JP2001182538A

JP2001182538A - エンジン

Info

Publication number: JP2001182538A
Application number: JP36726099A
Authority: JP
Inventors: Masashi Nishigaki; 雅司西垣; Koji Moriya; 浩二守家; Takahiro Sako; 孝弘佐古; Shoji Asada; 昭治浅田; Shunsaku Nakai; 俊作中井
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 1999-12-24
Publication date: 2001-07-06
Anticipated expiration: 2019-12-24
Also published as: JP4086440B2

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料を高圧で噴射するための複雑で高価な燃料
噴射装置を必要とせずに、高圧縮比で高効率なエンジン
の提供にあり、特に、天然ガスのような気体燃料を使用
するエンジンにも適用可能な高効率エンジンの提供。【解決手段】主燃焼室２において燃料Ｇと酸素含有ガス
Ａとをピストン３によって圧縮して燃焼させ、ピストン
３をシリンダ１内で往復作動させ、クランク軸６の回転
を維持するエンジン１００で、主燃焼室２に絞り孔１４
を介して連通する副室１２を設け、副室１２に燃料Ｇを
供給する燃料供給手段１５と、副室１２の混合気に着火
する副室着火手段１６とを設けるとともに、絞り孔１４
が、副室１２における燃焼により得られる圧力波の伝播
によって副室１２における未燃焼燃料Ｇの主燃焼室２へ
の噴出を許容し、かつ、副室１２における燃焼火炎の主
燃焼室２への噴出を阻止するエンジン。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主燃焼室において
燃料と酸素含有ガスとをピストンによって圧縮して燃焼
させ、前記ピストンをシリンダ内で往復作動させ、クラ
ンク軸の回転を維持するエンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】このようなエンジンは、一般的に、火花
点火式のエンジンとディーゼルエンジンとに大別するこ
とができる。

【０００３】火花点火式のエンジンは、酸素含有ガスの
一例である空気と燃料との混合気を主燃焼室内に吸引し
て圧縮し、その後、着火手段である点火プラグにより着
火するもので、理想的なサイクルはオットーサイクル
（定容加熱サイクル）と考えられており、圧縮比を高く
して希薄燃焼させることによって熱効率が向上する。更
に、火花点火式のエンジンでは、特に部分負荷時の火炎
温度低下、サイクル効率向上、ポンピング損失低下など
により排ガス対策、燃費改善に有力である希薄燃焼方式
として、層状給気方式がある。層状給気方式とは、点火
しやすい濃度の混合気を点火プラグの周りにつくり、そ
の外側に希薄領域を形成するように構成し、まず濃い混
合気に点火し、その火炎により希薄混合気の部分も燃焼
させ、全体として希薄混合気を燃焼させる方式である。
この層状給気方式の燃焼室構造の一例として、燃焼室に
燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備え、燃料の燃焼室内
噴出により、特に点火プラグ付近に可燃混合気を形成し
安定燃焼させるものがある。

【０００４】また、ディーゼルエンジンは、燃料を高圧
で噴出する燃料噴射装置により、燃料を上死点付近で噴
射して自然着火させるように構成され、火花点火式のエ
ンジンのように火炎伝播の圧力上昇によるノッキングの
発生がなく、圧縮比を高くして熱効率の向上を図ること
ができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、燃料
を燃焼室に直接噴射し、例えば層状給気方式を採用し
て、効率の向上を図ろうとする場合、燃焼室内に燃料を
加圧して噴射するための燃料噴射弁を備える必要があ
る。更に、燃料が天然ガスなどの気体燃料の場合、この
気体燃料を加圧して燃焼室に直接噴射するのは困難であ
り、複雑な構造で高価な燃料噴射弁を必要とする。

【０００６】本発明は、このような従来の問題点に着目
したもので、その目的は、燃料を高圧で噴射するための
複雑で高価な燃料噴射弁などを必要とせずに、高圧縮比
で高効率なエンジンの提供にあり、特に、天然ガスのよ
うな気体燃料を使用するエンジンにも適用可能な高効率
エンジンの提供にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、請求項１に係る発明の特徴構成は、主燃焼室におい
て燃料と酸素含有ガスとをピストンによって圧縮して燃
焼させ、前記ピストンをシリンダ内で往復作動させ、ク
ランク軸の回転を維持するエンジンであって、前記主燃
焼室に絞り孔を介して連通する副室を設け、前記副室に
燃料を供給する燃料供給手段と、前記副室の混合気に着
火する副室着火手段とを設けるとともに、前記絞り孔
が、前記副室における燃焼により得られる圧力波の伝播
によって前記副室における未燃焼燃料の前記主燃焼室へ
の噴出を許容し、かつ、前記副室における燃焼火炎の前
記主燃焼室への噴出を阻止する点にある。

【０００８】まず、主燃焼室や副室の圧力が未だ低圧状
態のとき、つまり、４サイクルエンジンであれば、吸気
工程もしくは圧縮工程の初期に、また、２サイクルエン
ジンであれば、掃気工程もしくは圧縮工程の初期におい
て、前記燃料供給手段により燃料が副室に低圧で供給さ
れる。このようにして副室に供給された燃料は、その副
室において、４サイクルエンジンであれば吸気工程に、
また、２サイクルエンジンであれば掃気工程に吸入され
た酸素含有ガスの一例である空気と混合され、更に、そ
の後の圧縮工程において、絞り孔を介して副室に流入し
た空気とも混合され、同時に、主燃焼室においては、吸
入された空気が圧縮される。その後、副室着火手段によ
って副室の混合気に着火して燃焼させることにより、副
室の圧力が急速に上昇する。

【０００９】すると、前記絞り孔が、副室における燃焼
で得られる圧力波の伝播によって副室における未燃焼燃
料の主燃焼室への噴出を許容し、かつ、副室における燃
焼火炎の主燃焼室への噴出を阻止するように構成されて
いるので、副室の未燃焼燃料が、高圧の状態で絞り孔を
介して主燃焼室へ勢い良く噴出される。この主燃焼室へ
噴出された未燃焼燃料は、主燃焼室の空気と反応し、そ
の当量比が燃焼上限界以上であれば、主燃焼室の空気と
反応して燃焼することになり、いわゆるディーゼルサイ
クル（定圧サイクル）に近い燃焼となる。

【００１０】したがって、従来のディーゼルエンジンの
ような複雑で高価な燃料噴射装置や、燃料を燃焼室に直
接噴射する層状給気方式における燃料噴射弁などを必要
とせずに、副室での圧力上昇を利用して、燃料を確実に
主燃焼室へ供給することができ、その燃料がたとえ気体
燃料であっても、ディーゼルサイクルに近い燃焼を実現
して高効率化を図ることができる。その上、例えば、当
量比を０．２〜１．０と大幅に変化させても、好ましい
状態で完全燃焼させることができ、例えば、全体的に混
合気の当量比を０．３５程度の希薄に設定しても、燃料
を好ましい状態で完全燃焼させることができるため、比
熱比が高く高効率になるとともに、未燃成分の排出を低
減することができ、更に、ノッキングの発生を防止でき
るので、圧縮比を高く設定してエンジンの効率を一層向
上することができる。

【００１１】請求項２に係る発明の特徴構成は、前記絞
り孔が、前記主燃焼室において、前記ピストンの作動方
向に対して旋回方向に開口されている点にある。

【００１２】したがって、絞り孔を介して副室から勢い
良く噴出された未燃焼燃料は、ピストンの作動方向の周
りを旋回することになり、主燃焼室において、未燃焼燃
料と酸素含有ガスとの混合が促進されて、確実な燃焼が
可能となる。

【００１３】請求項３に係る発明の特徴構成は、前記主
燃焼室の混合気に着火する主室着火手段を設け、前記絞
り孔が、前記主燃焼室において、前記主室着火手段の方
向へ傾斜する方向に開口されている点にある。

【００１４】したがって、絞り孔を介して副室から勢い
良く噴出された未燃焼燃料は、上昇するピストンとの協
働作用によって主室着火手段の方へ送られることにな
り、主燃焼室においては、濃度の異なる混合気が送り込
まれる、いわゆる層状給気の状態となり、全体として希
薄燃焼が可能となって低ＮＯｘ化などを図ることができ
るとともに、その主室着火手段の方へ送られた未燃焼燃
料に対して主室着火手段により着火されるので、主燃焼
室における着火も確実に行われる。

【００１５】請求項４に係る発明の特徴構成は、前記燃
料が、天然ガスであって、前記絞り孔の最小直径が、
１．７ｍｍ〜０．２ｍｍに設定されている点にある。

【００１６】したがって、燃料として天然ガスを使用し
ながら、上述したように複雑で高価な燃料噴射装置を必
要とせずに、燃料を確実に主燃焼室へ供給することがで
きるとともに、副室における燃焼火炎の主燃焼室への噴
出を確実に阻止することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明によるエンジンの実施の形
態を図面に基づいて説明する。このエンジン１００は、
図１に示すように、シリンダ１と、シリンダ１内に収容
されてシリンダ１と共に主燃焼室２を形成するピストン
３とを備え、ピストン３には、ピストンピン４によって
連接棒５が接続され、その連接棒５を介して、前記ピス
トン３が、クランク軸６に連動連結されている。

【００１８】このエンジン１００は、吸気路７を開閉す
る吸気弁８と排気路９を開閉する排気弁１０とを備え、
吸気弁８と排気弁１０を開閉動作させながら、吸気路７
から主燃焼室２内に酸素含有ガスとしての空気Ａを取り
込み、主燃焼室２において吸気、圧縮、燃焼・膨張、排
気の諸工程を実行して、ピストン３をシリンダ１内にお
いて矢印Ｌで示す方向に往復作動させ、その往復作動を
クランク軸６の回転運動に変えて出力するもので、かか
る構成は、通常の４サイクルエンジンと変わるところは
ない。

【００１９】このエンジン１００のシリンダヘッド１１
には、副室１２を備えた副室部材１３が設けられ、副室
１２に連通する絞り孔１４が主燃焼室２に開口する状態
でシリンダヘッド１１に取付けられている。エンジン１
００は、燃料Ｇとしてメタンを主成分とする天然ガスを
使用し、その燃料Ｇを副室１２に供給する燃料供給手段
としての燃料供給弁１５が、前記副室部材１３に取付け
られ、かつ、副室部材１３には、副室着火手段としての
副室点火プラグ１６も取付けられ、更に、主燃焼室２に
は、主室着火手段としての主室点火プラグ１７が設けら
れている。

【００２０】前記絞り孔１４は、その直径が１．７ｍｍ
〜０．２ｍｍに設定されていて、副室１２における燃焼
により得られる圧力波の伝播によって、副室１２におけ
る未燃焼の燃料Ｇ、つまり、メタンを主成分とする天然
ガスの主燃焼室２への噴出を許容し、かつ、副室１２に
おける燃焼火炎の主燃焼室２への噴出を阻止するように
構成されている。そして、前記絞り孔１４は、シリンダ
１の軸心から外れた位置で、かつ、斜めに向けて設けら
れ、後に詳しく説明するように、主燃焼室２において、
主室点火プラグ１７の方向へ傾斜するように開口されて
いる。

【００２１】つぎに、エンジン１００の１サイクルにお
ける動作を図２のタイムチャートに基づいて説明する。
なお、この図２のタイムチャートにおいて、ＴＤＣは、
ピストン３の上死点におけるクランク軸６の回転角であ
り、ＢＤＣは、ピストン３の下死点におけるクランク軸
６の回転角である。

【００２２】まず、ピストン３が上死点に至る直前に吸
気弁８が開かれ、ピストン３の下降に伴って、吸気路７
から主燃焼室２に空気Ａが吸引され、ピストン３が下死
点を越えて上昇しはじめた直後に、吸気弁８が閉じられ
る。このピストン３の上昇時には排気弁１０が閉じられ
ており、ピストン３の上昇に伴って主燃焼室２の空気Ａ
が圧縮され、その圧縮された空気Ａの一部が、絞り孔１
４を介して副室１２に供給されるとともに、ピストン３
が上昇しはじめた直後、つまり、圧縮工程の初期段階に
おいて、前記燃料供給弁１５が開かれる。このように、
主燃焼室２や副室１２が低圧の圧縮工程の初期段階に燃
料供給弁１５が開かれて燃料Ｇが供給されるので、燃料
Ｇのガス圧によって、燃料Ｇを副室１２に供給すること
ができる。

【００２３】この副室１２への燃料Ｇの供給により、副
室１２における混合気の当量比が、０．６５〜１．２の
可燃範囲内になるように設定されており、その状態で、
ピストン３が上死点に至る直前に副室点火プラグ１６が
作動されるので、副室１２における混合気への着火は確
実に行われる。その着火によって混合気の一部が燃焼す
ると、その燃焼によって副室１２の圧力が急速に上昇
し、その圧力波の伝播によって、副室１２における混合
気、つまり、未燃焼の燃料Ｇが、絞り孔１４を介して主
燃焼室２に高圧で勢い良く噴出され、かつ、副室１２に
おける燃焼火炎は、絞り孔１４によって主燃焼室２への
噴出が阻止される。

【００２４】この未燃焼燃料Ｇの主燃焼室２への噴出に
際し、前記絞り孔１４が、シリンダ１の軸心から外れた
位置で斜めに向けて設けられ、絞り孔１４が主室点火プ
ラグ１７の方向へ傾斜するように開口されているので、
噴出された未燃焼燃料Ｇは、上昇するピストン３との協
働作用によって、図１において点線で示すように、主室
点火プラグ１７の方へと強制的に送られ、その後、主室
点火プラグ１７の作動で着火され、主燃焼室２で燃焼す
る。このようにして、絞り孔１４からの未燃焼燃料Ｇ
は、勢い良く噴出されて主室点火プラグ１７の方へと送
られるので、主燃焼室２は、濃度の異なる混合気を送り
込む、いわゆる層状給気の状態となる。そして、主室点
火プラグ１７の周辺領域に点火しやすい濃度の混合気が
送り込まれた時点で着火するので、主室点火プラグ１７
による着火が確実となり、その火炎によって周囲の希薄
混合気を燃焼させることになり、全体として希薄燃焼が
可能となって低ＮＯｘ化を図ることができる。

【００２５】更に、このような燃焼は、いわゆるディー
ゼルサイクル（定圧サイクル）に近い状態であり、主燃
焼室２において混合気を圧縮するのではなくて空気Ａを
圧縮することになるので、ノッキングを抑制することが
でき、エンジンの圧縮比を高く設定して、効率の向上を
図ることができる。そして、１サイクルで燃焼させる燃
料Ｇと空気Ａの混合気の当量比を０．３５程度の超希薄
状態にしてエンジン１００を運転することができるの
で、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘなどの排出を低減させることが
できる。

【００２６】〔別実施形態〕（１）先の実施形態では、４サイクルエンジン１００を
例にして説明したが、２サイクルエンジンに適用するこ
ともでき、その実施の形態を示したのが図３である。こ
の図３に示す２サイクルエンジン２００も、シリンダ１
と、シリンダ１内に収容されてシリンダ１と共に主燃焼
室２を形成するピストン３とを備え、ピストン３には、
ピストンピン４によって連接棒５が接続され、その連接
棒５を介して、前記ピストン３が、クランク軸６に連動
連結されている。

【００２７】この２サイクルエンジン２００は、クラン
ク室１８に連通し、かつ、ピストン３によって開閉され
る吸気ポート１９と排気ポート２０、ならびに、クラン
ク室１８と主燃焼室２とを連通し、かつ、ピストン３に
よって開閉される掃気ポート２１を備え、吸気ポート１
９からクランク室１８に吸引された酸素含有ガスとして
の空気Ａを掃気ポート２１から主燃焼室２内に取り込
み、主燃焼室２において、圧縮、燃焼・膨張、排気の諸
工程を実行して、ピストン３をシリンダ１内において矢
印Ｌで示す方向に往復作動させ、その往復作動をクラン
ク軸６の回転運動に変えて出力するように構成されてい
る。

【００２８】このエンジン２００のシリンダヘッド１１
にも、副室１２を備えた副室部材１３が設けられ、副室
１２に連通する絞り孔１４が主燃焼室２に開口する状態
でシリンダヘッド１１に取付けられるととも、燃料Ｇと
してのメタンを主成分とする天然ガスを副室１２に供給
する燃料供給手段としての燃料供給弁１５と副室着火手
段としての副室点火プラグ１６とが、副室部材１３に取
付けられている。この絞り孔１４も、先の実施形態と同
様に、その直径が１．７ｍｍ〜０．２ｍｍに設定されて
いて、副室１２における燃焼により得られる圧力波の伝
播によって、副室１２における未燃焼の燃料Ｇの主燃焼
室２への噴出を許容して、副室１２における燃焼火炎の
主燃焼室２への噴出を阻止するように構成されるととも
に、シリンダ１の軸心から外れた位置で、かつ、斜めに
向けて設けられ、主燃焼室２において、主燃焼室２に設
けられた主室着火手段としての主室点火プラグ１７の方
向へ傾斜するように開口されている。

【００２９】この２サイクルエンジン２００において
は、ピストン３が上死点から下降するのに伴って、ま
ず、排気ポート２０が開かれ、その後、掃気ポート２１
も開かれて、掃気ポート２１からの空気Ａの送り込みに
よって、主燃焼室２の排ガスが排気ポート２０から押出
されて掃気が行われると同時に、主燃焼室２に空気Ａが
供給される。ピストン３が下死点を越えて上昇すると、
まず、掃気ポート２１が、その後に、排気ポート２０が
閉じられ、ピストン３の上昇に伴って、主燃焼室２の空
気Ａが圧縮され、圧縮された空気Ａの一部が、絞り孔１
４を介して副室１２内に供給される。この圧縮工程の初
期段階、つまり、主燃焼室２や副室１２が低圧の状態
で、燃料供給弁１５が開かれて燃料Ｇが供給されるの
で、燃料Ｇのガス圧によって、燃料Ｇを副室１２に供給
することができる。

【００３０】この２サイクルエンジン２００でも、副室
１２における混合気の当量比が、０．６５〜１．２の可
燃範囲内になるように設定されており、ピストン３が上
死点に至る直前に副室点火プラグ１６が作動されるの
で、副室１２における混合気への着火は確実に行われ、
副室１２内の混合気の一部が燃焼すると、混合気副室１
２の圧力上昇に伴って、混合気副室１２内の混合気、つ
まり、未燃焼の燃料Ｇが、絞り孔１４から高圧で勢い良
く噴出され、先の実施形態と同様に、上昇するピストン
３との協働作用によって、図３において点線で示すよう
に、主室点火プラグ１７の方に送られて着火される。こ
の燃焼もディーゼルサイクルに近い状態であり、主燃焼
室２において空気Ａのみを圧縮するので、ノッキングを
抑制し、かつ、エンジンの圧縮比を高く設定して、効率
の向上を図ることができるとともに、燃料Ｇと空気Ａの
混合気の当量比を０．３５程度の超希薄状態にしてエン
ジン２００を運転することができるので、ＣＯ、ＨＣ、
ＮＯｘなどの排出を低減させることができる。

【００３１】（２）これまでの実施形態では、絞り孔１
４の直径をその全長にわたって、１．７ｍｍ〜０．２ｍ
ｍに設定した例を示したが、絞り孔１４の最小直径のみ
を１．７ｍｍ〜０．２ｍｍに設定して、その最小直径部
分によって、未燃焼の燃料Ｇの主燃焼室２への噴出を許
容し、燃焼火炎の主燃焼室２への噴出を阻止するように
構成することもできる。

【００３２】（３）その絞り孔１４の配設に関しても、
主燃焼室２において、必ずしも主室点火プラグ１７の方
向へ傾斜するように開口させる必要はないし、その他、
種々の構成に変更して実施することができる。例えば、
主燃焼室２において、ピストン３の作動方向Ｌに対して
旋回方向に向けて開口させることもでき、その場合に
は、絞り孔１４から噴出された未燃焼燃料Ｇが、ピスト
ン３の作動方向Ｌの周りを旋回することになって、主燃
焼室２における空気Ａと未燃焼燃料Ｇとの混合が促進さ
れる。更に、絞り孔１４の配設とピストン３の上面形状
とによって、絞り孔１４から噴出された未燃焼燃料Ｇ
が、ピストン３の上昇に伴って、ピストン３の作動方向
Ｌ周りを旋回しながら主室点火プラグ１７の方へと強制
的に送られるように構成することもできる。

【００３３】（４）燃料Ｇに関しても、メタンを主成分
とする天然ガスに限るものではなく、水素、プロパン、
ブタンなどの各種の気体燃料を使用したり、気体燃料以
外の燃料、例えば、ガソリン、軽油、重油、エタノー
ル、メタノールなどの液体燃料を使用することもでき、
また、主燃焼室２に供給する酸素含有ガスについても、
空気Ａ以外に、酸素成分含有量が空気よりも高い酸素富
化ガスなどを使用することができる。

【００３４】（５）これまでの実施形態では、主燃焼室
２に主室点火プラグ１７を設け、その主室点火プラグ１
７によって主燃焼室２内の混合気に着火する構成を示し
たが、主室点火プラグ１７を無くし、副室点火プラグ１
６のみを設けて、副室１２内の混合気を高圧状態で主燃
焼室２内へ噴出させ、主燃焼室２内の空気Ａと反応させ
て燃焼させる、いわゆるディーゼルエンジンに近い構成
にして実施することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるエンジンの実施の形態を示す概略
構成図

【図２】図１に示すエンジンの動作タイミングを示すタ
イムチャート

【図３】本発明によるエンジンの別の実施形態を示す概
略構成図

【符号の説明】

１シリンダ２主燃焼室３ピストン６クランク軸１２副室１４絞り孔１５燃料供給手段１６副室着火手段１７主室着火手段１００，２００エンジンＡ酸素含有ガスＧ燃料Ｌピストンの作動方向

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｆ０２Ｍ 21/02 ３０１Ｆ０２Ｍ 21/02 ３０１ＲＦ０２Ｐ 13/00 ３０２Ｆ０２Ｐ 13/00 ３０２Ｂ (72)発明者佐古孝弘大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者浅田昭治大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者中井俊作大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内Ｆターム(参考） 3G019 KA16 3G023 AA06 AC05 AC06 AC07 AC08 AD09 AD14 AD23 AD27 AF02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主燃焼室において燃料と酸素含有ガスと
をピストンによって圧縮して燃焼させ、前記ピストンを
シリンダ内で往復作動させ、クランク軸の回転を維持す
るエンジンであって、前記主燃焼室に絞り孔を介して連通する副室を設け、前記副室に燃料を供給する燃料供給手段と、前記副室の
混合気に着火する副室着火手段とを設けるとともに、前記絞り孔が、前記副室における燃焼により得られる圧
力波の伝播によって前記副室における未燃焼燃料の前記
主燃焼室への噴出を許容し、かつ、前記副室における燃
焼火炎の前記主燃焼室への噴出を阻止するエンジン。
【請求項２】前記絞り孔が、前記主燃焼室において、
前記ピストンの作動方向に対して旋回方向に開口されて
いる請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】前記主燃焼室の混合気に着火する主室着
火手段を設け、前記絞り孔が、前記主燃焼室において、前記主室着火手
段の方向へ傾斜する方向に開口されている請求項１また
は２に記載のエンジン。
【請求項４】前記燃料が、天然ガスであって、前記絞
り孔の最小直径が、１．７ｍｍ〜０．２ｍｍに設定され
ている請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジン。