JP6049450B2

JP6049450B2 - 副室式ガスエンジン

Info

Publication number: JP6049450B2
Application number: JP2012288645A
Authority: JP
Inventors: 大育竹本; 安藤　純之介; 純之介安藤; 柚木　晃広; 晃広柚木
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2032-12-28
Also published as: JP2014129788A

Description

本発明は、副燃焼室で生成された燃焼火炎を、噴孔を介して主燃焼室に噴出せしめることで、主燃焼室の希薄混合気を燃焼させる副室式ガスエンジンに関する。

図８は、従来の副室式ガスエンジンを示した断面図である。この従来の副室式ガスエンジン１００は、シリンダヘッド１０２の中央部に内設された副室口金1１２によって副燃焼室１１０が画成されている。また、シリンダヘッド１０２とシリンダ１０４に収容されたピストン１０６の頂面１０６ａとの間で主燃焼室１２０が画成されている。そして、副燃焼室１１０と主燃焼室１２０とは、副室口金１１２に設けられた噴孔１１４を介して連通されている。

また、副燃焼室１１０の上部には点火プラグ１１６が設けられており、この点火プラグ１１６による点火により副燃焼室１１０の混合気が着火されて燃焼火炎が生成される。副燃焼室１１０で生成された燃焼火炎は、噴孔１１４を介して主燃焼室１２０に噴出され、これにより主燃焼室１２０の希薄混合気が燃焼するように構成されている。
そして、噴孔１１４は副室口金１１２の中心線ＣＬを中心とした対称位置に複数個（例えば６個）形成されている。

例えば、特許文献１には、図９に示すように、副室式ガスエンジンにおいて、入口及び出口の開口径が等しい外側噴孔と、出口側に末広がりの拡開部を有し、入口よりも出口の開口径が大きい垂直噴孔と、を備えた副室口金が開示されている。

特開２００１−２２７３４４号公報

ところで、上述した特許文献１に記載の拡開部を有する垂直噴孔から燃焼火炎を主燃焼室に噴射させると、燃焼火炎が副室口金の軸線を中心とした径方向へ拡散されるため、直進性が低下するという問題点があった。
そして、主燃焼室への燃焼火炎の噴射量を増加させるために外側噴孔の入口及び出口の開口径を共に大きくすると、主燃焼室内への流量は増加するが、副燃焼室と主燃焼室との差圧が減少するため、流速が低下するという問題点があった。
また、これらの場合に、噴孔近傍の混合気の燃焼は完全になされるが、各噴孔から離れた位置では、燃焼火炎が行き渡り難いため、混合気の燃焼が十分になされなくなる。このため、主燃焼室における混合気の燃焼が不十分となり、エンジンの燃焼安定性の低下や、混合気の一部が未燃ガスとなって排出されるおそれがあった。

そこで、本発明は上述したような従来技術の課題に鑑みなされた発明であって、噴孔から噴出される燃焼火炎の流速を増加させて主燃焼室の希薄混合気を十分に燃焼させることでエンジンの燃焼安定性を向上させた副室式ガスエンジンを提供することを目的としている。

本発明は上述したような目的を達成するためになされた発明であって、本発明の副室式ガスエンジンは、シリンダヘッドの中央部に内設された副室口金によって画成される副燃焼室と、前記シリンダヘッドとシリンダ内に収容されたピストンの頂面との間で画成される主燃焼室とを備え、前記副燃焼室と前記主燃焼室とは前記副室口金に設けられた噴孔を介して連通されており、前記副燃焼室で生成された燃焼火炎を、前記噴孔を介して前記主燃焼室に噴出せしめることで、前記主燃焼室の混合気を燃焼させる副室式ガスエンジンにおいて、
前記副燃焼室は、
前記噴孔を介して前記主燃焼室と連通する下部と、
前記下部よりも大径に形成された着火部と、
前記着火部と前記下部とを接続する漸縮部と、
を備え、
前記噴孔は、前記燃焼火炎が流入する入口から当該入口の開口径よりも小さい開口径を有する喉部に向かって徐々に縮径し、噴孔軸線から見て凹状の第１円弧部と、当該喉部から前記燃焼火炎が流出する出口に向かって徐々に拡径し、前記噴孔軸線から見て凹状の第２円弧部とを備えるラバールノズル形状であることを特徴とする。

本発明の副室式ガスエンジンによれば、噴孔がラバールノズル形状を有しているため、入口側から出口側へ向かってテーパー状に拡径した噴孔よりも、噴孔の出口から噴射される際の燃焼火炎の流速を増加させることができる。これにより、主燃焼室内に燃焼火炎が行き渡り易くなるため、主燃焼室の混合気が十分に燃焼される。そして、エンジンの燃焼安定性が向上し、混合気の一部が未燃ガスとなって排出されることを防止できる。

また本発明では、前記噴孔の前記出口の開口径を前記入口の開口径よりも大きくしてもよい。

このように、噴孔の出口の開口径を入口の開口径よりも大きくすることで、入口と出口の開口径を同一とした場合よりも、噴孔の出口から噴射される際の燃焼火炎の流速を大幅に増加させることができる。

また本発明では、前記噴孔は、前記副室口金の軸心を中心とした環状に形成されていてもよい。

このように、噴孔は環状に形成されているため、燃焼火炎を均等に主燃焼室内に噴出させることができる。副室口金の軸心を中心として同心円上に複数の噴孔が設けられている場合よりも燃焼火炎を均等に主燃焼室内に供給することができるため、主燃焼室での燃焼を安定させることができる。これにより、主燃焼室内の最高圧力値の変動を抑制することができ、燃費を向上させることができる。

また本発明では、前記噴孔は、前記副室口金の軸心を中心とした同心円上に複数形成されていてもよい。

このように、噴孔は副室口金の軸心を中心とした同心円上に複数形成されているため、燃焼火炎を主燃焼室の広い範囲に噴出させることができる。これにより、燃焼火炎が主燃焼室の隅々まで行きわたり、主燃焼室での燃焼を安定させることができる。そして、主燃焼室での燃焼が安定すると、主燃焼室内の最高圧力値の変動を抑制することができ、燃費を向上させることができる。
また、噴孔を副室口金に設ける方法は加工が容易であるため、安価に製作することができる。

本発明によれば、噴孔から噴出される燃焼火炎の流速を増加させて主燃焼室の希薄混合気を十分に燃焼させることでエンジンの燃焼安定性を向上させた副室式ガスエンジンを提供することができる。

本発明の第一実施形態に係る副室式ガスエンジンを示した断面図である。本発明の第一実施形態に係る副室口金を示した断面図である。図２のＡ矢視図であり、副室口金の下部のみを示した図である。本発明の第一実施形態に係る噴孔を用いた場合の効果を示す図である。本発明の第二実施形態に係る副室口金を示した断面図である。図５のＢ矢視図であり、副室口金の下部のみを示した図である。図５のＣ−Ｃ断面図である。従来の副室式ガスエンジンを示した断面図である。従来の副室口金を示した断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。
ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限り、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は、本発明の第一実施形態に係る副室式ガスエンジンを示した断面図である。この図１に示したように、本発明の副室式ガスエンジン１は、シリンダヘッド２の中央部に内設された副室口金１２によって副燃焼室１０が画成されており、この副燃焼室１０の上部に点火プラグ１６が内設されている。

また、シリンダヘッド２とシリンダ４に収容されたピストン６の頂面６ａとの間において主燃焼室２０が画成されている。そして、副燃焼室１０と主燃焼室２０とは、副室口金１２に設けられた噴孔１４を介して連通されている。

また図１に示したように、ピストン６の頂面６ａには、副室口金１２の下方に位置する中央部に周囲よりも盛り上がった凸状部８が形成されている。
なお、この図１は、ピストン６が上死点にある状態を示している。

上述した副燃焼室１０には、不図示の燃料ガス通路が接続されており、該燃料ガス通路を介して副燃焼室１０に着火用燃料ガスが供給される。

また、不図示のガス混合器において燃料ガスと空気とが予混合され、この予混合された希薄混合気が給気弁３４から主燃焼室２０に供給される。なお、図中の符号３２は排気弁を示している。

給気行程において副燃焼室１０には、上述した燃料ガス通路を介して着火用燃料ガスが供給される。そして、ピストン６が上昇する圧縮行程において、主燃焼室２０の希薄混合気が噴孔１４を介して副燃焼室１０に流入する。

主燃焼室２０から流入した混合気と着火用燃料ガスとが副燃焼室１０で混合され、この混合された混合気が点火プラグ１６による点火で着火されて、副燃焼室１０に燃焼火炎が生成される。副燃焼室１０で生成された燃焼火炎は、噴孔１４を介して主燃焼室２０に噴出される。

主燃焼室２０に噴出された燃焼火炎は、先ず、噴孔軸線２２を中心として所定の傾斜角度で広がりっていき、次に、主燃焼室２０の混合気と順次接触しながら燃え広がり、主燃焼室２０全体の燃焼をもたらす。

図２は、本発明の第一実施形態に係る副燃焼室１０を示した断面図である。また、図３は、図２のＡ矢視図であり、副室口金１２の下部のみを示した図である。
図２及び図３に示したように、副燃焼室１０は、噴孔１４を介して主燃焼室２０と連通する下部１０ｃと、下部１０ｃよりも大径に形成された着火部１０ａと、この着火部１０ａと下部１０ｃとを接続する漸縮部１０ｂとから構成されている。そして、着火部１０ａの上部に上述した点火プラグ１６が内設されている。

上述した漸縮部１０ｂは、大径の着火部１０ａから小径の下部１０ｃに向かって徐々に縮径した漏斗状に形成されている。そして、副室口金１２の内周面には、下部１０ｃと漸縮部１０ｂとの接続部において、内側に向かって凸状をなしたＲ形状のＲ部１３が形成されている。

また、着火部１０ａと漸縮部１０ｂとの接続部には、外側に向かって凹状をなしたＲ形状のＲ部１１が形成されている。

また、噴孔１４は副室口金１２の中心線ＣＬを中心とした同心円上に複数個（例えば６個）形成されている。なお本実施形態では、その中心線ＣＬを挟んで対称位置にある２つの噴孔１４、１４の夫々の噴孔軸線２２、２２のなす角度（俯角）は予め設定された所定の角度となっている。

噴孔１４は、ラバールノズル形状を有している。具体的に噴孔１４は、燃焼火炎が流入する入口１４ａの開口径よりも小さい開口径の喉部１４ｂを有している。そして、入口１４ａから喉部１４ｂに向かって徐々に縮径するとともに、喉部１４ｂから燃焼火炎が流出する出口１４ｃに向かって徐々に拡径している。特に噴孔１４の内面は、入口１４ａから喉部１４ｂまで及び喉部１４ｂから出口１４ｃまでの断面形状において、それぞれ曲率の異なる円弧状に形成されている。
さらに、噴孔１４の出口１４ｃの開口径は入口１４ａの開口径よりも大きく形成されている。
次に、噴孔１４をラバールノズル形状としたことによる効果について説明する。

異なる形状を有する複数の噴孔に燃焼火炎を通過させた際の出口における流速をそれぞれ解析した。解析に用いた各噴孔の形状を次の（ａ）〜（ｃ）で示す。
（ａ）噴孔は、断面形状においてテーパー状で、且つ、入口の開口径が出口の開口径よりも大きい。
（ｂ）噴孔は、断面形状においてテーパー状で、且つ、入口の開口径よりも出口の開口径が大きい。
（ｃ）本発明に係る噴孔１４の形状であって、噴孔１４はラバールノズル形状で、且つ、入口１４ａの開口径よりも出口１４ｃの開口径が大きい。

図４は、本発明の第一実施形態に係る噴孔１４を用いた場合の効果を示す図であり、縦軸に流速、横軸にクランク角を示している。
図４に示すように、上記（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）の場合は共に、クランク角ａ〜ｂまでの間、流速が急激に増加する。そして、クランク角ｄ〜ｅまでの間、流速が急激に低下し、その後、一定となる。

ところで、上記（ａ）の場合には、クランク角ｂ〜ｄまでの間、流速は一定のままである。
しかし、上記（ｂ）の場合には、クランク角ｂ〜ｃまでの間は徐々に増加し、クランク角ｃ〜ｄまでの間は徐々に低下する。
そして、上記（ｃ）の場合には、クランク角ｂ〜ｃまでの間、急激に増加し、クランク角ｃ〜ｄまでの間、急激に低下する。
これらの結果より、上記（ｃ）の場合に最も流速が速くなり、上記（ａ）の場合に最も流速が遅くなることが確認できた。

このように構成される本発明の副室式ガスエンジン１によれば、噴孔１４がラバールノズル形状を有しているため、入口１４ａから出口１４ｃへ向かってテーパー状に一様に拡径した従来の噴孔よりも、出口１４ｃから噴射される際の燃焼火炎の流速を増加させることができる。これにより、主燃焼室２０内に燃焼火炎が行き渡り易くなるため、主燃焼室２０の混合気が十分に燃焼される。そして、副室式ガスエンジン１の燃焼安定性が向上し、混合気の一部が未燃ガスとなって排出されることを防止できる。
さらに、主燃焼室２０での燃焼が安定すると、主燃焼室２０内の最高圧力値の変動を抑制することができ、燃費を向上させることができる。

また、噴孔１４の出口１４ｃの開口径を入口１４ａの開口径よりも大きくすることで、入口１４ａと出口１４ｃの開口径を同一とした場合よりも、噴孔１４の出口１４ｃから噴射される際の燃焼火炎の流速を大幅に増加させることができる。

また、噴孔１４の加工は容易であるため、副室口金１２を安価に製作することができる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述した第１実施形態に対応する部分には同一の符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。

図５は、本発明の第二実施形態に係る副室口金を示した断面図である。また、図６は、図５のＢ矢視図であり、副室口金の下部のみを示した図である。そして、図７は、図５のＣ−Ｃ断面図である。
図５〜図７に示すように、副室口金２６は、シリンダヘッド２に係止された本体部２６ａと、副室上部金物３に吊支された中央部２６ｂとを有している。

本体部２６ａと中央部２６ｂとの間に噴孔２４が形成されている。この噴孔２４は、副室口金２６の中心線ＣＬを中心として環状に形成されている。噴孔２４の内面は、第一実施形態と同様に、ラバールノズル形状を有している。

副燃焼室１０で生成された燃焼火炎は、噴孔２４を介して主燃焼室２０に噴出される。主燃焼室２０に噴出された燃焼火炎は、副室口金２６の中心線ＣＬを中心とした円周状に拡がって、次に、主燃焼室２０の混合気と順次接触しながら燃え広がり、主燃焼室２０全体の燃焼をもたらす。

このように構成される本発明の副室式ガスエンジン２１によれば、噴孔２４は環状に形成されているため、燃焼火炎を均等に主燃焼室２０内に噴出させることができる。副室口金２６の中心線ＣＬの同心円上に複数の噴孔１４が設けられている場合よりも燃焼火炎を均等に主燃焼室２０内に供給することができるため、主燃焼室２０での燃焼を安定させることができる。これにより、主燃焼室２０内の最高圧力値の変動を抑制することができ、燃費を向上させることができる。
さらに、主燃焼室２０での燃焼が安定すると、主燃焼室２０内の最高圧力値の変動を抑制することができ、燃費を向上させることができる。

また、噴孔２４は、環状に形成されているため、本体部２６ａと中央部２６ｂとの間の隙間の大きさを噴孔１４の開口径よりも小さくすることができる。さらに、入口２４ａの面積と出口２４ｃの面積の比を大きくすることができる。

以上、本発明の好ましい形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。

本発明は、例えば、火力発電プラントにおける発電用のガスエンジンとして好適に用いることができる。

１副室式ガスエンジン
２シリンダヘッド
３副室上部金物
４シリンダ
６ピストン
６ａ頂面
８凸状部
１０副燃焼室
１０ａ着火部
１０ｂ漸縮部
１０ｃ下部
１２副室口金
１１、１３Ｒ部
１４噴孔
１４ａ入口
１４ｂ喉部
１４ｃ出口
１６点火プラグ
２０主燃焼室
２１副室式ガスエンジン
２２噴孔軸線
２４噴孔
２４ａ入口
２４ｃ出口
２６副室口金
２６ａ本体部
２６ｂ中央部
３２排気弁
３４給気弁

Claims

シリンダヘッドの中央部に内設された副室口金によって画成される副燃焼室と、前記シリンダヘッドとシリンダ内に収容されたピストンの頂面との間で画成される主燃焼室とを備え、前記副燃焼室と前記主燃焼室とは前記副室口金に設けられた噴孔を介して連通されており、前記副燃焼室で生成された燃焼火炎を、前記噴孔を介して前記主燃焼室に噴出せしめることで、前記主燃焼室の混合気を燃焼させる副室式ガスエンジンにおいて、
前記副燃焼室は、
前記噴孔を介して前記主燃焼室と連通する下部と、
前記下部よりも大径に形成された着火部と、
前記着火部と前記下部とを接続する漸縮部と、
を備え、
前記噴孔は、前記燃焼火炎が流入する入口から当該入口の開口径よりも小さい開口径を有する喉部に向かって徐々に縮径し、噴孔軸線から見て凹状の第１円弧部と、当該喉部から前記燃焼火炎が流出する出口に向かって徐々に拡径し、前記噴孔軸線から見て凹状の第２円弧部とを備えるラバールノズル形状であることを特徴とする副室式ガスエンジン。
前記第１円弧部は前記第２円弧部より小さな曲率を有し、且つ、前記第１円弧部は前記第２円弧部より噴孔軸線に沿った長さが短くなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の副室式ガスエンジン。
前記漸縮部は前記着火部から前記下部に向かって徐々に縮径した漏斗状に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の副室式ガスエンジン。
前記副燃焼室は、
前記下部と前記漸縮部との接続部に、内側に向かって凸状に形成される第１Ｒ部と、
前記着火部と前記漸縮部との接続部に、外側に向かって凹状に形成される第２Ｒ部と、
を更に備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の副室式ガスエンジン。
前記噴孔の前記出口の開口径は前記入口の開口径よりも大きいことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の副室式ガスエンジン。
前記噴孔は、前記副室口金の軸心を中心とした環状に形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の副室式ガスエンジン。
前記噴孔は、前記副室口金の軸心を中心とした同心円上に複数形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の副室式ガスエンジン。