WO2011080914A1 - 大型ガスエンジンの燃焼室 - Google Patents

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gas engine
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宏佳 石井
哲夫 徳岡
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川崎重工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a combustion chamber in a large gas engine having a sub-combustion chamber.
  • the fuel gas in the sub-combustion chamber having a small volume is burned at a stoichiometric air-fuel ratio, and the fuel in the main combustion chamber with a lean fuel concentration is burned with the combustion energy.
  • lean combustion is realized, and highly efficient operation with suppressed generation of NOx becomes possible.
  • combustion is performed by the propagation of a flame from the center to the outer periphery in the main combustion chamber.
  • the fuel in the outer periphery does not burn but is led to the exhaust pipe together with the exhaust gas and released to the outside air, so that the efficiency of the engine deteriorates.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of a combustion chamber of a conventional large gas engine.
  • the combustion gas generated in the auxiliary combustion chamber is injected from the injection port into the main combustion chamber as a flame jet.
  • the flame jet burns the lean fuel in the main combustion chamber.
  • a piston cavity that occupies most of the volume of the combustion chamber when the piston is at the top dead center is formed to increase the capacity of the main combustion chamber.
  • a side surface of the piston cavity is formed with a surface on which the flame jet hits vertically.
  • the flat portion formed outside the piston cavity forms a top clearance with the cylinder ceiling.
  • the flame jet discharged from the nozzle of the auxiliary combustion chamber collides with the side wall of the piston cavity and burns the fuel gas in the piston cavity.
  • knocking occurs when the combustion in the top clearance is delayed with respect to the combustion in the piston cavity.
  • the fuel gas in the top clearance is compressed by the combustion in the piston cavity and ignites before the flame propagates to cause knocking and damage the engine.
  • the fuel at the outer peripheral portion is reduced to reduce the amount of unburned gas released into the atmosphere, and the ignition is suppressed by wall cooling to prevent knocking. There is a way.
  • Patent Document 1 discloses a sub-chamber engine that optimizes the shape of the sub-combustion chamber nozzle so that the flame jet directly reaches the valve recess portion on the outer peripheral portion to promote flame propagation in the valve recess portion. Yes.
  • the fuel gas hardly flows into the outer peripheral portion, and the fuel gas concentration in the outer peripheral portion becomes small.
  • there is also a wall surface cooling effect even if a flame jet from the auxiliary combustion chamber reaches, it is difficult to burn and unburned gas remains.
  • the fuel gas in the outer peripheral portion burns last, there is a high possibility that knocking will occur.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a combustion chamber having an effect of suppressing knocking and reducing the amount of unburned gas released to the atmosphere in a large gas engine having a main combustion chamber and a sub-combustion chamber. Is to provide.
  • the combustion chamber of the gas engine comprises a main combustion chamber having a sub-combustion chamber having a nozzle hole exposed in the main combustion chamber at the center of the ceiling, and slides in the main combustion chamber.
  • a combustion chamber of an engine comprising a piston inserted in a possible manner, a peripheral portion of the upper surface of the piston being a flat surface, and a raised portion formed in a central portion of the piston, wherein the nozzle hole of the sub-combustion chamber has a center
  • the shaft is formed such that when the piston is at the top dead center, the shaft faces the portion where the raised portion of the upper surface of the piston and the plane of the peripheral portion join.
  • the raised portion formed at the center of the piston may be a smooth protrusion formed of a rotating body with the central axis of the piston as the rotation axis.
  • the distance from the portion where the raised portion on the upper surface of the piston and the plane of the peripheral portion join to the end edge of the piston is such that the flame generated on the upper surface of the cylinder by the nozzle gas discharged from the nozzle of the sub-combustion chamber causes the piston to descend. It is preferable that the distance be such that it propagates to the inner wall surface of the cylinder head before the inner wall surface of the cylinder liner is exposed to the main combustion chamber for the first time.
  • fuel gas is supplied to the center of the piston in the air supply stroke of the engine. Therefore, in the compression stroke, the concentrated fuel gas is initially unevenly distributed in the center of the upper surface of the piston at the bottom of the cylinder. become.
  • the piston has a smooth bulge in the center of the upper surface of the piston, when the piston moves toward the cylinder ceiling, the airflow flows in the cylinder from the center of the piston to the periphery and from the cylinder bottom to the cylinder ceiling. Is generated and the fuel gas is mixed.
  • the piston When the piston is located at the top dead center, it becomes a narrow disc-shaped combustion chamber sandwiched between the upper surface of the piston and the cylinder ceiling, and the fuel gas in the combustion chamber has a higher gas concentration in the periphery of the combustion chamber than in the center. To be distributed. Note that the fuel gas is in the darkest state near the skirt of the raised portion.
  • the volume of the outer peripheral portion of the main combustion chamber is increased and the fuel easily flows to the outer peripheral portion.
  • the part existing in the conventional main combustion chamber such as the part disappeared, and the lean gas in the peripheral part that causes delayed ignition no longer exists.
  • the flame jet supplied from the nozzle of the auxiliary combustion chamber is preferably propagated in the combustion chamber so that the fuel gas in the combustion chamber burns in the shortest possible time.
  • the flame jet from the nozzle hits the ridge portion of the ridge on the upper surface of the piston where the concentration of fuel gas is the highest, and the flame is centered from the skirt portion of the ridge to the outer periphery. Since it propagates toward the part, the indoor fuel gas burns in a short time.
  • the flame of the ignited lean fuel gas is generated before the flame jet hits the skirt portion of the raised portion on the upper surface of the piston and the piston starts to descend and the cylinder liner portion is not exposed to the combustion chamber.
  • the inner wall of the cylinder head can be reached.
  • the piston outer peripheral portion is prevented from overheating and the cylinder liner is protected. be able to.
  • the combustion chamber of the present invention it is possible to suppress knocking and to reduce the amount of unburned gas released to the atmosphere.
  • the gas engine piston of the present invention has a smooth bulge that forms a rotating body with the periphery of the upper surface being a flat surface and the central axis of the piston as the rotation axis. It is characterized by that.
  • the inclination in the conical surface of the side part of the raised part formed in the center part of the piston upper surface is 5 ° or more and smaller than the depression angle of the nozzle hole of the auxiliary combustion chamber.
  • the inclination of the conical surface is particularly preferably in the range of 5 ° to 20 °.
  • the contour of the upper surface of the piston when it is cut along the plane including the piston central axis is raised with the slope of the contour with respect to the plane of the peripheral edge continuously increasing from zero in the vicinity of the beginning of the protruding portion and continuously decreasing thereafter.
  • a line represented by a smooth graph that is zero again at the top of the part is preferred.
  • the distance from the joining position of the peripheral plane and the central ridge to the end edge of the piston is such that the piston starts to descend during the combustion stroke of the engine and before the inner wall surface of the cylinder liner is exposed to the main combustion chamber. Further, it is preferable that the flame generated on the upper surface of the cylinder head by the nozzle gas emitted as a flame jet from the nozzle of the auxiliary combustion chamber can propagate to the inner wall surface of the cylinder head.
  • the cylinder liner can be protected and a long life can be maintained.
  • the piston for a gas engine of the present invention is effective in reducing knocking and reducing the amount of unburned gas released into the atmosphere by being applied to the configuration of the combustion chamber of the gas engine in the above invention.
  • FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a combustion chamber of a gas engine according to one embodiment of the present invention.
  • the combustion chamber of this embodiment is applied to a large gas engine, and the combustion chamber is composed of a main combustion chamber 11 and a sub-combustion chamber 13.
  • the main combustion chamber 11 is formed by the upper surface of the cylinder head 3, the inner wall surface of the cylinder head 3 (including the inner wall surface of the cylinder liner 1 when the piston 5 is below), and the upper surface of the piston 5.
  • the sub-combustion chamber 13 is incorporated in the cylinder head 3, and the plurality of nozzle holes 19 of the sub-combustion chamber 13 are arranged radially in the center of the ceiling of the main combustion chamber 11 along the circumference in the main combustion chamber 11. Exposed.
  • the cylinder head 3 is fixed to the top of the cylinder liner 1 to form a ceiling portion of the combustion chamber, and a supply / exhaust system including an intake valve 7 and an exhaust valve 9 and a valve drive system (not shown) are mounted. ing.
  • the piston 5 has a flat surface 15 at the periphery of the upper surface, and a smooth raised portion 17 that forms a rotating body having the central axis of the piston 5 as a rotation axis at the center of the upper surface.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the main surface of the piston head used in this embodiment, including a piston central axis.
  • a raised portion 17 having an apex P on the piston central axis is formed on the upper surface of the piston 5.
  • the raised portion 17 is a cone having a spherical shape near the apex P, and the conical surface has a gentle inclination angle ⁇ of about 5 ° to 20 °.
  • the inclination angle ⁇ of the conical surface is preferably smaller than the depression angle ⁇ of the flame jet ejected as the nozzle gas from the nozzle 19 of the auxiliary combustion chamber 13.
  • most of the side surface of the raised portion 17 is formed of a conical surface having a constant inclination angle ⁇ such as about 10 °.
  • the vicinity of the apex P of the raised portion 17 on the central axis of the piston 5 is formed in a spherical shape with a radius of 150 mm, for example.
  • FIG. 3 is a graph showing the change in the inclination of the ridgeline for an example of the upper surface of the piston head. The figure shows the inclination of the ridgeline at each position from the edge of the upper surface of the piston 5 to the central axis of the piston.
  • the slope of the conical surface on the side of the raised portion 17 has a constant value, and the slope of the ridge line in the vicinity of the vertex P of the raised portion 17 decreases sinusoidally and becomes zero again at the vertex P.
  • the rotating body in which the slope of the ridge line continuously changes forms a raised portion 17 that is covered with a smooth surface without a sharp protrusion point or a corner fold line. Therefore, the raised portion 17 does not disturb the flow of the generated airflow. In addition, during the operation of the engine, it is possible to prevent the phenomenon that the engine efficiency is lowered by igniting the fuel gas due to the high temperature of the protrusions and corners.
  • FIG. 4 shows the fuel gas in the combustion chamber of this embodiment according to the result of analysis by CFD (Computational Fluid Dynamics) assuming the use of a piston having a raised portion on the upper surface according to this embodiment. It is drawing which shows the change in a compression process about density
  • 4 (a), 4 (b), and 4 (c) are diagrams showing the distribution of the fuel gas concentration in the main combustion chamber 11 in shades, with the lower end portion being the upper surface of the piston, the upper end portion being the cylinder ceiling, and the left and right sides. The ends represent the inner walls of the cylinder liner and cylinder head.
  • Fig. 4 (a) shows a state in which the compression stroke has started slightly
  • Fig. 4 (b) shows a state in which the piston has been raised to an almost intermediate position
  • Fig. 4 (c) shows a state in which the top dead center is immediately before ignition. Indicates.
  • fuel is supplied to the piston central part in the engine air supply stroke. Therefore, as shown in FIG. 4A, a rich fuel gas is present at the beginning of the compression stroke.
  • the piston 5 is unevenly distributed on the upper surface and central portion of the piston 5 at the bottom of the main combustion chamber 11.
  • the main combustion chamber 11 becomes a thin disk-like space sandwiched between the upper surface of the piston 5 and the ceiling of the main combustion chamber 11, and the fuel gas in the main combustion chamber 11 is As shown in FIG.4 (c), it distributes so that the gas concentration in the peripheral part of the main combustion chamber 11 may become thicker than a center part.
  • the fuel gas is in the darkest state near the skirt portion of the raised portion 17 on the upper surface of the piston 5.
  • the combustion in the narrow part may be delayed or preceded by the main combustion in the main combustion chamber 11 to cause knocking, or the fuel gas in the narrow part may burn. In some cases, the heat efficiency is reduced due to loss and waste.
  • the narrow portions such as the valve recess and the top clearance portion that have been apt to become thinner even in a rare gas conventionally disappear, and the volume of the outer peripheral portion of the main combustion chamber 11 increases.
  • the fuel gas easily flows and the raised portion 17 on the upper surface of the piston 5 develops an air flow of the fuel gas in the main combustion chamber 11, so that there is no diluted gas in the peripheral portion that causes delayed ignition.
  • the rich fuel gas having an excess air ratio of about 1 is ignited in the auxiliary combustion chamber 13, and the combustion gas is emitted from a plurality of nozzle holes 19 provided concentrically.
  • the lean fuel gas having an excess air ratio of 2 or more in the main combustion chamber 11 is ignited.
  • the fuel gas in the central portion of the main combustion chamber 11 is thinner and relatively difficult to ignite, whereas the fuel gas concentration in the peripheral portion is higher, so that the combustion proceeds without delay in the peripheral portion. For this reason, generation
  • the shape of the raised portion 17 is not limited to a smooth cone, but may be any appropriate protrusion having a smooth surface that can generate a gas stream having an appropriate strength in the main combustion chamber 11.
  • the inclination angle ⁇ is preferably not less than 5 ° and not more than the depression angle ⁇ in the blowing direction of the flame jet 25, and particularly preferably in the range of 5 ° to 20 °.
  • the main combustion chamber 11 can be kept airtight and the engine output can be secured. However, if a flame is directly projected onto the cylinder liner surface 23, the liner surface is damaged, and airtightness is lost in a short period of operation, increasing the maintenance burden.
  • the cylinder liner surface 23 on which the piston ring 21 slides is formed on the inner wall of the cylinder liner 1, and the piston ring 21 does not slide on the cylinder surface of the cylinder head 3. Therefore, after the upper surface of the piston 5 reaches the joining height of the cylinder liner 1 and the cylinder head 3, the flame starts before the piston 5 starts to descend and the cylinder liner surface 23 of the cylinder liner 1 is exposed in the main combustion chamber 11. What is necessary is just to select the shape which the flame which arises by combustion of the fuel gas ignited with the jet propagates to a cylinder head inner wall.
  • the number of nozzle holes 19 in the sub-combustion chamber 13 is selected according to the size of the main combustion chamber, such as four, six, and eight, and the upper surface of the piston is raised when the piston 5 is at the top dead center. It has a depression angle ⁇ such that the flame gas jet 25 of the combustion gas is ejected toward a portion where the portion 17 and the peripheral plane 15 intersect, that is, toward the bottom portion of the raised portion 17.
  • the thermal efficiency of the engine was improved by about 0.8% in absolute value.
  • the absolute value of the thermal efficiency represents the ratio of energy output from the engine to the energy of the supplied fuel.
  • the amount of unburned fuel gas was reduced by about 30%.

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Abstract

　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とを備えたガスエンジンに適用される燃焼室であって、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。

Description

大型ガスエンジンの燃焼室
　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一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、ピストンが下降し始めてシリンダライナの内壁面が主燃焼室に露出する前に、シリンダヘッドの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となるように分布する。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、希薄ガス中でもガス濃度が薄くなることが多かったバルブリセスやトップクリアランス部など従来の主燃焼室に存在した部位が消滅し、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、燃焼ガスを同心円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、ノッキングのおそれが少なくなる。
　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、ピストンが下降し始め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ヘッド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ヘッドの内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奏することができる。
　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、ピストンが降下し始めてシリンダライナの内壁面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ヘッドの上面で発生した火炎がシリンダヘッド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奏することができる。
　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。
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、シリンダヘッド３の上面、シリンダヘッド３の内壁面（ピストン５が下方にあるときはシリンダライナ１の内壁面も含む）、及びピストン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一例について、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、左右端はシリンダライナ及びシリンダヘッド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の周辺部でのガス濃度が中心部より濃くなるように分布する。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がちであった、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、燃焼ガスを同心円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た後、ピストン５が降下し始めて主燃焼室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ヘッド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た後、ピストン５が降下し始め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と周縁部の平面１５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％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。
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に適用される燃焼室であって、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おり、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、前記ピストンが降下し始めてシリンダライナの内壁面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ヘッドの上面で発生した火炎が前記シリンダヘッド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、該ピストンが降下し始めてシリンダライナの内壁面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ヘッドの上面で発生した火炎が前記シリンダヘッド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。 
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