WO2001055576A1 - Moteur a combustion interne - Google Patents

Description

明細書 内燃機関

発明の分野

本発明は内燃機関， 特に， 燃焼室で生成される排気ガスの高温化を図り得るよ うにした内燃機関に関する。

背景技術

従来， 内燃機関におけるシリンダヘッドの内部には， 隔壁を挟んで一側に燃焼 室が， また他側に冷却水路がそれぞれ設けられている （例えば， 日本特開平 1 0 — 2 1 2 9 4 6号公報参照）。

ランキンサイクルシステムにおける熱源として排気ガスを利用し， また暧機促 進， 排気ガス浄化装置の早期活性化等を行うためには， 燃焼室で生成される排気 ガスを極力高温化することが望ましい。

しかしながら， 従来例においては， 隔壁の冷却度合を， 熱負荷が最も大なる領 域に合せて燃焼室全体を冷却しているので， 熱負荷の小なる領域に対しては冷却 度合が過度となり， 全体として過冷却傾向であることから排気ガスの温度が低く， したがつて前記各種態様に十分に応じることができない， という問題があつた。 発明の開示

本発明は燃焼室を高温に保持することによつて排気ガスの高温化を図ることが できるようにした前記内燃機関を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため本発明によれば， シリンダヘッド内に， 隔壁を挟んで 一側に燃焼室を， また他側に断熱層をそれぞれ設け， 前記隔壁内の熱負荷を異に する複数の領域にそれぞれ冷却路を設け， 冷却媒体の流量を， 最も熱負荷が大な る領域に存する前記冷却路から最も熱負荷が小となる領域に存する前記冷却路に 亘つて減少させた内燃機関が提供される。

前記のように構成すると， 隔壁における熱負荷を異にする複数の領域を， その 熱負荷の大， 小に応じて必要最小限に冷却することが可能であり， また断熱層に より隔壁を通じたシリンダへッド主体部への熱の伝播を抑制し， これにより燃焼 室を高温に保持して排気ガスの高温ィヒを図ることができる。 また本発明によれば， 熱負荷が小なる領域と， その領域よりも熱負荷が大なる 領域と力 前記隔壁において占める割合は前者の方が後者よりも大であり， また 熱負荷が小なる領域に存する前記冷却路と， その領域よりも熱負荷が大なる領域 に存する前記冷却路との通路断面積は前者の方が後者よりも小であり， 且つ通路 表面積は前者の方が後者よりも大である内燃機関が提供される。

前記のように構成すると， 熱負荷が大なる領域をそれに応じて冷却することに よりその機能の維持を図り， 一方， 熱負荷が小なる領域では冷却媒体をより高速 で流すことと， 通路表面積の増加およびレイノルズ数増大による熱伝達率の向上 との相互効果により， 熱引きを向上させつつ少ない冷却媒体によって前記広レ ^領 域を効果的に， 且つ均一に必要最小限に冷却することができる。

本発明によれば， 燃焼室を高温に保持して排気ガスの高温化を達成し， これに よりランキンサイクルの熱源用構成要素として好適で， また暧機促進を図ると共 に排気ガス浄化装置の早期活性化を図ることが可能な内燃機関を提供することが できる。

図面の簡単な説明

図 1はランキンサイクルシステムの説明図、 図 2はシリンダへッドの第 1例を 示す縦断正面図で， 図 3の 2— 2線断面図に相当し、 図 3は図 2の 3— 3線断面 図、 図 4はシリンダヘッドの第 2例を示す縦断正面図で， 図 5の 4 4線断面図 に相当し、 図 5は図 4の 5— 5線断面図、 図 6は図 5の 6— 6線断面図、 図 7は 図 5の 7— 7線断面図、 図 8は図 7の 8— 8線断面図、 図 9は排気ポートライナ の斜視図、 図 1 0は図 9の 1 0— 1 0線切断端面図、 図 1 1はシリンダへッドの 第 3例を示す縦断側面図で， 図 6に対応する。

発明を実施するための最良の形態

図 1において， ランキンサイクルシステム 1は， 内燃機関 2の排気ガスを熱源 として， 高圧状態の液体， 例えば水から温度上昇を図られた高圧状態の蒸気， つ まり高温高圧蒸気を発生する蒸発器 3と， その高温高圧蒸気の膨脹によって出力 を発生する膨脹器 4と， その膨脹器 4から排出される， 前記膨脹後の， 温度およ び圧力が降下した蒸気， つまり降温降圧蒸気を液化する凝縮器 5と， 凝縮器 5か らの水を蒸発器 3に加圧供給する供給ポンプ 6とを有する。 図 2， 3に示す内燃機関 2の第 1実施例において， シリンダブロック 7のデッ キ面 8にシール部材 9を介してシリンダヘッド 1 0が取付けられる。 シリンダへ ッド 1 0内に， 略円錐形をなし， 且つ頂点側をシリンダブ口ック 7と反対側に向 けた隔壁 1 1と， その隔壁 1 1の円形周縁部に連なる円筒形周壁 1 2とが設けら れている。 周壁 1 2の内周面には， 上死点に在るピストン 1 3のヘッド部 1 4が 摺擦する。 実施例ではシリンダスリ一ブ 1 5の端部がシリンダブ口ック 7のデッ キ面 8から突出して周壁 1 2内周面に嵌着されており， そのシリンダスリーブ 1 5の端部内周面にビストン 1 3のへッド部 1 4が摺擦する。 隔壁 1 1の一側には， その隔壁 1 1と上死点に在るピストン 1 3のへッド部頂面 1 6との協働で形成さ れた略円錐形をなす燃焼室 1 7が設けられ， また他側には断熱層 1 8が設けられ る。

隔壁 1 1内には熱負荷を異にする複数の部位が存し， それらの部位は， 実施例 では排気ポート 1 9の入口 2 0周りに存する排気環状領域 A, 吸気ポート 2 1の 出口 2 2周りに存する吸気環状領域 B , 入， 出口 2 0， 2 2間の一方に在って隔 壁 1 1の中心部分より末広がりに延び， 且つ排気ポート 1 9に近い排気扇形領域 Cおよび入， 出口 2 0， 2 2間の他方に在って， 隔壁 1 1の中心部分より末広が りに延び， 且つ吸気ポート 2 1に近い吸気扇形領域 Dである。

この場合， 熱負荷の大， 小の順序は， 排気環状領域 A>吸気環状領域 B≥排気 扇形領域 C =吸気扇形領域 Dとする。

これらの領域 A〜Dにはそれぞれ冷却路が設けられており， それら冷却路は， 排気環状領域 Aでは排気湾曲路 aとし， 吸気環状領域 Bでは吸気湾曲路 bとし， 排気扇形領域 Cでは排気扇形路 cとし， 吸気扇形領域 Dでは吸気扇形路 dとする。 冷却媒体としては， 実施例では水が用いられているが， オイル等の冷却媒体でも よく， 任意に選択できる。

冷却水の流量の多少は， 熱負荷の大小に応じて， 排気湾曲路 a >吸気湾曲路 b ≥排気扇形路 c =吸気扇形路 dの順となるように設定されている。

シリンダへッド 1 0において， その隔壁 1 1は燃焼室 1 Ί側の内壁 2 3と断熱 層 1 8側の外壁 2 4とを合せることによって構成され， それら内， 外壁 2 3 , 2 4間に， 排気湾曲路 a , 吸気湾曲路 b , 排気扇形路 cおよび吸気扇形路 dが形成 される。

排気扇形路 cの構造は次の通りである。 即ち， 内壁 2 3の合せ面 2 5における 扇形部分に， それを周方向に二分割する区画部 2 6が存し， その区画部 2 6を挟 んで両側に複数の円弧状溝 2 7が同心状に形成される。 一方， 外壁 2 4の合せ面 2 8における扇形部分に， その外壁 2 4を内壁 2 3に合せたとき， 内壁 2 3の全 部の円弧状溝 2 7を覆い， 且つ外周部分が周壁 1 2に達する扇形凹部 2 9と， そ の H部 2 9から突出して各円弧状溝 2 6に緩く挿入される複数の円弧状凸条 3 0 と， 内壁 2 3の区画部 2 6に重なる区画部 3 1とが存する。 これにより排気扇形 路 cは隔壁 1 1内において， その厚さ方向と平行な平面内で蛇行する。

外壁 2 4における扇形凹部 2 9の外周部分は， 周壁 1 2における外周壁 3 3お よび内周壁 3 4間に形成された筒状冷却路 3 5に連通し， これにより， 排気扇形 路 cの円弧状入口 3 6が形成され， したがって排気扇形路 cにおいては， その入 口 3 6から中心部に存する出口 3 7に向って流量が増加する。 図 3において， 3 2は， 筒状冷却路 3 5を形成すべく， 内周壁 3 4の外周面複数箇所に形成された 突起状スぺ一サである。

排気扇形路 cの出口 3 7は排気湾曲路 aの入口 3 8に連通し， その排気湾曲路 aの出口 3 9は， 隔壁 1 1および断熱層 1 8の形成壁 4 0間を繋ぐ補強リブ 4 1 に形成された通路 4 2に連通する。 その通路 4 2は， 排気バルブ 4 3におけるバ ルブステムガイド 4 4の冷却路 4 5に連通し， その冷却路 4 5は出口通路 4 6に 連通する。

吸気扇形路 dおよび吸気湾曲路 bは， 排気扇形路 cおよび排気湾曲路 aとそれ ぞれ略同様に構成されているので， 図 3において， 吸気扇形路 dおよび吸気湾曲 路 bの各構成部分には， 排気扇形路 cおよび排気湾曲路 aの各構成部分を示す符 号と同一の符号を付して， それら d， bの説明は省略する。 ただし， 排気湾曲路 aおよび排気扇形路 cにおける冷却水の総流量と， 吸気湾曲路 bおよび吸気扇形 路 dにおける冷却水の総流量とでは， 前者の方が後者よりも大となるように設定 されている。

熱負荷が小なる排気扇形領域 Cと， その領域じよりも熱負荷が大なる排気環状 領域 Aとが， 隔壁 1 1において占める割合は前者 Cの方が後者 Aよりも大である。 そこで， 熱負荷が小なる排気扇形領域 Cに存する排気扇形路 cと， 熱負荷が大な る排気環状領域 Aに存する排気湾曲路 aとの通路断面積は前者 Cの方が後者 Aよ りも小となり， 且つ通路表面積は前者 Cの方が後者 Aよりも大となるように設定 される。

熱負荷が小なる吸気扇形領域 Dと， その領域 Dよりも熱負荷が大なる吸気環状 領域 Bとが， 隔壁 1 1において占める割合は前者 Dの方が後者 Bよりも大である。 そこで， 熱負荷が小なる吸気扇形領域 Dに存する吸気扇形路 dと， 熱負荷が大な る吸気環状領域 Bに存する吸気湾曲状路 bとの通路断面積は前者 dの方が後者 b よりも小となり， 且つ通路表面積は前者 dの方が後者 bよりも大となるように設 定される。

前記周壁 1 2に存する筒状冷却路 3 5は， 上死点に在るピストン 1 3における ヘッド部頂面 1 6の外周部分により形成される燃焼室 1 7のスキッシュ領域 4 7 を冷却する。 このスキッシュ領域 4 7は熱だまりとなり易い。 この筒状冷却路 3 5における冷却水の流量は， スキッシュ領域 4 7の最も熱負荷が大なる部位近傍 に存する流路部からその領域 4 7の最も熱負荷が小なる部位近傍に存する流路部 に亘つて減少するように設定される。 実施例では図 3に示すように， 筒状冷却路 3 5における冷却水の流量の多少は， 図 3に示すように熱負荷の大小に応じて通 路幅 eを変えることにより， 排気ポート入口 2 0の近傍に存する流路部 f >吸気 ポート出口 2 2の近傍に存する流路部 g≥排気扇形領域 Cの近傍に存する流路部 吸気扇形領域 Dの近傍に存する流路部 iの順となる。 筒状冷却路 3 5はシリ ンダブロック 7の水ジャケット 4 8に連通する。

断熱層 1 8は， 排気ポート 1 9周りでは， シリンダへッド 1 0に铸ぐるまれた セラミック製排気ポートライナ 4 9により形成され， また図には省略したが吸気 ポート 2 1周りも排気ポート 1 9周りと同様である。 断熱層 1 8のその外の部分 は空洞 5 0に存する空気によって形成されているが， その空洞 5 0には断熱材， 例えば nmサイズの粒子からなる粉末状断熱材を充填することもある。

前記構成において， 水ジャケット 4 8からの冷却水は筒状冷却路 3 5を流動し， 燃焼室 1 7のスキッシュ領域 4 7を， その周囲から熱負荷の大小に応じて必要最 小限に冷却する。 次いで， 冷却水は排気扇形路 cおよび吸気扇形路 dを流動する。 この場合， 前記のように両通路 dの通路断面積は小で， 且つ通路表面積は大 となるように設定されているので， 冷却水をより高速で流すことと， 通路表面積 の増加およびレイノルズ数増大による熱伝達率の向上との相互効果により， 熱引 きを向上させつつ少ない冷却水によつて広い排気および吸気扇形領域 C， Dを効 果的に， 且つ均一に， また必要最小限に冷却することができる。

その後， 冷却水は排気扇形路 cから排気湾曲路 aに流入してそこを流動する。 この場合， 排気扇形路 cはその入口 3 6から出口 3 7に向って先細りとなるので， 出口 3 7では冷却水の流量が増し， その増加された流量の冷却水が排気湾曲路 a を流動することになるので， 熱負荷が最も大である排気環状領域 Aが効率良く， 且つ均一に， また必要最小限に冷却され， これにより排気弁用弁座 5 1およびそ の取付部の熱損を防止してその機能の維持を図ることができる。 このような冷却 作用は吸気側においても同様に現出する。

前記のように隔壁 1 1および燃焼室 1 7のスキッシュ領域 4 7における熱負荷 を異にする複数の領域 A〜D , f〜 iを， その熱負荷の大， 小に応じて必要最小 限に冷却し， また断熱層 1 8により隔壁 1 1を通じたシリンダへッド主体部への 熱の伝播を抑制するようにすると， 燃焼室 1 7を高温に保持して排気ガスの高温 化を図ることができる。

図 4〜1 0に示す内燃機関 2の第 2実施例において， そのシリンダヘッド 1 0 内には， 前記同様に略円錐形をなし， 且つ頂点側をシリンダブロック （図示せず） と反対側に向けた隔壁 1 1と， その隔壁 1 1の円形周縁部に連なる周壁 1 2とが 設けられている。 周壁 1 2の内周側には， 上死点に在るピストン 1 3のへッド部 1 4が位置するようになっている。 隔壁 1 1の一側に， その隔壁 1 1と上死点に 在るピストン 1 3のヘッド部頂面 1 6との協働で形成された略円錐形をなす燃焼 室 1 7が設けられ， また他側には断熱層 1 8が設けられる。

隔壁 1 1内には前記同様に， 排気ポート 1 9の入口 2 0周りに存する排気環状 領域 A， 吸気ポート 2 1の出口 2 2周りに存する吸気環状領域 B， 両入， 出口 2 0， 2 2間に在って隔壁 1 1の中心部分より末広がりに延び， 且つ排気ポ一ト 1 9に近い排気扇形領域 Cおよび入， 出口 2 0， 2 2間に在って隔壁 1 1の中心部 分より末広がりに延び， 且つ吸気ポート 2 1に近い吸気扇形領域 Dが存する。 この場合， 熱負荷の大， 小の順序は， 第 1実施例とは異なり， 排気環状領域 A> 排気扇形領域 C =吸気扇形領域 D≥吸気環状領域 Bとする。

これらの領域 A〜 Dにはそれぞれ冷却路が設けられており， それら冷却路は， 排気環状領域 Aでは排気湾曲路 aとし， 吸気環状領域 Bでは吸気湾曲路 bとし， 排気扇形領域 Cでは， 隔壁 1 1の厚さ方向と交差する平面内で蛇行する排気扇形 路 cとし， 吸気扇形領域 Dでは前記同様に蛇行する吸気扇形路 dとする。 冷却媒 体としては， 実施例では水が用いられる。

冷却水の流量の多少は， 熱負荷の大小に応じて， 排気湾曲路 a >排気扇形路 c =吸気扇形路 d≥吸気湾曲路 bとなるように設定されている。 この冷却水の流量 調節は各通路 a〜dの入口を形成するオリフィス 5 2〜5 5の直径を変えること によって行われている。 各通路 a〜dの出口側は， 補強リブ 4 1に形成された 1 つの集合路 5 6に集合され， その集合路 5 6は排気バルブ用バルブステムガイド 4 4の冷却路 4 5に連通し， その冷却路 4 5は図示しない出口に連通する。

熱負荷が小なる排気， 吸気扇形領域 C， Dと， それらの領域 C， Dよりも熱負 荷が大なる排気環状領域 Aとが， 隔壁 1 1において占める割合は前者 C， Dの方 が後者 Aよりも大である。 そこで， 熱負荷が小なる排気， 吸気扇形領域 C， Dに 存する排気， 吸気扇形路 dと， 熱負荷が犬なる排気環状領域 Aに存する排気 湾曲路 aとの通路断面積は前者 c， dの方が後者 aよりも小となり， 且つ通路表 面積は前者 c , dの方が後者 aよりも大となるように設定される。

図 5〜 8に明示するように， 排気湾曲路 a， 吸気湾曲路 b， 蛇行する排気扇形 路 cおよび吸気扇形路 dならびに隔壁 1 1に連なる周壁 1 2に在って燃焼室 1 7 のスキッシュ領域 4 7を冷却する筒状冷却路 3 5は 1個または複数個の中子を用 いて成形されたものである。

図 7， 8に示すように， 排気湾曲路 aの天井壁 5 8および底壁 5 9には， それ ぞれそれら 5 8 , 5 9の幅 jよりも狭い幅 kを有する複数の突出部 6 0 , 6 1が 所定の間隔で， また天井壁 5 8側のものと底壁 5 9側のものとが食違うように形 成されている。 これにより排気湾曲路 aを流通する冷却水は隔壁 1 1の厚さ方向 と平行な平面内で蛇行すると共に乱流となって， 排気環状領域 Aを効率良く冷却 する。 また図 5 , 6に示すように， シリンダヘッド 1 0の铸造に際し， 例えば中 子の蛇行形状部における同心状に配列された複数の円弧状部分にはそれらの破損， 位置ずれ等を防止するために複数のピン 6 2が刺通して配置され， また各ピン 6 2における中子の筒状部 （筒状冷却路 3 5に対応） 側はその筒状部内に刺込まれ るように配置されて蛇行形状部と筒状部との位置決めがなされる。

シリンダヘッド 1 0を A 1合金より構成し， 各ピン 6 2をステンレス鋼等より 構成すると， 铸造後中子を除去しても各ピン 6 2は隔壁 1 1および周壁 1 2内に 残置され， それらの一部が排気， 吸気扇形路 c , d内に露出する。 この露出部分 mは冷却水の流れに対し抵抗となってその乱流化を促進し， これは排気， 吸気扇 形領域 C , Dの熱引きを良好にするといつた効果をもたらす。

断熱層 1 8は， シリンダへッド 1 0に形成された空洞 6 3に存する空気によつ て形成されているが， その空洞 6 3には断熱材， 例えば nmサイズの粒子からな る粉末状断熱材を充填することもある。

図 4， 9 , 1 0に示すように排気ポート 1 9はステンレス鋼よりなる筒状排気 ポ一トライナ 6 4によって形成され， その排気ポートライナ 6 4はシリンダへッ ド 1 0の空洞 6 3内に配置されて， そのシリンダへッド 1 0に複数箇所で部分的 に支持されている。 これにより， 排気ポートライナ 6 4周りには， 空洞 6 3内に 存する空気による断熱層 1 8が存する。

排気ポートライナ 6 4における複数の部分的な支持箇所には， 図 4， 9に示す ように， 排気バルブ 4 3が配設される排気ガス入口側の外周面に存する部位 Eお よび排気ガス出口側の外周面に存する部位 Fならびに筒状ノリレプステム揷通部 6 5が選定されている。 即ち， 排気ガス入口側の外周面に存する部位 Εには， ステ ンレス鋼よりなる 2本のステ一 6 6がバルブステム揷通部 6 5を挟み， 且つバル ブステム軸線 ηと略平行するように相対向して配置されて， それらの一端部が前 記部位 Εに溶接される。 両ステ一6 6は排気ポートライナ 6 4と一体でもよい。 また排気ガス出口側の外周面に存する部位 Fには， ステンレス鋼よりなる 3本の ステー 6 7が周方向に 1 2 0度宛間隔をとつて配置され， それらの一端部が前記 部位 Fに溶接されている。 それらのステ一 6 6， 6 7の他端部はシリンダヘッド 1 0の铸造過程でそれに铸ぐるまれている。 筒状バルブステム揷通部 6 5はクッ ション性を有する断熱性筒状シール部材 6 8およびバルブステムガイド 4 4を介 してシリンダヘッド 1 0に支持される。 図 4， 9に示すように排気ポートライナ

6 4の入口形成部 6 9は， 弁座 5 1に隣接する孔部 7 1に遊挿され， その入口形 成部 6 9近傍に存する排気ポートライナ 6 4のフランジ 7 2および弁座 5 1間の 環状空間が， クッション性を有する断熱性環状シール部材 7 3によって満たされ ている。 前記シール部材 6 8 , 7 3は， アルミナ繊維， シリカ繊維およびバイン ダよりなる成形体であって， 耐用温度 1 1 0 0 °C以上および熱伝導率 0 . 2 WZ (m - K) である。 排気ポートライナ 6 4の出口形成部 7 4は空洞 1 8の開口部

7 5を閉鎖する環状断熱板 7 6の孔部 7 7に嵌合されている。 一方， 吸気ポート 2 1はシリンダへッド 1 0に直接形成されている。

図 1 1に示すシリンダへッド 1 0は， 集合路 5 6を有する補強リブ 4 1および 周壁 1 2の外周から補強リブ 4 1と平行に延びる複数のボルト孔形成部 7 7に合 せ面 7 8 , 7 9が存するように分割されていて， 両合せ面 7 8 , 7 9間には断熱 ガスケット 8 0が挟まれており， この分割部分で， 燃焼室 1 7側からの熱伝導が 遮断される。 この第 2実施例において， 燃焼室 1 7のスキッシュ領域 4 7を冷却 する環状冷却路 3 5の流量を前記同様に熱負荷に応じて変えることも当然に行わ れる。

なお， 隔壁 1 1において， 熱負荷が小で， 且つ広い吸， 排気扇形領域 D , Cで は， 冷却通路の通路断面積を小にして冷却媒体をより高速で流すことと， 通路表 面積の増加およびレイノルズ数増大による熱伝達率の向上との相互効果により， 熱引きを向上させることができ， これによりシリンダヘッド主体部への熱伝播を 十分に抑制して断熱層 1 8を省くことも可能である。

Claims

請求の範囲

1. シリンダヘッド （10) 内に， 隔壁 （1 1) を挟んで一側に燃焼室 （17) を， また他側に断熱層 （18) をそれぞれ設け， 前記隔壁 （11) 内の熱負荷を 異にする複数の領域 （A〜D) にそれぞれ冷却路 （a〜d) を設け， 冷却媒体の 流量を， 最も熱負荷が大なる領域 （A) に存する前記冷却路 （a) から最も熱負 荷が小となる領域 （D) に存する前記冷却路 （d) に亘つて減少させたことを特 徴とする内燃機関。

2. 熱負荷が小なる領域 （C) と， その領域よりも熱負荷が大なる領域 （A) と 力 前記隔壁 （1 1) において占める割合は前者の方が後者よりも大であり， ま た熱負荷が小なる領域 （C) に存する前記冷却路 （c) と， その領域 （C) より も熱負荷が大なる領域 （A) に存する前記冷却路 （a) との通路断面積は前者の 方が後者よりも小であり， 且つ通路表面積は前者の方が後者よりも大である， 請 求項 1記載の内燃機関。

3. 前記隔壁 （11) に連なって， 上死点に在るピストン （13) のへッド部 （ 1 4) と摺擦する周壁 （12) に， 前記ヘッド部頂面 （16) の外周部分により形 成される前記燃焼室 （17) のスキッシュ領域 （47) を冷却する冷却路 （35) を設け， その冷却路 （35) における冷却媒体の流量を， 前記スキッシュ領域 （4 7) の最も熱負荷が大なる部位近傍に存する流路部 （f) からその領域 （47) の最も熱負荷が小なる部位近傍に存する流路部 （i) に亘つて減少させた， 請求 項 1または 2記載の内燃機関。