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WO2025063280A1 - ガスエンジン - Google Patents

ガスエンジン Download PDF

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WO2025063280A1
WO2025063280A1 PCT/JP2024/033648 JP2024033648W WO2025063280A1 WO 2025063280 A1 WO2025063280 A1 WO 2025063280A1 JP 2024033648 W JP2024033648 W JP 2024033648W WO 2025063280 A1 WO2025063280 A1 WO 2025063280A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas
cavity
cylinder
fuel
gas engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/JP2024/033648
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
暢大 新村
昌訓 及川
靖雄 高木
雄司 三原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kawasaki Heavy Industries Ltd
Gotoh Educational Corp
Kawasaki Motors Ltd
Original Assignee
Kawasaki Heavy Industries Ltd
Kawasaki Jukogyo KK
Gotoh Educational Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Kawasaki Heavy Industries Ltd, Kawasaki Jukogyo KK, Gotoh Educational Corp filed Critical Kawasaki Heavy Industries Ltd
Publication of WO2025063280A1 publication Critical patent/WO2025063280A1/ja
Pending legal-status Critical Current
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/08—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
    • F02B23/10—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D19/00—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D19/02—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with gaseous fuels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M21/00—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
    • F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels

Definitions

  • This disclosure relates to gas engines.
  • Patent Document 1 describes a gas-fueled direct injection engine in which a cavity is formed on the top surface of the piston.
  • the cavity described in Patent Document 1 is offset toward the intake port, which allows the gas fuel to be guided near the spark plug and forms a combustible mixture near the spark plug. Note that in the gas-fueled direct injection engine described in Patent Document 1, because the cavity is offset toward the intake port, it is believed that the gas fuel is injected toward the part of the piston's top surface closer to the intake port than the center.
  • the gas fuel is guided by the cavity walls and then "directly" supplied to the spark plug.
  • the gas fuel is not mixed sufficiently with the air, and the gas fuel becomes locally too rich in the combustion chamber, which can lead to an increase in the amount of NOx produced.
  • the purpose of this disclosure is to provide a gas engine that can suppress the generation of NOx.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a gas engine according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II of FIG.
  • FIG. 3 is a view corresponding to FIG. 2 of a gas engine according to a second embodiment.
  • the gas engine 100 includes a cylinder 11, a piston 12, an intake port 13, an exhaust port 14, an intake valve 15, an exhaust valve 16, and an ignition device 17. Furthermore, as shown in FIG. 2, the gas engine 100 includes a fuel injector 18. Below, each of these components will be explained in order.
  • the "center of top surface 31" of piston 12 mentioned above includes not only the point on top surface 31 that is on central axis 23 of cylinder 11 (hereinafter referred to as the "center point"), but also the portion that can be said to be essentially the center point, that is, the portion that is slightly shifted radially from the center point. For example, the portion that is radially shifted from the center point by 20% or less of the diameter of cylinder 11 is included in the "center of top surface 31".
  • the area of the cross section perpendicular to the axial direction of the cavity 32 (hereinafter referred to as the "cross-sectional area”) is 25% to 80% of the cross-sectional area of the cylinder 11.
  • the cross section perpendicular to the axial direction of the cavity 32 is circular.
  • the diameter of the cavity 32 is 50% of the inner diameter of the cylinder 11
  • the cross-sectional area of the cavity 32 is 25% of the cross-sectional area of the cylinder 11.
  • the diameter of the cavity 32 is approximately 90% of the inner diameter of the cylinder 11
  • the cross-sectional area of the cavity 32 is 80% of the cross-sectional area of the cylinder 11.
  • the "cross-sectional area of the cavity 32" in the statement that "the cross-sectional area of the cavity 32 is 25% to 80% of the cross-sectional area of the cylinder 11" refers to the largest cross-sectional area of the cavity 32.
  • the intake port 13 is a port that supplies air to the combustion chamber 25, and is formed in the cylinder head 22.
  • one intake port 13 is formed for one cylinder 11.
  • multiple intake ports 13 may be formed for one cylinder 11.
  • the exhaust port 14 is a port that discharges exhaust gas from the combustion chamber 25, and is formed in the cylinder head 22.
  • one exhaust port 14 is formed for one cylinder 11.
  • multiple exhaust ports 14 may be formed for one cylinder 11.
  • the intake valve 15 is a valve that opens and closes the intake port 13.
  • the intake valve 15 may be configured so that the timing at which the intake port 13 is opened and closed can be changed, or may be configured so that the timing at which the intake port 13 is opened and closed is constant.
  • the exhaust valve 16 is a valve that opens and closes the exhaust port 14.
  • the exhaust valve 16 may be configured so that the timing at which the exhaust port 14 is opened and closed can be changed, or may be configured so that the timing at which the exhaust port 14 is opened and closed is constant.
  • the ignition device 17 is a device that ignites the mixture in the combustion chamber 25.
  • the ignition device 17 of this embodiment is provided in the cylinder block 21 so as to face the combustion chamber 25, and is located on the central axis 23 of the cylinder 11.
  • the ignition device 17 also includes a sub-chamber type ignition device and a device that injects pilot fuel that is easier to ignite than the main fuel and ignites the pilot fuel by self-ignition.
  • Gas fuel is injected into the combustion chamber 25 from a fuel injector 18 described later, and the injected gas fuel is mixed with air supplied from the intake port 13. This forms a mixture of gas fuel and air. If the ratio of gas fuel in the mixture (hereinafter referred to as "mixture concentration”) is increased near the ignition device 17, ignition by the ignition device 17 becomes easier.
  • the gas engine 100 is configured to make the mixture concentration uniform within the combustion chamber 25.
  • the fuel injector 18 is a device that injects gas fuel into the combustion chamber 25. As shown in FIG. 2, the fuel injector 18 is provided in the cylinder block 21 so as to face the combustion chamber 25, and is located radially outward from the central axis 23 of the cylinder 11.
  • the fuel injector 18 of this embodiment directly injects gas fuel toward the center of the top surface 31 of the piston 12.
  • the fuel injector 18 since the piston 12 moves in the cylinder 11, it is practically impossible for the fuel injector 18 to continue to directly inject gas fuel toward the center of the top surface 31 of the piston 12. Therefore, the fuel injector 18 only needs to directly inject gas fuel toward the center of the top surface 31 of the piston 12 at a certain point during the injection of the gas fuel.
  • the gas fuel is mixed with air within the cavity 32. This makes it possible to prevent the mixture from flowing into the squish area 26.
  • the squish area 26 refers to the gap formed between the portion of the top surface 31 of the piston 12 radially outward of the cavity 32 and the underside of the cylinder block 21.
  • various effects can be achieved, such as preventing excessive dilution of the mixture, reducing blow-by gas, reducing cooling loss, and preventing abnormal combustion caused by high-temperature particles derived from the lubricating oil generated by the piston rings. Of these, reducing blow-by gas and reducing cooling loss contribute to improving the thermal efficiency of the engine.
  • the fuel injector 18 of this embodiment has only one injection opening 34 for injecting gas fuel. Therefore, according to this embodiment, the directionality of the gas fuel injected from the fuel injector 18 is improved, and the gas fuel injected toward the center of the top surface 31 of the piston 12 can reach the center of the top surface 31 of the piston 12 with high precision.
  • the shape (not the arrangement) of the injection opening 34 is not limited, and may be circular, rectangular, or annular.
  • the pressure of the gas fuel injected by the fuel injector 18 of this embodiment is less than 10 MPa.
  • the pressure of the injected gas fuel is classified as "low pressure” which is equal to or greater than 0.1 MPa and less than 3 MPa, “medium pressure” which is equal to or greater than 3 MPa and less than 10 MPa, and "high pressure” which is equal to or greater than 10 MPa.
  • the pressure of the gas fuel injected by the fuel injector 18 of this embodiment is low pressure or medium pressure.
  • the pressure of the gas fuel injected by the fuel injector 18 it is possible to prevent the gas fuel from being discharged from the cavity 32 before being mixed with the air. In other words, the concentration of the mixture can be made more uniform. Furthermore, it is also possible to suppress the inflow of the mixture into the squish area 26. Also, since the pressure of the injected gas fuel is relatively low in this embodiment, the cost of ancillary equipment such as a compressor that pressurizes the gas fuel and a tank that stores the pressurized gas fuel can be reduced compared to when the pressure of the injected gas fuel is high.
  • the bottom surface area of cavity 32 is 25% or more and 80% or less of the cross-sectional area of cylinder 11.
  • the bottom surface area of cavity 32 25% or more of the cross-sectional area of cylinder 11, it is possible to prevent the concentration of the mixture in cavity 32 from becoming too high.
  • the bottom surface area of cavity 32 80% or less of the cross-sectional area of cylinder 11 it is possible to maintain the diffusibility of the gas fuel.
  • Fig. 3 is a view corresponding to Fig. 2 of the gas engine 200 according to the second embodiment.
  • the gas engine 200 according to the second embodiment has a different shape of the cavity 32 from that of the gas engine 100 according to the first embodiment.
  • the gas engine 200 has the same configuration as the gas engine 100 according to the first embodiment. Therefore, the following description will focus on the shape of the cavity 32 of the gas engine 200 according to the second embodiment, and other descriptions will be omitted.
  • the cavity 32 in this embodiment includes a protrusion 41.
  • the protrusion 41 is located on the bottom surface 33 of the cavity 32.
  • the protrusion 41 is convex toward the opening of the cavity 32, that is, toward the axially outward direction (upward in the plane of FIG. 3).
  • the protrusion 41 in this embodiment is generally conical in shape, and has a semispherical tip.
  • the apex of the protrusion 41 is located in the center of the top surface 31 of the piston 12. Therefore, the gas fuel injected from the fuel injector 18 toward the center of the top surface 31 of the piston 12 collides near the apex of the protrusion 41.
  • the gas fuel injected from the fuel injector 18 collides with and diffuses near the top of the protrusion 41, and then further diffuses by spreading radially outward along the surface of the protrusion 41.
  • the diffused gas fuel then mixes with the air due to vortexes near the side surface 35, forming a mixture with a more uniform concentration. Therefore, the gas engine 200 according to this embodiment can further suppress the generation of NOx.
  • the volume of the cavity 32 is set to an appropriate value according to design conditions such as the engine compression ratio and the valve lift of the intake valve 15 and exhaust valve 16. Therefore, under the same design conditions, the cavity 32 that includes the protrusion 41 as in this embodiment will have a deeper recess than the cavity 32 that does not include the protrusion 41. Therefore, in the gas engine 200 according to this embodiment, the air-fuel mixture is easily retained in the cavity 32, and the air-fuel mixture is less likely to flow into the squish area 26.
  • the cavity 32 in this embodiment includes a barb 42.
  • the barb 42 is located at the opening of the cavity 32 and is inclined inward.
  • the axially outer end portion of the side surface 35 of the cavity 32 corresponds to the barb 42, and this portion is formed so that the inner diameter becomes smaller as it goes axially outward.
  • the cavity 32 of this embodiment includes the ribs 42, which can prevent the mixture gas formed in the cavity 32 from flowing into the squish area 26.
  • the boundary between the bottom surface 33 and the side surface 35 of the cavity 32 is curved in cross-sectional view, so that the mixture gas formed in the cavity 32 easily flows along the side surface 35, and combined with the fact that the cavity 32 includes the ribs 42, can further prevent the mixture gas from flowing into the squish area 26.
  • the cavity 32 includes both the protrusion 41 and the barb 42, but may include only one of them.
  • the gas engines 100, 200 described above may be provided with a swirl flow generating mechanism that generates a swirl flow in the cylinder 11.
  • the swirl flow here refers to a flow of fuel gas and air with the central axis of the cylinder 11 as the axis of rotation. Since the density of the fuel gas is lower than that of air, when a swirl flow is generated in the cylinder 11, the fuel gas moves to the radially inner part of the cylinder 11. As a result, a mixture containing fuel gas is less likely to be generated near the squish area 26, and the flow of the mixture into the squish area 26 can be further suppressed.
  • the gas engines 100, 200 can homogenize the concentration of the mixture in the cavity 32.
  • These gas engines 100, 200 are equipped with a swirl flow generating mechanism that generates a swirl flow in the cylinder 11, which suppresses the flow of the mixture into the squish area 26, thereby further homogenizing the concentration of the mixture in the cavity 32 and further suppressing the generation of NOx.
  • the above-mentioned swirl flow generating mechanism is, for example, a helical-type air intake port 13.
  • an air intake passage is formed in a helical shape, and air passing through the air intake passage generates a swirl flow inside the cylinder 11.
  • the swirl flow generating mechanism may also be an air intake port 13 that introduces air into the cylinder 11 along the tangential direction of the cylinder 11. In this case, the air introduced by the air intake port 13 generates a swirl flow by swirling along the inner surface of the cylinder 11.
  • the swirl flow generating mechanism is not limited to the above configuration, and may be configured as something other than an air intake port 13.
  • the first item disclosed in this specification is a gas engine comprising a cylinder, a piston that reciprocates within the cylinder and has a cavity formed in an area including the center of the top surface, a fuel injector that directly injects gas fuel toward the center of the top surface of the piston, and an ignition device that ignites a mixture of gas fuel and air.
  • the gas fuel is diffused within the cavity, making it possible to homogenize the concentration of the mixture and suppress the generation of NOx.
  • the second item disclosed in this specification is the gas engine described in the first item, in which the fuel injector starts injecting gas fuel when the piston crank angle is between 90 degrees before bottom dead center and 140 degrees after bottom dead center and after the intake valve closes the intake port.
  • This configuration makes it possible to make the mixture more uniform in concentration and also prevents gas fuel from blowing back into the intake port.
  • the third item disclosed in this specification is a gas engine described in the first or second item, in which the cross-sectional area of the cavity is 25% or more and 80% or less of the cross-sectional area of the cylinder.
  • This configuration makes it possible to prevent the mixture in the cavity from becoming too concentrated, while maintaining the diffusibility of the gas fuel.
  • the fourth item disclosed in this specification is a gas engine described in any one of items 1 to 3, in which the center of the bottom surface of the cavity is located on the central axis of the cylinder.
  • This configuration allows the gas fuel to be efficiently diffused within the cavity.
  • the fifth item disclosed in this specification is a gas engine described in any one of the first to fourth items, in which the fuel injector has only one injection opening for injecting gas fuel.
  • This configuration allows the gas fuel injected from the fuel injector to reach the center of the top surface of the piston with high precision.
  • the sixth item disclosed in this specification is a gas engine described in any one of the first to fifth items, in which the pressure of the gas fuel injected by the fuel injector is less than 10 MPa.
  • This configuration allows the concentration of the mixture to be more uniform.
  • the seventh item disclosed in this specification is a gas engine described in any one of items 1 to 6, in which the cavity is located on the bottom surface and includes a protrusion that is convex toward the opening.
  • This configuration allows the concentration of the mixture to be more uniform.
  • the eighth item disclosed in this specification is a gas engine described in any one of the first to seventh items, in which the cavity is located at the opening and includes an inwardly sloping barb.
  • This configuration makes it possible to prevent the mixture from flowing into the squish area.
  • the ninth item disclosed in this specification is a gas engine according to any one of claims 1 to 8, which is provided with a swirl flow generating mechanism that generates a swirl flow within the cylinder.
  • This configuration further prevents the mixture from flowing into the squish area.

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Abstract

本開示の一態様に係るガスエンジン（１００）は、シリンダ（１１）と、前記シリンダ（１１）内を往復し、頂面中央を含む範囲に形成されたキャビティ（３２）を有するピストン（１２）と、前記ピストン（１２）の頂面中央に向かってガス燃料を直接噴射する燃料噴射器（１８）と、ガス燃料と空気の混合気に点火する点火装置（１７）と、を備えている。

Description

ガスエンジン
　本開示は、ガスエンジンに関する。
　下記の特許文献１には、ピストン頂面にキャビティが形成されたガス燃料直噴エンジンが記載されている。特許文献１に記載のキャビティは吸気ポート側にオフセットしていることで、ガス燃料を点火プラグ付近に案内し、点火プラグ付近に可燃混合気を形成することができる。なお、特許文献１に記載のガス燃料直噴エンジンでは、キャビティが吸気ポート側にオフセットしているため、ピストンの頂面中央よりも吸気ポート寄りの部分に向かってガス燃料が噴射されると考えられる。
特開２００５－３３７０７３号公報
　上記のガスエンジンでは、キャビティ壁面による案内によって方向を変えたガス燃料が「直接的」に点火プラグに供給されることになる。そのため、ガス燃料は空気と十分に混合されず、燃焼室内において局所的にガス燃料が過濃となる結果、ＮＯｘの発生量が増加するおそれがある。
　そこで、本開示は、ＮＯｘの発生を抑制できるガスエンジンを提供することを目的としている。
　本開示の一態様に係るガスエンジンは、シリンダと、前記シリンダ内を往復し、頂面中央を含む範囲に形成されたキャビティを有するピストンと、前記ピストンの頂面中央に向かってガス燃料を直接噴射する燃料噴射器と、ガス燃料と空気の混合気に点火する点火装置と、を備えている。
　本開示の一態様に係るガスエンジンによれば、ＮＯｘの発生を抑制することができる。
図１は、第１実施形態に係るガスエンジンの概略図である。 図２は、図１のII-II矢視断面図である。 図３は、第２実施形態に係るガスエンジンの図２に対応する図である。
　（第１実施形態）
　はじめに第１実施形態に係るガスエンジン１００について説明する。図１は、第１実施形態に係るガスエンジン１００の概略図である。また、図２は、図１のII-II矢視断面図である。ガスエンジン１００では、水素ガスや天然ガスなどのガス燃料を燃料としている。
　図１に示すように、ガスエンジン１００は、シリンダ１１と、ピストン１２と、給気ポート１３と、排気ポート１４と、給気弁１５と、排気弁１６と、点火装置１７と、を備えている。さらに、図２に示すように、ガスエンジン１００は、燃料噴射器１８を備えている。以下、これらの構成要素について順に説明する。
　＜シリンダ＞
　シリンダ１１は、シリンダブロック２１とシリンダヘッド２２とによって形成されている。シリンダブロック２１はシリンダ１１の内側面を形成し、シリンダヘッド２２はシリンダ１１の天面を形成する。図１では、１つのシリンダ１１を示しているが、本実施形態に係るガスエンジン１００は複数のシリンダ１１を備えている。なお、図１の紙面上下方向が、シリンダ１１の中心軸方向である。以下では、シリンダ１１の中心軸方向を単に「軸方向」と称する。また、以下では、シリンダ１１の中心軸２３に直交する方向を「径方向」と称する。
　＜ピストン＞
　ピストン１２は、シリンダ１１内を往復する部材であって、コネクティングロッド２４を介してクランク軸に連結されている。ピストン１２は、シリンダ１１とともに燃焼室２５を形成する。また、ピストン１２は、頂面３１に位置するキャビティ３２を有している。本実施形態のキャビティ３２は、ピストン１２の頂面３１中央を含む範囲に形成されている。より具体的には、キャビティ３２は、軸方向から見て円形であって、底面３３中央がシリンダ１１の中心軸２３上に位置している。ただし、キャビティ３２の形状及び位置は上記のものに限定されない。
　なお、上述したピストン１２の「頂面３１中央」とは、頂面３１のうちシリンダ１１の中心軸２３上の点（以下、「中心点」と称す）のみならず、実質的に中心点であると言える部分、つまり中心点から径方向にわずかにずれた部分も含む。例えば、中心点から径方向のずれがシリンダ１１の直径の２０％以内である部分は、「頂面３１中央」に含まれる。
　また、キャビティ３２の軸方向に垂直な断面の面積（以下、「断面積」と称す）は、シリンダ１１の断面積の２５％以上８０％以下である。本実施形態のキャビティ３２の軸方向に垂直な断面は円形である。このような場合、キャビティ３２の直径がシリンダ１１の内径の５０％であれば、キャビティ３２の断面積はシリンダ１１の断面積の２５％となる。また、キャビティ３２の直径がシリンダ１１の内径の約９０％であれば、キャビティ３２の断面積はシリンダ１１の断面積の８０％となる。なお、キャビティ３２の断面積が軸方向位置によって異なる場合、「キャビティ３２の断面積はシリンダ１１の断面積の２５％以上８０％以下」というときの「キャビティ３２の断面積」は、キャビティ３２の断面積のうち最も大きい断面積をいう。
　＜給気ポート＞
　給気ポート１３は、燃焼室２５に空気を供給するポートであって、シリンダヘッド２２に形成されている。本実施形態では、１つのシリンダ１１に対して、１つの給気ポート１３が形成されている。ただし、１つのシリンダ１１に対して、複数の給気ポート１３が形成されていてもよい。
　＜排気ポート＞
　排気ポート１４は、燃焼室２５から排気ガスを排出するポートであって、シリンダヘッド２２に形成されている。本実施形態では、１つのシリンダ１１に対して、１つの排気ポート１４が形成されている。ただし、１つのシリンダ１１に対して、複数の排気ポート１４が形成されていてもよい。
　＜給気弁＞
　給気弁１５は、給気ポート１３を開閉する弁である。給気弁１５は、給気ポート１３を開閉するタイミングを変更できるように構成されていてもよく、給気ポート１３を開閉するタイミングが一定となるように構成されていてもよい。
　＜排気弁＞
　排気弁１６は、排気ポート１４を開閉する弁である。排気弁１６は、排気ポート１４を開閉するタイミングを変更できるように構成されていてもよく、排気ポート１４を開閉するタイミングが一定となるように構成されていてもよい。
　＜点火装置＞
　点火装置１７は、燃焼室２５内の混合気に点火する装置である。本実施形態の点火装置１７は燃焼室２５を臨むようにシリンダブロック２１に設けられており、シリンダ１１の中心軸２３上に位置している。なお、点火装置１７には、点火プラグの他、副室式の点火装置や、主燃料よりも着火しやすいパイロット燃料を噴射し、パイロット燃料を自着火させて点火する装置等も含まれる。燃焼室２５内には、後述する燃料噴射器１８からガス燃料が噴射され、噴射されたガス燃料は給気ポート１３から空気が供給された空気と混合される。これにより、ガス燃料と空気の混合気が形成される。点火装置１７付近において、混合気に占めるガス燃料の割合（以下、「混合気の濃度」と称す）を高くすれば、点火装置１７による着火がしやすくなる。
　その反面、点火装置１７付近における混合気の濃度を高くするための手法によっては、燃焼室２５内で混合気の濃度にばらつきが生じ、局所的に過濃な混合気が発生する場合がある。この場合、過濃な混合気が存在する区域では、燃焼温度が高くなり、ＮＯｘが発生しやすくなる。つまり、ＮＯｘの発生を抑制するには、燃焼室２５内における混合気の濃度のばらつきを抑え、混合気の濃度を均一化することが望ましい。そこで、後述するように、本実施形態に係るガスエンジン１００は、燃焼室２５内における混合気の濃度が均一化するように構成されている。
　＜燃料噴射器＞
　燃料噴射器１８は、燃焼室２５内にガス燃料を噴射する機器である。図２に示すように、燃料噴射器１８は燃焼室２５を臨むようにシリンダブロック２１に設けられており、シリンダ１１の中心軸２３よりも径方向外側に位置している。本実施形態の燃料噴射器１８は、ピストン１２の頂面３１中央に向かってガス燃料を直接噴射する。ただし、ピストン１２はシリンダ１１内を移動するため、燃料噴射器１８がピストン１２の頂面３１中央に向かってガス燃料を直接噴射し続けることは実質的に不可能である。したがって、燃料噴射器１８は、ガス燃料を噴射する間のある時点において、ピストン１２の頂面３１中央に向かってガス燃料を直接噴射すればよい。
　このように、本実施形態では、燃料噴射器１８がピストン１２の頂面３１中央に向かってガス燃料を直接噴射するため、燃料噴射器１８から噴射されたガス燃料はキャビティ３２の底面３３に衝突する。キャビティ３２の底面３３に衝突したガス燃料は、側面３５付近での渦の巻き上がりによって、ガス燃料と空気の混合が促進される。これにより、濃度が均一化された混合気が形成され、キャビティ３２の上部から点火装置１７にかけたエリアに広がる。したがって、本実施形態に係るガスエンジン１００によれば、混合気の濃度を均一化でき、ＮＯｘの発生を抑制することができる。また、混合気の濃度を均一化することで異常燃焼を抑制することもできる。
　しかも、ガス燃料はキャビティ３２内で空気と混合される。そのため、スキッシュエリア２６に混合気が流入するのを抑制することができる。なお、スキッシュエリア２６は、ピストン１２の頂面３１のキャビティ３２よりも径方向外側の部分とシリンダブロック２１の下面との間に形成される隙間をいう。スキッシュエリア２６への混合気の流入を抑制することにより、形成された混合気の過剰な希薄化の抑制、ブローバイガスの低下、冷却損失の抑制、及び、ピストンリングで発生する潤滑油由来の高温のパーティクルに起因する異常燃焼の抑制といった種々の効果を奏することができる。このうち、ブローバイガスの低下、冷却損失の抑制は、エンジンの熱効率向上に寄与する。
　また、本実施形態の燃料噴射器１８は、ガス燃料を噴射する噴射開口部３４を１つのみ有している。そのため、本実施形態によれば、燃料噴射器１８から噴射するガス燃料の指向性が向上し、ピストン１２の頂面３１中央に向かって噴射されたガス燃料は、精度よくピストン１２の頂面３１中央に到達することができる。なお、噴射開口部３４の形状（配列ではない）は限定されず、円形状であってもよく、矩形状であってもよく、円環状であってもよい。
　また、本実施形態の燃料噴射器１８が噴射するガス燃料の圧力は１０ＭＰａ未満である。一般的に、噴射するガス燃料の圧力は、０．１ＭＰａ以上３ＭＰａ未満である「低圧」、３ＭＰａ以上１０ＭＰａ未満である「中圧」、１０ＭＰａ以上である「高圧」に分類される。つまり、本実施形態の燃料噴射器１８が噴射するガス燃料の圧力は低圧又は中圧である。
　このように、燃料噴射器１８が噴射するガス燃料の圧力を抑えることで、空気と混合される前にガス燃料がキャビティ３２から排出されるのを防ぐことができる。つまり、混合気の濃度をより均一化させることができる。さらに、混合気のスキッシュエリア２６への流入を抑制することもできる。また、本実施形態では噴射するガス燃料の圧力が比較的低いため、噴射するガス燃料の圧力が高圧である場合に比べて、ガス燃料を昇圧する圧縮機や昇圧したガス燃料を保存するタンクなどの付属設備のコストを抑制することができる。
　なお、前述のとおり、本実施形態ではキャビティ３２の底面面積は、シリンダ１１の断面積の２５％以上８０％以下である。キャビティ３２の底面面積をシリンダ１１の断面積の２５％以上とすることで、キャビティ３２内における混合気の濃度が高くなりすぎるのを抑制することができる。また、キャビティ３２の底面面積をシリンダ１１の断面積の８０％以下とすることで、ガス燃料の拡散性を維持することができる。
　さらに、本実施形態の燃料噴射器１８は、ピストン１２のクランク角度が下死点前（Before Bottom Dead Center；ＢＢＤＣ）９０度から下死点後（After Bottom Dead Center；ＡＢＤＣ）１４０度までの間にあり、かつ、給気弁１５が給気ポート１３を閉じた後に、ガス燃料の噴射を開始する。本実施形態において、燃料噴射器１８は、ピストン１２のクランク角度が下死点前９０度から下死点後１４０度までの間というやや早いタイミングでガス燃料を噴射するため、混合気の形成時間を十分に確保でき、混合気の濃度をより均一化させることができる。また、燃料噴射器１８は、給気弁１５が給気ポート１３を閉じた後にガス燃料を噴射するため、ガス燃料の給気ポート１３への吹き戻りを防ぐことができる。
　（第２実施形態）
　次に、第１実施形態に係るガスエンジン２００について説明する。図３は、第２実施形態に係るガスエンジン２００の図２に対応する図である。第２実施形態に係るガスエンジン２００は、キャビティ３２の形状が第１実施形態に係るガスエンジン１００のものと異なる。それ以外は、第１実施形態に係るガスエンジン１００と同じ構成を備えている。そこで、以下では、第２実施形態に係るガスエンジン２００のキャビティ３２の形状を中心に説明し、それ以外の説明は省略する。
　本実施形態のキャビティ３２は、突起４１を含んでいる。突起４１は、キャビティ３２の底面３３に位置している。また、突起４１は、キャビティ３２の開口に向かって、つまり軸方向外方（図３の紙面上方）に向かって凸である。本実施形態の突起４１は略円錐形状であって、先端が半球面状の形状を有している。また、突起４１の頂部はピストン１２の頂面３１中央に位置している。そのため、燃料噴射器１８からピストン１２の頂面３１中央に向かって噴射されたガス燃料は、突起４１の頂部付近に衝突する。
　したがって、本実施形態によれば、燃料噴射器１８から噴射されたガス燃料は、突起４１の頂部付近に衝突して拡散するとともに、突起４１の表面に沿って径方向外側に向かって広がることでさらに拡散する。そして、拡散したガス燃料は、側面３５付近での渦の巻き上がりによって空気と混合されることで、濃度がより均一化された混合気が形成される。よって、本実施形態に係るガスエンジン２００によれば、ＮＯｘの発生をより抑制することができる。
　また、キャビティ３２の容積は、エンジン圧縮比や給気弁１５及び排気弁１６のバルブリフトなどの設計条件に応じて適切な値に設定される。したがって、同じ設計条件下においては、本実施形態のように突起４１を含むキャビティ３２は、突起４１を含まないキャビティ３２に比べて窪みが深くなる。そのため、本実施形態に係るガスエンジン２００では、キャビティ３２内に混合気が保持されやすく、混合気がスキッシュエリア２６に流入しにくい。
　さらに、本実施形態のキャビティ３２は、返し４２を含んでいる。返し４２は、キャビティ３２の開口部分に位置し、内側に傾斜している。つまり、キャビティ３２の側面３５のうち軸方向外方端部分が返し４２に相当し、当該部分は軸方向外方に向かうにしたがって内径が小さくなるように形成されている。
　上記のとおり本実施形態のキャビティ３２は返し４２を含むため、キャビティ３２内で形成された混合気がスキッシュエリア２６へ流入するのを抑制することができる。しかも、本実施形態では、キャビティ３２の底面３３と側面３５の境界部分が断面視において湾曲しているため、キャビティ３２内で形成された混合気が側面３５に沿って流れやすく、キャビティ３２が返し４２を含むことと相まって、混合気がスキッシュエリア２６に流入するのを一層抑制することができる。
　なお、本実施形態のキャビティ３２は、突起４１及び返し４２の両方を含むが、一方のみを含んでいてもよい。
　（変形例）
　上述したガスエンジン１００、２００は、シリンダ１１内にスワール流を発生させるスワール流発生機構を備えていてもよい。ここでいうスワール流は、シリンダ１１の中心軸を旋回軸とする燃料ガス及び空気の流れである。燃料ガスは空気に対して密度が低いため、シリンダ１１内にスワール流が発生すると、燃料ガスはシリンダ１１の径方向内側の部分へ移動する。その結果、スキッシュエリア２６付近で燃料ガスを含んだ混合気は生成されにくく、混合気がスキッシュエリア２６へ流入するのを一層抑制することができる。
　また、前述のとおり、ガスエンジン１００、２００によれば、キャビティ３２内における混合気の濃度が均一化できる。これらのガスエンジン１００、２００が、シリンダ１１内にスワール流を発生させるスワール流発生機構を備えることにより、混合気のスキッシュエリア２６への流入が抑制されるため、キャビティ３２内における混合気の濃度が一層均一化され、ひいてはＮＯｘの発生をさらに抑制することができる。
　上述したスワール流発生機構は、例えばヘリカル型の給気ポート１３である。ヘリカル型の給気ポート１３は、給気通路がらせん状に形成されており、当該給気通路を通過した空気がシリンダ１１内でスワール流を発生させる。また、スワール流発生機構は、シリンダ１１の接線方向に沿って空気をシリンダ１１内に導く給気ポート１３であってもよい。この場合、給気ポート１３によって導かれた空気は、シリンダ１１の内側面に沿って旋回することによりスワール流を発生させる。なお、スワール流発生機構は、上記の構成に限定されず、給気ポート１３以外で構成されていてもよい。
　＜まとめ＞
　本明細書で開示する第１の項目は、シリンダと、前記シリンダ内を往復し、頂面中央を含む範囲に形成されたキャビティを有するピストンと、前記ピストンの頂面中央に向かってガス燃料を直接噴射する燃料噴射器と、ガス燃料と空気の混合気に点火する点火装置と、を備えている、ガスエンジンである。
　この構成によれば、キャビティ内でガス燃料を拡散させることで、混合気の濃度を均一化でき、ＮＯｘの発生を抑制することができる。
　本明細書で開示する第２の項目は、前記燃料噴射器は、前記ピストンのクランク角度が下死点前９０度から下死点後１４０度までの間にあり、かつ、給気弁が給気ポートを閉じた後に、ガス燃料の噴射を開始する、第１の項目に記載のガスエンジンである。
　この構成によれば、混合気の濃度をより均一化させることができるとともに、ガス燃料の給気ポートへの吹き戻りを防ぐことができる。
　本明細書で開示する第３の項目は、前記キャビティの断面積は前記シリンダの断面積の２５％以上８０％以下である、第１又は２の項目に記載のガスエンジンである。
　この構成によれば、キャビティ内における混合気の濃度が高くなりすぎるのを抑制することができるとともに、ガス燃料の拡散性を維持することができる。
　本明細書で開示する第４の項目は、前記キャビティの底面中央は前記シリンダの中心軸上に位置している、第１乃至３のうちいずれか一の項目に記載のガスエンジンである。
　この構成によれば、キャビティ内においてガス燃料を効率よく拡散させることできる。
　本明細書で開示する第５の項目は、前記燃料噴射器はガス燃料を噴射する噴射開口部を１つのみ有している、第１乃至４の項目のうちいずれか一の項目に記載のガスエンジンである。
　この構成によれば、燃料噴射器から噴射されたガス燃料が精度よくピストンの頂面中央に到達させることができる。
　本明細書で開示する第６の項目は、前記燃料噴射器が噴射するガス燃料の圧力は１０ＭＰａ未満である、第１乃至５の項目のうちいずれか一の項目に記載のガスエンジンである。
　この構成によれば、混合気の濃度をより均一化させることができる。
　本明細書で開示する第７の項目は、前記キャビティは、底面に位置し、開口に向かって凸である突起を含んでいる、第１乃至６の項目のうちいずれか一の項目に記載のガスエンジンである。
　この構成によれば、混合気の濃度をより均一化させることができる。
　本明細書で開示する第８の項目は、前記キャビティは、開口部分に位置し、内側に傾斜する返しを含んでいる、第１乃至７の項目のうちいずれか一の項目に記載のガスエンジンである。
　この構成によれば、混合気がスキッシュエリアに流入するのを抑制することができる。
　本明細書で開示する第９の項目は、前記シリンダ内にスワール流を発生させるスワール流発生機構を備えている、請求項１乃至８の項目のうちいずれか一の項目に記載のガスエンジンである。
　この構成によれば、混合気がスキッシュエリアに流入するのを一層抑制することができる。
１１　シリンダ
１２　ピストン
１３　給気ポート（スワール流発生機構）
１５　吸気弁
１７　点火装置
１８　燃料噴射器
２３　中心軸
３１　頂面
３２　キャビティ
３３　底面
３４　噴射開口部
４１　突起
４２　返し
１００　ガスエンジン
２００　ガスエンジン
 

Claims (9)

  1. 　シリンダと、
    　前記シリンダ内を往復し、頂面中央を含む範囲に形成されたキャビティを有するピストンと、
    　前記ピストンの頂面中央に向かってガス燃料を直接噴射する燃料噴射器と、
    　ガス燃料と空気の混合気に点火する点火装置と、を備えている、ガスエンジン。
  2. 　前記燃料噴射器は、前記ピストンのクランク角度が下死点前９０度から下死点後１４０度までの間にあり、かつ、給気弁が給気ポートを閉じた後に、ガス燃料の噴射を開始する、請求項１に記載のガスエンジン。
  3. 　前記キャビティの断面積は前記シリンダの断面積の２５％以上８０％以下である、請求項１に記載のガスエンジン。
  4. 　前記キャビティの底面中央は前記シリンダの中心軸上に位置している、請求項１に記載のガスエンジン。
  5. 　前記燃料噴射器はガス燃料を噴射する噴射開口部を１つのみ有している、請求項１に記載のガスエンジン。
  6. 　前記燃料噴射器が噴射するガス燃料の圧力は１０ＭＰａ未満である、請求項１に記載のガスエンジン。
  7. 　前記キャビティは、底面に位置し、開口に向かって凸である突起を含んでいる、請求項１に記載のガスエンジン。
  8. 　前記キャビティは、開口部分に位置し、内側に傾斜する返しを含んでいる、請求項１に記載のガスエンジン。
  9. 　前記シリンダ内にスワール流を発生させるスワール流発生機構を備えている、請求項１に記載のガスエンジン。
     
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4770138A (en) * 1986-06-19 1988-09-13 Nippon Clen Engine Research Institute Co. Ltd. Fuel injection type internal combustion engine
JP2017072031A (ja) * 2015-10-05 2017-04-13 本田技研工業株式会社 内燃機関

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4770138A (en) * 1986-06-19 1988-09-13 Nippon Clen Engine Research Institute Co. Ltd. Fuel injection type internal combustion engine
JP2017072031A (ja) * 2015-10-05 2017-04-13 本田技研工業株式会社 内燃機関

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