JP2017053267A - Internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃焼室に断熱を施し、効率を向上させる内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine that provides heat insulation to a combustion chamber to improve efficiency.
内燃機関の多くは、冷却液や大気を利用して冷却を行い、燃焼室の温度を適切に維持している。一方、燃焼室からの熱の放散は、内燃機関の効率を向上させる観点からは少ない方が好ましい。 Many internal combustion engines use cooling liquid or air to cool and maintain the temperature of the combustion chamber appropriately. On the other hand, it is preferable that the heat dissipation from the combustion chamber is small from the viewpoint of improving the efficiency of the internal combustion engine.
例えば、特許文献1には、断熱性の高い調整リングをシリンダライナの内周部に設けた例が見られる。又、特許文献2には、シリンダの壁面に断熱層を設けた例が見られる。
For example,
しかしながら、断熱により内燃機関の冷却が十分になされなくなると、燃焼室の温度が上昇し、ノッキング等の燃焼不良を発生させるおそれがある。 However, if the internal combustion engine is not sufficiently cooled by heat insulation, the temperature of the combustion chamber rises, and there is a risk of causing combustion failure such as knocking.
本発明は、断熱により高い熱効率が得られ、かつ燃焼室の温度を適切に保持し、燃焼不良を防止できる内燃機関を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an internal combustion engine that can obtain high thermal efficiency by heat insulation, can appropriately maintain the temperature of a combustion chamber, and can prevent poor combustion.
本発明は、上記の課題を解決するために、内燃機関を次のように構成した。内燃機関は、シリンダを有するシリンダブロックと、シリンダブロックの上端に取り付けられるシリンダヘッドと、シリンダ内に往復動可能に設けられるピストンとを備えている。更に、内燃機関は、シリンダブロックの上端から、ピストンが上死点にあるときの第1ピストンリングの位置と同等の位置までの範囲で、シリンダ内からシリンダブロックへの熱の移動を抑制する断熱部材を備えている。 In order to solve the above-described problems, the present invention has an internal combustion engine configured as follows. The internal combustion engine includes a cylinder block having a cylinder, a cylinder head attached to an upper end of the cylinder block, and a piston provided in a reciprocating manner in the cylinder. Further, the internal combustion engine has heat insulation that suppresses heat transfer from the inside of the cylinder to the cylinder block in a range from the upper end of the cylinder block to a position equivalent to the position of the first piston ring when the piston is at the top dead center. A member is provided.
本発明によれば、断熱により高い熱効率が得られ、かつ燃焼室の温度を適切に保持し、燃焼不良を防止できる内燃機関を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an internal combustion engine that can obtain high thermal efficiency by heat insulation, appropriately maintain the temperature of the combustion chamber, and prevent defective combustion.
(第1実施形態)
本発明にかかる第1実施形態について説明する。図1に、第1実施形態の内燃機関であるエンジン10を示す。図1に示すように、エンジン10は、シリンダヘッド12と、ピストン14と、シリンダ15を有するシリンダブロック16と、クランクケース18とを備えている。以下、エンジン10について、シリンダ15の中心軸Pが鉛直に配置された状態で、シリンダブロック16から見てシリンダヘッド12の側をエンジン10の上方とし、その逆を下方として説明する。
(First embodiment)
A first embodiment according to the present invention will be described. FIG. 1 shows an
エンジン10は、例えば直列4気筒の液冷ガソリンエンジンである。エンジン10は、シリンダヘッド12とピストン14とシリンダ15で囲まれた燃焼室19を備えている。尚、本発明では、エンジン10の気筒数やシリンダ15の配置等は、特に限定しない。又、ガソリンエンジンではなく、ディーゼルエンジンでもよい。図1は、エンジン10を、シリンダブロック16に設けられた1つのシリンダ15の中心軸Pを通る平面で破断した状態を示している。
The
シリンダヘッド12は、例えば、アルミニウム合金から形成されている。シリンダヘッド12には、燃焼室19に連通する吸気通路20と排気通路22が設けられている。吸気通路20には、吸気バルブ24と燃料噴射弁とが設けられている。吸気バルブ24は、カムにより駆動し、吸気通路20を開閉する。燃料噴射弁は、制御装置の制御に従い、吸気通路20内に燃料を噴射する。排気通路22には、排気バルブ26が設けられている。排気バルブ26は、カムにより駆動し、排気通路22を開閉する。
The
シリンダヘッド12の天井壁21には、点火プラグ23が取り付けられている。点火プラグ23は、制御装置の制御に従い、燃焼室19内で点火時期に火花を発生させる。シリンダヘッド12の天井壁21、及び吸気バルブ24と排気バルブ26の各バルブの底面25、27には、断熱材による断熱処理が施されている。
A
尚、エンジン10は、燃料噴射弁でなく、キャブレタで燃料を供給してもよい。又、燃料噴射弁を、燃焼室19に直接燃料を噴射するように設けてもよい。又、天井壁21や各バルブの底面25、27への断熱処理はなくともよい。シリンダヘッド12の下方には、シリンダブロック16が設けられている。
Note that the
シリンダブロック16は、例えば、アルミニウム合金からなり、紙面に対して4つのシリンダ15が垂直に配列されている。シリンダブロック16には、シリンダライナ40が設けられている。シリンダライナ40は、例えば鋳鉄製の円筒状部材で、シリンダブロック16に鋳込まれている。気筒としてのシリンダ15は、シリンダブロック16に設けられた各シリンダライナ40により形成されている。
The
又、シリンダブロック16には、シリンダライナ40の外方に冷却液通路42が設けられている。冷却液通路42は、ラジエータに連通し、ラジエータで冷却された冷却液を通過させる。各シリンダ15内には、ピストン14が組み付けられている。
The
ピストン14は、ほぼ円柱状で、上面にピストンヘッド17を備え、側面に側壁28を備えている。ピストンヘッド17には、バルブを避ける凹部62と、傾斜面64が形成されている。傾斜面64は、ピストン14の外周部に設けられ、天井壁21とで燃焼室19内にスキッシュエリアを形成する。
The
側壁28の外周には、上から、第1ピストンリング溝29、第2ピストンリング溝31、オイルリング溝33(図2参照)が設けられている。第1ピストンリング溝29には、第1ピストンリング30が、第2ピストンリング溝31には、第2ピストンリング32が、オイルリング溝33には、オイルリング34が取り付けられている。第1ピストンリング30、第2ピストンリング32、オイルリング34の各リングは、シリンダライナ40の内面にそれぞれ適度なばね力で接している。
A first
ピストン14には、コネクティングロッド36の一端がピストンピンを介して結合されている。コネクティングロッド36の他端は、クランク軸37に連結している。ピストン14は、シリンダ15内に往復動自在に設けられ、ピストン14が往復動すると、コネクティングロッド36を介してクランク軸37が矢印Aの方向に回転される。
One end of a connecting
図1は、ピストン14が往復動の上死点に位置している状態を示している。シリンダライナ40は、シリンダブロック16の上端から、ピストン14の往復動範囲の下端を超えて設けられている。シリンダライナ40の外方には、断熱部材としての断熱スリーブ44が設けられている。
FIG. 1 shows a state where the
断熱スリーブ44は、筒体形状で、例えば、セラミック等の断熱材から形成されている。断熱スリーブ44は、シリンダライナ40の外径とほぼ等しい内径を有し、シリンダライナ40の外周全体に取り付けられている。断熱スリーブ44は、シリンダブロック16の上端から、図1に示すように、ピストン14が上死点にあるときの第1ピストンリング30の下端の位置まで設けられている。
The
尚、断熱スリーブ44の下端の位置は、ピストン14が上死点にあるときの第1ピストンリング30の下端の位置に完全に一致している場合のみならず、第1ピストンリング30の下端の位置よりわずかに下方に位置していてもよい。又、断熱部材は、セラミック等の断熱スリーブ44でなく、シリンダブロック16内に設けられた空間、つまり空気層で形成してもよい。
In addition, the position of the lower end of the
次に、エンジン10の作用、及び効果について説明する。エンジン10は、暖機運転が終了し、通常の運転状態で作動しているとする。エンジン10が吸気行程になると、吸気バルブ24が開き、ピストン14がシリンダ15内を降下し、吸気通路20を通って混合気が燃焼室19内に吸引される。
Next, the operation and effect of the
続いて圧縮行程に移行すると、吸気バルブ24が作動して吸気通路20が閉鎖される。下死点を通過したピストン14は、シリンダ15内を上昇し、燃焼室19内で混合気を圧縮する。混合気は、圧縮されるに伴って温度上昇するが、エンジン10のシリンダヘッド12の天井壁21、及び吸気バルブ24と排気バルブ26の各バルブの底面には、それぞれ断熱処理がなされているため、それらを通して熱が燃焼室19からシリンダヘッド12等に吸収されにくくなっている。
Subsequently, when the process proceeds to the compression stroke, the
一方、ピストン14は、第1ピストンリング30と第2ピストンリング32とオイルリング34の各リングを介してシリンダライナ40の内面に接触している。したがってピストン14が有する熱は、圧縮行程において第1ピストンリング30等を通してシリンダブロック16に伝達され、シリンダブロック16から冷却液に吸収される。
On the other hand, the
エンジン10が点火時期に達すると、点火プラグ23が作動し、燃焼室19内で混合気の燃焼が開始される。点火は、上死点より通常手前の段階で行われるので、燃焼室19内で混合気の燃焼が行なわれている状態でピストン14は上死点に達する。
When the
図1に示すようにピストン14が上死点に達すると、第1ピストンリング30は、断熱スリーブ44の下端の位置とほぼ同じ位置に達する。断熱スリーブ44は、シリンダライナ40からシリンダブロック16への熱の移動を抑制するので、ピストン14が上死点にある場合、第1ピストンリング30を通した、ピストン14からシリンダブロック16への熱の移動が抑制される。更に、断熱スリーブ44により、シリンダライナ40は、シリンダブロック16の上端から第1ピストンリング30までの部分が断熱される。
As shown in FIG. 1, when the
このように、エンジン10は、断熱スリーブ44により、シリンダライナ40の、シリンダブロック16の上端から第1ピストンリング30までの部分が断熱される。更に、ピストンヘッド17は、燃焼室19に面しているので、燃焼室19内での燃焼により温度が上昇しやすい。しかし、ピストン14が圧縮上死点の位置にある場合、ピストンヘッド17に最も近い位置にある第1ピストンリング30を通した放熱が抑制されるので、燃焼室19からピストン14を通したシリンダブロック16への熱の放散が効果的に防止される。したがって、エンジン10は、上死点における、燃焼室19の温度低下を抑制し、高い熱効率が得られる。
Thus, in the
一方、膨張行程が開始され、ピストン14が上死点から降下すると、第1ピストンリング30が断熱スリーブ44の位置から外れる。これにより、膨張行程から排気行程にかけて、ピストン14の熱が、第1ピストンリング30を通してシリンダブロック16等に吸収される。これにより、ピストン14の熱が冷却液に吸収され、ピストン14の温度が過度に上昇することなくエンジン10は、上記燃焼サイクルに続く次の燃焼サイクルに入ることとなる。
On the other hand, when the expansion stroke is started and the
したがってエンジン10によれば、高い効率が得られ、かつ、ピストン14が適度に冷却され、燃焼室19の過熱によるノッキング等の燃焼不良の発生が抑制される。
Therefore, according to the
(第2実施形態)
本発明にかかる第2実施形態について説明する。図3に、第2実施形態のエンジン11の一部断面を示す。エンジン11は、断熱部材としての断熱スリーブ50を、シリンダライナ40の上部に備えている。
(Second Embodiment)
A second embodiment according to the present invention will be described. In FIG. 3, the partial cross section of the engine 11 of 2nd Embodiment is shown. The engine 11 includes a
断熱スリーブ50は、セラミック等の所定の断熱作用を備えた断熱材から形成されている。断熱スリーブ50は、円筒形で、シリンダライナ40の内径と等しい内径を有している。断熱スリーブ50は、シリンダブロック16の上端から、ピストン14が上死点にあるときの第1ピストンリング30の下端の位置と同じ位置まで設けられている。断熱スリーブ50は、シリンダライナ40と同軸に、シリンダライナ40の上端に連続して設けられている。すなわち、シリンダ15は、シリンダライナ40と、シリンダライナ40の上部に設けられた断熱スリーブ50との組み合わせで形成されている。エンジン11の他の構成は、第1実施形態のエンジン10と同様である。
The
エンジン11が作動し、ピストン14が圧縮上死点に達すると、第1ピストンリング30がシリンダライナ40から断熱スリーブ50に達する。すると、第1実施形態のエンジン10と同様、ピストン14から第1ピストンリング30を通してシリンダブロック16への熱の移動が抑制され、上死点におけるエンジン11の効率が上昇する。
When the engine 11 is operated and the
ピストン14が降下すると、第1ピストンリング30は断熱スリーブ50との接触から外れる。これ以降、ピストン14の熱は、第1ピストンリング30を通してシリンダブロック16に吸収され、ピストン14が適度に冷却される。
When the
第1ピストンリング30は、ピストン14が上死点に達する直前と、上死点を通過した直後に、断熱スリーブ50とシリンダライナ40との境界部分を越える。その際、ピストン14の移動速度はほとんど0に近いので、第1ピストンリング30は、断熱スリーブ50とシリンダライナ40との境界を非常に遅い速度で通過する。
The
これにより、仮に、断熱スリーブ50の摩擦係数とシリンダライナ40の摩擦係数とが異なっていたり、両者間に若干段差等が発生していても、第1ピストンリング30は、支障なく断熱スリーブ50とシリンダライナ40との境界を超えることができる。したがって、シリンダブロック16に断熱スリーブ50が設けられていても、ピストン14を円滑に作動させることができる。
As a result, even if the friction coefficient of the
断熱スリーブ50は、下端部の位置が、上死点に達したときのピストン14の第1ピストンリング30の位置と完全に一致し、ピストン14がわずかでも移動すると、断熱スリーブ50と第1ピストンリング30との接触が外れることが、シリンダ15内でピストン14を円滑に作動できる点で好ましい。
When the position of the lower end portion of the
したがってエンジン11は、エンジン10と同様、高い効率が得られ、更に、ピストン14が適度に冷却され、燃焼室19の過熱によるノッキング等の燃焼不良の発生が抑制される。
Therefore, the engine 11 has high efficiency as in the case of the
(第3実施形態)
本発明にかかる第3実施形態について説明する。図4に、第3実施形態のエンジン13の一部断面を示す。エンジン13は、シリンダライナ40の内面に、断熱部材としての断熱層54が施されている。断熱層54は、シリンダライナ40の内表面に断熱材料を付着させて形成されている。
(Third embodiment)
A third embodiment according to the present invention will be described. In FIG. 4, the partial cross section of the
断熱層54は、シリンダブロック16の上端部から、上死点にあるピストン14の第1ピストンリング30の下端の位置まで設けられている。断熱層54は、十分な断熱性能を有し、かつ、シリンダライナ40に密着し、ピストン14の往復動によっても摩耗しにくく形成されている。エンジン13の他の構成は、第1実施形態のエンジン10と同様である。
The
エンジン13は、ピストン14が上死点に達すると、第1ピストンリング30が断熱層54に接する。すると、エンジン10と同様第1ピストンリング30を通したピストン14からの熱の移動が抑制され、エンジン13の熱効率が上昇する。
In the
そして、ピストン14が降下すると、第1ピストンリング30は、直ちに断熱層54との接触から外れる。これ以降、ピストン14の熱は、第1ピストンリング30を通してシリンダブロック16に吸収され、ピストン14が適度に冷却される。
Then, when the
したがってエンジン13は、断熱層54によりエンジン13の熱効率が向上され、更に、ピストン14が適度に冷却され、燃焼室19の過熱によるノッキング等の燃焼不良の発生が抑制される。
Therefore, in the
(第4実施形態)
本発明にかかる第4実施形態について説明する。図5に、第4実施形態のエンジン60の一部断面を示す。エンジン60は、シリンダブロック16に、シリンダ15が設けられている。アルミニウム合金製のシリンダブロック16に直接設けられたシリンダ15の内側に、ピストン14が組み付けられている。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment according to the present invention will be described. In FIG. 5, the partial cross section of the
エンジン60は、シリンダ15の内面から若干外側の位置に断熱スリーブ44を備えている。断熱スリーブ44は、円筒状で、シリンダ15と同軸に設けられている。断熱スリーブ44は、シリンダブロック16の上端から、図5に示すように、ピストン14が上死点にあるときの第1ピストンリング30の下端の位置とほぼ同じ位置まで設けられている。断熱スリーブ44は、例えば、シリンダブロック16を鋳造する際同時に、あるいはシリンダブロック16に形成した溝内に組み入れることによりシリンダブロック16に設けられている。エンジン60の他の構成は、第1実施形態のエンジン10と同様である。
The
エンジン60は、図5に示すようにピストン14が上死点に達すると、第1ピストンリング30が断熱スリーブ44の側方に配置される。すると、第1実施形態のエンジン10と同様、ピストン14から第1ピストンリング30を通したシリンダブロック16への熱の移動が抑制され、エンジン60の熱効率が上昇する。
In the
エンジン60は、ピストン14が降下すると、第1ピストンリング30が断熱スリーブ44の位置から離れる。これ以降、ピストン14の熱は、第1ピストンリング30を通してシリンダブロック16に吸収され、ピストン14が適度に冷却される。
In the
したがってエンジン60は、エンジン10と同様、高い効率が得られ、更に、ピストン14が適度に冷却され、燃焼室19の過熱によるノッキング等の燃焼不良の発生が抑制される。
Therefore, the
(第5実施形態)
本発明にかかる第5実施形態について説明する。図6に、第5実施形態のエンジン70の一部断面を示す。エンジン70は、断熱部材としての断熱スリーブ72をシリンダライナ40の外方に備えている。断熱スリーブ72は、第1実施形態のエンジン10の断熱スリーブ44と長さが異なっている。
(Fifth embodiment)
A fifth embodiment according to the present invention will be described. In FIG. 6, the partial cross section of the
断熱スリーブ72は、セラミック等の断熱材から形成され、シリンダライナ40と冷却液通路42の間に設けられている。断熱スリーブ72は、筒体状で、シリンダライナ40の外周面に同心状に設けられている。
The heat insulating sleeve 72 is formed of a heat insulating material such as ceramic and is provided between the
断熱スリーブ72は、シリンダブロック16の上端から、図5に示すように、クランク軸37が上死点の位置から40度正方向に回転したときのピストン14の第1ピストンリング30の下端の位置と同じ位置まで設けられている。エンジン70の他の構成は、第1実施形態のエンジン10と同様である。
As shown in FIG. 5, the heat insulating sleeve 72 is located at the lower end of the
図7に、一般的なエンジンについて、燃焼時にシリンダ15内からシリンダブロック16への熱流束の実測例を示す。図7は、横軸にクランク角θ(度)、縦軸に熱流束(MW/平方m)の値を示す。図7に示すように、熱流束は、ピストンの上死点(TDC)の位置からクランク角が40度回転した位置までの範囲の値が非常に大きく、クランク角が上死点の位置から40度を超えると急速に減少していることがわかる。この例では、特許請求の範囲でいう、熱流束の所定値は、クランク角が40度回転した状態の値である。
FIG. 7 shows an actual measurement example of heat flux from the inside of the
エンジン70は、断熱スリーブ72が、シリンダブロック16の上端の位置から、クランク軸37が上死点の位置から40度回転したときのピストン14の第1ピストンリング30の下端の位置まで設けられている。これにより、エンジン70は、熱流束が大きい領域で第1ピストンリング30を通したピストン14からシリンダブロック16への熱の移動が抑制され、エンジン70の熱効率が上昇する。
In the
一方、エンジン70は、クランク軸37(図1参照)が、上死点から40度以上回転すると、第1ピストンリング30が断熱スリーブ72から離れる。そのため、クランク軸37が上死点を挟んで前後40度の範囲以外では、第1ピストンリング30を通してピストン14の熱がシリンダブロック16に吸収され、ピストン14が適度に冷却される。
On the other hand, in the
したがってエンジン70は、断熱スリーブ72によって広い範囲で断熱がなされ、エンジン10と同様、高い効率が得られる。更に、エンジン70は、断熱スリーブ72を外れた領域ではピストン14が適度に冷却され、燃焼室19の過熱によるノッキング等の燃焼不良の発生が抑制される。
Therefore, the
尚、第5実施形態では、断熱スリーブ72に代えて、断熱部材として、第2実施形態から第4実施形態と同等の構成を用いてもよい。又、エンジンの特性によって、クランク角と熱流束の関係が図7のグラフと異なる場合は、それに応じて断熱スリーブ72の長さを変更してもよい。 In the fifth embodiment, instead of the heat insulating sleeve 72, a structure equivalent to that of the second to fourth embodiments may be used as a heat insulating member. If the relationship between the crank angle and the heat flux differs from the graph of FIG. 7 depending on the characteristics of the engine, the length of the heat insulating sleeve 72 may be changed accordingly.
又、本発明は上記実施形態に限るものではなく、適宜変更可能である。 Further, the present invention is not limited to the above embodiment, and can be changed as appropriate.
本発明は、自動車用エンジンに利用できる。 The present invention can be used for an automobile engine.
10…エンジン、12…シリンダヘッド、14…ピストン、15…シリンダ、16…シリンダブロック、17…シリンダヘッド、18…クランクケース、20…吸気通路、22…排気通路、30…第1ピストンリング、32…第2ピストンリング、34…オイルリング、37…クランク軸、40…シリンダライナ、42…冷却液通路、44…断熱スリーブ。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記シリンダブロックの上端に取り付けられるシリンダヘッドと、
前記シリンダ内に往復動自在に設けられるピストンと、
前記シリンダブロックに設けられ、前記シリンダブロックの上端の位置から、前記ピストンが前記往復動の上死点にあるときの前記ピストンの第1ピストンリングと同じ位置までの範囲内で、前記シリンダ内から前記シリンダブロックへの熱の移動を抑制する断熱部材と、を備えた内燃機関。 A cylinder block having a cylinder;
A cylinder head attached to the upper end of the cylinder block;
A piston reciprocally provided in the cylinder;
Provided in the cylinder block, within the range from the position of the upper end of the cylinder block to the same position as the first piston ring of the piston when the piston is at the top dead center of the reciprocating motion, from within the cylinder An internal combustion engine comprising: a heat insulating member that suppresses heat transfer to the cylinder block.
前記シリンダブロックの上端に取り付けられるシリンダヘッドと、
クランク軸に連結し、前記シリンダ内にクランク往復動自在に設けられるピストンと、
前記シリンダ内から前記シリンダブロックへの熱の移動を抑制する断熱部材と、を備え、
更に、前記断熱部材は、前記シリンダブロックの上端から、前記シリンダ内において燃焼時に前記シリンダ内から前記シリンダブロックへ移動する熱流束の値が所定値を下回る境界点の位置まで設けられている内燃機関。 A cylinder block having a cylinder;
A cylinder head attached to the upper end of the cylinder block;
A piston connected to the crankshaft and provided in the cylinder so as to be able to reciprocate the crank;
A heat insulating member that suppresses heat transfer from inside the cylinder to the cylinder block, and
Furthermore, the heat insulating member is provided from the upper end of the cylinder block to the position of a boundary point where the value of the heat flux that moves from the cylinder to the cylinder block during combustion in the cylinder falls below a predetermined value. .
前記断熱部材は、前記シリンダライナの外方に設けられている請求項1〜3のいずれか1項に記載の内燃機関。 The cylinder is formed inside a cylinder liner provided in the cylinder block,
The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the heat insulating member is provided outside the cylinder liner.
前記断熱部材は、前記シリンダライナの内面に設けられている請求項1〜3のいずれか1項に記載の内燃機関。 The cylinder is formed inside a cylinder liner provided in the cylinder block,
The internal combustion engine according to claim 1, wherein the heat insulating member is provided on an inner surface of the cylinder liner.
前記断熱部材は、前記シリンダライナの上方に、前記シリンダライナと同軸に連続して設けられている請求項1〜3のいずれか1項に記載の内燃機関。 The cylinder is formed inside a cylinder liner provided in the cylinder block,
The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the heat insulating member is continuously provided coaxially with the cylinder liner above the cylinder liner.
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