JP2005232987A - 副室式エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、例えばＮＯｘ生成及び熱損失の抑制のために副室を小さくした場合でも、主室において噴射孔から噴射された火炎ジェットと新気との混合を充分に行って、燃焼効率を向上することができる副室式エンジンを実現する点にある。
【解決手段】 主室に吸気された新気をピストンの上昇により圧縮して、圧縮された新気を主室に開口する噴射孔２１を介して副室に流入させ、副室に流入した新気と副室に供給された燃料との混合気を副室において燃焼させて、副室から噴射孔２１を介して主室に火炎ジェットＦを噴射する副室式エンジンにおいて、噴射孔２１における火炎ジェットＦの噴射方向Ｙが、主室の軸心Ｘに対する旋回方向とされている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、主室に吸気された新気をピストンの上昇により圧縮して、前記圧縮された新気を前記主室に開口する噴射孔を介して副室に流入させ、前記副室に流入した新気と前記副室に供給された燃料との混合気を前記副室において燃焼させて、前記副室から前記噴射孔を介して前記主室に火炎ジェットを噴射する副室式エンジンに関する。

従来のエンジンは単室式と副室式に大別できる。副室式エンジンは、ピストン頂部に接する主室とその主室と噴射孔を介して連通する副室とを燃焼室として備え、主室に吸気された空気又は希薄混合気である新気をピストンの上昇により圧縮して、その圧縮された新気を、噴射孔を介して副室に流入させ、副室に直接供給された燃料を副室に流入した新気を用いて燃焼させて、主室に開口する噴射孔を介して主室に火炎ジェットを噴射するように構成されている（例えば、特許文献１−３を参照。）。
また、このような副室式エンジンは、単室式エンジンと比較して、燃焼室全体として空気に対して燃料が希薄な状態で燃料を燃焼させる希薄燃焼が実現できるため、高効率化を図ることが可能であり、特に、効率向上が求められるコージェネレーションシステム等に導入されている。

特開２００２−２７６４７４号公報 特開２００１−３０３９５８号公報 特開２００１−２６３０６９号公報

上記のような副室式エンジンでは、副室において比較的燃料が濃い混合気が燃焼するので、副室における燃焼温度が高くなりＮＯｘが生成されやすい状態となる場合がある。また、副室を設けることにより燃焼室全体の表面積が単室式と比較して大きくなり、その燃焼室表面による熱損失が増加する場合がある。つまり、副室式エンジンにおいて副室は小さくして、ＮＯｘ生成及び熱損失を抑制することが望まれる。

しかし、副室式エンジンにおいて、副室を小さくすると、噴射孔から主室に噴射される火炎ジェットの規模も小さくなってしまい、主室において噴射孔から噴射された火炎ジェット中の未燃成分を主室に存在する新気により充分に燃焼させることができなくなり、更に、新気として主室に希薄混合気を吸気した場合にはその火炎ジェットにより主室の希薄混合気を充分に燃焼させることができなくなってしまい、燃焼効率の低下を招く場合がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、例えばＮＯｘ生成及び熱損失の抑制のために副室を小さくした場合でも、主室において噴射孔から噴射された火炎ジェットと新気との混合を充分に行って、燃焼効率を向上することができる副室式エンジンを実現する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る副室式エンジンは、主室に吸気された新気をピストンの上昇により圧縮して、前記圧縮された新気を前記主室に開口する噴射孔を介して副室に流入させ、前記副室に流入した新気と前記副室に供給された燃料との混合気を前記副室において燃焼させて、前記副室から前記噴射孔を介して前記主室に火炎ジェットを噴射する副室式エンジンであって、その第１特徴構成は、前記噴射孔における前記火炎ジェットの噴射方向が、前記主室の軸心に対する旋回方向とされている点にある。

上記第１特徴構成によれば、副室式エンジンにおいて、噴射孔からの火炎ジェットの噴射方向が、シリンダ内に筒状に形成された主室の軸心に対する旋回方向となる、即ち、火炎ジェットの噴射方向が主室の軸心に対してねじれの姿勢となるように、噴射孔が形成されているので、噴射孔から噴射された火炎ジェットを主室の軸心を中心に旋回させることができる。そして、火炎ジェットを主室の軸心を中心に旋回させることで、火炎ジェットが主室の新気と良好に混合し、火炎ジェット中の未燃成分を主室に存在する新気により良好に燃焼させ、更に、新気として主室に存在する希薄混合気をその火炎ジェットにより良好に燃焼させることができ、結果、燃焼効率を向上することができる。
従って、本発明により、例えば副室を小さくしてＮＯｘの生成及び熱損失を抑制した場合でも、主室において噴射孔から主室の軸心に対して旋回方向に噴射された火炎ジェットと新気との混合を充分に行って、燃焼効率を向上することができる副室式エンジンを実現することができる。

本発明に係る副室式エンジンの第２特徴構成は、前記主室へ新気を導入する吸気ポートが、前記主室に新気の旋回流を発生させるスワールポートとして形成され、前記噴射孔における前記火炎ジェットの噴射方向が、前記新気の旋回流に沿った方向とされている点にある。

上記第２特徴構成によれば、スワールポートとして形成した吸気ポートから新気を吸気することで、主室において新気の軸心回りの旋回流を発生させることができ、更に、噴射孔における火炎ジェットの噴射方向を、上記新気の旋回流に沿った方向とすることで、主室に噴射された火炎ジェットが上記新気の旋回流と共に主室を旋回することになり、火炎ジェットと新気とを一層良好に混合させることができ、燃焼効率を一層向上することができる。

本発明に係る副室式エンジンの第３特徴構成は、前記主室の軸心回りに前記噴射孔の複数が分散配置され、前記複数の噴射孔の前記火炎ジェットの噴射方向が、前記主室の軸心に対して互いに同じ向きの旋回方向とされている点にある。

上記第３特徴構成によれば、主室の軸心周りに分散配置された複数の噴射孔の夫々における火炎ジェットの噴射方向を、前記主室の軸心に対して互いに同じ向きの旋回方向とすることで、複数の噴射孔から噴射された夫々の火炎ジェットにより、主室において強力な火炎ジェットの旋回流を発生させることができ、主室においてその強力な旋回流とされた火炎ジェットと新気とを一層良好に混合させることができ、燃焼効率を一層向上することができる。

本発明に係る副室式エンジンの第４特徴構成は、燃料が気体燃料である点にある。

上記第４特徴構成によれば、副室式エンジンは、高圧縮して燃焼室に噴射することが困難である気体燃料を燃料として利用する場合でも、吸気行程の後期又は圧縮行程の前期等の燃焼室の圧力が比較的低い時期に副室に燃料を供給して、その燃料を副室に良好に保持することができ、副室において比較的濃い混合気を安定して燃焼させながら、燃焼室全体として空気に対して燃料が希薄な状態で燃料を燃焼させる希薄燃焼が実現でき、高効率化を図ることができる。

本発明に係る副室式エンジンの実施形態について、図面に基づいて説明する。
図１に示す副室式エンジン１００は、ピストン２と、ピストン２を収容してピストン２の頂面と共に主室１を形成するシリンダ３とを備え、ピストン２をシリンダ３内で往復運動させると共に、吸気弁４及び排気弁（図示せず）を開閉動作させて、新気を主室１に取り込み、主室１において吸気、圧縮、燃焼・膨張、排気の諸行程を行い、ピストン２の往復動を連結棒（図示せず）によってクランク軸（図示せず）の回転運動として出力されるものであり、このような構成は、通常の４ストローク内燃機関と変わるところはない。

尚、本実施形態の副室式エンジン１００において、シリンダ３のボア径は１１０ｍｍであり、ピストン２のストローク長は１０６ｍｍであり、ピストン２の位置が上死点位置であるときの最小燃焼室容積に対する、ピストン２の位置が下死点位置であるときの最大燃焼室容積比である圧縮比は１７であり、上記最大燃焼室容積から最小燃焼室容積を差し引いた排気量は１００７ｃｃ（１００７×１０^３ｍｍ^３）とされている。また、副室式エンジン１００は、クランク軸の回転数が１２００ｒｐｍで運転される。

また、副室式エンジン１００は、気体燃料である都市ガス（１３Ａ）を燃料Ｇとして利用するものであり、吸気行程において吸気弁４を開状態として、主室１に空気と少量の燃料Ｇとの希薄混合気である新気Ｉを吸入し、圧縮行程においてこの吸入した新気Ｉを圧縮して燃料Ｇを燃焼させるものである。

副室式エンジン１００のシリンダヘッド９には、主室１と共に燃焼室として設けられ、主室１に連通路２０を介して連通する副室１１が設けられており、この副室１１を有する副室機構１０の構造について以下に説明する。
尚、副室１１の容積は、ピストン２の位置が上死点であるときの主室１と副室１１との容積の和である総燃焼室容積の１／１０程度であり、例えば、７ｃｃ（７×１０^３ｍｍ^３）とされている。

また、ピストン２の頂面の中央部には、いわゆる深皿型の凹部２ａが形成されている。上記のような凹部２ａを形成することで、圧縮行程に於いてピストン２が上昇するときに、ピストン２の頂面外周部から凹部２ａの中心部に流れるスキッシュが発生することになる。

副室１１の上方には、燃料Ｇを０．２ＭＰａ（Ｇａｕｇｅ）の供給圧力で副室１１に供給可能な燃料供給弁３０が設けられている。
更にまた、副室１１の上方には、副室１１の混合気を火花点火可能な点火プラグ３２が設けられている。

この副室式エンジン１００は、上記のような構成を採用することにより、主室１に吸気された新気Ｉをピストン２の上昇により圧縮して、圧縮された新気Ｉを主室１に開口する連通路２０を介して副室１１に流入させ、副室１１に流入した新気Ｉと燃料供給弁３０により副室１１に供給された燃料Ｇとの混合気を副室１１において点火プラグ３２により火花点火して燃焼させて、副室１１から連通路２０を介して主室１に火炎ジェットＦを噴射するように構成されており、その副室式エンジン１００における１サイクルの動作状態について以下に説明する。

図３に示すように、副室式エンジン１００は、先ず、吸気弁４が開状態となり、ピストン２のＴＤＣ（上死点）からの下降により、主室１に希薄混合気である新気Ｉが吸入される吸気行程が行われる。
このとき副室１１に設置された燃料供給弁３０が吸気弁４の開時期に対して若干遅れた時期に開状態となり、副室１１への燃料Ｇの供給を開始される。

後に、吸気弁４及び燃料供給弁３０が同時期に閉状態となり、ピストン２の上昇により、主室１に吸気された新気Ｉを圧縮する、いわゆる圧縮行程が行われる。

尚、圧縮行程初期の副室１１がまだ低圧状態のときに、燃料供給弁３０を開状態として燃料Ｇを副室１１に供給しても良い。

このように副室１１に燃料を供給することにより、副室１１に供給された燃料Ｇの一部は、連通路２０を介して主室１に流出するのであるが、上記の連通路２０の断面積比が非常に小さく設定されているため、その流出量は、副室１１に供給された全副室燃料供給量の５％程度となる。

そして、次の圧縮行程では、ピストン２の上昇により、主室１の容積減少によって、主室１の新気Ｉが連通路２０介して副室１１に流入し、副室１１には、連通路２０から上方に向かう新気流が発生し、その新気流が点火プラグ３２の点火領域に到達する。
よって、副室１１の上記点火プラグ３２の点火領域では、その新気Ｉと燃料Ｇとが混合されて、火花点火可能範囲内の当量比の混合気が形成される。

この圧縮行程では、連通路２０が所謂絞り弁のように働き、主室１の圧力はほぼ圧縮比どおりの圧力になるが、副室１１の最高到達圧力は、主室１の最高到達圧力の圧力よりも低下したものになる。
よって、上記圧縮行程終了時にて、副室１１には、比較的低い圧力場で当量比が１．０−１．６程度、好適には当量比が１．３−１．５程度の混合気が存在し、主室１には、比較的高い圧力場で当量比が０．４−０．５５、好適には当量比が０．４５−０．５０程度の混合気が存在することになる。尚、副室１１に形成する混合気の当量比を理論当量比よりも増加させるほど、副室１１におけるＮＯｘ生成量を低減することができると共に、主室１への燃料供給量に対する副室１１への燃料供給量の割合を増加させることで、主室１において燃焼する混合気を希薄化して、一層の低ＮＯｘ化を図ることができる。

そして、副室式エンジン１００は、１０°ＢＴＤＣ付近において、点火プラグ３２を働かせて、上記副室１１に形成された混合気を火花点火して燃焼させる。

すると副室１１では、その圧力が通常のＳＩエンジンなみであるため、急激な圧力上昇を伴わず、燃焼が進み、副室１１の燃焼しなかった燃料Ｇと共に、火炎ジェットＦが連通路２０を介して主室１に噴出される。

一方、主室１においては、高圧力場で、連通路２０から噴出された火炎ジェットＦにより希薄混合気を燃焼させるので、副室１１と同様に急激な圧力上昇を伴わず、高効率且つ低ＮＯｘとなる燃焼が行われる。
このような主室１における燃焼状態は、通常のＳＩエンジンに近い状態であるが、圧縮比を高く設定した場合においてもノッキングが発生しないため、熱効率を向上することができる。また、主室１１に吸気される新気Ｉの当量比を大きくして、出力を増加させた場合でも、良好にノッキングを回避することができるため、ノッキング限界における当量比を高くすることができ、広い出力調整範囲を確保することができる。
また、副室１１を混合気の当量比が濃い側に、主室１を混合気の当量比を希薄側に設定しているため、ＮＯｘも抑制することができる。

そして、このように運転される副室式エンジン１００において、副室１１と主室１とを連通する連通路２０は、図２にも示すように、副室１１から主室１の軸心（ピストン２の軸心）Ｘと同じ軸心を有する円筒状に主室１側に延出形成されており、更に、その連通路２０は、上記主室１の軸心Ｘを中心に周方向に等間隔で分散配置され主室１に開口する４つの筒状の噴射孔２１を有し、火炎ジェットＦが夫々の噴射孔２１から主室１に噴射孔２１の筒軸心方向に沿って噴射される。

更に、噴射孔２１における火炎ジェットＦの噴射方向Ｙ、即ち、噴射孔２１の筒軸心方向が、主室１の軸心Ｘに対する旋回方向となるように、夫々の噴射孔２１が形成されており、具体的には、噴射孔２１の軸心が主室１の軸心に対して交差せず且つ平衡でない方向、例えば、主室１の軸心を中心とする円の接線方向とされている。
よって、燃焼膨張行程において噴射孔２１から噴射された火炎ジェットＦは、主室１の軸心Ｘを中心に旋回することになるので、火炎ジェットＦは主室１の新気である希薄混合気と良好に混合され、火炎ジェットＦ中の未燃成分及び希薄混合気が主室１に存在する空気により良好に燃焼される。

更に、４つの噴射孔２１の夫々における火炎ジェットＦの噴射方向Ｙは、主室１の軸心Ｘに対して同じ向きの旋回方向とされており、４つの噴射孔２１から噴射された夫々の火炎ジェットＦは、主室１において強力な火炎ジェットＦの旋回流となって新気Ｉと一層良好に混合されることになり、燃焼効率が一層向上される。

副室式エンジン１００の新気Ｉを主室１に導入する吸気ポート５は、主室１に新気Ｉの旋回流を発生させるスワールポートとして構成されており、更に、噴射孔２１の火炎ジェットＦの噴射方向Ｙは、その新気Ｉの旋回流に沿った方向とされている。
即ち、主室１に噴射された火炎ジェットＦは新気Ｉの旋回流と共に主室１を旋回することになるので、火炎ジェットＦと新気Ｉとが一層良好に混合し、燃焼効率が一層向上されている。

〔別実施形態〕
（１）上記実施の形態では、噴射孔２１の火炎ジェットＦの噴射方向Ｙを、主室１の軸心を中心とする円の接線方向とし、更に、新気Ｉの旋回流に沿った方向とするように、噴射孔２１を形成したが、噴射孔２１の火炎ジェットＦの噴射方向が主室１の軸心Ｘに対する旋回方向である条件で、噴射孔２１の形状を適宜改変しても構わない。
例えば、火炎ジェットＦの噴射方向Ｙを、主室１の軸心を中心とする円の接線方向よりも若干ピストン２に向かう方向（下向き）に傾斜させるように噴射孔２１を形成することで、火炎ジェットＦがシリンダヘッド９の壁面に接触することで熱損失が発生することを防止することができる。また、火炎ジェットＦの噴射方向Ｙを新気Ｉの旋回流とは逆の方向とするように噴射孔２１を形成することで、火炎ジェットと新気Ｉとを衝突させて混合することができる。

（２）上記実施の形態では、副室式エンジン１００を、点火プラグ３２を備えた火花点火式に構成したが、別に、点火プラグ３２を備えずに、混合気を自己着火させるディーゼル式に構成することもできる。即ち、ディーゼル式の副室式エンジンは、副室１１において形成された混合気に圧縮行程終了時に燃料Ｇよりも着火性が高い軽油などの助燃剤を噴射して自己着火させ燃焼させ、それにより噴射孔２１から主室１に火炎ジェットを噴射させるように構成される。

（３）本発明に係る副室式エンジンは、前述の実施形態で説明したように、都市ガス等の気体燃料を利用する場合に優れた効果を発揮するものであり、このような気体燃料としては、上記都市ガス以外に水素やプロパン等のＣＯやＨ_２を主成分とする炭化水素以外の気体燃料がある。また、本発明に係る副室式エンジンは、もちろん気体燃料以外の燃料を利用することもでき、例えば、ガソリン、アルコール、メタノール、エタノール、任意の燃料を使用することができる。

副室式エンジンの概略構成図 噴射孔の形成状態を示す図 副室式エンジンの動作状態を示すタイムチャート図

符号の説明

１：主室
５：吸気ポート
１０：副室機構
１１：副室
２０：連通路
２１：噴射孔
３０：燃料供給弁
３２：点火プラグ
１００：副室式エンジン
Ｘ：軸心
Ｙ：噴射方向

Claims (4)

1. 主室に吸気された新気をピストンの上昇により圧縮して、前記圧縮された新気を前記主室に開口する噴射孔を介して副室に流入させ、前記副室に流入した新気と前記副室に供給された燃料との混合気を前記副室において燃焼させて、前記副室から前記噴射孔を介して前記主室に火炎ジェットを噴射する副室式エンジンであって、
   前記噴射孔における前記火炎ジェットの噴射方向が、前記主室の軸心に対する旋回方向とされている副室式エンジン。
2. 前記主室へ新気を導入する吸気ポートが、前記主室に新気の旋回流を発生させるスワールポートとして形成され、
   前記噴射孔における前記火炎ジェットの噴射方向が、前記新気の旋回流に沿った方向とされている請求項１に記載の副室式エンジン。
3. 前記主室の軸心回りに前記噴射孔の複数が分散配置され、
   前記複数の噴射孔の前記火炎ジェットの噴射方向が、前記主室の軸心に対して互いに同じ向きの旋回方向とされている請求項１又は２に記載の副室式エンジン。
4. 燃料が気体燃料である請求項１から３の何れか１項に記載の副室式エンジン。

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