JP2017137853A - ガスエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】副室を備えたガスエンジンにおいて、副室における着火性を向上させると共に、主室の混合気の希薄化を可能にする。【解決手段】４ストロークのガスエンジン１であって、シリンダ４の壁面及びピストン７の冠面７Ａによって画定される主室８と、主室と少なくとも１つの連通孔２２によって接続され、主室に対して小さな容積を有する副室２０と、副室内に気体燃料を噴射するインジェクタ３０と、副室内に配置された発火部を有する点火プラグ３６とを有し、インジェクタは、吸気行程において主噴射を行うと共に、圧縮行程における上死点近傍において主噴射よりも少量の副噴射を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、主室及び副室を含む燃焼室を備えたガスエンジンに関する。

ＣＮＧ等の気体燃料を燃料とするガスエンジンにおいて、希薄燃焼を安定的に行うために、主室と、主室に連通孔を介して接続された副室とによって燃焼室を形成し、点火プラグ及び燃料供給弁を副室に配置した副室エンジンが公知となっている（例えば、特許文献１）。このガスエンジンでは、主室に対して副室内の混合気の当量比が高く維持されるため、副室における着火性が向上する。また、副室において発生した火炎は、連通孔からトーチ状に主室内に噴出し、主室内の希薄混合気を確実に着火させることができる。

特開２００５−２３２９８７号公報

特許文献１に係るガスエンジンは、吸気行程の下死点付近において燃料供給弁を１回のみ開き、副室に気体燃料を供給する構成であるため、点火時期までに副室に供給された気体燃料は連通孔を通過して主室に拡散する。そのため、点火時期において副室内に安定的に着火可能な混合気濃度を維持するためには、比較的多くの気体燃料を噴射しなければならなくなり、燃料使用量の低減が困難である。また、着火時期において、主室及び副室の混合気濃度を互いに独立して設定することが困難である。また、特許文献１のようなガスエンジンは、燃料供給弁がクランクシャフトによって駆動される動弁機構によって駆動される構成が多く、時々刻々と変化する運転条件に精度良く応答することが要求される自動車用エンジンには適用が困難である。

本発明は、以上の背景を鑑み、副室を備えたガスエンジンにおいて、副室における着火性を向上させると共に、主室の混合気の希薄化を可能にすることを課題とする。

上記課題を解決するために本発明の一態様は、４ストロークのガスエンジン（１）であって、シリンダ（４）の壁面及びピストン（７）の冠面（７Ａ）によって画定される主室（８）と、前記主室と少なくとも１つの連通孔（２２）によって接続され、前記主室に対して小さな容積を有する副室（２０）と、前記副室内に気体燃料を噴射するインジェクタ（３０）と、前記副室内に配置された発火部（３６Ｆ）を有する点火プラグ（３６）とを有し、前記インジェクタは、吸気行程において主噴射を行うと共に、圧縮行程における上死点近傍において前記主噴射よりも少量の副噴射を行うことを特徴とする。

この態様によれば、主噴射によって主室の混合気を調節し、副噴射によって副室の内部の混合気を調節することができる。そのため、主噴射によって、主室に均質な希薄混合気を形成すると同時に、副噴射によって点火時期に発火部の周囲に当量比が比較的高い混合気を形成し、着火性を向上させることができる。また、吸気行程における主噴射によって副室に供給された燃料が、吸気行程におけるピストンの下降によって主室に吸い出され、主室での混合気の均質化が促進される。

また、上記の態様において、前記インジェクタによる前記副噴射の終了時期は、−２０°〜−１０°ＡＴＤＣの範囲内にあるとよい。ここで、ＡＴＤＣ（After Top Dead Center）は、４サイクルの燃焼行程において、圧縮行程と膨張行程との間の上死点におけるクランク角を０°として、膨張行程側を正の値、圧縮行程側を負の値として表す。

この態様によれば、副噴射によって副室に供給された燃料の拡散が抑制され、点火時期に着火に適した混合気濃度が発火部の周囲に維持される。

また、上記の態様において、前記インジェクタは、前記ピストンが下死点近傍にあるときに前記主噴射を行うとよい。

この態様によれば、主噴射によって供給された燃料が拡散し、点火時期に主室に均質な希薄混合気が形成される。

また、上記の態様において、前記インジェクタは、前記吸気行程において排気バルブが閉じられた後に前記主噴射を行うとよい。

この態様によれば、主噴射によって供給された燃料が排気ポートから流出することが避けられ、熱効率が向上すると共に、排気中のＨＣが低減する。

また、上記の態様において、前記インジェクタは、−３４０°〜−１８０°ＡＴＤＣの範囲内において前記主噴射を行うとよい。より好ましくは、上記の態様において、前記インジェクタは、−３３０°〜−１８０°ＡＴＤＣの範囲内において前記主噴射を行うとよい。更に好ましくは、前記インジェクタは、−２８５°〜−２４０°ＡＴＤＣの範囲内において前記主噴射を行うとよい。

この態様によれば、主噴射によって副室に供給された燃料が、吸気行程におけるピストンの下降によって主室に吸い出され、主室での混合気の均質化が促進される。

また、上記の態様において、前記点火時期において、前記主室の当量比が０．５以上１．０以下となり、かつ前記副室の当量比が１．０以上２．０以下となるように、前記主噴射及び前記副噴射の噴射量が設定されているとよい。また、上記の態様において、前記主噴射の噴射量に対する前記副噴射の噴射量の比は、１／１５０以上１／６０以下であるとよい。また、上記の態様において、前記主室の容積に対する前記副室の容積の比は、１／８００以上１／４００以下であるとよい。

以上の構成によれば、副室を備えたガスエンジンにおいて、副室における着火性が向上すると共に、主室の混合気の希薄化が可能になる。

実施形態に係る内燃機関の断面図 （Ａ）副室を拡大して示す断面図、（Ｂ）図２（Ａ）のＢ−Ｂ断面図 実施形態に係る内燃機関の断面図であって、ピストンが上死点にある状態を示す 燃料噴射時期及び点火時期を示す説明図 φ−Ｔマップ

以下、図面を参照して、本発明を４バルブのＣＮＧを燃料とするガスエンジンに適用した実施形態について説明する。

ガスエンジン１は、４ストローク機関であり、図１に示すように、シリンダブロック２Ａと、シリンダブロック２Ａの上端面に締結されたシリンダヘッド２Ｂとを含むエンジン本体２を有する。シリンダブロック２Ａには、シリンダブロック２Ａの上端面に開口する断面円形のシリンダ４が形成されている。シリンダヘッド２Ｂの下端面においてシリンダ４の上端と対向する部分は、平面に形成され、シリンダ４の上端をなす燃焼室天井部５となっている。シリンダ４の軸線をシリンダ軸線Ａとする。シリンダ４には、ピストン７がシリンダ軸線Ａに沿って往復動可能に受容されている。燃焼室天井部５を含むシリンダ４の壁面と、ピストン７の冠面７Ａとによって主室８が画定されている。

図１に示すように、燃焼室天井部５には、２つの吸気ポート１１と、２つの排気ポート１２とが開口している。燃焼室天井部５において、一側である吸気側に２つの吸気ポート１１が配置され、他側である排気側に２つの排気ポート１２が配置されている。吸気ポート１１及び排気ポート１２の燃焼室天井部５側の開口端は、ポペットバルブである吸気バルブ１３及び排気バルブ１４によって開閉される。

シリンダヘッド２Ｂには、上下に貫通し、下端が燃焼室天井部５の中央部に開口する支持孔１６が形成されている。支持孔１６は、シリンダ軸線Ａと同軸に形成された段付き孔であり、下側から小径の下部１６Ａ、下部１６Ａに対して拡径された中間部１６Ｂ、中間部１６Ｂに対して拡径された上部１６Ｃとを有する。下部１６Ａと中間部１６Ｂとの間には上方を向く環状の肩面１６Ｄが形成されている。中間部１６Ｂの上部の内面には、雌ねじが形成されている。

図１及び図２に示すように、支持孔１６の下部１６Ａ及び中間部１６Ｂには、有底筒形の隔壁部材１７が挿入されている。隔壁部材１７は、シリンダ軸線Ａと同軸に配置された円筒形の筒部１７Ａと、筒部１７Ａの下端を閉塞する端壁部１７Ｂと、筒部１７Ａの上部における外周面に突設され、周方向に延びる環状のフランジ部１７Ｃとを有する。フランジ部１７Ｃは、環状のシール部材（符号省略）を介して肩面１６Ｄに当接している。中間部１６Ｂには、雌ねじに螺合する雄ねじを外周面に備えた環状の支持部材１９が装着されている。フランジ部１７Ｃは、肩面１６Ｄと支持部材１９の下面との間で上下から挟持され、シリンダヘッド２Ｂに対して固定される。筒部１７Ａの内周部における上部は、下部に対して縮径された縮径部となっている。筒部１７Ａの内周部における下部は、副室２０を画定している。副室２０は、主室８と共に燃焼室を構成する。

隔壁部材１７の端壁部１７Ｂは、下方に向けて凸となる略半球形に形成され、燃焼室天井部５よりも下方に突出している。端壁部１７Ｂの下端部（平面視における中央）は、平面状に形成されている。略半球形に形成された端壁部１７Ｂの中心は、シリンダ軸線Ａ上、かつ燃焼室天井部５を外挿した仮想平面上に配置されている。

端壁部１７Ｂには、厚み方向に貫通し、主室８と副室２０とを連通する複数の連通孔２２が形成されている。各連通孔２２は、直線状に延び、それぞれの軸線が副室２０内における１つの交点Ｂにおいて互いに交差している。すなわち、各連通孔２２は、交点Ｂを中心とした放射状に延びている。各連通孔２２は、隔壁部材１７の軸線を中心として回転対称形に形成され、交点Ｂは、シリンダ軸線Ａと一致する隔壁部材１７の軸線上に位置している。交点Ｂは、略半球形に形成された端壁部１７Ｂの中心と一致している。各連通孔２２の軸線と隔壁部材１７の軸線とのなす角度は、例えば１０°以上８０°以下であるとよい。本実施形態では、連通孔２２は５つ設けられ、隔壁部材１７の軸線を中心として周方向に等間隔に配置されている。各連通孔２２の軸線と隔壁部材１７の軸線とのなす角度は６０°に設定されている。また、各連通孔２２の横断面は任意であってよく、例えば円形に形成されている。主室８と副室２０とは、複数の連通孔２２のみによって互いに連通し、流体の流通が可能になっている。主室８と副室２０とは、連通孔２２を除く他の部分においては互いに分離され、流体の流通が遮断されている。

図１に示すように、支持孔１６にはインジェクタ３０が挿入されている。インジェクタ３０は、気体燃料を噴射する手段である。本実施形態では、インジェクタ３０は、ＣＮＧに適合したものであり、デリバリパイプや圧力制御弁を介してＣＮＧボンベと接続されている。インジェクタ３０に供給されるＣＮＧの圧力は例えば２ＭＰａ程度であってよい。インジェクタ３０は、略円筒形の本体部３０Ａと、本体部３０Ａの一端に同軸に設けられたノズル３０Ｂとを有する。ノズル３０Ｂの先端には気体燃料を噴射する噴射孔（図示省略）が形成され、本体部３０Ａ及びノズル３０Ｂの内部にはデリバリパイプと噴射孔とを接続する燃料通路（図示省略）が形成されている。ノズル３０Ｂの内部には燃料通路を開閉する弁体（図示省略）が設けられ、本体部３０Ａの内部には弁体を駆動するアクチュエータ（図示省略）が設けられている。アクチュエータは、ソレノイドやピエゾ素子を使用したものであってよい。

インジェクタ３０の本体部３０Ａの外周には、周方向に延びる環状のフランジ３０Ｃが形成されている。インジェクタ３０は、ノズル３０Ｂが隔壁部材１７の上部開口Ｄを通過し、ノズル３０Ｂの先端が副室２０内に位置するように支持孔１６に配置される。インジェクタ３０は、フランジ３０Ｃが支持部材１９の上端に突き当たるように、図示しないホルダによってシリンダヘッド２Ｂに固定されている。インジェクタ３０は、シリンダ軸線Ａと同軸に配置されている。本実施形態では噴射孔は、１つであり、シリンダ軸線Ａに沿って下方を向いている。噴射孔から噴射されるＣＮＧは、シリンダ軸線Ａを中心とし、下方（ピストン７側）に向けて広がる円錐状の噴霧形状をなす。ノズル３０Ｂの外周面と筒部１７Ａの内周面との間にはシール部材（符号省略）が配置され、副室２０の上部が気密に閉塞されている。

シリンダヘッド２Ｂにおける２つの吸気ポート１１の間には、貫通孔である点火プラグ孔３３が形成されている。点火プラグ孔３３は、直線状に延びる段付き孔であり、シリンダ軸線Ａに対して傾斜して延び、下端が支持孔１６の下部１６Ａの内周面に開口している。点火プラグ孔３３は、上部が下部に対して径が大きく形成されている。隔壁部材１７の筒部１７Ａにおいて、点火プラグ孔３３の下端開口と対向する部分には、貫通孔であり、副室２０と点火プラグ孔３３とを連通する透孔３４が形成されている。透孔３４の幅は点火プラグ孔３３の下端の幅よりも大きく、透孔３４の周縁部は支持孔１６の下部１６Ａの内周面と接している。隔壁部材１７の筒部１７Ａの外周面と支持孔１６の下部１６Ａの内周面とは、密着しており、気密にシールされている。

図１及び図２に示すように、点火プラグ孔３３には、スパークプラグである点火プラグ３６が挿入されている。点火プラグ３６は、軸状に延びる本体部３６Ａと、本体部３６Ａの先端中央に設けられた中心電極３６Ｂと、本体部３６Ａの先端周縁から突出した接地電極３６Ｃとを有する。本体部３６Ａの外周面には、雄ねじが形成されており、点火プラグ孔３３の下部に形成された雌ねじに螺合している。中心電極３６Ｂは電源に接続されている。接地電極３６Ｃは、中心電極３６Ｂに対して絶縁され、本体部３６Ａの外周部を介してシリンダヘッド２Ｂに接地されている。接地電極３６Ｃは、本体部３６Ａの先端周縁から点火プラグ３６の軸線と略平行に延びる基端部３６Ｄと、基端部３６Ｄに対して略直角に屈曲し、点火プラグ３６の軸線側（中央側）に径方向内向きに延びる先端部３６Ｅとを有する。接地電極３６Ｃの先端部３６Ｅは、点火プラグ３６の軸線方向において中心電極３６Ｂと隙間を介して対向している。中心電極３６Ｂと接地電極３６Ｃの先端部３６Ｅとの間は、発火部３６Ｆとなり、点火時に中心電極３６Ｂに電圧が印加されることによって火花が発生する。

図２に示すように、点火プラグ３６の発火部３６Ｆは、副室２０内において、各連通孔２２の軸線の交点Ｂと一致する位置に配置されている。詳細には、点火プラグ３６の発火部３６Ｆは、各連通孔２２の交点Ｂから２ｍｍ未満の範囲に配置されている。また、接地電極３６Ｃは、交点Ｂと連通孔２２のそれぞれとを結ぶ各線分Ｃを避けて配置されている。具体的には、接地電極３６Ｃの基端部３６Ｄは、中心電極３６Ｂに対して主室８側と相反する側、すなわち中心電極３６Ｂの上方に配置されている。また、接地電極３６Ｃの先端部３６Ｅは、シリンダ軸線Ａに沿った方向から見て、隣り合う２つの連通孔２２のそれぞれと交点Ｂとを結ぶ線分Ｃの間に配置されている。また、点火プラグ３６の本体部３６Ａ及び透孔３４は、シリンダ軸線Ａに沿った方向から見て、１つの連通孔２２と重なる位置に互いに平行に配置されている。また、本実施形態では、発火部３６Ｆは、隔壁部材１７（副室２０）の軸線上に配置され、端壁部１７Ｂの中心上にも配置されている。

図１に示すように、ピストン７は、円板状のクラウン部４１と、クラウン部４１の周縁部から下方に突出した一対のスカート部４２と、各スカート部４２の対応する側縁同士を互いに連結する一対の連結壁部４３とを有している。ピストン７の軸線はシリンダ軸線Ａと一致している。クラウン部４１の外周部には、周方向に延在する第１環状溝、第２環状溝及び第３環状溝（符号省略）が上から順に形成されている。第１環状溝及び第２環状溝にはそれぞれコンプレッションリング（符号省略）が嵌め付けられ、第３環状溝にはオイルリング（符号省略）が嵌め付けられる。

クラウン部４１の燃焼室天井部５側を向く冠面７Ａは、シリンダ軸線Ａと垂直な平面に形成されている。冠面７Ａの中央部には、キャビティ４５が凹設されている。キャビティ４５は、シリンダ軸線Ａを中心とした円形に形成され、底部４５Ａと、底部４５Ａの周縁部に設けられた縁壁部４５Ｂとを有する。縁壁部４５Ｂは、シリンダ軸線Ａを中心とした円筒面に形成され、上端において冠面７Ａと略垂直に接続している。縁壁部４５Ｂと底部４５Ａとの境界の表面は、滑らかな曲面に形成されている。

底部４５Ａの中央には、シリンダ軸線Ａを中心とした略円錐形の凸部４７が突設されている。凸部４７の突出端は、冠面７Ａよりも下方に配置されている。凸部４７の周縁部は底部４５Ａの周縁部の近傍まで延びている。凸部４７の突出端は、面取りがなされた滑らかな曲面に形成されている。また、凸部４７の周縁部と底部４５Ａとの境界の表面は、滑らかな曲面に形成されている。

キャビティ４５及び凸部４７は、協働してシリンダ軸線Ａを中心としたトロイダル形状をなし、周縁部の深さが中央部に対して深くなっている。キャビティ４５及び凸部４７を含む冠面７Ａは、シリンダ軸線Ａを対称軸とした軸対称形に形成されている。

図３に示すように、ピストン７が上死点にあるときに、隔壁部材１７の端壁部１７Ｂはキャビティ４５内に突入し、隙間を介して凸部４７と対向するように、端壁部１７Ｂの突出長さ、キャビティ４５の深さ、及び凸部４７の高さが設定されている。凸部４７の外面とシリンダ軸線Ａとのなす角度は、連通孔２２の軸線とシリンダ軸線Ａ（隔壁部材１７の軸線）とのなす角度と概ね等しく設定されている。

副室２０の容積は、ピストン７が下死点に位置するときの主室８の容積、及びピストン７が上死点に位置するときの主室８の容積のいずれに対して小さく設定されている。主室８の容積に対する副室２０の容積の比は、１／８００以上１／４００以下であるとよい。ここでの主室８の容積は、ピストン７が下死点にあるときの主室８の容積をいい、シリンダ４の壁面、燃焼室天井部５、隔壁部材１７の外面、ピストン７の冠面７Ａ、キャビティ４５及び凸部４７の表面によって画定される空間の容積をいう。副室２０の容積は、隔壁部材１７の内面、インジェクタ３０の外面、及び点火プラグ３６の外面によって画定される空間の容積をいう。本実施形態では、主室８の容積に対する副室２０の容積の比は、１／６４０に設定されている。例えば、副室２０の容積は０．８６ｃｃであり、ピストン７が上死点に位置するときの主室８の容積は５５０ｃｃである。

図１に示すように、ガスエンジン１は、制御装置５０（ＥＣＵ）と、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサ５１、ガスエンジン１のクランクシャフトの回転位置を検出するクランク角センサ５２とを有する。制御装置５０には、アクセルペダルセンサ５１及びクランク角センサ５２の信号が入力される。制御装置５０は、クランク角センサ５２からの信号に基づいてエンジン回転数を算出し、エンジン回転数とアクセルペダルの踏み込み量とに基づいてガスエンジン１の負荷を算出する。負荷の算出は、例えば所定のマップを参照して行う。例えば、マップは、エンジン回転数の増加に応じて負荷が増加し、アクセルペダルの踏み込み量の増加に応じて負荷が増加するように設定されている。

制御装置５０は、負荷及びエンジン回転数に応じてインジェクタ３０の噴射量及び噴射時期を制御し、点火プラグ３６の点火時期を制御する。制御装置５０は、負荷の増加に応じて、インジェクタ３０の１燃焼サイクルにおける燃料噴射期間（開弁期間）を増加させ、燃料噴射量を増加させる。また、制御装置５０は、エンジン回転数の増加に応じて、インジェクタ３０の噴射時期及び点火プラグ３６の点火時期を進角させる。

図４に示すように、制御装置５０に制御されたインジェクタ３０は、１燃焼サイクルにおいて、少なくとも１回の主噴射と、少なくとも１回の副噴射とを行う。副噴射は、主噴射に対して燃料の噴射量が少なく設定されている。主噴射は、点火時期において、主室８に当量比が０．５以上１．０以下、より好ましくは０．６以上０．８以下の希薄混合気を形成するために行われる。副噴射は、点火時期において、副室２０に主室８よりも濃く、着火性が高い、当量比が１．０以上２．０以下、より好ましくは１．２以上１．５以下の混合気を形成するために行われる。本実施形態では、１燃焼サイクルにおいて、インジェクタ３０は１回の主噴射と、１回の副噴射とを行う。主噴射は、吸気行程において行われるとよく、例えば−３４０°〜−１８０°ＡＴＤＣの範囲内において所定の期間行われる。ここで、所定の範囲内において噴射を行うという記載は、噴射の開始時期及び終了（完了）時期の両方が所定の範囲内に設定されることをいう。具体的には、主噴射を−３４０°〜−１８０°ＡＴＤＣの範囲内において所定の期間行うとは、噴射の開始時期及び終了時期のいずれもが−３４０°〜−１８０°ＡＴＤＣの範囲内に設定されることをいう。また、主噴射は、ピストン７が下死点近傍にあるときに行われてもよい。また、主噴射は、吸気行程において行われてもよい。また、主噴射は、吸気行程において排気バルブ１４が閉じられた後に行われるとよい。そのため、主噴射は、例えば−３３０°〜−１８０°ＡＴＤＣの範囲内、より好ましくは−２８５°〜−２４０°ＡＴＤＣの範囲内において所定の期間行われるとよい。主噴射の噴射期間は、例えばクランク角で２９°であるとよい。他の実施形態では、主噴射は、例えば−２１０°〜−１８０°ＡＴＤＣの範囲内において所定の期間行われてもよい。ガスエンジン１の負荷が増加するときには、制御装置５０は主噴射の燃料噴射期間を増加させ、１燃焼サイクル当りの燃料噴射量を増加させる。

副噴射は、点火時期よりもクランク角で３０°〜１０°前の範囲内において所定の期間行われる。すなわち、副噴射は点火時期の直前に行われる。制御装置５０によって、点火プラグ３６による点火時期は、−５０°〜１０°ＡＴＤＣの範囲内に制御されている。

他の実施形態では、副噴射は、圧縮行程における上死点近傍において行われる。例えば、インジェクタ３０による前記副噴射の終了時期は、−２０°〜−１０°ＡＴＤＣの範囲内にあるとよい。制御装置５０によって、点火プラグ３６による点火時期は、−５０°〜１０°ＡＴＤＣの範囲内に制御されている。副噴射の噴射期間は、例えばクランク角で１．４°であるとよい。

主噴射によって副室２０に供給されたＣＮＧは、連通孔２２を通過して主室８に拡散する。特に、吸気行程においては、ピストン７の下降によって副室２０に対して主室８の圧力が低下するため、ＣＮＧの副室２０から主室８への拡散が促進される。主噴射の噴射時期と点火時期との間隔が長いほど、点火時期までに主噴射によって噴射されたＣＮＧの拡散が進むため、主室８における混合気の均質化が促進される。副噴射の噴射時期と点火時期との間隔が短いため、副噴射によって副室２０に供給されたＣＮＧは十分に拡散することができず、点火時期において大部分が副室２０に留まり、副室２０の混合気濃度は主室８よりも濃くなる。

制御装置５０によって、インジェクタ３０による主噴射は、点火時期において主室８の当量比が０．５以上１．０以下となるように、燃料噴射期間（燃料噴射量）が制御されている。制御装置５０によって、インジェクタ３０による副噴射は、点火時期において副室２０の当量比が１．０以上２．０以下となるように、燃料噴射期間（燃料噴射量）が制御されている。点火時期において上記のような当量比を主室８及び副室２０において実現するために、本実施形態では主噴射の燃料噴射量に対する噴射の噴射量の比が、１／１５０以上１／６０以下に設定されている。

本実施形態に係るガスエンジン１では、吸気行程においてピストン７が下降すると、吸気バルブ１３が開かれ、吸気ポート１１から主室８に新気が供給される。このとき、主室８の圧力が副室２０に対して低下するため、副室２０内の前回の燃焼時に発生した既燃焼ガスが各連通孔２２を通して主室８に流れる。その後の圧縮行程においてピストン７が上昇すると、主室８の圧力が副室２０に対して上昇するため、主室８の新気（空気）が各連通孔２２を通して副室２０に流れる。インジェクタ３０は、吸気行程において主噴射を副室２０に噴射する。主噴射によって副室２０に供給されたＣＮＧは、連通孔２２を通過して主室８に流れ、主室８に希薄混合気を形成する。また、インジェクタ３０は、点火時期の直前に副噴射を行うことによって、点火時期において副室２０に主室８よりも濃い混合気を形成する。

バルブオーバーラップが設定され、排気バルブ１４が吸気行程の初期において開いている場合、インジェクタ３０は、吸気行程における排気バルブ１４が閉じられた後に主噴射を副室２０に噴射する。これにより、未燃燃料が排気と共にシリンダ４の外部に流出することが抑制され、熱効率が向上すると共に、排気中のＨＣが低減する。

また、インジェクタ３０が−１８０°ＡＴＤＣまで、すなわち吸気行程において燃料噴射を終了することによって、副室２０内に噴射された燃料が主室８内に効率良く拡散する。上記したように、吸気行程ではピストン７の下降によって主室８の圧力が低下し、副室２０から主室８に燃料が効率良く拡散する。

圧縮行程の上死点付近に設定された点火時期において、点火プラグ３６が発火部３６Ｆに火花を発生させることによって、発火部３６ＦにおいてＣＮＧが着火し、火炎が発生する。発火部３６Ｆで発生した火炎は、放射状に広がり、図３に示すように各連通孔２２を通過して各連通孔２２からトーチ状の火炎ジェットとなって主室８のキャビティ４５内に噴出する。このとき、ピストン７が上死点付近にあることから、キャビティ４５が主室８の大部分を占めている。各連通孔２２から噴出する火炎ジェットは、凸部４７の表面に沿ってキャビティ４５内を放射状に広がり、キャビティ４５内の混合気を確実に燃焼させる。

以上のように構成されたガスエンジン１では、インジェクタ３０による主噴射によって主室８の混合気濃度を調節し、副噴射によって副室２０の混合気濃度を調節することができる。これにより、主室８の混合気濃度と、副室２０の混合気濃度との差を大きく設定することが可能になる。そのため、主噴射によって、主室８に均質な希薄混合気を形成すると同時に、副噴射によって点火時期に発火部３６Ｆの周囲に当量比が比較的高い混合気を形成し、着火性を向上させることができる。

また、副室２０の混合気の当量比を１．０以上２．０以下とすることによって、着火性を向上させつつ、ＮＯｘ及びすす（Ｓｏｏｔ）の発生を抑制することができる。図５は、燃焼温度（Ｔ）及び当量比（φ）と、ＮＯｘ及びすすの生成との関係を示すφ−Ｔマップである。図５に示すように、副室２０では、高温に曝される隔壁部材１７に囲まれていることから、燃焼温度が主室８よりも高くなり、１５００Ｋから２４００Ｋとなる。この場合、副室２０での当量比を１．０以上とすることによって、ＮＯｘが発生し易いＮＯｘ領域を避けることができる。また、燃料温度が１７００Ｋ〜２０００Ｋの範囲では、当量比を２．０以下とすることによって、すすが発生し易いＳｏｏｔ領域を避けることができる。

本実施形態に係るガスエンジン１では、点火時期における副室２０の内部の混合気をリッチ（当量比が１．０以上）にすることによって、副室２０の内部の酸素濃度が低下してＮＯｘの発生量が低下する。また、酸素濃度が低下することによって、副室２０内の燃焼は層流燃焼が支配的となって燃焼速度が低下する。これにより、燃焼ガスの最高到達温度が下がり、副室２０の内部でのＮＯｘ発生量が低下する。一方、主室８の混合気をリーン（０．５以上１．０以下）にすることによって、燃焼温度が下がり、主室８内での燃焼におけるＮＯｘ発生量が低下する。このように、副室２０内での燃焼及び主室８内での燃焼のいずれもＮＯｘ発生量が低下するため、ＮＯｘ排出量が低下する。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記の実施形態では、気体燃料としてＣＮＧを使用した例について説明したが、気体燃料は水素やメタン、プロパン等であってもよい。また、隔壁部材１７の形状及び大きさは、適宜変更することができる。連通孔２２の数、大きさ、シリンダ軸線Ａに対する傾斜角、及び配置は、適宜変更することができる。

上記実施形態では、インジェクタ３０は、主噴射を１回、副噴射を１回行う例について示したが、主噴射は上記した燃料噴射期間の間に複数回に分割して行われてもよい。

インジェクタ３０は、弁体のリフト量及び開弁期間を変更することによって燃料噴射量を調整するインジェクタである場合、燃料噴射量が同じであれば開弁期間はできるだけ短い方がよい。リフト量を小さくし、かつ開弁期間を長くすると、インジェクタから噴射される燃料は、勢いが弱く、層状にインジェクタ側から徐々に点火プラグ３６の発火部３６Ｆに流れる。そのため、点火時期によっては、その点火時期において点火プラグ３６の発火部３６Ｆの周囲の燃料の当量比が高くなりすぎる場合があり、着火性が低下する場合がある。一方、リフト量を大きくし、かつ開弁期間を短くすると、インジェクタから噴射される燃料は、勢いが強く、短時間で副室２０内に均質に拡散する。そのため、点火プラグ３６の発火部３６Ｆの周囲に燃料の当量比が高くなり過ぎることが抑制され、安定した着火性が実現される。

１ ：ガスエンジン
４ ：シリンダ
７ ：ピストン
７Ａ ：冠面
８ ：主室
１６ ：支持孔
１７ ：隔壁部材
２０ ：副室
２２ ：連通孔
３０ ：インジェクタ
３３ ：点火プラグ孔
３６ ：点火プラグ
３６Ａ ：本体部
３６Ｆ ：発火部
４５ ：キャビティ
４７ ：凸部
５０ ：制御装置
Ａ ：シリンダ軸線

Claims (10)

1. ４ストロークのガスエンジンであって、
   シリンダの壁面及びピストンの冠面によって画定される主室と、
   前記主室と少なくとも１つの連通孔によって接続され、前記主室に対して小さな容積を有する副室と、
   前記副室内に気体燃料を噴射するインジェクタと、
   前記副室内に配置された発火部を有する点火プラグとを有し、
   前記インジェクタは、吸気行程において主噴射を行うと共に、圧縮行程における上死点近傍において前記主噴射よりも少量の副噴射を行うことを特徴とするガスエンジン。
2. 前記インジェクタによる前記副噴射の終了時期は、−２０°〜−１０°ＡＴＤＣの範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載のガスエンジン。
3. 前記インジェクタは、前記ピストンが下死点近傍にあるときに前記主噴射を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガスエンジン。
4. 前記インジェクタは、前記吸気行程において排気バルブが閉じられた後に前記主噴射を行うことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つの項に記載のガスエンジン。
5. 前記インジェクタは、−３４０°〜−１８０°ＡＴＤＣの範囲内において前記主噴射を行うことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つの項に記載のガスエンジン。
6. 前記インジェクタは、−３３０°〜−１８０°ＡＴＤＣの範囲内において前記主噴射を行うことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つの項に記載のガスエンジン。
7. 前記インジェクタは、−２８５°〜−２４０°ＡＴＤＣの範囲内において前記主噴射を行うことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つの項に記載のガスエンジン。
8. 点火時期において、前記主室の当量比が０．５以上１．０以下となり、かつ前記副室の当量比が１．０以上２．０以下となるように、前記主噴射及び前記副噴射の噴射量が設定されていることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つの項に記載のガスエンジン。
9. 前記主噴射の噴射量に対する前記副噴射の噴射量の比は、１／１５０以上１／６０以下であることを特徴とする請求項８に記載のガスエンジン。
10. 前記主室の容積に対する前記副室の容積の比は、１／８００以上１／４００以下であることを特徴とする請求項９に記載のガスエンジン。

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