JP2003278548A - Prechamber type lean-combustion gas engine - Google Patents
Prechamber type lean-combustion gas engineInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ピストンの下死点
基準の圧縮比Ｃｒとの比が１４以上で、ピストンの下死
点基準の膨張比が実圧縮比よりも大きい副室式希薄燃焼
ガスエンジンに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sub-chamber lean combustion in which the ratio of the piston to the compression ratio Cr of the bottom dead center is 14 or more, and the expansion ratio of the piston bottom dead center is larger than the actual compression ratio. Regarding gas engines.
【０００２】[0002]
【従来の技術】上記副室式希薄燃焼ガスエンジンは、例
えば特開２００１−３３６４５１号公報に開示されるも
のであって、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒ、つま
り、ピストン下死点での燃焼室容積とピストン上死点で
の燃焼室容積との比が１４以上でありながらも、ピスト
ンの下死点基準の膨張比が実圧縮比よりも大きいもので
あるから、圧縮行程における自己着火によるノッキング
を回避しながらも、ピストンの下死点基準の圧縮Ｃｒ、
つまり膨張比の増大により高効率化を図れるものであ
る。尚、上記実圧縮比とは、吸気弁閉時期における燃焼
室容積とピストン上死点での燃焼室容積の比であり、ピ
ストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒ及びピストンの下死点
基準の膨張比は、上述の如く、ピストン下死点での燃焼
室容積とピストン上死点での燃焼室容積との比である。
さらに、燃焼室容積は、主室の容積、副室の容積、及
び、クレビス容積の総和である。2. Description of the Related Art The sub-chamber type lean burn gas engine is disclosed, for example, in Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-336451, in which the compression ratio Cr of the piston is based on the bottom dead center, that is, at the piston bottom dead center. Although the ratio between the combustion chamber volume of the piston and the combustion chamber volume at the piston top dead center is 14 or more, the expansion ratio based on the bottom dead center of the piston is larger than the actual compression ratio. While avoiding knocking due to ignition, the compression Cr based on the bottom dead center of the piston,
In other words, the efficiency can be improved by increasing the expansion ratio. The actual compression ratio is the ratio of the combustion chamber volume at the intake valve closing timing to the combustion chamber volume at the piston top dead center, and is based on the piston bottom dead center compression ratio Cr and the piston bottom dead center reference. The expansion ratio is the ratio of the combustion chamber volume at the piston bottom dead center and the combustion chamber volume at the piston top dead center, as described above.
Further, the combustion chamber volume is the sum of the volume of the main chamber, the volume of the sub chamber, and the clevis volume.
【０００３】説明を加えると、副室式希薄燃焼ガスエン
ジンおいては、主室と副室との夫々に対して別個の系統
にて燃料がを供給されることになる。つまり、主室に
は、ガス燃料と燃焼用空気とを燃料濃度が低い状態に混
合させた希薄な混合気が供給され、そして、副室には、
ガス燃料のみが供給されることが多いが、ガス燃料と燃
焼用空気とを燃料濃度が高い状態に混合させた過濃な混
合気が供給されることもある。主室に供給された希薄な
混合気は、圧縮行程中にその一部が副室内に流れ込ん
で、副室内の燃料ガスあるいは過濃な混合気と混合し
て、副室内に適切な濃度の混合気を生成する。そして、
その副室内の適切な濃度の混合気が点火プラグにて着火
され、副室と主室とを結ぶ複数の噴口より、副室から主
室内にトーチが噴出されて、主室内での燃焼が行われる
ことになる。In addition, in the sub-chamber lean burn gas engine, fuel is supplied to the main chamber and the sub-chamber in separate systems. That is, the main chamber is supplied with a lean air-fuel mixture in which the gas fuel and the combustion air are mixed at a low fuel concentration, and the sub-chamber is supplied with
Although only gas fuel is often supplied, a rich mixture of gas fuel and combustion air may be supplied in a high fuel concentration state. A part of the lean air-fuel mixture supplied to the main chamber flows into the sub-chamber during the compression stroke, and is mixed with the fuel gas in the sub-chamber or the rich air-fuel mixture to obtain an appropriate concentration in the sub-chamber. Generate qi. And
The air-fuel mixture with an appropriate concentration in the sub-chamber is ignited by the spark plug, and the torch is ejected from the sub-chamber into the main chamber through the plurality of nozzles connecting the sub-chamber and the main chamber, and combustion in the main chamber takes place. Will be seen.
【０００４】このような副室式希薄燃焼ガスエンジンお
いて、吸気行程においてピストンが下死点に到達する以
前の段階で、主室に希薄な混合気が供給されるのを停止
するように吸気弁を早目に閉じるようにしたり、あるい
は、圧縮行程においてピストンが下死点を過ぎてから吸
気弁を遅れて閉じるようにして、実圧縮比を減少させ
て、実圧縮比が膨張比よりも小さくなるようにすること
により、圧縮行程での主室内の温度低下を促進して、自
己着火によるノッキングを抑えながらも、ピストンの下
死点基準の圧縮比Ｃｒ、つまり、ピストンの下死点基準
の膨張比を１４以上と大きくすることにより、高効率化
を図れるものとなっている。In such a sub-chamber lean burn gas engine, intake air is stopped so as to stop the supply of the lean air-fuel mixture to the main chamber before the piston reaches bottom dead center in the intake stroke. The actual compression ratio is reduced by closing the valve early or by closing the intake valve after the piston has passed the bottom dead center in the compression stroke. By making it smaller, the temperature decrease in the main chamber in the compression stroke is promoted, and while suppressing knocking due to self-ignition, the compression ratio Cr of the piston bottom dead center reference, that is, the piston bottom dead center reference By increasing the expansion ratio of 14 or more, high efficiency can be achieved.
【０００５】かかる副室式希薄燃焼ガスエンジンにおい
て、従来では、例えば特開２００1−２２７３４４号公
報に開示されるように、副室と主室とを結ぶ複数の噴口
面積の総和である総噴口面積と副室容積との比である噴
口面積比ｆ（ｆ＝総噴口面積ｍｍ2 ／副室容積ｃｃ）
を、２．７〜３．６の範囲に設定することが行われてい
た。説明を加えると、上記公開公報に開示されている副
室式希薄燃焼ガスエンジンは、ピストンの下死点基準の
圧縮比Ｃｒが、通常一般の９〜１２を対象とするもので
あり、従来では、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒと
の比が１４以上で、ピストンの下死点基準の膨張比が実
圧縮比よりも大きい副室式希薄燃焼ガスエンジンにおい
ても、噴口面積比ｆ（ｆ＝総噴口面積ｍｍ2 ／副室容積
ｃｃ）を、２．７〜３．６の範囲に設定することが行わ
れていた。In such a sub-chamber lean burn gas engine, in the prior art, as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-227344, the total nozzle area, which is the sum of a plurality of nozzle areas connecting the sub chamber and the main chamber, is used. Area ratio f, which is the ratio of the volume to the sub-chamber volume (f = total jet area mm 2 / sub-chamber volume cc)
Was set in the range of 2.7 to 3.6. In addition, the sub-chamber lean-burn gas engine disclosed in the above-mentioned Japanese Laid-Open Patent Publication has a piston whose compression ratio Cr based on the bottom dead center is generally 9 to 12, and is conventionally known. , The ratio of the compression ratio Cr of the piston to the bottom dead center is 14 or more, and the expansion ratio of the piston to the bottom dead center is larger than the actual compression ratio. f = total nozzle area mm 2 / sub chamber volume cc) has been set in the range of 2.7 to 3.6.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】ピストンの下死点基準
の圧縮比Ｃｒとの比が１４以上で、ピストンの下死点基
準の膨張比が実圧縮比よりも大きい副室式希薄燃焼ガス
エンジンにおいては、噴口面積比ｆが、２．７〜３．６
の範囲であると、主室壁面（燃焼室壁面）、つまりピス
トンの表面やシリンダ壁面への放熱が多くなるため、十
分な低燃費化つまり高効率化を図ることができないもの
であった。A sub-chamber lean-burn gas engine having a ratio of 14 or more with respect to the compression ratio Cr of the bottom dead center of the piston and a larger expansion ratio of the bottom dead center of the piston than the actual compression ratio. , The nozzle area ratio f is 2.7 to 3.6.
Within the range, heat radiation to the main chamber wall surface (combustion chamber wall surface), that is, the surface of the piston and the cylinder wall surface is increased, so that it is not possible to achieve sufficient fuel economy, that is, high efficiency.
【０００７】説明を加えると、ピストンの下死点基準の
圧縮比Ｃｒを増大させるには、通常下記の方法が採用さ
れることになる。
（１）ピストンのストロークを同一のまま、主室の容積
を小さくする。
（２）主室の容積をそのままにして、ピストンのストロ
ークを大きくする。
（３）上記（１）と（２）とを組み合わせる。
換言すると、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒとの比
が１４以上の副室式希薄燃焼ガスエンジン（以下の説明
において、高圧縮比ガスエンジンと略称する場合もあ
る）は、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒが９〜１２
の副室式希薄燃焼ガスエンジン（以下の説明において、
通常圧縮比ガスエンジンと略称する場合もある）を、上
記（１）〜（３）の圧縮比増大方法を用いて、ピストン
の下死点基準の圧縮比Ｃｒとの比が１４以上となるよう
にしたものであると考えることができる。In addition, in order to increase the compression ratio Cr based on the bottom dead center of the piston, the following method is usually adopted. (1) The volume of the main chamber is reduced while keeping the same stroke of the piston. (2) Increase the stroke of the piston while maintaining the volume of the main chamber. (3) The above (1) and (2) are combined. In other words, the sub-chamber lean-burn gas engine having a ratio of 14 or more with respect to the compression ratio Cr of the bottom dead center of the piston (which may be abbreviated as a high compression ratio gas engine in the following description) is The compression ratio Cr based on the dead center is 9 to 12
The sub-chamber lean-burn gas engine (in the following description,
A compression ratio gas engine may be abbreviated as "normal compression ratio gas engine") by using the compression ratio increasing method of the above (1) to (3) so that the ratio with the compression ratio Cr of the bottom dead center of the piston becomes 14 or more. Can be thought of as a
【０００８】上記（１）の圧縮比増大方法にて、通常圧
縮比ガスエンジンを高圧縮比ガスエンジンにした場合に
は、主室の容積が小さいにもかかわらず、通常圧縮比ガ
スエンジンの噴口面積比であるため、噴口から主室に噴
出されるトーチ点火の貫徹力が強過ぎ、火炎が拡散する
前に、主室壁面に直接トーチが接触し、エンジン外部へ
の放熱が多くなり、十分な低燃費化を達成できないもの
となる。上記（２）の圧縮比増大方法にて、通常圧縮比
ガスエンジンを高圧縮比ガスエンジンにした場合には、
ピストンの移動速度が速く、ピストンやシリンダ壁面で
の流速が大きく、それに伴いピストン表面、シリンダ表
面での乱れが大きくなる傾向にあるにもかかわらず、通
常圧縮比ガスエンジンの噴口面積比であるため、噴口か
ら主室に噴出されるトーチが、ピストン表面やシリンダ
表面に流れ込み易く、上記（１）の圧縮比増大方法と同
様に、火炎が拡散する前に、主室壁面にトーチが接触
し、エンジン外部への放熱が多くなり、十分な低燃費化
を達成できないものとなる。上記（３）の圧縮比増大方
法については説明しないが、上記（１）の圧縮比増大方
法や上記（２）の圧縮比増大方法で述べた理由により、
十分な低燃費化を達成できないものとなる。In the compression ratio increasing method of the above (1), when the normal compression ratio gas engine is made to be a high compression ratio gas engine, the injection port of the normal compression ratio gas engine is in spite of the small volume of the main chamber. Because of the area ratio, the penetration force of the torch ignition ejected from the nozzle to the main chamber is too strong, and the torch directly contacts the wall of the main chamber before the flame spreads, and the heat dissipation to the outside of the engine increases, which is sufficient. It will not be possible to achieve high fuel efficiency. When the normal compression ratio gas engine is changed to the high compression ratio gas engine by the compression ratio increasing method of the above (2),
Since the moving speed of the piston is high, the flow velocity on the piston and the cylinder wall surface is large, and the turbulence on the piston surface and the cylinder surface tends to increase accordingly, the compression ratio is the injection port area ratio of the gas engine. , The torch ejected from the injection port into the main chamber easily flows into the piston surface or the cylinder surface, and like the compression ratio increasing method of (1) above, the torch comes into contact with the main chamber wall surface before the flame spreads, The amount of heat released to the outside of the engine increases, and sufficient fuel efficiency cannot be achieved. The method (3) for increasing the compression ratio will not be described, but for the reasons described in the method (1) for increasing the compression ratio and the method (2) for increasing the compression ratio,
It will not be possible to achieve sufficient fuel economy.
【０００９】本発明は、かかる点に着目してなされたも
のであり、その目的は、ピストンの下死点基準の圧縮比
Ｃｒとの比が１４以上で、ピストンの下死点基準の膨張
比が実圧縮比よりも大きい副室式希薄燃焼ガスエンジン
において、十分な低燃費化を達成できるようにする点に
ある。The present invention has been made by paying attention to such a point, and an object thereof is that the ratio of the piston to the compression ratio Cr of the bottom dead center is 14 or more and the expansion ratio of the piston bottom dead center. In the sub-chamber lean-burn gas engine having a larger compression ratio than the actual compression ratio, it is possible to achieve sufficient fuel economy.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】請求項１の副室式希薄燃
焼ガスエンジンは、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒ
との比が１４以上で、ピストンの下死点基準の膨張比が
実圧縮比よりも大きく構成されているものであって、副
室と主室とを結ぶ複数の噴口の面積の総和である総噴口
面積と副室容積との比である噴口面積比ｆ（ｆ＝総噴口
面積ｍｍ2 ／副室容積ｃｃ）を、前記ピストンの下死点
基準の圧縮比Ｃｒとの関係において下記の範囲に設定し
たことを特徴とする。
2.7 ＋0.4 ×（Ｃｒ−１１）≦ｆ≦ 3.6 ＋0.4 ×（Ｃ
ｒ−１１）According to a second aspect of the present invention, there is provided a sub-chamber lean burn gas engine in which a compression ratio Cr based on a bottom dead center of a piston is used.
Is 14 or more, the expansion ratio based on the bottom dead center of the piston is larger than the actual compression ratio, and is the sum of the areas of the plurality of injection ports connecting the sub chamber and the main chamber. The nozzle area ratio f (f = total nozzle area mm 2 / sub chamber volume cc), which is the ratio of the total nozzle area to the sub chamber volume, is defined in the following range in relation to the compression ratio Cr based on the bottom dead center of the piston. It is characterized by being set to. 2.7 +0.4 x (Cr-11) ≤ f ≤ 3.6 +0.4 x (C
r-11)
【００１１】すなわち、上記範囲にて設定される噴口面
積比ｆは、従来の噴口面積比ｆに比べて大きな値にな
る。つまり、副室容積の大きさの割に総噴口面積が大き
くなるものであり、噴口から主室に噴出されるトーチの
貫徹力が、従来の噴口面積比ｆの場合にに比べて弱くな
る傾向になるものである。その結果、上記（１）の圧縮
比増大方法、つまり、ピストンのストロークを同一のま
ま、主室の容積を小さくする方法が用いられ場合におい
ても、噴口から主室に噴出されるトーチの貫徹力が強過
ぎないから、火炎が拡散する前に主室壁面（燃焼室壁
面）に直接トーチが接触することを抑制して、エンジン
外部への放熱が少なくなり、エンジンの燃費の向上を図
ることができるのである。また、上記（２）の圧縮比増
大方法、つまり、主室の容積をそのままにして、ピスト
ンのストロークを大きくする方法が用いられる場合にお
いても、噴口から主室に噴出されるトーチの貫徹力が強
過ぎないから、ピストン表面やシリンダ表面にトーチが
流れ込んで、火炎が拡散する前に主室壁面（燃焼室壁
面）に直接トーチが接触することを抑制して、エンジン
外部への放熱が少なくなり、エンジンの燃費の向上を図
ることができるのである。さらに、上記（３）の圧縮比
増大方法、つまり、上記（１）の圧縮比増大方法と上記
（２）の圧縮比増大方法を組み合わせる場合にも、同様
に、火炎が拡散する前に主室壁面（燃焼室壁面）に直接
トーチが接触することを抑制して、エンジン外部への放
熱が少なくなり、エンジンの燃費の向上を図ることがで
きるのである。That is, the nozzle area ratio f set within the above range is a larger value than the conventional nozzle area ratio f. In other words, the total nozzle area becomes large relative to the size of the sub chamber, and the penetration force of the torch ejected from the nozzle to the main chamber tends to be weaker than in the case of the conventional nozzle area ratio f. It will be. As a result, even when the compression ratio increasing method of the above (1), that is, the method of reducing the volume of the main chamber with the same stroke of the piston is used, the penetration force of the torch ejected from the injection port into the main chamber is used. Is not too strong, the direct contact of the torch with the main chamber wall surface (combustion chamber wall surface) before the flame spreads reduces heat dissipation to the outside of the engine and improves the fuel efficiency of the engine. You can do it. Further, even when the method (2) of increasing the compression ratio, that is, the method of increasing the stroke of the piston while keeping the volume of the main chamber as it is, the penetration force of the torch ejected from the injection port to the main chamber is Since it is not too strong, it prevents the torch from flowing into the piston surface and cylinder surface, and prevents the torch from directly contacting the main chamber wall surface (combustion chamber wall surface) before the flame spreads, reducing heat dissipation to the outside of the engine. Therefore, it is possible to improve the fuel efficiency of the engine. Further, also in the case of combining the compression ratio increasing method of the above (3), that is, the compression ratio increasing method of the above (1) and the compression ratio increasing method of the above (2), similarly, before the flame spreads, the main chamber It is possible to suppress direct contact of the torch with the wall surface (wall surface of the combustion chamber), reduce heat radiation to the outside of the engine, and improve fuel efficiency of the engine.
【００１２】要するに、噴口面積比ｆを上記範囲に設定
することにより、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒと
の比が１４以上で、ピストンの下死点基準の膨張比が実
圧縮比よりも大きい副室式希薄燃焼ガスエンジンにおい
て、十分な低燃費化を達成できるようにすることが可能
となるのであり、もって、ピストンの下死点基準の圧縮
比Ｃｒとの比が１４以上で、ピストンの下死点基準の膨
張比が実圧縮比よりも大きい副室式希薄燃焼ガスエンジ
ンの設計、及び、製造において、エンジンの燃費の向上
を図れる状態に噴口面積比ｆを的確に設定することが可
能となった。In short, by setting the injection area ratio f within the above range, the ratio of the piston to the compression ratio Cr of the bottom dead center is 14 or more, and the expansion ratio of the piston bottom dead center is more than the actual compression ratio. It is possible to achieve sufficiently low fuel consumption in a large-compartment lean-burn combustion gas engine. Therefore, if the ratio of the piston to the compression ratio Cr of the bottom dead center is 14 or more, In designing and manufacturing a sub-chamber lean combustion gas engine in which the expansion ratio based on the bottom dead center of the piston is greater than the actual compression ratio, the injection port area ratio f should be set appropriately in a state where the fuel efficiency of the engine can be improved. Became possible.
【００１３】請求項２の副室式希薄燃焼ガスエンジン
は、請求項１に加えて、前記副室容積を、ピストン上死
点時の燃焼室容積の２〜４％に設定した点を特徴とす
る。ちなみに、前記燃焼室容積は、副室の容積、主室の
容積、及び、クレビス容積の総和である。A sub-chamber lean combustion gas engine according to a second aspect is characterized in that, in addition to the first aspect, the sub-chamber volume is set to 2 to 4% of the combustion chamber volume at the top dead center of the piston. To do. By the way, the combustion chamber volume is the sum of the volume of the sub chamber, the volume of the main chamber, and the clevis volume.
【００１４】このように、ピストン上死点時の燃焼室容
積との関係において副室容積を定めることにより、安定
した燃焼を行わせ、且つ、ＮＯｘの増加を抑制するよう
になっている。つまり、副室の容積が小さ過ぎると、主
室内の希薄な混合気を十分に燃焼させにくいものとな
り、逆に、副室の容積が大き過ぎると、ＮＯｘの増加を
伴うものとなるからである。As described above, by setting the sub chamber volume in relation to the volume of the combustion chamber at the top dead center of the piston, stable combustion is performed and the increase of NOx is suppressed. That is, if the volume of the sub chamber is too small, it becomes difficult to sufficiently burn the lean air-fuel mixture in the main chamber, and conversely, if the volume of the sub chamber is too large, NOx increases. .
【００１５】請求項３の副室式希薄燃焼ガスエンジン
は、請求項１に加えて、前記副室容積を、ピストン上死
点時の燃焼室容積の２. ５〜３．５％に設定した点を特
徴とする。ちなみに、前記燃焼室容積は、前記請求項２
の説明でも記した通り、副室の容積、主室の容積、及
び、クレビス容積の総和である。According to the lean combustion gas engine of the sub-chamber of claim 3, in addition to the above-mentioned claim 1, the volume of the sub-chamber is set to 2.5 to 3.5% of the volume of the combustion chamber at the top dead center of the piston. Characterized by points. By the way, the combustion chamber volume is the same as in the above-mentioned claim 2.
As described in the above description, it is the sum of the volume of the sub chamber, the volume of the main chamber, and the clevis volume.
【００１６】このように、ピストン上死点時の燃焼室容
積との関係において副室容積を定めることにより、安定
した燃焼を行わせ、且つ、ＮＯｘの増加を抑制するよう
になっている。つまり、副室の容積が小さ過ぎると、主
室２内の希薄な混合気を十分に燃焼させにくいものとな
り、逆に、副室の容積が大き過ぎると、ＮＯｘの増加を
伴うものとなるからであるが、本請求項３は、上記請求
項２よりも好ましい範囲を設定することによって、安定
した燃焼及びＮＯｘの増加の抑制を一層適切に得られる
ものとなっている。。As described above, by setting the sub chamber volume in relation to the combustion chamber volume at the top dead center of the piston, stable combustion is performed and the increase of NOx is suppressed. That is, if the volume of the sub chamber is too small, it becomes difficult to burn the lean air-fuel mixture in the main chamber 2 sufficiently, and conversely, if the volume of the sub chamber is too large, NOx increases. However, according to the third aspect of the present invention, by setting the range more preferable than that of the second aspect, stable combustion and suppression of increase of NOx can be obtained more appropriately. .
【発明の実施の形態】本発明に係わる副室式希薄燃焼ガ
スエンジンについて図面に基づいて説明する。図１は、
副室式希薄燃焼ガスエンジンの燃焼室及び燃料供給系を
示すものであって、１はシリンダヘッド、２は主室であ
り、ピストンヘッド３の上面とシリンダ４の内面とシリ
ンダヘッド１の下面により区画形成されている。この主
室２には、天然ガス系都市ガス１３Ａである燃料ガスと
空気の希薄混合気が吸気バルブ５を通して導入されるよ
うになっており、また、排気バルブ６を通して主室内の
燃焼排ガスが排出されるようになっている。吸気バルブ
５や排気バルブ６は、クランク軸の回転に同期する弁操
作機構Ａにて開閉される。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A sub-chamber type lean burn gas engine according to the present invention will be described with reference to the drawings. Figure 1
1 shows a combustion chamber and a fuel supply system of a sub-chamber lean burn gas engine, where 1 is a cylinder head, 2 is a main chamber, and an upper surface of a piston head 3, an inner surface of a cylinder 4 and a lower surface of a cylinder head 1 It is compartmentalized. A lean mixture of fuel gas and air, which is a natural gas city gas 13A, is introduced into the main chamber 2 through an intake valve 5, and combustion exhaust gas in the main chamber is exhausted through an exhaust valve 6. It is supposed to be done. The intake valve 5 and the exhaust valve 6 are opened and closed by a valve operating mechanism A that synchronizes with the rotation of the crankshaft.
【００１７】７は副室であり、シリンダヘッド１の略中
央部に、シリンダ軸線方向に軸方向を有する筒状に形成
されている。この副室７の上部には副室上部金物８が設
けられ、副室７の下部には副室口金９が設けられてい
る。この副室口金９の先端部には、副室７と主室２とを
結ぶ複数の噴口１０が形成されている。１１は前記副室
上部金物８内に形成されたガスチャンバであり、天然ガ
ス系都市ガス１３Ａである燃料ガスを供給するガス供給
通路１２が接続されている。ガス供給通路１２には、ガ
ス供給圧を制御するガス圧制御装置Ｓが設けられてい
る。１３は副室上部金物８内に設けられた副室バルブで
あって、副室７とガスチャンバ１１との間の連通を開閉
するものであり、前記吸気バルブ５や排気バルブ６と同
様に弁操作機構Ａにて開閉される。１４は副室７内の燃
料ガスに点火するための点火プラグである。Reference numeral 7 denotes a sub chamber, which is formed at a substantially central portion of the cylinder head 1 in a cylindrical shape having an axial direction in the cylinder axial direction. A sub chamber upper metal piece 8 is provided on the upper side of the sub chamber 7, and a sub chamber base 9 is provided on the lower side of the sub chamber 7. A plurality of injection ports 10 connecting the sub chamber 7 and the main chamber 2 are formed at the tip of the sub chamber mouthpiece 9. Reference numeral 11 denotes a gas chamber formed in the sub chamber upper metal member 8 to which a gas supply passage 12 for supplying a fuel gas which is a natural gas type city gas 13A is connected. The gas supply passage 12 is provided with a gas pressure control device S that controls the gas supply pressure. Reference numeral 13 denotes a sub-chamber valve provided in the sub-chamber upper metal part 8, which opens and closes the communication between the sub-chamber 7 and the gas chamber 11, and is the same as the intake valve 5 and the exhaust valve 6. It is opened and closed by the operating mechanism A. Reference numeral 14 is an ignition plug for igniting the fuel gas in the sub chamber 7.
【００１８】また、この副室式希薄燃焼ガスエンジン
は、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒ、つまりピスト
ン下死点での燃焼室容積とピストン上死点での燃焼室容
積との比が１４以上で、ピストンの下死点基準の膨張比
（ピストン下死点での燃焼室容積とピストン上死点での
燃焼室容積との比）が実圧縮比よりも大きく構成されて
いる。ピストンの下死点基準の膨張比が実圧縮比よりも
大きく構成されている点について説明を加えると、前記
操作機構Ａによる吸気弁５の閉じ操作が、吸気行程にお
いてピストン３が下死点に到達する以前の段階で、主室
２に希薄な混合気が供給されるのを停止するように吸気
弁５を早目に閉じるタイミングにて行われるようにした
り、あるいは、圧縮行程においてピストン３が下死点を
過ぎてから吸気弁５を遅れて閉じるタイミングで行われ
るようにして、実圧縮比を減少させることにより、実圧
縮比が膨張比よりも小さくなるように構成されている。
尚、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒは、１４〜２０
が好ましく、１４〜１７が最も好ましいものである。つ
まり、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒを過度に大き
くすると、ノッキングが発生し、燃料消費量が最適なポ
イントとなる運転条件を実現できなくなるからである。Further, in the lean combustion gas engine of the sub-chamber type, the compression ratio Cr based on the bottom dead center of the piston, that is, the ratio of the combustion chamber volume at the piston bottom dead center to the combustion chamber volume at the piston top dead center is determined. At 14 or more, the expansion ratio based on the bottom dead center of the piston (ratio between the combustion chamber volume at the piston bottom dead center and the combustion chamber volume at the piston top dead center) is configured to be larger than the actual compression ratio. To explain that the expansion ratio based on the bottom dead center of the piston is larger than the actual compression ratio, the closing operation of the intake valve 5 by the operating mechanism A causes the piston 3 to reach the bottom dead center in the intake stroke. Before reaching, the intake valve 5 is closed at an early timing so as to stop the supply of the lean air-fuel mixture to the main chamber 2, or the piston 3 is moved in the compression stroke. The actual compression ratio is reduced by closing the intake valve 5 with a delay after the bottom dead center is reached, so that the actual compression ratio becomes smaller than the expansion ratio.
The compression ratio Cr based on the bottom dead center of the piston is 14 to 20.
Are preferred, and 14 to 17 are the most preferred. That is, if the compression ratio Cr of the piston based on the bottom dead center is excessively increased, knocking occurs, and the operating condition where the fuel consumption amount becomes the optimum point cannot be realized.
【００１９】さらに、この副室式希薄燃焼ガスエンジン
は、副室７と主室２とを結ぶ複数の噴口１０の面積の総
和である総噴口面積と副室容積との比である噴口面積比
ｆ（ｆ＝総噴口面積ｍｍ2 ／副室容積ｃｃ）を、前記ピ
ストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒとの関係において下記
の範囲に設定されている。
2.7 ＋0.4 ×（Ｃｒ−１１）≦ｆ≦ 3.6 ＋0.4 ×（Ｃ
ｒ−１１）
つまり、 噴口面積比ｆを、前記ピストンの下死点基準
の圧縮比Ｃｒとの関係において上記範囲に設定すること
により、噴口１０から主室２に噴出されるトーチの貫徹
力が強過ぎないようにして、火炎が拡散する前に主室壁
面（燃焼室壁面）に直接トーチが接触することを抑制し
て、エンジン外部への放熱を少なくなして、エンジンの
燃費の向上を図るようになっている。Furthermore, in this sub-chamber lean combustion gas engine, the jet area ratio, which is the ratio of the total jet area, which is the sum of the areas of the plurality of jet ports 10 connecting the sub chamber 7 and the main chamber 2, to the sub chamber volume. f (f = total injection area mm 2 / sub chamber volume cc) is set in the following range in relation to the compression ratio Cr of the piston based on the bottom dead center. 2.7 +0.4 x (Cr-11) ≤ f ≤ 3.6 +0.4 x (C
r-11) That is, the penetration area ratio f is set in the above range in relation to the compression ratio Cr based on the bottom dead center of the piston, so that the penetration force of the torch ejected from the injection port 10 into the main chamber 2 is Do not make it too strong, suppress the direct contact of the torch with the main chamber wall surface (combustion chamber wall surface) before the flame spreads, reduce the heat radiation to the outside of the engine, and improve the fuel efficiency of the engine. It is like this.
【００２０】加えて、この副室式希薄燃焼ガスエンジン
は、前記副室７の容積（以下、副室容積と記載）を、ピ
ストン上死点時の燃焼室容積の２〜４％に設定する、好
ましくは、２. ５〜３．５％に設定している。ちなみ
に、前記燃焼室容積は、副室７の容積、主室２の容積、
及び、クレビス容積の総和である。このように、ピスト
ン上死点時の燃焼室容積との関係において副室容積を定
めることにより、安定した燃焼を行わせ、且つ、ＮＯｘ
の増加を抑制するようになっている。つまり、副室７の
容積が小さ過ぎると、主室２内の希薄な混合気を十分に
燃焼させにくいものとなり、逆に、副室７の容積が大き
過ぎると、ＮＯｘの増加を伴うものとなるからである。
尚、システムの空気過剰率は、１．５〜２．５の範囲に
設定するのが好ましいものである。空気過剰率が小さ過
ぎると、ＮＯｘが急激に増加するものとなり、また、空
気過剰率が大きくなり過ぎると、混合気が希薄になり過
ぎて安定した燃焼を行い難いものとなるからである。In addition, in this sub-chamber lean combustion gas engine, the volume of the sub-chamber 7 (hereinafter referred to as the sub-chamber volume) is set to 2 to 4% of the volume of the combustion chamber at the top dead center of the piston. , Preferably 2.5 to 3.5%. By the way, the combustion chamber volume is the volume of the sub chamber 7, the volume of the main chamber 2,
And the total clevis volume. In this way, by determining the sub chamber volume in relation to the combustion chamber volume at the top dead center of the piston, stable combustion is performed, and NOx
It is designed to suppress the increase of. That is, if the volume of the sub chamber 7 is too small, it becomes difficult to burn the lean air-fuel mixture in the main chamber 2 sufficiently, and conversely, if the volume of the sub chamber 7 is too large, NOx increases. Because it will be.
The excess air ratio of the system is preferably set in the range of 1.5 to 2.5. This is because if the excess air ratio is too small, NOx will rapidly increase, and if the excess air ratio is too large, the air-fuel mixture will be too lean and stable combustion will be difficult to achieve.
【００２１】次に、本願発明についてその適用例につい
て具体例を挙げて説明する。先ず、本願発明を適用した
エンジンの諸元、及び主な条件を示す。
エンジン：副室式希薄燃焼エンジン
回転速度：１２００ｒｐｍ
ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒ：１４〜１５
噴口面積比ｆ：３〜６
副室への燃料ガス供給圧力：エンジンシリンダ入口圧力
＋（５〜８０ｋＰａ）
点火時期：３゜〜２５゜ｂＴＤＣ（クランク角度が上死
点より３゜〜２５゜早い時期）
空気過剰率：１．９
平均有効圧力：１．１ＭＰａNext, the application of the present invention will be described with reference to specific examples. First, specifications of an engine to which the present invention is applied and main conditions are shown. Engine: Sub-chamber lean-burn engine rotation speed: 1200 rpm Piston bottom dead center reference compression ratio Cr: 14 to 15 Nozzle area ratio f: 3 to 6 Fuel gas supply pressure to sub chamber: Engine cylinder inlet pressure + (5 Ignition timing: 3 ° to 25 ° bTDC (crank angle is 3 ° to 25 ° earlier than top dead center) Air excess ratio: 1.9 Average effective pressure: 1.1 MPa
【００２２】図２は、ピストンのストロークを同一のま
ま主室の容積を小さくして、ピストンの下死点基準の圧
縮比Ｃｒを１５に増加させたエンジンにおいて、噴口面
積比ｆを3.0 、3.5 、4.0 、4.5 、5.0 、5.5 、6.0 と
して、それぞれ燃費が最も良くなるポイントの運転条件
（ちなみに、副室への燃料ガス供給圧力、点火時期、空
気過剰率）を設定した際のエンジンの燃費を計測した結
果を示す。ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒが１５の
場合には、本発明によれば、噴口面積比ｆは4.3 〜5.2
（4.3 ≦ｆ≦5.2 ）となるが、噴口面積比が4.3 〜5.2
の範囲にあれば、最も燃費が良くなる点からの燃費の増
加を概ね３％以内に抑えることが可能である。FIG. 2 shows an engine in which the volume of the main chamber is reduced while the stroke of the piston remains the same, and the compression ratio Cr of the piston based on the bottom dead center is increased to 15. The injection port area ratio f is 3.0 and 3.5. , 4.0, 4.5, 5.0, 5.5, 6.0, respectively, the fuel consumption of the engine when the operating conditions (by the way, the fuel gas supply pressure to the sub chamber, ignition timing, excess air ratio) at which the fuel consumption becomes the best are set. The measurement results are shown. According to the present invention, when the compression ratio Cr of the piston based on the bottom dead center is 15, the injection port area ratio f is 4.3 to 5.2.
(4.3 ≤ f ≤ 5.2), but the nozzle area ratio is 4.3 to 5.2
Within the range, it is possible to suppress the increase in fuel consumption from the point of the highest fuel consumption to within approximately 3%.
【００２３】図３は、図２の場合と同様に、ピストンの
ストロークを同一のまま主室の容積を小さくして、ピス
トンの下死点基準の圧縮比Ｃｒを１４に増加させたエン
ジンにおいて、噴口面積比ｆを3.0 、3.5 、4.0 、4.5
、5.0 、5.5 、6.0 として、それぞれ燃費が最も良く
なるポイントの運転条件（ちなみに、副室への燃料ガス
供給圧力、点火時期、空気過剰率）を設定した際のエン
ジンの燃費を計測した結果を示す。ピストンの下死点基
準の圧縮比Ｃｒが１４の場合には、本発明によれば、噴
口面積比ｆは3.9 〜4.8 （3.9 ≦ｆ≦4.8 ）となるが、
噴口面積比が3.8 〜4.8 の範囲にあれば、図２の場合と
同様に、最も燃費が良くなる点からの燃費の増加を概ね
３％以内に抑えることが可能である。Similar to the case of FIG. 2, FIG. 3 shows an engine in which the volume of the main chamber is reduced while the piston stroke is the same, and the compression ratio Cr of the piston based on the bottom dead center is increased to 14. Nozzle area ratio f of 3.0, 3.5, 4.0, 4.5
, 5.0, 5.5, 6.0, respectively, the results of measuring the fuel efficiency of the engine when the operating conditions (the fuel gas supply pressure to the sub chamber, the ignition timing, the excess air ratio) are set at the points where the fuel efficiency is best Show. According to the present invention, when the compression ratio Cr of the piston based on the bottom dead center is 14, the injection port area ratio f is 3.9 to 4.8 (3.9 ≦ f ≦ 4.8).
If the nozzle area ratio is in the range of 3.8 to 4.8, it is possible to suppress the increase in fuel consumption from the point of the highest fuel consumption to within approximately 3%, as in the case of FIG.
【００２４】図４は、主室の容積をそのままにして、ピ
ストンのストロークを大きくすることにより、ピストン
の下死点基準の圧縮比Ｃｒを１５に増加させたエンジン
において、噴口面積比ｆを3.0 、3.5 、4.0 、4.5 、5.
0 、5.5 、6.0 として、それぞれ燃費が最も良くなるポ
イントの運転条件（ちなみに、副室への燃料ガス供給圧
力、点火時期、空気過剰率）を設定した際のエンジンの
燃費を計測した結果を示す。ピストンの下死点基準の圧
縮比Ｃｒが１５の場合には、図２の例で説明した如く、
本発明によれば、噴口面積比ｆは4.3 〜5.2 （4.3 ≦ｆ
≦5.2 ）となるが、噴口面積比が4.3 〜5.2 の範囲にあ
れば、最も燃費が良くなる点からの燃費の増加を概ね３
％以内に抑えることが可能である。FIG. 4 shows an engine in which the compression ratio Cr of the piston based on the bottom dead center is increased to 15 by increasing the stroke of the piston while keeping the volume of the main chamber unchanged, and the injection port area ratio f is 3.0. , 3.5, 4.0, 4.5, 5.
The results of measuring the fuel consumption of the engine when operating conditions (by the way, the fuel gas supply pressure to the sub-chamber, ignition timing, excess air ratio) are set to 0, 5.5 and 6.0, respectively, are shown. . When the compression ratio Cr based on the bottom dead center of the piston is 15, as described in the example of FIG.
According to the present invention, the nozzle area ratio f is 4.3 to 5.2 (4.3 ≤ f
≦ 5.2), but if the nozzle area ratio is in the range of 4.3 to 5.2, the increase in fuel consumption from the point of the highest fuel consumption is approximately 3
It is possible to keep it within%.
【００２５】これらの本発明を適用した具体例からもわ
かるように、本発明によれば、噴口面積比ｆを、エンジ
ンの設計・製造において、エンジンの燃費の向上を図れ
る状態に的確に設定できるものとなる。As can be seen from these specific examples to which the present invention is applied, according to the present invention, the injection port area ratio f can be accurately set in a state where the fuel efficiency of the engine can be improved in the design and manufacture of the engine. Will be things.
【図１】副室式希薄燃焼エンジンの要部縦断面図FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of a main portion of a sub-chamber lean combustion engine.
【図２】ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒを主室容積
の小型化によって１５にしたエンジンの燃費と噴口面積
比との関係を示す図FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the fuel consumption of an engine and the injection area ratio in which the compression ratio Cr based on the bottom dead center of the piston is reduced to 15 by reducing the volume of the main chamber.
【図３】ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒを主室容積
の小型化によって１４にしたエンジンの燃費と噴口面積
比との関係を示す図FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the fuel consumption of an engine in which the compression ratio Cr based on the bottom dead center of the piston is reduced to 14 by reducing the volume of the main chamber and the area ratio of the injection port.
【図４】ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒをピストン
のストロークの長大化によって１５にしたエンジンにお
けるエンジンの燃費と噴口面積比との関係を示す図FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the fuel consumption of the engine and the nozzle area ratio in an engine in which the compression ratio Cr based on the bottom dead center of the piston is increased to 15 by increasing the stroke of the piston.
２ 主室 ３ ピストン ７ 副室 １０ 噴口 2 main room 3 pistons 7 Vice room 10 nozzles
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松下 陽一 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 下田 裕己 神奈川県相模原市田名3000番地 三菱重工 業株式会社汎用機・特車事業本部内 (72)発明者 小田 裕司 長崎県長崎市深堀町五丁目717番１号 三 菱重工業株式会社長崎研究所内 Ｆターム(参考） 3G023 AA02 AB03 AC01 AC07 AD14 AD23 AD28 AD30 3G092 AA01 AA06 AA07 AA09 AB06 FA24 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Yoichi Matsushita 4-1-2 Hirano-cho, Chuo-ku, Osaka-shi, Osaka Prefecture Within Osaka Gas Co., Ltd. (72) Inventor Hiromi Shimoda 3,000 Tana, Sagamihara-shi, Kanagawa Mitsubishi Heavy Industries General-purpose machine / special vehicle business division (72) Inventor Yuji Oda 3-5-1, 717-1, Fukahori-cho, Nagasaki-shi, Nagasaki Hishi Heavy Industries Ltd. Nagasaki Research Center F term (reference) 3G023 AA02 AB03 AC01 AC07 AD14 AD23 AD28 AD30 3G092 AA01 AA06 AA07 AA09 AB06 FA24
Claims (3)
４以上で、ピストンの下死点基準の膨張比が実圧縮比よ
りも大きい副室式希薄燃焼ガスエンジンにおいて、 副室と主室とを結ぶ複数の噴口の面積の総和である総噴
口面積と副室容積との比である噴口面積比ｆ（ｆ＝総噴
口面積ｍｍ2 ／副室容積ｃｃ）を、前記ピストンの下死
点基準の圧縮比Ｃｒとの関係において下記の範囲に設定
した副室式希薄燃焼ガスエンジン。 2.7 ＋0.4 ×（Ｃｒ−１１）≦ｆ≦ 3.6 ＋0.4 ×（Ｃ
ｒ−１１）1. A compression ratio Cr based on the bottom dead center of the piston is 1
4 and above, in a sub-chamber lean burn gas engine with an expansion ratio based on the bottom dead center of the piston that is greater than the actual compression ratio, the total nozzle area, which is the sum of the areas of the nozzles that connect the auxiliary chamber and the main chamber, A nozzle area ratio f (f = total nozzle area mm 2 / sub chamber volume cc), which is a ratio with the sub chamber volume, was set within the following range in relation to the compression ratio Cr of the piston based on the bottom dead center. Room type lean burn gas engine. 2.7 +0.4 x (Cr-11) ≤ f ≤ 3.6 +0.4 x (C
r-11)
焼室容積の２〜４％に設定した請求項１記載の副室室希
薄燃焼ガスエンジン。2. The lean combustion gas engine for a sub chamber according to claim 1, wherein the sub chamber volume is set to 2 to 4% of the combustion chamber volume at the top dead center of the piston.
焼室容積の２. ５〜３．５％に設定した請求項１記載の
副室室希薄燃焼ガスエンジン。3. The lean burn gas engine for a sub chamber according to claim 1, wherein the sub chamber volume is set to 2.5 to 3.5% of the volume of the combustion chamber at the top dead center of the piston.
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