(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドに設けたポートを開閉する弁、シリンダ内を往復動するピストン、前記シリンダ側に形成された主室、前記シリンダヘッドに設けた副室、前記主室と前記副室とを連通する連絡口、前記連絡口を圧縮行程上死点付近で開放し且つ排気行程終端付近で閉鎖するための前記連絡口に配置された制御弁、前記制御弁による前記連絡口の閉鎖期間中に前記副室にガス燃料を供給するための前記シリンダヘッドに設けた燃料供給手段、及び前記副室の容積を可変にし且つ前記副室に供給された前記ガス燃料を圧縮できるサブピストン、から成る可変圧縮比副室式ガスエンジン。
【請求項２】
前記サブピストンは、吸気行程で上昇して前記副室に前記ガス燃料を導入し、圧縮行程で降下して前記副室内の前記ガス燃料を圧縮し、膨張行程で更に降下して前記副室から前記主室へ火炎、未燃混合気等のガスを噴出させる請求項１に記載の可変圧縮比副室式ガスエンジン。
【請求項３】
前記圧縮行程終端において前記主室で圧縮された圧縮空気の圧力は前記副室で圧縮されたガス燃料の圧力より高くなるように設定されている請求項１又は２に記載の可変圧縮比副室式ガスエンジン。
【請求項４】
前記サブピストンは、前記排気行程では最低位置に保持されて前記副室の容積を最低に維持するように設定されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の可変圧縮比副室式ガスエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガス燃料を燃料とするシリンダヘッドに副室を持つ可変圧縮比副室式ガスエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ガスエンジンとして、ナチュラルガス即ち天然ガスのガス燃料を燃料としてディーゼルサイクルで圧縮着火方式で駆動されているものが知られている。ガスエンジンは、例えば、吸入行程で空気とガス燃料を燃焼室に吸入し、次いで空気とガス燃料との混合気を圧縮すると、混合気は高圧縮されて温度が高くなり、自己着火の現象即ちノッキングが発生する。即ち、天然ガスは、圧縮比が１２以上になると自己着火する。また、エンジンの熱効率は、圧縮比が小さくなると、それに応じて熱効率も小さくなるという現象がある。
【０００３】
また、副室式ガスエンジンについて、シリンダヘッドに副室を設け、主室と副室とを連絡口で連通し、該連絡口に制御バルブを配置し、ディーゼルエンジンと同等以上の熱効率になるように、ディーゼルサイクルによって圧縮着火方式で駆動するものが知られている（例えば、特開平７−３１０５５０号公報参照）。
【０００４】
また、実開平１−１４８０２３号公報には、ディーゼル機関の燃焼室構造が開示されている。該ディーゼル機関の燃焼室構造は、シリンダヘッドに燃料活性化室を形成し、燃料活性化室に燃料噴射弁を設け、燃料活性化室と主燃焼室との間の噴孔部に、それを開閉するスキッシュ弁を設け、燃料活性化室をスキッシュ弁の移動方向に沿った略円柱状に形成し、燃料活性化室の底部に、膨張行程において噴孔部側へ移動する押し出し弁を配設したものである。
【０００５】
また、特開平６−９３８５８号公報には、燃焼室間制御弁が開示されている。該燃焼室間制御弁は、副室と主室との間に設けられた制御弁の弁座を連絡口の副室側に設けることにより、主室の圧縮空気圧によって開弁されるものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の副室式ガスエンジンは、副室と主室とを連通する連絡口に制御弁を設置し、吸入行程時には制御弁で連絡口を閉じておき、副室内圧力が低圧時にガス燃料を副室に供給し、また、主室に空気のみを吸入する。次いで、圧縮行程上死点手前で制御弁を作動して連絡口を開き、主室と副室との圧力差によって主室内の高温空気を副室に瞬間的に流入させ、主室の高温圧縮空気を副室内に供給して高温空気とガス燃料とを急速に且つ均一に混合させて着火燃焼させて一次燃焼を実現させ、副室内での燃焼による副室内の圧力上昇によって、副室から連絡口を通じて火炎、未燃混合気等のガスを主室に噴出し、短時間に希薄燃焼を完了させている。
【０００７】
しかしながら、従来の副室式ガスエンジンでは、副室内には低圧のガス燃料が供給されているため、副室内は圧縮行程終端付近まで低圧に維持されているので、所定の圧縮比を確保するため、主室内の実際圧縮比が大きくなり、制御弁を設けていない状態の総合圧縮比以上の圧縮仕事が必要となり、熱効率の向上に支障をきたすことが懸念される。
【０００８】
【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と共にシリンダ側に主室を形成し、主室と副室とを連通する連絡口に制御弁を配置し、副室内には副室内の容積を可変にし且つガス燃料を圧縮できるサブピストンを設け、圧縮上死点付近で制御弁を開放して連絡口を連通させて主室から副室へ圧縮空気を導入して副室で着火燃焼させ、次いで、副室から連絡口を通じて主室へ火炎、未燃混合気等のガスを噴出させ、主室での燃焼を速やかにして燃焼期間を短縮して性能を向上させる可変圧縮比副室式ガスエンジンを提供することである。
【０００９】
この発明は、シリンダヘッドに設けたポートを開閉する弁、シリンダ内を往復動するピストン、前記シリンダ側に形成された主室、前記シリンダヘッドに設けた副室、前記主室と前記副室とを連通する連絡口、前記連絡口を圧縮行程上死点付近で開放し且つ排気行程終端付近で閉鎖するための前記連絡口に配置された制御弁、前記制御弁による前記連絡口の閉鎖期間中に前記副室にガス燃料を供給するための前記シリンダヘッドに設けた燃料供給手段、及び前記副室の容積を可変にし且つ前記副室に供給された前記ガス燃料を圧縮できるサブピストン、から成る可変圧縮比副室式ガスエンジンに関する。
【００１０】
また、この可変圧縮比副室式ガスエンジンにおいて、前記サブピストンは、吸気行程で上昇して前記副室に前記ガス燃料を導入し、圧縮行程で降下して前記副室内の前記ガス燃料を圧縮し、膨張行程で更に降下して前記副室から前記主室へ火炎、未燃混合気等のガスを噴出させるものである。
【００１１】
また、この可変圧縮比副室式ガスエンジンは、前記圧縮行程終端において前記主室で圧縮された圧縮空気の圧力は前記副室で圧縮されたガス燃料の圧力より高くなるように設定されているものである。
【００１２】
また、この可変圧縮比副室式ガスエンジンでは、前記サブピストンは、前記排気行程では最低位置に保持されて前記副室の容積を最低に維持するように設定され、前記副室内に残留する火炎、未燃混合気等のガスの残留量を低くすることができる。
【００１３】
この可変圧縮比副室式ガスエンジンは、上記のように構成されているので、副室内のガス燃料をサブピストンによって可圧縮式に構成して圧縮比を可変に構成し、吸気行程において低圧ガス燃料を副室に吸入すると共に副室とは独立して主室に空気を吸入し、次いで、圧縮行程においてピストンによって主室内の吸入空気を圧縮すると共に副室内のガス燃料を圧縮し、その時の両室のガスの圧縮程度を、主室から連絡口を通じて副室へ圧縮空気が流入する圧力差を維持するように調整し、主室における実際の圧縮比を副室と主室との総合圧縮比に近づけ、膨張行程で副室内のサブピストンを更に下降させて副室に残存する火炎、未燃混合気等のガスを排出することができ、副室内に残存する火炎、未燃混合気等のガスを低減できる。即ち、膨張行程において、上死点付近で副室内のサブピストンが更に下降することによって等容積度を短時間で維持して膨張効率をアップし、その後、連絡口を通じて副室内の残留ガスが主室へ噴出されつつ、ピストンが下降して仕事を行い、排気行程で副室内の残留ガスが主室へ排出され、副室内に残留ガスが滞留することが防止される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明による可変圧縮比副室式ガスエンジンの実施例を説明する。図１はこの発明による可変圧縮比副室式ガスエンジンの一実施例を示す概略断面図、図２は図１の可変圧縮比副室式ガスエンジンの作動サイクルを示す説明図、図３はエンジンのサイクルにおける容積と圧力の関係を示すＰＶ線図、図４はサブピストンのタイミングチャートを示す線図、及び図５は制御弁のタイミングチャートを示す線図である。
【００１５】
この可変圧縮比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且つ圧縮着火方式で駆動されるものである。この可変圧縮比副室式ガスエンジンは、シリンダヘッド７をガスケット２４を介してシリンダブロック１４に固定している。この可変圧縮比副室式ガスエンジンは、シリンダブロック１４に形成した孔部２６に嵌合したシリンダライナ１２、及びシリンダライナ１２に形成したシリンダ８内を往復運動するピストン１０を有する。主室１は、例えば、ピストン１０に形成されたキャビティ２２、並びにシリンダ８、シリンダヘッド下面２０及びピストン頂面２１とで囲まれる領域に形成されている。副室２は、シリンダヘッド７に形成されたキャビティ１６に設けられている。図示していないが、主室１と副室２とは、それらの周囲に遮熱空気槽を形成して遮熱構造に形成することができる。
【００１６】
この可変圧縮比副室式ガスエンジンでは、主室１と副室２とは、シリンダヘッド７に形成された連絡口６によって連通している。連絡口６は、シリンダ８の中央部に位置し、制御弁４が配置されている。この実施例では、連絡口６には、制御弁４が着座するバルブシートが副室２側に形成されている。また、シリンダヘッド７に形成された吸気ポートと排気ポート及び吸気弁と排気弁はいずれか一方のみが示されているが、この実施例では、一方（排気系）を括弧突き数字で示す。シリンダヘッド７には、吸気ポート１５と排気ポート２５が形成されている。吸気ポート１５には吸気弁１３が配置され、排気ポート２５には排気弁２３が配置されている。
【００１７】
また、この可変圧縮比副室式ガスエンジンは、副室２にガス燃料を供給するため、副室２には燃料供給手段としての低圧ガスノズル５が設けられている。低圧ガスノズル５は、シリンダヘッド７に配置された副室２の壁面に形成された燃料供給口１１を通じて副室２にガス燃料を供給できる。燃料としての天然ガスのガス燃料は、適宜の場所に設けられたタンク等の燃料供給源に収容されている。ガス燃料供給源のガス燃料は、ブーストポンプの作動によって、例えば、５〜７ｋｇ／ｃｍ2 に加圧され、その加圧されたガス燃料は、燃料供給通路を通って低圧ガスノズル５に送り込まれる。
【００１８】
この可変圧縮比副室式ガスエンジンは、特に、副室２内のガス燃料を圧縮すると共に副室２の容積を可変にして圧縮比を可変にするため、副室２内にサブピストン３が設け、主室１の空気と副室２のガス燃料とを圧縮行程で同時に圧縮し、圧縮行程終端で主室１の圧縮空気の圧力は副室２で圧縮されたガス燃料の圧力より高くなる圧力差に設定し、主室１における実際の圧縮比を主室１と副室２との総計の圧縮比に近づけてポンピング損失を低減する。更に、この可変圧縮比副室式ガスエンジンは、排気行程においてサブピストン３を下降端に保持して副室２内に残留するガス量を低減ることである。
【００１９】
この可変圧縮比副室式ガスエンジンは、副室２のキャビティ１６を略円筒状に形成し、副室２内にサブピストン３が往復動できるように配置されている。この実施例では、サブピストン３は、カム９、タッペト１８及びプッシュロッド１９を介して往復動するように構成されている。サブピストン３の上昇はリターンスプリング１７によって作動される。カム９は、吸気弁１３と排気弁２３の動弁機構のカムに同期して回転駆動される。同様に、制御弁４は、吸気弁１３と排気弁２３の動弁機構のカムに同期して開閉作動される。場合によっては、制御弁４は電磁力で駆動するように構成することもできる。
【００２０】
この可変圧縮比副室式ガスエンジンにおいて、制御弁４は、図５で示すように、連絡口６を圧縮行程上死点（ＴＤＣ）付近で開放し、排気行程終端で閉鎖するように作動される。また、燃料供給手段としての低圧ガスノズル５は、制御弁４による連絡口６の閉鎖期間中に、副室２にガス燃料を供給するように作動される。更に、副室２内で往復運動するサブピストン３は、副室２に供給されたガス燃料を圧縮するため作動されるものであり、図４に示すように、吸気行程初期から副室２内を上昇し始め、低圧ガスノズル５から副室２内にガス燃料を供給し、吸気行程終端で最高位置まで上昇する。次に、サブピストン３は、圧縮行程初期から下降し、副室２内のガス燃料の圧縮を開始し、圧縮行程終端で途中まで下降し、次いで、膨張行程初期から引き続いて下降し、膨張行程終端で最低位置に達して副室２の容積を最低にする。排気行程では、サブピストン３は、最低位置に維持されて副室２内の容積を最低に維持する。
【００２１】
この可変圧縮比副室式ガスエンジンは、上記のように構成されており、次のように作動される。この可変圧縮比副室式ガスエンジンは、図２に示すように、吸入行程（Ａ）、圧縮行程（Ｂ）、膨張行程（Ｃ）及び排気行程（Ｄ）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、ガス燃料は、ブーストポンプから低圧ガスノズル５を通じて燃料供給口１１から副室２に供給される。この可変圧縮比副室式ガスエンジンでは、圧縮行程終端において主室１でピストン１０によって圧縮された圧縮空気の圧力は、副室２でサブピストン３によって圧縮されたガス燃料の圧力より高くなるように設定されており、それによって、圧縮行程終端で制御弁４が連絡口６を開放した時に、主室１内の圧力が副室２内の圧力より高いことによって、主室１から連絡口６を通じて圧縮空気が副室２内へ流入し、その圧縮空気が副室２内の圧縮されたガス燃料と混合して着火燃焼する。次いで、この可変圧縮比副室式ガスエンジンは、膨張行程に移行し、副室２内の圧力が上昇して副室２から連絡口６を通じて主室１へ火炎、未燃混合気等のガスが噴出し、主室１の空気との混合が促進されて燃焼スピードが早くなって主室１のピストン１０が下降して仕事をする。
【００２２】
この可変圧縮比副室式ガスエンジンは、上記のように作動されることによって、図３に示すようなサイクルＰＶ線（上死点で制御弁４が開く場合）を得ることができる。ＰＶ線図において、符号Ａは圧縮行程始めの状態、符号Ｃは制御弁４の連絡口６の開放時の状態、符号Ｄ，Ｄx は等容加熱過程の終端の状態、符号Ｅ，Ｅx は膨張行程始めの状態、符号Ｆ，Ｆx は膨張行程終端の状態、符号Ａ，Ａx は排気行程始めの状態、符号Ｇ，Ｇx は排気行程終端の状態と吸気行程の始めの状態をそれぞれ示している。また、Ｃ→Ｂの過程とＣx →Ｂの過程は、主室１内の圧縮空気と副室２内のガス燃料との混合過程を示している。
【００２３】
この可変圧縮比副室式ガスエンジンは、そのサイクルとしては、Ａ→Ｃx →Ｂ→Ｄx →Ｅx →Ｆx →Ａx →Ｇx →Ａの経路で線図を描くことになる。これに対して、副室２にサブピストン３を備えていない従来の副室式ガスエンジンは、そのサイクルとしては、Ａ→Ｃ→Ｂ→Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ａ→Ｇ→Ａの経路で線図を描くことになる。この可変圧縮比副室式ガスエンジンは、従来の副室式ガスエンジンに比較して、ＣX →Ｃの間の圧縮仕事（符号Ｖで示す斜線領域）を低減し、斜線Ｗで示す膨張仕事が大きくなる。
【００２４】
【発明の効果】
この発明による可変圧縮比副室式ガスエンジンは、上記のよう構成されているので、サブピストンが副室内のガス燃料を圧縮するので、従来のように副室分の圧縮を主室で行う必要がなく、主室の実際の圧縮比を下げることができ、ポンピング損失を低減でき、熱効率を向上させることができる。また、燃焼期間について、短時間に等容積燃焼を維持した状態で燃焼を完結でき、膨張効率を向上させることができる。副室内に残留する火炎、未燃混合気等のガスの残留ガス量を低減できるので、その分だけ新気を主室に導入できると共に、副室にガス燃料を供給でき、出力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による可変圧縮比副室式ガスエンジンの一実施例を示す概略断面図である。
【図２】図１の可変圧縮比副室式ガスエンジンの作動サイクルを示す説明図である。
【図３】エンジンのサイクルにおける容積と圧力の関係を示すＰＶ線図である。
【図４】サブピストンのタイミングチャートを示す線図である。
【図５】制御弁のタイミングチャートを示す線図である。
【符号の説明】
１    主室
２    副室
３    サブピストン
４    制御弁
５    低圧ガスノズル
６    連絡口
７    シリンダヘッド
８    シリンダ
１０  ピストン
１１  燃料供給口
１３  吸気弁
１５  吸気ポート
２３  排気弁
２５  排気ポート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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