JP2016180360A - ディーゼルエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室内の冷却損失を低減すると共に、吸気の充填効率を高めたディーゼルエンジンを提供する。
【解決手段】ピストンヘッド１４ａに設けられた凹状のキャビティ１４ｂの最低部を含むキャビティ底部３０にピストン１４の他の部位よりも熱伝導率が低い断熱層４０を設けると共に、ピストンヘッド１４ａの頂面３２及びシリンダヘッド１８の内壁面には断熱層４０を設けない構造とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンに関する。

遮熱層を内燃機関の燃焼室内壁に形成することで燃焼室内の燃焼ガスからの熱伝達を低減させて冷却損失を低減し、燃費の向上を図る技術が開示されている。

例えば、ピストン頂面に設けられたキャビティの側壁とピストン頂面のスキッシュエリアに対向するシリンダヘッドの壁面を他の部位より熱伝導率が低い断熱層により覆う構成が開示されている（特許文献１）。これは、燃焼室全体を遮蔽すると空気の充填効率が悪化するので部分遮蔽にしているが、燃焼室から壁への放熱においてキャビティ側壁とスキッシュエリアに望むシリンダヘッド壁面を介しての放熱が大部分であるという解析の結果によるものである。また、ピストン頂面及びキャビティのリップ部の近傍を断熱層により覆う構成も開示されている（特許文献２）。断熱層を設ける部分としてピストン頂面及びキャビティのリップ部の近傍を選定した理由は記載されていない。また、ピストンヘッドのシリンダヘッド内壁面に対向する頂面、当該頂面に対向するシリンダヘッドの内壁面部分、及びキャビティの側壁の一部を断熱層により覆う構成も開示されている（特許文献３）。これは、ピストンが上死点を迎えた後の膨張行程において、逆スキッシュ現象によりスキッシュエリアに噴き出された火炎が消炎してすすや炭化水素（ＨＣ）の排出を増加させる原因となるので、ピストンのスキッシュエリアとそこに望むシリンダヘッド壁面を遮蔽することにより消炎を抑制し、すすや炭化水素（ＨＣ）の排出を減少させるためである。

特開２０１１−２５６７５７号公報 特開２０１３−８７７２１号公報 特開平４−１９１４１３号公報

しかしながら、従来技術では、冷却損失は低減することができるが、吸気が加熱されてしまい、充填効率の悪化を招くおそれがある。また、熱流束の高い噴霧火炎衝突領域での遮熱が不十分であり、熱効率の向上が不十分となる。

本発明の１つの態様は、ピストンヘッドに設けられた凹状のキャビティの最低部を含むキャビティ底部にピストンの他の部位よりも熱伝導率が低い断熱層を設けると共に、前記ピストンヘッドの頂面及びヘッド内壁面には前記断熱層を設けないことを特徴とするディーゼルエンジンである。

ここで、前記キャビティ底部に加えて、キャビティ側壁に前記断熱層を設けることが好適である。

また、前記キャビティは、前記ピストンヘッドの頂面に対して複数段の凹部を有することが好適である。

本発明によれば、ディーゼルエンジンの燃焼室内の冷却損失を低減できると共に、吸気の充填効率を高めることができる。

本発明の実施の形態におけるディーゼルエンジンの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態におけるピストンヘッドの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態におけるピストンヘッドの表面領域の定義を説明する図である。 本発明の実施の形態におけるピストンヘッドの表面領域の定義を説明する図である。 本発明の実施の形態におけるピストンヘッドの表面領域の定義を説明する図である。 ピストン上面における熱移動量の数値流体力学解析の結果を示す図である。 ピストンのキャビティにおける熱移動量の数値流体力学解析の結果を示す図である。 シリンダヘッドの内壁面における熱移動量の数値流体力学解析の結果を示す図である。 燃焼工程におけるピストンヘッドの熱移動量の数値流体力学解析の結果を示す図である。 断熱層を形成したピストンヘッドの各領域を示す図である。 ピストンヘッドの各領域に断熱層を形成した場合の熱効率の向上率を示す図である。 ピストンヘッドの各領域に断熱層を形成した場合の熱効率の向上率を示す図である。 本発明の実施の形態におけるディーゼルエンジンの構成の別例を示す断面図である。 本発明の実施の形態におけるピストンヘッドの構成の別例を示す断面図である。

本発明の実施の形態におけるディーゼルエンジン１００は、図１に示すように、シリンダブロック１０に形成されたシリンダボア１２、シリンダボア１２内を往復運動するピストン１４、シリンダブロック１０の上部にガスケット１６を挟んで取り付けられたシリンダヘッド１８を含んで構成される。本実施の形態では、ディーゼルエンジン１００は、直噴式ディーゼルエンジンとして説明する。

シリンダヘッド１８には、燃焼室２０に連通する吸気ポート２２及び排気ポート２４が設けられる。吸気ポート２２には吸気弁２６が設けられる。排気ポート２４には排気弁２８が設けられる。また、シリンダヘッド１８には、燃料を燃焼室２０内に噴射するための燃料噴射弁（インジェクタ）２９が設けられる。

シリンダボア１２、シリンダヘッド１８、ピストン１４とで囲まれた空間がディーゼルエンジン１００の燃焼室２０を形成する。また、ピストン１４のピストンヘッド１４ａには、凹状のキャビティ１４ｂが形成される。

ディーゼルエンジン１００では、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するタイミング（クランク角＝０°）で燃料噴射弁２９から燃焼室２０内に燃料が噴射される。燃焼室２０内に噴射された燃料は自着火して燃焼する。燃料の燃焼により、燃焼室２０内の圧力が上昇し、ピストン１４が押し下げられて往復運動に変換される。

本実施の形態では、図２の拡大図に示すように、ピストン１４のピストンヘッド１４ａに設けられた凹状のキャビティ１４ｂにおけるキャビティ底部３０にピストン１４の他の部位よりも熱伝導率が低い断熱層４０が設けられる。さらに、ピストンヘッド１４ａの頂面３２及びシリンダヘッド１８の内壁面には断熱層４０が設けられない。

また、キャビティ底部３０に加えて、キャビティ側壁３６に断熱層４０を設けることがより好ましい。また、ピストンヘッド１４ａの頂面３２及びシリンダヘッド１８の内壁面に加えて、キャビティ山部３４には断熱層４０を設けないことが好適である。

ここで、図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すように、ピストンヘッド１４ａの各部は画定される。キャビティ底部３０は、図３（ａ）に示すように、キャビティ１４ｂの最も凹んだ部分（最低部）の円弧（曲線）の中心Ｏから水平方向に引いた線ＯＰに対してキャビティ１４ｂの中心向きに４５°進めた点Ａから、キャビティ１４ｂの底部を形成する曲線とキャビティ山部３４を形成する直線とが接する点Ｂまでの領域である。また、キャビティ山部３４が直線部を持たず凸の曲線で形成される場合には、キャビティ１４の底部を形成する円弧（曲線）との変曲点を点Ｂとする。

また、図３（ｂ）に示すようにキャビティ１４ｂの底部が直線で形成されている場合、キャビティ底部３０は、上記点Ａから底部の直線とキャビティ山部３４の直線又は曲線との境目である点Ｂまでの領域とする。

また、図３（ｃ）に示すようにキャビティ１４ｂの底部の円弧（曲線）の範囲が大きく、キャビティ山部３４との境目に返りがある場合、キャビティ底部３０は、上記点Ａから底部の円弧（曲線）とキャビティ山部３４の直線又は曲線との境目である点Ｂまでの領域とする。

なお、頂面３２は、ピストンヘッド１４ａの最周辺部から凹状のキャビティ１４ｂとして窪み始める位置までの領域である。キャビティ山部３４は、キャビティ底部３０からキャビティ１４ｂの最中心部までの領域である。キャビティ側壁３６は、頂面３２から続いてキャビティ１４ｂとして窪み始める位置からキャビティ底部３０の開始点である点Ａまでの領域である。

断熱層４０は、ピストン１４の本体を構成する材料よりも熱伝導率が低い材料であればよい。断熱層４０は、セラミックス材料とすることが好適である。例えば、断熱層４０は、ジルコニア、シリカ、アルミナ、チタニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウムなどの無機酸化物とすることが好適である。無機酸化物は、溶射法や陽極酸化法により形成することができる。

断熱層４０は、燃焼室２０内にて燃焼する燃料からの熱がピストン１４の本体に伝わり難くなる程度の膜厚であればよいが、例えば、３００μｍ以上１ｍｍ以下とすることが好適である。

図４は、圧縮上死点を０°としたときにピストン１４のクランク角が−３３０°及び−３００°の吸気行程において、ピストン１４の上面における熱移動量について数値流体力学解析を行った結果を示す。また、図５は、クランク角が−３３０°及び−３００°の吸気行程において、ピストン１４のキャビティ１４ｂにおける熱移動量について数値流体力学解析を行った結果を示す。また、図６は、ピストン１４のクランク角が−３３０°及び−３００°の吸気行程においてシリンダヘッド１８の内壁面における熱移動量の数値流体力学解析を行った結果を示す。なお、図６において、シリンダヘッド１８の内壁面の４つの小円は吸気弁２６及び排気弁２８が設けられた場所に該当する。

図４から図６に示した熱移動量の解析結果から、ピストンヘッド１４ａの頂面３２、シリンダヘッド１８の内壁面では吸気時において壁面からガスへの熱移動量が大きく、ガスが加熱され易い部位であるといえる。これは、吸気が始まる排気上死点近傍（クランク角が−３６０°付近）では、ピストン１４の頂面３２とシリンダヘッド１８の内壁面との距離が近く、吸気弁２６を通過して燃焼室２０内に導入された吸気ガスはピストン１４の頂面３２及びシリンダヘッド１８の内壁面に強く衝突して熱をもらい易いからである。また、キャビティ山部３４もピストン１４の頂面３２と同様に吸気ガスが激しく衝突し易く、吸気ガスはキャビティ山部３４からも熱をもらい易い。

吸気ガスが過度に加熱されると、燃焼室２０内への吸気ガスの充填効率が低下するおそれがあり、ピストンヘッド１４ａの頂面３２及びシリンダヘッド１８の内壁面には断熱層４０を設けるには適さない領域であるといえる。さらに、キャビティ山部３４にも断熱層４０を設けないことが好適である。

図７は、燃焼室２０に導入された燃料ガスの燃焼行程におけるピストンヘッド１４ａの熱移動量の数値流体力学解析を行った結果を示す。燃焼ガスからピストンヘッド１４ａへの熱移動量が特に大きい領域はキャビティ側壁３６であり、次いでキャビティ底部３０である。そこで、燃焼工程において十分な遮熱効果を得るためには、キャビティ側壁３６とキャビティ底部３０とを断熱層４０にて熱遮蔽することが好適である。

図８は、ピストンヘッド１４ａの一部を切り出した斜視図である。図８に示すピストンヘッド１４ａの各領域Ａ〜Ｈのいずれかに断熱層４０を形成したときの熱効率の向上率を測定し、各領域Ａ〜Ｈのどの領域に断熱層４０を形成することが効果的であるか検討した。断熱層４０は、熱伝導率λ＝３．２Ｗ／ｍＫのセラミックス（例えば、ジルコニア等の金属酸化物の溶射）を溶射して形成した。なお、シリンダヘッド１８の内壁面には断熱層４０は形成しなかった。熱効率は、高速全負荷での運転条件にて求めた。

図９は、領域Ｄ及び領域Ｅ、領域Ｃ〜Ｅ、及び領域Ｃ〜Ｇに膜厚３００μｍの断熱層４０を形成したときの熱効率の向上率（％）を示すグラフである。図１０は、領域Ｄ及び領域Ｅ、領域Ｃ〜Ｅ、及び領域Ｃ〜Ｇに膜厚５００μｍの断熱層４０を形成したときの熱効率の向上率（％）を示すグラフである。図９及び図１０では、領域Ｃ〜Ｇに膜厚５００μｍの断熱層４０を形成した場合における熱効率の向上率を１．０として相対的な値を示している。ここで、領域Ｄ及び領域Ｅは、キャビティ側壁３６に相当する。領域Ｃは、キャビティ底部３０に相当する。領域Ｆ及び領域Ｇは、ピストンヘッド１４ａの頂面３２に相当する。

領域Ｄ及び領域Ｅのみに断熱層４０を形成した場合には熱効率の向上は小さいが、領域Ｃ（キャビティ底部３０）を含む領域Ｃ〜Ｅに断熱層４０を形成した場合には熱効率が大幅に向上した。一方、領域Ｃ〜Ｅに加えて、さらに領域Ｆ及び領域Ｇ（ピストンヘッド１４ａの頂面３２）に断熱層４０を形成した場合、領域Ｃ〜Ｅのみに断熱層４０を形成した場合に比べて熱効率は殆ど変化が見られなかった。

上記のように、領域Ｆ及び領域Ｇ（ピストンヘッド１４ａの頂面３２）に断熱層４０を形成した場合には吸気行程中にガスが加熱されて、吸気の充填効率が下がるおそれがある。そして、熱効率の向上にも大きな効果を与えることがないので、領域Ｆ及び領域Ｇ（ピストンヘッド１４ａの頂面３２）には断熱層４０を形成せず、領域Ｃ〜Ｅ（キャビティ底部３０及びキャビティ側壁３６）にのみ断熱層４０を形成することが好ましい。

なお、図１１の断面図及び図１２の拡大断面図に示すように、キャビティ側壁３６に複数の段差３２ｂ，３６ａ，３６ｂを設けた構成において本願発明の効果はより顕著となる。キャビティ側壁３６に複数の段差３２ｂ，３６ａ，３６ｂを設けることによって、ピストンヘッド１４ａとシリンダヘッド１８の内壁面との距離が遠ざかるときも、同様に、燃焼室２０の中央部から周辺部へ向かう燃料ガスの速度が抑えられ、キャビティ１４ｂの壁面に沿った燃料ガスの流れが顕著となり、キャビティ底部３０に燃料ガスが留まる時間が長くなる。その結果、キャビティ底部３０における断熱層４０の断熱の影響を受け易くなり、キャビティ底部３０に断熱層４０を設けることによる熱効率の向上がより顕著となる。なお、本発明では、キャビティ１４ｂの内側からみて１段目の段差３６ａ，３６ｂをキャビティ側壁３６とみなし、２段目以降の段差３２ｂはピストンヘッド１４ａの頂面３２とみなすものとする。

１０ シリンダブロック、１２ シリンダボア、１４ ピストン、１４ａ ピストンヘッド、１４ｂ キャビティ、１６ ガスケット、１８ シリンダヘッド、２０ 燃焼室、２２ 吸気ポート、２４ 排気ポート、２６ 吸気弁、２８ 排気弁、２９ 燃料噴射弁、３０ キャビティ底部、３２ 頂面、３４ キャビティ山部、３６ キャビティ側壁、３６ａ，３６ｂ 段差、４０ 断熱層、１００ ディーゼルエンジン。

Claims (3)

1. ピストンヘッドに設けられた凹状のキャビティの最低部を含むキャビティ底部にピストンの他の部位よりも熱伝導率が低い断熱層を設けると共に、前記ピストンヘッドの頂面及びヘッド内壁面には前記断熱層を設けないことを特徴とするディーゼルエンジン。
2. 請求項１に記載のディーゼルエンジンであって、
   前記キャビティ底部に加えて、キャビティ側壁に前記断熱層を設けることを特徴とするディーゼルエンジン。
3. 請求項１又は２に記載のディーゼルエンジンであって、
   前記キャビティは、前記ピストンヘッドの頂面に対して複数段の凹部を有することを特徴するディーゼルエンジン。