JP2005330873A - 遮熱エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 シリンダライナの上部から下部にかけての温度勾配を低減することができる遮熱エンジンを提供する。
【解決手段】 シリンダブロック２に形成されたシリンダボア８に挿入されるシリンダライナ９と、そのシリンダライナ９の上方に隣接されたヘッドライナ１４とで遮熱構造の燃焼室２８を形成した遮熱エンジン１であって、上記シリンダライナ９の下部から上記シリンダブロック２への熱伝達を抑制するための遮熱層３０を設けたことを特徴とする遮熱エンジン１。
【選択図】 図１

Description

本発明は、遮熱構造の燃焼室を形成した遮熱エンジンに関するものである。

一般的に、遮熱エンジンは、冷却損失の低減や排気ガスの熱エネルギの回収、利用などを目的とするエンジンであり、燃焼による熱を保持し、燃焼室の近傍を高温に保つことで熱効率の向上を図っている。その燃焼室は、遮熱構造となっており、低熱伝導性材料からなるシリンダライナとヘッドライナとを、各々シリンダブロックとシリンダヘッドとに挿入することで形成される。また、シリンダブロックとシリンダヘッドとは、水ジャケットが廃止されており、遮熱性がさらに高められている。

これらのシリンダライナとヘッドライナとの遮熱構造により、遮熱エンジンは水冷エンジンに較べ、放熱量が著しく低減される。

このような遮熱エンジンにおいて、燃焼が主にシリンダライナの上方に位置するヘッドライナ内で行われることから、シリンダライナは上部ほど温度が高くなる。一方、シリンダライナの下部は実質的に燃焼室を区画するものではなく、シリンダライナの上部に比べ温度が低い。

このようなシリンダライナ内をピストンが摺動し、このとき、シリンダライナとピストンとの摺動部が潤滑油により潤滑される（特許文献１参照）。

特開平６−３３６９４９号公報 実開平５−８９８３５号公報

ところで、シリンダライナとピストンとの摺動部の摩擦損失を低減させるためには、潤滑油の粘度は低いほどよい。

潤滑油の粘度は、温度が高いほど低くなる。一方、シリンダライナには、その軸方向に沿って上述のような温度勾配がある。したがって、シリンダライナとピストンとの摺動部の潤滑油の粘度は、上部ほど低く、下部ほど高くなる。シリンダライナの上部では、良好な潤滑が得られるが、シリンダライナの下部では、上部と比較すると潤滑性能が悪化する（摩擦損失が増大する）。

シリンダライナの全長に亘り良好な潤滑油油膜粘度を得るためには、シリンダライナの下部の温度を高めて、上部の温度に近づける必要がある。

特許文献２には、水冷エンジンにおいて、シリンダライナの外周に冷却室を形成し、その冷却室を、常に冷却水が流動する上部冷却室と、エンジンの負荷に応じて冷却水または冷却用空気の流動が切り換えられる下部冷却室とに仕切ることが開示されている。

しかし、特許文献２に示されたシリンダ構造では、シリンダライナの下部が、流動する冷却水または冷却用空気によって常に冷却され続けるため、遮熱エンジンでは、過冷却となってしまい採用できない。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、シリンダライナの全長に亘り良好な潤滑油膜油粘度を得ることができる遮熱エンジンを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明は、シリンダブロックに形成されたシリンダボアに挿入されるシリンダライナと、そのシリンダライナの上方に隣接されたヘッドライナとで遮熱構造の燃焼室を形成した遮熱エンジンであって、上記シリンダライナの下部から上記シリンダブロックへの熱伝達を抑制するための遮熱層を設けたものである。

上記目的を達成するための本発明は、上記遮熱層が、上記シリンダライナの下部に隣接されるものである。

上記目的を達成するための本発明は、上記遮熱層が、上記シリンダブロックによって区画形成された空気層からなるものである。

上記目的を達成するための本発明は、上記シリンダライナの上部を冷却するための冷却通路が設けられたものである。

上記目的を達成するための本発明は、上記冷却通路を流通する冷却媒体の流量を調整するための調整弁がさらに設けられたものである。

本発明によれば、以下のような優れた効果を発揮するものである。

シリンダライナの下部に遮熱層を設けることで、シリンダライナの下部を保温し、シリンダライナの下部の温度を高めることができる。したがって、良好な潤滑油油膜粘度をシリンダライナの略全長に亘り得ることができる。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本実施形態の遮熱エンジンの断面図を示す。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面図を示す。ただし、ピストンは省略されている。

図１および図２に示されるように、本実施形態の遮熱エンジン１は、シリンダブロック２と、そのシリンダブロック２の頂部に取り付けられるシリンダヘッド４と、コンロッド５に連結され、シリンダブロック２内を往復するピストン６とを備える。

シリンダブロック２には、上下方向に延出する複数のシリンダボア８が並列して形成され、各シリンダボア８には、円筒状のシリンダライナ９が各々挿入される。

シリンダライナ９の上端部には、径方向外側に突出するつば部１０が形成される。シリンダライナ９の外径は、つば部１０を除き、シリンダボア８の内径と略等しい。シリンダライナ９は、つば部１０の下面をシリンダブロック２と当接させ、シリンダボア８内に嵌め合いで組み付けられる。

シリンダヘッド４の下部には、遮熱空気層１１と遮熱ガスケット１２とを介して、ヘッドライナ１４が嵌め込まれる。

また、シリンダヘッド４内には、遮熱ポートライナ１５が各々挿入された排気ポート１６と吸気ポート（図示せず）とが形成される。それら排気ポート１６の開閉を行うための排気弁１８と、吸気ポートの開閉を行うための吸気弁（図示せず）とが各々設けられる。

さらに、それら排気弁１８や吸気弁などの動弁系に潤滑油を供給するための潤滑油路１９が、シリンダブロック２およびシリンダヘッド４内を貫通して設けられる。

ピストン６は、複数の遮熱ガスケット２０を介して結合された、ピストンクラウン２２とピストンスカート２４とからなる分割構造である。ピストンスカート２４の外周には、シリンダライナ９の内周壁面と摺接する複数のピストンリング２５が取り付けられる。ピストン６の内部には、遮熱空気層２１が形成される。

シリンダブロック２とシリンダヘッド４とが、図示しない締結部材（例えば、ボルト）により組み付けられ、この際、ヘッドライナ１４とシリンダライナ９との間に遮熱ガスケット２６が挟み込まれる。これによって、ヘッドライナ１４が、遮熱ガスケット２６を介して、シリンダライナ９の上方に隣接されるようになる。主に、それらシリンダライナ９と、ヘッドライナ１４とで遮熱構造の燃焼室２８が形成される。また、遮熱ガスケット２６により、ヘッドライナ１４からシリンダライナ９への熱伝達が抑制され、シリンダライナ９の内周壁面温度が、水冷エンジン相当以下に保たれる。

以上のシリンダライナ９、ヘッドライナ１４、ピストンクラウン２２、ピストンスカート２４および遮熱ポートライナ１５は、各々低熱伝導性材料からなり、本実施形態では、例えば、セラミックからなる。なお、シリンダブロック２とシリンダヘッド４とは、通常用いられる金属材料（例えば、鉄やアルミ合金など）からなる。

特に、本実施形態では、シリンダライナ９の下部からシリンダブロック２への熱伝達を抑制するための遮熱層３０が設けられる。その遮熱層３０は、シリンダブロック２に設けられ、シリンダライナ９の下部に隣接して配置される。ここで、シリンダライナ９の下部とは、ピストン６が下死点にあるときにピストン６の頂部より下に位置する部分をいう。また、この下部よりも上の部分をシリンダライナ９の上部とする。

遮熱層３０は、シリンダブロック２によって区画形成された空気層３１からなる。具体的には、空気層３１は、シリンダボア８の内周壁面に形成された凹部３２により区画形成される。

凹部３２は、各シリンダライナ９ごとに上下方向に所定間隔を隔てて複数（本実施形態では４つ）形成される。凹部３２は、シリンダボア８の内周壁面の全周に亘り形成された断面四角の溝からなり、上下幅に較べ小さい深さを有する。シリンダライナ９がシリンダボア８へ組み付けられた状態において、凹部３２とシリンダライナ９の外周壁面とにより密閉された空間（隙間）が空気層３１となる。その空気層３１において、空気の積極的流動はない。

この空気層３１により、シリンダライナ９の下部の温度を高めることができる。

ところで、シリンダライナ９とピストン６との摺動部では、温度が高いほど良好な潤滑油粘度を得ることができるが、高温になりすぎると、潤滑油が炭化してしまうおそれがある。

そこで、本実施形態のシリンダブロック２には、シリンダライナ９上部を冷却するための冷却通路３４が設けられる。その冷却通路３４は、シリンダライナ９の上部を囲む循環流路３５と、その循環流路３５に冷却媒体を導入する導入流路３６と、循環流路３５に導入された冷却媒体を排出する排出流路３８とにより主に構成される。

本実施形態では、導入流路３６が遮熱エンジン１の潤滑油路１９に接続され、冷却媒体として遮熱エンジン１の潤滑油が共用される。

シリンダヘッド４には、冷却通路３４の排出流路３８から排出された潤滑油を潤滑油路１９に戻すための戻り流路３９が形成される。

循環流路３５は、各シリンダライナ９ごとに上下方向に所定間隔を隔てて複数（本実施形態では３つ）形成される。循環流路３５は、シリンダボア８の内周壁面に形成された断面長方形の周溝により区画形成され、シリンダライナ９の外周に沿った円環形状を有する。本実施形態では、循環流路３５は、シリンダライナ９の外周壁面に隣接させて形成される。したがって、循環流路３５内の潤滑油が、シリンダライナ９の外周壁面と接触する。

導入流路３６は、上下３本の循環流路３５の各々に接続された複数の枝導入流路４４と、それら枝導入流路４４が接続された幹導入流路４２とを備える。

枝導入流路４４は、シリンダブロック２内に形成された断面円形の溝により区画形成され、循環流路３５から幹導入流路４２まで水平に延びる。

幹導入流路４２は、シリンダブロック２内に形成された断面円形の溝により区画形成され、上下３本の循環流路３５のうちの最も下方の循環流路３５と同じ高さからシリンダブロック２の頂部まで垂直に延びる。
さらに、導入流路３６は、潤滑油路１９に接続されたオイルギャラリ４０を備える。そのオイルギャラリ４０は、シリンダブロック２内に形成された断面円形の溝により区画形成され、シリンダブロック２内を長手方向（図２において上下方向）に延びる。

導入流路３６は、枝導入流路４４と幹導入流路４２とを、各シリンダライナ９ごとに備え、幹導入流路４２が、各シリンダライナ９の近傍でオイルギャラリ４０に接続される。

排出流路３８は、循環流路３５から潤滑油を排出するための循環流路３５に接続された枝排出流路４５と、それら枝排出流路４５から排出された潤滑油を戻り流路３９へと導くための戻り流路３９に接続された幹排出流路４６とを各シリンダライナ９ごとに備える。

幹排出流路４６は、シリンダブロック２内に形成された断面円形の溝により区画形成され、上下３本の循環流路３５のうちの最も下方の循環流路３５と同じ高さから戻り流路３９まで垂直に延びる。

枝排出流路４５は、シリンダブロック２内に形成された断面円形の溝により区画形成され、循環流路３５から幹排出流路４６まで水平に延びる。

以上の遮熱層３０と冷却通路３４と戻り流路３９とは、例えば、鋳造や機械加工などによりシリンダブロック２内またはシリンダヘッド４内に形成される。また、冷却通路３４および戻り流路３９の開放端部は、栓材４８により適宜閉塞される。

さらに、本実施形態のシリンダライナ９の外周には、循環流路３５の潤滑油の漏洩を防止するための一対のＯリング４９が、上下３本の循環流路３５の上方と下方とに設けられる。また、下方のＯリング４９は、循環流路３５と遮熱層３０との間に設けられる。

さらに、本実施形態の冷却通路３４には、冷却通路３４を流通する冷却媒体の流量を調整するための調整弁５０が設けられる。調整弁５０は、例えば、内部にＴ字状の流路が形成された軸状の油路切換バルブからなる。図２に示すように、本実施形態では、油路切換バルブ５０を駆動する弁駆動手段５２が設けられ、その弁駆動手段５２は、油路切換バルブ５０を回転させる電動モータからなる。オイルギャラリ４０の上流端のみが潤滑油路１９に接続され、油路切換バルブ５０は、その接続部に配置される。

さらに、本実施形態では、シリンダライナ９の温度を測定するための温度センサ５５が設けられる。本実施形態では、温度センサ５５は、シリンダ列方向において、潤滑油の流れ方向で最上流側に位置するシリンダライナ９の外周壁面に当接して配置される。また、温度センサ５５は、上下３本の循環流路３５のうちの中間の循環流路３５と同じ高さに設けられ、シリンダライナ９の上部の温度を検出する。

さらに、本実施形態の遮熱エンジン１は、図２に示すように、温度センサ５５と電動モータ５２とに各々接続された制御手段５６を備える。その制御手段５６には、温度センサ５５の検出値が入力され、制御手段５６は、その検出値を基に電動モータ５２を介して油路切換バルブ５０を制御する。制御手段５６は、例えば、演算処理を行うＣＰＵと、電動モータ５２へ作動電流を供給するドライブ回路とを備える。

本実施形態では、温度センサ５５の検出温度が所定温度（以下、上限温度）より高い場合に、制御手段５６により油路切換バルブ５０が完全開放され、シリンダライナ６の上部が冷却される。また、温度センサ５５の検出温度が他の所定温度（以下、下限温度）より低い場合には、制御手段５６により油路切換バルブ５０が完全閉鎖され、シリンダライナ６の上部の冷却が行われない。

その上限温度とは、例えば、できるだけ高温で、かつ潤滑油が炭化しない温度である。また、下限温度とは、例えば、温度の低下による潤滑油の粘度の増大が許容できなくなる温度である。これら上限温度と下限温度とは、遮熱エンジン１に適用される潤滑油の特性に合わせて、適宜設定される。

次に、本実施形態の遮熱エンジン１の作用を説明する。

図４にシリンダライナ９の上下方向の温度分布を示す。

遮熱エンジン１の運転時、燃料の燃焼が主にヘッドライナ１４の内部で行われる。その燃焼により生じた熱が、シリンダライナ９の上部から下部へと伝導する。

シリンダライナ９の下部では、熱抵抗の高い空気層３１（遮熱層３０）により、シリンダライナ９の下部からシリンダブロック２への放熱が抑制される。したがって、シリンダライナ９の下部の温度は、従来の遮熱エンジン（点線で示す）に較べ高くなる。

特に、本実施形態では、空気層３１がシリンダライナ９の下部と隣接することで、その分シリンダライナ９の下部とシリンダブロック２との接触面積が減少し、放熱の抑制が促される。

また、シリンダライナ９の上部では、高負荷運転時など、温度センサ５５の検出温度が所定温度より高い場合、調整弁５０を開放して、冷却通路３４の循環流路３５へ潤滑油を連続的に供給し、シリンダライナ９の上部を冷却する。（図１および図２参照）。したがって、シリンダライナ９の上部の温度は、従来の遮熱エンジン（点線で示す）のような、過度な高温とはならない。

また、遮熱エンジン１の始動時、アイドリングなどの低負荷運転時、暖機が十分でないときなど、温度センサ５５の検出温度が所定温度以下の場合、調整弁５０を閉鎖する。それにより、シリンダライナ９の壁面温度が短時間に上昇する。

このように本実施形態の遮熱エンジン１は、シリンダライナ９の下部を遮熱層３０により遮熱ないし保温することで、シリンダライナ９の下部の温度を高くすることができる。

また、シリンダライナ９の下部の温度を高めることで、シリンダライナ９の上部から下部にかけての温度勾配が低減し、シリンダライナ９の全長に亘りピストン６の摺動部の良好な潤滑油油膜粘度（摺動環境）を得ることができ、摩擦損失の低減を図ることができる。

また、シリンダライナ９の上部を冷却通路３４内の冷却媒体により冷却することで、シリンダライナ９の上部が過度に高温となることが抑制され、ピストン６の摺動部の潤滑油が炭化することを防止できる。さらに、シリンダライナ９の上部を冷却することでも、シリンダライナ９の上部から下部にかけての温度勾配が低減する。

冷却媒体として遮熱エンジン１の潤滑油を共用することで、遮熱エンジン１が有する潤滑油の循環機構などを共用でき、構造が簡単になる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。

例えば、本実施形態では、遮熱層３０が、シリンダライナ９の下部に隣接される形態を説明したが、これに限らず、遮熱層を、水冷エンジンの水ジャケットのようにシリンダブロックの内部に設け、シリンダライナとの間に、シリンダブロックの肉を介在させるようにしてもよい。

本実施形態では、遮熱層３０がシリンダブロック２によって区画形成された空気層３１からなる形態を説明したが、これに限らず、遮熱層を空気以外の断熱材で構成してもよい。例えば、遮熱層をシリンダブロックの外部に巻き付けた断熱材で構成してもよい。

冷却媒体は、本実施形態のように潤滑油を用いることが好ましいが、本発明はこれに限定されず、水や空気などを用いてもよい。

本実施形態では、調整弁５０を、完全閉鎖と完全開放とに切り換えて使用する形態を説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、調整弁５０の開度を、数段階に分けて、または、連続的に開閉制御してもよい。

本実施形態では、調整弁５０として油路切換バルブ５０を用いる形態を説明したが、これに限らず、例えば、電磁ソレノイドバルブや、所定温度でペレットが伸縮し流路を開閉させるようなサーモスタットなどでもよい。

本実施形態では、シリンダライナ９の温度に基づき、調整弁５０の開閉を行う形態を説明したが、これに限らず、例えば、遮熱エンジンの負荷に基づき、調整弁の開閉を行うようにしてもよい。

本発明の一実施形態による遮熱エンジンの断面図を示し、調整弁が開放された状態冷却媒体の流れを矢印で示す。 図１のＩＩ−ＩＩ断面図を示す。 本発明の一実施形態による遮熱エンジンの断面図を示し、調整弁が閉鎖された状態の冷却媒体の流れを矢印で示す。 本実施形態の遮熱エンジンと従来の遮熱エンジンとのシリンダライナの温度分布のイメージ図を示す。

符号の説明

１ 遮熱エンジン
２ シリンダブロック
８ シリンダボア
９ シリンダライナ
１４ ヘッドライナ
２８ 燃焼室
３０ 遮熱層
３１ 空気層
３４ 冷却通路
５０ 調整弁
５５ 温度センサ

Claims (5)

1. シリンダブロックに形成されたシリンダボアに挿入されるシリンダライナと、そのシリンダライナの上方に隣接されたヘッドライナとで遮熱構造の燃焼室を形成した遮熱エンジンであって、上記シリンダライナの下部から上記シリンダブロックへの熱伝達を抑制するための遮熱層を設けたことを特徴とする遮熱エンジン。
2. 上記遮熱層が、上記シリンダライナの下部に隣接される請求項１記載の遮熱エンジン。
3. 上記遮熱層が、上記シリンダブロックによって区画形成された空気層からなる請求項１または２記載の遮熱エンジン。
4. 上記シリンダブロックに、上記シリンダライナの上部を冷却するための冷却通路が設けられた請求項１〜３いずれかに記載の遮熱エンジン。
5. 上記冷却通路を流通する冷却媒体の流量を調整するための調整弁がさらに設けられた請求項４記載の遮熱エンジン。
   

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