JP2918403B2 - ６ストロークガスエンジン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、シリンダヘッドにナ
チュラルガス等のガス燃料を蓄積するガス燃料室を有す
る６ストロークガスエンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ナチュラルガスを主燃料とするエ
ンジンは、コジェネレーション型エンジンとして開発が
進められている。このコジェネレーション型エンジン
は、動力を発電機で電気エネルギーとして取り出し、排
気ガスエネルギーが有する熱を熱交換器で水を加熱して
温水にして給湯用として利用している。そして、このコ
ジェネレーション型エンジンは、都市内電気供給システ
ムとして利用されることが期待されている。

【０００３】ナチュラルガスを燃料とするエンジンとし
て、例えば、特開昭５４−１５６９１１号公報、特開平
１−２３２１１９号公報に開示されたものがある。

【０００４】特開昭５４−１５６９１１号公報に開示さ
れた内燃機関は、吸入空気を圧縮して主燃焼室に供給
し、吸入空気の一部をジェットセル点火室中に供給し、
パラフィン系の炭化水素燃料を上記ジェットセル点火室
中に噴射して濃厚な混合物を生成し、吸入空気と混合物
を更に圧縮し、パラフィン系の炭化水素燃料を主燃焼室
中に噴射し、一方で吸入空気と混合物を更に圧縮して希
薄な混合物を主燃焼室内に生成させ、ジェットセル点火
室中の混合物を両混合物の完全圧縮が達成される前に点
火して熱いガスの流れを生成し、該熱いガスの流れを主
燃焼室内の上記混合物中に投入してこの主燃焼室内の混
合物を点火し、ＮＯ_X の生成を低減するものである。

【０００５】また、特開平１−２３２１１９号公報に開
示された水素・液化天然ガス用エンジンは、エンジンの
低負荷運転状態においては燃料たる水素と液化天然ガス
との何れか一方を供給すると共に、エンジンの高負荷運
転状態においては燃料たる液化天然ガスを供給すべき制
御手段を設けたものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一般に、従来のナチュ
ラルガス等のガスを燃料とするガスエンジンは、筒内の
燃焼室へのガス燃料の供給手段は、ガス燃料を吸気筒内
へ供給し、予混合気として筒内へ供給するもの、或い
は、高圧のガス燃料供給装置を設け、該ガス燃料供給装
置によってガス燃料を圧縮上死点ＴＤＣ近傍で筒内に噴
射して供給するものである。

【０００７】しかしながら、ガス燃料を吸気筒内へ供給
して予混合気として筒内へ供給するガスエンジンでは、
ノッキング防止のため圧縮比を高く設定できず、理論熱
効率（η＝仕事の熱換算／燃料の熱量）が低く、しか
も、着火のため点火プラグ、グロープラグ等を必要と
し、耐久性を確保することが困難である。また、高圧の
ガス燃料供給装置を設けるガスエンジンは、設備が大掛
かりになり、しかも圧縮比については、上記と同様な問
題点を有している。

【０００８】しかるに、ナチュラルガスを燃料とするガ
スエンジンは、燃料がガス体であるので、ガソリンと同
じように燃料ガスを吸気バルブから吸入され、圧縮、着
火されるので、圧縮比を大きくすることができず、理論
熱効率は必ずしも高くない。通常使用されているガスエ
ンジンは、圧縮比が１２〜１３程度であり、理論熱効率
は４８％に過ぎないものであり、ガスエンジンの動力を
電気エネルギーにした場合には、熱効率は３４〜３５％
で、場合によっては３０％を割るような効率である。従
って、冷却水損失及び排気ガスエネルギーとしては、燃
料の６５〜７０％のものが放出されることになり、この
熱エネルギーを熱交換器によって温水を作り、給湯用に
しても該温水が余りに多量となり、一般の利用設備では
十分に利用できないという現状である。

【０００９】そこで、ガスエンジンから電気エネルギー
として取り出す場合に、熱効率を向上させることが望ま
れているのが現状である。そこで、ガスエンジンに遮熱
型ガスエンジンを取り入れ、熱効率を向上させることが
考えられるようになった。ガスエンジンは、ナチュラル
ガスを燃料とするものであり、燃料が気体である。そこ
で、吸入行程でガスを吸入し、次いで圧縮すると、高圧
縮となり温度が高くなり、自己着火の現象即ちノッキン
グが発生する。しかるに、ナチュラルガスのガス燃料は
圧縮比が１２以下でないと、自己着火するものである。
また、エンジンの熱効率については、圧縮比が小さいと
熱効率が小さくなるという現象がある。従って、ガスエ
ンジンでは、ガス燃料の自己着火を避けて、圧縮比を如
何に高くするかの課題がある。

【００１０】そこで、この発明の目的は、上記の課題を
解決することであり、ガス燃料を高圧縮する高圧ガス供
給装置を使用することなく、シリンダヘッドにガス燃料
室を設け、該ガス燃料室に圧縮ガス燃料のみを一旦蓄積
し、次サイクルにて吸入空気を高圧縮し、次いで高圧縮
の吸気と圧縮ガス燃料とを混合して着火燃焼させること
で高圧縮比化を実現して高熱効率を達成し、ガス燃料の
自己着火を防止してノッキングの発生を防止し、スペー
スを低減して軽量化を可能にした６ストロークガスエン
ジンを提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を達成するために、次のように構成されている。即ち、
この発明は、シリンダヘッドに形成したガス燃料室、シ
リンダ側に形成された燃焼室、該燃焼室と前記ガス燃料
室とを連通する連絡孔、シリンダヘッドに形成した吸排
気ポートと燃料供給ポート、前記シリンダ内にガス燃料
を供給するため前記燃料供給ポートに配置された燃料吸
入行程時に開放する燃料弁、圧縮ガス燃料を前記ガス燃
料室に蓄圧するため前記連絡孔に配置された燃料圧縮行
程時に開放する連絡孔弁、前記シリンダ内に吸入空気を
供給するため前記吸気ポートに配置された吸気行程時に
開放する吸気弁、及び前記燃焼室の排気ガスを排出する
ため前記排気ポートに配置された排気行程時に開放する
排気弁を有し、燃料吸入行程、燃料圧縮行程、吸気行
程、吸気圧縮行程、膨張行程及び排気行程の６サイクル
で順次作動されることを特徴とする６ストロークガスエ
ンジンに関する。

【００１２】また、この６ストロークガスエンジンにお
いて、前記燃料供給ポートにおけるガス燃料圧は前記吸
気ポートにおける吸気圧の２〜６倍程度の圧力に設定さ
れ、且つ吸気圧縮行程上死点においてガス燃料圧は吸気
圧より大きい圧力に設定されているものである。

【００１３】

【作用】この発明による６ストロークガスエンジンは、
上記のように構成されており、次のように作用する。即
ち、この６ストロークガスエンジンは、燃料吸入行程、
燃料圧縮行程、吸気行程、吸気圧縮行程、膨張行程及び
排気行程の６サイクルで順次作動され、シリンダヘッド
にガス燃料室及び燃焼室にガス燃料を供給する燃料供給
ポートを形成し、該燃料供給ポートに燃料吸入行程時に
開放する燃料弁を配置し、前記連絡孔に燃料圧縮行程時
に開放する連絡孔弁を配置したので、前記燃料弁の開放
で燃料吸入行程で燃焼室にガス燃料を供給でき、該ガス
燃料を燃料圧縮行程で圧縮してガス燃料室に蓄積でき
る。従って、ガス燃料はピストンの往復運動によって圧
縮できるので、高圧ガス燃料供給装置等は不要になる。
次いで、ガス燃料が燃焼室内に存在しない状態で吸入空
気をシリンダ内に導入して圧縮するので、吸入空気を高
圧縮しても自己着火は発生せず、ノッキングが発生する
ことがない。従って、この６ストロークガスエンジン
は、高圧縮比化にすることができるので、高熱効率のエ
ンジンを完成できる。

【００１４】また、この６ストロークガスエンジンにお
いて、前記燃料供給ポートにおけるガス燃料圧は前記吸
気ポートにおける吸気圧の４〜６倍程度の圧力に設定さ
れ、且つ吸気圧縮行程上死点においてガス燃料圧は吸気
圧より大きい圧力、例えば、２倍以上の圧力に設定され
ているので、ガス燃料室から圧縮ガス燃料は燃焼室へ確
実に噴出し、ガス燃料と空気との混合は促進され、着火
燃焼する。

【００１５】ところで、ガスエンジンではガスを燃料と
するが、ガス燃料は元来着火温度が低く、自己着火を起
こす。そこで、この６ストロークガスエンジンでは、蓄
圧室等に蓄積されている２〜６気圧程度のガス燃料を空
気の少ない状態で圧縮し、その圧縮ガス燃料をガス燃料
室に閉じ込める。従って、ピストンに仕事はガス燃料室
で圧縮されたガス燃料として蓄えられ、連絡孔弁の開放
でその圧縮ガス燃料が燃焼室に噴出され、圧縮比１８〜
２０程度にまで圧縮された圧縮空気と混合して着火燃焼
するので、ガス燃料を圧縮するピストン仕事は負の仕事
即ち無駄仕事にはならない。また、吸気行程で吸気ポー
トから燃焼室内へ導入される吸入空気は、燃焼室内に殆
どガス燃料が残っていないので、吸入空気が入ると、直
ちにガス燃料は薄くなり、燃焼室内の残留ガス燃料が着
火燃焼することはない。

【００１６】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明による６ス
トロークガスエンジンの実施例を説明する。図１〜図６
はこの６ストロークガスエンジンの各行程を示す説明図
であり、図１は６ストロークガスエンジンにおける燃料
吸入行程時を示す説明図、図２は６ストロークガスエン
ジンにおける燃料圧縮行程時を示す説明図、図３は６ス
トロークガスエンジンにおける吸気行程時を示す説明
図、図４は６ストロークガスエンジンにおける吸気圧縮
行程時を示す説明図、図５は６ストロークガスエンジン
における膨張行程時を示す説明図、及び図６は６ストロ
ークガスエンジンにおける排気行程を示す説明図であ
る。また、図７はこの６ストロークガスエンジンのバル
ブタイミングを示す説明図である。

【００１７】この６ストロークガスエンジンは、シリン
ダ５を形成するシリンダブロック４、該シリンダブロッ
ク４に固定したシリンダヘッド３、シリンダヘッド３に
形成したガス燃料室２、シリンダ５内に形成された燃焼
室１、該燃焼室１とガス燃料室２とを連通する連絡孔
９、シリンダヘッド３に形成した吸気ポート６、排気ポ
ート７及び燃料供給ポート８、シリンダ５内で往復運動
するピストン１５、並びに該ピストン１５の往復運動を
クランクシャフト１４の回転運動に変換するコネクティ
ングロッド１６を有している。

【００１８】この６ストロークガスエンジンは、燃料吸
入行程、燃料圧縮行程、吸気行程、吸気圧縮行程、膨張
行程及び排気行程の６サイクルで順次作動されるもので
あり、ピストン１５の６行程即ちクランクシャフト１４
の３回転で完了するものであり、これらのうち膨張行程
で動力が発生してクランクシャフト１４に回転力が与え
られるものである。

【００１９】更に、この６ストロークガスエンジンは、
燃焼室１にガス燃料を供給するため燃料供給ポート８に
配置されて燃料吸入行程時に開放する燃料弁１１、ピス
トン１５の上昇で圧縮ガス燃料をガス燃料室２に蓄圧す
るため連絡孔９に配置して燃料圧縮行程時に開放する連
絡孔弁１０、燃焼室１に吸入空気を供給するため吸気ポ
ート６に配置して吸気行程時に開放する吸気弁１２、及
び燃焼室１の排気ガスを排出するため排気ポート７に配
置して排気行程時に開放する排気弁１３を有している。
これらの燃料弁１１、連絡孔弁１０、吸気弁１２及び排
気弁１３は、カムによる動弁機構或いは電磁力で駆動す
る電磁弁駆動装置によって作動されてもよいものであ
る。

【００２０】また、この６ストロークガスエンジンにお
いて、燃料供給ポート８におけるガス燃料圧は、吸気ポ
ート６における吸気圧の４〜６倍程度の圧力を有するよ
うに設定されており、吸気圧縮行程上死点においてガス
燃料圧は吸気圧より大きい圧力になるように設定されて
いる。従って、連絡孔弁１０が作動して連絡孔９が開放
されると、ガス燃料室２の圧縮ガス燃料は燃焼室１へと
噴出し、燃焼室１で着火燃焼を行なうことができる。ガ
ス燃料圧は、図示していないが、例えば、ガス燃料タン
クからのガス燃料を加圧ポンプを用いて蓄圧室に蓄圧す
ることで、簡単に所望の圧力に調節することができ、従
って、この６ストロークガスエンジンでは高圧ガス供給
装置は不要である。

【００２１】この６ストロークガスエンジンは、上記の
ような構成を有しており、次のように作動する。この６
ストロークガスエンジンにおいて、排気行程終了後即ち
排気行程上死点ＴＤＣ後に、図１に示すように、燃料吸
入行程に移行してピストン１５は下降するが、筒内は負
圧になろうとするので、燃料弁１１を作動して燃料供給
ポート８を燃焼室１に開放すると、ガス燃料供給源から
の余り高圧でないガス燃料が燃料供給ポート８を通じて
燃焼室１に供給される。燃料弁１１の開放期間即ちバル
ブタイミングは、例えば、図７に示すように設定でき
る。ピストン１５は下死点ＢＤＣに到達して燃料吸入行
程が終了し、次いで、図２に示すように、ピストン１５
は上昇を始め、燃焼室１内に供給されたガス燃料が圧縮
される燃料圧縮行程に移行する。

【００２２】燃料圧縮行程では、連絡孔弁１０が作動し
て連絡孔９を開放し、燃焼室１内のガス燃料は圧縮され
ながらガス燃料室２へ導入される。連絡孔弁１０の開放
期間即ちバルブタイミングは、例えば、図７に示すよう
に設定できる。この時、燃焼室１内のガス燃料が圧縮さ
れても、燃焼室１内には空気がほとんど存在しないので
未着火で圧縮されて高圧縮ガス燃料となる。ピストン１
５は上死点ＴＤＣに到達して燃料圧縮行程が終了する
が、この時、連絡孔弁１０が作動して連絡孔９を閉鎖す
る。従って、燃焼室１内に存在しているガス燃料はほと
んどが高圧縮されてガス燃料室２に蓄積されることにな
る。

【００２３】次いで、図３に示すように、ピストン１５
が下降を始めて吸気行程が開始するが、この時、吸気弁
１２を作動して吸気ポート８を開放し、例えば、ターボ
チャージャ等から送り込まれた吸入空気を燃焼室１に供
給する。吸気弁１２の開放期間即ちバルブタイミング
は、例えば、図７に示すように設定できる。この時、連
絡孔弁１２は連絡孔９を閉鎖しているので、ガス燃料と
吸入空気とが混合することはない。ピストン１５が下死
点ＢＤＣに達して吸気行程が終了し、次いでピストン１
５は上昇を始め吸気圧縮行程に移行する。

【００２４】図４に示すように、吸気圧縮行程では、全
ての弁、即ち、燃料弁１１、連絡孔弁１０、吸気弁１２
及び排気弁１３は、閉鎖状態であるので、燃焼室１内に
導入されている吸入空気は、ピストン１５の上昇に従っ
て高圧縮されることになり、しかも燃焼室１にはガス燃
料が存在していないので、ガス燃料が着火燃焼すること
がなく、エンジンの高圧縮比化を達成できる。ピストン
１５が上死点ＴＤＣに達して吸気圧縮行程が終了する。
また、この時、吸気行程上死点においてガス燃料圧は吸
気圧より大きい圧力に設定されている

【００２５】次いで、図５に示すように、燃焼行程即ち
膨張行程に移行する。吸気圧縮行程上死点ＴＤＣ近傍か
ら膨張行程初期において、連絡孔弁１０が作動して連絡
孔９が開放されると、ガス燃料室２に蓄圧されている圧
縮ガス燃料は、燃焼室１へと一気に噴出し、そのガス燃
料は燃焼室１で圧縮されて高温高圧になっている吸入空
気と一気に混合して着火燃焼し、仕事をすることにな
る。連絡孔弁１０の開放期間即ちバルブタイミングは、
例えば、図７に示すように設定できる。また、連絡孔弁
１０の開放のバルブタイミングを制御することで、燃焼
のタイミングをコントロールすることができる。

【００２６】膨張行程において、燃焼ガスはピストン１
５に仕事をしてピストン１５は下死点ＢＤＣに到達し、
膨張行程は終了し、次いで、図６に示すように、排気行
程に移行する。排気行程では排気弁１３が作動して排気
ポート７が開放され、排気ポート７を通じて排気ガスは
排出される。排気弁１３の開放期間即ちバルブタイミン
グは、例えば、図７に示すように設定できる。排気ポー
ト７を通じて排出された排気ガスは、図示していない
が、ターボチャージャ、エネルギー回収装置等によって
排気ガスが有する排気ガスエネルギーを回収するように
構成することができるものである。

【００２７】従って、この６ストロークガスエンジン
は、吸気圧縮行程では、連絡孔弁１０によって連絡孔９
を閉鎖しておき、燃焼室１で吸入空気を高圧縮して圧縮
比を大きくすることができる。次いで、吸気圧縮行程終
盤で連絡孔弁１０が連絡孔９を開放し、ガス燃料室２内
の高圧ガス燃料が、連絡孔９を通じて高圧縮して高温
（例えば、６５０℃）化した圧縮空気の存在する燃焼室
１へ一気に噴出し、噴出したガス燃料は高圧縮の吸入空
気との混合を促進して着火燃焼し、燃焼室１での燃焼は
短期間に完結する。従って、吸入空気が燃焼室１内で高
圧縮されても、ガス燃料室２内に供給されたガス燃料は
燃焼室１とは連絡孔弁１０で遮断されているので自己着
火することがなく、ノッキングが発生することがない。

【００２８】

【発明の効果】この発明による６ストロークガスエンジ
ンは、上記のように構成されており、次のような効果を
有する。即ち、この６ストロークガスエンジンは、シリ
ンダヘッドにガス燃料室及びシリンダ内にガス燃料を供
給する燃料供給ポートを形成し、該燃料供給ポートに燃
料吸入行程時に開放する燃料弁を配置し、前記連絡孔に
燃料圧縮行程時に開放する連絡孔弁を配置し、前記吸気
ポートに吸気行程時に開放する吸気弁を配置し、更に前
記排気ポートに排気行程時に開放する排気弁を配置した
ので、前記燃料弁の開放で燃料吸入行程でシリンダ内に
ガス燃料を供給でき、該ガス燃料を燃料圧縮行程で圧縮
してガス燃料室に蓄積でき、ガス燃料室にガス燃料を封
入した状態でシリンダ内に吸入空気を導入して圧縮する
ことができる。

【００２９】従って、ガス燃料はピストンの往復運動に
よって圧縮できるので、高圧ガス燃料供給装置等を用い
ることなく、低圧でシリンダ内にガス燃料を導入しても
所望の圧のガス燃料をガス燃料室に蓄積できる。それ故
に、高圧ガス燃料供給装置等を必要としないので、要求
スペースを低減でき、エンジンをコンパクトに構成でき
ると共にエンジンの軽量化を気体できる。更に、ガス燃
料がシリンダ内に存在しない状態で吸入空気をシリンダ
内に導入して圧縮するので、吸入空気を高圧縮しても自
己着火は発生せず、ノッキングが発生することがない。
従って、この６ストロークガスエンジンは、高圧縮比化
することができるので、高熱効率のエンジンを完成でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による６ストロークガスエンジンにお
ける燃料吸入行程時を示す説明図である。

【図２】この６ストロークガスエンジンの燃料圧縮行程
時を示す説明図である。

【図３】この６ストロークガスエンジンにおける吸気行
程時を示す説明図である。

【図４】この６ストロークガスエンジンの吸気圧縮行程
時を示す説明図である。

【図５】この６ストロークガスエンジンにおける膨張行
程時を示す説明図である。

【図６】この６ストロークガスエンジンにおける排気行
程を示す説明図である。

【図７】この６ストロークガスエンジンのバルブタイミ
ングを示す説明図である。

【符号の説明】

１ 燃焼室（シリンダ） ２ ガス燃料室 ３ シリンダヘッド ４ シリンダブロック ５ シリンダ ６ 吸気ポート ７ 排気ポート ８ ガス燃料供給ポート ９ 連絡孔 １０ 連絡孔弁 １１ 燃料弁 １２ 吸気弁 １３ 排気弁 １５ ピストン

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダヘッドに形成したガス燃料室、
   シリンダ側に形成された燃焼室、該燃焼室と前記ガス燃
   料室とを連通する連絡孔、シリンダヘッドに形成した吸
   排気ポートと燃料供給ポート、前記シリンダ内にガス燃
   料を供給するため前記燃料供給ポートに配置された燃料
   吸入行程時に開放する燃料弁、圧縮ガス燃料を前記ガス
   燃料室に蓄圧するため前記連絡孔に配置された燃料圧縮
   行程時に開放する連絡孔弁、前記シリンダ内に吸入空気
   を供給するため前記吸気ポートに配置された吸気行程時
   に開放する吸気弁、及び前記燃焼室の排気ガスを排出す
   るため前記排気ポートに配置された排気行程時に開放す
   る排気弁を有し、燃料吸入行程、燃料圧縮行程、吸気行
   程、吸気圧縮行程、膨張行程及び排気行程の６サイクル
   で順次作動されることを特徴とする６ストロークガスエ
   ンジン。
2. 【請求項２】 前記燃料供給ポートにおけるガス燃料圧
   は前記吸気ポートにおける吸気圧の２〜６倍程度の圧力
   に設定され、且つ吸気圧縮行程上死点においてガス燃料
   圧は吸気圧より大きい圧力に設定されていることを特徴
   とする請求項１に記載の６ストロークガスエンジン。