JP5375154B2 - エンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Description

この発明は、エンジンの燃焼室構造に関する。

従来、燃焼効率を上げるために燃焼室内に複数の点火プラグを設ける多点点火エンジンの燃焼室構造が知られている。さらに特許文献１では、燃焼室壁面に沿って環状に形成され絶縁部材からなる環状ボディと、環状ボディの内周面に臨んで導電部と放電ギャップからなる複数の点火部とを有する環状点火プラグを燃焼室の壁面に嵌め込んで設ける燃焼室構造が示されている。

通常、燃焼室中央に点火プラグを設けたエンジンでの燃焼では燃焼室中心から燃え広がる火炎によって燃焼室外周縁のガスが圧縮されることで圧縮されたガスが高温になりノッキングが発生しやすくなる。ところが、上記のように環状ボディの内周面上に位置する１ヶ所の中心電極から放電点火によって、ノッキングが発生しやすい燃焼室の外周縁の複数個所への点火を行うことで上記ノッキングを防止可能としている。

特願２００７−２１３２４２号

しかし、前述した従来のエンジンの燃焼室構造では、環状ボディとシリンダとの材料が異なるので使用温度域が変わると熱膨張率の違いによって環状ボディが応力の影響により劣化してしまうという可能性があった。

環状ボディの断面形状は矩形である。そして同様の矩形断面の溝がシリンダ側にも設けられ、溝に環状ボディを嵌め込んで組み付けている。冷間時の環状ボディとシリンダの寸法を基準に環状ボディをシリンダに組み付けると、温間時になると金属部材であるシリンダは膨張するがセラミック等の絶縁部材である環状ボディはシリンダよりも熱膨張率が小さく略変形しないので、環状ボディとシリンダとの間に隙間が生じる。環状ボディとシリンダとの隙間は燃焼室の直径方向、上下方向ともに生じる。このような隙間があると、エンジンの振動によって環状ボディがシリンダに衝突し劣化を促進する虞がある。また環状ボディに設けられた点火部の点火位置がずれてしまうと、シリンダ中心に対し燃焼の中心がずれてしまうという可能性もある。これによって燃焼がバラついて燃焼効率が低下する虞がある。

隙間の発生を防止する対策として、温間時に環状ボディとシリンダとの間に生じる隙間を考慮して、環状ボディをシリンダに圧入や締め付けで組み付けることが考えられる。しかし、環状ボディは断面の大きさに対して長さが燃焼室の内周分あるので、細長い形状である。よって圧環強度によっては座屈を起こす可能性がある。また逆に温間時の環状ボディとシリンダの寸法を基準に環状ボディをシリンダに組み付けることも考えられる。この場合には、冷間時になるとシリンダは収縮するが、環状ボディは略変形しないので、環状ボディがシリンダに圧迫される。このような圧迫があると、環状ボディの劣化を促進させる虞がある。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、シリンダ部材と環状ボディ部材との熱膨張率の違いによる不具合を防止するエンジンの燃焼室構造を提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、シリンダヘッド（４１）とシリンダブロック（４２）との合わせ面部分に燃焼室（１０）に開口して形成され、ヘッド面（４０ｈ）、ブロック面（４０ｂ）及び側壁面（４０ｓ）のうちいずれか一面にテーパー面を有する環状溝（４０）と、前記環状溝（４０）に配置され、環状溝断面と同一断面形状をもち、組み付け時から温度が変化して熱膨張が起こっても前記環状溝の前記テーパー面が沿ってスライドするテーパー面を有する環状点火プラグ（２０）と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、環状点火プラグを配置する環状溝をヘッド面、ブロック面及び側壁面とで構成し、構成面のうちいずれか一面にテーパー面を有する。これによりヘッド面とブロック面との間の距離又は側壁面と燃焼室の内周面との間の距離は、一定ではなく徐々に変化する。このため組み付けてから熱膨張が起こってもシリンダの環状溝が環状点火プラグのテーパー面に沿って移動する。よって環状溝のテーパー面と向かい合う面との間と、環状点火プラグとには隙間が生じにくい。そして環状点火プラグが定位置に保持されやすくなるので、環状点火プラグの劣化を防止する。

第１実施形態のエンジンの燃焼室構造を示す図である。 第１実施形態の環状点火プラグの構造図である。 第１実施形態の環状点火プラグと環状溝との作用を説明する図である。 第２実施形態の環状点火プラグと環状溝との作用を説明する図である。 第３実施形態の環状点火プラグの構造図である。 第３実施形態の環状点火プラグと環状溝との作用を説明する図である。

以下では図面等を参照して本発明を実施するための形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態のエンジンの燃焼室構造を示す図である。図１（Ａ）はエンジンの構造図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の環状溝を含む部分を拡大した図である。

燃焼室１０は、シリンダヘッド４１と、シリンダブロック４２と、ピストン３３とで形成される。燃焼室１０は、中心点火プラグ３０の他に環状点火プラグ２０が外周に設けられる。

燃焼室１０は、本実施形態ではいわゆるペントルーフタイプが例示されている。ペントルーフ稜線には中心点火プラグ３０が設けられる。ペントルーフ稜線を挟んで一方のルーフ(図１では右側のルーフ)には吸気バルブ３１が設けられる。ペントルーフ稜線を挟んで他方のルーフ(図１では左側のルーフ)には排気バルブ３２が設けられる。なおエンジンの当業者においては重力方向とは別に上死点／下死点という表現が使用される。水平対向エンジン等においては、必ずしも上死点が重力方向の上、下死点が重力方向の下になるとは限らないし、また仮にエンジンを倒立した場合には、上死点が重力方向の下、下死点が重力方向の上になる。本明細書においては、慣習にしたがい、上死点側を上、下死点側を下、とし、燃焼室１０の上方をルーフ（天井）と表現する。

ピストン３３は、燃焼室１０をシリンダ壁面１０ａに沿って上下に往復運動する。上述した上死点とはピストン３３が最上端にある位置、下死点とはピストン３３が最下端にある位置をいう。

シリンダヘッド４１は、燃焼室１０のシリンダ天井面を構成する。シリンダヘッド４１とシリンダブロック４２との合わせ部分の内周側に環状に、燃焼室１０に開口する環状溝４０が設けられる。シリンダヘッド４１とシリンダブロック４２との合わせ部分の外周側には、シリンダヘッド側４１の面４１ａとシリンダブロック側４２の面４２ａとの間にガスケット４３が設けられる。

シリンダブロック４２は、燃焼室１０のシリンダ壁面１０ａを構成する。シリンダブロック４２は、シリンダヘッド４１とともに環状溝４０を形成する。そして環状溝４０に環状点火プラグ２０が配置される。

図１（Ｂ）に示すように、環状溝４０は、シリンダ壁面１０ａに沿って燃焼室１０に開口し、ヘッド面４０ｈと、ブロック面４０ｂと、側壁面４０ｓと、で形成される。

ヘッド面４０ｈは、シリンダヘッド４１に設けられ、シリンダブロック４２との合わせ面４１ａの内周側である。ブロック面４０ｂは、ヘッド面４０ｈと向き合ってシリンダブロック４２に設けられ、傾斜角度θのテーパー面である。ブロック面４０ｂの傾斜は、内周側ほどヘッド面４０ｈとブロック面４０ｂとの間の距離が小さくなるよう設けられる。傾斜角度θは、シリンダヘッド４１及びシリンダブロック４２の材料が熱膨張によって燃焼室１０の直径方向と上下方向とに膨張する膨張量の比から算出する。燃焼室１０の直径方向と上下方向との膨張量をそれぞれΔＤ、Δｈとすると、環状溝４０は燃焼室１０の直径方向にΔＤ／２、上下方向にΔｈ、膨張する。ブロック面４０ｂの傾斜角度θは、次の式により求められる。

側壁面４０ｓは、環状溝４０の開口側と反対側に設けられ、ヘッド面４０ｈに直交する。そして環状溝４０を形成するヘッド面４０ｈ、ブロック面４０ｂ及び側壁面４０ｓとは、それぞれ環状点火プラグ２０の環状ボディ２１の上面２１ｂ、下面２１ｃ及び外周面２１ｄと隙間なく密着する。このとき環状溝４０のブロック面４０ｂは、環状ボディ２１の下面２１ｃとの合わせ面よりも内周側であって燃焼室の１０の直径方向に距離ｄ１のはみ出し部分を有するように設けられる。距離ｄ１は、シリンダ壁面１０ａが熱膨張によって燃焼室１０の外周側に移動する移動量（膨張量）であり、次の式で表わされる。

ガスケット４３は、シリンダヘッド４１とシリンダブロック４２との間に介在し、両者間をシールする。ガスケット４３は、弾性部材である。

環状点火プラグ２０は、環状溝４０に嵌め込んで配置される。図２に示すように環状点火プラグ２０は、環状ボディ２１と、中心電極２２と、導電部２３と、アース２４と、を含む。そして環状点火プラグ２０は４つの点火部２５ａ〜２５ｄを有する。

環状ボディ２１は、セラミックなどの絶縁性の材料で構成される。環状ボディ２１の外周面２１ｄの高さｈ２は、内周面２１ａの高さｈ１よりも大きい。環状ボディ２１の下面２１ｃは、環状溝４０のブロック面４０ｂと同様に傾斜角度θのテーパー面となる。

中心電極２２は、たとえば白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）などのように耐熱性及び導電性のある材料で構成された細長い棒状電極である。中心電極２２の先端は、環状ボディ２１の内周面２１ａに位置する。図示を省略するが中心電極２２は、点火コイルに接続される。

導電部２３は、たとえば白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）などのように耐熱性及び導電性のある材料が環状ボディ２１の内周面２１ａに蒸着処理されて長方形に形成される。本実施形態では４つの導電部２３ａ〜２３ｄが設けられる。この４つの導電部２３ａ〜２３ｄが中心電極２２の先端を先頭として、環状ボディ２１の内周面２１ａに所定間隔を開けて一列に設けられる。中心電極２２の両側に位置する導電部２３ａ，２３ｄのうち一方の導電部２３ａは中心電極２２に近接して放電ギャップ２５ａを構成する。他方の導電部２３ｄは、一方の導電部２３ａよりも中心電極２２から十分に離間している。このため中心電極２２に電圧が印加されても、中心電極２２と導電部２３ｄとの間では放電しない。中心電極２２の先端２２ａと環状ボディ２１の上面２１ｂ及び下面２１ｃとの距離は、中心電極２２の先端２２ａと導電部２３ａとの距離に比べて十分大きい。互いに隣接する導電部２３の間には、３つの放電ギャップ２５ｂ〜２５ｄが形成される。３つの放電ギャップ２５ｂ〜２５ｄのギャップ量は全て等しい。またそのギャップ量と略等しくなるように放電ギャップ２５ａが形成される。環状点火プラグ２０においては、放電ギャップ２５ａ〜２５ｄのギャップ量の和、すなわちギャップ量の総和によってエネルギー量が決定される。

アース２４は、中心電極２２に印加された電圧をシリンダヘッド４１に逃がす。アース２４は、中心電極２２の両側に位置する導電部２３ａ，２３ｄのうち中心電極２２から離間した導電部２３ｄに連続するように形成される。アース２４は、導電部２３と同様にたとえば白金(Ｐｔ)、イリジウム(Ｉｒ)などのように耐熱性及び導電性のある材料を蒸着処理することによって環状ボディ２１の内周面２１ａから上面２１ｂにかけて形成される。環状ボディ２１の上面２１ｂに貼り付けられた部分がシリンダヘッド４１に接触することで、中心電極２２に印加された電圧をシリンダヘッド４１に逃がす。

点火部２５とは、環状点火プラグ２０に形成された放電ギャップ２５ａ〜２５ｄである。

このような構造の環状点火プラグ２０を使用すれば、点火コイルのエネルギーを受けて各放電ギャップ２５ａ〜２５ｄで飛火し、多点点火することができる。

次に本実施形態の作用について図３を参照して説明する。図３（Ａ）は熱膨張前の環状ボディ２１と環状溝４０との配置関係を示し、図３（Ｂ）は熱膨張後の関係を示す。

冷間時に組み付けする場合には、図３（Ａ）に示すように環状点火プラグ２０の環状ボディ２１を環状溝４０の側壁面４０ｓに当接するよう配置する。このとき、シリンダ壁面１０ａは、環状ボディ２１の内周面２１ａから燃焼室１０の直径方向に距離ｄ１だけ内周側に位置する。そして温間時になると熱膨張が起こる。シリンダ部材４１，４２の熱膨張率は大きく環状ボディ２１の熱膨張率は小さい。環状ボディ２１は略変形しないので、環状ボディ２１を基準に相対変位で環状ボディ２１と環状溝４０との位置関係を表すと、図３（Ｂ）のようになる。図３（Ｂ）に示すように熱膨張によってシリンダヘッド４１とシリンダブロック４２とは燃焼室１０の直径方向に距離ΔＤ／２だけ外周側に移動する。そしてシリンダ壁面１０ａは環状ボディ２１の内周面２１ａと連続する同一面となり、環状溝４０の側壁面４０ｓは環状ボディ２１の外周面２１ｄとの間に隙間ΔＤ／２を生じる。また燃焼室１０の上下方向にはシリンダブロック４２が距離Δｈだけ下がる。これら熱膨張による変位を考慮して環状溝４０のブロック面４０ｂの傾斜角度θを決定しているので、シリンダブロック４２は環状溝４０のブロック面４０ｂと平行である太矢印の方向にスライドする。そして環状溝４０のブロック面４０ｂとヘッド面４０ｈとはそれぞれ環状ボディ２１の下面２１ｃと上面２１ａとに常に当接する。

また温間時に組み付ける場合には、はじめに図３（Ｂ）のように配置する。すると冷間時に熱収縮して図３（Ａ）に示すような配置関係となる。

本実施形態によれば、環状溝４０のブロック面４０ｂをテーパー面とし、その傾斜角度を熱膨張による膨張量を考慮して設定する。これにより組み付け時から温度が変化して熱膨張が起こっても環状溝４０のブロック面４０ｂのテーパー面が環状ボディ２１の下面２１ｃのテーパー面に沿ってスライドする。また環状溝４０のヘッド面４０ｈが環状ボディ２１の上面２１ｂに沿ってスライドする。よって環状溝４０と環状ボディ２１との間に上下方向の隙間が生じることはない。このとき燃焼室１０の直径方向に隙間が生じても、テーパー面であるブロック面４０ｂによって環状ボディ２１が位置決めされて保持されるので、環状ボディ２１がずれる心配はない。また環状ボディ２１に余計な負荷をかけることなく保持するので、環状ボディの劣化は生じない。

そして環状ボディ２１が定位置に保持されると、環状点火プラグ２０の点火部２５の位置が安定する。よって安定した燃焼が供給できる。

また環状溝４０は、シリンダヘッド４１とシリンダブロック４２とからなる。これにより環状点火プラグ２０の配置はシリンダブロック４２の溝に嵌めてシリンダヘッド４１を覆いかぶせればよい。よってシリンダヘッド４１とシリンダブロック４２とを組み付ける工程で容易に配置することができる。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態の環状点火プラグと環状溝との作用を説明する図である。図４（Ａ）は熱膨張前の環状ボディ２１と環状溝４０との配置関係を示し、図４（Ｂ）は熱膨張後の関係を示す。なお以下では前述した内容と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

図４（Ａ）に示すように環状溝４０を形成するヘッド面４０ｈ、ブロック面４０ｂ及び側壁面４０ｓのうちヘッド面４０ｈが傾斜角度θのテーパー面である。ヘッド面４０ｈの傾斜は、内周側ほどヘッド面４０ｈとブロック面４０ｂとの間の距離が小さくなるよう設けられる。また側壁面４０ｓはシリンダヘッド４１とシリンダブロック４２とからなる。

本実施形態の作用について説明する。図４（Ｂ）に示すように熱膨張によってシリンダヘッド４１とシリンダブロック４２とは燃焼室１０の直径方向に距離ΔＤ／２だけ外周側に移動する。また燃焼室１０の上下方向にはシリンダヘッド４１が距離Δｈだけ上がる。そして環状ボディ２１を基準としてシリンダヘッド４１は環状溝４０のヘッド面４０ｈと平行である太矢印の方向にスライドする。

本実施形態によれば、実施形態１が環状溝４０のブロック面４０ｂをテーパー面としたのに対し、相対するヘッド面４０ｈをテーパー面とした。このため実施形態１と同様に環状溝４０のブロック面４０ｂとヘッド面４０ｈとはそれぞれ環状ボディ２１の下面２１ｃと上面２１ａとに常に当接する。よって熱膨張が起こっても環状ボディ２１の位置が保持されてずれることがない。

（第３実施形態）
図５は、第３実施形態の環状点火プラグの構造図である。図５（Ａ）は環状点火プラグ２０の平面図である。図５（Ｂ）は弾性構造部２６を説明する図であり、図５（Ｃ）は図５（Ｂ）のＣ−Ｃ断面図である。また図６は、第３実施形態の環状点火プラグと環状溝との作用を説明する図である。図６（Ａ）は熱膨張前の環状ボディ２１と環状溝４０との配置関係を示し、図６（Ｂ）は熱膨張後の関係を示す。

図５（Ａ）に示すように環状点火プラグ２０の円周を３等分する位置に弾性構造部２６ａ，２６ｂ，２６ｃを設ける。弾性構造部２６は、弾性部材２６０と、環状ボディ側かしめ部２６１と、カバー２６２と、を含む。弾性部材２６０は導電性の板バネである。環状ボディ側かしめ部２６１も導電性である。図５（Ｂ）に示すように環状ボディ側かしめ部２６１は、一端が環状点火プラグ２０の導電部２３と連続していて、他端を弾性部材２６０とかしめている。そして図５（Ｃ）に示すように弾性部材２６０の外周にカバー２６２が設けられる。弾性部材２６０の外側又はカバー２６２の内側は絶縁処理が施されている。カバー２６２は環状点火プラグ２０の外周側の面がテーパー面となる。カバー２６２に収められる弾性部材２６０及びボディ側かしめ部２６１もカバー２６２の形状に沿ってテーパー面を有する。

図６（Ａ）に示すようにシリンダヘッド４１側に環状溝４０の側壁面４０ｓが設けられる。側壁面４０ｓは傾斜角度θのテーパー面である。側壁面４０ｓの傾斜は、上側ほどシリンダ壁面１０ａの延長面と側壁面４０ｓとの距離が大きくなるよう設けられる。傾斜角度θは、燃焼室１０の直径方向と上下方向との膨張量（ΔＤ／２，Δｈ）に加えて、弾性部材２６０の弾性特性も考慮して設定する。また環状ボディ２１の内周面２１ａはシリンダ壁面１０ａと同一面上に配置される。

本実施形態の作用について説明する。図５（Ａ）に示すように熱膨張が起こると弾性構造部２６は環状点火プラグ２０の円周に沿って矢印Ａの方向に延びる。矢印Ａの力を受ける環状ボディ２１はセラミック等の絶縁部材で略変形しないので、矢印Ａの力は環状ボディ２１を外周方向に拡げる矢印Ｂの力に変換される。

次に図６を参照して説明する。冷間時に組み付けする場合には、図６（Ａ）に示すように環状点火プラグ２０は環状溝４０に隙間なく配置される。そして温間時に熱膨張が起こると、シリンダ部材４１，４２と環状点火プラグ２０との間には材料の熱膨張率の差によって隙間が生じる。このとき環状点火プラグ２０の弾性構造部２６が膨張し、上述したように矢印Ｂの力が環状点火プラグ２０に生じる。そして環状点火プラグ２０は外周に向かって拡がる。環状溝４０の側壁面４０ｓの傾斜角度θはこれら熱膨張による各部材の変位を考慮して設定しているので、図６（Ｂ）に示すように環状点火プラグ２０は側壁面４０ｓと平行である太矢印の方向にスライドして、環状溝４０の膨張に追従する。

本実施形態によれば、熱膨張によって環状溝４０が膨張すると、環状点火プラグ２０は弾性構造部２６が円周方向に延びようとし、その力が環状ボディ２１を外周方向に拡げる力となる。これによって環状点火プラグ２０には常に環状溝４０のヘッド面４０ｈと側壁面４０ｓとを押圧する力が均一に働く。よって環状点火プラグ２０は、熱膨張が起こっても環状溝４０の上部外周側に保持されるので、ずれることなく安定した燃焼を供給できる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。例えば、シリンダ部材に対する環状点火プラグの配置構造だけでなく、熱膨張率に差がある複数の部材間の配置にテーパー面を設けることは有効である。また実施形態１，２においてシリンダヘッドとシリンダブロックとの合わせ面に介在するガスケットは環状点火プラグまで延長していないが、実施形態３のようにガスケットを環状点火プラグまで延長しても問題ない。また実施形態３に示した弾性部材の板バネは、かしめ部の間をひと山の形状としたが、これに限らずふた山としても、山の方向を変えてもよい。

１０ 燃焼室
２０ 環状点火プラグ
４０ 環状溝
４０ｈヘッド面
４０ｂブロック面
４０ｓ側壁面
４１ シリンダヘッド
４２ シリンダブロック

Claims (4)

1. シリンダヘッドとシリンダブロックとの合わせ面部分に燃焼室に開口して形成され、ヘッド面、ブロック面及び側壁面のうちいずれか一面にテーパー面を有する環状溝と、
   前記環状溝に配置され、環状溝断面と同一断面形状をもち、組み付け時から温度が変化して熱膨張が起こっても前記環状溝の前記テーパー面が沿ってスライドするテーパー面を有する環状点火プラグと、
   を備えるエンジンの燃焼室構造。
2. 前記テーパー面は、前記ブロック面に形成され、内周側ほど前記ヘッド面と前記ブロック面との間の距離が小さくなる、
   ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃焼室構造。
3. 前記テーパー面は、前記ヘッド面に形成され、内周側ほど前記ヘッド面と前記ブロック面との間の距離が小さくなる、
   ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃焼室構造。
4. 前記テーパー面の傾斜角度θは、前記シリンダヘッド及び前記シリンダブロックの材料が燃焼室の直径方向と上下方向とに熱膨張する膨張量をそれぞれΔＤとΔｈとし、以下の数式（１）により算出される、
   

   

   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のエンジンの燃焼室構造。

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