JP2008248727A - 副室式エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】運転を継続しながら副室に設けられた部品のメンテナンスを安全に行うことができる多気筒式の副室式エンジンを提供する。
【解決手段】ピストン２に面する主室１０と当該主室１０に連通路２０を介して連通する副室１１とからなる気筒１を、一のクランク軸１６に対して複数並設してなる副室式エンジン１００において、複数の気筒１の夫々に、連通路２０を閉鎖状態に維持可能な連通路閉鎖弁３０を備えた。
【選択図】図２

Description

本発明は、ピストンに面する主室と当該主室に連通路を介して連通する副室とからなる気筒を、一のクランク軸に対して複数並設してなる副室式エンジンに関する。

従来の副室式エンジンは、ピストンに面する主室と当該主室に連通路を介して連通する副室とからなる気筒において、主室に吸気された希薄混合気等の新気がピストンの上昇に伴って圧縮されて連通路を通じて副室に流入し、その流入した新気に副室用燃料供給弁から副室用燃料が供給されて理論空燃比程度の混合気が形成され、その形成された混合気が点火プラグにより火花点火されて燃焼することで、副室から主室に連通路を介して火炎ジェットが噴射されるように作動するように構成されている（例えば、特許文献１及び２を参照。）。
また、例えば発電所における比較的大型の発電機の駆動用として、上記のように作動する気筒を一のクランク軸に対して複数並設してなる所謂多気筒の副室式エンジンが利用される場合がある。

特開２００３−３１７８９７号公報 特開２００２−１３８８４２号公報

上記副室式エンジンでは、副室の内部が最も高温且つ高圧に晒される部分であるので、副室に設けられた点火プラグや副室用燃料供給弁等の部品の寿命は比較的短く、これら副室に設けられた部品に対しては比較的頻繁なメンテナンス（修理や交換）が必要となる。そして、このような副室に設けられた部品のメンテナンスは、副室からの新気の噴出による問題を防止するために、当該エンジンの運転を停止した状態で行う必要がある。
また、発電所における比較的大型の発電機の駆動用として多気筒式として構成される副室式エンジンでは、上記副室に設けられた部品のメンテナンスを行うために当該エンジンの運転を停止すると、必要な発電出力が得られなくなり、電力需要が契約電力を上回る所謂デマンドオーバが発生することが懸念される。

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、運転を継続しながら副室に設けられた部品のメンテナンスを安全に行うことができる多気筒式の副室式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副室式エンジンは、ピストンに面する主室と当該主室に連通路を介して連通する副室とからなる気筒を、一のクランク軸に対して複数並設してなる副室式エンジンであって、その第１特徴構成は、前記複数の気筒の夫々に、前記連通路を閉鎖状態に維持可能な連通路閉鎖弁を備えた点にある。

上記第１特徴構成によれば、複数の気筒のうちの一部の気筒において、上記連通路閉鎖弁により連通路を閉鎖状態に維持して副室を主室に対して隔離することで、他の気筒における燃焼によりクランク軸の回転駆動を継続して例えば必要な発電出力を得る状態でも、主室から連通路を通じた副室への新気の噴出が防止されるので、その副室に設けられた点火プラグや副室用燃料供給弁等の部品のメンテナンスを安全に行うことができる。

本発明に係る副室式エンジンの第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、前記複数の気筒の夫々に、吸気ポートを通流する空気に主室用燃料を混合して希薄混合気を形成する混合部を備えると共に、当該混合部への主室用燃料の供給を遮断状態に維持可能な主室用燃料遮断弁を備えた点にある。

上記第２特徴構成によれば、複数の気筒の夫々が、吸気ポートの混合部において空気に主室用燃料を供給して希薄混合気を形成し、その希薄混合気を吸気ポート及び吸気バルブを通じて主室に吸気するように構成されている場合には、それら複数の気筒のうちの一部の気筒において、上述したように上記連通路閉鎖弁により連通路を閉鎖状態に維持して副室に設けられた部品のメンテナンスを行うにあたり、上記主室用燃料遮断弁により混合部への主室用燃料の供給を遮断状態に維持することで、その一部の気筒に対する主室用燃料の浪費を防止することができる。

本発明に係る副室式エンジンの第３特徴構成は、上記第１乃至上記第２の何れかの特徴構成に加えて、前記複数の気筒の夫々が、吸気バルブ及び排気バルブを閉鎖状態に維持可能に構成されている点にある。

上記第３特徴構成によれば、複数の気筒のうちの一部の気筒において、上述したように上記連通路閉鎖弁により連通路を閉鎖状態に維持して副室に設けられた部品のメンテナンスを行うにあたり、吸気バルブ及び排気バルブを閉鎖状態に維持することで、その一部の気筒の主室における無駄な吸気及び排気が停止され、その吸気時及び排気時におけるガスの流入出によるポンピングロスを低減することができる。

本発明に係る副室式エンジンの第４特徴構成は、上記第１乃至上記第３の何れかの特徴構成に加えて、前記複数の気筒の夫々における異常燃焼の発生を判定する異常燃焼判定手段と、
前記複数の気筒の内、前記異常燃焼判定手段で異常燃焼が発生したと判定された気筒を認識可能な異常通知を外部に出力する通知手段とを備えた点にある。

上記第４特徴構成によれば、上記異常燃焼判定手段で失火やノッキングなどの異常燃焼が発生したと判定された気筒を認識可能な異常通知を外部に出力するので、その通知された気筒に対して、適切に、上述したように上記連通路閉鎖弁により連通路を閉鎖状態に維持して、副室に設けられた部品のメンテナンスを行って、その異常燃焼の発生原因を排除することができる。

本発明に係る副室式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。
副室式エンジン１００は、図１及び図２に示すように、ピストン２に面する主室１０と当該主室１０に連通路２０を介して連通する副室１１とからなる気筒１を、一のクランク軸１６に対して複数並設してなる所謂多気筒式に構成されている。

先ず、その気筒１の詳細構成について図１に基づいて説明する。
上記副室式エンジン１００に設けられた夫々気筒１は、主室１０に吸気された希薄混合気Ｍがピストン２の上昇に伴って圧縮されて連通路２０を通じて副室１１に流入し、その流入した希薄混合気Ｍに副室用燃料供給弁１３から副室用燃料Ｇ２が供給されて理論空燃比程度の混合気が形成され、その形成された混合気が点火プラグ１２により火花点火されて燃焼することで、副室１１から主室１０に連通路２０を介して火炎ジェットＦが噴射されるように作動するように構成されている。

即ち、上記気筒１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１５によってクランク軸１６の回転運動として出力される。
また、気体燃料ガスである都市ガス（１３Ａ）等を主室用燃料Ｇ１及び副室用燃料Ｇ２として利用するものであり、詳細については後述するが、主室用燃料Ｇ１は、混合部５ａへの主室用燃料Ｇ１の供給を遮断状態に維持可能な主室用燃料遮断弁２５を通じて、主室１０に吸気バルブ４を介して接続された吸気ポート５の混合部５ａに供給され、副室用燃料Ｇ２は、副室用燃料供給弁１３を通じて、副室１１に供給される。
尚、上記吸気バルブ４及び上記排気バルブ６は、適宜カム機構部（図示せず）などによりサイクル毎に開閉動作するように構成されているが、それらを閉状態に維持可能にも構成されている。

そして、この気筒１では、吸気行程において吸気バルブ４を開状態として、吸気ポート５から主室１０に空気と少量の主室用燃料Ｇ１との希薄混合気Ｍ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、この吸入した希薄混合気Ｍを圧縮して燃焼・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から排気ポート７に排ガスＥを排出するように運転される。

エンジン１００のシリンダヘッド９には、主室１０と共に、主室１０に連通路２０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、及び、副室１１に副室用燃料Ｇ２を供給可能な副室用燃料供給弁１３が設けられている。
尚、この副室用燃料供給弁１３は、強制的に開閉駆動されて副室用燃料Ｇ２の副室１１への供給状態をコントロール可能な機械式の開閉弁で構成することができるが、別に、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、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た逆止弁で構成しても構わない。

そして、この気筒１では、吸気行程において、ピストン２の下降に伴って、吸気ポート５から主室１０に開状態である吸気バルブ４を通じて希薄混合気Ｍが吸気される。一方、副室用燃料供給弁１３による副室１１への副室用燃料Ｇ２の供給は、吸気行程で開始され、次の圧縮行程の初期に停止される。

上記吸気行程に続く圧縮行程では、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の希薄混合気Ｍ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、その希薄混合気Ｍと副室用燃料Ｇ２とが混合されて、火花点火可能範囲内の当量比（例えば１．０程度）の混合気が形成される。
また、この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。

上記圧縮行程に続く燃焼・膨張行程では、上死点直前において、点火プラグ１２が作動されて、上記副室１１に形成された混合気が火花点火され燃焼し、更に、副室１１において燃焼が進み、副室１１の燃焼しなかった副室用燃料Ｇ２と共に、火炎ジェットＦが、連通路２０及び主室１０に開口する複数の噴孔２１を介して主室１０に噴出される。そして、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Ｍが燃焼され、高効率且つ低ＮＯｘとなる燃焼が行われて、ピストン２が押し下げられる。

上記燃焼・膨張行程に続く排気行程では、排気バルブ６が開状態とされて、ピストン２の下死点からの上昇に伴って、主室１０に存在する排ガスＥが排気ポート７に排出される。
尚、この排気ポート７には、主室１０から排出された排ガスＥの温度を検出する温度センサ２６が設けられている。

そして、上記気筒１において、一のクランク軸１６の回転に伴って当該クランク軸１６に連結棒１５を介して連結されているピストン２を往復動させながら、副室１１において点火プラグ１２による火花点火と副室用燃料供給弁１３による副室用燃料Ｇ２の供給を行って、上述したような吸気行程から排気行程までのサイクルを繰り返す状態で作動することで、クランク軸１６の回転駆動が維持されることになる。

更に、この副室式エンジン１００に設けられた複数の気筒１の夫々には、連通路２０を閉鎖状態に維持可能な連通路閉鎖弁３０が設けられている。
かかる連通路閉鎖弁３０は、所謂ソレノイドバルブとして構成されており、ソレノイド３３を励磁状態とする形態で作動して、弁体３１を下降させて連通路２０の上端開口部３２に当接させ、連通路２０を閉鎖状態に維持することができる。逆に、ソレノイド３３を非励磁状態とすると、弁体３１がコイルバネ３４の付勢力により副室１１の天井部付近まで上昇して、連通路２０が開放状態に維持される。即ち、この連通路閉鎖弁３０は、気筒１のサイクルとは関係なく、一定期間にわたって連通路２０を閉鎖状態に維持することができる。

そして、副室式エンジン１００は、図２に示すように、このような気筒１を、一のクランク軸１６に対して複数並設してなる多気筒式に構成されており、係る複数の気筒１のうちの少なくとも一部の気筒１において、上述したように、副室１１において点火プラグ１２による火花点火と副室用燃料供給弁１３による副室用燃料Ｇ２の供給を行って、吸気行程から排気行程までのサイクルを繰り返す所謂燃焼状態で作動することで、クランク軸１６の回転駆動が維持されるように構成されている。
以下、かかる副室式エンジン１００の多気筒式の詳細構成について、図２に基づいて説明する。
副室式エンジン１００は、夫々の気筒１のピストン２が連結棒１５によって一のクランク軸１６に接続されており、夫々のピストン２の往復動に従ってクランク軸１６が回転駆動する。
更に、大気から適宜過給機のコンプレッサ側を通じて取り込んだ空気Ａは、一の吸気マニホールド４１から夫々の気筒１の吸気ポート５に分配され、夫々の吸気ポート５の混合部５ａで主室用燃料遮断弁２５を通じて主室用燃料Ｇ１が供給されて希薄混合気Ｍとなって、吸気バルブ４を通じて主室１０に吸気される。
また、夫々の気筒１の主室１０から排気バルブ６を通じて排気ポート７に排出された排ガスＥは、一の排気マニホールド４２に取り込まれ、適宜過給機のタービン側や排ガス処理部を通じて大気に排出される。

そして、コンピュータからなる制御装置５０は、所定のプログラムを実行することにより、後述する特定気筒一時停止手段５１、異常燃焼判定手段５２、通知手段５３等の各種手段として機能するように構成されており、その手段の構成について以下に説明する。

上記制御装置５０が機能する特定気筒一時停止手段５１は、複数の気筒１のうち、副室１１に設けられた点火プラグ１２や副室用燃料供給弁１３等の部品のメンテナンスを行うべき気筒１を特定気筒１ａ（図２では最も右側の気筒１を特定気筒１ａとする。）に設定し、その特定気筒１ａに対して、ソレノイド３３を励磁状態とすることで連通路閉鎖弁３０を作動させて、連通路２０を閉鎖状態に維持する所謂連通路閉鎖処理を実行するように構成されている。
そして、このように連通路閉鎖処理が実行された特定気筒１ａにおいては、燃焼が停止されてピストン２を押し下げるような出力が発生しない状態となるが、他の気筒１が燃焼状態であることから、クランク軸１６の回転駆動及びピストン２の往復動が維持された状態となる。

そして、この特定気筒１ａでは、上記連通路閉鎖処理が実行されて連通路２０が閉鎖状態に維持されているので、主室１０から連通路２０を通じた副室１１への新気の噴出が防止された状態で、その副室１１に設けられた点火プラグ１２や副室用燃料供給弁１３等の部品のメンテナンスが行われることになる。
また、上記特定気筒一時停止手段５１は、上記連通路閉鎖処理において、点火プラグ１２による火花点火を停止したり、副室用燃料供給弁１３への副室用燃料Ｇ２の供給を停止するように構成することができる。そして、このように構成すれば、連通路２０が閉鎖状態に維持された特定気筒１ａの副室１１においては、確実に火花点火や副室用燃料Ｇ２の供給が停止されるので、上記メンテナンスを行うにあたり、点火プラグ１２及び副室用燃料供給弁１３の交換作業を適切に行うことができる。

更に、上記特定気筒一時停止手段５１は、上記特定気筒１ａに対して、上記連通路閉鎖処理を実行するにあたり、主室用燃料遮断弁２５を閉状態として、吸気ポート５への主室用燃料Ｇ１の供給を停止することで、その特定気筒１ａにおける主室用燃料Ｇ１の浪費を防止するように構成されている。

更に、上記特定気筒一時停止手段５１は、上記特定気筒１ａに対して、上記連通路閉鎖処理を実行するにあたり、吸気バルブ４及び排気バルブ６を閉鎖状態に維持することで、その特定気筒１ａの吸気時及び排気時におけるガスの流入出によるポンピングロスを低減するように構成されている。

上記制御装置５０が機能する異常燃焼判定手段５２は、複数の気筒１の夫々における異常燃焼の発生を判定するものであり、詳しくは、温度センサ２６で検出された排ガスＥの温度が異常に低下した気筒１に対して、副室用燃料供給弁１３で供給された副室用燃料Ｇ２が点火プラグ１２により火花点火されなかった所謂失火が発生していると判定するように構成されている。
更に、上記制御装置５０が機能する通知手段５３は、複数の気筒１の内、上記異常燃焼判定手段５２で異常燃焼が発生したと判定された気筒を認識可能な異常通知を外部に出力するものであり、詳しくは、上記失火が発生している気筒の属性（識別番号等）を、上記異常通知として、ディスプレイに表示したりスピーカで音声出力するように構成されている。

よって、使用者は、上記異常通知の出力により認識した上記失火が発生している気筒１を特定気筒１ａに設定して、上述した特定気筒一時停止手段５１を作動させることで、その特定気筒１ａにおける失火の原因と考えられる点火プラグ１２や副室用燃料供給弁１３等の部品のメンテナンスを適切に行って、失火の発生原因を排除することができる。

尚、上記実施形態では、複数の気筒１の夫々において、吸気ポート５の混合部５ａで空気Ａに主室用燃料Ｇ１を供給して希薄混合気Ｍを形成し、その希薄混合気Ｍを吸気バルブ４を通じて主室１０に吸気するように構成したが、例えば、上記混合部を吸気マニホールドの入口部分に設けて、当該混合部で形成された希薄混合気を当該吸気マニホールドから夫々の吸気ポートに分配した後に、夫々の主室１０に吸気するように構成しても構わない。尚、このように構成する場合には、上記特定気筒一時停止手段５１は、上記連通路閉鎖処理を実行するにあたり、主室用燃料遮断弁２５を閉状態とする処理は省略されるが、特定気筒の吸気バルブ４及び排気バルブ６が閉状態で維持されているので、その希薄混合気が特定気筒の主室に吸気されることはない。

運転を継続しながら副室に設けられた部品のメンテナンスを安全に行うことができる多気筒式の副室式エンジンを提供する点にある。

副室式エンジンに設けられた気筒の概略構成図 副室式エンジンの多気筒構造を示す概略構成図

符号の説明

１：気筒
１ａ：特定気筒
２：ピストン
４：吸気バルブ
５：吸気ポート
６：排気バルブ
７：排気ポート
１０：主室
１１：副室
１２：点火プラグ
１３：副室用燃料供給弁
１６：クランク軸
２０：連通路
２５：主室用燃料遮断弁
３０：連通路閉鎖弁
５０：制御装置
５１：特定気筒一時停止手段
５２：異常燃焼判定手段
５３：通知手段
１００：副室式エンジン
Ａ：空気
Ｅ：排ガス
Ｆ：火炎ジェット
Ｇ１，Ｇ２：燃料
Ｍ：希薄混合気

Claims (4)

1. ピストンに面する主室と当該主室に連通路を介して連通する副室とからなる気筒を、一のクランク軸に対して複数並設してなる副室式エンジンであって、
   前記複数の気筒の夫々に、前記連通路を閉鎖状態に維持可能な連通路閉鎖弁を備えた副室式エンジン。
2. 前記複数の気筒の夫々に、吸気ポートを通流する空気に主室用燃料を混合して希薄混合気を形成する混合部を備えると共に、当該混合部への主室用燃料の供給を遮断状態に維持可能な主室用燃料遮断弁を備えた請求項１に記載の副室式エンジン。
3. 前記複数の気筒の夫々が、吸気バルブ及び排気バルブを閉鎖状態に維持可能に構成されている請求項１又は２に記載の副室式エンジン。
4. 前記複数の気筒の夫々における異常燃焼の発生を判定する異常燃焼判定手段と、
   前記複数の気筒の内、前記異常燃焼判定手段で異常燃焼が発生したと判定された気筒を認識可能な異常通知を外部に出力する通知手段とを備えた請求項１〜３の何れか一項に記載の副室式エンジン。

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