JP2018123803A - 往復式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】往復式内燃機関の始動時において未燃や不完全燃焼となる燃料の量を低減する。【解決手段】ピストン１５が組み込まれるシリンダ１０と、クランクシャフト１８を支持する上部クランクケース３０と、を有するエンジン１００において、シリンダ１０と上部クランクケース３０との間の熱抵抗がシリンダ１０と上部クランクケース３０とが直接接触した場合の熱抵抗よりも大きくなるようにシリンダ１０を上部クランクケース３０に取り付ける。【選択図】図１

Description

本発明は、往復式内燃機関の構造に関する。

エンジン等の往復式内燃機関は、燃料をシリンダの中で燃焼させてピストンを往復運動させ、ピストンの往復運動をコンロッドとクランクシャフトによって回転運動に変換して外部に回転動力を出力するものである。

このような往復式内燃機関は、ピストンが組み込まれる円筒形のシリンダとクランクシャフトを支持するクランクケースの上半分とを一体鋳造したブロックとし、クランクケースの下半分をクランクケースの上半分にボルトで締結する構造となっている。また、吸気弁、排気弁、カムシャフト等が組み込まれたシリンダヘッドはシリンダの上側にボルトで締結する構造となっている。シリンダとクランクケースの上半分とが一体になった鋳造構造物は、シリンダヘッドと呼ばれる（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２００３−２４７４５４号公報 特開平５−２９６１０３号公報

ところで、往復式内燃機関の始動時においては、シリンダヘッドとピストンとシリンダとで構成される燃焼室の壁面温度が低いため、燃料の一部が気化せず、燃焼せずに未燃状態で排気されたり、燃焼火炎が温度の低い壁面近傍で消炎してしまうことにより燃料の不完全燃焼が発生したりする。このような未燃燃料や不完全燃焼した排ガスは大気汚染に影響を与える未燃炭化水素、一酸化炭素等を多く含んでいる。

一方、始動時の往復式内燃機関の燃焼室の壁面温度は、燃焼によって加わる熱量と、熱伝導によって往復式内燃機関の各部分に拡散する熱量のバランスによって決定される。拡散熱量は、往復式内燃機関の各構造物の熱容量で決まってくるため、往復式内燃機関の構造によっては、始動時の壁面温度の上昇率が低く、未燃や不完全燃焼となる燃料の量が多くなってしまうという問題があった。

そこで、本発明は、往復式内燃機関の始動時において、未燃や不完全燃焼となる燃料の量を低減することを目的とする。

本発明の往復式内燃機関は、ピストンが組み込まれるシリンダと、クランクシャフトを支持する上部クランクケースと、を有し、前記シリンダと前記上部クランクケースとの間の熱抵抗が前記シリンダと前記上部クランクケースとが直接接触した場合の熱抵抗よりも大きくなるように前記シリンダが前記上部クランクケースに取り付けられていることを特徴とする。

本発明の往復式内燃機関において、前記シリンダは、前記シリンダの熱抵抗、あるいは、前記上部クランクケースの熱抵抗よりも大きな熱抵抗を有するスペーサを介して前記上部クランクケースに取り付けられてもよい。

本発明の往復式内燃機関において、前記スペーサが内部に空隙を有してもよい。

本発明の往復式内燃機関において、前記シリンダは前記ピストンの往復方向の一端に外径が他の部分よりも小さい段部を有し、前記上部クランクケースは前記段部が差し込まれる孔を有し、前記クランクシャフトの回転軸に向かう第１方向の前記シリンダと前記上部クランクケースとの間の熱抵抗を前記第１方向と直交すると共に前記ピストンの前記往復方向とも直交する第２方向の前記シリンダと前記上部クランクケースとの間の熱抵抗よりも大きくしてもよい。

本発明の往復式内燃機関において、前記第１方向の隙間の大きさを前記第２方向の隙間の大きさよりも大きくしてもよい。

本発明は、往復式内燃機関の始動時において、未燃や不完全燃焼となる燃料の量を低減することができる。

本発明の実施形態のエンジンの断面図である。 図１に示すエンジンのシンリダの側面図（ａ）と平面図（ｂ）である。 図１に示すエンジンの上部クランクケースの平面図（ａ）と側面図（ｂ）である。 本発明の実施形態におけるエンジンの起動後のシリンダの平均温度とピストンの平均温度の変化と従来技術におけるエンジンの起動後のシリンダの平均温度とピストンの平均温度の変化を示すグラフである。 図１に示すエンジンにおける他のスペーサを示す説明図である。 図１に示すエンジンにおける他のスペーサを示す説明図である。 本発明の他の実施形態のエンジンの断面図である。 図７に示すエンジンのシリンダの側面図（ａ）と平面図（ｂ）である。 図３に示す上部クランクケースに図８に示すシリンダを取り付けた状態を示す平面図である。 図７に示すエンジンのシリンダの熱拡散とスラスト力の伝達を示す説明図である。

以下、図面を参照しながら、実施形態の往復式内燃機関であるエンジン１００について説明する。図１に示すように、エンジン１００は、ピストン１５が組み込まれるシリンダ１０と、クランクシャフト１８を支持する上部クランクケース３０と、上部クランクケース３０の下部を覆う下部クランクケース４０と、シリンダ１０の上部に取り付けられるシリンダヘッド６０とを有している。

図１、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、シリンダ１０は、内部にピストン１５が往復動する円形状の孔であるボア１２が４つ一列に配置された本体１１と、本体１１の周囲に配置されたウォータジャケット１３と、本体１１の下部に設けられて本体１１の側面から突出する四角平面形状のフランジ１４とを有している。フランジ１４にはスタッドボルト６１が貫通する孔２０が設けられている。なお、本実施形態においては、クランクシャフト１８の中心軸７３の延びる方向をＹ方向、ボア１２の中心軸７２の延びるピストン１５の往復方向をＺ方向、ボア１２の中心軸７２に垂直な面内にあってクランクシャフト１８の中心軸７３と直交する一点鎖線７１の延びる方向をＸ方向として説明する。Ｙ方向は、請求項に記載の第１方向、Ｘ方向は、Ｙ方向とＺ方向とに直交する方向であり、請求項に記載の第２方向に対応する。

図１、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、上部クランクケース３０は、略半円筒形状の本体３１の上部に平面状の台座面３２ａを有する台座部３２が形成され、下部には側面から突出する四角平面状のフランジ３３が形成されている。台座面３２ａは、シリンダ１０のフランジ１４と略同様の大きさで、シリンダ１０のボア１２に対応する位置には、コンロッド１６が貫通する孔３８が設けられている。台座部３２の周辺部にはスタッドボルト６１の下端のねじ部がねじ込まれるねじ穴３４が形成されている。フランジ３３には、下部クランクケース４０を取り付けるボルト５１が貫通する孔３５が設けられている。また、孔３８の間には、クランクシャフト１８を支持する軸受３６が設けられている。軸受３６の下側には、軸受キャップ４５が取り付けられている。

図１に示すように、下部クランクケース４０は、上部クランクケース３０と同様、略半円筒状の本体４１の上部に側面から突出するフランジ４２が設けられている。フランジ４２は上部クランクケース３０のフランジ３３と同一形状で、フランジ３３の孔３５に対応する位置に孔４３が設けられている。

図１に示すように、シリンダ１０のフランジ１４の下面１４ａと上部クランクケース３０の上部の台座面３２ａとの間には、スペーサ２１が挟みこまれている。シリンダ１０とスペーサ２１と、シリンダヘッド６０とは、上部クランクケース３０の台座部３２のねじ穴３４にねじ込まれたスタッドボルト６１とナット６２によって共締めされて上部クランクケース３０に取り付けられている。また、図１に示すように、下部クランクケース４０のフランジ４２は上部クランクケース３０のフランジ３３にボルト５１とナット５２とによって取り付けられている。

ピストン１５は、シリンダ１０のボア１２と略同一径の円柱形で、シリンダ１０のボア１２の中をＺ方向に往復動するように取り付けられている。ピストン１５の下部には、ピストンに対して回転自在にコンロッド１６が取り付けられている。コンロッド１６の下端部１７は、クランクシャフト１８に回転自在に接続されている。クランクシャフト１８には、バランスウェイト１９が取り付けられている。

図１に示すエンジン１００において、シリンダヘッド６０の熱容量と、シリンダ１０の熱容量と、上部クランクケース３０とクランクシャフト１８と軸受３６と軸受キャップ４５の合計熱容量とは、略２：１：３の比率になっている。このように、上部クランクケース３０とクランクシャフト１８と軸受３６と軸受キャップ４５の合計熱容量は、エンジン１００の熱容量の略半分を占めている。燃料の燃焼はシリンダヘッド６０とピストン１５とシリンダ１０とで構成される燃焼室８０において行われ、燃焼による熱は、シリンダ１０からシリンダヘッド６０および上部クランクケース３０に伝達される。従来技術のエンジンでは、シリンダ１０と上部クランクケース３０とが一体の鋳造品で構成されているため、燃焼による熱がシリンダ１０から上部クランクケース３０に拡散し、始動時の燃焼室８０の壁面温度の上昇率が低く、未燃や不完全燃焼となる燃料の量が多くなってしまう場合があった。

そこで、本実施形態のエンジン１００では、図１に示すように、シリンダ１０と上部クランクケース３０とを別部品で構成し、シリンダ１０のフランジ１４の下面１４ａと上部クランクケース３０の台座面３２ａとの熱抵抗がフランジ１４の下面１４ａと台座面３２ａとが直接接触した場合の熱抵抗よりも大きな熱抵抗となるように、フランジ１４の下面１４ａと台座面３２ａとの間に熱伝導率が金属材料よりも小さい材料で構成されたスペーサ２１を挟みこむ構成とした。この構成により、燃焼による熱がシリンダ１０から上部クランクケース３０に伝わりにくくなり、燃焼室８０の壁面温度の上昇率を高くして、図４に示すように、従来技術のエンジンに比較して短時間に燃焼室の壁面温度を上昇させることができる。

図４は、本実施形態におけるエンジン１００の起動後のシリンダ１０の平均温度とピストン１５の平均温度の変化と従来技術におけるエンジンの起動後のシリンダの平均温度とピストンの平均温度の変化を示すグラフである。図４において、実線ａは、本実施形態のエンジン１００における始動後のシリンダ１０の平均温度の変化を示し、一点鎖線ｃは、本実施形態のエンジン１００における始動後のピストン１５の平均温度の変化を示す。また、図４において、破線ｂは、従来技術のエンジンにおける始動後のシリンダの平均温度の変化を示し、二点鎖線ｄは、従来技術のエンジンにおける始動後のピストンの平均温度の変化を示す。図４から明らかなように、本実施形態のエンジン１００のシリンダ１０の平均温度、ピストン１５の平均温度の温度上昇率は共に従来技術におけるエンジンのシリンダに平均温度、ピストンの温度上昇率よりも高くなっている。このため、本実施形態のエンジン１００は、従来技術のエンジンに比較して短時間に燃焼室８０の壁面温度を上昇させることができ、始動時に未燃や不完全燃焼となる燃料の量を低減することができる。

スペーサ２１は、金属製のシリンダ１０の熱抵抗、あるいは、金属製の上部クランクケース３０の熱抵抗よりも大きな熱抵抗を有する材料で構成されていればどのような材料でも良いが、例えば、熱伝導率が金属材料よりも小さいポリイミド樹脂等の耐熱性樹脂で構成してもよい。

また、図１に示すスペーサ２１に代えて、図５（ａ）、（ｂ）に示すように内部に空隙を有するスペーサ２３を用いてもよい。内部の空隙を有する構造は、図５（ｂ）に示すように、内部のトラス２５を上下の平板２４、２６で挟み込んだ構造とし、上下方向の剛性を保ちつつ内部に空隙を持たせたものでよい。このような構成は、例えば、三次元プリンタ等を用いることによって製造することができる。このスペーサ２３は、内部の空隙により大きな熱抵抗を有するので、図１に示すスペーサ２１よりもより効果的にシリンダ１０から上部クランクケース３０に燃焼による熱が拡散することを抑制できるので、より短時間に燃焼室８０の壁面温度を上昇させることができ、始動時に未燃や不完全燃焼となる燃料の量をより低減することができる。

また、内部に空隙を有するスペーサ２３の構成は、図５（ａ）、図５（ｂ）に示す構成に限らず、例えば、図６に示すようなハニカム構造２７を平板２８、２９で挟みこんだ構成としてもよい。

次に、図７から図１０を参照しながら他の実施形態のエンジン１２０について説明する。先に、図１から図４を参照して説明した実施形態のエンジン１００と同様の部分には、同様の符号を付し説明は省略する。

図７に示すように、本実施形態のエンジン１２０は、図１から図４を参照して説明したエンジン１００のシリンダ１０のＺ方向下側、つまり、ピストン１５の往復方向の下端側に上部クランクケース３０の台座部３２に設けられた孔３８に差し込まれるスカート３７を設けたものである。図８に示すように、スカート３７は、外径がシリンダ１０の他の部分よりも小さい段部となっており、内径がシリンダ１０に設けられたボア１２と同一であり、フランジ１４の下面１４ａからＺ方向下側に向かって延びている。エンジン１２０の上部クランクケース３０は、図３を参照して説明したエンジン１００の上部クランクケース３０と同一構造である。

往復式内燃機関であるエンジン１２０では、ピストン１５とクランクシャフト１８によって往復動を回転運動に変換する際に、シリンダ１０のボア１２の中心軸７２と直角方向であるＸ方向、つまり、ピストン１５の往復方向およびクランクシャフト１８の軸方向とに直交する方向、に向かってシリンダ１０に対してスラスト力が加わる。一方、クランクシャフト１８の軸方向であるＹ方向にはスラスト力はかからない。このため、本実施形態のエンジン１２０では、スラスト力がかかるＸ方向では、シリンダ１０のスカート３７が上部クランクケース３０の孔３８の内面に接してシリンダ１０から上部クランクケース３０にスラスト力を伝達できるようにし、スラスト力がかからないＹ方向では、スカート３７と上部クランクケース３０の孔３８との間に隙間を設けてＸ方向よりも熱抵抗を大きくし、シリンダ１０から上部クランクケース３０に熱が拡散しないように構成している。

図９に示すように、スカート３７の外面は、上部クランクケース３０の孔３８の内径と同一の外径で孔３８の内面に接する接触部分３７ａと、孔３８の内径よりも直径が小さく孔３８の内面との間に隙間３７ｃができる離間部分３７ｂとで構成されている。接触部分３７ａはシリンダ１０に加わるＸ方向のスラスト力をシリンダ１０から上部クランクケース３０に伝達できるように、Ｘ方向から角度が±θ１の範囲に形成されている。角度θ１の大きさは任意であるが、例えば、３０°から４５°の範囲であって良い。離間部分３７ｂは、スラスト力の加わらないＹ方向のスカート３７の面に形成されている。離間部分３７ｂは、Ｙ方向から角度が±θ２の範囲に形成されている。角度θ２の大きさは任意であるが、例えば、４５°から６０°の範囲であってよい。ただし、角度θ１と角度θ２との合計角度は９０°以下である。

図９に示すように、離間部分３７ｂは、Ｙ方向において孔３８の内面との隙間３７ｃが最大となり、Ｙ方向からの角度が増加するに従って孔３８の内面との隙間３７ｃが狭くなり、Ｙ方向からの角度がθ２で隙間３７ｃはゼロとなる。そして、Ｙ方向からの角度がθ２で離間部分３７ｂは接触部分３７ａに移行する。このように、Ｙ方向の隙間３７ｃの大きさはＸ方向の隙間の大きさより大きくなっている。離間部分３７ｂの形状は、任意であるが、例えば、楕円面によって構成するようにしてもよい。離間部分３７ｂは、スカート３７の表面と孔３８の内面との間に空気層を有するので、接触部分３７ａよりも熱抵抗が大きくなっている。

図１０に示すように、エンジン１２０が始動すると、シリンダ１０には図中に矢印ｆで示すように、Ｘ方向にスラスト力が加わる。シリンダ１０に加わったスラスト力は、図９に示す接触部分３７ａを通して上部クランクケース３０に伝達される。この際、燃焼によって発生した熱も矢印ｆに示すようにシリンダ１０から接触部分３７ａを伝わって上部クランクケース３０に拡散してくる。しかし、スラスト力を受ける上部クランクケース３０の部分には、厚肉構造の軸受３６が設けられていないため、熱は、熱容量の小さい上部クランクケース３０の一部に拡散するのみで、熱容量の大きい軸受３６、クランクシャフト１８、軸受キャップ４５にはほとんど拡散しない。

また、燃焼によって発生した熱は、図１０中に破線で示す矢印ｇのように、シリンダ１０から離間部分３７ｂを通って熱容量の大きい上部クランクケース３０、軸受３６、クランクシャフト１８、軸受キャップ４５に拡散しようとする。しかし、離間部分３７ｂは、スカート３７の外面と孔３８の内面との間の空気層により熱抵抗が大きくなっているので、燃焼によって発生した熱は上部クランクケース３０に拡散しにくい。

以上説明したように、本実施形態のエンジン１２０は、熱容量の小さい上部クランクケース３０のＸ方向に接触部分３７ａを設け、熱容量の大きい上部クランクケース３０のＹ方向に接触部分３７ａよりも熱抵抗が大きい離間部分３７ｂを設けている。これにより、シリンダ１０に加わるＸ方向のスラスト力を上部クランクケース３０に伝達しつつ、シリンダ１０から上部クランクケース３０に拡散する熱を抑制できる。このため、本実施形態のエンジン１２０は、従来技術のエンジンに比較して短時間に燃焼室８０の壁面温度を上昇させることができ、始動時に未燃や不完全燃焼となる燃料の量を低減することができる。

１０ シリンダ、１１、３１、４１ 本体、１２ ボア、１３ ウォータジャケット、１４ フランジ、１４ａ 下面、１５ ピストン、１６ コンロッド、１７ 下端部、１８ クランクシャフト、１９ バランスウェイト、２０、３５、３８、４３ 孔、２１、２３ スペーサ、２４、２６、２８、２９ 平板、２５ トラス、２７ ハニカム構造、３０ 上部クランクケース、３２ 台座部、３２ａ 台座面、３３、４２ フランジ、３４ ねじ穴、３６ 軸受、３７ スカート、３７ａ 接触部分、３７ｂ 離間部分、３７ｃ 隙間、４０ 下部クランクケース、４５ 軸受キャップ、５１ ボルト、５２、６２ ナット、６０ シリンダヘッド、６１ スタッドボルト、７１ 一点鎖線、７２、７３ 中心軸、８０ 燃焼室、１００、１２０ エンジン。

Claims (5)

1. 往復式内燃機関であって、
   ピストンが組み込まれるシリンダと、
   クランクシャフトを支持する上部クランクケースと、を有し、
   前記シリンダと前記上部クランクケースとの間の熱抵抗が前記シリンダと前記上部クランクケースとが直接接触した場合の熱抵抗よりも大きくなるように前記シリンダが前記上部クランクケースに取り付けられている往復式内燃機関。
2. 請求項１に記載の往復式内燃機関において、
   前記シリンダは、前記シリンダの熱抵抗、あるいは、前記上部クランクケースの熱抵抗よりも大きな熱抵抗を有するスペーサを介して前記上部クランクケースに取り付けられている往復式内燃機関。
3. 請求項２に記載の往復式内燃機関において、
   前記スペーサが内部に空隙を有する往復式内燃機関。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の往復式内燃機関であって、
   前記シリンダは前記ピストンの往復方向の一端に外径が他の部分よりも小さい段部を有し、
   前記上部クランクケースは前記段部が差し込まれる孔を有し、
   前記クランクシャフトの回転軸に向かう第１方向の前記シリンダと前記上部クランクケースとの間の熱抵抗を前記第１方向と直交すると共に前記ピストンの前記往復方向とも直交する第２方向の前記シリンダと前記上部クランクケースとの間の熱抵抗よりも大きくした往復式内燃機関。
5. 請求項４に記載の内燃機関において、
   前記第１方向の隙間の大きさを前記第２方向の隙間の大きさよりも大きくした往復式内燃機関。

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