JP2018096217A - 副室式ガスエンジン - Google Patents

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Abstract

【課題】主燃焼室における火炎伝播のばらつきを抑制可能な副室式ガスエンジンを提供する。
【解決手段】副室式ガスエンジンは、主燃焼室を形成する主室形成部と、主燃焼室と複数の噴孔を介して連通される副室を形成する副室形成部と、副室に設けられた着火装置であって、着火装置の着火部が主燃焼室の主室中心軸線から所定距離だけ離間された位置にある着火装置と、を備え、平面視において、副室は、副室の副室中心軸線と着火部とを通る直線に対して、直交で、かつ、副室中心軸線を通る境界線を境として定義される、着火部が位置する側の着火近傍側領域、および着火近傍側領域と反対側の着火遠方側領域とを有しており、着火近傍側領域内の少なくとも１つの噴孔である近傍側特定噴孔の断面積は、着火遠方側領域内の少なくとも１つの噴孔である遠方側特定噴孔の断面積よりも小さい。
【選択図】 図１

Description

本開示は、副燃焼室（副室）で生成された燃焼火炎を複数の噴孔を介して主燃焼室（主室）に噴出せしめることで、主燃焼室の混合気を燃焼させる副室式ガスエンジンに関する。
従来から、希薄予混合気を効率良く燃焼させることが可能なエンジンとして副室式ガスエンジンが知られている（例えば、特許文献１〜２）。副室式ガスエンジンは、ピストンとシリンダヘッドとの間に画定される主燃焼室（主室）と、シリンダ上部などの主燃焼室に近接して設けられた副室とを有しており、複数の噴孔を介して、主燃焼室と副室とが連通される。そして、点火プラグなどの着火装置により副室の混合気を着火することにより、この着火によって生じた燃焼火炎が副室の下部に設けられた複数の噴孔の各々から噴出し、主燃焼室の希薄予混合気を燃焼させる。より詳細には、エンジンの吸気行程でシリンダ内に導入された希薄予混合気の一部が、圧縮工程において複数の噴孔の各々を介して副室に流入し、副室に供給されている副室燃料と混合されて、副室には着火に適した濃度を有する混合気が生成される。この状態の混合気が着火装置により着火され、その燃焼火炎が副室噴孔からシリンダへ噴出し、これを火種（トーチ）として主燃焼室の希薄予混合気が着火、燃焼する。これによって、主燃焼室における希薄燃料の燃焼が可能となり、低燃費を実現している。また、主燃焼室での希薄混合ガスの燃焼は、比較的低温の燃焼であるため、ＮＯｘ等の発生量を低減し、低公害を実現可能としている。
このような副室式ガスエンジンでは、圧縮工程において主燃焼室から噴孔を介して副室に流入する混合気の流れが不安定化すると、着火装置の着火部（例えば点火プラグの電極）廻りに着火し易い濃度の混合気が形成され難くなり、副室における燃焼が不安定になるおそれがある。このような課題に対して、特許文献１では、副室導入時の混合気の流れの安定性に噴孔の形状が影響するとの知見に基づいて、副室のスロート（後述する小径筒室）の形状や、噴孔のスロート側の開口端部の周縁に沿った丸面取り部の形状を規定し、燃焼変動の抑制を図っている。
また、上述したように、主燃焼室の混合気は、燃焼行程において複数の噴孔の各々を介して副室から主燃焼室に噴出する燃焼火炎（トーチジェット）により着火されるところ、主燃焼室において混合気の燃焼火炎の火炎伝播にばらつきがあると、ノッキング等の異常燃焼の一因となる。このような課題に対して、特許文献２では、上記の主燃焼室における火炎伝播速度のばらつきの要因は、給気ポートが存在する側の給気側領域におけるシリンダ壁面の温度が、排気ポートが存在する側の排気側領域におけるシリンダ壁面の温度よりも低いことにあるとの知見に基づいて、給気側領域に配置された給気側噴孔の噴孔面積の合計が、排気側領域に配置された排気側噴孔の噴孔面積の合計よりも大きくすることが開示されている。これによって、給気側噴孔からのトーチジェットにより着火された給気側混合気の火炎がシリンダ壁面まで到達する時間を短くし、ノッキング発生の抑制を図っている。
特開２０１６−３６０８号公報 特開２０１４−６２４８４号公報
副室の着火装置（点火部）は、副室の構造上の理由などから、シリンダの中心軸線上に配置することが困難な場合があり、シリンダの中心軸線上からずれた位置に配置される場合がある（後述する図１参照）。このような場合、副室では、着火装置が配置されている側の燃焼火炎の火炎伝播が、その反対側となる着火装置が配置されていない側の火炎伝播よりも相対的に早くなることを、本発明の発明者らは見出した。通常、副室の複数の噴孔は、平面視において等間隔に形成されており、燃焼火炎が相対的に遅く到達した噴孔を介して副室から主燃焼室に未燃ガスが多く流出しやすくなる。このため、複数の噴孔間でトーチジェットの噴出開始時期や噴出強度のばらつきが生じると共に、これに伴って、複数の噴口の各々からのトーチジェットによりそれぞれ着火される主燃焼室の希薄予混合気の着火時期や燃焼火炎の火炎伝播（火炎伝播速度など）にもばらつきが生じる。主燃焼室における火炎伝播のばらつきは、燃焼火炎の火炎伝播が遅れる領域に未燃ガスを残すことになるため、ノッキングの発生原因となり、ガスエンジンの熱効率や出力向上を阻む一要因となる。
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、主燃焼室における火炎伝播のばらつきを抑制可能な副室式ガスエンジンを提供することを目的とする。
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る副室式ガスエンジンは、
主燃焼室を形成する主室形成部と、
前記主燃焼室と複数の噴孔を介して連通される副室を形成する副室形成部と、
前記副室に設けられた着火装置であって、前記着火装置の着火部が前記主燃焼室の主室中心軸線から所定距離だけ離間された位置にある着火装置と、を備え、
平面視において、前記副室は、前記副室の副室中心軸線と前記着火部とを通る直線に対して、直交で、かつ、前記副室中心軸線を通る境界線を境として定義される、前記着火部が位置する側の着火近傍側領域、および前記着火近傍側領域と反対側の着火遠方側領域とを有しており、
前記着火近傍側領域内の少なくとも１つの前記噴孔である近傍側特定噴孔の断面積は、前記着火遠方側領域内の少なくとも１つの前記噴孔である遠方側特定噴孔の断面積よりも小さい。
上記（１）の構成によれば、着火装置の着火部（点火プラグの電極など）が主燃焼室の中心軸（主室中心軸線）から所定距離だけ離間された副室式ガスエンジンにおける副室の平面視において、副室の平面視における着火部に相対的に近い側の領域内（着火近傍側領域）に配置された近傍側特定噴孔の断面積は、着火部に相対的に遠い側の領域内（着火遠方側領域）の遠方側特定噴孔の断面積よりも小さい。ここで、噴孔の断面積が大きいほど噴孔を通過時の圧損が小さくなり、燃焼火炎が通過しやすくなると共に、噴出時の噴出距離が長くなる。このため、噴孔の断面積をより大きくすることで、噴孔の主燃焼室側の開口端部（主室側開口端部）から主燃焼室に燃焼火炎（トーチジェット）が噴出し始める噴出開始時期を早めることが可能であると共に、噴出時の噴出強度（貫徹力）を高めることが可能となる。
したがって、副室において、着火装置による混合気の着火により生じた燃焼火炎がより早く到達する近傍側特定噴孔の断面積を、この燃焼火炎がより遅く到達する遠方側特定噴孔の断面積よりも小さくすることにより、近傍側特定噴孔および遠方側特定噴孔の各々の主室側開口端部を介して主燃焼室に噴出されるトーチジェットの噴出開始時期や噴出強度が同等となるように調整することができ、主燃焼室における火炎伝播のばらつきの抑制を図ることができる。また、主燃焼室における火炎伝播のばらつきを抑制することによって、火炎の到達が遅れることによって生じるノッキングを抑制することができ、エンジンの高効率化を行うことができる。
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記近傍側特定噴孔は、平面視において、前記着火部に最も近接する前記着火側近傍領域内の前記噴孔となる最近接噴孔であり、
前記遠方側特定噴孔は、平面視において、前記着火部から最も離れた前記着火遠方側領域内の前記噴孔となる最遠方噴孔である。
上記（２）の構成によれば、副室の平面視において、着火部に最も近接する噴孔（最近接噴孔）の断面積が、着火部から最も離れた噴孔（最遠方噴孔）の断面積よりも小さい。これによって、副室において、着火装置による混合気の着火により生じた燃焼火炎が最も早く到達する最近接噴孔および、この燃焼火炎が最も遅く到達する最遠方噴孔の各々におけるトーチジェットの噴出開始時期が同時期となるように調整することができ、複数の噴孔の各々から主燃焼室に噴出するトーチジェットの噴出開始時期のばらつきの抑制を通して、主燃焼室における燃焼火炎の火炎伝播のばらつきを効率的に抑制することができる。
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（２）の構成において、
前記近傍側特定噴孔の断面積は、全ての前記複数の噴孔の断面積の平均よりも小さい。
上記（３）の構成によれば、近傍側特定噴孔の断面積を平均よりも小さくすることで、近傍側特定噴孔の断面積を遠方側特定噴孔の断面積よりも小さくすることができる。
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（２）の構成において、
前記遠方側特定噴孔の断面積は、全ての前記複数の噴孔の断面積の平均よりも大きい。
上記（４）の構成によれば、遠方側特定噴孔の断面積を平均よりも大きくすることで、近傍側特定噴孔の断面積を遠方側特定噴孔の断面積よりも小さくすることができる。
（５）本発明の少なくとも一実施形態に係る副室式ガスエンジンは、
主燃焼室を形成する主室形成部と、
前記主燃焼室と複数の噴孔を介して連通される副室を形成する副室形成部と、
前記副室に設けられた着火装置であって、前記着火装置の着火部が前記主燃焼室の主室中心軸線から所定距離だけ離間された位置にある着火装置と、を備え、
平面視において、前記副室は、前記副室の副室中心軸線と前記着火部とを通る直線に対して、直交で、かつ、前記副室中心軸線を通る境界線を境として定義される、前記着火部が位置する側の着火近傍側領域、および前記着火近傍側領域と反対側の着火遠方側領域とを有しており、
前記着火近傍側領域内の少なくとも１つの前記噴孔である近傍側特定噴孔の俯角は、前記着火遠方側領域内の少なくとも１つの前記噴孔である遠方側特定噴孔の俯角よりも大きい。
上記（５）の構成によれば、着火装置の着火部（点火プラグの電極など）が主燃焼室の中心軸（主室中心軸線）から所定距離だけ離間された副室式ガスエンジンにおける副室の平面視において、着火部に相対的に近い側の領域内（着火近傍側領域内）に配置された近傍側特定噴孔の俯角は、着火部に相対的に遠い側の領域内（着火遠方側領域内）の遠方側特定噴孔の俯角よりも小さい。ここで、主燃焼室の中心軸線と直交する線（例えば水平線など）と噴孔の中心線とがなす角度となる俯角は、噴孔の俯角が大きいほど、噴孔の主室側開口端部からシリンダ壁面までの燃焼火炎の火炎伝播距離が長く、シリンダ壁面までの火炎の火炎伝播に時間を要する。噴孔の主燃焼室側の開口端部（主室側開口端部）からシリンダ壁面までの火炎伝播に時間を要する。このため、副室において混合気の燃焼火炎がより早く到達する近傍側特定噴孔の俯角を、燃焼火炎がより遅く到達する遠方側特定噴孔の俯角よりも大きくすることにより、シリンダ壁面までの燃焼火炎の到達時期が同時期となるように調整することができ、主燃焼室における火炎伝播のばらつきの抑制を図ることができる。また、主燃焼室における火炎伝播のばらつきを抑制することによって、燃焼火炎の到達が遅れることによって生じるノッキングを抑制することができ、副室式ガスエンジン１の高効率化を行うことができる。
（６）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、
前記近傍側特定噴孔は、平面視において、前記着火部に最も近接する前記着火側近傍領域内の前記噴孔となる最近接噴孔であり、
前記遠方側特定噴孔は、平面視において、前記着火部から最も離れた前記着火遠方側領域内の前記噴孔となる最遠方噴孔である。
上記（６）の構成によれば、副室の平面視において、着火部に最も近接する噴孔（最近接噴孔）の俯角が、着火部から最も離れた噴孔（最遠方噴孔）の俯角よりも大きい。これによって、副室において、着火装置による混合気の着火により生じた燃焼火炎が最も早く到達する最近接噴孔および燃焼火炎が最も遅く到達する最遠方噴孔の各々におけるシリンダ壁面までの燃焼火炎の到達時期が同時期となるように調整することができ、主燃焼室における火炎伝播のばらつきの抑制を効率的に行うことができる。
（７）幾つかの実施形態では、上記（５）〜（６）の構成において、
前記近傍側特定噴孔の俯角は、全ての前記複数の噴孔の俯角の平均よりも大きい。
上記（７）の構成によれば、近傍側特定噴孔の俯角を平均よりも大きくすることで、近傍側特定噴孔の俯角を遠方側特定噴孔の俯角よりも大きくすることができる。
（８）幾つかの実施形態では、上記（５）〜（６）の構成において、
前記遠方側特定噴孔の前記俯角は、全ての前記複数の噴孔の俯角の平均よりも小さい。
上記（８）の構成によれば、遠方側特定噴孔の俯角を平均よりも小さくすることで、近傍側特定噴孔の俯角を遠方側特定噴孔の俯角よりも大きくすることができる。
（９）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（８）の構成において、
前記主燃焼室の主室中心軸線と前記副室中心軸線とは一致している。
上記（９）の構成によれば、主燃焼室の主室中心軸線と副室の副室中心軸線とが一致するように副室が設けられていると共に、着火装置の着火部が主燃焼室の中心軸（主室中心軸線）から所定距離だけ離間された副室式ガスエンジンにおいて、主燃焼室における火炎伝播のばらつきの抑制を図ることができる。
（１０）幾つかの実施形態では、上記（９）の構成において、
前記副室は、
所定の内径を有する筒状の小径筒室であって、前記複数の噴孔が接続される小径筒室を形成する小径筒形成部と、
前記小径筒室よりも大きい内径を有する筒状の大径筒室であって、前記着火装置の着火部が位置する大径筒室を形成する大径筒形成部と、で構成されており、
前記副室中心軸線は、前記小径筒室の中心軸線である。
上記（１０）の構成によれば、主燃焼室の主室中心軸線と副室を構成する小径筒室の副室中心軸線とが一致するように副室が設けられていると共に、着火装置の着火部が主燃焼室の中心軸（主室中心軸線）から所定距離だけ離間された副室式ガスエンジンにおいて、主燃焼室における火炎伝播のばらつきの抑制を図ることができる。
（１１）幾つかの実施形態では、上記（１０）の構成において、
前記所定距離は、前記大径筒室の内径の最大値の１０％よりも大きい。
上記（１１）の構成によれば、上記で規定される所定距離だけ、着火装置の着火部が主燃焼室の中心軸（主室中心軸線）から離間された副室式ガスエンジンの主燃焼室における火炎伝播のばらつきの抑制を図ることができる。
本発明の少なくとも一実施形態によれば、主燃焼室における火炎伝播のばらつきを抑制可能な副室式ガスエンジンが提供される。
本発明の一実施形態にかかる副室式ガスエンジンを概略的に示す断面図であり、近傍側特定噴孔の断面積は遠方側特定噴孔の断面積よりも小さい場合を示す。 本発明の一実施形態にかかる副室形成部の断面を概略的に示す図であり、図１に示すａａ線で副室式ガスエンジンを切断した断面図である。 本発明の他の一実施形態にかかる副室形成部の断面を概略的に示す図であり、図１に示すａａ線で副室式ガスエンジンを切断した断面図に相当する。 本発明の他の一実施形態にかかる副室式ガスエンジンを概略的に示す断面図であり、近傍側特定噴孔の俯角は遠方側特定噴孔の俯角よりも大きい場合を示す。
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
図１は、本発明の一実施形態にかかる副室式ガスエンジン１を概略的に示す断面図である。図２Ａは、本発明の一実施形態にかかる副室形成部３の断面を概略的に示す図であり、図１に示すａａ線で副室式ガスエンジン１を切断した断面図である。図２Ｂは、本発明の他の一実施形態にかかる副室形成部３の断面を概略的に示す図であり、図１に示すａａ線で副室式ガスエンジン１を切断した断面図に相当する。また、図３は、本発明の他の一実施形態にかかる副室式ガスエンジン１を概略的に示す断面図であり、近傍側特定噴孔４２の俯角は遠方側特定噴孔４３の俯角よりも大きい場合を示す。
図１〜図３に示されるように、副室式ガスエンジン１は、主燃焼室２ｒを形成する主室形成部２と、副室３ｒを形成する副室形成部３と、副室３ｒの内部に設けられた着火装置５と、を備える。
詳述すると、図１〜図３に示される実施形態では、図１、図３に示されるように、副室式ガスエンジン１は、円筒状の筒構造を内部に有するシリンダライナ１１およびこの筒構造の上部に蓋をすることが可能な窪み構造を内部に有するシリンダヘッド１２とで構成されるシリンダ１３と、シリンダ１３内に収納され往復運動するピストン１４と、シリンダヘッド１２の周囲に接続された吸気ポート１５及び排気ポート１６と、吸気ポート１５を開閉する吸気弁１７と、排気ポート１６を開閉する排気弁１８と、副室口金１９と、を備えている。そして、主燃焼室２ｒ（主室）は、シリンダ１３とピストン１４との間に画定される主燃焼室２ｒ（主室）が設けられている。また、副室３ｒは、主燃焼室２ｒの上部（ピストン１４の反対側）に位置するようにシリンダヘッド１２に設置された副室口金１９によって形成されている。すなわち、図１〜図３に示される実施形態では、シリンダ１３とピストン１４とで主室形成部２が構成され、副室口金１９によって副室形成部３が形成されている。また、副室式ガスエンジン１は、さらに、主燃焼室２ｒを介さずに副室３ｒに副室用燃料ガスを供給する副室ガス供給装置６を備えており、副室燃料ガス供給弁６１によって副室３ｒへの副室用燃料ガスの供給が制御されている（図１、図３参照）。
また、着火装置５は、混合気を着火（点火）することが可能な着火部５１を有しており、この着火部５１が主燃焼室２ｒの中心軸線（以下、主室中心軸線Ｃｍ）から所定距離Ｄだけ離間されるようにエンジンに設置される。例えば、着火装置５は火花点火式の点火プラグであっても良く、この場合の着火部５１は火花を出す電極を含む部分となる。また、上記の所定距離Ｄは、主燃焼室２ｒの内径の最大値の１０％よりも大きくても良い。後述するように、副室３ｒが小径筒室３１ｒおよび大径筒室３３ｒを有している場合には、着火部５１は大径筒室３３ｒ（定径筒部３３ｃ）に設置されても良く、上記の所定距離Ｄは大径筒室３３ｒの内径の最大値となる。
他方、副室形成部３は、その内部に形成された副室３ｒと外部とを連通する複数の噴孔４を有しており、これらの複数の噴孔４を介して主燃焼室２ｒと副室３ｒとが連通される。より詳細には、複数の噴孔４の各々は、その一端側の主室側開口端部４１ｍが主燃焼室２ｒに接続され、その他端側の副室側開口端部４１ｓが副室３ｒに接続される。この副室側開口端部４１ｓは、着火部５１が設置されている上部から最も離れた部分を含む底部３５の上部側において副室３ｒに接続されても良い（図１、図３参照）。また、複数の噴孔４の各々は、図２Ａ〜図２Ｂに示されるように、平面視において、複数の噴孔４の各々は、副室３ｒの中心軸線（以下、副室中心軸線Ｃｓ）の周囲に等間隔で配置されると共に、副室中心軸線Ｃｓの径方向に沿って副室形成部３を直線状に貫通して形成される。例えば、副室形成部３（副室口金１９）の副室中心軸線Ｃｓを法線とする断面の形状（平面視の形状）は円形であり、副室形成部３が例えば６つの直線状の噴孔４を有している場合には、副室中心軸線Ｃｓの周囲に径方向に沿って６０°間隔で配置される（図２Ａ〜図２Ｂ参照）。また、複数の噴孔の各々は、それぞれ所定の俯角θ（後述）で直線状に延在する（図１、図３参照）。
図１〜図３に示される実施形態では、副室３ｒは、所定の内径を有する筒状の小径筒室３１ｒであって、複数の噴孔４が接続される小径筒室３１ｒを形成する小径筒形成部３１と、小径筒室３１ｒよりも大きい内径を有する筒状の大径筒室３３ｒであって、着火装置５の着火部５１が位置する大径筒室３３ｒを形成する大径筒形成部３３と、で構成されている。換言すれば、副室形成部３（副室口金１９）は、小径筒形成部３１と大径筒形成部３３を有している。また、大径筒形成部３３は、小径筒室３１ｒに接続されると共に、小径筒室３１ｒから離れるに従って内径が増大する筒状の拡径筒部３３ｄと、拡径筒部３３ｄに接続された、拡径筒部３３ｄの最大径を内径とする筒状の定径筒部３３ｃを有している。そして、上述した副室中心軸線Ｃｓは、小径筒室３１ｒの中心軸線となっている。
ただし、本発明は本実施形態には限定されず、他の幾つかの実施形態では、副室３ｒは、一定の内径を有した筒状の形状をしているなど、他の形状を有していても良い。
また、図１〜図３に示される実施形態では、主室中心軸線Ｃｍと副室中心軸線Ｃｓとが一致しているが、これには限定されず、他の幾つかの実施形態では、主室中心軸線Ｃｍに対して副室中心軸線Ｃｓが傾いているなど、主室中心軸線Ｃｍと副室中心軸線Ｃｓとは一致していなくても良い。また、小径筒室３１ｒの中心軸線と大径筒室３３ｒの中心軸線とが、一致していなくても良い。
そして、上述したような構成を有する副室式ガスエンジン１は、例えば、吸気行程において、ピストン１４が下降する際には、吸気弁１７が開き、排気弁１８が閉じる。吸気弁１７が開くと、吸気弁１７に繋がる吸気ポート１５から燃料ガスと空気を混合させた希薄予混合気がシリンダ１３内に導入され、また、副室燃料ガス供給弁６１が開くことにより、副室燃料ガスが副室３ｒに導入される。他方、圧縮行程において、ピストン１４が上昇する際には副室燃料ガス供給弁６１が閉じる。そして、吸気ポート１５を介してシリンダ１３内に導入された希薄予混合気はピストン１４の上昇に伴って圧縮されるに伴って、その一部が、副室３ｒの複数の噴孔４の各々を通って副室３ｒに導入される。主燃焼室２ｒから副室３ｒに導入された希薄予混合気は、副室燃料ガスと混合して、副室３ｒに着火に適した濃度の混合気が生成される。そして、ピストン１４が圧縮上死点近傍に位置する際の所定のタイミングで着火装置５により副室３ｒの混合気を着火すると、副室３ｒの混合気が燃焼し、この燃焼によって生じた燃焼火炎が複数の噴孔の各々からシリンダ１３へ噴出し、シリンダ１３内の希薄予混合気を着火することで、主燃焼室２ｒの希薄予混合気の燃焼に至る。
この際、本発明の副室式ガスエンジン１では着火装置５の着火部５１が主室中心軸線Ｃｍから所定距離Ｄだけ離れているため、着火部５１による副室３ｒの混合気の着火によって生じた燃焼火炎が複数の噴孔４の各々に到達する時期がそれぞれ異なるとの知見を、本発明者らは数値解析等を通して得た。また、複数の噴孔４の各々において燃焼火炎が到達する時期が異なると、例えば複数の噴孔４の形状が同一である場合などでは、複数の噴孔４の各々から主燃焼室２ｒに噴出される燃焼火炎（以下、適宜、トーチジェットという）が主室側開口端部４１ｍから噴出し始める噴出開始時期やその噴出強度が異なることに気づいた。複数の噴孔４の各々からのトーチジェットの噴出開始時期や噴出強度のばらつきが生じると、主燃焼室２ｒにおける火炎伝播にもばらつきが生じる。そして、主燃焼室に２ｒおける火炎伝播のばらつきは、火炎伝播が遅れる領域に未燃ガスを残すことになるため、ノッキングの発生原因となり、副室式ガスエンジン１の熱効率や出力向上を阻む一要因となる。
そこで、本発明の発明者らは、複数の噴孔４の各々から主燃焼室２ｒに噴出されるトーチジェットの噴出開始時期や噴出強度のばらつきを抑制するように、複数の噴孔４のうちの少なくとも１つの噴孔４の形状を変えることで、主燃焼室２ｒにおける火炎伝播のばらつきを抑制することに思い至った。
以下、本発明の幾つかの実施形態における複数の噴孔４の形状について、説明する。
ここで、本発明においては、図２Ａ〜図２Ｂに示されるような平面視において、副室３ｒは、副室３ｒの副室中心軸線Ｃｓと着火部５１とを通る直線（基準線Ｂａ）に対して、直交で、かつ、副室中心軸線Ｃｓを通る境界線Ｂｒを境として定義される、着火部５１が位置する側の着火近傍側領域Ｒｎ、および着火近傍側領域Ｒｎと反対側の着火遠方側領域Ｒｆとを有する。換言すれば、平面視において、副室３ｒを、上記の境界線Ｂｒによって、着火部５１に相対的に近い着火近傍側領域Ｒｎと、相対的に遠い着火遠方側領域Ｒｆとの大きさの等しい２つの領域に分ける。
最初に、噴孔４の断面積Ｓに関する実施形態について、図１〜図２Ｂを用いて説明する。
幾つかの実施形態では、図１〜図２Ｂに示されるように、着火近傍側領域Ｒｎ内の少なくとも１つの噴孔４である近傍側特定噴孔４２の断面積Ｓｎは、着火遠方側領域Ｒｆ内の少なくとも１つの噴孔４である遠方側特定噴孔４３の断面積Ｓｆよりも小さい。ここで、噴孔４の断面積Ｓが大きいほど噴孔４を通過時の圧損が小さくなり、燃焼火炎が通過しやすくなると共に、噴出時の噴出距離が長くなる。このため、噴孔４の断面積Ｓをより大きくすることで、噴孔４の主室側開口端部４１ｍから噴出するトーチジェットの噴出開始時期を早めることが可能であると共に、噴出時の噴出強度（貫徹力）を高めることが可能となる。逆に言えば、噴孔４の断面積Ｓをより小さくすることで、噴孔４の主室側開口端部４１ｍから噴出するトーチジェットの噴出開始時期を遅くすることが可能であると共に、噴出時の噴出強度（貫徹力）を弱めることが可能となる。
したがって、副室３ｒにおいて、着火装置５による混合気の着火により生じた燃焼火炎がより早く到達する近傍側特定噴孔４２の断面積Ｓｎを、この燃焼火炎がより遅く到達する遠方側特定噴孔４３の断面積Ｓｆよりも小さくすることにより、近傍側特定噴孔４２および遠方側特定噴孔４３の各々の主室側開口端部４１ｍを介して主燃焼室２ｒに噴出されるトーチジェットの噴出開始時期や噴出強度が同等となるように調整することができ、主燃焼室２ｒにおける火炎伝播のばらつきの抑制を図ることができる。また、主燃焼室２ｒにおける火炎伝播のばらつきを抑制することによって、火炎の到達が遅れることによって生じるノッキングを抑制することができ、エンジンの高効率化を行うことができる。
より詳細には、幾つかの実施形態では、図２Ａ〜図２Ｂに示されるように、近傍側特定噴孔４２は、平面視において、着火部５１に最も近接する着火側近傍領域Ｒｎ内の噴孔４となる最近接噴孔４２ｓであり、遠方側特定噴孔４３は、平面視において、着火部５１から最も離れた着火遠方側領域Ｒｆ内の噴孔４となる最遠方噴孔４３ｓであっても良い。図２Ａ〜図２Ｂに示され実施形態では、着火近傍側領域Ｒｎには３つの噴孔４（４ａ〜４ｃ）が存在しており、近傍側特定噴孔４２は、着火近傍側領域Ｒｎにおいて上述した基準線Ｂａに沿って延在する１つの噴孔４ｂ（最近接噴孔４２ｓ）となっている。他方、着火遠方側領域Ｒｆにも３つの噴孔４（４ｄ〜４ｆ）が存在しており、遠方側特定噴孔４３は、着火遠方側領域Ｒｆにおいて上述した基準線Ｂａに沿って延在する１つの噴孔４ｅ（最遠方噴孔４３ｓ）となっている。そして、近傍側特定噴孔４２となる噴孔４ｂの断面積Ｓｂは、遠方側特定噴孔４３となる噴孔４ｅの断面積Ｓｅよりも小さくなっており、近傍側特定噴孔４２の断面積Ｓｎは、遠方側特定噴孔４３の断面積Ｓｆよりも小さくなっている。
図２Ａに示される実施形態では、最近接噴孔４２ｓの断面積Ｓｎが、他の残りの噴孔４（図２Ａでは５つ）の各々の断面積Ｓよりも小さいことによって、最近接噴孔４２ｓの断面積Ｓｎは、最遠方噴孔４３ｓの断面積Ｓｆよりも小さくなっている。図２Ｂに示される実施形態では、最遠方噴孔４３ｓの断面積Ｓｆが、他の残りの噴孔４（図２Ｂでは５つ）の各々の断面積Ｓよりも大きいことによって、最近接噴孔４２ｓの断面積Ｓｎは、最遠方噴孔４３ｓの断面積Ｓｆよりも小さくなっている。
ただし、本発明は本実施形態に限定されず、近傍側特定噴孔４２は１以上の複数の噴孔４であっても良いし、同様に、遠方側特定噴孔４３は１以上の複数の噴孔４であっても良い。近傍側特定噴孔４２あるいは遠方側特定噴孔４３が複数の噴孔４からなる場合には、副室３ｒで生じた燃焼火炎の到達時期に応じて、到達時期が遅い噴孔４ほど断面積Ｓを大きくするようにしても良い。また、最近接噴孔４２ｓは近傍側特定噴孔４２となっていなくても良いし、同様に、最遠方噴孔４３ｓは遠方側特定噴孔４３となっていなくても良い。
上記の構成によれば、副室３ｒの平面視において、着火部５１に最も近接する噴孔４（最近接噴孔４２ｓ）の断面積Ｓｎが、着火部５１から最も離れた噴孔４（最遠方噴孔４３ｓ）の断面積Ｓｅよりも小さい。これによって、副室３ｒにおいて、着火装置５による混合気の着火により生じた燃焼火炎が最も早く到達する最近接噴孔４２ｓおよび燃焼火炎が最も遅く到達する最遠方噴孔４３ｓの各々における噴出開始時期が同時期となるように調整することができ、複数の噴孔４の各々から主燃焼室２ｒに噴出するトーチジェットの噴出開始時期のばらつきの抑制を通して、主燃焼室２ｒにおける火炎伝播のばらつきを効率的に抑制することができる。
また、幾つかの実施形態では、図２Ａに示されるように、近傍側特定噴孔４２の断面積Ｓｎは、全ての複数の噴孔４の断面積Ｓの平均よりも小さい。図２Ａに示される実施形態では、近傍側特定噴孔４２は最近接噴孔４２ｓであり、他の残りの５つの噴孔４の各々の断面積Ｓは全てで同一のＳｆとなっている。そして、近傍側特定噴孔４２（最近接噴孔４２ｓ）の断面積Ｓｎは、他の残りの５つの噴孔４の各々の断面積Ｓよりも小さく、６つの噴孔４の断面積Ｓの平均よりも小さくなっている。
上記の構成によれば、近傍側特定噴孔４２の断面積Ｓｎを平均よりも小さくすることで、近傍側特定噴孔４２の断面積Ｓｎを遠方側特定噴孔４３の断面積Ｓｆよりも小さくすることができる。
他の幾つかの実施形態では、図２Ｂに示されるように、遠方側特定噴孔４３の断面積Ｓｆは、全ての複数の噴孔４の断面積の平均よりも大きい。図２Ｂに示される実施形態では、遠方側特定噴孔４３は最遠方噴孔４３ｓであり、他の残りの５つの噴孔４の各々の断面積Ｓは同一となっている。そして、遠方側特定噴孔４３（最遠方噴孔４３ｓ）の断面積Ｓｆは、他の残りの５つの噴孔４の各々の断面積Ｓよりも大きく、６つの噴孔４の断面積Ｓの平均よりも大きくなっている。
上記の構成によれば、遠方側特定噴孔４３の断面積Ｓｆを平均よりも大きくすることで、近傍側特定噴孔４２の断面積Ｓｎを遠方側特定噴孔４３の断面積Ｓｆよりも小さくすることができる。
次に、噴孔４の俯角θに関する実施形態について、図３を用いて説明する。なお、噴孔４の俯角θとは、主室中心軸線Ｃｍと直交する線と噴孔４の中心線Ｃｐとがなす角度であるものとする。
幾つかの実施形態では、図３に示されるように、着火近傍側領域Ｒｎの少なくとも１つの噴孔４である近傍側特定噴孔４２の俯角θｎは、着火遠方側領域Ｒｆ内の少なくとも１つの噴孔４である遠方側特定噴孔４３の俯角θｆよりも大きい（θｎ＞θｆ）。ここで、噴孔４の俯角θが大きいほど、噴孔４の主室側開口端部４１ｍからシリンダ壁面１３ｗまでの燃焼火炎の火炎伝播距離が長く、シリンダ壁面１３ｗまでの火炎伝播に時間を要する。このため、副室３ｒにおいて、着火装置５による混合気の着火により生じた燃焼火炎がより早く到達する近傍側特定噴孔４２の俯角θｎを、燃焼火炎がより遅く到達する遠方側特定噴孔４３の俯角θｆよりも大きくすることにより、シリンダ壁面１３ｗまでの燃焼火炎の到達時期が同時期となるように調整することができ、主燃焼室２ｒにおける火炎伝播のばらつきの抑制を図ることができる。また、主燃焼室２ｒにおける火炎伝播のばらつきを抑制することによって、燃焼火炎の到達が遅れることによって生じるノッキングを抑制することができ、副室式ガスエンジンの高効率化を行うことができる。
より詳細には、幾つかの実施形態では、近傍側特定噴孔４２は、平面視において、着火部５１に最も近接する着火側近傍領域Ｒｎ内の噴孔４となる最近接噴孔４２ｓであり、遠方側特定噴孔４３は、平面視において、着火部５１から最も離れた着火遠方側領域Ｒｆ内の噴孔４となる最遠方噴孔４３ｓであっても良い（最近接噴孔４２ｓおよび最遠方噴孔４３ｓについては図２Ａ〜図２Ｂ参照）。
ただし、本発明は本実施形態に限定されず、近傍側特定噴孔４２は１以上の複数の噴孔４であっても良いし、同様に、遠方側特定噴孔４３は１以上の複数の噴孔４であっても良い。近傍側特定噴孔４２あるいは遠方側特定噴孔４３が複数の噴孔４からなる場合には、副室３ｒで生じた燃焼火炎の到達時期に応じて、到達時期が早い噴孔４ほど俯角θを大きくするようにしても良い。また、最近接噴孔４２ｓは近傍側特定噴孔４２となっていなくても良いし、同様に、最遠方噴孔４３ｓは遠方側特定噴孔４３となっていなくても良い。
上記の構成によれば、副室３ｒの平面視において、着火部５１に最も近接する噴孔４（最近接噴孔４２ｓ）の俯角θｎが、着火部５１から最も離れた噴孔４（最遠方噴孔４３ｓ）の俯角θｆよりも大きい。これによって、副室３ｒにおいて、着火装置５による混合気の着火により生じた燃焼火炎が最も早く到達する最近接噴孔４２ｓおよび燃焼火炎が最も遅く到達する最遠方噴孔４３ｓの各々におけるシリンダ壁面１３ｗまでの燃焼火炎の到達時期が同時期となるように調整することができ、主燃焼室２ｒにおける火炎伝播のばらつきの抑制を効率的に行うことができる。
また、幾つかの実施形態では、近傍側特定噴孔４２の俯角θｎは、全ての複数の噴孔４の俯角θの平均よりも大きい。例えば、近傍側特定噴孔４２を最近接噴孔４２ｓとすると共に、他の残りの噴孔４の各々の俯角θを同一として、近傍側特定噴孔４２（最近接噴孔４２ｓ）の俯角θｎを、他の残りの噴孔４の各々の俯角θよりも大きくしても良い。
上記の構成によれば、近傍側特定噴孔４２の俯角θｎを平均よりも大きくすることで、近傍側特定噴孔４２の俯角θｎを遠方側特定噴孔４３の俯角θｆよりも大きくすることができる。
他の幾つかの実施形態では、遠方側特定噴孔４３の俯角θｆは、全ての複数の噴孔４の俯角θの平均よりも小さい。例えば、遠方側特定噴孔４３を最遠方噴孔４３ｓとすると共に、他の残りの噴孔４の各々の俯角θを同一として、遠方側特定噴孔４３（最遠方噴孔４３ｓ）の俯角θｎを、他の残りの噴孔４の各々の俯角θよりも小さくしても良い。
上記の構成によれば、遠方側特定噴孔４３の俯角θを平均よりも小さくすることで、近傍側特定噴孔４２の俯角θｎを遠方側特定噴孔４３の俯角θｆよりも大きくすることができる。
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、図１〜図２Ｂに示されるような噴孔４の断面積Ｓに関する実施形態と、図３に示されるような噴孔４の俯角θに関する実施形態とを組み合わせても良い。
１ 副室式ガスエンジン
１１ シリンダライナ
１２ シリンダヘッド
１３ シリンダ
１３ｗ シリンダ壁面
１４ ピストン
１５ 吸気ポート
１６ 排気ポート
１７ 吸気弁
１８ 排気弁
１９ 副室口金
２ 主室形成部
２ｒ 主燃焼室
３ 副室形成部
３ｒ 副室
３１ 小径筒形成部
３１ｒ 小径筒室
３３ 大径筒形成部
３３ｒ 大径筒室
３３ｃ 定径筒部
３３ｄ 拡径筒部
４ 噴孔
４１ｍ 主室側開口端部
４１ｓ 副室側開口端部
４２ 近傍側特定噴孔
４２ｓ 最近接噴孔
４３ 遠方側特定噴孔
４３ｓ 最遠方噴孔
５ 着火装置
５１ 着火部
６ 副室ガス供給装置
６１ 副室燃料ガス供給弁

Ｄ 所定距離
Ｃｍ 主室中心軸線
Ｃｓ 副室中心軸線
Ｃｐ 噴孔の中心線
Ｒｆ 着火遠方側領域
Ｒｎ 着火近傍側領域
Ｓ 断面積
Ｂａ 基準線
Ｂｒ 境界線

Claims (11)

  1. 主燃焼室を形成する主室形成部と、
    前記主燃焼室と複数の噴孔を介して連通される副室を形成する副室形成部と、
    前記副室に設けられた着火装置であって、前記着火装置の着火部が前記主燃焼室の主室中心軸線から所定距離だけ離間された位置にある着火装置と、を備え、
    平面視において、前記副室は、前記副室の副室中心軸線と前記着火部とを通る直線に対して、直交で、かつ、前記副室中心軸線を通る境界線を境として定義される、前記着火部が位置する側の着火近傍側領域、および前記着火近傍側領域と反対側の着火遠方側領域とを有しており、
    前記着火近傍側領域内の少なくとも１つの前記噴孔である近傍側特定噴孔の断面積は、前記着火遠方側領域内の少なくとも１つの前記噴孔である遠方側特定噴孔の断面積よりも小さいことを特徴とする副室式ガスエンジン。
  2. 前記近傍側特定噴孔は、平面視において、前記着火部に最も近接する前記着火側近傍領域内の前記噴孔となる最近接噴孔であり、
    前記遠方側特定噴孔は、平面視において、前記着火部から最も離れた前記着火遠方側領域内の前記噴孔となる最遠方噴孔であることを特徴とする請求項１に記載の副室式ガスエンジン。
  3. 前記近傍側特定噴孔の断面積は、全ての前記複数の噴孔の断面積の平均よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の副室式ガスエンジン。
  4. 前記遠方側特定噴孔の断面積は、全ての前記複数の噴孔の断面積の平均よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の副室式ガスエンジン。
  5. 主燃焼室を形成する主室形成部と、
    前記主燃焼室と複数の噴孔を介して連通される副室を形成する副室形成部と、
    前記副室に設けられた着火装置であって、前記着火装置の着火部が前記主燃焼室の主室中心軸線から所定距離だけ離間された位置にある着火装置と、を備え、
    平面視において、前記副室は、前記副室の副室中心軸線と前記着火部とを通る直線に対して、直交で、かつ、前記副室中心軸線を通る境界線を境として定義される、前記着火部が位置する側の着火近傍側領域、および前記着火近傍側領域と反対側の着火遠方側領域とを有しており、
    前記着火近傍側領域内の少なくとも１つの前記噴孔である近傍側特定噴孔の俯角は、前記着火遠方側領域内の少なくとも１つの前記噴孔である遠方側特定噴孔の俯角よりも大きいことを特徴とする副室式ガスエンジン。
  6. 前記近傍側特定噴孔は、平面視において、前記着火部に最も近接する前記着火側近傍領域内の前記噴孔となる最近接噴孔であり、
    前記遠方側特定噴孔は、平面視において、前記着火部から最も離れた前記着火遠方側領域内の前記噴孔となる最遠方噴孔であることを特徴とする請求項５に記載の副室式ガスエンジン。
  7. 前記近傍側特定噴孔の俯角は、全ての前記複数の噴孔の俯角の平均よりも大きいことを特徴とする請求項５または６に記載の副室式ガスエンジン。
  8. 前記遠方側特定噴孔の前記俯角は、全ての前記複数の噴孔の俯角の平均よりも小さいことを特徴とする請求項５または６に記載の副室式ガスエンジン。
  9. 前記主燃焼室の主室中心軸線と前記副室中心軸線とは一致していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の副室式ガスエンジン。
  10. 前記副室は、
    所定の内径を有する筒状の小径筒室であって、前記複数の噴孔が接続される小径筒室を形成する小径筒形成部と、
    前記小径筒室よりも大きい内径を有する筒状の大径筒室であって、前記着火装置の着火部が位置する大径筒室を形成する大径筒形成部と、で構成されており、
    前記副室中心軸線は、前記小径筒室の中心軸線であることを特徴とする請求項９に記載の副室式ガスエンジン。
  11. 前記所定距離は、前記大径筒室の内径の最大値の１０％よりも大きいことを特徴とする請求項１０に記載の副室式ガスエンジン。
JP2016238752A 2016-12-08 2016-12-08 副室式ガスエンジン Active JP6796471B2 (ja)

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