌに連通している。そのため、下流側空間４３Ｌが負圧のとき以外は吸気口４５ａがリードバルブ５０によって閉じられ、ブローバイガスがフィルタエレメント２２に付着することがない。これにより、吸気特性の悪化が防止される。
【００３７】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、一例としてコージェネレーション装置用としてガスエンジン１の説明を行ったが、発電機や車両用駆動源としてガスエンジン１を用いてもよい。この他、各部材や部位の具体的構成や配置、数量、角度、素材など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。一方、上記実施形態に示した各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜取捨選択してもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１      ガスエンジン
２ａ    燃焼室
５ｂ    クランク室
１１    吸気通路
１２    エアクリーナ
１３    ガスミキサ
１５    ブローバイガス通路
２１    ケース
２２    フィルタエレメント
４１    吸気チャンバ
４２    上流側チャンバ
４３    下流側チャンバ
４３Ｌ  下流側空間
４３Ｕ  上流側空間
４５    隔壁
４５ａ  吸気口
５０    リードバルブ（一方向弁）
【図１】
2015165117.tif 000003
【図２】
2015165117.tif 000004
【図３】
2015165117.tif 000005