JPH09158733A - 副室式ガスエンジンにおけるガス燃料供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガス燃料供給装置において、副室バルブのバ
ルブステムとバルブガイドとの間の隙間とガス燃料供給
ポートとのシール性を向上させる。 【解決手段】 この副室式ガスエンジンにおけるガス燃
料供給装置は、シリンダヘッド１３に配置した副室構造
体３を副室固定スリーブ９で固定する。主室１と副室２
とを連絡口６で連通すると共に、副室固定スリーブ９に
ガス燃料を副室２に供給するためガス燃料供給ポート５
を設け、連絡口６を開閉するための副室バルブ４のバル
ブステム３４に設けたピストン部７によってガス燃料供
給ポート５を開閉する。ガス燃料供給ポート５には、副
室２からガス燃料通路２５へのガスの逆流を防止する逆
止弁２２を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ガス燃料供給ポート
を備えた副室をシリンダヘッドに構成し、副室と主室と
を連通する連絡口に副室バルブを配置した副室式ガスエ
ンジンにおけるガス燃料供給装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガスエンジンとして、シリンダヘ
ッドに副室を設け、副室内を燃料リッチな状態にし、希
薄領域における着火性を確実なものにし、燃焼を安定さ
せる方法が考えられる。ところが、ガスエンジンは、ナ
チュラルガス即ち天然ガスを燃料とするものであり、燃
料がガスである。そこで、吸入行程でガスを吸入し、次
いで圧縮すると、混合気は高圧縮されて高温になり、自
己着火の現象即ちノッキングが発生する。しかるに、天
然ガスのガス燃料は圧縮比が１２以下でないと、自己着
火するものである。

【０００３】そこで、副室式ガスエンジンにおいて、希
薄燃焼を更に安定させるために、副室と主室とを連通す
る連絡口に副室バルブを設置し、吸入行程時には該副室
バルブを閉じておき、主室に空気のみを吸入し、副室に
天然ガスを導入する。そして、副室バルブを圧縮行程上
死点手前で開き、主室と副室との圧力差により瞬間的に
副室内に空気を流入させ、天然ガスと空気とは急速に混
合して着火燃焼し、副室から連絡孔を通じて主室に流出
しながら短時間に希薄燃焼を完了させる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、本出願人
は、上記の問題を解決したガスエンジンを開発し、特願
平６−１２４６７８号として先に出願した。該ガスエン
ジンは、副室にナチュラルガス等のガス燃料を導入し、
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ーで検出し、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
焼させる。しかも、副室内では燃料が過濃状態であるの
でＮＯ_X の発生を抑制する状態で燃焼させ、火炎を副室
から主室に一気に噴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、ＮＯ_X 、ＨＣ等
の発生を低減し、熱効率を高め、ガス燃料の自己着火を
防止してノッキングの発生を防止するものである。

【０００５】しかしながら、従来の副室式ガスエンジン
では、副室をシリンダヘッドに配置し、シリンダ側に形
成された主室と副室とを連通する連絡口に副室バルブを
配置し、副室バルブのバルブステムをシリンダヘッドに
形成したバルブガイドに貫通させている。バルブステム
とバルブガイドとの間のガスシールは、バルブガイド上
部に位置するバルブステムと、バルブガイド内部に設置
したシールリングとによって行なわれている。そのた
め、副室内に高温の燃焼ガスとバルブステムの摺動運動
によってシールリングが破損し、燃焼ガスが副室バルブ
のバルブステムとバルブガイドとのクリアランスからリ
ークするという問題が生じる。また、従来の副室式ガス
エンジンでは、ガス燃料供給ノズルが副室上部に設置さ
れているので、レイアウト上、副室上部のシール構造に
自由度が無いという問題がある。

【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、シリンダヘッドに副室を
構成する副室構造体を配置し、シリンダ側に主室を構成
し、主室と副室とを連通する連絡口に副室バルブを配置
し、副室上部にガス燃料供給ポートを形成した副室式ガ
スエンジンにおいて、連絡口の開閉タイミングとガス燃
料供給ポートの開閉タイミングとが所定の関係を持つこ
とに着目し、連絡口とガス燃料供給ポートとの開閉を一
本の副室バルブで機能させ、副室バルブのバルブステム
とバルブガイドとの間のシール構造を確実な安定した構
造に構成し、部品点数を低減した副室式ガスエンジンに
おけるガス燃料供給装置を提供することである。

【０００７】この発明は、シリンダヘッドに形成したキ
ャビティに配置され且つシリンダのほぼ中央に配置され
た副室を形成する副室構造体、前記副室とシリンダ側の
主室とを連通する連絡口、前記副室構造体を前記シリン
ダヘッドに固定するため前記キャビティに配置固定され
た副室固定スリーブ、ガス燃料供給源からのガス燃料を
前記副室に供給するため前記シリンダヘッドに設けられ
たガス燃料通路、前記ガス燃料通路に接続し且つ前記副
室固定スリーブに形成されたガス燃料供給ポート、前記
連絡口を開閉するための副室バルブ、及び前記ガス燃料
供給ポートを前記副室に開閉するため前記副室固定スリ
ーブに形成されたシリンダ部を往復動する前記副室バル
ブのバルブステムに設けたピストン部、から構成した副
室式ガスエンジンにおけるガス燃料供給装置に関する。

【０００８】また、前記ガス燃料供給ポートには、前記
副室から前記ガス燃料通路への高圧ガスの逆流を防止す
る逆止弁が配置されている。従って、前記副室バルブが
前記連絡口を閉鎖している時に、前記副室内の圧力が着
火燃焼によって上昇したとしても、前記副室内のガス圧
で前記逆止弁が直ちに作動し、前記副室内のガスが前記
副室から前記ガス燃料供給ポートを通じてガス燃料通路
へ逆流することが防止される。

【０００９】また、この副室式ガスエンジンにおけるガ
ス燃料供給装置では、前記副室バルブが前記連絡口を閉
鎖した状態で前記ピストン部が前記ガス燃料供給ポート
を前記副室に開口し、前記副室バルブが前記連絡口を開
放した状態で前記ピストン部が前記ガス燃料供給ポート
を閉鎖するように設定されている。

【００１０】また、前記バルブステムに設けた前記ピス
トン部の外周面に装着された一対のシールリングは、前
記ピストン部が前記ガス燃料供給ポートを閉鎖する状態
で前記ガス燃料供給ポートの両側に位置するように隔置
され、前記ピストン部の外周面と前記副室固定スリーブ
の前記シリンダ部との間の隙間をシールしている。

【００１１】また、前記副室固定スリーブには、前記副
室バルブのバルブガイドを行なうため前記副室バルブの
前記バルブステムが貫通するバルブガイド孔が形成され
ている。

【００１２】この副室式ガスエンジンにおけるガス燃料
供給装置は、上記のように構成されているので、シリン
ダヘッド上方の動弁機構のカム室側からシリンダヘッド
に形成したキャビティに副室構造体を挿入し、副室バル
ブの往復動の摺動ガイドと副室構造体のシリンダヘッド
への固定とを兼ねると共にガス燃料供給ポートを形成し
た副室固定スリーブを前記キャビティに挿入してシリン
ダヘッドに固定し、副室バルブのバルブステムに形成し
たピストン部をガス燃料供給ポートの開閉に機能させる
と共に、ピストン部にシールリングを装着してシール性
を向上させている。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
による副室式ガスエンジンにおけるガス燃料供給装置の
実施例を説明する。図１はこの発明による副室式ガスエ
ンジンにおけるガス燃料供給装置の一実施例を示す断面
図、及び図２は図１のガス燃料供給装置の副室バルブの
開放状態を示す断面図である。

【００１４】このガス燃料供給装置を組み込んだ副室式
ガスエンジンは、天然ガス等のガス燃料を燃料とするデ
ィーゼルサイクルで駆動されるものであり、例えば、シ
リンダブロックに固定されたシリンダヘッド１３に吸、
排気ポートが形成され、該吸、排気ポートに吸排、気バ
ルブがそれぞれ配置されている。この副室式ガスエンジ
ンは、例えば、シリンダブロックにガスケットを介して
固定されたシリンダヘッド１３、シリンダヘッド１３に
形成したキャビティに配置した主室１を構成する燃焼室
構造体、シリンダヘッド１３に形成したキャビティ８に
配置した遮熱構造の副室２を形成する副室構造体３、燃
焼室構造体とシリンダライナとにわたって形成されるシ
リンダ１４内を往復動するピストン１５を有している。
燃焼室構造体は、例えば、ヘッド下面部３１とライナ上
部３２とが一体構造のヘッドライナ１０から構成されて
いる。ヘッドライナ１０の上面とシリンダヘッド下面３
７との間には、ガスケット２６によって主室１が遮熱構
造に構成されている。なお、ヘッドライナ１０の上面や
外周面にはガスケットを介在させると共に、遮熱空気層
を形成することもできる。

【００１５】この副室式ガスエンジンでは、シリンダ軸
のほぼ中央に副室２を構成するように、副室構造体３は
シリンダヘッド１３に形成されたキャビティ８に配置さ
れている。シリンダヘッド下面３７から突出した副室構
造体３の下端部４１は、主室１を構成するヘッドライナ
１０のヘッド下面部３１のほぼ中央に形成された嵌合穴
３０にシールリング２７を介在して配置されている。副
室構造体３とヘッドライナ１０とにわたって形成された
連絡口６には、連絡口６を開閉するため副室バルブ４が
配置されている。

【００１６】この副室式ガスエンジンにおけるガス燃料
供給装置は、特に、シリンダヘッド１３に形成された上
下方向に貫通するキャビティ８内に配置された副室固定
スリーブ９、ガス燃料供給源（図示せず）からのガス燃
料を副室２に供給するためシリンダヘッド１３に設けら
れたガス燃料通路２５、ガス燃料通路２５に接続し且つ
副室固定スリーブ９に形成されたガス燃料供給ポート
５、及びガス燃料供給ポート５を副室２に対して開閉す
るため、副室固定スリーブ９に形成されたシリンダ部３
５を往復動する副室バルブ４のバルブステム３４に設け
たピストン部７から構成されている。副室固定スリーブ
９は、その下面が副室構造体３の上面にガスケット３３
を介して当接した状態でシリンダヘッド１３に固定され
ている。

【００１７】シリンダヘッド１３のキャビティ８の上部
には雌ねじ１２が形成され、副室固定スリーブ９の上部
には雄ねじ１１が形成されている。シリンダヘッド１３
のキャビティ８に副室構造体３と副室固定スリーブ９と
を固定するには、まず、シリンダヘッド１３のキャビテ
ィ８に副室構造体３を挿入し、副室構造体３の下端部４
１をヘッドライナ１０のヘッド下面部３１の嵌合穴３０
にシールリング２７を介在させて嵌合する。次いで、シ
リンダヘッド１３のキャビティ８に副室固定スリーブ９
を挿入して螺合し、副室固定スリーブ９の下端面が副室
構造体３の上面にガスケット３３を介在させた状態にな
るまで副室固定スリーブ９をシリンダヘッド１３に雌ね
じ１２に雄ねじ１１を螺入し、シリンダヘッド１３に副
室固定スリーブ９を押し込むことによって副室構造体３
がシリンダヘッド１３に固定される。この時、ガス燃料
通路２５と副室固定スリーブ９に形成したガス燃料供給
ポート５とが整合するように適宜の手段で位置決めす
る。

【００１８】更に、シリンダヘッド１３に形成されたガ
ス燃料通路２５と副室固定スリーブ９に形成したガス燃
料供給ポート５との間のシールは、ガス燃料通路２５の
上下に隔置して配置された一対のシールリング２８を、
例えば、図示のようなシリンダヘッド１３のキャビティ
８に形成されたリング溝、又は副室固定スリーブ９の外
周面に形成したリング溝に装着することによって達成で
きる。また、副室構造体３の外周面とシリンダヘッド１
３のキャビティ８の壁面との間、及び副室構造体３の下
端部４１の外周面とヘッドライナ１０の嵌合穴３０の壁
面との間に、遮熱空気層４２を形成して副室２を遮熱構
造に構成することができる。

【００１９】更に、バルブステム３４に設けたピストン
部７の外周面に一対のシールリング２９，３９を装着す
る。シールリング２９，３９は、ピストン部７がガス燃
料供給ポート５を閉鎖する状態でガス燃料供給ポート５
の両側に位置するように隔置して装着され、ピストン部
７の外周面と副室固定スリーブ９の中空穴１６即ちシリ
ンダ部３５との間の隙間をシールしている。また、副室
固定スリーブ９には、副室バルブ４の往復運動をガイド
するため、副室バルブ４のバルブステム３４が貫通する
バルブガイド孔４０が形成されている。従って、副室２
は、副室構造体３とピストン部７の下面側の副室固定ス
リーブ９の中空穴１６とで構成されることになる。ま
た、ピストン部７の上面側の副室固定スリーブ９の中空
穴１６は、副室固定スリーブ９に形成されたバルブガイ
ド孔４０とバルブステム３４との隙間４３を通じて外方
に露出されているので、副室バルブ４のスムースな摺動
を可能にしている。

【００２０】副室バルブ４の作動は、例えば、カム１７
及びロッカアーム１８による動弁機構によって行なうこ
とができる。即ち、ロッカアーム１８の先端は副室バル
ブ４のバルブステム３４の上端面に当接している。カム
１７の回転運動がロッカアーム１８の揺動運動となり、
ロッカアーム１８の揺動運動によるロッカアーム１８の
先端に当接したバルブステム３４の上端面を通じてバル
ブステム３４を上下運動を引き起こし、副室バルブ４が
作動される。また、副室バルブ４による連絡口６の閉鎖
は、副室固定スリーブ９の上面３６とバルブシート２４
との間に配置されたバルブスプリング１９のばね力によ
って達成される。しかしながら、副室バルブ４の作動
は、上記のカム式動弁機構に限らず、電磁力により制御
される電磁式動弁機構によって行うこともできる。

【００２１】この副室式ガスエンジンにおけるガス燃料
供給装置において、副室バルブ４のバルブフェース３８
とバルブステム３４に設けたピストン部７との位置関係
は、図１に示すように、副室バルブ４が連絡口６を閉鎖
した状態でピストン部７がガス燃料供給ポート５を副室
２に開口し、また、図２に示すように、副室バルブ４が
連絡口６を開放した状態でピストン部７がガス燃料供給
ポート５を閉鎖するように設定されている。

【００２２】また、ガス燃料供給ポート５には、副室２
内のガスがガス燃料通路２５へ逆流するのを防止するた
め、ボールから成る逆止弁２２が配置されている。ガス
燃料供給ポート５には、バルブシート２１及びスプリン
グ受座２０が固定され、バルブシート２１とスプリング
受座２０との間にはボールの逆止弁２２とスプリング２
３が配置されている。図２に示すように、ピストン部７
がガス燃料供給ポート５を閉鎖すると、逆止弁２２がス
プリング２３のばね力でバルブシート２１に着座し、逆
止弁２２でガス燃料供給ポート５が閉鎖される。また、
図１に示すように、ピストン部７がガス燃料供給ポート
５を開放すると、ガス燃料通路２５内の燃焼圧がスプリ
ング２３のばね力に打ち勝って逆止弁２２がバルブシー
ト２１から離反し、ガス燃料供給ポート５が開放され、
ガス燃料がガス燃料通路２５からガス燃料供給ポート５
を通って副室２に供給される。

【００２３】また、この副室式ガスエンジンでは、主室
１を形成するヘッドライナ１０及び副室２を形成する副
室構造体３は、例えば、耐熱性に優れた窒化ケイ素、炭
化ケイ素、サイアロン等のセラミックスで作製されてい
る。また、副室構造体３やヘッドライナ１０は高温にな
るため、連絡口６に配置した副室バルブ４は高温強度を
有する耐熱性に優れた耐熱金属、窒化ケイ素、炭化ケイ
素等のセラミックスから製作されている。

【００２４】ガス燃料供給源（図示せず）からのガス燃
料は、ピストン部７がガス燃料供給ポート５を開放する
ことによって、シリンダヘッド１３に形成されたガス燃
料通路２５からガス燃料供給ポート５を通って副室２の
副室上部へ供給される。図示していないが、燃料として
の天然ガス即ちガス燃料を収容した燃料供給源が適宜の
場所に設けられており、該燃料供給源からのガス燃料
は、燃料供給管を通じてガス燃料通路２５に送り込まれ
る。ガス燃料供給源のガス燃料は、図示していないが、
例えば、増圧室等において、５〜７ｋｇ／ｃｍ² に加圧
され、その加圧されたガス燃料が燃料供給管を通じてガ
ス燃料供給通路２５へ供給される。

【００２５】この副室式ガスエンジンは、上記のように
構成されており、例えば、次のように作動される。この
副室式ガスエンジンは、排気行程、吸入行程、圧縮行程
及び膨張行程の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、圧縮行程終端付近で副室バルブ
４がリフトを開始すると、まず、副室バルブ４は連絡口
６から離反して連絡口６を開放すると同時に、主室１内
の高温の圧縮空気は連絡口６を通って副室２に流入す
る。副室２に供給されたガス燃料が副室２内のガス燃料
と急速に混合して着火燃焼し、副室２で燃料リッチで急
速に着火燃焼してＮＯ_X の発生を抑制して一次燃焼し、
副室２内の圧力を上昇し、膨張行程へ移行して副室２の
未燃ガスや火炎の燃焼ガスを連絡口６を通って主室１へ
噴出させる。副室２から主室１への未燃混合気や火炎の
噴流エネルギーによって主室１に存在する空気を巻き込
んで空気利用率をアップして急速に混合燃焼し、燃焼期
間を短縮して二次燃焼を完結し、ピストン１５に仕事を
させ、副室２内に未燃ガスが滞留することが防止され、
熱効率を向上させる。

【００２６】次に、排気行程に移行して、排気弁が排気
ポートを開放し、排気行程の初期では主室１及び副室２
内の排気ガスを排気ポートを通じて排出し、排気行程途
中で副室バルブ４が連絡口６を閉鎖し、その後は主室１
内の排気ガスが排気ポートを通じて排出される。副室バ
ルブ４が連絡口６を閉鎖すると共に、ガス燃料供給ポー
ト５がピストン部７から解放され、それによって、ガス
燃料通路２５のガス燃料圧が逆止弁２２をスプリング２
３のばね力に打ち勝って押し明け、ガス燃料通路２５が
ガス燃料供給ポート５を通じて副室２に連通し、ガス燃
料がガス燃料供給ポート５を通じて副室２に供給され、
副室２内に適正な流量のガス燃料が充填される。

【００２７】次に、吸入行程では、副室バルブ４は連絡
口６を閉鎖しており、吸気弁が吸気ポートを開放して主
室１に吸入空気が供給される。副室２内には、副室バル
ブ４が連絡口６を閉鎖した後に吸入行程及び／又は圧縮
行程にわたってガス燃料が所定量だけ充填される。圧縮
行程では、吸気弁が吸気ポートを閉鎖すると共に、副室
バルブ４によって連絡口６を閉鎖しておき、主室１内に
供給された吸入空気が高圧縮されて高圧力にされる。次
いで、圧縮行程終端付近で副室バルブ４が連絡口６を開
放すると、連絡口６を通じて副室２に高温の圧縮空気が
導入される。この副室式ガスエンジンは、上記のような
サイクルを繰り返してエンジンが駆動される。

【００２８】

【発明の効果】この発明による副室式ガスエンジンにお
けるガス燃料供給装置は、上記のように構成されている
ので、一本の副室バルブによって主室と副室との連絡口
の開閉機能を果たすと共に、ガス燃料供給ポートの開閉
機能を果たすことができ、しかも、副室内のガスの漏洩
防止を簡単なシールリングの装着で達成でき、シール構
造をシンプルで且つ信頼性に富んだ構造に構成すること
ができる。また、副室バルブの往復動でガス燃料供給の
供給タイミングを兼用でき、従来、副室に設けていた燃
料供給ノズルを設ける必要がなく、部品点数を低減でき
る。

【００２９】また、副室固定スリーブをシリンダヘッド
に固定することによって、副室固定スリーブに形成して
ガス燃料供給ポート及びシリンダヘッドに形成したガス
燃料通路の周りのシールをシールリングを装着するだけ
で、シールリングのシール反力を副室内のガス圧によっ
て維持でき、シール性を確実に且つ信頼性に富んだ構造
に構成することができる。また、圧縮空気は前記副室に
流入し、前記副室で燃料リッチで着火燃焼することによ
りＮＯ_X の発生を抑制でき、前記副室から未燃混合気や
火炎を前記副室から主室へ噴出させることによって、そ
の噴流エネルギーによって主室での新気との混合を促進
して燃焼期間を短縮して二次燃焼を短期に完結し、未燃
ＨＣ等の発生を低減し、熱効率を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による副室式ガスエンジンにおけるガ
ス燃料供給装置の一実施例を示す断面図である。

【図２】図１の副室式ガスエンジンにおけるガス燃料供
給装置における副室バルブの開放状態を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 主室 ２ 副室 ３ 副室構造体 ４ 副室バルブ ５ ガス燃料供給ポート ６ 連絡口 ７ ピストン部 ８ キャビティ ９ 副室固定スリーブ １３ シリンダヘッド １４ シリンダ ２２ 逆止弁 ２５ ガス燃料通路 ２７，２８，２９，３９ シールリング ３４ バルブステム ３５ シリンダ部 ４０ バルブガイド孔

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダヘッドに形成したキャビティに
   配置され且つシリンダのほぼ中央に配置された副室を形
   成する副室構造体、前記副室とシリンダ側の主室とを連
   通する連絡口、前記副室構造体を前記シリンダヘッドに
   固定するため前記キャビティに配置固定された副室固定
   スリーブ、ガス燃料供給源からのガス燃料を前記副室に
   供給するため前記シリンダヘッドに設けられたガス燃料
   通路、前記ガス燃料通路に接続し且つ前記副室固定スリ
   ーブに形成されたガス燃料供給ポート、前記連絡口を開
   閉するための副室バルブ、及び前記ガス燃料供給ポート
   を前記副室に開閉するため前記副室固定スリーブに形成
   されたシリンダ部を往復動する前記副室バルブのバルブ
   ステムに設けたピストン部、から構成した副室式ガスエ
   ンジンにおけるガス燃料供給装置。
2. 【請求項２】 前記ガス燃料供給ポートには、前記副室
   から前記ガス燃料通路へのガスの逆流を防止する逆止弁
   が配置されている請求項１に記載の副室式ガスエンジン
   におけるガス燃料供給装置。
3. 【請求項３】 前記副室バルブが前記連絡口を閉鎖した
   状態で前記ピストン部が前記ガス燃料供給ポートを前記
   副室に開口し、前記副室バルブが前記連絡口を開放した
   状態で前記ピストン部が前記ガス燃料供給ポートを閉鎖
   するように設定されている請求項１又は２に記載の副室
   式ガスエンジンにおけるガス燃料供給装置。
4. 【請求項４】 前記バルブステムに設けた前記ピストン
   部の外周面に装着された一対のシールリングは、前記ピ
   ストン部が前記ガス燃料供給ポートを閉鎖する状態で前
   記ガス燃料供給ポートの両側に位置するように隔置さ
   れ、前記ピストン部の外周面と前記副室固定スリーブの
   前記シリンダ部との間の隙間をシールしている請求項１
   〜３のいずれか１項に記載の副室式ガスエンジンにおけ
   るガス燃料供給装置。
5. 【請求項５】 前記副室固定スリーブには、前記副室バ
   ルブのバルブガイドを行なうため前記副室バルブの前記
   バルブステムが貫通するバルブガイド孔が形成されてい
   る請求項１〜４のいずれか１項に記載の副室式ガスエン
   ジンにおけるガス燃料供給装置。