JP2019120154A

JP2019120154A - ガスエンジンの燃焼室構造

Info

Publication number: JP2019120154A
Application number: JP2017253881A
Authority: JP
Inventors: 永遠平山; Towa Hirayama; 拓也稲岡; Takuya INAOKA; 世界宮本; Sekai Miyamoto; 駿伸柏木; Toshinobu Kashiwagi
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2019-07-22
Anticipated expiration: 2037-12-28
Also published as: WO2019130801A1; JP6393823B1

Abstract

【課題】十分な燃焼性能を得ることができるガスエンジンの燃焼室構造を提供する。【解決手段】ガスエンジンの燃焼室構造は、シリンダヘッドとピストンの間に形成された主燃焼室と、主燃焼室の中心線上で前記シリンダヘッドに取り付けられた副室部材の内部に形成された副燃焼室であって、副室部材に放射状に設けられた複数のノズルによって主燃焼室と連通する副燃焼室と、を備え、ピストンが上死点に位置するときに、少なくとも、ピストンの半径の１／２の半径で規定される中央領域において、シリンダヘッドとピストンの間隔が副室部材から遠ざかるにつれて広がっており、かつ、複数のノズルのそれぞれの中心線の延長線である火炎噴射軸からシリンダヘッドまでの距離と火炎噴射軸からピストンまでの距離が実質的に等しい。【選択図】図１

Description

本発明は、主燃焼室および副燃焼室を含むガスエンジンの燃焼室構造に関する。

従来から、燃料ガスと空気の混合ガスを燃焼させるガスエンジンが知られている。このようなガスエンジンの中には、主燃焼室にリーンな混合ガスが導入され、このリーンな混合ガスが、副燃焼室からノズルを通じて噴射される火炎によって点火されるものもある。

例えば、特許文献１には、図４に示すようなガスエンジンの燃焼室構造１００が開示されている。具体的に、燃焼室構造１００では、シリンダヘッド１３０とピストン１２０の間に主燃焼室１１０が形成されており、主燃焼室１１０の中心線１１１上でシリンダヘッド１３０に副室部材１４０が取り付けられている。

副室部材１４０の内部には、副燃焼室１５０が形成されている。また、副室部材１４０の主燃焼室１１０内に突出する先端部には、副燃焼室１５０と主燃焼室１１０とを連通させる複数のノズル１４１が放射状に設けられている。ノズル１４１の向きは、ピストン１２０が上死点に位置するときに、ノズル１４１を通じて噴射される火炎がピストン１２０の中央付近に衝突するように設定されている。

特開２０１４−１２９７８８号公報

しかしながら、図４に示す燃焼室構造１００では、火炎が噴射直後（主燃焼室１１０の全域に十分に伝播する前）にピストン１２０に衝突するため、高温である火炎の熱がピストンに奪われる。これにより、燃焼で得られる熱エネルギーが低下する。また、火炎の直線的な噴射がピストン１２０で物理的に阻害されるために、燃焼速度が遅いという問題もある。これらの要因により、図４に示す燃焼室構造１００では十分な燃焼性能を得ることができない。

そこで、本発明は、十分な燃焼性能を得ることができるガスエンジンの燃焼室構造を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のガスエンジンの燃焼室構造は、シリンダヘッドとピストンの間に形成された主燃焼室と、前記主燃焼室の中心線上で前記シリンダヘッドに取り付けられた副室部材の内部に形成された副燃焼室であって、前記副室部材に放射状に設けられた複数のノズルによって前記主燃焼室と連通する副燃焼室と、を備え、前記ピストンが上死点に位置するときに、少なくとも、前記ピストンの半径の１／２の半径で規定される中央領域において、前記シリンダヘッドと前記ピストンの間隔が前記副室部材から遠ざかるにつれて広がっており、かつ、前記複数のノズルのそれぞれの中心線の延長線である火炎噴射軸から前記シリンダヘッドまでの距離と前記火炎噴射軸から前記ピストンまでの距離が実質的に等しい、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、少なくとも中央領域においては、火炎がピストンにもシリンダヘッドにも衝突しない。従って、火炎の噴射直後では、高温の火炎の熱がピストンまたはシリンダヘッドに奪われることがないとともに、燃焼速度が速い。その結果、十分な燃焼性能を得ることができる。

前記火炎噴射軸は、前記副室部材から遠ざかるにつれて前記ピストンに向かって倒れるように傾斜しており、前記ピストンの頂き面は、少なくとも前記中央領域において径方向外側に向かって下り勾配となるテーパー状であってもよい。この構成によれば、シリンダヘッドを特殊な形状とする必要がないため、他の部材との取り合いが多いシリンダヘッドの設計上の制約を減らすことができる。

前記複数のノズルの向きは、前記ピストンが上死点に位置するときに前記火炎噴射軸が前記ピストンと干渉しないように設定されていてもよい。この構成によれば、火炎が主燃焼室の周面まで直線的に噴射されるので、より優れた燃焼性能を得ることができる。

本発明によれば、十分な燃焼性能を得ることができるガスエンジンの燃焼室構造が提供される。

本発明の第１実施形態に係るガスエンジンの燃焼室構造の断面図である。図１に示す燃焼室構造の要部の拡大断面図である。本発明の第２実施形態に係るガスエンジンの燃焼室構造の要部の拡大断面図である。従来のガスエンジンの燃焼室構造の断面図である。

図１および図２に、本発明の第１実施形態に係るガスエンジンの燃焼室構造１を示す。この燃焼室構造１は、主燃焼室２と副燃焼室７を含む。

ガスエンジンは、複数のシリンダ５１（図１では１つのシリンダ５１のみを図示）が設けられたシリンダブロック５と、各シリンダ５１内に配置されたピストン３と、シリンダ５１を覆うシリンダヘッド４を含む。図１および図２では、ピストン３が上死点に位置する状態を描いている。

主燃焼室２は、シリンダヘッド４とピストン３の間に形成されている。つまり、シリンダヘッド４の下面４１が主燃焼室２の天井面であり、ピストン３の頂き面３１が主燃焼室２の底面である。

図示は省略するが、シリンダヘッド４には、給気ポートおよび排気ポートが設けられている。給気ポートは給気弁（図示せず）により開閉され、排気ポートは排気弁（図示せず）により開閉される。

シリンダヘッド４には、主燃焼室２の中心線２１上で副室部材６が取り付けられている。この副室部材６は、上述した給気ポートおよび排気ポートの間に位置する。副燃焼室７は、副室部材６の内部に形成されている。

副室部材６の主燃焼室２内に突出する先端部には、副燃焼室７と主燃焼室２とを連通させる複数のノズル８が放射状に設けられている。副燃焼室７から主燃焼室２へはノズル８を通じて火炎が噴射される。つまり、各ノズル８の中心線の延長線が火炎噴射軸８１である。

本実施形態では、ノズル８の向きが、ピストン３が上死点に位置するときに火炎噴射軸８１がピストン３と干渉しないように設定されている。具体的に、火炎噴射軸８１は、副室部材６から遠ざかるにつれてピストン３に向かって倒れるように傾斜している。換言すれば、火炎噴射軸８１は副室部材６から斜め下向きに延びている。ただし、火炎噴射軸８１は、副室部材６から真横に延びていてもよい。換言すれば、火炎噴射軸８１は、主燃焼室２の中心線２１を中心とする径方向と平行であってもよい。あるいは、火炎噴射軸８１は、副室部材６から斜め上向きに延びていてもよい。

また、本実施形態では、中央領域Ａが設定されている。中央領域Ａは、ピストン３の半径の１／２の半径で規定される領域である。そして、ピストン３が上死点に位置するときに、少なくとも中央領域Ａにおいて、シリンダヘッド４とピストン３の間隔が副室部材６から遠ざかるにつれて広がっている。

さらに、本実施形態では、ピストン３が上死点に位置するときに、少なくとも中央領域Ａにおいて、火炎噴射軸８１からシリンダヘッド４までの距離Ｄｈと火炎噴射軸８１からピストン３までの距離Ｄｐが実質的に等しい。なお、距離Ｄｈおよび距離Ｄｐは、火炎噴射軸８１と直交する垂線上の、火炎噴射軸８１上の同じ点からの距離である。また、「実質的に等しい」とは、距離Ｄｈと距離Ｄｐの差がそれらの一方の±１０％の範囲内に収まっていることをいう。

ピストン３の頂き面３１は、少なくとも中央領域Ａにおいて径方向外側に向かって下り勾配となるテーパー状であることが望ましい。本実施形態では、ピストン３の頂き面３１が全面に亘って径方向外側に向かって下り勾配となるテーパー状である。

シリンダヘッド４の下面は、本実施形態では全面に亘って径方向外側に向かって斜め下向きに傾斜するテーパー状である。ただし、シリンダヘッド４の下面４１は、フラット（主燃焼室２の中心線２１を中心とする径方向と平行）であってもよい。あるいは、シリンダヘッド４の下面４１は、径方向外側に向かって斜め上向きに傾斜するテーパー状であってもよい。

以上説明したように、本実施形態の燃焼室構造１Ａは、少なくとも中央領域Ａにおいて、火炎噴射軸８１がピストン３の頂き面３１とシリンダヘッド４の下面４１の間のほぼ中央を通るように構成されている。つまり、少なくとも中央領域Ａにおいては、火炎がピストン３にもシリンダヘッド４にも衝突しない。従って、火炎の噴射直後では、高温の火炎の熱がピストン３またはシリンダヘッド４に奪われることがないとともに、燃焼速度が速い。その結果、十分な燃焼性能を得ることができる。

また、本実施形態では、火炎噴射軸８１およびピストン３の頂き面３１が共に斜め下向きに傾斜しているので、シリンダヘッド４を特殊な形状とする必要がないため、他の部材との取り合いが多いシリンダヘッド４の設計上の制約を減らすことができる。ただし、この効果は、ピストン３の頂き面３１が少なくとも中央領域Ａにおいて斜め下向きに傾斜していれば得ることができる。

（第２実施形態）
図３に、本発明の第２実施形態に係るガスエンジンの燃焼室構造１Ｂを示す。なお、本実施形態において、第１実施形態と同一構成要素には同一符号を付し、重複した説明は省略する。

本実施形態では、シリンダヘッド４の下面４１がほぼフラットであるとともに、ピストン３の周縁部が上向きに突出している。より詳しくは、ピストン３の頂き面３１は、ピストン３の半径の約４／５の領域では径方向外側に向かって下り勾配となるテーパー状であるが、その外側の領域では径方向外側に向かって上り勾配となるテーパー状である。換言すれば、ピストン３の頂き面３１には、ピストンの半径の約４／５の位置に周方向に連続するリング状の溝が形成されている。

図３では、ピストン３が上死点に位置する状態を描いている。本実施形態でも、ノズル８の向きが、ピストン３が上死点に位置するときに火炎噴射軸８１がピストン３と干渉しないように設定されている。

本実施形態でも、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（その他の実施形態）
本発明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で種々の変形が可能である。

例えば、図３に示すように、ピストン３の周縁部が上向きに突出する場合は、ピストン３が上死点に位置するときに火炎噴射軸８１がピストン３の周縁部に干渉してもよい。ただし、図２および図３に示すように、ピストン３が上死点に位置するときに火炎噴射軸８１がピストン３の周縁部に干渉しなければ、火炎が主燃焼室２の周面まで直線的に噴射されるので、より優れた燃焼性能を得ることができる。

１Ａ，１Ｂ燃焼室構造
２主燃焼室
２１中心線
３ピストン
４シリンダヘッド
５主燃焼室
６副室部材
７副燃焼室
８ノズル
８１火炎噴射軸

Claims

シリンダヘッドとピストンの間に形成された主燃焼室と、
前記主燃焼室の中心線上で前記シリンダヘッドに取り付けられた副室部材の内部に形成された副燃焼室であって、前記副室部材に放射状に設けられた複数のノズルによって前記主燃焼室と連通する副燃焼室と、を備え、
前記ピストンが上死点に位置するときに、少なくとも、前記ピストンの半径の１／２の半径で規定される中央領域において、前記シリンダヘッドと前記ピストンの間隔が前記副室部材から遠ざかるにつれて広がっており、かつ、前記複数のノズルのそれぞれの中心線の延長線である火炎噴射軸から前記シリンダヘッドまでの距離と前記火炎噴射軸から前記ピストンまでの距離が実質的に等しい、ガスエンジンの燃焼室構造。
前記火炎噴射軸は、前記副室部材から遠ざかるにつれて前記ピストンに向かって倒れるように傾斜しており、
前記ピストンの頂き面は、少なくとも前記中央領域において径方向外側に向かって下り勾配となるテーパー状である、請求項１に記載のガスエンジンの燃焼室構造。
前記複数のノズルの向きは、前記ピストンが上死点に位置するときに前記火炎噴射軸が前記ピストンと干渉しないように設定されている、請求項１または２に記載のガスエンジンの燃焼室構造。