JPS5912119A - 内燃機関の燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ピストンの上死点時にピストン頂面とシリン
ダヘッド壁面との間の一部に小間隙のスキッシュエリア
が形成されるようにした内燃機関−１− の燃焼室構造の改良に関するものである。

従来より、レシプロ方式の燃焼室構造として、上死点位
置にあるピストンの頂面とシリンダヘッド壁面との間に
、上記ピストン頂面またはシリンダヘッド壁面の一部を
凹陥させてなる燃焼室と小間隙のスキッシュエリアとを
形成して、圧縮行程でのピストンの上昇運動を利用して
スキッシュエリアのガスを燃焼室に向けて圧出させてい
わゆるスキッシュ流を発生させ、このスキッシュｉＫよ
り燃焼室内のガスの流速を増大させて燃焼速度を速め、
燃焼安定性や燃焼効率の向上等を図るようにしたものは
広く知られている。

そして、このようなスキッシュ流を効果的に発生させる
ようにした燃焼室構造として、従来、例えば特公昭５３
−３６０８６号公報に開示されているように、燃焼室を
形成する凹陥部の開口端周縁を所定半径の丸味を持った
滑らかな形状にすることにより、スキッシュ流をスムー
ズに燃焼室に導くようにしたものや、あるいは特開昭５
３−６２０１０号公報に開示されているように、スキツ
シュエリアを形成する壁面（シリンダヘッド壁面または
ピストン頂面）に、スキッシュエリアの間隙が円周方向
に清いなから燃焼室に向けてテーパ状に増大するように
傾斜状のスキッシュ流旋回流路を形成することにより、
該旋回流路によりスキッシュ流を強制的に旋回させなが
ら燃焼室に向かうように方向付けして燃焼室でのガス流
速を速めるようにしたもの等が提案されている。

ところで、このようなスキッシュ流を発生させる場合、
スキッシュエリア外周部（燃焼室から離れた部分）の間
隙を可及的に小さく、望ましくは零にすればスキッシュ
流の流速が速まってその効果を十二分に発揮できること
が知られている。しかしながら、上記従来のものでは、
何れも、製作誤差や熱膨張差の点でスキッシュエリア外
周部の間隙を実質的に零にすることは困難であり、それ
故、実際にはスキッシュ流は弱くその効果はあまり期待
できないものであった。

また、上記従来のもののうち後者（スキッシュ流旋回流
路を設けるもの）の例では、スキッシュエリアの壁面を
直接加工してスキッシュ流旋回流路を形成しなければな
らず、製造工程が複雑になる問題があった。

ところで、本出願人は、前に、内燃機関の燃焼室を形成
するピストン外周面に、アルミニウムを含有する耐熱ポ
リエステル樹脂よりなる所定厚さの多孔質溶射層を形成
することにより、シリンダヘッド壁面とピストン頂面と
の間の間隙を実質的に零にして燃焼ガスのデッドボリュ
ームを低減させるようにしたものを提案している（特願
昭５６１’ｉ”７３５’７号明細書および図面参照）。

そこで、本発明はかかる諸点に鑑み、上記提案例での多
孔質溶射層と同種のものを用いて、スキッシュエリアの
間隙を外周部で小さく、燃焼室側部で大きくテーパ状に
形成することにより、強力なスキッシュ流の発生をスキ
ッシュエリア壁面への加工を要することなく簡単に実現
できるようにし、よってスキッシュ効果を実効あるもの
にすることを目的とするものである。

この目的を達成するために、本発明の構成は、」二死点
時のピストン頂面と該ピストンに対向するシリンダヘッ
ド壁面との間に、シリンダヘッド壁面またはピストン頂
面の一部を凹陥させてなる燃焼室と小間隙のスキッシュ
エリアとが形成されるようにした内燃機関において、上
記スキランユニリアを形成するシリンダヘッド壁面また
はピストン頂面に、軟質金属を含有する側熱合成樹脂よ
りなり適度の空孔を有する溶射層を、燃焼室に近づくに
したがってスキッシュエリアの間隙がテーパ状に増大す
るように形成することによｐ１上記多孔質溶射層の圧縮
変形能を利用してスキッシュエリア外周部の間隙を可及
的に小チ＜シ、かつそのテーパ状の間隙によってスキッ
シュ流を燃焼室側へ強制案内するようにしてスキッシュ
流の強さを増大させるようにしたものである。

以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明
する。

第１図ないし第３図は第１実施例を示し、１はエンジン
のシリンダ２を形成するシリンダブロック、６は上記シ
リンダ２内に往復動可能に嵌合されフラットな頂面を有
するピストン、４はシリンダブロック１の上面にガスケ
ット５を介して気密固定されたシリンダヘッドであって
、該シリンダヘッド４の壁面（シリンダ２に対応する面
）には該壁面を略楕円筒形状に凹陥させてなる凹陥部４
ａが形成されており、シリンダヘッド４壁面と上死点時
のピストン６頂面との間に、上記凹陥部４ａおよび該凹
陥部４ａに対応するピストン頂面６で構成されるファイ
アボール型の燃焼室６と、シリンダヘッド４壁面の上記
凹陥部４ａ以外の部分およびそれに対応するピストン６
頂面で構成される小間隙のスキッシュエリア７とが形成
され、圧縮工程においてピストン６の上昇運動を利用し
てスキッシュエリア７にあるガス（吸入混合気）を燃焼
室６へ圧出させるようになされている。８は燃焼室６内
に混合気（吸気）を導入するためにシリンダヘッド４に
貫通形成された吸気ポート、９は該吸気ポート８の燃焼
室６への開口部を開閉する吸気弁、１０は燃焼室６内の
燃焼ガス（排気）をエンジン外部に排出するためにシリ
ンダヘッド４に貫通形成された排気ポート、１１は該排
気ポート１０の燃焼室６への開口部を開閉する排気弁で
ある。

さらに、上記スキッシュエリア７を形成するピストンＳ
頂面（第２凹点点部分）には溶射層１２か、スキッシュ
上９フフ０間隙（シリンダヘッド４壁面と溶射層１２表
面との間隙）が外周部では小さく、燃焼室６に近づくに
したがってテーパ状に増大するように傾斜状に形成され
ている。そして、該溶射層１２は、第３図に拡大詳示す
るように、アルミニウム、銅、その他アルミニウムに近
似した物性を有する金属等の軟質金属１２ａ、１２ａ＋
　　・・を含有する芳香族系環状ポリエステル樹脂等の
耐熱合成樹脂１２ｂ、１２１）、　　・・よりなり、か
つその内部に適度の空孔１２（！、１２０．　　・・（
例えば空孔率４０〜５０チ）有する多孔質のものである
。

ここで、上記溶射層１２の作成方法について説明するに
、例えば、予めワーク表面（スキッシュエリア７に対応
するピストン６頂面）をプラスト処理したのち洗浄して
凹凸状態にしておき、この凹凸表面に対して軟質金属粉
末と耐熱合成樹脂粉末との混合物を約３０００℃のプラ
ズマ温度のもとてプラズマ溶射することにより、溶射と
同時に自然に空孔１２Ｃ，１２０，・・が発生して多孔
質溶射層１２が形成される。そして、この溶射層１２を
その層厚を変化させて傾斜状に形成するには、溶射ノズ
ルの吹出方向を操作することによって大略の形状を形成
し、さらにグラインダ等で修正することにより正確に傾
斜状に形成することができる。

その場合、溶射ノズルとワーク表面との距離は適度の空
孔率（４０〜５０％）を得るために３００〜５００ｍ、
程度が好適である。

また、金属および合成樹脂の各粉末の粒径は共に１０μ
〜５０μ程度が好ましい。この粒径以外では両粉末成分
の混合が均一に行われず、溶射層１２での各成分の分布
が不均一になって必要な特性が得られなくなるからであ
る。

さらに、軟質金属と耐熱合成樹脂との混合割合は、合成
樹脂成分が］０重量％未満であったり、または９０重量
％を越えると、目的とする特性が得られないので、１０
〜９０重量％の範囲が利用可能であり、そのうち４０〜
６０重量％が最適である。したがって軟質金属の混合割
合は９０〜１０重量％、好ましくは６０〜４０重量％に
設定される。尚、合成樹脂の混合割合が増えると空孔率
が増加する傾向がある。

そして、このようにして形成された多孔質溶射層１２は
、例えば合成樹脂成分が６０重量％（金属成分が４０重
量％）で空孔率が５０チである場合、約４００￥Ｊの加
圧力で加圧すると加圧方向と直交する方向にはみ出すこ
となく層厚の３０〜４０係が潰れて圧縮変形するという
特性（圧縮変形能）を有する。また、このように加圧後
も空孔１２Ｃ，１２０，・・が残存して潰れ率が適度な
範囲にあれば、ワーク表面に強固に溶着して良好な耐剥
離性を有する。さらに、この溶射層１２は比較的軟かく
、例えばグラインダやナイフ等の簡単な切削加工により
容易に削除あるいは形状修正が可能である。

したがって、上記実施例においては、スキッシュエリア
７を形成するピストン６頂而に圧縮変形能を有する多孔
質溶射層１２が傾斜状に形成されているため、エンジン
の組立て後の運転開始時、あるいは通常の運転状態にお
いて熱膨張によりピストン６頂而とシリンダヘッド４壁
面との間隙が減少変化したとしても、ピストン６の上死
点時にピストン６頂面とシリンダヘッド４壁面とが直接
金属接触することはなく、スキッシュエリアフ外周部分
の多孔質溶射層１２のみがシリンダヘッド４壁而に衝突
して該壁面通りの形状に変形し壁面に密接する。このこ
とにより、スキッシュエリア７の外周部における間隙は
実質的に零と極めて小さくなり、その結果、圧縮行程に
おいてスキッシュエリアフ外周部のガスは該外周部から
中央部（燃焼室６側部）へ確実に押し出される。そして
、この外周部から押し出されたスキッシュガスは、スキ
ッシュエリア７の間隙が外周部から燃焼室６に近づくに
したがって増大するようにテーパ状に拡開しているため
に、引き続いてテーパ状の間隙を燃焼室乙に向かうよう
に方向伺けされて該燃焼室６へ圧出される。このような
スキッシュエリア７外周部でのスキッシュガスの押出し
とその燃焼室６への方向付けとの相乗的な効果によって
燃焼室６へ圧出されるスキッシュ流の流速が著しく速め
られその勢いは強力なものとなり、よって燃焼室６での
ガス流動の増大によって燃焼速度を速めて完全燃焼させ
ることができ、ＨＣの低減、燃費および燃焼安定性の向
上を図ることができる。

また、上記溶射層１２によってスキッシュエリア７の間
隙が燃焼室６側で大きく、外周部にしたがって小さくな
るようにテーパ状に設けられているため、圧縮行程後の
爆発膨張行程でのピストン５下降時に、燃焼室６の着火
燃焼ガスがスムーズに小間隙のスキランユニリア７に逆
流して該スキラフユニリア７の未燃ガスを完全燃焼塾せ
ることができ、よってＨＣをより一層低減させることが
できる。

さらに、溶射層１２がその内部の空孔１２Ｃ１１２Ｃ１
・・によって断熱効果を有するため、該溶射層１２が厚
く設けられたスキッシュエリア７外周部での保温性は高
く、一方、溶射層１２が設けられていたい燃焼室６での
保温性は低くなっている。それ故スキッシュエリア７外
周部の温度を高温度に保ってガスの燃焼性を向−ヒさせ
ることができるとともに、燃焼室６の温度を低く保ち吸
気ボート８からの吸気の充填効率を増大させてエンジン
の出力を向上させることができる。

さらにまた、上記溶射層１２はフラットなピストン５頂
面に軟質金属粉末と耐熱合成樹脂粉末どの混合物を溶射
するだけで簡単に形成でき、従来の如くピストン頂面を
直接加工する必要はなく、よって容易に製造実施するこ
とができる。

第４図および第５図は第２実施例を示しく尚、第１図お
よび第２図と同じ部分については同じ符号を符してその
詳細な説明は省略する）、例えば直接噴射式ディーゼル
エンジンの燃焼室構造のようにピストン頂面を凹陥させ
て燃焼室を形成するようにした燃焼室構造に適用したも
のである。

すなわち、本実施例では、シリンダヘッド４′の壁面は
フラットに形成され、一方ピストン６′の頂面略中央部
には断■円形状の凹陥部６′ａか形成されており、該凹
陥部３′ａと凹陥部５Ｊａに対応するシリンダヘッド４
′壁面との間に燃焼室６′が、また凹陥部３１ａ以外の
ピストン６′頂而と該頂面に対応するシリンダヘッド４
′壁面との間にスキッシュエリア７′がそれぞれ形成さ
れている。そして、上記スキッシュエリア７′に上記第
１実施例と同じ構成の多孔質溶射層１２が、燃焼室６′
に近づくにしたかつてスキッシュエリア７′の間隙がテ
ーパ状に増大するように形成されている。

したがって、本実施例でも、上記第１実施例と同様の作
用効果を奏することができる。

また、第６図および第７図は第３実施例を示しく同じく
、第１図および第２図と同じ部分については同じ符号を
符して詳細な説明を省略する）、スキッシュ流を燃焼室
での吸気スワールと同じ方向に旋回させるようにしたも
のである。

すなわち、本実施例では、シリンダブロック１、−　１
３　− シリンダ２、シリンダヘッド４、ピストン６等は上記第
１実施例のものと同様に構成されている。

そして、スキッシュエリア７におけるピストン６頂面に
は多孔質溶射層１２が一定層厚に形成され、該溶射層１
２には、その一部表面を各々燃焼室乙に近づくにしたが
ってスキッシュ上９フフ０間隙がテーパ状に増大するよ
うに削除してなる例えば３つのガイド溝部１２（１，１
２ｄ、、　　・・（第７図で密な黒点部分）が設けられ
、該各ガイド溝部１２ｄは、スキッシュ流を、吸気ポー
１−８形状等によって吸気行程中に燃焼室６内に生じる
吸気スワールの旋回方向（第７図で破線矢印にて示す方
向）と同じ方向にガイドするように燃焼室６の中心から
オフセットした形状に形成されている。

したがって、本実施例においては、圧縮行程でのピスト
ン６上昇時、スキッシュエリア７のガスが第７図実線矢
印にて示すようにピストン６頂面の３つのガイド溝部１
２ｄ、１２Ｃ１，・・で案内されながら燃焼室乙に圧出
されて、同図破線矢印にて示す方向に旋回する吸気スワ
ールを加速するたヘハ　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　−１４−め、燃焼室乙のガス流動が強力に行わ
れて燃焼速度をより一層速めることができる利点を有す
る。

さらにまた、第８図および第９図は第４実施例を示しく
第４図ないし第５図と同じ部分については同じ符号を付
してその詳細な説明を省略する）、−ト記第２実施例と
同様の燃焼室構造を有するエンジンにおいて、上記第３
実施例と同様にしてスキッシュ流を燃焼室６′の吸気ス
ワールを加速するように方向付けしたものであり、上記
第３実施例と同様の作用効果を奏する。

尚、上記第３および第４実施例において、第７図および
第９図中の相な黒点部分を一定層厚の溶射層１２とし、
密な黒点部分をテーパ状のガイド溝部１２ｄとしたが、
逆に、密な黒点部分を一定層厚の溶射層とし、粗な黒点
部分をテーパ状のガイド溝部としてもよく、同様の作用
効果を得ることができる。

また、上記第１ないし第４実施例では、スキッシュエリ
ア７，７′を形成するピストン５．５’頂而をフラット
な面にして該頂面上に形成される溶射層１２（第３およ
び第４実施例では各ガイド溝部１２ｄ）を傾斜状に形成
することにより、スキツノユニリア７，７′の間隙をテ
ーパ状に設けたが、第１０図に示す第５実施例のように
、スキッシュエリア７′を形成するピストン６“頂面を
燃焼室６′に向かって下降する傾斜面とし、該傾斜した
ピストン６１頂而に一定層厚の多孔質溶射層１２を形成
することにより、スキッシュエリア７′の間隙をテーパ
状に設けてもよい。しかし、製作加工性の点でト記第１
ないし第４実施例の方が好ましい。

さらに、上記各実施例では、多孔質溶射層１２をピスト
ン５．　５’、　　５’頂面に形成したが、シリンダヘ
ッド４，４′壁面に形成してもよいのは勿論のことであ
る。

以上説明したように、本発明によれば、圧縮行程で燃焼
室内のガスにスキッシュ流を与えるようにした内燃機関
において、スキッシュエリアを形成するシリンダヘッド
壁面またはピストン頂面に、軟質金属を含有する耐熱合
成樹脂よりなる多孔質溶射層を、スキツノユニリアの間
隙が燃焼室側に向ってテーパ状に増大するように形成し
たものであるので、多孔質溶射層の圧縮変形能によって
スキッシュエリア外周部の間隙を可及的に小さくし、か
つテーパ状の間隙によってスキッシュ流を燃焼室側に方
向付けして、スキッシュ流の強さを有効に増大させるこ
とができ、よってスキッシュ効果によるＨＣの低減、燃
費および燃焼安定性の向上を簡易に実現することができ
る。また、上記多孔質溶射層の断熱効果によりスキッシ
ュエリア外周部を高温度に保持して燃焼性を高めるとと
もに溶射層のない燃焼室は低温度に保持して吸気の充填
効率を高めることができるので、ＨＣのより一層の低減
および出力の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すもので、第１図ないし第３
図は第１実施例を示し、第１１図は縦断面図、第２図は
ピストンの平面図、第３図は要部拡大説明図、第４図お
よび第５図はそれぞれ第２実施例を示す第１図および第
２図相当図、第６図および第７図はそれぞれ第３実施例
を示す第１図および第２図相当図、第８図および第９図
はそれぞれ第４実施例を示す第１図および第２図相当図
、第１０図は第５実施例を示す第４図相当図である。 １・・シリンダブロック、２・・シリンダ％　！＋１　
　！ｌ’ＩＳ″・・ピストン、４．４’・・シリンダヘ
ッド、６．６’・・燃焼室、７，７′・・スキッシュエ
リア、１２・・溶射層、１２ａ・・軟質金属、１２ｂ・
・耐熱合成樹脂、１２Ｃ・・空孔、１２ｄ・・ガイド溝
部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）上死点時のピストン頂面と該ピストンに対向する
   シリンダヘッド壁面との間に、シリンダヘッド壁面また
   はピストン頂面の一部を凹陥させてなる燃焼室と小間隙
   のスキッシュエリアとが形成されるようにした内燃機関
   において、上記スキッシュエリアを形成するシリンダヘ
   ッド壁面またはピストン頂面に、燃焼室に近づくにした
   がってスキッシュエリアの間隙がテーパ状に増大するよ
   うに、軟質金属を含有する側熱合成樹脂よりなり適度の
   空孔を有する溶射層が形成されていることを特徴とする
   内燃機関の燃焼室構造。