JP6462240B2

JP6462240B2 - ガスエンジン

Info

Publication number: JP6462240B2
Application number: JP2014124210A
Authority: JP
Inventors: 吉栖　博史; 博史吉栖
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Engine and Turbocharger Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Engine and Turbocharger Ltd
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2019-01-30
Anticipated expiration: 2034-06-17
Also published as: JP2016003608A

Description

本開示は、本発明は、火花点火式副室付ガスエンジンに関し、特に、副室の形状に特徴を有する火花点火式副室付ガスエンジンに関する。

従来から、希薄混合気を効率良く燃焼させることが可能なガスエンジンとして火花点火式副室付ガスエンジンが知られている。従来の火花点火式副室付ガスエンジンは、シリンダ内のピストン上部に形成される主燃焼室と、シリンダ上部に設けられた副室とを有しており、副室内の混合気が燃焼して副室の下部に設けられた噴孔から噴出する燃焼火炎により、主燃焼室内の希薄混合気を燃焼させる構成となっている。

かかる火花点火式副室付ガスエンジンでは、吸気行程に入ると、ピストンが下降し、シリンダ上部に設けられた給気弁が開き、シリンダ上部に設けられた排気弁が閉じる。給気弁が開くと、給気弁に繋がる給気ポートから燃料ガスと空気を混合させた希薄混合気がシリンダ内に導入され、また、副室燃料ガス供給弁が開くと、副室燃料ガスが副室内に導入される。

一方、火花点火式副室付ガスエンジンが圧縮行程に入りピストンが上昇し出すと、副室燃料ガス供給弁が閉じる。そして、シリンダ内に導入された希薄混合気は、ピストンの上昇に伴って圧縮され、その一部が副室噴孔を通って副室内に流入する。かかる希薄混合気の流入により、副室内では、主室からの希薄混合気と副室燃料ガスが混合し、着火に適した濃度となる。

そして、ピストンが圧縮上死点近傍に来た際に、所定のタイミングで副室に設けられた点火プラグを用いて副室内の混合気に点火すると、副室内の混合気が燃焼し、燃焼火炎が副室噴孔からシリンダへ噴出する。かかる燃焼火炎の噴出により、シリンダ内の希薄混合気が着火し、燃焼に至る。

このように、火花点火式副室付ガスエンジンでは、副室内において着火しやすい濃度の混合気を作って着火を行い、燃焼火炎を副室からシリンダ内に噴出させることによって、着火の難しい希薄混合気を効率良く燃焼させることが可能である。従って、火花点火式副室付ガスエンジンを用いることによって、高効率化、クリーンな排出ガス化を実現することができる。

特開２００３−２８６８４９（図４参照）

しかしながら、従来の火花点火式副室付ガスエンジンでは、主室から噴孔を介して副室に流入する混合気の流れが不安定化すると、点火プラグ廻りに着火し易い濃度の混合気が形成され難くなり、エンジンのサイクル毎の副室内での燃焼が不安定になる虞がある。また、副室への混合気の流れの安定性は、噴孔の形状が大きく影響すると考えられるが、特許文献１には、噴孔の形状、例えば、噴孔の内径や長さについての詳細な記載はない。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも幾つかの実施形態は、主室から副室に混合気を安定して流すことができる噴孔を備えるガスエンジンを提供することを目的とする。

本発明の幾つかの実施形態に係わるガスエンジンは、
副室上部に点火プラグが設けられ副室下部に形成されたスロートに噴孔が設けられた副室が、主燃焼室に設けられ、圧縮工程で前記主燃焼室から前記噴孔を介して前記副室の前記スロートに混合気が流入するように構成されたガスエンジンにおいて、
前記噴孔のスロート側の開口端部には、該開口端部の周縁に沿って丸面取り部が形成され、
前記スロートは、前記副室の中心軸線に沿って直線状に延び、
前記スロートの内径に対する前記スロートの長さの比が１．６以上で且つ２．６以下にするとともに、前記丸面取り部の半径に対する前記スロートの内径の比に副室上部径に対するスロート径の比を乗じた値を１８以上にするように構成されている。

上記ガスエンジンによれば、噴孔のスロート側の開口端部には、該開口端部の周縁に沿って丸面取り部が形成されているので、噴孔からスロートに混合気が吐出する際に、混合気の急激な拡散が抑えられ、噴孔内での混合気の剥離を抑制することができる。また、スロートは、副室の中心軸線に沿って直線状に延び、スロートの内径に対するスロートの長さの比が１．６以上で且つ２．６以下にすることで、スロート内に噴出された混合気の流れが乱流化する虞を抑えることができるとともに、点火プラグの位置を変更する必要性をなくすことができる。また、丸面取り部の半径に対するスロートの内径の比に副室上部径に対するスロート径の比を乗じた値を１８以上にするように構成されているので、副室での混合気の流れが安定化して燃焼変動の悪化を抑制することができる。

また、幾つかの実施形態では、
前記噴孔の径に対する該噴孔の長さの比に副室上部径に対するスロート径の比を乗じた値を１．４以上にするように構成されている。

この場合、噴孔の径に対する噴孔の長さの比に副室上部径に対するスロート径の比を乗じた値を１．４以上にすることで、主室から副室へ混合気が流入する際に、噴孔での流れを整流化することができる。従って、エンジンサイクル毎の主室から副室への混合気の流れが安定し、点火プラグ廻りに着火し易い濃度の混合気が生成されて、エンジンサイクル毎の副室内での燃焼を安定化することができる。

本発明の少なくとも幾つかの実施形態によれば、主室から副室に混合気を安定して流すことができる噴孔を備えるガスエンジンを提供することができる。

本発明の一実施形態に係わるガスエンジンの燃焼室近傍の構成図である。副室下部の半裁断面図である。噴孔内側の丸面取り部の半径に対するスロート径の比に副室上部径に対するスロート径の比を乗じた値と、副室内の燃焼変動の指標との関係を示すグラフである。副室に設けられた噴孔の径に対する噴孔長さの比に副室上部径に対するスロート径の比を乗じた値と副室内の燃焼変動との関係を示すグラフである。

以下、添付図面に従って本発明のガスエンジンの実施形態について、図１〜図４を参照しながら説明する。なお、この実施形態に記載されている構成部品の材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

ガスエンジン１は、図１に示すように、シリンダ３の内面にピストン５が上下方向に移動可能に設けられ、シリンダ３の上部にシリンダヘッド７が設けられている。ピストン５の上面とシリンダ３の内面とシリンダヘッド７の下面とで囲まれた領域に主燃焼室１０が形成されている。シリンダヘッド７には燃料を供給する吸気ポート１３が接続され、シリンダヘッド７に設けられた吸気バルブ１４の開閉によって主燃焼室１０への燃料供給が制御されるようになっている。また、シリンダヘッド７には排気ガスを排出する排気ポート１７が接続され、シリンダヘッド７に設けられた排気バルブ１８の開閉によって主燃焼室１０からの排気ガスの排気が制御されるようになっている。

シリンダヘッド７の上部の略中央部には、副室３１を備える副室本体３０が設けられている。副室本体３０は、上下方向に延びて有底容器状に形成され、内部に上下方向に延びる副室３１が形成されている。副室３１の上部に点火プラグ４０が設けられている。副室本体３０には、副室３１内に燃料を供給する副室燃料ガス通路３４が設けられている。副室燃料ガス通路３４から噴出される燃料は、圧縮工程時に主燃焼室１０内から後述する噴孔３７を介して副室３１に供給された混合気と混合される。副室３１の容積は、主燃焼室１０の容積よりも小さい。

副室３１は、副室本体３０の底部から上方へ延びる有底筒状のスロート３２と、スロート３２の上端に繋がって上方へ延びるに従って除々に拡径する上部燃焼室３３とを有してなる。上部燃焼室３３に、前述した点火プラグ４０が設けられている。スロート３２の底部には、副室本体３０の外側面３０ａとスロート３２の内側面３２ａとの間を貫く噴孔３７が周方向に所定間隔を有して複数設けられている。噴孔３７は、副室本体３０の中心側から径方向外側に進むに従って下方へ傾斜している。

噴孔３７は直線状に延び、噴孔３７の軸線方向一端部は副室本体３０の外側面３０ａに開口し、噴孔３７の軸線方向他端部がスロート３２の内側面３２ａに開口している。噴孔３７の形状の詳細は、後述する。

このように構成されたガスエンジン１は、圧縮工程時に、主燃焼室１０の混合気を噴孔３７を介して副室３１内に噴出して、副室３１内に噴射された燃料と混合して着火に適した濃度にする。そして、ガスエンジン１は、ピストン５が圧縮上死点近傍に来ると、点火プラグ４０によって副室３１内の混合気を点火して、副室３１内の混合気を燃焼させる。そして、燃焼火炎が噴孔３７から主燃焼室１０へ噴出し、この噴出した燃焼火炎によって主燃焼室１０内の混合気が着火して燃焼に至る。

噴孔３７は、図２に示すように、スロート側の開口端部にその周縁に沿って丸面取り部３７ａが形成されている。丸面取り部３７ａの半径Ｒは、スロート３２の内径φと一定の関係を有している。即ち、丸面取り部３７ａの半径Ｒに対するスロート３２の内径φｓ（以下、「スロート径φｓ」と記す。）の比に副室上部径φｎに対するスロート径φｓの比を乗じた値が１８以上になるように形成されている。

ここで、噴孔３７のスロート側の開口端部に、開口端部の周縁に沿って丸面取り部３７ａが形成されていることで、噴孔３７からスロート３２に混合気が吐出する際に、混合気の急激な拡散が抑えられるので、噴孔３７内での混合気の剥離を抑制することができる。

丸面取り部３７ａの半径Ｒに対するスロート径φｓの比について、図３を参照しながら説明する。図３は、横軸が噴孔３７の丸面取り部３７ａの半径Ｒに対するスロート径φｓの比に副室上部径φｎに対するスロート径φｓの比を乗じた値を示し、縦軸が副室３１内の燃焼変動の指標を示している。図中、◆印は測定値を示し、実線は複数の測定値から推定された結果を示している。なお、縦軸が示す副室３１内の燃焼変動の指標は、縦軸の上方へ進むに従って燃焼変動が大きくなり、縦軸の下方へ進むに従って燃焼変動が小さくなることを示している。図３に示すように、噴孔３７の丸面取り部３７ａの半径Ｒに対するスロート径φｓの比に副室上部径φｎに対するスロート径φｓの比を乗じた値が１８よりも小さくなると、燃焼変動の指標の増加率が大きくなり、噴孔３７の丸面取り部３７ａの半径Ｒに対するスロート径φｓの比に副室上部径φｎに対するスロート径φｓの比を乗じた値が１８よりも大きくなると、燃焼変動の指標の増加率が小さくなってサーチレートすることが分かる。このため、本実施形態の副室３１は、丸面取り部３７ａの半径に対するスロート径φｓの比に副室上部径φｎに対するスロート径φｓの比を乗じた値が１８以上になるように構成されている。

このように、丸面取り部３７ａの半径Ｒに対してスロート径φｓは比較的に大きいので、噴孔３７からスロート３２に混合気が吐出すると、副室での混合気の流れを安定化することができ、燃焼変動の悪化を抑制することができる。

また、スロート径φｓは、スロート３２の長さＬ（図１参照）と一定の関係を有している。即ち、スロート径φｓに対するスロート３２の長さＬの比が１．６以上で且つ２．６以下になるように形成されている。スロート径φｓに対するスロート３２の長さＬの比が１．６よりも小さくすると、スロート３２内に噴出された混合気の流れが乱流化する虞が増加する。一方、スロート径φｓに対するスロート３２の長さＬの比が２．６よりも大きくなると、点火プラグ４０の位置を変える必要性が生じる。このため、スロート径φｓに対するスロート３２の長さＬの比が１．６以上で且つ２．６以下にすることで、スロート３２内に噴出された混合気の流れが乱流化する虞を抑えることができる。

また、噴孔３７の径φｈに対する噴孔３７の長さＬ’の比は、一定の関係を有している。即ち、噴孔３７の径φｈに対する噴孔３７の長さＬ’の比に副室上部径φｎに対するスロート径φｓの比を乗じた値が１．４以上になっている。ここで、図４を参照しながら噴孔３７の径φｈに対する噴孔３７の長さＬ’の比について説明する。図４は、噴孔３７の径φｈに対する噴孔３７の長さＬ’の比に副室上部径φｎに対するスロート径φｓの比を乗じた値と、副室３１内の燃焼変動の指標との関係を示している。縦軸が示す副室３１内の燃焼変動の指標は、縦軸の上側へ進むに従って燃焼変動が大きくなり、縦軸の下側へ進むに従って燃焼変動が小さくなることを示している。図中、◆印は測定値を示し、実線は複数の測定値から推定された結果を示している。

測定値は燃焼変動に対して個体差によるバラツキがあるため、結果を示す実線は２本あり、一方の実線が指標の大きい側を示し、他方の実線が指標の小さい側を示している。図４に示すように、噴孔３７の径φｈに対する噴孔３７の長さＬ’の比に副室上部径φｎに対するスロート径φｓの比を乗じた値が１.４よりも小さくなると、燃焼変動の指標の増加率が大きくなるとともに燃焼変動に対する個体差によるバラツキも大きくなり、噴孔３７の径φｈに対する噴孔３７の長さＬ’の比に副室上部径φｎに対するスロート径φｓの比を乗じた値が１.４よりも大きくなると、燃焼変動の指標の増加率が小さくなるとともに燃焼変動に対する個体差によるバラツキも小さくなることが分かる。このため、本実施形態では、噴孔３７の径φｈに対する噴孔３７の長さＬ’の比に副室上部径φｎに対するスロート径φｓの比を乗じた値が１.４にするように噴孔３７が形成されている。

このように噴孔３７を形成すると、主燃焼室１０から副室３１へ混合気が流入する際に、噴孔３７での流れを整流化することができる。従って、エンジンサイクル毎の主燃焼室１０から副室３１への混合気の流れが安定し、点火プラグ４０廻りに着火し易い濃度の混合気が生成されて、エンジンサイクル毎の副室３１内での燃焼を安定化することができる。

以上、本発明の実施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。例えば、上述した各種実施形態を適宜組み合わせてもよい。

１ガスエンジン
３シリンダ
５ピストン
７シリンダヘッド
１０主燃焼室
１１排気タービン
１３吸気ポート
１４吸気バルブ
１７排気ポート
１８排気バルブ
３０副室本体
３０ａ外側面
３０ｂ平面部
３１副室
３２スロート
３２ａ内側面
３３上部燃焼室
３７噴孔
３７ａ丸面取り部
４０点火プラグ

Claims

副室上部に点火プラグが設けられ副室下部に形成されたスロートに噴孔が設けられた副室が、主燃焼室に設けられ、圧縮工程で前記主燃焼室から前記噴孔を介して前記副室の前記スロートに混合気が流入するように構成されたガスエンジンにおいて、
前記噴孔のスロート側の開口端部には、該開口端部の周縁に沿って丸面取り部が形成され、
前記スロートは、前記副室の中心軸線に沿って直線状に延び、
前記スロートの内径に対する前記スロートの長さの比が１．６以上で且つ２．６以下にするとともに、前記丸面取り部の半径に対する前記スロートの内径の比に副室上部径に対するスロート径の比を乗じた値を１８以上にするように構成されている
ことを特徴とするガスエンジン。
前記噴孔の径に対する該噴孔の長さの比に副室上部径に対するスロート径の比を乗じた値を１．４以上にするように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のガスエンジン。