(57)【要約】【課題】  本発明は、主室において圧縮された新気を主室に開口する連通路を介して副室に流入させ、副室に流入した新気と副室に供給された主燃料との混合気を燃焼させ、副室から連通路を介して主室に火炎ジェットを噴射する副室式エンジンに関し、その目的は、簡単な構成で副室の混合気を安定して着火することができ、更に、副室におけるＮＯｘ生成を抑制することができる副室式エンジンを提供する点にある。【解決手段】  副室において、圧縮された混合気に主燃料よりも着火性が高い着火用燃料を噴射して自己着火させることで混合気を着火し燃焼させる着火用燃料噴射手段を備えると共に、着火用燃料噴射手段が、着火用燃料を複数回に分けて噴射するように構成されている。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主室において圧縮された新気を前記主室に開口する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主燃料との混合気を燃焼させ、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、
前記副室において、前記圧縮された混合気に前記主燃料よりも着火性が高い着火用燃料を噴射して自己着火させることで前記混合気を着火し燃焼させる着火用燃料噴射手段を備えると共に、
前記着火用燃料噴射手段が、前記着火用燃料を複数回に分けて噴射するように構成されている副室式エンジン。
【請求項２】
前記主燃料が気体燃料であり、前記着火用燃料が液体燃料である請求項１に記載の副室式エンジン。
【請求項３】
エンジン負荷に基づいて前記着火用燃料噴射手段による前記着火用燃料の噴射状態を制御する噴射状態制御手段を備えた請求項１又は２に記載の噴射着火式エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主室において圧縮された新気を前記主室に開口する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主燃料との混合気を燃焼させ、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に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のエンジンは単室式と副室式に大別できる。副室式エンジンは、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、主室に吸気された空気又は希薄混合気である新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、副室に直接供給された燃料（主燃料）を副室に流入した新気を用いて燃焼させて、主室に開口する連通路を介して主室に火炎ジェットを噴射するように構成されている（例えば、特許文献１−３を参照。）。
また、このような副室式エンジンは、単室式エンジンと比較して、燃焼室全体として空気に対して燃料が希薄な状態で燃料を燃焼させる希薄燃焼が実現できるため、高効率化を図ることが可能であり、特に、効率向上が求められるコージェネレーションシステム等に導入されている。
【０００３】
このような副室式エンジンにおいて、副室において圧縮された混合気を着火する方式としては、副室に設けた点火プラグにより混合気を火花点火する火花点火方式が一般的である。
【０００４】
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、副室に形成される混合気となる主燃料がＬＰガスなどのように比較的着火性が低いものである場合には、点火プラグにより副室に火花を発生させるだけでは、その混合気を着火させることができない場合があり、失火等の原因となる。また、混合気を確実に着火させるために、点火プラグを複数設けることが考えられるが、点火プラグの増設により高コスト化を招き、更に、比較的小さな副室に対して複数の点火プラグを配置できない場合がある。
【０００６】
一方、副室において混合気を着火できた場合でも、その混合気の燃焼速度が速すぎると、急激な温度上昇によるＮＯｘ生成量の増加、更には、急激な圧力上昇による機械損失の増加を招く場合がある。
【０００７】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、主室において圧縮された新気を前記主室に開口する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主燃料との混合気を燃焼させ、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に関し、その目的は、簡単な構成で副室の混合気を安定して着火することができ、更に、副室におけるＮＯｘ生成を抑制することができる副室式エンジンを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明に係る副室式エンジンは、主室において圧縮された新気を前記主室に開口する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主燃料との混合気を燃焼させ、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、その第１特徴構成は、前記副室において、前記圧縮された混合気に前記主燃料よりも着火性が高い着火用燃料を噴射して自己着火させることで前記混合気を着火し燃焼させる着火用燃料噴射手段を備えると共に、前記着火用燃料噴射手段が、前記着火用燃料を複数回に分けて噴射するように構成されている点にある。
【０００９】
上記第１特徴構成によれば、上記着火用燃料噴射手段を設けることで、副室において主燃料により形成された混合気が圧縮されることにより昇温し、上記着火用燃料噴射手段により、その昇温した混合気に主燃料よりも着火性が高い着火用燃料を噴射することにより、着火用燃料を自己着火させて点火プラグによる火花よりも大きな熱エネルギを発生させて、主燃料からなる混合気を確実に着火させ燃焼させることができる。
【００１０】
このような着火用燃料噴射手段による着火用燃料の噴射により副室の混合気を着火させ燃焼させる場合には、着火用燃料噴射手段が混合気を確実に着火し得る所定の噴射量の着火用燃料を１回で噴射すると、副室における急激な温度上昇によるＮＯｘ生成量の増加、更には、急激な圧力上昇による機械損失の増加を招く場合がある。
そこで、着火用燃料噴射手段は、所定の噴射量の着火用燃料を複数回に分けて副室において圧縮され昇温した混合気に噴射するように構成することで、副室における温度及び圧力上昇を緩慢なものとして、ＮＯｘ生成量及び機械損失の増加を抑制しながら、更に、副室に噴射された着火用燃料に擾乱を生じさせて、着火用燃料と空気との混合を促進し、着火用燃料を良好に拡散燃焼させて、主燃料からなる混合気をその拡散燃焼により着火させることができる。
【００１１】
従って、本発明により、副室において圧縮され昇温した混合気に対して、着火用燃料噴射手段により所定の噴射量の着火用燃料を複数回に分けて噴射するという簡単な構成で、副室の混合気を安定して着火することができ、更に、副室におけるＮＯｘ生成を抑制することができる副室式エンジンを実現することができる。
【００１２】
本発明に係る副室式エンジンの第２特徴構成は、前記主燃料が気体燃料であり、前記着火用燃料が液体燃料である点にある。
【００１３】
上記第２特徴構成によれば、上記主燃料は、吸気行程又は圧縮行程初期などの副室が比較的低圧な状態である時期に副室に供給されるので、主燃料を高圧縮が困難な天然ガスなどの気体燃料とすることができ、更に、着火用燃料は、圧縮行程後の副室が比較的高圧な状態である時期に副室に噴射されるので、主燃料を高圧縮が簡単な軽油などの液体燃料とすることができる。
即ち、主に動力を得るために副室に比較的多く供給される主燃料を気体燃料としながら、その気体燃料を着火するために副室に比較的少なく噴射される着火用燃料を液体燃料として、主に気体燃料を消費して動力を得る副室式エンジンにおいて、高効率化且つ低ＮＯｘ化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３特徴構成は、エンジン負荷に基づいて前記着火用燃料噴射手段による前記着火用燃料の噴射状態を制御する噴射状態制御手段を備えた点にある。
【００１５】
上記第３特徴構成によれば、上記噴射状態制御手段により、エンジン負荷に基づいて着火用燃料噴射手段による着火用燃料の１回当りの噴射量、噴射回数、又は噴射間隔などの噴射状態を制御することで、エンジン負荷が変化し副室の圧力などが変化した場合でも、副室における着火用燃料の燃焼速度を適切なものとしてＮＯｘ生成や機械損失を抑制しながら、着火用燃料を良好に拡散燃焼させて混合気をその拡散燃焼により確実に着火させるような適切な噴射状態で着火用燃料を噴射することができる。
即ち、上記噴射状態制御手段は、エンジン負荷が低下した場合には、副室の最高筒内圧は低くなるものの、副室において混合気を着火し難いと判断して、上記着火用燃料の拡散燃焼を促進させるように上記噴射状態を調整して、予混合圧縮着火気への着火性能を向上させることができる。逆に、エンジン負荷が上昇した場合には、副室において混合気を着火し易くなるが、副室の温度及び圧力上昇が急激になってＮＯｘや機械損失が増加し易いと判断して、上記着火用燃料の拡散燃焼を緩慢するように上記噴射状態を調整して、副室の温度及び圧力上昇を抑制することができる。
尚、着火用燃料の１回当りの噴射量を上記噴射状態として増加させて、着火用燃料の燃焼による発生エネルギを増加させることで、上記着火用燃料の拡散燃焼を促進させることができる。また、着火用燃料の噴射回数を上記噴射状態として増加させる、又は、着火用燃料の噴射間隔を上記噴射状態として短くすることで、副室に噴射された着火用燃料に生じさせる擾乱を大きくして、上記着火用燃料の拡散燃焼を促進させることができる。
逆に、着火用燃料の１回当りの噴射量を上記噴射状態として減少させる、又は、着火用燃料の噴射回数を上記噴射状態として減少させる、又は、着火用燃料の噴射間隔を上記噴射状態として長くすることで、上記着火用燃料の拡散燃焼を緩慢にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明に係る副室式エンジンの実施形態について、図面に基づいて説明する。
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とを備え、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（図示せず）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の往復動を連結棒（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。
【００１７】
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最小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最大燃焼室容積比である圧縮比は１７であり、上記最大燃焼室容積から最小燃焼室容積を差し引いた排気量は１００７ｃｃ（１００７×１０３ｍｍ３）とされている。また、副室式エンジン１００は、クランク軸の回転数が１２００ｒｐｍで運転される。
【００１８】
また、副室式エンジン１００は、気体燃料である都市ガス（１３Ａ）を主燃料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に空気と少量の主燃料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を圧縮して主燃料Ｇを燃焼させるものである。
【００１９】
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に連通路２０を介して連通する副室１１が設けられており、この副室１１を有する副室機構１０の構造について以下に説明する。
尚、副室１１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と副室１１との容積の和である総燃焼室容積の１／１０程度であり、例えば、７ｃｃ（７×１０３ｍｍ３）とされている。
【００２０】
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。
【００２１】
副室１１の上方には、主燃料Ｇを０．２ＭＰａ（Ｇａｕｇｅ）の供給圧力で副室１１に供給可能な主燃料供給弁３０が設けられている。
更にまた、副室１１の上方には、副室１１において圧縮された混合気に主燃料Ｇよりも着火性が高い軽油である着火用燃料Ｇ’を噴射して自己着火させることで主燃料Ｇからなる混合気を着火し燃焼させる着火用燃料噴射弁３２（着火用燃料噴射手段の一例）が設けられている。
また、この着火用燃料噴射弁３２は、直径が０．２５ｍｍの噴射口から噴射圧力８０ＭＰａで着火用燃料Ｇ’をコモンレール方式で噴射し、圧電アクチュエータを作動させて、その噴射タイミングを調整可能に構成されている。
【００２２】
この副室式エンジン１００は、上記のような構成を採用することにより、主室１に吸気された新気Ｉをピストン２の上昇により圧縮して、圧縮された新気Ｉを主室１に開口する連通路２０を介して副室１１に流入させ、副室１１において流入した新気Ｉと主燃料供給弁３０により供給された主燃料Ｇとの混合気に着火用燃料噴射弁３２により着火用燃料Ｇ’を噴射して自己着火させることで混合気を燃焼させて、副室１１から連通路２０を介して主室１に火炎ジェットＦを噴射するように構成されており、その副室式エンジン１００における１サイクルの動作状態について以下に説明する。
【００２３】
図２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。
このとき副室１１に設置された主燃料供給弁３０が吸気弁４の開時期に対して若干遅れた時期に開状態となり、副室１１への主燃料Ｇの供給を開始される。
【００２４】
後に、吸気弁４及び主燃料供給弁３０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。
【００２５】
尚、圧縮行程初期の副室１１がまだ低圧状態のときに、主燃料供給弁３０を開状態として燃料Ｇを副室１１に供給しても良い。
【００２６】
このように副室１１に燃料を供給することにより、副室１１に供給された主燃料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、上記の連通路２０の断面積比が非常に小さく設定されているため、その流出量は、副室１１に供給された全副室主燃料供給量の５％程度となる。
【００２７】
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が連通路２０介して副室１１に流入し、副室１１には、連通路２０から上方に向かう新気流が発生し、その新気流が着火用燃料噴射弁３２の着火用燃料の噴射領域に到達する。
よって、上記噴射領域では、その新気Ｉと主燃料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る。
【００２８】
この圧縮行程では、連通路２０が所謂絞り弁のように働き、主室１の圧力はほぼ圧縮比どおりの圧力になるが、副室１１の最高到達圧力は、主室１の最高到達圧力の圧力よりも若干低下したものになる。
よって、上記圧縮行程終了時にて、副室１１には、比較的低い圧力場で当量比が火花点火可能範囲内の混合気が存在し、主室１には、比較的高い圧力場で当量比が０．５５程度の希薄混合気が存在することになる。尚、副室１１に形成する混合気の当量比を理論当量比よりも増加させるほど、副室１１におけるＮＯｘ生成量を低減することができると共に、主室１への主燃料供給量に対する副室１１への主燃料供給量の割合を増加させることで、主室１において燃焼する混合気を希薄化して、一層の低ＮＯｘ化を図ることができる。
【００２９】
そして、副室式エンジン１００は、混合気が圧縮されて昇温されている５°ＢＴＤＣ付近において、着火用燃料噴射弁３２を働かせて、上記副室１１への着火用燃料Ｇ’の噴射を開始する。
【００３０】
すると、副室１１では、噴射された着火用燃料Ｇ’が自己着火して、副室１１の混合気と混合されて拡散燃焼し、その拡散燃焼により発生するエネルギにより混合気も燃焼することになる。
【００３１】
そして、その副室１１の圧力が通常のＳＩエンジンなみであるため、急激な圧力上昇を伴わず、混合気の燃焼が進み、副室１１の燃焼しなかった主燃料Ｇと共に、火炎ジェットＦが連通路２０を介して主室１に噴出される。
【００３２】
一方、主室１においては、高圧力場で、連通路２０から噴出された火炎ジェットＦにより希薄混合気を燃焼させるので、副室１１と同様に急激な圧力上昇を伴わず、高効率且つ低ＮＯｘとなる燃焼が行われる。
このような主室１における燃焼状態は、通常のＳＩエンジンに近い状態であるが、圧縮比を高く設定した場合においてもノッキングが発生しないため、熱効率を向上することができる。また、主室１１に吸気される新気Ｉの当量比を大きくして、出力を増加させた場合でも、良好にノッキングを回避することができるため、ノッキング限界における当量比を高くすることができ、広い出力調整範囲を確保することができる。
また、副室１１を混合気の当量比が濃い側に、主室１を混合気の当量比を希薄側に設定しているため、ＮＯｘの生成も抑制することができる。
【００３３】
更に、副室式エンジン１００は、副室１１の混合気を安定して着火し、更に、副室１１におけるＮＯｘ生成を抑制するために、着火用燃料噴射弁３２は、所定の噴射量の着火用燃料Ｇ’を複数回に分けて副室１１に噴射するように構成されている。
即ち、着火用燃料Ｇ’を複数回に分けて噴射することで、副室１１における温度及び圧力上昇を緩慢なものとして、ＮＯｘ生成量及び機械損失の増加を抑制することができる。また、副室１１に噴射された着火用燃料Ｇ’に噴射と停止とを繰り返すことにより擾乱を生じさせて、着火用燃料Ｇ’と混合気との混合を促進し、着火用燃料Ｇ’を良好に拡散燃焼させて、主燃料Ｇからなる混合気をその拡散燃焼により確実に着火することができる。
【００３４】
例えば、着火用燃料噴射弁３２により、１サイクルあたりに供給される主燃料Ｇに対して発熱量比で１／５に相当する量の着火用燃料Ｇ’を噴射回数が３回で噴射間隔を０．５ｍｓとして噴射した場合を想定した実験によれば、同じ量の着火用燃料Ｇ’を１回で噴射した場合と比較して、軸端効率が０．５ポイント向上し、排ガス中のＮＯｘ濃度が５００ｐｐｍから２５０ｐｐｍに低減され、排ガス中の未燃炭化水素濃度は２０００ｐｐｍから８００ｐｐｍに低減されており、これにより、混合気を安定して着火でき、更に、副室１１におけるＮＯｘ生成を抑制できることが確認できた。
【００３５】
上記のような副室式エンジン１００では、エンジン負荷が低下するほど、副室１１における急激な温度上昇及び圧力上昇は緩和されるのであるが、逆に、着火用燃料Ｇ’を噴射するときの混合気の圧力が低くなることにより、その混合気の燃焼が不完全となる場合がある。
そこで、副室式エンジン１００に設けられたコンピュータからなる制御装置１５は、エンジン負荷に基づいて着火用燃料噴射弁３２による着火用燃料Ｇ’の噴射状態を制御する噴射状態制御手段として機能するように構成されており、この制御装置１５が機能する噴射状態制御手段により、エンジン負荷が低下した場合でも、着火用燃料噴射手段３２によりそれに合った噴射状態で着火用燃料Ｇ’を噴射して、混合気を確実に燃焼させるように構成されている。
また、エンジン負荷は、クランク軸にかかるトルクが一定である場合には、クランク軸の回転数から認識することができる。
【００３６】
具体的には、図３に示すように、上記制御装置１５は、エンジン負荷に基づいて、着火用燃料Ｇ’の噴射状態としての、着火用燃料Ｇ’の１回当りの噴射量、噴射回数、及び、噴射間隔の少なくとも１つを制御するように構成されている。
【００３７】
即ち、制御装置１５は、着火用燃料Ｇ’の１回当りの噴射量を制御する場合には、エンジン負荷が低下するほど、その噴射量を増加させることで、着火用燃料Ｇ’の燃焼による発生エネルギを増加させて、上記着火用燃料Ｇ’の拡散燃焼を促進させ、それによりエンジン負荷低下時の混合気の不完全燃焼を防止することができる。
【００３８】
同様に、制御装置１５は、着火用燃料Ｇ’の噴射回数を制御する場合には、エンジン負荷が低下するほど、その噴射回数を増加させることで、副室１１に噴射された着火用燃料Ｇ’に大きな擾乱を生じさせて、上記着火用燃料Ｇ’の拡散燃焼を促進させ、それによりエンジン負荷低下時の混合気の不完全燃焼を防止することができる。
【００３９】
同様に、制御装置１５は、着火用燃料Ｇ’の噴射間隔を制御する場合には、エンジン負荷が低下するほど、その噴射間隔を短くすることで、噴射を停止したときに発生する着火用燃料Ｇ’の擾乱に対して直ぐに次の着火用燃料Ｇ’を噴射することで、上記着火用燃料Ｇ’の拡散燃焼を促進させ、それによりエンジン負荷低下時の混合気の不完全燃焼を防止することができる。
【００４０】
尚、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Ｈ２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。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】副室式エンジンの概略構成図
【図２】副室式エンジンの動作状態を示すタイムチャート図
【図３】着火用燃料の噴射状態制御を説明する図
【符号の説明】
【００４２】
１：主室
４：吸気弁
１０：副室機構
１１：副室
１５：制御装置（噴射状態制御手段）
２０：連通路
３０：主燃料供給弁
３２：着火用燃料噴射弁（着火用燃料噴射手段）
１００：副室式エンジン
Ｇ：主燃料
Ｇ’：着火用燃料
【図１】
2005232988.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005232988.tif 000005