(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドに配置され且つ吸気弁が配置された吸気ポートが形成された主室を構成する燃焼室部材，前記主室に連通する副室及び該副室と前記主室とを連通する連絡孔が形成されたシリンダ内を往復移動するピストン，前記副室内にガス燃料を噴射するための噴孔を開閉作動する針弁と前記副室に噴射される前記ガス燃料を収容する圧縮室を備えている燃料噴射装置，及び前記燃料噴射装置に前記ガス燃料を前記圧縮室に供給するガス燃料供給装置を有し，前記ガス燃料供給装置は，ガス燃料供給源からの前記ガス燃料を圧縮する燃料ポンプ，前記燃料ポンプの下流に設けられ且つ圧縮された前記ガス燃料を冷却してガス燃料圧を降圧させる燃料冷却装置及び前記燃料冷却装置の下流に設けられ且つ前記ガス燃料を前記圧縮室へ供給するため作動されるガス燃料弁から構成されており，
前記燃料冷却装置は，前記燃料ポンプで圧縮された前記ガス燃料から熱を伝熱する伝熱通路を形成する伝熱部材，前記伝熱部材の外側に配置され且つ前記伝熱部材の熱を吸収放熱する放熱通路を形成する放熱部材，及び前記放熱通路に冷却流体を送り込む冷却ポンプから構成されており，
前記副室に供給するガス燃料流量を制御するコントローラは，部分負荷時に前記燃料冷却装置の前記放熱通路からの熱の放熱を低減させるため前記冷却ポンプの作動状態を弱くし，高負荷時には前記放熱通路からの熱の放熱を増大させるため前記冷却ポンプの作動状態を強める制御を行ってエンジン負荷に応じて所定のガス燃料圧に保持しつつガス燃料流量を変化させる制御を行うことから成る副室式ガスエンジン。
【請求項２】
前記主室へ導入される吸気中に前記ガス燃料を噴射する吸気燃料ノズルを設けると共に，前記コントローラは，部分負荷時に前記燃料噴射装置から前記副室内に前記ガス燃料を噴射し，高負荷時には前記燃料噴射装置から前記副室内に前記ガス燃料を噴射すると共に前記吸気燃料ノズルから前記吸気中に前記ガス燃料を噴射する制御を行うことから成る請求項１に記載の副室式ガスエンジン。
【請求項３】
前記燃料噴射装置は，前記噴孔及び前記圧縮室が形成されたノズル本体，前記圧縮室内の前記ガス燃料を圧縮するため駆動装置によって作動される圧縮ピストン，及び前記圧縮室に前記ガス燃料を供給するため前記圧縮ピストンを復帰させるリターンスプリングを有し，前記圧縮ピストン内にスプリングを介して配置された前記針弁は前記ノズル本体内で往復移動して前記噴孔を開閉することから成る請求項１に記載の副室式ガスエンジン。
【請求項４】
前記圧縮ピストンには，前記ガス燃料供給装置から供給される前記ガス燃料を前記圧縮室へ導入するため逆止弁が配置されたガス燃料通孔と，前記噴孔を開閉する前記針弁が摺動移動する中空穴とが形成されていることから成る請求項３に記載の副室式ガスエンジン。
【請求項５】
前記針弁は，前記圧縮ピストンの中空穴内を摺動移動する摺動用端部，前記ノズル本体に形成された弁シートに着座して前記圧縮室と前記噴孔とを遮断する弁フェース，前記圧縮室内のガス燃料圧を受ける受圧面，及び前記ノズル本体の前記小径筒部に形成された中空孔を摺動移動して前記噴孔を開閉させる遮断用端部を備えていることから成る請求項３に記載の副室式ガスエンジン。
【請求項６】
前記針弁は，前記圧縮室内の所定以上のガス燃料圧を前記針弁の前記受圧面で受けて，前記圧縮ピストンの前記中空穴に配置されたスプリングのばね力に抗してリフトされ，前記圧縮室と前記噴孔とを連通させることから成る請求項５に記載の副室式ガスエンジン。
【請求項７】
前記針弁の前記遮断用端部の端面は前記副室に露出して前記副室内のガス圧を受ける受圧面を構成しており，前記副室内の所定以上のガス圧に応じて前記針弁はリフトして前記遮断用端部が前記噴孔を閉鎖することから成る請求項４に記載の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，ガス燃料を圧縮冷却するガス燃料供給装置からのガス燃料をピストンに設けた副室に供給して着火燃焼させる燃料冷却装置を備えた副室式ガスエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，天然ガス等を燃料として用いるガスエンジンでは，天然ガスをディーゼル燃焼させて高効率を確保するために，天然ガスを高圧力に圧縮して燃焼室内に噴射させて燃焼させる方法が一般的である。しかしながら，このようなガスエンジンでは，天然ガスを高圧力に圧縮させるため，大きな動力を要し，ディーゼルサイクルでの高効率で得られた仕事量を天然ガスを高圧力に圧縮するのに消費され，必ずしも満足できるシステムではない。
【０００３】
そこで，本発明者は，シリンダヘッドに副室を設け，副室を連絡孔を通じて主室に連通すると共に，連絡孔に制御弁を設けた副室式ガスエンジンを開発した（特開平６−３３７８４号公報参照）。該副室式ガスエンジンは，ピストンが吸気弁を通じて空気を主室に吸入している間は制御弁が連絡孔を閉鎖し，副室にガス燃料供給弁を開放して副室にガス燃料を供給し，圧縮行程の後半になって制御弁が連絡孔を開放し，主室内の圧縮空気を連絡孔を通じて副室に侵入させ，副室内で空気とガス燃料とを混合して着火燃焼させ，次いで，副室内の火炎，未燃混合気等のガスを主室に噴出させ，主室で二次燃焼を行なわせている。
【０００４】
また，従来の副室式ガスエンジンとしては，天然ガス等のガス燃料を副室に導入し，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ものが知られている（特開平７−３１０５５０号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，副室式ガスエンジンは，副室に低圧力の天然ガスが燃料として供給され，制御弁が連絡孔を開放することによって高圧で分子量が大きい空気を主室から副室に供給するので，天然ガスと空気とは比重が異なり混合し難く，副室内に未燃ガス燃料を押し付けて残存させる原因になり，そのため燃焼状態が悪化し，良好な燃焼を行わせることができず，熱効率の低下と，ＨＣの発生を増加させる原因となる。また，天然ガスが燃焼するには，天然ガス量が１に対して９〜９．５倍の空気量が必要となるので，天然ガスの外側に多量の空気が存在する状態で燃焼させることが望ましいが，従来の副室式ガスエンジンでは，空気中へのガス燃料を分散させ過ぎ，燃焼が連続的に起こらないという問題があった。
【０００６】
そこで，本発明者は，圧縮された多量の空気中に，ガス燃料を噴射して着火燃焼させることによって圧縮空気とガス燃料とを副室内で均一に混合させ，副室内のガス燃料を副室内に残存させることなく，主室へと噴き出させ，副室での着火燃焼による火炎，未燃混合気等のガスを燃焼初期において短期に主室へ噴き出し，熱効率を向上させると共に，ＨＣ等の発生を低減することができる副室式ガスエンジンを開発した（特願平１０−１９３３７６号参照）。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は，上記の問題を解決することであり，ピストンに副室を設け，燃料噴射装置によってガス燃料を副室に噴射して前記副室内で着火燃焼させ，この時，エンジンの負荷に応じるガス燃料供給量の変化に対応して圧縮されたガス燃料の圧力を一定に保つため，部分負荷時は高圧で，また，全負荷の燃料の多い時は圧縮された燃料を冷却することによって，ガス燃料流量が負荷に応じて変化しても圧縮ピストンを適正に作動させ，常に副室に供給するガス燃料の圧力を所定の値に保持し，ＨＣ，ＮＯX ，スート等の発生を防止して熱効率即ち燃費を向上させる燃料冷却装置を備えた副室式ガスエンジンを提供することである。
【０００８】
この発明は，シリンダヘッドに配置され且つ吸気弁が配置された吸気ポートが形成された主室を構成する燃焼室部材，前記主室に連通する副室及び該副室と前記主室とを連通する連絡孔が形成されたシリンダ内を往復移動するピストン，前記副室内にガス燃料を噴射するための噴孔を開閉作動する針弁と前記副室に噴射される前記ガス燃料を収容する圧縮室を備えている燃料噴射装置，及び前記燃料噴射装置に前記ガス燃料を前記圧縮室に供給するガス燃料供給装置を有し，前記ガス燃料供給装置は，ガス燃料供給源からの前記ガス燃料を圧縮する燃料ポンプ，前記燃料ポンプの下流に設けられ且つ圧縮された前記ガス燃料を冷却してガス燃料圧を降圧させる燃料冷却装置及び前記燃料冷却装置の下流に設けられ且つ前記ガス燃料を前記圧縮室へ供給するため作動されるガス燃料弁から構成されており，前記燃料冷却装置は，前記燃料ポンプで圧縮された前記ガス燃料から熱を伝熱する伝熱通路を形成する伝熱部材，前記伝熱部材の外側に配置され且つ前記伝熱部材の熱を吸収放熱する放熱通路を形成する放熱部材，及び前記放熱通路に冷却流体を送り込む冷却ポンプから構成されており，前記副室に供給するガス燃料流量を制御するコントローラは，部分負荷時に前記燃料冷却装置の前記放熱通路からの熱の放熱を低減させるため前記冷却ポンプの作動状態を弱くし，高負荷時には前記放熱通路からの熱の放熱を増大させるため前記冷却ポンプの作動状態を強める制御を行ってエンジン負荷に応じて所定のガス燃料圧に保持しつつガス燃料流量を変化させる制御を行うことから成る副室式ガスエンジンに関する。
【０００９】
前記主室へ導入される吸気中に前記ガス燃料を噴射する吸気燃料ノズルを設けると共に，前記コントローラは，部分負荷時に前記燃料噴射装置から前記副室内に前記ガス燃料を噴射し，高負荷時には前記燃料噴射装置から前記副室内に前記ガス燃料を噴射すると共に前記吸気燃料ノズルから前記吸気中に前記ガス燃料を噴射する制御を行う。
【００１０】
前記燃料噴射装置は，前記噴孔及び前記圧縮室が形成されたノズル本体，前記圧縮室内の前記ガス燃料を圧縮するため駆動装置によって作動される圧縮ピストン，及び前記圧縮室に前記ガス燃料を供給するため前記圧縮ピストンを復帰させるリターンスプリングを有し，前記圧縮ピストン内にスプリングを介して配置された前記針弁は前記ノズル本体内で往復移動して前記噴孔を開閉する。
【００１１】
前記圧縮ピストンには，前記ガス燃料供給装置から供給される前記ガス燃料を前記圧縮室へ導入するため逆止弁が配置されたガス燃料通孔と，前記噴孔を開閉する前記針弁が摺動移動する中空穴とが形成されている。
【００１２】
前記針弁は，前記圧縮ピストンの中空穴内を摺動移動する摺動用端部，前記ノズル本体に形成された弁シートに着座して前記圧縮室と前記噴孔とを遮断する弁フェース，前記圧縮室内のガス燃料圧を受ける受圧面，及び前記ノズル本体の前記小径筒部に形成された中空孔を摺動移動して前記噴孔を開閉させる遮断用端部を備えている。
【００１３】
前記針弁は，前記圧縮室内の所定以上のガス燃料圧を前記針弁の前記受圧面で受けて，前記圧縮ピストンの前記中空穴に配置されたスプリングのばね力に抗してリフトされ，前記圧縮室と前記噴孔とを連通させる。
【００１４】
前記針弁の前記遮断用端部の端面は前記副室に露出して前記副室内のガス圧を受ける受圧面を構成しており，前記副室内の所定以上のガス圧に応じて前記針弁はリフトして前記遮断用端部が前記噴孔を閉鎖する。
【００１５】
この副室式ガスエンジンは，上記のように，ガス燃料供給装置に燃料冷却装置を設けたので，エンジン負荷に伴って変化する副室に供給するガス燃料流量に応じてガス燃料を冷却して常に一定のガス燃料圧を維持しつつ，該ガス燃料を燃料噴射装置の圧縮室へ供給し，それによって圧縮室のガス燃料を昇圧する圧縮ピストンを常に適正に作動させ，副室での着火燃焼を良好にし，ＨＣ，ＮＯX ，スート等の発生を防止して燃費を向上させる。即ち，副室に供給されるガス燃料は，燃料噴射装置における圧縮室の容積及び圧縮ピストンのストロークで決定されるが，副室に供給するガス燃料を冷却することによって，ガス燃料の圧力を小さくして所定のガス燃料流量を確保し，ガス燃料を常に所定の圧力に制御し，カム，圧縮ピストン等の強度についての耐久性を保証することができる。
【００１６】
ガス燃料を圧縮するには，ピストン式であれば，大きなストロークを要する。従って，ガス燃料を一段で高圧，例えば，１０Ｍｐａに圧縮するためには，圧縮比を２７以上にしなければならない。ガス燃料の圧縮比を２７以上にするには，ピストンのストロークが極めて大きくなる。そこで，例えば，第一段目のガス燃料供給装置の燃料ポンプでガス燃料圧を０．７Ｍｐａ程度に上げておき，燃料噴射装置の圧縮ピストンで加圧すれば，圧縮比が７程度で１０Ｍｐａに加圧できる。このガス燃料圧の条件は，エンジンが全負荷で運転する時の条件であるが，ガス燃料温度が高いと，燃料噴射装置での圧縮室の容積を大きくしなければならないので，その容積を小さくするためには，燃料ポンプから供給されるガス燃料の温度を燃料冷却装置で下げる必要がある。一方，部分負荷の時は，ガス燃料流量が少ないので，燃料冷却装置でガス燃料を冷却し過ぎるとガス燃料圧が小さくなり，副室へガス燃料を噴射できない状態になる。その場合には，燃料冷却装置の作動状態を冷却ポンプの送風量を低減して冷却効果を低減し，ガス燃料圧を所定の高圧に保持し，圧縮室から副室へ噴射されるガス燃料の圧力を維持する。一時的な変化状態即ちトランジェントの時は，燃料ポンプの回転を調整して圧力とガス燃料流量の制御を行う。
【００１７】
また，この副室式ガスエンジンは，部分負荷時には全てのガス燃料流量をピストンに設けた副室に噴射させ，全負荷時等の高負荷時には自己着火しない程度のガス燃料の一部を吸気に混合させ，適正な流量を確保し，良好な燃費効率を確保する。ガス燃料の一部を吸気に混合させることによって，高負荷時に適正な全量のガス燃料流量を副室内へ噴射する必要がないので，副室は勿論のことガス燃料を圧縮する圧縮室の容積を小さく構成でき，燃料噴射装置のノズル本体内に設けた圧縮ピストンの圧縮に必要なストロークを確保することができ，全負荷時にも吸気にガス燃料を供給した予混合燃料と副室への噴射燃料が半々に設定されているので，ガス燃料の着火後に速やかに燃焼を進展させることができる。【００１８】
通常，天然ガスは，燃焼始めの着火温度が極めて高く，例えば，８００℃で着火燃焼が起こるが，一旦燃焼すると，燃焼速度が速い特性を有しているため，部分負荷時に，燃料を予め吸入空気中に混合して燃焼させた場合に，混合気が余り希薄になり過ぎ，ピストンとシリンダとの隙間に入り込む等により良好な燃焼を確保できない現象が発生する。しかしながら，この副室式ガスエンジンは，上記のように構成したので，上記のような好ましくない現象は発生しない。
【００１９】
この副室式ガスエンジンは，部分負荷時には副室へのガス燃料の噴射のみであるので，副室から噴出した火炎，未燃混合気等のガス燃料が主室内の空気と混合し，燃焼するが，ピストンに設けられた副室内は閉鎖空間的であるので，燃料は均一に混合されて良好な混合状態になる。ガス燃料は，例えば，約１／２負荷までは負荷に応じたガス燃料流量が副室に噴射され，約１／２負荷より大きい高負荷になると，残りのガス燃料流量が吸気に混合されて主室で希薄な予混合気となり，また，全負荷時には，ガス燃料流量の１／２が副室内へ噴射され，残りのガス燃料流量の１／２が吸気に噴射される。
【００２０】
通常のディーゼルタイプのガスエンジンは，燃料噴射ノズルから所定量のガス燃料を燃焼室に供給するため，燃焼室内の圧縮空気圧が４０〜５０ｂａｒ程度であるので，それよりも高い圧力のガス燃料に昇圧，例えば，少なくとも５０〜７０ｂａｒにまで圧縮する必要がある。しかしながら，通常，ガス燃料供給源から送られてくる天然ガスのガス燃料は５ｂａｒ程であるので，このような圧力のガス燃料を高圧にするには大きな動力が必要となる。この副室式ガスエンジンは，燃料ポンプで２０〜３０ｂａｒ程度に圧縮したガス燃料を使用し，その圧縮されたガス燃料をエンジンに設けた圧縮室に封入し，カムによって作動される圧縮ピストンの押圧力によってガス燃料を加圧し，ガス燃料の圧力を１００〜１５０ｂａｒまで高くするものであり，ガス燃料を副室に良好に供給できる。
【００２１】
この副室式ガスエンジンは，高圧縮されたガス燃料を燃料噴射装置を用いて副室内の圧縮空気中に噴射させると，多量な空気中でガス燃料が均一に分散することができ，混合気が着火燃焼し，副室の燃焼によってＮＯX の発生を抑制でき，次いで，火炎，未燃混合気等のガスが連絡孔を通じて前記副室から前記主室へ噴き出され，副室にガス燃料が滞留することが防止され，噴き出された火炎と未燃ガス燃料とが主室に存在する新気との混合を促進し，主室での二次燃焼スピードをアップし，短期に燃焼を完結し，ＨＣ，ＮＯX 等の発生を抑制し，熱効率を向上させることができる。
【００２２】
【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の実施例を説明する。この副室式ガスエンジンは，コージェネレーションシステム或いは自動車用エンジン等のエンジンに適用できる。図１はこの発明による副室式ガスエンジンの一実施例を示す断面図，図２は図１の燃料噴射装置を示す拡大断面図，図３は図２の燃料噴射装置の開放時の作動状態を示す拡大断面図，図４は図２の燃料噴射装置の閉鎖時の作動状態を示す拡大断面図，図５は負荷に対応する燃料噴射装置と吸気燃料ノズルとの供給流量の関係を示すグラフ，及び図６は図１のガス燃料供給装置を示す拡大断面図である。
【００２３】
この副室式ガスエンジンは，シリンダブロック５４，シリンダブロック５４にガスケット６３を介在して固定されたシリンダヘッド３，シリンダブロック５４に形成した孔部２３に嵌合したシリンダ１４を構成するシリンダライナ２２，シリンダヘッド３に形成されたキャビティ１２に配置された燃焼室部材を構成するヘッドライナ１０，及びシリンダライナ２２に形成したシリンダ１４内を往復運動するピストン１５を有している。ヘッドライナ１０は，ヘッド下部２６とそれと一体構造のライナ上部２７から構成されている。ヘッドライナ１０とピストン１５とで囲まれる領域には，主室１が形成されている。
【００２４】
ヘッドライナ１０は，Ｓｉ3 Ｎ4 等のセラミックスや耐熱合金の耐熱材から形成され，シリンダヘッド３のキャビティ１２にガスケット１３を介して遮熱空気層３１が形成される状態で配置され，主室１が遮熱構造に構成されている。ヘッドライナ１０のヘッド下部２６には，吸気弁５６が配置された弁シートを備えた吸気ポート１８と，図示していないが，排気弁が配置された弁シートを備えた排気ポートとが形成されている。シリンダヘッド３には，ヘッドライナ１０に形成された吸気ポート１８と排気ポートがそれぞれ互いに連通する吸気ポート６５と排気ポートが形成されている。
【００２５】
ピストン１５は，Ｓｉ3 Ｎ4 等のセラミックスや耐熱合金の耐熱材から形成されたピストンヘッド２０と，ピストンヘッド２０にガスケット５３を介して結合リング４６で固定されたＡｌ合金等の金属材から形成されたピストンスカート３６から構成されている。ピストンヘッド２０とピストンスカート３６との間には，遮熱空気層５５が形成されている。ピストンヘッド２０の中央には，副室２が形成されている。ピストンヘッド２０には，その中央頂部に位置する挿入孔７と挿入孔７の周囲に位置する連絡孔６が形成されている。燃料噴射装置５の先端部４２は，ピストン上死点付近で挿入孔７を通って副室２内に侵入できるように，ヘッドライナ１０のヘッド下部２６から主室１へ突出した状態でヘッドライナ１０に形成された中央貫通孔３７に設定されている。また，ピストンヘッド２０に形成された連絡孔６は，挿入孔７を中心に周方向に隔置して複数個形成され，ピストンヘッド２０の中央側からシリンダ周辺へと延びている。従って，燃料噴射装置５は，ヘッドライナ１０から主室１へ突出した先端部４２がピストン上死点近傍でピストン１５に形成された挿入孔７に突入し，先端部４２に形成された噴孔１６が副室２内に開口するようになる。
【００２６】
この副室式ガスエンジンは，特に，燃料噴射装置５の圧縮室８にガス燃料を供給するガス燃料供給装置に特徴を有している。ガス燃料供給装置は，ガス燃料供給源３９からガス燃料通路７９を通じて供給されるガス燃料を圧縮する燃料ポンプ２８，燃料ポンプ２８の下流に設けられ且つ燃料ポンプ２８からのガス燃料をガス燃料通路４３を通じて送り込まれる燃料冷却装置４７及び燃料冷却装置４７の下流に設けられ且つガス燃料を圧縮室８へ供給するため作動されるガス燃料弁１１から構成されている。燃料冷却装置４７は，熱交換器から構成され，燃料ポンプ２８で圧縮されたガス燃料を冷却してガス燃料圧を降圧させる機能を有する。ガス燃料弁１１は，燃料冷却装置４７で適正なガス燃料圧に調整されたガス燃料をノズル本体１９内の中空部３５及び圧縮室８へ供給するため，ガス燃料供給口１７を開閉する。
【００２７】
更に，燃料冷却装置４７は，燃料ポンプ２８で圧縮されたガス燃料から熱を伝熱する伝熱通路７５を形成する伝熱部材７６，伝熱部材７６の外側に配置され且つ伝熱部材７６の熱を吸収放熱する放熱通路７７を形成する放熱部材７８，及び放熱通路７７に冷却流体を流体通路７４を通じて送り込む冷却ポンプ７３から構成されている。燃料冷却装置４７は，冷媒として水又は空気が使用され，冷媒が流体通路７４を流れることによって放熱部材７８から熱を奪うように構成されている。伝熱部材７６は，流体が通過できない伝熱材から成るケース８６内に収容されている。伝熱部材７６は，ガス燃料を通過させてガス燃料の熱を受熱できる金属やセラミックスから成る多孔質部材やハニカム構造から形成されている。放熱部材７８は，流体が通過できない伝熱材から成るケース８５内に収容されている。放熱部材７８は，冷媒流体を通過させて伝熱部材７６の熱を受熱できる金属やセラミックスから成る多孔質部材やハニカム構造から形成されている。従って，伝熱部材７６と放熱部材７８は，極めて熱伝達が良好になり，ガス燃料からの熱を適正に吸収し，ガス燃料を適正なガス燃料圧に調整することができる。
【００２８】
ガス燃料弁１１は，弁本体３０に形成されたガス燃料通路５２のガス燃料供給口１７を開放することによって，燃料噴射装置５のノズル本体１９に形成された中空部３５と圧縮室８へガス燃料が供給される。弁本体３０に形成されたガス燃料通路５２は，ガス燃料通路４３を通じて燃料冷却装置４７に連通している。燃料ポンプ２８は，例えば，ガス燃料供給源３９からの５ｂａｒ程度のガス燃料を２０〜３０ｂａｒ程度にまで圧縮することができる。燃料ポンプ２８は，回転ベーン式又は往復動ピストン式の圧縮機に形成されている。例えば，回転ベーン式圧縮機は，図６に示すように，ポンプケーシング８０内に偏心して配置された回転軸８１，回転軸８１に形成された複数の放射方向溝内にスプリング８７でそれぞれ外向きに押圧状態に配置されたベーン８２，及びベーン８２でそれぞれ区画された複数のポンプ室８３から構成されている。
【００２９】
コントローラ７０は，負荷センサ７１からのエンジン負荷の信号を受け，モータ７１を駆動すると共に，冷却ポンプ７３を駆動する制御を行う。モータ７２の駆動によって燃料ポンプ２８が作動し，ガス燃料がガス燃料供給源３９からガス燃料通路７９を通じて燃料ポンプ２８に吸い込まれる。燃料ポンプ２８のポンプ室８３に吸い込まれたガス燃料は圧縮され，圧縮されたガス燃料はガス燃料通路４３を通って燃料冷却装置４７に送りこまれる。燃料冷却装置４７では，ガス燃料は多孔質構造の伝熱部材７６で形成された伝熱通路７５を通過してガス燃料の熱を伝熱部材７６へ伝達し，次いで，ガス燃料は出口側のガス燃料通路４３を通ってガス燃料弁１１へ送り込まれる。一方，冷却ポンプ７３が駆動すると，冷媒の空気（水）は，流体通路７４を通って燃料冷却装置４７の多孔質構造の放熱部材７８で形成された放熱通路７７にに送り込まれ，空気（水）は放熱部材７８から熱を受熱して出口通路８４から外部へ放出される。従って，圧縮されて昇温したガス燃料は，空気（水）によって冷却され，圧縮室８へ供給されるガス燃料圧は低減され，適正な圧力に制御されることになる。
【００３０】
また，この副室式ガスエンジンは，吸気ポート６５，１８を通じて主室１へ導入される吸気に高負荷時にガス燃料通路６１を通じてガス燃料の一部を噴射する吸気燃料ノズル３３，圧縮室８内のガス燃料を圧縮するため作動される燃料噴射装置５の圧縮ピストン２１，圧縮ピストン２１を押圧駆動する駆動装置，及び部分負荷時に燃料噴射装置５から副室２にガス燃料を噴射し，高負荷時に燃料噴射装置５から副室２に前記ガス燃料を噴射すると共に吸気燃料ノズル３３から吸気にガス燃料を噴射する制御を行うコントローラ７０を有していることに特徴を有している。エンジンの負荷は，ガス燃料供給量等を検出するセンサ７１によって検出される。圧縮ピストン２１を押圧駆動する駆動装置は，動弁機構のカム軸６８に設けたカム２９，カム２９によって作動されるピストンロッド２５，及びピストンロッド２５を復帰させるリターンスプリング３８から構成されている。
【００３１】
ガス燃料弁１１は，弁本体３０をシリンダヘッド３に形成された取付穴に配置することによって取り付けられている。ガス燃料弁１１は，動弁機構のカム軸６８に設けたカム３２で作動されて弁本体３０に形成されたガス燃料通路５２のガス燃料供給口１７を開放する弁体６４，及び弁体６４をガス燃料供給口１７を閉鎖する方向に復帰させるバルブスプリング４８から構成されている。バルブスプリング４８は，弁本体３０と弁体６４の端部に固定されたバルブスプリングリテーナ５９との間に配置されている。従って，ガス燃料弁１１は，カム３２によってガス燃料供給口１７の開口時間が調整される。
【００３２】
燃料噴射装置５は，ヘッドライナ１０の中央貫通孔３７に設定されたノズル本体１９，ノズル本体１９内に形成されたシリンダ４内で往復移動して作動される圧縮ピストン２１，ノズル本体１９内の圧縮ピストン２１の一方の側に形成されたガス燃料を収容して圧縮する圧縮室８，及びノズル本体１９内の圧縮ピストン２１の背面側に形成された中空部３５を備えている。圧縮ピストン２１には，ガス燃料供給装置から供給されるガス燃料を圧縮室８へ導入するため逆止弁４１を備えたガス燃料通孔４５と噴孔１６を開閉する針弁９が摺動移動する中空穴５７とが形成されている。また，燃料噴射装置５を構成するノズル本体１９には，圧縮ピストン２１が摺動移動する圧縮室８を形成する大径筒部と主室１に突出した先端部４２の小径筒部から形成されている。
【００３３】
針弁９は，圧縮ピストン２１の中空部３５内を摺動移動する摺動用端部６０，ノズル本体１９に形成された弁シート２４に着座して圧縮室８と噴孔１６とを遮断する弁フェース５０，圧縮室８内のガス燃料圧を受けて針弁９をリフトさせる受圧面５１，及びノズル本体１９の小径筒部に形成された中空孔６２を摺動移動して噴孔１６を開閉させる遮断用端部３４を備えている。針弁９は，その先端部側は縮径部６７に形成され，その先端に大径部から成る遮断用端部３４が形成されている。ノズル本体の先端部４２との間に燃料溜まり部４９が形成されている。燃料噴射装置５は，針弁９の弁フェース５０がノズル本体１９の弁シート２４に着座した時，副室２と圧縮室８との連絡が遮断される（図２参照）。圧縮ピストン２１の中空穴５７内には，針弁９の上端面を針弁９の閉鎖方向に押圧するスプリング４０が配置されている。燃料噴射装置５における針弁９は，圧縮室８内のガス燃料圧が所定以上の値に応答し，ガス燃料圧を針弁９の受圧面５１で受けてスプリング４０のばね力に抗してリフトされ，圧縮室８と噴孔１６とを連通させる（図３参照）。針弁９の遮断用端部３４の端面６９は，副室２内に露出しており，副室２内のガス圧を受ける受圧面が構成されている。従って，燃料噴射装置５は，副室２内でガス燃料が着火燃焼して副室２内のガス圧が上昇した時には，針弁９を最大量にリフトさせ，針弁９の遮断用端部３４が噴孔１６を閉鎖して副室２と圧縮室８との連絡を遮断するように構成されている（図４参照）。
【００３４】
この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，次のようにして作動される。この副室式ガスエンジンは，例えば，吸入行程，圧縮行程，膨張行程及び排気行程の４サイクルを繰り返すことによって駆動される。この副室式ガスエンジンは，コントローラ７０によってエンジン負荷に応じて燃料噴射装置５及び吸気燃料ノズル３３から供給されるガス燃料流量を制御すると共に，副室２に供給するガス燃料流量を制御する場合に，部分負荷時に燃料冷却装置４７の放熱通路７７からの熱の放熱を低減させるため冷却ポンプ７３の作動状態を弱くし，高負荷時には放熱通路７７からの熱の放熱を増大させるため冷却ポンプ７３の作動状態を強める制御を行ってエンジン負荷に応じて所定のガス燃料圧に保持しつつガス燃料流量を変化させる制御を行うことに特徴を有する。
【００３５】
この副室式ガスエンジンは，負荷センサ７１からのエンジン負荷の検出信号を受けてコントローラ７０が副室２及び吸気に供給するガス燃料流量を，例えば，図５のグラフに示すように，燃料噴射装置５と吸気燃料ノズル３３の作動を制御する。コントローラ７０は，１／２負荷までの部分負荷に応じて燃料噴射装置５から副室２内に漸次増加する状態でガス燃料を噴射し，また，１／２負荷以上の高負荷に応じて燃料噴射装置５から副室２内にガス燃料を噴射すると共に吸気燃料ノズル３３から吸気中にガス燃料を噴射する制御を行う。コントローラ７０は，高負荷時には，全負荷時の全ガス燃料流量の１／２流量を，燃料噴射装置５から副室２内へ噴射する制御を行うように設定されている。
【００３６】
この副室式ガスエンジンは，ピストン１５がシリンダ１４内を下降する吸入行程において，吸気弁５６が開放し，排気弁が排気ポートを閉鎖しているので，吸入空気がターボチャージャのコンプレッサ等から吸気ポート６５，１８を通じて主室１に供給される。この時，１／２負荷までの部分負荷では，吸気燃料ノズル３３からガス燃料が吸気には供給されず，１／２負荷以上の高負荷では，吸気燃料ノズル３３からガス燃料が吸気に供給される。また，排気行程が終了した時には，カム２９によってスプリング３８のばね力に抗してピストンロッド２５が押し下げられ，圧縮室８内のガス燃料が噴孔１６を通じて副室２に噴射し終わり，図４に示すように，針弁９の遮断用端部３４が噴孔１６を閉鎖してガス燃料通路６６と噴孔１６とは遮断しているが，圧縮ピストン２１がノズル本体１９のシリンダ４を下降して中空部３５の体積が拡大している状態である。吸入行程では，ガス燃料弁１１がカム３２によって作動されてガス燃料弁１１の弁体６４がリフトしてガス燃料供給口１７を開放すると共に，燃料ポンプ２８の作動によってガス燃料供給源３９からガス燃料（天然ガスの５ｂａｒ）が圧縮される。燃料ポンプ２８で圧縮されたガス燃料（２０〜３０ｂａｒ）は，ガス燃料通路４３を通じてガス燃料弁１１のガス燃料通路５２に供給され，開放されたガス燃料供給口１７から中空部３５に供給される。
【００３７】
次いで，カム２９が回転してピストンロッド２５の押圧を解放すると，リターンスプリング３８の作用によって，ピストンロッド２５と圧縮ピストン２１とが上昇する。この時，中空部３５に収容されているガス燃料は，圧縮ピストン２１のガス燃料通孔４２を通ってスプリング４４のばね力に抗して逆止弁４１を押し下げ，中空部３５内のガス燃料が圧縮室８に導入される。この状態では，図１と図２に示すように，針弁９はスプリング４０によって押し下げられ，針弁９の弁フェース５０はノズル本体１９の弁シート２４に着座した状態になっており，ノズル本体１９のガス燃料通路６６と噴孔１６とは遮断された状態である。
【００３８】
圧縮行程に移行すると，ピストン１５がシリンダ１４内を上昇し，主室１に供給された吸入空気は圧縮される。ピストン１５がシリンダ１４を上昇した圧縮行程上死点近傍で，燃料噴射装置５の先端部４２はピストン１５の挿入孔７に突入し，燃料噴射装置５の噴孔１６は，副室２内に位置する状態になる。また，圧縮行程後半において，カム２９がピストンロッド２５を押し下げることによって圧縮ピストン２１がシリンダ４を下降する。この時，圧縮室８に供給されているガス燃料は，逆止弁４１によってガス燃料通孔４５が閉鎖されるので，圧縮ピストン２１の下降によって圧縮室８の容積が低減するのに従って圧力が増大し，例えば，２０〜３０ｂａｒから５０〜７０ｂａｒまで圧縮される。
【００３９】
この時，圧縮室８内のガス燃料圧が上昇すると，ガス燃料圧が針弁９の受圧面５１に作用し，図３に示すように，針弁９がスプリング４０のばね力に抗してリフトし，弁フェース５０が弁シート２４から離れてガス燃料通路６６が噴孔１６と連通して噴孔１６が開放する。噴孔１６の開放によって圧縮室８内のガス燃料が噴孔１６から副室２内の圧縮空気中へ噴出され，圧縮室８のガス燃料は副室２へ噴き出されて殆ど残存しない状態になると共に，副室２内の圧縮空気中に噴出されたガス燃料が空気と混合を促進して副室２で着火燃焼する。この時，副室２内の圧力が上昇し，副室２内のガス圧が針弁９の遮断用端部３４の端面６９に作用し，図４に示すように，針弁９の遮断用端部３４が噴孔１６を閉鎖するので，副室２内の火炎，未燃混合気等のガスが副室２から噴孔１６，燃料溜まり部４９，ガス燃料通路６６を通って圧縮室８へ逆流することが防止され，副室２内の火炎，未燃混合気等のガスは連絡孔６を通って主室１に噴き出され，主室１に存在する新気と混合を促進して拡散燃焼し燃焼速度を促進し，ＮＯX ，ＨＣの発生を抑制した状態で燃焼が完結し，ピストン１５に仕事をする。
【００４０】
膨張行程に移行すると，ピストン１５が下降し，ピストン１５が下降すると共に副室２内のガスが主室１に噴出すると，副室２内のガス圧が低下し，針弁９はスプリング４０によって下降し，針弁９の弁フェース５０が弁シート２４に着座し，圧縮室８と噴孔１６との連通状態が遮断され，噴孔１６が閉鎖される。次いで，ピストン１５が下死点に到達し，排気行程に移行する。排気弁が排気ポートを開放し，排気ガスが排気ポートを通じて排気管から排気され，排気ガスが有する排気熱エネルギは，例えば，排気管に組み込まれたターボチャージャやエネルギ回収タービン，熱交換器等で回収される。
【００４１】
【発明の効果】
この発明による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，エンジン負荷で供給するガス燃料流量が変化しても，ガス燃料を燃料冷却装置で温度制御することによって所定のガス燃料圧を維持でき，その所定のガス燃料圧で圧縮室で昇圧されるので，ガス燃料が常に適正なガス燃料圧で副室へ噴射されることになり，ＮＯX ，ＨＣ等の発生を低減し，熱効率を向上させることができる。即ち，燃料ポンプによってある程度昇圧されたガス燃料を燃料噴射装置の圧縮室に導入し，ガス燃料をカム機構で作動する圧縮ピストンによって所望の高圧，例えば，５０〜７０ｂａｒ，場合によっては，１００ｂａｒ〜１５０ｂａｒまでにも容易に昇圧でき，その高圧のガス燃料を燃料噴射装置の噴孔から副室内の圧縮空気中に噴射することができる。また，高負荷時には，副室に供給するガス燃料を燃料ポンプで昇圧した後，圧縮されたガス燃料を燃料冷却装置で冷却するので，ガス燃料の圧力が低下し，常に圧縮室からは所定のガス燃料圧で副室へ噴射できる。また，吸気にガス燃料の一部を供給するので，燃料噴射装置に設けた圧縮室の体積を余り大きく設計する必要がなく，燃料噴射装置をコンパクトに構成できると共に，常に負荷に応じた適正なガス燃料流量を供給でき，副室での一次燃焼は勿論のこと，二次燃焼を促進して燃焼期間を短縮し，燃焼を完結でき，ＮＯX ，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燃料噴射装置を示す拡大断面図である。
【図３】  図２の燃料噴射装置の開放時の作動状態を示す拡大断面図である。
【図４】  図２の燃料噴射装置の閉鎖時の作動状態を示す拡大断面図である。
【図５】  燃料噴射装置と吸気燃料ノズルとの負荷に対応する供給流量の関係を示すグラフである。
【図６】  図１のガス燃料供給装置を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１    主室
２    副室
３    シリンダヘッド
５    燃料噴射装置
６    連絡孔
８    圧縮室
９    針弁
１０  ヘッドライナ（燃焼室部材）
１１  燃料弁
１４  シリンダ
１５  ピストン
１６  噴孔
１８，６５  吸気ポート
１９  ノズル本体
２１  圧縮ピストン
２４  弁シート
２８  燃料ポンプ
３３  吸気燃料ノズル
３４  遮断用端部
３８  リターンスプリング
３９  ガス燃料供給源
４０  スプリング
４１  逆止弁
４３，５２，６１，６６  ガス燃料通路
４５  ガス燃料通孔
４７  燃料冷却装置（熱交換器）
５０  弁フェース
５１  受圧面
５６  吸気弁
５７  中空穴
６０  摺動用端部
６２  中空孔
６９  遮断用端部の端面
７０  コントローラ
７３  冷却ポンプ
７４  流体通路
７５  伝熱通路
７６  伝熱部材
７７  放熱通路
７８  放熱部材
【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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【図６】
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