JP4073315B2 - 副室式エンジン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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連通路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、前記副室に設けられた点火手段により点火し、前記連通路を介して前記主室に火炎ジェットを噴射する副室点火運転を実行可能な副室式エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来エンジンは、火花点火エンジン（オットーサイクルエンジン）と、圧縮空気中に液体燃料を噴射するディーゼルエンジンに大きく分けられる。
【０００３】
火花点火エンジンは、燃焼室において吸気された空気と燃料との混合気を圧縮した後に、点火プラグにより点火して燃焼させるように構成され、その理想的なサイクルはオットーサイクル（定容加熱サイクル）と考えられており、圧縮比を高くして燃料を希薄状態で燃焼させることによって熱効率を向上させることができる。
【０００４】
特に部分負荷時の燃焼温度の低下、サイクル効率の向上、ポンピング損失の低下などを実現することができ、排ガス性状及び燃費の改善に有効である火花点火エンジンの希薄燃焼方式としては、層状吸気方式がある。
【０００５】
層状吸気方式とは、燃焼室において、点火プラグの点火部の周辺には、火花点火可能な当量比の混合気が存在する点火領域を形成し、その点火領域の周辺には、点火領域の混合気よりも当量比が低く希薄状態である混合気が存在する希薄領域を形成して、先ず、上記点火領域に存在する混合気を点火プラグにより点火して燃焼させ、その火炎により上記希薄領域に存在する混合気を燃焼させて、全体として燃料を希薄状態で燃焼させる燃焼方式であり、層状吸気方式の燃焼室形状は、単室式と副室式とに大別される。
【０００６】
単室式は、ピストン頂部に形成した凹部を燃焼室として利用し、燃焼室における吸気の流れを利用して、点火プラグの点火部周辺に火花点火可能な混合気を形成するものである。
【０００７】
一方、副室式は、ピストン頂部に接する主室とその主室と連通路を介して連通する副室とを燃焼室として備えたエンジンにおいて、主室に吸気された希薄混合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連通路を介して副室に流入させ、副室に流入した希薄混合気と副室に直接供給された燃料とから、点火プラグが設けられた副室に火花点火可能な当量比の混合気を形成し、その混合気を点火プラグにより点火して燃焼させ、連通路を介して主室に噴射される火炎ジェットにより、主室の希薄混合気を燃焼させる所謂副室点火運転を行うものである（例えば、特許文献１−３参照。）。
そして、火花点火エンジンの層状吸気方式として、上記副室式を採用することにより、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おいても、その燃料を副室に良好に保持することができ、簡単に、点火時期において火花点火可能な当量比の混合気を副室に形成することができる。よって、上記副室式においては、燃料噴射弁の簡素化が可能であり、例えば燃料として高圧縮が困難な天然ガス等の気体燃料を容易に利用することができる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−２７６４７４号公報
【特許文献２】
特開２００１−３０３９５８号公報
【特許文献３】
特開２００１−２６３０６９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
火花点火エンジンにおいて、単室式又は副室式の層状吸気方式を採用しても、点火プラグ周辺の点火領域においては、混合気は火炎伝播により急激に燃焼するので、燃焼時の急激な圧力上昇により末端ガスが自己着火してしまう所謂ノッキングを回避するという制約条件下において、圧縮比を設定する必要があったため、ディーゼルエンジン並みの圧縮比に設定して、一層の高効率化を図ることはできなかった。
【００１０】
したがって、本発明は、上記の事情に鑑みて、ディーゼルエンジン並みの高圧縮比化を実現して、極めて高い効率で運転可能な副室式エンジンを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
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の特徴構成は、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連通路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、前記副室に設けられた点火手段により点火し、前記連通路を介して前記主室に火炎ジェットを噴射する副室点火運転を実行可能な副室式エンジンであって、
前記副室に備えられた点火手段が、前記副室に燃料を供給する燃料供給手段よりも前記連通路に近接する前記連通路側に偏設されており、
前記主室の前記圧縮による最高到達圧力が、前記副室におけるノッキング回避圧力範囲の上限界値より高く設定され、且つ、前記副室の圧縮による最高到達圧力が前記副室におけるノッキング回避範囲内となるように、前記連通路におけるガスの流通に対して付与される背圧が前記連通路の流路断面積により設定されている点にある。
【００１２】
即ち、燃焼室として、ピストン頂部に接する主室と、この主室に連通路を介して連通する副室とを備えた副室式エンジンにおいて、上記特徴構成によれば、主室に吸気された新気が圧縮行程において連通路を通過して副室に流入する際に、連通路が所定の流路断面積に設定されていることで、新気の流通を阻止する方向に上記背圧を受けるので、非燃焼時の圧縮のみによる副室の最高到達圧力（以下、「副室最高到達圧力」と呼ぶ。）は、同じく非燃焼時の圧縮のみによる主室の最高到達圧力（以下、「主室最高到達圧力」と呼ぶ。）よりも低くなり、更に、副室の圧力が副室最高到達圧力となる時期が、主室の圧力が主室最高到達圧力となる時期に対して、遅延側にずれることになる。
【００１３】
よって、圧縮比（最大燃焼室容積／最小燃焼室容積）を、上記連通路において新気に付与される背圧が非常に小さい従来の副室式エンジンの圧縮比（例えば、１０程度）よりも高く設定して、主室最高到達圧力を副室におけるノッキング回避圧力範囲（即ち、副室で混合気を燃焼させた場合にノッキングを回避することができる副室の圧力範囲）の上限値よりも大きくなるように設定しても、主室から副室への方向に連通路を流通する新気に対して付加される背圧を、上記連通路の流路断面積の設定等により適切に設定することにより、副室最高到達圧力を上記主室最高到達圧力よりも小さい副室におけるノッキング回避圧力範囲内とすることができる。
よって、副室に形成された火花点火可能範囲内の当量比の混合気を、適切なノッキング回避圧力範囲内で点火して、副室において安定燃焼させることができる。
【００１４】
更に、副室において混合気を燃焼させて、副室の圧力が主室の圧力を上回ると、連通路を介して主室に火炎ジェットが噴射され、その火炎ジェットを着火源として、主室の上記点火可能範囲よりも低い当量比の希薄混合気を、ディーゼルエンジン並みの高圧縮状態で安定して燃焼させることができ、極めて高い効率を達成することができる。
【００１５】
また、本発明に係る副室式エンジンにおいて、前記点火手段の点火領域が、前記副室に燃料を供給する燃料供給手段よりも前記連通路に近接する前記連通路側に偏って配置されていることで、主室から連通路を介して流入した新気が点火手段の点火領域に到達しやすくなり、上記点火領域に火花点火可能範囲の当量比の混合気を容易に形成することができ、さらに、連通路に近い上記点火領域の混合気を火花点火して燃焼させて、積極的に、主室に火炎ジェットを噴出させることができる。
【００１６】
また、このように副室において点火領域を燃料供給手段よりも前記連通路に近接する連通路側に偏って配置することで、副室に比較的多くの燃料を供給しても、上記点火領域に、上記火花点火可能範囲の当量比の混合気を形成することができ、更に、その点火領域の周辺には、上記火花点火可能範囲よりも高い当量比の過濃混合気が形成されることになる。そして、上記副室において、上記点火領域の混合気を火花点火して燃焼させると、上記過濃混合気は、上記火炎ジェットにより主室に噴出され、更に、膨張行程の進行に伴って主室の圧力が副室よりも低下してから、主室に流入して新気と混合され拡散燃焼することになり、ディーゼルサイクル的な独特なサイクルを実現して、一層の高効率化及び低ＮＯｘ化を図ることができる。
【００１７】
また、前記副室の少なくとも前記点火手段の点火領域に形成される混合気が、当量比が火花点火可能範囲内である混合気であることで、混合気を安定し燃焼させることができ、前記主室に形成される混合気が、当量比が前記火花点火可能範囲内よりも低い希薄混合気であることで、低ＮＯｘ化等の排ガス性状の改善を図ることができる。
【００１８】
また、本発明に係る副室式エンジンにおいて、連通路に制御弁を備えた場合には、前記制御弁を閉状態として、前記主室に形成された混合気を前記主室において圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を実行可能に構成することができる。
即ち、上記制御弁を閉状態とすることで、主室から副室への新気の流入を阻止して、主室の圧力を主室の希薄混合気が自己着火する程度に上昇させることができるので、主室に形成された混合気を主室において圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を行うことができる。
【００１９】
一方、本発明に係る副室式エンジンにおいて、燃料が供給された副室に酸素含有ガスを供給して、前記点火手段の点火領域を火花点火可能範囲内の当量比の混合気が存在するものとすると共に、前記点火領域よりも前記連通路側に偏った領域を燃焼上限界以上の当量比の過濃混合気が存在する過濃領域とする酸素含有ガス供給手段を備えることもでできる。
【００２０】
即ち、互いに連通路により連通状態である主室と副室とを備えた副室式エンジンにおいて、副室に燃料を供給することで、副室に前述の過濃混合気を形成し、更に、上記酸素含有ガス供給手段により、例えば圧縮行程初期において、副室に空気等の酸素含有ガスを供給して、副室に上記火花点火過濃範囲内の点火領域と上記過濃領域とを形成することができる。
【００２１】
そして、上記点火手段を働かせて、前記副室の点火領域の混合気を火花点火して燃焼させると、副室の点火領域における燃焼による圧力波が、連通路側に形成された過濃領域に伝播され、その過濃領域の燃焼上限界以上の当量比である過濃混合気が、着火することなく、連通路を介して主室に高圧噴射され、後に、上記点火領域の混合気の燃焼による火炎ジェットが連通路を介して主室に噴射されて、上記主室において混合気を燃焼させるのである。
【００２２】
従って、上記のような独特な副室式エンジンによって、従来のディーゼルエンジンのような複雑で高価な燃料噴射装置や、燃料を燃焼室に直接噴射する層状給気方式における燃料噴射装置などを必要とせずに、副室の点火領域における燃焼による圧力上昇を利用して、副室に形成した過濃混合気を主室に高圧で噴射し、続いて主室に噴射された火炎ジェットにより、燃焼させるという独特な運転方法を行うことができ、主室においてノッキングが発生せずに所謂層状燃焼が進むことになる。
したがって、その燃料がたとえ気体燃料であっても、主室に高圧で混合気を噴射して自己着火させるディーゼルエンジン、又は、主室に設けられた点火プラグ付近に混合気を噴射し、その混合気を点火して周囲の希薄混合気を燃焼させる層状給気方式のＳＩエンジンとして構成することができ、高効率化且つ低ＮＯｘ化を図ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る副室式エンジンについて、図１−６に基づいて説明する。
【００２４】
図１に示す副室式エンジン１００は、本発明の権利対象ではないが、本発明の理解を容易にするため、図１に係る副室式エンジン１００から説明する。
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および排気弁（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の往復道を連結棒（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。
【００２５】
尚、副室式エンジン１００に於いて、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時の燃焼室容積比である圧縮比は１７である。また、副室式エンジン１００は、ディーゼルエンジンとしてはクランク軸の回転数が１２００ｒｐｍで運転されて１５ｋＷ程度の出力が得られるものである。
【００２６】
また、副室式エンジン１００は、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。
【００２７】
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程度である。
【００２８】
また、副室１１と主室１とを連通する連通路２０は、主室１の略中央部に開口する４つの主室孔２１と、副室１１に開口する１つの副室孔２２と、上記主室孔２１と上記副室孔２２とを接続する流路２３とからなる。
流路２３は、ピストン２の動作方向（図１における上下方向）に対して２０°程度傾斜した軸心に沿って延びる流路として形成され、その流路径は３ｍｍである。
上記４つの主室孔２１は、図２（ａ），（ｂ）にも示すように、上記流路２３の軸心を中心に周方向に等間隔で配置され、更に、上記シリンダ３軸心に対して７５／２°傾斜した噴孔角を有する。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
さらにまた、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（点火手段の一例）が設けられている。
【００３１】
このような副室式エンジン１００において、図４（ａ），（ｂ）に示すように、連通路２０において最も小さい流路断面積である４つの主室孔２１の開口面積の和Ｓｐのシリンダ３の横断面積Ｓｍに対する比（以下、断面積比と呼ぶ。）Ｓｒは、０．００１３以下に設定すると、主室１に吸気された新気Ｉが圧縮行程において連通路２０を通過して副室１１に流入する際に受ける背圧を大きくして、非燃焼時の圧縮のみによる副室最高到達圧力Ｐ２を、同じく非燃焼時の圧縮のみによる主室最高到達圧力Ｐ１よりも低くすることができ、更に、図４（ｃ）に示すように、副室１１の圧力が副室最高到達圧力Ｐ２となる時期を、主室１の圧力が主室最高到達圧力Ｐ１となる時期に対して、遅延側にずらすことができる。
【００３２】
そして、本副室式エンジン１００においては、上記断面積比Ｓｒが、上記のように副室最高到達圧力Ｐ２を主室最高到達圧力Ｐ１よりも低くすることができるように、０．００１３以下、好適には、０．０００５以下、さらに好適には、０．０００３程度となるように、上記連通路２０の最小流路断面積が設定されている。
【００３３】
上記のように、上記連通路２０の流路断面積を小さくする設定して、主室１から副室１１への方向に連通路２０を流通する新気Ｉに対して付加される背圧を大きくすることで、圧縮比を１７程度と高く設定しても、副室最高到達圧力Ｐ２を、上記主室最高到達圧力Ｐ１よりも小さく、副室１１で混合気を燃焼させた場合にノッキングを回避することができる副室１１のノッキング回避圧力範囲内とすることができる。
【００３４】
次に、副室式エンジン１００における、１サイクルにおける吸気弁４、排気弁、燃料供給弁３０、点火プラグ３２の動作状態を説明する。
【００３５】
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。
【００３６】
後に、吸気弁４および燃料供給弁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。
【００３７】
なお、圧縮行程初期の副室１１がまだ定圧状態のときに、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。
【００３８】
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の断面積比が例えば０．０００３程度と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。
【００３９】
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２２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。
【００４０】
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。
【００４１】
この圧縮行程では、連通路２０の主室孔２１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、副室最高到達圧力Ｐ２は、主室最高到達圧力Ｐ１の圧力よりも、図４（ａ）に示すように、約２ＭＰａ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、約２５ＭＰａの圧力場で当量比が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、約４５ＭＰａの圧力場で当量比が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。
【００４２】
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。
【００４３】
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、火炎ジェットが連通路２０を介して主室１に噴出される。
【００４４】
一方、主室１においては、高圧力場で、連通路２０から噴出された高エネルギの火炎ジェット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な燃焼が行われる。
【００４５】
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、例えば、図５に示すように、連通路２０の断面積比を０．００１３より大きくした副室エンジンに比べて、正味熱効率ηｅを向上することができ、例えば、連通路２０の断面積比を０．０００５程度とすることで、正味熱効率ηｅを２．５ポイント程度向上することができ、連通路２０の断面積比を０．０００３程度とすることで、正味熱効率ηｅを３．０ポイント程度向上することができる。また、主室１１に吸気される新気Ｉの空気比（当量比の逆数）を小さくして、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、図６に示すように、ノッキング限界における空気比λを低くすることができ、広い出力調整範囲を確保することができる。
また、副室１１内を当量比を濃い側に、主室１内の混合気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。
【００４６】
本発明に係る副室式エンジン２００の実施形態について、図７に基づいて説明する。
図７に示す副室式エンジン２００は、点火プラグ３２の点火領域の位置が連通路２０の副室孔２２に偏った位置に配置されており、それ以外は、前述した副室式エンジン１００と同様の構成である。
【００４７】
本エンジン２００は、前述の副室式エンジン１００と同様な運転方法で運転されるのであるが、副室１１及び主室１に供給される燃料割合が異なる。
【００４８】
即ち、副室１１には、圧縮行程後期に当量比が１.５−２.０程度と比較的高い混合気が形成され、主室１には当量比が０.４−０.５５程度の混合気が形成されている。副室１１に形成された混合気は、上記当量比が比較的高いため、そのままでは点火プラグ３２により火花点火することは困難であるが、副室式エンジン２００の点火領域が、連通路２０の副室孔２２に非常に近く、連通路２０からの新気流の通り道であることから、新気がその点火領域に多く供給されて、点火領域の混合気は、火花点火可能な当量比にまで希釈されることになる。
【００４９】
そして、副室式エンジン２００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。
【００５０】
すると、副室１１では、点火領域に存在する火花点火可能な混合気のみが燃焼し、副室１１の圧力が主室１の圧力よりも高くなった時点で、その点火領域の火炎が連通路２０から主室１に火炎ジェットとして噴出される。
【００５１】
主室１においては、連通路２０から噴出された高エネルギの火炎ジェットにより希薄混合気が燃焼すると、再度、主室１の圧力が副室１１の圧力より高くなる。その際、副室１１から主室１へのガスの噴出が停止され、副室１１において燃焼しなかった比較的高当量比の混合気が残存することになる。
【００５２】
燃焼・膨張行程が進行するにつれて、主室１の圧力が副室１１の圧力よりも低くなると、副室１１に残存していた混合気が連通路２０を介して主室１へ噴出され、主室１において緩やかに燃焼することになる。
【００５３】
このように構成された副室式エンジン２００は、点火プラグ３２の位置を変更すると共に、副室１１へ比較的高い当量比の混合気を形成するように燃料を供給することで、主室１の燃焼状態は所謂ディーゼルサイクルに近い状態となり、効率は高いまま、初期の燃焼を抑えて、低ＮＯX化を図ることができる。また、副室１１に供給する燃料量を増加させることで、燃焼後期に燃焼する燃料の割合が増加するため、過給機や触媒システムに有利な高温の排気ガスを排出させることもできる。
【００５４】
先に説明した図１に示す副室式エンジン１００において、副室１１に空気供給弁３１（酸素含有ガス供給手段の一例）を有する副室式エンジン３００の構成を、図８、図９に基づいて説明する。そして、この空気供給弁３１を有する構成は、先に説明した図７に示した副室式エンジン２００でも採用することが可能である。
図８に示す副室式エンジン３００は、副室機構２０に、空気流路４０に供給された空気Ａを所定の時期に０．７ＭＰａ（Ｇａｕｇｅ）の供給圧力で副室１１の上方の点火プラグ３２の点火領域付近に供給可能な空気供給弁３１（酸素含有ガス供給手段の一例）が設けられており、それ以外は、前述の副室式エンジン１００と同様の構成である。
【００５５】
次に、本実施形態の副室式エンジン３００において、１サイクルにおける吸気弁４、排気弁、燃料供給弁３０、点火プラグ３２と、上記空気供給弁３１の動作状態を説明する。
【００５６】
図９に示すように、副室式エンジン３００は、上記吸気弁４、排気弁、燃料供給弁３０、点火プラグ３２の動作時期は、前述の副室式エンジン１００と同様であるので、説明を割愛するが、圧縮行程中期の、例えばクランク角度が６０−５０°ＢＴＤＣである期間において、空気供給弁３１が開状態とされて、空気Ａが副室１１の点火プラグ３２の点火領域付近に向けて供給される。
【００５７】
よって、副室１１の上記点火プラグ３２の点火領域では、主室１から流入した新気Ｉと上記空気供給弁３１から供給された空気Ａ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、一方、上記点火領域よりも連通路２０側に偏った過濃領域では、燃焼上限界以上の当量比の過濃混合気が形成される。
【００５８】
この圧縮行程では、これまで説明してきたように、連通路２０の主室孔２１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、副室最高到達圧力Ｐ２は、主室最高到達圧力Ｐ１の圧力よりも、図４（ａ）に示すように、約２ＭＰａ低下したものになる。
【００５９】
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。
【００６０】
すると、副室１１では、点火領域における燃焼による圧力波が、連通路側に形成された過濃領域に伝播され、その過濃領域の燃焼上限界以上の当量比である過濃混合気が、着火することなく、連通路２０を介して主室１に高圧噴射され、後に、上記点火領域の混合気の燃焼による火炎ジェットが連通路２０を介して主室１に噴射され、上記主室１において混合気を燃焼させる。
【００６１】
即ち、副室式エンジン３００は、燃料Ｇが高圧噴射が困難な気体燃料であっても、副室１１の点火領域における燃焼による圧力上昇を利用して、副室１１に形成した過濃混合気を主室１に高圧で噴射し、続いて主室１に噴射された火炎ジェットにより、主室１の混合気を燃焼させるディーゼルエンジンのような運転を行うことができ、主室１においてノッキングが発生せずに所謂層状燃焼を進めることができ、高効率化且つ低ＮＯｘ化を図ることができる。
【００６２】
尚、本副室エンジン３００において、副室１１への燃料供給量及び空気供給量、主室１への燃料供給量等を一定としたが、別に、それらの供給量を調整して、主室１及び副室１１に形成される混合気の分布を調整することもできる。例えば、起動時には、副室１１への燃料供給量の割合を低下させて、副室１１全域に火花点火可能範囲内の当量比の混合気を形成し、副室１１から連通路２０を介して主室１へ、過濃混合気を殆ど噴出させずに、火炎ジェットのみを噴出させて、主室１の混合気を安定して燃焼させることもできる。また、例えば、高負荷時には、上記のように、副室１１から主室１へ火炎ジェットのみを噴出させる運転を行い、低負荷時には、副室１１への燃料供給量の割合を増加させて、副室１１から主室１に過濃混合気を噴出するディーゼルエンジンのような運転を行うことができる。
【００６３】
〔別実施形態〕
（１） 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Ｈ2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、たとえば、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】 副室式エンジンの概略構成図
【図２】 副室式エンジンの部分拡大図
【図３】 副室式エンジンの動作状態を示すタイムチャート図
【図４】 副室式エンジンの連通路の断面積比と最高到達圧力に関連する状態との関係を示すグラフ図
【図５】 副室式エンジンの連通路の断面積比と正味熱効率との関係を示すグラフ図
【図６】 副室式エンジンの連通路の断面積比とノッキング限界における空気比との関係を示すグラフ図
【図７】 本発明に係る副室式エンジンの概略構成図
【図８】 副室式エンジンの概略構成図
【図９】 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
２：ピストン
２ａ：凹部
３：シリンダ
４：吸気弁
９：シリンダヘッド
１０：副室機構
２０：連通路
２１：主室孔
２２：副室孔
２３：流路
３０：燃料供給弁
３１：空気供給弁（酸素含有ガス供給手段）
３２：点火プラグ
１００，２００：副室式エンジン
【発明の属する技術分野】
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連通路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、前記副室に設けられた点火手段により点火し、前記連通路を介して前記主室に火炎ジェットを噴射する副室点火運転を実行可能な副室式エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来エンジンは、火花点火エンジン（オットーサイクルエンジン）と、圧縮空気中に液体燃料を噴射するディーゼルエンジンに大きく分けられる。
【０００３】
火花点火エンジンは、燃焼室において吸気された空気と燃料との混合気を圧縮した後に、点火プラグにより点火して燃焼させるように構成され、その理想的なサイクルはオットーサイクル（定容加熱サイクル）と考えられており、圧縮比を高くして燃料を希薄状態で燃焼させることによって熱効率を向上させることができる。
【０００４】
特に部分負荷時の燃焼温度の低下、サイクル効率の向上、ポンピング損失の低下などを実現することができ、排ガス性状及び燃費の改善に有効である火花点火エンジンの希薄燃焼方式としては、層状吸気方式がある。
【０００５】
層状吸気方式とは、燃焼室において、点火プラグの点火部の周辺には、火花点火可能な当量比の混合気が存在する点火領域を形成し、その点火領域の周辺には、点火領域の混合気よりも当量比が低く希薄状態である混合気が存在する希薄領域を形成して、先ず、上記点火領域に存在する混合気を点火プラグにより点火して燃焼させ、その火炎により上記希薄領域に存在する混合気を燃焼させて、全体として燃料を希薄状態で燃焼させる燃焼方式であり、層状吸気方式の燃焼室形状は、単室式と副室式とに大別される。
【０００６】
単室式は、ピストン頂部に形成した凹部を燃焼室として利用し、燃焼室における吸気の流れを利用して、点火プラグの点火部周辺に火花点火可能な混合気を形成するものである。
【０００７】
一方、副室式は、ピストン頂部に接する主室とその主室と連通路を介して連通する副室とを燃焼室として備えたエンジンにおいて、主室に吸気された希薄混合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連通路を介して副室に流入させ、副室に流入した希薄混合気と副室に直接供給された燃料とから、点火プラグが設けられた副室に火花点火可能な当量比の混合気を形成し、その混合気を点火プラグにより点火して燃焼させ、連通路を介して主室に噴射される火炎ジェットにより、主室の希薄混合気を燃焼させる所謂副室点火運転を行うものである（例えば、特許文献１−３参照。）。
そして、火花点火エンジンの層状吸気方式として、上記副室式を採用することにより、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おいても、その燃料を副室に良好に保持することができ、簡単に、点火時期において火花点火可能な当量比の混合気を副室に形成することができる。よって、上記副室式においては、燃料噴射弁の簡素化が可能であり、例えば燃料として高圧縮が困難な天然ガス等の気体燃料を容易に利用することができる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−２７６４７４号公報
【特許文献２】
特開２００１−３０３９５８号公報
【特許文献３】
特開２００１−２６３０６９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
火花点火エンジンにおいて、単室式又は副室式の層状吸気方式を採用しても、点火プラグ周辺の点火領域においては、混合気は火炎伝播により急激に燃焼するので、燃焼時の急激な圧力上昇により末端ガスが自己着火してしまう所謂ノッキングを回避するという制約条件下において、圧縮比を設定する必要があったため、ディーゼルエンジン並みの圧縮比に設定して、一層の高効率化を図ることはできなかった。
【００１０】
したがって、本発明は、上記の事情に鑑みて、ディーゼルエンジン並みの高圧縮比化を実現して、極めて高い効率で運転可能な副室式エンジンを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
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の特徴構成は、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連通路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、前記副室に設けられた点火手段により点火し、前記連通路を介して前記主室に火炎ジェットを噴射する副室点火運転を実行可能な副室式エンジンであって、
前記副室に備えられた点火手段が、前記副室に燃料を供給する燃料供給手段よりも前記連通路に近接する前記連通路側に偏設されており、
前記主室の前記圧縮による最高到達圧力が、前記副室におけるノッキング回避圧力範囲の上限界値より高く設定され、且つ、前記副室の圧縮による最高到達圧力が前記副室におけるノッキング回避範囲内となるように、前記連通路におけるガスの流通に対して付与される背圧が前記連通路の流路断面積により設定されている点にある。
【００１２】
即ち、燃焼室として、ピストン頂部に接する主室と、この主室に連通路を介して連通する副室とを備えた副室式エンジンにおいて、上記特徴構成によれば、主室に吸気された新気が圧縮行程において連通路を通過して副室に流入する際に、連通路が所定の流路断面積に設定されていることで、新気の流通を阻止する方向に上記背圧を受けるので、非燃焼時の圧縮のみによる副室の最高到達圧力（以下、「副室最高到達圧力」と呼ぶ。）は、同じく非燃焼時の圧縮のみによる主室の最高到達圧力（以下、「主室最高到達圧力」と呼ぶ。）よりも低くなり、更に、副室の圧力が副室最高到達圧力となる時期が、主室の圧力が主室最高到達圧力となる時期に対して、遅延側にずれることになる。
【００１３】
よって、圧縮比（最大燃焼室容積／最小燃焼室容積）を、上記連通路において新気に付与される背圧が非常に小さい従来の副室式エンジンの圧縮比（例えば、１０程度）よりも高く設定して、主室最高到達圧力を副室におけるノッキング回避圧力範囲（即ち、副室で混合気を燃焼させた場合にノッキングを回避することができる副室の圧力範囲）の上限値よりも大きくなるように設定しても、主室から副室への方向に連通路を流通する新気に対して付加される背圧を、上記連通路の流路断面積の設定等により適切に設定することにより、副室最高到達圧力を上記主室最高到達圧力よりも小さい副室におけるノッキング回避圧力範囲内とすることができる。
よって、副室に形成された火花点火可能範囲内の当量比の混合気を、適切なノッキング回避圧力範囲内で点火して、副室において安定燃焼させることができる。
【００１４】
更に、副室において混合気を燃焼させて、副室の圧力が主室の圧力を上回ると、連通路を介して主室に火炎ジェットが噴射され、その火炎ジェットを着火源として、主室の上記点火可能範囲よりも低い当量比の希薄混合気を、ディーゼルエンジン並みの高圧縮状態で安定して燃焼させることができ、極めて高い効率を達成することができる。
【００１５】
また、本発明に係る副室式エンジンにおいて、前記点火手段の点火領域が、前記副室に燃料を供給する燃料供給手段よりも前記連通路に近接する前記連通路側に偏って配置されていることで、主室から連通路を介して流入した新気が点火手段の点火領域に到達しやすくなり、上記点火領域に火花点火可能範囲の当量比の混合気を容易に形成することができ、さらに、連通路に近い上記点火領域の混合気を火花点火して燃焼させて、積極的に、主室に火炎ジェットを噴出させることができる。
【００１６】
また、このように副室において点火領域を燃料供給手段よりも前記連通路に近接する連通路側に偏って配置することで、副室に比較的多くの燃料を供給しても、上記点火領域に、上記火花点火可能範囲の当量比の混合気を形成することができ、更に、その点火領域の周辺には、上記火花点火可能範囲よりも高い当量比の過濃混合気が形成されることになる。そして、上記副室において、上記点火領域の混合気を火花点火して燃焼させると、上記過濃混合気は、上記火炎ジェットにより主室に噴出され、更に、膨張行程の進行に伴って主室の圧力が副室よりも低下してから、主室に流入して新気と混合され拡散燃焼することになり、ディーゼルサイクル的な独特なサイクルを実現して、一層の高効率化及び低ＮＯｘ化を図ることができる。
【００１７】
また、前記副室の少なくとも前記点火手段の点火領域に形成される混合気が、当量比が火花点火可能範囲内である混合気であることで、混合気を安定し燃焼させることができ、前記主室に形成される混合気が、当量比が前記火花点火可能範囲内よりも低い希薄混合気であることで、低ＮＯｘ化等の排ガス性状の改善を図ることができる。
【００１８】
また、本発明に係る副室式エンジンにおいて、連通路に制御弁を備えた場合には、前記制御弁を閉状態として、前記主室に形成された混合気を前記主室において圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を実行可能に構成することができる。
即ち、上記制御弁を閉状態とすることで、主室から副室への新気の流入を阻止して、主室の圧力を主室の希薄混合気が自己着火する程度に上昇させることができるので、主室に形成された混合気を主室において圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を行うことができる。
【００１９】
一方、本発明に係る副室式エンジンにおいて、燃料が供給された副室に酸素含有ガスを供給して、前記点火手段の点火領域を火花点火可能範囲内の当量比の混合気が存在するものとすると共に、前記点火領域よりも前記連通路側に偏った領域を燃焼上限界以上の当量比の過濃混合気が存在する過濃領域とする酸素含有ガス供給手段を備えることもでできる。
【００２０】
即ち、互いに連通路により連通状態である主室と副室とを備えた副室式エンジンにおいて、副室に燃料を供給することで、副室に前述の過濃混合気を形成し、更に、上記酸素含有ガス供給手段により、例えば圧縮行程初期において、副室に空気等の酸素含有ガスを供給して、副室に上記火花点火過濃範囲内の点火領域と上記過濃領域とを形成することができる。
【００２１】
そして、上記点火手段を働かせて、前記副室の点火領域の混合気を火花点火して燃焼させると、副室の点火領域における燃焼による圧力波が、連通路側に形成された過濃領域に伝播され、その過濃領域の燃焼上限界以上の当量比である過濃混合気が、着火することなく、連通路を介して主室に高圧噴射され、後に、上記点火領域の混合気の燃焼による火炎ジェットが連通路を介して主室に噴射されて、上記主室において混合気を燃焼させるのである。
【００２２】
従って、上記のような独特な副室式エンジンによって、従来のディーゼルエンジンのような複雑で高価な燃料噴射装置や、燃料を燃焼室に直接噴射する層状給気方式における燃料噴射装置などを必要とせずに、副室の点火領域における燃焼による圧力上昇を利用して、副室に形成した過濃混合気を主室に高圧で噴射し、続いて主室に噴射された火炎ジェットにより、燃焼させるという独特な運転方法を行うことができ、主室においてノッキングが発生せずに所謂層状燃焼が進むことになる。
したがって、その燃料がたとえ気体燃料であっても、主室に高圧で混合気を噴射して自己着火させるディーゼルエンジン、又は、主室に設けられた点火プラグ付近に混合気を噴射し、その混合気を点火して周囲の希薄混合気を燃焼させる層状給気方式のＳＩエンジンとして構成することができ、高効率化且つ低ＮＯｘ化を図ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る副室式エンジンについて、図１−６に基づいて説明する。
【００２４】
図１に示す副室式エンジン１００は、本発明の権利対象ではないが、本発明の理解を容易にするため、図１に係る副室式エンジン１００から説明する。
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および排気弁（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の往復道を連結棒（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。
【００２５】
尚、副室式エンジン１００に於いて、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時の燃焼室容積比である圧縮比は１７である。また、副室式エンジン１００は、ディーゼルエンジンとしてはクランク軸の回転数が１２００ｒｐｍで運転されて１５ｋＷ程度の出力が得られるものである。
【００２６】
また、副室式エンジン１００は、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。
【００２７】
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程度である。
【００２８】
また、副室１１と主室１とを連通する連通路２０は、主室１の略中央部に開口する４つの主室孔２１と、副室１１に開口する１つの副室孔２２と、上記主室孔２１と上記副室孔２２とを接続する流路２３とからなる。
流路２３は、ピストン２の動作方向（図１における上下方向）に対して２０°程度傾斜した軸心に沿って延びる流路として形成され、その流路径は３ｍｍである。
上記４つの主室孔２１は、図２（ａ），（ｂ）にも示すように、上記流路２３の軸心を中心に周方向に等間隔で配置され、更に、上記シリンダ３軸心に対して７５／２°傾斜した噴孔角を有する。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
さらにまた、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（点火手段の一例）が設けられている。
【００３１】
このような副室式エンジン１００において、図４（ａ），（ｂ）に示すように、連通路２０において最も小さい流路断面積である４つの主室孔２１の開口面積の和Ｓｐのシリンダ３の横断面積Ｓｍに対する比（以下、断面積比と呼ぶ。）Ｓｒは、０．００１３以下に設定すると、主室１に吸気された新気Ｉが圧縮行程において連通路２０を通過して副室１１に流入する際に受ける背圧を大きくして、非燃焼時の圧縮のみによる副室最高到達圧力Ｐ２を、同じく非燃焼時の圧縮のみによる主室最高到達圧力Ｐ１よりも低くすることができ、更に、図４（ｃ）に示すように、副室１１の圧力が副室最高到達圧力Ｐ２となる時期を、主室１の圧力が主室最高到達圧力Ｐ１となる時期に対して、遅延側にずらすことができる。
【００３２】
そして、本副室式エンジン１００においては、上記断面積比Ｓｒが、上記のように副室最高到達圧力Ｐ２を主室最高到達圧力Ｐ１よりも低くすることができるように、０．００１３以下、好適には、０．０００５以下、さらに好適には、０．０００３程度となるように、上記連通路２０の最小流路断面積が設定されている。
【００３３】
上記のように、上記連通路２０の流路断面積を小さくする設定して、主室１から副室１１への方向に連通路２０を流通する新気Ｉに対して付加される背圧を大きくすることで、圧縮比を１７程度と高く設定しても、副室最高到達圧力Ｐ２を、上記主室最高到達圧力Ｐ１よりも小さく、副室１１で混合気を燃焼させた場合にノッキングを回避することができる副室１１のノッキング回避圧力範囲内とすることができる。
【００３４】
次に、副室式エンジン１００における、１サイクルにおける吸気弁４、排気弁、燃料供給弁３０、点火プラグ３２の動作状態を説明する。
【００３５】
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。
【００３６】
後に、吸気弁４および燃料供給弁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。
【００３７】
なお、圧縮行程初期の副室１１がまだ定圧状態のときに、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。
【００３８】
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の断面積比が例えば０．０００３程度と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。
【００３９】
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２２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。
【００４０】
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。
【００４１】
この圧縮行程では、連通路２０の主室孔２１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、副室最高到達圧力Ｐ２は、主室最高到達圧力Ｐ１の圧力よりも、図４（ａ）に示すように、約２ＭＰａ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、約２５ＭＰａの圧力場で当量比が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、約４５ＭＰａの圧力場で当量比が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。
【００４２】
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。
【００４３】
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、火炎ジェットが連通路２０を介して主室１に噴出される。
【００４４】
一方、主室１においては、高圧力場で、連通路２０から噴出された高エネルギの火炎ジェット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な燃焼が行われる。
【００４５】
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、例えば、図５に示すように、連通路２０の断面積比を０．００１３より大きくした副室エンジンに比べて、正味熱効率ηｅを向上することができ、例えば、連通路２０の断面積比を０．０００５程度とすることで、正味熱効率ηｅを２．５ポイント程度向上することができ、連通路２０の断面積比を０．０００３程度とすることで、正味熱効率ηｅを３．０ポイント程度向上することができる。また、主室１１に吸気される新気Ｉの空気比（当量比の逆数）を小さくして、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、図６に示すように、ノッキング限界における空気比λを低くすることができ、広い出力調整範囲を確保することができる。
また、副室１１内を当量比を濃い側に、主室１内の混合気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。
【００４６】
本発明に係る副室式エンジン２００の実施形態について、図７に基づいて説明する。
図７に示す副室式エンジン２００は、点火プラグ３２の点火領域の位置が連通路２０の副室孔２２に偏った位置に配置されており、それ以外は、前述した副室式エンジン１００と同様の構成である。
【００４７】
本エンジン２００は、前述の副室式エンジン１００と同様な運転方法で運転されるのであるが、副室１１及び主室１に供給される燃料割合が異なる。
【００４８】
即ち、副室１１には、圧縮行程後期に当量比が１.５−２.０程度と比較的高い混合気が形成され、主室１には当量比が０.４−０.５５程度の混合気が形成されている。副室１１に形成された混合気は、上記当量比が比較的高いため、そのままでは点火プラグ３２により火花点火することは困難であるが、副室式エンジン２００の点火領域が、連通路２０の副室孔２２に非常に近く、連通路２０からの新気流の通り道であることから、新気がその点火領域に多く供給されて、点火領域の混合気は、火花点火可能な当量比にまで希釈されることになる。
【００４９】
そして、副室式エンジン２００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。
【００５０】
すると、副室１１では、点火領域に存在する火花点火可能な混合気のみが燃焼し、副室１１の圧力が主室１の圧力よりも高くなった時点で、その点火領域の火炎が連通路２０から主室１に火炎ジェットとして噴出される。
【００５１】
主室１においては、連通路２０から噴出された高エネルギの火炎ジェットにより希薄混合気が燃焼すると、再度、主室１の圧力が副室１１の圧力より高くなる。その際、副室１１から主室１へのガスの噴出が停止され、副室１１において燃焼しなかった比較的高当量比の混合気が残存することになる。
【００５２】
燃焼・膨張行程が進行するにつれて、主室１の圧力が副室１１の圧力よりも低くなると、副室１１に残存していた混合気が連通路２０を介して主室１へ噴出され、主室１において緩やかに燃焼することになる。
【００５３】
このように構成された副室式エンジン２００は、点火プラグ３２の位置を変更すると共に、副室１１へ比較的高い当量比の混合気を形成するように燃料を供給することで、主室１の燃焼状態は所謂ディーゼルサイクルに近い状態となり、効率は高いまま、初期の燃焼を抑えて、低ＮＯX化を図ることができる。また、副室１１に供給する燃料量を増加させることで、燃焼後期に燃焼する燃料の割合が増加するため、過給機や触媒システムに有利な高温の排気ガスを排出させることもできる。
【００５４】
先に説明した図１に示す副室式エンジン１００において、副室１１に空気供給弁３１（酸素含有ガス供給手段の一例）を有する副室式エンジン３００の構成を、図８、図９に基づいて説明する。そして、この空気供給弁３１を有する構成は、先に説明した図７に示した副室式エンジン２００でも採用することが可能である。
図８に示す副室式エンジン３００は、副室機構２０に、空気流路４０に供給された空気Ａを所定の時期に０．７ＭＰａ（Ｇａｕｇｅ）の供給圧力で副室１１の上方の点火プラグ３２の点火領域付近に供給可能な空気供給弁３１（酸素含有ガス供給手段の一例）が設けられており、それ以外は、前述の副室式エンジン１００と同様の構成である。
【００５５】
次に、本実施形態の副室式エンジン３００において、１サイクルにおける吸気弁４、排気弁、燃料供給弁３０、点火プラグ３２と、上記空気供給弁３１の動作状態を説明する。
【００５６】
図９に示すように、副室式エンジン３００は、上記吸気弁４、排気弁、燃料供給弁３０、点火プラグ３２の動作時期は、前述の副室式エンジン１００と同様であるので、説明を割愛するが、圧縮行程中期の、例えばクランク角度が６０−５０°ＢＴＤＣである期間において、空気供給弁３１が開状態とされて、空気Ａが副室１１の点火プラグ３２の点火領域付近に向けて供給される。
【００５７】
よって、副室１１の上記点火プラグ３２の点火領域では、主室１から流入した新気Ｉと上記空気供給弁３１から供給された空気Ａ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、一方、上記点火領域よりも連通路２０側に偏った過濃領域では、燃焼上限界以上の当量比の過濃混合気が形成される。
【００５８】
この圧縮行程では、これまで説明してきたように、連通路２０の主室孔２１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、副室最高到達圧力Ｐ２は、主室最高到達圧力Ｐ１の圧力よりも、図４（ａ）に示すように、約２ＭＰａ低下したものになる。
【００５９】
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。
【００６０】
すると、副室１１では、点火領域における燃焼による圧力波が、連通路側に形成された過濃領域に伝播され、その過濃領域の燃焼上限界以上の当量比である過濃混合気が、着火することなく、連通路２０を介して主室１に高圧噴射され、後に、上記点火領域の混合気の燃焼による火炎ジェットが連通路２０を介して主室１に噴射され、上記主室１において混合気を燃焼させる。
【００６１】
即ち、副室式エンジン３００は、燃料Ｇが高圧噴射が困難な気体燃料であっても、副室１１の点火領域における燃焼による圧力上昇を利用して、副室１１に形成した過濃混合気を主室１に高圧で噴射し、続いて主室１に噴射された火炎ジェットにより、主室１の混合気を燃焼させるディーゼルエンジンのような運転を行うことができ、主室１においてノッキングが発生せずに所謂層状燃焼を進めることができ、高効率化且つ低ＮＯｘ化を図ることができる。
【００６２】
尚、本副室エンジン３００において、副室１１への燃料供給量及び空気供給量、主室１への燃料供給量等を一定としたが、別に、それらの供給量を調整して、主室１及び副室１１に形成される混合気の分布を調整することもできる。例えば、起動時には、副室１１への燃料供給量の割合を低下させて、副室１１全域に火花点火可能範囲内の当量比の混合気を形成し、副室１１から連通路２０を介して主室１へ、過濃混合気を殆ど噴出させずに、火炎ジェットのみを噴出させて、主室１の混合気を安定して燃焼させることもできる。また、例えば、高負荷時には、上記のように、副室１１から主室１へ火炎ジェットのみを噴出させる運転を行い、低負荷時には、副室１１への燃料供給量の割合を増加させて、副室１１から主室１に過濃混合気を噴出するディーゼルエンジンのような運転を行うことができる。
【００６３】
〔別実施形態〕
（１） 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Ｈ2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、たとえば、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】 副室式エンジンの概略構成図
【図２】 副室式エンジンの部分拡大図
【図３】 副室式エンジンの動作状態を示すタイムチャート図
【図４】 副室式エンジンの連通路の断面積比と最高到達圧力に関連する状態との関係を示すグラフ図
【図５】 副室式エンジンの連通路の断面積比と正味熱効率との関係を示すグラフ図
【図６】 副室式エンジンの連通路の断面積比とノッキング限界における空気比との関係を示すグラフ図
【図７】 本発明に係る副室式エンジンの概略構成図
【図８】 副室式エンジンの概略構成図
【図９】 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
２：ピストン
２ａ：凹部
３：シリンダ
４：吸気弁
９：シリンダヘッド
１０：副室機構
２０：連通路
２１：主室孔
２２：副室孔
２３：流路
３０：燃料供給弁
３１：空気供給弁（酸素含有ガス供給手段）
３２：点火プラグ
１００，２００：副室式エンジン
Claims (4)
- 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連通路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、前記副室に設けられた点火手段により点火し、前記連通路を介して前記主室に火炎ジェットを噴射する副室点火運転を実行可能な副室式エンジンであって、
前記副室に備えられた点火手段が、前記副室に燃料を供給する燃料供給手段よりも前記連通路に近接する前記連通路側に偏設されており、
前記主室の前記圧縮による最高到達圧力が、前記副室におけるノッキング回避圧力範囲の上限界値より高く設定され、且つ、前記副室の圧縮による最高到達圧力が前記副室におけるノッキング回避範囲内となるように、前記連通路におけるガスの流通に対して付与される背圧が前記連通路の流路断面積により設定されている副室式エンジン。 - 前記連通路に制御弁を設けると共に、前記制御弁を閉状態として、前記主室に形成された混合気を前記主室において圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を実行可能に構成されている請求項１に記載の副室式エンジン。
- 前記副室の少なくとも前記点火手段の点火領域に形成される混合気が、当量比が火花点火可能範囲内である混合気であり、前記主室に形成される混合気が、当量比が前記火花点火可能範囲内よりも低い希薄混合気である請求項１又は２に記載の副室式エンジン。
- 燃料が供給された副室に酸素含有ガスを供給して、前記点火手段の点火領域を火花点火可能範囲内の当量比の混合気が存在するものとすると共に、前記点火領域よりも前記連通路側に偏った領域を燃焼上限界以上の当量比の過濃混合気が存在する過濃領域とする酸素含有ガス供給手段を備えた請求項３に記載の副室式エンジン。
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