JP4387021B2 - 内燃機関燃焼室内への液体噴射装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の内燃機関の燃焼内へ水等の液体を噴射して内燃機関を内部から冷却する内燃機関燃焼室内への液体噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の内燃機関においては、シリンダ内で発生する燃焼エネルギーを機械的エネルギーに変換して動力として利用する一方、シリンダやピストン、バルブ等の温度上昇を抑制して強度を保持するため、空気、あるいは冷却水によってこれらを冷却することが行われている。例えば４サイクルエンジンの場合、シリンダを囲む水冷ジャケットを設けて冷却水を循環させる水冷方式が一般的であるが、この水冷ジャケットの分だけエンジン重量が増加するばかりでなく、シリンダの外側から冷却を行うのであるから冷却効果も十分ではないなどの問題点がある。
【０００３】
一方、特開平11−324815号公報には、内燃機関のシリンダヘッド上部に水チャンバを設け、この中にピストンを挿入して燃焼室内の圧力によりピストンを作動させて燃焼室内に水を噴射し、気化熱により燃焼熱を吸収させ、水蒸気を排気ガスとともに排出する４サイクルエンジンの冷却方法が提案されている。図面によりこれを説明する。
【０００４】
図５はこの公報記載の発明におけるリザーバタンク、水チャンバ周辺を示す部分断面図で、21は水リザーバタンク、22はその底部に設けられた水流入孔、23は水チャンバ、24はその内部に挿入されたピストン、39は逆止弁である。
水チャンバ23は径の小さい上室231 とこれより径の大きい下室232 とに別れ、これに対応して水チャンバ23の内部には小径ピストン部241 とこれより径の大きい大径ピストン部242 が挿入されており、小径ピストン部241 と大径ピストン部242 とは連結されて一体となっているが、外部とは機械的に連結されていないのでストロークの範囲内で自由に上下移動が可能である。ピストン24の中心には貫通孔243 が通っており、その下端であるピストン底部には下方向にのみ水を通す逆止弁39b が設けられている。ピストンには適宜ピストンリング、パッキン等の機密手段を備えるものとする。水チャンバ23の上室231 の天井部分、すなわち水流入孔22の下端には逆止弁39a が設けられている。水チャンバ23は頂部に水流入孔22が接続し下面が燃焼室に向けて開口している他、逆止弁39a 、39b の部分を除いて密閉構造となっている。
【０００５】
水チャンバ23の上室231 の内部には常に水が充満されている。ピストン242 の下面は燃焼室に面しており、シリンダヘッド上部に気密状態で取り付けられているから、エンジンが圧縮工程に入るとピストン242 にはこれを上に押し上げる力が作用するが、水チャンバ23の上室231 の内部には水が充満していて逆止弁39a によって水はリザーバタンク21の方向へは逃げられないので、ピストン底部の逆止弁39b が開かない限りピストン24は移動することができない。ところが混合気に点火されてエンジンが爆発工程となると燃焼室内の圧力が極度に高まるので、ばね力に打ち勝って逆止弁39b が開き、ピストン24は上昇し、上昇ストロークに相当する体積の水が押し出されて逆止弁39b から燃焼室内へ噴出する。ここでピストン241 と242 とは断面積が異なるから、水を押し出す圧力は面積比に逆比例して拡大される。
【０００６】
図６はピストン24（241 、242 ）の作動によって水が噴射され、再び水チャンバ内に水が補給される状況を示す説明図で、（ａ）は爆発によりピストン24が上昇し、逆止弁39b 部分が噴射ノズルとなって水が噴射された状態、（ｂ）は排気工程、さらにこれに続く吸入工程で燃焼室内の圧力が下がり、ピストン24が元の下向きの状態に戻るとともに逆止弁39a が自動的に開いて水リザーバタンク21内の水が水チャンバの上室231 内に補給される状態を示す。
【０００７】
１回当たりの水の噴射量はピストン24の移動量によって決定される。また、噴射のタイミングは爆発工程において燃焼室内の圧力が高まったときであり、排気工程の進行に応じて水分は水チャンバの上室231 からピストン24を経て内燃機関のシリンダ内に吸い込まれ、燃焼ガスと混合されて燃焼熱を吸収するから、従来から理想的とされる噴射タイミングにほぼ一致している。水チャンバ23をシリンダヘッドからどの程度奥まって配置するかによって、噴射のタイミングを多少調整することができる。
【０００８】
この発明は４サイクルエンジンであればガソリン、ディーゼルのいずれのエンジンにも適用できる。
この発明によれば、燃焼室内のガス圧によって自動的にダイアフラムあるいはピストンが押し上げられて水チャンバ内に封じ込められている水を逆止弁から押し出すことにより水が燃焼室内に噴射され、噴射量はダイアフラムの形状によってほぼ決まるので流量制御を行う必要はない。また噴射のタイミングもほぼ自動的に決まってしまうから、これを制御する必要もない。したがって極めて簡単な構造で、内燃機関燃焼室内への水噴射が実現する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の発明による水噴射は原理的にはこれでよいが、実際に内燃機関に適用してみると、上下のピストン部分におけるピストンリングあるいはパッキン等の機密手段がその性能を維持できず、ガスが侵入してピストンが正常に作動しなくなったり、ピストンの摺動面が潤滑されないため焼きつきを起こす等の問題点がある。また単なる水に代えて水に何等かの冷却効果を有する薬剤等を混入させたもの（以下液体と称する）を使用してもよい。本発明はこのような問題点を解消し、液体噴射を正常に行わせるようにした内燃機関燃焼室内への液体噴射装置を実現することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内燃機関のシリンダヘッド上部に液体噴射機構を設けるとともに、この液体噴射機構の摺動部分を潤滑する油潤滑機構を設け、かつ前記液体噴射機構は、径の小さい上室とこれより径の大きい下室とに別れ、これに対応して内部に径の小さい小径ピストン部とこれに連結されこれより径の大きい大径ピストン部よりなる液体噴射用ピストンが昇降可能に挿入され、前記上室の天井部分と、液体噴射用ピストンの中心を貫通する孔の下端とに下方向にのみ液体を通す逆止弁を備えて構成した液体チャンバと、この液体チャンバの上部に前記逆止弁と液体流入孔を介して設けた液体リザーバタンクと、この液体リザーバタンクに適宜液体を補給する給液手段からなり、前記液体チャンバの下部が燃焼室に面するように内燃機関のシリンダヘッド上部に気密状態で取り付けられ、一方前記油潤滑機構は、内部に上ピストン部とこれに連結された下ピストン部よりなる油循環用ピストンが昇降可能に挿入され、天井部分に吸い込み方向にのみ油を通す逆止弁と油流入孔を介して油リザーバタンクを備えてなる油チャンバを、その下部が燃焼室に面するように内燃機関のシリンダヘッド上部に気密状態で取り付けるとともに、この油チャンバの上部に排出方向のみに油を通す逆止弁を介して接続する圧力油道を設け、前記圧力油道の末端を前記液体噴射用ピストンおよび油循環用ピストンの各摺動部に開口させてなるものである内燃機関燃焼室内への液体噴射装置である。さらに望ましくは、前記油リザーバタンクの底部に接続して冷却油流入道を設けてその一端を液体チャンバ内の液体噴射用ピストンの中間部および油チャンバ内の油循環用ピストンの中間部に向けて開口させるとともに冷却油戻り道を通って再び油リザーバタンクの底部に接続し、前記冷却油戻り道の末端に戻り方向にのみ油を通す逆止弁を設けた油冷却機構を設けたことを特徴とする前記の内燃機関燃焼室内への液体噴射装置である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明においては、従来のピストン式液体噴射装置に加えて、同じくピストン式の油潤滑機構ならびに油冷却機構を設けてピストンの摺動部分に対して油潤滑を行い、さらに油による冷却をも行うようにしてガスの侵入によるピストンの作動不良や、焼きつきを防止し、本来の液体噴射装置が正常に作動するようにした。
【００１２】
【実施例】
本発明の一実施例を図面により説明する。図１シリンダヘッド部分に本発明の液体噴射装置を取り付けた内燃機関の要部を示す部分断面図で、11はシリンダ、12はシリンダヘッド、13は主ピストン、21は液体リザーバタンク、22はその底部に設けられた液体流入孔、23は液体チャンバ、24はその内部に挿入された液体噴射用ピストン、25は液体噴射用ピストン24を下向きに付勢するスプリング、31は油リザーバタンク、32はその底部に設けられた油流入孔、33は油チャンバ、34はその内部に挿入された油循環用ピストン、35は油循環用ピストン34を下向きに付勢するスプリング、36は圧力油道、37は冷却油流入道、38は冷却油戻り道である。
【００１３】
すなわち本発明の液体噴射装置は、特開平11−324815号公報記載のものと同様のピストン式水噴射システムに加えて、油リザーバタンク31、油流入孔32、油チャンバ33、油循環用ピストン34、圧力油道36、冷却油流入道37、冷却油戻り道38等から構成される油潤滑機構ならびに油冷却機構が設けられている。
図２は図１における液体噴射機構の部分を示す部分断面図である。液体チャンバ23は径の小さい上室231 とこれより径の大きい下室232 とに別れ、これに対応して上室231 には液体噴射用ピストン24の小径ピストン部241 が、下室232 には大径ピストン部242 が挿入されている。液体噴射用ピストン24はスプリング25で下向きに付勢されている他には外部と機械的に連結されていないのでストロークの範囲内で自由に昇降可能であるが、これら小径ピストン部241 と大径ピストン部242 とは一体であるから同じ動きをする。液体噴射用ピストン24の中心には貫通孔244 が通っており、その下端である底部には下方向にのみ液体を通す逆止弁39b が設けられている。また小径ピストン部241 と大径ピストン部242 には適宜ピストンリング、パッキン等の機密手段を備えるものとする。さらに小径ピストン部241 と大径ピストン部242 との中間に細径の中間部243 がある。
【００１４】
液体チャンバ23の上室231 の天井部分、すなわち液体流入孔22の下端には逆止弁39a が設けられている。
液体リザーバタンク21へは特に図示しないが適当な給液手段により常時液体が補給され、液体チャンバ23の上室231 の内部には常に液体が充満されている。液体は基本的には水であるが、単なる水に代えて水に何等かの冷却効果や排気ガスの有害成分低減効果を有する薬剤等を混入させたもの（液体）を使用してもよい。
【００１５】
液体チャンバ23の下部は燃焼室に向けて開口しており、したがって大径ピストン部242 の下面は燃焼室に面していて、内燃機関のシリンダ11上部のシリンダヘッド12上部に気密状態で取り付けられているから、内燃機関が圧縮工程に入ると液体噴射用ピストン24にはこれを上に押し上げる力が作用するが、液体チャンバ23の上室231 の内部には液体が充満していて逆止弁39a によって液体はリザーバタンク21の方向へは逃げられないので、貫通孔243 底部の逆止弁39b が開かない限りピストン24は移動することができない。ところが混合気に点火されてエンジンが爆発工程となると燃焼室内の圧力が極度に高まるので、逆止弁39b のばね力に打ち勝ってこれが開き、液体噴射用ピストン24は上昇し、上昇ストロークの体積に相当する上室231 内の液体が押し出されて逆止弁39b から燃焼室内へ噴出する。ここで小径ピストン部241 と大径ピストン部242 とは断面積が異なるから、液体を押し出す圧力は面積比に逆比例して拡大される。
【００１６】
つぎに図３は図１における油潤滑機構の部分を示す部分断面図である。油チャンバ33はストレートな円筒状で、内部に油噴射用ピストン34が挿入されている。油噴射用ピストン34は上下部分がそれぞれ上ピストン部341 、下ピストン部342 、これらの中間が細径の中間部343 となっている。油噴射用ピストン34はスプリング35で下向きに付勢されている他には外部と機械的に連結されていないのでストロークの範囲内で自由に昇降可能であるが、これら上ピストン部341 と下ピストン部342 とは一体であるから同じ動きをする。上ピストン部341 と下ピストン部342 には適宜ピストンリング、パッキン等の機密手段を備えるものとする。
【００１７】
油チャンバ33の天井部分、すなわち油流入孔32の下端には油チャンバ33内への吸い込み方向にのみ油を通す逆止弁39c が設けられている。また36は圧力油道で、一端は油チャンバ33の上部に排出方向のみに油を通す逆止弁39d を介して開口し、他端は適宜枝分かれして液体チャンバ23、油チャンバ33の各ピストン（液体噴射用ピストン24の小径ピストン部241 、大径ピストン部242 、油噴射用ピストン34の上ピストン部341 、下ピストン部342 ）の摺動部分に開口している。
【００１８】
油チャンバ33の内部には常に潤滑油が充満されている。下ピストン部342 の下面は燃焼室に面しており、シリンダ11上部のシリンダヘッド12内に気密状態で取り付けられているから、内燃機関が圧縮工程に入ると油噴射用ピストン34にはこれを上に押し上げる力が作用するが、油チャンバ33の内部には油が充満していて逆止弁39c によって油は油リザーバタンク31の方向へは逃げられないので、逆止弁39ｄを押し開いて圧力油道36に流入し、前記各摺動部を潤滑する。
【００１９】
つづいて図４は図１の一部である油冷却機構を示す部分断面図である。
油リザーバタンク31の底部から液体チャンバ23の下室232 の液体噴射用ピストン24の中間部243 に向けて冷却油流入道37が通じており、末端に逆止弁39e が設けられている。さらに連通孔371 を介して油チャンバ33の油噴射用ピストン34の中間部343 に向けて開口した後、冷却油戻り道38を通って再び油リザーバタンク31の底部に開口し、その末端には戻り方向にのみ油を通す逆止弁39f が設けられている。
【００２０】
内燃機関の吸入工程で液体噴射用ピストン24が下方に移動すると、液体チャンバ23の下室232 内は負圧となるから逆止弁39e が開いて油リザーバタンク31内の潤滑油が冷却油流入道37から下室232 内に流入し、つづいて液体噴射用ピストン24が上昇に転じると逆止弁39e により冷却油流入道37には逆流できないので連通孔371 を通って冷却油戻り道38に流れ、逆止弁39f を押し開いて油リザーバタンク31内に戻る。つまり液体噴射用ピストン24の上下動によって潤滑油が液体噴射用ピストン24、油噴射用ピストン34の中間部を冷却しながら循環するのである。
【００２１】
本発明では以上説明したように液体噴射用ピストン24と並行して油循環用ピストン34を設け、燃焼室の圧力変動によってこれらを昇降させ、各ピストンの摺動部分に対して圧力油を供給して潤滑を行うとともに油を循環させて冷却を行うようにしたので、摺動部からのガスの吸い込みや潤滑不足による焼きつき等が予防でき、燃焼室内への液体噴射を効率よく行うことができる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、簡単な構成によりタイミングよい内燃機関燃焼室内への液体噴射装置が実現するとともに、油潤滑ならびに冷却が行われるので液体噴射が効率よく持続し、内燃機関の軽量化、冷却能率の向上などが図られるという、優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液体噴射装置を取り付けた内燃機関のシリンダまわりを示す系統図である。
【図２】図１における液体噴射機構の部分を示す部分断面図である。
【図３】図１における油潤滑機構の部分を示す部分断面図である。
【図４】図１における油冷却機構の部分を示す部分断面図である。
【図５】従来の技術における水噴射装置の要部を示す部分断面図である。
【図６】同じ従来の技術におけるピストンの挙動を示す説明図である。
【符号の説明】
11 シリンダ
12 シリンダヘッド
13 主ピストン
21 液体（水）リザーバタンク
22 液体（水）流入孔
23 液体（水）チャンバ
24 液体（水）噴射用ピストン（ピストン）
25、35 スプリング
31 油リザーバタンク
32 油流入孔
33 油チャンバ
34 油循環用ピストン
36 圧力油道
37 冷却油流入道
38 冷却油戻り道
39 逆止弁
231 上室
232 下室
241 小径ピストン部
242 大径ピストン部
243 、343 中間部
244 貫通孔
341 上ピストン部
342 下ピストン部
Ｐ 油
Ｗ 液体（水）

Claims (2)

1. シリンダヘッド（12）上部に液体噴射機構を設けてなる内燃機関燃焼室内への液体噴射装置において、同じくシリンダヘッド（12）上部に前記液体噴射機構の摺動部分を潤滑する油潤滑機構を設け、かつ前記液体噴射機構は、径の小さい上室（231)と径の大きい下室（232)とに別れ、これら室内には前記上室内の小径ピストン部（241)とこの小径ピストン部（241)に連結され前記下室内の大径ピストン部（242)とからなる液体噴射用ピストン（24）が昇降可能に挿入され、前記上室（231)の天井部分と液体噴射用ピストン（24）の中心を貫通する孔の下端とに下方向にのみ液体を通す逆止弁（39a 、39b ）を備えて構成した液体チャンバ（23）と、この液体チャンバ（23）の上部に前記逆止弁（39a ）と液体流入孔（22）を介して設けた液体リザーバタンク（21）と、この液体リザーバタンク（21）に適宜液体を補給する給液手段からなり、前記液体チャンバ（23）の下部が燃焼室に面するように内燃機関のシリンダヘッド（12）上部に気密状態で取り付けられ、前記油潤滑機構は、内部に上ピストン部（341)とこれに連結された下ピストン部（342)よりなる油循環用ピストン（34）が昇降可能に挿入され、天井部分に吸い込み方向にのみ油を通す逆止弁（39c ）と油流入孔（32）を介して油リザーバタンク（31）を備えてなる油チャンバ（33）を、その下部が燃焼室に面するように内燃機関のシリンダヘッド（12）上部に気密状態で取り付けるとともに、この油チャンバ（33）の上部に排出方向のみに油を通す逆止弁（39d ）を介して接続する圧力油道（36）を設け、前記圧力油道（36）の末端を前記液体噴射用ピストン（24）および油循環用ピストン（34）の各摺動部に開口させたことを特徴とする内燃機関燃焼室内への液体噴射装置。
2. 前記油リザーバタンク（31）の底部に接続して冷却油流入道（37）を設けてその一端を液体チャンバ（23）内の液体噴射用ピストン（24）の中間部（243 ）および油チャンバ（33）内の油循環用ピストン（34）の中間部（343 ）に向けて開口させるとともに冷却油戻り道（38）を通って再び油リザーバタンク（31）の底部に接続し、前記冷却油戻り道（38）の末端に戻り方向にのみ油を通す逆止弁（39f ）を設けた油冷却機構を設けたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関燃焼室内への液体噴射装置。

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