JP2014062484A - 副室式ガスエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】ノッキングの発生が抑制された副室式ガスエンジンを提供すること。
【解決手段】シリンダ（２）と、シリンダヘッド（４）と、シリンダヘッドとの間で主燃焼室（１０）を画定するピストン（６）と、内部に副燃焼室（２０）が画定されているとともに副燃焼室と主燃焼室とを連通する複数の噴孔（１６）を有する副室口金（８）と、シリンダヘッドに開口されている給気ポート（１３）を開閉する給気弁（１２）と、シリンダヘッドに開口されている排気ポート（１５）を開閉する排気弁（１４）と、を備える副室式ガスエンジン（１）において、シリンダヘッドを下方から視認した平面視において、給気側噴孔（１６ｂ）および排気側噴孔（１６ａ）は互いに少なくとも１つ以上存在し、且つ給気側噴孔の噴孔面積の合計が、排気側噴孔の噴孔面積の合計よりも大きくなっている。
【選択図】図２

Description

本開示は、副室口金内部の副燃焼室で生成された燃焼火炎を複数の噴孔を介して主燃焼室に噴出せしめることで、主燃焼室の混合気を燃焼させる副室式ガスエンジンに関する。

図４は、従来の副室式ガスエンジンのシリンダヘッドを下方から視認した平面図である。この従来の副室式ガスエンジン１００は、図４に示したように、シリンダヘッド１０４の中央部に副室口金１０８が内設されている。そして、シリンダヘッド１０４の副室口金１０８の周囲には、２つの給気ポート１１３及び２つの排気ポート１１５が、副室口金１０８を取り囲むように夫々開口されている。図４では、図中の右側に２つの給気ポート１１３が開口し、図中の左側に２つの排気ポート１１５が開口している。

また、上述した２つの給気ポート１１３及び２つの排気ポート１１５は、給気弁１１２又は排気弁１１４によって夫々開閉されるようになっている。そして、給気弁１１２によって給気ポート１１３を開閉することで、シリンダヘッド１０４と不図示のピストンの頂面との間に画定される主燃焼室１１０に混合気が供給されるようになっている。また、排気弁１１４によって排気ポート１１５を開閉することで、主燃焼室１１０の排気ガスが排出されるようになっている。

また、副室口金１０８の内部には副燃焼室１２０が画定されているとともに、該副室口金１０８には、該副燃焼室１２０と主燃焼室１１０とを連通する複数の噴孔１１６が設けられている。この複数の噴孔１１６は、周方向に等間隔に６個設けられている。そして、副燃焼室１２０内で生成された燃焼火炎ｆ（以後トーチジェットと呼ぶ）が、噴孔１１６を介して主燃焼室１１０に噴出され、これにより主燃焼室１１０の混合気が燃焼するようになっている。ここで図４におけるトーチジェットｆの矢印は、その噴出方向と貫徹力の強さを示しており、各トーチジェットｆは主燃焼室１１０内で空間的に均等に、かつ同一貫徹力で噴出している様子を示している。

特開２００４−２５１２１３号公報

ところで、このように構成される従来の副室式ガスエンジン１００において、主燃焼室１１０の一部の領域でノッキングが発生し易いとの知見を本発明者らは得た。そして、実験等を実施してその原因を究明したところ、給気ポート１１３が存在する側の給気側領域（図４のＢで示した範囲）におけるシリンダ壁面１０２ｂの温度が、排気ポート１１５が存在する側の排気側領域（図４のＡで示した範囲）におけるシリンダ壁面１０２ａの温度よりも低いため、トーチジェットｆにより着火された主室内混合気の火炎伝播速度にばらつきがあることがその一因であることを突き止めた。

すなわち、給気側領域（Ｂ）に向かって配置されている噴孔１１６ｂから噴出されるトーチジェットｆｂにより着火された給気側領域（Ｂ）の混合気の火炎伝播速度は、排気側領域（Ａ）に向かって配置されている噴孔１１６ａから噴出されるトーチジェットｆａにより着火される排気側領域混合気の火炎伝播速度と比べて、シリンダ壁面の温度が低い分だけ、その火炎伝播速度が遅くなる。このため、図４に示したように、トーチジェットｆａが排気側領域（Ａ）のシリンダ壁面１０２ａに到達する直前であっても、壁面温度の低いシリンダ壁面１０２ｂ近傍の一部（火炎面Ｆ´の外側）では、未だ混合気が未燃ガスとして残った状態となり、この未燃ガスが自己着火してノッキングが生ずるのである（図４の符号Ｋ）。

特許文献１には、主燃焼室及び副燃焼室を有する副室式内燃機関において、噴孔の配置方向をピストン半径寸法の１／２以上半径方向外方とすることで、未燃ガスが発生し易いトップクリアランス部に燃焼火炎が確実に到達するようにした発明が開示されている。しかしながら、この特許文献１の発明は、給気側領域（Ｂ）と排気側領域（Ａ）との温度差に起因するノッキングを防止するものではない。

本発明の少なくとも一つの実施形態は、上述したような課題に鑑みなされたものであって、ノッキングの発生が抑制された副室式ガスエンジンを提供することを目的としている。

本発明の少なくとも一つの実施形態は、上述した目的を達成するために、
シリンダと、
前記シリンダの頂部に配置されるシリンダヘッドと、
前記シリンダ内に往復動自在に配置され、前記シリンダヘッドとの間で主燃焼室を画定するピストンと、
前記シリンダヘッドの中央部に内設され、その内部に副燃焼室が画定されているとともに、該副燃焼室と前記主燃焼室とを連通する複数の噴孔を有する副室口金と、
前記シリンダヘッドに開口されている給気ポートを開閉することで、前記主燃焼室内に混合気を供給する給気弁と、
前記シリンダヘッドに開口されている排気ポートを開閉することで、前記主燃焼室内の排気ガスを排出する排気弁と、を備える副室式ガスエンジンにおいて、
前記シリンダヘッドを下方から視認した平面視において、前記主燃焼室を前記給気ポートが存在する側の給気側領域と、前記排気ポートが存在する側の排気側領域の２つの領域に区分するとともに、前記副室口金に設けられている複数の噴孔の内、前記給気側領域に向かって配置されている噴孔を給気側噴孔、前記排気側領域に向かって配置されている噴孔を排気側噴孔と定義した場合に、
前記給気側噴孔および前記排気側噴孔は互いに少なくとも１つ以上存在し、且つ前記給気側噴孔の噴孔面積の合計が、前記排気側噴孔の噴孔面積の合計よりも大きいことを特徴とする。

このように構成される副室式ガスエンジンは、給気側噴孔の噴孔面積の合計が、排気側噴孔の噴孔面積の合計よりも大きいことから、給気側噴孔から噴出されるトーチジェットにより着火された給気側混合気の火炎がシリンダ壁面まで到達する時間が短くなるため、ノッキングの発生を抑制することが出来る。

すなわち、１）給気側噴孔が排気側噴孔よりも数多く形成されていれば、１つの給気側噴孔から噴出されるトーチジェットから伝播する火炎の伝播領域は狭く（すなわち伝播距離は短く）なるため、燃焼火炎がシリンダ壁面まで到達する時間は短くなる。また、２）給気側噴孔が排気側噴孔と同数であっても、給気側噴孔の噴孔面積の合計が、排気側噴孔の噴孔面積の合計よりも大きければ、給気側噴孔から噴出されるトーチジェットの貫徹力が大きく発達距離も大きくなり、そこから伝播する火炎の伝播距離も短くなるため、燃焼火炎がシリンダ壁面まで到達する時間が短くなる。

また、本発明の一実施形態の副室式ガスエンジンでは、
前記給気側噴孔は、前記排気側噴孔よりも数多く形成され、且つ前記給気側噴孔および前記排気側噴孔の各噴孔面積は、全て同じ面積に形成されている。

このように、前記給気側噴孔および前記排気側噴孔の各噴孔面積が全て同じ面積に形成されていれば、副室口金に噴孔を形成する場合の作業が容易となる。

また、本発明の一実施形態の副室式ガスエンジンでは、
前記給気側噴孔は前記排気側噴孔と同じ数だけ形成され、且つ前記給気側噴孔の各噴孔面積は、前記排気側噴孔の噴孔面積よりも大きく形成されている。

このように、給気側噴孔は排気側噴孔と同じ数だけ形成され、且つ給気側噴孔の各噴孔面積は、排気側噴孔の噴孔面積よりも大きく形成されていれば、例えば、同じ面積の噴孔が等間隔に形成されている従来の副室口金において、給気側領域に向かって配置される噴孔の孔径を拡げるだけで本発明の一実施形態にかかる副室口金を形成することが出来るため、副室口金を容易に製作することが可能となる。

本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、給気側噴孔から噴出される燃焼火炎がシリンダ壁面まで到達する時間を短くすることが出来るため、ノッキングの発生が抑制された副室式ガスエンジンを提供することが出来る。

本発明の一実施形態にかかる副室式ガスエンジンを示した断面図である。 本発明の一実施形態にかかる副室式ガスエンジンのシリンダヘッドを下方から視認した平面図である。 本発明の一実施形態にかかる副室式ガスエンジンのシリンダヘッドを下方から視認した平面図である。 従来の副室式ガスエンジンのシリンダヘッドを下方から視認した平面図である。

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、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。

図１は、本発明の一実施形態にかかる副室式ガスエンジンを示した断面図である。図２は、本発明の一実施形態にかかる副室式ガスエンジンのシリンダヘッドを下方から視認した平面図である。

図１に示したように、本発明の一実施形態にかかる副室式ガスエンジン１は、円筒状のシリンダ２と、シリンダ２の頂部に配置されるシリンダヘッド４と、シリンダ２の内側に往復動自在に配置されたピストン６と、を備えている。そして、シリンダヘッド４およびピストン６の頂面６ａとの間には、主燃焼室１０が画定されている。

またシリンダヘッド４には、その中央部に副室口金８が内設されている。そして、副室口金８の内部には副燃焼室２０が画定されている。この副燃焼室２０の上部には点火プラグ１８が配置されているとともに不図示の燃料ガス通路が接続されており、該燃料ガス通路を介して副燃焼室２０に着火用燃料ガスが供給されるようになっている。また、副室口金８は、その一部が主燃焼室１０に突出した状態でシリンダヘッド４に内設されており、その突出部分には、主燃焼室１０と副燃焼室２０とを連通する複数の噴孔１６が設けられている。本実施形態では６個の噴孔１６が設けられている。

また、シリンダヘッド４には、給気ポート１３および排気ポート１５が夫々開口するとともに、この給気ポート１３および排気ポート１５を夫々開閉する、給気弁１２および排気弁１４が設けられている。

給気ポート１３は、不図示のガス混合器と連通されており、このガス混合器において燃料ガスと空気とが予混合される。そして、給気行程において給気弁１２を開弁することで、ガス混合器において予混合された混合気が給気ポート１３から主燃焼室１０へと供給されるようになっている。

また、排気ポート１５は、不図示の排気マニホールドと連通されている。そして、排気行程において排気弁１４を開弁することで、主燃焼室１０の燃焼ガスが排気ポート１５から排出されるようになっている。

これら給気ポート１３および排気ポート１５は、図２に示したように、副室口金８の周囲を取り囲むように２つずつ設けられている。本実施形態では、図中の右側に２つの給気ポート１３が開口し、図中の左側に２つの排気ポート１５が設けられている。

ここで、シリンダヘッド４を下方から視認した平面視において、図２に示したように、主燃焼室１０を給気ポート１３が存在する側の給気側領域（Ｂ）と、排気ポート１５が存在する側の排気側領域（Ａ）の２つの領域に区分する。図２において、給気側領域（Ｂ）と排気側領域（Ａ）との境界線Ｌは、中心点ｏを通過し、主燃焼室１０を、２つの給気ポート１３が存在する給気側領域（Ｂ）と、２つの排気ポート１５が存在する排気側領域（Ａ）とに均等に分割する直線として設定される。

そして、副室口金８に設けられている複数の噴孔１６の内、給気側領域（Ｂ）に向かって配置されている噴孔１６を給気側噴孔１６ｂ、排気側領域（Ａ）に向かって配置されている噴孔１６を排気側噴孔１６ａと定義する。

この場合において、本発明の一実施形態にかかる副室式ガスエンジン１では、図２に示したように、副室口金８に設けられている６個の噴孔１６の内、給気側領域（Ｂ）に向かっては４個の給気側噴孔１６ｂが配置され、排気側領域（Ａ）に向かっては２個の排気側噴孔１６ａが配置されている。

またこの際、上述した４個の給気側噴孔１６ｂ及び２個の排気側噴孔１６ａは、全て同じ噴孔面積に形成されている。すなわち、上述した２個の給気側噴孔１６ｂの噴孔面積の合計は、上述した４個の排気側噴孔１６ａの噴孔面積の合計よりも大きくなっている。

このように構成される本発明の一実施形態にかかる副室式ガスエンジン１では、副燃焼室２０に供給された着火用燃料ガスが、点火プラグ１８によって着火されることで、副燃焼室２０内に燃焼火炎が生成される。副燃焼室２０内で生成された燃焼火炎は、噴孔１６を介して主燃焼室１０に噴出され、トーチジェットｆを形成する。そして、主燃焼室１０の混合気を着火し、火炎が伝播して、主燃焼室１０全体の燃焼をもたらすようになっている。

そして本実施形態では、上述したように、給気側噴孔１６ｂが排気側噴孔１６ａよりも数多く形成され、給気側噴孔１６ｂの噴孔面積の合計が、排気側噴孔１６ａの噴孔面積の合計よりも大きくなっている。このように、給気側噴孔１６ｂが排気側噴孔１６ａよりも数多く形成されていれば、噴出されるトーチジェットｆｂから給気側領域（Ｂ）に伝播する火炎の伝播領域は狭く（すなわち伝播距離は短く）なるため、火炎がシリンダ壁面２ｂまで到達する時間は短くなる。

これにより、給気側噴孔１６ｂから噴出されるトーチジェットｆｂから伝播する火炎が、給気側領域（Ｂ）のシリンダ壁面２ｂまで到達する時間と、排気側噴孔１６ａから噴出されるトーチジェットｆａから伝播する火炎が、排気側領域（Ａ）のシリンダ壁面２ａまで到達する時間との時間差が小さくなる。そして図２に示したように、給気側領域（Ｂ）および排気側領域（Ａ）において、従来の火炎面Ｆ´とは異なり、火炎面Ｆがほぼ同時にシリンダ壁面２ａ、２ｂに到達することで、シリンダ壁面２ｂの近傍におけるノッキングの発生が抑制される。

また、上述したように、給気側噴孔１６ｂおよび排気側噴孔１６ａの噴孔面積が全て同じ面積に形成されていれば、副室口金８に噴孔１６を形成する場合に、副室口金８に同形状の孔を穿孔することで噴孔１６を形成することが出来るため、副室口金８に噴孔１６を形成する作業が容易となる。

図３は、本発明の一実施形態にかかる副室式ガスエンジンのシリンダヘッドを下方から視認した平面図である。本実施形態の副室式ガスエンジン１は、上述した実施形態と基本的には同様な構成であり、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。

この図３に示した副室式ガスエンジン１は、上述した実施形態と比べて、副室口金８に設けられている噴孔１６の配置および形状が異なっている。すなわち、本実施形態の副室口金８には、上述した実施形態と同様に６個の噴孔１６が設けられている。しかしながら、上述した実施形態とは異なり、給気側噴孔１６ｂおよび排気側噴孔１６ａがともに３個ずつ配置されているとともに、給気側噴孔１６ｂの各噴孔面積は、排気側噴孔１６ａの噴孔面積よりも大きく形成されている。すなわち、上述した３個の給気側噴孔１６ｂの噴孔の径が上述した３個の排気側噴孔１６ａの噴孔の径よりも大きく、それらの面積の合計は、上述した３個の排気側噴孔１６ａの噴孔面積の合計よりも大きくなっている。

ここで図３におけるトーチジェットｆの矢印は、その噴出方向と貫徹力の強さを示しており、排気側噴孔１６ａから噴出されるトーチジェットｆａよりも、給気側噴孔１６ｂから噴出されるトーチジェットｆｂの方が、より大きい貫徹力で噴出している様子を示している。

このように、給気側噴孔１６ｂが排気側噴孔１６ａと同数であっても、各給気側噴孔１６ｂの噴孔径が排気側噴孔１６ａの噴孔径よりも大きく、すなわち、給気側噴孔１６ｂの噴孔面積の合計が排気側噴孔１６ａの噴孔面積の合計よりも大きければ、給気側噴孔１６ｂから給気側領域（Ｂ）に噴出されるトーチジェットｆｂの貫徹力は、排気側噴孔１６ａから噴出されるトーチジェットｆａの貫徹力よりも強い。このため、給気側領域（Ｂ）におけるトーチジェットｆｂの到達距離が長くなり、そこから伝播する火炎の伝播距離も短くなることから、火炎がシリンダ壁面２ｂまで到達する時間も短くなる。

そしてこれにより、給気側噴孔１６ｂから噴出されるトーチジェットｆｂから伝播する火炎の給気側領域（Ｂ）のシリンダ壁面２ｂまで到達する時間と、排気側噴孔１６ａから噴出されるトーチジェットｆａから伝播する火炎の排気側領域（Ａ）のシリンダ壁面２ａまで到達する時間との時間差が小さくなる。そして図３に示したように、給気側領域（Ｂ）および排気側領域（Ａ）において、従来の火炎面Ｆ´とは異なり、火炎面Ｆがほぼ同時にシリンダ壁面２ａ、２ｂに到達することで、シリンダ壁面２ｂの近傍におけるノッキングの発生が抑制される。

また、上述したように給気側噴孔１６ｂが排気側噴孔１６ａと同じ数だけ形成され、且つ給気側噴孔１６ｂの各噴孔面積が、排気側噴孔１６ａの噴孔面積よりも大きく形成されていれば、例えば、同じ面積の噴孔が等間隔に形成されている図４に示した従来の副室口金１０８において、給気側領域（Ｂ）に向かって配置される噴孔１０６の孔径を拡げるだけで本発明の一実施形態にかかる副室口金８を形成することが出来るため、副室口金８を容易に製作することが可能となる。

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、１）給気側噴孔１６ｂが、排気側噴孔１６ａと同数で、且つ給気側噴孔１６ｂの噴孔面積の合計が、排気側噴孔１６ａの噴孔面積の合計よりも大きい場合、２）給気側噴孔１６ｂが、排気側噴孔１６ａよりも数多く形成され、且つ給気側噴孔１６ｂの各噴孔面積が、排気側噴孔１６ａの噴孔面積と同じ場合、の２つの場合について説明したが本発明はこれに限定されない。

すなわち本発明は、給気側噴孔１６ｂの噴孔面積の合計が、排気側噴孔１６aの噴孔面積の合計よりも大きければ良く、例えば、３）給気側噴孔１６ｂが、排気側噴孔１６ａよりも数多く形成され、且つ給気側噴孔１６ｂの噴孔面積の合計が、排気側噴孔１６ａの噴孔面積の合計よりも大きい場合、であっても良いものである。

本発明の少なくとも一つの実施形態は、副室口金内部の副燃焼室で生成された燃焼火炎を複数の噴孔を介して主燃焼室に噴出せしめることで、主燃焼室の混合気を燃焼させる副室式ガスエンジンとして、例えば、火力発電プラントにおける発電用ガスエンジンなどに用いることができる。

１ 副室式ガスエンジン
２ シリンダ
２ａ、２ｂ シリンダ壁面
４ シリンダヘッド
６ ピストン
６ａ ピストン頂面
８ 副室口金
１０ 主燃焼室
１２ 給気弁
１３ 給気ポート
１４ 排気弁
１５ 排気ポート
１６ 噴孔
１６ａ 排気側噴孔
１６ｂ 給気側噴孔
１８ 点火プラグ
２０ 副燃焼室
Ｆ、Ｆ´ 火炎面
ｆａ、ｆｂ 噴射火炎

Claims (3)

1. シリンダと、
   前記シリンダの頂部に配置されるシリンダヘッドと、
   前記シリンダ内に往復動自在に配置され、前記シリンダヘッドとの間で主燃焼室を画定するピストンと、
   前記シリンダヘッドの中央部に内設され、その内部に副燃焼室が画定されているとともに、該副燃焼室と前記主燃焼室とを連通する複数の噴孔を有する副室口金と、
   前記シリンダヘッドに開口されている給気ポートを開閉することで、前記主燃焼室内に混合気を供給する給気弁と、
   前記シリンダヘッドに開口されている排気ポートを開閉することで、前記主燃焼室内の排気ガスを排出する排気弁と、を備える副室式ガスエンジンにおいて、
   前記シリンダヘッドを下方から視認した平面視において、前記主燃焼室を前記給気ポートが存在する側の給気側領域と、前記排気ポートが存在する側の排気側領域の２つの領域に区分するとともに、前記副室口金に設けられている複数の噴孔の内、前記給気側領域に向かって配置されている噴孔を給気側噴孔、前記排気側領域に向かって配置されている噴孔を排気側噴孔と定義した場合に、
   前記給気側噴孔および前記排気側噴孔は互いに少なくとも１つ以上存在し、且つ前記給気側噴孔の噴孔面積の合計が、前記排気側噴孔の噴孔面積の合計よりも大きいことを特徴とする副室式ガスエンジン。
2. 前記給気側噴孔は、前記排気側噴孔よりも数多く形成され、且つ前記給気側噴孔および前記排気側噴孔の各噴孔面積は、全て同じ面積に形成されてい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. 前記給気側噴孔は前記排気側噴孔と同じ数だけ形成され、且つ前記給気側噴孔の各噴孔面積は、前記排気側噴孔の噴孔面積よりも大きく形成されてい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。
   

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