JP2019002371A - ガスエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】火花点火を安定化する。【解決手段】ガスエンジンは、燃焼室と副室１３０との隔壁（カバー部１２４）を貫通し、副室１３０の径方向に対して、副室１３０の周方向に傾いた貫通孔１２４ｄと、副室１３０内のうち隔壁と反対側に配された点火部と、点火部と副室１３０の内周面１３０ａとの間に位置する吸気孔と、を有する点火部品１４０と、を備える。副室１３０内に流入した混合気は、旋回流となって吸気孔から点火部品１４０の内部空間に流入するため、点火部を流れる混合気の流れが安定化する。【選択図】図２

Description

本開示は、燃焼室と副室を備えるガスエンジンに関する。

従来、エンジンには、燃焼室の他に副室が形成されたものがある。燃焼室と副室との隔壁を、貫通孔が貫通する。燃料ガスと空気の混合気は、貫通孔を通って燃焼室から副室に流入する。副室では、点火部品が混合気に点火する。

例えば、特許文献１、２には、貫通孔を副室の周方向に傾斜させ、副室に流入する混合気に旋回流を生じさせる技術が開示されている。特許文献１では、レーザ式の点火装置によって火炎核が形成される。特許文献２では、点火部品がスパークプラグであって、火花点火がなされる。

特開２０１６−０３３３４２号公報 特開２０１０−１４４５１６号公報

特許文献２に記載された構成では、上記の旋回流によって、副室内の火花伝播が安定化する。しかし、点火部品の点火部（例えばプラグギャップ）近傍における流体の流れが乱れると、火花伝播以前に、そもそも火花点火自体が安定しない。

本開示は、このような課題に鑑み、火花点火を安定化することが可能なガスエンジンを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係るガスエンジンは、燃焼室と副室との隔壁を貫通し、副室の径方向に対して、副室の周方向に傾いた貫通孔と、副室内のうち隔壁と反対側に配された点火部と、点火部と副室の内周面との間に位置する吸気孔と、を有する点火部品と、を備える。

貫通孔は、径方向内側に向かうほど、点火部に近づく向きに傾いてもよい。

吸気孔は、副室の径方向に対して、貫通孔と同じ周方向に傾いてもよい。

点火部品は、副室の内部に突出する端部と、端部の端面に開口し、点火部が形成される開口孔と、を備え、吸気孔は、端部の外周面、または、外周面と端面との間に形成された傾斜面に開口してもよい。

点火部品は、副室の中心軸に対して偏心してもよい。

本開示によれば、火花点火を安定化することが可能となる。

ガスエンジンの概略的な構成を示す図である。 図２（ａ）は、図１における挿入部材および点火部品の抽出図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のカバー部のＩＩｂ矢視図である。 図３（ａ）は、図２（ａ）の点火部品の抽出図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の点火部品のＩＩＩｂ矢視図である。 第１変形例を説明するための図である。 第２変形例を説明するための図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、ガスエンジン１００の概略的な構成を示す図である。図１では、吸気ポート１０４ａ、排気ポート１０４ｂ、および、挿入部材１２０を同一断面上に図示する。ただし、吸気ポート１０４ａ、排気ポート１０４ｂ、および、挿入部材１２０は、同一断面上に位置せずともよい。また、図１では、点火部品１４０をクロスハッチングで示し、内部構造の図示を省略する。

図１に示すように、ガスエンジン１００は、シリンダブロック１０２、シリンダヘッド１０４、および、ピストン１０６を備える。シリンダブロック１０２にシリンダ１０２ａが形成される。シリンダ１０２ａの内周面は、シリンダブロック１０２の内部に圧入または鋳込まれたシリンダライナ（スリーブ）によって形成されてもよい。シリンダ１０２ａには、ピストン１０６が収容される。

燃焼室１０８は、シリンダ１０２ａ内部に形成される。燃焼室１０８は、シリンダブロック１０２（シリンダ１０２ａ）、シリンダヘッド１０４、および、ピストン１０６の冠面１０６ａによって囲繞される。

シリンダヘッド１０４には、吸気ポート１０４ａおよび排気ポート１０４ｂが形成される。吸気ポート１０４ａおよび排気ポート１０４ｂは、燃焼室１０８に開口する。吸気バルブ１１０ａは、吸気ポート１０４ａのうち、燃焼室１０８側の開口を開閉する。排気バルブ１１０ｂは、排気ポート１０４ｂのうち、燃焼室１０８側の開口を開閉する。

シリンダヘッド１０４には、挿入孔１０４ｃが形成される。挿入孔１０４ｃは、例えば、ピストン１０６の中心軸上に形成される。挿入孔１０４ｃには、挿入部材１２０が挿入される。挿入部材１２０の内部には、副室１３０が形成される。副室１３０には、点火部品１４０の少なくとも一部が配される。

ガスエンジン１００は、例えば、４サイクルエンジンである。吸気行程において、吸気バルブ１１０ａが開弁し、排気バルブ１１０ｂが閉弁する。ピストン１０６が下死点に向かう。燃料ガスと空気との混合気が吸気ポート１０４ａから燃焼室１０８に流入する。圧縮行程において、吸気バルブ１１０ａおよび排気バルブ１１０ｂが閉弁する。ピストン１０６が上死点に向かう。ピストン１０６によって圧縮された混合気が燃焼室１０８から副室１３０に導かれる。膨張（爆発）行程において、点火部品１４０によって混合気が点火され、火炎が燃焼室１０８に噴出する。燃焼室１０８において混合気が燃焼し、ピストン１０６が下死点側に押圧される。排気行程において、吸気バルブ１１０ａが閉弁し、排気バルブ１１０ｂが開弁する。ピストン１０６が上死点に向かう。燃焼後の排気ガスは、排気ポート１０４ｂを通って燃焼室１０８から排出される。

図２（ａ）は、図１における挿入部材１２０および点火部品１４０の抽出図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のカバー部１２４のＩＩｂ矢視図である。図２（ａ）に示すように、挿入部材１２０は、円筒部１２２およびカバー部１２４を有する。

円筒部１２２は大凡環状である。円筒部１２２の一端側にカバー部１２４が配される。中心孔１２２ａは、中心軸方向に貫通する。中心孔１２２ａには、カバー部１２４側から順に、第１テーパ部１２２ｂ、平行部１２２ｃ、第２テーパ部１２２ｄが形成される。

第１テーパ部１２２ｂは、円筒部１２２の一端に開口する。第１テーパ部１２２ｂは、カバー部１２４から離隔するほど（図２（ａ）中、上側ほど）、内径が拡大する。平行部１２２ｃは、内径が大凡一定である。第２テーパ部１２２ｄは、カバー部１２４から離隔するほど（図２（ａ）中、上側ほど）、内径が縮小する。

ここでは、中心孔１２２ａに、第１テーパ部１２２ｂ、平行部１２２ｃ、第２テーパ部１２２ｄが形成される場合について説明した。ただし、第１テーパ部１２２ｂ、平行部１２２ｃ、第２テーパ部１２２ｄは、必須の構成ではない。中心孔１２２ａは、カバー部１２４側に開口し、カバー部１２４（後述する貫通孔１２４ｄ）と反対側（すなわち、燃焼室１０８と反対側）に点火部品１４０が設けられれば、任意の形状であってよい。

中心孔１２２ａのうち、カバー部１２４と反対側の他端には、点火部品１４０の一部が挿通される。点火部品１４０（後述する内部空間Ｓ）の中心軸は、中心孔１２２ａ（副室１３０）の中心軸と同軸に配される。点火部品１４０は、第２テーパ部１２２ｄ（副室１３０）の内部に突出する。ただし、点火部品１４０は、第２テーパ部１２２ｄの内部に突出せずともよい。点火部品１４０は、第２テーパ部１２２ｄよりも、図２（ａ）中、上側に引っ込んで配されてもよい。この場合であっても、副室１３０には、図２（ａ）中、上側に引っ込んだ点火部品１４０の一部が配される位置までが含まれる。

カバー部１２４は大凡環状である。カバー部１２４のうち、円筒部１２２側の端部には、フランジ部１２４ｂが形成される。フランジ部１２４ｂの外径は円筒部１２２の外径と大凡等しい。フランジ部１２４ｂは、円筒部１２２の一端に当接する。

カバー部１２４には、カバー穴１２４ａが形成される。カバー部１２４（カバー穴１２４ａ）の中心軸は、円筒部１２２（中心孔１２２ａ）の中心軸と同軸である。ただし、カバー部１２４（カバー穴１２４ａ）の中心軸は、円筒部１２２（中心孔１２２ａ）の中心軸に対してずれていてもよい。

カバー穴１２４ａは、カバー部１２４のうち、円筒部１２２側に開口する。カバー穴１２４ａは、中心孔１２２ａに対向する。円筒部１２２の中心孔１２２ａと、カバー部１２４のカバー穴１２４ａによって、副室１３０が形成される。

カバー部１２４のうち、円筒部１２２と反対側（燃焼室１０８の中心側）の端面１２４ｃは、湾曲している。端面１２４ｃは、カバー穴１２４ａの中心軸に近づくほど、円筒部１２２と反対側に突出する。ただし、端面１２４ｃは、平面であってもよい。

カバー部１２４には、貫通孔１２４ｄが形成される。貫通孔１２４ｄは、燃焼室１０８と副室１３０との隔壁（カバー部１２４）を貫通する。カバー部１２４の外周面１２４ｅからカバー穴１２４ａ（内周面）まで貫通する。ただし、貫通孔１２４ｄは、外周面１２４ｅに開口せずに、端面１２４ｃに開口してもよいし、外周面１２４ｅから端面１２４ｃに亘って開口してもよい。いずれにしても、貫通孔１２４ｄは、カバー穴１２４ａ側の開口の方が、外周面１２４ｅ、端面１２４ｃ側の開口よりも、カバー穴１２４ａの径方向内側に位置する。

貫通孔１２４ｄは、径方向内側に向かうほど、点火部品１４０（後述する点火部１５２）側に近づく向きに傾いている。すなわち、貫通孔１２４ｄのうち、カバー穴１２４ａ側の開口は、外周面１２４ｅ、端面１２４ｃ側の開口よりも、カバー穴１２４ａの中心軸方向の位置が、点火部品１４０側（燃焼室１０８と反対側）となる。ただし、貫通孔１２４ｄのうち、カバー穴１２４ａ側の開口と、外周面１２４ｅ、端面１２４ｃ側の開口とは、カバー穴１２４ａの中心軸方向の位置が同じであってもよい。すなわち、貫通孔１２４ｄは、カバー穴１２４ａの径方向に平行に延在してもよい。

図２（ｂ）に示すように、貫通孔１２４ｄは、カバー穴１２４ａの周方向に離隔して複数（図２（ｂ）では、例えば、８個）形成される。貫通孔１２４ｄは、１〜７個でもよいし、９個以上であってもよい。貫通孔１２４ｄは、カバー穴１２４ａ（副室１３０）の径方向に対して、カバー穴１２４ａ（副室１３０）の周方向に傾いている。すなわち、貫通孔１２４ｄのうち、カバー穴１２４ａ側の開口は、外周面１２４ｅ、端面１２４ｃ側の開口よりも、カバー穴１２４ａの周方向の一方側（図２（ｂ）では、時計回り方向の前方側）に位置する。

燃焼室１０８の混合気は、貫通孔１２４ｄから副室１３０に流入する。貫通孔１２４ｄが傾斜しているため、副室１３０に流入した混合気には、旋回流が形成される。旋回流により、副室１３０内の流れが安定化する。

図３（ａ）は、図２（ａ）の点火部品１４０の抽出図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の点火部品１４０のＩＩＩｂ矢視図である。図３（ａ）に示すように、点火部品１４０は、本体部１４２およびキャップ部１４４を有する。

本体部１４２は大凡環状である。本体部１４２の外周面１４２ａにはネジ溝が形成されている。外周面１４２ａのネジ溝が、円筒部１２２の中心孔１２２ａの内周面に形成されたネジ溝に螺合する。こうして、点火部品１４０が挿入部材１２０に取り付けられる。ただし、点火部品１４０は、ネジ以外の機構によって挿入部材１２０に取り付けられてもよい。

本体部１４２には、収容孔１４２ｂが形成される。収容孔１４２ｂには、テーパ部１４２ｃが形成される。テーパ部１４２ｃは、本体部１４２のうち、図３（ａ）中、下側（キャップ部１４４側）の一端に向かって内径が縮小する。

収容孔１４２ｂには、絶縁体１４６が収容される。絶縁体１４６には、第１テーパ部１４６ａが形成される。第１テーパ部１４６ａは、図３（ａ）中、下側（キャップ部１４４側）に向かって外径が縮小する。収容孔１４２ｂのテーパ部１４２ｃおよび絶縁体１４６の第１テーパ部１４６ａによって、絶縁体１４６の位置決めが為される。

絶縁体１４６のうち、第１テーパ部１４６ａより先端には、第２テーパ部１４６ｂが形成される。第２テーパ部１４６ｂは、図３（ａ）中、下側（キャップ部１４４側）に向かって外径が縮小する。

中心電極１４８は、絶縁体１４６の中心をキャップ部１４４側に貫通する。中心電極１４８は、本体部１４２（収容孔１４２ｂ、絶縁体１４６）よりキャップ部１４４側に突出する。本体部１４２と中心電極１４８は、絶縁体１４６によって絶縁される。

キャップ部１４４は大凡環状である。キャップ部１４４（点火部品１４０の端部）は、副室１３０の内部に突出する。キャップ部１４４は、キャップ穴１４４ａを有する。キャップ穴１４４ａは、キャップ部１４４のうち、本体部１４２側に開口する。キャップ穴１４４ａは、収容孔１４２ｂに対向する。本体部１４２の収容孔１４２ｂと、キャップ部１４４のキャップ穴１４４ａによって、点火部品１４０の内部空間Ｓが形成される。

キャップ穴１４４ａの内周面には、本体部１４２側から順に、平行面１４４ｂおよびテーパ面１４４ｃが形成される。平行面１４４ｂは、キャップ穴１４４ａの中心軸方向に平行である。テーパ面１４４ｃは、平行面１４４ｂから離隔するほど（キャップ穴１４４ａの底面１４４ｄに向かうほど）、内径が縮小する。

キャップ部１４４の外周面には、本体部１４２側から順に、平行面１４４ｅ（外周面）および傾斜面１４４ｆが形成される。平行面１４４ｅは、キャップ穴１４４ａの中心軸方向に平行である。傾斜面１４４ｆは、キャップ部１４４のうち、本体部１４２と反対側の端面１４４ｇと、平行面１４４ｅとの間に形成される。傾斜面１４４ｆは、平行面１４４ｅから離隔するほど（端面１４４ｇに向かうほど）、外径が縮小する。

ただし、キャップ部１４４の形状は、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すものに限られない。例えば、キャップ部１４４のうち、本体部１４２側の一部が短縮され、内側の平行面１４４ｂが形成されなくてもよい。

キャップ部１４４は、端面１４４ｇに開口する開口孔１４４ｈを有する。開口孔１４４ｈは、キャップ部１４４のうち、端面１４４ｇからキャップ穴１４４ａの底面１４４ｄまで貫通する。開口孔１４４ｈの中心軸は、例えば、キャップ穴１４４ａの中心軸と同軸である。開口孔１４４ｈの内周面には、貴金属層１４４ｉが形成される。貴金属層１４４ｉにより、開口孔１４４ｈの内周面の損耗が抑制される。キャップ部１４４および貴金属層１４４ｉによって、接地電極１５０が構成される。接地電極１５０は、本体部１４２を介してアースされる。

中心電極１４８の先端部は、開口孔１４４ｈ（貴金属層１４４ｉ）の内側に挿通される。中心電極１４８と貴金属層１４４ｉとの間には、径方向の隙間（スパークギャップＧ）が形成される。スパークギャップＧは環状である。

中心電極１４８には高電圧が印可される。中心電極１４８と接地電極１５０との電位差によって、スパークギャップＧに火花放電が生じる。すなわち、点火部品１４０における点火部１５２は、中心電極１４８のうち、接地電極１５０に径方向に対向する部位と、接地電極１５０によって構成される。点火部１５２は、副室１３０内のうち、カバー部１２４と反対側に配される。

キャップ部１４４には、吸気孔１４４ｋが形成される。吸気孔１４４ｋは、点火部１５２の周囲に形成される。吸気孔１４４ｋは、点火部１５２と副室１３０（第２テーパ部１２２ｄ）の内周面１３０ａ（図２（ａ）参照）との間に位置する。吸気孔１４４ｋは、点火部１５２に対して、開口孔１４４ｈの径方向外側に位置する。吸気孔１４４ｋは、開口孔１４４ｈの径方向内側に向かうほど、本体部１４２側に近づく向きに傾いている。吸気孔１４４ｋは、キャップ部１４４のうち、外側の傾斜面１４４ｆから、内側のテーパ面１４４ｃまで貫通する。ただし、吸気孔１４４ｋの外側の開口は、平行面１４４ｅに開口してもよい。吸気孔１４４ｋの内側の開口は、平行面１４４ｂに開口してもよい。

図３（ｂ）に示すように、吸気孔１４４ｋは、開口孔１４４ｈの周方向に離隔して複数（図３（ｂ）では、例えば、８個）形成される。吸気孔１４４ｋは、１〜７個でもよいし、９個以上であってもよい。吸気孔１４４ｋは、開口孔１４４ｈの径方向に対して、周方向に傾いていない。すなわち、吸気孔１４４ｋは、開口孔１４４ｈの中心軸に垂直な断面視で、開口孔１４４ｈの径方向に平行に延在している。

上記のように、副室１３０に流入した混合気には、旋回流が形成される。副室１３０内を旋回した混合気は、点火部品１４０の点火部１５２近傍に到達する。本実施形態では、吸気孔１４４ｋが点火部１５２より径方向外側（点火部１５２より副室１３０の内周面１３０ａ側）に形成されている。そのため、旋回流となった混合気が吸気孔１４４ｋから点火部品１４０の内部空間Ｓに流入し易い。内部空間Ｓに流入した混合気は、内部空間Ｓ（キャップ穴１４４ａ）の中心軸側に収束し、スパークギャップＧから副室１３０に噴出する。

そのため、点火部１５２（スパークギャップＧ）から副室１３０側に流出する混合気の流れが安定化する。点火部１５２を逆流する混合気の流れが抑制される。こうして、点火部品１４０の火花点火を安定化することが可能となる。また、副室１３０においても混合気の流れの安定化、濃度の均一化がなされており、火花伝播が安定化するため、点火の安定性が相乗的に向上する。

図４は、第１変形例を説明するための図である。上述した実施形態では、吸気孔１４４ｋは、開口孔１４４ｈの中心軸に垂直な断面視で、開口孔１４４ｈの径方向に平行に延在している場合について説明した。第１変形例では、図４に示すように、吸気孔２４４ｋは、開口孔１４４ｈの径方向（副室１３０の径方向）に対して、開口孔１４４ｈの周方向に傾いている。すなわち、吸気孔２４４ｋのうち、キャップ穴１４４ａ側の開口は、傾斜面１４４ｆ側の開口よりも、開口孔１４４ｈの周方向の一方側（図４では、時計回り方向の前方側）に位置する。

吸気孔２４４ｋは、副室１３０の径方向に対して、貫通孔１２４ｄと同じ周方向に傾いている。すなわち、吸気孔２４４ｋは、貫通孔１２４ｄによって生じる旋回流の旋回方向に沿うことになる。

そのため、貫通孔１２４ｄから副室１３０に流入した混合気が、吸気孔２４４ｋに流入し易くなる。点火部１５２を逆流する混合気の流れが一層抑制される。

図５は、第２変形例を説明するための図である。上述した実施形態では、点火部品１４０（内部空間Ｓ）の中心軸は、中心孔１２２ａ（副室１３０）の中心軸と同軸に配される場合について説明した。第２変形例では、図５に示すように、点火部品１４０（内部空間Ｓ）の中心軸は、副室１３０の中心軸に対して偏心する位置に配される。このように、点火部品１４０と副室１３０は、同軸に配されずともよい。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態では、燃料ガスを燃料とするガスエンジン１００を例に挙げて説明した。ガスエンジン１００は、燃料ガスのみを燃料とするものに限られない。例えば、ガスエンジン１００は、運転状況に応じ、液体燃料と燃料ガスとを使い分けるデュアルフューエル方式のエンジンであってもよい。

本開示は、燃焼室と副室を備えるガスエンジンに利用することができる。

１００ ガスエンジン
１０８ 燃焼室
１２４ カバー部（隔壁）
１２４ｄ 貫通孔
１３０ 副室
１３０ａ 内周面
１４０ 点火部品
１４４ キャップ部（端部）
１４４ｆ 傾斜面
１４４ｇ 端面
１４４ｈ 開口孔
１４４ｋ 吸気孔
１５２ 点火部
２４４ｋ 吸気孔

Claims (5)

1. 燃焼室と副室との隔壁を貫通し、前記副室の径方向に対して、前記副室の周方向に傾いた貫通孔と、
   前記副室内のうち前記隔壁と反対側に配された点火部と、前記点火部と前記副室の内周面との間に位置する吸気孔と、を有する点火部品と、
   を備えるガスエンジン。
2. 前記貫通孔は、前記径方向内側に向かうほど、前記点火部に近づく向きに傾いている請求項１に記載のガスエンジン。
3. 前記吸気孔は、前記副室の径方向に対して、前記貫通孔と同じ前記周方向に傾く請求項１または２に記載のガスエンジン。
4. 前記点火部品は、
   前記副室の内部に突出する端部と、
   前記端部の端面に開口し、前記点火部が形成される開口孔と、
   を備え、
   前記吸気孔は、前記端部の外周面、または、前記外周面と前記端面との間に形成された傾斜面に開口する請求項１から３のいずれか１項に記載のガスエンジン。
5. 前記点火部品は、前記副室の中心軸に対して偏心する請求項１から４のいずれか１項に記載のガスエンジン。

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