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JP4007729B2 - Engine and operation method thereof - Google Patents

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JP4007729B2
JP4007729B2 JP26007699A JP26007699A JP4007729B2 JP 4007729 B2 JP4007729 B2 JP 4007729B2 JP 26007699 A JP26007699 A JP 26007699A JP 26007699 A JP26007699 A JP 26007699A JP 4007729 B2 JP4007729 B2 JP 4007729B2
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  • Ignition Installations For Internal Combustion Engines (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主室において燃料と酸素含有ガスを燃焼させ、ピストンをシリンダ内で往復運動させ、クランク軸の回転を維持するエンジン及びその運転方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
内燃機関であるエンジンは、大きく、火花点火エンジン(SIエンジン)と、ディーゼルエンジンとに分けられる。
SIエンジンは、空気(燃焼用酸素含有ガスの一例)と燃料の混合気を燃焼室(主室)に吸入し、圧縮した後、スパークプラグで強制着火するもので、このSIエンジンの理想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、圧縮比を高くし希薄燃焼させることにより、オットーサイクルの熱効率は向上する。しかし、圧縮比を高くすると正常火炎伝播による燃焼終了前にエンドガスが自己発火するノッキングが発生し、真にトルクが最大になる最適点火時期からのずれが発生して熱効率の低下を伴う。よって、圧縮比を高めて熱効率を向上するには限度があり、例えば圧縮比は高々10以下とされ、このときの熱効率ηeは30%程度であった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
エンジンの排ガス対策上は、CO、HC、さらにNOx発生も少ないような非常に薄い混合気で完全燃焼させれば良いことが判っている。また熱効率を向上させる為にも吸入空気(酸素含有ガスの一例)を絞らずに、ポンピングロスを少なくして、薄い混合気を燃焼させることが効果的であるが、混合気の着火性、燃焼不安定性の問題を解決する必要がある。
また、ディーゼルエンジンは、燃料を高圧で噴射する燃料噴射装置により、燃料を任意の時期に投入できるため、SIエンジンのように火炎伝播の圧力上昇によるノッキングが発生することがないので、圧縮比を高く設定し、効率の向上を図ることができるが、高圧縮された吸入空気(酸素含有ガスの一例)に燃料を高圧噴射する必要がある為、複雑且つ高価な燃料噴射弁が必要となり、さらに、燃料が天然ガス等の気体燃料である場合、この気体燃料を高圧の燃焼室に供給することは非常に困難であり、このような気体燃料のエンジンは圧倒的にSIエンジンとされ、気体燃料のエンジンにおいて高効率化を図るのは困難であった。
【0004】
よって、本発明は、上記の事情に鑑みて、高圧縮比で高効率なエンジンを提供することを目的とし、特に、気体燃料のエンジンにおいても適用することができる高効率エンジンを提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
このような問題を解決する為の本発明による、主室において燃料と酸素含有ガスを燃焼させ、ピストンをシリンダ内で往復運動させ、クランク軸の回転を維持するエンジンの特徴構成は、請求項に記載されているように、前記主室に第1連絡路によって連通する第1副室と、前記主室に第2連絡路によって連通する第2副室とを備えると共に、
前記第1副室に混合気を形成して着火し、前記第1副室に形成された火炎を前記第1連絡路を介して前記主室に噴出する火炎噴射手段と、
前記第2副室に混合気を形成し、前記第2副室に形成された混合気を第2連絡路を介して前記主室に噴出する混合気噴射手段とを備える点にある。
【0006】
通常、エンジンには、4サイクルエンジンと2サイクルエンジンがあり、4サイクルエンジンの動作サイクルは、ピストンの往復運動に伴って、吸気行程、圧縮行程、燃焼・膨張行程、排気行程を経て運転され、2サイクルエンジンは、掃気・圧縮行程、燃焼・膨張・排気行程を経て運転され、どちらのエンジンにおいても、主室(燃焼室)において燃料と酸素含有ガスを圧縮して燃焼させ、ピストンをシリンダ内で往復運動させ、クランク軸の回転を維持するものであり、本発明のエンジンは4サイクル及び2サイクルエンジンに適用することができる。
【0007】
本発明のエンジンは、吸気行程又は掃気行程において吸気ポート等から、空気(酸素含有ガスの一例)が主室に吸入される。
次に圧縮行程において、この吸入された空気を圧縮することで、第1連絡路及び第2連絡路を介して主室の空気が第1副室及び第2副室に流入すると共に、吸気行程若しくは圧縮行程初期又は掃気・圧縮行程の、例えば、主室の圧力が未だ低圧状態のときに、上記の第1副室及び第2副室に燃料を供給して、第1副室及び第2副室に混合気を形成する。
次に、燃焼行程において、火炎噴出手段によって、第1副室の混合気を着火して、第1連絡路を介して主室に火炎トーチを噴出すると共に、第2副室の混合気を主室側へ押出す混合気噴出手段によって、第2副室において形成された混合気を第2連絡路を介して主室に噴出する。
【0008】
このように構成することで、主室において、上記噴出した混合気は、上記噴出された火炎によって徐々に着火して完全燃焼するため、所謂ディーゼルサイクルに近い燃焼形態を実現することとなり、例えば当量比φを0.2〜1.0と大幅に変化させても、好ましい状態で完全燃焼させることができる。よって、例えば全体的に混合気の当量比φを0.35程度の超希薄に設定しても、燃料を好ましい状態で完全燃焼させることができるため、比熱比が高く高効率になると共に、未燃成分の排出を低減することができ、さらに、ノッキングの発生を防止できるので、圧縮比を高く設定し、エンジンを効率を一層向上することができる。
また、通常のディーゼルエンジンの圧縮比は燃料の特性によって決まるが、本発明のエンジンは、混合気を点火プラグ等で強制着火するので、例えば圧縮比を6〜20程度に自由に設定することができるため、最も高効率となる好ましい圧縮比に設定することができ、例えば、燃料を都市ガスとした場合、圧縮比を17から19の範囲内に設定し、熱効率ηeを41%程度とすることができる。
【0009】
また、このようなエンジンにおいて、着火時における第1副室には当量比が可燃範囲内の混合気を形成することが好ましく、第1副室の混合気を容易に着火して燃焼することができる。また、混合気噴出前の第2副室に形成する混合気の当量比を燃焼上限界以上とすることが好ましく、この混合気が主室に噴出された後に酸素と反応して燃焼させることができる。
【0010】
また、上記のようなエンジンにおいて、請求項に記載されているように、前記混合気噴射手段による混合気の前記主室での噴射方向が、前記火炎噴射手段よって主室に噴射された火炎の領域に方向付けられて構成されていることが好ましい。
【0011】
上記のように構成することで、上記の主室に噴出された混合気を、上記の主室に噴出された火炎によって、好ましい状態で着火することができ、未燃成分の発生を一層抑制し、さらに希薄領域での燃焼を実現することができる。
尚、火炎噴射手段よって噴射された火炎の領域とは、第1連絡路から主室に噴出された火炎が、主室において存在する領域を示し、例えば、上記噴出した火炎がシリンダの内壁に沿って屈折若しくは旋回する場合は、その主室において形成される火炎の領域に向けて第2連絡路から混合気を噴出させることが好ましく、必ずしも、第1連絡路と第2連絡路の流路方向が主室において交叉している必要はない。
【0012】
また、これらのエンジンにおいて、請求項に記載されているように、前記第1副室に前記燃料の一部を供給する第1燃料供給手段と、前記第1副室の混合気を着火する点火プラグとを備え、
前記火炎噴射手段が、前記第1燃料供給手段を働かせ、前記第1副室に燃料を供給して前記第1副室の酸素含有ガスと共に混合気を形成し、前記点火プラグを働かせ、前記第1副室に形成された混合気を着火して前記第1副室に火炎を形成し、前記第1副室に形成された火炎を前記第1連絡路を介して前記主室に噴出することができる。
【0013】
このように構成することで、主室に火炎を噴射する火炎噴射手段を簡単に構成することができ、例えば吸気行程若しくは圧縮行程初期又は掃気掃気行程の、例えば未だ主室が低圧状態のときに、第1燃料供給手段によって第1副室に燃料を供給することで、燃料を低圧状態で供給することができ、第1燃料供給手段を単純且つ安価に構成することができる。さらに、燃料として都市ガス等の予め加圧された気体燃料を利用する場合、第1燃料供給手段は、燃料を加圧する必要がない為、リードバルブの簡単な構造のものを利用することができる。
【0014】
また、これらのエンジンにおいて、請求項に記載されているように、前記第2副室に前記燃料の一部を供給する第2燃料供給手段と、前記第1副室と前記第2副室を連通する副室連絡路とを備え、
前記混合気噴射手段が、前記第2燃料供給手段を働かせ、前記第2副室に燃料を供給して前記第2副室の酸素含有ガスと共に混合気を形成し、前記第1副室に形成された火炎の圧力波を前記副室連絡路を介して前記第2副室に伝播させて、前記第2副室に形成された混合気を第2連絡路を介して前記主室に噴出することができる。
【0015】
このように構成することで、主室に混合気を噴出する混合気噴出手段を簡単に構成することができる。即ち、圧縮行程において主室から第2連絡路を介して第2副室に空気が流入すると共に、例えば吸気行程若しくは圧縮行程初期又は掃気行程において、第2燃料供給手段によって第2副室に燃料を低圧状態で供給して第2副室に混合気を形成する。次に、第1副室の混合気が着火され燃焼するが、その第1副室における燃焼することによって発生する圧力波を副室連絡路を介して第2副室に導き、この圧力波によって第2副室の混合気を第2連絡路から主室へ高圧状態で噴出させることができる。
よって、第2燃料供給手段は、燃料を高圧で噴射する必要がなく、単純且つ安価に第2燃料供給手段を構成することができ、気体燃料を使用するエンジンにおいても、混合気を高圧で主室に噴出させて着火する所謂ディーゼル機関に近い燃焼を実現するエンジンを構成することができる。また、燃料として都市ガス等の予め加圧された気体燃料を利用する場合、第2燃料供給手段は、燃料を加圧する必要がない為、リードバルブのような簡単な構造のものを利用することができる。
【0016】
また、このようなエンジンにおいて、第1副室に形成される混合気の当量比が可燃範囲内となるように第1副室に燃料を供給し、第2副室の混合気の当量比が燃焼上限界以上となるように第2副室に燃料を供給することが好ましく、第1副室から副室連絡路を介して第2副室に火炎が伝播することがなく、好ましい状態で第2副室から主室に混合気を噴射することができる。
【0017】
また、このような副室連絡路を有するエンジンにおいて、請求項に記載されているように、前記第1燃料供給手段及び前記第2燃料供給手段として、前記副室連絡路内若しくは前記第2副室に燃料を供給する燃料供給弁を備えることができる。
【0018】
即ち、本発明のエンジンにおいて副室連絡路を有する場合、少なくとも1つの燃料噴射弁を上記のように備えることで、この燃料供給弁は、第1燃料供給手段として副室連絡路を介して第1副室に燃料を供給することができると共に、第2燃料供給手段として第2副室に直接若しくは副室連絡路を介して燃料を供給することができ、さらに簡単な構成で高効率のエンジンを構成することができる。
【0019】
また、上記の副室連絡路を有するエンジンにおいて、前記第1連絡路の流路抵抗が、前記第2連絡路の流路抵抗よりも小さく構成されていることが好ましい
【0020】
このように構成することで、主室に吸入された空気が、圧縮行程において、第2連絡路よりも第1連絡路の方に多く流入することとなり、圧縮行程終了時点付近において第1副室に流入した空気は、第2副室に流入した空気よりも多くなる。よって、それぞれの副室に混合気を同じ量供給しても、第1副室に形成する混合気は第2副室に形成する混合気よりも希薄になり、この第1副室の混合気の当量比を可燃範囲内とすると、第2副室の混合気の当量比を燃焼上限界以上となって、好ましい状態で第1副室に火炎を形成して主室に火炎を噴出しつつ、副室連絡路を介して第2副室に圧力波を伝播させ、第2副室の混合気を着火することなく主室に噴出させることができる。
【0021】
さらに、このような副室連絡路を有するエンジンにおいて、請求項に記載されているように、前記第2連絡路に、前記主室から前記第2副室への流れを阻止するリードバルブを備える。
【0022】
さらに、上記のように第2連絡路にリードバルブを備え、圧縮行程において主室から第2連絡路を介して第2副室に導入される空気を阻止することで、第2副室への空気の流入が少なくなり、第2副室の混合気の当量比をより燃焼上限界以上とし、第1副室の混合気の当量比を可燃範囲内のより燃焼下限界付近の希薄状態とすることができ、例えば高負荷運転時に、供給する燃料の量を増加させても、第1副室の混合気を当量比が可燃範囲内とすることができる。
【0023】
さらにまた、このような副室連絡路を有するエンジンにおいて、請求項に記載されているように、第1連絡路の流路抵抗が、前記副室連絡路の流路抵抗よりも大きく構成されていることも好ましい。
【0024】
このように構成することで、第1副室に形成された火炎の圧力波は、優先して副室連絡路側に伝播することとなり、第2副室に形成された混合気をより第2連絡路側へ押出して、主室に勢い良く混合気を噴出させることができる。
【0025】
【発明の実施の形態】
本発明のエンジンの実施の形態について図面を用いて説明する。
図1に示す本発明に係るエンジン100は、ピストンピン7によって連結棒6に接続されたピストン2と、ピストン2を収容してピストン上端面と共に主室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32及び排気弁33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6によってクランク軸4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。
【0026】
また、エンジン100は、都市ガス(13A)を燃料Gとして使用するものであり、吸気行程において吸気弁32を開状態として主室1に酸素含有ガスとして空気Aを吸入し、圧縮行程においてこの吸入した空気Aを圧縮するように構成され、また、燃料Gは、後に説明する燃料供給弁30に供給されてエンジン100へ供給される。
【0027】
さらに、エンジン100のシリンダヘッド9には、副室部材50が設けられ、副室部材50には、図1及び図2に示すように、主室1に3つの第1連絡路11によって連通される第1副室10と、主室1に3つの第2連絡路21によって連通される第2副室20とが設けられ、第1副室10と第2副室20は副室連絡路31によって連通されており、第1連絡路11の流路抵抗をS1、第2連絡路21の流路抵抗をS2、副室連絡路31の流路抵抗をSSとすると、
SS<S1<S2
となるように関係づけられ形成されている。
なお、第1連絡路の流路の内径は2.5mmであり、第2連絡路の流路の内径は1.0mmである。
【0028】
また、第2副室20の上方には燃料供給弁30が設けられ、燃料Gを第2副室20に、圧縮状態で貯蔵された燃料Gのガス圧を利用して供給するように構成されている。また、第1副室10の上方には、点火プラグ8が設けられており、後に説明する第1副室の混合気を着火するように構成されている。
【0029】
次に、本発明のエンジン100の、1サイクルにおける動作状態を図面を用いて説明する。主室1の容積が最小のときのピストン位置を上死点(TDC)、主室1の容積が最大のときのピストン位置を下死点(BDC)と呼び、クランク角を、回転方向における上死点のクランク軸の位置に対する角度で表わし、上死点の手前のときは、角度値の後にBTCDを付し、上死点の後のときは、角度値の後にATCDを付す。
【0030】
まず、本発明のエンジン100は、図5に示すように、クランク角が22°BTDCの時点で吸気弁32を開き、ピストンが上死点を経て下降し主室1に空気Aが吸入される。
後に、クランク角が110°BTDCの時点で吸気弁32を閉じ、さらにピストン2が上昇し、主室1内の空気Aが圧縮される。
この主室1における空気Aの圧縮によって、図3に示すように、主室1の圧縮された空気Aは、第1連絡路11及び第2連絡路21を介して、第1副室10及び第2副室20に流入し、上記のそれぞれの連絡路11,21の流路断面積の大小関係、所謂流路抵抗の大小関係から、第1副室10の方が第2副室20よりも多い空気Aが流入する。
【0031】
さらに、クランク角が110°BTDCの時点、即ち吸気弁が閉じられた時点で、燃料供給弁30を働かせ、第2副室がまだ低圧状態のときに燃料のガス圧を利用して燃料Gを第2副室20に供給する。この供給した燃料Gのほとんどは第2副室20の残留するが、一部の燃料Gが副室連絡路31を介して第1副室10に流入し、結果、圧縮が終了して着火前の時点において、第1副室10内に可燃範囲内の当量比に設定された燃料Gと空気Aの混合気を形成し、第2副室20においては、残りの燃料Gと空気Aとで、燃焼上限界以上の当量比の混合気を形成することができる。
【0032】
次に、クランク角が10°BTDCの時点で、点火プラグ8を働かせて、第1副室10内に形成された可燃範囲内の当量比の混合気を着火し、燃焼・膨張行程に移行するのであるが、この詳細について、以下に説明する。
まず、この点火プラグ8を働かせる時点において、第1副室10に形成された混合気の当量比φは0.65〜1.2程度の可燃範囲内になっており、点火プラグ8によって、火花を発生させ、この混合気を着火する。すると、第1副室10内の混合気は容易に燃焼して、第1副室10における内圧が上昇し、図4に示すように、第1副室10の火炎が、第1連絡路から主室1へ噴出され、主室1において火炎トーチFが形成される。このように、第1副室10内に混合気を形成して点火プラグ8によって着火して第1副室10内に形成された火炎を第1連絡路11を介して主室1に噴出させる手段を火炎噴射手段Xと呼ぶ。
【0033】
さらに、この火炎トーチFの形成と同時に、第1副室10の内圧上昇によって、圧力波が、第1連絡路11よりも流路抵抗が小さい副室連絡路31側に好ましい状態で伝播し、第2副室20に伝播する。よって、第2副室20に形成された混合気の当量比は燃焼上限界以上である為に着火することなく、上記の第1副室10からの圧力波を利用して、第2連絡路21を介して主室へ噴出され、主室1において上記火炎トーチFの領域に方向付けられた噴出混合気Mが形成される。このように、第1副室10における燃焼によって発生する圧力波を副室連絡路31を介して第2副室20に伝播させ、第2副室20内に形成した混合気を第2連絡路21を介して主室1に噴出させる手段を混合気噴射手段Yを呼ぶ。
【0034】
以上のように燃焼・膨張行程を行うことで、第2連絡路21から主室1の火炎トーチFに向けて噴出された噴出混合気Mは、第1連絡路11から噴出した火炎トーチFによって好ましい状態で着火され、主室1において噴出混合気Mが徐々に燃焼し、ピストン2を押し下げ、排気行程において排気弁を開状態として燃焼後の排ガスを排出する。
このような燃焼状態は、所謂ディーゼルサイクル(定圧サイクル)に近い状態となり、主室1における混合気を圧縮するのではなく空気を圧縮することになるので、ノッキングを抑制することができ、エンジンの圧縮比を高く設定し、効率を向上させることができる。また、1サイクルにおいて燃焼させる燃料Gと空気Aの混合気の当量比φを0.35程度の超希薄状態でエンジンを運転することができ、CO、HC、NOx等の排出を低減させることができる。
【0035】
次に、本発明に係るエンジンの効率向上効果を確認する為に、上記の実施の形態に示したエンジン100の構造で、圧縮比を6から20まで変化させて、効率を測定した。また、比較例として、燃料は同じく都市ガスを使用したエンジンで、混合気を吸気して火花点火するSIエンジン(比較例1)と、燃料を燃焼室に高圧で直接噴霧するディーゼルエンジン(比較例2)を用意し、同じく圧縮比を変化させて効率を測定した。
【0036】
結果、本発明に係るエンジン100は、圧縮比が6から20まで運転可能であり、圧縮比が6のときに効率ηeが27%と最低値であり、これより圧縮比を高くすれば効率も高くなり、圧縮比が17〜19程度のときに効率ηeが41%程度と最も高い値を示し、これ以上圧縮比を高くすれば若干効率が低下し、圧縮比が20のときは効率ηeが36%程度となることが判った。
また、比較例1のSIエンジンにおいては、圧縮比を10以上に設定するとノッキングが発生し、運転不可能となり、圧縮比が10程度で効率ηeが28%程度であった。また、比較例2のディーゼルエンジンにおいては、圧縮比を18から20程度と高く設定する事はできたが、効率ηeは36〜39%程度と本発明にエンジンよりも低い値となり、比較例2のディーゼルエンジンにおいては、燃料を直接噴射して自己着火させるため燃焼状態が不安定であるのに対して、本発明に係るエンジン100は安定した燃焼状態を実現しているといえる。
また、比較例1及び2のSIエンジン及びディーゼルエンジンにおいては、圧縮比が10から17の範囲内で運転することが不可能であったのに対し、本発明に係るエンジン100は上記の範囲内に圧縮比を設定して運転することができるため、例えば、好ましい状態で燃焼して効率が最高となる圧縮比を実験等によって見出し、自由に圧縮比を設定することができる。
【0037】
〔別実施の形態〕
〈1〉 次に、本発明の別実施の形態として、図6に示すエンジン200について説明する。
エンジン200は、2サイクルエンジンであって、ピストン2の往復動を利用して、吸気ポート42からクランク室40に吸入された空気Aを、掃気ポート41を介して主室1内に供給し、主室において、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6によってクランク軸4の回転運動として出力させるものであり、クランク軸4が1回転する間に1サイクルを完結する。このような構成は、従来の2サイクルエンジンと同様であり詳細の説明は省略するが、本発明に係るエンジン200は、上記の図1に示すエンジン100と同様に、燃料をシリンダヘッド9に備えられた副室部材50内に供給する構成となっており、詳細について以下に説明する。
【0038】
副室部材50は、図6及び図7に示すように、内部に空間を有する円盤上の部材であり、下方部から上方に突出しリング上の隔壁45によって、内部の空間は中心部の第2副室20とその外周部の第1副室10とに、互いに連通する副室連絡路31を形成した状態で区画されている。さらに、第1副室10の下方部に主室1に連通する4つの第1連絡路11が、主室1において外側且つ外周方向に傾斜した状態で、均等に設けられている。さらに、第2副室20の下方部にも主室1に連通する4つの第2連絡路21が、第1連絡路と同様に、主室1において外側且つ外周方向に傾斜した状態で、均等に設けられている。
尚、第1連絡路11の直径は5.0mm、第2連絡路21の直径は2.0mmであり、副室連絡路31の流路抵抗は第1連絡路11の流路抵抗よりも小さくなっている。
【0039】
また、第2副室には燃料供給弁30が設けられ、燃料Gを第2副室20に、圧縮状態で貯蔵された燃料Gのガス圧を利用して供給するように構成されている。また、第1副室10の上方には、2個の点火プラグ8が均等に設けられており、後に説明する第1副室の混合気を着火するように構成されている。
【0040】
以上のように構成することで、エンジン200は、上記の実施の形態で説明した図1に示すエンジン100と同様に運転することができる。
即ち、主室に供給された空気Aを圧縮して、第1副室路10及び第2副室路20に空気Aを供給すると共に、燃料供給弁30を働かせて、燃料Gを第2副室20内に供給することで、第1副室10に希薄状態で可燃範囲内の混合気を形成し、第2副室20に当量比が燃焼上限界以上の混合気を形成する。
次に、点火プラグ8を働かせ、第1副室10の混合気を燃焼させ、第1連絡路11から主室1へ火炎を噴出し、主室1のシリンダ内壁に沿って火炎トーチFを形成すると共に、予燃焼副室11における燃焼によって発生する圧力波を副室連絡路31を介して混合気副室20に伝播させ、第2副室20の混合気を、第2連絡路から主室1の火炎トーチFの領域、即ちシリンダ内壁に向かって噴出させ、噴出混合気Mを形成する。
【0041】
結果、上記の実施の形態と同様に、第2連絡路21から主室1の火炎トーチFに向けて噴出された噴出混合気Mは、第1連絡路11から噴出した火炎トーチFによって好ましい状態で着火され、主室1において噴出混合気Mが徐々に燃焼し、所謂ディーゼルサイクル(定圧サイクル)に近い状態の燃焼を実現することができ、混合気を圧縮するのではなく空気を圧縮することになるので、ノッキングを抑制することができ、エンジンの圧縮比を高く設定し、効率を向上させることができる。また、1サイクルにおいて燃焼させる燃料Gと空気Aの混合気の当量比φを0.35程度の超希薄状態でエンジンを運転することができ、CO、HC、NOx等の排出を低減させることができる。
【0042】
〈2〉 上記の実施の形態において、混合気噴射手段Yとして、第1副室10における燃焼によって発生する圧力波を副室連絡路31を介して第2副室20に伝播させる構成を説明したが、別に、副室連絡路31を設けず、燃料供給弁を第1副室に可燃範囲内の当量比の混合気を形成する為の燃料を供給するように構成すると共に、第2副室に燃料Gを高圧で噴射する燃料噴射弁を設け、第1副室の混合気を着火するのとほぼ同時に第2副室に高圧で燃料を噴射し、その噴射の勢いで第2連絡路21から混合気を噴射するように構成することもできる。
【0043】
〈3〉 上記の実施の形態において、都市ガスを利用したエンジンについて説明したが、本願のエンジンは、気体燃料の都市ガス等を利用するエンジンを構成することによって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、勿論気体燃料の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、エタノール及び任意の燃料を使用することができる。
【0044】
〈4〉 上記の実施の形態において、エンジンの回転数若しくは負荷を変化させる場合は、シリンダに吸入される空気Aの流路内にロータリバルブ等を設け、ロータリバルブの開度によって吸気圧を変化させたり、供給する燃料の量を変化させることで上記の負荷若しくは回転数を変化させることができる。
【0045】
〈5〉 上記の実施の形態において、吸気行程において空気Aのみを主室に吸入する構成を説明したが、吸入される空気Aに燃料1の一部を混合して主室1に吸入するように構成することもできる。また、低負荷運転時においては、燃料Gを燃料供給弁30によって第2副室に供給し、高負荷運転時に、吸入される空気Aに増加分の燃料を供給するように構成することもできる。
【0046】
〈6〉 上記の実施の形態において、第2連絡路21に、主室1からの流体の流入を阻止するリードバルブを設けることもでき、この場合、圧縮行程において、主室1内の空気Aは第1連絡路10にのみ流入し、空気Aは第1副室10から副室連絡路31を介して第2副室20に流入するので第2副室への空気Aの流入が少なくなり、結果、第2副室の混合気の当量比をより燃焼上限界以上とし、第1副室の混合気の当量量を可燃範囲内のより燃焼下限界付近の希薄状態とすることができ、例えば高負荷運転時に、供給する燃料の量を増加させても、第1副室の混合気の当量比を可燃範囲内とすることができる。
【0047】
〈7〉 上記の実施の形態において、1つの燃料供給弁30によって、第2副室に燃料を供給し、副室連絡路を介して第1副室に燃料を供給するように構成したが、第1副室に燃料を供給する第1燃料供給弁と、第2副室に燃料を供給する第2燃料供給弁を別に設けることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るエンジンの実施の形態を示す概略図
【図2】図1に示すエンジンの副室部材を示す平面図
【図3】図1に示すエンジンの動作状態を示す部分断面図
【図4】図1に示すエンジンの動作状態を示す部分断面図
【図5】図1に示すエンジンの動作タイミングを示すチャート図
【図6】本発明に係るエンジンの別実施の形態を示す概略図
【図7】図6に示すエンジンの副室部材を示す平面図
【符号の説明】
1 主室
2 ピストン
3 シリンダ
4 クランク軸
6 連結棒
8 点火プラグ
10 第1副室
11 第1連絡路
20 第2副室
21 第2連絡路
30 燃料供給弁
31 副室連絡路
X 火炎噴射手段
Y 混合気噴射手段
G 燃料
A 空気(酸素含有ガス)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an engine that burns fuel and oxygen-containing gas in a main chamber, reciprocates a piston in a cylinder, and maintains the rotation of a crankshaft, and an operating method thereof.
[0002]
[Prior art]
Engines that are internal combustion engines are broadly divided into spark ignition engines (SI engines) and diesel engines.
The SI engine sucks air (an example of combustion oxygen-containing gas) and fuel into the combustion chamber (main chamber), compresses it, and forcibly ignites with a spark plug. The ideal cycle of this SI engine is It is considered an Otto cycle (constant volume heating cycle). By increasing the compression ratio and performing lean combustion, the thermal efficiency of the Otto cycle is improved. However, when the compression ratio is increased, knocking occurs in which the end gas self-ignites before the end of combustion by normal flame propagation, and a deviation from the optimum ignition timing at which the torque is truly maximized occurs, resulting in a decrease in thermal efficiency. Therefore, there is a limit to increasing the compression ratio and improving the thermal efficiency. For example, the compression ratio is at most 10 or less, and the thermal efficiency ηe at this time is about 30%.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
As a countermeasure against engine exhaust gas, it has been found that it is sufficient to completely burn with a very thin air-fuel mixture that generates little CO, HC and NOx. In order to improve thermal efficiency, it is effective to burn the thin air-fuel mixture by reducing the pumping loss without reducing the intake air (an example of oxygen-containing gas), but the ignitability and combustion of the air-fuel mixture Instability issues need to be resolved.
In addition, a diesel engine can inject fuel at any time by a fuel injection device that injects fuel at a high pressure. Therefore, unlike a SI engine, knocking due to an increase in flame propagation pressure does not occur. Although it can be set high and efficiency can be improved, it is necessary to inject high pressure fuel into highly compressed intake air (an example of an oxygen-containing gas), which requires a complicated and expensive fuel injection valve. When the fuel is a gaseous fuel such as natural gas, it is very difficult to supply the gaseous fuel to the high-pressure combustion chamber, and the engine of such a gaseous fuel is overwhelmingly an SI engine. It was difficult to improve the efficiency of the engine.
[0004]
Therefore, in view of the above circumstances, the present invention aims to provide a high-efficiency engine with a high compression ratio, and in particular, to provide a high-efficiency engine that can also be applied to a gaseous fuel engine. Objective.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention for solving such a problem, a characteristic configuration of an engine that burns fuel and oxygen-containing gas in a main chamber, reciprocates a piston in a cylinder, and maintains rotation of a crankshaft is claimed in claim 1 And a first sub chamber communicating with the main room via a first communication path, and a second sub chamber communicating with the main room via a second communication path,
Flame injection means for igniting by forming an air-fuel mixture in the first sub chamber, and for injecting the flame formed in the first sub chamber into the main chamber via the first communication path;
And a mixture injection means for forming an air-fuel mixture in the second sub chamber and for injecting the air-fuel mixture formed in the second sub chamber into the main chamber via a second communication path.
[0006]
In general, there are four-cycle engines and two-cycle engines, and the operation cycle of the four-cycle engine is operated through an intake stroke, a compression stroke, a combustion / expansion stroke, and an exhaust stroke in accordance with the reciprocating motion of the piston. The two-cycle engine is operated through a scavenging / compression stroke, a combustion / expansion / exhaust stroke, and in both engines, the fuel and oxygen-containing gas are compressed and burned in the main chamber (combustion chamber), and the piston is placed in the cylinder. The engine of the present invention can be applied to 4-cycle and 2-cycle engines.
[0007]
In the engine of the present invention, air (an example of an oxygen-containing gas) is sucked into a main chamber from an intake port or the like in an intake stroke or a scavenging stroke.
Next, in the compression stroke, by compressing the sucked air, the air in the main chamber flows into the first sub chamber and the second sub chamber via the first communication path and the second communication path, and the intake stroke. Alternatively, in the initial stage of the compression stroke or in the scavenging / compression stroke, for example, when the pressure in the main chamber is still in a low pressure state, fuel is supplied to the first sub chamber and the second sub chamber, and the first sub chamber and the second sub chamber An air-fuel mixture is formed in the sub chamber.
Next, in the combustion stroke, the air-fuel mixture in the first sub-chamber is ignited by the flame ejection means, and a flame torch is ejected into the main chamber via the first communication path, and the air-fuel mixture in the second sub-chamber is The air-fuel mixture formed in the second sub-chamber is ejected into the main chamber via the second communication path by the air-fuel mixture ejecting means that extrudes to the chamber side.
[0008]
By configuring in this way, in the main chamber, the jetted air-fuel mixture is gradually ignited by the jetted flame and burned completely, so that a combustion mode close to a so-called diesel cycle is realized. Even if the ratio φ is greatly changed to 0.2 to 1.0, complete combustion can be performed in a preferable state. Therefore, for example, even when the equivalence ratio φ of the air-fuel mixture is set to be extremely lean, such as about 0.35, the fuel can be completely burned in a preferable state, so that the specific heat ratio is high and the efficiency is high. The emission of fuel components can be reduced, and the occurrence of knocking can be prevented, so that the compression ratio can be set high and the engine efficiency can be further improved.
In addition, the compression ratio of a normal diesel engine is determined by the characteristics of the fuel. However, in the engine of the present invention, the air-fuel mixture is forcibly ignited by a spark plug or the like, so the compression ratio can be freely set to about 6 to 20, for example. Therefore, when the fuel is city gas, the compression ratio is set within the range of 17 to 19, and the thermal efficiency ηe is about 41%. Can do.
[0009]
In such an engine, an air-fuel mixture having an equivalence ratio in the combustible range is formed in the first sub chamber during ignition. Complete Preferably, the air-fuel mixture in the first sub chamber can be easily ignited and burned. Further, it is preferable that the equivalence ratio of the air-fuel mixture formed in the second sub-chamber before jetting of the air-fuel mixture is equal to or higher than the upper limit of combustion. it can.
[0010]
Further, in the engine as described above, the claim 2 As described above, the injection direction of the air-fuel mixture in the main chamber by the air-fuel mixture injection means is configured to be directed to the area of the flame injected into the main chamber by the flame injection means. Is preferred.
[0011]
By configuring as described above, the air-fuel mixture ejected into the main chamber can be ignited in a preferable state by the flame ejected into the main chamber, and the generation of unburned components can be further suppressed. Further, combustion in a lean region can be realized.
The flame region injected by the flame injection means indicates a region where the flame jetted from the first communication path into the main chamber exists in the main chamber. For example, the jetted flame runs along the inner wall of the cylinder. In the case of refraction or swirling, it is preferable that the air-fuel mixture is ejected from the second communication path toward the flame region formed in the main chamber, and the flow direction of the first communication path and the second communication path is not necessarily limited Need not be crossed in the main room.
[0012]
In these engines, the claims 3 The first fuel supply means for supplying a part of the fuel to the first sub chamber, and a spark plug for igniting the air-fuel mixture in the first sub chamber,
The flame injection means activates the first fuel supply means, supplies fuel to the first sub chamber, forms an air-fuel mixture with the oxygen-containing gas in the first sub chamber, activates the spark plug, An air-fuel mixture formed in one sub chamber is ignited to form a flame in the first sub chamber, and the flame formed in the first sub chamber is ejected to the main chamber via the first communication path. Can do.
[0013]
By configuring in this way, it is possible to simply configure the flame injection means for injecting flame into the main chamber. By supplying the fuel to the first sub chamber by the first fuel supply means, the fuel can be supplied in a low pressure state, and the first fuel supply means can be configured simply and inexpensively. Further, when using a pre-pressurized gaseous fuel such as city gas as the fuel, the first fuel supply means does not need to pressurize the fuel, so that a reed valve having a simple structure can be used. .
[0014]
In these engines, the claims 4 The second fuel supply means for supplying a part of the fuel to the second sub chamber, and a sub chamber communication path that communicates the first sub chamber and the second sub chamber. ,
The air-fuel mixture injection means operates the second fuel supply means to supply fuel to the second sub chamber to form an air-fuel mixture with the oxygen-containing gas in the second sub chamber, and to form the first sub chamber The pressure wave of the generated flame is propagated to the second sub chamber through the sub chamber communication path, and the air-fuel mixture formed in the second sub chamber is ejected to the main chamber through the second communication path. be able to.
[0015]
By comprising in this way, the air-fuel mixture ejection means which ejects air-fuel mixture to a main chamber can be comprised easily. That is, air flows from the main chamber into the second sub chamber through the second communication path in the compression stroke, and fuel is supplied to the second sub chamber by the second fuel supply means, for example, in the initial stage of the intake stroke, the compression stroke or the scavenging stroke. Is supplied in a low pressure state to form an air-fuel mixture in the second sub chamber. Next, the air-fuel mixture in the first sub chamber is ignited and combusted. The pressure wave generated by the combustion in the first sub chamber is guided to the second sub chamber via the sub chamber communication path, and the pressure wave The air-fuel mixture in the second sub chamber can be ejected from the second communication path to the main chamber in a high pressure state.
Therefore, the second fuel supply means does not need to inject fuel at a high pressure, and can be configured simply and inexpensively. Even in an engine using gaseous fuel, the air-fuel mixture is mainly used at a high pressure. An engine that realizes combustion close to a so-called diesel engine that is ignited by being ejected into a chamber can be configured. Also, when using a pre-pressurized gaseous fuel such as city gas as the fuel, the second fuel supply means does not need to pressurize the fuel, so use a simple structure such as a reed valve. Can do.
[0016]
Further, in such an engine, fuel is supplied to the first sub chamber so that the equivalence ratio of the air-fuel mixture formed in the first sub chamber is within the combustible range, and the equivalence ratio of the air-fuel mixture in the second sub chamber is It is preferable to supply the fuel to the second sub chamber so that the combustion upper limit is exceeded, and the flame does not propagate from the first sub chamber to the second sub chamber via the sub chamber communication path, and the first sub chamber is in a preferable state. The air-fuel mixture can be injected from the two sub chambers into the main chamber.
[0017]
Further, in an engine having such a sub chamber communication path, 5 As described above, the first fuel supply means and the second fuel supply means may include a fuel supply valve for supplying fuel into the sub chamber communication path or to the second sub chamber.
[0018]
That is, when the engine of the present invention has the sub chamber communication path, the fuel supply valve is provided as the first fuel supply means via the sub chamber communication path by providing at least one fuel injection valve as described above. A fuel can be supplied to one sub-chamber and fuel can be supplied to the second sub-chamber directly or via a sub-chamber communication path as a second fuel supply means. Can be configured.
[0019]
In the engine having the sub chamber communication path, ,in front The flow resistance of the first communication path is configured to be smaller than the flow resistance of the second communication path. Is preferable .
[0020]
With this configuration, a large amount of air sucked into the main chamber flows into the first communication path rather than the second communication path in the compression stroke, and the first sub-chamber is near the end of the compression stroke. The amount of air that flows into the air increases more than the air that flows into the second sub chamber. Therefore, even if the same amount of air-fuel mixture is supplied to each sub-chamber, the air-fuel mixture formed in the first sub-chamber is thinner than the air-fuel mixture formed in the second sub-chamber. The equivalent ratio of the air-fuel mixture in the second sub-chamber is equal to or higher than the upper limit of combustion, and a flame is formed in the first sub-chamber in a preferable state and a flame is injected into the main chamber. The pressure wave can be propagated to the second sub chamber through the sub chamber communication path, and the air-fuel mixture in the second sub chamber can be ejected to the main chamber without igniting.
[0021]
Further, in an engine having such a sub-chamber communication path, 1 As described above, a reed valve is provided in the second communication path to block the flow from the main chamber to the second sub chamber.
[0022]
Further, as described above, the reed valve is provided in the second communication path, and the air introduced from the main chamber into the second sub chamber through the second communication path in the compression stroke is prevented, so that the second sub chamber can be connected to the second sub chamber. The inflow of air is reduced, the equivalence ratio of the air-fuel mixture in the second subchamber is more than the upper combustion limit, and the equivalence ratio of the air-fuel mixture in the first subchamber is in a leaner state near the lower combustion limit within the combustible range. For example, even when the amount of fuel to be supplied is increased during high load operation, the equivalent ratio of the air-fuel mixture in the first sub chamber can be set within the combustible range.
[0023]
Furthermore, in an engine having such a sub-chamber communication path, 6 It is also preferable that the flow path resistance of the first communication path is larger than the flow path resistance of the sub chamber communication path.
[0024]
With this configuration, the pressure wave of the flame formed in the first sub chamber is preferentially propagated to the sub chamber communication path side, and the air-fuel mixture formed in the second sub chamber is more connected to the second chamber. The air-fuel mixture can be ejected vigorously into the main chamber by extruding to the road side.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the engine of the present invention will be described with reference to the drawings.
An engine 100 according to the present invention shown in FIG. 1 includes a piston 2 connected to a connecting rod 6 by a piston pin 7 and a cylinder 3 that houses the piston 2 and forms a main chamber 1 together with the piston upper end surface. Is reciprocated in the cylinder 3, and the intake valve 32 and the exhaust valve 33 are opened and closed to take in fresh air into the main chamber 1 and perform various steps of intake, compression, combustion / expansion, and exhaust in the main chamber 1. The reciprocating motion of the piston 2 is output as the rotational motion of the crankshaft 4 by the connecting rod 6, and such a configuration is not different from a normal 4-stroke internal combustion engine.
[0026]
The engine 100 uses city gas (13A) as the fuel G. The intake valve 32 is opened in the intake stroke, and air A is sucked into the main chamber 1 as an oxygen-containing gas. The compressed air A is compressed, and the fuel G is supplied to a fuel supply valve 30 described later and supplied to the engine 100.
[0027]
Further, the cylinder head 9 of the engine 100 is provided with a sub chamber member 50, and the sub chamber member 50 is communicated with the main chamber 1 by three first communication paths 11 as shown in FIGS. 1 and 2. A first sub chamber 10 and a second sub chamber 20 communicated with the main chamber 1 by three second communication paths 21. The first sub chamber 10 and the second sub chamber 20 are connected to a sub chamber communication path 31. The flow resistance of the first communication path 11 is S1, the flow resistance of the second communication path 21 is S2, and the flow resistance of the sub chamber communication path 31 is SS.
SS <S1 <S2
Are related and formed.
In addition, the internal diameter of the flow path of a 1st connection path is 2.5 mm, and the internal diameter of the flow path of a 2nd connection path is 1.0 mm.
[0028]
Further, a fuel supply valve 30 is provided above the second sub chamber 20, and is configured to supply the fuel G to the second sub chamber 20 using the gas pressure of the fuel G stored in a compressed state. ing. A spark plug 8 is provided above the first sub chamber 10 so as to ignite an air-fuel mixture in the first sub chamber described later.
[0029]
Next, the operation state in one cycle of the engine 100 of the present invention will be described with reference to the drawings. The piston position when the volume of the main chamber 1 is minimum is called top dead center (TDC), the piston position when the volume of the main chamber 1 is maximum is called bottom dead center (BDC), and the crank angle is the top in the rotational direction. The angle is expressed as an angle of the dead center with respect to the crankshaft. When the position is before the top dead center, BTCD is appended after the angle value, and when the position is after the top dead center, ATCD is appended after the angle value.
[0030]
First, as shown in FIG. 5, the engine 100 of the present invention opens the intake valve 32 when the crank angle is 22 ° BTDC, the piston descends through the top dead center, and the air A is sucked into the main chamber 1. .
Later, when the crank angle is 110 ° BTDC, the intake valve 32 is closed, the piston 2 rises, and the air A in the main chamber 1 is compressed.
Due to the compression of the air A in the main chamber 1, the compressed air A in the main chamber 1 passes through the first communication path 11 and the second communication path 21 as shown in FIG. The first sub chamber 10 flows into the second sub chamber 20, and the first sub chamber 10 is more than the second sub chamber 20 because of the relationship between the flow passage cross-sectional areas of the respective communication paths 11, 21, that is, the flow passage resistance. Much air A flows in.
[0031]
Further, when the crank angle is 110 ° BTDC, that is, when the intake valve is closed, the fuel supply valve 30 is operated, and when the second sub chamber is still in the low pressure state, the fuel G is used by utilizing the gas pressure of the fuel. Supply to the second sub chamber 20. Most of the supplied fuel G remains in the second sub chamber 20, but a part of the fuel G flows into the first sub chamber 10 through the sub chamber communication path 31, and as a result, compression is completed and before ignition. At this point, an air-fuel mixture of fuel G and air A set to an equivalence ratio within the combustible range is formed in the first sub chamber 10, and the remaining fuel G and air A are formed in the second sub chamber 20. Thus, an air-fuel mixture having an equivalent ratio exceeding the upper limit of combustion can be formed.
[0032]
Next, when the crank angle is 10 ° BTDC, the spark plug 8 is actuated to ignite an air-fuel mixture having an equivalence ratio within the combustible range formed in the first sub chamber 10 and shift to the combustion / expansion stroke. This will be described in detail below.
First, when the spark plug 8 is operated, the equivalence ratio φ of the air-fuel mixture formed in the first sub chamber 10 is in the combustible range of about 0.65 to 1.2. To ignite this mixture. Then, the air-fuel mixture in the first sub chamber 10 easily burns, the internal pressure in the first sub chamber 10 rises, and as shown in FIG. 4, the flame in the first sub chamber 10 flows from the first communication path. The main chamber 1 is ejected and a flame torch F is formed in the main chamber 1. In this way, an air-fuel mixture is formed in the first sub chamber 10 and ignited by the spark plug 8, and the flame formed in the first sub chamber 10 is ejected to the main chamber 1 through the first communication path 11. This means is called flame injection means X.
[0033]
Furthermore, simultaneously with the formation of the flame torch F, the pressure wave propagates in a preferable state to the sub chamber communication path 31 side having a smaller flow path resistance than the first communication path 11 due to an increase in the internal pressure of the first sub chamber 10. Propagates to the second sub chamber 20. Therefore, since the equivalence ratio of the air-fuel mixture formed in the second sub chamber 20 is equal to or higher than the upper limit of combustion, the second communication path is utilized by using the pressure wave from the first sub chamber 10 without ignition. 21 is ejected to the main chamber through the main chamber 1, and an ejected air-fuel mixture M directed to the flame torch F region is formed in the main chamber 1. As described above, the pressure wave generated by the combustion in the first sub chamber 10 is propagated to the second sub chamber 20 through the sub chamber communication path 31, and the air-fuel mixture formed in the second sub chamber 20 is transmitted to the second communication path. The means for jetting into the main chamber 1 through 21 is referred to as the mixture injection means Y.
[0034]
By performing the combustion / expansion stroke as described above, the jet mixture M ejected from the second communication path 21 toward the flame torch F of the main chamber 1 is caused by the flame torch F ejected from the first communication path 11. It is ignited in a preferable state, and the air-fuel mixture M gradually burns in the main chamber 1, pushes down the piston 2, opens the exhaust valve in the exhaust stroke, and exhausts the exhaust gas after combustion.
Such a combustion state becomes a state close to a so-called diesel cycle (constant pressure cycle), and compresses air rather than compressing the air-fuel mixture in the main chamber 1, so that knocking can be suppressed, The compression ratio can be set high and the efficiency can be improved. In addition, the engine can be operated in an ultra-lean state where the equivalent ratio φ of the mixture of fuel G and air A burned in one cycle is about 0.35, and emissions of CO, HC, NOx, etc. can be reduced. it can.
[0035]
Next, in order to confirm the efficiency improvement effect of the engine according to the present invention, the compression ratio was changed from 6 to 20 in the structure of the engine 100 shown in the above embodiment, and the efficiency was measured. Moreover, as a comparative example, the fuel is an engine using city gas, and an SI engine (Comparative Example 1) that inhales an air-fuel mixture and ignites sparks, and a diesel engine that directly sprays fuel into a combustion chamber at a high pressure (Comparative Example). 2) was prepared, and the efficiency was similarly measured by changing the compression ratio.
[0036]
As a result, the engine 100 according to the present invention can operate from a compression ratio of 6 to 20, and when the compression ratio is 6, the efficiency ηe is 27%, which is the lowest value. When the compression ratio is about 17 to 19, the efficiency ηe shows the highest value of about 41%. When the compression ratio is further increased, the efficiency is slightly lowered, and when the compression ratio is 20, the efficiency ηe is It was found to be about 36%.
Further, in the SI engine of Comparative Example 1, when the compression ratio was set to 10 or more, knocking occurred and operation was impossible, the compression ratio was about 10, and the efficiency ηe was about 28%. Further, in the diesel engine of Comparative Example 2, the compression ratio could be set as high as about 18 to 20, but the efficiency ηe was about 36 to 39%, which is lower than that of the engine according to the present invention. In the diesel engine, the combustion state is unstable because the fuel is directly injected and self-ignited. On the other hand, the engine 100 according to the present invention realizes a stable combustion state.
Further, in the SI engine and the diesel engine of Comparative Examples 1 and 2, it was impossible to operate within a compression ratio range of 10 to 17, whereas the engine 100 according to the present invention was within the above range. Therefore, it is possible to set the compression ratio freely by, for example, finding the compression ratio that maximizes the efficiency by burning in a preferable state.
[0037]
[Another embodiment]
<1> Next, an engine 200 shown in FIG. 6 will be described as another embodiment of the present invention.
The engine 200 is a two-cycle engine, and uses the reciprocating motion of the piston 2 to supply the air A sucked into the crank chamber 40 from the intake port 42 into the main chamber 1 through the scavenging port 41. In the main chamber, compression, combustion / expansion, and exhaust strokes are performed, and the reciprocating motion of the piston 2 is output as the rotational motion of the crankshaft 4 by the connecting rod 6. Complete the cycle. Such a configuration is the same as that of the conventional two-cycle engine, and detailed description thereof is omitted. However, the engine 200 according to the present invention includes fuel in the cylinder head 9 as in the engine 100 shown in FIG. The sub-chamber member 50 is configured to be supplied, and details will be described below.
[0038]
As shown in FIGS. 6 and 7, the sub chamber member 50 is a member on a disk having a space inside. The sub chamber member 50 protrudes upward from the lower portion and the partition 45 on the ring causes the inner space to be a second portion at the center. The sub chamber 20 and the first sub chamber 10 on the outer periphery thereof are partitioned in a state in which a sub chamber communication path 31 communicating with each other is formed. Further, four first communication passages 11 communicating with the main chamber 1 are equally provided in the lower portion of the first sub chamber 10 while being inclined outward and in the outer peripheral direction in the main chamber 1. Further, the four second communication paths 21 communicating with the main chamber 1 also in the lower part of the second sub chamber 20 are equally inclined in the outer and outer peripheral directions in the main chamber 1 like the first communication path. Is provided.
Note that the diameter of the first communication path 11 is 5.0 mm, the diameter of the second communication path 21 is 2.0 mm, and the flow path resistance of the sub chamber communication path 31 is smaller than the flow path resistance of the first communication path 11. It has become.
[0039]
The second sub In the room Is provided with a fuel supply valve 30 and is configured to supply the fuel G to the second sub chamber 20 using the gas pressure of the fuel G stored in a compressed state. In addition, two spark plugs 8 are equally provided above the first sub chamber 10, and are configured to ignite an air-fuel mixture in the first sub chamber described later.
[0040]
By configuring as described above, engine 200 can be operated in the same manner as engine 100 shown in FIG. 1 described in the above embodiment.
That is, the air A supplied to the main chamber is compressed to supply the air A to the first sub chamber passage 10 and the second sub chamber passage 20, and the fuel supply valve 30 is operated so that the fuel G is supplied to the second sub chamber passage 10. By supplying the gas into the chamber 20, an air-fuel mixture in a flammable range is formed in a lean state in the first sub chamber 10, and an air-fuel mixture having an equivalence ratio exceeding the upper limit of combustion is formed in the second sub chamber 20.
Next, the spark plug 8 is activated to burn the air-fuel mixture in the first sub chamber 10, and flame is ejected from the first communication path 11 to the main chamber 1 to form a flame torch F along the cylinder inner wall of the main chamber 1. In addition, the pressure wave generated by the combustion in the precombustion subchamber 11 is propagated to the gas mixture subchamber 20 via the subchamber communication path 31, and the gas mixture in the second subchamber 20 is transferred from the second communication path to the main chamber. 1 is ejected toward the region of the flame torch F, that is, toward the inner wall of the cylinder, to form an ejection mixture M.
[0041]
As a result, similar to the above embodiment, the gas mixture M ejected from the second communication path 21 toward the flame torch F of the main chamber 1 is in a preferable state by the flame torch F ejected from the first communication path 11. In the main chamber 1, the air-fuel mixture M gradually burns, so that combustion in a state close to a so-called diesel cycle (constant pressure cycle) can be realized, and the air is not compressed but the air is compressed. Therefore, knocking can be suppressed, the compression ratio of the engine can be set high, and the efficiency can be improved. In addition, the engine can be operated in an ultra-lean state where the equivalent ratio φ of the mixture of fuel G and air A burned in one cycle is about 0.35, and emissions of CO, HC, NOx, etc. can be reduced. it can.
[0042]
<2> In the above-described embodiment, the configuration in which the pressure wave generated by the combustion in the first sub chamber 10 is propagated to the second sub chamber 20 via the sub chamber communication path 31 as the mixture injection means Y has been described. However, the sub chamber communication path 31 is not provided, and the fuel supply valve is configured to supply the first sub chamber with fuel for forming an air-fuel mixture having an equivalence ratio within the combustible range, and the second sub chamber. Is provided with a fuel injection valve for injecting fuel G at a high pressure, and fuel is injected into the second sub chamber at a high pressure almost simultaneously with igniting the air-fuel mixture in the first sub chamber, and the second connecting path 21 is driven by the momentum of the injection. It is also possible to configure so that the air-fuel mixture is injected from the air.
[0043]
<3> Although the engine using city gas has been described in the above embodiment, the engine of the present application exhibits an excellent effect by configuring an engine using city gas or the like of gaseous fuel. Such gaseous fuel includes gaseous fuels other than hydrocarbons mainly composed of CO and H2 such as hydrogen and propane. Of course, fuel other than gaseous fuel can be used, and for example, gasoline, alcohol, methanol, ethanol, and any fuel can be used.
[0044]
<4> In the above embodiment, when changing the engine speed or load, a rotary valve or the like is provided in the flow path of the air A sucked into the cylinder, and the intake pressure is changed depending on the opening degree of the rotary valve. The load or the rotational speed can be changed by changing the amount of fuel to be supplied.
[0045]
<5> In the above embodiment, the configuration in which only the air A is sucked into the main chamber in the intake stroke has been described. However, a part of the fuel 1 is mixed with the sucked air A and sucked into the main chamber 1. It can also be configured. Further, the fuel G can be supplied to the second sub chamber by the fuel supply valve 30 during the low load operation, and the increased amount of fuel can be supplied to the sucked air A during the high load operation. .
[0046]
<6> In the above-described embodiment, the second communication path 21 may be provided with a reed valve that prevents inflow of fluid from the main chamber 1, and in this case, the air A in the main chamber 1 during the compression stroke. Flows only into the first communication path 10, and air A flows from the first sub chamber 10 into the second sub chamber 20 via the sub chamber communication path 31, so that the flow of air A into the second sub chamber is reduced. As a result, the equivalent ratio of the air-fuel mixture in the second sub-chamber can be more than the upper combustion limit, and the equivalent amount of the air-fuel mixture in the first sub-chamber can be made a lean state near the lower combustion limit within the combustible range, For example, even when the amount of fuel to be supplied is increased during high-load operation, the equivalent ratio of the air-fuel mixture in the first sub chamber can be within the combustible range.
[0047]
<7> In the above embodiment, the fuel is supplied to the second sub chamber by one fuel supply valve 30, and the fuel is supplied to the first sub chamber via the sub chamber communication path. A first fuel supply valve that supplies fuel to the first sub chamber and a second fuel supply valve that supplies fuel to the second sub chamber may be provided separately.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of an engine according to the present invention.
2 is a plan view showing a sub chamber member of the engine shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing an operating state of the engine shown in FIG.
4 is a partial sectional view showing an operating state of the engine shown in FIG. 1;
FIG. 5 is a chart showing the operation timing of the engine shown in FIG.
FIG. 6 is a schematic view showing another embodiment of the engine according to the present invention.
7 is a plan view showing a sub chamber member of the engine shown in FIG. 6;
[Explanation of symbols]
1 main room
2 piston
3 cylinders
4 Crankshaft
6 Connecting rod
8 Spark plug
10 1st sub-chamber
11 First connection
20 Second subroom
21 Second connection
30 Fuel supply valve
31 Subroom communication path
X Flame injection means
Y Mixture injection means
G fuel
A Air (oxygen-containing gas)

Claims (9)

主室において燃料と酸素含有ガスを燃焼させ、ピストンをシリンダ内で往復運動させ、クランク軸の回転を維持するエンジンであって、
前記主室に第1連絡路によって連通する第1副室と、前記主室に第2連絡路によって連通する第2副室とを備えると共に、
前記第1副室に混合気を形成して着火し、前記第1副室に形成された火炎を前記第1連絡路を介して前記主室に噴出する火炎噴射手段と、
前記第2副室に混合気を形成し、前記第2副室に形成された混合気を第2連絡路を介して前記主室に噴出する混合気噴射手段とを備え、
前記第2連絡路に、前記主室から前記第2副室への流れを阻止するリードバルブを備えたエンジン。
An engine that burns fuel and oxygen-containing gas in the main chamber, reciprocates the piston in the cylinder, and maintains the rotation of the crankshaft.
A first sub chamber that communicates with the main room via a first communication path; and a second sub chamber that communicates with the main room via a second communication path;
Flame injection means for igniting by forming an air-fuel mixture in the first sub chamber, and for injecting the flame formed in the first sub chamber into the main chamber via the first communication path;
An air-fuel mixture injection means for forming an air-fuel mixture in the second sub-chamber, and for injecting the air-fuel mixture formed in the second sub-chamber into the main chamber via a second communication path;
An engine comprising a reed valve in the second communication path for preventing a flow from the main chamber to the second sub chamber.
前記混合気噴射手段による混合気の前記主室での噴射方向が、前記火炎噴射手段よって主室に噴射された火炎の領域に方向付けられて構成されている請求項に記載のエンジン。The mixture injection direction in the main chamber mixture by the injection means, the engine according to the flame spraying means by with claim 1, which consists oriented in the region of the injected flame in the main chamber. 前記第1副室に前記燃料の一部を供給する第1燃料供給手段と、前記第1副室の混合気を着火する点火プラグとを備え、
前記火炎噴射手段が、前記第1燃料供給手段を働かせ、前記第1副室に燃料を供給して前記第1副室の酸素含有ガスと共に混合気を形成し、前記点火プラグを働かせ、前記第1副室に形成された混合気を着火して前記第1副室に火炎を形成し、前記第1副室に形成された火炎を前記第1連絡路を介して前記主室に噴出する請求項1又は2に記載のエンジン。
A first fuel supply means for supplying a part of the fuel to the first sub chamber; and a spark plug for igniting an air-fuel mixture in the first sub chamber;
The flame injection means activates the first fuel supply means, supplies fuel to the first sub chamber, forms an air-fuel mixture with the oxygen-containing gas in the first sub chamber, activates the spark plug, An air-fuel mixture formed in one subchamber is ignited to form a flame in the first subchamber, and the flame formed in the first subchamber is ejected to the main chamber via the first communication path. Item 3. The engine according to Item 1 or 2 .
前記第2副室に前記燃料の一部を供給する第2燃料供給手段と、前記第1副室と前記第2副室を連通する副室連絡路とを備え、
前記混合気噴射手段が、前記第2燃料供給手段を働かせ、前記第2副室に燃料を供給して前記第2副室の酸素含有ガスと共に混合気を形成し、前記第1副室に形成された火炎の圧力波を前記副室連絡路を介して前記第2副室に伝播させて、前記第2副室に形成された混合気を第2連絡路を介して前記主室に噴出する請求項1からの何れか1項に記載のエンジン。
A second fuel supply means for supplying a part of the fuel to the second sub chamber; and a sub chamber communication passage communicating the first sub chamber and the second sub chamber;
The air-fuel mixture injection means operates the second fuel supply means to supply fuel to the second sub chamber to form an air-fuel mixture with the oxygen-containing gas in the second sub chamber, and to form the first sub chamber The pressure wave of the generated flame is propagated to the second sub chamber through the sub chamber communication path, and the air-fuel mixture formed in the second sub chamber is ejected to the main chamber through the second communication path. The engine according to any one of claims 1 to 3 .
前記第1副室に前記燃料の一部を供給する第1燃料供給手段を備え、
前記第1燃料供給手段及び前記第2燃料供給手段として、前記副室連絡路内若しくは前記第2副室に燃料を供給する燃料供給弁を備えた請求項に記載のエンジン。
A first fuel supply means for supplying a part of the fuel to the first sub chamber;
5. The engine according to claim 4 , further comprising a fuel supply valve that supplies fuel to the sub chamber communication path or to the second sub chamber as the first fuel supply unit and the second fuel supply unit.
第1連絡路の流路抵抗が、前記副室連絡路の流路抵抗よりも大きく構成されている請求項4又は5に記載のエンジン。The engine according to claim 4 or 5 , wherein a flow path resistance of the first communication path is configured to be larger than a flow path resistance of the sub chamber communication path. 主室において燃料と酸素含有ガスを燃焼させ、ピストンをシリンダ内で往復運動させ、クランク軸の回転を維持するエンジンの運転方法であって、
前記エンジンを、前記主室に第1連絡路によって連通する第1副室と、前記主室に第2連絡路によって連通する第2副室とを設けて構成し、
前記第1副室に火炎を形成し、前記第1副室に形成された火炎を前記第1連絡路を介して前記主室に噴出する火炎噴出工程を行うと共に、
前記第2副室に混合気を形成し、前記第2副室に形成された混合気を、第2連絡路を介して、前記主室の前記噴射された火炎の領域に噴出する混合気噴出工程を行うに、
前記第2連絡路にリードバルブを設けて、前記主室から前記第2副室への流れを阻止するエンジンの運転方法。
An engine operating method for burning fuel and oxygen-containing gas in a main chamber, reciprocating a piston in a cylinder, and maintaining rotation of a crankshaft,
The engine is configured by providing a first sub chamber communicating with the main chamber by a first communication path and a second sub chamber communicating with the main chamber by a second communication path,
Forming a flame in the first sub-chamber, performing a flame ejection step of ejecting the flame formed in the first sub-chamber to the main chamber via the first communication path;
A gas mixture is formed in the second sub chamber, and the gas mixture formed in the second sub chamber is ejected to the injected flame region of the main chamber via the second communication path. To do the process,
A method of operating the engine, wherein a reed valve is provided in the second communication path to prevent a flow from the main chamber to the second sub chamber.
前記第1副室に前記燃料の一部を供給する第1燃料供給手段と、前記第1副室の混合気を着火する点火プラグとを備え、
前記火炎噴出工程を行うに、前記第1燃料供給手段を働かせ、前記第1副室に燃料を供給して前記第1副室の酸素含有ガスと共に混合気を形成し、前記点火プラグを働かせ、前記第1副室に形成された混合気を着火して前記第1副室に火炎を形成し、前記第1副室に形成された火炎を前記第1連絡路を介して前記主室に噴出する請求項に記載のエンジンの運転方法。
A first fuel supply means for supplying a part of the fuel to the first sub chamber; and a spark plug for igniting an air-fuel mixture in the first sub chamber;
In order to perform the flame ejection step, the first fuel supply means is operated, fuel is supplied to the first sub chamber to form an air-fuel mixture with the oxygen-containing gas in the first sub chamber, and the spark plug is operated, An air-fuel mixture formed in the first sub chamber is ignited to form a flame in the first sub chamber, and the flame formed in the first sub chamber is ejected to the main chamber through the first communication path. The engine operating method according to claim 7 .
前記第2副室に前記燃料の一部を供給する第2燃料供給手段と、前記第1副室と前記第2副室を連通する副室連絡路とを備え、
前記混合気噴出工程を行うに、前記第2燃料供給手段を働かせ、前記第2副室に燃料を供給して前記第2副室の酸素含有ガスと共に混合気を形成し、前記第1副室に形成された火炎の圧力波を前記副室連絡路を介して前記第2副室に伝播させて、前記第2副室に形成された混合気を第2連絡路を介して前記主室に噴出する請求項7又は8に記載のエンジンの運転方法。
A second fuel supply means for supplying a part of the fuel to the second sub chamber; and a sub chamber communication passage communicating the first sub chamber and the second sub chamber;
In order to perform the air-fuel mixture ejection step, the second fuel supply means is operated to supply fuel to the second sub chamber to form an air-fuel mixture together with the oxygen-containing gas in the second sub chamber, and the first sub chamber The pressure wave of the flame formed in the second chamber is propagated to the second sub chamber via the sub chamber communication path, and the air-fuel mixture formed in the second sub chamber is transmitted to the main chamber via the second communication path. The engine operating method according to claim 7 or 8 , wherein the engine is ejected.
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