JPH116437A

JPH116437A - 予燃焼室付内燃機関

Info

Publication number: JPH116437A
Application number: JP9159728A
Authority: JP
Inventors: Satoru Goto; 悟後藤; Eibun Nishi; 栄文西; Toru Hashimoto; 徹橋本; Takeyuki Sakagami; 健幸坂上; Yasuki Aida; 泰規合田; Takao Fujiwaka; 貴生藤若; Michiaki Uragami; 道明浦上; Hikari Hirano; 光平野
Original assignee: Niigata Engineering Co Ltd; Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Niigata Engineering Co Ltd; Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1997-06-17
Filing date: 1997-06-17
Publication date: 1999-01-12

Abstract

(57)【要約】【課題】予燃焼室付内燃機関の予燃焼室内における失火
や燃焼不良を解消し、機関の信頼性を向上させる。【解決手段】予燃焼室50はシリンダの主燃焼室の上部中
央に設けられる。予燃焼室は、直径D1の上部51と、主燃
焼室の上部に連絡孔33を介して連通する直径D2の下部53
と、上部と下部の間に設けられた角度αのテーパ状の縮
小断面部52とを有する。点火プラグ34は、シリンダの中
心Ｌから(1/2〜1)D2偏芯させて上部51に設けられる。次
の寸法条件(1)(2)が満足される。(1)130°> α> 90°
(2)3.5>D1/D2>1.5 圧縮行程時に主燃焼室から予燃焼室
に流入した混合気は、予燃焼室の断面積の急変のため外
周部へ拡散されやすく、予燃焼室内の燃料との混合が促
進され濃度むらが減少する。点火プラグ近傍は中央より
も燃焼しやすい燃料濃度となる。予燃焼室内の燃焼条件
が改善される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、予燃焼室付内燃機
関の予燃焼室形状による燃焼性向上に関するものであ
り、予燃焼室付のガスエンジンやガソリンエンジンなど
に適用することができる。

【０００２】

【従来の技術】図６に従来の希薄燃焼ガスエンジンの構
成を燃料ガスの供給系統図により示す。ガスエンジン１
の複数の主燃焼室２は、それぞれバランシングバルブ３
を介して燃料ガス主管４に接続されている。バランシン
グバルブ３はニードル弁構造であり、適当な絞り開度に
調整されている。燃料ガス主管４は、ガバナ５に制御さ
れる第１のガスコントロールバルブ６と、第２のガスコ
ントロールバルブ７を介して供給源に接続されている。
また、各主燃焼室２には、枝管８を介して給気管９が接
続されている。

【０００３】ガスエンジンの燃焼室は主燃焼室２と予燃
焼室１０により構成される。ここで予燃焼室１０はシリ
ンダヘッド内に設けられ、主燃焼室２とは複数の連絡孔
により連通している。各予燃焼室１０は、先端にチェッ
クバルブが組付られている枝管１１を介してパイロット
ガス主管１２に接続されている。パイロットガス主管１
２は、３基の圧力レギュレータ１３，１４，１５と２基
の逆止弁１６，１７を有するパイロットユニット１８を
介して前記燃料ガス主管４に接続されている。

【０００４】図７は、図６の燃料ガスの供給系統図によ
り示した従来の希薄燃焼ガスエンジンにおけるシリンダ
ヘッド付近の構成を示す断面図である。図７において、
２４はピストン、２５はシリンダライナ、２６はシリン
ダヘッドで内燃機関の主要素である。２は主燃焼室であ
り、ピストン２４、シリンダライナ２５、シリンダヘッ
ド２６で囲まれた空間である。１０は予燃焼室であり、
シリンダヘッド２６に、予燃焼室噴口３１と予燃焼室本
体３２を組み込むことにより形成する。２９は、予燃焼
室１０内へ直接燃料ガスを供給するための燃料噴射孔で
ある。主燃焼室２と予燃焼室１０は、予燃焼室１０の下
部の下端部に設けられた複数の連絡孔３３により連通す
る。予燃焼室１０の上部には点火プラグ３４が装着され
ており、これが予燃焼室１０内の混合気の点火源とな
る。

【０００５】図８は前記予燃焼室１０の形状を拡大して
示した図である。この予燃焼室１０は、円筒形の上部４
１と、下端部が半球形とされた円筒形の下部４３と、上
部と下部の間に設けられたテーパ形状の中間部４２とよ
りなる。前記連絡孔３３は下部４３の下端部の半球部分
に設けられている。また、図８中には図示しない点火プ
ラグ３４は、シリンダの中心線上Ｌにあたる上部４１の
上面に配置されている。

【０００６】次に、各部の作用を説明する。排気行程後
半から吸気行程前半において、燃料噴射孔２９から、予
燃焼室１０内に燃料ガスが供給される。これをパイロッ
トガスと呼び、この量はパイロットガス主管４内の圧力
と主燃焼室２内の圧力との差圧（以降、ΔＰと記述す
る）により変化する。また、主燃焼室２には燃料と空気
の混合気が吸気行程において供給される。圧縮行程で
は、ピストン２４により、主燃焼室２内の希薄混合気が
圧縮され、連絡孔３３を介して予燃焼室１０に流入す
る。流入の際に、予燃焼室１０内の燃料と希薄混合気が
混ざり、平均空気過剰率１．０程度の濃度となる。この
状態になったところで、点火プラグ３４の電極のギャッ
プ間において火花放電を生じさせて混合気を着火燃焼さ
せる。予燃焼室１０において燃焼した火炎は、連絡孔３
３を介して主燃焼室２へ伝播し、主燃焼室２の混合気の
着火源となり、主燃焼室２全体を燃焼させる。

【０００７】ここで、空気過剰率λと混合気（燃料と空
気）中の燃料濃度の関係を説明する。メタンガスを主成
分とする都市ガス１３Ａの常温における可燃濃度は５〜
１５％、また理論空気量Ｑ_thは概略１１Ｎｍ³／Ｎｍ³
である。空気過剰率λ＝１．０のときの燃料濃度は下式
により約８％となる。（燃料濃度）＝｛１／（１＋Ｑ_th・λ）｝×１００＝｛１／（１＋１１×１．０）｝×１００≒８（％）

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前述した予燃焼室方式
の希薄燃焼機関の燃焼性を向上させるためには、予燃焼
室１０内の混合を良好にすることが重要である。しか
し、従来の予燃焼室１０の形状では、圧縮行程時に主燃
焼室２から流入する希薄な混合気と予燃焼室１０に供給
されている燃料とが十分に攪拌、混合されないことが多
い。すなわち、予燃焼室１０内の局部燃料濃度は、主燃
焼室２の燃料濃度に近い希薄な部分と、リッチな部分と
が存在する傾向にあった。このように、予燃焼室１０内
の混合が悪い場合、点火プラグ３４の位置によっては、
最悪の場合、着火すらしないことも考えられる。たとえ
着火したとしても、火炎伝播が十分でなく、主燃焼室２
への伝播ができなくなる場合も考えられる。また、パイ
ロットガスの供給量調整や主燃焼室混合気量のシリンダ
間バランスが悪いと燃焼するシリンダや燃焼しないシリ
ンダが生ずることもある。

【０００９】即ち図３（ｃ）に示すように、従来の予燃
焼室付内燃機関では、失火率が実質的に０となる安定燃
焼範囲のΔＰの範囲が狭く、また主燃焼室２内の燃料が
リッチなシリンダとリーンなシリンダとのばらつきが大
きく、このため燃焼するシリンダや燃焼しないシリンダ
が生ずることもある。通常はこのような事態を避けるた
めに、前述ΔＰ調整に際して設定値の最適化を図ってい
るが、図３（ｂ）に示すようにシリンダの主燃焼室２で
の空燃比を均一にして各シリンダ間でのばらつきを少な
くしても、安定燃焼範囲のΔＰの範囲が大幅に改善され
る訳ではなかった。ここで、各シリンダ間のバラツキ調
整は、図６のバランシングバルブ３を利用して行われ
る。

【００１０】本発明の目的は、予燃焼室付内燃機関の予
燃焼室内における燃料と空気の攪拌を促進して燃料濃度
の不均一性を改善し、これにより予燃焼室内の失火や燃
焼不良を解消し、予燃焼室付内燃機関の信頼性を向上さ
せ、さらには、熱効率の向上を図ることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載された予
燃焼室付内燃機関は、シリンダの上部中央に設けられた
主燃焼室（２）と、前記主燃焼室（２）の上部中央に連
絡孔（３３）を介して連通する予燃焼室（５０）と、前
記予燃焼室（５０）に設けられた点火プラグ（３４）と
を有し、前記点火プラグ（３４）による点火によって生
じた前記予燃焼室（５０）内の火炎が前記連絡孔（３
３）から前記主燃焼室（２）内へ伝播する予燃焼室付内
燃機関において、前記予燃焼室（５０）が、直径Ｄ１の
上部（４１）と、前記主燃焼室（２）の上部に連絡孔
（３３）を介して連通する直径Ｄ２の下部（４３）と、
前記上部（４１）と前記下部（４３）の間に設けられた
角度αのテーパ状の縮小断面部（４２）とを有してお
り、下記条件（１）及び（２）を満たすことを特徴とす
る。（１）１３０°＞α＞９０° （２）３．５＞Ｄ１／Ｄ２＞１．５

【００１２】請求項２に記載された予燃焼室付内燃機関
は、請求項１記載の予燃焼室付内燃機関において、前記
点火プラグ（３４）を前記シリンダの中心から±（１／
２）・Ｄ１の範囲に偏芯させて前記予燃焼室（５０）の
前記上部（４１）に配置したことを特徴とする。

【００１３】本手段により、予燃焼室内の局部燃料濃度
の不均一性が改善され、予燃焼室内の燃焼条件の改善と
燃焼の改善が実現する。これによって図３（ａ）に示す
ようにΔＰの範囲拡大が可能となり、各シリンダ間の燃
焼バラツキの改善が実現する。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１及び図２は、予燃焼室付内燃
機関における予燃焼室の形状と、その内部の異なる２位
置ｘ−ｘ’及びｙ−ｙ’における燃料濃度とシリンダ中
心Ｌ（即ち予燃焼室の中心）からの距離との関係を示し
た図である。図１（ａ）は従来例であり、図１（ｂ）は
本発明の実施の形態の一例である。図２（ａ）（ｂ）
は、本例における予燃焼室の形状を規定する条件を求め
るために製作した予燃焼室の形状と、これにおける図１
と同様の実験の結果を示したものである。図１及び図２
に示す燃料濃度分布は、圧縮行程後半の点火時期（上死
点前１９°）におけるものであり、主燃焼室の混合気は
低ＮＯ_X燃焼を実現するために薄い混合気、即ち濃度４
％程度の希薄混合気とした。

【００１５】ここで、予燃焼室内の混合気形成過程につ
いて説明する。図１（ａ）の破線で示すように、予燃焼
室１０における燃料濃度は、圧縮行程中に主燃焼室２か
ら進入する希薄混合気の影響を受ける。希薄混合気は予
燃焼室上部中央を直撃した後、予燃焼室上部に沿って外
周方向に拡散し、側面に到達すると、今度は内壁に沿っ
て下方向に拡散する。

【００１６】予燃焼室１０に直接導入されている燃料、
すなわちパイロットガスは、上記の過程で希薄混合気の
流れに巻き込まれて徐々に拡散していくが、その多くは
主燃焼室からの流れに押しやられ、Ｙ−Ｙ’線上の予燃
焼室外周部に滞留する。その結果、Ｙ−Ｙ’線上の外周
部付近の燃料濃度が高くなる。滞留した濃い燃料は、主
燃焼室からの燃料の流れに隣接しているため、これに巻
き込まれ、再度予燃焼室内部を拡散していく。しかし、
従来の予燃焼室１０ではＹ−Ｙ’線上の外周部分におい
て２０％と高い値を示す。

【００１７】図２（ａ）はＤ１／Ｄ２＝３．５、α＝９
０°として濃度分布を求めたものである。この条件にお
ける特徴を示すと、・中心部分は主燃焼室の影響を受け、燃料濃度が低い領
域が存在する。・外周部分は、中心部の希薄な燃料が拡散しており、燃
料濃度は１８％程度に改善されている。

【００１８】図２（ｂ）はＤ１／Ｄ２＝１．５、α＝１
３０°として濃度分布を求めたものである。この条件に
おける特徴を示すと、・Ｄ２の径が大きくなることにより、中心部分には、燃
料濃度が低い領域が広範囲に存在する。・外周部分は、中心部の希薄な燃料が拡散しており、燃
料濃度が低い領域が広範囲に存在する。

【００１９】プラグ位置を中心からの距離を５ｍｍ偏芯
させると、プラグ位置での燃料濃度を約５％以上にする
ことが可能である。但し、Ｄ２の径が大きくなることに
より、低濃度の範囲が大きくなっているので、偏芯量を
大きくする必要がある。その結果、最大偏芯量の±（１
／２）・Ｄ１に近づくことになる。

【００２０】図１（ｂ）はＤ１／Ｄ２＝３、α＝１２０
°として濃度分布を求めたものである。この条件におけ
る特徴を示すと、・外周部分は、中心部の希薄な燃料が拡散しており、燃
料濃度は１４％程度に改善されている。・プラグ位置を５ｍｍ偏芯させると、プラグ位置でのｙ
−ｙ’線上の燃料濃度が約６％となり着火性が改善され
る。

【００２１】これらの検討から、下記の条件が本課題を
解決するための条件となる。 (1) １３０°＞α＞９０° (2) ３．５＞Ｄ１／Ｄ２＞１．５また、プラグ位置を５ｍｍ偏芯させると、プラグ位置で
の燃料濃度が５％以上となり、着火性が改善される。

【００２２】図１（ｂ）に示す本例の予燃焼室５０で
は、上部５１の直径Ｄ１と、下部５３の直径Ｄ２と、前
記上部５１と前記下部５３の間のテーパ状の縮小断面部
５２の角度αが、前記条件(1) 及び(2) を満たしてい
る。

【００２３】具体的には、本例の予燃焼室付内燃機関
は、６シリンダエンジン（シリンダ径２６０ｍｍ）であ
り、前記Ｄ１＝３０ｍｍ、前記Ｄ２＝１０ｍｍ、前記α
＝１２０°とした。

【００２４】また、本発明の前記条件(1)(2)を満たす図
１（ｂ）に示す本例の予燃焼室５０は、点火プラグ３４
がシリンダの中心Ｌから右側へ５ｍｍ偏芯させて前記予
燃焼室５０の前記上部５１に配置されている。

【００２５】上述した本例の予燃焼室５０の形状によれ
ば、内燃機関の圧縮行程時に、主燃焼室２から予燃焼室
へ混合気が複数の連絡孔３３を介して流入する際に、予
燃焼室５０の下部５３と上部５１の中間部、即ちテーパ
状の縮小断面部５２で急激に断面積が大きくなるため
に、外周部へ混合気が拡散されやすくなる。従って、吸
気行程時に供給された予燃焼室５０内の燃料との混合が
促進され、予燃焼室５０内の濃度むらは従来よりも減少
することになる。本例の予燃焼室５０の形状によれば、
図１（ｂ）に示すように、図１（ａ）に示す従来に比
べ、燃料濃度の不均一性が改善されている。

【００２６】また、図１（ｂ）は、点火プラグ３４の位
置を中心Ｌから５ｍｍ偏芯させているので、点火プラグ
３４近辺の燃料濃度は、図１（ａ）に示す従来に比べ、
より着火しやすい状態となっている。

【００２７】このように本例の予燃焼室５０によれば、
予燃焼室５０内の局部燃料濃度の不均一性が改善され、
予燃焼室５０内の燃焼条件の改善と燃焼の改善が実現す
る。これによって図３（ａ）に示すようにΔＰの範囲拡
大が可能となり、各シリンダ間の燃焼バラツキの改善が
実現する。

【００２８】本例の効果を実験結果によってさらに具体
的に説明する。６シリンダエンジンである本例のエンジ
ンと、比較例である従来の予燃焼室を有する６シリンダ
エンジンを、ＢＭＥＰ１．２３ＭＰａ、９０００ｒｐｍ
で運転し、失火率と前記ΔＰの関係を負荷率を変えて測
定した。図４が従来例、図５が本例である。

【００２９】図５に示すように、本例によればΔＰに対
する安定燃焼範囲が拡大されており、図３（ａ）で示し
た各シリンダの安定燃焼範囲の拡大が実現されているこ
とが具体的に示された。なお、ここで失火率は次のよう
に定義している。失火率：１シリンダにつき、２００個
の燃焼圧力をサンプリングして計算したＰ_mi総数（図４
では、６シリンダエンジンのため１２００個）中のＰ_mi
＜０となる数の総数に対する比を百分率で示した。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の予燃焼室
付内燃機関は、上部と下部と縮小断面部からなる予燃焼
室の形状を、前述した特定の条件で限定した。このた
め、予燃焼室の断面積は、下部から上部に向けて急激に
拡大するので、圧縮行程時に主燃焼室から予燃焼室に混
合気が流入した時に、混合気は予燃焼室内の外周部へ拡
散されやすくなり、吸気行程時に供給された予燃焼室内
の燃料と主燃焼室内の混合気との混合が促進され、予燃
焼室内の濃度むらは従来よりも減少することになる。ま
た、予燃焼室の断面積は、上部から下部に向けて急激に
縮小するので、点火後に燃焼した火炎は迅速に主燃焼室
に伝搬される。これによって予燃焼室内の局部燃料濃度
の不均一性が改善され、予燃焼室内の燃焼条件の改善が
実現する。これによって前記ΔＰの範囲拡大が可能とな
り、各シリンダ間の燃焼バラツキの改善が実現する。

【００３１】点火プラグをシリンダの中心から±（１／
２）・Ｄ１の範囲に偏芯させて予燃焼室の上部に配置す
れば、点火プラグ近傍をより燃焼しやすい燃料濃度とす
ることができ、各シリンダの燃焼条件はさらに改善され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は従来の予燃焼室付内燃機関におけ
る予燃焼室の形状と、その内部の異なる２位置ｘ−ｘ’
及びｙ−ｙ’における燃料濃度とシリンダ中心Ｌ（即ち
予燃焼室の中心）からの距離との関係を示した図であ
る。図１（ｂ）は、本例の予燃焼室付内燃機関における
予燃焼室の形状と、その内部の異なる２位置ｘ−ｘ’及
びｙ−ｙ’における燃料濃度とシリンダ中心Ｌ（即ち予
燃焼室の中心）からの距離との関係を示した図である。

【図２】図２（ａ）（ｂ）は、本例の予燃焼室付内燃機
関における予燃焼室の形状と、その内部の異なる２位置
ｘ−ｘ’及びｙ−ｙ’における燃料濃度とシリンダ中心
Ｌ（即ち予燃焼室の中心）からの距離との関係を示した
図である。

【図３】図３（ａ）は、本例における失火率とΔＰの関
係を各シリンダについて示した図である。図３（ｂ）
は、ばらつきが少ない各シリンダについて失火率とΔＰ
の関係を示した図である。図３（ｃ）は、ばらつきが大
きい各シリンダについて失火率とΔＰの関係を示した図
である。

【図４】従来の予燃焼室を有する予燃焼室付内燃機関に
おけるΔＰと失火率との関係を負荷率ごとに示した図で
ある。

【図５】本例の予燃焼室を有する予燃焼室付内燃機関に
おけるΔＰと失火率との関係を負荷率ごとに示した図で
ある。

【図６】従来の希薄燃焼ガスエンジンとその燃料ガスの
供給系統を示す図である。

【図７】従来の希薄燃焼ガスエンジンにおけるシリンダ
ヘッド付近の構成を示す断面図である。

【図８】従来の予燃焼室の形状を示す図である。

【符号の説明】

２主燃焼室３３連絡孔５０予燃焼室３４点火プラグ４１上部４２縮小断面部４３下部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者橋本徹群馬県太田市西新町125−１株式会社新潟鉄工所太田工場内 (72)発明者坂上健幸東京都大田区蒲田本町１−10−１株式会社新潟鉄工所ガス原動機技術部内 (72)発明者合田泰規大阪府大阪市中央区平野町４丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者藤若貴生大阪府大阪市中央区平野町４丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者浦上道明大阪府大阪市中央区平野町４丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者平野光大阪府大阪市中央区平野町４丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダの上部中央に設けられた主燃焼
室と、前記主燃焼室の上部中央に連絡孔を介して連通す
る予燃焼室と、前記予燃焼室に設けられた点火プラグと
を有し、前記点火プラグによる点火によって生じた前記
予燃焼室内の火炎が前記連絡孔から前記主燃焼室内へ伝
播する予燃焼室付内燃機関において、前記予燃焼室が、直径Ｄ１の上部と、前記主燃焼室の上
部に連絡孔を介して連通する直径Ｄ２の下部と、前記上
部と前記下部の間に設けられた角度αのテーパ状の縮小
断面部とを有しており、下記条件（１）及び（２）を満
たすことを特徴とする予燃焼室付内燃機関。（１）１３０°＞α＞９０° （２）３．５＞Ｄ１／Ｄ２＞１．５
【請求項２】前記点火プラグを前記シリンダの中心か
ら±（１／２）・Ｄ１の範囲に偏芯させて前記予燃焼室
の前記上部に配置したことを特徴とする請求項１記載の
予燃焼室付内燃機関。