JP5375155B2 - 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には、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。

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場合には、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。そして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。このような隙間は、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その衝撃で環状ボディの劣化を促進する要因となる。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場合には、冷間時になると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。このような圧迫は、環状ボディに応力を発生させ劣化を促進させる要因となる。

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点火プラグの環状ボディ部材との熱膨張率の違いによって環状点火プラグが劣化するという不具合を解消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る環状溝（４０）と、前記環状溝（４０）に配置され、シリンダよりも熱膨張率が小さく冷間時及び温間時で略変形しない環状ボディ（２１）を含む環状点火プラグ（２０）と、前記環状溝（４０）と前記環状点火プラグ（２０）の前記環状ボディ（２１）との上下方向の隙間に設けられる弾性保持部材（５２）と、を備え、前記隙間は、前記弾性保持部材（５２）が前記シリンダの熱膨張に追従するときの変形を許容する空間を有することを特徴とする。

本発明では、環状溝と環状点火プラグの環状ボディとの上下方向の隙間に弾性保持部材を設ける。これにより冷間時の環状点火プラグとシリンダの寸法を基準に環状点火プラグをシリンダに組み付ける場合、温間時になると熱膨張によって環状点火プラグとシリンダとの間に隙間が生じるが、弾性保持部材はその隙間を埋めるように追従して環状点火プラグとシリンダとの間を密閉する。また温間時の環状点火プラグとシリンダの寸法を基準に環状点火プラグをシリンダに組み付ける場合は、冷間時になると熱膨張によって環状点火プラグがシリンダに圧迫されるが、弾性保持部材はその圧迫力を吸収する。よって環状点火プラグは常に上下方向にがたつくことなく保持され、環状点火プラグに応力が発生し劣化してしまう心配もない。

第１実施形態のエンジンの燃焼室構造を示す図である。 環状点火プラグの全体構造図である。 第１実施形態の環状点火プラグの組み付け構造を示す図である。 第２実施形態の環状点火プラグの組み付け構造を示す図である。 第３実施形態の環状点火プラグの組み付け構造を示す図である。

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。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。

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。またシリンダヘッド４１側の合わせ面４１ａとシリンダブロック４２側の合わせ面４２ａとの間には一体型ガスケット５０が設けられる。一体型ガスケット５０についての詳細は後述する。

シリンダブロック４２は、燃焼室１０のシリンダ壁面を構成する。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。

環状溝４０はコの字型断面でシリンダヘッド４１に上面と側壁面を、シリンダブロック４２のシリンダヘッド４１との合わせ面４２ａに下面を、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。

ここで図２を参照して環状点火プラグ２０について説明する。環状点火プラグ２０は、環状溝４０に配置される。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。

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。

次に図３を参照して一体型ガスケット５０について説明する。一体型ガスケット５０は、シリンダブロック４２側の合わせ面上４２ａに設けられる。一体型ガスケット５０は、シリンダヘッドガスケット５１と弾性保持部材５２とが一体化されて形成される。シリンダヘッドガスケット５１はシリンダヘッド４１とシリンダブロック４２との間に設けられ、弾性保持部材５２は環状点火プラグ２０とシリンダブロック４２との間に設けられる。また一体型ガスケット５０の厚さｄは、エンジン１の全運転領域において火炎の侵入を遮断できる消炎距離より小さくなるよう設定する。

シリンダヘッドガスケット５１は、２枚の薄板５１ａ，５１ｂと、シム５１ｃと、を有する。薄板５１ａ，５１ｂは積層して設けられ、燃焼室１０に近い内周部分にビード５１０ａ，５１０ｂが対称になるよう形成される。そしてビード５１０ａとビード５１０ｂとの間にシム５１ｃが設けられる。シリンダヘッドガスケット５１は、図示を省略するがシリンダヘッド４１とシリンダブロック４２とがボルト締結されて発生する面圧によって、燃焼室１０の燃焼ガスの吹き抜けを防止し気密性を保っている。図３に示すシリンダヘッドガスケット５１は、一般的なシリンダヘッドガスケットの断面形状である。

弾性保持部材５２は、薄板５２ａ，５２ｂを有する。薄板５２ａ，５２ｂはそれぞれシリンダヘッドガスケット５１の薄板５１ａ，５１ｂが伸長されたものである。薄板５２ａ，５２ｂには中央部分にビード５２０ａ，５２０ｂが対称になるよう形成される。ここでビード５２０の形状はビード５１０に対して、ビード幅は広く、ビード深さは浅く、設定される。さらにビード５２０ａとビード５２０ｂとの間にはシムは設けない。これらは、弾性保持部材部分５２の剛性をシリンダヘッドガスケット部分５１の剛性よりも低くすることで、発生する面圧を低面圧にして環状点火プラグ２０に過度な応力が発生しないようにするためである。弾性保持部材５２の面圧は、使用温度域において環状点火プラグ２０を保持する程度で十分である。弾性保持部材５２は、シリンダヘッドガスケット５１に比べ、変位に対して生じる反力が小さい特性をもつ。

本実施形態によれば、弾性保持部材５２を環状点火プラグ２０とシリンダブロック４２すなわち環状溝４０の下面との間に設ける。このため冷間時の環状プラグ２０と環状溝４０の寸法を基準に組み付ける場合には、温間時になると熱膨張により環状点火プラグ２０と環状溝４０との間に隙間が生じる。しかし弾性保持部材５２は隙間に追従して環状点火プラグ２０を環状溝４０の上面に押し付ける。そして弾性保持部材５２は、環状点火プラグ２０と環状溝４０の下面とに密着して両者間を密閉する。よって環状点火プラグ２０は常に環状溝４０の上面側に保持されるので、安定した燃焼を供給できる。

また温間時の環状プラグ２０と環状溝４０の寸法を基準に組み付ける場合には、弾性保持部材５２は環状溝４０の熱膨張による環状点火プラグ２０への圧迫を吸収する。よって環状点火プラグ２０は熱膨張による圧迫を受けることがない。

さらに環状点火プラグ２０には弾性保持部材５２からの面圧がかかるが、その大きさは使用温度域において環状点火プラグ２０を保持する程度の大きさになるように弾性保持部材５２の剛性が設定されている。弾性保持部材５２は、熱膨張による変位に対して生じる反力の変動が小さい特性であるので、環状点火プラグ２０には保持力以上の力は与えられない。よって環状点火プラグ２０に過度な応力が発生することはなく、劣化の心配はない。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態の環状点火プラグの組み付け構造を示す図である。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。

本実施形態では、シリンダヘッドガスケット５１と弾性保持部材５２とを別体で設ける。弾性保持部材５２はＯリングである。環状点火プラグ２０の環状ボディ下面２１ｃにはＯリング５２を位置決めする凹部２１ｄが形成される。Ｏリング５２は環状点火プラグ２０の凹部２１ｄとシリンダブロック４２との間に圧縮された状態で配置される。Ｏリング５２は使用温度域が変わっても、環状点火プラグ２０を保持できる程度の面圧を維持するように、そして環状点火プラグ２０とシリンダブロック４２との間の距離ｄが消炎距離より小さくなるように、組み付け時のＯリング５２の圧縮代が設定される。

本実施形態によれば、Ｏリング５２は環状点火プラグ２０とシリンダブロック４２との間に配置される。そしてＯリング５２は圧縮されているので、復元力が面圧となって環状点火プラグ２０を環状溝４０の上面側に押し付ける。これにより環状点火プラグ２０は、環状溝４０に上下方向に固定される。また組み付け時のＯリング５２の圧縮代は、使用温度域が変わっても環状点火プラグ２０を保持する程度の面圧が維持されるように設定される。よって温間時になって環状点火プラグ２０と環状溝４０との間に隙間が生じても、Ｏリング５２の復元力（面圧）が常に働いているので、熱膨張による上下方向の隙間に追従することができる。さらにＯリング５２は、上下方向だけでなく、図４における左右方向すなわち燃焼室１０の直径方向に対しても密閉機能を有する。そして燃焼室１０の燃焼ガスの吹き抜けを防止する。

環状点火プラグ２０は常に環状溝４０の上面側に保持されるので、安定した燃焼を供給できる。また環状点火プラグ２０には保持力以上の力は与えられない。よって環状点火プラグ２０に過度な応力が発生することはなく、劣化の心配はない。

（第３実施形態）
図５は、第３実施形態の環状点火プラグの組み付け構造を示す図である。

本実施形態では、シリンダヘッドガスケット５１と弾性保持部材５２とを別体で設ける。弾性保持部材５２はコの字型断面で、環状溝４０を構成する全ての面に設けられ、環状溝４０と環状点火プラグ２０との間に介在する。弾性保持部材５２は、使用温度域において環状点火プラグ２０を保持できる程度の面圧を維持する。さらに環状点火プラグ２０とシリンダヘッド４１及びシリンダブロック４２との間の距離ｄ１，ｄ２は消炎距離より小さくなるように設定する。本実施形態ではｄ１とｄ２とは同距離である。

本実施形態によれば、弾性保持部材５２は環状点火プラグ２０を第１実施形態や第２実施形態のように下面だけなく、上下面両方から挟みこんで保持する。そして弾性保持部材５２は環状点火プラグ２０を常に環状溝４０の上下方向の中央に保持するので、環状点火プラグ２０は安定した燃焼を供給できる。また弾性保持部材５２は環状点火プラグ２０を保持する程度の剛性であり、使用温度域が変わっても環状点火プラグ２０にかかる面圧の変動が小さい特性である。よって環状点火プラグ２０には保持力以上の力は与えられない。よって環状点火プラグ２０に過度な応力が発生することはなく、劣化の心配はない。

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。

例えば実施形態において、シリンダヘッドに環状点火プラグが収まるよう環状溝を形成したが、シリンダブロックに環状点火プラグを収めるようにしてもよい。環状点火プラグの点火部がピストンの上死点よりも上側に配置されていれば問題ない。また、シリンダヘッドガスケットの形状は実施形態で示したタイプに限らず、エンジンの性能に応じた形状が適用可能である。本発明では弾性保持部材の剛性をシリンダヘッドガスケットよりも小さく、さらに全運転領域において面圧抜けすることなく環状点火プラグを保持できる程度の面圧が発生するように設定していればよい。よって弾性保持部材の形状は前述の条件を満たせばよいので、実施形態に限らず多様な形状が考えられる。

１ エンジン
１０ 燃焼室
２０ 環状点火プラグ
４０ 環状溝
４１ シリンダヘッド
４２ シリンダブロック
５０ 一体型ガスケット
５１ シリンダヘッドガスケット
５２ 弾性保持部材

Claims (6)

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る環状溝と、
   前記環状溝に配置され、シリンダよりも熱膨張率が小さく冷間時及び温間時で略変形しない環状ボディを含む環状点火プラグと、
   前記環状溝と前記環状点火プラグの前記環状ボディとの上下方向の隙間に設けられる弾性保持部材と、
   を備え、
   前記隙間は、前記弾性保持部材が前記シリンダの熱膨張に追従するときの変形を許容する空間を有することを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
2. 前記弾性保持部材は、前記シリンダヘッドと前記シリンダブロックとの間に介在するシリンダヘッドガスケットと一体化される、
   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. 前記弾性保持部材は、Ｏリングである、
   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. 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る環状溝と、
   前記環状溝に配置される環状点火プラグと、
   前記環状溝と前記環状点火プラグとの上下方向の隙間に設けられる弾性保持部材と、
   前記シリンダヘッドと前記シリンダブロックとの間に介在されるシリンダヘッドガスケットと、
   を備え、
   前記弾性保持部材は、前記シリンダヘッドガスケットと一体化されること特徴とするエンジンの燃焼室構造。
5. 前記弾性保持部材は、前記シリンダヘッドガスケットよりも剛性が低い、
   ことを特徴とする請求項２又は４に記載のエンジンの燃焼室構造。
6. 前記環状溝と前記環状点火プラグとの上下方向の隙間は、火炎の侵入を遮断する消炎距離より小さい、
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のエンジンの燃焼室構造。

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