JP2020139442A

JP2020139442A - 副燃焼室付きシリンダヘッド

Info

Publication number: JP2020139442A
Application number: JP2019034494A
Authority: JP
Inventors: 真人澤下; Masato Sawashita
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2019-02-27
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2020-09-03
Anticipated expiration: 2039-02-27
Also published as: JP7260332B2

Abstract

【課題】副燃焼室を備えたリーンバーン方式の内燃機関において、副燃焼室の機能を損なうことなくコストダウンや品質の安定化を図る。【解決手段】アルミ製のシリンダヘッド３に、シリンダボア軸心Ｏと同心の筒部１１が形成されており、筒部１１に、副燃焼室１２とトーチ部１３とが一体に形成されている。トーチ部１３の先端（下端）には、火炎噴出穴１４が空いている。筒部１１は、その全周がウォータジャケット１５で囲われている。従って、アルミ製のシリンダヘッド３であっても、耐熱性を確保できる。筒部１１はシリンダボア軸心Ｏと同心であるため、熱変形によるひずみや主燃焼室４ａでの爆発によるひずみを防止又は大幅に抑制できる。従って、強度にも優れている。加工誤差や組み付け誤差、シール性の問題はないため、品質も安定化できる。【選択図】図１

Description

本願発明は、副燃焼室付きシリンダヘッドに関するものである。

自動車用の内燃機関を初めてとして、ガソリン機関やガス機関では排気ガスの規制が強化されている。この規制に対応する１つの手段として、混合気の燃料比率を下げて（空気比率を上げて）燃焼させるリーンバーン方式があるが、リーンバーン方式では燃料への着火性が劣るという問題がある。この点については、従来から、シリンダヘッドに副燃焼室を設けて、副燃焼室で発生した火炎をトーチ部から主燃焼室に噴出させることによって、燃料（混合気）に着火させることが提案されている。

一般に、副燃焼室やトーチ部はシリンダヘッドとは別部材で製造されてユニット化されており、このユニットをシリンダヘッドに装着していることが多いが、特許文献１には、副燃焼室とトーチ部とをシリンダヘッドに一体に形成することが開示されている。

特開昭５３−１２７９２８号公報

上記したように、一般に、副燃焼室やトーチ部はシリンダヘッドとは別部材で製造されてユニット化されている。これは、副燃焼室やトーチ部は高温になるからであり、副燃焼室ユニットを耐熱性が高い素材で製造することにより、熱変形や溶損を防止している。特に、近年の自動車用内燃機関はシリンダヘッドを軽量化のためにアルミ製としているため、副燃焼室ユニットは、特殊鋼など、シリンダヘッドとは異なる素材で製造することが常識化していると解される。

しかし、副燃焼室ユニットをシリンダヘッドとは別体に製造すると、それだけコストが嵩むという問題がある。また、シリンダヘッドと副燃焼室ユニットとが別素材であると、熱膨張率の相違による熱ひずみの発生や、シール不良の問題が生じるおそれがある。更に、加工誤差や組み付け誤差による品質のバラツキも不可避となる。

これに対して、特許文献１のように副燃焼室とトーチ部とをシリンダヘッドに一体に形成すると、コストダウンできると共に、シール不良や品質のバラツキの問題は低減するが、耐熱性の問題が大きく現れてくる。この点については、例えばシリンダヘッドを特殊鋼からなる鋳鉄製とすることが考えられるが、これでは、重量が増大して燃費を大きく悪化させるのみならず、材料費が嵩んで、副燃焼室ユニットを別部材で製造した場合よりもコストアップになる可能性もある。

本願発明はこのような現状を契機として成されたものであり、シリンダヘッドをアルミのような軽金属製としつつ、副燃焼室をシリンダヘッドに一体化できる技術を提供しようとするものである。

本願発明は、シリンダボアが形成されたシリンダブロックの上面に固定される軽金属製のシリンダヘッドに係るものであり、このシリンダヘッドは、
「前記シリンダボアと同心の部位に、ウォータジャケットで囲われた筒部が一体に形成されており、前記筒部に、副燃焼室と、前記シリンダボアに向けて開口した火炎噴出穴を有するトーチ部とが、上下に連続した状態に形成されている」
という構成になっている。

トーチ部は副燃焼室に比べて小径で足りるため、筒部は、トーチ部を設けた部位の外径が小径となる異径に形成することができる。すなわち、筒部のうちトーチ部の部分を、副燃焼室の部分よりも小径のくびれ部と成すことができる。

本願発明では、副燃焼室とトーチ部とを設けた筒部はウォータジャケットで囲われているため、シリンダヘッドがアルミのような軽金属製であっても、高い耐熱性を確保できる。また、筒部はシリンダボアと同心に形成されているため、副燃焼室及び主燃焼室で発生した熱は筒部の全体に均等に作用して、熱ひずみの発生を防止又は著しく抑制できる。

また、筒部がシリンダボアと同心に形成されていることにより、主燃焼室での爆発に起因した外力（圧縮力）も筒部の全周に対して均等に作用することになる。従って、座屈しにくい構造になっている。

このように、本願発明では、ウォータジャケットの冷却水によって筒部を冷却できると共に、熱によるひずみと爆発力によるひずみとを抑制して高い強度を保持できるため、アルミのような軽金属製のシリンダヘッドであっても、副燃焼室及びトーチ部を耐久性に優れた状態で形成できる。また、副燃焼室及びトーチ部はシリンダヘッドに一体に形成されているため、部材の加工誤差や組み付け誤差などに起因した品質のバラツキの問題は無く、品質を安定化できる。当然ながら、シール不良の問題も生じない。

従って、シリンダヘッドをアルミ等の軽金属製として軽量化しつつ、副燃焼室及びトーチ部を一体化してコストダウンできる。これにより、着火性能に優れて環境負荷が小さいリーンバーン方式の内燃機関のコストダウンと燃費向上とに貢献できる。

トーチ部は、火炎の通過によって受熱すると共に、主燃焼室での燃焼によっても受熱するため、過酷な熱環境に晒されるが、既述のように、トーチ部を小径部に形成すると、当該トーチ部を囲うウォータジャケットの容積をできるだけ大きくできるため、トーチ部に対する冷却性を向上できる利点がある。

また、筒部は、主燃焼室での爆発に伴う押圧力によって膨れ変形するが、トーチ部を小径に形成すると、当該トーチ部の強度が高くなることにより、変形は外径が大きい副燃焼室の箇所において起きるため、単位面積当たりの変形量を少なくしつつ、主燃焼室での爆発に伴う押圧力を吸収できる。従って、ひずみの発生を更に抑制できる。

第１実施形態の縦断正面図であり、図２（Ａ）のI-I 視断面図である。（Ａ）は図１のIIA-IIA 視概略断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図である。第２実施形態の縦断正面図である。図３の IV-IV視断面図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車用内燃機関に適用している。以下では、方向を特定するため前後・左右の文言を使用するが、前後方向はクランク軸心方向であり、左右方向は、クランク軸心及びシリンダボア軸心と直交した方向である。上下方向は、シリンダボア軸心方向である。正面視は、前後方向から見た状態としている。

(1).第１実施形態の構造
図１に示すように、内燃機関は、クランク軸線方向に並んだ複数のシリンダボア１を有するシリンダブロック２と、シリンダブロック２の頂面に固定されたシリンダヘッド３とを有している。シリンダボア１にはピストン４が摺動自在に配置されており、ピストン４の頂面に、円形の主燃焼室４ａが形成されている。シリンダブロック２とシリンダヘッド３とは、いずれもアルミの鋳造品である。

シリンダヘッド３には、吸気バルブ５で開閉される前後一対ずつの吸気ポート６と、排気バルブ７で開閉される前後一対ずつの排気ポート８とが、左右に振り分けて形成されている。バルブ５，７は、ガイド筒９によってスライド自在に保持されており、ばね１０によって閉じ方向に付勢されている。

なお、本実施形態では、シリンダヘッド３には主燃焼室を形成せずに、シリンダボア１と対向した下面をフラットに形成しており、このため、吸気バルブ５及び排気バルブ７はシリンダボア軸心Ｏと平行に配置されているが、シリンダヘッド３の下面に山形の主燃焼室を形成して、吸気バルブ５及び排気バルブ７をシリンダボア軸心Ｏに対して傾斜させることも可能である。

シリンダヘッド３には、シリンダボア軸心Ｏと同心の筒部（円筒部）１１が一体に形成されており、この筒部１１に、副燃焼室１２とその下方に連続したトーチ部１３とが一体に形成されている。トーチ部１３は副燃焼室１２よりも小径のくびれ部に形成されており、その下端に、シリンダボア１に向けて開口した火炎噴出穴１４を形成している。火炎噴出穴１４は、鋳造後にドリル加工によって空けられている。

図２（Ａ）から理解できるように、火炎噴出穴１４は、各バルブ５，７に向いた４か所に形成されているが、前後方向と左右方向とに向いた４か所に形成したり、前後方向又は左右方向に向いた２か所に形成したりすることも可能である。すなわち、火炎噴出穴１４の個数や配置位置は、任意に設定できる。また、軸心方向（下向き）に開口したものを併設することも可能である。

筒部１１の周囲は、シリンダヘッド３の内部に広がっているウォータジャケット１５で囲われており、筒部１１は、ウォータジャケット１５の内部に柱のような状態で配置されている。また、各バルブ５，７のステムは、ウォータジャケット１５の内部に配置された柱状ボス部１６の内部に配置されている。なお、冷却水は、ウォータジャケット１５を概ね前後方向に流れる。

筒部１１には、当該筒部１１と同心の上向き開口穴１７が連続しており、上向き開口穴１７に点火プラグ１８を装着して、スパーク端子１８ａを副燃焼室１２に望ませている。シリンダヘッド３には、上向き開口穴１７を形成するための円筒部１９が形成されている。

図２に示すように、副燃焼室１２には、混合気を噴出させる燃料噴射インジェクタ２０の先端が露出している。燃料噴射インジェクタ２０は、吸気側でかつ吸気ポート６よりも高い部位に配置しており、先端に向けて低くなる傾斜姿勢で配置している（筒部１１と直交した姿勢であってもよい。）。

燃料噴射インジェクタ２０の先端には副燃焼室１２で発生した燃焼ガスの圧力がかかるため、燃料噴射インジェクタ２０は、直噴式内燃機関で使用されている燃料噴射インジェクタのように、燃焼ガスが内部に進入しない方式ものを使用している。

シリンダヘッド３には、燃料噴射インジェクタ２０を装着するためのホルダー部２１が、筒部１１と連続するように一体に形成されている。燃料噴射インジェクタ２０のノズル部２０ａは小径になっているため、ホルダー部２１も小径部２１ａを備えている。また、シリンダヘッド３には、ホルダー部２１を支えるための板状のホルダー用支柱部２２が形成されている。

ホルダー部２１は燃料噴射インジェクタ２０を配置した箇所のみに形成したらよいが、支柱部２２を形成したことによるひずみの発生を防止するため、シリンダボア軸心Ｏ（筒部１１の軸心）Ｏを挟んだ前後２か所と、シリンダボア軸心Ｏを挟んでホルダー用支柱部２２と反対側の部位に、ホルダー用支柱部２２と同じ大きさのダミー支柱部２３を設けている。各ダミー支柱部２３と筒部１１とをダミーホルダー部で繋ぐのは好ましい。

(2).まとめ
以上の構成において、燃焼行程の初期において、燃料噴射インジェクタ２０から混合気を副燃焼室１２に噴射してこれに点火プラグ１８で着火すると、火炎が火炎噴出穴１４から主燃焼室４ａに噴出して、主燃焼室４ａに充満した混合気に着火する。これにより、主燃焼室４ａにおいて混合気が燃焼し、燃焼ガスによってピストン４が押し下げられる。

そして、筒部１１は、副燃焼室１２で発生した熱と主燃焼室４ａで発生した熱とを受けるが、筒部１１はその全長（全高）がウォータジャケット１５で囲われているため、熱の蓄積はなくて、高い耐熱性を確保できる。従って、アルミ製のシリンダヘッド３に筒部１１を一体成型しても、筒部１１が溶損するようなことはない。換言すると、筒部１１の耐熱性を確保した状態で、シリンダヘッド３に副燃焼室１２とトーチ部１３とを一体に形成できる。従って、内燃機関としての機能を損なうことなくコストダウンできる。

また、筒部１１はシリンダボア軸心Ｏと同心に形成されているため、熱による膨張・収縮を全周に亙って均等化できる。このため、熱ひずみの発生を防止又は著しく抑制できる。トーチ部１３の先端部は過酷な熱環境に晒されるが、本実施形態では、トーチ部１３の箇所が小径になっていることにより、ウォータジャケット１５をトーチ部１３の先端まで至らせることができるため、トーチ部１３は、その先端部に至るまでしっかりと冷却される。

更に、筒部１１には主燃焼室４ａで発生した爆発力が軸方向の圧縮力として作用するが、筒部１１はシリンダボア軸心Ｏと同心に配置されているため、軸心を曲げるような変形はせずに、圧縮に対して強い抵抗を発揮する。また、筒部１１は圧縮力を受けて膨れ変形するが、トーチ部１３は小径部になっているため殆ど膨れ変形せずに、外径が大きい副燃焼室１２の箇所において大きく変形する。このため、単位面積当たりの変形量を抑制して、高い耐久性を確保できる。

このように、耐熱性と強度とを確保しつつ副燃焼室１２及びトーチ部１３をアルミ製のシリンダヘッド３に一体化できるため、環境負荷を軽減したリーンバーン方式の内燃機関を、軽量化して燃費に優れると共にコストを抑制した状態で製造できる。また、組み付け誤差や加工誤差はなくなるため、品質を安定化できる利点もある。実施形態のようにダミー支柱部２３を設けると、上記したように、筒部１１の変形をできるだけ均等化しつつ燃料噴射インジェクタ２０を配置できる利点がある。

(3).第２実施形態
図３，４では、第２実施形態を示している。この実施形態は、基本的な構造は第１実施形態と共通しており、第１実施形態とは、点火プラグ１８の配置と、副燃焼室１２への混合気の供給態様とが相違している。

すなわち、この実施形態では、シリンダヘッド３には、筒部１１の状態に連続したアッパーボス部２５を一体に設けて、このアッパーボス部２５に、点火プラグ配置穴２６と燃料供給穴２７とを左右に並設し、点火プラグ配置穴２６に点火プラグ１８を装着する一方、燃料供給穴２７に、補助バルブ２８が内蔵された燃料噴射筒２９を装着している。補助バルブ２８は、その下端に傘部（弁体）が形成されており、図示しないばねによって閉じ方向に付勢されている。また、補助バルブ２８は、吸気用カム軸に設けた補助カムによって駆動される。

この実施形態では、補助バルブ２８は燃料噴射筒２９に内蔵されているため、副燃焼室１２とトーチ部１３とをシリンダヘッド３に一体に形成しつつ、カム軸で駆動される補助バルブ２８を配置できる。従って、第１実施形態の燃料噴射インジェクタ２０は不要であり、それだけ筒部１１のひずみを抑制できる。

図４に示すように、アッパーボス部２５は円形であるのに対して、点火プラグ配置穴２６と点火プラグ１８とを左右に形成しているため、前後のダミー穴３０を形成してひずみの発生防止と軽量化とを図っている。なお、点火プラグ配置穴２６と点火プラグ１８とは前後に並べてもよい。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えは、筒部の形態やウォータジャケットの形態は、強度や冷却水の流れなどを考慮して、様々に具体化できる。例えば、第２実施形態の燃料噴射筒２９を筒部１１と同心に配置して、点火プラグ１８を第１実施形態の燃料噴射インジェクタ２０のような横向き姿勢で配置することも可能である。シリンダヘッドは、アルミ合金やマグネシウム合金などで製造することも可能である。

本願発明は、副燃焼室付き内燃機関のシリンダヘッドに具体化できる。従って、産業上利用できる。

１シリンダボア
３シリンダヘッド
４ピストン
４ａ主燃焼室
５吸気バルブ
６吸気ポート
７排気バルブ
８排気ポート
１１筒部
１２副燃焼室
１３トーチ部
１４火炎噴出穴
１５ウォータジャケット
１８点火プラグ
２０燃料噴射インジェクタ
Ｏシリンダボア軸心

Claims

シリンダボアが形成されたシリンダブロックの上面に固定される軽金属製のシリンダヘッドであって、
前記シリンダボアと同心の部位に、ウォータジャケットで囲われた筒部が一体に形成されており、前記筒部に、副燃焼室と、前記シリンダボアに向けて開口した火炎噴出穴を有するトーチ部とが、上下に連続した状態に形成されている、
副燃焼室付きシリンダヘッド。