JP2015021391A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】主燃焼室に存在する全ての混合気を確実に燃焼させることができる内燃機関を提供する。【解決手段】ガスエンジン１は、主燃焼室７を形成するシリンダ３及びピストン４を有し、主燃焼室７の上部には副燃焼室１２が形成されている。また、ガスエンジン１は、副燃焼室１２に燃料を供給するための燃料噴射弁１４と、副燃焼室１２に火花を発生させる点火プラグ１６とを有している。副燃焼室１２内には、壁部１７と、壁部１７の外部に形成される第１燃焼室１２ａと壁部１７の内部に形成される第２燃焼室１２ｂとに副燃焼室１２を区分けするバタフライバルブ１８とが配置されている。主燃焼室７と副燃焼室１２とを仕切る仕切壁１３には、第１燃焼室１２ａと主燃焼室７とを連通させる第１噴孔１３ａと、第２燃焼室１２ｂと主燃焼室７とを連通させる第２噴孔１３ｂとが形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、主燃焼室と副燃焼室とを備えた内燃機関に関するものである。

例えばガスエンジンには、主燃焼室及び副燃焼室を備えているものがある。そのようなガスエンジンでは、副燃焼室において点火プラグにより天然ガス等の燃料と空気との混合気に着火し、副燃焼室から主燃焼室に火炎（トーチ）を噴出させ、主燃焼室の希薄な混合気を燃焼可能として燃費向上を図るようにしている。このとき、トーチは、その貫徹力により主燃焼室の壁面に到達し、その後主燃焼室の壁面に沿って周方向に伝播する。しかし、燃料の絶対量の少ない軽負荷（低負荷）では、主燃焼室での火炎伝播が遅いため、主燃焼室の中央部分（副燃焼室の真下部分）の混合気が最後まで燃え残り、未燃燃料として排出されることになる。このため、混合気の希薄限界が制限され、中高負荷時に比べて燃費向上代が減少する。

そのような不具合を解決する従来技術としては、例えば特許文献１に記載されているように、副燃焼室に形成された火炎を主燃焼室の中央部分に向けて噴出するための第１連絡路と、副燃焼室に形成された混合気を主燃焼室の中央部分に向けて噴出するための第２連絡路とを設けたものが知られている。

特開２００１−８２１４９号公報

しかしながら、上記従来技術においては、主燃焼室の中央部分に存在する混合気は燃焼されるが、主燃焼室の横方向に対するトーチの貫徹力が不足するため、主燃焼室の外側部分に存在する混合気が燃え残り、主燃焼室の外側部分に未燃燃料が発生してしまう。

本発明の目的は、主燃焼室に存在する全ての混合気を確実に燃焼させることができる内燃機関を提供することである。

本発明の内燃機関は、シリンダ内に往復昇降自在に設けられたピストンと、シリンダ及びピストンにより形成される主燃焼室と、シリンダにおける主燃焼室の上部に設けられた副燃焼室と、副燃焼室に燃料を供給する燃料供給部と、副燃焼室に火花を発生させる点火プラグとを備え、副燃焼室内には、壁部と、壁部の外部に形成される第１燃焼室と壁部の内部に形成される第２燃焼室とに副燃焼室を区分けするバルブとが配置されており、主燃焼室と副燃焼室とを仕切る仕切壁には、第１燃焼室と主燃焼室とを連通させる第１噴孔と、第２燃焼室と主燃焼室とを連通させる第２噴孔とが設けられていることを特徴とするものである。

このような本発明の内燃機関において、燃料と空気との混合気を燃焼させるときは、まず第１燃焼室と第２燃焼室とを連通させるようにバルブを開いた状態で、主燃焼室から第１噴孔及び第２噴孔を介して副燃焼室に空気を導入すると共に、燃料供給部により副燃焼室に燃料を供給する。そして、第１燃焼室と第２燃焼室とを区分けするようにバルブを閉じ、その状態で点火プラグを点火させて、第１燃焼室に存在する混合気を燃焼させる。すると、仕切壁の外側に設けられた第１噴孔から主燃焼室に火炎（トーチ）が噴出し、そのトーチが主燃焼室の外側部分に到達する。その後、第１燃焼室と第２燃焼室とを連通させるようにバルブを開き、その状態で点火プラグを点火させて、第２燃焼室に存在する混合気を燃焼させる。すると、仕切壁の内側に設けられた第２噴孔から主燃焼室にトーチが噴出し、そのトーチが主燃焼室の中央部分に到達する。このように主燃焼室における外側部分及び中央部分の何れにもトーチが達するため、主燃焼室に存在する全ての混合気を確実に燃焼させることができる。

好ましくは、機関負荷を検出する検出手段と、検出手段により検出された機関負荷に応じて、副燃焼室において燃料と空気との混合気を燃焼させるように、燃料供給部、点火プラグ及びバルブを制御する制御手段とを更に備える。

この場合には、燃料と空気との混合気の燃焼を機関負荷（内燃機関の負荷）に応じて適切に行うことができる。

このとき、好ましくは、制御手段は、機関負荷が所定値よりも低いときに、バルブを開くように制御した状態で、副燃焼室に燃料を供給するように燃料供給部を制御した後、バルブを閉じるように制御してから、第１燃焼室に存在する混合気を燃焼させるように点火プラグを制御し、その後バルブを開くように制御してから、第２燃焼室に存在する混合気を燃焼させるように点火プラグを制御する。

機関負荷が低いときは、主燃焼室においてトーチの伝播が遅くなるため、主燃焼室の外側部分に達したトーチが主燃焼室の中央部分に回り込みにくくなり、主燃焼室の中央部分に混合気の燃え残りが発生しやすくなる。従って、機関負荷が所定値よりも低いときは、上述したように、まずバルブを閉じた状態で、第１燃焼室に存在する混合気を燃焼させて、仕切壁の第１噴孔から主燃焼室にトーチを噴出させ、その後バルブを開いた状態で、第２燃焼室に存在する混合気を燃焼させて、仕切壁の第２噴孔から主燃焼室にトーチを噴出させるのが好適である。

また、好ましくは、制御手段は、機関負荷が所定値よりも高いときに、バルブを閉じるように制御した状態で、副燃焼室に燃料を供給するように燃料供給部を制御した後、バルブを開くように制御してから、第１燃焼室及び第２燃焼室に存在する混合気を燃焼させるように点火プラグを制御する。

このような構成では、バルブを開いた状態で、主燃焼室から仕切壁の第１噴孔及び第２噴孔を介して副燃焼室に排ガス（燃焼ガス）が導入された段階において、制御手段が上記の処理を行うこととなる。この場合には、第１燃焼室及び第２燃焼室に存在する混合気を燃焼させたときに、第２燃焼室に残留する排ガスが副燃焼室の温度を低下させるため、第１噴孔及び第２噴孔から主燃焼室に噴出されるトーチが弱まることとなる。これにより、機関負荷が高いときに、主燃焼室における混合気の燃焼を緩慢化し、冷却損失を低減することができる。

本発明によれば、主燃焼室に存在する全ての混合気を確実に燃焼させることができる。これにより、主燃焼室における混合気の燃え残りによる未燃燃料の発生が抑制されるため、混合気の希薄限界を改善し、燃費向上を図ることが可能となる。

本発明に係る内燃機関の一実施形態として副室式ガスエンジンの主要部を示す断面図である。 図１に示した副室式ガスエンジンの制御系を示すブロック図である。 図２に示したコントローラにより実行される処理手順を示すフローチャートである。 図３に示した上記手順Ｓ１０２の詳細を示すフローチャートである。 図１に示したエンジン本体の低負荷時の動作を示す図である。 図３に示した上記手順Ｓ１０３の詳細を示すフローチャートである。 図１に示したエンジン本体の中高負荷時の動作を示す図である。

以下、本発明に係る内燃機関の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係る内燃機関の一実施形態の主要部を示す断面図である。同図において、本実施形態の内燃機関１は、燃料として天然ガスや液化石油ガス（ＬＰＧ）等を用いる副室式ガスエンジンである。

ガスエンジン１は、エンジン本体２を備えている。エンジン本体２は、シリンダ３と、このシリンダ３の内部に配置された往復運動可能なピストン４とを有している。ピストン４は、クランクシャフト５にコンロッド６を介して連結されている。シリンダ３の内壁面とピストン４の上面との空間は、主燃焼室（主室）７を形成する。

シリンダ３のシリンダヘッド３ａには、吸気ポート８及び排気ポート９が設けられている。吸気ポート８は、吸気弁１０により開閉され、排気ポート９は、排気弁１１により開閉される。

シリンダヘッド３ａにおける吸気ポート８と排気ポート９との間には、副燃焼室（副室）１２が形成されている。副燃焼室１２は、主燃焼室７の上部に設けられている。主燃焼室７及び副燃焼室１２は、湾曲状の仕切壁１３により仕切られている。

また、エンジン本体２は、上記の燃料を噴射する燃料噴射弁１４を有している。燃料噴射弁１４は、燃料通路１５を介して副燃焼室１２と接続されている。燃料噴射弁１４及び燃料通路１５は、副燃焼室１２に燃料を供給する燃料供給部を構成している。副燃焼室１２の上部には、点火プラグ１６が配置されている。点火プラグ１６は、副燃焼室１２に火花を発生させて、燃料と空気との混合気に点火するものである。

副燃焼室１２内には、円筒状の壁部１７と、バタフライバルブ１８とが配置されている。壁部１７は、仕切壁１３に固定されている。バタフライバルブ１８は、回転軸１８ａを介してシリンダヘッド３ａに回動可能に支持されている。バタフライバルブ１８は、壁部１７の外部に形成される第１燃焼室１２ａと壁部１７の内部に形成される第２燃焼室１２ｂとに副燃焼室１２を区分けする。図１に示すようにバタフライバルブ１８が閉じた状態では、バタフライバルブ１８が壁部１７を覆い塞ぎ、副燃焼室１２が第１燃焼室１２ａと第２燃焼室１２ｂとに完全に区切られる。バタフライバルブ１８が開いた状態（図５（ａ）参照）では、第１燃焼室１２ａと第２燃焼室１２ｂとが連通する。

仕切壁１３には、第１燃焼室１２ａと主燃焼室７とを連通させる複数の第１噴孔１３ａと、第２燃焼室１２ｂと主燃焼室７とを連通させる複数の第２噴孔１３ｂとが形成されている。第１噴孔１３ａは、第２噴孔１３ｂよりも外側に配置されている。

また、ガスエンジン１は、図２に示すように、アクセル開度センサ１９と、クランク角センサ２０と、コントローラ２１とを備えている。アクセル開度センサ１９は、エンジン本体２の負荷（機関負荷）としてアクセル開度を検出するセンサである。クランク角センサ２０は、クランクシャフト５の回転角度（クランク角）を検出するセンサである。

コントローラ２１は、アクセル開度センサ１９及びクランク角センサ２０の検出値を入力し、所定の処理を行い、燃料噴射弁１４、点火プラグ１６及びバタフライバルブ１８を制御する。

図３は、コントローラ２１により実行される処理手順を示すフローチャートである。図３において、まずアクセル開度センサ１９の検出値に基づいて、エンジン本体２の負荷が所定値よりも低いかどうかを判断する（手順Ｓ１０１）。

エンジン本体２の負荷が所定値よりも低いと判断されたときは、低負荷用の燃焼制御を実施する（手順Ｓ１０２）。具体的には、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程という１サイクルにおいて、燃料と空気との混合気の燃焼を２段階で行うように制御する。

一方、エンジン本体２の負荷が所定値よりも低くないと判断されたときは、中高負荷用の燃焼制御を実施する（手順Ｓ１０３）。具体的には、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程という１サイクルにおいて、燃料と空気との混合気の燃焼を１回だけ行うように制御する。

図４を用いて上記手順Ｓ１０２の詳細を明らかにしつつ、図５を用いて低負荷時のエンジン本体２の動作について説明する。なお、バタフライバルブ１８は、予め開いている状態である。

まずクランク角センサ２０の検出値に基づいて、燃料供給タイミングであるかどうか、具体的には吸気行程であるかどうかを判断する（図４の手順Ｓ１１１）。燃料供給タイミングであると判断されたときは、燃料噴射弁１４から燃料を噴射させて副燃焼室１２に燃料を供給するように燃料噴射弁１４を制御する（図４の手順Ｓ１１２）。すると、図５（ａ）に示すように、燃料が燃料通路１５を通って副燃焼室１２に供給される。その後、図示はしないが、圧縮行程において、主燃焼室７の空気が仕切壁１３の各第１噴孔１３ａ及び各第２噴孔１３ｂを介して副燃焼室１２に導入される。

そして、クランク角センサ２０の検出値に基づいて、最初の燃焼タイミングであるかどうか、具体的には膨張行程初期であるかどうかを判断する（図４の手順Ｓ１１３）。最初の燃焼タイミングであると判断されたときは、図５（ｂ）に示すように、バタフライバルブ１８を閉じるように制御する（図４の手順Ｓ１１４）。

続いて、副燃焼室１２に火花を発生させるように点火プラグ１６を制御する（図４の手順Ｓ１１５）。すると、副燃焼室１２の第１燃焼室１２ａに存在する燃料と空気との混合気が燃焼され、仕切壁１３の各第１噴孔１３ａから主燃焼室７に火炎（トーチ）Ｆが噴出される。そして、トーチＦが主燃焼室７の壁面に到達し、更に主燃焼室７の壁面に沿って周方向にトーチＦが伝播する。これにより、主燃焼室７内の外側部分に存在する希薄な混合気が燃焼される。

その後、クランク角センサ２０の検出値に基づいて、２回目の燃焼タイミングであるかどうか、具体的には膨張行程後期であるかどうかを判断する（図４の手順Ｓ１１６）。２回目の燃焼タイミングであると判断されたときは、図５（ｃ）に示すように、バタフライバルブ１８を開くように制御する（図４の手順Ｓ１１７）。

続いて、副燃焼室１２に火花を発生させるように点火プラグ１６を制御する（図４の手順Ｓ１１８）。すると、副燃焼室１２の第２燃焼室１２ｂに存在する燃料と空気との混合気が燃焼される。このとき、第１燃焼室１２ａと第２燃焼室１２ｂとを区分けするバタフライバルブ１８の作動（回動）により、第２燃焼室１２ｂに存在する混合気が点火プラグ１６の近傍に流れるため、第２燃焼室１２ｂに存在する混合気に点火しやすくなる。そして、仕切壁１３の各第２噴孔１３ｂから主燃焼室７にトーチＦが噴出され、トーチＦが主燃焼室７の中央部分（副燃焼室１２の真下部分）に到達する。これにより、主燃焼室７の中央部分に存在する希薄な混合気が燃焼される。

このような制御処理を行うことにより、主燃焼室７での火炎伝播の遅い軽負荷（低負荷）時において、燃え残りの発生しやすい主燃焼室７の中央部分に存在する未燃燃料を燃焼させることができる。

図６を用いて上記手順Ｓ１０３の詳細を明らかにしつつ、図７を用いて中高負荷時のエンジン本体２の動作について説明する。なお、バタフライバルブ１８は、予め開いている状態である。

まず図７（ａ）に示すように、排気行程において、主燃焼室７から仕切壁１３の各第１噴孔１３ａ及び各第２噴孔１３ｂを介して副燃焼室１２に排ガス（燃焼ガス）が導入される。

そして、クランク角センサ２０の検出値に基づいて、燃料供給タイミングであるかどうか、具体的には吸気行程であるかどうかを判断する（図６の手順Ｓ１２１）。燃料供給タイミングであると判断されたときは、図７（ｂ）に示すように、バタフライバルブ１８を閉じるように制御する（図６の手順Ｓ１２２）。

続いて、燃料噴射弁１４から燃料を噴射させて副燃焼室１２に燃料を供給するように燃料噴射弁１４を制御する（図６の手順Ｓ１２３）。すると、図７（ｂ）に示すように、燃料が燃料通路１５を通って副燃焼室１２に供給される。このとき、第１燃焼室１２ａへの燃料の導入により第１燃焼室１２ａは掃気されるが、第２燃焼室１２ｂには燃料が導入されないため、第２燃焼室１２ｂには排ガスが残留した状態となる。

その後、図示はしないが、圧縮行程において、主燃焼室７の空気が仕切壁１３の各第１噴孔１３ａ及び各第２噴孔１３ｂを介して副燃焼室１２に導入される。

そして、クランク角センサ２０の検出値に基づいて、燃焼タイミングであるかどうか、具体的には膨張行程初期であるかどうかを判断する（図６の手順Ｓ１２４）。燃焼タイミングであると判断されたときは、図７（ｃ）に示すように、バタフライバルブ１８を開くように制御する（図６の手順Ｓ１２５）。

続いて、副燃焼室１２に火花を発生させるように点火プラグ１６を制御する（図６の手順Ｓ１２６）。すると、副燃焼室１２に存在する燃料と空気との混合気が燃焼され、仕切壁１３の各第１噴孔１３ａ及び各第２噴孔１３ｂから主燃焼室７にトーチＦが噴出される。

このとき、第２燃焼室１２に残留する排ガスが副燃焼室１２の温度を低下させるため、弱いトーチＦが主燃焼室７に噴出される。これにより、主燃焼室７における混合気の燃焼が緩慢化される。

以上において、アクセル開度センサ１９は、機関負荷を検出する検出手段を構成する。クランク角センサ２０及びコントローラ２１は、検出手段１９により検出された機関負荷に応じて、副燃焼室１２において燃料と空気との混合気を燃焼させるように、燃料供給部１４，１５、点火プラグ１６及びバルブ１８を制御する制御手段を構成する。

以上のように本実施形態にあっては、副燃焼室１２内に円筒状の壁部１７及びバタフライバルブ１８を配置し、バタフライバルブ１８によって壁部１７の外側に形成される第１燃焼室１２ａと壁部１７の内側に形成される第２燃焼室１２ｂとに副燃焼室１２を区分けすると共に、主燃焼室７と副燃焼室１２とを仕切る仕切壁１３に、第１燃焼室１２ａと主燃焼室７とを連通させる複数の第１噴孔１３ａと、第２燃焼室１２ｂと主燃焼室７とを連通させる複数の第２噴孔１３ｂとを形成した構成とする。

そして、エンジン本体２の負荷が所定値よりも低いときは、バタフライバルブ１８を閉じた状態で、副燃焼室１２の第１燃焼室１２ａに存在する混合気を燃焼させ、仕切壁１３の各第１噴孔１３ａから主燃焼室７にトーチを噴出させ、その後バタフライバルブ１８を開いた状態で、副燃焼室１２の第２燃焼室１２ｂに存在する混合気を燃焼させ、仕切壁１３の各第２噴孔１３ｂから主燃焼室７にトーチを噴出させるので、上述したように、燃え残りの発生しやすい主燃焼室７の中央部分に存在する未燃燃料を燃焼させることができる。従って、主燃焼室７での火炎伝播の遅い低負荷時において、主燃焼室７に存在する混合気全体を確実に燃焼することができる。これにより、主燃焼室７に混合気の燃え残りが発生することが抑えられるため、主燃焼室７から未燃燃料が排出されることを抑制できる。その結果、混合気の希薄限界が改善され、燃費向上を図ることが可能となる。

また、エンジン本体２の負荷が所定値よりも高いときは、副燃焼室１２に排ガスを導入してからバタフライバルブ１８を閉じ、その状態で燃料を副燃焼室１２に供給し、その後バタフライバルブ１８を開いた状態で、副燃焼室１２に存在する混合気を燃焼させ、仕切壁１３の各第１噴孔１３ａ及び各第２噴孔１３ｂから主燃焼室７にトーチを噴出させるので、上述したように、第２燃焼室１２ｂに残留する排ガスが燃焼温度を低下させ、主燃焼室７に噴出されるトーチを弱めることができる。これにより、中高負荷時において、主燃焼室７における混合気の急峻な燃焼を抑制し、冷却損失を低減することができる。また、低温時には、第２燃焼室１２ｂに残留する排ガスが副燃焼室１２の温度を上昇させるため、燃焼安定性を向上させることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、仕切壁１３に複数の第２噴孔１３ｂが形成されているが、第２噴孔１３ｂの数としては、１つであっても良い。この場合には、副燃焼室１２の真下にトーチを噴出させるようにする。

１…ガスエンジン（内燃機関）、３…シリンダ、４…ピストン、７…主燃焼室、１２…副燃焼室、１２ａ…第１燃焼室、１２ｂ…第２燃焼室、１３…仕切壁、１３ａ…第１噴孔、１３ｂ…第２噴孔、１４…燃料噴射弁（燃料供給部）、１５…燃料通路（燃料供給部）、１６…点火プラグ、１７…壁部、１８…バタフライバルブ、１９…アクセル開度センサ（検出手段）、２０…クランク角センサ（制御手段）、２１…コントローラ（制御手段）。

Claims (4)

1. シリンダ内に往復昇降自在に設けられたピストンと、
   前記シリンダ及び前記ピストンにより形成される主燃焼室と、
   前記シリンダにおける前記主燃焼室の上部に設けられた副燃焼室と、
   前記副燃焼室に燃料を供給する燃料供給部と、
   前記副燃焼室に火花を発生させる点火プラグとを備え、
   前記副燃焼室内には、壁部と、前記壁部の外部に形成される第１燃焼室と前記壁部の内部に形成される第２燃焼室とに前記副燃焼室を区分けするバルブとが配置されており、
   前記主燃焼室と前記副燃焼室とを仕切る仕切壁には、前記第１燃焼室と前記主燃焼室とを連通させる第１噴孔と、前記第２燃焼室と前記主燃焼室とを連通させる第２噴孔とが設けられていることを特徴とする内燃機関。
2. 機関負荷を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出された機関負荷に応じて、前記副燃焼室において燃料と空気との混合気を燃焼させるように、前記燃料供給部、前記点火プラグ及び前記バルブを制御する制御手段とを更に備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
3. 前記制御手段は、前記機関負荷が所定値よりも低いときに、前記バルブを開くように制御した状態で、前記副燃焼室に燃料を供給するように前記燃料供給部を制御した後、前記バルブを閉じるように制御してから、前記第１燃焼室に存在する混合気を燃焼させるように前記点火プラグを制御し、その後前記バルブを開くように制御してから、前記第２燃焼室に存在する混合気を燃焼させるように前記点火プラグを制御することを特徴とする請求項２記載の内燃機関。
4. 前記制御手段は、前記機関負荷が所定値よりも高いときに、前記バルブを閉じるように制御した状態で、前記副燃焼室に燃料を供給するように前記燃料供給部を制御した後、前記バルブを開くように制御してから、前記第１燃焼室及び前記第２燃焼室に存在する混合気を燃焼させるように前記点火プラグを制御することを特徴とする請求項２または３記載の内燃機関。

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