JP5585300B2 - 副室式ガスエンジン - Google Patents

Description

本発明は、副室式ガスエンジンに関する。

副室式ガスエンジンは、シリンダブロックに移動可能に収納されるピストンと、ピストンとシリンダブロックと協働して主燃焼室を区画するシリンダヘッドと、シリンダヘッドに設けられかつ副室が内部に形成される副室部材と、副室に供給された燃料ガスに点火する点火プラグを有する（特許文献１，２参照）。副室部材には、副室から主燃焼室に貫通する複数の噴孔が形成され、噴孔は、所定の径と所定の角度を有して主燃焼室に開口する。したがって副室に供給された燃料ガスを点火プラグによって点火することで、各噴孔を経て主燃焼室に所定の大きさと角度を有するトーチ火炎が噴出する。これにより主燃焼室内の燃料ガスが均等に燃焼され得る。

噴孔に逆止弁が設けられる副室式ガスエンジンも従来知られている（特許文献３参照）。したがって主燃焼室内の燃料ガスが燃焼して主燃焼室の圧力が副室の圧力よりも高くなった場合に、逆止弁によって主燃焼室内の未燃ガスが主燃焼室から副室へ逆流することが防止され得る。そのため未燃ガスによるエンジンの出力減少と排気ガス性状の悪化が抑制され得る。

特開２００１−２２７３４４号公報 特開２００１−８２１４８号公報 特開２００４−４４４０４号公報

しかし引用文献３の逆止弁は、複雑な構造を有している。また、近年においてはさらなる未燃ガスの残量を減少させることが必要となっている。そのため従来、簡易な構造によって主燃焼室から副室への未燃ガスの逆流を軽減し得る副室式ガスエンジンが必要とされている。

前記課題を解決するために本発明は、各請求項に記載の通りの構成を備える副室式ガスエンジンであることを特徴とする。一つの特徴によると本発明は、副室式ガスエンジンであって、シリンダブロックに移動可能に収納されるピストンと、ピストンとシリンダブロックと協働して主燃焼室を区画するシリンダヘッドと、副室式ガスエンジンに設けられかつ副室が内部に形成される副室部材と、副室に供給された燃料ガスに点火する点火プラグを有する。副室部材には、副室から主燃焼室に貫通する主噴孔と、主噴孔から分岐して主燃焼室に貫通する分岐噴孔が形成される。

したがって副室内の燃料ガスが点火プラグによって燃焼すると、副室から主噴孔を経て主燃焼室に第一トーチ火炎が噴出され、かつ主噴孔から分岐して分岐噴孔から主燃焼室に第二トーチ火炎が噴出される。これにより主燃焼室の広い範囲において主燃焼室内の燃料ガスが燃焼する。例えば第一トーチ火炎のみが噴出する形態に比べて、広い範囲において主燃焼室内の燃料ガスが燃焼する。かくして主燃焼室内の未燃ガスの残量を減少させ得る。

また主燃焼室内の燃料ガスが燃焼して、主燃焼室の圧力が副室の圧力よりも高くなった場合は、主燃焼室内の未燃ガスが主燃焼室から主噴孔と分岐噴孔を経て副室へ逆流しようとする。これにより主噴孔と分岐噴孔の分岐領域において両噴孔から逆流した未燃ガスが干渉し、かつ分岐領域の圧力が上昇する。そのため未燃ガスが主燃焼室から副室に逆流することが抑制される。かくして未燃ガスによるエンジンの出力減少と排気ガス性状の悪化を抑制し得る。例えば排気ガス内のＨＣの量を低減させ得る。また分岐噴孔を有する噴孔は、従来の逆止弁よりも簡易に構成される。そのためガスエンジンが安価に製造され得る。

副室式ガスエンジンの断面図である。 副室近傍におけるガスエンジンの拡大断面図である。 図２のIII―III線断面矢視図である。 副室式ガスエンジンの模式図である。 図３に対応する他の形態に係る副室式ガスエンジンの断面図である。 図３に対応する他の形態に係る副室式ガスエンジンの断面図である。 図６の矢印VII方向図である。

本発明の一つの実施の形態を図１〜４にしたがって説明する。ガスエンジン１は、図１に示すように例えば車両の動力を発生するための車両用内燃機関である。ガスエンジン１は、副室式ガスエンジンであって、シリンダブロック２とシリンダヘッド３と副室部材４を有する。

シリンダブロック２には、図１に示すようにボア２ａが形成される。ボア２ａには、ピストン６が直線運動可能に収納される。ピストン６は、連結棒７によってクランクシャフト８に連結される。ピストン６の直線運動は、連結棒７によってクランクシャフト８の回転運動に変換される。

シリンダヘッド３は、図１に示すようにシリンダブロック２に装着される。シリンダブロック２とシリンダヘッド３とピストン６によって主燃焼室１０が区画される。シリンダヘッド３には、主燃焼室１０と連通する吸気ポート３ａと排気ポート３ｂが形成される。吸気ポート３ａに吸気弁１２が設けられ、排気ポート３ｂに排気弁１３が設けられる。吸気弁１２を開けることで燃料ガスを含む希薄混合ガスが吸気ポート３ａから主燃焼室１０へ供給される。排気弁１３を開けることで排気ガスが主燃焼室１０から排気ポート３ｂへ排出される。

副室部材（プラグホルダ）４は、図１に示すようにシリンダヘッド３に形成された取付孔３ｃに挿入される。副室部材４の内部には、副室１１が形成される。副室１１は、配管１６を経てチェック弁１７に接続される。本実施形態において、チェック弁１７は球状の弁体とバネとからなる公知のものである。副室１１には、チェック弁１７と配管１６を経て燃料ガスを含む濃混合ガスが供給される。濃混合ガスは、主燃焼室１０に供給される希薄混合ガスに比べて空気に対する燃料の比率が高い。燃料ガスには、例えば天然ガスが含まれる。

副室部材４は、図２に示すように筒部４ａと先端部４ｂを有する。筒部４ａは、円筒状であって、筒部４ａの一端部に点火プラグ５が挿入され、他端部は、先端部４ｂによって塞がれる。これにより筒部４ａの内周面４ａ１と先端部４ｂの内側面４ｂ１と点火プラグ５の先端面によって副室１１が区画される。先端部４ｂは、半球状であって、シリンダヘッド３から突出して主燃焼室１０に臨む。先端部４ｂには、副室１１と主燃焼室１０を連通する複数の噴孔９が形成される。

複数の噴孔９は、図２，３に示すように副室部材４に対して周方向に略等間隔で配設される。各噴孔９は、主噴孔９ａと分岐噴孔９ｂを一体的に有する。主噴孔９ａは、副室部材４を径方向に直線的に延出し、好ましくは先端部４ｂの曲面に対して略直交して延出する。これにより主噴孔９ａは、副室部材４を略最短距離で貫通する。

主噴孔９ａは、図２，３に示すように先端部４ｂの内側面４ｂ１に形成される入口９ａ１と、先端部４ｂの外側面４ｂ２に形成される出口９ａ２を有する。出口９ａ２は、入口９ａ１よりも副室部材４の軸中心４ｃよりも外側に位置し、主燃焼室１０の外周領域に向いて開口する。

分岐噴孔９ｂは、図２，３に示すように主噴孔９ａから分岐して主燃焼室１０に連通する。分岐噴孔９ｂの断面積は、主噴孔９ａの断面積よりも小さく、火炎が分岐噴孔９ｂを通る際に消炎しない程度の大きさを有する。例えば分岐噴孔９ｂの断面積は、主噴孔９ａの断面積の２０〜８０％に設定される。分岐噴孔９ｂは、主噴孔９ａから主噴孔９ａの延出方向に対して角度を有して略直線的に延出する。具体的には、分岐噴孔９ｂは主噴孔９ａよりも鉛直方向に対し副室部材４の軸中心４ｃにより近い方向に火炎を噴射する。

分岐噴孔９ｂは、図２，３に示すように主噴孔９ａの構成壁面９ａ３に形成される入口９ｂ１と、先端部４ｂの外側面４ｂ２に形成される出口９ｂ２を有する。出口９ｂ２は、主噴孔９ａの出口９ａ２よりも副室部材４の軸中心４ｃに近くなるように開口している。また、出口９ｂ２は入口９ｂ１より副室部材４の軸中心４ｃに近くなるように開口する。

図２，４に示すように副室１１に濃混合ガスを供給し、濃混合ガスを点火プラグ５によって点火すると、火炎が発生する。火炎が発生すると、副室１１の圧力が主燃焼室１０の圧力より高くなり、火炎が噴孔９を経て副室１１から主燃焼室１０に噴出される。例えば主噴孔９ａから第一トーチ火炎２０ａが噴出し、分岐噴孔９ｂから第二トーチ火炎２０ｂが噴出する。

第一トーチ火炎２０ａは、図２，４に示すように主噴孔９ａを経て主噴孔９ａの出口９ａ２から主燃焼室１０の外周領域に向けて噴出する。主噴孔９ａの断面積は、分岐噴孔９ｂの断面積よりも大きい。そのため第一トーチ火炎２０ａは、第二トーチ火炎２０ｂよりもエネルギーが大きく、主燃焼室１０の外周領域に到達する。その結果、主燃焼室１０の外周領域の希薄混合ガスが燃焼する。

第二トーチ火炎２０ｂは、図２，４に示すように主噴孔９ａの入口９ａ１と分岐噴孔９ｂを経て分岐噴孔９ｂの出口９ｂ２から主燃焼室１０の中心領域に噴出する。第二トーチ火炎２０ｂは、第一トーチ火炎２０ａよりもエネルギーが小さく、ピストン６の頂点に当たり難い。そのため第二トーチ火炎２０ｂは、ピストン６によって熱が奪われる量が第一トーチ火炎２０ａに比べて小さい。その結果、副室部材４の近傍領域において主燃焼室１０内の希薄混合ガスが第二トーチ火炎２０ｂによって好適に燃焼する。

図１を参照するように主燃焼室１０の希薄混合ガスが燃焼すると主燃焼室１０の圧力が上昇する。主燃焼室１０の圧力が副室１１の圧力よりも高くなると、主燃焼室１０内の未燃ガスが二系統にて噴孔９を経て副室１１へ向けて逆流する。未燃ガスの一部は、出口９ａ２から主噴孔９ａに流入し、他の一部は、出口９ｂ２から分岐噴孔９ｂに流入する。

図２，３を参照するように二系統にて噴孔９に流入した未燃ガスは、主噴孔９ａと分岐噴孔９ｂの分岐領域において干渉し、さらに分岐領域の圧力が高くなる。これにより分岐領域から主噴孔９ａの入口９ａ１へ向けて未燃ガスが流れることが抑制され得る。

図１を参照するように主燃焼室１０の希薄混合ガスが燃焼することで、主燃焼室１０の圧力が変化してピストン６が上下動する。ピストン６が上下動する際に、吸気弁１２と排気弁１３が開閉する。これにより新気が主燃焼室１０に取込まれ、排気ガスが主燃焼室１０から排出される。したがって主燃焼室１０において吸気、圧縮、燃焼・膨張、排気の各行程が行われて、ピストン６が上下動する。ピストン６の上下動は、連結棒７によってクランクシャフト８の回転運動に変換される。

以上のように副室式ガスエンジン１は、図１，２に示すようにシリンダブロック２に移動可能に収納されるピストン６と、ピストン６とシリンダブロック２と協働して主燃焼室１０を区画するシリンダヘッド３と、副室式ガスエンジン１に設けられかつ副室１１が内部に形成される副室部材４と、副室１１に供給された燃料ガスに点火する点火プラグ５を有する。副室部材４には、副室１１から主燃焼室１０に貫通する主噴孔９ａと、主噴孔９ａから分岐して主燃焼室１０に貫通する分岐噴孔９ｂが形成される。

したがって副室１１内の燃料ガス（濃混合ガス）が点火プラグによって燃焼すると、図２，４に示すように副室１１から主噴孔９ａを経て主燃焼室１０に第一トーチ火炎２０ａが噴出され、かつ主噴孔９ａから分岐して分岐噴孔９ｂから主燃焼室１０に第二トーチ火炎２０ｂが噴出される。これにより主燃焼室１０の広い範囲において主燃焼室１０内の燃料ガス（希薄混合ガス）が燃焼する。例えば第一トーチ火炎２０ａのみが噴出する形態に比べて、広い範囲において主燃焼室１０内の燃料ガスが燃焼する。かくして主燃焼室１０内の未燃ガスの残存量が減少する。

また主燃焼室１０内の燃料ガスが燃焼して、主燃焼室１０の圧力が副室１１の圧力よりも高くなった場合、主燃焼室１０内の未燃ガスが主燃焼室１０から主噴孔９ａと分岐噴孔９ｂを経て副室１１へ逆流しようとする。これにより主噴孔９ａと分岐噴孔９ｂの分岐領域において両噴孔９ａ，９ｂから逆流した未燃ガスが干渉し、かつ分岐領域の圧力が上昇する。そのため未燃ガスが主燃焼室１０から副室１１に逆流することが抑制され得る。かくして未燃ガスによるエンジンの出力減少と排気ガス性状の悪化を抑制し得る。例えば排気ガス内のＨＣの量を低減させ得る。また分岐噴孔９ｂを有する噴孔９と配管１６上に配置されるチェック弁１７は、主燃焼室１０と副室１１とを遮断する従来の逆止弁よりも簡易に構成される。そのためガスエンジン１が安価に製造され得る。

分岐噴孔９ｂの断面積は、図２，４に示すように主噴孔９ａの断面積よりも小さい。したがって主噴孔９ａから主燃焼室１０に噴出される第一トーチ火炎２０ａは、分岐噴孔９ｂから主燃焼室１０に噴出される第二トーチ火炎２０ｂに比べて量が多く、エネルギーが大きい。そのため第一トーチ火炎２０ａは、副室１１から遠い領域における主燃焼室１０の燃料ガスを燃焼させ得る。第二トーチ火炎２０ｂは、副室１１から近い領域における主燃焼室１０の燃料ガスを燃焼させ得る。かくして主燃焼室１０内の燃料ガスを均等に燃焼させ得る。

主噴孔９ａは、図２，３に示すように副室部材４の壁厚み方向に最短距離に貫通する。分岐噴孔９ｂは、主噴孔９ａに対して傾斜角度を有して延出する。したがって副室１１から主噴孔９ａと分岐噴孔９ｂを経て主燃焼室１０へ噴出される第二トーチ火炎２０ｂの経路長さは、副室１１から主噴孔９ａを経て主燃焼室１０へ噴出される第一トーチ火炎２０ａの経路長さに比べて長い。そのため主燃焼室１０へ噴出される第一トーチ火炎２０ａと第二トーチ火炎２０ｂに時間差が生じる。これにより主燃焼室１０内の燃料ガスを好適に燃焼し、未燃ガスの残存量を少なくし得る。

副室部材４には、図２，３に示すように副室１１に開口する主噴孔の入口９ａ１と、入口９ａ１よりも副室１１の軸中心４ｃから離れた位置において主燃焼室１０に開口する主噴孔９ａの出口９ａ２と、主噴孔９ａの出口９ａ２よりも副室１１の軸中心４ｃに近い位置において主燃焼室１０に開口する分岐噴孔９ｂの出口９ｂ２が形成される。したがって第一トーチ火炎２０ａが主噴孔９ａから主燃焼室１０の外周領域へ噴出し、第二トーチ火炎２０ｂが分岐噴孔９ｂから主燃焼室１０の中心領域へ噴出する。これにより主燃焼室１０内の燃料ガスが広い範囲において均等に燃焼され得る。

本発明は、上記実施の形態に限定されず、以下の形態等であっても良い。他の形態において噴孔９は、図５に示すように主噴孔９ａから分岐する第一分岐噴孔９ｂと第二分岐噴孔９ｃを有していても良い。第一分岐噴孔９ｂと第二分岐噴孔９ｃは、主噴孔９ａの構成壁面９ａ３に形成される入口９ｂ１，９ｃ１を有し、入口９ｂ１，９ｃ１が相互に対向している。第一分岐噴孔９ｂと第二分岐噴孔９ｃの出口９ｂ２，９ｃ２は、主噴孔９ａの出口９ａ２よりも副室部材４の軸中心４ｃに近い位置にて主燃焼室１０に開口する。

他の形態において噴孔９は、図６，７に示すように主噴孔９ａの出口９ａ２よりも径の大きい入口９ａ５と、入口９ａ５から出口９ａ２に向けて徐々に径が小さくなる入口領域部９ａ４を有していても良い。入口領域部９ａ４は、例えば主噴孔９ａの構成壁面９ａ３の両方向に拡がっている。

したがって図６，７に示すように主噴孔９ａの入口９ａ５の開口面積は、主噴孔９ａの出口９ａ２の開口面積よりも大きい。したがって副室１１から主噴孔９ａの入口に火炎が入る時の面積の変化量は、入口９ａ５が出口９ａ２と同じ大きさの場合に比べて小さい。そのため面積の変化による火炎進行の抵抗が小さくなる。かくして副室１１から主燃焼室１０へ噴出されるトーチ火炎の量が多くなる。これにより主燃焼室１０の未燃ガスの残存量を減少させ得る。

他の形態においてガスエンジン１は、船舶などの他の動力源、あるいはガスヒートポンプなどに利用されても良い。他の形態において分岐噴孔９ｂの断面積は、主噴孔９ａの断面積と同じ、または主噴孔９ａの断面積よりも大きくても良い。

他の形態においてガスエンジン１は、副室部材４とシリンダヘッド３を一体に有していても良い。他の形態においてガスエンジン１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド３を一体に有していても良い。他の形態において副室部材４に噴孔９が１〜３個または５個以上形成されても良い。他の形態において、チェック弁１７を省略してもよい。他の形態において、副室部材４がシリンダブロック２に取付けられても良い。

１…副室式ガスエンジン
２…シリンダブロック
３…シリンダヘッド
４…副室部材
４ａ…筒部
４ｂ…先端部
４ｃ…軸中心
５…点火プラグ
６…ピストン
７…連結棒
８…クランクシャフト
９…噴孔
９ａ…主噴孔
９ｂ，９ｃ…分岐噴孔
９ａ１，９ａ５，９ｂ１，９ｃ１…入口
９ａ２，９ｂ２，９ｃ２…出口
１０…主燃焼室
１１…副室
２０ａ…第一トーチ火炎
２０ｂ…第二トーチ火炎

Claims (5)

1. 副室式ガスエンジンであって、
   シリンダブロックに移動可能に収納されるピストンと、前記ピストンと前記シリンダブロックと協働して主燃焼室を区画するシリンダヘッドと、前記副室式ガスエンジンに設けられかつ副室が内部に形成される副室部材と、前記副室に供給された燃料ガスに点火する点火プラグを有し、
   前記副室部材には、前記副室から前記副室の軸中心に対して傾斜角度を有して前記主燃焼室に貫通する主噴孔と、前記主噴孔の途中から前記主噴孔に対して傾斜角度を有して分岐して前記主燃焼室に貫通する分岐噴孔が形成され、
   前記主噴孔は、前記副室に開口する入口と、該入口よりも前記副室の軸中心から離れた位置において前記主燃焼室に開口する出口を有し、
   前記分岐噴孔は、前記主噴孔の前記出口よりも前記副室の軸中心に近い位置において前記主燃焼室に開口する出口を有する副室式ガスエンジン。
2. 請求項１に記載の副室式ガスエンジンであって、
   前記分岐噴孔の断面積は、前記主噴孔の断面積よりも小さい副室式ガスエンジン。
3. 請求項１または２に記載の副室式ガスエンジンであって、
   前記主噴孔は、前記副室部材の壁厚み方向に最短距離に貫通し、
   前記分岐噴孔は、前記主噴孔に対して傾斜角度を有して延出する副室式ガスエンジン。
4. 請求項１〜３のいずれか一つに記載の副室式ガスエンジンであって、
   前記分岐噴孔は、前記主噴孔に開口する入口と、該入口よりも前記副室部材の軸中心に近い位置において前記主燃焼室に開口する前記出口を有する副室式ガスエンジン。
5. 請求項１〜４のいずれか一つに記載の副室式ガスエンジンであって、
   前記主噴孔の入口の開口面積は、前記主噴孔の出口の開口面積よりも大きい副室式ガスエンジン。
   

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