JP5325020B2 - 副室式エンジン - Google Patents
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Description
1〜2MWクラスの中型コージェネレーションシステムにおいては、高効率を実現できることから、副室式エンジンを採用することが主流となってきている。副室式エンジンでは、主室と呼ばれる通常の燃焼室と、その主室に噴孔を介して連通する副室と呼ばれる燃焼室を備える。そして、吸気行程では、主室の吸気路に設けられる吸気弁を開弁して主室に希薄混合気を導入するとともに、副室に濃い混合気を形成して着火性を確保することにより、従来よりも希薄な混合気の燃焼を行っている。
更に、今後、エンジンの高出力化・高効率化を進めるためには、1気筒当たりの出力を増大させる必要がある。そのため、副室内の温度が現状よりも更に高温化し、点火プラグの耐久性が問題になる可能性がある。
前記副室に燃料ガスを供給する副室燃料ガス通路と、
前記副室に形成された混合気を火花点火する点火部と、を供える副室式エンジンであって、
前記副室を冷却するための冷却ガスを前記副室に供給する冷却ガス供給機構を備え、
前記冷却ガス供給機構は、
前記冷却ガスを前記副室に供給する冷却ガス供給路と、
前記冷却ガス供給路に設けられ、上流側の圧力が前記副室の圧力よりも設定開弁圧以上高いときに開弁する冷却ガス用逆止弁と、
前記冷却ガス用逆止弁の上流側の前記冷却ガス供給路の圧力を基準圧力に調整する圧力調整手段とを有し、
前記基準圧力は、前記主室の排気行程における前記副室の圧力よりも前記設定開弁圧以上高く、前記主室の吸気行程における前記副室の圧力よりも第1設定圧力であり、
前記冷却ガス用逆止弁が、前記主室の排気行程及び前記主室の圧縮工程の初期において開弁状態となり、前記冷却ガスが前記副室に供給される点にある。
前記副室に燃料ガスを供給する副室燃料ガス通路と、
前記副室に形成された混合気を火花点火する点火部と、を供える副室式エンジンであって、
前記主室の吸気工程において、吸気弁を前記吸気工程の下死点よりも早い時期に閉弁させる吸気弁開閉時期調整部を備えてミラーサイクルエンジンとして作動し、
前記副室を冷却するための冷却ガスを前記副室に供給する冷却ガス供給機構を備え、
前記冷却ガス供給機構は、
前記冷却ガスを前記副室に供給する冷却ガス供給路と、
前記冷却ガス供給路に設けられ、上流側の圧力が前記副室の圧力よりも設定開弁圧以上高いときに開弁する冷却ガス用逆止弁と、
前記冷却ガス用逆止弁の上流側の前記冷却ガス供給路の圧力を基準圧力に調整する圧力調整手段とを有し、
前記冷却ガス用逆止弁が、前記主室の圧縮工程の初期において開弁状態となり、前記冷却ガスが前記副室に供給される点にある。
図1は、副室式エンジンの構成を説明する図である。図1に示すように、副室式エンジン100は、ピストン2に面する主室10及びその主室10に噴孔21を介して連通する副室11を有する燃焼室1と、主室10の吸気路5に設けられる吸気弁4及び排気路7に設けられる排気弁6と、副室11に燃料ガスG1を供給する副室燃料ガス通路14と、副室11に形成された混合気を火花点火する点火部12と、副室燃料ガス通路14に設けられる副室弁30と、を備える。上記副室11の容積は、燃焼室1全体の容積の数%(例えば3%)程度である。
更に、排気行程において排気弁6が開弁状態となると、燃焼室1と排気路7とが連通状態となることから、燃焼室1の圧力も上記排気圧力に略相当するものとなる。尚、上記吸気圧力及び排気圧力については、吸気路5及び排気路7に発生する脈動により変化する場合があるが、その場合には、その圧力変化の最低圧力を夫々の圧力として取り扱う。
次に、副室弁30の構成について説明する。
シリンダヘッド9に形成された副室11を形成する円柱状の凹部の上方開口部には当該開口部に嵌合する形態で、有底筒状の副室上部金物31が取り付けられている。副室上部金物31には、その内部空間にガスチャンバ32が形成されるように、副室弁30が取り付けられている。燃料ガスG1は、副室燃料ガス通路14からガスチャンバ32に先ず流入する。そして、副室弁30が閉じられている間はガスチャンバ32から副室11への燃料ガスG1の供給は行われず、副室弁30が開かれるとガスチャンバ32に流入していた燃料ガスG1が副室11に供給される。
次に、燃料ガス供給圧力調整部38の構成について説明する。
本実施形態の副室式エンジン100は、副室燃料ガス通路14の副室弁30の上流側における燃料ガスG1の供給圧力が吸気路5における吸気圧力よりも設定差圧だけ高くなるように燃料ガスG1の供給圧力を制御する燃料ガス供給圧力調整部38を備える。また、副室弁30よりも上流側の副室燃料ガス通路14には、燃料ガスG1の供給圧力を調整する圧力調整弁37が設けられている。そして、燃料ガス供給圧力調整部38は、吸気行程において、吸気路5に設けられた圧力センサ25で計測された吸気圧力(燃焼室1の圧力に相当)と、副室燃料ガス通路14の副室弁30よりも上流側の圧力センサ26で計測された燃料ガスG1の供給圧力との差圧(即ち、「燃料ガスG1の供給圧力−吸気圧力」で導出される圧力)が一定値になるように、燃料ガスG1の供給圧力を調整する圧力調整弁37の作動を制御する。その結果、副室弁30が開弁されていれば、副室弁30の上流側の圧力は下流側の副室11の圧力よりも上記設定差圧だけ高くなり、燃料ガスG1が副室燃料ガス供給通路14を介して副室11に流入する。即ち、燃料ガス供給圧力調整部38は、吸気行程において吸気圧力が変動した場合でも、その吸気圧力の変動に応じて圧力調整弁37により燃料ガス供給圧力を変化させて、副室弁30の上流側の圧力を下流側の副室11の圧力よりも高くしている。
次に、副室弁開閉時期調整部40及び弁開閉時期調整部50の構成について説明する。
副室式エンジン100は、上記副室弁30の開閉時期を調整する副室弁開閉時期調整部40を備える。副室弁30は、例えば電磁弁により構成される弁機構であり、副室弁開閉時期調整部40は、電磁弁への通電状態を変えることで開弁状態と閉弁状態との切り換えを行える。この副室弁開閉時期調整部40は、クランク軸16の回転角を検出するクランク角センサ46の検出結果に基づいて、後述するような適切なタイミングで副室弁30の開閉状態を調整する。具体的には、副室弁開閉時期調整部40は、副室弁30を主室10の吸気行程の開始と共に開弁させ且つ吸気行程の下死点よりも早い時期に閉弁させる。
また、副室式エンジン100は、吸気弁4の開閉時期を調整する吸気弁開閉時期調整部51と排気弁6の開閉時期を調整する排気弁開閉時期調整部52とを有する弁開閉時期調整部50を備える。吸気弁開閉時期調整部51及び排気弁開閉時期調整部52のそれぞれは、クランク軸16と連動するカムシャフト等の動弁機構によって実現される。そして、それぞれの動弁機構を用いて、吸気弁4及び排気弁6の開閉時期及びリフト量が調整される。
本実施形態の副室式エンジン100は、副室11を冷却するための冷却ガスを副室11に供給する冷却ガス供給機構Cを備える。本実施形態では、冷却ガスとして空気を用いるが、他のガスを用いてもよい。この冷却ガス供給機構Cは、冷却ガスを副室11に供給する冷却ガス通路74と、冷却ガス通路74に設けられ、上流側の圧力が副室11の圧力よりも設定開弁圧:ΔP1以上高いときに開弁する冷却ガス用逆止弁60と、冷却ガス用逆止弁60の上流側の冷却ガス通路74の圧力を基準圧力に調整する冷却ガス供給圧力調整部68とを有する。このうち、冷却ガス通路74は本発明の「冷却ガス供給路」に相当し、冷却ガス供給圧力調整部68は本発明の「圧力調整手段」に相当する。
加えて、冷却ガス通路74には、冷却ガスG2の供給圧力を調整する圧力調整弁67が設けられている。そして、冷却ガス供給圧力調整部68は、冷却ガス通路74に設けられた圧力センサ27で計測された冷却ガス圧力が上記基準圧力になるように圧力調整弁67の作動を制御する。
次に、冷却ガス用逆止弁60の構成について説明する。
シリンダヘッド9に形成された副室11の側部には、冷却ガス供給口62が形成されている。この冷却ガス供給口62に連通する空間には、内部に冷却ガス通路74を形成する冷却ガス供給管63が取り付けられている。
一方で、冷却ガス用逆止弁60の上流側の冷却ガス通路74の圧力が、副室11の圧力よりも設定開弁圧:ΔP1未満だけ高い又は副室11の圧力以下になると、冷却ガス用逆止弁60が閉弁する。つまり、副室11の圧力と付勢部材66の付勢力との和が、冷却ガス用逆止弁60の上流側の冷却ガス通路74の圧力に打ち勝ち、弁体65が上方に移動して弁座部64に当接すると、冷却ガス供給管63の先端開口部が閉鎖される。その結果、冷却ガス通路74から副室11への冷却ガスG2の供給が冷却ガス用逆止弁60で停止される。
次に、図2及び図3を参照して、副室式エンジン100の膨張行程、排気行程、吸気行程及び圧縮行程における冷却ガス用逆止弁の動作について説明する。図2は、吸気弁及び排気弁の開閉タイミングを説明する図である。図3は、本実施形態の副室式エンジンの膨張行程、排気行程、吸気行程及び圧縮行程における燃焼室内の圧力と冷却ガス用逆止弁の上流側の圧力との推移を説明する図である。図3において、燃焼室内の圧力は実線で示し、冷却ガス用逆止弁の上流側の圧力は鎖線又は二点鎖線で示す。
図2に示すように、本実施形態の副室式エンジン100では、公知のミラーサイクルエンジンと同様に、吸気弁開閉時期調整部51は、吸気弁4を、通常時(図2中で破線で示す)に比べて早い時期に閉弁する。具体的には、吸気行程における吸気弁4の閉弁タイミングは、主室10の下死点よりも早い時期(例えば、90°ATDC)に設定される。副室弁開閉時期調整部40は、クランク軸16の回転角を検出するクランク角センサ46の検出結果を参照して、所定のタイミングで副室弁30を開閉させる。本実施形態では、副室弁30の開閉タイミングが吸気弁4の開閉タイミングと同期するように設定されている。
冷却ガス用逆止弁60の上流側の冷却ガス通路74の圧力は冷却ガス供給圧力調整部68によって一定の基準圧力(第1設定圧力)に調整されている。具体的には、主室10の排気行程において、冷却ガスを副室11に流入させるのであれば、主室10の排気行程における副室11の圧力よりも設定開弁圧:ΔP1以上高い第1設定圧力(図3において二点鎖線で示す)を、上記基準圧力として設定すればよい。ここで、「主室10の排気行程における副室11の圧力」とは、図3に示すような排気行程における副室11の圧力の最小値のことを意味する。この場合、図3に示すように、冷却ガス用逆止弁60の上流側の冷却ガス通路74の圧力が、副室11の圧力よりも設定開弁圧:ΔP1以上高い間は、冷却ガス用逆止弁60は開弁する。そして、冷却ガスが副室11に流入し、副室11の温度が低下する。
このように、上記基準圧力を第1設定圧力に設定して主室10の排気行程において冷却ガスを副室11に流入させたところ、副室11に設けられた点火プラグ12の温度は約480℃となった。尚、冷却ガスを副室11に流入させなかったときの点火プラグ12の温度は約500℃であった。
また、参考例として、主室10の吸気行程において、冷却ガスを副室11に流入させるのであれば、主室10の吸気行程における副室11の圧力よりも設定開弁圧:ΔP1以上高い第2設定圧力(図3において鎖線で示す)を、上記基準圧力として設定すればよい。ここで、「主室10の吸気行程における副室11の圧力」とは、図3に示すような吸気行程における副室11の圧力の最大値のことを意味する。この場合、図3に示すように、冷却ガス用逆止弁60の上流側の冷却ガス通路74の圧力が、副室11の圧力よりも設定開弁圧:ΔP1以上高い間は、冷却ガス用逆止弁60は開弁する。そして、冷却ガスが副室11に流入するため、副室11の温度を低下させることができる。
この参考例のように、上記基準圧力を第2設定圧力に設定して主室10の排気行程及び吸気行程において冷却ガスを副室11に流入させたところ、副室11に設けられた点火プラグ12の温度は約450℃となった。
<1>
上記実施形態において、副室11の内部への冷却ガスの流入方向は適宜設定可能である。例えば、副室11の中でも特に点火プラグ12の周囲を冷却したい場合、冷却ガス用逆止弁60から流出する冷却ガスが点火プラグ12に向かうように、シリンダヘッド9における冷却ガス用逆止弁60の設置位置を設計すればよい。
上記実施形態では、副室11に燃料ガスを供給するための弁としての副室弁30が電磁弁である例を説明したが、電磁弁以外の弁を用いてもよい。例えば、吸気弁4及び排気弁6と同様に、クランク軸16と連動するカムシャフト等の動弁機構(副室弁開閉時期調整部40の改変例)によって駆動される機械式の弁などを用いてもよい。或いは、上記副室弁として、弁の上流側の圧力が下流側の圧力よりも設定開弁圧以上高くなると開弁する逆止弁を用いてもよい。
上記実施形態において、予め冷却しておいた冷却ガスG2を副室11に供給してもよい。
上記実施形態において、副室弁30の開閉タイミングを吸気弁4の開閉タイミングと非同期にしてもよい。具体的には、副室弁開閉時期調整部40が、副室弁30の開閉タイミングを、吸気弁4の開閉タイミングとは別のタイミングに設定すればよい。
2 ピストン
10 主室
11 副室
14 副室燃料ガス通路
12 点火部(点火プラグ)
21 噴孔
60 冷却ガス用逆止弁
68 冷却ガス供給圧力調整部(圧力調整手段)
74 冷却ガス通路(冷却ガス供給路)
100 副室式エンジン
C 冷却ガス供給機構
G1 燃料ガス
G2 冷却ガス
Claims (3)
- ピストンに面する主室と、前記主室に噴孔を介して連通する副室とを有する燃焼室と、
前記副室に燃料ガスを供給する副室燃料ガス通路と、
前記副室に形成された混合気を火花点火する点火部と、を供える副室式エンジンであって、
前記副室を冷却するための冷却ガスを前記副室に供給する冷却ガス供給機構を備え、
前記冷却ガス供給機構は、
前記冷却ガスを前記副室に供給する冷却ガス供給路と、
前記冷却ガス供給路に設けられ、上流側の圧力が前記副室の圧力よりも設定開弁圧以上高いときに開弁する冷却ガス用逆止弁と、
前記冷却ガス用逆止弁の上流側の前記冷却ガス供給路の圧力を基準圧力に調整する圧力調整手段とを有し、
前記基準圧力は、前記主室の排気行程における前記副室の圧力よりも前記設定開弁圧以上高く、前記主室の吸気行程における前記副室の圧力よりも低い第1設定圧力であり、
前記冷却ガス用逆止弁が、前記主室の排気行程及び前記主室の圧縮工程の初期において開弁状態となり、前記冷却ガスが前記副室に供給される副室式エンジン。 - ピストンに面する主室と、前記主室に噴孔を介して連通する副室とを有する燃焼室と、
前記副室に燃料ガスを供給する副室燃料ガス通路と、
前記副室に形成された混合気を火花点火する点火部と、を供える副室式エンジンであって、
前記主室の吸気工程において、吸気弁を前記吸気工程の下死点よりも早い時期に閉弁させる吸気弁開閉時期調整部を備えてミラーサイクルエンジンとして作動し、
前記副室を冷却するための冷却ガスを前記副室に供給する冷却ガス供給機構を備え、
前記冷却ガス供給機構は、
前記冷却ガスを前記副室に供給する冷却ガス供給路と、
前記冷却ガス供給路に設けられ、上流側の圧力が前記副室の圧力よりも設定開弁圧以上高いときに開弁する冷却ガス用逆止弁と、
前記冷却ガス用逆止弁の上流側の前記冷却ガス供給路の圧力を基準圧力に調整する圧力調整手段とを有し、
前記冷却ガス用逆止弁が、前記主室の圧縮工程の初期において開弁状態となり、前記冷却ガスが前記副室に供給される副室式エンジン。 - 前記冷却ガスは空気である請求項1又は2に記載の副室式エンジン。
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