JP3918361B2

JP3918361B2 - 副室式ガスエンジン

Info

Publication number: JP3918361B2
Application number: JP13229299A
Authority: JP
Inventors: 晃東野; 勝利森田
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1999-05-13
Filing date: 1999-05-13
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2019-05-13
Also published as: JP2000320334A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は，例えば，ガスエンジンにおける主室と副室とを連通する連絡口に開閉弁を設けた副室式ガスエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，ガスエンジンとしては，シリンダヘッドに副室を設け，副室を燃料リッチな状態にして副室で着火燃焼させ，主室での希薄領域の燃焼を確実にし，燃焼を安定させるものが知られている。このようなガスエンジンは，主室への燃料供給を吸気管に設けられたミキサーによって行っており，ミキサーによって生成された混合気は，均一な混合気となってシリンダへ吸入されている。シリンダ内の混合気の一部は，ピストン側面のトップランドに侵入する。トップランドに侵入した混合気は，シリンダ壁面による冷却のために燃焼が遅れ，その結果，熱効率を低下させ，ＨＣの排出量を増加させるという現象が発生する。
【０００３】
そこで，ガスエンジンとして，上記の問題を解決するため，ガス燃料をシリンダの中央又は上方に成層化させる方式が開発された。該ガスエンジンは，吸気ポートに設置された燃料噴射弁により吸入行程後期に燃料を噴射し，吸入空気のスワール流を強め，シリンダ軸方向の混合を抑制して成層化させるものである。しかしながら，該ガスエンジンでは，吸気弁の閉鎖時期から燃焼開始までの時間が長いため，その間に空気とガス燃料との混合が進行し，その混合気がピストン側面のトップランドに侵入し，上記と同様な現象が発生し好ましくないものであった。
【０００４】
更に，上記のガスエンジンの問題を解決するため，ガスエンジンとして，天然ガス等のガス燃料の圧力を極端に上昇させないで，ガス燃料を燃焼室に送り込み，ディーゼル燃焼させるため，燃焼室を主室と副室とに分離し，主室と副室とを連通する連絡口に連絡口弁を配置したタイプが開発された。該ガスエンジンは，副室にガス燃料を供給し，主室にガス燃料の存在しない状態で空気を導入し，該空気を圧縮し，圧縮行程上死点付近で主室より副室へ圧縮空気を流入させ，副室で圧縮空気とガス燃料とを急速に混合させて着火燃焼させている（例えば，特開平７−３１０５５０号公報参照）。
【０００５】
特開平７−３１０５５０号公報に開示されたガスエンジンは，シリンダヘッドに形成した副室とシリンダ側に形成した主室とを連絡口で連通し，連絡口に主室と副室との連通状態を開閉する連絡口弁を配置し，副室にガス燃料を供給する燃料供給口を形成し，燃料供給口を開閉する燃料弁を配置したものである。コントローラは，圧力センサで検出された副室のガス燃料圧に応答して燃料弁の開閉を制御して副室へ供給するガス燃料を制御している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
また，上記ガスエンジンの問題を解決するため，ガスエンジンとして，主室での急速燃焼を促進ささせるため，吸入行程で，主室に自己着火しない程度の混合気を予め形成し，圧縮行程上死点付近で主室より副室へ圧縮混合気を流入させ，副室で圧縮混合気とガス燃料とを急速に混合させて着火燃焼させるものが開発された。上記のようなタイプのガスエンジンでは，副室内の天然ガスが吸入行程で主室内に入り，天然ガスが空気と混合し，超希薄混合気となった場合，副室での混合火炎が着火し，主室内に拡散した場合には，燃焼が万遍なく進行し，熱発生率が上死点近くに偏り，燃費が良くなり，且つ燃焼ガスが希薄予混合状態になるため，ＮＯ_Xの発生が抑制されるという結果が実験的に確認されている。
【０００７】
しかしながら，上記のようなタイプの副室式ガスエンジンにおいて，均一な混合気が予めシリンダ内に形成され，ピストンの上昇に従ってピストン側面のトップランドに混合気が侵入し，同様にトップランドに侵入した混合気はシリンダ壁面により冷却され，その結果，燃焼が遅れて熱効率が低下すると共に，ＨＣの排出量が増加するという現象が発生する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は，上記の課題を解決することであり，少なくともガス燃料がピストン側面のトップランドに侵入することを防止するため，主室の大部分をピストンの中央に形成したキャビティで構成し，副室に供給したガス燃料の一部を圧縮行程においてピストンのキャビティ内に噴出してキャビティ内でガス燃料と空気とを混合させて成層化し，圧縮行程上死点で開閉弁を開放して主室から副室へ圧縮混合気を流入させて副室で着火燃焼させ，次いで，火炎，未燃燃料，混合気等のガスを副室から主室へ噴出させ，主室での二次燃焼の燃焼スピードをアップし，主室での燃焼期間を短縮して二次燃焼を完結し，ＮＯ_X，ＨＣ等の発生を低減し，熱効率を向上させる副室式ガスエンジンを提供することである。
【０００９】
この発明は，シリンダが設けられたシリンダブロックに固定されたシリンダヘッド，前記シリンダの中央に対応して前記シリンダヘッドに形成された副室，前記シリンダ内を往復動し且つ中央部に主室を構成するキャビティが形成されたピストン，前記主室と前記副室とを連通する前記シリンダヘッドに形成された連絡口に配置された開閉弁，及びガス燃料供給源からのガス燃料を前記副室に供給するため前記副室に形成したガス燃料供給口に配置されたガス燃料弁を具備し，前記開閉弁が開放している期間の圧縮行程に，前記ガス燃料弁が開閉作動して前記副室を通じて前記ガス燃料の一部が前記ピストンの前記キャビティ内に供給され，前記圧縮行程に前記連絡口を通って前記キャビティへ噴出された前記ガス燃料は，前記キャビティ内で空気と混合されて成層化されることから成る副室式ガスエンジンに関する。
【００１０】
また，前記開閉弁は，圧縮行程上死点近傍で前記連絡口を開放し，次の圧縮行程で前記連絡口を閉鎖するように作動される。
【００１１】
また，前記ガス燃料弁は，前記開閉弁が前記連絡口を開放している圧縮行程の期間で前記ガス燃料供給口を開閉して前記ガス燃料の一部を前記キャビティ内に供給し，次いで，前記開閉弁が前記連絡口を閉鎖している圧縮行程中期から圧縮行程上死点の期間で前記ガス燃料供給口を開閉して前記ガス燃料の残部を前記副室に供給するように作動される。
【００１２】
この副室式ガスエンジンは，上記のように構成したので，圧縮行程中期までにガス燃料と空気との混合がピストンのキャビティ内で行われているので，副室から主室へ火炎，未燃ガス燃料，混合気等のガスが噴出された時に，主室でのガス燃料と空気との混合期間を短縮でき，しかもピストン側面のトップランドに混合気が侵入することがないので，ガス燃料や混合気がシリンダ壁面で冷却されることがなく，ＨＣやＮＯｘの排出量が低減し，熱効率を向上させることができる。また，この副室式ガスエンジンは，圧縮行程に開閉弁と燃料弁とを開放する場合に，ガス燃料圧力が５ｋｇ／ｃｍ²とすると，ガス燃料の噴射時期は圧縮行程下死点後１００°（クランク角）まで可能であり，ピストンのキャビティでのガス燃料と空気との混合期間は，着火燃焼する圧縮行程上死点までの８０°（クランク角）の期間があり，十分な混合期間を確保でき，キャビティ内に良好な予混合気が成層化して生成させることができる。
【００１３】
この副室式ガスエンジンは，ピストンのトップランドに混合気が侵入しないので，例えば，ピストン上死点においてトップランド容積を前記主室の全容積の６％程度に設定し，圧縮行程中期で前記副室から前記主室へ供給するガス燃料流量を前記ガス燃料の全量の７０％程度に設定した場合には，４．２％（＝０．０６×０．７×１００）のガス燃料を有効に燃焼させることができる。４．２％のガス燃料を熱効率４２％で燃焼させると仮定すると，約１．８％の燃費の改善が期待できることになり，同時にＨＣの排出量も低減できることが期待できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下，図面を参照して，この発明による副室式ガスエンジンの実施例を説明する。この副室式ガスエンジンは，コージェネレーションシステム或いは自動車用エンジン等のエンジンに適用できるものである。
【００１５】
この副室式ガスエンジンは，概して，シリンダブロック９の上面にガスケット１７を介して固定されたシリンダヘッド３，シリンダブロック９に形成した孔部２５に嵌合したシリンダ４を構成するシリンダライナ１５，シリンダヘッド３に形成された副室２，シリンダライナ１５に形成したシリンダ４内を往復運動するピストン５，及びピストン５に形成されたキャビティ７によって構成された主室１を有している。ピストン５のキャビティ７は，シリンダ４の中央に対応してピストン頂面１９の中央部に位置するように形成されている。副室２は，図示していないが，例えば，シリンダヘッド３に形成したキャビティに遮熱空気層を形成して配置された燃焼室部材に形成することができる。シリンダヘッド３には，図示していないが，吸気ポートと排気ポートが形成され，吸気ポートには吸気弁が配置され，排気ポートには排気弁が配置されている。
【００１６】
シリンダヘッド３には，主室１と副室２とを連通するため，副室２側に位置するストレート状の連絡口６と，主室１側に位置する拡開状の連絡口８とが形成されている。連絡口８には，連絡口６，８を開閉するため開閉弁１０が配置されている。連絡口８の壁面に形成されたバルブシート２３には，開閉弁１０の弁フェース２４が着座するように位置設定されている。開閉弁１０は，シリンダ４の中心に位置する弁ヘッド２６とそれに一体構造の弁ステム２７から構成されている。開閉弁１０の弁ステム２７は，バルブガイド２８にガイドされて上下方向にリフトするように配置されている。開閉弁１０の弁ヘッド２６は，副室２の中央部を貫通して配置されている。
【００１７】
シリンダヘッド３に設けられている副室２には，ガス燃料供給源１４から燃料ポンプ等で送り込まれるガス燃料を副室２に供給するため，ガス燃料供給口２９が形成されている。ガス燃料供給口２９を開閉するため，副室２のガス燃料供給口２９にガス燃料弁１１が配置されている。副室２にガス燃料を供給するため，ガス燃料弁１１は，その弁本体３１をシリンダヘッド３に形成された孔部３３に配置することによって取り付けることができる。ガス燃料弁１１は，弁本体３１に形成されたガス燃料通路３２の燃料供給口２９を開放することによって副室２へガス燃料が供給される。また，弁本体３１のガス燃料通路３２には，ガス燃料通路１３を通じてガス燃料供給源１４からポンプ（図示せず）の作動で供給される。
【００１８】
この副室式ガスエンジンは，特に，開閉弁１０が開放している期間の圧縮行程に，図１でガス燃料の噴射軌跡を想像線で示すように，ガス燃料弁１１が開閉作動して副室２を通じてガス燃料の一部をピストン５のキャビティ７内に供給されるように構成されている。また，この副室式ガスエンジンは，圧縮行程で連絡口８及びガス燃料供給口２９が開放している期間に，ガス燃料が連絡口８を通ってキャビティ７内に噴出されるように，連絡口８の開口角度及びキャビティ７の開口径と壁面３０の傾斜角度が設定されている。連絡口８を構成する多溝８Ａ又は多孔８Ｂは，それらの開口角度がピストン５のキャビティ７の傾斜した壁面３０に向かってそれよりも中心方向に方向づけられている。また，キャビティ７の開口径は，圧縮行程で連絡口８から噴射されるガス燃料軌跡を包み込む十分な径に形成されている。更に，キャビティ７の壁面３０は，連絡口８から噴射されるガス燃料をキャビティ７内で成層化させるようにガス燃料軌跡の角度と同等の傾斜角度に形成されている。
【００１９】
この副室式ガスエンジンでは，例えば，連絡口８は，図２に示すように，その壁面に周方向に隔置して複数形成された孔８Ａから構成されている。或いは，連絡口８は，図３に示すように，その壁面に周方向に隔置して複数形成された溝８Ｂから構成されている。また，圧縮行程に連絡口８を通ってキャビティ７内へ噴出されたガス燃料は，キャビティ７内で空気と混合されて成層化された状態で存在している。連絡口８がその壁面の周方向に隔置して多数形成されているので，連絡口８を通るガス燃料の流れは，多数の噴流となってキャビティ７内に噴出され，キャビティ７内で空気と良好に混合すると共に，混合気がキャビティ７内で成層化して滞留することになる。
【００２０】
この副室式ガスエンジンにおいて，開閉弁１０は，図４に示すように，圧縮行程上死点近傍で連絡口８を開放し，次の圧縮行程で連絡口８を閉鎖するように作動される。また，ガス燃料弁１１は，図４に示すように，開閉弁１０が連絡口８を開放している圧縮行程の期間で，ガス燃料供給口２９を開閉（開放した後，所定期間経過後に閉鎖）してガス燃料の一部をキャビティ７内に供給し，次いで，開閉弁１０が連絡口８を閉鎖している圧縮行程中期から圧縮行程上死点の期間でガス燃料供給口２９を開閉（開放した後，所定期間経過後に閉鎖）してガス燃料の残部を副室２に供給するように作動される。
【００２１】
ピストン５には，ピストンリング２１が嵌入されるピストンリング溝２２が形成されている。この副室式ガスエンジンでは，シリンダヘッド３の下面１８，シリンダ４の壁面，ピストン５の側面２０における第１ピストンリング２１までの壁面で囲まれる領域がトップランド１６を構成している。この副室式ガスエンジンにおいて，トップランド１６の容積は，ピストン上死点における主室１の全容積の６％程度に設定されている。また，圧縮行程に副室２からキャビティ７へ供給されるガス燃料流量は，副室２に供給されるガス燃料の全量の７０％程度に設定されている。即ち，この副室式ガスエンジンは，図４に示すように，ガス燃料弁１１が開閉する圧縮行程中期の期間Ａにおいてガス燃料の全量の７０％程度が主室１のキャビティ７へ供給され，また，圧縮行程中期から上死点までの期間Ｂにおいてガス燃料の残量の３０％程度が副室２へ供給されることになる。
【００２２】
ピストン５は，例えば，Ｓｉ₃Ｎ₄等のセラミックスや耐熱合金の耐熱材から形成されたピストンヘッドと，ピストンヘッドに固定されたＡｌ合金等の金属材から形成されたピストンスカートとから構成され，ピストンヘッドとピストンスカートとの間にはガスケットが介在して遮熱空気層が形成されている。ピストンヘッドとピストンスカートとは結合リングでメタルフロー等によって固定されている。また，開閉弁１０を構成する弁ヘッド２６と弁ステム２７は，耐熱性で且つ耐変形性のＳｉＣ，Ｓｉ₃Ｎ₄又はそれらの複合材から成るセラミックス，或いは耐熱金属から構成されている。
【００２３】
【発明の効果】
この発明による副室式ガスエンジンは，上記のように，開閉弁が開放している期間の圧縮行程にガス燃料弁が開閉作動し，副室を通じてガス燃料の一部が主室即ちピストンのキャビティ内に供給され，そこで混合気が成層化して圧縮されるので，ガス燃料がピストンとシリンダとの間のトップランドに侵入することがなく，ガス燃料及び混合気がシリンダ壁面で冷却されることがなく，ＨＣの発生が抑制され，ＨＣ，ＮＯ_X，スート等の排出量を低減し，燃焼効率を向上させることにより熱効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による副室式ガスエンジンの一実施例を示す概略断面図である。
【図２】図１の副室式ガスエンジンの符号Ａの領域の連絡口の一実施例を示す概略説明図である。
【図３】図１の副室式ガスエンジンの符号Ａの領域の連絡口の別の実施例を示す概略説明図である。
【図４】図１の副室式ガスエンジンにおけるバルブタイミングを示す線図である。
【符号の説明】
１主室
２副室
３シリンダヘッド
４シリンダ
５ピストン
７キャビティ
８連絡口
８Ａ溝
８Ｂ孔
９シリンダブロック
１０開閉弁
１１ガス燃料弁
１４ガス燃料供給源
１６トップランド
１８シリンダヘッド下面
１９ピストン頂面
２０ピストン側面
２９ガス燃料供給口

Claims

シリンダが設けられたシリンダブロックに固定されたシリンダヘッド，前記シリンダの中央に対応して前記シリンダヘッドに形成された副室，前記シリンダ内を往復動し且つ中央部に主室を構成するキャビティが形成されたピストン，前記主室と前記副室とを連通する前記シリンダヘッドに形成された連絡口に配置された開閉弁，及びガス燃料供給源からのガス燃料を前記副室に供給するため前記副室に形成したガス燃料供給口に配置されたガス燃料弁を具備し，前記開閉弁が開放している期間の圧縮行程に，前記ガス燃料弁が開閉作動して前記副室を通じて前記ガス燃料の一部が前記ピストンの前記キャビティ内に供給され，
前記圧縮行程に前記連絡口を通って前記キャビティへ噴出された前記ガス燃料は，前記キャビティ内で空気と混合されて成層化されることから成る副室式ガスエンジン。
前記開閉弁は，圧縮行程上死点近傍で前記連絡口を開放し，次の圧縮行程で前記連絡口を閉鎖するように作動されることから成る請求項１に記載の副室式ガスエンジン。
前記ガス燃料弁は，前記開閉弁が前記連絡口を開放している圧縮行程の期間で前記ガス燃料供給口を開閉して前記ガス燃料の一部を前記キャビティ内に供給し，次いで，前記開閉弁が前記連絡口を閉鎖している圧縮行程から圧縮行程上死点の期間で前記ガス燃料供給口を開閉して前記ガス燃料の残部を前記副室に供給するように作動されることから成る請求項１又は２に記載の副室式ガスエンジン。