JP2016079953A - 内燃機関の吸気ポート断熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気を吸気ポートの壁面から断熱する断熱性能の向上を図る。
【解決手段】吸気ポート３０は、その壁面の一部が、シリンダヘッド１６に取着された断熱部材４４で構成されている。断熱部材４４は、シリンダヘッド１６の凹部４６に嵌め込まれ凹部４６の壁面４６０２に接触する外面４４０２と、吸気ポート３０の壁面の一部を形成する内面４４０４とを有している。断熱部材４４の外面４４０２に、壁面４６０２と外面４４０２の接触面積を低減する凹凸構造５０が設けられることで、壁面４６０２と外面４４０２の接触面積は、シリンダブロック１４側に位置する箇所が、シリンダブロック１４から離れた側に位置する箇所よりも小さくなっている。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の吸気ポート構造に関し、より詳細にはポート噴射式の内燃機関の吸気ポート断熱構造に関する。

近年、燃費向上の観点から熱効率を高めた高圧縮比の内燃機関が求められている。
高圧縮比の内燃機関は、低圧縮比の機関に比べて圧縮後の混合気の温度が高くなるため、ノッキングしやすくなり、点火時期をリタード（遅角）する必要がある。
その結果、燃費の向上効果が低減してしまうことから、吸気温度ひいては混合気温度の上昇を抑制することが必要となる。
ところで、吸気は、インテークマニホールドの吸気通路と、シリンダヘッドに設けられる吸気ポートを介して燃焼室に吸引される。
インテークマニホールドおよびシリンダヘッドは、燃焼室から伝わる熱によって加熱されているため、吸気は、インテークマニホールドの吸気通路やシリンダヘッドの吸気ポートの壁面から受熱することで温度上昇することが避けられない。
そこで、インテークマニホールドを断熱性を有する樹脂材料で構成し、インテークマニホールドの樹脂製の挿入部を吸気ポートに挿入した吸気管の取付構造が提案されている（特許文献１参照）。
この構造では、樹脂製の挿入部を吸気ポートに挿入し、吸気ポートの壁面のうちシリンダヘッドの壁面で構成される部分の面積を減らして、吸気の温度上昇の抑制を図っている。

特開２００７−２８５１７１号公報

しかしながら、上記構造では、樹脂製の挿入部による断熱効果に限界があり、さらなる断熱効果の向上を図る上で改善の余地がある。
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、吸気を吸気ポートの壁面から断熱する断熱性能の向上を図り、吸気温度の上昇を抑制しつつ、燃料の気化を促進することにより燃費の向上を図る上で有利な内燃機関の吸気ポート断熱構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、シリンダブロックの上に配置され吸気ポートが設けられたシリンダヘッドと、シリンダヘッドに組み込まれ前記シリンダヘッドに接触する外面と、前記吸気ポートの壁面の一部を形成する内面とを有する断熱部材とを備える内燃機関の吸気ポート断熱構造であって、前記断熱部材が接触する前記シリンダヘッドの箇所または前記断熱部材の前記外面の少なくとも一方に、前記シリンダヘッドの箇所と前記外面の接触面積を低減する凹凸構造が設けられることで、前記シリンダヘッドの箇所と前記外面の接触面積は、前記シリンダブロック側に位置する箇所が、前記シリンダブロックから離れた側に位置する箇所よりも小さいことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、前記シリンダヘッドの箇所と前記外面の接触面積は、吸気の上流側に位置する箇所よりも吸気の下流側に位置する箇所が小さいことを特徴とする。
請求項３記載の発明は、前記凹凸構造は、前記外面から突出する複数の凸部で形成されていることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、前記吸気ポートに燃料を噴射するインジェクタを備えるとともに、前記断熱部材は、前記内面が前記インジェクタの噴口より前記吸気ポートの上流側の壁面を形成する上流側壁部と、前記内面が前記噴口より前記吸気ポートの下流側の壁面を形成する下流側壁部とを備え、前記下流側壁部で前記インジェクタが配置される側の箇所に、前記噴口の周囲から吸気が前記内面を流れる方向に延在し前記上流側壁部から離れた前記下流側壁部の端部に開放状の切欠が設けられ、前記下流側壁部は前記噴口に対向する側の前記吸気ポートの壁面の前記噴霧された燃料が付着される箇所の手前まで延設されていることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、高温となるシリンダブロック側から伝導される熱は、断熱部材が接触するシリンダヘッドの箇所と断熱部材の外面の接触面積が小さいため、シリンダブロック側に位置する断熱部材に伝達されにくくなる。そのため、吸気を吸気ポートの壁面から断熱する断熱性能の向上を図り吸気温度の上昇を抑制し燃費の向上を図る上で有利となる。
請求項２記載の発明によれば、高温となる吸気の下流側に位置する燃焼室側から伝導される熱は、下流側に位置する断熱部材に伝達されにくくなる。そのため、吸気を吸気ポートの壁面から断熱する断熱性能の向上を図り吸気温度の上昇を抑制し燃費の向上を図る上でより一層有利となる。
請求項３記載の発明によれば、断熱部材の加工を簡単に行なう上で有利となり、製造コストの低減を図る上で有利となる。
請求項４記載の発明によれば、内燃機関の運転状態によらず噴口から噴射された燃料の大半が付着する吸気ポートの壁面は、シリンダヘッドで構成されているので、吸気ポートの壁面に付着した燃料の気化が高温なシリンダヘッドの壁面で効率よくなされ、燃料の燃焼効率の向上を図る上で有利となる。また、エンジンの高速回転域において、噴口から噴射された燃料の大半が付着されない壁面の箇所であるポートの壁面は、断熱部材で構成されているので、シリンダヘッドの熱の吸気への伝達が抑制され、吸気の温度上昇を抑制する上で有利となる。

実施の形態に係る内燃機関の吸気ポート構造を示す断面図である。 （Ａ）は図１のＡＡ線断面図、（Ｂ）は図１のＢＢ線断面図を示す。 断熱部材の斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
まず、内燃機関の全体構成について説明する。
図１に示すように、内燃機関（以下エンジンという）１０は、シリンダ１２が形成されたシリンダブロック１４と、シリンダブロック１４の上部に配置されたシリンダヘッド１６と、シリンダ１２に配設されたピストン１８とを含んで構成されている。
シリンダヘッド１６の両側には吸気管２０（インテークマニホールド）と排気管２２（エキゾーストマニホールド）が連結されている。
燃焼室２４は、シリンダ１２の内面とシリンダヘッド１６の下面とピストン１８の頂面とによって構成され、シリンダヘッド１６には燃焼室２４に位置するように点火プラグ２６が設けられている。
ピストン１８はコネクティングロッド２８を介して不図示のクランクシャフトに連結され、図中符号１８０２、１８０４は圧力リング、符号１８０６はオイルリングを示している。

シリンダヘッド１６には、燃焼室２４に吸気を供給する吸気ポート３０と、燃焼室２４内の排気を排出する排気ポート３２とが設けられている。
なお、本発明において、吸気ポート３０とは、外部に開口する吸気口と燃焼室２４とを接続する吸気通路のうちシリンダヘッド１６の内部に位置する部分をいう。
吸気ポート３０には、吸気管２０が接続され、排気ポート３２には、排気管２２が接続されている。
そして、吸気通路２００２は、吸気管２０、吸気ポート３０を含んで構成され、排気通路２２０２は、排気ポート３２、排気管２２を含んで構成されている。
また、吸気ポート３０に吸気バルブ３４が設けられ、排気ポート３２に排気バルブ３６が設けられ、それら吸気バルブ３４、排気バルブ３６はバルブスプリング３８、４０により閉止方向に付勢されている。吸気バルブ３４、排気バルブ３６は不図示の吸排気カムにより駆動され、吸気ポート３０、排気ポート３２を開閉する。
なお、図中符号３７はバルブシートを示す。

本実施の形態では、エンジン１０は、インジェクタ４２から吸気ポート３０内に燃料を噴射（噴霧）するポート噴射式エンジンである。
インジェクタ４２は、不図示のポンプから供給された燃料を噴射するものであり、吸気ポート３０内に噴口４２０２を向けた燃料噴射ノズル４２０４と、燃料噴射ノズル４２０４に設けられアクチュエータにより噴口４２０２を開閉する不図示のニードル弁とを含んで構成されている。
ポート噴射式エンジンでは、吸気管２０の吸気通路２００２から吸気ポート３０内に吸入された吸入空気とインジェクタ４２の噴口４２０２から噴射された燃料とが吸気ポート３０内で混合されて混合気となり、燃焼室２４に供給される。
そして、クランクシャフトが回転することにより、吸気カム、排気カムを介して吸気バルブ３４、排気バルブ３６が開閉され、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程が実行され、主として、排気・吸気行程中に、噴口４２０２から燃料が吸気ポート３０内に噴射される。

図１から図３に示すように、吸気ポート３０は、その壁面の一部が、シリンダヘッド１６に取着された断熱部材４４で構成されている。
すなわち、吸気ポート３０の上流端が位置するシリンダヘッド１６の端面に開口する凹部４６が設けられている。
断熱部材４４は、シリンダヘッド１６に組み込まれシリンダヘッド１６に接触する、言い換えると、凹部４６に嵌め込まれ凹部４６の壁面４６０２に接触する外面４４０２と、吸気ポート３０の壁面の一部を形成する内面４４０４とを有している。
断熱部材４４は、端部側に位置する上流側壁部４４Ａと、上流側壁部４４Ａの端部から吸気が流れる方向に延在する下流側壁部４４Ｂとを備えている。
下流側壁部４４Ｂでインジェクタ４２が配置される側の箇所に、インジェクタ４２の噴口４２０２を吸気ポート３０内に露出させると共に吸気が流れる方向に延在し上流側壁部４４Ｂから離れた下流側壁部４４Ｂの端部に開放状の切欠４８が設けられている。
噴口４２０２に対向する側の吸気ポート３０の壁面３００４の箇所で燃料噴霧が付着される壁面３００８の範囲はシリンダヘッド１６で構成されている。

したがって、エンジン１０の高速回転域において、吸気ポート３０を流れる吸気速度が速くなるため、噴口４２０２から噴射された燃料の大半は、噴口４２０２が位置する側で吸気ポート３０の延在方向に沿って延在するシリンダヘッド１６の壁面３００６の箇所に付着する。
本実施の形態では、下流側壁部４４Ｂでインジェクタ４２が配置される側の箇所に切欠４８が設けられ、噴口４２０２よりも下流側に位置する吸気ポート３０の壁面のうち噴口４２０２が位置する側で吸気ポート３０の延在方向に沿って延在する壁面３００６の箇所はシリンダヘッド１６で構成されている。
噴口４２０２から噴射された燃料の気化が高温なシリンダヘッド１６の壁面３００６で効率よくなされ、燃料の燃焼効率の向上を図る上で有利となる。特に、エンジン１０が低・中回転域かつ高負荷域で運転している場合は、吸気ポート３０に流入する吸気の流速が遅くなるとともにインジェクタ４２から噴射される燃料量が多くなるため、噴口４２０２から噴射された燃料の一部は吸気とともに吸気ポート３０の下流へ流れず、吸気ポート３０の壁面３００６に付着する。この場合は、付着した燃料は高温のシリンダヘッド１６の壁面３００６によって効率よく気化が促進されるため、燃焼効率の向上を図る上で更に有利となる。
また、噴口４２０２よりも上流側に位置する吸気ポート３０の壁面３００２の全域と噴口４２０２よりも下流側に位置する吸気ポート３０の壁面のうち噴口４２０２に対向する側の壁面３００４の箇所は、上流側壁部４４Ａと下流側壁部４４Ｂとからなる断熱部材４４の内面４４０４で構成されているので、シリンダヘッド１６の熱の吸気への伝達が抑制され、吸気の温度上昇を抑制する上で有利となり、エンジン１０の燃費の向上を図る上で有利となる。
したがって、吸気の温度上昇を抑制しつつ燃焼効率を向上できるので、エンジン１０の燃費の向上を図る上で有利となる。

特に、エンジン１０の低中速回転域で高負荷の運転状態では吸気ポート３０に流入する吸気の流速が遅くなると共にインジェクタ４２から噴射される燃料量が多くなるため、噴口４２０２から噴射された燃料は、その大半が噴口４２０２に対向する側で燃焼室２４寄りの吸気ポート３０のシリンダヘッド１６の壁面３００８および吸気バルブ３４に付着する場合がある。
本実施の形態では、下流側壁部４４Ｂは、噴口４２０２に対向する壁面３００４の箇所から壁面３００８の範囲の手前まで延在し、燃料噴霧が付着される壁面３００８の範囲はシリンダヘッド１６で構成されている。
そのため、吸気ポート３０の壁面３００８に付着した燃料の気化は高温のシリンダヘッド１６によって効率よくなされ、燃料の燃焼効率の向上を図る上で有利となる。
また、下流側壁部４４Ｂが噴口４２０２に対向する壁面３００４の箇所から壁面３００８の範囲の手前まで延在しているので、シリンダヘッド１６の熱の吸気への伝達が抑制され、吸気の温度上昇を抑制する上でより有利となる。
したがって、エンジン１０の低速回転域において、吸気の温度上昇をより抑制しつつ燃焼効率をより向上できるので、エンジン１０の燃費の向上を図る上でより一層有利となる。

断熱部材４４は、中空あるいは中実の合成樹脂材料で構成してもよい。
あるいは、断熱部材４４を、中空の部材と、中空の部材の内部に挿入された断熱材料とで構成してもよく、この場合は、最適な断熱性能を確保する上で有利となる。
また、断熱部材４４の上流側部分４４Ａと下流側部分４４Ｂとを別体で構成してもよい。この場合、上流側部分４４Ａと下流側部分４４Ｂとに用いる断熱材料の種類を変えることで、断熱性能を変えることができる。
例えば、上流側部分４４Ａが配置されたシリンダヘッド１６部分に冷却水通路（高温）が配置され、下流側部分４４Ｂが配置されたシリンダヘッド１６部分がそれより低温である場合は、下流側部分４４Ｂよりも上流側部分４４Ａの断熱性能を高めるように、断熱部材４４を構成する断熱材料を選択し、あるいは、断熱材料の密度を設定できる。
そのため、シリンダヘッド１６の温度分布に対応させて最適な断熱性能を確保する上で有利となる。

図１から図３に示すように、断熱部材４４が接触するシリンダヘッド１６の箇所である凹部４６の壁面４６０２または断熱部材４４の外面４４０２の少なくとも一方に、壁面４６０２と外面４４０２の接触面積を低減する凹凸構造５０が設けられることで、壁面４６０２と外面４４０２の接触面積は、シリンダブロック１４側に位置する箇所が、シリンダブロック１４から離れた側に位置する箇所よりも小さくなっている。
凹凸構造５０は、例えば、シリンダヘッド１６、断熱部材４４を型成形する際にシリンダヘッド１６、断熱部材４４と一体的に設けてもよいし、後加工でシリンダヘッド１６、断熱部材４４に形成してもよい。
本実施の形態では、凹凸構造５０は、断熱部材４４のシリンダブロック１４側に位置する半部に設けられている。
凹凸構造５０は、断熱部材４４の外面４４０２から突出する複数の均一外形の凸部５２によって構成されており、凸部５２は、その断面が半球状を呈している。
そして、断熱部材４４のシリンダブロック１４側に位置する半部において単位面積当たりに設けられる凸部５２の密度を、シリンダブロック１４側に位置する箇所が、シリンダブロック１４から離れた側に位置する箇所よりも小さくし、壁面４６０２と外面４４０２の接触面積を、シリンダブロック１４側に位置する箇所が、シリンダブロック１４から離れた側に位置する箇所よりも小さくなるようにしている。

なお、凸部５２の形状は、半球状に限定されるものではなく、例えば、円錐状、円錐台状、三角錐状、三角錐台状、四角錘状、四角錘台状、多角形錐状、多角形錐状台状、円柱状、三角柱状、多角形柱状など従来公知の様々な形状が採用可能である。
また、凸部５２は、断熱部材４４の外面４４０２から突出し、断熱部材４４の長手方向と直交する方向に間隔をおいて断熱部材４４の長手方向に延在する突条であっても良く、あるいは、断熱部材４４の長手方向に間隔をおいて断熱部材４４の周方向に延在する突条であってもよく、その断面形状は、三角形にするなど任意である。
また、複数の凸部５２に代えて外面を窪ませた複数の凹部や複数の凹溝を設けることで凹凸構造５０を構成してもよい。
また、凹凸構造５０は、シリンダヘッド１６の凹部４６の壁面４６０２に、凸部、突条、凹部、凹溝を設けることで構成してもよく、また、断熱部材４４の外面４４０２および凹部４６の壁面４６０２の双方に凹部、凹溝を設けるなど外面４４０２および壁面４６０２の双方に凹凸構造５０を設けてもよい。
要するに、凹凸構造５０は、凹部４６の壁面４６０２と断熱部材４４の外面４４０２との接触面積が、シリンダブロック１４側に位置する箇所が、シリンダブロック１４から離れた側に位置する箇所よりも小さくなるように構成されていればよい。

また、凹部４６の壁面４６０２と断熱部材４４の外面４４０２の接触面積は、吸気の上流側に位置する箇所よりも吸気の下流側に位置する箇所が小さくなっている。
本実施の形態では、断熱部材４４の外面４４０２の単位面積当たりに設けられる凸部５２の密度が、吸気の上流側に位置する箇所よりも吸気の下流側に位置する箇所が小さくなっている。

なお、互いに接触する２つの物体間において高温の物体から低温の物体に伝達される熱流量Ｑは２つの物体の接触面積Ａに比例する。
したがって、凹部４６の壁面４６０２と断熱部材４４の外面４４０２との間での熱流量を低下させ、断熱効果を向上させるためには、接触面積をなるべく小さくすることが好ましい。
凹部４６の壁面４６０２と断熱部材４４の外面４４０２との接触面積を小さくするには、凹部４６の壁面４６０２と断熱部材４４の外面４４０２とが面接触している状態、線接触している状態、点接触している状態の順番で次第に有利となる。
したがって、凹部４６の壁面４６０２と断熱部材４４の外面４４０２との間での断熱効果を向上させる上で、凹凸構造５０は、凹部４６の壁面４６０２と断熱部材４４の外面４４０２とが線接触するものがより好ましく、点接触するものがより一層好ましいといえる。
そのため、本実施の形態のように凸部５２が断面半球状を呈するものであると、凸部５２と凹部４６の壁面４６０２とが点接触するため、凹部４６の壁面４６０２と断熱部材４４の外面４４０２との間での断熱効果を向上させる上で有利となる。

本実施の形態によれば、壁面４６０２と外面４４０２の接触面積は、凹凸構造５０が設けられることで、シリンダブロック１４側に位置する箇所が、シリンダブロック１４から離れた側に位置する箇所よりも小さくなっている。
したがって、高温となるシリンダブロック１４側から伝導される熱は、シリンダブロック１４側に位置する断熱部材４４の内面４４０４に伝達されにくくなる。そのため、吸気を吸気ポート３０の壁面から断熱する断熱性能の向上を図り、吸気温度の上昇を抑制し燃費の向上を図る上で有利となる。

また、本実施の形態では、凹部４６の壁面４６０２と断熱部材４４の外面４４０２の接触面積は、吸気の上流側に位置する箇所よりも吸気の下流側に位置する箇所が小さい。
したがって、高温となる吸気の下流側に位置する燃焼室側から伝導される熱は、吸気の下流側に位置する断熱部材４４の内面４４０４に伝達されにくくなる。そのため、吸気を吸気ポート３０の壁面から断熱する断熱性能の向上を図り、吸気温度の上昇を抑制し燃費の向上を図る上でより一層有利となる。

また、本実施の形態では、凹凸構造５０は、断熱部材４４の外面４４０２から突出する複数の凸部５２で形成されている。
そのため、凹凸構造５０の加工を簡単に行なう上で有利となり、製造コストの低減を図る上で有利となる。

１０ エンジン（内燃機関）
１４ シリンダブロック
１６ シリンダヘッド
２０ 吸気管
３０ 吸気ポート
３００２ 壁面
３００４ 壁面
３００６ 壁面
３００８ 壁面
４２ インジェクタ
４２０２ 噴口
４４ 断熱部材
４４０２ 外面
４４０４ 内面
４４Ａ 上流側壁部
４４Ｂ 下流側壁部
４６ 凹部
４６０２ 壁面
４８ 切欠
５０ 凹凸構造
５２ 凸部

Claims (4)

1. シリンダブロックの上に配置され吸気ポートが設けられたシリンダヘッドと、
   シリンダヘッドに組み込まれ前記シリンダヘッドに接触する外面と、前記吸気ポートの壁面の一部を形成する内面とを有する断熱部材と、
   を備える内燃機関の吸気ポート断熱構造であって、
   前記断熱部材が接触する前記シリンダヘッドの箇所または前記断熱部材の前記外面の少なくとも一方に、前記シリンダヘッドの箇所と前記外面の接触面積を低減する凹凸構造が設けられることで、前記シリンダヘッドの箇所と前記外面の接触面積は、前記シリンダブロック側に位置する箇所が、前記シリンダブロックから離れた側に位置する箇所よりも小さい、
   ことを特徴とする内燃機関の吸気ポート断熱構造。
2. 前記シリンダヘッドの箇所と前記外面の接触面積は、吸気の上流側に位置する箇所よりも吸気の下流側に位置する箇所が小さい、
   ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の吸気ポート断熱構造。
3. 前記凹凸構造は、前記外面から突出する複数の凸部で形成されている、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の吸気ポート断熱構造。
4. 前記吸気ポートに燃料を噴射するインジェクタを備えるとともに、
   前記断熱部材は、前記内面が前記インジェクタの噴口より前記吸気ポートの上流側の壁面を形成する上流側壁部と、前記内面が前記噴口より前記吸気ポートの下流側の壁面を形成する下流側壁部とを備え、
   前記下流側壁部で前記インジェクタが配置される側の箇所に、前記噴口の周囲から吸気が前記内面を流れる方向に延在し前記上流側壁部から離れた前記下流側壁部の端部に開放状の切欠が設けられ、
   前記下流側壁部は前記噴口に対向する側の前記吸気ポートの壁面の前記噴霧された燃料が付着される箇所の手前まで延設されている、
   ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の内燃機関の吸気ポート断熱構造。

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