JP5224182B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関、特に、断熱構造を備える火花点火式の内燃機関に関する。

従来より、自動車用の内燃機関などにおいて、熱効率を向上させるために、燃焼室内面を断熱材で覆い冷却による熱損失を低減するようにした、いわゆる、断熱構造のエンジンが知られている。例えば、特許文献１には、シリンダーヘッドの気筒内面全体及びピストン本体の上部に断熱材からなる遮熱板を設けた内燃機関が開示されている。

特開平１１−２７０４０４号公報

ところで、特許文献１に記載の内燃機関のように燃焼室全体に亘り遮熱板を設けるようにすると、燃焼室内において全体的に熱が逃げにくくなることから、燃焼温度が一律に高くなる。この結果、熱効率の向上には寄与するが、反面、特に高負荷時においてノッキングが発生しやすくなるという問題が生ずる。すなわち、ガソリンエンジンでは混合気を圧縮して点火プラグによる火花点火が行なわれ、点火プラグを中心に火炎が広がる様に伝播して燃焼し、発生した燃焼ガスが膨張する。そして、点火プラグから遠い場所にある未燃焼の混合気(エンドガス)はピストンやシリンダー壁面に押しつけられ、断熱圧縮により高温・高圧になる。この高温・高圧が限界を超えるとエンドガスは一気に自己着火し、その際に衝撃波が発生する、いわゆる、ノッキングが発生するのである。

このようなノッキングを防止するために、点火タイミングの遅角化が行われるが、点火タイミングを遅角させると燃焼温度が下がり、燃費性能の悪化が余儀なくなっている。したがって、断熱構造を採用することにより熱効率の向上を図っても、かかるノッキングを回避するために、その向上効果の一部が相殺されるのである。

そこで、本発明の目的は、断熱構造を採用してもノッキングの発生を抑制することのできる内燃機関を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る内燃機関は、燃焼室の周囲に冷却手段が配設されると共に燃焼室を形成する内壁面に断熱層が配設され、該燃焼室に開口するポートを開閉する吸気弁及び排気弁と該燃焼室に臨んで配設された点火プラグとを備える火花点火式の内燃機関であって、前記断熱層のうち、前記点火プラグから直線距離で最も遠い部位近傍に配設された断熱層の断熱能力を他の部位に配設された断熱層の断熱能力よりも低くしたことを特徴とする。

ここで、前記点火プラグが１つであって、前記吸気弁と前記排気弁との間に配設され、且つ、前記吸気弁が前記排気弁に比べて大きいときは、吸気弁側のシリンダー内壁面部位に配設された断熱層の断熱能力を他の部位に配設された断熱層の断熱能力よりも低くしてもよい。

また、前記点火プラグが２つであって、その一方が前記吸気弁と前記排気弁との間に配設されると共に他方が前記吸気弁とシリンダー内壁面との間に配設され、且つ、前記吸気弁が前記排気弁に比べて大きいときは、吸気弁側及び排気弁側でもないシリンダー内壁面部位に配設された断熱層の断熱能力を他の部位に配設された断熱層の断熱能力よりも低くしてもよい。

上記本発明の一形態に係る内燃機関によれば、点火プラグによる火花点火が行なわれて、点火プラグを中心に火炎が伝播して燃焼したとき、点火プラグから遠い場所にある未燃焼の混合気がピストンやシリンダー壁面に押しつけられ、断熱圧縮により高温・高圧になろうとする。しかし、燃焼室を形成する内壁面に配設された断熱層のうち、前記点火プラグから直線距離で最も遠い部位近傍に配設された断熱層の断熱能力が他の部位に配設された断熱層の断熱能力よりも低くされているので、当該部位における断熱層では冷却手段により冷却されて、他の部位に比べて温度が低く、これに接触しているエンドガスの温度の過上昇が回避される。したがって、ノッキングの発生が抑制される。

本発明に係る内燃機関の実施形態を示す模式的断面図である。 本発明の第１の実施形態において、ピストンが上死点位置にあるときにその上面位置で断面を取り、燃焼室を下方から視た図面である。 本発明の第２の実施形態において、ピストンが上死点位置にあるときにその上面位置で断面を取り、燃焼室を下方から視た図面である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を例示的に詳しく説明する。

図１は、本発明に係る内燃機関をその吸気弁及び排気弁の概略構成を含めて模式的に示す断面図であり、ここに示す内燃機関１００は例えば４つの気筒を有する水冷式４サイクル内燃機関である。

内燃機関１００は、シリンダーブロック１０２とこれに締結されたシリンダーヘッド１０４を備えている。シリンダーブロック１０２には、ピストン１０６が往復動自在に収容されるシリンダーボア１０８及びその周囲の冷却水ジャケット１１０が形成されている。シリンダーヘッド１０４には、燃焼室の一部を形成する凹部１１２、該凹部１１２に開口する吸気ポート１１４（本実施形態では２つ）及び排気ポート１１６（本実施形態では同じく２つ）が形成されている。そして、これらの吸気ポート１１４及び排気ポート１１６をそれぞれ開閉するポペット弁形式の吸気弁１１８及び排気弁１２０が設けられ、さらに、吸気弁１１８及び排気弁１２０の間に点火プラグ１２２が燃焼室に臨んで配設されている。なお、本実施形態において、「燃焼室」とは、ピストン１０６が上死点位置にあるときに、ピストン１０６の上面、ピストン１０６に装着されるピストンリングのうちの最上位のトップリング１０７より上方に位置する、シリンダーボア１０８の内壁面、及び、閉成状態にある吸気弁１１８及び排気弁１２０を含む凹部１１２の内壁面により形成される空間の意味で用い、符号１３０で示されている。

そして、本発明の第１の実施形態では、図１とピストン１０６が上死点位置にあるときにその上面位置で断面を取り、燃焼室１３０を下方から視た図面である図２とに示すように、燃焼室１３０を形成する上述の内壁面に断熱層１４０が配設されている。そして、この断熱層１４０のうち、点火プラグ１２２から直線距離で最も遠い部位近傍に配設された断熱層１４０Ａの断熱能力が他の部位に配設された断熱層１４０の断熱能力よりも低くされている。より詳しくは、点火プラグ１２２が１つであって、吸気弁１１８と排気弁１２０との間に配設され、且つ、吸気弁１１８が排気弁１２０に比べて大きく、吸気弁側のシリンダー内壁面部位に配設された断熱層１４０Ａの断熱能力が他の部位に配設された断熱層１４０の断熱能力よりも低くされている。

なお、ここで用いられる断熱層１４０としては、例えば、シリカ膜を挙げることができ、溶射ないしは塗布によって配設することができる。そして、断熱層１４０の断熱能力を他の部位より低くする方法としては、断熱層の層厚ないしは膜厚を他の部位より薄くするとか、断熱能力の低い他の材料を配設するようにしてもよい。

この実施形態によれば、点火プラグ１２２による火花点火が行なわれて、点火プラグ１２２を中心に火炎が伝播して燃焼したとき、点火プラグ１２２から遠い場所にある未燃焼の混合気がピストン１０６の上面やシリンダーボア１０８の内壁面に押しつけられ、断熱圧縮により高温・高圧になろうとする。しかし、燃焼室１３０を形成する内壁面に配設された断熱層１４０のうち、点火プラグ１２２から直線距離で最も遠い部位近傍に配設された断熱層１４０Ａの断熱能力が他の部位に配設された断熱層１４０の断熱能力よりも低くされているので、当該部位における断熱層１４０Ａでは冷却水ジャケット１１０内の冷却水により冷却されて、他の部位に比べて温度が低く、この断熱層１４０Ａに接触しているエンドガスの温度の過上昇が回避される。したがって、ノッキングの発生が抑制されるのである。

次に、本発明の第２の実施形態を図３を参照して説明する。この実施形態は、点火プラグ１２２が２つであって、その一方１２２Ａが吸気弁１１８と排気弁１２０との間に配設されると共に、他方１２２Ｂが吸気弁１１８とシリンダーボア１０８の内壁面との間に配設され、且つ、吸気弁１１８が排気弁１２０に比べて大きい内燃機関１００の場合である。この場合には、吸気弁側及び排気弁側でもないシリンダーボア１０８の内壁面部位に配設された断熱層１４０Ｂ及び１４０Ｃの断熱能力が他の部位に配設された断熱層１４０の断熱能力よりも低くされている。

この第２の実施形態によれば、点火プラグ１２２Ａ及び１２０Ｂによる火花点火が同時に行なわれて、点火プラグ１２２Ａ及び１２０Ｂのそれぞれを中心に火炎が伝播して燃焼する。そのとき、点火プラグ１２２Ａ及び１２０Ｂのそれぞれから遠い場所にある未燃焼の混合気がピストン１０６の上面やシリンダーボア１０８の内壁面に押しつけられ、断熱圧縮により高温・高圧になろうとする。しかし、燃焼室１３０を形成する内壁面に配設された断熱層１４０のうち、点火プラグ１２２Ａ及び１２０Ｂのそれぞれから直線距離で最も遠い部位近傍に配設された断熱層１４０Ｂ及び１４０Ｃの断熱能力が他の部位に配設された断熱層１４０の断熱能力よりも低くされているので、当該部位における断熱層１４０Ｂ及び１４０Ｃでは冷却水ジャケット１１０内の冷却水により冷却されて、他の部位に比べて温度が低く、この断熱層１４０Ｂ及び１４０Ｃに接触しているエンドガスの温度の過上昇が回避される。したがって、同様に、ノッキングの発生が抑制されるのである。

１００ 内燃機関
１０６ ピストン
１０８ シリンダーボア
１１８ 吸気弁
１２０ 排気弁
１２２、１２２Ａ、１２０Ｂ 点火プラグ
１３０ 燃焼室
１４０ 断熱層
１４０Ａ、１４０Ｂ、１４０Ｃ （断熱能力の低い）断熱層

Claims (1)

1. 燃焼室の周囲に冷却手段が配設されると共に燃焼室を形成する内壁面に断熱層が配設され、該燃焼室に開口するポートを開閉する吸気弁及び排気弁と該燃焼室に臨んで配設された点火プラグとを備えた火花点火式の内燃機関であって、
   前記断熱層のうち、前記点火プラグから直線距離で最も遠い部位近傍に配設された断熱層の断熱能力を他の部位に配設された断熱層の断熱能力よりも低くし、
   前記点火プラグが１つであって、前記吸気弁と前記排気弁との間に配設され、且つ、前記吸気弁が前記排気弁に比べて大きいときは、吸気弁側のシリンダー内壁面部位に配設された断熱層の断熱能力を他の部位に配設された断熱層の断熱能力よりも低くしたことを特徴とする内燃機関。

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