JP2000136724A - 主室容積可変手段を持つガスエンジン - Google Patents

主室容積可変手段を持つガスエンジン

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JP2000136724A
JP2000136724A JP10312951A JP31295198A JP2000136724A JP 2000136724 A JP2000136724 A JP 2000136724A JP 10312951 A JP10312951 A JP 10312951A JP 31295198 A JP31295198 A JP 31295198A JP 2000136724 A JP2000136724 A JP 2000136724A
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Hideo Kawamura
英男 河村
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Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
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    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

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  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 この主室容積可変手段を持つガスエンジン
は，副室から主室への燃焼ガスの逆流を防止して性能を
向上し，圧縮端ガス圧を低減して燃費を低減する。 【解決手段】 このガスエンジンは，連絡孔１３に配置
した制御弁４の開放時期をピストン１５が下降する膨張
行程の前半に設定し，燃焼時の副室２内のガス圧を主室
１のガス圧より常に高く維持して燃焼ガスの逆流を防止
する。ピストン１５のキャビティ９にスプリング１６で
支持された可動ヘッド部材３を設ける。主室１内のガス
圧に応じて可動ヘッド部材３はスプリング１６のばね力
に抗してキャビティ９内を移動して主室容積を増大さ
せ，主室１内の圧縮端最高圧を低減し，膨張行程でスプ
リング１６に蓄積したエネルギをピストン１５に対して
作用させ，燃費を低減すると共に，ＮＯX の発生を抑制
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は，主室と副室とを
連通する連絡孔に制御弁を配置すると共にピストンのキ
ャビティに可動ヘッド部材を設けた主室容積可変手段を
持つガスエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来，ガスエンジンは，コジェネレーシ
ョンシステム或いはハイブリット自動車等のエンジンと
して開発が進められている。ガスエンジンは，速燃性燃
料であるＨ2 ，ＣＯ，ＣＨ3 ，天然ガス等のガス燃料を
使用しており，空気と燃料とを予め混合させ，火花点火
させる方法が一般的である。
【０００３】また，ディーゼルエンジンを用いて，上記
のようなガス燃料を燃焼させる場合に，ガス燃料を高圧
に圧縮して燃料噴射ノズルから噴射させる燃焼方式にす
ると，Ｈ2 ，ＣＨ3 等の分子径が小さいため，燃料噴射
装置の接続部からガス燃料が漏れるという現象が発生
し，燃焼室に良好に且つ適正にガス燃料が供給されない
という問題がある。また，ガスエンジンについて，燃料
を燃焼室に高圧噴射して，ディーゼル燃焼させることに
よって熱効率を上げることはできるが，燃料噴射を高圧
化させるように構成すると，高コストになると共に，気
体を高圧噴射した場合，ＮＯX が増加するという問題が
発生する。
【０００４】そこで，ガスエンジンとして，主室と該主
室に連絡孔を通じて連通する副室とを設けると共に，連
絡孔を開閉する制御弁を設け，制御弁で連絡孔を閉鎖し
ている時に，ガス燃料を副室に供給し且つ主室に吸入空
気を供給し，圧縮行程上死点付近で制御弁を作動して連
絡孔を開放し，副室で着火燃焼させるものが開発され
た。
【０００５】例えば，特開平７−１５８４４８号公報に
開示されたナチュラルガスを燃料とするガスエンジン
は，シリンダヘッドに形成した副室とシリンダ側に形成
した主室とを連絡孔で連通し，連絡孔に制御弁を配置す
る。ガス室と副室とをそのヘッド部に絞り部を通じて連
通し，天然ガスをガス通路を通じて副室に供給するため
にガス室にガス導入口を形成し，圧縮行程終端近傍で連
絡孔を開放する制御弁を設け，連絡孔の閉鎖状態で開放
するガス導入弁をガス室に形成されたガス導入口に設け
ている。ガス導入弁の開放で，天然ガスがガス室に供給
され，天然ガスはガス室と絞り部の近傍に滞留できる。
該ガスエンジンは，上記の構成によって，天然ガスを燃
料とした場合でも，圧縮比を大きく，自己着火の発生を
防止し，火炎伝播をスムースにできるものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら，従来の
ガスエンジンは，ナチュラルガス等のガス燃料を燃料と
するので，ガソリンと同じように燃料ガスを吸気弁から
吸入し，圧縮して着火する方式に構成したものでは，ノ
ッキングが発生し易いので，圧縮比を大きくすることが
できず，理論熱効率は必ずしも高くない。また，燃焼室
を遮熱構造にした遮熱エンジンでは，吸気行程でガスと
空気の混合気を吸入し，次いで圧縮すると，高圧縮され
たシリンダ内の温度が高くなり過ぎ，自己着火の現象即
ちノッキングが発生し易くなる。
【０００７】また，ガスエンジンにおいて，天然ガス等
のガス燃料をディーゼルサイクルで燃焼させるために
は，天然ガスを高圧に圧縮してシリンダで構成される燃
焼室に噴射すればよいけれども，天然ガス等の気体を２
５〜３０ＭＰａに圧縮するためには，上記のように装置
上コストが高くなり，ディーゼル燃焼による燃費の向上
分の経済効果が無くなってしまう。また，上記ガスエン
ジンで，圧縮行程の後半で制御弁を作動して連絡孔を開
放し，主室と副室とを連通する場合は，圧縮行程の後半
になればなる程，制御弁による連絡孔の開放時までの期
間において主室の圧縮空気圧が上昇し過ぎ，フリクショ
ンや圧縮空気の熱が増加することにより熱損失が増す。
主室内で増加した圧縮空気は，主室と副室との間の圧力
差によって主室から副室へ高速度で流入するが，主室に
おける圧縮空気圧を高く上昇させたにもかかわらず，主
室と副室との連通によって圧縮空気圧が低下するので，
結果的にはその仕事量がガスにより減少し，その分だけ
燃費の悪化をもたらすことになる。
【０００８】ガスエンジンにおいて，圧縮比を１５〜１
７とした場合に，制御弁で連絡孔を閉鎖して副室を主室
と遮断した状態で，ピストンが圧縮上死点に近づくと，
主室の圧縮空気が制御弁が無いタイプのエンジンの１．
７〜２倍の高圧となるが，その状態で制御弁が連絡孔を
開放すると，主室の圧力が低下するが，高圧力の圧縮空
気圧によりピストンに作用するフリクションや熱が負の
仕事になり，燃費の悪化になる。
【０００９】特に，遮熱ガスエンジンにおいて燃焼室壁
温が高い場合に，上記のような速燃性燃料のＨ2 ，Ｃ
Ｏ，ＣＨ3 等のガス燃料は着火性がよいので，連絡孔を
開放して主室から副室に空気を導入すると，副室内のガ
ス燃料がたちまち着火燃焼を起こし，直ちに副室のガス
圧が上昇し，副室にガス燃料が残存した状態で副室から
主室へ燃焼ガスが噴出し，次いで，該燃焼ガスが主室の
新気と混合して燃焼を促進し，主室のガス圧が副室のガ
ス圧より高くなり，主室から副室へ燃焼ガスが逆流し，
そこで，再度副室に残存するガス燃料が燃焼して副室の
ガス圧が上昇し，再び副室から主室へ燃焼ガスが噴出す
るという燃焼の繰り返し現象が発生し，エンジン性能が
悪化する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】この発明の目的は，上記
の課題を解決することであり，制御弁の開弁時を膨張行
程前半で行なって膨張行程前半で副室で着火燃焼を発生
させ，制御弁が連絡孔を開放した燃焼時に副室のガス圧
を主室のガス圧より高く維持して前記主室から前記副室
への燃焼ガスの逆流を防止すると共に，ピストンのキャ
ビティにばね力で付勢された可動ヘッド部材を設け主室
容積を変更可能に構成し，圧縮行程において主室で圧縮
された圧縮空気の一部をばね力に抗して主室容積を拡張
して蓄積し，主室での圧縮空気圧の上昇し過ぎを防止す
ると共に燃焼ガスの主室から副室への逆流を防止し，次
いで，膨張行程において蓄積された仕事量をピストンに
作用させ，フリクション，熱等に消費されるエネルギを
低減し，主室での空気利用率を向上させ，燃焼のスピー
ドを向上して燃焼期間を短縮し，エンジン性能をアップ
して燃費を低減させる主室容積可変手段を持つガスエン
ジンを提供することである。
【００１１】この発明は，シリンダを備えたシリンダブ
ロックに固定されたシリンダヘッド，主室，該主室に連
絡孔を通じて連通する副室及び該副室に隣接するポート
を備え且つ前記シリンダヘッドに配置されたヘッドライ
ナ，前記連絡孔を開閉するため前記副室の中央を貫通し
て前記連絡孔に配置された制御弁，ガス燃料を前記副室
に供給するため燃料供給路を開閉する燃料弁，前記シリ
ンダ内を往復移動するピストン，及び前記ピストンに形
成されたキャビティ内を往復移動し且つ前記キャビティ
内に配置されたスプリングで支持された可動ヘッド部材
を有し，前記主室内のガス圧に応じて前記可動ヘッド部
材が前記スプリングのばね力に抗して前記キャビティ内
を移動して主室容積を変更すると共に，前記制御弁が圧
縮行程の後半で前記連絡孔を部分開放し，膨張行程の前
半で前記連絡孔を全開放して前記主室から前記副室へ圧
縮空気を導入して前記副室で着火燃焼させ，次いで前記
副室から前記主室へ燃焼ガスを噴出させることから成る
主室容積可変手段を持つガスエンジンに関する。
【００１２】このガスエンジンは，圧縮行程時に前記ス
プリングの前記ばね力に抗して前記可動ヘッド部材を押
し下げて前記主室容積を拡張させ，前記主室内の最高ガ
ス圧を低減する。
【００１３】このガスエンジンでは，前記可動ヘッド部
材の上面は前記制御弁の下面より大きく形成され，前記
ピストンの頂面は前記可動ヘッド部材の周辺から前記シ
リンダ周辺に向かって前記ヘッドライナの下面との隙間
が小さく成るように形成されている。
【００１４】又は，前記ピストンの頂面は，平面に形成
され，前記ポートに配設された吸，排気弁の下面との間
にリセスを持たないように構成されている。
【００１５】前記制御弁は前記ピストンが下降する前記
膨張行程の前半で前記連絡孔を全開放し且つ排気行程後
半までに閉鎖するように設定され，前記燃料弁は前記連
絡孔の閉鎖時に開放して前記燃料供給路から前記ガス燃
料を前記副室に供給する。
【００１６】前記ポートを通じて前記主室へ流入する吸
入空気は前記主室にスワールを形成するように導入され
る。
【００１７】前記副室の形状は，前記連絡孔側から奥側
に向かって大きな容積に形成されている。
【００１８】前記可動ヘッド部材の径は前記制御弁の弁
ヘッド部の径より若干大きく形成され，前記膨張行程の
前半の前記制御弁のリフト時に前記制御弁の前記弁ヘッ
ド部の下面と前記可動ヘッド部材の上面とが接触可能で
ある。
【００１９】このガスエンジンは，前記主室の一部を形
成するため前記ピストンの頂面が中央側が低く外周側が
高くなる円錐台形に形成され，前記制御弁の全開時に前
記円錐台の傾斜面が前記制御弁に接触しないように構成
されている。
【００２０】前記制御弁が前記ピストンが下降する前記
膨張行程の前半で前記連絡孔を開放した状態で，前記制
御弁の弁フェースと前記連絡孔の弁シートとの間に形成
される環状通路と，前記ヘッドライナの下面と前記ピス
トンの前記円錐台形の頂面との間に形成される隙間とが
連続した流路になり，前記主室内の圧縮空気が前記副室
に流入する。
【００２１】このガスエンジンは，前記連絡孔の開放時
に，前記主室に形成されている吸気スワールは前記制御
弁の回りに形成される前記環状通路を通って前記副室に
旋回して流入し，次いで前記吸気スワールは前記制御弁
の弁ヘッド部に沿って旋回しながら前記副室の天井部で
衝突して拡散し，前記副室に存在する前記ガス燃料と希
薄混合気を形成して着火燃焼し，残りの前記ガス燃料を
前記連絡孔側へ押し下げて燃焼ガスと共に前記主室へ噴
出させる。更に，前記副室から前記連絡孔の前記環状通
路を通って前記主室へ噴出される燃焼ガスは，前記ピス
トンの下降に伴って前記可動ヘッド部材が前記キャビテ
ィを上昇することで発生する逆スキッシュ流によって前
記シリンダ周辺へ向かって流れ，燃焼が拡散する。
【００２２】このガスエンジンは，上記のように構成し
たので，主室と副室とを連通する連絡孔を制御弁によっ
て閉鎖している期間に，燃料弁を開放して副室にガス燃
料を供給すると共に，吸気行程で主室に導入された空気
を圧縮行程で圧縮しつつその過大に上昇した空気圧力を
ばね力に抗して主室容積を拡大してスプリングのばね力
と空気圧として蓄積し，全体として主室の圧縮空気圧の
上昇し過ぎを避け，フリクション，熱等の増加を低減す
る。更に，ピストンが下降を始めた膨張行程前半で制御
弁を開放して主室から副室へ圧縮空気を導入し，副室で
圧縮空気とガス燃料とを混合着火させ，燃焼時に前記副
室のガス圧を主室のガス圧より高く維持して主室から副
室への燃焼ガスの逆流を防止し，副室から主室へ火炎，
未燃ガス燃料等の燃焼ガスを常に噴き出させてピストン
に仕事をさせ，ピストンの下降に従って膨張行程におい
てばね力で前記可動ヘッド部材を移動させて圧縮空気を
燃焼に寄与させて空気利用率を向上させ，ピストンに仕
事をさせる。
【００２３】また，このガスエンジンは，吸気行程では
副室には空気が存在していないので，ガス燃料は自己着
火することがなく，ノッキングを発生することがなく，
また，主室にはガス燃料が存在しないので，空気を高圧
縮することができる。従って，この主室容積可変手段を
持つガスエンジンは，主室及び容積可変主室部に存在す
る空気を巻き込んで空気利用率をアップし，燃焼スピー
ドをアップし，燃焼期間を短縮し，燃焼を完結し，ＮＯ
X ，ＨＣ等の発生を低減し，特に熱効率を高め，ガス燃
料の自己着火を防止してノッキングの発生を防止でき
る。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下，図面を参照して，この発明
による主室容積可変手段を持つガスエンジンの実施例を
説明する。この主室容積可変手段を持つガスエンジン
は，コジェネレーションシステム或いは自動車用エンジ
ンとして適用できるものである。図１はこの発明による
主室容積可変手段を持つガスエンジンの一実施例を示す
断面図，図２は図１のガスエンジンの要部の拡大断面
図，及び図３は図１のガスエンジンの作動サイクルに対
する主室と副室とのガス圧の変化を示すと共に，可動ヘ
ッド部材を備えていないガスエンジンの作動サイクルに
対する主室のガス圧の変化を示す線図である。
【００２５】この主室容積可変手段を持つガスエンジン
は，シリンダブロック１４，シリンダブロック１４の上
面にガスケット３８を介して固定されたシリンダヘッド
７，シリンダブロック１４に形成した孔部３７に嵌合し
たシリンダ２７を構成するシリンダライナ２８，シリン
ダライナ２８に形成したシリンダ２７内を往復運動する
ピストン１５，シリンダヘッド７の一部を構成するスペ
ーサ７Ａに形成されたキャビティ６に配置され且つ主室
１，主室１に連絡孔１３を通じて連通する副室２，副室
２に隣接して形成された吸気ポート１７及び排気ポート
１９を備えたヘッドライナ１０，及び副室２の中央を貫
通して連絡孔１３を開閉する制御弁４，ガス燃料を副室
２に供給する燃料供給路８を開閉する燃料弁５，及びピ
ストン１５の中央部に形成されたキャビティ９内を往復
移動し且つキャビティ９内に配置されたスプリング１６
で支持された可動ヘッド部材３を有する。
【００２６】ヘッドライナ１０は，ヘッド下面部１２及
びヘッド下面部１２と一体構造のライナ上部１１から構
成されている。ヘッドライナ１０は，シリンダヘッド７
のスペーサ７Ａに形成したキャビティ６に，位置決めガ
スケット３１とガスケット３２を介して遮熱空気層２３
を形成するように配置されている。スペーサ７Ａは，ガ
スケット３２，３８を介在してシリンダヘッド７とシリ
ンダブロック１４との間に配置され，主室１が遮熱構造
に構成されている。ヘッド下面部１２には，吸気ポート
１７と排気ポート１９が形成され，吸気ポート１７には
吸気弁１８が配置され，また，排気ポート１９には排気
弁２９が配置されている。ヘッドライナ１０のヘッド下
面部１２には，主室１と副室２とを連通する連絡孔１３
が形成されている。ヘッドライナ１０は，Ｓｉ3 Ｎ4 等
のセラミックスや耐熱合金の耐熱材から形成されてい
る。
【００２７】また，ピストン１５は，Ｓｉ3 Ｎ4 等のセ
ラミックスや耐熱合金の耐熱材から形成されたピストン
ヘッド２１と，ピストンヘッド２１に固定されたＡｌ合
金等の金属材から形成されたピストンスカート２２とか
ら構成されている。ピストンヘッド２１とピストンスカ
ート２２との間にはガスケット４２が介在して遮熱空気
層２４が形成され，ピストンヘッド２１とピストンスカ
ート２２とは結合ナット４３等で固定されている。ピス
トンヘッド２１には，特に，その中央部に形成されたキ
ャビティ９内を往復移動し且つキャビティ９内に配置さ
れたスプリング１６で支持された可動ヘッド部材３を有
している。ピストンヘッド２１は，主室１の一部を形成
するため，ピストンの頂面２５が中央側が低く外周側が
高くなる円錐台形に形成されている。可動ヘッド部材３
は，主室１内のガス圧に応じてスプリング１６のばね力
に抗してキャビティ９内を移動し，キャビティ９の主室
容積を変更する容積可変主室部２０を形成する。
【００２８】ヘッドライナ１０のヘッド下面部１２に形
成された連絡孔１３には，制御弁４が配置されている。
制御弁４は，ヘッド下面部１２に形成された貫通孔２６
をシールガスケット３３を介して貫通して副室２の中央
を通って配置されている。また，シリンダヘッド７に形
成されたガス燃料供給路８を通じてガス燃料を副室２に
供給するため，ヘッド下面部１２には，燃料弁５が配置
されている。制御弁４は，バルブガイド部材３９，４０
によってシリンダヘッド７に保持され，制御弁用カム３
６によってロッカアーム３５を通じて連絡孔１３を開閉
するように作動される。更に，制御弁４は，冷却管３４
を通じてバルブガイド部材３９，４０に供給される冷却
液によって冷却されている。また，燃料弁５は，バルブ
ガイド部材４１によってシリンダヘッド７に保持され，
燃料弁用カム３７によってガス燃料供給口４４を開閉す
るように作動される。
【００２９】このガスエンジンは，特に，ピストン１５
が下降する膨張行程前半で制御弁４が作動して連絡孔１
３を開放し，副室２と主室１とを連通状態にして主室１
から副室２へ圧縮空気を流入させて副室２で着火燃焼さ
せ，遅くとも排気行程前半で閉鎖して主室１と副室２と
を遮断するように作動するように設定されていることを
特徴とする。また，このガスエンジンは，ピストン１５
のピストンヘッド２１には主室１の一部を構成するキャ
ビティ９が形成され，キャビティ９にはスプリング１６
のばね力で支持された可動ヘッド部材３が配置され，主
室１内のガス圧に応答して可動ヘッド部材３がキャビテ
ィ９内で移動して容積を可変にする容積可変主室部２０
を備え，可動ヘッド部材３の背面のキャビティ９の中空
部４５には可動ヘッド部材３を弾性支持するスプリング
１６が配置されていることを特徴とする。また，可動ヘ
ッド部材３は，キャビティ９に抜け止めリング３０によ
って弾性的に支持されている。
【００３０】また，燃料弁５は，連絡孔１３の閉鎖時に
開放して燃料供給路８からガス燃料供給口４４を通って
ガス燃料を副室２に供給するように設定されている。燃
料弁５は，制御弁４が連絡孔１３の閉鎖している時にガ
ス燃料供給口４４を開放するように作動される。従っ
て，ガス燃料は，燃料弁５がガス燃料供給口４４を開放
すると，ガス燃料供給路８からガス燃料供給口４４を通
じて副室２に供給されることになる。
【００３１】このガスエンジンでは，ピストン１５の圧
縮行程時に主室１の圧縮空気の一部をスプリング１６の
ばね力とキャビティ９内の封入された空気圧に抗して可
動ヘッド部材３を移動させて容積可変主室部２０の容積
を拡張させて容積可変主室部２０内に蓄積し，次いで，
ピストン１５の膨張行程時に容積可変主室部２０に存在
する圧縮空気をばね力と空気圧によって可動ヘッド部材
３を押し戻して主室１へ押し出させるものである。ま
た，可動ヘッド部材３にはリング溝が形成され，該リン
グ溝にはシールリングが装着され，容積可変の容積可変
主室部２０を主室１に開放させる。また，主室１及び副
室２は，耐熱性セラミックスから成るヘッドライナ１０
で遮熱構造に形成され，可動ヘッド部材３及び可動ヘッ
ド部材３を弾性支持するスプリング１６は，耐熱性セラ
ミックス又は耐熱金属で形成されている。
【００３２】このガスエンジンは，燃料としてのナチュ
ラルガス即ちガス燃料は，ガス燃料タンク或いはガス燃
料を蓄圧するガス燃料蓄圧室（図示せず）等のガス燃料
供給源に収容されている。連絡孔１３の領域では，燃焼
ガスで高温になるため，連絡孔１３に配置した制御弁４
は高温強度を有する耐熱性に優れた窒化ケイ素，炭化ケ
イ素等のセラミックスから製作されることが好ましい。
燃料弁５は，通常の動弁機構で作動されてもよいが，電
磁力で開閉される電磁弁駆動装置で作動されるように構
成し，エンジン負荷に応じて燃料弁５の開弁期間を制御
するように構成してもよいものである。燃料弁５は，ガ
ス燃料供給口４４を開放することによって，ガス燃料を
ガス燃料供給源から必要量だけ副室２に導入するように
構成されている。
【００３３】通常のエンジンでは，主室１に吸入された
空気は，圧縮行程において図３のラインＰＡで示すよう
に圧力上昇し，圧縮行程上死点近傍で着火燃焼して最高
圧力ＰＡMAX まで上昇し，膨張行程でピストン１５に仕
事をする。この発明のガスエンジンは，吸入行程，圧縮
行程，膨張行程及び排気行程の４つの行程を順次繰り返
すことによって作動される。まず，吸入行程では，吸気
弁１８が吸気ポート１７を開放して主室１に吸入空気が
供給され，制御弁４が連絡孔１３を閉鎖した状態で，燃
料弁５がガス燃料供給口４４を開放し，ガス燃料供給源
からのガス燃料がガス燃料供給路８を通じてガス燃料供
給口４２から副室２に供給される。
【００３４】次に，圧縮行程に移行するが，圧縮行程前
半では，制御弁４によって連絡孔１３が閉鎖しており，
ピストン１５の上昇に伴って主室１の吸入空気が圧縮さ
れ，図３のラインＭＣで示すように，吸入空気の圧が上
昇するが，制御弁４が圧縮行程後半の符号ＣＶＯで連絡
孔１３を部分開放することで空気が副室２へ徐々に移動
するので，圧力の上昇率は大きくなく，また，可動ヘッ
ド部材３の作用によって主室１の圧力の急激な上昇が防
止される。次いで，主室１の圧縮空気圧が圧縮行程の後
半の時点ＶＰで所定の圧力ＭＣＰに到達すると，主室１
内の圧縮空気圧によって，スプリング１６のばね力と可
動ヘッド部材３の背面側の中空部４５に封入された空気
圧に抗して，可動ヘッド部材３がキャビティ９内に押し
下げられ，主室１内の圧縮空気の一部が拡張した容積可
変主室部２０に貯留されると共に，主室１内の圧縮空気
圧が所定値の圧力ＭＣＰに維持される状態になる。ま
た，副室２は，圧縮行程では，図３のラインＳＣで示す
ように，所定のガス燃料圧ＳＣＰに維持された状態から
符号ＣＶＯの時期で連絡孔１３が微小量開放することで
主室１から副室２へ空気が浸入し，副室２の圧力が上昇
するようになる。
【００３５】ピストン１５が更に上昇して圧縮行程上死
点ＴＤＣに達し，次いで，ピストン１５が下降して膨張
行程に進行し，膨張行程の前半の時点ＣＶＯＦで，制御
弁４が連絡孔１３を全開し，連絡孔１３の周囲に形成さ
れる環状通路を通じて圧縮された高温化した圧縮空気が
大量に主室１から副室２へ流入すると，主室１の圧縮空
気圧は副室２へ流入した圧縮空気分だけ，ラインＭＣで
示すように低下すると共に，副室２内の圧力がラインＳ
Ｃで示すように急激に上昇する。副室２に導入された圧
縮空気は，ガス燃料と混合して燃料リッチな混合気が生
成された時点ＬＵで，副室２内で確実に着火し燃焼す
る。副室２内での着火燃焼は，火炎伝播して副室２内で
の活性化した混合気の燃焼がスムースに進行し，副室２
での燃焼が急速に進展して燃料リッチでＮＯX を低減し
た状態で燃焼する。副室２での燃焼が進行して副室２内
のガス圧が急激に上昇すると，副室２内が最高圧力ＳＰ
MAXに達すると共に主室１へも燃焼ガスが噴出して主室
１のガス圧を上昇させる。
【００３６】しかしながら，このガスエンジンは，制御
弁４の開放時には制御弁４の下面領域に空気溜まりが形
成されず，ピストン頂面２５が円錐面で主室１がすり鉢
状に形成されているので，副室２から主室１へ噴出した
ガス燃料は，直ちに空気と混合することなく，シリンダ
周辺に向かって拡散し，シリンダ周辺部へと直ちに到達
し，主室１のシリンダ周辺の空気を巻き込んで燃焼が促
進することになる。更に，このガスエンジンは，容積可
変主室部２０を設けているので，副室２の最高圧力ＳＰ
MAX は，容積可変主室部２０を設けていない主室の最高
圧力ＰＡMAX に比較して低い圧力に抑えられ，フリクシ
ョンや熱に消費されることがない。
【００３７】膨張行程において，副室２から主室１に燃
焼ガスが噴出すると，燃焼ガスは主室１に存在する新気
を巻き込んで空気利用率をアップして拡散燃焼するが，
この時，ピストン１５の下降に伴って主室１の容積が増
大するので，主室１のガス圧ＭＰMAX を低減し，主室１
のガス圧は副室２のガス圧より高くなることがなく，主
室１から副室２への燃焼ガスの逆流は発生せず，性能が
低下することが防止される。従って，膨張行程が進行し
て副室２の火炎，未燃ガス燃料等の燃焼ガスは，連絡孔
１３を通じて主室１へスムースに噴出し，主室１に存在
する空気を巻き込んで燃焼促進し，主室１のガス圧を上
昇させつつ，主室１のガス圧はピストン１５に対して仕
事をし，主室１の圧力は降下する。次いで，ピストン１
５が更に下降してシリンダ２７内のガス圧がスプリング
１６のばね力より小さくなると，容積可変主室部２０内
の燃焼ガスがスプリング１６のばね力で可動ヘッド部材
３を上昇させ，容積可変主室部２０に蓄積されている燃
焼ガスが容積可変主室部２０から主室１へ押し出される
ようになる。そこで，容積可変主室部２０内に蓄積され
ているガス圧を利用してピストン１５に仕事をさせ，燃
焼スピードをアップし，燃焼期間を短縮して短期間に燃
焼を完結する。従って，このガスエンジンは，容積可変
主室部２０を設けていない主室の圧力に比較して，可動
ヘッド部材３による容積可変主室部２０のガス圧の送り
出し力によって仕事が図３の斜線ＳＡで示す領域分が増
加することになる。
【００３８】このガスエンジンは，上記のように，圧縮
行程において，主室１内の圧縮空気の一部が容積可変主
室部２０へ一旦蓄積され，主室１内の圧縮空気が全て圧
縮されることがないので，主室１の圧縮空気圧を低く抑
えることができ，フリクション，熱等にエネルギが消費
されず，また，膨張行程において蓄積されていた圧縮空
気をスプリング１６のばね力で再び主室１へ押し戻すの
で，熱効率を向上させて燃費を低減できる。また，この
ガスエンジンは，副室２に連絡孔１３とガス燃料供給口
４４を設け，制御弁４で連絡孔１３を閉鎖した状態で，
ガス燃料供給源からのガス燃料をガス燃料供給口４４か
ら副室２に供給すると共に，また，吸気ポート１７から
主室１へ吸入した吸入空気を制御弁４で連絡孔１３を閉
鎖して副室２に吸入空気が供給されない状態で，ピスト
ン１５の上昇する圧縮行程で圧縮されるので，吸入空気
が主室１内で高圧縮されても，副室２内に供給されたガ
ス燃料は主室１とは制御弁４で遮断されているので，ガ
ス燃料が自己着火することがなく，ノッキングが発生す
ることがない。また，制御弁４が連絡孔１３を開放する
ことで，主室１から高圧縮比の吸入空気が副室２に流入
して燃料ガスと吸入空気とが混合して着火し，当量比の
大きい燃料リッチな状態で高速燃焼してＮＯ X ，ＨＣ等
の発生が抑制される。
【００３９】
【発明の効果】この発明による主室容積可変手段を持つ
ガスエンジンは，上記のように，ピストンが下降する膨
張行程の前半で制御弁を作動して主室と副室とを連通す
る連絡孔を開放するので，膨張行程において副室のガス
圧を主室のガス圧より常に高く維持でき，主室から副室
への燃焼ガスの逆流を防止でき，燃焼ガスの逆流で発生
する性能低下を防止できる。また，このガスエンジン
は，ピストンのキャビティに可動ヘッド部材を設けて主
室の容積を変更できる容積可変主室部を設けたので，圧
縮行程の後半で圧縮空気の一部が容積可変主室部に溜め
られ，圧縮行程終端付近における主室内での圧縮空気圧
が異常に上昇することが防止され，圧縮行程時の仕事量
が増加せず，且つ主室の圧力が大きくなり過ぎずにヘッ
ドライナの耐久性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による主室容積可変手段を持つガスエ
ンジンの一実施例を示す断面図である。
【図２】図１のガスエンジンの要部の拡大断面図であ
る。
【図３】図１のガスエンジンの作動サイクルに対する主
室と副室とのガス圧の変化を示すと共に，可動ヘッド部
材を備えていないガスエンジンの作動サイクルに対する
主室のガス圧の変化を示す線図である。
【符号の説明】
１ 主室 ２ 副室 ３ 可動ヘッド部材 ４ 制御弁 ５ 燃料弁 ６，９ キャビティ ７ シリンダヘッド ８ ガス燃料供給路 １０ ヘッドライナ １３ 連絡孔 １４ シリンダブロック １５ ピストン １６ スプリング １７ 吸気ポート １９ 排気ポート ２０ 容積可変主室部 ２５ ピストン頂面 ２７ シリンダ ４４ ガス燃料供給口
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｄ 15/04 Ｆ０２Ｄ 15/04 Ｄ Ｈ Ｇ

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 シリンダを備えたシリンダブロックに固
    定されたシリンダヘッド，主室，該主室に連絡孔を通じ
    て連通する副室及び該副室に隣接するポートを備え且つ
    前記シリンダヘッドに配置されたヘッドライナ，前記連
    絡孔を開閉するため前記副室の中央を貫通して前記連絡
    孔に配置された制御弁，ガス燃料を前記副室に供給する
    ため燃料供給路を開閉する燃料弁，前記シリンダ内を往
    復移動するピストン，及び前記ピストンに形成されたキ
    ャビティ内を往復移動し且つ前記キャビティ内に配置さ
    れたスプリングで支持された可動ヘッド部材を有し，前
    記主室内のガス圧に応じて前記可動ヘッド部材が前記ス
    プリングのばね力に抗して前記キャビティ内を移動して
    主室容積を変更すると共に，前記制御弁が圧縮行程の後
    半で前記連絡孔を部分開放し，膨張行程の前半で前記連
    絡孔を全開放して前記主室から前記副室へ圧縮空気を導
    入して前記副室で着火燃焼させ，次いで前記副室から前
    記主室へ燃焼ガスを噴出させることから成る主室容積可
    変手段を持つガスエンジン。
  2. 【請求項２】 圧縮行程時に前記スプリングの前記ばね
    力に抗して前記可動ヘッド部材を押し下げて前記主室容
    積を拡張させ，前記主室内の最高ガス圧を低減すること
    から成る請求項１に記載の主室容積可変手段を持つガス
    エンジン。
  3. 【請求項３】 前記可動ヘッド部材の上面は前記制御弁
    の下面より大きく形成され，前記ピストンの頂面は前記
    可動ヘッド部材の周辺から前記シリンダ周辺に向かって
    前記ヘッドライナの下面との隙間が小さく成るように形
    成されていることから成る請求項１に記載の主室容積可
    変手段を持つガスエンジン。
  4. 【請求項４】 前記ピストンの頂面は，平面に形成さ
    れ，前記ポートに配設された吸，排気弁の下面との間に
    リセスを持たないことから成る請求項１に記載の主室容
    積可変手段を持つガスエンジン。
  5. 【請求項５】 前記制御弁は前記ピストンが下降する前
    記膨張行程の前半で前記連絡孔を全開放し且つ排気行程
    後半までに閉鎖するように設定され，前記燃料弁は前記
    連絡孔の閉鎖時に開放して前記燃料供給路から前記ガス
    燃料を前記副室に供給することから成る請求項１に記載
    の主室容積可変手段を持つガスエンジン。
  6. 【請求項６】 前記ポートを通じて前記主室へ流入する
    吸入空気は前記主室にスワールを形成するように導入さ
    れることから成る請求項１に記載の主室容積可変手段を
    持つガスエンジン。
  7. 【請求項７】 前記副室の形状は，前記連絡孔側から奥
    側に向かって大きな容積に形成されていることから成る
    請求項１に記載の主室容積可変手段を持つガスエンジ
    ン。
  8. 【請求項８】 前記可動ヘッド部材の径は前記制御弁の
    弁ヘッド部の径より若干大きく形成され，前記膨張行程
    の前半の前記制御弁のリフト時に前記制御弁の前記弁ヘ
    ッド部の下面と前記可動ヘッド部材の上面とが接触可能
    であることから成る請求項１に記載の主室容積可変手段
    を持つガスエンジン。
  9. 【請求項９】 前記主室の一部を形成するため前記ピス
    トンの頂面が中央側が低く外周側が高くなる円錐台形に
    形成され，前記制御弁の全開時に前記円錐台の傾斜面が
    前記制御弁に接触しないことから成る請求項１に記載の
    主室容積可変手段を持つガスエンジン。
  10. 【請求項１０】 前記制御弁が前記ピストンが下降する
    前記膨張行程の前半で前記連絡孔を開放した状態で，前
    記制御弁の弁フェースと前記連絡孔の弁シートとの間に
    形成される環状通路と，前記ヘッドライナの下面と前記
    ピストンの前記円錐台形の頂面との間に形成される隙間
    とが連続した流路になり，前記主室内の圧縮空気が前記
    副室に流入することから成る請求項７に記載の主室容積
    可変手段を持つガスエンジン。
  11. 【請求項１１】 前記連絡孔の開放時に，前記主室に形
    成されている吸気スワールは前記制御弁の回りに形成さ
    れる前記環状通路を通って前記副室に旋回して流入し，
    次いで前記吸気スワールは前記制御弁の弁ヘッド部に沿
    って旋回しながら前記副室の天井部で衝突して拡散し，
    前記副室に存在する前記ガス燃料と希薄混合気を形成し
    て着火燃焼し，残りの前記ガス燃料を前記連絡孔側へ押
    し下げて燃焼ガスと共に前記主室へ噴出させることから
    成る請求項８に記載の主室容積可変手段を持つガスエン
    ジン。
  12. 【請求項１２】 前記副室から前記連絡孔の前記環状通
    路を通って前記主室へ噴出される燃焼ガスは，前記ピス
    トンの下降に伴って前記可動ヘッド部材が前記キャビテ
    ィを上昇することで発生する逆スキッシュ流によって前
    記シリンダ周辺へ向かって流れ，燃焼が拡散することか
    ら成る請求項１１に記載の主室容積可変手段を持つガス
    エンジン。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104500244A (zh) * 2014-11-26 2015-04-08 上海交通大学 带有旋转机构的燃烧室容积可变系统
CN104533637A (zh) * 2014-11-26 2015-04-22 上海交通大学 发动机排量旋转机构调节系统
CN104595041A (zh) * 2014-11-26 2015-05-06 上海交通大学 带有旋转机构的压缩比可变系统
CN105508046A (zh) * 2016-01-20 2016-04-20 吉林大学 一种可变压缩比活塞

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