(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無過給式でかつ空気と燃料とをミキサで混合せずに吸気ポート（１１）へ供給し、セルモータにより始動するガス機関において、
前記吸気ポート（１１）に連通する燃料ガス供給通路（２）に、上流側から順にレギュレータ（１）と調整バルブ（５）とを設け、
前記レギュレータ（１１）に圧力バランスライン（３）を接続すると共に、該圧力バランスライン（３）を、切換バルブ（６，７）により、前記吸気ポート（１１）内と大気とに、切り換え自在に連通するように構成し、
吸気行程における吸気ポート（１１）内に発生する負圧を利用して吸気ポート（１１）内へ燃料ガス供給通路（２）から燃料ガスを供給するようにし、
セルモータ始動時には、前記切換バルブ（６，７）の切り換えにより、圧力バランスライン（３）を吸気ポート（１１）内に連通させ、吸気ポート（１１）内の圧力を基準として前記レギュレータ（１）による燃料ガスの圧力調整を行い、
始動後、機関回転数が所定回転数に達すると、前記切換バルブ（６，７）の切り換えにより、圧力バランスライン（３）を大気に連通させ、大気圧を基準として前記レギュレータ（１）による燃料ガスの圧力調整を行うようにしたことを特徴とするガス機関の燃料供給装置。
【請求項２】
機関回転数検出手段を設け、前記機関回転数検出手段により検出された機関回転数が予め設定した所定範囲内に維持されているか否かを判定する判定手段を設け、前記機関回転数が所定範囲内に収束するように１サイクル当たりの前記燃料ガスの供給期間を調整する調整手段を備えた請求項１に記載のガス機関の燃料供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無過給式でかつ空気と燃料とをミキサで混合せずに吸気ポートへ供給するガス機関の燃料供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガス機関には、吸気ポートへ高圧の燃料ガスを噴射するポートインジェクション方式のものが存在する。しかし、燃料ガスを高圧で噴射するにはガスコンプレッサが必要となり、ガスコンプレッサを動作させるための電力がガス機関全体の効率の低下を招く。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明では、無過給式のガス機関においてガスコンプレッサを使用することなく燃料ガスを吸気ポートへ供給可能なガス機関の燃料供給装置を提供することを課題としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１の発明では、無過給式でかつ空気と燃料とをミキサで混合せずに吸気ポート１１へ供給し、セルモータにより始動するガス機関において、
前記吸気ポート１１に連通する燃料ガス供給通路２に、上流側から順にレギュレータ１と調整バルブ５とを設け、前記レギュレータ１１に圧力バランスライン３を接続すると共に、該圧力バランスライン３を、切換バルブ６，７により、前記吸気ポート１１内と大気とに、切り換え自在に連通するように構成し、吸気行程における吸気ポート１１内に発生する負圧を利用して吸気ポート１１内へ燃料ガス供給通路２から燃料ガスを供給するようにし、セルモータ始動時には、前記切換バルブ６，７の切り換えにより、圧力バランスライン３を吸気ポート１１内に連通させ、吸気ポート１１内の圧力を基準として前記レギュレータ１による燃料ガスの圧力調整を行い、始動後、機関回転数が所定回転数に達すると、前記切換バルブ６，７の切り換えにより、圧力バランスライン３を大気に連通させ、大気圧を基準として前記レギュレータ１による燃料ガスの圧力調整を行うようにした。
請求項２の発明では請求項１の発明において、機関回転数検出手段を設け、前記機関回転数検出手段により検出された機関回転数が予め設定した所定範囲内に維持されているか否かを判定する判定手段を設け、前記機関回転数が所定範囲内に収束するように１サイクル当たりの前記燃料ガスの供給期間を調整する調整手段を備えた。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１は、請求項１〜３の発明を実施したガス機関１００の外観略図である。燃焼室（図示せず）と連通する吸気ポート１１には、途中にレギュレータ１とバルブ５とを備えた燃料ガス供給管２が接続されている。また、吸気ポート１１にはエアクリーナ９とスロットル１０とを備えた空気供給管８が接続されている。
【０００６】
燃料ガスは、レギュレータ１により２ＫＰａ（キロパスカル）程度から数十Ｐａ（パスカル）程度までに調圧されている。バルブ５はドライバ１２により開閉駆動され、燃料ガス供給管２の図示しないノズル（低圧ポートインジェクション）から吸気ポート１１内への燃料ガスの供給を可能にし、かつ供給の遮断を可能にしている。空気はエアクリーナ９で清浄化され、スロットル１０の開度に応じた量の空気が空気供給管８から吸気ポート１１内に供給されるようになっている。
【０００７】
ガス機関１００は図示しないセルモータにより始動され、機関回転数は２００ｒ．ｐ．ｍ．程度まで向上し、その際の吸気行程における吸気ポート内の空気圧は、燃料ガス供給管２内の燃料ガスの圧力よりも低く（負圧に）なる。レギュレータ１は、このときの両者の圧力差が数百ｍｍａｑとなるように燃料ガスの圧力を調圧する。
【０００８】
図１に示すように、レギュレータ１と吸気ポート１１は圧力バランスライン３で接続されている。圧力バランスライン３には途中にバルブ６を備えた分岐管４が接続されており、圧力バランスライン３の分岐管４との接続部よりも下流側にはバルブ７が設けてある。このバルブ６とバルブ７（切換手段）とを開閉することにより圧力バランスライン３を吸気ポート１１内、又は大気と連通させることができる。
【０００９】
始動時は、吸気ポート１１内の圧力はほぼ大気圧となっており、機関回転数が高くなるにつれて吸気行程における吸気ポート１１内の圧力は上昇し、機関回転数が定格回転数に達っすると所定範囲の圧力に収まる。
【００１０】
そこで、始動時には、バルブ６を閉じかつバルブ７を開き、圧力バランスライン３を吸気ポート１１内と連通させ、レギュレータ１は吸気ポート１１内の圧力を基準として燃料ガスの供給圧力を調整する。
【００１１】
機関回転数が例えば２００ｒ．ｐ．ｍ．程度となり、燃料ガス供給管２と吸気ポート１１との圧力差が前述の数百ｍｍａｑ程度確保されるとバルブ７を閉じかつバルブ６を開き、圧力バランスライン３を大気と連通させて大気圧を基準に燃料ガスの供給圧力を調整する。
【００１２】
図１に示すようにガス機関１００には機関回転数検出センサ１４（機関回転数検出手段）が設けてある。機関回転数検出センサ１４は、検出した信号を信号線１５，１６を介してＥＣＵ１３（判定手段）へ伝送する。
【００１３】
ＥＣＵ１３は、燃料ガス供給管２内の燃料ガスの圧力と吸気ポート１１内の圧力の差の許容範囲を記憶したメモリ（図示せず）を内蔵しており、伝送された信号による燃料ガス供給管２内の燃料ガスの圧力と吸気ポート１１内の圧力の差が、メモリに記憶された予め設定した所定範囲（許容範囲）内であるか否かを判定する。
【００１４】
仮に、許容範囲内に収まっていれば、そのままガス機関１００の運転は継続し、また、許容範囲内に収まっていなければ、ＥＣＵ１３は信号線１７を介してドライバ１２へ制御信号を送り、バルブ５（調整手段）を開閉操作する。
【００１５】
機関回転数が許容範囲を超えるほど大きければ、１サイクル当たりのバルブ５の開時間が短くなるように設定し、吸気ポート１１への燃料ガスの供給量を低減する。逆に機関回転数が許容範囲に満たないほど小さければ、１サイクル当たりのバルブ５の開時間が長くなるように設定し、吸気ポート１１への燃料ガスの供給量を増やす。
【００１６】
図２は、吸気ポート１１付近の系統略図である。燃料ガス供給管２の先端にはノズル２５が設けてある。ノズル２５は、空気流１８の下流方向に燃料ガス供給口２８を向けた状態で燃料ガス供給管２に接続され、吸気ポート１１内に突出した状態で設置されている。
【００１７】
図２に示すようにノズル２５が吸気ポート１１内に突出しかつ燃料ガス供給口２８（先端部）を空気流１８の下流方向に向けて設けられていると、空気流１８によりノズル２５の先端部近傍の空間に負圧が生じ、燃料ガス１９を吸気ポート１１内に供給し易くなる。
【００１８】
吸気行程ではピストン２３が燃焼室２４の容積を広げる方向に動き、シリンダヘッド２０，シリンダライナ２２及びピストン２３の頂面等で形成された燃焼室２４には、開いた吸気弁２１を通過して空気流１８と混合した燃料ガス１９が供給される。
【００１９】
図３は、図１，図２とは別の始動時における吸気ポート１１への燃料ガスの供給経路を示す系統略図である。図３に示すように、燃料ガス供給管２とスロットル１０よりも上流側の空気供給管８とがバイパス管２６で連通させてある。バイパス管２６の途中にはバルブ２７が設けてあり、始動時にはバルブ２７を開き、燃料ガスを空気供給管８からスロットル１０を介して吸気ポート１１内に供給することもできる。
【００２０】
図４は、本発明（請求項１〜３のいずれかの発明）を実施したガス機関における燃料ガス供給管２内の燃料ガスの圧力及び吸気ポート１１内の圧力と、出力の関係を示すグラフである。また、図５は過給式のガス機関（ちなみに、本発明のガス機関１００は無過給式）において、燃料ガスを給気ポート内に高圧で噴射する際の燃料ガスの圧力及び給気ポート内の圧力と、出力の関係を示すグラフである。
【００２１】
図５に示すように、燃料ガスが高圧で給気ポート内に供給される場合には、出力が向上して差圧が小さくなっても、その差圧の変化量の割合は比較的小さく、給気ポート内への燃料ガスの供給にほとんど影響を与えない。しかし図４に示すように、本発明においては、燃料ガスは高圧噴射ではなく、わずかな差圧により吸気ポート内へ供給するようにすると、出力の向上に伴って変化する差圧の変化量の割合が大きくなり、吸気ポートへの燃料ガスの供給に無視できない影響を及ぼす恐れがある。
【００２２】
そこで、機関回転数検出センサ１４により機関回転数を検出し、１サイクル当たりの燃料ガスの供給量が適量となるように１サイクル当たりのバルブ５の開時間を調整する。その結果、容易に出力を一定に維持することが可能となる。
【００２３】
図６は、本発明を実施したガス機関１００と従来から実施されているベンチュリミキサ方式のガス機関における同一出力時のスロットル開度と点火時期の関係を示すグラフである。図６に示すように、本発明を実施したガス機関１００の方がベンチュリミキサ方式のガス機関よりも点火時期によらず常にスロットル開度が小さくなっている。
【００２４】
スロットル開度が大きくなるほど高出力となるが、図６から本発明を実施したガス機関１００の方がベンチュリミキサ方式のガス機関よりもスロットル開度に余裕があることがわかる。
【００２５】
すなわち、ベンチュリミキサ方式のガス機関ではベンチュリ絞りのために圧力損失が発生し、出力の向上が抑制されているが、本発明を実施したガス機関１００にはベンリュリ絞りを設ける必要がない分だけスロットル開度に余裕ができたものである。
【００２６】
図７，図８は、本発明を実施したガス機関１００とベンチュリミキサ方式のガス機関の出力一定定格時における排出ＮＯＸ量と点火時期の関係を示すグラフ，熱効率と点火時期の関係を示すグラフである。さらに図９は、本発明を実施したガス機関１００とベンチュリミキサ方式のガス機関の出力一定定格時における熱効率と排出ＮＯＸ量の関係を示すグラフである。図７〜図９に示すように、本発明を実施したガス機関１００の方が熱効率が高く（３〜４ポイント程度）、かつ排出ＮＯＸ量が少ないことがわかる。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１の発明によると、吸気行程における吸気ポート１１内に発生する負圧を利用して吸気ポート１１内に燃料ガスを供給するようにしたので、従来のポートインジェクション方式のガス機関のようにガスコンプレッサを使用せず、ガスコンプレッサの駆動に要する電力が不要となるので、システム全体としての効率を向上させることができる。また、ベンチュリミキサ方式のガス機関ではベンチュリ絞りのために圧力損失が生じ出力の向上が抑制されていたが、請求項１の発明は、吸気ポート１１に直接燃料ガスを供給する方式なのでベンチュリ絞りを使用する必要がなく、最大出力を向上させることができる。
また、始動時には圧力バランスライン３を吸気ポート１１内と連通させる切換手段（バルブ６，７）を設けたので、始動時における吸気ポート１１内の圧力を基準に燃料の供給圧力を調整することができ、排気ガス中に含まれるＮＯＸ等の有害成分を低減しながら円滑にガス機関１００を始動させることができる。
【００２８】
請求項２の発明では、機関回転数検出センサ１４により機関回転数の変動を検出し、機関回転数が所定範囲内に収まるように燃料ガスの供給量を調整（バルブ５の開時間を調整）するようにしたので、スロットル開度の違いにより、単位時間当たりの吸入空気量が変動することを回避すること（つまり空気過剰率が変動することを回避すること）ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  請求項１〜３の発明を実施したガス機関の外観略図である。
【図２】  吸気ポート付近の系統略図である。
【図３】  図１，図２とは別の始動時における吸気ポートへの燃料ガスの供給経路を示す系統略図である。
【図４】  本発明（請求項１〜３のいずれかの発明）を実施したガス機関における燃料供給通路内の燃料ガスの圧力及び吸気ポート内の圧力と、出力の関係を示すグラフである。
【図５】  過給式のガス機関において、燃料ガスを給気ポート内に高圧で噴射する際の燃料ガスの圧力及び給気ポート内の圧力と、出力の関係を示すグラフである。
【図６】  本発明を実施したガス機関と従来から実施されているベンチュリミキサ方式のガス機関における同一出力時のスロットル開度と点火時期の関係を示すグラフである。
【図７】  本発明を実施したガス機関とベンチュリミキサ方式のガス機関の出力一定定格時における排出ＮＯＸ量と点火時期の関係を示すグラフである。
【図８】  本発明を実施したガス機関とベンチュリミキサ方式のガス機関の出力一定定格時における熱効率と点火時期の関係を示すグラフである。
【図９】  本発明を実施したガス機関とベンチュリミキサ方式のガス機関の出力一定定格時における熱効率と排出ＮＯＸ量の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１    レギュレータ
２    燃料ガス供給管（燃料ガス供給通路）
３    圧力バランスライン
４    分岐管
５    バルブ（調整手段）
６，７  バルブ（切換手段）
８    空気供給管
９    エアクリーナ
１０  スロットル
１１  吸気ポート
１２  ドライバ
１３  ＥＣＵ（判定手段）
１４  機関回転数検出センサ（機関回転数検出手段）
１５〜１７  信号線
１８  空気流
１９  燃料ガス流
２５  ノズル（低圧ポートインジェクタ）
２６  バイパス管
２７  バルブ
１００  ガス機関
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003897602.tif 000008
【図８】
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【図９】
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