JP3647355B2 - 副室燃焼式エンジンの運転方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、副室用燃料をシリンダヘッドに設けられた副燃焼室に供給し、前記副燃焼室に供給された副室用燃料を点火プラグにより着火し、前記副燃焼室から複数の噴孔を介して主燃焼室へ火炎トーチを噴出させる副室燃焼式エンジンの運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような副室燃焼式エンジンは、副室用燃料を副室バルブを介して副燃焼室に供給し、混合気等の新気を吸気行程において吸気バルブを介して主燃焼室に吸気し、副燃焼室に供給された副室用燃料を点火プラグにより着火して燃焼させ、副燃焼室から複数の噴孔を介して主燃焼室へ火炎トーチを噴出させて主燃焼室の混合気を燃焼させ、クランク軸の回転を維持するものである。
【０００３】
このような副室燃焼式エンジンの運転時においては、副室用燃料ガスは、ガス圧制御装置等で圧力を吸気マニホールドの圧力よりも高めの設定圧力になるように調整された後、副燃焼室に設けられた副室バルブ上流側のガスチャンバに流入する。そして、該副室用燃料ガスは、副室バルブが開かれると副燃焼室内に流入する。
【０００４】
一方、主燃焼室内には高効率、低ＮＯｘの燃焼を実現するため、燃料量が希薄状態の燃料と空気との混合気が新気として吸気バルブを経て吸入される。そして、クランク軸の回転運動に連動した点火装置により点火プラグに高電圧が付与されると、点火プラグからの火花放電により副燃焼室内の副室用燃料ガスが着火、燃焼する。この着火がなされた副室用燃料ガスは火炎トーチとして噴孔から主燃焼室内に噴出され、該主燃焼室内の希薄混合気を燃焼させる。
【０００５】
また、副室燃焼式エンジンにおいて、副室バルブは、閉じる方向に弾性力を発生させるばね部材を設けたリードバルブ、若しくはカム機構によりクランク軸の回転運動を利用して開閉するバルブとして構成されており、その開閉時期は、排気工程が終了するＴＤＣ時期（ピストン位置が上死点となる時期）の直前に開状態となり、吸気行程において副室用燃料ガスを副燃焼室に供給し、圧縮行程が開始されるＢＤＣ時期（ピストン位置が下死点となる時期）以降の副燃焼室の圧力がガスチャンバ内のガス圧とほぼ同等になる時期に、閉状態となり、副室用燃料ガスの供給を完了していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような副室燃焼式エンジンは、副燃焼室において、副室用燃料ガスと圧縮行程において主燃焼室から噴孔を介して流入する希薄混合気を充分に混合する必要が有る。
この混合が充分でない場合は、副燃焼室において燃料濃度むらが発生し、副燃焼室における副室燃料ガスの燃焼が不安定になるだけでなく、副燃焼室からの火炎トーチによって燃焼する主燃焼室内の混合気の燃焼も不安定になり、結果エンジンの効率が低下する。
【０００７】
従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、副燃焼室において、副室用燃料と主燃焼室から供給される新気との混合を充分に行い、高効率化を図ることのできる副室燃焼式エンジンの運転技術を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
〔構成１〕
本発明に係る副室燃焼式エンジンの運転方法は、請求項１に記載したごとく、前記副燃焼室に副室用燃料を供給するに、前記副室用燃料の前記副燃焼室への供給を吸気行程時のピストン下降中の時期に完了することを特徴とする。
【０００９】
〔作用効果〕
本構成のごとく、副燃焼室に副室用燃料を供給し、その供給を完了する時期を、吸気行程時のピストン下降中の時期、即ち吸気行程時のクランク角が１８０°ＡＴＤＣ以前の時期とすることで、副室用燃料の供給が完了してから圧縮行程終了時の点火プラグによってその副室用燃料を点火するまでの時間を長くとることができ、その点火時期まで、噴孔から副燃焼室に流入する希薄混合気によって充分に副室用燃料を混合することができる。
従って、副室燃焼式エンジンにおいて、副燃焼室の混合を良好なものとし、副燃焼室及び主燃焼室の燃焼を安定させて高効率運転を実現することができる。
【００１０】
また、このような副室用燃料の供給を完了する時期は、クランク角が吸気行程時の６０°ＡＴＤＣ以降の時期が好ましく、６０°ＡＴＤＣ以前の時期に完了させると、副燃焼室への副室用燃料の供給量を確保し、充分な性能を得ることが困難となり、副室用燃料の供給圧力を高く設定すれば副室用燃料の供給量は確保できるが、副室用燃料の圧縮動力が大きくなり、高効率のメリットが相殺されてしまう。
さらに、副室用燃料の供給を完了する時期は、クランク角が吸気行程時の１５０°ＡＴＤＣ以降の時期が一層好ましく、副室用燃料の供給圧力を比較的低く設定しても、充分に副燃焼室に副室用燃料を供給することができる。
【００１１】
〔構成２〕
本発明に係る副室燃焼式エンジンの運転方法は、請求項２に記載したごとく、上記構成１の副室燃焼式エンジンの運転方法の構成に加えて、吸気バルブを開閉させ、閉時期を吸気行程時のピストン下降中の時期とするカムにより、前記副燃焼室に副室用燃料を供給する副室バルブを開閉させることを特徴とする。
【００１２】
〔作用効果〕
本構成のごとく、吸気バルブと副室バルブとを同じカムによって開閉させると共に、両方のバルブを吸気行程時のピストン下降中の時期、即ち吸気行程時のクランク角が１８０°ＡＴＤＣ以前の時期に閉じることで、副室バルブを動作させるための専用のカムを設ける必要がなく、さらに、吸気バルブを吸気行程時のピストン下降中の時期に閉じることで、副室燃焼式エンジンを、ミラーサイクル方式で運転することができる。ミラーサイクル方式とは、吸気バルブを閉じる時期によって、実圧縮比を下げることで筒内圧縮温度・圧力を低減し、ノッキングを回避する方式である。これによって、膨張比を大きく取ることができ、熱効率を向上させることができる。
従って、安価で単純な構造で高効率の副室燃焼式エンジンを実現することができる。
【００１３】
尚、本願において、ＴＤＣはピストンの上死点位置、ＢＤＣはピストンの下死点位置をそれぞれ示し、さらに、クランク角を、上記ＴＤＣに対する早遅角度で示し、角度値の後に、早角の場合はＢＴＤＣ、遅角の場合はＡＴＤＣを付して示す。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る副室燃焼式エンジンの運転方法の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１は、副室燃焼式エンジンの燃焼室及び燃料供給系を示す要部断面図を示したものであり、１はシリンダヘッド、２は主燃焼室であり、該主燃焼室２はピストン３の上面とシリンダ４の内面とシリンダヘッド１の下面により区画形成されている。この主燃焼室２には天然ガス系都市ガス１３Ａである燃料ガスと空気の希薄混合気が吸気バルブ５を介して導入されるようになっている。
【００１５】
７は副燃焼室であり、副燃焼室７はシリンダヘッド１の略中央部に形成され、シリンダ軸線方向に軸方向を有する筒状である。該副燃焼室７の上部には副室上部金物８が、下部には副室口金９が夫々設けられている。該副室口金９の先端部には、１個又は複数の噴孔１０が穿孔されている。１１は前記副室上部金物８内に形成されたガスチャンバであり、該ガスチャンバ１１はガス通路１２を介して天然ガス系都市ガス１３Ａである副室用燃料ガスのガス圧を制御するガス圧制御装置（図示省略）に接続されている。１３は副室上部金物８内に往復摺動可能に設けられた副室バルブで、ガスチャンバ１１と副燃焼室７との間を開閉する。
１４は副燃焼室７内の燃料ガスに点火するための点火プラグである。
【００１６】
このような副室燃焼式エンジンの運転時においては、副室用燃料ガスは、ガス圧制御装置で圧力を吸気マニホールド（図示省略）上流側の圧力よりも高めの設定圧力になるように調整された後、副室上部金物８内のガス通路１２を経てガスチャンバ１１に流入する。そして、該副室用燃料ガスは、副室バルブ１３が開かれると副燃焼室７内に流入する。
【００１７】
一方、高効率且つ低ＮＯｘの燃焼を実現するため、燃料量が希薄状態の燃料と空気との混合気が新気として吸気バルブ５を経て主燃焼室２に吸入される。そして、クランク軸（図示省略）の回転運動に連動した点火装置（図示省略）により点火プラグ１４に高電圧が付与されると、点火プラグ１４からの火花放電により副燃焼室７内の副室用燃料ガスが着火、燃焼する。この着火がなされた副室用燃料ガスは火炎トーチとして噴孔１０から主燃焼室２内に噴出され、該主燃焼室２内の希薄混合気を燃焼させる。
【００１８】
また、副室燃焼式エンジンは、例えば、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程を経て、一サイクルを完了する４サイクルエンジンとして構成されている。尚、本願において、夫々の行程は、ＴＤＣとＢＤＣとの間の区間であり、たとえば吸気行程は、吸気バルブが開状態となるＴＤＣの時期から、吸気バルブが閉状態となって次の圧縮行程が開始されるＢＤＣの時期までの区間を示す。
【００１９】
以上が副室燃焼式ガスエンジンの基本構成についての説明であるが、以下に本発明の特徴構成について説明する。
副室燃焼式エンジンにおいて、副室バルブ１３と吸気バルブ５と排気バルブ６は夫々、カム機構部Ａによりクランク軸の回転運動を利用して開閉するバルブとして構成されている。
カム機構部Ａは、図２に示すように、クランク軸の回転運動によって１サイクルあたり１回転するカム軸２４と、そのカム軸２４に設けられたカム２１，２２，２３と、夫々のカム２１，２２，２３の表面形状に従って軸方向に往復運動するプッシュロッド２５，２６，２７と、プッシュロッド２５によってロッカアーム軸３１廻りに揺動し吸気バルブ５を開閉させる吸気用ロッカアーム２８と、プッシュロッド２６によってロッカアーム軸３１廻りに揺動し排気バルブ６を開閉させる排気用ロッカアーム２９と、プッシュロッド２７によってロッカアーム軸３１廻りに揺動し副室バルブ１３を開閉させる副室用ロッカアーム３０とを備えている。
【００２０】
また、吸気バルブ５及び排気バルブ６の開閉時期は、従来のエンジンと同様であるが、副室バルブの開閉時期は、図３の副室バルブ１３のリフト量の変化を示すグラフのように、排気行程時のクランク角が３０°ＢＴＤＣ程度の時期で開状態となり、ＢＤＣ以前の吸気行程時のクランク角が１６５°ＡＴＤＣ程度の時期で閉状態となり、副燃焼室７への副室用燃料ガスの供給は吸気行程終了前に完了することになる。
このように、副燃焼室７に副室用燃料ガスを供給し、その供給を完了する時期を、吸気行程時のピストン下降中の時期とすることで、副室用燃料ガスの供給が完了してから圧縮行程終了時の点火プラグによってその副室用燃料を点火するまでの時間を長くとることができ、その点火時期まで、噴孔１０から副燃焼室７に流入する希薄混合気によって充分に副室用燃料を混合することができるのである。
【００２１】
さらに、本手法のように副室用燃料ガスの供給完了時期を吸気行程時のＢＤＣ以前のクランク角が１６５°ＡＴＤＣ程度の時期に設定した副室燃焼式エンジンにおいて、副室用燃料ガスの供給圧を変化させたときの熱効率と、従来のように副室用燃料ガスの供給完了をＢＤＣ以降の時期に設定した副室燃焼式エンジンにおいて、副室用燃料ガスの供給圧を変化させたときの熱効率を図４に示す。
図４からも判るように、本手法においては、副室用燃料ガスの供給圧を変化させても、高い熱効率を維持することができるが、従来のように副室バルブ１３を吸気行程終了後に閉じると、全体的に熱交率が低く、さらに副室用燃料ガスの供給圧を高く設定すると一段と熱交率が悪化する。これは、従来の副室燃焼式エンジンにおいては、圧縮行程途中まで副室用燃料ガスを供給しているので、点火までの混合時間が短く、副燃焼室７の燃焼が不安定になっているといえる。
【００２２】
〔別実施の形態〕
上記の実施の形態のカム機構部Ａにおいて、吸気バルブ５と副室バルブ１３とを別のカムにて駆動するように構成したが、別に両方のバルブを同一のカムにて駆動させることもできる。
即ち、図５に示すように、クランク軸の回転運動によって１サイクルあたり１回転するカム軸２４と、そのカム軸２４に設けられた２つのカム３２，２２と、夫々のカム３２，２２の表面形状に従って軸方向に往復運動する２つのプッシュロッド３３，２６と、プッシュロッド３３によってロッカアーム軸３１廻りに揺動し吸気バルブ５及び副室バルブ１３の両方を開閉させるロッカアーム３４と、プッシュロッド２６によってロッカアーム軸３１廻りに揺動し排気バルブ６を開閉させる排気用ロッカアーム２９とを備えている。
【００２３】
さらに、本手法においては、副室バルブ１３は、吸気行程時のピストン下降中の時期に閉じるように構成されているので、同じく吸気バルブ５も吸気行程時のピストン下降中の時期に閉じることになり、結果、副室燃焼式エンジンを、所謂ミラーサイクル方式で運転し、簡単な構成でより効率を向上させることができる。
【００２４】
また、本発明の副室燃焼式エンジンに使用できる気体燃料としては、都市ガス以外に、プロパン、水素等、任意の炭化水素系気体燃料を使用することができる。
【００２５】
【発明の効果】
本手法によって、副室燃焼式エンジンにおいて、副室用燃料の供給圧力を高く設定しても供給量が過大になり過ぎることなく、さらに、副燃焼室における副室用燃料の混合状態を良好なものとすることができる。このため、エンジンの効率を大幅に改善でき、また、副室用燃料の供給量のばらつきを抑制し、長期にわたって安定した運転を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】副室燃焼式エンジンの燃焼室及び燃料供給系を示す要部断面図
【図２】図１に示す副室燃焼式エンジンのカム機構部Ａの斜視図
【図３】副室バルブ１３のリフト量の変化を示すグラフ図
【図４】副室燃焼式エンジンにおいて副室用燃料ガスの供給圧を変化させたときの熱効率の変化を示すグラフ図
【図５】副室燃焼式エンジンのカム機構部Ａの別の構成を示す斜視図
【符号の説明】
１ シリンダヘッド
２ 主燃焼室
３ ピストン
４ シリンダ
５ 吸気バルブ
６ 排気バルブ
７ 副燃焼室
１０ 噴孔
１３ 副室バルブ
１４ 点火プラグ
３２ カム
Ａ カム機構部

Claims (2)

1. 副室用燃料をシリンダヘッドに設けられた副燃焼室に供給し、前記副燃焼室に供給された副室用燃料を点火プラグにより着火し、前記副燃焼室から複数の噴孔を介して主燃焼室へ火炎トーチを噴出させる副室燃焼式エンジンの運転方法であって、
   前記副燃焼室に副室用燃料を供給するに、前記副室用燃料の前記副燃焼室への供給を吸気行程時のピストン下降中の時期に完了する副室燃焼式エンジンの運転方法。
2. 吸気バルブを開閉させ、閉時期を吸気行程時のピストン下降中の時期とするカムにより、前記副燃焼室に副室用燃料を供給する副室バルブを開閉させる請求項１に記載の副室燃焼式エンジンの運転方法。

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