JPH03145519A - 副室断熱エンジンの温度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、セラミンク材から成る副室断熱エンジンの
温度制御装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、エンジンの副室構造については、例えば、実開昭
６０−１０７３２５号公報に開示されたものがある。該
エンジンの副室構造は、主燃焼室と連通ずる副室を備え
たエンジンであり、該副室の内壁をセラミック部材で形
威すると共に、このセラミック部材の外周に空間を形威
し、かつ排気系からの排気ガスを流通させる通路を上記
空間に接続したものである。このエンジンの副室構造は
、上記の構成によって、セラミック部材の内側の温度上
昇に応じてセラミック部材の外周部も適度に加熱され、
保温効果を高めることができ、クランクの発生を有効に
防止できる。また、排気ガスの熱を利用しているので、
電気ヒータや複雑な制御装置を必要とせず、セラミック
部材の外側の温度を内側の温度に自動的に追従させ、温
度差を小さくすることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

一般に、内燃機関の燃焼室において、副室式は燃料と空
気との混合が副燃焼室と主燃焼室とで２回行われ、混合
状態が直接噴射式に比較して良好であり、ＨＣＳＮｏ、
の排出量は少ない、しかしながら、副室式エンジンは直
接噴射式エンジンに比較して冷却水損失が大きく、燃費
が悪くなる。

即ち、副室式エンジンの冷却水損失が大きくなる原因に
ついては、副室内のガス流速が直接噴射式エンジンの燃
焼室のガス流速に比べて１０倍以上であるため、副室の
熱伝達率が大きく、副室壁部からの放熱量が大きくなる
からである。そこで、副室を断熱構造に構成し、壁部の
温度を上昇させ、冷却水損失を減少させ、ＨＣ，ＮＯ，
の排出量を低減して低エミツシヨン高性能の断熱エンジ
ンを提供する試みが行われている。

しかしながら、副室を断熱することによって副室の温度
は上昇するが、エンジンの運転条件によっては副室が高
温に戒り過ぎてセラミック材料の耐熱温度を超えてしま
う恐れがあり、また、副室の外面を同程度に断熱する構
造に構成した場合には、熱応力の差に起因する副室の耐
久性の問題が発生する。即ち、副室ブロックを構成する
セラミック材料が、窒化珪素（Ｓｉ、Ｎ、）　、炭化珪
素（ＳｉＣ）等である場合に、一般に、窒化珪素（Ｓｉ
Ｊａ）　、炭化珪素（ＳｉＣ）等のセラくツク材料は、
高温度に耐える耐熱性であり且つ高強度な材料であるが
、熱伝導率が高く断熱度は低い材料であり、また、ヤン
グ率が高いため、耐変形性に冨んでいるため温度分布に
不均一が発生すると、高い熱応力が作用することになる
。そこで、副室ブロックの耐久性を向上させるために副
室自体を如何に構成するかの課題がある。

前掲実開昭６０−１０７３２５号公報に開示されたエン
ジンの副室構造は、副室を構成するセラミンク部材の回
りに単一の空間を形成し、該空間に排気ガスを導入し、
該セラミック部材を排気ガスで保温し、セラミンク部材
の温度分布を均一にして熱応力の低減を図り、耐久性を
向上させたものであり、エンジンの高速高負荷時にセラ
ミック部材が高温に威り過ぎるのを防止し、エンジンの
性能をコントロールするものではない。

この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、
副室の燃焼ガスに晒される副室ブロックを耐熱性、熱シ
ヨツク性に優れた窒化珪素、チタン酸アルミニウム等の
セラもツク材料で形成して高温燃焼ガスに耐える構造に
構成し、特に、エンジンの高速高負荷時に、副室の温度
上昇を抑制するため、副室を構成するセラ粟ツク材料か
ら成る副室ブロックの外周に金属部材及び発泡金属部材
を配置し、該発泡金属部材の外周に空気通路を形成し、
該空気通路に冷却空気を流して副室を構成するセラミン
ク部材を最適温度にコントロールする副室断熱エンジン
の温度制御装置を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、上記の目的を遠戚するために次のように構
成されている。即ち、この発明は、主燃焼室に連絡孔を
通じて連通した断熱構造の副室を形成するセラミンク製
副室ブロック、前記副室ブロックの外側に配置した金属
部材、該金属部材の外側に配置した通気性を有する発泡
金属部材、該発泡金属部材とシリンダヘッドの穴部との
間に形成された空気通路、該空気通路に空気を送り込む
送風機、エンジンの作動状態を検出するセンサー及び該
センサーの検出信号に応答して前記送風機の作動を制御
するコントローラ、から威る副室断熱エンジンの温度制
御装置に関する。

〔作用〕

この発明による副室断熱エンジンの温度制御装置は、以
上のように構成されており、次のように作用する。即ち
、この副室断熱エンジンの温度制御装置は、副室ブロッ
クの外側に位置する金属部材の外側に配置した通気性を
有する発泡金属部材によって、該発泡金属部材の外周部
に形成された空気通路は熱交換面積が大幅に増大する。

従って、前記送風機から送り込まれる空気は前記発泡金
属部材と迅速に熱交換し、副室を構成するセラミック材
の前記副室ブロックを冷却して常に最適温度にコントロ
ールすることができる。

この場合に、エンジン回転及びエンジン負荷のエンジン
の作動状態、或い４は前記副室ブロックの壁温の検出信
号に応答して前記送風機の作動を制御することができ、
エンジンの低速低負荷時に前記副室ブロックの外側から
の強制冷却を停止し、副室から外側へ放熱する状態を前
記空気通路で速断し、副室内の温度上昇を図る。また、
エンジンの高速高負荷時に、前記送風機を作動して前記
副室ブロックの外側からの強制冷却し、前記副室ブロッ
クのセラミック材料の熱破壊を防止する。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明による副室断熱エンジ
ンの温度制御装置の実施例を詳述する。

第１図はこの発明による温度制御装置を組み込んだ副室
断熱エンジンの一実施例を示す断面図である。この副室
断熱エンジンは、副室２を断熱構造に構成すると共に、
ピストン１９のピストンヘッド２７、シリンダヘッド１
０の下面部に形成された穴部１６に嵌入したヘッド下面
部２０と該ヘッド下面部２０と一体構造のライナ上部１
５から成るヘッドライナをセラミック材料で断熱構造に
構成したものである。ライナ上部１５とヘッド下面部２
０とは、例えば、断熱材の表面をモノリスセラミック材
を化学蒸着法（ＣＶＤ）等で薄膜２９を接合して構成す
ることができる。シリンダヘッド１０はシリンダブロッ
ク１８に固定され、該シリンダブロック１８に形成した
シリンダにはシリンダライナ２１が嵌合している。ピス
トン１９は、シリンダライナ２１とライナ上部１５内を
往復運動するものである。更に、シリンダヘッド１０及
びヘッド下面部２０には、気筒数に対応して吸排気ボー
ト１４（図では一方のみ示す〉が形成され、該吸排気ボ
ート１４を開閉する吸排気バルブ１７（図では一方のみ
示す）がヘッド下面部２０に形成したバルブシートに各
々配置されている。

場合によっては、吸気ボートはシリンダライナの下部に
設ける構造に構成することもできる。

この副室断熱エンジンにおいて、シリンダヘッド１０に
は、エンジンの気筒数に対応した数の上記ヘッドライナ
を取付ける穴部１６及び副室２を構成するブロックを取
付ける穴部１３が形成されている。これらの穴部１３に
は、副室２を形成し且つ該副室２と主燃焼室１とを連通
ずる連絡孔３を形成した副室ブロック４が配置されてい
る。副室ブロック４は、窒化珪素、炭化珪素、複合材料
等のセラミック材で製作されている。また、副室ブロッ
ク４の外側には、アルミニウム等の金属から成る金属部
材６を鋳込み或いは焼き嵌めによって取付けられている
。この金属部材６は、副室ブロック４に対して圧縮残留
応力を付与することができ、該副室ブロック４の強度を
確保することができる。この金属部材６の外周面には、
アルミニウム等の熱伝導率の良好な金属から成る発泡金
属部材５が配置されている０発泡金属部材５は、通気性
を有し、金属部材６に螺接等で接着することができる。

この発泡金属部材５は、シリンダヘッド１０に形成され
た穴部１３との間に空気通路７を形成するように組み込
まれている。この空気通路７には、シリンダヘッド１０
に形成された空気取入口１１及び空気送出口１２が連通
しており、送風＠９から送り込まれる空気は、空気通路
２６を通して該空気取入口１１に供給される。

また、副室ブロック４については、連絡孔３を形成した
回りの部分即ち連絡孔３の形成部位２８の厚さが他の部
位の厚さより厚く形成され、高温Ｃ 度に耐えるように耐熱性及び強度を増大している。

また、副室２には、副室２に燃料を噴射する燃料噴射ノ
ズル８が配置され、場合によっては、噴射された燃料を
着火させる或いは着火補助するグロープラグ（図示せず
）が配置されている。

また、副室ブロック４については、副室ブロック４の形
状に一体構造で成形し、次いでそれを焼結して製作する
ことができる。或いは、副室ブロック４を二分割して成
形し焼結して製作し、次いで、化学蒸着法（ＣＶＤ）　
、物理蒸着法（ＰＶＤ）等によって両者を接合して充放
する。副室ブロック４は、上記のようにして製作できる
が、副室ブロック４の連絡孔形成部位２８の外周面の形
状について、ストレート状に形成してもよいが、テーパ
状に形成して多少小径に構成することが好ましい、副室
ブロック４の連絡孔形成部位２８の外周面の形状をテー
パ状に形成した場合には、鋳込金属の金属部材６が副室
ブロック４に接触する接触面積が大きくなり、副室ブロ
ック４に発生する圧縮残留応力が有効に付与されること
になる。

７１１’、− 以上の構成において、この副室断熱エンジンの温度制御
装置は、特に、副室ブロック４の外側に配置した金属部
材６、該金属部材６の外側に配置した発泡金属部材５、
及び該発泡金属部材５の外周面に形成した空気通路７を
形成したことを特徴とする。この空気通路７には、送風
Ｉａ９によって供給される冷却空気が空気通路２６を通
じて空気取入口１１から供給される。更に、副室ブロッ
ク４の外周面の温度を検出するため、壁温センサー２４
が副室ブロック４の外壁部に設けられている。

更に、エンジンの作動状態、例えば、エンジン回転数及
びエンジン負荷を検出するため、回転センサー２２及び
負荷センサー２ｊが設けられている。

エンジン回転数は、回転センサー２２によってクランク
シャフトの回転数を検出することによって検出される。

また、エンジン負荷は、負荷センサー２３によって燃料
噴射ポンプから燃料噴射ノズル８に供給される燃料流量
を測定するか、又はアクセルペダルの踏込み量を測定す
ることで検出することができる。これらのセンサー２２
，２３゜２４から検出された各検出信号は、コントロー
ラ２５に入力され、コントローラ２５は各入力信号に応
答して送風機９に指令を発し、送風機９の作動を制御す
るように構成されている。

一般に、副室２を断熱構造に構成した場合に、エンジン
の高速高負荷時には、副室ブロック４を形成する耐熱性
のセラミック材料の耐熱温度より上昇する状態が発生す
る恐れがある。また、エンジンの低速低負荷時には、シ
リンダ内の最大ガス温度は１０００℃程度になるが、副
室２が断熱構造に構成されていても壁温は１００〜２０
０℃程度である。この現象は、外周部の壁体から外部に
放熱する熱エネルギーが大きいことに起因している。特
に、エンジンの低速低負荷時には、水温も低く、冷却水
温度が８０℃程度とすると、壁体から外部に放熱する熱
エネルギーは相当に大きくなる。

そこで、この発明による断熱エンジンの副室温度制御装
置は、上記のように、副室２を構成することによって、
副室ブロック４の温度状態、或いはエンジンの作動状態
即ちエンジン負荷又はエンジン回転数を検出し、該各検
出信号をコントローラ２５に入力し、該各検出信号に応
答してコントローラ２５は、送風機９に指令を発し、送
風機９の作動状態を制御する。即ち、各センサー２２゜
２３．２４によって検出されたエンジンスピード即ちエ
ンジン回転数Ｎ！、エンジン負荷Ｌｘ、副室ブロック４
の温度ＴＥが、予め設定した回転数Ｎ、。、エンジン負
荷Ｌｔｏ、副室ブロック４の温度Ｔ、。より高い検出信
号、言い換えれば、エンジンの高速高負荷時或いは高温
時に応答して送風１８ｉ９を作動して空気通路７に冷却
空気を流し、副室２を冷却するようにコントローラ２５
で制御するものである。送風機９からの冷却空気を空気
通路７に流して副室ブロック４の外周部を冷却すること
によって、セラミック材料から威る副室ブロック４の外
周部から外部に放熱される熱波を増大させ、それによっ
て副室２の温度低下を達威し、セラミック材料の耐熱温
度以下に低下させ、エンジン性能を向上させ、耐久性を
向上させる。また、エンジンの低速低負荷時には、空気
通路７への冷却空気の供給を遮断し、空気通路７を断熱
空気層の機能として作用させ、副室２を形成する副室ブ
ロック４の壁部の温度を上昇させ、冷却水損失等の熱損
失を減少させ、ＨＣ，ＮＯ，ｌの排出量の低減を計るも
のである。

次に、第２図の処理フロー図を参照して、この副室断熱
エンジンの温度制御装置の作動について説明する。エン
ジンの始動することによって、吸排気パルプ１７、燃料
噴射ノズル８等が駆動される。エンジンの回転数は回転
センサー２２によって検出され、該検出信号はコントロ
ーラ２５に入力される。また、エンジンの負荷は負荷セ
ンサー２３によって検出されるが、具体的には、エンジ
ン負荷は、アクセルペダルの踏込量の検出センサーによ
って検出された踏込量信号を、エンジンの負荷信号とし
てコントローラ２５に入力するか、或いは、燃料供給装
置の燃料噴射ノズル８から噴出される燃料供給量は該燃
料供給量検出センサーによって検出され、該検出燃料供
給量信号を同様にエンジンの負荷信号としてコントロー
ラ２５に人力することによって検出される。更に、副室
ブロック４の外周部に設置された壁温センサー２４によ
って副室ブロック４の外周部の温度を検出し、該検出さ
れた温度信号をコントローラ２５に入力するくステップ
３０）。

エンジンの回転数を検出する回転センサー２２によって
検出されたエンジン回転数Ｎ、が予め設定された所定の
回転数Ｎ、。より大きいか否かを判断する（ステップ３
１）。

エンジン回転数Ｎ、が所定の回転数Ｎ、。以上の回転数
である場合には、負荷センサー２３によって検出された
エンジン回転数り、が予め設定された所定のエンジン負
荷り、。より大きいか否かを判断する。エンジン負荷り
、は、燃料噴射ノズル８から副室２への燃料供給量の検
出センサーで検出した検出信号、及び／又はアクセルペ
ダルの踏込量の検出センサーで検出した検出信号によっ
て検出することができるものである。（ステップ３２）
。

エンジン回転数ＮＥが所定の回転数Ｎ、。以上の回転数
であり、且つエンジン負荷り、が所定以上の負荷信号Ｌ
０゜である場合には、壁温センサー２４で検出された副
室ブロック４の外周部の温度Ｔ１が予め設定した温度Ｔ
ＥＯより大きいか否かを判断する（ステップ３３）。

次いで、副室ブロック４の外周部の温度Ｔえが予め設定
した温度Ｔｔｏより大きい場合には、副室２を形成する
副室ブロック４が過熱状態になっているので、コントロ
ーラ２５の指令によって送風機９を作動しくステップ３
４）、冷却空気を空気通路２６を通してシリンダヘッド
１０に形成した空気取入口１１から空気通路７に供給し
、副室ブロック４を冷却するように制御する（ステップ
３５）。

更に、エンジン駆動を続けるか否かを判断すると共に、
エンジンの駆動系、送風機９の作動系に異常が無いか否
かを判断し、それらに異常がなく、エンジン駆動を続け
る場合には処理は最初のステップ３０に戻る。また、異
常があり、その信号がコントローラ２５に入力された場
合、或いはエンジン駆動を停止する場合には、副室ブロ
ック４に対する冷却制御の処理は終了し、エンジンを停
止させる。

ステップ３１において、回転センサー２２によって検出
されたエンジン回転数ＮＦが予め設定された所定の回転
数Ｎ、。より大きくない場合即ち低速の場合には、エン
ジンからの排気ガス流量が少なく、副室２の温度は低下
しているので、副室２から外側への放熱量が大きく、エ
ンジンの作動に対して温度が好ましくない低温になって
いるので、コントローラ２５の指令で送風機９の作動を
停止しくステ・ノブ３６）、空気通路７を遮断し、副室
ブロック４即ち副室２の温度上昇をさせる制御を行う　
（ステップ３７）。

また、ステップ３２において、負荷センサー２３で検出
されたエンジン負荷り、が予め設定された所定のエンジ
ン負荷ＬＥ＋１より大きくない場合には、上記と同様に
、コントローラ２５の指令によって送風８１９の作動を
停止しくステップ３６）、空気通路７を速断し、副室ブ
ロック４即ち副室２の温度上昇をさせる制御を行う（ス
テップ３７）。

更に、ステップ３３において、壁温センサー２４で副室
ブロック４の外周部の温度Ｔ、が予め設定された所定の
温度Ｔ、。より大きくない場合には、上記と同様に、コ
ントローラ２５の指令で送風機９の作動を停止しくステ
ップ３６〉、空気通路７を遮断し、副室ブロック４即ち
副室２の温度上昇をさせる制御を行う（ステップ３７）
。

更に、エンジン駆動を続けるか否かを判断すると共に、
エンジンの駆動系、送風機９の作動系に異常が無いか否
かを判断し、それらに異常がなく、エンジン駆動を続け
る場合には処理は最初のステップ３０に戻る。また、異
常があり、その信号がコントローラ２５に入力された場
合、或いはエンジン駆動を停止する場合には、副室ブロ
ック４に対する冷却制御の処理は終了し、エンジンを停
止させる。

〔発明の効果〕

この発明による副室断熱エンジンの温度制御装置は、以
上のように構成されているので、次のような効果を有す
る。即ち、この副室断熱エンジンの温度制御装置は、主
燃焼室に連絡孔を通じて連通した断熱構造の副室を形成
するセラミック製副室ブロック、前記副室ブロックの外
側に配置した金属部材、該金属部材の外側に配置した通
気性を有する発泡金属部材、該発泡金属部材とシリンダ
ヘッドの穴部との間に形成された空気通路、該空気通路
に冷却空気を送り込む送風機、エンジンの作動状態を検
出するセンサー、及び該センサーの検出信号に応答して
前記送風機の作動を制御するコントローラから構成した
ので、副室ブロックの外側に位置する金属部材の外側に
配置した通気性を有する発泡金属部材によって、該発泡
金属部材の外周部に形成された空気通路は熱交換面積が
大幅に増大する。従って、前記送風機から送り込まれる
冷却空気は前記発泡金属部材と迅速に熱交換し、副室を
構成するセラミック材の前記副室ブロックを構成するセ
ラミック材の耐熱温度以下に冷却し、前記副室ブロック
を常に最適温度にコントロールし、エンジン性能を向上
させる。

この場合に、エンジン回転及びエンジン負荷のエンジン
の作動状態、或いは前記副室ブロックの壁温の検出信号
に応答して前記送風機の作動を制御することができ、エ
ンジンの低速低負荷時に前記副室ブロックの外側からの
強制冷却を停止し、副室から外側へ放熱する状態を前記
空気通路で鵡断し、副室内の温度上昇を達成することが
でき、良好なエンジン作動を確保することができる。

また、エンジンの高速高負荷時に、前記送風機を作動し
て前記副室ブロックの外側からの強制冷却し、前記副室
ブロックのセラミック材料の耐熱温度以下に前記副室ブ
ロックを冷却して熱破壊を防止し、前記副室ブロックの
亀裂、破壊等の損傷の発生を防止し、副室の耐久性を向
上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による副室断熱エンジンの温度制御装
置の一実施例を示す断面図、及び第２図は第１図の副室
断熱エンジンの温度制御装置の作動の一例を示す処理フ
ロー図である。 １−・−・・−・主燃焼室、２・−・−・−副室、３−
・・・・・・連絡孔、４・・−・−・副室ブロック、５
・−・−発泡金属部材、６・・−金属部材、７−・−・
・・・空気通路、８−・・−・燃料噴射ノズル、９−・
−−−−一送風機、１０・−・−・・シリンダヘッド、
１１・・−・−空気取入口、１２−・−・空気送出口、
１３・・・−・・・穴部、２２・−・・・・・回転セン
サー、２３・・−・−・・負荷センサー、２４・−・−
・・−壁温センサー、２５・−・−コントローラ、２６
−−−−−−−空気通路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 主燃焼室に連絡孔を通じて連通した断熱構造の副室を形
   成するセラミック製副室ブロック、前記副室ブロックの
   外側に配置した金属部材、該金属部材の外側に配置した
   通気性を有する発泡金属部材、該発泡金属部材とシリン
   ダヘッドの穴部との間に形成された空気通路、該空気通
   路に空気を送り込む送風機、エンジンの作動状態を検出
   するセンサー、及び該センサーの検出信号に応答して前
   記送風機の作動を制御するコントローラ、から成る副室
   断熱エンジンの温度制御装置。