JP2015045252A - ガスエンジン及びガスエンジンにおけるプラグカバーの設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室内に点火室を設ける場合において、失火及び燃費の低下を防止して、混合気を効果的に燃焼させるための適切な設計をすることができるガスエンジン及びガスエンジンにおけるプラグカバーの設計方法を提供すること。【解決手段】ガスエンジン１においては、混合気Ｍが吸気される燃焼室３０内に、点火プラグ４の電極部４１を覆うプラグカバー５が突出している。燃焼室３０内に吸気される混合気Ｍは、点火室５０内及び燃焼室３０内において燃焼される。プラグカバー５を設計するに当たっては、燃焼室３０を形成するシリンダー１１のボア半径をＢ（ｍｍ）、複数の連通口５２１の総開口面積をＡ（ｍｍ2）、点火室５０の内容積をＣ（ｍｍ3）、燃焼室３０内に吸気される混合気Ｍの空気過剰率をλとしたとき、０．４５≰（Ａ?Ｂ）／（Ｃ?λ）≰０．６の関係を満たすよう、Ａ及びＣを決定する。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスエンジン及びガスエンジンにおけるプラグカバーの設計方法に関する。

天然ガス等の気体燃料を用いて作動するガスエンジンにおいては、ガソリン等の燃料を用いる場合に比べて、比較的高い割合の空気を含む稀薄混合気が使用される。そのため、失火や燃費の低下を招くことが多い。そこで、稀薄混合気の点火を効果的に行うために、燃焼室内には、点火プラグの電極部を複数の連通口を有するプラグカバーで覆って、点火室を設けている。そして、点火室内の混合気の燃焼によって発生させた火炎を、燃焼室へ噴出させ、燃焼室内の混合気を燃焼させている。

例えば、特許文献１のエンジン及びそれに装着されるプレチャンバープラグにおいては、点火室を形成するプラグカバーがプラグ本体に設けられたエンジンについて開示されている。プラグ本体はシリンダヘッドに装着されており、プラグカバーには、点火室と燃焼室とを連通する連通孔が形成されている。そして、連通孔を介して燃焼室から点火室へ流入する混合気を燃焼させ、燃焼による火炎を、連通孔を介して点火室から燃焼室へ噴出させている。

特開２０１１−９９４０３号公報

しかしながら、点火プラグの電極部をプラグカバーで覆って点火室を形成する場合、プラグカバーをどのような状態で形成するかによって、稀薄混合気を効果的に燃焼させる効果が変わる。そのため、プラグカバーの最適な設計を行うためには更なる工夫が必要とされる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、燃焼室内に点火室を設ける場合において、失火及び燃費の低下を防止して、混合気を効果的に燃焼させるための適切な設計をすることができるガスエンジン及びガスエンジンにおけるプラグカバーの設計方法を提供しようとして得られたものである。

本発明の一態様は、燃料と空気との混合気が吸気される燃焼室内に、シリンダヘッドに装着された点火プラグの電極部を覆うプラグカバーが突出して配置され、上記燃焼室内に吸気される混合気が、上記プラグカバーに形成された複数の連通口から該プラグカバー内の点火室に取り込まれ、該点火室内及び上記燃焼室内において燃焼を行うよう構成されたガスエンジンにおけるプラグカバーの設計方法において、
上記燃焼室を形成するシリンダーのボア半径をＢ（ｍｍ）、上記複数の連通口の総開口面積をＡ（ｍｍ²）、上記点火室の内容積をＣ（ｍｍ³）、上記燃焼室内に吸気される混合気の空気過剰率をλとしたとき、０．４５≦（Ａ×Ｂ）／（Ｃ×λ）≦０．６の関係を満たすよう、上記Ａ及び上記Ｃを決定することを特徴とするガスエンジンにおけるプラグカバーの設計方法にある。

本発明の他の態様は、燃料と空気との混合気が吸気される燃焼室内に、シリンダヘッドに装着された点火プラグの電極部を覆うプラグカバーが突出して配置され、上記燃焼室内に吸気される混合気が、上記プラグカバーに形成された複数の連通口から該プラグカバー内の点火室に取り込まれ、該点火室内及び上記燃焼室内において燃焼を行うよう構成されたガスエンジンにおいて、
上記燃焼室を形成するシリンダーのボア半径をＢ（ｍｍ）、上記複数の連通口の総開口面積をＡ（ｍｍ²）、上記点火室の内容積をＣ（ｍｍ³）、上記燃焼室内に吸気される混合気の空気過剰率をλとしたとき、０．４５≦（Ａ×Ｂ）／（Ｃ×λ）≦０．６の関係を有していることを特徴とするガスエンジンにある。

上記ガスエンジン及びガスエンジンにおけるプラグカバーの設計方法は、点火室の内容積及び複数の連通口の総開口面積を、適切に決定するための関係式を提供している。
具体的には、シリンダーのボア半径Ｂ（ｍｍ）と、混合気の空気過剰率λとの条件が与えられるとき、複数の連通口の総開口面積Ａ（ｍｍ²）と、点火室の内容積Ｃ（ｍｍ³）とは、０．４５≦（Ａ×Ｂ）／（Ｃ×λ）≦０．６の関係式を満たすように決定する。これにより、上記ガスエンジン及びガスエンジンにおけるプラグカバーの設計方法によれば、燃焼室内に点火室を設ける場合において、失火及び燃費の低下を防止して、混合気を効果的に燃焼させるための適切な設計をすることができる。

実施例にかかる、燃焼室内及び点火室内に混合気を吸気する状態のガスエンジンを示す説明図。 実施例にかかる、点火室内及び燃焼室内において混合気を燃焼させる状態のガスエンジンを示す説明図。 確認試験にかかる、横軸にプレチャンバーナンバーをとり、縦軸に正味効率をとって、これらの関係を示すグラフ。

（実施例）
以下に、上記ガスエンジン及びガスエンジンにおけるプラグカバーの設計方法にかかる実施例につき、図面を参照して説明する。
本例のガスエンジン１においては、図１に示すごとく、燃料と空気との混合気Ｍが吸気される燃焼室３０内に、シリンダヘッド２に装着された点火プラグ４の電極部４１を覆うプラグカバー５が突出して配置されている。また、ガスエンジン１においては、図２に示すごとく、燃焼室３０内に吸気される混合気Ｍが、プラグカバー５に形成された複数の連通口５２１からプラグカバー５内の点火室５０に取り込まれ、点火室５０内及び燃焼室３０内において燃焼が行われる。そして、ガスエンジン１におけるプラグカバー５を設計するに当たっては、燃焼室３０を形成するシリンダー１１のボア半径をＢ（ｍｍ）、複数の連通口５２１の総開口面積をＡ（ｍｍ²）、点火室５０の内容積をＣ（ｍｍ³）、燃焼室３０内に吸気される混合気Ｍの空気過剰率をλとしたとき、０．４５≦（Ａ×Ｂ）／（Ｃ×λ）≦０．６の関係を満たすよう、Ａ及びＣを決定する。

図１、図２に示すごとく、ガスエンジン１は、天然ガス等の気体燃料と空気との混合気Ｍを燃焼させて運転を行うものである。シリンダヘッド２には、燃焼室３０内へ混合気Ｍを吸気するための吸気口２１と、燃焼室３０から燃焼後の排気ガスを排気するための排気口２３とが設けられている。また、吸気口２１には、吸気バルブ２２が開閉可能に設けられており、排気口２３には、排気バルブ２４が開閉可能に設けられている。
また、シリンダー１１は、シリンダーブロック３に形成された穴に、往復移動可能なピストン３１を配置して構成されている。

点火プラグ４は、中心電極と接地電極とによって構成される電極部４１を燃焼室３０側に向ける状態でシリンダヘッド２に取り付けられている。プラグカバー５は、点火プラグ４に取り付けられる円筒部５１と、円筒部５１から連続して形成された半球状の先端部５２とを有している。複数の連通口５２１は、半球状の先端部５２に設けられている。半球状の先端部５２は、点火プラグ４の電極部４１を覆う状態で燃焼室３０内に突出している。点火プラグ４及びプラグカバー５は、シリンダー１１の中心位置に対向する状態で設けられている。

連通口５２１は、プラグカバー５における３〜６箇所に設けることができる。連通口５２１は、点火室５０内に形成される火炎Ｈが、燃焼室３０内の各部位にできるだけ均等に噴出されるように傾斜して設けられている。
空気過剰率λは、燃焼室３０内に実際に吸気した空気量を、理論上、燃料を完全燃焼させるために要する空気量で割った値として示す。

ガスエンジン１においては、次のように燃焼が行われる。
吸気工程においては、ピストン３１が下死点へ移動するとともに、吸気バルブ２２が開いて吸気口２１から燃焼室３０内に混合気Ｍが吸気される。このとき、図１に示すごとく、複数の連通口５２１を介して、燃焼室３０からプラグカバー５内の点火室５０へと混合気Ｍが流れる。次いで、圧縮工程においては、ピストン３１が上死点まで移動して、燃焼室３０が縮小されるとともに混合気Ｍが圧縮される。次いで、燃焼工程においては、点火プラグ４の電極部４１に生じるスパークによって、点火室５０内の混合気Ｍが点火される。

このとき、図２に示すごとく、点火室５０内に形成される火炎Ｈが複数の連通口５２１から燃焼室３０内に噴出し、この火炎Ｈによって燃焼室３０内の混合気Ｍが燃焼する。そして、燃焼ガスが膨張してピストン３１が下死点まで移動する。次いで、排気工程においては、慣性によってピストン３１が上死点へ移動するとともに、排気バルブ２４が開いて排気口２３から燃焼室３０内の排気ガスを排気する。このとき、点火室５０内の排気ガスは、複数の連通口５２１を介して燃焼室３０内に流れた後、排気口２３から排気される。

本例のガスエンジン１及びその設計方法においては、シリンダー１１のボア半径Ｂ（ｍｍ）と、混合気Ｍの空気過剰率λとの条件が与えられるとき、複数の連通口５２１の総開口面積Ａ（ｍｍ²）と、点火室５０の内容積Ｃ（ｍｍ³）とは、０．４５≦（Ａ×Ｂ）／（Ｃ×λ）≦０．６の関係式を満たすように決定する。この関係式は、燃焼室３０に吸気される混合気Ｍを、プラグカバー５の点火室５０から複数の連通口５２１を介して燃焼室３０内に噴出される火炎Ｈによって効果的に燃焼させることができる範囲として求めたものである。
上記関係式を満たすようにプラグカバー５を設計することにより、燃焼室３０内に点火室５０を設ける場合において、失火及び燃費の低下を防止して、混合気Ｍを効果的に燃焼させるための適切な設計をすることができる。

（確認試験）
本確認試験においては、ボア半径Ｂ及び空気過剰率λが与えられる条件で、プラグカバー５の設計を行った。そして、設計を行ったプラグカバー５を有するガスエンジン１について実機試験を行い、正味効率Ｘ（％）を評価した。この正味効率Ｘは、燃焼室３０内に投入される混合気Ｍのエネルギーのどれだけの割合をガスエンジン１の動力に変換できたかを示す指標である。また、以下の説明において、（Ａ×Ｂ）／（Ｃ×λ）の値をプレチャンバーナンバーＮと呼ぶ。

試験条件１は、口径（直径）が１．１ｍｍの連通口５２１を６個設けたプラグカバー５について、点火室５０の内容積Ｃを６００ｍｍ³、７３３ｍｍ³、８６１ｍｍ³、９８８ｍｍ³と変化させたときのプレチャンバーナンバーＮを求め、正味効率Ｘを測定した。試験条件２は、口径（直径）が１．０ｍｍの連通口５２１を８個設けたプラグカバー５について、点火室５０の内容積Ｃを６００ｍｍ³、７３３ｍｍ³、８６１ｍｍ³、９８８ｍｍ³と変化させたときのプレチャンバーナンバーＮを求め、正味効率Ｘを測定した。試験条件１、２において、シリンダー１１のボア半径Ｂは４３ｍｍとし、混合気Ｍの空気過剰率λは１．５とした。試験条件１における複数の連通口５２１の総開口面積Ａは５．７０ｍｍ²であり、試験条件２における複数の連通口５２１の総開口面積Ａは６．２８ｍｍ²である。

試験条件１においてプレチャンバーナンバーＮを計算すると、内容積Ｃが６００ｍｍ³の場合が０．６１３となり、７３３ｍｍ³の場合が０．５０２となり、８６１ｍｍ³の場合が０．４２７となり、９８８ｍｍ³の場合が０．３７２となった。試験条件２においてプレチャンバーナンバーＮを計算すると、内容積Ｃが６００ｍｍ³の場合が０．６７５となり、７３３ｍｍ³の場合が０．５５３となり、８６１ｍｍ³の場合が０．４７１となり、９８８ｍｍ³の場合が０．４１０となった。
正味効率Ｘについては、最も効率が高かった試験条件１の７３３ｍｍ³の場合を１００％とすると、試験条件１の６００ｍｍ³の場合が９９．３％、試験条件１の８６１ｍｍ³の場合が９９．５％、９８８ｍｍ³の場合が９６．６％となった。また、試験条件２の６００ｍｍ³の場合が９５．５％、試験条件２の７３３ｍｍ³の場合が９７．８％、試験条件２の８６１ｍｍ³の場合が９７．１％、９８８ｍｍ³の場合が９５．０％となった。

図３には、試験条件１、２について、計算したプレチャンバーナンバーＮと、測定した正味効率Ｘ（％）との関係をグラフによって示す。同図において、試験条件１においては、プレチャンバーナンバーＮが０．５０２（内容積Ｃ：７３３ｍｍ³）となる場合、試験条件２においては、プレチャンバーナンバーＮが０．５５３（内容積Ｃ：７３３ｍｍ³）となる場合の正味効率Ｘが最も良くなった。そして、プレチャンバーナンバーＮが０．４５〜０．６の範囲内になるように、複数の連通口５２１の総開口面積Ａ及び点火室５０の内容積Ｃを決定することにより、ガスエンジン１の正味効率Ｘを適切に維持できることが分かった。

１ ガスエンジン
１１ シリンダー
２ シリンダヘッド
４ 点火プラグ
４１ 電極部
５ プラグカバー
５０ 点火室
５２１ 連通口

Claims (2)

1. 燃料と空気との混合気が吸気される燃焼室内に、シリンダヘッドに装着された点火プラグの電極部を覆うプラグカバーが突出して配置され、上記燃焼室内に吸気される混合気が、上記プラグカバーに形成された複数の連通口から該プラグカバー内の点火室に取り込まれ、該点火室内及び上記燃焼室内において燃焼を行うよう構成されたガスエンジンにおけるプラグカバーの設計方法において、
   上記燃焼室を形成するシリンダーのボア半径をＢ（ｍｍ）、上記複数の連通口の総開口面積をＡ（ｍｍ²）、上記点火室の内容積をＣ（ｍｍ³）、上記燃焼室内に吸気される混合気の空気過剰率をλとしたとき、０．４５≦（Ａ×Ｂ）／（Ｃ×λ）≦０．６の関係を満たすよう、上記Ａ及び上記Ｃを決定することを特徴とするガスエンジンにおけるプラグカバーの設計方法。
2. 燃料と空気との混合気が吸気される燃焼室内に、シリンダヘッドに装着された点火プラグの電極部を覆うプラグカバーが突出して配置され、上記燃焼室内に吸気される混合気が、上記プラグカバーに形成された複数の連通口から該プラグカバー内の点火室に取り込まれ、該点火室内及び上記燃焼室内において燃焼を行うよう構成されたガスエンジンにおいて、
   上記燃焼室を形成するシリンダーのボア半径をＢ（ｍｍ）、上記複数の連通口の総開口面積をＡ（ｍｍ²）、上記点火室の内容積をＣ（ｍｍ³）、上記燃焼室内に吸気される混合気の空気過剰率をλとしたとき、０．４５≦（Ａ×Ｂ）／（Ｃ×λ）≦０．６の関係を有していることを特徴とするガスエンジン。

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