WO2003064842A1 - Dispositif d'alimentation en carburant d'un moteur a gaz - Google Patents

Dispositif d'alimentation en carburant d'un moteur a gaz Download PDF

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fuel gas
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Ryouichi Hagiwara
Tohru Nakazono
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Yanmar Co., Ltd.
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the present invention relates to a fuel supply device for a gas engine that supplies air and fuel to an intake port without mixing with a mixer without using a supercharger.
  • Conventional gas engines include a port injection type that injects high-pressure fuel gas into an intake port.
  • a gas compressor is required, and the power required to operate the gas compressor reduces the efficiency of the entire gas engine. Disclosure of the invention
  • a negative pressure generated in the intake port during an intake stroke is provided in a gas engine that supplies air and fuel to an intake port without mixing with a mixer.
  • the fuel gas was supplied into the intake port by using the gas.
  • an engine speed detecting means is provided, and the engine speed detected by the engine speed detecting means is maintained within a predetermined range.
  • a regulator and a valve are provided in the fuel gas supply passage in order from the upstream side, and the pressure balance line of the regulator is connected to either the inside of the intake port or the atmosphere.
  • a switching means for switching and communicating the pressure balance line is provided, and at the time of starting, the switching means communicates the pressure balance line with the inside of the intake port.
  • the invention of claim 1 since the fuel gas is supplied into the intake port 11 using the negative pressure generated in the intake port 11 in the intake stroke, the conventional port injection type gas is used. Since the gas compressor is not used unlike the engine, the power required to drive the gas compressor is not required, so the efficiency of the entire system can be improved. Also, in the venturi mixer type gas engine, pressure loss was caused due to the throttle of the bench lily and the improvement of output was suppressed, but the invention of claim 1 is a method of supplying fuel gas directly to the intake port 11. There is no need to use a Venturi aperture, and the maximum output can be improved.
  • fluctuations in the engine speed are detected by the engine speed detection sensor 14, and the supply amount of the fuel gas is adjusted so that the engine speed falls within a predetermined range (the opening time of the valve 5 is adjusted). ), It is possible to avoid fluctuations in the amount of intake air per unit time due to differences in the throttle opening (that is, to avoid fluctuations in the excess air ratio).
  • switching means for connecting the pressure balance line 3 to the inside of the intake port 11 at the time of starting is provided, so that the fuel is supplied based on the pressure in the intake port 11 at the time of starting. can be adjusted supply pressure, smooth it is possible to start the gas engine 1 0 0 while reducing harmful components such as NO x contained in the exhaust gas.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a gas engine embodying the invention of claims 1 to 3.
  • Fig. 2 is a schematic diagram of the system near the intake port.
  • FIG. 3 is a schematic system diagram showing a fuel gas supply path to the intake port at the time of starting, which is different from FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the pressure of the fuel gas in the fuel supply passage, the pressure in the intake port, and the output in the gas engine implementing the present invention (any one of claims 1 to 3). It is.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the output of the fuel gas and the pressure in the supply port when the fuel gas is injected into the supply port at a high pressure in a supercharged gas engine.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the throttle opening and the ignition timing at the same output in the gas engine embodying the present invention and the bench-urimixer type gas engine conventionally implemented.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the thermal efficiency and the ignition timing of the gas engine embodying the present invention and the bench-urimixer type gas engine at a constant output rating.
  • FIG. 1 is a schematic external view of a gas engine 100 in which the inventions of claims 1 to 3 are implemented.
  • a fuel gas supply pipe 2 provided with a regulator 1 and a valve 5 on the way is connected to an intake port 11 communicating with a combustion chamber (not shown).
  • An air supply pipe 8 having an air cleaner 9 and a throttle 10 is connected to the intake port 11.
  • the fuel gas is regulated by the regulator 1 from about 2 KPa (kilopascal) to about several tens Pa (pascal).
  • the valve 5 is opened and closed by a driver 12 to enable the supply of the fuel gas from the fuel gas supply pipe 2 to the intake port 11 from a not-shown nozzle (low-pressure port injection) force, and to shut off the power supply. Is made possible.
  • the air is cleaned by the air cleaner 9 and responds to the throttle 10 opening. The same amount of air is supplied from the air supply pipe 8 into the intake port 11.
  • Gas engine 1 0 0 is started by an unillustrated starter motor, the engine speed is increased to 2 0 0 min one 1 mm, air pressure in the intake port in the intake stroke at that time, the fuel gas in the fuel gas supply pipe 2 Pressure (negative pressure).
  • the regulator 1 regulates the pressure of the fuel gas such that the pressure difference between them at this time becomes several hundred mmaq.
  • the regulator 1 and the intake port 11 are connected by a pressure balance line 3.
  • a branch pipe 4 provided with a valve 6 in the middle is connected to the pressure balance line 3, and a vanoleb 7 is provided downstream of the connection of the pressure balance line 3 to the branch pipe 4.
  • the pressure balance line 3 can be communicated with the inside of the intake port 11 or with the atmosphere.
  • the pressure in the intake port 11 is almost atmospheric pressure, and as the engine speed increases, the pressure in the intake port 11 in the intake stroke increases, and the engine speed reaches the rated speed. Then, the pressure falls within a predetermined range.
  • valve 6 is closed and valve 7 is opened, connecting pressure balance line 3 to the inside of intake port 11 and regulator 1 adjusting the supply pressure of fuel gas based on the pressure in intake port 11 I do.
  • valve 7 When the engine speed is, for example, about 20 O min- 1 and the pressure difference between the fuel gas supply pipe 2 and the intake port 11 is about several hundred mm aq, the valve 7 is closed and the valve 6 is closed. Open and connect the pressure balance line 3 to the atmosphere to adjust the fuel gas supply pressure based on the atmospheric pressure.
  • the gas engine 100 is provided with an engine speed detection sensor 14 (engine speed detection means).
  • the engine speed detection sensor 14 transmits the detected signal to the ECU 13 (determination means) via the signal lines 15 and 16.
  • the ECU 13 has a built-in memory (not shown) that stores the permissible range of the difference between the pressure of the fuel gas in the fuel gas supply pipe 2 and the pressure in the intake port 11. The difference between the pressure of the fuel gas in the fuel gas supply pipe 2 and the pressure in the intake port 1 1 It is determined whether the force is within a predetermined range (permissible range) stored in the memory.
  • the operation of the gas engine 100 is continued as it is, and if it is not within the permissible range, the ECU 13 drives the driver 12 via the signal line 17. Control signal to open and close valve 5 (adjustment means).
  • the opening time of pulp 5 per cycle is set to be shorter, and the amount of fuel gas supplied to the intake port 11 is reduced. Conversely, if the engine speed is less than the allowable range, set the valve 5 open time per cycle longer to increase the supply of fuel gas to the intake port 11.
  • FIG. 2 is a system schematic diagram near the intake port 11.
  • a nozzle 25 is provided at the tip of the fuel gas supply pipe 2.
  • the nozzle 25 is connected to the fuel gas supply pipe 2 with the fuel gas supply port 28 facing the downstream of the air flow 18, and is installed so as to protrude into the intake port 11.
  • the piston 23 moves in the direction of expanding the volume of the combustion chamber 24, and the combustion chamber formed by the top surface of the cylinder head 20, cylinder liner 22, piston 23, etc.
  • the fuel gas 19 mixed with the air flow 18 through the open intake valve 21 is supplied to 24.
  • FIG. 3 is a schematic system diagram showing a fuel gas supply route to the intake port 11 at the time of starting, which is different from FIGS. 1 and 2.
  • the fuel gas supply pipe 2 and the air supply pipe 8 upstream of the slot nozzle 10 communicate with each other via a bypass pipe 26.
  • a valve 27 is provided in the middle of the bypass pipe 26. The valve 27 can be opened at the time of starting, and fuel gas can be supplied from the air supply pipe 8 into the intake port 11 through the throttle 10.
  • FIG. 4 shows a gas engine implementing the present invention (one of claims 1 to 3).
  • 3 is a graph showing the relationship between the output of the fuel gas in the fuel gas supply pipe 2 and the pressure in the intake port 11 and the output.
  • Fig. 5 shows the supercharged gas engine (by the way, the gas engine 100 of the present invention is a non-supercharged gas engine) when the fuel gas is injected at high pressure into the air supply port.
  • 5 is a graph showing the relationship between pressure and pressure in an air supply port and output.
  • the engine speed is detected by the engine speed detection sensor 14, and the opening time of the valve 5 per cycle is adjusted so that the supply amount of fuel gas per cycle becomes an appropriate amount.
  • the output can be easily maintained constant.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the throttle opening and the ignition timing at the same output in the gas engine 100 implementing the present invention and the bench-urimixer type gas engine conventionally implemented. As shown in FIG. 6, the throttle opening of the gas engine 100 according to the present invention is always smaller than that of the venturi mixer type gas engine regardless of the ignition timing.
  • the gas engine 100 according to the present invention has more throttle opening than the venturi mixer type gas engine.
  • FIGS. 7, FIG. 8 is a graph showing the ignition timing relationship between the discharge amount of NO x at the output constant rating of the gas engine of a gas engine 1 0 0 bench lily mixer system embodying the present invention F, a graph showing the relationship between thermal efficiency and ignition timing. Furthermore 9 is a graph showing the relationship of the present invention the actual subjected gas engine 1 0 0 venturi mixer scheme Contact Keru thermal efficiency during constant output rating of the gas engine and the exhaust amount of NO x. Uni shown in FIG. 7-Fig. 9, towards the gas engine 1 0 0 embodying the present invention has high thermal efficiency (3-4 points extent), and it is understood that the amount of the exhaust NO x is small. Industrial applicability
  • the present invention can be applied to a non-supercharged gas engine that supplies air and fuel to an intake port without mixing them with a mixer.

Description

明 細 書 ガス機関の燃料供給装置 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。 背景技術
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 クシヨン方式のものが存在する。 し力、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。 発明の開示
(発明が解決しようとする技術的課題）
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。
(その解決方法）
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へ供給するガス機関において、 吸気行程における 吸気ポート内に発生する負圧を利用して吸気ポート内へ燃料ガスを供給するよう 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 維持されているカゝ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'サイクノレ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 3の発明では請求項 1または請求項 2の発明において、 燃料ガス供給通 路に上流側から順にレギュレータとバルブとを設け、 前記レギュレータの圧カバ ランスラインを吸気ポート内と大気のいずれかに切り換えて連通させる切換手段 を設け、 始動時には前記切換手段により前記圧力バランスラインを吸気ポート内 と連通させるようにした。
(従来技術より有効な効果）
請求項 1の発明によると、 吸気行程における吸気ポート 1 1内に発生する負圧 を利用して吸気ポート 1 1内に燃料ガスを供給するようにしたので、 従来のポー トィ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 ユ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 1 1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。
請求項 2の発明では、 機関回転数検出センサ 1 4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。
請求項 3の発明では、 始動時には圧力バランスライン 3を吸気ポート 1 1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 1 1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 N Ox等の有害成分を低減しながら円滑にガス機関 1 0 0を始動させること ができる。 図面の簡単な説明
第 1図は、 請求項 1〜 3の発明を実施したガス機関の^ «I略図である。 第 2図は、 吸気ポート付近の系統略図である。
第 3図は、 第 1図， 第 2図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。
第 4図は、 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。
第 5図は、 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。
第 6図は、 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ユリミ 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。
第 7図は、 本発明を実施したガス機関とベンチユ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 N O x量と点火時期の関係を示すダラフである。
第 8図は、 本発明を実施したガス機関とベンチユ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。
第 9図は、 本発明を実施したガス機関とベンチユ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 N O x量の関係を示すグラフである。 発明を実施するための最良の形態
第 1図は、 請求項 1〜 3の発明を実施したガス機関 1 0 0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 1 1には、 途中にレギユレータ 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 1 1に はエアクリーナ 9とスロットル 1 0とを備えた空気供給管 8が接続されている。 燃料ガスは、 レギユレータ 1により 2 K P a (キロパスカル） 程度から数十 P a (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 1 2により開閉 駆動され、 燃料ガス供給管 2の図示しないノズノレ （低圧ポートィンジェクショ ン） 力 ら吸気ポート 1 1内への燃料ガスの供給を可能にし、 力つ供給の遮断を可 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 1 0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 1 1内に供給されるようになってい る。
ガス機関 1 0 0は図示しないセルモータにより始動され、 機関回転数は 2 0 0 m i n一1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。 レギユレータ 1は、 このときの両者の圧力差が数百 mm a qとなるように燃料ガスの圧力を調 圧する。
第 1図に示すように、 レギユレータ 1と吸気ポート 1 1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 にはバノレブ 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 1 1内、 又は大気と連通させるこ とができる。
始動時は、 吸気ポート 1 1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 1 1内の圧力は上昇し、 機関回転 数が定格回転数に達つすると所定範囲の圧力に収まる。
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 1 1内と連通させ、 レギュレータ 1は吸気ポート 1 1内の圧力 を基準として燃料ガスの供給圧力を調整する。
機関回転数が例えば 2 0 O m i n—1程度となり、 燃料ガス供給管 2と吸気ポ ート 1 1との圧力差が前述の数百 mm a q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。
第 1図に示すようにガス機関 1 0 0には機関回転数検出センサ 1 4 (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 1 4は、 検出した信号を信号 線 1 5 , 1 6を介して E C U 1 3 (判定手段） へ伝送する。
E C U 1 3は、燃料ガス供給管 2内の燃料ガスの圧力と吸気ポート 1 1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 1 1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） 内である力否かを判定す る。
仮に、 許容範囲内に収まっていれば、 そのままガス機関 1 0 0の運転は継続し、 また、 許容範囲内に収まっていなければ、 E C U 1 3は信号線 1 7を介してドラ ィバ 1 2へ制御信号を送り、 バルブ 5 (調整手段） を開閉操作する。
機関回転数が許容範囲を超えるほど大きければ、 1サイクル当たりのパルプ 5 の開時間が短くなるように設定し、 吸気ポート 1 1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 1 1への燃料ガスの供 給量を増やす。
第 2図は、 吸気ポート 1 1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 2 5が設けてある。 ノズル 2 5は、 空気流 1 8の下流方向に燃料ガス供 給口 2 8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 1 1内に突出 した状態で設置されている。
第 2図に示すようにノズノレ 2 5が吸気ポート 1 1内に突出し力つ燃料ガス供給 口 2 8 (先端部) を空気流 1 8の下流方向に向けて設けられていると、 空気流 1 8によりノズル 2 5の先端部近傍の空間に負圧が生じ、 燃料ガス 1 9を吸気ポー ト 1 1内に供給し易くなる。
吸気行程ではビストン 2 3が燃焼室 2 4の容積を広げる方向に動き、 シリンダ ヘッド 2 0， シリンダライナ 2 2及びピストン 2 3の頂面等で形成された燃焼室
2 4には、 開いた吸気弁 2 1を通過して空気流 1 8と混合した燃料ガス 1 9が供 給される。
第 3図は、 第 1図， 第 2図とは別の始動時における吸気ポート 1 1への燃料ガ スの供給経路を示す系統略図である。 第 3図に示すように、 燃料ガス供給管 2と スロッ トノレ 1 0よりも上流側の空気供給管 8とがバイパス管 2 6で連通させてあ る。 バイパス管 2 6の途中にはバルブ 2 7が設けてあり、 始動時にはバルブ 2 7 を開き、 燃料ガスを空気供給管 8からスロットル 1 0を介して吸気ポート 1 1内 に供給することもできる。
第 4図は、 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 1 1内の圧力と、 出力 の関係を示すグラフである。 また、 第 5図は過給式のガス機関 （ちなみに、 本発 明のガス機関 1 0 0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。
第 5図に示すように、 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^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。 しかし第 4図に示 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。
そこで、 機関回転数検出センサ 1 4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。
第 6図は、 本宪明を実施したガス機関 1 0 0と従来から実施されているベンチ ユ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。 第 6図に示すように、 本発明を実施したガス機関 1 0 0 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 開度が小さくなつている。
スロットル開度が大きくなるほど高出力となるが、 第 6図から本発明を実施し たガス機関 1 0 0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。
すなわち、 ベンチユリミキサ方式のガス機関ではベンチユ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 1 0 0にはべンリユ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。
第 7図， 第 8図は、 本発明を実施したガス機関 1 0 0とベンチユリミキサ方式 のガス機関の出力一定定格時における排出 N Ox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。 さらに第 9図は、 本発明を実 施したガス機関 1 0 0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 N Ox量の関係を示すグラフである。 第 7図〜第 9図に示すよ うに、 本発明を実施したガス機関 1 0 0の方が熱効率が高く （3〜4ポイント程 度） 、 かつ排出 N Ox量が少ないことがわかる。 産業上の利用の可能性
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 給するガス機関に対して適用することができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 無過給式でカゝっ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 ガス機関において、 吸気行程における吸気ポート内に発生する負圧を利用して吸 気ポート内へ燃料ガスを供給するようにしたガス機関の燃料供給装置。
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カゝ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サイクノレ当たりの前記 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。
3. 燃料ガス供給通路に上流側から順にレギュレータとバルブとを設け、 前記 レギュレータの圧力バランスラインを吸気ポート内と大気のいずれかに切り換え て連通させる切換手段を設け、 始動時には前記切換手段により前記圧力バランス ラインを吸気ポート内と連通させる請求項 1又は請求項 2に記載のガス機関の燃 料供給装置。
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