(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一部の冷却済み排気を給気系に導入し、空燃混合気に混合する排気再循環系を有する排気再循環式ガスエンジンにおいて、各気筒につき、点火プラグ付近に臨む点火プラグ側給気ポート３と、気筒壁面側に臨むライナ側給気ポート４とを設け、前者の点火プラグ側給気ポート３を空燃混合気のみを供給する給気系に、後者のライナ側給気ポート４を、空燃混合気と排気再循環系からの排気との混合気を供給する給気系に、それぞれ連結し、該点火プラグ側給気ポート３よりシリンダライナ２内の燃焼室に供給された給気は、シリンダヘッド１の中央付近に配設する点火プラグ７の電極付近に流れ、一方、ライナ側給気ポート４から燃焼室内への給気は、シリンダーライナ２の内壁面に沿って、燃焼室内にリング状に広がり、シリンダライナ２内の燃焼室内にて、中心部の点火プラグ側給気ポート３による給気圏と、その周囲のライナ側給気ポート４による給気圏と、二層に分かれた給気圏を形成することを特徴とする排気再循環式ガスエンジンの給気構造。
【請求項２】
一部の冷却済み排気を給気系に導入し、空燃混合気に混合する排気再循環系を有する排気再循環式ガスエンジンにおいて、各気筒につき、点火プラグ付近に臨む点火プラグ側給気ポート３と、気筒壁面側に臨むライナ側給気ポート４とを設け、前者の点火プラグ側給気ポート３を空燃混合気のみを供給する給気系に、後者のライナ側給気ポート４を排気再循環系からの排気のみを供給する給気系に、それぞれ連結し、該点火プラグ側給気ポート３よりシリンダライナ２内の燃焼室に供給された給気は、シリンダヘッド１の中央付近に配設する点火プラグ７の電極付近に流れ、一方、ライナ側給気ポート４から燃焼室内への給気は、シリンダーライナ２の内壁面に沿って、燃焼室内にリング状に広がり、シリンダライナ２内の燃焼室内にて、中心部の点火プラグ側給気ポート３による給気圏と、その周囲のライナ側給気ポート４による給気圏と、二層に分かれた給気圏を形成することを特徴とする排気再循環式ガスエンジンの給気構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特にコージェネレーター駆動用等、通常において高負荷運転が長時間行われるようなタイプの排気再循環式ガスエンジンについての給気構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、排気中のＮＯX 低減策として、自動車用ガソリンエンジンや、コージェネレーション用ディーゼルエンジン等においては、排気を低温処理して給気系に再循環する排気再循環方式（ＥＧＲ）を採用したものが公知となっている。
しかし、ガスエンジンにおいては、従来、ＥＧＲは採用されていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
コージェネレーション駆動用等に適用するようなガスエンジンは、排気ＮＯX の低減効果もさることながら、通常時に高負荷運転が長時間なされることから、ノッキング対策として、ＥＧＲを採用することが有効である。ＥＧＲにより、燃焼室内の温度上昇が抑制されるので、シリンダライナ内壁面付近のエンドガスが自然着火するノッキング限界（正味平均有効圧の上限値）が上昇し、その分、出力向上に繋がるのである。
ディーゼルエンジンの場合は火花点火式ではないため、ノッキングは起こりえない。また、自動車用ガソリンエンジンでは、ノッキング限界に達するほどの高負荷にて運転されることはめったにない。
【０００４】
しかし、ＥＧＲを採用するにおいては、各気筒の燃焼室に均一に、元の空燃混合気とＥＧＲによる排気との混合気（ＥＧＲ混合気）を供給すると、不具合がある。
というのは、元の空燃混合気は、点火プラグの点火に適した空燃比（空気過剰率）に調合されており、点火プラグ付近にＥＧＲ混合気を供給すると、燃焼が不安定化し、あまりＥＧＲ率（元の空燃混合気に対するＥＧＲ排気の混合率）が高い場合には、失火してしまうおそれもある。
理想的には、気筒の燃焼室にて、点火プラグ付近は、燃焼に適する空燃比に設定した元の空燃混合気（ＥＧＲ率０％）が存在し、その周囲にＥＧＲ混合気が存在して、気筒内の温度上昇を抑止できる状態にするのがよい。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以上のような課題を解決すべく、次のような手段を用いるものである。
請求項１においては、一部の冷却済み排気を給気系に導入し、空燃混合気に混合する排気再循環系を有する排気再循環式ガスエンジンにおいて、各気筒につき、点火プラグ付近に臨む点火プラグ側給気ポート３と、気筒壁面側に臨むライナ側給気ポート４とを設け、前者の点火プラグ側給気ポート３を空燃混合気のみを供給する給気系に、後者のライナ側給気ポート４を、空燃混合気と排気再循環系からの排気との混合気を供給する給気系に、それぞれ連結し、該点火プラグ側給気ポート３よりシリンダライナ２内の燃焼室に供給された給気は、シリンダヘッド１の中央付近に配設する点火プラグ７の電極付近に流れ、一方、ライナ側給気ポート４から燃焼室内への給気は、シリンダーライナ２の内壁面に沿って、燃焼室内にリング状に広がり、シリンダライナ２内の燃焼室内にて、中心部の点火プラグ側給気ポート３による給気圏と、その周囲のライナ側給気ポート４による給気圏と、二層に分かれた給気圏を形成するものである。
【０００６】
請求項２においては、一部の冷却済み排気を給気系に導入し、空燃混合気に混合する排気再循環系を有する排気再循環式ガスエンジンにおいて、各気筒につき、点火プラグ付近に臨む点火プラグ側給気ポート３と、気筒壁面側に臨むライナ側給気ポート４とを設け、前者の点火プラグ側給気ポート３を空燃混合気のみを供給する給気系に、後者のライナ側給気ポート４を排気再循環系からの排気のみを供給する給気系に、それぞれ連結し、該点火プラグ側給気ポート３よりシリンダライナ２内の燃焼室に供給された給気は、シリンダヘッド１の中央付近に配設する点火プラグ７の電極付近に流れ、一方、ライナ側給気ポート４から燃焼室内への給気は、シリンダーライナ２の内壁面に沿って、燃焼室内にリング状に広がり、シリンダライナ２内の燃焼室内にて、中心部の点火プラグ側給気ポート３による給気圏と、その周囲のライナ側給気ポート４による給気圏と、二層に分かれた給気圏を形成するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付の図面を基に説明する。
図１は排気再循環式ガスエンジンを、一定空燃比で、かつ一定回転数にて運転した場合における、ＥＧＲ率に対する排気ＮＯX 量及びノッキング限界給気圧の相関を示す図、図２は各気筒における点火プラグ側給気ポート３及びライナ側給気ポート４の配置構成を示す平面略図、図３は同じく側面略図、図４は空燃混合気Ａ供給用の第一給気系αと混合気Ｃ供給用の第二給気系βを有するガスエンジンの吸排気系配管略図、図５は空燃混合気Ａ供給用の第一給気系α’とＥＧＲ排気Ｂ供給用の第二給気系β’を有するガスエンジンの吸排気系配管略図である。
【０００８】
まず、排気再循環方式（ＥＧＲ）によるガスエンジンにおけるＮＯX 低減効果とノッキング限界の上昇効果とを図１より説明する。
ＥＧＲ率は、ＥＧＲ混合気Ｃにおける、元の給気用空燃混合気Ａに対するＥＧＲによる排気Ｂの混合率（Ｂ／Ａ）を示している。
更に図１のグラフは、空燃混合気Ａの空燃比（空気過剰率）を一定とし、一定回転数にてエンジン駆動している状態におけるものである。この条件下にてＥＧＲ率を上げるほど、燃焼時の気筒内温度の上昇を抑止でき、排気中ＮＯX 量Ｙを低減でき、更にノッキング限界Ｘを上昇させることができ、出力向上に繋げることができるのである。
【０００９】
このように、ＥＧＲ率を上げるほど、排気の低ＮＯX 化と給気圧のノッキング限界値の上昇効果の両方を得られるが、空燃混合気Ａの空燃比は、点火プラグが良好に点火する状態に設定されており、これにＥＧＲ排気Ｂが混合されたＥＧＲ混合気Ｃでは、点火は不安定化する。
【００１０】
これを解決する方法として、まず、ガスエンジンにおける各気筒におけるシリンダヘッド１において、図２及び図３のように、給気ポートとして、点火プラグ側給気ポート３とライナ側給気ポート４とを設けている。なお、５・６は排気ポート、７は点火プラグである。
点火プラグ側給気ポート３よりシリンダライナ２内の燃焼室に供給された給気は、シリンダヘッド１の中央付近に配設する点火プラグ７の電極付近に流れていく。一方、ライナ側給気ポート４から燃焼室内への給気は、シリンダーライナ２の内壁面に沿って、燃焼室内にリング状に広がる。
従って、シリンダライナ２内の燃焼室内にて、中心部に点火プラグ側給気ポート３による給気圏、その周囲にライナ側給気ポート４による給気圏と、二層に分かれた給気圏が形成される。
【００１１】
そして、点火プラグ側給気ポート３からの給気は、点火プラグ７の点火に適するように空燃比が調合された元の空燃混合気Ａとし、ライナ側給気ポート４からの給気は、シリンダライナ２内壁面付近の温度上昇を抑止して、低ＮＯX 化及びノッキング限界給気圧の上昇を図るべく、ＥＧＲ混合気ＣまたはＥＧＲ排気Ｂとするものである。
【００１２】
図４は、このうち、ライナ側給気ポート４からの給気をＥＧＲ混合気Ｃとする場合の、排気再循環式ガスエンジンにおける吸排気系構造を示すものである。
本実施例では、給気系として、元の空燃混合気Ａのみを供給する第一給気系αと、ＥＧＲ混合気Ｃを供給する第二給気系βとを設けている。第一給気系αの構造について説明すると、ガスエンジンの複数のシリンダヘッド１・１・・・の中からいくつかのシリンダヘッド１（本実施例では、ガスエンジン全体でシリンダヘッド１を６個設けており、その中の３個のシリンダヘッド１）より排気マニホルド８ａを配管し、排気マニホルド８ａからの排気を第一給気系αの過給機１３のタービン部１３ａに通した後、三元触媒９に導入する。
一方、空気がエアクリーナー１１を介して空燃混合器１２に導入されて、燃料ガスと混合され、給気としての空燃混合気Ａが、過給機１３のブロア部１３ｂより、給気冷却器１４及びスロットル１５を介して、給気マニホルド１６に供給され、各シリンダヘッド１の点火プラグ側給気ポート３より、前記の如く、各シリンダライナ２内の燃焼室に、点火プラグ７付近の給気として供給される。
【００１３】
次に、第二給気系βについて説明する。前記の排気マニホルド８ａを連結するシリンダヘッド１・１・１以外のシリンダヘッド１・１・１より排気マニホルド８ｂを延設し、排気マニホルド８ｂからの排気を、第二給気系βの過給機２２のタービン部２２ａに通した後、前記の三元触媒９に導入する。即ち、全シリンダヘッド１からの排気は、全て三元触媒９を通過して、ＮＯX 、ＣＯ、ＨＣが除去された状態で、排気放出管１０より放出され、また、一部を、ＥＧＲ排気Ｂとして、ＥＧＲ管１７より、ＥＧＲ冷却器１８を介して、ＥＧＲ混合器２１に導入する。また、空気がエアクリーナー１９を介して空燃混合器２０に導入されて燃料ガスと混合され、空燃混合気Ａとなり、更に、空燃混合気ＡはＥＧＲ混合器２１に導入されて、ＥＧＲ管１７からの排気Ｂと混合されてＥＧＲ混合気Ｃとなり、過給機２２のブロア部２２ｂより、給気冷却器２３及びスロットル２４を介して給気マニホルド２５に供給され、各シリンダヘッドヘッド１のライナ側給気ポート４より、前記の如く、各シリンダライナ２内の燃焼室に、ライナ側の給気として供給される。
【００１４】
図５は、ライナ側給気ポート４からの給気をＥＧＲによる排気Ｂのみとする場合の、排気再循環式ガスエンジンにおける吸排気系構造を示すものである。本実施例では、給気系として、空燃混合気Ａのみを供給する第一給気系α’と、ＥＧＲ排気Ｂを供給する第二給気系β’とを設けている。第一給気系α’の構造について説明すると、ガスエンジンのシリンダヘッド１・１・・・より排気マニホルド２６を配管し、排気の一部を第一給気系α’用の過給機３１のタービン部３１ａに通した後、三元触媒２７に導入する。一方、空気が、エアクリーナー２９を介して空燃混合器３０に導入されて、燃料ガスと混合され、給気としての空燃混合気Ａが、過給機３１のブロア部３１ｂより給気冷却器３２及びスロットル３３を介して給気マニホルド３４に供給され、各シリンダヘッド１の点火プラグ側給気ポート３より、前記の如く、各シリンダライナ２内の燃焼室に、点火プラグ７付近の給気として供給される。
【００１５】
次に、第二給気系β’について説明する。
前記の排気マニホルド２６より一部の排気を第二給気系β’用の過給機３７のタービン部３７ａに通した後、前記の三元触媒２７に導入する。即ち、全シリンダヘッド１からの排気は、全て三元触媒２７を通過し、排気放出管２８より放出され、また、一部を、ＥＧＲ用の排気Ｂとして、ＥＧＲ管３５より、ＥＧＲ冷却器３６を介して、過給機３７のブロア部３７ｂに供給し、該ブロア部３７ｂより、給気冷却器３８及びスロットル３９を介して、給気マニホルド４０に供給され、各シリンダヘッド１のライナ側給気ポート４より、前記の如く、各シリンダライナ２内の燃焼室に、ライナ側の給気として供給される。
【００１６】
図４の実施例におけるスロットル１５・２４、また、図５の実施例におけるすスロットル３３・３９は、点火プラグ７の点火状況やノッキング限界の上昇度等を検出しながら、電子ガバナ制御により、負荷に合わせて最適に開度調整されるものである。
【００１７】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成したので、次のような効果を奏する。
即ち、一部の冷却済み排気を給気系に導入し、空燃混合気に混合する排気再循環系を有する排気再循環式ガスエンジンにおいて、請求項１記載の如き構成とすることによりガスエンジンの各気筒燃焼室において、点火プラグ付近には点火に適するように調合された元の給気としての空燃混合気が供給され、その周囲を囲むようにシリンダライナに沿って環状に、空燃混合気と排気再循環系からの排気との混合気が供給されて、シリンダライナ内壁面付近の温度上昇を抑止する。従って、点火は正常になされる一方で、排気再循環方式の利点であるＮＯX の低減化と給気圧のノッキング限界値の上昇による出力向上が得られるのである。
【００１８】
また、請求項２記載の構成とすることにより、ガスエンジンの各気筒燃焼室において、点火プラグ付近には点火に適するように調合された元の給気としての空燃混合気が供給され、その周囲を囲むようにシリンダライナに沿って環状に、排気再循環系からの排気が供給されて、シリンダライナ内壁面付近の温度上昇を抑止する。従って、点火は正常になされる一方で、排気再循環方式の利点であるＮＯX の低減化と、給気圧のノッキング限界値の上昇による出力向上が得られるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  排気再循環式ガスエンジンを、一定の空燃比で、かつ一定回転数にて運転した場合における、ＥＧＲ率に対する排気ＮＯX 量及びノッキング限界給気圧の相関を示す図である。
【図２】  各気筒における点火プラグ側給気ポート３及びライナ側給気ポート４の配置構成を示す平面略図である。
【図３】  同じく側面略図である。
【図４】  空燃混合気Ａ供給用の第一給気系αと混合気Ｃ供給用の第二給気系βを有するガスエンジンの吸排気系配管略図である。
【図５】  空燃混合気Ａ供給用の第一給気系α’とＥＧＲ排気Ｂ供給用の第二給気系β’を有するガスエンジンの吸排気系配管略図である。
【符号の説明】
Ａ    空燃混合気
Ｂ    ＥＧＲ排気
Ｃ    ＥＧＲ混合気（空燃混合気とＥＧＲ排気との混合気）
１    シリンダヘッド
２    シリンダライナ
３    点火プラグ側給気ポート
４    ライナ側給気ポート
７    点火プラグ
１６  給気マニホルド
１７  ＥＧＲ管
２５  給気マニホルド
３４  給気マニホルド
３５  ＥＧＲ管
４０  給気マニホルド
【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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