(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室に連通する共通の吸気ポートの上流と下流の２つの位置にそれぞれ形成された２つの開口に取り付けられ、前記各開口を開閉する２つの吸気弁がそれぞれ当接する２つのシートリングにおいて、各シートリングともに中央に開口した孔部の内径の中心が外径の中心に対して偏芯しており、前記外径の中心から前記内径の中心に向かう方向を前記シートリングの偏芯方向とし、この偏芯方向について後方の部分は凸状周面であり、この偏芯方向について前方の部分は平坦周面であり、時計の時方位で方向を規定すると、前記吸気ポートから吸入される吸気の流れの方向が１２時であり、前記流れに沿って上流側のシートリングの偏芯方向が６時から９時の角度範囲に設定され、前記流れに沿って下流側のシートリングの偏芯方向が３時から６時の角度範囲に設定された吸気弁のシートリング。
【請求項２】
請求項１記載の吸気弁のシートリングを備えたガスエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本考案は、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吸気弁のシートリングに関する。
【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９に示す様に同芯円加工による単純な形状であった。当然、中心の孔部の内径の中心と、外径の中心は、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心円形状であった。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。燃料ガスと空気の混合気の燃焼が火炎伝播によって行われることを考慮すると、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と本願発明者は考えた。即ち、従来のガスエンジンにおけるシートリングでは、上記観点からみて技術開発の余地が残されていた。
【０００４】
しかしながら、スワール流の強化は吸気弁の流量係数を低下させる事となり、高負荷域での空気不足を招く。このため、スワール流の強化には、排気温度上昇やノッキングなどの問題も内在していた。
【０００５】
本発明は、従来相反する項目と考えられていたスワール比と流量係数について同時に十分な値を設定することができる吸気弁のシートリングを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載された吸気弁のシートリング（１）は、内燃機関の燃焼室に連通する共通の吸気ポート（１０）の上流と下流の２つの位置にそれぞれ形成された２つの開口に取り付けられ、前記各開口を開閉する２つの吸気弁がそれぞれ当接する２つのシートリングにおいて、各シートリングともに中央に開口した孔部（２）の内径の中心（ｂ）が外径の中心（ａ）に対して偏芯しており、前記外径の中心から前記内径の中心に向かう方向を前記シートリングの偏芯方向とし、この偏芯方向について後方の部分は凸状周面であり、この偏芯方向について前方の部分は平坦周面であり、時計の時方位で方向を規定すると、前記吸気ポート（１０）から吸入される吸気の流れの方向が１２時であり、前記流れに沿って上流側のシートリング（１）の偏芯方向が６時から９時の角度範囲に設定され、前記流れに沿って下流側のシートリング（１）の偏芯方向が３時から６時の角度範囲に設定されたことを特徴としている。
【００１０】
請求項２に記載されたガスエンジンは、請求項１に記載した吸気弁のシートリング（１）を備えたことにより、スワール比と流量係数について同時に十分な値を達成することを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
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弁シートリングの形状を改良し、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。本考案は、火炎伝播による燃焼形態を採るエンジン、つまりパイロット燃料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。
【００１２】
本発明の実施の形態の一例を図１〜図８を参照して説明する。
図１及び図２は本発明に係るシートリング１の形状を示す。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。シートリング１は、吸気ポートの側に開口した孔部２を有する入り口部３と、燃焼室側に設けられて吸気弁が接触するシート面４を有する弁座部５と、シリンダヘッドの開口に装着するための嵌め込み部６等から構成されている。
【００１３】
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２の内径の中心が一致していない。即ち偏芯している。孔部２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、シートリング１の偏芯方向と呼ぶ。このような偏芯した孔部２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、シートリング１の孔部２の内周面の内、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２ａを維持するが、それ以外のシートリング１の偏芯方向について前方の部分は平坦周面２ｂとなる。
【００１４】
この偏芯シートリング１の偏芯方向をシリンダヘッドの吸気ポート形状に対して最適な配置で装着することにより、スワール比と流量係数という相反要素の両立を可能とした。
【００１５】
図３は、エンジンのシリンダヘッドにおける吸気弁と排気弁の配置を示す平面図である。図示のように、このエンジンは吸気弁（ＩＶ，ＩＧＶに装着）と排気弁（ＥＶに装着）を２個ずつ有している。図中破線で示す吸気ポート１０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。上流の開口を記号ＩＧＶ（ポートＡ）と呼び、下流の開口を記号ＩＶ（ポートＢ）と呼ぶ。
【００１６】
ここで、吸気方向に対するシートリング１の偏芯方向を規定するため、図３の平面図において時計の時方位を用いる。即ち、図３において上向きの方向を１２時とし、右向きの方向を３時とし、下向きの方向を６時とし、左向きの方向を９時とする。従って、吸気ポート１０における吸気の流れの方向は略１２時である。
【００１７】
（１）偏芯シートリング１のスワール比と流量係数
次に、本例のシートリング１を種々の偏芯方向でシリンダヘッドに装着した複数の例と、偏芯していない従来のシートリング１を用いた例について、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。この実験で使用した偏芯シートリング１は、内径φ６４ｍｍを３ｍｍ偏芯させて内径φ７０ｍｍで加工したものである。図４は、定常流試験における標準（従来例）シートリング１と、偏芯シートリング１の偏芯方向の組み合わせを示す。ここで符号Ａに付した数字は、偏芯方向の時方位を示す図３中の番号である。
【００１８】
実験結果を図５に示す。
テストＮｏ．１の従来例を基準に考えると、テストＮｏ．２の本シートリング１の取り付け方向はスワール比、流量係数共に低下し、本願の意図する効果が得られない。
【００１９】
テストＮｏ．３では他のテストと逆回りのスワールが発生している。これは偏芯方向先側の内壁が直線的（平面的）に加工してあるのに対して、反対側は半月形状（凸周形状）をしており、このため半月形の方の流速が増加し、逆回りのスワールになったと考えられる。
【００２０】
以上の結果から、偏芯方向をスワールを発生させたい方向と１８０°の方向にして組み込んだものがテストＮｏ．４とＮｏ．５である。ここでは、ポートＡからの空気をシリンダライナ壁にぶつける方向のテストＮｏ．４の方が、流量係数は同等であるが、高いスワール数を得た。
【００２１】
（２）単気筒エンジンによる燃焼と性能試験
ａ）試験条件
偏芯シートリング１とその組み込み方向をテストＮｏ．４の状態として、シリンダ径２６０ｍｍの単シリンダ火花点火ガスエンジンにより試験を実施した。
（３）試験結果
ａ）燃焼に与える影響
図６に排気中の残存酸素濃度（以下Ｏ2 濃度と記す）、初期燃焼期間（０−５％熱発生期間）および燃焼期間（５−９５％熱発生期間）の関係を示す。熱発生解析には主燃焼室内の圧力計測値を用いた。図６からスワールを強くしても０−５％熱発生期間の差はほとんどないが、燃焼期間はスワールを強くすると短くなっていることがわかる。特にＯ2 濃度を大きくした場合に短期燃焼の傾向が強い。
【００２２】
ｂ）排ガス性状に与える影響
図７はスワール強さを変えた場合のＯ2 濃度とＮＯｘ、ＣＯ、ＴＨＣ濃度の関係を示す。同一Ｏ2 濃度ではスワールを強くした方がＮＯｘ濃度が高くなる。ＮＯｘ濃度の上昇率はＯ2 濃度が小さいほど大きい。例えばＯ2 濃度１３．５％近辺ではＮＯｘ濃度の差は１０ｐｐｍ程度と小さく、Ｏ2 濃度１２．５％では約７０ｐｐｍである。スワールを強化した時はＯ2 濃度１２．４％がノッキング発生限界であった。
【００２３】
ＣＯ濃度はスワールを強くすると低下する。特にＯ2 濃度が小さくなるほど低減率が大きい。例えばＯ2 濃度１２．５％〜１３．０％の場合では約２００ｐｐｍ低下する。
【００２４】
ＴＨＣ濃度はスワールを強くすると全てのＯ2 濃度範囲で下がる。Ｏ2 濃度が小さくなるほど低減量は大きくなるが、おおむね０．２〜０．３％（Ｏ2 ０％換算濃度値）低くなる。
【００２５】
ｃ）燃料消費率とＮＯｘに与える影響
図８に燃料消費率とＮＯｘ濃度の関係を示す。ＮＯｘ濃度を同一として燃料消費率を比較するとスワールを強くした方が良いことがわかる。この理由は、ＮＯｘ濃度２００ｐｐｍレベルの希薄混合気の燃焼であるため断熱火炎温度が低く、ＮＯｘ濃度の上昇率は小さい。一方、燃焼促進によるＴＨＣ濃度の改善効果が大きく、その結果燃料消費率が改善されたものと考えられる。
【００２６】
（４）まとめ
以上の実験結果から次のことがわかる。
スワールを強くすると燃焼期間は短くなる。特にＯ2 濃度を大きくした場合、つまり空気過剰率を大きくする場合に短期燃焼化の傾向が強い。これには、次の各点が理由として考えられる。
▲１▼  乱れのエネルギーが燃焼を活性化し燃焼速度が速くなる。
▲２▼  乱れにより混合気の濃度分布（均一性）が変化し燃焼速度が速くなる。
その結果、ＣＯ・ＴＨＣ濃度の低減効果が得られ燃料消費率も改善される。
【００２７】
このような結果を得るためには、シートリングの形状・構造と、これをシリンダヘッドに取り付ける際の向きは、次の条件を満たすことが必要と考えられる。まず、スワール強化のためには、シートリング１の中央に開口した孔部２の内径の中心が、外径の中心に対して偏芯していることが必要である。次に、シートリング１の偏芯方向が、吸気ポート１０から燃焼室に供給される吸気の方向に対して略反対向きとなるように、シートリング１を開口に取り付けることが必要である。
【００２８】
特に、２つのポートを有する場合には、吸気ポートから吸入される吸気の流れの方向を１２時とした場合、この流れに沿って上流側のシートリング１の偏芯方向を６時から９時の角度範囲に設定し、この流れに沿って下流側のシートリング１の偏芯方向を３時から６時の角度範囲に設定すると、前述したテストＮｏ．４又は５のような好結果が得られる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、シートリングの孔部の内径の中心を外径の中心に対して偏芯させており、さらに吸気ポートにおける吸気の方向に対して前記シートリングの偏芯方向を所定の方向に設定しているので、スワール比と流量係数について同時に十分な値を達成できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例であるシートリングの図２の切断線（イ）における断面図である。
【図２】本発明の実施の形態の一例であるシートリングの平面図である。
【図３】本発明の実施の形態の一例において、シリンダヘッドにおける吸気ポート等の配置と、シートリングの回転方向の配置を示す平面図である。
【図４】本発明の実施の形態の一例において行った試験のシリンダヘッドの種類と偏芯方向の向きの組み合わせを示した表図である。
【図５】本発明の実施の形態の一例においてテストＮｏ．１〜５について測定したスワール強さと流量係数を示す表図である。
【図６】本発明の実施の形態の一例において行った試験の結果を示すものであり、排気中の残存酸素濃度、初期燃焼期間および燃焼期間の関係を示す表図である。
【図７】本発明の実施の形態の一例において行った試験の結果を示すものであり、スワール強さを変えた場合のＯ2 濃度とＮＯｘ、ＣＯ、ＴＨＣ濃度の関係を示す表図である。
【図８】本発明の実施の形態の一例において行った試験の結果を示すものであり、燃料消費率とＮＯｘ濃度の関係を示す表図である。
【図９】従来のシートリングの断面図である。
【符号の説明】
１  シートリング
２  孔部
１０  吸気ポート
【図１】
0003715437.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003715437.tif 000008
【図８】
0003715437.tif 000009
【図９】
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