JP2000205049A - 燃料冷却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，副室に供給する
ガス燃料を燃料冷却装置で冷却し，ガス燃料流量の変化
にかかわらず常に所定の圧力に調整し，適正なガス燃料
流量を圧縮室に供給し，燃料噴射装置の耐久性を向上さ
せる。 【解決手段】 この副室式ガスエンジンは，ピストン１
５に副室２を設け，シリンダヘッド３に配置した燃焼室
部材１０に圧縮室８を形成する。燃料噴射装置５は，ピ
ストン上死点近傍でピストン１５の副室２内に開口する
噴孔１６を備えている。燃料ポンプ２８で圧縮されたガ
ス燃料は，燃料冷却装置４７で冷却され，ガス燃料流量
の変化に応じてガス燃料温度を調整してガス燃料圧を所
定の圧力に保持されて圧縮室８に供給される。圧縮室８
に供給されたガス燃料は，圧縮ピストン２１によって昇
圧され，噴孔１６から副室２へ噴射される。

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，ガス燃料を圧縮
冷却するガス燃料供給装置からのガス燃料をピストンに
設けた副室に供給して着火燃焼させる燃料冷却装置を備
えた副室式ガスエンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来，天然ガス等を燃料として用いるガ
スエンジンでは，天然ガスをディーゼル燃焼させて高効
率を確保するために，天然ガスを高圧力に圧縮して燃焼
室内に噴射させて燃焼させる方法が一般的である。しか
しながら，このようなガスエンジンでは，天然ガスを高
圧力に圧縮させるため，大きな動力を要し，ディーゼル
サイクルでの高効率で得られた仕事量を天然ガスを高圧
力に圧縮するのに消費され，必ずしも満足できるシステ
ムではない。

【０００３】そこで，本発明者は，シリンダヘッドに副
室を設け，副室を連絡孔を通じて主室に連通すると共
に，連絡孔に制御弁を設けた副室式ガスエンジンを開発
した（特開平６−３３７８４号公報参照）。該副室式ガ
スエンジンは，ピストンが吸気弁を通じて空気を主室に
吸入している間は制御弁が連絡孔を閉鎖し，副室にガス
燃料供給弁を開放して副室にガス燃料を供給し，圧縮行
程の後半になって制御弁が連絡孔を開放し，主室内の圧
縮空気を連絡孔を通じて副室に侵入させ，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，主室で
二次燃焼を行なわせている。

【０００４】また，従来の副室式ガスエンジンとして
は，天然ガス等のガス燃料を副室に導入し，主室で吸入
空気のみを圧縮して圧縮比を高めると共に，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
せた状態で連絡孔の連絡孔弁を開放して主室の高圧縮空
気を副室に流入させ，副室内のガス燃料と高圧縮空気と
を一気に混合させることで短期間に着火燃焼させるもの
が知られている（特開平７−３１０５５０号公報参
照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，副室式
ガスエンジンは，副室に低圧力の天然ガスが燃料として
供給され，制御弁が連絡孔を開放することによって高圧
で分子量が大きい空気を主室から副室に供給するので，
天然ガスと空気とは比重が異なり混合し難く，副室内に
未燃ガス燃料を押し付けて残存させる原因になり，その
ため燃焼状態が悪化し，良好な燃焼を行わせることがで
きず，熱効率の低下と，ＨＣの発生を増加させる原因と
なる。また，天然ガスが燃焼するには，天然ガス量が１
に対して９〜９．５倍の空気量が必要となるので，天然
ガスの外側に多量の空気が存在する状態で燃焼させるこ
とが望ましいが，従来の副室式ガスエンジンでは，空気
中へのガス燃料を分散させ過ぎ，燃焼が連続的に起こら
ないという問題があった。

【０００６】そこで，本発明者は，圧縮された多量の空
気中に，ガス燃料を噴射して着火燃焼させることによっ
て圧縮空気とガス燃料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
と噴き出させ，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おいて短期に主室へ噴き出し，
熱効率を向上させると共に，ＨＣ等の発生を低減するこ
とができる副室式ガスエンジンを開発した（特願平１０
−１９３３７６号）。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明の目的は，上記
の問題を解決することであり，ピストンに副室を設け，
燃料噴射装置によってガス燃料を副室に噴射して前記副
室内で着火燃焼させ，この時，エンジンの負荷に応じる
ガス燃料供給量の変化に対応して圧縮されたガス燃料の
圧力を一定に保つため，部分負荷時は高圧で，また，全
負荷の燃料の多い時は圧縮された燃料を冷却することに
よって，ガス燃料流量が負荷に応じて変化しても圧縮ピ
ストンを適正に作動させ，常に副室に供給するガス燃料
の圧力を所定の値に保持し，ＨＣ，ＮＯ_X ，スート等の
発生を防止して熱効率即ち燃費を向上させる燃料冷却装
置を備えた副室式ガスエンジンを提供することである。

【０００８】この発明は，シリンダヘッドに配置され且
つ吸気弁が配置された吸気ポートが形成された主室を構
成する燃焼室部材，前記主室に連通する副室及び該副室
と前記主室とを連通する連絡孔が形成されたシリンダ内
を往復移動するピストン，前記副室内にガス燃料を噴射
するための噴孔を開閉作動する針弁と前記副室に噴射さ
れる前記ガス燃料を収容する圧縮室を備えている燃料噴
射装置，及び前記燃料噴射装置に前記ガス燃料を前記圧
縮室に供給するガス燃料供給装置を有し，前記ガス燃料
供給装置は，ガス燃料供給源からの前記ガス燃料を圧縮
する燃料ポンプ，前記燃料ポンプの下流に設けられ且つ
圧縮された前記ガス燃料を冷却してガス燃料圧を降圧さ
せる燃料冷却装置及び前記燃料冷却装置の下流に設けら
れ且つ前記ガス燃料を前記圧縮室へ供給するため作動さ
れるガス燃料弁から構成されていることから成る副室式
ガスエンジンに関する。

【０００９】前記燃料冷却装置は，前記燃料ポンプで圧
縮された前記ガス燃料から熱を伝熱する伝熱通路を形成
する伝熱部材，前記伝熱部材の外側に配置され且つ前記
伝熱部材の熱を吸収放熱する放熱通路を形成する外側放
熱部材，及び前記放熱通路に冷却流体を送り込む冷却ポ
ンプから構成されている。

【００１０】前記副室に供給するガス燃料流量を制御す
るコントローラは，部分負荷時に前記燃料冷却装置の前
記放熱通路からの熱の放熱を低減させるため前記冷却ポ
ンプの作動状態を弱くし，高負荷時には前記放熱通路か
らの熱の放熱を増大させるため前記冷却ポンプの作動状
態を強める制御を行ってエンジン負荷に応じて所定のガ
ス燃料圧に保持しつつガス燃料流量を変化させる制御を
行う。

【００１１】前記主室へ導入される吸気中に前記ガス燃
料を噴射する吸気燃料ノズルを設けると共に，前記コン
トローラは，部分負荷時に前記燃料噴射装置から前記副
室内に前記ガス燃料を噴射し，高負荷時には前記燃料噴
射装置から前記副室内に前記ガス燃料を噴射すると共に
前記吸気燃料ノズルから前記吸気中に前記ガス燃料を噴
射する制御を行う。

【００１２】前記燃料噴射装置は，前記噴孔及び前記圧
縮室が形成されたノズル本体，前記圧縮室内の前記ガス
燃料を圧縮するため駆動装置によって作動される圧縮ピ
ストン，及び前記圧縮室に前記ガス燃料を供給するため
前記圧縮ピストンを復帰させるリターンスプリングを有
し，前記圧縮ピストン内にスプリングを介して配置され
た前記針弁は前記ノズル本体内で往復移動して前記噴孔
を開閉する。

【００１３】前記圧縮ピストンには，前記ガス燃料供給
装置から供給される前記ガス燃料を前記圧縮室へ導入す
るため逆止弁が配置されたガス燃料通孔と，前記噴孔を
開閉する前記針弁が摺動移動する中空穴とが形成されて
いる。

【００１４】前記針弁は，前記圧縮ピストンの中空穴内
を摺動移動する摺動用端部，前記ノズル本体に形成され
た弁シートに着座して前記圧縮室と前記噴孔とを遮断す
る弁フェース，前記圧縮室内のガス燃料圧を受ける受圧
面，及び前記ノズル本体の前記小径筒部に形成された中
空孔を摺動移動して前記噴孔を開閉させる遮断用端部を
備えている。

【００１５】前記針弁は，前記圧縮室内の所定以上のガ
ス燃料圧を前記針弁の前記受圧面で受けて，前記圧縮ピ
ストンの前記中空穴に配置されたスプリングのばね力に
抗してリフトされ，前記圧縮室と前記噴孔とを連通させ
る。

【００１６】前記針弁の前記遮断用端部の端面は前記副
室に露出して前記副室内のガス圧を受ける受圧面を構成
しており，前記副室内の所定以上のガス圧に応じて前記
針弁はリフトして前記遮断用端部が前記噴孔を閉鎖す
る。

【００１７】この副室式ガスエンジンは，上記のよう
に，ガス燃料供給装置に燃料冷却装置を設けたので，エ
ンジン負荷に伴って変化する副室に供給するガス燃料流
量に応じてガス燃料を冷却して常に一定のガス燃料圧を
維持しつつ，該ガス燃料を燃料噴射装置の圧縮室へ供給
し，それによって圧縮室のガス燃料を昇圧する圧縮ピス
トンを常に適正に作動させ，副室での着火燃焼を良好に
し，ＨＣ，ＮＯ_X ，スート等の発生を防止して燃費を向
上させる。即ち，副室に供給されるガス燃料は，燃料噴
射装置における圧縮室の容積及び圧縮ピストンのストロ
ークで決定されるが，副室に供給するガス燃料を冷却す
ることによって，ガス燃料の圧力を小さくして所定のガ
ス燃料流量を確保し，ガス燃料を常に所定の圧力に制御
し，カム，圧縮ピストン等の強度についての耐久性を保
証することができる。

【００１８】ガス燃料を圧縮するには，ピストン式であ
れば，大きなストロークを要する。従って，ガス燃料を
一段で高圧，例えば，１０Ｍｐａに圧縮するためには，
圧縮比を２７以上にしなければならない。ガス燃料の圧
縮比を２７以上にするには，ピストンのストロークが極
めて大きくなる。そこで，例えば，第一段目のガス燃料
供給装置の燃料ポンプでガス燃料圧を０．７Ｍｐａ程度
に上げておき，燃料噴射装置の圧縮ピストンで加圧すれ
ば，圧縮比が７程度で１０Ｍｐａに加圧できる。このガ
ス燃料圧の条件は，エンジンが全負荷で運転する時の条
件であるが，ガス燃料温度が高いと，燃料噴射装置での
圧縮室の容積を大きくしなければならないので，その容
積を小さくするためには，燃料ポンプから供給されるガ
ス燃料の温度を燃料冷却装置で下げる必要がある。一
方，部分負荷の時は，ガス燃料流量が少ないので，燃料
冷却装置でガス燃料を冷却し過ぎるとガス燃料圧が小さ
くなり，副室へガス燃料を噴射できない状態になる。そ
の場合には，燃料冷却装置の作動状態を冷却ポンプの送
風量を低減して冷却効果を低減し，ガス燃料圧を所定の
高圧に保持し，圧縮室から副室へ噴射されるガス燃料の
圧力を維持する。一時的な変化状態即ちトランジェント
の時は，燃料ポンプの回転を調整して圧力とガス燃料流
量の制御を行う。

【００１９】また，この副室式ガスエンジンは，部分負
荷時には全てのガス燃料流量をピストンに設けた副室に
噴射させ，全負荷時等の高負荷時には自己着火しない程
度のガス燃料の一部を吸気に混合させ，適正な流量を確
保し，良好な燃費効率を確保する。ガス燃料の一部を吸
気に混合させることによって，高負荷時に適正な全量の
ガス燃料流量を副室内へ噴射する必要がないので，副室
は勿論のことガス燃料を圧縮する圧縮室の容積を小さく
構成でき，燃料噴射装置のノズル本体内に設けた圧縮ピ
ストンの圧縮に必要なストロークを確保することがで
き，全負荷時にも吸気にガス燃料を供給した予混合燃料
と副室への噴射燃料が半々に設定されているので，ガス
燃料の着火後に速やかに燃焼を進展させることができ
る。

【００２０】通常，天然ガスは，燃焼始めの着火温度が
極めて高く，例えば，８００℃で着火燃焼が起こるが，
一旦燃焼すると，燃焼速度が速い特性を有しているた
め，部分負荷時に，燃料を予め吸入空気中に混合して燃
焼させた場合に，混合気が余り希薄になり過ぎ，ピスト
ンとシリンダとの隙間に入り込む等により良好な燃焼を
確保できない現象が発生する。しかしながら，この副室
式ガスエンジンは，上記のように構成したので，上記の
ような好ましくない現象は発生しない。

【００２１】この副室式ガスエンジンは，部分負荷時に
は副室へのガス燃料の噴射のみであるので，副室から噴
出した火炎，未燃混合気等のガス燃料が主室内の空気と
混合し，燃焼するが，ピストンに設けられた副室内は閉
鎖空間的であるので，燃料は均一に混合されて良好な混
合状態になる。ガス燃料は，例えば，約１／２負荷まで
は負荷に応じたガス燃料流量が副室に噴射され，約１／
２負荷より大きい高負荷になると，残りのガス燃料流量
が吸気に混合されて主室で希薄な予混合気となり，ま
た，全負荷時には，ガス燃料流量の１／２が副室内へ噴
射され，残りのガス燃料流量の１／２が吸気に噴射され
る。

【００２２】通常のディーゼルタイプのガスエンジン
は，燃料噴射ノズルから所定量のガス燃料を燃焼室に供
給するため，燃焼室内の圧縮空気圧が４０〜５０ｂａｒ
程度であるので，それよりも高い圧力のガス燃料に昇
圧，例えば，少なくとも５０〜７０ｂａｒにまで圧縮す
る必要がある。しかしながら，通常，ガス燃料供給源か
ら送られてくる天然ガスのガス燃料は５ｂａｒ程である
ので，このような圧力のガス燃料を高圧にするには大き
な動力が必要となる。この副室式ガスエンジンは，燃料
ポンプで２０〜３０ｂａｒ程度に圧縮したガス燃料を使
用し，その圧縮されたガス燃料をエンジンに設けた圧縮
室に封入し，カムによって作動される圧縮ピストンの押
圧力によってガス燃料を加圧し，ガス燃料の圧力を１０
０〜１５０ｂａｒまで高くするものであり，ガス燃料を
副室に良好に供給できる。

【００２３】この副室式ガスエンジンは，高圧縮された
ガス燃料を燃料噴射装置を用いて副室内の圧縮空気中に
噴射させると，多量な空気中でガス燃料が均一に分散す
ることができ，混合気が着火燃焼し，副室の燃焼によっ
てＮＯ_X の発生を抑制でき，次いで，火炎，未燃混合気
等のガスが連絡孔を通じて前記副室から前記主室へ噴き
出され，副室にガス燃料が滞留することが防止され，噴
き出された火炎と未燃ガス燃料とが主室に存在する新気
との混合を促進し，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。

【００２４】

【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。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の燃料噴射装置を示す拡大断面図，
図３は図２の燃料噴射装置の開放時の作動状態を示す拡
大断面図，図４は図２の燃料噴射装置の閉鎖時の作動状
態を示す拡大断面図，図５は負荷に対応する燃料噴射装
置と吸気燃料ノズルとの供給流量の関係を示すグラフ，
及び図６は図１のガス燃料供給装置を示す拡大断面図で
ある。

【００２５】この副室式ガスエンジンは，シリンダブロ
ック５４，シリンダブロック５４にガスケット６３を介
在して固定されたシリンダヘッド３，シリンダブロック
５４に形成した孔部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に配置された燃焼室部材を構成するヘ
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内を往復運動するピストン１５を有してい
る。ヘッドライナ１０は，ヘッド下部２６とそれと一体
構造のライナ上部２７から構成されている。ヘッドライ
ナ１０とピストン１５とで囲まれる領域には，主室１が
形成されている。

【００２６】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，シリンダヘ
ッド３のキャビティ１２にガスケット１３を介して遮熱
空気層３１が形成される状態で配置され，主室１が遮熱
構造に構成されている。ヘッドライナ１０のヘッド下部
２６には，吸気弁５６が配置された弁シートを備えた吸
気ポート１８と，図示していないが，排気弁が配置され
た弁シートを備えた排気ポート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と排気ポートがそれぞれ互いに連通する吸
気ポート６５と排気ポートが形成されている。

【００２７】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にガスケット５３を介して
結合リング４６で固定されたＡｌ合金等の金属材から形
成されたピストンスカート３６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３６との間には，
遮熱空気層５５が形成されている。ピストンヘッド２０
の中央には，副室２が形成されている。ピストンヘッド
２０には，その中央頂部に位置する挿入孔７と挿入孔７
の周囲に位置する連絡孔６が形成されている。燃料噴射
装置５の先端部４２は，ピストン上死点付近で挿入孔７
を通って副室２内に侵入できるように，ヘッドライナ１
０のヘッド下部２６から主室１へ突出した状態でヘッド
ライナ１０に形成された中央貫通孔３７に設定されてい
る。また，ピストンヘッド２０に形成された連絡孔６
は，挿入孔７を中心に周方向に隔置して複数個形成さ
れ，ピストンヘッド２０の中央側からシリンダ周辺へと
延びている。従って，燃料噴射装置５は，ヘッドライナ
１０から主室１へ突出した先端部４２がピストン上死点
近傍でピストン１５に形成された挿入孔７に突入し，先
端部４２に形成された噴孔１６が副室２内に開口するよ
うになる。

【００２８】この副室式ガスエンジンは，特に，燃料噴
射装置５の圧縮室８にガス燃料を供給するガス燃料供給
装置に特徴を有している。ガス燃料供給装置は，ガス燃
料供給源３９からガス燃料通路７９を通じて供給される
ガス燃料を圧縮する燃料ポンプ２８，燃料ポンプ２８の
下流に設けられ且つ燃料ポンプ２８からのガス燃料をガ
ス燃料通路４３を通じて送り込まれる燃料冷却装置４７
及び燃料冷却装置４７の下流に設けられ且つガス燃料を
圧縮室８へ供給するため作動されるガス燃料弁１１から
構成されている。燃料冷却装置４７は，熱交換器から構
成され，燃料ポンプ２８で圧縮されたガス燃料を冷却し
てガス燃料圧を降圧させる機能を有する。ガス燃料弁１
１は，燃料冷却装置４７で適正なガス燃料圧に調整され
たガス燃料をノズル本体１９内の中空部３５及び圧縮室
８へ供給するため，ガス燃料供給口１７を開閉する。

【００２９】更に，燃料冷却装置４７は，燃料ポンプ２
８で圧縮されたガス燃料から熱を伝熱する伝熱通路７５
を形成する伝熱部材７６，伝熱部材７６の外側に配置さ
れ且つ伝熱部材７６の熱を吸収放熱する放熱通路７７を
形成する放熱部材７８，及び放熱通路７７に冷却流体を
流体通路７４を通じて送り込む冷却ポンプ７３から構成
されている。燃料冷却装置４７は，冷媒として水又は空
気が使用され，冷媒が流体通路７４を流れることによっ
て放熱部材７８から熱を奪うように構成されている。伝
熱部材７６は，流体が通過できない伝熱材から成るケー
ス８６内に収容されている。伝熱部材７６は，ガス燃料
を通過させてガス燃料の熱を受熱できる金属やセラミッ
クスから成る多孔質部材やハニカム構造から形成されて
いる。放熱部材７８は，流体が通過できない伝熱材から
成るケース８５内に収容されている。放熱部材７８は，
冷媒流体を通過させて伝熱部材７６の熱を受熱できる金
属やセラミックスから成る多孔質部材やハニカム構造か
ら形成されている。従って，伝熱部材７６と放熱部材７
８は，極めて熱伝達が良好になり，ガス燃料からの熱を
適正に吸収し，ガス燃料を適正なガス燃料圧に調整する
ことができる。

【００３０】ガス燃料弁１１は，弁本体３０に形成され
たガス燃料通路５２のガス燃料供給口１７を開放するこ
とによって，燃料噴射装置５のノズル本体１９に形成さ
れた中空部３５と圧縮室８へガス燃料が供給される。弁
本体３０に形成されたガス燃料通路５２は，ガス燃料通
路４３を通じて燃料冷却装置４７に連通している。燃料
ポンプ２８は，例えば，ガス燃料供給源３９からの５ｂ
ａｒ程度のガス燃料を２０〜３０ｂａｒ程度にまで圧縮
することができる。燃料ポンプ２８は，回転ベーン式又
は往復動ピストン式の圧縮機に形成されている。例え
ば，回転ベーン式圧縮機は，図６に示すように，ポンプ
ケーシング８０内に偏心して配置された回転軸８１，回
転軸８１に形成された複数の放射方向溝内にスプリング
８７でそれぞれ外向きに押圧状態に配置されたベーン８
２，及びベーン８２でそれぞれ区画された複数のポンプ
室８３から構成されている。

【００３１】コントローラ７０は，負荷センサ７１から
のエンジン負荷の信号を受け，モータ７１を駆動すると
共に，冷却ポンプ７３を駆動する制御を行う。モータ７
２の駆動によって燃料ポンプ２８が作動し，ガス燃料が
ガス燃料供給源３９からガス燃料通路７９を通じて燃料
ポンプ２８に吸い込まれる。燃料ポンプ２８のポンプ室
８３に吸い込まれたガス燃料は圧縮され，圧縮されたガ
ス燃料はガス燃料通路４３を通って燃料冷却装置４７に
送りこまれる。燃料冷却装置４７では，ガス燃料は多孔
質構造の伝熱部材７６で形成された伝熱通路７５を通過
してガス燃料の熱を伝熱部材７６へ伝達し，次いで，ガ
ス燃料は出口側のガス燃料通路４３を通ってガス燃料弁
１１へ送り込まれる。一方，冷却ポンプ７３が駆動する
と，冷媒の空気（水）は，流体通路７４を通って燃料冷
却装置４７の多孔質構造の放熱部材７８で形成された放
熱通路７７にに送り込まれ，空気（水）は放熱部材７８
から熱を受熱して出口通路８４から外部へ放出される。
従って，圧縮されて昇温したガス燃料は，空気（水）に
よって冷却され，圧縮室８へ供給されるガス燃料圧は低
減され，適正な圧力に制御されることになる。

【００３２】また，この副室式ガスエンジンは，吸気ポ
ート６５，１８を通じて主室１へ導入される吸気に高負
荷時にガス燃料通路６１を通じてガス燃料の一部を噴射
する吸気燃料ノズル３３，圧縮室８内のガス燃料を圧縮
するため作動される燃料噴射装置５の圧縮ピストン２
１，圧縮ピストン２１を押圧駆動する駆動装置，及び部
分負荷時に燃料噴射装置５から副室２にガス燃料を噴射
し，高負荷時に燃料噴射装置５から副室２に前記ガス燃
料を噴射すると共に吸気燃料ノズル３３から吸気にガス
燃料を噴射する制御を行うコントローラ７０を有してい
ることに特徴を有している。エンジンの負荷は，ガス燃
料供給量等を検出するセンサ７１によって検出される。
圧縮ピストン２１を押圧駆動する駆動装置は，動弁機構
のカム軸６８に設けたカム２９，カム２９によって作動
されるピストンロッド２５，及びピストンロッド２５を
復帰させるリターンスプリング３８から構成されてい
る。

【００３３】ガス燃料弁１１は，弁本体３０をシリンダ
ヘッド３に形成された取付穴に配置することによって取
り付けられている。ガス燃料弁１１は，動弁機構のカム
軸６８に設けたカム３２で作動されて弁本体３０に形成
されたガス燃料通路５２のガス燃料供給口１７を開放す
る弁体６４，及び弁体６４をガス燃料供給口１７を閉鎖
する方向に復帰させるバルブスプリング４８から構成さ
れている。バルブスプリング４８は，弁本体３０と弁体
６４の端部に固定されたバルブスプリングリテーナ５９
との間に配置されている。従って，ガス燃料弁１１は，
カム３２によってガス燃料供給口１７の開口時間が調整
される。

【００３４】燃料噴射装置５は，ヘッドライナ１０の中
央貫通孔３７に設定されたノズル本体１９，ノズル本体
１９内に形成されたシリンダ４内で往復移動して作動さ
れる圧縮ピストン２１，ノズル本体１９内の圧縮ピスト
ン２１の一方の側に形成されたガス燃料を収容して圧縮
する圧縮室８，及びノズル本体１９内の圧縮ピストン２
１の背面側に形成された中空部３５を備えている。圧縮
ピストン２１には，ガス燃料供給装置から供給されるガ
ス燃料を圧縮室８へ導入するため逆止弁４１を備えたガ
ス燃料通孔４５と噴孔１６を開閉する針弁９が摺動移動
する中空穴５７とが形成されている。また，燃料噴射装
置５を構成するノズル本体１９には，圧縮ピストン２１
が摺動移動する圧縮室８を形成する大径筒部と主室１に
突出した先端部４２の小径筒部から形成されている。

【００３５】針弁９は，圧縮ピストン２１の中空部３５
内を摺動移動する摺動用端部６０，ノズル本体１９に形
成された弁シート２４に着座して圧縮室８と噴孔１６と
を遮断する弁フェース５０，圧縮室８内のガス燃料圧を
受けて針弁９をリフトさせる受圧面５１，及びノズル本
体１９の小径筒部に形成された中空孔６２を摺動移動し
て噴孔１６を開閉させる遮断用端部３４を備えている。
針弁９は，その先端部側は縮径部６７に形成され，その
先端に大径部から成る遮断用端部３４が形成されてい
る。ノズル本体の先端部４２との間に燃料溜まり部４９
が形成されている。燃料噴射装置５は，針弁９の弁フェ
ース５０がノズル本体１９の弁シート２４に着座した
時，副室２と圧縮室８との連絡が遮断される（図２参
照）。圧縮ピストン２１の中空穴５７内には，針弁９の
上端面を針弁９の閉鎖方向に押圧するスプリング４０が
配置されている。燃料噴射装置５における針弁９は，圧
縮室８内のガス燃料圧が所定以上の値に応答し，ガス燃
料圧を針弁９の受圧面５１で受けてスプリング４０のば
ね力に抗してリフトされ，圧縮室８と噴孔１６とを連通
させる（図３参照）。針弁９の遮断用端部３４の端面６
９は，副室２内に露出しており，副室２内のガス圧を受
ける受圧面が構成されている。従って，燃料噴射装置５
は，副室２内でガス燃料が着火燃焼して副室２内のガス
圧が上昇した時には，針弁９を最大量にリフトさせ，針
弁９の遮断用端部３４が噴孔１６を閉鎖して副室２と圧
縮室８との連絡を遮断するように構成されている（図４
参照）。

【００３６】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。この副室式ガスエンジンは，コントロ
ーラ７０によってエンジン負荷に応じて燃料噴射装置５
及び吸気燃料ノズル３３から供給されるガス燃料流量を
制御すると共に，副室２に供給するガス燃料流量を制御
する場合に，部分負荷時に燃料冷却装置４７の放熱通路
７７からの熱の放熱を低減させるため冷却ポンプ７３の
作動状態を弱くし，高負荷時には放熱通路７７からの熱
の放熱を増大させるため冷却ポンプ７３の作動状態を強
める制御を行ってエンジン負荷に応じて所定のガス燃料
圧に保持しつつガス燃料流量を変化させる制御を行うこ
とに特徴を有する。

【００３７】この副室式ガスエンジンは，負荷センサ７
１からのエンジン負荷の検出信号を受けてコントローラ
７０が副室２及び吸気に供給するガス燃料流量を，例え
ば，図５のグラフに示すように，燃料噴射装置５と吸気
燃料ノズル３３の作動を制御する。コントローラ７０
は，１／２負荷までの部分負荷に応じて燃料噴射装置５
から副室２内に漸次増加する状態でガス燃料を噴射し，
また，１／２負荷以上の高負荷に応じて燃料噴射装置５
から副室２内にガス燃料を噴射すると共に吸気燃料ノズ
ル３３から吸気中にガス燃料を噴射する制御を行う。コ
ントローラ７０は，高負荷時には，全負荷時の全ガス燃
料流量の１／２流量を，燃料噴射装置５から副室２内へ
噴射する制御を行うように設定されている。

【００３８】この副室式ガスエンジンは，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，排気弁が排気ポートを閉鎖しているの
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６５，１８を通じて主室１に供給される。こ
の時，１／２負荷までの部分負荷では，吸気燃料ノズル
３３からガス燃料が吸気には供給されず，１／２負荷以
上の高負荷では，吸気燃料ノズル３３からガス燃料が吸
気に供給される。また，排気行程が終了した時には，カ
ム２９によってスプリング３８のばね力に抗してピスト
ンロッド２５が押し下げられ，圧縮室８内のガス燃料が
噴孔１６を通じて副室２に噴射し終わり，図４に示すよ
うに，針弁９の遮断用端部３４が噴孔１６を閉鎖してガ
ス燃料通路６６と噴孔１６とは遮断しているが，圧縮ピ
ストン２１がノズル本体１９のシリンダ４を下降して中
空部３５の体積が拡大している状態である。吸入行程で
は，ガス燃料弁１１がカム３２によって作動されてガス
燃料弁１１の弁体６４がリフトしてガス燃料供給口１７
を開放すると共に，燃料ポンプ２８の作動によってガス
燃料供給源３９からガス燃料（天然ガスの５ｂａｒ）が
圧縮される。燃料ポンプ２８で圧縮されたガス燃料（２
０〜３０ｂａｒ）は，ガス燃料通路４３を通じてガス燃
料弁１１のガス燃料通路５２に供給され，開放されたガ
ス燃料供給口１７から中空部３５に供給される。

【００３９】次いで，カム２９が回転してピストンロッ
ド２５の押圧を解放すると，リターンスプリング３８の
作用によって，ピストンロッド２５と圧縮ピストン２１
とが上昇する。この時，中空部３５に収容されているガ
ス燃料は，圧縮ピストン２１のガス燃料通孔４２を通っ
てスプリング４４のばね力に抗して逆止弁４１を押し下
げ，中空部３５内のガス燃料が圧縮室８に導入される。
この状態では，図１と図２に示すように，針弁９はスプ
リング４０によって押し下げられ，針弁９の弁フェース
５０はノズル本体１９の弁シート２４に着座した状態に
なっており，ノズル本体１９のガス燃料通路６６と噴孔
１６とは遮断された状態である。

【００４０】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。ピストン１５がシリンダ１４を上昇した圧
縮行程上死点近傍で，燃料噴射装置５の先端部４２はピ
ストン１５の挿入孔７に突入し，燃料噴射装置５の噴孔
１６は，副室２内に位置する状態になる。また，圧縮行
程後半において，カム２９がピストンロッド２５を押し
下げることによって圧縮ピストン２１がシリンダ４を下
降する。この時，圧縮室８に供給されているガス燃料
は，逆止弁４１によってガス燃料通孔４５が閉鎖される
ので，圧縮ピストン２１の下降によって圧縮室８の容積
が低減するのに従って圧力が増大し，例えば，２０〜３
０ｂａｒから５０〜７０ｂａｒまで圧縮される。

【００４１】この時，圧縮室８内のガス燃料圧が上昇す
ると，ガス燃料圧が針弁９の受圧面５１に作用し，図３
に示すように，針弁９がスプリング４０のばね力に抗し
てリフトし，弁フェース５０が弁シート２４から離れて
ガス燃料通路６６が噴孔１６と連通して噴孔１６が開放
する。噴孔１６の開放によって圧縮室８内のガス燃料が
噴孔１６から副室２内の圧縮空気中へ噴出され，圧縮室
８のガス燃料は副室２へ噴き出されて殆ど残存しない状
態になると共に，副室２内の圧縮空気中に噴出されたガ
ス燃料が空気と混合を促進して副室２で着火燃焼する。
この時，副室２内の圧力が上昇し，副室２内のガス圧が
針弁９の遮断用端部３４の端面６９に作用し，図４に示
すように，針弁９の遮断用端部３４が噴孔１６を閉鎖す
るので，副室２内の火炎，未燃混合気等のガスが副室２
から噴孔１６，燃料溜まり部４９，ガス燃料通路６６を
通って圧縮室８へ逆流することが防止され，副室２内の
火炎，未燃混合気等のガスは連絡孔６を通って主室１に
噴き出され，主室１に存在する新気と混合を促進して拡
散燃焼し燃焼速度を促進し，ＮＯ_X ，ＨＣの発生を抑制
した状態で燃焼が完結し，ピストン１５に仕事をする。

【００４２】膨張行程に移行すると，ピストン１５が下
降し，ピストン１５が下降すると共に副室２内のガスが
主室１に噴出すると，副室２内のガス圧が低下し，針弁
９はスプリング４０によって下降し，針弁９の弁フェー
ス５０が弁シート２４に着座し，圧縮室８と噴孔１６と
の連通状態が遮断され，噴孔１６が閉鎖される。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。排気弁が排気ポートを開放し，排気ガスが排気ポー
ト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
ャージャやエネルギ回収タービン，熱交換器等で回収さ
れる。

【００４３】

【発明の効果】この発明による副室式ガスエンジンは，
上記のように構成されているので，エンジン負荷で供給
するガス燃料流量が変化しても，ガス燃料を燃料冷却装
置で温度制御することによって所定のガス燃料圧を維持
でき，その所定のガス燃料圧で圧縮室で昇圧されるの
で，ガス燃料が常に適正なガス燃料圧で副室へ噴射され
ることになり，ＮＯ_X ，ＨＣ等の発生を低減し，熱効率
を向上させることができる。即ち，燃料ポンプによって
ある程度昇圧されたガス燃料を燃料噴射装置の圧縮室に
導入し，ガス燃料をカム機構で作動する圧縮ピストンに
よって所望の高圧，例えば，５０〜７０ｂａｒ，場合に
よっては，１００ｂａｒ〜１５０ｂａｒまでにも容易に
昇圧でき，その高圧のガス燃料を燃料噴射装置の噴孔か
ら副室内の圧縮空気中に噴射することができる。また，
高負荷時には，副室に供給するガス燃料を燃料ポンプで
昇圧した後，圧縮されたガス燃料を燃料冷却装置で冷却
するので，ガス燃料の圧力が低下するので，常に圧縮室
からは所定のガス燃料圧で副室へ噴射できる。また，吸
気にガス燃料の一部を供給するので，燃料噴射装置に設
けた圧縮室の体積を余り大きく設計する必要がなく，燃
料噴射装置をコンパクトに構成できると共に，常に負荷
に応じた適正なガス燃料流量を供給でき，副室での一次
燃焼は勿論のこと，二次燃焼を促進して燃焼期間を短縮
し，燃焼を完結でき，ＮＯ_X ，ＨＣ等の発生を低減し，
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
を示す断面図である。

【図２】図１の副室式ガスエンジンにおける燃料噴射装
置を示す拡大断面図である。

【図３】図２の燃料噴射装置の開放時の作動状態を示す
拡大断面図である。

【図４】図２の燃料噴射装置の閉鎖時の作動状態を示す
拡大断面図である。

【図５】燃料噴射装置と吸気燃料ノズルとの負荷に対応
する供給流量の関係を示すグラフである。

【図６】図１のガス燃料供給装置を示す拡大断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 主室 ２ 副室 ３ シリンダヘッド ５ 燃料噴射装置 ６ 連絡孔 ８ 圧縮室 ９ 針弁 １０ ヘッドライナ（燃焼室部材） １１ 燃料弁 １４ シリンダ １５ ピストン １６ 噴孔 １８，６５ 吸気ポート １９ ノズル本体 ２１ 圧縮ピストン ２４ 弁シート ２８ 燃料ポンプ ３３ 吸気燃料ノズル ３４ 遮断用端部 ３８ リターンスプリング ３９ ガス燃料供給源 ４０ スプリング ４１ 逆止弁 ４３，５２，６１，６６ ガス燃料通路 ４５ ガス燃料通孔 ４７ 燃料冷却装置（熱交換器） ５０ 弁フェース ５１ 受圧面 ５６ 吸気弁 ５７ 中空穴 ６０ 摺動用端部 ６２ 中空孔 ６９ 遮断用端部の端面 ７０ コントローラ ７３ 冷却ポンプ ７４ 流体通路 ７５ 伝熱通路 ７６ 伝熱部材 ７７ 放熱通路 ７８ 放熱部材

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダヘッドに配置され且つ吸気弁が
   配置された吸気ポートが形成された主室を構成する燃焼
   室部材，前記主室に連通する副室及び該副室と前記主室
   とを連通する連絡孔が形成されたシリンダ内を往復移動
   するピストン，前記副室内にガス燃料を噴射するための
   噴孔を開閉作動する針弁と前記副室に噴射される前記ガ
   ス燃料を収容する圧縮室を備えている燃料噴射装置，及
   び前記燃料噴射装置に前記ガス燃料を前記圧縮室に供給
   するガス燃料供給装置を有し，前記ガス燃料供給装置
   は，ガス燃料供給源からの前記ガス燃料を圧縮する燃料
   ポンプ，前記燃料ポンプの下流に設けられ且つ圧縮され
   た前記ガス燃料を冷却してガス燃料圧を降圧させる燃料
   冷却装置及び前記燃料冷却装置の下流に設けられ且つ前
   記ガス燃料を前記圧縮室へ供給するため作動されるガス
   燃料弁から構成されていることから成る副室式ガスエン
   ジン。
2. 【請求項２】 前記燃料冷却装置は，前記燃料ポンプで
   圧縮された前記ガス燃料から熱を伝熱する伝熱通路を形
   成する伝熱部材，前記伝熱部材の外側に配置され且つ前
   記伝熱部材の熱を吸収放熱する放熱通路を形成する放熱
   部材，及び前記放熱通路に冷却流体を送り込む冷却ポン
   プ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】 前記副室に供給するガス燃料流量を制御
   するコントローラは，部分負荷時に前記燃料冷却装置の
   前記放熱通路からの熱の放熱を低減させるため前記冷却
   ポンプの作動状態を弱くし，高負荷時には前記放熱通路
   からの熱の放熱を増大させるため前記冷却ポンプの作動
   状態を強める制御を行ってエンジン負荷に応じて所定の
   ガス燃料圧に保持しつつガス燃料流量を変化させる制御
   を行う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】 前記主室へ導入される吸気中に前記ガス
   燃料を噴射する吸気燃料ノズルを設けると共に，前記コ
   ントローラは，部分負荷時に前記燃料噴射装置から前記
   副室内に前記ガス燃料を噴射し，高負荷時には前記燃料
   噴射装置から前記副室内に前記ガス燃料を噴射すると共
   に前記吸気燃料ノズルから前記吸気中に前記ガス燃料を
   噴射する制御を行うことから成る請求項３に記載の副室
   式ガスエンジン。
5. 【請求項５】 前記燃料噴射装置は，前記噴孔及び前記
   圧縮室が形成されたノズル本体，前記圧縮室内の前記ガ
   ス燃料を圧縮するため駆動装置によって作動される圧縮
   ピストン，及び前記圧縮室に前記ガス燃料を供給するた
   め前記圧縮ピストンを復帰させるリターンスプリングを
   有し，前記圧縮ピストン内にスプリングを介して配置さ
   れた前記針弁は前記ノズル本体内で往復移動して前記噴
   孔を開閉す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】 前記圧縮ピストンには，前記ガス燃料供
   給装置から供給される前記ガス燃料を前記圧縮室へ導入
   するため逆止弁が配置されたガス燃料通孔と，前記噴孔
   を開閉する前記針弁が摺動移動する中空穴とが形成され
   ていることから成る請求項５に記載の副室式ガスエンジ
   ン。
7. 【請求項７】 前記針弁は，前記圧縮ピストンの中空穴
   内を摺動移動する摺動用端部，前記ノズル本体に形成さ
   れた弁シートに着座して前記圧縮室と前記噴孔とを遮断
   する弁フェース，前記圧縮室内のガス燃料圧を受ける受
   圧面，及び前記ノズル本体の前記小径筒部に形成された
   中空孔を摺動移動して前記噴孔を開閉させる遮断用端部
   を備えていることから成る請求項５に記載の副室式ガス
   エンジン。
8. 【請求項８】 前記針弁は，前記圧縮室内の所定以上の
   ガス燃料圧を前記針弁の前記受圧面で受けて，前記圧縮
   ピストンの前記中空穴に配置されたスプリングのばね力
   に抗してリフトされ，前記圧縮室と前記噴孔とを連通さ
   せる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】 前記針弁の前記遮断用端部の端面は前記
   副室に露出して前記副室内のガス圧を受ける受圧面を構
   成しており，前記副室内の所定以上のガス圧に応じて前
   記針弁はリフトして前記遮断用端部が前記噴孔を閉鎖す
   ることから成る請求項６に記載の副室式ガスエンジン。