JP2002349265A

JP2002349265A - 副室付ガスエンジンのシリンダヘッド構造

Info

Publication number: JP2002349265A
Application number: JP2001152575A
Authority: JP
Inventors: Kengo Tanaka; 健吾田中; Yoshitaka Sumihama; 義隆角濱; Akira Yokogawa; 彰横川
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-05-22
Filing date: 2001-05-22
Publication date: 2002-12-04

Abstract

(57)【要約】【課題】副室付ガスエンジンの点火時期を進角させて
もノッキングが発生しないシリンダヘッド構造を提供
し、副室付ガスエンジンの高効率化や高出力化を達成す
る。【解決手段】燃焼室の上部に設置されて触火面４０を
形成すると共に、点火プラグ及び燃料供給手段を具備し
た副室が設けられている副室付ガスエンジンのシリンダ
ヘッド構造において、前記触火面４０に、該触火面４０
から突出し副室と燃焼室１２との間を連通させる副室ピ
ン８の軸中心から半径方向外側へ向けて下がる下向きの
傾斜面４１を形成する円錐形凹部４２を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえばビルなど
の常用・非常用発電に用いられ、都市ガスのようなガス
燃料を燃焼させて出力を得る副室付ガスエンジンのシリ
ンダヘッド構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】ビルなどの常用・非常用発電に用いら
れ、都市ガスのようなガス燃料を燃焼させて出力を得る
ガスエンジンは、電力を供給するだけでなく、廃熱を温
水の加熱源などに利用できるため、エネルギの利用効率
に優れている。このようなガスエンジンには、従来より
副室付ガスエンジンと呼ばれている型式のものがある。
図４は従来の副室付ガスエンジンを示す概略構成図、図
５はシリンダヘッドをピストン側から見た図、図６は副
室ピンの周辺構造を示す要部断面図であり、図中の符号
１はピストン、２はシリンダ、３はシリンダヘッド、４
は触火面、５は吸気弁、６は排気弁、７は副室、８は副
室ピン、９は燃料供給弁、１０は点火プラグ、１１は水
室、１２は燃焼室である。

【０００３】この副室付ガスエンジンは４サイクルのレ
シプロエンジンであり、シリンダ２内を上下方向に往復
運動するピストン１と、シリンダ２の上部開口を覆うよ
うに設置されたシリンダヘッド３の触火面４との間に、
混合気を燃焼させる燃焼室１２が形成されている。触火
面４を形成するシリンダヘッド３には、副室７と呼ばれ
る空間部が設けられている。副室７の内部には、副室７
内への燃料供給手段となる燃料供給弁９と、燃料（混合
気）に着火する点火プラグ１０とが設けられている。副
室７の下部には、平坦な触火面４から燃焼室１２内に突
出するように副室ピン８が設置され、複数の貫通孔噴孔
８ａにより副室７の内部と燃焼室１２との間が連通状態
になっている。なお、図示の副室付ガスエンジンは、図
５に示すように、吸気弁５及び排気弁６をそれぞれ２個
備え、これら吸気弁５及び排気弁６の中心位置に副室ピ
ン８を配置した構成となっている。

【０００４】このように構成された副室付ガスエンジン
では、吸気行程において吸気弁５を介して燃焼室１２内
に導入されたガス燃料と空気との混合気が圧縮行程にお
いて圧縮されると、その一部が貫通孔噴孔８ａから副室
７内に流入する。この時、副室７内には燃料供給弁８か
ら供給されたガス燃料が充満しており、このガス燃料と
燃焼室１２から流入した混合気とが混合されることで、
副室７内には理論空燃比に近い混合気が形成される。こ
の状態で副室７内に設置された点火プラグ１０に通電す
ると、理論空燃比に近い混合気が点火されて副室７内で
燃焼し、その炎がトーチジェット１３となって複数の貫
通孔噴孔８ａから燃焼室１２内へ吹き出される（図６参
照）。従って、燃焼室１２内に存在する希薄混合気は、
このトーチジェット１３を強力な着火源として良好に燃
焼する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来構成の副室付ガスエンジンにおいては、省エネルギ等
の観点からより一層の高効率化や高出力化が求められて
いる。高効率化にとっては、点火時期を進角させること
や圧縮比を上げることが有効であることが一般的に知ら
れている。

【０００６】しかしながら、上述した従来の副室付ガス
エンジンでは、点火時期の進角、圧縮比の増大、燃料量
の増大にともない燃焼室内の温度レベルが上がるため、
ノッキングによる燃焼制御不能な状態に陥りやすく、高
出力化や高効率化に限界があった。このようなノッキン
グの発生は、燃焼室内における未燃ガス等の存在による
燃料ガス濃度分布の不均一性や温度分布の不均一性など
が悪影響を及ぼすと考えられている。このため、燃焼室
内における燃料ガスの濃度や温度分布を均一化すること
によりノッキングを抑制し、副室付ガスエンジンの効率
や出力を従来よりも向上させることが望まれる。

【０００７】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
ので、副室付ガスエンジンにおいてノッキングを抑制で
きるシリンダヘッド構造を提供し、副室付ガスエンジン
の高効率化や高出力化を達成することを目的としてい
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、以下の手段を採用した。請求項１に記載の
副室付ガスエンジンのシリンダヘッド構造は、燃焼室の
上部に設置されて触火面を形成すると共に、点火プラグ
及び燃料供給手段を具備した副室が設けられている副室
付ガスエンジンのシリンダヘッド構造において、前記触
火面に、該触火面から突出し前記副室と燃焼室との間を
連通させる副室ピンの軸中心から半径方向外側へ向けて
下がる下向きの傾斜面を形成する第１の凹部を設けたこ
とを特徴とするものである。

【０００９】副室内に供給された燃料は、一部副室内に
収まらずに燃焼室側に流出し、副室噴孔外側に滞留す
る。この燃料ガスが濃度分布の不均一性を生み、ノッキ
ングを引き起こしやすくしていることが考えられたが、
上記のような副室付ガスエンジンのシリンダヘッド構造
によれば、副室ピン周辺の流動が良くなり、副室噴孔外
側における燃料ガスの滞留が少なくなる。さらに、凹部
を形成することで、水室との距離が短くなり、第１の凹
部周辺の温度が下がるため、ノッキングが抑制される。

【００１０】請求項１に記載の副室付ガスエンジンのシ
リンダヘッド構造においては、前記触火面に設置されて
隣接する排気弁間に第２の凹部を設けることが好まし
く、これにより、特に温度の高い排気弁間を水室に近づ
けることにより、排気弁間の温度を下げ、温度分布を均
一にすることができるため、ノッキングが抑制される。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る副室付ガスエ
ンジンのシリンダヘッド構造の一実施形態を図１及び図
２に基づいて説明する。図２は本発明による副室付ガス
エンジンの要部を示す概略構成図であり、図中の符号１
はピストン、２はシリンダ、３０はシリンダヘッド、４
０は触火面、５は吸気弁、６は排気弁、７は副室、８は
副室ピン、９は燃料供給弁、１０は点火プラグ、１１は
水室、１２は燃焼室である。図示の副室付ガスエンジン
は、ガス燃料を燃焼させて運転する４サイクルのレシプ
ロエンジンであり、シリンダ２内を上下方向に往復運動
するピストン１と、シリンダ２の上部開口を覆うように
設置されたシリンダヘッド３０の触火面４０との間に、
燃焼室１２が形成されている。

【００１２】燃焼室１２では、ガス燃料と空気とを燃料
希薄な混合比で混合した混合気を燃焼させ、ガス燃料が
燃焼する際に発生する熱エネルギを回転力に変換して利
用する。すなわち、ガス燃料の熱エネルギは、ピストン
１を押し下げてクランク機構を動作させるので、副室付
ガスエンジンの出力軸（図示省略）では回転力に変換さ
れて出力される。シリンダ２及び燃焼室１２の上部に設
置されるシリンダヘッド３０は、燃焼室上部の触火面４
０を形成すると共に、同触火面４０の上部に位置する副
室７を備えている。副室７と呼ばれる空間部には、副室
７内へガス燃料のみを供給するための燃料供給手段とな
る燃料供給弁９と、副室７内に形成される混合気に着火
する点火プラグ１０とが設けられている。

【００１３】シリンダヘッド３０の下端面となる触火面
４０には、燃焼室１２内に突出するようにして副室ピン
８が設置されている。この副室ピン８は、略Ｕ字形の断
面形状を有する中空部材であり、燃焼室１２内に突出し
た底部には複数の貫通孔噴孔８ａが設けられている。こ
の結果、副室７の内部は、貫通孔噴孔８ａを通して燃焼
室１２と連通状態になっている。なお、貫通孔噴孔８ａ
は、下向きに適当な傾斜角度がつけられ、半径方向外向
きに等ピッチで放射状に設けられている。また、図示の
副室付ガスエンジンは、図１に示すように、吸気弁５及
び排気弁６をそれぞれ２個備えた４弁式であり、これら
吸気弁５及び排気弁６の中心位置（シリンダ２の平面視
中心位置）に副室ピン８の軸中心を配置した構成となっ
ている。

【００１４】上述した触火面４０には、副室ピン８の軸
中心Ｃ１から半径方向外側へ向けて下がる下向きの傾斜
面４１を形成する第１の凹部（以下、円錐形凹部と呼
ぶ）４２が設けられている。この円錐形凹部４２は、平
坦なシリンダヘッド３０の下端面から、副室ピン８の軸
Ｃ１を中心として保ｂ略円錐形状の部材をえぐりとるよ
うに加工して設けたものである。従って、傾斜面４１の
傾斜は加工が容易な直線となるが、他の実施形態では直
線に限定されることはなく、たとえば凹曲面や凸曲面と
することも可能である。ここで、円錐形凹部４２の好適
な形状例は、図１に示すように、シリンダ２の内径（ボ
ア）をＤ、底面直径をｄ、傾斜角度をθとした場合に
は、以下のようになる。ｄ／Ｄ＝０．５０〜０．６０ θ＝５〜２０度なお、上述した底面直径ｄが吸気弁５や排気弁６を配置
した位置と重なる場合には、換言すれば、図１に示す直
径ｄの円が吸気弁５や排気弁６と重なっている領域（直
径ｄの円において想像線で示した部分）では、円錐形凹
部４２の傾斜面４１は吸気弁５及び排気弁６との境界線
で中断されることになる。

【００１５】上述した触火面４０は、隣接する２個の排
気弁６，６間に、さらに第２の凹部（以下、弁間凹部と
呼ぶ）４３が設けられている。この弁間凹部４３は、触
火面４０から欠円柱形状の部材をえぐりとるように加工
して設けたものである。図示の例では、図１（ｂ）に示
すように、断面視において中心Ｃ２から半径ｒの円を描
くように加工して平坦な触火面４０から欠円柱部材を除
去し、触火面４０が円弧曲面の弁間凹部４３を形成して
ある。副室ピン８の軸中心Ｃ１から中心Ｃ２までの距離
をｘとする。弁間凹部４３の中心Ｃ２は、弁間凹部４３
の半径方向長さＬを２等分する位置にあり、従って、副
室ピン８の軸中心Ｃ１から距離ｘの位置にある弁間凹部
４３の部分が最も深くえぐられている。なお、図示の例
では、機械加工が容易なことから触火面４０を円弧曲面
としてあるが、同一深さにえぐった平面の弁間凹部４３
にしてもよい。

【００１６】上述した弁間凹部４３の好適な形状例は、
シリンダ２の内径をＤ、距離をｘ、半径方向長さをＬと
すれば、以下のようになる。ｘ／Ｄ＝０．２０〜０．３０Ｌ／Ｄ＝０．２０〜０．３０なお、上述した弁間凹部４３が排気弁６を設けた位置と
重なる場合には、換言すれば、図１に示す平面視矩形状
の弁間凹部４３が排気弁６と重なっている領域（想像線
で示した長辺部分）では、弁間凹部４３は排気弁６との
境界線で中断されることになり、さらに、弁間凹部４３
が円錐形凹部４２と重なる場合には、えぐりが深い方の
凹部を形成する。

【００１７】上述した構成の副室付ガスエンジンのシリ
ンダヘッド構造とすれば、吸気行程において吸気弁５を
介して燃焼室１２内に導入されたガス燃料と空気との希
薄な混合気が圧縮行程において圧縮されると、その一部
が貫通孔噴孔８ａから副室７内に流入する。この時、副
室７内には燃料供給弁８から供給されたガス燃料が充満
しており、このガス燃料と燃焼室１２から流入した希薄
混合気とが混合されることで、副室７内には理論空燃比
に近い混合気が形成される。この状態で副室７内に設置
された点火プラグ１０に通電すると、理論空燃比に近い
混合気が点火されて副室７内で燃焼し、その炎がトーチ
ジェット１３となって複数の貫通孔噴孔８ａから燃焼室
１２内へ吹き出される（図６参照）。従って、燃焼室１
２内に存在する大部分の希薄混合気は、このトーチジェ
ット１３を強力な着火源として良好に燃焼する。

【００１８】副室７内で余剰となった燃料ガスが燃焼室
１２内に流出した場合、円錐形凹部４２の傾斜面４１に
導かれることによって流出した燃料ガスの分散を促進す
る。さらに、凹部を形成することで水室１１との距離が
短くなり、円錐形凹部４２の温度が下がるため、ノッキ
ングが抑制される。

【００１９】また、弁間凹部４３を設けると、図２に示
すように、従来構造では他の部分よりも高温となってい
た排気弁６周辺の触火面４０がエンジン冷却水を流して
いる水室１１に近づくため、温度が低下し、燃焼室内の
温度分布が均一化するため、ノッキングが抑制される。
なお、上述した円錐形凹部４２は、単独で設けても燃料
ガスの滞留抑制（分散促進）効果を発揮してノッキング
の抑制が可能となり、一方、弁間凹部４３は、円錐凹部
４２と併用することでノッキングの抑制効果をより一層
向上させることができる。

【００２０】図３は、上述した円錐形凹部４２及び弁間
凹部４３を設けたシリンダヘッド３０を備えた副室付ガ
スエンジンについて、実際に運転実験を実施して点火時
期と熱効率との関係を求めたグラフである。この実験結
果によれば、ノッキングの抑制により点火時期を従来よ
り１〜２度進角できるため、熱効率が０．３％程度向上
する。なお、本発明の構成は上述した実施形態に限定さ
れるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内に
おいて適宜変更することができる。

【００２１】

【発明の効果】本発明の副室付ガスエンジンのシリンダ
ヘッド構造によれば、シリンダヘッドの触火面をえぐる
ように加工して円錐形凹部を設けたので、同円錐形凹部
の流動性が向上して燃料ガスの滞留抑制（分流促進）効
果が得られ、燃焼室内の混合気濃度が均一化する。ま
た、凹部を形成することで水室との距離が短くなり、円
錐形凹部周辺の温度が下がるため、ノッキングが抑制さ
れる。さらに、従来構造では他の部分よりも高温となっ
ていた排気弁間の触火面をえぐるように加工して弁間凹
部を設けたので、同弁間凹部の触火面と水室との間がづ
いて温度が低下し、燃焼室内の温度分布が均一化するた
め、ノッキングが抑制される。ノッキングの抑制によ
り、従来より高効率、高出力化を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る副室付ガスエンジンのシリンダ
ヘッド構造の一実施形態を示すもので、（ａ）はシリン
ダヘッドをシリンダ側から見た図、（ｂ）は（ａ）のＡ
−Ａ断面図である。

【図２】本発明に係る副室付ガスエンジンのシリンダ
ヘッド構造を示す要部断面図である。

【図３】本発明に係る副室付ガスエンジンのシリンダ
ヘッド構造に係る点火時期と熱効率との関係を示すグラ
フである。

【図４】従来の副室付ガスエンジンのシリンダヘッド
構造を示す要部断面図である。

【図５】図４の副室付ガスエンジンのシリンダヘッド
をシリンダ側から見た図である。

【図６】図４の副室ピン周辺構造を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１ピストン２シリンダ５吸気弁６排気弁７副室８副室ピン１２燃焼室３０シリンダヘッド４０触火面４１傾斜面４２第１の凹部（円錐形凹部）４３第２の凹部（弁間凹部）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者横川彰神奈川県相模原市田名3000番地三菱重工業株式会社汎用機・特車事業本部内Ｆターム(参考） 3G023 AA02 AA06 AB01 AC03 AC04 AC07 AD07 AD10 AD21 AD29 3G024 AA03 AA06 AA16 DA03 DA06 DA08 DA28 EA13 FA00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼室の上部に設置されて触火面を形
成すると共に、点火プラグ及び燃料供給手段を具備した
副室が設けられている副室付ガスエンジンのシリンダヘ
ッド構造において、前記触火面に、該触火面から突出し前記副室と燃焼室と
の間を連通させる副室ピンの軸中心から半径方向外側へ
向けて下がる下向きの傾斜面を形成する第１の凹部を設
けたことを特徴とする副室付ガスエンジンのシリンダヘ
ッド構造。
【請求項２】前記触火面に設置されて隣接する排気
弁間に第２の凹部を設けたことを特徴とする請求項１に
記載の副室付ガスエンジンのシリンダヘッド構造。