JP2003214258A - ガス燃料エンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料ガスをシリンダ内に層状に供給して希薄
燃焼を実現できるガス燃料エンジンを提供する。 【解決手段】 吸気弁１５が閉じている状態で吸気通路
５中に燃料ガスを貯留させる第１の燃料供給行程を有す
る。吸入行程で吸気弁１５近傍のガス噴口（ノズル４）
から燃料ガスを吸気通路５中に供給する第２の燃料供給
行程を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス燃料を吸気通
路に供給するガス燃料エンジンに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガス燃料を用いるエンジンは、燃
料ガスをミキサーによって空気と混合させ吸気通路に供
給したり、液体燃料を用いるエンジンと同様にインジェ
クタによって燃料ガスを吸気通路中に噴射する構造を採
っている。ガス燃料は、液体燃料とは異なり、吸気通路
の壁面に付着してそこに滞留するようなことがないか
ら、吸気通路内に広く分散した状態でシリンダ内に吸い
込まれる。

【０００３】一方、液体燃料を用いるエンジンとして
は、理論空燃比より著しく希薄になるように形成した混
合気をシリンダ内の全域に供給するとともに、点火プラ
グの周辺近傍の狭い範囲に相対的に濃い混合気を層状に
供給し、燃焼の安定を図りながら、燃費の向上を図るも
のがある。この種のエンジンにおいて、相対的に濃い混
合気を点火プラグの近傍に集めるためには、例えば、特
開平６−２５７４３２号公報に開示されているように、
シリンダ内に吸気の縦方向の旋回流からなるタンブル流
を発生させるとともに、燃料をインジェクタにより二股
状の吸気ポートの分枝部分に向けて噴射することによっ
て行っていた。すなわち、燃料がシリンダの中央部分を
指向するように噴射され、シリンダ内に吸い込まれた燃
料がタンブル流に乗ってシリンダを流れるから、結果と
してシリンダ中央部の点火プラグの周辺近傍に燃料が集
められるようになる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】発明者らは、ガス燃料
エンジンにおいても、燃料ガスを点火プラグの周辺近傍
に層状に供給し、希薄燃焼を実現させて燃費の向上を図
ることを考えた。しかし、燃料ガスは、液体燃料と比較
して早く空気と混合されるため、燃焼室に吸入される以
前に空気と混合されて吸気通路中に広く分散してしまう
から、これを層状に燃焼室に供給することはできなかっ
た。

【０００５】本発明はこのような問題点を解消するため
になされたもので、燃料ガスをシリンダ内に層状に供給
して希薄燃焼を実現できるガス燃料エンジンを提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明に係るガス燃料エンジンは、ガス燃料を吸気
通路に供給するガス燃料エンジンにおいて、吸気弁が閉
じている状態で吸気通路中に燃料ガスを貯留させる第１
の燃料供給行程と、吸入行程で吸気弁近傍のガス噴口か
ら燃料ガスを吸気通路中に供給する第２の燃料供給行程
とを有するものである。

【０００７】本発明によれば、第１の燃料供給行程にお
いて吸気通路中で燃料ガスと空気とが混合されて混合気
が形成され、この混合気が吸気行程でシリンダ内に分散
する。また、第２の燃料供給行程でガス噴口から吸気弁
の近傍に新たに供給された燃料ガスは、吸気行程で吸気
弁近傍を流れる吸気に乗るようにして広く分散すること
がない状態でシリンダ内に層状に吸い込まれる。

【０００８】請求項２に記載した発明に係るガス燃料エ
ンジンは、請求項１に記載した発明に係るガス燃料エン
ジンにおいて、シリンダ内に吸気の旋回流が生成される
構造とし、ガス噴口から噴射された燃料ガスが前記旋回
流によって点火プラグの近傍に流れる構成としたもので
ある。

【０００９】この発明によれば、燃料ガスを点火プラグ
の近傍にタンブル流によって層状に供給することができ
るから、燃料ガスの総供給量を理論空燃比より著しく希
薄になるように設定しても、点火プラグの周辺近傍の燃
料ガスの濃度を相対的に濃くすることができる。

【００１０】請求項３に記載した発明に係るガス燃料エ
ンジンは、請求項１に記載した発明に係るガス燃料エン
ジンにおいて、ガス燃料を噴射するインジェクタを吸気
通路に配置し、前記インジェクタに、吸気弁の上流近傍
に先端が開口する管部材を接続し、この管部材の前記開
口をガス噴口としたものである。この発明によれば、ガ
ス噴口を設ける位置の自由度が高くなり、吸気出口に接
近させて設けることができる。

【００１１】請求項４に記載した発明に係るガス燃料エ
ンジンは、請求項１に記載した発明に係るガス燃料エン
ジンにおいて、インジェクタによってガス燃料が噴射さ
れる燃料通路を吸気通路壁内に形成し、前記燃料通路の
下流端に、吸気弁の上流近傍に先端が開口する管部材を
接続し、この管部材の前記開口をガス噴口としたもので
ある。この発明によれば、ガス噴口を設ける位置の自由
度が高くなり、吸気出口に接近させて設けることができ
る。

【００１２】請求項５に記載した発明に係るガス燃料エ
ンジンは、請求項３または請求項４に記載した発明に係
るガス燃料エンジンにおいて、インジェクタは複数の燃
料噴射口を有し、それぞれの燃料噴射口に対応する管部
材を備えたものである。この発明によれば、一つのイン
ジェクタで複数の吸気通路に燃料ガスを供給することが
できる。

【００１３】請求項６に記載した発明に係るガス燃料エ
ンジンは、請求項１ないし請求項５のうち何れか一つに
記載した発明に係るガス燃料エンジンにおいて、ガス噴
口が燃焼室中心を基準として排気弁とは反対方向を指向
しているものである。この発明によれば、シリンダ内の
相対的に低温になる部位に燃料ガスが供給される。

【００１４】請求項７に記載した発明に係るガス燃料エ
ンジンは、請求項１ないし請求項５のうち何れか一つに
記載した発明に係るガス燃料エンジンにおいて、気筒毎
に複数の吸気弁を設け、ガス噴口を前記吸気弁毎に設け
たものである。この発明によれば、シリンダ内に複数の
吸気出口から燃料ガスをそれぞれ供給することができる
から、燃料ガスを供給する位置の自由度が向上する。

【００１５】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）以下、本発
明に係るエンジンの一実施の形態を図１ないし図９によ
って詳細に説明する。図１は本発明に係るエンジンの断
面図、図２はエンジンの一部を拡大して示す断面図で、
同図は、ピストンが圧縮行程で上死点に位置付けられた
状態で描いてある。図３はピストンの平面図、図４はエ
ンジンの燃焼室近傍の部位をシリンダヘッド側から見た
状態の構成を示す平面図、図５はシリンダヘッドの燃焼
室壁を示す底面図である。図６はシリンダおよびピスト
ンの縦断面図、図７は図１におけるVII−VII線断面図、
図８は吸・排気弁の開閉時期と燃料噴射時期とを示すタ
イムチャート、図９はピストンの他の例を示す断面図で
ある。

【００１６】これらの図において、符号１で示すもの
は、この実施の形態によるエンジンである。このエンジ
ン１は、ＬＰＧやＣＮＧ（圧縮天然ガス）などのガス燃
料を使用して運転されるもので、このガス燃料をシリン
ダヘッド２の燃料ガス供給用インジェクタ３から後述す
るノズル４を通して吸気通路５内に噴射する構造を採っ
ている。なお、このエンジン１の気筒数は、図１には説
明の便宜上１気筒分しか描かれていないが、複数の気筒
をもつエンジンに用いることができる。図１において、
符号６はシリンダボディを示し、７はピストン、８はコ
ンロッドを示す。

【００１７】前記シリンダヘッド２は、従来からよく知
られているように、ＤＯＨＣ型の動弁装置１１と点火プ
ラグ１２が設けられるとともに、前記吸気通路５を形成
する吸気ポート１３と排気ポート１４とが設けられてい
る。前記動弁装置１１は、一気筒当たり２本ずつの吸気
弁１５と排気弁１６とを有し、これらの吸・排気弁１
５，１６をそれぞれバルブリフター１７を介して吸気カ
ム軸１８と排気カム軸１９とによって駆動する。

【００１８】前記点火プラグ１２は、前記４本の吸・排
気弁１５，１６に囲まれたシリンダ中央部に配設されて
いる。この点火プラグ１２を螺着させるねじ孔を図４お
よび図５中に符号２０で示す。図５において、符号２１
は吸気弁１５によって開閉される吸気ポート１３の吸気
出口を示し、２２は排気弁１６によって開閉される排気
ポート１４の排気入口を示す。

【００１９】前記吸気ポート１３は、この実施の形態で
は吸気弁１５毎に設けられ（図４参照）、図１に示すよ
うに、シリンダヘッド２を上下方向（シリンダ軸線Ｃに
沿う方向）に貫通するように形成されている。この吸気
ポート１３の上流側には、図示していないが、ヘッドカ
バーの吸気通路と、ヘッドカバーに取付けた吸気管など
を介してスロットル弁を接続している。

【００２０】この実施の形態による吸気ポート１３は、
図１に示すように、シリンダヘッド２の上端部の開口か
ら下流側に向かうにしたがって次第に吸気弁１５に接近
するように傾斜し、下流側端部に、下流側へ向かうにし
たがって次第に排気弁１６とは反対側へ延びる傾斜部２
３が設けられている。

【００２１】このように吸気ポート１３を形成すること
により、この吸気ポート１３を通過した吸気は、吸気流
の慣性により吸気出口２１から排気弁１６とは反対方向
を指向する状態でシリンダ内に導かれる。一方、排気ポ
ート１４は、シリンダヘッド２内で排気弁１６毎の排気
通路が合流し、シリンダヘッド２の一側部の排気出口２
４まで延びるように形成されている。

【００２２】前記ピストン７は、図１〜図３および図６
に示すように、頂部７ａに斜面２５および凹部２６を形
成している。前記斜面２５は、図２および図４に示すよ
うに、ピストン７の頂部７ａにおける前記吸気弁１５と
対向する部位に吸気弁１５の並設方向へ延びるように形
成されており、吸気弁１５の弁体１５ｂの端面１５ｃ
（燃焼室壁の一部を形成する面）と平行になるように傾
斜されている。

【００２３】前記凹部２６は、図２および図６に示すよ
うに、ピストン７の頂部７ａにおける前記斜面２５に隣
接する平面視Ｄ字状の部位を下方へ半球状に凹ませるよ
うにして形成されている。なお、ピストン７としては、
図９に示すように、頂部７ａの斜面２５に隣接する部分
を平坦に形成し、この平坦部分７ｂが実質的に凹部２６
になるように形成することもできる。このピストン７を
使用することによって、図１に示すピストン７を使用す
る場合に較べて圧縮比を高くすることができる。

【００２４】前記燃料ガス供給用インジェクタ３は、気
筒毎に設けられ、シリンダヘッド２の一側部であって、
吸気ポート１３どうしの間と対応する部位に取付けられ
ている。このインジェクタ３は、図示していない燃料タ
ンクから燃料ガスが圧送され、予め定めた燃料噴射時期
に先端の燃料噴射口２７（図７参照）からシリンダヘッ
ド２の吸気通路壁内の燃料通路２８に燃料ガスを噴射す
る。

【００２５】このインジェクタ３による燃料噴射は、図
８に示すように、排気行程で吸気弁１５が閉じていると
き（第１の燃料供給行程）と、吸気行程で吸気弁１５が
開いているとき（第２の燃料供給行程）に、運転条件に
対応させてそれぞれに噴射時期と噴射期間を設定してい
る。このインジェクタ３が燃料を噴射する期間は、前記
第１の燃料供給行程のときに第２の燃料供給行程のとき
より長くなるように設定している。燃料噴射量として
は、例えば１サイクルに供給する燃料の略５０〜７０％
の燃料ガスを第１の燃料供給行程で噴射させ、残りを第
２の燃料供給行程で噴射させる。

【００２６】インジェクタ３が燃料を噴射する前記燃料
通路２８は、図７に示すように、インジェクタ装着用の
穴２９から各吸気ポート１３側へ延びて吸気ポート１３
の下流側端部に開口する吸気ポート１３毎の貫通孔３０
と、これらの貫通孔３０にそれぞれ吸気ポート１３の吸
気出口２１側から嵌入させて固着したパイプからなるノ
ズル４とによって構成されている。各ノズル４は、図４
に示すように、吸気ポート１３内における隣り合う吸気
ポート１３の近傍に配設され、図１に示すように、先端
の開口が燃焼室中心を基準として排気弁１６とは反対方
向であって、吸気の流れる方向の下流側を指向するよう
に屈曲されている。前記ノズル４が本発明に係る管部材
を構成し、前記先端の開口が本発明に係る燃料噴口を構
成している。なお、インジェクタ３の燃料噴射口２７
は、貫通孔３０と対向する部位にそれぞれ設けられてお
り、これらの燃料噴射孔２７から貫通孔３０内に燃料ガ
スが直接噴射される。

【００２７】ここでいう吸気流の下流側とは、吸気ポー
ト１３の傾斜部２３によって流れる方向が規制された吸
気の下流側のことをいい、吸気ポート１３の吸気出口２
１から排気弁１６とは反対側であって斜め下方を指向す
る方向のことである。このようにノズル４を形成するこ
とによって、吸気行程でノズル４から吸気ポート１３内
に噴射された燃料ガスは、図１中に黒色に塗り潰した矢
印Ｇで示すように、吸気弁１５と吸気出口２１との間の
隙間を通ってシリンダ内の排気弁１６から離間する方向
であって斜め下方へ流入する。

【００２８】このように構成されたエンジン１において
は、図８に示すように、排気行程でピストン７が上昇し
ているとき（吸気弁１５が閉じているとき）にインジェ
クタ３で１回目の燃料噴射が行われる。このときには、
吸気弁１５が閉じているために、燃料ガスは吸気ポート
１３内に滞留する。そして、排気行程の終期であってピ
ストン７が上死点に達する直前に吸気弁１５が開き、ピ
ストン７が上死点を越えた後の下降行程で、上述したよ
うに吸気ポート１３内に滞留している燃料ガスと、新気
とがシリンダ内に吸い込まれる。

【００２９】前記燃料ガスは、吸気弁１５と吸気出口２
１との間の隙間の略全域からシリンダ内に流入するが、
吸気ポート１３からシリンダ内に斜め下方へ向けて吸入
される吸気に押されるようにして大部分が吸気と略同じ
方向へ流される。この燃料ガスと新気は、シリンダの内
周面に沿うようにシリンダ内の下部へ流れる。

【００３０】上述したようにシリンダ内に吸い込まれた
吸気は、ピストン頂部７ａの凹部２６に当たって流れる
方向が変えられ、シリンダ内に、図１中に矢印Ｔで示す
ようにタンブル流が発生する。このタンブル流は、図１
に示すように、カム軸の軸方向から見てシリンダの軸線
Ｃより吸気弁１５側でシリンダヘッド２から離間し、排
気弁１６側でシリンダヘッド２に接近するような旋回流
で、一般的に呼称されるタンブル流とは旋回する方向が
逆方向のいわゆる逆タンブル流である。このようにタン
ブル流が形成されることによって、燃料ガスが新気と混
合されてシリンダ内で拡散し、希薄な混合気が形成され
る。

【００３１】その後、吸気行程の途中でインジェクタ３
による２回目の燃料噴射が行われる（図８参照）。この
とき、燃料ガスは、２本のノズル４から吸気弁１５と吸
気出口２１との間の隙間を通してシリンダ内にそれぞれ
噴射される。シリンダ内には上述したようにタンブル流
Ｔが形成されているから、前記燃料ガスは、図６に示す
ように、タンブル流Ｔに乗るようにしてシリンダ内で旋
回する。ノズル４は、二つの吸気ポート１３の互いに隣
り合う部分の近傍に設けられているから、このノズル４
から噴射された燃料は、点火プラグ１２の近傍で層状に
流れる。すなわち、圧縮行程の終期には、点火プラグ１
２の周辺近傍に相対的に濃い混合気が層状に供給され
る。

【００３２】このように２回目の燃料噴射が行われて吸
気弁１５が閉じた後に、ピストン７が圧縮上死点に移行
することによって、シリンダ内のタンブル流Ｔは、図２
に示すように、ピストン頂部７ａの凹部２６とシリンダ
ヘッド２側の燃焼室壁３１との間に形成される空間（燃
焼室３２）で旋回しながら縮径される。一方、このとき
には、ピストン頂部７ａの前記斜面２５とシリンダヘッ
ド２側の燃焼室壁３１との間の隙間（スキッシュエリ
ア）から混合気が押し出され、スキッシュ流が生じる。
このスキッシュ流を図２中に矢印Ｓで示す。

【００３３】このスキッシュ流Ｓは、図２において燃焼
室３２内をシリンダヘッド２側の燃焼室壁面に沿って排
気弁１６側へ進行するから、このスキッシュ流Ｓと前記
タンブル流Ｔとが点火プラグ１２の近傍で互いに衝突す
る。このエンジン１においては、スキッシュエリアから
混合気が噴出している期間内に点火プラグ１２による点
火が行われるように点火時期を設定している。

【００３４】タンブル流Ｔとスキッシュ流Ｓとが互いに
衝突することによって、混合気は、微小な渦（マイクロ
タービュレンス）となって分散され、タンブル流Ｔとス
キッシュ流Ｓとが合成されてなるガス流によってピスト
ン頂部７ａ側へ下降する。このため、前記マイクロター
ビュレンスによって着火後の火炎核の成長が助長される
とともに、火炎がピストン頂部７ａ側へ拡がるようにな
り、燃焼範囲が急速に拡大される。

【００３５】このエンジン１においては、第１の燃料供
給行程において吸気通路中で燃料ガスと空気とが混合さ
れてこの混合気が吸気行程でシリンダ内に分散し、ま
た、第２の燃料供給行程でノズル４のガス噴口から吸気
弁１５の近傍に新たに供給された燃料ガスは、吸気行程
で吸気弁近傍を流れる吸気に乗るようにして広く分散す
ることがない状態でシリンダ内に層状に吸い込まれるか
ら、燃料ガスをシリンダ内に広く分散させるとともに、
相対的に濃くなるように層状に供給することができる。

【００３６】特に、このエンジン１は、燃料ガスを点火
プラグ１２の近傍にタンブル流Ｔによって層状に供給す
ることができるから、燃料ガスの総供給量を理論空燃比
より著しく希薄になるように設定しながら、点火プラグ
１２の周辺近傍の燃料ガスの濃度を相対的に濃くするこ
とができる。

【００３７】したがって、シリンダ内に供給される燃料
ガスの総供給量を理論空燃比での供給量に較べて著しく
低減させた希薄燃焼を行っているにもかかわらず、急速
燃焼が可能になって燃焼改善を図ることができ、燃費を
向上させることができる。また、タンブル流Ｔとスキッ
シュ流Ｓの衝突により混合気流の運動エネルギーが減衰
するから、衝突後の混合気の状態は、エンジン１の回転
速度や負荷が変化しても大きく変化することはない。こ
のため、上述したような燃焼が急速に行われる現象が広
い運転域にわたって同様に起こり、エンジン運転域の略
全域にわたって燃焼改善を図ることができるようにな
る。

【００３８】さらに、シリンダ内の混合気の流動（ピス
トン頂部７ａの凹部２６内で下方へ向けて流れる流動）
は点火後も継続するから、ピストン７の頂部７ａの近傍
で成長した初期燃焼ガス部分に未燃ガスが継続的に供給
されるようになる。このため、初期燃焼ガスは、未燃ガ
スで攪拌されながら拡散し、高温で保持されることはな
いから、Ｎｏｘが生成されるのを抑制することができ
る。なお、ＥＧＲ量を増大させる場合にも上記と同等に
作用し、燃費向上とＮｏｘの低減とを図ることができ
る。

【００３９】さらにまた、タンブル流Ｔとスキッシュ流
Ｓとの衝突によって混合気流の運動エネルギーが減衰す
ることにより、点火プラグ１２の電極１２ａ，１２ｂ
（図２参照）の隙間内を混合気が高速で流れることがな
いから、着火が安定するとともに、点火電圧を高くしな
くてよいから既存の点火装置を使用することができる。

【００４０】この実施の形態では、吸気を吸気ポート１
３からシリンダ内における排気弁１６とは反対側へ流入
させてシリンダ内にいわゆる逆タンブル流を発生させ、
スキッシュ流Ｓを発生させる空間（スキッシュエリア）
を相対的に低温な吸気弁１５側に形成しているから、ス
キッシュエリアを排気弁１６側に形成する場合に較べて
ノッキングが生じ難くなる。また、ノズル４の先端の開
口（ガス噴口）が燃焼室中心を基準として排気弁１６と
は反対方向を指向しているから、燃料ガスも低温な部位
へ供給され、より一層ノッキングが発生し難くなる。

【００４１】また、このエンジン１は、インジェクタ３
によってガス燃料が噴射される燃料通路２８をシリンダ
ヘッド２の吸気通路壁内に形成し、燃料通路２８の下流
端に、吸気弁１５の上流近傍に先端が開口するノズル４
を接続し、このノズル４の前記開口をガス噴口としてい
るから、ガス噴口を設ける位置の自由度が高くなり、吸
気出口２１に接近させて設けることができる。

【００４２】さらに、前記インジェクタ３は複数の燃料
噴射口２７を有し、それぞれの燃料噴射口２７に対応す
るノズル４を設けているから、一つのインジェクタ３で
複数の吸気通路５に燃料ガスを供給することができる。

【００４３】さらにまた、このエンジン１は、ノズル４
の先端の開口（ガス噴口）が燃焼室中心を基準として排
気弁１６とは反対方向を指向しているから、シリンダ内
の相対的に低温になる部位に燃料ガスが供給され、ノッ
キングが発生するのを抑制することができる。

【００４４】加えて、このエンジン１は、気筒毎に複数
の吸気弁１５を設け、ノズル４の先端の開口（ガス噴
口）を前記吸気弁１５毎に設けているから、シリンダ内
に複数の吸気出口２１から燃料ガスをそれぞれ供給する
ことができ、燃料ガスを供給する位置の自由度が向上す
る。

【００４５】また、吸気ポート１３の下流側端部に下流
側へ向かうにしたがって次第に排気弁１６とは反対側へ
延びる傾斜部２３を設けることによって、逆タンブル流
が形成されるように吸気の流れる方向を規制しているか
ら、吸気の流れる方向を変えるための部材を吸気ポート
１３内に設ける場合に較べて、吸気抵抗が小さくなると
ともに、部品数を低減することができる。

【００４６】（第２の実施の形態）タンブル流を発生さ
せるためには、図１０ないし図１５に示す案内部材を吸
気ポートに取付けることができる。図１０は案内部材を
設けたエンジンの断面図、図１１は図１０における要部
を拡大して示す断面図、図１２は図１１におけるXII−X
II線断面図、図１３は案内部材を示す図で、同図（ａ）
は吸気ポートに組付けた状態での横断面図、同図（ｂ）
は側面図で、（ｂ）図においては、（ａ）図の破断位置
をＡ−Ａ線によって示している。図１３（ｃ）は（ａ）
図におけるＣ−Ｃ線断面図、同図（ｄ）は装着前の自由
状態を示し、同図（ｂ）は装着時に縮径させた状態を示
す。図１４は図１３に示した案内部材の分解斜視図、図
１５は案内部材の他の例を示す図で、同図（ａ）は平面
図、同図（ｂ）は側面図、同図（ｃ）は（ａ）図におけ
るＣ−Ｃ線断面図、同図（ｄ）は装着時に縮径させた状
態を示す平面図である。これらの図において、前記図１
〜図９によって説明したものと同一または同等の部材に
ついては、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。

【００４７】この実施の形態によるエンジン１は、図１
０に示すように、吸気ポート１３に後述する案内部材４
１が設けられている他は前記第１の実施の形態で示した
エンジン１と同等の構成を採っている。前記案内部材４
１は、図１３および図１４に示すように、Ｃ字状の固定
用リング４２と、このリング４２に溶接したシュラウド
４３とによって構成されている。

【００４８】前記リング４２は、ばね材からなり、吸気
ポート１３の下流側端部に形成した凹溝４４（図１１参
照）に自らの弾発力によって拡径して係合できるように
形成されている。また、このリング４２の両端部には、
図示していない工具を掛けるためのフック４５を一体に
形成している。

【００４９】前記シュラウド４３は、前記リング４２の
内周面に沿うように平面視において円弧状に湾曲させた
支持板４６と、この支持板４６に一体に形成した平面視
扇状のシュラウド本体４７とによって構成されている。
前記支持板４６は、リング４２の前記フック４５を挿通
させるための開口４８が形成されており、この開口４８
にフック４５を挿通させた状態でリング４２の内周部に
重ねて一端部をリング４２に溶接している。支持板４６
とリング４２の溶接範囲を図１３（ａ）中に符号Ｗで示
す。

【００５０】前記シュラウド４３は、支持板４６からリ
ング４２の中心へ向かうにしたがって次第に下方（吸気
流の下流側）へ延びるように傾斜するとともに、円錐面
の一部をなすように湾曲している。また、この案内部材
４１は、前記シュラウド４３の下端が閉状態の吸気弁１
５とクリアランスをおいて対向するように配置されてい
る。

【００５１】このように形成された案内部材４１は、シ
リンダヘッド２に吸気弁１５を組付ける以前に吸気ポー
ト１３に組付ける。詳述すると、先ず、図１３（ｄ）に
示すように自由状態にある案内部材４１のリング４２の
フック４５を図示していないペンチ等の工具で挾んでリ
ング４２を弾発力に抗して縮径させ｛図１３（ｅ）参
照｝、この案内部材４１を吸気ポート１３内に燃焼室側
から挿入する。そして、リング４２が吸気ポート１３の
凹溝４４に係合する状態で前記フック４５を解放させ
る。このときに、シュラウド４３が排気弁１６側に位置
するように案内部材４１を位置決めする。工具を放すこ
とによって、リング４２が自らの弾発力で拡径し、吸気
ポート１３（シリンダヘッド２）に固定される。

【００５２】図１０〜図１４に示す案内部材４１は、リ
ング４２のフック４５がシュラウド４３の上に位置付け
られるように形成しているが、案内部材４１は、図１５
に示すように形成することもできる。図１５に示す案内
部材４１は、リング４２におけるフック４５と対向する
内周部４２ａにシュラウド４３の支持板４６を溶接して
いる。

【００５３】この案内部材４１のリング４２は、図１５
（ａ）中に実線で示す自由状態から同図（ｄ）に示すよ
うに縮径させて吸気ポート１３に装着される。装着後に
は、このリング４２は、同図（ａ）中に二点鎖線で示す
ように自由状態から縮径された状態になり、自らの弾発
力によって吸気ポート１３に固定される。

【００５４】このように案内部材４１を形成することに
よって、フック４５を下方から視認することができるか
ら、フック４５をペンチ等によって挾むときにフック４
５の位置を簡単に確認することができ、組付作業が容易
になる。この案内部材４１を取付ける位置は、図１０〜
図１４に示す案内部材４１と同一である。

【００５５】図１０〜図１５に示す案内部材４１を吸気
ポート１３に設けることにより、シュラウド４３によっ
て実質的に吸気ポート１３の傾斜部２３が延長されるこ
とになり、吸気弁１５に当たって吸気出口２１との間の
隙間から排気弁１６側へ流入する吸気を低減することが
できる。この結果、タンブル流Ｔをより一層強く発生さ
せることができる。

【００５６】したがって、案内部材４１によってタンブ
ル流Ｔの強さを変えることができるから、発生するスキ
ッシュ流Ｓに対して最適な強さになるように、案内部材
４１でタンブル流Ｔを発生させることによって、マイク
ロタービュレンスを確実に生成することができるように
なる。このため、より一層燃焼改善を図ることができ
る。

【００５７】（第３の実施の形態）案内部材は図１６な
いし図２４に示すように形成することができる。図１６
は案内部材の他の例を示すエンジンの一部の断面図、図
１７は案内部材を拡大して示す断面図、図１８はエンジ
ンの燃焼室近傍の部位をシリンダヘッド側から見た状態
の構成を示す平面図、図１９はタンブル流を説明するた
めの模式図、図２０は燃料ガス供給用ノズルの底面図、
図２１は図１６におけるＡ−Ａ線断面図、図２２は図１
６におけるＢ−Ｂ線断面図、図２３は図１６におけるＣ
−Ｃ線断面図である。図２４は案内部材と吸気弁の弁体
を拡大して示す斜視図である。

【００５８】これらの図において、前記図１〜図１５に
よって説明したものと同一または同等の部材について
は、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。図１６
ないし図２４に示すエンジン１は、吸気弁１５に案内部
材５１を設けている。この案内部材５１は、図２４に示
すように、円錐の一部をなす形状の金属板によって構成
され、吸気弁１５の弁体１５ｂの上面に溶接されてい
る。

【００５９】案内部材５１の形状をさらに詳しく説明す
ると、この案内部材５１は、図２２に示すように、上方
に向かうにしたがって幅が広くなる平面視扇状に形成す
るとともに、図１７に示すように、側面視において上方
に向かうにしたがって次第に吸気弁１５の径方向の外側
に偏在するように傾斜している。案内部材５１を吸気弁
１５に取付ける位置は、図１７および図１８に示すよう
に、吸気弁１５における排気弁１６に近接する一側部で
あって、図２２に示すように、案内部材５１の内面５１
ａの円弧の中心が吸気弁１５の軸心と略一致するように
位置付けられている。

【００６０】また、この案内部材５１の高さは、図１
６，１７に示すように、吸気弁１５が開いたときに上端
部が吸気ポート１３の吸気出口２１より上流側に臨み、
図１７中に二点鎖線で示したように、吸気弁１５が閉じ
たとしても上端部が吸気ポート１３の内壁面に接触する
ことがないように設定されている。この実施の形態にお
いては、吸気弁１５がバルブステム１５ａを中心にして
回動し、案内部材５１の吸気ポート１３に対する位置が
変化してしまうのを阻止するために、図２３に示すよう
に、バルブステム１５ａを断面四角形状に形成するとと
もに、この断面四角形状の部位をシリンダヘッド２側の
バルブステムガイド５２に摺動自在に係合させている。

【００６１】この実施の形態によるシリンダヘッド２の
吸気ポート１３は、図１６に示すように、一般的なエン
ジン１で多く採用されているように、シリンダヘッド２
の一側部２ａから燃焼室３２へ向って斜めに延びるよう
に形成されている。また、この吸気ポート１３は、吸気
通路５が途中で吸気弁１５毎の分岐通路５ａ，５ｂに分
岐されるように形成されている。

【００６２】このように吸気ポート１３を形成すると、
吸気弁１５が開いたときに吸気が慣性によって燃焼室２
３の中央部分へ多く流入するようになるが、この実施の
形態によれば、吸気の大部分が前記案内部材５１に当た
り、流れる方向が変えられる。すなわち、吸気は、案内
部材５１に当たることによって排気弁１６とは反対方向
へ向けて流れるようになるから、このエンジン１におい
ても第１および第２の実施の形態と同様に、シリンダ内
に逆タンブル流が発生する。

【００６３】吸気ポート１３を上述したようにシリンダ
ヘッド２の側部から斜めに延設していることにより、燃
料ガスを供給するノズル４は、シリンダヘッド２の一側
部２ａから吸気弁１５の近傍まで延びるように形成され
ている。すなわち、インジェクタ３を吸気通路５に配置
し、前記インジェクタ３に、吸気弁１５の上流近傍に先
端が開口するノズル４を接続している。

【００６４】この実施の形態によるノズル４は、図２０
および図２１に示すように、吸気弁１５毎のパイプ４
ａ，４ａと、これらパイプ４ａの上流側端部をそれぞれ
接続したパイプホルダ４ｂとによって構成されている。
前記パイプ４ａは、第１および第２の実施の形態を採る
ときと同様に、下流側端部が吸気ポート１３内における
隣り合う吸気ポート１３の近傍に配設すとともに、吸気
の流れる方向の下流側を先端の開口が指向するように屈
曲させており、上流側端部が吸気ポート１３内を吸気ポ
ート上壁１３ａ（図１６参照）に沿って上流側へ延設さ
せている。

【００６５】前記ノズルホルダ４ｂは、図２０に示すよ
うに、前記パイプ４ａに連通する燃料通路４ｃがパイプ
毎に穿設されており、図１６に示すように、吸気ポート
上壁１３ａに固定用ボルト５３によって固定されてい
る。この実施の形態によるシリンダヘッド２は、前記固
定用ボルト５３を工具（図示せず）によって簡単に着脱
できるように、吸気ポート下壁１３ｂに工具挿通用の貫
通穴５４が穿設されている。図１６において前記貫通穴
５４の開口端に設けた符号５５で示すものは、貫通穴５
４を閉塞するための栓部材である。

【００６６】パイプホルダ４ｂの前記燃料通路４ｃは、
パイプホルダ４ｂの上流側端部に開口しており、シリン
ダヘッド２に装着した燃料ガス用インジェクタ３から燃
料ガスを噴射する。この実施の形態で示したように案内
部材５１およびシリンダヘッド２を構成しても第１およ
び第２の実施の形態を採るときと同等の効果を奏する。

【００６７】また、このエンジン１においては、インジ
ェクタ３を吸気通路５に配置し、インジェクタ３に、吸
気弁１５の上流近傍に先端が開口するノズル４を接続
し、このノズル４の前記開口をガス噴口としているか
ら、ガス噴口を設ける位置の自由度が高くなり、吸気出
口１２に接近させて設けることができる。

【００６８】（第４の実施の形態）吸気ポートをシリン
ダヘッドに斜めに延びるように形成する場合には、燃料
ガス供給用のノズルを図２５ないし図２７に示すように
形成することができる。図２５は燃料ガス供給用ノズル
の他の例を示す断面図、図２６はエンジンの燃焼室近傍
の部位をシリンダヘッド側から見た状態の構成を示す平
面図、図２７は図２５におけるＡ−Ａ線断面図である。
これらの図において、前記図１〜図２４によって説明し
たものと同一もしくは同等の部材については、同一符号
を付し詳細な説明を適宜省略する。

【００６９】図２５ないし図２７に示す燃料ガス供給用
ノズル４は、吸気弁１５毎に設けたパイプからなり、シ
リンダヘッド２の燃料ガス供給用透孔６１に吸気ポート
１３側から嵌入され、吸気ポート１３内における隣り合
う吸気ポート１３の近傍に配設されている。また、これ
らのノズル４は、図２５に示すように、吸気の流れる方
向の下流側を先端の開口が指向するように屈曲されてい
る。

【００７０】前記燃料ガス供給用透孔６１は、シリンダ
ヘッド２の一側部２ａにおける吸気ポート１３の入口の
上方から吸気ポート１３に沿って斜めに直線状に延びる
第１のガス孔６２と、この第１のガス孔６２の下流側端
部から吸気弁１５毎の吸気ポート１３へそれぞれ延びる
第２のガス孔６３（図２７参照）とによって構成されて
いる。前記ノズル４は、前記第２のガス孔６３に装着さ
れている。また、前記第１のガス孔６２の上流側端部
は、図２６に示すように、燃料ガス供給用インジェクタ
３（図示せず）を装着する穴２９の内部に開口されてい
る。このようにノズル４を形成することによって、吸気
行程でノズル４から吸気ポート１３内に噴射された燃料
ガスは、図２５中に黒色の矢印Ｇで示すように、吸気弁
１５と吸気出口２１との間の隙間を通ってシリンダ内の
排気弁１６とは反対方向であって斜め下方へ流入する。

【００７１】（第５の実施の形態）シリンダ内に発生さ
せるタンブル流は、図２８ないし図３４に示すように順
タンブル流でもよい。図２８および図２９は吸気弁に案
内部材を設けて順タンブル流を発生させるガス燃料エン
ジンの断面図で、図２８は吸気行程での状態を示し、図
２９はピストンが圧縮上死点に位置付けられている状態
を示している。図３０はエンジンの燃焼室近傍の部位を
シリンダヘッド側から見た状態の構成を示す平面図、図
３１は図２８におけるＡ−Ａ線断面図、図３２は図２８
における吸気弁と吸気出口のＢ矢視図である。図３３は
吸気ポートに取付ける案内部材を用いて順タンブル流を
発生させるガス燃料エンジンの断面図、図３４は図３３
におけるＡ−Ａ線断面図である。これらの図において、
前記図〜図によって説明したものと同一または同等の部
材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略す
る。

【００７２】図２８ないし図３２に示すエンジン１の吸
気ポート１３は、シリンダヘッド２の一側部２ａから燃
焼室３２へ向って斜めに延びるように形成されている。
また、この吸気ポート１３は、吸気通路５が途中で吸気
弁１５毎の分岐通路５ａ，５ｂに分岐されるように形成
されている。このため、吸気行程で吸気ポート１３を流
れる吸気は、大部分が吸気流の慣性により吸気出口２１
からシリンダ内の排気弁１６側へ斜めに流入する。

【００７３】吸気弁１５には、吸気出口２１から排気弁
１６とは反対方向へ吸気が流れるのを阻止するために、
第３の実施の形態で示した案内部材５１と同等の構造の
案内部材７１を設けている。この案内部材７１は、円錐
の一部をなす形状の金属板によって構成され、吸気弁１
５の弁体１５ｂの上面に溶接されている。

【００７４】また、この案内部材７１は、上方に向かう
にしたがって幅が広くなる平面視扇状（図３１参照）に
形成するとともに、図２８，２９に示すように、側面視
において上方に向かうにしたがって次第に吸気弁１５の
径方向の外側に偏在するように傾斜している。案内部材
７１を吸気弁１５に取付ける位置は、吸気弁１５におけ
る排気弁１６とは反対側の一側部であって、図３１に示
すように、案内部材７１の内面７１ａの円弧の中心が吸
気弁１５の軸心と略一致するように位置付けられてい
る。

【００７５】また、この案内部材７１の高さは、図２
８，２９に示すように、吸気弁１５が開いたときに上端
部が吸気ポート１３の吸気出口２１より上流側に臨み、
吸気弁１５が閉じたとしても上端部が吸気ポート１３の
内壁面に接触することがないように設定されている。こ
の実施の形態においても、案内部材７１を設けた吸気弁
１５が回転するのを阻止するために、前記第３および第
４の実施の形態を採るときと同様に、吸気弁１５のバル
ブステム１５ａをバルブステムガイド５２に摺動自在に
係合させている。

【００７６】このエンジン１においては、吸気が吸気ポ
ート１３からシリンダ内に斜めに流入することによっ
て、シリンダ内に吸気の旋回流からなるタンブル流が発
生する。このタンブル流は、図２８に矢印Ｔで示すよう
に、上述した第１〜第４の実施の形態で示したものとは
旋回方向が逆方向のいわゆる順タンブル流である。この
ため、このエンジン１は、圧縮行程終期にスキッシュ流
Ｓと前記タンブル流Ｔとが燃焼室３２内で同方向に旋回
するように生じる。

【００７７】このように順タンブル流が発生するように
エンジン１を構成するに当たっては、燃料ガス供給用の
ノズル４のパイプ４ａを吸気の流れる方向と同方向に延
びるように直線状に形成している。前記ノズル４は、吸
気ポート１３内における隣り合う吸気ポート１３に近接
する部位に配置され、図３２に示すように、吸気弁１５
が開いた状態で吸気弁１５と吸気出口２１との間の隙間
を通して燃料ガスがシリンダ内に噴射するように位置付
けられている。燃料ガスは、第１〜第４の実施の形態を
採るときと同様に、吸気弁１５が閉じている状態での第
１の燃料供給行程と、吸気弁１５が開いている状態での
第２の燃料供給行程とでノズル４から噴射される。

【００７８】図３３に示すガス燃料エンジン１は、第２
の実施の形態で示した案内部材４１と同等の案内部材８
１を吸気ポート１３に設けている。８２は前記案内部材
８１のリングを示し、８３はシュラウド、８４はリング
８２の両端のフック、８５は前記フック８４を挿通させ
るための開口を示す。この案内部材８１は、シュラウド
８３が吸気弁１５を挾んで排気弁１６とは反対側に位置
するように吸気ポート１３に固定されている。このよう
に案内部材８１を吸気ポート１３に設けても図２８〜図
３２に示す実施の形態を採るときと同等の効果を奏す
る。

【００７９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、第
１の燃料供給行程において吸気通路中で燃料ガスと空気
とが混合されて混合気が形成され、この混合気が吸気行
程でシリンダ内に分散する。また、第２の燃料供給行程
でガス噴口から吸気弁の近傍に新たに供給された燃料ガ
スは、吸気行程で吸気弁近傍を流れる吸気に乗るように
して広く分散することがない状態でシリンダ内に層状に
吸い込まれる。

【００８０】したがって、燃料ガスをシリンダ内に相対
的に希薄になるように広く分散させるとともに、点火プ
ラグの近傍に相対的に濃くなるように層状に供給するこ
とができるから、希薄燃焼をガス燃料エンジンで実現す
ることができ、ガス燃料エンジンにおいて燃費を低減す
ることができる。

【００８１】請求項２記載の発明によれば、燃料ガスを
点火プラグの近傍にタンブル流によって層状に供給する
ことができるから、燃料ガスの総供給量を理論空燃比よ
り著しく希薄になるように設定しても、点火プラグの周
辺近傍の燃料ガスの濃度を相対的に濃くすることができ
る。このため、ガス燃料エンジンにおいて、燃焼の安定
を図りながら、燃費の向上を図ることができる。

【００８２】請求項３記載の発明によれば、ガス噴口を
設ける位置の自由度が高くなり、吸気出口に接近させて
設けることができるから、燃料ガスを拡散しない状態で
燃焼室に供給することができ、燃料ガスの層状化を促進
することができる。

【００８３】請求項４記載の発明によれば、ガス噴口を
設ける位置の自由度が高くなり、吸気出口に接近させて
設けることができるから、燃料ガスを拡散しない状態で
燃焼室に供給することができ、燃料ガスの層状化を促進
することができる。

【００８４】請求項５記載の発明によれば、一つのイン
ジェクタで複数の吸気通路に燃料ガスを供給することが
でき、吸気通路毎にインジェクタを設ける場合に較べて
コストダウンを図ることができる。

【００８５】請求項６記載の発明によれば、シリンダ内
の相対的に低温になる部位に燃料ガスが供給されるか
ら、ノッキングが発生するのを抑制することができる。

【００８６】請求項７記載の発明によれば、シリンダ内
に複数の吸気出口から燃料ガスをそれぞれ供給すること
ができるから、燃料ガスを供給する位置の自由度が向上
し、簡単に燃料ガスを層状に供給することができるよう
になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るエンジンの断面図である。

【図２】 エンジンの一部を拡大して示す断面図であ
る。

【図３】 ピストンの平面図である。

【図４】 エンジンの燃焼室近傍の部位をシリンダヘッ
ド側から見た状態の構成を示す平面図である。

【図５】 シリンダヘッドの燃焼室壁を示す底面図であ
る。

【図６】 シリンダおよびピストンの縦断面図である。

【図７】 図１におけるVII−VII線断面図である。

【図８】 吸・排気弁の開閉時期と燃料噴射時期とを示
すタイムチャートである。

【図９】 ピストンの他の例を示す断面図である。

【図１０】 案内部材を設けたエンジンの断面図であ
る。

【図１１】 図１０における要部を拡大して示す断面図
である。

【図１２】 図１１におけるXII−XII線断面図である。

【図１３】 案内部材を示す図である。

【図１４】 図１３に示した案内部材の分解斜視図であ
る。

【図１５】 案内部材の他の例を示す図である。

【図１６】 案内部材の他の例を示すエンジンの一部の
断面図である。

【図１７】 案内部材を拡大して示す断面図である。

【図１８】 エンジンの燃焼室近傍の部位をシリンダヘ
ッド側から見た状態の構成を示す平面図である。

【図１９】 タンブル流を説明するための模式図であ
る。

【図２０】 燃料ガス供給用ノズルの底面図である。

【図２１】 図１６におけるＡ−Ａ線断面図である。

【図２２】 図１６におけるＢ−Ｂ線断面図である。

【図２３】 図１６におけるＣ−Ｃ線断面図である。

【図２４】 案内部材と吸気弁の弁体を拡大して示す斜
視図である。

【図２５】 燃料ガス供給用ノズルの他の例を示す断面
図である。

【図２６】 エンジンの燃焼室近傍の部位をシリンダヘ
ッド側から見た状態の構成を示す平面図である。

【図２７】 図２５におけるＡ−Ａ線断面図である。

【図２８】 ガス燃料エンジンの断面図である。

【図２９】 ガス燃料エンジンの断面図である。

【図３０】 エンジンの燃焼室近傍の部位をシリンダヘ
ッド側から見た状態の構成を示す平面図である。

【図３１】 図２８におけるＡ−Ａ線断面図である。

【図３２】 図２８における吸気弁と吸気出口のＢ矢視
図である。

【図３３】 吸気ポートに取付ける案内部材を用いて順
タンブル流を発生させるガス燃料エンジンの断面図であ
る。

【図３４】 図３３におけるＡ−Ａ線断面図である。

【符号の説明】

１…エンジン、２…シリンダヘッド、４…ノズル、５…
吸気通路、７…ピストン、１２…点火プラグ、１３…吸
気ポート、１５…吸気弁、Ｔ…タンブル流、Ｓ…スキッ
シュ流。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｍ 61/14 ３１０ Ｆ０２Ｍ 61/14 ３１０Ｚ (72)発明者 恩田 直樹 静岡県磐田市新貝2500番地 ヤマハ発動機 株式会社内 Ｆターム(参考） 3G023 AA02 AA05 AA06 AB03 AC02 AC07 AD02 AD05 AD06 AD08 AD29 AG01 AG02 AG03 3G066 AA01 AB05 AC10 AD05 AD08 AD09 AD10 BA17 BA23 BA25 CC01 CC31 CD04 CE22

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス燃料を吸気通路に供給するガス燃料
   エンジンにおいて、吸気弁が閉じている状態で吸気通路
   中に燃料ガスを貯留させる第１の燃料供給行程と、吸入
   行程で吸気弁近傍のガス噴口から燃料ガスを吸気通路中
   に供給する第２の燃料供給行程とを有するガス燃料エン
   ジン。
2. 【請求項２】 請求項１記載のガス燃料エンジンにおい
   て、シリンダ内に吸気の旋回流が生成される構造とし、
   ガス噴口から噴射された燃料ガスが前記旋回流によって
   点火プラグの近傍に流れる構成としてなるガス燃料エン
   ジン。
3. 【請求項３】 請求項１記載のガス燃料エンジンにおい
   て、ガス燃料を噴射するインジェクタを吸気通路に配置
   し、前記インジェクタに、吸気弁の上流近傍に先端が開
   口する管部材を接続し、この管部材の前記開口をガス噴
   口としてなるガス燃料エンジン。
4. 【請求項４】 請求項１記載のガス燃料エンジンにおい
   て、インジェクタによってガス燃料が噴射される燃料通
   路を吸気通路壁内に形成し、前記燃料通路の下流端に、
   吸気弁の上流近傍に先端が開口する管部材を接続し、こ
   の管部材の前記開口をガス噴口としてなるガス燃料エン
   ジン。
5. 【請求項５】 請求項３または請求項４記載のガス燃料
   エンジンにおいて、インジェクタは複数の燃料噴射口を
   有し、それぞれの燃料噴射口に対応する管部材を備えて
   なるガス燃料エンジン。
6. 【請求項６】 請求項１ないし請求項５のうち何れか一
   つに記載のガス燃料エンジンにおいて、ガス噴口が燃焼
   室中心を基準として排気弁とは反対方向を指向している
   ガス燃料エンジン。
7. 【請求項７】 請求項１ないし請求項５のうち何れか一
   つに記載のガス燃料エンジンにおいて、気筒毎に複数の
   吸気弁を設け、ガス噴口を前記吸気弁毎に設けてなるガ
   ス燃料エンジン。