JPH05280384A - 圧縮比可変手段を持つディーゼルエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、高温時には低圧縮比に且つ低温時
には高圧縮比に自動的に変更できる圧縮比可変手段を持
つディーゼルエンジンを提供する。 【構成】 本発明は、シリンダヘッド３に低熱膨張率の
セラミックス製の燃焼室ブロック５を配置し、燃焼室ブ
ロック５のライナ上部１２外周に環状副室２を形成す
る。環状副室２と主室１とを連通する連絡孔８を燃焼室
ブロック５に複数個形成する。環状副室２内に金属で作
製したリング６を配置し、リング６に一体構造に半径方
向内向きに伸びる突出部７を構成する。突出部７を始動
時等の低温時には連絡孔８に突入させて連絡孔８を閉鎖
して高圧縮比にする。また、燃焼室の高温時にはリング
６を熱膨張させて連絡孔８を開放し、低圧縮比にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、低温時と高温時とで
圧縮比を自動的に変更できる圧縮比可変手段を持つディ
ーゼルエンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、内燃機関において、主燃焼室と副
燃焼室との連通孔にバルブを備えた可変圧縮比内燃機関
は、例えば、実開昭５７−１６４２２４号公報に開示さ
れている。該可変圧縮比内燃機関は、内燃機関の燃焼室
を第三弁を介して副燃焼室に連通せしめ、該第三弁を可
変バルブタイミング機構により駆動して、低負荷域では
閉じたままとし、高圧縮比で燃焼させ、高負荷域ではカ
ムによる動弁機構を作動して圧縮行程途中から排気行程
後半まで開かせ、低圧縮比で燃焼させるものである。

【０００３】また、特開昭５８−１９７４４３号公報に
は、内燃機関の感温自動可変圧縮装置が開示されてい
る。該感温自動可変圧縮装置は、シリンダヘッド内から
燃焼室側に出入りするプラグをシリンダヘッドに設け、
標準スプリングと形状記憶合金製スプリングをシリンダ
ヘッドとプラグ間に配置して、プラグをシリンダヘッド
で弾性的に支持し、燃焼室の低温時にプラグが燃焼室側
に出て、高温時にシリンダヘッド側に入るように標準ス
プリングを組み合わせたものである。

【０００４】また、実開昭６３−６００３８号公報に
は、シリンダに設けた所定容積の密閉チャンバをエンジ
ン回転数が設定値以上のとき開き、設定値以下のとき閉
じる開閉弁を介して、シリンダ内の排気口より所定距離
高い位置に接続する２サイクルエンジンの可変圧縮比装
置が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ディーゼル
エンジンにおいて、圧縮比を上げると理論熱効率を上げ
ることができるが、その上限は、圧縮端温度及び圧縮端
圧力の要因、エンジンの機械的強度から制限されるもの
である。そこで、エンジンについては、低負荷時には高
圧縮比になり、高負荷時には低圧縮比になるようにコン
トロールできれば、筒内の最高圧がコントロールできる
ことになり、低負荷時の効率を向上させることができ
る。また、エンジン始動時の圧縮比は、高めに設定でき
るようになり、エンジン始動性が良好になるものであ
る。

【０００６】従来の圧縮比可変エンジンは、シリンダヘ
ッドに副室を形成し、該副室を連絡孔を通じて主燃焼室
に連通し、該連絡孔にコントロールバルブを配置した構
造に構成されている。該圧縮比可変エンジンにおいて、
始動時、アイドリング時及び低速低負荷時には、コント
ロールバルブで連絡孔を閉鎖して主燃焼室のみで高圧縮
比で燃焼を行い、また、高速高負荷時には、連絡孔を開
放して主燃焼室と副室とで低圧縮比で燃焼を行ってい
る。しかしながら、このような圧縮比可変エンジンは、
圧縮比の変更制御を連絡孔に配置したコントロールバル
ブで行っているものであり、高温時と低温時で自動的に
圧縮比を変更するものではなく、装置自体が複雑でコス
ト高になる。

【０００７】また、前掲特開昭５８−１９７４４３号公
報に開示された感温自動可変圧縮装置は、プラグを燃焼
室に突出させており、主室の形状、例えば、ピストン頂
面が平らな面を有するエンジンには、適用できないもの
である。また、形状記憶合金を温度検出に使用すると、
作動温度は形状を記憶させる温度を超えることができ
ず、作動状態に制限があり、作動温度を高く設定できな
く、また、高温でのクリープ、へたりの現象が発生する
という問題がある。

【０００８】また、前掲実開昭６３−６００３８号公報
に開示された２サイクルエンジンの可変圧縮比装置は、
外部の温度或いはエンジン回転数を検出するセンサーが
必要になり、構造が複雑である。更に、プーリを使用し
て開閉弁の開閉を行うものであり、連絡孔の設ける方向
が回転軸により限定されるという問題がある。また、開
閉弁は回転式であるので、高温になった時、開閉弁が熱
膨張で焼き付きが発生し、回転不能になる可能性がある
し、摺動性を重視して構成すれば、シール性が失われる
という問題がある。

【０００９】そこで、この発明の目的は、上記の課題を
解決することであり、シリンダ側に形成される主室とシ
リンダヘッドに配置した燃焼室ブロックに形成したシリ
ンダ上部外周に形成した環状副室とを連絡孔で連通し、
副室を低熱膨張率のセラミックスで形成し、連絡孔を開
閉する一種のバルブを副室内に配置した金属製リングに
設けた突出部で構成し、金属製リングとセラミックス製
燃焼室ブロックとの熱膨張差を利用して前記バルブを自
動的に開閉作動し、圧縮比を自動的に変更する圧縮比可
変手段を持つディーゼルエンジンを提供することであ
る。

【００１０】即ち、始動時及び低速低負荷時には燃焼室
は低温であるので、連絡孔は閉鎖され、主室のみで高圧
縮比で燃焼を行うことになり、また、高速高負荷時には
燃焼室は高温になるので、金属製リングはセラミックス
製燃焼室ブロックに比較して大きく熱膨張し、連絡孔が
開放し、主室と副室とで低圧縮比で燃焼を行うことにな
る。

【００１１】

【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、シリンダヘッドに形成した穴部に配置した
ライナ上部を構成する低熱膨張率のセラミックスで作製
した燃焼室ブロック、該燃焼室ブロックの前記ライナ上
部外周に形成した環状副室、シリンダ側に形成される主
室、前記ライナ上部に周囲方向に隔置して形成した前記
環状副室と前記主室とを連通する連絡孔、前記環状副室
内に配置された金属で作製したリング、及び前記連絡孔
に突入して低温時に前記連絡孔を閉鎖し且つ高温時に前
記連絡孔を開放する半径方向内向きに伸びる前記リング
と一体構造の突出部を有することを特徴とする圧縮比可
変手段を持つディーゼルエンジンに関する。

【００１２】また、この圧縮比可変手段を持つディーゼ
ルエンジンにおいて、前記連絡孔は前記環状副室側の弁
シートと前記主室側へ伸びるストレート通路とから構成
され、前記突出部は前記ストレート通路との間に常時環
状通路を形成するストレート部と前記リングの内周面か
ら前記ストレート部へ縮径状に伸びるテーパ状弁フェー
ス部とから構成されているものである。

【００１３】

【作用】この発明による圧縮比可変手段を持つディーゼ
ルエンジンは、上記のように構成されており、次のよう
に作用する。即ち、この圧縮比可変手段を持つディーゼ
ルエンジンは、シリンダヘッドに設けた燃焼室ブロック
のライナ上部外周に環状副室を形成し、該燃焼室ブロッ
クを低熱膨張率のセラミックスで作製し、前記環状副室
と前記主室とを連通する連絡孔を前記ライナ上部に周囲
方向に隔置して形成し、前記環状副室内に金属で作製し
たリングを配置し、前記リングと一体構造に構成した半
径方向内向きに伸びる突出部を低温時に前記連絡孔に突
入させて前記連絡孔を閉鎖し、高温時に前記連絡孔を開
放するように構成したので、エンジンの始動時及び低速
低負荷時には燃焼室は低温であり、連絡孔は閉鎖して主
室分の容積だけになって高圧縮比となり、また、高速高
負荷時には燃焼室は高温になり、連絡孔は開放して副室
の容積分だけ大きくなって低圧縮比になる。

【００１４】従って、この圧縮比可変手段を持つディー
ゼルエンジンは、特に、始動時の圧縮比を高く設定で
き、着火ミスが発生せず、エンジンの始動性を向上でき
る。また、高速高負荷時には、圧縮比を低下させて低圧
縮比に自動的に変更でき、筒内圧力即ち最高圧及び最高
温度を低下させて強度上好ましい状態でエンジンを駆動
でき、熱効率を向上できる。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明による圧縮
比可変手段を持つディーゼルエンジンの実施例を説明す
る。図１はこの発明による圧縮比可変手段を持つディー
ゼルエンジンの一実施例を示す断面図、及び図２は図１
の圧縮比可変手段を持つディーゼルエンジンの要部の拡
大断面図である。

【００１６】図示のように、この圧縮比可変手段を持つ
ディーゼルエンジンは、主として、シリンダブロック４
に固定したシリンダヘッド３、シリンダヘッド３に形成
した穴部１４に配置した燃焼室ブロック５、燃焼室ブロ
ック５に形成されている環状副室２、シリンダブロック
４に形成した孔ブロック１７に嵌合したシリンダ１６を
形成するシリンダライナ１５、シリンダ１６によって形
成される主室１、シリンダ１６内を往復運動するピスト
ン９、シリンダヘッド３に形成した吸排気ポート１８，
１９、該吸排気ポート１８，１９に配置した吸排気バル
ブ２０，２１、及びシリンダヘッド３に配置して主室１
に燃料を噴射する燃料噴射ノズル２２を有している。

【００１７】この圧縮比可変手段を持つディーゼルエン
ジンは、特に、シリンダヘッド３に配置した燃焼室ブロ
ック５及び燃焼室ブロック５内に配置されたリング６に
特徴を有しているものである。燃焼室ブロック５は、窒
化ケイ素Ｓｉ₃ Ｎ₄ 等の低熱膨張率のセラミックスから
製作され、ライナ上部１２とヘッド下面部１３とを一体
構造に構成されている。しかも、燃焼室ブロック５に
は、燃焼室ブロック５のライナ上部外周に環状副室２が
形成されている。また、主室１と環状副室２とを連通す
る連絡孔８は、燃焼室ブロック５のライナ上部１２に周
囲方向に隔置して複数個形成されている。

【００１８】また、リング６は、金属で作製されて環状
副室２内に全周にわたって伸長されている。リング６に
は、その半径方向内向きに伸びる一体構造の突出部７が
複数個形成されている。これらの突出部７は、ストレー
ト部７Ｓとリング７の内周面からストレート部７Ｓへ縮
径状に伸びるテーパ状弁フェース部７Ｔから構成されて
いる。また、連絡孔８は、環状副室２側の弁シート１１
と主室１側へ伸びるストレート通路８Ｓとから構成され
ている。突出部７のストレート部７Ｓと連絡孔８のスト
レート通路８Ｓとの間には、環状通路１０が形成され
る。

【００１９】この圧縮比可変手段を持つディーゼルエン
ジンにおいて、副室２内にリング６を組み込むには、例
えば、燃焼室ブロック５を連絡孔８の周方向位置で二分
割した構造に構成し、半割り燃焼室ブロック部分の副室
形成部分にリング６を配置すると共に、突出部７を連絡
孔形成部分に配置して、両者の半割り燃焼室ブロック部
分を互いに接合することで、リング６を燃焼室ブロック
５の副室２内に組み込むことができる。

【００２０】この圧縮比可変手段を持つディーゼルエン
ジンは、上記のように、燃焼室ブロック５は低熱膨張率
のセラミックスで構成され、リング６は金属で構成され
ているので、温度上昇によって燃焼室ブロック５はほと
んど熱膨張しないが、リング６は熱膨張が大きく現れ
る。従って、エンジンの始動時及び低速低負荷時には主
室１と副室２の燃焼室温度は低温であり、金属製リング
６は熱膨張していない収縮した状態であるので、突出部
７は連絡孔８に突入し、突出部７のテーパ状弁フェース
部７Ｔは連絡孔８の弁シート１１に当接し、連絡孔８は
突出部７で閉鎖されている。従って、燃焼室の容積は、
主室１のみの容積になり、圧縮比は高くなり、エンジン
は高圧縮比で駆動されることになる。

【００２１】これに対して、エンジンの高速高負荷時に
は、主室１と副室２の燃焼室温度は高温になり、金属製
リング６は熱膨張して伸長し、大きな円形に膨張した状
態になるが、燃焼室ブロック５は熱膨張が小さいので、
両者間に熱膨張差が大きく現れるので、突出部７は連絡
孔８から副室２の内部側へと自動的に引っ込んだ状態に
なり、突出部７のテーパ状弁フェース部７Ｔは連絡孔８
の弁シート１１から離れ、連絡孔８は開放されるように
なる。従って、燃焼室の容積は、主室１と副室２の容積
になり、圧縮比は低くなり、エンジンは低圧縮比で駆動
されることになる。しかも、突出部７のストレート部７
Ｓは、連絡孔８のストレート通路８Ｓに位置して連絡孔
８の通路面積を絞った状態にして環状通路１０を形成す
るので、副室２から主室１へ吹き出される火炎は勢い良
く噴出され、連絡孔８にカーボン等が堆積されるような
ことはなく、燃焼を悪化させることはない。

【００２２】この圧縮比可変手段を持つディーゼルエン
ジンは、上記のように構成されているが、上記実施例に
限らず、例えば、低熱膨張率のセラミックスから成る燃
焼室ブロック５にシリンダ軸心方向に複数個の副室を形
成することができる（図示せず）。そして、各副室に熱
膨張率の異なる金属材料から成るリングをそれぞれ組み
込み、各連絡孔の開閉タイミングを上昇温度に従って変
化させることができる。このように、複数個の副室を構
成すれば、エンジン作動状態で段階的に圧縮比を変更す
ることができ、例えば、燃焼室の高温時には低圧縮比、
中間温時には中圧縮比、及び低温時には高圧縮比でエン
ジンを作動することができ、エンジン作動状態に最適の
圧縮比でエンジンを駆動することができ、圧縮比の変更
の自由度が大きくなる。また、この圧縮比可変手段を持
つディーゼルエンジンは、４ストロークエンジンのみで
なく、図示していないが、２ストロークエンジンにも適
用できるものである。

【００２３】

【発明の効果】この発明による圧縮比可変手段を持つデ
ィーゼルエンジンは、上記のように構成されており、次
のような効果を有する。即ち、この圧縮比可変手段を持
つディーゼルエンジンは、シリンダヘッドに設けた燃焼
室ブロックのライナ上部外周に環状副室を形成し、該燃
焼室ブロックを低熱膨張率のセラミックスで作製し、前
記環状副室と前記主室とを連通する連絡孔を前記ライナ
上部に周囲方向に隔置して形成し、前記環状副室内に金
属で作製したリングを配置し、前記リングと一体構造に
構成した半径方向内向きに伸びる突出部を低温時に前記
連絡孔に突入させて前記連絡孔を閉鎖し、高温時に前記
連絡孔を開放するように構成したので、主室の形状及び
容積を変化させることなく、燃焼室ブロックとリングと
の熱膨張差によってリングの突出部が連絡孔を自動的に
開閉することができ、燃焼室を主室のみの容積と主室及
び副室の両方の容積に変更でき、圧縮比の高低を自動的
に変更することができる。

【００２４】例えば、エンジンの始動時及び低速低負荷
時には燃焼室は低温であるので、連絡孔は閉鎖して主室
分の容積だけになって高圧縮比となり、また、高速高負
荷時には燃焼室は高温になるので、連絡孔は開放して主
室と副室との容積になり、副室の容積分だけ大きくなっ
て低圧縮比になる。

【００２５】また、この圧縮比可変手段を持つディーゼ
ルエンジンでは、副室を複数段に形成し、各副室に熱膨
張率の異なったリングを配置すれば、各連絡孔の開閉タ
イミングを上昇温度に従って変化させることができ、エ
ンジン作動状態で段階的に圧縮比を変更することがで
き、エンジン作動状態に最適の圧縮比でエンジンを駆動
することができ、圧縮比の変更の自由度が大きくなる。

【００２６】また、この圧縮比可変手段を持つディーゼ
ルエンジンは、４ストロークエンジンのみでなく、２ス
トロークエンジンにも適用することができ、シリンダの
周囲であれば組み込むことができ、回転部等はなく、構
造自体がシンプルである。更に、セラミックス製燃焼室
ブロックと金属製リングとで構成できるので、耐久性に
も富んだ構造であり、容易に製作することができる。。

【００２７】エンジン低速低負荷時或いは始動時には、
前記副室を閉鎖するので圧縮比は高くなり、前記主室に
燃料ノズルから噴射される燃料は前記主室内の新気と混
合が促進され、高圧縮比になって温度は上昇し良好な混
合気が生成されて着火が確実に起こり、着火ミスも発生
せず、スムースな燃焼を達成でき、ＨＣ、ＮＯ_X 、未燃
ガス等の発生を防止できる。

【００２８】また、エンジン高速高負荷時には、前記副
室は開放状態になり、前記副室の容積分だけ圧縮比は低
くなり、前記副室の燃焼温度が制御され、異常着火の発
生を防止すると共に、筒内の最高圧力と最高温度とを低
下させることができる。また、前記主室から前記副室へ
流入する吸入空気は前記連絡孔を絞った状態であり、前
記副室内に強力な乱れを発生させ、該乱れによる空気流
動で燃料噴霧とは混合が促進され、急激に圧力は上昇
し、火炎と混合気との燃焼ガスは前記連絡孔の環状通路
を通って一気に前記副室から前記主室へ噴出する。そこ
で、噴出した燃焼ガスは前記主室内の新気と一気に混合
が進み、燃焼スピードを増速して短期に燃焼を完結し、
燃焼をスムースに行わせ、ＨＣ、未燃ガス等の発生を防
止する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による圧縮比可変手段を持つディーゼ
ルエンジンの一実施例を示す概略断面図である。

【図２】図１の圧縮比可変手段を持つディーゼルエンジ
ンの要部の拡大断面図である。

【符号の説明】

１ 主室 ２ 副室 ３ シリンダヘッド ４ シリンダブロック ５ 燃焼室ブロック ６ リング ７ 突出部 ７Ｓ ストレート部 ７Ｔ テーパ状弁フェース部 ８ 連絡孔 ８Ｓ ストレート通路 ９ ピストン １０ 環状通路 １１ 弁シート １２ ライナ上部 １４ 穴部 １５ シリンダライナ １６ シリンダ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダヘッドに形成した穴部に配置し
   たライナ上部を構成する低熱膨張率のセラミックスで作
   製した燃焼室ブロック、該燃焼室ブロックの前記ライナ
   上部外周に形成した環状副室、シリンダ側に形成される
   主室、前記ライナ上部に周囲方向に隔置して形成した前
   記環状副室と前記主室とを連通する連絡孔、前記環状副
   室内に配置された金属で作製したリング、及び前記連絡
   孔に突入して低温時に前記連絡孔を閉鎖し且つ高温時に
   前記連絡孔を開放する半径方向内向きに伸びる前記リン
   グと一体構造の突出部、を有することを特徴とする圧縮
   比可変手段を持つディーゼルエンジン。
2. 【請求項２】 前記連絡孔は前記環状副室側の弁シート
   と前記主室側へ伸びるストレート通路とから構成され、
   前記突出部は前記ストレート通路との間に常時環状通路
   を形成するストレート部と前記リングの内周面から前記
   ストレート部へ縮径状に伸びるテーパ状弁フェース部と
   から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の
   圧縮比可変手段を持つディーゼルエンジン。