JP3953346B2 - 副室式希薄燃焼ガスエンジン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒとの比が１４以上で、ピストンの下死点基準の膨張比が実圧縮比よりも大きい副室式希薄燃焼ガスエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記副室式希薄燃焼ガスエンジンは、例えば特開２００１−３３６４５１号公報に開示されるものであって、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒ、つまり、ピストン下死点での燃焼室容積とピストン上死点での燃焼室容積との比が１４以上でありながらも、ピストンの下死点基準の膨張比が実圧縮比よりも大きいものであるから、圧縮行程における自己着火によるノッキングを回避しながらも、ピストンの下死点基準の圧縮Ｃｒ、つまり膨張比の増大により高効率化を図れるものである。
尚、上記実圧縮比とは、吸気弁閉時期における燃焼室容積とピストン上死点での燃焼室容積の比であり、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒ及びピストンの下死点基準の膨張比は、上述の如く、ピストン下死点での燃焼室容積とピストン上死点での燃焼室容積との比である。さらに、燃焼室容積は、主室の容積、副室の容積、及び、クレビス容積の総和である。
【０００３】
説明を加えると、副室式希薄燃焼ガスエンジンおいては、主室と副室との夫々に対して別個の系統にて燃料がを供給されることになる。つまり、主室には、ガス燃料と燃焼用空気とを燃料濃度が低い状態に混合させた希薄な混合気が供給され、そして、副室には、ガス燃料のみが供給されることが多いが、ガス燃料と燃焼用空気とを燃料濃度が高い状態に混合させた過濃な混合気が供給されることもある。
主室に供給された希薄な混合気は、圧縮行程中にその一部が副室内に流れ込んで、副室内の燃料ガスあるいは過濃な混合気と混合して、副室内に適切な濃度の混合気を生成する。そして、その副室内の適切な濃度の混合気が点火プラグにて着火され、副室と主室とを結ぶ複数の噴口より、副室から主室内にトーチが噴出されて、主室内での燃焼が行われることになる。
【０００４】
このような副室式希薄燃焼ガスエンジンおいて、吸気行程においてピストンが下死点に到達する以前の段階で、主室に希薄な混合気が供給されるのを停止するように吸気弁を早目に閉じるようにしたり、あるいは、圧縮行程においてピストンが下死点を過ぎてから吸気弁を遅れて閉じるようにして、実圧縮比を減少させて、実圧縮比が膨張比よりも小さくなるようにすることにより、圧縮行程での主室内の温度低下を促進して、自己着火によるノッキングを抑えながらも、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒ、つまり、ピストンの下死点基準の膨張比を１４以上と大きくすることにより、高効率化を図れるものとなっている。
【０００５】
かかる副室式希薄燃焼ガスエンジンにおいて、従来では、例えば特開２００1 −２２７３４４号公報に開示されるように、副室と主室とを結ぶ複数の噴口面積の総和である総噴口面積と副室容積との比である噴口面積比ｆ（ｆ＝総噴口面積ｍｍ² ／副室容積ｃｃ）を、２．７〜３．６の範囲に設定することが行われていた。
説明を加えると、上記公開公報に開示されている副室式希薄燃焼ガスエンジンは、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒが、通常一般の９〜１２を対象とするものであり、従来では、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒとの比が１４以上で、ピストンの下死点基準の膨張比が実圧縮比よりも大きい副室式希薄燃焼ガスエンジンにおいても、噴口面積比ｆ（ｆ＝総噴口面積ｍｍ² ／副室容積ｃｃ）を、２．７〜３．６の範囲に設定することが行われていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒとの比が１４以上で、ピストンの下死点基準の膨張比が実圧縮比よりも大きい副室式希薄燃焼ガスエンジンにおいては、噴口面積比ｆが、２．７〜３．６の範囲であると、主室壁面（燃焼室壁面）、つまりピストンの表面やシリンダ壁面への放熱が多くなるため、十分な低燃費化つまり高効率化を図ることができないものであった。
【０００７】
説明を加えると、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒを増大させるには、通常下記の方法が採用されることになる。
（１）ピストンのストロークを同一のまま、主室の容積を小さくする。
（２）主室の容積をそのままにして、ピストンのストロークを大きくする。
（３）上記（１）と（２）とを組み合わせる。
換言すると、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒとの比が１４以上の副室式希薄燃焼ガスエンジン（以下の説明において、高圧縮比ガスエンジンと略称する場合もある）は、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒが９〜１２の副室式希薄燃焼ガスエンジン（以下の説明において、通常圧縮比ガスエンジンと略称する場合もある）を、上記（１）〜（３）の圧縮比増大方法を用いて、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒとの比が１４以上となるようにしたものであると考えることができる。
【０００８】
上記（１）の圧縮比増大方法にて、通常圧縮比ガスエンジンを高圧縮比ガスエンジンにした場合には、主室の容積が小さいにもかかわらず、通常圧縮比ガスエンジンの噴口面積比であるため、噴口から主室に噴出されるトーチ点火の貫徹力が強過ぎ、火炎が拡散する前に、主室壁面に直接トーチが接触し、エンジン外部への放熱が多くなり、十分な低燃費化を達成できないものとなる。
上記（２）の圧縮比増大方法にて、通常圧縮比ガスエンジンを高圧縮比ガスエンジンにした場合には、ピストンの移動速度が速く、ピストンやシリンダ壁面での流速が大きく、それに伴いピストン表面、シリンダ表面での乱れが大きくなる傾向にあるにもかかわらず、通常圧縮比ガスエンジンの噴口面積比であるため、噴口から主室に噴出されるトーチが、ピストン表面やシリンダ表面に流れ込み易く、上記（１）の圧縮比増大方法と同様に、火炎が拡散する前に、主室壁面にトーチが接触し、エンジン外部への放熱が多くなり、十分な低燃費化を達成できないものとなる。
上記（３）の圧縮比増大方法については説明しないが、上記（１）の圧縮比増大方法や上記（２）の圧縮比増大方法で述べた理由により、十分な低燃費化を達成できないものとなる。
【０００９】
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒとの比が１４以上で、ピストンの下死点基準の膨張比が実圧縮比よりも大きい副室式希薄燃焼ガスエンジンにおいて、十分な低燃費化を達成できるようにする点にある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の副室式希薄燃焼ガスエンジンは、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒとの比が１４以上で、ピストンの下死点基準の膨張比が実圧縮比よりも大きく構成されているものであって、
副室と主室とを結ぶ複数の噴口の面積の総和である総噴口面積と副室容積との比である噴口面積比ｆ（ｆ＝総噴口面積ｍｍ² ／副室容積ｃｃ）を、前記ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒとの関係において下記の範囲に設定したことを特徴とする。
2.7 ＋0.4 ×（Ｃｒ−１１）≦ｆ≦ 3.6 ＋0.4 ×（Ｃｒ−１１）
【００１１】
すなわち、上記範囲にて設定される噴口面積比ｆは、従来の噴口面積比ｆに比べて大きな値になる。つまり、副室容積の大きさの割に総噴口面積が大きくなるものであり、噴口から主室に噴出されるトーチの貫徹力が、従来の噴口面積比ｆの場合にに比べて弱くなる傾向になるものである。
その結果、上記（１）の圧縮比増大方法、つまり、ピストンのストロークを同一のまま、主室の容積を小さくする方法が用いられ場合においても、噴口から主室に噴出されるトーチの貫徹力が強過ぎないから、火炎が拡散する前に主室壁面（燃焼室壁面）に直接トーチが接触することを抑制して、エンジン外部への放熱が少なくなり、エンジンの燃費の向上を図ることができるのである。
また、上記（２）の圧縮比増大方法、つまり、主室の容積をそのままにして、ピストンのストロークを大きくする方法が用いられる場合においても、噴口から主室に噴出されるトーチの貫徹力が強過ぎないから、ピストン表面やシリンダ表面にトーチが流れ込んで、火炎が拡散する前に主室壁面（燃焼室壁面）に直接トーチが接触することを抑制して、エンジン外部への放熱が少なくなり、エンジンの燃費の向上を図ることができるのである。
さらに、上記（３）の圧縮比増大方法、つまり、上記（１）の圧縮比増大方法と上記（２）の圧縮比増大方法を組み合わせる場合にも、同様に、火炎が拡散する前に主室壁面（燃焼室壁面）に直接トーチが接触することを抑制して、エンジン外部への放熱が少なくなり、エンジンの燃費の向上を図ることができるのである。
【００１２】
要するに、噴口面積比ｆを上記範囲に設定することにより、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒとの比が１４以上で、ピストンの下死点基準の膨張比が実圧縮比よりも大きい副室式希薄燃焼ガスエンジンにおいて、十分な低燃費化を達成できるようにすることが可能となるのであり、もって、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒとの比が１４以上で、ピストンの下死点基準の膨張比が実圧縮比よりも大きい副室式希薄燃焼ガスエンジンの設計、及び、製造において、エンジンの燃費の向上を図れる状態に噴口面積比ｆを的確に設定することが可能となった。
【００１３】
請求項２の副室式希薄燃焼ガスエンジンは、請求項１に加えて、前記副室容積を、ピストン上死点時の燃焼室容積の２〜４％に設定した点を特徴とする。
ちなみに、前記燃焼室容積は、副室の容積、主室の容積、及び、クレビス容積の総和である。
【００１４】
このように、ピストン上死点時の燃焼室容積との関係において副室容積を定めることにより、安定した燃焼を行わせ、且つ、ＮＯｘの増加を抑制するようになっている。
つまり、副室の容積が小さ過ぎると、主室内の希薄な混合気を十分に燃焼させにくいものとなり、逆に、副室の容積が大き過ぎると、ＮＯｘの増加を伴うものとなるからである。
【００１５】
請求項３の副室式希薄燃焼ガスエンジンは、請求項１に加えて、前記副室容積を、ピストン上死点時の燃焼室容積の２. ５〜３．５％に設定した点を特徴とする。
ちなみに、前記燃焼室容積は、前記請求項２の説明でも記した通り、副室の容積、主室の容積、及び、クレビス容積の総和である。
【００１６】
このように、ピストン上死点時の燃焼室容積との関係において副室容積を定めることにより、安定した燃焼を行わせ、且つ、ＮＯｘの増加を抑制するようになっている。
つまり、副室の容積が小さ過ぎると、主室２内の希薄な混合気を十分に燃焼させにくいものとなり、逆に、副室の容積が大き過ぎると、ＮＯｘの増加を伴うものとなるからであるが、本請求項３は、上記請求項２よりも好ましい範囲を設定することによって、安定した燃焼及びＮＯｘの増加の抑制を一層適切に得られるものとなっている。。
【発明の実施の形態】
本発明に係わる副室式希薄燃焼ガスエンジンについて図面に基づいて説明する。
図１は、副室式希薄燃焼ガスエンジンの燃焼室及び燃料供給系を示すものであって、１はシリンダヘッド、２は主室であり、ピストンヘッド３の上面とシリンダ４の内面とシリンダヘッド１の下面により区画形成されている。この主室２には、天然ガス系都市ガス１３Ａである燃料ガスと空気の希薄混合気が吸気バルブ５を通して導入されるようになっており、また、排気バルブ６を通して主室内の燃焼排ガスが排出されるようになっている。吸気バルブ５や排気バルブ６は、クランク軸の回転に同期する弁操作機構Ａにて開閉される。
【００１７】
７は副室であり、シリンダヘッド１の略中央部に、シリンダ軸線方向に軸方向を有する筒状に形成されている。この副室７の上部には副室上部金物８が設けられ、副室７の下部には副室口金９が設けられている。この副室口金９の先端部には、副室７と主室２とを結ぶ複数の噴口１０が形成されている。１１は前記副室上部金物８内に形成されたガスチャンバであり、天然ガス系都市ガス１３Ａである燃料ガスを供給するガス供給通路１２が接続されている。ガス供給通路１２には、ガス供給圧を制御するガス圧制御装置Ｓが設けられている。
１３は副室上部金物８内に設けられた副室バルブであって、副室７とガスチャンバ１１との間の連通を開閉するものであり、前記吸気バルブ５や排気バルブ６と同様に弁操作機構Ａにて開閉される。１４は副室７内の燃料ガスに点火するための点火プラグである。
【００１８】
また、この副室式希薄燃焼ガスエンジンは、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒ、つまりピストン下死点での燃焼室容積とピストン上死点での燃焼室容積との比が１４以上で、ピストンの下死点基準の膨張比（ピストン下死点での燃焼室容積とピストン上死点での燃焼室容積との比）が実圧縮比よりも大きく構成されている。
ピストンの下死点基準の膨張比が実圧縮比よりも大きく構成されている点について説明を加えると、前記操作機構Ａによる吸気弁５の閉じ操作が、吸気行程においてピストン３が下死点に到達する以前の段階で、主室２に希薄な混合気が供給されるのを停止するように吸気弁５を早目に閉じるタイミングにて行われるようにしたり、あるいは、圧縮行程においてピストン３が下死点を過ぎてから吸気弁５を遅れて閉じるタイミングで行われるようにして、実圧縮比を減少させることにより、実圧縮比が膨張比よりも小さくなるように構成されている。
尚、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒは、１４〜２０が好ましく、１４〜１７が最も好ましいものである。つまり、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒを過度に大きくすると、ノッキングが発生し、燃料消費量が最適なポイントとなる運転条件を実現できなくなるからである。
【００１９】
さらに、この副室式希薄燃焼ガスエンジンは、副室７と主室２とを結ぶ複数の噴口１０の面積の総和である総噴口面積と副室容積との比である噴口面積比ｆ（ｆ＝総噴口面積ｍｍ² ／副室容積ｃｃ）を、前記ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒとの関係において下記の範囲に設定されている。
2.7 ＋0.4 ×（Ｃｒ−１１）≦ｆ≦ 3.6 ＋0.4 ×（Ｃｒ−１１）
つまり、 噴口面積比ｆを、前記ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒとの関係において上記範囲に設定することにより、噴口１０から主室２に噴出されるトーチの貫徹力が強過ぎないようにして、火炎が拡散する前に主室壁面（燃焼室壁面）に直接トーチが接触することを抑制して、エンジン外部への放熱を少なくなして、エンジンの燃費の向上を図るようになっている。
【００２０】
加えて、この副室式希薄燃焼ガスエンジンは、前記副室７の容積（以下、副室容積と記載）を、ピストン上死点時の燃焼室容積の２〜４％に設定する、好ましくは、２. ５〜３．５％に設定している。ちなみに、前記燃焼室容積は、副室７の容積、主室２の容積、及び、クレビス容積の総和である。
このように、ピストン上死点時の燃焼室容積との関係において副室容積を定めることにより、安定した燃焼を行わせ、且つ、ＮＯｘの増加を抑制するようになっている。
つまり、副室７の容積が小さ過ぎると、主室２内の希薄な混合気を十分に燃焼させにくいものとなり、逆に、副室７の容積が大き過ぎると、ＮＯｘの増加を伴うものとなるからである。
尚、システムの空気過剰率は、１．５〜２．５の範囲に設定するのが好ましいものである。空気過剰率が小さ過ぎると、ＮＯｘが急激に増加するものとなり、また、空気過剰率が大きくなり過ぎると、混合気が希薄になり過ぎて安定した燃焼を行い難いものとなるからである。
【００２１】
次に、本願発明についてその適用例について具体例を挙げて説明する。
先ず、本願発明を適用したエンジンの諸元、及び主な条件を示す。
エンジン：副室式希薄燃焼エンジン
回転速度：１２００ｒｐｍ
ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒ：１４〜１５
噴口面積比ｆ：３〜６
副室への燃料ガス供給圧力：エンジンシリンダ入口圧力＋（５〜８０ｋＰａ）
点火時期：３゜〜２５゜ｂＴＤＣ（クランク角度が上死点より３゜〜２５゜早い時期）
空気過剰率：１．９
平均有効圧力：１．１ＭＰａ
【００２２】
図２は、ピストンのストロークを同一のまま主室の容積を小さくして、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒを１５に増加させたエンジンにおいて、噴口面積比ｆを3.0 、3.5 、4.0 、4.5 、5.0 、5.5 、6.0 として、それぞれ燃費が最も良くなるポイントの運転条件（ちなみに、副室への燃料ガス供給圧力、点火時期、空気過剰率）を設定した際のエンジンの燃費を計測した結果を示す。
ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒが１５の場合には、本発明によれば、噴口面積比ｆは4.3 〜5.2 （4.3 ≦ｆ≦5.2 ）となるが、噴口面積比が4.3 〜5.2 の範囲にあれば、最も燃費が良くなる点からの燃費の増加を概ね３％以内に抑えることが可能である。
【００２３】
図３は、図２の場合と同様に、ピストンのストロークを同一のまま主室の容積を小さくして、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒを１４に増加させたエンジンにおいて、噴口面積比ｆを3.0 、3.5 、4.0 、4.5 、5.0 、5.5 、6.0 として、それぞれ燃費が最も良くなるポイントの運転条件（ちなみに、副室への燃料ガス供給圧力、点火時期、空気過剰率）を設定した際のエンジンの燃費を計測した結果を示す。
ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒが１４の場合には、本発明によれば、噴口面積比ｆは3.9 〜4.8 （3.9 ≦ｆ≦4.8 ）となるが、噴口面積比が3.8 〜4.8 の範囲にあれば、図２の場合と同様に、最も燃費が良くなる点からの燃費の増加を概ね３％以内に抑えることが可能である。
【００２４】
図４は、主室の容積をそのままにして、ピストンのストロークを大きくすることにより、ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒを１５に増加させたエンジンにおいて、噴口面積比ｆを3.0 、3.5 、4.0 、4.5 、5.0 、5.5 、6.0 として、それぞれ燃費が最も良くなるポイントの運転条件（ちなみに、副室への燃料ガス供給圧力、点火時期、空気過剰率）を設定した際のエンジンの燃費を計測した結果を示す。
ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒが１５の場合には、図２の例で説明した如く、本発明によれば、噴口面積比ｆは4.3 〜5.2 （4.3 ≦ｆ≦5.2 ）となるが、噴口面積比が4.3 〜5.2 の範囲にあれば、最も燃費が良くなる点からの燃費の増加を概ね３％以内に抑えることが可能である。
【００２５】
これらの本発明を適用した具体例からもわかるように、本発明によれば、噴口面積比ｆを、エンジンの設計・製造において、エンジンの燃費の向上を図れる状態に的確に設定できるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】副室式希薄燃焼エンジンの要部縦断面図
【図２】ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒを主室容積の小型化によって１５にしたエンジンの燃費と噴口面積比との関係を示す図
【図３】ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒを主室容積の小型化によって１４にしたエンジンの燃費と噴口面積比との関係を示す図
【図４】ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒをピストンのストロークの長大化によって１５にしたエンジンにおけるエンジンの燃費と噴口面積比との関係を示す図
【符号の説明】
２ 主室
３ ピストン
７ 副室
１０ 噴口

Claims (3)

1. ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒが１４以上で、ピストンの下死点基準の膨張比が実圧縮比よりも大きい副室式希薄燃焼ガスエンジンにおいて、
   副室と主室とを結ぶ複数の噴口の面積の総和である総噴口面積と副室容積との比である噴口面積比ｆ（ｆ＝総噴口面積ｍｍ² ／副室容積ｃｃ）を、前記ピストンの下死点基準の圧縮比Ｃｒとの関係において下記の範囲に設定した副室式希薄燃焼ガスエンジン。
   2.7 ＋0.4 ×（Ｃｒ−１１）≦ｆ≦ 3.6 ＋0.4 ×（Ｃｒ−１１）
2. 前記副室容積を、ピストン上死点時の燃焼室容積の２〜４％に設定した請求項１記載の副室室希薄燃焼ガスエンジン。
3. 前記副室容積を、ピストン上死点時の燃焼室容積の２. ５〜３．５％に設定した請求項１記載の副室室希薄燃焼ガスエンジン。

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