JP3695019B2 - 副室容積可変式ガスエンジン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は，副室容積可変式ガスエンジン，特に，シリンダヘッドに形成した副室に副室ピストンを備えた副室容積可変式ガスエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，ガスエンジンとして，ナチュラルガス即ち天然ガス燃料を燃料としてディーゼルサイクルで圧縮着火方式で駆動されているものが知られている。ガスエンジンは，例えば，吸気行程で空気とガス燃料を燃焼室に吸入し，次いで空気とガス燃料との混合気を圧縮すると，混合気は高圧圧縮されて温度が高くなり，自己着火の現象即ちノッキングが発生する。即ち，天然ガスは，圧縮比が１２以上になると自己着火する。また，エンジンの熱効率は，圧縮比が小さくなると，それに応じて熱効率も小さくなるという現象がある。
【０００３】
また，副室式ガスエンジンにおいて，副室と主室とを連通する連絡口に制御弁を設置し，吸気行程時には制御弁で連絡口を閉じた状態にし，副室内圧力が低圧時にガス燃料を副室に供給し，また，空気のみを主室に吸入する。次いで，圧縮行程上死点手前で制御弁を作動して連絡口を開き，主室と副室との圧力差によって主室内の高温空気を副室に瞬間的に流入させ，高温空気とガス燃料とを急速に混合させて着火燃焼させ，副室内のガス燃料の燃焼によって副室内の圧力が上昇し，副室から連絡口を通じて火炎，未燃混合気等のガスを主室に噴出させて主室での燃焼を完了させる。
【０００４】
また，副室式ガスエンジンについて，シリンダヘッドに副室を設け，主室と副室とを連絡口で連通し，該連絡口に制御バルブを配置し，ディーゼルエンジンと同等以上の熱効率と成るように，ディーゼルサイクルによって圧縮着火方式で駆動するものが知られている（例えば，特開平７−３１０５５０号公報参照）。
【０００５】
また，実開平１−１４８０２３号公報には，ディーゼル機関の燃焼室構造が開示されている。該ディーゼル機関の燃焼室構造は，シリンダヘッドに燃料活性化室を形成し，燃料活性化室に燃料噴射弁を設け，燃料活性化室と主燃焼室との間の噴孔部に，それを開閉するスキッシュ弁を設け，燃料活性化室をスキッシュ弁の移動方向に沿った略円柱状に形成し，燃料活性化室の底部に，膨張行程において噴孔部側へ移動する押し出し弁を配設したものである。
【０００６】
また，特開平６−９３８５８号公報には，燃焼室間制御弁が開示されている。該燃焼室間制御弁は，副室と主室との間に設けられた制御弁の弁座を連絡口の副室側に設けることにより，主室の圧縮空気圧によって開弁されるものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，従来の副室式ガスエンジンでは，副室から連絡口を通じて主室に火炎，未燃混合気等のガスが噴出された後，主室の圧力が急激に上昇し，副室から連絡口を通じて主室へ噴出するべき火炎，未燃混合気，可燃混合気等のガスの噴出速度が大きく制限されることになる。そのため，主室での燃焼期間が長くなり，副室内に残留ガス量が多くなるという現象が発生する。また，従来の副室式ガスエンジンでは，副室の容積が一定であるため，エンジン負荷が変化すると共に，ポンプ損失も変化し，安定した熱効率を確保できない問題がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は，上記の課題を解決することであり，シリンダヘッドに副室を構成し且つシリンダ側に主室を形成し，主室と副室とを連通する連絡口に制御弁を配置し，副室内には副室内の容積を可変にする副室ピストンを設け，エンジンの作動状態に応答して副室ピストンを作動して副室容積を変化させると共に，圧縮上死点付近で制御弁を開放して連絡口を連通させて主室から副室へ圧縮空気を導入して副室で着火燃焼させると共に，副室ピストンを下降させて副室内の火炎，未燃混合気等のガスを連絡口を通じて主室へ強制的に押し出すように噴出させ，主室での燃焼を速やかにして燃焼期間を短縮して熱効率を向上させる副室容積可変式ガスエンジンを提供することである。
【０００９】
この発明は，シリンダブロックに設けたシリンダ内を往復運動するピストン，前記シリンダ側に形成された主室，前記シリンダブロックに取り付けたシリンダヘッドに設けた副室，前記主室と前記副室とを連通する連絡口，前記連絡口を圧縮行程上死点付近で開放し且つ吸気行程終端付近で閉鎖するため，エンジンの作動行程に応じて往復運動する前記連絡口に配置された制御弁，前記制御弁による前記連絡口の閉鎖期間中に前記副室にガス燃料を供給するための燃料供給手段，前記制御弁と同軸に配置され且つ前記副室の容積を可変にする副室ピストン，及びエンジンの作動状態に応答して前記副室ピストンを液圧装置で作動して前記副室の容積を変化させる制御を行うコントローラを有し，
前記副室ピストンは，前記制御弁の移動に応答して移動して前記副室の容積を変更し，前記副室にガス燃料が供給される前記制御弁が閉鎖中に上昇して前記副室の容積を最大にし，前記制御弁が前記連絡口を開放する圧縮行程終端付近から膨張行程においてリフトして前記副室内のガスを前記連絡口を通じて前記主室へ強制的に噴出させ，
前記コントローラは，前記副室ピストンを往復運動させる前記液圧装置を作動して，高負荷に応答して前記副室の容積を大きくするように前記副室ピストンを上昇させ，部分負 荷に応答して前記副室の容積を小さくするように前記副室ピストンを下降させる制御を行うことから成る副室容積可変式ガスエンジンに関する。
【００１０】
また，この副室容積可変式ガスエンジンについては，前記副室ピストンは，吸気行程でリフトを最大にし，前記副室の容積を最小限にして，圧縮行程下死点直前において前記制御弁で前記連絡口を閉鎖し，圧縮行程の期間中に前記液圧装置を作動して前記副室ピストンをリフトして副室容積を増大させつつ，前記燃料供給弁で燃料供給口を開放して前記ガス燃料を前記副室に供給し，エンジン負荷に応答する前記ガス燃料の供給量に前記副室容積を決定し，圧縮行程上死点付近で前記制御弁で前記連絡口を開放し，圧縮空気を前記主室から前記連絡口を通じて前記副室へ導入し，前記副室で前記ガス燃料が着火燃焼して，前記液圧装置を作動して前記副室ピストンを駆動し，前記副室ピストンを急速に最大リフトまで下降させ，前記副室内の火炎，未燃混合気等のガスを前記連絡口を通じて前記主室へ強制的に噴出させるものである。
【００１１】
この副室容積可変式ガスエンジンは，上記のように構成されているので，圧縮行程上死点付近で制御弁を開放し，副室でガス燃料が着火燃焼した後，副室ピストンに対する液圧装置の作動によって副室ピストンが最大リフト量まで急速に下降し，それによって，副室内の火炎，未燃混合気等のガスが連絡口を通じて急速に主室へ強制的に噴出され，主室での燃焼スピードをアップして燃焼期間を短縮し，短期に燃焼を完結して熱効率を向上させることができる。また，この副室容積可変式ガスエンジンは，ガス燃料が副室に供給される期間内に副室ピストンの液圧装置の圧力を抑制し，エンジン負荷によりガス燃料の供給量の変化に応じて，副室容積をコントローラの指令によって変化させるように制御でき，更に，燃料の副室への供給と共に副室ピストンが上昇して副室の容積が増大するため，副室へのガス燃料の供給がスムースに行われる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下，図面を参照して，この発明による副室容積可変式ガスエンジンの実施例を説明する。図１はこの発明による副室容積可変式ガスエンジンの一実施例を示す概略断面図，図２は図１の副室容積可変式ガスエンジンの液圧装置による制御装置を示す説明図，図３は副室ピストン，液圧装置のバルブ及び連絡口に設けた制御弁のタイミングチャートを示す線図，及び図４はエンジン負荷に対する副室容積の関係を示す線図である。
【００１３】
この副室容積可変式ガスエンジンは，天然ガス等のガス燃料を燃料とするディーゼルサイクルで且つ圧縮着火方式で駆動されるものである。この副室容積可変式ガスエンジンは，例えば，次のように構成されている。この副室容積可変式ガスエンジンは，シリンダヘッド７をガスケット２４を介して固定されたシリンダブロック１４，シリンダブロック１４に形成した孔部４８に嵌合したシリンダライナ１３，及びシリンダライナ１３に形成したシリンダ８内を往復運動するピストン３を有する。シリンダヘッド７に形成されたキャビティ１６には，ガスケット１５を介して遮熱空気層１７を形成するようにヘッドライナ１０が配置され，ヘッドライナ１０には副室２が形成されている。ヘッドライナ１０はライナ上部１１とヘッド下面部１２とが一体構造に構成されている。主室１は，例えば，ピストン３に形成されたキャビティ２２，並びにシリンダ８，ヘッド下面部１２の下面２０及びピストン頂面２１で囲まれる領域に形成されている。
【００１４】
この副室容積可変式ガスエンジンでは，主室１と副室２とは，ヘッドライナ１０に形成された連絡口６によって連通している。連絡口６はシリンダ８の中央部に位置し，連絡口６にはシリンダヘッド７に形成された貫通孔２３を貫通して副室ピストン９と共に制御弁４が配置されている。即ち，シリンダ８側に形成された主室１とシリンダヘッド７に取り付けたヘッドライナ１０に形成した副室２とは，連絡口６によって連通されている。図示していないが，シリンダヘッド７及びヘッドライナ１０には吸気ポートと排気ポートが形成され，それらのポートを開閉するため吸気弁と排気弁が設けられている。また，この副室容積可変式ガスエンジンは，副室２にガス燃料を供給するため，副室２には燃料供給手段としての燃料供給弁５が設けられている。燃料供給弁５は燃料供給口４２を開閉し，燃料供給弁５の燃料供給口４２の開放によって，ガス燃料がヘッドライナ１０及びシリンダヘッド７に形成された燃料供給通路４３を通じて燃料供給口４２から副室２に供給される。燃料としての天然ガスのガス燃料は，適宜の場所に設けられたタンク等の燃料供給源から送り込まれる。また，ピストン３は，例えば，セラミックス等の耐熱材料で作製されたピストンクラウン（ピストンヘッド）１８と，ピストンクラウン（ピストンヘッド）１８に固定されたアルミニウム合金等から作製されたピストンスカート１９とから構成されている。
【００１５】
この副室容積可変式ガスエンジンは，特に，連絡口６を圧縮行程上死点付近で開放し且つ排気行程終端付近で閉鎖するため連絡口６に配置した制御弁４，制御弁４による連絡口６の閉鎖期間中に副室２にガス燃料を供給するため，副室２に設けた燃料供給口４２に配置した燃料供給弁５，副室２の容積を可変にするため副室２内に往復運動可能に設けた副室ピストン９，及びエンジンの作動状態に応答して副室ピストン９を作動して副室２の容積を変化させる制御を行うコントローラ３０を有するものである。制御弁４は，動弁機構のカムシャフトに設けたカム２９及び作動部材４１を介して制御弁４の弁ステム３１を作動することによって連絡口６を開閉作動する。
【００１６】
また，副室ピストン９は，カム２９及び作動部材４１を介して制御弁４の作動に応答すると共に，液圧装置によって制御弁４とは独立的に作動される。即ち，副室ピストン９は，エンジンの行程に応じて往復運動する制御弁４の移動に応答して移動すると共に，副室２の容積を制御弁４とは独立して変更するように構成されている。また，副室ピストン９はシリンダヘッド７に形成された貫通孔２３に嵌合したバルブガイド４４を貫通して往復運動し，制御弁４は副室ピストン９の軸心を貫通する貫通孔４５に往復運動可能に同軸に配置されている。
【００１７】
液圧装置は，コントローラ３０の指令によって副室ピストン９を駆動するため，液圧室２７へ液体通路３２を通じて液体を供給したり，又は液圧室２７から液体通路３２を通じて液体を排出する機能を果たすものである。液圧室２７は液圧シリンダ２８で形成されている。液圧室２７の容積は，液圧室２７に供給される液体に応じて液圧シリンダ２８内を往復運動する液圧ピストン２６によって決定される。液体通路３２へのオイル等の液体の供給は，供給側通路４６に設けた供給側逆止制御弁３３の開放によって行われ，また，液体通路３２内の液体のリザーバへの放出は，排出側通路４７に設けた排出側逆止制御弁３４の開放によって行われる。供給側通路４６と排出側逆止制御弁３４は，液体通路３２に対する液体の逆流を防止すると共に，コントローラ３０の指令によってオン又はオフして液体通路３２を開閉し，液圧室２７の液圧を所定の値に制御するように構成されている。
【００１８】
コントローラ３０は，負荷センサ３５，回転センサ３６及びクランク位置センサ３７からの検出信号を受けて，供給側逆止制御弁３３と排出側逆止制御弁３４との開閉制御を行うように構成されている。例えば，コントローラ３０は，図４に示すような線図に応じて，副室ピストン９を往復運動させる液圧装置を作動して高負荷に応答して副室２の容積を大きくするように副室ピストン９を上昇させ，部分負荷に応答して副室２の容積を小さくするように副室ピストン９を下降させる制御を行う。更に，副室ピストン９は，膨張行程から圧縮行程前半までは最低位置に保持されて副室２の容積を最小に維持するように設定されている。また，副室ピストン９は，副室２にガス燃料が供給される吸気行程で上昇して副室２の容積を最大にする。制御弁４は，連絡口６を開放する圧縮行程終端付近で降下して副室２内のガスを押し出し，膨張行程で副室２から主室１へ火炎，未燃混合気等のガスを強制的に噴出させる。
【００１９】
また，液圧ピストン２６は，制御弁４の上部外側に配置され，液圧ピストン２６の下端部は，副室ピストン９の上端部受け部２５に当接し，副室ピストン９を往復運動させる。また，液体シリンダ２８は，カム２９の駆動によって作動部材４１及びシリンダ作動部材４０を介してシリンダヘッド７に対して往復運動される。また，副室ピストン９は，リターンスプリング３８のばね力によって復帰方向に移動される。制御弁４は，リターンスプリング３８のばね力によって副室ピストン９，液圧ピストン２６，液圧シリンダ２８，シリンダ作動部材４０及びコッタ３９を介して，連絡口６を閉鎖する方向に復帰される。
【００２０】
この副室容積可変式ガスエンジンは，図３に示すように，吸気行程，圧縮行程，膨張行程及び排気行程の４つの行程を順次繰り返すことによって作動され，その場合の燃料供給弁５，副室ピストン９及び制御弁４の作動タイミングは線図のとおりである。図１は図３の符号Ａで示すエンジンサイクルの時の状態を示し，図５は図３の符号Ｂで示すエンジンサイクル時の状態を示し，図６は図３の符号Ｃで示すエンジンサイクル時の状態を示し，また，図７は図３の符号Ｄで示すエンジンサイクル時の状態を示している。
【００２１】
図１では，排出側逆止制御弁３４がオンして液圧室２７の液体が排出され，副室ピストン９が上昇して副室２の容積が最大値になり，燃料供給弁５が燃料供給口４２を開放してガス燃料が副室２に供給が開始される状態である。図５では，供給側逆止制御弁３３がオンして液圧室２７の液体が供給され，副室ピストン９が下降を開始して副室２の容積が低減開始し，燃料供給弁５が燃料供給口４２を閉鎖し，制御弁４が連絡口６を開放して主室１から連絡口６を通じて副室２へ圧縮空気が流入開始した状態である。図６では，供給側逆止制御弁３３がオンして液圧室２７の液体が供給され，副室ピストン９が最大ストロークまで下降して副室２の容積が最低容積まで低減し，燃料供給弁５が燃料供給口４２を閉鎖し，制御弁４の連絡口６の開放状態で副室２から連絡口６を通じて主室１へ火炎，未燃混合気等のガスが噴出されている状態である。図７では，供給側逆止制御弁３３がオフして液圧室２７の液体が維持され，副室ピストン９が最大ストロークまで下降して副室２の容積が最低容積に維持され，燃料供給弁５が燃料供給口４２を閉鎖し，制御弁４の連絡口６の開放状態で副室２から連絡口６を通じて主室１への火炎，未燃混合気等のガスが噴出が終了した状態である。
【００２２】
ガス燃料は，図１に示すように，燃料供給弁５が燃料供給口４２を開放することによって燃料供給通路４３を通じて副室２に供給される。図３に示すように，燃料供給弁５は圧縮行程中に燃料供給口４２を開放し，副室２内にガス燃料が供給される。圧縮行程上死点直前で排出側逆止制御弁３４がオフし，排出側通路４７が閉鎖した状態となり，その状態で，副室ピストン９は，液圧室２７の液圧を受けることなく，ストロークを開始し，次いで，圧縮行程上死点で供給側逆止制御弁３３がオンし，供給側通路４６を通じて液圧室２７に液体が供給され，液圧室２７の容積を拡大して副室ピストン９が更にリフトし，所定値に維持され，副室容積が低減して副室容積が膨張行程，排気行程，吸気行程，及び吸気行程の途中まで副室容積が最小限に維持される。また，制御弁４は，圧縮行程上死点直前で連絡口６を開放し，図５に示すように，主室１から連絡口６を通じて副室２へ高温圧縮空気を導入する。副室２内のガス燃料に圧縮空気が導入されて，ガス燃料が着火燃焼し，圧縮行程上死点後（例えば，クランク角５°）の膨張行程において副室２から連絡口６を通じて主室１へ火炎，未燃混合気等のガスが噴出する。制御弁４は，図３に示すように，膨張行程，排気行程及び吸気行程終端近傍まで連絡口６を開放している。
【００２３】
この副室容積可変式ガスエンジンは，上記のように構成されており，次のように作動される。この副室容積可変式ガスエンジンは，吸気行程において副室２の容積は副室ピストン９が下降（リフト）して最小限に小さくなっており，その状態で主室１に空気を吸入し，次いで，圧縮行程において制御弁４で連絡口６を閉鎖し且つ副室ピストン９を上昇させて副室容積を増大させると共に燃焼供給弁５を開放してガス燃料を副室２に供給し，同時に，副室２とは独立してピストン３によって主室１内の吸入空気を圧縮する。次いで，圧縮行程上死点前で制御弁４を作動して連絡口６を開放し，主室１から連絡口６を通じて副室２にピストン３によって圧縮された圧縮空気を導入し，副室２でのガス燃料と圧縮空気との混合を促進してガス燃料を着火燃焼させる。そこで，膨張行程に移行して，副室２内の副室ピストン９を下降させて副室２に残存する火炎，未燃混合気等のガスを強制的に主室１へ噴出させ，副室２内に残存する火炎，未燃混合気等の残留ガス量を低減し，排気行程で副室２内の火炎，未燃混合気等のガスが主室１へ噴出させて副室２内の残留ガスを低減し，主室１の空気との混合を促進して主室１での燃焼スピードをアップし，しかも副室２内に残留ガスが滞留することを防止し，主室１での燃焼期間を短縮して主室１での燃焼を短期に完結し，主室１のピストン３を下降させて仕事をさせ，熱効率を向上させる。
【００２４】
【発明の効果】
この発明による副室容積可変式ガスエンジンは，上記のように，副室内にコントローラの指令で作動される液圧装置でリフトする副室ピストンを設けたので，エンジン負荷によって副室の容積を制御することができ，エンジンの負荷変動により発生するポンプ損失の変化を抑えることができ，副室内の当量比の負荷による変動を低減することができる。それ故に，この副室容積可変式ガスエンジンは，エンジンの作動状態に応じて広範囲にわたって高効率のガスエンジンを提供できる。また，副室内で着火燃焼が開始されると，液圧装置が作動して副室ピストンが急速に下降して最大リフト量となって副室の容積を最小限にし，副室内の火炎，未燃混合気等のガスを連絡口を通じて主室へ強制的に噴出させ，主室での燃焼スピードをアップして燃焼期間を短縮し，熱効率を向上させることができる。しかも，副室の容積を最小限にできるので，副室に残留する火炎，未燃混合気等のガスが最小限にされ，エンジン出力が向上する。更に，副室にガス燃料を供給するときには，液圧装置を作動して副室の容積を増大するので，副室へのガス燃料がスムースに供給され，ガス燃料の副室からの漏れが防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明による副室容積可変式ガスエンジンの一実施例を示す概略断面図である。
【図２】 図１の副室容積可変式ガスエンジンの液圧装置による制御装置を示す説明図である。
【図３】 副室ピストン，液圧装置のバルブ及び連絡口に設けた制御弁のタイミングチャートを示す線図である。
【図４】 エンジン負荷に対する副室容積の関係を示す線図である。
【図５】 図１の副室容積可変式ガスエンジンについて，図３の符号Ｂで示すエンジンサイクル時の状態を示す概略断面図である。
【図６】 図１の副室容積可変式ガスエンジンについて，図３の符号Ｃで示すエンジンサイクル時の状態を示す概略断面図である。
【図７】 図１の副室容積可変式ガスエンジンについて，図３の符号Ｄで示すエンジンサイクル時の状態を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１ 主室
２ 副室
３ ピストン
４ 制御弁
５ 燃料供給弁
６ 連絡口
７ シリンダヘッド
８ シリンダ
９ 副室ピストン
１４ シリンダブロック
２６ 液圧ピストン（液圧装置）
２７ 液圧室（液圧装置）
２８ 液圧シリンダ（液圧装置）
３０ コントローラ
３２ 液体通路（液圧装置）
３３ 供給側逆止制御弁（液圧装置）
３４ 排出側逆止制御弁（液圧装置）
４２ 燃料供給口

Claims (2)

1. シリンダブロックに設けたシリンダ内を往復運動するピストン，前記シリンダ側に形成された主室，前記シリンダブロックに取り付けたシリンダヘッドに設けた副室，前記主室と前記副室とを連通する連絡口，前記連絡口を圧縮行程上死点付近で開放し且つ吸気行程終端付近で閉鎖するため，エンジンの作動行程に応じて往復運動する前記連絡口に配置された制御弁，前記制御弁による前記連絡口の閉鎖期間中に前記副室にガス燃料を供給するための燃料供給手段，前記制御弁と同軸に配置され且つ前記副室の容積を可変にする副室ピストン，及びエンジンの作動状態に応答して前記副室ピストンを液圧装置で作動して前記副室の容積を変化させる制御を行うコントローラを有し，
   前記副室ピストンは，前記制御弁の移動に応答して移動して前記副室の容積を変更し，前記副室にガス燃料が供給される前記制御弁が閉鎖中に上昇して前記副室の容積を最大にし，前記制御弁が前記連絡口を開放する圧縮行程終端付近から膨張行程においてリフトして前記副室内のガスを前記連絡口を通じて前記主室へ強制的に噴出させ，
   前記コントローラは，前記副室ピストンを往復運動させる前記液圧装置を作動して，高負荷に応答して前記副室の容積を大きくするように前記副室ピストンを上昇させ，部分負荷に応答して前記副室の容積を小さくするように前記副室ピストンを下降させる制御を行うことから成る副室容積可変式ガスエンジン。
2. 前記副室ピストンは，吸気行程でリフトを最大にし，前記副室の容積を最小限にして，圧縮行程下死点直前において前記制御弁で前記連絡口を閉鎖し，圧縮行程の期間中に前記液圧装置を作動して前記副室ピストンをリフトして前記副室の容積を増大させつつ，前記燃料供給弁で燃料供給口を開放して前記ガス燃料を前記副室に供給し，エンジン負荷に応答する前記ガス燃料の供給量に前記副室の容積を決定し，圧縮行程上死点付近で前記制御弁で前記連絡口を開放し，圧縮空気を前記主室から前記連絡口を通じて前記副室へ導入し，前記副室で前記ガス燃料が着火燃焼して，前記液圧装置を作動して前記副室ピストンを駆動し，前記副室ピストンを急速に最大リフトまで下降させ，前記副室内の火炎，未燃混合気等のガスを前記連絡口を通じて前記主室へ強制的に噴出させることから成る請求項１に記載の副室容積可変式ガスエンジン。

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