JP2007231830A - 内燃機関のピストン - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン断熱化により冷却損失の低減を図る。
【解決手段】本発明に係る内燃機関は、シリンダ内を往復動するピストン２２を備え、機関運転状態に基づいて機関圧縮比を変更し、前記ピストン２２は、ピストン冠面が熱伝導性の低い材料２２ａで構成され、ピストンリング溝部４２ａ、４２ｂが熱伝導性の高い材料で構成される。
【選択図】図５

Description

本発明は内燃機関のピストンに関する。

従来から、燃焼室壁面にセラミックなどの断熱材を貼り、冷却損失を低減することによって、機関の熱効率を高める断熱エンジンの試みがなされている。しかしながら、非特許文献１に開示されているように、セラミックは高温下で熱伝達率が上昇するため、高温の壁面等からの伝熱により吸気の温度が上昇し、圧縮終わりの温度で２００℃以上上昇する。

このような温度上昇が伴うと、ガソリンエンジンでは全負荷運転などの条件ではノックの発生が不可避となるため、従来の固定圧縮比機構の場合、圧縮比を下げざるを得ない。また、断熱材の蓄熱作用によって、断熱材が高温となると、ピストン冠面からわずかな距離にあるピストンリングの溝部の温度も上昇し、オイルコーキングによるリングの膠着の問題も起こってくる。ピストンディーゼルエンジンでは噴射燃料の着火までの時間が短縮されて拡散燃焼の割合が増大するため、排気エネルギーが増大する結果となり、ターボコンパウンドのコンセプトが検討されたが、システムが複雑になる欠点があった。
機械学会講演論文１９９６年Ｎｏ．９６−１「遮熱エンジンの燃焼と燃焼室」

本発明はかかる問題点に着目してなされたもので、その目的は、燃焼室の断熱化と圧縮比の可変制御によって、冷却損失を低減し、機関の熱効率を高めることにある。

本発明に係る内燃機関は、シリンダ内を往復動するピストンを備え、機関運転状態に基づいて機関圧縮比を変更し、前記ピストンは、ピストン冠面が熱伝導性の低い材料で構成され、ピストンリング溝部が熱伝導性の高い材料で構成される。

燃焼室壁面の一部となるピストン冠面を断熱効果の高い材料で構成することで、燃焼時の冷却損失を低減できる。併せて、ピストンリング溝部を熱伝導率の高い材料で構成することで、ピストン冠面を構成する断熱効果の高い材料の蓄熱作用による温度上昇を抑え、従来同様のトライボ性能を維持し、また、機関圧縮比を例えば部分負荷時には高くして熱効率を高め、高負荷時には圧縮比を下げてノック発生を抑制する。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
（第一実施形態）
本発明による内燃機関は、例えば直列４気筒の火花点火式ガソリン機関であり、公称圧縮比を可変制御する複リンク式ピストンストローク機構を利用した圧縮比可変機構（圧縮比変更手段）を有する。図１は、この圧縮比可変機構を示す図である。最初に、これについて図１を参照して説明する。

図１の圧縮比可変機構１において通常のクランク機構と異なる点は、ピストン２２とクランクシャフト２１がアッパリンク（第一リンク）１１、ロアリンク（第二リンク）１２の２つのリンクを介して連結され、さらにこのロアリンク１２には、その挙動を制約するコントロールリンク（第三リンク）１３が連結され、コントロールリンク１３は偏心軸部１５を有するコントロールシャフト１４によって、その回転（揺動）中心を変えられる点にある。

さらに詳細に構造を説明すると、クランクシャフト２１は、複数のジャーナル２１ａとクランクピン２１ｂとを有する。ジャーナル２１ａは、シリンダブロック２０の主軸受に回転自在に支持される。クランクピン２１ｂは、ジャーナル２１ａから所定量偏心しており、ここにロアリンク１２が回転自在に連結されている。ロアリンク１２は、二部材に分割可能に構成されているとともに、略中央の連結孔にクランクピン２１ｂが嵌合している。

アッパリンク１１は、下端側が連結ピン２５によってロアリンク１２の一端に回動可能に連結され、上端側がピストンピン２４によりピストン２２に回動可能に連結されている。ピストン２２は、シリンダブロック２０に嵌着したシリンダライナー２７に摺動自在に嵌合しており、燃焼圧力を受け、シリンダ２３内を往復動する。

コントロールリンク１３は、上端側が連結ピン２６によってロアリンク１２の他端に回動可能に連結され、下端側がコントロールシャフト１４の偏心軸部１５を中心として回動可能になっている。

コントロールシャフト１４はアクチュエータ３１の先端に取り付けられたピニオン３２によって回転させられる。コントロールシャフト１４が回転すると偏心軸部１５が上下動し、それにともないコントロールリンク１３が上下動する。

図２は圧縮比可変機構１のピストン上死点位置の調整方法を説明する図である。図２（Ａ）はピストン上死点位置が高圧縮比の位置にある場合を示し、図２（Ｂ）はピストン上死点位置が低圧縮比の位置にある場合を示す。

圧縮比を高めるときには、図２（Ａ）に示すように、アクチュエータ３１を駆動してコントロールシャフト１４の偏心軸部１５を下げる。するとロアリンク１２は時計回りに移動し、連結ピン２５が上げられるので、ピストン２２の上死点の位置が上昇する。

圧縮比を低めるときには、図２（Ｂ）に示すように、アクチュエータ３１を駆動してコントロールシャフト１４の偏心軸部１５を上げる。するとロアリンク１２は反時計回りに移動し、連結ピン２５が下げられるので、ピストン２２の上死点の位置が下降する。なお、図２（Ａ）、（Ｂ）は、高圧縮比状態と低圧縮比状態とを代表的に示しているが、これらの間で圧縮比を連続的に変化させることができる。

図３は、上記の圧縮比可変機構１で得られるピストンストローク特性と、ピストンとクランクシャフトのクランクピンとを一本のリンク（コンロッド）により連結した従来の単リンク式ピストンストローク機構で得られるピストンストローク特性を示したものである。

従来の単リンク式ピストンストローク機構では、ピストンは上死点付近で早い動き（加速度大）になり、下死点付近では鈍い動き（加速度小）になっていた。これに対し、複リンク式ピストンストローク機構１の場合は、リンク構成を適切に設定することにより、単振動に近いピストンストローク特性を得ることができる。したがって、ピストン加速度が平準化され、上死点付近でのピストン速度が従来に比して遅くなる。上死点付近では、給気弁から供給される高圧の新気によって掃気、充填、混合気形成が行われ、さらに点火も行われる。このように行程の集中する上死点付近のピストン速度を複リンク機構によって低下させることで、出力可能な回転速度を上げることができる。しかしながら、上死点付近でのピストン速度が遅くなれば、その分冷却損失は増大する。

図４は、市販されている直噴ディーゼルエンジンにおいて、圧縮比を高くしていった場合における圧縮比と熱効率との関係を示す図である。圧縮比は、部分負荷時には高く設定してもノック発生には至らないため、限界まで圧縮比を高く設定するのが望ましい。しかし、圧縮比を高くしていくと、ピストン２２の上死点位置が上昇していくため、燃焼室が扁平となる。したがって、上死点位置での燃焼室のＳ／Ｖ比（燃焼室表面積／燃焼室体積）が増大し、燃焼時の冷却損失が増大する。図４に示すように、圧縮比を高くするにつれて、熱効率は向上することがわかる。しかし、圧縮比が１６を超えたあたりからは、燃焼室の扁平化などに伴う冷却損失の増加によって、十分な熱効率向上効果が得られなくなる。

このような、高圧縮化に伴う燃焼室の扁平化による冷却損失及び、上述した上死点付近でのピストン速度低下による冷却損失を低減する効果的な方法として、燃焼室壁面（ピストン、シリンダ、ヘッド、吸排気弁の少なくとも１部）を断熱材及び、蓄熱効果の高い材料で構成することが挙げられる。

そこで、本実施形態では、図５のように断熱材を用いて、ピストン２２を構成している。ピストン２２は、その冠面に層状に断熱材（セラミック等）２２ａが貼られ、その本体が高熱伝導材（カーボン・ナノチューブ複合材、アルミニウム合金等）部分２２ｂと軽量な非金属材料（カーボン材、樹脂材等）部分２２ｃからなる三層構造の断熱ピストンとして構成される。

中間層の高熱伝導材部分２２ｂには、ピストンリング４１ａ、４１ｂがそれぞれ挿嵌されるピストンリング溝部４２ａ、４２ｂを形成する。ピストン本体のクランク室側に面する非金属材料部分２２ｃには、オイルリング４３が挿嵌されるオイルリング溝部４４と、オイルリング溝部４４からピストン２２の摺動方向下方側にスカート部４５と、を形成する。ピストンリング溝部４２ａ、４２ｂ、及びオイルリング溝部４４は互いに所定間隔を隔てて形成する。高熱伝導材部分２２ｂは非金属材料部分２２ｃに接合する。ピストン２２が摺接するシリンダライナー２７も高熱伝導材で構成する。

このように構成することで、断熱材２２ａの蓄熱作用によって、ピストン２２に蓄熱された熱を、ピストンリング４１ａ、４１ｂを通してシリンダライナー２７に伝達できる。したがって、断熱材２２ａの温度上昇に伴う、ピストン冠面からわずかな距離にあるピストンリング溝部４２ａ、４２ｂの温度上昇が原因で生じるオイルコーキングによるピストンリング４１ａ、４１ｂの膠着を防止することができる。また、ピストンリング溝部４２ａ、４２ｂの温度管理が可能なため、従来のピストン同様のトライボ性能を維持できる。さらに、シリンダライナー２７を断熱しなくても、上死点付近の冷却損失が最大となる条件で、断熱材２２ａによる冷却損失の低減効果を得ることができる。

図６は圧縮比を高く設定していった場合における燃焼室断熱化の効果を示したものである。これに示したように、燃焼室断熱化の効果は、上述した冷却損失が増大する高圧縮比の領域で大きくなる。

しかしながら、断熱材２２ａの蓄熱作用により、全開出力時など熱負荷の高い条件では、圧縮比を高いままとすると吸気温度上昇によるノックは依然として発生する。これについては、以下のような機関運転条件に応じた圧縮比可変機構１による圧縮比の制御により、圧縮比を下げることで解決する。

図７は本発明の制御システムの構成を示す図である。

この内燃機関は、圧縮比可変機構１と、シリンダ壁の温度を検出するシリンダ面温度センサ２と、ノックを検出するノックセンサ３（ノック検出手段）の検出信号に基づいて微弱なノック状態となるように点火時期を制御する点火進角制御装置４と、圧縮比可変機構１及び点火進角制御装置４を制御するエンジンコントロールユニット５と、を備えている。

エンジンコントロールユニット５は、機関運転条件に応じて目標圧縮比を予め割り付けた圧縮比制御マップ（図８参照）を備えており、シリンダ面温度センサ２の検出信号に基づいて、吸気温度が上昇して圧縮比の制御が不可避となる条件に達する前に、余裕をもって圧縮比を制御する。具体的には、アクチュエータ３１を駆動してコントロールシャフト１４を回転させ、コントロールリンク１３の位置を移動させることによって圧縮比可変機構１の圧縮比を制御する。また、エンジンコントロールユニット５には図示しないセンサ類によって検出された機関回転速度信号、負荷信号、などを入力している。

図８に、機関運転条件に応じて目標圧縮比を予め割り付けた圧縮比制御マップを示す。このマップは高負荷、低速領域ほど目標圧縮比は低くなるように設定されている。図８（Ａ）に示すように、通常の暖機後の条件では低速の全負荷領域はシリンダ壁温が高温となり、ノックが発生しやすい条件であるため、圧縮比εは８を目標としている。もちろん図８（Ｂ）に示すように、冷却水温が低い暖機前の条件では圧縮比を高め（例えばε＝１０）に設定しても良い。

一方、Ｒ／Ｌ（平坦路面で加減速なしに車両を走行させるのに必要な負荷）特性で要求されるエンジン出力で運転しているような場合など、部分負荷領域ではノックが発生しにくい。したがって、圧縮比を１５程度まで高く設定し、燃費の向上を図る。全負荷領域でも車速が高速になればノックが発生しにくくなるため、熱効率向上による出力アップを目的として、圧縮比を比較的高い値とする。

機関運転条件に応じて圧縮比を制御してもなお、ノックが発生する場合は、圧縮比に加え、点火時期を制御してノックを抑制する。図９は、ノックが発生した場合の圧縮比制御及び、点火進角制御の過渡特性を示したものである。図９に示すように、ノックセンサ３の検出信号がスライスレベルを超えると、アクチュエータ３１を駆動させて圧縮比可変機構１の圧縮比を下げるように制御する。同時に点火進角制御装置４が、所定のノック遅角量だけ点火時期を遅角してノックを速やかに抑制する。そして、微弱なノック状態となるように、圧縮比の変化に対応して点火時期を徐々に進角させていき、最適な点火時期を保持するという一種のフィードバック制御（トレースノック制御）を行う。

以上説明した、本実施形態に係る内燃機関によれば、ピストン冠面を断熱材２２ａで構成し、燃焼室の断熱化を図ることで、機関の熱効率を向上させる。さらに、ピストン本体の断熱材２２ａに接する部分とピストンリング溝部４２ａ、４２ｂを含む部分を一体的に高熱伝導材２２ｂで構成することによって、断熱材２２ａに蓄熱された熱を高熱伝導材２２ｂからピストンリング４１ａ、４１ｂへと伝熱し冷却している。そのため、断熱材の副作用である蓄熱作用によって、断熱材２２ａが高温になり、ピストンリング溝部４２ａ、４２ｂの温度も上昇して起こるオイルコーキングによるピストンリング４１ａ、４１ｂの膠着などを防止することができる。

また、同時に機関圧縮比を可変制御することで、部分負荷時には高い圧縮比を維持して冷却損失低減による熱効率向上を図る。一方、全負荷時やノックを検出した場合には、圧縮比を相対的に低下させ、ノック発生を抑制することができる。

なお、本実施形態に係る圧縮比可変機構１は、単振動に近いピストンストローク特性を実現することにより、上下死点のピストン速度のアンバランスが解消され、二次振動を低減できるなど、振動低減効果も有する。また、上死点付近でのピストン速度が遅くなり、燃焼時間が多くとれるため、出力可能な回転速度を上げることができる。一方、上死点付近でのピストン速度が遅くなることで生じる冷却損失の増大を、燃焼室の断熱化によって効果的に解消できる。

（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態を、図１０を参照して説明する。第二実施形態にかかる内燃機関は、シリンダライナー２７の上死点側を断熱性の高い材料で構成し、下死点側を熱伝導性の高い材料で構成した点で第一実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。

図１０に示すのは、シリンダライナー２７を、上死点側はセラミック主体の断熱構造として構成し、下死点側はカーボン・ナノチューブ材を表面に一部コーティング又は混合させ、熱伝導、伝達率を下死点側で大となるように傾斜的に構成したものである。以下、シリンダライナー２７の断熱性の高い材料で構成された部分（上死点側）を断熱領域２７ａと呼び、熱伝導性の高い材料で構成された部分（下死点側）を高熱伝導領域２７ｂと呼ぶ。この場合、下死点位置で、ピストンリング４１ａ、４１ｂが、シリンダライナー２７の高熱伝導領域２７ｂに接するように構成される。

このように構成することで、第一実施形態の効果に加えて、上死点では、断熱効果を最大として、更なる冷却損失の低減を図ることができる。一方、上死点側のシリンダライナー２７の表面温度が上昇しても、下死点近傍で熱回収を促進させ、ピストンリング４１ａ、４１ｂの冷却を行うことができるため、オイルコーキングなどの潤滑上の問題を解消し、トライボ性能を確保することができる。

本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、ピストンリング４１ａ、４１ｂを熱伝導性の高い材料で構成してもよい。

本発明は、内燃機関に利用することができる。

圧縮比可変機構を示す図である。 圧縮比可変機構のピストン上死点位置の調整方法を説明する図である。 複リンク式ピストンストローク機構と単リンク式ピストンストローク機構とのピストンストローク特性を示す図である。 圧縮比を高くしていった場合における熱効率との関係を示す図である。 断熱ピストンの要部断面図である。 圧縮比を高くしていった場合におけるエンジン断熱化の効果を示した図である。 本発明の制御システムの構成を示す図である。 機関運転条件に応じた圧縮比制御特性を示すマップである。 ノックが発生した場合の圧縮比制御及び、点火進角制御の過渡特性を示した図である。 第二実施形態にかかるピストン、シリンダライナー部分の断面図である。

符号の説明

１ 圧縮比可変機構（圧縮比変更手段）
３ ノックセンサ（ノック検出手段）
１１ アッパリンク（第一リンク）
１２ ロアリンク（第二リンク）
１３ コントロールリンク（第三リンク）
１４ コントロールシャフト
１５ 偏心軸部
２１ クランクシャフト
２２ ピストン
２２ａ 断熱材
２３ シリンダ
２４ ピストンピン
４１ａ ピストンリング
４１ｂ ピストンリング
４２ａ ピストンリング溝部
４２ｂ ピストンリング溝部

Claims (11)

1. シリンダ内を往復動するピストンと、
   機関運転状態に基づいて機関圧縮比を変更する圧縮比変更手段と、を備え、
   前記ピストンは、ピストン冠面が熱伝導性の低い材料で構成され、ピストンリング溝部が熱伝導性の高い材料で構成されることを特徴とする内燃機関。
2. 前記ピストンが摺動するシリンダの上死点側を熱伝導性の低い材料で構成し、下死点側を熱伝導性の高い材料で構成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記ピストンリング溝部に挿嵌されるピストンリングが、下死点位置において、前記シリンダの熱伝導性の高い材料で構成した部分に接するようにする
   ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記ピストンのクランク室側に面する構造体の一部、または全てを軽量の非金属材料で構成する
   ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の内燃機関。
5. 前記ピストンの冠面に構成された熱伝導性の低い材料は、
   熱伝導性の高い材料を挟んで、前記ピストンのクランク室側に面する構造体に接合される
   ことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
6. 前記ピストンの冠面に構成された熱伝導性の低い材料と前記ピストンのクランク室側に面する構造体に挟まれた前記熱伝導性の高い材料は、
   前記ピストンのピストンリング溝部を構成する熱伝導性の高い材料と一体的に成形される
   ことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
7. 前記ピストンリング溝部に挿嵌されるピストンリングを、熱伝導性の高い材料で形成する
   ことを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の内燃機関。
8. 前記圧縮比変更手段は、高速・低負荷時の圧縮比に対し、低速・高負荷領域になるほど圧縮比を低下させるようにした
   ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか一つに記載の内燃機関。
9. ノック検出手段を備え、
   前記圧縮比変更手段は、前記ノック検出手段の検出信号のノック検出頻度または検出値が所定値以上になれば、圧縮比を低下させるようにした
   ことを特徴とする請求項１から８までのいずれか一つに記載の内燃機関。
10. 前記圧縮比変更手段は、
    一端が前記ピストンにピストンピンを介して連結される第一リンクと、
    一端が前記第一リンクの他端に連結されるとともに、クランクシャフトに回転自由に装着される第二リンクと、
    一端が前記第二リンクの他端に連結される第三リンクと、
    回転中心軸に対して偏心した偏心軸部を有し、その偏心軸部に前記第三リンクの他端を揺動自由に連結するコントロールシャフトと、を備え、
    前記機関運転状態に基づいて、前記コントロールシャフトを回転して前記偏心軸部を上下動することで、前記ピストンの上死点位置を変更して圧縮比を低下させる
    ことを特徴とする請求項１から９までのいずれか一つに記載の内燃機関。
11. 前記ピストンのストローク特性を略単振動とするように、前記第一リンク、第二リンク、第三リンクのリンク構成を設定する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関。