(57)【要約】【課題】  きわめて簡単な構造かつ簡単な制御手段で以ってガス燃料を給気通路中に噴射するガス噴出通路の給気通路への出口通路面積を調整可能とし、エンジンの全運転域においてガス燃料と空気との混合を良好に保持して不安定燃焼の発生を回避したガスエンジンのガス燃料供給装置を提供する。【解決手段】  ガス噴射装置からガス燃料を給気通路中に噴射することにより形成された混合ガスを燃焼室に供給して燃焼せしめるように構成されたガスエンジンにおいて、前記ガス噴射装置は、給気通路中にガス燃料を噴射するガス噴出通路の給気通路への出口通路面積を変化せしめるガス供給通路面積調整機構及び該ガス供給通路面積調整機構を駆動する駆動装置を備えるとともに、前記ガス噴出通路におけるガス流速が一定になるようにガス供給通路面積調整機構により前記ガス噴出通路の出口通路面積を変化せしめるコントローラを備えたことを特徴とする。【選択図】    図２
2005163723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス供給通路に接続されるガス噴射装置からガス燃料を給気通路中に噴射することにより形成された混合ガスを燃焼室に供給して燃焼せしめるように構成されたガスエンジンにおいて、前記ガス噴射装置は、前記給気通路中にガス燃料を噴射するガス噴出通路の前記給気通路への出口通路面積を変化せしめるガス供給通路面積調整機構及び該ガス供給通路面積調整機構を駆動する駆動装置を備えるとともに、前記ガス噴出通路におけるガス流速が所定の流速になるように前記ガス供給通路面積調整機構により前記ガス噴出通路の出口通路面積を変化せしめるコントローラを備えたことを特徴とするガスエンジンのガス燃料供給装置。
【請求項２】
前記ガス供給通路面積調整機構は、前記給気通路に開口するガス噴出孔が形成された第１の筒体と、該第１の筒体に嵌合されて前記第１の筒体との相対移動により前記ガス噴出通路の出口通路面積を変化せしめる第２の筒体とを備え、前記第１の筒体と第２の筒体とは前記駆動装置により相対移動可能に構成されてなることを特徴とする請求項１記載のガスエンジンのガス燃料供給装置。
【請求項３】
前記ガス供給通路のガス量を調整するガス量調整弁の前後における差圧を検出する差圧検出器と、前記ガス量調整弁の開弁期間を制御するガス弁コントローラとを備え、前記コントローラは、該差圧検出器からの差圧の検出値及び前記ガス弁コントローラからのガス量調整弁開弁期間に基づき前記ガス噴出通路の出口通路面積を変化せしめて、該ガス噴出通路のガス流速を所定の流速に制御するように構成されてなることを特徴とする請求項１記載のガスエンジンのガス燃料供給装置。
【請求項４】
前記ガスエンジンにおけるエンジン出力を検出するエンジン出力検出器を備え、前記コントローラは、該エンジン出力検出器からのエンジン出力の検出値に基づき前記ガス噴出通路の出口通路面積を変化せしめて、該ガス噴出通路のガス流速を所定の流速に制御するように構成されてなることを特徴とする請求項１記載のガスエンジンのガス燃料供給装置。
【請求項５】
前記給気通路における給気圧力を検出する給気圧力検出器を備え、前記コントローラは、該給気圧力検出器からの給気圧力の検出値に基づき前記ガス噴出通路の出口通路面積を変化せしめて、該ガス噴出通路のガス流速を所定の流速に制御するように構成されてなることを特徴とする請求項１記載のガスエンジンのガス燃料供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス供給通路に接続されるガス噴射装置からガス燃料を給気通路中に噴射することにより形成された混合ガスを燃焼室に供給して燃焼せしめるように構成されたガスエンジンにおけるガス燃料供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス供給通路に接続されるガス供給装置を給気通路に設置し、該ガス供給装置からガス燃料を直接給気通路中に噴射するように構成されたガス燃料供給装置を備えた希薄燃焼ガスエンジンの１つとして、特許文献１（特開平５−１１３１４８号公報）の技術が提供されている。
かかる技術においては、給気ブロアに接続される給気通路にガスミキサーを設置し、該ガスミキサーを通過する空気中にガス供給通路からのガス燃料を噴出させて該ガス燃料と空気とを混合し、この混合ガスをエンジンの燃焼室内に供給するとともに、該ガスミキサーの空気入口に吸入空気流量調整弁を、ガスミキサーのガス燃料入口に燃料流量調整弁をそれぞれ設けている。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１１３１４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
希薄燃焼ガスエンジンにおいては、ＮＯｘ発生量を低減するため燃焼室への混合ガスを希薄化しており、このためガス燃料と空気との混合状態をエンジンの全運転域で均一に保持することが要求される。
然るに、前記特許文献１においては、ＮＯｘ量検出値を制御装置に入力し、該制御装置においてＮＯｘ量の検出値によって給気通路に設置した吸入空気流量調整弁の開度を制御することによりＮＯｘ量の低減を行っているが、ガス燃料の流量制御は行っておらず、従ってエンジンの全運転域でガス燃料と空気との混合状態を均一に保持することは困難となる。
【０００５】
また、前記特許文献１を含む従来技術においては、ガス供給装置からのガス燃料を給気通路中に噴射するガス噴出通路の給気通路への出口通路面積は、通常、一定面積に固定されている。このため、かかる従来技術にあっては、前記ガス噴出通路の出口通路面積が一定であるため、ガス流量が少ない低負荷運転時には該ガス噴出通路におけるガス流速が低下する。
即ちかかるガスエンジンにおいては、通常、該エンジンの最大出力点で前記出口通路面積を設定して所要のガス流速を確保しているため、低負荷運転時には前記ガス流速が所要のガス流速よりも低下することにより、ガスと空気との混合が悪化して不安定燃焼を発生し易い。
【０００６】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、きわめて簡単な構造かつ簡単な制御手段で以ってガス燃料を給気通路中に噴射するガス噴出通路の給気通路への出口通路面積を調整可能とし、エンジンの全運転域においてガス燃料と空気との混合を良好に保持して不安定燃焼の発生を回避したガスエンジンのガス燃料供給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】
【０００７】
本発明はかかる目的を達成するもので、ガス供給通路に接続されるガス噴射装置からガス燃料を給気通路中に噴射することにより形成された混合ガスを燃焼室に供給して燃焼せしめるように構成されたガスエンジンにおいて、前記ガス噴射装置は、前記給気通路中にガス燃料を噴射するガス噴出通路の前記給気通路への出口通路面積を変化せしめるガス供給通路面積調整機構及び該ガス供給通路面積調整機構を駆動する駆動装置を備えるとともに、前記ガス噴出通路におけるガス流速が所定の流速になるように前記ガス供給通路面積調整機構により前記ガス噴出通路の出口通路面積を変化せしめるコントローラを備えたことを特徴とする。
かかる発明において、好ましくは、前記ガス供給通路面積調整機構は、前記給気通路に開口するガス噴出孔が形成された第１の筒体と、該第１の筒体に嵌合されて前記第１の筒体との相対移動により前記ガス噴出通路の出口通路面積を変化せしめる第２の筒体とを備え、前記第１の筒体と第２の筒体とは前記駆動装置により相対移動可能に構成されてなる。
【０００８】
前記ガス噴出通路の出口通路面積は、具体的には次の３つの手段により変化せしめるのが好ましい。
（１）前記ガス供給通路のガス量を調整するガス量調整弁の前後における差圧を検出する差圧検出器と、前記ガス量調整弁の開弁期間を制御するガス弁コントローラとを備え、前記コントローラは、該差圧検出器からの差圧の検出値及び前記ガス弁コントローラからのガス量調整弁開弁期間に基づき前記ガス噴出通路の出口通路面積を変化せしめて、該ガス噴出通路のガス流速を所定の流速に制御する。
【０００９】
（２）前記ガスエンジンにおけるエンジン出力を検出するエンジン出力検出器を備え、前記コントローラは、該エンジン出力検出器からのエンジン出力の検出値に基づき前記ガス噴出通路の出口通路面積を変化せしめて、該ガス噴出通路のガス流速を所定の流速に制御する。
（３）前記給気通路における給気圧力を検出する給気圧力検出器を備え、前記コントローラは、該給気圧力検出器からの給気圧力の検出値に基づき前記ガス噴出通路の出口通路面積を変化せしめて、該ガス噴出通路のガス流速を所定の流速に制御する。
【００１０】
かかる発明によれば、ガス供給通路面積調整機構を、給気通路に開口するガス噴出孔が形成された第１の筒体と、該第１の筒体に相対移動可能に嵌合された第２の筒体との相対移動によりガス噴出通路の出口通路面積を変化せしめるように構成し、コントローラにより、ガス供給通路のガス量を調整するガス量調整弁の前後における差圧の検出値及び該ガス量調整弁開弁期間に基づき、あるいはエンジン出力の検出値に基づき、あるいは給気圧力の検出値に基づき、前記ガス噴出通路の出口通路面積を変化せしめて、該ガス噴出通路のガス流速を所定の流速に制御することが可能となる。
【００１１】
これにより、空気量の少ないエンジンの低負荷運転域ではガス供給通路の出口通路面積を小さくし、空気量が増加するエンジンの高負荷運転域では前記出口通路面積を大きくすることによって、低負荷運転域から高負荷運転域までのエンジンの全運転域で、給気通路へ噴出される燃料ガスの流速を所定の流速に制御することが可能となり、エンジンの全運転域においてガス燃料と空気との混合を良好に保持でき、不安定燃焼の発生を回避できる。
【００１２】
また、かかる発明によれば、ガス供給通路面積調整機構を給気通路に開口するガス噴出孔が形成された第１の筒体と、該第１の筒体に相対移動可能に嵌合された第２の筒体との駆動装置による相対移動によってガス噴出通路の出口通路面積を変化せしめるという、きわめて簡単な構造でかつ簡単な制御操作方法で以って、前記のように、給気通路へ噴出される燃料ガスの流速を所定の流速に制御して、エンジンの全運転域においてガス燃料と空気との混合を良好に保持し、不安定燃焼の発生を回避できる燃焼制御を行うことができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように本発明によれば、ガス供給通路面積調整機構を給気通路に開口するガス噴出孔が形成された第１の筒体と、該第１の筒体に相対移動可能に嵌合された第２の筒体との相対移動によりガス噴出通路の出口通路面積を変化せしめるという、きわめて簡単な構造でかつ簡単な制御操作方法で以って、低負荷運転域から高負荷運転域までのエンジンの全運転域で、給気通路へ噴出される燃料ガスの流速を所定の流速に制御することが可能となり、エンジンの全運転域においてガス燃料と空気との混合を良好に保持でき、不安定燃焼の発生を回避できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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１は本発明の実施例に係るガスエンジンのガス燃料供給装置の全体構成図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図で、（Ａ）はガス噴出孔の全開時、（Ｂ）はガス噴出孔の全閉時を示す。図３はガス噴出孔の出口通路面積調整手段の第１例を示し、（Ａ）は制御ブロック図、（Ｂ）はガス流量設定線図である。図４はガス噴出孔の出口通路面積調整手段の第２例を示し、（Ａ）は制御ブロック図、（Ｂ）はガス流量設定線図である。図５はガス噴出孔の出口通路面積調整手段の第３例を示し、（Ａ）は制御ブロック図、（Ｂ）はガス流量設定線図である。図６は前記実施例におけるガス流量と出口通路面積及び出口流速の設定線図である。
【００１５】
本発明の実施例に係るガス燃料供給装置の全体構成を示す図１において、１００はエンジン、１０１は該エンジン１００のピストン、１０２はシリンダ、１０３はクランク軸、１０４は燃焼室、１０５は給気通路、１０６は該給気通路１０５を開閉する給気弁、１０７は排気通路、１０８は該排気通路１０７を開閉する排気弁、１０３ａはクランク軸心である。
１は前記給気通路１０５内に挿入されたガス噴射装置を構成するガス供給管であり、詳細は後述する。２は該ガス供給管１を回転駆動する回転装置、３は該回転装置２を回転駆動するガス供給管駆動装置である。また、６は該ガス供給管１に接続されるガス主管、２０は該ガス主管のガス量を調整するガス量調整弁、２１が該ガス量調整弁２０の開閉を制御するガス弁コントローラである。
【００１６】
２２は前記ガス量調整弁２０の前後における差圧を検出する差圧センサ、１０はエンジンにおけるエンジン出力を検出するエンジン出力検出器、２３は前記給気通路１０５における給気圧力を検出する給気圧力センサ、５は後述する制御操作を行うコントローラである。
前記差圧センサ２２からの差圧の検出値、前記エンジン出力検出器１０からのエンジン出力の検出値、前記給気圧力センサ２３からの給気圧力の検出値、及び前記ガス弁コントローラ２１からのガス量調整弁２０の開弁期間の設定値は前記コントローラ５に入力される。
【００１７】
前記ガス供給管１の詳細を示す図２（Ａ）、（Ｂ）において、１２は前記給気通路１０５の周壁に固定された外筒で、好ましくは該給気通路１０５の下流側へ向けて１個のガス噴出孔１５が穿孔されている。
１１は内部にガス通路１３が形成された回転内筒で、前記外筒１２の内周に該外筒１２と相対回転可能にかつ流体密に嵌合され、回転によって前記外筒１２のガス噴出孔１５を開閉する制御ポート１４が穿孔されている。該回転内筒１１は前記回転装置２（図１参照）に直結されてたとえば図２（Ａ）、（Ｂ）のＮのように回転駆動される。１ａは回転軸心である。
【００１８】
即ち、図１及び図２において、前記前記コントローラ５により作動が制御されるガス供給管駆動装置３によって回転装置２が回転駆動され、該回転装置２に直結された前記回転内筒１１が、たとえば図２（Ａ）、（Ｂ）のＮのように回転駆動されると、該回転内筒１１に設けられた制御ポート１４が前記外筒１２のガス噴出孔１５を開閉あるいは該ガス噴出孔１５の開度を変化させるようになっている。
【００１９】
図２（Ａ）は、前記制御ポート１４とガス噴出孔１５とが完全に連通されて、該ガス噴出孔１５が全開となった場合、図２（Ｂ）は前記制御ポート１４とガス噴出孔１５との連通が完全に遮断されて、該ガス噴出孔１５が全閉となった場合を示す。前記ガス噴出孔１５の全開と全閉の中間段階では、前記回転装置２によって回転内筒１１を回転して、前記制御ポート１４とガス噴出孔１５との重なりを変化させることにより、前記ガス噴出孔１５の開度を変化せしめる。
そして、前記ガス噴出孔１５が開口されると、前記ガス通路１３内の燃料ガスが制御ポート１４及びガス噴出孔１５を通って前記給気通路１０５内に噴出され、該給気通路１０５内を流動する空気と混合され、混合ガスとなって前記給気弁１０６の開弁とともに前記燃焼室１０４に導入されて燃焼に供される。
【００２０】
次に、図３〜図５に基づきかかるガス燃料供給装置の制御操作について説明する。
先ず、図３（Ａ）、（Ｂ）に示す前記ガス噴出孔１５の出口通路面積調整手段の第１例においては、前記ガス弁コントローラ２１からのガス量調整弁２０の開弁期間の設定値及び前記差圧センサ２２からのガス弁コントローラ２１出入口間の差圧の検出値は、前記コントローラ５のガス流量算出部５１に入力される。
５２はガス流量設定部で、図３（Ｂ）に示すように、前記差圧及びガス量調整弁２０の開弁期間とガス流量、即ち前記ガス供給管１のガス噴出孔１５から給気通路１０５に噴出される混合ガスの流量との関係がマトリックス状に設定されている。該ガス流量設定部５２においては、図３（Ｂ）のように、前記差圧が大きくなり、あるいは前記ガス量調整弁２０の開弁期間が大きく（長く）なるに従いガス流量は増加するように設定されている。
【００２１】
前記ガス流量算出部５１においては、前記ガス量調整弁２０の開弁期間の設定値及びガス弁コントローラ２１出入口間の差圧の検出値に相当するガス流量を前記ガス流量設定部５２から抽出し、このガス流量選出値をガス供給管面積算出部５３に入力する。
該ガス供給管面積算出部５３においては、前記ガス流量とガス噴出孔１５の出口通路面積とガス流量との関係が、前記ガス噴出孔１５の出口流速が常に一定になるように設定されている。即ち該ガス供給管面積算出部５３においては、図６に示されるように、前記ガス供給管１におけるガス噴出孔１５の出口通路面積Ａを、ガス流量Ｇの増加に従い増加せしめることにより、前記ガス噴出孔１５の出口流速Ｖを一定にしている。
そして、該ガス供給管面積算出部５３においては、前記ガス流量算出部５１から入力されるガス流量選出値に対応する前記ガス噴出孔１５の出口通路面積Ａを算出し、ガス供給管回転角算出部５４に入力する。
【００２２】
該ガス供給管回転角算出部５４においては、前記ガス供給管面積算出部５３から入力される前記ガス噴出孔１５の出口通路面積Ａに相当する前記ガス噴出孔１５の開度になるような前記ガス供給管１における回転内筒１１の回転角を算出して、ガス供給管駆動装置３に入力する。
該ガス供給管駆動装置３は前記のようにして前記回転内筒１１を前記出口通路面積Ａに相当するガス噴出孔１５の開度になる位置まで回転駆動し、これにより、前記ガス噴出孔１５の出口通路面積Ａは、前記ガス噴出孔１５の出口流速Ｖが一定になるような面積に保持される。
【００２３】
次に、図４（Ａ）、（Ｂ）に示す前記ガス噴出孔１５の出口通路面積調整手段の第２例においては、エンジン出力検出器１０からのエンジン出力の検出値は、前記コントローラ５のガス流量算出部５１に入力される。
５２はガス流量設定部で、図４（Ｂ）に示すように、前記エンジン出力とガス流量、即ち前記ガス供給管１のガス噴出孔１５から給気通路１０５に噴出される混合ガスの流量との関係が設定されている。該ガス流量設定部５２においては、図４（Ｂ）のように、前記エンジン出力が大きくなるに従いガス流量が増加するように設定されている。
【００２４】
前記ガス流量算出部５１においては、前記エンジン出力の検出値に相当するガス流量を前記ガス流量設定部５２から抽出し、このガス流量選出値をガス供給管面積算出部５３に入力する。
以降の動作は前記第１例と同様であり、ガス供給管駆動装置３は前記回転内筒１１を前記出口通路面積Ａに相当するガス噴出孔１５の開度になる位置まで回転駆動し、これにより、前記ガス噴出孔１５の出口通路面積Ａは、前記ガス噴出孔１５の出口流速Ｖが一定になるような面積に保持される。
【００２５】
次に、図５（Ａ）、（Ｂ）に示す前記ガス噴出孔１５の出口通路面積調整手段の第３例においては、給気圧力センサ２３からの給気圧力の検出値は、前記コントローラ５のガス流量算出部５１に入力される。
５２はガス流量設定部で、図５（Ｂ）に示すように、前記給気圧力とガス流量、即ち前記ガス供給管１のガス噴出孔１５から給気通路１０５に噴出される混合ガスの流量との関係が設定されている。該ガス流量設定部５２においては、図５（Ｂ）のように、前記給気圧力が上昇するに従いガス流量が増加するように設定されている。
【００２６】
前記ガス流量算出部５１においては、前記給気圧力エンジン出力の検出値に相当するガス流量を前記ガス流量設定部５２から抽出し、このガス流量選出値をガス供給管面積算出部５３に入力する。
以降の動作は前記第１例及び第２例と同様であり、ガス供給管駆動装置３は前記回転内筒１１を前記出口通路面積Ａに相当するガス噴出孔１５の開度になる位置まで回転駆動し、これにより、前記ガス噴出孔１５の出口通路面積Ａは、前記ガス噴出孔１５の出口流速Ｖが一定になるような面積に保持される。
【００２７】
尚、前記実施例では、外筒１２と回転内筒１１とを相対回転可能に嵌合して、前記回転内筒１１を回転装置２により回転させるように構成したが、外筒１２と内筒１１とを軸線方向に相対移動可能に嵌合して、内筒１１の制御ポート１４により外筒１２の出口通路面積を変化させるように構成することもできる。
また、前記回転装置２により外筒１２を駆動し、内筒（回転内筒）１１を固定するように構成してもよい。
さらに、前記各実施例では、ガス噴出孔１５の出口流速Ｖが一定になるように出口通路面積Ａを制御したが、該出口流速Ｖの設定値を変えて当該設定出口流速Ｖのもとで前記出口通路面積Ａを制御するように構成してもよい。
【００２８】
従ってかかる実施例によれば、給気通路１０５に開口するガス噴出孔１５が形成された外筒１２と、該外筒１２に相対回転（あるいは軸線方向に相対移動）可能に嵌合されてガス供給管駆動装置３により駆動せしめられる内筒１１との相対移動によりガス噴出孔１５の出口通路面積を変化せしめるように構成し、コントローラ５により、ガス主管６のガス量を調整するガス量調整弁２０の前後における差圧の検出値及び該ガス量調整弁２０の開弁期間に基づき、あるいはエンジン出力の検出値に基づき、あるいは給気圧力の検出値に基づき、前記ガス噴出孔１５の出口通路面積を変化せしめて、該ガス噴出孔１５のガス流速を所定流速に制御することができる。
【００２９】
これにより、空気量の少ないエンジンの低負荷運転域ではガス噴出孔１５の出口通路面積を小さくし、空気量が増加するエンジンの高負荷運転域では前記出口通路面積を大きくすることによって、低負荷運転域から高負荷運転域までのエンジンの全運転域で、給気通路１０５へ噴出される燃料ガスの流速を一定に制御することが可能となり、エンジンの全運転域においてガス燃料と空気との混合を良好に保持でき、不安定燃焼の発生を回避できる。    
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明によれば、ガスエンジンにおいて、きわめて簡単な構造かつ簡単な制御手段で以ってガス燃料を給気通路中に噴射するガス噴出通路の給気通路への出口通路面積を調整可能とし、エンジンの全運転域においてガス燃料と空気との混合を良好に保持して不安定燃焼の発生を回避したガス燃料供給装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施例に係るガスエンジンのガス燃料供給装置の全体構成図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図で、（Ａ）はガス噴出孔の全開時、（Ｂ）はガス噴出孔の全閉時を示す。
【図３】ガス噴出孔の出口通路面積調整手段の第１例を示し、（Ａ）は制御ブロック図、（Ｂ）はガス流量設定線図である。
【図４】ガス噴出孔の出口通路面積調整手段の第２例を示し、（Ａ）は制御ブロック図、（Ｂ）はガス流量設定線図である。
【図５】ガス噴出孔の出口通路面積調整手段の第３例を示し、（Ａ）は制御ブロック図、（Ｂ）はガス流量設定線図である。
【図６】前記実施例におけるガス流量と出口通路面積及び出口流速の設定線図である。
【符号の説明】
【００３２】
１    ガス供給管
２    回転装置
３    ガス供給管駆動装置
５    コントローラ
１１    回転内筒
１２    外筒
１３    ガス通路
１４    制御ポート
１５    ガス噴出孔
２０    ガス量調整弁
２１    ガス弁コントローラ
２２    差圧センサ
２３    給気圧力センサ
１００    エンジン
１０１    ピストン
１０２    シリンダ
１０４    燃焼室
１０５    給気通路
１０６    給気弁
１０７    排気通路
１０８    排気弁
【図１】
2005163723.tif 000003
【図２】
2005163723.tif 000004
【図３】
2005163723.tif 000005
【図４】
2005163723.tif 000006
【図５】
2005163723.tif 000007
【図６】
2005163723.tif 000008