JP2718071B2 - 副室式断熱エンジン - Google Patents

副室式断熱エンジン

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JP2718071B2 JP63180250A JP18025088A JP2718071B2 JP 2718071 B2 JP2718071 B2 JP 2718071B2 JP 63180250 A JP63180250 A JP 63180250A JP 18025088 A JP18025088 A JP 18025088A JP 2718071 B2 JP2718071 B2 JP 2718071B2
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は，セラミックスを主体とした副室式断熱エ
ンジンに関する。
〔従来の技術〕
従来，セラミック材料を断熱材又は耐熱材として利用
した断熱エンジンは，例えば，特開昭59-46317号公報に
開示されている。該公報に開示された内燃機関の燃焼室
部品については，副室構成部材，シリンダヘッド，シリ
ンダライナ，ピストン，吸排気バルブ等の燃焼室壁面を
構成する燃焼室部品を，断熱性に優れたセラミックスに
より構成したものである。該燃焼室部品は，窒化珪素セ
ラミックス，炭化珪素セラミックスのような珪素系の非
酸化物セラミックスを基材とし，該非酸化物セラミック
スの表面が高温加熱により酸化珪素セラミックスに変化
され，該表面に貴金属触媒の薄層が設けたものであり，
前記貴金属触媒の触媒作用によって燃焼を改善し，排気
ガス中の未燃炭化水素量を低減し，ディーゼル機関にお
ける白煙対策を図らんとしたものである。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら，上記のようなセラミックスを断熱材又
は耐熱材として利用するシリンダヘッド等の断熱エンジ
ンにおいて断熱特性を十分に得ることは，極めて困難で
あり，十分な断熱特性を得るため壁厚が厚くなるという
問題がある。即ち，エンジンの燃焼室に面する部分は耐
熱性，断熱性，熱ショック性に優れた窒化珪素等のセラ
ミックスにて構成し，高温燃焼ガスに耐えることができ
るが，余り壁厚が大きいと，熱容量が大きくなり，その
ため吸入効率が低下するという問題が生じ，如何に構成
したら，上記問題を解決できるかの課題があった。
ところで，前掲特開昭59-46317号公報に開示された内
燃機関の燃焼室部品については，燃焼室を構成する各燃
焼室部品の肉厚はいずれも厚く，上記と同様に，各燃焼
室部品の熱容量が大きくなり，高温に晒される部分の熱
容量を小さくすることはできず，吸入効率の低下を防止
することができないものである。それ故に，燃料噴霧と
空気との混合を速やかに実行させるという点では，課題
を有しているものである。
この発明の目的は，上記の課題を解決することであ
り，主燃焼室及び副燃焼室の壁面を構成するセラミック
ス部材の熱容量を可及的に小さく構成し，エンジンの吸
入効率を向上させると共に，吸入効率の向上に伴って燃
料噴霧と空気との混合を速やかに実行させ，しかも燃料
当量比を急激に低下させることによって，スモーク発生
温度ゾーンでの燃焼時間を短時間にし且つNOx発生温度
ゾーンでの燃焼を避け，スモーク及びNOxの発生を防止
し，しかもセラミック材料の肉厚の減少に伴う強度上の
劣化を防止できる副室式断熱エンジンを提供することで
ある。
〔課題を解決するための手段〕
この発明は，上記の目的を達成するために，次のよう
に構成されている。即ち，この発明は，シリンダヘッド
に断熱材を介して配置され且つ前記シリンダヘッドの下
面に対向するヘッド下面薄板とライナ薄板とから一体構
造に構成された熱容量の小さい高密度セラミック製薄肉
部材で構成した主燃焼室，前記主燃焼室に連通する副燃
焼室が形成され且つ前記シリンダヘッドに配置された低
熱伝導材製副室ブロック，前記副室ブロックの内壁面に
配置され且つ前記副燃焼室の壁面を構成する熱容量の小
さい高密度セラッミク製薄肉部材，及び前記副燃焼室に
燃料を噴霧するため前記副室ブロックに配設された燃料
噴射ノズル，から成る副室式断熱エンジンに関する。
また，この副室式断熱エンジンは，前記ライナ薄板を
低熱伝導材製シリンダライナ上部に嵌合し，前記ヘッド
下面薄板に形成した開口に前記副燃焼室の出入通路を連
通し，更にピストンヘッドの前記主燃焼室側を高密度セ
ラミック製ヘッド薄板で構成したことから成るものであ
る。
〔作用〕
この発明による副室式断熱エンジンは，以上のように
構成されており，次のように作用する。即ち，この副室
式断熱エンジンは，主燃焼室をシリンダヘッドに断熱材
を介して嵌合した高密度セラミック製薄肉部材で構成
し，副燃焼室を低熱伝導材製副室ブロックの内壁面に高
密度セラミック製薄肉部材を配置して構成したので，前
記副燃焼室に設置した燃料噴射ノズルから噴霧される燃
料の燃料当量比を直ちにリッチ状態にでき，特に，前記
副燃焼室の壁面の熱容量を小さく且つ燃焼室容量を小さ
く構成でき，前記副燃焼室内を短時間に温度上昇させる
と共に燃焼噴霧と空気との混合を速やかに実行させ，燃
焼と空気との燃焼当量比と燃焼温度（高温）とで決定さ
れるスモーク発生温度ゾーンでの燃焼を直ちにクリア
し，火炎等のガスを前記副燃焼室から前記主燃焼室へス
ワールとして噴き出させることができる。
次いで，火炎が前記副燃焼室から前記主燃焼室に噴き
出されることによって，急激に燃料当量比が低下され，
しかも前記主燃焼室の熱容量も小さく構成されているの
で，前記主燃焼室の温度は吸気に追従性が良く，前記主
燃焼室内は吸気で直ちに冷却され，従って，前記主燃焼
室内で吸気が膨張することがなく，導入される空気の吸
入効率は低減されないので，燃料当量比が低くなると共
に，燃焼温度が低下し，そのため，燃料当量比と燃焼温
度（低温）とで決定されるNOx発生温度ゾーンでの燃焼
を避けることができる。
更に，前記ライナ薄板を低熱伝導材製シリンダライナ
上部に嵌合したので，前記ライナ薄板の強度を確保して
荷重のかかる部位を堅固に構成でき，前記主燃焼室の高
温，高圧時においても壁面部材が破壊されるようなこと
はない。
〔実施例〕
以下，図面を参照して，この発明による副室式断熱エ
ンジンの実施例を詳述する。第１図はこの発明による副
室式断熱エンジンの一実施例を示す概略断面図である。
この副室式断熱エンジンは，シリンダヘッド10に断熱
材を介して嵌合した高密度セラミック製薄肉部材で構成
した主燃焼室５に，低熱伝導材製副室ブロックの内壁面
を高密度セラミック製薄肉部材８で構成し且つ燃料噴射
ノズル９を設けた副燃焼室４を連通したものである。シ
リンダヘッド10は鋳物で製作され，シリンダヘッド10の
内側にリング状の断熱ガスケット13,14を介在させてシ
リンダライナ上部１を嵌合し，シリンダヘッド10とシリ
ンダライナ上部１の外周面との間には断熱空気層11が形
成されている。更に，ヘッド下面薄板２に一体構造のラ
イナ薄板３から成るヘッドライナ15は，窒化珪素，炭化
珪素等の高密度のセラミックスの薄肉部材から製作され
ており，シリンダライナ上部１に嵌合されて主燃焼室５
の壁面を構成する。シリンダヘッド10の下面とヘッドラ
イナ15のヘッド下面薄板２との間には，断熱ガスケット
39を介在し，断熱空気層12を形成されている。
ヘッドライナ15におけるライナ薄板３は，チタン酸ア
ルミニウム，チタン酸カリウム等の低熱伝導材の断熱材
から成るシリンダライナ上部１に圧入等によってタイト
クリアランスの状態に嵌合されており，ライナ薄板３の
強度を確保すると共に，断熱効果を高めている。また，
ヘッド下面薄板２には，副燃焼室４の出入通路16が主燃
焼室５に開口するための通孔17,及び吸排気バルブ21が
配設される吸排気口18（図では一方のみを示す）が形成
されている。
吸排気バルブ21はシリンダヘッド10に設けたバルブシ
ート19に対して配設されている。吸排気口18はバルブシ
ート19に対応して位置設定して形成されている。また，
ヘッドライナ15におけるライナ薄板３の下端面は，断熱
ガスケット24を介してシリンダライナ22に接続してい
る。シリンダライナ22はシリンダブロック23のシリンダ
に嵌合されており，シリンダブロック23にシリンダヘッ
ド10が固定されている。
副燃焼室４は，主燃焼室５と同様な構造を有したもの
であり，副室上部ブロック６と副室下部ブロック７とを
中央部38で接合して構成した低熱伝導材製副室ブロック
の内周面にセラミック製薄肉部材８を配置したものであ
る。副室上部ブロック６には燃料噴射ノズル９が配設さ
れ，副室下部ブロック７には出入通路16が形成されてい
る。副室上部ブロック６と副室下部ブロック７は，チタ
ン酸アルミニウム，チタン酸カリウム等の低熱伝導材の
ヤング率が小さく，断熱機能を有する断熱材で製作され
ている。副燃焼室４の壁面には，窒化珪素，炭化珪素等
の高密度セラミックスから成る薄肉部材８を配設する。
副室上部ブロック６と副室下部ブロック７の内壁面に対
する薄肉部材８の固着は，例えば，各内壁面に対して化
学蒸着（CVD），コーティング等によって達成すること
ができる。
また，副燃焼室４と主燃焼室５とを連通する出入通路
16の内壁面には，副燃焼室４と同様に窒化珪素，炭化珪
素等の高密度セラミックスから成る薄肉部材８が配設さ
れ，出入通路16は，流体の出入によって副燃焼室４又は
主燃焼室５においてスワールが促進されるように，傾斜
状態に設定されている。更に，副燃焼室４における燃料
噴霧と空気との混合を促進するため，出入通路16の軸線
と燃料噴射ノズル９の軸線は偏倚しており，互いに対向
して配置されている。
シリンダライナ上部１におけるライナ薄板３及びシリ
ンダライナ22内を往復運動するピストン20は，断熱構造
に構成されている。ピストン20は，主燃焼室５側を高密
度セラミック製ヘッド薄板25でピストンヘッドを構成し
たものである。ヘッド薄板25は，窒化珪素，炭化珪素等
の高密度セラミックスから，例えば，厚さ約1mm前後，
或いは1mm以下に製作されており，ヘッド薄板25の外周
には，同一材料から製作された薄肉のリング部材31が化
学蒸着等で接合されており，リング部材31によってヘッ
ド薄板25は断熱材27,28を介してピストンヘッド本体29
に取り付けられている。即ち，リング部材31の内周面に
は段部35が形成され，ピストンヘッド本体29の外周部36
がリング部材31の段部35に当接するようにリング部材31
に嵌合している。
ピストンヘッド本体29は，中央に取付ボス部34を有
し，セラミック材と熱膨張係数がほぼ等しく，強度が高
く，ヤング率が比較的に高い材料，例えば，サーメッ
ト，金属等の材料から構成されている。ピストンヘッド
本体29の燃焼室５側はフラットな形状に構成され，ピス
トンスカート部30には，中央にピストンヘッド本体29の
取付ボス部34が嵌合する中央取付孔26が形成されてい
る。ピストンヘッド本体29の取付ボス部34はピストンス
カート部の中央取付孔26に嵌合され，取付ボス部34に形
成された嵌合溝とピストンスカート部30の中央取付孔26
に形成された嵌合溝とに跨がって金属製リング33が変形
収容され，ピストンヘッド本体29はピストンスカート部
30に対して押圧状態に係止されている。
更に，ピストンヘッド本体29とピストンヘッド部30と
の間には，断熱空気槽32が形成されている。ヘッド薄板
25とピストンヘッド本体29との間に介在されている断熱
材27,28は，チタン酸カリウム，チタン酸アルミニウ
ム，チタン酸カリウムウイスカー，ジルコニアファイバ
等の材料から成り，断熱機能を果たすと共に，爆発時
に，ヘッド薄板25に作用する圧力を受け止める構造材と
しても機能する。
ピストンヘッド本体29がピストンスカート部33に押圧
状態に取り付けられることによって，ピストンヘッド本
体29の外周部36がリング部材31の段部35に押し付けら
れ，リング部材31がピストンスカート部33の周囲部に押
圧される。この場合に，リング部材31とピストンスカー
ト部33とのシールのため，ガスケットであるカーボンシ
ール37が介在されている。ピストン20の構造は，爆発に
よる圧縮力を，チタン酸カリウム等の断熱材27,28によ
って均等に受ける必要があり，そのためにもピストンヘ
ッド本体29の主燃焼室５側の面及びヘッド薄板25は平ら
な形状即ちフラットな形状に構成されている。
〔発明の効果〕
この発明による副室式断熱エンジンは，以上のように
構成されているので，次のような効果を有する。即ち，
この副室式断熱エンジンは，主燃焼室をシリンダヘッド
に断熱材を介して嵌合した高密度セラミック製薄肉部材
で構成し，副燃焼室を低熱伝導材製副室ブロックの内壁
面に高密度セラミック製薄肉部材を配置して構成したの
で、前記副燃焼室に設置した燃料噴射ノズルから噴霧さ
れる燃料の燃料当量比を直ちにリッチ状態にでき，特
に，前記副燃焼室の壁面の熱容量を小さく且つ室容量が
小さいので，短時間に温度上昇させると共に燃料噴霧と
空気との混合を速やかに実行させ，燃料と空気との燃料
当量比と燃焼温度とで決定されるスモーク発生温度ゾー
ンでの燃焼を直ちにクリアし，火炎が前記副燃焼室から
前記主燃焼室へスワールとして噴き出される。
次いで，火炎が前記副燃焼室から前記主燃焼室に吹き
出されることによって，急激に燃料当量比が低下され，
しかも前記主燃焼室の熱容量も小さく構成されているの
で，前記主燃焼室の温度は吸気に追従性が良く，従っ
て，導入される空気の吸入効率は良好であるため，燃料
当量比は短時間に小さくなり且つ燃焼温度は低下するの
で，燃料当量比と燃焼温度とで決定されるNOx発生温度
ゾーンでの燃焼を避けることができる。
従って，前記副燃焼室及び前記主燃焼室において，ス
モークの発生及びNOxの発生を避ける燃焼を行わせるこ
とができる。即ち，前記ヘッド下面薄板，ライナ薄板の
熱容量を小さくして温度振幅を大に構成すると共に前記
各薄板の外周部を断熱することによって，エンジンの吸
気時に，前記各薄板が僅かな吸気で直ちに冷却され，吸
気温度と各薄板温度との温度差が小さくなり，吸気が膨
張することなく，それによって吸気の流量が増加し易く
なる。
前記ヘッド下面薄板と前記ライナ薄板とで形成される
前記主燃焼室の熱容量を小さくし，前記副燃焼室から前
記主燃焼室への噴き出しで，燃料当量比が減少し主燃焼
室の新気との混合で前記主燃焼室での燃焼温度を直ちに
下げることによって，NOx発生温度ゾーンでの燃焼を避
けることができる。従って，前記主燃焼室において，ス
モークやNOxの発生を避ける燃焼を行わせることができ
る。
エンジンの吸入効率を向上させるため，断熱エンジン
の燃焼室内壁からの受熱を最小限にするには，高温にな
るセラミック製薄板の熱容量を最小限にし，その外周部
を断熱することが重要なことであるが，この燃焼室構造
は上記条件に全くマッチし，前記ヘッド下面薄板及び前
記ライナ薄板の熱容量を小さくして温度振幅を大にする
と共に前記各薄板の外周部を断熱することによって，エ
ンジンの吸気時に，前記各薄板が吸気によって直ちに冷
却され，吸気温度と各薄板温度との温度差が小さくな
り，吸気が膨張することなく，それによって吸気の流量
が大幅に低下することがない。即ち，吸気温度に追従さ
せることによって，エンジンのサイクル効率の向上，吸
入効率の向上を図ることができる。
更に，前記ライナ薄板を低熱伝導材製シリンダライナ
上部に嵌合したので，前記ライナ薄板の強度を確保で
き，荷重のかかる部位を堅固に構成でき，前記主燃焼室
の高温，高圧時においても壁面部材が破壊されるような
ことはない。しかも，高温の燃焼ガスに晒される前記ラ
イナ薄板のセラミック材料の肉厚を可及的に薄く形成す
ることができ，前記ライナ薄板の熱容量を小さくするこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明による副室式断熱エンジンの一実施例
を示す断面図である。 １……シリンダライナ上部,2……ヘッド下面薄板,3……
ライナ薄板,4……副燃焼室,5……主燃焼室,6……副室上
部ブロック,7……副室下部ブロック,8……薄肉部材,9…
…燃料噴射ノズル,10……シリンダヘッド,15……ヘッド
ライナ,16……出入通路,20……ピストン,25……ヘッド
薄板。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】シリンダヘッドに断熱材を介して配置され
    且つ前記シリンダヘッドの下面に対向するヘッド下面薄
    板とライナ薄板とから一体構造に構成された熱容量の小
    さい高密度セラミック製薄肉部材で構成した主燃焼室，
    前記主燃焼室に連通する副燃焼室が形成され且つ前記シ
    リンダヘッドに配置された低熱伝導材製副室ブロック，
    前記副室ブロックの内壁面に配置され且つ前記副燃焼室
    の壁面を構成する熱容量の小さい高密度セラミック製薄
    肉部材，及び前記副燃焼室に燃料を噴霧するため前記副
    室ブロックに配設された燃料噴射ノズル，から成る副室
    式断熱エンジン。
  2. 【請求項２】前記ライナ薄板を低熱伝導材製シリンダラ
    イナ上部に嵌合し，前記ヘッド下面薄板に形成した開口
    に前記副燃焼室の出入通路を連通し，更にピストンヘッ
    ドの前記主燃焼室側を高密度セラミック製ヘッド薄板で
    構成したことから成る請求項１に記載の副室式断熱エン
    ジン。
JP63180250A 1988-07-21 1988-07-21 副室式断熱エンジン Expired - Lifetime JP2718071B2 (ja)

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