JP2015158195A - 副室式エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】１系統の燃料供給系により、主燃焼室及び副室へ燃料を供給するとともに、主燃焼室及び副室での当量比を適切な値に設定可能な副室式エンジンを提供する。
【解決手段】主燃焼室１３と副室２２とを備える副室式エンジンであって、燃料供給装置３０からの燃料が供給される燃料供給室２１と、燃料供給室２１から主燃焼室１３へと連通する第１燃料通路２３と、燃料供給室２１から副室２２へと連通する第２燃料通路２４とを備え、第１燃料通路２３の流路面積及び第２燃料通路２２の流路面積は、主燃焼室１３へと供給される燃料の量と副室２２へと供給される燃料の量の比に基づいて決定されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主燃焼室と副室とを備え、副室の燃料に着火して発生した火炎により、主燃焼室の燃料を燃焼させる副室式エンジンに関する。

従来、主燃焼室と副室とを備え、主燃焼室には燃料と外気を混合した希薄混合気を供給し、副室には燃料を供給して濃厚混合気とし、副室の濃厚混合気に着火して発生した火炎により、主燃焼室の希薄混合気を燃焼させるものとして特許文献１記載のエンジンがある。特許文献１記載のエンジンでは、ガス供給管から供給される燃料がガスミキサーにより外気と混合されて希薄混合気となり、吸気ポートを経て主燃焼室へ供給される。一方、副室へは、ガス供給管から分岐したガスパイプを経ることにより燃料が供給される。

特開平６−１０６７２号公報

特許文献１記載の副室式エンジンでは、燃料供給系が２系統となっており、構造が複雑である。さらに、主燃焼室へは混合気を供給するため、混合気を生成するための機構が必要となる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、１系統の燃料供給系により、主燃焼室及び副室へ燃料を供給するとともに、主燃焼室及び副室での当量比を適切な値に設定可能な副室式エンジンを提供することにある。

本発明は、主燃焼室と副室とを備える副室式エンジンであって、燃料供給装置からの燃料が供給される燃料供給室と、燃料供給室から主燃焼室へと連通する第１燃料通路と、燃料供給室から副室へと連通する第２燃料通路とを備え、第１燃料通路の流路面積及び第２燃料通路の流路面積は、主燃焼室へと供給される燃料の量と副室へと供給される燃料の量の比に基づいて決定されていることを特徴とする。

上記構成により、１系統の燃料供給装置から供給される燃料を、主燃焼室と副室とに分配することができる。さらに、第１燃料通路及び第２燃料通路の通路面積を、主燃焼室へと供給される燃料の量と副室へと供給される燃料の量の比に基づいて決定しているため、１系統の燃料供給系により、主燃焼室及び副燃焼室の当量比を適切な値とすることができる。

第１実施形態に係る内燃機関の模式的な断面図である。 第１実施形態に係る燃料供給ブロックの拡大図である。 第１実施形態に係る内燃機関の動作行程を示す模式図である。 第２実施形態に係る燃料供給ブロックの拡大図である。 第３実施形態に係る燃料供給ブロックの拡大図である。 （ａ）が第１消炎部の上面図及び縦断面図であり、（ｂ）が第２消炎部の上面図及び縦断面図である。 メタンの消炎距離を示す図である。 （ａ）が変形例における第１消炎部の上面図及び縦断面図であり、（ｂ）が変形例における第２消炎部の上面図及び縦断面図である。

以下、各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。

＜第１実施形態＞
図１は、本実施形態に係る副室式エンジンの模式的な断面図である。副室式エンジンは、メタンを燃料とする４サイクルエンジンである。副室式エンジンは、シリンダヘッド１０、シリンダ１１、ピストン１２を備えており、シリンダヘッド１０、シリンダ１１、ピストン１２により主燃焼室１３が形成されている。シリンダヘッド１０には、主燃焼室１３へ空気を導入する吸気ポート１４と、主燃焼室１３から排気ガスを放出する排気ポート１５と、燃料供給ブロック２０が形成されている。吸気ポート１４には、吸気ポート１４を開閉する吸気弁１６が設けられ、排気ポート１５には、排気ポート１５を開閉する排気弁１７が設けられている。ピストン１２は、クランク１８を介してクランク軸１９に接続されている。

燃料ボンベ３３は、レギュレータ３１及びボンベ圧力センサ３２を介して、燃料供給装置３０に接続されている。燃料ボンベ３３には、圧縮されたメタンが燃料として充填されている。燃料ボンベ３３から燃料供給装置３０へ燃料を送出する際には、ボンベ圧力センサ３２により計測された圧力を用いて演算がなされ、レギュレータ３１へ制御信号が送信される。レギュレータ３１は、受信した制御信号に基づいて内蔵する弁の制御を行い、燃料供給装置３０へと送出する燃料の圧力を調節する。燃料供給装置３０の先端には複数の孔が形成されており、燃料ボンベ３３から送出された燃料が、複数の孔から噴射される。燃料供給装置３０は、燃料供給ブロック２０に取り付けられている。

図２は、本実施形態に係る副室式エンジンの燃料供給ブロック２０の拡大図である。燃料供給ブロック２０には、燃料供給室２１と、副室２２と、燃料供給室２１から主燃焼室１３へと連通する円筒形の第１燃料通路２３と、燃料供給室２１から副室２２へと連通する円筒形の第２燃料通路２４が形成されている。燃料供給ブロック２０において、燃料供給室２１に臨むように燃料供給装置３０が取り付けられ、副室２２に臨むようにスパークプラグ２５が取り付けられている。燃料供給装置３０は、燃料供給室２１において第１燃料通路２３と第２燃料通路２４との間に燃料を噴射する。

第１燃料通路２３の流路面積と、第２燃料通路２４の流路面積は、燃料供給装置３０から燃料が供給され、点火時期となった際に、副室２２の当量比がストイキ若しくはリッチとなり、主燃焼室１３の当量比がリーンとなるように設定されている。流量係数をα、流路面積をＡ、比熱比をκ、燃料通路の前後の差圧をΔＰ、密度をρとすると、燃料通路を通過する燃料の流量Ｑは数式１により表される。

ここで、比熱比κ、差圧ΔＰ、密度ρは、第１燃料通路２３及び第２燃料通路２４において共通する値である。したがって、燃料供給室２１から第１燃料通路２３を介して主燃焼室１３へ流入する燃料の流量と、燃料供給室２１から第２燃料通路２４を介して副室２２へと流入する燃料の流量との比は、第１燃料通路２３の流量係数と流路面積の積と、第２燃料通路２４の流量係数と流路面積の積との比と等しくなる。したがって、まず、主燃焼室１３の体積及び当量比と、副室２２の体積及び当量比とにより、燃料供給室２１から第１燃料通路２３を介して主燃焼室１３へ流入する燃料の流量と、燃料供給室２１から第２燃料通路２４を介して副室２２へと流入する燃料の流量との比を逆算する。そして、その逆算の結果である第１燃料通路２３と第２燃料通路２４の流量の比を用いて、第１燃料通路２３の流量係数と流路面積、及び、第２燃料通路２４の流量係数と流路面積を決定すればよい。

図３は、本実施形態における副室式エンジンの動作行程を示す模式図である。副室式エンジンは、吸気行程、圧縮行程、点火行程、膨張行程、排気行程を順に繰り返す。

まず、吸気行程において、吸気弁１６を開放することにより、ピストン１２の下降に伴って、吸気ポート１４から主燃焼室１３へ空気が流入する。その後、吸気弁１６を閉塞し、ピストン１２が上昇することにより、主燃焼室１３及び副室２２の圧力が上昇する圧縮行程へと移行する。その際、主燃焼室１３から副室２２へ空気が流入する。

圧縮行程では、クランク軸１９の回転角が上死点の３０〜５０°前のときに、燃料供給装置３０から燃料供給室２１へ燃料が供給される。ここで、燃料供給装置３０から燃料供給室２１へ供給される燃料の噴射圧力は、ピストン１２が上死点に到達した際の燃料供給室内の最高圧力よりも高く設定されている。燃料供給室２１に供給された燃料は、第１燃料通路２３を経て主燃焼室１３へ流入し、第２燃料通路２４を経て副室２２へ流入する。そして、主燃焼室１３及び副室２２のそれぞれにおいて空気と混ざり合い、混合気となる。

ピストン１２が上死点近傍まで上昇すれば、点火行程へと移行する。点火行程では、クランク軸１９の回転角が上死点の１０〜２０°前のときにスパークプラグ２５に給電して副室２２内の混合気に点火し、副室２２内に火炎を発生させる。

そして、副室２２内で発生した火炎と副室２２内の未燃焼リッチガスが主燃焼室１３へ流入し、主燃焼室１３内の混合気が燃焼する。これにより、主燃焼室１３内の圧力が上昇し、ピストン１２が下降する膨張行程へ移行する。

膨張行程の後の排気行程では、排気弁１７を開放することにより、ピストン１２の上昇に伴って、排気ポート１５から排気ガスを放出させる。そして、再び吸気行程へと移行する。

本実施形態は、上記構成により、以下の効果を奏する。

・１つの燃料供給装置３０から供給される燃料を、主燃焼室１３と副室２２とに分配することができる。さらに、第１燃料通路２３及び第２燃料通路２４の通路面積を、主燃焼室１３へと供給される燃料の量と副室２２へと供給される燃料の量の比に基づいて決定しているため、１系統の燃料供給系により、主燃焼室１３及び副室２２の当量比を適切な値とすることができる。

・燃料供給装置３０は、燃料供給室２１において第１燃料通路２３と第２燃料通路２４との間に燃料を噴射するため、主燃焼室１３と副室２２とに燃料を分配し易くなる。

・混合気ではなくガスを噴射するため、燃料ボンベ３３及び燃料通路を小さくできる。

・燃料供給装置３０から燃料供給室２１へ供給する燃料の噴射圧力を、燃料供給室２１の最高圧力より高く設定しているため、エンジンの圧縮行程において、主燃焼室１３内の気体が燃料供給室２１へ流入し燃料供給室２１内の圧力が上昇したとしても、燃料供給室２１内へ燃料を供給することができる。ひいては、エンジンの圧縮行程において、燃料供給室２１から主燃焼室１３及び副室２２へ、燃料を供給することができる。
・副室２２で発生した火炎及び未燃焼リッチガスが主燃焼室１３へ流入することにより、体積点火が可能となる。これにより、主燃焼室１３の当量比がリーンであっても、主燃焼室１３内の燃料を燃焼させることができるため、熱効率を向上させることができる。

＜第２実施形態＞
第１実施形態において、主燃焼室１３で発生した火炎は、第１燃料通路２３を逆流して燃料供給室２１へ流入するおそれがある。また、主燃焼室１３で発生した火炎は、副室２２を介して第２燃料通路２４を逆流して燃料供給室２１へ流入するおそれがある。一方、副室２２で発生した火炎は、第２燃料通路２４を逆流して燃料供給室２１へ流入するおそれがある。このため、燃料供給装置３０は、燃料供給室２１へ流入した火炎に曝露され、その結果として、燃料供給装置３０の耐久性が低下するおそれがある。

図４は、本実施形態に係る副室式エンジンの、燃料供給ブロック２０の模式的な断面図である。本実施形態では、第１実施形態とは燃料供給ブロック２０の構造が異なっており、第１燃料通路２３に第１逆止弁２６が設けられ、第２燃料通路２４に第２逆止弁２７が設けられている。第１逆止弁２６は、燃料供給室２１から主燃焼室１３の方向への燃料の供給のみを許容し、第２逆止弁２７は、燃料供給室２１から副室２２の方向への燃料の供給のみを許容する。

本実施形態では第１逆止弁２６により主燃焼室１３から燃料供給室２１への火炎の流入を防ぐことができ、第２逆止弁２７により副室２２から燃料供給室２１への火炎の流入を防ぐことができる。その結果として燃料供給装置３０が火炎に曝露されることを防ぐことができる。

＜第３実施形態＞
図５は、本実施形態に係る副室式エンジンの、燃料供給ブロック２０の模式的な断面図である。本実施形態では、第１実施形態とは燃料供給ブロック２０の構成が異なっており、第１燃料通路２３に第１消炎部２８が設けられ、第２燃料通路２４に第２消炎部２９が設けられている。

図６は、第１消炎部２８及び第２消炎部２９の上面図及び縦断面図を示す図である。（ａ）が第１消炎部２８を示しており、（ｂ）が第２消炎部２９を示している。第１消炎部２８には複数のスリット孔２８ａが形成され、第２消炎部２９には複数のスリット孔２９ａが形成されている。なお、図６ではスリット孔２８ａ，２９ａの幅を誇張して広く示している。

図７は、１気圧（０．１０１ＭＰａ）における、メタンの当量比と消炎距離との関係を示す図である。図７を参照すると、１気圧におけるメタンの消炎距離は２ｍｍより大きいことがわかる。すなわち、１気圧では、メタンの燃焼により発生する火炎は、幅が２ｍｍ以下であるスリット孔を通過することができず消炎する。

ここで、消炎距離ｄは数式２に示すように、圧力Ｐのｎ／２乗に反比例することが知られている。

ピストン１２の上死点近傍における主燃焼室１３の圧力及び副室２２の圧力、すなわち、最高圧力は、１〜２ＭＰａ程度である。一方、メタンの燃焼における反応は、化学式１で示されるとおりである。

よって、反応次数ｎは３である。主燃焼室１３及び副室２２の最高圧力をＰｍａｘ（ＭＰａ）として数式２に代入すると、以下の数式３により、本実施形態に係る副室式エンジンの最高圧力における消炎距離ｄ（ｍｍ）が求まる。

したがって、主燃焼室１３及び副室２２の最高圧力Ｐｍａｘ（Ｍｐａ）における消炎距離はｄｍａｘ（ｍｍ）であるから、スリット孔２８ａ，２９ａの幅ｄ（ｍｍ）はｄｍａｘ（ｍｍ）以下となっていればよい。なお、スリット孔２８ａ，２９ａの流路長さは、消炎距離に対して十分長く設定されている。

本実施形態では、第１燃料通路２３に、燃料の消炎距離以下の幅のスリット孔２８ａが形成された第１消炎部２８を設け、第２燃料通路２４に、燃料の消炎距離以下の幅のスリット孔２９ａが形成された第２消炎部２９を設けているため、主燃焼室１３及び副室２２で発生した火炎は第１消炎部２８及び第２消炎部２９で消炎する。したがって、火炎は第１燃料通路２３及び第２燃料通路２４を通過して燃料供給室２１に到達することはない。その結果として燃料供給装置３０が火炎に曝露されることを防ぐことができる。

＜変形例＞
・上記各実施形態において、燃料としてメタンを使用するものとしたが、メタン以外の可燃性ガス、例えば、エタンやプロパン等を用いることもできる。また、ガソリン等の混合気でもよい。また、これらを第３実施形態に適用した場合、スリット孔２８ａ，２９ａの幅を使用する燃料の消炎距離以下となるようにすればよい。

・上記第３実施形態において、スリット孔２８ａを第１消炎部２８に設け、スリット孔２９ａを第２消炎部２９に設けるものとしたが、図８に示すように、直径が消炎距離以下である円形の孔２８ｂを第１消炎部２８に設け、直径が消炎距離以下である円形の孔２９ｂを第２消炎部２９に設けるものとしてもよい。なお、図８では孔２８ｂ，２９ｂの径を誇張して大きく示している。また、円形以外の形状の孔を設けるものとしてもよい。

・第１実施形態において、流量係数α及び流路面積Ａに基づいて第１燃料通路２３と第２燃料通路２４との流量比を決定するものとした。しかしながら、流量係数αは、温度と圧力の関数であり、第１燃料通路２３と第２燃料通路２４との間で大きく値が変わるものではない。したがって、流路面積Ａのみに基づいて第１燃料通路２３と第２燃料通路２４との流量比を決定してもよい。

・第２実施形態において、第１逆止弁２６及び第２逆止弁２７が燃料の流量に影響を与える可能性があるため、第１燃料通路２３を通過する燃料の流量及び第２燃料通路２４を通過する燃料の流量を、それぞれ、第１逆止弁２６及び第２逆止弁２７が与える影響を考慮した値としてもよい。

・第３実施形態において、第１消炎部２８及び第２消炎部２９が燃料の流量に影響を与える可能性があるため、第１燃料通路２３を通過する燃料の流量及び第２燃料通路２４を通過する燃料の流量を、それぞれ、第１消炎部２８及び第２消炎部２９が与える影響を考慮した値としてもよい。

・第１燃料通路２３及び第２燃料通路２４の形状は、円筒形が望ましいが、様々な形状が採用可能である。

・上記各実施形態は、４サイクルエンジン以外の様々な副室式エンジンで実施することが可能である。

１３…主燃焼室、２１…燃料供給室、２２…副室、２３…第１燃料通路、２４…第２燃料通路、３０…燃料供給装置。

Claims (5)

1. 主燃焼室（１３）と副室（２２）とを備える副室式エンジンであって、
   燃料供給装置（３０）からの燃料が供給される燃料供給室（２１）と、
   前記燃料供給室から前記主燃焼室へと連通する第１燃料通路（２３）と、
   前記燃料供給室から前記副室へと連通する第２燃料通路（２４）とを備え、
   前記第１燃料通路の流路面積及び前記第２燃料通路の流路面積は、前記主燃焼室へと供給される燃料の量と前記副室へと供給される燃料の量の比に基づいて決定されていることを特徴とする副室式エンジン。
2. 前記第１燃料通路には、前記燃料供給室から前記主燃焼室の方向への燃料の供給のみを許容する第１逆止弁（２６）が設けられ、
   前記第２燃料通路には、前記燃料供給室から前記副室の方向への燃料の供給のみを許容する第２逆止弁（２７）が設けられることを特徴とする請求項１に記載の副室式エンジン。
3. 前記第１燃料通路及び前記第２燃料通路には、孔（２８ａ，２８ｂ，２９ａ，２９ｂ）が形成された消炎部（２８，２９）が設けられ、
   前記孔の幅又は径は、前記燃料の消炎距離以下であることを特徴とする請求項１に記載の副室式エンジン。
4. 前記燃料供給装置は、前記エンジンの圧縮行程における前記燃料供給室内の最高圧力よりも高い圧力で前記燃料を噴射することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の副室式エンジン。
5. 前記燃料はガスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の副室式エンジン。

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