JP2007270782A - エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室に設けられた燃料供給弁を通じて燃料供給路から燃焼室に燃料を供給するにあたり、その燃料供給弁を簡単且つ低コスト化が可能な圧力応動式に構成可能としながら、その圧力応動式の燃料供給弁を作動状態に合わせて適切に開閉させて、排気路への未燃成分の排出を抑制し、高効率且つ低エミッションを実現し得るエンジンを提供する。
【解決手段】燃料供給弁１３が、燃焼室１の圧力が所定の作動圧力以下に低下している間に開状態となる圧力応動式に構成されていると共に、作動圧力が吸気圧力及び排気圧力よりも低く設定され、吸気行程における吸気バルブ４の閉タイミングが、下死点よりも早い時期に設定され、吸気バルブ４の閉タイミング以降のピストン２の下降により、燃焼室１の圧力を作動圧力以下に低下させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室に設けられた燃料供給弁を通じて燃料供給路から燃焼室に燃料を供給するエンジンに関する。

上記のように燃焼室に設けられた燃料供給弁を通じて燃料供給路から燃焼室に燃料を供給するエンジンは、吸気行程において、吸気バルブを通じて吸気路から燃焼室に新気を吸気すると共に、その燃料供給弁を通じて燃料供給路から燃焼室に燃料を供給することで、燃焼室に混合気を形成し、圧縮行程において、その形成した混合気をピストンの上昇により圧縮し、燃焼・膨張行程において、その圧縮した混合気を点火プラグ等により点火し燃焼させてピストンを下降させ、排気行程においてその燃焼により生成された排ガスを、排気バルブを通じて排気路に排出するように作動する。

また、このように燃焼室に設けられた燃料供給弁を通じて燃料供給路から燃焼室に燃料を供給するエンジンとしては、燃焼室として主室に連通する形態で設けられた副室に燃料供給弁を配置した副室式エンジンが知られている（例えば、特許文献１，２を参照。）。

かかる副室式エンジンは、ピストン頂部に接する主室とその主室と噴孔を介して連通する副室とを燃焼室として備え、主室に吸気された希薄混合気等の新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、噴孔を介して副室に流入させ、副室に流入した新気と副室に燃料供給弁から供給された燃料との混合気を点火プラグにより火花点火して燃焼させて、主室に開口する噴孔を介して主室に火炎ジェットを噴射するように構成されている。
また、このような副室式エンジンは、単室式エンジンと比較して、燃焼室全体として空気に対して燃料が希薄な状態で燃料を燃焼させる希薄燃焼が実現できるため、高効率化を図ることが可能であり、特に、効率向上が求められるコージェネレーションシステム等に導入されている。

また、上記のような従来の副室式エンジンでは、燃料供給路から副室に燃料を供給するための燃料供給弁は、一般的に、機械式に開閉駆動される開閉弁で構成されており、この開閉弁を、例えば吸気行程の適切な期間において開状態として燃焼室に燃料を供給し、その燃料を燃焼させると共に、例えば排気行程などの別の期間において閉状態として、燃料の燃焼室への無用な流出を阻止することができる。

特開２００１−３０３９５８号公報 特開２００１−２６３０６９号公報

上述した従来のエンジンのように、燃料供給路から副室に燃料を供給するための燃料供給弁を機械式に開閉駆動される開閉弁で構成する場合には、その開閉弁自身及びその開閉弁を作動させる駆動機構の構成が煩雑なものとなり、高コスト化の要因となる場合があった。

また、このような燃料供給弁を、副室の圧力が所定の作動圧力以下に低下している間に開状態となり、逆に、燃焼室の圧力が同作動圧力よりも高い間に閉状態となる逆止弁のような圧力応動式に構成することが考えられるが、従来において、このような圧力応動式の燃料供給弁を、エンジンの作動状態に合わせて適切に開閉させる、即ち、吸気行程においてこの圧力応動式の燃料供給弁を適切に開状態とし、一方、その他の行程においてこの圧力応動式の燃料供給弁を適切に閉状態とする技術については確立されていなかった。

例えば、燃料供給弁を上記圧力応動式に構成したエンジンでは、その圧力応動式の燃料供給弁の作動圧力は、吸気行程において適切に開状態とするべく、吸気行程において吸気バルブが開状態となるときの燃焼室の圧力に略相当する吸気圧力と同等又はそれ以上に設定することが考えられる。
しかし、このように作動圧力を設定すると、吸気行程においては、燃焼室の圧力が作動圧力以下となることで、圧力応動式の燃料供給弁が開状態となり、燃焼室に燃料を供給することができるが、排気行程においても、燃焼室の圧力が排気路の圧力に略相当する比較的低い排気圧力となることでも、圧力応動式の燃料供給弁が開状態となり、燃焼室に燃料が供給され、その燃料が燃焼することなく未燃成分として排気路に排出されてしまうという問題が懸念される。
特に、吸気路に過給機が設けられて、吸気圧力が高くなる場合には、その吸気圧力と略同等又はそれ以上に設定される上記圧力応動式の燃料供給弁の作動圧力も高くなるので、排気工程において、燃焼室の圧力が、吸気圧力と比べて非常に低い排気圧力に低下すると、上記圧力応動式の燃料供給弁が確実に開状態となってしまい、排気路に排出される未燃成分が増大する。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃焼室に設けられた燃料供給弁を通じて燃料供給路から燃焼室に燃料を供給するにあたり、その燃料供給弁を簡単且つ低コスト化が可能な圧力応動式に構成可能としながら、その圧力応動式の燃料供給弁を作動状態に合わせて適切に開閉させて、排気路への未燃成分の排出を抑制し、高効率且つ低エミッションを実現し得るエンジンを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係るエンジンは、燃焼室に設けられた燃料供給弁を通じて燃料供給路から燃焼室に燃料を供給するエンジンであって、その第１特徴構成は、前記燃料供給弁が、前記燃焼室の圧力が所定の作動圧力以下に低下している間に開状態となる圧力応動式に構成されていると共に、前記作動圧力が吸気圧力及び排気圧力よりも低く設定され、
吸気行程における吸気バルブの閉タイミングが、下死点よりも早い時期に設定され、前記吸気バルブの閉タイミング以降の前記ピストンの下降により、前記燃焼室の圧力を前記作動圧力以下に低下させるように構成されている点にある。

上記第１特徴構成によれば、上記燃料供給弁が上記圧力応動式に構成されているので、その圧力応動式の燃料供給弁の駆動機構を別に設ける必要がなくなり、簡単且つ低コスト化が可能となる。
更に、この圧力応動式の燃料供給弁の作動圧力が、排気行程において排気バルブが開状態となるときの燃焼室の圧力に相当する排気圧力よりも低く設定されているので、排気行程において、燃焼室の圧力がその作動圧力よりも低くなることがない。よって、圧力応動式の燃料供給弁が閉状態に維持され、燃焼室に無用な燃料が流出されることがないので、排気路への未燃成分の排出を抑制することができ、高効率且つ低エミッションを実現することができる。
一方、吸気行程における吸気バルブの閉タイミングを下死点よりも早い時期に設定する、即ち、吸気行程において、ピストンが下降している途中で吸気バルブを閉じて燃焼室を密閉状態とし、更に、その密閉状態でピストンを一層下降させることで、燃焼室の圧力を、吸気行程において吸気バルブが開状態となるときの燃焼室の圧力に相当する吸気圧力から、圧力応動式の燃料供給弁の作動圧力以下に低下させることができる。よって、吸気行程において、吸気バルブを閉じる前の前期では、燃焼室の圧力が作動圧力よりも高い吸気圧力であることから、圧力応動式の燃料供給弁は閉状態であるが、吸気バルブを閉じた後の後期では、燃焼室の圧力が作動圧力よりも低下することで、圧力応動式の燃料供給弁は開状態となって、燃焼室に燃料を供給することができる。
即ち、圧力応動式の燃料供給弁を、吸気行程において適切に開状態とし、排気行程などのその他の行程では適切に閉状態とする形態で、作動状態に合わせて適切に開閉させることができる。

また、上記のように、吸気行程における吸気バルブの閉タイミングを下死点よりも早い時期に設定することで、公知のミラーサイクルエンジンと同様に、膨張比を圧縮比よりも高く設定すると共に、圧縮仕事の不足分を過給機に分担させることにより、実質的に圧縮比が高まったと同一の効果を得て、効率を向上させることができる。

本発明に係るエンジンの第２特徴構成は、前記燃焼室として、前記ピストンに面する主室と、当該主室に噴孔を介して連通する副室とを備えると共に、前記燃料供給弁を前記副室に備え、
圧縮工程において圧縮された混合気を前記副室に備えた点火プラグを作動させて火花点火して燃焼させ、前記副室から前記噴孔を介して前記主室に火炎ジェットを噴射する形態で作動するように構成されている点にある。

上記第２特徴構成によれば、燃焼室として主室に連通する形態で設けられた副室に燃料供給弁を配置した副室式エンジンとして構成することができる。
即ち、吸気行程において、吸気路から主室に開状態となる吸気バルブを通じて新気を吸気すると共に、吸気行程における吸気バルブの閉タイミングを下死点よりも早い時期に設定して、その吸気バルブを下死点よりも早い時期に閉じることで、燃焼室の圧力を圧力応動式の燃料供給弁の作動圧力以下に低下させて、当該燃料供給弁を開状態として、燃料供給路から副室に燃料を供給することができる。
そして、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、その圧縮された新気を、噴孔を介して副室に流入させ、副室に流入した新気と副室に供給された燃料との混合気を点火プラグにより火花点火して燃焼させて、主室に開口する噴孔を介して主室に火炎ジェットを噴射する形態で作動させることができる。
そして、このように副室式エンジンとして構成すれば、燃焼室全体として空気に対して燃料が希薄な状態で燃料を燃焼させる希薄燃焼が実現できるため、高効率化を図ることができ、特に、効率向上が求められるコージェネレーションシステム等に好適に導入することができる。

本発明に係るエンジンの第３特徴構成は、前記吸気路に過給機を備えた点にある。

上記第３特徴構成によれば、高効率化を図るべく吸気路に過給機を設けて吸気圧力が排気圧力よりも高くなる場合でも、吸気行程における吸気バルブの閉タイミングを下死点よりも早い時期に設定して、吸気行程において吸気バルブを閉じてからの燃焼室の圧力低下により、圧力応動式の燃料供給弁を適切に開状態として、燃料を燃焼室に供給することができる。更に、その圧力応動式の燃料供給弁の作動圧力を、上記過給機の設置により吸気圧力よりも低くなった排気圧力よりも更に低く設定されているので、排気行程において圧力応動式の燃料供給弁を適切に閉状態に維持して、排気路への未燃成分の排出を抑制することができる。

本発明に係るエンジンの第４特徴構成は、前記吸気圧力又は前記排気圧力に対する前記燃料供給弁への燃料供給圧力の状態を検出する圧力状態検出手段と、
前記圧力状態検出手段の検出結果に基づいて前記燃料供給圧力を制御する燃料供給圧力制御手段を備えた点にある。

上記第４特徴構成によれば、上記圧力状態検出手段に検出結果に基づいて上記圧力制御手段により上記燃料供給圧力を制御することで、燃料供給圧力を、吸気圧力や排気圧力に対して適切な圧力に維持して、圧力応動式の燃料供給弁の開閉状態、及び、燃焼室への燃料供給量を適切なものに維持することができる。
即ち、吸気行程において吸気バルブが開状態となるときの燃焼室の圧力に略相当する吸気圧力が変動し、吸気行程において吸気バルブを下死点よりも早い時期に閉じることで低下した後の燃焼室の圧力が変動する場合には、圧力応動式の燃料供給弁から副室への燃料供給量が不安定なものとなることが懸念される。そこで、その吸気圧力に対する燃料供給圧力の差圧を上記圧力状態検出手段で検出して、当該差圧が適切なものになるように燃料供給圧力を制御することで、圧力応動式の燃料供給弁から副室への燃料供給量を適切な量に維持することができる。
一方、排気行程において排気バルブが開状態となるときの燃焼室の圧力に略相当する排気圧力が変動する場合には、圧力応動式の燃料供給弁が不意に開状態となって燃料供給路から副室に不要な燃料が流出することが懸念される。そこで、その排気圧力に対する燃料供給圧力の差圧を上記圧力状態検出手段で検出して、当該差圧が適切なものになるように燃料供給圧力を制御することで、排気行程において圧力応動式の燃料供給弁を確実に閉状態に維持して、上記のような不要な燃料の流出を防止することができる。尚、上記吸気圧力と上記排気圧力とが略同等のものである場合には、一方の圧力のみを測定して、その測定結果を他方の圧力として取り扱うことができる。
また、エンジン負荷に基づいて上記燃料供給圧力を制御すれば、エンジン負荷に応じて燃料供給量を適切に変動させることもできる。

本発明に係るエンジンの実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１に示すエンジン１００は、燃焼室１に設けられた燃料供給弁１３を通じて燃料供給路１４から燃焼室１に燃料Ｇを供給するエンジンであって、詳細については後述するが、燃焼室１として、ピストン２に面する主室１０と、当該主室１０に噴孔２１を介して連通する副室１１とを備えると共に、燃料供給弁１３を副室１１に備え、圧縮工程において圧縮された混合気を副室１１に備えた点火プラグ１２を作動させて火花点火して燃焼させ、副室１１から噴孔２１を介して主室１０に火炎ジェットＦを噴射する形態で作動するように構成された副室式エンジンとして構成されている。

即ち、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１０を形成するシリンダ３とを備え、ピストン２をシリンダ３内で往復運動させると共に、吸気バルブ４及び排気バルブ６を開閉動作させて、主室１０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の往復動を連結棒（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。

また、エンジン１００は、気体燃料である都市ガス（１３Ａ）を燃料Ｇとして利用するものであり、当該燃料Ｇは、燃料供給路１４から燃料供給弁１３を通じて副室１１に供給される。

そして、エンジン１００は、吸気行程において吸気バルブ４を開状態として、吸気路５から主室１０に空気と少量の燃料Ｇとの混合気好ましくは希薄混合気である新気Ｉを吸入し、圧縮及び燃焼・膨張行程において吸気バルブ４及び排気バルブ６を閉状態として、この吸入した新気Ｉを圧縮して燃料Ｇを燃焼・膨張させ、排気行程において排気バルブ６を開状態として、主室１０から排気路７に排ガスを排出するように運転される。

更に、排気路７を流通する排ガスの運動エネルギによりタービン２３ｂを回転させ、当該タービン２３ｂと同軸のコンプレッサ２３ａにより吸気路５を流通する新気Ｉを過給するターボ過給機２３が設けられている。
そのターボ過給機２３によって、コンプレッサ２３ａの下流側の吸気路５の圧力（以下、「吸気圧力」と呼ぶ。）は、比較的高い圧力（例えば、２２０ｋＰａ（Ｇａｕｇｅ））に維持されており、更に、タービン２３ｂの上流側の排気路７の圧力（以下、「排気圧力」と呼ぶ。）についても、タービン２３ｂの背圧により、上記吸気圧力と略同等の圧力に維持されている。

また、吸気行程において吸気バルブ４が開状態となると、燃焼室１と吸気路５とが連通状態となることから、燃焼室１の圧力も上記吸気圧力に略相当するものとなり、更に、排気行程において排気バルブ６が開状態となると、燃焼室１と排気路７とが連通状態となることから、燃焼室１の圧力も上記排気圧力に略相当するものとなる。
尚、上記吸気圧力及び排気圧力については、吸気路５及び排気路７に発生する脈動により変化する場合があるが、その場合には、後述する圧力応動式に構成される燃料供給弁１３の不意の開弁を防止するべく、その圧力変化の最低圧力を夫々の圧力として取り扱う。

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、圧縮行程においてピストン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。

エンジン１００のシリンダヘッド９には、主室１０と共に燃焼室１として設けられ、主室１０に連通路２０及び噴孔２１を介して連通する副室１１が設けられており、その副室１１には、副室１１の混合気を火花点火可能な点火プラグ１２が設けられている。尚、この副室１１の容積は、燃焼室１全体の容積の数％（例えば３％）程度である。

そして、副室１１の上方には、燃料供給路１４から燃料Ｇが例えば２１０ｋＰａ（Ｇａｕｇｅ）程度の供給圧力で供給され、その供給された燃料Ｇを副室１１に断続的に供給可能な燃料供給弁１３が設けられており、この燃料供給弁１３は、副室１１の圧力が所定の作動圧力以下に低下している間に開状態となり、逆に、副室１１の圧力が同作動圧力よりも高い間に閉状態となる圧力応動式に構成されており、その詳細構造について以下に説明する。

シリンダヘッド９に形成された副室１１を形成する円柱状の凹部の上方開口部には、当該開口部に嵌合する形態で有底筒状の口金３１が取り付けられており、更に、当該口金３１の上方開口部には、当該開口部に嵌合する形態で内部に燃料供給路１４を形成する燃料供給管３３が取り付けられている。更に、口金３１の底部には、副室１１と上記口金３１内とを連通する燃料供給口３２が形成されている。

更に、上記口金３１内には、球状の弁体３５が設けられており、更に、この弁体３５は、上記燃料供給管３３の先端開口部の内周縁部に形成された弁座部３４に当接して燃料供給管３３の先端開口部を封鎖する状態と、当該弁座部３４から下方に離間して燃料供給管３３の先端開口部を開放する状態とを切り換える形態で、上下方向に摺動自在に配置されている。
また、口金３１内の弁体３５の下方部には、上記弁体３５を下方から付勢する状態で配置されたコイルバネ等からなる付勢部材３６が設けられており、その付勢力は後述する作動圧力に応じて適切なものに設定されている。

そして、これら弁体３５、弁座部３４、及び、付勢部材３６は、所謂逆止弁のような上記圧力応動式の燃料供給弁１３として構成されることになる。
即ち、弁体３５の下方側に連通する副室１１の圧力（以下、「副室圧力」と呼ぶ。）が低下して所定の作動圧力以下になると、弁体３５の上方側に連通する燃料供給路１４の圧力（以下、「燃料供給圧」と呼ぶ。）が、上記副室圧力と付勢部材３６の付勢力とに打ち勝ち、弁体３５が下方に移動して弁座部３４から離間し、燃料供給管３３の先端開口部が開放される所謂開状態となることで、燃料供給路１４から燃料供給口３２を通じて副室１１に燃料Ｇが供給されることになる。
一方、副室圧力が上昇して所定の作動圧力よりも高くなると、上記副室圧力と付勢部材３６の付勢力とが燃料供給圧に打ち勝ち、弁体３５が上方に移動して弁座部３４に当接し、燃料供給管３３の先端開口部が閉鎖される所謂閉状態となることで、燃料供給路１４から副室１１への燃料Ｇの供給が停止される。

更に、上記圧力応動式の燃料供給弁１３の作動圧力は、上記付勢部材３６の付勢力と燃料供給圧力とを調整することにより決定することができるが、その作動圧力は排気圧力よりも低い圧力（例えば、２００ｋＰａ（Ｇａｕｇｅ））に設定されている。
よって、この圧力応動式の燃料供給弁１３は、排気行程において排気バルブ６が開状態となり、燃焼室１即ち副室１１の圧力が上記排気圧力に略相当する圧力となった場合でも、弁体３５が良好に弁座部３４に当接して閉状態を維持することになり、同排気行程において燃料Ｇが無用に副室１１に流出して排気路７に排出されることが防止されている。

更に、吸気バルブ４及び排気バルブ６は、図示しない公知の動弁機構により開閉駆動されるのであるが、吸気行程における吸気バルブ４の閉タイミングは、下死点よりも早い時期（例えば、６０°ＢＢＤＣ）に設定され、吸気行程における吸気バルブ４の閉タイミング以降のピストン２の下降により、燃焼室１としての副室１１の圧力が上記圧力応動式の燃料供給弁１３の作動圧力以下に低下させるように構成されている。

即ち、吸気行程において、ピストン２が下降している途中で吸気バルブ４が閉じられて副室１１を含む燃焼室１が密閉状態となり、更に、その密閉状態でピストン２が一層下降するので、副室１１の圧力が圧力応動式の燃料供給弁１３の作動圧力以下に低下する。よって、吸気行程のピストン２が下降している期間において、吸気バルブ４が開状態である前期には、副室１１の圧力が作動圧力よりも高い吸気圧力に略相当する圧力となることで、上記圧力応動式の燃料供給弁１３は閉状態を維持するが、吸気バルブ４が閉状態である後期には、副室１１の圧力が作動圧力以下に低下することで、上記圧力応動式の燃料供給弁１３は開状態となって、燃料供給路１４から副室１１に燃料Ｇが供給されることになる。

また、上記のように、吸気行程において、吸気バルブ４の閉タイミングを下死点よりも早い時期に設定することにより、公知のミラーサイクルエンジンと同様に、膨張比が圧縮比よりも高くなり、更に、ターボ過給機２３が圧縮仕事の不足分を補うことで、実質的に圧縮比が高まったと同一の効果を得て、効率が向上されている。

尚、吸気行程における燃料供給路１４から副室１１への燃料供給量は、上記作動圧力、吸気行程において吸気バルブ４を閉じた後の後期において低下した副室１１の圧力、燃料供給圧力、その他燃料Ｇの流通経路構造等により決定されるが、例えば、吸気路５から燃焼室１に吸気される新気Ｉに含まれる燃料Ｇとの合計に対して１０％程度に設定される。

そして、このエンジン１００は、上記のような構成を採用することにより、圧縮工程において圧縮された混合気を副室１１に備えた点火プラグ１２を作動させて火花点火して燃焼させ、副室１１から噴孔２１を介して主室１０に火炎ジェットＦを噴射する形態で作動することができ、この作動状態の詳細について以下に説明を加える。

即ち、吸気行程において、吸気バルブ４を閉じる前の前期には、ピストン２の下降に伴って、吸気路５から主室１に開状態である吸気バルブ４を通じて新気Ｉが吸気される。
更に、吸気行程において、吸気行程の吸気バルブ４を閉じた後の後期には、ピストン２の下降に伴って、副室１１の圧力が圧力応動式の燃料供給弁１３の作動圧力以下となることで、当該燃料供給弁１３が開状態となり、燃料供給路１４から副室１１に燃料Ｇが供給され、次の圧縮行程の初期において、ピストン２の上昇に伴って、副室１１の圧力が圧力応動式の燃料供給弁１３の作動圧力よりも高くなることで、当該燃料供給弁１３が閉状態となり、燃料供給路１４から副室１１への燃料Ｇの供給が停止される。

そして、次の圧縮行程では、ピストン２の上昇により、主室１０の容積減少によって、主室１０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２０から上方に向かう混合気流が発生し、その混合気流が点火プラグ１２の点火領域に到達する。
よって、副室１１の上記点火プラグ１２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（例えば１程度）の当量比の混合気が形成される。

そして、上記圧縮行程終了時にて、副室１１には、当量比が比較的高い混合気が存在するのに対して、主室１０には、当量比が比較的低い希薄混合気が存在することになる。

そして、エンジン１００は、燃焼・膨張行程において、上死点直前の例えば８°ＢＴＤＣ付近において、点火プラグ１２を作動させて、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、ピストン２を下降させる。

すると副室１１では、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Ｆが連通路２０を介して主室１０に噴出される。

一方、主室１０においては、連通路２０から噴出された火炎ジェットＦにより希薄混合気を燃焼させるので、急激な圧力上昇を伴わず、高効率且つ低ＮＯｘとなる燃焼が行われる。
このような主室１０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、熱効率を向上することができる。また、主室１０１に吸気される新気Ｉの当量比を大きくして、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、ノッキング限界における当量比を高くすることができ、広い出力調整範囲が確保される。

そして、このように運転されるエンジン１００において、副室１１と主室１０とを連通する連通路２０は、副室１１から主室１０の軸心Ｘと同じ軸心を有する円筒状に主室１０側に延出形成されており、更に、その連通路２０は、上記主室１０の軸心Ｘを中心に周方向に等間隔で分散配置され主室１０に開口する例えば８つの筒状の噴孔２１を有し、火炎ジェットＦが夫々の噴孔２１から主室１０に噴射される。

次に、エンジン１００は、排気行程において、排気バルブ６を開状態として、ピストン２の下死点からの上昇に伴って、燃焼室１に存在する排ガスを排気路７に排出する。
ここで、燃焼室１の圧力は比較的低い排気圧力となるが、圧力応動式の燃料供給弁１３の作動圧力がその排気圧力よりも小さく設定されていることから、当該燃料供給弁１３は閉状態に維持され、燃料供給路１４から燃料Ｇが燃焼室１に流出することがない。

更に、吸気路５には吸気圧力を計測する圧力計測部２５が設けられ、燃料供給路１４には燃料供給弁１３への燃料供給圧力を計測する圧力計測部２６が設けられている。
そして、その圧力計測部２５，２６により計測された吸気圧力に対する燃料供給圧力の差圧（即ち、「燃料供給圧力−吸気圧力」で示される圧力。）を検出する差圧検出部３８（圧力状態検出手段の一例）が設けられている。
更に、燃料供給路１４の圧力計測部２６の上流側には、その差圧検出部３８で検出された差圧に基づいて燃料供給弁１３への燃料供給圧力を制御する圧力制御弁３７（燃料供給圧力制御手段の一例）が設けられている。

即ち、圧力制御弁３７は、吸気行程において吸気圧力が変動した場合でも、その吸気圧力の変動に応じて燃料供給圧力を変化させて、上記差圧を目標値（例えば、−１０ｋＰａ）に維持し、圧力応動式の燃料供給弁１３の作動圧力を吸気圧力よりも低い圧力に安定して維持するように構成されている。
よって、吸気行程において、吸気バルブ４を閉じてから燃焼室１の圧力低下に伴って、適切な時期に上記燃料供給弁１３が開状態となり、更に、適切な量の燃料Ｇが副室１１に供給されることになる。
また、例えば、エンジン負荷に基づいて上記圧力制御弁３７における上記差圧の目標値を変更すれば、圧力応動式の燃料供給弁１３の作動圧力を変化させて、燃料供給量をエンジン負荷に応じて変更することもできる。

また、吸気圧力に対する燃料供給圧力の差圧を上記目標値に維持することで、排気圧力がターボ過給機２３の背圧により上記吸気圧力と略同等の圧力となっていることから、上記差圧検出部３８で検出された差圧は、上記排気圧力に対する上記燃料供給圧力の差圧に略同等の圧力としても取り扱うことができる。
よって、その差圧に基づいて圧力制御弁３７により燃料供給圧力を制御することで、排気行程において圧力応動式の燃料供給弁１３が不意に開状態となることが防止されている。

また、ターボ過給機２３の代わりにスーパーチャージャーを設置した場合のように、排気路７に背圧がかからない場合には、排気圧力は吸気圧力と比べて比較的低い状態となるので、吸気圧力を計測する圧力計測部２５とは別に、排気路７に排気圧力を計測する圧力計測部を設け、上記差圧検出部３８によりその排気圧力に対する燃料供給圧力の差圧を検出し、上記圧力制御弁３７によりその差圧に基づいて燃料供給圧力を制御することもできる。
尚、上記実施の形態では、上記ターボ過給機２３のような過給機を設置したが、このような過給機を省略しても構わない。

上記実施の形態では、圧力状態検出手段としての差圧検出部３８及び燃料供給圧力制御手段としての圧力制御弁３７を設けたが、燃料供給圧力を適切な圧力に維持して、圧力応動式の燃料供給弁１３の作動圧力を吸気圧力及び排気圧力よりも低い適切な圧力に維持できる場合には、これらを省略しても構わない。

尚、本発明に係るエンジンで利用可能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気体燃料や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、例えば、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。

また、上記実施の形態では、本発明に係るエンジンを副室式エンジンとして構成したが、別に単室式のエンジンとして構成しても構わない。

本発明に係るエンジンは、燃焼室に設けられた燃料供給弁を通じて燃料供給路から燃焼室に燃料を供給するにあたり、その燃料供給弁を簡単且つ低コスト化が可能な圧力応動式に構成可能としながら、その圧力応動式の燃料供給弁を作動状態に合わせて適切に開閉させて、排気路への未燃成分の排出を抑制し、高効率且つ低エミッションを実現し得るエンジンとして有効に利用可能である。

エンジンの概略構成図

符号の説明

１：燃焼室
２：ピストン
４：吸気バルブ
１０：主室
１１：副室
１２：点火プラグ
１３：燃料供給弁
１４：燃料供給路
２１：噴孔
２３：ターボ過給機（過給機）
３７：圧力制御弁（燃料供給圧力制御手段）
３８：差圧検出部（圧力状態検出手段）
１００：エンジン
Ｉ：新気
Ｇ：燃料

Claims (4)

1. 燃焼室に設けられた燃料供給弁を通じて燃料供給路から燃焼室に燃料を供給するエンジンであって、
   前記燃料供給弁が、前記燃焼室の圧力が所定の作動圧力以下に低下している間に開状態となる圧力応動式に構成されていると共に、前記作動圧力が吸気圧力及び排気圧力よりも低く設定され、
   吸気行程における吸気バルブの閉タイミングが、下死点よりも早い時期に設定され、前記吸気バルブの閉タイミング以降の前記ピストンの下降により、前記燃焼室の圧力を前記作動圧力以下に低下させるように構成されているエンジン。
2. 前記燃焼室として、前記ピストンに面する主室と、当該主室に噴孔を介して連通する副室とを備えると共に、前記燃料供給弁を前記副室に備え、
   圧縮工程において圧縮された混合気を前記副室に備えた点火プラグを作動させて火花点火して燃焼させ、前記副室から前記噴孔を介して前記主室に火炎ジェットを噴射する形態で作動するように構成されている請求項１に記載のエンジン。
3. 前記吸気路に過給機を備えた請求項１又は２に記載のエンジン。
4. 前記吸気圧力又は前記排気圧力に対する前記燃料供給弁への燃料供給圧力の状態を検出する圧力状態検出手段と、
   前記圧力状態検出手段の検出結果に基づいて前記燃料供給圧力を制御する燃料供給圧力制御手段を備えた請求項１〜３の何れか一項に記載のエンジン。

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