JP2024047114A - エンジンのシリンダ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンのオーバーヒートを抑制しつつ、燃焼室からシリンダブロックへ伝わる熱損失を低減してエンジンの熱効率を向上させるエンジンのシリンダ構造を提供すること。【解決手段】エンジン１０のシリンダ構造は、エンジン１０のシリンダブロック２０に設けられたシリンダ２２と、シリンダ２２内を往復運動するピストン３０と、ピストン３０の外周面３２に設けられシリンダ２２内を摺動するピストンリング３４、３６と、シリンダブロック２０の上面２６に設けられシリンダ２２を塞ぐシリンダヘッド５０と、を備えている。シリンダブロック２０の上部２６にシリンダ２２の内周面２５と同軸に形成されたザグリ２７と、ザグリ２７に設けられ燃焼室２３からの熱がシリンダブロック２０に伝達されるのを遮断する環状の遮熱リング１１と、を備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、燃焼室で燃料を燃焼させるエンジンのシリンダ構造に関する。

従来、燃焼室で燃料を燃焼させる内燃機関（エンジン）のうちレシプロ型と呼ばれるものは、シリンダブロックと、このシリンダブロックに設けられたシリンダと、このシリンダ内を往復運動するピストン及びピストンリングと、シリンダを塞ぐシリンダヘッドと、を備えている。このような、シリンダ内をピストン摺動するレシプロ型のエンジンのシリンダ機構が知られている（特許文献１）。

特許文献１のエンジンのシリンダ機構は、シリンダブロックと、このシリンダブロックに設けられたシリンダと、シリンダ内を往復運動するピストンと、ピストンの外周面に設けられシリンダ内を摺動するピストンリングと、シリンダブロックの上面に設けられシリンダを塞ぐシリンダヘッドと、を備えており、燃料室で燃料を燃焼させる（爆発させる）ことでピストンを移動させる。

燃焼室で燃料が燃焼するとその熱がシリンダブロックに伝達し、シリンダブロックが高温になる。シリンダブロックが高温になり過ぎるとエンジンがいわゆるオーバーヒートとなりノッキングやエンジン停止となるため、高温になり過ぎないようにするためにシリンダブロックのシリンダ周辺には冷却水が流れるウォータージャケットが設けられている。

近年では、エンジンのオーバーヒートを抑制するだけでなく、燃費等を向上させるためにエンジンの熱効率の向上が求められるようになっている。しかし、特許文献１のエンジンのシリンダ機構では、シリンダブロックのシリンダ周辺にウォータージャケットが配置されているだけであり、燃焼室の熱エネルギーがシリンダブロックを介してウォータージャケット内の冷却水に大量に捨てられてしまう。

特開２０１７－７２１１８号公報

本発明は、以上の点に鑑み、エンジンのオーバーヒートを抑制しつつ、燃焼室からシリンダブロックへ伝わる熱損失を低減してエンジンの熱効率を向上させるエンジンのシリンダ構造を提供することを課題とする。

本発明の実施例によれば、エンジンのシリンダブロックに設けられたシリンダと、前記シリンダ内を往復運動するピストンと、前記ピストンの外周面に設けられ前記シリンダ内を摺動するピストンリングと、前記シリンダブロックの上面に設けられ前記シリンダを塞ぐシリンダヘッドと、を備えているエンジンのシリンダ構造であって、
前記シリンダブロックの上部に前記シリンダの内周面と同軸に形成されたザグリと、前記ザグリに設けられ燃焼室からの熱が前記シリンダブロックに伝達されるのを遮断する環状の遮熱リングと、を備えていることを特徴とする。

かかる構成によれば、エンジンのシリンダ構造は、シリンダブロックの上部にシリンダの内周面と同軸に形成されたザグリと、ザグリに設けられ燃焼室からの熱がシリンダブロックに伝達されるのを遮断する環状の遮熱リングと、を備えているので、燃焼室で燃焼した燃焼ガスの熱がシリンダブロックに伝わる前に遮熱リングにより遮断される。これにより、ウォータージャケットに冷却水を流すことでシリンダブロックは適切に冷却してエンジンのオーバーヒートを抑制しつつ、燃焼室からシリンダブロックへ伝わる熱損失を低減してエンジンの熱効率を向上させることができる。

好ましくは、前記ピストンが上死点に位置するときに、前記遮熱リングの下端が前記ピストンリングよりも上方にある。

かかる構成によれば、ピストンが上死点に位置するときに、遮熱リングの下端がピストンリングよりも上方にあるので、ピストンリングの摺動に影響を与えることなく、エネルギー損失をなくしてエンジンの熱効率を向上させることができる。さらに、通常シリンダブロックは鋳鉄やアルミニウム合金で構成されるところ、遮熱性を有さないシリンダブロックとは材質の異なる遮熱リングにピストンリングが到達し、材質の変わり目で引っかかったり互いに摩耗したりすることがないので、エネルギー損失をなくしてエンジンの熱効率を向上させることができる。

好ましくは、前記遮熱リングは、セラミックス製である。

かかる構成によれば、遮熱リングは、セラミックス製であるので、耐熱性、遮熱性が高く、燃焼室で燃焼した燃焼ガスの熱がシリンダブロックに伝わるのを効率的に遮断し、燃焼室からシリンダブロックへ伝わる熱損失を低減してエンジンの熱効率を向上させることができる。

好ましくは、前記シリンダブロックは、前記シリンダを冷却する冷却水が流れるウォータージャケットを備え、
前記シリンダの内周面と前記遮熱リングの内周面とは一致して形成されており、前記遮熱リングの厚みは、前記シリンダの内周面から前記ウォータージャケットまでの距離よりも小さい。

かかる構成によれば、シリンダの内周面と遮熱リングの内周面とは一致して形成されており、遮熱リングの厚みは、シリンダの内周面からウォータージャケットまでの距離よりも小さいので、ウォータージャケットよりも内側に遮熱リングを配置できる。結果、遮熱リングを設けたうえでウォータージャケットを遮熱リングの外方側に配置することができ、燃焼室で燃焼した燃焼ガスの熱がシリンダブロックに伝わる前に遮熱リングにより遮断して燃焼室からシリンダブロックへ伝わる熱損失を低減しつつ、遮熱リング近傍のシリンダブロックを適切に冷却することができる。

好ましくは、前記遮熱リングの下端は、前記ウォータージャケットの上端よりも低く設定され、
前記シリンダの高さ方向で前記遮熱リングと前記ウォータージャケットの一部が重なっている。

かかる構成によれば、遮熱リングの下端は、ウォータージャケットの上端よりも低く設定され、シリンダの高さ方向で遮熱リングとウォータージャケットの一部が重なっているので、燃焼室で燃焼した燃焼ガスの熱がシリンダブロックに伝わる前に遮熱リングにより遮断して燃焼室からシリンダブロックへ伝わる熱損失を低減しつつ、遮熱リング近傍のシリンダブロックを適切に冷却することができる。

エンジンのオーバーヒートを抑制しつつ、燃焼室からシリンダブロックへ伝わる熱損失を低減してエンジンの熱効率を向上させるエンジンのシリンダ構造を提供することができる。

本発明に係るエンジンのシリンダ構造を説明する断面図である。 本発明に係るエンジンのシリンダ構造を説明する分解図である。 図３（Ａ）は比較例に係るエンジンのシリンダ構造の作用図である。図３（Ｂ）は実施例に係るエンジンのシリンダ構造の作用図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は、本発明に係るエンジンのシリンダ構造の一例の概略構成を概念的（模式的）に示すものとする。

図１、図２に示されるように、エンジン１０のシリンダ構造は、シリンダブロック２０と、このシリンダブロック２０に設けられたシリンダ２２と、このシリンダ２２内を往復運動するピストン３０と、このピストン３０の外周面３２に設けられシリンダ２２内を摺動するピストンリング３４、３６と、シリンダブロック２０の上面に設けられシール機能を有するヘッドガスケット４０と、シリンダブロック２０の上面にヘッドガスケット４０を介して設けられシリンダ２２を塞ぐシリンダヘッド５０と、このシリンダヘッド５０をシリンダブロック２０に締結するボルト６０と、を備えている。

次にシリンダブロック２０について説明する。
シリンダブロック２０は、下部を構成するクランクケース２１と、このクランクケース２１の上部に設けられたシリンダ２２と、このシリンダ２２、ピストン３０及びシリンダヘッド５０に挟まれる空間で構成される燃焼室２３と、シリンダブロック２０のシリンダ２２周辺に設けられシリンダ２２（シリンダブロック２０）を冷却する冷却水が流れるウォータージャケット２４と、を備えている。

また、図１、図２、図３（Ｂ）に示されるように、シリンダブロック２０は、このシリンダブロック２０の上部２６にシリンダ２２の内周面２５と同軸に形成されたザグリ２７と、ザグリ２７に設けられ燃焼室２３からの熱がシリンダブロック２０（シリンダ２２）に伝達されるのを遮断する環状の遮熱リング１１と、を備えている。ザグリ２７は、その内周を成すザグリ内周面２７ａと、その平面を成すザグリ面２７ｂとから構成されている。なお、シリンダブロック２０のシリンダ２２は、いわゆるシリンダライナを備えておらず、シリンダブロック２０の素材そのものでシリンダ２２が構成されている。なお、ザグリ２７は、シリンダブロック２０の上部（上面）２６の内側に掘り下げた穴又は凹部である。

次に遮熱リング１１について説明する。
遮熱リング１１は、セラミックス製であり、例えば、ジルコニア、酸化チタン、酸化アルミニウム等を材料とするものであってもよく、シリンダブロック２０の熱伝導率よりも遮熱リング１１の熱伝導率は低い。遮熱リング１１は、環状で呈し、内周を構成するリング内周面１２と、外周を構成するリング外周面１３と、底面を構成するリング底面１４と、上面を構成するリング上面１５とからなる。

遮熱リング１１は、ザグリ２７に設けられた状態で、シリンダ２２の内周面２５とリング内周面１２とが一致し、シリンダ２２の上部（上面）２６とリング上面１５とが一致している。遮熱リング１１は、リングの厚みがｔ１であり、リングの高さがＨ１である。

次にピストン３０について説明する。
ピストン３０は、燃焼室２３に対向する上面部３１と、この上面部３１の縁から下方に向かってシリンダ２２の内周面２５に沿うように構成された外周面３２と、この外周面３２に環状に形成された上側の第１の環状溝３３と、外周面３２に環状に形成された下側の第２の環状溝３５と、第１の環状溝３３に嵌められシリンダ２２の内周面２５を摺動する第１のピストンリング３４と、第２の環状溝３５に嵌められシリンダ２２の内周面２５を摺動する第２のピストンリング３６と、を備えている。ピストン３０には、その下部の軸２７を介してコネクティングロッド３８が揺動可能に設けられている。

次に第１のピストンリング３４と遮熱リング１１等との位置関係について説明する。
図３（Ｂ）に示されるように、ピストン３０が上死点に位置するときに、遮熱リング１１の下端が第１のピストンリング３４の上端よりも上方にある。

また、シリンダ２２の内周面２５と遮熱リング１１の内周面（リング内周面）１２とは一致して形成されており、遮熱リング１１の厚みｔ１は、シリンダ２２の内周面２５からウォータージャケット２４までの距離Ｌ１よりも小さい。

また、遮熱リング１１の下端は、ウォータージャケット２４の上端よりも低く設定されている。シリンダ２２の高さ方向で遮熱リング１１とウォータージャケット２４の一部が重なっている。

次に比較例に係るエンジンのシリンダ構造の作用について説明する。
図３（Ａ）は比較例に係るエンジン１００のシリンダ構造であり、シリンダブロック１２０と、このシリンダブロック１２０内に形成され冷却水を流すウォータージャケット１２４と、シリンダブロック１２０のシリンダ内を往復運動するピストン１３０と、このピストンに形成された環状溝１３３と、この環状溝１３３に嵌められたピストンリング１３４と、シリンダブロック１２０の上面にヘッドガスケット１４０を介して設けられたシリンダヘッド１５０とを備えている。

比較例に係るエンジン１００のシリンダ構造においては、燃焼室で燃料が燃焼するとその熱が矢印（１）のようにシリンダブロック１２０に伝達し、シリンダブロック１２０に伝達された熱は矢印（２）のようにウォータージャケット２４の冷却水に移動する。結果、シリンダブロック１２０は冷却されるものの、燃焼室の温度が下がり、燃焼室からシリンダブロック１２０へ伝わる熱損失が大きくなりエンジン１００の熱効率が低下する。

次に実施例に係るエンジンのシリンダ構造の作用について説明する。
図３（Ｂ）は実施例に係るエンジン１０のシリンダ構造であり、燃焼室２３で燃料が燃焼するとその熱が矢印（３）のようにシリンダブロック２０に伝わる前に遮熱リング１１で遮断される。また、比較的高温になる燃焼室の上部にあって、高さ方向で遮熱リング１１とウォータージャケット２４が重なっているので、遮熱リング１１によって燃焼室２３からの熱が矢印（４）のようにウォータージャケット２４に伝わる前に遮断される。その結果、エンジン１０のオーバーヒートを抑制しつつ、燃焼室２３からシリンダブロック２０へ伝わる熱損失を低減してエンジン１０の熱効率を向上させることができる。

以上に述べたエンジン１０のシリンダ構造の効果について説明する。
本発明の実施例によれば、エンジン１０のシリンダ構造は、シリンダブロック２０の上部２６にシリンダ２２の内周面２５と同軸に形成されたザグリ２７と、ザグリ２７に設けられ燃焼室２３からの熱がシリンダブロック２０に伝達されるのを遮断する環状の遮熱リング１１と、を備えているので、燃焼室２３で燃焼した燃焼ガスの熱がシリンダブロック２０に伝わる前に遮熱リング１１により遮断される。これにより、ウォータージャケット２４に冷却水を流すことでシリンダブロック２０は適切に冷却してエンジン１０のオーバーヒートを抑制しつつ、燃焼室２３からシリンダブロック２０へ伝わる熱損失を低減してエンジン１０の熱効率を向上させることができる。

さらに、ピストン３０が上死点に位置するときに、遮熱リング１１の下端が第１のピストンリング３４よりも上方にあるので、第１のピストンリング３４の摺動に影響を与えることなく、エネルギー損失をなくしてエンジン１０の熱効率を向上させることができる。さらに、通常シリンダブロックは鋳鉄やアルミニウム合金で構成されるところ、遮熱性を有さないシリンダブロック２０とは材質の異なる遮熱リング１１にピストンリング３４、３６が到達し、材質の変わり目で引っかかったり互いに摩耗したりすることがないので、エネルギー損失をなくしてエンジン１０の熱効率を向上させることができる。

さらに、遮熱リング１１は、セラミックス製であるので、耐熱性、遮熱性が高く、燃焼室で燃焼した燃焼ガスの熱がシリンダブロック２０に伝わるのを効率的に遮断し、燃焼室からシリンダブロック２０へ伝わる熱損失を低減してエンジン１０の熱効率を向上させることができる。

さらに、シリンダ２２の内周面２５と遮熱リング１１のリング内周面１２とは一致して形成されており、遮熱リング１１の厚みは、シリンダ２２の内周面２５からウォータージャケット２４までの距離Ｌ１よりも小さいので、ウォータージャケット２４よりも内側に遮熱リング１１を配置できる。結果、遮熱リング１１を設けたうえでウォータージャケット２４を遮熱リング１１の外方側に配置することができ、燃焼室２３で燃焼した燃焼ガスの熱がシリンダブロック２０に伝わる前に遮熱リング１１により遮断して燃焼室２３からシリンダブロック２０へ伝わる熱損失を低減しつつ、遮熱リング１１近傍のシリンダブロック２０を適切に冷却することができる。

さらに、遮熱リング１１の下端は、ウォータージャケット２４の上端よりも低く設定され、シリンダ２２の高さ方向で遮熱リング１１とウォータージャケット２４の一部が重なっているので、燃焼室２３で燃焼した燃焼ガスの熱がシリンダブロック２０に伝わる前に遮熱リング１１により遮断して燃焼室２３からシリンダブロック２０へ伝わる熱損失を低減しつつ、遮熱リング１１近傍のシリンダブロック２０を適切に冷却することができる。

尚、本発明の実施例では、遮熱リング１１の材質をセラミックスとしたが、これに限定されず、熱伝導率がシリンダブロックの熱伝導率よりも低ければ、モリブデン、タングステン等、他の材質からなるものであってもよい。

また、本発明の実施例は、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、いずれの形式のエンジンに適用しても差し支えない。

即ち、本発明の作用及び効果を奏する限りにおいて、本発明は、実施例に限定されるものではない。

本発明は、燃焼室で燃料を燃焼させるエンジンのシリンダ構造に好適である。

１０… エンジン
１１… 遮熱リング
１２… リング内周面
２０… シリンダブロック
２２… シリンダ
２３… 燃焼室
２４… ウォータージャケット
２５… シリンダの内周面
２６… シリンダブロックの上部（上面）
２７… ザグリ
３０… ピストン
３４… 第１のピストンリング
４０… ヘッドガスケット
５０… シリンダヘッド
ｔ１… 遮熱リングの厚み
Ｈ１… 遮熱リングの高さ
Ｌ１… シリンダの内周面からウォータージャケットまでの距離

Claims (5)

1. エンジンのシリンダブロックに設けられたシリンダと、前記シリンダ内を往復運動するピストンと、前記ピストンの外周面に設けられ前記シリンダ内を摺動するピストンリングと、前記シリンダブロックの上面に設けられ前記シリンダを塞ぐシリンダヘッドと、を備えているエンジンのシリンダ構造であって、
   前記シリンダブロックの上部に前記シリンダの内周面と同軸に形成されたザグリと、前記ザグリに設けられ燃焼室からの熱が前記シリンダブロックに伝達されるのを遮断する環状の遮熱リングと、を備えていることを特徴とするエンジンのシリンダ構造。
2. 請求項１記載のエンジンのシリンダ構造であって、
   前記ピストンが上死点に位置するときに、前記遮熱リングの下端が前記ピストンリングよりも上方にあることを特徴とするエンジンのシリンダ構造。
3. 請求項１又は請求項２記載のエンジンのシリンダ構造であって、
   前記遮熱リングは、セラミックス製であることを特徴とするエンジンのシリンダ構造。
4. 請求項１又は請求項２記載のエンジンのシリンダ構造であって、
   前記シリンダブロックは、前記シリンダを冷却する冷却水が流れるウォータージャケットを備え、
   前記シリンダの内周面と前記遮熱リングの内周面とは一致して形成されており、前記遮熱リングの厚みは、前記シリンダの内周面から前記ウォータージャケットまでの距離よりも小さいことを特徴とするエンジンのシリンダ構造。
5. 請求項４記載のエンジンのシリンダ構造であって、
   前記遮熱リングの下端は、前記ウォータージャケットの上端よりも低く設定され、
   前記シリンダの高さ方向で前記遮熱リングと前記ウォータージャケットの一部が重なっていることを特徴とするエンジンのシリンダ構造。
   

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