JP2009097337A - ガス燃料内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】最大出力に対応した蓄圧室の容積を確保しつつ、低負荷運転域におけるガス燃料と空気との混合を充分に行うことができるガス燃料内燃機関を提供する。
【解決手段】クランク室圧縮式２行程のガス燃料内燃機関１であって、燃焼室１８に開口する燃焼室開口４ｂと、弁軸２０ａの軸方向一端に形成された傘状の弁頭２０ｂにより上記燃焼室開口４ｂを開閉するポペット弁２０と、該燃焼室開口４ｂに連通する蓄圧室２１と、該蓄圧室２１にガス燃料を供給する燃料供給弁２２と、上記蓄圧室２１の容積を機関運転条件に応じて変化させる開閉制御弁（容積可変機構）２３とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、クランク室圧縮式２行程のガス燃料内燃機関に関し、詳細にはポペット弁により燃焼室開口を開閉することによりガス燃料を気筒内に噴射供給するようにした内燃機関に関する。

クランク室圧縮式の２サイクル内燃機関では、燃料の吹き抜けを抑制するために、燃料を燃焼室に直接供給する場合がある。例えば、特許文献１では、燃焼室に開口する燃焼室開口をポペット弁により開閉し、燃焼室開口に連通接続された燃料供給通路からガソリン燃料を燃焼室に直接供給するようにしている。

一方、上記２サイクル内燃機関では、ＣＯ₂排気量低減や燃料コストの低減等を図るために、ガソリン燃料に代えてガス燃料を用いる場合がある。このようにガス燃料を用いる場合には、燃焼室開口に連通する蓄圧室を設け、該蓄圧室内にガス燃料を供給しておき、該燃焼室開口をポペット弁で開くことによりこのガス燃料を燃焼室内に噴射供給するようにしている。そしてこの場合、上記蓄圧室は、最大負荷時における必要燃料量が得られる容積に設定されている。

また上記ガス燃料内燃機関に採用されるポペット弁は、弁頭の外周長が長いことから、リフト量が小さくても必要な燃料供給開口面積は確保できる。このためポペット弁の開弁期間が短くても充分な量のガス燃料を気筒に供給でき、ポペット弁は高速高出力の内燃機関に適している。
特開平１０−３２５３８０号公報

ところで、上記蓄圧室の容積を最大出力が得られる容積に設定すると、低負荷運転域での必要ガス燃料量は供給できるものの、該ガス燃料の蓄圧室への噴射圧力が低下し、燃焼室内でのガス燃料と空気との混合が不十分となるおそれがある。即ち、比較的大径のポペット弁により、ガソリン燃料に比べて比重の軽いガス燃料を少量かつ低圧で供給しようとすると、該ガス燃料が気筒内においてポペット弁の弁頭付近に溜まり易く、空気との混合が充分に行われない場合がある。その結果、燃焼の悪化を招き、燃費，排気ガス性状が低下するとともに、ドライバビリティが悪化するという問題がある。

本発明は、上記従来の状況に鑑みてなされたもので、最大出力に対応した蓄圧室の容積を確保しつつ、低負荷運転域におけるガス燃料と空気との混合を充分に行うことができるガス燃料内燃機関を提供することを課題としている。

請求項１の発明は、クランク室圧縮式２行程のガス燃料内燃機関であって、燃焼室に開口する燃焼室開口と、弁軸の軸方向一端に形成された傘状の弁頭により上記燃焼室開口を開閉するポペット弁と、該燃焼室開口に連通する蓄圧室と、該蓄圧室にガス燃料を供給する燃料供給弁と、上記蓄圧室の容積を機関運転条件に応じて変化させる容積可変機構とを備えたことを特徴としている。

請求項２の発明は、請求項１において、上記容積可変機構は、低負荷運転域での上記蓄圧室の容積を高負荷運転域での蓄圧室の容積より小さくすることを特徴としている。

請求項３の発明は、請求項１又は２において、上記蓄圧室は複数設けられており、上記容積可変機構は、上記複数の蓄圧室の上記燃焼室開口への連通個数を変化させることを特徴としている。

請求項４の発明は、請求項３において、上記蓄圧室は、上記燃焼室開口に直接連通する主蓄圧室と、該主蓄圧室に連通路を介して連通する副蓄圧室とを有し、上記容積可変機構は、上記主蓄圧室と副蓄圧室とを、低負荷運転域では遮断し、高負荷運転域では連通させることを特徴としている。

請求項５の発明は、請求項４において、上記副蓄圧室は複数設けられており、上記容積可変機構は、複数の副蓄圧室の上記主蓄圧室への連通個数を変化可能に構成されていることを特徴としている。

請求項６の発明は、請求項４又は５において、上記燃料供給弁は、上記主蓄圧室又は連通路に燃料を供給することを特徴としている。

請求項７の発明は、請求項１ないし６の何れかにおいて、上記ポペット弁は、下死点後近傍において燃焼室開口を開き始めることを特徴としている。

請求項８の発明は、請求項７において、上記ポペット弁は、上記ピストンの排気ポート閉後に燃焼室開口を閉じることを特徴としている。

請求項９の発明は、請求項１ないし８の何れかにおいて、機関運転停止時には、上記燃料供給弁の燃料供給停止に遅延して点火プラグの点火を停止することを特徴としている。

請求項１０の発明は、請求項１において、燃焼室に開口する第１，第２燃焼室開口と、該第１，第２燃焼室開口を開閉する第１，第２ポペット弁と、上記第１，第２燃焼室開口に連通する第１，第２蓄圧室と、該第１，第２蓄圧室を連通する連通路と、該連通路を開閉する開閉制御弁と、上記一方の蓄圧室又は上記連通路の該一方の蓄圧室側部分にガス燃料を供給する燃料供給弁とを備え、上記容積可変機構は、低負荷運転域では上記開閉制御弁を閉とすることを特徴としている。

請求項１１の発明は、請求項１において、燃焼室に開口する第１，第２燃焼室開口と、該第１，第２燃焼室開口を開閉する第１，第２ポペット弁と、上記第１，第２燃焼室開口に連通する第１，第２蓄圧室と、上記第１，第２蓄圧室にガス燃料を供給する第１，第２燃料供給弁と、低負荷運転域では上記何れか一方の燃料供給弁から又は交互の燃料供給弁からガス燃料を供給する燃料供給弁制御手段とを備えたことを特徴としている。

請求項１２の発明は、請求項１１において、上記第１，第２蓄圧室は第１，第２燃焼室開口に直接連通する第１，第２主蓄圧室と、該第１，第２主蓄圧室に第１，第２連通路を介して連通する第１，第２副蓄圧室とを有し、上記容積可変機構は、上記副蓄圧室と連通路とを低負荷運転域では遮断し、高負荷運転域では連通することを特徴としている。

請求項１の発明に係るガス燃料内燃機関によれば、機関の運転条件に応じて蓄圧室の容積を変化させるようにしたので、低負荷運転域のような必要ガス燃料量の少ない運転域においてもガス燃料圧力を確保でき、かつ高負荷運転域での必要ガス燃料量を確保できる。これにより、全運転域においてガス燃料と空気との混合を良好に行うことができ、効率の良い燃焼を得ることができる。その結果、燃費及び排気ガス性状の悪化を防止できるとともに、ドライバビリティの悪化を防止できる。

請求項２の発明では、低負荷運転域での蓄圧室の容積を高負荷運転域での蓄圧室の容積より小さくしたので、低負荷運転域においても、蓄圧室内での必要なガス燃料圧力を保持することができる。その結果、少量のガス燃料であっても気筒内での貫通力を高めることができ、空気との混合を良好に行うことができる。

一方、高負荷運転域では、蓄圧室の容積を低負荷運転域の容積より大きくすることで、最大負荷時における必要な量のガス燃料を供給することができる。

請求項３の発明では、複数の蓄圧室を設け、該複数の蓄圧室の燃焼室開口への連通個数を変化させたので、運転状態に応じて蓄圧室の容積を変化させることができ、広い運転域において効率のよい燃焼を得ることができる。

請求項４の発明では、燃焼室開口に直接連通する主蓄圧室と、該主蓄圧室に連通する副蓄圧室とを設け、主蓄圧室と副蓄圧室とを低負荷運転域では遮断し、高負荷運転域では連通したので、運転状態に応じて主蓄圧室と副蓄圧室とを遮断，連通するだけで必要な蓄圧室容積を確保でき、簡単な構造でかつ安価で信頼性の高い容積可変機構を構成できる。

請求項５の発明では、複数の副蓄圧室を設け、該複数の副蓄圧室の主蓄圧室への連通個数を変化させたので、運転状態に応じて副蓄圧室の主蓄圧室への連通個数を変化させることにより、副蓄圧室全体の容積を変化させることができ、広い運転域において効率のよい燃焼を得ることができる。

請求項６の発明では、燃料供給弁からのガス燃料を主蓄圧室又は連通路に供給するようにしたので、ガス燃料を短時間で燃焼室に供給することができ、充填効率及び燃焼効率を高めることができる。

請求項７の発明では、ピストンが下死点後近傍に位置している時点で燃焼室開口を開き始めるようにしたので、つまり排気ポートが閉まる直前になってから燃料噴射を開始しているので、燃料ガスの吹き抜けや、燃料ガスによる空気の押し出し作用を抑制でき、燃費及び出力を改善できる。即ち、上述のように、ポペット弁により燃料ガスを供給するようにしているので、短期間に必要な量のガス燃料を供給でき、下死点後近傍で燃料噴射を開始しながら気筒内圧力が高くなる前に燃料噴射を終了できる。その結果、燃料ガス及び空気の燃焼利用率を向上でき、低燃費で高出力が得られる。

請求項８の発明では、排気ポートの閉後に燃焼室開口を閉じるようにしたので、燃料ガスを供給量を増加でき、充填効率及び燃焼効率を高めることができる。

請求項９の発明では、機関停止時に、燃料供給弁の燃料停止に遅延して点火プラグの点火を停止したので、燃焼室内にガス燃料が残ることによる未燃焼燃料の排出を防止できる。

即ち、内燃機関では、クランク軸の回転部分に慣性質量があるため点火を止めても直ちに回転を停止することができない。このため蓄圧室を設けた内燃機関では、イグニッションスイッチが切られても慣性でクランク軸が回転し、この回転に伴って、蓄圧室に残っているガス燃料が気筒内に排出された後、未燃焼のまま排気ポートから排出されることとなり、排気ガス性状改善上好ましくない。本発明では、機関停止時に燃料供給弁の作動を停止し、これに遅延して点火を停止するので、未燃焼ガス燃料の排出を抑制できる。

請求項１０の発明では、第１，第２燃焼室開口に連通する第１，第２蓄圧室を設け、一方の蓄圧室にガス燃料供給弁を配置し、上記両蓄圧室を連通する連通路に開閉制御弁を設け、低負荷運転域では、連通路を閉じ、一方の蓄圧室にガス燃料を供給するようにしたので、低負荷運転域における一方の蓄圧室内でのガス燃料の圧力を保持することができる。一方、高負荷運転域では、連通路を開とすることにより、最大負荷時における必要な量のガス燃料を確保することができる。

請求項１１の発明では、第１，第２蓄圧室に第１，第２燃料供給弁を設け、低負荷運転域では、何れか一方の燃料供給弁から又は交互の燃料供給弁からガス燃料を供給するようにしたので、気筒内への貫通力を強くすることができ、空気との混合が促進され、燃焼効率を向上できる。

即ち、ガス燃料を気筒内に直接噴射供給する内燃機関では、燃料噴射率を高くすることで短期間に空気との混合を良好にする必要がある。一方、空気の押し出しを抑制する目的で２つの燃料供給弁を用いる内燃機関では、低負荷運転域で２つの燃料供給弁から同時にガス燃料を供給すると、小流量の条件下では燃料供給弁の隙間から噴射するガス燃料圧力が低圧にならざるを得ない。これでは、空気との混合が充分に行われない。本発明では、一方の燃料供給弁，もしくは交互に燃料供給弁からガス燃料を噴射することで、気筒内への貫通力を高めることができ、空気との混合を促進できる。なお、交互に噴射するには、燃料供給弁を交互に開くことで可能である。さらに、ガス燃料を交互に噴射することで、ガス燃料で蓄圧室の掃気が交互に行われることになり、一方だけで噴射供給する場合に比べて蓄圧室の壁温度とポペット弁の弁頭の温度を均一にでき、信頼性と制御性が向上する。

請求項１２の発明では、第１，第２燃焼室開口にそれぞれ連通する第１，第２主蓄圧室と、該各主蓄圧室にそれぞれ連通路を介して連通する第１，第２副蓄圧室とを備え、低負荷運転域では副蓄圧室と連通路とを遮断し、高負荷運転域では連通するようにしたので、低負荷運転域でのガス燃料の圧力を保持することができ、かつ高負荷運転域での必要な量のガス燃料を確保することができる。

即ち、１つの気筒あたり２つの燃料供給弁を用いる内燃機関において、それぞれの主蓄圧室と副蓄圧室とを連通路で連通し、低負荷運転域では、連通路を閉じるとともに、一方の主蓄圧室のみにガス燃料を供給するようにしたので、低負荷運転域での燃料噴射効率を高くすることができ、空気との混合を向上できる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１ないし図５は、本発明の第１実施形態によるガス燃料内燃機関を説明するための図であり、図１，図２はガス燃料内燃機関の断面図、図３はガス燃料内燃機関の平面から見た概略構成図、図４（ａ）は容積可変機構の閉弁時の断面図、図４（ｂ）は容積可変機構の開弁時の断面図、図５は内燃機関の掃気，排気ポートの開閉タンミングの図である。

図において、１はクランク室圧縮式２サイクルのガス燃料内燃機関を示している。該ガス燃料内燃機関１は、上下分割式クランクケース２の上合面にシリンダブロック３を接続するとともに、該シリンダブロック３の上合面にシリンダヘッド４を接続し、上記クランクケース２のクランク室２ａ内にクランク軸５を収容配置するとともに、上記シリンダブロック３のシリンダボア（気筒）３ａ内にピストン６を摺動自在に配置し、該ピストン６をコンロッド７により上記クランク軸５のクランクピン５ａに連結した構造を有する。

上記クランクケース２には、クランク室２ａに連通する吸気通路２ｂが形成されている。この吸気通路２ｂには、クランク室２ａ内に流入した空気の逆流を阻止するリード弁１０が配置されている。

また上記吸気通路２ｂには、スロットル弁１１を内蔵するスロットルボディ１２が接続され、該スロットルボディ１２の上流側にはエアクリーナ１３が接続されている。

上記シリンダブロック３の気筒軸線ａを挟んだ吸気通路２ｂの反対側には排気ポート３ｂが形成されている。該排気ポート３ｂには、図示しない排気管が接続され、該排気管の下流端にはマフラが接続される。

上記シリンダブロック３には、上記ピストン６の下降によりクランク室２ａで圧縮された空気又はガソリン燃料と空気との混合気をシリンダボア３ａ内に導入する複数の掃気ポート３ｃが形成されている。この各掃気ポート３ｃのシリンダボア３ａ側開口は、排気ポート３ｂのシリンダボア側開口を囲むように周方向に所定間隔をあけて配置されている。

上記各掃気ポート３ｃのシリンダボア３ａ側開口上縁は、排気ポート３ｂのシリンダボア３ａ側開口上縁より若干下側に位置するよう形成されている。詳細には、各掃気ポート３ｃは、クランク軸５の回転角度でみると、排気ポート３ｂの開時期より例えば２０度程度遅れて開くように設定されている（図５参照）。

上記シリンダヘッド４のシリンダボア３ａに対向する下合面部分には、燃焼凹部４ａが形成されている。該燃焼凹部４ａと、シリンダボア３ａ及びピストン６が排気ポート閉じ位置に上昇したときの該ピストン６の頂面６ａとで囲まれた部分が燃焼室１８となっている。

上記シリンダヘッド４には点火プラグ１９が装着され、該点火プラグ１９の電極部１９ａは燃焼凹部４ａの内表面付近に位置している。この点火プラグ１９は、クランク軸方向に見ると、気筒軸線ａ近傍でかつ排気ポート３ｂ側に配置され、かつ該気筒軸線ａに対して所定角度をなすよう排気側に傾斜させて配置されている。

上記ガス燃料内燃機関１は、上記燃焼室１８に開口する１つの燃焼室開口４ｂと、該燃焼室開口４ｂを開閉する１つのポペット弁２０と、上記燃焼室開口４ｂに連通する蓄圧室２１と、該蓄圧室２１にガス燃料を供給する１つのガス燃料供給弁２２と、上記蓄圧室２１の容積を機関運転条件に応じて変化させるソレノイド型開閉制御弁（容積可変機構）２３とを備えており、詳細には以下の構造を有する。

上記燃焼室開口４ｂは、上記シリンダヘッド４の燃焼凹部４ａの気筒軸線ａを挟んだ点火プラグ１９の反対側に、かつ該点火プラグ１９に隣接するよう形成されている。

上記ポペット弁２０は、クランク軸方向に見ると、気筒軸線ａを挟んだ排気ポート３ｂの反対側でかつ該気筒軸線ａに対して所定角度をなすよう傾斜させて配置されている。詳細には、クランク軸方向に見たとき、上記ポペット弁２０は、これの中心線ｃが上記気筒軸線ａに下死点に位置するピストン６の頂面近傍にて交差するよう配置されている。

上記ポペット弁２０は、棒状の弁軸２０ａと、該弁軸２０ａの下端に形成された円板傘状の弁頭２０ｂとを有しており、該弁頭２０ｂの弁裏面が上記燃焼室開口４ｂの周縁に当接している。

上記ポペット弁２０の弁軸２０ａは、シリンダヘッド４に圧入固定された円筒状のバルブガイド２４により摺動自在に支持されている。また上記弁軸２０ａの上端部にはリテーナ２５が装着され、該リテーナ２５とシリンダヘッド４のばね受け座４ｃとの間には、ポペット弁２０を常時閉方向に付勢するばね２６が介設されている。

上記弁軸２０ａとバルブガイド２４との間には、両者の隙間に侵入したガス燃料を蓄圧室２１側に戻すリーク燃料導入通路２７が形成されている。

上記シリンダヘッド４の上面には、ポペット弁２０を囲むように上方に延びる大略筒状のカム収容部４ｄが形成され、該カム収容部４ｄとこれの上端開口を閉塞するよう配置された蓋部材２８とで油密なカム室３０が形成されている。

上記カム室３０内には上記ポペット弁２０を開閉駆動する動弁機構３１が配設されている。この動弁機構３１は、カム軸３５と、該カム軸３５とポペット弁２０の弁軸２０ａとの間に介設されたロッカアーム３３とを有する。

該ロッカアーム３３は、その基部３３ａが支持軸３２により上下揺動可能に支持され、先端部３３ｂが上記ポペット弁２０の弁軸２０ａの上端面に当接している。また上記ロッカアーム３３にはカム当接部３４が回転自在に装着され、該カム当接部３４に上記カム軸３５が摺接している。

上記カム軸３５は、クランク軸５と平行に配置され、不図示のタイミングベルトを介して該クランク軸５により回転駆動される。上記カム軸３５の回転に伴って、該カム軸３５のカムノーズ３５ａがロッカアーム３３を介してポペット弁２０を開閉駆動する。該カム軸３５のカムノーズ３５ａは、ポペット弁２０の弁リフト量が例えば０．７〜１ｍｍ程度となるようその突出量，形状が設定されている。

上記ポペット弁２０は、ピストン６が下死点後近傍に位置する時点で燃焼室開口４ｂを開き始め、該ピストン６が排気ポート３ｂを閉じた後に燃焼室開口４ｂを閉じるよう設定されている。詳細には、クランク軸５の回転方向に見て、排気ポート３ｂ及び掃気ポート３ｃの両方が開いている期間で、かつ下死点後３０度以降にて開き始め、排気ポート３ｂの閉後１５度以降にて閉じるよう設定されている。

上記蓄圧室２１は、上記燃焼室開口４ｂに直接連通する主蓄圧室３８と、該主蓄圧室３８に連通路３９を介して連通する副蓄圧室４０とを有する。なお、連通路３９も蓄圧室として機能する。

上記主蓄圧室３８は、燃焼室開口４ｂに続いて弁軸２０ａの下部外周部を囲むようにシリンダヘッド４に形成されている。該主蓄圧室３８の容積は、副蓄圧室４０の容積より小さい値に設定されている。詳細には、主蓄圧室３８は、最小負荷運転時における必要なガス燃料量を確保でき、かつ燃焼室１８内を貫通するガス圧力を保持できる容積に設定されている。

上記主蓄圧室３８に連通路３９及び副蓄圧室４０を加えた上記蓄圧室２１の全容積は、最大負荷運転時における必要なガス燃料量を確保できる大きさに設定されている。

上記連通路３９は、シリンダヘッド４に形成され、主蓄圧室３８から気筒軸線ａと直角方向に延びて上記副蓄圧室４０に連通接続されている。

上記副蓄圧室４０は、シリンダヘッド４の気筒軸線ａを挟んだ反排気ポート３ｂ側端面に接続された蓄圧タンク４１により構成されている。

該蓄圧タンク４１は、上記副蓄圧室４０を形成する密閉状のタンク本体４１ａと、該副蓄圧室４０と上記連通路３９とを連通する連通孔４１ｂと、該連通孔４１ｂの中途部に該連通孔４１ｂの軸線に直交するよう形成されたハウジング収納部４１ｃとを有する。

上記ガス燃料供給弁２２は、ソレノイド式のものであり、カム収容部４ｄと蓄圧タンク４１との間に、かつポペット弁２０側に近接するよう配置されている。該ガス燃料供給弁２２は、燃料噴射口２２ａが上記連通路３９の主蓄圧室３８近傍部分に位置するようシリンダヘッド４に装着されている。ガス燃料供給弁２２から供給されたガス燃料は、連通路３９から主蓄圧室３８に所定圧力で一旦蓄えられ、ポペット弁２０が開くと燃焼開口４ｂと弁頭２０ｂとの隙間から燃焼室１８内に噴射供給される。

上記開閉制御弁２３は、蓄圧タンク４１に一体的に組付けられている。該開閉制御弁２３は、上記ハウジング収納部４１ｃ内に挿入固定され、上記連通孔４１ｂに連通する連通孔２３ｂが形成されたハウジング２３ａと、該ハウジング２３ａ内に配置され、連通孔２３ｂを遮断する閉位置と、その小径部２３ｆにより上記連通路３９を上記副蓄圧室４０に連通させる開位置との間で移動可能な弁体２３ｃと、該弁体２３ｃを閉方向に常時付勢するばね２３ｄと、上記ハウジング２３ａに接続固定され、通電時に上記弁体２３ｃを開位置に移動させる電磁コイル部２３ｅとを有する。

上記弁体２３ｃは、非通電時には、ばね２３ｄにより副蓄圧室４０と連通路３９とを遮断している（図４（ａ）参照）。電磁コイル部２３ｅに通電すると弁体２３ｃが移動し、該弁体２３ｃの小径部２３ｆが副蓄圧室４０と連通路３９とを連通させる（図４（ｂ）参照）。

上記内燃機関１は、機関回速度，スロットル開度等に基づく内燃機関１の運転状態に応じて点火プラグ１９の点火時期、ガス燃料供給弁２２からのガス燃料供給量，供給時期を制御するＥＣＵ４３を備えている。

上記ＥＣＵ４３は、内燃機関１の運転条件に応じて開閉制御弁２３による上記連通路３９の開閉を制御する。詳細には、低負荷運転域では、開閉制御弁２３を閉じ、高負荷運転域では開閉制御弁２３を開ける。これにより低負荷運転域では、ガス燃料は主蓄圧室３８からのみ燃焼室１８に供給される。一方、高負荷運転域では、ガス燃料は主蓄圧室３８及び副蓄圧室４０の両方から燃焼室１８に供給される。

上記ＥＣＵ４３は、機関運転停止時には、ガス燃料供給弁２２への燃料供給を停止し、該燃料供給停止に遅延して点火プラグ１９の点火を停止する。詳細には、イグニッションスイッチがオフされると、直ちにガス燃料供給弁２２から蓄圧室への燃料供給が停止され、所定時間経過後に点火プラグ１９による点火が停止される。

本実施形態によれば、低負荷運転域では、ガス燃料を主蓄圧室３８のみから燃焼室１８に供給し、高負荷運転域では、ガス燃料を主蓄圧室３８及び副蓄圧室４０の両方から燃焼室１８に供給するようにしたので、蓄圧室の容積を内燃機関１の運転条件に応じた蓄圧室容積にすることができ、低負荷運転域でのガス燃料の供給圧力を確保でき、かつ高負荷運転域での必要ガス燃料量を確保できる。これにより、全運転域においてガス燃料と空気との混合を良好に行うことができ、高い燃焼性を得ることができる。その結果、燃費及び排気ガス性状の悪化を防止できるとともに、ドライバビリティの悪化を防止できる。

上記低負荷運転域での蓄圧室容積は、高負荷運転域での蓄圧室容積より小さいことから、低負荷運転域における主蓄圧室３８内でのガス燃料の噴射圧力を保持することができる。その結果、少量のガス燃料であっても燃焼室１８内での貫通力を高めることができ、空気との混合を良好に行うことができる。

本実施形態では、燃焼室開口４ｂに直接連通する主蓄圧室３８と、該主蓄圧室３８に連通路３９を介して連通接続された副蓄圧室４０とを設け、連通路３９を、開閉制御弁２３により低負荷運転域では遮断し、高負荷運転域では連通させたので、運転状態に応じて開閉制御弁２３を開閉制御するだけの簡単かつ安価な構造で、信頼性の高い容積可変機構を構成できる。

本実施形態では、ガス燃料供給弁２２からのガス燃料を主蓄圧室３８近傍の連通路３９に供給したので、ガス燃料を瞬時に燃焼室１８に供給することができ、充填効率及び燃焼効率を高めることができる。

本実施形態では、下死点後近傍で燃焼室開口４ｂを開くようにしたので、低燃費かつ高出力運転を実現できる。

即ち、ポペット弁２０の場合、燃料噴射通路面積が大きいので、圧縮行程が始まる直前付近からガス燃料の噴射を開始しても、燃焼室１８内の圧力が燃料噴射圧力より高くなる前にガス燃料の噴射を終了させることができる。そしてピストン６が排気ポート３ｂを閉じる直前付近からガス燃料を噴射開始することにより、ガス燃料の吹き抜けや該ガス燃料による空気の押し出し作用を抑制できる。その結果、燃料や空気の燃焼利用率を向上でき、低燃費で高出力が得られる。

本実施形態では、排気ポート３ｂの閉後に燃焼室開口４ｂを閉じるようにしたので、十分な燃料噴射期間を確保でき、充填効率及び燃焼効率を高めることができる。

本実施形態では、機関停止時には、ガス燃料供給弁２２の燃料供給停止に遅延して点火プラグ１９の点火を停止したので、燃焼室１８内にガス燃料が未点火で残ることによる未燃焼燃料の排出を防止できる。

即ち、内燃機関では、クランク軸５の回転部分に慣性質量があるため直ちに回転を停止することができない。このためイグニッションスイッチがオフされても慣性力でクランク軸５が回転し、この回転に伴って主蓄圧室３８に残ったガス燃料が燃焼室１８内に吸引され、そのまま排出されると排気ガス性状が悪化する。本実施形態では、機関停止時に燃料供給弁２２の作動を停止し、これに遅延して点火プラグ１９の点火を停止するので、上記燃焼室１８内に吸引されたガス燃料は点火により燃焼し、未燃焼ガス燃料の排出を防止できる。

図６ないし図８は、本発明の第２実施形態によるガス燃料内燃機関を説明するための図であり、図中、図２〜図４と同一符号は同一又は相当部分を示す。

本実施形態のガス燃料内燃機関は、燃焼室１８に開口する１つの燃焼室開口４ｂと、該燃焼室開口４ｂを開閉する１つのポペット弁２０と、上記燃焼室開口４ｂに連通する主蓄圧室３８と、該主蓄圧室３８に連通路３９を介して連通された副蓄圧室４０と、主蓄圧室２１にガス燃料を供給する１つのガス燃料供給弁２２とを備えており、基本的な構造は第１実施形態と同様である。

本実施形態の副蓄圧室４０は、第１副蓄圧室４０ａと、該第１副蓄圧室４０ａより容積の大きい第２副蓄圧室４０ｂとを有する。

そして開閉制御弁２３は、第１，第２副蓄圧室４０ａ，４０ｂの主蓄圧室３８への連通個数を変化可能に構成されている。詳細には、開閉制御弁２３の弁体２３ｃは、第１，第２副蓄圧室４０ａ，４０ｂの両方の主蓄圧室３８への連通を遮断する遮断位置（図７参照）と、第１副蓄圧室４０ａと主蓄圧室３８とを連通さはる第１連通位置（図８（ａ）参照）と、第２副蓄圧室４０ｂと主蓄圧室３８とを連通させる第２連通位置（図８（ｂ）参照）との間で切り替え制御される。

本実施形態では、副蓄圧室４０を第１，第２副蓄圧室４０ａ，４０ｂで構成し、該第１，第２副蓄圧室４０ａ，４０ｂの主蓄圧室３８への連通個数を変化させるように構成したので、運転状態に応じて蓄圧室の容積を３つに変化させることができ、より広い運転域における燃焼効率を高めることができる。

なお、上記第１，第２副蓄圧室４０ａ，４０ｂの両方を主蓄圧室３８に連通させる第３連通位置を有する構成とすることもでき、このようにすればより一層広い運転域における燃焼効率を高めることができる。

図９は、本発明の第３実施形態によるガス燃料内燃機関を説明するための図であり、図中、図７と同一符号は同一又は相当部分を示す。

本実施形態は、第１副蓄圧室４０ａと主蓄圧室３８とを連通する連通路４１ｂに第１開閉制御弁２３を介設し、第２副蓄圧室４０ｂと上記主蓄圧室３８とを連通する連通路４１ｂ′に第２開閉制御弁２３′を介設している。

本実施形態では、低負荷運転域では、第１，第２開閉制御弁２３，２３′の両方を閉じ、高負荷運転域では、第１，第２開閉制御弁２３，２３′の何れか一方を開けるか、または両方を開けることにより、蓄圧室の容積を４つに変化させることができ、この場合には、より一層広い運転域における燃焼効率を高めることができる。

図１０は、本発明の第４実施形態によるガス燃料内燃機関を説明するための図であり、図中、図３と同一符号は同一又は相当部分を示す。

第４実施形態のガス燃料内燃機関は、１つの燃焼室１８に開口する第１，第２燃焼室開口４ｂ，４ｂ′と、該各燃焼室開口４ｂ，４ｂ′を開閉する第１，第２ポペット弁２０，２０′と、上記各燃焼室開口４ｂに連通する第１，第２主蓄圧室３８，３８′と、該両主蓄圧室３８，３８′同士を連通する連通路３９と、該連通路３９を開閉する開閉制御弁２３と、上記一方の主蓄圧室３８′にガス燃料を供給する１つのガス燃料供給弁２２と、各々の燃焼室開口４ｂに近接して配置された２つの点火プラグ１９，１９とを備えている。

そして上記開閉制御弁２３は、連通路３９を、低負荷運転域では閉じ、高負荷運転域では開く。

本実施形態では、２つの燃焼室開口４ｂ，４ｂ′にそれぞれ主蓄圧室３８，３８′を設け、一方の主蓄圧室３８′にガス燃料供給弁２２を配置し、上記両主蓄圧室３８，３８′同士を連通する連通路３９に開閉制御弁２３を設け、低負荷運転域では、連通路３９を閉じ、一方の主蓄圧室３８′にガス燃料を供給するようにしたので、低負荷運転域における一方の主蓄圧室３８′内でのガス燃料の圧力を保持することができる。また高負荷運転域では、連通路３９を開くことにより、両方の主蓄圧室３８から燃焼室１８にガス燃料を供給でき、最大負荷時における必要なガス燃料量を確保することができる。

図１１は、本発明の第５実施形態によるガス燃料内燃機関を説明するための図であり、図１０と同一符号は同一又は相当部分を示す。

第５実施形態の内燃機関は、１つの燃焼室１８に開口する第１，第２燃焼室開口４ｂ，４ｂ′と、該各燃焼室開口４ｂ，４ｂ′を開閉する第１，第２ポペット弁２０，２０′と、上記各々の燃焼室開口４ｂ，４ｂ′に連通する２つの主蓄圧室３８，３８′と、上記各々の主蓄圧室３８，３８′にガス燃料を供給する第１，第２ガス燃料供給弁２２，２２′とを備えている。

そして低負荷運転域では、上記何れか一方のガス燃料供給弁から又は交互のガス燃料供給弁からガス燃料を供給する。

本実施形態では、各主蓄圧室３８，３８′にそれぞれガス燃料供給弁２２，２２′を設け、低負荷運転域では、何れか一方のガス燃料供給弁から又は交互の燃料供給弁からガス燃料を供給するようにしたので、気筒内への貫通力を強くすることができ、空気との混合が促進され、燃焼効率を向上できる。

即ち、ガス燃料を気筒内に直接噴射供給する内燃機関では、燃料噴射率を高くすることで短期間に空気との混合を良好にする必要がある。一方、空気の押し出しを抑制する目的で２つのガス燃料供給弁２２，２２′を用いる内燃機関においては、低負荷運転域で２つのガス燃料供給弁２２，２２′から同時にガス燃料を供給すると、小流量の条件下では燃料供給弁の隙間から噴射するガス燃料圧力が低圧になるという懸念があり、空気との混合が充分に行われない場合がある。

本実施形態では、一方のガス燃料供給弁，もしくは交互のガス燃料供給弁からガス燃料を噴射したので、気筒内への貫通力を高めることができ、空気との混合を促進できる。さらにガス燃料を交互に噴射した場合には、ガス燃料で主蓄圧室３８，３８′の掃気が交互に行われることになり、一方のガス燃料供給弁だけでガス燃料を供給する場合に比べて主蓄圧室３８，３８′の壁温度とポペット弁２０，２０′の弁頭２０ｂの温度を均一にでき、信頼性と制御性が向上する。

図１２及び図１３は、本発明の第６実施形態によるガス燃料内燃機関を説明するための図であり、図１０と同一符号は同一又は相当部分を示す。

第６実施形態の内燃機関は、１つの燃焼室１８に開口する第１，第２燃焼室開口４ｂ，４ｂ′と、該各々の燃焼室開口を開閉する第１，第２ポペット弁２０，２０′と、上記各々の燃焼室開口に連通する第１，第２主蓄圧室３８，３８′と、上記各々の主蓄圧室３８にガス燃料を供給する第１，第２ガス燃料供給弁２２，２２′と、さらに各々の主蓄圧室３８，３８′と副蓄圧室４０，４０′とを連通する第１，第２連通路３９，３９′とを備えている。

開閉制御弁２３は、低負荷運転域では、各々の副蓄圧室４０ａ，４０ｂと主蓄圧室３８，３８′とを遮断し、高負荷運転域では、各々の副蓄圧室４０ａ，４０ｂと主蓄圧室３８，３８′とを連通する。

本実施形態では、低負荷運転域における各々の主蓄圧室３８，３８′内でのガス燃料の圧力を保持することができ、高負荷運転域では、各々の主蓄圧室３８，３８′と副蓄圧室４０ａ，４０ｂとで最大負荷時における必要な量のガス燃料を確保することができる。

図１４は、本発明の第７実施形態によるガス燃料内燃機関を説明するための図であり、図中、図２と同一符号は同一又は相当部分を示す。

本実施形態は、燃焼室開口４ｂに連通する燃料供給通路１７を気筒軸線ａと直交する方向に形成し、該燃料供給通路１７にこれと同軸をなすようガス燃料供給弁２２を装着した構造を有する。

上記燃料供給通路１７は、シリンダヘッド４にポペット弁２０の弁軸２０ａの下端部を囲むように形成された主蓄圧室３８に連通している。該主蓄圧室３８は、最小負荷運転時における必要なガス燃料量を確保でき、かつ燃焼室１８内を貫通するガス圧力を保持できる容積に設定されている。

また各燃料供給通路２１の中途部には第１副連通路４０ｄを介して第１副蓄圧室４０ａが連通しており、該第１副蓄圧室４０ａには第２副連通路３９を介して第２副蓄圧室４０ｂが連通している。

上記燃料供給通路１７と第１副連通路４０ｄとの接続部には、該第１副連通路４０ｄを燃料供給通路１７に連通させ、又は遮断するスプール弁型の切換制御弁４８が介設されている。該切換制御弁４８は、低負荷運転域では第１副連通路４０ｄを閉じ、中・高負荷運転域では開けるよう制御される。

上記第１副蓄圧室４０ａは、シリンダヘッド４のポペット弁２０とガス燃料供給弁２２との間に凹設された凹み４ｅにより構成されている。

上記第２副蓄圧室４０ｂは、蓄圧タンク４１により構成されている。該蓄圧タンク４１は、第２副蓄圧室４０ｂを形成する密閉状のタンク本体４１ａと、上記第２副連通路３９が形成された連通部４１ｂと、上記凹み４ｅを閉塞するようシリンダヘッド４に取り付け固定されたフランジ部４１ｄとを有する。

上記主蓄圧室３８及び第１，第２副蓄圧室４０ａ，４０ｂを加えた全容積は、最大負荷運転時における必要なガス燃料量を確保できる大きさに設定されている。

上記蓄圧タンク４１の連通部４１ｂには、第２副連通路３９を開閉する開閉制御弁４２が介設されている。該開閉制御弁４２は、例えば低・中負荷運転域では第２副連通路３９を閉じ、高負荷運転域では第２副連通路３９を開けるよう制御される。

上記内燃機関１の内部にはリーク燃料導入通路２７が形成されている。詳細には、バルブガイド部材２４のガイド孔２４ａと弁軸２０ａとの間に連通するよう該バルブガイド部材２４に形成された連通孔２４ｂと、該連通孔２４ｂからシリンダヘッド４内を気筒軸線ａと直交する方向に延びるよう該シリンダヘッド４に形成された第１リーク通路２７ａと、該第１リーク通路２７ａに続いて上記シリンダヘッド４及びシリンダブロック３内を気筒軸線ａと平行に延びるよう該シリンダヘッド４及びシリンダブロック３に渡って形成された第２リーク通路２７ｂと、該第２リーク通路２７ｂの下流端部に介設され、リーク燃料の逆流を阻止するリード弁４５と、該リード弁４５の下流側と掃気ポート３ｃとを連通するリーク連通路２７ｄとを有する。

なお、上記第１，第２リーク通路２７ａ，２７ｂの形成位置，形成方向が、上記例に限定されないのは勿論であり、要はシリンダヘッド，シリンダブロック内に形成すれば良い。

本実施形態では、燃焼室開口４ｂに主蓄圧室３８を連通させ、該主蓄圧室３８に連通する燃料供給通路２１に第１，第２副蓄圧室４０ａ，４０ｂを連通させ、切換制御弁４８により第１副連通路４０ｄを低負荷運転域では遮断し、高負荷運転域では連通するようにしたので、簡単かつ安価な構造でかつ信頼性の高い容積可変機構を構成でき、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。

本実施形態では、リーク燃料導入通路２７をシリンダヘッド４内及びシリンダブロック３内を通るよう内燃機関１の内部に形成したので、リーク燃料導入通路２７の通路長さを短くすることができ、それだけ通路容積も小さくできる。その結果、気筒内への過剰な量のリーク燃料導入を抑制でき、空燃比のばらつきを防止できる。またリーク燃料導入通路２７を内燃機関１の内部に形成したので、通路構造を簡単にできるとともに、部品点数を低減でき、かつ組立て性を向上できる。

本発明の第１実施形態によるガス燃料内燃機関の断面図である。 上記ガス燃料内燃機関の断面図である。 上記内燃機関の平面から見た概略構成図である。 上記内燃機関の容積可変機構の断面図である。 上記内燃機関の掃気，排気ポートの開閉タンミングの図である。 本発明の第２実施形態によるガス内燃機関の断面図である。 上記内燃機関の平面から見た概略構成図である。 上記内燃機関の容積可変機構の断面図である。 本発明の第３実施形態による内燃機関の平面から見た概略構成図である。 本発明の第４実施形態による内燃機関の平面から見た概略構成図である。 本発明の第５実施形態による内燃機関の平面から見た概略構成図である。 本発明の第６実施形態による内燃機関の平面から見た概略構成図である。 上記内燃機関の容積可変機構の断面図である。 本発明の第７実施形態による内燃機関の断面図である。

符号の説明

１ ガス燃料内燃機関
３ｂ 排気ポート
４ｂ 燃焼室開口
６ ピストン
１８ 燃焼室
１９ 点火プラグ
２０ ポペット弁
２０ａ 弁軸
２０ｂ 弁頭
２１ 蓄圧室
２２ ガス燃料供給弁
２３ 開閉制御弁（容積可変機構）
３８ 主蓄圧室
３９ 連通路
４０ 副蓄圧室
４０ａ 第１副蓄圧室
４０ｂ 第２副蓄圧室

Claims (12)

1. クランク室圧縮式２行程のガス燃料内燃機関であって、
   燃焼室に開口する燃焼室開口と、弁軸の軸方向一端に形成された傘状の弁頭により上記燃焼室開口を開閉するポペット弁と、該燃焼室開口に連通する蓄圧室と、該蓄圧室にガス燃料を供給する燃料供給弁と、上記蓄圧室の容積を機関運転条件に応じて変化させる容積可変機構とを備えたことを特徴とするガス燃料内燃機関。
2. 請求項１において、上記容積可変機構は、低負荷運転域での上記蓄圧室の容積を高負荷運転域での蓄圧室の容積より小さくすることを特徴とするガス燃料内燃機関。
3. 請求項１又は２において、上記蓄圧室は複数設けられており、上記容積可変機構は、上記複数の蓄圧室の上記燃焼室開口への連通個数を変化させることを特徴とするガス燃料内燃機関。
4. 請求項３において、上記蓄圧室は、上記燃焼室開口に直接連通する主蓄圧室と、該主蓄圧室に連通路を介して連通する副蓄圧室とを有し、上記容積可変機構は、上記主蓄圧室と副蓄圧室とを、低負荷運転域では遮断し、高負荷運転域では連通させることを特徴とするガス燃料内燃機関。
5. 請求項４において、上記副蓄圧室は複数設けられており、上記容積可変機構は、複数の副蓄圧室の上記主蓄圧室への連通個数を変化可能に構成されていることを特徴とするガス燃料内燃機関。
6. 請求項４又は５において、上記燃料供給弁は、上記主蓄圧室又は連通路に燃料を供給することを特徴とするガス燃料内燃機関。
7. 請求項１ないし６の何れかにおいて、上記ポペット弁は、下死点後近傍において燃焼室開口を開き始めることを特徴とするガス燃料内燃機関。
8. 請求項７において、上記ポペット弁は、上記ピストンの排気ポート閉後に燃焼室開口を閉じることを特徴とするガス燃料内燃機関。
9. 請求項１ないし８の何れかにおいて、機関運転停止時には、上記燃料供給弁の燃料供給停止に遅延して点火プラグの点火を停止することを特徴とするガス燃料内燃機関。
10. 請求項１において、燃焼室に開口する第１，第２燃焼室開口と、該第１，第２燃焼室開口を開閉する第１，第２ポペット弁と、上記第１，第２燃焼室開口に連通する第１，第２蓄圧室と、該第１，第２蓄圧室を連通する連通路と、該連通路を開閉する開閉制御弁と、上記一方の蓄圧室又は上記連通路の該一方の蓄圧室側部分にガス燃料を供給する燃料供給弁とを備え、上記容積可変機構は、低負荷運転域では上記開閉制御弁を閉とすることを特徴とするガス燃料内燃機関。
11. 請求項１において、燃焼室に開口する第１，第２燃焼室開口と、該第１，第２燃焼室開口を開閉する第１，第２ポペット弁と、上記第１，第２燃焼室開口に連通する第１，第２蓄圧室と、上記第１，第２蓄圧室にガス燃料を供給する第１，第２燃料供給弁と、低負荷運転域では上記何れか一方の燃料供給弁から又は交互の燃料供給弁からガス燃料を供給する燃料供給弁制御手段とを備えたことを特徴とするガス燃料内燃機関。
12. 請求項１１において、上記第１，第２蓄圧室は第１，第２燃焼室開口に直接連通する第１，第２主蓄圧室と、該第１，第２主蓄圧室に第１，第２連通路を介して連通する第１，第２副蓄圧室とを有し、上記容積可変機構は、上記副蓄圧室と連通路とを低負荷運転域では遮断し、高負荷運転域では連通することを特徴とするガス燃料内燃機関。

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