JPH06272560A - 火花点火ガス内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃焼効率の向上及び有害な排気ガスの抑制を
図った火花点火ガス内燃機関を提供する。 【構成】 下部に複数の噴口２９を有する副室２０が主
燃焼室１８の上方に位置して噴口２９を介して主燃焼室
１８と連通し、副室２０に点火ガス用開閉弁２３及び点
火プラグ２１が装着された火花点火ガス内燃機関におい
て、複数の噴口２９が形成された噴口本体２７を主燃焼
室１８と副室２０とを連通する連通孔２６に挿嵌して連
通孔２６にその長さＬ方向移動調節自在に装着された取
付金具２８により保持すると共に、噴口２９を副室２０
側に対して主燃焼室１８側を小径に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は天然ガス等のガス燃料を
用いた副室燃焼方式の火花点火ガス内燃機関に関し、特
に機関の燃焼を改善したものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、燃料としてガソリン等を主体とす
る火花点火内燃機関よりも、熱効率や排気公害等の点で
有利な液化天然ガス等のガス燃料を用いた火花点火ガス
内燃機関が見直されつつある。この火花点火ガス内燃機
関の基本的な構造は、ガソリン機関とほぼ同じである
が、ガス漏れや空気の混入による爆発防止のため、ガス
遮断弁等の安全装置を組み込む必要がある等の点で、ガ
ソリン機関における燃料供給方式等とは相違する。

【０００３】このような従来の火花点火ガス内燃機関と
して知られているものに、図３に示すような副室燃焼方
式のものがある。図３に従来の火花点火ガス内燃機関の
断面、図４にその火花点火ガス内燃機関の燃焼室の断
面、図５に噴口部平面を示す。

【０００４】図１乃至図３に示すように、コンロッド１
０１を介して機関１０２の図示しないクランク軸に連結
されたピストン１０３はシリンダブロック１０４のシリ
ンダ１０５に摺動自在に収納されている。シリンダブロ
ック１０４には、吸気弁１０６及び図示しない排気弁を
摺動自在に保持するシリンダヘッド１０７が取付けられ
ている。このシリンダヘッド１０７とシリンダブロック
１０４とピストン１０３とで囲まれて主燃焼室１０８が
構成され、主燃焼室１０８には、この主燃焼室１０８に
それぞれ臨む吸気弁１０６及び排気弁を介して吸気弁１
０９及び図示しない排気管がそれぞれ連通している。そ
して、吸気管１０９の図示しない燃料供給管との連結部
には、運転者のアクセル操作に連動するスロットル弁を
組付けた図示しないガスミキサーが設けられている。

【０００５】一方、シリンダヘッド１０７の中央部には
主燃焼室１０８に臨む副室１１０が形成されている。点
火プラグ１１１の先端部が臨むこの副室１１０には、燃
料供給管から分岐する副室用燃料供給管１１２が連通し
ており、この副室用燃料供給管１１２の途中には副室１
１０に対するガス燃料の逆流を防止するための開閉可能
なチェック１１３が介装されている。なお、このチェッ
ク弁１１３はボール１１４がスプリング１１５によって
付勢保持されて構成されている。

【０００６】また、副室１１０の下部に主燃焼室１０８
側に突出して取付けられるハウジング１１６は円筒形状
をなし、このハウジング１１６の下部には周方向均等間
隔で複数の噴口１１７が形成されている。従って、この
複数の噴口１１７によって副室１１０と主燃焼室１０８
とが連通している。

【０００７】而して、機関１０２の運転時において、吸
入行程中、図示しない吸気カムにより駆動され吸気弁１
０６が下方に開き、吸気管１０９より混合ガスが主燃焼
室１０８内に導入される。一方、トーチ点火ガスはチェ
ック弁１１３に取付けたボール弁１１４が副室ガス供給
圧力により下方に押開かれ、副室用燃料供給管１１２よ
り副室１１０内に導入される。行程が進行して圧縮行程
になると、ピストン１０３は上方に移動し、主燃焼室１
０８内の混合ガスの一部は噴口１１７より副室１１０内
に流入し、点火用純ガスと混合される。

【０００８】そして、ピストン１０３が上死点近くにな
ると、点火プラグ１１１より電気火花がスパークして副
室１１０内の混合ガスに点火される。点火される火炎
は、まず、副室１１０内に火炎伝播し、次に、数個設け
られた噴口１１７より主燃焼室１０８内に噴出され、主
燃焼室１０８内の希薄混合ガスに点火して全体に火炎は
伝播して燃焼が進行して終了する。

【０００９】

【発明が解決使用とする課題】圧縮行程において、ピス
トンが上方に移動し、主燃焼室内の圧縮された混合ガス
（理論混合比の２倍程度）は噴口部より副室内に入り、
副室ガス供給管より供給された副室内の純ガスと混合さ
れる。その混合ガス濃度は圧縮比、主燃焼室の希薄混合
ガス濃度、副室供給ガス圧力によりおよそ決るが、副室
供給ガス圧力は一定値以上高めても主室内へ吹き抜ける
ため濃くならない。この副室内混合ガス濃度を濃く（理
論混合比以下）することは、副室内での燃焼時発生する
窒素酸化物の発生を抑える（理論混合比１〜１．２で窒
素酸化物の発生は最大となる）と共に、ノッキングの抑
制にも効果的である。更に、主燃焼室へ強力な火炎ジェ
ットを噴出することは、主燃焼室の燃焼速度向上につな
がり、併せて低公害、高効率ガスエンジンの達成の重要
なポイントとなる。

【００１０】また、副室容積は主燃焼室容積との容積割
合により、燃焼効率ゆ窒素酸化物の排出量に影響を及ぼ
すことが知られているが、その容積割合の最適値はエン
ジン形式により必ずしも一定でなく、吸入空気、燃料ガ
ス条件等によっても変化するため副室容積は条件により
それぞれ変更可能な構造とすることが望ましい。

【００１１】本発明はこのような問題点を解決するもの
であって、燃焼効率の向上及び有害な排気ガスの抑制を
図った火花点火ガス内燃機関を提供することを目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの本発明の火花点火ガス内燃機関は、下部に複数の噴
口を有する副室が主燃焼室の上方に位置して前記噴口を
介して該主燃焼室と連通し、前記副室に点火ガス用開閉
弁及び点火プラグが装着された火花点火ガス内燃機関に
おいて、前記複数の噴口が形成された噴口本体が前記主
燃焼室と副室とを連通擦る連通孔に挿嵌されて該連通孔
にその長さ方向移動調節自在に装着された取付金具によ
り保持されると共に、前記噴口が前記副室側に対して主
燃焼室側が小径に形成されたことを特徴とするものであ
る。

【００１３】圧縮行程中、ピストンの上昇と共に主燃焼
室内希薄混合ガスが副室噴口を通って副室内に流入する
が、入口が小さいために抵抗が大きく流量係数が小さく
なり、副室内へ流入する希薄混合ガス濃度がおさえら
れ、副室内での点火燃焼時の混合ガス濃度が同一条件で
濃くなる。ここで、圧縮比及び主燃焼室の混合ガス濃度
（空気過剰率）が決められ、更に、副室供給ガス圧力も
上限であるという条件下で、副室内混合ガス濃度を濃く
（空気過剰率１以下）できるため、副室内での窒素酸化
物の発生は抑制される。また、ノッキングについても同
一条件下では副室内混合ガス濃度を濃くすることにより
発生しにくくなる。更に副室内から主燃焼室への火炎の
噴出は噴口形状が火炎入口が大きくされているために出
やすくなるので、強力な火炎ジェットが得られる。この
ため、火炎伝播速度が上昇する。

【００１４】また、副室噴口を上下に２分割構造とし
て、上部の取付押え金物の長さを変えることにより、副
室内容積を増減することができるが、副室内噴口容積は
大きければトーチ点火源として強力な火炎ジェットを得
ることができ、主燃焼室の燃焼速度を向上させるために
有効であるが、副室での熱損失の割合が大きくなって熱
効率の低下を招く、また、副室内に発生する窒素酸化物
は副室容積にほぼ比例して増減する。これらの点から副
室容積をそれぞれの条件に応じて変更し、最適値になる
よう副室噴口の取付金物の長さを変更することができ
る。

【００１５】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００１６】図１に本発明の一実施例に係る火花点火ガ
ス内燃機関の断面、図２にその噴口部の平面を示す。

【００１７】図１に示すように、コンロッド１１を介し
て機関１２の図示しないクランク軸に連結されたピスト
ン１３を摺動自在に収納するシリンダ１４が装着された
シリンダブロック１５には、吸気弁１６及び図示しない
排気弁を摺動自在に保持するシリンダヘッド１７が取り
付けられている。このシリンダヘッド１７とシリンダブ
ロック１５とピストン１３とで囲まれた主燃焼室１８に
は、この主燃焼室１８にそれぞれ臨む吸気弁１６及び排
気弁を介して吸気管１９及び図示しない排気管がそれぞ
れ連通しており、吸気管１９の途中には燃料ガスと空気
とを混合させる図示しないガスミキサーが設けられてい
る。

【００１８】一方、シリンダヘッド１７の中央部には主
燃焼室２０が形成されている。点火プラグ２１の先端部
が臨むこの副室２０には副室用燃料供給管２２が連通し
ており、この副室用燃料供給管２２の途中には副室２０
に対するガス燃料の逆流を防止するためのチェック弁２
３が設けられている。なお、このチェック弁２３はボー
ル２４がスプリング２５に付勢保持されて構成されてい
る。

【００１９】また、シリンダヘッド１７において、主燃
焼室１８と副室２０との間には両者を連通する連通孔２
６が形成されており、この連通孔２６内には噴口部を構
成する噴口本体２７と取付金具２８が装着されている。
噴口本体２７は、図１及び図２に示すように、円筒偏平
形状をなし、下部には周方向均等間隔で複数の噴口２９
が形成されている。この噴口２９は副室２０側に対して
主燃焼室１８側が小径となるようにテーパ形状となって
いる。一方、取付金具２８はこの噴口本体２７の脱落を
阻止するものであって、円筒形状をなして外周面のねじ
３０によって連通孔２６に螺合している。そして、この
取付金具２８は長さＬを有してその長さ方向（図１にお
いて上下方向）に移動自在であり、これによって副室２
０の容積を増減できるようになっている。

【００２０】而して、機関１２の運転時において、吸入
行程中、吸気弁１６より混合ガス（理論混合比の２倍程
度）は主燃焼室１８内に流入する。一方、副室供給ガス
は副室供給圧力が副室２０内圧力より高くなった時、副
室チェック弁２３のボール弁２４を押開いて副室２０内
に流入する。ピストン１３の圧縮行程に入ると、主燃焼
室１８内の希薄燃焼ガスはピストン１３の上昇により圧
縮され、その一部が噴口２９を通り副室２０内に流入す
る。この時、噴口２９は主燃焼室１８側の径を小さく、
副室２０側の径を大きくしたテーパ状をなしているた
め、副室２０内に流入する希薄混合ガスは通常のストレ
ート穴に比べその流入量は減少する。

【００２１】この希薄混合ガスは、更に取付金具２８内
を通り副室２０内に流入し、既に流入している純ガスと
混合されて濃混合ガスとなり、主燃焼室１８内圧力と同
程度に圧縮される。副室２０内の混合ガス濃度は主燃焼
室１８内の混合ガス濃度（主室空気過剰率）と圧縮比に
よっておよそ決る。ここで、都市ガスを燃料として空気
過剰率２．０，圧縮比１２程度とすると、副室２０内の
空気過剰率は１．０程度となって理論混合比に近く、非
常着火し易い条件となる。

【００２２】ピストン１３が圧縮行程の終りの上死点に
近づくと、点火プラグ２１がスパークして副室２０内の
混合ガスに点火され、副室２０内に火炎伝播すると共
に、この火炎は取付金物２８内の通路を通り、噴口本体
２７のテーパ状の噴口２９より火炎ジェットとなって、
主燃焼室１８に噴出する。噴口本体２７の噴口２９は火
炎ジェットに対して入口が大きいため、噴出し易い形状
となっている。また、取付金物２８は、その上下方向の
長さＬを変えられるようにして、副室２０の容積増減を
可能とし、適正副室容積に得ることができる。その後、
主燃焼室１８に噴出した火炎は希薄混合ガスに点火さ
れ、主燃焼室１８全体に火炎伝播してやがて燃焼は終了
する。

【００２３】このように、副室２０の容積は火炎ジェッ
トエネルギーの強さ及び副室２０の熱損失に影響を及ぼ
すと共に、副室２０内で発生する窒素酸化物等の発生量
にも関係するもので、一般に、主燃焼室１８の圧縮時容
積との割合を適正に保つように経験的に設計されて決定
されるが、実際にエンジンを運転した場合、必ずしも最
適な容積にならない場合が多い。しかし、構造上、容積
変更が不可能であったり、多大の費用を要する場合が多
いが、本実施例にあっては、取付金物２８の長さを変え
て簡単に変更できるため、最適容積比を実験的に簡単に
求められ、熱効率や窒素酸化物等の発生量も最適に制御
できる。

【００２４】また、副室噴口部を取付金具２８と噴口本
体２７とで構成し、偏平な形状としたため、従来加工が
困難な副室２０側が大きく主燃焼室１８側が小さいテー
パ状穴加工が容易に可能となり、副室２０内に希薄混合
ガスがは入りにくく、火炎ジェットが噴出し易い噴口部
形状とすることができる。

【００２５】

【発明の効果】以上、実施例を挙げて詳細に説明したよ
うに本発明の火花点火ガス内燃機関によれば、複数の噴
口が形成された噴口本体を主燃焼室と副室とを連通する
連通孔に挿嵌してその連通孔に長さ方向移動調節自在に
装着された取付金具により保持すると共に噴口を副室側
に対して主燃焼室側が小径になるように形成したので、
機関の圧縮行程時、ピストンの上昇と共に主燃焼室内の
希薄混合ガスが、噴口を通って副室内に流入するが、そ
の入口が小さいため抵抗が大きく流量係数が小さくな
り、副室内へ流入する希薄混合ガス濃度がおさえられ、
副室内での点火燃焼時の濃度ガスが横溢条件で濃くでき
るため、副室内での窒素酸化物の発生は抑制することが
できる。また、噴口部の上部の取付金物の長さを変える
ことにより、副室容積を増減することで、副室での熱損
失の割合や熱効率の低下、副室内の窒素酸化物の発生量
を考慮して最適値になるよう調節することができる。そ
の結果副室内混合ガス濃度を濃くして副室容積の最適化
が可能になり、熱効率の向上及び発生する窒素酸化物な
どの有害物質を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る火花点火ガス内燃機関
の断面図である。

【図２】火花点火ガス内燃機関の噴口部の平面図であ
る。

【図３】従来の火花点火ガス内燃機関の断面図である。

【図４】従来の火花点火ガス内燃機関の燃焼室の断面図
である。

【図５】従来の噴口部の平面図である。

【符号の説明】

１２ 火花点火ガス内燃機関 １３ ピストン １４ シリンダ １５ シリンダブロック １７ シリンダヘッド １８ 主燃焼室 ２０ 副室 ２１ 点火プラグ ２３ チェック弁 ２６ 連通孔 ２７ 噴口本体 ２８ 取付金物 ２９ 噴口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下部に複数の噴口を有する副室が主燃焼
   室の上方に位置して前記噴口を介して該主燃焼室と連通
   し、前記副室に点火ガス用開閉弁及び点火プラグが装着
   された火花点火ガス内燃機関において、前記複数の噴口
   が形成された噴口本体が前記主燃焼室と副室とを連通す
   る連通孔に挿嵌されて該連通孔にその長さ方向移動調節
   自在に装着された取付金具により保持されると共に、前
   記噴口が前記副室側に対して主燃焼室側が小径に形成さ
   れたことを特徴とする火花点火ガス内燃機関。