【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は低セタン価燃料を使用するエンジンにおいて、着火燃焼を促進するための燃焼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリンダ内に噴射された燃料噴霧にレーザを直接照射して着火させるレーザ着火燃焼装置は、比較的小型のエンジンにおいて種々提案されている。
一方、大型エンジンにおいては、燃焼室が径方向に拡いため、上記のような、燃料噴霧に直接にレーザを照射する方式では、着火の安定性を図るため、多くの点火点を設定してここにレーザを照射する必要がある。
【０００３】
かかる大型エンジンにおいて、低セタン価燃料を使用するエンジンの着火、燃焼装置のうち、グロープラグを使用した装置の従来技術の一例を図４に示す。
図４において、Ｙはシリンダライナ、Ｘはピストン、Ｕはシリンダヘッド、Ｗは排気弁、Ａは該シリンダヘッドＵ、シリンダライナＹ及びピストン上面によって形成された主燃焼室である。
１７、１８は前記主燃焼室Ａに低セタン価燃料を噴射する主燃料噴射弁であり、排気弁Ｗを隔てて対をなして設けられている。
【０００４】
Ｂ１及びＢ２は、前記主燃焼室Ａの両側部のシリンダライナＹの上端とシリンダヘッドＵの下端との間に形成された副燃焼室である。
該各副燃焼室Ｂ１及びＢ２には、ここに点火用燃料を噴射する副燃料噴射弁１１、１２及び該副燃料噴射弁１１、１２からの点火用燃料噴霧Ｃ、Ｄに点火するためのグロープラグ１３及び１４が設けられている。
１５、１６は前記各副燃焼室Ｂ１、Ｂ２と主燃焼室Ａとを連通する噴口部である。
【０００５】
かかる大型エンジンの運転時において、
副燃料弁１１、１２によって、副燃焼室Ｂ１、Ｂ２に噴射された点火用燃料噴霧Ｃ、Ｄは、グロープラグ１３、１４からの火花によって点火し、燃焼する。
この燃焼炎は噴口部１５、１６から主燃焼室Ａに噴出され、該主燃焼室Ａに主燃料噴射弁１７、１８から噴射された燃料噴霧Ｚ１〜Ｚ３に接触し、着火燃焼される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
然るに、前記のように大型エンジンにおいては、燃焼室Ａが大きいため、複数の点火点が必要となるうえ、出力によって燃料噴霧の状況が変わり、着火に不安定性が残り、また点火点の位置によってその後の燃焼状況が変わるという課題を抱えている。
【０００７】
かかる大型エンジンにおいて、レーザを着火促進手段として使用する場合は、上記のような課題を抱えているため、安定した着火と燃焼性能を得るのは困難な面がある。
また、図４に示す従来技術のように、グロープラグ１３、１４を使用する手段においては、着火促進装置の構造が複雑となるとともに高コストとなる。
【０００８】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、大型エンジンのように点火点の多いエンジンにおいても、自由に点火点を選定可能として、確実な着火と高い燃焼性能が得られ、かつ装置コストが低減された低セタン価燃料エンジンの燃焼装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題するために、メタノール燃料等の低セタン価の燃料を使用するエンジンにおいて、
燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と該燃料に点火するための標的流体を噴射する標的噴射弁とを、前記燃料噴射弁からの燃料噴射方向と標的噴射弁からの標的流体の噴射方向とが交叉するように設置し、前記燃料の噴霧と標的流体の噴霧との交叉部近傍域にレーザ光を照射するパルスレーザ装置を備えたことを特徴とする低セタン価燃料エンジンの燃焼装置を提案する。
【００１０】
かかる発明によれば、燃料噴射弁から燃焼室内に噴射された燃料噴霧に対し、該燃料の噴射よりも一定期間遅らせて標的噴射弁より水等の標的流体を燃料噴霧と交叉する方向に噴射する。
そして、前記２つの噴霧の交叉部近傍域に向けてパルスレーザ装置により、レーザ光を照射する。
これによって、標的噴霧のプラズマが発生し、これを着火源として燃料噴霧が着火し、燃焼が促進される。
【００１１】
かかる作用により、大型エンジンのように燃焼室が広く、点火点が多いエンジンにおいても、燃料噴霧と標的噴霧とを交叉させ、この交叉部にレーザ光を照射して標的噴霧にプラズマを発生させ、これを核にして着火燃焼を促進するので、燃焼室内でくまなく良好な着火が得られることとなり、点火点（着火ポイント）の選定が自由にでき、燃焼性能が安定したエンジンを得ることができる。
【００１２】
また、図４に示す従来のグロープラグによる着火促進エンジン等に較べて装置コストも低減される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。
但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００１４】
図１は本発明の実施形態に係る低セタン価燃料を使用する内燃機関の燃焼装置の平面配置図を示す。
図１において、１はメタノール等の低セタン価燃料を燃焼室７内に噴射する燃料噴射弁、２は水等の標的流体を燃焼室７内に噴射する標的噴射弁で、双方の噴射弁１、２は、シリンダライナ６の略燃焼室７の中心に関して、対向する位置に各１個設けられている。また、３はシリンダライナ６のシリンダ中心を挟んで対向する位置に設けられたパルスレーザ装置である。
尚、前記燃料噴射弁１、標的噴射弁２及びパルスレーザ装置３は、シリンダヘッドに設けることもできる。
【００１５】
４は前記燃料噴射弁１へ、低セタン価燃料を、その噴射時期、噴射期間を制御して、燃料噴射管４Ａを介して送給する燃料噴射装置、５は前記標的噴射弁へ、水等の標的流体を、その噴射時期、噴射期間を制御して、標的噴射管５Ａを介して送給する標的噴射装置である。
【００１６】
前記燃料噴射弁１と標的噴射弁２は、該燃料噴射弁１からの燃料の噴射方向と標的噴射弁２からの標的流体の噴射方向とが交叉するように対をなして、図１のように２組あるいは１組あるいは３組以上の複数組設けられている。
そして、前記各パルスレーザ装置３は、前記燃料噴射弁１からの燃料噴霧１Ａと標的噴射弁２からの標的流体噴霧２Ａとの交叉部近傍域に向けてレーザ光３Ａを照射するように配置されている。
【００１７】
尚、このパルスレーザ装置３は前記燃料噴射弁１及び標的噴射弁２と同数設けられる。
前記燃料噴射装置４及び標的噴射装置５はエンジンのクランク角に同期して作動し、設定された噴射時期及び噴射期間で以って、前記燃料噴射弁１及び標的噴射弁２に燃料及び標的流体を送給するようになっている。
【００１８】
かかる構成を備えたエンジンの燃料装置の動作について説明する。
燃料噴射装置４により、適当な噴射時期及び噴射期間で以って燃料噴射弁１に送られた燃料は該燃料噴射弁１から燃焼室７内に噴射される。
【００１９】
この燃料噴霧１Ａに対し、標的となる粒子の蒸発による消滅を防止するため、前記燃料の噴射よりも一定期間タイミングを遅らせて、標的噴射装置５から標的噴射弁２に水等の標的流体が送られ、該標的噴射弁２から前記燃料噴霧に交叉する方向に標的流体が噴射される。
【００２０】
そして、前記燃料噴霧１Ａと標的流体噴霧２Ａとの交叉部の近傍に向けて、パルスレーザ装置３からレーザ光３Ａが照射される。
これによって、標的噴霧２Ａのプラズマが発生せしめられ、これを着火源として燃料噴霧１Ａが着火し、燃焼せしめられる。
【００２１】
前記燃料噴霧１Ａはエンジン負荷の大きさにより、その量及び粒子径等が変化するが、標的噴霧２Ａは負荷の大小に拘らず、燃料の着火に最適なようにコントロールされる。
【００２２】
次に前記燃料及び標的流体の噴射システムの詳細について説明する。
高温高圧ガス中に噴射された低セタン価燃料の燃料噴霧１Ａにパルスレーザ３Ａを照射した場合の着火原理は次のとおりである。即ち、高エネルギーのレーザ光３Ａをパルス化して電気的絶縁物である燃料噴霧粒子１Ａに照射すると、照射ポイントの燃料噴霧粒子が絶縁破壊され、高速で多数の電子が放出される。これらの電子は、雰囲気ガスの分子に次々に衝突し、ガス分子からも多量の電子が放出され、プラズマを発生する。このプラズマの高温の熱エネルギーが燃料粒子１Ａまわりの燃料蒸気を着火させる。
【００２３】
このため、このプラズマ発生の鍵となる標的粒子２Ａの存在が肝要となる。
そこで、低セタン価のメタノール燃料を例にしたレーザ着火の実験データを示したのが図２、図３である。図２は着火確率、図３は性能データを示し、両図ともメタノール噴霧内の空気過剰率（λ）を横軸に採っている。図２より、着火確率１００％を得るに必要なレーザ光３Ａの照射ポイントの空気過剰率（λ）は大略１＜λ＜２である。
【００２４】
一方、図３より熱効率は、λ≒２近傍で最高値を示し、その後、急激に悪化している。これは、λ＞２ではメタノール燃料粒子の蒸発が進むため、レーザの標的となる燃料粒子の数が減少し、プラズマ発生が困難となり、ミスファイアを生じるためである。これは図２に示す着火確率の低下と対応していることからも明らかである。一方、ＮＯｘはλ＞２に最低値を持つ傾向が確認される。エンジンの熱効率とＮＯｘ及び着火確率とを良好にするには、レーザ光３Ａの標的となる粒子を燃料粒子１Ａとはしないで、独立させた標的粒子専用の噴霧を形成させれば良い。
【００２５】
このように、燃料噴霧１Ａと標的噴霧２Ａとを分けると、λ＞２領域に対し、標的噴霧２Ａを供給すれば、高い着火確率の保持と熱効率の改善が可能となる。
この実施形態では燃料噴霧１Ａのλ≒２近傍位置に標的噴霧２Ａを交叉させるようにし、かつ、そのポイントにレーザ光３Ａを照射させる。
【００２６】
このため、燃料噴射弁１とは別個に、レーザ光３Ａの標的となる専用の噴射弁つまり標的噴射弁を設けて、燃料噴霧１Ａのλ（空気過剰率）が２近傍付近において、標的噴射弁２から標的となる粒子（例えば水）を噴射する。これにレーザ光３Ａを照射すると、プラズマが発生して、燃料噴霧１Ａに着火し、効率よく燃焼せしめることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上の記載のごとく、本発明によれば、燃料噴霧と標的噴霧とを交叉させ、この交叉部にレーザ光を照射して、標的噴霧にプラズマを発生させ、これを核にして、着火燃焼を促進するので、燃焼室内でくまなく良好な着火が得られることとなり、点火点（着火ポイント）の選定が自由にでき、燃焼性能が安定したエンジンを得ることができる。
【００２８】
これにより、大型エンジンのように燃焼室が広く点火点が多いエンジンにおいても、各点火点を最適位置に選定することにより、良好な着火性が得られ、燃焼性能を向上することができる。
【００２９】
また、従来のグロープラグによる着火促進エンジン等に較べて、装置コストも低減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る低セタン価エンジンの燃焼装置の平面配置図である。
【図２】本発明の実施形態における性能線図（その１）である。
【図３】本発明の実施形態における性能線図（その２）である。
【図４】従来の燃焼装置を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料噴射弁
１Ａ 燃料噴霧
２ 標的噴射弁
２Ａ 標的噴霧
３ パルスレーザ装置
３Ａ レーザ光
４ 燃料噴射装置
５ 標的噴射装置
６ シリンダライナ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a combustion device for promoting ignition combustion in an engine using a low cetane number fuel.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Various types of laser ignition combustion devices that directly irradiate a fuel spray injected into a cylinder with a laser to ignite the laser have been proposed for relatively small engines.
On the other hand, in the case of a large engine, the combustion chamber expands in the radial direction. Therefore, in the method of directly irradiating the fuel spray with laser as described above, many ignition points are set in order to achieve ignition stability. Need to be irradiated with laser.
[0003]
FIG. 4 shows an example of a prior art of a device using a glow plug among ignition and combustion devices of an engine using a low cetane number fuel in such a large engine.
In FIG. 4, Y is a cylinder liner, X is a piston, U is a cylinder head, W is an exhaust valve, and A is a main combustion chamber formed by the cylinder head U, the cylinder liner Y and the piston upper surface.
Reference numerals 17 and 18 denote main fuel injection valves for injecting a low cetane number fuel into the main combustion chamber A, which are provided in pairs with an exhaust valve W interposed therebetween.
[0004]
B1 and B2 are sub-combustion chambers formed between the upper end of the cylinder liner Y and the lower end of the cylinder head U on both sides of the main combustion chamber A.
Each of the sub combustion chambers B1 and B2 has a sub fuel injection valve 11, 12 for injecting fuel for ignition therein, and a glow for igniting ignition fuel sprays C, D from the sub fuel injection valves 11, 12. Plugs 13 and 14 are provided.
Reference numerals 15 and 16 denote injection ports which communicate the sub combustion chambers B1 and B2 with the main combustion chamber A.
[0005]
During operation of such a large engine,
The ignition fuel sprays C and D injected into the sub-combustion chambers B1 and B2 by the sub-fuel valves 11 and 12 are ignited by sparks from the glow plugs 13 and 14 and burn.
The combustion flame is ejected from the injection ports 15 and 16 into the main combustion chamber A, comes into contact with the fuel sprays Z1 to Z3 injected from the main fuel injection valves 17 and 18 and is ignited and burned.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, as described above, in a large engine, since the combustion chamber A is large, a plurality of ignition points are required, and the state of fuel spray changes depending on the output, the ignition remains unstable, and depending on the position of the ignition point, There is a problem that the combustion situation changes afterwards.
[0007]
In such a large engine, when a laser is used as an ignition promoting means, there are problems as described above, so that it is difficult to obtain stable ignition and combustion performance.
Further, in the means using the glow plugs 13 and 14 as in the prior art shown in FIG. 4, the structure of the ignition promoting device becomes complicated and the cost becomes high.
[0008]
In view of the problems of the prior art, the present invention makes it possible to freely select an ignition point even in an engine having a large number of ignition points, such as a large engine, so that reliable ignition and high combustion performance can be obtained, and the apparatus cost is reduced. It is an object of the present invention to provide a combustion device for a low cetane number fuel engine.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is directed to an engine using a low cetane number fuel such as methanol fuel,
A fuel injection valve for injecting fuel into the combustion chamber and a target injection valve for injecting a target fluid for igniting the fuel, a fuel injection direction from the fuel injection valve and a target fluid injection direction from the target injection valve. Are provided so as to intersect with each other, and a pulse laser device for irradiating a laser beam to a region near an intersection of the fuel spray and the target fluid spray is proposed. I do.
[0010]
According to this invention, with respect to the fuel spray injected into the combustion chamber from the fuel injection valve, a target fluid such as water is injected from the target injection valve in a direction crossing the fuel spray with a delay of a certain period from the injection of the fuel. .
Then, laser light is irradiated by a pulse laser device toward a region near the intersection of the two sprays.
As a result, plasma of the target spray is generated, and the fuel spray is ignited by using the plasma as an ignition source to promote combustion.
[0011]
By such an action, even in an engine having a large combustion chamber and a large number of ignition points such as a large engine, the fuel spray and the target spray intersect, and the intersection is irradiated with laser light to generate plasma in the target spray, With this as a nucleus, ignition combustion is promoted, so that good ignition can be obtained throughout the combustion chamber, an ignition point (ignition point) can be freely selected, and an engine with stable combustion performance can be obtained. .
[0012]
Further, the device cost is reduced as compared with the conventional glow plug-based ignition promoting engine shown in FIG.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be illustratively described in detail with reference to the drawings.
However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention unless otherwise specified, and are merely examples. Only.
[0014]
FIG. 1 is a plan view showing a combustion apparatus for an internal combustion engine using a low cetane number fuel according to an embodiment of the present invention.
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a fuel injection valve for injecting a low cetane number fuel such as methanol into the combustion chamber 7, and 2 denotes a target injection valve for injecting a target fluid such as water into the combustion chamber 7. 2 are provided at opposing positions with respect to the approximate center of the combustion chamber 7 of the cylinder liner 6. Reference numeral 3 denotes a pulse laser device provided at a position facing the cylinder liner 6 with the center of the cylinder interposed therebetween.
The fuel injection valve 1, the target injection valve 2, and the pulse laser device 3 can be provided in a cylinder head.
[0015]
Reference numeral 4 denotes a fuel injection device which controls the injection timing and injection period of low cetane number fuel to the fuel injection valve 1 and feeds the fuel through a fuel injection pipe 4A. Reference numeral 5 denotes water or the like to the target injection valve. Is a target injection device that controls the injection timing and the injection period of the target fluid through the target injection pipe 5A.
[0016]
The fuel injection valve 1 and the target injection valve 2 are paired so that the fuel injection direction from the fuel injection valve 1 and the target fluid injection direction from the target injection valve 2 intersect as shown in FIG. , Two sets, one set, or three or more sets.
Each of the pulse laser devices 3 is arranged so as to irradiate a laser beam 3A toward a region near an intersection of the fuel spray 1A from the fuel injection valve 1 and the target fluid spray 2A from the target injection valve 2. ing.
[0017]
Incidentally, the same number of the pulse laser devices 3 as the fuel injection valves 1 and the target injection valves 2 are provided.
The fuel injection device 4 and the target injection device 5 operate in synchronization with the crank angle of the engine, and the fuel and the target fluid are supplied to the fuel injection valve 1 and the target injection valve 2 according to the set injection timing and injection period. Is to be sent.
[0018]
The operation of the fuel device for an engine having such a configuration will be described.
By the fuel injection device 4, the fuel sent to the fuel injection valve 1 at an appropriate injection timing and injection period is injected from the fuel injection valve 1 into the combustion chamber 7.
[0019]
A target fluid such as water is sent from the target injection device 5 to the target injection valve 2 by delaying the timing of the fuel spray 1A from the target injection device 5 for a certain period of time to prevent the target particles from disappearing due to evaporation of the target particles. The target fluid is injected from the target injection valve 2 in a direction crossing the fuel spray.
[0020]
Then, the laser light 3A is emitted from the pulse laser device 3 toward the vicinity of the intersection of the fuel spray 1A and the target fluid spray 2A.
As a result, the plasma of the target spray 2A is generated, and the fuel spray 1A is ignited and burned using the plasma as an ignition source.
[0021]
The amount and particle size of the fuel spray 1A vary depending on the magnitude of the engine load, but the target spray 2A is controlled to be optimal for fuel ignition regardless of the load.
[0022]
Next, details of the fuel and target fluid injection system will be described.
The principle of ignition when the pulse laser 3A is applied to the fuel spray 1A of the low cetane number fuel injected into the high-temperature high-pressure gas is as follows. That is, when the high energy laser light 3A is pulsed and irradiated on the fuel spray particles 1A, which is an electrical insulator, the fuel spray particles at the irradiation point are broken down and many electrons are emitted at high speed. These electrons collide with molecules of the atmosphere gas one after another, and a large amount of electrons are also emitted from the gas molecules to generate plasma. The high-temperature thermal energy of the plasma ignites the fuel vapor around the fuel particles 1A.
[0023]
For this reason, the presence of the target particles 2A which is a key to the plasma generation is important.
2 and 3 show experimental data of laser ignition using low-cetane number methanol fuel as an example. FIG. 2 shows the ignition probability, and FIG. 3 shows the performance data. In both figures, the excess air ratio (λ) in the methanol spray is plotted on the horizontal axis. From FIG. 2, the excess air ratio (λ) of the irradiation point of the laser beam 3A required to obtain the ignition probability of 100% is approximately 1 <λ <2.
[0024]
On the other hand, from FIG. 3, the thermal efficiency shows the highest value in the vicinity of λ ≒ 2, and thereafter sharply deteriorates. This is because, when λ> 2, the evaporation of methanol fuel particles proceeds, so that the number of fuel particles targeted by the laser decreases, making it difficult to generate plasma and causing misfire. This is clear from the fact that it corresponds to the decrease in the ignition probability shown in FIG. On the other hand, NOx tends to have the lowest value when λ> 2. In order to improve the thermal efficiency of the engine, the NOx and the ignition probability, the target particle of the laser beam 3A may not be the fuel particle 1A, but may be an independent spray dedicated to the target particle.
[0025]
As described above, when the fuel spray 1A and the target spray 2A are separated, if the target spray 2A is supplied to the λ> 2 region, it is possible to maintain a high ignition probability and improve the thermal efficiency.
In this embodiment, the target spray 2A is made to cross the position near λ ≒ 2 of the fuel spray 1A, and the point is irradiated with the laser beam 3A.
[0026]
For this reason, a dedicated injection valve that is a target of the laser beam 3A, that is, a target injection valve is provided separately from the fuel injection valve 1, and when the λ (excess air ratio) of the fuel spray 1A is near 2, the target injection valve The target particles (for example, water) are ejected from Step 2. When this is irradiated with the laser light 3A, plasma is generated, and the fuel spray 1A is ignited and can be efficiently burned.
[0027]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the fuel spray and the target spray intersect, and the intersection is irradiated with laser light to generate plasma in the target spray. As a result, good ignition can be obtained throughout the combustion chamber, the ignition point (ignition point) can be freely selected, and an engine with stable combustion performance can be obtained.
[0028]
Thus, even in an engine having a large combustion chamber and many ignition points, such as a large engine, by selecting each ignition point at an optimum position, good ignitability can be obtained and combustion performance can be improved.
[0029]
In addition, the cost of the apparatus is reduced as compared with a conventional glow plug ignition promotion engine or the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan layout view of a combustion device of a low cetane number engine according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a performance diagram (part 1) in the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a performance diagram (part 2) in the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a conventional combustion device.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1 fuel injection valve 1A fuel spray 2 target injection valve 2A target spray 3 pulse laser device 3A laser beam 4 fuel injection device 5 target injection device 6 cylinder liner