JP2018048587A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の燃焼室を冷却する冷却性能を更に高めること。
【解決手段】内燃機関は、シリンダヘッドとシリンダライナとピストンによって囲まれた燃焼室を具備する。シリンダヘッドは、燃焼室に隣接するバルブシートを備える。シリンダライナの筒形状の中心軸に平行な方向から見たとき、バルブシートは、当該中心軸を含む燃焼室の中央領域よりも外側に配置されている。バルブシートは、冷却媒体の流路を内部に有する。流路の延在方向に直交する面における流路の断面積を考えたとき、断面積が小さい第１位置と、断面積が大きい第２位置とが存在する。第２位置は、第１位置と比較して、中央領域により近い。
【選択図】図４

Description

本発明は、バルブシートを備える内燃機関に関する。

内燃機関におけるノッキングへの対策として、燃焼室を冷却することが考えられる。従来、燃焼室を冷却するための構造として、内燃機関のシリンダブロック及びシリンダヘッド内に設けられたウォータージャケットが知られている。

特許文献１は、内燃機関用のバルブシートを開示している。そのバルブシートの内部には、中空室が形成されている。中空室には冷却媒体が供給され、それによりバルブシートが冷却される。高温状態にさらされるバルブシートを冷却することにより、バルブシートの高温腐食を抑制し、バルブシートの脱落を防ぐことが可能となる。尚、特許文献１には、燃焼室を冷却するという観点は記載されていない。

実開昭５８−１１１３０２号公報

燃焼室を冷却する冷却性能を更に高めることが望まれている。従来のウォータージャケットの冷却性能を高めるためには、ウォーターポンプの出力を増大させること、ウォーターポンプの数を増やすこと、ラジエータを大型化すること、等が必要である。しかし、これらのことは、内燃機関及び車両のサイズ及び重量の増大を招く。

本発明の１つの目的は、内燃機関の燃焼室を冷却する冷却性能を更に高めることができる新たな技術を提供することにある。

第１の発明は、内燃機関を提供する。
内燃機関は、シリンダヘッドとシリンダライナとピストンによって囲まれた燃焼室を具備する。
シリンダヘッドは、燃焼室に隣接するバルブシートを備える。
シリンダライナの筒形状の中心軸に平行な方向から見たとき、バルブシートは、中心軸を含む燃焼室の中央領域よりも外側に配置されている。
バルブシートは、冷却媒体の流路を内部に有する。
流路の延在方向に直交する面における流路の断面積を考えたとき、断面積が第１断面積である第１位置と、断面積が第１断面積より大きい第２断面積である第２位置とが存在する。
第２位置は、第１位置と比較して、中央領域により近い。

第２の発明は、第１の発明において、次の特徴を有する。
バルブシートは、
流路に冷却媒体を注入するための注入孔と、
流路から冷却媒体を排出するための排出孔と
を有する。
流路は、環状であり、注入孔から排出孔に至る外側流路と内側流路を含む。
外側流路は、第１位置を通る。
内側流路は、第２位置を通り、外側流路と比較して中央領域により近い。

第３の発明は、第２の発明において、次の特徴を有する。
注入孔から注入された冷却媒体は、外側流路よりも内側流路の方により多く分配される。

第４の発明は、第１から第３の発明のいずれかにおいて、次の特徴を有する。
流路の断面積は、中央領域に近づくにつれて大きくなる。

第５の発明は、第１から第３の発明のいずれかにおいて、次の特徴を有する。
中心軸に平行な方向から見たとき、燃焼室における温度分布のピーク位置は、中央領域に含まれる。
流路の断面積は、ピーク位置に最も近い位置において最大となる。

第６の発明は、第１から第３の発明のいずれかにおいて、次の特徴を有する。
中心軸に平行な方向から見たとき、シリンダヘッドが有する点火プラグは中央領域内に位置している。
流路の断面積は、点火プラグに最も近い位置において最大となる。

第７の発明は、第１から第３の発明のいずれかにおいて、次の特徴を有する。
流路の断面積は、中心軸に最も近い位置において最大となる。

第８の発明は、第１から第７の発明のいずれかにおいて、次の特徴を有する。
バルブシートは、流路内に形成された放熱フィンを備える。

第９の発明は、第８の発明において、次の特徴を有する。
単位体積あたりの放熱フィンの表面積は、第１位置よりも第２位置においてより大きい。

第１０の発明は、第８又は第９の発明において、次の特徴を有する。
単位体積あたりの放熱フィンの表面積は、燃焼室に近づくにつれて大きくなる。

第１１の発明は、第１から第１０の発明のいずれかにおいて、次の特徴を有する。
流路は、少なくとも一部の範囲において層状になっている。

第１２の発明は、第１から第１１の発明のいずれかにおいて、次の特徴を有する。
バルブシートの数は複数である。
冷却媒体の供給は、複数のバルブシートのそれぞれについて独立に制御される。

第１３の発明は、第１から第１１の発明のいずれかにおいて、次の特徴を有する。
バルブシートの数は複数である。
複数のバルブシートは、第１バルブシートと第２バルブシートを含む。
シリンダヘッドは、第１バルブシートの流路と第２バルブシートの流路との間をつなぐ接続流路を更に備える。
第１バルブシートと第２バルブシートの一方の流路に導入された冷却媒体は、接続流路を介して、第１バルブシートと第２バルブシートの他方の流路に供給される。

第１４の発明は、第１３の発明において、次の特徴を有する。
第１バルブシートと第２バルブシートは共に、吸気側の吸気バルブシート、あるいは、排気側の排気バルブシートである。

第１５の発明は、第１３の発明において、次の特徴を有する。
第１バルブシートは、吸気側の吸気バルブシートである。
第２バルブシートは、排気側の排気バルブシートである。

第１６の発明は、第１５の発明において、次の特徴を有する。
吸気バルブシートの流路に導入された冷却媒体が、接続流路を介して、排気バルブシートの流路に供給される。

第１７の発明は、第１５の発明において、次の特徴を有する。
吸気側の暖機が要求される場合、排気バルブシートの流路に導入された冷却媒体が、接続流路を介して、吸気バルブシートの流路に供給される。
吸気側の暖機が要求されない場合、吸気バルブシートの流路に導入された冷却媒体が、接続流路を介して、排気バルブシートの流路に供給される。

第１の発明によれば、バルブシートが冷却媒体の流路を有している。従って、従来のウォータージャケットに加えて、バルブシートを新たな冷却手段として利用することが可能となる。これにより、燃焼室を冷却するためのトータルの冷却性能が増加する。特に、バルブシートは、燃焼室に隣接しており、燃焼室を冷却する効率の観点から優れている。燃焼室に隣接するバルブシートを冷却手段として利用することにより、燃焼室を効率的に冷却することが可能となる。

更に、第１の発明によれば、流路の断面積が大きい部分が、燃焼室の中央領域の比較的近くに位置している。燃焼室の中央領域の温度は、外側領域の温度よりも高くなる傾向にある。一方、流路の断面積が大きい部分の冷却能力は高い。そのような高い冷却能力を有する部分を中央領域の近くに配置することにより、高温となる中央領域を効果的に冷却することが可能となる。

第２、第３の発明によれば、冷却媒体は、断面積の小さい外側流路よりも、断面積の大きい内側流路の方を通りやすい。つまり、注入孔から注入された冷却媒体は、外側流路よりも内側流路の方により多く分配される。よって、流路に供給可能な冷却媒体の総量が一定であっても、比較的多くの冷却媒体を内側流路の方に優先的に分配することができる。これにより、高温となる中央領域を効率的に冷却することができる。一方、外側流路にも少量ながらも冷却媒体が供給されるため、燃焼室の外側領域も冷却することができる。すなわち、限られた冷却資源の中で、燃焼室内の温度分布に即した効率的な冷却が可能となる。

第４の発明によれば、流路の断面積は、中央領域に近づくにつれて大きくなる。この場合、燃焼室内の温度分布に即した冷却が可能となる。

第５の発明によれば、流路の断面積は、温度分布のピーク位置に最も近い位置において最大となる。これにより、燃焼室内の実際の温度分布に即したより効率的な冷却が可能となる。

第６の発明によれば、流路の断面積は、点火プラグに最も近い位置において最大となる。これにより、燃焼室に加えて、点火プラグも効果的に冷却することが可能となる。

第７の発明によれば、流路の断面積は、中心軸に最も近い位置において最大となる。この場合、バルブシートの配置がシンプルであるため、内燃機関の設計及び組み立てが簡易になる。

第８から第１０の発明によれば、流路内に放熱フィンが配置される。これにより、冷却性能が更に向上する。

第１１の発明によれば、流路は、少なくとも一部の範囲において層状になっている。これにより、流線の偏りや冷却媒体のよどみが抑制される。よって、狙い通りの流量を実現しやすく、目標部位を確実に冷却することが可能となる。

第１２の発明によれば、冷却媒体の供給は、複数のバルブシートのそれぞれについて独立に制御される。これにより、細やかな冷却が可能となる。

第１３から第１６の発明によれば、第１、第２バルブシートに対する冷却媒体の供給をまとめて制御することができる。その結果、冷却媒体の供給を制御するシステムを単純化することができる。

第１７の発明によれば、吸気側の暖機が要求される場合に、吸気側の温度上昇を促進することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関の構造例を概略的に示す断面図である。 第１の実施の形態におけるバルブ及びバルブシートの拡大断面図である。 第１の実施の形態における複数のバルブシートの配置の一例を示す平面図である。 第１の実施の形態におけるバルブシートの特徴を説明するための平面図である。 図４中に示される線Ｐに沿ったバルブシートの断面構造を示す断面図である。 第１の実施の形態におけるバルブシートの流路への冷却媒体の供給を説明するための概念図である。 第１の実施の形態におけるバルブシートの流路への冷却媒体の供給を説明するための概念図である。 第１の実施の形態におけるバルブシートの配置の１つの具体例を説明するための平面図である。 第１の実施の形態におけるバルブシートの配置の他の具体例を説明するための平面図である。 本発明の第２の実施の形態におけるバルブシートの特徴を説明するための平面図である。 図１０中に示される線ｄ−ｄに沿ったバルブシートの断面構造を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態におけるバルブシートの特徴を説明するための平面図である。 図１２中に示される線ｄ−ｄに沿ったバルブシートの断面構造を示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態における冷却媒体の供給制御を説明するための概念図である。 本発明の第５の実施の形態における冷却媒体の供給制御を説明するための概念図である。 第５の実施の形態における接続流路近傍の冷却媒体の流れを説明するための概念図である。 第５の実施の形態における接続流路近傍の冷却媒体の流れを説明するための概念図である。 本発明の第６の実施の形態における冷却媒体の供給制御を説明するための概念図である。 本発明の第７の実施の形態における冷却媒体の供給制御を説明するための概念図である。 第７の実施の形態における冷却媒体の供給制御を説明するためのフローチャートである。

添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関１の構造例を概略的に示す断面図である。内燃機関１は、主な構成として、シリンダブロック１０、シリンダヘッド２０、及び燃焼室３０を備えている。

シリンダブロック１０は、燃焼室３０の側壁を形成する筒状のシリンダライナ１１を備えている。シリンダライナ１１の筒形状の中心軸は、以下「中心軸Ｃ」と呼ばれる。また、以下の説明において、中心軸Ｃに平行な方向は「Ｚ方向」と呼ばれ、Ｚ方向と直交する平面は「ＸＹ平面」と呼ばれる。

シリンダライナ１１の内部には、シリンダライナ１１の内周面に沿ってＺ方向に摺動するようにピストン１５が設けられている。このピストン１５は、燃焼室３０の底面を形成している。

シリンダヘッド２０は、ピストン１５と対向するようにシリンダブロック１０上に設置されており、燃焼室３０の上面を形成している。つまり、燃焼室３０は、シリンダライナ１１とピストン１５とシリンダヘッド２０によって囲まれている。

シリンダヘッド２０は、吸気通路２１ｉ、排気通路２１ｅ、吸気バルブ２３ｉ、排気バルブ２３ｅ、点火プラグ２４、吸気バルブシート２５ｉ、及び排気バルブシート２５ｅを備えている。吸気通路２１ｉは、吸気側開口部２２ｉにおいて燃焼室３０とつながっている。吸気バルブ２３ｉは、吸気側開口部２２ｉを開閉可能に設けられている。排気通路２１ｅは、排気側開口部２２ｅにおいて燃焼室３０とつながっている。排気バルブ２３ｅは、排気側開口部２２ｅを開閉可能に設けられている。点火プラグ２４は、例えば、吸気側開口部２２ｉと排気側開口部２２ｅに挟まれた領域に設置されている。

図２は、吸気側の吸気バルブ２３ｉ及び吸気バルブシート２５ｉの拡大断面図である。吸気バルブシート２５ｉは、吸気側開口部２２ｉの周りに固定された円環状の部品であり、燃焼室３０と隣接している。この吸気バルブシート２５ｉには吸気バルブ２３ｉが着座する。つまり、吸気バルブ２３ｉが吸気側開口部２２ｉを閉じるとき、吸気バルブ２３ｉは吸気バルブシート２５ｉと接触する。これにより、吸気通路２１ｉから燃焼室３０への吸気の供給が遮断される。

拡大図示されない排気側も同様である。排気バルブシート２５ｅは、排気側開口部２２ｅの周りに固定された円環状の部品であり、燃焼室３０と隣接している。この排気バルブシート２５ｅには排気バルブ２３ｅが着座する。つまり、排気バルブ２３ｅが排気側開口部２２ｅを閉じるとき、排気バルブ２３ｅは排気バルブシート２５ｅと接触する。これにより、燃焼室３０から排気通路２１ｅへの排気の排出が遮断される。

以下の説明において、吸気バルブシート２５ｉと排気バルブシート２５ｅを区別する必要がないときは、それらをまとめて「バルブシート２５」と呼ぶ場合がある。

図３は、Ｚ方向から見たときの複数のバルブシート２５の配置の一例を示すＸＹ平面図である。本例では、単一の燃焼室３０に対して２個の吸気バルブ２３ｉ及び２個の排気バルブ２３ｅが設けられた４バルブ形式の場合が示されている（但し、バルブ形式はそれに限定されない）。２個の吸気バルブ２３ｉのそれぞれに対し、２個の吸気バルブシート２５ｉ１、２５ｉ２が配置されている。また、２個の排気バルブ２３ｅのそれぞれに対し、２個の排気バルブシート２５ｅ１、２５ｅ２が配置されている。

図３に示されるように、複数のバルブシート２５（２５ｉ１、２５ｉ２、２５ｅ１、２５ｅ２）は、中心軸Ｃの周りに配置されている。ここで、図３に示されるような燃焼室３０の「中央領域ＣＲ」を考える。この中央領域ＣＲは、中心軸Ｃを含み、且つ、複数のバルブシート２５によって囲まれた領域である。言い換えれば、中心軸Ｃを中心として考えたとき、複数のバルブシート２５の各々は、中央領域ＣＲよりも径方向外側に配置されている。逆に言えば、中央領域ＣＲは、各バルブシート２５の配置位置よりも径方向内側に位置している。

図４は、本実施の形態におけるバルブシート２５の特徴を説明するためのＸＹ平面図である。図４では、図３の場合と同様にＺ方向から見たときの、１つのバルブシート２５及び中央領域ＣＲが示されている。本実施の形態に係るバルブシート２５は、その内部に、冷却媒体が流れる流路４０（中空部）を有している。より詳細には、円環状のバルブシート２５の内部において、流路４０は、その円環の周方向に沿って延在するように形成されている。つまり、流路４０も円環状に形成されている。但し、流路４０は、必ずしも円環状でなくてもよく、部分円環状であってもよい。

ここで、流路４０の延在方向に直交する面における流路４０の断面積を考える。この断面積は、図４中の線ｄ−ｄに沿った断面における断面積に相当する。線ｄ−ｄは、バルブシート２５の円環の径方向に平行である。本実施の形態において、流路４０の断面積は一様ではない。バルブシート２５は、流路４０の断面積が大きい部分と小さい部分とを有している。

例えば、図４に示されるような２つの位置Ａ、Ｂを考える。第１位置Ａは中央領域ＣＲから比較的遠く、第２位置Ｂは中央領域ＣＲに比較的近い。つまり、第２位置Ｂは、第１位置Ａと比較して、中央領域ＣＲにより近い。そして、第２位置Ｂにおける流路４０の断面積（第２断面積）は、第１位置Ａにおける流路４０の断面積（第１断面積）よりも大きくなっている。例えば、図４に示されるＸＹ平面において、第２位置Ｂにおける流路４０の幅は、第１位置Ａにおける流路４０の幅よりも大きくなっている。流路４０の幅は、中央領域ＣＲに近づくにつれて大きくなってもよい。

図５は、図４中の線Ｐに沿ったバルブシート２５の断面構造を示している。線Ｐは、流路４０に沿って第１位置Ａと第２位置Ｂとの間を結んでいる。図５に示されるように、第２位置Ｂにおける流路４０の厚さは、第１位置Ａにおける流路４０の厚さよりも大きくなっている。流路４０の厚さは、中央領域ＣＲに近づくにつれて大きくなってもよい。

図６は、流路４０への冷却媒体の供給を説明するための概念図である。冷却媒体は、例えば水である。バルブシート２５は、流路４０に冷却媒体を注入するための注入孔４１と、流路４０から冷却媒体を排出するための排出孔４２を有している。また、内燃機関１は、冷却媒体の循環を制御する制御システム１００を備えている。制御システム１００は、注入孔４１を通して冷却媒体を流路４０に注入し、また、排出孔４２を通して流路４０から排出された冷却媒体を受け取る。このような制御システム１００としては、例えば、既存のウォータージャケットの制御システムを流用することが考えられる。あるいは、制御システム１００は、ウォータージャケットの制御システムから独立していてもよい。

バルブシート２５の流路４０に冷却媒体を供給することによって、バルブシート２５及びその周辺を冷却することができる。つまり、バルブシート２５そのものを冷却手段として活用することができる。バルブシート２５は燃焼室３０に隣接しているため、燃焼室３０を冷却する効率の観点からバルブシート２５は優れていると言える。つまり、燃焼室３０に隣接するバルブシート２５を冷却手段として利用することにより、燃焼室３０を効率的に冷却することが可能となる。

また、上述の通り、流路４０の断面積が大きい部分が、燃焼室３０の中央領域ＣＲの比較的近くに位置している。燃焼室３０の中央領域ＣＲの温度は、シリンダライナ１１により近い外側領域の温度よりも高くなる傾向にある。一方、流路４０の断面積が大きくなるほど、流路４０に沿った単位長さ当たりの表面積が大きくなり、より効率的に熱を吸収することが可能となる。すなわち、流路４０の断面積が大きい部分は、冷却能力が高いと言える。そのような高い冷却能力を有する部分を中央領域ＣＲの近くに配置することにより、高温となる中央領域ＣＲを効果的に冷却することが可能となる。

流路４０の断面積は、中央領域ＣＲに近づくにつれて大きくなってもよい。その場合、燃焼室３０内の温度分布に即した冷却が可能となる。

更に、本実施の形態によれば、冷却媒体の総量が一定であっても、中央領域ＣＲに近い流路４０により多くの冷却媒体を分配することができる。詳細には、図６に示されるように、円環状の流路４０は、注入孔４１から排出孔４２に至る流路として、外側流路４０Ａと内側流路４０Ｂの２つを含んでいる。外側流路４０Ａは、断面積の小さい上記の第１位置Ａ（図４参照）を通る流路４０であり、中央領域ＣＲから比較的遠くに位置している。一方、内側流路４０Ｂは、断面積の大きい上記の第２位置Ｂ（図４参照）を通る流路であり、中央領域ＣＲの比較的近くに位置している。このとき、冷却媒体は、断面積の小さい外側流路４０Ａよりも、断面積の大きい内側流路４０Ｂの方を通りやすい。つまり、注入孔４１から注入された冷却媒体は、外側流路４０Ａよりも内側流路４０Ｂの方により多く分配される。よって、流路４０に供給可能な冷却媒体の総量が一定であっても、比較的多くの冷却媒体を内側流路４０Ｂの方に優先的に分配することができる。これにより、高温となる中央領域ＣＲを効率的に冷却することができる。一方、外側流路４０Ａにも少量ながらも冷却媒体が供給されるため、燃焼室３０の外側領域も冷却することができる。すなわち、本実施の形態によれば、限られた冷却資源の中で、燃焼室３０内の温度分布に即した効率的な冷却が可能となる。

外側流路４０Ａよりも内側流路４０Ｂの方に冷却媒体が流れやすくなるように、冷却媒体の注入方向及び冷却媒体の排出方向が設計されてもよい。例えば、図７に示されるように、冷却媒体の注入方向が外側流路４０Ａよりも内側流路４０Ｂに向かうように、注入孔４１が形成されてもよい。

次に、図８を参照して、バルブシート２５の配置の具体例を説明する。図８では、図３の場合と同様にＺ方向から見たときの、複数のバルブシート２５（２５ｉ１、２５ｉ２、２５ｅ１、２５ｅ２）及び中央領域ＣＲが示されている。本例では、中央領域ＣＲに含まれる「代表点Ｇ」を考える。各バルブシート２５において、代表点Ｇに最も近い位置は符号Ｋで示されている。このとき、流路４０の断面積が最近接位置Ｋにおいて最大となるように、各バルブシート２５は配置される。流路４０の断面積は、最近接位置Ｋに近づくにつれて大きくなってもよい。

代表点Ｇの設定としては、様々な例が考えられる。例えば、燃焼室３０における温度分布のピーク位置が、代表点Ｇに設定される。そのピーク位置は、必ずしも中心軸Ｃに一致せず、典型的には中心軸Ｃから排気側に少しずれる。温度分布のピーク位置は、実験あるいはシミュレーションを通して予め求めることができる。そのようなピーク位置が代表点Ｇに設定されると、そのピーク位置に最も近い位置Ｋにおいて流路４０の断面積が最大となる。これにより、燃焼室３０内の実際の温度分布に即したより効率的な冷却が可能となる。

他の例として、図９に示されるように、中心軸Ｃが代表点Ｇに設定されてもよい。この場合、中心軸Ｃに最も近い位置Ｋにおいて流路４０の断面積が最大となるように、各バルブシート２５が配置される。このような配置はシンプルであり、内燃機関１の設計及び組み立ての簡易さの観点から好適である。

更に他の例として、点火プラグ２４の設置位置が考慮されてもよい。点火プラグ２４は、燃焼室３０内の高温ガスにさらされる部品であり、高温になりやすい。高温による点火プラグ２４の故障を防ぐためには、点火プラグ２４を冷却することが望ましい。図１で示されたように点火プラグ２４が吸気側開口部２２ｉと排気側開口部２２ｅに挟まれた領域に設置される場合、ＸＹ平面において点火プラグ２４は中央領域ＣＲ内に位置する。従って、本実施の形態に係るバルブシート２５を冷却手段として利用することにより、燃焼室３０に加えて、点火プラグ２４をも効果的に冷却することが可能となる。特に、点火プラグ２４の位置が代表点Ｇに設定されると、点火プラグ２４に最も近い位置Ｋにおいて流路４０の断面積が最大となる。これにより、点火プラグ２４をより一層効果的に冷却することが可能となる。

尚、代表点Ｇが中央領域ＣＲ内に含まれる限り、「流路４０の断面積が大きい部分が中央領域ＣＲの比較的近くに位置する」という本実施の形態の傾向に変わりはない。

本実施の形態に係るバルブシート２５は、例えば、３Ｄプリンタによって作成可能である。あるいは、バルブシート２５は、流路４０をはさんで対向する２つの部品を接合することによって作成されてもよい。

以上に説明されたように、本実施の形態によれば、バルブシート２５が冷却媒体の流路４０を有している。従って、従来のウォータージャケットに加えて、バルブシート２５を新たな冷却手段として利用することが可能となる。これにより、燃焼室３０を冷却するためのトータルの冷却性能が増加する。特に、バルブシート２５は、燃焼室３０に隣接しており、燃焼室３０を冷却する効率の観点から優れている。燃焼室３０に隣接するバルブシート２５を冷却手段として利用することにより、燃焼室３０を効率的に冷却することが可能となる。

ここで、本実施の形態によれば、トータルの冷却性能を高めるために、従来のウォータージャケットの冷却性能を高める必要がないことに留意されたい。ウォータージャケットの冷却性能を高めるためには、ウォーターポンプの出力を増大させること、ウォーターポンプの数を増やすこと、ラジエータを大型化すること、等が必要である。しかし、これらのことは、内燃機関１及び車両のサイズ及び重量の増大を招く。本実施の形態によれば、そのような問題を招くことなく、冷却性能を向上させることが可能である。

更に、本実施の形態によれば、流路４０の断面積が大きい部分が、燃焼室３０の中央領域ＣＲの比較的近くに位置している。燃焼室３０の中央領域ＣＲの温度は、外側領域の温度よりも高くなる傾向にある。一方、流路４０の断面積が大きい部分の冷却能力は高い。そのような高い冷却能力を有する部分を中央領域ＣＲの近くに配置することにより、高温となる中央領域ＣＲを効果的に冷却することが可能となる。流路４０の断面積は、中央領域ＣＲに近づくにつれて大きくなってもよい。その場合、燃焼室３０内の温度分布に即した冷却が可能となる。

更に、本実施の形態によれば、冷却媒体は、断面積の小さい外側流路４０Ａよりも、断面積の大きい内側流路４０Ｂの方を通りやすい。つまり、注入孔４１から注入された冷却媒体は、外側流路４０Ａよりも内側流路４０Ｂの方により多く分配される。よって、流路４０に供給可能な冷却媒体の総量が一定であっても、比較的多くの冷却媒体を内側流路４０Ｂの方に優先的に分配することができる。これにより、高温となる中央領域ＣＲを効率的に冷却することができる。一方、外側流路４０Ａにも少量ながらも冷却媒体が供給されるため、燃焼室３０の外側領域も冷却することができる。すなわち、本実施の形態によれば、限られた冷却資源の中で、燃焼室３０内の温度分布に即した効率的な冷却が可能となる。

尚、少なくとも１つのバルブシート２５が流路４０を有していれば、本実施の形態の効果は得られる。当然、流路４０を有するバルブシート２５が増えるほど、より効果的である。好適には、全てのバルブシート２５が流路４０を有する。

＜第２の実施の形態＞
図１０は、本発明の第２の実施の形態におけるバルブシート２５の特徴を説明するためのＸＹ平面図である。図１０のフォーマットは、既出の図４のものと同じである。第１の実施の形態と重複する説明は適宜省略される。

本実施の形態に係るバルブシート２５は、放熱フィン５０を備えている。放熱フィン５０は、流路４０の壁面から流路４０内に延びるように形成されている。例えば、３Ｄプリンタを用いることによって、バルブシート２５の本体と一体的に放熱フィン５０を形成することができる。流路４０内に放熱フィン５０が配置されるため、冷却性能が更に向上する。

図１０に示される例では、放熱フィン５０は、中央領域ＣＲに近い領域に重点的に配置されている。これにより、高温となる中央領域ＣＲを効果的に冷却することが可能となる。より一般化すれば、放熱フィン５０の能力は、単位体積あたりの放熱フィン５０の表面積に依存し、その表面積が大きくなるほど高くなる。よって、中央領域ＣＲに比較的近い第２位置Ｂにおける表面積は、中央領域ＣＲから比較的遠い第１位置Ａにおける表面積よりも大きいことが好適である。これは、単位体積あたりの放熱フィン５０の表面積が、流路４０の断面積と同じ傾向を有することを意味する。中央領域ＣＲに近い第２位置Ｂにおいて放熱フィン５０の能力を高くすることにより、高温となる中央領域ＣＲを効果的に冷却することが可能となる。

放熱フィン５０の能力は、中央領域ＣＲに近づくにつれて高くなってもよい。図１０に示される例では、複数の放熱フィン５０が配置され、それら放熱フィン５０の幅が中央領域ＣＲに近づくにつれて大きくなっている。これにより、燃焼室３０内の温度分布に即した冷却が可能となる。

図１１は、図１０中の線ｄ−ｄに沿ったバルブシート２５の断面構造を示している。図１１に示される例では、複数の放熱フィン５０が配置され、それら放熱フィン５０の幅が燃焼室３０に近づくにつれて大きくなっている。つまり、単位体積あたりの放熱フィン５０の表面積は、燃焼室３０に近づくにつれて大きくなっている。これにより、高温の燃焼室３０の側をより効果的に冷却することが可能となる。

＜第３の実施の形態＞
図１２は、本発明の第３の実施の形態におけるバルブシート２５の特徴を説明するためのＸＹ平面図である。図１２のフォーマットは、既出の図４のものと同じである。図１３は、図１２中の線ｄ−ｄに沿ったバルブシート２５の断面構造を示している。第１の実施の形態と重複する説明は適宜省略される。

本実施の形態によれば、少なくとも一部の範囲６０において、流路４０が層状になっている。図１３に示される例では、流路４０内に仕切り６５が配置され、それにより流路４０が第１流路層４０−１と第２流路層４０−２に分断されている。尚、流路層の数は２に限られない。また、複数の流路層のそれぞれの厚さは同じでなくてもよい。

流路４０の断面積が大きくなると、その断面の中でも冷却媒体が流れやすい場所と流れにくい場所とが発生する可能性がある。例えば、冷却媒体が流路４０の上方に偏って流れ、流路４０の下方でよどむといった場合が考えられる。ここで、流路４０が層状に形成されると、それぞれの流路層に流れ（流線）が発生する。そのため、流路４０が層状に形成されない場合と比較して、流線の偏りや冷却媒体のよどみが抑制される。流線の偏りやよどみが抑制されるため、狙い通りの流量を実現しやすく、目標部位を確実に冷却することが可能となる。その点で、流路４０が層状となる範囲６０は、中央領域ＣＲに近い部分を少なくとも含んでいることが好ましい。

また、複数の流路層が存在する場合、その中の１つがゴミで詰まったとしても、他の流路層は活きている。よって、冷却を継続することができる。

＜第４の実施の形態＞
図１４は、本発明の第４の実施の形態における冷却媒体の供給制御を説明するための概念図である。図１４のフォーマットは、既出の図３のものと同じである。第１の実施の形態と重複する説明は適宜省略される。

本実施の形態によれば、冷却媒体の供給は、複数のバルブシート２５（２５ｉ１、２５ｉ２、２５ｅ１、２５ｅ２）のそれぞれについて独立に制御される。これにより、複数のバルブシート２５の温度を個別に管理することができ、細やかな冷却が可能となる。

＜第５の実施の形態＞
図１５は、本発明の第５の実施の形態における冷却媒体の供給制御を説明するための概念図である。図１５のフォーマットは、既出の図３のものと同じである。第１の実施の形態と重複する説明は適宜省略される。

本実施の形態によれば、２以上のバルブシート２５に対する冷却媒体の供給がまとめて制御される。まとめて制御される２以上のバルブシート２５のそれぞれの流路４０は、接続流路７０を介して順次接続される。そのような接続流路７０は、シリンダヘッド２０内に形成される。

図１５に示される例では、吸気側の２個の吸気バルブシート２５ｉ１、２５ｉ２のそれぞれの流路４０が、接続流路７０ｉを介して互いに接続されている。吸気バルブシート２５ｉ１、２５ｉ２の一方の流路４０に導入された冷却媒体は、接続流路７０ｉを介して、吸気バルブシート２５ｉ１、２５ｉ２の他方の流路４０に供給される。吸気側に対する冷却媒体の供給を一括で制御できるため、制御システム１００を単純化することができる。

同様に、排気側の２個の排気バルブシート２５ｅ１、２５ｅ２のそれぞれの流路４０が、接続流路７０ｅを介して互いに接続されている。排気バルブシート２５ｅ１、２５ｅ２の一方の流路４０に導入された冷却媒体は、接続流路７０ｅを介して、排気バルブシート２５ｅ１、２５ｅ２の他方の流路４０に供給される。排気側に対する冷却媒体の供給を一括で制御できるため、制御システム１００を単純化することができる。

また、図１５に示されるように、接続流路７０ｉ、７０ｅは、複数のバルブシート２５とともに中央領域ＣＲを取り囲んでいる。よって、接続流路７０ｉ、７０ｅを流れる冷却媒体も、中央領域ＣＲの冷却に寄与する。その点で、接続流路７０ｉ、７０ｅは、中央領域ＣＲになるべく近い位置に形成されると好適である。

図１６は、接続流路７０近傍の冷却媒体の流れを説明するための概念図である。接続流路７０は、接続流路７０ｉ、７０ｅのいずれかを表している。図１６には、注入孔４１が接続流路７０に接続されたバルブシート２５が示されている。第１の実施の形態で説明されたように、注入孔４１から排出孔４２に至る流路として、外側流路４０Ａと内側流路４０Ｂの２つが存在する。冷却媒体は、断面積の小さい外側流路４０Ａよりも、断面積の大きい内側流路４０Ｂの方を通りやすい。つまり、接続流路７０から注入された冷却媒体は、外側流路４０Ａよりも内側流路４０Ｂの方により多く分配される。これにより、高温となる中央領域ＣＲを効率的に冷却することができる。

外側流路４０Ａよりも内側流路４０Ｂの方に冷却媒体が流れやすくなるように、接続流路７０が設計されてもよい。例えば、図１７に示されるように、冷却媒体の注入方向が外側流路４０Ａよりも内側流路４０Ｂに向かうように、接続流路７０が形成されてもよい。流路４０から接続流路７０に冷却媒体を排出する側にも同様の議論を適用可能である。

＜第６の実施の形態＞
図１８は、本発明の第６の実施の形態における冷却媒体の供給制御を説明するための概念図である。図１８のフォーマットは、既出の図３のものと同じである。既出の実施の形態と重複する説明は適宜省略される。

上記の第５の実施の形態の場合と同じく、本実施の形態によれば、２以上のバルブシート２５に対する冷却媒体の供給がまとめて制御される。本実施の形態では、吸気バルブシート２５ｉと排気バルブシート２５ｅに対する冷却媒体の供給がまとめて制御される。

図１８に示される例では、吸気バルブシート２５ｉ１と排気バルブシート２５ｅ１のそれぞれの流路４０が、接続流路７０ａを介して互いに接続されている。ここで、冷却効率の観点から、温度が比較的低い吸気側から温度が比較的高い排気側に冷却媒体を流すことが好適である。そのため、図１８に示されるように、吸気バルブシート２５ｉ１の流路４０に導入された冷却媒体が、接続流路７０ａを介して、排気バルブシート２５ｅ１の流路４０に供給される。同様に、吸気バルブシート２５ｉ２と排気バルブシート２５ｅ２のそれぞれの流路４０が、接続流路７０ｂを介して互いに接続されている。そして、吸気バルブシート２５ｉ２の流路４０に導入された冷却媒体が、接続流路７０ｂを介して、排気バルブシート２５ｅ２の流路４０に供給される。

本実施の形態によれば、上記の第５の実施の形態の場合と同じく、一括制御によって制御システム１００を単純化することができる。また、接続流路７０ａ、７０ｂは、中央領域ＣＲになるべく近い位置に形成されると好適である。また、図１６及び図１７で説明された議論は、本実施の形態にも適用可能である。

＜第７の実施の形態＞
本発明の第７の実施の形態は、上記の第６の実施の形態の変形である。本実施の形態によれば、冷却媒体の流れ方向が、内燃機関１の運転状態に応じて切り替えられる。

例えば、内燃機関１の冷間始動を考える。冷間始動後、しばらくの間、暖機が遅い吸気側を暖めたいという要求がある。この場合、温度が比較的高い排気側から温度が比較的低い吸気側に冷却媒体を流すことによって、吸気側の温度上昇を促進することができる。そのため、冷間始動後、しばらくの間、図１９に示されるように、冷却媒体の流れ方向が図１８の場合と反対向きに設定される。すなわち、排気バルブシート２５ｅ１（２５ｅ２）の流路４０に導入された冷却媒体が、接続流路７０ａ（７０ｂ）を介して、吸気バルブシート２５ｉ１（２５ｉ２）の流路４０に供給される。吸気側の暖機が完了すると、冷却媒体の流れ方向は、図１８の状態に切り替えられる。

図２０は、本実施の形態における冷却媒体の供給制御を説明するためのフローチャートである。図２０に示されるフローは繰り返し実行される。

内燃機関１が始動すると（ステップＳ１；Ｙｅｓ）、各種センサを通して、内燃機関１の運転状態を示す各種パラメータの取得が行われる（ステップＳ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５）。各種パラメータとして、水温、新気流量（Ｇａ）の積算値、エンジン回転速度、エンジン負荷、冷却媒体の流量、等が挙げられる。

続いて、ステップＳ２〜Ｓ５で取得されたパラメータに基づいて、バルブシート２５の温度状況が予測される（ステップＳ６）。例えば、それらパラメータとバルブシート２５の温度状況との対応関係を示すマップがあらかじめ用意される。そのマップを参照することによって、バルブシート２５の温度状況を予測することができる。

続いて、バルブシート２５の温度状況に基づいて、吸気側の暖機が必要か否かが判定される。例えば、バルブシート２５の予測温度が閾値より低い場合、吸気側の暖機が必要と判定される。

吸気側の暖機が要求される場合（ステップＳ７；Ｙｅｓ）、冷却媒体の流れ方向は、図１９で示された状態に設定される（ステップＳ８）。これにより、吸気側の温度上昇を促進することができる。特に、低温冷間始動の間（ステップＳ９；Ｙｅｓ）は、冷却媒体の流量が増加するよう制御が行われてもよい（ステップＳ１０）。

一方、吸気側の暖機が要求されない場合（ステップＳ７；Ｎｏ）、冷却媒体の流れ方向は、図１８で示された状態に設定される（ステップＳ１１）。高温高負荷運転の間（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）は、冷却媒体の流量が増加するよう制御が行われてもよい（ステップＳ１０）。

＜第８の実施の形態＞
矛盾しない限りにおいて、上述の第１〜第７の実施の形態のうち複数を組み合わせることも可能である。

１ 内燃機関
１０ シリンダブロック
１１ シリンダライナ
１５ ピストン
２０ シリンダヘッド
２１ｉ 吸気通路
２１ｅ 排気通路
２２ｉ 吸気側開口部
２２ｅ 排気側開口部
２３ｉ 吸気バルブ
２３ｅ 排気バルブ
２４ 点火プラグ
２５ バルブシート
２５ｉ、２５ｉ１、２５ｉ２ 吸気バルブシート
２５ｅ、２５ｅ１、２５ｅ２ 排気バルブシート
３０ 燃焼室
４０ 流路
４０Ａ 外側流路
４０Ｂ 内側流路
４０−１ 第１流路層
４０−２ 第２流路層
４１ 注入孔
４２ 排出孔
５０ 放熱フィン
６５ 仕切り
７０、７０ｉ、７０ｅ、７０ａ、７０ｂ 接続流路
１００ 制御システム
Ｃ 中心軸
ＣＲ 中央領域

Claims (17)

1. シリンダヘッドとシリンダライナとピストンによって囲まれた燃焼室を具備し、
   前記シリンダヘッドは、前記燃焼室に隣接するバルブシートを備え、
   前記シリンダライナの筒形状の中心軸に平行な方向から見たとき、前記バルブシートは、前記中心軸を含む前記燃焼室の中央領域よりも外側に配置されており、
   前記バルブシートは、冷却媒体の流路を内部に有し、
   前記流路の延在方向に直交する面における前記流路の断面積を考えたとき、前記断面積が第１断面積である第１位置と、前記断面積が前記第１断面積より大きい第２断面積である第２位置とが存在し、
   前記第２位置は、第１位置と比較して、前記中央領域により近い
   内燃機関。
2. 請求項１に記載の内燃機関であって、
   前記バルブシートは、
   前記流路に前記冷却媒体を注入するための注入孔と、
   前記流路から前記冷却媒体を排出するための排出孔と
   を有し、
   前記流路は、環状であり、前記注入孔から前記排出孔に至る外側流路と内側流路を含み、
   前記外側流路は、前記第１位置を通り、
   前記内側流路は、前記第２位置を通り、前記外側流路と比較して前記中央領域により近い
   内燃機関。
3. 請求項２に記載の内燃機関であって、
   前記注入孔から注入された前記冷却媒体は、前記外側流路よりも前記内側流路の方により多く分配される
   内燃機関。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の内燃機関であって、
   前記断面積は、前記中央領域に近づくにつれて大きくなる
   内燃機関。
5. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の内燃機関であって、
   前記中心軸に平行な方向から見たとき、前記燃焼室における温度分布のピーク位置は、前記中央領域に含まれ、
   前記断面積は、前記ピーク位置に最も近い位置において最大となる
   内燃機関。
6. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の内燃機関であって、
   前記中心軸に平行な方向から見たとき、前記シリンダヘッドが有する点火プラグは前記中央領域内に位置しており、
   前記断面積は、前記点火プラグに最も近い位置において最大となる
   内燃機関。
7. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の内燃機関であって、
   前記断面積は、前記中心軸に最も近い位置において最大となる
   内燃機関。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の内燃機関であって、
   前記バルブシートは、前記流路内に形成された放熱フィンを備える
   内燃機関。
9. 請求項８に記載の内燃機関であって、
   単位体積あたりの前記放熱フィンの表面積は、前記第１位置よりも前記第２位置においてより大きい
   内燃機関。
10. 請求項８又は９に記載の内燃機関であって、
    単位体積あたりの前記放熱フィンの表面積は、前記燃焼室に近づくにつれて大きくなる
    内燃機関。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の内燃機関であって、
    前記流路は、少なくとも一部の範囲において層状になっている
    内燃機関。
12. 請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の内燃機関であって、
    前記バルブシートの数は複数であり、
    前記冷却媒体の供給は、前記複数のバルブシートのそれぞれについて独立に制御される
    内燃機関。
13. 請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の内燃機関であって、
    前記バルブシートの数は複数であり、
    前記複数のバルブシートは、第１バルブシートと第２バルブシートを含み、
    前記シリンダヘッドは、前記第１バルブシートの前記流路と前記第２バルブシートの前記流路との間をつなぐ接続流路を更に備え、
    前記第１バルブシートと前記第２バルブシートの一方の前記流路に導入された前記冷却媒体は、前記接続流路を介して、前記第１バルブシートと前記第２バルブシートの他方の前記流路に供給される
    内燃機関。
14. 請求項１３に記載の内燃機関であって、
    前記第１バルブシートと前記第２バルブシートは共に、吸気側の吸気バルブシート、あるいは、排気側の排気バルブシートである
    内燃機関。
15. 請求項１３に記載の内燃機関であって、
    前記第１バルブシートは、吸気側の吸気バルブシートであり、
    前記第２バルブシートは、排気側の排気バルブシートである
    内燃機関。
16. 請求項１５に記載の内燃機関であって、
    前記吸気バルブシートの前記流路に導入された前記冷却媒体が、前記接続流路を介して、前記排気バルブシートの前記流路に供給される
    内燃機関。
17. 請求項１５に記載の内燃機関であって、
    前記吸気側の暖機が要求される場合、前記排気バルブシートの前記流路に導入された前記冷却媒体が、前記接続流路を介して、前記吸気バルブシートの前記流路に供給され、
    前記吸気側の暖機が要求されない場合、前記吸気バルブシートの前記流路に導入された前記冷却媒体が、前記接続流路を介して、前記排気バルブシートの前記流路に供給される
    内燃機関。

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