JP4256790B2 - ガスエンジンのピストン - Google Patents

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。

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）。

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。

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。
特開２００１−３３６４２２号公報

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。

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Ｈ_０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。

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Ｈ_０）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Ｈ_０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。

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。

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。

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。

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環状に形成されて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、前記ガスエンジンは、シリンダヘッドの中心部にトーチ着火がなされる副室およびトーチ着火ガスの噴出用の噴孔を有した副室口金を備え、前記トーチ着火ガスを前記燃焼室方向に噴出するように構成し、前記燃焼室を前記燃焼面の外周上部からピストン中心の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、前記冷却室の上面と燃焼室面との距離ｔをｔ／Ｄ≦０．０８とし、さらに、前記冷却室の外周面を第一圧縮ピストンリングのリング溝に近接せしめ該冷却室の外周面と第一圧縮ピストンリングのリング溝の内周との間に外周環状部を形成し、前記冷却室をピストン外周寄りのピストン上面近傍に形成して、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。

請求項１において、好ましくは請求項２〜４のように構成する。
即ち、請求項２においては、前記外周環状部の厚さを前記冷却室の上面と燃焼室面との距離ｔより小さく形成する。
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４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。

かかる発明によれば、燃焼室を、請求項３の逆円錐体と球殻との組み合わせあるいは請求項４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。

また、請求項２のように、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。

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。

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。

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３の逆円錐体と球殻との組み合わせあるいは請求項４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、請求項２のように、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｒ_０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。

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。

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Ｒ_０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。

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Ｒ_０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。

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。

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。

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。

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。

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。

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である。 第２実施例を示す図１対応図である。 従来技術を示す図１対応図である。

符号の説明

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

Claims (4)

1. 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環状に形成されて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、
   前記ガスエンジンは、シリンダヘッドの中心部にトーチ着火がなされる副室およびトーチ着火ガスの噴出用の噴孔を有した副室口金を備え、前記トーチ着火ガスを前記燃焼室方向に噴出するように構成し、前記燃焼室を前記燃焼面の外周上部からピストン中心の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、前記冷却室の上面と燃焼室面との距離ｔをｔ／Ｄ≦０．０８とし、さらに、前記冷却室の外周面を第一圧縮ピストンリングのリング溝に近接せしめ該冷却室の外周面と第一圧縮ピストンリングのリング溝の内周との間に外周環状部を形成し、前記冷却室をピストン外周寄りのピストン上面近傍に形成して、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。
2. 前記外周環状部の厚さを前記冷却室の上面と燃焼室面との距離ｔより小さく形成したことを特徴とする請求項１記載のガスエンジンのピストン。
3. 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したことを特徴とする請求項１記載のガスエンジンのピストン。
4. 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したことを特徴とする請求項１記載のガスエンジンのピストン。

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