JP5486645B2

JP5486645B2 - 副室式エンジン

Info

Publication number: JP5486645B2
Application number: JP2012161675A
Authority: JP
Inventors: 裕紀佐藤; 俊作中井; 誠一伊藤
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2028-03-14
Also published as: JP2012193747A

Description

本発明は、燃焼室として、ピストンに面する主室と、当該主室に噴孔を介して連通する副室とを備え、前記副室に形成された混合気を火花点火する点火プラグの点火部と、ガス通路を通じて供給された燃料ガスを前記副室に噴射する燃料噴射孔とを、前記副室の天井部に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、主室においてピストンの上昇により圧縮された希薄混合気等の新気が噴孔を介して副室に流入し、その副室において、上記噴孔から流入した新気と燃料噴射孔から噴射された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て、副室から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。）。
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、上記特許文献１に記載の副室式エンジンでは、上記燃料噴射孔に燃料ガスを１サイクル毎に断続的に供給するための燃料供給弁として、当該燃料噴射孔側の圧力低下に伴って開状態となり当該燃料噴射孔側の圧力上昇に伴って閉状態となる逆止弁が設けられている。即ち、この逆止弁は、燃料ガスの供給圧力と副室の圧力との圧力差が一定値以上になると開弁して副室に向かう順方向への燃料ガスの通流を許容し、逆に、同圧力差が一定値以下であると閉弁して例えば副室からの逆方向へのガスの通流を阻止するように構成されている。

上記のように逆止弁等の燃料供給弁から燃料噴射孔を通じて副室に燃料ガスを供給する副室式エンジンでは、点火プラグと燃料供給弁との干渉等の設計上の制約により、副室の直近に燃料供給弁を配置することができない場合がある。このような場合には、副室の天井部に形成された燃料噴射孔に通じるガス通路を設け、そのガス通路の上端部側に接続される燃料ガス通路に燃料供給弁を設けるというように、副室から離れた位置に配置された燃料供給弁からガス通路を通じて断続的に供給された燃料ガスを、燃料噴射孔を通じて副室に噴射するように構成される。
しかしながら、このように副室の天井部に燃料噴射孔を配置すると、副室には天井部に配置された燃料噴射孔から下向きに燃料ガスが噴射されることになるので、その燃料ガスの一部が副室の下方部にある噴孔に到達して、その噴孔を通じて主室に直接流出してしまう所謂燃料ガスの吹き抜けという現象が発生する場合がある。そして、このような燃料ガスの吹き抜けが発生すると、副室に点火に十分な濃度の混合気が形成されずに、燃焼状態が不安定になってしまう。
そこで、上記特許文献１に記載の副室式エンジンでは、燃料噴射孔が、副室の天井部の角部において副室の軸心と略直交する向き（略横向き）に開口するように形成されている。即ち、天井部の角側に設けられ横向きに開口する燃料噴射孔から反対の角側に設けられた点火プラグの点火部に向けて燃料ガスを噴射することで、上記燃料ガスの吹き抜けを抑制し、安定した燃焼状態を実現している。

特開昭６３−１６２９２２号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の副室式エンジン、即ち、天井部の角側に設けられ横向きに開口する燃料噴射孔から反対の角側に設けられた点火プラグの点火部に向けて燃料ガスが噴射される副室式エンジンでは、その横向きに開口する燃料噴射孔を形成するために、燃料噴射孔に通じるガス通路に複雑な先端形状を有するガス導管等を配置する必要があり、コスト面で不利であった。
更に、燃料噴射孔自身が横向きに開口しており、燃料噴射孔から噴射された燃料ガスの全てが点火プラグの点火部に向かう方向に流れるので、副室に噴射された燃料ガスの拡散が抑制されてしまい、例えば副室において点火部の付近に過剰に濃い混合気が形成されるなどのように、混合気の濃度が不均一となって、ノッキングや失火等の異常燃焼が発生することが懸念される。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃焼室として、ピストンに面する主室と、当該主室に噴孔を介して連通する副室とを備え、前記副室に形成された混合気を火花点火する点火プラグの点火部と、ガス通路を通じて供給された燃料ガスを前記副室に噴射する燃料噴射孔とを、前記副室の天井部に備えた副室式エンジンにおいて、合理的な構成で、副室から主室への燃料ガスの吹き抜けを良好に防止しながら、燃焼状態を良好且つ安定したものとすることができる技術を提供する点にある。

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、燃焼室として、ピストンに面する主室と、当該主室に噴孔を介して連通する副室とを備え、前記副室に形成された混合気を火花点火する点火プラグの点火部と、ガス通路を通じて供給された燃料ガスを前記副室に噴射する燃料噴射孔とを、前記副室の天井部に備えた副室式エンジンであって、その特徴構成は、前記副室の上下方向における中間よりも上側の外周部である上側外周部に、前記天井部に対向する環状段部が前記上側外周部を拡径するように形成され、
前記燃料噴射孔が、前記天井部の前記環状段部に対向する角部において下向きに開口するように形成され、
前記点火部が、前記天井部において前記燃料噴射孔が配置された部位とは前記副室の軸心に対して反対側の前記環状段部の角部に隣接する部位に配置され、
前記環状段部に衝突した燃料ガスの一部が当該環状段部に沿って流れて前記点火部が配置された部位に到達するように構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、副室の上側外周部に上記環状段部を、当該上側外周部を拡径するように形成して、天井部の前記環状段部に対向する角部において下向きに開口する孔というように単純な形状の燃料噴射孔を形成するというように、合理的な構成を採用すれば、上記燃料噴射孔から下向きに（副室の軸心に沿って噴孔側に向かう方向）噴射された燃料ガスは、上記環状段部に衝突することになる。よって、燃料噴射孔から噴射された燃料ガスが環状段部よりも下方側にある噴孔に到達することが抑制されるので、燃料ガスが噴孔を通じて主室に直接流出してしまうという所謂燃料ガスの吹き抜けが抑制される。更に、環状段部に衝突した燃料ガスが、例えば副室の上側外周部及び環状段部に沿った方向と副室の軸心と略直交する方向とに良好に拡散されるので、副室において略均一な濃度の混合気が形成されて、ノッキングや失火等の異常燃焼の発生を防止することができる。
従って、本発明により、合理的な構成で、副室から主室への燃料ガスの吹き抜けを良好に防止しながら、燃焼状態を良好且つ安定したものと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。

さらに、上記特徴構成によれば、上記燃料噴射孔から下向きに噴射され上記環状段部に衝突した燃料ガスの殆どが良好に拡散しながら副室の中央付近の空間に流れるが、若干の燃料ガスが、環状段部に沿って流れ、天井部において燃料噴射孔が配置された部位とは副室の軸心に対して反対側の部位に到達することになる。
従って、その反対側の環状段部の角部に隣接する部位に点火プラグの点火部を配置することで、点火部近傍に、点火に十分な濃度の混合気が形成されることになり、燃焼状態を一層安定したものとすることができる。
また、本発明に係る副室式エンジンの更なる特徴構成は、前記副室が、上向きに漸次拡径するように形成されている点にある。

副室式エンジンの概略構成副室での燃料噴射孔と環状段部との配置状態を示す斜視図

本発明に係る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、燃焼室として、ピストン２に面する主室１と、当該主室１に噴孔２１を介して連通する副室２０とを備えると共に、その副室２０に、混合気を火花点火する点火プラグ１２の点火部１２ａと、ガス通路１４から供給された都市ガス（１３Ａ）を燃料ガスＧとして噴射する燃料噴射孔１６とを備えた副室式エンジンとして構成されている。

即ち、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４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、図示は省略するが、吸気ポート５の上流側に通じる吸気路には、当該吸気路に取り込まれた空気に燃料ガスを混合して、上記新気Ｉとしての希薄混合気を形成するミキサや、当該新気Ｉを過給する過給機等が配置されている。

副室式エンジン１００のシリンダヘッド９には、主室１と共に燃焼室として設けられ、主室１に噴孔２１を介して連通する副室２０が設けられており、この副室２０の天井部２０ａには、０．２ＭＰａ（Ｇａｕｇｅ）の供給圧力で供給された燃料ガスＧを副室２０に噴射する燃料噴射孔１６と、副室２０に形成された混合気を火花点火可能な点火プラグ１２の点火部１２ａが設けられている。

更に、燃料噴射孔１６に通じるガス通路１４には、燃料ガスＧが例えば２３０ｋＰａ（Ｇａｕｇｅ）程度の供給圧力で供給され、その供給された燃料ガスＧを副室２０に断続的に供給可能な逆止弁１３が設けられている。この逆止弁１３は、燃料噴射孔１６側の圧力低下に伴って開状態となり燃料噴射孔１６側の圧力上昇に伴って閉状態となるように構成されている。
即ち、逆止弁１３の下流側に位置する燃料噴射孔１６の圧力、即ちそれが開口する副室２０の圧力が低下して所定の作動圧力以下になると、逆止弁１３の上流側の圧力（以下、「燃料ガス供給圧」と呼ぶ。）が、副室２０の圧力及び逆止弁１３の付勢力に打ち勝って逆止弁１３の弁体が弁座から離間し開状態となることで、ガス通路１４から燃料噴射孔１６を通じて副室２０に燃料ガスＧが供給されることになる。
一方、副室２０の圧力が上昇して所定の作動圧力よりも高くなると、上記副室２０の圧力及び逆止弁１３の付勢力が燃料ガス供給圧に打ち勝って逆止弁１３の弁体が弁座に当接し閉状態となることで、ガス通路１４から副室２０への燃料ガスＧの供給が停止される。

更に、上記圧力応動式の逆止弁１３の作動圧力は、上記逆止弁１３の付勢力と燃料ガス供給圧力とを調整することにより決定することができるが、その作動圧力は排気圧力よりも低い圧力（例えば、２２５ｋＰａ（Ｇａｕｇｅ））に設定されている。
よって、この圧力応動式の逆止弁１３は、排気行程において排気バルブ７が開状態となり、燃焼室即ち副室２０の圧力が上記排気圧力に略相当する圧力となった場合でも、閉状態を維持することになり、同排気行程において燃料ガスＧが無用に副室２０に流出して排気ポート８に排出されることが防止されている。

この副室式エンジン１００は、副室２０に備えた点火プラグ１２を作動させて点火部１２ａに火花を発生させることで、圧縮工程において圧縮された混合気を火花点火して燃焼させ、副室２０から噴孔２１を介して主室１に火炎ジェットＦを噴射する形態で作動することができ、この作動状態の詳細について以下に説明を加える。

即ち、吸気行程において、ピストン２の下降に伴って、当該逆止弁１３が開状態となり、燃料噴射孔１６からの副室２０への燃料ガスＧの噴射が開始され、吸気ポート５から主室１に開状態である吸気バルブ６を通じて新気Ｉが吸気される。次の圧縮行程の初期において、ピストン２の上昇に伴って、副室２０の圧力が圧力応動式の逆止弁１３の作動圧力よりも高くなることで、当該逆止弁１３が閉状態となり、燃料噴射孔１６からの副室２０への燃料ガスＧの噴射が停止される。

そして、次の圧縮行程では、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２１介して副室２０に流入し、副室２０には、噴孔２１から上方に向かう混合気流が発生し、その混合気流が点火プラグ１２の点火部１２ａに到達する。
よって、副室２０の上記点火プラグ１２の点火部１２ａでは、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。
そして、上記圧縮行程終了時にて、副室２０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希薄混合気が存在することになる。

そして、副室式エンジン１００は、燃焼・膨張行程において、上死点直前の例えば８°ＢＴＤＣ付近において、点火プラグ１２を作動させて、上記副室２０に形成された混合気を火花点火して燃焼させ、ピストン２を下降させる。
すると副室２０では、燃焼が進み、副室２０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２１を介して主室１に噴出される。
一方、主室１においては、噴孔２１から噴出された火炎ジェットＦにより希薄混合気を燃焼させるので、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、希薄燃焼を実現できるため、熱効率を向上することができる。

そして、このように運転される副室式エンジン１００において、副室２０と主室１とを連通する噴孔２１は、副室２０から主室１の軸心と同じ軸心を有する円筒状に主室１側に延出形成されており、更に、その噴孔２１は、上記主室１の軸心を中心に周方向に等間隔で分散配置され主室１に開口する複数の筒状の噴孔２１を有し、火炎ジェットＦが夫々の噴孔２１から主室１に噴射される。

次に、副室式エンジン１００は、排気行程において、排気バルブ７を開状態として、ピストン２の下死点からの上昇に伴って、主室１に存在する排ガスＥを排気ポート８に排出する。
ここで、主室１及び副室２０の圧力は比較的低い排気圧力となるが、圧力応動式の逆止弁１３の作動圧力がその排気圧力よりも小さく設定されていることから、当該逆止弁１３は閉状態に維持され、燃料噴射孔１６から燃料ガスＧが副室２０に流出することがない。

また、エンジンの運転を制御する運転制御装置（図示せず）は、吸気ポート５で計測した吸気圧力と、ガス通路１４において逆止弁１３の上流側で計測した燃料ガス供給圧力との差圧（即ち、「燃料ガス供給圧力−吸気圧力」で示される圧力。）が一定値になるように、圧力調整弁１７の作動を制御して逆止弁１３への燃料ガス供給圧力を調整するように構成されている。

即ち、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１７により燃料ガス供給圧力が調整されて、上記差圧が目標値（例えば、１０ｋＰａ）に安定維持される。
よって、吸気行程において、適切な時期に上記逆止弁１３が開状態となり、更に、適切な量の燃料ガスＧが燃料噴射孔１６を通じて副室２０に供給されることになる。
また、例えば、エンジン負荷に基づいて上記圧力調整弁１７における上記差圧の目標値を変更すれば、圧力応動式の逆止弁１３の作動圧力を変化させて、燃料ガス供給量をエンジン負荷に応じて変更することもできる。

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、この副室式エンジン１００は、合理的な構成で、副室から主室への燃料ガスの吹き抜けを良好に防止しながら、燃焼状態を良好且つ安定したものとするための特徴構成を有しており、以下に、その特徴構成について説明する。

図１及び図２にも示すように、副室２０の上側外周部２０ｂには、天井部２０ａに対向する環状段部２２が上側外周部２０ｂを拡径するように形成されており、更に、副室２０の天井部に開口する燃料噴射孔１６が、その副室２０の天井部２０ａの環状段部２２に対向する角部において下向きに開口するように形成されている。
即ち、副室２０の上側外周部２０ｂに上記環状段部２２を形成して、天井部２０ａの環状段部２２に対向する角部において下向きに開口する孔というように単純な形状の燃料噴射孔１６が形成されている。

そして、このような合理的な構成により、図２に示すように、燃料噴射孔１６から下向きに噴射された燃料ガスＧ、即ち副室２０の軸心に沿って噴孔２１側に向かう方向に噴射された燃料ガスＧは、上記環状段部２２に衝突して、水平方向に向きを変更して良好に拡散される。
よって、燃料噴射孔１６から噴射された燃料ガスＧが環状段部２２よりも下方側にある噴孔２１に到達することが抑制されるので、燃料ガスＧが噴孔を通じて主室１に直接流出してしまうという所謂燃料ガスＧの吹き抜けが抑制される。
更に、環状段部２２に衝突した燃料ガスＧは、例えば副室２０の上側外周部２０ｂ及び環状段部２２に沿った方向Ｘと副室２０の軸心と交差（略直交）する方向Ｙとに良好に拡散される。よって、副室２０において略均一な濃度の混合気が形成されて、点火プラグ１２の点火部１２ａにおいてその混合気が良好に火花点火されるので、ノッキングや失火等の異常燃焼の発生が防止される。

更に、点火プラグ１２の点火部１２ａは、副室２０の天井部２０ａにおいて燃料噴射孔１６が配置された部位とは副室２０の軸心に対して反対側の角部に隣接する部位に配置されている。
即ち、上記燃料噴射孔１６から下向きに噴射され上記環状段部２２に衝突した燃料ガスＧの殆どが上記方向Ｙに向けて拡散されて副室２０の中央付近の空間に流れるが、若干の燃料ガスＧが、上記方向Ｘに向けて拡散されて環状段部２２を沿ってながら、天井部２０ａにおいて燃料噴射孔１６が配置された角部とは反対側の角部に到達することになる。そして、その反対側の角部に隣接する部位に点火プラグ１２の点火部１２ａが配置されているので、点火部１２ａ近傍には、点火に十分な濃度の混合気が形成されることになり、燃焼状態が一層安定したものとなる。

更に、上記燃料噴射孔１６が副室２０の天井部２０ａの角部において下向きに開口する孔であることから、点火プラグ１２の側方部において上下方向に直線状に延出形成された単純形状の直線通路１５が、その燃料噴射孔１６に通じるガス通路１４として設けられており、その直線通路１５の副室２０側の開口がそのまま燃料噴射孔１６として利用されている。
そして、この直線通路１５の上端部側に、前述したように燃料噴射孔１６側の圧力変動に伴って開閉することで燃料噴射孔１６に対して燃料ガスＧを１サイクル毎に断続的に供給する逆止弁１３が接続されているので、点火プラグ１２と逆止弁１３との干渉の問題がない。

尚、上記実施の形態では、燃料ガスＧを都市ガス（１３Ａ）としたが、上記都市ガス以外に水素やプロパン等の気体燃料ガスや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ガスを用いることができる。
また、上記実施の形態では、燃料噴射孔１６側の圧力変動に伴って開閉する逆止弁１３により燃料噴射孔１６に対して燃料ガスＧを１サイクル毎に断続的に供給するように構成したが、参考例として、この逆止弁の代わりに、同逆止弁と同様の開閉動作を行う機械式の開閉弁を設けても構わない。

本発明に係る副室式エンジンは、燃焼室として、ピストンに面する主室と、当該主室に噴孔を介して連通する副室とを備え、前記副室に形成された混合気を火花点火する点火プラグの点火部と、ガス通路を通じて供給された燃料ガスを前記副室に噴射する燃料噴射孔とを、前記副室の天井部に備えたものであって、合理的な構成で、副室から主室への燃料ガスの吹き抜けを良好に防止しながら、燃焼状態を良好且つ安定したものと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。

１：主室
６：吸気バルブ
７：排気バルブ
１２：点火プラグ
１２ａ：点火部
１４：ガス通路
１６：燃料噴射孔
２０ｂ：上側外周部
２０ａ：天井部
２０：副室
２１：噴孔
２２：環状段部
１００：副室式エンジン
Ｇ：燃料ガス
Ｉ：新気

Claims

燃焼室として、ピストンに面する主室と、当該主室に噴孔を介して連通する副室とを備え、前記副室に形成された混合気を火花点火する点火プラグの点火部と、ガス通路を通じて供給された燃料ガスを前記副室に噴射する燃料噴射孔とを、前記副室の天井部に備えた副室式エンジンであって、
前記副室の上下方向における中間よりも上側の外周部である上側外周部に、前記天井部に対向する環状段部が前記上側外周部を拡径するように形成され、
前記燃料噴射孔が、前記天井部の前記環状段部に対向する角部において下向きに開口するように形成され、
前記点火部が、前記天井部において前記燃料噴射孔が配置された部位とは前記副室の軸心に対して反対側の前記環状段部の角部に隣接する部位に配置され、
前記環状段部に衝突した燃料ガスの一部が当該環状段部に沿って流れて前記点火部が配置された部位に到達するように構成されている副室式エンジン。
前記副室が、上向きに漸次拡径するように形成されている請求項１に記載の副室式エンジン。