WO2015053331A1 - 副室式ガスエンジン用のピストンおよび副室式ガスエンジン - Google Patents

副室式ガスエンジン用のピストンおよび副室式ガスエンジン Download PDF

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WO2015053331A1
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piston
gas engine
combustion chamber
chamber
injection holes
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一敏 野村
賢二 平岡
柚木　晃広
山田　哲
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三菱重工業株式会社
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    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the present invention relates to a piston and a sub-chamber gas engine for a sub-chamber gas engine with a countermeasure against knocking, and in particular, a sub-chamber considering the shape of the top of the piston so as to eliminate the range in which flame propagation by the torch jet is delayed.
  • the present invention relates to a piston and an auxiliary chamber gas engine for a gas engine.
  • the main combustion chamber 4 defined by the cylinder liner and the lower surface of the cylinder head 3 is formed, the flame generated in the sub combustion chamber 5 can be transferred from the injection holes 6 of the sub combustion chamber 5 to the main combustion chamber.
  • the torch-like flame jet from the injection hole 6 hereinafter referred to as torch jet tj
  • the auxiliary combustion chamber 5 includes a plurality of mixture igniters (not shown) such as an ignition plug or a fuel injection valve for ignition and a plurality of main combustion chambers 4.
  • the directions of the injection holes 6 are set to be equal intervals ⁇ in a plan view of the main combustion chamber 4.
  • the interval ⁇ 360 / n °
  • fuel gas is supplied to the auxiliary combustion chamber 5 so that a rich air-fuel mixture which is easily ignited as the piston 2 is compressed is formed.
  • a lean mixture is introduced into the main combustion chamber 4 through the air supply valve 7. Further, the mixture burned in the main combustion chamber 4 is exhausted as exhaust gas through the exhaust valve 8.
  • the rich air-fuel mixture in the auxiliary combustion chamber 5 is ignited and burned by the installed ignition device, and is ejected into the main combustion chamber 4 through the injection holes 6 to form the torch jet tj Ignite the lean mixture.
  • the flame of the main combustion chamber 4 advances in the radial direction from the torch jet tj, and the flame propagates in the circumferential direction so that the flame spreads as shown by a broken line.
  • the piston 2 is pushed down from TDC by the combustion in the main combustion chamber 4 to rotate the crankshaft, and the piston 2 reaching the bottom dead center (BDC) moves upward again, and through the exhaust valve 8 in the exhaust stroke. Exhausted.
  • Patent Document 1 discloses a combustion chamber of a large gas engine. That is, in Patent Document 1, in the combustion chamber applied to a gas engine, the peripheral portion of the upper surface of the piston is a flat surface, and a raised portion is formed in the central portion of the piston. According to Patent Document 1, the volume of the outer peripheral portion of the main combustion chamber is increased, and the fuel easily flows to the outer peripheral portion, and the gas concentration is often reduced even in the lean gas. It is assumed that the portion existing in the main combustion chamber has disappeared, and there is no peripheral lean gas such as delayed ignition.
  • Patent Document 2 a squish portion formed between the upper end surface of the piston at the top dead center of the combustion piston and the lower surface of the cylinder cover is provided, and a flame generated in the auxiliary chamber is injected into the auxiliary chamber injection hole of the auxiliary chamber.
  • the ratio of the parallel length T of the piston upper edge surface on the side facing the squish portion to the cylinder inner diameter B of the engine is 0
  • a sub-chamber gas engine set to ⁇ T / B ⁇ 0.07.
  • Patent Document 2 if 0 ⁇ T / B ⁇ 0.07, even if the cylinder inner diameter exceeds a certain amount, part of the flame jets ejected from the sub chamber into the combustion chamber is the squish portion. You can reach to the end. As a result, the flame propagation of the flame jet pushes out the unburned mixture remaining in the squish portion, and the amount of unburned mixture accumulated in the squish portion is reduced.
  • Patent Document 1 Although the purpose is achieved by forming the raised portion in the central portion of the piston, the process of forming the raised portion in the central portion of the piston is difficult, which causes a problem in manufacturing cost.
  • Patent Document 2 the main combustion chamber is provided with the squish portion formed between the upper end surface of the piston at the top dead center (TDC) and the lower surface of the cylinder cover. Therefore, there is a limit in increasing the compression ratio, which may lead to a decrease in compression efficiency.
  • the present invention has been proposed from the background as described above, and by providing a land portion in a region where diffusion of a torch jet is delayed in a cavity provided at the top of a piston, occurrence of knocking which is abnormal combustion is realized. It is an object of the present invention to provide a piston and an auxiliary chamber gas engine for an auxiliary chamber gas engine which can be avoided.
  • a sub-chamber type in which a torch jet formed by burning fuel for the sub-chamber in the sub-combustion chamber is injected to the main combustion chamber through the plurality of injection holes.
  • a piston for a sub-chamber gas engine having a piston top defining a main combustion chamber together with a cylinder head and a cylinder liner in a gas engine, wherein the piston top is a first region located axially between adjacent injection holes. Has a land portion formed to be higher than a second region located on the axial direction.
  • the torch jets injected through the respective injection holes of the auxiliary combustion chamber are diffused from the injection holes to the first region and the second region of the main combustion chamber.
  • the land portion which is the first region it is possible to eliminate the region where the diffusion of the torch jet is delayed, and thus to avoid the occurrence of knocking which is abnormal combustion.
  • the land portion is formed on the cavity provided at the top of the piston, and the distance from the peripheral portion of the cavitation in the first region to the central axis is the above-mentioned in the second region. It is characterized in that it is formed to be smaller than the distance from the peripheral edge of the cavity to the central axis.
  • the torch jets from the respective injection holes diffuse in the cavity.
  • the torch jet can eliminate the diffusion delay in the cavity due to the presence of the lands.
  • a plurality of lands are provided corresponding to the plurality of injection holes, and the plurality of lands are offset in the same direction from the center between axial directions of adjacent injection holes. It is characterized in that it is provided.
  • the torch jets injected from the respective injection holes diffuse in the cavity, but at that time, the land portions where the torch jets from the adjacent injection holes are offset in the same direction from the center between the axial directions
  • the momentum of the flame propagation to reach and the flame propagation to the area away from the land differ.
  • flame propagation by the torch jets injected from the plurality of injection holes similarly proceeds with a certain directionality, and as a whole, diffusion of flame propagation without uneven distribution is realized.
  • the land portion is characterized by having a concave surface facing the injection hole.
  • the torch jet injected from the injection hole smoothly advances along the concave surface without the flame propagation being inhibited by the concave surface of the land portion.
  • the concave surface of the land portion is defined based on the radius R of the cavity, the potential core length L of the torch jet and the minimum flame propagation distance Lprop obtained from the injection angle ⁇ t, actual engine specifications Land portions corresponding to the dimensions can be set, and a region where flame propagation delay tends to occur can be eliminated, and knocking due to the flame propagation delay can be avoided as much as possible.
  • the presence of the land portion can eliminate the region where the diffusion of the torch jet is delayed, and therefore, the occurrence of knocking which is abnormal combustion can be avoided.
  • the land is set based on the radius of the cavity, the potential core length of the torch jet, and the minimum flame propagation distance obtained from the injection angle, more efficient flame propagation is achieved, and the combustion efficiency is achieved. Can be greatly enhanced.
  • the piston for a subchamber type gas engine according to the present invention is a schematic diagram showing the relationship between the land portion in the cavity at the top of the piston according to the first embodiment and the injection direction of the torch jet from the injection hole in the sub combustion chamber.
  • Plan view. (A) A sectional view taken along the line AA of the piston top shown in FIG. 1, (b) A sectional view taken along the BB line of the piston top shown in FIG.
  • the piston radius according to the second embodiment is set based on the radius of the cavity, the potential core length of the torch jet, and the minimum flame propagation distance obtained from the injection angle. It is a schematic plan view which showed the land part.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the relationship between the injection hole diameter and the potential core of the torch jet from the injection hole shown in FIG. 3;
  • FIG. 16 is a schematic plan view showing the injection direction of the torch jet from the injection hole in the auxiliary combustion chamber, the flame propagation direction and the knocking region in the main combustion chamber at the top of the conventional piston. It is the principal part enlarged sectional view which showed the state which injected the torch jet from the injection hole in the sub combustion chamber on a cylinder head with respect to the main combustion chamber of a piston top part.
  • FIG. 8 is an enlarged sectional view of an essential part for explaining the knocking phenomenon caused in the main combustion chamber in FIG. 7.
  • FIG. 1 schematically shows a piston top according to a first embodiment of the present invention.
  • the sub-chamber gas engine is a type of engine in which a torch jet formed by burning fuel for the sub-chamber in the sub-combustion chamber is injected to the main combustion chamber through a plurality of injection holes, and large diameter lean premixed combustion Engine.
  • the piston 10 in such a sub-chamber gas engine has a piston top 10t that defines the main combustion chamber 11 together with a cylinder head (not shown) and a cylinder liner (not shown).
  • the piston top portion 10 t is formed with a cavity 12 having a radius R concentrically formed around the center O of the piston 10.
  • the position of the center O of the piston 10 is the deepest, and the cavity 12 is formed in a concave surface shape in a sectional view from the peripheral portion 12e of the cavity 12 to the center O (FIG. 2A, FIG. (b)).
  • a sub combustion chamber 13 mounted on a cylinder head (not shown) facing the piston top 10t is located above the cavity 12 of the piston 10.
  • a plurality of injection holes 14 are provided on the outer peripheral surface of the sub combustion chamber 13 at equal intervals in the circumferential direction of the injection holes.
  • the secondary combustion chamber 13 is located directly above the center O of the piston 10, and six injection holes 14 are provided at equal angular intervals of 60 degrees.
  • the first region I located between the axial directions of two adjacent injection holes 14 is higher than the second region II located on the axial direction of the injection holes 14.
  • the formed land portion 15 is formed.
  • the land portion 15 in the illustrated embodiment is formed flush with the outer peripheral portion of the piston top 10t in which the cavity 12 is not formed. That is, in the land portion 15, the peripheral portion 12e of the cavity 12 is formed at a position closer to the center O than a circle of radius R centered on the center O.
  • the axial direction of the injection hole 14 means the injection central axis direction of the torch jet tj formed by burning the fuel for the auxiliary chamber in the auxiliary combustion chamber 13 as indicated by the thick solid line arrow cl in FIG. ing.
  • the first region I is the direction of the injection central axis of the torch jets tj from two adjacent injection holes 14, that is, the piston in the range between the intersections of the injection central axis cl and the peripheral portion 12e of the cavity 12.
  • the distance D from the center O of 10 to the peripheral edge 12e refers to a region of Ra ⁇ D ⁇ R.
  • the land portion 15 will be described as a ridge line where the land portion 15 has an apex portion 15p at which the distance D from the center O of the piston 10 is a position Ra, ie, a position closest to the center O of the peripheral portion 12e. It has a part 15e.
  • the ridge portion 15e extends in a concave curve clockwise and counterclockwise toward the peripheral portion 12e where the point of intersection of the jet central axis cl of the torch jet tj and the peripheral portion 12e of the cavity 12 exists from the vertex 15p.
  • the land portion 15 is formed as a substantially triangular protruding edge protruding toward the center O in the drawing.
  • the bottom of the cavity 12 on the axis passing the center O of the piston 10 and the top 15p of the land 15 has a large curvature compared to the bottom of the other cavity 12 on the axis not passing the top 15p. It is processed into a concave curve.
  • the land portion 15 has both the clockwise and counterclockwise directions toward the peripheral portion 12e of the cavity 12 with the position D of the distance D from the center O of the piston 10 as the apex portion 15p. It has a ridge line portion 15 e extending in a concave curve shape.
  • the bottom of the cavity 12 on the axis passing through the apex 15p is processed into a concave curve with a large curvature as compared to the bottom of another cavity 12 on an axis not passing through the apex 15p. For this reason, the surface of the land 15 facing the injection hole 14 forms a concave surface.
  • a plurality of land portions 15 as described above are provided corresponding to the plurality of injection holes 14, that is, the same number as the injection holes 14. Then, within the range between the axial directions of the adjacent injection holes 14, that is, between the intersections of the injection center axis cl of the jet jet tj from the adjacent injection holes 14 and the peripheral portion 12e of the cavity 12, It is provided offset from the center in the same direction, that is, circumferentially, clockwise or counterclockwise. In the illustrated embodiment, six lands 15 corresponding to the six injection holes 14 are provided at equal angular intervals of 60 degrees at predetermined intervals in the circumferential direction.
  • the piston 10 for the auxiliary chamber type gas engine according to the first embodiment is as described above, and its operation will be described next.
  • the sub-chamber gas engine is performed, for example, in the following procedure.
  • fuel is supplied to the auxiliary combustion chamber 13 from the auxiliary chamber gas supply line (not shown).
  • the lean premixed mixture in the main combustion chamber 11 flows in from the injection holes 14 of the sub combustion chamber 13, and is mixed in the sub combustion chamber 13, and immediately before the ignition, the inside of the sub combustion chamber 13 is stoichiometric (stoichiometric mixing (Ratio) to form a mixture in the vicinity.
  • Spark ignition is performed using an ignition plug in the auxiliary combustion chamber 13, and flame propagation combustion occurs in the auxiliary combustion chamber 13.
  • the combustion gas becomes a torch jet tj from the injection holes 14 of the sub combustion chamber 13 and jets out into the main combustion chamber 11 (see FIG. 1).
  • the torch jets tj injected through the respective injection holes 14 of the auxiliary combustion chamber 13 are from the injection holes 14 to the first region I and the second region II of the cavity 12 which are the main combustion chamber 11. I will spread.
  • the torch jets tj injected from the respective injection holes 14 diffuse in the cavity 12.
  • the momentum is different between the flame propagation reaching the land portion 15 and the flame propagation to the region on the side away from the land portion 15. That is, the land portion 15 is formed at a position where the arrival of the flame propagation tends to be delayed, and the formation of the land portion 15 reduces the area in the cavity 12 where the arrival of the flame propagation is delayed. There is. For this reason, flame propagation by the torch jet tj injected from the plurality of injection holes 14 similarly proceeds as a diffusion flow with a certain directionality, and as a whole, diffusion of flame propagation is realized without uneven distribution. Do.
  • the land portion 15 rotates clockwise and counterclockwise from the top portion 15p toward the peripheral portion 12e where the intersection point of the jet central axis cl of the torch jet tj and the peripheral portion 12e of the cavity 12 exists.
  • the bottom of the cavity 12 on the axis passing the center O of the piston 10 and the top 15p of the land 15 has a large curvature compared to the bottom of the other cavity 12 on the axis not passing the top 15p. It is processed into a concave curve. For this reason, the diffusion of the torch jet tj is not hindered, and the region in which the flame propagation is delayed can be eliminated, so that the occurrence of knocking which is abnormal combustion can be avoided.
  • the present invention can also be implemented by the following second embodiment.
  • Second Embodiment In the second embodiment, as shown in FIG. 3, the land portion 15 is concavely curved in both clockwise and counterclockwise directions from the top portion 15 p of the land portion 15 toward the peripheral portion 12 e of the cavity 12.
  • the curvature of the concave surface formed by the ridge line portion 15e extending to can also be obtained from the following formula.
  • the torch jet tj is assumed to be a jet having a potential core length L which is 6 to 7 times the diameter d of the injection hole 14 of the sub combustion chamber 13. Then, it is assumed that the flame propagates through the distance from the tip of the jet to the wall (see FIG. 4).
  • the minimum flame propagation distance Lprop is expressed by the following equation, assuming that the injection angle which is the angle between the injection center axis cl and the vertical direction in the cross sectional view is ⁇ t.
  • Lprop L ⁇ sin ⁇ t (1)
  • the curvature of the concave surface formed by the ridge portion 15e extending in a concave shape in both directions of the land 15 is, here, centered on the tip of the potential core of the torch jet tj and the radius R of the cavity 12,
  • Lprop L ⁇ sin ⁇ t.
  • an intersection of two circles C1 and C2 of a radius Lprop centered on the tip of the torch jet tj from the adjacent injection holes 14 forms a vertex 15p, and the radius Lprop from the vertex 15p.
  • the arc between the circles C1 and C2 and the contact points C1a and C2a with the peripheral edge 12e forms a ridgeline portion 15e.
  • the concave surface of the land portion 15 is defined based on the radius R of the cavity 12, the potential core length L of the torch jet tj, and the minimum flame propagation distance Lprop obtained from the injection angle ⁇ t. Therefore, it is possible to set the land portion 15 corresponding to the specifications, torch jets, and dimensions of the actual sub-chamber gas engine. As a result, it is possible to eliminate the region in which the delay of the flame propagation is likely to occur, and to avoid the knocking due to the delay of the flame propagation as much as possible.
  • the piston for the sub-chamber type gas engine according to the present invention can set lands corresponding to the specifications and dimensions of the actual gas engine, eliminating the region where flame propagation is likely to be delayed, and delaying flame propagation. Since the resulting knocking can be avoided as much as possible, it has high versatility that can be applied as a piston for sub-chamber gas engines of various specifications and standards.

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Abstract

　トーチジェットによる火炎伝播が遅れる範囲をなくすように、ピストン頂部の形状を考慮した、副室式ガスエンジン用のピストンおよび副室式ガスエンジンを提供することを目的とし、副燃焼室で副室用燃料を燃焼して形成したトーチジェットを複数の噴孔を介して主燃焼室に噴射する副室式ガスエンジンにおいて、主燃焼室をシリンダヘッド及びシリンダライナと共に規定するピストン頂部を有する副室式ガスエンジン用ピストンであって、ピストン頂部は、隣り合う噴孔の軸線方向間に位置する第１の領域が、軸線方向上に位置する第２の領域に比べて高くなるように形成されたランド部を備える。ランド部は、ピストン頂部に設けられたキャビティ上に形成される。また、ランド部は複数の噴孔に対応して複数設けられており、複数のランド部は、隣り合う噴孔の軸線方向間の中心から同一方向にオフセットされて設けられる。

Description

副室式ガスエンジン用のピストンおよび副室式ガスエンジン
　本発明は、ノッキング対策を図った副室式ガスエンジン用のピストンおよび副室式ガスエンジンに関し、特に、トーチジェットによる火炎伝播が遅れる範囲をなくすように、ピストン頂部の形状を考慮した、副室式ガスエンジン用のピストンおよび副室式ガスエンジンに関する。
　従来、いわゆるガスエンジンにおいて、副室式ガスエンジン１は、図６～図８に示すように、予混合の希薄燃焼ガスを燃焼させるために、ピストン２のＴＤＣ（上死点）におけるピストン頂部と、シリンダヘッド３の下面と共にシリンダライナとで規定される主燃焼室４が形成されていることから、副燃焼室５内で生成された火炎を、副燃焼室５の噴孔６から主燃焼室４内に噴出させるため、噴孔６からのトーチ状の火炎ジェット（以下、トーチジェットｔｊ）が、遠くまで且つ均一に到達することを必要とする。
　すなわち、図６～図８に示す副室式ガスエンジン１において、副燃焼室５は、図示しない点火プラグもしくは着火用燃料噴射弁などの混合気着火装置、および主燃焼室４と連通する複数の噴孔６は、主燃焼室４の平面視において、等間隔θになるよう、方向が設定されている。例えば、噴孔数ｎの場合、該間隔θ＝３６０／ｎ°図６の場合は、ｎ＝６、θ＝６０°
　また、副燃焼室５には燃料ガスが供給され、ピストン２の圧縮に伴って着火しやすい濃混合気が形成させるようにしている。
　主燃焼室４には、希薄な混合気が給気弁７を通じて導入されるようになっている。また、主燃焼室４にて燃焼された混合気は排ガスとなって排気弁８を通じて排気されるようになっている。
　このような構成を持つガスエンジンにおいて、副燃焼室５内の濃混合気は設置された着火装置により着火され燃焼し、噴孔６を通じて主燃焼室４内に噴出してトーチジェットｔｊを形成後、希薄な混合気を着火させる。
　このとき、主燃焼室４の火炎は、トーチジェットｔｊから半径方向に進み、また円周方向には火炎伝播することで、破線で示すように火炎が広がっていく。
　そして、主燃焼室４内の燃焼により、ピストン２がＴＤＣから押し下げられ、クランクシャフトを回転させ、下死点（ＢＤＣ）に達したピストン２が再び上動し、排気行程において、排気弁８を通じて排気される。
　以上のような一連の行程において、トーチジェットｔｊの噴射方向の間に火炎の伝播が遅れる領域が生じる。このため、この領域、すなわちノッキング領域Ｋの未燃ガスがノッキングを起こし、ガスエンジンの熱効率や出力向上を阻む一要因となっている。
　ところで、特許文献１では、大型ガスエンジンの燃焼室が開示されている。すなわち、特許文献１では、ガスエンジンに適用される燃焼室において、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いる。
　かかる特許文献１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等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としている。
　また、特許文献２では、燃焼ピストンの上死点におけるピストン上縁面とシリンダカバーの下面との間に形成されるスキッシュ部を備え、副室内で生成された火炎を副室の副室噴孔から燃焼室内に噴出させる副室式ガスエンジンに用いられる皿状キャビティーを有するピストンにおいて、スキッシュ部に臨む側のピストン上縁面の平行長さＴとエンジンのシリンダ内径Ｂとの比を、０＜Ｔ／Ｂ≦０．０７に設定した副室式ガスエンジンが開示されている。
　かかる特許文献２において、０＜Ｔ／Ｂ≦０．０７を保持すれば、シリンダ内径が一定量を超えても、副室内から燃焼室内に噴出される火炎ジェットのうちの一部がスキッシュ部の奥まで十分に達することができる。
　これにより、かかる火炎ジェットの火炎伝播がスキッシュ部内に残留する未燃混合気を押し出すこととなって、スキッシュ部への未燃混合気の溜まり量が低減されるとしている。
ＷＯ２０１１／０８０９１４号公報 特開２００８－２８６１４３号公報
　しかしながら、特許文献１では、ピストンの中央部に隆起部を形成することにより、目的は達成されるとしても、ピストンの中央部に隆起部を形成する加工が難しく、製造コスト上も問題となる。
　一方、特許文献２では、上死点（ＴＤＣ）におけるピストン上縁面とシリンダカバーの下面との間に形成されるスキッシュ部を備えたことにより、シリンダヘッドとピストン上縁面により、主燃焼室が規定されるため、圧縮比を高めることには限界があり、圧縮効率の低下を招く虞がある。
　本発明は、以上のような背景から提案されたものであって、ピストン頂部に設けられたキャビティに、トーチジェットの拡散が遅れる領域にランド部を設けることで、異常燃焼であるノッキングの発生を回避することが可能な、副室式ガスエンジン用のピストンおよび副室式ガスエンジンを提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、請求項１にかかる本発明では、副燃焼室で副室用燃料を燃焼して形成したトーチジェットを複数の噴孔を介して主燃焼室に噴射する副室式ガスエンジンにおいて、主燃焼室をシリンダヘッド及びシリンダライナと共に規定するピストン頂部を有する副室式ガスエンジン用ピストンであって、ピストン頂部は、隣り合う噴孔の軸線方向間に位置する第１の領域が、軸線方向上に位置する第２の領域に比べて高くなるように形成されたランド部を有することを特徴とする。
　これにより、副燃焼室のそれぞれの噴孔を介して噴射されるトーチジェットが、噴孔から主燃焼室の第１領域、および第２領域に拡散して行く。しかしながら、第１領域であるランド部の存在により、トーチジェットの拡散が遅れる領域をなくすことができ、したがって、異常燃焼であるノッキングの発生を回避することができる。
　また、請求項２にかかる本発明では、ランド部は、ピストン頂部に設けられたキャビティ上に形成され、第１の領域におけるキャビディの周縁部から中心軸までの距離が、第２の領域における前記キャビティの周縁部から中心軸までの距離と比べて小さくなるように形成されていることを特徴とする。
　これにより、各噴孔からのトーチジェットは、キャビティ内を拡散する。トーチジェットは、ランド部の存在によりキャビティ内での拡散の遅れをなくすことができる。
　また、請求項３にかかる本発明では、ランド部は複数の噴孔に対応して複数設けられており、複数のランド部は、隣り合う噴孔の軸線方向間の中心から同一方向にオフセットされて設けられていることを特徴とする。
　これにより、それぞれの噴孔から噴射されたトーチジェットは、キャビティ内を拡散するが、その際、隣り合う噴孔からのトーチジェットは、軸線方向間の中心から同一方向にオフセットされているランド部に到達する火炎伝播と、ランド部から離隔する側の領域への火炎伝播との勢いが異なってくる。このため、複数の噴孔から噴射されるトーチジェットによる火炎伝播が一定の方向性を伴って同様に進行し、全体として、偏在することのない、火炎伝播の拡散が実現する。
　また、請求項４にかかる本発明では、ランド部は、噴孔に対向する凹曲面を有することを特徴とする。
　これにより、噴孔から噴射されたトーチジェットは、ランド部の凹曲面により火炎伝播が阻害されることなく、凹曲面に沿って円滑に進行する。
　また、請求項５にかかる本発明では、凹曲面の曲率は、トーチジェットのポテンシャルコアの先端を中心とし、且つ、キャビティの半径Ｒ、トーチジェットのポテンシャルコア長さＬ及び噴射角度θｔを用いて次式、Ｌｐｒｏｐ＝Ｌ×sinθｔにより定義される最小火炎伝搬距離Ｌｐｒｏｐを半径とする円弧に基づいて規定されることを特徴とする。
　これにより、ランド部の凹曲面は、キャビティの半径Ｒ、トーチジェットのポテンシャルコア長さＬ及び噴射角度θｔから求められる最小火炎伝搬距離Ｌｐｒｏｐに基づいて規定されているので、実際のエンジンの仕様、寸法に対応したランド部を設定することができ、火炎伝播の遅れが出やすい領域をなくし、火炎伝播の遅れに起因するノッキングを極力回避することができる。
　さらに、請求項６にかかる本発明では、請求項１ないし５に記載の副室式ガスエンジン用ピストンを備える副室式ガスエンジンを実現することができる。
　これにより、ピストン頂部の形状により、火炎伝播の円滑化が具現化された副室式ガスエンジンを提供することができる。
　本発明によれば、ランド部の存在により、トーチジェットの拡散が遅れる領域をなくすことができ、したがって、異常燃焼であるノッキングの発生を回避することができる。
　また、ランド部は、キャビティの半径、トーチジェットのポテンシャルコア長、噴射角度から求められた最小火炎伝播距離に基づいて設定するものにあっては、一層、合理的な火炎伝播がなされ、燃焼効率を大いに高めることができる。
本発明にかかる副室式ガスエンジン用のピストンにおいて、第１実施形態にかかるピストン頂部におけるキャビティにおけるランド部と、副燃焼室における噴孔からのトーチジェットの噴射方向との関係を示した、模式的な平面図である。 （ａ）図１に示すピストン頂部のＡ－Ａ線に沿った切断矢視図、（ｂ）図１に示すピストン頂部のＢ－Ｂ線に沿った切断矢視図である。 本発明にかかる副室式ガスエンジン用のピストンにおいて、第２実施形態にかかるピストン頂部にキャビティの半径、トーチジェットのポテンシャルコア長、噴射角度から求められた最小火炎伝播距離に基づいて設定されたランド部を示した、模式的な平面図である。 主燃焼室において、副燃焼室における噴孔からのトーチジェットと、火炎伝播距離との関係を示した、線図である。 図３に示す、噴孔径と噴孔からのトーチジェットによるポテンシャルコアとの関係の一例を示した、線図である。 従来におけるピストン頂部における主燃焼室において、副燃焼室における噴孔からのトーチジェットの噴射方向と、火炎伝播方向とノッキング領域を示した、模式的な平面図である。 ピストン頂部の主燃焼室に対し、シリンダヘッド上の副燃焼室における噴孔からのトーチジェットを噴射した状態を示した、要部拡大断面図である。 図７において、主燃焼室において引き起こされるノッキング現象を説明する、要部拡大断面図である。
　以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。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、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
（第１実施形態）
　図１に、本発明の第１実施形態にかかるピストン頂部を模式的に示す。
　副室式ガスエンジンは、副燃焼室で副室用燃料を燃焼して形成したトーチジェットを複数の噴孔を介して主燃焼室に噴射する方式のエンジンであって、大口径希薄予混合燃焼のエンジンである。
　かかる副室式ガスエンジンにおけるピストン１０は、主燃焼室１１をシリンダヘッド（図示省略）及びシリンダライナ（図示省略）と共に規定するピストン頂部１０ｔを有する。
　ピストン頂部１０ｔには、ピストン１０の中心Ｏを中心に同心円状に形成された半径Ｒを有するキャビティ１２が形成されている。キャビティ１２は、ピストン１０の中心Ｏの位置が最も深くなっており、キャビティ１２の周縁部１２ｅから中心Ｏに向かって断面視において凹曲面状に形成されている（図２(ａ)、図２(ｂ)参照）。
　また、ピストン１０のキャビティ１２の上方には、ピストン頂部１０ｔに対面するシリンダヘッド（図示省略）に装着された副燃焼室１３が位置している。そして、副燃焼室１３の外周面には、噴孔周方向に等間隔に複数の噴射孔１４が設けられている。図示した実施形態では、副燃焼室１３はピストン１０の中心Ｏの真上に位置しており、６つの噴射孔１４が等角度６０度毎に設けられている。
　そして、キャビティ１２には、隣り合う２つの噴孔１４の軸線方向間に位置する第１の領域Iにおいて、噴孔１４の軸線方向上に位置する第２の領域IIに比べて高くなるように形成されたランド部１５が形成されている。図示した実施形態におけるランド部１５は、キャビティ１２が形成されていないピストン頂部１０ｔの外周部分と面一に形成されている。すなわち、ランド部１５においては、キャビティ１２の周縁部１２ｅは、中心Ｏを中心とする半径Ｒの円よりも中心Ｏに近い位置に形成される。
　なお、噴孔１４の軸線方向とは、図１中、太実線の矢印ｃｌで示した、副燃焼室１３で副室用燃料を燃焼して形成したトーチジェットｔｊの噴射中心軸方向を意味している。
　そして、第１の領域Iとは、隣り合う２つの噴孔１４からのトーチジェットｔｊの噴射中心軸方向、すなわち噴射中心軸線ｃｌとキャビティ１２の周縁部１２ｅとの交点間の範囲のうち、ピストン１０の中心Ｏから周縁部１２ｅまでの距離Ｄが、Ｒ－ａ≦Ｄ＜Ｒの領域をいう。
　また、第２の領域IIとは、噴孔１４からのトーチジェットｔｊの噴射中心軸線ｃｌがキャビティ１２の周縁部１２ｅと交差する交点のうち、ピストン１０の中心Ｏから周縁部１２ｅまでの距離Ｄが、Ｄ＝Ｒ（キャビティ１２の半径Ｒ）である位置の範囲をいう。
　そこで、ランド部１５について説明すると、ランド部１５は、ピストン１０の中心Ｏからの距離ＤがＲ－ａの位置、すなわち周縁部１２ｅの内の最も中心Ｏに近い位置を頂点部１５ｐとする稜線部１５ｅを有する。稜線部１５ｅは、頂点部１５ｐから、トーチジェットｔｊの噴射中心軸線ｃｌとキャビティ１２の周縁部１２ｅとの交点が存在する周縁部１２ｅに向かって、時計回りおよび反時計回りに凹曲線状に延在する。すなわち、ランド部１５は、図中、中心Ｏに向かって突出する略三角形状の突縁部として形成される。また、ピストン１０の中心Ｏとランド部１５の頂点部１５ｐとを通過する軸線上のキャビティ１２の底部が、頂点部１５ｐを通過しない軸線上における他のキャビティ１２の底部に比較して大きい曲率の凹曲線状に加工されている。
このように、ランド部１５は、ピストン１０の中心Ｏからの距離ＤがＲ－ａの位置を頂点部１５ｐとして、キャビティ１２の周縁部１２ｅに向かって、時計回りおよび反時計回りの双方向に凹曲線状に延在する稜線部１５ｅを有している。そして、頂点部１５ｐを通過する軸線上におけるキャビティ１２の底部が、頂点部１５ｐを通過しない軸線上における他のキャビティ１２の底部に比較して大きい曲率の凹曲線状に加工されている。このため、ランド部１５における噴孔１４に対向する面が凹曲面をなすこととなる。
　以上のようなランド部１５は、複数の噴孔１４に対応して複数、すなわち噴孔１４と同数設けられている。そして、隣り合う噴孔１４の軸線方向間、すなわち、隣り合う噴孔１４からのトーチジェットｔｊの噴射中心軸線ｃｌとキャビティ１２の周縁部１２ｅとの交点間の範囲内において、噴射中心軸線間の中心から同一方向、すなわち周方向、時計回り又は反時計回りに、オフセットされて設けられている。図示した実施形態では、６つの噴孔１４に対応する６つのランド部１５が、周方向に所定の間隔を置いて、等角度６０度毎に設けられている。
　第１実施形態にかかる副室式ガスエンジン用のピストン１０は以上のとおりであり、次にその作用を説明する。
　先ず、副室式ガスエンジンの一連の動作を説明する。
　副室式ガスエンジンは、例えば、以下のとおりの手順で実行される。
　吸気行程付近で、副室ガス供給ライン（図示省略）より副燃焼室１３に副室用燃料供給を行う。
　圧縮行程で主燃焼室１１内の希薄予混合気が副燃焼室１３の噴孔１４から流入し、副燃焼室１３内でミキシングされ、着火直前で、副燃焼室１３内はストイキ（量論混合比）近傍の混合気を形成する。
　副燃焼室１３内で点火プラグを用いて火花点火を行い、副燃焼室１３内で火炎伝播燃焼が生じる。
　これにより、副燃焼室１３の噴孔１４より燃焼ガスがトーチジェットｔｊとなって主燃焼室１１内に噴出する（図１参照）。
　すると、副燃焼室１３のそれぞれの噴孔１４を介して噴射されるトーチジェットｔｊが、噴孔１４から主燃焼室１１である、キャビティ１２の第１の領域Ｉ、および第２の領域IIに拡散して行く。
　このように、それぞれの噴孔１４から噴射されたトーチジェットｔｊは、キャビティ１２内を拡散する。その際、隣り合う噴孔１４からのトーチジェットｔｊは、隣り合う噴孔１４からのトーチジェットｔｊの噴射中心軸線ｃｌとキャビティ１２の周縁部１２ｅとの交点間の範囲において、噴射中心軸線ｃｌとキャビティ１２の周縁部１２ｅとの交点間の中間から、周縁部１２ｅの周方向、すなわち時計回りまたは反時計回りに同一方向にオフセットされたランド部１５に到達する火炎伝播と、このランド部１５から離隔する側の領域への火炎伝播が行われる。
　すると、ランド部１５に到達する火炎伝播と、ランド部１５から離隔する側の領域への火炎伝播とで勢いが異なってくる。すなわち、ランド部１５は、火炎伝播の到達が遅れがちな位置に形成されており、ランド部１５が形成されることにより、火炎伝播の到達が遅れるキャビティ１２内の領域が減少するようになっている。
　このため、複数の噴孔１４から噴射されるトーチジェットｔｊによる火炎伝播が一定の方向性を伴う拡散流となって同様に進行し、全体として、偏在することのない、火炎伝播の拡散が実現する。
　ところで、ランド部１５は、上述したように、頂点部１５ｐから、トーチジェットｔｊの噴射中心軸線ｃｌとキャビティ１２の周縁部１２ｅとの交点が存在する周縁部１２ｅに向かって、時計回りおよび反時計回りに凹曲線状に延在する稜線部１５ｅを有する。しかも、ピストン１０の中心Ｏとランド部１５の頂点部１５ｐとを通過する軸線上のキャビティ１２の底部が、頂点部１５ｐを通過しない軸線上における他のキャビティ１２の底部に比較して大きい曲率の凹曲線状に加工されている。このため、トーチジェットｔｊの拡散が妨げられることはなく、火炎伝播が遅れる領域をなくすことができ、したがって、異常燃焼であるノッキングの発生を回避することができる。
　本発明は以下の第２実施形態によっても、実施することができる。
（第２実施形態）
　第２実施形態では、ランド部１５は、図３に示すように、ランド部１５の頂点部１５ｐから、キャビティ１２の周縁部１２ｅに向かって、時計回りおよび反時計回りの双方向に凹曲線状に延在する稜線部１５ｅがなす凹曲面の曲率は、以下の計算式から求めることもできる。
　ここでは、トーチジェットｔｊを、副燃焼室１３の噴孔１４の径ｄの６～７倍のポテンシャルコア長Ｌを有する噴流として想定している。
　そして、この噴流の先端から壁面までの距離を火炎が伝播すると仮定する（図４参照）。ここで、断面視における噴射中心軸線ｃｌと垂直方向とのなす角度である噴射角をθｔとすると、最小火炎伝播距離Ｌｐｒｏｐは、次式で表わされる。
　Ｌｐｒｏｐ＝Ｌ×ｓｉｎθｔ………（１）
　すなわち、ランド部１５の双方向に凹曲線状に延在する稜線部１５ｅがなす凹曲面の曲率は、ここでは、トーチジェットｔｊのポテンシャルコアの先端を中心とし、且つ、キャビティ１２の半径Ｒ、トーチジェットｔｊのポテンシャルコア長さＬ及び噴射角度θｔを用いて次式、Ｌｐｒｏｐ＝Ｌ×ｓｉｎθｔにより定義される最小火炎伝搬距離Ｌｐｒｏｐを半径とする円弧に基づいて規定することができる。図３に示す実施形態では、隣り合う噴孔１４からのトーチジェットｔｊの先端を中心とする半径Ｌｐｒｏｐの２つの円Ｃ１、Ｃ２の交点が頂点部１５ｐを形成し、この頂点部１５ｐから半径Ｌｐｒｏｐの円Ｃ１、Ｃ２と周縁部１２ｅとの接点Ｃ１a、Ｃ２ａとの間の円弧が稜線部１５ｅを形成している。
　このように、ランド部１５の凹曲面は、キャビティ１２の半径Ｒ、トーチジェットｔｊのポテンシャルコア長さＬ及び噴射角度θｔから求められる最小火炎伝搬距離Ｌｐｒｏｐに基づいて規定されている。よって、実際の副室式ガスエンジンの仕様、トーチジェット、寸法に対応したランド部１５を設定することができる。これにより、火炎伝播の遅れが出やすい領域をなくし、火炎伝播の遅れに起因するノッキングを極力回避することができる。
　本発明にかかる副室式ガスエンジン用のピストンは、実際のガスエンジンの仕様、寸法に対応したランド部を設定することができ、火炎伝播の遅れが出やすい領域をなくし、火炎伝播の遅れに起因するノッキングを極力回避することができるので、様々な仕様、規格の副室式ガスエンジン用のピストンとして適用され得る高い汎用性を具備する。
　１０　　ピストン
　１０ｔ　ピストン頂部
　１１　　主燃焼室
　１２　　キャビティ
　１２ｅ　周縁部
　１３　　副燃焼室
　１４　　噴孔
　１５　　ランド部
　１５ｐ　頂点部
　１５ｅ　稜線部
　ｔｊ　　トーチジェット

Claims (6)

  1. 　副燃焼室で副室用燃料を燃焼して形成したトーチジェットを複数の噴孔を介して主燃焼室に噴射する副室式ガスエンジンにおいて、前記主燃焼室をシリンダヘッド及びシリンダライナと共に規定するピストン頂部を有する副室式ガスエンジン用ピストンであって、
    　前記ピストン頂部は、隣り合う前記噴孔の軸線方向間に位置する第１の領域が、前記軸線方向上に位置する第２の領域に比べて高くなるように形成されたランド部を有することを特徴とする副室式ガスエンジン用ピストン。
  2. 　前記ランド部は、前記ピストン頂部に設けられたキャビティ上に形成され、前記第１の領域における前記キャビディの周縁部から中心軸までの距離が、前記前記第２の領域における前記キャビティの周縁部から中心軸までの距離と比べて小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の副室式ガスエンジン用ピストン。
  3. 　前記ランド部は前記複数の噴孔に対応して複数設けられており、
    　前記複数のランド部は、隣り合う前記噴孔の軸線方向間の中心から同一方向にオフセットされて設けられていることを特徴とする請求項１に記載の副室式ガスエンジン用ピストン。
  4. 　前記ランド部は、前記噴孔に対向する凹曲面を有することを特徴とする請求項１に記載の副室式ガスエンジン用ピストン。
  5. 　前記凹曲面の曲率は、前記トーチジェットのポテンシャルコアの先端を中心とし、且つ、前記キャビティの半径Ｒ、前記トーチジェットのポテンシャルコア長さＬ及び噴射角度θｔを用いて次式
    Ｌｐｒｏｐ＝Ｌ×ｓｉｎθｔ
    により定義される最小火炎伝搬距離Ｌｐｒｏｐを半径とする円弧に基づいて規定されることを特徴とする請求項４に記載の副室式ガスエンジン用ピストン。
  6. 　請求項１乃至５に記載の副室式ガスエンジン用ピストンを備える副室式ガスエンジン。
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