JP2000204989A - 電磁力駆動装置を備えた副室式ガスエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 この副室式ガスエンジンは，ポペット弁によ
る連絡口の開放期間を電磁力で制御し，吸気にＥＧＲガ
スとガス燃料を供給し，副室内のガス燃料を冷却してノ
ッキングを防止し，ＮＯ_X 等の発生を防止し，熱効率を
向上させる。 【解決手段】 この副室式ガスエンジンは，コントロー
ラ４０で制御される電磁力駆動装置３５による電磁力で
駆動されるポペット弁５を有する。電磁力駆動装置３５
は，ポペット弁５に固定された磁性板６５，磁性板６５
に対向してシリンダヘッド３に固定された電磁石６１，
磁性板６５とシリンダヘッド３との間に配置され且つ連
絡口６を閉鎖する方向にポペット弁５を付勢するリター
ンスプリング６３，及び電磁石６１と磁性板６５との外
側に配置された磁路管６４から構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は，主室と副室との
連絡が遮断された状態でガス燃料を副室に供給し，ポペ
ット弁による連絡口の開放によって副室から主室へガス
を噴出させる電磁力駆動装置を備えた副室式ガスエンジ
ンに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のガスエンジンは，副室と主室とを
連通する連絡口にポペット弁を設け，ピストンが吸気弁
を通じて空気を主室に吸入している間はポペット弁で連
絡口を閉鎖し，副室に燃料弁を開放して副室に天然ガ
ス，Ｈ₂ 等のガス燃料を供給し，圧縮行程上死点付近で
ポペット弁を作動して連絡口を開放し，主室内の圧縮空
気を連絡口を通じて副室に侵入させて副室内で空気とガ
ス燃料とを混合して着火燃焼させ，次いで，副室内の火
炎，未燃混合気等のガスを主室に噴出させて燃焼を行な
わせている。

【０００３】また，ガスエンジンは，副室内の筒内圧を
圧電素子等のセンサで検出し，その情報を基にして燃料
供給弁を作動させて負荷と回転数とに見合った適正な燃
料供給量を制御し，主室内の空気を高温に上昇させた状
態で連絡孔に設けた弁を開放して主室の高圧縮空気を副
室に流入させて着火燃焼させ，副室内では過濃状態の混
合気を燃焼させてＮＯ_X の発生を抑制し，火炎を副室か
ら主室に吹き出させて燃焼させる（特開平７−３１０５
５０号公報参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで，天然ガス
は，メタンを主成分としているので，着火温度が高く，
一旦着火燃焼が起こると，一気に燃焼が進展する特性が
ある。上記のような副室式ガスエンジンは，主室から副
室へ圧縮空気が流入して着火燃焼する時に，副室内の燃
焼が激しくなってノッキングを発生することが多い。

【０００５】副室式ガスエンジンで燃焼室を遮熱構造に
構成すると，燃焼室壁面の温度が高温になり，副室に供
給されているガス燃料が高温度となり，着火し易い状態
になる反面，副室へ供給された空気はガス燃料と比重が
異なり混合し難いので，ポペット弁が連絡口を開放した
時に，圧縮空気が連絡口近傍で着火燃焼し，燃焼圧力が
主室側と副室の奥部へと伝播し，そのため，副室に充填
されているガス燃料を益々奥部へと閉じ込める現象が発
生し，副室内に未燃混合気を残存させる原因になり，燃
焼状態が悪化し，熱効率の低下とＨＣの発生を増加させ
る原因となる。即ち，副室内でのガス燃料と空気との混
合を物理的性質から考慮すると，主成分がＣＨ₄ である
天然ガスの分子量が１６であるのに対して空気の分子量
が２９であるので，連絡口が開放して圧縮空気が副室に
供給されると，圧縮圧力が４０〜５０ｂａｒの空気が副
室内に侵入することになり，空気は副室内に急速に拡が
って充満され，そのため，副室内のガス燃料と混合する
ことなく，ガス燃料を副室の奥部即ち上部へ押し込める
現象が発生する。

【０００６】また，圧縮端でのトータルの燃焼室容積に
示す副室の容積比を大きくして，副室に侵入する空気量
を増大させると，連絡口の開放前での主室内の圧力が上
昇し，連絡口を開放させるためのポペット弁をリフトさ
せる力が大きくなり，電磁力等でポペット弁をリフトさ
せる構造では好ましくないものである。そこで，副室に
供給されているガス燃料と主室から連絡口を通じて供給
される圧縮空気とを副室内で均一に混合させ，副室内の
ガス燃料を副室内に残存させることなく，主室へと噴き
出し，副室での着火燃焼による火炎，未燃混合気等のガ
スを燃焼初期に短期間で主室へ噴き出し，熱効率を向上
させると共に，ＨＣ等の発生を低減することができるか
の課題がある。

【０００７】本発明者は，上記の問題を解決するため，
主室と副室とを連通する連絡口に配置した制御弁に空気
通路と空気ノズルを形成し，副室に残留ガスが滞留する
のを防止し，熱効率を向上させる副室式ガスエンジンを
開発した（特願平１０−１９３３４２号）。該副室式ガ
スエンジンでは，空気通路に空気ノズルを主室内の所定
以上の空気圧によって開放する摺動弁を配置する。摺動
弁は，圧縮行程後半でリフトして空気ノズルを開放し，
圧縮空気を副室の上部に供給し，空気は円錐面に衝突反
射して副室の上部から充填され，ガス燃料が副室の下部
へ押し付けられ，次いで，着火燃焼するものである。し
かしながら，制御弁をカム式で駆動する場合には，副室
から主室への燃焼火炎の確実な噴出期間を確保できない
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，吸気
にＥＧＲを行って空気過剰率を調整すると共に副室内の
ガス燃料を冷却して副室での活性化を遅らせてノッキン
グの発生を防止すると共に，エンジンの高負荷に応じて
自己着火しない程度のガス燃料の一部を吸気に供給する
ように構成して副室の容積を低減し，連絡口を開閉する
ポペット弁の弁ステムに形成した空気通路に摺動弁を配
置し，圧縮行程後半で主室の所定以上の空気圧で作動し
て摺動弁を作動して前記主室から空気ノズルを通じて前
記副室へ圧縮空気を導入してガス燃料を前記副室下部へ
押しつけ，特に，ポペット弁を電磁力駆動装置で制御し
て連絡口の開放期間を十分に確保し，前記連絡口の開放
によって前記副室から燃焼火炎を主室へ完全に噴き出さ
せると共に，主室から副室への燃焼ガスの逆流を防止
し，ＨＣ，ＮＯ_X 等の発生を防止して熱効率を向上させ
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，副室及び該副室の回りに位置
する吸気ポートと排気ポートが形成されたシリンダヘッ
ドに配置されたヘッドライナ，前記シリンダヘッドに取
り付けられたシリンダブロックに設けたシリンダ内を往
復動するピストン，前記副室に連絡口を通じて連通する
前記ピストンに形成された主室，前記連絡口を開閉する
ため前記副室の中央領域を貫通するポペット弁，前記副
室へガス燃料を供給するガス燃料供給装置，及び前記副
室から前記主室への燃焼火炎の噴出を確実にするため前
記ポペット弁による前記連絡口の開放時期を保持するよ
うに前記ポペット弁を電磁力で駆動する電磁力駆動装置
から成る副室式ガスエンジンに関する。

【００１０】前記電磁力駆動装置は，前記ポペット弁の
弁ステムの端部に固定された磁性板，前記磁性板に対向
して前記シリンダヘッドに固定され且つ前記弁ステムが
貫通して延びる中空部を備えた電磁石，前記磁性板と前
記シリンダヘッドとの間に配置され且つ前記ポペット弁
を前記連絡口を閉鎖する方向に付勢するスプリング及び
前記電磁石と前記磁性板との外側に配置された磁路管か
ら構成されている。

【００１１】この副室式ガスエンジンは，前記電磁石に
通電することによって前記電磁石が前記磁性板を吸引保
持して前記ポペット弁が前記連絡口を開放し，前記電磁
石への通電を停止することによって前記スプリングのば
ね力で前記ポペット弁が前記連絡口を閉鎖するものであ
る。

【００１２】この副室式ガスエンジンは，永久磁石から
構成された前記ポペット弁が前記連絡口を開放する時に
は前記電磁石が前記永久磁石を吸着するように前記電磁
石に前記永久磁石の極と反対の極になるように通電し，
前記ポペット弁が前記連絡口を閉鎖する時には前記電磁
石が前記永久磁石を反発するように前記電磁石に前記永
久磁石の極と同一極になるように通電するものである。

【００１３】前記ポペット弁は，前記弁ステムに形成さ
れた空気通路，前記空気通路から前記副室へ延びる前記
副室の上部に開口した空気ノズル，及び前記空気ノズル
を開閉するため前記弁ステム内に摺動可能に配置された
摺動弁を備えている。

【００１４】この副室式ガスエンジンは，前記副室の回
りに位置して前記ヘッドライナに形成された冷却ジャケ
ット，及び前記副室に導入される前記ガス燃料を冷却す
るため前記冷却ジャケットに冷却流体を供給する冷却ポ
ンプを備えている。

【００１５】この副室式ガスエンジンは，吸気通路を通
じて吸気を前記主室に導入するため前記吸気ポートに配
置された吸気弁，前記主室と前記副室内の排気ガスを排
気通路に排出するため前記排気ポートに配置された排気
弁，前記吸気にガス燃料の一部を供給する吸気燃料ノズ
ル，前記排気ガスの一部を前記吸気に混合させる排気ガ
ス冷却装置を備えたＥＧＲ装置，及びエンジン負荷に応
じて前記吸気通路に供給されるガス燃料量とＥＧＲ量を
制御するコントローラを備えている。

【００１６】前記コントローラは，前記ＥＧＲ装置によ
って前記吸気に供給される前記排気ガス量を前記吸気量
の５０％以上に制御し，低負荷時から高負荷に従って前
記吸気に供給される前記排気ガス量を低減させて全負荷
時には前記排気ガス量を前記供給の５０％にまで低減さ
せる制御を行う。更に，前記コントローラは，部分負荷
時にガス燃料供給装置から前記副室にのみガス燃料を供
給し，高負荷時に前記吸気燃料ノズルから前記吸気に前
記ガス燃料の一部を供給する制御を行う。

【００１７】この副室式ガスエンジンは，上記のよう
に，ポペット弁を電磁力駆動装置で開閉制御することに
よって，カム式駆動よりも十分にポペット弁の閉鎖時期
を遅らせることができ，副室から主室への燃焼火炎を完
全に噴出させることができると共に主室から副室への燃
焼ガスの逆流を防止でき，燃焼ガスの副室内の残留を防
止し，主室でガス燃料を完全に燃焼させることができ，
熱効率を向上させることができる。また，ポペット弁を
閉鎖させるスプリングは，前記磁性板と前記シリンダヘ
ッドとの間に配置されており，前記磁性板はバルブスプ
リングリテーナとしての機能を持たせることができる。

【００１８】また，この副室式ガスエンジンは，副室へ
の供給燃料を４０〜６０％とし，残りの燃料を吸気管か
ら導入し，副室に空気を導入した場合，副室での空気過
剰率が０．６８〜０．４５となり，副室での燃焼は相当
に抑制される。また，副室に供給された天然ガスは冷却
されているので，活性化が遅れ，副室では主室から導入
させた高温空気によって着火は起こるが，ノッキングま
では至らず，火炎伝播によって燃焼が進展する。燃焼の
進行により火炎が伝播する主室には，吸気管から導入さ
れた空気と燃料とＥＧＲガスが混在しているが，ＥＧＲ
量が５０％以上と大きいので，Ｏ₂ 濃度が低く急激な燃
焼とならない。また，ＥＧＲガスが混入しているので，
温度は高く，火炎が発生すると，直ちに着火燃焼する。
また，主室の燃焼場は，ＥＧＲガスのためＯ₂ 濃度が小
さいので，ＮＯ_X の発生が大幅に抑制される特性もあ
る。

【００１９】摺動弁が前記主室内の圧縮空気圧によって
ばね力に抗してリフトして空気ノズルを開放し，前記主
室の圧縮空気が前記空気ノズルを通じて前記副室の上部
に均一に供給されると，空気ノズルを通じて副室へ入り
込まれた空気が，裁頭逆円錐台形状の円錐壁面に衝突反
射して副室の上部へ流れる。そこで，副室内のガス燃料
が流入空気によって裁頭逆円錐台形状の壁面に沿って連
絡口側の副室の下部へ片寄らせらると共に，ガス燃料と
空気との境界部で着火燃焼する。そこで，その爆発力で
ポペット弁を押し下げ，前記連絡口が開放することによ
って前記副室内のガス燃料が前記副室に滞留することな
く前記主室へ噴き出され，噴き出された火炎と未燃ガス
燃料とは前記主室に存在する新気の吸気スワールと混合
を促進し，主室での二次燃焼スピードをアップし，短期
に燃焼を完結し，ＨＣ，ＮＯ_X 等の発生を抑制し，熱効
率を向上させることができる。

【００２０】この副室式ガスエンジンでは，ガス燃料と
空気との容積比は，ガス燃料が１であるのに対し，空気
が９〜９．５であるので，大部分のガス燃料は，主室に
おいて空気と混合して着火燃焼することになる。上記の
ように，空気とガス燃料との混合が副室で起こり難いこ
とを考慮して，境界部で着火が起こると，それでもって
主室に噴き出させてその噴流で両者を混合させて燃焼を
促進させる。従って，従来のようなタイプで副室の壁面
にガス燃料が押し縮められた状態で残留するような現象
は発生しないことになる。

【００２１】

【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。図１はこの発明による副室式ガスエンジンの一実
施例を示す断面図，図２は図１の副室式ガスエンジンに
おけるポペット弁の電磁力駆動装置を示す断面図，図３
は図１の副室式ガスエンジンにおける副室を閉鎖したポ
ペット弁と空気ノズルを閉鎖した摺動弁を示す断面図，
図４は図１の副室式ガスエンジンにおける副室を閉鎖し
たポペット弁と空気ノズルを開放した摺動弁を示す断面
図，図５は図３のポペット弁の開放状態を示す断面図，
図６は図１の副室式ガスエンジンにおけるエンジン負荷
に対応する吸気ガス燃料量と副室ガス燃料量との関係及
びＥＧＲ量と吸入空気との関係を示すグラフ，及び図７
は図１の副室式ガスエンジンの作動状態を説明する線図
である。

【００２２】この副室式ガスエンジンは，シリンダブロ
ック５４に取り付けられたシリンダヘッド３，シリンダ
ブロック５４の孔部２３に嵌合したシリンダ１４を構成
するシリンダライナ２２，シリンダヘッド３に形成され
たキャビティ１２に配置されたヘッドライナ１０，及び
シリンダライナ２２に形成したシリンダ１４内を往復動
するピストン１５を有している。ヘッドライナ１０は，
ヘッド下部２６とライナ上部２７とが一体構造の燃焼室
部材から成り，シリンダ１４の中央に位置する副室２を
備えている。ピストン１５には，リエントラント型の主
室１を構成するキャビティ４がその中央部に形成されて
いる。

【００２３】主室１と副室２とは，ヘッドライナ１０に
形成された連絡口６によって連通されている。ヘッドラ
イナ１０のヘッド下部２６には，カム５９で開閉駆動さ
れる吸気弁５６が配置されたバルブシートを備えた吸気
ポート１８と，排気弁５７が配置されたバルブシートを
備えた排気ポート３９とが形成されている。シリンダヘ
ッド３には，ヘッドライナ１０に形成された吸気ポート
１８と排気ポート３９がそれぞれ互いに連通する吸気ポ
ート１８と排気ポート３９が形成されている。吸気ポー
ト１８は吸気管６７に連通し，排気ポート３９は排気管
６６に連通している。

【００２４】ヘッドライナ１０に形成された連絡口６に
は，連絡口６を開閉するためのポペット弁５が着座する
バルブシート２５が形成されている。ポペット弁５は，
シリンダ１４の中心に位置する弁ヘッド４５とそれに一
体構造の弁ステム９から構成され，シリンダヘッド３に
設けたバルブ支持体に固定したバルブガイド１９内を上
下動するようにセットされている。ポペット弁５の弁ヘ
ッド４５は，ヘッドライナ１０に形成した挿通孔４４を
貫通して副室２の中央を貫通して配置されている。ポペ
ット弁５は，シリンダヘッド３に形成された挿通孔４４
を介して摺動可能に挿通されている。ポペット弁５の摺
動により副室２内のガスが漏洩しないように，シール部
材等のガスケット１３が，ヘッドライナ１０の上面とシ
リンダヘッド３の下面との間に形成される隙間にポペッ
ト弁５の弁ステム９の回りに配置されている。

【００２５】ヘッドライナ１０は，Ｓｉ₃ Ｎ₄ 等のセラ
ミックスや耐熱合金の耐熱材から形成されている。ヘッ
ドライナ１０は，その外周面とキャビティ１２との間に
遮熱空気層３１を形成するように，ガスケット１３が介
在してキャビティ１２に配置され，主室１と副室２が遮
熱構造に構成されている。副室２にガス燃料を供給する
ため，シリンダヘッド３には，燃料弁１１が設けられて
いる。燃料弁１１は，その弁本体３０をシリンダヘッド
３に形成された孔部に配置することによって取り付けら
れる。燃料弁１１は，ガス燃料通路５２の燃料供給口１
７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。ガス燃料供給源のガス燃料は，ガス燃料ポンプ３８
の作動によってガス燃料通路４３，５２を通じて副室２
に供給される。

【００２６】ピストン１５は，Ｓｉ₃ Ｎ₄ 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
２０と，ピストンヘッド２０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６０とから構成
されている。ピストンヘッド２０とピストンスカート６
０との間には，例えば，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２０とピストンス
カート６０とは，例えば，結合リング等によって固定さ
れている。主室１は，ピストンヘッド２０の上面に形成
されたリップ部２９を備えたリエントラント形のキャビ
ティ４で形成されると共に，ヘッドライナ１０のヘッド
下部２６の下面とピストンヘッド２０の上面とで囲まれ
るシリンダ１４によって形成されている。

【００２７】この副室式ガスエンジンは，ポペット弁５
の弁ステム９に形成され且つ主室１に開口する空気通路
７，ポペット弁５の弁ステム９に形成され且つ空気通路
７と副室２を連通する副室２の上部に開口する複数の空
気ノズル１６，及び空気通路７に配置され且つ空気ノズ
ル１６を開閉する摺動弁８を具備している。副室２は，
その上部が大径に且つ連絡口６の付近の下部が小径とな
る裁頭逆円錐台形状に形成され，副室壁面が逆円錐壁面
２１に形成され，空気ノズル１６は，図２に示すよう
に，周方向に隔置して複数個（例えば，６個）形成さ
れ，逆円錐壁面２１に向かって延びている。

【００２８】この副室式ガスエンジンは，吸気通路の吸
気ポート１８を通じて主室１に導入される吸気にガス燃
料の一部を燃料ポンプ３８から吸気燃料通路４９を通じ
て供給する吸気燃料ノズル５０，排気ガスの一部を吸気
に混合させるためのＥＧＲ装置，並びに負荷センサ３６
で検出されたエンジン負荷に応じて吸気通路の吸気ポー
ト１８に供給されるガス燃料量とＥＧＲ量を制御するコ
ントローラ４０を備えており，副室２の回りに位置して
ヘッドライナ１０に形成された冷却ジャケット５３，及
び副室２に導入されるガス燃料を冷却するため冷却ジャ
ケット５３に冷却流体を供給する冷却ポンプ５１を備え
ている。ＥＧＲ装置は，排気通路の排気管６６に接続さ
れた排気ガス冷却装置７１を備えたＥＧＲ通路４７を通
じてＥＧＲポンプ４６によってＥＧＲノズル４８から吸
気通路の吸気ポート１８に排気ガスを供給する。排気ガ
ス冷却装置７１は，一種の熱交換器で構成でき，コント
ローラ４０で高負荷時に作動されて排気ガスの温度を適
正に調整して吸気に排気ガスの一部を供給できるように
制御されている。

【００２９】この副室式ガスエンジンは，特に，ポペッ
ト弁５を電磁力で駆動する電磁力駆動装置３５を備えて
おり，電磁力駆動装置３５は，負荷センサ３６で検出さ
れるエンジン負荷に応じてコントローラ４０によって制
御されるものであり，副室２から主室１への燃焼火炎の
噴出を確実にするため，ポペット弁５による連絡口６の
開放時期を十分に確保するようにポペット弁５を電磁力
で駆動する。電磁力駆動装置３５は，ポペット弁５の弁
ステム９の端部にキー６９で固定された磁性板６５，磁
性板６５に対向してシリンダヘッド３に固定され且つ弁
ステム９が貫通して延びる中空部６８を備えた電磁石６
１，磁性板６５とシリンダヘッド３の上面６９との間に
配置され且つポペット弁５を連絡口６を閉鎖する方向に
付勢するリターンスプリング６３，及び電磁石６１と磁
性板６５との外側に配置された磁路管６４から構成され
ている。電磁石６１は，電磁コイル６２に通電すること
によって電磁力が付勢され，磁性板６５を吸引すること
ができる。即ち，磁路７０は，電磁コイル６２が通電さ
れると，電磁石６１，磁性板６５，磁路管６４及びシリ
ンダヘッド３の経路で形成され，電磁石６１が磁性板６
５を吸着してポペット弁５がリフトする。

【００３０】電磁力駆動装置３５では，電磁石６１の電
磁コイル６２に通電することによって，電磁石６１が磁
性板６５を吸引保持してポペット弁５が連絡口６を開放
し，また，電磁石６１の電磁コイル６２への通電を停止
することによって，リターンスプリング６３のばね力で
ポペット弁５が連絡口６を閉鎖する。また，電磁力駆動
装置３５では，磁性板６５を永久磁石で構成することも
できる。磁性板６５を永久磁石で構成した場合には，ポ
ペット弁５が連絡口６を開放する時には，電磁石６１が
永久磁石の磁性板６５を吸着するように電磁石６１に永
久磁石の極と反対の極になるように通電し，また，ポペ
ット弁５が連絡口６を閉鎖する時には電磁石６１が永久
磁石を反発するように電磁石６１に永久磁石の極と同一
極になるように通電する。

【００３１】コントローラ４０は，図６に示すように，
ＥＧＲ装置によって吸気に供給される排気ガス量を前記
吸気量の５０％以上に制御し，低負荷時から高負荷に従
って吸気に供給される排気ガス量を低減させ，全負荷時
には排気ガス量を供給の５０％に低減させる制御を行う
ように設定されている。従って，コントローラ４０は，
エンジン負荷が大きくなるに従って空気量を適正に増加
させる制御を行うため，ＥＧＲ量の低減に見合った量だ
け吸入空気量を増加させる制御を行う。

【００３２】また，コントローラ４０は，図６に示すよ
うに，部分負荷時にはガス燃料供給装置のガス燃料弁１
１から副室２にのみガス燃料を供給し，また，中負荷時
（例えば，１／４負荷以上の負荷）には吸気燃料ノズル
５０から吸気にガス燃料の一部を供給する制御を行い，
全体として，適正なガス燃料量を主室１と副室２とに供
給する制御を行う。図６では，４／４負荷（全負荷）に
おいて，副室２と吸気とに供給するガス燃料流量をそれ
ぞれ１／２ずつとし，吸気に供給するがガス燃料流量が
１／４負荷以上から４／４負荷（全負荷）へと向かって
直線状に増加している。

【００３３】摺動弁８は，弁ステム９の空気通路７内に
摺動可能に配置され，空気通路７に形成された段部５５
に着座した状態で空気ノズル１６を閉鎖する。摺動弁８
は，弁ステム９の中空部４１にセットされたスプリング
３７のばね力によって段部５５に押し付けられている。
スプリング３７は，弁ステム９に形成された中空部４１
の端部のバルブシート部によって中空部４１の所定の位
置にセットされている。従って，摺動弁８は，弁ステム
９に形成された空気通路７内でスプリング３７のばね力
で押圧されて空気ノズル１６を閉鎖し，主室１内の所定
以上の空気圧力によってスプリング３７のばね力に抗し
て空気ノズル１６を開放するように設定されている。摺
動弁８が副室２の上部に開口した空気ノズル１６を開放
することによって，主室１から副室２に導入される大部
分の空気が副室２の上部に分散され，副室２内のガス燃
料が分散された空気によって副室２の下部に圧縮された
状態になる。

【００３４】ポペット弁５の弁ステム９に形成された空
気通路７は，主室１の圧縮空気を空気通路７に導入する
ため，主室１側の開口縁部３３が拡開したラッパ状口部
形状に形成されている。ポペット弁５の連絡口６の開放
によって，空気が主室１から副室２へ導入され，副室２
の下部に圧縮されたガス燃料が着火燃焼し，ガス燃料の
大部分が主室１へ噴き出されることになる。また，ピス
トン１５に形成された主室１は，ピストン１５の頂面に
位置する主室１のリップ部２９が先尖りのリエントラン
ト形状に形成され，ピストン上死点で主室１の側壁面の
キャビティ壁面３２が連絡口６の壁面と連続するように
噴流ガイド２８がヘッドライナ１０に形成されている。
また，ポペット弁５の連絡口６の開放によって，噴流ガ
イド２８に沿って主室１へ噴き出されたガス燃料と燃焼
ガスが，リエントラント形状の主室１の壁面に衝突して
拡散され，主室１内に一旦閉じ込められる状態で空気と
噴流ガスとの混合燃焼が促進される。

【００３５】ポペット弁５の弁ステム９に形成された空
気ノズル１６は，主室１からの圧縮空気を副室２内に均
一に吹き込むことができるように形成されている。摺動
弁８の端面は，スプリング３７のばね力によって段部５
５の方向に押圧され，主室１内の圧縮空気圧が所定圧以
下の状態では段部５５に当接して空気ノズル１６を閉鎖
している。主室１内の圧縮空気圧が所定圧以上になる圧
縮行程後半では，該圧縮空気圧によってスプリング３７
のばね力に抗して摺動弁８をリフトさせ，空気ノズル１
６を空気通路７に連通させ，主室１の圧縮空気を空気ノ
ズル１６から副室２に供給する。更に，ポペット弁５の
弁ステム９に形成された空気通路７から空気ノズル１６
を通じて副室２に導入される空気のペネトレーションを
大きくするため，空気ノズル１６が形成された弁ステム
９の領域を他の領域より大径にして空気ノズル１６のリ
ード部を長く形成することができる。

【００３６】ポペット弁５の弁ステム９に形成された空
気ノズル１６は，周方向に隔置して複数個形成され，主
室１からの圧縮空気を副室２内に均一に導入することを
可能にしている。副室２内に導入された空気流は，副室
２の錐面の壁面に衝突して副室上部へ反射され，副室２
の上部からは下方へと拡がるように流れ，圧縮空気は副
室２の上部から充填され，ガス燃料は副室２の下部へと
押し付けられる。

【００３７】また，空気ノズル１６のトータルの通路断
面積は，空気通路７の通路断面積にほぼ等しく，ピスト
ン上面の面積に対して０．４〜０．９％程度に設定され
ることが，圧縮空気を主室１から副室２へ供給するのに
好ましい割合である。また，副室２内には，天然ガス等
のガス燃料が充満しており，その圧力は０．５〜０．７
ＭＰａ程度である。そのガス燃料中に主室１で圧縮され
た空気圧力が２〜３ＭＰａ程度になった時に，摺動弁８
が空気ノズル１６を開放するようにスプリング３７のば
ね力を設定されている。また，ポペット弁５及び摺動弁
８は，耐熱性で且つ耐変形性のＳｉＣ，Ｓｉ₃ Ｎ₄ 又は
それらの複合材から成るセラミックス又はインコネル等
の耐熱合金から作製され，十分の強度を有し，折損等の
恐れはないものである。

【００３８】摺動弁８は，弁ステム９に形成された空気
通路７内をスプリング３７のばね力で空気ノズル１６を
閉鎖する方向に押圧されている。摺動弁８は，その端面
に掛かる主室１から開口部２４を通じて連通している空
気通路７内の所定以上のガス圧力によって，空気ノズル
１６を開放するように構成されている。摺動弁８が，圧
縮行程後半で主室１内の圧縮空気圧によってスプリング
３７のばね力に抗してリフトして空気ノズル１６を開放
し，主室１の圧縮空気が空気通路７及び空気ノズル１６
を通じて副室２の上部に均一に拡散して供給され，副室
２内のガス燃料を連絡口６側の副室２の下部に片寄ら
せ，副室２内の圧力が徐々に上昇して副室２内が５ＭＰ
ａ程度になって着火に必要な圧力温度に達すると，ガス
燃料と圧縮空気との境界部で着火が起こり燃焼する。次
いで，副室２内での着火燃焼によって副室２内の圧力が
上昇し，ポペット弁５を押し下げてポペット弁５が連絡
口６を開放すると共に，副室２の下部に存在する未燃ガ
ス燃料を連絡口６を通じて副室２から主室１へ噴き出さ
せる。

【００３９】この副室式ガスエンジンは，ピストンヘッ
ド２０の主室１のキャビティ４がピストン上死点では連
絡口６の通路壁面の延長線上になるように形成されてい
る。吸気ポート１８から主室１へ送り込まれた吸気は主
室１のキャビティ４内で吸気スワールは形成するが，ポ
ペット弁５が連絡口６を開放した時に，副室２にガス燃
料を滞留させることなく，副室２からの火炎，未燃混合
気等のガスが連絡口６を通じて主室１に形成されている
吸気スワール中に噴き出され，拡散空気流となって主室
１で混合を促進し，主室１での二次燃焼スピードをアッ
プし，短期に燃焼を完結し，ＮＯ_X ，スート，ＨＣ等の
発生を抑制し，熱効率を向上させる。

【００４０】この副室式ガスエンジンは，上記のように
構成されているので，次のようにして作動される。この
副室式ガスエンジンは，例えば，吸入行程，圧縮行程，
膨張行程及び排気行程の４サイクルを繰り返すことによ
って駆動される。特に，この副室式ガスエンジンにおい
て，吸入空気量とＥＧＲ量との供給関係，及び副室２に
供給されるガス燃料量と吸気に供給されるガス燃料量と
の供給関係は，コントローラ４０によって図７に示すよ
うな関係で制御されるものである。コントローラ４０
は，エンジン始動に伴って燃料ポンプ３８の駆動制御を
行うが，エンジン始動時の最初は冷却ポンプ５１とＥＧ
Ｒポンプ４６の駆動制御を行わない。

【００４１】エンジン始動後の定格運転状態になると，
コントローラ４０は，ＥＧＲポンプ４６の駆動制御を行
い，吸気にＥＧＲガスを供給するが，１／４負荷までは
吸気の７５％程度のＥＧＲガスを吸気ポート１８にＥＧ
Ｒノズル４８を通じて供給する。コントローラ４０は，
エンジン負荷が１／４負荷以上になると，ＥＧＲガスの
供給量を低減させつつ，吸入空気量を増加させ，負荷に
伴うＯ₂ を供給する制御を行い，４／４負荷の全負荷時
には，ＥＧＲガス量を５０％程度に低減して吸入空気量
を５０％にする制御を行う。一方，コントローラ４０
は，エンジン負荷が１／４負荷程度までの部分負荷時に
は，副室２のみにガス燃料を供給し，次いで，１／４負
荷を超える中負荷時には，吸気管６７に設けた吸気燃料
ノズル５０を作動してガス燃料を吸気に供給する制御を
行う。また，コントローラ４０は，１／４負荷を超える
中負荷時には，副室２に供給するガス燃料量の上限を，
全負荷（４／４負荷）時の５０％に制限する制御を行
う。また，コントローラ４０は，エンジンが定格運転に
なって，副室２内の温度が上昇すると，冷却ポンプ５１
を作動し，冷却水，冷却オイル或いは冷却空気等の冷却
流体を冷却流体通路５８を通じて冷却ジャケット５３に
供給し，副室２内のガス燃料の温度上昇を防止し，ガス
燃料の活性化を抑制して自己着火を避ける制御を行う。

【００４２】この副室式ガスエンジンの通常の作動は，
次のとおりである。ピストン１５がシリンダ１４内を下
降する吸入行程において，吸気弁５６が開放し，排気弁
５７が排気ポート３９を閉鎖し，ポペット弁５が連絡孔
６を閉鎖すると共に摺動弁８の空気ノズル１６を閉鎖し
て副室２と主室１とは遮断されているので，吸入空気が
ターボチャージャのコンプレッサ等から吸気ポート１８
を通じて主室１に供給される（図３）。一方，ガス燃料
ポンプ３８の作動によってガス燃料供給源から天然ガス
がガス燃料通路４３，５２を通じてガス燃料弁１１へ供
給され，カム３４による弁体のリフトで開放されたガス
燃料供給口１７から副室２に供給される（図３）。そこ
で，副室２にガス燃料が所定量供給されると，ガス燃料
弁１１はガス燃料供給口１７を閉鎖し，吸気弁５６が吸
気ポート１８を閉鎖する。

【００４３】圧縮行程に移行すると，ピストン１５がシ
リンダ１４内を上昇し，主室１に供給された吸入空気は
圧縮される。圧縮行程後半になって主室１の空気が圧縮
され，副室２のガス燃料圧より大きくなった時点（図７
の符号Ａの時点）で，主室１の圧縮空気圧がスプリング
３７のばね力に抗して摺動弁８を押し上げ，空気ノズル
１６が開放すると，主室１から圧縮空気がポペット弁５
の開口部２４から空気通路７を通じて空気ノズル１６か
ら副室２へ供給される（図４）。空気ノズル１６は，主
室１からの圧縮空気はリード部を通って十分にペネトレ
ーションを良好にし，副室２の逆円錐台形状の壁面２１
に衝突し，反射して副室２の上部へと流れ，副室２の上
部から圧縮空気が充填されてガス燃料が副室２の下部へ
と押し付けられる。

【００４４】圧縮空気が副室２に供給されると，空気の
一部は副室２内のガス燃料と一部は混合するが，ガス燃
料の大半は逆円錐壁面２１に沿って圧縮空気によって圧
縮され，副室２の下部にガス燃料が押し付けられ，副室
２の上部に圧縮空気が侵入した状態になる。圧縮行程上
死点近傍で，圧縮空気が十分に副室２に供給された状態
になってガス燃料と空気との境界部で着火が起こり（図
７の符号Ｂの時点），副室２内でガス燃料が着火燃焼
し，副室２の圧力が上昇して最高圧に達し（図７の符号
Ｃの時点），その時，副室２内の高圧力によってポペッ
ト弁５がリフトし，連絡口６の開放状態になると共に電
磁力駆動装置３５が作動して連絡口６の開放状態を保持
し，副室２から連絡口６を通じて主室１へ火炎，未燃混
合気等のガスが噴き出される（図５）。そこで，副室２
内の燃焼火炎は，副室２に主室１へ確実に大半が噴き出
され，燃焼火炎が噴き出された時点（図７の符号Ｄの時
点）でポペット弁５は主室１と副室２との圧力バランス
によって連絡口６を一旦閉鎖するように作用するが，電
磁力駆動装置３５によってポペット弁５による連絡口６
の閉鎖が阻止される。

【００４５】副室２から主室１へ火炎，未燃ガス燃料等
のガスが噴き出すと，火炎，未燃ガス燃料のガスが連絡
口６の出口側の噴流ガイド２８からピストン１５のキャ
ビティ４のリエントラント壁面に沿って主室１へ噴出
し，該ガスが主室１で一旦保持されつつ混合を促進して
燃焼が盛んになって主室１の最高圧に達し（図７の符号
Ｅの時点），ピストン１５は主室１の燃焼ガス圧で押し
下げられつつ，ガス燃料の主室１内での二次燃焼が促進
され，ピストン１５がシリンダ１４を降下することによ
って主室１の圧力は低下し，電磁力駆動装置３５の作動
によってポペット弁５がリフトしているので副室２内か
ら主室１へ残留ガスが噴出し，主室１内のガス圧が若干
上昇した状態になって燃焼し，ＮＯ_X ，ＨＣの発生を抑
制した状態で燃焼が完結する。次いで，ポペット弁５
は，副室２内にガス燃料を供給するため，排気行程後半
までには電磁力駆動装置３５の作動が停止されてリター
ンスプリング６３のばね力によって連絡口６を閉鎖す
る。

【００４６】次いで，ピストン１５が下死点に到達し，
排気行程に移行する。排気弁５７が排気ポート３９を開
放し，排気ガスが排気ポート３９を通じて排気管から排
気され，排気ガスが有する排気熱エネルギは，例えば，
排気管に組み込まれたターボチャージャ，エネルギ回収
タービン，熱交換器等で回収される。排気行程及び吸入
行程において，再び，ポペット弁５がリターンスプリン
グ６３のばね力で復帰し，ポペット弁５が連絡口６を閉
鎖する。次いで，ガス燃料弁１１がガス燃料供給口１７
を開放し，ガス燃料がガス燃料供給源から副室２へ供給
されることになる。

【００４７】

【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，ＥＧＲ装置によって吸気に排気ガスを供
給することによって常に適正なＯ₂ が供給され，ノッキ
ングを発生させることがなく，また，副室内のガス燃料
は冷却ジャケットで適正温度に冷却されているので，副
室内のガス燃料の活性化が抑制されて自己着火が防止さ
れ，主室から圧縮空気が副室へ供給された時に適正に着
火燃焼が発生し，スムースな燃焼状態を確保することが
できる。また，高負荷では，副室のみでなく，吸気に自
己着火しない程度の量のガス燃料を供給するので，副室
の容積を余り大きく形成する必要がなく，副室をコンパ
クトに形成することができる。

【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
を示す断面図である。

【図２】図１の副室式ガスエンジンにおけるポペット弁
の電磁力駆動装置を示す断面図である。

【図３】図１の副室式ガスエンジンにおける副室を閉鎖
したポペット弁と空気ノズルを閉鎖した摺動弁を示す断
面図である。

【図４】図１の副室式ガスエンジンにおける副室を閉鎖
したポペット弁と空気ノズルを開放した摺動弁を示す断
面図である。

【図５】図３のポペット弁の開放状態を示す断面図であ
る。

【図６】図１の副室式ガスエンジンにおけるエンジン負
荷に対応する吸気ガス燃料量と副室ガス燃料量との関係
及びＥＧＲ量と吸入空気との関係を示すグラフである。

【図７】図１の副室式ガスエンジンの作動状態を説明す
る線図である。

【符号の説明】

１ 主室 ２ 副室 ３ シリンダヘッド ５ ポペット弁 ６ 連絡口 ７ 空気通路 ８ 摺動弁 ９ 弁ステム １０ ヘッドライナ １１ 燃料弁 １４ シリンダ １５ ピストン １６ 空気ノズル １８ 吸気ポート ３５ 電磁力駆動装置 ３７ スプリング ３８ 燃料ポンプ ３９ 排気ポート ４０ コントローラ ４１，６８ 中空部 ４６ ＥＧＲポンプ ４８ ＥＧＲノズル ５０ 吸気燃料ノズル ５１ 冷却ポンプ ５３ 冷却ジャケット ５４ シリンダブロック ５６ 吸気弁 ５７ 排気弁 ６１ 電磁石鉄心 ６２ 電磁コイル ６３ リターンスプリング ６４ 磁路管 ６５ 磁性板 ６６ 排気管 ６７ 吸気管 ７１ 排気ガス冷却装置

───────────────────────────────────────────────────── 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 25/07 ５７０ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５７０Ｌ Ｆ１６Ｋ 31/08 Ｆ１６Ｋ 31/08 // Ｆ０２Ｍ 21/02 Ｆ０２Ｍ 21/02 Ｚ Ｆターム(参考） 3G023 AA04 AA05 AA06 AB05 AC02 AC03 AC04 AC07 AD02 AD03 AD10 AD21 AD30 AE04 AG03 AG05 3G062 AA01 BA03 BA04 CA06 DA02 EA10 ED04 ED08 ED14 FA13 GA00 3G092 AA02 AA05 AA06 AA07 AA08 AA17 AB08 AB09 AC08 BA08 BB01 DA13 DC07 DC09 DE03S DE05S DG02 DG09 EA13 FA16 FA17 FA18 GA05 GA06 HA11Z HB01X HD07X 3G301 HA04 HA05 HA13 HA22 JA22 JA25 JA26 KA08 KA09 LA08 LB04 LB07 LC01 MA11 PA17Z PB03A PD15A 3H106 DA07 DA13 DA23 DB02 DB12 DB23 DB32 DC02 DC17 DD02 EE48 GB23 KK17

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 副室及び該副室の回りに位置する吸気ポ
   ートと排気ポートが形成されたシリンダヘッドに配置さ
   れたヘッドライナ，前記シリンダヘッドに取り付けられ
   たシリンダブロックに設けたシリンダ内を往復動するピ
   ストン，前記副室に連絡口を通じて連通する前記ピスト
   ンに形成された主室，前記連絡口を開閉するため前記副
   室の中央領域を貫通するポペット弁，前記副室へガス燃
   料を供給するガス燃料供給装置，及び前記副室から前記
   主室への燃焼火炎の噴出を確実にするため前記ポペット
   弁による前記連絡口の開放時期を保持するように前記ポ
   ペット弁を電磁力で駆動する電磁力駆動装置，から成る
   副室式ガスエンジン。
2. 【請求項２】 前記電磁力駆動装置は，前記ポペット弁
   の弁ステムの端部に固定された磁性板，前記磁性板に対
   向して前記シリンダヘッドに固定され且つ前記弁ステム
   が貫通して延びる中空部を備えた電磁石，前記磁性板と
   前記シリンダヘッドとの間に配置され且つ前記ポペット
   弁を前記連絡口を閉鎖する方向に付勢するスプリング，
   及び前記電磁石と前記磁性板との外側に配置された磁路
   管から構成されていることから成る請求項１に記載の副
   室式ガスエンジン。
3. 【請求項３】 前記電磁石に通電することによって前記
   電磁石が前記磁性板を吸引保持して前記ポペット弁が前
   記連絡口を開放し，前記電磁石への通電を停止すること
   によって前記スプリングのばね力で前記ポペット弁が前
   記連絡口を閉鎖することから成る請求項２に記載の副室
   式ガスエンジン。
4. 【請求項４】 前記磁性板は永久磁石から構成され，前
   記ポペット弁が前記連絡口を開放する時には前記電磁石
   が前記永久磁石を吸着するように前記電磁石に前記永久
   磁石の極と反対の極になるように通電し，前記ポペット
   弁が前記連絡口を閉鎖する時には前記電磁石が前記永久
   磁石を反発するように前記電磁石に前記永久磁石の極と
   同一極になるように通電することから成る請求項２に記
   載の副室式ガスエンジン。
5. 【請求項５】 前記ポペット弁は，前記弁ステムに形成
   された空気通路，前記空気通路から前記副室へ延びる前
   記副室の上部に開口した空気ノズル，及び前記空気ノズ
   ルを開閉するため前記弁ステム内に摺動可能に配置され
   た摺動弁を備えていることから成る請求項１に記載の副
   室式ガスエンジン。
6. 【請求項６】 前記副室の回りに位置して前記ヘッドラ
   イナに形成された冷却ジャケット，及び前記副室に導入
   される前記ガス燃料を冷却するため前記冷却ジャケット
   に冷却流体を供給する冷却ポンプを備えていることから
   成る請求項１に記載の副室式ガスエンジン。
7. 【請求項７】 吸気通路を通じて吸気を前記主室に導入
   するため前記吸気ポートに配置された吸気弁，前記主室
   と前記副室内の排気ガスを排気通路に排出するため前記
   排気ポートに配置された排気弁，前記吸気にガス燃料の
   一部を供給する吸気燃料ノズル，前記排気ガスの一部を
   前記吸気に混合させる排気ガス冷却装置を備えたＥＧＲ
   装置，及びエンジン負荷に応じて前記吸気通路に供給さ
   れるガス燃料量とＥＧＲ量を制御するコントローラを備
   えていることから成る請求項１に記載の副室式ガスエン
   ジン。
8. 【請求項８】 前記コントローラは，前記ＥＧＲ装置に
   よって前記吸気に供給される前記排気ガス量を前記吸気
   量の５０％以上に制御し，低負荷時から高負荷に従って
   前記吸気に供給される前記排気ガス量を低減させて全負
   荷時には前記排気ガス量を前記供給の５０％にまで低減
   させる制御を行うことから成る請求項７に記載の副室式
   ガスエンジン。
9. 【請求項９】 前記コントローラは，部分負荷時には前
   記ガス燃料供給装置から前記副室にのみガス燃料が供給
   され，中負荷以上の時には前記吸気燃料ノズルから前記
   吸気に前記ガス燃料の一部を供給する制御を行うことか
   ら成る請求項７に記載の副室式ガスエンジン。