JPH07332092A

JPH07332092A - 副室を持つピストンの構造

Info

Publication number: JPH07332092A
Application number: JP6150596A
Authority: JP
Inventors: Akira Tono; 晃東野
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1994-06-09
Filing date: 1994-06-09
Publication date: 1995-12-19

Abstract

(57)【要約】【目的】この副室を持つピストンの構造は、ピストン
のキャビティに副室上部と副室下部とから成る副室構造
体を配設し、吸入効率を向上させると共に、副室の遮熱
度をアップし、燃費を向上させる。【構成】この副室を持つピストンの構造は、ピストン
３のほぼシリンダ中央に形成したキャビティ８に副室２
を構成する副室構体４を配置する。副室構造体４は、副
室２の頂部を形成する耐熱材から成る副室上部５と副室
の周囲部と底部を構成する耐熱鋼から成る副室下部６と
から構成する。副室上部５はキャビティ８に形成した段
部１５に支持されている。副室上部５には、副室２と主
室１とを連通する周方向に隔置した複数の連絡孔７を形
成する。副室下部６は、キャビティ８にその壁面との間
に遮熱空気層９を形成して配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ピストンに形成した
キャビティに副室を構成する副室構造体を配置した副室
を持つピストンの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ディーゼルエンジンの燃焼方式と
しては、副室式燃焼方式に代表される渦流室式即ちスワ
ールチャンバと直接噴射式燃焼方式が知られている。一
般に、小型エンジンでは、その静粛性と排気ガス即ちＮ
Ｏ_X、スモークの発生抑制の点から、副室式燃焼方式が
用いられることが多い。また、大型エンジンでは、燃費
の良さ、耐久性の点から直接噴射式燃焼方式が用いられ
ている。

【０００３】また、副室式燃焼方式のエンジンは、直接
噴射式燃焼方式のエンジンに比較して燃費が悪いとされ
ており、この理由は、副室式エンジンの混合気生成が連
絡孔から流入する空気流動エネルギーにより行うこと、
及び主室に噴出した混合気が主室全体に拡がるためには
シリンダ径を混合気が横切る必要があることから、連絡
孔の絞りが必要となり、この絞り損失により燃費の悪化
を起こしていると考えられている。そこで、副室をピス
トン側のシリンダ中心軸上に設け、連絡孔を大きくし、
絞り損失を低減させる構造も開発されている。

【０００４】また、実開昭６０−１００５２８号公報に
は、直接噴射式ディーゼルエンジン用ピストンが開示さ
れている。該ピストンは、ピストン頂部に穿設された燃
焼室の開口部に、この開口部を閉塞する閉塞部材を設
け、前記燃焼室内に渦流を発生させる方向に向かい、燃
料噴射ノズルから噴射される燃料の噴射方向と略平行に
前記燃焼室とシリンダ室とを連通する燃料噴射通路を前
記閉塞部材に設けたものである。

【０００５】また、特開昭５５−１４６２２９号公報に
は、筒内燃料噴射機関が開示されている。該筒内燃料噴
射機関は、ピストン頂部及びシリンダヘッドの燃焼室構
成内壁部に燃料蒸発促進手段を設け、筒内に噴射する燃
料の少なくとも一部を燃料蒸発促進手段に向かって供給
するように構成したものであり、蒸発を促進するため、
ピストンの凹部内壁内方に空洞部を形成し、ピストンの
裏側に作用する冷却オイルの冷却作用を避けてピストン
凹部内壁の表面温度を高くしたものである。

【０００６】また、実開昭５７−６９９２２号公報に
は、直噴式内燃機関のピストンが開示されている。該ピ
ストンは、ピストン本体の燃焼室の開口部に口金を固着
したものであり、口金とピストン本体との接触面に複数
の溝条の空気層を形成したものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ディーゼル
エンジンの燃焼室は、近年、排気ガス規制が厳しくな
り、種々のものが開発されている。燃焼室については、
燃費を良くするためには、オープンチャンバが多く用い
られている。ディーゼルエンジンのオープンチャンバ
は、燃料を高圧力の燃料噴射ポンプを用いて均一に燃焼
室に分散させ、燃焼を速めて爆発力を高め、エンジン性
能の向上を図っている。ところが、オープンチャンバで
は、燃焼室の内部の空気密度が大きく、噴霧周辺の空気
温度が高くなり、ＮＯ_Xの発生が増大し、大きな問題と
なっている。

【０００８】一方、渦流室を副燃焼室とする副室式エン
ジンでは、燃焼が副室内で着火燃焼し、次いで副室から
連絡孔を通じて火炎、未燃混合気等のガスが主室に噴き
出し、主室で二次燃焼するという二段式燃焼が行われる
ので、ＮＯ_Xの発生が少なくなるというメリットがあ
る。しかしながら、副室式エンジンでは、燃焼期間が長
くなり、エンジン性能が低下するという問題がある。副
室式エンジンの性能低下は、次の理由が考えられる。即
ち、それらの理由として、副室式エンジンでは、（１）
副室がシリンダの周辺側に位置するため、副室から主室
へ噴き出される火炎、未燃混合気等のガスのシリンダ壁
面への到達が不均一になると共に、噴出期間が長く主室
での燃焼期間を短縮できないこと、（２）副室内での渦
流速が大きくなり、副室から外部への熱損失が大きくな
ること、（３）主室と副室とを連通する連絡孔の面積が
１．４％程度と小さいので、連絡孔による絞り損失が大
きくなり、出力が大きくならないこと等が考えられる。
また、副室式エンジンでは、燃焼室を主室と副室の２つ
に分割するので、燃焼室の表面積は直接噴射式燃焼室に
比較して大きくなる。また、熱伝達係数は、一般に、速
度即ち流速の０．８乗に比例する。また、副室式エンジ
ンは、連絡孔により絞りが与えられるので、流速が増加
し、熱伝達係数も大きくなる。

【０００９】また、ディーゼルエンジンの耐久性は、そ
のエンジン寿命が長いため、極めて重要な特性である。
従来より、ディーゼルエンジンの燃焼室を作製する場合
に、エンジンの耐久性の問題を解決するため、アルミニ
ウム合金に鋳鉄を鋳込んだり、アルミニウム合金の表面
を酸化処理し、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を生成したり、
アルミニウム合金にセラミック繊維を混入したりする燃
焼室作製方法が用いられた。

【００１０】そこで、この発明の目的は、上記の問題を
解決することであり、ピストンにほぼシリンダ中央に形
成したキャビティに副室を構成する副室構造体を配置
し、該副室構造体を副室上部と副室下部とで構成し、副
室上部を耐熱性に構成してキャビティ壁面に接触させて
ピストン本体への熱伝達を良好にし、吸入効率を向上さ
せ、副室下部を遮熱構造で且つ熱容量を小さく構成して
壁面温度の上昇を速やかにして始動性を改善し、遮熱構
造に構成した副室をシリンダ中央に設け、副室上部に主
室と副室とを連通する連絡孔を複数形成し、副室から連
絡孔を通じて主室へ火炎、未燃混合気等のガスをシリン
ダ周辺に向かって噴き出させて絞り損失を低減した副室
を持つピストンの構造を提供することである。

【００１１】

【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、シリンダ内を往復運動するほぼシリンダ中央の
キャビティに副室を構成する副室構造体を有するピスト
ンにおいて、前記副室構造体は前記副室の頂部を形成す
る耐熱材から成る副室上部と前記副室の周囲部と底部を
形成する耐熱鋼から成る副室下部とから構成され、前記
副室上部を前記キャビティに形成した段部に支持すると
共に前記副室上部にはシリンダ軸心の回りの周方向に隔
置した前記副室とシリンダ側とを連通する複数の連絡孔
が形成され、また前記副室下部は前記副室上部の下方で
前記キャビティにその壁面との間に遮熱空気層を形成し
て配置されていることを特徴とする副室を持つピストン
の構造に関する。

【００１２】また、このディーゼルエンジンの燃焼室構
造において、前記副室上部は前記ピストンに鋳込みによ
って周囲面が接触状態に配置され、また、前記副室下部
は前記ピストンに鋳込みによって周囲面及び底面に遮熱
空気層が形成される状態に配置されているものである。
更に、前記副室上部は、燃料噴射ノズルがピストン上死
点近傍で前記副室に突入できる中央挿入孔を備えてい
る。更に、前記副室下部は、前記副室上部に比較して薄
肉に形成されている。

【００１３】

【作用】この発明による副室を持つピストンの構造は、
上記のように構成され、次のように作用する。即ち、こ
の副室を持つピストンの構造は、副室構造体を耐熱材か
ら成る副室上部と耐熱鋼から成る副室下部とから構成し
たので、前記副室構造体をピストンのキャビティに容易
に組み込むことができ、副室下部の遮熱構造を良好に且
つ容易に構成できる。特に、この副室を持つピストンの
構造は、前記副室上部を熱を逃がす構造に構成し、且つ
前記副室下部を遮熱構造に構成したものである。具体的
には、前記副室上部を前記キャビティに形成した段部に
支持し、前記副室上部を耐熱性に構成してキャビティ壁
面に接触して配置したので、前記副室上部からピストン
本体への熱伝達を良好になり、ピストン頂面の高温化を
避けることができ、吸入効率を向上させることができ
る。また、前記副室下部を前記副室上部の下方で前記キ
ャビティにその壁面との間に遮熱空気層を形成して配置
したので、前記遮熱空気層とキャビティ壁面と前記副室
下部との接触面積を絞ることによって前記副室下部を遮
熱構造に構成でき、前記副室下部を薄肉に構成すること
によって、前記副室下部の熱容量を小さく構成すること
ができ、壁面温度の上昇を速やかにして始動性を改善す
ることができる。

【００１４】即ち、この副室を持つピストンの構造で
は、副室の表面積の増加分だけ副室から外部への放熱量
が多くなるから、ラジエータ容量を同等とするために
は、副室を遮熱する必要がある。しかしながら、副室全
体を遮熱すると、連絡孔を有する部分即ち前記副室上部
で構成されるピストン頂面の温度も高くなり、エンジン
の吸入効率が低下し、サイクル効率の低下、燃焼の悪化
が招くことになる。この現象を避けるために、この副室
を持つピストンの構造は、前記副室上部を熱を逃がす構
造に構成し、且つ前記副室下部を遮熱構造に構成したも
のである。

【００１５】また、前記副室下部を遮熱構造に構成し、
燃料噴射ノズルの多噴孔を通じて副室内に燃料を噴射す
るので、前記副室の遮熱性が良好であり、副室下部壁温
が高くなり、ＨＣ、スモーク等の排出が少ないと共に、
ＮＯ_Xの発生を低減できる。また、前記副室上部にシリ
ンダ軸心の回りの周方向に隔置した前記副室とシリンダ
側とを連通する複数の連絡孔を形成したので、前記副室
から前記連絡孔を通じてシリンダ側の主室へ火炎、未燃
混合気等のガスをシリンダ周辺に向かって噴き出させる
ことができ、全体として前記連絡孔の通路断面積が大き
くなり絞り損失を低減できる。また、前記副室から前記
主室へ噴き出される火炎、未燃混合気等のガスのシリン
ダ周辺への到達が均一に且つ到達距離が短くなって前記
主室での空気利用率をアップして火炎、未燃混合気等の
ガスと空気との混合を促進し、燃焼期間を短縮してエン
ジン性能を向上できる。

【００１６】

【実施例】以下、図１を参照して、この発明による副室
を持つピストンの構造の実施例を説明する。図１はこの
発明による副室を持つピストンの構造の一実施例を示す
断面図、及び図２は図１の副室を持つピストンの構造を
示す上面図である。

【００１７】この副室を持つピストンの構造は、ディー
ゼルエンジンに適用できるものである。このディーゼル
エンジンは、シリンダブロック１３に固定したシリンダ
ヘッド１２に取り付けた燃料噴射ノズル２１及びシリン
ダ１１内を往復運動するピストン３を有する。このディ
ーゼルエンジンは、ピストン３側に副室２を形成したも
のである。ピストン３は、シリンダ１１内を往復運動
し、アルミニウム合金等の金属で作製されたピストンス
カート部１８、ピストンスカート部１８と一体構造のピ
ストンヘッド部１７、及びピストンヘッド部１７に形成
されるキャビティ８内に配置されている副室構造体４か
ら構成されている。ピストン３には、ピストンリング２
２を装着するピストンリング溝２３が形成されている。
このディーゼルエンジンは、シリンダヘッド下面２４か
ら突出してシリンダヘッド１２側に配置された燃料噴射
ノズル２１と始動補助としてのグロープラグ（図示せ
ず）が設けられている。

【００１８】この実施例の副室を持つピストンの構造
は、シリンダ１１側に主室１が形成され、ピストン３の
ピストンヘッド部１７のほぼシリンダ中央部に形成され
たキャビティ８に副室２を構成する副室構造体４が配置
されている。副室構造体４は、副室２の頂部を形成する
耐熱材から成る副室上部５、及び副室２の周囲部と底部
を形成する耐熱鋼から成る副室下部６で構成されてい
る。副室下部６は、副室上部５に比較して薄肉に形成さ
れている。キャビティ８には段部１５が形成され、副室
上部５はキャビティ８の段部１５に支持されている。ま
た、副室下部６は、副室上部５の下方でキャビティ８に
その壁面との間に遮熱空気層９を形成した状態で配置さ
れている。副室上部５の下面と副室下部６の上面との間
には、隙間２５が形成されている。

【００１９】また、副室上部５は、例えば、ニレジスト
等の耐熱材で作製されている。ピストンスカート部１８
とピストンヘッド部１７とから成るピストン本体を作製
する鋳込む際に、副室上部５を鋳込みによってその周囲
面が接触状態にピストン本体に配置することができる。
また、この副室を持つピストンの構造において、副室上
部５には、シリンダ軸心の回りの周方向に隔置した副室
２とシリンダ１１側の主室１とを連通する複数の連絡孔
７が形成されている。また、副室上部５には、そのほぼ
中央に形成され且つシリンダヘッド１２に配置した燃料
噴射ノズル２１がピストン上死点近傍で副室２内に突入
できる中央挿入孔１０が形成されている。また、図示し
ていないが、副室上部５には、シリンダヘッド１２に配
置したグロープラグがピストン上死点近傍で副室２内に
突入できるプラグ孔２６が形成されている。副室上部５
には、そのほぼ中央に形成され且つ燃料噴射ノズル２１
がピストン上死点近傍で副室２に突入できる中央挿入孔
１０と、該中央挿入孔１０の周方向で隔置し且つシリン
ダ周辺側に傾斜して副室２と主室１とを連通する連絡孔
７とが形成されている。場合によっては、副室構造体４
に形成した連絡孔７の形成方向は、副室２中心から偏心
して形成することもできる。

【００２０】また、副室下部６は、例えば、ニレジス
ト、チタン系耐熱合金、窒化ケイ素、炭化ケイ素等の耐
熱材で作製されている。副室下部６は、その底部中央に
下方に延びる取付軸部１４を有しており、取付軸部１４
の副室下部付け根には絞り部１６が形成されている。副
室下部６は、副室上部５と同様に、鋳込みによってその
周囲面及び底面に遮熱空気層９が形成される状態に配置
されている。

【００２１】このディーゼルエンジンでは、主室１はピ
ストン頂面２０とシリンダヘッド下面２４とで形成され
るシリンダ１１内に形成されている。この副室を持つピ
ストンの構造において、複数の連絡孔７は、シリンダヘ
ッド下面に対してはシリンダ周辺側へ傾斜方向に開口
し、中央挿入孔１０の回りに均等な間隔に隔置して放射
方向に複数、例えば、６〜１０個（図２では８個）形成
され、副室２側の開口１９から主室１への火炎、未燃混
合気等のガスがシリンダ１１の周辺方向に向かって主室
１へ噴射されるように構成されている。また、連絡孔７
を挿入孔１０の回りに設けることによって、副室２から
主室１へ噴き出される火炎、未燃混合気等のガスのシリ
ンダ１１周辺までの到達距離が均等に短くなり、シリン
ダ１１周辺への到達時間が短縮される。また、燃料噴射
ノズル２１は、ピストン上死点近傍において、副室２内
に燃料を噴射する多噴孔２７を有している。燃料噴射ノ
ズル２１の多噴孔２７からは、副室２内に各種の燃料を
噴射できる。副室上部５には、シリンダヘッド１２側に
取り付けられたグロープラグがピストン上死点近傍で突
入するプラグ孔２６が形成されている。

【００２２】また、この副室を持つピストンの構造で
は、燃料噴射ノズル２１は、シリンダヘッド下面から下
方に延び、ピストン上死点近傍で挿入孔１０に突入して
副室２の中央に位置し、燃料噴射ノズル２１に設けた多
噴孔２７から副室２内に中央から副室下部６の内壁面２
８に向かって燃料を噴射するように、多噴孔２７が設定
されている。また、副室構造体４に形成された副室２
は、シリンダ１１の中央にほぼ位置しており、副室２と
主室１とを連通する連絡孔７は、副室上部５の外周部に
位置するように形成されている。

【００２３】この副室を持つピストンの構造は、上記の
ように構成したので、遮熱構造に構成されている副室下
部６がその壁面が高温になったとしても、吸気行程での
吸入効率を低下させることがない。即ち、この副室を持
つピストンの構造は、従来のピストン頂面を遮熱構造に
構成したもののように吸入効率が低下することがない。
副室下部６の肉厚を薄く構成し、その熱容量を減少させ
ることにより、燃焼室壁面温度の上昇が速やかに行える
構造として始動性の改善を図ることができる。

【００２４】また、この副室を持つピストンの構造につ
いて、副室２の表面積の増加分だけ副室２から外部への
放熱量が多くなるものである。そこで、副室構造体４の
表面積を低減することが遮熱度を向上させることにな
る。一般に、燃焼室からの放熱量即ち燃焼ガスから壁面
への入熱量Ｑは、次式のように表される。Ｑ＝（Ｔ_g−Ｔ_w）／〔（１／α_g・Ａ₁）＋Ｂ＋（１
／α_w・Ａ）〕Ｂ＝（ｘ₁／ｋ₁・Ａ₂）＋（ｘ₂／ｋ₂・Ａ₃）＋・
・・・但し、Ｔ_g：燃焼ガス温度、Ｔ_w：冷却水側の壁面温
度、Ａ：燃焼室表面積である。また、（１／α_g・
Ａ₁）は燃焼ガスと副室壁面の熱伝達係数であり、Ｂは
副室構造の熱伝導率による係数であり、また、（１／α
_w・Ａ）は冷却水等の熱伝達係数である。上記の式よ
り、副室構造体４の表面積が大きくなれば、放熱量も大
きくなることが分かる。

【００２５】この副室を持つピストンの構造は、上記の
ように構成されているので、次のような作用をすること
ができる。即ち、この副室を持つピストンの構造では、
吸気行程において吸気ポートを通じてシリンダ１１内に
導入された吸入空気は、圧縮行程で圧縮されると共に、
連絡孔７、挿入孔１０及びプラグ孔２６を通じて副室２
に導入される。圧縮上死点前近傍で燃料噴射ノズル２１
が挿入孔１０をほとんど閉鎖すると、連絡孔７を通じて
副室２に高圧縮された圧縮空気が更に導入される。この
状態で、燃料噴射ノズル２１の多噴孔２７から燃料が副
室２に噴射され、副室２で燃料と空気とが混合して燃料
リッチな状態で着火燃焼し、副室２での燃焼状態を燃料
リッチで燃焼させ、ＮＯ_Xの発生を抑制できる。次い
で、膨張行程へ移行して膨張行程初期では、燃料噴射ノ
ズル２１が挿入孔１０をほとんど閉鎖しているので、副
室２の火炎、未燃混合気等のガスは副室２から連絡孔７
を通じて主室１側へ噴出する。

【００２６】この時、主室１と副室２とを連通する連絡
孔７は、副室２の周方向に複数個形成されているので、
通路面積が連絡孔７の合計で全体として大きく形成で
き、しぼり損失を低減できる。更に、副室２をほぼピス
トン中央即ちシリンダ中央に形成し、副室２の外周から
連絡孔７を通じて主室１へ噴出する火炎、未燃混合気等
のガスは、連絡孔７を通じて火炎ジェット流となって主
室１に存在する新気を巻き込み、空気利用率を向上し、
混合燃焼が促進され、次いで、ピストン３が下降して燃
料噴射ノズル２１が挿通孔１０から抜け出て、挿入孔１
０が開放し、副室２から挿入孔１０を通じて主室１へ火
炎、未燃混合気等のガスが噴出し、主室１の中央に存在
する空気との混合を促進して燃焼スピードを速くして燃
焼期間を短縮でき、ＮＯ_X、ＨＣ、スモークの発生を抑
制した燃焼を行わせることができる。

【００２７】

【発明の効果】この発明による副室を持つピストンの構
造は、上記のように構成されており、次のような効果を
有する。この副室を持つピストンの構造は、ピストンに
形成したキャビティに副室上部と副室下部から成る副室
構造体を配置し、前記副室上部を熱を逃がす構造に構成
し、且つ前記副室下部を遮熱構造に構成したので、吸入
効率を低下させることなく、副室の遮熱度をアップで
き、始動性及び燃焼を悪化させることがなく、熱効率を
アップでき、燃費を向上させることができる。また、副
室の遮熱度をアップしたので、ラジエータの容量を増大
させることがなく、しかも、前記副室上部からピストン
本体への熱伝達をスムースで前記副室上部からの熱の放
散が良好であるので、ピストン頂面の高温化を避けるこ
とができ、吸入効率を向上させることができると共に、
主室と副室とを連通する連絡孔部分の低温化を達成して
耐久性を向上できる。

【００２８】また、前記副室下部を前記副室上部の下方
で前記キャビティにその壁面との間に遮熱空気層を形成
し、前記副室下部の外面とキャビティ壁面との接触面積
を低減して絞ることによって前記副室下部を遮熱構造に
構成でき、また、前記副室下部を薄肉に構成することに
よって、前記副室下部の熱容量を小さく構成することが
でき、壁面温度の上昇を速やかにして始動性を改善する
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ピストンの構造の一
実施例を示す断面図である。

【図２】図１のピストンの構造について、ピストン頂面
を示す上面図である。

【符号の説明】

１主室２副室３ピストン４副室構造体５副室上部６副室下部７連絡孔８キャビティ９遮熱空気層１０中央挿入孔１１シリンダ１２シリンダヘッド１５段部２０ピストン頂面２１燃料噴射ノズル２６プラグ孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダ内を往復運動するほぼシリンダ
中央のキャビティに副室を構成する副室構造体を有する
ピストンにおいて、前記副室構造体は前記副室の頂部を
形成する耐熱材から成る副室上部と前記副室の周囲部と
底部を形成する耐熱鋼から成る副室下部とから構成さ
れ、前記副室上部を前記キャビティに形成した段部に支
持すると共に前記副室上部にはシリンダ軸心の回りの周
方向に隔置した前記副室とシリンダ側とを連通する複数
の連絡孔が形成され、また前記副室下部は前記副室上部
の下方で前記キャビティにその壁面との間に遮熱空気層
を形成して配置されていることを特徴とする副室を持つ
ピストンの構造。
【請求項２】前記副室上部は前記ピストンに鋳込みに
よって周囲面が接触状態に配置されていることを特徴と
する請求項１に記載の副室を持つピストンの構造。
【請求項３】前記副室下部は前記ピストンに鋳込みに
よって周囲面及び底面に遮熱空気層が形成される状態に
配置されていることを特徴とする請求項１に記載の副室
を持つピストンの構造。
【請求項４】前記副室上部は燃料噴射ノズルがピスト
ン上死点近傍で前記副室に突入できる中央挿入孔を備え
ていることを特徴とする請求項１に記載の副室を持つピ
ストンの構造。
【請求項５】前記副室下部は前記副室上部に比較して
薄肉に形成されていることを特徴とする請求項１に記載
の副室を持つピストンの構造。