JP2011169232A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、内燃機関に関し、気筒内にスキッシュエリアが形成される内燃機関において、ノッキングの抑制と冷却損失の低減との両立を図ることのできる内燃機関を提供することを目的とする。
【解決手段】シリンダヘッド下面とピストン冠面（３０）との間隙部にスキッシュエリアが形成される内燃機関を有する。前記ピストン冠面（３０）の外縁部に設けられた前記スキッシュエリアを形成する面（２２ｂ、２４ｂ、２６ｂ、２８ｂ）であって断熱層を有さない非断熱領域を備える。前記非断熱領域以外の前記ピストン冠面（３０）に設けられた断熱層を有する断熱領域（Ａ）を備える。
【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関に係り、特に、車両に搭載される内燃機関に関する。

従来、例えば特許文献１に開示されるように、ピストン冠面の外縁部の一部を、断熱層が形成されない非断熱領域とし、それ以外の領域を断熱層が形成される断熱領域とする内燃機関のピストンが知られている。断熱領域を設けることによって、燃焼ガスのピストン冠面への冷却損失を低減させることができる。

特開２００８−１１１３６７号公報 特開２００９−１２１４２５号公報 特開２００９−０３６１２６号公報 特開２００９−０４１３８８号公報 特開２００９−０６２９７５号公報

しかしながら、上記従来の内燃機関においては、スキッシュ利用について考慮されていない。そのため、気筒内にスキッシュエリアが形成される場合においては、ピストン冠面の外縁部であってスキッシュエリアを形成する面（以下、スキッシュ面という。）に、断熱層が形成される場合がある。断熱層が形成されることにより、冷却損失が低減される反面、その断熱層の温度は高温となる。即ち、断熱層が形成されたスキッシュ面が高温となる。このため、燃焼行程において、スキッシュエリアに高圧のエンドガスが流れ込んだ際に、高温のスキッシュ面により、エンドガス（点火プラグから遠い部分の混合ガス）からスキッシュ面への放熱が妨げられることとなる。エンドガスの放熱が妨げられることにより、ノッキングの発生が懸念される。

また、上記従来の内燃機関においては、スキッシュ利用について考慮されておらず、スキッシュ面以外の部分にも断熱層が形成されない場合がある。スキッシュ面以外の部分に断熱層が形成されないことで、燃焼ガスからピストンへの受熱量が増大する。その結果、スキッシュ面の温度も高まることとなる。そのため、エンドガスからスキッシュ面への放熱が妨げられ、ノッキングの発生が懸念される。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、気筒内にスキッシュエリアが形成される内燃機関において、ノッキングの抑制と、冷却損失の低減との両立を図ることのできる内燃機関を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、シリンダヘッド下面とピストン冠面との間隙部にスキッシュエリアが形成される内燃機関であって、
前記ピストン冠面の外縁部に設けられた、前記スキッシュエリアを形成する面であって、断熱層を有さない非断熱領域と、
前記非断熱領域以外の前記ピストン冠面に設けられた断熱層を有する断熱領域と、を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、上記の目的を達成するため、ピストン冠面と燃焼室に面するシリンダヘッド下面との間隙部にスキッシュエリアが形成される内燃機関であって、
前記シリンダヘッド下面の外縁部に設けられた、前記スキッシュエリアを形成する面であって、断熱層を有さない非断熱領域と、
前記非断熱領域以外の前記シリンダヘッド下面の少なくとも一部に設けられた、断熱層を有する断熱領域と、を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、ピストン冠面の外縁部にスキッシュエリアを形成する面（スキッシュ面）以外の部分を断熱領域とすることで、燃焼ガスの冷却損失を低減することができる。また、燃焼ガスからピストンへの受熱量を抑制することができる。燃焼ガスからピストンへの受熱量が抑制されることで、非断熱領域であるスキッシュ面の温度を低減させることができる。加えて、燃焼行程中においては、スキッシュエリアに、強い気流のエンドガスが流れ込み、スキッシュ面における熱伝導率が高まるところ、非断熱領域であるスキッシュ面の温度が低減されていることから、エンドガスからスキッシュ面への放熱を促進させることができる。エンドガスの温度を低減させることで、ノッキングの発生を抑制することができる。このため、本発明によれば、気筒内にスキッシュエリアが形成される内燃機関において、冷却損失の低減と、ノッキングの抑制とを両立させることができる。

第２の発明によれば、燃焼室に面するシリンダヘッド下面の外縁部にスキッシュエリアを形成する面（スキッシュ面）を非断熱領域とし、スキッシュ面以外の部分を断熱領域とすることで、第１の発明と同様の作用により、冷却損失の低減を図ると共に、エンドガスからスキッシュ面への放熱を促進させることができる。エンドガスの温度を低減させることで、ノッキングの発生を抑制することができる。このため、本発明によれば、気筒内にスキッシュエリアが形成される内燃機関において、冷却損失の低減と、ノッキングの抑制とを両立させることができる。

本発明の実施の形態１における内燃機関１０のシステム構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１におけるピストン１２の冠面３０の構造について説明するための図である。 本発明の実施の形態２におけるシリンダヘッド１４の構成について説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
（基本的構成）
図１は、本発明の実施の形態１における内燃機関１０のシステム構成を説明するための図である。本実施形態のシステムは、内燃機関１０を備えている。ここでは、内燃機関１０は４サイクルエンジンであるものとする。

内燃機関１０は、シリンダブロックを備えている。シリンダブロックには、気筒が形成されている。本発明において、内燃機関１０の気筒数は特に限定されるものではない。気筒の内部には、後述するピストン１２（図２）が摺動可能に配置されている。

シリンダブロックの上部には、シリンダヘッド１４が組み付けられている。シリンダブロックに形成された気筒の内壁と、ピストン１２の冠面と、シリンダヘッド１４の下面の凹部とで囲まれた空間によって、内燃機関１０の燃焼室が形成されている。図１には、燃焼室から見たシリンダヘッド１４の下面凹部の構成が表されている。

シリンダヘッド１４には、燃焼室の中央頂部から燃焼室内に突出するように点火プラグ１６が取り付けられている。シリンダヘッド１４には、燃焼室に連通する吸気ポートと排気ポートとが形成されている。吸気ポートの上流部には、燃焼室に向けて、吸気ポート内に燃料を噴射するための図示しないインジェクタが配置されている。本実施形態のシステムはＥＣＵ５０（Electronic Control Unit）を備えている。ＥＣＵには、上述の点火プラグ１６、インジェクタが接続されている。ＥＣＵ５０は、吸気行程においてインジェクタに燃料を噴射させ、圧縮上死点近傍において点火プラグ１６に火花点火させる。

また、吸気ポートの下流端には、吸気ポートを燃焼室に対して開閉するための吸気バルブ１８が２つ設けられている。同様に、排気ポートの上流端には、排気ポートを燃焼室に対して開閉するための排気バルブ２０が２つ設けられている。なお、本発明において、吸気バルブ１８、排気バルブ２０の数は特に限定されるものではない。

シリンダヘッド１４の下面凹部の外縁部には、吸気側にスキッシュ面２２ａが、排気側にスキッシュ面２４ａが形成されている。また、吸排気方向に直交する方向の外縁部には、スキッシュ面２６ａ、２８ａがそれぞれ形成されている。

（ピストンの特徴的構成）
図２は、本発明の実施の形態１におけるピストン１２の冠面３０の構造について説明するための図である。図２は、燃焼室からピストン１２の冠面３０を見た上面図である。冠面３０には、２つの吸気バルブ１８の傘部それぞれに対応するバルブリセス３２_ＩＮが形成されている。同様に、冠面３０には、２つの排気バルブ２０の傘部それぞれに対応するバルブリセス３２_ＥＸが形成されている。

燃焼室に面する冠面３０の外縁部には、吸気側にスキッシュ面２２ｂが、排気側にスキッシュ面２４ｂが形成されている。また、冠面３０であって吸排気方向に直交する方向の外縁部には、スキッシュ面２６ｂ、２８ｂがそれぞれ形成されている。

スキッシュ面２２ａと２２ｂとの間隙部、スキッシュ面２４ａと２４ｂとの間隙部、スキッシュ面２６ａと２６ｂとの間隙部、スキッシュ面２８ａと２８ｂとの間隙部には、それぞれスキッシュエリアが形成されている。スキッシュエリアが形成されることにより、ピストン１２が圧縮行程の上死点に近づいたときに混合ガス（新気と燃料との未燃ガス）が間隙部から押し出される。これにより、燃焼室の外縁部から中心方向にスキッシュ流（押し込み渦流）が生じる。また、燃焼行程においては、間隙部にエンドガス（点火プラグ１６から遠い部分の混合ガス）が吸い込まれ逆スキッシュ流が生じる。逆スキッシュ流は、火炎帯及び既燃部の発熱・膨張がもたらす火炎前方への押し込みによって強化される。

本実施形態のシステムでは、冠面３０上のスキッシュ面２２ｂ、２４ｂ、２６ｂ、２８ｂ以外の領域を、断熱層が形成された断熱領域（図２の領域Ａ）とする。断熱層を形成する断熱材としては、セラミック等の断熱効果を有する部材が用いられる。加えて、本実施形態のシステムでは、スキッシュ面２２ｂ、２４ｂ、２６ｂ、２８ｂを、断熱層を有さない非断熱領域（図２の白抜き部位）とする。

上述した本実施形態の構成では、ピストン１２の冠面３０に断熱領域を設けることとしている。断熱領域を設けることで、燃焼ガスの冠面３０への冷却損失を抑制することができる。反面、断熱領域の断熱層は高熱となる。

ところで、燃焼ガス（燃焼された混合ガス）は燃焼行程中に点火プラグ１６付近から膨張し始める。このため、点火プラグ１６から遠い位置にあるエンドガスは、点火プラグ１６付近の燃焼ガスの膨張によって圧迫される。圧迫されたエンドガスは高温となる。高温となったエンドガスが着火する環境に達すれば、火炎伝播を待たずに自己着火する。上記断熱領域を設けたことにより、エンドガスから断熱層下のピストン１２への放熱が抑制されるため、ノッキングが生じ易いとも考えられる。

しかしながら、本実施形態の構成では、冠面３０に上記断熱領域を設けると共に、スキッシュ面２２ｂ、２４ｂ、２６ｂ、２８ｂを、断熱層を有さない非断熱領域とすることでノッキングの発生を抑制することができる。以下、具体的に説明する。

まず、燃焼行程中において、既燃部の発熱・膨張がもたらす火炎前方への押し込みによって、燃焼室から間隙部に強い気流のエンドガスが流れ込むスキッシュエリアは、ノッキングが発生し易い場所である。強い気流のエンドガスが流れ込むスキッシュエリアは、熱伝導率が高い。そのため、スキッシュエリアのスキッシュ面２２ｂ、２４ｂ、２６ｂ、２８ｂを非断熱領域とすることでエンドガスから冠面３０への放熱を促進させることができる。

あわせて、上記スキッシュ面以外の領域を断熱領域としたことで、燃焼ガスからピストン１２への受熱量が低減され、ピストン１２のスキッシュ面２２ｂ、２４ｂ、２６ｂ、２８ｂにおける温度は低減されることとなる。そのため、一層エンドガスを放熱させることができ、ノッキングの発生を抑制することができる。

また、圧縮行程においても、上記スキッシュ面に強い気流であるスキッシュ流が生じ、スキッシュエリアの熱伝導率は高くなるが、スキッシュ面２２ｂ、２４ｂ、２６ｂ、２８ｂは断熱層を有さず、上記断熱領域に比して低温であるため、混合ガスへの受熱量を抑制することもできる。この点でも、ノッキングの発生を抑制することができる。

このように、本実施形態の構成によれば、スキッシュを利用する内燃機関において、ノッキングの抑制と、冷却損失の低減とを両立させることができ、好適な熱効率を実現することができる。

ところで、上述した実施の形態１のシステムにおいては、インジェクタとして、ポート噴射式のインジェクタを用いることとしているが、筒内直接噴射式のインジェクタを用いることとしても良い。なお、この点は以下の実施の形態においても同様である。

尚、上述した実施の形態１においては、シリンダヘッド１４が前記第１の発明における「シリンダヘッド」に、冠面３０が前記第１の発明における「ピストン冠面」に、スキッシュ面２２ｂ、２４ｂ、２６ｂ、２８ｂが前記第１の発明における「面」及び「非断熱領域」に、領域Ａが前記第１の発明における「断熱領域」に、それぞれ相当している。

実施の形態２．
（基本的構成）
次に、図３を参照して本発明の実施の形態２について説明する。本実施形態のシステムは図１及び図２に示す構成において、図３に示すシリンダヘッドの一部構成が適用される点を除き、図１及び図２に示す構成と同様である。

（シリンダヘッドの特徴的構成）
図３は、本発明の実施の形態２におけるシリンダヘッド１４の構成について説明するための図である。図３には、燃焼室から見たシリンダヘッド１４の下面凹部の構成が表されている。本実施形態のシステムでは、シリンダヘッド１４の下面凹部上のスキッシュ面２２ａ、２４ａ、２６ａ、２８ａ、吸気バルブ１８、排気バルブ２０、点火プラグ１６以外の領域を、断熱層が形成された断熱領域（図３の領域Ｂ）とする。断熱層を形成する断熱材としては、セラミック等の断熱効果を有する部材が用いられる。加えて、本実施形態のシステムでは、少なくともスキッシュ面２２ａ、２４ａ、２６ａ、２８ａを、断熱層を有さない非断熱領域（図３の白抜き部位）とする。

上述した本実施形態の構成では、シリンダヘッド１４の下面凹部に断熱領域を設けることとしている。断熱領域を設けることで、燃焼ガスのシリンダヘッド１４への冷却損失を抑制することができる。反面、断熱領域の断熱層は高熱となる。

ところで、燃焼ガス（燃焼された混合ガス）は燃焼行程中に点火プラグ１６付近から膨張し始める。このため、点火プラグ１６から遠い位置にあるエンドガスは、点火プラグ１６付近の燃焼ガスの膨張によって圧迫される。圧迫されたエンドガスは高温となる。高温となったエンドガスが着火する環境に達すれば、火炎伝播を待たずに自己着火する。上記断熱領域を設けたことにより、エンドガスから断熱層下のシリンダヘッド１４への放熱が抑制されるため、ノッキングが生じ易いとも考えられる。

しかしながら、本実施形態の構成では、シリンダヘッド１４の下面凹部に上記断熱領域を設けると共に、スキッシュ面２２ａ、２４ａ、２６ａ、２８ａを、断熱層を有さない非断熱領域とすることでノッキングの発生を抑制することができる。以下、具体的に説明する。

まず、燃焼行程中において、既燃部の発熱・膨張がもたらす火炎前方への押し込みによって、燃焼室から間隙部に強い気流のエンドガスが流れ込むスキッシュエリアは、ノッキングが発生し易い場所である。強い気流のエンドガスが流れ込むスキッシュエリアは、熱伝導率が高い。そのため、スキッシュエリアのスキッシュ面２２ａ、２４ａ、２６ａ、２８ａを非断熱領域とすることでエンドガスからシリンダヘッド１４への放熱を促進させることができる。

あわせて、上記スキッシュ面、吸気バルブ１８、排気バルブ２０、点火プラグ１６以外の領域を断熱領域としたことで、燃焼ガスからシリンダヘッド１４への受熱量が低減され、シリンダヘッド１４のスキッシュ面２２ａ、２４ａ、２６ａ、２８ａにおける温度は低減されることとなる。そのため、一層エンドガスを放熱させることができ、ノッキングの発生を抑制することができる。

また、圧縮行程においても、上記スキッシュ面に強い気流であるスキッシュ流が生じ、スキッシュエリアの熱伝導率は高くなるが、スキッシュ面２２ａ、２４ａ、２６ａ、２８ａは断熱層を有さず、上記断熱領域に比して低温であるため、混合ガスへの受熱量を抑制することもできる。この点でも、ノッキングの発生を抑制することができる。

このように、本実施形態の構成によれば、スキッシュを利用する内燃機関において、ノッキングの抑制と、冷却損失の低減とを両立させることができ、好適な熱効率を実現することができる。

ところで、上述した実施の形態２のシステムにおいては、吸気バルブ１８と排気バルブ２０の燃焼室に面する面を、断熱層を有しない非断熱領域としているが、吸気バルブ１８と排気バルブ２０の燃焼室に面する面を、断熱層を有する断熱領域とすることとしてもよい。

また、上述した実施の形態２のシステムにおいては、ピストン冠面の構成は問わないが、好適には、実施の形態１で説明した断熱領域・非断熱領域を有する冠面３０（図２）と併用することで、一層のノッキングの抑制と冷却損失の低減とを図ることができるものである。

尚、上述した実施の形態２においては、シリンダヘッド１４が前記第２の発明における「シリンダヘッド」に、冠面３０が前記第２の発明における「ピストン冠面」に、スキッシュ面２２ａ、２４ａ、２６ａ、２８ａが前記第２の発明における「面」及び「非断熱領域」に、領域Ｂが前記第１及び第２の発明における「断熱領域」に、それぞれ相当している。

１０ 内燃機関
１２ ピストン
１４ シリンダヘッド
１６ 点火プラグ
１８ 吸気バルブ
２０ 排気バルブ
２２ａ、２４ａ、２６ａ、２８ａ シリンダヘッド１４のスキッシュ面
２２ｂ、２４ｂ、２６ｂ、２８ｂ 冠面３０上のスキッシュ面
３０ 冠面
３２_ＩＮ、３２_ＥＸ バルブリセス
Ａ、Ｂ 断熱領域

Claims (2)

1. シリンダヘッド下面とピストン冠面との間隙部にスキッシュエリアが形成される内燃機関において、
   前記ピストン冠面の外縁部に設けられた、前記スキッシュエリアを形成する面であって、断熱層を有さない非断熱領域と、
   前記非断熱領域以外の前記ピストン冠面に設けられた断熱層を有する断熱領域と、
   を備えることを特徴とする内燃機関。
2. ピストン冠面と燃焼室に面するシリンダヘッド下面との間隙部にスキッシュエリアが形成される内燃機関において、
   前記シリンダヘッド下面の外縁部に設けられた、前記スキッシュエリアを形成する面であって、断熱層を有さない非断熱領域と、
   前記非断熱領域以外の前記シリンダヘッド下面の少なくとも一部に設けられた、断熱層を有する断熱領域と、
   を備えることを特徴とする内燃機関。

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