JP2006233789A - 内燃機関の燃焼観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ピストン頂面の窪み部内の燃焼挙動を下方側と側方側から確実に観察することのできる内燃機関の燃焼観察装置を提供する。
【解決手段】 ピストン１６の頂面に窪み部５０が形成された内燃機関の燃焼観察装置において、シリンダ孔１４の形成される筒状壁１５と、ピストン１６の少なくとも頭部１６ａとを透過部材である石英ガラスによって形成する。ピストン１６の頭部１６ａの外周にリング溝１８を形成し、リング溝１８に、シリンダ孔１４に摺動自在に当接するピストンリング１９を嵌装する。ピストン１６の頭部１６ａを下方に透過して見える窪み部５０内の燃焼挙動と、ピストン１６の頭部１６ａと筒状壁１５を側方に透過して見える窪み部５０内の燃焼挙動を観察する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、内燃機関の燃焼状態を観察する燃焼観察装置に関するものである。

内燃機関の燃焼観察装置として、ピストンの頭部に透過部材である石英ガラスを埋め込み、ピストンの頭部下方に設置した反射鏡を介して燃焼室内の燃焼状態を外部から観察できるようにしたものが案出されている（例えば、特許文献１，２参照）。
特開平１０−１４２１０６号公報 実開昭５７−１２０７３３号公報

ところで、内燃機関のピストンには、燃焼室内でのスワールやスキッシュの発生を促すために頂面に窪み部が設けられたものがある。この種のピストンを採用する内燃機関においては、窪み部内での燃焼挙動を詳細に観察することが望まれている。

しかし、上記従来の燃焼観察装置は、ピストンの頭部に設けた透過部材を通して下方から燃焼室内を観察するものであるため、窪み部内の燃焼挙動の観察は専ら下方からとなり、窪み部内の燃焼挙動を立体的に正確に捉えることが難しい。

そこでこの発明は、ピストン頂面の窪み部内の燃焼挙動を下方側と側方側から確実に観察することのできる内燃機関の燃焼観察装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、シリンダ孔（例えば、後述の実施形態におけるシリンダ孔１４）に進退自在に収容され頂面に窪み部（例えば、後述の実施形態における窪み部５０）を有するピストン（例えば、後述の実施形態におけるピストン１６）と、シリンダ孔の端部を閉塞するシリンダヘッド（例えば、後述の実施形態におけるシリンダヘッド１３）の間に燃焼室（例えば、後述の実施形態における燃焼室１７）が形成され、この燃焼室内の燃焼状態が外部から観察可能にされた内燃機関の燃焼観察装置において、前記シリンダ孔を成す周壁（例えば、後述の実施形態における筒状壁１５）と、そのシリンダ孔に嵌入されるピストンの少なくとも頭部（例えば、後述の実施形態における頭部１６ａ）を透過部材によって形成すると共に、前記ピストンの頭部の外周にリング溝（例えば、後述の実施形態におけるリング溝１８）を形成し、このリング溝に、前記シリンダ孔に摺動自在に当接するピストンリング（例えば、後述の実施形態におけるピストンリング１９）を嵌装するようにした。

この発明の場合、ピストンの少なくとも頭部が透過部材によって形成されているため、窪み部内の燃焼挙動を頭部の下方側から観察することができる。また、ピストンの頭部とシリンダ孔の周壁が透過部材によって形成されているため、窪み部内の燃焼挙動を側方からも観察することができる。また、ピストンの頭部外周はピストンリングを介してシリンダ孔の内周面に当接する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、リング溝の底部の断面を、一定曲率の半円状に形成するようにした。
この場合、ピストンリングからピストン側の透過部材に作用する応力が常にほぼ均一になる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記ピストンリングを、内周部が前記リング溝の底部の断面形状に略沿って形成された内側リング（例えば、後述の実施形態における内側リング３９）と、この内側リングの外周側に配置され、外周面がシリンダ孔の内周面に当接する外側リング（例えば、後述の実施形態における外側リング４０）と、前記内側リングと外側リングの間に介装されて、両者を径方向に離反させる方向に付勢する付勢リング（例えば、後述の実施形態における付勢リング４１）と、を備えた構成とした。
この場合、ピストンの径方向の変位によって外側リングがシリンダ孔に圧接されると、内側リングと外側リングの間の付勢リングがクッションとして機能し、ピストンリングの接触面に作用する応力の急増が緩和されるようになる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３に記載の発明において、前記ピストンの、リング溝よりも下方位置の外周に、ピストンの頭部よりも小径の連結部（例えば、後述の実施形態における環状溝２０、縮径壁２１、テーパ面２２）を設け、この連結部とクランク軸側の動力伝達部材（例えば、後述の実施形態における連結スリーブ２３）を、前記ピストンの頭部よりも小径の締結部材（例えば、後述する実施形態における締結部材２８）によって結合するようにした。
この場合、ピストンとクランク軸側の動力伝達部材が締結部材によって結合されるが、締結部材がピストンの頭部よりも小径であることから、締結部材とシリンダ孔の周壁は直接接触しにくくなる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記締結部材をピストンの連結部に対して脱着可能にした。
この場合、ピストンのみを容易に交換することが可能になる。

請求項１に記載の発明によれば、ピストンの頭部とシリンダ孔の周壁が透過部材によって形成されるため、ピストン頂面の窪み部内の燃焼挙動を下方側と側方側から確実に観察することができる。また、ピストンの頭部外周がピストンリングを介してシリンダ孔の内周面に当接するため、実機とほぼ同様の圧縮比となる条件下で燃焼観察を行うことが可能になる。

請求項２に記載の発明によれば、ピストンリングからピストン側の透過部材に作用する応力が常にほぼ均一になるため、透過部材から成るピストンに応力集中による劣化が生じにくくなり、ピストンの耐久性が確実に向上する。

請求項３に記載の発明によれば、内側リングと外側リングの間の付勢リングがクッションとして機能し、透過部材から成るピストンの頭部とシリンダ孔の周壁に応力集中が生じにくくなるため、ピストンとシリンダ孔の周壁の耐久性がより向上する。

請求項４に記載の発明によれば、ピストンとクランク軸側の動力伝達部材を結合する締結部材がシリンダ孔の周壁に直接接触しにくくなるため、シリンダ孔の周壁の耐久性をさらに高めることができる。

請求項５に記載の発明によれば、締結部材からピストンを外すことによってピストンのみを交換することができるため、ピストン頂面の窪み部形状等の異なる内燃機関の燃焼観察をコストの高騰等を招くことなく容易に行うことができる。

以下、この発明の一実施形態を図面を参照して説明する。

図１，図２は、この発明にかかる内燃機関の燃焼観察装置の全体構成を示す断面図である。この実施形態の燃焼観察装置は、実際の内燃機関（以下「エンジン」と呼ぶ。）からシリンダヘッド（図示せず）部分を取り去り、そのシリンダヘッドに代えてシリンダブロック１の上部に観察装置本体２を取り付けたものである。

シリンダブロック１は、シリンダ孔３内にピストン４が摺動自在に収容され、そのピストン４がコンロッド５を介してクランク軸６に動力伝達可能に連結されている。クランク軸６の端部には、図示しないタイミングギヤが取り付けられ、そのタイミングギヤがタイミングベルトを介して観察装置本体２の動弁機構７に連係されている。したがって、観察装置本体２の吸気弁と排気弁（図示せず）の開閉作動はピストン４の昇降作動に連動する。
なお、シリンダブロック１内のシリンダ孔３とピストン４は、後述する観察装置本体２のシリンダ孔１４やピストン１６と区別するために、以下では、「実機側シリンダ孔３」、「実機側ピストン４」と夫々呼ぶものとする。

観察装置本体２は、シリンダブロック１の上面に直接取り付けられるベースプレート８上に下部観察ブロック９と上部観察ブロック１０が重合状態で結合され、上部観察ブロック１０の上面には、点火プラグ１１や燃料噴射弁１２、吸気弁、排気弁（図示せず）、動弁機構７等を備えたシリンダヘッド１３が結合されている。

上部観察ブロック１０には、シリンダ孔１４を有する石英ガラス（透過部材）製の筒状壁１５（周壁）が設けられ、この筒状壁１５のシリンダ孔１４内に同様の石英ガラス（透過部材）から成るピストン１６が進退自在に収容されている。

このピストン１６の頂面には、シリンダヘッド１３のルーフ部１３ａと共に燃焼室１７を形成する窪み部５０が形成されている。また、ピストン１６の頭部１６ａの外周面には、図３，図４に示すようにリング溝１８が形成され、このリング溝１８に後に詳述するピストンリング１９が収容されている。リング溝１８は、その底部１８ａ（図４参照）の断面形状が一定曲率の半円状に形成されている。また、ピストン１６の下縁外周には環状溝２０と縮径壁２１が設けられ、環状溝２０と縮径壁２１の間が末広がり状のテーパ面２２によって連結されている。この環状溝２０から縮径壁２１に亙る領域はピストン１６の頭部１６ａよりも小径に形成され、後述する連結スリーブ２３（動力伝達部材）に連結される連結部とされている。

連結スリーブ２３は、鉄系金属から成り、図１，図２に示すようにその下端が実機側ピストン４に結合されている。また、連結スリーブ２３の上端部には、図３，図４に示すようにピストン１６の下縁側と同様に、環状溝２４、テーパ面２５、縮径壁２６が連続して形成されている。ピストン１６の下端と連結スリーブ２３の間には、両者の縮径壁２１，２６と同外径のリング状のスペーサ２７が介装され、ピストン１６、スペーサ２７、連結スリーブ２３の三者が、図５に示す締結部材２８に抱持されるかたちで結合されている。なお、スペーサ２７はアルミニウムによって形成されている。

締結部材２８は、鉄系金属によって形成された一対の半割円筒部材２９ａ，２９ｂと、両者を締結する複数のボルト３０を備えて成り、ボルト３０によって締め込まれた締結部材２８はピストン１６の頭部１６ａに対して小径になっている。また、締結部材２８（半割円筒部材２９ａ，２９ｂ）の内周側の上下端には、ピストン１６と連結スリーブ２３の環状溝２０，２４に係合される環状突起３１，３２が形成され、その環状突起３１，３２の内側の端面には、ピストン１６と連結スリーブ２３の各テーパ面２２，２５に対応するテーパ面３３，３４が形成されている。なお、図４，図５中、３６は、締結部材２８の上下の環状突起３１，３２を連結する連結壁である。

また、半割円筒部材２９ａ，２９ｂには、両者の突合せ面に跨るようにねじ孔３５ａ，３５ｂが形成され、これらのねじ孔３５ａ，３５ｂに前記ボルト３０が螺合されるようになっている。また、半割円筒部材２９ａの坐面３７は締結部材２８（半割円筒部材２９ａ）の外面に対して一段窪んで形成され、ボルト３０が締め込まれた状態において、ボルト３０の頭部３０ａが締結部材２８の外面から突出しないようになっている。

以上の構成の締結部材２８は、ピストン１６の下端と連結スリーブ２３の間にスペーサ２７を介装し、環状突起３１，３２をピストン１６と連結スリーブ２３の環状溝２０，２４に嵌合した状態において、半割円筒部材２９ａ，２９ｂ同士をボルト３０によって締結することでピストン１６と連結スリーブ２３を結合する。この実施形態では、石英ガラス製のピストン１６に対峙する半割円筒部材２９ａ，２９ｂとスペーサ２７が金属材料によって形成されているため、ピストン作動時における応力を緩和するために、図４に示すようにピストン１６と半割円筒部材２９ａ，２９ｂ、ピストン１６とスペーサ２７の各間にテフロン（登録商標）製のシート状スペーサ３８が介装されている。

また、ピストンリング１９は、図４に示すように内側リング３９と、この内側リング３９の外周側に配置される外側リング４０と、内側リング３９と外側リング４０の間に介装されて、両者を径方向に離反させる方向に付勢する付勢リング４１によって構成されている。内側リング３９と外側リング４０はフッ素系樹脂によって形成され、付勢リング４１はばね鋼等によって形成されている。

内側リング３９はピストン１６のリング溝１８の底部１８ａ側に配置され、その内周面側は、リング溝１８の底部１８ａに沿う半円状の断面形状とされている。
一方、外側リング４０は、リング溝１８に嵌合された状態において、ピストン１６の頭部１６ａ外周面に対して若干外側に突出し、その外周面が筒状壁１５のシリンダ孔１４に接触するようになっている。また、外側リング４０は、図６に示すように外周面側から見たときにステップ形状を呈する合口４２を有し、その合口４２によって径方向の伸縮が許容されると共に、ステップ形状によって燃焼室１７側の気密が保持されるようになっている。また、外側リング４０の内周面側には断面略コ字状の環状溝４３が形成され、その環状溝４３内に付勢リング４１が収容されている。

一方、下部観察ブロック９には、連結スリーブ２３が貫通状態で配置されると共に、その連結スリーブ２３を囲繞する周壁４４に一対の窓４５，４５が形成されている。また、連結スリーブ２３の軸方向の中間位置には、周壁４４の窓４５よりも一回り大きい縦長の一対の開口４６，４６が形成されている。そして、周壁４４の窓４５，４５には、連結スリーブ２３の一対の開口４６，４６の内側を跨ぐ設置台４７が渡され、その設置台４７に反射鏡４８が設置されている。反射鏡４８は、連結スリーブ２３のほぼ軸心位置に設置され、石英ガラス製のピストン１６の頭部１６ａを下方に透過した燃焼室１７の像を水平方向に反射させるようになっている。

また、図１に示すように上部観察ブロック８と下部観察ブロック９の側方には夫々第１の観察カメラ５１と第２の観察カメラ５２が設置され、窪み部５０を中心とする燃焼室１７内の様子を、これらのカメラ５１，５２によって撮影するようになっている。第１の観察カメラ５１は、上部観察ブロック８の石英ガラス製の筒状壁１５の外周側正面に設置され、この筒状壁１５を通して見える燃焼室１７内の燃焼挙動、特に、石英ガラス製のピストン１６ａを透過して見える窪み部５０内の燃焼挙動を撮影する。また、第２の観察カメラ５２は、下部観察ブロック９の反射鏡４８の水平方向正面に対峙する位置に配置され、ピストン１６の頭部１６ａを下方に透過して反射鏡４８に映る燃焼室１７内の燃焼挙動を撮影する。

以上のように構成されたこの燃焼観察装置は、石英ガラス製の筒状壁１５とピストン１６の頭部１６ａを通して窪み部５０内の側方画像を第１のカメラ５１によって撮影（観察）すると同時に、ピストン１６の頭部１６ａを透過して反射鏡４８で反射した窪み部５０の下方画像を第２のカメラ５２によって撮影（観察）することができる。したがって、この燃焼観察装置を採用した場合には、ピストン１６の窪み部５０内の燃焼挙動を立体的に正確に捉えることができる。

この燃焼観察装置の場合、石英ガラス製のピストン１６の頭部１６ａの外周にリング溝１８を形成し、そのリング溝１８にピストン１６の頭部１６ａよりも外径の大きいピストンリング１９を装着したため、ピストン１６の昇降作動時には、ピストンリング１９のフッ素樹脂部分が筒状壁１５との間で摺動し、ピストン１６の頭部１６ａと筒状壁１５の石英ガラス同士の直接接触を阻止することができる。
具体的には、石英ガラス同士の直接接触を回避した状態でピストン１６のスムーズな作動を得るため、ピストン１６回りの各部は以下の（１）ような寸法関係に設定されている。
ＬＰ＜ＬＳ＋ＬＲ＜ＬＣ （１）
ＬＣ：シリンダ孔１４の半径
ＬＰ：ピストン１６の半径
ＬＳ：リング溝１８の溝底部の半径
ＬＲ１：内側リング３９の径方向の厚み
ＬＲ２：外側リング４０の径方向の厚み
ＬＲ：ピストンリング１９の径方向の厚み（＝ＬＲ１＋ＬＲ２）

また、この燃焼観察装置においては、ピストン１６の周域の気密を保つピストンリング１９が、実際のエンジンと同様にピストン１６の頭部１６ａの外周に配置されるため、実際のエンジンと同様の圧縮比となる条件下で燃焼観察を行うことができる。

さらに、この燃焼観察装置では、ピストン１６のリング溝１８の底部１８ａを一定曲率の半円状に形成し、そのリング溝１８内にピストンリング１９（内側リング３９）の半円状の内周部を当接させるようにしているため、燃焼圧力に起因してピストンリング１９からピストン１６のリング溝１８部分に作用する応力を分散させ、リング溝１８部分にかかる強度的負担を軽減することができる。
なお、リング溝１８の底部１８ａの曲率半径は、石英ガラスの強度の観点から０．５mm以上が好ましく、２．５mm以上であればさらに充分な強度を得ることができる。

また、この燃焼観察装置においては、ピストンリング１９が、リング溝１８の底部１８ａに接触する内側リング３９と、筒状壁１５に接触する外側リング４０と、内側リング３９と外側リング４０の間に介装されて両リング３９，４０を径方向に離反させる方向に付勢する付勢リング４１によって構成されているため、付勢リング４１のばね作用でもって内側リング３９と外側リング４０をリング溝１８と筒状壁１５に常時均一に当接させることができると共に、ピストン１６の径方向変位によって外側リング４０が筒状壁１５に圧接されたときに、付勢リング４０のクッション機能によって応力の急増を防止することができる。したがって、石英ガラスから成るピストン１６や筒状壁１５にかかる強度負担をより小さくして、これらの耐久性の向上を図ることができる。

さらに、この燃焼観察装置は、ピストン１６の下縁に、頭部１６ａ側よりも小径になるように環状溝２０、テーパ面２２、縮径壁２１が連続して形成され、これらの部分と連結スリーブ２３の上端がピストン１６の頭部１６ａよりも外径の小さい締結部材２８によって結合されるため、ピストン１６の昇降作動時に締結部材２８が石英ガラス製の筒状壁１５に直接接触しにくくなる。したがって、筒状壁１５に傷等が生じにくくなり、耐久性が確実に高まる。

また、この燃焼観察装置の場合、ピストン１６と連結スリーブ２３を結合する締結部材２８がボルト３０によって自由に脱着できる構造となっているため、石英ガラス製のピストン１６を交換するだけで、ピストン１６の窪み部５０形状等の異なる内燃機関の燃焼観察をコストの高騰等を招くことなく行うことができる。

なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。

この発明の一実施形態を示す縦断面図。 同実施形態を示すものであり、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図。 同実施形態を示す図１の要部の拡大断面図。 同実施形態を示す図３のＢ部の拡大断面図。 同実施形態を示す締結部材の分解斜視図。 同実施形態を示すものであり、ピストンリングの一部品の斜視図。

符号の説明

１３…シリンダヘッド
１４…シリンダ孔
１５…筒状壁（周壁）
１６…ピストン
１６ａ…頭部
１７…燃焼室
１８…リング溝
１９…ピストンリング
２０…環状溝（連結部）
２１…縮径壁（連結部）
２２…テーパ面（連結部）
２３…連結スリーブ（動力伝達部材）
２８…締結部材
３９…内側リング
４０…外側リング
４１…付勢リング
５０…窪み部

Claims (5)

1. シリンダ孔に進退自在に収容され頂面に窪み部を有するピストンと、シリンダ孔の端部を閉塞するシリンダヘッドの間に燃焼室が形成され、この燃焼室内の燃焼状態が外部から観察可能にされた内燃機関の燃焼観察装置において、
   前記シリンダ孔を成す周壁と、そのシリンダ孔に嵌入されるピストンの少なくとも頭部を透過部材によって形成すると共に、
   前記ピストンの頭部の外周にリング溝を形成し、
   このリング溝に、前記シリンダ孔に摺動自在に当接するピストンリングを嵌装したことを特徴とする内燃機関の燃焼観察装置。
2. 前記リング溝の底部の断面を、一定曲率の半円状に形成したことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼観察装置。
3. 前記ピストンリングを、
   内周部が前記リング溝の底部の断面形状に略沿って形成された内側リングと、
   この内側リングの外周側に配置され、外周面がシリンダ孔の内周面に当接する外側リングと、
   前記内側リングと外側リングの間に介装されて、両者を径方向に離反させる方向に付勢する付勢リングと、を備えたことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の燃焼観察装置。
4. 前記ピストンの、リング溝よりも下方位置の外周に、ピストンの頭部よりも小径の連結部を設け、この連結部とクランク軸側の動力伝達部材を、前記ピストンの頭部よりも小径の締結部材によって結合したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の燃焼観察装置。
5. 前記締結部材を、ピストンの連結部に対して脱着可能にしたことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の燃焼観察装置。
   
   

Images