JP2009197704A - 副室式ガスエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】従来の副室式ガスエンジンでは、主室から副室連通路を通り副室に燃料が流入する際、複数の副室噴孔間で流量のアンバランスが生じ、副室内において、ガス濃度分布が不均一となり着火ロバスト性が向上し難い可能性がある。
【解決手段】そのために、本発明の副室式ガスエンジンは、シリンダ内の主室と、シリンダヘッドの中央に設けられた副室と、前記副室の下部に設けられ前記主室と連通する連通路と、前記副室に燃料ガスを導入するトーチガス導入通路と、前記副室に設けられた着火装置とを備えた副室式ガスエンジンにおいて、前記連通路に偏流低減装置を備えたことを特徴とする。これにより、副室内ガス濃度の均一化を促進することにより、着火ロバスト性を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、副室式ガスエンジンに関し、特に副室内ガス濃度の均一化を促進する副室ガス式エンジンに関する。

従来から、気薄混合ガス燃料をエンジンの主室に導入するとともに、主室に隣接して設けられた副室内で着火しやすい濃度の混合ガス燃料に着火させ、複数の噴孔から噴出する火炎により主室に向けてトーチを形成して、主室内の気薄混合ガス燃料を燃焼させる副室式ガスエンジンが知られている。

副室式ガスエンジンの従来の技術として、図９に示すように、シリンダヘッド１０ａのほぼ中央に副室を有し、かつ副室の上部から点火用補助ガスを流入させる通路１０１を有し、さらに点火プラグ１３によって副室内で点火し、主燃焼室内へ副室噴孔４からトーチを形成する火花点火エンジンにおいて、前記副室の前記点火プラグ１３の前方に、断面が円弧状に絞られたスロート状通路１０４を設けて、副室の下部室１０３に縦旋回流等の流を生じさせる一方、副室の上部室１０２の点火プラグ１３付近では比較的穏やかな流れで乱れの少ない濃混合気が形成され安定した点火を得ようとする副室式ガスエンジンが知られている（例えば、特許文献１）。

しかしながら、特許文献１に記載のものでは、主室から副室に燃料が流入する際、複数の噴孔４間で流量のアンバランスが生じ、特に下部室１０３内の流況が安定しないことがある。また、上部室１０２内においても、ガス濃度分布が不均一となり着火ロバスト性を向上させられないという問題がある。

また、図１０に示すように、シリンダヘッドのほぼ中央に副室１０６を持ち、その内部へ点火しやすい混合比のガス燃料をトーチ用ガス燃料導管１０１から導き点火プラグ１３によって点火し副室噴孔１０５より、主室内へトーチを形成する火花点火エンジンにおいて、圧縮時に副室１０６内に縦旋回流が生じるように副室噴孔１０５を副室１０６の中心軸線に対して、非対称に形成して、副室１０６内で点火された火炎が旋回流に乗って点火するようにした副室式ガスエンジンが知られている（例えば、特許文献２）。

しかしながら、特許文献２に記載のものでは、副室１０６内の下部において主に縦旋回流が生じるものの、着火装置１３付近においては、十分にガス濃度分布が均一なりにくく着火ロバスト性を向上させにくいという問題がある。

また、図１１に示すように、副室式エンジンにおいて、シリンダヘッド１０ａの中央副室が、副室噴孔４から上方に延出する副室連通路１０９と、副室連通路１０９の上端部から拡径して上方に延出する副室空間部１０８とからなり、点火プラグ１３の点火部が、副室空間部１０８の側部に配置され、副室連通路１０９の中心軸と点火部とを通る断面において、副室空間部１０８の中心が副室連通路１０９の中心軸に対して側方に偏心するように副室を形成して、副室空間部１０８において、副室連通路１０９から規則的なガス流動を発生しつつ流入した新気を、燃料供給弁から供給された燃料と良好に混合し、その均質な混合気を点火プラグ１３により安定して火花点火し、失火の発生を防止しようとしたものが知られている（例えば、特許文献３）。

しかしながら、特許文献３に記載のものでは、主室から副室連通路１０９を通り副室空間部１０８に燃料が流入する際、複数の副室噴孔４間で流量のアンバランスが生じ、副室内において、ガス濃度分布が不均一となり着火ロバスト性が向上し難い可能性がある。

実用新案登録第２５６７８７５号公報 特開平２−１５３２２１号公報 特開２００７−２５５３１３号公報

本発明は、上記の従来の各特許文献に記載のものが有していた問題を解決しようとするものであり、副室内において、旋回流れの発達を促し、副室内のガス濃度の均一化を促進し、副室内ガス濃度の均一化を促進することにより、着火ロバスト製を向上させる副室式ガスエンジンを提供することを目的とする。

上記の問題点に対し本発明は、以下の各手段を以って課題の解決を図る。

第１の手段は、シリンダ内の主室と、シリンダヘッドの中央に設けられた副室と、前記副室の下部に設けられ前記主室と連通する連通路と、前記副室に燃料ガスを導入するトーチガス導入通路と、前記副室に設けられた着火装置とを備えた副室式ガスエンジンにおいて、前記連通路に偏流低減装置を備えたことを特徴とする。

第２の手段は、第１の手段の副室式ガスエンジンにおいて、前記連通路の横断面積は、前記主室の横断面積の１／９〜１／２５であることを特徴とする請求項１に記載の副室式ガスエンジン。

第３の手段は、第１又は２の手段の副室式ガスエンジンにおいて、前記偏流低減装置は、前記連通路の下端に設けられた前記連通路２より横断面積の大きい連通路下部拡大部であることを特徴とする。

第４の手段は、第３の手段の副室式ガスエンジンにおいて、前記連通路下部拡大部の横断面積は、前記連通路の横断面積の１．４〜２．３倍であることを特徴とする。

第５の手段は、第１又は２の手段の副室式ガスエンジンにおいて、前記偏流低減装置は、前記連通路の上端に設けられたオリフィスであることを特徴とする。

第６の手段は、第１又は２の手段の副室式ガスエンジンにおいて、前記偏流低減装置は、前記連通路の内壁面に設けられた旋回溝又は突起であることを特徴とする。

第７の手段は、シリンダ内の主室と、シリンダヘッドの中央に設けられた副室と、前記副室の下部に設けられ前記主室と連通する連通路と、前記副室に燃料ガスを導入するトーチガス導入通路と、前記副室に設けられた着火装置とを備えた副室式ガスエンジンにおいて、前記トーチガス導入通路の出口の向きは、前記副室の中心軸線から偏向していることを特徴とする。

第８の手段は、第７の手段の副室式ガスエンジンにおいて、前記連通路の横断面積は、前記主室の横断面積の１／９〜１／２５であることを特徴とする。

特許請求の範囲に記載の各請求項に係る発明は、上記の各手段を採用しており、副室内ガス濃度の均一化を促進することにより、着火ロバスト性を向上させることができる。

以下、本発明の各実施の形態に係る副室式ガスエンジンにつき説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る副室付ガスエンジンの縦断面図である。
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る副室付ガスエンジンにおける副室の縦断面図、図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る副室付ガスエンジンにおける副室の縦断面図、図５は、図４のＢ−Ｂ断面図である。
図６は、本発明の第４の実施の形態に係る副室付ガスエンジンにおける副室の縦断面図である。
図７は、本発明の第５の実施の形態に係る副室付ガスエンジンにおける副室の縦断面図である。
図８は、本発明の第６の実施の形態に係る副室付ガスエンジンにおける副室の縦断面図である。

＜本発明の第１の実施の形態＞
先ず、図１に基づき、本発明の第１の実施の形態に係る副室付ガスエンジンにつき説明する。
図１に図示のように、副室式ガスエンジンは、シリンダ１０と、シリンダ１０内に収納され往復運動するピストン１１と、シリンダ１０のシリンダヘッド１０ａの周囲に接続された給気ポート１４及び排気ポート１６と、給気ポート１４を開閉する給気弁１５と、排気ポート１６を開閉する排気弁１７とを備えている。
そして、シリンダヘッド１０ａとピストン１１との空間に、燃焼室である主室１２が形成されている。

シリンダヘッド１０ａの中央には、副室１が設けられており、主室１２と副室１とは、複数個（例えば４〜１０個）の副室噴孔４により連通されている。
副室１の上部には、副室１の混合気を火花点火するための点火プラグ等の着火装置１３が設けられ、副室１に燃料ガスを供給するためのトーチガス導入通路（点火用補助ガス通路）５が接続されている。

なお、副室１の下端部はシリンダヘッド１０ａより下方に突出しており、ピストン１１の上面中央には凹部が形成されている。
ピストン１１の上面中央に凹部を形成することで、圧縮工程の上死点において、ピストン１１の上面周囲はシリンダヘッド１０ａの下面周囲に近接する。
従って、主室１２は、ほぼピストン１１の上面中央の凹部のみなり、圧縮率を高めると共に、燃焼率を向上させている。

この副室式エンジンは吸気行程、圧縮行程、燃焼・膨張行程、排気行程を行う４サイクルエンジンであり、吸気行程においては、給気弁１５を開いて希薄燃料ガスが主室１２内に給気される。
このとき、希薄燃料ガスは、高効率且つ低ＮＯｘとするために、この希薄燃料ガスのみでは着火装置１３により燃焼させることはできない。
そこで、副室式エンジンでは、副室１を設け、圧縮行程において、主室１２から副室噴孔４を経由して流入した希薄燃料ガスにトーチガス導入通路５から燃料ガスを噴出し混合して、着火装置１３により着火可能な濃度になるようにしている。

このとき、従来のものでは、主室１２から副室噴孔４を通り副室１に希薄燃料ガスが流入する際、複数の副室噴孔４間で流量のアンバランスが生じ、副室１内において、混合燃料ガス濃度分布が不均一となり着火ロバスト性を向上させることができ難かった。
そこで、図１に図示の本発明の第１の実施の形態に係る副室付ガスエンジンにおいては、副室１を漏斗状にし、副室１の下部に連通路２及び連通路下部拡大部３を接続し、この連通路下部拡大部３に複数個の副室噴孔４を穿設している。

即ち、従来のように、副室１に直に副室噴孔４を穿設したものでは、上記のように混合燃料ガスの状態が良くない。
そこで、本実施の形態においては、主室１２から複数の副室噴孔４を通して流入し混合した希薄燃料ガスのアンバランスを解消し流速を遅くするために、連通路２が設けられている。
連通路２にて混合され流速が遅くなった希薄燃料ガスは、副室１に流入する。

更に、本実施の形態においては、連通路２の下端に偏流低減装置としての連通路下部拡大部３を設けている。
なお、連通路下部拡大部３の下半分は、シリンダヘッド１０ａの下面より下方に突出しており、連通路下部拡大部３の下半分の周方向に複数個の副室噴孔４を等間隔で分散配置している。
このような構造によれば、主室１２から複数の副室噴孔４を通して流入し混合した希薄燃料ガスのアンバランスは更に解消される。

そして、連通路２から副室１に流入した混合燃料ガスは、着火装置１３により燃焼させることが可能なガス濃度になるように、トーチガス導入通路５から供給された燃料ガスと混合される。
このとき、副室１内の混合燃料ガスの濃度分布は均一となり、適度な流速となっているので、確実に着火させることができる。

なお、副室１、連通路２、連通路下部拡大部３の横断面形状は、円状であることが好ましい。
また、副室１の容積は、混合燃料ガスが燃焼し主室１２に噴出させる火炎ジェットの量により決定され、この容積、形状（漏斗状）に基づき副室１の直径Ｄ１（或いは断面積）が決められる。
一方、連通路２の直径Ｄ２（或いは断面積）は、複数の副室噴孔４の合計断面積に基づき決定される。
即ち、連通路２の断面積が複数の副室噴孔４の合計断面積と等しいような直径Ｄ２の場合は、希薄燃料ガスの流速を遅くすることができない。

そこで、流速が遅くなるように、少なくとも連通路２の断面積が複数の副室噴孔４の合計断面積の２〜４倍程度となるような直径Ｄ２とすることが好ましい。
これより小さいと希薄燃料ガスの流速が遅くならず、これより大きいと縮流による整流効果が悪くなり、アンバランスの解消が悪くなるからである。
また、連通路下部拡大部３の直径Ｄ３（或いは断面積）は、連通路２の直径Ｄ２の１．２〜１．５倍程度（即ち、横断面積比は、１．４４〜２．２５倍≒１．４〜２．３倍）とするのが好ましい。

一方、主室１２に噴出させる火炎ジェットの量、連通路２における流速等を考慮すると、副室１の直径Ｄ１は連通路２の直径Ｄ２の３〜５倍程度（即ち、横断面積比は、９〜２５倍、言い換えれば、連通路２の横断面積は、副室１の横断面積の１／９〜１／２５）となる。
なお、連通路２及び連通路下部拡大部３の合計容積（即ち、横断面積或いは直径）は、上記のごとく、できる限り小さくすることが好ましい。

即ち、副室１における混合燃料ガスの生成過程において、連通路２及び連通路下部拡大部３では、トーチガス導入通路５から供給された燃料ガスが混合され難く、希薄燃料ガスのままの状態となる可能性が高いため、従来の特許文献３に記載のもののように、連通路２（及び連通路下部拡大部３）の合計容積が大きすぎると、燃焼、主室１２への火炎ジェットの噴出に悪影響を与える可能性がある。

上記の本発明の第１の実施の形態に係る副室付ガスエンジンによれば、複数の副室噴孔４から流入した希薄燃料ガスは、連通路下部拡大部３及び連通路２通過時の縮流による整流効果で偏流が低減され、副室１内における混合燃料ガスの濃度の均一化が促進される。

＜本発明の第２の実施の形態＞
次に、図２、３に基づき、本発明の第２の実施の形態に係る副室付ガスエンジンにつき説明する。
図２は副室のみ図示しているが、副室付ガスエンジンとしての主要な構成部材については、上記の本発明の第１の実施のものと同様のものを備えている。
なお、本発明の第２の実施の形態においては、図１に図示の連通路下部拡大部３は無いが、連通路下部拡大部３を設けても良い。

図２、３に図示のように、本発明の第２の実施の形態においては、副室１に燃料ガスを噴出するトーチガス導入通路５ａを、副室１の中心軸線Ｏに対して偏向させている。
即ち、トーチガス導入通路５ａの出口６ａの向きが、副室１の中心軸線Ｏに対して角度θとなるようにトーチガス導入通路５ａが設けられている。
本発明の第２の実施の形態に係る副室付ガスエンジンによれば、本発明の第１の実施の形態のものと同様に、複数の副室噴孔４から流入した希薄燃料ガスは、連通路２通過時の縮流による整流効果で偏流が低減され、副室１内における混合燃料ガスの濃度の均一化が促進される。

更に、副室１内において、燃料ガスがトーチガス導入通路５ａから副室１の中心軸線Ｏに対して角度θで偏向して噴出されるので、副室１の混合燃料ガスは旋回され、主室１２からの希薄燃料ガスの偏流は低減される。
このようにして、副室１内において、横旋回流れの発達を促進し、混合面量ガス濃度の均一化を促進することができる。

＜本発明の第３の実施の形態＞
次に、図４、５に基づき、本発明の第３の実施の形態に係る副室付ガスエンジンにつき説明する。
本発明の第３の実施の形態のものは、副室１の側面に、トーチガス導入通路５ｂの出口６ｂの向きが、副室１の中心軸線Ｏに対して角度θとなるようにトーチガス導入通路５ｂが形成されている。
その他の構成は、上記の本発明の第２の実施の形態のものと同様である。
そして、本発明の第３の実施の形態に係る副室付ガスエンジンによれば、本発明の第２の実施の形態のものと同様の作用効果を奏する。

＜本発明の第４の実施の形態＞
次に、図６に基づき、本発明の第４の実施の形態に係る副室付ガスエンジンにつき説明する。
なお、図６も副室のみ図示しているが、副室付ガスエンジンとしての主要な構成部材については、上記の本発明の第１の実施のものと同様のものを備えている。
なお、本発明の第４の実施の形態においても、図１に図示の連通路下部拡大部３は無いが、連通路下部拡大部３を設けても良い。

図６に図示のように、本発明の第４の実施の形態においては、連通路２の上端の副室１への入口に偏流低減装置としてのオリフィス７（リング状の段差）を設け、偏流を低減させようにしている。
本発明の第４の実施の形態に係る副室付ガスエンジンによれば、本発明の第１の実施の形態のものと同様に、複数の副室噴孔４から流入した希薄燃料ガスは、連通路２通過時の縮流による整流効果で偏流が低減され、副室１内における混合燃料ガスの濃度の均一化が促進される。
そして、希薄燃料ガスが連通路２から副室１に流入する際に、オリフィス７により、更に縮流による整流効で偏流が低減され、副室１内の混合燃料ガス濃度の均一化が促進される。

＜本発明の第５の実施の形態＞
次に、図７に基づき、本発明の第５の実施の形態に係る副室付ガスエンジンにつき説明する。
なお、図７も副室のみ図示しているが、副室付ガスエンジンとしての主要な構成部材については、上記の本発明の第１の実施のものと同様のものを備えている。
なお、本発明の第５の実施の形態においても、図１に図示の連通路下部拡大部３は無いが、連通路下部拡大部３を設けても良い。

図７に図示のように、本発明の第５の実施の形態においては、連通路２の内壁面に偏流低減装置としての旋回溝８（螺旋状溝、ネジ状溝、螺旋状突起、ネジ状突起も含む）を設け、気筒からの流入ガスの偏流を低減させようにしている。
なお、図７に図示の旋回溝８は、１条のものを１回転させたものとなっているが、これに限定されるものではなく、ネジ状に数回転するものでも、数条のものを各々１回転させるようにしたものでも良い。

本発明の第５の実施の形態に係る副室付ガスエンジンによれば、本発明の第１の実施の形態のものと同様に、複数の副室噴孔４から流入した希薄燃料ガスは、連通路２通過時の縮流による整流効果で偏流が低減され、副室１内における混合燃料ガスの濃度の均一化が促進される。
そして、希薄燃料ガスが連通路２を通過する際に、旋回溝８により、更に横旋回流れの発達を促進し、副室１内の混合燃料ガス濃度の均一化が促進される。

＜本発明の第６の実施の形態＞
次に、図８に基づき、本発明の第６の実施の形態に係る副室付ガスエンジンにつき説明する。
なお、図８も副室のみ図示しているが、副室付ガスエンジンとしての主要な構成部材については、上記の本発明の第１の実施のものと同様のものを備えている。
なお、本発明の第６の実施の形態においても、図１に図示の連通路下部拡大部３は無いが、連通路下部拡大部３を設けても良い。
また、図６に図示のオリフィス７、或いは、図７に図示の旋回溝８を設けても良い。

図８に図示のように、本発明の第６の実施の形態においては、副室１の底部のテーパ角度αを水平近くまで寝かせ、副室１内における縦旋回流れの発達を促進して混合させるようにしている。
本発明の第６の実施の形態に係る副室付ガスエンジンによれば、本発明の第１の実施の形態のものと同様の作用効果を奏するとともに、
連通路２における希薄燃料ガスの縦旋回流れの発達を促し、副室１内の混合燃料ガスの濃度の均一化を促進する。

＜その他の実施の形態＞
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明は上記の各実施の形態に限定されず、本発明の各実施の形態のものを組合わせても良く、更には、本発明の範囲内で種々の変更を加えても良いことは言うまでもない。
例えば、副室１における着火装置１３は、点火プラグによる火花着火に限定されるものではなく、レーザ光による着火方式としても良い。

また、例えば、図１に図示のごとく連通路下部拡大部３を設け、図２（或いは図３）に図示のごとくトーチガス導入通路５ａ、５ｂの出口６ａ、６ｂの向きが、副室１の中心軸線Ｏに対して角度θとなるようにトーチガス導入通路５ｂを形成し、図６（或いは図７）に図示のごとくオリフィス７（或いは旋回溝８）を設けたものとしても良い。
また、着火装置１３は、副室１の頂部ではなく、側面に設けても良い。

本発明の第１の実施の形態に係る副室付ガスエンジンの縦断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る副室付ガスエンジンにおける副室の縦断面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る副室付ガスエンジンにおける副室の縦断面図である。 図４のＢ−Ｂ断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る副室付ガスエンジンにおける副室の縦断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る副室付ガスエンジンにおける副室の縦断面図である。 本発明の第６の実施の形態に係る副室付ガスエンジンにおける副室の縦断面図である。 従来の副室付ガスエンジンにおける副室の縦断面図である。 従来の副室付ガスエンジンにおける副室の縦断面図である。 従来の副室付ガスエンジンにおける副室の縦断面図である。

符号の説明

１、１ａ 副室
２ａ、２ｂ 連通路
３ 連通路下部拡大部（偏流低減装置）
４ 副室噴孔
５、５ａ、５ｂ トーチガス導入通路（点火用補助ガス通路）
６ａ、６ｂ 出口
７ オリフィス（偏流低減装置）
８ 旋回溝（偏流低減装置）
１０ シリンダ
１０ａ シリンダヘッド
１１ ピストン
１２ 主室
１３ 着火装置
１４ 給気ポート
１５ 給気弁
１６ 排気ポート
１７ 排気弁

Claims (8)

1. シリンダ内の主室と、シリンダヘッドの中央に設けられた副室と、前記副室の下部に設けられ前記主室と連通する連通路と、前記副室に燃料ガスを導入するトーチガス導入通路と、前記副室に設けられた着火装置とを備えた副室式ガスエンジンにおいて、
   前記連通路に偏流低減装置を備えたことを特徴とする副室式ガスエンジン。
2. 前記連通路の横断面積は、前記主室の横断面積の１／９〜１／２５であることを特徴とする請求項１に記載の副室式ガスエンジン。
3. 前記偏流低減装置は、前記連通路の下端に設けられた前記連通路より横断面積の大きい連通路下部拡大部であることを特徴とする請求項１又は２に記載の副室式ガスエンジン。
4. 前記連通路下部拡大部の横断面積は、前記連通路の横断面積の１．４〜２．３倍であることを特徴とする請求項３に記載の副室式ガスエンジン。
5. 前記偏流低減装置は、前記連通路の上端に設けられたオリフィスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の副室式ガスエンジン。
6. 前記偏流低減装置は、前記連通路の内壁面に設けられた旋回溝又は突起であることを特徴とする請求項１又は２に記載の副室式ガスエンジン。
7. シリンダ内の主室と、シリンダヘッドの中央に設けられた副室と、前記副室の下部に設けられ前記主室と連通する連通路と、前記副室に燃料ガスを導入するトーチガス導入通路と、前記副室に設けられた着火装置とを備えた副室式ガスエンジンにおいて、
   前記トーチガス導入通路の出口の向きは、前記副室の中心軸線から偏向していることを特徴とする副室式ガスエンジン。
8. 前記連通路の横断面積は、前記主室の横断面積の１／９〜１／２５であることを特徴とする請求項７に記載の副室式ガスエンジン。

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