(57)【要約】【課題】燃焼を安定させた予混合圧縮着火機関を提供する。【解決手段】ピストン頂面６ａには、球面状にくぼんだ第１のくぼみ部２１と、第１のくぼみ部２１の中央部に形成されると共に球面状にくぼんだ第２のくぼみ部２２とを備えた燃焼室２０が設けられている。燃焼室２０は、最深部２３の深さＨに対する開口２４の直径Ｄの比が５〜１３、かつピストン頂面６ａの面積に対するスキッシュエリア２５の面積の比が０．２５〜０．４５となる形状に設定されている。また、スキッシュエリア２５とシリンダヘッド５の下面５ａとの隙間が２〜３ｍｍとなるように設定されている。【選択図】図２
2006169987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端がシリンダヘッドにより閉塞されたシリンダ内を、往復摺動するピストンによって、燃料と酸素含有ガスとの混合気を圧縮して自着火燃焼させる予混合圧縮着火機関において、
前記ピストンは、
前記シリンダヘッドに対向する前記ピストン頂面の外縁部に設けられ、スキッシュを発生させるスキッシュエリアと、
前記スキッシュエリアの内側に設けられ、最も深くくぼんだ位置である最深部を含む、凹状の第１のくぼみ部を有する燃焼室と
を備え、
前記燃焼室内の混合気が、前記スキッシュエリアから前記最深部に向かって温度が上昇し、前記最深部を最高温度とする温度勾配を有するように、
前記第１のくぼみ部の深さは、前記最深部に向かって深くなる
ことを特徴とする予混合圧縮着火機関。
【請求項２】
一端がシリンダヘッドにより閉塞されたシリンダ内を、往復摺動するピストンによって、燃料と酸素含有ガスとの混合気を圧縮して自着火燃焼させる予混合圧縮着火機関において、
前記ピストンは、
前記シリンダヘッドに対向する前記ピストン頂面の外縁部に設けられ、スキッシュを発生させるスキッシュエリアと、
前記スキッシュエリアの内側に設けられ、最も深くくぼんだ位置である最深部を含む、凹状の第１のくぼみ部を有する燃焼室と
を備え、
前記ピストンは、
ａ）前記最深部の深さに対する前記第１のくぼみ部の開口面の径との比が５〜１３の範囲であり、
ｂ）前記ピストンの頂面の面積に対する前記スキッシュエリアの面積の比が０．２５〜０．４５であり、
ｃ）前記ピストンが上死点の位置にあるときに、前記スキッシュエリアと前記シリンダヘッドの下面との隙間の間隔が２〜３ｍｍである
ことを特徴とする予混合圧縮着火機関。
【請求項３】
前記第１のくぼみ部の最も深くくぼんだ位置に、第２のくぼみ部が設けられ、
前記最深部は、前記第２のくぼみ部内にある請求項１または２に記載の予混合圧縮着火機関。
【請求項４】
前記最深部には、断熱材が設けられている請求項１〜３のいずれか一項に記載の予混合圧縮着火機関。
【請求項５】
前記予混合圧縮着火機関は、ガスヒートポンプ用エンジンである請求項１〜４のいずれか一項に記載の予混合圧縮着火機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、予混合圧縮着火機関に係り、とくに、予混合圧縮着火機関のピストンの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の予混合圧縮着火機関が、例えば、特許文献１に記載されている。この予混合圧縮着火機関は、上死点におけるピストン頂面とシリンダヘッド下面との間をできる限り小さな間隙に設定すると共に、ピストン頂面に深皿型の燃焼室を設けたものである。これにより、シリンダ壁面と接触して温度の低下した混合気の体積ができる限り小さくなるようになっている。この予混合圧縮着火機関では、圧縮工程後期には、混合気はその大部分が深皿型の燃焼室に押し込められる。この際、シリンダ壁面と接触して温度の低下する混合気の体積は、燃焼室内の混合気全体の体積と比較して極めて少量となる。これにより、未燃焼ガス及び中間生成物の発生量が低減する。また、燃焼室を、吸入混合気の流れが攪拌されるような形状にすることによって、温度分布が均一化され、着火性の差が小さくなり、相対的に自着火に不利な領域が減少するので、未燃焼ガス及び中間生成物の発生量が低減する。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−６５３５０号公報（図１，６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、燃焼室を深皿型にすることで、シリンダ壁面付近の間隙を小さくできるのはピストンが上死点にある一瞬のことで、その前後では、逆に燃焼室容積に対する表面積の比が増加して熱損失が大きくなるため、自着火に必要な筒内温度が確保しにくくなるといった問題点があった。
また、燃焼室内の温度分布を均一にすると、サイクル毎に着火時期がばらついて燃焼が不安定となるため、トルク変動が生じるといった問題点もあった。具体的には、燃焼室内の温度分布が均一ということは、燃焼室内の複数の個所で同時に着火することが起こりうる。多数個所で同時に着火した場合、燃焼室内の混合気が一気に燃焼し、いわゆるノッキングを生じる。
【０００５】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、燃焼を安定させた予混合圧縮着火機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る予混合圧縮着火機関は、一端がシリンダヘッドにより閉塞されたシリンダ内を、往復摺動するピストンによって、燃料と酸素含有ガスとの混合気を圧縮して自着火燃焼させる予混合圧縮着火機関において、ピストンは、シリンダヘッドに対向するピストン頂面の外縁部に設けられ、スキッシュを発生させるスキッシュエリアと、スキッシュエリアの内側に設けられ、最も深くくぼんだ位置である最深部を含む、凹状の第１のくぼみ部を有する燃焼室とを備え、燃焼室内の混合気が、スキッシュエリアから最深部に向かって温度が上昇し、最深部を最高温度とする温度勾配を有するように、第１のくぼみ部の深さは、最深部に向かって深くなることを特徴とする。燃焼室内の混合気が、最深部において最高温度となるので、着火の起点が最深部に特定される。また、最深部での着火が温度勾配に沿って徐々に伝達されるため、燃焼室内における燃焼が緩慢になる。
【０００７】
また、この発明に係る予混合圧縮着火機関は、一端がシリンダヘッドにより閉塞されたシリンダ内を、往復摺動するピストンによって、燃料と酸素含有ガスとの混合気を圧縮して自着火燃焼させる予混合圧縮着火機関において、ピストンは、シリンダヘッドに対向するピストン頂面の外縁部に設けられ、スキッシュを発生させるスキッシュエリアと、スキッシュエリアの内側に設けられ、最も深くくぼんだ位置である最深部を含む、凹状の第１のくぼみ部を有する燃焼室とを備え、ピストンは、ａ）最深部の深さに対する第１のくぼみ部の開口面の径との比が５〜１３の範囲であり、ｂ）ピストンの頂面の面積に対する前記スキッシュエリアの面積の比が０．２５〜０．４５であり、ｃ）ピストンが上死点の位置にあるときに、スキッシュエリアと前記シリンダヘッドの下面との隙間の間隔が２〜３ｍｍであることを特徴とする。
第１のくぼみ部の最も深くくぼんだ位置に、第２のくぼみ部が設けられ、最深部は、第２のくぼみ部内にあってもよい。
最深部には、断熱材が設けられていてもよい。
予混合圧縮着火機関は、ガスヒートポンプ用エンジンであってもよい。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、燃焼室内の混合気が、スキッシュエリアから最深部に向かって温度が上昇すると共に最深部を最高温度とする温度勾配を有するように、第１のくぼみ部の深さが最深部に向かって深くなるようにしたので、着火の起点が最深部に特定されて、着火のばらつきを低減することができる。また、最深部で着火が起こると、温度勾配に沿って徐々に燃焼が起こり、燃焼室内における混合気の燃焼が緩慢になるので、ノック等の異常燃焼や爆発音を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この実施の形態１に係る予混合圧縮着火機関について、ガスヒートポンプ（以下、ＧＨＰと称す）用エンジンを例に説明する。
図１に示されるように、ＧＨＰ用エンジン２は、内部にシリンダ３が設けられたシリンダブロック４を備えている。シリンダブロック４の上部には、シリンダヘッド５が設けられている。シリンダ３内には、ピストン６が往復運動可能に設けられている。ピストン６には、コンロッド７の一端が接続され、コンロッド７の他端にはクランクシャフト８が接続されている。
シリンダヘッド５には、吸気ポート９を開閉する吸気バルブ１１及び排気ポート１０を開閉する排気バルブ１２が設けられている。吸気ポート９には吸気通路１３が接続され、排気ポート１０には排気通路１４が接続されている。吸気通路１３の他端は大気に開放されるとともに、その途中には、都市ガスを燃料として噴射する燃料噴射ノズル１５が設けられている。
【００１０】
図２に示されるように、ピストン頂面６ａには燃焼室２０が設けられている。燃焼室２０は、球面状にくぼんだ第１のくぼみ部２１と、第１のくぼみ部２１の中央部に形成されると共に球面状にくぼんだ第２のくぼみ部２２とを備えている。ピストン頂面６ａには、燃焼室２０の円形の開口２４が形成されている。燃焼室２０は、燃焼室２０の中央部に向かって下り勾配となっている球面状にくぼんだ斜面２０ａを有している。ここで、第２のくぼみ部２２内の最も深くくぼんだ位置である最深部２３からピストン頂面６ａまでの距離、すなわち最深部２３の深さをＨとし、開口２４の直径をＤとする。最深部２３の深さＨに対する開口２４の直径Ｄの比Ｄ／Ｈは８となっている。
【００１１】
また、ピストン頂面６ａの外縁６ｂから開口２４の周縁２４ａまでの領域である外縁部２６に、平らなスキッシュエリア２５が設けられている。スキッシュエリア２５は、ピストン６がシリンダ３内を上昇する際に、スキッシュエリア２５上にある混合気が、過流すなわちスキッシュとなって燃焼室２０内部へ流入するのに寄与する部分である。ここで、ピストン頂面６ａの面積に対するスキッシュエリア２５の面積の比は０．３となっている。
さらに、図３に示されるように、ピストン６が上死点に達した時に、スキッシュエリア２５とシリンダヘッド５の下面５ａとの隙間Δｘが２ｍｍになるように設定されている。
【００１２】
次に、この実施の形態に係る予混合圧縮着火機関の動作について説明する。
図１に示されるように、ＧＨＰ用エンジン２が始動すると、吸気通路１３内を流れる空気と燃料噴射ノズル１５から吸気通路１３内へ噴射されたガス燃料との混合気が、ＧＨＰ用エンジン２に供給される。ピストン６が上死点から下降を開始すると、吸気バルブ１１が開いてシリンダ３内に混合気が吸引される。ピストン６が下死点から上昇に転じると吸気バルブ１１が閉じ、ピストン６の上昇に伴ってシリンダ３内における混合気の圧力及び温度が上昇する。混合気の温度が上昇すると、それによって燃料が自然着火し、シリンダ３内で燃焼が起こる。この燃焼によってピストン６が下方に押し下げられ、ピストン６が下死点から上昇を開始すると、排気バルブ１２が開いて、シリンダ３内の燃焼ガスが排気通路１４へ押し出される。
ピストン６のこのような往復運動がコンロッド７を介してクランクシャフト８の回転運動に変換され、ＧＨＰ用エンジン２から出力が得られる。
【００１３】
次に、この実施の形態に係る予混合圧縮着火機関における燃料の燃焼について説明する。
図２に示されるように、シリンダ３内において、スキッシュエリア２５とシリンダヘッド５の下面５ａとの隙間にある混合気は、燃焼室２０内の混合気に比べて、シリンダ壁３ａに近い位置にある。シリンダ壁３ａはＧＨＰ用エンジン２を冷却するための冷却水や空気流によって冷却されているため、スキッシュエリア２５とシリンダヘッド５の下面５ａとの隙間にある混合気は、燃焼室２０内の混合気に比べて温度が低くなっている。シリンダ３内の混合気は、ピストン６がシリンダ３内を上昇する際に圧縮されて温度が上昇するが、スキッシュエリア２５とシリンダヘッド５の下面５ａとの隙間にある混合気は、図２の矢印Ａで示されるスキッシュとして、斜面２０ａに沿って燃焼室２０内に流入する。このように、燃焼室２０内の混合気よりも温度の低い混合気が、スキッシュとなって燃焼室２０内を斜面２０ａに沿って流れると、燃焼室２０内の混合気は、スキッシュエリア２５から最深部２３に向かって温度が上昇するような温度勾配をもつようになり、最深部２３において最も高温になる。
【００１４】
この結果、燃焼室２０内では、最も高温となる最深部２３において、最初に着火が起こるようになる。すなわち、燃焼室２０内における着火の起点が最深部２３に特定される。また、最深部２３が第２のくぼみ部２２の内部にあるので、着火時期のばらつきが低減される。なお、補足すると、本発明における着火時期は、全熱発生量の内、１０％の熱が発生した時期を意味する。ガソリンエンジンではスパークプラグによる点火により、ディーゼルエンジンでは燃料噴射により、外部より燃焼開始時期を積極的に制御できる。これに対し、同様の手段をもたず、外部からの観測により燃焼開始時期を確認する予混合圧縮着火機関では、便宜的に、５〜１０％の熱が発生した時期を着火時期とすることが多い。ここでは、同理由により前述の定義を採用している。最深部２３で着火が起こると、温度勾配に沿って徐々に燃焼が起こり、燃焼室２０内における混合気の燃焼が緩慢になる。したがって、燃焼室２０内の混合気の温度が均一な場合とは異なり、多数点の同時着火が起り全ての混合気が一気に燃焼することはなく、ノック等の異常燃焼や高い爆発音が発生するおそれもなくなる。
【００１５】
このように、ピストン６に設けた燃焼室２０を、最深部２３の深さＨに対する燃焼室２０の開口２４の直径Ｄの比Ｄ／Ｈが８、かつピストン頂面６ａの面積に対するスキッシュエリア２５の面積の比が０．３となる形状にし、ピストン６が上死点の位置にあるときに、スキッシュエリア２５とシリンダヘッド５の下面５ａとの隙間が２ｍｍとなるように設定したので、サイクル毎の着火の起点が最深部２３に特定されるため、着火時期のばらつきを低減することができる。すなわち、燃焼室２０内の混合気が、スキッシュエリア２５から最深部２３に向かって温度が上昇し、最深部２３を最高温度とする温度勾配を有するように、第１のくぼみ部２１の深さが最深部２３に向かって深くなるようにしたので、サイクル毎の着火の起点が最深部２３に特定されるため、着火時期のばらつきを低減することができる。また、燃焼室２０内の混合気に温度勾配をもたせることにより、最深部２３で着火が起こると温度勾配に沿って徐々に燃焼が起こり、燃焼室２０内における混合気の燃焼が緩慢となるため、ノック等の異常燃焼や爆発音を抑制することができる。
【００１６】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る予混合圧縮着火機関を説明する。尚、以下の実施の形態において、図１〜３の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
この実施の形態２に係る予混合圧縮着火機関は、実施の形態１に対して、燃焼室２０内の最深部２３に断熱材を設けたものである。
図４に示されるように、ピストン３０に設けられた燃焼室２０内の最深部２３に、鉄系の金属材料やセラミック等の断熱材３１が設けられている。実施の形態１と同様にして、燃焼室２０内の混合気が、最深部２３を最高温度とすると共にスキッシュエリア２５から最深部２３に向かって温度が上昇する温度勾配を有するようになる。断熱材３１による保温効果により、最深部２３における混合気の熱がピストン６を介して放熱されるのを防ぐことができる。これにより、最深部２３における混合気の温度をできる限り高く維持できるので、着火の起点を確実に最深部２３に特定することができる。
【００１７】
実施の形態１及び２では、Ｄ／Ｈを８としたが、この値に限定されるものではない。Ｄ／Ｈの値を５〜１３の範囲に設定することにより、燃焼室２０内の混合気にこのような温度勾配をもたせることができる。Ｄ／Ｈがこの範囲より小さいと、斜面２０ａの傾きが大きくなることにより、スキッシュが斜面２０ａに沿って流れにくくなるので、斜面２０ａに沿った温度勾配を混合気にもたせることが困難になるからである。逆に、Ｄ／Ｈがこの範囲より大きいと、最深部２３の深さが浅くなることにより、最深部２３付近の混合気の温度がシリンダ３内部の温度に影響を受けやすくなるので、燃焼室２０内の混合気に温度勾配をもたせることができなくなるからである。
【００１８】
実施の形態１及び２では、ピストン頂面６ａの面積に対するスキッシュエリア２５の面積の比を０．３としたが、この値に限定されるものではない。この面積比を０．２５〜０．４５の範囲に設定することにより、燃焼室２０内の混合気に温度勾配をもたせるスキッシュを発生させることができる。その面積比がこの範囲よりも大きいとスキッシュが大きくなり、燃焼室２０内に流入したスキッシュは、燃焼室２０内の混合気を攪拌するため、温度を均一化してしまうからである。逆に、その面積比がこの範囲よりも小さいとスキッシュが小さくなり、燃焼室２０内を充分に流通しなくなるので、燃焼室２０内の混合気に、温度勾配をもたせることが困難になるからである。
【００１９】
実施の形態１及び２では、スキッシュエリア２５とシリンダヘッド５の下面５ａとの隙間Δｘを２ｍｍとしたが、この値に限定されるものではない。Δｘを２〜３ｍｍの範囲に設定することにより、燃焼室２０内の混合気に温度勾配をもたせるスキッシュを発生させることができる。Δｘをこの範囲より小さくするとスキッシュが大きくなり、燃焼室２０内の混合気の温度を均一化してしまうからである。逆に、Δｘをこの範囲より大きくするとスキッシュが小さくなり、燃焼室２０内の混合気に温度勾配をもたせることが困難になるからである。
【００２０】
実施の形態１及び２では、燃焼室２０及び３０が、第１のくぼみ部２１と第２のくぼみ部２２とを備えるようにしたが、この形状に限定されるものではない。最深部２３に向かって下り勾配となる斜面を有すると共にＤ／Ｈの値が５〜１３の範囲であれば、球面状でなくてもよい。その他の形状としては、円錐形の頂点を丸めたくぼみ等が挙げられる。この場合、円錐の頂点が最深部となる。また、第２のくぼみ部２２がなく、第１のくぼみ部２１だけであってもよい。第２のくぼみ部２２がない場合には、第１のくぼみ部２１において最も深くくぼんだ位置が最深部２３となる。
その他、本発明の趣旨に沿う範囲で、実施の形態１及び２を変更することが可能である。例えば、実施の形態１及び２では、燃料を都市ガスとしたが、ＬＰＧやＣＮＧ等他のガス燃料を採用してもよく、また、軽油やガソリン等液体燃料を使用することも可能である。ガス燃料を吸気通路内に供給する手段としても、燃料噴射ノズルの他に、ミキサー等を適宜選択することが可能である。エンジンの形式も、Ｖ型、水平対向型など、適宜変更してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この発明の実施の形態１に係る予混合圧縮着火機関の構成図である。
【図２】この実施の形態１に係る予混合圧縮着火機関のピストン及びシリンダの断面図である。
【図３】この実施の形態１に係る予混合圧縮着火機関のピストンがシリンダ内において上死点の位置にあるときの断面図である。
【図４】この実施の形態２に係る予混合圧縮着火機関のピストンの断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
２  ＧＨＰ用エンジン、３  シリンダ、３ａ  シリンダ壁面、４  シリンダブロック、５  シリンダヘッド、５ａ  （シリンダヘッドの）下面、６，３０  ピストン、６ａ  ピストン頂面、２０  燃焼室、２０ａ  斜面、２１  第１のくぼみ部、２２  第２のくぼみ部、２３  最深部、２４  （燃焼室の）開口、２５  スキッシュエリア、２６  外縁部、３１  断熱材。
【図１】
2006169987.tif 000003
【図２】
2006169987.tif 000004
【図３】
2006169987.tif 000005
【図４】
2006169987.tif 000006