JPWO2004099584A1 - Subchamber gas engine combustion chamber structure and subchamber gas engine - Google Patents
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Abstract
副室式ガスエンジンの副燃焼室4を縦断面が略四角形状の凹陥部で形成し、副燃焼室4に副室用燃料ガスを供給する燃料供給路68の開口位置を上記略四角形状断面の上端隅角部に設定する。一方、副室用燃料ガスの副燃焼室4内へ向けての供給方向を、上記略四角形状断面の対角線に沿う方向に設定する。圧縮行程のピストン5の移動に伴って主燃焼室3内の希薄混合気の一部が副燃焼室4に流れ込む際に、副室用燃料ガスを点火プラグ7付近に押し込み、点火プラグ7の着火点S周辺のガス濃度が高く維持される。また、この着火点から離れるに従って、副室用燃料ガスに対する希薄混合気の混合割合が次第に大きくなる。これにより、着火性及び火炎伝播性を良好に得ながらも、点火時における点火栓周囲の圧力及び温度の適正化を図ることができる。The sub-combustion chamber 4 of the sub-chamber type gas engine is formed with a concave portion having a substantially rectangular cross section, and the opening position of the fuel supply passage 68 for supplying the sub-chamber fuel gas to the sub-combustion chamber 4 is defined as the above-mentioned substantially square cross section. Set to the top corner of. On the other hand, the supply direction of the sub-chamber fuel gas into the sub-combustion chamber 4 is set to a direction along the diagonal line of the substantially square cross section. When a part of the lean air-fuel mixture in the main combustion chamber 3 flows into the sub-combustion chamber 4 as the piston 5 moves during the compression stroke, the sub-chamber fuel gas is pushed into the vicinity of the spark plug 7 and the ignition point of the spark plug 7 is reached. The gas concentration around S is kept high. Further, as the distance from the ignition point increases, the mixing ratio of the lean air-fuel mixture to the sub chamber fuel gas gradually increases. Thereby, it is possible to optimize the pressure and temperature around the spark plug at the time of ignition while obtaining good ignitability and flame propagation.
Description
本発明は、GHP(Gas Heat Pump)や発電機等の駆動源として使用される副室式ガス機関及びその副室式ガス機関の燃焼室構造に係る。特に、本発明は、点火プラグ(点火栓)の長寿命化を図るための対策に関する。 The present invention relates to a sub-chamber type gas engine used as a drive source for GHP (Gas Heat Pump), a generator, and the like, and a combustion chamber structure of the sub-chamber type gas engine. In particular, the present invention relates to a measure for extending the life of a spark plug (a spark plug).
従来より、天然ガスやプロパンガス等を燃料とし、GHPや発電機等の駆動源として使用される副室式ガス機関(以下、副室式ガスエンジンと呼ぶ)が知られている。この副室式ガスエンジンは、例えば特開平10−47165号公報に開示されているように、主燃焼室(以下、主室という)と副燃焼室(以下、副室という)とを備え、副室内に高濃度の燃料ガス(例えば濃度100%の燃料ガス)を供給する一方、主室内には低濃度の混合気である超希薄混合気を供給し、副室内に臨む点火プラグの点火によってこの副室内の燃料ガスを燃焼させ、その火炎を主室内の超希薄混合気に伝播させて膨張行程を行うようにしている。
また、上記副室は、一般的には、上記公報に開示されているように略円筒状の空間で成っており、この副室で発生した火炎を主室に伝播するためのスロート及び噴口に連通している。スロートは、副室から主室に向かって延びる小径の通路で形成されている。一方、噴口は、スロートを伝播してくる火炎を主室内に向けて複数方向に放射状に噴射させるための複数の通路として形成されている。これにより、火炎が主室内の広範囲に亘って高速度で伝播され、その結果、着火安定性と急速燃焼とを図り、超希薄燃焼を実現できるようにしている。
ところで、従来の副室式ガスエンジンにあっては、以下の課題(1)(2)があり、これらの課題に対する十分な対策は未だなされていないのが現状である。
(1) 副室内にあっては高濃度の燃料ガスに対して点火プラグによる着火が行われ、また副室と主室とを連通する小径通路で成る噴口が火炎伝播の絞りとして作用するために、この副室内の温度及び圧力は、主室内の温度及び圧力に比べて非常に高くなっている。このため、点火プラグの電極が高温高圧の環境下に長時間晒されることになり、その経時劣化が著しく、点火プラグの長寿命化を図るには限界があった。
(2) 副室内で発生する火炎(トーチ燃焼とも呼ばれる)の燃焼速度は極めて急速であり、ノッキングを防止するためには、点火プラグの点火時期は燃焼TDC(Top Dead Center;上死点)に近くならざるを得ず、つまり、点火時期の遅角マージンが少なく、実際には10°未満の点火進角となっている。従って、点火プラグの点火タイミングは、主室及び副室の内圧がかなり上昇した時点に設定されることになるため、点火プラグを点火させるのに要する電圧値が高くなってしまう。何故なら、この点火時点での混合気密度は高くなっており、この状態で、点火プラグの電極間で絶縁破壊を生じさせて点火するには非常に高い電圧を必要とするためである。その結果、電極の摩耗が急速に進んでしまう可能性があり、それに伴って失火を引き起こす虞があった。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、副室式ガス機関に対し、点火プラグの長寿命化を図ることが可能な燃焼室構造及び副室式ガス機関を提供することにある。Conventionally, a sub-chamber type gas engine (hereinafter referred to as a sub-chamber type gas engine) that uses natural gas, propane gas, or the like as a fuel and is used as a drive source for a GHP, a generator, or the like is known. This sub-chamber type gas engine includes a main combustion chamber (hereinafter referred to as a main chamber) and a sub-combustion chamber (hereinafter referred to as a sub chamber), as disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-47165. While supplying high-concentration fuel gas (for example, 100% concentration fuel gas) into the room, an ultra-lean air-fuel mixture, which is a low-concentration air-fuel mixture, is supplied into the main chamber, and this is ignited by ignition of a spark plug facing the sub chamber The fuel gas in the sub chamber is combusted and the flame is propagated to the ultra-lean mixture in the main chamber to perform the expansion stroke.
Further, the sub chamber is generally formed of a substantially cylindrical space as disclosed in the above publication, and a throat and a nozzle for propagating a flame generated in the sub chamber to the main chamber. Communicate. The throat is formed by a small-diameter passage extending from the sub chamber toward the main chamber. On the other hand, the nozzle hole is formed as a plurality of passages for injecting the flame propagating through the throat radially into the main chamber in a plurality of directions. As a result, the flame is propagated at a high speed over a wide range in the main chamber. As a result, ignition stability and rapid combustion are achieved, and ultra lean combustion can be realized.
By the way, the conventional sub-chamber type gas engine has the following problems (1) and (2), and at present, sufficient measures have not yet been taken for these problems.
(1) In the sub chamber, high-concentration fuel gas is ignited by a spark plug, and the nozzle hole comprising a small-diameter passage communicating the sub chamber and the main chamber acts as a throttle for flame propagation. The temperature and pressure in the sub chamber are much higher than the temperature and pressure in the main chamber. For this reason, the electrode of the spark plug is exposed to a high temperature and high pressure environment for a long time, the deterioration with time is remarkable, and there is a limit to extending the life of the spark plug.
(2) The combustion speed of the flame (also called torch combustion) generated in the sub chamber is extremely rapid, and in order to prevent knocking, the ignition timing of the spark plug is set to combustion TDC (Top Dead Center). In other words, the ignition timing delay margin is small, and the ignition advance is actually less than 10 °. Accordingly, the ignition timing of the spark plug is set at a point in time when the internal pressures of the main chamber and the sub chamber are considerably increased, so that the voltage value required to ignite the spark plug becomes high. This is because the air-fuel mixture density at the time of ignition is high, and in this state, a very high voltage is required for ignition by causing dielectric breakdown between the electrodes of the spark plug. As a result, there is a possibility that the wear of the electrode is rapidly progressed, and there is a risk of causing misfire.
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a combustion chamber structure and a sub-chamber gas capable of extending the life of the spark plug with respect to the sub-chamber gas engine. To provide an institution.
上記の目的を達成するために、本発明は、副室式ガス機関の副燃焼室形状の適正化を図ったり、副燃焼室内への副室用燃料ガスの供給方向を適切に設定することにより、特別な制御動作を必要とすることなしに、副燃焼室内の温度及び圧力を低く抑え、また、点火進角を大きく得ることを可能にして点火プラグ(点火栓)の点火に要する電圧値を低くし、これによって点火プラグの長寿命化を図るようにしている。
1. 本発明の副室式ガス機関の燃焼室構造は、具体的には、シリンダ内に形成された主燃焼室と、この主燃焼室に連通する副燃焼室と、この副燃焼室に臨む点火栓と、副燃焼室へ副室用燃料ガスを供給する燃料供給弁と、この燃料供給弁からの副室用燃料ガスを副燃焼室へ導く燃料供給路とを備え、燃料供給弁から燃料供給路を経て副燃焼室に副室用燃料ガスを供給して点火栓を点火することによって生じた火炎を副燃焼室内から主燃焼室へ伝播させて膨張行程を行う副室式ガス機関における燃焼室構造を前提とする。この燃焼室構造に対し、副燃焼室を、一端が主燃焼室に開放する凹陥部で形成する。また、シリンダ内のピストンが上死点にある状態における主燃焼室と副燃焼室と燃料供給路との総和容積に対して、副燃焼室と燃料供給路との総和容積の比率を1.5〜2.6%に設定している。
上記容積比率(以下、副室容積比率と呼ぶ)が1.5を下回ると、この副室容積比率が小さくなるに従って燃焼変動率は急激に大きくなっていく。また、副室容積比率が2.6を上回ると、副室容積比率が大きくなるに従ってNOx発生量が急激に増加する(図3参照)。これらのことから副室容積比率を1.5〜2.6%の範囲に設定することにより、燃焼変動率の抑制及び低NOx化を共に良好に得ることが可能な副室式エンジンが実現できる。
また、副燃焼室から噴口により火炎ジェットを主燃焼室に噴出する従来の燃焼室構造では噴出された火炎ジェットにより主燃焼室内希薄混合気が急速に燃焼するため点火進角を小さくせざるを得なかったが、本発明に係る副燃焼室は主燃焼室に開放するものであって火炎ジェットの高速噴出がないので、従来と同様の良好な燃焼を再現するには点火進角を大きくする必要がある。つまり、点火時期の遅角マージンを大きく得ることによって、副燃焼室内が比較的低圧である時期に点火栓の点火タイミングを設定することができるため、点火栓を点火させるのに要する電圧値を低くすることが可能になって電極摩耗を抑制でき、失火を防止できる。その結果、点火栓の長寿命化を図ることが可能になる。また、本発明では、上述の如くスロートや噴口を備えない開放型の副燃焼室を採用しているため、点火時に副燃焼室内で発生した火炎が主燃焼室側に伝播し易く、点火栓の電極が高温高圧の環境下に晒される期間が極めて短く、これによっても点火栓の長寿命化を図ることができる。
2. また、点火栓の長寿命化を図るための他の発明としては以下の構成が掲げられる。つまり、シリンダ内に形成された主燃焼室と、この主燃焼室に連通する副燃焼室と、この副燃焼室に臨む点火栓と、副燃焼室へ副室用燃料ガスを供給する燃料供給弁と、この燃料供給弁からの副室用燃料ガスを副燃焼室へ導く燃料供給路とを備え、燃料供給弁から燃料供給路を経て副燃焼室に副室用燃料ガスを供給して点火栓を点火することによって生じた火炎を副燃焼室内から主燃焼室へ伝播させて膨張行程を行う副室式ガス機関における燃焼室構造を前提とする。この燃焼室構造に対し、副燃焼室を、一端が主燃焼室に開放する略円筒状の有底の凹陥部で形成する。また、副燃焼室の内径(D)に対する深さ寸法(L)の比を0.9〜1.5に設定する。
上記比(以下、「L/D」で表す)が0.9を下回ると、この「L/D」が小さくなるに従って燃焼変動率は急激に大きくなっていく。また、「L/D」が1.5を上回ると、「L/D」が大きくなるに従って燃焼変動率は急激に大きくなっていくと共に熱効率も急激に悪化していく(図4参照)。更には、「L/D」を上記の範囲内に設定することにより、点火栓付近のみに適正濃度の燃料ガスを存在させることができて安定したエンジン回転を得ることができる。
また、副燃焼室から噴口により火炎ジェットを主燃焼室に噴出する従来の燃焼室構造では噴出された火炎ジェットにより主燃焼室内希薄混合気が急速に燃焼するため点火進角を小さくせざるを得なかったが、本発明に係る副燃焼室は主燃焼室に開放するものであって火炎ジェットの高速噴出がないので、従来と同様の良好な燃焼を再現するには点火進角を大きくする必要がある。つまり、点火栓の点火進角を従来のものよりも大きくしてもノッキングが発生しにくい安定したエンジン回転を得ることができる。従って、本解決手段によっても、点火時期の遅角マージンを大きく得ることができて、副燃焼室内が比較的低圧である時期に点火栓を点火させることができるため、点火栓を点火させるのに要する電圧値を低くすることが可能になって電極摩耗を抑制でき、失火を防止できる。また、本発明においても、従来のスロートや噴口を備えない開放型の副燃焼室を採用しているため、点火時に副燃焼室内で発生した火炎が主燃焼室側に伝播し易く、点火栓の電極が高温高圧の環境下に晒される期間が極めて短く、これによっても点火栓の長寿命化を図ることができる。
3. また、上述した2つの解決手段を兼ね備えさせることも可能である。その構成は以下のとおりである。シリンダ内に形成された主燃焼室と、この主燃焼室に連通する副燃焼室と、この副燃焼室に臨む点火栓と、副燃焼室へ副室用燃料ガスを供給する燃料供給弁と、この燃料供給弁からの副室用燃料ガスを副燃焼室へ導く燃料供給路とを備え、燃料供給弁から燃料供給路を経て副燃焼室に副室用燃料ガスを供給して点火栓を点火することによって生じた火炎を副燃焼室内から主燃焼室へ伝播させて膨張行程を行う副室式ガス機関における燃焼室構造を前提とする。この燃焼室構造に対し、副燃焼室を、一端が主燃焼室に開放する略円筒状の有底の凹陥部で形成する。また、シリンダ内のピストンが上死点にある状態における主燃焼室と副燃焼室と燃料供給路との総和容積に対して、副燃焼室と燃料供給路との総和容積の比率を1.5〜2.6%に設定している。また、副燃焼室の内径に対する深さ寸法の比を0.9〜1.5に設定している。
この特定事項によれば、上述した2つの解決手段(「副室容積比率」の適正化と「L/D」の適正化)の作用効果を共に発揮することができ、点火栓の長寿命化をより確実に実現することが可能になる。
4. また、上述した各解決手段に係る燃焼室構造を備えた副室式ガス機関も本発明の技術的思想の範疇である。つまり、上記のうち何れか一つの解決手段に係る燃焼室構造を備えた副室式ガス機関であって、上記燃料供給弁から燃料供給路を経て副燃焼室に副室用燃料ガスを供給して点火栓を点火することによって生じた火炎を副燃焼室内から主燃焼室へ伝播させて膨張行程を行うよう構成されたものである。
5. また、副燃焼室内への副室用燃料ガスの供給方向を適切に設定して点火時における点火栓周囲の圧力及び温度の適正化を図る手段として次のものが掲げられる。シリンダ内に形成された主燃焼室と、この主燃焼室に連通する副燃焼室と、この副燃焼室に臨む点火栓と、副燃焼室へ副室用燃料ガスを供給する燃料供給弁と、この燃料供給弁からの副室用燃料ガスを副燃焼室へ導く燃料供給路とを備え、燃料供給弁から燃料供給路を経て副燃焼室に副室用燃料ガスを供給して点火栓を点火することによって生じた火炎を副燃焼室内から主燃焼室へ伝播させて膨張行程を行う副室式ガス機関を前提とする。この副室式ガス機関に対し、上記副燃焼室を、一端が主燃焼室に開放する凹陥部で形成する。そして、上記副室用燃料ガスの副燃焼室内へ向けての供給方向を、副燃焼室内空間における副室用燃料ガスの直線移動距離が最も長くなる方向に設定している。
この特定事項により、燃料供給弁から燃料供給路を経て副燃焼室に供給される副室用燃料ガスは、燃料供給路から副燃焼室内に噴出された後、その吹き出し方向の軸線(例えば燃料供給路の軸線方向に略一致する)に沿って副燃焼室内空間を流れる(移動する)ことになる。このようにして副燃焼室内で副室用燃料ガスが移動している段階で副室式ガス機関では圧縮行程が開始され、ピストンが下死点から上死点に向かって移動する。このピストンの移動に伴って、主燃焼室内の希薄混合気の一部は主燃焼室から副燃焼室に流れ込むことになる。本解決手段では、副燃焼室内空間における副室用燃料ガスの直線移動距離が最も長くなる方向に副室用燃料ガスの供給方向を設定しているため、この副室用燃料ガスが副燃焼室内壁面に到達したり副燃焼室内壁面の影響を受けて副室用燃料ガスの流れ方向が変化(上記吹き出し方向から他の方向へ指向性が変化)したりする前に、希薄混合気の一部の副燃焼室への流れ込み動作を開始することが可能になる。そして、この副燃焼室に流れ込む希薄混合気によって、副燃焼室内の副室用燃料ガスは点火栓付近に向けて押し込められることになり、また、この副室用燃料ガスと希薄混合気との境界部分及びその周辺ではこれら2種類のガスが適度に攪拌されることになる。つまり、吹き出しの指向性が一定方向(上記燃料供給路からの吹き出し方向)である(吹き出しの指向性が変化していない)副室用燃料ガスに対して、希薄混合気による点火栓付近への押し込み、上記境界部分及びその周辺でのガス同士の適度な攪拌がなされる。このため、点火栓の着火点(電極)付近の局部領域では、副室用燃料ガスの上記押し込みによる高濃度状態が維持されることになると共に、この着火点から離れるに従って、副室用燃料ガスに対する希薄混合気の混合割合が次第に大きくなっていく(燃料ガス濃度が次第に低くなっていく)状態となる。この状態で点火栓の点火が行われるため、点火栓付近での初期燃焼(着火)は、高濃度の副室用燃料ガスの存在によって良好に行われ、また、副燃焼室内から主燃焼室内へ向けての火炎伝播は、次第に濃度が低くなっていく混合気によって円滑に行えることになる。
言い換えると、燃料供給弁から副燃焼室に供給される副室用燃料ガス量が所定量に設定されている場合、副燃焼室の全体に亘ってガス濃度が均一になってしまったのでは点火栓の着火点付近のガス濃度が不十分となって着火性に支障を来し、燃焼が不安定となってしまう。逆に、点火栓周辺における副室用燃料ガスの高濃度領域が大きければ、それ以外の領域ではガス濃度が低すぎて火炎伝播性の悪化を来すことになる。また、この場合、煤の発生や点火栓の燻り等の不具合も懸念される。本解決手段では、副室用燃料ガスの点火栓付近への押し込みと副室用燃料ガスに対する希薄混合気の攪拌混合を適正に行い、点火栓の着火点付近のみの比較的狭い領域でのガス濃度を高く得ると共に、着火点から離れるに従ってガス濃度を次第に低く設定できるようにしている。このため、点火直後に副燃焼室内の圧力及び温度が過上昇することは回避され、着火性及び火炎伝播性を良好に得ながらも、点火時における点火栓周囲の圧力及び温度の適正化を図ることができて、点火栓の長寿命化を図ることができる。また、煤の発生や点火栓の燻り等の不具合を招くこともない。
6. 上述した如く、副室用燃料ガスの副燃焼室内へ向けての供給方向を、副燃焼室内空間における副室用燃料ガスの直線移動距離が最も長くなる方向に設定するための具体構成としては以下のものが掲げられる。上記副燃焼室を、縦断面が略四角形状の凹陥部で形成する。そして、副燃焼室に対する燃料供給路の開口位置を上記略四角形状断面の上端隅角部に設定する。一方、上記副室用燃料ガスの副燃焼室内へ向けての供給方向を、上記上端隅角部と、この上端隅角部と対角を成す副燃焼室開放側下端縁部とを結ぶ上記略四角形状断面の対角線に沿う方向に設定している。
このような副室用燃料ガスの吹き出し動作を行うことにより、副燃焼室内へ向けて供給された副室用燃料ガスの一部は副燃焼室内に止まり、他の副室用燃料ガスは副燃焼室から主燃焼室に流れ出す状態となる。そして、副室式ガス機関の圧縮行程では、ピストンが下死点から上死点に向かって移動するのに伴って、上記主燃焼室に流れ出している副室用燃料ガスがシリンダ内の希薄混合気と攪拌混合されながら主燃焼室から副燃焼室に流れ込む。この流れ込みにより、上記副燃焼室内に止まっていた副室用燃料ガスは点火栓付近に向けて押し込められることになる。そして、この押し込められている高濃度の燃料ガスと、主燃焼室から副燃焼室に流れ込む比較的低濃度の燃料ガスとの境界部分及びその周辺ではこれら2種類のガスが適度に攪拌される。このため、点火栓の着火点付近の局部領域では、副室用燃料ガスの高濃度状態が維持されることになると共に、この着火点から離れるに従って、副室用燃料ガスに対する希薄混合気の混合割合が次第に大きくなっていく(燃料ガス濃度が次第に低くなっていく)状態となる。この状態で点火栓の点火が行われるため、点火栓付近での初期燃焼は高濃度の副室用燃料ガスの存在によって良好に行われ、また、副燃焼室内から主燃焼室内への火炎伝播が円滑に行えることになる。つまり、本解決手段の場合にも、着火性及び火炎伝播性を良好に得ながらも、点火時における点火栓周囲の圧力及び温度の適正化を図ることができて、点火栓の長寿命化を図ることができる。
7. 上記解決手段において、副燃焼室内、特に点火栓の着火点付近における副室用燃料ガスの濃度を高く確保するための構成として以下のものが掲げられる。つまり、主燃焼室に開放する副燃焼室の開放側端近傍に、副燃焼室内から主燃焼室への火炎の伝播方向に直交する面の断面積を減少させる絞り部を設けている。これによれば、副燃焼室内へ向けて供給されて副燃焼室内に止まるべき副室用燃料ガスが主燃焼室に流れ出てしまうことを絞り部によって阻止できる。このため、この副室用燃料ガスの量を十分に確保することができ、点火栓の着火点付近の局部領域での副室用燃料ガスの高濃度状態を確実に維持することができて着火性を良好に得ることができる。
8. また、副燃焼室から主燃焼室に流れ出した副室用燃料ガスと希薄混合気との混合ガスを副燃焼室内に円滑に戻すことを可能にするための構成として以下のものが掲げられる。つまり、主燃焼室に開放する副燃焼室の開放側端近傍に、副燃焼室内から主燃焼室への火炎の伝播方向に直交する面の断面積を拡大させる拡大部を設けている。これによれば、圧縮行程におけるピストンの移動に伴う主燃焼室から副燃焼室へのガス(主燃焼室へ流れ出していた副室用燃料ガスと希薄混合気とが攪拌混合されたガス)の流れ込みを円滑に行うことができ、点火栓の着火点から離れるに従って副室用燃料ガスに対する希薄混合気の混合割合が次第に大きくなっていくといった状態を確実に作り出すことができ、火炎伝播性を良好に確保することができる。
9. 更に、副燃焼室から主燃焼室に流れ出した副室用燃料ガスと希薄混合気との混合ガスを副燃焼室内に円滑に戻す際のこれらの攪拌を良好に行わせる構成として以下のものが掲げられる。つまり、主燃焼室に開放する副燃焼室の開放側端における火炎伝播方向に直交する面の開口形状を、副燃焼室の奥側部分における火炎伝播方向に直交する面の開口形状に対して偏心させている。これにより、主燃焼室から副燃焼室内に流れ込む副室用燃料ガスと希薄混合気との混合ガスは、副燃焼室内において水平軸回りの旋回流(タンブル流)となって攪拌混合される。これにより、攪拌が適度に行われて副燃焼室内のガス濃度の適正化を図ることができる。
10. 上記燃料供給弁の具体構成としては以下のものが掲げられる。つまり、内蔵されている弁体の背圧とシリンダ内圧との圧力差に応じて開閉し、開放時に、燃料供給路を経て副燃焼室に副室用燃料ガスを供給する自動弁により燃料供給弁を構成している。
これによれば、副燃焼室に副室用燃料ガスを供給するための特別な制御が不要になり、低コストで信頼性の高い燃料供給系を実現できる。特に、本燃料供給弁(圧力差を駆動力として利用する自動弁)の場合、副室用燃料ガスの供給タイミングや供給量を任意に制御することができず、副室用燃料ガスの供給開始から点火栓の点火までの時間が長くなった場合に、副室用燃料ガスの大部分が主燃焼室に流れ出てしまって、副燃焼室に適正濃度の副室用燃料ガスを存在させることができない場合があった。本発明によれば、上述した如く、副室用燃料ガスの点火栓付近への押し込みと副室用燃料ガスに対する希薄混合気の攪拌混合とにより、自動弁を使用した場合であっても着火性及び火炎伝播性を良好に得ることが可能な副燃焼室の燃料ガス濃度を実現することができる。In order to achieve the above object, the present invention aims to optimize the shape of the sub-combustion chamber of the sub-chamber type gas engine, or by appropriately setting the supply direction of the fuel gas for the sub-chamber into the sub-combustion chamber. Without requiring special control operation, the temperature and pressure in the sub-combustion chamber can be kept low, and the ignition advance angle can be increased, so that the voltage value required for ignition of the ignition plug (ignition plug) can be reduced. This lowers the life of the spark plug.
1. Specifically, the combustion chamber structure of the sub-chamber type gas engine of the present invention includes a main combustion chamber formed in a cylinder, a sub-combustion chamber communicating with the main combustion chamber, and an ignition plug facing the sub-combustion chamber. A fuel supply valve that supplies the sub-chamber fuel gas to the sub-combustion chamber, and a fuel supply passage that guides the sub-chamber fuel gas from the fuel supply valve to the sub-combustion chamber. Combustion chamber structure in a sub-chamber type gas engine that performs an expansion stroke by propagating a flame generated by supplying fuel gas for the sub-chamber to the sub-combustion chamber and igniting a spark plug through the sub-combustion chamber to the main combustion chamber Assuming With respect to this combustion chamber structure, the sub-combustion chamber is formed by a recessed portion whose one end opens to the main combustion chamber. Further, the ratio of the total volume of the sub-combustion chamber and the fuel supply path to the total volume of the main combustion chamber, the sub-combustion chamber and the fuel supply path when the piston in the cylinder is at the top dead center is 1.5. It is set to ~ 2.6%.
When the volume ratio (hereinafter referred to as the sub chamber volume ratio) is less than 1.5, the combustion fluctuation rate increases rapidly as the sub chamber volume ratio decreases. When the sub chamber volume ratio exceeds 2.6, the NOx generation amount increases rapidly as the sub chamber volume ratio increases (see FIG. 3). Therefore, by setting the sub chamber volume ratio in the range of 1.5 to 2.6%, it is possible to realize a sub chamber engine capable of satisfactorily obtaining both suppression of the combustion fluctuation rate and low NOx. .
In addition, in the conventional combustion chamber structure in which a flame jet is ejected from the sub-combustion chamber to the main combustion chamber through the nozzle, the ignition advance must be reduced because the lean mixture in the main combustion chamber burns rapidly due to the ejected flame jet. However, since the auxiliary combustion chamber according to the present invention is open to the main combustion chamber and there is no high-speed jet of flame jet, it is necessary to increase the ignition advance angle in order to reproduce the same good combustion as before. There is. In other words, by obtaining a large ignition timing delay margin, the ignition timing of the spark plug can be set at a time when the sub-combustion chamber is at a relatively low pressure. Therefore, the voltage value required to ignite the spark plug is reduced. This makes it possible to suppress electrode wear and prevent misfire. As a result, it is possible to extend the life of the spark plug. Further, in the present invention, as described above, an open-type subcombustion chamber that does not include a throat or a nozzle is adopted, so that a flame generated in the subcombustion chamber at the time of ignition easily propagates to the main combustion chamber side. The period during which the electrode is exposed to a high-temperature and high-pressure environment is extremely short, and this can also extend the life of the spark plug.
2. Further, as another invention for extending the life of the spark plug, the following configuration is listed. That is, a main combustion chamber formed in the cylinder, a sub-combustion chamber communicating with the main combustion chamber, a spark plug facing the sub-combustion chamber, and a fuel supply valve for supplying sub-chamber fuel gas to the sub-combustion chamber And a fuel supply passage for guiding the subchamber fuel gas from the fuel supply valve to the subcombustion chamber, and supplying the subchamber fuel gas from the fuel supply valve to the subcombustion chamber via the fuel supply passage. A combustion chamber structure in a sub-chamber type gas engine that performs an expansion stroke by propagating a flame generated by igniting the gas from the sub-combustion chamber to the main combustion chamber is assumed. In contrast to this combustion chamber structure, the sub-combustion chamber is formed by a substantially cylindrical bottomed recessed portion having one end opened to the main combustion chamber. Further, the ratio of the depth dimension (L) to the inner diameter (D) of the auxiliary combustion chamber is set to 0.9 to 1.5.
When the ratio (hereinafter referred to as “L / D”) is less than 0.9, the combustion fluctuation rate increases rapidly as “L / D” decreases. When “L / D” exceeds 1.5, the combustion fluctuation rate increases rapidly as “L / D” increases, and the thermal efficiency also deteriorates rapidly (see FIG. 4). Furthermore, by setting “L / D” within the above range, it is possible to make the fuel gas of an appropriate concentration exist only in the vicinity of the spark plug and to obtain stable engine rotation.
In addition, in the conventional combustion chamber structure in which a flame jet is ejected from the sub-combustion chamber to the main combustion chamber through the nozzle, the ignition advance must be reduced because the lean mixture in the main combustion chamber burns rapidly due to the ejected flame jet. However, since the auxiliary combustion chamber according to the present invention is open to the main combustion chamber and there is no high-speed jet of flame jet, it is necessary to increase the ignition advance angle in order to reproduce the same good combustion as before. There is. That is, even if the ignition advance angle of the spark plug is made larger than that of the conventional one, it is possible to obtain a stable engine rotation in which knocking hardly occurs. Therefore, even with this solution, the retarding margin of the ignition timing can be increased, and the ignition plug can be ignited at a time when the subcombustion chamber is at a relatively low pressure. The required voltage value can be lowered, electrode wear can be suppressed, and misfire can be prevented. Also in the present invention, since an open subcombustion chamber having no conventional throat or nozzle is adopted, flames generated in the subcombustion chamber at the time of ignition easily propagate to the main combustion chamber side, and the spark plug The period during which the electrode is exposed to a high-temperature and high-pressure environment is extremely short, and this can also extend the life of the spark plug.
3. It is also possible to have the two solution means described above. The configuration is as follows. A main combustion chamber formed in the cylinder, a sub-combustion chamber communicating with the main combustion chamber, a spark plug facing the sub-combustion chamber, a fuel supply valve for supplying sub-chamber fuel gas to the sub-combustion chamber, A fuel supply passage for guiding the subchamber fuel gas from the fuel supply valve to the subcombustion chamber, and supplying the subchamber fuel gas from the fuel supply valve to the subcombustion chamber through the fuel supply passage to ignite the spark plug It is premised on a combustion chamber structure in a sub-chamber type gas engine that performs an expansion stroke by propagating a flame generated by this process from the sub-combustion chamber to the main combustion chamber. In contrast to this combustion chamber structure, the sub-combustion chamber is formed by a substantially cylindrical bottomed recessed portion having one end opened to the main combustion chamber. Further, the ratio of the total volume of the sub-combustion chamber and the fuel supply path to the total volume of the main combustion chamber, the sub-combustion chamber and the fuel supply path when the piston in the cylinder is at the top dead center is 1.5. It is set to ~ 2.6%. Moreover, the ratio of the depth dimension to the inner diameter of the auxiliary combustion chamber is set to 0.9 to 1.5.
According to this specific matter, the effects of the above-mentioned two solving means (optimization of “sub-chamber volume ratio” and “L / D”) can be exhibited together, and the life of the spark plug can be extended. Can be realized more reliably.
4). Further, a sub-chamber type gas engine having a combustion chamber structure according to each of the above-described solutions is also within the scope of the technical idea of the present invention. That is, a sub-chamber type gas engine having a combustion chamber structure according to any one of the above solutions, wherein the sub-chamber fuel gas is supplied from the fuel supply valve to the sub-combustion chamber through the fuel supply path. Then, the flame generated by igniting the spark plug is propagated from the auxiliary combustion chamber to the main combustion chamber to perform the expansion stroke.
5). Further, the following can be listed as means for optimizing the pressure and temperature around the spark plug at the time of ignition by appropriately setting the supply direction of the fuel gas for the sub chamber into the sub combustion chamber. A main combustion chamber formed in the cylinder, a sub-combustion chamber communicating with the main combustion chamber, a spark plug facing the sub-combustion chamber, a fuel supply valve for supplying sub-chamber fuel gas to the sub-combustion chamber, A fuel supply passage for guiding the subchamber fuel gas from the fuel supply valve to the subcombustion chamber, and supplying the subchamber fuel gas from the fuel supply valve to the subcombustion chamber through the fuel supply passage to ignite the spark plug A sub-chamber type gas engine that performs an expansion stroke by propagating a flame generated by the operation from the sub-combustion chamber to the main combustion chamber is assumed. With respect to this sub-chamber type gas engine, the sub-combustion chamber is formed by a recessed portion whose one end opens to the main combustion chamber. The supply direction of the sub-chamber fuel gas into the sub-combustion chamber is set such that the linear movement distance of the sub-chamber fuel gas in the sub-combustion chamber space is the longest.
Due to this specific matter, the fuel gas for the sub chamber supplied from the fuel supply valve to the sub combustion chamber through the fuel supply passage is ejected from the fuel supply passage into the sub combustion chamber and then the axis of the blowing direction (for example, fuel supply) (Substantially coincides with the axial direction of the road) and flows (moves) in the subcombustion chamber space. Thus, in the stage where the sub chamber fuel gas is moving in the sub combustion chamber, the compression stroke is started in the sub chamber type gas engine, and the piston moves from the bottom dead center toward the top dead center. As the piston moves, a part of the lean air-fuel mixture in the main combustion chamber flows from the main combustion chamber into the sub-combustion chamber. In this solution, since the supply direction of the sub chamber fuel gas is set in the direction in which the linear movement distance of the sub chamber fuel gas in the sub combustion chamber space becomes the longest, the sub chamber fuel gas is supplied to the sub combustion chamber. Part of the lean mixture before reaching the wall surface or changing the flow direction of the sub-chamber fuel gas under the influence of the wall surface of the sub-combustion chamber (the directivity changes from the blowing direction to the other direction). It becomes possible to start the operation of flowing into the auxiliary combustion chamber. The lean air-fuel mixture flowing into the sub-combustion chamber causes the sub-chamber fuel gas in the sub-combustion chamber to be pushed toward the vicinity of the spark plug, and the boundary between the sub-chamber fuel gas and the lean air-fuel mixture. These two kinds of gases are appropriately stirred in the part and its periphery. That is, the directivity of the blowout is in a certain direction (the blowout direction from the fuel supply path) (the directivity of the blowout has not changed). The gas is pushed in and moderately mixed between the gas at the boundary portion and its periphery. For this reason, in the local region in the vicinity of the ignition point (electrode) of the spark plug, a high concentration state is maintained due to the pushing-in of the sub-chamber fuel gas, and as the distance from the ignition point increases, the sub-chamber fuel gas becomes leaner. The mixture ratio of the air-fuel mixture gradually increases (the fuel gas concentration gradually decreases). Since the ignition plug is ignited in this state, the initial combustion (ignition) in the vicinity of the ignition plug is favorably performed due to the presence of the high-concentration sub-chamber fuel gas, and from the sub-combustion chamber to the main combustion chamber. The flame propagation toward the direction can be smoothly performed by the air-fuel mixture whose concentration gradually decreases.
In other words, if the sub-chamber fuel gas amount supplied from the fuel supply valve to the sub-combustion chamber is set to a predetermined amount, if the gas concentration becomes uniform over the entire sub-combustion chamber, ignition will occur. Insufficient gas concentration in the vicinity of the ignition point of the plug will impede ignitability and make combustion unstable. Conversely, if the high concentration region of the sub chamber fuel gas in the vicinity of the spark plug is large, the gas concentration is too low in other regions, resulting in deterioration of flame propagation. Further, in this case, there are concerns about defects such as generation of soot and burning of the spark plug. In this solution, the gas concentration in a relatively narrow region only near the ignition point of the ignition plug is appropriately obtained by appropriately pushing the sub chamber fuel gas into the vicinity of the ignition plug and stirring and mixing the lean mixture with the sub chamber fuel gas. The gas concentration can be gradually set lower as the distance from the ignition point increases. For this reason, it is avoided that the pressure and temperature in the auxiliary combustion chamber rises immediately after ignition, and the pressure and temperature around the spark plug at the time of ignition are optimized while achieving good ignitability and flame propagation. Therefore, the life of the spark plug can be extended. In addition, there is no inconvenience such as generation of soot and burning of the spark plug.
6). As described above, a specific configuration for setting the direction in which the sub chamber fuel gas is supplied to the sub combustion chamber in such a direction that the linear movement distance of the sub chamber fuel gas in the sub combustion chamber space is longest is as follows. Are listed. The sub-combustion chamber is formed of a recessed portion having a substantially rectangular longitudinal section. And the opening position of the fuel supply path with respect to a subcombustion chamber is set to the upper-end corner part of the said substantially square cross section. On the other hand, the supply direction of the fuel gas for the sub chamber toward the sub combustion chamber connects the upper end corner portion and the lower end edge portion of the sub combustion chamber opening side that forms a diagonal with the upper end corner portion. The direction is set along the diagonal line of the rectangular cross section.
By performing such a sub-chamber fuel gas blowing operation, a part of the sub-chamber fuel gas supplied to the sub-combustion chamber stops in the sub-combustion chamber, and other sub-chamber fuel gases are sub-combusted. It will be in the state which flows out from a chamber to the main combustion chamber. In the compression stroke of the sub chamber type gas engine, as the piston moves from the bottom dead center toward the top dead center, the sub chamber fuel gas flowing into the main combustion chamber is diluted with the lean mixture in the cylinder. It flows from the main combustion chamber into the sub-combustion chamber while being mixed with gas. By this flow, the sub-chamber fuel gas that has stopped in the sub-combustion chamber is pushed toward the vicinity of the spark plug. Then, these two kinds of gases are moderately agitated at and around the boundary portion between the high-concentration fuel gas being pushed in and the relatively low-concentration fuel gas flowing from the main combustion chamber into the sub-combustion chamber. Therefore, in the local region near the ignition point of the spark plug, the high concentration state of the sub chamber fuel gas is maintained, and as the distance from the ignition point increases, the mixture ratio of the lean mixture to the sub chamber fuel gas increases. The state gradually increases (the fuel gas concentration gradually decreases). Since the ignition plug is ignited in this state, the initial combustion in the vicinity of the ignition plug is favorably performed due to the presence of the high-concentration sub-chamber fuel gas, and flame propagation from the sub-combustion chamber to the main combustion chamber is achieved. It will be smooth. In other words, in the case of this solution, it is possible to optimize the pressure and temperature around the spark plug at the time of ignition while obtaining good ignitability and flame propagation, and to extend the life of the spark plug. Can be planned.
7). In the above solution, the following can be listed as a configuration for ensuring a high concentration of the sub-chamber fuel gas in the sub-combustion chamber, particularly in the vicinity of the ignition point of the spark plug. That is, the throttle part which reduces the cross-sectional area of the surface orthogonal to the propagation direction of the flame from the subcombustion chamber to the main combustion chamber is provided in the vicinity of the open side end of the subcombustion chamber which opens to the main combustion chamber. According to this, the throttle portion can prevent the sub-chamber fuel gas that is supplied toward the sub-combustion chamber and should stop in the sub-combustion chamber from flowing into the main combustion chamber. For this reason, the amount of the fuel gas for the sub chamber can be sufficiently secured, and the high concentration state of the fuel gas for the sub chamber can be reliably maintained in the local region near the ignition point of the spark plug, so that the ignitability can be maintained. Can be obtained satisfactorily.
8). Moreover, the following is mentioned as a structure for enabling smoothly returning the mixed gas of the sub-chamber fuel gas flowing out from the sub-combustion chamber to the main combustion chamber and the lean mixture into the sub-combustion chamber. That is, an enlarged portion is provided in the vicinity of the open side end of the sub-combustion chamber that opens to the main combustion chamber, and the cross-sectional area of the surface orthogonal to the direction of flame propagation from the sub-combustion chamber to the main combustion chamber is enlarged. According to this, the gas from the main combustion chamber to the sub-combustion chamber (the gas in which the sub-chamber fuel gas that has flowed out to the main combustion chamber and the lean mixture is stirred and mixed) flows along with the movement of the piston in the compression stroke It is possible to create a state in which the mixture ratio of the lean air-fuel mixture to the subchamber fuel gas gradually increases as the distance from the ignition point of the spark plug increases, ensuring good flame propagation. can do.
9. Further, the following is listed as a configuration for favorably performing the agitation when the mixed gas of the sub-chamber fuel gas flowing out from the sub-combustion chamber to the main combustion chamber and the lean mixture is smoothly returned to the sub-combustion chamber. It is done. That is, the opening shape of the surface perpendicular to the flame propagation direction at the open side end of the sub-combustion chamber that opens to the main combustion chamber is eccentric with respect to the opening shape of the surface perpendicular to the flame propagation direction at the back side portion of the auxiliary combustion chamber. I am letting. As a result, the mixed gas of the sub-chamber fuel gas and the lean air-fuel mixture flowing from the main combustion chamber into the sub-combustion chamber is stirred and mixed in the sub-combustion chamber as a swirling flow (tumble flow) around the horizontal axis. Thereby, it can stir moderately and can aim at optimization of the gas concentration in a subcombustion chamber.
10. Specific examples of the fuel supply valve include the following. That is, the fuel supply valve is operated by an automatic valve that opens and closes according to the pressure difference between the back pressure of the built-in valve body and the cylinder internal pressure, and supplies the sub chamber fuel gas to the sub combustion chamber through the fuel supply path when opened. Is configured.
This eliminates the need for special control for supplying the sub-chamber fuel gas to the sub-combustion chamber, thereby realizing a low-cost and highly reliable fuel supply system. In particular, in the case of this fuel supply valve (automatic valve that uses the pressure difference as the driving force), the supply timing and supply amount of the sub chamber fuel gas cannot be arbitrarily controlled, and the supply of the sub chamber fuel gas starts. When the time from ignition to ignition of the spark plug becomes long, most of the sub-chamber fuel gas flows out to the main combustion chamber, and the sub-chamber fuel gas with an appropriate concentration exists in the sub-combustion chamber. There were cases where it was not possible. According to the present invention, as described above, ignitability can be achieved even when the automatic valve is used by pushing the sub chamber fuel gas into the vicinity of the spark plug and stirring and mixing the lean mixture with the sub chamber fuel gas. In addition, it is possible to realize the fuel gas concentration in the sub-combustion chamber that can obtain good flame propagation characteristics.
図1は、本発明の燃焼室構造の第1実施形態に係るエンジンの燃焼室、燃焼室の周辺部及び燃料供給系の概略構成を示す図である。
図2は、本発明の燃焼室構造においてピストンが上死点にある状態における主室及び副室、それらの周辺を示す断面図である。
図3は、本発明の燃焼室構造において副室容積比率を1.0〜3.2%の範囲で変化させた場合のエンジン特性の実験結果を示す図であって、(a)はエンジンの燃焼変動率を、(b)はエンジンの熱効率を、(c)はエンジンが発するNOx量をそれぞれ示す図である。
図4は、本発明の燃焼室構造において副室の内径に対する深さ寸法の比「L/D」を0.6〜1.8の範囲で変化させた場合のエンジン特性の実験結果を示す図であって、(a)はエンジンの燃焼変動率を、(b)はエンジンの熱効率を、(c)はエンジンが発するNOx量をそれぞれ示す図である。
図5は、本発明の第2実施形態に係るエンジンの副室及びその周辺を示す縦断面図である。
図6は、本発明の第2実施形態において異なる方向で副室用燃料ガスを供給した場合のエンジン特性を試験した結果を示す図であって、(a)はエンジンの燃焼変動率を、(b)はエンジンのすす発生量を、(c)はエンジンの熱効率をそれぞれ示す図である。
図7(a)は本発明の第3実施形態に係るエンジンの副室及びその周辺を示す縦断面図であり、図7(b)は副室の下端開口部分及び電極周辺部における開口形状を示す図である。
図8は、本発明の第3実施形態において副室内に絞り部を設けた場合と絞り部を設けない場合とにおけるエンジンの燃焼変動率を示す図である。
図9(a)は本発明の第4実施形態に係るエンジンの副室及びその周辺を示す縦断面図であり、図9(b)は副室の下端開口部分及び電極周辺部における開口形状を示す図である。
図10は、本発明の第4実施形態において副室内に拡大部を設けた場合と拡大部を設けない場合とにおけるエンジンのすす発生量を示す図である。
図11(a)は本発明の第5実施形態に係るエンジンの副室及びその周辺を示す縦断面図であり、図11(b)は副室の下端開口部分及び電極周辺部における開口形状を示す図である。
図12は、本発明の第5実施形態において副室の開口を偏心させた場合と偏心させない場合とにおけるエンジンの燃焼変動率を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an engine combustion chamber, a peripheral portion of the combustion chamber, and a fuel supply system according to the first embodiment of the combustion chamber structure of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the main chamber and the sub chamber in the state where the piston is at the top dead center in the combustion chamber structure of the present invention, and their surroundings.
FIG. 3 is a diagram showing experimental results of engine characteristics when the sub chamber volume ratio is changed in the range of 1.0 to 3.2% in the combustion chamber structure of the present invention. It is a figure which shows a combustion fluctuation rate, (b) shows the thermal efficiency of an engine, (c) shows the NOx amount which an engine emits, respectively.
FIG. 4 is a diagram showing experimental results of engine characteristics when the ratio “L / D” of the depth dimension to the inner diameter of the sub chamber is changed in the range of 0.6 to 1.8 in the combustion chamber structure of the present invention. Here, (a) shows the engine combustion fluctuation rate, (b) shows the engine thermal efficiency, and (c) shows the NOx amount emitted by the engine.
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing an auxiliary chamber of an engine according to the second embodiment of the present invention and its periphery.
FIG. 6 is a diagram showing a result of testing engine characteristics when the sub chamber fuel gas is supplied in a different direction in the second embodiment of the present invention, in which (a) shows the combustion fluctuation rate of the engine, ( (b) is a graph showing the amount of soot generated by the engine, and (c) is a graph showing the thermal efficiency of the engine.
FIG. 7A is a longitudinal sectional view showing a sub chamber and its periphery of an engine according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 7B shows opening shapes in the lower end opening portion and the electrode peripheral portion of the sub chamber. FIG.
FIG. 8 is a diagram showing the combustion fluctuation rate of the engine when the throttle part is provided in the sub chamber and when the throttle part is not provided in the third embodiment of the present invention.
FIG. 9A is a longitudinal sectional view showing a sub chamber and its periphery of an engine according to a fourth embodiment of the present invention, and FIG. 9B shows an opening shape in a lower end opening portion and an electrode peripheral portion of the sub chamber. FIG.
FIG. 10 is a diagram showing the soot generation amount of the engine when the enlarged portion is provided in the sub chamber and when the enlarged portion is not provided in the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 11A is a longitudinal sectional view showing a sub chamber and its periphery of an engine according to a fifth embodiment of the present invention, and FIG. 11B shows opening shapes in the lower end opening portion and the electrode peripheral portion of the sub chamber. FIG.
FIG. 12 is a graph showing the engine combustion fluctuation rate when the sub chamber opening is eccentric and when it is not eccentric in the fifth embodiment of the present invention.
以下、本発明の燃焼室構造の実施形態を図面に基づいて説明する。本形態では、過給機の下流側に設けられたインジェクタによって燃料ガスを主室に向けて供給する所謂インジェクタ式の燃料供給系を備えた副室式ガスエンジンに本発明の燃焼室構造を適用した場合について説明する。
(第1実施形態)
−エンジンの要部の構成−
先ず、本実施形態に係る副室式ガスエンジン(以下、単にエンジンと呼ぶ)の要部である燃料供給系の概略構成について説明する。
図1は、本エンジンの燃焼室、燃焼室の周辺部及び燃料供給系の概略構成を示す図である。この図に示すように本エンジンは、シリンダブロック1の上部にシリンダヘッド2が締結されており、シリンダブロック1内に形成されているシリンダ11と、シリンダヘッド2の下面21との間で形成される空間が主室3として構成されている。図1は、シリンダ11内に挿入されたピストン5が上死点に位置している状態を示している。この状態では、シリンダヘッド2の下面21とピストン5の頂面51との間に形成されている空間31(所謂スキッシュエリア)と、ピストン5の頂面51の中央部に形成された凹陥部52の内部空間32とによって主室3が構成されている。
また、シリンダヘッド2には、主室3に連通する給気ポート22及び排気ポート23が形成されており、給気ポート22には給気弁24が、排気ポート23には排気弁25がそれぞれ設けられている。
一方、シリンダヘッド2の下面21の中央部には副室4が形成されている。この副室4は、円筒状に凹陥されて成っており、下端部が上記主室3に開放している。尚、この副室4の形状については後述する。
そして、この副室4の上部には燃料供給弁としての自動チェック弁62及び点火栓としての点火プラグ7が配設されている。
次に、本エンジンの燃料供給系について説明する。図1において、吸気ポート22は吸気管26を介して吸気マニホールド8に集合し、吸気マニホールド8はスロットル9を介して図示しない過給機に連通しており、エンジンの各気筒毎に設けられた上記吸気管26には燃料ガス供給用のインジェクタ(図示省略)がそれぞれ設けられている。これにより、過給機によって加圧された空気に対してインジェクタから燃料ガスが供給されて低濃度の混合気である超希薄混合気が生成され、この混合気が給気ポート22から主室3に向けて供給されるようになっている。
一方、副室4への燃料ガス供給は、ダイヤフラム式レギュレータ61を利用した上記自動チェック弁62により行っている。このダイヤフラム式レギュレータ61では、周知のように、吸気マニホールド8と連通した吸気管内圧力と同圧の第1圧力室63と、燃料ガス供給源及びチェック弁62に連通した副室供給ガス圧力と同圧の第2圧力室64とが、ダイヤフラム65により区画されており、自動チェック弁62内に配置されたバランススプリング66と、両圧力室63,64の圧力差と、レギュレータスプリング67の設定圧とのバランスにより、機関のポンピング損失を駆動力とし、副室4内に燃料ガスを供給するようになっている。また、自動チェック弁62と副室4とは燃料供給路68によって連通しており、上記ポンピング損失による駆動力によって自動チェック弁62が開放されるタイミングにおいてのみ、100%濃度の燃料ガスが自動チェック弁62から燃料供給路68を経て副室4に供給されるようになっている。
−副室形状の説明−
次に、本形態の特徴部分である副室4の形状について説明する。この副室4は、略円筒状の凹陥部で構成されている。つまり、この副室4は、主室3に向かう火炎の伝播方向(図中の下向き方向)に対して直交する断面形状が略円形の凹陥部で形成されており、主室3に向けて開放する連通部41の開放形状も略円形となっている。また、この連通部41の開口端縁には僅かなテーパ面42が形成されており、断面積が主室3に向かって(下方に向かって)次第に大きくなるよう構成されている。
そして、本形態の特徴の一つとするところは、図1に示すようにピストン5が上死点にある状態におけるシリンダ内空間(主室3となる空間)と副室4の内部空間と燃料供給路68の内部空間との総和容積に対して、副室4の内部空間と燃料供給路68の内部空間との総和容積の比率が1.5〜2.6%に設定されていることにある。
図2は、ピストン5が上死点にある状態における主室3及び副室4、それらの周辺を示す断面図である。この図では、シリンダ内空間(主室3となる空間)に斜線を付している一方、副室4の内部空間と燃料供給路68の内部空間とを黒く塗り潰している。つまり、この斜線を付した部分の空間と黒く塗り潰した部分の空間との総和容積に対して、黒く塗り潰した部分の空間の容積の比率が1.5〜2.6%に設定されている。
また、この比率は好ましくは、2.0〜2.3%に設定する。更に好ましくは、2.15〜2.25%に設定する。
また、この副室4の形状としては、その内径(図2中のD)に対する深さ寸法(図2中のL)の比が0.9〜1.5に設定されている。つまり、図2における「L/D」が0.9〜1.5に設定されている。この比は好ましくは、1.2〜1.3に設定する。更に好ましくは、約1.2に設定する。
次に、上記空間の比率及び副室4の形状を上述の如く設定した理由について説明する。
先ず、上記空間比率の設定理由について説明する。図3は、ピストン5が上死点にある状態におけるシリンダ内空間(主室3となる空間)と副室4の内部空間と燃料供給路68の内部空間との総和容積に対する、副室4の内部空間と燃料供給路68の内部空間との総和容積の比率(以下、これを副室容積比率と呼ぶ)を1.0〜3.2%の範囲で変化させた場合のエンジン特性の実験結果である。図3(a)はエンジンの燃焼変動率を、図3(b)はエンジンの熱効率を、図3(c)はエンジンが発するNOx量をそれぞれ示している。
図3から明らかなように、上記副室容積比率が1.5%のポイントと2.6%のポイントとで大きな変曲点が現れる特性が示されている。つまり、図3(a)に示すように副室容積比率が1.5%を下回ると、副室容積比率が小さくなるに従って燃焼変動率は急激に大きくなっている。また、図3(c)に示すように副室容積比率が2.6%を上回ると、副室容積比率が大きくなるに従って排出されるNOxは急激に多くなる。これらのことから副室容積比率を1.5〜2.6%の範囲に設定することにより燃焼変動率の抑制及び熱効率(図3(b)参照)並びに低NOx化が共に良好に得られることが判る。また、この副室容積比率が1.5〜2.6%の範囲では、エンジンが発するNOx量は規制値A(例えば600ppm)を上回ることもなく(図3(c)参照)、環境への悪影響も少ないエンジンとなっている。
次に、副室4の形状を上述の数値範囲に設定した理由について説明する。図4は、副室4の内径に対する深さ寸法の比「L/D」を0.6〜1.8の範囲で変化させた場合のエンジン特性の実験結果である。図4(a)はエンジンの燃焼変動率を、図4(b)はエンジンの熱効率を、図4(c)はエンジンが発するNOx量をそれぞれ示している。
図4(a)及び図4(b)から明らかなように、上記「L/D」が0.9のポイントと1.5のポイントとで大きな変曲点が現れる特性が示されている。つまり、「L/D」が0.9を下回ると、「L/D」が小さくなるに従って燃焼変動率は急激に大きくなっている。また、「L/D」が1.5を上回ると、「L/D」が大きくなるに従って燃焼変動率は急激に大きくなっていると共に熱効率も急激に悪化している。これらのことから「L/D」を0.9〜1.5の範囲に設定することにより燃焼変動率及び熱効率が共に良好に得られることが判る。また、この「L/D」が0.9〜1.5の範囲では、エンジンが発するNOx量は規制値A(例えば600ppm)を上回ることもなく(図4(c)参照)、環境への悪影響も少ないエンジンとなっている。
−実施形態の効果−
以上説明したように、本形態では、燃焼変動率の抑制及び熱効率並びに低NOx化を共に良好に得ることが可能なエンジンを実現することができる。また、副室4は主室3に開放するものであって火炎ジェットの高速噴出が生じるものではないので、点火プラグ7の点火進角を従来のものよりも大きくしてもノッキングが発生しにくい安定したエンジン回転を得ることができることになる。従って、点火時期の遅角マージンを大きく得ることができて、副室4内が比較的低圧である時期に点火プラグ7を点火させることができる。その結果、点火プラグ7を点火させるのに要する電圧値を低くすることが可能になって電極摩耗を抑制でき、失火を防止できる。これにより、点火プラグ7の長寿命化を図ることが可能になる。また、本エンジンは、従来のスロートや噴口を備えない開放型の副室4を備えているため、点火時に副室4内で発生した火炎が主室3側に伝播し易く、点火プラグ7の電極が高温高圧の環境下に晒されることがなく、これによっても点火プラグ7の長寿命化を図ることができる。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態について説明する。本形態は、副室4内への副室用燃料ガスの供給方向を適切に設定することにより、副室4内の温度及び圧力を低く抑えて点火プラグ7の長寿命化を図るものである。従って、ここでは、副室4内への副室用燃料ガスの供給方向についてのみ説明し、その他の構成(上述した第1実施形態のものと略同一の構成)についての説明は省略する。
図5は副室4及びその周辺を示す縦断面図である。この図では、副室用燃料ガスの副室4内へ向けての供給方向を破線の矢印で示している。
この図5に示すように、本形態では、副室用燃料ガスの副室4内へ向けての供給方向を、副室4内空間における副室用燃料ガスの直線移動距離が最も長くなる方向に設定している。より具体的には、上記副室4を、縦断面が略四角形状の凹陥部で形成しておき、副室4に対する燃料供給路68の開口位置を上記略四角形状断面の上端隅角部(図5における点X)に設定する。一方、副室用燃料ガスの副室4内へ向けての供給方向を、上記上端隅角部(点X)と、この上端隅角部と対角を成す副室開放側下端縁部(図5における点Y)とを結ぶ上記略四角形状断面の対角線(図中に一点鎖線で示すZ)に沿う方向に設定している。つまり、燃料供給路68の軸線方向が、上記上端隅角部(点X)と上記副室開放側下端縁部(点Y)とを通過する方向に延びるように、この燃料供給路68が形成されている。
次に、このようにして副室4内への副室用燃料ガスの供給方向を設定したことによる作用について図5及び図1を参照しながら説明する。
自動チェック弁62の開放に伴って副室用燃料ガスが燃料供給路68を経て副室4内に向けて供給される際、その供給方向(吹き出し方向)は、上記上端隅角部(点X)から上記副室開放側下端縁部(点Y)に向かう方向となる。この吹き出しにより、副室用燃料ガスの一部は副室4内に止まり、他の副室用燃料ガスは副室4から主室3に流れ出す状態となる。このようにして副室用燃料ガスが移動している段階で副室式ガスエンジンでは圧縮行程が開始され、ピストン5が下死点から上死点に向かって移動する。
このピストン5の移動に伴って、上記主室3に流れ出している副室用燃料ガスがシリンダ11内(主室3内)の希薄混合気と攪拌混合されながら主室3から副室4に流れ込む(図5に示す矢印C参照)。つまり、主室3に一旦流れ出た副室用燃料ガスを希薄混合気と攪拌混合しながら副室4に戻すことになる。この場合、本実施形態では、副室4内空間における副室用燃料ガスの直線移動距離が最も長くなる方向に副室用燃料ガスの供給方向を設定しているため、この副室用燃料ガスが副室4の内壁面に到達したり副室4の内壁面の影響を受けて副室用燃料ガスの流れ方向が変化(上記吹き出し方向から他の方向へ指向性が変化)したりする前に、希薄混合気の一部の副室4への流れ込み(矢印C)動作を開始することができる。
この副室4への希薄混合気の流れ込みにより、上記副室4内に止まっていた副室用燃料ガスは点火プラグ7の着火点S付近に向けて押し込められることになる。そして、この押し込められている高濃度の燃料ガスと、主室3から副室4に流れ込む比較的低濃度の燃料ガスとの境界部分及びその周辺ではこれら2種類のガスが適度に攪拌される。このため、点火プラグ7の着火点S付近(電極付近)の局部領域(比較的狭い領域)では、副室用燃料ガスの高濃度状態が維持されることになると共に、この着火点Sから離れるに従って、副室用燃料ガスに対する希薄混合気の混合割合が次第に大きくなっていく(燃料ガス濃度が次第に低くなっていく)状態となる。
この状態で点火プラグ7の点火が行われるため、点火プラグ7付近での初期燃焼は高濃度の副室用燃料ガスの存在(上記狭い領域に存在する高濃度の副室用燃料ガス)によって良好に行われ、また、副室4内から主室3内への火炎伝播が円滑に行えることになる。これにより、点火直後に副室4内の圧力及び温度が過上昇してしまうことは回避される。つまり、本実施形態のように副室4内への副室用燃料ガスの供給方向を設定することにより、着火性及び火炎伝播性を良好に得ながらも、点火時における点火プラグ7周囲の圧力及び温度の適正化を図ることができて、点火プラグ7の長寿命化を図ることが可能になる。
尚、副室用燃料ガスの供給方向としては、上記上端隅角部(点X)から上記副室開放側下端縁部(点Y)に向かう方向に対して僅かにずれた場合であっても上記効果(点火時における点火プラグ7周囲の圧力及び温度の適正化)を得ることは可能である。つまり、図5に破線の矢印で示す供給方向に対して供給方向が5°程度ずれた場合であっても上記効果を奏することは可能である(図5の角度α参照)。
図6は、副室4に対する燃料供給路68の開口位置を上記略四角形状断面の上端隅角部(図5における点X)に設定した状態で、異なる方向に副室用燃料ガスを供給した場合のエンジン特性を試験した結果である。ここでは、供給方向(水平方向に対する副室用燃料ガスの供給方向であって図5における角度θ)が55°のものが、上記上端隅角部(点X)から上記副室開放側下端縁部(点Y)に向かう方向の吹き出しに相当する。本試験では、供給方向(上記角度θ)を40°、55°、70°に変化させた場合について試験を行った。つまり、上記角度θが40°の場合、副室用燃料ガスは副室4の内壁面に向かう方向に吹き出され、角度θが70°の場合、副室用燃料ガスは主室3に向かう方向に吹き出されることになる。図6(a)はエンジンの燃焼変動率を、図6(b)はエンジンのすす発生量を、図6(c)はエンジンの熱効率をそれぞれ示している。
この図6から明らかなように、供給方向を55°に設定することにより、エンジンの燃焼変動率を最も小さくすることが可能であり(図6(a)参照)、また、エンジンの熱効率を最も高く得ることが可能である(図6(c)参照)。また、供給方向を50°以上とすることにより、エンジンのすす発生量は規制値Eを上回ることもなく(図6(b)参照)、環境への悪影響も少ないエンジンとなっている。
(第3実施形態)
次に、第3実施形態について説明する。本形態は、主室3に開放する副室4の開放側端近傍の形状を変更したものであって、その他の構成は上述した第1及び第2実施形態のものと略同一である。従って、ここでは、副室4の開放側端近傍の形状についてのみ説明する。
図7(a)は副室4及びその周辺を示す縦断面図であり、図7(b)は副室4の下端開口部分(図中実線)及び電極周辺部(図中破線)における開口形状を示す図である。また、図7(a)では、副室用燃料ガスの副室4内へ向けての供給方向を破線の矢印で示している。
この図7に示すように、本形態では、主室3に開放する副室4の開放側端近傍に、副室4内から主室3への火炎の伝播方向(図中の下向き方向)に対して直交する面の断面積を減少させる絞り部43を設けている。つまり、この副室4の開放側端の僅か上方位置に、副室4の内周側に向けて円環状に膨出した絞り部43を設け、この部分での開口面積を縮小させている。
このような絞り部43を設けたことにより、副室4内へ向けて供給されて副室4内に止まるべき副室用燃料ガスが主室3に流れ出てしまうことを阻止でき、この副室用燃料ガスの量を十分に確保することができる。このため、点火プラグ7の着火点S付近の局部領域での副室用燃料ガスの高濃度状態を確実に維持することができ、着火性を良好に得ることができる。
図8は、副室4内に絞り部43を設けた場合と、絞り部43を設けない場合とにおけるエンジン特性を試験した結果である。ここでは、絞り部43の形状(副室4内への張り出し量)として種々のものについて試験を行った。図8では、絞り部43を設けない場合の開口部断面比率を「1.0」とし、絞り部43を設けたものにあってはその副室4内への張り出し量が大きいほど開口部断面比率を小さいものとして表している。例えば、点火プラグ7の電極周辺部での開口面積(図7(b)に破線で示した開口面積)に対して絞り部43形成部分での開口面積(図7(b)に実線で示した開口面積)が1/2である場合には開口部断面比率を「0.5」としている。ここでは、この開口部断面比率を、「0.4」、「0,6」、「0.7」、「1.0」としたものについて試験を行った。
この図8から明らかなように、開口部断面比率を「1.0」未満とすることによりエンジンの燃焼変動率を小さく抑えることができる。但し、この開口部断面比率が「0.6」を下回るとエンジンの燃焼変動率は僅かに大きくなる。従って、絞り部43を設ける場合の開口部断面比率としては「0.6」以上であることが好ましい。
尚、上記絞り部43の形成位置としては副室4の開放側端縁部であってもよいし、この副室4の開放側端近傍よりも奥側位置(図中上側位置)であってもよい。何れの場合にも、副室用燃料ガスが主室3に流れ出てしまうことを絞り部43によって阻止することが可能である。
(第4実施形態)
次に、第4実施形態について説明する。本形態も、主室3に開放する副室4の開放側端近傍の形状を変更したものであって、その他の構成は上述した第1及び第2実施形態のものと略同一である。従って、ここでは、副室4の開放側端近傍の形状についてのみ説明する。
図9(a)は副室4及びその周辺を示す縦断面図であり、図9(b)は副室4の下端開口部分(図中実線)及び電極周辺部(図中破線)における開口形状を示す図である。また、図9(a)では、副室用燃料ガスの副室4内へ向けての供給方向を破線の矢印で示している。
この図9に示すように、本形態では、主室3に開放する副室4の開放側端近傍に、副室4内から主室3への火炎の伝播方向(図中の下向き方向)に対して直交する面の断面積を拡大させる拡大部44を設けている。この副室4の開放側端の僅か上方位置から開放側(図中下側)に向かって次第に開口断面積が拡大するような湾曲面で成る拡大部44を設け、この部分での開口面積を拡大させている。
このような拡大部44を設けたことにより、圧縮行程におけるピストン5の移動に伴う主室3から副室4へのガス(主室3へ流れ出していた副室用燃料ガスと希薄混合気とが攪拌混合されたガス)の流れ込みを円滑に行うことができ、点火プラグ7の着火点Sから離れるに従って、副室用燃料ガスに対する希薄混合気の混合割合が次第に大きくなっていくといった状態を確実に作り出すことができ、火炎伝播性を良好に確保することができる。
図10は、副室4内に拡大部44を設けた場合と、拡大部44を設けない場合とにおけるエンジン特性を試験した結果である。ここでは、拡大部44の形状(拡径寸法)として種々のものについて試験を行った。図10では、拡大部44を設けない場合を開口部断面比率を「1.0」とし、拡大部44を設けたものにあってはその拡径寸法が大きいほど開口部断面比率を大きいものとして表している。例えば、点火プラグ7の電極周辺部での開口面積(図9(b)に破線で示した開口面積)に対して拡大部44形成部分での開口面積(図9(b)に実線で示した開口面積)が2倍である場合には開口部断面比率を「2.0」としている。
この図10から明らかなように、開口部断面比率を「1.0」を超える値とした場合、この開口部断面比率が大きくなってもエンジンのすす発生量が規制値Eを上回ることはなく、環境への悪影響も少ないエンジンとなっている。但し、この開口部断面比率が「1.2」を越えるとエンジンの燃焼変動率は僅かに大きくなることが試験結果により確認された。従って、この開口部断面比率の上限値としては「1.2」以下であることが好ましい。
(第5実施形態)
次に、第5実施形態について説明する。本形態は、主室3に開放する副室4の開放側端における火炎伝播方向に直交する面の開口形状を、副室4の奥側部分における火炎伝播方向に直交する面の開口形状に対して偏心させたものである。その他の構成は上述した第1及び第2実施形態のものと略同一である。従って、ここでは、副室4の開放側端における開口形状についてのみ説明する。
図11(a)は副室4及びその周辺を示す縦断面図である。図11(b)は副室4の下端開口部分(図中実線)及び電極周辺部(図中破線)における開口形状を示す図である。 この図11に示すように、本形態では、主室3に開放する副室4の開放側端における火炎伝播方向に直交する面の開口形状を、副室4の奥側部分における火炎伝播方向に直交する面の開口形状に対して偏心させている。具体的には、副室4の側壁のうち一方側の側壁(図11(a)における左側の側壁)を副室4の軸線付近まで膨出させ、この膨出部分45を主室3への開口部分まで垂下させている。このため、副室4の奥側部分(例えば点火プラグ7の電極周辺部)における軸線L1に対して、この開口部分の軸線L2は、上記膨出部分45が形成されていない側に偏心した状態となっている。尚、本形態のものでは、副室4の開口部分の形状を長円形状としたが(図11(b)参照)、副室4の奥側部分における軸線L1に対して偏心する位置に形成されておれば、真円形状であってもよいし、円以外の形状であってもよい。
本形態の副室構造における副室4内へ向けての副室用燃料ガスの供給方向としては、図11(a)の紙面に沿う方向、つまり、副室4の上端隅角部から膨出部分45の上面に向かう方向であってもよいし、図11(a)の紙面に直交する方向、つまり、膨出部分45の膨出方向に対して直交する面内において副室4の上端隅角部から副室開放側下端縁部に向かう方向であってもよい。
本形態の構成によれば、主室3から副室4内に流れ込む副室用燃料ガスと希薄混合気との混合ガスは、副室4内において水平軸回りの旋回流(タンブル流)となって攪拌混合される。これにより、副室4内のガス濃度の適正化を図ることができる。
図12は、副室4の開口を偏心させない場合(対称型)と、図11に示すように偏心させた場合(非対称型)とにおけるエンジン特性を試験した結果である。この図12から明らかなように、副室4の開口を偏心させた場合、偏心させない場合に比べてエンジンの燃焼変動率は小さくなっている。
−その他の実施形態−
上記実施形態では、インジェクタ式の燃料供給系を備えた副室式ガスエンジンに本発明を適用した場合について説明した。本発明はこれに限らず、ミキサによって空気と燃料ガスとを混合させて主室に供給する所謂ミキサ式の燃料供給系を備えた副室式ガスエンジンに適用することも可能である。また、本発明は、過給機を備えていない副室式ガスエンジンに適用することも可能である。
また、燃料供給弁としては、上記自動チェック弁62に限らず、電磁駆動ガスインジェクタを適用してもよい。
更に、副室用燃料ガスの副室4内へ向けての供給方向を、副室4内空間における副室用燃料ガスの直線移動距離が最も長くなる方向に設定する場合の副室4の断面形状(火炎の伝播方向に対して直交する断面形状)としては、真円形状に限らず、長円形状や多角形状を採用してもよい。
尚、本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。Hereinafter, an embodiment of a combustion chamber structure of the present invention will be described based on the drawings. In this embodiment, the combustion chamber structure of the present invention is applied to a sub-chamber type gas engine provided with a so-called injector type fuel supply system that supplies fuel gas toward the main chamber by an injector provided on the downstream side of the supercharger. The case will be described.
(First embodiment)
-Configuration of the main parts of the engine-
First, a schematic configuration of a fuel supply system that is a main part of a sub-chamber gas engine (hereinafter simply referred to as an engine) according to the present embodiment will be described.
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a combustion chamber of this engine, a peripheral portion of the combustion chamber, and a fuel supply system. As shown in this figure, the engine has a
The
On the other hand, a
An
Next, the fuel supply system of the engine will be described. In FIG. 1, the
On the other hand, the fuel gas is supplied to the
-Description of subchamber shape-
Next, the shape of the
One of the features of this embodiment is that, as shown in FIG. 1, the space in the cylinder (the space serving as the main chamber 3), the internal space in the
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the
Moreover, this ratio is preferably set to 2.0 to 2.3%. More preferably, it is set to 2.15 to 2.25%.
As the shape of the
Next, the reason why the ratio of the space and the shape of the
First, the reason for setting the space ratio will be described. FIG. 3 shows the
As is apparent from FIG. 3, there is shown a characteristic in which a large inflection point appears when the sub chamber volume ratio is 1.5% and 2.6%. That is, as shown in FIG. 3A, when the sub chamber volume ratio is less than 1.5%, the combustion fluctuation rate increases rapidly as the sub chamber volume ratio decreases. Further, as shown in FIG. 3C, when the sub chamber volume ratio exceeds 2.6%, the NOx discharged increases rapidly as the sub chamber volume ratio increases. Therefore, by setting the sub chamber volume ratio in the range of 1.5 to 2.6%, both the suppression of the combustion fluctuation rate, the thermal efficiency (see FIG. 3B) and the low NOx can be obtained well. I understand. Further, when the sub-chamber volume ratio is in the range of 1.5 to 2.6%, the amount of NOx generated by the engine does not exceed the regulation value A (for example, 600 ppm) (see FIG. 3 (c)). The engine has little adverse effects.
Next, the reason why the shape of the
As is apparent from FIGS. 4A and 4B, there is shown a characteristic in which a large inflection point appears when the “L / D” is 0.9 and 1.5. That is, when “L / D” is below 0.9, the combustion fluctuation rate increases rapidly as “L / D” decreases. Further, when “L / D” exceeds 1.5, the combustion fluctuation rate increases rapidly as “L / D” increases, and the thermal efficiency also deteriorates rapidly. From these facts, it can be seen that by setting “L / D” in the range of 0.9 to 1.5, both the combustion fluctuation rate and the thermal efficiency can be obtained satisfactorily. Further, when the “L / D” is in the range of 0.9 to 1.5, the amount of NOx generated by the engine does not exceed the regulation value A (for example, 600 ppm) (see FIG. 4C), and the environment The engine has little adverse effects.
-Effect of the embodiment-
As described above, in this embodiment, it is possible to realize an engine that can satisfactorily obtain both reduction in combustion fluctuation rate, thermal efficiency, and low NOx. Further, since the
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. In this embodiment, by appropriately setting the supply direction of the sub chamber fuel gas into the
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing the
As shown in FIG. 5, in this embodiment, the supply direction of the sub chamber fuel gas into the
Next, the operation of setting the supply direction of the sub chamber fuel gas into the
When the sub-chamber fuel gas is supplied into the
As the
By the flow of the lean air-fuel mixture into the
Since the
The sub chamber fuel gas supply direction may be slightly shifted from the upper end corner (point X) toward the sub chamber open side lower end edge (point Y). It is possible to obtain the above effect (optimization of pressure and temperature around the
FIG. 6 shows that the sub-chamber fuel gas is supplied in a different direction in a state where the opening position of the
As can be seen from FIG. 6, by setting the supply direction to 55 °, it is possible to minimize the combustion fluctuation rate of the engine (see FIG. 6 (a)), and to maximize the thermal efficiency of the engine. It is possible to obtain high (see FIG. 6C). Further, by setting the supply direction to 50 ° or more, the amount of soot generated by the engine does not exceed the regulation value E (see FIG. 6B), and the engine has little adverse effect on the environment.
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described. In this embodiment, the shape in the vicinity of the open side end of the
FIG. 7A is a longitudinal sectional view showing the
As shown in FIG. 7, in this embodiment, in the vicinity of the open side end of the
By providing such a
FIG. 8 shows the results of testing engine characteristics when the
As is apparent from FIG. 8, the engine combustion fluctuation rate can be kept small by setting the opening cross-sectional ratio to less than “1.0”. However, when the opening cross-sectional ratio is less than “0.6”, the engine combustion fluctuation rate slightly increases. Therefore, it is preferable that the opening section cross-sectional ratio in the case of providing the
In addition, the formation position of the
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described. In this embodiment, the shape of the vicinity of the open side end of the
9A is a longitudinal sectional view showing the
As shown in FIG. 9, in this embodiment, in the vicinity of the open side end of the
By providing such an
FIG. 10 is a result of testing engine characteristics when the
As is apparent from FIG. 10, when the opening cross-sectional ratio is set to a value exceeding “1.0”, the soot generation amount of the engine does not exceed the regulation value E even if the opening cross-sectional ratio increases. The engine has little negative impact on the environment. However, it was confirmed from the test results that the combustion fluctuation rate of the engine slightly increased when the opening cross-sectional ratio exceeded “1.2”. Therefore, the upper limit value of the opening section ratio is preferably “1.2” or less.
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment will be described. In this embodiment, the opening shape of the surface orthogonal to the flame propagation direction at the open side end of the
FIG. 11A is a longitudinal sectional view showing the
In the sub-chamber structure of this embodiment, the sub-chamber fuel gas is supplied into the
According to the configuration of the present embodiment, the mixed gas of the sub-chamber fuel gas and the lean air-fuel mixture flowing from the
FIG. 12 shows the results of testing engine characteristics when the opening of the
-Other embodiments-
In the above embodiment, the case where the present invention is applied to the sub-chamber type gas engine provided with the injector type fuel supply system has been described. The present invention is not limited to this, and can also be applied to a sub-chamber gas engine having a so-called mixer-type fuel supply system in which air and fuel gas are mixed by a mixer and supplied to the main chamber. The present invention can also be applied to a sub-chamber type gas engine not provided with a supercharger.
The fuel supply valve is not limited to the
Further, the cross section of the
It should be noted that the present invention can be implemented in various other forms without departing from the spirit or main features thereof. Therefore, the above-mentioned embodiment is only a mere illustration in all points, and should not be interpreted limitedly. The scope of the present invention is indicated by the scope of claims, and is not restricted by the text of the specification. Further, all modifications and changes belonging to the equivalent scope of the claims are within the scope of the present invention.
以上のように、本発明では、副室式ガス機関の副室形状の適正化を図ったり、副室内への副室用燃料ガスの供給方向を適切に設定することにより、副室内の温度及び圧力を低く抑え、また、点火進角を大きく得ることを可能にして点火プラグ(点火栓)の点火に要する電圧値を低くし、これによって点火プラグの長寿命化を図ることができる。特に圧力差を駆動力として利用する自動弁を利用した副室式ガス機関であっても着火性及び火炎伝播性を良好に得ることができて有用である。 As described above, in the present invention, by optimizing the shape of the sub chamber of the sub chamber type gas engine, or by appropriately setting the supply direction of the fuel gas for the sub chamber into the sub chamber, The pressure can be kept low, and the ignition advance angle can be increased to reduce the voltage value required for ignition of the spark plug (ignition plug), thereby extending the life of the spark plug. In particular, even a sub-chamber type gas engine using an automatic valve that uses a pressure difference as a driving force is useful because it can obtain good ignitability and flame propagation.
Claims (10)
上記副燃焼室は、一端が主燃焼室に開放する凹陥部で形成されており、
上記シリンダ内のピストンが上死点にある状態における主燃焼室と副燃焼室と燃料供給路との総和容積に対して、副燃焼室と燃料供給路との総和容積の比率が1.5〜2.6%に設定されていることを特徴とする副室式ガス機関の燃焼室構造。A main combustion chamber formed in the cylinder, a sub-combustion chamber communicating with the main combustion chamber, a spark plug facing the sub-combustion chamber, a fuel supply valve for supplying sub-chamber fuel gas to the sub-combustion chamber, A fuel supply passage for guiding the subchamber fuel gas from the fuel supply valve to the subcombustion chamber, and supplying the subchamber fuel gas from the fuel supply valve to the subcombustion chamber through the fuel supply passage to ignite the spark plug A combustion chamber structure in a sub-chamber type gas engine that performs an expansion stroke by propagating a flame generated by performing from the sub-combustion chamber to the main combustion chamber,
The sub-combustion chamber is formed with a recessed portion whose one end opens to the main combustion chamber,
The ratio of the total volume of the auxiliary combustion chamber and the fuel supply path to the total volume of the main combustion chamber, the auxiliary combustion chamber and the fuel supply path when the piston in the cylinder is at the top dead center is 1.5 to A combustion chamber structure of a sub-chamber type gas engine characterized by being set to 2.6%.
上記副燃焼室は、一端が主燃焼室に開放する略円筒状の有底の凹陥部で形成されており、
上記副燃焼室の内径に対する深さ寸法の比は0.9〜1.5に設定されていることを特徴とする副室式ガス機関の燃焼室構造。A main combustion chamber formed in the cylinder, a sub-combustion chamber communicating with the main combustion chamber, a spark plug facing the sub-combustion chamber, a fuel supply valve for supplying sub-chamber fuel gas to the sub-combustion chamber, A fuel supply passage for guiding the subchamber fuel gas from the fuel supply valve to the subcombustion chamber, and supplying the subchamber fuel gas from the fuel supply valve to the subcombustion chamber through the fuel supply passage to ignite the spark plug A combustion chamber structure in a sub-chamber type gas engine that performs an expansion stroke by propagating a flame generated by performing from the sub-combustion chamber to the main combustion chamber,
The sub-combustion chamber is formed of a substantially cylindrical bottomed recessed portion whose one end opens to the main combustion chamber,
A combustion chamber structure of a sub-chamber type gas engine, wherein a ratio of a depth dimension to an inner diameter of the sub-combustion chamber is set to 0.9 to 1.5.
上記副燃焼室は、一端が主燃焼室に開放する略円筒状の有底の凹陥部で形成されており、
上記シリンダ内のピストンが上死点にある状態における主燃焼室と副燃焼室と燃料供給路との総和容積に対して、副燃焼室と燃料供給路との総和容積の比率が1.5〜2.6%に設定されていると共に、
上記副燃焼室の内径に対する深さ寸法の比は0.9〜1.5に設定されていることを特徴とする副室式ガス機関の燃焼室構造。A main combustion chamber formed in the cylinder, a sub-combustion chamber communicating with the main combustion chamber, a spark plug facing the sub-combustion chamber, a fuel supply valve for supplying sub-chamber fuel gas to the sub-combustion chamber, A fuel supply passage for guiding the subchamber fuel gas from the fuel supply valve to the subcombustion chamber, and supplying the subchamber fuel gas from the fuel supply valve to the subcombustion chamber through the fuel supply passage to ignite the spark plug A combustion chamber structure in a sub-chamber type gas engine that performs an expansion stroke by propagating a flame generated by performing from the sub-combustion chamber to the main combustion chamber,
The sub-combustion chamber is formed of a substantially cylindrical bottomed recessed portion whose one end opens to the main combustion chamber,
The ratio of the total volume of the auxiliary combustion chamber and the fuel supply path to the total volume of the main combustion chamber, the auxiliary combustion chamber and the fuel supply path when the piston in the cylinder is at the top dead center is 1.5 to 2.6% is set,
A combustion chamber structure of a sub-chamber type gas engine, wherein a ratio of a depth dimension to an inner diameter of the sub-combustion chamber is set to 0.9 to 1.5.
上記副燃焼室は、一端が主燃焼室に開放する凹陥部で形成されており、
上記副室用燃料ガスの副燃焼室内へ向けての供給方向は、副燃焼室内空間における副室用燃料ガスの直線移動距離が最も長くなる方向に設定されていることを特徴とする副室式ガス機関。A main combustion chamber formed in the cylinder, a sub-combustion chamber communicating with the main combustion chamber, a spark plug facing the sub-combustion chamber, a fuel supply valve for supplying sub-chamber fuel gas to the sub-combustion chamber, A fuel supply passage for guiding the subchamber fuel gas from the fuel supply valve to the subcombustion chamber, and supplying the subchamber fuel gas from the fuel supply valve to the subcombustion chamber through the fuel supply passage to ignite the spark plug In the sub-chamber type gas engine that performs the expansion stroke by propagating the flame generated by performing from the sub-combustion chamber to the main combustion chamber,
The sub-combustion chamber is formed with a recessed portion whose one end opens to the main combustion chamber,
The sub-chamber type is characterized in that the supply direction of the sub-chamber fuel gas into the sub-combustion chamber is set in a direction in which the linear movement distance of the sub-chamber fuel gas in the sub-combustion chamber space is the longest. Gas engine.
上記副燃焼室は、縦断面が略四角形状の凹陥部で形成されており、副燃焼室に対する燃料供給路の開口位置は上記略四角形状断面の上端隅角部に設定されている一方、
上記副室用燃料ガスの副燃焼室内へ向けての供給方向は、上記上端隅角部と、この上端隅角部と対角を成す副燃焼室開放側下端縁部とを結ぶ上記略四角形状断面の対角線に沿う方向に設定されていることを特徴とする副室式ガス機関。In the sub-chamber type gas engine according to claim 5,
The sub-combustion chamber is formed with a recessed portion having a substantially rectangular cross section, and the opening position of the fuel supply passage with respect to the sub-combustion chamber is set at the upper corner of the substantially square cross section,
The direction of supply of the auxiliary chamber fuel gas into the auxiliary combustion chamber is the substantially square shape connecting the upper end corner and the lower end edge of the auxiliary combustion chamber opening side that forms a diagonal with the upper end corner. A sub-chamber gas engine characterized by being set in a direction along a diagonal line of the cross section.
上記主燃焼室に開放する副燃焼室の開放側端近傍には、副燃焼室内から主燃焼室への火炎の伝播方向に直交する面の断面積を減少させる絞り部が設けられていることを特徴とする副室式ガス機関。In the sub-chamber type gas engine according to any one of claims 4 to 6,
In the vicinity of the open side end of the sub-combustion chamber that opens to the main combustion chamber, there is provided a constriction that reduces the cross-sectional area of the surface perpendicular to the flame propagation direction from the sub-combustion chamber to the main combustion chamber. Characteristic sub-chamber gas engine.
上記主燃焼室に開放する副燃焼室の開放側端近傍には、副燃焼室内から主燃焼室への火炎の伝播方向に直交する面の断面積を拡大させる拡大部が設けられていることを特徴とする副室式ガス機関。In the sub-chamber type gas engine according to any one of claims 4 to 6,
In the vicinity of the open side end of the sub-combustion chamber that opens to the main combustion chamber, there is provided an enlarged portion that enlarges the cross-sectional area of the surface orthogonal to the propagation direction of the flame from the sub-combustion chamber to the main combustion chamber. Characteristic sub-chamber gas engine.
上記主燃焼室に開放する副燃焼室の開放側端における火炎伝播方向に直交する面の開口形状は、副燃焼室の奥側部分における火炎伝播方向に直交する面の開口形状に対して偏心していることを特徴とする副室式ガス機関。In the sub-chamber type gas engine according to any one of claims 4 to 6,
The opening shape of the surface orthogonal to the flame propagation direction at the open side end of the sub-combustion chamber opening to the main combustion chamber is decentered with respect to the opening shape of the surface orthogonal to the flame propagation direction at the back side portion of the sub-combustion chamber. A sub-chamber gas engine characterized by
上記燃料供給弁は、内蔵されている弁体の背圧とシリンダ内圧との圧力差に応じて開閉し、開放時に、燃料供給路を経て副燃焼室に副室用燃料ガスを供給する自
動弁により構成されていることを特徴とする副室式ガス機関。In the subchamber type gas engine according to any one of claims 4 to 9,
The fuel supply valve automatically opens and closes according to the pressure difference between the back pressure of the built-in valve body and the cylinder internal pressure, and automatically supplies the auxiliary chamber fuel gas to the auxiliary combustion chamber via the fuel supply path when opened. A sub-chamber type gas engine comprising a valve.
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