JPH07139352A - 渦流室構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 割れ破損を生じること無くセラミック口金を
シリンダヘッド側に圧入処理によって組込み出来る渦流
室構造を提供することにある。 【構成】 シリンダヘッド２５の下面で主燃焼室Ｃに対
応する位置に陥設されドーム状の上部渦流室２２１及び
同上部渦流室に連設されこれよりも大径の円筒状の内壁
面で形成された取付部２８からなる渦流室用凹部、取付
部２８に圧入され上面に陥設された逆台形錐状の下部渦
流室２２２及び同下部渦流室と主燃焼室Ｃとを連通する
噴口２１を有するセラミック製の口金２３を備え、取付
部２８に対する口金２３の常温での圧入時の締代を５〜
７０μｍとした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ディーゼルエンジンの
シリンダヘッドに形成される渦流室構造、特に、渦流室
の噴口部分がセラミック製の口金によって形成されてい
る渦流室構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧縮着火式のディーゼルエンジンの内、
渦流室付きエンジンは直噴式ディーゼルエンジンと比べ
て圧縮比が高く、着火遅れが少なく、燃焼初期の熱発生
率を比較的低く押えられ、ＮＯxの発生率を低減でき、
排煙濃度を低減することが出来、多用されている。例え
ば、図４に示すように、この渦流室付きエンジンはシリ
ンダブロック１内の主室Ｃとシリンダヘッド３内の渦流
室４とに挾まれた口金２を備え、口金２上の噴口５を通
して連通されている。この口金２はセラミック口金であ
り、図示しない固定手段によってシリンダヘッド３に支
持される。このエンジンの主室Ｃはシリンダブロック１
内で摺動するピストン６のピストン頂面Ｐｆ上に設けら
れ、特に、ピストン６が圧縮上死点近傍にあるときに
は、ピストン頂面Ｐｆ上の凹部７により主室Ｃの要部が
形成される。ここで、エンジンは主室Ｃより噴口５を通
して渦流室４にエアを押し込み、渦流室内で縦向き旋回
流Ｆと成ったエアにインジェクタ９より燃料が噴霧さ
れ、その燃料噴霧は着火して燃焼膨張を開始させると共
に噴口５より主室Ｃに噴出され、同室のエア中に拡散し
て主燃焼し、エンジンは燃焼膨張行程を行うことが出来
る。

【０００３】このように、渦流室付きエンジンの渦流室
４は口金２上の噴口５を通して主室Ｃとのあいだでエア
を受け入れ、混合気を排出するという役割を持ち、その
口金２の形状はエンジン性能に大きく影響することと成
る。しかも、口金はシリンダの上部で燃焼室の上面を構
成することより、シリンダヘッドに確実に支持される必
要がある。この口金としてセラミック口金が多用されて
いるが、これは、従来の耐熱金属性口金と比べ耐熱疲労
強度増大、性能改善の観点より優れた特性を示す。

【０００４】しかし、口金が従来の耐熱金属性口金であ
る場合にはこれをシリンダヘッドに圧入して支持させる
ことが容易であったが、口金としてセラミック口金が使
用された場合、セラミックが脆いことよりこの口金を過
度な圧入によってシリンダヘッドに圧入すると割れや破
損が生じ易い。そこで、口金としてセラミック口金が使
用される場合は、実公昭６３−１４０２０号公報に開示
されるように、シリンダヘッド側にピンを圧入してその
ピンでシリンダヘッド側に嵌合されているセラミック口
金の離脱を防止するようにしている。更に、図５や図６
に示すように、金属リング８をシリンダヘッド３側に圧
入し、セラミック口金２ａの上下の位置決めをし、回り
止め９をシリンダヘッド３側に圧入して口金の回転方向
の位置決めを行なうように構成される場合もある。

【０００５】更に、実開平３−１１８２２９号公報に開
示される様に、渦流室形成部材（口金）の上部をシリン
ダヘッド側にクリアランスを持って嵌合させ、渦流室形
成部材の下部をシリンダヘッド側に圧入し、渦流室形成
部材の下部よりシリンダヘッド側への熱の流れを促進
し、亀裂を防ぐ技術も知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、シリンダヘッ
ド側にピンを圧入し、あるいは、図５や図６に示すよう
に金属リング８や回り止め９を使用する場合、セラミッ
ク口金２ａの形状が複雑化し、口金及びシリンダヘッド
の口金取付部の加工に多くの時間を要し、部品点数も多
くなり、組付け時間も多くなり問題と成っている。更
に、渦流室形成部材の下部よりシリンダヘッド側への熱
の流れを促進すべくし、渦流室形成部材の下部をシリン
ダヘッド側に圧入した場合、圧入処理時に割れ破損を生
じる可能性があり、問題と成っている。本発明の目的
は、割れ破損を生じること無くセラミック口金をシリン
ダヘッド側に圧入処理によって組込み出来る渦流室構造
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明はシリンダヘッドの下面で且つシリンダ内
に形成される主燃焼室に対応する位置に陥設されドーム
状の上部渦流室及び同上部渦流室に連設され上記上部渦
流室よりも大径の円筒状の内壁面で形成された取付部か
らなる渦流室用凹部、上記取付部に圧入され上面に陥設
された逆台形錐状の下部渦流室及び同下部渦流室と上記
主燃焼室とを連通する噴口を有するセラミック製の口金
を備え、上記取付部に対する上記口金の常温での圧入時
の締代を５〜７０μｍとしたことを特徴とする。

【０００８】

【作用】シリンダヘッドの下面の円筒状の内壁面で形成
された取付部に対し、上面に陥設された逆台形錐状の下
部渦流室及び同下部渦流室と主燃焼室とを連通する噴口
を有するセラミック製の口金を圧入するにあたり、取付
部に対する口金の常温での圧入時の締代を５〜７０μｍ
としたので、最低５μｍの締代規制により、常温での取
付部に対する口金の仮固定が可能であり、最大７０μｍ
の締代規制により、取付部より口金が熱応力を繰り返し
て受けても破損する憂いが無い。

【０００９】

【実施例】図１、図２には本発明の一実施例として渦流
室構造を備えたディーゼルエンジン２０を示した。ディ
ーゼルエンジン２０は、シリンダヘッド２５とシリンダ
ブロック２６を一体結合し、シリンダブロック２６内の
シリンダ内壁と同シリンダ内壁内に嵌合されるピストン
２４の頂面とシリンダヘッド２５の主燃焼室対向部とで
主燃焼室Ｃを形成する。ここで主燃焼室Ｃには図示しな
い給排気弁によって開閉される吸排気ポート３４，３５
が連通可能に形成され、その両ポート間の中間部に渦流
室２２が配設される。ディーゼルエンジン２０は主燃焼
室Ｃより噴口２１を通して渦流室２２にエアを流入さ
せ、エアと燃料との混合を促進し、この燃料噴霧を着火
させた上で噴口２１より主燃焼室Ｃに噴出させて主燃焼
を完了させるもので、図４に示したエンジンと比べて、
渦流室２２、特にセラミック口金２３回りの各部形状及
び組付け処理が相違する点を除くとそれ以外の部分がほ
ぼ同様の構成を採っており、ここでは同一部分の重複説
明を略す。

【００１０】ここでシリンダブロック２６とシリンダヘ
ッド２５とは互いに図示しない締め付けボルトで一体的
に締め付けられ、両者はシール材２７を介し互いに圧接
する。特に、シリンダブロック２６のシリンダ内壁の上
端縁２６１の近傍部分はシール材２７を介しセラミック
口金２３の低壁面の一部に押圧力Ｐ１を加え、後述のよ
うに組付け後、特にエンジン運転時におけるセラミック
口金２３の下方へのずれを規制するように構成される。

【００１１】渦流室２２はシリンダブロック２６内に形
成される主燃焼室Ｃに対向する位置に配備され、シリン
ダヘッド２５内の肉圧の釣鐘状部２５２の内部に空間と
して形成される。ここで、シリンダヘッド２５の肉圧の
下壁部２５１には円筒状の内壁面で形成された取付部２
８の下部が、シリンダヘッド２５の釣鐘状部２５２には
取付部２８の上部及びそれに続くドーム状の上部渦流室
２２１がそれぞれ形成され、これら取付部２８及び上部
渦流室２２１が渦流室用凹部を成す。この渦流室用凹部
は後述のような所定の加工公差で円筒状の内壁面が加工
される。特にこの渦流室用凹部はシリンダヘッド２５の
冷態時に対して暖機完了時には内径を拡大するように熱
変形することとなる。

【００１２】なお、上部渦流室２２１の中央部分にはイ
ンジェクタ９の開口２９及びグロープラグ３０の開口３
１がそれぞれ形成される。インジェクタ９はシリンダヘ
ッド２５の釣鐘状部２５２より延出する延出部２５３の
ねじ穴３２に、グロープラグ３０は延出部２５３のねじ
穴３３にそれぞれ螺合され、固着される。この取付部２
８に圧入されるセラミック口金２３は略円板状を成し、
上面に陥設された逆台形錐状の下部渦流室２２２及び同
下部渦流室２２２と主燃焼室Ｃとを連通する噴口２１を
有し、円板状を成すセラミック口金２３の外周面２３１
はその上端側のみ環状に切り込まれて面とり部２３２を
設けられ、これによって圧入処理の容易化を図ってい
る。このセラミック口金２３も後述の様な所定の加工公
差で外周面が加工される。ここで、セラミック口金２３
に形成された噴口２１は、図１に示すようにその噴口長
手方向がピストン中心側に向けて傾斜した状態で伸びて
おり、その下部渦流室２２２側の上開口２１１と主燃焼
室Ｃ側の下開口２１２との間における噴口流路の直交断
面はほぼ楕円状を呈する。しかも、ここでは上開口２１
１側より下開口２１２側の噴口角βの方が小さく形成さ
れ、これによって上開口２１１側へ混合ガスが流入する
際の効率を促進すると共に主燃焼室Ｃに噴出される燃焼
ガスの水平方向の速度変換効率を高めるようにしてい
る。

【００１３】ここで、図１中のシリンダヘッド２５とセ
ラミック口金２３の各素材特性を表１に示した。

【００１４】

【表１】

【００１５】ここで、内径ｄ１は取付部２８の内径に当
たり、ここに外径Ｄ１のセラミック口金２３の外周面２
３１が圧接する。

【００１６】図１に示すディーゼルエンジン２０におい
て、一例として示すと、常温時に、取付部２８がその円
筒状の内壁面を加工公差＋０．０２５〜０で形成され、
セラミック口金２３の外周面は＋０．０５０〜＋０．０
３０で形成された。

【００１７】ここでは、特に、取付部２８が最小公差、
且つ、セラミック口金２３が最大公差のときに、＋０．
０５０ｍｍ（＝０−０．０５）の最大締代が生じるよう
に形成された。この場合、この最大締代はエンジンの温
度が−４０℃に達すると０．０６９ｍｍの締代となり、
エンジン運転時温度に達すると０．０１５ｍｍの締代に
変化した。この時、最大締代（５０μｍ）に応じてシリ
ンダヘッド２５内に生じている引張応力は−４０℃では
１６．６ｋｇｆ／ｍｍ²の応力を示し、エンジン運転時
温度では３．６ｋｇｆ／ｍｍ²の応力が生じたが、シリ
ンダヘッド２５の耐力が約２５ｋｇｆ／ｍｍ²であり、
問題ない値であった。この時、セラミック口金２３の強
度は７０ｋｇｆ／ｍｍ²あり、シリンダヘッド２５側よ
り−４０℃で１６．６ｋｇｆ／ｍｍ²の応力を受けても
全く問題無い。なお、最大締代を仮に７０μｍに設定し
た際には、シリンダヘッド２５内に生じる引張応力は２
１．５ｋｇｆ／ｍｍ²であることが測定されており、こ
の場合でも耐力である約２５ｋｇｆ／ｍｍ²を下回り問
題を生じないと推定される。

【００１８】他方、取付部２８最大公差、且つ、セラミ
ック口金２３最小公差のときに、＋０．００５ｍｍ（＝
０．０２５−０．０３）の最小締代が生じるように形成
されるとする。なお最小締代（５μｍ）はその締代規制
により、常温での取付部２８に対するセラミック口金２
３の仮固定処理が可能となることに基づき設定される。
ここで、この最小締代（５μｍ）はエンジンの温度が−
４０℃に達すると０．０２４ｍｍの締代となり、エンジ
ン運転時温度に達すると−０．０３ｍｍのすきま嵌め状
態となるが、この時、シリンダブロック２６の上端縁２
６１の近傍部分がシール材２７を介しセラミック口金２
３の低壁面の一部に押圧力Ｐ１が加わっており、セラミ
ック口金２３の下方へのずれは防止されている。この場
合、セラミック口金２３の全下面に対する押圧力Ｐ１が
加わる面の比率である押さえ面積率は２４％程度であっ
たが、この率はエンジン運転時温度のすきま嵌め状態の
程度に応じ増減考慮することと成る。

【００１９】なお、図１に示すディーゼルエンジン２０
において、エンジン暖機後の熱時温度は、実測によれ
ば、取付部２８のｓ点において平均２５０℃を示し、セ
ラミック口金２３部のエンジン運転時温度は約５５０℃
程度であった。上述のところで、図１のディーゼルエン
ジンにおける渦流室構造によれば、常温時に、取付部２
８が加工公差＋０．０２５〜０で形成され、セラミック
口金２３が加工公差＋０．０５０〜＋０．０３０で形成
された。しかし、ここで、通常の、即ち、過度のコスト
増を招かない現在の加工技術では、セラミック口金２３
及び取付部２８共に約２０〜３０μｍの加工精度が得ら
れ、コスト増を無視すれば、何れも約２〜５μｍの加工
精度が得られることが知られている。

【００２０】通常の現在の加工技術で、セラミック口金
２３及び取付部２８共に加工精度３０μｍの加工によっ
てセラミック口金２３及び取付部２８を得たとする。

【００２１】この場合、取付部２８最大公差、且つ、セ
ラミック口金２３最小公差のときに５（１０）μｍの締
代を設定すると、取付部２８最小公差、且つ、セラミッ
ク口金２３最大公差のときに６５（７０）μｍ（＝５＋
２×３０）の締代となり、締代の幅Ａ２，Ａ２’は５
（１０）〜６５（７０）μｍの６０μｍとなる。この
時、図３に示すように、セラミック口金２３の最大引張
応力は５〜４０ｋｇｆ／ｍｍ²となり、安全率を１．８
倍に採ってもセラミック口金２３の破壊強度Ｌ１を下回
り、十分の強度、耐久性を確保しており、割れ破損を生
じること無くセラミック口金２３を取付部２８に圧入処
理できることとなる。ここで、常温での最大７０μｍの
締代規制は、この値を上回ると、セラミック口金２３が
取付部２８より熱応力を繰返し受けた場合において、熱
疲労により脆弱化し破損するという憂いがあり、これを
防ぐための規制値である。更に、図３中の符号Ａ１で示
す締代の幅は組付け時の仮固定が良好で、口金の割れ破
損を防止しつつ口金をシリンダヘッド側に圧入する上で
特に好ましい幅域を示している。なお、図３中の２点鎖
線Ｌ２は以前のセラミック口金２３の破壊強度（４０〜
５０ｋｇｆ／ｍｍ²）を示し、これは現在の表１のセラ
ミック口金２３の破壊強度（約７０ｋｇｆ／ｍｍ²）Ｌ
１を下回り、現在のセラミック口金の破壊強度が比較的
強化されていることが知られている。

【００２２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、円筒状
の内壁面で形成された取付部に対し、下部渦流室及び同
下部渦流室と主燃焼室とを連通する噴口を有するセラミ
ック製の口金を圧入するにあたり、取付部に対する口金
の常温での圧入時の締代を５〜７０μｍとし、最低５μ
ｍの締代規制により、常温での取付部に対する口金の仮
固定を可能として、組付け作業性を改善出来、最大７０
μｍの締代規制により、取付部より口金が熱応力を繰り
返して受けて熱疲労により脆弱化し破損する憂いを排除
出来、特に常温でこの締代の幅内に保持することによっ
て、組付け時の口金の割れ破損を防止しつつ口金をシリ
ンダヘッド側に圧入処理でき、口金及びシリンダヘッド
の口金取付部の加工を比較的低減でき、作業時間の短縮
を図れ、部品点数の低減も図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例としての渦流室構造を備えた
ディーゼルエンジンの要部概略断面図である。

【図２】図１中のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】図１の渦流室構造で採用される取付部及びセラ
ミック口金の間の締代とそれに応じて生じる引張応力の
特性を示す線図である。

【図４】従来の渦流室構造を備えたディーゼルエンジン
の要部概略断面図である。

【図５】従来の他の渦流室構造の要部断面図である。

【図６】従来の他の渦流室構造の要部断面図である。

【符号の説明】

２０ ディーゼルエンジン ２１ 噴口 ２２ 渦流室 ２３ セラミック口金 ２５ シリンダヘッド ２６ シリンダブロック ２８ 取付部 ２２１ 上部渦流室 ２２２ 下部渦流室 Ｃ 主燃焼室

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリンダヘッドの下面で且つシリンダ内に
   形成される主燃焼室に対応する位置に陥設されドーム状
   の上部渦流室及び同上部渦流室に連設され上記上部渦流
   室よりも大径の円筒状の内壁面で形成された取付部から
   なる渦流室用凹部、上記取付部に圧入され上面に陥設さ
   れた逆台形錐状の下部渦流室及び同下部渦流室と上記主
   燃焼室とを連通する噴口を有するセラミック製の口金を
   備え、上記取付部に対する上記口金の常温での圧入時の
   締代を５〜７０μｍとしたことを特徴とする渦流室構
   造。