JP2000110697A - 希薄燃焼ガスエンジン - Google Patents

希薄燃焼ガスエンジン

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JP2000110697A
JP2000110697A JP10287854A JP28785498A JP2000110697A JP 2000110697 A JP2000110697 A JP 2000110697A JP 10287854 A JP10287854 A JP 10287854A JP 28785498 A JP28785498 A JP 28785498A JP 2000110697 A JP2000110697 A JP 2000110697A
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ignition system
combustion chamber
swirl
tumble
intake port
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Kengo Tanaka
健吾 田中
Hiroyuki Endo
浩之 遠藤
Akira Imamichi
晃 今道
Keisuke Kawamura
啓介 川村
Seiichi Nishida
聖一 西田
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B2275/00—Other engines, components or details, not provided for in other groups of this subclass
    • F02B2275/48—Tumble motion in gas movement in cylinder
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

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  • Ignition Installations For Internal Combustion Engines (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 希薄燃焼ガスエンジンに関し、スパークギャ
ップ間隔を従来よりも拡大し、超短パルスの高電圧を印
加し、更にスワールを強化した吸気ポートを組み合せて
着火性能を良くし、燃焼速度を向上してＮＯX の発生を
抑制する。 【解決手段】 吸気３００はスワール／タンブル強化型
吸気ポート１０５より燃焼室１０３に入り、吸気弁１０
６を閉じた後ピストン１０１で圧縮され、ピストン１０
１が上死点に達するとパルスパワー点火系１０９からス
パークプラグ１０４へ高電圧が印加され、点火し、ガス
が燃焼して排気ポート１０７より排気される。パルスパ
ワー点火系１０９は従来よりも昇圧時間の短い高電圧の
超短パルスを印加し、スパークギャップ間隔は従来より
も拡大しているので、放電形態はストリーマ放電後にア
ーク放電が発生し、着火性能が良好となり、更に吸気ポ
ート１０５は吸入する混合ガスが燃焼室１０３内でスワ
ール若しくはタンブルを形成するように曲げてあるの
で、高い着火能力と高効率燃焼によるＮＯX の抑制が可
能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は副室を用いない希薄
燃焼ガスエンジンの燃焼システムに関するもので、燃焼
室内で安定した着火を行い、火炎伝播燃焼を促進して高
効率低ＮＯX 燃焼を行うようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】図８に従来の副室式希薄燃焼ガスエンジ
ンの燃焼システムの構成を示す。図８において２０１は
ピストン、２０２はシリンダヘッド、２０３はシリンダ
ヘッド２０２とピストン２０１の間に設けられた燃焼
室、２０４はシリンダヘッドの中央部に配置された副
室、２０５は副室噴孔、２０６はスパークプラグ、２０
７は副室ガス供給ライン、２０８は吸気ポート、２０９
は吸気弁、２１０は排気ポート、２１１は排気弁、２１
２は従来の点火系である。
【０００３】図９に従来の点火系２１２の詳細構成を示
す。図９において２２１は電源、２２２は短絡スイッ
チ、２２３はコンデンサ、２２４は一次側コイル、２２
５は二次側コイル、２２６はスパークプラグ２０６へ電
圧を印加する端子である。
【０００４】図８，図９において、吸気行程で、空気過
剰率2.0 以上の燃料希薄なＣＨ４−空気混合ガスは吸気
ポート２０８を通って燃焼室２０３内に導入される。同
時に副室ガス供給ライン２０７より副室２０４内に供給
されるＣＨ４ガスは、副室２０４内に充填される。吸気
弁２０９を閉じた後、燃焼室２０３内の希薄混合ガスは
ピストン２０１によって圧縮されるとともに、一部は副
室噴孔２０５を通って副室２０４内に導入され、圧縮行
程終了時には副室２０４内に空気過剰率0.7 〜0.8 程度
の過濃混合ガスが形成される。ピストン２０１が圧縮上
死点付近に達すると、図９に示す点火回路の短絡スイッ
チ２２２が作動し、スパークプラグ２０６に電圧が印加
され、スパークプラグ２０６によって副室２０４内の過
濃混合ガスに点火し、副室２０４内で燃焼するとともに
副室噴孔２０５を通って燃焼室２０３にトーチジェット
を形成することで燃焼室２０３内の燃料希薄域における
火炎伝播燃焼を実現している。
【０００５】従来の図９に示す点火系では、短絡スイッ
チ２２２のオン・オフによりコンデンサ２２３は充放電
を繰り返し、一次側コイル２２４に自己誘導起電力が発
生することで二次側コイル２２５にはその巻数比倍した
電圧がかかる。この電圧をスパークプラグ２０６のスパ
ークギャップに印加することで副室２０４内の過濃混合
気への強制着火を行う。しかしながら、本点火系を用い
ると比較的昇圧時間の長い電圧が印加されてしまうこと
から強制着火能力に限界がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】前述のように従来の希
薄燃焼ガスエンジンの強制着火システムでは着火のため
の電圧を得るのに比較的昇圧時間が長く、点火系の強制
着火能力が不足するため、点火系を副室２０４側に設け
副室２０４からのトーチジェットを利用して燃料希薄の
燃焼室空間での火炎伝播燃焼を実現している。このよう
な従来のシステムではトーチジェットにより燃焼室内に
強い乱れを形成するために燃焼速度が向上し高い熱効率
が得られるものの、副室側に燃料過濃域が存在するため
ＮＯX の抑制には限界がある。
【０００７】そこで本発明は、従来の希薄燃焼ガスエン
ジンにおいて点火系に改良を加えて昇圧時間の短い高電
圧のパルスを印加し、更に吸気ポートから吸入される希
薄混合ガスにスワールやタンブルを強化するようにして
燃焼室内での火炎伝播を促進し、安定した高効率超低Ｎ
ＯX 燃焼を実現することを課題としてなされたものであ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は前述の課題を解
決するために次の（１），（２）の手段を提供する。
【０００９】（１）燃料と空気の混合ガスを吸気ポート
より燃焼室内に吸気し、点火系よりスパークプラグに電
圧を印加して放電させ燃焼室内で混合ガスに点火して燃
焼させる希薄燃焼ガスエンジンにおいて、前記点火系は
短昇圧時間の高電圧パルスを発生するパルスパワー点火
系を用い、前記スパークプラグのスパークギャップ間隔
は熱化プラズマによるアーク放電を発生するスパークプ
ラグのギャップ間隔よりも拡大するとともに、前記吸気
ポートは吸気する混合ガスを前記燃焼室内でスワール又
はタンブル若しくはスワールとタンブルの両方を発生す
るように吸気することを特徴とする希薄燃焼ガスエンジ
ン。
【００１０】（２）燃料と空気の混合ガスを吸気ポート
より燃焼室内に吸気し、点火系よりスパークプラグに電
圧を印加して放電させ燃焼室内で混合ガスに点火して燃
焼させる希薄燃焼ガスエンジンにおいて、前記点火系は
短昇圧時間の高電圧パルスを発生するパルスパワー点火
系を用い、前記スパークプラグはプラス電極及びマイナ
ス電極からなり、同プラス電極は点状電極、同マイナス
電極は同点状電極を中心とする細幅同心円筒状の環状電
極とし、前記吸気ポートは吸気する混合ガスを前記燃焼
室内でスワール又はタンブル若しくはスワールとタンブ
ルの両方を発生するように吸気することを特徴とする希
薄燃焼ガスエンジン。
【００１１】本発明の（１）においては、パルスパワー
点火系からは従来よりも昇圧時間の短い超短パルスの高
電圧がスパークプラグに印加される。スパークプラグの
スパークギャップ間隔は従来のギャップよりも拡大した
間隔、例えば従来 1.5mm程度の間隔を６mm程度に拡大し
ている。本発明のパルスパワー点火系では、例えば従来
の３０kV、１００μsec と比較し、４０kV、１００ｎse
c のような超短パルスの高電圧を拡大したスパークギャ
ップに印加するため、エネルギーの時間的集約が図れ
る。放電形態は従来の点火系では熱プラズマによるアー
ク放電であり、本発明では、まず低温プラズマによるス
トリーマ放電が発生し、その後熱化プラズマによるアー
ク放電が発生し、ギャップ間隔が広い空間に高い強制着
火を行い、着火能力が向上する。
【００１２】更に、本発明の（１）では、吸気ポートか
ら吸気する混合ガスは、燃焼室内でスワール（旋回流）
又はタンブル（縦渦）、もしくはこれらの両方が生ずる
ように流れるので、上記のパルスパワー点火系による着
火性能の向上に加え、燃焼室内の燃料希薄域での火炎伝
播燃焼が促進され、安定した高効率超低ＮＯX 燃焼が実
現される。
【００１３】本発明の（２）では、パルスパワー点火系
からの昇圧時間の短い高電圧パルスはスパークプラグに
印加されるが、スパークプラグは点状電極とその周囲の
環状のマイナス電極からなっており、両電極間の広い空
間に沿面放電が生ずる。この放電形態は、まずストリー
マ放電が生じ、その後熱プラズマによるアーク放電が生
ずる。この広い空間での沿面放電により燃焼室内の燃料
希薄域への安定した着火が確実になされ、更に吸気ポー
トから吸気する混合ガスは、燃焼室内でスワール（旋回
流）又はタンブル（縦渦）、もしくはこれらの両方が生
ずるように流れるので、上記のパルスパワー点火系によ
る着火性能の向上に加え、燃焼室内の燃料希薄域での火
炎伝播燃焼が促進され、安定した高効率超低ＮＯX 燃焼
が実現される。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面に基づいて具体的に説明する。図１は本発明の実
施の第１形態に係る希薄燃焼ガスエンジンの構成図であ
る。図１において１０１はピストン、１０２はシリンダ
ヘッド、１０３はシリンダヘッド１０２とピストン１０
１の間に設けられた燃焼室、１０４はスパークプラグ、
１０５はスワール／タンブル強化型吸気ポート、１０６
は吸気弁、１０７は排気ポート、１０８は排気弁、１０
９はパルスパワー点火系である。
【００１５】スパークプラグ１０４のスパークギャップ
１０４ａは従来よりも間隔を拡大しており、従来のギャ
ップが 1.5mm程度に対し、本発明のギャップは６mm程度
としており、後述のようにパルスパワー点火系１０９か
ら従来よりも昇圧時間の短い超短パルスの高電圧が印加
される。
【００１６】スワール／タンブル強化型吸気ポート１０
５の構成を図６，図７により説明すると、図６は燃焼室
の上面図であり、図７はその側面図である。図６におい
て、スワール／タンブル強化型吸気ポート１０５はポー
トの形状を意図する任意の方向へ曲げてあり、吸気３０
０が曲げられて燃焼室１０３内でスワール（渦回流）３
０１ａが生ずるような流れとする。
【００１７】又、図７において、スワール／タンブル強
化型吸気ポート１０５は燃焼室１０３内でタンブル（縦
渦）３０１ｂも生ずるように曲げられている。即ちガス
流れは燃焼室１０３内でスワール若しくはタンブルを生
ずるか、あるいはスワールを生じながらタンブルを形成
するように吸気ポートを曲げ、スワール／タンブル強化
型吸気ポート１０５を形成している。
【００１８】図３は図１に用いられるパルスパワー点火
系１０９の回路を示し、分布定数型パルスパワー電源回
路であり、１２１は電源、１２２は短絡スイッチ、１２
３は同軸ケーブルによる分布定数線路である。１２４は
スパークプラグ１０４へ超短パルスの高電圧を印加する
端子である。この分布定数型パルスパワー電源回路は、
同軸ケーブルからなる分布定数線路１２３をコンデンサ
として１段〜ｎ段の構成とし、多段のコンデンサへの充
電による高電圧を得て、短絡スイッチ１２２を作動させ
て放電させ、端子１２４にパルス状の高電圧を得るもの
である。
【００１９】上記構成の実施の第１形態において、吸気
行程において、空気過剰率2.0 以上の燃料希薄なＣＨ４
−空気混合ガスは吸気ポート１０５を通って燃焼室１０
３内に導入される。吸気弁１０６を閉じた後、燃焼室１
０３内の希薄混合ガスはピストン１０１によって圧縮さ
れる。ピストン１０１が圧縮上死点付近に達すると、パ
ルスパワー点火系１０９によってギャップ間隔の広いス
パークプラグ１０４に超短パルスの高電圧が印加される
ため強制着火領域が広がり、燃焼室１０３内の燃料希薄
域への安定した着火が実現される。
【００２０】更に、本点火系にスワール（旋回渦）もし
くはタンブル（縦渦）を強化した吸気ポート１０５を組
み合わせることで燃焼室１０３内の燃料希薄域での火炎
伝播燃焼を促進するため、安定した高効率超低ＮＯX 燃
焼が実現される。この吸気ポート１０５からの吸気はス
ワール又はタンブルのいずれかを生ずるか、あるいはこ
れら両方を同時に生ずるようにしても良い。
【００２１】図３に示すパルスパワー点火系では、同軸
ケーブルによる分布定数線路１２３をコンデンサに見立
てて電源１２１から充電し、短絡スイッチ１２２を投入
することで分布定数線路１２３内で電圧波の伝播が生
じ、パルス成形を行い、パルス幅が１μｓ以下、電圧が
５０kV以上の矩形波をスパークプラグ１０４のスパーク
ギャップに印加することができる。
【００２２】表１は従来の点火系と本発明のパルスパワ
ー点火系とを比較したものである。表１に示すように、
従来点火系とパルスパワー点火系では放電形態が異な
る。パルスパワー点火系では、昇圧時間の短い超短パル
スの高電圧（４０kV−１００ｎsec ）をスパークギャッ
プに印加することができるため、エネルギの時間的集約
が図れる。放電形態は、従来点火系では熱化プラズマに
よるアーク放電に対して、パルスパワー点火系では低温
プラズマによるストリーマ放電が発生した後に、熱化プ
ラズマによるアーク放電が発生する。そのため両者で着
火形態が異なり、従来点火系は雰囲気温度の急上昇によ
る熱着火、パルスパワー点火系では活性基の爆発的増大
による連鎖着火が引き金となる。
【００２３】
【表１】 パルスパワー点火系を用いる最大のメリットは、本点火
系を用いることで超短パルスの高電圧を成形し、低温プ
ラズマによるストリーマ放電を生じるため、ギャップ間
隔が広い空間への高い強制着火能力が得られることであ
る。ギャップ間隙は前述したように従来のギャップ 1.5
mmに対して６mm程度に広げている。
【００２４】図４は従来の点火系と本発明のパルスパワ
ー点火系を用いた場合の着火能力の比較を示した図であ
り、（ａ）は点火からの経過時間と燃焼割合を、（ｂ）
は点火からの経過時間と燃焼割合の微分値との関係を示
している。図４において、従来点火系に従来のスパーク
ギャップ間隔を組み合わせたものと、パルスパワー点火
系にスパークギャップ間隔の拡大を組み合わせたものと
を比較すると初期燃焼速度、初期燃焼割合ともにＹ，Ｘ
で示すように後者即ち、本発明の方が大きいことから、
パルスパワー点火系における高い強制着火能力が確認さ
れた。
【００２５】図５はスワール変化による燃焼性能への影
響を示し、従来のスワールと本発明のようにスワール強
化をしたものとを比較した図であり、（ａ）はクランク
角度と総発熱量、（ｂ）はクランク角度と熱発生量との
関係をそれぞれ示している。図５において、スワールを
高めると乱れが促進し、燃焼速度が大幅に向上すること
から、総発熱量、熱発生率が向上し、スワールの積極的
な利用により従来の燃焼システムと同等の熱効率をかせ
ぐことが可能となる。
【００２６】図２は本発明の実施の第２形態に係る希薄
燃焼ガスエンジンの構成図である。図において本発明の
特徴部分は符号１１１〜１１３で示す部分であり、その
他の構成は図１に示す実施の第１形態と同じであるの
で、詳しい説明は省略し、そのまま引用して説明し、本
発明の特徴部分について説明する。
【００２７】１１１は点状のプラス電極で、シリンダヘ
ッド１０２の中央に位置している。１１２は環状のマイ
ナス電極でプラス電極１１１を中心として所定の間隔を
保って細幅同心円状に配置されている。１１３は絶縁体
でプラス電極１１１とマイナス電極１１２の間に位置し
ている。その他の構成は図１に示す実施の第１形態と同
じである。
【００２８】本実施の第２形態においては、吸気工程か
ら圧縮工程は前述と同様であり、ピストン１０１が圧縮
上死点付近に達すると、パルスパワー点火系１０９によ
ってスパークギャップのプラス電極１１１及びマイナス
電極１１２間の広い空間に沿面放電（放電形態はストリ
ーマ〜アーク放電）を生じるため、燃料希薄域へのさら
に安定した着火が実現され、高効率超低ＮＯX 燃焼が実
現される。着火能力、燃焼性能については前述の実施の
第１形態で説明した図４，図５と同じであるので説明は
省略する。
【００２９】
【発明の効果】本発明の希薄燃焼ガスエンジンは、
（１）燃料と空気の混合ガスを吸気ポートより燃焼室内
に吸気し、点火系よりスパークプラグに電圧を印加して
放電させ燃焼室内で混合ガスに点火して燃焼させる希薄
燃焼ガスエンジンにおいて、前記点火系は短昇圧時間の
高電圧パルスを発生するパルスパワー点火系を用い、前
記スパークプラグのスパークギャップ間隔は熱化プラズ
マによるアーク放電を発生するスパークプラグのギャッ
プ間隔よりも拡大するとともに、前記吸気ポートは吸気
する混合ガスを前記燃焼室内でスワール又はタンブル若
しくはスワールとタンブルの両方を発生するように吸気
することを特徴としている。このような構成により、パ
ルスパワー点火系と広いスパークギャップ間隔で着火能
力が向上し、加えて吸気ポートによるスワールやタンブ
ルの発生によって燃焼室内の火炎伝播を促進させ、安定
した高効率超低ＮＯX 燃焼を実現することができる。
【００３０】本発明の（２）は、燃料と空気の混合ガス
を吸気ポートより燃焼室内に吸気し、点火系よりスパー
クプラグに電圧を印加して放電させ燃焼室内で混合ガス
に点火して燃焼させる希薄燃焼ガスエンジンにおいて、
前記点火系は短昇圧時間の高電圧パルスを発生するパル
スパワー点火系を用い、前記スパークプラグはプラス電
極及びマイナス電極からなり、同プラス電極は点状電
極、同マイナス電極は同点状電極を中心とする細幅同心
円筒状の環状電極とし、前記吸気ポートは吸気する混合
ガスを前記燃焼室内でスワール又はタンブル若しくはス
ワールとタンブルの両方を発生するように吸気すること
を特徴としている。このような構成により、スパークプ
ラグの点状電極と環状電極との間に広い空間に沿面放電
が生じ燃焼室内への安定した着火が確実になされ、更に
吸気ポートによるスワールやタンブルの発生によって燃
焼室内の火炎伝播を促進させ、安定した高効率超低ＮＯ
X 燃焼を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第１形態に係る希薄燃焼ガスエ
ンジンの構成図である。
【図２】本発明の実施の第２形態に係る希薄燃焼ガスエ
ンジンの構成図である。
【図３】本発明の実施の第１，第２形態に係る希薄燃焼
ガスエンジンに用いられる分布定数型パルスパワー電源
回路の回路図である。
【図４】従来の点火系と本発明の実施の第１，第２形態
に用いられるパルスパワー点火系との着火能力の比較を
示し、（ａ）は点火からの経過時間と燃焼割合との関係
を、（ｂ）は点火からの経過時間と燃焼割合の微分値と
の関係をそれぞれ示す図である。
【図５】従来のスワールと本発明の実施の第１，第２形
態に用いられるスワール強化との燃焼性能の比較を示
し、（ａ）はクランク角度と総発熱量を、（ｂ）はクラ
ンク角度と熱発生率との関係をそれぞれ示す図である。
【図６】本発明の実施の第１，第２形態に係る希薄燃焼
ガスエンジンに用いられるスワール強化した吸気ポート
の燃焼室上面より見た図である。
【図７】本発明の実施の第１，第２形態に係る希薄燃焼
ガスエンジンに用いられるタンブル強化した吸気ポート
の側面図である。
【図８】従来の副室式希薄燃焼ガスエンジンの構成図で
ある。
【図９】従来の希薄燃焼ガスエンジンの点火系の回路図
である。
【符号の説明】
１０１ ピストン １０２ シリンダヘッド １０３ 燃焼室 １０４ スパークプラグ １０５ スワール／タンブル強化型吸気ポート １０６ 吸気弁 １０７ 排気ポート １０８ 排気弁 １０９ パルスパワー点火系 １１１ プラス電極 １１２ マイナス電極 １１３ 絶縁体 １２１ 電源 １２２ 短絡スイッチ １２３ 分布定数線路 １２４ 端子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今道 晃 長崎市深堀町五丁目717番１号 三菱重工 業株式会社長崎研究所内 (72)発明者 川村 啓介 長崎市深堀町五丁目717番１号 三菱重工 業株式会社長崎研究所内 (72)発明者 西田 聖一 長崎市深堀町五丁目717番１号 三菱重工 業株式会社長崎研究所内 Ｆターム(参考） 3G019 AA02 AA07 AB07 BA00 BA03 BA05 CA00 FA02 KA01 3G023 AA05 AB01 AC02 AC07 AD07 AD12 AD22 AG02

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料と空気の混合ガスを吸気ポートより
    燃焼室内に吸気し、点火系よりスパークプラグに電圧を
    印加して放電させ燃焼室内で混合ガスに点火して燃焼さ
    せる希薄燃焼ガスエンジンにおいて、前記点火系は短昇
    圧時間の高電圧パルスを発生するパルスパワー点火系を
    用い、前記スパークプラグのスパークギャップ間隔は熱
    化プラズマによるアーク放電を発生するスパークプラグ
    のギャップ間隔よりも拡大するとともに、前記吸気ポー
    トは吸気する混合ガスを前記燃焼室内でスワール又はタ
    ンブル若しくはスワールとタンブルの両方を発生するよ
    うに吸気することを特徴とする希薄燃焼ガスエンジン。
  2. 【請求項２】 燃料と空気の混合ガスを吸気ポートより
    燃焼室内に吸気し、点火系よりスパークプラグに電圧を
    印加して放電させ燃焼室内で混合ガスに点火して燃焼さ
    せる希薄燃焼ガスエンジンにおいて、前記点火系は短昇
    圧時間の高電圧パルスを発生するパルスパワー点火系を
    用い、前記スパークプラグはプラス電極及びマイナス電
    極からなり、同プラス電極は点状電極、同マイナス電極
    は同点状電極を中心とする細幅同心円筒状の環状電極と
    し、前記吸気ポートは吸気する混合ガスを前記燃焼室内
    でスワール又はタンブル若しくはスワールとタンブルの
    両方を発生するように吸気することを特徴とする希薄燃
    焼ガスエンジン。
JP10287854A 1998-10-09 1998-10-09 希薄燃焼ガスエンジン Withdrawn JP2000110697A (ja)

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