JP2009121425A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンの温度上昇を抑えて、ピストンの耐久性を向上させる。
【解決手段】本発明は、冠面６１の断熱性能が冠面部位によって異なるように形成したピストン６０と、ピストン６０とシリンダヘッドとシリンダブロックとによって区画形成され、ピストン６０の冠面周縁部とシリンダヘッドとの距離が大きい領域Ｘと小さい領域Ｙとを有する燃焼室と、を備える内燃機関であって、ピストン６０は、燃焼室の領域Ｘ内の冠面６１の断熱性能が、燃焼室の領域Ｙ内の冠面６１の断熱性能よりも高いことを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は内燃機関に関する。

従来の内燃機関として、機関圧縮比を運転状態に応じて変更可能な複リンク式ピストンストローク機構を備えた内燃機関が知られている（例えば、特許文献１参照）。この内燃機関は、クランクピンにロアリンク（第１リンク）を回転自在に連結し、このロアリンクの一端にはアッパピンを介してアッパリンク（第２リンク）を、他端にはコントロールピンを介してコントロールリンク（第３リンク）を回転自在に連結し、このロアリンクの動作をコントロールリンクによって規制している。そして、運転状態に応じてコントロールリンクを制御して第１リンクの傾斜を変えることで、アッパリンクの他端に連結するピストンの上死点位置をコントロールし、圧縮比可変機構を実現しようとするものである。
特開平２００５−１４７０６８号公報

しかしながら、前述した従来の内燃機関は、燃焼ガスと接触するピストンへの熱流入量が大きかった。そのため、ピストン温度の上昇によって材料の強度が低下し、その結果、ピストンの耐久性が低下するという問題点があった。

本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、ピストン温度の上昇を抑え、ピストンの耐久性を向上させることを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、冠面（６１）の断熱性能が冠面部位によって異なるように形成したピストン（６０）と、前記ピストン（６０）とシリンダヘッド（３０）とシリンダブロック（３１）とによって区画形成され、前記ピストン（６０）の冠面周縁部と前記シリンダヘッド（３０）との距離が大きい領域Ｘと小さい領域Ｙとを有する燃焼室（４０）と、を備える内燃機関（１）であって、前記ピストン（６０）は、前記燃焼室（４０）の領域Ｘ内の冠面（６１）の断熱性能が、その燃焼室（４０）の領域Ｙ内の冠面（６１）の断熱性能よりも高いことを特徴とする。

ピストンへの熱流入量が大きくなるピストンの冠面周縁部とシリンダヘッドとの距離が大きい領域Ｘ内のピストン冠面の断熱性能を他の冠面部位よりも相対的に高くしたので、ピストンへの熱流入量を低減できる。これにより、ノッキングの発生を防ぎつつ、ピストン温度の上昇を抑えて、ピストンの耐久性を向上させることができる。

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１実施形態）
図１は、複リンク式ピストンストローク機構を備えたエンジン（以下「複リンク式エンジン」という。）１を示す図である。

複リンク式エンジン１は、シリンダブロック３１と、その頂部を覆うシリンダヘッド３０とを備える。シリンダブロック３１には、複数のシリンダ３１ａが形成される。シリンダ３１ａには、ピストン６０が摺動自在に嵌合する。ピストン６０は、冠面６１に、ピストン温度を低減させるための断熱膜７０を有する。

これらシリンダヘッド３０とシリンダブロック３１とピストン６０とによって、ペントルーフ形の燃焼室４０が区画形成される。燃焼室４０については、図２を参照して後述する。

シリンダヘッド３０には、燃焼室４０に開口する吸気通路４１及び排気通路４２が形成され、吸気通路４１の開口を開閉する吸気バルブ４３と、排気通路４２の開口を開閉する排気バルブ４４とが配設される。また、シリンダヘッド３０には、電極を燃焼室４０の頂壁４０ａの中心部に突出させた状態で点火栓４５が配設される。

複リンク式ピストンストローク機構は、ピストン６０とクランクシャフト３３とを２つのリンク(アッパリンク(第１リンク)１１、ロアリンク(第２リンク)１２)で連結するとともに、コントロールリンク(第３リンク)１３でロアリンク１２を制御して圧縮比を変更する。

アッパリンク１１は、その上端がピストンピン２１を介してピストン６０と連結し、その下端がアッパピン２２を介してロアリンク１２の一端と連結する。ピストン６０は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック３１のシリンダ３１ａ内を往復動する。

ロアリンク１２は、その一端がアッパピン２２を介してアッパリンク１１に連結し、その他端がコントロールピン２３を介してコントロールリンク１３に連結する。また、ロアリンク１２は、その略中央の連結孔に、クランクシャフト３３のクランクピン３３ｂが挿入され、クランクピン３３ｂを中心軸として揺動する。ロアリンク１２は左右の２部材に分割可能である。クランクシャフト３３は、複数のジャーナル３３ａとクランクピン３３ｂとカウンタウェイト３３ｃとを備える。ジャーナル３３ａは、シリンダブロック３１及びラダーフレーム３４によって回転自在に支持される。クランクピン３３ｂは、ジャーナル３３ａから所定量偏心しており、ここにロアリンク１２が揺動自在に連結する。カウンタウェイト３３ｃは、ジャーナル３３ａとクランクピン３３ｂとをつなぐアーム部に設けられ、回転部分の重量アンバランスを取り除く。

コントロールリンク１３は、その一端がコントロールピン２３を介してロアリンク１２に連結し、その他端が連結ピン２４を介してコントロールシャフト２５に連結する。コントロールリンク１３は、この連結ピン２４を中心として揺動する。またコントロールシャフト２５にはギアが形成されており、そのギアがアクチュエータ５１の回転軸５２に設けられたピニオン５３に噛合する。アクチュエータ５１によってコントロールシャフト２５が回転させられ、連結ピン２４が移動する。

図２は、ペントルーフ形の燃焼室４０の構造を示す図であり、図２（Ａ）は平面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＢ−Ｂ断面図、図２（Ｃ）は図２（Ａ）のＣ−Ｃ断面図である。

図２（Ａ）に示すように、ペントルーフ形の燃焼室４０の頂壁４０ａには、ペントルーフ稜線８０を挟んで一方に吸気通路４１の開口４１ａが形成され、他方に排気通路４２の開口４２ａが形成される。

また、図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、ペントルーフ形の燃焼室４０では、ピストン冠面６１の周縁部において、ピストン冠面６１の周縁部と燃焼室頂壁４０ａとの距離が大きい領域Ｘが存在する。領域Ｘは、ピストン冠面６１の周縁部とペントルーフ稜線８０の近傍の燃焼室頂壁４０ａとの間に形成される領域である。

一方で、図２（Ａ）（Ｃ）に示すように、ペントルーフ形の燃焼室４０では、ピストン冠面６１の周縁部において、ピストン冠面６１の周縁部と燃焼室頂壁４０ａとの距離が小さい領域Ｙが存在する。領域Ｙは、ピストン冠面６１の周縁部とペントルーフ稜線８０からピストン冠面６１の周縁部へ向かって下り傾斜している燃焼室頂壁４０ａとの間に形成される領域である。

ここで、ピストン冠面６１と燃焼室頂壁４０ａとの距離が大きい領域Ｘは、ピストン６０が上死点位置にきたとき、領域Ｙよりも局所的に圧力が低くなる。そのため、領域Ｘには、領域Ｙよりも火炎が早く到達する。したがって、領域Ｘはノッキングの起点になりにくい。また、領域Ｘには、領域Ｙよりも火炎が早く到達するので、領域Ｘの近傍のピストン冠面６１の温度は、領域Ｙの近傍のピストン冠面６１の温度よりも高くなる。

一方で、ピストン冠面６１と燃焼室頂壁４０ａとの距離が小さい領域Ｙは、ピストン６０が上死点位置にきたとき、領域Ｘよりも局所的に圧力が高くなる。そのため、火炎伝播が遅くなる。したがって、領域Ｙはノッキングの起点になりやすい。

図３は複リンク式ピストンストローク機構による圧縮比変更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は、コントロールシャフト２５を回転して連結ピン２４の位置を変更することで、圧縮比を変更する。例えば図３(Ａ)、図３(Ｃ)に示すように連結ピン２４を位置Ｐにすれば、上死点位置(ＴＤＣ)が高くなり高圧縮比になる。

そして図３(Ｂ)、図３(Ｃ)に示すように、連結ピン２４を位置Ｑにすれば、コントロールリンク１３が上方へ押し上げられ、コントロールピン２３の位置が上がる。これによりロアリンク１２はクランクピン３３ｂを中心として反時計方向に回転し、アッパピン２２が下がり、ピストン上死点(ＴＤＣ)におけるピストン６０の位置が下降する。したがって圧縮比が低圧縮比になる。

また複リンク式エンジン１は、ピストン６０とクランクシャフト３３とを１つのリンク（コンロッド）で連結し、圧縮比が一定である通常のエンジン(以下「ノーマルエンジン」という)に比べて、ピストン６０が上死点付近に滞在する期間が長いという特性がある。

つまり、複リンク式エンジン１のピストンクランク機構は、上死点から下死点までのピストンストローク量がピストンクランク機構における上死点から下死点までのピストンストローク量と同一で、クランクシャフト中心とピストン（燃焼室）との距離がほぼ等しいノーマルエンジンのピストンクランク機構に比べて、ピストン６０の往復運動が単振動運動に近い特性となるよう、上死点と下死点におけるピストンストローク特性が略対称で、ノーマルエンジンのピストンクランク機構に比べてピストン下死点前後のピストンストローク速度が大きく、かつピストン上死点前後のピストンストローク速度が小さくなるように、上死点前から上死点にかけて、及び下死点前から下死点にかけてはノーマルエンジンのピストンクランク機構に比べてピストン６０を引き下げる方向にロアリンク１２がコントロールリンク１３の揺動によってクランクピン回りに揺動し、上死点から上死点後にかけて、及び下死点から下死点後にかけてはノーマルエンジンのピストンクランク機構に比べてピストン６０を引き上げる方向にロアリンク１２がコントロールリンク１３の揺動によってクランクピン回りに揺動するように、各リンクや各支点のアライメントが設定されている。

この点について、図４を参照して説明する。

図４は、複リンク式エンジン１のピストン挙動を示す図であり、図４(Ａ)は図４(Ｂ)の実線で囲われた部分の拡大図である。図４には、ノーマルエンジンと同じ圧縮比にした複リンク式エンジン１のピストン挙動が細実線で示されている。

ピストン６０が上死点から所定の距離内にあるときを、ピストン上死点付近滞在期間と定義すると、図４から明らかなように複リンク式エンジン１は、同じ圧縮比であるノーマルエンジンに比べて、ピストン上死点付近滞在期間が長い。

また、複リンク式ピストンストローク機構を高圧縮比に設定したときのピストン上死点付近滞在期間Ｌ１は、低圧縮比に設定したときのピストン上死点付近滞在期間Ｌ２よりも長い。すなわち図４(Ａ)において、Ｌ１＞Ｌ２である。

このように複リンク式エンジン１は、ノーマルエンジンに比べてピストン上死点付近滞在期間が長くなる。そのため、複リンク式エンジン１は、ノーマルエンジンに比べて筒内圧が上昇するので、燃焼ガスの温度も高くなる。したがって、複リンク式エンジン１は、ノーマルエンジンに比べて、ピストン６０への熱流入量が大きくなり、ピストン６０の耐久性が低下するという問題点がある。

ピストン６０の耐久性を向上させるには、燃焼ガスに接触するピストン冠面６１に断熱層を形成して、ピストン６０への熱流入量を軽減することが有効である。しかしながら、断熱材は蓄熱作用をも有するため、断熱材自体の温度が高くなってしまい、ノッキングの起点になりやすい。

そこで本発明では、火炎伝播が早いためにピストン６０への熱流入量は大きいものの、一方でノッキングの起点にはなりにくい領域Ｘの近傍のピストン冠面６１に断熱膜７０を形成する。これにより、領域Ｘ内のピストン冠面６１の断熱性能を、領域Ｙ内のピストン冠面６１の断熱性能よりも高くする。

図５は、本発明の第１実施形態によるピストンを示す図である。なお、図５（Ａ）はピストン６０の冠面６１を上から見た図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。

断熱膜７０は、ピストン冠面６１に形成される。断熱膜７０は、ピストン冠面６１と燃焼室頂壁４０ａとの距離が大きい領域Ｘの近傍を覆うように形成される。これにより、火炎伝播が早く、温度が上昇しがちな領域Ｘの近傍からのピストン６０への熱流入量を低減できる。したがって、ピストン６０の温度上昇を抑えることができる。このとき、火炎伝播が早い領域Ｘは、ノッキングの起点にはなりにくいので、耐ノッキング性能を確保しつつ、ピストン６０の温度上昇を抑えることができる。

また、断熱膜７０は、ピストン中心Ｒの近傍を覆うように形成される。これにより、温度が上昇しがちな点火栓直下からのピストン６０への熱流入量を低減できるので、ピストン６０の温度上昇を一層抑えることができる。

さらに、断熱膜７０は、ピストンヘッド６２とピストンピンボス６３の結合部６９をピストン冠面６１と同一平面上に投影したときに、結合部６９の投影６９ａを包含するように形成される。これにより、ピストン冠面６１からピストンピンボス６３への伝熱を抑制できる。その結果、燃焼荷重や慣性力などの非常に大きな力が加わるピストンピンボス６３の熱的負担を軽減して、ピストン６０の耐久性を向上させることができる。さらに熱変形によるピストンピンとピストンピンボス６３との磨耗を抑制できる。

なお、断熱膜の厚さにより、単にピストン冠面上に被膜を形成するようにしてもよいし、ピストン冠面６１の一部を窪ませて、その部分に被膜を形成してもよい。

以上説明した本実施形態によれば、ピストン冠面６１と燃焼室頂壁４０ａとの距離が大きい領域Ｘの近傍に断熱膜７０を形成して、領域Ｘ内のピストン冠面６１の断熱性能を、領域Ｙ内のピストン冠面６１の断熱性能よりも高くした。そのため、火炎伝播が早く、温度が上昇しがちな領域Ｘの近傍からのピストン６０への熱流入量を軽減できるので、ピストン６０の温度上昇を抑えることができる。このとき、火炎伝播が早い領域Ｘは、ノッキングの起点にはなりにくく、一方で火炎伝播の遅い領域Ｙには、断熱膜７０が形成されていない。そのため、耐ノッキング性能を確保しつつ、ピストン６０の温度上昇を抑えることができる。

また、点火栓直下のピストン中心Ｒの近傍に断熱膜７０を形成して、ピストン冠面６１の中央部の断熱性能を、領域Ｙ内のピストン冠面６１の断熱性能よりも高くした。そのため、温度が上昇しがちな点火栓直下からのピストン６０への熱流入量を軽減できるので、ピストン６０の温度上昇を一層抑えることができる。

このように、ピストン６０の温度上昇を抑えることで、ピストン６０の強度及び剛性の低下を抑えることができる。

さらに、ピストンヘッド６２とピストンピンボス６３の結合部６９をピストン冠面６１と同一平面上に投影したときに、結合部６９の投影６９ａを包含するようにピストン冠面に断熱膜７０を形成して、結合部６９が投影された部位のピストン冠面６１の断熱性能を、領域Ｙ内のピストン冠面６１の断熱性能よりも高くした。これにより、ピストン冠面６１からピストンピンボス６３への伝熱を抑制できる。その結果、燃焼荷重や慣性力などの非常に大きな力が加わるピストンピンボス６３の熱的負担を軽減して、ピストン６０の耐久性を向上させることができる。さらに熱変形によるピストンピン２１とピストンピンボス６３との磨耗を抑制できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図６を参照して説明する。本実施形態は、ピストン冠面６１に２種類の断熱膜７０，７１を形成した点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下の各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

図６は、本発明の第２実施形態によるピストン６０を示す図である。なお、図６（Ａ）はピストン６０の冠面６１を上から見た図である。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。

ピストン冠面６１には、断熱膜７０と、断熱膜７０よりも厚さの薄い断熱膜７１とが形成される。ピストン冠面６１は、断熱膜７０と断熱膜７１とによって完全に覆われる。

断熱膜７０は、第１実施形態と同様に、ピストン冠面６１と燃焼室頂壁４０ａとの距離が大きい領域Ｘの近傍と、点火栓直下のピストン中心Ｒの近傍と、ピストンヘッド６２及びピストンピンボス６３の結合部６９の投影６９ａとを覆うように形成される。

断熱膜７１は、ピストン冠面６１と燃焼室頂壁４０ａとの距離が小さい領域Ｙの近傍を覆うように形成される。本実施形態では、断熱膜７１は、断熱膜７０で覆われた部分以外を覆うように形成される。

以上説明した本実施形態によれば、領域Ｘの近傍に形成した断熱膜７０よりも薄膜の断熱膜７１を領域Ｙの近傍に形成して、領域Ｘ内のピストン冠面６１の断熱性能を、領域Ｙ内のピストン冠面６１の断熱性能よりも高くした。これにより、領域Ｙの近傍にも断熱膜７１を形成した分だけピストン６０への熱流入量をより軽減できるので、ピストン６０の温度上昇を一層抑えることができる。また、領域Ｙに形成された断熱膜７１は領域Ｘに形成された断熱膜７０よりも薄いので、断熱材の蓄熱作用も弱い。したがって、耐ノック性能を維持しつつ、ピストンの耐久性を向上させることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を、図７を参照して説明する。本実施形態は、ピストンヘッド６２に円形のキャビティ６６を形成し、ピストン冠面６１に形成する断熱膜７０の範囲を変更した点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

図７は、本発明の第３実施形態によるピストン６０を示す図である。なお、図７（Ａ）はピストン６０の冠面６１を上から見た図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。

ピストンヘッド６２には、円形のキャビティ６６が形成される。キャビティ６６は、ピストン中心Ｒの近傍が最も深くなるように形成される。キャビティ６６は、外周部からピストン中心Ｒにかけて、徐々に深さが深くなるように形成される。

断熱膜７０は、キャビティ６６に形成される。キャビティ内はピストン冠面６１と燃焼室頂壁４０ａとの距離が大きくなるので、火炎伝播が早くなる。したがって、キャビティ６６に断熱膜７０を形成することで、温度が上昇しがちなキャビティ６６からピストン６０への熱流入量を軽減できる。これにより、ピストン６０の温度上昇を抑えることができる。また、第１実施形態と同様に、断熱膜７０は、ピストン冠面６１の周縁部と燃焼室頂壁４０ａとの距離が大きい領域Ｘの近傍にも形成される。

以上説明した本実施形態によれば、火炎伝播が早くノッキングの起点とはなりにくい一方で、ピストンへの熱流入量が多くなるキャビティ内と領域Ｘの近傍に断熱膜７０を形成した。これにより、耐ノッキング性能を確保しつつ、ピストン６０の温度上昇を抑え、ピストンの耐久性を向上させることができる。

なお、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、各実施形態では、ピストン冠面６１に断熱膜７０を形成していたが、ピストンヘッド６２を断熱材料と非断熱材料とで構成し、ピストン６０を構成しても良い。

また、第２実施形態では、領域Ｙに薄膜の断熱膜７１を用いたが、厚さは同じで断熱効果の低い材料を用いても良い。

第１実施形態による複リンク式エンジンを示す図である。 ペントルーフ形の燃焼室の構造を示す図である。 複リンク式ピストンストローク機構による圧縮比変更方法を説明する図である。 複リンク式エンジンのピストン挙動を示す図である。 第１実施形態によるピストンを示す図である。 第２実施形態によるピストンを示す図である。 第３実施形態によるピストンを示す図である。

符号の説明

１ 複リンク式エンジン（内燃機関）
１１ アッパリンク
１２ ロアリンク
１３ コントロールリンク
２１ ピストンピン
２２ アッパピン
２３ コントロールピン
３０ シリンダヘッド
３３ クランクシャフト
３３ｂ クランクピン
４０ 燃焼室
４５ 点火栓
６０ ピストン
６１ ピストン冠面
６２ ピストンヘッド
６３ ピストンピンボス
６９ 結合部
６９ａ 冠面上に投影された結合部
７０ 断熱膜
７１ 断熱膜
８０ ペントルーフ稜線

Claims (8)

1. 冠面の断熱性能が冠面部位によって異なるように形成したピストンと、
   前記ピストンとシリンダヘッドとシリンダブロックとによって区画形成され、前記ピストンの冠面周縁部と前記シリンダヘッドとの距離が大きい領域Ｘと小さい領域Ｙとを有する燃焼室と、
   を備える内燃機関であって、
   前記ピストンは、前記燃焼室の領域Ｘ内の冠面の断熱性能が、その燃焼室の領域Ｙ内の冠面の断熱性能よりも高い
   ことを特徴とする内燃機関。
2. 前記ピストンは、冠面中央部の断熱性能が、前記燃焼室の領域Ｙ内の冠面の断熱性能よりも高い
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記ピストンは、ピストンヘッドとピストンピンボスとの結合部を前記ピストンの冠面上に投影したときの、その結合部が投影された冠面の断熱性能が、前記燃焼室の領域Ｙ内の冠面の断熱性能よりも高い
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 前記ピストンの冠面に形成する断熱膜の厚さを厚くすることで、そのピストンの断熱性能を高くする
   ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１つに記載の内燃機関。
5. 前記燃焼室は、ペントルーフ形の燃焼室である
   ことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１つに記載の内燃機関。
6. 前記燃焼室の領域Ｘは、前記ピストンの冠面周縁部とペントルーフ稜線付近のシリンダヘッドとの間に形成される領域である
   ことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
7. 前記燃焼室の領域Ｙは、前記ピストンの冠面周縁部とペントルーフ稜線からピストンの冠面周縁部へ向かう下り傾斜面との間に形成される領域である
   ことを特徴とする請求項５又は６に記載の内燃機関。
8. 前記ピストンにピストンピンを介して連結されるアッパリンクと、
   クランクシャフトのクランクピンに回転自由に装着されるとともに、前記アッパリンクにアッパピンを介して連結されるロアリンクと、
   前記ロアリンクにコントロールピンを介して連結されるコントロールリンクと、
   を有し、機関圧縮比の変更が可能な複リンク式ピストンストローク機構を備える
   ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか１つに記載の内燃機関。

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