-
Hintergrund
der Erfindung
-
Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Magerverbrennungsgasmotor,
der hauptsächlich
als Antriebsquelle für
eine stationäre
elektrische Stromerzeugungsanlage oder für den industriellen oder kommerziellen
Gebrauch nutzbar ist. Diese Anmeldung beruht auf den in Japan eingereichten
Patentanmeldungen Nr. Hei 10-132371 und Nr. Hei 10-228416, deren Inhalte
hier unter Bezugnahme aufgenommen werden.
-
Relevante
Technik
-
In
den letzten Jahren wurde Magerverbrennungsgasmotoren wegen deren
geringen Verschmutzungseigenschaften mehr Aufmerksamkeit gezollt.
Der hauptsächliche
Trend für
herkömmliche Magerverbrennungsgasmotoren
ist es, die Form des Vorkammer-Modells zu nehmen, das Zündkerzen
als Zündquelle
verwendet; jedoch sind Dual-Kraftstoffmotoren bekannt, die auch
wie die Vorgenannten funktionieren. Der letztere Motorentyp vollzieht
die Verbrennung von Gasbrennstoff mittels Einspritzung eines Pilotkraftstoffs
(Flüssigkeit)
direkt in die Hauptbrennkammer in der Menge von angenähert 5–15% des
gesamten Heizwerts und nutzt diesen Pilotkraftstoff als Zündquelle.
Genauer gesagt, es wird eine kleine Menge von Pilotkraftstoff von
dem Hauptkraftstoffeinspritzventil eines Standarddieselmotors eingespritzt,
um die vorgenannte Zündung
zu erreichen. Dies wird auch durch die Einspritzung von 100% Flüssigkraftstoff
von dem Hauptkraftstoffeinspritzventil erreicht, um von einem Gasbetrieb
zu einem Dieselbetrieb umzuschalten.
-
Wenn
jedoch ein Magergemisch mittels eines herkömmlichen, mit einer Zündkerze
ausgestatteten, Vorkammer-Gasmotors verbrannt wird, kommt es zu
einer Fluktuation der Verbrennung mit Fehlzündung, so lange nicht eine
starke Zündenergie
erzeugt wird. Wenn man darüber
hinaus diesen Prozess mit jenem vergleicht, der mit dem Dieselmotor
mit identischer Zylinderbohrung durchgeführt wird, ist der vorgenannte
Prozess vom Standpunkt der geringen Verschmutzung mit einer NOx
Konzentration von angenähert
ein-Zehntel des letzteren vorteilhaft; jedoch ist der vorgenannte
Prozess vom Standpunkt, dass er einen niedrigen thermischen Motorwirkungsgrad
erzielt, nachteilig.
-
Um
im Bezug auf die Verbesserung der Verbrennungsfluktuation innerhalb
der Vorkammer eine zuverlässige
Verbrennung sicherzustellen, sind zahlreiche Untersuchungen und
Messungen durchgeführt
worden, um die Zündkerzenposition
innerhalb der Vorkammer zu optimieren und um eine gleichmäßige Verteilung
des Kraftstoffluftgemischs innerhalb der vorgenannten Vorkammer
zu erzeugen. Da jedoch keine der obigen die Zündenergie erhöht, gibt es
Grenzen in Bezug auf die Verbesserung des thermischen Motorwirkungsgrads
und der Verbrennungsfluktuation.
-
Andererseits
gibt es im Falle eines Gasmodusbetriebs herkömmlicher Dual-Kraftstoffmotoren Nachteile
darin, dass die Abgasmenge der NOx Konzentration und Russ und Staub
bei zunehmendem Pilotkraftstoff, um die thermische Wirkung des Motors zu
verbessern und die Verbrennungsfluktuation zu unterdrücken, zunimmt,
so dass die vorteilhaften verschmutzungsarmen Eigenschaften (niedriges
CO2) des Gasmotors nicht erzielt werden
können.
Unter dessen ist es in dem Falle, die Pilotkraftstoffmenge zu reduzieren,
bei der Anlassdrehzahl (angenähert 150 ∼ 200 UpM)
während
des Startens des Motors nicht möglich,
den Anstieg des Kraftstoffpumpenauswurfdrucks ausreichend anzuheben,
und der Druck ist nicht in der Lage, den Einspritzventilöffnungsdruck zu überschreiten,
so dass eine Kraftstoffeinspritzung nicht möglich ist.
-
Demzufolge
ist ein anderer Mechanismus erforderlich, um den Gasmotor, der den
Pilotkraftstoff als die Zündquelle
verwendet, zu starten.
-
Das
US Patent 5,222,993 offenbart einen Magerverbrennungsgasmotor mit
einer Vorkammer, die mit sowohl einer Zündkerze als auch einem Pilotkraftstoffeinspritzventil
ausgestattet ist.
-
Die
DE 40 42 325 A1 und
die
DE 196 21 297 C1 offenbaren
weitere Magerverbrennungsgasmotoren mit Vorkammern, die mit einem
Pilotkraftstoffeinspritzventil ausgestattet sind.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Dementsprechend
sieht die vorliegende Erfindung einen Magerverbrennungsgasmotor
vor, wie er im beigefügten
Anspruch 1 aufgeführt
ist.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es möglich,
den Magergasmotor mittels Funkenzündung von einer Zündkerze
zu starten. Alternativ kann gemäß dem Magerverbrennungsgasmotor
der vorliegenden Erfindung die Verbrennung des Kraftstoffluftgemischs
innerhalb der Hauptbrennkammer mittels einer mit einer Zündkerze
ausgestatteten Vorkammer und einer mit einem Pilotkraftstoffeinspritzventil
ausgestatteten Vorkammer als Zündquellen
durchgeführt
werden, indem die mit einer Zündkerze
ausgestattete Vorkammer und die mit einem Pilotkraftstoffeinspritzventil
ausgestattete Vorkammer angenähert gleichzeitig,
etwas vor- oder etwas nacheinander während des selben Verbrennungszyklus
betätigt werden.
-
Zusätzlich kann
die vorgenannte Zündkerze innerhalb
einer mit einer Zündkerze
ausgestatteten Vorkammer, die in dem Zylinderkopf vorgesehen ist, positioniert
sein.
-
Ferner
kann in dem Magerverbrennungsgasmotor gemäß der vorliegenden Erfindung
eine extrem kompakte Pumpe im Vergleich zu Pumpen, die in herkömmlichen
Dieselmotoren verwendet werden, als Kraftstoffeinspritzpumpe verwendet
werden, die an das Pilotkraftstoffeinspritzventil der mit dem Pilotkraftstoffeinspritzventil
ausgestatteten Vorkammer angeschlossen ist, da die Pilotölmenge außerordentlich
klein ist. Daher kann die Kraftstoffeinspritzpumpe in einem Deckel
der Kurbelgehäusenockenkammer ohne
umfangreiche Umkonstruktion installiert werden.
-
Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
-
1 ist
ein Diagramm, das eine Querschnittseitenansicht der wesentlichen
Komponenten eines Gasmotors gemäß einer
ersten Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt.
-
2 ist
ein Draufsichtdiagramm, das den installierten Zustand einer Kraftstoffeinspritzpumpe in
dem Gasmotor gemäß einer
ersten Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt.
-
3 zeigt
eine Ansicht entlang dem Pfeil III-III von 2.
-
4 ist
ein Kenndiagramm zur Erläuterung der
Leistung des Gasmotors gemäß der vorliegenden
Erfindung.
-
5A ist
ein Kenndiagramm zur Erläuterung
der Leistung des Motors gemäß der vorliegenden
Erfindung und vergleicht die Rate der Wärmefreisetzung des Modells
mit einzelner Brennkammer und eines Modells mit Vorkammer.
-
5B ist
ein Draufsichtdiagramm, das die Zündkerzenanordnung in dem in 5A gezeigten Motor
zeigt.
-
6 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel eines Brenngasdrucksteuersystems
in dem Motor der vorliegenden Erfindung zeigt.
-
7 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel des Motorstopps während des Motorstarts zeigt.
-
8 ist
ein Diagramm, das eine Querschnittseitenansicht der wesentlichen
Komponenten eines Gasmotors gemäß einer
zweiten Ausführung der
vorliegenden Erfindung zeigt.
-
9 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel eines Brenngasdrucksteuersystems
in dem Motor der vorliegenden Erfindung zeigt.
-
10 ist
ein Blockdiagramm, das das Betriebssteuerungssystem des Motors der
vorliegenden Erfindung zeigt.
-
11 ist
ein Diagramm, das die Brenngasdruckbedingungen zum Starten des Motors
zeigt.
-
12A ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Zustands
zeigt, worin der Motor gestartet wird, gemäß dem Motor der vorliegenden
Erfindung.
-
12B ist ein Diagramm, das ein anderes Beispiel
des Zustands zeigt, in dem der Motor gestartet wird, gemäß dem Motor
der vorliegenden Erfindung.
-
13 ist
ein Diagramm, das die Zylinderabgastemperatur während Lastbetriebs gemäß dem Motor
der vorliegenden Erfindung zeigt.
-
14 ist
ein Diagramm, das die Rate der Wärmefreisetzung
während
des Lastbetriebs zeigt.
-
Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführung Im folgenden werden die
Ausführungen der
vorliegenden Erfindung im Detail in Bezug auf die Figuren erläutert.
-
Erste Ausführung
-
1 ist
eine Querschnittseitenansicht, die den Zylinderkopfabscnnitt eines
Gasmotors gemäß einer
ersten Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt. In der Figur sind ein Zylinder 2,
eine Zylinderlaufbuchse 2a, ein Kolben 3, ein
Zylinderkopf 4 und eine Hauptbrennkammer 1 vorgesehen.
Die Hauptbrennkammer 1 ist von dem Kolben 3, der
Zylinderlaufbuchse 2a und dem Zylinderkopf 4 umgeben. Eine
mit einer Zündkerze
ausgestattete Vorkammereinheit 10 ist in der Mitte des
Zylinderkopfs 4 ausgebildet, und eine mit einem Pilotkraftstoffeinspritzventil ausgestattete
Vorkammer 30 ist an jeder Seite davon vorgesehen.
-
Die
mit einer Zündkerze
ausgestattete Vorkammereinheit 10 (nachfolgend einfach
als "mit Zündkerze
ausgestattete Vorkammer" bezeichnet)
ist aufgebaut, in dem der Zylinderkopf 4 mit einem Vorkammerkörper 14 und
einer Vorkammerbasis 13 kombiniert wird. Ein Brenngas (Pilotgas)
wird der Vorkammer 12, die in dem Vorkammerkörper 14 aufgenommen
ist, über
eine Kraftstoffeinspritzöffnung 15 direkt
zugeführt.
Die Hauptbrennkammer 1 und die Vorkammer 12 stehen über eine
Mehrzahl von Verbindungsdurchgängen 17 in
Verbindung, die am Unterende der Vorkammer 12 als Strahldüse vorgesehen
sind. Zusätzlich
ist die Vorkammerbasis 13 mit einer Zündkerze 11 ausgestattet,
die als Zündquelle für das Kraftstoffluftgemisch
innerhalb der Vorkammer 12 dient. Um darüber hinaus
das NOx des Abgases auf einen extrem niedrigen Wert zu senken, muss
der Volumenanteil (der Prozentsatz vom gesamten Brennkammervolumen
am oberen Totpunkt während
der Kompression) der Vorkammer 12 auf angenähert einige
wenige Prozent gesteuert werden.
-
Im
Hinblick auf die Vorkammereinheit 30, die mit dem Kraftstoffeinspritzventil
ausgestattet ist (nachfolgend einfach als "mit Pilotkraftstoffeinspritzventil ausgestattete
Vorkammer" genannt)
ist das Pilotkraftstoffeinspritzventil 32, das das Kraftstoffluftgemisch
innerhalb der Vorkammer 13 mittels der Einspritzung eines
Pilotkraftstoffs zündet,
so installiert, dass es zur Innenseite der Vorkammer 31 weist.
Zusätzlich
stehen die Hauptverbrennungskammer 1 und die Vorkammer 31 mittels
eines einzigen oder einer Mehrzahl von Verbindungsdurchgängen 33 miteinander
in Verbindung, die am Unterende der Vorkammer vorgesehen sind.
-
Falls
der Motor gestartet wird, wird die mit Zündkerze ausgestattete Vorkammereinheit 10 als die
Hauptzündquelle
verwendet. In anderen Worten, es wird kein Dieselstart durchgeführt, und
daher ist es möglich,
die mit Pilotkraftstoffeinspritzventil ausgestattete Vorkammereinheit 30 zu
verringern. Ferner ist durch die Begrenzung der Pilotölmenge auf angenähert 0,2 ∼ 5% des gesamten
Heizwerts möglich,
den Volumenprozentsatz der Vorkammer 31 auf angenähert 1 ∼ 3% des gesamten
Brennkammervolumens zu verringern. Demzufolge kann eine mit Pilotkraftstoffeinspritzventil
ausgestattete Vorkammereinheit 30 an jeder Seite des Zylinderkopfs 4 angeordnet
werden. Dieser Aspekt unterscheidet sich stark von den 20 ∼ 30% Volumenprozentsatz,
das von den Vorkammern eines herkömmlichen Vorkammerdieselmotors
belegt wird.
-
Zusätzlich ist,
wie in den 2 und 3 gezeigt,
die Kraftstoffeinspritzpumpe, die an das Pilotkraftstoffeinspritzventil 32 angeschlossen
ist, im Deckel der Kurbelgehäusenockenkammer
installiert. In den 2 und 3 sind ein
Kurbelgehäuse 50, eine
Nockenwelle 51, eine Kurbelgehäusedeckfläche 52, ein Nockenwellendeckel 53,
ein Nockenoberflächeninspektionsfenster 54 sowie
eine Kraftstoffeinspritzpumpe 60 vorgesehen, wobei die
Kraftstoffeinspritzpumpe 60 in dem Nockenwellendeckel 52 vorgesehen
ist. Gemäß der vorliegenden
Ausführung kann
eine extrem kompakte Kraftstoffeinspritzpumpe 60 installiert
werden, wenn man dies mit Pumpen vergleicht, die in herkömmlichen
Dieselmotoren verwendet werden, da die Pilotölmenge eine extrem kleine Menge
von angenähert
0,2 ∼ 5%
in Bezug auf die Nenn-Einspritzmenge
ist, wenn man einen Dieselbetrieb annimmt. In dieser Konstruktion
kann die Kraftstoffeinspritzpumpe 60 installiert werden,
ohne irgendeine besondere Modifikation des Kurbelgehäuses vorzunehmen.
-
Im
folgenden wird jeder der verschiedenen Betriebsmodi, die der vorgenannte
Magerverbrennungsgasmotor ausführen
kann, erläutert.
-
Es
gibt vier mögliche
Betriebsmodi:
- (1) den Funkenzündungs-Vorkammer-Gasmotor;
- (2) ein Pilotzündungs-Gasmotor;
- (3) ein Dualzündungs-Gasmotor,
nämlich
Funkenzündung
und Pilotzündung.
-
Die
vorgenannten Betriebsmodi können
optional gewählt
werden. Es existieren eine Mehrzahl von Zündquellen und Prozessen. Jedoch
sind die vorgenannten Parallelprozesse, um hierdurch die Zuverlässigkeit
der Zündquelle
zu erhöhen.
-
(1) Betriebsmodus für Funkenzündung:
-
Gemäß diesem
Betriebsmodus wird nur Gasbrennstoff (Gas) als Kraftstoff verwendet,
und die mit Zündkerze
ausgestattete Vorkammer wird als Zündquelle für das Kraftstoffluftgemisch
verwendet, das Luft und den Gasbrennstoff innerhalb der Hauptbrennkammer
umfasst.
-
Genauer
gesagt, wird von der zweiten Hälfte des
Auslassprozesses bis zur ersten Hälfte des Ansaugprozesses ein
Pilotgas von der Kraftstoffeinspritzöffnung 15 der mit
Zündkerze
ausgestatteten Vorkammereinheit 10 der Vorkammer 12 zugeführt. Dieses
Pilotgas wird mittels der Druckdifferenz zwischen dem Druck in der
Pilotgasleitung (in der Figur nicht gezeigt) und dem Druck innerhalb
der Hauptbrennkammer 1 zugeführt; die Menge des Pilotgases
wird durch Ändern
der vorgenannten Druckdifferenz eingestellt.
-
Zusätzlich wird
während
des Ansaugtakts das Magergemisch, das das Brenngas und die Luft enthält, der
Hauptbrennkammer 1 zugeführt. Dieses Magergemisch innerhalb
der Hauptbrennkammer 1 wird durch den Verdichtungstakt
mittels des Kolbens 3 verdichtet. In Folge dessen fließt ein Teil
des Magergemischs durch den Verbindungsdurchgang 17 in die
Vorkammer 12. Hierbei werden das Brenngas innerhalb der
Vorkammer 12 und das Magergemisch vermischt, so dass das
mittlere Überschussluftverhältnis angenähert 1,0
erreicht. An dieser Stelle wird eine Funkenentladung in dem Spalt
zwischen den Zündkerzen 11 erzeugt,
und das Kraftstoffluftgemisch innerhalb der Vorkammer 12 wird
Funkengezündet.
Die in der Vorkammer 12 verbrannte brennende Flamme pflanzt
sich dann über
den Verbindungsdurchgang 17 zur Hauptbrennkammer 1 fort, um
hierdurch die Zündquelle
für das
Kraftstoffluftgemisch in der Hauptbrennkammer 1 zu bilden.
In Folge dessen wird das gesamte Kraftstoffluftgemisch innerhalb
der Hauptbrennkammer 1 verbrannt.
-
(2) Betriebsmodus für die Zündung mittels
Pilotkraftstoffeinspritzung:
-
Gemäß diesem
Betriebsmodus wird Gas als der Hauptbrennstoff verwendet, und als
Hilfsbrennstoff wird eine kleine Menge von Flüssigkraftstoff als der Pilotkraftstoff
verwendet. Während
des Ansaugtakts wird das Magergemisch, das das Brenngas und Luft
umfasst, der Hauptbrennkammer 1 zugeführt. Dieses Magergemisch innerhalb
der Hauptbrennkammer 1 wird in dem Verdichtungsprozess
mittels des Kolbens 3 verdichtet. In Folge dessen fließt ein Teil
des Magergemischs über
den Verbindungsdurchgang 33 in die Vorkammer 31.
An dieser Stelle wird unmittelbar vor dem oberen Totpunkt, wo der Kurbelwinkel
angenähert
10 ∼ 30° wird, eine
kleine Ölkraftstoffmenge
(Pilotöl)
von dem Pilotkraftstoffeinspritzventil 32 in die Vorkammer 31 eingespritzt. Wenn
dies stattfindet, wird der eingespritzte Kraftstoff gezündet und
dient dann als Zündquelle
für die
Zündverbrennung
des Kraftstoffluftgemischs. Die Flamme von der Verbrennung in der
Vorkammer 31 pflanzt sich dann in die Hauptverbrennungskammer 1 über den
Verbindungsdurchgang 33 fort, um hierdurch die Zündquelle
für das
Kraftstoffluftgemisch in der Hauptbrennkammer 1 zu bilden.
Auf diese Weise wird das gesamte Kraftstoffluftgemisch innerhalb
der Hauptbrennkammer 1 verbrannt.
-
In 4 werden,
unter Verwendung des vorgenannten Motors, die Ergebnisse (Relationen
zwischen dem thermischen Bremswirkungsgrad und NOx, und Rauchindex)
bei der Durchführung
von Leistungsexperimenten bei Änderung
der Pilotkraftstoffölmenge
anhand jedes Kraftstoffmodelltyps verglichen und gezeigt (Dual-Kraftstoffmotor,
Dieselmotor, Vorkammer-Funkenzündungsgasmotor).
Wie aus 4 ersichtlich, werden gemäß dem vorgenannten Motor
der vorliegenden Erfindung sogar in dem Fall der Pilotkraftstoffeinspritzung
die Abgaseigenschaften (das NOx und Rauchindex) auf einem Niveau, das
angenähert
jenes von Funkenzündungsgasmotoren
entspricht, erreicht, zusammen mit dem thermischen Wirkungsgrad,
der höher
ist als der der Funkenzündung
und auf dem gleichen Niveau liegt wie dem eines Dieselmotors.
-
Ferner
wird im Falle der Pilotkraftstoffeinspritzung ein Pilotgas für die mit
Zündkerze
ausgestattete Vorkammereinheit 10 unnötig. Weil darüber hinaus
die Pilotölmenge
auf angenähert
0,2 ∼ 5%
der gesamten Wärmemenge
begrenzt werden kann, gibt es keine nachteiligen Auswirkungen auf
die Steuerung sogar dann, wenn eine kontinuierliche Einspritzung
durchgeführt
wird. Demzufolge ist es möglich, die
Zahnstange der Kraftstoffeinspritzpumpe zu fixieren, wodurch komplizierte
Koppelmechanismen unnötig
werden. Schließlich
wird die Regelung (Drehzahlregelung) während des Motorbetriebs durch
Einstellung der Brenngasmenge mittels des Motorfliehkraftreglers
durchgeführt.
-
(3) Hybridzündungs-Gasmotor-Betriebsmodus:
-
Gemäß diesem
Betriebsmodus wird in dem gleichen Verbrennungszyklus das Kraftstoffluftgemisch
innerhalb der Hauptbrennkammer 1 verbrannt, in dem eine
zentrale mit Zündkerze
ausgestattete Vorkammereinheit 10 und die an jeder Seite
davon angeordneten mit Pilotkraftstoffeinspritzventil ausgestatteten
Vorkammereinheiten 30 als Zündquellen angenähert gleichzeitig
oder abwechselnd vor- oder nacheinander betrieben werden. Auf diese
Weise ist es möglich,
die Verbrennung des Kraftstoffluftgemischs mittels einer Mehrpunktzündung zu
fördern. Ferner
ist es durch optimale Einstellung (1) der Funkenzünddauer
dieser Zündquellen,
(2) der Dauer der Pilotkraftstoffeinspritzung und (3)
der Einspritzmenge möglich,
die Brennfähigkeit
des Kraftstoffluftgemischs zu verbessern und auch in folge der verkürzten Verbrennungsdauer
thermischen Wirkungsgrad zu verbessern. Diese Effekte der Verkürzung der
Verbrennungsdauer mittels der Mehrpunktzündung im Falle des Betriebs
des Hybridzündungs-Gasmotormodus kommen
auch hinzu.
-
5A ist
ein Diagramm, das die experimentellen Ergebnisse zeigt, die man
erhält,
wenn man die Wärmefreisetzungsrate
von einem Einzelbrennkammerverfahren (Verfahren, das nur eine Hauptbrennkammer
ohne Vorkammer beinhaltet) und einem Vorkammerverfahren (d. h. im
Falle des vorliegenden Beispiels) vergleicht. In 5A sind sowohl
ein Vorkammerverfahren PCC als auch ein Einzelbrennkammerverfahren
OC gezeigt. Im Falle eines OC wird ein weiterer Vergleich durchgeführt, der
den Fall einer Zündkerze
(OC (1 Zündkerze))
und zwei Zündkerzen
(OC(2 Zündkerzen))
vergleicht. Während
des Experiments waren die ersten und zweiten Zündkerzen A, B jeweils zentral
und zur Seite hin angeordnet, wie in 5B gezeigt.
Im Fall einer einzigen Zündkerze
wurde nur die zentrale Zündkerze
A verwendet, während
im Falle der zwei Zündkerzen
beide Zündkerzen
A und B angewendet wurden.
-
Die
in 5 gezeigten Muster der Wärmefreisetzungsrate
zeigen, dass die Mehrpunktzündung (d.
h. im Falle von 2 Zündkerzen)
sowie die aus starker Zündung
erzeugte Energie (d. h. im Fall der Verwendung einer Vorkammer PCC
als Zündquelle) wirksam
sind, eine rasche Verbrennung zu erreichen. In anderen Worten, wenn
zwei Zündkerzen
verwendet werden (in der Figur mit den abwechselnd lang und kurz
gestrichelten Linien dargestellt) ist nach dem oberen Totpunkt die
Wärmefreisetzung
in der Zeit, in der sich der Kurbelwinkel 40° annähert, abgeschlossen, was eine
kürzere
Verbrennungsdauer repräsentiert,
im Vergleich zu jener, die man mit einer einzigen Zündkerze
hält (in
der Figur mit der gestrichelten Linie angegeben). Zusätzlich ist
gemäß dem Vorkammerverfahren
(in der Figur mit der durchgehenden Linie angegeben), die eine noch
stärkere Zündenergie
besitzt, nach dem oberen Totpunkt die Wärmefreisetzung in der Zeit
abgeschlossen, in der sich der Kurbelwinkel 30° annähert, was eine noch kürzere Zünddauer
repräsentiert.
Demzufolge ist, wie aus der vorliegenden Ausführung ersichtlich, möglich, eine
rasche Verbrennung durch Anordnung mehrerer Zündquellen zu erreichen, z.B.
durch Anordnung von drei Vorkammern, die eine starke Zündenergie
besitzen. Zusätzlich
trägt eine
kurze Verbrennungsdauer zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrads
bei, und daher wird auch der thermische Wirkungsgrad verbessert.
-
Wenn
man übrigens
die Zündenergien
vergleicht, so werden im Falle der Verwendung nur einer Zündkerze
angenähert
0,1 J erzeugt; jedoch wird im Falle der Piloteinspritzung, wenn
das Öl
in dem Pilotkraftstoff 1% des gesamten Heizwerts beträgt, die
erzeugte Energie angenähert
600J. Dies zeigt an, dass die Mehrpunktzündung, die durch die mit Zündkerze ausgestattete
Vorkammer 10 und die mit Pilotkraftstoffeinspritzventil
ausgestattete Vorkammern 30 wesentlich zu Verbesserung
der Verbrennung beitragen.
-
In
Wirklichkeit ist es nach dem Start des Motors durch Funkenzündung gewünscht, während Belastung
gemeinsam die Funkenzündung
und die Piloteinspritzzündung
zu verwenden. Dementsprechend ist es möglich, das NOx niedrig zu halten,
was den Vorteil der geringen Verschmutzung des Gasmotors nutzt,
um einen hohen thermischen Wirkungsgrad des Motors zu erreichen.
Jedoch gibt es keine Probleme mit dem Betrieb, selbst wenn während Belastung
die Funkenzündung
gestoppt wird.
-
Ferner
ist in der vorliegenden Ausführung
einer Anordnung beschrieben, worin die mit Zündkerze ausgestattete Vorkammereinheit 10 zentral
angeordnet ist, während
die mit Kraftstoffeinspritzventil ausgestatteten Vorkammereinheiten 30 an
jeder Seite davon angeordnet sind. Jedoch ist es auch möglich, die
mit Pilotkraftstoffeinspritzventil ausgestattete Vorkammereinheit 30 zentral
anzuordnen, und mit Zündkerze
ausgestattete Vorkammereinheiten 10 an jeder Seite davon
anzuordnen.
-
Jedoch
gibt es in dem Motor gemäß der vorgenannten
Ausführung
Fälle,
worin eine Fehlzündung
auftreten könnte.
Dies beruht auf der Tatsache, dass der Flammkern, der mittels Funken
gebildet wird, die über
dem Rand zwischen den Zündkerzen 11 fliegen,
gelöscht
werden könnte
und das Magergemisch, das von der Hauptbrennkammer 1 in
die Vorkammer 12 eindringt, während des Verdichtungstakts
direkt auf die Zündkerzen 11 mit
einer Geschwindigkeit von angenähert
100 m/s trifft. Um dieses Problem zu lösen, muss die Konzentration
des Kraftstoffluftgemischs in der Nähe der Zündkerzen 11 eng reguliert
werden. Jedoch kann eine Ungleichmäßigkeit der Kraftstoffluftgemischkonzentration
in Folge des Eindringens des Magergemischs in die Vorkammer 12 von
der Hauptbrennkammer 1 nicht vermieden werden, und daher
bleiben die Schwierigkeiten mit der Zündung noch immer so wie zuvor.
-
6 zeigt
ein Beispiel eines Steuermechanismus zum Regulieren der Brenngasmenge.
Gemäß dieser
Struktur steht ein Hauptbrenngasrohr 42, das mit zwei Gasdruckregelventilen 40, 41 ausgestattet
ist, über
ein Ausgleichsventil 43 mit der Hauptbrennkammer 1 in
Verbindung; das Hauptrohr 70 für Pilotgas, das über Druckregler 45, 46 und 47 und Rückschlagventile 48 und 49 reguliert
ist, steht über ein
Rückschlagventil 71 mit
der Vorkammer 12 in Verbindung. Zusätzlich wird Luft in die Hauptbrennkammer 1 von
einem Ladeluftverteiler 44 zugeführt. Ein Ladeluftdruck in dem
Ladeluftverteiler 44 wird in die Druckregler 45, 46 und 47 geladen,
um eine Steuerfunktion zu bedienen. Darüber hinaus wird das Gasdruckregelventil 41 mittels
des Fliehkraftreglers 72 geregelt.
-
Wenn
in dem Mechanismus, der die vorgenannte Struktur besitzt, die Brenngasmenge
(d. h. die Pilotgasmenge), die der Vorkammer 12 direkt
zugeführt
wird, ungenügend
ist, könnte
der Motor aufgrund einer Fehlzündung
stehen bleiben, die auch während
des Anstiegs der Motordrehzahl auftreten könnte, wie in 7 gezeigt.
Ein Beispiel des Motorstopps ist in 7 gezeigt,
worin bei angenähert
500 UpM, der Motor in Folge der Zunahme der Luftkraftstoffgemischkonzentration
in der Nähe
der Zündkerzen 11 stehen
bleibt, was zu einer Fehlzündung
an dem Einstrom einer großen
Pilotgasmenge in die Vorkammer führt
(d. h. ΔP,
das die Druckdifferenz zwischen dem Druck des Pilotgashauptrohrs 70 und dem
Druck des Ladeluftverteilers 44 in der in 6 gezeigten
Struktur repräsentiert,
ist hoch).
-
Um
daher diesen Motorstop aus einer Fehlzündung heraus zu verhindern
und ein glattes Starten des Motors sicher zu stellen, haben die
Erfinder der vorliegenden Erfindung den unten beschriebenen Motor
in der zweiten Ausführung
vorgeschlagen.
-
Zweite Ausführung
-
Die
zweite Ausführung
der vorliegenden Erfindung ist in den 8 und 9 gezeigt.
In diesen Figuren sind die Elemente, die die gleichen Strukturen
wie die in den 1 ∼ 6 gezeigten
haben, mit den gleichen Zahlen bezeichnet, und ihre Erläuterungen
sind weggelassen.
-
In 8 ist
in der Mitte des Zylinderkopfs 4 eine Zündkerze 11 an der
Oberfläche
der Hauptbrennkammer 1 angeordnet, wobei eine mit einem Pilotkraftstoffeinspritzventil 32 ausgestattete
Vorkammer 31 jeweils an jeder Seite davon angeordnet ist.
Zusätzlich
erfolgt die Regulierung der Brenngasmenge mittels eines in 9 vereinfachten
Mechanismus. Im Vergleich zu dem Motor der ersten Ausführung unterscheidet
sich der Motor der vorliegenden Ausführung darin, dass er eine Zündkerze 11 aufweist,
die in der Mitte des Zylinderblocks 4 angeordnet ist, bei
Abwesenheit von Hilfsgeräten
(z.B. Vorkammerbasis 13, Vorkammerkörper 14, Kraftstoffeinspritzöffnung 15 und
Verbindungsdurchgänge 17),
und im Fehlen eines Pilotgaszufuhrsystems (Druckregler 45, 46 und 47;
Rückschlagventile 48, 49 und 71,
und Pilotgashauptrohr 70), das unnötig geworden ist.
-
Ferner
ist in der vorliegenden Ausführung eine
Anordnung beschrieben, in der die Zündkerze 10 zentral
angeordnet ist, wobei die mit Pilotkraftstoffeinspritzventil ausgestatteten
Vorkammereinheiten 30 an jeder Seite davon angeordnet sind.
Jedoch ist es auch möglich,
die mit Pilotkraftstoffeinspritzventil ausgestattete Vorkammereinheit 30 zentral
anzuordnen und an der Seite davon eine Zündkerze 11 anzuordnen.
-
10 zeigt
einen Betriebssteuerungsmechanismus zum Regeln des Motors der vorliegenden Erfindung.
In 10 sind eine Zündkerzenvorrichtung,
die eine Zündkerze 11 verwendet,
und eine mit Pilotkraftstoffeinspritzventil ausgestattete Vorkammereinheit 30,
die Pilotöl
verwendet, gemeinsam in der Zündquelle 100 verwendet.
Gemäß dem Brenngassteuersystem 80 wird
die Brenngasmenge durch Regulierung des Gasdruckregelventils 83 mittels
des Motordrehzahlfliehkraftreglers 81 über einen Aktuator 82 eingestellt.
Zusätzlich
ist gemäß dem Verteilerdrucksteuerungssystem 90 ein
Abgasturbolader 93 zwischen dem Luftzufuhrsystem und dem
Auspuffsystem 92 vorgesehen. In diesem System wird die Regulierung
des Verteilerdruckregelventils 94, das in dem Luftzufuhrsystem 91 parallel
zum Abgasturbolader 93 vorgesehen ist, mittels einer Luftkraftstoffverhältnisregelvorrichtung 95 über einen
Aktuator 96 durchgeführt.
-
Im
Falle dieses Motors wird der Motor mittels der Zündkerze 11 gestartet.
In anderen Worten, es gibt keinen Dieselstart, und daher ist es
in der gleichen Weise wie beim Motor der ersten Ausführung möglich, eine
kompakte mit Pilotkraftstoffeinspritzventil ausgestattete Vorkammereinheit 30 bereitzustellen.
Zusätzlich
arbeitet das Pilotkraftstoffeinspritzsystem ab dem Start des Motors.
Jedoch ist in Wirklichkeit der Start der Einspritzung von der Pilotölmenge abhängig, d.
h. der Ventileinstellung der Zahnstange der Kraftstoffeinspritzpumpe,
und kann z.B. ab dem Punkt beginnen, wenn die Motordrehzahl 900 ∼ 1000 UpM
erreicht, für
den Fall, dass der Pilotölprozentsatz
1% des gesamten Heizwerts beträgt.
In diesem Fall beeinträchtigt
dies die Regelung selbst während
der kontinuierlichen Einspritzung nicht, da der Pilotölanteil
angenähert
0,2 ∼ 5%
des gesamten Heizwerts beträgt.
Demzufolge ist es wegen der Einspritzmenge möglich, die Verzahnung der vorgenannten
Kraftstoffeinspritzpumpe zu fixieren, ohne komplizierte Koppelmechanismen
zu verwenden.
-
Bei
dem Motor, der die vorgenannte Struktur besitzt, wird beim Start
des Motors Kraftstoffluftgemisch, das das Brenngas und die in die
Hauptbrennkammer 1 geförderte
Luft umfasst, mittels Funkenzündung
von der Zündkerze 11 fehlerlos
gezündet.
In Folge dessen startet der Motor glattgängig ohne Stopp des Motors
während
des Starts. Hierbei ist das Pilotkraftstoffeinspritzsystem in Betrieb,
aber weil der Motor eine vorbestimmte Motordrehzahl nicht erreicht
hat, zündet
sie weder noch fungiert sie als Zündquelle.
-
Wenn
anschließend
der Motor eine vorbestimmte Motordrehzahl erreicht, die im Bezug
auf eine eingestellte Pilotölmenge
gesetzt ist (d. h. gemäß der Zahnstange
der Kraftstoffeinspritzpumpe) beginnt die Zündung mittels der Pilotkraftstoffeinspritzung
gemäß dem gleichen
Prozess wie in dem Piloteinspritzbetriebsmodus (2) der
ersten Ausführung. Dann
erfolgt die Zündung
auf der Basis der Pilotkraftstoffeinspritzung fehlerlos, und sobald
der vorgenannte Vorgang in der Lage ist, als Zündquelle zu dienen, kann die
Funkenentladung folgenlos gestoppt werden. Zusätzlich resultiert die Fortsetzung der
vorgenannten Funkenentladung in der Förderung der Verbrennung mittels
Mehrpunktzündung
wie im Falle der ersten Ausführung.
-
11 ist
ein Diagramm, das man durch Auswertung des richtigen Brenngasdrucks
beim Start des Motors gemäß der vorliegenden
Ausführung
erhält.
Wie aus 11 klar ersichtlich, zeigt,
im Gegensatz zum richtigen Brenngasdruck von 0,05 ∼ 0,15 kgf/cm3 beim Start des Motors in dem Vorkammermodell,
der richtige Brenngasdruckpegel gemäß der Formel der vorliegenden
Erfindung einen höheren Pegel
und einen breiteren Bereich von 0,1 ∼ 0,3 kgf/cm2.
Demzufolge ist es gemäß der vorliegenden Erfindung,
im Vergleich zum Vorkammermodell, möglich, den Motorstart mit einer
einfachen Vorrichtung zu steuern, da eine strikte Steuerung unter
Verwendung einer Drucksteuervorrichtung ungültig ist. Da ferner die Kraftstoffluftgemischkonzentration
innerhalb der Hauptbrennkammer 1 aufgrund des Strömungsturbulenzeffekts
der gesamten Brennkammer, der während
des Ansaugverdichtungstakts erzeugt wird, angenähert gleichmäßig ist,
wird die Zündung mittels
der Zündkerze 11 viel
leichter.
-
12A und 12B zeigen
Untersuchungsbeispiele der Motorstartcharakteristiken mittels eines
Einzylindermotors mit einer Zylinderbohrung von 260 mm. Wie aus
diesen Figuren ersichtlich, ist es möglich, den Motor auch dann
zu starten, wenn der Gasdruck innerhalb des Brenngashauptrohrs 42 im
Moment des Motorstartbetriebs rasch auf 0,48 kgf/cm2 ansteigt
(siehe 12B); ähnlich ist es möglich, den
Motor auch dann zu starten, wenn die Brenngaszufuhr bei einem niedrigen
Gasdruck von 0,01 kgf/cm2 verzögert ist
(siehe 12A). Diese Ergebnisse zeigen
an, dass es während
des Übergangszustands
der Brenngasdruckeinstellung möglich
ist, den Motor zu starten, auch wenn sich der vorgenannte Zustand
ein wenig von dem in 11 gezeigten richtigen Bereich
unterscheidet, so dass winzige Brenngasdruckeinstellungen, wie etwa
jene, die zum Starten des Vorkammermodells erforderlich sind, unnötig sind.
-
Ein
Beispiel der Verbesserung der Brennfähigkeit mittels Mehrpunktzündung mittels
fortgesetzter Funkenzündung
von der Zündkerze 11 nach
Lastbetrieb ist in 13 gezeigt. 13 zeigt
die Änderung
der Abgastemperatur am Zylinderausgang bei niedriger Last von angenähert 25%
der Betriebslastkapazität
(BMEP 3,75 kgf/cm2) in den jeweiligen Fällen der
Fortsetzung und des Stops der Funkenzündung. Im Falle von 3 fällt die
Abgastemperatur aufgrund der Funkenzündung um angenähert 15°C. Dies resultiert
aus der Minderung der thermischen Belastung des Auslassventils,
was wiederum die Haltbarkeit des Ventils erhöht. Der Grund für den vorgenannten
Abfall der Abgastemperatur wird nachfolgend im näheren Detail erläutert. Wenn
man, wie in 14 ersichtlich, die Wärmefreisetzungsrate
bei jedem Kurbelwinkel vergleicht, besteht ein Abfall des Wärmeerzeugungsfaktors über 30 ∼ 50° nach dem oberen
Totpunkt (Arbeitstakt), wenn die Funkenzündung fortgesetzt wird. Im
Ergebnis nimmt in Antwort auf die Temperaturabfall von der vorgenannten
Expansion der Anteil des Abgastemperaturabfall um den Betrag der
verlorenen Wärmeerzeugung
zu, was zu einer Minderung der Abgastemperatur am Zylinderauslass
führt.