JP2006283707A

JP2006283707A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2006283707A
Application number: JP2005106631A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Kaneko; 智洋金子
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-04-01
Filing date: 2005-04-01
Publication date: 2006-10-19

Abstract

【課題】内燃機関において、燃焼形態に応じてピストンストロークとシリンダボアとの比を設定することができる技術を提供する。
【解決手段】等容度に基づいてピストンストロークとシリンダボアとの比を設定する。燃焼期間が短い場合には、ピストンがＴＤＣ付近にあるときに燃焼が行われるため、シリンダよりもピストンおよびシリンダヘッドへの熱損失が大きくなる。そのため、ピストンストロークを相対的に大きくし、シリンダボアを相対的に小さくすることにより、ＴＤＣ付近でのシリンダ内表面積を小さくすることができるので、熱損失を小さくすることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関に関する。

ピストンストロークとシリンダボアとの比（以下、ストローク／ボア比という。）が異なると、内燃機関の出力特性も異なるため、内燃機関の設計時には該内燃機関において想定される運転条件に基づいてストローク／ボア比が決定されている。そして、シリンダボア、シリンダ容積、ストローク／ボア比、圧縮比が規定された過給機付内燃機関が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平５−５９９４８号公報特開２００３−１２９８７３号公報特開平６−１３７１７６号公報

しかし、従来の内燃機関では、燃焼形態を考慮しないでストローク／ボア比が決定されていたため、予混合圧縮着火、ＥＧＲガス量を煤の発生量が最大となるよりも増加させる低温燃焼、通常よりも主噴射の噴射時期を遅らせる遅延噴射等の従来とは異なる燃焼形態を採用した内燃機関では、ピストン、シリンダライナ、およびシリンダヘッドへの熱損失割合が夫々異なるため、冷却損失が大きくなるおそれがあった。すなわち、ストローク／ボア比が変わることにより、燃焼室の表面積全体に占めるピストン、シリンダライナ、およびシリンダヘッドの表面積の割合が変わったり、ピストン平均速度が変わったりするため、夫々の部材で生じる熱損失も変わる。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関において、燃焼形態に応じてピストンストロークとシリンダボアとの比を設定することができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関は、以下の手段を採用した。すなわち、
等容度に基づいてピストンストロークとシリンダボアとの比を設定することを特徴とする。

また、本発明においては、等容度が高いほどピストンストロークとシリンダボアとの比を高く設定することができる。

ここで、内燃機関の冷却損失は、ピストン速度、シリンダ内温度、および燃焼ガスが接する部材の表面積（以下、シリンダ内表面積という。）により影響を受ける。そして、燃料の燃焼期間が短い場合には、ピストンストロークとシリンダボアとの比を大きくすることにより、冷却損失を小さくすることができる。すなわち、燃焼期間が短い場合には、ピストンが上死点（以下、ＴＤＣという。）付近にあるときに燃焼が行われるため、シリンダライナよりもピストンおよびシリンダヘッドへの熱損失が大きくなる。そのため、同筒内容積でピストンストロークを相対的に大きくし、シリンダボアを相対的に小さくすることにより、ＴＤＣ付近でのシリンダ内表面積（表面積／容積の比）を小さくすることができるので、熱損失を小さくすることができる。

また、燃焼期間が長い場合には、ピストンストロークとシリンダボアとの比を小さくすることにより、冷却損失を小さくすることができる。すなわち、燃焼期間が長い場合には、シリンダライナへの熱損失が大きくなる。そして、ピストンストロークとシリンダボアとの比を小さくし、ピストン平均速度を低下させることにより、熱伝達係数を小さくすることができる。したがって、ピストンが膨張行程中９０°ＡＴＤＣ付近にあるときのシリンダライナへの熱伝達を小さくすることができるので、熱損失を減少させることができる。

このように、燃焼形態を考慮してピストンストロークとシリンダボアとの比を設定することにより、排気性能と燃費性能とを共に向上させた内燃機関を得ることができる。

そして、燃焼形態は等容度により表すことができる。したがって、等容度に基づいてピストンストロークとシリンダボアとの比を設定することができる。

ここで、ＴＤＣ付近で短期間の燃焼が行われる場合には等容度は高く、燃焼期間が長くなると等容度は低くなる。また、燃焼時期がＴＤＣ位置から離れているほど等容度が低くなる。すなわち、等容度が高いほど、ピストンストロークとシリンダボアとの比が大きくなるようにピストンストロークおよびシリンダボアを設定することにより、熱損失を減少させ燃費を向上させることができる。

本発明に係る内燃機関では、燃焼形態に応じてピストンストロークとシリンダボアとの比を設定することができる。

以下、本発明に係る内燃機関の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関を適用する内燃機関１の概略構成を示す図である。

内燃機関１は、４サイクルディーゼル機関であり、シリンダヘッド２およびシリンダブロック３を備えて構成されている。

シリンダブロック３には、円筒形のシリンダライナ４がはめ込まれシリンダ４０が形成されている。シリンダライナ４には、ピストン５が挿入されている。

ここで、シリンダライナ４の内径がシリンダボア、ピストン５の上死点から下死点までの移動距離がピストンストロークである。なお、ピストン５、シリンダライナ４、およびシリンダヘッド２で囲まれる空間の容積をシリンダ内容積と称する。特に、ＴＤＣ時にピストン５、シリンダライナ４、およびシリンダヘッド２で囲まれる空間の容積をすきま容積と称する。

そして、本実施例では、等容度に基づいてストローク／ボア比を設定する。等容度は、シリンダ４０内における燃焼が、どれだけＴＤＣ近傍で行われているかを示している。なお、等容度は、内燃機関１の運転状態全域の等容度としてもよく、内燃機関１の使用頻度の高い運転状態における等容度としてもよい。

また、ある程度機関負荷が高いと燃料噴射期間が長くなり、燃焼期間も長くなるので、ピストンストロークおよびシリンダボアの大きさの影響を受け難いとして、このときの運転状態を除外して等容度を算出してもよい。

そして、等容度η_ｇｌは、例えば以下の式で算出することができる。

ここで、Ｐ−Ｖ線図を２本の断熱線と２本の定容線で囲まれた多数の微小サイクルに分割し、実際のサイクルに相当する定容サイクルの効率に対する微小サイクルの効率の割合を示したものがη_ｇｌθである。このη_ｇｌθは、次式により算出される。また、Ｑは燃焼により発生した熱量、ｄＱ／ｄθは熱発生率である。

ただし、εは圧縮比でありＶ_１／Ｖ_２で示される。また、ε_θ＝Ｖ_１／Ｖ_θであり、κは比熱比である。Ｖ_１はピストン５の下死点（以下、ＢＤＣという。）時のシリンダ内容積、Ｖ_２はすきま容積、Ｖ_θは微小サイクルのピストン位置におけるシリンダ内容積である。

なお、等容度は他の式によって求めるようにしてもよい。

一般的な内燃機関では、ＴＤＣ付近で燃焼が開始されると等容度が高くなり、燃費が良くなる。しかし、例えば遅延噴射による燃焼では、ＴＤＣを過ぎてから燃焼が行われるため、等容度が低くなる。本実施例においては、ストローク／ボア比を等容度に基づいて変更することにより燃費の改善を行う。

ここで、冷却損失はたとえば次式により算出される。

ただし、Ｑ_ｗｉはシリンダヘッド２、ピストン５、シリンダライナ４における壁面熱流量、Ａ_ｉは燃焼ガスと接するシリンダヘッド２、ピストン５、シリンダライナ４の表面積、α_ｗは熱伝達係数、Ｔ_ｃはシリンダ４０内のガス温度、Ｔ_ｗｉはシリンダヘッド２、ピストン５、シリンダライナ４の壁面温度である。

なお、シリンダライナ４の壁面温度Ｔ_Ｌは、たとえば次式により算出される。

ただし、ｃ＝ｌｎ（Ｔ_{Ｌ，ＴＤＣ}／Ｔ_{Ｌ，ＢＤＣ}）、Ｔ_Ｌはシリンダライナ４の壁面温度、Ｔ_{Ｌ，ＴＤＣ}はＴＤＣ位置におけるシリンダライナ４の壁面温度、Ｔ_{Ｌ，ＢＤＣ}はＢ
ＤＣ位置におけるシリンダライナ４の壁面温度、ｘは相対ストローク（フルストローク時に対するピストン５の位置）である。

熱伝達係数α_ｗは例えば次に示すｗｏｓｃｈｎｉの式により算出される。

ただし、Ｃ_１＝２．２８＋０．３０８・Ｃ_ｕ／Ｃ_ｍ、Ｃ_２＝０．００３２４、Ｄはシリンダボア、ｃ_ｍは平均ピストン速度、ｃ_ｕは周速度、Ｖ_Ｄはシリンダあたりの容積、Ｐ_ｃ，ｏはモータリング時のシリンダ内圧力、Ｔ_ｃ，ｌは吸気バルブ閉止時のシリンダ内温度、Ｐ_ｃ，ｌは吸気バルブ閉止時のシリンダ内圧力、Ｖ_ｃ，ｌは吸気バルブ閉止時のシリンダ内容積である。

以上の式から、冷却損失は、ピストン速度、シリンダ内温度、シリンダ内の表面積によって変わることが分かる。

ここで、予混合圧縮着火や水素燃焼等の燃焼期間が短い場合には、ＴＤＣ付近で燃焼が行われるため、燃焼により発生する熱が主にシリンダヘッド２およびピストン５へ伝わり、シリンダライナ４へ伝わる熱は少ない。この場合、ＴＤＣ近傍におけるピストン５およびシリンダヘッド２への熱損失が大きいため、それらの表面積を減少させることにより熱損失を減少させることができる。そして、ＴＤＣ近傍における、ピストン５およびシリンダヘッド２の表面積を小さくするには、ストローク／ボア比を高くすればよい。したがって、ストローク／ボア比を大きくすることにより、シリンダヘッド２およびピストン５へ伝わる熱を少なくすることができ、冷却損失を低下させることができる。また、シリンダボアを相対的に小さくすることにより、燃料と空気との混合を促進させることができる。

そして、予混合圧縮着火や水素燃焼等の燃焼期間が短い場合には、等容度が非常に高くなる。すなわち、等容度が高くなるほど、ストローク／ボア比を高くすることで、熱損失を低減させることができる。

一方、低温燃焼や遅延噴射による燃焼等の燃焼期間が長い場合には、燃焼により発生する熱がシリンダライナ４へも多く伝わる。すなわち、低温燃焼、遅延噴射による燃焼等の燃焼期間が長い場合には、熱損失全体に占めるシリンダライナ４の熱損失割合が大きくなる。ここで、ストローク／ボア比を小さくすることにより、平均ピストン速度を低下させることができ、ＢＤＣ時でのシリンダライナ４への熱伝達を減少させることができるので、冷却損失を低下させることができる。

すなわち、等容度が低い場合には、ストローク／ボア比を小さくすることにより、熱損失を低減することができる。

ここで、図２は、等容度が例えば８０％となる熱を発生させたときのストローク／ボア比と、熱損失との関係を示した図である。横軸がストローク／ボア比、縦軸が熱損失を夫々示している。

図２によれば、ストローク／ボア比が１．３から１．５近辺で熱損失が最小となる。す
なわち、等容度が８０％となる燃焼を行う内燃機関では、ストローク／ボア比が１．３から１．５となるように内燃機関を設計することにより、燃費を良くすることができる。

また、図３は、ストローク／ボア比と、熱損失割合との関係を示した図である。熱損失割合とは、シリンダ４０内で生じる熱損失全体に対して各部材において生じる熱損失が占める割合である。

図３によれば、ストローク／ボア比が大きくなるほど、ピストン５およびシリンダヘッド２の熱損失割合が小さくなり、シリンダライナ４の熱損失割合が大きくなる。

このように、本実施例では、燃焼状態を判断するために等容度を用い、該等容度に基づいてストローク／ボア比を設定する。

ここで、図４は、等容度と、熱効率が最良となるストローク／ボア比との関係の一例を示した図である。この関係は、排気量によって異なる。

なお、シリンダライナ４、ピストン５、シリンダヘッド２等にセラミック等の断熱材を用いた場合には、排気量が同じであってもストローク／ボア比によって、夫々の部材での熱損失割合が変化するため、燃焼形態と併せて断熱材の使用部位を考慮してストローク／ボア比を設定してもよい。

また、等容度に代えて、燃焼開始時期および燃焼期間に基づいてストローク／ボア比を決定するようにしてもよい。

以上説明したように、本実施例によれば、燃焼形態（等容度）を考慮してストローク／ボア比を設定することができるので、排気および燃費の性能を両立した内燃機関を作成することが可能となる。

実施例に係る内燃機関を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。等容度が例えば８０％となる熱を発生させたときのストローク／ボア比と、熱損失との関係を示した図である。ストローク／ボア比と、熱損失割合との関係を示した図である。等容度と、熱効率が最良となるストローク／ボア比との関係の一例を示した図である。

符号の説明

１内燃機関
２シリンダヘッド
３シリンダブロック
４シリンダライナ
５ピストン
４０シリンダ

Claims

等容度に基づいてピストンストロークとシリンダボアとの比を設定することを特徴とする内燃機関。
等容度が高いほどピストンストロークとシリンダボアとの比を高く設定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。