JP2020076364A - 圧縮自着火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】断熱膜を備える圧縮自着火式内燃機関の冷間始動時の着火性を向上する技術を提供する。【解決手段】シリンダヘッド１２の底面１８には、第１断熱膜Ｃ１および第２断熱膜Ｃ２が形成されている。第１断熱膜Ｃ１は、陽極酸化層から構成されている。陽極酸化層は、底面１８の母材の陽極酸化処理により得られる。第１断熱膜Ｃ１は、陽極酸化層の細孔の開口を封じる封孔層を有してもよい。第２断熱膜Ｃ２は、塗工層から構成される。塗工層は、多孔質セラミックスの焼成処理により得られる。第１断熱膜Ｃ１は、底面１８の外周部に形成されている。第２断熱膜Ｃ２は、底面１８の中央部に形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、圧縮自着火式内燃機関に関する。

特開２０１７−１４１７１６号公報は、燃焼室の壁面を構成するシリンダヘッドの表面に断熱膜を備える圧縮自着火式内燃機関を開示する。このシリンダヘッドは、吸気および排気ポートに相当する複数のポートと、インジェクタが取り付けられる第１孔と、グロープラグが取り付けられる第２孔と、を備えている。断熱膜は、いわゆる溶射膜である。溶射膜は、複数のポート、第１孔および第２孔の全ての開口部を除いた表面の全域に形成されている。

特開２０１７−１４１７１６号公報

溶射膜は、シリンダヘッドの母材よりも熱伝導率および単位体積当たりの熱容量において低い熱物性を有する。そのため、断熱膜が形成された領域（以下、「膜形成領域」ともいう。）の壁面の温度は、燃焼室内の作動ガスの温度に追従する。すなわち、内燃機関の膨張行程においては、燃焼室内で生じた燃焼ガスの温度に追従して膜形成領域の温度が上昇する。内燃機関の吸気行程においては、燃焼室に吸入された吸気の温度に追従して膜形成領域の温度が低下する。

内燃機関の冷間始動時は、燃焼室内の作動ガスの温度が低く、燃料が着火し難い。そのため冷間始動時においては、作動ガスを温めるためにグロープラグが駆動されるのが一般的である。しかし、上述したように、燃焼室に吸入された吸気は膜形成領域の温度を下げるので、グロープラグの駆動により生じた熱エネルギの一部が膜形成領域に奪われてしまい、燃料の着火性が改善しないおそれがある。

本発明の１つの目的は、断熱膜を備える圧縮自着火式内燃機関の冷間始動時の着火性を向上する技術を提供することにある。

第１の観点は、上述した課題を解決するための圧縮自着火式内燃機関であり、次の特徴を有する。
前記内燃機関は、燃焼室の壁面を構成するシリンダヘッドの表面に断熱膜を備える。
前記シリンダヘッドは、複数のポートと、第１孔と、第２孔と、を備える。
前記ポートは、吸気および排気ポートに相当する。
前記第１孔には、インジェクタが取り付けられる。
前記第２孔には、グロープラグが取り付けられる。
前記ポートの開口部は、前記表面の外周部に位置する。
前記第１孔の開口部は、前記表面の中央部に位置する。
前記第２孔の開口部は、前記中央部、且つ、前記ポートの開口部のうちの隣り合う２つの間に位置する。
前記断熱膜は、第１および第２断熱膜を含む。
前記第１断熱膜は、前記シリンダヘッドの母材よりも低い熱伝導率と、前記母材よりも低い単位体積当たりの熱容量と、を有する。
前記第２断熱膜は、前記母材よりも低い熱伝導率と、前記第１断熱膜よりも高い単位体積当たりの熱容量と、を有する。
前記第１断熱膜が、前記外周部に位置する領域であって、前記ポートの開口部のうちの隣り合う２つの間の領域に形成される。
前記第２断熱膜が、前記中央部に位置する領域であって、前記第１孔の開口部と中心を共有し、前記第１孔および第２孔の開口部の中心間距離を半径とする仮想円よりも内側の領域に形成される。

第１の観点によれば、燃焼室の壁面を構成するシリンダヘッドの表面の外周部に位置する領域であって、複数のポートの開口部のうちの隣り合う２つの間の領域に第１断熱膜が形成される。第１断熱膜は、母材よりも低い熱伝導率と、母材よりも低い単位体積当たりの熱容量と、を有する。したがって、第１断熱膜によれば、圧縮自着火式内燃機関の冷却損失の低減に寄与することができる。

また、第１の観点によれば、上記表面の中央部に位置する領域であって、前記第１孔の開口部と中心を共有し、且つ、第１孔および第２孔の開口部の中心間距離を半径とする仮想円よりも内側の領域に第２断熱膜が形成される。第２断熱膜は、母材よりも低い熱伝導率を有する。そのため、第２断熱膜によれば、上記内側の領域に第２断熱膜を形成しない場合に比べて、圧縮自着火式内燃機関の冷却損失の低減に寄与することができる。

また、第２断熱膜は、第１断熱膜よりも高い単位体積当たりの熱容量を有する。そのため、上記内側の領域に第１断熱膜が形成される場合に比べて、膜形成領域を高温に保つことが可能になる。したがって、冷間始動時においてグロープラグの駆動により生じた熱エネルギの一部が第２断熱膜に奪われたとしても、膜形成領域の周囲の作動ガスの温度が低下するのを抑えることができる。したがって、冷間始動時の着火性を向上することが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る圧縮自着火式内燃機関の断面模式図である。 図１のピストンの頂面から見たシリンダヘッドの底面の平面模式図である。 陽極酸化層および塗工層の熱物性の一例を示した図である。 本発明の実施の形態２に係る圧縮自着火式内燃機関の断面模式図である。 図４のピストンの斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、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３を参照しながら本発明の実施の形態１について説明する。

１．内燃機関の構成
図１は、本発明の実施の形態１に係る圧縮自着火式内燃機関（以下、「ディーゼルエンジン」ともいう。）の断面模式図である。図１に示すディーゼルエンジン１０は、車両に搭載される４ストローク型のレシプロエンジンである。図１に示すように、ディーゼルエンジン１０は、シリンダヘッド１２と、シリンダブロック１４と、ピストン１６と、を備えている。シリンダヘッド１２は、シリンダブロック１４にガスケット（不図示）を介して取り付けられている。ピストン１６は、シリンダブロック１４に形成されるシリンダ内に収容されており、このシリンダ内を上下方向に移動する。

シリンダヘッド１２の底面１８と、シリンダブロック１４の内周面２０と、ピストン１６の頂面２２と、で囲まれるスペースは、燃焼室２４を形成する。つまり、底面１８、内周面２０および頂面２２は、燃焼室２４の壁面を構成する。頂面２２の中央部には、キャビティ２６が形成されている。キャビティ２６も燃焼室２４の一部を構成する。

シリンダヘッド１２には、インジェクタ２８が取り付けられている。インジェクタ２８の先端には、複数の噴孔が放射状に形成されている。インジェクタ２８が駆動されると、これらの噴孔からキャビティ２６に向けて燃料が放射状に噴射される。

シリンダヘッド１２には、また、２つの吸気ポート３０が形成されている。これらの吸気ポート３０には、吸気バルブ３２がそれぞれ設けられている。これらの吸気バルブ３２が駆動されると、吸気ポート３０と燃焼室２４が連通する。吸気ポート３０同様、シリンダヘッド１２には、２つの排気ポート３４が形成されている。これらの排気ポート３４には、排気バルブ３６がそれぞれ設けられている。

図２は、頂面２２から見た底面１８の平面模式図である。図２に示すように、底面１８の外周部には、合計４つの吸気ポート３０および排気ポート３４の開口部が概ね均等の間隔で位置している。底面１８の中央部には、第１孔３８が開口している。第１孔３８は、図１で説明したインジェクタ２８を取り付けるための孔である。

底面１８の中央部には、第２孔４０が開口している。第２孔４０の開口部は、２つの吸気ポート３０の開口部の間に位置している。ただし、第２孔４０の開口部の位置は、２つの排気ポート３４の開口部の間でもよいし、隣り合う吸気ポート３０と排気ポート３４の開口部の間でもよい。第２孔４０は、グロープラグを取り付けるための孔である。グロープラグは、冷間始動時の燃料の着火促進を図ることを主たる目的として取り付けられる。グロープラグは、燃焼室２４内の圧力（筒内圧）を検出する機能を有していてもよい。

２．断熱膜
図１および２に示すように、底面１８の所定領域には、第１断熱膜Ｃ１および第２断熱膜Ｃ２が形成されている。

２．１ 第１断熱膜Ｃ１
第１断熱膜Ｃ１は、陽極酸化層から構成されている。陽極酸化層は、底面１８の母材（具体的には、アルミニウム合金）の陽極酸化処理により得られる。陽極酸化層は、その表面に開口する複数の細孔を有している。陽極酸化層は、その内部にも空孔を有しており、一部の空孔は表面の細孔と繋がっている。なお、陽極酸化層が有するこのような構造は、公知である。

第１断熱膜Ｃ１は、陽極酸化層の細孔の開口を封じる封孔層を有してもよい。封孔層は、ケイ素系ポリマー溶液（ポリシロキサン溶液、ポリシラザン溶液等）の塗工・乾燥処理により得られる。ケイ素系ポリマーの一部は細孔内で硬化するため、封孔層と陽極酸化層は一体化している。そのため、これらの層の境界は、必ずしも明確とはならない。

第１断熱膜Ｃ１は、溶射層から構成されてもよい。溶射層は、多孔質セラミックスの溶射処理により得られる。溶射処理では、ジルコニア、アルミナ、チタニアといったセラミックスの粉末、または、サーメット、ムライト、コージライト、ステアタイトなどの複合セラミックスの粉末が、溶融状態で底面１８に噴き付けられる。

２．２ 第２断熱膜Ｃ２
第２断熱膜Ｃ２は、塗工層から構成される。塗工層は、多孔質セラミックスの焼成処理により得られる。焼成処理では、上述したセラミックスの粉末を含むスラリーが底面１８に塗布され、その後、焼き固められる。

２．３ 所定領域
図２に示すように、第１断熱膜Ｃ１は、底面１８の外周部に形成されている。より具体的に、第１断熱膜Ｃ１は、隣り合う２つのポートの開口部の外縁と、底面１８の外縁とで囲まれる領域に合計４箇所形成されている。これらの領域の形状は略銀杏形である。

一方、第２断熱膜Ｃ２は、底面１８の中央部に形成されている。より具体的に、第２断熱膜Ｃ２は、第１孔３８の開口部を囲む領域に形成されている。この領域は、第２孔４０の開口部よりも第１孔３８の開口部側に位置する。この領域の形状は略菱形である。図２に破線で描かれる仮想円ＶＣは、第１孔３８の開口部と中心を共有し、第１孔３８と第２孔４０の開口部の中心間距離を半径として描かれる仮想的な円である。第２断熱膜Ｃ２は、仮想円ＶＣよりも内側の領域に形成されている。

３．第１断熱膜Ｃ１および第２断熱膜Ｃ２による効果
第１断熱膜Ｃ１を構成する陽極酸化層（または溶射層）は、底面１８の母材よりも熱伝導率および単位体積当たりの熱容量において低い熱物性を有する。そのため、第１断熱膜Ｃ１によれば、底面１８の外周部の温度を、燃焼室２４内の作動ガスの温度に追従させることができる。したがって、第１断熱膜Ｃ１によれば、ディーゼルエンジン１０の冷却損失の低減に寄与することができる。

一方、第２断熱膜Ｃ２を構成する塗工層は、底面１８の母材よりも低く、且つ、第１断熱膜Ｃ１を構成する陽極酸化層よりも高い熱伝導率を有する。つまり、塗工層は、底面１８の母材と陽極酸化層の中間の熱伝導率を有する。また、塗工層は、陽極酸化層よりも高い単位体積当たりの熱容量を有する。

図３は、陽極酸化層および塗工層の熱物性の一例を示した図である。図３に示すアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）および窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）は、塗工層の一例に相当する。図３から理解されるように、窒化ケイ素およびアルミナの熱伝導率は、アルミニウム合金のそれよりも低く、且つ、陽極酸化層のそれよりも高い。また、窒化ケイ素およびアルミナの単位体積当たりの熱容量は、陽極酸化層のそれよりも高い。

塗工層の熱伝導率がアルミニウム合金のそれよりも低いということは、アルミニウム合金よりも塗工層の方が、燃焼室内で発生した熱エネルギを底面１８に伝え難いということを意味する。したがって、第２断熱膜Ｃ２によれば、第２断熱膜Ｃ２を形成しない場合に比べて、ディーゼルエンジン１０の冷却損失の低減に寄与することができる。

また、塗工層の熱伝導率が陽極酸化層のそれよりも高いということは、陽極酸化層よりも塗工層の方が燃焼室２４燃焼室内で発生した熱エネルギを底面１８に伝え易いということを意味する。加えて、塗工層の単位体積当たりの熱容量が陽極酸化層のそれよりも高いということは、陽極酸化層よりも塗工層の方が、燃焼室２４燃焼室内で発生した熱エネルギを保持し易いことを意味する。したがって、第２断熱膜Ｃ２が形成されれば、第１断熱膜Ｃ１が形成される場合に比べて、膜形成領域（つまり、底面１８の中央部）を高温に保つことが可能になる（保温効果）。

そして、この保温効果によれば、ディーゼルエンジン１０の冷間始動時において次の効果が期待できる。すなわち、グロープラグの駆動により生じた熱エネルギの一部が第２断熱膜Ｃ２に奪われたとしても、底面１８の中央部の周囲の作動ガスの温度が低下するのを抑えることができる（抑制効果）。また、インジェクタ２８からの燃料噴霧を加温することも可能になる。よって、燃料噴霧の微粒化を促進することが可能になる。

また、この保温効果によれば、ディーゼルエンジン１０の停止中において次の効果も期待できる。すなわち、燃焼室２４内にはエンジンオイルに由来する酸性成分と、水蒸気とが存在する。そのため、仮に、ディーゼルエンジン１０の停止中に水蒸気が凝縮し、酸性成分が凝縮水に溶解したときには、燃焼室２４内の金属部品が腐食されるおそれがある。この点、保温効果によれば、膜形成領域に凝縮水が生じるのを他の領域よりも遅らせることもできる。よって、インジェクタが腐食されるのを抑えることもできる。

実施の形態２．
次に、図４乃至５を参照しながら本発明の実施の形態２について説明する。なお、実施の形態１と共通する構成の説明については適宜省略する。

１．内燃機関の構成
図４は、本発明の実施の形態２に係るディーゼルエンジンの断面模式図である。図４に示すディーゼルエンジン５０の基本的な構成は、図１に示したディーゼルエンジン１０の構成と同じである。

図１に示したディーゼルエンジン１０と、ディーゼルエンジン５０との相違点は、次のとおりである。すなわち、ディーゼルエンジン１０では底面１８にのみ第１断熱膜Ｃ１および第２断熱膜Ｃ２が形成されているのに対し、ディーゼルエンジン５０では、これらの断熱膜が底面１８に加えて頂面２２にも形成されている。また、図１には圧縮上死点よりも進角側のクランク角におけるピストン１６が描かれているのに対し、図４には圧縮上死点近傍のクランク角におけるピストン１６が描かれている。また、図１とは異なり、図４においてはインジェクタ２８から燃料が噴射されている。

図５は、ピストン１６の斜視図である。図５に示すように、キャビティ２６を除く頂面２２の全域には、第１断熱膜Ｃ１が形成されている。第１断熱膜Ｃ１は、キャビティ２６の中央部にも形成されている。一方、キャビティ２６の外周部には、第２断熱膜Ｃ２が形成されている。この外周部は、圧縮上死点近傍のクランク角においてインジェクタ２８から噴射された燃料の噴射範囲（図４参照）を含んでいる。

２．第１断熱膜Ｃ１および第２断熱膜Ｃ２による効果
既に説明したように、第１断熱膜Ｃ１の熱物性によれば、膜形成領域の温度を燃焼室２４内の作動ガスの温度に追従させることができる。つまり、第１断熱膜Ｃ１によれば、底面１８の外周部、頂面２２の外周部、およびキャビティ２６の中央部の温度を、燃焼室２４内の作動ガスの温度に追従させることができる。

また、第２断熱膜Ｃ２の熱物性によれば、第１断熱膜Ｃ１が形成される場合に比べて、膜形成領域を高温に保つことが可能になる。つまり、第２断熱膜Ｃ２によれば、底面１８の中央部、およびキャビティ２６の外周部の周囲の作動ガスの温度が低下するのを抑えることができる。

以上のことから、ディーゼルエンジン５０によれば、実施の形態１で述べた効果を高めることができる。

１０、５０ 圧縮自着火式内燃機関
１２ シリンダヘッド
１６ ピストン
１８ 底面
２２ 頂面
２４ 燃焼室
２６ キャビティ
２８ インジェクタ
３０ 吸気ポート
３４ 排気ポート
３８ 第１孔
４０ 第２孔
Ｃ１ 第１断熱膜
Ｃ２ 第２断熱膜
ＶＣ 仮想円

Claims (1)

1. 燃焼室の壁面を構成するシリンダヘッドの表面に断熱膜を備える圧縮自着火式内燃機関であって、
   前記シリンダヘッドは、吸気および排気ポートに相当する複数のポートと、インジェクタが取り付けられる第１孔と、グロープラグが取り付けられる第２孔と、を備え、
   前記ポートの開口部は、前記表面の外周部に位置し、
   前記第１孔の開口部は、前記表面の中央部に位置し、
   前記第２孔の開口部は、前記中央部、且つ、前記ポートの開口部のうちの隣り合う２つの間に位置し、
   前記断熱膜は、第１および第２断熱膜を含み、
   前記第１断熱膜は、前記シリンダヘッドの母材よりも低い熱伝導率と、前記母材よりも低い単位体積当たりの熱容量と、を有し、
   前記第２断熱膜は、前記母材よりも低い熱伝導率と、前記第１断熱膜よりも高い単位体積当たりの熱容量と、を有し、
   前記第１断熱膜が、前記外周部に位置する領域であって、前記ポートの開口部のうちの隣り合う２つの間の領域に形成され、
   前記第２断熱膜が、前記中央部に位置する領域であって、前記第１孔の開口部と中心を共有し、前記第１孔および第２孔の開口部の中心間距離を半径とする仮想円よりも内側の領域に形成される
   ことを特徴とする圧縮自着火式内燃機関。

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