JP2017218970A

JP2017218970A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2017218970A
Application number: JP2016113790A
Authority: JP
Inventors: 暁拡本田; Akihiro Honda; 慎一大越; Shinichi Ogoshi
Original assignee: University of Tokyo NUC; Toyota Motor Corp
Current assignee: University of Tokyo NUC; Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-06-07
Filing date: 2016-06-07
Publication date: 2017-12-14
Anticipated expiration: 2036-06-07
Also published as: JP6687467B2

Abstract

【課題】新型酸化チタンを適用した内燃機関を実用化する。【解決手段】内燃機関１０は、クランクシャフト１２と、そのクランクジャーナル１４を支持する主軸受１６と、を備えている。主軸受１６は、バルクヘッド１８の表面に設けられたアッパー軸受け３８と、クランクキャップ２０の表面に設けられたロア軸受け４０とを備えている。アッパー軸受け３８およびロア軸受け４０は、裏金の表面にアルミニウムや銅などの軸受合金を施したバイメタル層４２と、バイメタル層４２の表面に設けられたコーティング層４４と、を備えている。コーティング層４４は、新型酸化チタンが分散されたポリイミド樹脂、フェノール樹脂といった熱硬化性樹脂から構成されている。【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関に関する。

本発明者らは既に、特許文献１（国際公開第２０１５／０５０２６９号）や非特許文献１（Ohkoshi et al, “External stimulation-controllable heat-storage ceramics”, Nature Communications 6, 2015, Article number: 7037, Doi: 10.1038/ncomms8037）に、Ｔｉ_３Ｏ_５の組成を有するものの、上述した酸化チタンとは異なる結晶構造となる新型の酸化チタン（以下、「新型酸化チタン」ともいう。）を開示している。

新型酸化チタンは、約４６０Ｋよりも低い温度領域において金属的な性質を有する単斜晶系のλ相となり得るものである。また、新型酸化チタンの結晶構造は、特徴的な相転移をする。すなわち、結晶構造がλ相にある場合には、新型酸化チタンの温度を約４６０Ｋよりも低い温度まで下げたとしてもλ相を維持し、その一方で、新型酸化チタンに所定圧力よりも高い圧力が印加されたときに、λ相からβ相に相転移する。また、結晶構造がβ相に相転移した後、新型酸化チタンの温度を約４６０Ｋよりも高い温度まで上げた場合、または特定波長の放熱光を新型酸化チタンに照射した場合にβ相からλ相に相転移する。

また、この新型酸化チタンは、相転移に際して興味深い熱特性を示す。すなわち、λ相からβ相への相転移に際しては外部に熱を放出し、β相からλ相への相転移に際しては外部の熱を蓄える。

国際公開第２０１５／０５０２６９号

Ohkoshi et al, "External stimulation-controllable heat-storage ceramics", Nature Communications 6, 2015, Article number: 7037, Doi: 10.1038/ncomms8037

しかし、これらの文献には、新型酸化チタンを内燃機関に適用することに関する言及はなされていない。故に、新型酸化チタンを内燃機関に適用したときの具体的構成については、検討の余地がある。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、新型酸化チタンを適用した内燃機関を実用化することにある。

本発明に係る内燃機関は、Ｔｉ_３Ｏ_５の組成を有する酸化チタンであって、結晶構造がβ相のときに所定温度以上に加熱されることでλ相に相転移して外部の熱を蓄え、結晶構造がλ相のときに前記所定温度未満まで冷却されたとしてもβ相に相転移せず、所定圧力以上の圧力が印加されたときにβ相に相転移して外部に熱を放出する特性を有する酸化チタンを含む蓄熱放熱材を備える内燃機関である。前記蓄熱放熱材は、潤滑油が供給される摺動部の表面に設けられている。前記摺動部の表面は、クランクジャーナルを支持する主軸受の内壁面、および、シリンダライナの内壁面のうちのピストンリングの側面との間の摩擦状態が流体潤滑となる領域の少なくとも一方である。

クランクジャーナルを支持する主軸受の内壁面に供給される潤滑油から当該主軸受の表面が受ける圧力は、内燃機関の始動に伴って所定圧力以上に上昇する。同様に、シリンダライナの内壁面のうちのピストンリングの側面との間の摩擦状態が流体潤滑となる領域に供給される潤滑油から当該領域が受ける圧力は、内燃機関の始動に伴って所定圧力以上に上昇する。従って、本発明に係る内燃機関によれば、内燃機関の始動に伴って蓄熱放熱材から放出させた熱によって、上記主軸受の表面に供給される潤滑油、および、上記領域に供給される潤滑油の少なくとも一方を温めることができる。

本発明の実施の形態１に係る内燃機関１０のクランクシャフト周辺の構成を説明する図である。図１に示した主軸受１６の断面概略図である。新型酸化チタンの温度を変化させたときの熱流量の変化を示した図である。常温において結晶構造がλ相にある新型酸化チタンに約６０ＭＰａの圧力を印加したときの熱流量の変化を示した図である。内燃機関の暖機前後における摩擦トルクの変化を示した図である。潤滑油の温度と絶対粘度との関係を示した図である。ストライベック曲線を示した図である。バイメタル層に新型酸化チタンを分散させる場合における、図１に示した主軸受１６の断面概略図である。本発明の実施の形態２に係る内燃機関５０のピストン周辺の構成を説明する図である。

以下、図面に基づいて本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、図１乃至図８を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。

［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る内燃機関１０のクランクシャフト周辺の構成を説明する図である。図１に示すように、内燃機関１０は、クランクシャフト１２と、そのクランクジャーナル１４を支持する主軸受１６と、を備えている。主軸受１６は、シリンダ間を仕切るバルクヘッド１８と、バルクヘッド１８にボルトで締結されるクランクキャップ２０とから構成されている。クランクピン２２は、クランクアーム２４に支持されると共に、コンロッドを介してピストンに連結され、当該ピストンの往復運動に伴ってコンロッド軸受を中心に回転運動する。

クランクジャーナル１４の内部には、略直径方向に貫通するオイル孔２６が形成されている。また、クランクアーム２４の内部には、クランクピン２２の表面と、クランクピン２２に隣接するクランクジャーナル１４の表面とを連通するオイル孔２８が形成されている。また、クランクジャーナル１４の表面と潤滑油を介して接する主軸受１６の内壁面には、シリンダブロックのメインギャラリ３０から分岐したオイル通路３２の一端が開口している。メインギャラリ３０の上流側にはオイルフィルタ３４が設けられており、オイルフィルタ３４の上流側にはオイルポンプ３６が設けられている。

シリンダブロック下部のオイルパン内に溜められた潤滑油は、オイルポンプ３６によって吸い上げられ、オイルフィルタ３４において異物が取り除かれた後に、メインギャラリ３０に流入する。メインギャラリ３０に流入した潤滑油はオイル通路３２を通って主軸受１６に分配され、または、図示しないカムシャフトやバルブ機構に供給される。主軸受１６に分配された潤滑油は、主軸受１６の表面において油膜圧力を発生させ、クランクシャフトを支持すると共に、オイル孔２６とオイル孔２８を通ってクランクピン２２の表面に導かれ、コンロッドの軸受の表面においても同様に油膜圧力を発生させる。

図２は、図１に示した主軸受１６の断面概略図である。図２に示すように、主軸受１６は、バルクヘッド１８の表面に設けられたアッパー軸受け３８と、クランクキャップ２０の表面に設けられたロア軸受け４０と、を備えている。アッパー軸受け３８およびロア軸受け４０は、裏金の表面にアルミニウムや銅などの合金を施したバイメタル層４２と、バイメタル層４２の表面に設けられたコーティング層４４と、を備えている。コーティング層４４は、新型酸化チタンが分散されたポリイミド樹脂、フェノール樹脂といった熱硬化性樹脂から構成されている。この熱硬化性樹脂４４は、適量の希釈剤によって粘度を調整した樹脂材料に新型酸化チタンの粉末を混ぜ、バイメタル層４２の表面上で硬化させることで形成されたものである。新型酸化チタンの他に、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）やグラファイトなどの固体潤滑剤が熱硬化性樹脂４４に添加されていてもよい。

［新型酸化チタンの結晶構造と熱特性］
ここで、新型酸化チタンの結晶構造と熱特性について、図３乃至図４を参照して簡単に説明する。図３は、新型酸化チタンの温度を変化させたときの熱流量の変化を示した図である。新型酸化チタンは、半導体的な性質を示すβ相と、金属的な性質を有する単斜晶系のλ相との間で結晶構造が相転移し得るものである。図３から理解できるように、結晶構造がβ相にある新型酸化チタン（β−Ｔｉ_３Ｏ_５）の温度を上げていくと、約４６０Ｋにおいて結晶構造がλ相に相転移すると共に、外部の熱を蓄える。一方、結晶構造がλ相にある新型酸化チタン（λ−Ｔｉ_３Ｏ_５）の温度を下げていった場合には、約４６０Ｋよりも低い温度まで下げたとしてもλ相を維持し、外部への熱の放出はない。

図４は、常温において結晶構造がλ相にある新型酸化チタンに約６０ＭＰａの圧力を印加したときの熱流量の変化を示した図である。なお、圧力の印加は時刻ｔ＝０において行われている。図４から理解できるように、常温において結晶構造がλ相にある新型酸化チタン（λ−Ｔｉ_３Ｏ_５）に約６０ＭＰａの圧力を印加すると、結晶構造がβ相に相転移すると共に、外部に熱を放出する。このように、新型酸化チタンは、結晶構造が一旦λ相になると、温度が下がっても外部に温度を放出せず、約６０ＭＰａの圧力が印加されることではじめて外部に熱を放出するという興味深い熱特性を有している。因みに、ここで説明した新型酸化チタンの結晶構造や熱特性の詳細は、特許文献１または非特許文献１に開示されている。

［内燃機関の暖機前の問題点］
図５は、内燃機関の暖機前後における摩擦トルクの変化を示した図である。この図から理解できるように、内燃機関の暖機前は暖機後よりも摩擦トルクが大きく機械損失が大きい。この理由の一つに、内燃機関の暖機前では潤滑油の粘度が高いことが挙げられる。図６は、潤滑油の温度と絶対粘度との関係を示した図であり、図７は、ストライベック曲線を示した図である。図６から理解できるように、潤滑油の粘度と温度は相関が高い。また、図７から理解できるように、面圧と摺動速度が一定であれば、向かい合う二面が潤滑油によって完全に分離されて潤滑する流体潤滑領域では、潤滑油の粘度が高くなるほど摩擦係数が高くなる。このように、内燃機関の暖機前は、潤滑油の粘度が高く摩擦係数も高いことから、機械損失が大きくなる。

［実施の形態１における新型酸化チタンの蓄熱放熱動作］
図３乃至図４の説明を踏まえると、図２に示したコーティング層４４では、新型酸化チタンの結晶構造に応じて次のような熱移動が起こることが理解できる。すなわち、新型酸化チタンの結晶構造がλ相である場合に、コーティング層４４が受ける圧力が所定圧力（約６０ＭＰａ）以上まで上昇すると、コーティング層４４に蓄えられていた熱が放出される。一方、新型酸化チタンの結晶構造がβ相である場合に、コーティング層４４の温度が所定温度（約４６０Ｋ）以上まで上昇すると、コーティング層４４に熱が蓄えられる。

本実施の形態では、内燃機関１０の始動に伴いオイルポンプ３６が駆動され、その結果、コーティング層４４の表面に発生する油膜圧力が所定圧力以上に上昇する。つまり、内燃機関１０の始動に伴い、油膜からコーティング層４４に所定圧力以上の圧力が自動的に加えられる。コーティング層４４に所定圧力以上の圧力が加えられれば、ここに蓄えられていた熱がコーティング層４４の表面に形成された油膜に放出されるので、潤滑油が温められて潤滑油の粘度が下がる。このように、本実施の形態によれば、内燃機関１０の始動に伴って新型酸化チタンに放熱動作を行わせ、コーティング層４４の表面に形成された油膜を短時間で温めることができるので、機械損失の低減を図ることができる。

因みに、内燃機関１０が停止されればオイルポンプ３６の駆動も停止され、その結果として、表面に発生した油膜圧力が所定圧力未満に低下する。一方、オイルポンプ３６の駆動が停止された後であっても、コーティング層４４の表面に形成された油膜の温度は暫くの間、所定温度以上の状態が続く。そのため、内燃機関１０の運転の停止後は、新型酸化チタンの蓄熱動作が行われることになる。よって、内燃機関１０の次回始動時には、オイルポンプ３６の駆動に伴い、上述した新型酸化チタンの放熱動作が行われることになる。

ところで、上記実施の形態１では、図２に示したコーティング層４４に新型酸化チタンを分散させた。しかし、図２に示したバイメタル層４２に新型酸化チタンを分散させてもよい。図８は、バイメタル層に新型酸化チタンを分散させる場合における、図１に示した主軸受１６の断面概略図である。図８に示すように、この場合は、アッパー軸受け３８およびロア軸受け４０が、バイメタル層４２のみから構成される。因みに、図８に示すバイメタル層４２は、溶融状態にある軸受合金の母材に新型酸化チタンを添加して所定の形状に成型し、裏金の表面に設けることで形成される。

実施の形態２．
次に、図９を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
なお、新型酸化チタンの結晶構造および熱特性と、内燃機関の暖機前の問題点については、上記実施の形態１で説明したとおりである。

［実施の形態２の構成］
図９は、本発明の実施の形態２に係る内燃機関５０のピストン周辺の構成を説明する図である。図９に示すように、内燃機関５０は、シリンダブロック５２に嵌め込まれる円筒状のシリンダライナ５４と、シリンダライナ５４の内壁面に沿って往復運動するピストン５６と、ピストンピンを介してピストン５６と連結されるコンロッド５８と、を備えている。ピストン５６の側面に沿って設けられた溝には、ピストンリング６０，６２，６４が嵌め込まれている。

ピストンリング６０，６２，６４の側面と、シリンダライナ５４の内壁面とは、潤滑油を介して接している。この潤滑油は、オイルジェットによってシリンダブロック５２のメインギャラリからピストン５６の裏面に噴射されたものであり、当該裏面を介してシリンダライナ５４の内壁面にも供給される。シリンダライナ５４の内壁面に供給された潤滑油は当該内壁面において油膜を形成する。

シリンダライナ５４は、２つの部材から構成されている。具体的にシリンダライナ５４は、シリンダブロック５２のボア壁面に形成された溝に嵌め込まれる本体部６６と、本体部６６の内壁面に形成された溝に嵌め込まれる蓄熱放熱部６８と、から構成されている。蓄熱放熱部６８には、新型酸化チタンが分散されている。蓄熱放熱部６８は、溶融状態にあるアルミニウム合金または鉄の母材に新型酸化チタンの粉末を添加し、遠心鋳造などの方法によって円筒状に成型することによって形成される。

蓄熱放熱部６８が設けられる位置は、ピストンリング６０，６２，６４の側面と、シリンダライナ５４の内壁面との間の摩擦状態が流体潤滑となる位置に設けられる。より詳細に述べると、蓄熱放熱部６８の上端６８ａは、ピストン５６が上死点に位置する場合にピストンリング６４が位置する箇所よりも下側（つまり、ピストン５６の裏面側）に位置している。また、蓄熱放熱部６８の下端６８ｂは、ピストン５６が上死点に位置する場合にピストンリング６０が位置する箇所よりも上側（つまり、ピストン５６の頂面側）に位置している。

蓄熱放熱部６８を設ける位置をこのような中間領域にした理由は、ピストン５６が上死点付近および下死点付近に位置する場合は、ピストンリング６０，６２，６４の側面と、シリンダライナ５４の内壁面との間に形成される油膜が薄くなる傾向があり、シリンダライナ５４とピストンリング６０が直接接触する境界潤滑と図７で説明した流体潤滑とが混在する混合潤滑となるためである。図７に示すように、面圧と摺動速度が一定であれば、混合潤滑領域では、潤滑油の粘度が低くなるほど摩擦係数が高くなる。そのため、ピストン５６が上死点付近や下死点付近に位置する場合は、ピストンリング６０，６２，６４の側面と、シリンダライナ５４の内壁面との間に形成される潤滑油の温度が高くなることで摩擦係数が高くなってしまい、機械損失が増えてしまう。故に本実施の形態では、蓄熱放熱部６８を上述した中間領域に設けている。

［実施の形態２における新型酸化チタンの蓄熱放熱動作］
図３乃至図４の説明を踏まえると、図９に示した蓄熱放熱部６８では、新型酸化チタンの結晶構造に応じて次のような熱移動が起こることが理解できる。すなわち、新型酸化チタンの結晶構造がλ相である場合に、蓄熱放熱部６８が受ける圧力が所定圧力（約６０ＭＰａ）以上まで上昇すると、蓄熱放熱部６８に蓄えられていた熱が放出される。一方、新型酸化チタンの結晶構造がβ相である場合に、蓄熱放熱部６８の温度が所定温度（約４６０Ｋ）以上まで上昇すると、蓄熱放熱部６８に熱が蓄えられる。

本実施の形態では、内燃機関５０での始動に伴いシリンダ内での燃焼が始まり、その結果、燃焼圧を受けた表面の潤滑油から蓄熱放熱部６８が受ける圧力が所定圧力以上となる。つまり、内燃機関５０の始動に伴って、蓄熱放熱部６８に所定圧力以上の圧力が自動的に加えられる。蓄熱放熱部６８に圧力が加えられれば、ここに蓄えられていた熱が蓄熱放熱部６８の表面の潤滑油に放出されるので、潤滑油が温められて潤滑油の粘度が下がる。このように、本実施の形態によれば、内燃機関５０の始動に伴って新型酸化チタンに放熱動作を行わせ、蓄熱放熱部６８の表面の潤滑油を短時間で温めることができるので、機械損失の低減を図ることができる。

因みに、内燃機関５０が停止されれば燃焼圧が発生せず、その結果として、表面の潤滑油から蓄熱放熱部６８が受ける圧力は所定圧力未満に低下する。一方、蓄熱放熱部６８の表面に形成された油膜の温度は暫くの間、所定温度以上の状態が続く。そのため、内燃機関５０の運転の停止後は、新型酸化チタンの蓄熱動作が行われることになる。よって、内燃機関５０の次回始動時には、シリンダ内での燃焼の開始に伴い、上述した新型酸化チタンの放熱動作が行われることになる。

１０，５０内燃機関
１２クランクシャフト
１４クランクジャーナル
１６主軸受
１８バルクヘッド
２０クランクキャップ
３８アッパー軸受け
４０ロア軸受け
４２バイメタル層
４４コーティング層
５２シリンダブロック
５４シリンダライナ
５６ピストン
５８コンロッド
６０，６２，６４ピストンリング
６６本体部
６８蓄熱放熱部
６８ａ上端
６８ｂ下端

Claims

Ｔｉ_３Ｏ_５の組成を有する酸化チタンであって、結晶構造がβ相のときに所定温度以上に加熱されることでλ相に相転移して外部の熱を蓄え、結晶構造がλ相のときに前記所定温度未満まで冷却されたとしてもβ相に相転移せず、所定圧力以上の圧力が印加されたときにβ相に相転移して外部に熱を放出する特性を有する酸化チタンを含む蓄熱放熱材を備える内燃機関であって、
前記蓄熱放熱材が、潤滑油が供給される摺動部の表面に設けられ、
前記摺動部の表面が、クランクジャーナルを支持する主軸受の内壁面、および、シリンダライナの内壁面のうちのピストンリングの側面との間の摩擦状態が流体潤滑となる領域の少なくとも一方であることを特徴とする内燃機関。