(57)【要約】【課題】  本発明は、主燃料ＭＦからなる混合気ＭＧを圧縮した燃焼室１において、燃料噴射弁２５から副燃料ＳＦを噴射して自己着火燃焼させることで混合気ＭＧを着火させる噴射着火運転を行うエンジン１００に関し、その目的は、簡単な構成により、エンジン１００の運転を継続した状態で燃料噴射弁２５の噴孔２５ａの詰まり状態を解消することができる技術を提供する点にある。【解決手段】  噴孔２５ａが付着物により詰まっている詰まり状態を判定する詰まり状態判定手段４２と、詰まり状態判定手段４２で詰まり状態を判定したときに、燃料噴射弁２５に供給される副燃料ＳＦに詰まり状態を解消するための添加剤Ｒを添加する添加手段５５を備えた。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主燃料と酸素含有ガスとの混合気を圧縮した燃焼室において、燃料噴射弁から副燃料を噴射して自己着火燃焼させることで前記混合気を着火させる噴射着火運転を行うエンジンであって、
前記燃料噴射弁に供給される副燃料に前記詰まり状態を解消するための添加剤を添加可能な添加手段を備えたエンジン。
【請求項２】
前記燃料噴射弁の噴孔が付着物により詰まっている詰まり状態を判定する詰まり状態判定手段を備え、
前記添加手段が、前記詰まり状態判定手段で詰まり状態を判定したときに、前記副燃料に前記添加剤を添加するように構成されている請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記詰まり状態判定手段が、前記燃料噴射弁による副燃料の噴射量に基づいて前記詰まり状態を判定するように構成されている請求項２に記載のエンジン。
【請求項４】
前記添加剤が水である請求項１から３の何れか１項に記載のエンジン。
【請求項５】
前記燃焼室として、シリンダ内に形成された主室と、シリンダヘッド内に形成され前記主室に連通する副室とを備え、
前記燃料噴射弁が前記副室に配置されている請求項１から４の何れか１項に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主燃料と酸素含有ガスとの混合気を圧縮した燃焼室において、燃料噴射弁から副燃料を噴射して自己着火燃焼させることで前記混合気を着火させる噴射着火運転を行うエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
天然ガスなどの主燃料と空気（酸素含有ガス）との混合気を圧縮した燃焼室において、燃料噴射弁から軽油や灯油などの副燃料を噴射して自己着火燃焼させることで該混合気を着火させる噴射着火運転を行うエンジン（上記副燃料を着火用パイロット燃料と呼ぶ場合があることから、このようなエンジンをパイロット着火エンジンと呼ぶ場合がある。）が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
また、このようなエンジンは、上記噴射着火運転において、主燃料からなる混合気の着火のために燃料噴射弁により副燃料を噴射して自己着火させるので、副燃料の噴射量の総熱量に対する熱量比が数％と微量である点でディーゼルエンジンとは異なる。
【０００３】
上記のようなエンジンでは、主燃料からなる混合気を副燃料の自己着火燃焼により発生する熱エネルギにより安定して着火させることができるので、燃焼室における平均有効圧を高めて高効率化を図ることができ、更には、上記主燃料からなる混合気を比較的低当量比で安定して希薄燃焼させることができるので、低ＮＯｘ化を図ることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−６４８３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１のエンジンでは、例えば噴射着火運転を長時間行うと、副燃料の噴射量が微量であることから、燃料噴射弁の噴孔を通過する副燃料の貫通力が小さく且つ副燃料によるノズルチップの冷却効果も小さいため、燃料噴射弁の噴孔内に液体燃料が炭化して堆積してしまい、この炭化物等の付着物による噴孔の詰まりが発生し易い状況にあった。また、噴孔の詰まりが発生すると、副燃料の噴射量の低下により失火更にはエンジンストール等の問題が発生するので、定期的なメンテナンスにおいて、人手によりその詰まりの原因となる付着物を除去する必要があった。
【０００６】
従って、本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、所謂パイロット着火エンジンにおいて、簡単な構成により、エンジンの運転を継続した状態で燃料噴射弁の噴孔の詰まり状態を解消することができる技術を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明に係るエンジンは、主燃料と酸素含有ガスとの混合気を圧縮した燃焼室において、燃料噴射弁から副燃料を噴射して自己着火燃焼させることで前記混合気を着火させる噴射着火運転を行うエンジンであって、その第１特徴構成は、前記燃料噴射弁に供給される副燃料に前記詰まり状態を解消するための添加剤を添加可能な添加手段を備えた点にある。
【０００８】
上記第１特徴構成によれば、上記添加手段により燃料噴射弁に供給される副燃料に上記添加剤を添加することで、燃料噴射弁による副燃料の噴射を継続して噴射着火運転を継続しながら、添加剤自身の作用により燃料噴射弁の噴孔に付着した炭化物等を除去し、更には、燃料噴射弁が一定量の副燃料を噴射するために添加剤の添加に伴って噴射量を増加させることにより、燃料噴射弁による噴射力により上記付着物を吹き飛ばして除去することができ、燃料噴射弁の噴孔の詰まり状態を解消することができる。
【０００９】
本発明に係るエンジンの第２特徴構成は、前記燃料噴射弁の噴孔が付着物により詰まっている詰まり状態を判定する詰まり状態判定手段を備え、
前記添加手段が、前記詰まり状態判定手段で詰まり状態を判定したときに、前記副燃料に前記添加剤を添加するように構成されている点にある。
【００１０】
上記第２特徴構成によれば、上記詰まり状態判定手段により燃料噴射弁が詰まり状態となったことを判定した場合には、上記添加手段による副燃料への添加剤の添加を行って、燃料噴射弁の噴孔の詰まり状態を解消し、上記詰まり状態判定手段により燃料噴射弁の詰まり状態が解消されたと判定した場合には、上記添加手段による副燃料への添加剤の添加を行わずに、添加剤の消費を節約し、更に、副燃料の添加剤による燃焼効率の低下を抑制することができる。
【００１１】
本発明に係るエンジンの第３特徴構成は、前記詰まり状態判定手段が、前記燃料噴射弁による副燃料の噴射量に基づいて前記詰まり状態を判定するように構成されている点にある。
【００１２】
上記第３特徴構成によれば、上記詰まり状態判定手段は、燃料噴射弁の噴孔に付着する付着物の量に起因して変化する燃料噴射弁の副燃料の噴射量に基づいて、その噴射量が閾値以下に低下したときに、上記詰まり状態と判定するという簡単な構成により実現することができる。
【００１３】
上記目的を達成するための本発明に係るエンジンの第４特徴構成は、前記添加剤が水である点にある。
【００１４】
上記第４特徴構成によれば、上記添加手段により燃料噴射弁に噴射する副燃料に添加剤として水を添加することで、燃料噴射弁により副燃料と共に噴射された水の顕熱及び潜熱により燃料噴射弁の噴孔を良好に冷却することができ、付着物が付着しにくくすることができる。また、その水は燃焼室に蓄積されずに排ガスと共に良好に排出されるので、水の添加量を副燃料と同等程度と多くすることで、燃料噴射弁の副燃料と水との混合物の噴射量が大きくなり、噴孔の付着物をその混合物の噴射力により吹き飛ばして良好に除去することができる。
【００１５】
本発明に係るエンジンの第５特徴構成は、前記燃焼室として、シリンダ内に形成された主室と、シリンダヘッド内に形成され前記主室に連通する副室とを備え、
前記燃料噴射弁が前記副室に配置されている点にある。
【００１６】
上記第５特徴構成によれば、燃焼室として上記主室と上記副室とを設け、その副室に燃料噴射弁を配置することで、副室に噴射された副燃料を燃焼室全体に拡散することを抑制しながら副室において良好に自己着火燃焼させることができ、その自己着火燃焼により発生する火炎ジェットを主室に噴出させることで主室の例えば低当量比の混合気を良好に着火させることができる。
そして、このようなエンジンにおいても、詰まり状態判定手段と添加手段とを備えることで、エンジンの運転を継続した状態で副室に設けられた燃料噴射弁の噴孔の詰まり状態を解消することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施の形態について、図１〜図３に基づいて説明する。
エンジン１００は、ピストン２と、ピストン２を収容するシリンダ３とを備え、ピストン２をシリンダ３内で往復運動させると共に、吸気弁４及び排気弁５を開閉動作させて、シリンダ３内に形成された燃焼室１において吸気、圧縮、燃焼・膨張、排気の諸行程を行い、ピストン２の往復動をクランク軸１７の回転運動として出力されるものであり、このような構成は、通常の４ストローク内燃機関と変わるところはない。
【００１８】
このエンジン１００は、メタンを主成分とする天然ガスである主燃料ＭＦと空気との混合気ＭＧを吸気路６に形成し、吸気行程において吸気弁４を開状態として吸気路６からその混合気ＭＧを燃焼室１に吸気して、圧縮行程において排気弁５を閉状態としてその吸気した混合気ＭＧを圧縮し、燃焼・膨張行程においてその圧縮した混合気を着火して燃焼させ、排気行程において排気弁５を開状態として燃焼後の排ガスを排気路７に排出する。
尚、混合気ＭＧの当量比は、１未満、好ましくは０．５以上０．７以下の範囲内程度に設定される。
【００１９】
燃焼室１には、上記吸気路６から吸気される主燃料ＭＦとは異なり、主燃料ＭＦよりも着火性に優れた液体燃料である軽油や灯油などの副燃料ＳＦを、圧縮行程終了時に燃焼室１に高圧噴射して自己着火させる燃料噴射弁２５が設けられている。
【００２０】
この燃料噴射弁２５は、一般的なディーゼルエンジンなどで用いられている例えばコモンレール方式の燃料噴射機構と同様の構成を採用することができ、高圧縮された状態で供給された副燃料ＳＦを燃焼室１に噴射するように構成される。
【００２１】
しかし、そのディーゼルエンジン用の燃料噴射機構は高圧噴射した液体燃料を拡散燃焼させることによりピストンを押し下げるために比較的多くの液体燃料を噴射する点と比較して、この燃料噴射弁２５は、副燃料ＳＦの噴射量が微量である点で相違する。
【００２２】
即ち、本実施形態のエンジン１００では、圧縮行程終了時において、燃料噴射弁２５から燃焼室１に微量の副燃料ＳＦを高圧噴射して自己着火燃焼させることにより、燃焼・膨張行程において、その副燃料ＭＦの自己着火燃焼により発生した熱エネルギによって吸気路６から吸気された混合気ＭＧが安定して着火されて燃焼し、その燃焼によりピストン２が押し下げられて、運転が継続されるのである。
【００２３】
尚、燃料噴射弁２５による副燃料ＳＦの噴射量は、主燃料ＭＦと副燃料ＳＦとの熱量の合計に対する熱量比で０．２％以上５％以下の範囲内好ましくは１％以下の範囲内とされる。
即ち、副燃料ＳＦの噴射量の総熱量に対する熱量比を０．２％よりも小さくすると、その自己着火燃焼により発生する熱量が小さすぎて混合気ＭＧを安定して着火させることができずに失火が発生する場合があり、一方５％よりも大きくすると、その自己着火燃焼により発生する熱量が大きすぎて燃焼室１の最高圧力が過剰に大きくなりノッキング等が発生する場合があり、更に、主燃料ＭＦに対する副燃料ＳＦの消費量が大きくなるから、副燃料ＳＦを貯留しておくタンクなどの大型化により装置の大型化を招いてしまう。
また、副燃料ＳＦの噴射量の総熱量に対する熱量比を１％以下とすることで、上記のような失火及びノッキングを回避しながら、一層の小型化を図ることができる。
【００２４】
そして、エンジン１００は、上記のような構成を採用することにより、主燃料ＭＦとして天然ガス等を用いた当量比０.５〜０.７の混合気ＭＧを、燃料噴射弁２５から高圧噴射された微量の副燃料ＭＦの自己着火燃焼により安定して着火させることができるので、燃焼室１における図示平均有効圧力を高くして、高出力且つ高効率化を図ることができる。
【００２５】
また、燃料噴射弁２５への副燃料ＳＦを供給する副燃料供給手段５０について説明を加えると、副燃料ＳＦは、副燃料タンク５３に貯留されており、その副燃料タンク５３に貯留されている副燃料ＳＦが、副燃料供給路５４において、クランク軸１７の回転動力を利用して駆動する燃料ポンプ５１により高圧縮され、燃料噴射弁２５に供給される。
また、燃料噴射弁２５による副燃料ＳＦの噴射量は、燃料噴射弁２５自身の作動を調整することにより調整される。尚、この燃料噴射弁２５における噴射量は、副燃料供給路５４に設けたガバナを調整して、燃料噴射弁２５へ供給される副燃料ＳＦの圧力を調整することでも調整することができる。
また、副燃料供給路５４には、副燃料ＳＦの流量を計測する流量計５２が設けられている。
【００２６】
また、本実施形態のエンジン１００は、燃焼室１として、シリンダ３の内面とピストン２の頂面とシリンダヘッド９の下面とで規定される主室１１と、シリンダヘッド９の中央部（シリンダ３の軸心に沿った部分）に設けられた副室口金２０内に形成された副室２１とが設けられ、この主室１１と副室２１とは、上記副室口金２０の主室１１への突出部に形成された連通孔２２を介して連通する。尚、上記副室２１の容積比は、燃焼室１全体の２％以上２０％以下程度が好ましい。
【００２７】
更に、ピストン２の頂面の中央部には、ピストン２が上死点に位置するときに、主室１１に突出する上記副室口金２０を囲う形態で凹部２ａが形成されており、凹部２ａにより、圧縮行程においてピストン２が上昇するときに、ピストン２の頂面外周部から凹部２ａの中心部に流れるスキッシュが発生する。
【００２８】
更に、燃料噴射弁２５は、上記副室口金２０の上方に設けられて、副室２１に副燃料ＳＦを高圧噴射するように構成されている。
【００２９】
即ち、このエンジン１００は、上記のような構成を採用することにより、主室１１に吸気された混合気ＭＧをピストン２の上昇により圧縮して、圧縮された混合気ＭＧを主室１１に開口する連通孔２２を介して副室２１に流入させ、副室２１において圧縮された混合気ＭＧに燃料噴射弁２５により副燃料ＳＦを噴射して自己着火燃焼させることで火炎を形成し、その火炎を副室２１から連通孔２２を介して主室１１に火炎ジェットＦＪとして噴射して、この火炎ジェットＦＪにより主室１１の混合気ＭＧを着火させて燃焼させる所謂噴射着火運転を行うように構成されている。
【００３０】
エンジン１００には、コンピュータからなるエンジン・コントロール・ユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ。）４０が設けられ、このＥＣＵ４０は、クランク軸１７の回転角度を測定するクランク角センサ１６の検出結果によりエンジン回転数を監視しながら、そのエンジン回転数が所望の目標回転数範囲内に設定するように、吸気路６に設けられたスロットルバルブ１５の開度調整により燃焼室１への混合気ＭＧの吸気量を調整するエンジン回転数設定手段４１として機能するように構成されている。
【００３１】
エンジン１００は、図２に示すように、燃料噴射弁２５が燃焼室１の中央部に配置され、複数具体的には２個の点火プラグ３０が燃焼室１の中央部を中心に対称配置されており、更に、燃料噴射弁２５は副室２１に配置され、複数の点火プラグ３０は主室１１に配置されている。また、これら点火プラグ３０は、例えば起動運転時や無負荷運転時等の燃焼室１において副燃料ＳＦの自己着火や混合気ＭＧの着火が安定していないときに、ＥＣＵ４０により作動されて、主室１１に吸気された混合気ＭＧを安定して火花点火して燃焼させるものである。
【００３２】
エンジン１００には、燃料噴射弁２５による副燃料ＳＦの噴射量は微量であるため、燃料噴射弁２５の噴孔２５ａに液体燃料が滞留して炭化し、その炭化物等の付着物により燃料噴射弁２５の噴孔２５ａが詰まりやすい状態となる。
【００３３】
そこで、ＥＣＵ４０は、その燃料噴射弁２５の噴孔２５ａが付着物により詰まっている詰まり状態を判定する詰まり状態判定手段４２として機能し、更に、エンジン１００の副燃料供給手段５０には、詰まり状態判定手段４２で詰まり状態を判定したときに、燃料噴射弁２５に供給される副燃料ＳＦに詰まり状態を解消するための添加剤Ｒを添加する添加手段５５が設けられている。
【００３４】
詳しくは、上記詰まり状態判定手段４２は、副燃料供給路５４に設けられた流量計５２により計測される副燃料ＳＦの流量から、その流量をエンジン回転数により認識可能な単位時間あたりのサイクル数で割ることにより、１サイクルあたりに燃料噴射弁２５が噴射する副燃料ＳＦの量である副燃料噴射量を認識する。そして、このように認識した燃料噴射弁２５の副燃料噴射量が詰まり状態となっていないときの適切な噴射量ではなく、所定の閾値以下に低下している場合に、燃料噴射弁２５の噴孔２５ａが詰まり状態であると判定する。
【００３５】
一方、添加手段５５は、上記添加剤Ｒを貯留する添加剤タンク５６、その添加剤Ｒを副燃料供給路５４の流量計５２よりも上流側に副燃料ＳＦに対して所定の割合で混入させる供給路５７、及び、その添加剤Ｒの副燃料ＳＦへの供給を断続可能な供給弁５８により構成されている。
そして、ＥＣＵ４０は、上記詰まり状態判定手段４２で詰まり状態であると判定したときに、添加手段５５における供給弁５８を開状態として副燃料ＳＦに添加剤Ｒを所定の割合で添加するように構成されており、更に、この添加剤Ｒの混入により燃料噴射弁２５から噴射される副燃料ＳＦの熱量が変化しないように、燃料噴射弁２５の噴射量を上記添加割合に応じて増加させる。
【００３６】
すると、燃料噴射弁２５の噴孔２５ａにおいては、上記添加剤Ｒ自身による作用及び噴射量の増加による作用により、炭化物等の付着物が除去され、詰まり状態が解消されることになり、燃料噴射弁２５の副燃料噴射量を適切なものとすることができる。
また、ＥＣＵ４０は、詰まり状態判定手段４２により詰まり状態が解消されたと判定した場合に、添加手段５５における供給弁５８を閉状態として副燃料ＳＦへの添加剤Ｒの混入を停止すると共に、燃料噴射弁２５の噴射量を通常の量に低下させる。
【００３７】
また、上記添加剤Ｒとしては、水を用いることができ、燃料噴射弁２５に添加剤Ｒとしての水と副燃料ＳＦとのエマルジョン燃料を供給するように構成することができる。例えば、副燃料ＳＦとして軽油を用いる場合には、例えば、副燃料ＳＦに対する添加剤Ｒとしての水の混入割合を等量程度とすることができる。また、このように、付着物除去運転において副燃料ＳＦと等量の水を混入させることにより、燃料噴射弁２５の噴孔２５ａは良好に冷却されて炭化物が付着しにくくなり、更に、燃料噴射弁２５の噴射量は２倍となるので、噴孔２５ａの付着物がその混合物の噴出力により良好に吹き飛ばされて除去される。
【００３８】
〔別実施形態〕
（１）上記実施の形態では、詰まり状態判定手段４２を、燃料噴射弁２５の副燃料噴射量に基づいて詰まり状態を判定するように構成したが、例えば、エンジン負荷の変動率に基づいて詰まり状態を判定するなど、別の構成を採用しても構わない。
例えば、エンジン負荷の変動率に基づいて詰まり状態を判定する場合には、所定の許容時間の間継続して、エンジン負荷の変動率が所定の閾値以上に上昇している場合に、燃料噴射弁２５の噴孔２５ａの詰まりによりエンジン負荷の変動率が上昇していると判断して、詰まり状態を判定することができる。
【００３９】
（２）上記実施の形態では、上記添加剤Ｒとして水を用いたが、別に、添加剤Ｒとしては、水以外のものを用いても構わない。例えば、添加剤Ｒとしては、中性塩タイプのカルシウムスルフォネートなどの潤滑油用の清浄添加剤や、硫化オレフィンなどの極圧添加剤等を用いることができ、このような添加剤Ｒは、副燃料ＳＦに対して数ｗｔ％程度添加することが好ましい。
【００４０】
（３）上記実施の形態では、燃料噴射弁２５を燃焼室１の中央部に配置された副室２１に配置し、更に、点火プラグ３０を燃焼室１としての主室１１の中央部を中心に対称配置したが、上記燃料噴射弁２５及び点火プラグ３０の配置は適宜改変可能である。
また、点火プラグ３０は設けなくても構わない。
【００４１】
（４）上記実施の形態では、燃焼室１として主室１１及び副室２１を設けたが、別に、副室２１を設けることなく、主室１１のみで燃焼室１を構成しても構わない。
【００４２】
（５）上記実施の形態では、主燃料ＭＦとして天然ガスを、副燃料ＳＦとして軽油や灯油を用いたが、別に、主燃料ＭＦ及び副燃料ＳＦは適宜改変可能である。尚、特に、副燃料ＳＦについては、燃焼室１に高圧状態で噴射して自己着火させるので、着火性に優れた液体燃料を利用することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】エンジンの燃焼室部分の側断面及び概略構成を示す図
【図２】エンジンの燃焼室部分の側断面図
【図３】エンジンの燃焼室部分の平断面図
【符号の説明】
【００４４】
１：燃焼室
１１：主室（燃焼室）
１５：スロットルバルブ
１６：クランク角センサ
２１：副室（燃焼室）
２２：連通孔
２５：燃料噴射弁
２５ａ：噴孔
３０：点火プラグ
４０：エンジン・コントロール・ユニット（ＥＣＵ）
４１：エンジン回転数設定手段
４２：詰まり状態判定手段
５０：副燃料供給手段
５５：添加手段
１００：エンジン
ＭＦ：主燃料
ＳＦ：副燃料
ＭＧ：混合気
Ｒ：添加剤
【図１】
2005291066.tif 000003
【図２】
2005291066.tif 000004
【図３】
2005291066.tif 000005