JPH11280501A

JPH11280501A - 吸気弁開放期間制御装置を備えたガスエンジン

Info

Publication number: JPH11280501A
Application number: JP10098194A
Authority: JP
Inventors: Hideo Kawamura; 英男河村
Original assignee: Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
Current assignee: Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
Priority date: 1998-03-27
Filing date: 1998-03-27
Publication date: 1999-10-12

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は，天然ガスを燃料とし，吸気弁の開
弁期間を制御して実圧縮比を適正に制御する吸気弁開放
期間制御装置を備えたガスエンジンを提供する。【解決手段】このガスエンジンは，吸気ポート９を開
閉する２個の吸気弁１１のうち一方の吸気弁１１の開弁
期間を短縮する吸気弁開放期間制御装置を有する。始動
時や暖機運転時に，吸気弁開放期間制御装置によって吸
気弁１１の吸気ポート９の開弁期間を短縮して圧縮比を
高くして着火燃焼を良好に行なわせ，暖機運転後には両
方の吸気弁１１を通常の開弁期間にし，吸入空気の一部
を吸気ポート７，９に逆流させ，実圧縮比を低減し，副
室２への吸入空気量を確保し，ノッキングの発生を防止
すると共に，スートやＨＣの発生を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は，燃料を副室に供
給して着火燃焼させると共に排気ガスエネルギで駆動さ
れる電動・発電機を持つターボチャージャを備えた吸気
弁開放期間制御装置を備えたガスエンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来，天然ガスを主燃料とするガスエン
ジンは，コージェネレーションシステムや車両用として
開発が進められている。ガスエンジンとして，天然ガス
を燃料とし，該ガス燃料を副室に供給し，エンジンの圧
縮行程上死点近傍で制御弁を開放して燃焼室から副室に
圧縮空気を流入させてガス燃料と空気とを混合させて燃
焼させる副室式ガスエンジンが知られている（特開平６
−３３７８５号公報参照）。コージェネレーションシス
テムは，動力を発電機で電気エネルギとして取り出し，
排気ガスエネルギが有する熱を熱交換器で水を加熱して
温水にし，該温水を給湯用として利用している（特開平
６−１０８８６５号公報参照）。

【０００３】特開平６−１０８８６５号公報に開示され
たコージェネレーション型ガスエンジンは，排気ガスを
ターボチャージャ，エネルギ回収装置及び蒸気発生装置
を通して排気ガス温度を低下させ，低温の排気ガスをＥ
ＧＲに使用してＮＯ_Xを低減するものであり，遮熱型ガ
スエンジンからの排気ガスによってターボチャージャを
駆動し，該ターボチャージャからの排気ガスで発電機を
備えたエネルギ回収装置を駆動する。該コージェネレー
ション型ガスエンジンは，エネルギ回収装置からの排気
ガスを熱交換器の蒸気発生装置に送り込み，蒸気発生装
置で水を蒸気に変換し，該蒸気で蒸気タービンを駆動し
て電気エネルギとして回収する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで，副室式ガス
エンジンにおいて，主室と副室との間に設けたディーゼ
ルエンジンでは，吸気行程と圧縮行程前半に天然ガスを
副室に供給し，圧縮行程後半から終端で制御弁を駆動し
て連絡口を開放し，主室の圧縮空気を副室に侵入させ，
空気と燃料とを混合させて着火燃焼させる場合に，副室
で燃料と空気とが混合し，燃焼開始までに，０．１〜
０．２ｍｓ程度の時間がかかる。副室式ガスエンジンで
は，天然ガスが副室内に存在する間に，天然ガスは副室
壁面から受熱し，活性化が進んでいるので，制御弁の開
放によって副室へ侵入する空気の条件次第で，圧縮天然
ガス（ＣＮＧ）は容易に着火し，空気が副室へ十分に侵
入する前に着火する。即ち，圧縮天然ガスは，液体燃料
でなく，気体燃料であるので，液体が気体に変化するた
めに必要な着火遅れ時間が不要であり，高温圧縮空気と
接触した途端に着火し，天然ガスと空気とが十分に混合
する時間が短か過ぎるという問題がある。

【０００５】ガスエンジンについて，ガス燃料を高圧縮
比のディーゼル燃焼させる場合に，考慮しなければなら
ない要因は，発熱量の差，必要空気量及び圧縮比の大き
さである。天然ガスの発熱量は１１２００ｋｃａｌ／ｋ
ｇ（ｃｆ．軽油の発熱量は１０１７０ｋｃａｌ／ｋ
ｇ），天然ガスの理論空燃比が１３．２（ｃｆ．軽油の
理論空燃比が１４．１）であるので，軽油１ｋｇに相当
する発熱量を持つ天然ガスを燃焼させるために必要な空
気量は（１０１７０／１１２００）×（１３．２／１
４．１）＝０．８５であり，天然ガスの必要空気量は軽
油に比較して約８５％で良いことになる。また，圧縮比
は，熱効率と相関して高い方が熱効率が高くなるので，
高い方が好ましいことになる。副室式ガスエンジンにつ
いて，上記の条件を満足させるためには，シリンダに吸
気される空気量を減少させ，膨張比を大きくできるミラ
ーサイクルで作動されることが好ましいことになる。

【０００６】また，天然ガスの着火燃焼は，燃焼室や燃
焼室と副室とを連通する連絡口に設けた制御弁の温度が
低いと，なかなか発生しないので，ガスエンジンは，通
常，圧縮比が高めに設定されている。ガスエンジンは，
圧縮比が高いと，熱効率がアップされるので，圧縮比を
高くしたいが，圧縮比が高くなると，異常燃焼即ちノッ
キングが発生し易くなるので，熱効率をアップさせると
共に異常燃焼の発生を防止するため圧縮比をどのような
値に設定するかが問題である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明の目的は，上記
の課題を解決することであり，上記の発熱量，必要空気
量及び圧縮比についての条件を満足させるためミラーサ
イクルで作動し，その場合に，始動と暖機運転時にシリ
ンダに供給される空気量が減少して圧縮比が低下して圧
縮端での着火燃焼ができなくなるのを防止するため，始
動と暖機運転時には吸気弁の閉鎖時期を延長させること
なく開放期間を短くし，場合によっては，ターボチャー
ジャによりブースト圧力を上昇させて運転し，次いで，
暖機運転後には，吸気弁の閉弁位置を遅らせて吸入空気
を吸気ポートへ逆流させ，圧縮比を低減させると共に圧
縮端の圧力を低下させ，吸入空気量の低減を補うため，
ターボチャージャを駆動してブースト圧力を上昇させ，
着火燃焼を確実に発生させ，また，燃焼の不安定な部分
負荷時には電動・発電機の電動機運転によりターボチャ
ージャのコンプレッサを作動して吸気圧力を上げること
から成る吸気弁開放期間制御装置を備えたガスエンジン
を提供することである。

【０００８】この発明は，主室と該主室に連絡口を通じ
て連通する副室とが形成され且つシリンダヘッドに配置
された燃焼室部材，前記主室に連通し且つ前記シリンダ
ヘッドと前記燃焼室部材とに形成された吸気ポートと排
気ポート，前記吸気ポートを開閉するため前記吸気ポー
トに配置された少なくとも２個の吸気弁，前記排気ポー
トを開閉するため前記排気ポートに配置された排気弁，
前記連絡口を開閉するため前記連絡口に配置された制御
弁，前記副室に圧縮天然ガスを供給するための燃料供給
手段，前記排気ポートに連通する排気管に設けられた電
動・発電機を備えたターボチャージャ，及び前記吸気弁
の前記吸気ポートの開放期間を変更する吸気弁開放期間
制御装置を具備し，前記吸気弁開放期間制御装置によっ
て前記吸気弁の前記吸気ポートの開放期間を変更して吸
入空気量を変更することから成る吸気弁開放期間制御装
置を備えたガスエンジンに関する。

【０００９】この吸気弁開放期間制御装置を備えたガス
エンジンは，前記吸気弁開放期間制御装置を作動して一
方の前記吸気弁と他方の前記吸気弁の開弁期間を異なら
せ，前記主室に供給される吸入空気量を制御するもので
ある。更に，前記吸気弁開放期間制御装置は，始動直後
の暖機運転時には，前記吸気弁の開弁リフトを通常リフ
トより小さくして圧縮比を高くし，前記暖機運転の後に
は前記吸気弁の開弁リフトを通常リフト戻して実圧縮比
を小さくさせるように制御するものである。

【００１０】この吸気弁開放期間制御装置を備えたガス
エンジンは，前記吸気弁開放期間制御装置が前記吸気弁
の開弁リフトを通常リフトにした時には，前記ターボチ
ャージャによって吸入空気の圧力を増大させるように制
御するものである。更に，燃焼の不安定な部分負荷の時
には，前記ターボチャージャに設けた前記電動・発電機
を電動機運転して吸入空気の圧力を増大させるように制
御するものである。

【００１１】前記吸気弁開放期間制御装置は，前記吸気
弁の動弁機構に組み込まれた油室の油の出入り伸縮可能
な油圧シリンダ装置から成り，前記油圧シリンダ装置へ
の油圧はコントローラによって制御される。前記油圧シ
リンダ装置は，前記吸気弁の弁ステムに取り付けた弁ホ
ルダと前記動弁機構のカム又は該カムによって揺動する
ロッカアームとの間に配置されている。

【００１２】前記電動・発電機は前記ターボチャージャ
のシャフトに固定した永久磁石製回転子と前記回転子に
対して配置した固定子から構成されている。前記電動・
発電機を電動機運転する場合には，バッテリ又はエンジ
ン出力軸に取り付けた発電機によって駆動するものであ
る。

【００１３】前記燃焼室部材には，前記主室，前記副
室，前記主室と前記副室とを連通する前記連絡口，前記
吸気弁が着座する弁シートを備えた前記吸気ポート，前
記排気弁が着座する弁シートを備えた前記排気ポート，
及び前記燃料供給手段からの圧縮天然ガスを前記副室に
供給するため前記副室に開口した燃料供給口が形成され
ている。

【００１４】この吸気弁開放期間制御装置を備えたガス
エンジンは，上記のように，始動時及び始動後の暖機運
転時の温度が高くない状態では，吸気弁開放期間制御装
置を作動して一方の吸気弁のリフトを小さくして圧縮比
をアップさせるので，着火を確実に行なわせることがで
き，暖機運転後には前記吸気弁を通常のリフトに戻して
両吸気弁とも通常のリフトで作動し，実圧縮比を低下さ
せ，その時，ターボチャージャを駆動してブースト圧力
をアップさせ，吸入空気量を増大させ，副室へ供給され
る所定の空気量を確保し，ＨＣ，スートの発生を抑制
し，所定の熱効率を確保することができる。燃焼の不安
定な部分負荷時には，ターボチャージャのブースト圧力
がアップできないので，その時は電動・発電機を電動機
運転してターボチャージャのコンプレッサによる吸入空
気圧を増大させる制御を行なう。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下，図面を参照して，この発明
によるた電動・発電機付きターボチャージャを備えたガ
スエンジンの実施例を説明する。図１はこの発明による
電動・発電機付きターボチャージャを備えたガスエンジ
ンの一実施例を示す断面図，図２は図１のガスエンジン
に設けた吸気弁開放期間制御装置を示す説明図，図３は
図１のガスエンジンの排気管に設けた電動・発電機を持
つターボチャージャを示す説明図，図４は図１のガスエ
ンジンにおける吸気弁と排気弁とのバルブタイミングを
示す線図，及び図５は図１のガスエンジンのミラーサイ
クルの一例を示すＰＶ線の概略説明図である。

【００１６】この発明による電動・発電機付きターボチ
ャージャを備えたガスエンジンは，ＣＨ₄を主成分とす
る天然ガスを燃料とし，例えば，コージェネレーション
システムや車両に適用できる単気筒タイプ又は多気筒タ
イプの副室式ガスエンジンに構成されている。このガス
エンジンは，エンジンのクランク軸即ちエンジン出力軸
４７にエンジン回転力を電力に変換する発電機４６が設
けられている。このガスエンジンは，例えば，シリンダ
ブロック２４に形成された孔部３９に配置されたシリン
ダ２７を形成するシリンダライナ２６，シリンダブロッ
ク２４にガスケット３２を介在して取り付けられたシリ
ンダヘッド４，シリンダヘッド４に形成されたキャビテ
ィ１４にガスケット２９を介在して配置された燃焼室部
材３，燃焼室部材３に形成された燃焼室の主室１と副室
２及びシリンダ２７内を往復動するピストン６から構成
されている。

【００１７】このガスエンジンは，主として，燃焼室部
材３に形成された主室１と主室１に連絡口２５を通じて
連通する副室２，主室１に連通する燃焼室部材３に形成
された吸気ポート９と吸気ポート９に連通するシリンダ
ヘッド４に形成された吸気ポート７，主室１に連通する
燃焼室部材３に形成された排気ポート１０と排気ポート
１０に連通するシリンダヘッド４に形成された排気ポー
ト８，吸気ポート９を開閉するため吸気ポート９に配置
された２個の吸気弁１１（図１では一方のみ示す），排
気ポート１０を開閉するため排気ポート１０に配置され
た排気弁１２，連絡口２５を開閉するため連絡口２５の
弁シート３６に着座された制御弁５，副室２に圧縮天然
ガスを供給するための燃料供給手段，排気ポート８に連
通する排気管３１に設けられた電動・発電機１８を備え
たターボチャージャ１５，及び少なくとも一方の吸気弁
１１の吸気ポート９の開放期間を変更する吸気弁開放期
間制御装置５２から構成されている。吸気弁開放期間制
御装置５２は，吸気弁１１の吸気ポート１０の開放期間
を変更して吸入空気量を変更することができる。

【００１８】燃料供給手段は，燃料供給源に接続される
シリンダヘッド４に形成された燃料供給路３３，燃料供
給路３３が副室２に開口する燃料供給口４３及び燃料供
給口４３を開閉する燃料弁１３から構成されている。燃
料弁１３が燃料供給口４３を開放することによって，燃
料供給源から燃料供給路３３を通じて圧縮天然ガスが副
室２に供給される。燃焼室部材３には，主室１，副室
２，主室１と副室２とを連通する連絡口２５，吸気弁１
１が着座する弁シート３４を備えた吸気ポート９，排気
弁１２が着座する弁シート３５を備えた排気ポート１
０，及び副室２に開口した燃料供給口４３が形成されて
いる。燃料供給口４３には，燃料弁１３が配置され，燃
料弁１３の開放によって燃料供給路３３からの圧縮天然
ガスが副室２に供給される。

【００１９】このガスエンジンは，単気筒タイプに形成
された場合には，図１に示すように，シリンダヘッド４
に排気管３１と吸気管４０がそれぞれ直接取り付けら
れ，また，多気筒タイプに形成された場合には，図示し
ていないが，シリンダヘッド４にマニホルドを介して排
気管３１と吸気管４０とがそれぞれ取り付けられてい
る。排気管３１には，ターボチャージャ１５のタービン
１６が配置されている。吸気管４０には，ターボチャー
ジャ１５のコンプレッサ１７に接続され，コンプレッサ
１７からの吸入空気が送り込まれる。

【００２０】ターボチャージャ１５は，図３に示すよう
に，排気ガスによって駆動されるタービン１６，タービ
ン１６にシャフト２１によって連結され且つタービン１
６によって駆動されるコンプレッサ１７，及びシャフト
２１に対して設けた電動・発電機１８から構成されてい
る。コンプレッサ１７は，タービン１６によって駆動さ
れ，空気を加圧して圧縮空気とし，該圧縮空気を吸気通
路４０を通って吸気ポート７，９から気筒の主室１へ供
給する。電動・発電機１８は，タービン１６の回転力を
電力として取り出してバッテリ等の電源装置に蓄電して
回収することができる。電動・発電機１８は，シャフト
２１に固定した永久磁石製回転子１９と回転子１９に対
して配置したコイルから成る固定子２０から構成されて
いる電動・発電機である。

【００２１】このガスエンジンは，特に，図２に示すよ
うに，２個の吸気弁１１の吸気ポート９の開放期間を変
更する吸気弁開放期間制御装置５２を具備し，通常は吸
気弁開放期間制御装置５２を作動させずにミラーサイク
ル型で作動し，始動時及び暖機運転時には吸気弁開放期
間制御装置５２を作動させて吸気弁１１の吸気ポート９
の開放期間を変更して吸入空気量を変更することを特徴
としている。即ち，このガスエンジンでは，吸気弁開放
期間制御装置５２を作動して一方の吸気弁１１と他方の
吸気弁１１の開弁期間を異ならせ，主室１に供給される
吸入空気量を制御するものである。吸気弁１１の開閉タ
イミングの調整は，主室１への吸入空気量を制御するこ
とになり，主室１に供給された吸入空気量に応じて圧縮
比が決定される。従って，このガスエンジンは，コント
ローラ５０によって，圧縮比が高くなり過ぎず，また圧
縮比が低く成り過ぎないように制御するものである。

【００２２】この実施例では，図４に示すように，一方
の吸気弁１１は，開弁期間が延長リフト期間で作動され
る前開き吸気弁１１Ａであり，他方の吸気弁１１が吸気
弁開放期間制御装置５２の作動によって開弁期間が短縮
された通常リフト期間で作動される後開き吸気弁１１Ｂ
に構成されている。例えば，一方の前開き吸気弁１１Ａ
は，吸気行程上死点近傍で開弁し，圧縮行程下死点後２
０〜４０度で閉弁する。他方の後開き吸気弁１１Ｂは，
吸気行程上死点後４０〜吸気行程下死点前６０〜９０度
で開弁し，吸気行程下死点近傍で閉弁する。吸気弁開放
期間制御装置５２は動弁機構のカムの動きに従うカムフ
ォロウー又は図２に示すようにカム５５によって揺動す
るロッカアーム５４に接触位置を変更することによっ
て，後開き吸気弁１１Ｂの開弁期間が制御されるように
構成できる。

【００２３】このガスエンジンでは，吸気弁開放期間制
御装置５２は，コントローラ５０の指令によって，始動
時及び始動直後の暖機運転時には，少なくとも一方の吸
気弁１１の開弁リフトを延長リフト期間より小さくして
通常リフト期間に変更し，全体として圧縮比を高くし，
次いで，暖機運転の後には吸気弁１１の開弁リフトを延
長リフト期間に戻して実圧縮比を小さくさせるように制
御するものである。また，吸気弁開放期間制御装置５２
が吸気弁１１の開弁リフトを通常リフトにした時には，
ターボチャージャ１５によって吸入空気の圧力を増大さ
せるように制御する。しかしながら，燃焼の不安定な部
分負荷の時には，ターボチャージャ１５によってブース
ト圧力が増大しないので，ターボチャージャ１５に設け
た電動・発電機１８を電動機運転して吸入空気の圧力を
増大させるように制御する。また，電動・発電機１８を
電動機運転する場合には，バッテリ又はエンジン出力軸
４７に取り付けた発電機４６によって駆動することがで
きる。

【００２４】吸気弁開放期間制御装置５２は，吸気弁１
１の動弁機構に組み込まれた油圧によって伸縮可能な油
圧シリンダ装置５８，及びコントローラ５０の指令で油
圧シリンダ装置５８に油圧を供給を制御する油圧制御装
置７０から構成されている。制御弁５の弁ステム４９
は，シリンダヘッド４に設けられた弁ガイド６９に案内
されて往復動する。弁ステム４９の上端には弁ホルダ５
３が配設されていると共に，弁ステム４９の上端部には
コッタ５６によって弁スプリングシート７１が取り付け
られている。弁スプリングシート７１とシリンダヘッド
４の上面との間には，制御弁５を閉弁させるための弁ス
プリング５７が配設されている。油圧シリンダ装置５８
は，吸気弁１１の弁ステム４９に取り付けた弁ホルダ５
３とカム５５によって揺動するロッカアーム５４の先端
部５９との間に配置されている。ロッカアーム５４の先
端部５９は，調節ナットとボルトから構成され，上シリ
ンダ６０にはボルトのヘッド部が当接している。

【００２５】油圧シリンダ装置５８は，上シリンダ６
０，内部にオイル室６８を形成するように上シリンダ６
０に嵌合した下シリンダ６１，オイル室６８に配置され
たスプリング６５，下シリンダ６１と弁ホルダ５３との
間に配設されたローラ６２，上シリンダ６０に形成され
た油圧供給口６６を通じてオイル室６８に油圧を供給す
るため，上シリンダ６０の周囲に配設された供給チャン
バ７３を備えたシリンダ取付体７２，供給チャンバ７３
内に設けられた逆止弁６３とリターンスプリング６７，
及び油圧制御装置７０からの油圧をシリンダ取付体７２
の供給チャンバ７３に供給する油路管６４から構成され
ている。上シリンダ６０には，その内部に下シリンダ６
１の先端部が当接する段部７４が形成されている。逆止
弁６３は，例えば，供給チャンバ７３内に配置された逆
止弁即ちボール６３，ボール６３を閉鎖方向に押し付け
るスプリング６７，ボール６３をスプリング６７のばね
力に抗して電磁力等で開放状態へ移動させる針棒８２か
ら構成されている。

【００２６】油圧シリンダ装置５８は，上記のように構
成され，油圧制御装置７０からの油圧が油路管６４，供
給チャンバ７３及び油圧供給口６６を通じてオイル室６
８に供給され，逆止弁６３が供給路を遮断すれば，下シ
リンダ６１が上シリンダ６０内から延び出し，上シリン
ダ６０と下シリンダ６１との有効長さが長くなった状態
になり，オイル室６８にはオイルが貯留されるので，制
御弁５のリフト量が大きくなる。また，油圧制御装置７
０からの油圧の供給が遮断され，電磁力等で作動される
針棒８２がボール６３をスプリング６７のばね力に抗し
て押して供給路を開放すると，オイル室６８内のオイル
が流出する状態になり，その状態で，ロッカアーム５４
の先端部５９が上シリンダ６０を押し下げると，オイル
室６８内のオイルが流出し，下シリンダ６１は加工する
ことなく，上シリンダ６０内へ下シリンダ６１が侵入
し，下シリンダ６１の先端が上シリンダ６０の段部７４
に当接した位置で初めて停止し，上シリンダ６０と下シ
リンダ６１との有効長さが最も短くなり，そこで，下シ
リンダ６１がローラ６２及び弁ホルダ５３を介して制御
弁５をリフトするので，制御弁５のリフト量が小さくな
る。勿論，油圧制御装置７０によるオイル室６８へのオ
イル（油圧）の供給量の制御によって，上記有効長さは
制御され，吸気弁１１のリフト量が制御される。

【００２７】このガスエンジンは，制御弁５が閉鎖した
状態で，吸気弁１１の開放によってターボチャージャ１
５のコンプレッサ１７からの空気が吸気管４０を通じて
吸気ポート７，９から主室１に供給される。主室１の空
気は制御弁５の閉鎖状態で圧縮行程において圧縮され
る。一方，天然ガス燃料がガス燃料供給源から天然ガス
供給通路３３を通じて燃料供給口４３から副室２に供給
される。主室１と副室２を構成する燃焼室部材３は，Ｓ
ｉ₃Ｎ₄等のセラミックスから作製され，シリンダヘッ
ド４のキャビティ１４に遮熱空気層２８を形成するよう
にガスケット２９を介在して配置され，主室１と副室２
が遮熱構造に構成されている。また，シリンダ２７内を
往復動するピストン６は，主室１の一部を構成する凹部
４５が形成されたピストンヘッド２２と，ピストンヘッ
ド２２に遮熱空気層３７を形成するようにガスケット４
８を介在して結合リング３８によって固定されたピスト
ンスカート２３から構成されている。

【００２８】次に，図４及び図５を参照して，この吸気
弁開放期間制御装置を備えたガスエンジンの作動につい
て説明する。このガスエンジンは，図５に示すように，
吸入行程，圧縮行程，膨張行程及び排気行程から成るミ
ラーサイクルによって作動され，吸気温度及び燃焼室壁
温に応じて吸気弁開放期間制御装置５２を作動して吸気
弁１１の開閉タイミングを制御することである。図５に
示すミラーサイクルでは，エンジンの全負荷と部分負荷
では筒内圧力が異なり，全負荷では高く，また部分負荷
では低くなるが，線図ではほぼ同様な軌跡となるので，
全負荷と部分負荷との運転状態では特に別けて記載して
いない。

【００２９】このガスエンジンは，図４の線図に示すよ
うに，膨張行程下死点Ｇ近傍で排気弁１２が排気ポート
１０を開放し，制御弁５が連絡口２５を開放しているの
で，排気行程において主室１と副室２に存在する排気ガ
スが排気ポート１０，８及び排気管３１を通じて排出さ
れ，その排気ガスは排気管３１に設けたターボチャージ
ャ１５のタービン１６へ送り込まれ，排気ガス排出口４
２から排出される。この時には燃料弁１３が燃料供給口
４３を閉鎖しており，副室２へガス燃料は供給されない
状態である。ターボチャージャ１５のタービン１６が排
気ガスによって駆動されると，シャフト２１を通じてコ
ンプレッサ１７が駆動され，コンプレッサ１７の駆動で
空気取入口４１から取り入れられた空気は，コンプレッ
サ１７で加圧されて吸気管４０を通じて吸気ポート７，
９から主室１に供給される。また，シャフト２１の回転
によって，シャフト２１に固定された永久磁石の回転子
１９が回転し，電動・発電機１８が発電機運転され，電
動・発電機１８で発電された電力は，バッテリに蓄電さ
れたり，或いは補機で消費される。

【００３０】このガスエンジンは，排気行程上死点Ｈの
近傍で吸気弁１１が吸気ポート９を開放して吸入行程上
死点Ｉに移行し，制御弁５は連絡口２５を閉鎖して主室
１と副室２とを遮断し，ターボチャージャ１５のコンプ
レッサ１７から過給された吸入空気が主室１に供給され
る。また，制御弁５が連絡口２５を閉鎖した後に，燃料
弁１３が燃料供給口４３を開放し，天然ガス燃料が燃料
供給路３３を通じて副室２に供給される。このガスエン
ジンでは，特に，一方の吸気弁１１の開弁期間が吸気弁
開放期間制御装置５２で制御されることであり，始動時
及び始動直後の暖機運転時には，図４に示すように，吸
気弁１１のうち一方の前開き吸気弁１１Ａは延長リフト
期間で作動され（図５の点Ａ又は点Ｂを通るＰＶ線参
照），他方の後開き吸気弁１１Ｂが吸気弁開放期間制御
装置５２によって制御され，開弁期間が短縮される（図
５の点Ｃ又は点Ｄを通るＰＶ線参照）。この時，前開き
吸気弁１１Ａは，吸気ポート９の閉弁タイミングが圧縮
行程前半（図５の点Ａ）で閉鎖し，主室１の吸気の一部
を吸気ポート９，７へ逆流させるように制御するもので
ある。次いで，暖機運転後の燃焼室やその壁温が予め決
められた所定の温度より高くなった時には，吸気弁開放
期間制御装置５２の制御が停止され，後開き吸気弁１１
Ｂは前開き吸気弁１１Ａと同様の作動を行なうようにな
る。

【００３１】このガスエンジンは，上記のように，始動
時や始動後の暖機運転時に，前開き吸気弁１１Ａが通常
即ち延長リフト期間の開弁期間で作動され，後開き吸気
弁１１Ｂが吸気弁開放期間制御装置５２によって開弁期
間が短縮された場合には，前開き吸気弁１１Ａによって
のみ吸気ポート９，７への吸入空気の逆流が発生するの
みとなり，圧縮比が高くなって副室２での着火燃焼を確
実に起こすことができる。また，暖機運転後に，前開き
吸気弁１１Ａと後開き吸気弁１１Ｂとの両吸気弁１１が
通常の開弁期間で作動される時には，両吸気弁１１によ
って吸気ポート９，７への吸入空気の逆流が発生するの
で，実圧縮比は低下し，吸入空気は副室２内へ十分に供
給され，ノッキングが発生するこなく，スートやＨＣの
発生が抑制される。

【００３２】また，吸気弁１１が通常の延長リフト期間
の開弁期間で作動される時には，主室１内の吸入空気の
一部は吸気ポート９，７へ逆流されるので，主室１内で
の所定の空気量を確保するため，ターボチャージャ１５
のコンプレッサ１７によってブースト圧力を上げておく
か，又は，燃焼の不安定な部分負荷である時には，ブー
スト圧力を上げることができないので，コントローラ５
０の指令によって電動・発電機１８を電動機運転して吸
入空気圧を上昇させる制御を行なう。始動時，暖機運転
は，例えば，温度センサ５１で検出することができる。
温度センサ５１で検出した温度信号によってコントロー
ラ５０は，エンジンの運転状態を判断でき，吸気弁開放
期間制御装置５２による吸気弁１１の開弁期間が上記の
ように制御できる。

【００３３】このガスエンジンは，排気行程上死点Ｈ近
傍で吸気弁１１が吸気ポート９を開放し，吸入行程上死
点Ｉに移行すると共に，制御弁５は連絡口２５を閉鎖し
て主室１と副室２とを遮断し，ターボチャージャ１５の
コンプレッサ１７から過給された吸入空気が主室１に供
給される。この時，排気行程と吸入行程とでは筒内圧力
はほとんど同一程度である。また，制御弁５が連絡口２
５を閉鎖した後に，燃料弁１３が燃料供給口４３を開放
し，天然ガス燃料が燃料供給路３３を通じて副室２に供
給される。このガスエンジンは，吸気弁１１の開閉タイ
ミングが吸気弁開放期間制御装置５２で制御され，吸気
温度及び／又は燃焼室壁温が予め決められた所定の値よ
り低い時には，図４で実線で示すように，吸気弁１１の
うち一方の後開き吸気弁１１Ｂの吸気ポート９の閉弁期
間を早くして圧縮行程下死点のＥ近傍で閉鎖するように
制御する。天然ガスの場合には断熱圧縮，膨張だから圧
縮始めは下死点Ｅに一致せず若干圧力が下がった地点
Ｅ’となる。その時は，圧縮行程は点Ｃを通るＰＶ線に
従って主室１内の圧力が上昇し，圧縮行程上死点では圧
力Ｐ₃になり，圧縮比をアップさせる状態となる。この
時，吸入空気量が不足する場合には，ターボチャージャ
１５を作動してブースト圧力がアップし，圧縮行程は点
Ｃではなく，点Ｄを通るＰＶ線に従って主室１内の圧力
が上昇し，圧縮行程上死点では圧力Ｐ₄になり，圧縮比
をアップさせる状態となる。

【００３４】また，このガスエンジンにおいて，暖機運
転後の燃焼室壁温が予め決められた所定の温度より高い
時には，図５で点線で示すように，吸気弁１１の吸気ポ
ート９の閉弁期間を遅らせて延長リフト期間となって圧
縮行程前半Ａで閉鎖し，主室１の吸気の一部を吸気ポー
ト９，７へ逆流させるように制御する。この時，圧縮行
程前半の点Ａに至るまでは筒内圧力は吸入行程時の筒内
圧力とほぼ同一の線を通る。次いで，圧縮行程は点Ａを
通るＰＶ線に従って主室１内の圧力（筒内圧力）が上昇
し，圧縮行程上死点では圧力Ｐ₁になり，圧縮比が低減
した状態となる。この時，吸入空気量が不足するので，
ターボチャージャ１５を作動してブースト圧力を上昇さ
せ（Ｉ→ＩＢ），圧縮行程は点Ａから点Ｂに移行し（Ｅ
→ＥＢ），点Ｂを通るＰＶ線に従って主室１内の圧力が
上昇し，圧縮行程上死点では圧力Ｐ₂になり，圧縮比が
アップする。場合によっては，燃焼室壁温が予め決めら
れた所定の温度より高い時には，点ＡのＰＶ線と点Ｃの
ＰＶ線との間の斜線で示す範囲内で，吸気弁１１のリフ
トを小さく制御し，吸気弁１１の吸気ポート９の閉弁期
間を遅らせて閉鎖し，主室１の吸気の一部を吸気ポート
９，７へ逆流させる制御を行なうことができ，この時
は，圧縮行程は点Ａ〜点Ｃとの間を通るＰＶ線に従って
主室１内の圧力が上昇し，圧縮行程上死点では圧力Ｐ₁
〜Ｐ₃の範囲の圧力になり，圧縮比が低減した状態とな
る。

【００３５】このガスエンジンは，圧縮行程に移行した
時，後開き吸気弁１１Ｂが圧縮行程下死点Ｅで閉鎖した
時には主室１内の吸入空気は吸気ポート９，７へ逆流さ
れることなく，主室１内で圧縮される。また，吸気弁１
１Ａが吸入行程上死点Ｉで開放し，圧縮行程前半の点Ａ
まで遅れて閉鎖した時には主室１内の吸入空気の一部は
吸気ポート９，７へ逆流されるので，主室１内での所定
の空気量を確保するため，ターボチャージャ１５のコン
プレッサ１７によってブースト圧力を上げておくか，又
は，燃焼の不安定な部分負荷である時には，ブースト圧
力を上げることができないので，コントローラ５０の指
令によって電動・発電機１８を電動機運転してブースト
圧力を上昇させる制御を行なう。即ち，圧縮行程で点Ａ
又は点Ｃを通るＰＶ線に従う場合には，ブースト圧力を
上げると，点Ｂ又は点Ｄを通るＰＶ線に従って主室１内
のブースト圧力が上昇し，圧縮行程上死点では圧力Ｐ₁
→圧力Ｐ₂又は圧力Ｐ₃→圧力Ｐ₄へ上昇し，所定の吸
入空気量を確保できる状態になる。

【００３６】吸気弁１１が吸気ポート９を閉鎖した後の
圧縮行程では主室１内の吸入空気が圧縮されて高温圧縮
空気になる。そこで，圧縮行程上死点近傍で，制御弁５
が連絡口２５を開放し，主室１内で高温圧縮空気が主室
１から連絡口２５を通じて副室２に供給される。主室１
から高温圧縮空気が連絡口２５を通じて副室２に供給さ
れると，高温圧縮空気は副室２内のガス燃料と迅速に混
合されて着火燃焼し，副室２内の圧力が最高圧Ｊにまで
上昇して副室２から連絡口２５を通じて主室１へ火炎，
未燃混合気等のガスが噴き出され，膨張行程に移行し，
膨張行程上死点Ｋより膨張行程下死点Ｇへ向かってピス
トン６を押し下げ，ピストン６に仕事をする。このガス
エンジンは，ピストン６の下降によってエンジン出力軸
４７を回転させ，出力軸４７が発電機４６を駆動して発
電する。膨張行程下死点Ｇ近傍で排気弁１２が開放し，
筒内圧力は若干低下し，排気行程下死点Ｆへ移行し，排
気行程が進行することになる。

【００３７】

【発明の効果】この発明による吸気弁開放期間制御装置
を備えたガスエンジンは，上記のように，始動時，暖機
運転の作動条件に応じて一方の吸気弁の開弁期間を変更
して圧縮比を上昇させ，着火燃焼を良好に行なわせ，ま
た，暖機運転後には実圧縮比を低下させ，しかも，吸気
弁の開弁期間を長くした時には，吸入空気量が不足する
おそれがあるので，ターボチャージャを駆動して主室に
供給される吸入空気量を確保し，更に，燃焼の不安定な
部分負荷時にはターボチャージャに設けた電動・発電機
を電動機運転させて吸入空気圧を上昇させるので，主室
へは常に適正な吸入空気量が供給され，実圧縮比を常に
適正に設定でき, 熱効率をアップさせることができる。
しかも，始動時，暖機運転のエンジン作動条件にかかわ
らず，実圧縮比が常に適正に設定されるので，副室へは
主室から十分な吸入空気が供給され，圧縮比が高過ぎて
ノッキングを起こしたりすることがなく，副室で適正な
着火燃焼が行なわれるので，ＨＣやスートの発生を抑制
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による電動・発電機付きターボチャー
ジャを備えたガスエンジンの一実施例を示す断面図であ
る。

【図２】図１のガスエンジンに設けた吸気弁開放期間制
御装置を示す説明図である。

【図３】図１のガスエンジンの排気管に設けた電動・発
電機を持つターボチャージャを示す説明図である。

【図４】図１のガスエンジンにおける吸気弁と排気弁と
のバルブタイミングを示す線図である。

【図５】図１のガスエンジンのミラーサイクルの一例を
示すＰＶ線の概略説明図である。

【符号の説明】

１主室２副室３燃焼室部材４シリンダヘッド５制御弁７，９吸気ポート８，１０排気ポート１１吸気弁１２排気弁１３燃料弁１５ターボチャージャ１８電動・発電機１９回転子２０固定子２１シャフト２５連絡口３１排気管３３燃料供給路３４，３５，３６弁シート４０吸気管４３燃料供給口４６発電機４７エンジン出力軸４９弁ステム５０コントローラ５２吸気弁開放期間制御装置５３弁ホルダ５４ロッカアーム５５カム５８油圧シリンダ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＦ０２Ｄ 19/02 Ｆ０２Ｄ 19/02 Ｚ 23/00 23/00 ＤＦ０２Ｍ 21/02 ３０１Ｆ０２Ｍ 21/02 ３０１Ｌ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主室と該主室に連絡口を通じて連通する
副室とが形成され且つシリンダヘッドに配置された燃焼
室部材，前記主室に連通し且つ前記シリンダヘッドと前
記燃焼室部材とに形成された吸気ポートと排気ポート，
前記吸気ポートを開閉するため前記吸気ポートに配置さ
れた２個の吸気弁，前記排気ポートを開閉するため前記
排気ポートに配置された排気弁，前記連絡口を開閉する
ため前記連絡口に配置された制御弁，前記副室に圧縮天
然ガスを供給するための燃料供給手段，前記排気ポート
に連通する排気管に設けられた電動・発電機を備えたタ
ーボチャージャ，及び前記吸気弁の前記吸気ポートの開
放期間を変更する吸気弁開放期間制御装置を具備し，前
記吸気弁開放期間制御装置によって前記吸気弁の前記吸
気ポートの開放期間を変更して吸入空気量を変更するこ
とから成る吸気弁開放期間制御装置を備えたガスエンジ
ン。
【請求項２】前記吸気弁開放期間制御装置を作動して
一方の前記吸気弁と他方の前記吸気弁の開弁期間を異な
らせ，前記主室に供給される吸入空気量を制御すること
から成る請求項１に記載の吸気弁開放期間制御装置を備
えたガスエンジン。
【請求項３】前記吸気弁開放期間制御装置は，始動時
及び始動直後の暖機運転時には，前記吸気弁の開弁リフ
トを通常リフトより小さくして圧縮比を高くし，前記暖
機運転の後には前記吸気弁の開弁リフトを通常リフトに
戻して実圧縮比を小さくさせるように制御することから
成る請求項１に記載の吸気弁開放期間制御装置を備えた
ガスエンジン。
【請求項４】前記吸気弁開放期間制御装置が前記吸気
弁の開弁リフトを通常リフトにした時には，前記ターボ
チャージャによって吸入空気の圧力を増大させるように
制御することから成る請求項３に記載の吸気弁開放期間
制御装置を備えたガスエンジン。
【請求項５】燃焼の不安定な部分負荷の時には，前記
ターボチャージャに設けた前記電動・発電機を電動機運
転して吸入空気の圧力を増大させるように制御すること
から成る請求項４に記載の吸気弁開放期間制御装置を備
えたガスエンジン。
【請求項６】前記吸気弁開放期間制御装置は，前記吸
気弁の動弁機構に組み込まれた油室の油の出入りによっ
て伸縮可能な油圧シリンダ装置から成り，前記油圧シリ
ンダ装置への油圧はコントローラによって制御されるこ
とから成る請求項１〜５のいずれか１項に記載の吸気弁
開放期間制御装置を備えたガスエンジン。
【請求項７】前記油圧シリンダ装置は，前記吸気弁の
弁ステムに取り付けた弁ホルダと前記動弁機構のカム又
は該カムによって揺動するロッカアームとの間に配設さ
れていることから成る請求項６に記載の吸気弁開放期間
制御装置を備えたガスエンジン。
【請求項８】前記電動・発電機は前記ターボチャージ
ャのシャフトに固定した永久磁石製回転子と前記回転子
に対して配置した固定子から構成されていることから成
る請求項１〜７のいずれか１項に記載の吸気弁開放期間
制御装置を備えたガスエンジン。
【請求項９】前記電動・発電機を電動機運転する場合
には，バッテリ又はエンジン出力軸に取り付けた発電機
によって駆動することから成る請求項１〜８のいずれか
１項に記載の吸気弁開放期間制御装置を備えたガスエン
ジン。
【請求項１０】前記燃焼室部材には，前記主室，前記
副室，前記主室と前記副室とを連通する前記連絡口，前
記吸気弁が着座する弁シートを備えた前記吸気ポート，
前記排気弁が着座する弁シートを備えた前記排気ポー
ト，及び前記燃料供給手段からの圧縮天然ガスを前記副
室に供給するため前記副室に開口した燃料供給口が形成
されていることから成る請求項１〜９のいずれか１項に
記載の吸気弁開放期間制御装置を備えたガスエンジン。