(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主室において燃料と酸素含有ガスを燃焼させ、ピストンをシリンダ内で往復運動させ、クランク軸の回転を維持するエンジンであって、
前記主室に第１連絡路によって連通する第１副室と、前記主室に第２連絡路によって連通する第２副室とを備えると共に、
前記第１副室に混合気を形成して着火し、前記第１副室に形成された火炎を前記第１連絡路を介して前記主室に噴出する火炎噴射手段と、
前記第２副室に混合気を形成し、前記第２副室に形成された混合気を第２連絡路を介して前記主室に噴出する混合気噴射手段とを備え、
前記第２連絡路に、前記主室から前記第２副室への流れを阻止するリードバルブを備えたエンジン。
【請求項２】
前記混合気噴射手段による混合気の前記主室での噴射方向が、前記火炎噴射手段よって主室に噴射された火炎の領域に方向付けられて構成されている請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記第１副室に前記燃料の一部を供給する第１燃料供給手段と、前記第１副室の混合気を着火する点火プラグとを備え、
前記火炎噴射手段が、前記第１燃料供給手段を働かせ、前記第１副室に燃料を供給して前記第１副室の酸素含有ガスと共に混合気を形成し、前記点火プラグを働かせ、前記第１副室に形成された混合気を着火して前記第１副室に火炎を形成し、前記第１副室に形成された火炎を前記第１連絡路を介して前記主室に噴出する請求項１又は２に記載のエンジン。
【請求項４】
前記第２副室に前記燃料の一部を供給する第２燃料供給手段と、前記第１副室と前記第２副室を連通する副室連絡路とを備え、
前記混合気噴射手段が、前記第２燃料供給手段を働かせ、前記第２副室に燃料を供給して前記第２副室の酸素含有ガスと共に混合気を形成し、前記第１副室に形成された火炎の圧力波を前記副室連絡路を介して前記第２副室に伝播させて、前記第２副室に形成された混合気を第２連絡路を介して前記主室に噴出する請求項１から３の何れか１項に記載のエンジン。
【請求項５】
前記第１副室に前記燃料の一部を供給する第１燃料供給手段を備え、
前記第１燃料供給手段及び前記第２燃料供給手段として、前記副室連絡路内若しくは前記第２副室に燃料を供給する燃料供給弁を備えた請求項４に記載のエンジン。
【請求項６】
第１連絡路の流路抵抗が、前記副室連絡路の流路抵抗よりも大きく構成されている請求項４又は５に記載のエンジン。
【請求項７】
主室において燃料と酸素含有ガスを燃焼させ、ピストンをシリンダ内で往復運動させ、クランク軸の回転を維持するエンジンの運転方法であって、
前記エンジンを、前記主室に第１連絡路によって連通する第１副室と、前記主室に第２連絡路によって連通する第２副室とを設けて構成し、
前記第１副室に火炎を形成し、前記第１副室に形成された火炎を前記第１連絡路を介して前記主室に噴出する火炎噴出工程を行うと共に、
前記第２副室に混合気を形成し、前記第２副室に形成された混合気を、第２連絡路を介して、前記主室の前記噴射された火炎の領域に噴出する混合気噴出工程を行うに、
前記第２連絡路にリードバルブを設けて、前記主室から前記第２副室への流れを阻止するエンジンの運転方法。
【請求項８】
前記第１副室に前記燃料の一部を供給する第１燃料供給手段と、前記第１副室の混合気を着火する点火プラグとを備え、
前記火炎噴出工程を行うに、前記第１燃料供給手段を働かせ、前記第１副室に燃料を供給して前記第１副室の酸素含有ガスと共に混合気を形成し、前記点火プラグを働かせ、前記第１副室に形成された混合気を着火して前記第１副室に火炎を形成し、前記第１副室に形成された火炎を前記第１連絡路を介して前記主室に噴出する請求項７に記載のエンジンの運転方法。
【請求項９】
前記第２副室に前記燃料の一部を供給する第２燃料供給手段と、前記第１副室と前記第２副室を連通する副室連絡路とを備え、
前記混合気噴出工程を行うに、前記第２燃料供給手段を働かせ、前記第２副室に燃料を供給して前記第２副室の酸素含有ガスと共に混合気を形成し、前記第１副室に形成された火炎の圧力波を前記副室連絡路を介して前記第２副室に伝播させて、前記第２副室に形成された混合気を第２連絡路を介して前記主室に噴出する請求項７又は８に記載のエンジンの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主室において燃料と酸素含有ガスを燃焼させ、ピストンをシリンダ内で往復運動させ、クランク軸の回転を維持するエンジン及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関であるエンジンは、大きく、火花点火エンジン（ＳＩエンジン）と、ディーゼルエンジンとに分けられる。
ＳＩエンジンは、空気（燃焼用酸素含有ガスの一例）と燃料の混合気を燃焼室（主室）に吸入し、圧縮した後、スパークプラグで強制着火するもので、このＳＩエンジンの理想サイクルはオットーサイクル（定容加熱サイクル）と考えられており、圧縮比を高くし希薄燃焼させることにより、オットーサイクルの熱効率は向上する。しかし、圧縮比を高くすると正常火炎伝播による燃焼終了前にエンドガスが自己発火するノッキングが発生し、真にトルクが最大になる最適点火時期からのずれが発生して熱効率の低下を伴う。よって、圧縮比を高めて熱効率を向上するには限度があり、例えば圧縮比は高々１０以下とされ、このときの熱効率ηｅは３０％程度であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
エンジンの排ガス対策上は、ＣＯ、ＨＣ、さらにＮＯｘ発生も少ないような非常に薄い混合気で完全燃焼させれば良いことが判っている。また熱効率を向上させる為にも吸入空気（酸素含有ガスの一例）を絞らずに、ポンピングロスを少なくして、薄い混合気を燃焼させることが効果的であるが、混合気の着火性、燃焼不安定性の問題を解決する必要がある。
また、ディーゼルエンジンは、燃料を高圧で噴射する燃料噴射装置により、燃料を任意の時期に投入できるため、ＳＩエンジンのように火炎伝播の圧力上昇によるノッキングが発生することがないので、圧縮比を高く設定し、効率の向上を図ることができるが、高圧縮された吸入空気（酸素含有ガスの一例）に燃料を高圧噴射する必要がある為、複雑且つ高価な燃料噴射弁が必要となり、さらに、燃料が天然ガス等の気体燃料である場合、この気体燃料を高圧の燃焼室に供給することは非常に困難であり、このような気体燃料のエンジンは圧倒的にＳＩエンジンとされ、気体燃料のエンジンにおいて高効率化を図るのは困難であった。
【０００４】
よって、本発明は、上記の事情に鑑みて、高圧縮比で高効率なエンジンを提供することを目的とし、特に、気体燃料のエンジンにおいても適用することができる高効率エンジンを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このような問題を解決する為の本発明による、主室において燃料と酸素含有ガスを燃焼させ、ピストンをシリンダ内で往復運動させ、クランク軸の回転を維持するエンジンの特徴構成は、請求項１に記載されているように、前記主室に第１連絡路によって連通する第１副室と、前記主室に第２連絡路によって連通する第２副室とを備えると共に、
前記第１副室に混合気を形成して着火し、前記第１副室に形成された火炎を前記第１連絡路を介して前記主室に噴出する火炎噴射手段と、
前記第２副室に混合気を形成し、前記第２副室に形成された混合気を第２連絡路を介して前記主室に噴出する混合気噴射手段とを備える点にある。
【０００６】
通常、エンジンには、４サイクルエンジンと２サイクルエンジンがあり、４サイクルエンジンの動作サイクルは、ピストンの往復運動に伴って、吸気行程、圧縮行程、燃焼・膨張行程、排気行程を経て運転され、２サイクルエンジンは、掃気・圧縮行程、燃焼・膨張・排気行程を経て運転され、どちらのエンジンにおいても、主室（燃焼室）において燃料と酸素含有ガスを圧縮して燃焼させ、ピストンをシリンダ内で往復運動させ、クランク軸の回転を維持するものであり、本発明のエンジンは４サイクル及び２サイクルエンジンに適用することができる。
【０００７】
本発明のエンジンは、吸気行程又は掃気行程において吸気ポート等から、空気（酸素含有ガスの一例）が主室に吸入される。
次に圧縮行程において、この吸入された空気を圧縮することで、第１連絡路及び第２連絡路を介して主室の空気が第１副室及び第２副室に流入すると共に、吸気行程若しくは圧縮行程初期又は掃気・圧縮行程の、例えば、主室の圧力が未だ低圧状態のときに、上記の第１副室及び第２副室に燃料を供給して、第１副室及び第２副室に混合気を形成する。
次に、燃焼行程において、火炎噴出手段によって、第１副室の混合気を着火して、第１連絡路を介して主室に火炎トーチを噴出すると共に、第２副室の混合気を主室側へ押出す混合気噴出手段によって、第２副室において形成された混合気を第２連絡路を介して主室に噴出する。
【０００８】
このように構成することで、主室において、上記噴出した混合気は、上記噴出された火炎によって徐々に着火して完全燃焼するため、所謂ディーゼルサイクルに近い燃焼形態を実現することとなり、例えば当量比φを０．２〜１．０と大幅に変化させても、好ましい状態で完全燃焼させることができる。よって、例えば全体的に混合気の当量比φを０．３５程度の超希薄に設定しても、燃料を好ましい状態で完全燃焼させることができるため、比熱比が高く高効率になると共に、未燃成分の排出を低減することができ、さらに、ノッキングの発生を防止できるので、圧縮比を高く設定し、エンジンを効率を一層向上することができる。
また、通常のディーゼルエンジンの圧縮比は燃料の特性によって決まるが、本発明のエンジンは、混合気を点火プラグ等で強制着火するので、例えば圧縮比を６〜２０程度に自由に設定することができるため、最も高効率となる好ましい圧縮比に設定することができ、例えば、燃料を都市ガスとした場合、圧縮比を１７から１９の範囲内に設定し、熱効率ηｅを４１％程度とすることができる。
【０００９】
また、このようなエンジンにおいて、着火時における第１副室には当量比が可燃範囲内の混合気を形成することが好ましく、第１副室の混合気を容易に着火して燃焼することができる。また、混合気噴出前の第２副室に形成する混合気の当量比を燃焼上限界以上とすることが好ましく、この混合気が主室に噴出された後に酸素と反応して燃焼させることができる。
【００１０】
また、上記のようなエンジンにおいて、請求項２に記載されているように、前記混合気噴射手段による混合気の前記主室での噴射方向が、前記火炎噴射手段よって主室に噴射された火炎の領域に方向付けられて構成されていることが好ましい。
【００１１】
上記のように構成することで、上記の主室に噴出された混合気を、上記の主室に噴出された火炎によって、好ましい状態で着火することができ、未燃成分の発生を一層抑制し、さらに希薄領域での燃焼を実現することができる。
尚、火炎噴射手段よって噴射された火炎の領域とは、第１連絡路から主室に噴出された火炎が、主室において存在する領域を示し、例えば、上記噴出した火炎がシリンダの内壁に沿って屈折若しくは旋回する場合は、その主室において形成される火炎の領域に向けて第２連絡路から混合気を噴出させることが好ましく、必ずしも、第１連絡路と第２連絡路の流路方向が主室において交叉している必要はない。
【００１２】
また、これらのエンジンにおいて、請求項３に記載されているように、前記第１副室に前記燃料の一部を供給する第１燃料供給手段と、前記第１副室の混合気を着火する点火プラグとを備え、
前記火炎噴射手段が、前記第１燃料供給手段を働かせ、前記第１副室に燃料を供給して前記第１副室の酸素含有ガスと共に混合気を形成し、前記点火プラグを働かせ、前記第１副室に形成された混合気を着火して前記第１副室に火炎を形成し、前記第１副室に形成された火炎を前記第１連絡路を介して前記主室に噴出することができる。
【００１３】
このように構成することで、主室に火炎を噴射する火炎噴射手段を簡単に構成することができ、例えば吸気行程若しくは圧縮行程初期又は掃気掃気行程の、例えば未だ主室が低圧状態のときに、第１燃料供給手段によって第１副室に燃料を供給することで、燃料を低圧状態で供給することができ、第１燃料供給手段を単純且つ安価に構成することができる。さらに、燃料として都市ガス等の予め加圧された気体燃料を利用する場合、第１燃料供給手段は、燃料を加圧する必要がない為、リードバルブの簡単な構造のものを利用することができる。
【００１４】
また、これらのエンジンにおいて、請求項４に記載されているように、前記第２副室に前記燃料の一部を供給する第２燃料供給手段と、前記第１副室と前記第２副室を連通する副室連絡路とを備え、
前記混合気噴射手段が、前記第２燃料供給手段を働かせ、前記第２副室に燃料を供給して前記第２副室の酸素含有ガスと共に混合気を形成し、前記第１副室に形成された火炎の圧力波を前記副室連絡路を介して前記第２副室に伝播させて、前記第２副室に形成された混合気を第２連絡路を介して前記主室に噴出することができる。
【００１５】
このように構成することで、主室に混合気を噴出する混合気噴出手段を簡単に構成することができる。即ち、圧縮行程において主室から第２連絡路を介して第２副室に空気が流入すると共に、例えば吸気行程若しくは圧縮行程初期又は掃気行程において、第２燃料供給手段によって第２副室に燃料を低圧状態で供給して第２副室に混合気を形成する。次に、第１副室の混合気が着火され燃焼するが、その第１副室における燃焼することによって発生する圧力波を副室連絡路を介して第２副室に導き、この圧力波によって第２副室の混合気を第２連絡路から主室へ高圧状態で噴出させることができる。
よって、第２燃料供給手段は、燃料を高圧で噴射する必要がなく、単純且つ安価に第２燃料供給手段を構成することができ、気体燃料を使用するエンジンにおいても、混合気を高圧で主室に噴出させて着火する所謂ディーゼル機関に近い燃焼を実現するエンジンを構成することができる。また、燃料として都市ガス等の予め加圧された気体燃料を利用する場合、第２燃料供給手段は、燃料を加圧する必要がない為、リードバルブのような簡単な構造のものを利用することができる。
【００１６】
また、このようなエンジンにおいて、第１副室に形成される混合気の当量比が可燃範囲内となるように第１副室に燃料を供給し、第２副室の混合気の当量比が燃焼上限界以上となるように第２副室に燃料を供給することが好ましく、第１副室から副室連絡路を介して第２副室に火炎が伝播することがなく、好ましい状態で第２副室から主室に混合気を噴射することができる。
【００１７】
また、このような副室連絡路を有するエンジンにおいて、請求項５に記載されているように、前記第１燃料供給手段及び前記第２燃料供給手段として、前記副室連絡路内若しくは前記第２副室に燃料を供給する燃料供給弁を備えることができる。
【００１８】
即ち、本発明のエンジンにおいて副室連絡路を有する場合、少なくとも１つの燃料噴射弁を上記のように備えることで、この燃料供給弁は、第１燃料供給手段として副室連絡路を介して第１副室に燃料を供給することができると共に、第２燃料供給手段として第２副室に直接若しくは副室連絡路を介して燃料を供給することができ、さらに簡単な構成で高効率のエンジンを構成することができる。
【００１９】
また、上記の副室連絡路を有するエンジンにおいて、前記第１連絡路の流路抵抗が、前記第２連絡路の流路抵抗よりも小さく構成されていることが好ましい。
【００２０】
このように構成することで、主室に吸入された空気が、圧縮行程において、第２連絡路よりも第１連絡路の方に多く流入することとなり、圧縮行程終了時点付近において第１副室に流入した空気は、第２副室に流入した空気よりも多くなる。よって、それぞれの副室に混合気を同じ量供給しても、第１副室に形成する混合気は第２副室に形成する混合気よりも希薄になり、この第１副室の混合気の当量比を可燃範囲内とすると、第２副室の混合気の当量比を燃焼上限界以上となって、好ましい状態で第１副室に火炎を形成して主室に火炎を噴出しつつ、副室連絡路を介して第２副室に圧力波を伝播させ、第２副室の混合気を着火することなく主室に噴出させることができる。
【００２１】
さらに、このような副室連絡路を有するエンジンにおいて、請求項１に記載されているように、前記第２連絡路に、前記主室から前記第２副室への流れを阻止するリードバルブを備える。
【００２２】
さらに、上記のように第２連絡路にリードバルブを備え、圧縮行程において主室から第２連絡路を介して第２副室に導入される空気を阻止することで、第２副室への空気の流入が少なくなり、第２副室の混合気の当量比をより燃焼上限界以上とし、第１副室の混合気の当量比を可燃範囲内のより燃焼下限界付近の希薄状態とすることができ、例えば高負荷運転時に、供給する燃料の量を増加させても、第１副室の混合気を当量比が可燃範囲内とすることができる。
【００２３】
さらにまた、このような副室連絡路を有するエンジンにおいて、請求項６に記載されているように、第１連絡路の流路抵抗が、前記副室連絡路の流路抵抗よりも大きく構成されていることも好ましい。
【００２４】
このように構成することで、第１副室に形成された火炎の圧力波は、優先して副室連絡路側に伝播することとなり、第２副室に形成された混合気をより第２連絡路側へ押出して、主室に勢い良く混合気を噴出させることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明のエンジンの実施の形態について図面を用いて説明する。
図１に示す本発明に係るエンジン１００は、ピストンピン７によって連結棒６に接続されたピストン２と、ピストン２を収容してピストン上端面と共に主室１を形成するシリンダ３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３２及び排気弁３３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６によってクランク軸４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。
【００２６】
また、エンジン１００は、都市ガス（１３Ａ）を燃料Ｇとして使用するものであり、吸気行程において吸気弁３２を開状態として主室１に酸素含有ガスとして空気Ａを吸入し、圧縮行程においてこの吸入した空気Ａを圧縮するように構成され、また、燃料Ｇは、後に説明する燃料供給弁３０に供給されてエンジン１００へ供給される。
【００２７】
さらに、エンジン１００のシリンダヘッド９には、副室部材５０が設けられ、副室部材５０には、図１及び図２に示すように、主室１に３つの第１連絡路１１によって連通される第１副室１０と、主室１に３つの第２連絡路２１によって連通される第２副室２０とが設けられ、第１副室１０と第２副室２０は副室連絡路３１によって連通されており、第１連絡路１１の流路抵抗をＳ１、第２連絡路２１の流路抵抗をＳ２、副室連絡路３１の流路抵抗をＳＳとすると、
ＳＳ＜Ｓ１＜Ｓ２
となるように関係づけられ形成されている。
なお、第１連絡路の流路の内径は２．５ｍｍであり、第２連絡路の流路の内径は１．０ｍｍである。
【００２８】
また、第２副室２０の上方には燃料供給弁３０が設けられ、燃料Ｇを第２副室２０に、圧縮状態で貯蔵された燃料Ｇのガス圧を利用して供給するように構成されている。また、第１副室１０の上方には、点火プラグ８が設けられており、後に説明する第１副室の混合気を着火するように構成されている。
【００２９】
次に、本発明のエンジン１００の、１サイクルにおける動作状態を図面を用いて説明する。主室１の容積が最小のときのピストン位置を上死点（ＴＤＣ）、主室１の容積が最大のときのピストン位置を下死点（ＢＤＣ）と呼び、クランク角を、回転方向における上死点のクランク軸の位置に対する角度で表わし、上死点の手前のときは、角度値の後にＢＴＣＤを付し、上死点の後のときは、角度値の後にＡＴＣＤを付す。
【００３０】
まず、本発明のエンジン１００は、図５に示すように、クランク角が２２°ＢＴＤＣの時点で吸気弁３２を開き、ピストンが上死点を経て下降し主室１に空気Ａが吸入される。
後に、クランク角が１１０°ＢＴＤＣの時点で吸気弁３２を閉じ、さらにピストン２が上昇し、主室１内の空気Ａが圧縮される。
この主室１における空気Ａの圧縮によって、図３に示すように、主室１の圧縮された空気Ａは、第１連絡路１１及び第２連絡路２１を介して、第１副室１０及び第２副室２０に流入し、上記のそれぞれの連絡路１１，２１の流路断面積の大小関係、所謂流路抵抗の大小関係から、第１副室１０の方が第２副室２０よりも多い空気Ａが流入する。
【００３１】
さらに、クランク角が１１０°ＢＴＤＣの時点、即ち吸気弁が閉じられた時点で、燃料供給弁３０を働かせ、第２副室がまだ低圧状態のときに燃料のガス圧を利用して燃料Ｇを第２副室２０に供給する。この供給した燃料Ｇのほとんどは第２副室２０の残留するが、一部の燃料Ｇが副室連絡路３１を介して第１副室１０に流入し、結果、圧縮が終了して着火前の時点において、第１副室１０内に可燃範囲内の当量比に設定された燃料Ｇと空気Ａの混合気を形成し、第２副室２０においては、残りの燃料Ｇと空気Ａとで、燃焼上限界以上の当量比の混合気を形成することができる。
【００３２】
次に、クランク角が１０°ＢＴＤＣの時点で、点火プラグ８を働かせて、第１副室１０内に形成された可燃範囲内の当量比の混合気を着火し、燃焼・膨張行程に移行するのであるが、この詳細について、以下に説明する。
まず、この点火プラグ８を働かせる時点において、第１副室１０に形成された混合気の当量比φは０．６５〜１．２程度の可燃範囲内になっており、点火プラグ８によって、火花を発生させ、この混合気を着火する。すると、第１副室１０内の混合気は容易に燃焼して、第１副室１０における内圧が上昇し、図４に示すように、第１副室１０の火炎が、第１連絡路から主室１へ噴出され、主室１において火炎トーチＦが形成される。このように、第１副室１０内に混合気を形成して点火プラグ８によって着火して第１副室１０内に形成された火炎を第１連絡路１１を介して主室１に噴出させる手段を火炎噴射手段Ｘと呼ぶ。
【００３３】
さらに、この火炎トーチＦの形成と同時に、第１副室１０の内圧上昇によって、圧力波が、第１連絡路１１よりも流路抵抗が小さい副室連絡路３１側に好ましい状態で伝播し、第２副室２０に伝播する。よって、第２副室２０に形成された混合気の当量比は燃焼上限界以上である為に着火することなく、上記の第１副室１０からの圧力波を利用して、第２連絡路２１を介して主室へ噴出され、主室１において上記火炎トーチＦの領域に方向付けられた噴出混合気Ｍが形成される。このように、第１副室１０における燃焼によって発生する圧力波を副室連絡路３１を介して第２副室２０に伝播させ、第２副室２０内に形成した混合気を第２連絡路２１を介して主室１に噴出させる手段を混合気噴射手段Ｙを呼ぶ。
【００３４】
以上のように燃焼・膨張行程を行うことで、第２連絡路２１から主室１の火炎トーチＦに向けて噴出された噴出混合気Ｍは、第１連絡路１１から噴出した火炎トーチＦによって好ましい状態で着火され、主室１において噴出混合気Ｍが徐々に燃焼し、ピストン２を押し下げ、排気行程において排気弁を開状態として燃焼後の排ガスを排出する。
このような燃焼状態は、所謂ディーゼルサイクル（定圧サイクル）に近い状態となり、主室１における混合気を圧縮するのではなく空気を圧縮することになるので、ノッキングを抑制することができ、エンジンの圧縮比を高く設定し、効率を向上させることができる。また、１サイクルにおいて燃焼させる燃料Ｇと空気Ａの混合気の当量比φを０．３５程度の超希薄状態でエンジンを運転することができ、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ等の排出を低減させることができる。
【００３５】
次に、本発明に係るエンジンの効率向上効果を確認する為に、上記の実施の形態に示したエンジン１００の構造で、圧縮比を６から２０まで変化させて、効率を測定した。また、比較例として、燃料は同じく都市ガスを使用したエンジンで、混合気を吸気して火花点火するＳＩエンジン（比較例１）と、燃料を燃焼室に高圧で直接噴霧するディーゼルエンジン（比較例２）を用意し、同じく圧縮比を変化させて効率を測定した。
【００３６】
結果、本発明に係るエンジン１００は、圧縮比が６から２０まで運転可能であり、圧縮比が６のときに効率ηｅが２７％と最低値であり、これより圧縮比を高くすれば効率も高くなり、圧縮比が１７〜１９程度のときに効率ηｅが４１％程度と最も高い値を示し、これ以上圧縮比を高くすれば若干効率が低下し、圧縮比が２０のときは効率ηｅが３６％程度となることが判った。
また、比較例１のＳＩエンジンにおいては、圧縮比を１０以上に設定するとノッキングが発生し、運転不可能となり、圧縮比が１０程度で効率ηｅが２８％程度であった。また、比較例２のディーゼルエンジンにおいては、圧縮比を１８から２０程度と高く設定する事はできたが、効率ηｅは３６〜３９％程度と本発明にエンジンよりも低い値となり、比較例２のディーゼルエンジンにおいては、燃料を直接噴射して自己着火させるため燃焼状態が不安定であるのに対して、本発明に係るエンジン１００は安定した燃焼状態を実現しているといえる。
また、比較例１及び２のＳＩエンジン及びディーゼルエンジンにおいては、圧縮比が１０から１７の範囲内で運転することが不可能であったのに対し、本発明に係るエンジン１００は上記の範囲内に圧縮比を設定して運転することができるため、例えば、好ましい状態で燃焼して効率が最高となる圧縮比を実験等によって見出し、自由に圧縮比を設定することができる。
【００３７】
〔別実施の形態〕
〈１〉  次に、本発明の別実施の形態として、図６に示すエンジン２００について説明する。
エンジン２００は、２サイクルエンジンであって、ピストン２の往復動を利用して、吸気ポート４２からクランク室４０に吸入された空気Ａを、掃気ポート４１を介して主室１内に供給し、主室において、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６によってクランク軸４の回転運動として出力させるものであり、クランク軸４が１回転する間に１サイクルを完結する。このような構成は、従来の２サイクルエンジンと同様であり詳細の説明は省略するが、本発明に係るエンジン２００は、上記の図１に示すエンジン１００と同様に、燃料をシリンダヘッド９に備えられた副室部材５０内に供給する構成となっており、詳細について以下に説明する。
【００３８】
副室部材５０は、図６及び図７に示すように、内部に空間を有する円盤上の部材であり、下方部から上方に突出しリング上の隔壁４５によって、内部の空間は中心部の第２副室２０とその外周部の第１副室１０とに、互いに連通する副室連絡路３１を形成した状態で区画されている。さらに、第１副室１０の下方部に主室１に連通する４つの第１連絡路１１が、主室１において外側且つ外周方向に傾斜した状態で、均等に設けられている。さらに、第２副室２０の下方部にも主室１に連通する４つの第２連絡路２１が、第１連絡路と同様に、主室１において外側且つ外周方向に傾斜した状態で、均等に設けられている。
尚、第１連絡路１１の直径は５．０ｍｍ、第２連絡路２１の直径は２．０ｍｍであり、副室連絡路３１の流路抵抗は第１連絡路１１の流路抵抗よりも小さくなっている。
【００３９】
また、第２副室には燃料供給弁３０が設けられ、燃料Ｇを第２副室２０に、圧縮状態で貯蔵された燃料Ｇのガス圧を利用して供給するように構成されている。また、第１副室１０の上方には、２個の点火プラグ８が均等に設けられており、後に説明する第１副室の混合気を着火するように構成されている。
【００４０】
以上のように構成することで、エンジン２００は、上記の実施の形態で説明した図１に示すエンジン１００と同様に運転することができる。
即ち、主室に供給された空気Ａを圧縮して、第１副室路１０及び第２副室路２０に空気Ａを供給すると共に、燃料供給弁３０を働かせて、燃料Ｇを第２副室２０内に供給することで、第１副室１０に希薄状態で可燃範囲内の混合気を形成し、第２副室２０に当量比が燃焼上限界以上の混合気を形成する。
次に、点火プラグ８を働かせ、第１副室１０の混合気を燃焼させ、第１連絡路１１から主室１へ火炎を噴出し、主室１のシリンダ内壁に沿って火炎トーチＦを形成すると共に、予燃焼副室１１における燃焼によって発生する圧力波を副室連絡路３１を介して混合気副室２０に伝播させ、第２副室２０の混合気を、第２連絡路から主室１の火炎トーチＦの領域、即ちシリンダ内壁に向かって噴出させ、噴出混合気Ｍを形成する。
【００４１】
結果、上記の実施の形態と同様に、第２連絡路２１から主室１の火炎トーチＦに向けて噴出された噴出混合気Ｍは、第１連絡路１１から噴出した火炎トーチＦによって好ましい状態で着火され、主室１において噴出混合気Ｍが徐々に燃焼し、所謂ディーゼルサイクル（定圧サイクル）に近い状態の燃焼を実現することができ、混合気を圧縮するのではなく空気を圧縮することになるので、ノッキングを抑制することができ、エンジンの圧縮比を高く設定し、効率を向上させることができる。また、１サイクルにおいて燃焼させる燃料Ｇと空気Ａの混合気の当量比φを０．３５程度の超希薄状態でエンジンを運転することができ、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ等の排出を低減させることができる。
【００４２】
〈２〉  上記の実施の形態において、混合気噴射手段Ｙとして、第１副室１０における燃焼によって発生する圧力波を副室連絡路３１を介して第２副室２０に伝播させる構成を説明したが、別に、副室連絡路３１を設けず、燃料供給弁を第１副室に可燃範囲内の当量比の混合気を形成する為の燃料を供給するように構成すると共に、第２副室に燃料Ｇを高圧で噴射する燃料噴射弁を設け、第１副室の混合気を着火するのとほぼ同時に第２副室に高圧で燃料を噴射し、その噴射の勢いで第２連絡路２１から混合気を噴射するように構成することもできる。
【００４３】
〈３〉  上記の実施の形態において、都市ガスを利用したエンジンについて説明したが、本願のエンジンは、気体燃料の都市ガス等を利用するエンジンを構成することによって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、勿論気体燃料の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、エタノール及び任意の燃料を使用することができる。
【００４４】
〈４〉  上記の実施の形態において、エンジンの回転数若しくは負荷を変化させる場合は、シリンダに吸入される空気Ａの流路内にロータリバルブ等を設け、ロータリバルブの開度によって吸気圧を変化させたり、供給する燃料の量を変化させることで上記の負荷若しくは回転数を変化させることができる。
【００４５】
〈５〉  上記の実施の形態において、吸気行程において空気Ａのみを主室に吸入する構成を説明したが、吸入される空気Ａに燃料１の一部を混合して主室１に吸入するように構成することもできる。また、低負荷運転時においては、燃料Ｇを燃料供給弁３０によって第２副室に供給し、高負荷運転時に、吸入される空気Ａに増加分の燃料を供給するように構成することもできる。
【００４６】
〈６〉  上記の実施の形態において、第２連絡路２１に、主室１からの流体の流入を阻止するリードバルブを設けることもでき、この場合、圧縮行程において、主室１内の空気Ａは第１連絡路１０にのみ流入し、空気Ａは第１副室１０から副室連絡路３１を介して第２副室２０に流入するので第２副室への空気Ａの流入が少なくなり、結果、第２副室の混合気の当量比をより燃焼上限界以上とし、第１副室の混合気の当量量を可燃範囲内のより燃焼下限界付近の希薄状態とすることができ、例えば高負荷運転時に、供給する燃料の量を増加させても、第１副室の混合気の当量比を可燃範囲内とすることができる。
【００４７】
〈７〉  上記の実施の形態において、１つの燃料供給弁３０によって、第２副室に燃料を供給し、副室連絡路を介して第１副室に燃料を供給するように構成したが、第１副室に燃料を供給する第１燃料供給弁と、第２副室に燃料を供給する第２燃料供給弁を別に設けることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るエンジンの実施の形態を示す概略図
【図２】図１に示すエンジンの副室部材を示す平面図
【図３】図１に示すエンジンの動作状態を示す部分断面図
【図４】図１に示すエンジンの動作状態を示す部分断面図
【図５】図１に示すエンジンの動作タイミングを示すチャート図
【図６】本発明に係るエンジンの別実施の形態を示す概略図
【図７】図６に示すエンジンの副室部材を示す平面図
【符号の説明】
１    主室
２    ピストン
３    シリンダ
４    クランク軸
６    連結棒
８    点火プラグ
１０  第１副室
１１  第１連絡路
２０  第２副室
２１  第２連絡路
３０  燃料供給弁
３１  副室連絡路
Ｘ    火炎噴射手段
Ｙ    混合気噴射手段
Ｇ    燃料
Ａ    空気（酸素含有ガス）
【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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【図７】
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