JPH0972218A - 副燃焼室式ガスエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 副燃焼室式ガスエンジンにおいて、シリンダ
周辺部の空気利用率を向上させ、拡散燃焼を短期に完結
し、エンジン性能を向上させる。 【解決手段】 この副燃焼室式ガスエンジンは、シリン
ダヘッド７に配置したセラミックスから成る燃焼室構造
体３，１０に、シリンダ中央部に配置された副燃焼室２
とシリンダ３１側の主燃焼室１を形成する。主燃焼室１
と副燃焼室２とを連絡孔８で連通し、連絡孔８の連絡孔
弁４を配置する。副燃焼室２にガス燃料供給源からのガ
ス燃料を供給する燃料供給ノズル５を設ける。シリンダ
３１内を往復動するピストン１５のピストンクラウン３
２には、その周辺部にリエントラント状燃焼部１６が形
成されている。ヘッドライナ１０には、連絡孔８からシ
リンダ周辺へ放射方向に延びる複数のガイド溝６が形成
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、主燃焼室と副燃焼室
との連通する連絡孔に開閉する連絡孔弁を配置した副燃
焼室式ガスエンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガスエンジンとして、例えば、特
開昭６４−２４１５５号公報に開示されたものがある。
該公報に開示されたガス機関の副室ガス圧制御方法は、
副室式ガス機関の副室に供給するガスあるいは混合気の
供給圧を制御するに際して、供給圧をＰｇ、吸気負圧を
Ｐａ、ブースト圧をＰｃとし、Ａ，Ｂ，Ｃを正の定数と
したときに、Ｐｇ＝ＡＰａ＋ＢＰｃ＋Ｃなる関係式が成
立するように供給圧Ｐｇを制御している。負荷の変化は
吸気負圧Ｐａの変化に対応し、回転数の変化はブースト
圧Ｐｃの変化に対応するので、供給圧Ｐｇをガス機関の
負荷や回転数に応じた上記式により制御している。

【０００３】また、特開平４−８６３６２号公報に開示
された気体燃料の圧力調整装置は、正圧の気体燃料を送
入する導入路と一定圧力の気体燃料を機器へ供給する送
出路とが接続された調圧室、及び導入路を開閉する計量
弁を有し、更に、計量弁を開閉動作させるための電磁気
力で作動するアクチュエータ、調圧室の圧力を検出する
圧力センサーの圧力信号に基づいてアクチュエータに駆
動信号を送る電子式制御器を備えている。気体燃料の圧
力調整装置は、調圧室の圧力が変動すると圧力センサー
の圧力信号に基づいて電子式制御器がアクチュエータに
駆動信号を送って計量弁を開閉動作させ、調圧室へ送入
される正圧の気体燃料を制御することによって調圧室を
一定圧力に維持する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ガスミ
キサーを吸気管に設置する予混合タイプのガスエンジン
では、天然ガスの吸入量分だけ空気量が減少するため、
空気利用率が減少し、ガソリンエンジンに比較して出力
が低下する。このような欠点を克服するには、筒内にガ
ス燃料を直接噴射して混合気を形成させることが燃費等
を考慮した場合に有利であると考えられる。更に、エン
ジンに関してＮＯ_X の発生を抑制する点から考慮する
と、希薄燃焼が好ましいものであり、ガス燃料を用いて
希薄燃焼させるためには、確実な着火と希薄混合気の急
速な燃焼が不可欠である。

【０００５】そこで、ガスエンジンにおいて、シリンダ
ヘッドに副燃焼室を設け、主燃焼室と副燃焼室とを連通
する連絡孔にバルブを設け、バルブが閉鎖して副燃焼室
内の圧力が低圧時にガス燃料を供給し、圧縮行程後半に
バルブを開放し、高温圧縮空気を副燃焼室に供給し、急
速に均一混合させて一次燃焼を実現し、副燃焼室内の燃
焼による圧力上昇にて混合気、火炎を主燃焼室に噴出
し、短時間に希薄燃焼を完了させる必要がある。しかし
ながら、ガスエンジンは、ナチュラルガスの気体燃料を
使用するものであり、吸入行程でガスを吸入し、次いで
圧縮すると、高圧縮となり温度が高くなり、自己着火の
現象即ちノッキングが発生する。ナチュラルガスのガス
燃料は圧縮比が１２以下でないと自己着火するし、エン
ジンの熱効率は圧縮比が小さいと熱効率が小さくなると
いう現象がある。その反面、ナチュラルガスは自発火温
度が高く、難燃性燃料であるので、拡散燃焼が緩慢にな
ることが懸念される。

【０００６】そこで、副室式ガスエンジンにおいて、希
薄燃焼を更に安定させるために、副燃焼室と主燃焼室と
を連通する連絡孔にバルブを設置し、エンジン吸入行程
時には該バルブを閉じておき、主燃焼室に空気のみを吸
入し、副燃焼室には数ｋｇ／ｃｍ² に加圧された天然ガ
スを導入する。そして、上記バルブを上死点手前で開
き、主燃焼室と副燃焼室との圧力差により瞬間的に副燃
焼室内に空気を流入させ、天然ガスと空気は極めて短時
間に均一混合気を作り、同時に燃焼を始め、副燃焼室か
ら連絡孔を通じて主燃焼室に流出しながら短時間に希薄
燃焼を完了させることができる。

【０００７】また、本出願人は、上記の問題を解決した
ガスエンジンを開発して、特願平６−１２４６７８号と
して先に出願した。該ガスエンジンは、副燃焼室にナチ
ュラルガス等のガス燃料を導入し、主燃焼室で吸入空気
のみを圧縮して圧縮比を高めると共に、副燃焼室内の筒
内圧を圧電素子等のセンサで検出し、その情報を基にし
て燃料供給弁を作動させて負荷と回転数とに見合った適
正な燃料供給量を制御し、主燃焼室内の空気を高温に上
昇させた状態で連絡孔の連絡孔弁を開放して主燃焼室の
高圧縮空気を副燃焼室に流入させ、副燃焼室内のガス燃
料と高圧縮空気とを一気に混合させることで短期間に着
火燃焼させ、しかも副燃焼室内では燃料は過濃状態なの
でＮＯ_X の発生を抑制する状態で燃焼させ、火炎を副燃
焼室から主燃焼室に一気に吹き出させることで二次燃焼
を出来るだけ均一な混合気で短時間で完結させ、Ｎ
Ｏ_X 、ＨＣ等の発生を低減し、特に熱効率を高め、ガス
燃料の自己着火を防止してノッキングの発生を防止した
ものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、自発火温度
が高く、難燃性燃料である天然ガス燃料を主燃焼室で緩
慢になることなく活発に拡散燃焼させるため、ピストン
クラウンの周辺部に形成した環状段部でリエントラント
燃焼部を形成し、ピストンクラウンの外周のリップ部で
リエントラント燃焼部へのスキッシュ流を発生させ、シ
リンダ周辺部の領域の空気を積極的に利用して空気利用
率を向上させ、主燃焼室の拡散燃焼を活発にして燃焼期
間を短縮し、ＨＣ，ＮＯ_X の発生を抑制してエンジン性
能をアップさせる副燃焼室式ガスエンジンに関する。

【０００９】この発明は、シリンダヘッドに配置した副
燃焼室とシリンダ側の主燃焼室を構成するセラミックス
から成る燃焼室構造体、前記副燃焼室と前記主燃焼室と
を連通する前記燃焼室構造体に形成した連絡孔、前記連
絡孔を開閉する連絡孔弁、ガス燃料供給源からのガス燃
料を前記副燃焼室へ供給する燃料供給ノズル、及び前記
シリンダ内を往復動し且つピストンクラウン周辺部にリ
エントラント状燃焼部を形成したピストン、から成る副
燃焼室式ガスエンジンに関する。

【００１０】また、この副燃焼室式ガスエンジンにおい
て、前記副燃焼室をシリンダ中央部に配置し、前記燃焼
室構造体には前記連絡孔から前記シリンダ周辺へ放射方
向に延びる複数のガイド溝が形成されている。

【００１１】この副燃焼室式ガスエンジンでは、連絡孔
弁が連絡孔を閉鎖し、副燃焼室内の圧力が低圧時にガス
燃料が供給され、圧縮行程後半に連絡孔弁を開放し、主
燃焼室と副燃焼室との圧力差にて副燃焼室内へ高温高圧
空気を供給して圧縮着火させ、その燃焼による圧力上昇
で混合気と火炎を主燃焼室へガイド溝を通じて噴出さ
せ、主燃焼室内の拡散燃焼を完了させる。天然ガスは、
自発火温度が高く、難燃性燃料であるため、主燃焼室で
の拡散燃焼が緩慢になり易い傾向がある。そこで、この
副燃焼室式ガスエンジンでは、主燃焼室での拡散燃焼を
活発にさせるため、副燃焼室から主燃焼室へ噴出する火
炎と混合気を放射状に延びるガイド溝で案内させてシリ
ンダ周辺領域に迅速に到達させ、ピストンクラウンの外
周部にスキッシュ流を発生させ、空気量が多量に存在す
るシリンダ周辺部の空気の利用率をアップさせ、拡散燃
焼を短期に完結させている。

【００１２】また、この副燃焼室式ガスエンジンは、上
記のように構成したので、吸入空気が前記主燃焼室内で
高圧縮比になっても、ガス燃料を含んでいないのでガス
燃料が自己着火することなく、ノッキングが発生するこ
とがなく、前記連絡孔が開放することで、前記主燃焼室
から高圧縮の吸入空気が前記副燃焼室に流入してガス燃
料と吸入空気とが混合して着火し、当量比の大きい燃料
リッチな状態で高速燃焼してＮＯ_X の発生が抑制され
る。更に、前記副燃焼室から前記連絡孔を通じて前記主
燃焼室へ火炎、未燃混合気等のガスが噴き出し、前記リ
エントラント状燃焼部へのスキッシュ流を発生させて前
記主燃焼室で空気利用率を向上させて燃焼速度をアップ
し、燃焼期間を短縮してＨＣ、カーボン等の発生を抑制
でき、最適の燃焼状態を確保して燃費を向上させると共
に、熱効率を向上させることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
による副燃焼室式ガスエンジンの実施例を説明する。図
１はこの発明による副燃焼室式ガスエンジンの一実施例
を示し且つ図２の線Ａ−Ａにおける概略断面図、図２は
図１の副燃焼室式ガスエンジンにおけるヘッドライナの
下面図、及び図３は図１の副燃焼室式ガスエンジンにお
けるピストンクラウンの上面図である。

【００１４】この副燃焼室式ガスエンジンは、シリンダ
ブロック１４に固定されたシリンダヘッド７に２個の吸
気ポート２５と２個の排気ポート２７が形成され、吸気
ポート２５をそれぞれ開閉する吸気弁２６及び排気ポー
ト２７をそれぞれ開閉する排気弁２８を有している４弁
方式の実施例である。この副燃焼室式ガスエンジンは、
シリンダヘッド７に形成した小径のキャビティ１７に配
置した遮熱構造の燃焼室構造体で形成した副燃焼室２、
シリンダヘッド７に形成した大径のキャビティ１８に配
置した遮熱構造の燃焼室構造体で形成された主燃焼室
１、シリンダブロック１４に形成した孔部２１に嵌合し
たシリンダライナ１９、シリンダライナ１９に形成した
シリンダ３１内を往復運動するピストン１５、及び主燃
焼室１と副燃焼室２とを連通する燃焼室構造体に形成し
た連絡孔８を有している。また、燃焼室構造体は、主燃
焼室１を形成するヘッドライナ１０と、シリンダ３１の
ほぼ中央部に位置する副燃焼室２を形成する副室構造体
３から成り、両者は一体構造に構成してもよく、或いは
別体に構成することもできる。ヘッドライナ１０は、シ
リンダ３１の一部を構成するライナ上部１２とヘッド下
面部１１から構成されている。

【００１５】また、ピストン１５は、耐熱性に優れた窒
化ケイ素等の耐熱材料から成るピストンクラウン３２及
びピストンクラウン３２の下部に固定したＡｌ合金等か
ら成るピストンスカート３５から構成されている。副室
構造体３は、シリンダヘッド７の小径のキャビティ１７
にガスケット２３を介在して遮熱空気層３３を形成して
配置されている。また、ヘッドライナ１０は、シリンダ
ヘッド７の成る大径のキャビティ１８にガスケット２３
を介在して遮熱空気層３３を形成して配置されている。
シリンダヘッド７には、ヘッド下面部１１に形成した２
つの吸気ポート２５に連通する吸気通路２９が形成さ
れ、また、ヘッド下面部１１に形成した２つの排気ポー
ト２７に連通する排気通路３０が形成されている。

【００１６】この副燃焼室式ガスエンジンは、特に、主
燃焼室１と副燃焼室２とを連通する連絡孔８を開閉する
連絡孔弁４を燃焼室構造体のヘッドライナ１０に配置
し、ガス燃料供給源からのガス燃料を副燃焼室２へ供給
する燃料供給ノズル５を副室構造体３に設け、更にシリ
ンダ３１内を往復動するピストン１５にそのピストンク
ラウン３２の周辺部に形成したリップ部１３と環状段部
９によってリエントラント状燃焼部１６を形成したこと
を特徴とするものである。この実施例では、主燃焼室１
は、ヘッドライナ１０の下面２０とピストンクラウン３
２の頂面２４との間に形成される空間及びピストンクラ
ウン３２の外周部のリエントラント状燃焼部１６によっ
て構成されている。更に、この実施例では、副燃焼室２
をシリンダ３１のほぼ中央部に配置し、燃焼室構造体の
ヘッドライナ１０には連絡孔８からシリンダ周辺へ放射
方向に傾斜面３４で延びる複数のガイド溝６，２２が形
成されていることである。ガイド溝６は吸排気ポート２
５，２７との間に形成されてシリンダ周辺まで延びてお
り、また、ガイド溝２２は吸排気ポート２５，２７に対
向するため、吸排気ポート２５，２７の手前まで延びて
いる。

【００１７】この副燃焼室式ガスエンジンにおいて、図
示していないが、燃料としてのナチュラルガス即ちガス
燃料を収容した燃料供給源が設けられ、燃料供給源から
の天然ガスが燃料噴射ポンプ等によって燃料供給管を通
じてシリンダヘッド７に設けた燃料供給ノズル５へ供給
される。連絡孔弁４は、エンジンの回転に同期した回転
するカム及びカムの回転を上下運動に変換するロッカア
ームを通じて作動したり、或いは電磁力で作動するよう
に構成することができる。ガス燃料供給源のガス燃料
は、図示していないが、増圧室等において５〜７ｋｇ／
ｃｍ² に加圧され、その加圧されたガス燃料が燃料供給
管を通じて燃料供給ノズル５へと供給されている。燃料
供給ノズル５は、例えば、コントローラの指令で燃料噴
射が行なわれるように制御され、エンジン負荷及びエン
ジン回転数に応じて開弁期間が決定されている。

【００１８】また、連絡孔８の領域では、燃焼ガスで高
温になるため、連絡孔８に配置した連絡孔弁４は高温強
度を有する耐熱性に優れた耐熱金属、窒化ケイ素、炭化
ケイ素等のセラミックスから製作されている。この副燃
焼室式ガスエンジンでは、主燃焼室１を形成するヘッド
ライナ１０、副燃焼室２を形成する副室構造体３、シリ
ンダライナ１９及びピストンクラウン３２は、耐熱性に
優れた窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックスで作製
されている。従って、この副燃焼室式ガスエンジンで
は、燃焼後期のガス温度が高くなっても十分な耐熱性、
高温強度を有し、未燃炭化水素ＨＣ等の排出が少なくな
り、高効率のエンジンを構成できる。

【００１９】この副燃焼室式ガスエンジンは、上記の構
成を有するので、連絡孔弁４が連絡孔８を開放すると、
まず、主燃焼室１内の圧縮空気がガイド溝６，２２を通
じて副燃焼室２内へ供給され、副燃焼室２内のガス燃料
と混合して着火燃焼し、副燃焼室２内の圧力が上昇する
と、副燃焼室２内の火炎と混合気とがガイド溝６，２２
を通じて主燃焼室１へ噴出される。この時、ガイド溝６
がシリンダ周辺まで延びているので、副燃焼室２からの
火炎と混合気は、ガイド溝６に案内されてシリンダ周辺
へと到達し、そこで、ピストンクラウン３２のリップ部
１３と環状段部９によって形成されたリエントラント状
燃焼部１６にスキッシュ流Ｓを発生させ、シリンダ周辺
部及びリエントラント状燃焼部１６に存在する新気を巻
き込んで空気利用率をアップし、燃焼期間を短縮して燃
焼を早期に完結する。

【００２０】この副燃焼室式ガスエンジンは、位置セン
サにより連絡孔弁４が連絡孔８を閉鎖している状態を検
出して、燃料供給ノズル５が作動して副燃焼室２内へガ
ス燃料が供給されるように構成されている。コントロー
ラは、エンジン負荷を検出する負荷センサ、エンジン回
転数を検出する回転センサ、連絡孔弁４の開閉状態を検
出する位置センサ及び副燃焼室２の筒内圧を検出する圧
力センサからの検出信号を受け、それらの検出信号を基
にして、副燃焼室２内に供給されるガス燃料がエンジン
負荷及びエンジン回転数に最適の予め設定した燃料ガス
圧になるように燃料供給ノズル５を作動して副燃焼室２
内へガス燃料量が制御されている。

【００２１】この副燃焼室式ガスエンジンは、上記のよ
うに構成されており、次のように作動される。この副燃
焼室式ガスエンジンは、吸入行程、圧縮行程、膨張行程
及び排気行程の４つの行程を順次繰り返すことによって
作動されるものであり、まず、吸入行程では、吸気弁２
６が吸気ポート２５を開放して主燃焼室１に吸入空気が
供給され、連絡孔弁４によって連絡孔８を閉鎖した状態
で燃料供給ノズル５が作動してガス供給源から副燃焼室
２に天然ガスのガス燃料が供給される。

【００２２】次に、圧縮行程では、連絡孔弁４によって
連絡孔８を閉鎖しておき、主燃焼室１で吸入空気を高圧
縮して圧縮比を大きくする。次いで、圧縮行程終盤で連
絡孔弁４が連絡孔８を開放し、連絡孔８を通じて高圧縮
で高温（例えば、６５０℃）化した圧縮空気を主燃焼室
１から副燃焼室２へ流入させ、該吸入空気は副燃焼室２
内のガス燃料と混合を促進して着火燃焼し、燃焼が急速
に進展して燃料リッチでＮＯ_X を低減した状態で燃焼
し、次いで、副燃焼室２の火炎が主燃焼室１へ噴出し、
膨張行程へ移行し、主燃焼室１に存在する新気と混合を
促進して短期間に二次燃焼を完結する。膨張行程では、
連絡孔８の開放状態を維持して副燃焼室２から主燃焼室
１へ火炎を噴出させて仕事をさせ、排気行程終了付近で
連絡孔８を連絡孔弁４を作動して閉鎖する。

【００２３】このガスエンジンは、上記のように、副燃
焼室２に連絡孔８と燃料供給ノズル５を設け、天然ガス
を連絡孔弁４で連絡孔８を閉鎖した状態で燃料供給ノズ
ル５から副燃焼室２内に供給し、吸気ポート２５から主
燃焼室１へ吸入した吸入空気を連絡孔弁４で連絡孔８を
閉鎖して副燃焼室２に吸入空気が供給されない状態で、
ピストン１５の上昇の圧縮行程で圧縮されるので、吸入
空気が主燃焼室１内で高圧縮されても、副燃焼室２内に
供給されたガス燃料は主燃焼室１とは連絡孔弁４で遮断
されているので自己着火することがなく、ノッキングが
発生することがない。また、連絡孔弁４が連絡孔８を開
放することで、主燃焼室１から高圧縮比の吸入空気が副
燃焼室２に流入して燃料ガスと吸入空気とが混合して着
火し、当量比の大きい燃料リッチな状態で高速燃焼して
ＮＯ_X の発生が抑制される。

【００２４】

【発明の効果】この発明による副燃焼室式ガスエンジン
は、上記のように構成されいるので、ピストンクラウン
の外周部に形成したリエントラント状燃焼部のリップ部
によって、スキッシュ流が発生し、シリンダ周辺部の空
気を最大限利用でき、拡散燃焼が短期に完結し、ＨＣ，
ＮＯ_X の発生が抑制される。また、副燃焼室には連絡孔
が閉鎖した状態でガス燃料が供給され、主燃焼室にはガ
ス燃料が存在しない状態で吸入空気が供給されるので、
吸入空気を主燃焼室内で高圧縮することができる。しか
も、前記副燃焼室内には空気が存在しない状態でガス燃
料が圧縮封入され、ガス燃料の質量を大きくされた状態
で副燃焼室に供給されるので、ガス燃料が自己着火する
ことがない。

【００２５】また、前記連絡孔弁が作動して前記連絡孔
が開放することで、前記主燃焼室から高圧縮されて高温
化した空気が前記副燃焼室に一気に流入し、負荷及び回
転数に適正なガス燃料が副燃焼室に供給されているの
で、ガス燃料と吸入空気との混合が一気に促進して着火
し、前記副燃焼室では当量比の大きい燃料リッチな状態
で高速燃焼するので、ＮＯ_X の発生が抑制される。そし
て、前記副燃焼室内は燃焼により一気に圧力が上昇し、
燃焼が促進され、それと同時に、前記連絡孔を通じて前
記副燃焼室から前記主燃焼室へその火炎が一気に噴出
し、該火炎は前記主燃焼室で新気と混合し、予混合燃焼
を促進して燃焼スピードを上昇して理想的な二次燃焼を
完結する。従って、この副燃焼室式ガスエンジンは、Ｎ
Ｏ_X 、ＨＣ等の発生を大幅に低減でき、高効率のエンジ
ンを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による副燃焼室式ガスエンジンの一実
施例を示し且つ図２の線Ａ−Ａにおける概略断面図であ
る。

【図２】図１の副燃焼室式ガスエンジンにおけるヘッド
ライナの下面図である。

【図３】図１の副燃焼室式ガスエンジンにおけるピスト
ンクラウンの上面図である。

【符号の説明】

１ 主燃焼室 ２ 副燃焼室 ３ 副室構造体（燃焼室構造体） ４ 連絡孔弁 ５ 燃料供給ノズル ６，２２ ガイド溝 ７ シリンダヘッド ８ 連絡孔 １０ ヘッドライナ（燃焼室構造体） １５ ピストン １６ リエントラント状燃焼部 ３１ シリンダ ３２ ピストンクラウン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｆ 1/24 Ｆ０２Ｆ 1/24 Ｆ Ｊ Ｃ Ｆ０２Ｍ 21/02 Ｆ０２Ｍ 21/02 Ｌ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダヘッドに配置した副燃焼室とシ
   リンダ側の主燃焼室を構成するセラミックスから成る燃
   焼室構造体、前記副燃焼室と前記主燃焼室とを連通する
   前記燃焼室構造体に形成した連絡孔、前記連絡孔を開閉
   する連絡孔弁、ガス燃料供給源からのガス燃料を前記副
   燃焼室へ供給する燃料供給ノズル、及び前記シリンダ内
   を往復動し且つピストンクラウン周辺部にリエントラン
   ト状燃焼部を形成したピストン、から成る副燃焼室式ガ
   スエンジン。
2. 【請求項２】 前記副燃焼室をシリンダ中央部に配置
   し、前記燃焼室構造体には前記連絡孔から前記シリンダ
   周辺へ放射方向に延びる複数のガイド溝が形成されてい
   る請求項１に記載の副燃焼室式ガスエンジン。