WO2012164754A1 - 内燃機関 - Google Patents

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WO2012164754A1
WO2012164754A1 PCT/JP2011/063086 JP2011063086W WO2012164754A1 WO 2012164754 A1 WO2012164754 A1 WO 2012164754A1 JP 2011063086 W JP2011063086 W JP 2011063086W WO 2012164754 A1 WO2012164754 A1 WO 2012164754A1
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WO
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combustion chamber
pressure
chamber
cylindrical portion
gas
Prior art date
Application number
PCT/JP2011/063086
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
芦澤　剛
Original Assignee
トヨタ自動車株式会社
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 トヨタ自動車株式会社 filed Critical トヨタ自動車株式会社
Priority to PCT/JP2011/063086 priority Critical patent/WO2012164754A1/ja
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D15/00—Varying compression ratio
    • F02D15/04—Varying compression ratio by alteration of volume of compression space without changing piston stroke

Definitions

  • the present invention relates to an internal combustion engine.
  • This self-ignition internal combustion engine can release pressure to the sub chamber by pushing up the pressure adjustment valve against the pressure of the elastic body when the combustion pressure exceeds a predetermined allowable pressure value due to premature ignition or the like. It is disclosed.
  • This publication discloses that the pressure regulating valve moves at a pressure larger than the pressure at which premature ignition or the like occurs.
  • this publication discloses an internal combustion engine in which a sub chamber communicating with a combustion chamber is formed, and a sub piston that is vertically movable is inserted into the sub chamber. The secondary piston is pressed by a mechanical spring.
  • the pamphlet of WO2011 / 030471 includes a combustion pressure control device that includes a sub chamber that communicates with the combustion chamber and includes a variable volume device that changes the volume of the sub chamber when the pressure of the combustion chamber reaches the control pressure. It is disclosed. In this variable volume device, it is disclosed that a sub chamber-use piston for forming a sub chamber is pressed with gas.
  • An object of the present invention is to provide an internal combustion engine that includes a device for controlling the pressure of a combustion chamber and suppresses cooling loss.
  • the internal combustion engine of the present invention includes a spring device having elasticity, and when the pressure in the combustion chamber reaches a predetermined control pressure, the spring device contracts with the change in pressure in the combustion chamber as a drive source.
  • a volume variable device that changes the volume of the space communicating with the.
  • the spring device includes a cylindrical portion that communicates with the combustion chamber, and a moving member that is movably disposed inside the cylindrical portion, and the moving member partitions a space inside the cylindrical portion.
  • a space communicating with the combustion chamber is formed.
  • the variable volume device has a heat insulating structure that suppresses heat dissipation from the space communicating with the combustion chamber through the tubular portion in at least one of the tubular portion and the region around the tubular portion.
  • the heat insulating structure is arranged around the cylindrical part, and is at least one of a sealed space in which gas is sealed and a sealed space that is arranged around the cylindrical part and whose inside is decompressed. It is preferable that the closed space is included.
  • the variable volume device is disposed inside the cylinder head including the top surface of the combustion chamber, the cylindrical portion is fixed to the cylinder head, and the heat insulating structure is provided around the cylindrical portion. It is preferable to include a heat insulating member that is disposed and has a lower thermal conductivity than the cylinder head.
  • variable volume device is disposed inside the cylinder head including the top surface of the combustion chamber, and the cylindrical portion is fixed to the cylinder head and has a smaller thermal conductivity than the cylinder head. It is preferable that it is formed of a material. In the said invention, it is preferable that the heat insulation structure is formed avoiding the area
  • the spring device has a space communicating with the combustion chamber formed on the side facing the combustion chamber and a side opposite to the side facing the combustion chamber by dividing the space inside the cylindrical portion by the moving member.
  • the moving member can be pressed by sealing the pressurized gas in the gas chamber.
  • the heat insulation structure is not formed in the area
  • an internal combustion engine that includes a device for controlling the pressure in the combustion chamber and suppresses cooling loss.
  • 1 is a schematic view of an internal combustion engine in an embodiment. It is the schematic of the volume variable apparatus and pressure change apparatus of an internal combustion engine in embodiment. It is a graph which shows the relationship between the crank angle of the internal combustion engine in embodiment, and the pressure of a combustion chamber. It is an expansion schematic sectional drawing of the volume variable apparatus which has the 1st heat insulation structure in embodiment. It is another expansion schematic sectional drawing of the variable volume apparatus which has the 1st heat insulation structure in embodiment. It is an expansion schematic sectional drawing of the volume variable apparatus which has a 2nd heat insulation structure in embodiment. It is an expansion schematic sectional drawing of the variable volume apparatus which has the 3rd heat insulation structure in embodiment. It is an expansion schematic sectional drawing of the variable volume apparatus which has the 4th heat insulation structure in embodiment. It is an expansion schematic sectional drawing of the 4th heat insulation structure in embodiment. It is an expansion schematic sectional drawing of the 5th heat insulation structure in embodiment. It is an expansion schematic sectional drawing of the variable volume apparatus which has the 6th heat insulation structure in embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic view of an internal combustion engine in the present embodiment.
  • the internal combustion engine in the present embodiment is a spark ignition type.
  • the internal combustion engine includes an engine body 1.
  • the engine body 1 includes a cylinder block 2 and a cylinder head 4.
  • a piston 3 is disposed inside the cylinder block 2.
  • the piston in addition to the space in the cylinder surrounded by the crown surface of the piston and the cylinder head when the piston reaches compression top dead center, the piston is surrounded by the crown surface of the piston and the cylinder head at an arbitrary position.
  • the space in the cylinder is called a combustion chamber.
  • the top surface of the combustion chamber 5 is constituted by the cylinder head 4, and the bottom surface of the combustion chamber 5 is constituted by the crown surface of the piston 3.
  • the combustion chamber 5 is formed for each cylinder.
  • An engine intake passage and an engine exhaust passage are connected to the combustion chamber 5.
  • An intake port 7 and an exhaust port 9 are formed in the cylinder head 4.
  • the intake valve 6 is disposed at the end of the intake port 7 and is configured to be able to open and close the engine intake passage communicating with the combustion chamber 5.
  • the exhaust valve 8 is disposed at the end of the exhaust port 9 and is configured to be able to open and close the engine exhaust passage communicating with the combustion chamber 5.
  • a spark plug 10 is fixed to the cylinder head 4.
  • the spark plug 10 is formed to ignite fuel in the combustion chamber 5.
  • the internal combustion engine in the present embodiment includes a fuel injection valve 11 for supplying fuel to the combustion chamber 5.
  • the fuel injection valve 11 in the present embodiment is arranged so as to inject fuel into the intake port 7.
  • the fuel injection valve 11 is not limited to this configuration, and may be arranged so that fuel can be supplied to the combustion chamber 5.
  • the fuel injection valve may be arranged to inject fuel directly into the combustion chamber.
  • the fuel injection valve 11 is connected to the fuel tank 28 via an electronically controlled fuel pump 29 with variable discharge amount.
  • the fuel stored in the fuel tank 28 is supplied to the fuel injection valve 11 by the fuel pump 29.
  • the intake port 7 of each cylinder is connected to a surge tank 14 via a corresponding intake branch pipe 13.
  • the surge tank 14 is connected to an air cleaner (not shown) through the intake duct 15.
  • An air flow meter 16 that detects the amount of intake air is disposed inside the intake duct 15.
  • a throttle valve 18 driven by a step motor 17 is disposed inside the intake duct 15.
  • the exhaust port 9 of each cylinder is connected to a corresponding exhaust branch pipe 19.
  • the exhaust branch pipe 19 is connected to the catalytic converter 21.
  • Catalytic converter 21 in the present embodiment includes a three-way catalyst 20.
  • the catalytic converter 21 is connected to the exhaust pipe 22.
  • the internal combustion engine in the present embodiment includes an electronic control unit 31.
  • the electronic control unit 31 in the present embodiment includes a digital computer.
  • the electronic control unit 31 includes a RAM (random access memory) 33, a ROM (read only memory) 34, a CPU (microprocessor) 35, an input port 36 and an output port 37 which are connected to each other via a bidirectional bus 32. .
  • the air flow meter 16 generates an output voltage proportional to the amount of intake air taken into the combustion chamber 5. This output voltage is input to the input port 36 via the corresponding AD converter 38.
  • a load sensor 41 is connected to the accelerator pedal 40. The load sensor 41 generates an output voltage proportional to the depression amount of the accelerator pedal 40. This output voltage is input to the input port 36 via the corresponding AD converter 38.
  • the crank angle sensor 42 generates an output pulse each time the crankshaft rotates, for example, a predetermined angle, and this output pulse is input to the input port 36.
  • the engine speed can be detected from the output of the crank angle sensor 42. Further, the crank angle can be detected from the output of the crank angle sensor 42.
  • the output port 37 of the electronic control unit 31 is connected to the fuel injection valve 11 and the spark plug 10 via the corresponding drive circuits 39.
  • the electronic control unit 31 in the present embodiment is formed to perform fuel injection control and ignition control. That is, the fuel injection timing and the fuel injection amount are controlled by the electronic control unit 31. Further, the ignition timing of the spark plug 10 is controlled by the electronic control unit 31.
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of a variable volume device and a pressure change device for an internal combustion engine in the present embodiment.
  • the internal combustion engine in the present embodiment includes a combustion pressure control device that controls the pressure in the combustion chamber when the fuel is combusted.
  • the combustion pressure control device in the present embodiment includes a variable volume device that changes the volume of the space communicating with the combustion chamber.
  • the variable volume device includes a gas spring 50.
  • the gas spring 50 is connected to the combustion chamber 5 in each cylinder.
  • the internal combustion engine in the present embodiment has a sub chamber 60 as a space communicating with the combustion chamber 5.
  • the volume variable device in the present embodiment when the pressure in the combustion chamber 5 reaches the control pressure, the volume of the sub chamber 60 changes using the pressure change in the combustion chamber 5 as a drive source. That is, the variable volume device operates when the pressure in the combustion chamber 5 changes.
  • the control pressure in the present invention is the pressure in the combustion chamber when the variable volume device starts to operate. That is, the pressure in the combustion chamber when the sub chamber-use piston 55 starts to move.
  • the variable volume device suppresses the pressure in the combustion chamber 5 from exceeding the pressure at which abnormal combustion occurs.
  • Abnormal combustion in the present invention includes, for example, combustion other than a state where the air-fuel mixture is ignited by an ignition device and combustion is sequentially propagated from the point of ignition.
  • Abnormal combustion includes, for example, a knocking phenomenon, a detonation phenomenon, and a preignition phenomenon.
  • the knocking phenomenon includes a spark knocking phenomenon.
  • the spark knock phenomenon is a phenomenon in which an air-fuel mixture containing unburned fuel at a position far from the ignition device self-ignites when the ignition device ignites and a flame spreads around the ignition device.
  • the air-fuel mixture at a position far from the ignition device is compressed by the combustion gas in the vicinity of the ignition device, becomes high temperature and high pressure, and self-ignites.
  • a shock wave is generated when the mixture self-ignites.
  • the detonation phenomenon is a phenomenon in which an air-fuel mixture is ignited when a shock wave passes through the high-temperature and high-pressure air-fuel mixture.
  • the variable volume device in the present embodiment includes a cylindrical member 51 that forms a cylindrical portion.
  • the cylindrical member 51 in the present embodiment is formed in a cylindrical shape.
  • a sub chamber-use piston 55 as a moving member is arranged inside the cylindrical member 51.
  • the space inside the cylindrical member 51 is partitioned by the sub chamber-use piston 55.
  • a sub chamber 60 is formed inside the tubular member 51 on the side facing the combustion chamber 5.
  • a gas chamber 61 is formed inside the cylindrical member 51 on the side opposite to the side toward the combustion chamber 5.
  • the sub chamber-use piston 55 is not fixed to the tubular member 51, and is formed so as to move in the axial direction of the tubular member 51.
  • the sub chamber-use piston 55 moves inside the cylindrical member 51 as indicated by an arrow 100.
  • the sub chamber-use piston 55 is in contact with the cylindrical member 51 via a piston ring as a sealing member.
  • the variable volume device in the present embodiment includes a spring device having elasticity.
  • the spring device in the present embodiment has a gas spring 50.
  • the gas spring 50 is formed to have elasticity by sealing a gas inside.
  • the gas chamber 61 of the gas spring 50 is filled with pressurized gas so that the sub chamber-use piston 55 starts to move when the pressure of the combustion chamber 5 reaches a desired control pressure.
  • the gas chamber 61 is filled with air.
  • the gas filled in the gas chamber 61 is not limited to air, and any gas can be employed.
  • the pressure regulating valve 85 is closed during the period in which the sub chamber-use piston 55 moves, that is, during the period in which the gas spring 50 is contracted.
  • the gas spring 50 has elasticity when the pressure regulating valve 85 is closed.
  • the sub chamber-use piston 55 is pressed by the pressure of the sealed gas chamber 61.
  • the internal combustion engine in the present embodiment includes a pressure changing device that changes the pressure of the gas chamber 61 of the gas spring.
  • the pressure changing device in the present embodiment includes a motor 71 and a compressor 72 driven by the motor 71.
  • a check valve 82 is disposed at the outlet of the compressor 72.
  • the check valve 82 prevents the gas in the gas chamber 61 from flowing backward and flowing out.
  • a check valve 81 and a filter 73 are connected to the compressor 72.
  • the filter 73 removes foreign substances from the air sucked into the compressor 72.
  • the check valve 81 prevents air from flowing backward from the compressor 72.
  • the pressure changing device in the present embodiment includes a pressure sensor 74 as a pressure detector that detects the pressure of the gas chamber 61 of the gas spring 50.
  • the pressure sensor 74 in the present embodiment is disposed in a flow path that connects the gas chamber 61 and the pressure regulating valve 85.
  • the pressure changing device is controlled by the electronic control unit 31.
  • the motor 71 is controlled by the electronic control unit 31.
  • the air discharge valve 84 and the pressure adjustment valve 85 in the present embodiment are controlled by the electronic control unit 31.
  • the output of the pressure sensor 74 is input to the electronic control unit 31.
  • the internal combustion engine in the present embodiment can replenish air even if air leaks from the gas chamber 61 of the gas spring 50 during the operation period or the stop period. For example, air can be supplied to the gas chamber 61 by driving the compressor 72 with the motor 71 and opening the pressure regulating valve 85.
  • the pressure changing device in the present embodiment can increase the pressure of the gas chamber 61 of the gas spring 50. Furthermore, the pressure changing device in the present embodiment can discharge gas from the gas chamber 61 of the gas spring 50. By opening the pressure regulating valve 85 and the air discharge valve 84, the pressure in the gas chamber 61 can be lowered. The control pressure can be changed by changing the pressure of the gas chamber 61.
  • the pressure changing device is not limited to this form, and any device that can change the pressure of the gas chamber of the gas spring can be adopted.
  • FIG. 3 shows a graph of the pressure in the combustion chamber in the internal combustion engine of the present embodiment. The horizontal axis is the crank angle, and the vertical axis is the pressure in the combustion chamber and the displacement of the sub chamber piston.
  • the sub chamber-use piston 55 shows a graph of the compression stroke and the expansion stroke in the combustion cycle.
  • the displacement of the sub chamber-use piston 55 is zero when it is attached to the bottom of the cylindrical member 51.
  • the sub chamber-use piston 55 moves when the pressure of the combustion chamber reaches the control pressure during the compression stroke to expansion stroke of the combustion cycle.
  • the volume of the sub chamber 60 of the gas spring 50 is increased.
  • the sub chamber-use piston 55 is attached to the bottom of the tubular member 51 at the start of the compression stroke. In the compression stroke, the piston 3 rises and the pressure in the combustion chamber 5 rises.
  • the sub chamber-use piston 55 is bottomed until the pressure of the combustion chamber 5 becomes the control pressure. State is maintained.
  • ignition is performed slightly after the crank angle is 0 ° (TDC).
  • TDC crank angle
  • the pressure in the combustion chamber 5 rises rapidly.
  • the sub chamber-use piston 55 starts to move.
  • the gas spring 50 contracts and the volume of the sub chamber 60 increases. For this reason, it is suppressed that the pressure of the combustion chamber 5 and the subchamber 60 rises.
  • the pressure in the combustion chamber 5 is kept substantially constant.
  • FIG. 3 shows a graph of the pressure in the combustion chambers of Comparative Example 1 and Comparative Example 2.
  • Comparative Example 1 and Comparative Example 2 are internal combustion engines that do not have the variable volume device in the present embodiment.
  • the pressure in the combustion chamber varies depending on the ignition timing.
  • the internal combustion engine has an ignition timing ⁇ max that maximizes the output torque.
  • Comparative Example 1 is a graph when ignition is performed at the ignition timing ⁇ max. By igniting at the ignition timing that maximizes the output torque, the pressure in the combustion chamber is increased and the thermal efficiency is optimal. However, when the ignition timing is early as in Comparative Example 1, the pressure in the combustion chamber becomes higher than the pressure at which abnormal combustion occurs. The graph of Comparative Example 1 assumes that abnormal combustion does not occur.
  • the ignition timing is retarded so that the maximum pressure in the combustion chamber is smaller than the pressure at which abnormal combustion occurs.
  • ignition is performed with a delay from the ignition timing at which the output torque becomes maximum in order to avoid the occurrence of abnormal combustion.
  • the maximum pressure in the combustion chamber becomes smaller than when ignition is performed at the ignition timing at which the output torque is maximum.
  • the internal combustion engine in the present embodiment can perform combustion when the pressure in the combustion chamber is less than the pressure at which abnormal combustion occurs. Even if the ignition timing is advanced, the occurrence of abnormal combustion can be suppressed. In particular, abnormal combustion can be suppressed even in an engine having a high compression ratio.
  • FIG. 4 shows an enlarged schematic cross-sectional view of the variable volume device having the first heat insulating structure in the present embodiment.
  • the variable volume device in the present embodiment has a heat insulating structure that suppresses heat radiation from the sub chamber through the cylindrical member.
  • the first heat insulating structure in the present embodiment includes a gap 64 formed around the cylindrical member 51. The gap 64 is a sealed space whose inside is decompressed.
  • the variable volume device having the first heat insulating structure includes a support guide 62 disposed around the cylindrical member 51.
  • the support guide 62 of the present embodiment is formed in a cylindrical shape.
  • the support guide 62 is formed coaxially with the cylindrical member 51.
  • the support guide 62 is fixed to the cylinder head 4.
  • the cylindrical member 51 is fixed to the support guide 62 via a fixing member 63.
  • the fixing member 63 is disposed at both ends of the cylindrical member 51 in the axial direction.
  • the gap portion 64 is formed by a space between the tubular member 51 and the support guide 62.
  • the gap 64 is sealed.
  • the gap portion 64 in the present embodiment is formed to be evacuated and vacuumed.
  • the gap portion 64 is formed so as to surround the cylindrical member 51.
  • the vacuum layer is formed around the cylindrical member.
  • the support guide 62, the fixing member 63, and the tubular member 51 as a liner can be formed of any material such as metal having heat resistance and predetermined mechanical strength.
  • the cooling loss can be reduced by lowering the combustion temperature.
  • the sub chamber-use piston 55 moves to the side opposite to the side toward the combustion chamber 5.
  • the combustion gas flows into the sub chamber 60 having a large volume.
  • a portion in the circumferential direction of the cylindrical member 51 that forms the wall surface of the sub chamber 60 comes into contact with the combustion gas, and the heat radiation area increases.
  • the cylinder head is made of a metal such as cast iron or aluminum alloy, and has a high thermal conductivity.
  • the cylinder head in the present embodiment is made of cast iron.
  • a gap portion 64 that functions as a vacuum layer is formed around the cylindrical member 51. Since the vacuum layer has a lower thermal conductivity than the cylinder head 4, heat radiation can be suppressed by arranging the vacuum layer. Heat dissipation from the cylindrical member 51 to the outside air can be suppressed. As a result, the cooling loss of the internal combustion engine can be suppressed, and the decrease in the output torque can be suppressed. Or deterioration of the fuel consumption can be suppressed. Thus, in the variable volume device having the first heat insulating structure of the present embodiment, heat radiation from the variable volume device can be suppressed.
  • variable volume device is not operated during the intake stroke period, and the suction is performed on the inner surface of the cylindrical member maintained at a high temperature by the heat insulating structure.
  • the contact of the air or air-fuel mixture is avoided. For this reason, it is possible to suppress a decrease in cooling loss while avoiding occurrence of abnormal combustion such as knocking.
  • the gap 64 formed around the cylindrical member 51 of the present embodiment is decompressed, but the present invention is not limited to this configuration, and any gas may be enclosed. For example, a gas layer in which air is sealed in the gap may be formed.
  • FIG. 6 shows an enlarged schematic cross-sectional view of the variable volume device having the second heat insulating structure of the present embodiment.
  • the sub chamber-use piston 55 is locked to the locking portion 51 a of the cylindrical member 51.
  • An arrow 101 is a movement range of the sub chamber-use piston 55.
  • the second heat insulating structure of the present embodiment is formed in a region surrounding the moving range of the sub chamber-use piston 55 in the region around the cylindrical member 51. Further, the second heat insulating structure is not formed in a region surrounding the outside of the movement range of the sub chamber-use piston 55. That is, a gap 64 is formed in a region surrounding the movement range indicated by the arrow 101. In the region outside the movement range outside the arrow 101, the gap portion 64 is not formed, and the cylindrical member 51 is in contact with the cylinder head 4.
  • the heat insulation structure is not formed in the region surrounding the outside of the moving range of the piston 55, many regions of the wall surface of the gas chamber 61 can be brought into contact with the cylinder head 4 excellent in heat conduction. It can suppress that the temperature of the gas with which the gas chamber 61 is filled rises.
  • the heat of the combustion gas is transmitted to the gas inside the gas chamber 61 through the sub chamber-use piston 55 and the cylindrical member 51, and the temperature of the gas in the gas chamber 61 can be prevented from rising.
  • the gas inside the gas chamber 61 can be effectively cooled.
  • the temperature of the gas inside the gas chamber 61 can be prevented from rising and the control pressure from increasing.
  • the pressure change device is connected to the volume variable device in the present embodiment, the present invention is not limited to this configuration, and the present invention can be applied to a volume variable device to which no pressure change device is connected. it can.
  • FIG. 7 shows an enlarged schematic cross-sectional view of a variable volume device having a third heat insulating structure in the present embodiment.
  • FIG. 7 shows a state in which the sub chamber-use piston 55 is attached to the locking portion 51a.
  • the third heat insulating structure in the present embodiment is formed so as to avoid a region around a region where the sub chamber-use piston 55 is bottomed when the pressure of the combustion chamber is less than the control pressure. In the region around the region where the sub chamber-use piston 55 is bottomed, a heat insulating structure is not formed, and the tubular member 51 is in contact with the cylinder head 4.
  • the sub chamber-use piston 55 is in contact with the combustion chamber 5 even during a period in which the variable volume device is stopped.
  • the sub chamber-use piston 55 constitutes the wall surface of the combustion chamber 5 when it is locked to the locking portion 51a.
  • the sub chamber-use piston 55 comes into contact with the air or air-fuel mixture sucked in the intake stroke. For this reason, when the temperature of the sub chamber-use piston 55 is kept high, the temperature of the intake air or the air-fuel mixture rises. Since the heat insulation structure is formed so as to avoid the area around the area where the sub chamber-use piston 55 is bottomed, the heat dissipation of the sub-chamber piston 55 can be improved, and intake air or air-fuel mixture can be improved. Temperature rise can be suppressed. It is possible to suppress a decrease in cooling loss while suppressing a decrease in filling efficiency.
  • the sub chamber-use piston 55 is formed of a material having low thermal conductivity, the temperature of the sub-chamber piston 55 may be maintained high, and the temperature of the intake air or the air-fuel mixture may be increased.
  • the sub chamber-use piston 55 is preferably formed of a material having substantially the same thermal conductivity as that of the cylinder head 4 constituting the wall surface of the combustion chamber 5, for example. With this configuration, it is possible to suppress a decrease in heat dissipation of the sub chamber-use piston 55 and to suppress an increase in the temperature of the intake air or the air-fuel mixture.
  • the heat insulation structure can suppress heat release from the cylindrical member of the combustion gas.
  • FIG. 8 shows an enlarged schematic cross-sectional view of a variable volume device having a fourth heat insulating structure in the present embodiment.
  • the fourth heat insulating structure has a heat insulating member 67 arranged around the cylindrical member 51.
  • a cavity 67 a is formed in the heat insulating member 67.
  • the hollow portion 67 a is a sealed space formed inside the heat insulating member 67.
  • the inside of the cavity portion 67a in the present embodiment is decompressed to constitute a vacuum portion.
  • a plurality of the hollow portions 67a are formed with a predetermined interval.
  • the heat insulating member 67 can be formed of any material, but is preferably formed of a material having low thermal conductivity.
  • the heat insulating member 67 is preferably formed of a material having substantially the same thermal conductivity as that of the cylinder head 4 or a material having a thermal conductivity smaller than that of the cylinder head 4.
  • the heat insulating member 67 is formed such that the overall average thermal conductivity is smaller than the thermal conductivity of the cylinder head 4. In FIG.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG.
  • the cavity portion 67a of the fourth heat insulating structure in the present embodiment is formed to have a honeycomb structure.
  • the cavity 67a in the present embodiment is formed so that the cross-sectional shape is a regular hexagon. That is, the hollow portion 67a is formed in a hexagonal column shape.
  • the hollow portion 67 a is formed so that the axial direction of the hexagonal column is perpendicular to the moving direction of the sub chamber-use piston 55.
  • the mechanical strength of the heat insulation member 67 can be increased by forming a plurality of the cavity portions 67a along the circumferential direction.
  • the cavity portion 67a in a hexagonal column shape, the sum of the volumes of the plurality of cavity portions 67a can be increased as compared with the case where the cross-sectional shape is circular or the like. That is, the overall average thermal conductivity can be reduced. Further, since the cross-sectional shape can be made closer to a circular shape compared to the case where the cross-sectional shape is a quadrangle, the strength in the extending direction of the heat insulating member 67 (the direction parallel to the moving direction of the sub chamber-use piston) is increased. be able to. As described above, the heat radiation from the tubular member 51 can be suppressed also by arranging the heat insulating member 67 having the hollow portion 67 a around the tubular member 51.
  • FIG. 10 shows an enlarged schematic cross-sectional view of a variable volume device having a fifth heat insulating structure in the present embodiment.
  • a heat insulating member 68 is disposed around the cylindrical member 51.
  • the heat insulating member 68 includes a frame member 68a and a heat insulating portion 68b held by the frame member 68a.
  • the heat insulating portion 68b in the present embodiment is formed of a material having a lower thermal conductivity than the cylinder head 4.
  • the heat insulating portion 68b in the present embodiment is made of resin.
  • As the heat insulating portion 68b it is preferable to employ a resin having a low thermal conductivity such as a foamed resin among the resins.
  • the heat insulating portion 68b is not limited to this form, and a member made of any material having a smaller thermal conductivity than the cylinder head 4 can be disposed.
  • the frame member 68a can be formed of any member, but is preferably formed of a member having low thermal conductivity.
  • the frame member 68 a is preferably formed of a material having substantially the same thermal conductivity as that of the cylinder head 4 or a material having a thermal conductivity smaller than that of the cylinder head 4.
  • the heat insulating member 68 is formed such that the overall average thermal conductivity is smaller than the thermal conductivity of the cylinder head 4.
  • FIG. 11 shows an enlarged schematic cross-sectional view of a variable volume device having a sixth heat insulating structure in the present embodiment.
  • a structure having a heat insulating function is formed around the cylindrical portion.
  • a cylindrical part has a heat insulation function.
  • the cylindrical member 52 is fixed to the cylinder head 4.
  • the cylindrical member 51 is at least partially in contact with the cylinder head 4.
  • the circumferential surface of the cylindrical member 51 is in contact with the cylinder head 4.
  • the sub chamber-use piston 55 is locked by the locking portion 52a.
  • the cylindrical member 52 is formed of a material having a lower thermal conductivity than the cylinder head 4.
  • the cylinder head 4 is made of a metal such as aluminum alloy or cast iron, while the cylindrical member 52 is made of, for example, carbon fiber reinforced plastic (CFRP).
  • the present invention is not limited to this configuration, and the entire cylindrical member 52 is in contact with the cylinder head 4. It doesn't matter.
  • the cylindrical member 52 may be embedded in the cylinder head 4.
  • the heat insulating structure may be formed by forming a heat insulating portion formed of a hollow portion, resin, or the like inside the cylindrical portion.
  • a gap portion may be formed around the cylindrical portion, and a heat insulating member may be disposed around the gap portion.
  • a clearance part and a heat insulation member may be formed around the cylindrical part formed with the material with small heat conductivity.
  • the spring device of the variable volume device in the present embodiment includes a gas spring
  • the spring device is not limited to this configuration, and may include any member that presses the moving member.
  • the spring device may include a mechanical spring such as a coil spring.
  • the internal combustion engine attached to the automobile has been described as an example.
  • the present invention is not limited to this embodiment, and the present invention can be applied to any internal combustion engine.
  • said embodiment is an illustration and does not limit invention. In the embodiment, the change shown in a claim is included.

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Abstract

　内燃機関は、ばね装置を含み、燃焼室の圧力が予め定められた制御圧力に到達したときに、ばね装置が縮むことにより燃焼室に連通する空間の容積が変化する容積可変装置を備える。ばね装置は、筒状部と、筒状部の内部に配置されている移動部材とを含み、移動部材が筒状部の内部の空間を区画することにより燃焼室に連通する空間が形成されている。容積可変装置は、筒状部および筒状部の周りの領域のうち少なくとも一方に、燃焼室に連通する空間から筒状部を通じて放熱されることを抑制する断熱構造を有する。

Description

内燃機関
　本発明は、内燃機関に関する。
　内燃機関は、燃焼室に燃料および空気が供給されて、燃焼室にて燃料が燃焼することにより駆動力を出力する。燃焼室において燃料を燃焼させるときには、空気と燃料との混合気を圧縮した状態になる。内燃機関の圧縮比は、出力および燃料消費量に影響を与えることが知られている。圧縮比を高くすることにより出力トルクを大きくしたり、燃料消費量を少なくしたりすることができる。ところが、圧縮比を非常に高くすると、燃焼室において異常燃焼が発現することが知られている。
　特開２０００−２３０４３９号公報には、燃焼室に圧力調整弁を介して通じる副室を設け、圧力調整弁は、弁体と弁体に接続されて燃焼室側に付勢された弁棒とを有する自着火式の内燃機関が開示されている。この自着火式の内燃機関は、過早着火等により燃焼圧が所定の許容圧値を超えた場合に、弾性体の圧力に抗して圧力調整弁を押し上げて副室に圧力を逃すことが開示されている。この公報には、過早着火等が生じる圧力よりも大きな圧力で圧力調整弁が動くことが開示されている。また、この公報においては、燃焼室に通じる副室が形成され、副室に上下に移動可能な副ピストンが挿入されている内燃機関が開示されている。副ピストンは、機械ばねで押圧されている。燃料が燃焼した時に、燃焼室の圧力により機械ばねが縮んで副ピストンが上昇し、燃焼室に通じる副室の容積が大きくなることが開示されている。
　また、ＷＯ２０１１／０３０４７１号パンフレットには、燃焼室に連通する副室を有し、燃焼室の圧力が制御圧力に到達したときに副室の容積が変化する容積可変装置を備える燃焼圧力制御装置が開示されている。この容積可変装置では、副室を形成するための副室用ピストンを気体により押圧することが開示されている。
特開２０００−２３０４３９号公報 国際公開第２０１１／０３０４７１号パンフレット
　上記の特開２０００−２３０４３９号公報に開示されている燃焼室の圧力を調整する装置においては、燃焼室において燃料が燃焼すると副ピストンが燃焼室から離れる向きに移動する。このときに燃焼室に通じる副室が大きくなる。その後に、気筒内のピストンが下降して、燃焼室の圧力が低下することにより、副ピストンが燃焼室に向かって移動し、元の位置に戻る。燃焼室の圧力を制御する装置が作動することにより、燃焼室に連通する副室の内部には高温の燃焼ガスが流入する。
　上記の公報に開示されている内燃機関は、副室がシリンダヘッドの内部に形成されている。このために、燃焼ガスの熱が副室の壁面を介してシリンダヘッドに放熱される。燃焼室の圧力を制御する装置が作動することにより、燃焼ガスの熱が放熱される面積が拡大する。このために、燃焼室の圧力を制御する装置が作動することにより冷却損失が増大する。この結果、出力されるトルクが抑制されたり、燃料消費量の低下量が抑制されたりしていた。
　本発明は、燃焼室の圧力を制御する装置を備え、冷却損失を抑制する内燃機関を提供することを目的とする。
　本発明の内燃機関は、弾性を有するばね装置を含み、燃焼室の圧力が予め定められた制御圧力に到達したときに、燃焼室の圧力変化を駆動源として、ばね装置が縮むことにより燃焼室に連通する空間の容積が変化する容積可変装置を備える。ばね装置は、燃焼室に連通している筒状部と、筒状部の内部に移動可能に配置されている移動部材とを含み、移動部材が筒状部の内部の空間を区画することにより燃焼室に連通する空間が形成されている。容積可変装置は、筒状部および筒状部の周りの領域のうち少なくとも一方に、燃焼室に連通する空間から筒状部を通じて放熱されることを抑制する断熱構造を有する。
　上記発明においては、断熱構造は、筒状部の周りに配置され、気体が封入されている密閉空間、および筒状部の周りに配置され、内部が減圧されている密閉空間のうち少なくも一方の密閉空間を含むことが好ましい。
　上記発明においては、容積可変装置は、燃焼室の頂面を含むシリンダヘッドの内部に配置されており、筒状部は、シリンダヘッドに固定されており、断熱構造は、筒状部の周りに配置され、シリンダヘッドよりも熱伝導率の小さな断熱部材を含むことが好ましい。
　上記発明においては、容積可変装置は、燃焼室の頂面を含むシリンダヘッドの内部に配置されており、筒状部は、シリンダヘッドに固定されており、シリンダヘッドよりも小さな熱伝導率を有する材質で形成されていることが好ましい。
　上記発明においては、断熱構造は、燃焼室の圧力が制御圧力未満のときに移動部材が着底している領域の周りの領域を避けて形成されていることが好ましい。
　上記発明においては、移動部材は、燃焼室の壁面を構成するシリンダヘッドとほぼ同じ熱伝導率を有する材質にて形成されていることが好ましい。
　上記発明においては、ばね装置は、移動部材が筒状部の内部の空間を区画することにより、燃焼室に向かう側に形成された燃焼室に連通する空間と、燃焼室に向かう側と反対側に形成されたガス室とを有し、ガス室に加圧された気体が封入されることにより移動部材が押圧されていることができる。
　上記発明においては、断熱構造は、筒状部の周りの領域のうち、移動部材の移動範囲の外側を取り囲む領域には形成されておらず、移動部材の移動範囲を取り囲む領域に形成されていることが好ましい。
　本発明によれば、燃焼室の圧力を制御する装置を備え、冷却損失を抑制する内燃機関を提供することができる。
実施の形態における内燃機関の概略図である。 実施の形態における内燃機関の容積可変装置および圧力変更装置の概略図である。 実施の形態における内燃機関のクランク角度と燃焼室の圧力との関係を示すグラフである。 実施の形態における第１の断熱構造を有する容積可変装置の拡大概略断面図である。 実施の形態における第１の断熱構造を有する容積可変装置の他の拡大概略断面図である。 実施の形態における第２の断熱構造を有する容積可変装置の拡大概略断面図である。 実施の形態における第３の断熱構造を有する容積可変装置の拡大概略断面図である。 実施の形態における第４の断熱構造を有する容積可変装置の拡大概略断面図である。 実施の形態における第４の断熱構造の拡大概略断面図である。 実施の形態における第５の断熱構造の拡大概略断面図である。 実施の形態における第６の断熱構造を有する容積可変装置の拡大概略断面図である。
　図１から図１１を参照して、実施の形態における内燃機関について説明する。本実施の形態においては、車両に配置されている内燃機関を例に取り上げて説明する。
　図１は、本実施の形態における内燃機関の概略図である。本実施の形態における内燃機関は、火花点火式である。内燃機関は、機関本体１を備える。機関本体１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド４とを含む。シリンダブロック２の内部には、ピストン３が配置されている。本発明においては、ピストンが圧縮上死点に達したときにピストンの冠面とシリンダヘッドとに囲まれる気筒内の空間に加えて、任意の位置にあるピストンの冠面とシリンダヘッドとに囲まれる気筒内の空間を燃焼室と称する。燃焼室５の頂面は、シリンダヘッド４により構成され、燃焼室５の底面は、ピストン３の冠面により構成されている。
　燃焼室５は、それぞれの気筒ごとに形成されている。燃焼室５には、機関吸気通路および機関排気通路が接続されている。シリンダヘッド４には、吸気ポート７および排気ポート９が形成されている。吸気弁６は吸気ポート７の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関吸気通路を開閉可能に形成されている。排気弁８は、排気ポート９の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関排気通路を開閉可能に形成されている。シリンダヘッド４には、点火プラグ１０が固定されている。点火プラグ１０は、燃焼室５にて燃料を点火するように形成されている。
　本実施の形態における内燃機関は、燃焼室５に燃料を供給するための燃料噴射弁１１を備える。本実施の形態における燃料噴射弁１１は、吸気ポート７に燃料を噴射するように配置されている。燃料噴射弁１１は、この形態に限られず、燃焼室５に燃料を供給できるように配置されていれば構わない。たとえば、燃料噴射弁は、燃焼室に直接的に燃料を噴射するように配置されていても構わない。
　燃料噴射弁１１は、電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２９を介して燃料タンク２８に接続されている。燃料タンク２８内に貯蔵されている燃料は、燃料ポンプ２９によって燃料噴射弁１１に供給される。
　各気筒の吸気ポート７は、対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結されている。サージタンク１４は、吸気ダクト１５を介してエアクリーナ（図示せず）に連結されている。吸気ダクト１５の内部には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１６が配置されている。また、吸気ダクト１５の内部には、ステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置されている。一方、各気筒の排気ポート９は、対応する排気枝管１９に連結されている。排気枝管１９は、触媒コンバータ２１に連結されている。本実施の形態における触媒コンバータ２１は、三元触媒２０を含む。触媒コンバータ２１は、排気管２２に接続されている。
　本実施の形態における内燃機関は、電子制御ユニット３１を備える。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、デジタルコンピュータを含む。電子制御ユニット３１は、双方向バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を含む。
　エアフローメータ１６は、燃焼室５に吸入される吸入空気量に比例した出力電圧を発生する。この出力電圧は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。アクセルペダル４０には、負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１は、アクセルペダル４０の踏込量に比例した出力電圧を発生する。この出力電圧は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
　クランク角センサ４２は、クランクシャフトが、例えば所定の角度を回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスは入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４２の出力により、機関回転数を検出することができる。また、クランク角センサ４２の出力により、クランク角度を検出することができる。
　電子制御ユニット３１の出力ポート３７は、それぞれの対応する駆動回路３９を介して燃料噴射弁１１および点火プラグ１０に接続されている。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、燃料噴射制御や点火制御を行うように形成されている。すなわち、燃料を噴射する時期および燃料の噴射量が電子制御ユニット３１により制御される。更に点火プラグ１０の点火時期が電子制御ユニット３１により制御されている。また、出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介して、スロットル弁１８を駆動するステップモータ１７および燃料ポンプ２９に接続されている。これらの機器は、電子制御ユニット３１により制御されている。
　図２に、本実施の形態における内燃機関の容積可変装置および圧力変更装置の概略断面図を示す。本実施の形態における内燃機関は、燃料が燃焼したときの燃焼室の圧力を制御する燃焼圧力制御装置を備える。本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、燃焼室に連通する空間の容積が変化する容積可変装置を備える。容積可変装置は、気体ばね５０を含む。気体ばね５０は、それぞれの気筒において燃焼室５に接続されている。本実施の形態における内燃機関は、燃焼室５に連通する空間としての副室６０を有する。
　本実施の形態における容積可変装置は、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達したときに、燃焼室５の圧力変化を駆動源として副室６０の容積が変化する。すなわち、容積可変装置は、燃焼室５の圧力が変化することにより作動する。本発明における制御圧力は、容積可変装置が作動し始めるときの燃焼室の圧力である。すなわち、副室用ピストン５５が移動し始める時の燃焼室の圧力である。容積可変装置は、燃焼室５の圧力が異常燃焼の発生圧力以上になることを抑制する。
　本発明における異常燃焼は、たとえば、点火装置により混合気が点火し、点火した点から順次燃焼が伝搬する状態以外の燃焼を含む。異常燃焼は、たとえば、ノッキング現象、デトネーション現象およびプレイグニッション現象を含む。ノッキング現象は、スパークノック現象を含む。スパークノック現象は、点火装置において点火し、点火装置を中心に火炎が広がっているときに、点火装置から遠い位置にある未燃燃料を含む混合気が自着火する現象である。点火装置から遠い位置にある混合気は、点火装置の近傍の燃焼ガスにより圧縮されて高温高圧になって自着火する。混合気が自着火するときに衝撃波が発生する。
　デトネーション現象は、高温高圧の混合気の中を衝撃波が通過することにより、混合気が着火する現象である。この衝撃波は、たとえば、スパークノック現象によって発生する。プレイグニッション現象は、早期着火現象とも言われる。プレイグニッション現象は、点火プラグの先端の金属または燃焼室内に堆積するカーボンスラッジ等が加熱されて、所定の温度以上を維持した状態になり、この部分を火種として点火時期の前に燃料が着火して燃焼する現象である。
　本実施の形態における容積可変装置は、筒状部を構成する筒状部材５１を備える。本実施の形態における筒状部材５１は、円筒状に形成されている。筒状部材５１の内部には、移動部材としての副室用ピストン５５が配置されている。筒状部材５１の内部の空間は、副室用ピストン５５により区画されている。筒状部材５１の内部には、燃焼室５に向かう側に副室６０が形成されている。また、筒状部材５１の内部には、燃焼室５に向かう側と反対側にガス室６１が形成されている。
　副室用ピストン５５は、筒状部材５１に固定されておらず、筒状部材５１の軸方向に移動するように形成されている。副室用ピストン５５は、矢印１００に示すように、筒状部材５１の内部を移動する。副室用ピストン５５は、封止部材としてのピストンリングを介して筒状部材５１に接触している。副室用ピストン５５が移動することにより、副室６０の容積が変化する。副室６０には、燃焼ガスが流入する。
　本実施の形態における容積可変装置は、弾性を有するばね装置を含む。本実施の形態におけるばね装置は、気体ばね５０を有する。気体ばね５０は、内部に気体を密閉することにより弾性を有するように形成されている。気体ばね５０のガス室６１には、燃焼室５の圧力が所望の制御圧力に到達したときに、副室用ピストン５５が移動し始めるように、加圧された気体が充填される。本実施の形態においては、ガス室６１に空気が充填される。ガス室６１に充填される気体としては、空気に限られず、任意の気体を採用することができる。
　本実施の形態における内燃機関では、副室用ピストン５５が移動する期間、すなわち気体ばね５０が縮んでいる期間には圧力調整弁８５が閉止される。気体ばね５０は、圧力調整弁８５が閉止されることにより弾性を有する。密閉されたガス室６１の圧力により、副室用ピストン５５が押圧される。
　本実施の形態における内燃機関は、気体ばねのガス室６１の圧力を変更する圧力変更装置を備える。本実施の形態における圧力変更装置は、モータ７１と、モータ７１により駆動される圧縮機７２と含む。圧縮機７２の出口には、逆止弁８２が配置されている。逆止弁８２は、ガス室６１の気体が逆流して流出することを防止する。圧縮機７２には、逆止弁８１およびフィルタ７３が接続されている。フィルタ７３は、圧縮機７２に吸入される空気から異物を除去する。逆止弁８１は、圧縮機７２から空気が逆流することを防止する。
　本実施の形態における圧力変更装置は、気体ばね５０のガス室６１の圧力を検出する圧力検出器としての圧力センサ７４を含む。本実施の形態における圧力センサ７４は、ガス室６１と圧力調整弁８５とを接続する流路に配置されている。
　圧力変更装置は、電子制御ユニット３１により制御されている。本実施の形態においては、モータ７１が電子制御ユニット３１に制御されている。本実施の形態における空気排出弁８４および圧力調整弁８５は、電子制御ユニット３１により制御されている。圧力センサ７４の出力は、電子制御ユニット３１に入力される。
　本実施の形態における内燃機関は、運転期間中または停止期間中に気体ばね５０のガス室６１から空気が漏れても、空気を補充することができる。たとえば、モータ７１にて圧縮機７２を駆動し、更に圧力調整弁８５を開くことにより、ガス室６１に空気を供給することができる。
　本実施の形態における圧力変更装置は、気体ばね５０のガス室６１の圧力を上昇させることができる。更に、本実施の形態における圧力変更装置は、気体ばね５０のガス室６１から気体を排出することができる。圧力調整弁８５および空気排出弁８４を開くことにより、ガス室６１の圧力を下降させることができる。ガス室６１の圧力を変更することにより、制御圧力を変更することができる。圧力変更装置は、この形態に限られず、気体ばねのガス室の圧力を変更可能な任意の装置を採用することができる。
　図３に、本実施の形態の内燃機関における燃焼室の圧力のグラフを示す。横軸がクランク角度であり、縦軸が燃焼室の圧力および副室用ピストンの変位である。図３には、燃焼サイクルのうち圧縮行程および膨張行程のグラフが示されている。副室用ピストン５５は、筒状部材５１の底部に着底しているときの変位が零である。本実施の形態における容積可変装置は、燃焼サイクルの圧縮行程から膨張行程の期間中に、燃焼室の圧力が制御圧力に到達した場合に、副室用ピストン５５が移動する。この結果、気体ばね５０の副室６０の容積が大きくなる。
　図２および図３を参照して、圧縮行程の開始時には副室用ピストン５５が筒状部材５１の底部に着底している。圧縮行程ではピストン３が上昇して、燃焼室５の圧力が上昇する。ここで、気体ばね５０のガス室６１には制御圧力に対応する圧力の気体が封入されているために、燃焼室５の圧力が制御圧力になるまでは、副室用ピストン５５は着底した状態が維持される。
　図３に示す実施例では、クランク角度が０°（ＴＤＣ）より僅か後に点火される。点火されることにより燃焼室５の圧力が急激に上昇する。燃焼室５の圧力が制御圧力に達したときに、副室用ピストン５５が移動し始める。混合気の燃焼が進むと、気体ばね５０が縮んで副室６０の容積が大きくなる。このために、燃焼室５および副室６０の圧力が上昇することが抑制される。図３に示す実施例では、燃焼室５の圧力がほぼ一定に保たれている。
　燃焼室において、更に燃料の燃焼が進むと、副室用ピストン５５の変位は最大になった後に小さくなる。ガス室６１の圧力が減少して、副室用ピストン５５の変位が零に戻る。すなわち、副室用ピストン５５は着底する位置まで戻る。燃焼室５の圧力が制御圧力未満になった場合には、クランク角度の進行とともに燃焼室５の圧力が減少する。
　このように、本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達したときに燃焼室の圧力上昇を抑制し、燃焼室の圧力が異常燃焼の発生する圧力以上にならないように制御することができる。
　図３には、比較例１および比較例２の燃焼室の圧力のグラフが示されている。比較例１および比較例２は、本実施の形態における容積可変装置を有していない内燃機関である。内燃機関は、点火時期に依存して、燃焼室の圧力が変動する。内燃機関は、出力トルクが最大になる点火時期θｍａｘを有する。比較例１は、点火時期θｍａｘで点火したときのグラフである。出力トルクが最大になる点火時期で点火することにより、燃焼室の圧力が高くなり熱効率が最良になる。ところが、比較例１のように点火時期が早いと、燃焼室の圧力が異常燃焼の発生する圧力よりも高くなる。比較例１のグラフは、異常燃焼が発生しないと仮定している。一方で、実際の内燃機関では、燃焼室の最大圧力が異常燃焼の発生する圧力よりも小さくなるように点火時期を遅角させている。
　比較例２の内燃機関では、異常燃焼の発生を回避するために、出力トルクが最大になる点火時期よりも遅らせて点火している。点火時期を遅角させた場合には、出力トルクが最大になる点火時期で点火した場合よりも燃焼室の最大圧力が小さくなる。
　本実施の形態における内燃機関は、燃焼室の圧力が異常燃焼の発生する圧力未満で燃焼を行なうことができる。点火時期を早くしても異常燃焼の発生を抑制することができる。特に、圧縮比が高いエンジンにおいても異常燃焼を抑制することができる。さらに、燃焼室の圧力が高い時間を長くすることができる。このため、比較例２の点火時期を遅らせた内燃機関よりも熱効率が改善され、出力トルクを大きくすることができる。または、燃料消費量を少なくすることができる。
　図４に、本実施の形態における第１の断熱構造を有する容積可変装置の拡大概略断面図を示す。本実施の形態における容積可変装置は、副室から筒状部材を通じて放熱されることを抑制する断熱構造を有する。本実施の形態における第１の断熱構造は、筒状部材５１の周りに形成されている隙間部６４を含む。隙間部６４は、内部が減圧された密閉空間である。
　図５に、本実施の形態における第１の断熱構造を有する容積可変装置の他の概略断面図を示す。図５は、図４におけるＡ−Ａ線に関する矢視断面図である。図２、図４および図５を参照して、第１の断熱構造を有する容積可変装置は、筒状部材５１の周りに配置されている支持ガイド６２を含む。本実施の形態の支持ガイド６２は、筒状に形成されている。支持ガイド６２は、筒状部材５１と同軸状に形成されている。支持ガイド６２は、シリンダヘッド４に固定されている。
　筒状部材５１は、固定部材６３を介して、支持ガイド６２に固定されている。固定部材６３は、筒状部材５１の軸方向の両側の端部に配置されている。隙間部６４は、筒状部材５１と支持ガイド６２との間の空間により形成されている。隙間部６４は、密閉されている。本実施の形態における隙間部６４は、減圧されて真空になるように形成されている。隙間部６４は、筒状部材５１を取り囲むように形成されている。このように、本実施の形態における第１の断熱構造では、筒状部材の周りに真空層が形成されている。支持ガイド６２、固定部材６３およびライナとしての筒状部材５１は、耐熱性および所定の機械強度を有する金属等の任意の材質で形成することができる。
　本実施の形態における容積可変装置が作動することにより、燃焼室の最大圧力が抑制される。燃焼室の最大圧力が抑制されることにより、燃焼温度の最大値が低く抑制される。このために、燃焼ガスからシリンダブロックやシリンダヘッドへの熱移動を抑制することができる。すなわち、燃焼温度が低くなることにより冷却損失を低減することができる。
　ところが、容積可変装置が作動することにより、副室用ピストン５５が燃焼室５に向かう側と反対側に移動する。燃焼ガスが容積の大きくなった副室６０の内部に流入する。副室６０の壁面を形成する筒状部材５１の周方向の部分が、燃焼ガスと接触して放熱面積が増大する。副室６０が大きくなることにより、筒状部材５１を介してシリンダヘッド４に放熱する面積が大きくなる。
　シリンダヘッドは、例えば鋳鉄やアルミニウム合金等の金属で形成されており、熱伝導率が高い。本実施の形態におけるシリンダヘッドは、鋳鉄で形成されている。本実施の形態の第１の断熱構造では、筒状部材５１の周りに真空層として機能する隙間部６４が形成されている。真空層は、シリンダヘッド４よりも熱伝導が悪いために、真空層を配置することにより放熱を抑制することができる。筒状部材５１から外気への放熱を抑制することができる。この結果、内燃機関の冷却損失を抑制することができて、出力されるトルクの低下を抑制することができる。または、燃料の消費量の悪化を抑制することができる。
　このように、本実施の形態の第１の断熱構造を有する容積可変装置においては、容積可変装置からの放熱を抑制することができる。容積可変装置を有しない内燃機関において、燃焼室の周りに断熱構造を形成すると、気筒内の壁面の温度が高い状態に維持されるために、吸入された空気または混合気が、熱を吸収して温度が高くなる。このため、燃焼室の周りに断熱構造を配置すると、燃焼室の周りの冷却が不十分になり、吸気行程において吸入される空気または混合気の温度が高くなる。吸入された空気または混合気の温度が高くなると、充填効率が低下するために、ノッキング等の異常燃焼が発生し易くなるという問題が生じる。
　これに対して、本実施の形態の内燃機関においては、吸気行程の期間中には容積可変装置が作動しておらず、断熱構造により高い温度に維持されている筒状部材の内面に、吸入される空気または混合気が接触することが回避される。このために、ノッキング等の異常燃焼の発生を回避しながら冷却損失の低下を抑制することができる。
　本実施の形態の筒状部材５１の周りに形成されている隙間部６４は減圧されているが、この形態に限られず、任意の気体が封入されていても構わない。例えば、隙間部に空気が封入された気体層が形成されていても構わない。空気等の気体が封入された密閉空間が形成されている場合においても、気体層の熱伝導率はシリンダブロックの熱伝導率よりも低いために放熱を抑制する断熱構造を構成することができる。または、内部が減圧されている密閉空間および気体が封入されている密閉空間の両方が形成されていても構わない。
　図６に、本実施の形態の第２の断熱構造を有する容積可変装置の拡大概略断面図を示す。容積可変装置が停止しているときには、副室用ピストン５５が筒状部材５１の係止部５１ａに係止している。矢印１０１は、副室用ピストン５５の移動範囲である。燃焼室５の圧力が制御圧力以上になった場合には、矢印１０１で示す範囲の端部まで副室用ピストン５５が移動する。
　本実施の形態の第２の断熱構造は、筒状部材５１の周りの領域のうち、副室用ピストン５５の移動範囲を取り囲む領域に形成されている。また、第２の断熱構造は、副室用ピストン５５の移動範囲の外側を取り囲む領域には形成されていない。すなわち、矢印１０１で示す移動範囲を取り囲む領域には、隙間部６４が形成されている。矢印１０１の外側の移動範囲の外側の領域においては、隙間部６４が形成されておらず、筒状部材５１がシリンダヘッド４に接触している。
　このように、ピストン５５の移動範囲の外側を取り囲む領域に、断熱構造が形成されていないことにより、ガス室６１の壁面の多くの領域を熱伝導に優れるシリンダヘッド４に接触させることができる。ガス室６１に充填されている気体の温度が上昇することを抑制することができる。特に、燃焼ガスの熱が副室用ピストン５５および筒状部材５１を介してガス室６１の内部の気体に伝達され、ガス室６１の気体の温度が上昇することを抑制できる。または、ガス室６１の内部の気体を効果的に冷却することができる。ガス室６１が密閉されているときに、ガス室６１の内部の気体の温度が上昇し、制御圧力が上昇することを抑制することができる。または、圧力変更装置によりガス室６１の圧力を調整する場合には、圧力の調整を容易にすることができる。
　また、本実施の形態の第２の断熱構造においては、副室用ピストン５５の移動範囲の周りには、断熱構造が形成されているために、燃焼ガスの熱が外部に逃げることを抑制することができる。すなわち、冷却損失を抑制しながら、ガス室の圧力を所望の圧力に維持したり、調整したりすることができる。
　なお、本実施の形態における容積可変装置には、圧力変更装置が接続されているが、この形態に限られず、圧力変更装置が接続されていない容積可変装置についても、本発明を適用することができる。
　図７に、本実施の形態における第３の断熱構造を有する容積可変装置の拡大概略断面図を示す。図７は、副室用ピストン５５が係止部５１ａに着底している状態を示している。本実施の形態における第３の断熱構造は、燃焼室の圧力が制御圧力未満のときに副室用ピストン５５が着底している領域の周りの領域を避けて形成されている。副室用ピストン５５が着底している領域の周りの領域では、断熱構造が形成されておらず、筒状部材５１がシリンダヘッド４に接触している。
　副室用ピストン５５は、容積可変装置が停止している期間においても燃焼室５に接触している。すなわち、副室用ピストン５５は、係止部５１ａに係止しているときには燃焼室５の壁面を構成する。副室用ピストン５５は、吸気行程において吸入される空気または混合気に接触する。このために、副室用ピストン５５の温度が高く維持されると吸入空気または混合気の温度が上昇する。副室用ピストン５５が着底している領域の周りの領域を避けて断熱構造が形成されていることにより、副室用ピストン５５の放熱性を向上させることができて、吸入空気または混合気の温度上昇を抑制することができる。充填効率の低下を抑制しながら、冷却損失の低下を抑制することができる。
　更に、副室用ピストン５５が熱伝導率の低い材質にて形成されていると、副室用ピストン５５の温度が高く維持されて、吸入空気または混合気の温度を上昇させる場合がある。このために、副室用ピストン５５は、例えば燃焼室５の壁面を構成するシリンダヘッド４とほぼ同じ熱伝導率を有する材質で形成されていることが好ましい。この構成により、副室用ピストン５５の放熱性の低下を抑制することができて、吸入空気または混合気の温度上昇を抑制することができる。また、断熱構造により、燃焼ガスの筒状部材からの放熱を抑制することができる。このように、充填効率の低下を抑制しながら、冷却損失の低下を抑制することができる。
　容積可変装置の筒状部からの放熱を抑制する断熱構造としては、上記の真空層や気体層に限られず、筒状部から周りに向かって熱が放出されることを抑制する任意の構造を採用することができる。本実施の形態においては、筒状部材からシリンダヘッドへの放熱を抑制する任意の構造を採用することができる。
　図８に、本実施の形態における第４の断熱構造を有する容積可変装置の拡大概略断面図を示す。第４の断熱構造は、筒状部材５１の周りに配置されている断熱部材６７を有する。断熱部材６７には、空洞部６７ａが形成されている。空洞部６７ａは、断熱部材６７の内部に形成されている密閉空間である。本実施の形態における空洞部６７ａの内部は、減圧されて、真空部を構成している。空洞部６７ａは、所定の間隔をかけて複数形成されている。断熱部材６７は、任意の材質で形成することができるが、熱伝導率の小さな材質で形成されていることが好ましい。例えば、断熱部材６７は、シリンダヘッド４とほぼ同じ熱伝導率を有する材質、または、シリンダヘッド４よりも小さな熱伝導率を有する材質で形成されていることが好ましい。断熱部材６７は、全体の平均的な熱伝導率が、シリンダヘッド４の熱伝導率よりも小さくなるように形成されている。
　図９に、本実施の形態における第４の断熱構造の拡大概略断面図を示す。図９は、図８におけるＢ−Ｂ線に関する矢視断面図である。本実施の形態における第４の断熱構造の空洞部６７ａは、ハニカム構造になるように形成されている。本実施の形態における空洞部６７ａは、断面形状が正六角形になるように形成されている。すなわち、空洞部６７ａは、六角柱状に形成されている。空洞部６７ａは、六角柱の軸方向が副室用ピストン５５の移動方向に対して垂直になるように形成されている。このように、空洞部６７ａが、周方向に沿って複数形成されることにより、断熱部材６７の機械的強度を大きくすることができる。また、空洞部６７ａを六角柱状に形成することにより、断面形状が円形等の場合に比べて、複数の空洞部６７ａの体積の総和を大きくすることができる。すなわち、全体の平均的な熱伝導率を小さくすることができる。また、断面形状が四角形の場合等と比較して、断面形状を円形に近づけることができるために、断熱部材６７の延びる方向（副室用ピストンの移動方向と平行な方向）の強度を大きくすることができる。
　このように、空洞部６７ａを有する断熱部材６７を、筒状部材５１の周りに配置することによっても、筒状部材５１からの放熱を抑制することができる。空洞部６７ａの内部は、第１の断熱構造と同様に、真空に限られずに空気等の気体が封入されていても構わない。また、空洞部の形状としては、上記の形態に限られず、任意の形状を採用することができる。
　図１０に、本実施の形態における第５の断熱構造を有する容積可変装置の拡大概略断面図を示す。第５の断熱構造においては、筒状部材５１の周りに断熱部材６８が配置されている。断熱部材６８は、枠部材６８ａと、枠部材６８ａに保持されている断熱部６８ｂとを含む。本実施の形態における断熱部６８ｂは、シリンダヘッド４よりも熱伝導率の小さな材質により形成されている。本実施の形態における断熱部６８ｂは、樹脂により形成されている。断熱部６８ｂとしては、樹脂の中でも発泡樹脂等の熱伝導率の小さな樹脂を採用することが好ましい。断熱部６８ｂとしては、この形態に限られず、シリンダヘッド４よりも熱伝導率の小さな任意の材質の部材を配置することができる。
　枠部材６８ａは、任意の部材で形成することができるが、熱伝導率の小さな部材で形成されていることが好ましい。例えば、枠部材６８ａは、シリンダヘッド４とほぼ同じ熱伝導率を有する材質、または、シリンダヘッド４よりも小さな熱伝導率を有する材質で形成されていることが好ましい。断熱部材６８は、全体の平均的な熱伝導率がシリンダヘッド４の熱伝導率よりも小さくなるように形成されている。
　図１１に、本実施の形態における第６の断熱構造を有する容積可変装置の拡大概略断面図を示す。前述の断熱構造においては、筒状部の周りに断熱機能を有する構造が形成されている。本実施の形態の第６の断熱構造においては、筒状部が断熱機能を有する。
　筒状部材５２は、シリンダヘッド４に固定されている。筒状部材５１は、少なくとも一部がシリンダヘッド４に接触している。本実施の形態においては、筒状部材５１の周方向の表面がシリンダヘッド４に接触している。燃焼室の圧力が制御圧力未満の場合には、副室用ピストン５５が係止部５２ａにより係止される。
　筒状部材５２は、シリンダヘッド４よりも熱伝導率の小さな材質により形成されている。シリンダヘッド４は、アルミニウム合金や鋳鉄等の金属で形成されているのに対して、筒状部材５２は、たとえば、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）により形成されている。この構成を採用することにより、副室６０に流入する燃焼ガスの熱が筒状部材５２を介して放熱されることを抑制することができる。
　第６の断熱構造を有する容積可変装置は、筒状部材５２の一部がシリンダヘッド４に接触しているが、この形態に限られず、筒状部材５２の全体がシリンダヘッド４に接触していても構わない。たとえば、筒状部材５２がシリンダヘッド４の内部に埋め込まれていても構わない。
　上記の複数の実施の形態は、互いに組み合わせることができる。たとえば、筒状部の内部に、空洞部や樹脂等で形成された断熱部が形成されることにより、断熱構造が形成されていても構わない。または、筒状部の周りに隙間部が形成され、更に、隙間部の周りに断熱部材が配置されていても構わない。または、熱伝導率の小さな材質により形成された筒状部の周りに、隙間部や断熱部材が形成されていても構わない。
　本実施の形態における容積可変装置のばね装置は、気体ばねを含むが、ばね装置としては、この形態に限られず、移動部材を押圧する任意の部材を含むことができる。例えば、ばね装置は、コイルスプリングのような機械ばねを含んでいても構わない。
　本実施の形態においては、自動車に取り付けられている内燃機関を例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、任意の内燃機関に本発明を適用することができる。
　上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、請求の範囲に示される変更が含まれている。
１　機関本体
３　ピストン
４　シリンダヘッド
５　燃焼室
３１　電子制御ユニット
５０　気体ばね
５１，５２　筒状部材
５１ａ，５２ａ　係止部
５５　副室用ピストン
６０　副室
６１　ガス室
６２　支持ガイド
６３　固定部材
６４　隙間部
６７　断熱部材
６７ａ　空洞部
６８　断熱部材
６８ａ　枠部材
６８ｂ　断熱部

Claims (8)

  1. 　弾性を有するばね装置を含み、燃焼室の圧力が予め定められた制御圧力に到達したときに、燃焼室の圧力変化を駆動源として、ばね装置が縮むことにより燃焼室に連通する空間の容積が変化する容積可変装置を備え、
    　ばね装置は、燃焼室に連通している筒状部と、筒状部の内部に移動可能に配置されている移動部材とを含み、移動部材が筒状部の内部の空間を区画することにより燃焼室に連通する空間が形成されており、
    　容積可変装置は、筒状部および筒状部の周りの領域のうち少なくとも一方に、燃焼室に連通する空間から筒状部を通じて放熱されることを抑制する断熱構造を有することを特徴とする、内燃機関。
  2. 　断熱構造は、筒状部の周りに配置され、気体が封入されている密閉空間、および筒状部の周りに配置され、内部が減圧されている密閉空間のうち少なくも一方の密閉空間を含む、請求項１に記載の内燃機関。
  3. 　容積可変装置は、燃焼室の頂面を含むシリンダヘッドの内部に配置されており、
    　筒状部は、シリンダヘッドに固定されており、
    　断熱構造は、筒状部の周りに配置され、シリンダヘッドよりも熱伝導率の小さな断熱部材を含む、請求項１に記載の内燃機関。
  4. 　容積可変装置は、燃焼室の頂面を含むシリンダヘッドの内部に配置されており、
    　筒状部は、シリンダヘッドに固定されており、シリンダヘッドよりも小さな熱伝導率を有する材質で形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
  5. 　断熱構造は、燃焼室の圧力が制御圧力未満のときに移動部材が着底している領域の周りの領域を避けて形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
  6. 　移動部材は、燃焼室の壁面を構成するシリンダヘッドとほぼ同じ熱伝導率を有する材質にて形成されていることを特徴とする、請求項５に記載の内燃機関。
  7. 　ばね装置は、移動部材が筒状部の内部の空間を区画することにより、燃焼室に向かう側に形成された燃焼室に連通する空間と、燃焼室に向かう側と反対側に形成されたガス室とを有し、
    　ガス室に加圧された気体が封入されることにより移動部材が押圧されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
  8. 　断熱構造は、筒状部の周りの領域のうち、移動部材の移動範囲の外側を取り囲む領域には形成されておらず、移動部材の移動範囲を取り囲む領域に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
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