JPWO2015053331A1 - 副室式ガスエンジン用のピストンおよび副室式ガスエンジン - Google Patents

Abstract

トーチジェットによる火炎伝播が遅れる範囲をなくすように、ピストン頂部の形状を考慮した、副室式ガスエンジン用のピストンおよび副室式ガスエンジンを提供することを目的とし、副燃焼室で副室用燃料を燃焼して形成したトーチジェットを複数の噴孔を介して主燃焼室に噴射する副室式ガスエンジンにおいて、主燃焼室をシリンダヘッド及びシリンダライナと共に規定するピストン頂部を有する副室式ガスエンジン用ピストンであって、ピストン頂部は、隣り合う噴孔の軸線方向間に位置する第１の領域が、軸線方向上に位置する第２の領域に比べて高くなるように形成されたランド部を備える。ランド部は、ピストン頂部に設けられたキャビティ上に形成される。また、ランド部は複数の噴孔に対応して複数設けられており、複数のランド部は、隣り合う噴孔の軸線方向間の中心から同一方向にオフセットされて設けられる。

Description

本発明は、ノッキング対策を図った副室式ガスエンジン用のピストンおよび副室式ガスエンジンに関し、特に、トーチジェットによる火炎伝播が遅れる範囲をなくすように、ピストン頂部の形状を考慮した、副室式ガスエンジン用のピストンおよび副室式ガスエンジンに関する。

従来、いわゆるガスエンジンにおいて、副室式ガスエンジン１は、図６〜図８に示すように、予混合の希薄燃焼ガスを燃焼させるために、ピストン２のＴＤＣ（上死点）におけるピストン頂部と、シリンダヘッド３の下面と共にシリンダライナとで規定される主燃焼室４が形成されていることから、副燃焼室５内で生成された火炎を、副燃焼室５の噴孔６から主燃焼室４内に噴出させるため、噴孔６からのトーチ状の火炎ジェット（以下、トーチジェットｔｊ）が、遠くまで且つ均一に到達することを必要とする。

すなわち、図６〜図８に示す副室式ガスエンジン１において、副燃焼室５は、図示しない点火プラグもしくは着火用燃料噴射弁などの混合気着火装置、および主燃焼室４と連通する複数の噴孔６は、主燃焼室４の平面視において、等間隔θになるよう、方向が設定されている。例えば、噴孔数ｎの場合、該間隔θ＝３６０／ｎ°図６の場合は、ｎ＝６、θ＝６０°
また、副燃焼室５には燃料ガスが供給され、ピストン２の圧縮に伴って着火しやすい濃混合気が形成させるようにしている。
主燃焼室４には、希薄な混合気が給気弁７を通じて導入されるようになっている。また、主燃焼室４にて燃焼された混合気は排ガスとなって排気弁８を通じて排気されるようになっている。

このような構成を持つガスエンジンにおいて、副燃焼室５内の濃混合気は設置された着火装置により着火され燃焼し、噴孔６を通じて主燃焼室４内に噴出してトーチジェットｔｊを形成後、希薄な混合気を着火させる。
このとき、主燃焼室４の火炎は、トーチジェットｔｊから半径方向に進み、また円周方向には火炎伝播することで、破線で示すように火炎が広がっていく。
そして、主燃焼室４内の燃焼により、ピストン２がＴＤＣから押し下げられ、クランクシャフトを回転させ、下死点（ＢＤＣ）に達したピストン２が再び上動し、排気行程において、排気弁８を通じて排気される。
以上のような一連の行程において、トーチジェットｔｊの噴射方向の間に火炎の伝播が遅れる領域が生じる。このため、この領域、すなわちノッキング領域Ｋの未燃ガスがノッキングを起こし、ガスエンジンの熱効率や出力向上を阻む一要因となっている。

ところで、特許文献１では、大型ガスエンジンの燃焼室が開示されている。すなわち、特許文献１では、ガスエンジンに適用される燃焼室において、ピストンの上面の周縁部が平面であって、かつ、前記ピストンの中央部に隆起部が形成されている。
かかる特許文献１によれば、主燃焼室外周部の容積を大きくすると共に、外周部に燃料が流れやすくなって、希薄ガス中でもガス濃度が薄くなることが多かったバルブリセスやトップクリアランス部等従来の主燃焼室に存在した部位が消滅し、遅延点火するような周辺部の希薄ガスが存在しなくなったとしている。

また、特許文献２では、燃焼ピストンの上死点におけるピストン上縁面とシリンダカバーの下面との間に形成されるスキッシュ部を備え、副室内で生成された火炎を副室の副室噴孔から燃焼室内に噴出させる副室式ガスエンジンに用いられる皿状キャビティーを有するピストンにおいて、スキッシュ部に臨む側のピストン上縁面の平行長さＴとエンジンのシリンダ内径Ｂとの比を、０＜Ｔ／Ｂ≦０．０７に設定した副室式ガスエンジンが開示されている。
かかる特許文献２において、０＜Ｔ／Ｂ≦０．０７を保持すれば、シリンダ内径が一定量を超えても、副室内から燃焼室内に噴出される火炎ジェットのうちの一部がスキッシュ部の奥まで十分に達することができる。
これにより、かかる火炎ジェットの火炎伝播がスキッシュ部内に残留する未燃混合気を押し出すこととなって、スキッシュ部への未燃混合気の溜まり量が低減されるとしている。

ＷＯ２０１１／０８０９１４号公報 特開２００８−２８６１４３号公報

しかしながら、特許文献１では、ピストンの中央部に隆起部を形成することにより、目的は達成されるとしても、ピストンの中央部に隆起部を形成する加工が難しく、製造コスト上も問題となる。
一方、特許文献２では、上死点（ＴＤＣ）におけるピストン上縁面とシリンダカバーの下面との間に形成されるスキッシュ部を備えたことにより、シリンダヘッドとピストン上縁面により、主燃焼室が規定されるため、圧縮比を高めることには限界があり、圧縮効率の低下を招く虞がある。
本発明は、以上のような背景から提案されたものであって、ピストン頂部に設けられたキャビティに、トーチジェットの拡散が遅れる領域にランド部を設けることで、異常燃焼であるノッキングの発生を回避することが可能な、副室式ガスエンジン用のピストンおよび副室式ガスエンジンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１にかかる本発明では、副燃焼室で副室用燃料を燃焼して形成したトーチジェットを複数の噴孔を介して主燃焼室に噴射する副室式ガスエンジンにおいて、主燃焼室をシリンダヘッド及びシリンダライナと共に規定するピストン頂部を有する副室式ガスエンジン用ピストンであって、ピストン頂部は、隣り合う噴孔の軸線方向間に位置する第１の領域が、軸線方向上に位置する第２の領域に比べて高くなるように形成されたランド部を有することを特徴とする。

これにより、副燃焼室のそれぞれの噴孔を介して噴射されるトーチジェットが、噴孔から主燃焼室の第１領域、および第２領域に拡散して行く。しかしながら、第１領域であるランド部の存在により、トーチジェットの拡散が遅れる領域をなくすことができ、したがって、異常燃焼であるノッキングの発生を回避することができる。

また、請求項２にかかる本発明では、ランド部は、ピストン頂部に設けられたキャビティ上に形成され、第１の領域におけるキャビディの周縁部から中心軸までの距離が、第２の領域における前記キャビティの周縁部から中心軸までの距離と比べて小さくなるように形成されていることを特徴とする。

これにより、各噴孔からのトーチジェットは、キャビティ内を拡散する。トーチジェットは、ランド部の存在によりキャビティ内での拡散の遅れをなくすことができる。

また、請求項３にかかる本発明では、ランド部は複数の噴孔に対応して複数設けられており、複数のランド部は、隣り合う噴孔の軸線方向間の中心から同一方向にオフセットされて設けられていることを特徴とする。

これにより、それぞれの噴孔から噴射されたトーチジェットは、キャビティ内を拡散するが、その際、隣り合う噴孔からのトーチジェットは、軸線方向間の中心から同一方向にオフセットされているランド部に到達する火炎伝播と、ランド部から離隔する側の領域への火炎伝播との勢いが異なってくる。このため、複数の噴孔から噴射されるトーチジェットによる火炎伝播が一定の方向性を伴って同様に進行し、全体として、偏在することのない、火炎伝播の拡散が実現する。

また、請求項４にかかる本発明では、ランド部は、噴孔に対向する凹曲面を有することを特徴とする。

これにより、噴孔から噴射されたトーチジェットは、ランド部の凹曲面により火炎伝播が阻害されることなく、凹曲面に沿って円滑に進行する。

また、請求項５にかかる本発明では、凹曲面の曲率は、トーチジェットのポテンシャルコアの先端を中心とし、且つ、キャビティの半径Ｒ、トーチジェットのポテンシャルコア長さＬ及び噴射角度θｔを用いて次式、Ｌｐｒｏｐ＝Ｌ×sinθｔにより定義される最小火炎伝搬距離Ｌｐｒｏｐを半径とする円弧に基づいて規定されることを特徴とする。

これにより、ランド部の凹曲面は、キャビティの半径Ｒ、トーチジェットのポテンシャルコア長さＬ及び噴射角度θｔから求められる最小火炎伝搬距離Ｌｐｒｏｐに基づいて規定されているので、実際のエンジンの仕様、寸法に対応したランド部を設定することができ、火炎伝播の遅れが出やすい領域をなくし、火炎伝播の遅れに起因するノッキングを極力回避することができる。

さらに、請求項６にかかる本発明では、請求項１ないし５に記載の副室式ガスエンジン用ピストンを備える副室式ガスエンジンを実現することができる。

これにより、ピストン頂部の形状により、火炎伝播の円滑化が具現化された副室式ガスエンジンを提供することができる。

本発明によれば、ランド部の存在により、トーチジェットの拡散が遅れる領域をなくすことができ、したがって、異常燃焼であるノッキングの発生を回避することができる。
また、ランド部は、キャビティの半径、トーチジェットのポテンシャルコア長、噴射角度から求められた最小火炎伝播距離に基づいて設定するものにあっては、一層、合理的な火炎伝播がなされ、燃焼効率を大いに高めることができる。

本発明にかかる副室式ガスエンジン用のピストンにおいて、第１実施形態にかかるピストン頂部におけるキャビティにおけるランド部と、副燃焼室における噴孔からのトーチジェットの噴射方向との関係を示した、模式的な平面図である。 （ａ）図１に示すピストン頂部のＡ−Ａ線に沿った切断矢視図、（ｂ）図１に示すピストン頂部のＢ−Ｂ線に沿った切断矢視図である。 本発明にかかる副室式ガスエンジン用のピストンにおいて、第２実施形態にかかるピストン頂部にキャビティの半径、トーチジェットのポテンシャルコア長、噴射角度から求められた最小火炎伝播距離に基づいて設定されたランド部を示した、模式的な平面図である。 主燃焼室において、副燃焼室における噴孔からのトーチジェットと、火炎伝播距離との関係を示した、線図である。 図３に示す、噴孔径と噴孔からのトーチジェットによるポテンシャルコアとの関係の一例を示した、線図である。 従来におけるピストン頂部における主燃焼室において、副燃焼室における噴孔からのトーチジェットの噴射方向と、火炎伝播方向とノッキング領域を示した、模式的な平面図である。 ピストン頂部の主燃焼室に対し、シリンダヘッド上の副燃焼室における噴孔からのトーチジェットを噴射した状態を示した、要部拡大断面図である。 図７において、主燃焼室において引き起こされるノッキング現象を説明する、要部拡大断面図である。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態にかかるピストン頂部を模式的に示す。
副室式ガスエンジンは、副燃焼室で副室用燃料を燃焼して形成したトーチジェットを複数の噴孔を介して主燃焼室に噴射する方式のエンジンであって、大口径希薄予混合燃焼のエンジンである。
かかる副室式ガスエンジンにおけるピストン１０は、主燃焼室１１をシリンダヘッド（図示省略）及びシリンダライナ（図示省略）と共に規定するピストン頂部１０ｔを有する。

ピストン頂部１０ｔには、ピストン１０の中心Ｏを中心に同心円状に形成された半径Ｒを有するキャビティ１２が形成されている。キャビティ１２は、ピストン１０の中心Ｏの位置が最も深くなっており、キャビティ１２の周縁部１２ｅから中心Ｏに向かって断面視において凹曲面状に形成されている（図２(ａ)、図２(ｂ)参照）。

また、ピストン１０のキャビティ１２の上方には、ピストン頂部１０ｔに対面するシリンダヘッド（図示省略）に装着された副燃焼室１３が位置している。そして、副燃焼室１３の外周面には、噴孔周方向に等間隔に複数の噴射孔１４が設けられている。図示した実施形態では、副燃焼室１３はピストン１０の中心Ｏの真上に位置しており、６つの噴射孔１４が等角度６０度毎に設けられている。
そして、キャビティ１２には、隣り合う２つの噴孔１４の軸線方向間に位置する第１の領域Iにおいて、噴孔１４の軸線方向上に位置する第２の領域IIに比べて高くなるように形成されたランド部１５が形成されている。図示した実施形態におけるランド部１５は、キャビティ１２が形成されていないピストン頂部１０ｔの外周部分と面一に形成されている。すなわち、ランド部１５においては、キャビティ１２の周縁部１２ｅは、中心Ｏを中心とする半径Ｒの円よりも中心Ｏに近い位置に形成される。

なお、噴孔１４の軸線方向とは、図１中、太実線の矢印ｃｌで示した、副燃焼室１３で副室用燃料を燃焼して形成したトーチジェットｔｊの噴射中心軸方向を意味している。
そして、第１の領域Iとは、隣り合う２つの噴孔１４からのトーチジェットｔｊの噴射中心軸方向、すなわち噴射中心軸線ｃｌとキャビティ１２の周縁部１２ｅとの交点間の範囲のうち、ピストン１０の中心Ｏから周縁部１２ｅまでの距離Ｄが、Ｒ−ａ≦Ｄ＜Ｒの領域をいう。
また、第２の領域IIとは、噴孔１４からのトーチジェットｔｊの噴射中心軸線ｃｌがキャビティ１２の周縁部１２ｅと交差する交点のうち、ピストン１０の中心Ｏから周縁部１２ｅまでの距離Ｄが、Ｄ＝Ｒ（キャビティ１２の半径Ｒ）である位置の範囲をいう。

そこで、ランド部１５について説明すると、ランド部１５は、ピストン１０の中心Ｏからの距離ＤがＲ−ａの位置、すなわち周縁部１２ｅの内の最も中心Ｏに近い位置を頂点部１５ｐとする稜線部１５ｅを有する。稜線部１５ｅは、頂点部１５ｐから、トーチジェットｔｊの噴射中心軸線ｃｌとキャビティ１２の周縁部１２ｅとの交点が存在する周縁部１２ｅに向かって、時計回りおよび反時計回りに凹曲線状に延在する。すなわち、ランド部１５は、図中、中心Ｏに向かって突出する略三角形状の突縁部として形成される。また、ピストン１０の中心Ｏとランド部１５の頂点部１５ｐとを通過する軸線上のキャビティ１２の底部が、頂点部１５ｐを通過しない軸線上における他のキャビティ１２の底部に比較して大きい曲率の凹曲線状に加工されている。
このように、ランド部１５は、ピストン１０の中心Ｏからの距離ＤがＲ−ａの位置を頂点部１５ｐとして、キャビティ１２の周縁部１２ｅに向かって、時計回りおよび反時計回りの双方向に凹曲線状に延在する稜線部１５ｅを有している。そして、頂点部１５ｐを通過する軸線上におけるキャビティ１２の底部が、頂点部１５ｐを通過しない軸線上における他のキャビティ１２の底部に比較して大きい曲率の凹曲線状に加工されている。このため、ランド部１５における噴孔１４に対向する面が凹曲面をなすこととなる。

以上のようなランド部１５は、複数の噴孔１４に対応して複数、すなわち噴孔１４と同数設けられている。そして、隣り合う噴孔１４の軸線方向間、すなわち、隣り合う噴孔１４からのトーチジェットｔｊの噴射中心軸線ｃｌとキャビティ１２の周縁部１２ｅとの交点間の範囲内において、噴射中心軸線間の中心から同一方向、すなわち周方向、時計回り又は反時計回りに、オフセットされて設けられている。図示した実施形態では、６つの噴孔１４に対応する６つのランド部１５が、周方向に所定の間隔を置いて、等角度６０度毎に設けられている。

第１実施形態にかかる副室式ガスエンジン用のピストン１０は以上のとおりであり、次にその作用を説明する。
先ず、副室式ガスエンジンの一連の動作を説明する。
副室式ガスエンジンは、例えば、以下のとおりの手順で実行される。
吸気行程付近で、副室ガス供給ライン（図示省略）より副燃焼室１３に副室用燃料供給を行う。
圧縮行程で主燃焼室１１内の希薄予混合気が副燃焼室１３の噴孔１４から流入し、副燃焼室１３内でミキシングされ、着火直前で、副燃焼室１３内はストイキ（量論混合比）近傍の混合気を形成する。
副燃焼室１３内で点火プラグを用いて火花点火を行い、副燃焼室１３内で火炎伝播燃焼が生じる。
これにより、副燃焼室１３の噴孔１４より燃焼ガスがトーチジェットｔｊとなって主燃焼室１１内に噴出する（図１参照）。

すると、副燃焼室１３のそれぞれの噴孔１４を介して噴射されるトーチジェットｔｊが、噴孔１４から主燃焼室１１である、キャビティ１２の第１の領域Ｉ、および第２の領域IIに拡散して行く。
このように、それぞれの噴孔１４から噴射されたトーチジェットｔｊは、キャビティ１２内を拡散する。その際、隣り合う噴孔１４からのトーチジェットｔｊは、隣り合う噴孔１４からのトーチジェットｔｊの噴射中心軸線ｃｌとキャビティ１２の周縁部１２ｅとの交点間の範囲において、噴射中心軸線ｃｌとキャビティ１２の周縁部１２ｅとの交点間の中間から、周縁部１２ｅの周方向、すなわち時計回りまたは反時計回りに同一方向にオフセットされたランド部１５に到達する火炎伝播と、このランド部１５から離隔する側の領域への火炎伝播が行われる。

すると、ランド部１５に到達する火炎伝播と、ランド部１５から離隔する側の領域への火炎伝播とで勢いが異なってくる。すなわち、ランド部１５は、火炎伝播の到達が遅れがちな位置に形成されており、ランド部１５が形成されることにより、火炎伝播の到達が遅れるキャビティ１２内の領域が減少するようになっている。
このため、複数の噴孔１４から噴射されるトーチジェットｔｊによる火炎伝播が一定の方向性を伴う拡散流となって同様に進行し、全体として、偏在することのない、火炎伝播の拡散が実現する。

ところで、ランド部１５は、上述したように、頂点部１５ｐから、トーチジェットｔｊの噴射中心軸線ｃｌとキャビティ１２の周縁部１２ｅとの交点が存在する周縁部１２ｅに向かって、時計回りおよび反時計回りに凹曲線状に延在する稜線部１５ｅを有する。しかも、ピストン１０の中心Ｏとランド部１５の頂点部１５ｐとを通過する軸線上のキャビティ１２の底部が、頂点部１５ｐを通過しない軸線上における他のキャビティ１２の底部に比較して大きい曲率の凹曲線状に加工されている。このため、トーチジェットｔｊの拡散が妨げられることはなく、火炎伝播が遅れる領域をなくすことができ、したがって、異常燃焼であるノッキングの発生を回避することができる。

本発明は以下の第２実施形態によっても、実施することができる。
（第２実施形態）
第２実施形態では、ランド部１５は、図３に示すように、ランド部１５の頂点部１５ｐから、キャビティ１２の周縁部１２ｅに向かって、時計回りおよび反時計回りの双方向に凹曲線状に延在する稜線部１５ｅがなす凹曲面の曲率は、以下の計算式から求めることもできる。
ここでは、トーチジェットｔｊを、副燃焼室１３の噴孔１４の径ｄの６〜７倍のポテンシャルコア長Ｌを有する噴流として想定している。
そして、この噴流の先端から壁面までの距離を火炎が伝播すると仮定する（図４参照）。ここで、断面視における噴射中心軸線ｃｌと垂直方向とのなす角度である噴射角をθｔとすると、最小火炎伝播距離Ｌｐｒｏｐは、次式で表わされる。
Ｌｐｒｏｐ＝Ｌ×ｓｉｎθｔ………（１）

すなわち、ランド部１５の双方向に凹曲線状に延在する稜線部１５ｅがなす凹曲面の曲率は、ここでは、トーチジェットｔｊのポテンシャルコアの先端を中心とし、且つ、キャビティ１２の半径Ｒ、トーチジェットｔｊのポテンシャルコア長さＬ及び噴射角度θｔを用いて次式、Ｌｐｒｏｐ＝Ｌ×ｓｉｎθｔにより定義される最小火炎伝搬距離Ｌｐｒｏｐを半径とする円弧に基づいて規定することができる。図３に示す実施形態では、隣り合う噴孔１４からのトーチジェットｔｊの先端を中心とする半径Ｌｐｒｏｐの２つの円Ｃ１、Ｃ２の交点が頂点部１５ｐを形成し、この頂点部１５ｐから半径Ｌｐｒｏｐの円Ｃ１、Ｃ２と周縁部１２ｅとの接点Ｃ１a、Ｃ２ａとの間の円弧が稜線部１５ｅを形成している。

このように、ランド部１５の凹曲面は、キャビティ１２の半径Ｒ、トーチジェットｔｊのポテンシャルコア長さＬ及び噴射角度θｔから求められる最小火炎伝搬距離Ｌｐｒｏｐに基づいて規定されている。よって、実際の副室式ガスエンジンの仕様、トーチジェット、寸法に対応したランド部１５を設定することができる。これにより、火炎伝播の遅れが出やすい領域をなくし、火炎伝播の遅れに起因するノッキングを極力回避することができる。

本発明にかかる副室式ガスエンジン用のピストンは、実際のガスエンジンの仕様、寸法に対応したランド部を設定することができ、火炎伝播の遅れが出やすい領域をなくし、火炎伝播の遅れに起因するノッキングを極力回避することができるので、様々な仕様、規格の副室式ガスエンジン用のピストンとして適用され得る高い汎用性を具備する。

１０ ピストン
１０ｔ ピストン頂部
１１ 主燃焼室
１２ キャビティ
１２ｅ 周縁部
１３ 副燃焼室
１４ 噴孔
１５ ランド部
１５ｐ 頂点部
１５ｅ 稜線部
ｔｊ トーチジェット

Claims (6)

1. 副燃焼室で副室用燃料を燃焼して形成したトーチジェットを複数の噴孔を介して主燃焼室に噴射する副室式ガスエンジンにおいて、前記主燃焼室をシリンダヘッド及びシリンダライナと共に規定するピストン頂部を有する副室式ガスエンジン用ピストンであって、
   前記ピストン頂部は、隣り合う前記噴孔の軸線方向間に位置する第１の領域が、前記軸線方向上に位置する第２の領域に比べて高くなるように形成されたランド部を有することを特徴とする副室式ガスエンジン用ピストン。
2. 前記ランド部は、前記ピストン頂部に設けられたキャビティ上に形成され、前記第１の領域における前記キャビディの周縁部から中心軸までの距離が、前記前記第２の領域における前記キャビティの周縁部から中心軸までの距離と比べて小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の副室式ガスエンジン用ピストン。
3. 前記ランド部は前記複数の噴孔に対応して複数設けられており、
   前記複数のランド部は、隣り合う前記噴孔の軸線方向間の中心から同一方向にオフセットされて設けられていることを特徴とする請求項１に記載の副室式ガスエンジン用ピストン。
4. 前記ランド部は、前記噴孔に対向する凹曲面を有することを特徴とする請求項１に記載の副室式ガスエンジン用ピストン。
5. 前記凹曲面の曲率は、前記トーチジェットのポテンシャルコアの先端を中心とし、且つ、前記キャビティの半径Ｒ、前記トーチジェットのポテンシャルコア長さＬ及び噴射角度θｔを用いて次式
   Ｌｐｒｏｐ＝Ｌ×ｓｉｎθｔ
   により定義される最小火炎伝搬距離Ｌｐｒｏｐを半径とする円弧に基づいて規定されることを特徴とする請求項４に記載の副室式ガスエンジン用ピストン。
6. 請求項１乃至５に記載の副室式ガスエンジン用ピストンを備える副室式ガスエンジン。

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