JP2005194971A - Piston for gas engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガス燃料をピストン上部に区画形成された燃焼室に供給して燃焼させるガスエンジンに適用され、前記燃焼室の裏側に冷却室を備えたガスエンジンのピストンに関する。 The present invention relates to a piston of a gas engine that is applied to a gas engine that supplies gas fuel to a combustion chamber defined in the upper part of a piston and burns it, and that has a cooling chamber on the back side of the combustion chamber.
直接噴射式ディーゼルエンジンや、ガス燃料をピストン上部に区画形成された燃焼室に供給して燃焼させるガスエンジンにおいては、前記燃焼室の外周部を中央部よりも深く形成し該外周部に向けて燃料を噴射しあるいはガス噴流を噴出させるようにした所謂リエントラント燃焼室を備えたピストンが多く用いられている(これに類似する先行技術文献として特許文献1がある)。 In a direct injection type diesel engine or a gas engine in which gas fuel is supplied to a combustion chamber defined in the upper part of the piston and burned, the outer peripheral portion of the combustion chamber is formed deeper than the central portion and directed toward the outer peripheral portion. Many pistons having a so-called reentrant combustion chamber that injects fuel or jets a gas jet are used (Patent Document 1 is similar to this).
図3はかかるリエントラント燃焼室を備えたガスエンジン用ピストンの1例を示すピストン上部近傍の断面図である。
図において、100はピストン、21はシリンダライナ、20はシリンダヘッド、22は該シリンダヘッド20の中心部に形成され副室ガストーチ着火がなされる副室、23は該トーチ着火ガス噴出用の噴孔を備えた副室口金、24は前記副室22へのトーチ着火ガス通路を開閉する副室弁、25は副室22内のガスに点火してトーチ着火をなさしめる点火プラグである。
FIG. 3 is a sectional view in the vicinity of the upper part of the piston showing an example of a piston for a gas engine provided with such a reentrant combustion chamber.
In the figure, 100 is a piston, 21 is a cylinder liner, 20 is a cylinder head, 22 is a sub chamber formed in the center of the
前記ピストン100において、31は燃焼室、01は該燃焼室を区画形成する燃焼面である。該燃焼室31は外周部01bを中央部01aよりも深く形成して前記副室22からのトーチ着火ガスを外周部01bに向けて噴出するようにしたリエントラント形式に構成されている。02はピストンの上面、014は外周肩部、101はピストン中心、32はピストンピン穴である。
04はピストン内部の前記燃焼室31の裏側に環状に形成された冷却室で、潤滑油通路(図示省略)から供給された冷却液としての潤滑油が該冷却室04内を流動してピストンを冷却するようになっている。10b、10cはリング溝10aに夫々嵌合された第1、第2ピストンリング、11はオイルリングである。
04 is a cooling chamber formed in an annular shape on the back side of the
図3に示されるリエントラント形式の燃焼室31を備えたピストンにあっては、燃焼室31の外周部01bを中央部01aよりも深く形成しているため、環状の前記冷却室04は深さの深い外周部01bの裏側つまり下方に位置することとなり、これにより最高温度発生部である外周肩部014と前記冷却室04との距離が大きくなり、該外周肩部014の温度が上昇する。
このため、前記第1ピストンリング10bの温度が上昇して該第1ピストンリング10bの焼き付きが発生し易くなる。
In the piston having the reentrant
For this reason, the temperature of the
かかる焼き付きの発生を防止するため、図3に示される従来技術にあっては、該第1ピストンリング10bの高さ位置つまり図3においてピストン上面02からの距離H0を大きくして該第1ピストンリング10bを下方に位置せしめ、高温の外周肩部014から遠ざけるとともに前記冷却室04に近づけることにより該第1ピストンリング10bの温度を下げている。
In order to prevent the occurrence of such seizure, in the prior art shown in FIG. 3, the height position of the
しかしながら、前記のように第1ピストンリング10bを下方に位置せしめて該第1ピストンリング10bの高さ位置(距離H0)を増大すると、ピストン100の上部外周面即ちピストン上面02と該第1ピストンリング10bとの間の距離H0部分の外周面と前記シリンダライナ21内面との間に形成されるリング上部隙間30の容積が増大する。
However, if the
このため前記従来のピストン100を備えたガスエンジンにあっては、前記のようなリング上部隙間30の容積増大によって、該リング上部隙間30内に滞留する未燃ガスの量が増大しノッキングが発生し易くなってエンジンの性能及び運転性の低下を引き起こすとともに、前記未燃ガス量の増大によりエンジンの燃料消費率が増大し、さらには未燃ガス排出量の増大に伴う排気ガス状態の悪化を引き起こす。
For this reason, in the gas engine provided with the
またかかる従来技術にあっては、前記のように冷却室04が深さの深い前記外周部01bの下方に位置して前記外周肩部014と冷却室04との距離が大きくなることにより、外周肩部014の冷却が十分になされず該外周肩部014の温度が上昇して、熱応力の増大や該外周肩部014の過熱による焼損が発生し易い、
等の問題点を有している。
Further, in this conventional technique, the
And so on.
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、ピストン外周肩部の冷却効果を向上せしめ、第1ピストンリングの高さ位置を小さくしてリング上部隙間の容積を減少せしめ、該リング上部隙間内に滞留する未燃ガス量を低減することにより、ノッキングの発生に伴うエンジン性能及び運転性の低下並びに排気ガス状態の悪化を防止するとともに燃料消費率を低減し、さらには外周肩部の高温化による熱応力の増大や外周肩部の焼損の発生を防止し得るガスエンジンのピストンを提供することを目的とする。 In view of the problems of the prior art, the present invention improves the cooling effect of the outer peripheral shoulder of the piston, reduces the height position of the first piston ring, reduces the volume of the ring upper gap, and stays in the ring upper gap. By reducing the amount of unburned gas to be generated, the engine performance and operability associated with knocking are prevented from being deteriorated and the exhaust gas state is prevented from being deteriorated. An object of the present invention is to provide a gas engine piston capable of preventing an increase in stress and the occurrence of burnout of the outer peripheral shoulder.
本発明はかかる課題を解決するため、請求項1の発明として、ガス燃料をピストンの燃焼面に区画形成された燃焼室に供給して燃焼させるガスエンジン用のピストンであって、前記燃焼室の裏側に冷却液が供給される冷却室を備えたガスエンジンのピストンにおいて、前記燃焼室を前記燃焼面の外周上部から中心部に亘り深さが連続的に増大するように構成するとともに、前記燃焼面の曲率半径RをR/D≧0.2(Dはシリンダ内径)とした燃焼室形状を有し、前記冷却室と燃焼室面との距離tをt/D≦0.08とし、さらに、第一圧縮ピストンリングの頂面からの高さHをH/D≦0.1に構成したことを特徴とするガスエンジンのピストンを提案する。 In order to solve such a problem, the present invention provides a piston for a gas engine in which gas fuel is supplied to a combustion chamber defined on the combustion surface of the piston and burned. In a piston of a gas engine having a cooling chamber to which a coolant is supplied on the back side, the combustion chamber is configured so that the depth continuously increases from the outer peripheral upper portion to the center of the combustion surface, and the combustion A combustion chamber shape having a curvature radius R of the surface of R / D ≧ 0.2 (D is a cylinder inner diameter), a distance t between the cooling chamber and the combustion chamber surface being t / D ≦ 0.08, Then, a gas engine piston is proposed in which the height H from the top surface of the first compression piston ring is configured to satisfy H / D ≦ 0.1.
請求項1において、好ましくは請求項2あるいは3のように構成する。
即ち、請求項2においては、前記燃焼室を、前記ピストン上面の外周部を底面半径としピストン中心部を頂部とする逆円錐体状に形成しその逆円錐面を燃焼室中央部において滑らかな球殻面で接続する。
また請求項3においては、前記燃焼室を、前記ピストン上面の外周部から燃焼室中央部にかけて一定の曲率半径で接続した球殻状に形成する。
In Claim 1, it is preferably configured as in
That is, according to the second aspect of the present invention, the combustion chamber is formed in an inverted cone shape with the outer peripheral portion of the upper surface of the piston as the bottom radius and the central portion of the piston as the top portion, and the reverse conical surface is a smooth sphere at the central portion of the combustion chamber. Connect with shell surface.
According to a third aspect of the present invention, the combustion chamber is formed in a spherical shell shape connected at a constant radius of curvature from the outer peripheral portion of the upper surface of the piston to the central portion of the combustion chamber.
かかる発明によれば、燃焼室を、請求項2の逆円錐体と球殻との組み合わせあるいは請求項3の球殻状のような、燃焼面の外周上部から中心部に亘り深さが連続的に増大するように形成するとともに燃焼面と冷却室の上面との間の天板の厚さを一定の厚さに形成することにより、冷却室をピストン外周寄りのピストン上面に近い位置に形成して、該冷却室を最高温度発生部である外周肩部に近づけて形成することが可能となる。これによりピストン外周肩部の冷却効果が向上する。
According to this invention, the depth of the combustion chamber is continuous from the outer peripheral upper part to the center of the combustion surface as in the combination of the inverted cone of claim 2 and the spherical shell, or the spherical shell shape of
また、前記冷却室の外周面とピストンリングのリング溝内周との間の外周環状部の厚さを、表面(燃焼面)にガス圧が作用する天板の厚さよりも小さい最小限の厚さに形成したので、ピストンリングの冷却室内の冷却液からの冷却作用が促進される。
従って、前記冷却室によるピストン外周肩部の冷却効果及びピストンリングの冷却効果の向上により、第1ピストンリングの温度上昇を招くことなく該第1ピストンリングを外周肩部に近づけることが可能となり、該第1ピストンリングの高さ位置を小さくすることができてリング上部隙間の容積を減少することができる。
The thickness of the outer peripheral annular portion between the outer peripheral surface of the cooling chamber and the inner periphery of the ring groove of the piston ring is set to a minimum thickness smaller than the thickness of the top plate on which the gas pressure acts on the surface (combustion surface). Therefore, the cooling action from the coolant in the cooling chamber of the piston ring is promoted.
Therefore, by improving the cooling effect of the piston outer shoulder by the cooling chamber and the cooling effect of the piston ring, it becomes possible to bring the first piston ring closer to the outer shoulder without causing an increase in the temperature of the first piston ring, The height position of the first piston ring can be reduced, and the volume of the ring upper gap can be reduced.
かかるリング上部隙間の容積減少によって、該リング上部隙間内に滞留する未燃ガス量を低減することが可能となって、該未燃ガスの量の増大によるノッキングの発生及びこれに伴うエンジン性能及び運転性の低下を防止することができる。
また、前記未燃ガス量の増大によるエンジンの燃料消費率の増大を回避することができるとともに、未燃ガス排出量の増大に伴う排気ガス状態の悪化を防止することができる。
By reducing the volume of the ring upper gap, it is possible to reduce the amount of unburned gas remaining in the ring upper gap, causing the occurrence of knocking due to the increase in the amount of unburned gas, and the accompanying engine performance, A decrease in drivability can be prevented.
Further, it is possible to avoid an increase in the fuel consumption rate of the engine due to the increase in the amount of unburned gas, and it is possible to prevent the exhaust gas state from deteriorating due to an increase in the amount of unburned gas discharged.
さらには、前記のように冷却室を最高温度発生部である外周肩部に近づけて形成することが可能となるので、該外周肩部の冷却効果が向上する。これにより該外周肩部の高温化を回避できて、該外周肩部の高温化による外周肩部近傍における熱応力の増大や外周肩部の焼損の発生を防止することができる。 Furthermore, as described above, the cooling chamber can be formed close to the outer peripheral shoulder which is the maximum temperature generating portion, so that the cooling effect of the outer peripheral shoulder is improved. As a result, it is possible to avoid the high temperature of the outer peripheral shoulder, and to prevent an increase in thermal stress in the vicinity of the outer peripheral shoulder due to the high temperature of the outer peripheral shoulder and the occurrence of burnout of the outer peripheral shoulder.
以上記載の如く本発明によれば、ピストンの燃焼室を、請求項2の逆円錐体と球殻との組み合わせあるいは請求項3の球殻状のような、燃焼面の外周上部から中心部に亘り深さが連続的に増大するように形成するとともにピストンの天板厚さを一定厚さに形成することにより、冷却室を最高温度発生部である外周肩部に近づけて形成することが可能となり、これによりピストン外周肩部の冷却効果が向上する。
また、冷却室とリング溝内周との間に形成される外周環状部の厚さを、表面にガス圧が作用する天板の厚さよりも小さい最小限の厚さに形成したことにより、ピストンリングの冷却作用が促進される。
As described above, according to the present invention, the combustion chamber of the piston is arranged from the upper part of the outer periphery of the combustion surface to the central part, such as the combination of the inverted cone of claim 2 and the spherical shell. It is possible to form the cooling chamber close to the outer peripheral shoulder, which is the maximum temperature generation part, by forming the span continuously increasing and forming the piston top plate thickness to a constant thickness. As a result, the cooling effect on the outer peripheral shoulder of the piston is improved.
In addition, since the thickness of the outer peripheral annular portion formed between the cooling chamber and the inner periphery of the ring groove is set to a minimum thickness smaller than the thickness of the top plate on which the gas pressure acts on the surface, the piston The cooling action of the ring is promoted.
従って、冷却室によるピストン外周肩部及びピストンリングの冷却効果の向上により、第1ピストンリングの温度上昇を招くことなく第1ピストンリングの高さ位置を小さくすることができて、リング上部隙間の容積を減少することができる。
そして、かかるリング上部隙間の容積減少によって、該リング上部隙間内に滞留する未燃ガス量を低減することが可能となって、該未燃ガスの量の増大によるノッキングの発生及びこれに伴うエンジン性能及び運転性の低下を防止することができ、また前記未燃ガス量の増大によるエンジンの燃料消費率の増大を回避することができ、さらに未燃ガス排出量の増大に伴う排気ガス状態の悪化を防止することができる。
Therefore, by improving the cooling effect of the piston outer periphery shoulder and the piston ring by the cooling chamber, the height position of the first piston ring can be reduced without incurring a temperature rise of the first piston ring, and the ring upper gap The volume can be reduced.
And, by reducing the volume of the ring upper gap, it becomes possible to reduce the amount of unburned gas that stays in the ring upper gap, and the occurrence of knocking due to the increase in the amount of unburned gas and the accompanying engine It is possible to prevent a decrease in performance and operability, to avoid an increase in the fuel consumption rate of the engine due to the increase in the amount of unburned gas, and to reduce the exhaust gas state accompanying an increase in the amount of unburned gas discharged. Deterioration can be prevented.
また、前記のように冷却室を最高温度発生部である外周肩部に近づけて形成することが可能となるので、該外周肩部の冷却効果が向上されて該外周肩部の高温化を回避でき、該高温化による外周肩部近傍における熱応力の増大や外周肩部の焼損の発生を防止することができ、ピストンの耐久性が向上する。 Further, as described above, the cooling chamber can be formed close to the outer peripheral shoulder which is the maximum temperature generating portion, so that the cooling effect of the outer peripheral shoulder is improved and the high temperature of the outer peripheral shoulder is avoided. It is possible to prevent an increase in thermal stress in the vicinity of the outer peripheral shoulder due to the increase in temperature and the occurrence of burnout of the outer peripheral shoulder, thereby improving the durability of the piston.
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。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、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。 Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention unless otherwise specified, but are merely illustrative examples. Not too much.
図1は本発明の第1実施例に係るガスエンジン用ピストンのピストン上部近傍の断面図、図2は第2実施例を示す図1対応図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view of the vicinity of an upper portion of a piston for a gas engine according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a view corresponding to FIG.
第1実施例を示す図1において、100はピストンで、シリンダライナ21の内面に沿って往復摺動する。20はシリンダヘッド、22は該シリンダヘッド20の中心部に形成され副室ガストーチ着火がなされる副室、23は該トーチ着火ガス噴出用の噴孔を備えた副室口金、24は前記副室22へのトーチ着火ガス通路を開閉する副室弁、25は副室22内のガスに点火してトーチ着火をなさしめる点火プラグである。
In FIG. 1 showing the first embodiment,
31は前記ピストン100の上部に形成された燃焼室、1は該燃焼室31を区画形成する燃焼面(触火面)、2はピストンの上面、14は外周肩部、101はピストン中心、32はピストンピン穴である。
10b、10cは前記ピストン100のリング溝10aに夫々嵌合された第1、第2ピストンリング、11はオイルリングである。
該燃焼室31は、R/D≧0.2(Dはシリンダ内径)なる燃焼室形状を有し、ピストン100の上面2の外周部を底面半径としピストン中心101を頂部とする大きな曲率半径Rの逆円錐体状に形成され、逆円錐状の円錐状面1aの曲率半径を燃焼室31中央部において曲率半径R0の球殻面1bで滑らかに接続して形成され、前記燃焼面1の上面2外周部からピストン中心101に亘り深さが連続的に増大するようになっている。
31 is a combustion chamber formed in the upper part of the
The
4はピストン内部の前記燃焼室31の裏側に環状に形成された冷却室である。該冷却室4の冷却室上面5と前記燃焼面1との間の壁部つまり天板部3の厚さは冷却室と燃焼室面との距離tをt/D≦0.08とする最小厚さに形成されている。
また、前記冷却室4の円筒表面に形成された冷却室外周面6を前記第1ピストンリング10bが嵌挿されるリング溝10aに近接せしめ、該冷却室外周面6と前記第1ピストンリング10b及び第2ピストンリング10cのリング溝10a内周との間に形成される外周環状部12の厚さSを前記天板部3厚さtよりも小さく形成する。
さらに前記冷却室4の前記外周肩部14側内面には丸み7を形成し、内周側内面には丸み8を形成して、応力集中の少ない滑らかな内面形状としている。
Further, the cooling chamber outer peripheral surface 6 formed on the cylindrical surface of the
Further, a
図2に示される第2実施例においては、前記燃焼室31を、ピストン100の上面2外周部から該燃焼室31中央部にかけて一定の曲率半径R0で接続した球面を燃焼面1とした球殻状に形成している。そして該燃焼面1と前記冷却室4の冷却室上面5との間の壁部つまり天板部3の厚さは最小厚さtに形成される。
その他の構成は図1に示される第1実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
In the second embodiment shown in FIG. 2, a spherical surface in which the
Other configurations are the same as those of the first embodiment shown in FIG. 1, and the same members are denoted by the same reference numerals.
かかる構成からなるピストンにおいて、前記冷却室4内には冷却液としての潤滑油が流動し、該ピストン100の天板部3、外周肩部14、外周環状部12を介して第1ピストンリング10b及び第2ピストンリング10c等の高温部を冷却する。
しかして、かかる実施例においては、ピストン100上部の燃焼室31を、第1実施例のように円錐状面1a及び球殻面1bからなる逆円錐体と球殻との組み合わせ、あるいは第2実施例のように一定の曲率半径R0からなる球殻状体のような、燃焼面1の外周上部から中心部に亘り深さが連続的に増大するように形成するとともに前記天板部の厚さを最小厚さtに形成したので、冷却室4をピストン100外周寄りのピストン上面2に近い位置に設置するのが可能となる。
In the piston having such a configuration, lubricating oil as a coolant flows in the
Therefore, in this embodiment, the
これにより、該冷却室4を最高温度発生部である外周肩部14に近づけて形成することが可能となり、該ピストン外周肩部14の冷却効果が向上し、該外周肩部14近傍の温度が低下する。
また、前記冷却室4の冷却室外周面6と第1、第2ピストンリング10b、10cのリング溝10a内周との間の外周環状部12の厚さを、表面(燃焼面1)にガス圧が作用する天板部3の厚さtよりも小さい最小限の厚さSに形成したので、ピストンリング10b、10cの冷却室4内の冷却液からの冷却作用が促進される。
As a result, the cooling
Further, the thickness of the outer peripheral annular portion 12 between the cooling chamber outer peripheral surface 6 of the
従って、前記冷却室4によるピストン外周肩部14の冷却効果及び外周環状部12を介しての第1ピストンリング10b及び第2ピストンリング10cの冷却効果の向上により、第1ピストンリング10bの温度上昇を招くことなく該第1ピストンリング10bをピストン100の外周肩部14に近づけることが可能となる。
これにより、該第1ピストンリング10bの高さ位置HをH/D≦0.1に小さくすることができ、リング上部隙間30の容積を減少することができる。
Therefore, the temperature of the
Thereby, the height position H of the
そして、かかるリング上部隙間30の容積減少によって、該リング上部隙間30内に滞留する未燃ガス量を低減することが可能となって、該未燃ガスの量の増大によるノッキングの発生を防止することができる。
また、前記未燃ガス量の増大によるエンジンの燃料消費率の増大を回避することができ、さらに該未燃ガス排出量の増大に伴う排気ガス状態の悪化を防止することができる。
The volume reduction of the ring
Further, it is possible to avoid an increase in the fuel consumption rate of the engine due to the increase in the amount of unburned gas, and it is possible to prevent the deterioration of the exhaust gas state due to the increase in the amount of unburned gas discharged.
また、前記のように冷却室4を最高温度発生部である外周肩部14に近づけて形成することが可能となるので、該外周肩部14の冷却効果が向上し該外周肩部14の高温化が回避される。
これにより、該外周肩部14の高温化による該外周肩部14近傍における熱応力の増大や該外周肩部14の焼損の発生を防止することができる。
Further, as described above, the cooling
As a result, it is possible to prevent an increase in thermal stress in the vicinity of the outer
ノッキングの発生に伴うエンジン性能及び運転性の低下並びに排気ガス状態の悪化を防止するとともに燃料消費率を低減するガスエンジンを提供できる。 It is possible to provide a gas engine that can prevent deterioration in engine performance and operability due to occurrence of knocking and deterioration in exhaust gas state and reduce the fuel consumption rate.
1 燃焼面
1a 円錐状面
1b 球殻面
2 上面
3 天板部
4 冷却室
5 冷却室上面
6 冷却室外周面
10a リング溝
10b 第1ピストンリング
10c 第2ピストンリング
14 外周肩部
20 シリンダヘッド
21 シリンダライナ
30 リング上部隙間
31 燃焼室
100 ピストン
101 ピストン中心
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