(57)【要約】【課題】微細な異物が混入されている燃料ガスを使用しても、確実に燃料ガス供給孔の閉塞を行うことができる燃料ガス制御機構、およびこの燃料ガス制御機構を用いて出力効率および耐久性の向上した内燃機関を提供すること。【解決手段】内燃機関の燃焼室に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路９と、燃料ガス供給路９を開閉して燃料ガスの供給量を制御する燃料ガス調整弁１３とを備えた燃料ガス制御機構１０であって、燃料ガス調整弁１３を駆動する流体圧シリンダ１１と、流体圧シリンダ１１の駆動力となる作動流体の流入および流出を制御する作動流体調整弁２４と、作動流体調整弁２４の動作を制御する制御部２７とを備えて構成されていることを特徴とする。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、該燃料ガス供給路を開閉して燃料ガスの供給量を制御する燃料ガス調整弁とを備えた燃料ガス制御機構であって、
前記燃料ガス調整弁を駆動する流体圧シリンダと、該流体圧シリンダの駆動力となる作動流体の流入および流出を制御する作動流体調整弁と、該作動流体調整弁の動作を制御する制御部とを備えて構成されていることを特徴とする燃料ガス制御機構。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料ガス制御機構において、
前記流体圧シリンダは、気密性を有したケーシングと、前記作動流体の圧力による駆動力を前記燃料ガス調整弁に伝達する可動部材と、前記燃料ガス調整弁を密閉する方向に付勢する付勢手段とを備えて構成されていることを特徴とする燃料ガス制御機構。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料ガス制御機構において、
前記作動流体として、前記内燃機関の操縦に用いられる圧縮空気を用いることを特徴とする燃料ガス制御機構。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の燃料ガス制御機構を備えた燃料ガス供給装置が用いられていることを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばガスエンジンなどの内燃機関において、燃焼室に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置に用いられる燃料ガス制御機構、およびこの燃料ガス制御機構が備えられた内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、発電用エンジン等として広く用いられている内燃機関は、燃焼室を形成するシリンダと、シリンダ内で往復運動するピストンと、ピストンの往復動力を負荷に伝達するクランクとを備えた構造が一般的である。この種の従来の内燃機関のうち、例えばガスエンジンにおいては、吸気行程でシリンダ内に燃料ガスを吸入し、続く圧縮行程でこの燃料ガスをピストンによって高圧に圧縮し、上死点付近で高温高圧となっている燃料ガスにパイロット燃料を噴射することで着火を制御し、燃料ガスを燃焼・膨張させ、続く排気行程で燃焼後の排気ガスをシリンダ内から排気するという一連の動作を繰り返し行うことで、クランクを回転させて動力を得ている。また、ガスエンジンを操縦するために、常に一定量の圧縮空気を備蓄する構成とされている。
【０００３】
燃焼室内に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置は、燃焼室上部に開口されている燃料ガス供給孔と、燃焼室へ供給される燃料ガスの供給量を制御する燃料ガス制御機構と、燃料ガス制御機構に燃料ガスを配送する燃料ガス供給配管とを備えて構成されている。
【０００４】
図４に示すような燃料ガス制御機構１は、燃料ガス供給装置の燃料ガス供給配管（図示せず）が接続される燃料ガス供給路２と、燃料ガス供給路２を通過してきた燃料ガスを燃焼室（図示せず）に供給する燃料ガス供給孔３と、燃料ガス供給孔３を閉塞または開放して燃料ガスの供給量を制御する燃料ガス調整弁４と、燃料ガス調整弁４を付勢するスプリング５と、スプリング５に対抗して燃料ガス調整弁４を駆動させるソレノイドコイル６とを備えて構成されている。
【０００５】
燃料ガス供給孔３は、スプリング５によって付勢された燃料ガス調整弁４によって閉塞されており、燃料ガスは燃料ガス供給配管から燃料ガス供給孔３の手前まで配送されている。そして、ピストンの動きと連動してソレノイドコイル６によって燃料ガス調整弁４を駆動させ、燃料ガス供給孔３を開放させることで、燃焼室内に一気に燃料ガスが供給される構成とされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記燃料ガス制御機構において、スプリング５による燃料ガス調整弁４の付勢力は、ソレノイドコイル６による駆動力よりも小さく設定されているので、燃料ガスに混入されている微細な異物などによって、燃料ガス調整弁４による燃料ガス供給孔３の閉塞が完全に行われないという問題があった。燃料ガス供給孔３が完全に閉塞されないことにより、燃焼室内へ過剰に燃料ガスを供給することになり、ガスエンジン内で異常燃焼が発生するだけでなく、ガスエンジンの耐久性が低下するおそれがある。このような問題を解決するために、強力な駆動力を有するソレノイドコイル６を用いることが考えられるが、ガスエンジンの構成部品に囲まれた燃焼室付近の限られた空間にソレノイドコイル６を配置しなければならないので、ソレノイドコイル６を大型化することができず、駆動力を大きくすることができないという問題があった。
【０００７】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、微細な異物が混入されている燃料ガスを使用しても、確実に燃料ガス供給路の閉塞を行うことができる燃料ガス制御機構、およびこの燃料ガス制御機構を用いて出力効率および耐久性の向上した内燃機関を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための手段として、次のような構成の燃料ガス制御機構を採用する。
すなわち本発明に係る請求項１に記載の燃料ガス制御機構は、内燃機関の燃焼室に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、該燃料ガス供給路を開閉して燃料ガスの供給量を制御する燃料ガス調整弁とを備えた燃料ガス制御機構であって、前記燃料ガス調整弁を駆動する流体圧シリンダと、該流体圧シリンダの駆動力となる作動流体の流入および流出を制御する作動流体調整弁と、該作動流体調整弁の動作を制御する制御部とを備えて構成されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明において、燃料ガス制御機構は作動流体の圧力を駆動力とする流体圧シリンダにて、燃料ガス調整弁を開閉する構成とされているので、ソレノイドコイルによる駆動力より強力な駆動力が得られる。また、作動流体調整弁および制御部は流体圧シリンダと離間して配置することができるので、燃焼室付近に配置される流体圧シリンダは、ソレノイドコイルと同一の構成寸法であってもソレノイドコイルより強力な駆動力が得られる。これにより、燃料ガスに微細な異物が混入していても確実に燃料ガス供給路の閉塞を行うことができる。
【００１０】
また、請求項２に記載の燃料ガス制御機構は、請求項１に記載の燃料ガス制御機構において、前記流体圧シリンダは、気密性を有したケーシングと、前記作動流体の圧力による駆動力を前記燃料ガス調整弁に伝達する可動部材と、前記燃料ガス調整弁を密閉する方向に付勢する付勢手段とを備えて構成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明において、燃料ガス制御機構は、燃料ガス調整弁に密閉方向への駆動力を与え続ける（付勢する）付勢手段によって密着されている燃料ガス調整弁を、作動流体の圧力によって密着を解除する方向に駆動する構成とされている。作動流体を用いることにより密着を解除する駆動力を大きくすることができるので、付勢手段による付勢力を大きくすることができる。つまり、燃料ガス調整弁がより強力に燃料ガス供給路を閉塞することができるのである。これにより、燃料ガスに微細な異物が混入していても確実に燃料ガス供給路の閉塞を行うことができる。
【００１２】
また、請求項３に記載の内燃機関は、請求項１または２に記載の燃料ガス制御機構において、前記作動流体として、前記内燃機関の操縦に用いられる圧縮空気を用いることを特徴とする。
【００１３】
本発明において、燃料ガス制御機構の駆動力として用いられる作動流体は、内燃機関の操縦に用いられる圧縮空気であるので、燃料ガス制御機構の駆動専用に作動流体を備蓄することなく、燃料ガス制御機構を駆動することができる。これにより、低コストで燃料ガス制御機構を構成することができる。
【００１４】
また、請求項４に記載の内燃機関は、請求項１から３のいずれかに記載の燃料ガス制御機構を備えた燃料ガス供給装置が用いられていることを特徴とする。
本発明において、上記燃料ガス制御機構を備えた燃料ガス供給装置が用いられて内燃機関が構成されているので、内燃機関の操縦に用いられる圧縮空気を用いて、強力に燃料ガス調整弁の駆動が行われる。これにより、確実に燃料ガス供給路の閉塞が行われ、内燃機関の出力効率を向上させると共に耐久性を向上させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。
図２に内燃機関であるガスエンジンの概略側面図を示し、図２におけるＡ矢視図を図３に示す。ガスエンジン５０は、燃焼室（図示せず）を備えているエンジン本体５１と、エンジン本体５１に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置５２と、液体燃料を供給する液体燃料供給装置５３とを備えて構成されている。燃料ガス供給装置５２は、燃料ガス供給母管（図示せず）から燃料ガスを配送する燃料ガス供給配管５４と、燃料ガス供給配管５４に接続され燃焼室への燃焼ガスの供給を制御する燃料ガス制御機構１０とを備えて構成されている。液体燃料供給装置５３は、液体燃料を加圧する複数の加圧ポンプ５５と、圧送された液体燃料を集合させる高圧油集合管５６と、高圧油集合管５６から燃焼室に液体燃料を配送するコモンレール５７とを備えて構成されている。
【００１６】
図１にガスエンジン５０の燃料ガス制御機構が示されており、図１（ａ）が閉弁状態、図１（ｂ）が開弁状態である。燃料ガス制御機構１０は、燃料ガス供給配管５４に接続される燃料ガス供給路９と、燃焼室に開口するように燃料ガス供給路９に設けられた燃料ガス供給孔１２と、燃料ガス供給孔１２を閉塞させる燃料ガス調整弁１３と、燃料ガス調整弁１３を駆動する流体圧シリンダであるエアシリンダ１１と、エアシリンダ１１に作動流体である圧縮空気を供給する圧縮空気供給部１４とを備えて構成されている。
【００１７】
エアシリンダ１１は、気密性を有したケーシング１５と、燃料ガス調整弁１３が固定されている可動部材１６と、付勢手段であるスプリング１７とを備えて構成されている。可動部材１６は、圧縮空気の圧力を受けるピストン部１８と、ピストン部１８の動作を燃料ガス調整弁１３に伝達するロッド部１９とを備えて構成されており、ピストン部１８およびロッド部１９の摺動部は気密性を有して構成されている。ケーシング１５は、可動部材１６のピストン部１８によって圧縮空気が導入される加圧室２０と、スプリング１７が収納されるスプリング室２１とに分けられており、加圧室２０には圧縮空気が流入および流出する圧縮空気導入孔２２が設けられている。
【００１８】
圧縮空気供給部１４は、圧縮空気源（図示せず）と加圧室２０の圧縮空気導入孔２２とを連結するエアチューブ２３と、エアチューブ２３の途中に設けられた電磁バルブ（作動流体調整弁）２４と、電磁バルブ２４を制御する制御部２７とを備えて構成されている。圧縮空気を制御する電磁バルブ２４には三方弁が用いられ、電磁バルブ２４に電流を流すと圧縮空気を加圧室２０に送る動作を行い、電流を切ると加圧室２０の空気を放出する動作を行うように配置され、ガスエンジン５０の吸気工程のタイミングに合わせて制御部２７によって動作を制御する構成とされている。
【００１９】
燃料ガス調整弁１３は、板状部材の周縁部が下方に垂下した形状とされており、その垂下した部分の先端面が密着面２５とされ、燃料ガス供給孔１２を形成する環状部材２６の上面と密着面２５とが密着することで燃料ガス供給孔１２が閉塞される構成とされている。また、図１において燃料ガス供給孔１２の下方に燃焼室が設けられている。
【００２０】
また、図１（ａ）に示すような閉弁状態は、電磁バルブ２４に電流が流されてなく、圧縮空気源から供給された圧縮空気は電磁バルブ２４により遮断されているので、スプリング１７によってピストン部１８が押圧されて、燃料ガス調整弁１３によって燃料ガス供給孔１２が閉塞され、燃料ガス供給路９は供給されている燃料ガスで充満している状態である。
【００２１】
また、図１（ｂ）に示すような開弁状態は、電磁バルブ２４に電流が流されおり、圧縮空気源から供給された圧縮空気が加圧室２０に流入し、燃料ガス調整弁１３が引き上げられているので、燃料ガス供給孔１２が開放され、燃料ガス供給路９から燃料ガス供給孔１２を通過し燃料ガスが燃焼室に供給されている状態である。図中の矢印は燃料ガスの流れを示している。
【００２２】
上述したような構成の燃料ガス制御機構１０を用いて、燃焼室に燃料ガスを供給する動作について説明する。
図１（ａ）に示すような燃料ガス調整弁１３により燃料ガス供給孔１２が閉塞されている状態で、吸気工程のタイミングに合わせて電磁バルブ２４に電流を流すと、エアチューブ２３を通過して圧縮空気導入孔２２より加圧室２０に圧縮空気が流入する。圧縮空気により、ピストン部１８に圧力が加えられてスプリング１７を圧縮させる方向にピストン部１８が移動すると共に、燃料ガス調整弁１３が引き上げられる。これにより、燃料ガス調整弁１３の密着面２５と環状部材２６との密着が解除され、燃料ガス供給孔１２が開放される。
【００２３】
図１（ｂ）に示すように、密着面２５と環状部材２６との隙間を通過して燃料ガスが燃焼室に供給される。そして、圧縮工程のタイミングに合わせて電磁バルブ２４の電流を切ると、加圧室２０の圧縮空気が流出され、スプリング１７によってピストン部１８が移動すると共に、燃料ガス調整弁１３が押し下げられ、燃料ガス供給孔１２が閉塞される。
【００２４】
たとえば、０．７ＭＰａの圧縮空気を使用し、ピストン部１８の直径を８０ｍｍとした場合、燃料ガス調整弁１３は約３．５ｋＮの駆動力で開弁される。通常、スプリング１７は開弁に用いられる駆動力の１／５程度に設定されるので、スプリング１７による付勢力を０．７ｋＮに設定することができる。従来使用されていた、図４に示すソレノイドコイル６は約０．４ｋＮの駆動力で、スプリング５による付勢力は０．０８ｋＮとされていた。
【００２５】
このように、圧縮空気の圧力を駆動力とすることにより、従来より約９倍の駆動力および付勢力が得られることが分かる。そして、燃料ガス中に５μｍ程度の粒径の異物が混入していた場合に、従来は完全に燃料ガス供給孔１２を閉鎖させることができなかったが、付勢力が大きくなったことにより、５μｍ程度の粒径の異物を押し潰すことができる。
【００２６】
上述したように、燃料ガス制御機構１０は燃料ガス調整弁１３の駆動力として圧縮空気の圧力を用た構成されているので、ソレノイドコイル６より大きな駆動力で燃料ガス調整弁１３を駆動させることができると共に、スプリング１７による燃料ガス調整弁１３の付勢力を大きくすることができる。燃料ガス調整弁１３の付勢力を大きく設定できることで、燃料ガス中に微細な異物が混入されていた場合においても、完全に燃料ガス供給孔１２を閉鎖することができる。
【００２７】
また、燃料ガス制御機構１０に用いられる圧縮空気は、ガスエンジン５０の始動時に用いられる操縦空気を用いることができ、燃料ガス制御機構１０専用に圧縮空気を備蓄する必要がないので、低コストで燃料ガス制御機構１０を構成することができる。これにより、適正に燃料ガスを燃焼室に供給することのできる燃料ガス制御機構１０を低コストで構成することができる。
【００２８】
また、燃焼室に燃料ガスが適正に供給されることにより、ガスエンジン５０の出力効率を向上させることができると共に、耐久性を向上させることができる。さらに、燃焼室内における燃料ガスの燃焼が最適に行われるので、ガスエンジン５０の安全性を向上させることができる。また、燃料ガス中の微細異物の除去作業が不要なガスエンジン５０を構成することができる。
【００２９】
なお、本実施の形態においては、付勢手段としてスプリング１７を用いて説明を行ったが、スプリング１７以外の付勢手段で燃料ガス調整弁１３を付勢してもよい。また、電磁バルブ２４に三方弁を用いて加圧室２０への圧縮空気の流入および流出を制御する構成としたが、圧縮空気の流入用および流出用にそれぞれ電磁バルブを設置して圧縮空気を制御する構成としてもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料ガス制御機構によれば、作動流体の圧力を駆動力とする流体圧シリンダを用いて燃料ガス調整弁を開閉する構成とされているので、ソレノイドコイルによる駆動力より強力な駆動力を得ることができ、燃料ガス調整弁の付勢力をより大きくすることができる。これにより、燃料ガスに微細な異物が混入していても確実に燃料ガス供給路の閉塞を行うことができる。また、内燃機関の操縦に用いられる圧縮空気を作動流体として用いるので、低コストで燃料ガス制御機構を構成することができる。
【００３１】
また、本発明の内燃機関によれば、上記燃料ガス制御機構を備えた燃料ガス供給装置が用いられて構成されており、確実に燃料ガス供給路の閉塞を行うことができるので、燃料ガスの供給量が最適に制御され、内燃機関の出力効率を向上させることができると共に、耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における燃料ガス制御機構を示す概略断面図で、図１（ａ）が閉弁状態で、図１（ｂ）が開弁状態である。
【図２】本発明の一実施形態におけるガスエンジンの概略側面図である。
【図３】図２におけるガスエンジンのＡ矢視図である。
【図４】従来の燃料ガス制御機構を示す概略断面図である。
【符号の説明】
９　燃料ガス供給路
１０　燃料ガス制御機構
１１　エアシリンダ（流体圧シリンダ）
１２　燃料ガス供給孔
１３　燃料ガス調整弁
１７　スプリング（付勢手段）
２４　電磁バルブ（作動流体調整弁）
５０　ガスエンジン（内燃機関）
５２　燃料ガス供給装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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