WO2003069147A1

WO2003069147A1 - Culasse de cylindre

Info

Publication number: WO2003069147A1
Application number: PCT/JP2002/001198
Authority: WO
Inventors: Satoru Goto; Sadao Nakayama; Yoshiharu Ono
Original assignee: Niigata Power Systems Co., Ltd.
Priority date: 2000-08-14
Filing date: 2002-02-13
Publication date: 2003-08-21
Also published as: EP1475529A4; EP1475529B1; CN1522338A; US7066131B2; US20040084005A1; JP2002054445A; DK1475529T3; EP1475529A1; NO20034535D0; CY1114018T1; PT1475529E; NO337062B1; JP3676967B2; NO20034535L; CN100458132C

Description

明細書シリンダへッド発明の背景

1 . 発明の利用分野

本発明は、希薄燃焼ガスエンジンの燃焼性を改善し、低 N O Xを維持しながら、高いエンジン熱効率を維持し得るシリンダへッドに関する。

2 . 従来技術の記載

ガスエンジン等の内燃機関においては、燃焼室に連通する吸気ポートの開口にシ一トリングが取り付けられ、この開口を開閉する吸気弁と当接するシート面を提供している。

従来のシートリングの形状の例を図 1 1に示す。このシ一トリング（以下、標準シートリングと呼称する。）は環状をなし、その内径 φ Aと外径 Fとは、同心円をなしている。すなわち、内径 Φ Αと外径 Fとは、同一の中心 aを有している _c ガスエンジンでは、燃料ガスと空気との混合気の燃焼が火炎伝播によつて行われる。従って、空気の流動の積極的な利用が、燃焼時間の短縮による熱効率の向上に寄与する。

しかしながら、標準シートリングは、その内径 φ Aと外径 Fとが同心円をなしているため、標準シートリングを取り付けたガスエンジンでは、スワール比が小さく、空気の流動を利用した燃焼性の改善が困難である。

また、最近のディーゼルエンジンは、エンジンのサイズに比して、相対的に高出力が得られるよう設計される。すなわち、高 B M E P ( Brake Mean Effective Pressure ) エンジンであることが要求される。そのため、燃焼に必要な空気量を確保するため、高圧力比型の過給機が採用されたり、シリンダヘッドの吸排気ポートも、断面積が大きく、かつ曲がり等の少ない形状に設計される傾向がある。このような形状のポートでは、流量係数は高いが、強いスワール流は発生しない一方、完全燃焼による排気の清浄化と、高出力、高熱効率とを目的としたパイロット油着火ガスエンジンが開発されている。このパイロット油着火ガスェンジンでは、主要部品をディーゼルエンジンと共通化することにより、生産コストの抑制を図っている。

このパイロット油着火ガスエンジンのシリンダへッドは、ディーゼルエンジンとの共通化のため、流量係数は高いが、スヮ一ル比はゼロとなって、空気の流動を利用した燃焼性の改善が期待できない。

従って、上記パイロット油着火ガスエンジンの開発においては、熱効率の向上のため、流量係数の低下を最少に抑えつつ、スワール比を向上させることが望まれている。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、相反する要素である、流量係数の維持とスワール流の強化との両立が可能なシリンダへッドを提供し、熱効率を向上させることを目的とする。発明の要約

次に、上記の課題を解決するための手段を、実施の形態に対応する図面を参照して説明する。

すなわち、本発明は、内燃機関の燃焼室に連通する複数の吸気ポートのそれぞれに、吸気弁が当接されるシートリングが取り付けられたシリングへッドにおいて、外径の中心に対して内径の中心を偏心させた偏心シ一トリングが取り付けられた.吸気ポートと、外径の中心と内径の中心とを一致させた標準シ一トリングが取り付けられた吸気ポー卜とを混在させたものである。

このシリンダへッドでは、偏心シートリングが取り付けられた吸気ポートと、標準シートリングが取り付けられた吸気ポートとが混在する結果、標準シ一トリングが取り付けられた吸気ポ一トにより流量係数が確保されるとともに、偏心シ一トリングが取り付けられた吸気ポートによりスワール流が強化される。これにより、相反する要素である流量係数の確保とスワール流の強化との両立が可能になり、標準シ一トリングのみを取り付けた場合、或いは偏心シ一トリングのみを取り付けた場合に比べ、高い熱効率が得られる。

この場合、望ましくは、吸気ポートを、吸気マ二ホールド側からシリンダへッドを挟んで反対側に向かう方向に沿って 2つ設け、一方の吸気ポートに標準シートリングを取り付け、他方の吸気ポートに偏心シートリングを取り付ける。その具体例として、吸気マ二ホールド側からシリンダへッドを挟んで反対側にカム軸が来るように構成し、吸気ポートを、シリンダヘッドの吸気マ二ホールド側と力ム軸側との間に 2つ設け、一方の吸気ポートに標準シートリングを取り付け、他方の吸気ポートに偏心シートリングを取り付けたものでもよい。

このシリンダヘッドでは、二つの吸気ポートを設けた構造、すなわち、本発明を実施するのに必要最小限の吸気ポートを備えた構造において、その一方の吸気ボートに標準シートリングが取り付けられ、他方の吸気ポートに偏心シ一トリングが取り付けられる。その結果、二つの吸気ポートを設けた場合においても、相反する要素である流量係数の確保とスワール流の強化との両立が可能になり、この二つの吸気ポー卜に、標準シートリングのみを取り付けた場合、或いは偏心シ一トリングのみを取り付けた場合に比べ、高い熱効率が得られる。

また、更に望ましくは、偏心シ一トリングを、吸気マニホ一ルド側から見て相対的に遠い位置にある吸気ポートに取り付ける。

これにより、吸気マ二ホールド側から見て相対的に遠い位置にあるシリンダライナの壁面を利用した、効果的なスヮール流の発生が可能になる。

この場合、更に望ましくは、シリンダヘッドに、 2つの吸気ポートに対し平行となる 2つの排気ポートを併設し、偏心シートリングの縁の狭い部分を、マニホ —ルド側からシリンダへッドに向かう方向に対して略 4 5 ° の角度で排気ポート側へ向ける。

このシリンダへッドでは、吸気マ二ホールド側から見て相対的に遠い位置にある吸気ポートに偏心シートリングを取り付け、かつその偏心シ一トリングの縁の狭い部分を、マ二ホールド側からシリンダへッドに向かう方向に対して略 4 5。の角度で排気ポー卜側へ向けることにより、シリンダライナの壁面が有効に利用可能になり、燃焼室に対して効果的にスワール流を発生させることができる。また、その吸気導入方向が、シリンダライナの壁面に沿いかつ標準シ一トリングが取り付けられた吸気ポートからの吸気に対して千渉の少ない方向となることから、スヮ一ル流の強化とともに、流量係数の確保が可能になる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明に係るシリンダへッドに用いられる偏心シ一トリングの断面図である。

図 2は、図 1に示す偏心シ一トリングの平面図である。

図 3 Aは、シリンダへッドに取り付けられたシ一トリングの組み合わせのバリエーシヨン（No. 1) を示す平面図である。

図 3 Bは、シリンダへッドに取り付けられたシートリングの組み合わせのバリェ一シヨン（No. 2) を示す平面図である。

図 3 Cは、シリンダへッドに取り付けられたシ一トリングの組み合わせのバリェ一シヨン（No. 3) を示す平面図である。

図 4 Aは、シリンダへッドに取り付けられたシ一トリングの組み合わせのバリェ一シヨン（No. 4) を示す平面図である。

図 4 Bは、シリンダへッドに取り付けられたシ一卜リングの組み合わせのバリェ一シヨン（No. 5) を示す平面図である。

図 4 Cは、シリンダへッドに取り付けられたシ一トリングの組み合わせのバリエーシヨン（No. 6) を示す平面図である。

図 5 Aは、シリンダへッドに取り付けられたシ一トリングの組み合わせのバリェ一シヨン（No. 7 ) を示す平面図である。

図 5 Bは、シリンダへッドに取り付けられたシ一トリングの組み合わせのバリエーシヨン（No. 8) を示す平面図である。

図 5 Cは、シリンダへッドに取り付けられたシートリングの組み合わせのバリエーシヨン（No. 9) を示す平面図である。

図 6 Aは、シリンダへッドに取り付けられたシ一トリングの組み合わせのバリェ一シヨン（No. 1 0) を示す平面図である。

図 6 Bは、シリンダへッドに取り付けられたシートリングの組み合わせのバリェ一シヨン（No. 1 1) を示す平面図である。

図 6 Cは、シリンダへッドに取り付けられたシートリングの組み合わせのバリエーシヨン（No. 12) を示す平面図である。

図 7 Aは、シリンダへッドに取り付けられたシートリングの組み合わせのパリエーシヨン（N o . 1 3 ) を示す平面図である。

図 7 Bは、シリンダへッドに取り付けられたシートリングの組み合わせのバリエーシヨン（N o . 1 4 ) を示す平面図である。

図 7 Cは、シリンダへッドに取り付けられたシ一トリングの組み合わせのパリエーシヨン（N o . 1 5 ) を示す平面図である。

図 8は、図 3 A〜図 7 Cに示すシ一トリングの組み合わせのバリエ一ションにおける、流量係数及び無次元スワール数を示すグラフである。

図 9は、図 6 Bに示す組み合わせ N o . 1 1に相当するシ一トリング構成を有するシリンダへッドの平面図である。

図 1 0は、図 9に示すシリンダヘッドを有するエンジンと、標準シートリングのみが取り付けられたェンジンとの熱効率を比較したグラフである。

図 1 1は、従来のシリンダヘッドに用いられる標準シートリングの断面図である。好ましい実施様態

以下、本発明に係るシリンダヘッドの好適な実施様態を、図面を参照しつつ説明する。

本発明は、ガスエンジンのシリンダへッドに取り付けられる吸気ポート用シ一トリングの装着箇所及び偏心方向を適宜選択し、流量係数を低下させることなくスヮ一ル流を強化し、燃焼時の空気流動を促進して燃焼性を改善するためのものである。本発明は、混合気の燃焼が火炎伝播により行われるエンジン、すなわち、パイロット油着火ガスエンジン、火花点火ガスエンジン、及び火花点火ガソリンエンジン等に適用できる。また、本発明の技術を採用したエンジンは、例えば産業用または民生用の定置型発電設備に利用される。

図 1は、本発明に係るシリングヘッドに用いられるシートリング（以下、偏心シ一トリングと呼称する。）の断面図、図 2は、図 1に示す偏心シートリングの平面図である。

図 1に示す偏心シ一トリング 1は、シリンダへッドに開口した吸気ポートの開口に取り付けられる。偏心シートリング 1は、吸気ポートの側に開口した孔部 3 を有する入り口部 5と、燃焼室側に設けられて吸気弁が接触するシート面 7を有する弁座部 9と、シリンダヘッドの開口に取り付けるための嵌め込み部 1 1等から構成されている。

偏心シ一トリング 1では、その外径の中心と、孔部 3の内径の中心とがー致していない。すなわち、偏心シートリング 1では、孔部 3の内径の中心が、外径の中心に対レて偏心している。具体的には、外径の中心 aから Eだけ偏心した中心 bを有する内径 φ Bの周面が、孔部 3の内周面を形成している。ここで、外径の中心 aから内径の中心 bに向かう方向を、偏心シ一トリング 1の偏心方向と呼ぶ。このような偏心した孔部 3を得るには、外径と同一の中心 aを有する内径 φ A の周面を形成した後、この周面を切削加工し内径 Φ Βの周面を形成する。その結果、図 1に示すように、孔部 3の内周面のうち、偏心シ一トリング 1の偏心方向と反対側の部分は、内径 Φ Aの周面を形成した際の凸状周面 3 aと接するが、それ以外の部分は、偏心シートリング 1の偏心方向に向け、徐々に上下に幅広となる平坦周面 3 bを形成する。平坦周面 3 bの上下の幅は、偏心シートリング 1の偏心方向側（図 1では左側）で最も広くなる。

一方、吸気ポートの開口には、この偏心シートリング 1の他に、外径の中心 a と孔部 3の内径 φ Aの中心とを一致させた、図 1 1に示す標準シートリングが取り付けられる。この標準シートリングでは、孔部 3と外径とが同心円をなしている。

つまり、本実施様態に係るシリンダへッドでは、偏心シートリング 1が取り付けられた吸気ポートと、標準シートリングが取り付けられた吸気ポ一トとが混在する。

本実施様態では、これら偏心シ一トリング 1及び標準シートリングの装着箇所及び偏心方向を最適に選択することで、流量係数の確保とスヮール流の強化という相反する要素の両立を可能とした。その例を、図 3ないし図 7を参照しつつ、以下に説明する。

図 3 A〜図 7 Cは、シリンダヘッドを模式的に示す平面図である。このシリングヘッドは、一つのシリンダに対して開口 A、 Bと、開口（：、 Dとを 2個ずつ有している。また、これらの図において、左側がカム軸側、右側がマ二ホールド側 (吸気マ二ホールドと排気マ二ホールドとの双方が同じ側にある）である。

このシリンダヘッドにおいて、図 3 Aに破線で示す 2個の吸気ポート 1 3、 1 4の一端が、開口 A、 Bを介して燃焼室に連通されている。これらの開口 A , B は、吸気弁（図示せず。）によりそれぞれ開閉される。また、図示されていないが、これら吸気ポート 1 3、 1 4の他端は、吸気の流れに対し上流、下流の関係となるよう、互いに連結されている。

更に、開口 A、 Bは、各開口 A、 Bの中心を通過する線分が、マ二ホールド側からシリンダヘッドを挟んで反対側（図の例ではカム軸側）に延びるよう、配置されている。

一方、燃焼室に連通された排気ポート（図示せず。 ) の開口 C、 Dは、上記吸気ポート 1 3、 1 4の各開ロ八、 Bに対し平行に配置されている。これらの開口 C , Dは、排気弁（図示せず。）によりそれぞれ開閉される。

次に、羽根車を用いた定常流試験装置を用いて、図 3 A〜図 7 Cに示すシリンダへッドにおける流量係数とスワール流の強さとを比較した結果を、図 3 A〜図 8を参照しつつ説明する。

図 3 A〜図 7 Cに示される計 1 5葉の図は、定常流試験における、各開口 A〜 Dに取り付けられた標準シ一トリング及び偏心シートリングの位置と、偏心シ一卜リングの偏心方向との組み合わせを示す。なお、図 3 A〜図 7 Cにおいて、偏心シートリングの外径の中心は、その偏心シ一トリングが取り付けられた開口の中心と一致している。また、図 3 A〜図 7 Cにおいて、矢印 dは、偏心シートリングの偏心方向を示している。

流量係数及びスワール流は、従来型のガスエンジンと同程度の流量係数 0 . 5 1及ぴ無次元スヮ一ル数 0 .. 1 3 4を目標とした。

これらの目標値は、以下の理由により採用された。すなわち、従来のガスェンジンは、単位シリンダ容積当たりの出力が低く、 B M E Pを用いて表現すると 1 . 2 3 M P a未満、大きくても 1 . 4 7 M P a未満の小出力であるため、多くの燃焼用空気を必要としなかった。このような従来型のガスエンジンにおけるシリンダへッドの吸気ポ一卜の設計に際しては、流量係数とスワール流という相反する要素を、特殊な技術を使用せずとも、適正値とすることが可能であった。しかしながら、イニシャルコストの低減や、エンジン発電効率を高めてランニングコスト低減等を図り、経済性を追求しょうとする目的で、シリンダ容積当たりの出力を、 BMEPで 1. 47MP a以上、望ましくは 1. 72MP a以上、更に望ましくは 1. 96 MP a以上の高出力とする場合には、従来より多くの空気量を必要とするために、流量係数を重視して吸気ポートを設計せざるを得ない。

一方、スワール流は、ガスエンジンのシリンダ内で点火源を起点とする混合気の火炎伝播を促進させて、混合気の確実な燃焼を確保するように適正値とする必要がある。しかしながら、通常は、単位シリンダ容積当たりに出力を高くした場合に、流量係数を従来型のガスエンジンと同じように確保すると、スワール流を従来型のガスエンジンと同じ強さとすることができない。

従って、本実施様態においては、このような相反する要素である流量係数とスワール流とを高出力エンジンでも維持すべく、従来型のガスエンジンと同程度の流量係数 0. 5 1及び無次元スワール数 0. 134を目標とした。換言すれば、本実施様態は、標準シートリングと偏心シートリングとの組み合わせにより、従来型のガスエンジンと同程度の流量係数及び無次元スヮ一ル数を維持することにより、シリンダ当たりの出力を従来よりも高出力とし、イニシャルコストの低減や、エンジン発電効率の向上によるランニングコストの低減を図り、経済性を向上させようとするものである。更には、本実施形態を、 8^^£?が1. 231^？ a未満のエンジンに適用しても、スワール流の強化に伴う熱効率の改善が可能となる。

図 8には、図 3 A〜図 7 Cに示す各種のシ一ルリングの組み合わせにおける、最大バルブリフト時の流量係数と無次元スワール数が表示されている。なお、図 8の縦軸における無次元スワール数の +—は、スワール流の向きを示し、図 3 A に示すように、シリングヘッドの爆面から見て反時計方向が十、時計方向が一である。

図 3 A (シートリング組み合わせ No. 1) に示すように、標準シートリングを開口 A、 Bの両方に取り付けた場合、図 8に示すように、流量係数は 0: 6以上と高いが、無次元スワール数は 0である。

これに対し、図 3 B、図 3 C、図 4A、図 4B、図 4C、及び図 5Aに示すように、偏心シートリングを開口 A、 Bの両方に取り付けると（組み合わせ NO. 2〜N0. 7) 、図 8に示すように、無次元スワール数を 0. 1 5カ、ら 0. 2に高めることができるが、流量係数は 0. 45から 0. 48程度に低下する。

更に、図 5 B、図 5 C、図 6A、図 6 B、図 6 C、図 7A、図 7 B、及び図 7 Cに示すように、開口 A、 Bの一方に標準シートリングを、他方に偏心シートリングを取り付け（組み合わせ No. 8〜No. 15) 、偏心シートリングの方向と空気流動性の関係を評価した。

その結果、図 6 Bに示す、開口 Bに偏心シートリングを取り付け、その方向をライナ壁面から 45° 内向きにした場合（組み合わせ No. 1 1) が、目標とする特性となることが示された。

開口 Bは、吸気マ二ホールド側から見て相対的に遠い位置にあるため、シリンダライナの壁面を利用してスワール流を生じさせる効果が得られたと考えられる。また、この場合においても、開口 Aに標準シードリングを取り付けることによつて、 0. 54〜0. 55程度の流量係数が確保されている。

すなわち、偏心した孔部 3を有する偏心シ一トリング 1が取り付けられた吸気ポートと、偏心していない孔部 3を有する標準シ一トリングが取り付けられた吸気ポートとを混在させることにより、標準シートリングが取り付けられた吸気ポートによつて流量係数が確保され、かつ偏心シ一トリング 1が取り付けられた吸気ポートによってスワール流が強化される。

これにより、相反する要素である流量係数の確保とスワール流の強化との両立が可能になり、標準シートリングのみを取り付けた場合、或いは偏心シートリング 1のみを取り付けた場合に比べ、高い熱効率が得られる。

実施例

次に、組み合わせ No. 1 1 (図 6 B) に相当するシートリング構成を有するエンジンを作成し、その運転性能試験を実施した結果を説明する。

図 9は、組み合わせ No. 1 1に相当するシートリング構成を有するエンジンのシリンダヘッドを示した平面図、図 10は、図 9に示したエンジンと標準シートリングを取り付けたエンジンとの熱効率を比較したグラフである。

この実施例によるエンジンは、シリンダ径 220mmの 6シリンダエンジンのシリンダヘッドに、組み合わせ N O . 1 1 (図 6 B ) のシ一トリング構成を有するシートリングを装着したものである。すなわち、吸気マ二ホールド側から見て相対的に遠い位置にある吸気ポートに偏心シートリングが設けられ、かつその偏心シートリングの縁の狭い部分が、図に矢印 dで示すように、カム軸側から略 4 5 ° の角度で排気ポート側へ向けて配置されている。

その結果、本実施例によるシ一トリング構成の場合、図 1 0に示すように、熱効率が、標準シ一トリングを取り付けた場合よりも、 0 . 2〜0 . 5ポイント高くなることが分かった。

この実施例の結果からも分かるように、吸気マ二ホールド側から見て相対的に遠い位置にある吸気ポートに偏心シー卜リングを取り付け、かつその偏心シー卜リングの縁の狭い部分を、カム軸側から略 4 5 ° の角度で排気ポート側へ向けて配置することで、シリンダライナの壁面が有効に利用可能になり、燃焼室に対して効果的にスワール流を発生させることができる。また、その吸気導入方向が、シリンダライナの壁面に沿いかつ標準シ一トリングが取り付けられた吸気ポ一トからの吸気に対する干渉の少ない方向となることから、スワール流を強化しつつ、流量係数が確保可能になる。

なお、上述した実施様態においては、図 1に示すように、左右で非対称な形状を有する偏心シ一卜リング 1を、外径の中心 aと同一の中心を有する内径 Φ Aの凸状周面 3 aを形成した後、偏心した位置にある内径 Φ Βの周面を切削加工により形成した例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、内周を全周にわたって凸状周面としたり、内周を全周にわたって平坦周面とする等して、肉厚が異なるが、左右の形状がほぼ類似した偏心シールリングを形成してもよい。

また、上述した実施様態では、偏心シ一トリング 1が、標準シ一トリングの内径 Φ Aより大きい内径 Φ Bを有する場合について示したが、スワール流強化のためには、偏心シートリングの内径が標準シ一トリングの内径より大きくなるとは限らない。流量係数が大きなシリンダヘッドの吸気ポートに対しては、偏心シ一卜リング 1の内径を標準シ一トリングの内径より小さくする場合もある。ただし、現実の設計においては、流量係数とスワール流とが相反する特性なので、偏心シ一トリングの内径を標準シートリングの内径より大きくすることが望ましい。また、上述した実施様態では、図 3 Aに破線で示すように、 2個の吸気ポート 1 3、 1 4がそれぞれ燃焼室に開口し、各吸気ポート 1 3、 1 4の他端部が、吸気の流れに対し上流、下流の関係となるよう、互いに連結した例を示したが、各吸気ポートを、吸気マ二ホールドにそれぞれ独立して連通させる構成としてもよい。

更に、上述した実施様態では、図 3 A〜図 7 Cにおいて、左側をカム軸側、右側をマ二ホールド側（吸気マ二ホールドと排気マ二ホールドとの双方が同じ側にある）とした例を示したが、吸気マ二ホールドを、反対側に位置させるように力ム軸側に設けて、吸気マ二ホールドが排気マニホ一ルドとシリンダを介して対向するように構成してもよい。

Claims

請求の範囲

1 . 内燃機関の燃焼室に連通する複数の吸気ポートのそれぞれに、吸気弁が当接されるシートリングが取り付けられたシリングへッドにおいて、

外径の中心に対して内径の中心を偏心させた偏心シートリングが取り付けられた前記吸気ポートと、外径の中心と内径の中心とを一致させた標準シ一トリングが取り付けられた前記吸気ポートとが混在しているシリンダへッド。

2 . 前記吸気ポートが、吸気マ二ホールド側から前記シリンダヘッドを挟んで反対側に向かう方向に沿って 2つ設けられ、一方の前記吸気ポートに前記標準シ一トリングが取り付けられ、他方の前記吸気ポートに前記偏心シートリングが取り付けられている請求項 1に記載のシリンダへッド。

3 . 前記吸気ポートが、前記吸気マ二ホールド側とカム軸側との間に 2つ設けられている請求項 2に記載のシリンダへッド。

4 . 前記偏心シー卜リングが、前記吸気マ二ホールド側から見て相対的に遠い位置にある前記吸気ポートに取り付けられている請求項 2に記載のシリンダへッド、。

5 . 前記偏心シートリングが、前記吸気マ二ホールド側から見て相対的に遠い位置にある前記吸気ポートに取り付けられている請求項 3に記載のシリンダへッド。

6 . 前記シリンダヘッドに、前記 2つの吸気ポートに対し平行となる 2つの排気ポートが併設され、前記偏心シートリングの縁の狭い部分が、前記マ二ホールド側から前記シリンダへッドに向かう方向に対して略 4 5 ° の角度で前記排気ポート側へ向けられている請求項 4に記載のシリンダへッド。

7 . 前記シリンダヘッドに、前記 2つの吸気ポートに対し平行となる 2つの排気ポートが併設され、前記偏心シートリングの縁の狭い部分が、前記マ二ホールド側から前記シリンダへッドに向かう方向に対して略 4 5 ° の角度で前記排気ポート側へ向けられている請求項 5に記載のシリンダへッド。