JP2000257431A - 副室式ガス機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 希薄燃焼限界時であっても、希薄混合気が未
燃分として外部に排出されるのを抑制し、高い熱機関効
率での運転が可能となる副室式ガス機関を得る。 【解決手段】 主室１の上方に副室２が設けられ、副室
２に設けた点火プラグ４により副室２に供給された混合
気に火花点火され、火炎ジェットを副室下端に形成した
連絡孔６ａを通じて主室１内に噴出するようにされた副
室式ガス機関において、火炎ジェットが主室１の天面１
ａに衝突するように、連絡孔６ａを上向きの角度に設定
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は副室式ガス機関、特
に、希薄燃焼時おける未燃分の排出量を大きく低減する
ことのできる副室式ガス機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】天然ガスなどを燃料とする希薄燃焼ガス
機関は、その省エネルギー性や排出ガスによる環境負荷
が低いこと等から、コージェネレーション用原動機など
に広く採用されている。なかでも、特開平８−３１２３
４８号公報あるいは特公平７−１１６９９１号公報に示
されるような副室式ガス機関は、希薄燃焼方式での火炎
伝播速度の遅さに起因する不安定さを解決する燃焼機関
として有望視されており、高い機関熱効率が期待でき
る。

【０００３】図３は、これまでの副室式ガス機関の一例
を示しており、主室１の上方に副室２が設けられ、副室
２には供給ノズル３から、主室１に供給される希薄混合
気よりも高い濃度の混合気が供給される。圧縮行程上死
点付近において、該高濃度の混合気には副室２の上方位
置に設けた点火プラグ４により火花点火され、火炎ジェ
ット５は副室２の下端に形成される連絡孔６を通して主
室１内に噴出する。噴出した火炎ジェット５により、主
室１に供給された希薄混合気はすみやかに燃焼する。な
お、図において、７はピストン、８は吸気弁、９は排気
弁、１０は吸気ポート、１１は排気ポートを示す。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、上記形状
の副室式ガス機関についてこれまで多くの研究と実機運
転とを行ってきているが、その過程において、希薄燃焼
限界においては、主室１内に混合気の一部が燃料塊とし
て残留し、それが、未燃分として排気ポート１１からそ
のまま排出される場合があることを経験した。未燃分が
排気ポートから排出されることは、熱機関効率低下をも
たらすので極力回避する必要がある。本発明の目的は、
希薄燃焼限界においても混合気の一部が未燃分として排
出されるのを極力低減し、常に高い熱機関効率で運転可
能とした副室式ガス機関を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者は、副室式ガス
機関における未燃分排出の原因を探るべく、モデルエン
ジンを作成して種々の実験を行うことにより、副室式ガ
ス機関において、副室からの火炎ジェットにより圧縮さ
れた混合気全体を瞬時にカバーすることはできず、火炎
ジェットに覆われなかった部分の混合気はその後の火炎
伝搬により燃焼することとなるが、火炎伝播速度との関
係で火炎伝播に遅れが生じる部分があり、希薄燃焼限界
においては、そのような部分が燃焼を開始する以前に排
気行程に入ってしまい、それにより、一部の混合気は未
燃分として排出されることを知った。

【０００６】さらに、モデルエンジンによる実験とシュ
ミレーションとを継続することにより、圧縮された混合
気全体が火炎ジェットによりカバーされる態様は火炎ジ
ェットの噴出角度（方向）によって影響を受けやすく、
それにより、主室内に火炎伝播の遅い部分が残存する位
置も火炎ジェットの噴出角度（方向）によって影響を受
けることを知った。

【０００７】そこで、これまでの副室式ガス機関につい
て検討したところ、図３に示すように、従来、副室２の
下端に形成される連絡孔６は下向きの角度、すなわち、
火炎ジェット５がピストン７に向けて噴出する傾斜角度
で形成されており、そのために、シリンダ壁面近傍にシ
リンダ室の天面側に向けたトロイダル流れが現れ、それ
により、火炎伝播の遅い部分が主室（シリンダ室）の天
面近傍に形成されやすくなり、それが、天面に設けられ
る排気ポートから排気行程の初期において、外部に排出
されてしまうことを知った。

【０００８】図４ａ〜図４ｆは、図３に示す従来の副室
式ガス機関での点火から排気行程までの態様を６つのク
ランク角度で示しており、図で、黒点の付された部分は
燃焼部分であり、白い部分は混合気の未燃分を示してい
る。点火時点で火炎ジェットは連絡孔からピストン表面
に向けて噴出し（図４ａ）、火炎ジェットはそこからの
回流との関係で、混合気の一部を主室（シリンダ室）の
天面に向けて押し付けると共に、シリンダ壁面近傍のト
ロイダル流れ（図３参照）を助長する。そのために、混
合気の燃焼によりピストンが次第に下降していっても、
図４ｂ〜図４ｄに示すように、主室（シリンダ室）の天
面部分には未燃分が残存し、排気行程開始直前でも依然
として残っている（図４ｅ）。そして、そのような残存
分が、排気行程開始時に、ピストンの上昇により排気ポ
ートから排出される。

【０００９】上記のことは、火炎ジェットの噴射によっ
て主室内の混合気が主室の天面側に向けて押し上げらな
いようにする場合には、未燃分の排出を抑制することが
できるであろうことを示唆している。本発明は上記の知
見に基づくものであり、本発明は、主室の上方に副室が
設けられ、副室には主室に供給される希薄混合気よりも
高い濃度の混合気が供給され、副室に設けた点火プラグ
により副室に供給された混合気に火花点火され、点火に
より生じた火炎ジェットが副室下端に形成した連絡孔を
とおして主室内に噴出するようにされた副室式ガス機関
において、前記連絡孔は、火炎ジェットが主室の天面に
平行か、あるいは天面に衝突する角度で主室内に噴出す
るように副室下端に形成に形成されていることを特徴と
する。

【００１０】本発明によれば、副室下端に形成した連絡
孔を通して主室内に噴出する火炎ジェットは、従来のも
のとは逆向きのトロイダル流れ（例えば、図２ｃ参照）
を発生させることとなり、主室内の希薄混合気は、主室
の天面に向けてではなく、ピストン上面に向けて押し付
けられるような挙動を取る。それにより、火炎伝播の遅
れによる未燃分は、主室の天面側にではなく、ピストン
上面に近接した箇所に残存するようになる。そのため
に、排気行程開始時に排気弁が開いても、開弁直後にそ
こから未燃分が排出するのを抑制することができ、ピス
トンの上昇過程において、混合気の燃焼はほぼ完全に終
了する。好ましい態様においては、ピストンの表面形状
がトロイダル状に加工される。この場合には、従来の副
室式ガス機関とは逆向きのトロイダル流れの発生が一層
助長され、未燃分の排出は確実に阻止されて、さらに高
い熱機関効率での運転が可能となる

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の副室式ガス機関
の好ましい実施の形態を説明する概略断面図である。こ
の副室式ガス機関は、副室下端に形成する連絡孔の取り
付け角度が従来のものと異なっており、他の構成は図３
で説明した従来の副室式ガス機関と同様である。

【００１２】すなわち、主室１の上方に副室２が設けら
れ、副室２には供給ノズル３から、吸気弁８を介して主
室１に供給される希薄混合気よりも高い濃度の混合気が
供給される。副室２の上方位置には点火プラグ４が設け
られ、高濃度の混合気に火花点火する。図において、７
はピストン、８は吸気弁、９は排気弁、１０は吸気ポー
ト、１１は排気ポートである。

【００１３】副室２の下端には、副室２内で火花点火さ
れた火炎ジェットが噴出するための放射方向に延びる多
数の連絡孔６ａが、円周方向に所定の角度間隔で多数形
成されており、各連絡孔６ａは、主室１の天面１ａに平
行な姿勢で形成されるか、あるいは、図示の例のよう
に、副室２の長手方向軸心線位置において最も低い位置
にあり、そこから斜め上方に向けて放射方向の延出する
形状、すなわち、上向きの傾斜角度で形成されている。
それにより、主室１内に噴出する火炎ジェットは、主室
１の天面１ａに平行に噴出するか、あるいは天面１ａに
向けて噴出して天面１ａに衝突するように形成されてい
る。

【００１４】この形式の副室式ガス機関の場合、図２に
示すように、火炎ジェット５は主室１内で天面１ａに沿
って円周方向（放射方向）に広がっていく（図２ａ）。
それにより、主室１内には、従来とは逆向き、すなわち
図２ｃに示すようにピストン表面側に向いたトロイダル
流れが形成され、希薄混合気は、主室１の周壁からピス
トン７の上面に向けて押し付けられような挙動を取る。
そのために、図２ｂ〜図２ｄに示すように、希薄混合気
の燃焼によりピストン７が次第に下降するにつれ、未燃
分（図で黒くされた部分）は減少すると共に、それはピ
ストン７の上面中央近傍のみに残存するようになり、排
気行程開始直前ではほぼ未燃分は消失する（図４ｅ）。
残存するとしても、それはピストン７の上面中央近傍で
あり、主室１の天面１ａの近傍ではない。そのために、
排気行程においてピストン７の上昇が開始しても、排気
ポートから未燃分が排出されることはほぼ抑制される。

【００１５】上記のようであり、本発明による副室式ガ
ス機関では、希薄燃焼限界時であっても、希薄混合気が
未燃分として排出されるのを抑制することができ、従来
形式の副室式ガス機関において生じがちであって希薄燃
焼限界時での熱機関効率の低下は回避される。なお、図
示しないが、ピストン７の表面形状をトロイダル状に加
工してもよく、この場合には、従来の副室式ガス機関と
は逆向きのトロイダル流れの発生が一層助長され、さら
に高い熱機関効率での運転が可能となる。

【００１６】なお、各連絡孔６ａの上向き角度はすべて
等しくてもよく、異なっていてもよい。異なる場合に
は、複雑な流れの形成による乱流燃焼速度の増加のよう
な利点がもたらされる。さらに、前記のように各連絡孔
６ａの角度は主室の天面に水平であっても十分に所期の
目的は達成できる。上向きの角度を取るときに、どの程
度の上向き角度とするかは、実際の副室式ガス機関ごと
に実験的に定めればよいが、火炎ジェットの主室内への
広がり挙動を考慮すると、最大で３０度程度が限界であ
ると推測される。

【００１７】

【発明の効果】本発明の副室式ガス機関では、希薄燃焼
限界時であっても、希薄混合気が未燃分として外部に排
出されるのをほぼ抑制することができる。それにより、
希薄燃焼限界時でっても、高い熱機関効率での運転が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の副室式ガス機関の好ましい実施の形態
を説明する概略断面図。

【図２】本発明の副室式ガス機関における火炎ジェット
及び希薄混合気の挙動をクランク角度によって説明する
概略図。

【図３】従来の副室式ガス機関の一例を説明する概略断
面図。

【図４】従来の副室式ガス機関における火炎ジェット及
び希薄混合気の挙動をクランク角度によって説明する概
略図。

【符号の説明】 １…主室、１ａ…天面、２…副室、４…点火プラグ、５
…火炎ジェット、６、６ａ…連絡孔、７…ピストン、８
…吸気弁、９…排気弁、１０…吸気ポート、１１…排気
ポート

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主室の上方に副室が設けられ、副室には
   主室に供給される希薄混合気よりも高い濃度の混合気が
   供給され、副室に設けた点火プラグにより副室に供給さ
   れた混合気に火花点火され、点火により生じた火炎ジェ
   ットが副室下端に形成した連絡孔を通じて主室内に噴出
   するようにされた副室式ガス機関において、 前記連絡孔は、火炎ジェットが主室の天面に平行か、あ
   るいは天面に衝突する角度で主室内に噴出するように副
   室下端に形成されていることを特徴とする副室式ガス機
   関。
2. 【請求項２】 ピストンの表面形状がトロイダル状に加
   工されていることを特徴とする請求項１記載の副室式ガ
   ス機関。