JPH05504185A - 内燃機関及びその方法並びにそれらに用いるノズル部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明はガス燃焼式内燃機関に用いる燃料燃焼システムに関し、より詳細には、 プリチャンバーを形成するとともに、複数の噴射通路を存する前燃焼チャンバー 組立体に関する。

〔発明の背景〕

オツトーサイクルは、通常、内燃機関として形成され、この内燃機関か吸入、圧 縮、出力及び排気という経時的に予め定められた工程でオツトーサイクルにより 作動している。このようなオツトーサイクルエンジンとして、例えば、４サイク ルや２サイクルのレシプロ型エンジンかある。さらに、オツトーサイクルエンジ ンでは、キャブレターによって燃料と空気か予め混合されて均一な可燃性混合気 か形成される。この混合気か吸入工程の間にエンジン燃焼室に送り込まれる。

オツトーサイクルエンジンの出力の制御は、各サイクル毎に燃焼室内で燃焼する 可燃性混合気の質量を変えることにより行われる。この制御は、例えば、バタフ ライバルブなとのスロットルにより行われる。すなわち、スロットルか、吸入工 程の間に燃焼室に送られる混合気の空燃比を変えることなく、可燃性混合気の量 を変える。圧縮工程時には、可燃性混合気は燃焼室の閉した空間内で圧縮される 。圧縮工程の終了時付近において、スパークプラグやグロープラグなとの点火装 置が可燃性混合気に点火し、高温燃焼ガスをつくり出す。この高温燃焼ガスは膨 張工程において可動ピストンに対して膨張し、これにより出力かつくり出される 。

化学量論的なオツトーサイクルエンジンでは、燃焼室内の極大値となる温度によ って窒素酸化物（ＮＯｘ＞が生成される。この極大値となる温度は、燃焼室内に 存在する空気の一部である窒素と酸素の結合である窒素の酸化すなわち窒素の燃 焼を促進するものである。生成されるＮＯｘの量は温度の上昇、高温か保たれて いる時間の長さ、酸素の濃度に伴って増大する。

この生成されるＮＯｘの量を減少させるため、最近ではり−ン燃焼式（空燃比か リーンである形式のもの）のオツトーサイクルエンジンか開発されている。この リーン燃焼式ガスエンジンにおいては、主燃焼室に送られる可燃性混合気は燃料 を完全燃焼させるのに必要なｉ以上の空気を含んでいる。可燃性混合気中の空気 量を大きくするほど、燃焼混合気の温度は、同量の燃料を含む化学量論的可燃性 混合気の燃焼により生成される温度はど高くはならなくなる。ＮＯｘの排出量は 燃焼室内で生じるピーク温度に直接関係するので、化学量論的エンジンにより生 成されるＮＯｘのしヘルか約２０ｇ／ＨＰ−ＨＲであるのに対して、これらのリ ーン燃焼式エンジンか生成するＮＯｘのレヘルは約１〜２ｇ／ＨＰ−ＨＲである 。

空燃比をリーンとすることによって、特に、ホアの大きいエンジンにおける主燃 焼室内ての完全かつ十分な燃焼と電気点火装置とを両立させることか困難になっ ている。それはスパークプラグなとの単一の点火源からの炎の伝播か遅くなるか らである。このような状況の下、圧縮工程終了時またはその付近においては、点 火源から遠く離れている遠隔領域における圧力と温度とによって、炎の伝播に先 かけて自然着火か生しることがある。この自然着火を防止するためには、この自 然着火か起こる前に炎か遠隔領域に短時間で伝播することか必要である。

リーンの混合気を着火させるために必要な電気的エネルギーは化学量論的な混合 気の場合よりも大きい。現在の高電圧スパークプラグ及びグロープラグの技術状 況を考えればそのようなプラグの十分な寿命を確保することは困難である。

適当な大きさの前燃焼用チャンバーすなわち副燃焼室を用いることによって、主 燃焼室の点火容量をより大きくすることか可能である。この副燃焼室から高温の 燃焼混合気か炎の前面として通路を介して主燃焼室に送られ、リーンの可燃性混 合気の安定燃焼を可能にする。副燃焼室は、一般的に、主燃焼室の非圧縮時の全 容積の約２〜５％の容積を有し、さらに、この副燃焼室の内部にはスパークプラ グやグロープラグなとの点火装置か配置されている。リーンの可燃性混合気は吸 入工程の間に主燃焼室に送られ、直ちに副燃焼室の内部に流入できる状態になる 。点火装置は極めて小さな点火源であるため、多くのリーレ燃焼式オツトーサイ クルエンジンでは別個の燃料供給源から新たに燃料を副燃焼室に補給し、副燃焼 室内部の燃料濃度を高めている。主燃焼室内部のリーンの空燃比の可燃性混合気 は燃料濃度の高い副燃焼室を希釈し、燃焼かより容易な化学量論的な混合気に近 づく。圧縮工程の後半において、副燃焼室内部の可燃性混合気はα火装置により 県人される。高温の燃焼混合気か炎の前面を形成し、通路を介して副燃焼室の内 部に進み、これによって、リーンの可燃性混合気か着火する。

しかしなから、大径の主燃焼室かリーンの空燃比て作動される場合には、主燃焼 室における炎の伝播速度か比較的遅く、炎の前面かタイムリーに主燃焼室内部に 完全に浸透せず、このため、燃焼か不完全または間欠的になってしまう。この結 果として、Ｐ、科消費量か増大し、炭化水素化合物の排出量か増大し、さらに、 極めて狭い範囲の空燃比てしか作動しなくなるという問題を生しる。さらに、燃 焼機関自体か爆発特性に関する燃料の物理的性質に大きく影響されるようになり 、これによって、工〉ノンの作動範囲か限定されるととに、市場での価値も低下 する。

さらに、点火式エンジンでは定常状態で少なくとも２５〜３０％の作動マージン （ミスファイアまたは不安定速度と爆発との間の％差として定義されるもの）か あることか望ましい。これは、エンジンの制御システム（このシステムは多くの 場合、機械式である）か、ミスファイア、すなわち、極めて短い時間での爆発を 生じることなく、安全に空燃比を制御することかできるようにするためである。

また、エンジンのミスファイアか多くなったときにのみ悪化するブレーキ燃料消 費量（ＢＳＦＣ）も作動マージンの所定の割合以上の一定値を維持することか望 ましい。

以上の克から、現在求められていることはガス燃焼式オツトーサイクル内燃機関 に対する燃料燃焼システムを改良することである。なお、このガス燃焼式すソト ーサイクル内燃機関は副燃焼室と複数の通路を形成している副燃焼チャンバー組 立体を有するものであって、複数の通路は、副燃焼室内部の高温燃焼混合気を制 御自在に膨張させ、これを炎の前面としてリーンの可燃性混合気を安定に燃焼さ せるのに十分な速度で主燃焼室内部に導くように配置されている。かかる構成は 、開学焼室と主燃焼室との間の圧力比によってエンタルピーの減少分（これは等 エントロピー膨張を介して生しる）を藺述の通路における運動エネルギーの増加 分に転換させるという利点をもたらすのものでなければならない。

また、かかる構成により、燃焼ガスか極めて大きい速度て主燃焼室に浸透するよ うになるとともに、炎の前面において乱流か増大するものでなければならない。

この構成によって得られる主燃焼室に関する降下は、燃焼かより早く、より完全 に行われることてあり、これに伴って、炭化水素化合物のレベルを減少させ、Ｎ Ｏｘを減少させ、作動マージンを広くすることかできるものであることかゼ・要 である。

本発明は、以上述へた問題の一つまたは二つ以上を解決することを目的とするも のである。

〔発明の内容〕

本発明に係るエンジン用燃料燃焼システムは、副燃焼室を形成する開学・焼室組 立体と、副燃焼室用気体燃料源と、副燃焼室に入って、膨張する燃・焼気体を形 成する空気と燃料の可燃性混合気に点火する点火手段とを備える。燃焼気体は音 速よりも速い速度で副燃焼室から排出される。

また、本発明に係るガスエンジン用燃料燃焼システムは比較的リーンの気体燃料 と空気の可燃性混合気を燃焼させるものてあって、主燃焼室と副燃焼室組立体と を備えている。副燃焼室組立体は、双方て副燃焼室を形成するヘット部材及びノ ズル部材と、副燃焼室に入って、膨張する燃焼気体を形成する可燃性混合気に点 火する点火手段とを有している。ノズル部材は、複数の排出通路手段を形成して おり、このｍ出通路手段は膨張している燃焼気体を制御して副燃焼室から主燃焼 室へ音速以上の速度で導く。

また、本発明に係る副燃焼室組立体用のノズル部材は、キャビティを形成してい る管状体を有している。この管状体は第一の内面と、第二のほぼ円錐形に収束す る面と、第三の縮径の円筒内面と、第三の内面と近接して接続する端部壁とを有 している。また、管状体は複数の排出通路を形成しており、この排出通路の各々 はノド部分と、外方に分岐する部分とを有している。

本発明に１系るエンノン用主燃焼室は副燃焼室を形成している副燃焼室組立体を 有している。副燃焼室内部において可燃性混合気に点火し、膨張する燃焼気体を 形成するだめの点火手段も設けられている。ノズル部材は、複数の排出通路を形 成しており、この排出通路は膨張している燃焼気体を制御して副燃焼室から主燃 焼室へ音速以上の速度で導く。

さらに、本発明はエンノン内において気体状燃料と空気とのリーンの可燃性混合 気を炉焼させる方法に関する。このエンジンは主燃焼室と、副燃焼室を形成して いる副燃焼室組立体と、複数の排出通路と、副燃焼室内の混合気を点火する点火 手段とを備えている。空気と燃料からなる比較的リーンの混合気は主燃焼室に導 かれ、気体状燃料は副燃焼室に導かれる。リーンの混合気は段階的に主燃焼室内 部で圧縮され、リーンの混合気の一部は半径方向内側に追いやられて排出通路を 通り、そこで副燃焼室内部の燃料と混合する。燃焼気体は副燃焼室から制御自在 に音速以上の速度て主燃焼室へと導かれる。

〔図面の簡単な説明〕 第１図は、内燃機関に組み入れられた副燃焼室組立体を有する本発明に係る燃料 燃焼システムの第一実施例の部分的な側面断面図である。

第２図は、第１図の２−２線におけるシリンダーヘットの底面図である。

第３図は、第１図の領域３の拡大図である。

第４図は、第１図、第２図及び第３図に示したノズル部材の先端の拡大断面図で ある。

第５因は、第４図に示したノズルの端面図であって、複数のｕＦ出通路を示して いる。

第６図は、オツトーサイクルの吸入及び出カニ程の一部においてのクランクシャ フトの角度（単位は度）に対する主燃焼室内部での圧力上昇分（ＫＰａ）（実線 ）を示すグラフである。

第４図は、副燃焼室組立体の第二の実施例を示す、第４図と同様の断面図である 。

第８図は、第７図のノズルの端面図である。

〔好適な実施例〕

第１図乃至第５図には本発明に係る燃料燃焼システム１０の第一の実施例か示さ れている。第１図にはオツトーサイクル型のスパーク点火式ガス燃焼型内Ｐ機１ ！！＋２の一部が示されている。内燃機関ｊ２はシリンダーブロック１４と、シ リンダーブロック１４に着脱自在に取り付けられたシリンダーヘッド１６とを有 しており、本発明に係る燃料燃焼システムｌＯは各々のシリンダーに設けられて いる。本実施例においては、内燃機関１２は約１１０００ｒｐの最高回転速度と 約１１対１の圧縮比とを有している。

燃料燃焼システム１０は、ビス）・ン２０と、シリンダーライナー２２と、一対 の吸入バルブ２４と、一対の排気バルブ３０と、副燃焼室組立体３２とを備えて いる。吸入バルブ２４は、オツトーサイクルの吸入工程において、空気と燃料か らなる所定量のリーンの可燃性混合気をピストン２０の上方の主燃焼室２８に直 接に導くものである。排気バルブ３０は、オツトーサイクルの排気工程において 、主燃焼室２８から燃焼気体を排出させるためのものである。本実施例において は、可燃性混合気にはメタンと空気とか含まれており、主燃焼室における空燃比 は約２１対ｌである。種々の点火特性及び燃焼特性を存するエタン、プロパン、 ｎ　−ブタンなとの他の気体状燃料を種々の空燃比て用いることも可能である。

シリンダーライナー２２はシリンダーブロック１４に着脱自在に取り付けられて おり、直径へを有する円筒壁すなわちポア３４を形成している。シリンダーヘッ ド１６の下面３６と円筒壁３４とピストン２０の波動状上面３８とて主燃焼室２ ８の境界か形成されている。本実施例において設けられている吸気制御バルブ手 段２４は二つの吸気バルブ４０を備え、排気制御バルブ手段３０は二つの排気バ ルブ４２を備えている。吸気バルブ４０と排気バルブ４２はシリンダーへｙド１ ６の内部て軸方向に可動であり、図示されていないか、機械式バルブトレインま たは他の制弾装置によって駆動される。

ピストン２０は中心軸４４を有し、シリンダーライナー２２のポア３４の内部て 往復運動を行い、オツトーサイクルの圧縮工程において、可燃性混合気を圧縮し 、それによって、加圧する。本実施例においては、ボア直径Ａは約３００ｍｍで ある。

副燃焼室組立体３２はシリンダーヘッド１６の内部に着脱自在に取り付けられて おり、はぼ円筒状の段付きヘット部材４６と、中心軸５０を有する閉した管状の ノズル部材４８とからなっている。ヘッド部材４６とノズル部材４８はｒｌｎｃ ｏｎｅｌ　６２５Ｊのようなスティンレス鋼からつくられることか好ましい。

Ｎｎｃｏｎｅｌ」はＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｎ１ｃｋｅｌ　Ｃｏｍｐａｎ ｙ、Ｉｎｃ、の登録商標である。ヘッド部材４６とノズル部材４８とは、それら か結合することによって、はぼ軸方向を向いた副燃焼室５２を形成する。この副 燃焼室５２は所定の形状と容積とを存している。ピストン２０の中心軸４４とノ ズル部材４８の中心軸５０は同軸であることか好ましい。

第３図および第４図に示すように、ノズル部材４８は管状体５４を備えており、 この管状体５４は円筒状の上部外周面５６と、中央に位置する外周環状フランジ ５８、環状フランジ５８か形成しているリングシート５９と、円筒状の下部外周 面６０と、円錐状の外周面６Ｉとを存している。外周面６０はシリンダーヘッド １６の内部に形成されている下部ボア６２に嵌合しており、リングシート５９と 中間ボア６８の環状端面６６との間には環状シールリングすなわちガスケット６ ４か配置されている。

管状体５４は上方に開口するキャビティ７０を有している。さらに、管状体５４ は、半径方向に所定の厚さを育し、円筒状の内周面７４を育する下部管状壁７２ と、下方に向かうにつれて厚さか増し、はぼ円錐状の内周収束面７８を有する中 間管状壁７６と、上部管状壁７２の厚さよりも厚い半径方向の厚さを有し、縮径 された円筒状内周面８２を有する下部管状壁８０とからなっている。第４図に示 すように、円筒状の内周面７４は第一の所定の断面積を有する直径Ｂを形成して おり、縮径された円筒状内周面８２は、半径Ｒを有し、第二の所定の断面積を形 成している直径Ｃを形成している。第一の所定の断面積は第二の所定の断面槽の ３．　０〜６．５倍であることか好ましい。本実施例においては、直径Ｂは約３ ７．３ｍｍであり、約１２２５．４１８ｍｍ”の断面積を有している。直径Ｃは 約１６．０ｍｍであり、約２０１．０６２ｒｎｍ２の断面積を有しており、これ は直径Ｂの断面積よりも約６，０９５倍小さい。

円錐状の収束面７８は滑らかな環状の移行表面８Ｂを介して上面７４と接続して おり、さらに、滑らかな環状の移行壁面９０を介して下面８２にも接続している 。表面７４．７８．８２，８８．９０は中心軸５０の回りの回転体表面であるこ とか好ましい。さらに、円錐状の収束面７８は中心軸５０に関して所定の角度り だけ傾斜している。この角度りは２５度以上であり、本実施例では３０度とする ことか好ましい。

管状体５４は平坦な内周面９４を有する下部端壁９２を備えている。端壁９２は 下部壁８０に接続しており、キャビティ７０の下端を効果的に閉している。端面 ９４の上方の下部内周面８２の軸方向の長さは半径Ｒの２〜４倍であることか好 ましい。表面７４．７８，８２，８４，８８，９０．９４は表面平均粗さくＲａ ）か約０．８０マイクロメーターである比較的滑らかな表面であることか好まし い。

第３図に示すように、ヘット部材４６の下部端面１００は副燃焼室５２を形成し ているキャビティ７０の上端を閉している。下部端面１００は表面平均粗さか約 ０．８０マイクロメーターの比較的滑らかな表面であることか好ましい。ヘッド 部材４６は、さらに、円筒状の案内面１０２と、環状のシールリングジートＩ０ ４と、ジート１０４の上方の円筒面１０６とを存している。案内面＋０２は管状 体５４の上部円筒状面７４の中に滑り嵌めによって入れ千成に入れられており、 環状スティールシールリングすなわちガスケット１０８はヘッド部材４６のリン グシート１０４とノズル部材４８の環状端面１１０の間に配置されている。第１ 図に示すように、ヘッド部材４６は、シリンダーヘット１６の中に形成されてい る段付き上部ボア１１２の中に一対のホルト１１４によってシールされた状態で 取り付けられている。段付きボア＋１２は中心軸５０と同軸であり、円筒状第一 内周面１１６と、円筒状第二内周面１１８と、円筒状第二内周面１２０とをシー ルした状態で有している。

副燃焼室５２の容積は主燃焼室２８の容積よりも小さくなるように選定されてお り、主燃焼室の全非圧縮容積の約２〜５％となるようにすることか好ましい。

本実施例においては、主燃焼室２８の非圧縮容積は約２．１１９，５００ｍｍ３ てあり、副燃焼室５２の容積は約６３，５８５ｍｍ’すなわち主燃焼室２８の非 圧縮容積の約３９４である。

第４図および第５図に示すように、ノズル部材４８は排出通路手段１３０を形成 している。排出通路手段＋３０は複数の排出通路＋３２を存している。排出通路 １３２は、半径方向外方に分岐する幾何学的な所定の断面を有しており、副燃焼 室５２と連通している。排出通路１３２は音速以上の速度で燃焼ガスを制御自在 に膨張させるとともに、副燃焼室５２から主燃焼室２８へ向かわせ、複数の位置 で同時に主燃焼室内の可燃性混合気に点火し、燃焼させる。

本実施例においては、周方向に等間隔に配置された８個の排出通路１３２か設け られており、これらの排出通路１３２の各々は中心軸＋３４と所定の軸方向長さ しとを存している。各中心軸＋３４はノズル部材４８の中心軸５０に対して約６ ５〜８５度の範囲で所定の角度Ｅたけ傾斜していることか好ましく、本実施例で は傾斜角度は約８０度である。ノズル部材４８の円錐状外周面６１は中心軸ｊ３ ４に直角である。各排出通路１３２は、はぼ円筒状の内周面１３８を有するノド 部１３６と、円錐状の内周面＋４２および所定の長さし、を有する円錐状の外方 に分岐する部分１４０とを有している。表面１３８，１４２は中心軸＋３４を中 心とする回転体の表面であることか好ましい。内周面＋３８はノド部の直径Ｆお よび所定の断面積Ａｔを形成している。本実施例では、ノド部１３６の直径Ｆは 約４．．５０ｍｍであり、断面積Ａｔは約１５．９ｍｍ２である。８個のノド部 の断面積Ａｔの合計は約１２７．２ｍｍ２である。直径Ｃにおける断面積は、ノ ド部の断面積Ａｔの合計よりも約１．２５〜１．７５倍であることか好ましい。

円錐状の分岐部分１４０は所定の断面積Ａｅを形成する出口直径Ｇを有している 。本実施例においては、出口直径Ｇは約４．７０ｍｍであり、断面積Ａｅは約１ ７．３４ｍｍ”である。ノド部の断面積Ａｔと出口の断面積Ａｅとの比は約１０ １対１から２．１０対１の間であることか好ましく、本実施例ではその比は約１ ．０９対１である。分岐部分１４０の軸方向長さＬｌはノド部の直径Ｆの２倍以 上であって、排出通路１３２の全長しの８５％以下であることが好ましい。

本実施例においては、排出通路１３２の軸方向長さしは約１５ｍｍであり、分岐 部分１４０の軸方向長さＬｌは約１１ｍｍである。

排出通路１３２の内周面１３８，１４２は表面平均粗さくＲａ）か約０．８０マ イクロメーターの比較的滑らかなものであることか好ましい。

第１図に示すように、シリンダーヘット１６には通路１４８か形成されている。

この通路＋４８は別個の燃料源（図示せず）から、段付きボア１１２の第二内周 面＋１８とヘット部材４６の回りに形成されている環状溝１５４とによって形成 されているシールされた環状チャンバ１５２に気体状燃料を導く。ヘット部材４ ６の通路１５６は気体状燃料を環状チャンバ１５２から制御バルブ手段＋６０へ 連通させる。制御バルブ手段１６０は、エンノンの負荷および速度に応して、吸 気マニホールド圧力以上の１〜５０ＫＰａの圧力て所定量の燃料を受け入れる。

本実施例では、最高負荷および速度時において、供給圧力はオツトーサイクルの 吸入工程における副燃焼室５２への約２０７〜２４１ＫＰａである。制御７１４ １手段＋６０は、オツトーサイクルの圧縮、燃焼、排気工程の間において、燃焼 気体か副燃焼室５２から通路１５６へ流れることを防止するためのちのである。

第３図に示すように、バルブ制置手段１６０はチェックバルブ組立体１６２を備 えている。チェックバルブ組立体１６２はヘット部材４６の内部に形成された段 付きボア＋６４にシールされた状態て螺合されている。チェックバルブ組立体１ ６２は二つの位置を取ることかできる自由浮動ボールチェック＋６６を備えてい る。このボールチェック１６６は、燃料か副燃焼室５２へ流れるようにする第一 モード位置または開モード位置と、ボールチェック１６６が円錐状シート１６８ と係合して、気体か副燃焼室５２から燃料源１５０へ流れないようにする第二モ ード位置または閉モート位置とを有する。ヘット部材４６に設けられた通路１７ ０はチェックバルブ組立体１６２を副燃焼室５２に接続している。

上部管状壁７２と中間管状壁７６との結合部の高さの位置において管状体５４に 半径方向通路１７４か形成されている。そこには、副燃焼室５２内部の可燃性混 合気を県人するための点火手段１７６か設けられており、この点火手段１７６は 電極１８０を存するスパークプラグ１７８を有している。スパークプラグ１７８ はシリンダーヘット１６の中に螺合されており、電極］８０は通路１７４を介し て副燃焼室５２に露出するようにされている。スパークプラグ１７８は通常の手 段で電気的に付勢される。

第４図および第８図は本発明の第二の実施例を示している。この実施例では、排 出通路手段＋３０の幾何学的形状か変わっている。前実施例と同様に、排出通路 手段１３０は周方向に等間隔に隔置された８個の、半径方向を向いている通路＋ ９０を備えている。排出通路１９０と前実施例の排出通路１３２の相違ヴは、本 実施例の排出通路１９０には円錐状内周面＋９４を存する分岐入口部分１９２か 形成されていることである。分岐内周面＋９４は中心軸１３４を中心とする回転 体の表面である。

分岐内周面１９４は中心軸１３４に対して所定の角度Ｈて傾斜している。角度Ｈ は約１５〜３０度の範囲か好ましく、本実施例では約１９度である。表面１９４ は表面平均粗さくＲａ）か約０．８０マイクロメーターの比較的滑らかな面であ ることか好ましい。

〔産業上の利用性〕

膨張する燃焼気体か音速以上の速度で副燃焼室５２から主−焼室２８へ流入して いく燃焼システムＩＯを形成するために第一に必要なことは、エンジン１２の圧 縮比、主燃焼室２８における過剰空気の予想比率、エンジンのブースト圧、およ び、副燃焼室５２の容積を知ることである。これらの情報によって、点火前にお ける副燃焼室５２内部の混合気の質量、温度、圧力、近似的な化学量論的混合気 量をめることかできる。

第二に必要なことは、通路手段１３０を介しての圧力損失はないものと仮定して （実際には、いくらかの圧力損失か出る）、点火後における副燃焼室５２内部の 圧力Ｐを計算することである。第６図のグラフは、クランクシャフトの向き（単 位は角度）に対しての主燃焼室２８及び副燃焼室５２内での圧力変化（ＫＰａ） を示している。膨張する燃焼気体を副燃焼室５２から主燃焼室２８へ音速以上の 速度で送り込むための点火圧力ｆｎＰは主燃焼室２８の内部の圧力値Ｐ１の１８ ３倍であることか必要であり、圧力値Ｐ’のの約２．５倍であることか好ましい 。

このような点火圧力値Ｐを用いて、副燃焼室と主燃焼室との間のエンタルピーの 減少を、等エントロピー膨張を介して、速度上昇分に対応する運動エネルギーの 増加に転換することによって、膨張する燃焼気体か主燃焼室に浸透し、拡散する ことを促進させることかできる。

圧力値Ｐ１の１．８３倍より小さい点火圧力値Ｐは、排出通路１３２内部てのチ ョーキングとして知られる状態か起こらないため、音速以上の流れ速度に転換す ることかできない。チョーキングは、排出通路の排出側の圧力か所定値以下に降 下し、上流側の圧力か一定値に維持されている場合に、排出通路１３２を通る理 論流量か変わらないときに起こる。

第三に必要なことは、ノド部＋３６の直径Ｆを決定することである。直径Ｆは炎 の前面か通過したときに速度上昇か生しるように大きさか決められる。直径Ｆの 大きさは、副燃焼室５２内での可動な燃焼質量、所望の、く火時期遅延値、副燃 焼室対生燃焼室の圧力比の最大値、および、燃料と空気の混合気の燃焼速度に基 づいて決められる。排出通路１３２の充填効果は現在ある表を用いて想定するこ とか必要である。Ｐ焼串に関してはノド部の全面積Ａｔを大きすぎないようにす ることか重要である。そうてないと、チョーク流れか維持されなくなる。主燃焼 室２８内部での最適な燃焼のための排出通路１３２の総数はノド部１３６の直径 Ｆを決定する前に決定することか必要である。

最後は、音速以上の速度で最適に排出するための出口直径Ｇをめることである。

各排出通路１３２，１９０の円錐状分岐部分１４０は、出口直径Ｇにおける気体 圧力Ｐｅか、県人及び排気工程の間の主燃焼室２８内部の圧力とほぼ同じにある ように、燃焼気体か膨張することを許容する。等エントロピー膨張はノド部１３ ６及び分岐部分１４０の長さに沿った気体の膨張に影響される。

各排出通路１３２．１９０におけるノド部面積Ａｔ対出口面ＷＩＡｅの比は約１ ．０１対１〜２．１０対１か好ましく、本実施例では約１．０９対１である。こ の関係は次の式で表される。

ここて、γ＝副燃焼室５２の比熱比 Ｐ’＝副燃焼室５２の最大圧力Ｐにおける主燃焼室３２の圧力値Ｐ＝ノド部１３ ６の上流側での停滞圧力（すなわち、本実施例における副燃焼室５２の内部圧力 ） 積Ｇの付近において斜め衝撃波を生じさせることかできる。通常の衝撃波は、Ｐ ｅかＰ１以下になり、主燃焼室２８内・＼の燃焼気体の亜音速流れか生じたとき に、分岐部分１４０において生じる。円錐状分岐部分１４０の軸方向長さはノド 部直径Ｆの２倍以上であることか好ましい。

以下に、第１図乃至第６図に示した第一の実施例を参照して作動例を説明する。

オツトーサイクルの吸入工程時においては、ピストン２０はポア３４の内部を下 降し、吸入バルブ４０は開き、排気バルブ４２は閉し、空燃比か約２１対１であ るメタンのようなリーンの可燃性混合気が主燃焼室２８に入れられる。同時に、 第三制御バルブ手段１６０のポールチェック１６６か通路１４８，１５６の燃料 の圧力によって下方に付勢され、ポールチェック１６６は開モード位置に至り、 燃料が副燃焼室５２に直接に流入するようになる。

圧縮工程時においては、吸入バルブ４０は閉じ、排気バルブ４２は閉し、可燃性 混合気及び副燃焼室５２内部の燃料は上昇してくるピストン２０によって圧縮さ れる。上昇中の圧力かポールチェック１６６に作用することによって、ポールチ ェック１６６は上方に移動して、円錐状ジート１６８に対して閉モード位置に至 り、副燃焼室５２からの気体の流れか燃料源に行かないようにする。圧縮工程の 間、主燃焼室２８から送られてきたリーンの可燃性混合気の一部は排出通路１３ ２を通って半径方向内側に進み、電極１８０の直近てほぼ化学量論的な混合気を 形成している副燃焼室５２内部の燃料を希釈する。このため、混合気はより点火 しやすくなる。これによって、より確実な点火が可能になり、副燃焼室内部での ミスファイアをなくすことかできるようになる。

副燃焼室５２の容積は主燃焼室の非圧縮全容積の約２〜５％であることか好まし く、本実施例においては、副燃焼室の容積は約３％である。約２％の容積とする ことによって、強力な点火のための充分な燃料質量を確保てきるか、約５％以上 とするとエンジン１２により生成されるＮＯｘの量か増加してしまう。

オツトーサイクルの膨張工程すなわち出カニ程時においては、吸入バルブ４０及 び排気バルブ４２は閉し、副燃焼室５２内の圧力によってポールチェック１６６ は上方に付勢されて円錐状シート１６８とシール係合した状懸になり、副燃焼室 ５２内部の混合気は、第６図に示すように、ピストン１８か上死屯（ＴＤＣ）に 到達するよりも前にスパークプラグ１７８によって点火され、副燃焼室内部にお いて急速に気体圧力を上昇させる。

副燃焼室５２から主燃焼室２８の全域に炎の前面として達する燃焼気体は８個の 排出通路１３２によって方向つけられ、制御自在に膨張する。等間隔に配置され た排出通路は主燃焼室への急速な浸透とより完全な燃焼を可能にし、その結果と して、炭化水素生成物を減少させ、ＮＯｘを減少させ、作動を安定にし、作動マ ージンをより広くする。ただし、完全かつ充分な燃焼を可能にする排出通路の機 能は多かれ少なかれエンジンや燃料の種類に左右されることはあり得る。

炎の前面か有用であるのは、それか、極めてリーンな可燃性混合気を繰り返し点 火させることかできる高温領域を有していることである。周方向に等間隔に配置 された排出通路１３２は音速以上の速度で均一なパターンで燃焼気体を主燃焼室 ２８に噴射する。高温燃焼気体は主燃焼室において濃厚可燃性混合気全体に浸透 し、これによって、復数の点火源か生し、この点火源により炎の前面か伝播する よりも前に遠方の領域で充分な燃焼か行われる。自然点火を防止するためには、 この自然点火か生じる前に、炎かシリンダー壁３４に隣接する主燃焼室の外周遠 方領域に短時間のうちに伝播することか必要である。

排出通路１３２，１９０の表面１３８，１４２，１９４は滑らかである。壁面の 摩擦か増大すると、膨張燃焼気体の速度か減少するからである。機械加工時につ いたぎざぎざなとの表面上の突起や不完全な仕上げかあると、排出通路の充填効 率や流量特性か低下する。

排出通路１３２，１９０の角度Ｅは、シリンダー壁＋３４におけるリーレ燃填混 合気の燃焼を可能にすへく、ピストンの位置と炎の前面の伝播との関係から決め られる。

主燃焼室２８のリーンの燃料／空気の混合気と副燃焼室５２のリンチな燃料とを 最適に混合させ、ミスファイアのない混合気の完全な燃焼を達成するため、さら に、排出通路１３２，１９０への燃焼気体の流入を促進するため、管状体５４の 直径Ｂの断面積は直径Ｃの断面積の約３〜６５倍であることか好ましく、中間円 錐状表面７８は中心軸５０に対して２５度以上の所定の角度りて傾斜し、端壁９ ２の内周面９４の上方の下部内周面８２の軸方向長さは直径Ｃの半径８６の長さ の約２〜４倍であることが好ましい。リーンの燃料／空気混合気か主燃焼室２８ で圧縮され、排出通路１３２．１９０を経て副燃焼室５２へ送られると、縮径Ｃ と拡大径Ｂとの間で面積か増大していることから混合気の流れに乱流か生じる。

電極１８０は排出通路１３２に比較的近く、あるいは、隣接して位置しており、 さらに、副燃焼室５２の容積の大部分よりも下方に位置している。電極１８０か この位置にあることにより、「上方に燃焼させ、下方に送り込む」ような燃焼が 可能になり、副燃焼室内部ての化学量論的な混合気の完全燃焼を実現する。

先端か鋭くはない形状の炎の前面は副燃焼室内部において上方に伝播し、一方、 燃焼気体は急速に膨張し、下方に進み、さらに、副燃焼室の中心部の最適な圧力 値Ｐによって、排出通路を通って半径方向外方に進む。燃焼気体は円錐状収束表 面７８によって直径Ｃの部分に送りこまれる。直径Ｂから直径Ｃにかけての断面 積の減少により、排出通路＋３２に入り込む以前において燃焼気体の速度は増加 し、この際の速度の上昇分は直径Ｂと直径Ｃの断面積の比に比例する。

気体の流れか副燃焼室５２から排出通路１３２に行かないようにするため、直径 Ｃの断面積は８個のノド部の直径Ｆの全断面積の約１．２５〜１．７５倍である ことか好ましい。

燃焼気体の混合、燃焼、流れに影響を与えるような副燃焼室５２内部における表 面摩擦を減らすため、内周面７４．　７８．　８２．　８４．　８８．　９０． 　９４．　１００は比較的滑らかな面であることか好ましい。また、中間面７８ は滑らかに湾曲している環状移行表面８８．９０によって各々上部表面７４及び 下部表面８２に接続しており、副燃焼室５２の軸方向長さに沿って鋭角のコーナ ーもしくはポケットかないようにされている。これによって、自然着火の原因と なる高温スポットを生しさせる流れもしくは熱移動か妨げられる。

オツトーサイクルの排気工程では、吸入バルブ４０は閉したままであるか、排気 バルブ４２は開く。主燃焼室２８内部での燃焼生成物はピストン２０の上昇運動 によって排気バルブ４２から排出される。ピストン２０の上昇運動によって生成 された主燃焼室２８及び副燃焼室５２内部の圧力によってホールチェック１６６ か円錐状ジート１６８に押さえ付けられる状態か維持される。

以上、第１図乃至第６図を参照して燃料燃焼システムＩＯの作動を説明してきた か、それは第７図及び第８図に示した第二の実施例についても同様である。ただ し、第二の実施例では、円錐状分岐分】９２の表面１９４は中心軸１３４に対し て所定の角度Ｈだけ傾斜している。収束吸入面１９４は燃焼気体の流れをノ］・ 部に導き入れることによってノド部１３６の充填特性を高め、さらに、ノド部１ ３６の上流側の腐食を防止している。

要約すると、本燃料燃焼システム１０は主燃焼室２８内部でのより速い、そして より完全な燃焼を可能にする。副燃焼室５２は主燃焼室２８におけるリーン混合 気２６の効率的な燃焼を可能にするための所定の形状及び容積を存している。

所定の形状を有している複数の排出通路１３２，１９０は副燃焼室５２と連通し ており、燃焼気体を音速以上の速度で副燃焼室５２から導き出し、制御ｗ自在に 膨張させる。さらに、本システムでは、副燃焼室５２と主燃焼室２８との間の圧 力比によって、エンタルピーの減少分が、等エントロピー膨張を介して、排出通 路手段１３０における運動エネルギーの増加分に転換される。

本発明の池の目的および利点は図面、以上の説明及び請求の範囲から明らかであ る。

クランクシャフトの向き（角度） に罷工Ｅ 本発明はり一ンハーン内燃機関（１２）に用いる燃料燃焼システム（１０）に関 するものである。リーンの空燃比の場合には、主燃焼室（２８）内部で完全かつ 十分な燃焼を両立させることは、炎の伝播か遅いため困難である。本燃料燃焼シ ステム（１０）は副燃焼室（５２）を形成している副燃焼室組立体（３７）を備 えている。この副燃焼室（５２）は所定の形状及び容積を有し、複数の排出通路 （１３２）を備えている。０［出通路（＋３２）は所定の幾何学的形状を育して おり、燃焼気体を副燃焼室（５２）から主燃焼室（２８）へ音速以上の速度で導 き、かつ制御自在に膨張させ、主燃焼室（２８）内部での急速かつ完全な燃焼を 可能にする。

４Ｊ、−４同 平成　年　月　日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）ガスエンジン（１２）用の燃料燃焼システム（１０）であって、該システ ム（１０）は、往復運動をしているピストン（２０）の上方に主燃焼室（２８） と、該主燃焼室（２８）と連通している副燃焼室組立体（３２）とを有し、前記 副燃焼室組立体（３２）は副燃焼室（５２）と、該副燃焼室（５２）内部の燃料 と空気の可燃性混合気に点火し、燃焼気体を膨張させる点火手段（１７６）とを 有する燃料燃焼システム（１０）において、前記副燃焼室（５２）から音速以上 の速度で主燃焼室（２８）へ燃焼気体を導き、制御自在に膨張させる排出通路手 段（１３０）を有することを特徴とする燃料燃焼システム（１０）。 （２）前記副燃焼室組立体（３２）は中心軸５０）を有するノズル部材（４８） を有することを特徴とする請求の範囲（１）に記載の燃料燃焼システム（１０） 。 （３）前記ノズル部材（４８）の中心軸（５０）と軸方向において並んでいる中 心軸（４４）を有するピストン（２０）を有することを特徴とする請求の範囲（ ２）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （４）前記副燃焼室（５２）は所定の容積を有し、前記主燃焼室（２８）は所定 の非圧縮容積を有し、前記副燃焼室（５２）の容積は前記主燃焼室（２８）の非 圧縮容積の約２〜５％てあることを特徴とする請求の範囲（１）に記載の燃料燃 焼システム（１０）。 （５）前記副燃焼室（５２）の容積は前記主燃焼室（２８）の非圧縮容積の３％ であることを特徴とする請求の範囲（４）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （６）前記ノズル部材（４８）が前記排出通路手段（１３０）を形成することを 特徴とする請求の範囲（２）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （７）前記排出通路手段（１３０）は所定の断面形状を有する複数の排出通路（ １３２，１９０）を有し、該排出通路（１３２，１９０）は前記副燃焼室（５２ ）と連通し、中心軸（１３４）と所定の長さしとを有することを特徴とする請求 の範囲（６）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （８）前記排出通路（１３２，１９０）の中心軸（１３４）は前記中心軸（５０ ）に対して約６５〜８５度の範囲内の所定の角度Ｅをもって傾斜していることを 特徴とする請求の範囲（７）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （９）眉方向に等間隔に隔置された８個の半径方向に延びる排出通路（１３２， １９０）が設けられていることを特徴とする請求の範囲（７）に記載の燃料燃焼 システム（１０）。 （１０）前記各排出通路（１３２，１９０）はノド部（１３６）と外方に分岐す る円錐状の部分（１４０）とを有しており、前記ノド部（１３６）は所定の断面 種Ａｔを形成するノド部直径Ｆを有する円筒状内周面（１３８）を有し、前記分 岐部分（１４０）は所定の長さＬ１と、所定の断面積Ａｅを形成する出口直径Ｇ を有する円錐状内周面（１４２）とを有することを特徴とする請求の範囲（７） に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （１１）前記ノド部面種Ａｔと前記出口面積Ａｅとの比は約１．０１対１乃至約 ２１０対１であることを特徴とする請求の範囲（１０）に記載の燃料燃焼システ ム（１０）。 （１２）前記ノド部面積Ａｔと前記出口面積Ａｅとの比は約１．０９対１である ことを特徴とする請求の範囲（１０）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （１３）前記円錐状分岐部分（１４０）の軸方向長さＬ１は前記ノド部直径Ｆの ２倍以上であり、かつ、前記排出通路（１３２）の長さしの８５％以下であるこ とを特徴とする請求の範囲（１０）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （１４）前記円筒状内周面（１３８）及び前記円錐状内周面（１４２）は約０． ８０マイクロメーターの平均表面粗さ（Ｒａ）を有していることを特徴とする請 求の範囲（１０）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （１５）前記排出通路（１９０）は、前記中心軸（１３４）に対して所定の角度 Ｈをなす内周面（１９４）を有する収束入口部分（１９２）と、ノド部（１３６ ）と、外方に分岐する円錐状の部分（１４０）とを有しており、前記ノド部（１ ３６）は所定の断面積Ａｔを形成するノド部直径Ｆを有する円筒状内周面（１３ ８）を有し、前記分岐部分（１４０）は所定の長さＬ１と、所定の断面積Ａｅを 形成する出口直径Ｇを有する円錐状内周面（１４２）とを有することを特徴とす る請求の範囲（７）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （１６）前記所定の角度Ｈは１５〜３０度であることを特徴とする請求の範囲（ １０）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （１７）前記所定の角度Ｈは約１９度であることを特徴とする請求の範囲（１０ ）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （１８）前記ノド部面積Ａｔと前記出口面積Ａｅとの比は約１．０１対１乃至約 ２１０対１であることを特徴とする請求の範囲（１５）に記載の燃料燃焼システ ム（１０）。 （１９）前記ノド部面積Ａｔと前記出口面積Ａｅとの比は約１．０９対１である ことを特徴とする請求の範囲（１５）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （２０）前記円錐状分岐部分（１４０）の軸方向長さＬ１は前記ノド部直径Ｆの ２倍以上であり、かつ、前記排出通路（１３２）の長さしの８５％以下であるこ とを特徴とする請求の範囲（１５）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （２１）前記分岐入口部分（１９４）、前記円筒状内周面（１３８）及び前記円 錐状内周面（１４２）は約０．８０マイクロメーターの平均表面粗さ（Ｒａ）を 有していることを特徴とする請求の範囲（１５）に記載の燃料燃焼システム（１ ０）。 （２２）前記ノズル部材（４８）は上方に開口するキャビティ（７０）を有する 管状体（５４）を有しており、前記キャビティ（７０）は、円筒形内周面（７４ ）を有し、半径方向に所定の厚さを有する上部管状壁（７２）と、円錐状内周収 束面（７８）を有し、下方に向かうにつれて断面の厚さが増加する中間管状壁（ ７６）と、縮径された円筒状内周面（８２）を有し、前記上部管状壁（７２）の 半径方向厚さよりも厚い半径方向厚さを有する下部管状壁（８０）とを備えてい ることを特徴とする請求の範囲（２）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （２３）前記円筒状内周面（７４）、前記円錐状内周収束面（７８）、及び縮径 された円筒状内周面（８２）は約０．８０マイクロメーターの平均表面粗さを有 していることを特徴とする請求の範囲（２２）に記載の燃料燃焼システム（１０ ）。 （２４）前記円筒状内周面（７４）、前記円錐状内周収束面（７８）、及び縮径 された円筒状内周面（８２）は中心軸（５０）の回りの回転体の面であることを 特徴とする請求の範囲（２２）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （２５）前記円筒状内周面（７４）は第一の所定の断面積を有する直径Ｂを形成 しており、縮径された前記円筒状表面（８２）は半径Ｒと第二の所定の断面積と を有する直径Ｃを形成しており、前記第一の所定の断面積は前記第二の所定の断 面積の３〜６．５倍であることを特徴とする請求の範囲（２２）に記載の燃料燃 焼システム（１０）。 （２６）前記縮径された円筒状内周面（８２）の軸方向長さは前記半径Ｒの２〜 ４倍であることを特徴とする請求の範囲（２５）に記載の燃料燃焼システム（１ ０）。 （２７）前記円錐状の収束内周面（７８）は前記中心軸（５０）に対して２５度 以上の所定の再度Ｄで傾斜していることを特徴とする請求の範囲（２２）に記載 の燃料燃焼システム（１０）。 （２８）前記管状体（５４）は内周面（９４）を有する下部端壁（９２）を有し ており、前記端壁（９２）は前記キャビティ（７０）を閉じていることを特徴と する請求の範囲（２２）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （２９）前記内周面（９４）は約０．８０マイクロメーターの平均表面粗さを有 することを特徴とする請求の範囲（２８）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （３０）前記排出通路手段（１３０）は複数の排出通路（１３２，１９０）を有 しており、各排出通路（１３２，１９０）はノド部（１３６）を有しており、前 記ノド部（１３６）は所定の断面積Ａｔを形成するノド部直径Ｆを有する円筒状 内周面（１３８）を有し、前記直径Ｃの断面積は前記断面積Ａｔの総計の約１． ２５〜１．７５倍であることを特徴とする請求の範囲（２５）に記載の燃料燃焼 システム（１０）。 （３１）電極（１８０）を有するスパークプラグ（１７８）を備えた点火手段（ １７６）が設けられており、前記管状体（５４）には前記上部管状壁（７２）と 前記中間管状壁（７６）との結合箇所とほぼ同じ高さに半径方向の通路（１７４ ）が形成されており、前記電極（１８０）はこの通路（１７４）を介して前記副 燃焼室（５２）に露出していることを特徴とする請求の範囲（４）に記載の燃料 燃焼システム（１０）。 （３２）前記副燃焼室組立体（５２）はヘッド部材（４６）と閉じた管状ノズル 部材（４８）とを備えており、これら二つの部材は組み付けられたときに共働し て前記副燃焼室（５２）を形成するものであることを特徴とする請求の範囲（１ ０）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （３３）前記ヘッド部材（４６）は、気体状燃料が燃料源から前記副燃焼室（５ ２）に進みようにする制御バルブ手段（１６０）を有することを特徴とする請求 の範囲（３２）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （３４）前記制御バルブ手段（１６０）はチェックバルブ組立体（１６２）を有 しており、前記チェックバルブ組立体（１６２）は自由浮動型ボールチェック（ １６６）を備え、該ボールチェック（１６６）は、燃料の流れが前記副燃焼室（ ５２）に行くようにする開モード位置と、気体の流れが前記副燃焼室（５２）に 行かないようにする閉モード位置とをとり得ることを特徴とする請求の範囲（３ ３）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （３５）リーンの気体状燃料及び空気の可燃性混合気を燃焼させることができる ガスエンジン（１２）用の燃料燃焼システム（１０）であって、該システム（１ ０）は、往復運動をしているピストン（２０）の上方に主燃焼室（２８）と、ヘ ッド部材（４６）とノズル部材（４８）とを有する副燃焼室組立体（３２）とを 有しており、前記ヘッド部材（４６）とノズル部材（４８）は共働して副燃焼室 （５２）を形成しており、前記副燃焼室（５２）に送られた気体状燃料と空気の 混合気に点火し、燃焼気体を膨張させる点火手段を有する燃料燃焼システム（１ ０）において、前記ノズル部材（４８）は複数の排出通路手段（１３０）を有し ており、該排出通路手段（１３０）は炎の前面としての燃焼気体を前記副燃焼室 （５２）から前記主燃焼室（２８）へ音速以上の速度で導き、かつ、制御自在に 膨張させ、前記可燃性混合気を前記主燃焼室（２８）の内部において複数箇所で 同時に点火し、燃焼させるものであることを特徴とする燃料燃焼システム（１０ ）。 （３６）中心軸（５０）を有する前記ノズル部材（４８）は上方に開口するキャ ビティ（７０）を有する管状体（５４）を有しており、前記管状体（５４）は、 円筒形内周面（７４）を有し、半径方向に所定の厚さを有する上部管状壁（７２ ）と、円錐状内周収束面（７８）を有し、下方に向かうにつれて断面の厚さが増 加する中間管状壁（７６）と、縮径された円筒状内周面（８２）を有し、前記上 部管状壁（７２）の半径方向厚さよりも厚い半径方向厚さを有する下部管状壁（ ８０）とを備えていることを特徴とする請求の範囲（３５）に記載の燃料燃焼シ ステム（１０）。 （３７）前記円筒状内周面（７４）、前記円錐状内周収束面（７８）、及び縮径 された円筒状内周面（８２）は約０．８０マイクロメーターの平角表面粗さを有 していることを特徴とする請求の範囲（３６）に記載の燃料燃焼システム（１０ ）。 （３８）前記円筒状内周面（７４）、前記円錐状内周収束面（７８）、及び縮径 された円筒状内周面（８２）は中心軸（５０）の回りの回転体の面であることを 特徴とする請求の範囲（３６）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （３９）前記円筒状内周面（７４）は第一の所定の断面積を有する直径Ｂを形成 しており、縮径された前記円筒状表面（８２）は半径Ｒと第二の所定の断面積と を有する直径Ｃを形成しており、前記第一の所定の断面積は前記第二の所定の断 面積の３〜６．５倍であることを特徴とする請求の範囲（３６）に記載の燃料燃 焼システム（１０）。 （４０）前記縮径された円筒状内周面（８２）の軸方向長さは前記半径Ｒの２〜 ４倍であることを特徴とする請求の範囲（３９）に記載の燃料燃焼システム（１ ０）。 （４１）前記円錐状の収束内周面（７８）は前記中心軸（５０）に対して２５度 以上の所定の角度Ｄで傾斜していることを特徴とする請求の範囲（３６）に記載 の燃料燃焼システム（１０）。 （４２）前記管状体（５４）は内周面（９４）を有する下部端壁（９２）を有し ており、前記端壁（９２）は前記キャビティ（７０）を閉じていることを特徴と する請求の範囲（３６）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （４３）前記排出通路手段（１３０）は複数の排出通路（１３２）を有しており 、各排出通路（１３２）は所定の長さしとノド部（１３６）を有しており、前記 ノド部（１３６）は所定の断面積Ａｔを形成するノド部直径Ｆを有する円筒状内 周面（１３８）を有し、前記直径Ｃの断面積は前記断面積Ａｔの総計の約１．２ ５〜１．７５倍であることを特徴とする請求の範囲（３５）に記載の燃料燃焼シ ステム（１０）。 （４４）電極（１８０）を有するスパークプラグ（１７８）を備えた点火手段（ １７６）が設けられており、前記管状体（５４）には前記上部管状壁（７２）と 前記中間管状壁（７６）との間の高さに半径方向の通路（１７４）が形成されて おり、前記電極（１８０）はこの通路（１７４）を介して前記副燃焼室（５２） に露出していることを特徴とする請求の範囲（３６）に記載の燃料燃焼システム （１０）。 （４５）前記各排出通路（１３２，１９０）は円錐状の外方に分岐する部分（１ ４０）を有しており、前記分岐部分（１４０）は所定の長さＬ１と、所定の断面 積Ａｅを形成する出口直径Ｇを有する円錐状内周面（１４２）とを有することを 特徴とする請求の範囲（４３）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （４６）前記ノド部面積Ａｔと前記出口面積Ａｅとの比は約１．０１対１乃至約 ２１０対１であることを特徴とする請求の範囲（４５）に記載の燃料燃焼システ ム（１０）。 （４７）前記ノド部面積Ａｔと前記出口面積Ａｅとの比は約１．０９対１である ことを特徴とする請求の範囲（４５）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （４８）前記円錐状分岐部分（１４０）の軸方向長さＬ１は前記ノド部直径Ｆの ２倍以上であり、かつ、前記排出通路（１３２）の長さしの８５％以下であるこ とを特徴とする請求の範囲（４５）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （４９）前記排出通路手段（１３０）は複数の排出通路（１９０）を有しており 、各排出通路（１９０）は所定の長さＬを有するとともに、前記中心軸（１３４ ）に対して所定の角度Ｈをなす内周面（１９４）を有する収束入口部分（１９２ ）と、ノド部（１３６）と、外方に分岐する円錐状の部分（１４０）とを有して おり、前記ノド部（１３６）は所定の断面積Ａｔを形成するノド部直径Ｆを有す る円筒状内周面（１３８）を有し、前記分岐部分（１４０）は所定の長さＬ１と 、所定の断面積Ａｅを形成する出口直径Ｇを有する円錐状内周面（１４２）とを 有することを特徴とする請求の範囲（３５）に記載の燃料燃焼システム（１０） 。 （５０）前記所定の角度Ｈは１５〜３０度であることを特徴とする請求の範囲（ ４９）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （５１）前記ノド部面積Ａｔと前記出口面積Ａｅとの比は約１．０１対１乃至約 ２１０対１であることを特徴とする請求の範囲（４９）に記載の燃料燃焼システ ム（１０）。 （５２）前記円錐状分岐部分（１４０）の軸方向長さＬ１は前記ノド部直径Ｆの ２倍以上であり、かつ、前記排出通路（１９０）の長さＬの８５％以下であるこ とを特徴とする請求の範囲（４９）に記載の燃料燃焼システム（１０）。 （５３）エンジン（１２）の副燃焼室組立体（３２）用のノズル部材（４８）で あって、該ノズル部材（４８）はキャビティ（７０）を形成し、中心軸（５０） を有する管状体（５４）を備えており、該管状体（５４）は、円筒形内周面（７ ４）と、円錐状の収束内周面（７８）と、縮径された円筒状の内周面（８２）と 、端壁（９２）とを有し、該端壁（９２）は前記第三内周面（８２）と緊密に接 続している内周面（９４）を有しており、前記管状体（５４）は、所定の形状を 有し、所定の長さしと中心軸（１３４）とを有する複数の排出通路（１３２）を 備えており、各排出通路（１３２）はノド部（１３６）と、所定の長さＬ１を有 する外方に分岐する部分（１４０）とを有するものであることを特徴とするノズ ル部材（４８）。 （５４）前記円筒状内周面（７４）、前記円錐状内周収束面（７８）、及び縮径 された円筒状内周面（８２）は中心軸（５０）の回りの回転体の面であることを 特徴とする請求の範囲（５３）に記載のノズル部材（４８）。 （５５）前記円筒状内周面（７４）は第一の所定の断面積を有する直径Ｂを形成 しており、縮径された前記円筒状表面（８２）は半径Ｒと第二の所定の断面積と を有する直径Ｃを形成しており、前記第一の所定の断面積は前記第二の所定の断 面積の３〜６．５倍であることを特徴とする請求の範囲（５３）に記載のノズル 部材（４８）。 （５６）前記縮径された円筒状内周面（８２）の軸方向長さは前記半径Ｒの２〜 ４倍であることを特徴とする請求の範囲（５５）に記載のノズル部材（４８）。 （５７）前記円錐状の収束内周面（７８）は前記中心軸（５０）に対して２５度 以上の所定の角度Ｄで傾斜していることを特徴とする請求の範囲（５３）に記載 のノズル部材（４８）。 （５８）前記ノド部（１３６）は所定の断面積Ａｔを形成するノド部直径Ｆを有 する円筒状内周面（１３８）を有し、前記直径Ｃの断面積は前記断面積Ａｔの総 計の約１２５〜１．７５倍であることを特徴とする請求の範囲（５３）に記載の ノズル部材（４８）。 （５９）前記分岐部分（１４０）は、所定の断面積Ａｅを形成する出口直径Ｇを 有する円錐状内周面（１４２）を有することを特徴とする請求の範囲（５８）に 記載のノズル部材（４８）。 （６０）前記ノブ部面積Ａｔと前記出口面積Ａｅとの比は約１．０１対１乃至約 ２１０対１であることを特徴とする請求の範囲（５９）に記載のノズル部材（４ ８）。 （６１）前記円錐状分岐部分（１４０）の軸方向長さＬ１は前記ノド部直径Ｆの ２倍以上であり、かつ、前記排出通路（１３２）の長さしの８５％以下であるこ とを特徴とする請求の範囲（５９）に記載のノズル部材（４８）。 （６２）エンジン（１２）用として用いられる副燃焼室組立体（３２）であって 、所定の形状と容積を有し、内部にある可燃性混合気を点火するための副燃焼室 （５２）と、 複数の排出通路（１３２，１９０）とを備え、各排出通路（１３２，１９０）は 前記副燃焼室組立体（３２）の中にある中心軸（１３４）を有しており、前記排 出通路（１３２，１９０）は燃焼気体を前記副燃焼室（５２）から音速以上の速 度て導き出し、制御自在に膨張させるのに十分な構造であることを特徴とする副 燃焼室組立体（３２）。 （６３）前記各排出通路（１３２，１９０）は所定の長さＬを有しており、該各 排出通路（１３２，１９０）はノド部（１３６）と外方に分岐する円錐状の部分 （１４０）とを有しており、前記ノド部（１３６）は所定の断面積Ａｔを形成す るノド部直径Ｆを有する円筒状内周面（１３８）を有し、前記分岐部分（１４０ ）は所定の長さＬ１と、所定の断面積Ａｅを形成する出口直径Ｇを有する円錐状 内周面（１４２）とを有することを特徴とする請求の範囲（６２）に記載の副燃 焼室組立体（３２）。 （６４）前記ノド部面積Ａｔと前記出口面積Ａｅとの比は約１．０１対１乃至約 ２１０対１であることを特徴とする請求の範囲（６３）に記載の副燃焼室組立体 （３２）。 （６５）前記円錐状分岐部分（１４０）の軸方向長さは前記ノド部直径Ｆの２倍 以上であり、かつ、前記排出通路（１３２，１９０）の長さ以下であることを特 徴とする請求の範囲（６３）に記載の副燃焼室組立体（３２）。 （６６）前記排出通路（１９０）は分岐入口部分（１９２）を有しており、該分 岐入口部分（１９２）は前記中心軸（１３４）に対して１５〜３０度の範囲の所 定の角度Ｈをなす内周面（１９４）を有していることを特徴とする請求の範囲（ ６３）に記載の副燃焼室組立体（３２）。 （６７）気体状燃料及び空気のリーンの可燃性混合気をエンジン（１２）内部で 燃焼させる方法であって、前記エンジン（１２）は主燃焼室（２８）と、副燃焼 室（５２）と該副燃焼室（５２）と連通している複数の排出通路（１３２，１９ ０）とを形成している副燃焼室組立体（３２）と、気体状燃料を別個の燃料源か ら前記副燃焼室（５２）に送るバルブ組立体（お２）と、気体状燃料と空気の混 合気を前記副燃焼室（５２）内部において点火する点火手段（１７６）とを備え るものである方法において、（ａ）比較的リーンの可燃性混合気を前記主燃焼室 （２８）に送る工程と、（ｂ）前記バルブ組立体（１６２）を開いて、気体状燃 料を前記副燃焼室（５２）に入れる工程と、 （ｃ）ピストン（２０）の上昇運動によって、前記主燃焼室（２８）内部の比較 的リーンの可燃性混合気と、前記副燃焼室（５２）内部の気体状燃料を段階的に 圧縮し、前記バルブ組立体（１６２）を自動的に閉じ、前記比較的リーンの可燃 性混合気の一部を半径方向内側に前記排出通路（１３２，１９０）を介して進ま せる工程と、（ｄ）前記副燃焼室（５２）内部の燃料混合気に点火し、燃焼気体 を膨張させる工程と、 （ｅ）前記燃焼気体を前記副燃焼室（５２）から複数の前記排出通路（１３２， １９０）を介して前記主燃焼室（２８）へ音速以上の速度で制御自在に導く工程 とからなる方法。 （６８）前記工程（ｅ）は、前記燃焼気体を半径方向外方に等間隔に位置する炎 の前面に変え、該炎の前面は前記主燃焼室（２８）に浸透し、前記主燃焼室（２ ８）の内部のリーンの可燃性混合気に複数の箇所で同時に点火し、燃焼させるも のであることを特徴とする請求の範囲（６７）に記載の方法。 （６９）前記副燃焼室組立体（３２）はノズル部材（４８）を備えており、該ノ ズル部材（４８）は上方に開口するキャビティ（７０）を有する管状体（５４） を有しており、前記キャビティ（７０）は、直径Ｂを有する円筒形内周面（７４ ）を有し、半径方向に所定の厚さを有する上部管状壁（７２）と、円錐状内周収 束面（７８）を有し、下方に向かうにつれて断面の厚さが増加する中間管状壁（ ７６）と、縮径された直径Ｃの円筒状内周面（８２）を有し、前記上部管状壁（ ７２）の半径方向厚さよりも厚い半径方向厚さを有する下部管状壁（８０）とを 備えており、前記工程（ｄ）は前記燃焼気体を前記円錐状収束表面（７８）によ って直径Ｂから直径Ｃへ送り、さらに、前記複数の排出通路（１３２，１９０） を介して半径方向外方に送る工程を含むことを特徴とする請求の範囲（６７）に 記載の方法。 （７０）前記直径Ｂは第一の所定の断面積を形成し、前記直径Ｃは第二の所定の 断面積を形成し、前記第一の断面積は前記第二の断面積の３〜６．５倍であるこ とを特徴とする請求の範囲（６９）に記載の方法。 （７１）前記燃焼気体の速度は前記排出通路（１３２，１９０）に入る以前にお いて増加し、その増加分は前記直径Ｂと直径Ｃの断面積の比に比例するものであ ることを特徴とする請求の範囲（７０）に記載の方法。