JPH1182024A - ガスエンジンの燃焼室構造 - Google Patents

ガスエンジンの燃焼室構造

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JPH1182024A
JPH1182024A JP9257975A JP25797597A JPH1182024A JP H1182024 A JPH1182024 A JP H1182024A JP 9257975 A JP9257975 A JP 9257975A JP 25797597 A JP25797597 A JP 25797597A JP H1182024 A JPH1182024 A JP H1182024A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 このガスエンジンの燃焼室構造は，連絡口弁
を配置した連絡口の他に，主室と副室とを連通する副連
絡孔を設け，圧縮行程での主室の過剰な圧縮空気圧を避
け，圧縮仕事を低減して性能を向上させる。 【解決手段】 このガスエンジンの燃焼室構造は，主室
１側に位置する連絡口６の壁面に開口し且つ副室２の上
部壁面に開口する主室１と副室２とを連通する複数の副
連絡孔２９を設ける。副連絡孔２９の主室１側に開口す
るポート２０の軸線が連絡口６の中心に向かって延びて
いる。また，副連絡孔２９の副室２側に開口するポート
１９の軸線が副室２の中心からオフセットして延びてい
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て連絡
口の開放によって空気とガス燃料とを混合させて着火燃
焼させるガスエンジンの燃焼室構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来，ガスエンジンとして，ＮＯX を低
減し，高効率を実現するため，希薄燃焼方式のエンジン
が開発されている。このようなエンジンとしては，ガス
ミキサーを吸気管に設置してオットサイクルで燃焼させ
る方式，或いは副室を設けて副室内にガス燃料を供給し
て燃焼させる方式がある。ガスエンジンとして，例え
ば，特開平７−３１０５５０号公報に開示されたものが
ある。
【０００３】上記特開平７−３１０５５０号公報に開示
されたガスエンジンは，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，副室内では過濃状態の混合気を燃焼さ
せてＮＯX の発生を抑制し，火炎を副室から主室に一気
に吹き出させることで二次燃焼をできるだけ均一な混合
気で短時間で完結させ，ＮＯX ，ＨＣ等の発生を低減
し，熱効率を高めるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで，上記ガスエ
ンジンは，連絡孔弁が閉鎖し，副室内圧力が低圧時にガ
ス燃料を副室内に供給し，圧縮行程後半に連絡孔弁を開
放し，高温高圧空気を副室内に供給して急速に混合し，
自己着火させ，副室内燃焼による圧力上昇にて混合気を
主室内に噴出し，短期間に希薄燃焼を完了させる必要が
ある。しかしながら，上記ガスエンジンでは，圧縮行程
後半に連絡孔弁を開放するため，主室内の実圧縮比が高
くなり，ピストンの圧縮仕事が大きくなってフリクショ
ン等に消費されるため，正味の有効仕事が減り，熱効率
が悪化するという問題がある。
【０００５】また，従来のガスエンジンにおいて，上記
の問題を解決するため，過早着火しない程度に，圧縮行
程の早期に連絡孔弁を開放して主室から副室へ圧縮空気
を導入することが考えられるが，副室内のガス燃料が主
室内へ拡散する現象が発生し，ピストンのクレビス領域
等に侵入し，燃焼改善の支障になることが懸念される。
また，ガスエンジンでは，ＮＯX の発生を抑制する点か
ら考慮すると，希薄燃焼が好ましいものであり，ガス燃
料を用いて希薄燃焼させるためには，確実な着火と希薄
混合気の急速な燃焼が不可欠である。
【０００６】
【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，主室と副室との連絡口に
連絡口弁を配置すると共に，連絡口とは別に主室と副室
とを連通する副連絡孔を形成し，圧縮行程時に副室内の
ガス燃料が自己着火しない程度の主室内の圧縮空気の一
部を副連絡孔を通じて副室へ供給し，主室での圧縮空気
圧の過剰な上昇を抑制して熱効率をアップさせると共
に，連絡口弁の開放に先立って主室にもガス燃料の一部
をシリンダ中央部に噴出しておき，空気利用率をアップ
し，燃焼効率を向上させるガスエンジンの燃焼室構造を
提供することである。
【０００７】この発明は，シリンダヘッドに配置した副
室を構成する燃焼室部材，前記副室とシリンダ側に形成
した主室とを連通する前記燃焼室部材に形成した連絡
口，前記連絡口を開閉する連絡口弁，ガス燃料供給源か
らのガス燃料を前記副室へ供給するため前記副室に開口
する燃料供給口，前記燃料供給口を開閉する燃料供給
弁，及び前記主室側に位置する前記連絡口の壁面に開口
し且つ前記副室の上部壁面に開口する前記主室と前記副
室とを連通する複数の副連絡孔から構成されているガス
エンジンの燃焼室構造に関する。
【０００８】このガスエンジンの燃焼室構造において，
前記主室側に開口する前記副連絡孔の軸線が前記連絡口
の中心に向かって延びている。更に，前記副室側に開口
する前記副連絡孔の軸線が前記副室の中心からオフセッ
トして延びている。
【０００９】前記副室の中心を延びる前記連絡口弁の弁
ステムには，前記弁ステムの外周面に延びる突起が形成
されている。
【００１０】このガスエンジンの燃焼室構造において，
前記副連絡孔に圧力制御弁を設けることによって，圧力
制御弁によって前記主室のガス圧が前記副室のガス燃料
圧より所定の値以上に大きいことに応答して前記副連絡
孔を開放させ，余分のガス燃料の主室への流出を防止
し，過早着火の恐れを防止することができる。
【００１１】前記燃焼室部材は，セラミックスから成る
ヘッド下面部と該ヘッド下面部と一体のライナ上部とか
ら一体構造に形成されている。また，前記連絡口は，前
記副室側の連絡口部，前記連絡口弁が往復移動する前記
主室側の中央連絡口部及び前記中央連絡口部から前記主
室へ向かって放射方向に延びる複数の連絡溝から構成さ
れている。
【００１２】また，前記副室内のガス圧が前記主室の空
気圧より高い状態の圧縮行程前半までの時に，前記副連
絡孔を通じて自己着火しない程度のガス燃料を前記主室
へ噴出させ，ガス燃料を前記主室と前記副室とに分配さ
せ，次いで，圧縮行程時に，副室でのガス燃料が自己着
火しない程度の前記主室の圧縮希薄混合気の一部を前記
副連絡孔を通じて前記副室へ供給し，前記主室での圧縮
空気圧の過剰な上昇を防止する。
【００１３】
【実施例】以下，図面を参照して，この発明によるガス
エンジンの燃焼室構造の実施例を説明する。図１はこの
発明によるガスエンジンの燃焼室構造の一実施例を示す
断面図，及び図２は図１のＡ−Ａ断面の燃焼室部材の下
面を示す平面図である。
【００１４】この燃焼室構造を備えたガスエンジンは，
シリンダブロック２７に固定されたシリンダヘッド７，
シリンダヘッド７に形成したキャビティ３７にガスケッ
ト３１を介在して配置された燃焼室部材３，シリンダブ
ロック２７に形成した孔部３８に嵌合したシリンダライ
ナ３９，及びシリンダライナ３９に形成したシリンダ３
０内を往復運動するピストン１５を有している。燃焼室
部材３には，２個の吸気ポート２２（図２で一個図示）
と２個の排気ポート２３（図２で一個図示）が形成さ
れ，吸気ポート２２を開閉する吸気弁２５と排気ポート
２３を開閉する排気弁２６が配置されている。ピストン
１５は，耐熱性に優れた窒化ケイ素等のセラミックスか
ら成るピストンヘッド１６と，ピストンヘッド１６に結
合リング３５でメタルフローによって固定したピストン
スカート１７とから構成されている。ピストンヘッド１
６とピストンスカート１７との間には，遮熱空気層３４
を形成するようにガスケット４３が介在されている。
【００１５】燃焼室部材３は，シリンダ３０の一部を構
成するライナ上部１２とヘッド下面部１１から構成さ
れ，シリンダ３０の一部を構成するライナ上部１２には
主室１が形成され，ヘッド下面部１１の中央部には副室
２が形成されている。燃焼室部材３の外周には，遮熱空
気層４１が形成され，主室１及び副室２が遮熱構造に構
成されている。燃焼室部材３には，主室１と副室２とを
連通する連絡口６が形成されている。連絡口６は，副室
２側の連絡口部２４，主室１側の中央連絡口部２１，中
央連絡口部２１から放射方向に延びる連絡溝２８から構
成され，連絡口部２４と中央連絡口部２１との間には連
絡口弁４が着座する弁シート４８が形成されている。燃
焼室部材３の上面には，副室２の上壁を形成し且つガス
燃料を副室２に供給するためガス燃料供給管８に連通す
るガス燃料供給口４０が形成されたプレート１０が一体
に設けられている。ガス燃料供給口４０には，燃料供給
弁５が設けられている。
【００１６】このガスエンジンは，図示していないが，
燃料としての天然ガスを収容した燃料供給源が設けられ
ており，該燃料供給源から天然ガスが供給するガス燃料
供給管８に連通する燃料供給通路４２がシリンダヘッド
７に形成されている。燃料供給源からのガス燃料は，ガ
ス燃料供給通管８を通じて燃焼室部材３に形成された燃
料供給口４０から副室２に供給される。また，燃料供給
口４０には，燃料供給口４０を開閉するため燃料ノズル
又は弁等の燃料供給弁５が配置されている。燃料弁５が
作動し，燃料供給口４０を開放すると，ガス燃料は燃料
供給通路４２から燃料供給口４０を通じて副室２に供給
される。
【００１７】燃焼室部材３には，主室１と副室２とを連
通するため連絡口６が形成されている。連絡口６には，
連絡口６を開閉するため連絡口弁４が配置されている。
連絡口６は，主室１側を構成する中央連絡口部２１と副
室２側を構成する連絡口部２４とから形成されている。
連絡口弁４は，連絡口弁４が往復移動する主室１側の中
央連絡口部２１と，副室２側を構成する連絡口部２４と
の間に形成された弁シート４８に着座するようにセット
されている。更に，中央連絡口部２１には，その周方向
に隔置し且つ主室１のシリンダ３０の周辺へ向かって放
射方向に延びる複数の連絡溝２８が形成されている。
【００１８】連絡口弁４は，弁ヘッド３３と弁ステム３
２から成る。弁ステム３２は，シリンダヘッド７に配置
された弁ガイド４４を貫通してシリンダヘッド７の上方
へ延びている。特に，副室２の中心を延びる連絡口弁４
の弁ステム３２には，弁ステム３２の外周面に延びる突
起４７が形成されている。弁ステム３２には，バルブス
プリングシート１８が固定されている。バルブスプリン
グシート１８とシリンダヘッド７の上面との間には，連
絡口弁４が連絡口６を閉鎖する方向に付勢するバルブス
プリング１４が配置されている。弁ステム３２の上方に
は，タペット１３を介して動弁機構のカム９が配置され
ている。連絡口弁４の弁フェースは，連絡口部２４と２
１との間に形成されている弁シート４８に着座するよう
にセットされている。連絡口弁４は，エンジンの回転に
同期した回転するカム９によって，シリンダヘッド７に
設けた弁ガイド４４にガイドされる弁ステム３２を通じ
て上下動し，連絡口６を開閉する。また，カム９は，吸
気弁２５，排気弁２６を駆動するカムシャフトと同一の
カムシャフトで駆動するように構成できる。
【００１９】このガスエンジンは，特に，燃焼室部材３
に主室１と副室２とを連通する複数の副連絡孔２９が形
成されていることであり，副連絡孔２９は主室１側に位
置する連絡口即ち中央連絡口部２１の壁面に開口するポ
ート２０と副室２の上部壁面に開口するポート１９を有
する。主室１側に開口する副連絡孔２９のポート２０の
軸線は，連絡口の中央連絡口部２１の中心に向かって延
びている。また，副室２側に開口する副連絡孔２９のポ
ート１９の軸線が副室２の中心からオフセットして延び
ている。
【００２０】このガスエンジンの燃焼室構造は，上記の
ように構成され，次のように作動される。このガスエン
ジンは，吸入行程，圧縮行程，膨張行程及び排気行程の
４つの行程を順次繰り返すことによって作動されるもの
であり，まず，吸入行程では，吸気弁２５が吸気ポート
２２を開放して主室１に吸入空気が供給され，連絡口弁
４によって連絡口６を閉鎖した状態で燃料供給弁５が作
動して燃料供給口４０を開放してガス燃料供給管８と燃
料供給通路４２を通じてガス燃料供給源から副室２に天
然ガスのガス燃料が供給される。この時，主室１の空気
圧より副室２のガス圧が高い場合には，副連絡孔２９を
通じて副室２から主室１へガス燃料が若干流れる。
【００２１】次に，このガスエンジンにおいて，圧縮行
程では，連絡口弁４によって連絡口６を閉鎖している
が，圧縮行程前半では主室１の空気圧より副室２のガス
圧が高いので，副連絡孔２９を通じて副室２から主室１
の中央連絡口部２１の領域にガス燃料が流出する。圧縮
行程が進行して主室１で吸入空気が圧縮されると，逆に
主室１から副室２へ副連絡孔２９を通じて自己着火しな
い程度の希薄混合気が副室２の上部へ供給される。次い
で，圧縮行程の終わりで連絡口弁４が連絡口６を開放
し，連絡口６を通じて高圧縮で高温化した圧縮空気を主
室１から副室２へ流入し，該吸入空気は副室２内のガス
燃料と混合を促進して副室２の中間部及び下部に過濃混
合気を生成し，副室２の上部には予め希薄混合気が流入
しているので，可燃混合気に成り易い状態になっている
ので，副室２の上部で混合気が着火燃焼し，副室２内で
燃焼が急速に進展して燃料リッチでＮＯX を低減した状
態で燃焼し，次いで，副室２の上部の火炎が中間部及び
下部の過濃混合気を主室１へ噴出させ，膨張行程へ移行
し，主室１に存在する新気と混合を促進して短期間に二
次燃焼を完結する。膨張行程では，連絡口６の開放状態
を維持して副室２から主室１へ火炎を噴出させて仕事を
させ，排気行程終了付近で連絡口６を連絡口弁４を作動
して閉鎖する。
【００２２】このガスエンジンの燃焼室構造は，上記の
ように構成され，その作動について次のような特徴を有
する。このガスエンジンでは，副室２内のガス圧が主室
１の空気圧より高い状態の圧縮行程前半までの時に，副
連絡孔２９を通じて自己着火しない程度のガス燃料が主
室１へ噴出し，ガス燃料を主室１と副室２とに分配させ
る。また，このガスエンジンでは，副連絡孔２９の主室
１側に開口するポート２０は，互いに相対するように中
央連絡口部２１の中心に向かって延びているので，圧縮
行程前半において，副室２から主室１へガス燃料が噴出
する場合には，噴出したガス燃料がシリンダ中央部で衝
突してシリンダ内に拡散することなく，シリンダ中央部
に滞留し，ピストンのクレビス部等へのガス燃料の侵入
が抑制される。
【００２３】次いで，圧縮行程後半において主室１の希
薄混合気圧が副室２のガス圧より高くなった状態の時
に，副室２でのガス燃料が自己着火しない程度の主室１
の圧縮希薄混合気の一部を副連絡孔２９を通じて副室２
へ供給し，主室１での圧縮空気圧の過剰な上昇を防止す
るように構成されている。また，副連絡孔２９の副室２
側に開口するポート１９は，その軸線が副室２の中心か
らオフセットして延びているので，主室１から副室２へ
流入する希薄混合気は傾斜した角度を有するように延び
るポート１９から副室２の上部に旋回流として導入され
る。しかも，連絡孔４の弁ステム３２には，副室２を上
部と下部に区画する位置に外周面に延びる突起４７が形
成されているので，副室２の上部での旋回流が下部へと
拡散すること無く良好に生成されることになる。
【００２４】次いで，圧縮行程上死点付近で，連絡孔４
が連絡口６を開放することによって，主室１に存在する
高温高圧の空気（微小な希薄混合気を含む）が副室２へ
流入し，しかも，主室１から副室２へ流入する高温高圧
の空気が突起４７のガイド作用によって副室２の上部に
形成されている旋回流を阻害しないように流入されて副
室２の下部に過濃混合気を形成すると共に，また，副室
２の上部に可燃混合気を形成し，副室２の上部で自己着
火し，副室２の上部での圧力上昇に伴って副室２の中間
部及び下部に存在する過濃混合気を主室１へ噴出させ
る。このガスエンジンの燃焼室構造では，副連絡孔２９
の流路断面積は，連絡孔４が連絡口６を開放した時に，
副室２の上部で自己着火が発生する温度及び圧力になる
ように，副室２の上部に希薄混合気を流入させるように
設定されている。
【００２５】次に，図３及び図４を参照して，この発明
によるガスエンジンの燃焼室構造の別の実施例を説明す
る。図３はこのガスエンジンの燃焼室構造の別の実施例
を示す断面図，及び図４は図３の燃焼室構造において圧
力制御弁が開放した状態を示す断面図である。
【００２６】この実施例は，上記実施例と比較して，圧
力制御弁を設けている以外は同一であるので，同一の部
品には同一の符号を付して重複する説明は省略する。副
連絡孔２９には，主室１のガス圧が副室２のガス燃料圧
より所定の値以上に大きいことに応答して副連絡孔２９
を開放する圧力制御弁３６が設けられている。圧力制御
弁３６は，プランジャ４６とリターンスプリング４５か
ら構成されている。
【００２７】この実施例では，連絡口弁４が閉鎖して副
室２内に低圧のガス燃料が充填され，吸入行程及び圧縮
行程で，副室２内の圧力が主室１内の圧力より高い期間
では，圧力制御弁３６によって副連絡孔２９が閉鎖され
るので，副室２から主室１へのガス燃料の流出は発生す
ることがないので，過早着火の恐れはなくなる。また，
主室１の空気圧が副室２のガス圧より所定の値以上に高
くなって初めて，圧力制御弁３６のリターンスプリング
４５のばね力に抗してプランジャ４６を移動させ，副連
絡孔２９のポート１９を開放し，主室１から副室２へ圧
縮空気が流入する。従って，主室１での圧縮空気圧が過
剰圧力になることが防止され，しかも，副室２の上部に
予め圧縮空気が流入しているので，連絡口弁４が連絡口
６を開放した時に，副室２の上部が直ちに可燃混合気に
なって副室２の上部で着火燃焼が起こることになる。副
室２の上部で着火燃焼が発生すると，副室２の上部の圧
力が上昇し，副室２の中間部及び下部の過濃混合気を主
室１へ噴出させることになる。
【００２８】
【発明の効果】この発明によるガスエンジンの燃焼室構
造は，上記のように，主室と副室とを連通する連絡口弁
が配置された連絡口を設けると共に，副連絡孔を設けた
ので，吸入行程及び圧縮行程の副室のガス圧が主室の空
気圧より高い状態の時，主室のシリンダ中央にガス燃料
の一部を滞留させることができ，主室での空気利用率を
向上させることができると共に，ガス燃料をシリンダ中
央に滞留させることによってガス燃料の主室での拡散を
防止し，ピストンのクレビス部等への侵入を防止でき，
燃焼を改善できる。また，圧縮行程において主室から副
室の上部に希薄混合気又は圧縮空気の一部を導入させる
ことで，主室の圧縮空気圧を過剰に上昇させることを防
止でき，フリクションや圧縮仕事を低減し，性能をアッ
プさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるガスエンジンの燃焼室構造の一
実施例を示す断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面の燃焼室部材の下面を示す平
面図である。
【図３】このガスエンジンの燃焼室構造の別の実施例を
示す断面図である。
【図４】図３の燃焼室構造において圧力制御弁が開放し
た状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 主室 ２ 副室 ３ 燃焼室部材 ４ 連絡口弁 ５ 燃料供給弁 ６，２１，２４，２８ 連絡口 ７ シリンダヘッド ８ ガス燃料供給管 １１ ヘッド下面部 １２ ライナ上部 １５ ピストン １９，２０ ポート ２９ 副連絡孔 ３０ シリンダ ３２ 弁ステム ３３ 弁ヘッド ３６ 圧力制御弁 ４０ 燃料供給口 ４７ 突起
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｄ 19/02 Ｆ０２Ｄ 19/02 Ｚ 41/38 41/38 Ｂ Ｆ０２Ｍ 21/02 Ｆ０２Ｍ 21/02 Ｆ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 シリンダヘッドに配置した副室を構成す
    る燃焼室部材，前記副室とシリンダ側に形成した主室と
    を連通する前記燃焼室部材に形成した連絡口，前記連絡
    口を開閉する連絡口弁，ガス燃料供給源からのガス燃料
    を前記副室へ供給するため前記副室に開口する燃料供給
    口，前記燃料供給口を開閉する燃料供給弁，及び前記主
    室側に位置する前記連絡口の壁面に開口し且つ前記副室
    の上部壁面に開口する前記主室と前記副室とを連通する
    複数の副連絡孔，から構成されているガスエンジンの燃
    焼室構造。
  2. 【請求項２】 前記主室側に開口する前記副連絡孔の軸
    線が前記連絡口の中心に向かって延びている請求項１に
    記載のガスエンジンの燃焼室構造。
  3. 【請求項３】 前記副室側に開口する前記副連絡孔の軸
    線が前記副室の中心からオフセットして延びている請求
    項１に記載のガスエンジンの燃焼室構造。
  4. 【請求項４】 前記副室の中心を延びる前記連絡口弁の
    弁ステムには，前記弁ステムの外周面に延びる突起が形
    成されている請求項１に記載のガスエンジンの燃焼室構
    造。
  5. 【請求項５】 前記副連絡孔には，前記主室のガス圧が
    前記副室のガス燃料圧より所定の値以上に大きいことに
    応答して前記副連絡孔を開放する圧力制御弁が設けられ
    ている請求項１に記載のガスエンジンの燃焼室構造。
  6. 【請求項６】 前記燃焼室部材は，セラミックスから成
    るヘッド下面部と該ヘッド下面部と一体のライナ上部と
    から一体構造に形成されている請求項１に記載のガスエ
    ンジンの燃焼室構造。
  7. 【請求項７】 前記連絡口は，前記副室側の連絡口部，
    前記連絡口弁が往復移動する前記主室側の中央連絡口部
    及び前記中央連絡口部から前記主室へ向かって放射方向
    に延びる複数の連絡溝から構成されている請求項１に記
    載のガスエンジンの燃焼室構造。
  8. 【請求項８】 前記副室内のガス圧が前記主室の空気圧
    より高い状態の圧縮行程前半までの時に，前記副連絡孔
    を通じて自己着火しない程度のガス燃料を前記主室へ噴
    出させてガス燃料を前記主室と前記副室とに分配させ，
    次いで，圧縮行程時に，副室でのガス燃料が自己着火し
    ない程度の前記主室の圧縮希薄混合気の一部を前記副連
    絡孔を通じて前記副室へ供給し，前記主室での圧縮空気
    圧の過剰な上昇を防止することから成る請求項１に記載
    のガスエンジンの燃焼室構造。
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