JP2012047134A

JP2012047134A - 内燃機関

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Publication number: JP2012047134A
Application number: JP2010191409A
Authority: JP
Inventors: Hidemasa Kosaka; 英雅小坂; Yoshifumi Wakizaka; 佳史脇坂; Minaji Inayoshi; 三七二稲吉; Shinya Iida; 晋也飯田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2010-08-27
Filing date: 2010-08-27
Publication date: 2012-03-08
Anticipated expiration: 2030-08-27
Also published as: JP5533446B2

Abstract

【課題】内燃機関において、熱損失の原因の１つである燃焼室内の乱流熱伝達を抑制することである。
【解決手段】内燃機関１０は、燃焼室２６を構成する各要素を燃焼室母材として、燃焼室母材の熱伝導率よりも低い熱伝導率と、燃焼室母材の単位体積当り熱容量よりも低い単位体積当り熱容量とを有する断熱膜４０，４２が燃焼室２６に面する壁面に形成される。ピストン１２の上面３０またはヘッド部の下面３２には、その中央部から放射状に延びる凹凸形状５０が形成される。凹凸形状５０は、ピストン１２の上面等に予め形成され、その上に断熱膜４０，４２が設けられる。凹凸形状５０の高さは０．１ｍｍから０．２ｍｍである。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に係り、特に燃焼室内壁に断熱膜を有する内燃機関に関する。

内燃機関の熱損失を低減するために、燃焼室内壁に断熱膜を設けることが行われる。例えば、特許文献１には、内燃機関の燃焼室内に臨む壁面に形成する断熱膜として、粒状に形成された多数の断熱材と、膜状に形成された断熱材とを含み、膜状の断熱材は、燃焼室の母材の熱伝導率以下の熱伝導率を有し、粒状の断熱材は、燃焼室の母材の熱伝導率より低い熱伝導率と、母材の単位体積あたりの熱容量より低い単位体積あたりの熱容量を有し、さらに膜状の断熱材の熱伝導率より低い熱伝導率と、膜状の断熱材の単位体積あたりの熱容量より低い単位体積あたりの熱容量を有する構成が開示されている。

なお、本発明に直接は関係しないが、特許文献２には、内燃機関の吸排気通路構造として、吸気通路と排気通路の内壁面に、流体の流れを整流して摩擦抵抗を低減する粗面を形成することが開示されている。この粗面としては、流れの方向に沿って延びる高さが２００μｍ程度の微小な凹凸形状、またはサメの鱗状の凹凸形状を用いることが述べられている。

また、本発明に関連する技術として、固体壁面に沿って流れがあるときの乱流境界層について、無次元距離ｙ⁺＝（ρＵτＹ／μ）＝［ρ｛τ_W／ρ｝^1/2Ｙ／μ］を用いて粘性底層、バッファ領域、乱流域に分類することが知られている。ここで、ρは、流体の密度、Ｕτは、摩擦速度で、τ_Wを壁面せん断応力としてＵτ＝｛τ_W／ρ｝^1/2で示され、Ｙは、壁面からの距離、μは分子粘性係数である。そして、非特許文献１には、壁面近傍の摩擦抵抗低減のためには、ｙ⁺＝１０程度の凹凸が最適であると述べられている。

特開２００９−２４３３５２号公報特開２０００−１８０９１号公報

Sakate et. Al.，Turbulence control with a wall-adjacent thin-layer spanwise velocity fluctuations，Int.J.Heat Fluid Flow，17(1996)，p343

このように、内燃機関において、燃焼室壁面に断熱膜、あるいは遮熱膜を形成すると、燃焼中に高温となった燃焼ガスの温度に追従して断熱膜の表面温度が追従し、内燃機関の熱損失の低減を図ることが可能となる。この効果は、燃焼室壁面に流入する熱流束が大きいほど大きいので、内燃機関が高負荷のときの方が低負荷のときに比べて効果が大きい。そこで、内燃機関が低負荷でもさらなる熱損失の低減を図ることが望まれる。

ところで、内燃機関の燃焼室内の燃焼ガス等の流れは、活発な乱流熱伝達が生じている。この乱流熱伝達も熱損失の原因の１つである。

本発明の目的は、燃焼室内の乱流熱伝達を抑制することができる内燃機関を提供することである。

本発明に係る内燃機関は、内燃機関の燃焼室を構成する各要素を燃焼室母材として、燃焼室母材の燃焼室に面する壁面に形成され、燃焼室母材の熱伝導率よりも低い熱伝導率と、燃焼室母材の単位体積当り熱容量よりも低い単位体積当り熱容量とを有する断熱膜を備え、断熱膜は、燃焼室母材の燃焼室に面する壁面のうち、ピストンの上面またはピストンの上表面に面するシリンダのヘッド部の下面において、予め定めた所定の凹凸高さを有し、ピストンの上面の点火プラグ真下位置から放射状に形成され、またはヘッド部の下面の点火プラグ位置から放射状に形成される凹凸形状を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る内燃機関において、断熱膜は、粒状に形成された多数の中空粒子断熱材と、バインダ断熱材とを含んで構成されることが好ましい。また、本発明に係る内燃機関において、断熱膜は、ポーラス構造を有する陽極酸化皮膜から構成されることが好ましい。

また、本発明に係る内燃機関において、断熱膜が形成される前の燃焼室母材としてのピストンまたはヘッド部は、ピストンの場合その上面が所定の凹凸高さを有する凹凸形状を含み、ヘッド部の場合は、その下面が所定の凹凸高さを有する凹凸形状を含むことが好ましい。

また、本発明に係る内燃機関において、燃焼室を流れる流体の密度をρとし、分子粘性係数をμとし、壁面せん断応力をτ_Wとして、Ｕτ＝｛τ_W／ρ｝^1/2で示される摩擦速度Ｕτと、壁面からの距離Ｙによって計算される無次元距離ｙ⁺＝（ρＵτＹ／μ）＝［ρ｛τ_W／ρ｝^1/2Ｙ／μ］を用いて、無次元距離ｙ⁺＝１０に対応する凹凸高さを有する凹凸形状を含むことが好ましい。

また、本発明に係る内燃機関において、断熱膜は、無次元距離ｙ⁺＝１０に対応する凹凸高さとして、断熱膜は、０．１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下の凹凸高さを有する凹凸形状を含むことが好ましい。

上記構成により内燃機関は、燃焼室母材の熱伝導率よりも低い熱伝導率と、燃焼室母材の単位体積当り熱容量よりも低い単位体積当り熱容量とを有する断熱膜が燃焼室に面する壁面に形成される。そして、断熱膜は、ピストンの上面の点火プラグの真下位置から放射状に凹凸が形成される。または、ヘッド部の下面の点火プラグ位置から放射状に凹凸形状が形成される。これにより、燃焼室内の気体の流れが整流され、乱流熱伝達を抑制し熱損失を減少することができる。

また、内燃機関において、ピストンの上面が予め凹凸形状に形成され、その上に断熱膜が設けられる。または、ヘッド部の下面が予め凹凸形状に形成されその上に断熱膜が設けられる。これにより、凹凸形状を容易に形成できる。

また、内燃機関において、燃焼室を流れる流体の物性と、壁面からの距離を用いて計算される無次元距離ｙ⁺＝（ρＵτＹ／μ）＝［ρ｛τ_W／ρ｝^1/2Ｙ／μ］を用いて、無次元距離ｙ⁺＝１０に対応する凹凸高さを有する凹凸形状を含むので、壁面近傍の摩擦抵抗を効果的に低減できる。

また、内燃機関において、断熱膜は、０．１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下の凹凸高さを有する。この凹凸高さは、一般的な内燃機関の運転条件における無次元距離ｙ⁺＝１０に対応する凹凸高さに対応する値である。また、凹凸高さは、燃焼室内のガス流がそのくぼみに入り込まない程度の高さが断熱性から好ましく、また、高さがあまり高いと凹凸表面積が増加し、熱損失がかえって増大する恐れがある。これらの観点から内燃機関の一般的な運転条件のときは、上記の凹凸高さとすることが好ましい。

本発明に係る実施の形態の内燃機関の構成を説明する図である。本発明に係る実施の形態における断熱膜の構成の一例を説明する図である。図１のＡ部の拡大図である。本発明に係る実施の形態における凹凸形状の部分の断面図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、内燃機関として火花点火式ガソリンエンジンを説明するが、これは、ガソリンエンジン等の火花点火式内燃機関の方が燃焼室内の気体の流れの整流が熱損失の抑制に効果的であると考えられるための例示であって、勿論ディーゼルエンジンであってもよい。ディーゼルエンジンのような圧縮点火式内燃機関は、ガソリンエンジンと燃焼室内の気体の流れ方が違うが、やはり燃焼室内で乱流熱伝達が生じる。なお、内燃機関としては、気筒数、気筒の配置形式等、さまざまな仕様のものを含む。

また、以下では、燃焼室の構成として、シリンダ、ピストン、吸気弁、排気弁、点火プラグを説明するが、これは燃焼室壁面に関連する主要な要素であって、内燃機関としては、勿論これ以外の要素を含む。例えば、燃料噴射弁、スロットルバルブ、フローメータ、ＥＧＲ等を含むが、これらの説明は単に省略しただけである。

また、以下の燃焼室の形状、燃焼室の構成要素の配置等は、説明のための例示であり、内燃機関の仕様に応じ、適宜変更が可能である。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、内燃機関１０における燃焼室２６の周辺を説明するための図である。この内燃機関１０は、火花点火式のガソリンエンジンであり、図１では、その１つの気筒の断面図が示されている。

ここでは、ピストン１２と、ピストン１２が摺動するシリンダ１４とが示されている。ピストン１２は、円柱状の外形形状を有し、その上面３０は、中央部にキャビティとも呼ばれるくぼみを有する。シリンダ１４は、ピストン１２の摺動を案内する円筒状の内壁と、円筒状の天井部を構成する上部部材とを含む。円筒状の部分はライナ部と呼ばれ、天井部を構成する上部部材はヘッド部と呼ばれる。ピストン１２の上面３０とシリンダ１４のヘッド部の下面３２とで囲まれる空間が燃焼室２６である。

シリンダ１４のヘッド部には、吸気弁１６、吸気路１８、排気弁２０、排気路２２、点火プラグ２４等が設けられる。したがって、燃焼室２６の内壁を構成する要素としては、ピストン１２の上面３０、シリンダ１４のヘッド部の下面３２、この下面に配置される吸気弁１６の先端部、排気弁２０の先端部、点火プラグ２４の先端部等が含まれる。これらの要素を、燃焼室を構成する要素としてまとめて、燃焼室母材と呼ぶことにする。ピストン１２、シリンダ１４は、その材質としてアルミニウム合金が用いられるので、燃焼室母材の材質としては一部を除いてアルミニウム合金であると考えてよい。

断熱膜４０，４２は、燃焼室母材が燃焼室２６に面する壁面に形成され、燃焼室２６の燃焼ガスの温度が燃焼室母材に逃げないように断熱して高温を維持するための遮熱膜である。断熱膜４０，４２は、燃焼室母材の熱伝導率よりも低い熱伝導率と、燃焼室母材の単位体積当り熱容量よりも低い単位体積当り熱容量とを有する。断熱膜４０は、ピストン１２の上面３０、シリンダ１４のヘッド部の下面３２とともに、そこに配置される吸気弁１６、排気弁２０の下面にも設けられる。また、シリンダ１４の円筒状の部分であるライナ部にも断熱膜を設けるものとしてもよい。

このような断熱膜４０，４２としては、粒状に形成された多数の中空粒子断熱材と、バインダ断熱材とを含んで構成するものを用いることができる。バインダ断熱材は、膜状のものとしてもよい。また、ポーラス構造を有する陽極酸化皮膜を用いることができる。以下では、陽極酸化皮膜を用いる場合について説明する。図２は、陽極酸化断熱膜としての断熱膜４２の構成を説明する断面図である。断熱膜４２は、燃焼室母材であるピストン１２の材質であるアルミニウムを公知の陽極酸化法によって、陽極酸化処理し、多数の空孔４６を有するアルミナ膜４４としたものである。断熱膜４０，４２の厚さは、陽極酸化処理の条件で調整できる。断熱効果を考えると、断熱膜４０，４２の厚さを、例えば、５０μｍから１５０μｍ程度とすることができる。

図２に示すように、多数の空孔４６は、燃焼室２６の側に向かって繋がった細長い孔としてアルミナ膜４４の中に形成される。空孔４６の径の大きさはおよそ数１０ｎｍである。この空孔４６の中は空気であるので、アルミニウムであるピストン１２に比べ、熱伝導率が低く、また単位体積当り熱容量が小さい。

なお、断熱膜４０，４２としては、燃焼室母材の熱伝導率よりも低い熱伝導率と、燃焼室母材の単位体積当り熱容量よりも低い単位体積当り熱容量とを有するものであれば、公知の断熱膜であってよい。例えば、特許文献１で開示されている粒状に形成された多数の断熱材と、膜状に形成された断熱材とを組み合わせたものを用いることができる。あるいは、適当な中空粒子とバインダとの混合膜を用いてもよい。

再び図１に戻り、ここでは、ピストン１２の上面３０の様子が示されている。ピストン１２の上面３０に設けられる凹凸形状５０は、燃焼室２６内の気体の流れを整流するためのガイド溝の作用をする微小な凹凸である。図１に示されるように、凹凸形状５０は、ピストン１２の上面３０の中央部から周縁部に向かって放射状に複数設けられる。

図３は、図１のＡ部の拡大図である。凹凸形状５０は、三角突起形状、あるいは山形形状と呼ばれる形状を有している。この放射状形状は、ピストン１２の上面３０の中央部から周縁部に延びるので、ガソリンエンジンの燃焼室の中心で点火プラグ２４によって点火され火炎となった気体６０が周縁部に向かって流れることを、放射状に整流することができる。

これによって、気体６０の流れを整然と中央部から周縁部に導くので、気体６０の流れを乱流化することを抑制でき、乱流熱伝達を防いで、断熱膜４０，４２の作用とともに、内燃機関１０の熱損失を一層減少させることができる。

同様の凹凸形状をシリンダ１４のヘッド部の下面３２に設けることができる。この場合も、ヘッド部の下面３２の中央部から放射状に凹凸形状が形成される。凹凸形状は、ピストン１２の上面３０とヘッド部の下面３２の双方に設けることが好ましい。勿論、上記のように、ピストン１２の上面３０のみに設けるものとしてもよく、あるいは、ヘッド部の下面３２のみに設けるものとしてもよい。また、吸気弁１６、排気弁２０の下面にも、ヘッド部の下面３２の凹凸形状５０と整合するような配置で、凹凸形状を設けるものとしてもよい。

図４は、凹凸形状５０の断面拡大図である。凹凸形状５０は、燃焼室母材であるピストン１２の上面が予め凹凸形状に成形され、その状態で陽極酸化処理が行われ、結果として、断熱膜４２の凹凸形状５０となる。つまり、断熱膜４２が形成される前の燃焼室母材としてのピストン１２の上面３０が予め所定の凹凸高さｈを有するように成形される。

凹凸高さｈは、燃焼室２６内の渦が、その凹凸の中、つまり溝の中に入り込まない程度とすることがよい。こうすることで、燃焼室２６内の気体６０の温度を高温のまま維持することが容易となる。図４では、直角三角形断面の凹凸で示してあるので、溝幅が凹凸高さｈとほぼ同じとなっている。

流体の流れの解析からは、非特許文献１で述べられているように、壁面近傍の流れとしては、無次元距離であるｙ⁺を１０程度として考えることが最適であるとされている。上記のように、無次元距離ｙ⁺＝（ρＵτＹ／μ）＝［ρ｛τ_W／ρ｝^1/2Ｙ／μ］であり、ここで、ρは、流体の密度、Ｕτは、摩擦速度で、τ_Wを壁面せん断応力としてＵτ＝｛τ_W／ρ｝^1/2で示され、Ｙは、壁面からの距離、μは分子粘性係数である。

Ｙをｈとして、一般的なガソリンエンジンの５０％負荷運転のときの燃焼期間において、このときの最大圧力を２ＭＰａから３ＭＰａとして、ｙ⁺＝１０に対応するｈを求めると、ピストン１２の上面で、ｈ＝０．１ｍｍから０．２ｍｍに相当する。したがって、燃焼室２６の中の気体６０の壁面に沿った流れに適合させる凹凸高さｈとしては、０．１ｍｍから０．２ｍｍ程度がよいことになる。また、別の観点からは、あまり高いと、凹凸形状５０の表面積が増大し、熱損失の低減が図れなくなるので、この程度の凹凸高さｈとすることが好ましい。

本発明に係る内燃機関は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンに利用できる。

１０内燃機関、１２ピストン、１４シリンダ、１６吸気弁、１８吸気路、２０排気弁、２２排気路、２４点火プラグ、２６燃焼室、３０上面、３２下面、４０，４２断熱膜、４４アルミナ膜、４６空孔、５０凹凸形状、６０気体。

Claims

内燃機関の燃焼室を構成する各要素を燃焼室母材として、燃焼室母材の燃焼室に面する壁面に形成され、燃焼室母材の熱伝導率よりも低い熱伝導率と、燃焼室母材の単位体積当り熱容量よりも低い単位体積当り熱容量とを有する断熱膜を備え、
断熱膜は、燃焼室母材の燃焼室に面する壁面のうち、ピストンの上面またはピストンの上表面に面するシリンダのヘッド部の下面において、予め定めた所定の凹凸高さを有し、ピストンの上面の点火プラグ真下位置から放射状に形成され、またはヘッド部の下面の点火プラグ位置から放射状に形成される凹凸形状を含むことを特徴とする内燃機関。
請求項1に記載の内燃機関において、
断熱膜は、粒状に形成された多数の中空粒子断熱材と、バインダ断熱材とを含んで構成されることを特徴とする内燃機関。
請求項1に記載の内燃機関において、
断熱膜は、ポーラス構造を有する陽極酸化皮膜から構成されることを特徴とする内燃機関。
請求項１に記載の内燃機関において、
断熱膜が形成される前の燃焼室母材としてのピストンまたはヘッド部は、ピストンの場合その上面が所定の凹凸高さを有する凹凸形状を含み、ヘッド部の場合は、その下面が所定の凹凸高さを有する凹凸形状を含むことを特徴とする内燃機関。
請求項１に記載の内燃機関において、
燃焼室を流れる流体の密度をρとし、分子粘性係数をμとし、壁面せん断応力をτ_Wとして、Ｕτ＝｛τ_W／ρ｝^1/2で示される摩擦速度Ｕτと、壁面からの距離Ｙによって計算される無次元距離ｙ⁺＝（ρＵτＹ／μ）＝［ρ｛τ_W／ρ｝^1/2Ｙ／μ］を用いて、無次元距離ｙ⁺＝１０に対応する凹凸高さを有する凹凸形状を含むことを特徴とする内燃機関。
請求項５に記載の内燃機関において、
断熱膜は、無次元距離ｙ⁺＝１０に対応する凹凸高さとして、０．１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下の凹凸高さを有する凹凸形状を含むことを特徴とする内燃機関。