JPH0777105A - 副室を備えたピストンの構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、ピストン側に形成した副室の遮熱
度を向上させると共に、副室を構成する副室構造体の熱
容量を低減して始動性を向上させて白煙の発生を防止す
る副室を備えたピストンの構造を提供する。 【構成】 本発明は、キャビティ４を形成した高強度セ
ラミックス製ピストンヘッド本体１と、薄肉の壁体６で
形成されたピストン中央に位置する副室７、燃料噴射ノ
ズル２３が上死点近傍で突入する中央挿入孔２２及び副
室７の周辺部に放射方向に形成された副室７と主室８と
を連通する複数の連絡孔５を備えた耐熱性セラミックス
製副室構造体２と、ピストンヘッド本体１に副室構造体
２を固定した状態でキャビティ壁面１８と副室構造体２
の外壁面１７との間の全域に形成され且つ主室８と連通
する遮熱空気層９と、から構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ピストンヘッドに副
室を備えたピストンの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、エンジンの燃焼改善を目的として
渦流室を持つ渦流室式エンジンが開発されている。この
ような渦流室式エンジンは、シリンダヘッド又はピスト
ンヘッドに形成した渦流室、該渦流室とシリンダ側に形
成した主室とを連通する連絡孔及び渦流室内に燃料を噴
霧する燃料噴射ノズルを有し、連絡孔を通じて渦流室に
流入する渦流によって渦流室内に噴射された燃料とで混
合気を形成させて一次燃焼させ、次いで渦流室から連絡
孔を通じて主室へ火炎、未燃混合気等のガスを噴出して
二次燃焼させている。このような渦流室式エンジンの一
例として、特開平２−１１２６１３号公報に開示された
副燃焼室の構造がある。

【０００３】また、実開昭６２−９３１４１号公報に
は、セラミッククラウンとアルミスカートから成るピス
トンが開示されている。該ピストンは、キャビティを形
成したセラミッククラウンの外周を筒体状のアルミスカ
ートのヘッド部を嵌合し、燃焼室外周とヘッド部との間
隙に鋳鉄製リングを塑性流動材と共存させ、両者を固定
したものである。

【０００４】また、特開平５−２６１１１号公報には、
断熱ピストンが開示されている。該断熱ピストンは、ピ
ストンヘッドとピストンスカートとの間の断熱製を確保
し、両者の結合部に配置した断熱部材の割れ等の発生を
防止し、断熱部材の飛散を防止したものである。

【０００５】また、実開昭６０−１４１４４８号公報に
は、セラミック製ヘッドを有する内燃機関用ピストンの
構造が開示されている。該内燃機関用ピストンの構造
は、金属製ピストン本体と、該本体の頂部に同軸的に嵌
挿されたセラミック製ピストンヘッド部材と、該ヘッド
部材の側壁と上記本体とのクリアランスに楔着され、本
体とヘッド部材とを相互に係着せしめる塑性流動性金属
によるリング状若しくはセグメント状結合部材とより成
るものである。

【０００６】また、実開平１−１１３１２８号公報に
は、ホットプラグの支持構造が開示されている。該ホッ
トプラグの支持構造は、シリンダヘッドに形成した副室
用凹部の内壁面の端部に、ピンの一部を突出させた状態
で嵌合する凹溝を形成し、前記副室用凹部内に嵌合する
ホットプラグの外周面の裾部の円周方向に溝部ないしは
前記ピンの突出部を嵌入する凹溝を形成し、前記ピンに
よってホットプラグを隙間ばめ状態で支持したものであ
る。

【０００７】

【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、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。

【０００８】特に、副室式エンジンでは、副室内での空
気流動が大きく、熱伝達率が高くなり、また、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が高速
で噴出するため、連絡孔の熱伝達率は高くなる。エンジ
ンの熱効率を向上させるためには、副室から外部への熱
放散を防止する必要があるが、副室から外部への熱放散
を低減するには副室の遮熱度を向上させる必要がある。
更に、副室の壁体を薄肉に構成して副室の熱容量を低減
して始動性を向上させ、白煙の発生を防止することが重
要である。

【０００９】また、渦流室式エンジンでは、副室と主室
とを連通する連絡孔が小さいので、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孔は、シリン
ダ中心部或いは外周部の１つの部位のいずれかに設けら
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。更に、連絡孔は絞られて傾
斜状態に形成されているので、吸気ポートを通じて流入
した吸入空気はシリンダ内でスワール流を形成している
が、該スワール流が連絡孔を通じて副室に流入する時
に、副室内にそのスワール流のエネルギーを十分に活か
すことができないという問題を有している。

【００１０】また、前掲実開昭６０−１４１４４８号公
報に開示された内燃機関用ピストンの構造は、ヘッド部
材とピストン本体を全周にわたって密着させて結合した
ものであり、周囲には空気層が形成されていないので、
燃焼室の遮熱度をアップできない。また、底部には空気
層が形成されているが、該空気層と燃焼室とは連通して
いないので、ヘッド部材には両者の圧力差による大きな
応力が付与されることになり、ヘッド部材を薄肉に形成
して熱容量を小さくすることができない。また、前掲実
開平１−１１３１２８号公報に開示されたホットプラグ
の支持構造は、ピンを位置決めに用いているが、該ピン
はホットプラグとシリンダヘッドとを結合する機能を備
えていない。

【００１１】そこで、この発明の目的は、上記の課題を
解決することであり、ピストンヘッドから副室を形成す
る副室構造体を別体に構成し、特に、ピストンヘッドと
副室構造体との間に遮熱空気層を形成して副室の遮熱度
を向上させ、副室からの噴出ガスを高速にしてペネトレ
ーションを向上させて主室での空気利用率を向上させる
と共に、副室構造体の外周の空気層を燃焼室側と連通さ
せて副室構造体に付与される応力を低減し、副室構造体
の厚さを薄肉に形成することを可能にし、副室構造体を
薄肉にすることによって副室の熱容量を可及的に小さく
し、ガス温度への追従性を良好にして始動性を向上さ
せ、また、副室をシリンダ中央に形成し、主室と副室と
を連通する連絡孔を複数個形成し、連絡孔によるしぼり
損を低減し、副室からの噴流の到達距離を短くし、主室
に存在する新気との混合を促進し、ＮＯ_X 、カーボン、
スモーク等の発生を低減する副室を備えたピストンの構
造を提供することである。

【００１２】

【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、キャビティを形成したピストンヘッドと、薄肉
の壁体で形成されたピストン中央に位置する副室、燃料
噴射ノズルが上死点近傍で突入する挿入孔及び前記副室
の周辺部に放射方向に形成された前記副室と主室とを連
通する複数の連絡孔を備えた前記キャビティに配置され
た耐熱性材料から成る副室構造体と、前記ピストンヘッ
ドに前記副室構造体を固定した状態で前記キャビティ壁
面と前記副室構造体の外壁面との間の前記副室構造体の
取付部を除く全域に形成され且つ主室と連通する遮熱空
気層と、から構成したことを特徴とする副室を備えたピ
ストンの構造に関する。

【００１３】この副室を備えたピストンの構造におい
て、前記副室構造体は前記ピストンヘッドに前記キャビ
ティ壁面の周方向の複数箇所で部分的にメタルフロー結
合されている。また、前記遮熱空気層には低熱伝導材か
ら成る遮熱材が組み込まれ、該遮熱材両側に形成される
遮熱空気層は前記主室と連通しているものである。

【００１４】また、この副室を備えたピストンの構造に
おいて、前記副室構造体に形成された前記副室の容積は
圧縮端時の燃焼室の全容積の６０％以下に設定されてい
る。また、前記副室構造体に形成された前記連絡孔は、
前記副室からピストン頂面までピストン周辺方向に傾斜
して伸長し、前記連絡孔の延長線は副室中心軸からオフ
セットした方向に延びている。

【００１５】また、この副室を備えたピストンの構造に
おいて、前記副室構造体に形成された前記連絡孔は前記
ピストンヘッドの頂面に形成されたテーパ状凹部の主室
に開口し、前記連絡孔の延長線は副室中心軸からオフセ
ットした方向に延びている。

【００１６】また、この副室を備えたピストンの構造に
おいて、前記ピストンヘッドは、金属製ピストンスカー
トと該ピストンスカートに固定された高強度セラミック
ス製ピストンヘッド本体から構成されている。また、前
記ピストンヘッド本体の環状ボス部に取付穴を形成し、
該取付穴に前記副室構造体の取付突出部を嵌合して接合
し、前記副室構造体を前記ピストンヘッド本体に固定し
たものである。或いは、前記ピストンヘッド本体に設け
た環状ボス部を前記ピストンスカートに形成した取付孔
に嵌合して両者を結合リングで固定し、前記ピストンヘ
ッド本体と前記ピストンスカートとの間に遮熱空気層を
形成すると共に、遮熱ガスケット及び遮熱材を介在させ
たものである。

【００１７】

【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、この副室を備えたピストンの構造
は、キャビティを形成したピストンヘッドと副室を形成
する耐熱性材料から成る副室構造体とを別体に構成し、
前記キャビティ壁面と前記副室構造体の外壁面との間の
全域に形成され且つ主室と連通する遮熱空気層を形成し
たので、前記副室構造体の内外の圧力差がほとんど零に
なり、前記副室構造体に付与される応力が小さく、前記
副室構造体の肉厚を薄く構成でき、前記副室構造体の熱
容量を可及的に小さく構成できる。更に、前記ピストン
ヘッドと前記副室構造体との間に主室と連通する遮熱空
気層を形成したので、前記副室の遮熱度を大幅に向上さ
せることができる。従って、前記副室の熱容量を小さく
でき、前記副室の遮熱度をアップできるので、始動性を
向上させることができると共に、白煙の発生を防止で
き、燃費を向上できる。また、前記副室構造体を構成す
る耐熱性材料は、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 等の耐熱セラミックス、或
いは耐熱合金を用いることができる。

【００１８】更に、前記遮熱空気層へのガスの流入流出
は、ガスの流速が低減されるため、熱伝導率が低下し、
遮熱度はアップされる。また、前記副室構造体は前記キ
ャビティに周方向の複数箇所で部分的にメタルフロー結
合されているので、前記副室と前記ピストンヘッドとの
間の熱流通路面積が小さくなり、前記副室の遮熱度を向
上させることができる。

【００１９】前記ピストンヘッドを金属製ピストンスカ
ートと該ピストンスカートに固定された高強度セラミッ
クス製ピストンヘッド本体から構成し、前記ピストンヘ
ッド本体の環状ボス部に取付穴を形成し、該取付穴に前
記副室構造体の取付突出部を嵌合して接合し、前記副室
構造体を前記ピストンヘッド本体に固定した場合には、
軸力を前記ピストンヘッド本体に分担させるので、前記
副室構造体の燃焼室壁面に過度な応力が付与されず、前
記副室構造体の壁体の肉厚を可及的に薄く形成できる。

【００２０】また、前記副室の遮熱度を向上できるの
で、前記副室から前記連絡孔を通じて主室への火炎、未
燃混合気等のガスの噴出速度を高速にしてペネトレーシ
ョンを大きくできる。更に、前記副室構造体に形成した
連絡孔を複数個形成して連絡孔通路面積を全体で大きく
形成できるので、しぼり損を低減できる。また、前記副
室はピストン中央に位置し、前記連絡孔が周方向に伸長
するように複数個形成され、前記副室からの噴流の主室
での到達距離が短くなり、前記主室に存在する新気との
混合が短期に行われ、促進される。

【００２１】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明による副室
を備えた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備えた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のピストンの平面図であ
る。

【００２２】この副室を備えたピストンの構造は、例え
ば、シリンダ３１を備えたシリンダブロック３２、シリ
ンダブロック３２に固定したシリンダヘッド１５、シリ
ンダヘッド１５に取り付けた燃料噴射ノズル２３及びシ
リンダ３１内を往復運動するピストンから成る副室式エ
ンジンに適用される。この副室を備えたピストンの構造
は、ピストン側に副室７を形成し、副室７の容積が圧縮
端時の燃焼室の全容積（主室容積＋副室容積）の６０％
以下に構成されている副室式エンジンに適用されている
ものである。なお、シリンダブロック３２にはエンジン
の気筒数に対応する孔部が形成され、これらの孔部によ
ってシリンダ３１を構成してもよく、又は、図示してい
ないが、該孔部にシリンダ３１を形成したシリンダライ
ナを嵌合してもよいものである。また、シリンダヘッド
１５には、図示していないが、吸排気ポートが形成さ
れ、吸排気ポートには吸排気バルブが配置されている。
場合によっては、吸排気ポートをシリンダ下部に設ける
ことも可能である。

【００２３】この副室を備えたピストンの構造は、主と
して、アルミニウム合金、ＦＣ等の金属で作製されたピ
ストンスカート３、ピストンスカート３に固定されたＳ
ｉ₃Ｎ₄ 等の高強度セラミックスで作製されたピストン
ヘッド本体１、及びピストンヘッド本体１に固定された
Ｓｉ₃ Ｎ₄ 等の耐熱性セラミックスで作製された副室構
造体２から構成されている。ピストンスカート３には、
ピストンリング２７を装着するピストンリング溝が形成
され、上部壁体１９の中央には取付孔２０が形成されて
いる。ピストンヘッド本体１は、その中央下部に環状ボ
ス部１１を有し、外周部には下方に延びる筒部２８を有
している。

【００２４】ピストンヘッド本体１とピストンスカート
３とは、ピストンスカート３の取付孔２０にピストンヘ
ッド本体１の環状ボス部１１を嵌合し、両者の間に結合
リング２１のメタルフローに埋め込むことによって互い
に固定することができる。この時、ピストンヘッド本体
１における筒部２８の下面とピストンスカート３におけ
る上部壁体１９の外周上面との間に、両者間のシールと
遮熱のため、遮熱ガスケット２４を介在させる。また、
ピストンヘッド本体１の中央下面とピストンスカート３
における上部壁体１９の中央上面との間に、両者間の遮
熱のため、遮熱材２５を介在させる。更に、ピストンヘ
ッド本体１の下面とピストンスカート３の上部壁体１９
との間に、遮熱空気層２６が形成されている。

【００２５】この副室を備えたピストンの構造は、特
に、次の構成に特徴を有している。ピストンヘッド本体
１の中央部には、その頂面側にキャビティ４が形成され
且つ下面側に環状ボス部１１が形成されている。ピスト
ンヘッド本体１には、キャビティ４の中央で且つ環状ボ
ス部１１の中央に取付穴１４が形成されている。副室構
造体２には取付穴１４に嵌合して接合される取付突出部
１２が設けられ、副室構造体２は取付穴１４に取付突出
部１２を嵌入接合することによってピストンヘッド本体
１に固定される。また、副室構造体２には、薄肉の壁体
６によってピストン中央に副室７が形成されている。ピ
ストンヘッド本体１と副室構造体２とは、環状ボス部１
１の取付穴１４の内壁面と取付突出部１２の外壁面１３
とのみが接触して接合されている以外は、両者は遮熱空
気層９によって隔置されている。即ち、ピストンヘッド
本体１に副室構造体２を固定した状態で、キャビティ壁
面１８と副室構造体２の外壁面１７との間の全域に形成
される遮熱空気層９が形成されている。そして、ピスト
ン頂面におけるピストンヘッド本体１のキャビティ壁面
１８と副室構造体２の外壁面１７との間には、遮熱空気
層９、主室８及び副室７を連通するため、隙間Ｓが形成
されている。

【００２６】また、副室構造体２は、燃料噴射ノズル２
３が上死点近傍で突入する中央の挿入孔２２及び副室７
の周辺部に放射方向に形成された副室７と主室８とを連
通する複数の連絡孔５（図２では６個）を備えている。
燃料噴射ノズル２３は、シリンダヘッド下面３６から下
方に延び、ピストン上死点近傍で挿入孔２２から副室７
内に突入し、燃料噴射ノズル２３に設けた多噴孔２９か
ら副室７に燃料を噴射するように設定されている。ま
た、副室構造体２に形成された副室７は、シリンダ３１
の中央にほぼ位置しており、副室７と主室８とを連通す
る連絡孔５は、副室７の外周部に位置するように形成さ
れている。更に、この副室を備えたピストンの構造は、
副室構造体２に形成された連絡孔５は、ピストンヘッド
本体１の頂面に形成されたテーパ状凹部１６の主室８に
開口し、連絡孔５の延長線が副室中心軸からわずかにオ
フセットした方向に延びている。

【００２７】この副室を備えたピストンの構造は、上記
のように構成されているので、次のような作用を達成で
きる。即ち、この副室を備えたピストンの構造は、ピス
トンヘッド本体１と副室構造体２とは別体に構成されて
いるので、遮熱ガスケット２４に軸力を与えてピストン
ヘッド本体１とピストンスカート３との間のシールを達
成するのは、高強度のピストンヘッド本体１に分担させ
る。従って、副室構造体２には、遮熱ガスケット２４に
軸力を与えることを分担させる必要がないので、副室構
造体２の副室７を形成する壁体６の薄肉化が可能にな
る。副室構造体２における副室７を形成する薄肉の壁体
６の熱容量を低減することができ、副室７内でのガス温
度への追従性が良好になり、始動性を向上できると共
に、白煙を低減できる。

【００２８】また、ピストンヘッド本体１のキャビティ
壁面１８と副室構造体２の外壁面１７との間には隙間Ｓ
が形成されており、副室構造体２で形成される副室７と
遮熱空気層９とは連通した状態に形成されているので、
副室７内の圧力と遮熱空気層９内の圧力とはほぼ同一圧
力になる。それ故、副室７を形成する薄肉の壁体６に
は、副室構造体２の内外面にかかる圧力差による応力が
ほとんど作用しないので、副室構造体２が破損するよう
なことはない。また、ピストンヘッド本体１と副室構造
体２とは遮熱空気層９で隔置されているので、副室７で
の空気流動が大きく、副室構造体２での熱伝達率が高
く、また連絡孔５から高温ガスが高速で噴出して連絡孔
５の領域での熱伝達率が高くなったとしても、副室構造
体２からピストンヘッド本体１への遮熱効果が大幅に向
上し、副室構造体２からピストンヘッド本体１への熱流
は阻止される。

【００２９】また、主室８と副室７とを連通する連絡孔
５は、副室７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５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７をピストン中央即
ちシリンダ中央に形成し、副室７の外周から連絡孔５を
通じて主室８へ噴出する火炎、未燃混合気等のガスは、
シリンダ３１の全周即ち主室８に存在する新気に対して
シリンダ壁面までの到達距離が短くなり、主室８での空
気利用率を向上して混合が促進され、燃焼スピードを速
くして燃焼期間を短縮でき、ＮＯ_X 、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。また、
副室７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。

【００３０】次に、この発明による副室を備えたピスト
ンの構造の別の実施例を、図３及び図４を参照して説明
する。この実施例は、上記実施例と比較して連絡孔の構
造が相違する以外は、実質的に同一の構成及び作用を有
するので、同一の部品には同一の符号を付して重複する
説明を省略する。

【００３１】この実施例では、副室構造体２に形成され
た複数（図４では、６個）の連絡孔５は、副室７からピ
ストン頂面１０までピストン周辺方向に傾斜して伸長し
ている。連絡孔５の延長線は、副室中心軸からオフセッ
トした方向に延びているものである。副室構造体２に設
けた連絡孔５は、半径方向外向きに延びたテーパ部分３
０に形成されている。図示していないが、連絡孔５は、
パイプ状に副室構造体２の外周部から半径方向外向きに
伸長させた部分に形成することもできる。

【００３２】次に、図５及び図６を参照して、この発明
による副室を備えたピストンの構造の更に別の実施例を
説明する。図５はこの発明による副室を備えたピストン
の構造の更に別の実施例を示す断面図、及び図６は図５
に示すピストンの平面図である。この実施例は、上記各
実施例と比較して、ピストン本体に副室構造体を設けて
いる以外は、実質的に同一の構成及び作用を有するの
で、同一の部品には同一の符号を付して重複する説明を
省略する。

【００３３】この実施例の副室を持つピストンの構造
は、ピストンヘッド３９とピストンスカート４０とが一
体構造に構成されたピストン本体３７、及びピストン本
体３７のピストンヘッド３９に形成されたキャビティ４
に配置された副室構造体２から構成されている。副室構
造体２は、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 等の耐熱性セラミックスで作製さ
れ、薄肉の壁体で形成されたピストン中央に位置する副
室７、燃料噴射ノズル２３が上死点近傍で突入する挿入
孔２２及び副室７の周辺部に放射方向に形成され且つ副
室７と主室８とを連通する複数の連絡孔５を備えてい
る。キャビティ壁面１８と副室構造体２の外壁面１７と
の間には、全域にわたって主室８と連通する遮熱空気層
９が形成されている。更に、副室構造体２は、ピストン
本体３７のピストンヘッド３９にキャビティ壁面１８の
周方向の複数箇所（図６では、６箇所である）で部分的
に結合金属３８による塑性変形即ちメタルフローで結合
されている。

【００３４】この実施例の副室を持つピストンの構造
は、上記のように、副室構造体２とピストンヘッド３９
にキャビティ壁面１８との間で複数箇所でメタルフロー
結合を行って互いに結合されているので、副室７を構成
する副室構造体２とピストン本体３７との間の熱流通路
面積が小さくなり、副室構造体２の遮熱度が向上する。
また、副室構造体２の外周の遮熱空気層９と主室８とが
連通しているので、副室７と遮熱空気層９との間の圧力
差がほとんど零になり、副室構造体２には圧力差で副室
構造体２に付与される応力に対する強度即ち耐圧性が不
要となり、副室構造体２の肉厚を可及的に薄く構成でき
る。従って、副室構造体２の熱容量を小さく構成でき、
副室構造体２の壁面のガスへの追従性が良好になり、始
動性を向上させ、軽量に構成できて慣性力を小さくでき
る。

【００３５】また、この発明による副室を持つピストン
の構造の他の実施例を図７を参照して説明する。図７は
この発明による副室を持つピストンの構造の他の実施例
を示す断面図である。図７に示すように、この副室を持
つピストンの構造は、キャビティ壁面１８と副室構造体
２の外壁面１７との間の遮熱空気層９をシール部材４１
を配置して軽シールを行うこともできる。シール部材４
１は、例えば、耐熱材の表面にジルコニア等を溶射して
作製できる。キャビティ壁面１８と副室構造体２の外壁
面１７との隙間にシール部材４１を配置することによっ
て、主室８と遮熱空気層９との間でのガスの流通をある
程度遮断でき、或いはガスの流通の流速を低減でき、副
室構造体２からピストンヘッド３９への熱伝導率を低下
させることができ、遮熱度を一層低減できる。

【００３６】この発明による副室を備えたピストンの構
造の更に他の実施例を図８を参照して説明する。図８は
この発明による副室を持つピストンの構造の更に他の実
施例を示す断面図である。この実施例は、図７に示す実
施例と比較して遮熱空気層に遮熱材を配置し、副室構造
体２をピストンヘッド３９へ固定した以外は同一の構造
を有するので、同一部品には同一の符号を付し、重複す
る説明は省略する。遮熱空気層９には、低熱伝導材から
成る遮熱材２５が組み込まれている。更に、遮熱材２５
の両側に形成される遮熱空気層９は、主室８と連通して
おり、副室構造体２の内外面の圧力差を無くして保護の
機能を果たし、しかもガス流速を絞って遮熱度をアップ
する機能を果たしている。この実施例では、副室構造体
２の取付突出部１２が、ピストンヘッド３９の取付孔２
０に嵌合し、取付突出部１２の外周面１３に形成された
凹部に結合リング２１がメタルフローで嵌入されること
によって副室構造体２とピストンヘッド３９とが固定さ
れている。

【００３７】

【発明の効果】この発明による副室を備えたピストンの
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。この副室を備えたピストンの構造は、ピスト
ンヘッドと副室を形成する耐熱合金或いは耐熱セラミッ
クスから成る副室構造体とを別体に構成し、前記ピスト
ンヘッドと前記副室構造体との間に燃焼室と連通する遮
熱空気層を形成したので、前記副室構造体に軸力を与え
る必要がなく、前記副室構造体の壁体の肉厚を可及的に
薄く形成でき、前記副室の遮熱度を大幅に向上させるこ
とができる。従って、前記副室構造体における前記副室
を形成する薄肉の壁体の熱容量を低減することができ、
前記副室内でのガス温度への追従性が良好になり、始動
性を向上できると共に、白煙を低減できる。また、前記
副室内の高温ガスが前記副室から前記連絡孔を通じて主
室へ噴出する火炎、未燃混合気等のガスの噴出速度を高
速にし、主室でのペネトレーションを大きくできる。

【００３８】特に、この副室を持つピストンの構造は、
前記ピストンヘッドと前記副室構造体との固定のため、
前記副室構造体の周囲で部分的に結合金属でメタルフロ
ーを行っているので、前記副室と前記ピストンヘッドと
の間の熱流通路面積が小さくなり、前記副室の遮熱性を
向上できる。前記副室構造体の周囲に形成されている前
記遮熱空気層と主室が連通しているため、前記副室と前
記遮熱空気層との間の圧力差がほとんど零になるため、
圧力差に対する前記副室構造体の強度即ち耐圧強度が不
要になり、前記副室構造体を薄肉に形成でき、前記副室
構造体の熱容量を小さくでき、低圧縮比化を可能にし、
始動性を向上できると共に、前記副室構造体自体を軽量
に構成でき、ピストン往復運動に対する慣性力を小さく
でき、前記ピストンヘッドと前記副室構造体との結合力
を部分的なメタルフローでも十分になる。また、前記ピ
ストンヘッドと前記副室構造体との間にシール部材を配
置して軽いシールを行った場合には、前記主室と前記遮
熱空気層との間のガスの流出入は低減され、ガス流速が
低減され、前記副室から前記ピストンヘッドへの熱伝達
係数を低下させることができ、前記副室の遮熱性を向上
させる。

【００３９】また、この副室を備えたピストンの構造
は、ピストンスカートに取り付ける高強度セラミックス
製ピストンヘッド本体と副室を形成する耐熱性セラミッ
クス製副室構造体とを別体に構成し、前記ピストンスカ
ートと前記ピストンヘッド本体との間に介在させたシー
ルのための軸力を前記ピストンヘッド本体に分担させた
ので、前記副室構造体には軸力を与える必要がなく、前
記副室構造体の壁体の肉厚を可及的に薄く形成できる。

【００４０】また、前記ピストンヘッド本体のキャビテ
ィ壁面と前記副室構造体の外壁面との間には主室に通じ
るように隙間が形成され、前記副室構造体で形成される
前記副室と前記遮熱空気層とは連通した状態に形成さ
れ、前記副室内の圧力と前記遮熱空気層内の圧力とはほ
ぼ同一圧力になり、前記副室を形成する薄肉の壁体に
は、圧力差による応力がほとんど作用しないので、前記
副室構造体が破損するようなことはない。また、前記ピ
ストンヘッド本体と前記副室構造体とは前記遮熱空気層
で隔置され、前記副室構造体から前記ピストンヘッド本
体への遮熱効果が大幅に向上されるので、前記副室での
空気流動が大きく且つ前記連絡孔から高温ガスが高速で
噴出して、前記副室構造体及び前記連絡孔の熱伝達率が
高くなったとしても、前記副室構造体から前記ピストン
ヘッド本体への熱流は阻止される。

【００４１】また、前記主室と前記副室とを連通する前
記連絡孔は、前記副室の周方向に複数個形成されている
ので、通路面積が前記連絡孔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、前記副室を
ピストン中央即ちシリンダ中央に形成し、前記副室の外
周から前記連絡孔を通じて前記主室へ噴出する火炎、未
燃混合気等のガスは、前記主室に存在する新気に対して
シリンダ壁面までの到達距離が短くなり、前記主室での
空気利用率を向上して混合が促進され、燃焼スピードを
速くして燃焼期間を短縮でき、ＮＯ_X 、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。ま
た、前記副室での燃焼状態を燃料リッチで燃焼させ、Ｎ
Ｏ_X の発生を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による副室を備えたピストンの構造の
一実施例を示す断面図である。

【図２】図１に示すピストンの平面図である。

【図３】この発明による副室を備えたピストンの構造の
別の実施例を示す断面図である。

【図４】図３に示すピストンの平面図である。

【図５】この発明による副室を備えたピストンの構造の
更に別の実施例を示す断面図である。

【図６】図５に示すピストンの平面図である。

【図７】この発明による副室を備えたピストンの構造の
他の実施例を示す断面図である。

【図８】この発明による副室を備えたピストンの構造の
更に他の実施例を示す断面図である。

【符号の説明】

１ ピストンヘッド本体 ２ 副室構造体 ３ ピストンスカート ４ キャビティ ５ 連絡孔 ７ 副室 ８ 主室 ９，２６ 遮熱空気層 １０ 頂面 １１ 環状ボス部 １２ 取付突出部 １４ 取付穴 １６ 凹部 １７ 外壁面 １８ キャビティ壁面 ２０ 取付孔 ２１ 結合リング ２２ 挿入孔 ２３ 燃料噴射ノズル ２４ 遮熱ガスケット ２５ 遮熱材 ３７ ピストン本体 ３８ 結合金属 ３９ ピストンヘッド ４０ ピストンスカート ４１ シール部材

───────────────────────────────────────────────────── 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 3/00 ３０１ Ｚ ３０２ Ａ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 キャビティを形成したピストンヘッド
   と、薄肉の壁体で形成されたピストン中央に位置する副
   室、燃料噴射ノズルが上死点近傍で突入する挿入孔及び
   前記副室の周辺部に放射方向に形成された前記副室と主
   室とを連通する複数の連絡孔を備えた前記キャビティに
   配置された耐熱性材料から成る副室構造体と、前記ピス
   トンヘッドに前記副室構造体を固定した状態で前記キャ
   ビティ壁面と前記副室構造体の外壁面との間の前記副室
   構造体の取付部を除く全域に形成され且つ主室と連通す
   る遮熱空気層と、から構成したことを特徴とする副室を
   備えたピストンの構造。
2. 【請求項２】 前記副室構造体は前記ピストンヘッドに
   前記キャビティ壁面の周方向の複数箇所で部分的にメタ
   ルフロー結合されていることを特徴とする請求項１に記
   載の副室を備えたピストンの構造。
3. 【請求項３】 前記遮熱空気層には低熱伝導材から成る
   遮熱材が組み込まれ、該遮熱材両側に形成される遮熱空
   気層は前記主室と連通していることを特徴とする請求項
   １又は２に記載の副室を備えたピストンの構造。
4. 【請求項４】 前記副室構造体に形成された前記副室の
   容積は圧縮端時の燃焼室の全容積の６０％以下に設定さ
   れていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記
   載の副室を備えたピストンの構造。
5. 【請求項５】 前記副室構造体に形成された前記連絡孔
   は前記副室からピストン頂面までピストン周辺方向に傾
   斜して伸長し、前記連絡孔の延長線は副室中心軸からオ
   フセットした方向に延びていることを特徴とする請求項
   １〜４のいずれかに記載の副室を備えたピストンの構
   造。
6. 【請求項６】 前記副室構造体に形成された前記連絡孔
   は前記ピストンヘッドの頂面に形成されたテーパ状凹部
   の主室に開口し、前記連絡孔の延長線は副室中心軸から
   オフセットした方向に延びていることを特徴とする請求
   項１〜５のいずれかに記載の副室を備えたピストンの構
   造。
7. 【請求項７】 前記ピストンヘッドは、金属製ピストン
   スカートと該ピストンスカートに固定された高強度セラ
   ミックス製ピストンヘッド本体から構成したことを特徴
   とする請求項１〜６のいずれかに記載の副室を備えたピ
   ストンの構造。
8. 【請求項８】 前記ピストンヘッド本体の環状ボス部に
   取付穴を形成し、該取付穴に前記副室構造体の取付突出
   部を嵌合して接合し、前記副室構造体を前記ピストンヘ
   ッド本体に固定したことを特徴とする請求項７に記載の
   副室を備えたピストンの構造。
9. 【請求項９】 前記ピストンヘッド本体に設けた環状ボ
   ス部を前記ピストンスカートに形成した取付孔に嵌合し
   て両者を結合リングで固定し、前記ピストンヘッド本体
   と前記ピストンスカートとの間に遮熱空気層を形成する
   と共に、遮熱ガスケット及び遮熱材を介在させたことを
   特徴とする請求項７又は８のいずれにかに記載の副室を
   備えたピストンの構造。