JP2008267312A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストン３の受圧面８の近傍の混合状態を良好に保つとともに、高負荷運転等によるＮＯｘの増大にも対応できる内燃機関１を提供することにある。
【解決手段】ピストン３の受圧面８と反対側の裏面９に、裏面９を経由する燃焼室２からの放熱を調節する放熱調節機構１８を装着する。これにより、放熱調節機構１８は、燃焼室２の温度が低くＮＯｘ発生量が少ない場合に、ピストン３を介する燃焼室２からの放熱を抑えることができるとともに、高負荷運転等により燃焼室２の温度が上昇してＮＯｘの発生量が増大した場合に、ピストン３を介する燃焼室２からの放熱を促進して燃焼室２の温度を低下させることができる。このため、受圧面８近傍の混合状態を良好に保つとともに、高負荷運転等によるＮＯｘの増大にも対応することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料の燃焼室を形成するとともに燃料の爆発力を受けて駆動される被駆動体を備え、被駆動体の動作により車両等を駆動するための駆動力を得る内燃機関に関する。

従来から、上記の内燃機関では、燃費向上やエミッション低減を目的として燃焼室における燃料と空気との混合を促進する検討が様々な観点から行われている。そのような観点の１つとして、上記の被駆動体（レシプロエンジンにおけるピストンや、ロータリエンジンにおけるロータ）が有する面の内で、燃焼室を形成するとともに燃料の爆発力を受ける受圧面における温度低下を緩和して、受圧面近傍の混合状態を良好に保つ検討が行われている。

この検討は、温度が高いほど燃料と空気との混合状態が良好になることに着目し、燃焼室から被駆動体を介する放熱が生じて受圧面近傍の温度が低下するのを抑制することを目標とするものである。そして、このような目標を達成するべく、受圧面を窪ませて生じる凹部に熱伝導率の低い部材を嵌め込んだり（例えば、特許文献１参照）、熱伝導率の低い素材を受圧面上にコーティングしたりする技術（例えば、特許文献２参照）が考えられている。

ところで、内燃機関の高負荷運転等により燃焼室の温度が高い場合、排ガスに含まるＮＯｘが増大する。そして、特許文献１、２に記載の技術によれば、ＮＯｘの増加が懸念される場合でも被駆動体を介する放熱が妨げられて、燃焼室の温度が低下しにくい。このため、特許文献１、２に記載の技術は、受圧面近傍の混合状態を良好に保つ点で優れるものの、高負荷運転等によるＮＯｘの増大に対応できないものとなっている。
特開２００５−７６４７１号公報 特開２００６−１９４１８８号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、被駆動体の受圧面近傍の混合状態を良好に保つとともに、高負荷運転等によるＮＯｘの増大にも対応できる内燃機関を提供することにある。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の内燃機関は、燃料の燃焼室を形成するとともに燃料の爆発力を受ける受圧面を有し、受圧面で爆発力を受けることで駆動される被駆動体と、被駆動体における受圧面と反対側の裏面に装着され、裏面を経由する燃焼室からの放熱を調節する放熱調節機構とを備える。

これにより、被駆動体を介する燃焼室からの放熱を、裏面に装着した放熱調節機構により、燃焼室の温度に応じて調節できる。つまり、この放熱調節機構は、高負荷運転等により燃焼室の温度が上昇した場合、被駆動体を介する放熱量を増加させるように動作する。このため、被駆動体の受圧面近傍の混合状態を良好に保つとともに、高負荷運転等によるＮＯｘの増大にも対応することができる。

また、放熱調節機構が裏面に装着されているので、放熱調節機構が自身の動作により変形等して姿勢を変えても、このような姿勢変動は燃焼室の流動状態に影響しない。このため、放熱調節機構の動作による燃焼室の流動状態の変動を回避することができる。

〔請求項２の手段〕
請求項２に記載の内燃機関によれば、放熱調節機構は、熱膨張率が異なる少なくとも２枚の金属板を重ねることで構成されるサーモスタットの機能を具備し、放熱調節機構を構成する素材の少なくとも一部は、被駆動体の裏面をなす素材よりも熱伝導率が低い。
これにより、燃焼室の温度に応じて、裏面と面接触する放熱調節機構の接触面積が変化する。このため、裏面を経由する燃焼室からの放熱量を、裏面と放熱調節機構との接触面積に応じて操作できるので、結果的に、被駆動体を介する燃焼室からの放熱を、燃焼室の温度に応じて調節できる。このように、放熱調節機構にサーモスタットの機能を具備させれば、放熱調節機構を簡便に構成できる。

また、放熱調節機構にサーモスタットの機能を具備させる場合、放熱調節機構自身の温度に応じた変形が顕著である。このため、受圧面に放熱調節機構を装着すると、放熱調節機構の動作による燃焼室の流動状態の変動が著しくなる。よって、サーモスタットの機能を具備する放熱調節機構を裏面に装着することで、燃焼室における流動状態の著しい変動を回避することができる。

〔請求項３の手段〕
請求項３に記載の内燃機関によれば、燃料は燃焼室に直接噴射される。
ディーゼルエンジン等の直噴型の内燃機関は、高温によるＮＯｘ増大と低温によるエミッションの悪化とが著しい。さらに直噴型の内燃機関では、燃焼室において燃料噴霧への空気導入を最適化するべく流動状態を制御してエミッションの悪化を抑制する必要性が高い。このため、直噴型の内燃機関に請求項１、２の構成を採用すれば、燃料噴霧への空気導入が最適に行われるように燃焼室の流動状態が維持されるので、高温によるＮＯｘ増大および低温によるエミッションの悪化の抑制の効果が大きい。

〔請求項４の手段〕
請求項４に記載の内燃機関によれば、被駆動体は気筒内を上下動するピストンであり、受圧面は、裏面の方に窪むことで燃焼室として機能する凹部を形成する。また、凹部は、環状の外周部と、外周部よりも内周側の内周部とを有し、燃料は内周部から外周部に向かって噴射される。そして、外周部と内周部とは、燃料の噴射方向で噴射路を絞るくびれ部により区画され、放熱調節機構は、内周部を形成する受圧面の裏面に装着されている。

これにより、噴射された燃料は内周部から外周部に向かいながら空気と混合するので、外周部の方が内周部よりも混合が進んで燃焼する燃料が多くなる。このため、燃焼による発熱量も外周部の方が内周部よりも多くなるので、内周部を形成する受圧面の方が、外周部を形成する受圧面よりも低温になる。そこで、内周部の受圧面の裏面に放熱調節機構を装着することで、効率的に低温によるエミッションの悪化を抑制することができる。

〔請求項５の手段〕
請求項５に記載の内燃機関によれば、被駆動体の内部に設けられた油路が裏面に開口し、放熱調節機構は、裏面における油路の開口部を開閉する。
被駆動体の内部の油路は、例えば、潤滑油を冷媒として流動させて被駆動体を冷却するために設けられるものである。よって、放熱調節機構は、油路の開口部を開閉して潤滑油を流動させたり、潤滑油の流動を停止したりすることで被駆動体の冷却を操作できる。このため、放熱調節機構は、油路の開口部を開閉することで被駆動体を介する放熱を調節することができる。

〔請求項６の手段〕
請求項６に記載の内燃機関によれば、放熱調節機構は、受圧面の内で燃料の噴射方向と交差する部分の裏面に装着されている。
受圧面の内で燃料の噴射方向と交差する部分は、燃料が噴きつけられるため、当該部分を高温に保って燃料の気化および空気との混合を促進する必要性が高い。そこで、当該部分の裏面に放熱調節機構を装着することで、この必要性を満たすことができる。

最良の形態１の内燃機関は、燃料の燃焼室を形成するとともに燃料の爆発力を受ける受圧面を有し、受圧面で爆発力を受けることで駆動される被駆動体と、被駆動体における受圧面と反対側の裏面に装着され、裏面を経由する燃焼室からの放熱を調節する放熱調節機構とを備える。また、放熱調節機構は、熱膨張率が異なる少なくとも２枚の金属板を重ねることで構成されるサーモスタットの機能を具備し、放熱調節機構を構成する素材の少なくとも一部は、被駆動体の裏面をなす素材よりも熱伝導率が低い。そして、燃料は燃焼室に直接噴射される。

さらに、この内燃機関によれば、被駆動体は気筒内を上下動するピストンであり、受圧面は、裏面の方に窪むことで燃焼室として機能する凹部を形成する。また、凹部は、環状の外周部と、外周部よりも内周側の内周部とを有し、燃料は内周部から外周部に向かって噴射される。そして、外周部と内周部とは、燃料の噴射方向で噴射路を絞るくびれ部により区画され、放熱調節機構は、内周部を形成する受圧面の裏面に装着されている。

最良の形態２の内燃機関によれば、被駆動体の内部に設けられた油路が裏面に開口し、放熱調節機構は、裏面における油路の開口部を開閉する。
最良の形態３の内燃機関によれば、放熱調節機構は、受圧面の内で燃料の噴射方向と交差する部分の裏面に装着されている。

〔実施例１の構成〕
実施例１の内燃機関１の構成を、図１を用いて説明する。
この内燃機関１は、燃料の燃焼室２を形成するとともに燃料の爆発力を受けて駆動される被駆動体３を備え、被駆動体３の動作により車両等を駆動するための駆動力を得るものである。

ここで、内燃機関１は、気筒４の内部を上下動するピストンを被駆動体３とするレシプロエンジンであり（以下、被駆動体３をピストン３とする）、ピストン３が受ける爆発力をコンロッド５およびクランクシャフト（図示せず）によりトルクに変換して出力するものである。また、内燃機関１は、燃料が燃焼室２に直接噴射される直噴型のレシプロエンジンであり、さらに、圧縮空気により燃料を自然発火させて爆発させるディーゼルエンジンである。

ピストン３は、燃料の燃焼室２を形成するとともに燃料の爆発力を受ける受圧面８を、上端側に有する。受圧面８は、反対側の裏面９の方に窪むことで燃焼室２として機能する凹部１０を形成する。また、凹部１０は、環状の外周部１１と、外周部１１よりも内周側の内周部１２とを有する。

ここで、内周部１２は、外周に向かい窪みを増すように形成され、内周部１２において窪みが最も浅い略中央の上部に、インジェクタ１５の先端が配される。また、インジェクタ１５の先端表面には、下方かつ外周に向かって燃料が噴射されるように噴孔（図示せず）が開口し、噴射された燃料は、内周部１２から外周部１１に向かう。そして、外周部１１と内周部１２とは、燃料の噴射方向で噴射路を絞るくびれ部１６により区画されている。

また、内燃機関１は、ピストン３を介する燃焼室２からの放熱を調節する放熱調節機構１８を備える。放熱調節機構１８は、熱膨張率が異なる少なくとも２枚の金属板を重ねることで構成されるサーモスタットの機能を具備し、裏面９に装着されて裏面９を経由する燃焼室２からの放熱を調節する。なお、放熱調節機構１８が装着される面部分は、裏面９の中でも、内周部１２を形成する受圧面８の反対側の面部分であり、特に、インジェクタ１５の先端と対向する受圧面８の反対側の面部分を含む。

また、放熱調節機構１８を構成する素材の少なくとも一部は、ピストン３の裏面９をなす素材よりも熱伝導率が低い。このため、裏面９は、放熱調節機構１８が面接触する面部分と、放熱調節機構１８が面接触しない面部分とで放熱速度が異なる。すなわち、放熱調節機構１８が面接触する面部分を経由する放熱速度は、放熱調節機構１８が面接触しない面部分を経由する放熱速度よりも小さくなる。このため、裏面９と放熱調節機構１８との接触面積に応じて、裏面９全面からの放熱量が変化する。

なお、上記のように熱伝導率が低い素材として、例えば、グラスウール（熱伝導率：０．０２５ｋｃａｌ／（ｍ・℃・ｈｒ））を挙げることができる。また、ピストン３の裏面９をなす素材は、例えばアルミニウム砂型鍛造材（熱伝導率：１３０ｋｃａｌ／（ｍ・℃・ｈｒ））である。

〔実施例１の作用〕
実施例１の内燃機関１の作用を、図１および図２を用いて説明する。
内燃機関１の高負荷運転等により燃焼室２の温度が上昇すると、放熱調節機構１８の温度も上昇する。これにより、放熱調節機構１８は、金属板間の熱膨張率の差異に基づき、図２に示すように曲率が小さくなるように変形し、裏面９と放熱調節機構１８との接触面積が低減する。このため、裏面９を経由する燃焼室２からの放熱量が増加し、燃焼室２の温度が低下する。

〔実施例１の効果〕
実施例１の内燃機関１によれば、ピストン３の受圧面８と反対側の裏面９に、裏面９を経由する燃焼室２からの放熱を調節する放熱調節機構１８が装着されている。
これにより、放熱調節機構１８は、燃焼室２の温度が低くＮＯｘ発生量が少ない場合に、ピストン３を介する燃焼室２からの放熱を抑えることができるとともに、高負荷運転等により燃焼室２の温度が上昇してＮＯｘの発生量が増大した場合に、ピストン３を介する燃焼室２からの放熱を促進して燃焼室２の温度を低下させることができる。このため、受圧面８近傍の混合状態を良好に保つとともに、高負荷運転等によるＮＯｘの増大にも対応することができる。

また、放熱調節機構１８が裏面９に装着されているので、放熱調節機構１８が自身の動作により変形等して姿勢を変えても、このような姿勢変動は燃焼室２の流動状態に影響しない。このため、放熱調節機構１８の動作による燃焼室２の流動状態の変動を回避することができる。

また、放熱調節機構１８は、熱膨張率が異なる少なくとも２枚の金属板を重ねることで構成されるサーモスタットの機能を具備し、放熱調節機構１８を構成する素材の少なくとも一部は、ピストン３の裏面９をなす素材よりも熱伝導率が低い。
これにより、燃焼室２の温度に応じて、裏面９と面接触する放熱調節機構１８の接触面積が変化する。このため、裏面９を経由する燃焼室２からの放熱量を、裏面９と放熱調節機構１８との接触面積に応じて操作できるので、結果的に、ピストン３を介する燃焼室２からの放熱を、燃焼室２の温度に応じて調節できる。このように、放熱調節機構１８にサーモスタットの機能を具備させることで、放熱調節機構１８を簡便に構成できる。

また、放熱調節機構１８にサーモスタットの機能を具備させる場合、放熱調節機構１８自身の温度に応じた変形が顕著である（図２参照）。このため、受圧面８に放熱調節機構１８を装着すると、放熱調節機構１８の動作による燃焼室２の流動状態の変動が著しくなる。よって、サーモスタットの機能を具備する放熱調節機構１８を裏面９に装着することで、燃焼室２における流動状態の著しい変動を回避することができる。

また、内燃機関１は、ディーゼルエンジンであるため、高温によるＮＯｘ増大と低温によるエミッションの悪化とが著しく、また、燃焼室２において燃料噴霧への空気導入を最適化するべく流動状態を制御してエミッションの悪化を抑制する必要性が高い。このため、燃料噴霧への空気導入が最適に行われるように燃焼室の流動状態を維持して、高温によるＮＯｘ増大および低温によるエミッションの悪化を抑制する効果が大きい。

また、燃料は内周部１２から外周部１１に向かって噴射され、放熱調節機構１８が装着される面部分は、裏面９の中でも、内周部１２を形成する受圧面８の反対側の面部分である。
これにより、噴射された燃料は内周部１２から外周部１１に向かいながら空気と混合するので、外周部１１の方が内周部１２よりも混合が進んで燃焼する燃料が多くなる。このため、燃焼による発熱量も外周部１１の方が内周部１２よりも多くなるので、内周部１２を形成する受圧面８の方が、外周部１１を形成する受圧面８よりも低温になる。そこで、裏面９の中でも、内周部１２を形成する受圧面８の反対側の面部分に放熱調節機構１８を装着することで、効率的に燃焼室２からの放熱を調節してエミッションの悪化を抑制することができる。

実施例２の内燃機関１によれば、図３に示すように、ピストン３の内部に設けられた油路２０が裏面９に開口している。油路２０は、例えば、ピストン３の冷媒として流動する潤滑油の流路であり、放熱調節機構１８は、温度が上昇すると曲率が小さくなるように変形して裏面９における油路２０の開口部２１を開放する。これにより、放熱調節機構１８は、開口部２１を開閉して潤滑油を流動させたり潤滑油の流動を停止したりすることでピストン３の冷却を操作できる。このため、放熱調節機構１８は、開口部２１を開閉することでピストン３を介する放熱を調節することができる。

実施例３の内燃機関１は、図４に示すように、スパークプラグ２３により混合気に点火して燃料を爆発させる直噴型のガソリンエンジンである。また、放熱調節機構１８が装着される面部分は、裏面９の中でも、燃料の噴射方向と交差する受圧面８の反対側の面部分である。受圧面８の内で燃料の噴射方向と交差する面部分は、燃料が噴きつけられるため、当該面部分を高温に保って燃料の気化および空気との混合を促進する必要性が高い。そこで、当該面部分の裏面９に放熱調節機構１８を装着することで、この必要性を満たすことができる。

〔変形例〕
実施例１〜３の内燃機関１は直噴型のレシプロエンジンであり、被駆動体はピストン３であったが、被駆動体をロータとするロータリエンジンや、インテークマニホールド（図示せず）に燃料を噴射して混合気を形成するガソリンエンジンにも、同様の放熱調節機構１８を装着することができる。

また、実施例１〜３の放熱調節機構１８では、熱伝導率の低い素材としてグラスウールを例示したが、グラスウールに限定されるものではなく、他のセラミック系素材や、チタン等の金属素材を熱伝導率の低い素材として採用してもよく、さらに、サーモスタットの機能を担う２枚の金属板の一方に、熱伝導率の低い素材を採用してもよい。
さらに、実施例１、２の放熱調節機構１８は、裏面９の中でも、内周部１２を形成する受圧面８の反対側の面部分にのみ装着されていたが、燃料の噴射方向と交差する受圧面８の反対側に裏面９が存在すれば、この反対側の面部分にも放熱調節機構１８を装着してもよい。

内燃機関の要部を示す説明図である（実施例１）。 内燃機関の要部を示す説明図である（実施例１）。 内燃機関の要部を示す説明図である（実施例２）。 内燃機関の要部を示す説明図である（実施例３）。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 燃焼室
３ 被駆動体、ピストン
４ 気筒
８ 受圧面
９ 裏面
１０ 凹部
１１ 外周部
１２ 内周部
１６ くびれ部
１８ 放熱調節機構
２０ 油路
２１ 開口部

Claims (6)

1. 燃料の燃焼室を形成するとともに燃料の爆発力を受ける受圧面を有し、この受圧面で爆発力を受けることで駆動される被駆動体と、
   この被駆動体における前記受圧面と反対側の裏面に装着され、この裏面を経由する前記燃焼室からの放熱を調節する放熱調節機構とを備える内燃機関。
2. 請求項１に記載の内燃機関において、
   前記放熱調節機構は、熱膨張率が異なる少なくとも２枚の金属板を重ねることで構成されるサーモスタットの機能を具備し、
   前記放熱調節機構を構成する素材の少なくとも一部は、前記被駆動体の前記裏面をなす素材よりも熱伝導率が低いことを特徴とする内燃機関。
3. 請求項１または請求項２に記載の内燃機関において、
   燃料は前記燃焼室に直接噴射されることを特徴とする内燃機関。
4. 請求項３に記載の内燃機関において、
   前記被駆動体は気筒内を上下動するピストンであり、
   前記受圧面は、前記裏面の方に窪むことで前記燃焼室として機能する凹部を形成し、
   この凹部は、環状の外周部と、この外周部よりも内周側の内周部とを有し、
   燃料は前記内周部から前記外周部に向かって噴射され、
   前記外周部と前記内周部とは、燃料の噴射方向で噴射路を絞るくびれ部により区画され、
   前記放熱調節機構は、前記内周部を形成する前記受圧面の前記裏面に装着されていることを特徴とする内燃機関。
5. 請求項１ないし請求項４の内のいずれか１つに記載の内燃機関において、
   前記被駆動体の内部に設けられた油路が前記裏面に開口し、
   前記放熱調節機構は、前記裏面における前記油路の開口部を開閉することを特徴とする内燃機関。
6. 請求項１ないし請求項５の内のいずれか１つに記載の内燃機関において、
   前記放熱調節機構は、前記受圧面の内で燃料の噴射方向と交差する部分の前記裏面に装着されていることを特徴とする内燃機関。

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