JP5192177B2 - 副室式エンジン - Google Patents

Description

本発明は、主室においてピストンの上昇により圧縮された新気を、噴孔を介して副室に流入させ、当該副室において流入した新気と副室燃料供給弁から供給された燃料ガスとの混合気を、点火プラグを作動させて火花点火して燃焼させ、前記副室から前記噴孔を介して前記主室に火炎ジェットを噴射するように構成され、
前記副室燃料供給弁のバルブステムと当該バルブステムを内挿させてガイドするバルブガイドとの間隙に設けられたリーク部を、ブローバイガス路に接続するリークガス路を備えた副室式エンジンに関する。

上記のような副室式エンジンは、副室において、主室で圧縮された希薄混合気等の新気が噴孔から流入すると共に、副室燃料供給弁の弁室に供給された燃料ガスが１サイクル毎に開閉操作される弁部を通じて供給され、その新気とその燃料ガスとの混合気が点火プラグにより火花点火されて燃焼し、噴孔を介して主室に火炎ジェットが噴射されるように構成されている（例えば、特許文献１を参照。）。
また、このような副室式エンジンは、単室式エンジンと比較して、燃焼室全体として空気に対して燃料が希薄な状態で燃料を燃焼させる希薄燃焼が実現できるため、高効率化を図ることが可能であり、特に、効率向上が求められるコージェネレーションシステム等に導入されている。

また、このような副室式エンジンでは、特に上記副室燃料供給弁の弁部が開状態から閉状態に切り替えられる圧縮行程において、副室燃料供給弁の弁室の圧力が非常に高くなる。そして、この弁室の圧力上昇に伴って、弁室に存在する燃料ガスが、副室燃料供給弁のバルブステムと当該バルブステムを内挿させてガイドするバルブガイドとの間隙を伝って外部に漏出することが懸念される。
そこで、上記副室燃料供給弁のバルブステムと上記バルブガイドとの隙間にリーク部を形成し、更に、そのリーク部を、リークガス路を介してブローバイガス路に接続する場合がある。よって、上記弁室の圧力上昇に伴って上記間隙を伝って漏出しようとする燃料ガスは、上記リーク部に流入した後に、上記リークガス路を通じてブローバイガス路に排出されることになる。結果、そのブローバイガスに排出された燃料ガスを、ブローバイガスと共に吸気路に還流して、燃焼室で燃焼させることができる。
また、このような副室式エンジンには、排気路を流通する排ガスの運動エネルギによりタービンを回転させて吸気路に設けられたコンプレッサを回転駆動する形態で、主室に対して新気を過給するターボチャージャー等の過給機が設けられる場合がある。

特開２００５−１３３６６４号公報 特開２００３−２７８５４８号公報

しかしながら、上述したようにリークガス路を備えた副室式エンジンでは、特に過給機が作動しない始動時やスロットルバルブの開度が縮小される低負荷時のように、吸気圧力が比較的低くなる場合に、失火が発生したり燃焼状態が不安定となるという問題があった。特に、排気路に排ガスが流通していないことから過給機が作動しない始動時においては、顕著に失火が発生し燃焼状態が不安定になる。また、上記副室に設けられた副室燃料供給弁や点火プラグが、例えば固形物の付着により頻繁に作動不良を起こし、燃焼状態が不安定になる場合もあった。
そして、リークガス路を備えた副室式エンジンにおいて、上記のような燃焼状態の不安定化の明確な原因は不明であった。

そこで、本願発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、副室燃料供給弁のバルブステムとバルブガイドとの間隙に設けられたリーク部をブローバイガス路に接続するリークガス路を備えた場合において、始動時や低負荷時等の吸気圧力の低下時においても安定した燃焼状態を維持すると共に、副室燃料供給弁の弁室に存在する燃料ガスを外部に漏出させることなくリークガス路を通じてブローバイガス路に排出することができる副室式エンジンを実現する点を目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る副室式エンジンは、主室においてピストンの上昇により圧縮された新気を、噴孔を介して副室に流入させ、当該副室において流入した新気と副室燃料供給弁から供給された燃料ガスとの混合気を、点火プラグを作動させて火花点火して燃焼させ、前記副室から前記噴孔を介して前記主室に火炎ジェットを噴射するように構成され、
前記副室燃料供給弁のバルブステムと当該バルブステムを内挿させてガイドするバルブガイドとの間隙に設けられたリーク部を、前記主室から前記ピストンと前記シリンダ内面との間隙を通じてクランク室に漏れ出たブローバイガスを吸気路に還流させるブローバイガス路に直接接続するリークガス路を備えた副室式エンジンであって、その特徴構成は、前記リークガス路に、前記副室燃料供給弁の弁部が開状態にある吸気行程における前記ブローバイガス路側から前記リーク部側へのガス流を阻止し、且つ、前記副室燃料供給弁の弁部が閉状態にある圧縮行程における前記リーク部側から前記ブローバイガス路側へのガス流を許容する形態で作動する作動弁手段を備えた点にある。

本願発明者らは、鋭意研究の結果、特に過給機が作動しない始動時やスロットルバルブの開度が縮小される低負荷時のように吸気圧力が比較的低くなる場合において、失火が発生し燃焼状態が不安定となる主な原因が、上記副室燃料供給弁の弁部が閉状態から開状態に切り替えられる吸気行程において、上記吸気圧力の低下に伴って副室燃料供給弁の弁室の圧力が非常に低くなることで、上記ブローバイガス路に存在するブローバイガスが、上記リークガス路及び上記弁室を通じて副室に流入することによるものであることを見出し、本願発明を完成するに至った。
即ち、副室燃料供給弁の弁室の圧力が非常に低くなった場合に、上記ブローバイガス路に存在するブローバイガスがリークガス路及び弁室を通じて副室に流入することで、副室に形成された混合気を点火プラグで点火することが困難となって失火が発生したり、ブローバイガスに含まれるオイルによるオイルアッシュが副室燃料供給弁や点火プラグに付着して、それらの作動不良が発生することが見出された。

そこで、上記特徴構成によれば、副室燃料供給弁の弁室の圧力が非常に低くなった場合でも、上記作動弁手段がリークガス路におけるブローバイガス路側からリーク部側へのガス流を阻止するので、上記ブローバイガス路に存在するブローバイガスがリークガス路及び弁室を通じて副室に流入することを防止することができ、燃焼状態を安定したものとすることができる。
逆に、特に上記副室燃料供給弁の弁部が開状態から閉状態に切り替えられる圧縮行程において、副室燃料供給弁の弁室の圧力が非常に高くなった場合でも、上記作動弁手段が前記リーク部側から前記ブローバイガス路側へのガス流を許容するので、弁室からバルブステムとバルブガイドとの間隙に設けられたリーク部に流入した燃料ガスを、外部に漏出させることなく、上記リークガス路を通じてブローバイガス路に排出することができる。
従って、本発明により、始動時や低負荷時等の吸気圧力の低下時においても安定した燃焼状態を維持しながら、副室燃料供給弁の弁室に存在する燃料ガスを外部に漏出させることなくブローバイガス路に排出することができる副室式エンジンを実現することができる。

本発明に係る副室式エンジンの更なる特徴構成は、前記作動弁手段が、前記リーク部側の前記ブローバイガス路側に対する圧力差が所定値以下のときに閉状態となり同圧力差が所定値以上のときに開状態となる逆止弁で構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、上記リークガス路に非常に簡単な構成の逆止弁を設けるだけで、その逆止弁を上述した作動弁手段として機能させることができる。
即ち、副室燃料供給弁の弁室の圧力が非常に低くなり、リークガス路に設けた逆止弁におけるリーク部側のブローバイガス路側に対する圧力差が所定値以下となったときに、その逆止弁が閉状態となって、ブローバイガス路側からリーク部側へのガス流が阻止されるので、ブローバイガスが副室に流入することを防止することができる。
一方、副室燃料供給弁の弁室の圧力が非常に高くなり、リークガス路に設けた逆止弁におけるリーク部側のブローバイガス路側に対する圧力差が所定値以上となったときに、その逆止弁が開状態となって、リーク部側からブローバイガス路側へのガス流が許容されるので、リーク部に流入した燃料ガスを外部に漏出させることなくブローバイガス路に排出することができる。

本発明に係る副室式エンジンの更なる特徴構成は、排気路を流通する排ガスの運動エネルギによりタービンを回転させて吸気路に設けられたコンプレッサを回転駆動する形態で、前記主室に対して新気を過給する過給機を備えた点にある。

上記特徴構成によれば、排気路に排ガスが流通していないことから過給機が作動しない始動時において、吸気圧力が比較的低圧となる場合でも、これまで説明してきたように、上記作動弁手段により上記ブローバイガス路に存在するブローバイガスがリークガス路及び弁室を通じて副室に流入することを防止することができるので、失火の発生を防止し燃焼状態を安定したものとすることができる。

本発明に係る副室式エンジンの実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１に示す副室式エンジン１００は、ピストン２と、ピストン２を収容してピストン２の頂面と共に主室１を形成するシリンダ３とを備え、ピストン２をシリンダ３内で往復運動させると共に、吸気バルブ６及び排気バルブ７を開閉動作させて、主室１において吸気、圧縮、燃焼・膨張、排気の諸行程を行い、ピストン２の往復動を連結棒（図示せず）によってクランク軸（図示せず）の回転運動として出力されるものであり、このような構成は、通常の４ストローク内燃機関と変わるところはない。
尚、この副室式エンジン１００は、通常、エンジン回転数が一定の定格回転数となるように定格運転されるように構成されている。

また、副室式エンジン１００は、気体燃料である都市ガス（１３Ａ）を燃料ガスＧとして利用するものであり、吸気行程において吸気バルブ６を開状態として、吸気ポート５から主室１に空気と少量の燃料ガスＧとの混合気好ましくは希薄混合気である新気Ｉを吸入し、圧縮及び燃焼・膨張行程において吸気バルブ６及び排気バルブ７を閉状態として、この吸入した新気Ｉを圧縮して燃料ガスＧを燃焼・膨張させ、排気行程において排気バルブ７を開状態として、主室１から排気ポート８に排ガスＥを排出するように運転される。

尚、吸気ポート５の上流側に通じる吸気路４には、吸気路４に取り込まれた空気Ａに燃料供給路２５から供給された燃料ガスＧを混合して、上記新気Ｉとしての希薄混合気を形成するミキサ２８が設けられている。ミキサ２８は、当該吸気路４を縮径させたベンチュリ構造を有し、吸気路４を流通する空気Ａが上記ベンチュリ構造を高速で通過することで圧力低下を発生させ、この圧力低下を利用して、燃料供給路２５から供給された燃料ガスＧを、吸気路４を流通する空気Ａに供給して、吸気路４に希薄混合気を形成するように構成されている。
更に、燃料供給路２５には、ミキサ２８への燃料供給量を調整可能な調整弁２６と、ミキサ２８への燃料供給圧を一定に維持するガバナ２７が設けられている。

吸気路４には、新気Ｉを過給する過給機２９が設けられており、この過給機２９は、排気ポート８の下流側に通じる排気路９を流通する排ガスＥの運動エネルギによりタービンを回転させ、このタービンの回転力により吸気路４に設けられたコンプレッサを回転駆動する形態で過給を行い、このコンプレッサの回転駆動により吸気路４を流通する新気Ｉを過給するターボチャージャーとして構成されている。

副室式エンジン１００のシリンダヘッド３０には、主室１と共に燃焼室として設けられ、主室１に噴孔１８を介して連通する副室１７が設けられており、この副室１７を有する副室機構１０の構造について以下に説明する。

副室１７の上方には、点火プラグ１９と副室燃料供給弁１５とが設けられている。
点火プラグ１９は１サイクル毎に火花を発生させることにより、副室１７に形成された混合気を火花点火するように構成されている。

一方、副室燃料供給弁１５は、弁部１４を１サイクル毎に開閉操作することにより、副室燃料供給路２２から弁室１３に供給された燃料ガスＧを、当該弁部１４を通じて副室１７に断続的に供給するように構成されている。
尚、副室燃料供給路２２には、弁室１３への燃料ガスＧの供給圧力を０．２ＭＰａ（Ｇａｕｇｅ）程度まで昇圧させる供給ポンプ２０と、弁室１３への燃料ガス供給量を調整可能な調整弁２１とが設けられている。

以下、その副室式エンジン１００における１サイクルの動作状態について以下に説明する。
副室式エンジン１００は、先ず、吸気バルブ６が開状態となり、ピストン２のＴＤＣ（上死点）からの下降により、吸気ポート５から主室１に新気Ｉが吸入される吸気行程が行われる。
このとき副室１７に設置された副室燃料供給弁１５は、吸気バルブ６の開時期に対して略同時期に、弁部１４を閉状態から開状態に変化させ、弁室１３に供給された燃料ガスＧの副室１７への供給を開始する。

後に、吸気バルブ６及び副室燃料供給弁１５の弁部１４が略同時期に閉状態となり、ピストン２の上昇により、主室１に吸気された新気Ｉを圧縮する、いわゆる圧縮行程が行われる。

この圧縮行程では、ピストン２の上昇により、主室１の容積減少によって、主室１の新気Ｉが噴孔１８を介して副室１７に流入し、副室１７には、その新気Ｉの流入によりガス流動が発生することで、その新気Ｉと燃料ガスＧとが混合されて、火花点火可能範囲内（例えば１程度）の当量比の混合気が形成される。
即ち、上記圧縮行程終了時にて、副室１７には、当量比が比較的高い混合気が存在するのに対して、主室１には、当量比が比較的低い新気Ｉが存在することになる。

次に、副室式エンジン１００は、上死点直前の例えば８°ＢＴＤＣ付近において、点火プラグ１９を作動させて、上記副室１７の上部おいて火花点火して燃焼させる。
すると副室１７では、燃焼が進み、副室１７の燃焼しなかった燃料ガスＧと共に、火炎ジェットＦが噴孔１８を介して主室１に噴出される。
更に、副室１７と主室１とを連通する複数の噴孔１８が、上記主室１の中心軸Ｘを中心に周方向に等間隔で分散配置され、放射状に延出する筒状の開口部として形成されており、火炎ジェットＦが夫々の噴孔１８から主室１に放射状に噴射されるように構成されている。

一方、主室１においては、夫々の噴孔１８から放射状に噴出された火炎ジェットＦにより新気Ｉとして吸気された希薄混合気を安定して燃焼させるので、高効率且つ低ＮＯｘとなる燃焼が行われる。
このような主室１における燃焼状態は、通常のＳＩエンジンに近い状態であるが、圧縮比を高く設定した場合においてもノッキングが発生しないため、熱効率を向上することができる。

上述した副室式エンジン１００において、火炎ジェットＦの熱エネルギをできるだけ小さくして、高負荷運転時の主室１におけるノッキングなどの異常燃焼を抑制するために、主室１と副室１７とを含む燃焼室の最小容積、即ちピストン２の位置が上死点位置となって最小となる燃焼室の容積に対して、副室１７の容積の割合は、数％（例えば２％〜３％程度）と非常に小さく設計されている。
尚、図１では、副室機構１０の内部構造を認識しやすくするために、全体に対する副室機構１０の大きさの割合を大きめに描いている。

以上が副室式エンジン１００の基本構成についての説明であるが、以下に副室式エンジン１００の特徴構成について説明する。
上述したように副室燃料供給弁１５を備えた副室式エンジン１００では、特に上記副室燃料供給弁１５の弁部１４が開状態から閉状態に切り替えられる圧縮行程において、副室燃料供給弁１５の弁室１３の圧力が非常に高くなる。そして、この弁室１３の圧力上昇に伴って、弁室１３に存在する燃料ガスＧが、副室燃料供給弁１５のバルブステム１１と当該バルブステム１１を内挿させてガイドするバルブガイド１２との間隙を伝って外部に漏出することが懸念される。
そこで、上記副室燃料供給弁１５のバルブステム１１と上記バルブガイド１２との隙間にリーク部３４が形成され、更に、そのリーク部３４が、リークガス路３５を介してブローバイガス路４０に接続されている。
尚、かかるブローバイガス路４０は、主室１からピストン２とシリンダ３内面との間隙を通じてクランク室（図示せず）に漏れ出たブローバイガスＢＧを、吸気路４に還流させることで、当該ブローバイガスＢＧに含まれる未燃ガスを主室１で燃焼処理するためのものである。
更に、このようなブローバイガス路４０は、吸気路４において比較的低圧望ましくは負圧になる過給機２９の上流側に接続されている。よって、ブローバイガス４０を流通するブローバイガスＢＧは、良好に吸気路４に供給され、新気Ｉと共に主室１に吸気されることになる。

特に過給機２９が作動しない始動時や吸気路４に設けられるスロットルバルブ（図示せず）の開度が縮小される低負荷時のように吸気路４における圧力（吸気圧力）が比較的低くなるのに伴って、吸気行程において開状態となる副室燃料供給弁１５の弁室１３の圧力が非常に低くなる。よって、リークガス路３５をそのままブローバイガス路４０に接続していると、上記副室燃料供給弁１５の弁室１３の圧力低下に伴って、ブローバイガス路４０に存在するブローバイガスＢＧがリークガス路３５及びリーク部３４及び弁室１３を通じて副室１７に流入することが懸念される。
そして、副室１７にブローバイガスＢＧが流入すると、副室１７に形成された混合気を点火プラグ１９で点火することが困難となって失火が発生したり、ブローバイガスＢＧに含まれるオイルによるオイルアッシュが副室燃料供給弁１５の弁部１４や点火プラグ１９等に付着して、それらが作動不良を起こす場合がある。

そこで、リークガス路３５には、ブローバイガス路４０側からリーク部３４側へのガス流を阻止し且つリーク部３４側からブローバイガス路４０側へのガス流を許容する形態で作動する作動弁手段として、リーク部３４側のブローバイガス路４０側に対する圧力差が所定値以下のときに閉状態となり同圧力差が所定値以上のときに開状態となる逆止弁３６が設けられている。
即ち、吸気行程において副室燃料供給弁１５の弁室１３の圧力が非常に低くなった場合でも、逆止弁３６が閉状態となってリークガス路３５におけるブローバイガス路４０側からリーク部３４側へのガス流が阻止される。よって、ブローバイガス路４０に存在するブローバイガスＢＧがリークガス路３５を通じてリーク部３４及び弁室１３更には副室１７に流入することが防止され、結果、燃焼状態が安定したものとなる。

逆に、副室燃料供給弁１５の弁部１４が開状態から閉状態に切り替えられる圧縮行程において、副室燃料供給弁１５の弁室１３の圧力が非常に高くなった場合でも、逆止弁３６が開状態となってリーク部３４側からブローバイガス路４０側へのガス流が許容される。よって、弁室１３からバルブステム１１とバルブガイド１２との間隙に設けられたリーク部３４に流入した燃料ガスＧは、外部に漏出することなく、上記リークガス路３５を通じてブローバイガス路４０に排出され、ブローバイガスＢＧと共に主室１において燃焼処理されることになる。

〔別実施形態〕
（１）上記実施の形態では、リークガス路３５においてブローバイガス路４０側からリーク部３４側へのガス流を阻止し且つリーク部３４側からブローバイガス路４０側へのガス流を許容する形態で作動する作動弁手段として逆止弁３６を設けたが、別に、作動弁手段として、リークガス路３５におけるガス流を断続可能な開閉弁と、その開閉弁の開閉制御する制御手段とを備え、その制御手段により、リーク部３４側のブローバイガス路４０側に対する圧力差が所定値以下のときに開閉弁を閉状態とし、同圧力差が所定値以上のときに開状態とするように構成しても構わない。

（２）本発明に係る副室式エンジンは、上記実施形態で説明したように、都市ガス等の気体の燃料ガスを利用する場合に優れた効果を発揮するものであり、このような燃料ガスとしては、上記都市ガス以外に水素やプロパン等の一酸化炭素や水素を主成分とする炭化水素以外の気体燃料がある。

本発明に係る副室式エンジンは、副室燃料供給弁のバルブステムとバルブガイドとの間隙に設けられたリーク部をブローバイガス路に接続するリークガス路を備えた場合において、始動時や低負荷時等の吸気圧力の低下時においても安定した燃焼状態を維持すると共に、副室燃料供給弁の弁室に存在する燃料ガスを外部に漏出させることなくリークガス路を通じてブローバイガス路に排出することができる副室式エンジンとして有効に利用可能である。

副室式エンジンの部分立断面図

符号の説明

１：主室
４：吸気路
９：排気路
１１：バルブステム
１２：バルブガイド
１３：弁室
１４：弁部
１５：副室燃料供給弁
１７：副室
１８：噴孔
３４：リーク部
３５：リークガス路
３６：逆止弁（作動弁手段）
１００：副室式エンジン
Ｉ：新気
Ｅ：排ガス
Ｇ：燃料ガス
ＢＧ：ブローバイガス

Claims (3)

1. 主室においてピストンの上昇により圧縮された新気を、噴孔を介して副室に流入させ、当該副室において流入した新気と副室燃料供給弁から供給された燃料ガスとの混合気を、点火プラグを作動させて火花点火して燃焼させ、前記副室から前記噴孔を介して前記主室に火炎ジェットを噴射するように構成され、
   前記副室燃料供給弁のバルブステムと当該バルブステムを内挿させてガイドするバルブガイドとの間隙に設けられたリーク部を、前記主室から前記ピストンと前記シリンダ内面との間隙を通じてクランク室に漏れ出たブローバイガスを吸気路に還流させるブローバイガス路に直接接続するリークガス路を備えた副室式エンジンであって、
   前記リークガス路に、前記副室燃料供給弁の弁部が開状態にある吸気行程における前記ブローバイガス路側から前記リーク部側へのガス流を阻止し、且つ、前記副室燃料供給弁の弁部が閉状態にある圧縮行程における前記リーク部側から前記ブローバイガス路側へのガス流を許容する形態で作動する作動弁手段を備えた副室式エンジン。
2. 前記作動弁手段が、前記リーク部側の前記ブローバイガス路側に対する圧力差が所定値以下のときに閉状態となり同圧力差が所定値以上のときに開状態となる逆止弁で構成されている請求項１に記載の副室式エンジン。
3. 排気路を流通する排ガスの運動エネルギによりタービンを回転させて吸気路に設けられたコンプレッサを回転駆動する形態で、前記主室に対して新気を過給する過給機を備えた請求項１又は２に記載の副室式エンジン。

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