JP5357926B2 - Sub-chamber gas engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、副燃焼室（副室）を備えた副室式ガスエンジンに関し、特に、ガスエンジンの副燃焼室から主燃焼室に燃焼ガスを噴射するノズル（噴孔）に関する。 The present invention relates to a sub-chamber type gas engine having a sub-combustion chamber (sub-chamber), and more particularly to a nozzle (injection hole) for injecting combustion gas from a sub-combustion chamber of a gas engine into a main combustion chamber.
副室式ガスエンジンは、主燃焼室（以下、「主室」ともいう）と、そこからノズルを介して繋がった副燃焼室（以下、「副室」ともいう）とを備えている。主室には、リーンな（希薄な）混合気（燃料ガス）が給気バルブを通じて供給される。リーンな混合気は、給気にガス燃料を混合して生成されたものである。リーンな混合気の空気過剰率λは、燃料に対して理論空気量より多い空気が混合することによって大きくなっている（たとえば、λ＝２程度）。副室には、点火プラグが設けられている。副室には、空気過剰率λが１程度のリッチな混合気（着火用燃料ガス）が供給される。上記副室式ガスエンジンでは、まず、副室に設けられた点火プラグに点火して、副室の着火用燃料ガスに着火する。副室内で生じた火炎は、火炎面が点火プラグから球状に広がって伝播し、高温の燃料ガスが複数のノズルを通じて火炎ジェットとして主室内に噴出し、火炎ジェットから主室内の希薄な燃料ガスに火炎が伝播する。このとき、副室内の壁表面の温度は、１０００℃程度に達する。 The sub-chamber type gas engine includes a main combustion chamber (hereinafter also referred to as “main chamber”) and a sub-combustion chamber (hereinafter also referred to as “sub-chamber”) connected thereto through a nozzle. A lean (lean) mixture (fuel gas) is supplied to the main chamber through an air supply valve. A lean air-fuel mixture is produced by mixing gas fuel with the supply air. The air excess ratio λ of the lean air-fuel mixture is increased by mixing more air than the theoretical air amount with the fuel (for example, about λ = 2). A spark plug is provided in the sub chamber. A rich air-fuel mixture (ignition fuel gas) having an excess air ratio λ of about 1 is supplied to the sub chamber. In the sub chamber type gas engine, first, a spark plug provided in the sub chamber is ignited to ignite the fuel gas for ignition in the sub chamber. The flame generated in the sub chamber propagates in a spherical shape from the spark plug, and the high temperature fuel gas is jetted into the main chamber as a flame jet through a plurality of nozzles, and from the flame jet to the lean fuel gas in the main chamber. A flame spreads. At this time, the temperature of the wall surface in the sub chamber reaches about 1000 ° C.
上記副室式ガスエンジンにおいて、副室と主室とを繋いでいる複数のノズルは副室底部において放射状に開口しており、ノズルより主室へ噴出した火炎ジェットは主室内に分散して広がる。副室からノズルを通じて主室に噴射される火炎ジェットには、主室で燃料ガスに着火させるための強度、すなわち噴射量と噴射速度が必要である。このような主室内の燃焼を考慮して、ノズルは火炎ジェットの強度を最適にするように設計される。 In the sub-chamber type gas engine, the plurality of nozzles connecting the sub-chamber and the main chamber are opened radially at the bottom of the sub-chamber, and the flame jets ejected from the nozzle into the main chamber are spread and spread in the main chamber. . A flame jet that is injected from the sub chamber to the main chamber through the nozzle needs strength to ignite the fuel gas in the main chamber, that is, an injection amount and an injection speed. In consideration of such combustion in the main chamber, the nozzle is designed to optimize the strength of the flame jet.
空気過剰率λが１以下のリッチな混合気は、燃焼すると数千ｐｐｍのＮＯｘを発生するので、脱硝装置を装備する必要がある。しかし、リーンな混合気を燃焼させた場合（リーンバーン）では発生するＮＯｘを一般に数百ｐｐｍ程度に抑えられるので、脱硝装置を備える必要がない場合もある。 A rich air-fuel mixture with an excess air ratio λ of 1 or less generates several thousand ppm of NOx when combusted, so it is necessary to equip a denitration device. However, when a lean air-fuel mixture is burned (lean burn), NOx generated is generally suppressed to about several hundred ppm, so there is a case where it is not necessary to provide a denitration device.
副室式ガスエンジンの副室の内壁は、ニッケル系合金（たとえば、インコネル）で形成されている。そして、副室式ガスエンジンの副室と主室を繋いでいるノズル（噴孔）は、通常、直管として機械加工される。このような従来の副室式ガスエンジンを長期間運転させると、ノズルの副室側の入口のエッジが崩れてくる。前述のように、副室内は１０００℃以上の高温になるので、副室の内壁面は高温雰囲気に曝されて膨張することと冷やされて収縮することを繰り返す。このような冷熱サイクルにより副室の内壁は熱疲労し、やがて、亀裂（ひび割れ）が生じる。亀裂は、特に、ノズルの副室側開口縁近傍に多く発生する。ノズルの副室側開口縁近傍の亀裂が進行すると、ノズルの内壁にも亀裂が生じる。このようにして亀裂が生じたノズルの内壁を高温の火炎ジェットが通過すると、亀裂の一部が剥離してノズルの入口のエッジ（開口縁）が欠落したり、ノズルの内壁や副室のノズル周縁の内壁が剥がれて表面が荒れたりする。 The inner wall of the sub chamber of the sub chamber type gas engine is formed of a nickel-based alloy (for example, Inconel). The nozzle (injection hole) connecting the sub chamber and the main chamber of the sub chamber type gas engine is usually machined as a straight pipe. When such a conventional sub-chamber type gas engine is operated for a long period of time, the inlet edge of the nozzle on the sub-chamber side collapses. As described above, since the sub chamber has a high temperature of 1000 ° C. or higher, the inner wall surface of the sub chamber is repeatedly exposed to a high temperature atmosphere and expanded and cooled and contracted repeatedly. Due to such a cooling / heating cycle, the inner wall of the sub chamber is thermally fatigued and eventually cracks (cracks) occur. In particular, many cracks occur in the vicinity of the opening edge of the nozzle on the sub chamber side. When cracks near the sub chamber side opening edge of the nozzle progress, cracks also occur on the inner wall of the nozzle. When a high-temperature flame jet passes through the inner wall of the nozzle that has cracked in this way, part of the crack is peeled off and the edge (opening edge) of the inlet of the nozzle is lost, or the inner wall of the nozzle or the nozzle in the sub chamber The inner wall of the peripheral edge peels off and the surface becomes rough.
図１２，１３は、ノズルの副室側の開口縁（入口のエッジ）に生じるエッジの欠落状況を示す図面で、図１２はノズルを軸方向に切断した断面図であり、図１３はノズルを副室側から見た図である。図１２では、ノズル２８の副室２７側の開口縁に欠落２９が生じている様子が示されている。欠落２９により、ノズル２８の入口のエッジの角の一部が丸く削り取られている。このような欠落２９がノズル２８の副室２７側の開口縁に複数生じると、図１３に示すように、ノズル２８の入口の開口縁は崩れた星形のような形状を呈するようになる。 FIGS. 12 and 13 are diagrams showing the missing state of the edge generated at the opening edge (inlet edge) on the sub chamber side of the nozzle. FIG. 12 is a sectional view of the nozzle cut in the axial direction. FIG. It is the figure seen from the subchamber side. FIG. 12 shows a state in which a missing portion 29 is generated at the opening edge of the nozzle 28 on the sub chamber 27 side. Due to the missing portion 29, a part of the corner of the inlet edge of the nozzle 28 is cut off round. When a plurality of such missing portions 29 occur at the opening edge of the nozzle 28 on the side of the sub chamber 27, the opening edge of the inlet of the nozzle 28 has a broken star shape as shown in FIG.
ノズルの入口のエッジの欠落やひび割れは、火炎ジェットの強度の変化をもたらし、エンジンの燃焼性能の低下に繋がることがある。副室式ガスエンジンは、通常、ノズルの入口のエッジが欠落等のない完全な状態であることを前提として、最適化した条件の下で所定の性能が発揮できるように設計されている。ノズルの入口のエッジの欠落やひび割れが生じるとノズル断面の形状が変化するので、ノズルを通して噴出する火炎ジェットの強度が変化する。例えば、ノズルの径が拡大すれば、火炎ジェットの強度が低下して火炎ジェットの長さが不足することがある。また、複数のノズルの間で欠落やひび割れの程度は必ずしも一致しないので、ノズルごとの火炎ジェットの強度に差異が生じる。当初設計と比べて主室の着火環境が不均一となれば、結果として、エンジンの燃焼効率を低下させることがある。 Missing or cracked edges at the inlet of the nozzle can lead to changes in the strength of the flame jet, which can lead to poor engine combustion performance. The sub-chamber gas engine is usually designed so that a predetermined performance can be exhibited under optimized conditions on the assumption that the nozzle inlet edge is in a complete state with no omission. When a missing edge or crack at the inlet of the nozzle occurs, the shape of the nozzle cross section changes, so that the intensity of the flame jet ejected through the nozzle changes. For example, if the nozzle diameter increases, the strength of the flame jet may decrease and the length of the flame jet may be insufficient. Further, since the degree of missing or cracking does not necessarily match among the plurality of nozzles, there is a difference in the strength of the flame jet for each nozzle. If the ignition environment in the main room is not uniform compared to the original design, the engine combustion efficiency may be reduced as a result.
特許文献１には、低温雰囲気で手始動できるようにしたディーゼルエンジンの渦流室式燃焼室の噴口に係る発明が開示されている。ここで、２個の脇噴口を沿わせた主噴口の渦流室側入口にチャンファ（面取り）が形成されていることが記載されている。しかし、特許文献１に記載されたディーゼルエンジンで用いられる噴口は、大きな口径を持つ１個の噴口であり、噴口を通過する流体が燃料であるため低温で、入口や噴口の壁にひび割れ状の欠陥を発生させることがない。したがって、副室式ガスエンジンの副室から主室に火炎ジェットを噴射するための噴口と、技術的性格が異なる。さらに、特許文献１に記載された面取りは、渦流室内に噴出された燃料が噴口の口縁部に当たって跳ね返るのを防止するために、エッジを鈍角化するものに過ぎない。 Patent Document 1 discloses an invention relating to a jet port of a vortex chamber type combustion chamber of a diesel engine that can be manually started in a low temperature atmosphere. Here, it is described that a chamfer (chamfering) is formed at the vortex chamber side inlet of the main nozzle along the two side nozzles. However, the nozzle used in the diesel engine described in Patent Document 1 is a single nozzle having a large diameter, and since the fluid passing through the nozzle is fuel, the nozzle is cracked on the inlet and the wall of the nozzle. Does not cause defects. Therefore, the technical character is different from the nozzle for injecting the flame jet from the sub chamber of the sub chamber type gas engine to the main chamber. Furthermore, the chamfering described in Patent Document 1 is merely to make the edge obtuse in order to prevent the fuel ejected into the vortex chamber from hitting the edge of the nozzle and splashing back.
また、特許文献２には、副燃焼室から排出通路を通って音速より速い速度で火炎ジェットを主燃焼室に供給するようにしたエンジン用燃料燃焼システムが開示されている。ここで、副燃焼室から主燃焼室に燃焼ガスを排出する通路に、円錐状内周面を有する入口部分を備えることが記載されている。この円錐状内周面は、中心軸に対する傾きが１５°から３０°の範囲であって、流体を高速排出するため排出通路をベンチュリー管状に形成した管の入口側の傾斜面である。したがって、通路の入口部分に発生するひび割れやエッジの欠落を抑制する機能を持たない。 Patent Document 2 discloses a fuel combustion system for an engine in which a flame jet is supplied from a sub-combustion chamber through a discharge passage to a main combustion chamber at a speed faster than the speed of sound. Here, it is described that an inlet portion having a conical inner peripheral surface is provided in a passage for discharging combustion gas from the auxiliary combustion chamber to the main combustion chamber. This conical inner peripheral surface is an inclined surface on the inlet side of a tube having a discharge passage formed in a venturi shape in order to discharge the fluid at a high speed in a range of 15 ° to 30 ° with respect to the central axis. Therefore, it does not have a function of suppressing cracks and missing edges generated at the entrance of the passage.
本発明が解決しようとする課題は、主燃焼室（主室）と副燃焼室（副室）を備えた副室式ガスエンジンにおいて、主燃焼室における安定した燃焼を維持して燃焼性能の劣化を抑制することができる副室式ガスエンジンを提供することである。 The problem to be solved by the present invention is that a sub-chamber gas engine having a main combustion chamber (main chamber) and a sub-combustion chamber (sub chamber) maintains stable combustion in the main combustion chamber and deteriorates combustion performance. It is providing the subchamber type gas engine which can suppress.
本発明に係る副室式ガスエンジンは、副燃焼室と主燃焼室とを連通している複数のノズルを介して前記副燃焼室から燃焼ガスを噴射して前記主燃焼室の燃料に着火するガスエンジンにおいて、
主燃焼室を形成しているシリンダおよびピストンと、内部に副燃焼室を形成しており前記主燃焼室内へ突出した突出部を有する副室形成体とを備えており、前記副室形成体に前記突出部を内外に貫いて前記主燃焼室と前記副燃焼室を連通している複数のノズルが設けられており、
前記複数のノズルの前記副燃焼室側の開口縁が丸く面取りされた形状であって、前記開口縁が曲面で形成されており、前記曲面の曲率半径は、前記開口縁の上昇温度が、前記副室形成体の内壁において前記開口縁以外で最も温度が上昇しやすい所定箇所の上昇温度より小さくなるように定められているものである。ここで、「上昇温度」とは、「温度が上昇した際の温度の上昇分」を意味する。
The sub-chamber gas engine according to the present invention ignites the fuel in the main combustion chamber by injecting combustion gas from the sub-combustion chamber through a plurality of nozzles communicating with the sub-combustion chamber and the main combustion chamber. In gas engine,
A cylinder and a piston forming a main combustion chamber; and a sub-chamber forming body having a sub-combustion chamber formed therein and having a protruding portion protruding into the main combustion chamber. A plurality of nozzles penetrating the projecting portion in and out to communicate the main combustion chamber and the sub-combustion chamber;
The opening edges of the plurality of nozzles on the side of the sub-combustion chamber are rounded and chamfered, the opening edges are formed with curved surfaces, and the curvature radius of the curved surfaces is determined by the rising temperature of the opening edges , In the inner wall of the sub chamber forming body , the temperature is set to be smaller than a rising temperature at a predetermined portion where the temperature is most likely to rise except for the opening edge. Here, “ rising temperature ” means “temperature rise when temperature rises ”.
上記構成によれば、ノズルの副燃焼室側入口の縁部が曲面で形成されているため、ノズルの副燃焼室側の開口縁に鋭角がない。そして、上記のように曲面の曲率半径を定めることにより、所定熱量を副燃焼室に与えたときのノズルの副燃焼室側の開口縁の上昇温度が、これ以外の副燃焼室の内壁の上昇温度と等しいかそれ以下となる。このように、副燃焼室の内壁において、ノズルの開口縁とその周囲との間の温度差が緩和され、ノズルの開口縁およびその周囲の温度変化帯域が狭くなる。ノズルの開口縁が副燃焼室の他の部位と比較して著しく高温となる事態が解消され、ノズルの副燃焼室側の入口に角がある場合と比較してノズルの開口縁の熱疲労の程度を軽減することができ、熱疲労によるひび割れ等を抑制することができる。また、ひび割れが生じたとしても、ノズルの副燃焼室側の開口縁を通過する気流は曲面に沿ってスムーズに流れるので、高温の火炎ジェットが通過することによってひび割れの一部が剥離して欠落する現象が起こりにくい。このように、ノズル断面の経時形状変化が抑制される結果、主燃焼室における燃焼性能の経時劣化を抑制することができる。 According to the above arrangement, since the edges of the auxiliary combustion chamber side inlet of the nozzle is formed with a curved surface, there is no acute angle opening edge of the auxiliary combustion chamber side of the nozzle. Then, by determining the curvature radius of the curved surface as described above, the rising temperature of the opening edge on the side of the sub-combustion chamber of the nozzle when a predetermined amount of heat is applied to the sub-combustion chamber increases the inner wall of the other sub-combustion chamber. It is less than or equal to the temperature. In this way, the temperature difference between the nozzle opening edge and its surroundings is reduced on the inner wall of the auxiliary combustion chamber, and the nozzle opening edge and its surrounding temperature change band become narrow. The situation in which the nozzle opening edge becomes extremely hot compared to other parts of the auxiliary combustion chamber is eliminated , and thermal fatigue of the nozzle opening edge is reduced compared to the case where there is a corner at the inlet on the auxiliary combustion chamber side of the nozzle. The degree can be reduced, and cracks due to thermal fatigue can be suppressed. Even if cracks occur, the airflow passing through the opening edge on the side of the sub-combustion chamber of the nozzle flows smoothly along the curved surface. It is difficult for the phenomenon to occur. As described above, as a result of suppressing the change in shape of the nozzle cross section with time, it is possible to suppress deterioration with time of the combustion performance in the main combustion chamber.
前記副室式ガスエンジンにおいて、前記複数のノズルの前記副燃焼室側の開口縁の前記面取りされた形状部分同士が干渉しないように離間していることがよい。これにより、ノズルの副燃焼室側の開口縁の欠落等を防止しつつ、ノズルの強度を維持することができる。 In the sub-chamber gas engine, the chamfered shape portions of the opening edges of the plurality of nozzles on the sub-combustion chamber side may be separated so as not to interfere with each other. Thereby, the strength of the nozzle can be maintained while preventing the opening edge of the nozzle on the side of the auxiliary combustion chamber from being lost.
前記副室式ガスエンジンにおいて、前記曲面の曲率半径を前記ノズルの直径以上とすることができる。 In the sub-chamber gas engine, the radius of curvature of the curved surface can be made equal to or larger than the diameter of the nozzle.
前記副室式ガスエンジンにおいて、前記副室形成体と接触して当該副室形成体を冷却する冷却手段を備えて、前記開口縁から前記副室形成体を通じて前記冷却手段へ逃げる熱量に基づく前記開口縁の上昇温度が、前記所定箇所から前記副室形成体を通じて前記冷却手段へ逃げる熱量に基づく前記所定箇所の上昇温度よりも小さくなるように前記曲面の曲率半径が定めることができる。ここで、数式１に示す関係を満たす開口縁の曲面の面積Ａ2に基づいて前記曲面の曲率半径を定めることができる。 In the sub-chamber type gas engine, the sub-chamber gas engine includes a cooling unit that contacts the sub-chamber forming body to cool the sub-chamber forming body, and is based on the amount of heat that escapes from the opening edge to the cooling unit through the sub-chamber forming body. The curvature radius of the curved surface can be determined so that the rising temperature of the opening edge is smaller than the rising temperature of the predetermined location based on the amount of heat escaping from the predetermined location to the cooling means through the sub chamber forming body. Here, the radius of curvature of the curved surface can be determined based on the area A 2 of the curved surface of the opening edge that satisfies the relationship expressed by Equation 1.
前記副室式ガスエンジンにおいて、前記副燃焼室を形成している副室形成体は前記主燃焼室内へその一部が突出しており、前記副燃焼室の内壁において前記開口縁以外で最も温度が上昇しやすい箇所が、前記副室形成体の前記主燃焼室内への突出端部分に含まれていてよい。 In the sub-chamber type gas engine, a part of the sub-chamber forming body forming the sub-combustion chamber protrudes into the main combustion chamber, and the inner wall of the sub-combustion chamber has the highest temperature except for the opening edge. A portion that is likely to rise may be included in a protruding end portion of the sub chamber forming body into the main combustion chamber.
本発明の副室式ガスエンジンは、ノズルの副燃焼室側入口の縁部を曲面に形成したため、ノズルの入口に欠落しやすいエッジがないので、ひび割れの一部を剥離させることを抑制して、ノズル断面の変形を防止し、主燃焼室における燃焼性能の劣化を抑制することができる。そして、ノズルの曲率半径が、ノズルの副燃焼室側の開口縁の上昇又は下降温度がこれ以外の副燃焼室の内壁の上昇又は下降温度と等しいかそれ以下となるように定められているので、副燃焼室の内壁の温度分布がより均一となり、ノズルの開口縁の熱疲労の程度を軽減することができる。 In the sub-chamber gas engine of the present invention, the edge portion of the nozzle on the side of the sub-combustion chamber is formed into a curved surface. The deformation of the nozzle cross section can be prevented, and the deterioration of the combustion performance in the main combustion chamber can be suppressed. The radius of curvature of the nozzle is determined so that the rising or falling temperature of the opening edge on the side of the auxiliary combustion chamber of the nozzle is equal to or lower than the rising or falling temperature of the inner wall of the other auxiliary combustion chamber. The temperature distribution on the inner wall of the auxiliary combustion chamber becomes more uniform, and the degree of thermal fatigue at the nozzle opening edge can be reduced.
以下、本発明に係る副室式ガスエンジンを実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態に係る副室式ガスエンジンの構成を示す概念図である。図１に示すように、本実施の形態に係る副室式ガスエンジンは、主燃焼室（以下「主室」ともいう）１と、主室１に複数のノズル９を介して接続された副燃焼室（以下「副室」ともいう）２との二段の燃焼室を備えている。副室式ガスエンジンは、主室１内に供給した燃料の希薄な混合気を副室２からノズル９を通じて噴出される高温の火炎ジェットで着火させる、いわゆる、二段階燃焼を行うガスエンジンである。 Hereinafter, embodiments for carrying out a sub-chamber gas engine according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a conceptual diagram showing the configuration of a sub-chamber gas engine according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the sub-chamber gas engine according to the present embodiment includes a main combustion chamber (hereinafter also referred to as “main chamber”) 1 and a sub-chamber connected to the main chamber 1 via a plurality of nozzles 9. A two-stage combustion chamber with a combustion chamber (hereinafter also referred to as “sub chamber”) 2 is provided. The sub-chamber type gas engine is a gas engine that performs so-called two-stage combustion in which a lean mixture of fuel supplied into the main chamber 1 is ignited by a high-temperature flame jet ejected from the sub-chamber 2 through the nozzle 9. .
主室１はシリンダ１８内に形成されている。主室１の下部には、シリンダ１８内を摺動可能なピストン７が設けられている。ピストン７はクランク８を介して駆動軸１９と接続されている。ピストン７がシリンダ１８内を往復動することにより、クランク８を介して駆動軸１９が回転する。 The main chamber 1 is formed in the cylinder 18. A piston 7 slidable in the cylinder 18 is provided at the lower part of the main chamber 1. The piston 7 is connected to a drive shaft 19 via a crank 8. As the piston 7 reciprocates in the cylinder 18, the drive shaft 19 rotates through the crank 8.
主室１の上部には、給気源２２と接続された給気管１４が設けられている。給気管１４と主室１との間には、給気管１４と主室１との間を開閉する給気弁１５が設けられている。給気管１４は、燃料供給管２４を介して燃料ガス源２１と接続されている。燃料ガスは、例えば、ＬＮＧである。燃料供給管２４には、給気管１４への燃料ガスの供給量を調整するための主電磁弁４が設けられている。 An air supply pipe 14 connected to an air supply source 22 is provided in the upper part of the main chamber 1. An air supply valve 15 that opens and closes between the air supply pipe 14 and the main chamber 1 is provided between the air supply pipe 14 and the main chamber 1. The air supply pipe 14 is connected to the fuel gas source 21 via a fuel supply pipe 24. The fuel gas is, for example, LNG. The fuel supply pipe 24 is provided with a main electromagnetic valve 4 for adjusting the amount of fuel gas supplied to the air supply pipe 14.
図外の制御器が主室１の給気弁１５の作動と同期させて発生する指令により主電磁弁４が所定時間だけ開くことによって、所定量の燃料ガスが燃料ガス源２１から燃料供給管２４を通じて給気管１４へ供給される。給気管１４へ供給された燃料ガスが、給気源２２から供給される給気（空気）の流れに混入されることによって、リーンな混合気（燃料ガス）が生成される。なお、混合気が理論空燃比より濃い状態をリッチであるといい、理論空燃比より薄い状態をリーンであるという。生成されたリーンな混合気は、給気弁１５が開放されたときに給気管１４から主室１へ供給される。主室１に供給される混合気は、たとえば、空燃比が理論空燃比の２倍（空気過剰率λ＝２）程度になるように調整されている。このリーンな混合気の燃焼は、リーンバーン（希薄燃焼）であり、ＮＯｘの発生が少ない。 A controller (not shown) opens the main electromagnetic valve 4 for a predetermined time in response to a command generated in synchronization with the operation of the air supply valve 15 in the main chamber 1, whereby a predetermined amount of fuel gas is supplied from the fuel gas source 21 to the fuel supply pipe. 24 to the supply pipe 14. The fuel gas supplied to the air supply pipe 14 is mixed into the flow of the air supply (air) supplied from the air supply source 22, thereby generating a lean air-fuel mixture (fuel gas). A state where the air-fuel mixture is richer than the stoichiometric air-fuel ratio is called rich, and a state where the air-fuel mixture is thinner than the stoichiometric air-fuel ratio is called lean. The generated lean air-fuel mixture is supplied from the air supply pipe 14 to the main chamber 1 when the air supply valve 15 is opened. The air-fuel mixture supplied to the main chamber 1 is adjusted so that, for example, the air-fuel ratio is about twice the theoretical air-fuel ratio (excess air ratio λ = 2). This lean air-fuel mixture combustion is lean burn (lean combustion) and generates less NOx.
また、主室１の上部には、排ガス部（外部）２３と通じる排気管１６が接続されている。排気管１６と主室１との間には、排気管１６と主室１との間を開閉する排気弁１７が設けられている。排気弁１７が開放されたときに、主室１から排気管１６を通じて排ガス部２３へ燃焼排ガスが排出される。 In addition, an exhaust pipe 16 communicating with the exhaust gas portion (external) 23 is connected to the upper portion of the main chamber 1. An exhaust valve 17 that opens and closes between the exhaust pipe 16 and the main chamber 1 is provided between the exhaust pipe 16 and the main chamber 1. When the exhaust valve 17 is opened, the combustion exhaust gas is discharged from the main chamber 1 to the exhaust gas part 23 through the exhaust pipe 16.
副室２には、点火プラグ３が設けられている。さらに、副室２は、燃料供給管２５を介して燃料ガス源２１と接続されている。燃料供給管２５には、副室２への燃料ガスの供給量を調整するための副電磁弁５と、副室２から燃料供給管２５への燃料ガスの逆流を防ぐための逆止弁６とが設けられている。図外の制御器が発生する指令により副電磁弁５が所定時間だけ開くことによって、燃料ガス源２１から燃料供給管２５および逆止弁６を介して必要量の燃料ガスが副室２に供給される。 A spark plug 3 is provided in the sub chamber 2. Further, the sub chamber 2 is connected to a fuel gas source 21 via a fuel supply pipe 25. The fuel supply pipe 25 includes a sub electromagnetic valve 5 for adjusting the amount of fuel gas supplied to the sub chamber 2 and a check valve 6 for preventing a back flow of fuel gas from the sub chamber 2 to the fuel supply pipe 25. And are provided. When the sub electromagnetic valve 5 is opened for a predetermined time by a command generated by a controller (not shown), a required amount of fuel gas is supplied from the fuel gas source 21 to the sub chamber 2 through the fuel supply pipe 25 and the check valve 6. Is done.
図２は、ノズル（噴孔）が設けられた副室２の底部分を示す断面図である。同図には、ノズル９近傍の部分を引き出して拡大して示した拡大断面図を添付している。副室２の底部は主室１内に突出するように形成され、ピストン７の移動方向に延びる軸を中心軸とする半球形状を有する。ノズル９は、副室２の底部に設けられて、主室１と副室２とを連通している。副室２の底部には、中心軸を中心とする同一円周上に複数のノズル９の開口（副室２側の入口）が並んでいる。これらの複数のノズル９の開口は、副室２の中心軸を中心として同一円周上に配置されている。各ノズル９は、副室２の底壁を中心軸上の或点を中心として放射状に貫通するように形成されている。各ノズル９のノズル径およびノズル長さは略同一である。これにより、各ノズル９を通じて主室１へ噴出する火炎ジェットは、相互にほぼ同じ強度を有し、主室１内に万遍なく噴出されるようになっている。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing a bottom portion of the sub chamber 2 provided with nozzles (injection holes). In the drawing, an enlarged cross-sectional view in which a portion near the nozzle 9 is drawn out and enlarged is attached. The bottom of the sub chamber 2 is formed so as to protrude into the main chamber 1 and has a hemispherical shape with the axis extending in the moving direction of the piston 7 as the central axis. The nozzle 9 is provided at the bottom of the sub chamber 2 and communicates the main chamber 1 and the sub chamber 2. At the bottom of the sub chamber 2, openings of a plurality of nozzles 9 (inlets on the sub chamber 2 side) are arranged on the same circumference centering on the central axis. The openings of the plurality of nozzles 9 are arranged on the same circumference around the central axis of the sub chamber 2. Each nozzle 9 is formed to penetrate the bottom wall of the sub chamber 2 radially about a point on the central axis. The nozzle diameter and nozzle length of each nozzle 9 are substantially the same. As a result, the flame jets ejected to the main chamber 1 through the nozzles 9 have substantially the same strength as each other, and are uniformly ejected into the main chamber 1.
続いて、燃焼室における混合気の燃焼について詳細に説明する。上記構成の副室式ガスエンジンにおいて、吸気行程において主室１にリーンな混合気が吸入されるのと同時に、副室２に燃料ガスが供給される。ノズル９は常に導通状態であるので、その後の圧縮行程において、ピストン７の上昇とともに副室２にリーンな混合気が流入する。 Subsequently, combustion of the air-fuel mixture in the combustion chamber will be described in detail. In the sub-chamber gas engine having the above-described configuration, the lean gas mixture is sucked into the main chamber 1 during the intake stroke, and at the same time, the fuel gas is supplied to the sub-chamber 2. Since the nozzle 9 is always in a conductive state, a lean air-fuel mixture flows into the sub chamber 2 as the piston 7 rises in the subsequent compression stroke.
たとえば、圧縮比１０のエンジンでは、副室２には、燃料ガス源２１から燃料供給管２５を通じて副室容積に相当する量の燃料ガスが供給され、供給された燃料ガスが１／１０に圧縮される。一方で、主室１内からノズル９を介して空気過剰率λ＝２程度の希薄な混合気が副室２へ副室容積の９／１０まで供給される。燃料ガスと希薄な混合気は副室２内で混合して、ほぼ空気過剰率λ＝１すなわち理論空燃比の混合気となる。 For example, in an engine with a compression ratio of 10, an amount of fuel gas corresponding to the volume of the sub chamber is supplied to the sub chamber 2 from the fuel gas source 21 through the fuel supply pipe 25, and the supplied fuel gas is compressed to 1/10. Is done. On the other hand, a lean air-fuel mixture having an excess air ratio λ = 2 is supplied from the main chamber 1 through the nozzle 9 to the sub chamber 2 up to 9/10 of the sub chamber volume. The fuel gas and the lean air-fuel mixture are mixed in the sub-chamber 2 to become an air-fuel mixture having an excess air ratio λ = 1, that is, a stoichiometric air-fuel ratio.
圧縮上死点付近において、副室２内で点火プラグ３に点火することにより、副室２内の混合気が着火する。混合気は燃焼しながらノズル９を通じて高温の火炎ジェットとなって主室１に噴出する。主室１のリーンな混合気は、火炎ジェットにより着火して爆発し、ピストン７を押し下げる。ピストン７が動くと、クランク８を介して駆動軸１９が回転する。主室１内で発生した燃焼ガスは、排気弁１７を開放すると排気管１６を通じて排ガス部２３（外部）に放出される。 By igniting the spark plug 3 in the sub chamber 2 near the compression top dead center, the air-fuel mixture in the sub chamber 2 is ignited. The air-fuel mixture is jetted into the main chamber 1 as a high-temperature flame jet through the nozzle 9 while burning. The lean air-fuel mixture in the main chamber 1 is ignited by a flame jet and explodes, and pushes down the piston 7. When the piston 7 moves, the drive shaft 19 rotates through the crank 8. The combustion gas generated in the main chamber 1 is released to the exhaust gas part 23 (outside) through the exhaust pipe 16 when the exhaust valve 17 is opened.
本実施の形態に係るノズル９は、副室２側の入口のエッジ、すなわち、副室２側の開口縁の角が面取りされた形状となっている。この面取りされた形状には、角が丸く削られたように面取りされた形状と、角が斜め（斜めの角度は限定されない）に削られたように面取りされた形状とが含まれ、加工状況に応じてこれらのうち一方が選択される。但し、面取りされた形状は丸み面取りされた形状であることが、副室２の内壁とノズルの内壁との交点に尖った稜線が形成されないという点で望ましい。図３は本実施の形態に係るノズル形状を示す拡大断面図である。図３に示す例では、ノズル９の副室２側の入口のエッジは、開口縁の角が丸み面取りされることによって、曲率半径Ｒの曲面１１に形成されている。これにより、ノズル９の副室２側の開口縁には欠落しやすい直角または直角に近い鋭角もしくは鈍角のエッジがない。 The nozzle 9 according to the present embodiment has a shape in which the edge of the inlet on the sub chamber 2 side, that is, the corner of the opening edge on the sub chamber 2 side is chamfered. This chamfered shape includes a chamfered shape with rounded corners and a chamfered shape with chamfered corners (the oblique angle is not limited). One of these is selected in accordance with. However, the chamfered shape is preferably a rounded chamfered shape in that a sharp ridge line is not formed at the intersection of the inner wall of the sub chamber 2 and the inner wall of the nozzle. FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing the nozzle shape according to the present embodiment. In the example shown in FIG. 3, the inlet edge of the nozzle 9 on the side of the sub chamber 2 is formed into a curved surface 11 having a radius of curvature R by rounding the corner of the opening edge. As a result, the opening edge of the nozzle 9 on the side of the sub chamber 2 does not have a right angle or an acute angle or an obtuse angle edge that is close to a right angle that tends to be lost.
ノズル９の副室２側の開口縁に直角または直角に近い鋭角もしくは鈍角の角があると、角の部分は他よりも温度上昇しやすい。例えば、ノズル９の副室２側の開口縁に角があり、この角の温度変化帯域が５０−１０００℃程度である場合に、副室２の底壁の角以外の温度変化帯域は５０−７００℃程度にとどまる。つまり、ノズル９の副室２側の開口縁に角があると、角は他と比較して著しく高温となりやすい。本実施の形態に係るノズル９は、開口縁に角がないので、開口縁およびその周囲の温度変化帯域が狭くなり温度分布がより均一となる。しかも、その温度変化帯域の最高温度が低くなる。よって、ノズル９の副室２側の開口縁に生じる熱応力が抑制されて、角がある場合と比較して熱疲労の程度が軽減される。 If the opening edge of the nozzle 9 on the side of the sub chamber 2 has a right angle or an acute angle or an obtuse angle close to a right angle, the temperature of the corner portion is more likely to rise than others. For example, when the opening edge of the nozzle 9 on the side of the sub chamber 2 has a corner, and the temperature variation band of this corner is about 50 to 1000 ° C., the temperature variation band other than the corner of the bottom wall of the sub chamber 2 is 50−. It stays at around 700 ° C. That is, if the opening edge of the nozzle 9 on the side of the sub chamber 2 has a corner, the corner is likely to be extremely hot compared to the other. Since the nozzle 9 according to the present embodiment has no corners at the opening edge, the temperature change band around the opening edge and its periphery is narrowed, and the temperature distribution becomes more uniform. In addition, the maximum temperature in the temperature change band is lowered. Therefore, the thermal stress generated at the opening edge of the nozzle 9 on the sub chamber 2 side is suppressed, and the degree of thermal fatigue is reduced as compared with the case where there is a corner.
さらに、ノズル９の副室２側の開口縁に角がないので、ノズル９を通過する気流は流線に沿ってスムーズに流下する。よって、ノズル９の入口の副室２の壁面およびノズル９の内壁に亀裂が生じていても、高温の火炎ジェットがノズル９を高速で通過することにより表面部分の亀裂の一部が引き剥がされて欠落する現象が起こりにくい。 Furthermore, since there is no corner at the opening edge of the nozzle 9 on the sub chamber 2 side, the airflow passing through the nozzle 9 flows smoothly along the streamline. Therefore, even if cracks occur in the wall surface of the sub chamber 2 at the inlet of the nozzle 9 and the inner wall of the nozzle 9, a part of the crack in the surface portion is peeled off when the high-temperature flame jet passes through the nozzle 9 at a high speed. The phenomenon of missing is difficult to occur.
ノズル９の開口縁に設けられた曲面１１の曲率半径Ｒは、副室２のノズル９の開口縁部の上昇又は下降温度が、これ以外の副室２の内壁の上昇又は下降温度と等しくなることを目標として、熱伝導エネルギーの観点に基づいて定めることができる。図４に示すように、内部に副室２が形成された副室形成体４０は、基部４１と、基部４１から主室１側に突出するように形成された突出部４２とを有する。この突出部４２は、一端が解放され他端が丸く閉塞した円筒形であって、中心軸を通る縦断面が略Ｕ字状をなしている。突出部４２の先端は主室１内に挿入され、この挿入される部分に複数のノズル９が形成されている。基部４１は、冷却水等の冷却手段４４によって冷却されている。上記副室形成体４０において、ノズル９の開口縁以外で最も温度が上昇し易い箇所は、冷却手段４４から最も離れている突出部４２の最も主室１側に位置する先端４３である。したがって、副室２の内壁において、ノズル９の開口縁の上昇又は下降温度が、最も主室１側に位置する突出部４２の先端４３の上昇又は下降温度以下となるように、曲率半径Ｒを定めることが好適である。 The radius of curvature R of the curved surface 11 provided at the opening edge of the nozzle 9 is such that the rising or falling temperature of the opening edge of the nozzle 9 in the sub chamber 2 is equal to the rising or falling temperature of the other inner wall of the sub chamber 2. This can be determined based on the viewpoint of heat conduction energy. As shown in FIG. 4, the sub chamber forming body 40 in which the sub chamber 2 is formed includes a base 41 and a protruding portion 42 formed so as to protrude from the base 41 toward the main chamber 1. The projecting portion 42 has a cylindrical shape in which one end is released and the other end is closed in a round shape, and a longitudinal section passing through the central axis is substantially U-shaped. The tip of the projecting portion 42 is inserted into the main chamber 1, and a plurality of nozzles 9 are formed at the inserted portion. The base 41 is cooled by cooling means 44 such as cooling water. In the sub-chamber forming body 40, the portion where the temperature is most likely to rise other than the opening edge of the nozzle 9 is the tip 43 located closest to the main chamber 1 of the protruding portion 42 farthest from the cooling means 44. Therefore, the curvature radius R is set so that the rising or lowering temperature of the opening edge of the nozzle 9 on the inner wall of the sub chamber 2 is equal to or lower than the rising or lowering temperature of the tip 43 of the protrusion 42 located closest to the main chamber 1 side. It is preferable to define.
図４に示す副室形成体４０において、突出部４２の先端４３の熱伝導面積を先端部熱伝導面積Ａ1（図５で斜線で示す部分）とする。詳細には、図５に示すように、副室形成体４０の突出部４２の中心軸を通る縦断面において、突出部４２の先端部分であって当該突出部４２内に形成されたスロート４２ａと中心軸方向に重複する領域（斜線で示す部分）の面積を先端部熱伝導面積Ａ1とする。換言すれば、突出部４２内に形成されたスロート４２ａの最大径をφとしたときに、副室形成体４０の突出部４２の中心軸を通る縦断面において、突出部４２の先端部分であって当該突出部４２の中心軸を中央として図５の紙面左右にφ／２の幅に含まれる領域の面積が先端部熱伝導面積Ａ1となる。そして、この突出部４２の先端４３から冷却手段４４まで熱が伝導する距離を先端部熱伝導距離Ｌ1とする。また、上記副室形成体４０において、副室２側の一つのノズル９の開口縁の曲面１１（面取りされた形状部分）の面積を開口部熱伝導面積Ａ2（図６で斜線で示す部分）とし、このノズル９の開口縁の曲面１１から冷却手段４４まで熱が伝導する距離を開口部熱伝導距離Ｌ2とする。ノズル９の開口縁の上昇又は下降温度が、突出部４２の先端４３の上昇又は下降温度以下となるためには、ノズル９の開口縁から冷却手段４４（外部）へ逃がす熱量が、突出部４２の先端４３から冷却手段４４へ逃がす熱量と等しいかそれ以上でなければならない。燃焼により副室２の内壁の或部位が受けた熱量のうち冷却手段４４へ逃がす熱量は、当該部位の単位面積当たりの熱伝導割合と当該部位の面積との積で表すことができる。この理論の下では次の数式１に示す関係が成立する。 In the sub chamber forming body 40 shown in FIG. 4, the heat conduction area at the tip 43 of the protrusion 42 is defined as the tip heat conduction area A 1 (the portion indicated by the oblique lines in FIG. 5). Specifically, as shown in FIG. 5, in a longitudinal section passing through the central axis of the projecting portion 42 of the sub chamber forming body 40, a throat 42 a that is the tip portion of the projecting portion 42 and is formed in the projecting portion 42. An area of a region overlapping with the central axis direction (a portion indicated by hatching) is defined as a tip heat conduction area A 1 . In other words, when the maximum diameter of the throat 42a formed in the projecting portion 42 is φ, the tip of the projecting portion 42 is a longitudinal section passing through the central axis of the projecting portion 42 of the sub chamber forming body 40. area of the region of the center axis included in the left-right in the phi / 2 width of 5 as a center of the protrusion 42 becomes the tip heat conduction area a 1 Te. The distance through which heat is conducted from the tip 43 of the projecting portion 42 to the cooling means 44 is referred to as a tip portion heat conduction distance L 1 . Further, in the sub chamber forming body 40, the area of the curved surface 11 (the chamfered shape portion) of the opening edge of one nozzle 9 on the side of the sub chamber 2 is the opening heat conduction area A 2 (the portion indicated by hatching in FIG. 6). ), and the distance that the heat from the opening edge of the curved surface 11 of the nozzle 9 to the cooling unit 44 is conducted to the opening heat conduction distance L 2. In order for the rising or falling temperature of the opening edge of the nozzle 9 to be equal to or lower than the rising or falling temperature of the tip 43 of the protrusion 42, the amount of heat released from the opening edge of the nozzle 9 to the cooling means 44 (outside) is Must be equal to or greater than the amount of heat released from the tip 43 to the cooling means 44. Of the amount of heat received by a portion of the inner wall of the sub chamber 2 due to combustion, the amount of heat released to the cooling means 44 can be expressed by the product of the heat conduction rate per unit area of the portion and the area of the portion. Under this theory, the relationship shown in the following formula 1 is established.
上記数式１は、副室形成体４０に設けられたｎ個のノズル９の開口部熱伝導面積Ａ2が、先端部熱伝導距離Ｌ1に対する開口部熱伝導距離Ｌ2の割合を乗じた先端部熱伝導面積Ａ1よりも大きいことを示している。曲面１１の曲率半径Ｒは、数式１を満たす値であればよい。つまり、数式１に基づいて曲面１１の曲率半径Ｒの最小値を定めることができる。なお、開口部熱伝導面積Ａ2が大きいほどノズル９の開口縁から冷却手段４４へ逃がす熱量が増えてノズル９の開口縁の温度上昇を抑制できるので望ましい。一方で、ノズル９の長さや強度を確保したり燃焼ガスの安定した噴射を行うために開口縁の面取りされた形状部分同士が干渉しないことが望ましい。したがって、これらのメリットのバランスをとって、ノズル９の開口縁の曲面１１の曲率半径Ｒを定めることがよい。 Equation 1 above shows that the opening heat conduction area A 2 of the n nozzles 9 provided in the sub chamber forming body 40 is multiplied by the ratio of the opening heat conduction distance L 2 to the tip heat conduction distance L 1 . It shows that it is larger than the partial heat conduction area A 1 . The curvature radius R of the curved surface 11 may be a value that satisfies Equation 1. That is, the minimum value of the radius of curvature R of the curved surface 11 can be determined based on Equation 1. It is desirable that the heat conduction area A 2 of the opening is larger because the amount of heat released from the opening edge of the nozzle 9 to the cooling means 44 is increased and the temperature rise of the opening edge of the nozzle 9 can be suppressed. On the other hand, it is desirable that the chamfered portions of the opening edge do not interfere with each other in order to ensure the length and strength of the nozzle 9 and to perform stable injection of combustion gas. Therefore, it is preferable to determine the radius of curvature R of the curved surface 11 of the opening edge of the nozzle 9 in balance of these merits.
上述したようにノズル９の開口縁の曲面１１の曲率半径Ｒを熱伝導エネルギーの観点に基づいて定めることによれば、ノズル９の副燃焼室２側の開口縁の上昇又は下降温度が、これ以外の副燃焼室２の内壁の上昇又は下降温度と等しいかそれ以下となる。よって、副燃焼室２の内壁において、ノズル９の開口縁とその周囲との間の温度差が抑制され、ノズル９の開口縁およびその周囲の温度変化帯域が狭くなる結果、温度分布がより均一となる。これにより、ノズル９の開口縁の熱疲労の程度を軽減することができる。ひいては、ノズル９の開口縁の欠落や内部のひび割れ等の劣化を抑制し、ノズル９から噴射される燃焼ガスの噴出形態を長期に亘って安定化させることにより、主燃焼室１における安定した燃焼を維持して燃焼性能の低下を抑制することができる。なお、副室形成体４０の形状は製品により異なることがあり、また、冷却手段４４の形状や配置が異なることもあるため、副室形成体４０においてノズル９の開口縁以外で最も温度が上昇し易い箇所は上述の突出部４２の最も主室１側に位置する先端４３に限定されない。 As described above, when the curvature radius R of the curved surface 11 of the opening edge of the nozzle 9 is determined based on the viewpoint of heat conduction energy, the rising or falling temperature of the opening edge of the nozzle 9 on the side of the auxiliary combustion chamber 2 is It becomes equal to or lower than the rising or falling temperature of the inner wall of the auxiliary combustion chamber 2 other than the above. Therefore, on the inner wall of the auxiliary combustion chamber 2, the temperature difference between the opening edge of the nozzle 9 and its surroundings is suppressed, and the temperature changing band around the opening edge of the nozzle 9 and its surroundings becomes narrow, resulting in a more uniform temperature distribution. It becomes. Thereby, the degree of thermal fatigue of the opening edge of the nozzle 9 can be reduced. As a result, the combustion of the main combustion chamber 1 is stabilized by suppressing the deterioration of the opening edge of the nozzle 9 and the internal cracks and the like, and stabilizing the injection form of the combustion gas injected from the nozzle 9 over a long period of time. Thus, it is possible to suppress deterioration in combustion performance. Note that the shape of the sub chamber forming body 40 may vary depending on the product, and the shape and arrangement of the cooling means 44 may be different. Therefore, the temperature of the sub chamber forming body 40 is the highest in the area other than the opening edge of the nozzle 9. The location where it is easy to do is not limited to the distal end 43 located on the most main chamber 1 side of the protrusion 42 described above.
本実施形態に係るノズル９は、ノズル径（内径）Ｄが数〜十数ｍｍであって、ノズル９の開口縁に設けられた曲面１１はラッパ状に外側に向かって拡径している。副室２の壁面のうち損傷を受けやすい部分は、ノズル９の内壁から数ｍｍまでの間である。そこで、上記数式１の関係を満たすノズル９の副室２側の開口縁の曲面１１の曲率半径Ｒを、例えば、熱伝導エネルギーの観点に基づく条件を満たし且つノズル径Ｄ以上とすることができる。例えば、曲面１１の曲率半径Ｒをノズル径Ｄ以上とすれば、ノズル９の入口の曲率半径Ｒは十分に大きく、鋭角部分を持たないので、ひび割れ部分が引き剥がされて欠損になる現象は抑制されて、エッジの欠落が減少する。また、副室２の内部からノズル９の開口縁の曲面１１上に入射するエネルギー線の入射角が、ノズル９の開口縁の副室２側が平面である場合と比べて大きくなるため、曲面１１部分の損傷が軽減される。 The nozzle 9 according to the present embodiment has a nozzle diameter (inner diameter) D of several to several tens of millimeters, and the curved surface 11 provided at the opening edge of the nozzle 9 increases in diameter toward the outside in a trumpet shape. The portion of the wall surface of the sub chamber 2 that is easily damaged is between the inner wall of the nozzle 9 and several mm. Therefore, the radius of curvature R of the curved surface 11 of the opening edge on the sub chamber 2 side of the nozzle 9 satisfying the relationship of the above formula 1 can satisfy, for example, a condition based on the viewpoint of heat conduction energy and be equal to or larger than the nozzle diameter D. . For example, if the curvature radius R of the curved surface 11 is greater than or equal to the nozzle diameter D, the curvature radius R at the inlet of the nozzle 9 is sufficiently large and does not have an acute angle portion, so that the phenomenon that the crack portion is peeled off and becomes a defect is suppressed. As a result, missing edges are reduced. In addition, since the incident angle of energy rays incident on the curved surface 11 at the opening edge of the nozzle 9 from the inside of the sub chamber 2 becomes larger than that when the sub chamber 2 side of the opening edge of the nozzle 9 is a flat surface, the curved surface 11. Damage to the part is reduced.
曲面１１の曲率半径Ｒの最大値は特に定めない。但し、曲面１１の曲率半径Ｒが大きくなるに連れてノズル９の長さが短くなるので、曲率半径Ｒは火炎ジェットを噴出できるノズル９の長さが確保される範囲内とすることがよい。図７は、副室の底壁の厚さと曲面の曲率半径との関係を説明するための副室底部の断面図である。図７に示すように、副室形成体４０の底壁の厚さをＬ3としたときに、曲率半径Ｒは底壁の厚さＬ3の０．５倍以下であることがよい。 The maximum value of the curvature radius R of the curved surface 11 is not particularly defined. However, since the length of the nozzle 9 decreases as the radius of curvature R of the curved surface 11 increases, the radius of curvature R is preferably set within a range in which the length of the nozzle 9 that can eject the flame jet is ensured. FIG. 7 is a cross-sectional view of the sub chamber bottom for explaining the relationship between the thickness of the bottom wall of the sub chamber and the curvature radius of the curved surface. As shown in FIG. 7, when the thickness of the bottom wall of the sub chamber forming body 40 is L 3 , the curvature radius R is preferably 0.5 times or less of the thickness L 3 of the bottom wall.
また、副室２側のノズル９の開口同士は近接しているため曲面１１の曲率半径Ｒが過大となればノズル９の強度が維持できない。したがって、隣接するノズル９の曲面１１同士の干渉代がノズル９の強度を維持可能な程度に小さい又は干渉代が無い曲率半径Ｒを採用することが望ましい。図８は本実施の形態に係るノズルの配置を説明する概念図である。図８では理解を容易とするために、副室２に設けられた複数のノズル９のうち３個だけ表示している。曲面１１の曲率半径Ｒは、大きいほどノズル９の受ける損傷が小さくなるので望ましい。しかし、或一つのノズル９の開口縁に形成された曲面１１が、その隣のノズル９の開口縁に形成された曲面１１と重なる（干渉する）状態となれば、曲面１１に僅かな変形が生じただけで、ノズル９に流入する流体の境界が変化することがある。このため、ノズル９を通過することで形成される火炎ジェットの形態が、隣り合うノズル同士で相違するようになって、当初設計と異なる燃焼状態に変化し、主室１内の燃焼性能が劣化する場合がある。したがって、各ノズル９の開口縁に設けられた曲面１１の端同士の距離Ｌが存在するように、ノズル９同士の距離および曲面１１部分の大きさを調整することが好ましい。 Further, since the openings of the nozzle 9 on the side of the sub chamber 2 are close to each other, the strength of the nozzle 9 cannot be maintained if the curvature radius R of the curved surface 11 is excessive. Therefore, it is desirable to adopt a curvature radius R that is small enough that the interference margin between the curved surfaces 11 of the adjacent nozzles 9 can maintain the strength of the nozzle 9 or has no interference margin. FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating the arrangement of nozzles according to the present embodiment. In FIG. 8, only three of the plurality of nozzles 9 provided in the sub chamber 2 are displayed for easy understanding. The larger the radius of curvature R of the curved surface 11, the smaller the damage to the nozzle 9, which is desirable. However, if the curved surface 11 formed at the opening edge of one nozzle 9 overlaps (interfers with) the curved surface 11 formed at the opening edge of the adjacent nozzle 9, the curved surface 11 is slightly deformed. The boundary of the fluid flowing into the nozzle 9 may change just because it occurs. For this reason, the form of the flame jet formed by passing through the nozzle 9 is different between adjacent nozzles, changes to a combustion state different from the original design, and the combustion performance in the main chamber 1 deteriorates. There is a case. Therefore, it is preferable to adjust the distance between the nozzles 9 and the size of the curved surface 11 portion so that the distance L between the ends of the curved surface 11 provided at the opening edge of each nozzle 9 exists.
なお、上記実施の形態では、副室２側の開口縁のみが面取りされた形状となっているが、ノズル９の主室１側の開口縁も面取りされた形状となっていてよい。換言すれば、ノズル９は主室１側の入口のエッジは、角が丸く削られたように面取りされた形状または角が斜めに削られたように面取りされた形状であってもよい。このようにノズル９の主室１側の開口縁が面取りされた形状であることにより、主室１から副室２に希薄混合気が流れるときに流路の抵抗を低減して、流体圧のロスを軽減することができる。また、ノズル９の主室１側に鋭角のエッジがあると、正常でないときにエッジが火種になって着火してノッキングを生じさせることがあるが、面取りによりエッジを鈍角化してノッキングを抑制することができる。 In the above embodiment, only the opening edge on the sub chamber 2 side is chamfered, but the opening edge on the main chamber 1 side of the nozzle 9 may also be chamfered. In other words, the entrance edge of the nozzle 9 on the main chamber 1 side may be chamfered so that the corners are rounded or chamfered so that the corners are cut obliquely. As described above, the opening edge of the nozzle 9 on the main chamber 1 side is chamfered, so that when the lean air-fuel mixture flows from the main chamber 1 to the sub chamber 2, the resistance of the flow path is reduced, and the fluid pressure is reduced. Loss can be reduced. In addition, if there is an acute angle edge on the main chamber 1 side of the nozzle 9, the edge may become a fire type and ignite and cause knocking when it is not normal, but the edge is blunted by chamfering to suppress knocking. be able to.
図９は、本発明の実施例に係る副室形成体を備えた副室式ガスエンジンを或運転条件で４０００時間運転した後の、ノズル９の副室２側の開口部分の拡大写真である。この実施例に係る副室形成体に設けられたノズル９の副室２側の開口縁は、丸く面取りされた形状を有している。同図により、実施例に係る副室形成体では、４０００時間という比較的長時間の運転後も丸く面取りされた形状のノズル９の開口縁に殆ど形状変化が見られないことがわかる。一方、図１０は、上記と同じ或運転条件で１０００時間運転した後の、比較例に係る副室形成体のノズル９の副室２側の開口部分の拡大写真である。この比較例に係る副室形成体に設けられたノズル９は、運転前は副室２側の開口縁にほぼ直角の角を有していたが、運転後は副室２側の開口縁が多数の深い亀裂や欠落により変形していることがわかる。図９および図１０を比較することにより、ノズル９の副室２側の開口縁が面取りされた形状であることにより、ノズル９の開口縁の経時形状変化が著しく抑制されることがわかる。 FIG. 9 is an enlarged photograph of the opening portion of the nozzle 9 on the side of the sub chamber 2 after operating the sub chamber type gas engine including the sub chamber forming body according to the embodiment of the present invention for 4000 hours under certain operating conditions. . The opening edge on the side of the sub chamber 2 of the nozzle 9 provided in the sub chamber forming body according to this embodiment has a rounded chamfered shape. From the figure, it can be seen that the sub-chamber forming body according to the example hardly shows a change in shape at the opening edge of the nozzle 9 having a round chamfered shape even after a relatively long operation of 4000 hours. On the other hand, FIG. 10 is an enlarged photograph of the opening portion on the side of the sub chamber 2 of the nozzle 9 of the sub chamber forming body according to the comparative example after operating for 1000 hours under the same operating conditions as described above. The nozzle 9 provided in the sub chamber forming body according to this comparative example had a substantially right angle to the opening edge on the sub chamber 2 side before the operation, but the opening edge on the sub chamber 2 side after the operation It can be seen that it is deformed by a large number of deep cracks and missing parts. By comparing FIG. 9 and FIG. 10, it can be seen that the shape of the opening edge of the nozzle 9 over time is significantly suppressed due to the chamfered shape of the opening edge of the nozzle 9 on the sub chamber 2 side.
上記比較例に係る副室形成体のように、ノズル９の副室２側の開口縁が欠落してノズル９の断面形状が変化すれば、ノズル９を通じて主室１へ噴出する火炎ジェットの強度が変化する。特に、ノズル９の断面形状の変化によりノズル径が拡大すれば、火炎ジェットが短くなる。当初設計されているよりも火炎ジェットが短くなると、シリンダ１８内の混合気が自然発火（ノッキング）しやすくなる。一般的なガスエンジンはノッキングを防止するための機能を備えているため、ノッキングが発生しやすい条件下となればノッキングを防止するための制御が行われ、この結果、ガスエンジンの燃焼効率が低下する。 Like the sub chamber forming body according to the comparative example, if the opening edge of the nozzle 9 on the sub chamber 2 side is missing and the cross-sectional shape of the nozzle 9 changes, the strength of the flame jet ejected to the main chamber 1 through the nozzle 9 Changes. In particular, if the nozzle diameter increases due to a change in the cross-sectional shape of the nozzle 9, the flame jet becomes shorter. If the flame jet becomes shorter than originally designed, the air-fuel mixture in the cylinder 18 is likely to spontaneously ignite (knock). Since general gas engines have a function to prevent knocking, control is performed to prevent knocking under conditions where knocking is likely to occur. As a result, the combustion efficiency of the gas engine decreases. To do.
図１１では、実施例に係る副室式ガスエンジンの発電効率と比較例に係る副室式ガスエンジンの発電効率の経時変化を示している。同図のグラフでは、縦軸が初期状態の発電効率を０％とし、そこからの発電効率の増減率を発電効率差として示しており、横軸が運転時間を示している。実施例に係る副室式ガスエンジンの発電効率差の経時変化は上記グラフに実線で示され、比較例に係る副室式ガスエンジンの発電効率差の経時変化は上記グラフに鎖線で示されている。実施例に係る副室式ガスエンジンは、ノズル９の副室２側の開口縁が面取りされた形状を有している。比較例に係る副室式ガスエンジンは、ノズル９の副室２側の開口縁が角を有している以外は、構成および運転条件等は本実施例に係る副室式ガスエンジンと同じである。図１１のグラフから明らかなように、比較例に係る副室式ガスエンジンは、本実施例に係る副室式ガスエンジンの３倍以上の早さで発電効率差が低下している。このグラフに表れる比較例に係る副室式ガスエンジンの発電効率差の低下の主な原因は、ノズル９の断面形状の変化であると推察される。比較例に係る副室式ガスエンジンでは比較的早期に発電効率差が所定の程度（−１％）まで低下するため、副室形成体を比較的早期に交換せねばならない。換言すれば、本実施例に係る副室式ガスエンジンは、ノズル９の副室２側の開口縁が面取りされた形状であることにより副室形成体の長寿命化を実現している。 In FIG. 11, the time-dependent change of the power generation efficiency of the sub chamber type gas engine which concerns on an Example, and the power generation efficiency of the sub chamber type gas engine which concerns on a comparative example is shown. In the graph of the figure, the vertical axis indicates the power generation efficiency in the initial state as 0%, the increase / decrease rate of the power generation efficiency therefrom is shown as the difference in power generation efficiency, and the horizontal axis indicates the operation time. The time-dependent change in the power generation efficiency difference of the sub-chamber type gas engine according to the example is indicated by a solid line in the graph, and the time-dependent change in the power generation efficiency difference of the sub-chamber type gas engine according to the comparative example is indicated by a chain line in the graph. Yes. The sub-chamber gas engine according to the embodiment has a shape in which the opening edge of the nozzle 9 on the sub-chamber 2 side is chamfered. The sub-chamber type gas engine according to the comparative example is the same as the sub-chamber type gas engine according to this embodiment except that the opening edge of the nozzle 9 on the side of the sub-chamber 2 has a corner. is there. As is apparent from the graph of FIG. 11, the difference in power generation efficiency of the sub-chamber type gas engine according to the comparative example decreases at a speed three times or more that of the sub-chamber type gas engine according to the present embodiment. It is inferred that the main cause of the decrease in the power generation efficiency difference of the sub-chamber gas engine according to the comparative example shown in this graph is a change in the cross-sectional shape of the nozzle 9. In the sub-chamber type gas engine according to the comparative example, the difference in power generation efficiency is reduced to a predetermined level (−1%) relatively early, so that the sub-chamber forming body must be replaced relatively early. In other words, the sub chamber type gas engine according to the present embodiment achieves a long life of the sub chamber forming body by having a chamfered opening edge on the sub chamber 2 side of the nozzle 9.
本発明により、副燃焼室のノズル（噴孔）の形状が経時的な変化を受けにくくなるため、火炎ジェットの強度変化や、火炎ジェットの強度のノズルごとのバラツキが軽減される。よって、本発明によれば、経時による性能劣化が少なく効率の良いガスエンジンを提供することができる。また、本発明に係る副室式ガスエンジンでは、ノズルの副室側の開口の形状が歪になることを防止することにより渦流の発生が抑制されるので、火炎ジェットの強度の減退を防いで、エネルギーを有効に利用することができる。 According to the present invention, the shape of the nozzle (injection hole) of the sub-combustion chamber is less susceptible to changes over time, so that changes in the strength of the flame jet and variations in the strength of the flame jet from nozzle to nozzle are reduced. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide an efficient gas engine with little performance deterioration with time. Further, in the sub-chamber gas engine according to the present invention, the generation of the vortex is suppressed by preventing the shape of the opening on the sub-chamber side of the nozzle from becoming distorted, thereby preventing the strength of the flame jet from decreasing. , Energy can be used effectively.
１ 主燃焼室（主室）
２ 副燃焼室（副室）
３ 点火プラグ
４ 主電磁弁
５ 副電磁弁
６ 逆止弁
７ ピストン
８ クランク
９ ノズル（噴孔）
１１ 曲面
1 Main combustion chamber (main chamber)
2 Subcombustion chamber (Subchamber)
3 Spark plug 4 Main solenoid valve 5 Sub solenoid valve 6 Check valve 7 Piston 8 Crank 9 Nozzle (nozzle hole)
11 Curved surface
Claims (6)
主燃焼室を形成しているシリンダおよびピストンと、内部に副燃焼室を形成しており前記主燃焼室内へ突出した突出部を有する副室形成体とを備えており、
前記副室形成体に前記突出部を内外に貫いて前記主燃焼室と前記副燃焼室を連通している複数のノズルが設けられており、
前記複数のノズルの前記副燃焼室側の開口縁が丸く面取りされた形状であって、前記開口縁が曲面で形成されており、
前記曲面の曲率半径は、前記開口縁の上昇温度が、前記副室形成体の内壁において前記開口縁以外で最も温度が上昇しやすい所定箇所の上昇温度より小さくなるように定められている、副室式ガスエンジン。 In a gas engine for injecting combustion gas from the auxiliary combustion chamber through a plurality of nozzles communicating with the auxiliary combustion chamber and the main combustion chamber to ignite fuel in the main combustion chamber,
A cylinder and a piston forming a main combustion chamber, and a sub-chamber forming body having a sub-combustion chamber formed therein and having a protruding portion protruding into the main combustion chamber,
A plurality of nozzles are provided in the sub-chamber forming body so as to penetrate the projecting portion inward and outward and communicate the main combustion chamber and the sub-combustion chamber;
The opening edges of the plurality of nozzles on the side of the sub-combustion chamber are rounded and chamfered, and the opening edges are formed with curved surfaces,
The curvature radius of the curved surface is determined so that the rising temperature of the opening edge is smaller than the rising temperature of a predetermined portion where the temperature is most likely to rise other than the opening edge on the inner wall of the sub chamber forming body. Chamber type gas engine.
前記開口縁から前記副室形成体を通じて前記冷却手段へ逃げる熱量に基づく前記開口縁の上昇温度が、前記所定箇所から前記副室形成体を通じて前記冷却手段へ逃げる熱量に基づく前記所定箇所の上昇温度よりも小さくなるように前記曲面の曲率半径が定められている、請求項１に記載の副室式ガスエンジン。The rising temperature of the opening edge based on the amount of heat escaping from the opening edge to the cooling means through the sub chamber forming body is the rising temperature of the predetermined position based on the amount of heat escaping from the predetermined position to the cooling means through the sub chamber forming body. The sub-chamber gas engine according to claim 1, wherein a radius of curvature of the curved surface is determined so as to be smaller.
上式において、Ａ1は前記所定箇所の熱伝導面積であり、Ｌ1はこの所定箇所から前記冷却手段まで熱が伝導する距離であり、Ａ2は或一つのノズルの前記開口縁の曲面の面積であり、Ｌ2はこの開口縁の曲面から前記冷却手段まで熱が伝導する距離であり、ｎは前記複数のノズルの数である。 Equation 1 based on the area A 2 of the opening edge of the curved surface which satisfies a relation of the curved surface of curvature radius is defined, pre-combustion chamber gas engine according to claim 2.
In the above equation, A 1 is the heat conduction area of the predetermined location, L 1 is the distance through which heat is conducted from the predetermined location to the cooling means, and A 2 is the curved surface of the opening edge of one nozzle. L 2 is the distance through which heat is conducted from the curved surface of the opening edge to the cooling means, and n is the number of the plurality of nozzles.
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