JPH0842345A - 副室を持つピストンの構造 - Google Patents

副室を持つピストンの構造

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JPH0842345A
JPH0842345A JP6197813A JP19781394A JPH0842345A JP H0842345 A JPH0842345 A JP H0842345A JP 6197813 A JP6197813 A JP 6197813A JP 19781394 A JP19781394 A JP 19781394A JP H0842345 A JPH0842345 A JP H0842345A
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piston
heat
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sub chamber
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Akira Tono
晃 東野
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Isuzu Motors Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 副室を持つピストンの構造において、副室を
２つの部材で作製し、副室上部を熱を逃がす構造に、副
室下部を遮熱構造に構成する。 【構成】 この副室を持つピストンの構造は、大径部
６、小径部７及び段部８から成るキャビティ５を金属か
ら成るピストンヘッド部３のほぼ中心に形成する。副室
２を構成する耐熱材から成る副室構造体１０を小径部７
内に遮熱空気層９を介して配置し、副室構造体１０をピ
ストンヘッド部３に固定する。低熱伝導材から成るピス
トン頂部１５は段部８に配置され大径部６に溶接２０で
嵌入接合されている。ノズル挿入孔１６と連絡孔１７と
の壁面を構成する耐熱材から成る耐熱部材１４は、ピス
トン頂部１５と副室構造体１０の間に配置してピストン
ヘッド部３に固定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、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燃焼方式
と、直接噴射式燃焼方式がある。一般に、小型エンジン
では、エンジン音の静粛さとＮＯX 、スモーク等の排気
ガスの低減から副室式燃焼方式が使用されることが多
く、また、大型エンジンでは、燃費の良さ、耐久性から
直接噴射式燃焼方式が使用されている。
【０００３】また、本出願人の出願に係る特願平５−４
６１７５号に開示された副室式エンジンは、ピストンヘ
ッドに形成される副燃焼室、シリンダ側に形成される主
燃焼室、該主燃焼室と前記副燃焼室とを連通する前記ピ
ストンヘッドに形成した連絡口及び前記副燃焼室内に燃
料を噴射する燃料噴射ノズルを有する副室式エンジンに
おいて、前記燃料噴射ノズルはシリンダヘッドに配置さ
れ且つピストン上死点近傍で前記ピストンヘッドに形成
した中央連絡口に突入でき、前記連絡口は前記副燃焼室
中心から偏心した周方向に隔置して複数形成され且つシ
リンダ軸に対して前記副燃焼室への流入方向が前記主燃
焼室のスワール流と逆方向に周方向斜めに形成され且つ
前記副燃焼室から前記主燃焼室への噴き出し方向が前記
主燃焼室のスワール流に順流方向に形成されているもの
である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】一般に、副室での燃焼
温度は高温であるため、ＮＯX 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、連通孔による絞り損失を低減させる
ためには、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。
【０００５】また、副室燃焼方式のエンジンは、直接噴
射式エンジンに比べ、燃費が悪いとされており、これ
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
になり、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。即ち、渦流室式エンジンでは、副室
と主室とを連通する連絡口が小さいので、該連絡口によ
る絞り損失が発生し、エンジンフリクションを増大さ
せ、エンジン出力を低減する原因になる。また、一般
に、主室と副室とを連通する連絡口は、シリンダ周辺部
に設けられているので、噴流の到達しなければならない
距離が長くなり、主室での空気との混合が不十分にな
り、ＨＣ、スモークの発生原因になる。
【０００６】副室式エンジンにおいて、副室をシリンダ
中心に設け、シリンダ側の主室と副室とを連通する連絡
孔を複数個設け、副室から連絡孔を通じて主室へ噴出す
るエネルギーを低減することなく、連絡孔の全体の通路
断面積を大きくして連絡孔による絞り損失を低減するこ
とが考えられる。しかしながら、副室をシリンダヘッド
のシリンダのほぼ中央部に形成すると、吸排気ポートの
形成する領域が小さくなるという問題がある。この点を
解決するため、副室式エンジンにおいて、ピストンに副
室を構成することが考えられる。ピストンに副室を設け
た場合には、副室を構成する表面積の増加分だけ放熱量
が多くなることから、ラジエータ容量を従来のエンジン
と同等にするためには、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、燃焼の悪化が予測される。
【０００７】この発明の目的は、上記の課題を解決する
ことであり、副室をピストン側に形成してシリンダヘッ
ドをシンプルな構造にし、吸排気ポートを大きく形成し
たり、吸排気ポートをそれぞれ複数個形成することを可
能にし、特に、副室を形成する壁体を副室下部を形成す
る副室構造体と副室上部を形成するピストン頂部との２
つの部材で構成し、副室上部を構成するピストン頂部か
らピストンヘッド部へ熱を逃がして可及的に低温にする
構造にし、吸入効率を向上させると共に燃費を向上さ
せ、副室下部を構成する副室構造体を遮熱する構造にし
て遮熱効果をアップしてラジエータ容量の増大を防止
し、更にピストン頂部に形成された連絡孔部の低温化に
よって耐久性を向上させた副室を持つピストンの構造を
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、上部の大径部、下部の小径部及び前記大径部と
前記小径部との境界部の段部から成るキャビティを金属
から成るピストンヘッド部のほぼ中心に形成し、シリン
ダのほぼ中心に位置する遮熱構造の副室を形成するため
前記キャビティの前記小径部内に遮熱空気層を介して配
置した耐熱材から成る薄肉の副室構造体を前記ピストン
ヘッド部に固定し、低熱伝導材から成るピストン頂部を
前記キャビティの前記大径部に嵌入接合して前記段部に
配置し、前記ピストン頂部に形成されるノズル挿入孔と
連絡孔との壁面を構成する耐熱材から成る耐熱部材を前
記ピストンヘッド部に固定したことを特徴とする副室を
持つピストンの構造に関する。
【０００９】また、この副室を持つピストンの構造にお
いて、前記耐熱部材と前記ピストン頂部との境界には遮
熱空気層が形成され、前記耐熱部材の熱容量を低減して
いるものである。また、前記耐熱部材の下端面と前記副
室構造体の上端面とは当接し、前記副室は前記耐熱部材
と前記副室構造体との内壁面で囲まれる空間に形成され
ている。
【００１０】
【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、遮熱構造の副室を形成
するため金属から成るピストンヘッド部にキャビティを
形成し、前記キャビティの小径部内に遮熱空気層を介し
て耐熱材から成る薄肉の副室構造体を配置し、低熱伝導
材から成るピストン頂部を前記キャビティの大径部に嵌
入接合し、前記ピストン頂部に形成されるノズル挿入孔
と連絡孔との壁面を耐熱材から成る耐熱部材で構成した
ので、前記副室構造体で構成される副室下部は遮熱構造
に構成され、前記ピストン頂部が前記大径部に嵌入接合
して前記ピストン頂部から前記ピストンヘッド部への熱
が逃げる構造に構成される。従って、前記ピストン頂部
が可及的に低温にされて吸入効率が向上し、燃費が向上
する。また、前記副室下部を構成する前記副室構造体が
遮熱構造に構成されているので、ラジエータ容量の増大
を防止でき、連絡孔部の低温化によって耐久性を向上で
きる。
【００１１】また、この副室を持つピストンの構造で
は、前記副室がピストンの中央に位置するため、連絡孔
からの噴流の到達距離が短く、燃焼時間が短くなって性
能が向上する。また、前記燃焼室からの噴流の到達距離
が短くて済むため、前記連絡孔の通路面積を大きく形成
でき、絞り損失を低減でき効率を向上できる。
【００１２】
【実施例】以下、図面を参照して、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に
おけるピストンの上面図である。
【００１３】この副室を持つピストンの構造を組み込ん
だ副室式エンジンは、図示していないが、鋳鉄、アルミ
ニウム合金等の金属材料から成るシリンダを構成するシ
リンダブロック、該シリンダブロックにガスケットを介
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
るシリンダヘッドを有する。シリンダブロックは、エン
ジンの気筒数に対応するシリンダが形成されている。シ
リンダヘッドには、エンジンの気筒数に対応即ちシリン
ダに対応する吸排気ポートが形成され、該吸排気ポート
には吸排気弁が配置されている。シリンダブロックに形
成されたシリンダには、ピストン１が往復運動するよう
に組み込まれている。主室は、シリンダヘッド下面とピ
ストン頂面との間のシリンダ側に形成されている。
【００１４】この副室を持つピストンの構造は、シリン
ダ内を往復運動するピストン１に副室２を形成したもの
であり、燃料噴射ノズルから液体燃料を副室２内に噴射
して燃焼させるディーゼルエンジンに適用できるもので
ある。ピストン１は、アルミニウム合金等の金属から成
るピストンヘッド部３とピストンスカート部４とから構
成されている。ピストンヘッド部３には、ピストン１の
ほぼ中心に副室２を形成するためのキャビティ５が形成
されている。キャビティ５は、上部の大径部６、下部の
小径部７及び大径部６と小径部７との境界部の段部８か
ら構成されている。また、ピストンヘッド部３に形成さ
れるピストンリング溝２３の領域はニレジスト等の耐熱
部材２４で構成され、耐熱部材２４と副室構造体１０と
の間には空気層２２が形成され、副室２の遮熱性をアッ
プしている。
【００１５】キャビティ５の小径部７には、シリンダの
ほぼ中心に位置する遮熱構造の副室２を形成するため、
遮熱空気層９を介して耐熱材から成る薄肉の副室構造体
１０が配置されている。副室構造体１０はその底部に取
付軸部１１を有し、取付軸部１１はピストンヘッド部３
に形成した取付孔１３に挿入され、取付軸部１１にナッ
ト１２を螺入することによって、副室構造体１０がピス
トンヘッド部３に固定されている。副室構造体１０は、
薄肉に形成されており、副室構造体１０とピストンヘッ
ド部３との間には、僅かな支持部を除いては遮熱空気層
９が形成されており、薄肉の副室構造体１０と遮熱空気
層９とによって、副室２の遮熱度がアップされると共に
副室構造体１０の熱容量が低減される。
【００１６】また、ピストンヘッド部３において、ピス
トン頂部１５がキャビティ５の大径部６に嵌入接合して
段部８に配置されている。ピストンヘッド部３には、シ
リンダのほぼ中央に位置する副室２が形成されている。
ピストン頂部１５には、副室２の中央に位置するノズル
挿入孔１６及びノズル挿入孔１６の回りの周方向に隔置
した複数個（図２では８個）の連絡孔１７が形成されて
いる。連絡孔１７は、ノズル挿入孔１６の回りの周方向
にシリンダ周辺側に向かって傾斜方向に形成されてい
る。
【００１７】この副室を持つピストンの構造において、
ピストン頂部１５の外周面とキャビティ５の大径部６の
内周面とは溶接２０等で結合されている。ピストン頂部
１５は、ＳｉＣウィスカーで強化されたＡＣ８Ａ（Ａｌ
合金）等の低熱伝導材から作製されている。ピストン頂
部１５がピストンヘッド部３に溶接２０等で嵌入結合さ
れることによって、ピストン頂部１５からピストンヘッ
ド部３への熱伝導が良好になり、ピストン頂部１５は低
温にされることになる。ピストン頂部１５にはノズル挿
入孔１６と連絡孔１７が形成されるが、ノズル挿入孔１
６と連絡孔１７との壁面は、インコロイ又はＳｉ3 Ｎ4
等の耐熱材から作製された耐熱部材１４で構成されてい
る。耐熱部材１４には、外周面にフランジ部１８が設け
られ、フランジ部１８はキャビティ５の段部８に配置さ
れている。耐熱部材１４はフランジ部１８を介してボル
ト１９によってピストンヘッド部３に固定されている。
また、耐熱部材１４とピストン頂部１５との境界には、
遮熱空気層２１が形成され、耐熱部材１４が遮熱構造に
構成され、それによって、耐熱部材１４の熱容量を低減
している。この副室を持つピストンの構造では、耐熱部
材１４の下端面２５と副室構造体１０の上端面２６とは
当接し、副室２は耐熱部材１４と副室構造体１０との内
壁面で囲まれる空間に形成されていることになる。
【００１８】図示していないが、この副室を持つピスト
ンの構造を適用する副室式エンジンについて、シリンダ
ヘッドには、シリンダ軸の中央部に配置された多噴孔を
備えた燃料噴射ノズルが固定され、燃料噴射ノズルの噴
孔部はシリンダヘッド下面から突出している。燃料噴射
ノズルは、ピストン１の上死点近傍でその噴孔部がノズ
ル挿入孔１６を貫通して副室２内へ突入でき、多噴孔か
ら副室２内に燃料を噴射できるものである。また、シリ
ンダヘッドには始動補助のためのグロープラグを配置す
ると共に、ピストン頂部１５にプラグ孔を形成し、上死
点近傍でグロープラグが副室２内に突入するように構成
することができる。
【００１９】この副室を持つピストンの構造では、連絡
孔１７は、ノズル挿入孔１６の回りに多数形成され、連
絡孔１７の通路面積は全周に分散して全体で大きく形成
され、連絡孔１７から噴出した火炎と混合気とは主室内
の空気と十分に混合することができる。即ち、主室と副
室２とを連通する連絡孔１７は、通路面積が合計で大面
積に構成することができ、絞り損失を低減でき出力の低
減はない。また、副室２がシリンダ中心軸線上に同心に
配置され、連絡孔１７が副室２の外周側面に形成されて
いるので、副室２から噴出した噴流が、連絡孔１７の通
路面積が大きくなって噴出エネルギーが小さくなり、到
達距離が短くなったとしても、該噴流は主室に存在する
空気と十分に短期に混合することができ、主室での燃焼
期間を短縮してＨＣ、スモークの発生を抑制できる。
【００２０】
【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、ピストンヘ
ッド部に形成されたキャビティに遮熱空気層を介して副
室構造体を配置し、キャビティの上部にノズル挿入孔と
連絡孔とを形成するピストン頂部を配置し、前記ノズル
挿入孔と前記連絡孔との壁面を耐熱部材で形成したの
で、副室下部を構成する前記副室構造体を遮熱構造に構
成でき、且つ前記ピストン頂部を熱を逃がす構造に構成
できる。従って、この副室を持つピストンの構造は、前
記ピストン頂部が高温になることがなく、しかも前記耐
熱部材の熱容量が小さくガス温度への追従性が良好であ
るので、吸入効率を向上させることができ、燃費を向上
させることができる。
【００２１】即ち、副室上部を構成する前記ピストン頂
部が前記ピストンヘッド部に溶接等で嵌入接合されるこ
とによって、両者の外周面を密接に接触した状態にな
り、前記ピストン頂部から前記ピストンヘッド部への熱
伝導が良好になり、前記ピストン頂部は低温にされるこ
とになる。また、副室は、前記副室構造体と前記耐熱部
材とで構成され、両者は薄肉に構成されて遮熱空気層が
形成されることによって副室下部の遮熱度はアップさ
れ、ラジエータ容量の増大を防止できる。また、前記副
室の遮熱効果をアップでき、前記副室からの熱エネルギ
ーの放熱を抑制でき、燃費を向上できる。
【００２２】また、この副室を持つピストンの構造は、
ピストンのほぼ中央に前記副室を形成し、前記副室で燃
料リッチで燃焼させてＮＯX の発生を低減できる。ピス
トンに形成した前記副室は遮熱構造に構成され、ピスト
ンの熱負荷を低減でき、前記副室から外部への熱放散を
防止でき、熱効率を向上させる。また、前記ピストンヘ
ッド部の中央部には、ピストン上死点近傍で燃料噴射ノ
ズルが突入できるノズル挿入孔を形成し、主室と前記副
室とを連通する複数個の連絡孔を前記ノズル挿入孔の周
囲に隔置して形成したので、前記副室が前記ピストンの
中央に位置し、前記連絡孔からの噴流の到達距離が短
く、燃焼時間が短くなってシリンダ周辺の新気との混合
を促進して性能が向上する。また、前記副室からの噴流
の到達距離が短くて済むため、前記連絡孔の通路面積を
合計で全体として大きく形成でき、絞り損失を低減でき
効率を向上できる。従って、この副室を持つピストンの
構造は、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、ＮＯX の発生を抑制でき、前記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、Ｎ
ＯX 、ＨＣ、スモークの発生を抑制できる燃焼を行わせ
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の副室を持つピストンの構造におけるピス
トンの上面図である。
【符号の説明】
１ ピストン ２ 副室 ３ ピストンヘッド部 ４ ピストンスカート部 ５ キャビティ ６ 大径部 ７ 小径部 ８ 段部 ９，２１，２２ 遮熱空気層 １０ 副室構造体 １４ 耐熱部材 １５ ピストン頂部 １６ ノズル挿入孔 １７ 連絡孔 ２０ 溶接 ２５ 耐熱部材の下端面 ２６ 副室構造体の上端面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｆ 3/00 ３０２ Ｚ 3/26 Ａ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 上部の大径部、下部の小径部及び前記大
    径部と前記小径部との境界部の段部から成るキャビティ
    を金属から成るピストンヘッド部のほぼ中心に形成し、
    シリンダのほぼ中心に位置する遮熱構造の副室を形成す
    るため前記キャビティの前記小径部内に遮熱空気層を介
    して配置した耐熱材から成る薄肉の副室構造体を前記ピ
    ストンヘッド部に固定し、低熱伝導材から成るピストン
    頂部を前記キャビティの前記大径部に嵌入接合して前記
    段部に配置し、ノズル挿入孔と連絡孔との壁面を構成す
    る耐熱材から成る耐熱部材を前記ピストン頂部と前記副
    室構造体との間で前記ピストンヘッド部に固定したこと
    を特徴とする副室を持つピストンの構造。
  2. 【請求項２】 前記耐熱部材と前記ピストン頂部との境
    界には遮熱空気層が形成され、前記耐熱部材の熱容量を
    低減し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。
  3. 【請求項３】 前記耐熱部材の下端面と前記副室構造体
    の上端面とは当接し、前記副室は前記耐熱部材と前記副
    室構造体との内壁面で囲まれる空間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。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111550325A (zh) * 2020-05-29 2020-08-18 滨州渤海活塞有限公司 一种高强化轻量化内燃机活塞

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