JP2011137409A - 大型ガスエンジンの燃焼室 - Google Patents

Abstract

【課題】 主燃焼室と副燃焼室を備えた大型ガスエンジンにおいて、ノッキングを抑制し、未燃焼ガスの大気放出量を減少させる効果を有する燃焼室の構成を提供する。
【解決手段】 副燃焼室１３を天井の中央に備えた主燃焼室１１と、上面の周縁部が平面１５であって中央部に周縁部の平面１５と曲面で接合し表面が曲面でなる回転体をなす隆起部１７が形成されたピストン５とを備えた燃焼室であって、副燃焼室１３の噴口１９は、ピストン５が上死点にあるときにピストン上面の隆起部１７と周縁部の平面１５が接合する部分に向けて火炎ジェット２５を噴出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、副燃焼室を備える大型ガスエンジンにおける燃焼室に関する。

主燃焼室と副燃焼室を備える大型ガスエンジンでは、体積の小さい副燃焼室内の燃料ガスを理論空燃比で燃焼させ、その燃焼エネルギーで、燃料濃度を希薄とした主燃焼室内の燃料を燃焼させる。この方法により、希薄燃焼を実現させ、ＮＯｘの発生を抑制した高効率な運転が可能となる。

副燃焼室が主燃焼室の中心部に設置されたエンジンでは、主燃焼室において中央部から外周部に向かって火炎が伝播することにより燃焼が行われる。
火炎伝播が外周部まで伝わりきれないと、外周部の燃料は燃えずに排気ガスと一緒に排気管に導かれて外気に放出されるため、エンジンの効率が悪化する。
さらに、中央部における燃焼によって外周部に圧力伝播して外周部の未燃焼ガスが圧縮され火炎伝播前に着火してノッキングを起こすと、燃焼室内の圧力温度が急上昇してエンジンに損傷を与える恐れがある。

図５は、従来における大型ガスエンジンの燃焼室の１例を示す断面図である。
図５に示すような、主燃焼室の天井中央部に副燃焼室の噴口が露出した構造の大型ガスエンジンでは、副燃焼室内で発生した燃焼ガスが噴口から主燃焼室内に火炎ジェットとして噴射され、この火炎ジェットによって主燃焼室内の希薄燃料の燃焼が行われる。
ピストン頂面の中央には、ピストンが上死点にあるときの燃焼室の容積の多くを占めるピストンキャビティを形成して、主燃焼室の容量を増加させている。ピストンキャビティの側壁には火炎ジェットが垂直に当たる面が形成されている。ピストンキャビティの外側に形成された平面部は、シリンダの天井との間にトップクリアランスを形成する。

図５に示された従来の大型ガスエンジンでは、副燃焼室の噴口から放出される火炎ジェットはピストンキャビティの側壁に衝突して、ピストンキャビティ内の燃料ガスを燃焼させる。しかし、火炎ジェットにより燃料ガスが燃焼してできた火炎がトップクリアランスに伝播するには時間が必要なので、トップクリアランス内の燃焼がピストンキャビティにおける燃焼に対して遅れることにより、ノッキングが発生する。また、トップクリアランス内の燃料ガスがピストンキャビティ内の燃焼により圧縮され、火炎伝播の前に着火してノッキングが発生しエンジンに損傷を与える場合もある。

これに対して、燃焼室外周部の容積を小さくすることにより、外周部の燃料を減少させて未燃焼ガスの大気放出量を減少させ、また壁面冷却により着火を抑制してノッキングの防止を行う方法がある。
しかし、燃焼室外周部の容積を小さくするときは、一定の圧縮比を維持するため主燃焼室の中央部の容積を大きくする必要がある。また、外周部の容積を小さくすると、給排気弁とピストンの干渉を防ぐためにバルブリセスを設ける必要が生じる場合があるが、バルブリセスへの円滑な火炎伝播はさらに困難である。

なお、特許文献１には、副燃焼室噴口形状を最適化して火炎ジェットが外周部のバルブリセス部に直接的に達するようにして、バルブリセス部の火炎伝播を促進させる副室式エンジンが開示されている。しかし、開示された方法では、外周部に燃料ガスが流れ込みにくく、外周部における燃料ガス濃度が小さくなる。また、壁面冷却効果もあるため、副燃焼室からの火炎ジェットが到達しても燃焼しにくく、未燃焼ガスが残る。また、外周部の燃料ガスが最後に燃焼するため、ノッキングが生じる可能性も高い。

特開２００３−２７８５４７号公報

そこで、本発明が解決しようとする課題は、主燃焼室と副燃焼室を備えた大型ガスエンジンにおいて、ノッキングを抑制し、未燃焼ガスの大気放出量を減少させる効果を有する燃焼室の構成を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明に係るガスエンジンの燃焼室の構成は、主燃焼室内に露出する噴口を有する副燃焼室を天井の中央に備えた主燃焼室と、主燃焼室に摺動可能に挿入されたピストンとを備え、ピストンの上面の周縁部が平面であって、ピストンの中央部に隆起部が形成されてなるエンジンの燃焼室であって、副燃焼室の噴口は、中心軸が、ピストンが上死点にあるときにピストン上面の隆起部と周縁部の平面が接合する部分に向くように形成されることを特徴とする。

なお、ピストンの中央部に形成される隆起部は、ピストンの中心軸を回転軸とする回転体で形成された滑らかな突起であってもよい。
また、ピストン上面の隆起部と周縁部の平面が接合する部分からピストンの端縁までの距離は、副燃焼室の噴口から放出されるノズルガスによってシリンダの上面で発生した火炎が、ピストンが摺動するシリンダライナが主燃焼室に露出する前に、シリンダ内壁面まで伝播するような距離であることが好ましい。

本発明の燃焼室によれば、エンジンの給気行程において燃料ガスがピストン中央部に供給されるため、圧縮行程において、初めは、濃い燃料ガスがシリンダ底部のピストン上面の中央部に偏在することになる。しかし、ピストン上面中央部に滑らかな隆起部を有するため、ピストンがシリンダ天井部に向かって運動すると、シリンダ内にピストン中央部から周辺部の方向に、またシリンダ底からシリンダ天井の方向に流れる気流が発生して、燃料ガスが混合される。

そして、ピストンが上死点に位置するときには、ピストン上面とシリンダ天井に挟まれた狭い円盤状の燃焼室となり、燃焼室内の燃料ガスは、燃焼室の周辺部で中心部より濃いガス濃度を呈するようになる。なお、燃料ガスは、隆起部の裾部近辺で最も濃い状態になっている。
このように、本発明の燃焼室によれば、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、従来の主燃焼室に存在した、希薄ガス中でもガス濃度がより薄くなり勝ちであったバルブリセスやトップクリアランス部などの部位が消滅し、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。

したがって、圧縮行程に続く燃焼行程において、副燃焼室内で空気過剰率ほぼ１の濃い燃料ガスに点火して、燃焼ガスを円周上に設けられた複数の噴口から火炎ジェットとして噴出させると、主燃焼室の中央部のガスはより希薄で比較的着火しにくいのに対して周辺部の燃料ガス濃度の方が高いため、周辺部でも遅れずに燃焼が進行する。このように、未燃焼ガスの発生は抑制され、周辺部において圧力伝播による着火が生じる前に火炎伝播による燃焼が起こり、ノッキングの恐れが少なくなる。

なお、副燃焼室の噴口から供給される火炎ジェットは、燃焼室内の燃料ガスが同時性をもって、できるだけ短い時間内に燃焼するように、燃焼室内を伝播させることが好ましい。
また、火炎ジェットの炎や希薄燃料ガスに着火して生ずる炎がシリンダライナの表面に直接に触れるようになると、ピストンリングが摺動するシリンダライナの寿命が短縮して、補修の手間と費用が嵩むことになる。

これに対し、本発明の燃焼室によれば、燃焼行程において、噴口からの火炎ジェットが燃料ガスの濃度が最も濃いピストン上面の隆起部裾部分に当たり、火炎が隆起部裾部分から外周部と中心部に向かって伝播するので、室内の燃料ガスが短時間で燃焼する。
本発明の燃焼室構成によれば、火炎ジェットがピストン上面の隆起部裾部分に当たり、ピストンが下降してシリンダライナ部分が燃焼室内に露出する状態にならないうちに、着火した希薄燃料ガスの炎がシリンダ内壁に到達するようにすることができる。
このように、ピストンの端縁と隆起部裾部分の距離を適宜に設定することにより、シリンダライナの損傷を抑制して寿命の長期化を図ることができる。なお、エンジンの大きさや回転速度などに従って、着火点からシリンダ壁まで火炎が伝播する時間の最適値が変化するので、隆起部裾部分は条件に対応する位置に設定する必要がある。

また、火炎ジェットをピストン上面の外周縁近傍に投射させずに、外周から少し中央部によった隆起部裾部分に投射することにより、ピストン外周部が過熱しないようにして、シリンダライナを保護することができる。
上記の通り、本発明の燃焼室によれば、ノッキングを抑制し、未燃焼ガスの大気放出量を減少させる効果を呈することができる。

また、上記課題を解決するため、本発明のガスエンジン用ピストンは、上面の周縁部が平面であって、中央部にピストンの中心軸を回転軸とする回転体をなす滑らかな隆起部が形成されたことを特徴とする。
なお、ピストン上面の中央部に形成される隆起部の側部の円錐面における傾斜は、５°以上であって副燃焼室の噴口の俯角より小さいことが好ましい。円錐面の傾斜は、特に５°から２０°の範囲にあることが好ましい。

ピストン中心軸を含む面で切断したときのピストン上面の輪郭線は、周縁部の平面に対する輪郭線の傾きが、隆起部の始まる近傍でゼロから連続的に増加し後に連続的に減少して隆起部の頂点において再びゼロになるような、滑らかなグラフにより表される線であることが好ましい。
このような滑らかな隆起部を有することにより、圧縮行程において燃料ガスの強い気流が円滑に発生して、燃料ガスが十分に混合され、ガス分布が均一化される。

さらに、周縁部の平面と中央部の隆起部の接合する位置からピストンの端縁までの距離は、エンジンの燃焼行程において、ピストンが摺動するシリンダライナが主燃焼室に露出する前に、副燃焼室の噴口から火炎ジェットとして放出されるノズルガスによりシリンダの上面で発生した火炎がシリンダの内壁面まで伝播できる距離であることが好ましい。
このようにして、シリンダライナを保護し、長寿命を保つことができる。

本発明のガスエンジン用ピストンは、上記発明におけるガスエンジンの燃焼室の構成に適用されることにより、ノッキングを抑制し、未燃焼ガスの大気放出量を減少させる効果を呈することができる。

本発明の１実施例に係るガスエンジンの燃焼室の一部断面図である。 本実施例に用いるピストンヘッドの断面図である。 本実施例に用いるピストンヘッド上面の稜線の傾きの変化を示すグラフである。 本実施例における燃焼室内の燃料ガス濃度分布の変化を示す図面である。 従来のガスエンジンの燃焼室の一部断面図である。

以下、図面に基づき、実施例を用いて本発明のガスエンジン燃焼室の構成について詳細に説明する。
図１は、本発明の１実施例に係るガスエンジンの燃焼室の一部断面図である。

本実施例の燃焼室は大型のガスエンジンに適用するもので、燃焼室は主燃焼室１１と副燃焼室１３で構成される。主燃焼室１１は、シリンダライナ１とシリンダヘッド３で形成されるシリンダの頂部とピストン５の上面により形成される。
副燃焼室１３はシリンダヘッド３の内に組み込まれていて、副燃焼室１３の複数の噴口１９が主燃焼室１１の天井中央位置に円周に沿って放射状に並んで主燃焼室１１内に露出している。
なお、シリンダヘッド３は、シリンダライナ１の頂部に固定されて燃焼室の天井部を形成すると共に、給気弁７や排気弁９などを含む給排気系統や図外のバルブ駆動系が装着されている。

ピストン５は、上面の周縁部が平面１５であって上面の中央部にピストン５の中心軸を回転軸とする回転体をなす滑らかな隆起部１７が形成されている。
図２は、本実施例に用いるピストンヘッドの要部を示す、ピストン中心軸を含む面における断面図である。ピストン５の上面には、ピストン中心軸上に頂点Ｐを持つ隆起部１７が形成されている。隆起部１７は頂点Ｐ近傍を球状に形成した円錐であって、円錐面は、５°から２０°程度の緩やかな傾斜角θを有する。なお、円錐面の傾斜角θは、副燃焼室１３の噴口１９からノズルガスとして噴出される火炎ジェットの俯角δより小さいことが好ましい。

隆起部１７における円錐面の延長と周縁部の平面１５が交わる部分Ｆを挟む隆起部１７の裾部分は、周縁部の平面１５から隆起部１７の円錐面へ滑らかに移行するように、たとえば曲率半径５０ｍｍの曲面で接合されている。
また、隆起部１７側面の大部分は、たとえば約１０°など一定の傾斜角θを持つ円錐面で形成される。ピストン５の中心軸上にある隆起部１７の頂点Ｐの近傍は、たとえば半径が１５０ｍｍの球状に形成される。

図３は、ピストンヘッド上面の１例について、稜線の傾きの変化を示すグラフである。図には、ピストン５の上面の端縁からピストンの中心軸までの各位置における稜線の傾きが表されている。
ピストン５上面の端縁から内側の周縁部における平面１５では傾きがゼロであり、平面１５と円錐面の延長が交わる所Ｆを挟んだ隆起部裾部分の曲率一定の曲面における稜線の傾きは、正弦関数的に増加する。
また、隆起部１７側面の円錐面における傾きは、一定の値を持ち、隆起部１７の頂点Ｐの近傍における稜線の傾きは、正弦関数的に減少して頂点Ｐにおいて再びゼロになる。

図３により表された、稜線の傾きが連続的に変化する回転体は、鋭い突起点や角になった折線を持たず滑らかな面で覆われた隆起部１７を形成する。したがって、この隆起部１７は、生成された気流の流れを乱さない。また、エンジンの運転中に、突起点や角の部分が高温になって燃料ガスに点火することにより、エンジン効率を低下させたりする現象を防止することができる。

図４は、本実施例に係る上面に隆起部を有するピストンを使用した場合を想定してＣＦＤ（数値流体力学：Computational Fluid Dynamics）により解析した結果にしたがって、本実施例における燃焼室内の燃料ガス濃度について圧縮行程中の変化を示す図面である。図４（ａ），（ｂ），（ｃ）の各図は主燃焼室１１内の燃料ガス濃度の分布を濃淡で表した図面で、下端部はピストン上面、上端部はシリンダの天井、左右端はピストンの内壁を表している。図４（ａ）は圧縮行程が始まって僅かに経過した状態、図４（ｂ）はピストンがほぼ中間の位置まで上昇した状態、図４（ｃ）は点火直前の上死点位置にある状態を示す。

本実施例の燃焼室構成によれば、エンジンの給気行程において燃料がピストン中央部に供給されるため、図４（ａ）に示すように、圧縮行程の初めのうちは、濃い燃料ガスが主燃焼室１１底部のピストン５上面かつ中央部に偏在することになる。
しかし、ピストン５上面中央部に滑らかな隆起部１７があるため、ピストン５が主燃焼室１１の天井に向かって運動すると、主燃焼室内にピストン中央部から周辺部の方向に、また主燃焼室１１の底から天井の方向に流れる気流が発生して、図４（ｂ）に示すように、主燃焼室１１内の燃料ガスが混合されガス濃度がより平均化される。

そして、ピストン５が上死点に達したときには、主燃焼室１１はピストン５の上面と主燃焼室１１の天井に挟まれた薄い円盤状の空間となり、主燃焼室１１内の燃料ガスは、図４（ｃ）に示すように、主燃焼室１１の周辺部で中心部より濃いガス濃度を呈するようになる。なお、燃料ガスは、ピストン５上面の隆起部１７の裾部分近辺で最も濃い状態になっている。

主燃焼室１１内に燃料ガスが流れ込みにくい狭隘部があると、狭隘部の燃焼が主燃焼室１１の主たる燃焼より遅れたり早まったりしてノッキングを起こす場合や、狭隘部の燃料ガスが燃焼し損ねて無駄に排出されて熱効率を低下させる場合がある。
本実施例の燃焼室構成によれば、従来、希薄ガス中でもガス濃度がさらに薄くなり勝ちであった、バルブリセス、トップクリアランス部などの狭隘部が消滅し、主燃焼室１１外周部の容積が大きくなって燃料ガスが流れ込み易くなると共にピストン５上面の隆起部１７が主燃焼室１１内における燃料ガスの気流を発達させるため、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。

本実施例の燃焼室では、圧縮行程に続く燃焼行程において、副燃焼室１３内で空気過剰率ほぼ１の濃い燃料ガスに点火して、燃焼ガスを円周上に設けられた複数の噴口１９から火炎ジェット２５として主燃焼室１１内に噴出させることにより、主燃焼室１１内の空気過剰率２以上の希薄燃料ガスに着火させる。主燃焼室１１中央部の燃料ガスはより希薄で比較的着火しにくいのに対して、周辺部の燃料ガス濃度の方が高いため周辺部でも遅れずに燃焼が進行する。このため、未燃焼ガスの発生は抑制され、周辺部において圧力伝播によるノッキングが生じる前に火炎伝播による燃焼が起こって、ノッキングの発生も抑制される。

また、隆起部１７の形状は滑らかな円錐に限らず、主燃焼室１１内に適当な強さのガス気流を発生させることができる表面の滑らかな適宜の突起であればよい。
隆起部１７が円錐形状である場合、円錐面の傾斜角θが大きい方が燃料ガスを周縁部側に押し出す力が強いので、傾斜角θの大きさが主燃焼室１１内の燃料ガスの濃度分布状態に影響を与えることになる。
ピストン５の速度が同じ場合は、円錐面の傾斜角θが大きすぎれば、主燃焼室１１の底において中心部から周縁部に向けて燃料ガスの気流が強く流れて、燃料ガス濃度の均等化が進みすぎて主燃焼室１１の外周部分で燃料ガスを濃くすることができず、円錐面の傾斜角θが小さすぎれば、中心部から周縁部に向けた燃料ガス気流が弱くなってガス濃度の平均化が不足する。

傾斜角θは、５°以上かつ火炎ジェット２５吹出方向の俯角δ以下であることが好ましく、特に、５°から２０°の範囲にあることが好ましい。
さらに、ＣＦＤ解析を用いれば、火炎ジェットが投射する隆起部裾部分で燃料ガスの濃度が最も高くなるような傾斜角θを求めることができる。本実施例の条件では、円錐面の傾斜角θが約１０°のときに、図４（ｃ）に表れたように、隆起部裾部分に濃い燃料ガスの部分が発生することが分かった。

なお、ピストンリング２１がシリンダライナ面２３を摺動するので、主燃焼室１１の気密を保ってエンジンの出力を確保することができる。しかし、シリンダライナ面２３に火炎が直接投射するとライナ面が損傷を受けて、短期間の運転で気密性を損ねるため、保守の負担が大きくなる。
そこで、本実施例においても、ピストン５上面における火炎ジェット投射点を規制することにより、火炎ジェットおよびこれに点火されて出現した火炎の伝播時間を加減して、火炎が直接ライナ面に投射しないようにすることが好ましい。

ピストンリング２１が摺動するシリンダライナ面２３は、シリンダライナ１の内壁に形成され、ピストンリング２１はシリンダヘッド３のシリンダ面と摺動しない。したがって、ピストン５の上面がシリンダライナ１とシリンダヘッド３の接合高さに到達して主燃焼室１１内にシリンダライナ１のシリンダライナ面２３が露出する前に、火炎ジェットで着火した燃料ガスの燃焼で生じる火炎がシリンダ内壁まで伝播するような形状を選択すればよい。

上死点を０°とするクランク角度ＣＡで表現すると、ピストン５の上面がシリンダライナ１とシリンダヘッド３の接合高さに到達してシリンダライナ面２３が主燃焼室１１に露出するタイミングは、普通ＣＡ２５°程度である。そこで、ＣＡ５°で点火するとしたとき、点火からＣＡ差約２０°以内で火炎がシリンダ内壁まで到達するように火炎ジェットの投射点を決めればよい。なお、火炎ジェットの投射点を隆起部裾部分に当たるように調整する場合は、隆起部裾部分とピストン５の端縁までの距離を適宜に設定すればよい。

なお、副燃焼室１３の噴口１９は、４個、６個、８個など主燃焼室の大きさに応じた適宜な数が選ばれ、ピストン５が上死点にあるときにピストン上面の隆起部１７と周縁部１５の平面が交わる部分、すなわち隆起部１７の裾部分に向けて燃焼ガスの火炎ジェット２５を噴出するような俯角δを持っている。

本実施例の燃焼室構成を大型ガスエンジンに適用することにより、エンジンの熱効率は、絶対値で約０．８％ｐｔ向上した。ここで、熱効率の絶対値とは、供給した燃料の有するエネルギーに対してエンジンが出力するエネルギーの割合を表す。また、未燃焼燃料ガスの排出量は、約３０％減少した。

本発明のガスエンジンの燃焼室およびガスエンジン用ピストンを採用することにより、未燃焼ガスの排出を抑制し、ノッキングを抑制し、高い熱効率を達成する大型ガスエンジンを提供することができる。

１ シリンダライナ
３ シリンダヘッド
５ ピストン
７ 給気弁
９ 排気弁
１１ 主燃焼室
１３ 副燃焼室
１５ 平面
１７ 隆起部
１９ 噴口
２１ ピストンリング
２３ シリンダライナ面
２５ 火炎ジェット

Claims (6)

1. 主燃焼室内に露出する噴口を有する副燃焼室を天井の中央に備えた主燃焼室と、前記主燃焼室に摺動可能に挿入されたピストンとを備えたガスエンジンであって、前記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なるガスエンジンの燃焼室であって、前記副燃焼室の噴口は、前記ピストンが上死点にあるときに該ピストンの前記隆起部と前記平面が接合する部分に向けてノズルガスを噴出するガスエンジンの燃焼室。
2. 前記ピストンの前記隆起部と前記周縁部の接合する部分から該ピストンの端縁までの距離が、前記ピストンが摺動するシリンダライナが前記主燃焼室に露出する前に、前記副燃焼室の噴口から放出されるノズルガスにより前記シリンダの上面で発生した火炎が前記シリンダの内壁面まで伝播する距離である、請求項１記載のガスエンジンの燃焼室。
3. 上面の周縁部が平面であって中央部にピストンの中心軸を回転軸とする回転体をなす滑らかな隆起部が形成されたガスエンジン用ピストン。
4. 前記隆起部の側部は、傾斜が５°以上であって副燃焼室の噴口の俯角より小さい円錐面で形成される請求項３記載のガスエンジン用ピストン。
5. 前記ピストン中心軸を含む面で切断したときの前記ピストン上面の輪郭線は、前記周縁部の平面に対する傾きが、該周縁部においてゼロで、前記隆起部の始まる近傍でゼロから連続的に増加し後に減少して前記隆起部の頂点において再びゼロになる滑らかなグラフにより表される線である請求項３または４記載のガスエンジン用ピストン。
6. 前記平面と前記隆起部の接合する位置から該ピストンの側縁までの距離は、エンジンの燃焼行程において、該ピストンが摺動するシリンダライナが主燃焼室に露出する前に、副燃焼室の噴口から放出されるノズルガスにより前記シリンダの上面で発生した火炎が前記シリンダの内壁面まで伝播する距離である請求項３から５のいずれか１項に記載のガスエンジン用ピストン。