JP5533446B2 - Internal combustion engine - Google Patents

Internal combustion engine Download PDF

Info

Publication number
JP5533446B2
JP5533446B2 JP2010191409A JP2010191409A JP5533446B2 JP 5533446 B2 JP5533446 B2 JP 5533446B2 JP 2010191409 A JP2010191409 A JP 2010191409A JP 2010191409 A JP2010191409 A JP 2010191409A JP 5533446 B2 JP5533446 B2 JP 5533446B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
combustion chamber
internal combustion
combustion engine
heat insulating
piston
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2010191409A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2012047134A (en
Inventor
英雅 小坂
佳史 脇坂
三七二 稲吉
晋也 飯田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyota Central R&D Labs Inc
Priority to JP2010191409A priority Critical patent/JP5533446B2/en
Publication of JP2012047134A publication Critical patent/JP2012047134A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5533446B2 publication Critical patent/JP5533446B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2251/00Material properties
    • F05C2251/04Thermal properties
    • F05C2251/048Heat transfer
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Description

本発明は、内燃機関に係り、特に燃焼室内壁に断熱膜を有する内燃機関に関する。   The present invention relates to an internal combustion engine, and more particularly to an internal combustion engine having a heat insulating film on a combustion chamber wall.

内燃機関の熱損失を低減するために、燃焼室内壁に断熱膜を設けることが行われる。例えば、特許文献1には、内燃機関の燃焼室内に臨む壁面に形成する断熱膜として、粒状に形成された多数の断熱材と、膜状に形成された断熱材とを含み、膜状の断熱材は、燃焼室の母材の熱伝導率以下の熱伝導率を有し、粒状の断熱材は、燃焼室の母材の熱伝導率より低い熱伝導率と、母材の単位体積あたりの熱容量より低い単位体積あたりの熱容量を有し、さらに膜状の断熱材の熱伝導率より低い熱伝導率と、膜状の断熱材の単位体積あたりの熱容量より低い単位体積あたりの熱容量を有する構成が開示されている。   In order to reduce the heat loss of the internal combustion engine, a heat insulating film is provided on the combustion chamber wall. For example, Patent Document 1 includes a large number of granular heat insulating materials as a heat insulating film formed on a wall surface facing the combustion chamber of an internal combustion engine and a heat insulating material formed in a film shape. The material has a thermal conductivity equal to or lower than the thermal conductivity of the combustion chamber base material, and the granular heat insulating material has a thermal conductivity lower than the thermal conductivity of the combustion chamber base material and per unit volume of the base material. A structure having a heat capacity per unit volume lower than the heat capacity, a heat conductivity lower than the heat conductivity of the film-like heat insulating material, and a heat capacity per unit volume lower than the heat capacity per unit volume of the film-like heat insulating material Is disclosed.

なお、本発明に直接は関係しないが、特許文献2には、内燃機関の吸排気通路構造として、吸気通路と排気通路の内壁面に、流体の流れを整流して摩擦抵抗を低減する粗面を形成することが開示されている。この粗面としては、流れの方向に沿って延びる高さが200μm程度の微小な凹凸形状、またはサメの鱗状の凹凸形状を用いることが述べられている。   Although not directly related to the present invention, Patent Document 2 discloses, as an intake / exhaust passage structure of an internal combustion engine, a rough surface that rectifies the flow of fluid and reduces frictional resistance on the inner wall surfaces of the intake passage and the exhaust passage. Is disclosed. As this rough surface, it is described that a minute uneven shape having a height extending along the flow direction of about 200 μm or a shark-scale uneven shape is used.

また、本発明に関連する技術として、固体壁面に沿って流れがあるときの乱流境界層について、無次元距離y+=(ρUτY/μ)=[ρ{τW/ρ}1/2Y/μ]を用いて粘性底層、バッファ領域、乱流域に分類することが知られている。ここで、ρは、流体の密度、Uτは、摩擦速度で、τWを壁面せん断応力としてUτ={τW/ρ}1/2で示され、Yは、壁面からの距離、μは分子粘性係数である。そして、非特許文献1には、壁面近傍の摩擦抵抗低減のためには、y+=10程度の凹凸が最適であると述べられている。 As a technique related to the present invention, a dimensionless distance y + = (ρUτY / μ) = [ρ {τ W / ρ} 1/2 Y for a turbulent boundary layer when there is a flow along a solid wall. / Μ] is used to classify into a viscous bottom layer, a buffer region, and a turbulent region. Here, ρ is the density of the fluid, Uτ is the friction velocity, and τ W is expressed as Uτ = {τ W / ρ} 1/2 where τ W is the wall shear stress, Y is the distance from the wall surface, μ is the molecule Viscosity coefficient. In Non-Patent Document 1, it is stated that unevenness of about y + = 10 is optimal for reducing the frictional resistance near the wall surface.

特開2009−243352号公報JP 2009-243352 A 特開2000−18091号公報JP 2000-18091 A

Sakate et. Al.,Turbulence control with a wall-adjacent thin-layer spanwise velocity fluctuations,Int.J.Heat Fluid Flow,17(1996),p343Sakate et. Al., Turbulence control with a wall-adjacent thin-layer spanwise velocity fluctuations, Int. J. Heat Fluid Flow, 17 (1996), p343

このように、内燃機関において、燃焼室壁面に断熱膜、あるいは遮熱膜を形成すると、燃焼中に高温となった燃焼ガスの温度に追従して断熱膜の表面温度が追従し、内燃機関の熱損失の低減を図ることが可能となる。この効果は、燃焼室壁面に流入する熱流束が大きいほど大きいので、内燃機関が高負荷のときの方が低負荷のときに比べて効果が大きい。そこで、内燃機関が低負荷でもさらなる熱損失の低減を図ることが望まれる。   As described above, in the internal combustion engine, when a heat insulating film or a heat shielding film is formed on the combustion chamber wall surface, the surface temperature of the heat insulating film follows the temperature of the combustion gas that becomes high during combustion, It becomes possible to reduce heat loss. This effect is larger as the heat flux flowing into the combustion chamber wall surface is larger. Therefore, the effect is greater when the internal combustion engine is at a high load than when the load is low. Therefore, it is desired to further reduce heat loss even when the internal combustion engine has a low load.

ところで、内燃機関の燃焼室内の燃焼ガス等の流れは、活発な乱流熱伝達が生じている。この乱流熱伝達も熱損失の原因の1つである。   By the way, active turbulent heat transfer occurs in the flow of the combustion gas or the like in the combustion chamber of the internal combustion engine. This turbulent heat transfer is one of the causes of heat loss.

本発明の目的は、燃焼室内の乱流熱伝達を抑制することができる内燃機関を提供することである。   An object of the present invention is to provide an internal combustion engine that can suppress turbulent heat transfer in a combustion chamber.

本発明に係る内燃機関は、内燃機関の燃焼室を構成する各要素を燃焼室母材として、燃焼室母材の燃焼室に面する壁面に形成され、燃焼室母材の熱伝導率よりも低い熱伝導率と、燃焼室母材の単位体積当り熱容量よりも低い単位体積当り熱容量とを有する断熱膜を備え、断熱膜は、燃焼室母材の燃焼室に面する壁面のうち、ピストンの上面またはピストンの上表面に面するシリンダのヘッド部の下面において、予め定めた所定の凹凸高さを有し、ピストンの上面の点火プラグ真下位置から放射状に形成され、またはヘッド部の下面の点火プラグ位置から放射状に形成される凹凸形状を含み、凹凸形状は、燃焼室を流れる流体の密度をρとし、分子粘性係数をμとし、壁面せん断応力をτ W として、U τ ={τ W /ρ} 1/2 で示される摩擦速度U τ と、壁面からの距離Yによって計算される無次元距離y + =(ρU τ Y/μ)=[ρ{τ W /ρ} 1/2 Y/μ]を用いて、無次元距離y + =10に対応する凹凸高さを有することを特徴とする。 The internal combustion engine according to the present invention is formed on a wall surface of the combustion chamber base material facing the combustion chamber, with each element constituting the combustion chamber of the internal combustion engine as a combustion chamber base material, and more than the thermal conductivity of the combustion chamber base material. A heat insulating film having a low thermal conductivity and a heat capacity per unit volume lower than the heat capacity per unit volume of the combustion chamber base material is provided, and the heat insulating film is a piston of the wall surface facing the combustion chamber of the combustion chamber base material. The upper surface or the lower surface of the cylinder head portion facing the upper surface of the piston has a predetermined uneven height and is formed radially from the position directly below the ignition plug on the upper surface of the piston, or the ignition of the lower surface of the head portion. look including an uneven shape formed radially from the plug position, uneven shape, the density of the fluid flowing through the combustion chamber and [rho, the molecular viscosity coefficient and mu, as the wall shear stress τ W, U τ = {τ W / [rho} friction velocity U tau represented by 1/2 , Dimensionless distance calculated by the distance Y from the wall y + = (ρU τ Y / μ) = [ρ {τ W / ρ} 1/2 Y / μ] using a dimensionless distance y + = 10 It has the uneven | corrugated height corresponding to .

また、本発明に係る内燃機関において、断熱膜は、粒状に形成された多数の中空粒子断熱材と、バインダ断熱材とを含んで構成されることが好ましい。また、本発明に係る内燃機関において、断熱膜は、ポーラス構造を有する陽極酸化皮膜から構成されることが好ましい。   In the internal combustion engine according to the present invention, it is preferable that the heat insulating film includes a large number of hollow particle heat insulating materials formed in a granular form and a binder heat insulating material. In the internal combustion engine according to the present invention, the heat insulating film is preferably composed of an anodized film having a porous structure.

また、本発明に係る内燃機関において、断熱膜が形成される前の燃焼室母材としてのピストンまたはヘッド部は、ピストンの場合その上面が所定の凹凸高さを有する凹凸形状を含み、ヘッド部の場合は、その下面が所定の凹凸高さを有する凹凸形状を含むことが好ましい。   Further, in the internal combustion engine according to the present invention, the piston or the head portion as the combustion chamber base material before the heat insulating film is formed includes an uneven shape having an upper surface having a predetermined uneven height in the case of the piston, In this case, it is preferable that the lower surface includes an uneven shape having a predetermined uneven height.

また、本発明に係る内燃機関において、断熱膜は、無次元距離y+=10に対応する凹凸高さとして、断熱膜は、0.1mm以上0.2mm以下の凹凸高さを有する凹凸形状を含むことが好ましい。 In the internal combustion engine according to the present invention, the heat insulating film has an uneven height corresponding to a dimensionless distance y + = 10, and the heat insulating film has an uneven shape having an uneven height of 0.1 mm to 0.2 mm. It is preferable to include.

上記構成により内燃機関は、燃焼室母材の熱伝導率よりも低い熱伝導率と、燃焼室母材の単位体積当り熱容量よりも低い単位体積当り熱容量とを有する断熱膜が燃焼室に面する壁面に形成される。そして、断熱膜は、ピストンの上面の点火プラグの真下位置から放射状に凹凸が形成される。または、ヘッド部の下面の点火プラグ位置から放射状に凹凸形状が形成される。これにより、燃焼室内の気体の流れが整流され、乱流熱伝達を抑制し熱損失を減少することができる。   With the above configuration, in the internal combustion engine, the heat insulating film having a thermal conductivity lower than that of the combustion chamber base material and a heat capacity per unit volume lower than that of the combustion chamber base material faces the combustion chamber. Formed on the wall. And as for a heat insulation film, an unevenness | corrugation is radially formed from the position directly under the ignition plug of the upper surface of a piston. Or the uneven | corrugated shape is radially formed from the ignition plug position of the lower surface of a head part. Thereby, the flow of the gas in the combustion chamber is rectified, turbulent heat transfer can be suppressed, and heat loss can be reduced.

また、内燃機関において、ピストンの上面が予め凹凸形状に形成され、その上に断熱膜が設けられる。または、ヘッド部の下面が予め凹凸形状に形成されその上に断熱膜が設けられる。これにより、凹凸形状を容易に形成できる。   Further, in the internal combustion engine, the upper surface of the piston is formed in an uneven shape in advance, and a heat insulating film is provided thereon. Or the lower surface of a head part is previously formed in uneven | corrugated shape, and a heat insulation film | membrane is provided on it. Thereby, an uneven | corrugated shape can be formed easily.

また、内燃機関において、燃焼室を流れる流体の物性と、壁面からの距離を用いて計算される無次元距離y+=(ρUτY/μ)=[ρ{τW/ρ}1/2Y/μ]を用いて、無次元距離y+=10に対応する凹凸高さを有する凹凸形状を含むので、壁面近傍の摩擦抵抗を効果的に低減できる。 In an internal combustion engine, a dimensionless distance y + = (ρUτY / μ) = [ρ {τ W / ρ} 1/2 Y / calculated using the physical properties of the fluid flowing in the combustion chamber and the distance from the wall surface. [mu]] is used to include a concavo-convex shape having a concavo-convex height corresponding to the dimensionless distance y + = 10, so that the frictional resistance in the vicinity of the wall surface can be effectively reduced.

また、内燃機関において、断熱膜は、0.1mm以上0.2mm以下の凹凸高さを有する。この凹凸高さは、一般的な内燃機関の運転条件における無次元距離y+=10に対応する凹凸高さに対応する値である。また、凹凸高さは、燃焼室内のガス流がそのくぼみに入り込まない程度の高さが断熱性から好ましく、また、高さがあまり高いと凹凸表面積が増加し、熱損失がかえって増大する恐れがある。これらの観点から内燃機関の一般的な運転条件のときは、上記の凹凸高さとすることが好ましい。 In the internal combustion engine, the heat insulating film has an uneven height of 0.1 mm or more and 0.2 mm or less. This uneven height is a value corresponding to the uneven height corresponding to the dimensionless distance y + = 10 under the operating conditions of a general internal combustion engine. Further, the height of the irregularities is preferably a height that does not allow the gas flow in the combustion chamber to enter the indentation, and if the height is too high, the irregular surface area increases, which may increase heat loss. is there. From these viewpoints, it is preferable that the height of the projections and depressions be set as described above when the operating condition is a general internal combustion engine.

本発明に係る実施の形態の内燃機関の構成を説明する図である。It is a figure explaining the composition of the internal-combustion engine of an embodiment concerning the present invention. 本発明に係る実施の形態における断熱膜の構成の一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of composition of a heat insulation film in an embodiment concerning the present invention. 図1のA部の拡大図である。It is an enlarged view of the A section of FIG. 本発明に係る実施の形態における凹凸形状の部分の断面図である。It is sectional drawing of the uneven | corrugated shaped part in embodiment which concerns on this invention.

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、内燃機関として火花点火式ガソリンエンジンを説明するが、これは、ガソリンエンジン等の火花点火式内燃機関の方が燃焼室内の気体の流れの整流が熱損失の抑制に効果的であると考えられるための例示であって、勿論ディーゼルエンジンであってもよい。ディーゼルエンジンのような圧縮点火式内燃機関は、ガソリンエンジンと燃焼室内の気体の流れ方が違うが、やはり燃焼室内で乱流熱伝達が生じる。なお、内燃機関としては、気筒数、気筒の配置形式等、さまざまな仕様のものを含む。   Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In the following, a spark ignition type gasoline engine will be described as an internal combustion engine. This is because, in a spark ignition type internal combustion engine such as a gasoline engine, rectification of the gas flow in the combustion chamber is more effective in suppressing heat loss. It is an illustration for being considered, and of course, a diesel engine may be used. In a compression ignition type internal combustion engine such as a diesel engine, the flow of gas in a combustion chamber is different from that of a gasoline engine, but turbulent heat transfer is also generated in the combustion chamber. Note that the internal combustion engine includes those with various specifications such as the number of cylinders and the arrangement form of the cylinders.

また、以下では、燃焼室の構成として、シリンダ、ピストン、吸気弁、排気弁、点火プラグを説明するが、これは燃焼室壁面に関連する主要な要素であって、内燃機関としては、勿論これ以外の要素を含む。例えば、燃料噴射弁、スロットルバルブ、フローメータ、EGR等を含むが、これらの説明は単に省略しただけである。   In the following, a cylinder, a piston, an intake valve, an exhaust valve, and a spark plug will be described as the configuration of the combustion chamber. However, this is a major element related to the wall surface of the combustion chamber. Contains elements other than. For example, a fuel injection valve, a throttle valve, a flow meter, EGR, etc. are included, but these descriptions are merely omitted.

また、以下の燃焼室の形状、燃焼室の構成要素の配置等は、説明のための例示であり、内燃機関の仕様に応じ、適宜変更が可能である。   Further, the following shape of the combustion chamber, arrangement of the components of the combustion chamber, and the like are examples for explanation, and can be appropriately changed according to the specifications of the internal combustion engine.

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。   Below, the same code | symbol is attached | subjected to the same element in all the drawings, and the overlapping description is abbreviate | omitted. In the description in the text, the symbols described before are used as necessary.

図1は、内燃機関10における燃焼室26の周辺を説明するための図である。この内燃機関10は、火花点火式のガソリンエンジンであり、図1では、その1つの気筒の断面図が示されている。   FIG. 1 is a view for explaining the periphery of the combustion chamber 26 in the internal combustion engine 10. The internal combustion engine 10 is a spark ignition type gasoline engine, and FIG. 1 shows a cross-sectional view of one cylinder thereof.

ここでは、ピストン12と、ピストン12が摺動するシリンダ14とが示されている。ピストン12は、円柱状の外形形状を有し、その上面30は、中央部にキャビティとも呼ばれるくぼみを有する。シリンダ14は、ピストン12の摺動を案内する円筒状の内壁と、円筒状の天井部を構成する上部部材とを含む。円筒状の部分はライナ部と呼ばれ、天井部を構成する上部部材はヘッド部と呼ばれる。ピストン12の上面30とシリンダ14のヘッド部の下面32とで囲まれる空間が燃焼室26である。   Here, a piston 12 and a cylinder 14 on which the piston 12 slides are shown. The piston 12 has a cylindrical outer shape, and the upper surface 30 has a recess called a cavity at the center. The cylinder 14 includes a cylindrical inner wall that guides the sliding of the piston 12 and an upper member that forms a cylindrical ceiling portion. The cylindrical portion is called a liner portion, and the upper member constituting the ceiling portion is called a head portion. A space surrounded by the upper surface 30 of the piston 12 and the lower surface 32 of the head portion of the cylinder 14 is a combustion chamber 26.

シリンダ14のヘッド部には、吸気弁16、吸気路18、排気弁20、排気路22、点火プラグ24等が設けられる。したがって、燃焼室26の内壁を構成する要素としては、ピストン12の上面30、シリンダ14のヘッド部の下面32、この下面に配置される吸気弁16の先端部、排気弁20の先端部、点火プラグ24の先端部等が含まれる。これらの要素を、燃焼室を構成する要素としてまとめて、燃焼室母材と呼ぶことにする。ピストン12、シリンダ14は、その材質としてアルミニウム合金が用いられるので、燃焼室母材の材質としては一部を除いてアルミニウム合金であると考えてよい。   An intake valve 16, an intake passage 18, an exhaust valve 20, an exhaust passage 22, a spark plug 24, and the like are provided in the head portion of the cylinder 14. Therefore, the elements constituting the inner wall of the combustion chamber 26 include the upper surface 30 of the piston 12, the lower surface 32 of the head portion of the cylinder 14, the tip portion of the intake valve 16 disposed on this lower surface, the tip portion of the exhaust valve 20, and ignition. The tip of the plug 24 and the like are included. These elements are collectively referred to as elements constituting the combustion chamber, and are referred to as a combustion chamber base material. Since the piston 12 and the cylinder 14 are made of an aluminum alloy, the material of the combustion chamber base material may be considered to be an aluminum alloy except for a part thereof.

断熱膜40,42は、燃焼室母材が燃焼室26に面する壁面に形成され、燃焼室26の燃焼ガスの温度が燃焼室母材に逃げないように断熱して高温を維持するための遮熱膜である。断熱膜40,42は、燃焼室母材の熱伝導率よりも低い熱伝導率と、燃焼室母材の単位体積当り熱容量よりも低い単位体積当り熱容量とを有する。断熱膜40は、ピストン12の上面30、シリンダ14のヘッド部の下面32とともに、そこに配置される吸気弁16、排気弁20の下面にも設けられる。また、シリンダ14の円筒状の部分であるライナ部にも断熱膜を設けるものとしてもよい。   The heat insulating films 40 and 42 are formed on the wall surface where the combustion chamber base material faces the combustion chamber 26, and insulate the temperature of the combustion gas in the combustion chamber 26 so as not to escape to the combustion chamber base material to maintain a high temperature. It is a thermal barrier film. The heat insulating films 40 and 42 have a thermal conductivity lower than the thermal conductivity of the combustion chamber base material and a heat capacity per unit volume lower than the heat capacity per unit volume of the combustion chamber base material. The heat insulating film 40 is provided not only on the upper surface 30 of the piston 12 and the lower surface 32 of the head portion of the cylinder 14 but also on the lower surfaces of the intake valve 16 and the exhaust valve 20 disposed there. Moreover, it is good also as what provides a heat insulating film also in the liner part which is a cylindrical part of the cylinder 14. FIG.

このような断熱膜40,42としては、粒状に形成された多数の中空粒子断熱材と、バインダ断熱材とを含んで構成するものを用いることができる。バインダ断熱材は、膜状のものとしてもよい。また、ポーラス構造を有する陽極酸化皮膜を用いることができる。以下では、陽極酸化皮膜を用いる場合について説明する。図2は、陽極酸化断熱膜としての断熱膜42の構成を説明する断面図である。断熱膜42は、燃焼室母材であるピストン12の材質であるアルミニウムを公知の陽極酸化法によって、陽極酸化処理し、多数の空孔46を有するアルミナ膜44としたものである。断熱膜40,42の厚さは、陽極酸化処理の条件で調整できる。断熱効果を考えると、断熱膜40,42の厚さを、例えば、50μmから150μm程度とすることができる。   As such heat insulation films | membranes 40 and 42, what is comprised including many hollow particle heat insulating materials formed in granule and a binder heat insulating material can be used. The binder heat insulating material may be a film. An anodized film having a porous structure can be used. Below, the case where an anodized film is used is demonstrated. FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the heat insulating film 42 as an anodized heat insulating film. The heat insulating film 42 is an alumina film 44 having a large number of holes 46 by anodizing aluminum which is a material of the piston 12 which is a combustion chamber base material by a known anodizing method. The thickness of the heat insulating films 40 and 42 can be adjusted by the conditions of the anodizing treatment. Considering the heat insulating effect, the thickness of the heat insulating films 40 and 42 can be set to, for example, about 50 μm to 150 μm.

図2に示すように、多数の空孔46は、燃焼室26の側に向かって繋がった細長い孔としてアルミナ膜44の中に形成される。空孔46の径の大きさはおよそ数10nmである。この空孔46の中は空気であるので、アルミニウムであるピストン12に比べ、熱伝導率が低く、また単位体積当り熱容量が小さい。   As shown in FIG. 2, the numerous holes 46 are formed in the alumina film 44 as elongated holes connected toward the combustion chamber 26 side. The diameter of the hole 46 is about several tens of nm. Since the air holes 46 are air, the heat conductivity is lower and the heat capacity per unit volume is smaller than that of the piston 12 made of aluminum.

なお、断熱膜40,42としては、燃焼室母材の熱伝導率よりも低い熱伝導率と、燃焼室母材の単位体積当り熱容量よりも低い単位体積当り熱容量とを有するものであれば、公知の断熱膜であってよい。例えば、特許文献1で開示されている粒状に形成された多数の断熱材と、膜状に形成された断熱材とを組み合わせたものを用いることができる。あるいは、適当な中空粒子とバインダとの混合膜を用いてもよい。   As the heat insulating films 40 and 42, if they have a thermal conductivity lower than the thermal conductivity of the combustion chamber base material and a heat capacity per unit volume lower than the thermal capacity per unit volume of the combustion chamber base material, It may be a known heat insulating film. For example, what combined many heat insulating materials formed in the granular form currently disclosed by patent document 1 and the heat insulating material formed in the film form can be used. Alternatively, a mixed film of appropriate hollow particles and a binder may be used.

再び図1に戻り、ここでは、ピストン12の上面30の様子が示されている。ピストン12の上面30に設けられる凹凸形状50は、燃焼室26内の気体の流れを整流するためのガイド溝の作用をする微小な凹凸である。図1に示されるように、凹凸形状50は、ピストン12の上面30の中央部から周縁部に向かって放射状に複数設けられる。   Returning to FIG. 1 again, the state of the upper surface 30 of the piston 12 is shown here. The uneven shape 50 provided on the upper surface 30 of the piston 12 is a minute unevenness that acts as a guide groove for rectifying the gas flow in the combustion chamber 26. As shown in FIG. 1, a plurality of uneven shapes 50 are provided radially from the central portion of the upper surface 30 of the piston 12 toward the peripheral portion.

図3は、図1のA部の拡大図である。凹凸形状50は、三角突起形状、あるいは山形形状と呼ばれる形状を有している。この放射状形状は、ピストン12の上面30の中央部から周縁部に延びるので、ガソリンエンジンの燃焼室の中心で点火プラグ24によって点火され火炎となった気体60が周縁部に向かって流れることを、放射状に整流することができる。   FIG. 3 is an enlarged view of a portion A in FIG. The uneven shape 50 has a shape called a triangular protrusion shape or a mountain shape. Since this radial shape extends from the central portion of the upper surface 30 of the piston 12 to the peripheral portion, the gas 60 ignited by the spark plug 24 at the center of the combustion chamber of the gasoline engine flows into the peripheral portion, It can be rectified radially.

これによって、気体60の流れを整然と中央部から周縁部に導くので、気体60の流れを乱流化することを抑制でき、乱流熱伝達を防いで、断熱膜40,42の作用とともに、内燃機関10の熱損失を一層減少させることができる。   As a result, the flow of the gas 60 is neatly guided from the central portion to the peripheral portion, so that the turbulent flow of the gas 60 can be suppressed, turbulent heat transfer can be prevented, and the action of the heat insulating films 40 and 42 can be prevented. The heat loss of the engine 10 can be further reduced.

同様の凹凸形状をシリンダ14のヘッド部の下面32に設けることができる。この場合も、ヘッド部の下面32の中央部から放射状に凹凸形状が形成される。凹凸形状は、ピストン12の上面30とヘッド部の下面32の双方に設けることが好ましい。勿論、上記のように、ピストン12の上面30のみに設けるものとしてもよく、あるいは、ヘッド部の下面32のみに設けるものとしてもよい。また、吸気弁16、排気弁20の下面にも、ヘッド部の下面32の凹凸形状50と整合するような配置で、凹凸形状を設けるものとしてもよい。   A similar uneven shape can be provided on the lower surface 32 of the head portion of the cylinder 14. Also in this case, uneven shapes are formed radially from the center of the lower surface 32 of the head portion. The uneven shape is preferably provided on both the upper surface 30 of the piston 12 and the lower surface 32 of the head portion. Of course, as described above, it may be provided only on the upper surface 30 of the piston 12, or may be provided only on the lower surface 32 of the head portion. Also, the concave and convex shapes may be provided on the lower surfaces of the intake valve 16 and the exhaust valve 20 so as to be aligned with the concave and convex shapes 50 on the lower surface 32 of the head portion.

図4は、凹凸形状50の断面拡大図である。凹凸形状50は、燃焼室母材であるピストン12の上面が予め凹凸形状に成形され、その状態で陽極酸化処理が行われ、結果として、断熱膜42の凹凸形状50となる。つまり、断熱膜42が形成される前の燃焼室母材としてのピストン12の上面30が予め所定の凹凸高さhを有するように成形される。   FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the concavo-convex shape 50. The concavo-convex shape 50 is such that the upper surface of the piston 12 that is the combustion chamber base material is previously formed into a concavo-convex shape, and anodization is performed in this state, resulting in the concavo-convex shape 50 of the heat insulating film 42. That is, the upper surface 30 of the piston 12 as the combustion chamber base material before the heat insulating film 42 is formed is molded in advance so as to have a predetermined uneven height h.

凹凸高さhは、燃焼室26内の渦が、その凹凸の中、つまり溝の中に入り込まない程度とすることがよい。こうすることで、燃焼室26内の気体60の温度を高温のまま維持することが容易となる。図4では、直角三角形断面の凹凸で示してあるので、溝幅が凹凸高さhとほぼ同じとなっている。   The unevenness height h is preferably set such that the vortex in the combustion chamber 26 does not enter the unevenness, that is, into the groove. By doing so, it becomes easy to maintain the temperature of the gas 60 in the combustion chamber 26 at a high temperature. In FIG. 4, the groove width is substantially the same as the uneven height h because it is shown by the unevenness of the right triangle cross section.

流体の流れの解析からは、非特許文献1で述べられているように、壁面近傍の流れとしては、無次元距離であるy+を10程度として考えることが最適であるとされている。上記のように、無次元距離y+=(ρUτY/μ)=[ρ{τW/ρ}1/2Y/μ]であり、ここで、ρは、流体の密度、Uτは、摩擦速度で、τWを壁面せん断応力としてUτ={τW/ρ}1/2で示され、Yは、壁面からの距離、μは分子粘性係数である。 From the analysis of the fluid flow, as described in Non-Patent Document 1, it is considered optimal for the flow in the vicinity of the wall surface to consider the dimensionless distance y + as about 10. As described above, the dimensionless distance y + = (ρUτY / μ) = [ρ {τ W / ρ} 1/2 Y / μ], where ρ is the density of the fluid and Uτ is the friction velocity. In this case, Uτ = {τ W / ρ} 1/2 where τ W is a wall shear stress, Y is a distance from the wall surface, and μ is a molecular viscosity coefficient.

Yをhとして、一般的なガソリンエンジンの50%負荷運転のときの燃焼期間において、このときの最大圧力を2MPaから3MPaとして、y+=10に対応するhを求めると、ピストン12の上面で、h=0.1mmから0.2mmに相当する。したがって、燃焼室26の中の気体60の壁面に沿った流れに適合させる凹凸高さhとしては、0.1mmから0.2mm程度がよいことになる。また、別の観点からは、あまり高いと、凹凸形状50の表面積が増大し、熱損失の低減が図れなくなるので、この程度の凹凸高さhとすることが好ましい。 When Y is set to h and the maximum pressure at this time is set to 2 MPa to 3 MPa in a combustion period when a general gasoline engine is operated at 50% load, h corresponding to y + = 10 is obtained on the upper surface of the piston 12. H = 0.1 mm to 0.2 mm. Therefore, the uneven height h adapted to the flow along the wall surface of the gas 60 in the combustion chamber 26 is preferably about 0.1 mm to 0.2 mm. From another point of view, if the height is too high, the surface area of the concavo-convex shape 50 increases, and heat loss cannot be reduced.

本発明に係る内燃機関は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンに利用できる。   The internal combustion engine according to the present invention can be used for gasoline engines and diesel engines.

10 内燃機関、12 ピストン、14 シリンダ、16 吸気弁、18 吸気路、20 排気弁、22 排気路、24 点火プラグ、26 燃焼室、30 上面、32 下面、40,42 断熱膜、44 アルミナ膜、46 空孔、50 凹凸形状、60 気体。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Internal combustion engine, 12 Piston, 14 Cylinder, 16 Intake valve, 18 Intake path, 20 Exhaust valve, 22 Exhaust path, 24 Spark plug, 26 Combustion chamber, 30 Upper surface, 32 Lower surface, 40,42 Thermal insulation film, 44 Alumina film, 46 holes, 50 irregularities, 60 gas.

Claims (5)

内燃機関の燃焼室を構成する各要素を燃焼室母材として、燃焼室母材の燃焼室に面する壁面に形成され、燃焼室母材の熱伝導率よりも低い熱伝導率と、燃焼室母材の単位体積当り熱容量よりも低い単位体積当り熱容量とを有する断熱膜を備え、
断熱膜は、燃焼室母材の燃焼室に面する壁面のうち、ピストンの上面またはピストンの上表面に面するシリンダのヘッド部の下面において、予め定めた所定の凹凸高さを有し、ピストンの上面の点火プラグ真下位置から放射状に形成され、またはヘッド部の下面の点火プラグ位置から放射状に形成される凹凸形状を含み、
凹凸形状は、
燃焼室を流れる流体の密度をρとし、分子粘性係数をμとし、壁面せん断応力をτ W として、U τ ={τ W /ρ} 1/2 で示される摩擦速度U τ と、壁面からの距離Yによって計算される無次元距離y + =(ρU τ Y/μ)=[ρ{τ W /ρ} 1/2 Y/μ]を用いて、無次元距離y + =10に対応する凹凸高さを有することを特徴とする内燃機関。
Each element constituting the combustion chamber of the internal combustion engine is formed on the wall surface of the combustion chamber base material facing the combustion chamber, and has a thermal conductivity lower than that of the combustion chamber base material, and the combustion chamber A heat insulating film having a heat capacity per unit volume lower than the heat capacity per unit volume of the base material,
The heat insulating film has a predetermined uneven height on the upper surface of the piston or the lower surface of the head portion of the cylinder facing the upper surface of the piston among the wall surfaces of the combustion chamber base material facing the combustion chamber. the formed radially from the spark plug position directly below the upper surface, or viewing including an uneven shape formed radially from the spark plug position of the lower surface of the head portion,
The uneven shape is
The density of the fluid flowing through the combustion chamber and [rho, the molecular viscosity coefficient and mu, as the wall shear stress tau W, and friction velocity U tau represented by U τ = {τ W / ρ } 1/2, from the wall surface Using dimensionless distance y + = (ρU τ Y / μ) = [ρ {τ W / ρ} 1/2 Y / μ] calculated by distance Y, irregularities corresponding to dimensionless distance y + = 10 An internal combustion engine having a height .
請求項1に記載の内燃機関において、
断熱膜は、粒状に形成された多数の中空粒子断熱材と、バインダ断熱材とを含んで構成されることを特徴とする内燃機関。
The internal combustion engine according to claim 1,
An internal combustion engine, wherein the heat insulating film includes a large number of hollow particle heat insulating materials formed in a granular form and a binder heat insulating material.
請求項1に記載の内燃機関において、
断熱膜は、ポーラス構造を有する陽極酸化皮膜から構成されることを特徴とする内燃機関。
The internal combustion engine according to claim 1,
An internal combustion engine, wherein the heat insulating film is composed of an anodized film having a porous structure.
請求項1に記載の内燃機関において、
断熱膜が形成される前の燃焼室母材としてのピストンまたはヘッド部は、ピストンの場合その上面が所定の凹凸高さを有する凹凸形状を含み、ヘッド部の場合は、その下面が所定の凹凸高さを有する凹凸形状を含むことを特徴とする内燃機関。
The internal combustion engine according to claim 1,
The piston or head portion as the combustion chamber base material before the heat insulation film is formed includes a concavo-convex shape whose upper surface has a predetermined concavo-convex height in the case of a piston, and in the case of a head portion, the lower surface thereof has a predetermined concavo-convex shape. An internal combustion engine comprising an uneven shape having a height.
請求項1から4のいずれか1に記載の内燃機関において、
断熱膜は、無次元距離y+=10に対応する凹凸高さとして、0.1mm以上0.2mm以下の凹凸高さを有する凹凸形状を含むことを特徴とする内燃機関。
The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4 ,
The internal combustion engine, wherein the heat insulating film includes a concavo-convex shape having a concavo-convex height of 0.1 mm to 0.2 mm as a concavo-convex height corresponding to the dimensionless distance y + = 10.
JP2010191409A 2010-08-27 2010-08-27 Internal combustion engine Expired - Fee Related JP5533446B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010191409A JP5533446B2 (en) 2010-08-27 2010-08-27 Internal combustion engine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010191409A JP5533446B2 (en) 2010-08-27 2010-08-27 Internal combustion engine

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2012047134A JP2012047134A (en) 2012-03-08
JP5533446B2 true JP5533446B2 (en) 2014-06-25

Family

ID=45902268

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010191409A Expired - Fee Related JP5533446B2 (en) 2010-08-27 2010-08-27 Internal combustion engine

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5533446B2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107631880A (en) * 2017-08-31 2018-01-26 北京理工大学 The attached wall film combustion experimental provision and method to be ignited based on spray burning
CN110966112A (en) * 2018-10-01 2020-04-07 丰田自动车株式会社 Internal combustion engine

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5978677B2 (en) * 2012-03-16 2016-08-24 マツダ株式会社 Compression self-ignition engine
JP5978678B2 (en) * 2012-03-16 2016-08-24 マツダ株式会社 Compression self-ignition engine
JP6217552B2 (en) * 2014-07-25 2017-10-25 トヨタ自動車株式会社 Formation method of heat insulation film
JP6350449B2 (en) * 2015-08-20 2018-07-04 マツダ株式会社 Engine combustion chamber structure
JP6436149B2 (en) * 2016-11-28 2018-12-12 マツダ株式会社 Engine combustion chamber structure
JP6344455B2 (en) * 2016-11-28 2018-06-20 マツダ株式会社 Engine combustion chamber structure
JP6460156B2 (en) * 2017-06-12 2019-01-30 マツダ株式会社 Engine combustion chamber
JP6460155B2 (en) * 2017-06-12 2019-01-30 マツダ株式会社 Engine combustion chamber
JP2020007977A (en) * 2018-07-09 2020-01-16 トヨタ自動車株式会社 Compression self-ignition internal combustion engine

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0240262Y2 (en) * 1984-12-29 1990-10-26
JPS6363560U (en) * 1986-10-15 1988-04-26
JPH11257077A (en) * 1998-03-17 1999-09-21 Hitachi Ltd In-cylinder injection type spark ignition engine
JP2003211002A (en) * 2002-01-18 2003-07-29 Toyota Motor Corp Method for supporting catalyst on metallic member surface and catalyst supporting metallic member
JP5315880B2 (en) * 2008-09-17 2013-10-16 株式会社豊田中央研究所 Method for forming thin film and method for manufacturing internal combustion engine

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107631880A (en) * 2017-08-31 2018-01-26 北京理工大学 The attached wall film combustion experimental provision and method to be ignited based on spray burning
CN110966112A (en) * 2018-10-01 2020-04-07 丰田自动车株式会社 Internal combustion engine
CN110966112B (en) * 2018-10-01 2022-03-15 丰田自动车株式会社 Internal combustion engine

Also Published As

Publication number Publication date
JP2012047134A (en) 2012-03-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5533446B2 (en) Internal combustion engine
EP3114338B1 (en) Carbon scraper
JP5082987B2 (en) Internal combustion engine
JP6231781B2 (en) Different thickness coatings for cylinder liners
CN104995377A (en) Poppet valve
JP5998696B2 (en) Engine combustion chamber insulation structure
JP6522611B2 (en) piston ring
US20160319767A1 (en) Cylinder liner of an internal combustion engine
JP6401104B2 (en) Engine pistons
JP2013024142A (en) Piston
JP2014105619A (en) Piston
JP2009236110A (en) Intake structure and exhaust structure for internal combustion engine
JP5978677B2 (en) Compression self-ignition engine
JP2012047110A (en) Internal combustion engine
JP6350449B2 (en) Engine combustion chamber structure
JP6259585B2 (en) Piston sliding part lubrication structure
JP2016075226A (en) Internal combustion engine
JP5978678B2 (en) Compression self-ignition engine
JP6490440B2 (en) Monoblock engine cylinder structure
JP6344455B2 (en) Engine combustion chamber structure
JP6347130B2 (en) Intake port structure of internal combustion engine
WO2020196098A1 (en) Diesel engine
US20230228212A1 (en) Cylinder head for internal combustion engine
JP6344456B2 (en) Engine combustion chamber structure
JP2014077365A (en) Gasket

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20130401

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20131227

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140107

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140307

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20140401

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 5533446

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20140414

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees