JP3756995B2 - ガスエンジンの燃焼ガス供給方法及び構造 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、希薄燃料ガス混合気を給気とする副室式ガスエンジンにおける、点火栓の燻りの防止及び燃焼効率の向上を図るための燃料ガスの供給方法及び構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃焼主室に、給気弁を有して希薄燃料ガス混合気を供給する給気ポートと、排気弁を有する排気ポートとを連通させ、該燃焼主室に連通する燃焼副室に燃料ガス供給弁と点火栓とを臨ませた構造のガスエンジンにおいては、燃料ガス供給弁は、ピストン下降に伴う燃焼主室及び燃焼副室内圧の降下と、燃料ガス設定圧との差圧にて自動的に開弁する自動弁である。
一方、一燃焼行程（ピストンは二往復動する）中において、給気弁及び排気弁の動きに伴い、給気行程、給排気オーバーラップ行程、排気行程、圧縮行程と移行するが、この中で、燃料ガス供給弁は、ピストン上死点付近の給排気オーバーラップ行程の後期より、ピストン下降期に重なる給気行程にかけて、一回のみ開弁する。即ち、燃料ガス供給は以上の一燃焼行程につき一回のみ行われる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の副室式ガスエンジンにおいては、燃料ガス供給弁の構造上、燃料ガスの供給時期や供給量は制限され、機関の運転範囲、即ち、燃焼副室への燃料供給量の設定幅及び燃焼主室への燃料供給量の設定幅を狭くしていた。そのため、燃焼主室内における燃料ガスの一層の希薄化を図ることができず、排気エミッション（ＮＯX ）を、ある値以下に低減することが困難であった。
具体的に説明すると、排気中のＮＯX 低減のためには、点火栓付近（燃焼副室内）に、希薄化されていない状態の燃料ガスがあり、燃焼主室において、燃焼副室に近い側に可燃範囲の混合気、そして、それよりも遠くに超希薄混合気が存在する、混合気の層状態を実現することが理想である。
しかし、従来は、燃料ガス供給弁の開弁が、給気行程の全域にわたり、即ち、燃料ガスの供給期間が長いため、燃料ガスのかなりの量が燃焼主室内の広い範囲に及び、このような混合気の層状化を実現することができないので、排気の低ＮＯX 化には限界があったのである。
【０００４】
また、もう一つの問題点として、排気ポートに直接連通している燃焼主室からは、排気弁が開弁することで、燃焼ガスが充分に掃気されるものの、燃焼副室内の燃焼ガスは、排気ポートが直接連通していないので、充分に掃気できず、この残留燃焼ガスは、排気行程以後、給排気オーバーラップ行程を経て、給気行程になると、排気弁が閉弁しており、更に、給気弁を介して給気ポートより燃焼主室に供給される希薄燃料ガス混合気圧のため、燃焼主室側には排出されにくく、従って、圧縮行程になって点火栓の点火時期になっても、燃焼副室内に残留し続けるので、点火栓は燻りを生じやすく、点火反応性が悪くなるという不具合があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、燃焼主室に、給気弁を有して希薄燃料ガス混合気を供給する給気ポートと、排気弁を有する排気ポートとを連通させ、該燃焼主室に連通する燃焼副室に、燃料ガス供給弁と点火栓とを臨ませた構造のガスエンジンにおいて、以上のような課題を解決すべく、次のような手段を用いるものである。
【０００６】
即ち、請求項１においては、給排気オーバーラップ行程の早期と、給気行程の後期に、燃料ガス供給を行う。
【０００７】
また、請求項２においては、給排気オーバーラップ行程の早期と、給気行程の後期に、燃料ガス供給を行う燃料ガス供給方法を行う燃料ガス供給方法を採用するガスエンジンにおいて、燃料ガス供給弁の上流側に供給圧の異なる二つの電磁弁を配設する。
【０００８】
また、請求項３においては、給排気オーバーラップ行程の早期と、給気行程の後期に、燃料ガス供給を行う燃料ガス供給方法を採用するガスエンジンにおいて、該燃料ガス供給弁の動きに連動する弁傘部上流への連通路を設け、該燃料ガス供給弁を内設する弁ケースに、該連通路に連通可能なバイパス通路を設ける。
【０００９】
或いは、請求項４においては、給排気オーバーラップ行程の早期と、給気行程の後期に、燃料ガス供給を行う燃料ガス供給方法を採用するガスエンジンにおいて、該燃料ガス供給弁の弁傘部上部に一体状のシール弁を設け、該燃料ガス供給弁を内設する弁ケースに、該シール弁と着脱可能なシール座を設ける。
【００１０】
或いは、給排気オーバーラップ行程の早期と、給気行程の後期に、燃料ガス供給を行う燃料供給方法において、該燃料ガス供給弁の動きに連動する弁傘部上流への連通路と、該燃料ガス供給弁を内設する弁ケースに設けたバイパス通路とが連通することにより、燃料ガスを副室に供給する。
【００１１】
或いは、給排気オーバーラップ行程の早期と、給気行程の後期に、燃料ガス供給を行う燃料供給方法において、該燃料ガス供給弁の弁傘部上部に一体状のシール弁を設け、該燃料ガス供給弁を内設する弁ケースに、該シール弁と当接可能なシール座を設け、弁の動きに伴う該シール弁と該シール座との着脱により燃料ガスを供給制御する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明を、添付の図面を基に説明する。
図１は従来の燃料ガス供給方法による一燃焼行程図、図２は燃料ガスを２回に分けて供給する燃料ガス供給方法を採用する一燃焼行程図、図３は空気供給と燃料ガス供給とを行う燃料ガス供給方法を採用する一燃焼行程図、図４はガスエンジンのシリンダー部分の側面断面図であって、図１における燃料ガス供給時の図、図５は同じく側面断面図であって、（ａ）は図２における一回目の燃料ガス供給時の図、（ｂ）は同じく二回目の燃料ガス供給時の図、図６は同じく側面断面図であって、（ａ）は図３における空気供給時の図、（ｂ）は同じく燃料ガス供給時の図、図７は図２及び図３図示の燃料ガス供給方法を採用した場合における効果を示すグラフ図で、（ａ）は運転可能範囲を示す図、（ｂ）は排出ＮＯX 特性を示す図、（ｃ）は熱効率を示す図、図８は供給圧の異なる二個の電磁弁より燃料ガス供給弁３に燃料ガスを供給する構造を示す側面略図、図９はバイパス通路２０、環状連通路１８、及び垂直連通路１７ａを設けた構造で、開弁時に燃料ガス供給を二回に分割可能とした燃料ガス供給弁３の側面断面図で、（ａ）は燃料ガス供給弁３の閉弁時の図、（ｂ）は燃料ガス供給弁３が開弁され、燃料ガスＧが燃焼副室５に供給されている時の図、（ｃ）は燃料ガス供給弁３が開弁しつつも、燃料ガスＧが燃焼副室５に供給されない時の図、図１０はシール弁２１とシール座２２ｃを設けた構造で、開弁時に燃料ガス供給を二回に分割可能とした燃料ガス供給弁３の側面断面図で、（ａ）は燃料ガス供給弁３の閉弁時の図、（ｂ）は燃料ガス供給弁３が開弁され、燃料ガスＧが燃焼副室５に供給されている時の図、（ｃ）は燃料ガス供給弁３が開弁しつつも、燃料ガスＧが燃焼副室５に供給されない時の図である。
【００１３】
まず、ガスエンジンの燃焼室及びその周辺構造について、図４等を基に説明する。
シリンダー内において、ピストンＰが上下摺動可能に内設されており、該シリンダー内におけるピストンＰの上方空間が、燃焼主室８となる。燃焼主室８の中央部より上方に、燃焼副室５が連通していて、該燃焼副室５の上端部に燃料ガス供給弁３と点火栓４を臨ませてある。更に、燃焼主室８には、給気ポート１と排気ポート７が連通していて、給気ポート１には給気弁２を、排気ポート７には排気弁６を内装している。給気ポート１には、希薄燃料ガス混合気ＬＧが供給され、燃料ガス供給弁３からは、混合していない通常の燃料ガスＧが供給される。
【００１４】
次に、一燃焼行程中における給気弁２と排気弁６の動きに伴う給・排気行程を図１等にて説明する。
一燃焼行程中に、ピストンＰは上死点ＴＤＣ・下死点ＢＤＣ間を二往復する。まず、給気弁２・排気弁６ともに閉弁した状態で、ピストンＰが上死点ＴＤＣに達し、燃焼主室８及び燃焼副室５内が圧縮されて、点火栓４により、内部に充填された燃焼ガス混合気が燃焼されて、爆発が起こり、ピストンＰを押し下げる膨張行程となる。ピストンＰが下死点ＢＤＣ直前になると、排気弁６が開弁し始め、ピストン上昇中は、排気弁６のみ開弁している排気行程となっている。やがて、ピストンＰが上死点ＴＤＣ直前になると、給気弁２が開弁を開始し、上死点ＴＤＣ付近では、給排気オーバーラップ行程となっている。更に、ピストンＰが下降し、排気弁６は閉弁して、給気弁２のみ開弁している給気行程となる。やがて、ピストンＰが下死点ＢＤＣを過ぎ、上昇し始める時に給気弁２も閉弁し、両弁２・６が閉弁した状態でピストンＰが上昇する圧縮行程となる。そして、ピストンＰが上死点ＴＤＣに達する直前に、前記の圧縮混合気の爆発が起こり、再び膨張行程へと移行する。
【００１５】
以上のような一燃焼行程中において、従来は、図１及び図４の如く、ピストンＰが上死点ＴＤＣより下降することで、燃焼主室８及び燃焼副室５の内圧が低下する、給排気オーバーラップ行程後期より給気行程にかけて、自動弁である燃料ガス供給弁３が開弁して、一回の燃料ガスの供給がなされていた。これに対して本案の燃料ガス供給方法は、一燃焼行程中に、図２の如く、燃料ガスを二回供給する方法、或いは、図３の如く、初期に空気を供給し、後期に燃料ガスを供給する方法となっている。
【００１６】
まず、燃料ガスを二回供給する図２図示の燃料ガス供給方法では、燃料ガス供給が、最初に、排気行程後期より給排気オーバーラップ行程にかけての時期になされ、次に、給気行程の後期になされる。最初の燃料ガス供給期のシリンダーの様子を、図５（ａ）より説明すると、排気弁６は殆ど閉弁しかけている一方、給気弁２が開弁し始めている。この時、燃焼主室８においては、排気弁６の開弁により、排気ポート７に燃焼ガスＢＧが殆ど掃気されてしまっているが、燃焼副室５には燃焼ガスＢＧが充分掃気されずに残留した状態となっている。この燃焼副室５内の残留燃焼ガスＢＧは、これ以後の給排気オーバーラップ行程、給気行程になっても、排気弁６が閉弁してしまっている上に、給気弁２が開弁して、給気ポート１より燃焼主室８内に導入される希薄燃料ガス混合気ＬＧの気圧により、燃焼主室８側に排出されにくくなり、燃焼副室５内に残留し続けるので、圧縮行程における点火栓４の点火時になっても、この残留燃焼ガスＢＧのために、点火栓４が燻ってうまく点火しないという不具合をもたらす。
【００１７】
そこで、この時期に燃料ガス供給弁３を開弁して、燃料ガスＧを燃焼副室５内に供給し、この燃料ガスＧの圧力によって、燃焼副室５内の残留燃焼ガスＢＧを掃気する。燃焼副室５より燃焼主室８へと掃気された残留燃焼ガスＢＧは、閉弁しかけているが僅かに開弁している排気弁６を介して、排気ポート７に掃気されるのである。こうして、燃焼副室５内に燃焼ガスＢＧが残留せず、点火栓４が燻りにくくなる。
【００１８】
次に、給気行程後期に燃料ガスＧを供給するが、この時のシリンダーの様子を図５（ｂ）より説明する。
給気行程前期においては、燃料ガス供給弁３を閉弁したままとしており、従って、燃焼主室８内には、給気弁２を介して、給気ポート１からの希薄燃料ガス混合気ＬＧのみが導入され、ピストンＰが下降した状態における燃焼主室８内全域に希薄燃料ガス混合気ＬＧが充分に拡散する。この状態から給気行程後期の短い期間にて、燃料ガス供給弁３より燃料ガスＧの供給がなされる。そのため、燃焼副室５より燃焼主室８にかけて、点火栓３に近い燃焼副室５内には希薄化されない燃料ガスＧ、その周辺（例えば燃焼副室５より燃焼主室８への連通部分）に可燃範囲の混合気、それより更に遠くの燃焼主室８内に超希薄混合気が存在する、排気中のＮＯX 低減に理想的な混合気の層状態が実現するのである。
【００１９】
次に、図２図示の如く、一燃焼行程中に燃料ガス供給を二回行うための燃料ガス供給構造の三つの構成例を、図８乃至図１０より説明する。
まず、各構成例の構造において、燃料ガス供給弁３は、基本的には従来と同様のチェック弁構造の自動弁であって、ピストンＰの下降に伴う燃焼主室８及び燃焼副室５内圧の下降に伴って開弁するものであるから、その開弁開始時期と開弁終了時期は、図１にて示す従来の燃料供給方法における燃料ガス供給期間の開始時と終了時期に略一致する。従って、図２図示のように燃料ガス供給時期を分割するには、開弁状態の燃料ガス供給弁３に（詳しくは、その弁傘部３ａの上流に）対して、該燃料ガス供給弁３の上流側の燃料ガス供給路からの燃料ガスを供給・停止制御すればよい。つまり、給排気オーバーラップ行程早期と給気行程後期の二回、燃料ガスＧを燃料ガス供給弁３に供給し、両供給期の間は、燃料ガスＧの供給を停止するのである。
【００２０】
図８図示の構成例においては、燃料ガス供給弁３の上流側（燃料ガス供給弁３の弁傘部３ａより上方）にて、該燃料ガス供給弁３の弁室３ｂより上方に供給ガス通路９を設け、該供給ガス通路９は、電磁弁１０を介設する第一燃料ガス供給路１１と、電磁弁１２を介設する第二燃料ガス供給路１３とに分岐している。一回目の給排気オーバーラップ行程早期には、電磁弁１０を開弁して、第一燃料ガス供給路１１より燃料ガス供給弁３に燃料を供給し、その後、電磁弁１０を閉弁し、給気行程後期に、今度は電磁弁１２を開弁して、第二燃料ガス供給路１３より燃料ガス供給弁３に燃料を供給するのである。
【００２１】
このように、電磁弁を介する燃料ガス供給路を二個、供給ガス通路９に連通させているのは、図２の如く、要求される燃料ガス供給圧が、給排気オーバーラップ行程早期におけるものと、給気行程後期におけるものとで異なるからである。給排気オーバーラップ行程早期においては、燃焼副室５内の残留燃焼ガスＢＧの掃気のため、燃料ガス供給弁３からの燃料ガスＧの噴射を高圧にしたい。そこで電磁弁１０の供給設定圧は高く設定されている。一方、給気行程後期においては燃焼副室５内及び燃焼副室５から燃焼主室８への連通部分にのみ濃燃料ガス混合気を形成するため、燃料ガス供給弁３からの燃料ガスＧは、低圧で噴射したい。そこで、電磁弁１２の供給設定圧を低くしている。このように、両電磁弁１０・１２にて異なる供給設定圧を設定しているのである。
【００２２】
次に、図９図示の燃料ガス供給弁の構造を説明する。
内部に弁室を形成する弁本体１５内に、バネ１４を巻装したチェック弁の燃料ガス供給弁３が上下摺動可能に内設され、その下端は弁傘部３ａとなっていて、弁本体１５下端より下方に突出している。該燃料ガス供給弁３の弁傘部３ａよりも上方には、上部ピストン１６と下部ピストン１７が平行状に環設されていて、両ピストン１６・１７間には本体１５内の弁室にて環状連通路１８が形成されている。また、下部ピストン１７には、環状連通路１８と、弁傘部３ａ上方の弁室内との間を連通する垂直連通路１７ａを貫通状に穿設している。そして、弁本体１５の壁部には、上部ピストン１６上方の弁室の上部に対して燃料ガスＧを常時供給する燃料ガス供給通路１９が穿設され、一方、それより下方位置にて、弁本体１５の壁部に、弁室に対して上部連通路２０ａと下部連通路２０ｂとを連通する側面視コの字状のバイパス通路２０が穿設されており、上部ピストン１６上方の弁室に対して上部連通路２０ａが連通し、また、下部連通路２０ｂは、上部ピストン１６または下部ピストン１７に閉鎖されるか、或いは環状連通路１８に連通するものである。
【００２３】
（ａ）の如く、閉弁状態では、燃料ガス供給弁３が、その往復動域の上死点に位置しているので、ピストン１７の上部がバイパス通路２０の下部連通路２０ｂを閉鎖している。この状態から、給排気オーバーラップ行程掃気になると、燃焼副室５内圧の降下で、燃料ガス供給弁３が下降し始め、それとともに、（ｂ）の如く、環状連通路１８が下部連通路２０ｂに連通し、上部ピストン１６上方の弁室よりバイパス通路２０、環状連通路１８及び垂直連通路１７ａを介して、開弁状態の燃料ガス供給弁３の弁傘部３ａ上部に燃料ガスＧが供給され、一回目の燃料ガスＧの燃焼副室５への供給がなされる。
【００２４】
なおも燃料ガス供給弁３が下降すると、今度は上部ピストン１６が下部連通路２０ｂを閉鎖し始め、やがて（ｃ）の如く、下死点に達して、下部連通路２０ｂは完全に閉鎖される。そして、今度は燃料ガス供給弁３が上昇し、やがて、（ｂ）図示の状態となって、給気行程後期における、二回目の燃料ガスＧの燃焼副室５への供給がなされる。そして燃料ガス供給弁３が上死点に達して、（ａ）の閉弁状態に戻り、燃料ガスＧの燃焼副室５への燃料供給を終了する。
【００２５】
図１０図示の構成例について説明する。燃料ガス供給弁３には、弁傘部３ａよりも上方において、シール弁２１を環設しており、一方、弁ケース２２内の弁室は広幅の上部弁室２２ｂと狭幅の下部弁室２２ｄとを、シール座２２ｃを介して連続状に形成している。弁ケース２２の壁部において、シール弁２１よりも上方部の上部弁室２２ｂに連通する燃料ガス供給通路２２ａが穿設されており、シール座２１の外縁部と上部弁室２２ｂの内壁面との間には隙間がある。
【００２６】
まず、（ａ）の如く、閉弁状態では、燃料ガス供給弁３が上死点にあり、シール弁２１は上部弁室２２ｂ内にて、シール座２２ｃよりも上方に離れた状態で存在している。やがて、（ｂ）の如く、燃料ガス供給弁３が下降して開弁し、シール弁２１より上方の上部弁室２２ｂ内より、シール弁２１と上部弁室２２ｂの内壁面との間の隙間を介して、下部弁室２２ｄに燃料ガスＧが導入され、給排気オーバーラップ行程早期における第一回目の燃焼副室５に向けての燃料ガスＧの供給がなされる。やがて、給排気オーバーラップ行程を過ぎて、給気行程早期になると、（ｃ）の如く、シール弁２１がシール座２２ｃに着座して、この間、上部弁室２２ｂから下部弁室２２ｄへの燃料ガス供給は停止する。給気ガス供給弁３が下死点となった後、給気行程後期にて、再び上昇して（ｂ）の状態となり、二回目の燃料ガスＧの燃焼副室５への供給がなされ、やがて、（ａ）の閉弁状態に戻るのである。
【００２７】
なお、以上の図８乃至図１０図示の三構成例において、燃料ガス供給弁３は、一回目の燃料ガス供給期と、二回目の燃料ガス供給期との間の供給停止期においても、開弁状態（弁傘部３ａが下降した状態）となっているので、完全には燃料ガス供給は停止せず、若干の燃料ガスＧが燃焼副室５に供給され続ける。
【００２８】
次に、図３図示のもう一つの燃料ガス供給方法を説明する。
これは、図２図示の燃料ガス供給方法における一回目の燃料ガスＧの燃焼副室５への供給を、空気の供給に代えるものである。即ち、図２図示の燃料ガス供給方法における給排気オーバーラップ行程早期の燃料ガスＧの供給は、元来の燃料ガス供給の意味よりもむしろ燃焼副室５内の残留燃焼ガスＢＧの掃気を目的としたものである。従って、給気行程後期における二回目の燃料ガスＧの供給量で、目的とする混合気の状態が達成できるのであれば、給排気オーバーラップ行程早期における燃焼ガスＢＧの掃気を、燃料ガスＧで行う必要はない。また、給排気オーバーラップ行程より早い排気行程の後期より掃気を開始すれば、より確実な掃気が可能である。そこで、図３及び図６（ａ）の如く、排気行程の後期より給排気オーバーラップ行程早期においては、空気Ａを燃焼副室５に供給して、残留燃焼ガスＢＧの掃気をするようにしている。
【００２９】
このためには、空気を燃焼副室５に導く構成が必要だが、空気は、図６（ａ）の如く、燃焼ガス供給弁３にて供給可能とすれば、新たに空気供給用の弁等を設ける必要もない。燃料ガス供給弁３に対して、空気Ａと燃料ガスＧとの供給を切り替える構成が必要だが、図８図示の燃料ガス供給構造を用いて、第一燃料ガス供給路１１を空気供給路に代え、電磁弁１０の開弁にて空気を燃料ガス供給弁３に供給する構造とすればよい。なお、燃料ガス供給弁３の上流側の空気圧を高めることで、給排気オーバーラップ行程よりもやや早い排気行程後期より、空気供給を開始することができるのである。
【００３０】
そして、給気行程の後期には、図３及び図６（ｂ）の如く、図２図示の燃料ガス供給方法と同様に、燃料ガス供給弁３より、短期間に少量の燃料ガスＧを燃焼副室５に供給することで、排気中のＮＯX 低減に理想的な混合気の層状態を形成するのである。
【００３１】
本案に係る図２及び図３図示の燃料ガス供給方法を採用した場合の効果について、図７図示の各グラフより説明する。
各グラフにおいて、Ｘは従来の図１図示の燃料ガス供給方法を採用した場合、Ｙは本構成に係る図２及び図３図示の燃料ガス供給方法を採用した場合を示す。まず、（ａ）の如く、ガスエンジンの運転可能範囲は、燃料ガス供給弁３からの燃料ガスＧの供給量（副室供給ガス流量）と、燃焼主室８内における燃料ガスＧと希薄燃料ガス混合気ＬＧの供給による燃料ガス成分量（主室供給ガス量）との関係において、斜線範囲となっている。この範囲内において、従来は、燃料ガス供給弁３からの供給量が少なくても、燃焼主室８内の燃料ガス成分が多くなってしまうことが判る（（ａ）中Ｘ）。これは、燃料ガス供給弁３より供給された燃料ガスＧが拡散してしまって、燃焼主室８内のガス成分が多くなってしまい、排気の低ＮＯX 化に理想的な、混合気の層状態となっていないことに由来する。この状態からなおも燃料ガス供給弁３からの燃料ガス供給量を増加しても、主室供給ガス量が多すぎて運転可能範囲を超えてしまう。従って、燃料ガスＧの供給設定量は非常に制限される。また、（ｂ）中Ｘの如く、燃料ガス供給弁３からの燃料ガス供給量（副室供給ガス流量）が少ない状態でも、排気中のＮＯX 量が高くなる。
【００３２】
対して、図２及び図３図示の燃料ガス供給方法を用いると、（ａ）中Ｙの如く燃料ガス供給弁３からの燃料ガス供給量（副室供給ガス流量）が増大しているにも関わらず、主室供給ガス量が少なくなっており、充分に運転可能範囲に入っている。また、これは、前記の燃焼副室５から燃焼主室８にかけての混合気の層状化に由来するものであり、（ｂ）中Ｙの如く、燃料ガス供給弁３からの燃料ガス供給量が多く設定されているにもかかわらず、排気中のＮＯX 量も少なくなっている。なお（ｃ）の如く、副室供給ガス流量が増大するにもかかわらず、熱効率は従来のまま維持されている。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は、副室式ガスエンジンの燃料ガス供給方法を、以上のようなものとしたので、次のような効果を奏する。
まず、請求項１記載の如き方法を用いることで、給排気オーバーラップ行程早期に燃料ガスを供給することで、燃焼副室内に残留する燃焼ガスを燃焼主室に掃気し、更に、閉弁しかけの排気弁より掃気することができ、このため、点火栓が燻りにくくなり、点火反応性が向上する。そして、後の吸入行程後期の燃料ガス供給までに燃料ガス供給が停止されることで、既に吸入行程で給気ポートより燃焼主室に希薄燃焼ガス混合気が拡散充填され、吸入行程後期における二回目の燃料ガスは、短い期間なので供給される燃料ガスが拡散せず、燃焼副室より燃焼主室にかけて、点火栓に近い所に、略燃料ガスそのままの濃い混合気、その周辺に可燃範囲の混合気、そして更に遠い所に希薄混合気という、混合気の層状態を形成するので、排気中のＮＯX 低減に貢献するのである。
【００３４】
また、請求項２の如く、供給圧の異なる二個の電磁弁を燃料ガス供給弁の上流に設けることにより、供給圧の高い電磁弁を、給排気オーバーラップ行程早期における燃料ガス供給期、または空気供給期に開弁させることで、燃料ガス或いは空気が高圧で燃焼副室に供給され、燃焼ガスの掃気を良好にすることができ、一方、供給圧の低い電磁弁を、給気行程後期における燃料ガス供給期に開弁することで、低圧の燃料ガスを短期間供給し、排気のＮＯX 低減に理想的な混合気の層状態を形成することができる。
【００３５】
更に、請求項３の如き燃料ガス供給構造とすることにより、燃料ガス供給弁の開弁時（ピストン下降時の給気行程）の動きの中で、自然に弁傘部上流への連通路とバイパス通路とが連通して燃料ガス供給がなされ、また、連通が閉ざされることで、燃料ガス供給が停止されるものであり、これにより、請求項１の如く、一燃焼行程中に二回の燃料ガス供給がなされ、前記の効果を得るものである。
【００３７】
また、請求項４の如き燃料ガス供給構造とすることにより、燃料ガス供給弁の開弁時（ピストン下降時の給気行程）の動きの中で、自然にシール弁とシール座が離れて燃料ガス供給がなされ、また、シール座に着座することで燃料ガス供給が停止するものであり、これにより、請求項１の如く、一燃焼行程中に二回の燃料ガス供給がなされ、前記の効果を得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の燃料ガス供給方法による一燃焼行程図である。
【図２】 燃料ガスを２回に分けて供給する燃料ガス供給方法を採用する一燃焼行程図である。
【図３】 空気供給と燃料ガス供給とを行う燃料ガス供給方法を採用する一燃焼行程図である。
【図４】 ガスエンジンのシリンダー部分の側面断面図であって、図１における燃料ガス供給時の図である。
【図５】 同じく側面断面図であって、（ａ）は図２における一回目の燃料ガス供給時の図、（ｂ）は同じく二回目の燃料ガス供給時の図である。
【図６】 同じく側面断面図であって、（ａ）は図３における空気供給時の図、（ｂ）は同じく燃料ガス供給時の図である。
【図７】 図２及び図３図示の燃料ガス供給方法を採用した場合における効果を示すグラフ図で、（ａ）は運転可能範囲を示す図、（ｂ）は排出ＮＯX 特性を示す図、（ｃ）は熱効率を示す図である。
【図８】 供給圧の異なる二個の電磁弁より燃料ガス供給弁３に燃料ガスを供給する構造を示す側面略図である。
【図９】 バイパス通路２０、環状連通路１８、及び垂直連通路１７ａを設けた構造で、開弁時に燃料ガス供給を二回に分割可能とした燃料ガス供給弁３の側面断面図で、（ａ）は燃料ガス供給弁３の閉弁時の図、（ｂ）は燃料ガス供給弁３が開弁され、燃料ガスＧが燃焼副室５に供給されている時の図、（ｃ）は燃料ガス供給弁３が開弁しつつも、燃料ガスＧが燃焼副室５に供給されない時の図である。
【図１０】 シール弁２１とシール座２２ｃを設けた構造で、開弁時に燃料ガス供給を二回に分割可能とした燃料ガス供給弁３の側面断面図で、（ａ）は燃料ガス供給弁３の閉弁時の図、（ｂ）は燃料ガス供給弁３が開弁され、燃料ガスＧが燃焼副室５に供給されている時の図、（ｃ）は燃料ガス供給弁３が開弁しつつも、燃料ガスＧが燃焼副室５に供給されない時の図である。
【符号の説明】
Ｐ ピストン
Ｇ 燃料ガス
ＬＧ 希薄燃料ガス混合気
ＢＧ 燃焼ガス
１ 給気ポート
２ 給気弁
３ 燃料ガス供給弁
３ａ 弁傘部
３ｂ 弁室
４ 点火栓
５ 燃焼副室
６ 排気弁
７ 排気ポート
８ 燃焼主室
９ 供給ガス通路
１０ 電磁弁
１１ 第一燃料ガス供給路
１２ 電磁弁
１３ 第二燃料ガス供給路
１４ バネ
１５ 弁ケース
１６ 上部ピストン
１７ 下部ピストン
１７ａ 垂直連通路
１８ 環状連通路
１９ 燃料ガス供給通路
２０ バイパス通路
２０ａ 上部連通路
２０ｂ 下部連通路
２１ シール弁
２２ 弁ケース
２２ａ 燃料ガス供給通路
２２ｂ 上部弁室
２２ｃ シール座
２２ｄ 下部弁室
【発明の属する技術分野】
本発明は、希薄燃料ガス混合気を給気とする副室式ガスエンジンにおける、点火栓の燻りの防止及び燃焼効率の向上を図るための燃料ガスの供給方法及び構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃焼主室に、給気弁を有して希薄燃料ガス混合気を供給する給気ポートと、排気弁を有する排気ポートとを連通させ、該燃焼主室に連通する燃焼副室に燃料ガス供給弁と点火栓とを臨ませた構造のガスエンジンにおいては、燃料ガス供給弁は、ピストン下降に伴う燃焼主室及び燃焼副室内圧の降下と、燃料ガス設定圧との差圧にて自動的に開弁する自動弁である。
一方、一燃焼行程（ピストンは二往復動する）中において、給気弁及び排気弁の動きに伴い、給気行程、給排気オーバーラップ行程、排気行程、圧縮行程と移行するが、この中で、燃料ガス供給弁は、ピストン上死点付近の給排気オーバーラップ行程の後期より、ピストン下降期に重なる給気行程にかけて、一回のみ開弁する。即ち、燃料ガス供給は以上の一燃焼行程につき一回のみ行われる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の副室式ガスエンジンにおいては、燃料ガス供給弁の構造上、燃料ガスの供給時期や供給量は制限され、機関の運転範囲、即ち、燃焼副室への燃料供給量の設定幅及び燃焼主室への燃料供給量の設定幅を狭くしていた。そのため、燃焼主室内における燃料ガスの一層の希薄化を図ることができず、排気エミッション（ＮＯX ）を、ある値以下に低減することが困難であった。
具体的に説明すると、排気中のＮＯX 低減のためには、点火栓付近（燃焼副室内）に、希薄化されていない状態の燃料ガスがあり、燃焼主室において、燃焼副室に近い側に可燃範囲の混合気、そして、それよりも遠くに超希薄混合気が存在する、混合気の層状態を実現することが理想である。
しかし、従来は、燃料ガス供給弁の開弁が、給気行程の全域にわたり、即ち、燃料ガスの供給期間が長いため、燃料ガスのかなりの量が燃焼主室内の広い範囲に及び、このような混合気の層状化を実現することができないので、排気の低ＮＯX 化には限界があったのである。
【０００４】
また、もう一つの問題点として、排気ポートに直接連通している燃焼主室からは、排気弁が開弁することで、燃焼ガスが充分に掃気されるものの、燃焼副室内の燃焼ガスは、排気ポートが直接連通していないので、充分に掃気できず、この残留燃焼ガスは、排気行程以後、給排気オーバーラップ行程を経て、給気行程になると、排気弁が閉弁しており、更に、給気弁を介して給気ポートより燃焼主室に供給される希薄燃料ガス混合気圧のため、燃焼主室側には排出されにくく、従って、圧縮行程になって点火栓の点火時期になっても、燃焼副室内に残留し続けるので、点火栓は燻りを生じやすく、点火反応性が悪くなるという不具合があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、燃焼主室に、給気弁を有して希薄燃料ガス混合気を供給する給気ポートと、排気弁を有する排気ポートとを連通させ、該燃焼主室に連通する燃焼副室に、燃料ガス供給弁と点火栓とを臨ませた構造のガスエンジンにおいて、以上のような課題を解決すべく、次のような手段を用いるものである。
【０００６】
即ち、請求項１においては、給排気オーバーラップ行程の早期と、給気行程の後期に、燃料ガス供給を行う。
【０００７】
また、請求項２においては、給排気オーバーラップ行程の早期と、給気行程の後期に、燃料ガス供給を行う燃料ガス供給方法を行う燃料ガス供給方法を採用するガスエンジンにおいて、燃料ガス供給弁の上流側に供給圧の異なる二つの電磁弁を配設する。
【０００８】
また、請求項３においては、給排気オーバーラップ行程の早期と、給気行程の後期に、燃料ガス供給を行う燃料ガス供給方法を採用するガスエンジンにおいて、該燃料ガス供給弁の動きに連動する弁傘部上流への連通路を設け、該燃料ガス供給弁を内設する弁ケースに、該連通路に連通可能なバイパス通路を設ける。
【０００９】
或いは、請求項４においては、給排気オーバーラップ行程の早期と、給気行程の後期に、燃料ガス供給を行う燃料ガス供給方法を採用するガスエンジンにおいて、該燃料ガス供給弁の弁傘部上部に一体状のシール弁を設け、該燃料ガス供給弁を内設する弁ケースに、該シール弁と着脱可能なシール座を設ける。
【００１０】
或いは、給排気オーバーラップ行程の早期と、給気行程の後期に、燃料ガス供給を行う燃料供給方法において、該燃料ガス供給弁の動きに連動する弁傘部上流への連通路と、該燃料ガス供給弁を内設する弁ケースに設けたバイパス通路とが連通することにより、燃料ガスを副室に供給する。
【００１１】
或いは、給排気オーバーラップ行程の早期と、給気行程の後期に、燃料ガス供給を行う燃料供給方法において、該燃料ガス供給弁の弁傘部上部に一体状のシール弁を設け、該燃料ガス供給弁を内設する弁ケースに、該シール弁と当接可能なシール座を設け、弁の動きに伴う該シール弁と該シール座との着脱により燃料ガスを供給制御する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明を、添付の図面を基に説明する。
図１は従来の燃料ガス供給方法による一燃焼行程図、図２は燃料ガスを２回に分けて供給する燃料ガス供給方法を採用する一燃焼行程図、図３は空気供給と燃料ガス供給とを行う燃料ガス供給方法を採用する一燃焼行程図、図４はガスエンジンのシリンダー部分の側面断面図であって、図１における燃料ガス供給時の図、図５は同じく側面断面図であって、（ａ）は図２における一回目の燃料ガス供給時の図、（ｂ）は同じく二回目の燃料ガス供給時の図、図６は同じく側面断面図であって、（ａ）は図３における空気供給時の図、（ｂ）は同じく燃料ガス供給時の図、図７は図２及び図３図示の燃料ガス供給方法を採用した場合における効果を示すグラフ図で、（ａ）は運転可能範囲を示す図、（ｂ）は排出ＮＯX 特性を示す図、（ｃ）は熱効率を示す図、図８は供給圧の異なる二個の電磁弁より燃料ガス供給弁３に燃料ガスを供給する構造を示す側面略図、図９はバイパス通路２０、環状連通路１８、及び垂直連通路１７ａを設けた構造で、開弁時に燃料ガス供給を二回に分割可能とした燃料ガス供給弁３の側面断面図で、（ａ）は燃料ガス供給弁３の閉弁時の図、（ｂ）は燃料ガス供給弁３が開弁され、燃料ガスＧが燃焼副室５に供給されている時の図、（ｃ）は燃料ガス供給弁３が開弁しつつも、燃料ガスＧが燃焼副室５に供給されない時の図、図１０はシール弁２１とシール座２２ｃを設けた構造で、開弁時に燃料ガス供給を二回に分割可能とした燃料ガス供給弁３の側面断面図で、（ａ）は燃料ガス供給弁３の閉弁時の図、（ｂ）は燃料ガス供給弁３が開弁され、燃料ガスＧが燃焼副室５に供給されている時の図、（ｃ）は燃料ガス供給弁３が開弁しつつも、燃料ガスＧが燃焼副室５に供給されない時の図である。
【００１３】
まず、ガスエンジンの燃焼室及びその周辺構造について、図４等を基に説明する。
シリンダー内において、ピストンＰが上下摺動可能に内設されており、該シリンダー内におけるピストンＰの上方空間が、燃焼主室８となる。燃焼主室８の中央部より上方に、燃焼副室５が連通していて、該燃焼副室５の上端部に燃料ガス供給弁３と点火栓４を臨ませてある。更に、燃焼主室８には、給気ポート１と排気ポート７が連通していて、給気ポート１には給気弁２を、排気ポート７には排気弁６を内装している。給気ポート１には、希薄燃料ガス混合気ＬＧが供給され、燃料ガス供給弁３からは、混合していない通常の燃料ガスＧが供給される。
【００１４】
次に、一燃焼行程中における給気弁２と排気弁６の動きに伴う給・排気行程を図１等にて説明する。
一燃焼行程中に、ピストンＰは上死点ＴＤＣ・下死点ＢＤＣ間を二往復する。まず、給気弁２・排気弁６ともに閉弁した状態で、ピストンＰが上死点ＴＤＣに達し、燃焼主室８及び燃焼副室５内が圧縮されて、点火栓４により、内部に充填された燃焼ガス混合気が燃焼されて、爆発が起こり、ピストンＰを押し下げる膨張行程となる。ピストンＰが下死点ＢＤＣ直前になると、排気弁６が開弁し始め、ピストン上昇中は、排気弁６のみ開弁している排気行程となっている。やがて、ピストンＰが上死点ＴＤＣ直前になると、給気弁２が開弁を開始し、上死点ＴＤＣ付近では、給排気オーバーラップ行程となっている。更に、ピストンＰが下降し、排気弁６は閉弁して、給気弁２のみ開弁している給気行程となる。やがて、ピストンＰが下死点ＢＤＣを過ぎ、上昇し始める時に給気弁２も閉弁し、両弁２・６が閉弁した状態でピストンＰが上昇する圧縮行程となる。そして、ピストンＰが上死点ＴＤＣに達する直前に、前記の圧縮混合気の爆発が起こり、再び膨張行程へと移行する。
【００１５】
以上のような一燃焼行程中において、従来は、図１及び図４の如く、ピストンＰが上死点ＴＤＣより下降することで、燃焼主室８及び燃焼副室５の内圧が低下する、給排気オーバーラップ行程後期より給気行程にかけて、自動弁である燃料ガス供給弁３が開弁して、一回の燃料ガスの供給がなされていた。これに対して本案の燃料ガス供給方法は、一燃焼行程中に、図２の如く、燃料ガスを二回供給する方法、或いは、図３の如く、初期に空気を供給し、後期に燃料ガスを供給する方法となっている。
【００１６】
まず、燃料ガスを二回供給する図２図示の燃料ガス供給方法では、燃料ガス供給が、最初に、排気行程後期より給排気オーバーラップ行程にかけての時期になされ、次に、給気行程の後期になされる。最初の燃料ガス供給期のシリンダーの様子を、図５（ａ）より説明すると、排気弁６は殆ど閉弁しかけている一方、給気弁２が開弁し始めている。この時、燃焼主室８においては、排気弁６の開弁により、排気ポート７に燃焼ガスＢＧが殆ど掃気されてしまっているが、燃焼副室５には燃焼ガスＢＧが充分掃気されずに残留した状態となっている。この燃焼副室５内の残留燃焼ガスＢＧは、これ以後の給排気オーバーラップ行程、給気行程になっても、排気弁６が閉弁してしまっている上に、給気弁２が開弁して、給気ポート１より燃焼主室８内に導入される希薄燃料ガス混合気ＬＧの気圧により、燃焼主室８側に排出されにくくなり、燃焼副室５内に残留し続けるので、圧縮行程における点火栓４の点火時になっても、この残留燃焼ガスＢＧのために、点火栓４が燻ってうまく点火しないという不具合をもたらす。
【００１７】
そこで、この時期に燃料ガス供給弁３を開弁して、燃料ガスＧを燃焼副室５内に供給し、この燃料ガスＧの圧力によって、燃焼副室５内の残留燃焼ガスＢＧを掃気する。燃焼副室５より燃焼主室８へと掃気された残留燃焼ガスＢＧは、閉弁しかけているが僅かに開弁している排気弁６を介して、排気ポート７に掃気されるのである。こうして、燃焼副室５内に燃焼ガスＢＧが残留せず、点火栓４が燻りにくくなる。
【００１８】
次に、給気行程後期に燃料ガスＧを供給するが、この時のシリンダーの様子を図５（ｂ）より説明する。
給気行程前期においては、燃料ガス供給弁３を閉弁したままとしており、従って、燃焼主室８内には、給気弁２を介して、給気ポート１からの希薄燃料ガス混合気ＬＧのみが導入され、ピストンＰが下降した状態における燃焼主室８内全域に希薄燃料ガス混合気ＬＧが充分に拡散する。この状態から給気行程後期の短い期間にて、燃料ガス供給弁３より燃料ガスＧの供給がなされる。そのため、燃焼副室５より燃焼主室８にかけて、点火栓３に近い燃焼副室５内には希薄化されない燃料ガスＧ、その周辺（例えば燃焼副室５より燃焼主室８への連通部分）に可燃範囲の混合気、それより更に遠くの燃焼主室８内に超希薄混合気が存在する、排気中のＮＯX 低減に理想的な混合気の層状態が実現するのである。
【００１９】
次に、図２図示の如く、一燃焼行程中に燃料ガス供給を二回行うための燃料ガス供給構造の三つの構成例を、図８乃至図１０より説明する。
まず、各構成例の構造において、燃料ガス供給弁３は、基本的には従来と同様のチェック弁構造の自動弁であって、ピストンＰの下降に伴う燃焼主室８及び燃焼副室５内圧の下降に伴って開弁するものであるから、その開弁開始時期と開弁終了時期は、図１にて示す従来の燃料供給方法における燃料ガス供給期間の開始時と終了時期に略一致する。従って、図２図示のように燃料ガス供給時期を分割するには、開弁状態の燃料ガス供給弁３に（詳しくは、その弁傘部３ａの上流に）対して、該燃料ガス供給弁３の上流側の燃料ガス供給路からの燃料ガスを供給・停止制御すればよい。つまり、給排気オーバーラップ行程早期と給気行程後期の二回、燃料ガスＧを燃料ガス供給弁３に供給し、両供給期の間は、燃料ガスＧの供給を停止するのである。
【００２０】
図８図示の構成例においては、燃料ガス供給弁３の上流側（燃料ガス供給弁３の弁傘部３ａより上方）にて、該燃料ガス供給弁３の弁室３ｂより上方に供給ガス通路９を設け、該供給ガス通路９は、電磁弁１０を介設する第一燃料ガス供給路１１と、電磁弁１２を介設する第二燃料ガス供給路１３とに分岐している。一回目の給排気オーバーラップ行程早期には、電磁弁１０を開弁して、第一燃料ガス供給路１１より燃料ガス供給弁３に燃料を供給し、その後、電磁弁１０を閉弁し、給気行程後期に、今度は電磁弁１２を開弁して、第二燃料ガス供給路１３より燃料ガス供給弁３に燃料を供給するのである。
【００２１】
このように、電磁弁を介する燃料ガス供給路を二個、供給ガス通路９に連通させているのは、図２の如く、要求される燃料ガス供給圧が、給排気オーバーラップ行程早期におけるものと、給気行程後期におけるものとで異なるからである。給排気オーバーラップ行程早期においては、燃焼副室５内の残留燃焼ガスＢＧの掃気のため、燃料ガス供給弁３からの燃料ガスＧの噴射を高圧にしたい。そこで電磁弁１０の供給設定圧は高く設定されている。一方、給気行程後期においては燃焼副室５内及び燃焼副室５から燃焼主室８への連通部分にのみ濃燃料ガス混合気を形成するため、燃料ガス供給弁３からの燃料ガスＧは、低圧で噴射したい。そこで、電磁弁１２の供給設定圧を低くしている。このように、両電磁弁１０・１２にて異なる供給設定圧を設定しているのである。
【００２２】
次に、図９図示の燃料ガス供給弁の構造を説明する。
内部に弁室を形成する弁本体１５内に、バネ１４を巻装したチェック弁の燃料ガス供給弁３が上下摺動可能に内設され、その下端は弁傘部３ａとなっていて、弁本体１５下端より下方に突出している。該燃料ガス供給弁３の弁傘部３ａよりも上方には、上部ピストン１６と下部ピストン１７が平行状に環設されていて、両ピストン１６・１７間には本体１５内の弁室にて環状連通路１８が形成されている。また、下部ピストン１７には、環状連通路１８と、弁傘部３ａ上方の弁室内との間を連通する垂直連通路１７ａを貫通状に穿設している。そして、弁本体１５の壁部には、上部ピストン１６上方の弁室の上部に対して燃料ガスＧを常時供給する燃料ガス供給通路１９が穿設され、一方、それより下方位置にて、弁本体１５の壁部に、弁室に対して上部連通路２０ａと下部連通路２０ｂとを連通する側面視コの字状のバイパス通路２０が穿設されており、上部ピストン１６上方の弁室に対して上部連通路２０ａが連通し、また、下部連通路２０ｂは、上部ピストン１６または下部ピストン１７に閉鎖されるか、或いは環状連通路１８に連通するものである。
【００２３】
（ａ）の如く、閉弁状態では、燃料ガス供給弁３が、その往復動域の上死点に位置しているので、ピストン１７の上部がバイパス通路２０の下部連通路２０ｂを閉鎖している。この状態から、給排気オーバーラップ行程掃気になると、燃焼副室５内圧の降下で、燃料ガス供給弁３が下降し始め、それとともに、（ｂ）の如く、環状連通路１８が下部連通路２０ｂに連通し、上部ピストン１６上方の弁室よりバイパス通路２０、環状連通路１８及び垂直連通路１７ａを介して、開弁状態の燃料ガス供給弁３の弁傘部３ａ上部に燃料ガスＧが供給され、一回目の燃料ガスＧの燃焼副室５への供給がなされる。
【００２４】
なおも燃料ガス供給弁３が下降すると、今度は上部ピストン１６が下部連通路２０ｂを閉鎖し始め、やがて（ｃ）の如く、下死点に達して、下部連通路２０ｂは完全に閉鎖される。そして、今度は燃料ガス供給弁３が上昇し、やがて、（ｂ）図示の状態となって、給気行程後期における、二回目の燃料ガスＧの燃焼副室５への供給がなされる。そして燃料ガス供給弁３が上死点に達して、（ａ）の閉弁状態に戻り、燃料ガスＧの燃焼副室５への燃料供給を終了する。
【００２５】
図１０図示の構成例について説明する。燃料ガス供給弁３には、弁傘部３ａよりも上方において、シール弁２１を環設しており、一方、弁ケース２２内の弁室は広幅の上部弁室２２ｂと狭幅の下部弁室２２ｄとを、シール座２２ｃを介して連続状に形成している。弁ケース２２の壁部において、シール弁２１よりも上方部の上部弁室２２ｂに連通する燃料ガス供給通路２２ａが穿設されており、シール座２１の外縁部と上部弁室２２ｂの内壁面との間には隙間がある。
【００２６】
まず、（ａ）の如く、閉弁状態では、燃料ガス供給弁３が上死点にあり、シール弁２１は上部弁室２２ｂ内にて、シール座２２ｃよりも上方に離れた状態で存在している。やがて、（ｂ）の如く、燃料ガス供給弁３が下降して開弁し、シール弁２１より上方の上部弁室２２ｂ内より、シール弁２１と上部弁室２２ｂの内壁面との間の隙間を介して、下部弁室２２ｄに燃料ガスＧが導入され、給排気オーバーラップ行程早期における第一回目の燃焼副室５に向けての燃料ガスＧの供給がなされる。やがて、給排気オーバーラップ行程を過ぎて、給気行程早期になると、（ｃ）の如く、シール弁２１がシール座２２ｃに着座して、この間、上部弁室２２ｂから下部弁室２２ｄへの燃料ガス供給は停止する。給気ガス供給弁３が下死点となった後、給気行程後期にて、再び上昇して（ｂ）の状態となり、二回目の燃料ガスＧの燃焼副室５への供給がなされ、やがて、（ａ）の閉弁状態に戻るのである。
【００２７】
なお、以上の図８乃至図１０図示の三構成例において、燃料ガス供給弁３は、一回目の燃料ガス供給期と、二回目の燃料ガス供給期との間の供給停止期においても、開弁状態（弁傘部３ａが下降した状態）となっているので、完全には燃料ガス供給は停止せず、若干の燃料ガスＧが燃焼副室５に供給され続ける。
【００２８】
次に、図３図示のもう一つの燃料ガス供給方法を説明する。
これは、図２図示の燃料ガス供給方法における一回目の燃料ガスＧの燃焼副室５への供給を、空気の供給に代えるものである。即ち、図２図示の燃料ガス供給方法における給排気オーバーラップ行程早期の燃料ガスＧの供給は、元来の燃料ガス供給の意味よりもむしろ燃焼副室５内の残留燃焼ガスＢＧの掃気を目的としたものである。従って、給気行程後期における二回目の燃料ガスＧの供給量で、目的とする混合気の状態が達成できるのであれば、給排気オーバーラップ行程早期における燃焼ガスＢＧの掃気を、燃料ガスＧで行う必要はない。また、給排気オーバーラップ行程より早い排気行程の後期より掃気を開始すれば、より確実な掃気が可能である。そこで、図３及び図６（ａ）の如く、排気行程の後期より給排気オーバーラップ行程早期においては、空気Ａを燃焼副室５に供給して、残留燃焼ガスＢＧの掃気をするようにしている。
【００２９】
このためには、空気を燃焼副室５に導く構成が必要だが、空気は、図６（ａ）の如く、燃焼ガス供給弁３にて供給可能とすれば、新たに空気供給用の弁等を設ける必要もない。燃料ガス供給弁３に対して、空気Ａと燃料ガスＧとの供給を切り替える構成が必要だが、図８図示の燃料ガス供給構造を用いて、第一燃料ガス供給路１１を空気供給路に代え、電磁弁１０の開弁にて空気を燃料ガス供給弁３に供給する構造とすればよい。なお、燃料ガス供給弁３の上流側の空気圧を高めることで、給排気オーバーラップ行程よりもやや早い排気行程後期より、空気供給を開始することができるのである。
【００３０】
そして、給気行程の後期には、図３及び図６（ｂ）の如く、図２図示の燃料ガス供給方法と同様に、燃料ガス供給弁３より、短期間に少量の燃料ガスＧを燃焼副室５に供給することで、排気中のＮＯX 低減に理想的な混合気の層状態を形成するのである。
【００３１】
本案に係る図２及び図３図示の燃料ガス供給方法を採用した場合の効果について、図７図示の各グラフより説明する。
各グラフにおいて、Ｘは従来の図１図示の燃料ガス供給方法を採用した場合、Ｙは本構成に係る図２及び図３図示の燃料ガス供給方法を採用した場合を示す。まず、（ａ）の如く、ガスエンジンの運転可能範囲は、燃料ガス供給弁３からの燃料ガスＧの供給量（副室供給ガス流量）と、燃焼主室８内における燃料ガスＧと希薄燃料ガス混合気ＬＧの供給による燃料ガス成分量（主室供給ガス量）との関係において、斜線範囲となっている。この範囲内において、従来は、燃料ガス供給弁３からの供給量が少なくても、燃焼主室８内の燃料ガス成分が多くなってしまうことが判る（（ａ）中Ｘ）。これは、燃料ガス供給弁３より供給された燃料ガスＧが拡散してしまって、燃焼主室８内のガス成分が多くなってしまい、排気の低ＮＯX 化に理想的な、混合気の層状態となっていないことに由来する。この状態からなおも燃料ガス供給弁３からの燃料ガス供給量を増加しても、主室供給ガス量が多すぎて運転可能範囲を超えてしまう。従って、燃料ガスＧの供給設定量は非常に制限される。また、（ｂ）中Ｘの如く、燃料ガス供給弁３からの燃料ガス供給量（副室供給ガス流量）が少ない状態でも、排気中のＮＯX 量が高くなる。
【００３２】
対して、図２及び図３図示の燃料ガス供給方法を用いると、（ａ）中Ｙの如く燃料ガス供給弁３からの燃料ガス供給量（副室供給ガス流量）が増大しているにも関わらず、主室供給ガス量が少なくなっており、充分に運転可能範囲に入っている。また、これは、前記の燃焼副室５から燃焼主室８にかけての混合気の層状化に由来するものであり、（ｂ）中Ｙの如く、燃料ガス供給弁３からの燃料ガス供給量が多く設定されているにもかかわらず、排気中のＮＯX 量も少なくなっている。なお（ｃ）の如く、副室供給ガス流量が増大するにもかかわらず、熱効率は従来のまま維持されている。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は、副室式ガスエンジンの燃料ガス供給方法を、以上のようなものとしたので、次のような効果を奏する。
まず、請求項１記載の如き方法を用いることで、給排気オーバーラップ行程早期に燃料ガスを供給することで、燃焼副室内に残留する燃焼ガスを燃焼主室に掃気し、更に、閉弁しかけの排気弁より掃気することができ、このため、点火栓が燻りにくくなり、点火反応性が向上する。そして、後の吸入行程後期の燃料ガス供給までに燃料ガス供給が停止されることで、既に吸入行程で給気ポートより燃焼主室に希薄燃焼ガス混合気が拡散充填され、吸入行程後期における二回目の燃料ガスは、短い期間なので供給される燃料ガスが拡散せず、燃焼副室より燃焼主室にかけて、点火栓に近い所に、略燃料ガスそのままの濃い混合気、その周辺に可燃範囲の混合気、そして更に遠い所に希薄混合気という、混合気の層状態を形成するので、排気中のＮＯX 低減に貢献するのである。
【００３４】
また、請求項２の如く、供給圧の異なる二個の電磁弁を燃料ガス供給弁の上流に設けることにより、供給圧の高い電磁弁を、給排気オーバーラップ行程早期における燃料ガス供給期、または空気供給期に開弁させることで、燃料ガス或いは空気が高圧で燃焼副室に供給され、燃焼ガスの掃気を良好にすることができ、一方、供給圧の低い電磁弁を、給気行程後期における燃料ガス供給期に開弁することで、低圧の燃料ガスを短期間供給し、排気のＮＯX 低減に理想的な混合気の層状態を形成することができる。
【００３５】
更に、請求項３の如き燃料ガス供給構造とすることにより、燃料ガス供給弁の開弁時（ピストン下降時の給気行程）の動きの中で、自然に弁傘部上流への連通路とバイパス通路とが連通して燃料ガス供給がなされ、また、連通が閉ざされることで、燃料ガス供給が停止されるものであり、これにより、請求項１の如く、一燃焼行程中に二回の燃料ガス供給がなされ、前記の効果を得るものである。
【００３７】
また、請求項４の如き燃料ガス供給構造とすることにより、燃料ガス供給弁の開弁時（ピストン下降時の給気行程）の動きの中で、自然にシール弁とシール座が離れて燃料ガス供給がなされ、また、シール座に着座することで燃料ガス供給が停止するものであり、これにより、請求項１の如く、一燃焼行程中に二回の燃料ガス供給がなされ、前記の効果を得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の燃料ガス供給方法による一燃焼行程図である。
【図２】 燃料ガスを２回に分けて供給する燃料ガス供給方法を採用する一燃焼行程図である。
【図３】 空気供給と燃料ガス供給とを行う燃料ガス供給方法を採用する一燃焼行程図である。
【図４】 ガスエンジンのシリンダー部分の側面断面図であって、図１における燃料ガス供給時の図である。
【図５】 同じく側面断面図であって、（ａ）は図２における一回目の燃料ガス供給時の図、（ｂ）は同じく二回目の燃料ガス供給時の図である。
【図６】 同じく側面断面図であって、（ａ）は図３における空気供給時の図、（ｂ）は同じく燃料ガス供給時の図である。
【図７】 図２及び図３図示の燃料ガス供給方法を採用した場合における効果を示すグラフ図で、（ａ）は運転可能範囲を示す図、（ｂ）は排出ＮＯX 特性を示す図、（ｃ）は熱効率を示す図である。
【図８】 供給圧の異なる二個の電磁弁より燃料ガス供給弁３に燃料ガスを供給する構造を示す側面略図である。
【図９】 バイパス通路２０、環状連通路１８、及び垂直連通路１７ａを設けた構造で、開弁時に燃料ガス供給を二回に分割可能とした燃料ガス供給弁３の側面断面図で、（ａ）は燃料ガス供給弁３の閉弁時の図、（ｂ）は燃料ガス供給弁３が開弁され、燃料ガスＧが燃焼副室５に供給されている時の図、（ｃ）は燃料ガス供給弁３が開弁しつつも、燃料ガスＧが燃焼副室５に供給されない時の図である。
【図１０】 シール弁２１とシール座２２ｃを設けた構造で、開弁時に燃料ガス供給を二回に分割可能とした燃料ガス供給弁３の側面断面図で、（ａ）は燃料ガス供給弁３の閉弁時の図、（ｂ）は燃料ガス供給弁３が開弁され、燃料ガスＧが燃焼副室５に供給されている時の図、（ｃ）は燃料ガス供給弁３が開弁しつつも、燃料ガスＧが燃焼副室５に供給されない時の図である。
【符号の説明】
Ｐ ピストン
Ｇ 燃料ガス
ＬＧ 希薄燃料ガス混合気
ＢＧ 燃焼ガス
１ 給気ポート
２ 給気弁
３ 燃料ガス供給弁
３ａ 弁傘部
３ｂ 弁室
４ 点火栓
５ 燃焼副室
６ 排気弁
７ 排気ポート
８ 燃焼主室
９ 供給ガス通路
１０ 電磁弁
１１ 第一燃料ガス供給路
１２ 電磁弁
１３ 第二燃料ガス供給路
１４ バネ
１５ 弁ケース
１６ 上部ピストン
１７ 下部ピストン
１７ａ 垂直連通路
１８ 環状連通路
１９ 燃料ガス供給通路
２０ バイパス通路
２０ａ 上部連通路
２０ｂ 下部連通路
２１ シール弁
２２ 弁ケース
２２ａ 燃料ガス供給通路
２２ｂ 上部弁室
２２ｃ シール座
２２ｄ 下部弁室
Claims (4)
- 燃焼主室に、給気弁を有して希薄燃料ガス混合気を供給する給気ポートと、排気弁を有する排気ポートとを連通させ、該燃焼主室に連通する燃焼副室に、燃料ガス供給弁と点火栓とを臨ませた構造のガスエンジンにおいて、給排気オーバーラップ行程の早期と、給気行程の後期に、燃料ガス供給を行うことを特徴とするガスエンジンの燃料ガス供給方法。
- 請求項１記載の燃料供給方法を採用するガスエンジンにおいて、燃料ガス供給弁の上流側に、供給圧の異なる二つの電磁弁を配設したことを特徴とするガスエンジンの燃料ガス供給構造。
- 請求項１記載の燃焼方法を採用するガスエンジンにおいて、該燃料ガス供給弁の動きに連動する弁傘部上流への連通路を設け、該燃料ガス供給弁を内設する弁ケースに、該連通路に連通可能なバイパス通路を設けたことを特徴とするガスエンジンの燃料ガス供給構造。
- 請求項１記載の燃焼方法を採用するガスエンジンにおいて、該燃料ガス供給弁の弁傘部上部に一体状のシール弁を設け、該燃料ガス供給弁を内設する弁ケースに、該シール弁と着脱可能なシール座を設けたことを特徴とするガスエンジンの燃料ガス供給構造。
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- 1996-07-30 JP JP20051896A patent/JP3756995B2/ja not_active Expired - Fee Related
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