JP2004211633A

JP2004211633A - Subsidiary chamber type engine

Info

Publication number: JP2004211633A
Application number: JP2003001205A
Authority: JP
Inventors: Shunsaku Nakai; 俊作中井; Seiichi Ito; 誠一伊藤; Koji Moriya; 浩二守家; Hironori Sato; 裕紀佐藤
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2003-01-07
Filing date: 2003-01-07
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2023-01-07
Also published as: JP4073315B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a subsidiary chamber type engine operable with extremely high efficiency by realizing the high compression ratio equal to a diesel engine. <P>SOLUTION: In this subsidiary chamber type engine 100, fresh air I sucked in a main chamber 1 is compressed by the rise of a piston 2; the compressed fresh air I is made to flow in a subsidiary chamber 11 via a communicating passage 20: an air-fuel mixture of the fresh air I flowing in the subsidiary chamber 11 and fuel G supplied to the subsidiary chamber 11 is ignited by an ignition means 32 arranged in the subsidiary chamber 11; and subsidiary chamber ignition operation can be performed for injecting a flame jet into the main chamber 1 via the communicating passage 20. Maximum ultimate pressure by compression of the main chamber 1 is set higher than an upper limit value of a knocking avoiding pressure range in the subsidiary chamber 11, and back pressure applied to a flow of gas in the communicating passage 20 is set so that the maximum ultimate pressure by the compression of the subsidiary chamber 11 falls within a knocking avoiding range in the subsidiary chamber. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主室に吸気された新気をピストンの上昇により圧縮して、前記圧縮された新気を連通路を介して副室に流入させ、前記副室に流入した新気と前記副室に供給された燃料との混合気を、前記副室に設けられた点火手段により点火し、前記連通路を介して前記主室に火炎ジェットを噴射する副室点火運転を実行可能な副室式エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来エンジンは、火花点火エンジン（オットーサイクルエンジン）と、圧縮空気中に液体燃料を噴射するディーゼルエンジンに大きく分けられる。
【０００３】
火花点火エンジンは、燃焼室において吸気された空気と燃料との混合気を圧縮した後に、点火プラグにより点火して燃焼させるように構成され、その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、圧縮比を高くして燃料を希薄状態で燃焼させることによって熱効率を向上させることができる。
【０００４】
特に部分負荷時の燃焼温度の低下、サイクル効率の向上、ポンピング損失の低下などを実現することができ、排ガス性状及び燃費の改善に有効である火花点火エンジンの希薄燃焼方式としては、層状吸気方式がある。
【０００５】
層状吸気方式とは、燃焼室において、点火プラグの点火部の周辺には、火花点火可能な当量比の混合気が存在する点火領域を形成し、その点火領域の周辺には、点火領域の混合気よりも当量比が低く希薄状態である混合気が存在する希薄領域を形成して、先ず、上記点火領域に存在する混合気を点火プラグにより点火して燃焼させ、その火炎により上記希薄領域に存在する混合気を燃焼させて、全体として燃料を希薄状態で燃焼させる燃焼方式であり、層状吸気方式の燃焼室形状は、単室式と副室式とに大別される。
【０００６】
単室式は、ピストン頂部に形成した凹部を燃焼室として利用し、燃焼室における吸気の流れを利用して、点火プラグの点火部周辺に火花点火可能な混合気を形成するものである。
【０００７】
一方、副室式は、ピストン頂部に接する主室とその主室と連通路を介して連通する副室とを燃焼室として備えたエンジンにおいて、主室に吸気された希薄混合気をピストンの上昇により圧縮して、その圧縮された新気を連通路を介して副室に流入させ、副室に流入した希薄混合気と副室に直接供給された燃料とから、点火プラグが設けられた副室に火花点火可能な当量比の混合気を形成し、その混合気を点火プラグにより点火して燃焼させ、連通路を介して主室に噴射される火炎ジェットにより、主室の希薄混合気を燃焼させる所謂副室点火運転を行うものである（例えば、特許文献１−３参照。）。
そして、火花点火エンジンの層状吸気方式として、上記副室式を採用することにより、吸気行程の後期又は圧縮行程の前期等の燃焼室の圧力が比較的低い時期に、副室に燃料を供給しておいても、その燃料を副室に良好に保持することができ、簡単に、点火時期において火花点火可能な当量比の混合気を副室に形成することができる。よって、上記副室式においては、燃料噴射弁の簡素化が可能であり、例えば燃料として高圧縮が困難な天然ガス等の気体燃料を容易に利用することができる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−２７６４７４号公報
【特許文献２】
特開２００１−３０３９５８号公報
【特許文献３】
特開２００１−２６３０６９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
火花点火エンジンにおいて、単室式又は副室式の層状吸気方式を採用しても、点火プラグ周辺の点火領域においては、混合気は火炎伝播により急激に燃焼するので、燃焼時の急激な圧力上昇により末端ガスが自己着火してしまう所謂ノッキングを回避するという制約条件下において、圧縮比を設定する必要があったため、ディーゼルエンジン並みの圧縮比に設定して、一層の高効率化を図ることはできなかった。
【００１０】
したがって、本発明は、上記の事情に鑑みて、ディーゼルエンジン並みの高圧縮比化を実現して、極めて高い効率で運転可能な副室式エンジンを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る副室式エンジンの特徴構成は、主室に吸気された新気をピストンの上昇により圧縮して、前記圧縮された新気を連通路を介して副室に流入させ、前記副室に流入した新気と前記副室に供給された燃料との混合気を、前記副室に設けられた点火手段により点火し、前記連通路を介して前記主室に火炎ジェットを噴射する副室点火運転を実行可能な副室式エンジンであって、
前記主室の前記圧縮による最高到達圧力が、前記副室におけるノッキング回避圧力範囲の上限界値より高く設定され、且つ、前記副室の圧縮による最高到達圧力が前記副室におけるノッキング回避範囲内となるように、前記連通路におけるガスの流通に対して付与される背圧が設定されている点にある。
【００１２】
即ち、燃焼室として、ピストン頂部に接する主室と、この主室に連通路を介して連通する副室とを備えた副室式エンジンにおいて、上記特徴構成によれば、主室に吸気された新気が圧縮行程において連通路を通過して副室に流入する際に、新気の流通を阻止する方向に上記背圧を受けるので、非燃焼時の圧縮のみによる副室の最高到達圧力（以下、「副室最高到達圧力」と呼ぶ。）は、同じく非燃焼時の圧縮のみによる主室の最高到達圧力（以下、「主室最高到達圧力」と呼ぶ。）よりも低くなり、更に、副室の圧力が副室最高到達圧力となる時期が、主室の圧力が主室最高到達圧力となる時期に対して、遅延側にずれることになる。
【００１３】
よって、圧縮比（最大燃焼室容積／最小燃焼室容積）を、上記連通路において新気に付与される背圧が非常に小さい従来の副室式エンジンの圧縮比（例えば、１０程度）よりも高く設定して、主室最高到達圧力を副室におけるノッキング回避圧力範囲（即ち、副室で混合気を燃焼させた場合にノッキングを回避することができる副室の圧力範囲）の上限値よりも大きくなるように設定しても、主室から副室への方向に連通路を流通する新気に対して付加される背圧を、上記連通路の流路断面積の設定等により適切に設定することにより、副室最高到達圧力を上記主室最高到達圧力よりも小さい副室におけるノッキング回避圧力範囲内とすることができる。
よって、副室に形成された火花点火可能範囲内の当量比の混合気を、適切なノッキング回避圧力範囲内で点火して、副室において安定燃焼させることができる。
【００１４】
更に、副室において混合気を燃焼させて、副室の圧力が主室の圧力を上回ると、連通路を介して主室に火炎ジェットが噴射され、その火炎ジェットを着火源として、主室の上記点火可能範囲よりも低い当量比の希薄混合気を、ディーゼルエンジン並みの高圧縮状態で安定して燃焼させることができ、極めて高い効率を達成することができる。
【００１５】
また、前記副室の少なくとも前記火花点火手段の点火領域に形成される混合気が、当量比が火花点火可能範囲内である混合気であることで、混合気を安定し燃焼させることができ、前記主室に形成される混合気が、当量比が前記火花点火可能範囲内よりも低い希薄混合気であることで、低ＮＯｘ化等の排ガス性状の改善を図ることができる。
【００１６】
また、本発明に係る副室式エンジンにおいて、連通路に上記制御弁を備えた場合には、前記制御弁を閉状態として、前記主室に形成された混合気を前記主室において圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を実行可能に構成することができる。
即ち、上記制御弁を閉状態とすることで、主室から副室への新気の流入を阻止して、主室の圧力を主室の希薄混合気が自己着火する程度に上昇させることができるので、主室に形成された混合気を主室において圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を行うことができる。
【００１７】
また、本発明に係る副室式エンジンにおいて、前記点火手段の点火領域が、前記副室において前記連通路側に偏って配置されていることで、主室から連通路を介して流入した新気が点火手段の点火領域に到達しやすくなり、上記点火領域に火花点火可能範囲の当量比の混合気を容易に形成することができ、さらに、連通路に近い上記点火領域の混合気を火花点火して燃焼させて、積極的に、主室に火炎ジェットを噴出させることができる。
【００１８】
また、このように副室において点火領域を連通路側に偏って配置することで、副室に比較的多くの燃料を供給しても、上記点火領域に、上記火花点火可能範囲の当量比の混合気を形成することができ、更に、その点火領域の周辺には、上記火花点火可能範囲よりも高い当量比の過濃混合気が形成されることになる。そして、上記副室において、上記点火領域の混合気を火花点火して燃焼させると、上記過濃混合気は、上記火炎ジェットが主室に噴出され、更に、膨張行程の進行に伴って主室の圧力が副室よりも低下してから、主室に流入して新気と混合され拡散燃焼することになり、ディーゼルサイクル的な独特なサイクルを実現して、一層の高効率化及び低ＮＯｘ化を図ることができる。
【００１９】
一方、本発明に係る副室式エンジンにおいて、燃料が供給された副室に酸素含有ガスを供給して、前記点火手段の点火領域を火花点火可能範囲内の当量比の混合気が存在するものとすると共に、前記点火領域よりも前記連通路側に偏った領域を燃焼上限界以上の当量比の過濃混合気が存在する過濃領域とする酸素含有ガス供給手段を備えることもでできる。
【００２０】
即ち、互いに連通路により連通状態である主室と副室とを備えた副室式エンジンにおいて、副室に燃料を供給することで、副室に前述の過濃混合気を形成し、更に、上記酸素含有ガス供給手段により、例えば圧縮行程初期において、副室に空気等の酸素含有ガスを供給して、副室に上記火花点火過濃範囲内の点火領域と上記過濃領域とを形成することができる。
【００２１】
そして、上記点火手段を働かせて、前記副室の点火領域の混合気を火花点火して燃焼させると、副室の点火領域における燃焼による圧力波が、連通路側に形成された過濃領域に伝播され、その過濃領域の燃焼上限界以上の当量比である過濃混合気が、着火することなく、連通路を介して主室に高圧噴射され、後に、上記点火領域の混合気の燃焼による火炎ジェットが連通路を介して主室に噴射されて、上記主室において混合気を燃焼させるのである。
【００２２】
従って、上記のような独特な副室式エンジンによって、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装置などを必要とせずに、副室の点火領域における燃焼による圧力上昇を利用して、副室に形成した過濃混合気を主室に高圧で噴射し、続いて主室に噴射された火炎ジェットにより、燃焼させるという独特な運転方法を行うことができ、主室においてノッキングが発生せずに所謂層状燃焼が進むことになる。
したがって、その燃料がたとえ気体燃料であっても、主室に高圧で混合気を噴射して自己着火させるディーゼルエンジン、又は、主室に設けられた点火プラグ付近に混合気を噴射し、その混合気を点火して周囲の希薄混合気を燃焼させる層状給気方式のＳＩエンジンとして構成することができ、高効率化且つ低ＮＯｘ化を図ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
〔第一実施形態〕
本発明に係る副室式エンジンの第一実施形態について、図１−６に基づいて説明する。
【００２４】
図１に示す副室式エンジン１００は、ピストン２と、ピストン２を収容してピストン２の頂面と共に主室１を形成するシリンダ３を備え、ピストン２をシリンダ３内で往復運動させると共に、吸気弁４および排気弁（図示せず）を開閉動作させて、新気を主室１に取り込み、主室１において吸気、圧縮、燃焼・膨張、排気の諸行程を行い、ピストン２の往復道を連結棒（図示せず）によってクランク軸（図示せず）の回転運動として出力されるものであり、このような構成は、通常の４ストローク内燃機関と変わるところはない。
【００２５】
尚、本実施形態の副室式エンジン１００に於いて、シリンダ３のボア径は１１０ｍｍであり、ピストン２のストローク長は１０６ｍｍであり、ピストン２の位置が上死点位置であるときの燃焼室容積に対する、ピストン２の位置が下死点位置である時の燃焼室容積比である圧縮比は１７である。また、副室式エンジン１００は、ディーゼルエンジンとしてはクランク軸の回転数が１２００ｒｐｍで運転されて１５ｋＷ程度の出力が得られるものである。
【００２６】
また、副室式エンジン１００は、都市ガス（１３Ａ）を燃料Ｇとして利用するものであり、吸気行程において吸気弁４を開状態として、主室１に空気と少量の燃料Ｇとの希薄混合気である新気Ｉを吸入し、圧縮行程においてこの吸入した新気Ｉを圧縮して燃料Ｇを燃焼させるものである。
【００２７】
副室式エンジン１００のシリンダヘッド９には、主室１と共に燃焼室として設けられ、主室１に連通路２０を介して連通する副室１１が設けられており、この副室１１を有する副室機構１０の構造について以下に説明する。
尚、副室１１の容積は、ピストン２の位置が上死点であるときの主室１と副室１１との容積の和である総燃焼室容積の１／１０程度である。
【００２８】
また、副室１１と主室１とを連通する連通路２０は、主室１の略中央部に開口する４つの主室孔２１と、副室１１に開口する１つの副室孔２２と、上記主室孔２１と上記副室孔２２とを接続する流路２３とからなる。
流路２３は、ピストン２の動作方向（図１における上下方向）に対して２０°程度傾斜した軸心に沿って延びる流路として形成され、その流路径は３ｍｍである。
上記４つの主室孔２１は、図２（ａ），（ｂ）にも示すように、上記流路２３の軸心を中心に周方向に等間隔で配置され、更に、上記シリンダ３軸心に対して７５／２°傾斜した噴孔角を有する。
【００２９】
また、ピストン２の頂面の中央部には、いわゆる深皿型の凹部２ａが形成されている。上記のような凹部２ａを形成することで、圧縮行程に於いてピストン２が上昇するときに、ピストン２の頂面外周部から凹部２ａの中心部に流れるスキッシュが発生することになる。
【００３０】
副室１１の上方には、燃料Ｇを０．２ＭＰａ（Ｇａｕｇｅ）の供給圧力で副室１１に供給可能な燃料供給弁３０が設けられている。
さらにまた、副室１１の上方には、副室１１の混合気を火花点火可能な点火プラグ３２（点火手段の一例）が設けられている。
【００３１】
このような副室式エンジン１００において、図４（ａ），（ｂ）に示すように、連通路２０において最も小さい流路断面積である４つの主室孔２１の開口面積の和Ｓｐのシリンダ３の横断面積Ｓｍに対する比（以下、断面積比と呼ぶ。）Ｓｒは、０．００１３以下に設定すると、主室１に吸気された新気Ｉが圧縮行程において連通路２０を通過して副室１１に流入する際に受ける背圧を大きくして、非燃焼時の圧縮のみによる副室最高到達圧力Ｐ２を、同じく非燃焼時の圧縮のみによる主室最高到達圧力Ｐ１よりも低くすることができ、更に、図４（ｃ）に示すように、副室１１の圧力が副室最高到達圧力Ｐ２となる時期を、主室１の圧力が主室最高到達圧力Ｐ１となる時期に対して、遅延側にずらすことができる。
【００３２】
そして、本副室式エンジン１００においては、上記断面積比Ｓｒが、上記のように副室最高到達圧力Ｐ２を主室最高到達圧力Ｐ１よりも低くすることができるように、０．００１３以下、好適には、０．０００５以下、さらに好適には、０．０００３程度となるように、上記連通路２０の最小流路断面積が設定されている。
【００３３】
上記のように、上記連通路２０の流路断面積を小さくする設定して、主室１から副室１１への方向に連通路２０を流通する新気Ｉに対して付加される背圧を大きくすることで、圧縮比を１７程度と高く設定しても、副室最高到達圧力Ｐ２を、上記主室最高到達圧力Ｐ１よりも小さく、副室１１で混合気を燃焼させた場合にノッキングを回避することができる副室１１のノッキング回避圧力範囲内とすることができる。
【００３４】
次に、本実施形態の副室式エンジン１００における、１サイクルにおける吸気弁４、排気弁、燃料供給弁３０、点火プラグ３２の動作状態を説明する。
【００３５】
図３に示すように、副室式エンジン１００は、先ず、吸気弁４が開状態となり、ピストン２のＴＤＣ（上死点）からの下降により、主室１に希薄混合気である新気Ｉが吸入される吸気行程が行われる。
このとき副室１１に設置された燃料供給弁３０が吸気弁４の開時期に対して若干遅れた時期に開状態となり、副室１１への燃料Ｇの供給を開始される。
【００３６】
後に、吸気弁４および燃料供給弁３０が同時期に閉状態となり、ピストン２の上昇により、主室１に吸気された新気Ｉを圧縮する、いわゆる圧縮行程が行われる。
【００３７】
なお、圧縮行程初期の副室１１がまだ定圧状態のときに、燃料供給弁３０を開状態として燃料Ｇを副室１１に供給しても良い。
【００３８】
このように副室１１に燃料を供給することにより、副室１１に供給された燃料Ｇの一部は、連通路２０を介して主室１に流出するのであるが、上記の連通路２０の断面積比が例えば０．０００３程度と非常に小さく設定されているため、その流出量は、副室１１に供給された全副室燃料供給量の５％程度となる。
【００３９】
そして、次の圧縮行程では、ピストン２の上昇により、主室１の容積減少によって、主室１の新気Ｉが連通路２０介して副室１１に流入し、副室１１には、連通路２２から上方に向かう新気流が発生し、その新気流が点火プラグ３２の点火領域に到達する。
【００４０】
よって、副室１１の上記点火プラグ３２の点火領域では、その新気Ｉと燃料Ｇとが混合されて、火花点火可能範囲内の当量比の混合気が形成される。
【００４１】
この圧縮行程では、連通路２０の主室孔２１が所謂絞り弁のように働き、主室１の圧力はほぼ圧縮比どおりの圧力になるが、副室最高到達圧力Ｐ２は、主室最高到達圧力Ｐ１の圧力よりも、図４（ａ）に示すように、約２ＭＰａ低下したものになる。
よって、上記圧縮行程終了時にて、副室１１には、約２５ＭＰａの圧力場で当量比が１．０−１．６程度、好適には当量比が１．３−１．５程度の混合気が存在し、主室１には、約４５ＭＰａの圧力場で当量比が０．４−０．５５、好適には当量比が０．４５−０．５０程度の混合気が存在することになる。尚、副室１１に形成する混合気の当量比を理論当量比よりも増加させるほど、副室１１におけるＮＯｘ生成量を低減することができると共に、主室１への燃料供給量に対する副室１１への燃料供給量の割合を増加させることで、主室１において燃焼する混合気を希薄化して、一層の低ＮＯｘ化を図ることができる。
【００４２】
そして、副室式エンジン１００は、１０°ＢＴＤＣ付近において、点火プラグ３２を働かせて、上記副室１１に形成された混合気を火花点火して燃焼させる。
【００４３】
すると副室１１では、その圧力が通常のＳＩエンジンなみであるため、急激な圧力上昇を伴わず、燃焼が進み、副室１１の燃焼しなかった燃料Ｇと共に、火炎ジェットが連通路２０を介して主室１に噴出される。
【００４４】
一方、主室１においては、高圧力場で、連通路２０から噴出された高エネルギの火炎ジェットにより希薄混合気を燃焼させるので、副室１１と同様に急激な圧力上昇を伴わず、高効率且つ低ＮＯｘな燃焼が行われる。
【００４５】
このような主室１における燃焼状態は、通常のＳＩエンジンに近い状態であるが、圧縮比を高く設定した場合においてもノッキングが発生しないため、例えば、図５に示すように、連通路２０の断面積比を０．００１３より大きくした副室エンジンに比べて、正味熱効率ηｅを向上することができ、例えば、連通路２０の断面積比を０．０００５程度とすることで、正味熱効率ηｅを２．５ポイント程度向上することができ、連通路２０の断面積比を０．０００３程度とすることで、正味熱効率ηｅを３．０ポイント程度向上することができる。また、主室１１に吸気される新気Ｉの空気比（当量比の逆数）を小さくして、出力を増加させた場合でも、良好にノッキングを回避することができるため、図６に示すように、ノッキング限界における空気比λを低くすることができ、広い出力調整範囲を確保することができる。
また、副室１１内を当量比を濃い側に、主室１内の混合気を希薄側に設定しているためＮＯ_Ｘも抑制することができる。
【００４６】
〔第二実施形態〕
本発明に係る副室式エンジンの第二実施形態について、図７に基づいて説明する。
図７に示す副室式エンジン２００は、点火プラグ３２の点火領域の位置が連通路２０の副室孔２２に偏った位置に配置されており、それ以外は、前述の第一実施形態の副室式エンジン１００と同様の構成である。
【００４７】
本エンジン２００は、前述の第一実施形態と同様な運転方法で運転されるのであるが、副室１１及び主室１に供給される燃料割合が異なる。
【００４８】
即ち、副室１１には、圧縮行程後期に当量比が１．５−２．０程度と比較的高い混合気が形成され、主室１には当量比が０．４−０．５５程度の混合気が形成されている。副室１１に形成された混合気は、上記当量比が比較的高いため、そのままでは点火プラグ３２により火花点火することは困難であるが、副室式エンジン２００の点火領域が、連通路２０の副室孔２２に非常に近く、連通路２０からの新気流の通り道であることから、新気がその点火領域に多く供給されて、点火領域の混合気は、火花点火可能な当量比にまで希釈されることになる。
【００４９】
そして、副室式エンジン２００は、１０°ＢＴＤＣ付近において、点火プラグ３２を働かせて、上記副室１１に形成された混合気を火花点火して燃焼させる。
【００５０】
すると、副室１１では、点火領域に存在する火花点火可能な混合気のみが燃焼し、副室１１の圧力が主室１の圧力よりも高くなった時点で、その点火領域の火炎が連通路２０から主室１に火炎ジェットとして噴出される。
【００５１】
主室１においては、連通路２０から噴出された高エネルギの火炎ジェットにより希薄混合気が燃焼すると、再度、主室１の圧力が副室１１の圧力より高くなる。その際、副室１１から主室１へのガスの噴出が停止され、副室１１において燃焼しなかった比較的高当量比の混合気が残存することになる。
【００５２】
燃焼・膨張行程が進行するにつれて、主室１の圧力が副室１１の圧力よりも低くなると、副室１１に残存していた混合気が連通路２０を介して主室１へ噴出され、主室１において緩やかに燃焼することになる。
【００５３】
このように構成された副室式エンジン２００は、点火プラグ３２の位置を変更すると共に、副室１１へ比較的高い当量比の混合気を形成するように燃料を供給することで、主室１の燃焼状態は所謂ディーゼルサイクルに近い状態となり、効率は高いまま、初期の燃焼を抑えて、低ＮＯ_Ｘ化を図ることができる。また、副室１１に供給する燃料量を増加させることで、燃焼後期に燃焼する燃料の割合が増加するため、過給機や触媒システムに有利な高温の排気ガスを排出させることもできる。
【００５４】
〔第三実施形態〕
本発明に係る副室式エンジンの第三実施形態について、図８，９に基づいて説明する。
図８に示す副室式エンジン３００は、副室機構２０に、空気流路４０に供給された空気Ａを所定の時期に０．７ＭＰａ（Ｇａｕｇｅ）の供給圧力で副室１１の上方の点火プラグ３２の点火領域付近に供給可能な空気供給弁３１（酸素含有ガス供給手段の一例）が設けられており、それ以外は、前述の第一実施形態の副室式エンジン１００と同様の構成である。
【００５５】
次に、本実施形態の副室式エンジン３００において、１サイクルにおける吸気弁４、排気弁、燃料供給弁３０、点火プラグ３２と、上記空気供給弁３１の動作状態を説明する。
【００５６】
図９に示すように、副室式エンジン３００は、上記吸気弁４、排気弁、燃料供給弁３０、点火プラグ３２の動作時期は、前述の第一実施形態と同様であるので、説明を割愛するが、圧縮行程中期の、例えばクランク角度が６０−５０°ＢＴＤＣである期間において、空気供給弁３１が開状態とされて、空気Ａが副室１１の点火プラグ３２の点火領域付近に向けて供給される。
【００５７】
よって、副室１１の上記点火プラグ３２の点火領域では、主室１から流入した新気Ｉと上記空気供給弁３１から供給された空気Ａと、燃料Ｇとが混合されて、火花点火可能範囲内の当量比の混合気が形成され、一方、上記点火領域よりも連通路２０側に偏った過濃領域では、燃焼上限界以上の当量比の過濃混合気が形成される。
【００５８】
この圧縮行程では、これまで説明してきたように、連通路２０の主室孔２１が所謂絞り弁のように働き、主室１の圧力はほぼ圧縮比どおりの圧力になるが、副室最高到達圧力Ｐ２は、主室最高到達圧力Ｐ１の圧力よりも、図４（ａ）に示すように、約２ＭＰａ低下したものになる。
【００５９】
そして、副室式エンジン１００は、１０°ＢＴＤＣ付近において、点火プラグ３２を働かせて、上記副室１１に形成された混合気を火花点火して燃焼させる。
【００６０】
すると、副室１１では、点火領域における燃焼による圧力波が、連通路側に形成された過濃領域に伝播され、その過濃領域の燃焼上限界以上の当量比である過濃混合気が、着火することなく、連通路２０を介して主室１に高圧噴射され、後に、上記点火領域の混合気の燃焼による火炎ジェットが連通路２０を介して主室１に噴射され、上記主室１において混合気を燃焼させる。
【００６１】
即ち、副室式エンジン３００は、燃料Ｇが高圧噴射が困難な気体燃料であっても、副室１１の点火領域における燃焼による圧力上昇を利用して、副室１１に形成した過濃混合気を主室１に高圧で噴射し、続いて主室１に噴射された火炎ジェットにより、主室１の混合気を燃焼させるディーゼルエンジンのような運転を行うことができ、主室１においてノッキングが発生せずに所謂層状燃焼を進めることができ、高効率化且つ低ＮＯｘ化を図ることができる。
【００６２】
尚、本第三実施形態において、副室１１への燃料供給量及び空気供給量、主室１への燃料供給量等を一定としたが、別に、それらの供給量を調整して、主室１及や副室１１に形成される混合気の分布を調整することもできる。例えば、起動時には、副室１１への燃料供給量の割合を低下させて、副室１１全域に火花点火可能範囲内の当量比の混合気を形成し、副室１１から連通路２０を介して主室１へ、過濃混合気を殆ど噴出させずに、火炎ジェットのみを噴出させて、主室１の混合気を安定して燃焼させることもできる。また、例えば、高負荷時には、上記のように、副室１１から主室１へ火炎ジェットのみを噴出させる運転を行い、低負荷時には、副室１１への燃料供給量の割合を増加させて、副室１１から主室１に過濃混合気を噴出するディーゼルエンジンのような運転を行うことができる。
【００６３】
〔別実施形態〕
（１）本発明に係る副室式エンジンは、前述の実施形態で説明したように、都市ガス等の気体燃料を利用する場合に優れた効果を発揮するものであり、このような気体燃料としては、上記都市ガス以外に水素やプロパン等のＣＯやＨ_２を主成分とする炭化水素以外の気体燃料がある。また、本発明に係る副室式エンジンは、もちろん気体燃料以外の燃料を利用することもでき、たとえば、ガソリン、アルコール、メタノール、エタノール、任意の燃料を使用することができる。
（２）上記実施の形態においては、連通路２０の流路断面積を小さく設定して、主室最高到達圧力よりも副室最高到達圧力を小さくするこで、圧縮比を増加させて高効率化を図るという効果を得ることができたが、本発明に係る副室式エンジンは、副室最高到達圧力をノッキング回避範囲内に抑制しながら、過給圧を十分に増加させて、燃焼室への給気の充填効率を向上することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一実施形態の副室式エンジンの概略構成図
【図２】第一実施形態の副室式エンジンの部分拡大図
【図３】第一実施形態の副室式エンジンの動作状態を示すタイムチャート図
【図４】副室式エンジンの連通路の断面積比と最高到達圧力に関連する状態との関係を示すグラフ図
【図５】副室式エンジンの連通路の断面積比と正味熱効率との関係を示すグラフ図
【図６】副室式エンジンの連通路の断面積比とノッキング限界における空気比との関係を示すグラフ図
【図７】第二実施形態の副室式エンジンの概略構成図
【図８】第三実施形態の副室式エンジンの概略構成図
【図９】第三実施形態の副室式エンジンの動作状態を示すタイムチャート図
【符号の説明】
１：主室
２：ピストン
２ａ：凹部
３：シリンダ
４：吸気弁
９：シリンダヘッド
１０：副室機構
２０：連通路
２１：主室孔
２２：副室孔
２３：流路
３０：燃料供給弁
３１：空気供給弁（酸素含有ガス供給手段）
３２：点火プラグ
１００，２００：副室式エンジン[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention compresses the fresh air sucked into the main chamber by raising the piston, flows the compressed fresh air into the sub-chamber through the communication passage, and mixes the fresh air flowing into the sub-chamber with the sub-air. A sub-chamber capable of performing a sub-chamber ignition operation in which a mixture with fuel supplied to the sub-chamber is ignited by ignition means provided in the sub-chamber and a flame jet is injected into the main chamber via the communication passage; Regarding the expression engine.
[0002]
[Prior art]
Conventional engines are broadly divided into spark ignition engines (Otto cycle engines) and diesel engines that inject liquid fuel into compressed air.
[0003]
A spark ignition engine is configured to compress a mixture of air and fuel taken in a combustion chamber, and then ignite and burn with a spark plug. The ideal cycle is an Otto cycle (constant volume heating cycle). It is considered that the thermal efficiency can be improved by increasing the compression ratio and burning the fuel in a lean state.
[0004]
In particular, a stratified intake system is used as a lean burn system for a spark ignition engine, which can achieve a reduction in combustion temperature at partial load, an improvement in cycle efficiency, a reduction in pumping loss, etc., and are effective in improving exhaust gas properties and fuel efficiency. There is.
[0005]
In the stratified intake system, in the combustion chamber, an ignition region where an air-fuel mixture having an equivalent ratio capable of spark ignition exists around the ignition portion of the ignition plug, and the mixture of the ignition regions is formed around the ignition region. Forming a lean region in which an air-fuel mixture having a low equivalence ratio and a lean state is present, first of all, igniting the air-fuel mixture present in the ignition region with a spark plug and burning it, This is a combustion system in which an existing air-fuel mixture is burned to burn fuel in a lean state as a whole. The combustion chamber shape of the stratified intake system is roughly classified into a single chamber type and a sub-chamber type.
[0006]
The single-chamber type uses a recess formed at the top of the piston as a combustion chamber, and forms an air-fuel mixture that can be ignited by sparks around the ignition portion of the ignition plug using the flow of intake air in the combustion chamber.
[0007]
On the other hand, in the case of an engine having a main chamber in contact with the top of the piston and a sub-chamber communicating with the main chamber via a communication passage as a combustion chamber, the sub-chamber system raises the lean air-fuel mixture sucked into the main chamber to raise the piston. The compressed fresh air flows into the sub-chamber through the communication passage, and the lean air-fuel mixture flowing into the sub-chamber and the fuel directly supplied to the sub-chamber are used to convert the lean air-fuel mixture into the sub-chamber provided with the ignition plug. A mixture having an equivalent ratio capable of spark ignition is formed in the chamber, the mixture is ignited by a spark plug and burned, and the lean mixture in the main chamber is separated by a flame jet injected into the main chamber through a communication passage. A so-called sub-chamber ignition operation for burning is performed (for example, see Patent Documents 1-3).
By adopting the sub-chamber system as the stratified intake system of the spark ignition engine, fuel is supplied to the sub-chamber at a time when the pressure in the combustion chamber is relatively low, such as in the latter half of the intake stroke or the first half of the compression stroke. Even so, the fuel can be satisfactorily held in the sub-chamber, and an air-fuel mixture having an equivalent ratio allowing spark ignition at the ignition timing can be easily formed in the sub-chamber. Therefore, in the sub-chamber system, the fuel injection valve can be simplified, and for example, a gaseous fuel such as natural gas, which is difficult to be highly compressed, can be easily used as the fuel.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-276474
[Patent Document 2]
JP 2001-303958 A
[Patent Document 3]
JP 2001-263069 A
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
Even if a single-chamber or sub-chamber stratified intake system is used in a spark ignition engine, the air-fuel mixture burns rapidly due to the flame propagation in the ignition region around the spark plug, so a sharp pressure increase during combustion occurs. Therefore, it was necessary to set the compression ratio under the constraint of avoiding so-called knocking in which the terminal gas self-ignites. Therefore, setting the compression ratio to the same level as that of a diesel engine to achieve higher efficiency is not possible. could not.
[0010]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a sub-chamber engine capable of operating with extremely high efficiency by realizing a high compression ratio comparable to that of a diesel engine in view of the above circumstances.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the characteristic configuration of the sub-chamber engine according to the present invention is that the fresh air sucked into the main chamber is compressed by the rise of the piston, and the compressed fresh air is compressed via the communication passage. A mixture of fresh air flowing into the sub-chamber and fuel supplied to the sub-chamber is ignited by ignition means provided in the sub-chamber, and the main chamber is ignited through the communication passage. A sub-chamber engine capable of performing a sub-chamber ignition operation for injecting a flame jet into the
The maximum ultimate pressure by the compression of the main chamber is set higher than the upper limit value of the knocking avoidance pressure range in the sub chamber, and the maximum ultimate pressure by the compression of the sub chamber is within the knock avoidance range in the sub chamber. In this case, the back pressure applied to the gas flow in the communication passage is set.
[0012]
That is, in the sub-chamber engine having the main chamber in contact with the top of the piston as the combustion chamber and the sub-chamber communicating with the main chamber via the communication passage, according to the above-described characteristic configuration, the main chamber was inhaled. When the fresh air passes through the communication passage and flows into the sub-chamber in the compression stroke, it receives the back pressure in a direction to block the flow of the fresh air. Therefore, the maximum ultimate pressure of the sub-chamber due to only compression during non-combustion ( Hereinafter, referred to as “sub chamber maximum ultimate pressure”) is lower than the maximum ultimate pressure of the main chamber (hereinafter, referred to as “main chamber maximum ultimate pressure”) due to compression alone during non-combustion. The timing at which the pressure of the sub-chamber reaches the maximum pressure of the sub-chamber is shifted to the delay side with respect to the timing at which the pressure of the main chamber reaches the maximum pressure of the main chamber.
[0013]
Therefore, the compression ratio (maximum combustion chamber volume / minimum combustion chamber volume) is smaller than the compression ratio (for example, about 10) of the conventional sub-chamber engine in which the back pressure applied to fresh air in the communication passage is very small. By setting it higher, the main chamber maximum ultimate pressure is higher than the upper limit value of the knocking avoiding pressure range in the sub-chamber (that is, the sub-chamber pressure range in which knocking can be avoided when the air-fuel mixture is burned in the sub-chamber). Even if it is set to be large, the back pressure applied to fresh air flowing through the communication path in the direction from the main chamber to the sub chamber is appropriately set by setting the flow path cross-sectional area of the communication path and the like. By doing so, the sub chamber maximum pressure can be set within the knocking avoiding pressure range in the sub chamber smaller than the main chamber maximum pressure.
Therefore, the air-fuel mixture having an equivalence ratio within the spark ignitable range formed in the sub-chamber can be ignited within an appropriate knock-avoidance pressure range and can be stably burned in the sub-chamber.
[0014]
Further, when the air-fuel mixture is burned in the sub-chamber and the pressure in the sub-chamber exceeds the pressure in the main chamber, a flame jet is jetted into the main chamber through the communication passage, and the flame jet is used as an ignition source, and Can be stably burned in a high compression state comparable to a diesel engine, and an extremely high efficiency can be achieved.
[0015]
Further, the air-fuel mixture formed at least in the ignition region of the spark igniting means in the sub chamber is an air-fuel mixture having an equivalent ratio within a spark ignitable range, so that the air-fuel mixture can be stably burned. Since the air-fuel mixture formed in the main chamber is a lean air-fuel mixture whose equivalence ratio is lower than the spark ignitable range, it is possible to improve exhaust gas properties such as reduction of NOx.
[0016]
Further, in the sub-chamber engine according to the present invention, when the control valve is provided in the communication passage, the control valve is closed, and the air-fuel mixture formed in the main chamber is compressed in the main chamber. The premixed compression ignition operation for self-ignition can be configured to be executable.
That is, by closing the control valve, the flow of fresh air from the main chamber to the sub-chamber is prevented, and the pressure in the main chamber can be increased to such an extent that the lean mixture in the main chamber self-ignites. Accordingly, a premixed compression ignition operation in which the air-fuel mixture formed in the main chamber is compressed in the main chamber and self-ignited can be performed.
[0017]
Further, in the sub-chamber engine according to the present invention, since the ignition region of the ignition means is arranged in the sub-chamber so as to be biased toward the communication passage, fresh air flowing from the main chamber through the communication passage is provided. Can easily reach the ignition region of the ignition means, an air-fuel mixture having an equivalent ratio of a spark ignitable range can be easily formed in the ignition region, and the air-fuel mixture in the ignition region close to the communication passage is spark-ignited. By burning the fuel, the flame jet can be positively ejected into the main chamber.
[0018]
In addition, by disposing the ignition region in the sub-chamber so as to be biased toward the communication passage, even if a relatively large amount of fuel is supplied to the sub-chamber, the ignition region is provided with the equivalent ratio of the spark ignitable range. An air-fuel mixture can be formed, and an enriched air-fuel mixture having an equivalent ratio higher than the spark ignitable range is formed around the ignition region. Then, when the air-fuel mixture in the ignition region is spark-ignited and burned in the sub-chamber, the rich air-fuel mixture is jetted into the main chamber by the flame jet, and further along with the progress of the expansion stroke, the main chamber After the pressure drops below the sub-chamber, it flows into the main chamber and mixes with fresh air to diffuse and combust, realizing a unique cycle like a diesel cycle, further improving efficiency and lowering NOx. Can be achieved.
[0019]
On the other hand, in a sub-chamber engine according to the present invention, an oxygen-containing gas is supplied to a sub-chamber to which fuel is supplied, and an air-fuel mixture having an equivalent ratio within a spark ignitable range exists in an ignition region of the ignition means. In addition, it is also possible to provide an oxygen-containing gas supply means for setting a region deviated more toward the communication path side than the ignition region as a rich region in which a rich mixture having an equivalence ratio equal to or higher than a combustion upper limit exists.
[0020]
That is, in the sub-chamber type engine including the main chamber and the sub-chamber which are in communication with each other through the communication passage, by supplying fuel to the sub-chamber, the above-described rich mixture is formed in the sub-chamber, and further, The oxygen-containing gas supply means supplies an oxygen-containing gas such as air to the sub-chamber, for example, in the early stage of the compression stroke, and forms the ignition region within the spark-ignition rich region and the rich region in the sub-chamber. be able to.
[0021]
When the ignition means is operated to cause the air-fuel mixture in the ignition region of the sub-chamber to be ignited by spark ignition and burn, a pressure wave due to the combustion in the ignition region of the sub-chamber is generated in the rich region formed on the communication passage side. The rich mixture, which is propagated and has an equivalence ratio equal to or higher than the upper combustion limit in the rich region, is injected at high pressure into the main chamber through the communication passage without ignition, and thereafter, the combustion of the mixture in the ignition region is performed. Is injected into the main chamber through the communication passage, and the air-fuel mixture is burned in the main chamber.
[0022]
Therefore, the above-described unique sub-chamber engine requires a complicated and expensive fuel injection device such as a conventional diesel engine and a stratified charge fuel injection device for directly injecting fuel into the combustion chamber. Instead, utilizing the pressure increase due to combustion in the ignition region of the sub-chamber, the rich mixture formed in the sub-chamber is injected at high pressure into the main chamber, and then burned by the flame jet injected into the main chamber. Thus, so-called stratified combustion proceeds without knocking in the main chamber.
Therefore, even if the fuel is a gaseous fuel, a diesel engine that injects air-fuel mixture at high pressure into the main chamber and self-ignites, or an air-fuel mixture is injected near a spark plug provided in the main chamber, It can be configured as a stratified charge type SI engine that ignites the air and burns the surrounding lean air-fuel mixture, thereby achieving higher efficiency and lower NOx.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(First embodiment)
A first embodiment of a sub-chamber engine according to the present invention will be described with reference to FIGS.
[0024]
The sub-chamber engine 100 shown in FIG. 1 includes a piston 2 and a cylinder 3 that accommodates the piston 2 and forms a main chamber 1 together with the top surface of the piston 2. The piston 2 reciprocates in the cylinder 3, The intake valve 4 and the exhaust valve (not shown) are opened and closed to take in fresh air into the main chamber 1, and perform various steps of intake, compression, combustion / expansion, and exhaust in the main chamber 1, and reciprocate the piston 2. Is output as a rotational motion of a crankshaft (not shown) by a connecting rod (not shown), and such a configuration is not different from a normal four-stroke internal combustion engine.
[0025]
In the sub-chamber engine 100 of the present embodiment, the bore diameter of the cylinder 3 is 110 mm, the stroke length of the piston 2 is 106 mm, and the combustion chamber when the piston 2 is at the top dead center position. The compression ratio, which is the volume ratio of the combustion chamber when the position of the piston 2 is at the bottom dead center position, is 17 with respect to the volume. The sub-chamber engine 100 is a diesel engine that operates at a rotational speed of a crankshaft of 1200 rpm to obtain an output of about 15 kW.
[0026]
The sub-chamber engine 100 uses city gas (13A) as fuel G. The intake valve 4 is opened during the intake stroke, and the lean mixture of air and a small amount of fuel G is stored in the main chamber 1. , And the compressed fresh air I is compressed to burn the fuel G in the compression stroke.
[0027]
A sub-chamber 11 of the sub-chamber engine 100 is provided with a sub-chamber 11 which is provided as a combustion chamber together with the main chamber 1 and communicates with the main chamber 1 via a communication passage 20. The structure of the chamber mechanism 10 will be described below.
The volume of the sub chamber 11 is about 1/10 of the total combustion chamber volume which is the sum of the volumes of the main chamber 1 and the sub chamber 11 when the position of the piston 2 is at the top dead center.
[0028]
In addition, the communication passage 20 that communicates between the sub-chamber 11 and the main chamber 1 has four main chamber holes 21 opening at a substantially central portion of the main chamber 1, one sub-chamber hole 22 opening to the sub-chamber 11, A flow path 23 connects the main chamber hole 21 and the sub chamber hole 22.
The flow path 23 is formed as a flow path extending along an axis inclined about 20 ° with respect to the operation direction of the piston 2 (the vertical direction in FIG. 1), and the diameter of the flow path is 3 mm.
As shown in FIGS. 2A and 2B, the four main chamber holes 21 are arranged at regular intervals around the axis of the flow path 23 in the circumferential direction. Has an injection hole angle inclined by 75/2 °.
[0029]
In the center of the top surface of the piston 2, a so-called deep dish-shaped recess 2a is formed. By forming the recess 2a as described above, when the piston 2 rises during the compression stroke, squish flows from the outer peripheral portion of the top surface of the piston 2 to the center of the recess 2a.
[0030]
Above the sub-chamber 11, a fuel supply valve 30 capable of supplying the fuel G to the sub-chamber 11 at a supply pressure of 0.2 MPa (Gauge) is provided.
Further, an ignition plug 32 (an example of an ignition means) capable of spark-igniting the air-fuel mixture in the sub-chamber 11 is provided above the sub-chamber 11.
[0031]
In such a sub-chamber engine 100, as shown in FIGS. 4A and 4B, a cylinder having a sum Sp of the opening areas of the four main chamber holes 21 having the smallest flow passage cross-sectional area in the communication passage 20. When the ratio (hereinafter, referred to as a cross-sectional area ratio) Sr of the fuel cell 3 to the cross-sectional area Sm is set to 0.0013 or less, the fresh air I sucked into the main chamber 1 passes through the communication passage 20 in the compression stroke and is supplied to the sub-chamber. The back pressure received when flowing into the chamber 11 is increased to make the sub chamber maximum ultimate pressure P2 solely due to compression during non-combustion lower than the main chamber maximum ultimate pressure P1 solely due to compression during non-combustion. Further, as shown in FIG. 4 (c), the time when the pressure in the sub-chamber 11 reaches the sub chamber maximum ultimate pressure P2 and the time when the pressure in the main chamber 1 becomes the main chamber maximum ultimate pressure P1 are It can be shifted to the delay side.
[0032]
In the sub-chamber engine 100, the cross-sectional area ratio Sr is set to 0.0013 or less so that the sub-chamber maximum ultimate pressure P2 can be lower than the main chamber maximum ultimate pressure P1 as described above. Preferably, the minimum flow path cross-sectional area of the communication path 20 is set so as to be 0.0005 or less, more preferably about 0.0003.
[0033]
As described above, the flow passage cross-sectional area of the communication passage 20 is set to be small, and the back pressure applied to the fresh air I flowing through the communication passage 20 in the direction from the main chamber 1 to the sub-chamber 11 is reduced. Even if the compression ratio is set to be as high as about 17, the auxiliary chamber maximum ultimate pressure P2 is smaller than the main chamber maximum ultimate pressure P1, and knocking occurs when the air-fuel mixture is burned in the auxiliary chamber 11. The knocking avoidance pressure range of the auxiliary chamber 11 that can be avoided can be set.
[0034]
Next, the operation states of the intake valve 4, the exhaust valve, the fuel supply valve 30, and the spark plug 32 in one cycle in the sub-chamber engine 100 of the present embodiment will be described.
[0035]
As shown in FIG. 3, in the sub-chamber engine 100, first, the intake valve 4 is opened, and the piston 2 descends from TDC (top dead center). Is taken in the intake stroke.
At this time, the fuel supply valve 30 installed in the sub-chamber 11 is opened at a timing slightly delayed from the opening timing of the intake valve 4, and the supply of the fuel G to the sub-chamber 11 is started.
[0036]
Later, the intake valve 4 and the fuel supply valve 30 are closed at the same time, and the so-called compression stroke of compressing fresh air I sucked into the main chamber 1 by the rise of the piston 2 is performed.
[0037]
When the sub-chamber 11 is still in a constant pressure state at the beginning of the compression stroke, the fuel supply valve 30 may be opened to supply the fuel G to the sub-chamber 11.
[0038]
By supplying the fuel to the sub-chamber 11 in this way, a part of the fuel G supplied to the sub-chamber 11 flows out to the main chamber 1 through the communication passage 20. Since the cross-sectional area ratio is set to be very small, for example, about 0.0003, the outflow amount is about 5% of the total sub-chamber fuel supply amount supplied to the sub-chamber 11.
[0039]
Then, in the next compression stroke, the fresh air I of the main chamber 1 flows into the sub-chamber 11 through the communication passage 20 due to the decrease in the volume of the main chamber 1 due to the rise of the piston 2, and the sub-chamber 11 A new airflow that flows upward from 22 is generated, and the new airflow reaches the ignition region of the spark plug 32.
[0040]
Therefore, in the ignition region of the ignition plug 32 in the sub-chamber 11, the fresh air I and the fuel G are mixed to form an air-fuel mixture having an equivalence ratio within a spark ignitable range.
[0041]
In this compression stroke, the main chamber hole 21 of the communication passage 20 acts like a so-called throttle valve, and the pressure in the main chamber 1 becomes almost the same as the compression ratio. As shown in FIG. 4A, the pressure is lower by about 2 MPa than the pressure P1.
Therefore, at the end of the compression stroke, the sub-chamber 11 has an equivalence ratio of about 1.0-1.6, preferably about 1.3-1.5 at a pressure field of about 25 MPa. And an air-fuel mixture having an equivalent ratio of about 0.4-0.55, preferably about 0.45-0.50 at a pressure field of about 45 MPa exists in the main chamber 1. . As the equivalence ratio of the air-fuel mixture formed in the sub-chamber 11 is increased more than the stoichiometric equivalence ratio, the NOx generation amount in the sub-chamber 11 can be reduced, and the sub-chamber 11 with respect to the fuel supply amount to the main chamber 1 can be reduced. By increasing the ratio of the amount of fuel supplied to the main chamber 1, the air-fuel mixture combusted in the main chamber 1 can be made leaner to further reduce NOx.
[0042]
Then, in the vicinity of the 10 ° BTDC, the sub-chamber engine 100 activates the spark plug 32 to spark-ignite the air-fuel mixture formed in the sub-chamber 11 and burn it.
[0043]
Then, in the sub-chamber 11, since the pressure is the same as that of a normal SI engine, the combustion proceeds without an abrupt increase in pressure, and the flame jet passes through the communication passage 20 together with the unburned fuel G in the sub-chamber 11. To the main room 1.
[0044]
On the other hand, in the main chamber 1, the lean mixture is burned by a high-energy flame jet ejected from the communication passage 20 in a high-pressure field. In addition, low NOx combustion is performed.
[0045]
Such a combustion state in the main chamber 1 is a state close to that of a normal SI engine. However, since knocking does not occur even when the compression ratio is set high, for example, as shown in FIG. The net thermal efficiency ηe can be improved as compared with the sub-chamber engine having a cross-sectional area ratio larger than 0.0013. For example, by setting the cross-sectional area ratio of the communication passage 20 to about 0.0005, the net thermal efficiency ηe can be improved. By increasing the cross-sectional area ratio of the communication passage 20 by about 0.0003, the net thermal efficiency ηe can be improved by about 3.0 points. Further, even when the air ratio (reciprocal of the equivalence ratio) of the fresh air I sucked into the main chamber 11 is reduced to increase the output, knocking can be satisfactorily avoided, as shown in FIG. In addition, the air ratio λ at the knocking limit can be reduced, and a wide output adjustment range can be secured.
Further, since the equivalence ratio in the sub chamber 11 is set to the rich side and the mixture in the main chamber 1 is set to the lean side, NO _X Can also be suppressed.
[0046]
(Second embodiment)
A second embodiment of the sub-chamber engine according to the present invention will be described with reference to FIG.
The sub-chamber engine 200 shown in FIG. 7 is arranged such that the position of the ignition region of the spark plug 32 is biased toward the sub-chamber hole 22 of the communication passage 20. The configuration is similar to that of the room engine 100.
[0047]
The present engine 200 is operated by the same operation method as the first embodiment described above, but differs in the proportion of fuel supplied to the sub-chamber 11 and the main chamber 1.
[0048]
That is, a relatively high air-fuel mixture having an equivalent ratio of about 1.5-2.0 is formed in the sub chamber 11 in the latter half of the compression stroke, and the main chamber 1 has an equivalent ratio of about 0.4-0.55. An air-fuel mixture is formed. Since the air-fuel mixture formed in the sub-chamber 11 has a relatively high equivalent ratio, it is difficult to perform spark ignition with the spark plug 32 as it is, but the ignition region of the sub-chamber engine 200 Since it is very close to the subchamber hole 22 and the passage of fresh air from the communication passage 20, a large amount of fresh air is supplied to the ignition region, and the mixture in the ignition region is reduced to an equivalent ratio at which spark ignition is possible. Will be diluted.
[0049]
Then, in the vicinity of the 10 ° BTDC, the sub-chamber engine 200 operates the ignition plug 32 to spark-ignite the air-fuel mixture formed in the sub-chamber 11 and burn it.
[0050]
Then, in the sub-chamber 11, only the spark-ignitable mixture present in the ignition region is burned, and when the pressure in the sub-chamber 11 becomes higher than the pressure in the main chamber 1, the flame in the ignition region is connected to the communication passage. From 20, it is jetted into the main chamber 1 as a flame jet.
[0051]
In the main chamber 1, when the lean air-fuel mixture is burned by the high-energy flame jet ejected from the communication passage 20, the pressure in the main chamber 1 becomes higher than the pressure in the sub-chamber 11 again. At that time, the ejection of the gas from the sub chamber 11 to the main chamber 1 is stopped, and the air-fuel mixture having a relatively high equivalent ratio that has not been burned in the sub chamber 11 remains.
[0052]
When the pressure of the main chamber 1 becomes lower than the pressure of the sub-chamber 11 as the combustion / expansion process proceeds, the air-fuel mixture remaining in the sub-chamber 11 is blown out to the main chamber 1 via the communication passage 20 and The combustion in the chamber 1 is slow.
[0053]
The sub-chamber engine 200 configured as described above changes the position of the ignition plug 32 and supplies fuel to the sub-chamber 11 so as to form a mixture having a relatively high equivalent ratio, thereby forming the main chamber 1. Is in a state close to a so-called diesel cycle, and while maintaining high efficiency, the initial combustion is suppressed and low NO _X Can be achieved. Further, by increasing the amount of fuel supplied to the sub-chamber 11, the proportion of fuel burned in the latter stage of combustion increases, so that high-temperature exhaust gas advantageous for the supercharger and the catalyst system can be discharged.
[0054]
(Third embodiment)
A third embodiment of the sub-chamber engine according to the present invention will be described with reference to FIGS.
The sub-chamber engine 300 shown in FIG. 8 uses the sub-chamber mechanism 20 to supply the air A supplied to the air flow path 40 at a predetermined time with a supply pressure of 0.7 MPa (Gauge) to the ignition plug above the sub-chamber 11. An air supply valve 31 (an example of an oxygen-containing gas supply unit) that can supply air is provided near the ignition region of the engine 32, and the other configuration is the same as that of the sub-chamber engine 100 of the first embodiment described above. .
[0055]
Next, the operation states of the intake valve 4, the exhaust valve, the fuel supply valve 30, the spark plug 32, and the air supply valve 31 in one cycle in the sub-chamber engine 300 of this embodiment will be described.
[0056]
As shown in FIG. 9, the operation timing of the intake valve 4, the exhaust valve, the fuel supply valve 30, and the spark plug 32 of the sub-chamber engine 300 is the same as that of the above-described first embodiment. However, in the middle stage of the compression stroke, for example, during a period when the crank angle is 60-50 ° BTDC, the air supply valve 31 is opened, and the air A is directed toward the vicinity of the ignition region of the ignition plug 32 in the sub chamber 11. Supplied.
[0057]
Therefore, in the ignition region of the ignition plug 32 in the sub chamber 11, the fresh air I flowing from the main chamber 1, the air A supplied from the air supply valve 31, and the fuel G are mixed, and the spark ignition possible range In the rich region which is closer to the communication passage 20 than the ignition region, an rich mixture having an equivalent ratio equal to or higher than the upper limit of combustion is formed.
[0058]
In this compression stroke, as described above, the main chamber hole 21 of the communication passage 20 works like a so-called throttle valve, and the pressure in the main chamber 1 becomes almost the same as the compression ratio, but the sub chamber reaches its maximum. As shown in FIG. 4A, the pressure P2 is lower than the pressure of the main chamber maximum ultimate pressure P1 by about 2 MPa.
[0059]
Then, in the vicinity of the 10 ° BTDC, the sub-chamber engine 100 activates the spark plug 32 to spark-ignite the air-fuel mixture formed in the sub-chamber 11 and burn it.
[0060]
Then, in the sub-chamber 11, the pressure wave generated by the combustion in the ignition region is propagated to the rich region formed on the communication path side, and the rich mixture having an equivalent ratio equal to or higher than the upper combustion limit of the rich region is Without ignition, high-pressure injection is performed into the main chamber 1 through the communication passage 20, and thereafter, a flame jet due to combustion of the air-fuel mixture in the ignition region is injected into the main chamber 1 through the communication passage 20, and The mixture is burned at.
[0061]
That is, the sub-chamber engine 300 uses the pressure increase due to the combustion in the ignition region of the sub-chamber 11 to form the rich mixture formed in the sub-chamber 11 even if the fuel G is a gaseous fuel that is difficult to inject at high pressure. Is injected into the main chamber 1 at a high pressure, and subsequently, the flame jet injected into the main chamber 1 can operate like a diesel engine that burns the air-fuel mixture in the main chamber 1. So-called stratified combustion can be advanced without generation, and high efficiency and low NOx can be achieved.
[0062]
In the third embodiment, the fuel supply amount and the air supply amount to the sub-chamber 11 and the fuel supply amount to the main chamber 1 and the like are fixed. The distribution of the air-fuel mixture formed in the first and sub-chambers 11 can also be adjusted. For example, at the time of start-up, the proportion of the fuel supply amount to the sub-chamber 11 is reduced to form an air-fuel mixture having an equivalent ratio within a spark ignitable range in the entire sub-chamber 11, and from the sub-chamber 11 via the communication passage 20. It is also possible to stably burn the air-fuel mixture in the main chamber 1 by jetting only the flame jet without almost jetting the rich air-fuel mixture into the main chamber 1. In addition, for example, at the time of high load, the operation of ejecting only the flame jet from the sub chamber 11 to the main chamber 1 is performed as described above, and at the time of low load, the ratio of the fuel supply amount to the sub chamber 11 is increased. An operation like a diesel engine that blows out the rich mixture from the sub chamber 11 to the main chamber 1 can be performed.
[0063]
[Another embodiment]
(1) The sub-chamber engine according to the present invention exerts an excellent effect when using gaseous fuel such as city gas, as described in the above-described embodiment. Means CO and H such as hydrogen and propane ₂ There are gaseous fuels other than hydrocarbons whose main component is. Further, the sub-chamber type engine according to the present invention can of course use fuel other than gaseous fuel, and for example, can use gasoline, alcohol, methanol, ethanol, or any fuel.
(2) In the above embodiment, the compression ratio is increased by setting the flow path cross-sectional area of the communication passage 20 to be small and making the sub chamber maximum ultimate pressure smaller than the main chamber maximum ultimate pressure, thereby increasing the compression ratio. However, the sub-chamber engine according to the present invention increases the supercharging pressure sufficiently while suppressing the sub-chamber maximum ultimate pressure to be within the knocking avoidance range. It is also possible to improve the efficiency of charging the air supply.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a sub-chamber engine according to a first embodiment.
FIG. 2 is a partially enlarged view of a sub-chamber engine according to the first embodiment.
FIG. 3 is a time chart illustrating an operation state of the sub-chamber engine according to the first embodiment.
FIG. 4 is a graph showing a relationship between a sectional area ratio of a communication passage of a sub-chamber engine and a state related to a maximum ultimate pressure.
FIG. 5 is a graph showing a relationship between a sectional area ratio of a communication passage of a sub-chamber engine and a net thermal efficiency.
FIG. 6 is a graph showing a relationship between a sectional area ratio of a communication passage of the sub-chamber engine and an air ratio at a knocking limit.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a sub-chamber engine according to a second embodiment.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a sub-chamber engine according to a third embodiment.
FIG. 9 is a time chart showing an operation state of the sub-chamber engine of the third embodiment.
[Explanation of symbols]
1: Main room
2: Piston
2a: recess
3: Cylinder
4: Intake valve
9: Cylinder head
10: Subchamber mechanism
20: Connecting passage
21: Main room hole
22: sub chamber hole
23: Channel
30: Fuel supply valve
31: Air supply valve (oxygen-containing gas supply means)
32: Spark plug
100, 200: Subchamber engine

Claims

The fresh air sucked into the main chamber is compressed by the rise of the piston, and the compressed fresh air flows into the sub-chamber through the communication passage, and is supplied to the sub-chamber and the fresh air flowing into the sub-chamber. A sub-chamber engine capable of executing a sub-chamber ignition operation of igniting an air-fuel mixture with the fuel by an ignition means provided in the sub-chamber and injecting a flame jet into the main chamber via the communication passage. hand,
The maximum ultimate pressure by the compression of the main chamber is set higher than the upper limit value of the knocking avoidance pressure range in the sub chamber, and the maximum ultimate pressure by the compression of the sub chamber is within the knock avoidance range in the sub chamber. A sub-chamber engine in which a back pressure applied to the gas flow in the communication passage is set.

2. The sub-chamber engine according to claim 1, wherein a back pressure applied to gas flow in the communication path is set by setting a flow path cross-sectional area of the communication path. 3.

A control valve is provided in the communication passage, and the control valve is closed so that a premix compression ignition operation in which the air-fuel mixture formed in the main chamber is compressed and self-ignited in the main chamber is configured to be executable. The sub-chamber engine according to claim 1.

4. The sub-chamber engine according to claim 1, wherein an ignition region of the ignition unit is arranged in the sub-chamber so as to be biased toward the communication passage. 5.

An air-fuel mixture formed in the ignition region of at least the spark igniting means of the sub-chamber is an air-fuel mixture whose equivalent ratio is within a spark ignitable range, and an air-fuel mixture formed in the main chamber has an equivalent ratio of the air-fuel mixture. The sub-chamber engine according to any one of claims 1 to 4, wherein the lean mixture is lower than a range in which spark ignition is possible.

An oxygen-containing gas is supplied to the sub-chamber to which fuel has been supplied, and the ignition region of the ignition means has an air-fuel mixture having an equivalence ratio within a spark ignitable range. 6. The sub-chamber engine according to claim 5, further comprising an oxygen-containing gas supply means, wherein the region deviated to the side is a rich region in which a rich mixture having an equivalent ratio equal to or higher than the upper limit of combustion exists.