JP2007113463A

JP2007113463A - 副燃焼室を持つガスエンジン

Info

Publication number: JP2007113463A
Application number: JP2005304673A
Authority: JP
Inventors: Hideo Kawamura; 英男河村
Original assignee: Ship and Ocean Foundation; Fuji Cera Tech Co Ltd
Current assignee: Ship and Ocean Foundation; Fuji Cera Tech Co Ltd
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2025-10-19
Also published as: JP4977355B2

Abstract

【課題】このガスエンジンは，ノッキングの発生を防止し，連絡孔に配置した副室絞り弁の開閉作動をスムーズにして副燃焼室内の着火用燃料を容易に着火させる。
【解決手段】このガスエンジンは，副燃焼室２に着火用燃料を供給する着火用燃料弁３と主燃焼室１に天然ガス燃料を供給する天然ガス供給弁７を有する。副室絞り弁８は連絡孔１１を開閉する絞り弁部２８と摺動面を密封するシール部材３０を設けたステム部２９とから成るポペット弁であり，絞り弁部２８の周面５２が連絡孔１１の周面５１に摺動自在に挿通して配置され，絞り弁部２８が副燃焼室２内へ入り込む状態にリフトして連絡孔１１が開放され，混合気が副燃焼室２へスムーズに入ってノッキングの発生を防止する。
【選択図】図１

Description

この発明は，例えば，主燃焼室と副燃焼室とを連通する連絡孔にポペット弁から成る副室絞り弁を配置し，着火用燃料を副燃焼室に供給し，天然ガス燃料を主燃焼室に供給し，着火性とノッキングの発生を防止するガスエンジンに関する。

近年，エンジンの熱効率を向上させることは，地球の温暖化，エネルギ資源の枯渇等の地球の大きな問題を解決するため不可欠である。従来技術の延長上では，これらの問題を解決することが出来なくなったので，新しい手法として天然ガス等を燃料とすることが考えられた。即ち，エンジンについて，メタン（ＣＨ₄），プロパン（Ｃ₃Ｈ₈），ブタン（Ｃ₄Ｈ₁₀）等の炭化水素（以下，天然ガスという）即ち天然ガスは，発熱量が大きく，自然界に多く存在するので，将来の石油代替燃料として期待されている。エンジンの熱効率を改善するためには，エンジンから発生する有効仕事の動力が増加すれば良いのだが，現在最も良いとされる圧縮比が大きいディーゼルエンジンの熱効率が大体４０〜４８％であり，これ以上の改善が出来なくなっている。しかし，ディーゼルエンジンでも，大半の熱が排気ガスとして排気されたり，冷却水に放熱されているのでこれらの熱を回収する手段が考えられてきたが，それでも数％の熱効率の向上しかできず，それ以上の効率向上は無理であった。

従来，天然ガスの主成分はメタンであり，メタンの着火温度が非常に高いので，天然ガスを燃料とするガスエンジンにおいて，ディーゼル燃焼させることが極めて困難である。メタン燃料の着火温度は，約８００℃であって，軽油の着火温度の４００℃と比較すると，天然ガスの着火性は軽油のものに比較して極めて悪いことが分かる。それ故に，圧縮着火させるＨＣＣＩ(Homogineous charge compression ignition) エンジン即ちディーゼルエンジンでは，着火性の悪い天然ガスを燃料として用いることは最初から無理なことである。

本出願人は，燃料改質装置を備えたガスエンジンを先に開発した。該ガスエンジンは，例えば，天然ガスを改質燃料に改質して熱効率をアップさせ，副室での着火燃焼を確実にしたものである。上記ガスエンジンは，主室と副室とを連通する連絡口に副室制御弁を配置し，排気管に配設した改質燃料装置によって天然ガスをＨ₂とＣＯとの改質燃料に改質するものである。改質燃料弁を吸気管の吸気マニホルドに設け，吸気行程で主室へ改質燃料を供給する。また，上記ガスエンジンは，天然ガス燃料弁を副室に設け，吸気行程から圧縮行程にかけて副室に天然ガスを供給する。副室制御弁は，圧縮行程後半で開弁して主室から空気と改質燃料との混合気を副室へ吹き込んで，副室内の天然ガスを着火燃焼させる副室の上部にはグロープラグが天然ガスの着火燃焼を補助するため設けられている。また，上記ガスエンジンでは，副室２は，図５に示すように，副室２を構成する副室構造体４０がシリンダヘッドに配置されている。副室構造体４０は，副室制御弁４３が副室２を貫通して配置され，副室制御弁４３のステム部４４が挿通する摺動支持部材４９の挿通孔５４にはシールリング４２が配置され，副室２が密閉されている。副室制御弁４３は，例えば，動弁機構によって開弁作動され，リターンスプリング３９によって閉弁するように構成されている。副室２には，天然ガス通路４５に接続する天然ガス供給口４６が形成され，天然ガス供給口４６にはカムによって開閉駆動される天然ガス弁４７が配置されている。従って，天然ガス供給口４６は，天然ガス弁４７によって開閉されるように構成されている。更に，副室２の連絡口１１とは反対側の上部には，グロープラグ４８が配置されている。グロープラグ４８は，天然ガス燃料の着火燃焼を補助する機能を果たし，副室２の上部即ち奥部に設けてあるので，副室２内に供給された天然ガスは着火燃焼によって副室２から残留することなく，主室へと確実に噴き出される（例えば，特許文献１参照）。

また，本出願人は，ガスエンジンに使用する天然ガスの改質装置を先に開発した，該天然ガス改質装置は，排気ガス中のＣＯ₂を捕捉すると共に，排気ガスが有する熱エネルギを利用して天然ガスを触媒を用いて反応させ，天然ガスの改質率をアップし，燃料の熱量を増加させてエンジンの熱効率を向上させたものである。該天然ガス改質装置は，具体的には，排気ガス中に含まれるＣＯ₂，外部から供給されるＨ₂Ｏ，及び排気ガス中に含まれるＯ₂を用いて，それぞれに適合した触媒の存在下で天然ガスとＣＯ₂，Ｈ₂Ｏ，及びＯ₂を順次に反応させて天然ガスを改質燃料に変換したものである（例えば，特許文献２参照）。
特開２００３−２３９８０９号公報特開２００３−３２１２０８号公報

ところで，ガスエンジンについて，天然ガスを改質して着火性をアップしてその改質燃料を所定の場所において着火燃焼させると共に，主燃焼室が高圧縮比になっても天然ガスの主燃料が主燃焼室では着火しない構造のものを構成すれば，ノッキング等が発生せず，理想的な燃焼装置即ちエンジンを提供できることになる。しかしながら，エンジンの燃料として天然ガスのままで使用しても，着火性が悪く，良好なガスエンジンを構成することができないため，例えば，天然ガスを排気ガスの熱エネルギを利用して改質する上記のような技術的思想が考えられる。本出願人は，天然ガスの燃焼を実際にテストすると，天然ガスの場合には着火が極めて困難であり，始動性等の問題が極めて難しいことが分かったので，上記のような天然ガスを改質する研究開発を行ったところ，天然ガスを改質した改質燃料を燃料としてエンジンに用いると，改質された燃料はＣＯとＨ₂となり，その発熱量が３０％ほど増加することが分かったが，天然ガスの改質が完全に進行しない混合ガスの場合もあり，その性状は必ずしも安定していないことが分かった。メタンを主成分とする天然ガス燃料は，上記のように着火温度が高く着火させるのに苦労するので，上記のガスエンジンではグロープラグ４８を用いて天然ガス燃料を着火させているが，天然ガス燃料が一旦着火すると，その燃焼速度が大きくなり，一気に燃焼が進行し，シリンダ内のガス温度が上昇し，多量のＮＯ_Xが排出されることになる。また，上記のガスエンジンでは，主燃焼室１に着火温度が低い改質燃料を供給しているので，改質燃料と空気との高圧希薄混合気を主燃焼室１に供給すると，ノッキングが発生する原因になっていた。また，エンジンの始動時には，圧縮空気の温度が低く，副燃焼室の壁面温度が低いので，天然ガスを燃料として副燃焼室に噴射しても天然ガスの着火温度が高いので中々着火せず，グロープラグ４８を使用する必要があった。

そこで，本発明者は，極めて希薄な混合気で，Ｏ₂濃度を小さくするためＥＧＲと空気を導入する主燃焼室の他に，濃い混合気を作るため燃料を導入する副燃焼室を設け，主燃焼室と副燃焼室とを連絡する連絡口に制御弁を設け，ディーゼルサイクルによる作動によって高い効率のエンジンを提供することができると考えた。このような構造によると，ガスエンジンの排気ガスは，燃焼室を遮熱構造に構成した場合に，８５０℃以上の高温になる。高温の排気ガスから熱エネルギを回収して，エンジンの熱効率をトータル的に向上させることができる。

しかしながら，上記ガスエンジンは，副室２に着火温度が高い天然ガス燃料を供給し，吸気通路に着火温度が低い改質燃料を供給して空気との希薄混合気を主室に生成させるというシステムであった。そのため，上記ガスエンジンでは，副室２における天然ガス燃料の着火性が不十分であるので，グロープラグ４８を設ける必要があり，特に，主室へ供給する改質燃料の着火温度が低いため，希薄混合気に火炎が伝搬する前に，希薄混合気が自発着火して急激な燃焼が起こってノッキングを発生させるという問題が発生することがあった。

この発明の目的は，上記の問題を解決するため，主燃焼室と副燃焼室を設け，着火用燃料を着火させるべき副燃焼室に供給し，天然ガスを主燃焼室に供給して着火し難い希薄混合気を生成し，副燃焼室内の着火用燃料を主燃焼室から副燃焼室へ噴き込まれる高温希薄混合気の進入によって副燃焼室内でグロープラグ等を用いずに容易に着火させ，次いで，副燃焼室の火炎が主燃焼室に噴き出して主燃焼室での希薄混合気に火炎伝搬して燃焼を促進させてノッキングの発生を防止し，特に，主燃焼室と副燃焼室とを連通する連絡孔と副室絞り弁を工夫して前記副室絞り弁の開閉作動を高圧混合気に対抗することなくスムーズに開閉作動できるように構成そ，高温希薄混合気を副燃焼室へ進入させて副燃焼室内の着火用燃料を容易に着火させ，副燃焼室からの火炎を主燃焼室へ噴き出させて希薄混合気に火炎伝搬によって燃焼させるガスエンジンを提供することである。

この発明は，シリンダブロックに取り付けられたシリンダヘッド，前記シリンダブロックに形成されたシリンダ内を往復運動するピストン，前記ピストンと前記シリンダで形成された主燃焼室，前記シリンダヘッドに設けられた副燃焼室と吸排気通路，前記吸排気通路に配置された吸排気弁，及び前記主燃焼室と前記副燃焼室とを連通する連絡孔に配置された副室絞り弁を有するガスエンジンにおいて，
前記副燃焼室に着火用燃料を供給するため燃料供給路に設けた燃料弁，及び前記吸気通路に設けた前記主燃焼室に天然ガス燃料を供給する天然ガス供給弁を有し，
前記副室絞り弁は前記連絡孔を外周に隙間を設けた絞られるように開閉する絞り弁部と該絞り弁部に一体構造のステム部から形成され且つ前記副燃焼室と前記ステム部との隙間を閉鎖するポペット弁であり，前記ポペット弁は前記絞り弁部の周面が前記連絡孔の周面に摺動自在に挿通して配置され，前記絞り弁部が前記副燃焼室内へ入り込む状態にリフトして前記連絡孔が開放され，前記ステム部には摺動支持部材の摺動面との間を前記ポペット弁のポペット傘部が密閉するシール部材が設けられていることを特徴とするガスエンジンに関する。

また，このガスエンジンは，圧縮行程において前記主燃焼室の圧力が上昇するに従って，前記絞り弁の前記周面と前記連絡孔の前記周面との間の隙間から前記主燃焼室内の前記天然ガス燃料と空気とから成る高圧希薄混合気が前記副燃焼室に入り込んで前記副燃焼室の圧力が徐々に上昇するものである。

また，このガスエンジンは，膨張行程，排気行程及び吸気行程前半までは前記副室絞り弁が前記連絡孔を開放し，前記吸気行程と圧縮行程の前半の前記連絡孔が閉鎖した状態で前記燃料弁を開放して前記副燃焼室に前記着火用燃料を噴射し，前記圧縮行程の後半又は圧縮上死点で前記副室絞り弁が開放して前記主燃焼室の高圧希薄混合気を前記副燃焼室に導入して前記着火用燃料は着火するものである。

また，このガスエンジンは，前記副燃焼室及び前記副室絞り弁の燃焼ガスに接触する壁面には，耐食性のジルコニア等のセラミックスから成るコーティング層が配置されているものである。

このガスエンジンは，上記のように，主燃焼室と副燃焼室とを連通する連絡孔に副室絞り弁を配設し，副室絞り弁をポペット弁に構成し，副燃焼室に着火用燃料弁を配置して燃料弁のリフトによって副燃焼室に全負荷時の１５〜１０ｗｔ％の着火用燃料を供給し，副室絞り弁を構成するポペット弁を連絡孔の周面と絞り弁部の周面との間に隙間を備えた摺動状態に挿通し，圧縮行程時に副室絞り弁が高圧希薄混合気に対抗することなく連絡孔を開閉作動できるように構成し，副室絞り弁が大きな力を要さずにスムーズに開閉作動ができ，スティック等の不具合が発生しない。また，副燃焼室では着火性燃料を供給して，確実に着火させて燃焼させ，着火性を大きく改善でき，主燃焼室では着火温度が高い天然ガスを供給して希薄混合気を生成し，副燃焼室からの火炎によって希薄混合気を着火させ，ノッキングの発生を防止することができる。

以下，図面を参照して，この発明による副燃焼室を持つガスエンジンの実施例を説明する。この発明による副燃焼室を持つガスエンジンは，特に，主成分がＣＨ₄である天然ガス燃料を極めて効率的に改質し，その改質燃料を副燃焼室に供給して着火燃焼させることを特徴としている。このガスエンジンは，天然ガスをＣＯ，Ｈ₂，ＨＣ等の改質燃料に改質し，燃料の熱量を増加させ，エンジンの熱効率をアップさせるものであり，コージェネレーションシステム，自動車，船舶等のエンジンとして適用して好ましいものである。

このガスエンジンは，例えば，図３に示すように，燃焼室を遮熱構造に構成し，天然ガスを燃料とするディーゼルサイクルで駆動されるものであり，シリンダ４内を往復運動するピストン５側に設けた主燃焼室１，シリンダヘッド１２に設けた副燃焼室２，主燃焼室１と副燃焼室２とを連通する連絡孔１１に配置された副室絞り弁８，副燃焼室２に開口する着火用燃料供給口１６を通じて副燃焼室２にガス燃料を供給する着火用燃料供給路１７，着火用燃料供給路１７と燃料供給通路３８との間にヒータ１９と燃料分解用触媒１８が配設された燃料熱分解装置９，着火用燃料供給口１６を開閉する着火用燃料弁３，及び吸気通路１４に設けた天然ガス供給口２１に配置されたガス燃料供給弁７と水噴射弁６を備えている。このガスエンジンは，吸気管３１に設けたガス燃料供給弁７を開放して供給された天然ガス燃料と吸気管３１からの空気とで生成された希薄混合気を吸気通路１４を通じて主燃焼室１に供給し，天然ガス等のガス燃料を燃料熱分解装置９によって改質した着火用燃料を着火用燃料弁３を開放して全負荷時の１５〜１０ｗｔ％の着火用燃料を副燃焼室２に供給し，圧縮行程の終端で，主燃焼室１から副燃焼室２へ高圧の希薄混合気を噴き込んで副室絞り弁８を開弁し，連絡孔１１を通じて副燃焼室２の着火用燃料を着火燃焼させるものである。

このガスエンジンは，特に，副燃焼室２に着火用燃料を供給するため着火用燃料供給路１７に設けた着火用燃料弁３，及び吸気通路１４に設けた主燃焼室１に天然ガス燃料を供給するガス燃料供給弁７を有しており，副室絞り弁８を連絡孔１１を外周に隙間２７を設けた絞られるように開閉する絞り弁部２８と絞り弁部２８に一体構造のステム部２９から形成され且つ副燃焼室２とステム部２９との隙間を閉鎖するポペット弁を使用し，ポペット弁の絞り弁部２８の周面５２が連絡孔１１の周面５１に隙間２７を有した摺動状態に挿通しており，ポペット弁の絞り弁部２８が副燃焼室２内へ入り込む状態にリフトして連絡孔１１が開放され，ステム部２９にはシリンダヘッド１２に配設された副室構造体４０に配置された摺動支持部材４９の挿通孔５４との間の摺動面をポペット傘部が封鎖するシール部材３０が設けられていることを特徴としている。

また，このガスエンジンは，圧縮行程において，連絡孔１１に配置された副室絞り弁８は，アクチュエータ２４の作動と共に絞り弁部２８の下面５３が主燃焼室１の高圧希薄混合気の圧力を受けてスムーズにリフトし，連絡孔１１を開放し，膨張行程においてアクチュエータ２４が作動すると共に，例えば，リターンスプリング３９の縮みばね力によって副室絞り弁８が下降して連絡孔１１を閉鎖するように構成されている。着火用燃料弁３は，副室絞り弁８が連絡孔１１を閉鎖しているときに，アクチュエータ２３の作動によって着火用燃料供給口１６が開放し，着火用燃料が副燃焼室２へ供給される。また，副燃焼室２及び副室絞り弁８の燃焼ガスに接触する部分には，耐食性のジルコニア等のセラミックスからなるコーティング層４１がコーティングされている。副室絞り弁８は，ステム部２９が副室構造体４０に設置された摺動支持部材４９の挿通孔５４に挿通して取り付けられている。摺動支持部材４９の挿通孔５４の周面には，ステム部２９との間をシールするためシールリング４２が配設されている。

また，このガスエンジンは，副燃焼室２へ着火用燃料を供給する着火用燃料供給路１７には，例えば，天然ガス燃料を熱分解させて改質燃料に転化させる燃料熱分解装置９（図３）が設けられており，着火用燃料は天然ガス燃料の着火温度より低い改質燃料である。このガスエンジンは，図４に示すように，圧縮行程において主燃焼室１の圧力が上昇するに従って，副室絞り弁８の絞り弁部２８の周面５２と連絡孔１１の周面５１との間の隙間２７から主燃焼室１内の天然ガス燃料と空気とから成る希薄混合気が副燃焼室２に入り込み，副燃焼室２の圧力が徐々に上昇して副燃焼室２の着火用燃料が着火される。また，このガスエンジンは，膨張行程，排気行程及び吸気行程前半までは副室絞り弁８のポペット弁が連絡孔１１を開放し，吸気行程と圧縮行程の前半の連絡孔１１が閉鎖した状態で着火用燃料弁３を開放して副燃焼室２に着火用燃料を供給し，圧縮行程の後半又は圧縮上死点で副室絞り弁８のポペット弁が開放して主燃焼室１の高圧希薄混合気を副燃焼室２に導入して着火用燃料が着火する。

また，このガスエンジンは，着火用燃料弁３を開閉作動するアクチュエータ２３，副室絞り弁８を開閉作動するアクチュエータ２４，水噴射弁６を作動するアクチュエータ２５，及びガス燃料供給弁７を開閉作動するアクチュエータ２６を備えている。コントローラ１０は，これらのアクチュエータ２３，２４，２５，２６の開閉作動タイミング及びヒータ１９の通電のＯＮ・ＯＦＦを，負荷センサ２０等の各種の情報に応答して制御するように構成されている。このガスエンジンでは，例えば，燃料熱分解装置９に設けたヒータ１９は，負荷が小さい時にＯＮし，負荷が大きい時にＯＦＦするように制御される。また，主燃焼室１への希薄混合気は，部分負荷時には天然ガスのみを供給し，負荷が上昇して主燃焼室１の温度が４００℃〜５００℃となった時に水噴射弁６から希薄混合気に水を噴射して燃焼が安定するように制御され，ノッキングの発生が抑制されるものである。この時，希薄混合気中の水は，吸気弁１５が開放して吸気通路１４からピストン５の頂面２２に衝突するように主燃焼室１に供給され，そこで加熱されているピストン５の壁面に衝突して水は蒸発して水蒸気を生成するようになっている。

燃料熱分解装置９には，ヒータ１９とヒータ１９を支持する多孔部材３２に触媒粒子から成る触媒１８を配設する。また，燃料熱分解装置９に設けたヒータ１９は，金属多孔体，ワイヤ等の多孔部材３２から成り，多孔部材３２に担持された燃料分解用触媒１８は，天然ガスを改質する白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ），ロジウム（Ｒｈ），ルテニウム（Ｒｕ），ニッケル（Ｎｉ），Ａｌ₂Ｏ₃等の触媒粒子から構成されている。このガスエンジンは，図３に示すように，シリンダヘッド１２を，直接又は中間部材（図示せず）等を介してシリンダブロック１３に固定しており，例えば，シリンダヘッド１２に形成した孔部には遮熱構造の副燃焼室２を形成する副室構造体４０が配置されている。このガスエンジンは，例えば，シリンダブロック１３に形成した孔部にシリンダライナが嵌合され，シリンダライナに形成したシリンダ４内をピストン５が往復運動するように構成されている。主燃焼室１と副燃焼室２とを連通する連絡孔１１は，図１では，副室構造体４０に形成されている。

シリンダヘッド１２に形成された連絡孔１１には，連絡孔１１を開閉するため副室絞り弁８が配置されている。シリンダヘッド１２には，副室絞り弁８が副燃焼室２を貫通して配置され，副室絞り弁８のステム部２９にはシール部材３０が配置され，副燃焼室２の連絡孔１１が開放している時には，副燃焼室２が外部から密閉されている。副室絞り弁８は，例えば，動弁機構やアクチュエータ２４によって開閉作動され，例えば，リターンスプリング（図示せず）によって閉弁するように構成されている。副燃焼室２には，着火用燃料供給路１７に接続する着火用燃料供給口１６が形成され，着火用燃料供給口１６にはカムやアクチュエータ２３によって開閉駆動される着火用燃料弁３が配置されている。従って，着火用燃料供給口１６は，着火用燃料弁３によって開閉されるように構成されている。

このガスエンジンでは，シリンダヘッド１２には，吸気弁１５が配置された吸気通路１４と排気弁（図示せず）が配置された排気通路（図示せず）が形成されている。また，ピストン５は，例えば，耐熱性に優れた窒化ケイ素等のセラミックスから成るピストンヘッド３３と，ピストンヘッド３３に結合リングで固定したピストンスカート３４とから構成されている。ピストンヘッド３３には，凹状のキャビティ３５から成る主燃焼室１が形成されている。ピストンヘッド３３とピストンスカート３４との間に遮熱空気層３６を形成し，主燃焼室１が遮熱構造に構成されている。また，天然ガスのガス燃料は，適宜の場所に設けられたタンク等の燃料供給源５５に収容されている。ガス燃料供給源５５の天然ガス燃料は，例えば，送油燃料ポンプの作動によって，５〜７ｋｇ／ｃｍ²に加圧され，その加圧された天然ガス燃料は，燃料供給通路３７，３８を通じてガス燃料供給弁７及び燃料熱分解装置９へそれぞれ送り込まれる。燃料供給通路３７の天然ガス燃料は，ガス燃料供給弁７がガス燃料供給口２１を開放することによって主燃焼室１へ供給され，燃料供給通路３８の天然ガス燃料は，燃料熱分解装置９へ送り込まれて改質燃料に転化され，次いで，着火用燃料弁３が着火用燃料供給口１６を開放することによって副燃焼室２へ供給される。

このガスエンジンは，上記のように構成されており，次のように作動される。このガスエンジンは，図３に示すように，排気行程，吸気行程，圧縮行程及び膨張行程の４つの行程を順次繰り返すことによって作動される。このガスエンジンは，例えば，吸気弁１５が吸気通路１４を主燃焼室１に開放した吸気行程の初期から後半にわたって吸気管３１及び吸気通路１４にそれぞれ開口するガス燃料供給口２１をガス燃料供給弁７が開放し，ガス燃料がガス燃料供給口２１から吸気通路１４中に空気と共に主燃焼室１へ供給される。一方，図１に示すように，副室絞り弁８が連絡孔１１を閉鎖している吸気行程の前半から圧縮行程の前半にわたって，着火用燃料弁３が着火用燃料供給口１６を開放し，着火用燃料供給路１７を通じて着火用燃料が副燃焼室２に供給される。主燃焼室１と副燃焼室２とに供給される燃料の割合は，例えば，副燃焼室２に供給される着火用燃料の供給量は燃料流量の全量の１５〜１０ｗｔ％程度であり，主燃焼室１に供給されるガス燃料の供給量は燃料流量の全量の８５〜９０ｗｔ％程度であり，主燃焼室１では天然ガスが供給されるので，天然ガスの着火温度が高く着火し難いので，主燃焼室１における天然ガスと空気との希薄混合気の自己着火即ちノッキングを発生し難い状態になっている。また，燃料熱分解装置９に設けたヒータ１９は，コントローラ１０によってエンジン負荷が小さい時にＯＮし，エンジン負荷が大きくなるとＯＦＦするように制御される。従って，このガスエンジンは，エンジン負荷が小さい時には，ヒータ１９がＯＮし，燃料熱分解装置９に供給された天然ガスは熱分解されて着火し易い燃料に分解され，その着火用燃料が着火用燃料弁３の開放によって副燃焼室２に供給され，エンジン負荷が大きくなれば，ヒータ１９はＯＦＦになって副燃焼室２には天然ガスの着火用燃料が供給されるが，副燃焼室２の壁温が高くなっているので，着火ミスすることがなく，着火性が向上する。

このガスエンジンは，圧縮行程の終端において，図２に示すように，連絡孔１１を副室絞り弁８が開放し，図４の斜線で示すように，圧縮されて高圧高温になっているガス燃料と空気との希薄混合気が主燃焼室１から副燃焼室２へ噴き込まれ，副燃焼室２内の着火用燃料が高圧高温の希薄混合気の進入によって副燃焼室２で着火燃焼し，副燃焼室２内の圧力が徐々に上昇し，副燃焼室２から主燃焼室１へ燃焼火炎が連絡孔１１を通って副燃焼室２内に着火用燃料が残留することなく火炎となって全量が噴き出し，そこで初めて，主燃焼室１の希薄混合気に燃焼が伝播して二次燃焼を短期に完結して熱効率をアップし，膨張行程に移行してピストン５を押し下げて仕事をする。副室絞り弁８は，排気弁が排気通路を開放して排気行程に移行し，排気行程の後半において連絡孔１１を閉鎖する。次いで，排気弁が排気通路を閉鎖し，吸気弁１５が吸気通路１４を開放して吸気行程に移行するものであり，これらの行程を繰り返してエンジンが駆動される。

この発明によるガスエンジンは，主燃焼室と副燃焼室との連絡孔に副室絞り弁を配設し，副室絞り弁を高圧混合気に対抗して開閉作動することなく，スムーズに作動できるように構成し，ノッキングの発生を防止し，コージェネレーションシステム，自動車，船舶等のエンジンとして適用して好ましいものである。

この発明によるガスエンジンにおいて，シリンダヘッドに配設された副燃焼室を形成する副室構造体を示し，副室絞り弁による連絡孔の閉鎖状態を示す断面図である。図１の副燃焼室を形成する副室構造体を示し，副室絞り弁による連絡孔の開放状態を示す断面図である。この発明によるガスエンジンの一実施例を示し，着火用燃料弁による連絡孔の閉鎖状態を示す断面図である。図１のガスエンジンの排気行程と吸気行程における各弁のバルブタイミングを示す説明図である。従来のガスエンジンにおける副燃焼室の一例を示す断面図である。

符号の説明

１主燃焼室
２副燃焼室
３着火用燃料弁
４シリンダ
５ピストン
７天然ガス供給弁
８副室絞り弁
９燃料熱分解装置
１１連絡孔
１２シリンダヘッド
１３シリンダブロック
１４吸気通路
１５吸気弁
１６着火用燃料供給口
１７着火用燃料供給路
２７隙間
２８絞り弁部
２９ステム部
３０シール部材
４１コーティング層
５１連絡孔の周面
５２絞り弁部の周面

Claims

シリンダブロックに取り付けられたシリンダヘッド，前記シリンダブロックに形成されたシリンダ内を往復運動するピストン，前記ピストンと前記シリンダで形成された主燃焼室，前記シリンダヘッドに設けられた副燃焼室と吸排気通路，前記吸排気通路に配置された吸排気弁，及び前記主燃焼室と前記副燃焼室とを連通する連絡孔に配置された副室絞り弁を有するガスエンジンにおいて，
前記副燃焼室に着火用燃料を供給するため燃料供給路に設けた燃料弁，及び前記吸気通路に設けた前記主燃焼室に天然ガス燃料を供給する天然ガス供給弁を有し，
前記副室絞り弁は前記連絡孔を外周に隙間を設けた絞られるように開閉する絞り弁部と該絞り弁部に一体構造のステム部から形成され且つ前記副燃焼室と前記ステム部との隙間を閉鎖するポペット弁であり，前記ポペット弁は前記絞り弁部の周面が前記連絡孔の周面に摺動自在に挿通して配置され，前記絞り弁部が前記副燃焼室内へ入り込む状態にリフトして前記連絡孔が開放され，前記ステム部には摺動支持部材の摺動面との間を前記ポペット弁の傘部が密閉するシール部材が設けられていることを特徴とするガスエンジン。
圧縮行程において前記主燃焼室の圧力が上昇するに従って，前記絞り弁部の前記周面と前記連絡孔の前記周面との間の隙間から前記主燃焼室内の前記天然ガス燃料と空気とから成る高圧希薄混合気が前記副燃焼室に入り込んで前記副燃焼室の圧力が徐々に上昇することを特徴とする請求項１に記載のガスエンジン。
膨張行程，排気行程及び吸気行程前半までは前記副室絞り弁が前記連絡孔を開放し，前記吸気行程と圧縮行程の前半の前記連絡孔が閉鎖した状態で前記燃料弁を開放して前記副燃焼室に前記着火用燃料を噴射し，前記圧縮行程の後半又は圧縮上死点で前記副室絞り弁が開放して前記主燃焼室の高圧希薄混合気を前記副燃焼室に導入して前記着火用燃料は着火することを特徴とする請求項１又は２に記載のガスエンジン。
前記副燃焼室及び前記副室絞り弁の燃焼ガスに接触する壁面には，耐食性のジルコニア等のセラミックスから成るコーティング層が配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスエンジン。