JP2014101824A - 副室装置、および該副室装置を備えたエンジン - Google Patents
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Abstract
【課題】副室内の混合気濃度のサイクル毎の変動を抑制して、副室内において生成される火炎の強度、及び該火炎による主燃焼室の燃焼のサイクル毎の変動を抑制して、平均筒内最高圧力を上昇させて、燃焼効率を向上させることを目的とする。
【解決手段】エンジン1のピストン5上面とシリンダヘッド7との間に形成される主燃焼室9と、シリンダヘッドに設けられ主燃焼室9に連通孔29を介して接続される副室23と、連通孔29を開閉する副室弁25と、副室23内に着火用燃料を供給する副室混合気供給弁59と、副室23内に設けられるとともに副室混合気供給弁59から供給される着火用燃料を燃焼して燃焼火炎を生成せしめる点火プラグ57と、副室23の壁面の一部を形成すると共に副室23内の容積を膨張および圧縮して副室容積を変更せしめる副室ピストン27と、を備えことを特徴とする。
【選択図】図1
【解決手段】エンジン1のピストン5上面とシリンダヘッド7との間に形成される主燃焼室9と、シリンダヘッドに設けられ主燃焼室9に連通孔29を介して接続される副室23と、連通孔29を開閉する副室弁25と、副室23内に着火用燃料を供給する副室混合気供給弁59と、副室23内に設けられるとともに副室混合気供給弁59から供給される着火用燃料を燃焼して燃焼火炎を生成せしめる点火プラグ57と、副室23の壁面の一部を形成すると共に副室23内の容積を膨張および圧縮して副室容積を変更せしめる副室ピストン27と、を備えことを特徴とする。
【選択図】図1
Description
本発明は、副室装置、および該副室装置を備えたエンジンに関し、特に、ガスエンジンにおける副室装置に関する。
ガスエンジンにおいては、一般に、燃料ガスと空気とを予混合して主燃焼室に送り込むとともに、副室を用いて生成された火炎を副室の先端部分の噴射孔から主燃焼室へ噴射して主燃焼室内で、前記予混合の給気ガスを燃焼するようになっている。
副室の内部に形成された空気流中に軽油等の液体燃料を噴射して該液体燃料を着火燃焼せしめ、副室内で火炎を生成する副室パイロット着火式と、着火用の燃料ガスを供給して、着火性のよい混合気を作り、点火プラグで点火して燃焼せしめて、副室内で火炎を生成する火花点火式とが知られている。
副室の内部に形成された空気流中に軽油等の液体燃料を噴射して該液体燃料を着火燃焼せしめ、副室内で火炎を生成する副室パイロット着火式と、着火用の燃料ガスを供給して、着火性のよい混合気を作り、点火プラグで点火して燃焼せしめて、副室内で火炎を生成する火花点火式とが知られている。
図9に、従来の火花点火式の副室式ガスエンジンを示す。
この副室式ガスエンジン100は、4サイクルのガスエンジンでありシリンダ102内に往復摺動自在に嵌合されたピストン103、前記ピストン103の上面とシリンダ102の内面とシリンダヘッド106との間に区画形成される主燃焼室108、該主燃焼室108に接続される給気ポート110、該給気ポート110を開閉する給気弁112等を備えている。
この副室式ガスエンジン100は、4サイクルのガスエンジンでありシリンダ102内に往復摺動自在に嵌合されたピストン103、前記ピストン103の上面とシリンダ102の内面とシリンダヘッド106との間に区画形成される主燃焼室108、該主燃焼室108に接続される給気ポート110、該給気ポート110を開閉する給気弁112等を備えている。
前記給気ポート110の上流には、ガスミキサー114が設置され、燃料ガス管116を通して供給された燃料ガスと、空気とを該ガスミキサー114で予混合する。そして、この予混合気はスロットル弁(図示省略)の開度制御によって流量が調整されて、給気ポート110を経て給気弁112に達し、該給気弁112の開弁によって前記主燃焼室108内に供給される。
燃料ガス管116には、燃料ガス管116の通路面積と開閉期間を自在に変更可能にするガス開閉弁118が設けられている。
燃料ガス管116には、燃料ガス管116の通路面積と開閉期間を自在に変更可能にするガス開閉弁118が設けられている。
また、主燃焼室108の中央部に位置してシリンダヘッド106には副室口金120が取り付けられている。該副室口金120の内部には副室122が形成され、先端部には噴孔124が周方向に複数形成されている。
副室口金120を先端部に装着して、シリンダヘッド106に取り付けられるノズルホルダー128が設けられている。該ノズルホルダー128には、その内部に点火プラグ130、および着火用の燃料ガスを副室122に供給する燃料ガス供給口132を開閉する開閉弁134が装着されている。
開閉弁134および点火プラグ130は、図示されない制御装置によってエンジンの所定の運転タイミングで開閉、及び点火制御がされている。
また、着火用の燃料ガスはノズルホルダー128に接続された入口管136を通って、ノズルホルダー128の内部に形成された着火用燃料ガス供給管138に連通されて、副室122に導かれるようになっている。
副室口金120を先端部に装着して、シリンダヘッド106に取り付けられるノズルホルダー128が設けられている。該ノズルホルダー128には、その内部に点火プラグ130、および着火用の燃料ガスを副室122に供給する燃料ガス供給口132を開閉する開閉弁134が装着されている。
開閉弁134および点火プラグ130は、図示されない制御装置によってエンジンの所定の運転タイミングで開閉、及び点火制御がされている。
また、着火用の燃料ガスはノズルホルダー128に接続された入口管136を通って、ノズルホルダー128の内部に形成された着火用燃料ガス供給管138に連通されて、副室122に導かれるようになっている。
このような、点火プラグを備えた副室式ガスエンジンの先行技術としては、例えば、特許文献1(特開2004−197623号公報)、特許文献2(特開2010−169086号公報)を挙げることができる。
図9、及び特許文献1、2に示すような点火プラグを備えた副室付きガスエンジンにおいては、図7(A)、(B)に示すように、給気行程においては、開閉弁134が開いて副室122内に着火用の燃料ガスが供給され、圧縮行程においては、主燃焼室108から希薄混合気が、副室口金120の先端部に形成された噴孔124を通って、副室122内に流れ込む。
これによって、給気行程および圧縮行程で、副室122内で副室122に供給された燃料ガスと、主燃焼室108から流入した希薄混合ガスとが混合して、副室122内で混合気が形成される。このため、主燃焼室108で生成される希薄混合気の濃度が安定しない場合には、副室122における濃度もサイクル毎に濃度のバラツキが生じやすい。
これによって、給気行程および圧縮行程で、副室122内で副室122に供給された燃料ガスと、主燃焼室108から流入した希薄混合ガスとが混合して、副室122内で混合気が形成される。このため、主燃焼室108で生成される希薄混合気の濃度が安定しない場合には、副室122における濃度もサイクル毎に濃度のバラツキが生じやすい。
すなわち、主燃焼室108における混合気形成に影響を与えるガス供給圧力や、給気圧力などの指標の小さな変動によって、混合気濃度にサイクル毎のバラツキが発生し、燃焼状態も燃焼サイクル毎に変動が生じやすい。図8に筒内最高圧力が変動する状態を示す。
その結果、副室122においても、副室122に供給された燃料ガスと主燃焼室108から流入する希薄混合ガスとが混合して、副室122内で混合気が形成されるため、副室122における濃度も安定せずにサイクル毎の濃度のバラツキが生じやすい。
その結果、副室122においても、副室122に供給された燃料ガスと主燃焼室108から流入する希薄混合ガスとが混合して、副室122内で混合気が形成されるため、副室122における濃度も安定せずにサイクル毎の濃度のバラツキが生じやすい。
燃焼状態が変動するということは、結果として、筒内最高圧力がサイクル変動することになる。筒内最高圧力は信頼性の観点から許容値以下になるように制御されているため、燃焼サイクル毎の変動が大きいと、筒内最高圧力の(サイクル間の)平均値が低くなり、結果としてエンジン全体の熱効率を悪化させる問題がある。
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであり、副室内の混合気濃度のサイクル毎の変動を抑制して、副室内において生成される火炎の強度、及び該火炎による主燃焼室の燃焼のサイクル毎の変動を抑制して、平均筒内最高圧力を上昇させて、燃焼効率を向上させることを目的とする。
また、副室内の圧力を高めて副室からの火炎噴出による主室着火性を向上させて、副室供給燃料の少量化による燃費の向上を図ることを目的とする。
また、副室内の圧力を高めて副室からの火炎噴出による主室着火性を向上させて、副室供給燃料の少量化による燃費の向上を図ることを目的とする。
そこで、本発明はかかる目的を達成するために、エンジンのピストン上面とシリンダヘッドとの間に形成される主燃焼室と、シリンダヘッドに設けられ前記主燃焼室に連通孔を介して接続される副室と、前記連通孔を開閉する副室弁と、前記副室内に着火用燃料を供給する副室混合気供給弁と、前記副室内に設けられるとともに前記副室混合気供給弁から供給される前記着火用燃料を燃焼して燃焼火炎を生成せしめる点火プラグと、前記副室の壁面の一部を形成すると共に副室内の容積を膨張および圧縮して副室容積を変更せしめる副室ピストンとを備えることを特徴とする。
かかる発明によれば、副室弁によって副室が主燃焼室と分離できるため、主燃焼室から副室内に希薄混合気の流入を防ぐことが可能になり、副室内でのサイクル毎の濃度分布の変動を抑えることができる。
すなわち、主燃焼室へは、空気と主燃料ガスとの希薄混合気が導入されるが、この希薄混合気は、主燃料ガスの供給圧力、さらに空気状態すなわち大気圧力や過給圧力の変化によって変動しやすく、サイクル毎に安定しにくく変動因子となっている。
すなわち、主燃焼室へは、空気と主燃料ガスとの希薄混合気が導入されるが、この希薄混合気は、主燃料ガスの供給圧力、さらに空気状態すなわち大気圧力や過給圧力の変化によって変動しやすく、サイクル毎に安定しにくく変動因子となっている。
本発明では、副室の混合気の濃度が主燃焼室における濃度変化の影響を極力受けないようにして、副室内の混合気濃度のサイクル毎の変動を抑制して、副室において生成される燃焼火炎の強度、及び該火炎による主燃焼室の燃焼のサイクル毎の変動を抑制することで、平均筒内最高圧力を上昇させて燃焼効率を向上させることができる。
具体的には、前記副室弁の開閉、前記副室ピストンの膨張及び圧縮、前記点火プラグの点火時期、および前記副室混合気供給弁の開閉、のそれぞれの作動を制御する制御手段を備え、前記主燃焼室と副室とを前記副室弁で分離した状態で、前記副室内で点火プラグによって燃焼火炎を生成せしめ、該火炎を前記主燃焼室に前記連通孔から噴出するとよい。
このように、制御手段よって前記副室弁の開閉、前記副室ピストンの膨張及び圧縮、前記点火プラグの点火時期、および前記副室混合気供給弁の開閉を最適なタイミングで作動制御することで、主燃焼室と副室とを副室弁で分離した状態で、副室内において点火プラグで点火して燃焼火炎を生成せしめて、該火炎を前記主燃焼室に前記連通孔を通して噴出することができる。
また、本発明において好ましくは、前記エンジンは4サイクルガスエンジンからなり、前記主燃焼室には空気とガス燃料との所定の空気過剰率の混合気が流入され、前記副室には副室混合気供給弁から空気とガス燃料との所定の空気過剰率の混合気が導入されるように構成されるとよい。
前述のように副室弁の制御によって、副室の混合気の濃度が主燃焼室における濃度変化の影響を極力受けないようにしているため、ガスエンジンにおいて、副室内で点火プラグによる点火に適した空気過剰率λ、例えばλ=1(理論空燃比)の混合気とし、主燃焼室の空気過剰率λは、NOx低減、熱効率向上のために、例えばλ=2程度(希薄混合気)の混合気のように所定の空気過剰率の混合気に設定することによって、副室での理論空燃比状態により安定的に火炎が生成される。それに伴い、副室から主燃焼室に噴出される火炎の強さも安定化し、さらに、主燃焼室の希薄混合気の燃焼変動も抑制される。
また、本発明において好ましくは、前記制御手段は、前記副室弁を主燃焼室の給気行程の開始時点で閉弁し、該閉弁後に前記副室混合気供給弁を開弁するとともに、前記副室ピストンを副室容積が膨脹するように作動するとよい。
かかる構成によれば、前記制御手段は、前記副室弁を主燃焼室の給気行程の開始時点で閉弁し、該閉弁後に前記副室混合気供給弁を開弁するので、給気行程で副室から主燃焼室へ高濃度の混合気(λ=1)が流入することが防止される。これによって、主燃焼室での濃度分布(サイクル毎の濃度のバラツキ)が発生しにくくなる。
さらに、副室混合気供給弁を開弁するとともに、前記副室ピストンを副室容積が膨脹するように作動させるので、副室混合気供給弁から高濃度の混合気(λ=1)が供給される。すなわち、副室混合気供給弁を開いただけでは、副室内に高濃度の混合気(λ=1)が流入しないため、副室容積を副室ピストンによって膨張させ、高濃度の混合気(λ=1)を流入させることができる。
また、本発明において好ましくは、前記制御手段は、主燃焼室の圧縮行程に入った後に前記副室ピストンが副室容積を圧縮するように作動し、前記点火プラグによる点火タイミングにおいて前記副室内圧力が前記主燃焼室内圧力より高くなるように圧縮するとともに、該点火タイミングの直前で、前記副室弁を開弁するとよい。
このように、主燃焼室が圧縮行程に入った後には、副室ピストンが副室容積を圧縮するように作動して、副室内の圧力を高めて、主燃焼室内圧力より高くなるように圧縮して、点火タイミングの直前で副室弁を開弁するので、点火タイミングでの、副室からの火炎噴出を強めることができる。これによって、少ない着火用燃料で、良好な着火を可能にすることができる。
すなわち、副室内の圧力を高めて副室からの火炎噴出による主室着火性を向上させて、副室燃料の少量化による燃費の向上を図ることができる。
すなわち、副室内の圧力を高めて副室からの火炎噴出による主室着火性を向上させて、副室燃料の少量化による燃費の向上を図ることができる。
また、本発明において好ましくは、前記制御手段は、前記副室弁を主燃焼室の排気行程の開始時点で閉弁し、該閉弁後に前記副室混合気供給弁を開弁するとともに、前記副室ピストンを副室容積が膨脹するように作動するとよい。
このように、副室弁を主燃焼室の排気行程の開始時点で閉弁するので、排気行程で副室弁が開弁していると、主燃焼室より副室内に主燃焼室内の残留ガスが流入して、サイクル変動の要因になる可能性がある。それに対応するために、副室弁を早い時期、つまり排気行程の開始時点において閉弁する。
なお、該閉弁後に前記副室混合気供給弁を開弁するとともに、前記副室ピストンを副室容積が膨脹するように作動させるのは、前述のように、副室混合気供給弁を開いただけでは、副室内に着火用燃料の混合気が流入しないため、副室容積を副室ピストンによって膨張させ、混合気を流入させるためである。
なお、該閉弁後に前記副室混合気供給弁を開弁するとともに、前記副室ピストンを副室容積が膨脹するように作動させるのは、前述のように、副室混合気供給弁を開いただけでは、副室内に着火用燃料の混合気が流入しないため、副室容積を副室ピストンによって膨張させ、混合気を流入させるためである。
また、本発明において好ましくは、前記制御手段は、主燃焼室の給気行程の後半に入った時点で前記副室ピストンが副室容積を圧縮するように作動し、前記点火プラグによる点火タイミングにおいて前記副室内圧力が前記主燃焼室内圧力より高くなるように圧縮するとともに、該点火タイミングの直前で、前記副室弁を開弁するとよい。
すなわち、排気行程の開始時点において副室弁を閉弁し、その後、給気行程の後半になってから、前記副室ピストンが副室容積を圧縮するように作動し、前記点火プラグによる点火タイミングにおいて前記副室内圧力が前記主燃焼室内圧力より高くなるように圧縮するとともに、該点火タイミングの直前で、前記副室弁を開弁する。
従って、副室ピストンによる副室容積の変化を排気行程から給気行程の前半にかけて長い期間にわたって行えるため、副室混合気供給弁から副室内に流入する着火用燃料が副室内に万遍なく行き渡り、点火プラグによる着火燃焼性が向上して燃焼火炎の生成が安定化する。
従って、副室ピストンによる副室容積の変化を排気行程から給気行程の前半にかけて長い期間にわたって行えるため、副室混合気供給弁から副室内に流入する着火用燃料が副室内に万遍なく行き渡り、点火プラグによる着火燃焼性が向上して燃焼火炎の生成が安定化する。
また、本発明において好ましくは、前述した副室装置を備えたエンジンとするとよく、このようなエンジンでは、副室内の混合気濃度のサイクル毎の変動を抑制して、副室において生成される火炎の強度、及び該火炎による主燃焼室の燃焼のサイクル毎の変動を抑制して、平均筒内最高圧力を上昇させて、燃焼効率を向上させることができる。
本発明によれば、副室内の混合気濃度のサイクル毎の変動を抑制して、副室において生成される火炎の強度、及び該火炎による主燃焼室の燃焼のサイクル毎の変動を抑制して、平均筒内最高圧力を上昇させて、燃焼効率を向上させることができる。
また、副室内の圧力を高めて副室からの火炎噴出による主室着火性を向上させて、副室燃料の少量化による燃費の向上を図ることができる。
また、副室内の圧力を高めて副室からの火炎噴出による主室着火性を向上させて、副室燃料の少量化による燃費の向上を図ることができる。
以下、本発明に係る実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、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特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
(第1実施形態)
第1実施形態について図1、図2、図6を参照して説明する。
図1において、エンジンは、副室式ガスエンジン(以下エンジンという)1を示し、4サイクルのガスエンジンである。該エンジン1は、シリンダ3内に往復摺動自在に嵌合されたピストン5、前記ピストン5の上面とシリンダ3の内面とシリンダヘッド7との間に区画形成される主燃焼室9、該主燃焼室9に接続される給気ポート11、該給気ポート11を開閉する給気弁13、主燃焼室9に接続される排気ポート15、該排気ポート15を開閉する排気弁17等を備えている。
第1実施形態について図1、図2、図6を参照して説明する。
図1において、エンジンは、副室式ガスエンジン(以下エンジンという)1を示し、4サイクルのガスエンジンである。該エンジン1は、シリンダ3内に往復摺動自在に嵌合されたピストン5、前記ピストン5の上面とシリンダ3の内面とシリンダヘッド7との間に区画形成される主燃焼室9、該主燃焼室9に接続される給気ポート11、該給気ポート11を開閉する給気弁13、主燃焼室9に接続される排気ポート15、該排気ポート15を開閉する排気弁17等を備えている。
前記給気ポート11の上流には、図9で示したガスミキサー114と同様のガスミキサーが設けられて、燃料ガスと空気とが予混合されて希薄混合気が生成され、この希薄混合気はスロットル弁(図示省略)の開度制御によって流量が調整されて、給気ポート11を経て給気弁13に達し、該給気弁13の開弁によって前記主燃焼室9内に供給されるようになっている。
主燃焼室9の中央部に位置してシリンダヘッド7には副室装置19の本体部21が取り付けられている。この本体部21は、略円筒形状をしており、内部には副室23、副室弁25、及び副室ピストン27が設けられている。
副室23は、本体部21の下端部に形成され、シリンダヘッド7に形成された1つの連通孔29を介して主燃焼室9に連通するようになっている。また、連通孔29は、副室弁25の弁体部31によって開閉されるようになっている。
副室23は、本体部21の下端部に形成され、シリンダヘッド7に形成された1つの連通孔29を介して主燃焼室9に連通するようになっている。また、連通孔29は、副室弁25の弁体部31によって開閉されるようになっている。
副室弁25は弁体部31と弁軸部33とから構成され、弁軸部33の下端に弁体部31を備え、上端部にはエンジンのクランクシャフトの回転に連動する副室弁駆動カム35が当接するカム当接部37を備えている。カム当接部37はバネ39で上方向に付勢されて弁体部31を常に閉弁する方向に付勢している。
弁体部31は、副室弁駆動カム35の回動によって下方に移動することで開弁されて、副室23からの燃焼火炎が弁体部31の傘形状の上面に沿って流れて主燃焼室9内に噴出する。
弁体部31は、副室弁駆動カム35の回動によって下方に移動することで開弁されて、副室23からの燃焼火炎が弁体部31の傘形状の上面に沿って流れて主燃焼室9内に噴出する。
また、本体部21の上端部分には弁軸案内部41が設けられ、弁軸部33を上下方向に摺動自在に支持している。また、本体部21の中央部分には副室ピストン案内部43が設けられ、副室ピストン27を上下方向に摺動自在に支持している。
この副室ピストン27は、本体部21内を上下摺動自在に内嵌して設けられ、下端部の副室ピストン本体部45と副室ピストン軸部47とから構成されている。副室ピストン軸部47の上端部のアーム当接部49には、駆動アーム51の先端部が当接している。駆動アーム51は、エンジンのクランクシャフトの回転に連動する副室ピストン駆動カム53の動きに連動して上下動するようになっている。
副室ピストン軸部47の上端部のアーム当接部49はバネ55で上方向に付勢されて副室ピストン本体部45を常に上方向に付勢している。副室ピストン駆動カム53の回動によって、駆動アーム51の先端を押し下げることで、副室ピストン27を押し下げて副室23の容積を圧縮し、また駆動アーム51の先端を上げることで、副室ピストン27を上昇させて副室23の容積を膨脹させる。
また、副室ピストン軸部47の中心部は、副室弁25の弁軸部33が摺動自在に支持されて貫通するように中空状になっている。これによって、副室ピストン27の上下動と、副室弁25の上下動とは干渉せずにそれぞれ副室弁駆動カム35と副室ピストン駆動カム53との動きで別々に駆動制御できるようになっている。
なお、副室ピストン軸部47及び副室弁25の弁軸部33は同心軸上に位置され、本体部21の中心軸に沿って設けられている。
なお、副室ピストン軸部47及び副室弁25の弁軸部33は同心軸上に位置され、本体部21の中心軸に沿って設けられている。
副室23内には、火花放電して燃料ガスと空気の混合気を着火燃焼せしめる点火プラグ57がシリンダヘッド7の近傍の壁面に取り付けられており、また、点火プラグ57に対向する壁面には、副室23内に着火用の混合気を供給する副室混合気供給弁59が取り付けられている。
副室混合気供給弁59には、副室用ガスミキサー61によって、空気と調整された燃料ガス量とが所定の空気過剰率λ、本実施形態の例では理論空燃比のλ=1になるように混合されて供給される。
なお、主燃焼室9の空気過剰率λは、NOx低減、熱効率向上のために、例えばλ=2程度(希薄混合気)の混合気に設定されている。
副室混合気供給弁59には、副室用ガスミキサー61によって、空気と調整された燃料ガス量とが所定の空気過剰率λ、本実施形態の例では理論空燃比のλ=1になるように混合されて供給される。
なお、主燃焼室9の空気過剰率λは、NOx低減、熱効率向上のために、例えばλ=2程度(希薄混合気)の混合気に設定されている。
また、副室弁25の開閉、副室ピストン27の膨張及び圧縮、点火プラグ57の点火時期、および副室混合気供給弁59の開閉は、それぞれの作動タイミングを制御する制御手段63によって行われている。
次に、制御手段63よる、副室弁25の開閉、副室ピストン27の膨張及び圧縮、点火プラグ57の点火時期、および副室混合気供給弁59の開閉について、図2のタイムチャートを参照して説明する。
図2の横軸は、クランク角度であり、縦軸は(A)は主燃焼室(主室)9の容積変化を示し、(B)は副室弁25の開閉挙動を示し、(C)は副室23の容積の変化すなわち、副室圧縮か副室膨脹かを示し、(D)は副室混合気供給弁59の開閉状態を示す。
図2の横軸は、クランク角度であり、縦軸は(A)は主燃焼室(主室)9の容積変化を示し、(B)は副室弁25の開閉挙動を示し、(C)は副室23の容積の変化すなわち、副室圧縮か副室膨脹かを示し、(D)は副室混合気供給弁59の開閉状態を示す。
主燃焼室9が排気行程にあるときには、副室弁25は開弁しており、副室23の容積は、副室ピストン27が下がり小容積状態にあり、さらに、副室混合気供給弁59は閉じている。この排気行程では、副室弁25は開いているが、副室容積は小状態であるため主燃焼室9からの残留ガスの流入量は従来技術の場合よりも少なくなる。
主燃焼室9が給気行程に移ると、副室弁25は主燃焼室9の給気行程の開始時点で閉弁し、該閉弁後に副室混合気供給弁59を開弁するとともに、副室ピストン27を副室23の容積が膨脹するように上方向に移動する。
副室弁25を主燃焼室9の給気行程の開始時点で閉弁し、該閉弁後に副室混合気供給弁59を開弁するので、給気行程で副室23から主燃焼室9へ副室23からの高濃度の混合気(λ=1)が流入することが防止される。これによって、主燃焼室9での濃度分布(サイクル毎の濃度のバラツキ)が発生しにくくなる。
また、主燃焼室9が給気行程に移ると、副室混合気供給弁59を開弁するとともに、副室ピストン27を副室容積が膨脹するように作動させるので、すなわち、副室混合気供給弁59を開いただけでは、副室23内に着火用燃料の混合気が流入しにくいため、副室容積を副室ピストン27によって膨張させることで、混合気を流入させ易くできる。
さらに、主燃焼室9が圧縮行程に入った後には、副室ピストン27がタイミングT1(図2参照)で副室容積を圧縮するように作動し、タイミングT2(図2参照)で点火プラグ57によって点火する。副室23内圧力が主燃焼室9内圧力より高くなるように圧縮するとともに、該点火タイミングT2の直前(T2−α)で(αは所定タイミング期間)、副室弁25を開弁する。
このように、圧縮行程に入った後には、副室ピストン27が副室23容積を圧縮するように作動して、副室23の圧力を高めて、主燃焼室9内圧力より高くなるように圧縮して、点火タイミングT2の直前(T2−α)で副室弁を開弁するので、点火タイミングT2での、副室23からの火炎噴出を確実に噴出でき、かつ強めることができ、少ない着火用燃料で、良好な着火を可能にすることができる。
すなわち、副室23内の圧力を高めて副室23からの火炎噴出による主室着火性を向上させて、副室燃料の少量化による燃費の向上を図ることができる。
すなわち、副室23内の圧力を高めて副室23からの火炎噴出による主室着火性を向上させて、副室燃料の少量化による燃費の向上を図ることができる。
以上のように、第1実施形態によれば、主燃焼室9と副室23とを副室弁25で分離した状態で副室23内に、副室用ガスミキサー61によって、空気と燃料ガスとが所定の空気過剰率λ=1になるように調整された混合気を供給して、点火プラグ57による点火に適した空気過剰率としているので、安定した点火による燃料火炎を生成することができる。
すなわち、図6に示すように、(A)の従来技術においては、主燃焼室と副室との間を噴孔124(図7参照)を通して行き来するため、副室内の空気過剰が主燃焼室内の空気過剰率λに影響され、主燃焼室内の空気過剰率に変動が生じると、その影響が副室内の空気過剰率の変動に大きく影響することがあった。しかし、本実施形態では(B)に示すように、主燃焼室9と副室23とを副室弁25で分離した状態で副室23内に、点火プラグ57の点火に適した空気過剰率の混合気を供給するため、主燃焼室9の空気過剰率の変動に影響されずに安定した燃焼火炎を生成することができる。
その結果、副室23内の混合気濃度のサイクル毎の変動を抑制して、副室において生成される火炎の強度、及び該火炎による主燃焼室の燃焼のサイクル毎の変動を抑制して、平均筒内最高圧力を上昇させて、燃焼効率を向上させることができる。
その結果、副室23内の混合気濃度のサイクル毎の変動を抑制して、副室において生成される火炎の強度、及び該火炎による主燃焼室の燃焼のサイクル毎の変動を抑制して、平均筒内最高圧力を上昇させて、燃焼効率を向上させることができる。
(第2実施形態)
次に、図3を参照して第2実施形態について説明する。
第2実施形態は、図3のタイムチャートに示すように、第1実施形態に比べて、副室弁25の閉弁時期を早め、副室23の膨脹及び圧縮の開始タイミングを早め、副室混合気供給弁59の開弁時期を早めたものである。第2実施形態の副室装置64は、作動タイミング以外は図1の第1実施形態と同様の構成である。
次に、図3を参照して第2実施形態について説明する。
第2実施形態は、図3のタイムチャートに示すように、第1実施形態に比べて、副室弁25の閉弁時期を早め、副室23の膨脹及び圧縮の開始タイミングを早め、副室混合気供給弁59の開弁時期を早めたものである。第2実施形態の副室装置64は、作動タイミング以外は図1の第1実施形態と同様の構成である。
主燃焼室9が排気行程の開始時点で副室弁25を閉弁し、該閉弁後に副室混合気供給弁59を開弁するとともに、副室ピストン27を副室容積が膨脹するように作動させる。
このように、副室弁25を主燃焼室9の排気行程の開始時点で閉弁するので、排気行程で副室弁25が開弁していると、主燃焼室9より副室23内に主燃焼室9内の残留ガスが流入して、サイクル変動の要因になる。それに対応するために、副室弁25を早い時期、つまり排気行程の開始時点において閉弁する。
なお、該閉弁後に副室混合気供給弁59を開弁するとともに、副室ピストン27を副室容積が膨脹するように作動させる。これは前述のように、副室混合気供給弁59を開いただけでは、副室23内に着火用燃料の混合気が流入しにくいため、副室容積を副室ピストン27によって膨張させ、混合気を流入させ易くするためである。
なお、該閉弁後に副室混合気供給弁59を開弁するとともに、副室ピストン27を副室容積が膨脹するように作動させる。これは前述のように、副室混合気供給弁59を開いただけでは、副室23内に着火用燃料の混合気が流入しにくいため、副室容積を副室ピストン27によって膨張させ、混合気を流入させ易くするためである。
また、主燃焼室9の給気行程の後半に入ったタイミングT3の時点(図3参照)で前記副室ピストン27が副室容積を圧縮するように作動し、点火プラグ57による点火タイミングT4(図3参照)において副室23内圧力が主燃焼室9内圧力より高くなるように圧縮するとともに、該点火タイミングT4の直前(T4−β)で(βは所定タイミング期間)、副室弁25を開弁する。
以上の副室弁25の作動タイミング、副室ピストン27の移動タイミングは、図1の副室ピストン駆動カム53及び副室弁駆動カム35の作動タイミングを変更することで行なわれる。別のカムを設けるか、タイミング移動機構を介して変更する。副室混合気供給弁59ついては、制御手段63によって作動タイミングが変更される。
第2実施形態によれば、排気行程の開始時点において副室弁25を閉弁し、その後、給気行程の後半に入ったタイミングT3から、副室ピストン27が副室容積を圧縮するように作動し、点火プラグ57による点火タイミングT4において副室23内圧力が主燃焼室9内圧力より高くなるように圧縮するとともに、該点火タイミングT4の直前(T4−β)で、副室弁25を開弁するので、副室ピストン27による副室容積の変化を排気行程から給気行程の前半にかけて、前記第1実施形態より長い期間にわたって行うことができる。
これによって、副室混合気供給弁59から副室23内に流入する着火用燃料である理論空燃比の混合気が、副室23内に万遍なく行き渡り、点火プラグ57による着火燃焼性が向上して燃焼火炎の生成が安定化できる。
これによって、副室混合気供給弁59から副室23内に流入する着火用燃料である理論空燃比の混合気が、副室23内に万遍なく行き渡り、点火プラグ57による着火燃焼性が向上して燃焼火炎の生成が安定化できる。
(第3実施形態)
次に、図4を参照して第3実施形態について説明する。
第3実施形態は、第1実施形態および第2実施形態における副室装置19、64を構成する副室弁駆動カム35を副室弁電磁駆動装置65に置き換えたものである。
次に、図4を参照して第3実施形態について説明する。
第3実施形態は、第1実施形態および第2実施形態における副室装置19、64を構成する副室弁駆動カム35を副室弁電磁駆動装置65に置き換えたものである。
第3実施形態の副室装置66は、副室弁電磁駆動装置65とすることによって、点火タイミングT2、T4(図2、3参照)を、燃焼状態によって変化させる場合、第1実施形態及び第2実施形態の場合には、カム駆動機構に可変機構を設けるか、カムを変更しなければならないが、本実施形態の場合には容易に副室弁25の開弁タイミングを変更できるようになる。
また、副室弁電磁駆動装置65として、電磁駆動+サーボアクチュエータの機構を採用すれば、弁開度までを制御可能になり、燃焼火炎の噴出面積を小さく制御することができ、火炎の主燃焼室9内の貫徹力能力を高めて主燃焼室9内での希薄混合気の着火性を高めることができる。
なお、副室弁駆動カム35を副室弁電磁駆動装置65に置き換えた例を示したが、さらに、副室ピストン駆動カム53についても、電磁駆動装置としてもよいことは勿論である。第3実施形態のその他の作用効果は、第1実施形態及び第2実施形態と同様である。
(第4実施形態)
次に、図5を参照して第4実施形態について説明する。
第4実施形態は、第1実施形態および第2実施形態における副室装置を構成する副室ピスト27を図5に示すように、本体部21の長手軸方向に対して直角方向、すなわち横方向に移動可能な副室ピストン67とするものである。その他の構成で図4の第3実施形態と同一のものは同一符号を示す。
次に、図5を参照して第4実施形態について説明する。
第4実施形態は、第1実施形態および第2実施形態における副室装置を構成する副室ピスト27を図5に示すように、本体部21の長手軸方向に対して直角方向、すなわち横方向に移動可能な副室ピストン67とするものである。その他の構成で図4の第3実施形態と同一のものは同一符号を示す。
図5のように、副室装置68は、本体部75内に形成される副室76の側壁面に、副室ピストン67を横方向に移動可能に設けている。
副室ピストン67の一端部が副室76内に突出することで、副室76内の容積を圧縮し、副室ピストン67がバネ69によって図5の右方向に移動されると、副室76内の容積が膨脹するようになっている。副室ピストン駆動カム71、駆動アーム73については、第1、第2実施形態と同様の作動を行って、副室ピストン67を作動する。
また、副室弁78は、弁体部79と弁軸部80とから構成され、弁軸部80は弁軸案内部81によって本体部75内に支持されている。
副室ピストン67の一端部が副室76内に突出することで、副室76内の容積を圧縮し、副室ピストン67がバネ69によって図5の右方向に移動されると、副室76内の容積が膨脹するようになっている。副室ピストン駆動カム71、駆動アーム73については、第1、第2実施形態と同様の作動を行って、副室ピストン67を作動する。
また、副室弁78は、弁体部79と弁軸部80とから構成され、弁軸部80は弁軸案内部81によって本体部75内に支持されている。
このような横向きの副室ピストン67設けることによって、副室装置68の全体の高さを低く抑えることができると共に、シリンダヘッド7上のスペースにある方向に副室ピストン67を取り付けることで、シリンダヘッド7上のスペースの有効利用が図れる。
本発明によれば、副室内の混合気濃度のサイクル毎の変動を抑制して、副室において生成される火炎の強度、及び該火炎による主燃焼室の燃焼のサイクル毎の変動を抑制して、平均筒内最高圧力を上昇させて、燃焼効率を向上させることができる。また、副室内の圧力を高めて副室からの火炎噴出による主室着火性を向上させて、副室燃料の少量化による燃費の向上を図ることができるので、副室付エンジンへの適用技術として有用である。
1 ガスエンジン(エンジン)
3 シリンダ
5 ピストン
7 シリンダヘッド
9 主燃焼室
19、64、66、68 副室装置
29 連通孔
23、76 副室
25、78 副室弁
27、67 副室ピストン
31、79 弁体部
33、80 弁軸部
45 副室ピストン本体部
47 副室ピストン軸部
57 点火プラグ
59 副室混合気供給弁
63 制御手段
65 副室弁電磁駆動装置
3 シリンダ
5 ピストン
7 シリンダヘッド
9 主燃焼室
19、64、66、68 副室装置
29 連通孔
23、76 副室
25、78 副室弁
27、67 副室ピストン
31、79 弁体部
33、80 弁軸部
45 副室ピストン本体部
47 副室ピストン軸部
57 点火プラグ
59 副室混合気供給弁
63 制御手段
65 副室弁電磁駆動装置
Claims (8)
- エンジンのピストン上面とシリンダヘッドとの間に形成される主燃焼室と、
シリンダヘッドに設けられ前記主燃焼室に連通孔を介して接続される副室と、
前記連通孔を開閉する副室弁と、
前記副室内に着火用燃料を供給する副室混合気供給弁と、
前記副室内に設けられるとともに前記副室混合気供給弁から供給される前記着火用燃料を燃焼して燃焼火炎を生成せしめる点火プラグと、
前記副室の壁面の一部を形成すると共に副室内の容積を膨張および圧縮して副室容積を変更せしめる副室ピストンと、
を備えことを特徴とするエンジンの副室装置。 - 前記副室弁の開閉、前記副室ピストンの膨張及び圧縮、前記点火プラグの点火時期、および前記副室混合気供給弁の開閉、のそれぞれの作動を制御する制御手段を備え、前記主燃焼室と副室とを前記副室弁で分離した状態で、前記副室内で点火プラグによって点火して燃焼火炎を生成せしめ、該火炎を前記主燃焼室に前記連通孔から噴出することを特徴とするエンジンの副室装置。
- 前記エンジンは4サイクルガスエンジンからなり、前記主燃焼室には空気とガス燃料との所定の空気過剰率の混合気が流入され、前記副室には副室混合気供給弁から空気とガス燃料との所定の空気過剰率の混合気が導入されるように構成されたことを特徴とする請求項1又は2記載のエンジンの副室装置。
- 前記制御手段は、前記副室弁を主燃焼室の給気行程の開始時点で閉弁し、該閉弁後に前記副室混合気供給弁を開弁するとともに、前記副室ピストンを副室容積が膨脹するように作動することを特徴とする請求項2または3記載のエンジンの副室装置。
- 前記制御手段は、主燃焼室の圧縮行程に入った後に前記副室ピストンが副室容積を圧縮するように作動し、前記点火プラグによる点火タイミングにおいて前記副室内圧力が前記主燃焼室内圧力より高くなるように圧縮するとともに、該点火タイミングの直前で、前記副室弁を開弁することを特徴とする請求項4記載のエンジンの副室装置。
- 前記制御手段は、前記副室弁を主燃焼室の排気行程の開始時点で閉弁し、該閉弁後に前記副室混合気供給弁を開弁するとともに、前記副室ピストンを副室容積が膨脹するように作動することを特徴とする請求項2または3記載のエンジンの副室装置。
- 前記制御手段は、主燃焼室の給気行程の後半に入った時点で前記副室ピストンが副室容積を圧縮するように作動し、前記点火プラグによる点火タイミングにおいて前記副室内圧力が前記主燃焼室内圧力より高くなるように圧縮するとともに、該点火タイミングの直前で、前記副室弁を開弁することを特徴とする請求項6記載エンジンの副室装置。
- 前記請求項1乃至7いずれかに記載の副室装置が備えられていることを特徴とするエンジン。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012254927A JP2014101824A (ja) | 2012-11-21 | 2012-11-21 | 副室装置、および該副室装置を備えたエンジン |
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Publications (1)
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JP2014101824A true JP2014101824A (ja) | 2014-06-05 |
Family
ID=51024540
Family Applications (1)
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JP2012254927A Pending JP2014101824A (ja) | 2012-11-21 | 2012-11-21 | 副室装置、および該副室装置を備えたエンジン |
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JP (1) | JP2014101824A (ja) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2020196686A1 (ja) * | 2019-03-27 | 2020-10-01 | 三菱自動車工業株式会社 | 副室式内燃機関 |
CN113202618A (zh) * | 2021-05-14 | 2021-08-03 | 吉林大学 | 一种外部供气式预燃室射流点火系统 |
CN115217619A (zh) * | 2022-03-17 | 2022-10-21 | 广州汽车集团股份有限公司 | 扫气装置及其控制方法、汽车 |
CN115217615A (zh) * | 2022-04-06 | 2022-10-21 | 广州汽车集团股份有限公司 | 扫气装置及扫气方法 |
-
2012
- 2012-11-21 JP JP2012254927A patent/JP2014101824A/ja active Pending
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