JP4145177B2

JP4145177B2 - エンジン及びその運転方法

Info

Publication number: JP4145177B2
Application number: JP2003080054A
Authority: JP
Inventors: 浩二守家; 俊作中井; 裕紀佐藤
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2023-03-24
Also published as: JP2004285928A

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、前記副室から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式エンジン及びその運転方法に関する。
【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（最大燃焼室容積／最小燃焼室容積）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、ディーゼルサイクル並みの高圧縮比に設定して、一層の高効率化を図ることは困難であった。
【００１０】
したがって、本発明は、上記の事情に鑑みて、副室式エンジンにおいて、ディーゼルサイクル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技術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】
上述の目的を達成するための本発明に係る副室式エンジンの第一特徴構成は、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、前記副室から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式エンジンであって、
前記副室を複数備え、
前記夫々の副室から前記主室への火炎ジェットの噴射タイミングを、互いに異なるように設定する噴射タイミング設定構造を備え、
前記夫々の連通路におけるガスの流通に対して付与される背圧を互いに異なるように設定すると共に、前記夫々の点火手段の点火タイミングを前記夫々の副室における前記圧縮による圧力上昇状態に応じて設定して、前記噴射タイミング設定構造が構成されている点にある。
【００１２】
また、上述の目的を達成するための本発明に係る副室式エンジンの運転方法の特徴構成は、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、前記副室から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式エンジンの運転方法であって、
前記副室式エンジンに前記副室が複数設けてあり、
前記夫々の連通路におけるガスの流通に対して付与される背圧が互いに異なるように設定してあり、
前記夫々の点火手段の点火タイミングを前記夫々の副室における前記圧縮による圧力上昇状態に応じて設定して、前記夫々の副室から前記主室に、互いに異なる噴射タイミングで前記火炎ジェットを噴射させる点にある。
【００１３】
即ち、上記副室式エンジンの第一特徴構成及びそれに対応する副室式エンジンの運転方法の特徴構成によれば、上記噴射タイミング設定構造において、夫々の連通路における背圧を互いに異なるように設定することで、夫々の副室における圧力上昇状態が互いに異なるものとなり、更に、夫々の点火手段の点火タイミングを、夫々の副室における互いに異なる圧力上昇状態に応じた適切な時期に設定することで、燃焼・膨張行程において、夫々の副室から互いに異なる噴射タイミングで主室へ火炎ジェットを噴射することができるので、その夫々の噴射タイミングを燃焼・膨張行程において適当な時期に分散させることで、主室における加熱がほぼ定圧で行われる所謂ディーゼルサイクル（定圧加熱サイクル）に近い状態を実現することができ、ノッキングを回避しながら比較的高い圧縮比に設定して、極めて高い効率を実現することができる。
【００１４】
本発明に係る副室式エンジンの第二特徴構成は、上記副室式エンジンの第一特徴構成に加えて、前記噴射タイミング設定構造において、前記夫々の点火手段の点火タイミングが互いに異なるように設定されている点にある。
【００１５】
即ち、上記副室式エンジンの第二特徴構成によれば、夫々の点火手段の点火タイミングが互いにことなるように設定されているので、夫々の副室に形成された混合気を互いに異なる時期に点火して、燃焼・膨張行程において、夫々の副室から互いに異なる適当な噴射タイミングで主室へ火炎ジェットを噴射させることができる。
【００２３】
本発明に係る副室式エンジンの第三特徴構成は、上記副室式エンジンの第一乃至第二特徴構成に加えて、前記噴射タイミング設定構造において、前記夫々の連通路の流路断面積を互いに異なるように設定することで、前記夫々の連通路における前記背圧が互いに異なるように設定されている点にある。
【００２４】
即ち、上記副室式エンジンの第三特徴構成によれば、噴射タイミング設定構造において、夫々の連通路の流路断面積を互いに異なるように設定することで、夫々の連通路の背圧を互いに異なるように設定することができ、簡単な構成で副室式エンジンの第一乃至第二特徴構成を実現することができる。
【００２５】
本発明に係る副室式エンジンの第四特徴構成は、上記副室式エンジンの第一乃至第三特徴構成に加えて、前記噴射タイミング設定構造において、前記複数の副室の内、一部の第一副室に対して設けられた第一連通路における前記背圧を、他部の第二副室に対して設けられた第二連通路における前記背圧よりも大きく設定することにより、前記第一副室の前記圧縮により最高到達圧力となる時期を、前記第二副室の前記圧縮により最高到達圧力となる時期よりも遅延させてある点にある。
【００２６】
即ち、上記副室式エンジンの第四特徴構成によれば、主室に吸気された新気が圧縮行程において第一連通路を通過して第一副室に流入する際に新気の流通を阻止する方向に受ける背圧（以下、「第一背圧」と呼ぶ。）が、同じく新気が第二連通路を通過して第二副室に流入する際に受ける背圧（以下、「第二背圧」と呼ぶ。）よりも大きくなるので、第一副室の圧力が非燃焼時の圧縮のみにより最高到達圧力となる時期（以下、「第一副室最高圧力到達時期）と呼ぶ。）が、第二副室の圧力が非燃焼時の圧縮のみにより最高到達圧力となる時期（以下、「第二副室最高圧力到達時期」と呼ぶ。）よりも、遅延させることができ、第一副室及び第二副室に設けられた夫々の点火手段の点火タイミングを、第一副室及び第二副室の夫々における最高圧力到達時期及びそのときの最高到達圧力に応じて設定することで、第一副室及び第二副室の夫々における燃焼状態を、ノッキングを回避した適切な状態としながら、第一副室及び第二副室の夫々から異なる噴射タイミングで主室へ火炎ジェットを噴射して、所謂ディーゼルサイクル（定圧加熱サイクル）に近い状態を実現することができる。
【００２７】
本発明に係る副室式エンジンの第五特徴構成は、上記副室式エンジンの第四特徴構成に加えて、前記主室及び前記第二副室の前記圧縮による最高到達圧力が、前記最高到達圧力時に点火した場合のノッキング回避圧力範囲の上限値よりも高く設定されていると共に、前記第一副室の前記圧縮による最高到達圧力が、前記ノッキング回避範囲内に設定され、且つ、前記第二副室に設けられた第二点火手段の第二点火タイミングが、前記第一副室に設けられた第一点火手段の第一点火タイミングよりも遅延して設定されている点にある。
【００２８】
即ち、上記副室式エンジンの第五特徴構成によれば、圧縮比（最大燃焼室容積／最小燃焼室容積）を比較的高く設定し、且つ、第二連通路における第二背圧を比較的小さく設定して、主室及び第二副室の最高到達圧力をノッキング回避圧力範囲（即ち、その最高到達圧力で混合気を点火した場合にノッキングを回避することができる圧力範囲）の上限値よりも大きくなるように設定すると共に、第一連通路における第一背圧を上記第二背圧よりも充分に大きく設定して、第一副室の最高到達圧力を上記ノッキング回避圧力範囲内とすることができる。そして、第二副室においては、燃焼・膨張行程において、圧力が充分に低下しノッキング回避範囲内となった比較的遅い時期である第二点火タイミングで混合気を点火することで、第二副室におけるノッキングを回避しながら、比較的遅延した時期に主室に火炎ジェットを噴射させることができ、一方、第一副室においては、燃焼・膨張行程において、圧力がノッキング回避範囲内の最高到達圧力となった最高圧力到達時期の近傍の比較的早い時期である第一点火タイミングで混合気を点火することで、第一副室におけるノッキングを回避しながら、比較的早い時期に主室に火炎ジェットを噴射させることができる。
【００２９】
本発明に係る副室式エンジンの第六特徴構成は、上記副室式エンジンの第一乃至第五特徴構成に加えて、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点にある。
【００３０】
即ち、上記副室式エンジンの第六特徴構成によれば、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となる時期に点火して、副室において安定して燃焼させることができ、更に、副室から連通路を介して主室に噴射された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安定して燃焼させることができる。
【００３１】
本発明に係る副室式エンジンの第七特徴構成は、上記副室式エンジンの第一乃至第六特徴構成に加えて、前記副室に設けられた前記点火手段の点火領域が、前記副室において前記連通路側に偏って配置されている点にある。
【００３２】
即ち、上記副室式エンジンの第七特徴構成によれば、前記点火手段の点火領域が、前記副室において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、更に、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。
【００３３】
また、このように副室において点火領域を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、上記火炎ジェットが主室に噴出され、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、一層ディーゼルサイクルに近い状態を実現して、一層の高効率化を図ることができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る副室式エンジンの実施形態について、図１−６に基づいて説明する。
【００３５】
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及び排気弁５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。
【００３６】
尚、本実施形態の副室式エンジン１００において、シリンダ３のボア径は１１０ｍｍであり、ピストン２のストローク長は１０６ｍｍであり、ピストン２の位置が上死点位置であるときの燃焼室容積に対する、ピストン２の位置が下死点位置であるときの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、クランク軸の回転数が１２００ｒｐｍで運転されて８ｋＷ程度の出力が得られるものである。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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に対して夫々が第一連通路２０Ａ及び第二連通路２０Ｂを介して連通する第一副室１１Ａ及び第二副室１１Ｂが設けられており、この夫々の副室１１Ａ，１１Ｂを有する夫々の第一及び第二副室機構１０Ａ，１０Ｂの構造について、以下に説明する。
【００４０】
尚、第一副室機構１０Ａ及び第１副室機構１０Ｂは、シリンダ３の軸心を中心に対象配置されており、詳細については後述するが、夫々の第一及び第二副室１１Ａ，１１Ｂから主室１への火炎ジェットの噴射タイミングを、互いに異なるように設定するための噴射タイミング設定構造についての構成以外は共通の構成を有しているので、その共通部分の構成について、第一副室機構１０Ａの構成を例に挙げて説明する。
【００４１】
第一副室１１Ａ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と夫々の副室１１Ａ，１１Ｂとの容積の和である総燃焼室容積の１／１０以下の例えば７５００ｍｍ^３程度に設定されている。
【００４２】
第一副室１１Ａと主室１とを連通する第一連通路２０Ａは、主室１の略中央部近傍に開口する４つの第一主室孔２１Ａと、第一副室１１Ａに開口する１つの第一副室孔２２Ａと、上記第一主室孔２１Ａと上記第一副室孔２２Ａとを接続する第一流路２３Ａとからなる。
第一流路２３Ａ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つの第一主室孔２１Ａは、図２及び図３にも示すように、上記第一流路２３Ａ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軸心方向に対して７５／２°傾斜した噴孔角を有する。
【００４３】
第一副室１１Ａの上方には、燃料Ｇを０．２ＭＰａ（Ｇａｕｇｅ）の供給圧力で第一副室１１Ａに供給可能な第一燃料供給弁３０Ａが設けられている。
更にまた、第一副室１１Ａの上方には、第一副室１１Ａの混合気を火花点火可能な第一点火プラグ３２Ａ（点火手段の一例）が設けられている。
【００４４】
また、第二副室機構１０Ｂにおいても、前述したように、上記第一副室機構１０Ａと同様に、第一副室１１Ｂ、第二主室孔２１Ｂと第二副室孔２２Ｂと第二流路２３Ｂとからなり第二副室１１Ｂと主室１とを連通する第二連通路２０Ｂ、第二燃料供給弁３０Ｂ、及び、第二点火プラグ３２Ｂを備えて構成されている。
【００４５】
そして、第一副室機構１０Ａと第２副室機構１０Ｂとは、前述したように、夫々の第一及び第二副室１１Ａ，１１Ｂから主室１への火炎ジェットの噴射タイミングを、互いに異なるように設定するための噴射タイミング設定構造を実現するために、第一連通路２０Ａ及び第二連通路２０Ｂの夫々におけるガスの流通に対して付与される背圧が互いに異なるように設定されていると共に、第一点火プラグ３２Ａによる第一点火タイミング及び第二点火プラグ３２Ｂによる第二点火タイミングの夫々が互いに異なるように設定されており、その詳細構成について以下に説明する。
【００４６】
このような副室式エンジン１００において、第一連通路２０Ａにおいて最も小さい流路断面積である４つの第一主室孔２１Ａの開口面積の和ＳｐＡの、シリンダ３の横断面積Ｓｍに対する比（以下、第一断面積比と呼ぶ。）ＳｒＡは、０．００１３以下、好適には、０．０００５以下、更に好適には、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。尚、本実施形態においては、第一主室孔２１Ａの径は１．０ｍｍとされており、第一断面積比ＳｒＡは０．０００３程度とされている。
【００４７】
このように第一断面積比ＳｒＡを非常に小さく設定することにより、図４（ａ），（ｂ）に示すように、主室１に吸気された新気Ｉが圧縮行程において第一連通路２０Ａを通過して第一副室１１Ａに流入する際に受ける背圧が大きくなり、非燃焼時の圧縮のみによる第一副室１１Ａの第一副室最高到達圧力Ｐ２Ａを、同じく非燃焼時の圧縮のみによる主室１の主室最高到達圧力Ｐ１よりも低くすることができ、更に、図４（ｃ）に示すように、第一副室１１Ａの圧力が第一副室最高到達圧力Ｐ２Ａとなる第一副室最高圧力到達時期を、主室１の圧力が主室最高到達圧力Ｐ１となる上死点近傍の主室最高圧力到達時期に対して、遅延側にずらすことができる。
【００４８】
上記のように、上記第一連通路２０Ａの流路断面積を小さくする設定して、主室１から第一副室１１Ａへの方向に第一連通路２０Ａ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、第一副室最高到達圧力Ｐ２Ａを、上記主室最高到達圧力Ｐ１よりも小さく、第一副室１１Ａ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第一副室１１Ａのノッキング回避圧力範囲内とすることができる。
【００４９】
一方、第二連通路２０Ｂにおいて最も小さい流路断面積である４つの第二主室孔２１Ｂの開口面積の和ＳｐＢの、シリンダ３の横断面積Ｓｍに対する比（以下、第二断面積比と呼ぶ。）ＳｒＢは、０．００１３よりも大きい値に設定されている。具体的には、第二主室孔２１Ｂの径は２．０ｍｍとされており、第二断面積比ＳｒＢは０．００１３２程度とされている。このように第二断面積比ＳｒＢを大きく設定することにより、図４（ａ），（ｂ）に示すように、主室１に吸気された新気Ｉが圧縮行程において第二連通路２０Ｂを通過して第二副室１１Ｂに流入する際に受ける背圧が小さくなり、非燃焼時の圧縮のみによる第二副室１１Ｂの第二副室最高到達圧力Ｐ２Ｂを、同じく非燃焼時の圧縮のみによる主室１の主室最高到達圧力Ｐ１と同等のものとすることができ、更に、図４（ｃ）に示すように、第二副室１１の圧力が第二副室最高到達圧力Ｐ２となる第二副室最高圧力到達時期を、主室最高圧力到達時期とほぼ同じ時期とすることができる。
【００５０】
即ち、第一連通路２０Ａ及び第二連通路２０Ｂの夫々の流路断面積を互いに異なるように設定することで、第一連通路２０Ａ及び第二連通路２０Ｂ夫々におけるガスの流通に対して付与される背圧が互いに異なるように設定されている。
【００５１】
次に、本実施形態の副室式エンジン１００における、１サイクルにおける吸気弁４、排気弁５、第一及び第二燃料供給弁３０Ａ，３０Ｂ、第一及び第二点火プラグ３２Ａ，３２Ｂの動作状態を説明する。
【００５２】
図５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。
このとき第一及び第二副室１１Ａ，１１Ｂに設置された第一及び第二燃料供給弁３０Ａ，３０Ｂが吸気弁４の開時期に対して若干遅れた時期（例えば、３９°ＡＴＤＣ）に開状態となり、第一及び第二副室１１Ａ，１１Ｂへの燃料Ｇの供給を開始される。
【００５３】
後に、吸気弁４及び第一及び第二燃料供給弁３０Ａ，３０Ｂ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。
【００５４】
尚、圧縮行程初期の第一及び第二副室１１Ａ，１１Ｂがまだ定圧状態のときに、第一及び第二燃料供給弁３０Ａ，３０Ｂを開状態として燃料Ｇを副室１１に供給しても良い。
【００５５】
このように第一及び第二副室１１Ａ，１１Ｂに燃料を供給することにより、第一及び第二副室１１Ａ，１１Ｂ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、特に第一副室１１Ａの第一連通路２０Ａの断面積比が非常に小さく設定されているため、第一副室１１Ａからの燃料の流出量は、第一副室１１Ａに供給された全副室燃料供給量の５％程度となる。
【００５６】
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が第一及び第二連通路２０Ａ，２０Ｂ介して第一及び第二副室１１Ａ，１１Ｂに流入し、第一及び第二副室１１Ａ，１１Ｂには、連通路２２から上方に向かう新気流が発生し、その新気流が第一及び第二点火プラグ３２Ａ，３２Ｂの点火領域に到達する。
【００５７】
よって、第一及び第二副室１１Ａ，１１Ｂの第一及び第二点火プラグ３２Ａ，３２Ｂ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例えば０．６９程度の当量比の混合気が形成される。
【００５８】
この圧縮行程では、第一連通路２０Ａの第一主室孔２１Ａが所謂絞り弁のように働き、主室１及び第二副室１１Ｂの圧力はほぼ圧縮比どおりの圧力になるが、第一副室１１Ａの第一副室最高到達圧力Ｐ２Ａは、主室最高到達圧力Ｐ１及び第二副室最高到達圧力Ｐ２Ｂの圧力よりも低下したものになる。
【００５９】
そして、第一点火プラグ３２Ａの第一点火タイミングと第二点火プラグ３２Ｂの第二点火タイミングとの夫々が、夫々の第一及び第二副室１１Ａ，１１Ｂの互いに異なる圧力上昇状態に応じて設定されている。
【００６０】
具体的には、上死点付近で第一副室１１Ａの混合気を燃焼させるために、１２°ＢＴＤＣにおいて、第一点火プラグ３２Ａを働かせて、第一副室１１Ａに形成された混合気を火花点火した後に、上死点よりも充分遅延した時期に第二副室１１Ｂの混合気を燃焼させるために０°ＢＴＤＣ付近において、第二点火プラグ３２Ｂを働かせて、上記第二副室１１Ｂに形成された混合気を点火する。
【００６１】
よって、副室式エンジン１００は、図６に示すように、先ず、常に圧力がノッキング回避範囲内である第一副室１１Ａの混合気が燃焼することで第一副室１１Ａの圧力が上昇して、第一連通路２０Ａから主室１に火炎ジェットが噴出される。次に、第二副室１１Ｂの圧力がノッキング回避範囲内に低下してから、上記第一連通路２０からの火炎ジェットの噴出時期よりも遅延した時期に、前記第二副室１１Ｂの混合気が燃焼することで第二副室１１Ｂの圧力が上昇して、第二連通路２０Ｂから主室１に火炎ジェットが噴出される。よって、夫々の副室１１Ａ，１１Ｂから主室１への火炎ジェットの噴射タイミングを、互いに異なるように設定する噴射タイミング設定構造を実現することができ、かかる噴射タイミング設定構造により、第一副室１１Ａと第二副室１１Ｂとの夫々からの火炎ジェットの噴射タイミングを燃焼・膨張行程において適当な時期に分散させることで、主室１における加熱がほぼ定圧で行われる所謂ディーゼルサイクル（定圧加熱サイクル）に近い状態を実現することができ、ノッキングを回避しながら比較的高い圧縮比に設定して、極めて高い効率を実現することができる。
【００６２】
一方、主室１においては、高圧力場で、第一及び第一連通路２０Ａ，２０Ｂ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、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。
【００６３】
また、これまで説明してきた実施例の副室式エンジン１００の効果を検証するために、単一の副室のみを備えた比較例の副室式エンジンを構成し、運転試験を行った。
比較例の副室式エンジンにおいては、図７に示すように、副室の混合気が燃焼することで副室の圧力が上昇して、連通路から主室に火炎ジェットが噴出され、主室の混合気が燃焼され、主室の圧力が局所的に上昇することになる。
即ち、比較例の副室式エンジンがノッキングの制約により圧縮比を１２程度までしか高めることができなかったのに対して、実施例の副室式エンジンにおいては、所謂ディーゼルサイクルに近い状態で混合気を燃焼させることができるので圧縮比を１７程度まで高めることができ、比較例に対して２ポイント程度の効率向上を図ることができた。
【００６４】
〔別実施形態〕
本発明に係る副室式エンジンの別実施形態について、説明する。
【００６５】
〈１〉
上記実施形態で説明した副室式エンジン１００の第一副室機構１０Ａ又は第２副室機構１０Ｂにおいて、図８に示すように、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しても構わない。
【００６６】
即ち、このように構成する場合、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。
【００６７】
そして、副室式エンジンは、所定の時期に点火プラグ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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
このように構成された副室式エンジンは、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、一層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ＮＯ_Ｘ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。
【００７２】
〈２〉
上記実施形態で説明した副室式エンジン１００の第一副室機構１０Ａ又は第２副室機構１０Ｂにおいて、図９に示すように、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の上方にある点火プラグ３２の点火領域付近に供給可能な空気供給弁３１を設けても構わない。
【００７３】
即ち、このように構成する場合、上記吸気弁４、排気弁５、燃料供給弁３０、点火プラグ３２の動作時期は、前述の実施形態と同様であるので、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。
【００７４】
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。
【００７５】
そして、副室式エンジンは、所定の時期に点火プラグ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。
【００７６】
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。
【００７７】
即ち、このように構成した副室式エンジンは、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、一層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。
【００７８】
尚、本第三実施形態において、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及や副室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。
【００７９】
〈３〉
本発明に係る副室式エンジンは、前述の実施形態で説明したように、都市ガス等の気体燃料を利用する場合に優れた効果を発揮するものであり、このような気体燃料としては、上記都市ガス以外に水素やプロパン等のＣＯやＨ_２を主成分とする炭化水素以外の気体燃料がある。また、本発明に係る副室式エンジンは、もちろん気体燃料以外の燃料を利用することもでき、例えば、ガソリン、アルコール、メタノール、エタノール、任意の燃料を使用することができる。
【００８１】
〈４〉上記実施の形態では、夫々の連通路２０Ａ，２０Ｂにおけるガスの流通に対して付与される背圧を設定するために、夫々の連通路２０Ａ，２０Ｂの流路断面積、即ち、夫々の主室孔２１Ａ，２１Ｂの径を設定したが、別に、夫々の連通路２０Ａ，２０Ｂの流路長や形状を設定することでも、上記背圧を設定することができる。
【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】副室式エンジンの主室から見たシリンダヘッド部の図
【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】副室式エンジンの動作状態を示すタイムチャート図
【図６】副室式エンジンの燃焼室の圧力上昇状態を示すグラフ図
【図７】比較例の副室式エンジンの燃焼室の圧力上昇状態を示すグラフ図
【図８】別実施形態の副室機構の状態を示す部分概略構成図
【図９】別実施形態の副室機構の状態を示す部分概略構成図
【符号の説明】
１：主室
２：ピストン
３：シリンダ
９：シリンダヘッド
１０Ａ：第一副室機構
１０Ｂ：第二副室機構
１１Ａ：第一副室（副室）
１１Ｂ：第二副室（副室）
２０Ａ：第一連通路（連通路）
２０Ｂ：第二連通路（連通路）
２１Ａ：第一主室孔
２１Ｂ：第二主室孔
３２Ａ：第一点火プラグ（点火手段）
３２Ｂ：第二点火プラグ（点火手段）
１００：副室式エンジン

Claims

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、前記副室から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式エンジンであって、
前記副室を複数備え、
前記夫々の副室から前記主室への火炎ジェットの噴射タイミングを、互いに異なるように設定する噴射タイミング設定構造を備え、
前記夫々の連通路におけるガスの流通に対して付与される背圧を互いに異なるように設定すると共に、前記夫々の点火手段の点火タイミングを前記夫々の副室における前記圧縮による圧力上昇状態に応じて設定して、前記噴射タイミング設定構造が構成されている副室式エンジン。
前記噴射タイミング設定構造において、前記夫々の点火手段の点火タイミングが互いに異なるように設定されている請求項１に記載の副室式エンジン。
前記噴射タイミング設定構造において、前記夫々の連通路の流路断面積を互いに異なるように設定することで、前記夫々の連通路における前記背圧が互いに異なるように設定されている請求項１又は２に記載の副室式エンジン。
前記噴射タイミング設定構造において、前記複数の副室の内、一部の第一副室に対して設けられた第一連通路における前記背圧を、他部の第二副室に対して設けられた第二連通路における前記背圧よりも大きく設定することにより、前記第一副室の前記圧縮により最高到達圧力となる時期を、前記第二副室の前記圧縮により最高到達圧力となる時期よりも遅延させてある請求項１から３の何れか１項に記載の副室式エンジン。
前記主室及び前記第二副室の前記圧縮による最高到達圧力が、前記最高到達圧力時に点火した場合のノッキング回避圧力範囲の上限値よりも高く設定されていると共に、前記第一副室の前記圧縮による最高到達圧力が、前記ノッキング回避範囲内に設定され、且つ、前記第二副室に設けられた第二点火手段の第二点火タイミングが、前記第一副室に設けられた第一点火手段の第一点火タイミングよりも遅延して設定されている請求項４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から５の何れか１項に記載の副室式エンジン。
前記副室に設けられた前記点火手段の点火領域が、前記副室において前記連通路側に偏って配置されている請求項１から６の何れか１項に記載の副室式エンジン。
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、前記副室から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式エンジンの運転方法であって、
前記副室式エンジンに前記副室が複数設けてあり、
前記夫々の連通路におけるガスの流通に対して付与される背圧が互いに異なるように設定してあり、
前記夫々の点火手段の点火タイミングを前記夫々の副室における前記圧縮による圧力上昇状態に応じて設定して、前記夫々の副室から前記主室に、互いに異なる噴射タイミングで前記火炎ジェットを噴射させる副室式エンジンの運転方法。