JP7135758B2 - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、火花点火式内燃機関に関する。

特開２０１７－１１５７８１号公報は、ピストンの頂面に断熱膜を備える火花点火式内燃機関を開示する。この断熱膜は、陽極酸化層を備えている。陽極酸化層は、ピストン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。したがって、冷却損失を低減することが可能となる。

特開２０１７－１１５７８１号公報

また、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。しかしながら、頂面の全域に断熱膜を形成すると、膜形成領域の温度が十分に下がりきらないことがあることが判明した。例えば、高負荷域での運転が続いたときには、燃焼室内が高温化する傾向がある。そうすると、ノッキングが発生し易くなってしまう。

本発明の１つの目的は、燃焼室内の作動ガスの温度に対する膜形成領域の温度の追従性を確保しつつ、ノッキングの発生を抑制することのできる技術を提供することを目的とする。

第１の観点は、上述した課題を解決するための火花点火式内燃機関であり、次の特徴を有する。
前記内燃機関のピストンの頂面の一部には、断熱膜が形成される。
前記頂面は、中央部と外周部とを含む。前記外周部は、前記中央部を囲む。
前記外周部は、排気外周部を含む。前記排気外周部は、前記頂面の排気側を占める。
前記排気外周部は、スキッシュ部を含む。前記スキッシュ部は、スキッシュエリアを構成する。
前記断熱膜は、それが形成された領域の温度を内燃機関の燃焼室内の作動ガスの温度に追従させる追従性を有する。
前記断熱膜は、前記中央部には形成される。
前記断熱膜は、前記スキッシュ部には形成されない。
前記スキッシュ部は、０．３μｍ未満の算術平均粗さを有する鏡面である。

第２の観点は、第１の観点において、更に次の特徴を有する。
前記内燃機関は、排気バルブを更に備える。
前記排気外周部は、バルブリセス部を更に含む。前記バルブリセス部は、前記排気バルブとの干渉を避けるために設けられる。
前記断熱膜は、前記バルブリセス部には形成されない。
前記バルブリセス部は、前記鏡面である。

第３の観点は、第１または第２の観点において、更に次の特徴を有する。
前記排気外周部は、エッジ部を更に備える。前記エッジ部は、前記ピストンのエッジを構成する。
前記断熱膜は、前記エッジ部には形成されない。
前記エッジ部は、前記鏡面である。

第４の観点は、第１乃至３の何れかの観点において、更に次の特徴を有する。
前記外周部は、吸気外周部を更に含む。前記吸気外周部は、前記頂面の吸気側を占める。
前記断熱膜は、前記吸気外周部に更に形成される。

第５の観点は、第１乃至３の何れかの観点において、更に次の特徴を有する。
前記外周部は、吸気外周部を更に含む。前記吸気外周部は、前記頂面の吸気側を占める。
前記断熱膜は、前記吸気外周部には形成されない。
前記吸気外周部は、前記鏡面である。

第６の観点は、第１乃至５の何れかの観点において、更に次の特徴を有する。
前記内燃機関は、オイルジェットを更に備える。前記オイルジェットは、前記ピストンの背面にオイルを供給する。
前記オイルジェットは、ノズルを備える。前記ノズルは、オイルを噴射する。
前記ノズルの軸線の延長線は、前記ピストンが上死点にあるときに前記スキッシュ部と交わる。

第１乃至５の観点によれば、内燃機関の燃焼室内の作動ガスに対する追従性を有する断熱膜がピストンの頂面の中央部に形成される。そのため、内燃機関の膨張行程において冷却損失を低減できる。一方、ピストンの頂面のスキッシュ部にはこのような断熱膜が形成されず、当該スキッシュ部は鏡面である。鏡面は一定の断熱効果を有する。そのため、鏡面によれば、冷却損失を低減できる。ただし、断熱膜とは異なり、鏡面は、燃焼室内の作動ガスの温度に対する追従性を殆ど有さない。そのため、スキッシュ部に断熱膜が形成される場合に比べて、ノッキングの発生を抑えることが可能となる。

第６の観点によれば、ノズルの軸線の延長線が、ピストンが上死点にあるときにスキッシュ部と交わる。そのため、上死点の近傍においてスキッシュ部の背面にオイルを噴射してスキッシュ部を集中的に冷却することができる。したがって、鏡面によるノッキングの抑制効果を高めることが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る火花点火式内燃機関の断面模式図である。 ピストンの頂面の第１の構成例を説明する平面図である。 ピストンの頂面の第２の構成例を説明する平面図である。 ピストンの頂面の第３の構成例を説明する平面図である。 ピストンの頂面の第４の構成例を説明する平面図である。 本発明の実施の形態２に係る火花点火式内燃機関の断面模式図である。 オイルジェットからのオイルの噴射箇所を説明する図である。

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５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に係る火花点火式内燃機関（以下、「エンジン」ともいう。）の断面模式図である。図１に示すエンジン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、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。燃焼室２４の天井部には、点火装置２６が取り付けられている。

シリンダヘッド１２には、吸気ポート２８が形成されている。吸気ポート２８には、吸気バルブ３０が設けられている。吸気バルブ３０が駆動されると、吸気ポート２８と燃焼室２４が連通する。吸気ポート２８同様、シリンダヘッド１２には、排気ポート３２が形成されている。排気ポート３２には、排気バルブ３４が設けられている。

図１において、吸気ポート２８の右側に示す「ＩＮ」は、エンジン１０の吸気側であることを意味している。排気ポート３２の左側に示す「ＥＸ」は、エンジン１０の排気側であることを意味している。「ＩＮ」および「ＥＸ」が示す意味は、他の図にも共通する。

２．実施の形態１の特徴
２．１ 第１の領域Ｒ１
頂面２２は、第１の領域Ｒ１を備えている。領域Ｒ１には、断熱膜が形成されている。断熱膜は、例えば、陽極酸化層から構成されている。陽極酸化層は、頂面２２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。

断熱膜は、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。

断熱膜は、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、溶融状態で頂面２２に噴き付けられる。

既に説明したように、このような断熱膜は、ピストン１６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、断熱膜によれば、領域Ｒ１（つまり、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。

２．２ 第２の領域Ｒ２
頂面２２は、第２の領域Ｒ２を更に備えている。領域Ｒ２には、断熱膜が形成されていない。その代わり、領域Ｒ２は、鏡面加工（mirror finish）されている。鏡面加工は、研磨剤を用いて母材の表面を鏡の様に仕上げる公知の処理である。本明細書において、「鏡面」とは、算術平均粗さＲａが０．３μｍ未満の表面を意味する。算術平均粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ０６０１：２０１３に準じて測定される。

鏡面加工されていない場合の頂面２２の算術平均粗さＲａは、０．３～数μｍである。そのため、鏡面加工が施された頂面２２によれば、燃焼室２４内の作動ガスの熱をピストン１６の内部に伝え難くすることができる。つまり、領域Ｒ２によれば、ある程度の断熱効果が期待できる。ただし、鏡面加工が施された頂面２２は、燃焼室２４内の作動ガスの温度に対する追従性を殆ど有さない。つまり、領域Ｒ２の温度の変動の幅は、領域Ｒ１のそれに比べると小さい。

２．３ 領域Ｒ１およびＲ２の例
（１）第１の例
図２は、領域Ｒ１およびＲ２の第１の例を説明する平面図である。第１の例の説明の前に、頂面２２の構成を説明する。頂面２２は、略楕円状の中央部２２Ａを備えている。中央部２２Ａよりも吸気側には、半円状のバルブリセス部２２Ｂが設けられている。バルブリセス部２２Ｂは、吸気バルブ３０との干渉を避けるために設けられている。中央部２２Ａよりも排気側には、バルブリセス部２２Ｃが設けられている。バルブリセス部２２Ｃは、排気バルブ３４との干渉を避けるために設けられている。

バルブリセス部２２Ｂよりも吸気側には、銀杏状のスキッシュ部２２Ｄが形成されている。バルブリセス部２２Ｃよりも排気側には、スキッシュ部２２Ｅが形成されている。スキッシュ部２２Ｄおよび２２Ｅは、頂面２２と底面１８の間に形成されるスキッシュエリアに対応している。スキッシュ部２２Ｄおよび２２Ｅは、平らに形成されている。

バルブリセス部２２Ｂおよび２２Ｃの間には、エッジ部２２Ｆが設けられている。エッジ部２２Ｆは、ピストン１６のエッジを構成する。エッジ部２２Ｆは、バルブリセス部２２Ｂよりも外側にも設けられている。エッジ部２２Ｆは、また、バルブリセス部２２Ｃよりも外側にも設けられている。そのため、エッジ部２２Ｆは、スキッシュ部２２Ｄおよび２２Ｅと接続している。

バルブリセス部２２Ｂおよび２２Ｃ、スキッシュ部２２Ｄおよび２２Ｅ、および、エッジ部２２Ｆは、頂面２２の外周部を構成する。外周部は、中央部２２Ａを囲んでいる。

第１の例において、領域Ｒ１は、中央部２２Ａである。領域Ｒ２は、スキッシュ部２２Ｅである。領域Ｒ１およびＲ２を除いた他の領域には、断熱膜が設けられていてもよい。他の領域は、鏡面加工されていてもよい。他の領域は、断熱膜が設けられず、鏡面加工もされていなくてもよい。

（２）第２の例
図３は、領域Ｒ１およびＲ２の第２の例を説明する平面図である。頂面２２の構成については、第１の例で説明したとおりである。第２の例において、領域Ｒ１は、中央部２２Ａである。領域Ｒ２は、スキッシュ部２２Ｅである。ここまでは、第１の例と同じである。第２の例では、バルブリセス部２２Ｃも領域Ｒ２である。他の領域の取り扱いについては、第１の例と同じである。

（３）第３の例
図４は、領域Ｒ１およびＲ２の第３の例を説明する平面図である。頂面２２の構成については、第１の例で説明したとおりである。第３の例において、領域Ｒ１は、中央部２２Ａである。領域Ｒ２は、スキッシュ部２２Ｅおよびバルブリセス部２２Ｃである。ここまでは、第２の例と同じである。第３の例では、エッジ部２２Ｆの排気側の部分も領域Ｒ２である。この排気側の部分は、中央線ＣＬよりも排気側を占める部分である。中央線ＣＬは、バルブリセス部２２Ｂおよび２２Ｃの中間点を通る線である。他の領域の取り扱いについては、第１の例と同じである。

（４）第４の例
図５は、領域Ｒ１およびＲ２の第４の例を説明する平面図である。頂面２２の構成については、第１の例で説明したとおりである。第４の例において、領域Ｒ１は、中央部２２Ａである。領域Ｒ２は、スキッシュ部２２Ｅである。ここまでは、第１の例と同じである。第４の例では、エッジ部２２Ｆの排気側の部分も領域Ｒ２である。他の領域の取り扱いについては、第１の例と同じである。

３．実施の形態１による効果
上記第１乃至第４の例によれば、中央部２２Ａに断熱膜が形成される。エンジン１０の膨張行程においては、燃焼室２４で発生した火炎の外縁が中央部２２Ａに接触する。そのため、膨張行程においては、頂面２２のうちの中央部２２Ａが特に高温化する。したがって、中央部２２Ａに断熱膜が形成される第１乃至第３の例によれば、膨張行程において中央部２２Ａの温度を上昇させることができる。故に、冷却損失を低減することが可能となる。

また、第１乃至第４の例によれば、スキッシュ部２２Ｅには断熱膜が形成されず、その代わりにスキッシュ部２２Ｅが鏡面加工される。そのため、鏡面による一定の断熱効果が期待できる。スキッシュ部２２Ｅに加えて、バルブリセス部２２Ｃやエッジ部２２Ｆの排気側が鏡面加工されれば、この断熱効果を高めることが可能となる。

ここで、燃焼室２４で発生した燃焼ガスは、排気バルブ３４の駆動に伴い排気ポート３２から排出される。したがって、エンジン１０の排気行程においては、頂面２２のうちの排気ポート３２に近い部分、すなわち、スキッシュ部２２Ｅが特に高温化する。

仮に、スキッシュ部２２Ｅに断熱膜が形成されていると仮定する。そうすると、排気行程においてスキッシュ部２２Ｅの温度が上昇する。そうすると、吸気行程において吸気の温度に追従するとしても、スキッシュ部２２Ｅの温度を十分に下げることが難しくなる。そして、エンジン１０の高負荷域での運転が続いたときには、スキッシュ部２２Ｅの近傍を着火点としてノッキングが起こる可能性がある。

この点、第１乃至第４の例によれば、スキッシュ部２２Ｅが鏡面加工されている。既に説明したように、鏡面加工が施された頂面２２は、燃焼室２４内の作動ガスの温度に対する追従性を殆ど有さない。したがって、スキッシュ部２２Ｅに断熱膜が形成される場合に比べて、ノッキングの発生を抑えることが可能となる。スキッシュ部２２Ｅに加えて、バルブリセス部２２Ｃやエッジ部２２Ｆの排気側が鏡面加工されれば、この抑制効果を高めることが可能となる。

また、第１乃至第４の例では、他の領域の取り扱いに特別な縛りがない。したがって、エンジン１０の仕様に応じて断熱効果、または、ノッキングの抑制効果を最大限発揮させることが可能になる。

４．実施の形態１と観点との対応関係
上記実施の形態１においては、バルブリセス部２２Ｃ、スキッシュ部２２Ｅ、および、エッジ部２２Ｆの排気側の部分が第１の観点の「排気外周部」に相当する。バルブリセス部２２Ｂ、スキッシュ部２２Ｄ、および、エッジ部２２Ｆの吸気側の部分が第４の観点の「吸気外周部」に相当する。

実施の形態２．
次に、図６乃至７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６は、本発明の実施の形態２に係るエンジンの断面模式図である。図６に示すエンジン４０の基本的な構成は、図１に示したエンジン１０の構成と同じである。

エンジン４０は、オイルジェット４２を備えている。オイルジェット４２は、シリンダブロック１４の下端部に取り付けられている。オイルジェット４２は、エンジン１０の回転により駆動されるポンプ（不図示）に接続されている。ポンプが駆動されると、冷却用のオイルがオイルジェット４２に流入する。オイルジェット４２は、ノズル４２Ａを備えている。オイルジェット４２に流入したオイルは、ノズル４２Ａからピストン１６の背面４４に向けて噴射される。

図６には、ノズル４２Ａの軸線の延長線ＥＬが描かれている。図６において、ピストン１６はＴＤＣ（上死点）に位置している。延長線ＥＬは、頂面２２と交差している。より具体的に、延長線ＥＬは、図２乃至５で説明したスキッシュ部２２Ｅと交差している。つまり、ノズル４２Ａは、ピストン１６がＴＤＣにあるときのスキッシュ部２２Ｅに指向している。

図７は、オイルの噴射箇所を説明する図である。図７において、ピストン１６はＢＤＣ（下死点）に位置している。ピストン１６の上方には、ＴＤＣに位置するピストンを破線で示す。矢印（i）は、ピストン１６がＢＤＣにあるときにオイルが噴射される位置を示している。この位置は、図２乃至５で説明した中央部２２Ａの背面となる。矢印（ii）は、ピストン１６がＴＤＣにあるときにオイルが噴射される位置を示している。この位置は、スキッシュ部２２Ｅの背面となる。

３．実施の形態２による効果
実施の形態２によれば、ＢＤＣの近傍においては中央部２２Ａの背面を冷却することができる。そのため、膨張行程において高温化した中央部２２Ａを集中的に冷却することができる。また、ＴＤＣの近傍においてはスキッシュ部２２Ｅの背面を冷却することができる。そのため、排気行程において高温化したスキッシュ部２２Ｅを集中的に冷却することができる。

以上のことから、実施の形態２によれば、膨張行程の後半から吸気行程の前半にかけてスキッシュ部２２Ｅの温度を効果的に下げることができる。よって、鏡面によるノッキングの抑制効果を高めることができる。

１０、４０ 火花点火式内燃機関
１２ シリンダヘッド
１４ シリンダブロック
１６ ピストン
２２ 頂面
２２Ａ 中央部
２２Ｂ、２２Ｃ バルブリセス部
２２Ｄ、２２Ｅ スキッシュ部
２２Ｆ エッジ部
３４ 排気バルブ
４２ オイルジェット
４２Ａ ノズル
４４ 背面
ＣＬ 中央線
ＥＬ 延長線
Ｒ１ 第１の領域
Ｒ２ 第２の領域

Claims (1)

1. ピストンの頂面の一部に断熱膜が形成される火花点火式内燃機関であって、
   前記頂面は、中央部と、前記中央部を囲む外周部と、を含み、
   前記外周部は、前記頂面の排気側を占める排気外周部を含み、
   前記排気外周部は、スキッシュエリアを構成するスキッシュ部を含み、
   前記断熱膜は、それが形成された領域の温度を内燃機関の燃焼室内の作動ガスの温度に追従させる追従性を有し、
   前記断熱膜が、前記中央部には形成され、前記スキッシュ部には形成されず、
   前記スキッシュ部が、０．３μｍ未満の算術平均粗さを有する鏡面である
   ことを特徴とする火花点火式内燃機関。

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