JP5868233B2

JP5868233B2 - ガスエンジンの副室用逆止弁

Info

Publication number: JP5868233B2
Application number: JP2012062970A
Authority: JP
Inventors: 智大田中; 孝宏藤川; 知孝江口
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2032-03-21
Also published as: JP2013194613A

Description

本発明は、ガスエンジンの主燃焼室に臨んで設置される着火用の副室に、着火燃料ガスを供給し、着火炎の逆流を防止する副室用逆止弁に関する。

ガスエンジンの燃焼室では、主燃料ガスとして燃費向上のために希薄された天然ガスが使用される。しかし、燃焼室で確実に着火させて失火を防止するために、燃焼室に臨んで着火用の副室を設置し、この副室に濃度の高い着火燃料ガスを供給して着火プラグにより放電着火させており、この副室における着火炎により燃焼室の主燃料ガスに着火するものがたとえば特許文献１に開示されている。

特開２００７−１１３４６３号（図１）

特許文献１に示された逆止弁の構造は詳細に開示されていないが、同様の作用効果を奏する従来の逆止弁に、たとえば図９および図１０に示すものがある。
すなわち、この逆止弁５０は、着火燃料供給ノズル５１の出口部を構成する弁穴５２内に、弁本体５３がスライド自在に内嵌されており、弁穴５２の上流端に弁受座部５４が形成され、下流端に下流側への移動限となる規制段部５５が形成されている。

弁本体５３は釣鐘形に形成されており、中空部５６の上流端部が閉鎖されるとともに下流端部が開口されている。そして弁本体５３の上部肩部に、弁受座部５４に当接閉鎖、離間開放する閉鎖部５７が形成され、また弁本体５３の胴部５８に中空部５６に連通され燃料ガスを導入する連通穴５９が所定角度（図では９０°）ごとに形成されている。さらに胴部５８の上部外周と下部外周に、弁穴５２の内面に摺接されるガイド用の上鍔部６１Ｕと下鍔部６１Ｄが同一軸心上にそれぞれ突設されている。上鍔部６１Ｕは、所定の厚みの平面視円形状に形成され、９０°隔てた四辺に沿って切り欠かれた四箇所のガス通過部６２が形成されている。また下鍔部６１Ｄは、所定の厚みの平面視円形状に形成されている。さらに弁本体５３の上端部に、掛止穴６４ａが形成された吊手部６４が形成され、掛止穴６４ａに弁本体５３を弁受座部５４側に付勢する付勢用のコイルばね６３が掛止されている。

さらにこの弁本体５３は、材質として９Ｃｒ鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＨ１相当）が採用され、表面が表面硬化（窒化）処理により表面硬さ：Ｈｖ１０００程度に硬化されている。
しかしながら、従来の上記弁本体５３は、カーボンの付着により摩擦抵抗が増大して動作不良が多発するという問題があった。また、表面硬化処理に窒化処理が行われていたが、弁本体５３の耐酸化性が低下するおそれがあった。

本発明は上記問題点を解決して、高温酸化・焼損や動作不良の発生しないガスエンジンの副室用逆止弁を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、
点火用副室に燃料を供給する燃料供給ノズルに設けられて、点火用副室からの着火炎の逆流を防止するガスエンジン用逆止弁であって、
燃料供給ノズルの出口を構成する弁穴の上流端に形成された弁受座部および下流端に形成された規制段部と、これら弁受座部および規制段部の間の弁穴内にスライド自在に配置されて前記弁受座部に当接し弁穴を閉鎖可能な弁本体と、当該弁本体を前記弁受座部に当接する方向に付勢する付勢用のコイルばねとを具備し、
弁本体の胴部の上流側と下流側に、弁穴に案内される上鍔部および下鍔部を形成するとともに、弁本体の外周から弁本体内を通って下流側に主燃料ガスを送り出す着火燃料ガス流路を形成し、
前記下鍔部の外周部に、弁穴に摺接される一定面積の複数の摺接ガイド面を一定角度ごとに形成するとともに、これら摺接ガイド面の総面積を、当該下鍔部に対応する弁穴内周面の面積に対して、１０％以上で３０％以下としたものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の構成において、
弁本体は、その材質が析出硬化系ステンレス鋼とされ、弁本体の使用温度による時効硬化により硬化されるものである。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の構成において、
着火燃料ガス流路は、
上鍔部を切り欠いて形成されたガス通過部と、
弁本体に形成されて上流端が閉鎖され下流端が開口される中空部と、
弁本体の胴部に形成されて当該胴部外周と前記中空部とを連通する連通穴とを有するものである。

請求項１記載の発明によれば、弁本体の胴部の上流側と下流側に弁穴に案内される上鍔部および下鍔部を形成し、直接副室の着火炎に晒される弁本体の下鍔部の摺接ガイド面の面積を、従来に比較して大幅に縮小し、弁穴内周面の面積に対して、１０％以上で３０％以下とすることにより、弁穴と弁本体の間に隙間を多く形成して放熱作用を促進することで、高温酸化・焼損を未然に防止することができる。さらにコイルばねにより付勢されることから、スライド中に弁本体が周方向に揺動され、摺接ガイド面による弁穴への付着したカーボンの掻き落とし作用を促進させることができて、カーボンの付着による動作不良や偏磨耗を未然に防止することができる。

請求項２記載の発明によれば、弁本体の材質を析出硬化系ステンレス鋼とすることで、４００℃〜５００℃となる逆止弁の使用温度を利用して、使用中に時効硬化を図ることができ、特別な表面硬化処理を不要とし、またステンレス鋼本来の耐酸化性を確保することができて、安価で信頼性の高い逆止弁を提供することができる。

（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係るガスエンジンの副室用逆止弁の実施例を示し、（ａ）は弁本体の下方斜視図、（ｂ）は弁本体正面図、（ｃ）は側方斜視図である。図１（ｂ）に示すＡ−Ａ断面図である。逆止弁の閉鎖状態を示す側面視の断面図である。逆止弁の開放状態を示す側面視の断面図である。ガスエンジンの副室を示す側面視の拡大断面図である。ガスエンジンのシリンダヘッドを示す側面視の断面図である。時効熱処理時間と硬度の関係を示すグラフである。使用後の弁本体の硬さを示すグラフである。従来の弁本体の下方斜視図である。従来の弁本体の使用状態を示す側面視の断面図である。

［実施例１］
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
［全体構造］
図６はガスエンジンのシリンダヘッド１１を示す側面視の断面図で、ピストン１２を昇降自在に収容する燃焼室１３の上部に設けられたシリンダヘッド１１に、（希薄な）主燃料ガスが供給される吸気弁１４ｖ付きの吸気口１４と、燃焼排ガスが排出される排気弁１５ｖ付きの排気口１５と、燃焼室の主燃料ガスに着火するための副室１６とが設けられている。１７は主燃料制御弁である。

この副室１６には、図５に示すように、上部に高濃度の着火燃料ガスを供給する着火燃料供給ノズル２０が接続され、また点火プラグ１８が配置されており、下部に燃焼室１３に連通する着火穴１９が形成されている。着火燃料供給ノズル２０には、着火燃料制御弁２２が介在された着火燃料供給管２１が接続されており、着火燃料供給ノズル２０の出口に本発明に係る逆止弁３０が配置されている。

［逆止弁］
図３および図４に示すように、逆止弁３０は、着火燃料供給ノズル２０の出口部に形成された弁穴３１で、上流端に弁受座部２３が形成され、下流端に下流側への移動限となる規制段部２４が形成されており、この弁穴３１内の弁受座部２３と規制段部（規制リング）２４の間に弁本体３２がスライド自在に内嵌されている。そして、上流端が図５に示す掛止ロッド２６に掛止されたコイルばね２５が、弁本体３２の上流端部に連結され、弁本体３２が弁受座部２３に当接されて弁穴３１が閉鎖される。

図１および図２に示すように、弁本体３２は釣鐘形に形成されており、上流端部が閉鎖されるとともに下流端部が開口された中空部（着火燃料ガス流路）３３が軸心Ｏ上に形成されている。そして弁本体３２の肩部周囲に、弁受座部２３に当接、離間して弁穴３１を開閉する閉鎖部３４が形成され、また胴部３５に、胴部３５外周と中空部３３を連通させて着火燃料ガスを通過させる複数の連通穴（着火燃料ガス流路）３６が、所定角度（図では９０°ごと４箇所）形成されている。さらにまた弁本体３２の上流端部に、前記コイルばね２５を連結する掛止穴３９ａを有する吊手部３９が形成されている。

胴部３５の上流部外周と下流部外周に、弁穴３１の内面に摺接されて弁本体３２の姿勢を安定させるガイド用の上鍔部３７Ｕと下鍔部３７Ｄが突設されている。
上鍔部３７Ｕは、所定の厚みに形成されるとともに、軸心Ｏを中心とする略円形を９０°隔てた胴部３５接線に沿う四つの平面３７Ｕａで切り欠いて平面視で角丸（摺接面３７Ｕｂ）の略正方形に形成され、これら４箇所の切り欠き部が着火燃料ガスを導入するガス通過部（着火燃料ガス流路）３８に構成されている。ここでガス通過部３８の断面積Ｓｔは、弁穴３１の断面積Ｓｈに対してＳｈ：Ｓｔ＝１：０．１８〜０．２８倍（図では約０．２４）の空間が得られるように形成されている。ガス通過部３８の面積Ｓｔが０．１８×Ｓｈ未満では、着火燃料ガスの流入量が少なく流路抵抗が生じるためであり、面積Ｓｔが０．２８×Ｓｈを越えるとガス通過部３８の加工が難しくなり、また上鍔部３７Ｕの摺接面の面圧が大きくなり、弁穴３１での安定したスライドが困難になるおそれがあるからである。また４箇所の摺接面３７Ｕｂの面積Ｓｕは、対応する弁穴３１の内周面積Ｓａに対して、Ｓａ：Ｓｕ＝１：０．１０〜０．３０の範囲に形成されている。

下鍔部３７Ｄは、所定の厚みに形成されるとともに、軸心Ｏを中心とする略円形を９０°隔てた胴部３５接線に沿う四つの平面状の切り欠き面３７Ｄａで切り欠いて平面視で角丸の略正方形に形成され、弁穴３１の内面に摺接される一定面積の複数の摺接ガイド面４１が等角度ごと（図では９０度ごと４箇所）に形成されている。この摺接ガイド面４１の摺接面積Ｓｄは、下鍔部３７Ｄに対応する弁穴３１の内周面Ｓａに対して、Ｓａ：Ｓｄ＝１：０．１０〜０．３０の範囲に形成されており、図２では、Ｓａ：Ｓｄ＝１：０．１５で表している。これは、摺接ガイド面４１の摺接面積Ｓｄが内周面Ｓａの１０％未満では、摺接ガイド面４１の面圧が大きくなり、弁本体３２と弁穴３１の磨耗が大きくなるからであり、摺接面積Ｓｄが内周面Ｓａの３０％を超えると、副室から侵入したカーボンが付着固化して動作不良の原因となるからである。また、弁本体３２がコイルばね２５で支持されていることから、コイルばね２５と着火炎とにより弁本体３２が上下流方向にスライドする時に所定範囲で軸心Ｏ周りに回動し、これら摺接ガイド面４１により、副室１６から着火炎に伴って流入したカーボンが弁穴３１の内周面に付着するのを効果的に掻き落とすことができ、カーボンの付着による動作不良を防止することができる。

なお、この実施例では上鍔部３７Ｕの平面３７Ｕａと、下鍔部３７Ｄの切り欠き面３７Ｄａとを加工が容易に行えるため、同一位相（角度位置）で図示されているが、位相を変更してもよいし、またそれぞれ平面状に形成したが、湾曲凹状など平面以外の形状としてもよい。さらに、平面視で、角丸の四角形以外にも、角丸の正三角形や五角形、六角形など角丸の多角形に形成することもできる。

［材質］
また弁本体３２の材質を、析出硬化系ステンレス鋼とし、具体的にはＳＵＳ６３０，１７Ｃｒ−４Ｎｉを採用しているが、他の析出硬化系ステンレス鋼、たとえばＳＵＳ６３１も有効である。この弁本体３２の材質として、耐摩耗性や耐酸性を考慮してコバルト基合金やニッケル基合金の採用も考えられるが、これらの材料は価格が高い。このため、比較的安価で耐酸性に優れ、かつ時効硬化する特性を有する析出硬化系ステンレス鋼に着目した。

この析出硬化系ステンレス鋼であるＳＵＳ６３０，１７Ｃｒ−４Ｎｉの高温環境における硬さの変化について、実験した結果を図７に示す。上記実験結果によれば、約５００℃以上を越える温度環境では、やや軟化傾向を示すものの、この逆止弁３０の使用温度範囲である４００℃以上、５００℃以下では、熱処理時間（運転使用時間）内で十分な硬度を示した。この約４００℃〜５００℃の温度範囲は、逆止弁の使用温度の範囲に対応する。

なお、ここで弁穴３１を形成する筒体の材質は、ＳＵＳ６３０である。
図８は、本実施例の弁本体３２を、ガスエンジンにおいて２０００時間使用した後、硬度を測定した結果であり、比較対象は、従来品で材質が９Ｃｒ鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＨ１相当）で、表面が表面硬化（窒化）処理されたものである。本実施例の弁本体３２は、５００℃以下の使用環境で時効硬化が認められるのに対して、従来品では、時効硬化が認められなかった。また外観検査において、本実施例の弁本体３２には、カーボンの付着は認められず、高温酸化・焼損や偏磨耗も認められず、運転中の動作不良もなかった。従来品では、表面硬化処理に窒化処理を行うことで、耐酸化性を損なっていたためと思われる。

［逆止弁の動作］
上記構成において、主燃料制御弁１７により、吸気弁１４ｖが開放されて吸気口１４から燃焼室１３に主燃焼ガスが供給されるとともに、着火燃料制御弁２２により着火燃料供給管２１から弁穴３１に送られると、図４に示すように、着火燃料ガスのガス圧により弁本体３２が押し下げられて、着火燃料ガスがガス通過部３８、連通穴３６、中空部３３を介して副室１６に供給される。そして点火プラグ１８がスパークされて副室１６内の着火燃料ガスに着火され、着火炎が着火穴１９を介して燃焼室１３の主燃料ガスに点火燃焼され、ピストン１２が押し下げられる。同時に、弁穴３１に流入した着火炎が弁本体３２を押し上げ、閉鎖部３４が弁受座部２３に当接して弁穴３１が閉鎖される。

上記実施例によれば、弁本体３２の胴部３５の上流端と下流端に弁穴３１に案内される上鍔部３７Ｕおよび下鍔部３７Ｄを形成し、直接副室１６の着火炎に晒される下鍔部３７Ｄの摺接ガイド面４１を大幅に小さくしてその面積を、弁穴３１内周面の面積に対して、１０％以上で３０％以下とすることにより、弁穴３１内周面との間に隙間を形成して放熱作用を促進でき、高温酸化・焼損を未然に防止することができる。また弁本体３２がコイルばね２５により付勢されることで、スライド中に弁本体３２が周方向に揺動され、摺接ガイド面４１により弁穴３１に付着したカーボンの掻き落とし作用を促進させることができ、カーボンの付着による動作不良や偏磨耗を未然に防止することができる。

また、弁本体３２の材質を析出硬化系ステンレス鋼とすることで、４００℃〜５００℃となる逆止弁の使用温度を利用して、使用中に時効硬化を図ることができ、特別な表面硬化処理を不要として、ステンレス鋼本来の耐酸化性を確保することができ、安価で信頼性の高い逆止弁の弁本体３２を提供することができる。

１１シリンダヘッド
１２ピストン
１３燃焼室
１６副室
１８点火プラグ
１９着火穴
２０着火燃料供給ノズル
２１着火燃料供給管
２２着火燃料制御弁
２３弁受座部
２４規制段部
２５コイルばね
３０逆止弁
３１弁穴
３２弁本体
３３中空部
３４閉鎖部
３５胴部
３６連通穴
３７Ｕ上鍔部
３７Ｕａ平面
３７Ｕｂ摺接面
３７Ｄ下鍔部
３７Ｄａ切り欠き面
３８ガス通過部
３９吊手部
３９ａ掛止部
４１摺接ガイド面

Claims

点火用副室に燃料を供給する燃料供給ノズルに設けられて、点火用副室からの着火炎の逆流を防止するガスエンジン用逆止弁であって、
燃料供給ノズルの出口を構成する弁穴の上流端に形成された弁受座部および下流端に形成された規制段部と、これら弁受座部および規制段部の間の弁穴内にスライド自在に配置されて前記弁受座部に当接し弁穴を閉鎖可能な弁本体と、当該弁本体を前記弁受座部に当接する方向に付勢する付勢用のコイルばねとを具備し、
弁本体の胴部の上流側と下流側に、弁穴に案内される上鍔部および下鍔部を形成するとともに、弁本体の外周から弁本体内を通って下流側に主燃料ガスを送り出す着火燃料ガス流路を形成し、
前記下鍔部の外周部に、弁穴に摺接される一定面積の複数の摺接ガイド面を一定角度ごとに形成するとともに、これら摺接ガイド面の総面積を、当該下鍔部に対応する弁穴内周面の面積に対して、１０％以上で３０％以下とした
ことを特徴とするガスエンジンの副室用逆止弁。
弁本体は、その材質が析出硬化系ステンレス鋼とされ、弁本体の使用温度による時効硬化により硬化される
ことを特徴とする請求項１記載のガスエンジンの副室用逆止弁。
着火燃料ガス流路は、
上鍔部を切り欠いて形成されたガス通過部と、
弁本体に形成されて上流端が閉鎖され下流端が開口される中空部と、
弁本体の胴部に形成されて当該胴部外周と前記中空部とを連通する連通穴とを有する
ことを特徴とする請求項１または２記載のガスエンジンの副室用逆止弁。