JP2013234596A - ２サイクル副室式ガスエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】副燃焼室内が十分に掃気されるように構成された２サイクル副室式ガスエンジンを提供すること。
【解決手段】２サイクル副室式ガスエンジン１において、シリンダ２及びシリンダヘッド３と、シリンダ２内に収容されるとともに、シリンダ２の周壁２ａ及びシリンダヘッド３との間で主燃焼室ｃ１を画成するピストン４と、ピストン４が下死点近傍に位置する時に主燃焼室ｃ２内に空気および燃料ガスを供給するシリンダ２の周壁２ａに開口した掃気ポート６と、シリンダヘッド３に開口した排気ポート８を開閉する排気弁７と、主燃焼室ｃ１と噴孔１０ａを介して連通する副燃焼室ｃ２が内部に画成されるとともに、該副燃焼室ｃ２内にトーチを生成するトーチ生成手段１８を備える副室口金１０と、副燃焼室ｃ２と連通する給気通路１２、及び該給気通路１２を開閉する第１開閉弁１４を有し、該第１開閉弁１４を開放することで副燃焼室ｃ２内に気体を供給する送気手段１３と、を備えたことを特徴とする２サイクル副室式ガスエンジン。
【選択図】図１

Description

本発明は、２サイクル副室式ガスエンジンに関する。

従来、２サイクルガスエンジンにおいて、ガス噴射弁から主燃焼室に向かって高圧の燃料ガスを噴射する高圧ガスインジェクション方式のガスエンジンが公知である（例えば特許文献１を参照）。高圧ガスインジェクション方式のガスエンジンでは、主燃焼室内に噴射される燃料ガスの吐出圧力は２５０〜３００ｂａｒであり、燃料ガスを圧縮するために大きな動力が必要となるとの問題がある。

また、高圧ガスインジェクション方式では、その燃焼形態が拡散燃焼となるため、均一燃焼が難しく、黒煙や粒状物質（ＰＭ）が発生するなどの課題がある。また、燃焼室内が空気過剰になり易いため、ＮＯｘ（窒素酸化物）が発生するなどの課題がある。

特開平６−７４１３７号公報

上述した拡散燃焼の場合の問題を解決するためには、空気と燃料ガスとが予め混合された混合気を燃焼室内で燃焼させる予混合燃焼方式を採用することが考えられる。この予混合燃焼方式における着火の形態としては、例えば、１）高温雰囲気下の燃焼室内に圧縮着火性の良い軽油などの燃料油を噴射し、噴射した燃料油を自己着火させることで混合気に着火するパイロット燃料噴射方式、２）燃焼室内に設けられたスパークプラグまたはグロープラグで混合気に着火するスパークプラグ・グロープラグ着火方式、３）副燃焼室内でトーチを生成し、噴孔を介して該トーチを主燃焼室内に噴出せしめることで主燃焼室内の混合気に着火する副室トーチ方式（副室式）等の方式が考えられる。

上述した１）〜３）に示した着火方式の内、１）パイロット燃料噴射方式は、パイロット燃料として燃料油を使用するため、燃料油の燃焼に起因して相応のＮＯｘが排出されるとの問題がある。また２）スパークプラグ・グロープラグ着火方式は、２サイクルエンジンではその耐久性が大きな懸案である。また特にボア径の大きい舶用エンジン等においては、スパークプラグやグロープラグによって広い燃焼室内にある混合気の全体に安定的に着火させることが難しいとの問題がある。

上述した１）〜３）に示した着火方式の内、３）副室トーチ方式は、比較的安定した着火が得られ、耐久性の懸念も少ない方式である。しかしながら、副室トーチ方式を２サイクル式ガスエンジンに適用する場合には、副燃焼室内における掃気が課題となり得る。すなわち、４サイクル副室式ガスエンジンでは、１燃焼サイクルにおいてピストンが２往復するため、この間の排気行程および吸気行程において副燃焼室内が十分に掃気される。ところが、２サイクル副室式ガスエンジンでは、１燃焼サイクルにおいてピストンが１往復しかしないため、副燃焼室内が十分に掃気され難いとの問題がある。

本発明は上述したような従来技術の課題に鑑みなされた発明であって、副燃焼室内の排気ガスが十分に掃気されるように構成された２サイクル副室式ガスエンジンを提供することを目的としている。

本発明は上述したような目的を達成するためになされた発明であって、
２サイクル副室式ガスエンジンにおいて、
シリンダ及びシリンダヘッドと、
前記シリンダ内に収容されるとともに、前記シリンダの周壁及び前記シリンダヘッドとの間で主燃焼室を画成するピストンと、
前記ピストンが下死点近傍に位置する時に前記主燃焼室内に空気および燃料ガスを供給する前記シリンダの周壁に開口した掃気ポートと、
前記シリンダヘッドに開口した排気ポートを開閉する排気弁と、
前記主燃焼室と噴孔を介して連通する副燃焼室が内部に画成されるとともに、該副燃焼室内にトーチを生成するトーチ生成手段を備える副室口金と、
前記副燃焼室と連通する給気通路、及び該給気通路を開閉する第１開閉弁を有し、該第１開閉弁を開放することで前記副燃焼室内に気体を供給する送気手段と、
を備えたことを特徴とする。

このように構成される本発明の２サイクル副室式ガスエンジンは、副燃焼室と連通する給気通路、及び該給気通路を開閉する第１開閉弁を有し、該第１開閉弁を開放することで副燃焼室内に気体を供給する送気手段を備えている。よって、ピストン上昇中の所定のタイミングで第１開閉弁を開放して副燃焼室内に気体を供給することで、副燃焼室内の排ガスを掃気することができる。

また上記発明において、
前記２サイクル副室式ガスエンジンが、
前記副燃焼室と連通する排気通路、及び該排気通路を開閉する第２開閉弁を有し、該第２開閉弁を開放することで、前記副燃焼室内の気体を排気する排気手段を備えていることが望ましい。

このように本発明の２サイクル副室式ガスエンジンが、副燃焼室と連通する排気通路、及び該排気通路を開閉する第２開閉弁を有し、該第２開閉弁を開放することで、副燃焼室内の気体を排気する排気手段を備えていれば、ピストン上昇中の所定のタイミングにおいて第２開閉弁を開放することで、副燃焼室内の排気ガスを排気通路から排気することができる。

また上記発明において、
前記第２開閉弁は、前記第１開閉弁よりも遅いタイミングで開弁するように構成されていることが望ましい。

このように第２開閉弁が、第１開閉弁よりも遅いタイミングで開弁するように構成することで、給気通路から副燃焼室に気体が供給されて副燃焼室内の圧力が高まった状態で第２開閉弁が開放されるため、副燃焼室内の排気ガスを排気通路から速やかに排気することができ、排気性が向上する。

また上記発明において、
前記排気通路が、エンジン排気通路と接続されていることが望ましい。

このように排気通路がエンジン排気通路と接続されていれば、排気通路から排気された排気ガスを、簡単にエンジン外部へ排出することができる。
なお、本発明における「エンジン排気通路」とは、上述した排気ポートおよび該排気ポートの下流に接続される排気マニホールドを含むものである。

本発明によれば、副燃焼室内の排気ガスが十分に掃気されるように構成された２サイクル副室式ガスエンジンを提供することができる。

本発明の第１の実施形態における２サイクル副室式ガスエンジンを示した概略断面図である。 本発明の第１の実施形態における２サイクル副室式ガスエンジンのタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態における２サイクル副室式ガスエンジンを示した概略断面図である。 本発明の第２の実施形態における２サイクル副室式ガスエンジンのタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。
ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限り、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態における２サイクル副室式ガスエンジンを示した概略断面図である。また図２は、本発明の第１の実施形態における２サイクル副室式ガスエンジンのタイミングチャートであり、図２（ａ）は筒内圧力、図２（ｂ）は排気ポート開放割合、図２（ｃ）は掃気ポート開放割合、図２（ｄ）は、後述する送気手段における第１開閉弁の開閉状態、を夫々示したグラフである。なお、図２におけるクランク角度の０度とは、ピストン上死点位置を示している。

本発明の２サイクル副室式ガスエンジン１は、図１に示したように、円筒状のシリンダ２と、該シリンダ２の上端側に結合されたシリンダヘッド３と、シリンダ２の内部に進退自在に収容されたピストン４とを備えている。そして、シリンダ２の周壁２ａと、シリンダヘッド３の頂壁３ａと、ピストン４の頂面４ａとの間にて主燃焼室ｃ１が画成されている。なお、図中の符号５は、ピストンリングを示している。

また、シリンダ２の下方側の周壁２ａには、掃気ポート６が開口している。この掃気ポート６は、下死点近傍に位置するピストン４の頂面４ａよりも上方の位置に形成されており、図２（ｃ）に示したように、ピストン４が下死点近傍に位置する時に、掃気ポートが開放されて主燃焼室ｃ１と連通し、掃気ポート６から主燃焼室ｃ１に空気が供給されるようになっている。なお、図１の二点鎖線は、下死点近傍に位置した状態のピストン４を示している。

また掃気ポート６には、１３Ａ、天然ガス、メタン、プロパン等の燃料ガスを加圧した状態で貯蔵する燃料ガスタンク２４と接続された燃料ガス供給管２０が接続している。また、燃料ガス供給管２０にはレギュレータ２２が設けられており、該レギュレータ２２を開弁することで、燃料ガスが掃気ポート６を介して主燃焼室ｃ１に供給されるようになっている。そして掃気ポート６から主燃焼室１に供給された燃料ガスは、ピストン４の上昇過程において主燃焼室ｃ１内の空気と混合されて、主燃焼室ｃ１内にて混合気を形成する。また、レギュレータ２２は、ケーブルを介してエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３０と接続されており、ＥＣＵ３０から送信される信号に基づいて、その開度が制御されるように構成されている。

また、シリンダヘッド３の頂壁３ａには排気ポート８が開口するとともに、該排気ポート８を開閉する排気弁７が設けられている。また、排気ポート８の下流側には、不図示の排気マニホールドが接続している。排気弁７は、ケーブルを介してＥＣＵ３０と接続されており、ＥＣＵ３０から送信される信号に基づいて、その開閉が制御されるように構成されている。本実施形態では、図２（ｂ）に示したように、ピストン４の上昇行程時において、ピストン４が上死点の手前約１００°の位置に到達するまで開放されるように制御される。そして、掃気ポート６から主燃焼室ｃ１に供給される空気によって、主燃焼室ｃ１内に残留する前行程の排ガスが掃気されるようになっている。掃気された排気ガスは、上述した排気ポート８および排気マニホールド（以下、排気ポート８と排気マニホールドを合わせて「エンジン排気通路」と言う）を介して、エンジンの外部に排出される。

また、シリンダヘッド３の頂壁３ａには副室口金１０が内設されており、副室口金１０の内部には、副燃焼室ｃ２が画成されている。副燃焼室ｃ２は、副室口金１０の先端部に穿孔された噴孔１０ａを介して上述した主燃焼室ｃ１と連通している。また、副室口金１０には、副燃焼室ｃ２内に燃料油を噴射する燃料油噴射装置１８が設けられている。燃料油噴射装置１８は、ケーブルを介してＥＣＵ３０と接続されており、ＥＣＵ３０から送信される信号に基づいて、所定のタイミングで副燃焼室ｃ２内に燃料油を噴射するように構成されている。

燃料油噴射装置１８からは軽油などの着火性の高い燃料油が噴射される。そして、高温雰囲気下にある副燃焼室ｃ２内に燃料油を噴射することで、燃料油が自己着火して副燃焼室内にトーチが生成される。副燃焼室ｃ２内で生成されたトーチは、噴孔１０ａを介して主燃焼室ｃ１に噴出され、主燃焼室ｃ１内の空気と燃料ガスとの混合気を燃焼せしめる。すなわち本実施形態では、燃料油噴射装置１８が、本発明におけるトーチ生成手段を構成している。なお、図２（ａ）の符号ａは、燃料油噴射装置１８から燃料油が噴射されるタイミングを示している。

また図１に示したように、副燃焼室ｃ２には給気通路１２が連通している。給気通路１２は、空気を圧縮して供給するコンプレッサー１６に接続されるとともに、該給気通路１２を開閉する第１開閉弁１４が設けられている。そして、第１開閉弁１４を開放することで、副燃焼室ｃ２内に空気が供給されるようになっている。すなわち本実施形態では、給気通路１２、第１開閉弁１４、及びコンプレッサー１６によって、本発明の送気手段１３を構成している。

また、第１開閉弁１４は、ケーブルを介してＥＣＵ３０と接続されており、該ＥＣＵ３０によってその開閉タイミングが制御されるように構成されている。本実施形態の第１開閉弁１４は、図２（ｄ）に示したように、排気弁７が閉弁されると同時に開弁され、燃料油噴射弁１８から燃料油が噴射される直前に閉弁されるように制御される。

また、上述したＥＣＵ３０は、クランク軸１７の回転角を検出するクランク角センサ１５とケーブルを介して接続されている。そして、クランク角センサ１５からクランク軸１７の回転角にかかる信号を受信することで、ピストン４の位相を検知するようになっている。ＥＣＵ３０は、クランク角センサ１５によって検知したピストン４の位相に基づいて、上述した第１開閉弁１４や排気弁７などの開閉タイミングを制御する。

このように構成される本実施形態の２サイクル副室式ガスエンジン１は、上述したように、副燃焼室ｃ２と連通する給気通路１２、及び給気通路１２を開閉する第１開閉弁１４を有し、第１開閉弁１４を開放することで副燃焼室ｃ２内に気体を供給する送気手段１３を備えている。よって、ピストン上昇中の所定のタイミングで第１開閉弁１４を開放し、副燃焼室ｃ２内に空気を供給することで、副燃焼室ｃ２内の排ガスが掃気される。このような本実施形態によれば、副燃焼室内ｃ２で生成されたトーチを主燃焼室ｃ１内に噴出せしめることで、主燃焼室ｃ１内の混合気を燃焼させる副室式の２サイクルガスエンジンにおいて、安定した着火性を得ることができる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について、図３及び図４を基に説明する。図３は、本発明の第２の実施形態における２サイクル副室式ガスエンジンを示した概略断面図、図４は、本発明の第２の実施形態における２サイクル副室式ガスエンジンのタイミングチャートである。なお、本実施形態は、上述した実施形態と基本的には同様の構成をなしており、同一の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態の２サイクル副室式ガスエンジン１は、上述した実施形態と比べて、その副燃焼室ｃ２に排気通路２６が連通している。この排気通路２６は、上述したエンジン排気通路に接続されている。そして、排気通路２６には、該排気通路２６を開閉する第２開閉弁２８が設けられており、該第２開閉弁２８を開弁することで、副燃焼室ｃ２内の排気ガスが、排気通路２６および上述したエンジン排気通路を介して、外部に排気されるようになっている。すなわち本実施形態では、排気通路２６および第２開閉弁２８からなる排気手段２７を備えている点が上述した実施形態とは異なっている。

また、第２開閉弁２８は、上述した第１開閉弁と同様に、ケーブルを介してＥＣＵ３０と接続されており、ＥＣＵ３０から送信される信号に基づいて、その開閉タイミングが制御されるように構成されている。そして、本実施形態の第２開閉弁２８は、図４（ｄ）に示したように、上述した第１開閉弁１４よりも遅いタイミングで開弁され、第１開閉弁１４と同時に閉弁されるように制御される。

このように、２サイクル副室式ガスエンジン１が、副燃焼室ｃ２と連通する排気通路２６、及び排気通路２６を開閉する第２開閉弁２８を有し、該第２開閉弁２８を開放することで、副燃焼室ｃ２内の気体を排気する排気手段２７を備えていれば、ピストン４が上昇中の所定のタイミングで第２開閉弁２８を開放することで、副燃焼室ｃ２内の排気ガスを排気通路２６から排気することができる。

またこの際、第２開閉弁２８が、第１開閉弁１４よりも遅いタイミングで開弁するように構成することで、給気通路１２から副燃焼室ｃ２に気体が供給されて副燃焼室ｃ２内の圧力が高まった状態で第２開閉弁２８が開弁されるため、副燃焼室ｃ２内の排気ガスを排気通路２６から速やかに排気することができる。なお、第２開閉弁２８を開弁するタイミングとしては、ピストン４の上昇過程において、掃気ポート６が閉止（掃気ポート６の開放割合が０となり、掃気ポート６と主燃焼室ｃ１との連通が解除された状態）された後とすることが望ましい。

このような第２の実施形態によれば、上述した送気手段１３および排気手段２７を備えることで、副燃焼室ｃ２内の排気ガスが十分に掃気されるように構成された２サイクル副室式ガスエンジン１を提供することができる。

以上、本発明の好ましい形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。

例えば、上述した実施形態では、副燃焼室ｃ２内にトーチを生成するトーチ生成手段として、副燃焼室ｃ２内に圧縮着火性の高い燃料油を噴射する燃料油噴射弁１８の場合を例として説明したが、本発明のトーチ生成手段はこれに限定されない。例えば、図示しないが、副燃焼室ｃ２内に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と点火プラグとからトーチ生成手段を構成し、副燃焼室ｃ２内に供給された燃料ガスに点火プラグで着火することで副燃焼室ｃ２内にトーチを生成するように構成してもよい。

また例えば、上述した実施形態では、一シリンダに一つの副室口金１０を備えた２サイクル副室式ガスエンジン１を例にして説明したが、本発明はこれに限定されず、一シリンダに複数の副室口金１０を備えていても良いのはもちろんである。

本発明の２サイクル副室式ガスエンジンは、建設機械用、大型車両用、発電用等、特に船舶用エンジンとして好適に用いることができる。

１ ２サイクル副室式ガスエンジン
２ シリンダ
３ シリンダヘッド
４ ピストン
６ 掃気ポート
７ 排気弁
８ 排気ポート
１０ 副室口金
１０ａ 噴孔
１２ 給気通路
１３ 送気手段
１４ 第１開閉弁、
１５ クランク角センサ
１６ コンプレッサー
１７ クランク軸
１８ 燃料油噴射弁
２０ 燃料ガス供給管
２２ レギュレータ
２４ 燃料ガスタンク
２６ 排気通路
２７ 排気手段
２８ 第２開閉弁
３０ ＥＣＵ

Claims (4)

1. ２サイクル副室式ガスエンジンにおいて、
   シリンダ及びシリンダヘッドと、
   前記シリンダ内に収容されるとともに、前記シリンダの周壁及び前記シリンダヘッドとの間で主燃焼室を画成するピストンと、
   前記ピストンが下死点近傍に位置する時に前記主燃焼室内に空気および燃料ガスを供給する前記シリンダの周壁に開口した掃気ポートと、
   前記シリンダヘッドに開口した排気ポートを開閉する排気弁と、
   前記主燃焼室と噴孔を介して連通する副燃焼室が内部に画成されるとともに、該副燃焼室内にトーチを生成するトーチ生成手段を備える副室口金と、
   前記副燃焼室と連通する給気通路、及び該給気通路を開閉する第１開閉弁を有し、該第１開閉弁を開放することで前記副燃焼室内に気体を供給する送気手段と、
   を備えたことを特徴とする２サイクル副室式ガスエンジン。
2. 前記２サイクル副室式ガスエンジンが、
   前記副燃焼室と連通する排気通路、及び該排気通路を開閉する第２開閉弁を有し、該第２開閉弁を開放することで、前記副燃焼室内の気体を排気する排気手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の２サイクル副室式ガスエンジン。
3. 前記第２開閉弁は、前記第１開閉弁よりも遅いタイミングで開弁するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の２サイクル副室式ガスエンジン。
4. 前記排気通路が、エンジン排気通路と接続されていることを特徴とする請求項２または３に記載の２サイクル副室式ガスエンジン。

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