(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンとシリンダとシリンダヘッドにより画定される主燃焼室に気体燃料を供給して燃焼させることにより駆動出力を得るガスエンジンであって、前記シリンダヘッドに、前記主燃焼室内の混合気の着火源となる点火プラグ付予燃焼室と、全熱量比０．２〜５％のパイロット油量を噴射するパイロット燃料噴射弁を備え前記主燃焼室内の混合気の着火源となるパイロット燃料噴射弁付予燃焼室とを設けたことを特徴とする予燃焼室方式ガスエンジン。
【請求項２】
同一燃焼サイクルにおいて前記点火プラグ付予燃焼室とパイロット燃料噴射弁付予燃焼室とをほぼ同時に、または若干ずらして機能させて、これらを着火源として主燃焼室の混合気を燃焼させることを特徴とする請求項１記載の予燃焼室方式ガスエンジン。
【請求項３】
前記パイロット燃料噴射弁につながる燃料噴射ポンプを、クランクケースのカム室のドアに取り付けたことを特徴とする請求項１または２記載の予燃焼室方式ガスエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として定置型発電設備の駆動源として有用な予燃焼室方式ガスエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、低公害の要請から希薄燃焼ガスエンジンが注目されている。従来の希薄燃焼ガスエンジンは、点火プラグを着火源とする予燃焼室方式が主流であった。また、これとは別に、パイロット噴射ガスエンジン（デュアルフュエルエンジン）というエンジンも知られている。このエンジンは、全熱量比の５〜１５％程度のパイロツト油（液体）を直接主燃焼室に噴射させ、これを着火源としてガス燃料を燃焼させる構造のエンジンである。これは一般的なディーゼルエンジンの主燃料噴射弁から少量のパイロット燃料を噴射させることで実現している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の点火プラグ付予燃焼室方式ガスエンジンは、希薄混合気の燃焼であるが故に、強力な点火エネルギを付与させないと、失火を伴う燃焼変動を生ずることがある。また、同一シリンダ径のディーゼルエンジンに比較すると、ＮＯｘは約１／１０と低く、環境に対して有利であるが、エンジン熱効率が低い欠点がある。
【０００４】
燃焼変動の改善に関しては、予燃焼室内の燃焼を確実にするために予燃焼室内での点火プラグ位置の最適化や予燃焼室内の混含気の均一化についての研究が種々行われている。しかし、点火エネルギの増大に寄与するものではないため、エンジン熱効率や燃焼変動の改善を図るにも限界があった。
【０００５】
また、従来のパイロット噴射ガスエンジンは、ＮＯｘと煤塵を低減することには限界があり、ガスエンジンの利点である排ガス低公害性を生かしきれていない欠点があった。
【０００６】
本発明は、上記事情を考慮し、低ＮＯｘを維持しながら、より高いエンジン熱効率を得ることができ、それによりガスエンジンの低公害性（低ＣＯ２）を生かすことのできる予燃焼室方式ガスエンジンを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、ピストンとシリンダとシリンダヘッドにより画定される主燃焼室に気体燃料を供給して燃焼させることにより駆動出力を得るガスエンジンであって、シリンダヘッドに、主燃焼室内の混合気の着火源となる点火プラグ付予燃焼室と、全熱量比０．２〜５％のパイロット油量を噴射するパイロット燃料噴射弁を備え前記主燃焼室内の混合気の着火源となるパイロット燃料噴射弁付予燃焼室とを設けたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１において、同一燃焼サイクルにおいて前記点火プラグ付予燃焼室とパイロット燃料噴射弁付予燃焼室とをほぼ同時に、または若干ずらして機能させて、これらを着火源として主燃焼室の混合気を燃焼させることを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１または２において、前記パイロット燃料噴射弁につながる燃料噴射ポンプを、クランクケースのカム室のドアに取り付けたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は実施形態のガスエンジンのシリンダヘッド部分の側断面図である。図において、２はシリンダ、２ａはシリンダライナ、３はピストン、４はシリンダヘッドで、主燃焼室１は、ピストン３、シリンダライナ２ａ、シリンダヘッド４で囲まれている。この例では、シリンダヘッド４の中央に点火プラグ付予燃焼室ユニット１０が配設され、両サイドにパイロット燃料噴射弁付予燃焼室ユニット３０が配設されている。
【００１１】
点火プラグ付予燃焼室ユニット（以下、単に「点火プラグ付予燃焼室」と言う場合もある）１０は、シリンダヘッド４に、予燃焼室噴口１４と予燃焼室本体１３を組み込むことにより形成されている。１５は、予燃焼室噴口１４内に確保された予燃焼室１２内へ直接燃料ガス（パイロットガス）を供給するための燃料噴射孔である。主燃焼室１と予燃焼室１２は、予燃焼室１２の下端部に設けられた複数の連絡孔１７により連通されている。予燃焼室本体１３には点火プラグ１１が装着されており、これが予燃焼室１２内の混合気の点火源となる。点火プラグ付予燃焼室ユニット１０の予燃焼室１２の容積比（圧縮上死点時の総燃焼室容積に対する比）を数％と小さくして、超低ＮＯｘ化を実現している。
【００１２】
また、パイロット燃料噴射弁付予燃焼室ユニット（以下、単に「パイロット燃料噴射弁付予燃焼室」と言う場合もある）３０は、予燃焼室３１内に臨ませてパイロット燃料噴射弁３２を備えており、パイロット燃料の噴射により予燃焼室３１内の混合気を点火させる。主燃焼室１と予燃焼室３１は、予燃焼室下端部に設けられた単数または複数の連絡孔３３により連通されている。
【００１３】
このエンジンの場合、点火プラグ付予燃焼室１０を主着火源として使用してエンジンを起動させる。つまり、ディーゼル起動はしないので、パイロット燃料噴射弁付予燃焼室ユニット３０を小さくできる。パイロット油量を全熱量比の０．２〜５％程度とすると、予燃焼室３１の容積比は全体の１〜３％程度に小さくすることができる。従って、シリンダヘッド４の両サイドに配置することが可能となる。これは、従来の予燃焼型ディーゼルエンジンの予燃焼室の容積比が２０〜３０％と設計されているのと大きく異なる点である。
【００１４】
また、パイロット燃料噴射弁３２につながる燃料噴射ポンプは、図２、図３に示すように、クランクケースのカム室のドアに取り付けられている。図２、図３において、５０はクランクケース、５１はカム軸、５２はクランクケース上面、５３はカム室のドア、５４はカム面点検窓であり、カム室のドア５３の座に燃料噴射ポンプ６０が設けられている。この場合、パイロット油量がディーゼル運転を仮定した場合の定格噴射量に対して０．２〜５％程度と非常に少ないので、一般のディーゼルエンジン用のものと比べて非常に小型の燃料噴射ポンプ６０が取り付けられている。
【００１５】
次に運転モードについて説明する。
運転モードとしては、
（１）火花点火による予燃焼室方式ガスエンジン
（２）パイロット着火ガスエンジン
（３）２種着火源（火花点火、パイロット着火）ガスエンジン
のいずれかを任意に選択できる。点火源の数と方法が複数ある上、それらが並列系となっているので、点火源の信頼性が高まっている。
【００１６】
実際には、起動時は点火プラグ着火、負荷時はパイロット噴射着火を併用するのが望ましく、そうすることで積極的に燃焼効率を改善することができるが、負荷時に火花着火を停止させても運転上は差し支えない。
【００１７】
（１）火花点火による運転モードのとき：
この運転モードでは、燃料としては気体燃料（ガス）のみを用い、点火プラグ付予燃焼室を、主燃焼室１の気体燃料と空気との混合気の点火源とする。
具体的には、排気行程後半から吸気行程前半において、点火プラグ付予燃焼室ユニット１０（以降の各符号は図１による）の燃料噴射孔１５から、予燃焼室１２内にパイロットガスを供給する。パイロットガスは、パイロツトガスヘッダ（図示略）内の圧力と主燃焼室１内の圧力との差圧により供給され、その量は前記差圧を変えることにより調整される。また、主燃焼室には、燃料ガスと空気の混合気を吸気行程において供給する。圧縮行程では、ピストン３により主燃焼室１内の希薄混含気が圧縮されることで、同混合気の一部が点火プラグ付予燃焼室ユニット１０の連絡孔１７を介して予燃焼室１２に流入する。流入の際に、予燃焼室１２内の燃料ガスと希薄混合気が混ざり、平均空気過剰率１．０程度の濃度となる。この状態になったところで、点火プラグ１１のギャップ間において火花放電を生じさせて、予燃焼室内の混合気を着火燃焼させる。予燃焼室１２において燃焼した火炎は、主燃焼室１へ伝播し、主燃焼室１の混合気の着火源となり、主燃焼室１内の混合気全体を燃焼させる。
【００１８】
（２）パイロット燃料噴射による着火の運転モードのとき：
この運転モードでは、主燃料として気体燃料を用いるものの、副燃料として液体燃料をパイロット油として使用する。そして、パイロット燃料噴射弁付予燃焼室ユニット３０の予燃焼室３１内に、パイロット燃料噴射弁３２よりパイロット油を噴射する。即ち、吸気行程において主燃焼室１に燃料と空気の混合気を供給すると、圧縮行程では、ピストン３により主燃焼室１内の希薄混合気が圧縮されて、予燃焼室連絡孔３３を介して予燃焼室３１に流入する。そこで、上死点直前の１０〜３０°（クランク角度）あたりで、パイロット燃料噴射弁３２から少量の燃料油を噴射する。そうすると、噴射した燃料が着火燃焼し、これが点火源となって混合気が着火燃焼する。そして、予燃焼室３１にて燃焼した火炎が、主燃焼室１へ伝播し、主燃焼室１の混合気の着火源となって、主燃焼室１の混合気全体が燃焼する。
【００１９】
図４はパイロット燃料油量を変化させながら性能試験を実施した結果（正味熱効率とＮＯｘ・スモーク度の関係）を、各種燃焼方式（デュアルフュエルエンジン、ディーゼルエンジン、予燃焼室方式火花点火ガスエンジン）と比較して示している。本図から、パイロット燃料噴射でのエンジン性能は、予燃焼室方式火花点火ガスエンジンと同レベルの排気ガス性状（ＮＯｘと煤塵）を達成しながら、熱効率は火花点火よりも高く、ディーゼルエンジンと同レベルであることが分かる。
【００２０】
なお、パイロット燃料噴射の場合、点火プラグ付予燃焼室１０のパイロットガスは不要となる。また、パイロット油量は全熱量比０．２〜５％程度にできるので、常時噴射させてもガバニングに影響を与えない。従って、燃料噴射ポンプのラックは固定しても差し支えなく、複雑なリンク機構が不要である。また、エンジン運転時の調速は、エンジンガバナによって燃料ガス量を調整することにより実施することができる。
【００２１】
（３）ハイブリッドイグニッションガスエンジン運転モード：
この運転モードでは、同一燃焼サイクルにおいて、中央の点火プラグ付予燃焼室１０と、両サイドのパイロット燃料噴射弁付予燃焼室３０をほぼ同時に、または若干ずらして作用させ、これらを着火源として主燃焼室１の混合気を燃焼させる。従って、多点点火による混合気の燃焼促進を実現できる。さらに、これら着火源の火花点火時期及びパイロット燃料噴射時期と噴射量を最適調整することにより、混合気の燃焼性が改善され、短期燃焼化による熱効率改善の効果が得られる。
【００２２】
このように、ハイブリッドイグニッションガスエンジンモードで運転した場合の多点点火による急速燃焼化の作用効果について補足する。
図５（ａ）は単一燃焼室方式（予燃焼室を持たない主燃焼室だけの方式）と予燃焼室方式（本実施形態と類似の場合）の熱発生率の比較実験をした結果を示している。図５（ａ）において、ＰＣＣは予燃焼室方式を示し、ＯＣは単一燃焼室方式を示す。但し、ＯＣの場合、点火プラグ１個の場合＝ＯＣ（1 Spark Plug）と、点火プラグ２個の場合＝ＯＣ（2 Spark Plugs)についても比較した。実験に際しては、図５（ｂ）に示すように、中央とサイドに第１、第２の点火プラグ（Spark Plug）Ａ、Ｂを配置し、点火プラグ１個の場合は中央の点火プラグＡのみ使用し、点火プラグ２個の場合は両方の点火プラグＡ、Ｂを使用した。
【００２３】
図５（ａ）に示される熱発生率パターンは、多点点火（点火プラグ２個の場合）や、強力な点火エネルギの発生（予燃焼室を着火源とするＰＣＣの場合）が、急速燃焼を実現するためにきわめて有効な技術であることを証明している。すなわち、点火プラグの本数を２本（図中一点鎖線）にすると、上死点後４０度近辺までに熱発生が完了しており、点火プラグ１本（図中破線）に比較すると、短期燃焼していることが分かる。また、更に強力な点火エネルギを有する予燃焼室方式（図中実線）によれば、上死点後３０度近辺までに熱発生が完了しており、より短期燃焼が実現できることが分かる。短期燃焼は熱効率の向上に寄与するので、本実施形態のように、強力な点火エネルギを有する点火源を多数配置する（予燃焼室を３つ配置する）ことにより、燃焼改善に寄与することができ、高熱効率を実現することができるようになる。
【００２４】
ちなみに、点火エネルギについて比較してみると、点火プラグのみの場合は約０．１Ｊであるが、点火プラグ付予燃焼室（予燃焼室容積比２％）の場合は、供給燃料ガスの熱量を点火エネルギとすることができることから、３０００Ｊにもなる。また、パイロット噴射の場合は、パイロット燃料の油量を全熱量比の１％とすると、約６００Ｊになる。従って、点火プラグ付予燃焼室１０及びパイロット燃料噴射弁付予燃焼室３０による多点点火が燃焼改善に寄与するところは非常に大きいことが分かる。
【００２５】
なお、上記実施形態では、中央に点火プラグ付予燃焼室１０を配置し、両サイドにパイロット燃料噴射弁付予燃焼室３０を配置した場合を示したが、中央にパイロット燃料噴射弁付予燃焼室３０を配置し、両サイドに点火プラグ付予燃焼室１０を配置してもよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１及び２の発明によれば、シリンダヘッドに、主燃焼室内の混合気の着火源となる点火プラグ付予燃焼室と全熱量比０．２〜５％のパイロット油量を噴射するパイロット燃料噴射弁を備え前記主燃焼室内の混合気の着火源となるパイロット燃料噴射弁付予燃焼室とを設けたので、火花点火による着火、パイロット燃料噴射による着火、２種同時着火のいずれかの運転モードを任意に選択することができる。従って、起動時は点火プラグ着火、負荷時はさらにパイロット噴射着火を併用することにより、低ＮＯｘを維持しながら、高いエンジン熱効率を得ることができ、これによりガスエンジンの低公害性（低ＣＯ２）を生かすことができる。また、請求項３の発明によれば、小さな燃料噴射ポンプでもクランクケースを特別に改造せずに設置することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態のガスエンジンの要部側断面図である。
【図２】  本発明の実施形態のガスエンジンにおける燃料噴射ポンプの取付状態を示す平面図である。
【図３】  図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視図である。
【図４】  実施形態のエンジンの性能の説明に用いる特性図である。
【図５】  同エンジンの性能の説明に用いる特性図で、（ａ）は単一燃焼室方式と予燃焼室方式の熱発生率の比較図、（ｂ）は点火プラグの配置箇所を示す平面図である。
【符号の説明】
１  主燃焼室
２  シリンダ
３  ピストン
４  シリンダヘッド
１０  点火プラグ付予燃焼室ユニット（点火プラグ付予燃焼室）
１１  点火プラグ
１２  予燃焼室
３０  パイロット燃料噴射弁予燃焼室ユニット（パイロット燃料噴射弁予燃焼室）
３１  予燃焼室
３２  パイロット燃料噴射弁
５３  カム室のドア
６０  燃料噴射ポンプ
【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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