(57)【要約】【課題】吸気ポートの内壁を効率的に昇温することができ、内壁に付着する燃料の気化が促進されて内燃機関の始動性能を向上させる。【解決手段】シリンダヘッド２００の少なくとも吸気ポート部分２０ａを構成する構造体部２０２と、構造体部２０２に接するように配置される加熱器３０と、構造体部２０２より熱伝導率が低い断熱材料からなり、構造体部２０２の少なくとも一部を囲むように配置された断熱部１００と、を備え、加熱器３０からの熱を構造体部２０２が伝達して吸気ポート部分２０ａの内壁が加熱される予混合内燃機関とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気管内に燃料を噴射する予混合内燃機関であって、
シリンダヘッドの少なくとも吸気ポート部分を構成する構造体部と、
前記構造体部に接するように配置される加熱器と、
前記構造体部より熱伝導率が低い断熱材料からなり、前記構造体部の少なくとも一部を囲むように配置された断熱部と、
を備え、
前記加熱器からの熱を前記構造体部が伝達して前記吸気ポート部分の内壁が加熱されることを特徴とする予混合内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載の予混合内燃機関であって、
前記構造体部は、アルミ合金により構成され、
前記断熱部は、鉄系材料により構成されていることを特徴とする予混合内燃機関。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の予混合内燃機関であって、
前記断熱部は、内部が空気層若しくは断熱材層からなる２重構造、又は、多数の空洞が内在するポーラス構造であることを特徴とする予混合内燃機関。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の予混合内燃機関であって、
前記断熱部は、前記構造体部に内包されていることを特徴とする予混合内燃機関。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の予混合内燃機関であって、
前記断熱部に囲まれている前記構造体部の部分は、前記加熱器から遠ざかるにつれて厚みが薄くなるように構成されていることを特徴とする予混合内燃機関。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の予混合内燃機関であって、
前記断熱部は、前記構造体部における前記吸気ポート部分の内壁側に露出していないことを特徴とする予混合内燃機関。
【請求項７】
請求項６に記載の予混合内燃機関であって、
前記吸気ポート部分は、１ｍｍ以上の肉厚を有することを特徴とする予混合内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸気ポートに加熱手段を備えたエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
吸気管内に燃料を噴射して、予混合気を燃焼室内に供給する予混合内燃機関が知られている。
【０００３】
シリンダヘッドの吸気ポート部にスリーブ状のライナ部材を挿入し、ライナ部材とシリンダヘッドとの間にライナ部材の周囲を取り巻く断熱層を形成した吸気ポート構造を採用した内燃機関が開示されている。このような構成において、ライナ部材の温度を可変制御する温度制御手段を設けて、吸気ポートを加熱することを可能としている。（特許文献１）
【０００４】
また、放熱板と一体になっている放熱部を吸気管の内周面に沿わせて設け、吸気管内を流れる混合気の流動抵抗を少なくしてエンジンの出力を向上する技術が開示されている。放熱部の底部に底板を設け、放熱部の内周面の一部に断熱処理を施すとによって、放熱板から放熱部に熱伝導された熱を底板まで熱伝導させ、放熱部の一部に施された断熱処理によって放熱部の放熱を抑制して底板に熱伝導される熱量を多くし、底板の温度を高い温度にする構成が示されている。吸気通路の中心部を流れてきた混合気はこの底板に衝突又は接触して、効率よく加熱されて気化し、均一に空気と混合されることが示されている。（特許文献２）
【０００５】
また、排気ポートをシリンダヘッド内に形成するにあたり、脱炭処理により融点を高められた表層部を形成し、その内側において融点差を利用して溶融流出させることで中空の空気断熱層を設けた二重殻構造を成す鋳鉄製の排気ポート部品をシリンダヘッドの鋳造時に鋳ぐるみして埋設した内燃機関の構造が開示されている。（特許文献３）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１２１５６９号公報
【特許文献２】特開平０９−０９６２５９号公報
【特許文献３】特開２００８−２１５３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来技術における内燃機関の構造では、燃料は吸気バルブを冷却するために吸気バルブに向かって噴射されることが多く、その場合、エンジン始動時には吸気バルブ近傍の吸気ポート内壁に付着する。したがって、吸気ポートを加熱したいが、特許文献１，２では曲管形状に対応できないこと、バルブ近傍に加熱器を設置するための配線方法を有していないことから遠方からの加熱となり、加熱手段からの熱によって吸気バルブ近傍の吸気ポート内壁を短時間かつ効率的に加熱することができず、噴射された燃料の付着を十分に抑制できていなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１つの態様は、吸気管内に燃料を噴射する予混合内燃機関であって、シリンダヘッドの少なくとも吸気ポート部分を構成する構造体部と、前記構造体部に接するように配置される加熱器と、前記構造体部より熱伝導率が低い断熱材料からなり、前記構造体部の少なくとも一部を囲むように配置された断熱部と、を備え、前記加熱器からの熱を前記構造体部が伝達して前記吸気ポート部分の内壁が加熱されることを特徴とする予混合内燃機関である。
【０００９】
ここで、前記構造体部は、アルミ合金により構成され、前記断熱部は、鉄系材料により構成されていることが好適である。
【００１０】
また、前記断熱部は、内部が空気層若しくは断熱材層からなる２重構造、又は、多数の空洞が内在するポーラス構造であることが好適である。
【００１１】
また、前記断熱部は、前記構造体部に内包されていることが好適である。
【００１２】
また、前記断熱部に囲まれている前記構造体部の部分は、前記加熱器から遠ざかるにつれて厚みが薄くなるように構成されていることが好適である。
【００１３】
また、前記断熱部は、前記構造体部における前記吸気ポート部分の内壁側に露出していないことが好適である。
【００１４】
また、前記吸気ポート部分は、１ｍｍ以上の肉厚を有することが好適である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、吸気ポートの内壁を効率的に昇温することができ、内壁に付着する燃料の気化が促進されて内燃機関の始動性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態に係る断熱部の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るシリンダヘッドの構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るシリンダヘッドの構成を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るシリンダヘッドの構成を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るシリンダヘッドの構成を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係るシリンダヘッドの作用を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施の形態における内燃機関は、吸気ポート部分に断熱部を有することを特徴とする。
【００１８】
図１は、本実施の形態における内燃機関に適用される断熱部１００の構成を示す。断熱部１００は、内燃機関のシリンダヘッドに組み付けられる部材である。本実施の形態では、断熱部１００は、シリンダヘッドを鋳造する際に鋳型内に設置して鋳包むことによって、シリンダヘッドに組み込まれる。
【００１９】
断熱部１００は、シリンダヘッドの吸気管が通る吸気管用穴１０と、シリンダヘッドの吸気ポート部分を加熱するための加熱器が通る加熱器用穴１２と、を備える。シリンダヘッドを鋳造する際に、吸気管用穴１０を通るように吸気管が形成され、加熱器用穴１２を通るように外部から加熱器を挿入するための穴が形成される。
【００２０】
断熱部１００は、シリンダヘッドの少なくとも吸気ポート部分を構成する構造体部の部材よりも熱伝導率の低い材料（断熱材）で構成される。例えば、シリンダヘッドの構造体部をアルミ合金とした場合、断熱部１００は、アルミ合金よりも熱伝導率が低い鉄系材料で構成することが好適である。断熱部１００は、例えば、１ｍｍ以上５ｍｍ以下の肉厚の材料で構成されることが好適である。
【００２１】
また、断熱部１００は、内部に空気層又は断熱材層を有する２重構造としてもよい。また、断熱部１００は、多数の空洞を内在したポーラス構造としてもよい。このような構造とすることによって、断熱部１００の断熱効果をより高めることができる。
【００２２】
断熱部１００は、例えば、鍛造（プレス加工）、焼結、３Ｄプリンタによる造形等の加工技術を適用して製造することができる。
【００２３】
図２は、本実施の形態における内燃機関のシリンダヘッド２００を燃焼室側からみた図である。シリンダヘッド２００は、本体を構成する構造体部２０２を含んで構成される。構造体部２０２は、断熱部１００よりも熱伝導率が高い材料で構成される。例えば、構造体部２０２は、アルミ合金を鋳造して成形することによって製造することができる。
【００２４】
シリンダヘッド２００には、吸気管２０、吸気バルブ２２、排気管２４、排気バルブ２６及び点火プラグ２８が設けられる。本実施の形態におけるシリンダヘッド２００では、吸気管２０及び排気管２４が２つずつ設けられた例を示している。シリンダヘッド２００の吸気管２０と燃焼室とを接続する部分が吸気ポート部分となる。吸気管２０内には、燃料噴射弁（図示しない）から燃料が噴射される。すなわち、シリンダヘッド２００は、予混合内燃機関に適用することができる。吸気バルブ２２は、吸気ポート部分において吸気管２０と燃焼室との吸気経路を開閉できるように設けられる。また、シリンダヘッド２００の排気管２４と燃焼室とを接続する部分が排気ポート部分となる。排気バルブ２６は、排気ポート部分において排気管２４と燃焼室との排気経路を開閉できるように設けられる。
【００２５】
本実施の形態におけるシリンダヘッド２００は、さらに加熱器３０を備える。加熱器３０は、シリンダヘッド２００に設けられた挿入穴に対して外部から挿入することによってシリンダヘッド２００に組み込まれる。加熱器３０は、主に吸気ポート部分を加熱するために用いられるので、吸気管２０の吸気ポート部分付近に挿入穴を設けて加熱器３０を組み込むことが好適である。図２では、２つの吸気管２０の間に棒状の電気ヒータを加熱器３０として差し込んで組み付けた構成例を示している。この位置に加熱器３０を配置すれば、外部から吸気ポート部分の近傍に加熱器３０を到達させることが可能であり、吸気ポート部分を効率的に加熱することができる。また、配線も容易である。さらに、挿入穴をテーパ形状とし、加熱器３０をそのテーパ形状に合わせた形状することによって、挿入穴の内壁に対して加熱器３０を強く接触させることができ、加熱器３０に対する熱抵抗を低下させることができる。
【００２６】
図３及び図４は、断熱部１００が組み込まれたシリンダヘッド２００において図２のラインＡ−Ａ及びラインＢ−Ｂに沿った横断面図をそれぞれ示す。図５は、断熱部１００が組み込まれたシリンダヘッド２００において図３のラインＣ−Ｃに沿った平面断面図を示す。
【００２７】
図３〜図５に示すように、断熱部１００は、吸気管２０の吸気ポート部分２０ａの周囲を囲むようにシリンダヘッド２００に組み込まれる。本例では、断熱部１００は、シリンダヘッド２００に内包された構成例を示している。シリンダヘッド２００の構造体部２０２のうち断熱部１００に囲まれた部分が熱伝導部２０４となる。
【００２８】
このように、吸気ポート部分２０ａの周りを断熱部１００で囲んだ熱伝導部２０４を設け、加熱器３０によって熱伝導部２０４を加熱することによって、図６に示すように、加熱器３０からの熱を吸気ポート部分２０ａの周囲へと効率良く伝達させることができる。これによって、吸気ポート部分２０ａの内壁を効果的に昇温することができる。
【００２９】
ここで、図５に示すように、吸気ポート部分２０ａの周方向において熱伝導部２０４の厚み（断熱部１００と吸気ポート部分２０ａの内壁との間の部分の厚み）を加熱器３０から遠ざかるにつれて徐々に薄くすることが好適である。これによって、伝熱経路面積を確保しつつ、加熱器３０から遠ざかるにつれて熱容量を徐々に低減させ、熱伝導部２０４の全体の昇温速度を上げることができる。
【００３０】
ただし、吸気ポート部分２０ａの熱伝導部２０４の肉厚は１ｍｍ以上とすることが好適である。これによって、吸気ポート部分２０ａの機械的な強度の確保や最低限の熱伝導性を確保することができる。
【００３１】
また、吸気ポート部分２０ａの内壁側に断熱部１００が露出しないようにすることが好適である。これによって、吸気ポート部分２０ａの露出部分において燃料が界面から隙間に浸入することを防ぐことができる。また、吸気ポート部分２０ａの露出部分において燃焼室からの燃焼残留物の付着等を抑制することができる。
【００３２】
また、構造体部２０２において熱伝導部２０４と熱伝導部２０４の外側の部分とを完全に分断した場合、断熱効果を高くすることができるが、構造体部２０２のつながりが絶たれて構造強度が低くなるおそれがある。そこで、図１及び図５に示すように、構造体部２０２において熱伝導部２０４と熱伝導部２０４の外側の部分とを繋ぐ接続部分Ｘを設けることが好適である。接続部分Ｘは、吸気ポート部分２０ａの周囲において加熱器３０の取り付け位置に対向する位置に設けることが好適である。このように、構造体部２０２の構造的な連続性を保つことで構造体部２０２の構造的な強度を高くすることができる。さらに、構造体部２０２を形成する鋳造において接続部分Ｘの部分を湯路としてすることによって構造体部２０２の鋳造が容易となる。
【００３３】
このような構成において、温度制御時には、エンジン始動前に加熱器３０による加熱を開始し、エンジンの始動タイミングには吸気ポート部分２０ａの内壁が所定の温度になるまで昇温する。エンジン始動後も、燃料の気化等によって吸気ポート部分２０ａの内壁の温度が低下することを防止するために加熱器３０による加熱を続けてもよい。また、エンジンで発生する熱で燃料の気化が十分なされるタイミングで加熱器３０による加熱を停止させてもよい。
【００３４】
以上のように、本実施の形態によれば、燃料が付着し易い吸気バルブ２２近傍の吸気ポート部分２０ａの内壁を効率的に昇温することができ、内壁に付着する燃料の気化が促進されて内燃機関の始動性能を向上させることができる。また、加熱器３０からの熱を局部的な部位（バルブ近傍の吸気ポート部分２０ａの内壁）へ優先的に伝達させることができるため、少ないエネルギーで素早く昇温することが可能になる。また、外部から取り付け、取り外しができる加熱器３０を用いることにより設置が簡単になり、加熱器３０の故障時には交換が可能などメンテナンス性を向上させることができる。また、吸気ポート部分２０ａを囲う断熱部１００を鋳包む構成により曲管形状への適用が可能である。断熱部１００として鉄系材料を使用することで鋳包みが容易かつ安価となる。さらに、断熱部１００に空気層や断熱材層を設ける又はポーラス構造とすることで断熱性能を上げることができる。また、内燃機関が暖機された後においては、断熱部１００が燃焼室から吸気ポート部分２０ａの内壁に伝わる熱を遮るため、吸気温度が低下する。これにより充填効率の上昇又は耐ノッキング性が向上する。
【符号の説明】
【００３５】
１０  吸気管用穴、１２  加熱器用穴、２０  吸気管、２０ａ  吸気ポート部分、２２  吸気バルブ、２４  排気管、２６  排気バルブ、２８  点火プラグ、３０  加熱器、１００  断熱部、２００  シリンダヘッド、２０２  構造体部、２０４  熱伝導部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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