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【発明の名称】 冷却式予燃焼室アセンブリ
【発明者】 【氏名】デヴァング ディー デイヴェチャ

【氏名】ジョフリー ディー ギンゼル

【要約】 【課題】点火プラグ温度を低減し、点火プラグの長寿命化、及びエンジンの休止時間短縮を可能とする内燃機関用の冷却式予燃焼室アセンブリを提供する。

【解決手段】点火プラグ冷却通路(98)は、冷却式予燃焼室アセンブリ(10)の第2本体部(24)内に配置されている。点火プラグ冷却通路(98)は、第2本体部(24)内に配置された螺設ボア部(68)周辺に間隔をあけて配置された第1側面(100)を備えている。第1側面(100)と第2側面(102)とで、上記点火プラグ冷却通路の各内面を構成する。第2本体部(24)内に配置された開口(108)は、第2側面(102)において、上記通路(98)に開口し、シリンダヘッド(14)と上記通路(98)との間に冷却液を通す。
【特許請求の範囲】
【請求項1】 内燃機関(16)のための冷却式予燃焼室アセンブリ(10)であって、点火プラグ受け入れボア(46)を有する第1本体部(22)と、皿繰り部(70)とねじ付ボア部(68)と長手軸線(48)とを有する段付ボア部(66)を内部に備え、前記点火プラグ受入れボア(46)に対して軸線方向に整列した第2本体部(24)と、予燃焼室(94)が内部に配置された第3本体部(26)と、を備え、前記第2本体部(24)は前記第1及び第3本体部(2226)の間に配置され、前記段付ボア部(66)が前記点火プラグ受入れボア(46)と燃焼室(18)とに開口しており、前記ねじ付ボア部(68)のまわりで該ねじ付けボア部から離れた所定の半径方向位置において、前記第2本体部(24)に点火プラグ冷却通路(98)が配置され、前記ねじ付ボア部(68)に対して近接した位置に冷却空気流を通すようになった、ことを特徴とする冷却式予燃焼室アセンブリ(10)。
【請求項2】 上記点火プラグ冷却通路(98)は、上記段付ボア(66)から径方向に間隔をあけて配置された第1及び第2側面(100102)を備えていることを特徴とする上記請求項1に記載の冷却式予燃焼室アセンブリ(10)。
【請求項3】 上記第2本体部(24)は、シール面(20)と予燃焼室端面(90)とを備え、上記シール面(20)と上記予燃焼室端面(90)とは、それぞれ間隔をあけて配置され、上記ねじ付ボア部(68)は、上記シール面(20)と上記予燃焼室端面(90)とに開口し、さらに、上記点火プラグ冷却通路(98)は、第1及び第2の互いに間隔をあけて配置された端面(104106)を備え、上記第1及び第2端面(104106)は、上記第1及び第2側面(100102)に対し横方向に伸びて、それに連結されており、上記第1及び第2側面(100102)と上記第1及び第2端面(104106)とは、上記シール面(20)と上記予燃焼室端面(90)との間に設けられていることを特徴とする上記請求項2に記載の冷却式予燃焼室アセンブリ(10)。
【請求項4】上記第2本体部(24)は、内部に配置された開口(108)を備え、上記開口(108)は、上記点火プラグ冷却通路(98)に冷却液流を送るようにしていることを特徴とする上記請求項3に記載の冷却式予燃焼室アセンブリ(10)。
【請求項5】上記第2本体部(24)は、内部に間隔をあけて配置された複数の開口(108)を備え、上記開口(108)は、上記点火プラグ冷却通路(98)に冷却液流を送るようにしていることを特徴とする上記請求項3に記載の冷却式予燃焼室アセンブリ(10)。
【請求項6】 上記第1及び第2端面(104106)は、上記段付ボア(66)の上記長手方向軸線(48)に対し、径方向に伸び、上記開口(108)の間隔をあけて配置された端面(104106)を構成することを特徴とする上記請求項4に記載の冷却式予燃焼室アセンブリ(10)。
【請求項7】 上記第1側面(100)は、上記段付ボア(66)の上記長手方向軸線(48)に対し、実質的に平行であることを特徴とする上記請求項4に記載の冷却式予燃焼室アセンブリ(10)。
【請求項8】 上記第1側面(100)は、上記ねじ付ボア(68)から、径方向に予め設定された距離だけ間隔をあけて配置され、上記ねじ付ボア部(68)に対応する、上記長手方向軸線(48)の径方向周辺において、上記ねじ付ボア部(68)から、予め設定された径方向の距離だけ間隔をあけて配置されていることを特徴とする上記請求項4に記載の冷却式予燃焼室アセンブリ(10)。
【請求項9】 上記第2本体部(24)は、上記予燃焼室端面に対向する第1端(60)を備えると共に、上記第2本体部(24)内に配置され、上記第1端(60)と上記予燃焼室端面とに開口した燃料通路(74)を備え、上記燃料通路(74)は、上記段付ボア(66)から径方向に間隔をあけて配置されると共に、上記点火プラグ冷却通路(98)は、上記燃料通路(74)と上記段付ボア(66)との間に設けられることを特徴とする上記請求項8に記載の冷却式予燃焼室アセンブリ(10)。
【請求項10】 上記第1、第2、及び第3本体部(222426)は、各々異なる金属材料によって構成されていることを特徴とする上記請求項4に記載の冷却式予燃焼室アセンブリ(10)。
【請求項11】 上記第1、及び第2本体部(2224)は、ろう付けによって一体に接合されており、上記第2、及び第3本体部(2426)は、制御深溶込み溶接よって一体に接合されていることを特徴とする上記請求項10に記載の冷却式予燃焼室アセンブリ(10)。
【請求項12】 内部にシリンダヘッド冷却通路(44)を有するシリンダヘッド(14)を備え、上記第2本体部(24)は、上記シリンダヘッド冷却通路(44)内に配置され、上記第2本体部(24)内の上記開口(108)は、上記シリンダヘッド冷却通路(44)に開口し、上記シリンダヘッド冷却通路(44)と上記点火プラグ冷却通路(98)との間に冷却液流を通過させるようにしたことを特徴とする上記請求項4に記載の冷却式予燃焼室アセンブリ(10)。
【請求項13】 上記ねじ付ボア部(68)内にネジ止め可能に配置される点火プラグ(50)を備え、上記点火プラグ(50)は、上記点火プラグ冷却通路(98)内の冷却液によって冷却されるようにしたことを特徴とする上記請求項12に記載の冷却式予燃焼室アセンブリ(10)。
【発明の詳細な説明】【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、予燃焼室アセンブリに係り、特に、点火プラグ冷却通路を有する予燃焼室アセンブリに関する。
【0002】
【従来の技術】予燃焼室アセンブリは、内燃機関のガス燃料点火用として、長年に亙り使用されている。この予燃焼室アセンブリは、通常、点火プラグを使用し、予燃焼室アセンブリに設けられた予燃焼室内の燃料と空気との混合気に点火するようになっている。上記点火プラグは、予燃焼室内に噴射された混合気に点火するため予燃焼室に露出されている。この予燃焼室内の温度は、点火プラグの寿命にとって好ましくない程、極めて高い。その結果、度々、点火プラグの交換が必要となる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】予燃焼室の温度を低減することは、点火プラグの寿命を伸ばす上で有益である。しかし、このような温度低減は、燃焼、及び内燃機関作動に対しては好ましくない。不完全燃焼によって、窒素酸化物の排出レベルが高まると共に、機関作動効率も悪化してしまう。
【0004】これまでも、点火プラグ電極の周囲において点火プラグ温度を低減する試みはなされてきた。しかし、現在においても、点火プラグの寿命は短く、その交換のための内燃機関休止頻度も高い。
【0005】本発明は、上述したいくつかの課題を解決することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の1つの観点として、内燃機関の冷却式予燃焼室アセンブリは、第1、第2、及び第3本体部を備えている。第1本体部には、点火プラグ受入ボアが設けられている。また、第2本体部には、段付ボアが設けられている。この段付ボアは、皿繰り部、ねじ付ボア部、及び長手方向軸線を備えている。第2本体部は、点火プラグ受入ボアに対し、軸方向に整列されている。さらに、第3本体部には、予燃焼室が設けられている。第2本体部は、第1及び第3本体部の間に設けられ、上記段付ボアは、点火プラグ受入ボア及び上記燃焼室に開口している。点火プラグ冷却通路は、ねじ付ボア部からの間隔を有し、且つ、ねじ付ボア部周辺の、設定された径方向位置において、第2本体部内に配置されている。点火プラグ冷却通路は、冷却液流を、ねじ付ボア部に対し極めて接近して流すようにしている。その結果、上記点火プラグ冷却通路は、点火プラグの螺設部に対し、極めて接近した範囲内で冷却液流を通過させ、点火プラグからの熱を伝達するので、点火プラグの寿命を伸ばすことを可能とする。
【0007】
【発明の実施の形態】図面、特に、図1及び2において、内燃機関16のシリンダヘッド14のボア12内に配置された冷却式予燃焼室アセンブリ10が示されている。冷却式予燃焼室アセンブリ10は、シリンダヘッド14から、内燃機関16の燃焼室18内まで伸びている。シリンダヘッド14に設けた冷却液通路44内の冷却液から燃焼室18をシールするため、シリンダヘッド14にはシール面20が設けられている。
【0008】図2に最も良く示されるように、冷却式予燃焼室アセンブリ10は、第1本体部22、第2本体部24、及び第3本体部26を備えている。第1本体部22は、第1及び第2端28、30と、第1及び第2端28、30の間に設けられた円筒状本体部32とを備えている。管形状を有するカラー部54が、第2端30から軸方向に伸びている。第1本体部22の第1端28には、フランジ34が設けられている。フランジ34は、それを貫通し、ネジ式締め金具38を受入れるために配置された1対の孔36を備えている。ネジ式締め金具38は、シリンダヘッド14に対しネジ止め可能に連結している。ネジ式締め金具38は、シリンダヘッド14に設けたボア12に予燃焼室アセンブリ10を保持し、ボア12に対する回転及び軸方向移動を拘束している。また、第1本体部22には、その円筒状外表面52の周囲を取り囲むように配置され、それぞれ軸方向に間隔をあけて配置された複数の環状溝40が設けられている。この環状溝40は、径方向外方に開口し、各々、Oリング42を収容している。Oリング42は、ボア12内における間隔をあけて配置された各軸方向位置で、シリンダヘッド14と各々接合し、様々な冷却液通路44から液漏れしないようシールしている。このシール42は、適切な非金属の0リング材料によって、適宜、形成される。
【0009】また、第1本体部22は、それを貫通し、第1本体部22の第1及び第2端28,30に開口した点火プラグ受入ボア46を備えている。点火プラグ受入ボア46は、第1本体部22の長手方向軸線48に対し平行であり、この軸48から径方向にオフセットされている。点火プラグ受入ボア46の直径は、点火プラグ延長部51を有する点火プラグ50を受入れ、しかも、点火プラグの脱着作業を行うに充分なものとされている。尚、本発明における点火プラグ50とは、本技術に適用し得るあらゆる点火装置を意味するものである。
【0010】また、第1本体部22は、その内部に配置された逆止弁収容ボア56を備えている。逆止弁収容ボア56は、第1、第2端28、30に開口し、その直径は、逆止弁アセンブリ58を収容し、また、第1端28において栓59を受入れるに充分なものとされている。逆止弁収容ボア56は、点火プラグ受入ボア46、及び第1本体部22の長手中心軸48に対し、実質的に長手方向に対し平行である。 好ましくは、第1本体部22を、ダクタイル鋳鉄−パーライト・フェライト鋳物により形成すればよい。
【0011】第2本体部24は、第1端60及び第2端62、第一端60を端とする第1端部64、及び第2端62を端とする第2端部を備えている。第1、第2端部64,65は、円筒状をしている。第1、第2端60,62は、実質的に各々平行であり、第1端部64に対し、実質的に直角とされている。第1本体部22が低い温度耐久性しか備えていないのに対し、第2本体部24は、比較的高い温度耐久性を有するステンレス鋼材によって形成されている。好ましくは、精製したステンレス鋼合金であるSUS347を使用すればよい。この合金は、鋳造性、溶接性に優れており、熱処理によって硬化できないものである。この材料は、応力、激しい腐蝕、及び振動を受ける状況下で、880〜1650F(412〜884℃)の温度で使用される場合に、特に適している。第2本体部24は、まず、大まかな形状に鋳造され、その後、必要とされる部分を最終寸法に機械加工することが好ましい。
【0012】第2本体部24は、その内部に段付ボア66を備えている。段付ボア66は、第1、第2端60、62に開口しており、点火プラグ50を受入れるために設けられている。段付ボア66は、ねじ付ボア部68と皿繰り部70を備えている。ねじ付ボア部68は、点火栓50の螺設端部72をネジ止め可能に受入れ、皿繰り部70は、径方向に間隙を保って点火プラグ50を受入れるようになっている。皿繰り部70とねじ付ボア部68との間に設けられる段が、シール面71とされる。シール面71は、点火プラグ50のネジ込みを拘束するようにしている。皿繰り部70及びねじ付ボア部68は、軸方向に整列されている。さらに、第2本体部24には、その内部に、第1、第2端60、62に開口した燃料通路74が設けられている。燃料通路74は、第2本体部24の第1端60において、逆止弁収容ボア56に、また、第1本体部22の第2端30に開口している。ねじ付ボア部68は、シール面71及び予燃焼室端面90に開口している。燃料通路74は、予燃焼室端面90にも開口している。
【0013】第3本体部26は、第1端76、及び第1端76から間隔をあけて配置された球状ドーム端部78を備えている。第3本体部26は、円筒状第1端部80、円筒状第2端部82、及び第1、第2端部80、82の間に設けられた移行部84を備えている.異なる直径を持つ第1、第2円筒状端部80、82は、移行部84における段階的な径変化と屈曲とによって繋がれる。ドーム端部78は、第2端部82に端を有し、第2端部82がその接線となる関係にある。第1、第2端部80、82、移行部84、及びドーム端部78は、中心軸86を中心に配置されている。
【0014】シール面88は、第1端部80とドーム端部78との間の移行部84の軸方向に沿う設定位置において、第3本体部26の周辺に配置されている。シール面88は、中心軸86に対し、横方向に伸びている。シール面88は、燃焼室18と冷却液通路44との間の漏れをシールするために設けられている。シール面88は、シリンダヘッド14内に配置されたボア92近傍に設けられた面20に接合している。ボア92は、燃焼室18に開口しており、第2端部82を受入れる。ボア92は、ドーム端部78が燃焼室18内に伸び、そこに露出され得るようにしている。
【0015】第3本体部26は、その内部に配置された予燃焼室94を備えている。通常、予燃焼室は、第3本体部26と同じ形状をしており、第3本体部の第1端76に開口している。図示されるように、予燃焼室94の端部90は、第2本体部24内に配置され、第2本体部24の第2端62に開口している。間隔をあけて配置され、それぞれ径方向に向けられた複数のオリフィス96が、ドーム端部78内に設けられている。オリフィス96は、予燃焼室96、及び機関16の燃焼室に開口している。オリフィス96は、膨張ガスを、設定されたパターンで、予燃焼室94から燃焼室18内に案内する。
【0016】第3本体部26は、高温耐久性材料によって形成される。特に、Heynes International,Inc.(米国インディアナ州ココモ)にて製造された Heynes 230のような、高温耐久性、熱的安定性、及び周囲雰囲気耐久性に優れた合金を選定することが好ましい。この合金は、2100F(1149℃)までの高温強度・酸化雰囲気における耐久性、窒化雰囲気での耐久性、及び長期熱的安定性を兼備えたニッケル−クロム−タングステン−モリブデン合金である。尚、適切な成分を持つ他の高温耐久材料が、本発明を逸脱することなく代用され得ることは言うまでもない。また、第3本体部26は、鋳造、または棒片の機械加工によっても製造できる。
【0017】第1本体部22、第2本体部24、及び第3本体部26は、互いに連結され、予燃焼室アセンブリ10を形成する。特に、第1本体部22の第2端30は、第2本体部24の第1端60に連結され、また、第2本体部24の第2端62は、第3本体部26の第1端76に連結される。
【0018】第1本体部22の第2端30は、曝されている雰囲気(温度、化学的及び機械的負荷)に耐え得る適切な成分を持つろう材によって、第2本体部24の第1端60に連結されている。例えば、銀−ニッケルろう材は、この部分に適用するに相応しいものである。カラー部54は、その中に、第2本体部24の円筒状第1端部64を、実質的に同軸上に受入れている。ろう付け工程の間、流動状態にあるろう材を受入れると共に、第1、第2本体部22,24の強度、剛性、及び必要とされる位置決めをもたらすように、カラー部54は、第2本体部24の第1端部64との間に予め設定された距離だけ径方向に間隔あけて、配置されている。点火プラグ受入ボア46、及び皿繰り部70が、軸方向に整列され、実質的に同一径であることに注目する必要がある。
【0019】第2本体部24の第2端62は、第3本体部26の第1端76に接合され、予燃焼室10の周辺、つまり、第1、第2端76、62間の接合部に施される、例えば、レーザ、或いは電子ビーム溶接のような、制御深溶込み溶接によって、第3本体部26の第1端76に連結されている。制御深溶込み溶接は、溶込み深さを正確に制御する,つまり溶込み深さを最大にし、適切な溶接強度をもたらすために使用される。溶込み深さは、上記接合部において、4〜4.5mmとされている。上記接合部における壁の厚さは、約5mmである。第2本体部24の円筒状第2端部65と第3本体部26の第1端部80とは、実質的に同一径であり、軸方向に整列されている。
【0020】図3乃至図5に最も良く示されるように、点火プラグ冷却通路98は、ねじ付ボア部68からの間隔を有し、且つ、ねじ付ボア部68周辺の、設定された径方向位置において、第2本体部24内に配置されている。点火プラグ冷却通路98は、ねじ付ボア部68に対し、極めて接近して冷却液流を通過させるようにしている。点火プラグ冷却通路98は、段付ボア66から径方向に間隔をあけて配置された第1、第2の互いに間隔を有する側面100、102を有する。また、点火プラグ冷却通路98は、第1、第2の互い間隔を有する端面104、106を有する。第1、第2端面104、106は、第1、第2側面100、102に対し横方向に伸び、それらと連結される。点火プラグ冷却通路98は、実質的に方形状とされている。
【0021】第1、第2側面100、102、及び第1、第2端面104、106は、シール端面71と予燃焼室端面90との間において、段付ボア66に対し、軸方向に設けられている。このシール端面及び予燃焼室端面71、90は、それぞれ間隔をあけて配置されている。第1側面100は、段付ボア66の長手方向軸線48に対し、実質的に平行であり、ねじ付ボア部68から、予め設定された径方向の距離だけ間隔をあけて配置されている。ねじ付ボア部68に対応する、長手方向軸線48の径方向周辺において、第1側面100は、第2本体部24の円筒状壁112とされる。第1端面104は、予燃焼室端部71近傍に接近しており、そこから設定距離だけ間隔をあけて配置されている。
【0022】第2本体部24は、その内部に配置され、それぞれ間隔をあけて配置された複数の開口108を備えている。これら開口108は、点火プラグ冷却通路98内に冷却液流を送るために設けられている。第1、第2端面104、106は、段付ボア66の上記長手方向軸線に対し、径方向に伸び、開口108のそれぞれ間隔をあけて配置される端面110とされる。それぞれ間隔をあけて配置された開口108は、第2側面102を貫通して伸びたり、断続的に第2側面102に遮断されている。
【0023】第2本体部24内の燃料通路74は、予燃焼室端面90、及び端面90に対向する第2本体部24の第1端60に開口している。燃料通路74は、段付ボア66から径方向に間隔をあけて配置されている。点火プラグ冷却通路98は、燃料通路74と段付ボア66との間に設けられている。第2本体部24は、シリンダヘッド冷却通路44内に配置されている。第2本体部24の開口108は、シリンダヘッド冷却通路44に開口し、シリンダヘッド冷却通路44と点火プラグ冷却通路98との間で冷却液流が流通するようにしている。
【0024】図面に関して、また、実施において、点火プラグ冷却通路89は、段付ボア66のねじ付ボア部68に極めて接近した位置で、第2本体部24の冷却を促進している。シリンダヘッド14の冷却液通路44内の冷却液流は、ねじ付ボア部68内にネジ止め可能に配置された点火プラグ50から、伝導によって熱を奪う。従って、点火プラグの電極端部における点火プラグ温度は低減される。この温度低減は、点火プラグの長寿命化、及びエンジン休止時間短縮と等しい関係にある。
【0025】第2本体部24に配置された開口108は、通路44と点火プラグ冷却通路98との間で、シリンダヘッド内を循環する冷却液流を通過させる。シリンダヘッド14を循環する冷却液流は、ラジエータ(図示せず)の様な常用手段によって冷却される。点火プラグ冷却通路44を、上述の如く、ねじ付ボア部68に対し、極めて近接して設けることによって、冷却液への熱移動は、効果的に行われる。ねじ付ボア部68と第1側面100との間の径方向の壁厚さ、及び第1側面100の軸方向長さによって、冷却液に連通する表面積の値、及び熱移動ポテンシャルが設定される。
【0026】第1、第2側面100、102間の予め設定され間隔、及び第1、第2端面104、106間の予め設定され間隔によって、点火プラグ冷却通路98の断面積が決定され、上記通路98内における冷却液流の容量が設定される。これらの寸法は、機械的制約及び冷却ニーズに基いて選定される。
【0027】また、点火プラグ冷却通路98は、予燃焼室端面90部において第2本体部24を冷却し、第2本体部24の寿命を更に伸ばすようにしている。第1端面104は、そこでの、端面90からの熱移動と冷却とを最大とするため、予燃焼室端面90から予め設定された距離に設置されている。
【0028】上述したように、ねじ付ボア部68及び燃料通路74間に点火プラグ冷却通路98を配置することにより、この区域の温度を低く維持され、燃焼室18に供給される燃料の温度を安定させている。
【0029】曝される運転雰囲気(温度及び化学的)に基き、上述されているように、3つの異なる材料により形成された冷却式予燃焼室アセンブリ10は、冷却式予燃焼室の寿命を最大化し、そこでのコストを低減する。燃料の燃焼が行われる第3本体部26の予燃焼室94内における温度及び化学的条件に対しては、燃料が燃料通路74に分配され、点火プラグ50が位置決めされる第2本体部24とは異なる材料が要求されることを認識する必要がある。最も低い温度に曝されている第1本体部22には、特別変わった材料を使用する必要はない。第1、第2本体部22、24のろう付け、及び第2、第3本体部24、26の制御深溶込み溶接により、3つの異なる材料の組み立てが可能となる。点火プラグ冷却通路98は、運転時における第2本体部24の温度低減に寄与すると共に、低い温度耐久材料の選択を可能とする。
【0030】本発明の他の観点、目的、及び利点は、図面、記述、及び添付特許請求の範囲を検討することによって得ることができる。
【出願人】 【識別番号】391020193
【氏名又は名称】キャタピラー インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】CATERPILLAR INCORPORATED
【出願日】 平成11年10月21日(1999.10.21)
【代理人】 【識別番号】100059959
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 稔 (外9名)
【公開番号】 特開2001−132603(P2001−132603A)
【公開日】 平成13年5月18日(2001.5.18)
【出願番号】 特願平11−299308