JPH11117814A - 副室式ガス機関とその燃焼方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 副室式ガス機関の運転を高いスワール比の下
で行っても高い機関熱効率が得られるようにする。 【解決手段】 主室１にはスワール比１．０〜２．５程
度で希薄混合気が供給され、かつ、副室２には高濃度混
合気が供給されるようにされた副室式ガス機関におい
て、点火プラグ４を副室２の主室１への連絡孔６近傍位
置に配置する。この構成により、高濃度の未燃燃料が主
室１に噴出するのを回避でき、高いスワール比の下で燃
焼を行っても熱ピンチ効果による火炎伝播の遅れが解消
され、シリンダ内最高圧力の低下による機関熱効率の低
下は避けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は副室式ガス機関とそ
の燃焼方法に関し、特に、高いスワール比での燃焼を可
能とし、それにより、高い機関熱効率と低ＮＯx 性の両
立を可能とした副室式ガス機関とその燃焼方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】天然ガス等を燃料とする希薄燃焼ガス機
関は、その省エネルギー性や排出ガスによる環境負荷が
低いこと等から、コージェネレーション用原動機等に広
く採用されている。希薄燃焼ガス機関は単室式のものと
副室式のもとが開発されており、共に実用に供されてい
る。また、より高い機関熱効率を得るために、燃料にス
ワールを掛けて燃焼室に供給することが行われており、
燃料流の乱れの強化による乱流燃焼速度の上昇によっ
て、希薄限界が希薄側にシフトして高い機関熱効率が得
られる。しかし、スワール比が高くなるに従って、ＮＯ
x またはＴＨＣの排出が高くなる傾向があり、低ＮＯx
性と高い熱効率とを同時に成立させることは困難であ
る。実機において、単室式ガス機関の場合、スワール比
は２．５程度が限界とされている。

【０００３】副室式ガス機関は、希薄燃焼方式での火炎
伝播速度の遅さに起因する不安定さを解決する燃焼機関
であり、希薄限界が単室式ガス機関と比較してさらに希
薄側に移動することから、高い機関熱効率が期待でき
る。図２は、副室式ガス機関の一例を示しており、主室
１の上方に副室２が設けられ、副室２には供給ノズル３
から、着火を容易に行うために、主室１に供給される希
薄混合気よりも高い濃度の混合気あるいは燃料が供給さ
れる。圧縮行程上死点付近において、該高濃度の混合気
には通常、副室２の上方位置に設けた点火プラグ４によ
り火花点火され、火炎ジェット５は連絡孔６を通じて主
室１内に噴出する。噴出した火炎ジェット５により、主
室１に供給された希薄混合気はすみやかに燃焼する。

【０００４】副室式ガス機関においても、主室への希薄
混合気にスワールを掛けることは単室式ガス機関と同様
の理由から高い機関熱効率を得るのに有効であるが、実
機においてはスワール比１．０未満が限度であり、それ
以上のスワール比の場合には、シリンダ内最高圧力の低
下による機関熱効率の低下を招く。そのために、単室式
ガス機関でのような１．０〜２．５程度の高いスワール
比での燃焼方式は通常採用されない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】副室式ガス機関におい
て、希薄条件下でシリンダ内最高圧力の低下を招くこと
なくスワール比１．０〜２．５程度での運転が可能であ
れば、乱流燃焼速度を上昇させることができ、低ＮＯx
性を維持しながら、より高い機関熱効率を達成できるこ
とが期待できる。本発明は、その課題を解決した副室式
ガス機関及びその燃焼方法を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決すべく
本発明者らは副室式ガス機関の燃焼形態について多くの
実験を行い、高スワール比でのシリンダ内最高圧力の低
下の原因を追求した。図３は実験に使用した定容燃焼器
の概略図であり、平らな円筒容器を主室１ａとし、その
中心軸上に副室２ａを設置した。副室２ａの上端部に、
点火プラグ４ａと燃料としてのメタン（ＣＨ₄ ）を供給
するノズル３ａとを配置し、主室１ａには希薄混合気を
供給するための供給管５ａを接続した。また、副室２ａ
と主室１ａとの連絡孔６ａは４個とし、四方に火炎ジェ
ットが噴射するようにした。主室１ａにはレーザー透過
用窓と火炎観測用の窓７を取り付け、燃焼状態を、レー
ザー誘起蛍光法（ＬＩＦ）による未燃燃料及びＯＨラジ
カルの可視化を中心とし、火炎発光の高速ビデオ撮影も
併せて行った。

【０００７】また、ノズル５ａの形状を変えて希薄混合
気の主室１ａへの円周方向の注入角を変え、主室内スワ
ール強度（速度）を種々に変化させた。なお、スワール
の速度はマイクロバルーンの流跡を撮影して計測したも
のであり、本実験でのスワール速度と本発明でいう「ス
ワール比」とは、スワール比＝スワール速度／機関回転
数、の関係にある。

【０００８】図４は各スワール強度毎に撮影された高速
ビデオによる火炎の直接撮影画像（５００ｆｒａｍｓ／
ｓｅｃ）であり、スワール強度が大きくなるにつれ、燃
焼終了までの時間が長くなっていることがわかる。ま
た、スワールが無い場合、火炎ジェットがまず壁面に達
し、周辺部から内側に向けて火炎が伝播する。一方、ス
ワールが強い場合（スワール速度１７００回転／分、２
８５０回転／分）、火炎は最初中央部の副室連絡孔付近
にかたまって現れ、その後周辺部まで火炎が伝播するに
は時間を要することがわかる。

【０００９】その原因を解明するために、副室２ａから
の火炎ジェット５ａの噴出状態をＬＩＦによる可視化実
験で観測した。図５はＬＩＦ計測の測定領域を示してお
り、副室連絡孔６ａとの位置関係が示されるように、可
視化された部分は主室１ａ中央付近であり、灰色に見え
るのが副室からの未燃燃料（トレーサー：アセトン）、
白く見えるのが燃焼領域（ＯＨ）の信号分布である。

【００１０】図６は各スワール強度におけるＬＩＦ計測
のデータを示している。高速ビデオを同時撮影し、火炎
ジェット５ａが噴出し始めた瞬間を時間の原点とし、前
後の測定画像を縦に並べている。スワールの流れは画面
左から右である。スワールが無いときは未燃燃料が半径
方向に直線的に噴出し、後を追うように火炎が延びてい
く。スワールが強くなってくると未燃燃料は風下（右）
に流され、火炎も同じ方向に広がっていく。実験では、
点火後４〜６ｍｓｅｃ後に、スワール無しの条件では測
定領域内にアセトンがみられない（未燃燃料は存在しな
い）のに対して、スワールが強い場合にはスワール流れ
の上流側（左）隣の噴孔から噴き出した未燃燃料が回り
込んで可視化されている。このことから、スワールが強
いときは、副室２ａから押し出された濃い未燃混合気が
主室１ａ中央の連絡孔６ａ付近から離れず、長時間滞留
していることがわかる。図７は、その状態を主室全体に
ついて示しており、副室からの高濃度の未燃混合気５ａ
が中央に滞留して、いわゆる熱ピンチ効果を生起してい
る。

【００１１】このことから、副室式希薄燃焼においてス
ワールが強い場合（スワール比１．０〜２．５程度）
に、主室の周辺部まで火炎が伝播するに時間を要するの
は、図７に示すように燃料濃度の高い混合気が中心部に
滞留し、中心部での火炎伝播はスムーズに進むが、周辺
部は燃料希薄のままのため、火炎の伝播が遅れる（いわ
ゆる、熱ピンチ効果）ことによると推察され、そのこと
が、副室式ガス機関の実機運転ではスワール比１．０未
満の運転が限度であって、それ以上のスワール比の場合
には、シリンダ内最高圧力の低下による機関熱効率低下
を招いている主たる原因であると考えられる。

【００１２】以上の実験から、副室式ガス機関であって
も、高いスワール比の場合に燃料濃度の高い混合気が主
室中心部に滞留しないようにすれば、主室周辺部までの
火炎伝播を速くすることができ、未燃燃料の発生が抑え
られて、シリンダ内最高圧力の低下を生じさせない高ス
ワール比運転が可能であることがわかる。本発明者らは
さらに推考を重ねることにより、高いスワール比の場合
に燃料濃度の高い混合気が中心部に滞留するのは、副室
の形状、特に、副室内での点火プラグの取り付け位置に
関係があると考えた。すなわち、図２に示すように、従
来の副室２において、点火プラグ４はその上方位置（す
なわち、主室１との連絡孔６とは反対側の位置）に配置
されており、点火プラグ４により点火された火炎が副室
２内の高濃度混合気の全体に伝播するのに時間を要し、
火炎ジェット５の噴出に先立って、未燃焼の高濃度混合
気が主室１内に噴出され、それが高いスワールによって
周辺への移動が抑えられた結果、燃料濃度の高い混合気
が中心部に滞留することになると考えた。

【００１３】上記の推測が正しいかどうかを実証すべ
く、図３に示した実験装置において、点火プラグ４ａの
取り付け位置を主室１ａとの連絡孔６ａに近接した位置
とし、前記と同様の実験を行ったところ、スワール比
２．５程度の場合でも、測定領域内にアセトンはほとん
ど計測されず、未燃燃料は存在しないことを確認した。

【００１４】本発明は上記の実験により得た知見に基づ
くものであり、本発明による副室式ガス機関は、主室に
はスワール比１．０〜２．５程度で希薄混合気が供給さ
れ、かつ、副室には高濃度混合気が供給され、該高濃度
混合気は副室の出口に近接した位置で点火されるように
されていることを特徴とする。また、本発明による副室
式ガス機関の燃焼方法は、副室に供給された高濃度混合
気を該副室の出口に近接した位置で点火した後、主室に
スワール比１．０〜２．５程度で供給される希薄混合気
に向けて噴出させることを特徴とする。

【００１５】本発明による副室式ガス機関及びその燃焼
方法によれば、従来効率的ではなかった高いスワール比
での運転を高い機関熱効率のもとで行うことが可能とな
り、単室式ガス機関に比べて希薄限界を一層希薄側に移
動させることができることから、低ＮＯx 性と高い機関
熱効率の双方を両立させた副室式ガス機関の運転が実現
される。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による副室式ガス
機関を示す構造略図である。図において、１は主室（主
燃焼室）であり、吸気ポート１０から希薄混合気が供給
され、燃焼排ガスは排気ポート２０から排気される。１
１は吸気弁、２１は排気弁である。主室１に連通して副
室２が設けられ、主室１と副室２とは４個の連絡孔６で
連通している。副室２の上方位置、すなわち前記連絡孔
６と反対側の位置には、高濃度混合気を副室２に供給す
るための供給路３が配置されており、該供給路３にはチ
ェック弁３ｖが設けられる。また、副室２の連絡孔６の
付近は円錐型となっており、該円錐状部分であって連絡
孔６に近接した位置に、点火プラグ４が取り付けられて
いる。また、特に図示しないが、希薄混合気はスワール
比１．０〜２．５程度で主室１内に供給されるようにさ
れている。

【００１７】この副室式ガス機関の運転に際しては、吸
気行程において、吸気ポート１０から希薄混合気が主室
１に高いスワール比（１．０〜２．５程度）で導入され
ると共に、副室２には供給路３から高濃度混合気が導入
される。圧縮行程で主室１内の希薄混合気が圧縮され、
圧縮行程の終了直前に、点火プラグ４により、副室２内
の高濃度混合気に点火される。点火プラグ４は副室２の
連絡孔６の付近した位置に取り付けてあるので、火炎ジ
ェット５そのものが連絡孔６を通過して主室１内に噴出
することとなり、点火直後に、未燃の高濃度混合気が主
室１に噴出するのは回避できる。

【００１８】燃焼・膨張行程において、副室２内の高濃
度混合気はすべて主室内に噴出するが、副室２内での火
炎伝播によって、すべて火炎を形成しており、未燃の高
濃度混合気が噴出することはほとんど回避できる。

【００１９】この形態の副室式ガス機関によれば、少な
くとも噴出当初に副室２から未燃の高濃度混合気が噴出
することはないので、高いスワール比（１．０〜２．５
程度）で燃焼を行っても、図７に示したように、主室１
の中心に未燃焼の高濃度混合気が滞留することはなく、
従って、主室１の周辺部に存在する希薄混合気への火炎
の伝播が遅れる（いわゆる、熱ピンチ効果）ことは回避
できる。そのために、シリンダ内最高圧力の低下を招く
ことなくスワール比１．０〜２．５程度での運転が可能
となり、希薄限界をさらに希薄側にシフトさせることが
でき、低ＮＯｘ性を維持しながら、より高い機関熱効率
を達成できることが可能となる。

【００２０】なお、本発明は、副室式ガス機関において
点火プラグを副室の主室への連絡孔近傍位置に設ければ
所期の目的が達成されるものであり、副室式ガス機関そ
のものの形態や副室の形状は任意であり、特に制限はな
い。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、副室式ガス機関の運転
を高いスワール比の下で行っても高い機関熱効率を達成
することができる。そのために、低ＮＯｘ 性と高い機
関熱効率の双方を両立させた副室式ガス機関の運転が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による副室式ガス機関を示す構造略図。

【図２】従来の副室式ガス機関を示す構造略図。

【図３】実験に用いた定容燃焼器の構造略図。

【図４】各スワール強度毎に撮影された高速ビデオによ
る火炎の直接撮影画像を示す図。

【図５】レーザー誘起蛍光法（ＬＩＦ）による未燃燃料
及びＯＨラジカルの可視化計測の際の測定領域を示す
図。

【図６】各スワール強度におけるＬＩＦ計測のデータを
示す図。

【図７】スワールが強いときに、副室から押し出された
濃い未燃混合気が主室中央の連絡孔付近から離れず、長
時間滞留している状態を示す図。

【符号の説明】

１…主室、２…副室、３…高濃度混合器供給ノズル、３
ｖ…チェックバルブ、４…点火プラグ、５…火炎ジェッ
ト、１０…吸気ポート、１１…吸気ブルブ、２０…排気
ポート、２１…排気バルブ

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【手続補正書】

【提出日】平成９年１０月２８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図５

【補正方法】変更

【補正内容】

【図５】

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図７

【補正方法】変更

【補正内容】

【図７】

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主室と副室を持つ副室式ガス機関であっ
   て、主室にはスワール比１．０〜２．５程度で希薄混合
   気が供給され、かつ、副室には高濃度混合気が形成さ
   れ、該高濃度混合気は副室の主室への連絡孔近傍位置で
   点火されるようにされていることを特徴とする副室式ガ
   ス機関。
2. 【請求項２】 主室と副室を持つ副室式ガス機関の燃焼
   方法であって、副室に形成された高濃度混合気を該副室
   の主室への連絡孔近傍位置で点火した後、主室にスワー
   ル比１．０〜２．５程度で供給される希薄混合気に向け
   て噴出させることを特徴とする副室式ガス機関の燃焼方
   法。