| 【発明の名称】 |
ガスエンジンの燃料ガス供給装置及び燃料ガス供給方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】後藤 悟
【氏名】福田 孝広
【氏名】中山 貞夫
|
| 【要約】 |
【課題】燃料ガスの吹抜け量を減らして熱効率を上げる。
【解決手段】ガス供給管５の電磁弁４は、吸気弁２が開き始めてからクランク角度が３６０度になるまでの間に開かれ、その時のガバニングで定められた燃料ガス量がガス供給管５の噴出口５ａから給気ポート１に供給されると閉じられて燃料ガスの供給を停止する。噴出口５ａが燃焼室に近いため、給気ポート１内の残留燃料ガスが減少し、当該および次サイクルの弁・オーバーラップ期間中の吹抜け燃料ガス量が減る。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 給気ポートに吸気弁が設けられたガスエンジンにおいて、電磁弁によって開閉されるガス供給管が、その噴出口を上記給気ポートに開口させて設けられたことを特徴とするガスエンジンの燃料ガス供給装置。
【請求項２】 給気ポートに吸気弁が設けられたガスエンジンにおいて、電磁弁によって開閉されるガス供給管が、その噴出口を上記給気ポートに接続された給気マニホールド等の接続管に開口させて設けられたことを特徴とするガスエンジンの燃料ガス供給装置。
【請求項３】 ガス供給管は給気ポートに接続された給気マニホールド等の接続管に取り付けられたことを特徴とする請求項１又は２記載のガスエンジンの燃料ガス供給装置。
【請求項４】 噴出口は、ガス供給管の管端に形成されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のガスエンジンの燃料ガス供給装置。
【請求項５】 噴出口は、閉止部材によって閉じられた管端近くの外周に形成されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のガスエンジンの燃料ガス供給装置。
【請求項６】 請求項１ないし５のいずれか１つに記載のガスエンジンの燃料ガス供給装置において、吸気弁が開き始めてから電磁弁を開いて燃料ガスを吸気弁近くに供給することを特徴とするガスエンジンの燃料ガス供給方法。
|
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、主として産業用と民生用の定置型発電設備に用いられるガスエンジンの燃料ガス供給装置及び燃料ガス供給方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図７は従来の一般的なガスエンジンの燃料ガス供給装置を示す。この燃料ガス供給装置Ｂは、燃料ガスをミキサ２１で空気と混合し過給機２２を通じてガスエンジンＥに供給する構造となっている。図７中、符号２３は吸気フィルタ，２４は過給機２２を駆動する排気ガスタービンである。
【０００３】また、図８は他のガスエンジンの燃料ガス供給装置を示す。この燃料ガス供給装置Ｂａは、吸気弁２のステム部２ａにガス弁２６を設け、吸気弁２が所定のリフト以上となった場合に、ガス弁２６が燃料ガス通路１ａの筒状ガイド２７を開放して（図９参照）燃料ガスを給気ポート１に供給する構造となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】図７の燃料ガス供給装置Ｂにおいては、図９に示すように、吸気弁と排気弁の弁・オーバーラップ期間中に空気と一緒に燃料ガスが主燃焼室を素通りする。このため、燃料ガスを排気中に捨てる事となり、熱効率の悪化を招く。吸気弁と排気弁の弁・オーバーラップ期間中の燃料ガス吹抜け量を軽減するめには、弁・オーバーラップ期間を狭くすればよいが、この方法では燃焼室内が新気により十分冷却されないので、排気温度が高くなったりノッキングが発生したりする。このため、エンジンの出力を抑制するなどの犠牲を伴う。
【０００５】図８の燃料ガス供給装置Ｂａでは、ガス弁部に、ガス弁２６が軸方向に移動して密着するシートをもたない。このため、ガス弁２６と筒状ガイド２７の微細な隙間から微量の燃料ガスが給気ポート１内に漏洩し易い、この漏洩燃料ガスは給気ポート１に滞留して次のサイクルの弁・オーバーラップ期間中に吹き抜けることとなり、熱効率の低下を招く。
【０００６】本発明は上記従来の諸問題を解決することを課題としており、高い熱効率を得ることができるガスエンジンの燃料ガス供給装置及び燃料ガス供給方法を提供することを目的とする。本発明の他の目的は、実施が容易なガスエンジンの燃料ガス供給装置及び燃料ガス供給方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記の少なくとも１つの目的を達成するために、請求項１記載の発明は、給気ポートに吸気弁が設けられたガスエンジンにおいて、電磁弁によって開閉されるガス供給管を、その噴出口を上記給気ポートに開口させて設けた構成とした。
【０００８】この手段では、吸気弁が開き始めた後における燃料ガスの吹抜け量が最低に抑えられる時期に電磁弁を開き、燃料ガスをガス供給管の噴出口から給気ポートに直接噴出することができる。したがって、吸気弁と排気弁の弁・オーバーラップ期間を狭める必要がない。ガス供給管の噴出口が給気ポートに開口しているため、精度のよいタイミングで燃料ガスを供給することができ、しかも電磁弁により燃料ガスの漏洩をより完全に防止することが容易である。噴出口は、吸気弁のステム部或いは弁シートリングの部分にできるだけ近付けることが好ましい。
【０００９】請求項２記載の発明は、給気ポートに吸気弁が設けられたガスエンジンにおいて、電磁弁によって開閉されるガス供給管を、その噴出口を上記給気ポートに接続された給気マニホールド等の接続管に開口させて設けた構成とした。
【００１０】この手段では、吸気弁が開き始めた後における燃料ガスの吹抜け量が最低に抑えられる時期に電磁弁を開き、燃料ガスをガス供給管の噴出口から給気ポートに近い給気マニホールド等の接続管に噴出することができる。したがって、この手段においても、吸気弁と排気弁の弁・オーバーラップ期間を狭くする必要がない。ガス供給管の噴出口が給気ポートに接続された接続管に開口しているため、請求項１記載の燃料ガス供給装置に準じたタイミング精度で燃料ガスを供給することができ、また、燃料ガスの漏洩を電磁弁で防止することが容易である。噴出口は給気ポートにできるだけ近付けるとよい。
【００１１】請求項１又は２記載のガスエンジンの燃料ガス供給装置において、ガス供給管を給気ポートに接続された給気マニホールド等の接続管に取り付けることが好ましい（請求項３）。この構成では、通常、接続管を改造するだけでよく、シリンダヘッド等の大幅改造を必要としないので、新規のガスエンジンはもとより、既存のガスエンジンにも容易かつ安価に実施することができる。
【００１２】請求項１ないし３のいずれか１つに記載のガスエンジンの燃料ガス供給装置において、噴出口を、ガス供給管の管端に形成することができる（請求項４）。この構成では、ガス供給管の構造が簡単になる。
【００１３】請求項１ないし３のいずれか１つに記載のガスエンジンの燃料ガス供給装置において、噴出口を、閉止部材によって閉じられた管端近くの外周に形成することができる（請求項５）。この構成では、燃料ガスはガス供給管の径方向、一般には供給空気の流れを横切る方向に噴出される。このため燃料ガスと空気との混合が良好になる。噴出口は１個とは限らず、２個以上設けることができる。噴出口を複数形成する場合は、全噴出口の合計開口面積を、ガス供給管の横断内径面積とほぼ等しくするのが普通である。
【００１４】請求項６記載の発明は、請求項１ないし５のいずれか１つに記載のガスエンジンの燃料ガス供給装置において、吸気弁が開き始めてから電磁弁を開いて燃料ガスを吸気弁近くに供給する構成とした。
【００１５】この手段では、吸気弁が開き始めてクランク角度が所定角度になると、電磁弁が開かれて燃料ガスがガス供給管の噴出口から吸気弁近くに供給される。電磁弁はその時のカバニングで定められた燃料ガス量がガス供給管の噴出口から噴出されると閉じられて燃料ガスの供給を停止する。
【００１６】燃料ガス供給圧力と給気ポート内圧力との圧力差が大きい程、ガス供給管による燃料ガスの単位時間当りの供給量が増える。つまり、エンジン運転負荷が同一であれば、電磁弁の開弁期間が短くなり、したがって、給気ポート内の残留ガスが減少し、次サイクルの燃料ガスの吹抜けガス量が軽減する。一般に、シリンダ径２６０ｍｍのガスエンジンでは、燃料ガス供給圧力と給気ポート内圧力との圧力差が０．１〜０．１８ＭＰａ程度の場合、電磁弁の開時期は、３３０〜３５０度のクランク角度の範囲内とされる。
【００１７】
【発明の実施の形態】発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。図１は本発明に係るガスエンジンの燃料ガス供給装置の第１の実施の形態を示す。このガスエンジンの燃料ガス供給装置Ａは、給気ポート１に吸気弁２が設けられたガスエンジンＥにおいて、電磁弁４によって開閉されるガス供給管５を、給気ポート１に接続された給気マニホールド６に取り付けて成る。
【００１８】ガス供給管５は、Ｌ字状に折り曲げられ、垂直に配設された吸気弁２のステム部２ａ近くに管端の噴出口５ａを水平に配して給気マニホールド（接続管）６に取り付けられており、供給源（図示せず）から燃料ガス管７を通じて送られてきた燃料ガスを噴出口５ａから吸気弁２のステム部２ａに噴出することができるようになっている。
【００１９】給気マニホールド６は、過給機２２（図７）を接続した給気トランク８に給気ポート１を連絡している。ガスエンジンＥは、排気ポート（図示せず）に排気弁（図示せず）を備え、吸気、圧縮、燃焼、排気の各行程をクランクの２回転（７２０度）で行う周知の構造となっている。
【００２０】ガス供給管５の噴出口５ａは、図２に示すように、閉止部材５ｂで閉じられた管端近くの外周に複数形成することもある。この場合は、全噴出口５ａの合計面積をガス供給管５の横断内径面積とほぼ等しくするのが普通である。なお、図１に示すように管端部を開口として燃料ガスを噴出させるこは言うまでもなく、開口部に絞り機構を設けて噴出させる燃料ガスの量を調整できるようにすることも可能である。
【００２１】図３は本発明に係るガスエンジンの燃料ガス供給装置の第２の実施の形態を示す。この燃料ガス供給装置Ａａは、給気マニホールド６に、ガス供給管１５を、その噴出口１５ａを給気マニホールド６に開口させて取り付けて成る。ガス供給管１５は、給気マニホールド６内に垂直に挿入され、噴出口１５ａは吸気弁２側の外周にガス供給管１５の長手方向に沿って複数形成されている。他の構造は図１の燃料ガス供給装置Ａと同一であるので、同一の部材等に同一の符号を付してその説明は省略する。
【００２２】上記の構成とされたガスエンジンの燃料ガス供給装置Ａ，Ａａにおいては、電磁弁４は、吸気弁２が開き始めてからクランク角度が３６０度になるまでの間に開かれ、その時のガバニング（燃料供給量を調整することによってエンジン回転数を所定値に制御すること）で定められた燃料ガス量がガス供給管５，１５から供給されると閉じられて燃料ガスの供給を停止する。
【００２３】図４と表１は、図１の燃料ガス供給装置Ａにおける電磁弁４の開時期及び閉時期と、燃料ガス供給圧力Ｐｇと給気マニホールド６内圧力Ｐｂとの圧力差ΔＰ（＝Ｐｇ−Ｐｂ）の調整値が、排出ＴＨＣ（トータル炭化水素）に及ぼす影響を調べた結果を示す。
【００２４】
【表１】
【００２５】ところで、圧力差ΔＰが大きいと単位時間当りの燃料ガス供給量が増える。つまり、エンジン運転負荷が同一であれば、電磁弁４の開期間が短くなる。ＴＨＣ濃度を示す図４の（イ）〜（リ）線から明らかなように、弁・オーバーラップ期間、特に吸気弁２が開いた時のＴＨＣ濃度値に差が認められる。電磁弁付きとはいえ、噴出口５ａと燃焼室との距離を考慮に入れて、電磁弁４の開く時期を適正化することが重要であることが示される。また、圧力差ΔＰが大きければ、前述のように燃料ガスが短期間に供給されるので、給気ポート１内の残留ガスが減少し、次サイクルの弁・オーバーラップ期間の吹抜けガス量軽減に寄与する。
【００２６】図５と図６は、シリンダ径が２６０ｍｍの単気筒燃焼試験エンジンの運転結果を示す。これらの図において、◇印は図１の燃料ガス供給装置、□印は図２の燃料ガス供給装置（正しくは、図２のガス供給管を用いた図１の燃料ガス供給装置）、○印は図３の燃料ガス供給装置の場合であり、図１と図２の燃料ガス供給装置は、図３の燃料ガス供給装置に対して熱効率が高く、また同時に計測された排気ガス中のＴＨＣ濃度が低い。
【００２７】これは、図１と図２の燃料ガス供給装置の噴出口５ａが図３の燃料ガス供給装置の噴出口１５ａよりも吸気弁シートに近接し、燃焼室に近いために、シリンダヘッドの給気ポート１内の残留燃料ガスが減少し、次サイクルの弁・オーバーラップ期間中の吹抜け燃料ガス量が減ったことによるものと考えられる。
【００２８】なお、ガスエンジンＥの燃料ガス供給圧力Ｐｇと給気マニホールド６内圧力Ｐｂは、エンジン運転負荷やガスエンジンの種類等によって異なるが、周知のガスエンジンと変りがなく、概ね、燃料ガス供給圧力Ｐｇは、０．０１〜０．４ＭＰａ、給気マニホールド６内圧力Ｐｂは、大気圧〜約０．２ＭＰａである。
【００２９】また、図４のＴＨＣ濃度は、シリンダヘッドの排気ポート（図示せず）部分において高速ＦＩＤ（水素炎イオン化検出）で計測した値であり、図６のＴＨＣ濃度は、エンジン排気管においてＦＩＤで計測した値である。図６のＴＨＣ濃度が図４のそれよりも低くなっているのは、排気ガス中のＨＣが図４の計測部分である排気ポート（図示せず）から、図６の計測点である排気管に流れるまでに幾分酸化されることなどの理由によるものと思われる。
【００３０】電磁弁４の開時期は、圧力差ΔＰが、１．０〜１．８ＭＰａである場合、クランク角度が３３０度となった時に吸気弁２が開き始める図４と表１の実験では、クランク角度が３３０〜３５０度となっているが、これに限られるものではなく、ガス供給管５の噴出口と吸気弁２のシート部、燃焼室（図示せず）までの距離がエンジンの大きさによって異なるため個々に最適化される。最適化作業は、吸気弁２が開き始めるクランク角度を基準とし、２、３度の前後にわたって調べると良い。
【００３１】
【発明の効果】以上説明したように、請求項１，２又は６記載の発明によれば、吸気弁が開き始めた後に電磁弁を開くことにより、燃料ガスの吹抜け量を合理的に低減することができ、したがって、熱効率が向上する効果がある。また、弁・オーバーラップ期間の設計自由度が高められ、この時期を長く取って、燃焼室内の冷却効果を引き出してガスエンジンの出力アップを実現することができる。
【００３２】請求項１又は２記載のガスエンジンの燃料ガス供給装置において、ガス供給管を給気ポートに接続された給気マニホールド等の接続管（給気管）に取り付けた場合は、シリンダヘッド等の大幅改造が不要となり、付属部品とも言うべき給気マニホールド等の接続管を改造するだけで済むので、新規のガスエンジンだけでなく、既存のガスエンジンにも容易かつコスト安に実施することができる。
【００３３】請求項１ないし３のいずれか１つに記載のガスエンジンの燃料ガス供給装置において、噴出口を、ガス供給管の管端に形成した場合は、ガス供給管の構造が単純になり、コストの点で有利になる。
【００３４】請求項１ないし３のいずれか１つに記載のガスエンジンの燃料ガス供給装置において、噴出口を、閉止部材によって閉じられた管端近くの外周に形成すると、供給空気の流れを横切る方向に燃料ガスを噴出させて、燃料ガスを空気に良好に混合することが容易になる。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３９３１
【氏名又は名称】株式会社新潟鉄工所
|
| 【出願日】 |
平成１２年２月３日（２０００．２．３） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６４９０８
【弁理士】
【氏名又は名称】志賀 正武 （外６名）
|
| 【公開番号】 |
特開２００１−２１４８１１（Ｐ２００１−２１４８１１Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年８月１０日（２００１．８．１０） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−２６６３４（Ｐ２０００−２６６３４） |
|