(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドに配置した副室を構成する燃焼室部材，前記副室とシリンダ側に形成した主室とを連通する前記燃焼室部材に形成した連絡口，前記連絡口を開閉する連絡口弁，ガス燃料供給源からのガス燃料を前記副室へ供給するため前記副室に開口する燃料供給口，前記燃料供給口を開閉する燃料供給弁，及び前記連絡口の前記主室側側壁面に開口し且つ前記副室の上部壁面に開口する前記主室と前記副室とを連通する複数の副連絡孔から構成され，
前記主室側側壁面に開口する前記副連絡孔の軸線が前記シリンダの中心に延びており，前記副室に開口する前記副連絡孔の軸線が前記副室の中心からオフセットして延びていることから成るガスエンジンの燃焼室構造。
【請求項２】
前記副連絡孔には，前記主室のガス圧が前記副室のガス燃料圧より所定の値以上に大きいことに応答して前記副連絡孔を開放する圧力制御弁が設けられていることから成る請求項１に記載のガスエンジンの燃焼室構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は，主室と副室との連絡が遮断された状態でガス燃料を副室に供給して連絡口の開放によって空気とガス燃料とを混合させて着火燃焼させるガスエンジンの燃焼室構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，ガスエンジンとして，ＮＯX を低減し，高効率を実現するため，希薄燃焼方式のエンジンが開発されている。このようなエンジンとしては，ガスミキサーを吸気管に設置してオットサイクルで燃焼させる方式，或いは副室を設けて副室内にガス燃料を供給して燃焼させる方式がある。ガスエンジンとして，例えば，特開平７−３１０５５０号公報に開示されたものがある。
【０００３】
上記特開平７−３１０５５０号公報に開示されたガスエンジンは，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，副室内では過濃状態の混合気を燃焼させてＮＯX の発生を抑制し，火炎を副室から主室に一気に吹き出させることで二次燃焼をできるだけ均一な混合気で短時間で完結させ，ＮＯX ，ＨＣ等の発生を低減し，熱効率を高めるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで，上記ガスエンジンは，連絡孔弁が閉鎖し，副室内圧力が低圧時にガス燃料を副室内に供給し，圧縮行程後半に連絡孔弁を開放し，高温高圧空気を副室内に供給して急速に混合し，自己着火させ，副室内燃焼による圧力上昇にて混合気を主室内に噴出し，短期間に希薄燃焼を完了させる必要がある。しかしながら，上記ガスエンジンでは，圧縮行程後半に連絡孔弁を開放するため，主室内の実圧縮比が高くなり，ピストンの圧縮仕事が大きくなってフリクション等に消費されるため，正味の有効仕事が減り，熱効率が悪化するという問題がある。
【０００５】
また，従来のガスエンジンにおいて，上記の問題を解決するため，過早着火しない程度に，圧縮行程の早期に連絡孔弁を開放して主室から副室へ圧縮空気を導入することが考えられるが，副室内のガス燃料が主室内へ拡散する現象が発生し，ピストンのクレビス領域等に侵入し，燃焼改善の支障になることが懸念される。また，ガスエンジンでは，ＮＯX の発生を抑制する点から考慮すると，希薄燃焼が好ましいものであり，ガス燃料を用いて希薄燃焼させるためには，確実な着火と希薄混合気の急速な燃焼が不可欠である。
【０００６】
【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，主室と副室との連絡口に連絡口弁を配置すると共に，連絡口とは別に主室と副室とを連通する副連絡孔を形成し，圧縮行程時に副室内のガス燃料が自己着火しない程度の主室内の圧縮空気の一部を副連絡孔を通じて副室へ供給し，主室での圧縮空気圧の過剰な上昇を抑制して熱効率をアップさせると共に，連絡口弁の開放に先立って主室にもガス燃料の一部をシリンダ中央部に噴出しておき，空気利用率をアップし，燃焼効率を向上させるガスエンジンの燃焼室構造を提供することである。
【０００７】
この発明は，シリンダヘッドに配置した副室を構成する燃焼室部材，前記副室とシリンダ側に形成した主室とを連通する前記燃焼室部材に形成した連絡口，前記連絡口を開閉する連絡口弁，ガス燃料供給源からのガス燃料を前記副室へ供給するため前記副室に開口する燃料供給口，前記燃料供給口を開閉する燃料供給弁，及び前記連絡口の前記主室側側壁面に開口し且つ前記副室の上部壁面に開口する前記主室と前記副室とを連通する複数の副連絡孔から構成され，前記主室側足壁面に開口する前記副連絡孔の軸線が前記シリンダの中心に延びており，前記副室に開口する前記副連絡孔の軸線が前記副室の中心からオフセットして延びていることから成るガスエンジンの燃焼室構造に関する。
【０００８】
このガスエンジンの燃焼室構造は，前記副連絡孔には，前記主室のガス圧が前記副室のガス燃料圧より所定の値以上に大きいことに応答して前記副連絡孔を開放する圧力制御弁が設けられている。前記副連絡孔に圧力制御弁を設けることによって，圧力制御弁によって前記主室のガス圧が前記副室のガス燃料圧より所定の値以上に大きいことに応答して前記副連絡孔を開放させ，余分のガス燃料の主室への流出を防止し，過早着火の恐れを防止することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下，図面を参照して，この発明によるガスエンジンの燃焼室構造の実施例を説明する。図１はこの発明によるガスエンジンの燃焼室構造の一実施例を示す断面図，及び図２は図１のＡ−Ａ断面の燃焼室部材の下面を示す平面図である。
【００１０】
この燃焼室構造を備えたガスエンジンは，シリンダブロック２７に固定されたシリンダヘッド７，シリンダヘッド７に形成したキャビティ３７にガスケット３１を介在して配置された燃焼室部材３，シリンダブロック２７に形成した孔部３８に嵌合したシリンダライナ３９，及びシリンダライナ３９に形成したシリンダ３０内を往復運動するピストン１５を有している。燃焼室部材３には，２個の吸気ポート２２（図２で一個図示）と２個の排気ポート２３（図２で一個図示）が形成され，吸気ポート２２を開閉する吸気弁２５と排気ポート２３を開閉する排気弁２６が配置されている。ピストン１５は，耐熱性に優れた窒化ケイ素等のセラミックスから成るピストンヘッド１６と，ピストンヘッド１６に結合リング３５でメタルフローによって固定したピストンスカート１７とから構成されている。ピストンヘッド１６とピストンスカート１７との間には，遮熱空気層３４を形成するようにガスケット４３が介在されている。
【００１１】
燃焼室部材３は，シリンダ３０の一部を構成するライナ上部１２とヘッド下面部１１から構成され，シリンダ３０の一部を構成するライナ上部１２には主室１が形成され，ヘッド下面部１１の中央部には副室２が形成されている。燃焼室部材３の外周には，遮熱空気層４１が形成され，主室１及び副室２が遮熱構造に構成されている。燃焼室部材３には，主室１と副室２とを連通する連絡口６が形成されている。連絡口６は，副室２側の連絡口部２４，主室１側の中央連絡口部２１，中央連絡口部２１から放射方向に延びる連絡溝２８から構成され，連絡口部２４と中央連絡口部２１との間には連絡口弁４が着座する弁シート４８が形成されている。燃焼室部材３の上面には，副室２の上壁を形成し且つガス燃料を副室２に供給するためガス燃料供給管８に連通するガス燃料供給口４０が形成されたプレート１０が一体に設けられている。ガス燃料供給口４０には，燃料供給弁５が設けられている。
【００１２】
このガスエンジンは，図示していないが，燃料としての天然ガスを収容した燃料供給源が設けられており，該燃料供給源から天然ガスが供給するガス燃料供給管８に連通する燃料供給通路４２がシリンダヘッド７に形成されている。燃料供給源からのガス燃料は，ガス燃料供給通管８を通じて燃焼室部材３に形成された燃料供給口４０から副室２に供給される。また，燃料供給口４０には，燃料供給口４０を開閉するため燃料ノズル又は弁等の燃料供給弁５が配置されている。燃料弁５が作動し，燃料供給口４０を開放すると，ガス燃料は燃料供給通路４２から燃料供給口４０を通じて副室２に供給される。
【００１３】
燃焼室部材３には，主室１と副室２とを連通するため連絡口６が形成されている。連絡口６には，連絡口６を開閉するため連絡口弁４が配置されている。連絡口６は，主室１側を構成する中央連絡口部２１と副室２側を構成する連絡口部２４とから形成されている。連絡口弁４は，連絡口弁４が往復移動する主室１側の中央連絡口部２１と，副室２側を構成する連絡口部２４との間に形成された弁シート４８に着座するようにセットされている。更に，中央連絡口部２１には，その周方向に隔置し且つ主室１のシリンダ３０の周辺へ向かって放射方向に延びる複数の連絡溝２８が形成されている。
【００１４】
連絡口弁４は，弁ヘッド３３と弁ステム３２から成る。弁ステム３２は，シリンダヘッド７に配置された弁ガイド４４を貫通してシリンダヘッド７の上方へ延びている。特に，副室２の中心を延びる連絡口弁４の弁ステム３２には，弁ステム３２の外周面に延びる突起４７が形成されている。弁ステム３２には，バルブスプリングシート１８が固定されている。バルブスプリングシート１８とシリンダヘッド７の上面との間には，連絡口弁４が連絡口６を閉鎖する方向に付勢するバルブスプリング１４が配置されている。弁ステム３２の上方には，タペット１３を介して動弁機構のカム９が配置されている。連絡口弁４の弁フェースは，連絡口部２４と２１との間に形成されている弁シート４８に着座するようにセットされている。連絡口弁４は，エンジンの回転に同期した回転するカム９によって，シリンダヘッド７に設けた弁ガイド４４にガイドされる弁ステム３２を通じて上下動し，連絡口６を開閉する。また，カム９は，吸気弁２５，排気弁２６を駆動するカムシャフトと同一のカムシャフトで駆動するように構成できる。
【００１５】
このガスエンジンは，特に，燃焼室部材３に主室１と副室２とを連通する複数の副連絡孔２９が形成されていることであり，副連絡孔２９は主室１側に位置する連絡口即ち中央連絡口部２１の壁面に開口するポート２０と副室２の上部壁面に開口するポート１９を有する。主室１側に開口する副連絡孔２９のポート２０の軸線は，連絡口の中央連絡口部２１の中心に向かって延びている。また，副室２側に開口する副連絡孔２９のポート１９の軸線が副室２の中心からオフセットして延びている。
【００１６】
このガスエンジンの燃焼室構造は，上記のように構成され，次のように作動される。このガスエンジンは，吸入行程，圧縮行程，膨張行程及び排気行程の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，まず，吸入行程では，吸気弁２５が吸気ポート２２を開放して主室１に吸入空気が供給され，連絡口弁４によって連絡口６を閉鎖した状態で燃料供給弁５が作動して燃料供給口４０を開放してガス燃料供給管８と燃料供給通路４２を通じてガス燃料供給源から副室２に天然ガスのガス燃料が供給される。この時，主室１の空気圧より副室２のガス圧が高い場合には，副連絡孔２９を通じて副室２から主室１へガス燃料が若干流れる。
【００１７】
次に，このガスエンジンにおいて，圧縮行程では，連絡口弁４によって連絡口６を閉鎖しているが，圧縮行程前半では主室１の空気圧より副室２のガス圧が高いので，副連絡孔２９を通じて副室２から主室１の中央連絡口部２１の領域にガス燃料が流出する。圧縮行程が進行して主室１で吸入空気が圧縮されると，逆に主室１から副室２へ副連絡孔２９を通じて自己着火しない程度の希薄混合気が副室２の上部へ供給される。次いで，圧縮行程の終わりで連絡口弁４が連絡口６を開放し，連絡口６を通じて高圧縮で高温化した圧縮空気を主室１から副室２へ流入し，該吸入空気は副室２内のガス燃料と混合を促進して副室２の中間部及び下部に過濃混合気を生成し，副室２の上部には予め希薄混合気が流入しているので，可燃混合気に成り易い状態になっているので，副室２の上部で混合気が着火燃焼し，副室２内で燃焼が急速に進展して燃料リッチでＮＯX を低減した状態で燃焼し，次いで，副室２の上部の火炎が中間部及び下部の過濃混合気を主室１へ噴出させ，膨張行程へ移行し，主室１に存在する新気と混合を促進して短期間に二次燃焼を完結する。膨張行程では，連絡口６の開放状態を維持して副室２から主室１へ火炎を噴出させて仕事をさせ，排気行程終了付近で連絡口６を連絡口弁４を作動して閉鎖する。
【００１８】
このガスエンジンの燃焼室構造は，上記のように構成され，その作動について次のような特徴を有する。このガスエンジンでは，副室２内のガス圧が主室１の空気圧より高い状態の圧縮行程前半までの時に，副連絡孔２９を通じて自己着火しない程度のガス燃料が主室１へ噴出し，ガス燃料を主室１と副室２とに分配させる。また，このガスエンジンでは，副連絡孔２９の主室１側に開口するポート２０は，互いに相対するように中央連絡口部２１の中心に向かって延びているので，圧縮行程前半において，副室２から主室１へガス燃料が噴出する場合には，噴出したガス燃料がシリンダ中央部で衝突してシリンダ内に拡散することなく，シリンダ中央部に滞留し，ピストンのクレビス部等へのガス燃料の侵入が抑制される。
【００１９】
次いで，圧縮行程後半において主室１の希薄混合気圧が副室２のガス圧より高くなった状態の時に，副室２でのガス燃料が自己着火しない程度の主室１の圧縮希薄混合気の一部を副連絡孔２９を通じて副室２へ供給し，主室１での圧縮空気圧の過剰な上昇を防止するように構成されている。また，副連絡孔２９の副室２側に開口するポート１９は，その軸線が副室２の中心からオフセットして延びているので，主室１から副室２へ流入する希薄混合気は傾斜した角度を有するように延びるポート１９から副室２の上部に旋回流として導入される。しかも，連絡孔４の弁ステム３２には，副室２を上部と下部に区画する位置に外周面に延びる突起４７が形成されているので，副室２の上部での旋回流が下部へと拡散すること無く良好に生成されることになる。
【００２０】
次いで，圧縮行程上死点付近で，連絡孔４が連絡口６を開放することによって，主室１に存在する高温高圧の空気（微小な希薄混合気を含む）が副室２へ流入し，しかも，主室１から副室２へ流入する高温高圧の空気が突起４７のガイド作用によって副室２の上部に形成されている旋回流を阻害しないように流入されて副室２の下部に過濃混合気を形成すると共に，また，副室２の上部に可燃混合気を形成し，副室２の上部で自己着火し，副室２の上部での圧力上昇に伴って副室２の中間部及び下部に存在する過濃混合気を主室１へ噴出させる。このガスエンジンの燃焼室構造では，副連絡孔２９の流路断面積は，連絡孔４が連絡口６を開放した時に，副室２の上部で自己着火が発生する温度及び圧力になるように，副室２の上部に希薄混合気を流入させるように設定されている。
【００２１】
次に，図３及び図４を参照して，この発明によるガスエンジンの燃焼室構造の別の実施例を説明する。図３はこのガスエンジンの燃焼室構造の別の実施例を示す断面図，及び図４は図３の燃焼室構造において圧力制御弁が開放した状態を示す断面図である。
【００２２】
この実施例は，上記実施例と比較して，圧力制御弁を設けている以外は同一であるので，同一の部品には同一の符号を付して重複する説明は省略する。副連絡孔２９には，主室１のガス圧が副室２のガス燃料圧より所定の値以上に大きいことに応答して副連絡孔２９を開放する圧力制御弁３６が設けられている。圧力制御弁３６は，プランジャ４６とリターンスプリング４５から構成されている。
【００２３】
この実施例では，連絡口弁４が閉鎖して副室２内に低圧のガス燃料が充填され，吸入行程及び圧縮行程で，副室２内の圧力が主室１内の圧力より高い期間では，圧力制御弁３６によって副連絡孔２９が閉鎖されるので，副室２から主室１へのガス燃料の流出は発生することがないので，過早着火の恐れはなくなる。また，主室１の空気圧が副室２のガス圧より所定の値以上に高くなって初めて，圧力制御弁３６のリターンスプリング４５のばね力に抗してプランジャ４６を移動させ，副連絡孔２９のポート１９を開放し，主室１から副室２へ圧縮空気が流入する。従って，主室１での圧縮空気圧が過剰圧力になることが防止され，しかも，副室２の上部に予め圧縮空気が流入しているので，連絡口弁４が連絡口６を開放した時に，副室２の上部が直ちに可燃混合気になって副室２の上部で着火燃焼が起こることになる。副室２の上部で着火燃焼が発生すると，副室２の上部の圧力が上昇し，副室２の中間部及び下部の過濃混合気を主室１へ噴出させることになる。
【００２４】
【発明の効果】
この発明によるガスエンジンの燃焼室構造は，上記のように，主室と副室とを連通する連絡口弁が配置された連絡口を設けると共に，副連絡孔を設けたので，吸入行程及び圧縮行程の副室のガス圧が主室の空気圧より高い状態の時，主室のシリンダ中央にガス燃料の一部を滞留させることができ，主室での空気利用率を向上させることができると共に，ガス燃料をシリンダ中央に滞留させることによってガス燃料の主室での拡散を防止し，ピストンのクレビス部等への侵入を防止でき，燃焼を改善できる。また，圧縮行程において主室から副室の上部に希薄混合気又は圧縮空気の一部を導入させることで，主室の圧縮空気圧を過剰に上昇させることを防止でき，フリクションや圧縮仕事を低減し，性能をアップさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明によるガスエンジンの燃焼室構造の一実施例を示す断面図である。
【図２】  図１のＡ−Ａ断面の燃焼室部材の下面を示す平面図である。
【図３】  このガスエンジンの燃焼室構造の別の実施例を示す断面図である。
【図４】  図３の燃焼室構造において圧力制御弁が開放した状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１    主室
２    副室
３    燃焼室部材
４    連絡口弁
５    燃料供給弁
６，２１，２４，２８    連絡口
７    シリンダヘッド
８    ガス燃料供給管
１１  ヘッド下面部
１２  ライナ上部
１５  ピストン
１９，２０  ポート
２９  副連絡孔
３０  シリンダ
３２  弁ステム
３３  弁ヘッド
３６  圧力制御弁
４０  燃料供給口
４７  突起
【図１】
0003695085.tif 000002
【図２】
0003695085.tif 000003
【図３】
0003695085.tif 000004
【図４】
0003695085.tif 000005