JP2008286143A - 副室式ガスエンジン用のピストン - Google Patents

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晋亮 村上
Michiyasu Ishida
道靖 石田
良胤 ▲高▼島
Yoshitsugu Takashima
Ryuichi Tominaga
隆一 冨永
Hiroshi Yamawaki
宏 山脇
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Abstract

【課題】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のスキッシュ部が形成された副室式ガスエンジンのピストンにおいて、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との比を特定することによって、燃焼効率の低下、排気ガスの状態の悪化、ノッキングの発生等を防止した副室式ガスエンジンのピストンを提供する。
【解決手段】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、副室内で生成された燃焼伝播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、前記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に設定したことを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃焼ピストの上死点(以下TDCという)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及びスキッシュ部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関する。
副室式ガスエンジンは、予混合の希薄燃焼ガスを燃焼させるために、燃焼ピストンの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が形成されていることから、かかるスキッシュ部とピストン上部の形状の組み合わせが、エンジン性能に大きく作用する。
図4に示されるような副室式ガスエンジンでは、副室12内で生成された火炎を、副室12の副室噴孔13から燃焼室15内に噴出させるため、副室噴孔13からのトーチ状の火炎ジェット18が、遠くまで且つ均一に到達することを必要とする。
然るにかかる副室式ガスエンジンにおいては、ピストン1のTDCにおいて、TDCにおけるピストン上縁面1aとシリンダカバー3の下面3aとの間の、シリンダライナ4寄りの部分に、スキッシュ部6が形成されている。
このため、かかる副室式ガスエンジンでは、従来は、ピストン1の上部に形成される皿状キャビティー1bのキャビティー径Bsを適度に小さくし、スキッシュ部6を適度に大きく採ることによりスキッシュ流を発生させ、燃焼を促進する手法が効果的であるとされてきた。
しかしながら、かかる手法では、エンジンのシリンダ内径Bが小さい場合は有効であるが、シリンダ内径Bが一定量を超えると、副室12内で生成されて副室12の副室噴孔13から燃焼室15内に噴出される火炎ジェット18は、皿状キャビティー1bからなる燃焼室15に拡散されるとともに、ピストン1上部に形成されるスキッシュ部6にも拡散されるが、シリンダ内径Bが大きいため、トーチ状の火炎ジェット18がスキッシュ部6の奥まで十分に到達せず、さらに、ピストンの皿状キャビティー1bの稜線部の形状が滑らかでない場合には、スキッシュ部6の奥まで十分に到達しにくく、図4のA矢印方向の火炎伝播が十分に行われない問題を有していた。
従って、シリンダ内径Bが大きくなるほど、スキッシュ部6に溜まる未燃の混合気6aが多くなる傾向を有していた。尚、2はピストンリングである。
このように、シリンダ内径Bが大きくなるほど、混合気6aが未燃のままスキッシュ部6に溜まってしまい、燃焼効率を低下させる。また、スキッシュ部6に溜まった未燃の混合気6aが大気中に放出されるため、排気ガスの状態が悪化する。
また、前記スキッシュ部6への火炎ジェット18の到達が遅れることは、該スキッシュ部6に溜まった未燃の混合気6aが不規則な時期に突然燃焼し易くなり、いわゆるノッキングの発生を誘起する。
尚、特許文献1(特開平7−102982号公報)には、少なくとも高負荷域で吸気弁閉時期を下死点後65°以上遅く設定するとともに、燃焼室を構成する部分にスキッシュエリアを形成し、1気筒当たりのシリンダボア断面積に対するスキッシュエリアの面積を15%〜25%に設定している。これにより、吸気弁閉時期を下死点後65°以上遅くしたことに対応した適度のスキッシュ流を与えて、燃焼状態を良好にしている。
特開平7−102982号公報
前記したように、図4に示されるような副室式噴射ガスエンジンにあっては、シリンダ内径Bが一定量を超えると、副室12内から燃焼室15内に噴出される火炎ジェット18は、皿状キャビティー1bからなる燃焼室15に拡散されるとともに、ピストン1上部に形成されるスキッシュ部6にも拡散されるが、シリンダ内径Bが大きくスキッシュ部が長いため、トーチ状の火炎ジェット18がスキッシュ部6の奥まで十分に到達せず、さらに、ピストンの皿状キャビティー1bの稜線部の形状が滑らかでない場合には一層火炎伝播が行われにくくなる。
従って、シリンダ内径Bが大きくなるほど、スキッシュ部6に溜まる未燃の混合気6aが多くなる。
このように、シリンダ内径Bが大きくなるほど、火炎伝播がスキッシュ部6の奥まで十分に到達しにくくなり、スキッシュ部6内の混合気6aが未燃のまま残留することにより、燃焼効率が低下する。
即ち、副室噴孔13からのトーチ状の火炎ジェット18がスキッシュ部6の奥まで十分に到達しないことから、図4のA矢印方向の火炎伝播が十分になされず、スキッシュ部6に溜まった混合気6aが未燃のまま残留することにより、燃焼効率が低下する。
またスキッシュ部6に溜まった未燃の混合気6aが大気中に放出されるため、排気ガスの状態が悪化する。
さらに、該スキッシュ部6に溜まった未燃の混合気6aが不規則な時期に突然燃焼し易くなり、いわゆるノッキングの発生を誘起する。
このように、副室式ガスエンジンにおいては、ピストン1のTDCにおけるピストン上縁面1aとシリンダカバー3の下面3aとの間の、シリンダライナ4寄りの部分に、スキッシュ部6が形成されているために、前記のような主々の不具合が発生する。
しかしながら、かかる不具合が、ピストン1の皿状キャビティー1bの形状及び前記スキッシュ部6に臨む側のピストン上縁面1aの平行長さTとの関係と、どのような関係があるのかは、明らかになっていない。
尚、特許文献1には、少なくとも高負荷域で吸気弁閉時期を下死点後65°以上遅く設定するとともに燃焼室を構成する部分にスキッシュエリアを形成し、1気筒当たりのシリンダボア断面積に対するスキッシュエリアの面積を15%〜25%に設定しているが、特許文献1にはスキッシュエリアの平面形状についての記載があるのみである。
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、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スキッシュ部が形成された副室式ガスエンジンのピストンにおいて、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との比を特定することによって、スキッシュ部に混合気が未燃のまま残留するのを回避して、未燃混合気による燃焼効率の低下、未燃の混合気が大気中に放出されるため排気ガスの状態の悪化、該スキッシュ部に溜まった未燃の混合気が不規則な時期に突然燃焼し易くなっていわゆるノッキング、等の発生を防止した副室式ガスエンジンのピストンを提供することを目的とする。
本発明はかかる課題を解決するもので、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伝播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、前記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に設定したことを特徴とする。
かかる発明において、好ましくは次のように構成する。
(1)皿状キャビティーの終焉部とスキッシュ部に臨む側のピストン上縁面との間にR部が形成され、前記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、0.04≦T/B≦0.05に設定したことを特徴とする。
(2)シリンダ内径Bが250≦B≦350(単位mm)のとき、最適なスキッシュ部のピストン上縁面の平行長さTは17.5≦T≦24.5(単位mm)に設定したことを特徴とする。
副室式ガスエンジンでは、前記のように、シリンダ内径が一定量を超えると、副室内から燃焼室内に噴出される火炎ジェットは皿状キャビティーからなる燃焼室に拡散されるとともに、ピストン上部に形成されるスキッシュ部にも拡散されるが、シリンダ内径Bが大きくなるほど、トーチ状の火炎ジェットがスキッシュ部の奥まで十分に到達しにくく、さらに、ピストンの皿状キャビティーの稜線部の形状が滑らかでない場合には一層火炎伝播が行われにくくなる。
従って、シリンダ内径Bが大きくなるほど、スキッシュ部に溜まる未燃の混合気が多くなり、燃焼効率が低下する。
然るに、本発明においては、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燃焼伝播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に設定したので、
ピストン上縁面の平行長さTとシリンダ内径Bとの割合のT/Bを、常時一定に保持し、シリンダ内径Bが増加するとそれに応じて前記平行長さTも増加し、シリンダ内径Bが減少するとそれに応じて前記平行長さTも減少させることにより、T/B≦0.07の範囲に保持する。
即ち、T/B≦0.07を保持しながら、シリンダ内径Bに応じて平行長さTを変化させることとなるので、シリンダ内径Bが大きくなればそれに応じて平行長さTを長くして、T/B≦0.07を常時一定に保持する。
この、0<T/B≦0.07なる関係は次のようにして設定される。
図3は未燃THC(トータル炭化水素)排出量:Bと、エンジン熱効率:Aと、T/Bとの関係を示す実験データである。同図に示すように、T/B=0.07を超えると、未燃THC排出量:Bが増大するとともに、エンジン熱効率:Aが低下する。従って0<T/B≦0.07以内が適切な領域となる。
従って、副室式ガスエンジンにおいて、前記のような、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、該スキッシュ部への未燃混合気の溜まり量が低減される。
すなわち、皿状キャビティー径を適度に大きくとり、スキッシュ部の領域を適度に小さくとることによって、副室の噴孔からトーチ状に噴出される火炎ジェットの火炎運動を極力阻害しないでスキッシュ部に導くようにT/Bの比が設定される。
そして、皿状キャビティーの終焉部とスキッシュ部に臨む側のピストン上縁面との間にR部が形成され、前記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、0.04≦T/B≦0.05に設定する。
このように構成すれば、皿状キャビティーの終焉部とスキッシュ部に臨む側のピストン上縁面との間にR部が形成されている場合には、R部とピストン上縁面の交点から平行長さTを0.04≦T/B≦0.05に設定することにより、前記0<T/B≦0.07で説明したのと同様に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ができ、該スキッシュ部への未燃混合気の溜まり量が低減される。
図3の関係から、T/Bを0(ゼロ)に近づければそれだけ未燃THC排出量:Bが減少し、エンジン熱効率:Aはほぼ一定のため、0(ゼロ)に近づければよいが、皿状キャビティーの周壁の肉厚が薄くなり製造が難しくなるため、前記R部を形成して0.04≦T/B≦0.05とすることで、最適なスキッシュ部の形状範囲の設定を行なうことができる。
また、具体的な大きさとして、シリンダ内径Bが250≦B≦350(単位mm)のとき、最適なスキッシュ部のピストン上縁面の平行長さTは17.5≦T≦24.5(単位mm)に設定すれば、シリンダ内径Bを250≦B≦350(単位mm)のように比較的大きくとった場合に、17.5≦T≦24.5(単位mm)に設定することで前記のように0<T/B≦0.07の関係が保持され、前記同様の作用効果を得ることができる。
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。
図1(A)は、本発明の第1実施例に係る副室式ガスエンジンのピストン及び燃焼室周りのピストン軸心線に沿う右半分の断面図である。
図1に示される副室式ガスエンジンにおいて、1はピストン、1bはピストン1の上部に形成された深さがHなる皿状キャビティー、3はシリンダカバー、4はシリンダライナである。15は皿状キャビティー1b、シリンダカバー3およびシリンダライナ4によって区画形成させる燃焼室である。また、2はピストンリングである。
かかる副室式ガスエンジンにおいては、シリンダ中央部に副室口金11を備え、該副室口金11内に副室12を備えており、該副室12と燃焼室15との間に複数の副室噴孔13を備えている。
従って、図1にされるような副室式ガスエンジンでは、副室12内で生成された火炎を、副室12の副室噴孔13から燃焼室15内に噴出させるため、副室噴孔13からのトーチ状の火炎ジェット18が生成される。そして、この火炎ジェット18は遠くまで到達することを必要とする。
図4に示す従来の副室式ガスエンジンでは、前記のように、ピストン1のTDCにおけるピストン上縁面1aとシリンダカバー3の下面3aとの間の、シリンダライナ4寄りの部分に、スキッシュ部6が形成されているため、前記副室噴孔13からのトーチ状の火炎ジェット18は、皿状キャビティー1bからなる燃焼室15に拡散されるとともに、ピストン1上部に形成されるスキッシュ部6にも拡散されるが、シリンダ内径Bが大きくなるほど、トーチ状の火炎ジェット18がスキッシュ部6の奥まで十分に到達せず、さらに、ピストン1の皿状キャビティー1bの稜線部の形状が滑らかでない場合には一層火炎伝播が行われにくくなる。
このため、スキッシュ部6内の混合気6aが未燃のまま残留することにより、燃焼効率が低下する。
また、スキッシュ部6に溜まった未燃の混合気6aが大気中に放出されるため、排気ガスの状態が悪化する。
さらに、前記スキッシュ部6への火炎ジェット18が遅れることは、該スキッシュ部6に溜まった未燃の混合気6aが不規則な時期に突然燃焼し易くなり、いわゆるノッキングの発生を誘起する。等の問題を有している。
然るに、本発明においては、図1に示すように、TDCにおけるピストン上縁面1aとシリンダカバー3の下面3aとの間に形成されるスキッシュ部6を備え、副室12内で生成された火炎を副室12の複数の副室噴孔13から燃焼室15内に噴出させるとともに、前記スキッシュ部6にも噴出可能にしたエンジンにおいて、スキッシュ部6に臨む側のピストン上縁面1a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に設定している。
なお、シリンダ内径Bは、ピストン径と略同等であるため、ピストン径を用いてもよい。
従って、本発明においては、ピストン上縁面1aの平行長さTとシリンダ内径Bとの割合のT/Bを、常時一定に保持し、シリンダ内径Bが増加するとそれに応じて前記平行長さTも増加し、シリンダ内径Bが減少するとそれに応じて前記平行長さTも減少させることにより、T/B≦0.07の範囲に保持する。
即ち、T/B≦0.07を保持しながら、シリンダ内径Bに応じてピストン上縁面1aの平行長さTを変化させることとなるので、シリンダ内径Bが大きくなればそれに応じて平行長さTを長くして、T/B≦0.07を常時一定に保持する。
この、0<T/B≦0.07なる関係は次のようにして設定される。
図3は未燃THC(トータル炭化水素)排出量:Bと、エンジン熱効率:Aと、T/Bとの関係を示す実験データである。同図に示すように、T/B=0.07を超えると、未燃THC排出量:Bが増大するとともに、エンジン熱効率:Aが低下する。従って0<T/B≦0.07以内が適切な領域となる。
従って、かかる副室式ガスエンジンにおいて、前記のような、0<T/B≦0.07を保持すれば、シリンダ内径Bが一定量を超えても、副室12内から燃焼室15内に噴出される火炎ジェット18のうちの一部がスキッシュ部6に向かう火炎ジェットの流れ18aを、常時発生することとなる。
これにより、かかる火炎ジェット18aがスキッシュ部6の未燃の混合気6aを押し出すこととなって、該スキッシュ部6への未燃の混合気6aの溜まり量が低減される。
すなわち、皿状キャビティー径を適度に大きくとり、スキッシュ部6の領域を適度に小さくとることによって、副室の噴孔からトーチ状に噴出される火炎ジェット18の火炎運動を極力阻害しないでスキッシュ部6に導くようにT/Bの比が設定されている。
従って、本発明によれば、火炎ジェット18aがスキッシュ部6の未燃の混合気6aを押し出すこととなり、該スキッシュ部6への未燃の混合気6aの溜まり量が低減されることにより、燃焼効率が低下するのを防止できる。
また、スキッシュ部6に溜まった未燃の混合気6aの大気中への放出が抑制されるため、排気ガスの状態の悪化を回避できる。
また、スキッシュ部6に溜まった未燃の混合気6aの低下により、未燃の混合気6aの不規則な時期に突然燃焼するのが回避され、いわゆるノッキングの発生を防止できる。
図2は、本発明の第2実施例に係る副室式ガスエンジンのピストン及び燃焼室周りのピストン軸心線に沿う右半分の断面図である。
この第2実施例においては、皿状キャビティー1bの終焉部とスキッシュ部6に臨む側のピストン上縁面1aとの間を結合するR部が形成されている場合であり、
この場合は、スキッシュ部6に臨む側のピストン上縁面1aの平行長さTとエンジンのシリンダ内径Bとの比を、0.04≦T/B≦0.05に設定する。
このように、皿状キャビティー1bの終焉部とスキッシュ部6に臨む側のピストン上縁面1aとの間を結合するR部が形成されているときには、ピストン上縁面1aの交点から平行長さTを0.04≦T/B≦0.05に設定するのが好適である。この場合も前記0<T/B≦0.07の関係を保持している。
その他の構成は図1(A)と同様でありこれと同一の部材は同一の符号で示す。
このように構成すれば、前記第1実施例と同様に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、該スキッシュ部への未燃混合気の溜まり量が低減される。
図3の関係から、T/Bを0(ゼロ)に近づければそれだけ未燃THC排出量:Bが減少するため、0(ゼロ)に近づければよいが、皿状キャビティーの周壁の肉厚が薄くなり製造が難しくなるため、前記R部を形成して0.04≦T/B≦0.05とすることで、最適なスキッシュ部の形状範囲の設定を行なうことができる。
この実施例3は図示を省略するが、前記シリンダ内径Bとピストン上縁面の平行長さTは、シリンダ内径Bが具体的に、250≦B≦350(単位mm)のとき、最適なスキッシュ部のピストン上縁面1aの平行長さTは17.5≦T≦24.5(単位mm)に設定する。
このように構成すれば、シリンダ内径Bを250≦B≦350(単位mm)と比較的大きくとった場合に、17.5≦T≦24.5(単位mm)に設定することで前記のように0<T/B≦0.07の関係を保持した設定となり、前記実施例1と同様に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、該スキッシュ部への未燃混合気の溜まり量が低減される。
本発明によれば、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のスキッシュ部が形成された副室式ガスエンジンのピストンにおいて、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との比を特定することによって、スキッシュ部に混合気が未燃のまま残留するのを回避して、未燃混合気による燃焼効率の低下、未燃の混合気が大気中に放出されるため排気ガスの状態の悪化、該スキッシュ部に溜まった未燃の混合気が不規則な時期に突然燃焼し易くなっていわゆるノッキング、等の発生を防止した副室式ガスエンジンのピストンを提供できる。
本発明の第1実施例に係る副室式ガスエンジンのピストン及び燃焼室周りのピストン軸心線に沿う右半分の断面図である。 本発明の第2実施例に係る副室式ガスエンジンのピストン及び燃焼室周りのピストン軸心線に沿う右半分の断面図である。 未燃THC(トータル炭化水素)排出量〜エンジン効率〜T/Bの実験データである。 従来の副室式ガスエンジンの一例を示す図1対応図である。
符号の説明
1 ピストン
1a ピストン上縁面
1b 皿状キャビティー
2 ピストンリング
3 シリンダカバー
3a シリンダカバーの下面
4 シリンダライナ
6 スキッシュ部
6a 混合気
12 副室
13 副室噴孔
15 燃焼室
18 火炎ジェット
H 皿状キャビティーの深さ
T ピストン上縁面の平行長さ
B シリンダ内径

Claims (3)

  1. 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、前記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に設定したことを特徴とする副室式ガスエンジン用のピストン。
  2. 皿状キャビティーの終焉部とスキッシュ部に臨む側のピストン上縁面との間にR部が形成され、前記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、0.04≦T/B≦0.05に設定したことを特徴とする請求項1記載の副室式ガスエンジン用のピストン。
  3. シリンダ内径Bが250≦B≦350(単位mm)のとき、最適なスキッシュ部のピストン上縁面の平行長さTは17.5≦T≦24.5(単位mm)に設定したことを特徴とする請求項1記載の副室式ガスエンジン用のピストン。
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