JP2012137083A

JP2012137083A - 副室式ガスエンジン

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Publication number: JP2012137083A
Application number: JP2011130459A
Authority: JP
Inventors: Hiroyoshi Ishii; 宏佳石井; Tetsuo Tokuoka; 哲夫徳岡
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2012-07-19
Anticipated expiration: 2031-06-10
Also published as: JP5357926B2

Abstract

【課題】主燃焼室と副燃焼室を備えた副室式ガスエンジンにおいて、主燃焼室における安定した燃焼を維持して燃焼性能の低下を抑制することを目的とする。
【解決手段】副燃焼室２と主燃焼室１とを連通している複数のノズル９を介して副燃焼室２から燃焼ガスを噴射して主燃焼室１の燃料に着火するガスエンジンにおいて、複数のノズル９の副燃焼室側の開口縁を曲面１１に形成する。そして、曲面１１の曲率半径Ｒを、複数のノズル９の副燃焼室２側の開口縁の上昇又は下降温度が、副燃焼室２の内壁において前記開口縁以外で最も温度が上昇しやすい箇所の上昇又は下降温度より小さくなるように定める。
【選択図】図４

Description

本発明は、副燃焼室（副室）を備えた副室式ガスエンジンに関し、特に、ガスエンジンの副燃焼室から主燃焼室に燃焼ガスを噴射するノズル（噴孔）に関する。

副室式ガスエンジンは、主燃焼室（以下、「主室」ともいう）と、そこからノズルを介して繋がった副燃焼室（以下、「副室」ともいう）とを備えている。主室には、リーンな（希薄な）混合気（燃料ガス）が給気バルブを通じて供給される。リーンな混合気は、給気にガス燃料を混合して生成されたものである。リーンな混合気の空気過剰率λは、燃料に対して理論空気量より多い空気が混合することによって大きくなっている（たとえば、λ＝２程度）。副室には、点火プラグが設けられている。副室には、空気過剰率λが１程度のリッチな混合気（着火用燃料ガス）が供給される。上記副室式ガスエンジンでは、まず、副室に設けられた点火プラグに点火して、副室の着火用燃料ガスに着火する。副室内で生じた火炎は、火炎面が点火プラグから球状に広がって伝播し、高温の燃料ガスが複数のノズルを通じて火炎ジェットとして主室内に噴出し、火炎ジェットから主室内の希薄な燃料ガスに火炎が伝播する。このとき、副室内の壁表面の温度は、１０００℃程度に達する。

上記副室式ガスエンジンにおいて、副室と主室とを繋いでいる複数のノズルは副室底部において放射状に開口しており、ノズルより主室へ噴出した火炎ジェットは主室内に分散して広がる。副室からノズルを通じて主室に噴射される火炎ジェットには、主室で燃料ガスに着火させるための強度、すなわち噴射量と噴射速度が必要である。このような主室内の燃焼を考慮して、ノズルは火炎ジェットの強度を最適にするように設計される。

空気過剰率λが１以下のリッチな混合気は、燃焼すると数千ｐｐｍのＮＯｘを発生するので、脱硝装置を装備する必要がある。しかし、リーンな混合気を燃焼させた場合（リーンバーン）では発生するＮＯｘを一般に数百ｐｐｍ程度に抑えられるので、脱硝装置を備える必要がない場合もある。

副室式ガスエンジンの副室の内壁は、ニッケル系合金（たとえば、インコネル）で形成されている。そして、副室式ガスエンジンの副室と主室を繋いでいるノズル（噴孔）は、通常、直管として機械加工される。このような従来の副室式ガスエンジンを長期間運転させると、ノズルの副室側の入口のエッジが崩れてくる。前述のように、副室内は１０００℃以上の高温になるので、副室の内壁面は高温雰囲気に曝されて膨張することと冷やされて収縮することを繰り返す。このような冷熱サイクルにより副室の内壁は熱疲労し、やがて、亀裂（ひび割れ）が生じる。亀裂は、特に、ノズルの副室側開口縁近傍に多く発生する。ノズルの副室側開口縁近傍の亀裂が進行すると、ノズルの内壁にも亀裂が生じる。このようにして亀裂が生じたノズルの内壁を高温の火炎ジェットが通過すると、亀裂の一部が剥離してノズルの入口のエッジ（開口縁）が欠落したり、ノズルの内壁や副室のノズル周縁の内壁が剥がれて表面が荒れたりする。

図１２，１３は、ノズルの副室側の開口縁（入口のエッジ）に生じるエッジの欠落状況を示す図面で、図１２はノズルを軸方向に切断した断面図であり、図１３はノズルを副室側から見た図である。図１２では、ノズル２８の副室２７側の開口縁に欠落２９が生じている様子が示されている。欠落２９により、ノズル２８の入口のエッジの角の一部が丸く削り取られている。このような欠落２９がノズル２８の副室２７側の開口縁に複数生じると、図１３に示すように、ノズル２８の入口の開口縁は崩れた星形のような形状を呈するようになる。

ノズルの入口のエッジの欠落やひび割れは、火炎ジェットの強度の変化をもたらし、エンジンの燃焼性能の低下に繋がることがある。副室式ガスエンジンは、通常、ノズルの入口のエッジが欠落等のない完全な状態であることを前提として、最適化した条件の下で所定の性能が発揮できるように設計されている。ノズルの入口のエッジの欠落やひび割れが生じるとノズル断面の形状が変化するので、ノズルを通して噴出する火炎ジェットの強度が変化する。例えば、ノズルの径が拡大すれば、火炎ジェットの強度が低下して火炎ジェットの長さが不足することがある。また、複数のノズルの間で欠落やひび割れの程度は必ずしも一致しないので、ノズルごとの火炎ジェットの強度に差異が生じる。当初設計と比べて主室の着火環境が不均一となれば、結果として、エンジンの燃焼効率を低下させることがある。

特許文献１には、低温雰囲気で手始動できるようにしたディーゼルエンジンの渦流室式燃焼室の噴口に係る発明が開示されている。ここで、２個の脇噴口を沿わせた主噴口の渦流室側入口にチャンファ（面取り）が形成されていることが記載されている。しかし、特許文献１に記載されたディーゼルエンジンで用いられる噴口は、大きな口径を持つ１個の噴口であり、噴口を通過する流体が燃料であるため低温で、入口や噴口の壁にひび割れ状の欠陥を発生させることがない。したがって、副室式ガスエンジンの副室から主室に火炎ジェットを噴射するための噴口と、技術的性格が異なる。さらに、特許文献１に記載された面取りは、渦流室内に噴出された燃料が噴口の口縁部に当たって跳ね返るのを防止するために、エッジを鈍角化するものに過ぎない。

また、特許文献２には、副燃焼室から排出通路を通って音速より速い速度で火炎ジェットを主燃焼室に供給するようにしたエンジン用燃料燃焼システムが開示されている。ここで、副燃焼室から主燃焼室に燃焼ガスを排出する通路に、円錐状内周面を有する入口部分を備えることが記載されている。この円錐状内周面は、中心軸に対する傾きが１５°から３０°の範囲であって、流体を高速排出するため排出通路をベンチュリー管状に形成した管の入口側の傾斜面である。したがって、通路の入口部分に発生するひび割れやエッジの欠落を抑制する機能を持たない。

特開平３−７０８１２号公報特表平５−５０４１８５号公報

本発明が解決しようとする課題は、主燃焼室（主室）と副燃焼室（副室）を備えた副室式ガスエンジンにおいて、主燃焼室における安定した燃焼を維持して燃焼性能の劣化を抑制することができる副室式ガスエンジンを提供することである。

本発明に係る副室式ガスエンジンは、副燃焼室と主燃焼室とを連通している複数のノズルを介して前記副燃焼室から燃焼ガスを噴射して前記主燃焼室の燃料に着火するガスエンジンにおいて、前記複数のノズルの前記副燃焼室側の開口縁が丸く面取りされた形状であって、前記開口縁が曲面で形成されており、前記曲面の曲率半径は、前記複数のノズルの前記副燃焼室側の開口縁の上昇又は下降温度が、前記副燃焼室の内壁において前記開口縁以外で最も温度が上昇しやすい箇所の上昇又は下降温度より小さくなるように定められているものである。ここで、「上昇又は下降温度」とは、「温度が上昇又は下降した際の温度の上昇分又は温度下降分」を意味する。

上記構成によれば、ノズルの副燃焼室側入口の縁部を曲面に形成したため、ノズルの入口に欠落しやすいエッジがないので、ひび割れの一部を剥離させることを抑制して、ノズル断面の変形を防止し、主燃焼室における燃焼性能の劣化を抑制することができる。そして、上記のように曲面の曲率半径を定めることにより、ノズルの副燃焼室側の開口縁の上昇又は下降温度が、これ以外の副燃焼室の内壁の上昇又は下降温度と等しいかそれ以下となる。よって、副燃焼室の内壁において、ノズルの開口縁とその周囲との間の温度差が抑制され、ノズルの開口縁およびその周囲の温度変化帯域が狭くなる結果、温度分布がより均一となる。これにより、ノズルの開口縁の熱疲労の程度を軽減することができる。

前記副室式ガスエンジンにおいて、前記複数のノズルの前記副燃焼室側の開口縁の前記面取りされた形状部分同士が干渉しないように離間していることがよい。これにより、ノズルの副燃焼室側の開口縁の欠落等を防止しつつ、ノズルの強度を維持することができる。

前記副室式ガスエンジンにおいて、前記曲面の曲率半径を前記ノズルの直径以上とすることができる。

前記副室式ガスエンジンにおいて、前記副室式ガスエンジンは前記副燃焼室を形成している副室形成体と接触して当該副室形成体を冷却する冷却手段を備えており、数式１に示す関係を満たす開口縁の曲面の面積Ａ₂に基づいて前記曲面の曲率半径を定めることができる。

前記副室式ガスエンジンにおいて、前記副燃焼室を形成している副室形成体は前記主燃焼室内へその一部が突出しており、前記副燃焼室の内壁において前記開口縁以外で最も温度が上昇しやすい箇所が、前記副室形成体の前記主燃焼室内への突出端部分に含まれていてよい。

本発明の副室式ガスエンジンは、ノズルの副燃焼室側入口の縁部を曲面に形成したため、ノズルの入口に欠落しやすいエッジがないので、ひび割れの一部を剥離させることを抑制して、ノズル断面の変形を防止し、主燃焼室における燃焼性能の劣化を抑制することができる。そして、ノズルの曲率半径が、ノズルの副燃焼室側の開口縁の上昇又は下降温度がこれ以外の副燃焼室の内壁の上昇又は下降温度と等しいかそれ以下となるように定められているので、副燃焼室の内壁の温度分布がより均一となり、ノズルの開口縁の熱疲労の程度を軽減することができる。

本発明の実施の形態に係る副室式ガスエンジンの構成を示す概念図である。本実施の形態に係る副室式エンジンの副燃焼室のノズル部分を示す断面図である。本実施の形態に係るノズル形状を示す拡大断面図である。曲面の曲率半径を算出するための因子を示した副室形成体の一部断面図である。先端部熱伝導面積Ａ₁を示すための図４におけるＶ−Ｖ矢視図である。開口部熱伝導面積Ａ₂を示すためのノズルの副室側開口部の正面図である。副室の底壁の厚さと曲面の曲率半径との関係を説明するための副室底部の断面図である。本実施の形態に係るノズルの配置を説明する概念図である。本発明の実施例に係る副室形成体を備えた副室式ガスエンジンの４０００時間運転後のノズルの副室側開口部の様子の写真である。比較例に係る副室形成体を備えた副室式ガスエンジンの１０００時間運転後のノズルの副室側開口部の様子の写真である。実施例に係る副室式ガスエンジンの発電効率と比較例に係る副室式ガスエンジンの発電効率の経時変化の一例を示すグラフである。従来の副燃焼室のノズル入口に生じるエッジの欠落状況を説明する図面であって、ノズルを軸方向に切断した断面図である。従来の副燃焼室のノズル入口に生じるエッジの欠落状況を説明する図面であって、ノズルを副室側から見た図である。

以下、本発明に係る副室式ガスエンジンを実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態に係る副室式ガスエンジンの構成を示す概念図である。図１に示すように、本実施の形態に係る副室式ガスエンジンは、主燃焼室（以下「主室」ともいう）１と、主室１に複数のノズル９を介して接続された副燃焼室（以下「副室」ともいう）２との二段の燃焼室を備えている。副室式ガスエンジンは、主室１内に供給した燃料の希薄な混合気を副室２からノズル９を通じて噴出される高温の火炎ジェットで着火させる、いわゆる、二段階燃焼を行うガスエンジンである。

主室１はシリンダ１８内に形成されている。主室１の下部には、シリンダ１８内を摺動可能なピストン７が設けられている。ピストン７はクランク８を介して駆動軸１９と接続されている。ピストン７がシリンダ１８内を往復動することにより、クランク８を介して駆動軸１９が回転する。

主室１の上部には、給気源２２と接続された給気管１４が設けられている。給気管１４と主室１との間には、給気管１４と主室１との間を開閉する給気弁１５が設けられている。給気管１４は、燃料供給管２４を介して燃料ガス源２１と接続されている。燃料ガスは、例えば、ＬＮＧである。燃料供給管２４には、給気管１４への燃料ガスの供給量を調整するための主電磁弁４が設けられている。

図外の制御器が主室１の給気弁１５の作動と同期させて発生する指令により主電磁弁４が所定時間だけ開くことによって、所定量の燃料ガスが燃料ガス源２１から燃料供給管２４を通じて給気管１４へ供給される。給気管１４へ供給された燃料ガスが、給気源２２から供給される給気（空気）の流れに混入されることによって、リーンな混合気（燃料ガス）が生成される。なお、混合気が理論空燃比より濃い状態をリッチであるといい、理論空燃比より薄い状態をリーンであるという。生成されたリーンな混合気は、給気弁１５が開放されたときに給気管１４から主室１へ供給される。主室１に供給される混合気は、たとえば、空燃比が理論空燃比の２倍（空気過剰率λ＝２）程度になるように調整されている。このリーンな混合気の燃焼は、リーンバーン（希薄燃焼）であり、ＮＯｘの発生が少ない。

また、主室１の上部には、排ガス部（外部）２３と通じる排気管１６が接続されている。排気管１６と主室１との間には、排気管１６と主室１との間を開閉する排気弁１７が設けられている。排気弁１７が開放されたときに、主室１から排気管１６を通じて排ガス部２３へ燃焼排ガスが排出される。

副室２には、点火プラグ３が設けられている。さらに、副室２は、燃料供給管２５を介して燃料ガス源２１と接続されている。燃料供給管２５には、副室２への燃料ガスの供給量を調整するための副電磁弁５と、副室２から燃料供給管２５への燃料ガスの逆流を防ぐための逆止弁６とが設けられている。図外の制御器が発生する指令により副電磁弁５が所定時間だけ開くことによって、燃料ガス源２１から燃料供給管２５および逆止弁６を介して必要量の燃料ガスが副室２に供給される。

図２は、ノズル（噴孔）が設けられた副室２の底部分を示す断面図である。同図には、ノズル９近傍の部分を引き出して拡大して示した拡大断面図を添付している。副室２の底部は主室１内に突出するように形成され、ピストン７の移動方向に延びる軸を中心軸とする半球形状を有する。ノズル９は、副室２の底部に設けられて、主室１と副室２とを連通している。副室２の底部には、中心軸を中心とする同一円周上に複数のノズル９の開口（副室２側の入口）が並んでいる。これらの複数のノズル９の開口は、副室２の中心軸を中心として同一円周上に配置されている。各ノズル９は、副室２の底壁を中心軸上の或点を中心として放射状に貫通するように形成されている。各ノズル９のノズル径およびノズル長さは略同一である。これにより、各ノズル９を通じて主室１へ噴出する火炎ジェットは、相互にほぼ同じ強度を有し、主室１内に万遍なく噴出されるようになっている。

続いて、燃焼室における混合気の燃焼について詳細に説明する。上記構成の副室式ガスエンジンにおいて、吸気行程において主室１にリーンな混合気が吸入されるのと同時に、副室２に燃料ガスが供給される。ノズル９は常に導通状態であるので、その後の圧縮行程において、ピストン７の上昇とともに副室２にリーンな混合気が流入する。

たとえば、圧縮比１０のエンジンでは、副室２には、燃料ガス源２１から燃料供給管２５を通じて副室容積に相当する量の燃料ガスが供給され、供給された燃料ガスが１／１０に圧縮される。一方で、主室１内からノズル９を介して空気過剰率λ＝２程度の希薄な混合気が副室２へ副室容積の９／１０まで供給される。燃料ガスと希薄な混合気は副室２内で混合して、ほぼ空気過剰率λ＝１すなわち理論空燃比の混合気となる。

圧縮上死点付近において、副室２内で点火プラグ３に点火することにより、副室２内の混合気が着火する。混合気は燃焼しながらノズル９を通じて高温の火炎ジェットとなって主室１に噴出する。主室１のリーンな混合気は、火炎ジェットにより着火して爆発し、ピストン７を押し下げる。ピストン７が動くと、クランク８を介して駆動軸１９が回転する。主室１内で発生した燃焼ガスは、排気弁１７を開放すると排気管１６を通じて排ガス部２３（外部）に放出される。

本実施の形態に係るノズル９は、副室２側の入口のエッジ、すなわち、副室２側の開口縁の角が面取りされた形状となっている。この面取りされた形状には、角が丸く削られたように面取りされた形状と、角が斜め（斜めの角度は限定されない）に削られたように面取りされた形状とが含まれ、加工状況に応じてこれらのうち一方が選択される。但し、面取りされた形状は丸み面取りされた形状であることが、副室２の内壁とノズルの内壁との交点に尖った稜線が形成されないという点で望ましい。図３は本実施の形態に係るノズル形状を示す拡大断面図である。図３に示す例では、ノズル９の副室２側の入口のエッジは、開口縁の角が丸み面取りされることによって、曲率半径Ｒの曲面１１に形成されている。これにより、ノズル９の副室２側の開口縁には欠落しやすい直角または直角に近い鋭角もしくは鈍角のエッジがない。

ノズル９の副室２側の開口縁に直角または直角に近い鋭角もしくは鈍角の角があると、角の部分は他よりも温度上昇しやすい。例えば、ノズル９の副室２側の開口縁に角があり、この角の温度変化帯域が５０−１０００℃程度である場合に、副室２の底壁の角以外の温度変化帯域は５０−７００℃程度にとどまる。つまり、ノズル９の副室２側の開口縁に角があると、角は他と比較して著しく高温となりやすい。本実施の形態に係るノズル９は、開口縁に角がないので、開口縁およびその周囲の温度変化帯域が狭くなり温度分布がより均一となる。しかも、その温度変化帯域の最高温度が低くなる。よって、ノズル９の副室２側の開口縁に生じる熱応力が抑制されて、角がある場合と比較して熱疲労の程度が軽減される。

さらに、ノズル９の副室２側の開口縁に角がないので、ノズル９を通過する気流は流線に沿ってスムーズに流下する。よって、ノズル９の入口の副室２の壁面およびノズル９の内壁に亀裂が生じていても、高温の火炎ジェットがノズル９を高速で通過することにより表面部分の亀裂の一部が引き剥がされて欠落する現象が起こりにくい。

ノズル９の開口縁に設けられた曲面１１の曲率半径Ｒは、副室２のノズル９の開口縁部の上昇又は下降温度が、これ以外の副室２の内壁の上昇又は下降温度と等しくなることを目標として、熱伝導エネルギーの観点に基づいて定めることができる。図４に示すように、内部に副室２が形成された副室形成体４０は、基部４１と、基部４１から主室１側に突出するように形成された突出部４２とを有する。この突出部４２は、一端が解放され他端が丸く閉塞した円筒形であって、中心軸を通る縦断面が略Ｕ字状をなしている。突出部４２の先端は主室１内に挿入され、この挿入される部分に複数のノズル９が形成されている。基部４１は、冷却水等の冷却手段４４によって冷却されている。上記副室形成体４０において、ノズル９の開口縁以外で最も温度が上昇し易い箇所は、冷却手段４４から最も離れている突出部４２の最も主室１側に位置する先端４３である。したがって、副室２の内壁において、ノズル９の開口縁の上昇又は下降温度が、最も主室１側に位置する突出部４２の先端４３の上昇又は下降温度以下となるように、曲率半径Ｒを定めることが好適である。

図４に示す副室形成体４０において、突出部４２の先端４３の熱伝導面積を先端部熱伝導面積Ａ₁（図５で斜線で示す部分）とする。詳細には、図５に示すように、副室形成体４０の突出部４２の中心軸を通る縦断面において、突出部４２の先端部分であって当該突出部４２内に形成されたスロート４２ａと中心軸方向に重複する領域（斜線で示す部分）の面積を先端部熱伝導面積Ａ₁とする。換言すれば、突出部４２内に形成されたスロート４２ａの最大径をφとしたときに、副室形成体４０の突出部４２の中心軸を通る縦断面において、突出部４２の先端部分であって当該突出部４２の中心軸を中央として図５の紙面左右にφ／２の幅に含まれる領域の面積が先端部熱伝導面積Ａ₁となる。そして、この突出部４２の先端４３から冷却手段４４まで熱が伝導する距離を先端部熱伝導距離Ｌ₁とする。また、上記副室形成体４０において、副室２側の一つのノズル９の開口縁の曲面１１（面取りされた形状部分）の面積を開口部熱伝導面積Ａ₂（図６で斜線で示す部分）とし、このノズル９の開口縁の曲面１１から冷却手段４４まで熱が伝導する距離を開口部熱伝導距離Ｌ₂とする。ノズル９の開口縁の上昇又は下降温度が、突出部４２の先端４３の上昇又は下降温度以下となるためには、ノズル９の開口縁から冷却手段４４（外部）へ逃がす熱量が、突出部４２の先端４３から冷却手段４４へ逃がす熱量と等しいかそれ以上でなければならない。燃焼により副室２の内壁の或部位が受けた熱量のうち冷却手段４４へ逃がす熱量は、当該部位の単位面積当たりの熱伝導割合と当該部位の面積との積で表すことができる。この理論の下では次の数式１に示す関係が成立する。

上記数式１は、副室形成体４０に設けられたｎ個のノズル９の開口部熱伝導面積Ａ₂が、先端部熱伝導距離Ｌ₁に対する開口部熱伝導距離Ｌ₂の割合を乗じた先端部熱伝導面積Ａ₁よりも大きいことを示している。曲面１１の曲率半径Ｒは、数式１を満たす値であればよい。つまり、数式１に基づいて曲面１１の曲率半径Ｒの最小値を定めることができる。なお、開口部熱伝導面積Ａ₂が大きいほどノズル９の開口縁から冷却手段４４へ逃がす熱量が増えてノズル９の開口縁の温度上昇を抑制できるので望ましい。一方で、ノズル９の長さや強度を確保したり燃焼ガスの安定した噴射を行うために開口縁の面取りされた形状部分同士が干渉しないことが望ましい。したがって、これらのメリットのバランスをとって、ノズル９の開口縁の曲面１１の曲率半径Ｒを定めることがよい。

上述したようにノズル９の開口縁の曲面１１の曲率半径Ｒを熱伝導エネルギーの観点に基づいて定めることによれば、ノズル９の副燃焼室２側の開口縁の上昇又は下降温度が、これ以外の副燃焼室２の内壁の上昇又は下降温度と等しいかそれ以下となる。よって、副燃焼室２の内壁において、ノズル９の開口縁とその周囲との間の温度差が抑制され、ノズル９の開口縁およびその周囲の温度変化帯域が狭くなる結果、温度分布がより均一となる。これにより、ノズル９の開口縁の熱疲労の程度を軽減することができる。ひいては、ノズル９の開口縁の欠落や内部のひび割れ等の劣化を抑制し、ノズル９から噴射される燃焼ガスの噴出形態を長期に亘って安定化させることにより、主燃焼室１における安定した燃焼を維持して燃焼性能の低下を抑制することができる。なお、副室形成体４０の形状は製品により異なることがあり、また、冷却手段４４の形状や配置が異なることもあるため、副室形成体４０においてノズル９の開口縁以外で最も温度が上昇し易い箇所は上述の突出部４２の最も主室１側に位置する先端４３に限定されない。

本実施形態に係るノズル９は、ノズル径（内径）Ｄが数〜十数ｍｍであって、ノズル９の開口縁に設けられた曲面１１はラッパ状に外側に向かって拡径している。副室２の壁面のうち損傷を受けやすい部分は、ノズル９の内壁から数ｍｍまでの間である。そこで、上記数式１の関係を満たすノズル９の副室２側の開口縁の曲面１１の曲率半径Ｒを、例えば、熱伝導エネルギーの観点に基づく条件を満たし且つノズル径Ｄ以上とすることができる。例えば、曲面１１の曲率半径Ｒをノズル径Ｄ以上とすれば、ノズル９の入口の曲率半径Ｒは十分に大きく、鋭角部分を持たないので、ひび割れ部分が引き剥がされて欠損になる現象は抑制されて、エッジの欠落が減少する。また、副室２の内部からノズル９の開口縁の曲面１１上に入射するエネルギー線の入射角が、ノズル９の開口縁の副室２側が平面である場合と比べて大きくなるため、曲面１１部分の損傷が軽減される。

曲面１１の曲率半径Ｒの最大値は特に定めない。但し、曲面１１の曲率半径Ｒが大きくなるに連れてノズル９の長さが短くなるので、曲率半径Ｒは火炎ジェットを噴出できるノズル９の長さが確保される範囲内とすることがよい。図７は、副室の底壁の厚さと曲面の曲率半径との関係を説明するための副室底部の断面図である。図７に示すように、副室形成体４０の底壁の厚さをＬ₃としたときに、曲率半径Ｒは底壁の厚さＬ₃の０．５倍以下であることがよい。

また、副室２側のノズル９の開口同士は近接しているため曲面１１の曲率半径Ｒが過大となればノズル９の強度が維持できない。したがって、隣接するノズル９の曲面１１同士の干渉代がノズル９の強度を維持可能な程度に小さい又は干渉代が無い曲率半径Ｒを採用することが望ましい。図８は本実施の形態に係るノズルの配置を説明する概念図である。図８では理解を容易とするために、副室２に設けられた複数のノズル９のうち３個だけ表示している。曲面１１の曲率半径Ｒは、大きいほどノズル９の受ける損傷が小さくなるので望ましい。しかし、或一つのノズル９の開口縁に形成された曲面１１が、その隣のノズル９の開口縁に形成された曲面１１と重なる（干渉する）状態となれば、曲面１１に僅かな変形が生じただけで、ノズル９に流入する流体の境界が変化することがある。このため、ノズル９を通過することで形成される火炎ジェットの形態が、隣り合うノズル同士で相違するようになって、当初設計と異なる燃焼状態に変化し、主室１内の燃焼性能が劣化する場合がある。したがって、各ノズル９の開口縁に設けられた曲面１１の端同士の距離Ｌが存在するように、ノズル９同士の距離および曲面１１部分の大きさを調整することが好ましい。

なお、上記実施の形態では、副室２側の開口縁のみが面取りされた形状となっているが、ノズル９の主室１側の開口縁も面取りされた形状となっていてよい。換言すれば、ノズル９は主室１側の入口のエッジは、角が丸く削られたように面取りされた形状または角が斜めに削られたように面取りされた形状であってもよい。このようにノズル９の主室１側の開口縁が面取りされた形状であることにより、主室１から副室２に希薄混合気が流れるときに流路の抵抗を低減して、流体圧のロスを軽減することができる。また、ノズル９の主室１側に鋭角のエッジがあると、正常でないときにエッジが火種になって着火してノッキングを生じさせることがあるが、面取りによりエッジを鈍角化してノッキングを抑制することができる。

図９は、本発明の実施例に係る副室形成体を備えた副室式ガスエンジンを或運転条件で４０００時間運転した後の、ノズル９の副室２側の開口部分の拡大写真である。この実施例に係る副室形成体に設けられたノズル９の副室２側の開口縁は、丸く面取りされた形状を有している。同図により、実施例に係る副室形成体では、４０００時間という比較的長時間の運転後も丸く面取りされた形状のノズル９の開口縁に殆ど形状変化が見られないことがわかる。一方、図１０は、上記と同じ或運転条件で１０００時間運転した後の、比較例に係る副室形成体のノズル９の副室２側の開口部分の拡大写真である。この比較例に係る副室形成体に設けられたノズル９は、運転前は副室２側の開口縁にほぼ直角の角を有していたが、運転後は副室２側の開口縁が多数の深い亀裂や欠落により変形していることがわかる。図９および図１０を比較することにより、ノズル９の副室２側の開口縁が面取りされた形状であることにより、ノズル９の開口縁の経時形状変化が著しく抑制されることがわかる。

上記比較例に係る副室形成体のように、ノズル９の副室２側の開口縁が欠落してノズル９の断面形状が変化すれば、ノズル９を通じて主室１へ噴出する火炎ジェットの強度が変化する。特に、ノズル９の断面形状の変化によりノズル径が拡大すれば、火炎ジェットが短くなる。当初設計されているよりも火炎ジェットが短くなると、シリンダ１８内の混合気が自然発火（ノッキング）しやすくなる。一般的なガスエンジンはノッキングを防止するための機能を備えているため、ノッキングが発生しやすい条件下となればノッキングを防止するための制御が行われ、この結果、ガスエンジンの燃焼効率が低下する。

図１１では、実施例に係る副室式ガスエンジンの発電効率と比較例に係る副室式ガスエンジンの発電効率の経時変化を示している。同図のグラフでは、縦軸が初期状態の発電効率を０％とし、そこからの発電効率の増減率を発電効率差として示しており、横軸が運転時間を示している。実施例に係る副室式ガスエンジンの発電効率差の経時変化は上記グラフに実線で示され、比較例に係る副室式ガスエンジンの発電効率差の経時変化は上記グラフに鎖線で示されている。実施例に係る副室式ガスエンジンは、ノズル９の副室２側の開口縁が面取りされた形状を有している。比較例に係る副室式ガスエンジンは、ノズル９の副室２側の開口縁が角を有している以外は、構成および運転条件等は本実施例に係る副室式ガスエンジンと同じである。図１１のグラフから明らかなように、比較例に係る副室式ガスエンジンは、本実施例に係る副室式ガスエンジンの３倍以上の早さで発電効率差が低下している。このグラフに表れる比較例に係る副室式ガスエンジンの発電効率差の低下の主な原因は、ノズル９の断面形状の変化であると推察される。比較例に係る副室式ガスエンジンでは比較的早期に発電効率差が所定の程度（−１％）まで低下するため、副室形成体を比較的早期に交換せねばならない。換言すれば、本実施例に係る副室式ガスエンジンは、ノズル９の副室２側の開口縁が面取りされた形状であることにより副室形成体の長寿命化を実現している。

本発明により、副燃焼室のノズル（噴孔）の形状が経時的な変化を受けにくくなるため、火炎ジェットの強度変化や、火炎ジェットの強度のノズルごとのバラツキが軽減される。よって、本発明によれば、経時による性能劣化が少なく効率の良いガスエンジンを提供することができる。また、本発明に係る副室式ガスエンジンでは、ノズルの副室側の開口の形状が歪になることを防止することにより渦流の発生が抑制されるので、火炎ジェットの強度の減退を防いで、エネルギーを有効に利用することができる。

１主燃焼室（主室）
２副燃焼室（副室）
３点火プラグ
４主電磁弁
５副電磁弁
６逆止弁
７ピストン
８クランク
９ノズル（噴孔）
１１曲面

Claims

副燃焼室と主燃焼室とを連通している複数のノズルを介して前記副燃焼室から燃焼ガスを噴射して前記主燃焼室の燃料に着火するガスエンジンにおいて、
前記複数のノズルの前記副燃焼室側の開口縁が丸く面取りされた形状であって、前記開口縁が曲面で形成されており、
前記曲面の曲率半径は、前記複数のノズルの前記副燃焼室側の開口縁の上昇又は下降温度が、前記副燃焼室の内壁において前記開口縁以外で最も温度が上昇しやすい箇所の上昇又は下降温度より小さくなるように定められている、副室式ガスエンジン。
前記複数のノズルの前記副燃焼室側の開口縁の前記面取りされた形状部分同士が干渉しないように離間している、請求項１記載の副室式ガスエンジン。
前記曲面の曲率半径が前記ノズルの直径以上である、請求項１記載の副室式ガスエンジン。
前記副室式ガスエンジンは前記副燃焼室を形成している副室形成体と接触して当該副室形成体を冷却する冷却手段を備えており、
数式１の関係を満たす開口縁の曲面の面積Ａ₂に基づいて前記曲面の曲率半径が定められている、請求項１に記載の副室式ガスエンジン。
上式において、Ａ₁は前記副燃焼室の内壁において前記開口縁以外で最も温度が上昇しやすい箇所の熱伝導面積であり、Ｌ₁はこの箇所から前記冷却手段まで熱が伝導する距離であり、Ａ₂は或一つのノズルの前記副燃焼室側の開口縁の曲面の面積であり、Ｌ₂はこの開口縁の曲面から前記冷却手段まで熱が伝導する距離であり、ｎは前記副燃焼室に開口しているノズルの数である。
前記副燃焼室を形成している副室形成体は前記主燃焼室内へその一部が突出しており、
前記副燃焼室の内壁において前記開口縁以外で最も温度が上昇しやすい箇所が、前記副室形成体の前記主燃焼室内への突出端部分に含まれている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の副室式ガスエンジン。