JP5263818B2

JP5263818B2 - 副室式ガスエンジン

Info

Publication number: JP5263818B2
Application number: JP2008130491A
Authority: JP
Inventors: 本智史森; 永隆一冨; 井俊作中; 村守淑田; 上晋亮村; 本高之山
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Osaka Gas Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd; Toho Gas Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Osaka Gas Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd; Toho Gas Co Ltd
Priority date: 2007-05-18
Filing date: 2008-05-19
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2028-05-19
Also published as: JP2009002331A

Description

本発明は、主燃焼室と、副燃焼室（副室）とを有する副室式内燃機関に関し、特に、主燃焼室に対して気体燃料（例えば都市ガスの様な燃料ガス）が供給される副室式ガスエンジンに関する。

係る副室式ガスエンジンは、例えば、発電用のコージェネレーションシステムにおいて用いられる。
係る副室式ガスエンジンについては大型化する傾向にあり、その大型ガスエンジンについては、高効率化の要請が存在する。そして効率を向上させるために、点火時期を進角して効率の高い領域で運転する必要がある。

しかし、点火時期を進角させれば、ノッキング（異常燃焼）を生じる可能性が高くなる。ノッキングが生じると、ガスエンジンの効率を向上することは困難である。
そのため、点火時期を進角しても、ノッキングを回避する技術が望まれる。

従来のノッキングの回避技術としては、例えば、水噴射ノズルを有し、ノズルからの水噴射によって燃焼温度を低下させることにより、ノッキングを回避する副室式ガスエンジンに係る技術が提案されている（特許文献１参照）。
しかし、係る従来技術（特許文献１）では、水噴射ノズルで燃焼温度を低下させることにより、ガスエンジンの効率まで低下してしまう恐れがある。そのため、高効率化を達成するという上述した要請に応えることが出来ない。
特開平７−１２７４５４号公報

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、点火時期を進角させて効率を向上させることが出来ると共に、ノッキングの発生を防止することが出来る様な副室式ガスエンジンの提供を目的としている。

本発明によれば、主燃焼室（１０）と、副室（２０）と、主燃焼室（１０）に連通して燃料ガス及び空気を供給する吸気ポート（４Ａ、４Ｂ）とを有し、副室（２０）内で二次燃料を燃焼させ、主燃焼室（１０）に突出した副室先端（６１）からトーチ状の火炎（Ｆ２）を噴射して主燃焼室（１０）内の燃料ガスと空気との混合気を燃焼させる副室式ガスエンジンにおいて、吸気ポート（４Ａ、４Ｂ）に燃料ガス噴射機構（８）が配置されており、吸気行程で主燃焼室（１０）で燃料ガスと空気との混合気が１．０以上のスワール比のスワール（Ｆｓ）を生じ、以って、主燃焼室（１０）における副室先端（６１）の近傍領域における燃料ガス濃度が主燃焼室（１０）の周縁部よりも薄くなる様に構成され、主燃焼室（１０）に生じるスワール（Ｆｓ）はシリンダヘッド（２）側から見て時計方向に回転し、排気弁（ＥＶ）を１２時方向に見て６時方向に配置されている吸気弁（４Ａ、４Ｂ）のシート位置（４Ａｏ、４Ｂｏ）のシリンダヘッド（２）側から見て６時〜９時の領域に燃料ガスが流れるように構成されている。

また、本発明によれば、主燃焼室（１０）と、副室（２０）と、主燃焼室（１０）に連通して燃料ガス及び空気を供給する吸気ポート（４Ａ、４Ｂ）とを有し、副室（２０）内で二次燃料を燃焼させ、主燃焼室（１０）に突出した副室先端（６１）からトーチ状の火炎（Ｆ２）を噴射して主燃焼室（１０）内の燃料ガスと空気との混合気を燃焼させる副室式ガスエンジンにおいて、吸気ポート（４Ａ、４Ｂ）に燃料ガス噴射機構（８）が配置されており、吸気行程で主燃焼室（１０）で燃料ガスと空気との混合気が１．０以上のスワール比のスワール（Ｆｓ）を生じ、以って、主燃焼室（１０）における副室先端（６１）の近傍領域における燃料ガス濃度が主燃焼室（１０）の周縁部よりも薄くなる様に構成され、主燃焼室（１０）に生じるスワール（Ｆｓ）はシリンダヘッド（２）側から見て反時計方向に回転し、排気弁（ＥＶ）を１２時方向に見て、６時方向に配置されている吸気弁（４Ａ、４Ｂ）のシート位置（４Ａｏ、４Ｂｏ）のシリンダヘッド側から見て３時〜６時の領域に燃料ガスが流れるように構成されている。

上述する構成を具備する本発明によれば、主燃焼室（１０）における副室先端（６１）の近傍領域（中央領域）における燃料ガス濃度が薄くなる（中央リーンになる）様に構成されているので、吸気行程中に、主燃焼室（１０）の混合気が副室（２０）に押し込まれた際に、副室先端近傍（６１）における燃料ガス濃度が薄いので、副室（２０）内における燃料濃度も薄くなる。
そして、副室（２０）内における燃料濃度が薄いため、副室先端（６１）から主燃焼室（１０）内に噴射される火炎が弱くなり、主燃焼室（１０）内に噴射される火炎の燃焼が抑制される。そのため、主燃焼室（１０）における燃焼速度が緩やかになり、点火時期を進角しても、ノッキングが発生し難くなるのである。

この様に、点火時期を進角してもノッキングが抑制される本発明によれば、点火時期を進角して副室式ガスエンジン（１００）の高効率化が図れると共に、ノッキングにより効率向上が阻害されてしまう事態を、確実に防止することが出来る。

本発明において、スワール比が１．０以上となる様に構成すれば（請求項２）、主燃焼室（１０）内における燃料ガス濃度分布が、副室先端（６１）の近傍領域（中央領域）における燃料ガス濃度が薄くする（中央リーンにする）ことができる。
そして、スワール比が大きくなるほど（好ましくは２．０以上となれば）、副室先端（６１）の近傍領域（中央領域）における燃料ガス濃度が薄くなる（中央リーンとなる）傾向が顕著となる。

また本発明において、主燃焼室（１０）に生じるスワール（Ｆｓ）がシリンダヘッド（２）側から見て時計方向に回転する場合には、吸気弁（４Ａ、４Ｂ）のシート位置（４Ａｏ、４Ｂｏ）のシリンダヘッド（２）側から見て６時〜９時の領域（α：図５において、左下がりのハッチングで示す領域）に燃料ガスが流れる様に構成し（請求項３）、或いは、前記スワール（Ｆｓ）が反時計方向に回転する場合には、吸気弁（４Ａ、４Ｂ）のシート位置（４Ａｏ、４Ｂｏ）のシリンダヘッド（２）側から見て３時〜６時の領域（β：図５において、横方向のハッチングで示す領域）に燃料ガスが流れる様に構成すれば（請求項４）、主燃焼室（１０）内における燃料ガス濃度分布が、副室先端（６１）の近傍領域（中央領域）における燃料ガス濃度が薄くする（中央リーンにする）ことができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１、図２は、本発明の実施形態に係る副室式ガスエンジン１００を示している。

図１、図２において、副室式ガスエンジン１００は、シリンダ１とシリンダヘッド２とピストン３とを有している。図１は、ピストン３が上死点に達した状態を示している。

ピストン３の頂部３１の中央には、図示では円形の皿状窪み部３２が形成されている。
そして、円形の皿状窪み部３２は、シリンダ壁１１とシリンダヘッドの下端面２１とピストン頂部３１とで形成される空間（隙間）Sと共に、主燃焼室１０を構成している。

シリンダヘッド２の下端面２１は円形（図２において、符号２２で示す）をしており、その中央には、副室２０を有する副室ハウジング６（図１参照）が設けられている。
副室ハウジング６の副室先端６１は、シリンダヘッド２の下端面２１よりも、主燃焼室１０側に突出している。

副室ハウジング６の内部には、副燃焼室（副室）２０が形成されている。
副室ハウジング６における副室２０の上方の領域には、軽油を噴射するための軽油噴射機構７が設けられている。
図１において、符号Ｆ１は、軽油噴射機構７から副室２０内に噴射された軽油の噴霧（ジェット）を示している。
軽油噴射機構７から噴射された軽油の噴霧（ジェット）Ｆ１は、公知の態様により、副室ハウジング６内で着火して、燃焼する。

図示の例では、副室先端６１には８箇所の噴孔６２が形成されている。
８箇所の噴孔６２から噴射されるトーチ状の火炎の向きは、斜め下方を向いている。８箇所の噴孔６２は、円周方向に等ピッチで配置されている。そして、噴孔６２から噴射されるトーチ状の火炎が、シリンダ中心からシリンダ壁１１に向かって（或いは、半径方向外方へ向って）、放射状に噴射されるように構成されている。
より詳細には、図１において、トーチ状の火炎の噴射Ｆ２が、円形の皿状窪み部３２における円形のコーナー部３３近傍に衝突するように、副室先端６１及び８箇所の噴孔６２が構成されている。

図示の実施形態に係る副室式ガスエンジン１００は、第１の吸気ポート４Ａと第２の吸気ポート４Ｂとを備えている。
シリンダヘッド２の下端面２１において、主燃焼室１０に対向する部分には、２つの吸気ポート４Ａ、４Ｂの開口部（バルブシート部）４Ａｏ、４Ｂｏが形成されている。吸気ポートの開口部４Ａｏ、４Ｂｏは、シリンダ中心点Ｏに対して、図示の例では凡そ９０°となる様に配置されており、間隔を隔てて配置されている。
なお、図１、図２では、排気ポート及び排気ポート開口部は、図示を省略している。
図２における符号４Ａ１、４Ｂ１（吸気ポート４Ａ、４Ｂの左側壁）については、燃料ガスの流れに関連して、後述する。

吸気ポート４Ａ、４Ｂの開口部（バルブシート部）４Ａｏ、４Ｂｏは、吸気バルブ５Ａ、５Ｂ（図１）によって開閉される。
図２において、吸気ポート４Ａ、４Ｂの上流側における分岐部４Ｙで、１本の吸気ポートが２本の吸気ポート４Ａ、４Ｂに分岐している。
分岐部４Ｙの近傍には、燃料ガス噴射機構８が設けられている。燃料ガス噴射機構８には、複数の燃料ガス噴射孔８１が形成されている。
この燃料ガス噴射孔８１から、吸気ポート４Ａ、４Ｂの下流側（主燃焼室１０側）に向かって、燃料ガスが噴射される。そして燃料ガス噴射孔８１から噴射された燃料ガスが、２つの吸気ポート４Ａ、４Ｂを流れる新気（エア）に混合されるように、構成されている。
ここで、吸気ポート４Ａ、４Ｂ（図７では断面で示す）とその分岐部に設けられた燃料ガス噴射機構８の形状は、図７で詳細に表示されている。
なお、図２における符号Ｆｆは、燃料ガスの噴射ジェットを示している。

燃料噴射機構８から噴射された燃料ガスと、新規（エア）とは、吸気ポート４Ａ、４Ｂを流れる際に混合される。そして、燃料ガスと新規（エア）との混合気は、開口部（バルブシート部）４Ａｏ、４Ｂｏを介して、主燃焼室１０内に供給される。
特に図２における矢印Ｆｓで明示されているように、図示の実施形態では、主燃焼室１０内における燃料ガスと新規（エア）との混合気は、渦上に流れ、いわゆる「スワール」を形成している。

図１は、軽油噴射機構７から、副室２０内に軽油が噴射（Ｆ１）される構成が示されている。但し、軽油以外の２次燃料、例えば、濃度が高い燃料ガスや、各種燃料油を、副室２０に供給するように構成しても良い。

図示の実施形態では、主燃焼室１０は、吸気行程において、副室先端６１の近傍領域（主燃焼室の中央領域）で燃料ガス濃度が薄くなる（「中央リーン」となる）様に、構成されている。上述した様に、副室先端６１は、副室２０で発生した火炎（トーチ）を主燃焼室２０内に噴射（Ｆ２）する部材である。
係る「中央リーン」となった場合における燃料ガス濃度分布のシミュレーション結果の一例が、図３で示されている。

図３の上方で示す識別バンドＢは、図３の下方に示す主燃焼室１０及び副室２０における混合気中の燃焼ガスの濃度を、濃度順に１０段階に分けて識別して、表示している。
識別バンドＢは、その右端ｄ１における燃料ガスの濃度が最も薄く、左端ｄ１０における燃料ガス濃度が最も濃い。
なお、図３では便宜上１０段階に分けて表示しているが、実際には、無段階に濃淡が変化している。

図３において、副室２０の内部と、主燃焼室１０における副室先端６１の近傍領域（主燃焼室の中央領域）とにおいて、燃料ガス濃度が低く（薄く:符号ｄ１）、主燃焼室１０の周縁部では燃料ガス濃度が高く（濃く:符号ｄ７〜ｄ１０）なっている。

発明者は、図示の実施形態に係るガスエンジン（中央リーンのガスエンジン）と、主燃焼室内で燃料ガス濃度が均一となる様に構成されたガスエンジン（均一濃度のガスエンジン）と、図示の実施形態とは逆の燃料ガス濃度分布を示すガスエンジン（中央リッチのガスエンジン）とを用いて、燃焼実験を行った。
ここで、「図示の実施形態とは逆の燃料ガス濃度分布を示すガスエンジン（中央リッチのガスエンジン）」は、図示の構成のガスエンジンで説明すれば、副室先端６１の近傍領域（主燃焼室の中央領域）で燃料ガス濃度が濃くなり、主燃焼室１０の周縁部では燃料ガス濃度が低くなる様に構成されている。

発明者による燃焼実験の結果、上述した３種類のガスエンジン（中央リーンのガスエンジン、均一濃度のガスエンジン、中央リッチのガスエンジン）の内、中央リーンのガスエンジンが、ノッキングを生じることなく、最も点火時期を早くする（進角する）ことが出来ることが確認された。
すなわち、図示の実施形態に係るガスエンジンの様に、中央リーンとなる様に構成すれば、点火時期を進角しても、ノッキングが最も抑制出来ることが分かった。

また、発明者による燃焼実験において、副室２０から火炎（トーチ）が主燃焼室１０内に噴射（Ｆ２）された際の単位時間当たりの発熱量（ｒａｔｅｏｆｈｅａｔｒｅｌｅａｓｅ）が計測された。
その結果、副室２０から火炎が主燃焼室１０内に噴射（Ｆ２）された際の単位時間当たりの発熱量は、中央リーンのガスエンジンが最も低く、均一濃度のガスエンジン、中央リッチのガスエンジンの順に高かった。
周知の様に、副室２０から火炎が主燃焼室１０内に噴射された際の単位時間当たりの発熱量が低いほど、ノッキングが抑制される。したがって、係る燃焼実験の結果からも、前記発熱量（副室２０から火炎が主燃焼室１０内に噴射された際の単位時間当たりの発熱量）が最も低い中央リーンのガスエンジンが、ノッキングが最も抑制出来ることが明らかになった。

中央リーンのガスエンジンでノッキングが抑制されるのは、次の理由によると推定される。
副室式ガスエンジン１００においては、吸気行程中に、主燃焼室１０の混合気が副室２０に押し込まれる。
ここで、中央リーンのガスエンジンでは、主燃焼室１０において、副室先端６１の近傍領域（中央領域）における燃料濃度が薄い。そのため、中央リーンのガスエンジンでは、吸気行程において、副室２０内に押し込まれる主燃焼室１０内の混合気の燃料濃度が薄くなり、副室２０内における燃料濃度も薄くなる。
副室２０内における燃料濃度が薄ければ、副室２０から主燃焼室１０内に噴射される火炎が弱くなり、或いは、主燃焼室１０内に噴射される火炎の燃焼が抑制される。その結果、主燃焼室１０における燃焼速度が緩やかになり、点火時期を進角しても、ノッキングが発生し難くなるのである。

図示の実施形態では、主燃焼室１０に混合気の渦（スワール）を生じさせることにより、中央リーンとせしめている。発明者のシミュレーションにより、燃料ガスと新気（エア）との混合気が主燃焼室１０内でスワールを生じると、中央リーンとなることが確認されたからである。
また、燃料ガスの噴射方向や、主燃焼室１０における燃料ガスの流れ方向と、燃料ガス噴射のタイミングを制御することにより、図示の実施形態では主燃焼室１０内を中央リーンとせしめている。

特に図２で明確に示されている様に、図示の実施形態では、２本の吸気ポート４Ａ、４Ｂが設けられている。ここで、２本の吸気ポート４Ａ、４Ｂは、主燃焼室１０内において、強いスワールが発生する様に構成されている。
換言すれば、図示の実施形態に係るガスエンジンは、高スワールとなる様に構成されている。
ここで、「高スワール」は「スワールが強い」ことであり、スワール比が大きい（スワール比が１．０以上である）ことを意味している。スワール比は、エンジンの回転数に対するスワールの数で示される。
図示の実施形態では、少なくともスワール比が１．０以上、好ましくはスワール比が２．０以上となる様に構成されている。

主燃焼室１０内で発生するスワールを強くして、高スワールを達成するための具体的な構成としては、図４において、第１の吸気ポート４Ａと第２の吸気ポート４Ｂとの最大距離δを大きくする。そして、第２の吸気ポート４Ｂにおける第１の吸気ポート４Ａと最も離隔した個所における曲率半径Ｒを小さくすれば良い。

発明者は、スワール比が２．０の場合（高スワールの場合）における主燃焼室１０内の燃料ガス濃度をシミュレーションすると共に、スワール比が０．５の場合（低スワールの場合）における主燃焼室１０内の燃料ガス濃度をシミュレーションした。その結果、高スワールの場合の方が、中央リーンの傾向が顕著な（図３で示す様な）濃度分布となった。
係るシミュレーションの結果から、スワール比が高いほど、中央リーンの傾向が強くなり、ノッキングを抑制することが分かった。

ここで、吸気弁４Ａ、４Ｂと排気弁ＥＶ（図４、図５では点線で示す）が、図５で示す様に配置されている場合、図示の実施形態においては、シリンダヘッド２側から見て、時計方向に回転するスワールが主燃焼室１０で発生する場合に、排気弁ＥＶを１２時方向に見て、６時方向に配置されている吸気弁４Ａ、４Ｂのシート位置４Ａｏ、４Ｂｏにおいて、シリンダヘッド２側から見て６時〜９時の領域α（図５において、左下がりのハッチングで示す領域）に燃料ガスが流れる様に、燃料噴射機構８から燃料ガスが噴射される。

吸気弁４Ａ、４Ｂのシート位置において、シリンダヘッド２側から見て６時〜９時の領域αに燃料ガスが流れる様にするには、図２で示す吸気ポート４Ａ、４Ｂが矩形断面を有する場合は、例えば、燃料噴射機構８における燃料ガス噴射孔８１を吸気ポート４Ａ、４Ｂの上部壁の近傍に位置せしめ、且つ、燃料ガス噴射口８１が吸気ポート４Ａ、４Ｂの左側壁（曲率半径の大きな方の壁面４Ａｌ、４Ｂｌ）に向うようにすれば良い。ただし、燃料噴射機構８の位置や、吸気ポート４Ａ、４Ｂの断面形状によって、異なる場合がある。
より詳細には、図示の実施形態において、吸気弁４Ａ、４Ｂのシート位置において、シリンダヘッド２側から見て６時〜９時の領域α（図５）に燃料ガスが流れる様にするには、図８において、燃料ガス噴射口８１から噴射される燃料ガスが、断面で示す吸気ポート４Ａ、４Ｂの左側壁上方の領域ＡＵ（図８において点線で示す領域）に向かうように構成すれば良い。

一方、主燃焼室１０におけるスワールが、反時計方向であれば、排気弁ＥＶを１２時方向に見て、６時方向に配置されている吸気弁４Ａ、４Ｂのシート位置４Ａｏ、４Ｂｏにおいて、シリンダヘッド２側から見て３時〜６時の領域β（図５において、横方向のハッチングで示す領域）に燃料ガスが流れる様に、燃料噴射機構８から燃料ガスが噴射される。

発明者の実験によれば、シリンダヘッド２側から見て時計方向に回転するスワールが発生する場合、吸気弁４Ａ、４Ｂのシート位置４Ａｏ、４Ｂｏにおいて、シリンダヘッド２側から見て６時〜９時の領域αに燃料ガスが流れる様に燃料ガスを噴射すれば、スワールにより燃料ガスは主燃焼室１０の周辺部に供給されるが、主燃焼室１０の中央部分にはさほど供給されないことが確認されている。
また、反時計方向のスワールが発生する場合に、シリンダヘッド２側から見て３時〜６時の領域βに燃料ガスが流れる様に燃料ガスを噴射した場合も同様に、スワールにより燃料ガスは主燃焼室１０の周辺部に供給され、主燃焼室１０の中央部分にはさほど供給されない。
そのため、噴射領域α（時計回りのスワールの場合）或いは領域β（反時計回りのスワールの場合）に燃料ガスが流れる様に、燃料噴射機構８から燃料ガスを噴射すれば、主燃焼室１０における燃料ガスの濃度分布が、中央リーンの状態となる。

吸気弁４Ａ、４Ｂのシート位置４Ａｏ、４Ｂｏにおいて、シリンダヘッド２側から見て６時〜９時の領域α（図５）に燃料ガスが流れる様に燃料ガスを噴射して、シリンダヘッド２側から見て時計方向に回転するスワールを発生させた場合に、主燃焼室１０内の燃料ガス濃度分布をシミュレーションした結果が図９で示されている。
図９において、主燃焼室１０の燃料ガスの濃度が高い領域は微小なドットが多い領域として示されており、燃料ガス濃度が低い領域は微小なドットが少ない領域として示されている。
図９から明らかなように、主燃焼室１０における燃料ガスの濃度分布は中央リーンの状態となっており、副室６の先端６１の近傍領域における燃料ガス濃度は低い。そのため、副室６に流入する燃料ガス濃度も低くなり、副室６内における燃料の濃度も薄くなる。そして、副室先端６１から主燃焼室１０内に噴射される火炎も弱くなり、主燃焼室１０内に噴射される火炎の燃焼が抑制される。その結果、主燃焼室１０における燃焼速度が緩やかになり、点火時期を進角しても、ノッキングが発生し難くなる。

図示の実施形態において、燃料ガスの噴射タイミングを制御することにより、主燃焼室１０を中央リーンにすることが出来る。
燃料ガスの噴射タイミングを示す図６においては、「基準条件」と表示（ブロック矢印Ａ）されている燃料ガス噴射タイミングと、「早期供給」と表示（ブロック矢印Ｂ）されている燃料ガス噴射タイミングとが示されている。

ここで、図２で示す様に、図示の実施形態では、吸気ポート４Ａ、４Ｂに配置された燃料噴射機構８から、燃料ガスが噴射され、新気（エア）と混合して主燃焼室１０内に流入する。従って、燃料噴射機構８を設けた位置や、燃料ガス噴射量、燃料ガス噴射圧によって、同一タイミングで燃料噴射機構８から燃料ガスを噴射しても、主燃焼室１０に到達するタイミングは異なる。図６で示す噴射タイミングは、燃料噴射機構８から燃料ガスを噴射するタイミングであり、主燃焼室１０に燃料ガスが流入するタイミングではない。
図６は、クランク角度θに対する吸気弁、排気弁のバルブリフト量Ｌｉ、Ｌｘを示している。そして、図６において、ＴＤＣは上死点を示し、ＢＤＣは下死点を示している。

図６において、「基準条件」と表示（ブロック矢印Ａ）されている燃料ガス噴射タイミングは、従来の副室式ガスエンジンと同様な燃料ガス供給が行われる様に、燃料噴射機構８からの燃料ガス噴射タイミングを設定した場合を示している。
一方、図６において「早期供給」と表示されている燃料ガス噴射タイミングは、図示の実施形態における燃料噴射機構８からの燃料ガス噴射タイミングを示している。
図６から明らかな様に、図示の実施形態に係る燃料ガス噴射タイミング「早期供給」（ブロック矢印Ｂ）は、「基準条件」と表示（ブロック矢印Ａ）されている噴射タイミングに比較して、燃料噴射の始期Ｔｓ及び終期Ｔｅが早くなっている。

ここで、「早期供給」なる文言は厳密な定義が存在する訳ではない。燃料噴射（燃料ガス供給）の終期が、吸気バルブ５Ａ、５Ｂが閉鎖されるタイミングよりも早ければ、構わない。
図６における「早期供給」と表示されている噴射タイミング（図示の実施形態におけるタイミング）で燃料ガスを噴射した場合における主燃焼室１０内の燃料ガス濃度分布をシミュレーションした結果（図３）と、「基準条件」と表示されている噴射タイミングで燃料ガスを噴射した場合における主燃焼室内の燃料ガス濃度分布をシミュレーションした結果とを、発明者は比較した。その結果、「早期供給」と表示されている噴射タイミング（図示の実施形態におけるタイミング）のシミュレーション結果の方が、「中央リーン」の傾向が顕著に現れた。

図６において、「早期供給」と表示（ブロック矢印Ｂ）されている噴射タイミング（図示の実施形態におけるタイミング）は、上死点前５０°〜上死点後６５°で燃料ガスを噴射している。
また、図６において、「基準条件」と表示（ブロック矢印Ａ）されている噴射タイミングでは、上死点前１０°〜上死点後１００°で燃料ガスを噴射している。
これ等の噴射タイミングは、実験例であり、一般的な範囲ではない。例えば、上述した様に、吸気ポート４Ａ、４Ｂに配置された燃料噴射機構８の位置や、燃料ガス噴射量、燃料ガス噴射圧によって、変動する数値である。

図６において、「早期供給」と表示（ブロック矢印Ｂ）されている噴射タイミング（図示の実施形態におけるタイミング）は、上死点前５０°〜上死点後６５°で燃料ガスを噴射しており、係るタイミングで燃料ガスを噴射した場合の主燃焼室１０内の燃料ガス濃度分布をシミュレーションした結果が、図１０、図１１で示されている。
図１０において、吸気バルブ５Ａ、５Ｂが閉じる際に、燃料ガスの噴射開始時期と噴射終了時期とが早期となったため、燃料ガスが主燃焼室１０の下方の領域に偏在し、主燃焼室１０の上方領域１０Ｕ（図１０において点線で示す領域）がリーンとなっている。
図１０、図１１においては、図９と同様に、主燃焼室１０の微小なドットが多い領域は燃料ガスの濃度が高く、微小なドットが少ない領域は燃料ガス濃度が低い。

図１０の段階で主燃焼室１０の上方に存在するリーンの領域は、図１１で示す圧縮行程で生じるタンブル流Ｆｔによって主燃焼室１０の中央部分に集められ、以って、主燃焼室１０が中央リーンとなる。
タンブル流Ｆｔが弱くても、燃料ガスの噴射時期が早期となるので、圧縮行程においても図１１で示すように圧縮行程においても燃焼室１０上方は燃料リーンのままである。したがって、副室６の先端６１の近傍領域における燃料ガス濃度は低くなり、副室６に流入する燃料ガス濃度も低くなる。
そして、副室６内における燃料の濃度も薄くなり、副室先端６１から主燃焼室１０内に噴射される火炎も弱くなるので、主燃焼室１０内に噴射される火炎の燃焼が抑制される。その結果、主燃焼室１０における燃焼速度が緩やかになり、点火時期を進角しても、ノッキングが発生し難くなる。

上述したように、図９は、シリンダヘッド２側から見て６時〜９時の領域αに燃料ガスが流れる様に燃料ガスを噴射して、スワールを発生された場合における主燃焼室１０内の燃料ガス濃度分布をシミュレーションした結果を示している。
主燃焼室１０内の燃料ガス濃度分布が図９で示すシミュレーション結果となる様にスワールを発生させると共に、図６において「早期供給」と表示（ブロック矢印Ｂ）されている様に、噴射タイミング（図示の実施形態におけるタイミング）として、上死点前５０°〜上死点後６５°で燃料ガスを噴射した場合において、主燃焼室１０内の燃料ガス濃度分布をシミュレーションした結果が図３である。
換言すれば、図３は、スワールを発生させ、且つ、燃料ガスの「早期供給」（図６の矢印Ｂ）を行なった場合における燃料ガス濃度分布のシミュレーション結果を示している。

明確には図示されていないが、燃料ガスが噴射されると、主燃焼室１０には先ず燃料ガスが流入し、燃料ガスの流入が完了した後に新気が流入する様に構成しても良い。
そのように構成すれば、中央リーンとなる傾向が顕著となるからである。

以上説明した様に、図示の実施形態によれば、主燃焼室１０内における燃料ガスの濃度分布が中央リーンとなる様に構成されているので、点火時期を進角しても、ノッキングが抑制される。その結果、図示の実施形態に係る副室式ガスエンジンは、高効率化が実現できる。

また、図示の実施形態では、主燃焼室１０内に形成されるスワールが、そのスワール比が少なくとも１．０以上、好ましくは２．０以上になる様に構成されているので、主燃焼室１０内における燃料ガスの濃度分布を中央リーンにし易いのである。

さらに図示の実施形態では、シリンダヘッド２側から見て、吸気弁のシート位置４Ａｏ、４Ｂｏにおける６時〜９時の領域αに燃料ガスが流れる様に燃料ガスを噴射し、或いは、反時計方向のスワールが発生する場合は、シリンダヘッド２側から見て、吸気弁のシート位置４Ａｏ、４Ｂｏにおける３時〜６時の領域βに燃料ガスが流れる様に燃料ガスを噴射しているので、主燃焼室１０内における燃料ガスの濃度分布を中央リーンにすることが出来る。

これに加えて、図示の実施形態によれば、燃料ガスの供給を、従来の副室式ガスエンジンに比較して早い時期に行っている（早期供給としている）結果、主燃焼室１０内における燃料ガスの濃度分布が中央リーンにすることが出来る。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付記する。

本発明の実施形態の要部を示す部分断面図。実施形態を示す平面図。中央リーンの状態における燃料ガス濃度分布のシミュレーションの一例を示す図。実施形態においてスワール比を高くするための構造を説明する平面図。スワール比を高くするその他の条件を説明する平面図。燃料ガス供給タイミングを示す説明図。燃料ガス噴射機構近傍の構造を示す斜視図。図示の実施形態において、燃料ガス噴射口からの燃料ガスが噴射される吸気ポート内の領域を示す断面図。図示の実施形態において、スワールを発生させた場合における主燃焼室内の燃料ガス濃度分布をシミュレーションした結果を示す図。早期噴射を行なった場合に、吸気バルブが閉じる時点における主燃焼室内の燃料ガス濃度分布のシミュレーション結果を示す図。早期噴射を行なった場合に、圧縮行程における主燃焼室内の燃料ガス濃度分布のシミュレーション結果を示す図であって、タンブル流が生じることを示す図。

符号の説明

１・・・シリンダ
２・・・シリンダヘッド
３・・・ピストン
４Ａ、４Ｂ・・・吸気ポート
５Ａ、５Ｂ・・・吸気弁
６・・・副室ハウジング
７・・・軽油噴射機構
８・・・燃料ガス噴射機構
１０・・・主燃焼室
１１・・・シリンダ壁
２０・・・副燃焼室／副室
６１・・・副室先端
１００・・・副室式ガスエンジン

Claims

主燃焼室（１０）と、副室（２０）と、主燃焼室（１０）に連通して燃料ガス及び空気を供給する吸気ポート（４Ａ、４Ｂ）とを有し、副室（２０）内で二次燃料を燃焼させ、主燃焼室（１０）に突出した副室先端（６１）からトーチ状の火炎（Ｆ２）を噴射して主燃焼室（１０）内の燃料ガスと空気との混合気を燃焼させる副室式ガスエンジンにおいて、吸気ポート（４Ａ、４Ｂ）に燃料ガス噴射機構（８）が配置されており、吸気行程で主燃焼室（１０）で燃料ガスと空気との混合気が１．０以上のスワール比のスワール（Ｆｓ）を生じ、以って、主燃焼室（１０）における副室先端（６１）の近傍領域における燃料ガス濃度が主燃焼室（１０）の周縁部よりも薄くなる様に構成され、主燃焼室（１０）に生じるスワール（Ｆｓ）はシリンダヘッド（２）側から見て時計方向に回転し、排気弁（ＥＶ）を１２時方向に見て６時方向に配置されている吸気弁（４Ａ、４Ｂ）のシート位置（４Ａｏ、４Ｂｏ）のシリンダヘッド（２）側から見て６時〜９時の領域に燃料ガスが流れるように構成されていることを特徴とする副室式ガスエンジン。
主燃焼室（１０）と、副室（２０）と、主燃焼室（１０）に連通して燃料ガス及び空気を供給する吸気ポート（４Ａ、４Ｂ）とを有し、副室（２０）内で二次燃料を燃焼させ、主燃焼室（１０）に突出した副室先端（６１）からトーチ状の火炎（Ｆ２）を噴射して主燃焼室（１０）内の燃料ガスと空気との混合気を燃焼させる副室式ガスエンジンにおいて、吸気ポート（４Ａ、４Ｂ）に燃料ガス噴射機構（８）が配置されており、吸気行程で主燃焼室（１０）で燃料ガスと空気との混合気が１．０以上のスワール比のスワール（Ｆｓ）を生じ、以って、主燃焼室（１０）における副室先端（６１）の近傍領域における燃料ガス濃度が主燃焼室（１０）の周縁部よりも薄くなる様に構成され、主燃焼室（１０）に生じるスワール（Ｆｓ）はシリンダヘッド（２）側から見て反時計方向に回転し、排気弁（ＥＶ）を１２時方向に見て、６時方向に配置されている吸気弁（４Ａ、４Ｂ）のシート位置（４Ａｏ、４Ｂｏ）のシリンダヘッド側から見て３時〜６時の領域に燃料ガスが流れるように構成されていることを特徴とする副室式ガスエンジン。