JPH0599065A - 副室を持つ断熱エンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、断熱構造の副室とポートをシリン
ダヘッドに形成し、十分なポートの通路有効面積を確保
できる副室を持つ断熱エンジンを提供する。 【構成】 この副室を持つ断熱エンジンは、中央部に副
室２と該副室２の周囲に複数個のポート１１，１６を形
成した低熱伝導材から成る断熱ブロック４をシリンダヘ
ッド５に形成した穴２０内に嵌入し、該断熱ブロック４
の下方の穴２０にヘッド下面部９とライナ上部８とを一
体構造に構成した高温高強度セラミックスから成るヘッ
ドライナ３を嵌合する。ヘッド下面部９には、副室２に
連通する連通孔７とポート１１，１６に連通するバルブ
シート２５とを形成する。断熱ブロック４によって副室
２とポート１１，１６とを形成する壁部を共有する構造
に構成できるので、連通孔７とポート１１，１６の通路
有効面積を可及的に大きく形成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、シリンダヘッドを断
熱構造に構成した副室を持つ断熱エンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、セラミックスを断熱材或いは耐熱
材として使用した断熱エンジンにおいて、副室式燃焼室
に形成した場合に、シリンダヘッドの構造には副室と吸
排気ポートが形成されている。金属製のシリンダヘッド
に形成した副室と吸排気ポートとを断熱構造に構成する
場合には、副室を断熱するセラミックスから成る壁部と
吸排気ポートを断熱するセラミックスから成る壁部とが
シリンダヘッドに組み込まれる構造に構成されているの
が一般的である。

【０００３】また、セラミックスを断熱材或いは耐熱材
として使用した断熱エンジンは、例えば、特開平２−３
３４５４号公報に開示されている。該断熱エンジンは、
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た主燃焼室、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で構成
した副燃焼室、該副燃焼室を主燃焼室に連通する出入通
路、及び前記副燃焼室に配置した燃料噴射ノズルから構
成されている。また、該断熱エンジンは、主燃焼室をシ
リンダヘッドの下面に対向する高密度セラミック製のヘ
ッド下面薄板とライナ薄板から一体構造に構成し、前記
ライナ薄板を低熱伝導材製シリンダ上部に嵌合してい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、断熱エンジ
ンについては、シリンダ内壁が高温となるため、一般に
燃焼ガス温度は通常の水冷エンジンに比較して高温であ
り、そのため、ＮＯ_X の生成量も増大する。燃焼室で燃
料を燃焼させる場合に、ＮＯ_X の生成は、燃焼温度と燃
料と空気との燃料当量比により決まるものであり、燃焼
温度が低温で且つ燃料リッチで燃焼させることによって
ＮＯ_X の生成を低減することができる。

【０００５】上記のように、断熱エンジンでは、燃焼温
度が高温であるため、ＮＯ_X の生成を低減する対策とし
ては、燃料リッチで燃焼させることが効果的である。ま
た、燃焼温度が高温である時、燃料リッチで燃焼させる
には、エンジン構造のタイプとしては副室式エンジンで
対応することが有効である。エンジンを副室式燃焼室に
構成した場合に、副室式燃焼室の燃焼スピードを直接噴
射式燃焼室の燃焼スピードと同程度まで速くするには、
副室と主室とを連通する連通孔の通路断面積を拡大する
ことが必要である。ところが、連通孔の通路断面積を大
きくすると、副室から主室へ流出する噴出スピードが低
下し、主室での燃焼が十分に行われない。

【０００６】そこで、副室から主室へ流出する噴出スピ
ードの低下に対応するには、副室をシリンダの中央に配
置して連通孔をシリンダ中央に開口し、該連通孔からシ
リンダ全体に対しての距離を短くし、連通孔から噴出す
る火炎及び混合気を主室に存在する新気と混合燃焼させ
ると、主室での燃焼が効果的になり、燃焼時間を短縮す
ることができる。しかしながら、この場合には、副室が
シリンダの中央に存在することにより、吸排気バルブが
配置される吸排気ポートの有効面積が問題となる。即
ち、副室がシリンダの中央に位置するので、副室を断熱
する壁面と吸排気ポートを断熱する壁面とをそれぞれ配
置する必要があり、そのため吸排気ポートの断面積は小
さくなり、吸排気バルブが小径になり、十分な有効面積
を確保できない。

【０００７】この発明の目的は、上記の課題を解決する
ことであり、副室とポートとをチタン酸アルミニウム等
の低熱伝導率セラミックスから成る断熱ブロックに形成
し、前記副室と前記ポートとを形成する壁面を共有させ
て薄い壁面で対応させ、前記ポートを可及的に大きく形
成したことを特徴とする副室を持つ断熱エンジンを提供
することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記目的を
達成するため、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内に嵌入し且つ中
央部に副室と該副室の周囲に複数個のポートを形成した
低熱伝導材から成る断熱ブロック、該断熱ブロックの下
方で前記穴に嵌合した一体構造のヘッド下面部とライナ
上部とで構成した高温高強度セラミックスから成るヘッ
ドライナ、並びに前記ヘッド下面部に形成した前記副室
に連通する副室下部、該副室下部に連通する連通孔及び
前記ポートに連通するバルブシートを備えたポート下
部、を有する副室を持つ断熱エンジンに関する。

【０００９】また、この副室を持つ断熱エンジンは、前
記断熱ブロックと前記ヘッドライナとの間には断熱ガス
ケットを介在したものである。

【００１０】また、この副室を持つ断熱エンジンにおい
て、４ストロークで作動するタイプでは前記シリンダヘ
ッドに形成した前記ポートは排気ポートと吸気ポートと
して機能するものである。

【００１１】また、この副室を持つ断熱エンジンにおい
て、２ストロークで作動するタイプでは前記シリンダヘ
ッドに設けた前記ポートは排気ポートであり、掃気ポー
トは前記シリンダブロックのシリンダ下部に形成されて
いる。

【００１２】

【作用】この発明は、上記のように構成され、次のよう
に作用する。即ち、この副室を持つ断熱エンジンは、シ
リンダヘッドに形成した穴内に中央部に副室と該副室の
周囲に複数個のポートを形成して低熱伝導材から成る断
熱ブロックを嵌合したので、該断熱ブロックを前記副室
の壁部と前記ポートの壁部とを共用できる構造に形成で
き、前記ポートを可及的に大きく形成することができ
る。また、前記断熱ブロックの下方には、ガスケットを
介して高温高強度セラミックスから成るヘッドライナが
前記穴に嵌合しているので、前記断熱ブロックは前記シ
リンダヘッドの前記穴内に確実に且つ堅牢に固定するこ
とができる。しかも、ヘッドライナには十分に大きい通
路断面積を有する連通孔を形成することができる。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明による副室
を持つ断熱エンジンの実施例を説明する。図１はこの発
明による副室を持つ断熱エンジンの一実施例を示し且つ
図２の線Ｂ−Ｂにおける断面図、及び図２は図１の断熱
エンジンのヘッドライナを線Ａ−Ａから見た断面図であ
る。

【００１４】図１に示す副室を持つ断熱エンジンは、４
ストローク即ち４サイクルで作動され、吸入行程、圧縮
行程、燃焼行程及び排気行程の４つの作用がピストンの
４行程で行われるものである。この副室を持つ断熱エン
ジンは、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属材料
から成るシリンダブロック６、該シリンダブロック６に
金属ガスケット等のガスケット１９を介在して固定され
たアルミニウム合金等の金属材料から成るシリンダヘッ
ド５を有している。シリンダブロック６には、エンジン
の気筒数に対応する孔２６が形成され、該孔２６には主
室１を構成するシリンダ２３を形成するシリンダライナ
２９が嵌合している。また、シリンダヘッド５には、エ
ンジンの気筒数に対応即ちシリンダ２３に対応する穴２
０が形成されている。シリンダライナ２９で形成される
シリンダ２３には、ピストン（図示せず）が往復運動す
るように組み込まれている。また、シリンダヘッド５に
は、多噴孔２４を備えた燃料噴射ノズル１０が取り付け
られている。

【００１５】この副室を持つ断熱エンジンは、特に、シ
リンダヘッド５の構造に特徴を有するものである。シリ
ンダヘッド５には、各気筒に対応する数の穴２０が形成
され、該穴２０には低熱伝導材から成る断熱ブロック４
が嵌入されている。断熱ブロック４には、中央部に副室
２、該副室２の周囲に複数個（図２では、各２個宛）の
排気ポート１１と吸気ポート１６、及び副室２内に燃料
を噴射させるため多噴孔２４を副室２内の中央上部に開
口するように燃料噴射ノズル１０が貫通する孔３０が形
成されている。更に、断熱ブロック４の下方に位置して
穴２０内に主室１を構成するヘッドライナ３が嵌合して
いる。ヘッドライナ３は、ヘッド下面部９とライナ上部
８とで一体構造に構成した高温高強度セラミックスから
製作されている。ヘッド下面部９には、副室２の副室上
部１２に連通する副室下部１３と該副室下部１３に連通
する連通孔７が形成されており、且つ排気ポート１１と
吸気ポート１６に連通するポート下部と該ポート下部に
形成したバルブシート２５が形成されている。この実施
例では、連通孔７の通路有効面積は、可及的に大きく形
成されている。従って、燃料噴射ノズル１０の多噴孔２
４から噴射された燃料は、副室上部１２の壁面に衝突
し、副室２内に形成されたスワール流に乗って混合が促
進され、燃焼スピードが直接噴射式と同等になり、燃料
リッチで燃焼してＮＯ_X の発生を低減できる。

【００１６】この副室を持つ断熱エンジンにおいて、断
熱ブロック４とヘッドライナ３との間には断熱ガスケッ
ト１８が介在されている。また、断熱ブロック４の吸排
気ポート１１，１６の端部周囲とシリンダヘッド５の穴
２０の円筒状側面との間には、ガスケット２８を介在さ
れており、吸排気ポート１１，１６は吸排気管に連通さ
れている。更に、シリンダヘッド５の内壁面とヘッドラ
イナ３の外壁面との間には、ガスケット１７が介在し、
且つ断熱空気層２７が形成されている。排気ポート１１
のバルブシート２５にはバルブガイド２１によってガイ
ドされて動弁作動する排気バルブ１４は配置され、ま
た、吸気ポート１６のバルブシート２５にはバルブガイ
ド２１によってガイドされて動弁作動する吸気バルブ１
５が配置されている。

【００１７】断熱ブロック４は、チタン酸アルミニウム
Ａｌ₂ ＴｉＯ₅ 等の低熱伝導率のセラミックスから製作
されている。即ち、断熱ブロック４は、副室２と吸排気
ポート１１，１６を形成した一体構造のブロックとして
成形されており、副室２と各吸排気ポート１１，１６と
を隔てる即ち区切る壁部が共用される構造に構成されて
いる。この副室を持つ断熱エンジンは、副室２のサイズ
は圧縮比或いは主室１と副室２との容積比率等から決定
されており、境界となる上記壁部を可及的に薄く構成で
きるので、吸排気ポート１１，１６の通路断面積を可及
的に大きく構成することができ、十分な有効面積を確保
することができる。従って、この副室を持つ断熱エンジ
ンでは、吸気ポート１６を通じて十分な空気を導入する
ことができ、また、排気ポート１１を通じて排気ガスを
確実に且つ迅速に排出することができる。

【００１８】更に、この副室を持つ断熱エンジンでは、
断熱ブロック４に形成された副室２とヘッドライナ３に
形成される主室１とを連通する連通孔７は、通路断面積
を大きく構成することができ、燃焼スピードを直接噴射
式燃焼室と同等に速くすることができる。従って、副室
２で燃料リッチで燃焼スピードを速く燃焼できるので、
ＮＯ_X の生成を低減する燃焼を行わせることができる。
しかも、副室２から連通孔７を通じて主室１に流出する
火炎と混合気との燃焼ガスの噴出スピードは、連通孔７
の通路断面積が大きいため低下するが、連通孔７は主室
１に対して中央に位置しているので、連通孔７からシリ
ンダ２３全体に対しては、距離が減少し、副室２から連
通孔７を通じて噴出した火炎及び混合気はシリンダ２３
内の周囲の新気と短時間に混合して燃焼スピードを短縮
できる。従って、主室１での燃焼でもＮＯ_X の生成を低
減する燃焼を行わせることができる。

【００１９】次に、この発明による副室を持つ断熱エン
ジンの別の実施例を、図３を参照して説明する。この実
施例の断熱エンジンは、上記実施例のものと比較してシ
リンダブロック６の孔２６に嵌合したシリンダライナ７
の下部に掃気ポート２２を形成している以外は、構造上
は同一であるので、同一の部品には同一の符号を付して
重複する説明は省略する。この断熱エンジンは、２スト
ローク即ち２サイクルで作動され、吸入、圧縮、燃焼及
び掃気・排気の４つの作用がピストンの２行程で行われ
るものである。この副室を持つ断熱エンジンでは、シリ
ンダヘッド５に形成された４つのポートは、排気ポート
１１として機能するものである。ヘッドライナ３に形成
された排気ポート１１の入口部に形成されたバルブシー
ト２５には、排気バルブ１４が配置されている。また、
シリンダブロック６の孔２６に嵌合したシリンダライナ
２９の下部には、掃気ポート２２が形成されている。

【００２０】この２ストロークの断熱エンジンは、排気
バルブ１４をシリンダヘッド３に配置して掃気作用をシ
リンダ中心線に対して一定方向の気流によって行わせ、
エンジンの効率をアップさせたユニフロータイプに適用
したものである。この２ストロークエンジンにおいて、
シリンダブロック６に嵌合したシリンダライナ２９の下
部には周方向に複数個の掃気ポート開孔部即ち掃気ポー
ト２２が形成され、図示していないが、該掃気ポート２
２はシリンダブロック６に形成された環状掃気通路に連
通している。また、掃気ポート２２は環状掃気通路に常
時連通状態になっている。更に、環状掃気通路は吸気通
路に連通している。該吸気通路には、エアクリーナ、ク
ランクケース、或いはターボチャージャの過給機、メカ
ニカル過給機等から送られる空気が送り込まれるように
構成されている。シリンダライナ２９で形成されるシリ
ンダ２３内をピストンが往復運動するように構成されて
いる。ピストンのピストンヘッド頂面が掃気ポート２２
の上壁面より下方に降下することで、掃気がシリンダ２
３内に導入される。この実施例の断熱エンジンでは、Ｎ
Ｏ_X の生成を低減する機能については、上記実施例の場
合と同様である。

【００２１】

【発明の効果】この発明による副室を持つ断熱エンジン
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。この副室を持つ断熱エンジンは、中央部に副室と
該副室の周囲に複数個のポートを形成した低熱伝導材か
ら成る断熱ブロックをシリンダヘッドに形成した穴内に
嵌入し、該断熱ブロックの下方の前記穴内にヘッド下面
部とライナ上部とで一体構造に構成した高温高強度セラ
ミックスから成るヘッドライナを嵌合したので、前記副
室と前記ポートとを隔てる壁部を共用した構造に構成で
き、前記壁部を薄く形成して前記ポートの通路有効面積
を増大させることができる。

【００２２】従って、この断熱エンジンでは、副室と主
室とを連通する連通孔の有効面積を大きく形成でき、前
記副室での燃焼状態を燃料リッチで燃焼させ且つ直接噴
射式燃焼室と同等の燃焼スピードを確保でき、ＮＯ_X の
発生を抑制できる。また、前記副室をシリンダの中央部
に形成して前記副室から噴出する火炎と混合気とは、シ
リンダの全周に存在する新気に対して距離が短くなるの
で、主室での混合が促進され、燃焼スピードを速くして
燃焼期間を短縮でき、ＮＯ_X の発生を抑制できる燃焼を
行わせることができる。特に、前記副室と前記ポートと
を隔てる壁部を共用することで、前記ポートの通路断面
積を十分に確保し、吸入行程では十分な空気をシリンダ
内に導入でき、また、排気行程では排気ガスを確実に且
つ迅速に排出でき、十分に対応できる構造を提供でき
る。

【００２３】また、この副室を持つ断熱エンジンにおい
て、前記断熱ブロックと前記ヘッドライナとの間には断
熱ガスケットが介在しているので、シリンダヘッドとシ
リンダブロックとを、前記断熱ブロックと前記ヘッドラ
イナを嵌入して固定することで、前記断熱ガスケットが
前記断熱ブロックと前記ヘッドライナとの間の隙間を吸
収でき、がたの発生は無く、両者は前記シリンダヘッド
内に確実に且つ強固に固定できる。

【００２４】また、この副室を持つ断熱エンジンは、４
ストロークで作動される場合には前記シリンダヘッドに
形成した複数個の前記ポートを複数個の排気ポートと複
数個の吸気ポートとして機能するように構成でき、十分
に吸入空気をシリンダ内に取り入れ、且つ排気ガスを確
実に且つ迅速に排出することができる。

【００２５】或いは、この副室を持つ断熱エンジンは、
２ストロークで作動される場合には前記シリンダヘッド
に設けた複数個の前記ポートは全て排気ポートして機能
させ、掃気ポートは前記シリンダブロックのシリンダ下
部に形成するので、排気では大きな通路有効面積を必要
とするが、該通路有効面積を十分に確保でき、排気ガス
を確実に且つ迅速に排出することができると共に、掃気
ポートから十分な吸入空気をシリンダ内に取り入れるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による副室を持つ断熱エンジンの一実
施例を示し且つ図２の線Ｂ−Ｂにおける断面図である。

【図２】図１の断熱エンジンのヘッドライナを線Ａ−Ａ
から見た断面図である。

【図３】この発明による副室を持つ断熱エンジンの別の
実施例を示し且つ図２の線Ｂ−Ｂにおける断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 主室 ２ 副室 ３ ヘッドライナ ４ 断熱ブロック ５ シリンダヘッド ６ シリンダブロック ７ 連通孔 ８ ライナ上部 ９ ヘッド下面部 １０ 燃料噴射ノズル １１ 排気ポート １２ 副室上部 １３ 副室下部 １４ 排気バルブ １５ 吸気バルブ １６ 吸気ポート １８ 断熱ガスケット ２０ 穴 ２２ 掃気ポート ２３ シリンダ ２５ バルブシート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｂ 19/16 Ｃ 9039−3Ｇ Ｆ０２Ｆ 1/24 Ｅ 8503−3Ｇ

Claims (4)

【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内に嵌入し
   且つ中央部に副室と該副室の周囲に複数個のポートを形
   成した低熱伝導材から成る断熱ブロック、該断熱ブロッ
   クの下方で前記穴に嵌合した一体構造のヘッド下面部と
   ライナ上部とで構成した高温高強度セラミックスから成
   るヘッドライナ、並びに前記ヘッド下面部に形成した前
   記副室に連通する副室下部、該副室下部に連通する連通
   孔及び前記ポートに連通するバルブシートを備えたポー
   ト下部、を有する副室を持つ断熱エンジン。
2. 【請求項２】 前記断熱ブロックと前記ヘッドライナと
   の間には断熱ガスケットを介在した請求項１に記載の副
   室を持つ断熱エンジン。
3. 【請求項３】 ４ストロークで作動するタイプでは前記
   シリンダヘッドに形成した前記ポートは排気ポートと吸
   気ポートである請求項１に記載の副室を持つ断熱エンジ
   ン。
4. 【請求項４】 ２ストロークで作動するタイプでは前記
   シリンダヘッドに設けた前記ポートは排気ポートであ
   り、掃気ポートは前記シリンダブロックのシリンダ下部
   に形成されている請求項１に記載の副室を持つ断熱エン
   ジン。