(57)【要約】【課題】  主室及び副室を備えたガスエンジンにおいて主室内の混合気を安定性良く着火させる。【解決手段】  ４ストロークのガスエンジン１は、主室８と、隔壁部材１７によって主室と区画され、主室に対して小さな容積を有する副室２０と、隔壁部材に形成され、主室と副室とを接続する連通孔２２と、副室内に気体燃料を噴射するインジェクタ３０と、副室内に配置された点火プラグ３６とを有し、インジェクタは、点火時期において当量比が０．５以上２．０以下の混合気を主室に形成するべく吸気行程において主噴射を行うと共に、点火時期において当量比が１．０以上２．０以下の混合気を副室に形成するべく点火時期の直前に主噴射よりも少量の副噴射を行い、点火後に連通孔から主室に噴出するガスの速度が４ｍ／ｓ以上７ｍ／ｓ以下になるように、連通孔の副室への開口面積の総和及び副室の容積が設定されている。【選択図】    図１４
2018066369.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
４ストロークのガスエンジンであって、
シリンダの上端面及びピストンの冠面によって画定され、シリンダ軸線を中心とした円筒形状の主室と、
前記シリンダの前記上端面に設けられた有底円筒形の隔壁部材によって前記主室と区画され、前記主室に対して小さな容積を有する副室と、
前記隔壁部材に形成され、前記主室と前記副室とを接続する少なくとも１つの連通孔と、
前記副室内に気体燃料を噴射するインジェクタと、
前記副室内に配置された発火部を有する点火プラグとを有し、
前記インジェクタは、点火時期において当量比が０．５以上２．０以下の混合気を前記主室に形成するべく吸気行程において主噴射を行うと共に、点火時期において当量比が１．０以上２．０以下の混合気を前記副室に形成するべく点火時期の直前に前記主噴射よりも少量の副噴射を行い、
点火後に前記連通孔から前記主室に噴出するガスの速度が４ｍ／ｓ以上７ｍ／ｓ以下になるように、前記連通孔の前記副室への開口面積の総和及び前記副室の容積が設定されていることを特徴とするガスエンジン。
【請求項２】
前記隔壁部材は、前記シリンダの前記上端面から前記主室の中央に突出してシリンダ軸線と同軸に配置され、
前記連通孔は、４個以上６個以下設けられ、シリンダ軸線を中心として周方向に等間隔に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のガスエンジン。
【請求項３】
前記連通孔の軸線がシリンダ軸線に対してなす角度が２０°以上７５°以下であり、
ストロークボア比が０．６以上２．６以下であり、
前記主室の容積に対する前記副室の容積の比が０.０２以上０．０４以下であり、
前記ピストンの直径に対する、前記ピストンが上死点にあるときの前記連通孔の主室側の開口端から前記連通孔の軸線方向において前記ピストンの表面までの距離の比が０．１９以上０．３２以下であることを特徴とする請求項２に記載のガスエンジン。
【請求項４】
前記副室の容積を前記連通孔の前記副室への開口面積の総和で除した副室指標が９以上１５以下であることを特徴とする請求項３に記載のガスエンジン。
【請求項５】
前記シリンダの排気量が１５０ｃｍ３以上８００ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項４に記載のガスエンジン。
【請求項６】
前記ピストンの冠面にはシリンダ軸線に沿った方向から見て円形をなす凹部が形成され、
前記シリンダの前記上端面は平面に形成され、
前記ピストンが上死点にあるときに、前記主室は前記凹部の内面、前記シリンダの前記上端面、及び前記隔壁部材の外面によって画定され、前記隔壁部材の下端が前記凹部内に突入していることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のガスエンジン。
【請求項７】
前記連通孔のそれぞれの軸線がシリンダ軸線上に交点を有し、
前記交点に前記発火部が配置されていることを特徴とする請求項４〜請求項６のいずれか１つの項に記載のガスエンジン。
【請求項８】
４ストロークのガスエンジンであって、
シリンダの上端面及びピストンの冠面によって画定され、シリンダ軸線を中心とした円筒形状の主室と、
前記シリンダの前記上端面から前記主室の中央に突出してシリンダ軸線と同軸に配置された有底円筒形の隔壁部材によって前記主室と区画され、前記主室に対して小さな容積を有する副室と、
前記隔壁部材にシリンダ軸線を中心として周方向に等間隔に配置され、前記主室と前記副室とを接続する４個以上６個以下の連通孔と、
前記副室内に気体燃料を噴射するインジェクタと、
前記副室内に配置された発火部を有する点火プラグとを有し、
前記インジェクタは、吸気行程において主噴射を行うと共に、点火時期において当量比が１．０以上２．０以下の混合気を前記副室に形成するべく点火時期の直前に前記主噴射よりも少量の副噴射を行い、
前記連通孔の軸線がシリンダ軸線に対してなす角度が２０°以上７５°以下であり、
ストロークボア比が０．６以上２．６以下であり、
前記主室の容積に対する前記副室の容積の比が０.０２以上０．０４以下であり、
前記ピストンの直径に対する、前記ピストンが上死点にあるときの前記連通孔の主室側の開口端から前記連通孔の軸線方向において前記ピストンの表面までの距離の比が０．１９以上０．３２以下であり、
前記副室の容積を前記連通孔の前記副室への開口面積の総和で除した副室指標が９以上１５以下であることを特徴とするガスエンジン。
【請求項９】
前記シリンダの排気量が１５０ｃｍ３以上８００ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項８に記載のガスエンジン。
【請求項１０】
前記ピストンの冠面にはシリンダ軸線に沿った方向から見て円形をなす凹部が形成され、
前記シリンダの前記上端面は平面に形成され、
前記ピストンが上死点にあるときに、前記主室は前記凹部の内面、前記シリンダの前記上端面、及び前記隔壁部材の外面によって画定され、前記隔壁部材の下端が前記凹部内に突入していることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載のガスエンジン。
【請求項１１】
前記連通孔のそれぞれの軸線がシリンダ軸線上に交点を有し、
前記交点に前記発火部が配置されていることを特徴とする請求項８〜請求項１０のいずれか１つの項に記載のガスエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主室及び副室を含む燃焼室を備えたガスエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＮＧ等の気体を燃料とするガスエンジンにおいて、希薄燃焼を安定的に行うために、主室と、主室に連通孔を介して接続された副室とによって燃焼室を形成し、点火プラグ及び燃料供給弁を副室に配置した副室エンジンが公知となっている（例えば、特許文献１）。このガスエンジンでは、主室に対して副室内の混合気の当量比が高く維持されるため、副室における着火性が向上する。また、副室において発生した既燃ガス噴流（火炎）は、連通孔からトーチ状に主室内に噴出し、主室内の希薄混合気を確実に着火させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２３２９８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のガスエンジンは、連通孔から噴出する既燃ガス噴流によって主室内の希薄混合気を着火、燃焼させるため、連通孔から噴出する既燃ガス噴流の向き及び速度が主室内の希薄混合気の燃焼に影響する。連通孔から噴出する既燃ガス噴流の速度は、副室の容積や、連通孔の直径、連通孔の総数によって変化する。しかしながら、副室の容積、連通孔の向き、直径及び総数の各パラメータの組み合わせは無数にあり、熱効率が最大となる最適値を設定することは難しい。また、熱効率の最大化するための前提条件として、主室内の混合気を安定性良く着火させることが必要になる。
【０００５】
本発明は、以上の背景を鑑み、主室及び副室を備えたガスエンジンにおいて主室内の混合気を安定性良く着火させることを主な課題とする。また、本発明は、主室及び副室を備えたガスエンジンにおいて熱効率を高めることを二次的な課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明の一態様は、４ストロークのガスエンジン（１）であって、シリンダ（４）の上端面及びピストン（７）の冠面によって画定され、シリンダ軸線を中心とした円筒形状の主室（８）と、前記シリンダの前記上端面に設けられた有底円筒形の隔壁部材（１７）によって前記主室と区画され、前記主室に対して小さな容積を有する副室（２０）と、前記隔壁部材に形成され、前記主室と前記副室とを接続する少なくとも１つの連通孔（２２）と、前記副室内に気体燃料を噴射するインジェクタ（３０）と、前記副室内に配置された発火部（３６Ｆ）を有する点火プラグ（３６）とを有し、前記インジェクタは、点火時期において当量比が０．５以上２．０以下の混合気を前記主室に形成するべく吸気行程において主噴射を行うと共に、点火時期において当量比が１．０以上２．０以下の混合気を前記副室に形成するべく点火時期の直前に前記主噴射よりも少量の副噴射を行い、点火後に前記連通孔から前記主室に噴出するガスの速度が４ｍ／ｓ以上７ｍ／ｓ以下になるように、前記連通孔の前記副室への開口面積の総和及び前記副室の容積が設定されていることを特徴とする。ガスの速度は、連通孔の軸線方向における連通孔の主室側の開口端と主室の壁面との距離を１とした場合にガスが０．８の距離に到達するまでに要する時間で除することによって算出される。
【０００７】
この態様によれば、ガスエンジンでは、副室から連通孔を通って噴出する既燃ガス噴流によって、主室の混合気が安定性良く着火する。この態様は、副室から連通孔を通過して主室に噴出するガスの速度が主室内での混合気の着火性に影響を与えるという着想及び実験により得られた事実に基づいて創出されている。連通孔から噴出するガスの速度が４ｍ／ｓ以上７ｍ／ｓ以下の範囲で主室内の混合気が安定性良く着火することが、本願発明者らの実験によって確認されている。連通孔から噴出するガスの速度が７ｍ／ｓより大きくなる領域では、連通孔から噴出するガスと主室内の混合気との境界に自由せん断層が発生し、自由せん断層によって主室内の混合気の火炎形成、すなわち着火が阻害されると推測される。連通孔から噴出するガスの速度は、副室内に発生した既燃ガスが有するエネルギーが大きいほど速くなり、かつ既燃ガスの流路である連通孔の副室への開口面積の総和が大きいほど遅くなることが理解できる。副室内の既燃ガスが有するエネルギーは、副室の混合気の当量比及び副室の容積によって定まることが理解できる。そのため、副室の混合気の当量比の範囲が設定された本態様では、連通孔の副室への開口面積の総和及び副室の容積を適切に設定することで、連通孔のそれぞれから主室に噴出するガスの速度を４ｍ／ｓ以上７ｍ／ｓ以下にすることができ、主室内の混合気の着火性が向上する。
【０００８】
また、上記の態様において、前記隔壁部材は、前記シリンダの前記上端面から前記主室の中央に突出してシリンダ軸線と同軸に配置され、前記連通孔は、４個以上６個以下設けられ、シリンダ軸線を中心として周方向に等間隔に配置されているとよい。また、前記連通孔の軸線がシリンダ軸線に対してなす角度が２０°以上７５°以下であり、ストロークボア比が０．６以上２．６以下であり、前記主室の容積に対する前記副室の容積の比が０.０２以上０．０４以下であり、前記ピストンの直径に対する、前記ピストンが上死点にあるときの前記連通孔の主室側の開口端から前記連通孔の軸線方向において前記ピストンの表面までの距離の比が０．１９以上０．３２以下であるとよい。また、前記副室の容積を前記連通孔の前記副室への開口面積の総和で除した副室指標が９以上１５以下であるとよい。
【０００９】
この態様によれば、ガスエンジンは高い熱効率を得ることができる。この態様は、副室から連通孔を通過して主室に噴出する既燃ガス噴流の勢い（副室指標）が主室内での混合気の燃焼に大きな影響を与えるという着想及び実験により証明した事実に基づいて創出されている。副室指標は、副室内に発生する既燃ガス（火炎）の総量に対応する副室の容積を、既燃焼ガスの副室からの出口面積に対応する連通孔の副室への開口面積の総和で除したものであり、連通孔から噴出する既燃ガス噴流の勢い（ジェット強度）を表す。副室指標が９以上１５以下で熱効率が極大値をとることが実験によって確認されているため、副室指標がこのような範囲となるように、副室の容積、連通孔の総数及び直径を設定することによって熱効率が最大となる。円筒状の主室の中央部に副室が配置された位置関係では、各連通孔がシリンダ軸線に対して２０°以上７５°以下の角度をなすことで、既燃ガス噴流は主室の周縁の隅部に向けて噴出するため、主室内の混合気を広範囲にわたって着火させることができる。
【００１０】
また、上記の態様において、前記シリンダの排気量が１５０ｃｍ３以上８００ｃｍ３以下であるとよい。
【００１１】
また、上記の態様において、前記ピストンの冠面にはシリンダ軸線に沿った方向から見て円形をなす凹部（４５）が形成され、前記シリンダの上端面は平面に形成され、前記ピストンが上死点にあるときに、前記主室は前記凹部の内面、前記シリンダの上端面、及び前記隔壁部材の外面によって画定され、前記隔壁部材の下端が前記凹部内に突入しているとよい。
【００１２】
この態様によれば、連通孔及び連通孔から噴出する既燃ガス噴流の進行方向が、主室の周縁の隅部を向き、主室の混合気を効率良く着火させることができる。
【００１３】
また、上記の態様において、前記連通孔のそれぞれの軸線がシリンダ軸線上に交点を有し、前記交点に前記発火部が配置されているとよい。
【００１４】
この態様によれば、発火部において発生した既燃ガスが連通孔を通過し易くなり、既燃ガス噴流の減速及びエネルギー損失が低減される。
【００１５】
また、本発明の他の態様は、４ストロークのガスエンジン（１）であって、シリンダ（４）の上端面及びピストン（７）の冠面によって画定され、シリンダ軸線を中心とした円筒形状の主室（８）と、前記シリンダの前記上端面から前記主室の中央に突出してシリンダ軸線と同軸に配置された有底円筒形の隔壁部材（１７）によって前記主室と区画され、前記主室に対して小さな容積を有する副室（２０）と、前記隔壁部材にシリンダ軸線を中心として周方向に等間隔に配置され、前記主室と前記副室とを接続する４個以上６個以下の連通孔（２２）と、前記副室内に気体燃料を噴射するインジェクタ（３０）と、前記副室内に配置された発火部（３６Ｆ）を有する点火プラグ（３６）とを有し、前記インジェクタは、吸気行程において主噴射を行うと共に、点火時期において、当量比が１．０以上２．０以下の混合気を前記副室に形成するべく点火時期の直前に前記主噴射よりも少量の副噴射を行い、前記連通孔の軸線がシリンダ軸線に対してなす角度が２０°以上７５°以下であり、ストロークボア比が０．６以上２．６以下であり、前記主室の容積に対する前記副室の容積の比が０.０２以上０．０４以下であり、前記ピストンの直径に対する、前記ピストンが上死点にあるときの前記連通孔の主室側の開口端から前記連通孔の軸線方向において前記ピストンの表面までの距離の比が０．１９以上０．３２以下であり、前記副室の容積を前記連通孔の前記副室への開口面積の総和で除した副室指標が９以上１５以下であることを特徴とする。
【００１６】
この態様によれば、ガスエンジンは高い熱効率を得ることができる。副室指標が９以上１５以下で熱効率が極大値をとることが実験によって確認されているため、副室指標がこのような範囲となるように、副室の容積、連通孔の総数及び直径を設定することによって熱効率が最大となる。円筒状の主室の中央部に副室が配置された位置関係では、各連通孔がシリンダ軸線に対して２０°以上７５°以下の角度をなすことで、既燃ガス噴流は主室の周縁の隅部に向けて噴出するため、主室内の混合気を広範囲にわたって着火させることができる。また、副室指標が１０以上１５以下の範囲では、熱効率が極大となることから、主室内の混合気が連通孔から噴出するガスによって安定性良く着火する。
【発明の効果】
【００１７】
以上の構成によれば、主室及び副室を備えたガスエンジンにおいて主室内の混合気を安定性良く着火させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態に係る内燃機関の断面図
【図２】（Ａ）副室を拡大して示す断面図、（Ｂ）図２（Ａ）のＢ−Ｂ断面図
【図３】実施形態に係る内燃機関の断面図であって、ピストンが上死点にある状態を示す
【図４】連通孔の直径、総数、位置を示す説明図
【図５】燃料噴射時期及び点火時期を示す説明図
【図６】φ−Ｔマップ
【図７】連通孔の直径と火炎到達距離との関係を示すグラフ
【図８】連通孔の総数と火炎到達距離との関係を示すグラフ
【図９】連通孔の総数と熱効率との関係を示すグラフ
【図１０】副室の容積と火炎到達距離との関係を示すグラフ
【図１１】副室指標と火炎到達時間との関係を示すグラフ
【図１２】低負荷時における副室指標と燃焼期間及び熱効率との関係を示すグラフ
【図１３】高負荷時における副室指標と燃焼期間及び熱効率との関係を示すグラフ
【図１４】副室指標、火炎速度、主室混合気の着火性の関係を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明を４バルブのＣＮＧを燃料とするガスエンジンに適用した実施形態について説明する。
【００２０】
ガスエンジン１は、４ストローク機関であり、図１に示すように、シリンダブロック２Ａと、シリンダブロック２Ａの上端面に締結されたシリンダヘッド２Ｂとを含むエンジン本体２を有する。シリンダブロック２Ａには、シリンダブロック２Ａの上端面に開口する断面円形のシリンダ４が形成されている。シリンダヘッド２Ｂの下端面においてシリンダ４の上端と対向する部分は、平面に形成され、シリンダ４の上端面をなす燃焼室天井部５となっている。シリンダ４の軸線をシリンダ軸線Ａとする。シリンダ４には、ピストン７がシリンダ軸線Ａに沿って往復動可能に受容されている。燃焼室天井部５を含むシリンダ４の壁面と、ピストン７の冠面７Ａとによって主室８が画定されている。
【００２１】
燃焼室天井部５には、２つの吸気ポート１１と、２つの排気ポート１２とが開口している。燃焼室天井部５において、一側である吸気側に２つの吸気ポート１１が配置され、他側である排気側に２つの排気ポート１２が配置されている。吸気ポート１１及び排気ポート１２の燃焼室天井部５側の開口端は、ポペットバルブである吸気バルブ１３及び排気バルブ１４によって開閉される。
【００２２】
シリンダヘッド２Ｂには、上下に貫通し、下端が燃焼室天井部５の中央部に開口する支持孔１６が形成されている。支持孔１６は、シリンダ軸線Ａと同軸に形成された段付き孔であり、下側から小径の下部１６Ａ、下部１６Ａに対して拡径された中間部１６Ｂ、中間部１６Ｂに対して拡径された上部１６Ｃとを有する。下部１６Ａと中間部１６Ｂとの間には上方を向く環状の肩面１６Ｄが形成されている。中間部１６Ｂの上部の内面には、雌ねじが形成されている。
【００２３】
図１及び図２に示すように、支持孔１６の下部１６Ａ及び中間部１６Ｂには、有底円筒形の隔壁部材１７が挿入されている。隔壁部材１７は、シリンダ軸線Ａと同軸に配置された円筒形の筒部１７Ａと、筒部１７Ａの下端を閉塞する端壁部１７Ｂと、筒部１７Ａの上部における外周面に突設され、周方向に延びる環状のフランジ部１７Ｃとを有する。フランジ部１７Ｃは、環状のシール部材（符号省略）を介して肩面１６Ｄに当接している。中間部１６Ｂには、雌ねじに螺合する雄ねじを外周面に備えた環状の支持部材１９が装着されている。フランジ部１７Ｃは、肩面１６Ｄと支持部材１９の下面との間で上下から挟持され、シリンダヘッド２Ｂに対して固定される。筒部１７Ａの内周部における上部は、下部に対して縮径された縮径部となっている。筒部１７Ａの内周部における下部は、副室２０を画定している。副室２０は、主室８と共に燃焼室を構成する。
【００２４】
隔壁部材１７の端壁部１７Ｂは、下方に向けて凸となる略半球形に形成され、燃焼室天井部５よりも下方に突出し、主室８の中央に突出している。端壁部１７Ｂの下端部（平面視における中央）は、平面状に形成されている。略半球形に形成された端壁部１７Ｂの中心は、シリンダ軸線Ａ上、かつ燃焼室天井部５を外挿した仮想平面上に配置されている。
【００２５】
端壁部１７Ｂの外周部には、厚み方向に貫通し、主室８と副室２０とを連通する複数の連通孔２２が形成されている。各連通孔２２は、下向きに傾斜して直線状に延び、それぞれの軸線が副室２０内における１つの交点Ｂにおいて互いに交差している。すなわち、各連通孔２２は、交点Ｂを中心とした放射状に延びている。各連通孔２２は、シリンダ軸線Ａ（隔壁部材１７の軸線）を中心として回転対称形に形成され、交点Ｂはシリンダ軸線Ａ上に位置している。交点Ｂは、略半球形に形成された端壁部１７Ｂの中心と一致している。各連通孔２２の軸線がシリンダ軸線Ａに対してなす角度は、２０°以上７５°以下、より好ましくは４５°以上６５°以下、更に好ましくは６０°に設定されている。
【００２６】
連通孔２２の数は４以上６以下であり、各連通孔２２はシリンダ軸線Ａを中心として等間隔に配置される。図１〜図３は、連通孔２２が５個の例を示している。図４に示すように、連通孔２２が４個の場合、各連通孔２２はシリンダ軸線Ａを中心として周方向に９０°間隔で配置される。連通孔２２が５個の場合、各連通孔２２はシリンダ軸線Ａを中心として周方向に７２°間隔で配置される。連通孔２２が６個の場合、各連通孔２２はシリンダ軸線Ａを中心として周方向に６０°間隔で配置される。各連通孔２２の横断面は円形であり、長手方向に一定の直径を有する。各連通孔２２の直径は、１．２ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である。主室８と副室２０とは、複数の連通孔２２のみによって互いに連通し、流体の流通が可能になっている。主室８と副室２０とは、連通孔２２を除く他の部分においては互いに分離され、流体の流通が遮断されている。
【００２７】
図１に示すように、支持孔１６にはインジェクタ３０が挿入されている。インジェクタ３０は、気体燃料を噴射する手段である。本実施形態では、インジェクタ３０は、ＣＮＧに適合したものであり、デリバリパイプや圧力制御弁を介してＣＮＧボンベと接続されている。インジェクタ３０に供給されるＣＮＧの圧力は例えば２ＭＰａ程度であってよい。インジェクタ３０は、略円筒形の本体部３０Ａと、本体部３０Ａの一端に同軸に設けられたノズル３０Ｂとを有する。ノズル３０Ｂの先端には気体燃料を噴射する噴射孔（図示省略）が形成され、本体部３０Ａ及びノズル３０Ｂの内部にはデリバリパイプと噴射孔とを接続する燃料通路（図示省略）が形成されている。ノズル３０Ｂの内部には燃料通路を開閉する弁体（図示省略）が設けられ、本体部３０Ａの内部には弁体を駆動するアクチュエータ（図示省略）が設けられている。アクチュエータは、ソレノイドやピエゾ素子を使用したものであってよい。
【００２８】
インジェクタ３０の本体部３０Ａの外周には、周方向に延びる環状のフランジ３０Ｃが形成されている。インジェクタ３０は、ノズル３０Ｂが隔壁部材１７の上部開口Ｄを通過し、ノズル３０Ｂの先端が副室２０内に位置するように支持孔１６に配置される。インジェクタ３０は、フランジ３０Ｃが支持部材１９の上端に突き当たるように、図示しないホルダによってシリンダヘッド２Ｂに固定されている。インジェクタ３０は、シリンダ軸線Ａと同軸に配置されている。本実施形態では噴射孔は、１つであり、シリンダ軸線Ａに沿って下方を向いている。噴射孔から噴射されるＣＮＧは、シリンダ軸線Ａを中心とし、下方（ピストン７側）に向けて広がる円錐状の噴霧形状をなす。ノズル３０Ｂの外周面と筒部１７Ａの内周面との間にはシール部材（符号省略）が配置され、副室２０の上部が気密に閉塞されている。
【００２９】
シリンダヘッド２Ｂにおける２つの吸気ポート１１の間には、貫通孔である点火プラグ孔３３が形成されている。点火プラグ孔３３は、直線状に延びる段付き孔であり、シリンダ軸線Ａに対して傾斜して延び、下端が支持孔１６の下部１６Ａの内周面に開口している。点火プラグ孔３３は、上部が下部に対して径が大きく形成されている。隔壁部材１７の筒部１７Ａにおいて、点火プラグ孔３３の下端開口と対向する部分には、貫通孔であり、副室２０と点火プラグ孔３３とを連通する透孔３４が形成されている。透孔３４の幅は点火プラグ孔３３の下端の幅よりも大きく、透孔３４の周縁部は支持孔１６の下部１６Ａの内周面と接している。隔壁部材１７の筒部１７Ａの外周面と支持孔１６の下部１６Ａの内周面とは、密着しており、気密にシールされている。
【００３０】
図１及び図２に示すように、点火プラグ孔３３には、スパークプラグである点火プラグ３６が挿入されている。点火プラグ３６は、軸状に延びる本体部３６Ａと、本体部３６Ａの先端中央に設けられた中心電極３６Ｂと、本体部３６Ａの先端周縁から突出した接地電極３６Ｃとを有する。本体部３６Ａの外周面には、雄ねじが形成されており、点火プラグ孔３３の下部に形成された雌ねじに螺合している。中心電極３６Ｂは電源に接続されている。接地電極３６Ｃは、中心電極３６Ｂに対して絶縁され、本体部３６Ａの外周部を介してシリンダヘッド２Ｂに接地されている。接地電極３６Ｃは、本体部３６Ａの先端周縁から点火プラグ３６の軸線と略平行に延びる基端部３６Ｄと、基端部３６Ｄに対して略直角に屈曲し、点火プラグ３６の軸線側（中央側）に径方向内向きに延びる先端部３６Ｅとを有する。接地電極３６Ｃの先端部３６Ｅは、点火プラグ３６の軸線方向において中心電極３６Ｂと隙間を介して対向している。中心電極３６Ｂと接地電極３６Ｃの先端部３６Ｅとの間は、発火部３６Ｆとなり、点火時に中心電極３６Ｂに電圧が印加されることによって火花が発生する。
【００３１】
図２に示すように、点火プラグ３６の発火部３６Ｆは、副室２０内において、各連通孔２２の軸線の交点Ｂと一致する位置に配置されている。詳細には、点火プラグ３６の発火部３６Ｆは、各連通孔２２の交点Ｂから２ｍｍ未満の範囲に配置されている。また、接地電極３６Ｃは、交点Ｂと連通孔２２のそれぞれとを結ぶ各線分Ｃを避けて配置されている。具体的には、接地電極３６Ｃの基端部３６Ｄは、中心電極３６Ｂに対して主室８側と相反する側、すなわち中心電極３６Ｂの上方に配置されている。また、接地電極３６Ｃの先端部３６Ｅは、シリンダ軸線Ａに沿った方向から見て、隣り合う２つの連通孔２２のそれぞれと交点Ｂとを結ぶ線分Ｃの間に配置されている。また、点火プラグ３６の本体部３６Ａ及び透孔３４は、シリンダ軸線Ａに沿った方向から見て、１つの連通孔２２と重なる位置に互いに平行に配置されている。また、本実施形態では、発火部３６Ｆは、隔壁部材１７（副室２０）の軸線上に配置され、端壁部１７Ｂの中心上にも配置されている。
【００３２】
図１に示すように、ピストン７は、円板状のクラウン部４１と、クラウン部４１の周縁部から下方に突出した一対のスカート部４２と、各スカート部４２の対応する側縁同士を互いに連結する一対の連結壁部４３とを有している。ピストン７の軸線はシリンダ軸線Ａと一致している。クラウン部４１の外周部には、周方向に延在する第１環状溝、第２環状溝及び第３環状溝（符号省略）が上から順に形成されている。第１環状溝及び第２環状溝にはそれぞれコンプレッションリング（符号省略）が嵌め付けられ、第３環状溝にはオイルリング（符号省略）が嵌め付けられる。
【００３３】
クラウン部４１の燃焼室天井部５側を向く冠面７Ａは、シリンダ軸線Ａと垂直な平面に形成されている。冠面７Ａの中央部には、キャビティ（凹部）４５が凹設されている。キャビティ４５は、シリンダ軸線Ａを中心とした円形に形成され、底部４５Ａと、底部４５Ａの周縁部に設けられた縁壁部４５Ｂとを有する。縁壁部４５Ｂは、シリンダ軸線Ａを中心とした円筒面に形成され、上端において冠面７Ａと略垂直に接続している。縁壁部４５Ｂと底部４５Ａとの境界の表面は、滑らかな曲面に形成されている。ピストン７の直径に対するキャビティ４５の直径の比は、０．４５以上０．９７以下に設定されている。また、キャビティ４５の直径に対するキャビティ４５の深さ（最深部の深さ）の比は０．１以上１．０以下に設定されている。
【００３４】
底部４５Ａの中央には、シリンダ軸線Ａを中心とした略円錐形の凸部４７が突設されている。凸部４７の突出端は、冠面７Ａよりも下方に配置されている。凸部４７の周縁部は底部４５Ａの周縁部の近傍まで延びている。凸部４７の突出端は、面取りがなされた滑らかな曲面に形成されている。また、凸部４７の周縁部と底部４５Ａとの境界の表面は、滑らかな曲面に形成されている。
【００３５】
キャビティ４５及び凸部４７は、協働してシリンダ軸線Ａを中心としたトロイダル形状をなし、周縁部の深さが中央部に対して深くなっている。キャビティ４５及び凸部４７を含む冠面７Ａは、シリンダ軸線Ａを対称軸とした軸対称形に形成されている。
【００３６】
図３に示すように、ピストン７が上死点にあるときに、主室８は、キャビティ４５の内面、シリンダ４の燃焼室天井部５、及び隔壁部材１７の外面によって画定される。また、ピストン７が上死点にあるときに、隔壁部材１７の端壁部１７Ｂがキャビティ４５内に突入し、隙間を介して凸部４７と対向するように、端壁部１７Ｂの突出長さ、キャビティ４５の深さ、及び凸部４７の高さが設定されている。凸部４７の外面とシリンダ軸線Ａとのなす角度は、連通孔２２の軸線とシリンダ軸線Ａ（隔壁部材１７の軸線）とのなす角度と概ね等しく設定されている。
【００３７】
副室２０の容積は、ピストン７が下死点に位置するときの主室８の容積、及びピストン７が上死点に位置するときの主室８の容積のいずれに対しても小さく設定されている。主室８の容積に対する副室２０の容積の比は、０．０２以上０．０４以下であるとよい。ここでの主室８の容積は、ピストン７が下死点にあるときの主室８の容積をいい、燃焼室天井部５を含むシリンダ４の壁面、隔壁部材１７の外面、ピストン７の冠面７Ａ、キャビティ４５及び凸部４７の表面によって画定される空間の容積をいう。副室２０の容積は、隔壁部材１７の内面、インジェクタ３０の外面、及び点火プラグ３６の外面によって画定される空間の容積をいう。
【００３８】
シリンダ４の排気量は、１５０ｃｍ３以上８００ｃｍ３以下、より好ましくは３００ｃｍ３以上６５０ｃｍ３以下、更に好ましくは５００ｃｍ３以上６００ｃｍ３以下であり、例えば５５０ｃｍ３に設定されている。ピストン７のストロークをシリンダ４の直径で除したストロークボア比（ＳＢ比）は、０．６以上２．６以下に設定されている。シリンダ４の直径は、６０ｍｍ以上１１０ｍｍ以下、より好ましくは６５ｍｍ以上１０５ｍｍ以下、更に好ましくは７５ｍｍ以上９５ｍｍ以下、最も好ましくは８５ｍｍに設定されている。ガスエンジン１の圧縮比は、１０．０以上１６．０以下に設定されている。
【００３９】
副室２０の容積Ｖを複数の連通孔２２の副室２０への開口面積の総和Ｓｔで除した値を副室指標Ｉｓ（＝Ｖ／Ｓｔ）とする。ここで、連通孔２２の副室２０への開口面積の総和Ｓｔは、各連通孔２２の副室２０への開口面積Ｓに連通孔２２の総数ｎを乗じることによって算出される。副室２０の容積Ｖは、隔壁部材１７の内面と、透孔３４の内面と、インジェクタ３０の外面と、点火プラグ３６の外面とによって確定される空間部分の容積をいう。連通孔２２は、長手方向において横断面が一定の通路である。本実施形態では、副室指標が９以上１５以下、より好ましくは９以上１４以下又は１０以上１５以下となるように、副室２０の容積Ｖ、連通孔２２の数、及び各連通孔２２の副室２０への開口面積Ｓが設定されている。
【００４０】
図１に示すように、ガスエンジン１は、制御装置５０（ＥＣＵ）と、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサ５１、ガスエンジン１のクランクシャフトの回転位置を検出するクランク角センサ５２とを有する。制御装置５０には、アクセルペダルセンサ５１及びクランク角センサ５２の信号が入力される。制御装置５０は、クランク角センサ５２からの信号に基づいてエンジン回転数を算出し、エンジン回転数とアクセルペダルの踏み込み量とに基づいてガスエンジン１の負荷を算出する。負荷の算出は、例えば所定のマップを参照して行う。例えば、マップは、エンジン回転数の増加に応じて負荷が増加し、アクセルペダルの踏み込み量の増加に応じて負荷が増加するように設定されている。
【００４１】
制御装置５０は、負荷及びエンジン回転数に応じてインジェクタ３０の噴射量及び噴射時期を制御し、点火プラグ３６の点火時期を制御する。制御装置５０は、負荷の増加に応じて、インジェクタ３０の１燃焼サイクルにおける燃料噴射期間（開弁期間）を増加させ、燃料噴射量を増加させる。また、制御装置５０は、エンジン回転数の増加に応じて、インジェクタ３０の噴射時期及び点火プラグ３６の点火時期を進角させる。
【００４２】
図５に示すように、制御装置５０に制御されたインジェクタ３０は、１燃焼サイクルにおいて、少なくとも１回の主噴射と、少なくとも１回の副噴射とを行う。副噴射は、主噴射に対して燃料の噴射量が少なく設定されている。主噴射は、点火時期において、主室８に当量比が０．５以上１．０以下、より好ましくは０．６以上０．８以下の希薄混合気を形成するために行われる。副噴射は、点火時期において、主室８よりも濃く、着火性が高い、当量比が１．０以上２．０以下、より好ましくは１．２以上１．５以下の混合気を副室２０に形成するために行われる。本実施形態では、１燃焼サイクルにおいて、インジェクタ３０は１回の主噴射と、１回の副噴射とを行う。主噴射は、吸気行程において行われる。主噴射は、例えば−３４０°〜−１８０°ＡＴＤＣの範囲内において所定の期間行われるとよい。ここで、所定の範囲内において噴射を行うという記載は、噴射の開始時期及び終了（完了）時期の両方が所定の範囲内に設定されることをいう。また、主噴射は、吸気行程において排気バルブ１４が閉じられた後に行われるとよい。そのため、主噴射は、例えば−３３０°〜−１８０°ＡＴＤＣの範囲内、より好ましくは−２８５°〜−２４０°ＡＴＤＣの範囲内において所定の期間行われるとよい。主噴射の噴射期間は、例えばクランク角で２９°であるとよい。他の実施形態では、主噴射は、例えば−２１０°〜−１８０°ＡＴＤＣの範囲内において所定の期間行われてもよい。ガスエンジン１の負荷が増加するときには、制御装置５０は主噴射の燃料噴射期間を増加させ、１燃焼サイクル当りの燃料噴射量を増加させる。
【００４３】
副噴射は、圧縮行程における上死点近傍において行われる。例えば、インジェクタ３０による前記副噴射の終了時期は、−２０°〜−１０°ＡＴＤＣの範囲内にあるとよい。制御装置５０によって、点火プラグ３６による点火時期は、−５０°〜１０°ＡＴＤＣの範囲内に制御されている。副噴射の噴射期間は、例えばクランク角で１．４°であるとよい。他の実施形態では、副噴射は、点火時期よりもクランク角で３０°〜１０°前の範囲内において所定の期間行われる。
【００４４】
主噴射によって副室２０に供給されたＣＮＧは、連通孔２２を通過して主室８に拡散する。特に、吸気行程においては、ピストン７の下降によって副室２０に対して主室８の圧力が低下するため、ＣＮＧの副室２０から主室８への拡散が促進される。主噴射の噴射時期と点火時期との間隔が長いほど、点火時期までに主噴射によって噴射されたＣＮＧの拡散が進むため、主室８における混合気の均質化が促進される。副噴射の噴射時期と点火時期との間隔が短いため、副噴射によって副室２０に供給されたＣＮＧは十分に拡散することができず、点火時期において大部分が副室２０に留まり、副室２０の混合気濃度は主室８よりも濃くなる。
【００４５】
制御装置５０によって、インジェクタ３０による主噴射は、点火時期において主室８の当量比が０．５以上１．０以下となるように、燃料噴射期間（燃料噴射量）が制御されている。制御装置５０によって、インジェクタ３０による副噴射は、点火時期において副室２０の当量比が１．０以上２．０以下となるように、燃料噴射期間（燃料噴射量）が制御されている。点火時期において上記のような当量比を主室８及び副室２０において実現するために、本実施形態では主噴射の燃料噴射量に対する噴射の噴射量の比が、１／１５０以上１／６０以下に設定されている。
【００４６】
本実施形態に係るガスエンジン１では、吸気行程においてピストン７が下降すると、吸気バルブ１３が開かれ、吸気ポート１１から主室８に新気が供給される。このとき、主室８の圧力が副室２０に対して低下するため、副室２０内の前回の燃焼時に発生した既燃焼ガスが各連通孔２２を通過して主室８に流れる。その後の圧縮行程においてピストン７が上昇すると、主室８の圧力が副室２０に対して上昇するため、主室８の新気（空気）が各連通孔２２を通過して副室２０に流れる。インジェクタ３０は、吸気行程及び圧縮行程の少なくとも一方において主噴射を副室２０に噴射する。主噴射によって副室２０に供給されたＣＮＧは、連通孔２２を通過して主室８に流れ、主室８に希薄混合気を形成する。また、インジェクタ３０は、点火時期の直前に副噴射を行うことによって、点火時期において副室２０に主室８よりも濃い混合気を形成し、着火性を向上させる。
【００４７】
圧縮行程の上死点付近に設定された点火時期において、点火プラグ３６が発火部３６Ｆに火花を発生させることによって、発火部３６ＦにおいてＣＮＧが着火し、火炎が発生する。発火部３６Ｆで発生した火炎は、放射状に広がり、図３に示すように各連通孔２２を通過して各連通孔２２からトーチ状の既燃ガス噴流（火炎）となって主室８のキャビティ４５内に噴出する。このとき、ピストン７が上死点付近にあることから、キャビティ４５が主室８の大部分を占めている。各連通孔２２から噴出する既燃ガス噴流は、凸部４７の表面に沿ってキャビティ４５内を放射状に広がり、キャビティ４５内の混合気を確実に燃焼させる。
【００４８】
図６は、燃焼温度（Ｔ）及び当量比（φ）と、ＮＯｘ及びすすの生成との関係を示すφ−Ｔマップである。図６に示すように、副室２０では、高温に曝される隔壁部材１７に囲まれていることから、燃焼温度が主室８よりも高くなり、１５００Ｋから２４００Ｋとなる。この場合、副室２０での当量比を１．０以上とすることによって、ＮＯｘが発生し易いＮＯｘ領域を避けることができる。また、燃料温度が１７００Ｋ〜２０００Ｋの範囲では、当量比を２．０以下とすることによって、すすが発生し易いＳｏｏｔ領域を避けることができる。
【００４９】
以上のように構成されたガスエンジン１では、副室指標Ｉｓに基づいて副室２０の容積Ｖ、連通孔２２の総数ｎ、及び各連通孔２２の副室２０への開口面積Ｓが設定されているため、各連通孔２２から主室８に噴出する既燃ガス流の速度が適切な値に設定され、ガスエンジン１の熱効率が向上する。副室指標Ｉｓは以下の第１〜第３の実験に基づいて設定されている。
【００５０】
各実験では、ピストン７が上死点に有るときの主室８の形状を再現した定容燃焼装置を用いて行った。定容燃焼装置では、主室８、副室２０、インジェクタ３０、及び点火プラグ３６の相対位置は上記の実施形態に示した位置と同様である。定容燃焼装置は、側方から主室８の内部を光学的に確認するための光学窓を有し、主室８内のシュリーレン画像を撮影可能となっている。また、定容燃焼装置は急速圧縮装置（ＲＣＭ）を有し、主室８及び副室２０を加圧することができる。また、定容燃焼装置は、主室８内の気体の圧力を測定する圧力センサ及び温度を測定する温度センサを有している。
【００５１】
定容燃焼装置は、上記のガスエンジン１と同様の燃焼室形状を有し、シリンダ４の直径を８５ｍｍ、主室８（キャビティ４５）の直径を６０ｍｍ、主室８（キャビティ４５）の深さを１０ｍｍ、主室８の容積を４２ｃｍ３、各連通孔２２のシリンダ軸線Ａに対する角度を６０°とした。各連通孔２２の軸線がシリンダ軸線Ａに対してなす角度は６０°とした。また、各連通孔２２の主室８側の開口端から各連通孔２２の軸線方向において主室８の壁面（キャビティ４５の縁壁部４５Ｂ）までの距離を１８．７ｍｍとした。この場合、ピストン７の直径に対する、ピストン７が上死点にあるときの連通孔２２の主室側の開口端から連通孔２２の軸線方向においてピストン７の表面（壁面）までの距離の比は、０．２２である。以下の各実験では、連通孔２２の総数を４個、５個、６個のいずれかとし、各連通孔２２の直径を１．２ｍｍ、１．６ｍｍのいずれかとし、副室２０の容積を０．８９ｃｍ３（主室８に対する容積比０．０２１）、１．２０ｃｍ３（主室８に対する容積比０．０２８）、１．８４ｃｍ３（主室８に対する容積比０．０４３）のいずれかとした。
【００５２】
各実験では、主室８及び副室２０を大気圧の空気で満たした後、インジェクタ３０から副室２０に所定量の燃料を噴射した。その後、５分間待機して燃料を副室２０及び主室８において拡散させ、主室８及び副室２０の混合気が均質となるようにした。インジェクタ３０による燃料の噴射量は、主室８及び副室２０における当量比が０．６になるように調整した。その後、急速圧縮装置によって主室８及び副室２０の圧力を２．３ＭＰａ、５４０Ｋに加圧昇温し、その２８．３ｍｓ後に点火プラグ３６によって、副室２０内の混合気に点火した。連通孔２２から既燃ガス噴流が主室８に噴出を開始した時点を０として各時間において主室８内のシュリーレン画像を撮影し、シュリーレン画像に基づいて連通孔２２から噴出する既燃ガス噴流（既燃ガス噴流によって主室８内の混合気が着火することによって発生した火炎を含む）の進行状態を解析した。具体的には、各時間におけるシュリーレン画像の画像処理を行って既燃ガス噴流の先端位置を特定し、連通孔２２の軸線方向において連通孔２２の出口から既燃ガス噴流の先端位置までの距離を火炎到達距離として計測した。火炎到達距離は、連通孔２２の軸線方向において連通孔２２の出口から主室壁面までの距離を１とした割合である。すなわち、連通孔２２から噴出した既燃ガス噴流は、距離が１となるときに主室壁面に到達する。なお、連通孔２２から噴出した既燃ガス噴流と、その既燃ガス噴流によって主室８内の混合気が着火することによって生じる火炎とは分離することができないため、互いに一体のものとして扱った。火炎到達距離は、測定を５回行ってその平均値とした。
【００５３】
連通孔２２の直径が火炎到達距離に与える影響を測定した第１の実験の結果を図７に示す。第１の実験では、連通孔２２の数を５個、副室２０の容積を１．２０ｃｍ３とし、連通孔２２の直径Ｄを１．２ｍｍ又は１．６ｍｍにした。測定は、連通孔２２の各直径の値に対して５回行い、それぞれの平均値を算出した。図７に示すように、連通孔２２の直径が１．２ｍｍのときの５回平均値（図７中の実線）と１．６ｍｍのときの５回平均値（図７中の破線）との間には、火炎到達距離において大きな差は確認されなかった。しかし、連通孔２２の直径が１．２ｍｍの場合は、５回の測定のうちで２回（図７中の二点鎖線）は直径が１．６ｍｍの場合に比べて火炎伝播速度が明らかに遅く、３回（図７中の一点鎖線）は１．６ｍｍの場合に比べて火炎伝播速度が明らかに速いことが確認された。一方、連通孔２２の直径が１．６ｍｍの場合は、１．２ｍｍのような変動は確認されず、５回の測定において火炎到達距離は概ね同様に推移した。連通孔２２の直径が１．２ｍｍであって、火炎伝播速度が遅い場合（二点鎖線）は、シュリーレン画像で確認すると、１．２ｍｓから２．０ｍｓにかけて既燃ガス噴流の進行が停滞しており、２．０ｍｓにおいて主室８の混合気の燃焼（着火）が生じていることが確認された。一方、連通孔２２の直径が１．６ｍｍの場合（実線）や直径が１．２ｍｍの場合であって火炎伝播速度が速い場合（一点鎖線）は、既燃ガス噴流の進行が停滞する領域は確認されず、着火遅れは確認されなかった。このように、連通孔２２の直径が１．２ｍｍの場合には、着火遅れが生じる場合があり、１．６ｍｍの場合よりも燃焼が不安定であるといえる。連通孔２２の直径が１．２ｍｍの場合の着火遅れは、連通孔２２の断面積が小さくなることによって、既燃ガス噴流の噴出速度が高くなり、連通孔２２から噴出する既燃ガス噴流と主室８内の混合気との境界に自由せん断層が発生することに起因すると考えられる。
【００５４】
連通孔２２の総数が火炎到達距離及び熱発生率に与える影響を測定した第２の実験の結果を図８及び図９に示す。第２の実験では、副室２０の容積を１．２０ｃｍ３、連通孔２２の直径を１．６ｍｍとし、連通孔２２の総数を４個、５個、又は６個とした。図８では、各時間における火炎到達距離の平均値をプロットで示し、その分散をエラーバーで示している。
【００５５】
図８に示すように、連通孔２２の総数を４個とした場合と、５個とした場合とでは、火炎到達距離は概ね一致することが確認された。しかし、連通孔２２の総数を４個とした場合は、５個とした場合よりもエラーバーが大きくなり、変動が大きいことが確認された。これは、連通孔２２の総数が減ったことによって、副室２０内の既燃焼ガスの圧力が高くなり、既燃ガス噴流の噴出速度が増加したことに起因すると考えられる。既燃ガス噴流の噴出速度が高くなると、連通孔２２から噴出する既燃ガス噴流と主室８内の混合気との境界に自由せん断層が発生し、自由せん断層によって着火が阻害されると推測される。
【００５６】
また、連通孔２２の総数を６個とした場合は、５個とした場合よりも、火炎到達距離が減少すると共に、変動が大きくなることが確認された。これは、連通孔２２の総数が増加したことによって、副室２０内の既燃焼ガスの圧力が低くなり、既燃焼ガス流の速度が低下したことに起因すると考えられる。また、連通孔２２の総数を５個にした場合と６個にした場合とのシュリーレン画像では、５個の場合は既燃ガス噴流が直線状に延びるのに対して、５個の場合は既燃ガス噴流が周囲のガス流に巻き込まれて湾曲していることが確認された。これは、連通孔２２の総数を５個にした場合は、既燃ガス噴流の勢いが弱いことを示しており、各連通孔２２から噴出する既燃ガス噴流が不均一になると推測される。連通孔２２の総数を６個とした場合のように、各連通孔２２から噴出される既燃ガス噴流の一部に遅れが生じ、燃焼が不均一になると、図９に示すように熱発生率が低下する。
【００５７】
副室２０の容積が火炎到達距離に与える影響を測定した第３の実験の結果を図１０に示す。第３の実験では、連通孔２２の総数を５個、連通孔２２の直径を１．６ｍｍとし、副室２０の容積を１．２０ｃｍ３又は１．８４ｃｍ３とした。図１０では、各時間における火炎到達距離の平均値をプロットで示し、その分散をエラーバーで示している。
【００５８】
第３の実験では、副室２０の容積を１．８４ｃｍ３とした場合、１．２０ｃｍ３とした場合よりも火炎伝播速度は速く主室８の壁面に到達することが確認された。これは、副室２０の容積が増加することによって、当量比が同じ場合、発生する既燃ガスの質量が増加するためである。しかしながら、図１０におけるエラーバーの大きさから、副室２０の容積を１．８４ｃｍ３とした場合、１．２０ｃｍ３とした場合よりも火炎到達距離が変動することがわかる。これは、既燃ガス噴流の噴出速度が高くなることによって、連通孔２２から噴出する既燃ガス噴流と主室８内の混合気との境界に自由せん断層が発生し、着火遅れが発生したことに起因すると考えられる。
【００５９】
以上の第１〜第３の実験結果から、連通孔２２の直径、連通孔２２の総数、及び副室２０の容積が、火炎到達距離及び燃焼安定性に影響を与えることがわかる。火炎到達距離については、当量比が一定である場合、副室２０の容積が大きいほど、或は連通孔２２の直径が小さいほど、或は連通孔２２の総数が少ないほど大きくなることが判る。これらの観点から、副室２０から連通孔２２を通過して主室８に噴出する既燃ガス噴流の勢いが主室８内の混合気の燃焼に与える影響が大きいことが明らかであるため、副室２０の容積Ｖを分子にし、各連通孔の副室２０への開口面積Ｓの総和Ｓｔを分母にして副室指標Ｉｓを規定した。副室指標Ｉｓは、連通孔２２から噴出する既燃ガス噴流の勢いを表す指標であり、副室２０の容積Ｖが増加するほど既燃ガスの発生量及びエネルギーの総和が増加して既燃ガス噴流の勢いが増加し、既燃ガス噴流の出口面積の総和である各連通孔２２の副室２０への開口面積Ｓの総和Ｓｔ（＝ｎ×Ｓ）が小さいほど既燃ガス噴流の圧力が増加して既燃ガス噴流の勢いが増加することを表す。
【００６０】
上記の第１〜第３の実験において得られた結果を、横軸に副室指標Ｉｓ、縦軸に火炎到達時間として整理した結果が図１１のグラフである。火炎到達時間［ｍｓ］は、連通孔２２の軸線方向において連通孔２２の出口から主室８の壁面までの距離を１とした場合に、火炎が距離０．８に到達するのに要した時間［ｍｓ］である。図１１の各プロットについて付記した値は、その結果が得られたときの条件であり、左から、連通孔２２の総数ｎ、連通孔２２の直径、副室２０の容積Ｖである。図１１に示すように、副室指標Ｉｓが大きいほど、火炎到達時間は短くなる。この結果から、副室指標Ｉｓが火炎の勢いを示していることが判る。
【００６１】
図１２及び図１３は、上記の第１〜第３の実験に使用した定容燃焼装置と同様の燃焼室形状を有するガスエンジン１において、副室指標Ｉｓと、燃焼期間及び熱効率との関係を測定した結果である。このときのガスエンジン１は、排気量が５５１ｃｍ３、圧縮比が１４．０、他の条件は定容燃焼装置と同様である。図１２はエンジン回転数が１５００ｒｐｍ、図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ）が５００ｋＰａ、ピストン７が上死点にあるときの燃焼室圧が１．９ＭＰａの低負荷時、図１３はエンジン回転数が２０００ｒｐｍ、図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ）が１２００ｋＰａ、ピストン７が上死点にあるときの燃焼室圧が４．３ＭＰａの高負荷時の結果を示す。燃焼期間は、上記の第１〜第３の実験における火炎到達距離と一次の関係がある値であり、燃焼質量割合が１０％になったときから９０％になるまでの期間をクランク角で表したものである。図１２及び図１３の各プロットについて付記した値は、その結果が得られたときの条件であり、左から、連通孔２２の総数ｎ、連通孔２２の直径、副室２０の容積Ｖである。図中の×印は、主室８内の混合気が点火しなかった条件であり、対応する熱効率の結果は得られなかった。
【００６２】
副室指標Ｉｓが５〜１２程度の領域では熱効率は副室指標Ｉｓの増加に応じて増加し、副室指標Ｉｓが１２〜１３程度のときに熱効率は極大値をとる。そして、副室指標Ｉｓが１３以上の領域では熱効率は副室指標Ｉｓの増加に応じて減少する。副室指標Ｉｓが１２以下の領域では副室指標Ｉｓの増加に応じて既燃ガス噴流の勢いが増加し、燃焼期間が短縮されることによって熱効率が増加すると考えられる。一方、副室指標Ｉｓが１３以上の領域では副室指標Ｉｓの増加に応じて既燃ガス噴流の勢いが更に増加し、連通孔２２から噴出する既燃ガス噴流と主室８内の混合気との境界に自由せん断層が発生すると推測される。自由せん断層が発生すると、主室８の内の混合気の火炎形成、すなわち着火が阻害されるため、着火遅れが発生することによって燃焼が不均一になると考えられる。これにより、熱効率が低下すると考えられる。また、既燃ガス噴流の速度が増加すると、主室８を画定する壁面に既燃ガス噴流が接触する時期が早まり、冷却損失が増加することによって熱効率が低下すると考えられる。この結果は、上述した第１〜第３の実験の結果と一致する。図１２から副室指標Ｉｓは、９以上１５以下の範囲、より好ましくは１０以上１５以下の範囲又は９以上１４以下の範囲が、熱効率が最も高くなる最適範囲といえる。図１２及び図１３に示すように、副室指標Ｉｓが１０以下の低い領域では、連通孔２２から噴出する既燃ガス噴流の勢いが弱く、既燃ガス噴流の速度が遅いため、主室８内での混合気の燃焼により発生する火炎の火炎伝播速度が遅くなり燃焼が緩慢となる。そのため、燃焼の等容度が低下し、熱効率の低下に繋がる。
【００６３】
副室指標Ｉｓを９以上１５以下とし、連通孔２２の総数ｎを５個、連通孔２２の直径を１．６ｍｍとした場合、副室２０の容積Ｖは０．８８ｃｍ３以上１．５１ｃｍ３以下となる。副室指標Ｉｓを１０以上１５以下とし、連通孔２２の総数ｎを５個、副室２０の容積Ｖを１．２ｃｍ３とした場合、連通孔２２の直径は１．５ｍｍ以上１．７ｍｍ以下となる。
【００６４】
図１２及び図１３に示すような副室指標Ｉｓに対する熱効率の関係は、上記の実施例に示したガスエンジン１の諸元に特有の現象ではなく、様々な大きさのシリンダ４及びピストン７にも同様に生じる。特に、連通孔２２の軸線がシリンダ軸線に対してなす角度が２０°以上７５°以下であり、ストロークボア比が０．６以上２．６以下であり、主室８の容積に対する副室２０の容積の比が０.０２以上０．０４以下であり、ピストン７の直径に対する、ピストン７が上死点にあるときの連通孔２２の主室側の開口端から連通孔２２の軸線方向においてピストン７の表面までの距離の比が０．１９以上０．３２以下の条件を有するガスエンジン１においては、副室指標が９以上１５以下の範囲、より好ましくは１０以上１５以下又は９以上１４以下の範囲のときに熱効率が最も高くなる。これは、排気量又はシリンダ４の容積が大きくなり、主室８の容積が大きくなる場合には、副室２０の容積も同様に大きくなり、既燃ガスの発生量が増加するためである。このように、副室指標は排気量の変化やシリンダ４の容積の変化をも考慮した指標となっている。
【００６５】
図１２及び図１３の結果を得たガスエンジン１と、上記の第１〜第３の実験に使用した定容燃焼装置とにおいて、連通孔２２の直径、連通孔２２の総数、及び副室２０の容積を変化させて様々な副室指標Ｉｓを実現し、各副室指標Ｉｓとしたときの連通孔２２から主室８に噴出する既燃ガス噴流の速度（火炎伝播速度）［ｍ／ｓ］及び主室８における混合気の着火の成否の確認を行った結果を図１４に示す。図１４では、横軸が副室指標Ｉｓ、縦軸が火炎速度（既燃ガス噴流の速度）、各プロットの形状が着火の成否を示している。既燃ガス噴流速度は、連通孔２２の軸線方向における連通孔２２の主室８側の開口端と主室８の壁面との距離を１とした場合に既燃ガス噴流が０．８の距離に到達するまでに要する時間で除することによって算出される。図１４で、各プロットは、○がガスエンジン１及び定容燃焼装置の両方において主室８での着火が確認された結果を示し、△がガスエンジン１では主室８での着火が確認されたが、定容燃焼装置では主室８での着火が確認されなかった結果を示し、□がガスエンジン１では主室８での着火が確認されたが、定容燃焼装置では主室８での着火が確認されなかった結果を示し、×がガスエンジン１及び定容燃焼装置の両方において主室８での着火が確認されなかった結果を示す。
【００６６】
図１４に示すように、ガスエンジン１及び定容燃焼装置では、既燃ガス噴流速度は副室指標Ｉｓの増加に応じて増加する関係を有する。また、既燃ガス噴流速度が７ｍ／ｓより大きい領域では、ガスエンジン１及び定容燃焼装置において着火性が低下することが確認される。これは、既燃ガス噴流速度が７ｍ／ｓより大きくなる領域では、上述したように、連通孔２２から噴出するガスと主室８内の混合気との境界に自由せん断層が発生し、自由せん断層によって主室８内の混合気の火炎形成、すなわち着火が阻害されると推測される。また、連通孔２２から噴出する既燃ガス噴流の速度が増加すると、既燃ガス噴流の表面は、火炎が形成されていない高温ガスの露出が増加すると推測され、このために主室８内の混合気の着火性が低下すると推測される。
【００６７】
既燃ガス噴流速度に影響を与える主要な因子は、副室２０内に発生する既燃ガスが有するエネルギー、及び既燃ガス噴流の流路である連通孔２２の副室２０への開口面積の総和がある。既燃ガス噴流速度は、副室２０内に発生する既燃ガスが有するエネルギーが大きいほど既燃ガス噴流速度は大きくなり、かつ連通孔２２の副室２０への開口面積の総和が大きいほど遅くなる。副室２０内の既燃ガスが有するエネルギーは、副室２０の混合気の当量比及び副室２０の容積によって定まる。そのため、既燃ガス噴流速度は、副室２０の混合気の当量比、副室２０の容積、及び連通孔２２の副室２０への開口面積の総和によって定まる。副室２０の混合気の当量比が設定された状態では、連通孔２２の副室２０への開口面積の総和及び副室２０の容積によって既燃ガス噴流速度が定まる。
【００６８】
なお、主室８内の当量比、主室８内の圧力も既燃ガス噴流速度に影響を与えることが予想されるが、その影響は副室２０の混合気の当量比、副室２０の容積、及び連通孔２２の副室２０への開口面積の総和に対して無視できる程度に小さいと考えられる。点火時期における主室８の当量比は、本実験条件では０．６であるが、０．５以上２．０以下の範囲において既燃ガス噴流速度に与える影響がほとんどなく、その影響は０．５以上１．１以下の範囲において更に小さいことが推測される。また、主室８の圧力は、本実験では１．９ＭＰａ（ガスエンジン１の低負荷条件）、４．３ＭＰａ（ガスエンジン１の高負荷条件）、２．３ＭＰａ（定容燃焼装置）であるが、１．２ＭＰａ以上６．０ＭＰａの範囲において既燃ガス噴流速度に与える影響が無視できる程度に小さいことが推測される。ピストン７が上死点にあるときの主室８の圧力が１．２ＭＰａ以上６．０ＭＰａの範囲は、ガスエンジン１がアイドリングからエンジン回転数５０００ｒｐｍの最大出力時における圧力、すなわちガスエンジン１の通常の運転状態の全域に対応する。
【００６９】
以上に説明したように、既燃ガス噴流速度は、副室２０の混合気の当量比、副室２０の容積、及び連通孔２２の副室２０への開口面積の総和を含む副室２０に基づく条件によって変化し、主室８の形状や主室８内の混合気に基づく条件から受ける影響が小さい。
【００７０】
本実験では、図１４に示すように、着火性を確認した既燃ガス噴流速度の最小値は４ｍ／ｓであり、既燃ガス噴流速度が４ｍ／ｓのときに着火性が良好であることを確認している。なお、既燃ガス噴流速度が４ｍ／ｓより小さい範囲については着火性の確認を行っていないが、既燃ガス噴流速度が４ｍ／ｓのときにガスエンジン１及び定容燃焼装置の両方で着火性が良いことを確認しているため、着火性が良好な領域は４ｍ／ｓより小さい範囲においても存在することが推測される。
【００７１】
図１４から既燃ガス噴流速度が４ｍ／ｓ以上７ｍ／ｓ以下の範囲は、副室指標Ｉｓが９以上１５以下の範囲の全てを含む。すなわち、既燃ガス噴流速度を４ｍ／ｓ以上７ｍ／ｓ以下に設定することによって着火性が向上し、更に副室指標Ｉｓを９以上１５以下に設定することによって熱効率が向上する。
【００７２】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。上記実施形態では、ピストンが上死点にあるときに、主室８がキャビティ４５の内面及び燃焼室天井部５によって画定される例について示したが、他の実施形態ではキャビティ４５は省略してもよい。この場合、ピストンが上死点にあるときに、主室８は、ピストン７の冠面７Ａ、燃焼室天井部５、シリンダ４の内周面によって画定されとよい。また、上記の実施形態では、インジェクタ３０は、主噴射を１回、副噴射を１回行う例について示したが、主噴射は上記した燃料噴射期間の間に複数回に分割して行われてもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１      ：ガスエンジン
４      ：シリンダ
７      ：ピストン
７Ａ    ：冠面
８      ：主室
１６    ：支持孔
１７    ：隔壁部材
２０    ：副室
２２    ：連通孔
３０    ：インジェクタ
３３    ：点火プラグ孔
３６    ：点火プラグ
３６Ａ  ：本体部
３６Ｆ  ：発火部
４５    ：キャビティ
４７    ：凸部
５０    ：制御装置
Ａ      ：シリンダ軸線
【図１】
2018066369.tif 000003
【図２】
2018066369.tif 000004
【図３】
2018066369.tif 000005
【図４】
2018066369.tif 000006
【図５】
2018066369.tif 000007
【図６】
2018066369.tif 000008
【図７】
2018066369.tif 000009
【図８】
2018066369.tif 000010
【図９】
2018066369.tif 000011
【図１０】
2018066369.tif 000012
【図１１】
2018066369.tif 000013
【図１２】
2018066369.tif 000014
【図１３】
2018066369.tif 000015
【図１４】
2018066369.tif 000016