JP2016132993A - シリンダヘッド構造 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮着火式エンジンの冷間始動の際の着火性や暖機性の低下を抑制できるシリンダヘッド構造を提供する。【解決手段】グロープラグ２２の取り付け孔２２ａを囲む中心角θの扇形領域に、断熱膜２４が形成されている。この扇形領域は、特定噴孔からの噴射燃料が拡散する領域に対応させて設定されており、中心角θは３６０°を全噴孔数で除した角度以下、つまり９０°以下とされている。また、この扇形領域を囲むその他の領域、つまり、中心角（３６０°−θ）の扇形領域に、断熱膜２６が形成されている。断熱膜２４の表面粗さＲａは平均６〜８μｍである。断熱膜２６の表面粗さＲａは平均１〜２μｍである。【選択図】図２

Description

この発明は、シリンダヘッド構造に関し、より詳細には、エンジンの燃焼室を構成する底面に断熱膜が形成されるシリンダヘッド構造に関する。

従来、例えば特開２０１２−１７２６１９号公報には、火花点火式エンジンのシリンダヘッドの底面の燃焼室を構成する面全体に、樹脂とナノ中空粒子を有する断熱コーティング膜を設ける技術が開示されている。この断熱コーティング膜の表面粗さは、当該膜を設ける前の表面粗さ、つまり、シリンダヘッドの母材の表面粗さよりも小さくされている。

シリンダヘッドの底面の燃焼室構成面の全体に断熱膜を設けると、この燃焼室の温度を高温に保ち燃費を向上できるというメリットがある。一方、一般的なセラミックス溶射膜で断熱膜を形成すると、この断熱膜の表面粗さが大きくなり、この表面の凸部がヒートスポット化してエンジンにノッキングが生じる原因になり易いというデメリットがある。この点、上記断熱コーティング膜によれば、樹脂によって断熱膜の表面粗さを小さくできるので、ノッキング耐性を高めることができる。

特開２０１２−１７２６１９号公報 特開平１０−２２０２７７号公報 特開２０１３−２２７９１０号公報 特開２０１３−２２７９１１号公報

しかし、燃焼室の壁面に設ける断熱膜の表面粗さを小さくするほど、燃料の着火により生じた火炎がこの断熱膜上をより高速で移動できるようになるので、冬季などのいわゆる冷間時のエンジン始動の際の着火性や暖機性が低下する虞がある。

特に、圧縮着火式エンジンの燃焼室では、火花点火式エンジンの燃焼室と異なり、インジェクタからの噴射燃料が直接的に触れることのできる位置にグロープラグが設けられており、冷間時にはこのグロープラグを利用して噴射燃料に着火させている。そのため、シリンダヘッドの底面に設ける断熱膜の表面粗さが小さいと、着火により生じた火炎が、この断熱膜上を高速で移動することになる。断熱膜上を火炎が高速で移動すれば、火炎通過部分の断熱膜の温度が上がり難くなるので、シリンダヘッドの底面温度、ひいては燃焼室の壁面温度が上がり難くなる。

この発明は、上述した課題を解決するためになされたものである。即ち、圧縮着火式エンジンの冷間始動の際の着火性や暖機性の低下を抑制できるシリンダヘッド構造を提供することを目的とする。

第１の発明は、シリンダヘッドの底面において燃焼室を構成する面全体に断熱膜が形成されるシリンダヘッド構造であって、
前記シリンダヘッドには、前記燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、前記インジェクタからの噴射燃料を加熱するためのグロープラグと、が取り付けられており、
前記断熱膜の表面粗さは、前記グロープラグの取り付け孔の周囲の領域の方が、前記周囲の領域を囲むその他の領域よりも大きいことを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記インジェクタは複数の噴孔を有しており、
前記グロープラグは、前記複数の噴孔のうちの特定の噴孔から噴射された燃料が直接的に触れることのできる位置に取り付けられており、
前記周囲の領域は、前記インジェクタの取り付け孔を起点とし、尚且つ、前記特定の噴孔から噴射された燃料の拡散方向に沿って拡がる扇形とされていることを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、
前記噴孔の数は４以上であり、
前記扇形の中心角は、１５°以上、尚且つ、９０°以下であることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記周囲の領域に形成する断熱膜の表面粗さは平均６〜８μｍであり、
前記その他の領域に形成する断熱膜の表面粗さは平均１〜２μｍであることを特徴とする。

第１の発明によれば、グロープラグの取り付け孔の周囲の領域に形成する断熱膜の表面粗さを、当該周囲の領域を囲むその他の領域に形成する断熱膜の表面粗さよりも大きくしたので、冷間始動時にグロープラグによって生じた火炎を、当該周囲の領域に形成した断熱膜上において低速移動させることができる。つまり、グロープラグによって生じた火炎を、上記周囲の領域に長時間留まらせることができる。従って、上記周囲の領域に形成した断熱膜を短時間で高温化でき、燃料の着火性や暖機性を向上できる。

上記周囲の領域の面積が広くなることは、表面粗さの大きい領域の面積が拡大することを意味する。表面粗さの大きい領域の面積が拡大すれば、スモークの生成量が多くなり、暖機後に燃焼が悪化する虞がある。この点、第２の発明によれば、上記周囲の領域を、インジェクタの取り付け孔を起点とし、尚且つ、当該インジェクタの特定の噴孔から噴射された燃料の拡散方向に沿って拡がる扇形としたので、これらの問題を最小限に留めることが可能となる。

第３の発明によれば、上記インジェクタの噴孔の数を４以上とし、上記扇形の中心角を１５°以上、尚且つ、９０°以下としたので、スモークや暖機後の燃焼悪化の問題を最小限に留めることが可能となる。

第４の発明によれば、冷間始動時にグロープラグによって生じた火炎を上記周囲の領域において低速移動させ、その一方で、燃焼室内を伝播してきた火炎を上記その他の領域において高速移動させることができる。

実施の形態１のシリンダヘッド構造を説明するための図である。 図１のシリンダヘッド１６の底面をピストン１４側から見た平面図である。 断熱膜の表面粗さＲａと燃焼速度の関係を示したグラフである。 図３の燃焼速度の測定手法を示した図である。 比較用のシリンダヘッド構造での火炎の移動の様子を説明するための図である。 実施の形態１の効果を説明するための図である。 多孔インジェクタの噴射角を説明するための図である。 実施の形態２のシリンダヘッド４２の底面をピストン１４側から見た平面図である。 図８の断熱膜４４の扇形半径方向の幅ｗ_４４を説明するための図である。 実施の形態２の効果を説明するための図である。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。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。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
先ず、本発明の実施の形態１について図１乃至図７を参照しながら説明する。

図１は、実施の形態１のシリンダヘッド構造を説明するための図である。図１に示すシリンダヘッド構造は、車両等の移動体に搭載される圧縮着火式のエンジン（具体的にはディーゼルエンジン）１０に適用されるものである。このエンジン１０は、シリンダブロック（不図示）内に形成されたシリンダボア１２と、シリンダボア１２内を上下方向に移動可能に収納されたピストン１４と、シリンダブロックの上方に取り付けられたシリンダヘッド１６と、を備えている。少なくともシリンダボア１２の壁面とピストン１４の頂面とシリンダヘッド１６の底面とにより燃焼室１８が画定される。

シリンダヘッド１６には、燃焼室１８内に燃料を直接噴射するためのインジェクタ２０が取り付けられている。インジェクタ２０は、その先端部に４つの噴孔が形成された多孔インジェクタとして構成されている。また、シリンダヘッド１６には、グロープラグ２２も取り付けられている。グロープラグ２２は、４つの噴孔のうちの１つの噴孔（以下、「特定噴孔」と称す。）からの噴射燃料が直接的に触れることのできる位置に設けられている。また、グロープラグ２２は、先端部に内蔵された発熱体（図示しない）を備えており、エンジン１０の冷間始動の際に発熱体に通電することでインジェクタ２０からの噴射燃料を加熱するように構成されている。

また、シリンダヘッド１６の底面のうちの燃焼室１８を構成する面には、断熱膜２４，２６が形成されている。断熱膜２４，２６は表面粗さＲａにおいて異なるものの（詳細は後述）、両者は何れもアルマイト皮膜から構成されている。アルマイト皮膜は、シリンダヘッド１６の母材（アルミニウム合金）の陽極酸化処理により得られるものであり、陽極酸化処理の過程で形成された無数の細孔を有している。このような多孔質構造を有することで、アルマイト皮膜は、シリンダヘッド母材に比べて熱伝導率が低く、尚且つ、単位体積当たりの熱容量が低い断熱膜として機能する。

なお、アルマイト皮膜の表面に、その細孔を塞ぐ封孔皮膜が形成されていてもよい。また、アルマイト皮膜の代わりに、シリンダヘッド母材よりも熱伝導率の低いジルコニア、イットリア、アルミナ、シリカ、チタニアなどのセラミック溶射膜（応力緩和のための金属結合層溶射膜を含む）を設けることもできる。また、アルマイト皮膜の代わりに、シリンダヘッド母材よりも熱伝導率が低く、尚且つ、単位体積当たりの熱容量が低い膜（例えば中空構造のセラミック粒子を、セラミックス接着剤をバインダとして焼き固めた中空ビーズ膜）を設けることもできる。

図２は、図１のシリンダヘッド１６の底面をピストン１４側から見た平面図であり、燃料噴射時における平面図を示している。図２に示すように、インジェクタ２０の取り付け孔２０ａは、シリンダヘッド１６の略中央部に位置している。また、グロープラグ２２の取り付け孔２２ａは、取り付け孔２０ａの近傍に位置している。そして、この取り付け孔２２ａを囲む中心角θの扇形領域に、断熱膜２４が形成されている。この扇形領域は、特定噴孔からの噴射燃料が拡散する領域に対応させて設定されており、中心角θは３６０°を全噴孔数で除した角度以下、つまり９０°以下とされている。また、この扇形領域を囲むその他の領域、つまり、中心角（３６０°−θ）の扇形領域に、断熱膜２６が形成されている。なお、図２に示す「噴射燃料＋火炎」は、特定噴孔からの噴射燃料がグロープラグ２２に直接的に触れることで火炎が生成していることを表している。

断熱膜２４の表面粗さＲａ（ＪＩＳ Ｂ６０１（２００１）に準拠して測定した算術平均粗さをいう。以下同じ。）は、平均６〜８μｍである。一方、断熱膜２６の表面粗さＲａは、平均２μｍ以下である（好ましくは平均１〜２μｍ）。断熱膜２４，２６の表面粗さＲａは、次のように調整されている。即ち、(i)シリンダヘッド１６の底面全体（但し、燃焼室１８を構成する面に限る）に上述したアルマイト皮膜等から構成される断熱膜（表面粗さＲａの平均６〜８μｍ）を形成する。(ii)中心角θの扇形領域は研磨加工せずに、中心角（３６０°−θ）の扇形領域のみを研磨加工して当該領域の表面粗さＲａを平均２μｍ以下にする。

断熱膜２４，２６の表面粗さＲａを上記のように調整したことの効果について、図３乃至図６を参照しながら説明する。図３は、断熱膜の表面粗さＲａと燃焼速度の関係を示したグラフである。このグラフに示す燃焼速度は、表面粗さＲａが１μｍと６μｍの断熱膜を形成したテストピースに対して火炎を衝突させたときの、テストピースの表面を伝播する火炎の速度を表しており、具体的には、図４に示すテストにより実測したものである。図３に示すように、表面粗さＲａが６μｍの場合は、表面粗さＲａが１μｍの場合よりも燃焼速度が遅くなる。このことから、断熱膜の表面粗さＲａが大きくなると、燃焼速度を遅くできることが分かる。

図５は、比較用のシリンダヘッド構造での火炎の移動の様子を説明するための図である。図５の上方には、断熱膜２６のみが形成されたシリンダヘッド３０の底面をピストン側から見た平面図を示しており、図２同様、燃料噴射時の図に対応している。また、図５の下方には、この平面図に対応する燃焼室１８の断面図を示している。図２において説明したように、特定噴孔からの噴射燃料は、グロープラグ２２に直接的に触れることで火炎へと変化する。但し、図５に示すように、断熱膜２６のみを形成した場合、特定噴孔由来の火炎は断熱膜２６の表面に沿って素早く通り過ぎることになるので、断熱膜２６の温度が上がり難くなる。

図３乃至図５から分かることは、シリンダヘッドの底面に設ける断熱膜の表面粗さを大きくすれば、冷間始動の際に断熱膜上において火炎を低速で移動させて、断熱膜の温度を上げ易くできることである。しかし、単純に断熱膜の表面粗さを大きくすると、特定噴孔由来の火炎だけでなく、特定噴孔由来の火炎の伝播により生成した他の噴孔由来の火炎の動きも遅くなる。そうすると、燃焼温度が高くなり易くなるので、スモークの生成量が多くなるという新たな問題が生じる。また、エンジン１０の暖機後においては、表面粗さが大きいことによる燃焼悪化も懸念される。従って、スモーク耐性や暖機後の燃焼安定性を考慮した場合、断熱膜の表面粗さはより小さくするのが望ましいことになる。

この点、実施の形態１においては、中心角θの扇形領域に表面粗さＲａ平均６〜８μｍの断熱膜２４を形成している。そのため、図６に示すように、特定噴孔由来の火炎を断熱膜２４の表面に沿って低速で移動させて、より長い時間に亘って火炎を断熱膜２４上に留まらせることができる。従って、断熱膜２４、つまり、冷間始動時の着火起点に近いグロープラグ２２の中心角θの扇形領域の断熱膜を高温化できる。よって、特定噴孔からの噴射燃料の着火性を向上でき、エンジン１０の暖機性を向上できる。

また、実施の形態１においては、断熱膜２４を形成する扇形領域の中心角θを、特定噴孔からの噴射燃料が拡散する領域に対応させて設定している。そのため、特定噴孔由来の火炎を断熱膜２４の表面に沿って移動させ、その一方で、他の噴孔由来の火炎を断熱膜２６の表面に沿って高速で移動させることができる。従って、断熱膜２４を形成することで生じる可能性のあるスモークや暖機後の燃焼悪化の問題を、最小限に留めることが可能となる。

ところで、上記実施の形態１においては、インジェクタ２０の先端部に４つの噴孔が形成されるとしたが、全噴孔数は２つや３つでもよく、５つ以上でもよい。但し、全噴孔数が少なくなると、中心角θを大きく設定する必要があり、上述した問題が発生し易くなる。従って、全噴孔数は４以上であることが望ましく、中心角θは９０°以下であることが望ましい。また、図７に示すように、多孔インジェクタの１つの噴孔からの噴射燃料の水平方向（シリンダヘッド底面と平行方向）における噴射角は、噴射条件によるものの、概ね１５°〜２５°となる。そのため、全噴孔数は２４（＝３６０／１５）以下であることが望ましく、中心角θは１５°以上であることが望ましい。なお、本変形例は、後述する実施の形態２においても同様に適用が可能である。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図８乃至図１０を参照しながら説明する。
なお、実施の形態２のシリンダヘッド構造が適用されるエンジン４０の構成は上記実施の形態１のエンジン１０の構成と基本的に共通し、また、２種類の断熱膜４４，４６の材質やこれらの表面粗さは上記実施の形態１の断熱膜２４，２６と共通するため、以下においては、実施の形態２の特徴部分を中心に説明する。

図８は、実施の形態２のシリンダヘッド４２の底面をピストン１４側から見た平面図であり、燃料噴射時における平面図を示している。図８に示すように、断熱膜４４は、取り付け孔２２ａを囲む中心角θ（θ≦９０°）の扇形領域に形成されている。また、断熱膜４６は中心角（３６０°−θ）の扇形領域に形成されている。ここまでは、上記実施の形態１の断熱膜２４，２６と同様である。但し、上記実施の形態１と異なり、断熱膜４４の扇形半径方向の幅ｗ_４４は、断熱膜２４のそれに比べて小さくされており、断熱膜４４の扇形半径方向の内側と外側に、断熱膜４６が形成されている。つまり、実施の形態２においては、中心角θの扇形領域の面積が縮小し、中心角（３６０°−θ）の扇形領域の面積がその分拡大している。

図９は、図８の断熱膜４４の扇形半径方向の幅ｗ_４４を説明するための図である。図９に示すように、断熱膜４４はグロープラグ２２の周囲に２ｍｍ程度の幅で形成されている。つまり、図８に示した幅ｗ_４４は、取り付け孔２２ａの直径ｄ_２２ａ＋４ｍｍ程度とされている。この理由は、低温始動時の着火起点が、エンジンサイズによらず直径ｄ_２２ａ＋４ｍｍ程度の範囲内となることが本発明者ら実験により明らかとなったためである。

図１０は、断熱膜４４の扇形半径方向の幅ｗ_４４を上記のように調整したことの効果について説明するための図である。図１０に示すように、幅ｗ_４４を上記のように調整することで、特定噴孔由来の火炎を断熱膜４４の表面において低速で移動させることができる。従って、特定噴孔からの噴射燃料の着火性を向上でき、エンジン４０の暖機性を向上できる。また、断熱膜４４の扇形半径方向の外側の断熱膜４６の表面においては、特定噴孔由来の火炎を高速で移動させて、この火炎の伝播範囲を拡大させることができる。従って、断熱膜４４を形成することで生じる可能性のあるスモークや暖機後の燃焼悪化の問題を、最小限に留めることが可能となる。

以上、実施の形態２によれば、実施の形態１の効果を更に高めることが可能となる。

１６，３０，４２ シリンダヘッド
１８ 燃焼室
２０ インジェクタ
２２ グロープラグ
２４，２６，４４，４６ 断熱膜

Claims (4)

1. シリンダヘッドの底面において燃焼室を構成する面全体に断熱膜が形成されるシリンダヘッド構造であって、
   前記シリンダヘッドには、前記燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、前記インジェクタからの噴射燃料を加熱するためのグロープラグと、が取り付けられており、
   前記断熱膜の表面粗さは、前記グロープラグの取り付け孔の周囲の領域の方が、前記周囲の領域を囲むその他の領域よりも大きいことを特徴とするシリンダヘッド構造。
2. 前記インジェクタは複数の噴孔を有しており、
   前記グロープラグは、前記複数の噴孔のうちの特定の噴孔から噴射された燃料が直接的に触れることのできる位置に取り付けられており、
   前記周囲の領域は、前記インジェクタの取り付け孔を起点とし、尚且つ、前記特定の噴孔から噴射された燃料の拡散方向に沿って拡がる扇形とされていることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド構造。
3. 前記噴孔の数は４以上であり、
   前記扇形の中心角は、１５°以上、尚且つ、９０°以下であることを特徴とする請求項２に記載のシリンダヘッド構造。
4. 前記周囲の領域に形成する断熱膜の表面粗さは平均６〜８μｍであり、
   前記その他の領域に形成する断熱膜の表面粗さは平均２μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載のシリンダヘッド構造。

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