JP6714198B2 - Gas engine - Google Patents
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Description
本発明は、主室及び副室を含む燃焼室を備えたガスエンジンに関する。 The present invention relates to a gas engine including a combustion chamber including a main chamber and a sub chamber.
CNG等の気体を燃料とするガスエンジンにおいて、希薄燃焼を安定的に行うために、主室と、主室に連通孔を介して接続された副室とによって燃焼室を形成し、点火プラグ及び燃料供給弁を副室に配置した副室エンジンが公知となっている(例えば、特許文献1)。このガスエンジンでは、主室に対して副室内の混合気の当量比が高く維持されるため、副室における着火性が向上する。また、副室において発生した既燃ガス噴流(火炎)は、連通孔からトーチ状に主室内に噴出し、主室内の希薄混合気を確実に着火させることができる。 In a gas engine that uses gas such as CNG as a fuel, a combustion chamber is formed by a main chamber and a sub-chamber connected to the main chamber through a communication hole in order to stably perform lean combustion. A sub-chamber engine in which a fuel supply valve is arranged in the sub-chamber is known (for example, Patent Document 1). In this gas engine, the equivalence ratio of the air-fuel mixture in the sub chamber is maintained higher than that in the main chamber, so that the ignitability in the sub chamber is improved. Further, the burnt gas jet (flame) generated in the sub chamber is jetted into the main chamber from the communication hole in a torch shape, and the lean air-fuel mixture in the main chamber can be reliably ignited.
上記のガスエンジンは、連通孔から噴出する既燃ガス噴流によって主室内の希薄混合気を着火、燃焼させるため、連通孔から噴出する既燃ガス噴流の向き及び速度が主室内の希薄混合気の燃焼に影響する。連通孔から噴出する既燃ガス噴流の速度は、副室の容積や、連通孔の直径、連通孔の総数によって変化する。しかしながら、副室の容積、連通孔の向き、直径及び総数の各パラメータの組み合わせは無数にあり、熱効率が最大となる最適値を設定することは難しい。また、熱効率の最大化するための前提条件として、主室内の混合気を安定性良く着火させることが必要になる。 The above gas engine ignites and burns the lean air-fuel mixture in the main chamber by the burnt gas jet ejected from the communication hole, so the direction and speed of the burnt gas jet ejected from the communication hole are different from those of the lean gas mixture in the main chamber. Affects combustion. The velocity of the burnt gas jet ejected from the communication holes changes depending on the volume of the sub chamber, the diameter of the communication holes, and the total number of communication holes. However, there are countless combinations of parameters such as the volume of the sub chamber, the direction of the communication holes, the diameter, and the total number, and it is difficult to set the optimum value that maximizes the thermal efficiency. Further, as a precondition for maximizing the thermal efficiency, it is necessary to ignite the air-fuel mixture in the main chamber with good stability.
本発明は、以上の背景を鑑み、主室及び副室を備えたガスエンジンにおいて主室内の混合気を安定性良く着火させることを主な課題とする。また、本発明は、主室及び副室を備えたガスエンジンにおいて熱効率を高めることを二次的な課題とする。 In view of the above background, the present invention mainly aims to ignite the air-fuel mixture in the main chamber with good stability in a gas engine having a main chamber and a sub chamber. Moreover, this invention makes it a secondary subject to raise thermal efficiency in the gas engine provided with the main chamber and the sub chamber.
上記課題を解決するために本発明の一態様は、4ストロークのガスエンジン(1)であって、シリンダ(4)の上端面及びピストン(7)の冠面によって画定され、シリンダ軸線を中心とした円筒形状の主室(8)と、前記シリンダの前記上端面に設けられた有底円筒形の隔壁部材(17)によって前記主室と区画され、前記主室に対して小さな容積を有する副室(20)と、前記隔壁部材に形成され、前記主室と前記副室とを接続する少なくとも1つの連通孔(22)と、前記副室内に気体燃料を噴射するインジェクタ(30)と、前記副室内に配置された発火部(36F)を有する点火プラグ(36)とを有し、前記インジェクタは、点火時期において当量比が0.5以上2.0以下の混合気を前記主室に形成するべく吸気行程において主噴射を行うと共に、点火時期において当量比が1.0以上2.0以下の混合気を前記副室に形成するべく点火時期の直前に前記主噴射よりも少量の副噴射を行い、点火後に前記連通孔から前記主室に噴出するガスの速度が4m/s以上7m/s以下になるように、前記連通孔の前記副室への開口面積の総和及び前記副室の容積が設定されていることを特徴とする。ガスの速度は、連通孔の軸線方向における連通孔の主室側の開口端と主室の壁面との距離を1とした場合にガスが0.8の距離に到達するまでに要する時間で除することによって算出される。 In order to solve the above problems, one aspect of the present invention is a four-stroke gas engine (1) defined by an upper end surface of a cylinder (4) and a crown surface of a piston (7) and having a cylinder axis as a center. The main chamber (8) having a cylindrical shape and the partition wall member (17) having a cylindrical shape with a bottom provided on the upper end surface of the cylinder are partitioned from the main chamber and have a small volume with respect to the main chamber. A chamber (20), at least one communication hole (22) formed in the partition wall member and connecting the main chamber and the sub chamber, an injector (30) for injecting gaseous fuel into the sub chamber, And a spark plug (36) having an ignition part (36F) disposed in the sub chamber, wherein the injector forms a mixture having an equivalence ratio of 0.5 or more and 2.0 or less in the main chamber at ignition timing. In order to achieve this, main injection is performed in the intake stroke, and a small amount of sub-injection is made immediately before the ignition timing in order to form an air-fuel mixture having an equivalence ratio of 1.0 or more and 2.0 or less in the ignition timing. And the total opening area of the communication holes to the sub chamber and the sub chamber so that the velocity of the gas ejected from the communication hole into the main chamber after ignition is 4 m/s or more and 7 m/s or less. It is characterized in that the volume is set. The gas velocity is divided by the time required for the gas to reach a distance of 0.8 when the distance between the main chamber wall side opening end of the communication hole and the wall surface of the main chamber in the axial direction of the communication hole is 1. It is calculated by
この態様によれば、ガスエンジンでは、副室から連通孔を通って噴出する既燃ガス噴流によって、主室の混合気が安定性良く着火する。この態様は、副室から連通孔を通過して主室に噴出するガスの速度が主室内での混合気の着火性に影響を与えるという着想及び実験により得られた事実に基づいて創出されている。連通孔から噴出するガスの速度が4m/s以上7m/s以下の範囲で主室内の混合気が安定性良く着火することが、本願発明者らの実験によって確認されている。連通孔から噴出するガスの速度が7m/sより大きくなる領域では、連通孔から噴出するガスと主室内の混合気との境界に自由せん断層が発生し、自由せん断層によって主室内の混合気の火炎形成、すなわち着火が阻害されると推測される。連通孔から噴出するガスの速度は、副室内に発生した既燃ガスが有するエネルギーが大きいほど速くなり、かつ既燃ガスの流路である連通孔の副室への開口面積の総和が大きいほど遅くなることが理解できる。副室内の既燃ガスが有するエネルギーは、副室の混合気の当量比及び副室の容積によって定まることが理解できる。そのため、副室の混合気の当量比の範囲が設定された本態様では、連通孔の副室への開口面積の総和及び副室の容積を適切に設定することで、連通孔のそれぞれから主室に噴出するガスの速度を4m/s以上7m/s以下にすることができ、主室内の混合気の着火性が向上する。 According to this aspect, in the gas engine, the air-fuel mixture in the main chamber is ignited with good stability by the burnt gas jet flow ejected from the sub chamber through the communication hole. This mode was created based on the idea and the fact that the velocity of the gas ejected from the sub chamber through the communication hole into the main chamber affects the ignitability of the air-fuel mixture in the main chamber and the fact obtained by experiments. There is. It has been confirmed by experiments conducted by the inventors of the present application that the air-fuel mixture in the main chamber is ignited with good stability when the velocity of the gas ejected from the communication hole is in the range of 4 m/s or more and 7 m/s or less. In the region where the velocity of the gas ejected from the communication hole exceeds 7 m/s, a free shear layer is generated at the boundary between the gas ejected from the communication hole and the air-fuel mixture in the main chamber. It is presumed that the flame formation, that is, the ignition is inhibited. The velocity of the gas ejected from the communication hole increases as the energy of the burnt gas generated in the sub chamber increases, and the total opening area of the communication holes, which are the passages of the burned gas, to the sub chamber increases. Understand that it will be late. It can be understood that the energy of the burned gas in the sub chamber is determined by the equivalence ratio of the air-fuel mixture in the sub chamber and the volume of the sub chamber. Therefore, in this aspect in which the range of the equivalence ratio of the air-fuel mixture in the sub-chamber is set, the sum of the opening areas of the communication holes to the sub-chamber and the volume of the sub-chamber are appropriately set so that each of the communication holes has a main volume. The velocity of the gas ejected into the chamber can be set to 4 m/s or more and 7 m/s or less, and the ignitability of the air-fuel mixture in the main chamber is improved.
また、上記の態様において、前記隔壁部材は、前記シリンダの前記上端面から前記主室の中央に突出してシリンダ軸線と同軸に配置され、前記連通孔は、4個以上6個以下設けられ、シリンダ軸線を中心として周方向に等間隔に配置されているとよい。また、前記連通孔の軸線がシリンダ軸線に対してなす角度が20°以上75°以下であり、ストロークボア比が0.6以上2.6以下であり、前記主室の容積に対する前記副室の容積の比が0.02以上0.04以下であり、前記ピストンの直径に対する、前記ピストンが上死点にあるときの前記連通孔の主室側の開口端から前記連通孔の軸線方向において前記ピストンの表面までの距離の比が0.19以上0.32以下であるとよい。また、前記副室の容積を前記連通孔の前記副室への開口面積の総和で除した副室指標が9以上15以下であるとよい。 Moreover, in the above aspect, the partition member projects from the upper end surface of the cylinder toward the center of the main chamber and is arranged coaxially with the cylinder axis, and the communication holes are provided in a number of 4 or more and 6 or less. It may be arranged at equal intervals in the circumferential direction around the axis. Further, the angle formed by the axis of the communication hole with respect to the cylinder axis is 20° or more and 75° or less, the stroke bore ratio is 0.6 or more and 2.6 or less, and the sub chamber of the main chamber has a volume of the sub chamber. The volume ratio is 0.02 or more and 0.04 or less, and the diameter of the piston is in the axial direction of the communication hole from the opening end on the main chamber side of the communication hole when the piston is at the top dead center. The ratio of the distance to the surface of the piston is preferably 0.19 or more and 0.32 or less. Further, the sub chamber index obtained by dividing the volume of the sub chamber by the total opening area of the communication holes to the sub chamber is preferably 9 or more and 15 or less.
この態様によれば、ガスエンジンは高い熱効率を得ることができる。この態様は、副室から連通孔を通過して主室に噴出する既燃ガス噴流の勢い(副室指標)が主室内での混合気の燃焼に大きな影響を与えるという着想及び実験により証明した事実に基づいて創出されている。副室指標は、副室内に発生する既燃ガス(火炎)の総量に対応する副室の容積を、既燃焼ガスの副室からの出口面積に対応する連通孔の副室への開口面積の総和で除したものであり、連通孔から噴出する既燃ガス噴流の勢い(ジェット強度)を表す。副室指標が9以上15以下で熱効率が極大値をとることが実験によって確認されているため、副室指標がこのような範囲となるように、副室の容積、連通孔の総数及び直径を設定することによって熱効率が最大となる。円筒状の主室の中央部に副室が配置された位置関係では、各連通孔がシリンダ軸線に対して20°以上75°以下の角度をなすことで、既燃ガス噴流は主室の周縁の隅部に向けて噴出するため、主室内の混合気を広範囲にわたって着火させることができる。 According to this aspect, the gas engine can obtain high thermal efficiency. This mode was proved by the idea and experiment that the momentum of the burnt gas jet (sub-chamber index) ejected from the sub-chamber to the main chamber through the communication hole has a great influence on the combustion of the air-fuel mixture in the main chamber. It is created based on the facts. The sub-chamber index is the volume of the sub-chamber corresponding to the total amount of burned gas (flame) generated in the sub-chamber, and is defined as the opening area of the communication hole corresponding to the outlet area from the sub-chamber to the sub-chamber. It is divided by the total sum and represents the momentum (jet strength) of the burnt gas jet ejected from the communication hole. Since it has been confirmed by experiments that the sub-chamber index has a maximum value of 9 or more and 15 or less, the sub-chamber volume, the total number of communication holes, and the diameter of the sub-chamber are set so that the sub-chamber index is in such a range. The thermal efficiency is maximized by setting it. In the positional relationship in which the auxiliary chamber is arranged in the central portion of the cylindrical main chamber, each communication hole forms an angle of 20° or more and 75° or less with respect to the cylinder axis, so that the burnt gas jet flows around the periphery of the main chamber. Since it jets out toward the corner of the, the air-fuel mixture in the main chamber can be ignited over a wide range.
また、上記の態様において、前記シリンダの排気量が150cm3以上800cm3以下であるとよい。 Further, in the above aspect, the exhaust amount of the cylinder may is 150 cm 3 or more 800 cm 3 or less.
また、上記の態様において、前記ピストンの冠面にはシリンダ軸線に沿った方向から見て円形をなす凹部(45)が形成され、前記シリンダの上端面は平面に形成され、前記ピストンが上死点にあるときに、前記主室は前記凹部の内面、前記シリンダの上端面、及び前記隔壁部材の外面によって画定され、前記隔壁部材の下端が前記凹部内に突入しているとよい。 Further, in the above-mentioned aspect, a circular concave portion (45) is formed on a crown surface of the piston when viewed from a direction along a cylinder axis, an upper end surface of the cylinder is formed on a flat surface, and the piston is top dead. When at the point, the main chamber may be defined by the inner surface of the recess, the upper end surface of the cylinder, and the outer surface of the partition member, and the lower end of the partition member may protrude into the recess.
この態様によれば、連通孔及び連通孔から噴出する既燃ガス噴流の進行方向が、主室の周縁の隅部を向き、主室の混合気を効率良く着火させることができる。 According to this aspect, the advancing direction of the communicating hole and the burnt gas jet ejected from the communicating hole faces the corner of the peripheral edge of the main chamber, and the air-fuel mixture in the main chamber can be efficiently ignited.
また、上記の態様において、前記連通孔のそれぞれの軸線がシリンダ軸線上に交点を有し、前記交点に前記発火部が配置されているとよい。 Further, in the above aspect, it is preferable that each axis of the communication holes has an intersection on the cylinder axis, and the ignition part is arranged at the intersection.
この態様によれば、発火部において発生した既燃ガスが連通孔を通過し易くなり、既燃ガス噴流の減速及びエネルギー損失が低減される。 According to this aspect, the burnt gas generated in the ignition part easily passes through the communication hole, and the deceleration of the burnt gas jet and energy loss are reduced.
また、本発明の他の態様は、4ストロークのガスエンジン(1)であって、シリンダ(4)の上端面及びピストン(7)の冠面によって画定され、シリンダ軸線を中心とした円筒形状の主室(8)と、前記シリンダの前記上端面から前記主室の中央に突出してシリンダ軸線と同軸に配置された有底円筒形の隔壁部材(17)によって前記主室と区画され、前記主室に対して小さな容積を有する副室(20)と、前記隔壁部材にシリンダ軸線を中心として周方向に等間隔に配置され、前記主室と前記副室とを接続する4個以上6個以下の連通孔(22)と、前記副室内に気体燃料を噴射するインジェクタ(30)と、前記副室内に配置された発火部(36F)を有する点火プラグ(36)とを有し、前記インジェクタは、吸気行程において主噴射を行うと共に、点火時期において、当量比が1.0以上2.0以下の混合気を前記副室に形成するべく点火時期の直前に前記主噴射よりも少量の副噴射を行い、前記連通孔の軸線がシリンダ軸線に対してなす角度が20°以上75°以下であり、ストロークボア比が0.6以上2.6以下であり、前記主室の容積に対する前記副室の容積の比が0.02以上0.04以下であり、前記ピストンの直径に対する、前記ピストンが上死点にあるときの前記連通孔の主室側の開口端から前記連通孔の軸線方向において前記ピストンの表面までの距離の比が0.19以上0.32以下であり、前記副室の容積を前記連通孔の前記副室への開口面積の総和で除した副室指標が9以上15以下であることを特徴とする。 Another aspect of the present invention is a four-stroke gas engine (1) having a cylindrical shape defined by an upper end surface of a cylinder (4) and a crown surface of a piston (7) and having a cylinder axis as a center. The main chamber (8) is partitioned from the main chamber by a bottomed cylindrical partition wall member (17) projecting from the upper end surface of the cylinder to the center of the main chamber and arranged coaxially with the cylinder axis. A sub-chamber (20) having a small volume with respect to the chamber, and four or more and six or less arranged in the partition wall member at equal intervals in the circumferential direction around the cylinder axis and connecting the main chamber and the sub-chamber. A communication hole (22), an injector (30) for injecting gaseous fuel into the sub-chamber, and an ignition plug (36) having an ignition part (36F) arranged in the sub-chamber. , The main injection is performed in the intake stroke, and at the ignition timing, a smaller amount of the sub-injection than the main injection is made immediately before the ignition timing so as to form a mixture gas having an equivalence ratio of 1.0 or more and 2.0 or less in the sub-chamber. The angle formed by the axis of the communication hole with respect to the cylinder axis is 20° or more and 75° or less, the stroke bore ratio is 0.6 or more and 2.6 or less, and the sub chamber with respect to the volume of the main chamber is In the axial direction of the communicating hole from the opening end of the communicating hole on the main chamber side when the piston is at the top dead center with respect to the diameter of the piston. The ratio of the distance to the surface of the piston is 0.19 or more and 0.32 or less, and the sub chamber index obtained by dividing the volume of the sub chamber by the total opening area of the communication holes to the sub chamber is 9 or more 15 It is characterized by the following.
この態様によれば、ガスエンジンは高い熱効率を得ることができる。副室指標が9以上15以下で熱効率が極大値をとることが実験によって確認されているため、副室指標がこのような範囲となるように、副室の容積、連通孔の総数及び直径を設定することによって熱効率が最大となる。円筒状の主室の中央部に副室が配置された位置関係では、各連通孔がシリンダ軸線に対して20°以上75°以下の角度をなすことで、既燃ガス噴流は主室の周縁の隅部に向けて噴出するため、主室内の混合気を広範囲にわたって着火させることができる。また、副室指標が10以上15以下の範囲では、熱効率が極大となることから、主室内の混合気が連通孔から噴出するガスによって安定性良く着火する。 According to this aspect, the gas engine can obtain high thermal efficiency. Since it has been confirmed by experiments that the sub-chamber index has a maximum value of 9 or more and 15 or less, the sub-chamber volume, the total number of communication holes, and the diameter of the sub-chamber are set so that the sub-chamber index is in such a range. The thermal efficiency is maximized by setting it. In the positional relationship in which the auxiliary chamber is arranged in the central portion of the cylindrical main chamber, each communication hole forms an angle of 20° or more and 75° or less with respect to the cylinder axis, so that the burnt gas jet flows around the periphery of the main chamber. Since it jets out toward the corner of the, the air-fuel mixture in the main chamber can be ignited over a wide range. Further, in the range where the sub chamber index is 10 or more and 15 or less, the thermal efficiency is maximized, so that the air-fuel mixture in the main chamber is ignited with good stability by the gas ejected from the communication hole.
以上の構成によれば、主室及び副室を備えたガスエンジンにおいて主室内の混合気を安定性良く着火させることができる。 With the above configuration, in the gas engine including the main chamber and the sub chamber, the air-fuel mixture in the main chamber can be ignited with good stability.
以下、図面を参照して、本発明を4バルブのCNGを燃料とするガスエンジンに適用した実施形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment in which the present invention is applied to a gas engine using four-valve CNG as a fuel will be described with reference to the drawings.
ガスエンジン1は、4ストローク機関であり、図1に示すように、シリンダブロック2Aと、シリンダブロック2Aの上端面に締結されたシリンダヘッド2Bとを含むエンジン本体2を有する。シリンダブロック2Aには、シリンダブロック2Aの上端面に開口する断面円形のシリンダ4が形成されている。シリンダヘッド2Bの下端面においてシリンダ4の上端と対向する部分は、平面に形成され、シリンダ4の上端面をなす燃焼室天井部5となっている。シリンダ4の軸線をシリンダ軸線Aとする。シリンダ4には、ピストン7がシリンダ軸線Aに沿って往復動可能に受容されている。燃焼室天井部5を含むシリンダ4の壁面と、ピストン7の冠面7Aとによって主室8が画定されている。
The
燃焼室天井部5には、2つの吸気ポート11と、2つの排気ポート12とが開口している。燃焼室天井部5において、一側である吸気側に2つの吸気ポート11が配置され、他側である排気側に2つの排気ポート12が配置されている。吸気ポート11及び排気ポート12の燃焼室天井部5側の開口端は、ポペットバルブである吸気バルブ13及び排気バルブ14によって開閉される。
Two
シリンダヘッド2Bには、上下に貫通し、下端が燃焼室天井部5の中央部に開口する支持孔16が形成されている。支持孔16は、シリンダ軸線Aと同軸に形成された段付き孔であり、下側から小径の下部16A、下部16Aに対して拡径された中間部16B、中間部16Bに対して拡径された上部16Cとを有する。下部16Aと中間部16Bとの間には上方を向く環状の肩面16Dが形成されている。中間部16Bの上部の内面には、雌ねじが形成されている。
A
図1及び図2に示すように、支持孔16の下部16A及び中間部16Bには、有底円筒形の隔壁部材17が挿入されている。隔壁部材17は、シリンダ軸線Aと同軸に配置された円筒形の筒部17Aと、筒部17Aの下端を閉塞する端壁部17Bと、筒部17Aの上部における外周面に突設され、周方向に延びる環状のフランジ部17Cとを有する。フランジ部17Cは、環状のシール部材(符号省略)を介して肩面16Dに当接している。中間部16Bには、雌ねじに螺合する雄ねじを外周面に備えた環状の支持部材19が装着されている。フランジ部17Cは、肩面16Dと支持部材19の下面との間で上下から挟持され、シリンダヘッド2Bに対して固定される。筒部17Aの内周部における上部は、下部に対して縮径された縮径部となっている。筒部17Aの内周部における下部は、副室20を画定している。副室20は、主室8と共に燃焼室を構成する。
As shown in FIGS. 1 and 2, a bottomed cylindrical
隔壁部材17の端壁部17Bは、下方に向けて凸となる略半球形に形成され、燃焼室天井部5よりも下方に突出し、主室8の中央に突出している。端壁部17Bの下端部(平面視における中央)は、平面状に形成されている。略半球形に形成された端壁部17Bの中心は、シリンダ軸線A上、かつ燃焼室天井部5を外挿した仮想平面上に配置されている。
The
端壁部17Bの外周部には、厚み方向に貫通し、主室8と副室20とを連通する複数の連通孔22が形成されている。各連通孔22は、下向きに傾斜して直線状に延び、それぞれの軸線が副室20内における1つの交点Bにおいて互いに交差している。すなわち、各連通孔22は、交点Bを中心とした放射状に延びている。各連通孔22は、シリンダ軸線A(隔壁部材17の軸線)を中心として回転対称形に形成され、交点Bはシリンダ軸線A上に位置している。交点Bは、略半球形に形成された端壁部17Bの中心と一致している。各連通孔22の軸線がシリンダ軸線Aに対してなす角度は、20°以上75°以下、より好ましくは45°以上65°以下、更に好ましくは60°に設定されている。
A plurality of communication holes 22 that penetrates in the thickness direction and connects the
連通孔22の数は4以上6以下であり、各連通孔22はシリンダ軸線Aを中心として等間隔に配置される。図1〜図3は、連通孔22が5個の例を示している。図4に示すように、連通孔22が4個の場合、各連通孔22はシリンダ軸線Aを中心として周方向に90°間隔で配置される。連通孔22が5個の場合、各連通孔22はシリンダ軸線Aを中心として周方向に72°間隔で配置される。連通孔22が6個の場合、各連通孔22はシリンダ軸線Aを中心として周方向に60°間隔で配置される。各連通孔22の横断面は円形であり、長手方向に一定の直径を有する。各連通孔22の直径は、1.2mm以上2.0mm以下である。主室8と副室20とは、複数の連通孔22のみによって互いに連通し、流体の流通が可能になっている。主室8と副室20とは、連通孔22を除く他の部分においては互いに分離され、流体の流通が遮断されている。
The number of the communication holes 22 is 4 or more and 6 or less, and the communication holes 22 are arranged at equal intervals around the cylinder axis A. 1 to 3 show an example in which there are five communication holes 22. As shown in FIG. 4, when there are four
図1に示すように、支持孔16にはインジェクタ30が挿入されている。インジェクタ30は、気体燃料を噴射する手段である。本実施形態では、インジェクタ30は、CNGに適合したものであり、デリバリパイプや圧力制御弁を介してCNGボンベと接続されている。インジェクタ30に供給されるCNGの圧力は例えば2MPa程度であってよい。インジェクタ30は、略円筒形の本体部30Aと、本体部30Aの一端に同軸に設けられたノズル30Bとを有する。ノズル30Bの先端には気体燃料を噴射する噴射孔(図示省略)が形成され、本体部30A及びノズル30Bの内部にはデリバリパイプと噴射孔とを接続する燃料通路(図示省略)が形成されている。ノズル30Bの内部には燃料通路を開閉する弁体(図示省略)が設けられ、本体部30Aの内部には弁体を駆動するアクチュエータ(図示省略)が設けられている。アクチュエータは、ソレノイドやピエゾ素子を使用したものであってよい。
As shown in FIG. 1, an
インジェクタ30の本体部30Aの外周には、周方向に延びる環状のフランジ30Cが形成されている。インジェクタ30は、ノズル30Bが隔壁部材17の上部開口Dを通過し、ノズル30Bの先端が副室20内に位置するように支持孔16に配置される。インジェクタ30は、フランジ30Cが支持部材19の上端に突き当たるように、図示しないホルダによってシリンダヘッド2Bに固定されている。インジェクタ30は、シリンダ軸線Aと同軸に配置されている。本実施形態では噴射孔は、1つであり、シリンダ軸線Aに沿って下方を向いている。噴射孔から噴射されるCNGは、シリンダ軸線Aを中心とし、下方(ピストン7側)に向けて広がる円錐状の噴霧形状をなす。ノズル30Bの外周面と筒部17Aの内周面との間にはシール部材(符号省略)が配置され、副室20の上部が気密に閉塞されている。
An
シリンダヘッド2Bにおける2つの吸気ポート11の間には、貫通孔である点火プラグ孔33が形成されている。点火プラグ孔33は、直線状に延びる段付き孔であり、シリンダ軸線Aに対して傾斜して延び、下端が支持孔16の下部16Aの内周面に開口している。点火プラグ孔33は、上部が下部に対して径が大きく形成されている。隔壁部材17の筒部17Aにおいて、点火プラグ孔33の下端開口と対向する部分には、貫通孔であり、副室20と点火プラグ孔33とを連通する透孔34が形成されている。透孔34の幅は点火プラグ孔33の下端の幅よりも大きく、透孔34の周縁部は支持孔16の下部16Aの内周面と接している。隔壁部材17の筒部17Aの外周面と支持孔16の下部16Aの内周面とは、密着しており、気密にシールされている。
A
図1及び図2に示すように、点火プラグ孔33には、スパークプラグである点火プラグ36が挿入されている。点火プラグ36は、軸状に延びる本体部36Aと、本体部36Aの先端中央に設けられた中心電極36Bと、本体部36Aの先端周縁から突出した接地電極36Cとを有する。本体部36Aの外周面には、雄ねじが形成されており、点火プラグ孔33の下部に形成された雌ねじに螺合している。中心電極36Bは電源に接続されている。接地電極36Cは、中心電極36Bに対して絶縁され、本体部36Aの外周部を介してシリンダヘッド2Bに接地されている。接地電極36Cは、本体部36Aの先端周縁から点火プラグ36の軸線と略平行に延びる基端部36Dと、基端部36Dに対して略直角に屈曲し、点火プラグ36の軸線側(中央側)に径方向内向きに延びる先端部36Eとを有する。接地電極36Cの先端部36Eは、点火プラグ36の軸線方向において中心電極36Bと隙間を介して対向している。中心電極36Bと接地電極36Cの先端部36Eとの間は、発火部36Fとなり、点火時に中心電極36Bに電圧が印加されることによって火花が発生する。
As shown in FIGS. 1 and 2, a
図2に示すように、点火プラグ36の発火部36Fは、副室20内において、各連通孔22の軸線の交点Bと一致する位置に配置されている。詳細には、点火プラグ36の発火部36Fは、各連通孔22の交点Bから2mm未満の範囲に配置されている。また、接地電極36Cは、交点Bと連通孔22のそれぞれとを結ぶ各線分Cを避けて配置されている。具体的には、接地電極36Cの基端部36Dは、中心電極36Bに対して主室8側と相反する側、すなわち中心電極36Bの上方に配置されている。また、接地電極36Cの先端部36Eは、シリンダ軸線Aに沿った方向から見て、隣り合う2つの連通孔22のそれぞれと交点Bとを結ぶ線分Cの間に配置されている。また、点火プラグ36の本体部36A及び透孔34は、シリンダ軸線Aに沿った方向から見て、1つの連通孔22と重なる位置に互いに平行に配置されている。また、本実施形態では、発火部36Fは、隔壁部材17(副室20)の軸線上に配置され、端壁部17Bの中心上にも配置されている。
As shown in FIG. 2, the
図1に示すように、ピストン7は、円板状のクラウン部41と、クラウン部41の周縁部から下方に突出した一対のスカート部42と、各スカート部42の対応する側縁同士を互いに連結する一対の連結壁部43とを有している。ピストン7の軸線はシリンダ軸線Aと一致している。クラウン部41の外周部には、周方向に延在する第1環状溝、第2環状溝及び第3環状溝(符号省略)が上から順に形成されている。第1環状溝及び第2環状溝にはそれぞれコンプレッションリング(符号省略)が嵌め付けられ、第3環状溝にはオイルリング(符号省略)が嵌め付けられる。
As shown in FIG. 1, the
クラウン部41の燃焼室天井部5側を向く冠面7Aは、シリンダ軸線Aと垂直な平面に形成されている。冠面7Aの中央部には、キャビティ(凹部)45が凹設されている。キャビティ45は、シリンダ軸線Aを中心とした円形に形成され、底部45Aと、底部45Aの周縁部に設けられた縁壁部45Bとを有する。縁壁部45Bは、シリンダ軸線Aを中心とした円筒面に形成され、上端において冠面7Aと略垂直に接続している。縁壁部45Bと底部45Aとの境界の表面は、滑らかな曲面に形成されている。ピストン7の直径に対するキャビティ45の直径の比は、0.45以上0.97以下に設定されている。また、キャビティ45の直径に対するキャビティ45の深さ(最深部の深さ)の比は0.1以上1.0以下に設定されている。
A
底部45Aの中央には、シリンダ軸線Aを中心とした略円錐形の凸部47が突設されている。凸部47の突出端は、冠面7Aよりも下方に配置されている。凸部47の周縁部は底部45Aの周縁部の近傍まで延びている。凸部47の突出端は、面取りがなされた滑らかな曲面に形成されている。また、凸部47の周縁部と底部45Aとの境界の表面は、滑らかな曲面に形成されている。
At the center of the
キャビティ45及び凸部47は、協働してシリンダ軸線Aを中心としたトロイダル形状をなし、周縁部の深さが中央部に対して深くなっている。キャビティ45及び凸部47を含む冠面7Aは、シリンダ軸線Aを対称軸とした軸対称形に形成されている。
The
図3に示すように、ピストン7が上死点にあるときに、主室8は、キャビティ45の内面、シリンダ4の燃焼室天井部5、及び隔壁部材17の外面によって画定される。また、ピストン7が上死点にあるときに、隔壁部材17の端壁部17Bがキャビティ45内に突入し、隙間を介して凸部47と対向するように、端壁部17Bの突出長さ、キャビティ45の深さ、及び凸部47の高さが設定されている。凸部47の外面とシリンダ軸線Aとのなす角度は、連通孔22の軸線とシリンダ軸線A(隔壁部材17の軸線)とのなす角度と概ね等しく設定されている。
As shown in FIG. 3, when the
副室20の容積は、ピストン7が下死点に位置するときの主室8の容積、及びピストン7が上死点に位置するときの主室8の容積のいずれに対しても小さく設定されている。主室8の容積に対する副室20の容積の比は、0.02以上0.04以下であるとよい。ここでの主室8の容積は、ピストン7が下死点にあるときの主室8の容積をいい、燃焼室天井部5を含むシリンダ4の壁面、隔壁部材17の外面、ピストン7の冠面7A、キャビティ45及び凸部47の表面によって画定される空間の容積をいう。副室20の容積は、隔壁部材17の内面、インジェクタ30の外面、及び点火プラグ36の外面によって画定される空間の容積をいう。
The volume of the
シリンダ4の排気量は、150cm3以上800cm3以下、より好ましくは300cm3以上650cm3以下、更に好ましくは500cm3以上600cm3以下であり、例えば550cm3に設定されている。ピストン7のストロークをシリンダ4の直径で除したストロークボア比(SB比)は、0.6以上2.6以下に設定されている。シリンダ4の直径は、60mm以上110mm以下、より好ましくは65mm以上105mm以下、更に好ましくは75mm以上95mm以下、最も好ましくは85mmに設定されている。ガスエンジン1の圧縮比は、10.0以上16.0以下に設定されている。
Emissions of the
副室20の容積Vを複数の連通孔22の副室20への開口面積の総和Stで除した値を副室指標Is(=V/St)とする。ここで、連通孔22の副室20への開口面積の総和Stは、各連通孔22の副室20への開口面積Sに連通孔22の総数nを乗じることによって算出される。副室20の容積Vは、隔壁部材17の内面と、透孔34の内面と、インジェクタ30の外面と、点火プラグ36の外面とによって確定される空間部分の容積をいう。連通孔22は、長手方向において横断面が一定の通路である。本実施形態では、副室指標が9以上15以下、より好ましくは9以上14以下又は10以上15以下となるように、副室20の容積V、連通孔22の数、及び各連通孔22の副室20への開口面積Sが設定されている。
A value obtained by dividing the volume V of the
図1に示すように、ガスエンジン1は、制御装置50(ECU)と、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサ51、ガスエンジン1のクランクシャフトの回転位置を検出するクランク角センサ52とを有する。制御装置50には、アクセルペダルセンサ51及びクランク角センサ52の信号が入力される。制御装置50は、クランク角センサ52からの信号に基づいてエンジン回転数を算出し、エンジン回転数とアクセルペダルの踏み込み量とに基づいてガスエンジン1の負荷を算出する。負荷の算出は、例えば所定のマップを参照して行う。例えば、マップは、エンジン回転数の増加に応じて負荷が増加し、アクセルペダルの踏み込み量の増加に応じて負荷が増加するように設定されている。
As shown in FIG. 1, the
制御装置50は、負荷及びエンジン回転数に応じてインジェクタ30の噴射量及び噴射時期を制御し、点火プラグ36の点火時期を制御する。制御装置50は、負荷の増加に応じて、インジェクタ30の1燃焼サイクルにおける燃料噴射期間(開弁期間)を増加させ、燃料噴射量を増加させる。また、制御装置50は、エンジン回転数の増加に応じて、インジェクタ30の噴射時期及び点火プラグ36の点火時期を進角させる。
The
図5に示すように、制御装置50に制御されたインジェクタ30は、1燃焼サイクルにおいて、少なくとも1回の主噴射と、少なくとも1回の副噴射とを行う。副噴射は、主噴射に対して燃料の噴射量が少なく設定されている。主噴射は、点火時期において、主室8に当量比が0.5以上1.0以下、より好ましくは0.6以上0.8以下の希薄混合気を形成するために行われる。副噴射は、点火時期において、主室8よりも濃く、着火性が高い、当量比が1.0以上2.0以下、より好ましくは1.2以上1.5以下の混合気を副室20に形成するために行われる。本実施形態では、1燃焼サイクルにおいて、インジェクタ30は1回の主噴射と、1回の副噴射とを行う。主噴射は、吸気行程において行われる。主噴射は、例えば−340°〜−180°ATDCの範囲内において所定の期間行われるとよい。ここで、所定の範囲内において噴射を行うという記載は、噴射の開始時期及び終了(完了)時期の両方が所定の範囲内に設定されることをいう。また、主噴射は、吸気行程において排気バルブ14が閉じられた後に行われるとよい。そのため、主噴射は、例えば−330°〜−180°ATDCの範囲内、より好ましくは−285°〜−240°ATDCの範囲内において所定の期間行われるとよい。主噴射の噴射期間は、例えばクランク角で29°であるとよい。他の実施形態では、主噴射は、例えば−210°〜−180°ATDCの範囲内において所定の期間行われてもよい。ガスエンジン1の負荷が増加するときには、制御装置50は主噴射の燃料噴射期間を増加させ、1燃焼サイクル当りの燃料噴射量を増加させる。
As shown in FIG. 5, the
副噴射は、圧縮行程における上死点近傍において行われる。例えば、インジェクタ30による前記副噴射の終了時期は、−20°〜−10°ATDCの範囲内にあるとよい。制御装置50によって、点火プラグ36による点火時期は、−50°〜10°ATDCの範囲内に制御されている。副噴射の噴射期間は、例えばクランク角で1.4°であるとよい。他の実施形態では、副噴射は、点火時期よりもクランク角で30°〜10°前の範囲内において所定の期間行われる。
The secondary injection is performed near the top dead center in the compression stroke. For example, the end timing of the auxiliary injection by the
主噴射によって副室20に供給されたCNGは、連通孔22を通過して主室8に拡散する。特に、吸気行程においては、ピストン7の下降によって副室20に対して主室8の圧力が低下するため、CNGの副室20から主室8への拡散が促進される。主噴射の噴射時期と点火時期との間隔が長いほど、点火時期までに主噴射によって噴射されたCNGの拡散が進むため、主室8における混合気の均質化が促進される。副噴射の噴射時期と点火時期との間隔が短いため、副噴射によって副室20に供給されたCNGは十分に拡散することができず、点火時期において大部分が副室20に留まり、副室20の混合気濃度は主室8よりも濃くなる。
The CNG supplied to the
制御装置50によって、インジェクタ30による主噴射は、点火時期において主室8の当量比が0.5以上1.0以下となるように、燃料噴射期間(燃料噴射量)が制御されている。制御装置50によって、インジェクタ30による副噴射は、点火時期において副室20の当量比が1.0以上2.0以下となるように、燃料噴射期間(燃料噴射量)が制御されている。点火時期において上記のような当量比を主室8及び副室20において実現するために、本実施形態では主噴射の燃料噴射量に対する噴射の噴射量の比が、1/150以上1/60以下に設定されている。
The
本実施形態に係るガスエンジン1では、吸気行程においてピストン7が下降すると、吸気バルブ13が開かれ、吸気ポート11から主室8に新気が供給される。このとき、主室8の圧力が副室20に対して低下するため、副室20内の前回の燃焼時に発生した既燃焼ガスが各連通孔22を通過して主室8に流れる。その後の圧縮行程においてピストン7が上昇すると、主室8の圧力が副室20に対して上昇するため、主室8の新気(空気)が各連通孔22を通過して副室20に流れる。インジェクタ30は、吸気行程及び圧縮行程の少なくとも一方において主噴射を副室20に噴射する。主噴射によって副室20に供給されたCNGは、連通孔22を通過して主室8に流れ、主室8に希薄混合気を形成する。また、インジェクタ30は、点火時期の直前に副噴射を行うことによって、点火時期において副室20に主室8よりも濃い混合気を形成し、着火性を向上させる。
In the
圧縮行程の上死点付近に設定された点火時期において、点火プラグ36が発火部36Fに火花を発生させることによって、発火部36FにおいてCNGが着火し、火炎が発生する。発火部36Fで発生した火炎は、放射状に広がり、図3に示すように各連通孔22を通過して各連通孔22からトーチ状の既燃ガス噴流(火炎)となって主室8のキャビティ45内に噴出する。このとき、ピストン7が上死点付近にあることから、キャビティ45が主室8の大部分を占めている。各連通孔22から噴出する既燃ガス噴流は、凸部47の表面に沿ってキャビティ45内を放射状に広がり、キャビティ45内の混合気を確実に燃焼させる。
At the ignition timing set near the top dead center of the compression stroke, the
図6は、燃焼温度(T)及び当量比(φ)と、NOx及びすすの生成との関係を示すφ−Tマップである。図6に示すように、副室20では、高温に曝される隔壁部材17に囲まれていることから、燃焼温度が主室8よりも高くなり、1500Kから2400Kとなる。この場合、副室20での当量比を1.0以上とすることによって、NOxが発生し易いNOx領域を避けることができる。また、燃料温度が1700K〜2000Kの範囲では、当量比を2.0以下とすることによって、すすが発生し易いSoot領域を避けることができる。
FIG. 6 is a φ-T map showing the relationship between the combustion temperature (T) and the equivalence ratio (φ), and the production of NOx and soot. As shown in FIG. 6, since the
以上のように構成されたガスエンジン1では、副室指標Isに基づいて副室20の容積V、連通孔22の総数n、及び各連通孔22の副室20への開口面積Sが設定されているため、各連通孔22から主室8に噴出する既燃ガス流の速度が適切な値に設定され、ガスエンジン1の熱効率が向上する。副室指標Isは以下の第1〜第3の実験に基づいて設定されている。
In the
各実験では、ピストン7が上死点に有るときの主室8の形状を再現した定容燃焼装置を用いて行った。定容燃焼装置では、主室8、副室20、インジェクタ30、及び点火プラグ36の相対位置は上記の実施形態に示した位置と同様である。定容燃焼装置は、側方から主室8の内部を光学的に確認するための光学窓を有し、主室8内のシュリーレン画像を撮影可能となっている。また、定容燃焼装置は急速圧縮装置(RCM)を有し、主室8及び副室20を加圧することができる。また、定容燃焼装置は、主室8内の気体の圧力を測定する圧力センサ及び温度を測定する温度センサを有している。
Each experiment was performed using a constant volume combustion device that reproduced the shape of the
定容燃焼装置は、上記のガスエンジン1と同様の燃焼室形状を有し、シリンダ4の直径を85mm、主室8(キャビティ45)の直径を60mm、主室8(キャビティ45)の深さを10mm、主室8の容積を42cm3、各連通孔22のシリンダ軸線Aに対する角度を60°とした。各連通孔22の軸線がシリンダ軸線Aに対してなす角度は60°とした。また、各連通孔22の主室8側の開口端から各連通孔22の軸線方向において主室8の壁面(キャビティ45の縁壁部45B)までの距離を18.7mmとした。この場合、ピストン7の直径に対する、ピストン7が上死点にあるときの連通孔22の主室側の開口端から連通孔22の軸線方向においてピストン7の表面(壁面)までの距離の比は、0.22である。以下の各実験では、連通孔22の総数を4個、5個、6個のいずれかとし、各連通孔22の直径を1.2mm、1.6mmのいずれかとし、副室20の容積を0.89cm3(主室8に対する容積比0.021)、1.20cm3(主室8に対する容積比0.028)、1.84cm3(主室8に対する容積比0.043)のいずれかとした。
The constant volume combustion device has the same combustion chamber shape as that of the
各実験では、主室8及び副室20を大気圧の空気で満たした後、インジェクタ30から副室20に所定量の燃料を噴射した。その後、5分間待機して燃料を副室20及び主室8において拡散させ、主室8及び副室20の混合気が均質となるようにした。インジェクタ30による燃料の噴射量は、主室8及び副室20における当量比が0.6になるように調整した。その後、急速圧縮装置によって主室8及び副室20の圧力を2.3MPa、540Kに加圧昇温し、その28.3ms後に点火プラグ36によって、副室20内の混合気に点火した。連通孔22から既燃ガス噴流が主室8に噴出を開始した時点を0として各時間において主室8内のシュリーレン画像を撮影し、シュリーレン画像に基づいて連通孔22から噴出する既燃ガス噴流(既燃ガス噴流によって主室8内の混合気が着火することによって発生した火炎を含む)の進行状態を解析した。具体的には、各時間におけるシュリーレン画像の画像処理を行って既燃ガス噴流の先端位置を特定し、連通孔22の軸線方向において連通孔22の出口から既燃ガス噴流の先端位置までの距離を火炎到達距離として計測した。火炎到達距離は、連通孔22の軸線方向において連通孔22の出口から主室壁面までの距離を1とした割合である。すなわち、連通孔22から噴出した既燃ガス噴流は、距離が1となるときに主室壁面に到達する。なお、連通孔22から噴出した既燃ガス噴流と、その既燃ガス噴流によって主室8内の混合気が着火することによって生じる火炎とは分離することができないため、互いに一体のものとして扱った。火炎到達距離は、測定を5回行ってその平均値とした。
In each experiment, after the
連通孔22の直径が火炎到達距離に与える影響を測定した第1の実験の結果を図7に示す。第1の実験では、連通孔22の数を5個、副室20の容積を1.20cm3とし、連通孔22の直径Dを1.2mm又は1.6mmにした。測定は、連通孔22の各直径の値に対して5回行い、それぞれの平均値を算出した。図7に示すように、連通孔22の直径が1.2mmのときの5回平均値(図7中の実線)と1.6mmのときの5回平均値(図7中の破線)との間には、火炎到達距離において大きな差は確認されなかった。しかし、連通孔22の直径が1.2mmの場合は、5回の測定のうちで2回(図7中の二点鎖線)は直径が1.6mmの場合に比べて火炎伝播速度が明らかに遅く、3回(図7中の一点鎖線)は1.6mmの場合に比べて火炎伝播速度が明らかに速いことが確認された。一方、連通孔22の直径が1.6mmの場合は、1.2mmのような変動は確認されず、5回の測定において火炎到達距離は概ね同様に推移した。連通孔22の直径が1.2mmであって、火炎伝播速度が遅い場合(二点鎖線)は、シュリーレン画像で確認すると、1.2msから2.0msにかけて既燃ガス噴流の進行が停滞しており、2.0msにおいて主室8の混合気の燃焼(着火)が生じていることが確認された。一方、連通孔22の直径が1.6mmの場合(実線)や直径が1.2mmの場合であって火炎伝播速度が速い場合(一点鎖線)は、既燃ガス噴流の進行が停滞する領域は確認されず、着火遅れは確認されなかった。このように、連通孔22の直径が1.2mmの場合には、着火遅れが生じる場合があり、1.6mmの場合よりも燃焼が不安定であるといえる。連通孔22の直径が1.2mmの場合の着火遅れは、連通孔22の断面積が小さくなることによって、既燃ガス噴流の噴出速度が高くなり、連通孔22から噴出する既燃ガス噴流と主室8内の混合気との境界に自由せん断層が発生することに起因すると考えられる。
FIG. 7 shows the result of the first experiment in which the influence of the diameter of the
連通孔22の総数が火炎到達距離及び熱発生率に与える影響を測定した第2の実験の結果を図8及び図9に示す。第2の実験では、副室20の容積を1.20cm3、連通孔22の直径を1.6mmとし、連通孔22の総数を4個、5個、又は6個とした。図8では、各時間における火炎到達距離の平均値をプロットで示し、その分散をエラーバーで示している。
The results of the second experiment in which the influence of the total number of the communication holes 22 on the flame arrival distance and the heat generation rate was measured are shown in FIGS. 8 and 9. In the second experiment, the volume of the
図8に示すように、連通孔22の総数を4個とした場合と、5個とした場合とでは、火炎到達距離は概ね一致することが確認された。しかし、連通孔22の総数を4個とした場合は、5個とした場合よりもエラーバーが大きくなり、変動が大きいことが確認された。これは、連通孔22の総数が減ったことによって、副室20内の既燃焼ガスの圧力が高くなり、既燃ガス噴流の噴出速度が増加したことに起因すると考えられる。既燃ガス噴流の噴出速度が高くなると、連通孔22から噴出する既燃ガス噴流と主室8内の混合気との境界に自由せん断層が発生し、自由せん断層によって着火が阻害されると推測される。
As shown in FIG. 8, it was confirmed that the flame reaching distances were almost the same when the total number of the communication holes 22 was four and when the total number was five. However, it was confirmed that when the total number of the communication holes 22 was 4, the error bar was larger than when it was 5, and the fluctuation was large. It is considered that this is because the pressure of the burnt gas in the
また、連通孔22の総数を6個とした場合は、5個とした場合よりも、火炎到達距離が減少すると共に、変動が大きくなることが確認された。これは、連通孔22の総数が増加したことによって、副室20内の既燃焼ガスの圧力が低くなり、既燃焼ガス流の速度が低下したことに起因すると考えられる。また、連通孔22の総数を5個にした場合と6個にした場合とのシュリーレン画像では、5個の場合は既燃ガス噴流が直線状に延びるのに対して、5個の場合は既燃ガス噴流が周囲のガス流に巻き込まれて湾曲していることが確認された。これは、連通孔22の総数を5個にした場合は、既燃ガス噴流の勢いが弱いことを示しており、各連通孔22から噴出する既燃ガス噴流が不均一になると推測される。連通孔22の総数を6個とした場合のように、各連通孔22から噴出される既燃ガス噴流の一部に遅れが生じ、燃焼が不均一になると、図9に示すように熱発生率が低下する。
It was also confirmed that when the total number of the communication holes 22 was 6, the flame reaching distance decreased and the fluctuation became larger than when the total number was 5. It is considered that this is because the pressure of the burnt gas in the
副室20の容積が火炎到達距離に与える影響を測定した第3の実験の結果を図10に示す。第3の実験では、連通孔22の総数を5個、連通孔22の直径を1.6mmとし、副室20の容積を1.20cm3又は1.84cm3とした。図10では、各時間における火炎到達距離の平均値をプロットで示し、その分散をエラーバーで示している。
FIG. 10 shows the result of the third experiment in which the effect of the volume of the
第3の実験では、副室20の容積を1.84cm3とした場合、1.20cm3とした場合よりも火炎伝播速度は速く主室8の壁面に到達することが確認された。これは、副室20の容積が増加することによって、当量比が同じ場合、発生する既燃ガスの質量が増加するためである。しかしながら、図10におけるエラーバーの大きさから、副室20の容積を1.84cm3とした場合、1.20cm3とした場合よりも火炎到達距離が変動することがわかる。これは、既燃ガス噴流の噴出速度が高くなることによって、連通孔22から噴出する既燃ガス噴流と主室8内の混合気との境界に自由せん断層が発生し、着火遅れが発生したことに起因すると考えられる。
In the third experiment, it was confirmed that when the volume of the
以上の第1〜第3の実験結果から、連通孔22の直径、連通孔22の総数、及び副室20の容積が、火炎到達距離及び燃焼安定性に影響を与えることがわかる。火炎到達距離については、当量比が一定である場合、副室20の容積が大きいほど、或は連通孔22の直径が小さいほど、或は連通孔22の総数が少ないほど大きくなることが判る。これらの観点から、副室20から連通孔22を通過して主室8に噴出する既燃ガス噴流の勢いが主室8内の混合気の燃焼に与える影響が大きいことが明らかであるため、副室20の容積Vを分子にし、各連通孔の副室20への開口面積Sの総和Stを分母にして副室指標Isを規定した。副室指標Isは、連通孔22から噴出する既燃ガス噴流の勢いを表す指標であり、副室20の容積Vが増加するほど既燃ガスの発生量及びエネルギーの総和が増加して既燃ガス噴流の勢いが増加し、既燃ガス噴流の出口面積の総和である各連通孔22の副室20への開口面積Sの総和St(=n×S)が小さいほど既燃ガス噴流の圧力が増加して既燃ガス噴流の勢いが増加することを表す。
From the above first to third experimental results, it is understood that the diameter of the communication holes 22, the total number of the communication holes 22, and the volume of the
上記の第1〜第3の実験において得られた結果を、横軸に副室指標Is、縦軸に火炎到達時間として整理した結果が図11のグラフである。火炎到達時間[ms]は、連通孔22の軸線方向において連通孔22の出口から主室8の壁面までの距離を1とした場合に、火炎が距離0.8に到達するのに要した時間[ms]である。図11の各プロットについて付記した値は、その結果が得られたときの条件であり、左から、連通孔22の総数n、連通孔22の直径、副室20の容積Vである。図11に示すように、副室指標Isが大きいほど、火炎到達時間は短くなる。この結果から、副室指標Isが火炎の勢いを示していることが判る。
FIG. 11 is a graph in which the results obtained in the first to third experiments are arranged as the sub-chamber index Is on the horizontal axis and the flame arrival time on the vertical axis. The flame arrival time [ms] is the time required for the flame to reach the distance 0.8 when the distance from the outlet of the
図12及び図13は、上記の第1〜第3の実験に使用した定容燃焼装置と同様の燃焼室形状を有するガスエンジン1において、副室指標Isと、燃焼期間及び熱効率との関係を測定した結果である。このときのガスエンジン1は、排気量が551cm3、圧縮比が14.0、他の条件は定容燃焼装置と同様である。図12はエンジン回転数が1500rpm、図示平均有効圧力(IMEP)が500kPa、ピストン7が上死点にあるときの燃焼室圧が1.9MPaの低負荷時、図13はエンジン回転数が2000rpm、図示平均有効圧力(IMEP)が1200kPa、ピストン7が上死点にあるときの燃焼室圧が4.3MPaの高負荷時の結果を示す。燃焼期間は、上記の第1〜第3の実験における火炎到達距離と一次の関係がある値であり、燃焼質量割合が10%になったときから90%になるまでの期間をクランク角で表したものである。図12及び図13の各プロットについて付記した値は、その結果が得られたときの条件であり、左から、連通孔22の総数n、連通孔22の直径、副室20の容積Vである。図中の×印は、主室8内の混合気が点火しなかった条件であり、対応する熱効率の結果は得られなかった。
FIG. 12 and FIG. 13 show the relationship between the sub chamber index Is, the combustion period and the thermal efficiency in the
副室指標Isが5〜12程度の領域では熱効率は副室指標Isの増加に応じて増加し、副室指標Isが12〜13程度のときに熱効率は極大値をとる。そして、副室指標Isが13以上の領域では熱効率は副室指標Isの増加に応じて減少する。副室指標Isが12以下の領域では副室指標Isの増加に応じて既燃ガス噴流の勢いが増加し、燃焼期間が短縮されることによって熱効率が増加すると考えられる。一方、副室指標Isが13以上の領域では副室指標Isの増加に応じて既燃ガス噴流の勢いが更に増加し、連通孔22から噴出する既燃ガス噴流と主室8内の混合気との境界に自由せん断層が発生すると推測される。自由せん断層が発生すると、主室8の内の混合気の火炎形成、すなわち着火が阻害されるため、着火遅れが発生することによって燃焼が不均一になると考えられる。これにより、熱効率が低下すると考えられる。また、既燃ガス噴流の速度が増加すると、主室8を画定する壁面に既燃ガス噴流が接触する時期が早まり、冷却損失が増加することによって熱効率が低下すると考えられる。この結果は、上述した第1〜第3の実験の結果と一致する。図12から副室指標Isは、9以上15以下の範囲、より好ましくは10以上15以下の範囲又は9以上14以下の範囲が、熱効率が最も高くなる最適範囲といえる。図12及び図13に示すように、副室指標Isが10以下の低い領域では、連通孔22から噴出する既燃ガス噴流の勢いが弱く、既燃ガス噴流の速度が遅いため、主室8内での混合気の燃焼により発生する火炎の火炎伝播速度が遅くなり燃焼が緩慢となる。そのため、燃焼の等容度が低下し、熱効率の低下に繋がる。
In the region where the sub-chamber index Is is about 5 to 12, the thermal efficiency increases in accordance with the increase of the sub-chamber index Is, and when the sub-chamber index Is is about 12 to 13, the thermal efficiency takes a maximum value. Then, in the region where the sub chamber index Is is 13 or more, the thermal efficiency decreases as the sub chamber index Is increases. In the region where the sub-chamber index Is is 12 or less, it is considered that the momentum of the burnt gas jet increases as the sub-chamber index Is increases, and the combustion period is shortened to increase the thermal efficiency. On the other hand, in the region where the sub-chamber index Is is 13 or more, the momentum of the burnt gas jet further increases as the sub-chamber index Is increases, and the burned gas jet ejected from the
副室指標Isを9以上15以下とし、連通孔22の総数nを5個、連通孔22の直径を1.6mmとした場合、副室20の容積Vは0.88cm3以上1.51cm3以下となる。副室指標Isを10以上15以下とし、連通孔22の総数nを5個、副室20の容積Vを1.2cm3とした場合、連通孔22の直径は1.5mm以上1.7mm以下となる。
When the sub-chamber index Is is 9 or more and 15 or less, the total number n of the communication holes 22 is 5, and the diameter of the communication holes 22 is 1.6 mm, the volume V of the sub-chamber 20 is 0.88 cm 3 or more and 1.51 cm 3 It becomes the following. When the sub-chamber index Is is 10 or more and 15 or less, the total number n of the communication holes 22 is 5, and the volume V of the sub-chamber 20 is 1.2 cm 3 , the diameter of the
図12及び図13に示すような副室指標Isに対する熱効率の関係は、上記の実施例に示したガスエンジン1の諸元に特有の現象ではなく、様々な大きさのシリンダ4及びピストン7にも同様に生じる。特に、連通孔22の軸線がシリンダ軸線に対してなす角度が20°以上75°以下であり、ストロークボア比が0.6以上2.6以下であり、主室8の容積に対する副室20の容積の比が0.02以上0.04以下であり、ピストン7の直径に対する、ピストン7が上死点にあるときの連通孔22の主室側の開口端から連通孔22の軸線方向においてピストン7の表面までの距離の比が0.19以上0.32以下の条件を有するガスエンジン1においては、副室指標が9以上15以下の範囲、より好ましくは10以上15以下又は9以上14以下の範囲のときに熱効率が最も高くなる。これは、排気量又はシリンダ4の容積が大きくなり、主室8の容積が大きくなる場合には、副室20の容積も同様に大きくなり、既燃ガスの発生量が増加するためである。このように、副室指標は排気量の変化やシリンダ4の容積の変化をも考慮した指標となっている。
The relationship of the thermal efficiency with respect to the sub chamber index Is as shown in FIGS. 12 and 13 is not a phenomenon peculiar to the specifications of the
図12及び図13の結果を得たガスエンジン1と、上記の第1〜第3の実験に使用した定容燃焼装置とにおいて、連通孔22の直径、連通孔22の総数、及び副室20の容積を変化させて様々な副室指標Isを実現し、各副室指標Isとしたときの連通孔22から主室8に噴出する既燃ガス噴流の速度(火炎伝播速度)[m/s]及び主室8における混合気の着火の成否の確認を行った結果を図14に示す。図14では、横軸が副室指標Is、縦軸が火炎速度(既燃ガス噴流の速度)、各プロットの形状が着火の成否を示している。既燃ガス噴流速度は、連通孔22の軸線方向における連通孔22の主室8側の開口端と主室8の壁面との距離を1とした場合に既燃ガス噴流が0.8の距離に到達するまでに要する時間で除することによって算出される。図14で、各プロットは、○がガスエンジン1及び定容燃焼装置の両方において主室8での着火が確認された結果を示し、△がガスエンジン1では主室8での着火が確認されたが、定容燃焼装置では主室8での着火が確認されなかった結果を示し、□がガスエンジン1では主室8での着火が確認されたが、定容燃焼装置では主室8での着火が確認されなかった結果を示し、×がガスエンジン1及び定容燃焼装置の両方において主室8での着火が確認されなかった結果を示す。
In the
図14に示すように、ガスエンジン1及び定容燃焼装置では、既燃ガス噴流速度は副室指標Isの増加に応じて増加する関係を有する。また、既燃ガス噴流速度が7m/sより大きい領域では、ガスエンジン1及び定容燃焼装置において着火性が低下することが確認される。これは、既燃ガス噴流速度が7m/sより大きくなる領域では、上述したように、連通孔22から噴出するガスと主室8内の混合気との境界に自由せん断層が発生し、自由せん断層によって主室8内の混合気の火炎形成、すなわち着火が阻害されると推測される。また、連通孔22から噴出する既燃ガス噴流の速度が増加すると、既燃ガス噴流の表面は、火炎が形成されていない高温ガスの露出が増加すると推測され、このために主室8内の混合気の着火性が低下すると推測される。
As shown in FIG. 14, in the
既燃ガス噴流速度に影響を与える主要な因子は、副室20内に発生する既燃ガスが有するエネルギー、及び既燃ガス噴流の流路である連通孔22の副室20への開口面積の総和がある。既燃ガス噴流速度は、副室20内に発生する既燃ガスが有するエネルギーが大きいほど既燃ガス噴流速度は大きくなり、かつ連通孔22の副室20への開口面積の総和が大きいほど遅くなる。副室20内の既燃ガスが有するエネルギーは、副室20の混合気の当量比及び副室20の容積によって定まる。そのため、既燃ガス噴流速度は、副室20の混合気の当量比、副室20の容積、及び連通孔22の副室20への開口面積の総和によって定まる。副室20の混合気の当量比が設定された状態では、連通孔22の副室20への開口面積の総和及び副室20の容積によって既燃ガス噴流速度が定まる。
The main factors that affect the burnt gas jet velocity are the energy of burnt gas generated in the sub-chamber 20, and the opening area of the
なお、主室8内の当量比、主室8内の圧力も既燃ガス噴流速度に影響を与えることが予想されるが、その影響は副室20の混合気の当量比、副室20の容積、及び連通孔22の副室20への開口面積の総和に対して無視できる程度に小さいと考えられる。点火時期における主室8の当量比は、本実験条件では0.6であるが、0.5以上2.0以下の範囲において既燃ガス噴流速度に与える影響がほとんどなく、その影響は0.5以上1.1以下の範囲において更に小さいことが推測される。また、主室8の圧力は、本実験では1.9MPa(ガスエンジン1の低負荷条件)、4.3MPa(ガスエンジン1の高負荷条件)、2.3MPa(定容燃焼装置)であるが、1.2MPa以上6.0MPaの範囲において既燃ガス噴流速度に与える影響が無視できる程度に小さいことが推測される。ピストン7が上死点にあるときの主室8の圧力が1.2MPa以上6.0MPaの範囲は、ガスエンジン1がアイドリングからエンジン回転数5000rpmの最大出力時における圧力、すなわちガスエンジン1の通常の運転状態の全域に対応する。
Although it is expected that the equivalence ratio in the
以上に説明したように、既燃ガス噴流速度は、副室20の混合気の当量比、副室20の容積、及び連通孔22の副室20への開口面積の総和を含む副室20に基づく条件によって変化し、主室8の形状や主室8内の混合気に基づく条件から受ける影響が小さい。
As described above, the burnt gas jet speed is set in the
本実験では、図14に示すように、着火性を確認した既燃ガス噴流速度の最小値は4m/sであり、既燃ガス噴流速度が4m/sのときに着火性が良好であることを確認している。なお、既燃ガス噴流速度が4m/sより小さい範囲については着火性の確認を行っていないが、既燃ガス噴流速度が4m/sのときにガスエンジン1及び定容燃焼装置の両方で着火性が良いことを確認しているため、着火性が良好な領域は4m/sより小さい範囲においても存在することが推測される。
In this experiment, as shown in FIG. 14, the minimum value of the burnt gas jet velocity confirmed for ignitability was 4 m/s, and the ignitability was good when the burnt gas jet velocity was 4 m/s. Have confirmed. Although the ignitability was not confirmed in the range where the burnt gas jet velocity was less than 4 m/s, ignition was performed by both the
図14から既燃ガス噴流速度が4m/s以上7m/s以下の範囲は、副室指標Isが9以上15以下の範囲の全てを含む。すなわち、既燃ガス噴流速度を4m/s以上7m/s以下に設定することによって着火性が向上し、更に副室指標Isを9以上15以下に設定することによって熱効率が向上する。 From FIG. 14, the range in which the burnt gas jet velocity is 4 m/s or more and 7 m/s or less includes all the range in which the sub chamber index Is is 9 or more and 15 or less. That is, ignitability is improved by setting the burnt gas jet velocity to 4 m/s or more and 7 m/s or less, and thermal efficiency is further improved by setting the sub chamber index Is to 9 or more and 15 or less.
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。上記実施形態では、ピストンが上死点にあるときに、主室8がキャビティ45の内面及び燃焼室天井部5によって画定される例について示したが、他の実施形態ではキャビティ45は省略してもよい。この場合、ピストンが上死点にあるときに、主室8は、ピストン7の冠面7A、燃焼室天井部5、シリンダ4の内周面によって画定されとよい。また、上記の実施形態では、インジェクタ30は、主噴射を1回、副噴射を1回行う例について示したが、主噴射は上記した燃料噴射期間の間に複数回に分割して行われてもよい。
Although the specific embodiments have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments and can be widely modified and implemented. In the above-described embodiment, the example in which the
1 :ガスエンジン
4 :シリンダ
7 :ピストン
7A :冠面
8 :主室
16 :支持孔
17 :隔壁部材
20 :副室
22 :連通孔
30 :インジェクタ
33 :点火プラグ孔
36 :点火プラグ
36A :本体部
36F :発火部
45 :キャビティ
47 :凸部
50 :制御装置
A :シリンダ軸線
1: Gas engine 4: Cylinder 7:
Claims (6)
シリンダの上端面及びピストンの冠面によって画定され、シリンダ軸線を中心とした円筒形状の主室と、
前記シリンダの前記上端面から前記主室の中央に突出してシリンダ軸線と同軸に配置された有底円筒形の隔壁部材によって前記主室と区画され、前記主室に対して小さな容積を有する副室と、
前記隔壁部材にシリンダ軸線を中心として周方向に等間隔に配置され、前記主室と前記副室とを接続する4個以上6個以下の連通孔と、
前記副室内に気体燃料を噴射するインジェクタと、
前記副室内に配置された発火部を有する点火プラグとを有し、
前記インジェクタは、吸気行程において主噴射を行うと共に、点火時期において当量比が1.0以上2.0以下の混合気を前記副室に形成するべく点火時期の直前に前記主噴射よりも少量の副噴射を行い、
前記連通孔の軸線がシリンダ軸線に対してなす角度が20°以上75°以下であり、
ストロークボア比が0.6以上2.6以下であり、
前記主室の容積に対する前記副室の容積の比が0.02以上0.04以下であり、
前記ピストンの直径に対する、前記ピストンが上死点にあるときの前記連通孔の主室側の開口端から前記連通孔の軸線方向において前記ピストンの表面までの距離の比が0.19以上0.32以下であり、
前記副室の容積を前記連通孔の前記副室への開口面積の総和で除した副室指標が9以上15以下であることを特徴とするガスエンジン。 A four-stroke gas engine,
A cylindrical main chamber defined by the upper end surface of the cylinder and the crown surface of the piston and centered on the cylinder axis,
A sub chamber having a small volume with respect to the main chamber, which is partitioned from the main chamber by a bottomed cylindrical partition wall member that projects from the upper end surface of the cylinder to the center of the main chamber and is arranged coaxially with the cylinder axis. When,
4 or more and 6 or less communication holes, which are arranged in the partition member at equal intervals in the circumferential direction about the cylinder axis and connect the main chamber and the sub chamber,
An injector for injecting gaseous fuel into the sub chamber,
And a spark plug having an ignition part disposed in the sub chamber,
The injector performs the main injection in the intake stroke, and in order to form the air-fuel mixture having an equivalence ratio of 1.0 or more and 2.0 or less in the ignition timing in the sub chamber, a smaller amount than the main injection is performed immediately before the ignition timing. Perform secondary injection,
The angle formed by the axis of the communication hole with respect to the cylinder axis is 20° or more and 75° or less,
Stroke bore ratio is 0.6 or more and 2.6 or less,
The ratio of the volume of the sub chamber to the volume of the main chamber is 0.02 or more and 0.04 or less,
The ratio of the distance from the opening end of the communication hole on the main chamber side to the surface of the piston in the axial direction of the communication hole when the piston is at the top dead center relative to the diameter of the piston is 0.19 or more. 32 or less,
A gas chamber engine, wherein a sub chamber index obtained by dividing a volume of the sub chamber by a sum of opening areas of the communication holes to the sub chamber is 9 or more and 15 or less.
前記シリンダの前記上端面は平面に形成され、
前記ピストンが上死点にあるときに、前記主室は前記凹部の内面、前記シリンダの前記上端面、及び前記隔壁部材の外面によって画定され、前記隔壁部材の下端が前記凹部内に突入していることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のガスエンジン。 A circular concave portion is formed on the crown surface of the piston when viewed from the direction along the cylinder axis,
The upper end surface of the cylinder is formed into a flat surface,
When the piston is at the top dead center, the main chamber is defined by the inner surface of the recess, the upper end surface of the cylinder, and the outer surface of the partition member, and the lower end of the partition member projects into the recess. The gas engine according to claim 1 or 2 , wherein
前記交点に前記発火部が配置されていることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1つの項に記載のガスエンジン。 Each axis of the communication holes has an intersection on the cylinder axis,
The gas engine according to any one of claims 1 to 3 , wherein the ignition part is arranged at the intersection.
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