(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室に連通し、マニホールド側とカム軸側との間に、該マニホールド側と該カム軸側の二つの吸気ポートが並設されるとともに、該二つの吸気ポートに対して平行となる二つの排気ポートが並設され、前記各吸気ポートのそれぞれに、吸気弁の当接するシートリングが設けられたシリンダヘッドにおいて、
中央に開口した孔部の内径の中心に対して外径の中心を偏芯させた偏芯シートリングが前記カム軸側の前記吸気ポートに設けられ、
中央に開口した孔部の内径の中心に対して外径の中心を一致させた標準シートリングが前記マニホールド側の前記吸気ポートに設けられ、
且つ、前記偏芯シートリングが、前記外径の中心から内径の中心に向かう方向である偏芯方向となる前記偏芯シートリングの縁の狭い部分が、前記カム軸側から略４５°の角度で前記排気ポート側へ向けて配置され、吸気導入方向をライナ壁面に沿わせることを特徴とするシリンダヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、希薄燃焼ガスエンジンの燃焼性を改善して、低ＮＯｘを維持しながら、より高いエンジン熱効率を達成しうるシリンダヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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はシートリングが取り付けられており、この開口を開閉する吸気弁が当接するためのシート面を提供するようになっている。
従来のシートリング形状は、図１１に示す様に同芯円加工による単純な形状であった。当然、中心の孔部の内径ｆの中心と、外径Ｆの中心は、中心軸Ｃにおいて一致している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のシートリング形状は、前述したように単純な同芯円形状であった。このため、このタイプのシートリングを組み込んだガスエンジンではスワール比が小さく、空気流動を利用して燃焼性を改善する効果を得ることができなかった。
【０００４】
ところで、最近のディーゼルエンジンは同一エンジンサイズであってもより高い出力が得られるように設計される。つまり、高ＢＭＥＰエンジンとなる。これを実現するためには、燃焼に必要な空気量確保のために、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が大断面積かつ曲がり等のないストレートな形状に設計されたりする傾向にある。
このような形状のポートは、流量係数は大きいが、スワール流が生じない特性を有している。気体燃料を用いるエンジンでは、燃料ガスと空気の混合気が火炎伝播によって行われる。従って、空気流動の積極的利用が短期燃焼を実現し、熱効率の向上に寄与する。
【０００５】
近年、完全燃焼による排気のクリーン性と高出力，高熱効率を目標としたパイロット油着火ガスエンジンの開発が盛んに行われている。このパイロット油着火ガスエンジンは、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上昇を抑制することが図られる。
このパイロット油着火ガスエンジンのシリンダヘッドは、ディーゼルエンジン用と共通素材化とする設計のため、吸気流量係数は従来よりも高いが、スワール比は「０」である。
また、ガスエンジンとしてのＢＭＥＰは、ディーゼルエンジンの７０〜８０％に設定される。このため、上記パイロット油着火ガスエンジンの開発においては、流量係数の低下を最小限に抑えつつ、スワール流を強化することが、熱効率の向上を図る上で要望されていた。
【０００６】
そこで本発明は、上記状況に鑑みてなされたもので、相反要素であるスワール流の強化と流量係数の確保とを両立させることのできるシリンダヘッドを提供し、もって、熱効率の向上を図ることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
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。
この発明に係る請求項１記載のシリンダヘッドは、内燃機関の燃焼室に連通し、マニホールド側とカム軸側との間に、該マニホールド側と該カム軸側の二つの吸気ポートが並設されるとともに、該二つの吸気ポートに対して平行となる二つの排気ポートが並設され、前記各吸気ポートのそれぞれに、吸気弁の当接するシートリングが設けられたシリンダヘッドにおいて、
中央に開口した孔部の内径の中心に対して外径の中心を偏芯させた偏芯シートリングが前記カム軸側の前記吸気ポートに設けられ、
中央に開口した孔部の内径の中心に対して外径の中心を一致させた標準シートリングが前記マニホールド側の前記吸気ポートに設けられ、
且つ、前記偏芯シートリングが、前記外径の中心から内径の中心に向かう方向である偏芯方向となる前記偏芯シートリングの縁の狭い部分が、前記カム軸側から略４５°の角度で前記排気ポート側へ向けて配置され、吸気導入方向をライナ壁面に沿わせることを特徴とする。
【０００８】
このシリンダヘッドでは、孔部の偏芯した偏芯シートリングの設けられた吸気ポートと、孔部の偏芯していない標準シートリングの設けられた吸気ポートとを具備した構成としたので、標準シートリングの設けられた吸気ポートによって流量係数が確保され、かつ偏芯シートリングの設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、相反要素であるスワール流の強化と流量係数の確保との両立が可能になり、標準シートリングのみを装着した場合、或いは偏芯シートリングのみを装着した場合に比べて高い熱効率が得られるようになる。
【００１０】
また、このシリンダヘッドでは、二つの吸気ポートが設けられる構造の場合において、そのいずれか一方の吸気ポートに標準シートリングが設けられ、いずれか他方の吸気ポートに偏芯シートリングが設けられる。
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態様となる。このような二つの吸気ポートが設けられた場合においても、相反要素であるスワール流の強化と流量係数の確保との両立が可能になり、この二つの吸気ポートに、標準シートリングのみを装着した場合、或いは偏芯シートリングのみを装着した場合に比べて高い熱効率が得られるようになる。
【００１２】
そして、このシリンダヘッドでは、偏芯シートリングが、カム軸側の吸気ポートに設けられている。すなわち、吸気マニホールドの奥側の吸気ポートに、偏芯シートリングが設けられている。これにより、ライナ壁面を利用した効果的なスワール流の発生が可能になる。
【００１４】
特に、このシリンダヘッドでは、吸気マニホールドの奥側の吸気ポートに偏芯シートリングが設けられ、かつその偏芯シートリングの縁の狭い部分が、カム軸側から略４５°の角度で排気ポート側へ向けて配置されることで、ライナ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、ライナ壁面に沿いかつ標準シートリングの設けられた吸気ポートからの吸気に対して干渉の少ない方向となることから、スワール流を強化し、流量係数の確保が可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るシリンダヘッドの好適な実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係るシリンダヘッドに用いられる偏芯シートリングの断面図、図２は図１に示した偏芯シートリングの平面図である。
【００１６】
本発明は、ガスエンジンのシリンダヘッドに装着される吸気ポートシートリングの装着箇所及び偏芯方向を最適に選択し、流量係数の低下を見ることなく、スワール流の強化によって空気流動を促進して燃焼性を改善する効果を得るものである。
【００１７】
また、本発明は、火炎伝播による燃焼形態を採るエンジン、つまりパイロット油着火ガスエンジン、火花点火ガスエンジン、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、例えば産業用と民生用の定置型発電設備として利用される。
【００１８】
図１に示す偏芯シートリング１は、シリンダヘッドに開口した吸気ポートの開口に装着される。偏芯シートリング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装着するための嵌め込み部１１等から構成されている。
【００１９】
偏芯シートリング１は、同芯円加工ではなく、外径の中心と、孔部３の内径の中心が一致していない。すなわち、偏芯している。
孔部３の内周面は、外径の中心ａからＥだけ偏芯した中心ｂを有する内径φＢの周面からなる。ここで、外径の中心ａから内径の中心ｂに向かう方向を、偏芯シートリング１の偏芯方向と呼ぶ。
【００２０】
このような偏芯した孔部３を得るには、外径の中心ａを有する内径φＡの周面を形成し、その後に内径φＢの周面を加工する。その結果、図１に示すように、偏芯シートリング１の孔部３の内周面の内、偏芯シートリング１の偏芯方向について後方の部分は、内径φＡの周面を形成した際の凸状周面３ａを維持するが、それ以外の偏芯シートリング１の偏芯方向について前方の部分は平坦周面３ｂとなる。
【００２１】
一方、吸気ポートの開口には、この偏芯シートリング１の他に、中央に開口した孔部３の内径φＢの中心ｂに対して外径φＡの中心ａを一致させた図示しない標準シートリングが設けられる。すなわち、孔部３と外径は同芯円に形成されている。
つまり、本発明に係るシリンダヘッドは、偏芯シートリング１の設けられた吸気ポートと、標準シートリングの設けられた吸気ポートとが混在する構成となる。
【００２２】
本発明では、これら偏芯シートリング１及び標準シートリングの装着箇所及び偏芯方向を最適に選択することで、スワール流の強化と流量係数の確保という相反要素の両立を可能とした。
【００２３】
図３〜図７に示すように、このシリンダヘッドは、一つのシリンダに対して吸気弁（Ａ、Ｂ）と、排気弁（Ｃ、Ｄ）とを２個ずつ有している。
図３（ａ）中破線で示す吸気ポート１３において、２個の開口が吸気の流れに対して上流と下流の２つの位置にそれぞれ配置されている。
【００２４】
次に、羽根車を用いた定常流試験装置を用いてスワール強さと流量係数を比較した結果を図３〜図８を参照して説明する。
図３〜図７の各（ａ），（ｂ），（ｃ）に示される１５の図は定常流試験における標準と偏芯シートリングの偏芯方向の組み合わせを示す。
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０．１５及び無次元スワール数０．１３４を目標とした。
また、図８には単独試験を行った結果の最大バルブリフト時の流量係数と無次元スワール数が示されている。なお、図８の縦軸とされる無次元スワール数の＋−は、スワールの向きを示し、図３（ａ）に示すように、シリンダヘッドの爆面から見て反時計方向が＋、時計方向が−である。
【００２５】
図３（ａ）（シートリング組み合わせＮｏ．１）に示される標準シートリングを両弁Ａ，Ｂに設けた場合、流量係数は図８に示すように、０．６以上と高いが、無次元スワール数は０である。
【００２６】
これに対して、図３（ｂ），（ｃ）、図４（ａ），（ｂ），（ｃ）、図５（ａ）に示すように、偏芯シートリングを吸気２弁（図中Ａ弁とＢ弁）の両方に採用すると（組み合わせＮｏ．２〜Ｎｏ．７）、図８に示すように、無次元スワール数は０．１５から０．２に高めることができるが、流量係数が０．４５から０．４８程度に低下する。
【００２７】
図５（ｂ），（ｃ）、図６（ａ），（ｂ），（ｃ）、図７（ａ），（ｂ）に示すように、吸気の一方を標準シートリング、他方を偏芯シートリングとし、偏芯シートリングの方向と、空気流動性の関係を評価した（組み合わせＮｏ．８〜Ｎｏ．１４）。
図６（ｂ）に示す吸気Ｂ弁を偏芯シートリングとし、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．１１）が目標とする特性となることが示された。
吸気Ｂ弁は、吸気マニホルドの奥側であるため、ライナ壁面を利用してスワールを生じさせる効果が得られたと考える。そして、この場合においても、流量係数は、一方の吸気Ａ弁に標準シートリングが用いられることによって０．５４〜０．５５程度が確保できている。
【００２８】
すなわち、孔部３の偏芯した偏芯シートリング１の設けられた吸気ポートと、孔部３の偏芯していない標準シートリングの設けられた吸気ポートとが混在されることにより、標準シートリングの設けられた吸気ポートによって流量係数が確保され、かつ偏芯シートリング１の設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、相反要素であるスワール流の強化と流量係数の確保との両立が可能になり、標準シートリングのみを装着した場合、或いは偏芯シートリング１のみを装着した場合に比べて高い熱効率が得られる。
【００２９】
【実施例】
次に、組み合わせＮｏ．１１（図６（ｂ））の実エンジン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．１１のシートリング配置構成で製作した実エンジンのシリンダヘッドを示した平面図、図１０は図９に示した実エンジンと標準シートリングを設けたエンジンとの熱効率を比較したグラフである。
【００３０】
この実施例による実エンジンは、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Ｎｏ．１１（図６（ｂ））のシートリング配置構成でシートリングを装着したものである。すなわち、吸気マニホルドの奥側の吸気ポートに偏芯シートリングが設けられ、かつその偏芯シートリングの縁の狭い部分が、カム軸側から略４５°の角度で排気ポート側へ向けて配置されている。
【００３１】
この結果、本実施例によるシートリング配置構成の場合、図１０に示すように、熱効率は、標準シートリング装着時よりも、０．２〜０．５ポイント高くなることが分かった。
【００３２】
この実施例の結果からも分かるように、吸気マニホルドの奥側の吸気ポートに偏芯シートリングが設けられ、かつその偏芯シートリングの縁の狭い部分が、カム軸側から略４５°の角度で排気ポート側へ向けて配置されることで、ライナ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、ライナ壁面に沿いかつ標準シートリングの設けられた吸気ポートからの吸気に対して干渉の少ない方向となることから、スワール流を強化し、流量係数の確保が可能になる。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係るシリンダヘッドによれば、中央に開口した孔部の内径の中心に対して外径の中心を偏芯させた偏芯シートリングの設けられた吸気ポートと、中央に開口した孔部の内径の中心に対して外径の中心を一致させた標準シートリングの設けられた吸気ポートとをそれぞれ設けた構成としたので、標準シートリングによって流量係数が確保され、かつ偏芯シートリングによってスワール流を強化することができる。
この結果、相反要素であるスワール流の強化と流量係数の確保とを両立させることができ、標準シートリングのみを装着した場合、或いは偏芯シートリングのみを装着した場合に比べて高い熱効率を得ることができる。
【００３４】
特に、吸気マニホルドの奥側の吸気ポートに偏芯シートリングを設け、かつその偏芯シートリングの、外径の中心から内径の中心に向かう方向である偏芯方向となる縁の狭い部分が、カム軸側から略４５°の角度で排気ポート側へ向けて配置され、吸気導入方向をライナ壁面に沿わせることにより、ライナ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、ライナ壁面に沿いかつ標準シートリングの設けられた吸気ポートからの吸気に対して干渉の少ない方向となることから、偏芯シートリングの設けられた吸気ポートによってスワール流を強化し、標準シートリングの設けられた吸気ポートによって流量係数の確保が可能になる効果を得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシリンダヘッドに用いられる偏芯シートリングの断面図である。
【図２】図１に示した偏芯シートリングの平面図である。
【図３】組み合わせＮｏ．１〜３のシートリングの組み合わせバリエーションを示す平面図である。
【図４】組み合わせＮｏ．４〜６のシートリングの組み合わせバリエーションを示す平面図である。
【図５】組み合わせＮｏ．７〜９のシートリングの組み合わせバリエーションを示す平面図である。
【図６】組み合わせＮｏ．１０〜１２のシートリングの組み合わせバリエーションを示す平面図である。
【図７】組み合わせＮｏ．１３〜１５のシートリングの組み合わせバリエーションを示す平面図である。
【図８】各組み合わせバリエーションと流量係数及び無次元スワール数との関係を示した説明図である。
【図９】組み合わせＮｏ．１１のシートリング配置構成で製作した実エンジンのシリンダヘッドを示した平面図である。
【図１０】図９に示した実エンジンと標準シートリングを設けたエンジンとの熱効率を比較したグラフである。
【図１１】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。
【符号の説明】
１…偏芯シートリング
３…孔部
Ａ，Ｂ…吸気弁
ａ…内径の中心
ｂ…外径の中心
【図１】
0003676967.tif 000002
【図２】
0003676967.tif 000003
【図３】
0003676967.tif 000004
【図４】
0003676967.tif 000005
【図５】
0003676967.tif 000006
【図６】
0003676967.tif 000007
【図７】
0003676967.tif 000008
【図８】
0003676967.tif 000009
【図９】
0003676967.tif 000010
【図１０】
0003676967.tif 000011
【図１１】
0003676967.tif 000012