JP6347488B2 - シリンダ構造体及びピストンエンジン - Google Patents

Description

本開示は、シリンダ構造体及びピストンエンジンに関する。

ピストンエンジンは、シリンダブロック、ピストン及びシリンダヘッドによって燃焼室を形成するよう構成されたシリンダ構造体を備えている。

ピストンエンジンには、膨張行程で燃焼室内に始動空気を供給してピストンを押し下げることによりエンジンを回転させて始動するものがある。このようなピストンエンジンでは、燃焼室内に始動空気を供給するための始動空気供給弁は、メンテナンスの観点からシリンダヘッドの外周側に取り付けられることがある。この場合、始動空気を供給するための始動空気供給路は、始動空気供給弁を保持するためにシリンダヘッドの外周側に形成された弁保持穴と燃焼室とを接続するように設けられる。

また、ピストンエンジンには、燃焼室の状態を監視するためのセンサ（例えば筒内圧センサ）を有するものがある。このセンサも、メンテナンスの観点から、シリンダヘッドの外周側に取り付けられることがあり、この場合には、センサによって燃焼室の状態を監視するための監視用穴がセンサの装着部から燃焼室まで設けられる。

ところで、上述したような始動空気供給路や監視用穴を設けると、始動空気供給路や監視用穴が無駄容積となり、圧縮比向上による熱効率改善の妨げになるほか、無駄容積内での不完全燃焼により熱効率が低下するという問題がある。

特許文献１には、燃焼室圧力を計測するための指圧器（筒内圧センサ）から燃焼室まで延びる筒内圧導入通路の無駄容積を低減するために、筒内圧導入通路を開閉する弁をシリンダヘッド内に設けて、指圧器を使用しない場合には弁を閉鎖するよう構成されたエンジンが開示されている。この構成では、指圧器を使用しない場合にシリンダヘッド内の弁を閉鎖することにより、筒内圧導入通路のうち燃焼室に連通する部分が短くなるため、無駄容積が低減される。

実開昭６１−１９９６４４号公報

特許文献１に記載のエンジンでは、指圧器を使用しないときには弁を閉鎖することによって無駄容積を低減することができるが、指圧器を使用するときには弁を開放する必要があるため無駄容積を低減することができない。

上述に事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、燃焼室内に始動空気を供給するための始動空気供給弁と、燃焼室の状態を監視するためのセンサとを備えるピストンエンジンに使用され、センサの使用時であってもピストンエンジンの無駄容積を低減し熱効率を向上することを可能とするシリンダ構造体を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るシリンダ構造体は、シリンダ空間が形成されたシリンダブロックと、前記シリンダ空間内で往復運動可能なピストンと、シリンダヘッドと、を備え、前記シリンダブロック、前記ピストン及び前記シリンダヘッドによってピストンエンジンの燃焼室を形成するよう構成されたシリンダ構造体であって、前記シリンダヘッドには、前記ピストンエンジンの始動時に前記燃焼室に始動空気を供給するための始動空気供給弁を保持するべく当該シリンダヘッドの外周側に形成された弁保持穴と、前記燃焼室の状態を監視するためのセンサを装着するべく当該シリンダヘッドの外周面に位置する装着部と、前記始動空気供給弁から前記燃焼室に前記始動空気を供給するべく前記弁保持穴と前記燃焼室とを連通する始動空気供給路と、前記燃焼室の状態を前記センサを用いて監視するべく前記始動空気供給路から分岐して前記装着部まで延在する監視用穴と、が設けられ、前記弁保持穴と前記装着部とは、前記ピストンの軸線を中心とした周方向において異なる位置に設けられる。

上記（１）に記載のシリンダ構造体によれば、燃焼室の状態をセンサを用いて監視するための監視用穴が始動空気を供給するための始動空気供給路から分岐してセンサの装着部まで延在しているため、始動空気供給路における監視用穴との接続位置よりも下流側の流路を、始動空気の供給用とセンサによる監視用の二つの用途で使用することができる。これにより、始動空気供給路と監視用穴とを別々に燃焼室に接続する場合と比較して、上記二つの用途のために必要な空間の容積（始動空気供給路の容積と監視用穴の容積の合計）を低減することができる。

また、監視用穴を始動空気供給路に接続する場合、センサの装着部をなるべく始動空気供給路の近くに設けることにより、装着部から始動空気供給路まで延在する監視用穴の長さを短くすることができる。一方、始動空気供給路の近くにセンサの装着部を設ける場合、弁保持穴に保持された始動空気供給弁を迂回するように監視用穴を設ける必要がある。このため、仮に弁保持穴と装着部とをピストンの軸線を中心とした周方向（以下、単に周方向と記載）において同一位置に設けた場合、始動空気供給弁を迂回するためには監視用穴の長さが長くなってしまう。

そこで、上記（１）に記載のシリンダ構造体では、弁保持穴と装着部とは周方向において異なる位置に設けられている。このため、弁保持穴と装着部とを周方向において同一位置に設けた場合と比較して、始動空気供給弁を迂回しつつ監視用穴の長さを短くすることができる。したがって、上記二つの用途のために必要な空間の容積（始動空気供給路の容積と監視用穴の容積の合計）を効果的に低減することができる。これにより、無駄容積を低減してピストンエンジンの熱効率を向上することができる。また、監視用穴が短くなる分、監視用穴のヒートスポット化（部分的に高温となること）を抑制することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載のシリンダ構造体において、前記監視用穴の延在方向と水平方向とのなす角度は、前記始動空気供給路の延在方向と水平方向とのなす角度よりも小さい。

上記（１）に記載のように弁保持穴と装着部とがピストンの軸線を中心とした周方向において異なる位置に設けられている場合には、上記（２）に記載のように、監視用穴の延在方向（監視用穴の軸方向）と水平方向とのなす角度を始動空気供給路の延在方向（始動空気供給路の軸方向）と水平方向とのなす角度よりも小さくすることができる。これにより、監視用穴の長さを短くすることができるため、無駄容積を低減してピストンエンジンの熱効率を向上することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（２）に記載のシリンダ構造体において、前記監視用穴は水平方向に延在する。
上記（３）に記載のシリンダ構造体によれば、監視用穴の長さを効果的に短くすることができるため、無駄容積を効果的に低減してピストンエンジンの熱効率を向上することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れか１項に記載のシリンダ構造体において、前記始動空気供給路のうち前記監視用穴との接続位置よりも前記始動空気の供給方向における下流側の流路部の流路幅は、前記監視用穴の流路幅よりも大きい。

監視用穴と始動空気供給路とを接続する場合、接続位置よりも始動空気の供給方向における下流側の流路部（センサによる監視用及び始動空気の供給用の二つの用途で使用する共用流路部）の流路幅を、二つの用途の両方で好適に使用する観点からどのように設定するべきかという課題が生じる。

この点、上記（４）に記載のシリンダ構造体では、始動空気供給路のうち監視用穴との接続位置よりも始動空気の供給方向における下流側の流路部の流路幅を監視用穴の流路幅よりも大きく設定しているため、始動空気の供給に必要な流路幅を確保しつつ、監視用穴を用いた燃焼室の監視を良好に実施することができる。

（５）本発明の少なくとも一実施形態に係るピストンエンジンは、上記（１）乃至（４）の何れか１項に記載のシリンダ構造体と、前記センサと、前記始動空気供給弁と、を備える。

上記（５）に記載のシリンダ構造体によれば、上記（１）について記載したように、弁保持穴と装着部とを周方向において同一位置に設けた場合と比較して、始動空気供給弁を迂回しつつ監視用穴の長さを短くすることができる。したがって、無駄容積を低減してピストンエンジンの熱効率を向上することができる。また、監視用穴が短くなる分、監視用穴のヒートスポット化（部分的に高温となること）を抑制することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（５）に記載のピストンエンジンにおいて、前記燃焼室の燃焼制御を行うための制御部を更に備え、前記制御部は、当該ピストンエンジンの始動時とは異なるタイミングにおいて、前記始動空気供給弁を開いて前記始動空気供給路を洗浄する洗浄モードを実行可能に構成される。

始動空気供給路や監視用穴には、燃焼室での燃焼に伴う燃焼残渣が溜まることがある。監視用穴に燃焼残渣がたまると、燃焼室の状態監視を燃焼残渣が阻害する恐れがある。そこで、上記（６）に記載のように、ピストンエンジンの始動時とは異なるタイミングにおいて、始動空気供給弁を開いて始動空気供給路を洗浄することにより、始動空気供給路から監視用穴へ供給される燃焼残渣量を低減することができる。これにより、センサによる燃焼室の状態監視を良好に行うことができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（６）に記載のピストンエンジンにおいて、前記センサは前記燃焼室の圧力を監視するための筒内圧センサであり、前記制御部は、前記筒内圧センサの出力に応じて前記燃焼室の燃焼制御を実行可能に構成され、前記制御部は、前記洗浄モードの実行中には前記筒内圧センサの出力に関係なく前記燃焼室の燃焼制御を行うよう構成される。

筒内圧センサの出力に基づいて燃焼室の燃焼制御を行う場合、上記（６）に記載の洗浄モードを実行すると、始動空気供給弁から供給される始動空気が筒内圧センサの出力に影響を与えてしまうため、燃焼室の燃焼制御を適切に行えなくなる可能性がある。そこで、上記（７）に記載のように、洗浄モードの実行中には筒内圧センサの出力に関係なく燃焼室の燃焼制御を行うよう制御部を構成することにより、洗浄モードの実行にともなう筒内圧センサの出力変動に関係なく燃焼室の燃焼制御を行うことができる。

本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、燃焼室内に始動空気を供給するための始動空気供給弁と、燃焼室の状態を監視するためのセンサとを備えるピストンエンジンに使用され、少なくともセンサの使用時において、ピストンエンジンの無駄容積を低減し熱効率を向上することを可能とするシリンダ構造体が提供される。

一実施形態に係るピストンエンジンの模式的断面図である。 図１に示したピストンエンジンをＡ方向から見たときの一部を模式的に示す図である。 図１に示したピストンエンジンが備えるシリンダ構造体の模式的断面図である。 図３に示したシリンダ構造体の模式的断面における部分拡大図である。 図３に示したシリンダ構造体の模式的断面における部分拡大図である。 監視用穴の延在方向が水平方向と一致するシリンダ構造体を説明するための部分拡大図である。 制御部による制御の一例を示すタイミングチャートである。 一比較例に係るピストンエンジンの模式的断面図である。 一比較例に係るピストンエンジンの模式的断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、一実施形態に係るピストンエンジン１００の模式的断面図である。図２は、図１に示したピストンエンジン１００をＡ方向から見たときの一部を模式的に示す図である。図３は、図１に示したピストンエンジン１００が備えるシリンダ構造体２の模式的断面図である。図４は、図３に示したシリンダ構造体２の模式的断面における部分拡大図である。

ピストンエンジン１００は、例えば図１又は図２に示すように、シリンダ構造体２と、吸気弁３と、排気弁５と、始動空気供給弁２２と、筒内圧センサ２４と、制御部３０とを備えている。

シリンダ構造体２は、例えば図１及び図３に示すように、シリンダ空間４が形成されたシリンダブロック６と、シリンダ空間４内で往復運動可能なピストン８と、シリンダヘッド１０と、を含み、シリンダブロック６、ピストン８及びシリンダヘッド１０によってピストンエンジン１００の燃焼室１２を形成するよう構成されている。図１及び図３に示す実施形態では、燃焼室１２は、シリンダブロック６の内周面（シリンダボア径を規定する壁面）１５と、ピストン８の頂面１９と、シリンダヘッド１０の底面２１とによって形成される。

一実施形態では、例えば図１に示すように、ピストンエンジン１００は副室式エンジンであってもよい。この場合、以下に記載する燃焼室１２は、シリンダ空間４内に形成される主燃焼室を意味し、ピストンエンジン１００は、シリンダヘッド１０に設けられた副室１３から複数の噴孔１７を介して燃焼室１２に噴出する火炎によって、燃焼室１２内に供給される混合気（例えば燃料ガスと空気との希薄混合気）を燃焼するよう構成される。

シリンダヘッド１０には、吸気ポート７（図１及び図３参照）と、排気ポート９（図１及び図３参照）と、弁保持穴１４（図１〜図３参照）と、装着部１６（図２参照）と、始動空気供給路１８（図１〜図３参照）と、監視用穴２０（図１〜図３参照）とが設けられている。

吸気ポート７及び排気ポート９は、それぞれ吸気弁３及び排気弁５によって開閉される。

弁保持穴１４は、ピストンエンジン１００の始動時に燃焼室１２に始動空気を供給するための始動空気供給弁２２を保持するべくシリンダヘッド１０の外周側に形成されている。

装着部１６は、燃焼室１２の状態として燃焼室１２の圧力（筒内圧）を監視するための筒内圧センサ２４を装着するべくシリンダヘッド１０の外周面２６に位置する。装着部１６は、筒内圧センサ２４が装着されるように外周面２６に形成された凹部又は凸部や、筒内圧センサ２４を保持する不図示のスリーブなどが取り付けられる外周面２６の一部（特別の加工が施されていない外周面２６そのもの）であってもよい。

始動空気供給路１８は、始動空気供給弁２２から燃焼室１２に始動空気を供給するべく弁保持穴１４と燃焼室１２とを連通するよう形成されている。

監視用穴２０は、燃焼室１２の圧力を筒内圧センサ２４を用いて監視するべく始動空気供給路１８から分岐して装着部１６まで延在している。

図２に示す制御部３０は、始動空気供給弁２２の開閉制御を行い、また、筒内圧センサ２４の出力に基づいて燃焼室１２の燃焼制御（吸気弁３、排気弁５及び不図示の点火装置等の制御）を行うよう構成されている。

上述したシリンダ構造体２によれば、燃焼室１２の状態を監視するための監視用穴２０が始動空気を供給するための始動空気供給路１８から分岐して装着部１６まで延在しているため、始動空気供給路１８における監視用穴２０との接続位置Ｐ（図２参照）よりも下流側の流路部２８（図２参照）を、始動空気の供給用と筒内圧センサ２４による筒内圧監視用の二つの用途で使用することができる。これにより、始動空気供給路１８と監視用穴２０とを別々に燃焼室１２に接続する場合（図８参照）と比較して、上記二つの用途のために必要な空間の容積（始動空気供給路１８の容積と監視用穴２０の容積の合計）を低減することができる。これにより、無駄容積を低減してピストンエンジン１００の熱効率を向上することができる。

また、上述のように監視用穴２０を始動空気供給路１８に接続する場合、筒内圧センサ２４の装着部１６をなるべく始動空気供給路１８の近くに設けることにより、装着部１６から始動空気供給路１８まで延在する監視用穴２０の長さを短くすることができる。一方、始動空気供給路１８の近くに筒内圧センサ２４の装着部１６を設ける場合、弁保持穴１４に保持された始動空気供給弁２２を迂回するように監視用穴２０を設ける必要がある。このため、仮に弁保持穴１４と装着部１６とを図９に示すように周方向において同一位置に設けた場合、始動空気供給弁２２を迂回するためには監視用穴２０の長さが長くなってしまう。

そこで、一実施形態では、図２に示すように、弁保持穴１４と装着部１６とはピストン８の軸線を中心とした周方向（以下、単に周方向と記載）において異なる位置に設けられている。

このように弁保持穴１４と装着部１６とを周方向において異なる位置に設けることにより、弁保持穴１４と装着部１６とを周方向において同一位置に設ける場合（図９参照）と比較して、始動空気供給弁２２を迂回しつつ監視用穴２０の長さを短くすることができる。この点においても、無駄容積を低減してピストンエンジン１００の熱効率を向上することができる。また、監視用穴２０が短くなる分、監視用穴２０のヒートスポット化（部分的に高温となること）を抑制することができる。

一実施形態では、例えば図４に示すように、始動空気供給路１８のうち監視用穴２０との接続位置Ｐよりも始動空気の供給方向における下流側の流路部２８（筒内圧センサ２４による筒内圧監視用及び始動空気の供給用の二つの用途で使用する共用流路部）の流路幅Ｗ２は、監視用穴２０の流路幅Ｗ１よりも大きい。

監視用穴２０と始動空気供給路１８とを接続する場合、接続位置Ｐよりも始動空気の供給方向における下流側の流路部２８の流路幅Ｗ２を、二つの用途の両方で好適に使用する観点からどのように設定するべきかという課題が生じる。

この点、図４に示した実施形態では、上述のように流路部２８の流路幅Ｗ２を監視用穴２０の流路幅Ｗ１よりも大きく設定しているため、始動空気の供給に必要な流路幅を確保しつつ、監視用穴２０を用いた燃焼室１２の監視を良好に実施することができる。

一実施形態では、例えば図５に示すように、監視用穴２０の延在方向（監視用穴２０の軸線方向）と水平方向とのなす角度α１は、始動空気供給路１８の延在方向（始動空気供給路１８の軸線方向）と水平方向とのなす角度α２よりも小さい。上述のように弁保持穴１４と装着部１６とがピストン８の軸線を中心とした周方向において異なる位置に設けられている場合には、このように、角度α１を角度α２よりも小さくすることができる。このため、監視用穴２０の長さを短くすることができ、ピストンエンジン１００の熱効率を向上することができる。この観点から、一実施形態では、例えば図６に示すように、監視用穴２０を水平方向に延在させてもよい（監視用穴２０の軸線方向を水平方向に一致させてもよい）。

図７は、一実施形態に係る制御部３０による制御の一例を示すタイミングチャートである。図７に示すように、制御部３０は、ピストンエンジン１００の始動時に始動空気供給弁２２を開いてエンジン回転数を上昇させてから、燃料供給制御及び点火制御を行う。なお、始動空気供給弁２２から始動空気を供給している間は、燃焼室の圧力（筒内圧）に始動空気が影響を与えるため、筒内圧監視（筒内圧センサ２４の出力に基づく燃焼室１２の燃焼制御）は、始動空気供給を停止するタイミングｔ１よりも後のタイミングｔ２から開始してもよい。

一実施形態では、図２に示す制御部３０は、ピストンエンジン１００の始動時とは異なるタイミング（例えばピストンエンジン１００の定格運転時）において、始動空気供給弁２２を開いて始動空気供給路１８を洗浄する洗浄モードを実行可能に構成されている。

始動空気供給路１８や監視用穴２０には、燃焼室１２での燃焼に伴う燃焼残渣が溜まることがある。監視用穴２０に燃焼残渣がたまると、筒内圧監視を燃焼残渣が阻害する恐れがある。そこで、上述のように、ピストンエンジン１００の始動時とは異なるタイミングにおいて、始動空気供給弁２２を開いて始動空気供給路１８を洗浄することにより、始動空気供給路１８から監視用穴２０へ供給される燃焼残渣量を低減することができる。これにより、筒内圧センサ２４を用いた筒内圧監視を良好に行うことができる。

なお、上述の洗浄モードを実行すると、始動空気供給弁２２から供給される始動空気が筒内圧センサ２４の出力に影響を与えるため、一実施形態では、図２に示す制御部３０は、洗浄モードの実行中には筒内圧センサ２４の出力に関係なく燃焼室１２の燃焼制御を行うよう構成されている。これにより、洗浄モードの実行にともなう筒内圧センサ２４の出力変動に関係なく燃焼室１２の燃焼制御を行うことができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。例えば、上述した実施形態では、ピストンエンジン１００として副室式エンジンを例に説明したが、本発明は直接噴射式のエンジンに適用してもよい。また、ガスエンジンやディーゼルエンジン等に適用することが可能である。

２ シリンダ構造体
３ 吸気弁
４ シリンダ空間
５ 排気弁
６ シリンダブロック
７ 吸気ポート
８ ピストン
９ 排気ポート
１０ シリンダヘッド
１２ 燃焼室
１３ 副室
１４ 弁保持穴
１５ 内周面
１６ 装着部
１７ 噴孔
１８ 始動空気供給路
１９ 頂面
２０ 監視用穴
２１ 底面
２２ 始動空気供給弁
２４ 筒内圧センサ
２６ 外周面
２８ 流路部
３０ 制御部
１００ ピストンエンジン

Claims (7)

1. シリンダ空間が形成されたシリンダブロックと、前記シリンダ空間内で往復運動可能なピストンと、シリンダヘッドと、を備え、前記シリンダブロック、前記ピストン及び前記シリンダヘッドによってピストンエンジンの燃焼室を形成するよう構成されたシリンダ構造体であって、
   前記シリンダヘッドには、
   前記ピストンエンジンの始動時に前記燃焼室に始動空気を供給するための始動空気供給弁を保持するべく当該シリンダヘッドの外周側に形成された弁保持穴と、
   前記燃焼室の状態を監視するためのセンサを装着するべく当該シリンダヘッドの外周面に位置する装着部と、
   前記始動空気供給弁から前記燃焼室に前記始動空気を供給するべく前記弁保持穴と前記燃焼室とを連通する始動空気供給路と、
   前記燃焼室の状態を前記センサを用いて監視するべく前記装着部から延在して前記始動空気供給路に接続する監視用穴と、
   が設けられ、
   前記弁保持穴と前記装着部とは、前記ピストンの軸線を中心とした周方向において異なる位置に設けられたシリンダ構造体。
2. 前記監視用穴の延在方向と水平方向とのなす角度は、前記始動空気供給路の延在方向と水平方向とのなす角度よりも小さい請求項１に記載のシリンダ構造体。
3. 前記監視用穴は水平方向に延在する請求項２に記載のシリンダ構造体。
4. 前記始動空気供給路のうち前記監視用穴との接続位置よりも前記始動空気の供給方向における下流側の流路部の流路幅は、前記監視用穴の流路幅よりも大きい請求項１乃至３の何れか１項に記載のシリンダ構造体。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載のシリンダ構造体と、前記センサと、前記始動空気供給弁と、を備えるピストンエンジン。
6. 前記燃焼室の燃焼制御を行うための制御部を更に備え、
   前記制御部は、当該ピストンエンジンの始動時とは異なるタイミングにおいて、前記始動空気供給弁を開いて前記始動空気供給路を洗浄する洗浄モードを実行可能に構成される請求項５に記載のピストンエンジン。
7. 前記センサは前記燃焼室の圧力を監視するための筒内圧センサであり、
   前記制御部は、前記筒内圧センサの出力に応じて前記燃焼室の燃焼制御を実行可能に構成され、
   前記制御部は、前記洗浄モードの実行中には前記筒内圧センサの出力に関係なく前記燃焼室の燃焼制御を行うよう構成された請求項６に記載のピストンエンジン。

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