JP2007255313A - 副室式エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室として、ピストンに面する主室と、当該主室に噴孔を介して連通する副室とを備え、副室に、当該副室に形成された混合気を火花点火する点火プラグと、当該副室に燃料を供給する燃料供給弁とを備えた副室式エンジンにおいて、副室に発生するガス流動を規則的なものとして異常燃焼の発生を抑制し、高出力化を実現し得る技術を提供する。
【解決手段】副室２０が、噴孔２７から上方に延出する副室連通路２１と、副室連通路２１の上端部２５から拡径して上方に延出する副室空間部２４とからなり、点火プラグ７の点火部７ａが、副室空間部２４の側部に配置され、副室連通路２１の中心軸Ｘと点火部７ａとを通る断面において、副室空間部２４の中心Ｙが副室連通路２１の中心軸Ｘに対して側方に偏心するように副室１０が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室として、ピストンに面する主室と、当該主室に噴孔を介して連通する副室とを備え、前記副室に、当該副室に形成された混合気を火花点火する点火プラグと、当該副室に燃料を供給する燃料供給弁とを備えた副室式エンジンに関する。

上記のような副室式エンジンは、主室に吸気された希薄混合気等の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、噴孔を介して副室に流入させ、その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点火プラグにより火花点火して燃焼させて、主室に開口する噴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及び２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２００３−３１７８９７号公報 特開２００２−１３８８４２号公報

上記のような副室式エンジンの副室では、噴孔を通じて主室から流入する新気の流れにより、不規則且つ速いガス流動が発生する。
そして、このようなガス流動の影響を受けて、その副室において混合気を火花点火できないという失火が発生したり、混合気の燃焼火炎が点火プラグの電極側に逆流して点火プラグが損傷するという問題がある。
更に、副室におけるガス流動が不規則となると、副室における混合気の燃焼時の温度分布も不均一な状態となってしまい、局所的な過剰高温部が出現する場合がある。そして、この過剰高温部の出現は、過早着火等の異常燃焼を引き起こすため、高出力化を阻害する要因となる。

特に、主室への希薄混合気の吸気量を増加させることにより高出力で運転を行う場合には、主室における過剰昇温によるノッキングなどの異常燃焼を防止して高効率化を図るために、副室の容積を比較的小さく設計して、噴孔から主室に噴射される火炎ジェットの熱エネルギを適切に小さくする場合がある。
しかし、このように副室の容積を小さくした場合にも、上記のように副室におけるガス流動が不規則となって、副室における過早着火等の異常燃焼を引き起こす場合がある。

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、燃焼室として、ピストンに面する主室と、当該主室に噴孔を介して連通する副室とを備え、前記副室に、当該副室に形成された混合気を火花点火する点火プラグと、当該副室に燃料を供給する燃料供給弁とを備えた副室式エンジンにおいて、副室に発生するガス流動を規則的なものとして異常燃焼の発生を抑制し、高出力化を実現し得る技術を提供する点にある。

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、燃焼室として、ピストンに面する主室と、当該主室に噴孔を介して連通する副室とを備え、前記副室に、当該副室に形成された混合気を火花点火する点火プラグと、当該副室に燃料を供給する燃料供給弁とを備えた副室式エンジンであって、その第１特徴構成は、前記副室が、前記噴孔から上方に延出する副室連通路と、前記副室連通路の上端部から拡径して上方に延出する副室空間部とからなり、
前記点火プラグの点火部が、前記副室空間部の側部に配置され、
前記副室連通路の中心軸と前記点火部とを通る断面において、前記副室空間部の中心が前記副室連通路の中心軸に対して側方に偏心するように前記副室が形成されている点にある。
尚、上記副室空間部の中心とは、副室連通路の中心軸と点火部とを通る断面において、上記副室連通路の中心軸に直交する方向での副室空間部の幅の中心を示すものである。

上記第１特徴構成によれば、副室連通路から副室空間部に流入した新気により副室空間部に発生するガス流動を、副室連通路の中心軸に沿って副室空間部の天井面に到達した後に、上記副室空間部の中心が偏心している側に偏って下方側に折り返す形態で、規則的に発生させることができる。よって、副室空間部において、副室連通路から規則的なガス流動を発生しつつ流入した新気を、燃料供給弁から供給された燃料と良好に混合することができ、その均質な混合気を点火プラグにより安定して火花点火し、失火の発生を防止することができる。更には、その燃焼火炎が点火プラグの点火部に逆流して点火プラグが損傷することも防止することができる。
また、副室空間部において、規則的なガス流動を発生させながら均質な混合気を火花点火燃焼させるので、その副室空間部における燃焼時の温度分布を略均一な状態とすることができ、過早着火等の異常燃焼の発生を抑制することができるので、充分な高出力化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、前記副室空間部が、前記副室連通路の上端部からテーパー状に拡径する拡径部を有する点にある。

上記第２特徴構成によれば、副室において、副室連通路の上端部から副室空間部へテーパー状に拡径する拡径部を有するので、その副室連通路の上端部から副室空間部に流入する新気の流れは、コアンダ効果により剥離が抑制された状態でテーパー状の壁面に沿った安定したものとなり、副室空間部に流入した新気により副室空間部に発生するガス流動を、一層規則的なものとすることができる。

本発明に係る副室式エンジンの第３特徴構成は、前記副室連通路の上端部が丸み付けされている点にある。

上記第３特徴構成によれば、副室連通路を流通した新気が、この丸み付けされた上端部を通過して、当該上端部から拡径された副室空間部に流入するので、剥離の発生を良好に抑制し、副室空間部に発生するガス流動を一層規則的なものとすることができる。

本発明に係る副室式エンジンの第４特徴構成は、前記副室空間部が、前記副室連通路の中心軸と同軸の筒状空間と、前記筒状空間の側方から外側に引退形成された凹部空間とで形成され、
前記凹部空間に前記点火部が配置されている点にある。

上記第４特徴構成によれば、副室連通路と、それと同軸で形成される筒状空間とを、簡単な加工作業により形成することができ、更に、この筒状空間の側方に上記凹部空間を形成して、この筒状空間と凹部空間とで、その中心が副室連通路の中心軸に対して側方に偏心した副室空間部を構成して、その副室空間部に発生するガス流動を規則的なものとすることができる。
また、上記点火部を上記凹部空間に配置することで、副室空間部に流入した新気により副室空間部に発生するガス流動は、副室空間部の天井部に到達した後に点火部に到達する形態で形成されることになる。よって、点火部において、ガス流動に沿って流通し充分に混合した混合気を安定して火花点火させることができる。

本発明に係る副室式エンジンの実施の形態について、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、吸気バルブ４及び排気バルブ（図示せず）を開閉動作させて、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、この副室式エンジン１００は、通常、エンジン回転数が一定の定格回転数となるように定格運転されるように構成されている。

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バルブ４を開状態として、吸気ポート５から主室１に空気と少量の燃料Ｇとの混合気好ましくは希薄混合気等の新気Ｉを吸入し、圧縮及び燃焼・膨張行程において吸気バルブ４及び排気バルブを閉状態として、この吸入した新気Ｉを圧縮して燃料Ｇを燃焼・膨張させ、排気行程において排気バルブを開状態として、主室１から排気ポート（図示せず）に排ガスを排出するように運転される。

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、圧縮行程においてピストン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に噴孔２７を介して連通する副室２０が設けられており、この副室２０を有する副室機構１０の構造について以下に説明する。

副室２０の上方には、０．２ＭＰａ（Ｇａｕｇｅ）の供給圧力で燃料Ｇが供給される燃料供給路１２から副室２０に断続的に燃料Ｇを供給可能な燃料供給弁１３が設けられている。
更に、副室２０には、副室２０の混合気を火花点火可能な点火プラグ７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に開口する噴孔２７を介して副室２０に流入させ、副室２０に流入した新気Ｉと燃料供給弁１３により副室２０に供給された燃料Ｇとの混合気を副室２０において点火プラグ７により火花点火して燃焼させて、副室２０から噴孔２７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いる。以下、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。

副室式エンジン１００は、先ず、吸気バルブ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、吸気ポート５から主室１に新気Ｉが吸入される吸気行程が行われる。
このとき副室２０に設置された燃料供給弁１３は、吸気バルブ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２０への燃料Ｇの供給を開始される。

後に、吸気バルブ４及び燃料供給弁１３が略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２０がまだ低圧状態のときに、燃料供給弁１３を開状態として燃料Ｇを副室２０に供給しても良い。

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が噴孔２７を介して副室２０に流入し、副室２０には、その新気Ｉの流入によりガス流動が発生することで、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（例えば１程度）の当量比の混合気が形成される。

そして、上記圧縮行程終了時にて、副室２０には、当量比が比較的高い混合気が存在するのに対して、主室１には、当量比が比較的低い新気Ｉが存在することになる。

そして、副室式エンジン１００は、上死点直前の例えば８°ＢＴＤＣ付近において、点火プラグ７を作動させて、上記副室２０に形成された混合気点火部７ａにおいて火花点火して燃焼させる。

すると副室２０では、燃焼が進み、副室２０の燃焼しなかった燃料Ｇと共に、火炎ジェットＦが噴孔２７を介して主室１に噴出される。

また、副室２０と主室１とを連通する８つの噴孔２７が、上記主室１の中心軸Ｘを中心に周方向に等間隔で分散配置され、放射状に延出する筒状の開口部として形成されており、火炎ジェットＦが夫々の噴孔２７から主室１に放射状に噴射されるように構成されている。

一方、主室１においては、夫々の噴孔２７から放射状に噴出された火炎ジェットＦにより希薄混合気を安定して燃焼させるので、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１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、広い出力調整範囲が確保される。

以上が副室式エンジン１００の基本構成についての説明であるが、以下に副室式エンジン１００の特徴構成について説明する。

上述した副室式エンジン１００において、主室１と副室２０とを含む燃焼室の最小容積、即ちピストン２の位置が上死点位置となって最小となる燃焼室の容積に対して、副室２０の容積の割合は、２％以上且つ３％以下の範囲内と比較的小さく設計されている。
よって、噴孔２７から主室１に噴射される火炎ジェットＦの熱エネルギが適切に小さくなるので、主室１への新気Ｉの吸気量を増加させることにより高出力で運転を行う場合には、主室１における過剰昇温によるノッキングなどの異常燃焼が抑制される。
尚、図１では、副室機構１０の内部構造を認識しやすくするために、全体に対する副室機構１０の大きさの割合を大きめに描いている。

また、上記副室２０の容積を比較的小さくすることで、主室１から副室２０への新気Ｉの流入量も少なくなるため、その新気Ｉの流入により副室２０に発生するガス流動も小さくなり、不規則になることが懸念され、このように副室２０に発生するガス流動が不規則になると、失火や過早着火等の異常燃焼を引き起こしたり、点火プラグ７の損傷する場合がある。
そこで、副室式エンジン１００は、副室２０が特徴的な構造を有することにより、上記副室２０に発生するガス流動が適切且つ規則的なものとなって、上記異常燃焼の発生を抑制し、高出力化を実現し得るように構成されており、かかる特徴的な副室２０の構造について以下に説明する。

即ち、副室２０は、主室１の中心軸Ｘと同軸で噴孔２７から上方に延出する副室連通路２１と、副室連通路２１の上端部２５から拡径して上方に延出する副室空間部２４とからなり、更に、点火プラグ７の点火部７ａが副室空間部２４の側部に配置されるように、副室機構１０に対して点火プラグ７が中心軸Ｘに垂直な方向で側方から挿入する形態で取り付けられている。
そして、この副室２０は、副室連通路２１の中心軸Ｘと点火部７ａとを通る断面（図１に示す断面）において、副室空間部２４の中心Ｙが副室連通路２１の中心軸Ｘに対して側方に偏心するように形成されている。
即ち、図２において、副室連通路２１が中心軸Ｘを中心とした特定の半径ａの円状断面形状を有するのに対して、副室空間部２４が、副室連通路２１の中心軸Ｘと点火部７ａとを通る断面が通る左右方向において、その中心軸Ｘよりも偏心した位置を中心Ｙとして、特定の幅２ｂを有するように形成されている。

尚、本実施形態では、副室２０の容積に対する副室連通路２１の割合は、５％以上且つ２０％以下の範囲内、好ましくは１０％以上且つ２０％以下の範囲内に設定されており、また、副室連通路２１の断面積は、８つの噴孔２７の合計の断面積の和と略同等に設定されており、例えば、噴孔２７の直径が３ｍｍ程度であるのに対して、副室連通路２１の直径が９〜１１ｍｍ程度とされている。

そして、上記のような副室２０の特徴的な形態により、噴孔２７を介して副室２０に流入した新気Ｉは、図１に矢示するガス流動ＧＦのように、上記噴孔２７から上方に延出する副室連通路２１を通過した後に、その副室連通路２１の上端部２５からその中心軸Ｘに沿って副室空間部２４に流入することになる。そして、副室空間部２４の中心Ｙが副室連通路２１の中心軸Ｘに対して側方に偏心していることで、副室空間部２４に流入した新気Ｉにより副室空間部２４に発生するガス流動ＧＦを、副室連通路２１の中心軸Ｘに沿って副室空間部２４の天井面に到達した後に、上記副室空間部２４の中心Ｙが偏心している側に偏って下方側に折り返す形態で、規則的に発生することになる。

よって、副室空間部２４において、副室連通路２１から規則的なガス流動ＧＦを発生しつつ流入した新気Ｉと、燃料供給弁１３から供給された燃料Ｇとは、良好に混合され均質な混合気が形成されるので、その混合気を点火プラグ７の点火部７ａにより安定して火花点火することができ、失火の発生が防止される。更に、その燃焼火炎が点火プラグ７の点火部７ａに逆流して点火プラグ７が損傷することも防止されている。

更には、副室空間部２４において、規則的なガス流動ＧＦを発生させながら均質な混合気を火花点火燃焼させるので、その副室空間部２４における燃焼時の温度分布が略均一な状態となり、過早着火等の異常燃焼の発生が抑制され、充分な高出力化が実現されている。

更に、副室連通路２１の上端部２５から副室空間部２４に拡径する拡径部２６は、徐々に直径が増加する所謂テーパー状に形成されており、その副室連通路２１の上端部２５から副室空間部２４に流入する新気Ｉの流れによるガス流動ＧＦは、壁面に対する剥離が抑制された安定したものとなる。
尚、この拡径部２６は、上記テーパー状以外に、段状等の別の形状に形成しても構わない。

また、副室２０におけるガス流動ＧＦについてのシミュレーション結果では、上記テーパー状の拡径部２６の開き角度（同テーパー状の側面を有する円錐の頂角に相当する）を４５°以上且つ７５°以下の範囲内（例えば６０°）に設定することで、上記剥離が一層良好に抑制されて、安定して規則的なガス流動ＧＦを発生させることができることが確認できた。

更に、副室連通路２１の上端部２５は、丸み付けされたＲ部として形成されており、ガス流動ＧＦの剥離の発生が一層良好に抑制されている。
尚、上端部２５を丸み付けすることなく角部として残しておいても構わない。

更に、これまで説明してきた副室空間部２４、即ち、その中心Ｙが副室連通路２１の中心軸Ｘに対して側方に偏心している副室空間部２４は、図２に示すように、副室機構１０において、副室連通路２１の中心軸Ｘと同軸の筒状空間２２と、筒状空間２２の側方から外側に引退形成された凹部空間２３とで形成されており、更に、その凹部空間２３に点火プラグ７の点火部７ａが配置されている。

即ち、副室空間部２４において、上記筒状空間２２は上記副室連通路２１と同軸で形成されることになるので、副室連通路２１と筒状空間２２とを簡単な加工作業で形成することができる。
そして、上記筒状空間２２の側方に上記凹部空間２３が形成されているので、この筒状空間２２と凹部空間２３とで形成された副室空間部２４は、これまで説明してきたように、その中心Ｙが副室連通路２１の中心軸Ｘに対して側方に偏心したものとなる。

また、点火プラグ７の点火部７ａは、上記凹部空間２３に配置されているので、副室空間部２４において、ガス流動ＧＦは、副室連通路２１の中心軸Ｘに沿って副室空間部２４の天井面に到達した後に、凹部空間２３に配置された点火部７ａ側に偏って下方側に折り返す形態で発生することになる。
よって、副室空間部２４において、新気と燃料との混合気は、ガス流動ＧＦに沿って流れて充分に混合した後に、点火部７ａに到達し、混合気が一層安定して火花点火されことになる。

尚、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。

本発明に係る副室式エンジンは、燃焼室として、ピストンに面する主室と、当該主室に噴孔を介して連通する副室とを備え、前記副室に、当該副室に形成された混合気を火花点火する点火プラグと、当該副室に燃料を供給する燃料供給弁とを備え、更に、副室に発生するガス流動を規則的なものとして異常燃焼の発生を抑制し、高出力化を実現し得る副室式エンジンとして有効に利用可能である。

副室式エンジンの断面図 副室式エンジンの副室空間部における閉断面図

符号の説明

１：主室
２：ピストン
７：点火プラグ
７ａ：点火部
１２燃料供給路
１３：燃料供給弁
２０：副室
２１：副室連通路
２２：筒状空間
２３：凹部空間
２４：副室空間部
２５：上端部
２６：拡径部
２７：噴孔
１００：副室式エンジン
Ｉ：希薄混合気（新気）
Ｘ：副室連通路の中心軸
Ｙ：副室空間部の中心

Claims (4)

1. 燃焼室として、ピストンに面する主室と、当該主室に噴孔を介して連通する副室とを備え、前記副室に、当該副室に形成された混合気を火花点火する点火プラグと、当該副室に燃料を供給する燃料供給弁とを備えた副室式エンジンであって、
   前記副室が、前記噴孔から上方に延出する副室連通路と、前記副室連通路の上端部から拡径して上方に延出する副室空間部とからなり、
   前記点火プラグの点火部が、前記副室空間部の側部に配置され、
   前記副室連通路の中心軸と前記点火部とを通る断面において、前記副室空間部の中心が前記副室連通路の中心軸に対して側方に偏心するように前記副室が形成されている副室式エンジン。
2. 前記副室空間部が、前記副室連通路の上端部からテーパー状に拡径する拡径部を有する請求項１に記載の副室式エンジン。
3. 前記副室連通路の上端部が丸み付けされている請求項１又は２に記載の副室式エンジン。
4. 前記副室空間部が、前記副室連通路の中心軸と同軸の筒状空間と、前記筒状空間の側方から外側に引退形成された凹部空間とで形成され、
   前記凹部空間に前記点火部が配置されている請求項１に記載の副室式エンジン。

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