(57)【要約】【課題】内燃機関のピストン上面とシリンダヘッド底面との間の適切なクリアランスを容易に実現する。【解決手段】内燃機関は、シリンダヘッドと、シリンダヘッドの底面と対向する上面を有するピストンと、シリンダヘッドの底面とピストンの上面とに挟まれた燃焼室とを備える。ピストンの上面には、凹状のキャビティが形成されている。ピストンの上面のうちキャビティが形成されていない部分は、非キャビティ面である。シリンダヘッドの底面は、キャビティと対向する第１領域と、非キャビティ面と対向する第２領域とを含む。断熱膜は、第２領域には形成されておらず、第１領域だけに形成されている。【選択図】図１
2018119468.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドと、
前記シリンダヘッドの底面と対向する上面を有するピストンと、
前記シリンダヘッドの前記底面と前記ピストンの前記上面とに挟まれた燃焼室と
を備え、
前記ピストンの前記上面には、凹状のキャビティが形成されており、
前記ピストンの前記上面のうち前記キャビティが形成されていない部分は、非キャビティ面であり、
前記シリンダヘッドの前記底面は、
前記キャビティと対向する第１領域と、
前記非キャビティ面と対向する第２領域と
を含み、
前記シリンダヘッドの母材よりも熱伝導率及び単位体積当たりの熱容量が低い断熱膜は、前記第２領域には形成されておらず、前記第１領域だけに形成されている
内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室に面するシリンダヘッドの底面に断熱膜が形成された内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、内燃機関を開示している。当該内燃機関の燃焼室は、ピストンの上面とシリンダヘッドの底面に挟まれている。燃焼室に面するピストンの上面には、キャビティが形成されている。また、燃焼室に面するシリンダヘッドの底面には、全体的に断熱膜が形成されている。但し、断熱膜の膜厚は一様ではない。ピストンのキャビティに対向するキャビティ領域及びキャビティ領域の周りの周縁領域を考えたとき、周縁領域の断熱膜には研磨加工が施される。その結果、周縁領域における断熱膜は、キャビティ領域における断熱膜よりも薄くなる。例えば、周縁領域における断熱膜の膜厚は５０〜１５０μｍであり、キャビティ領域における断熱膜の膜厚は１５０〜２５０μｍである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−０７５２２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１において、キャビティ領域の周りの周縁領域はスキッシュエリアである。燃焼性能を向上させるためには、スキッシュエリアを可能な限り小さくすることが望ましい。そのために、スキッシュエリアのクリアランスを所定値（例えば１ｍｍ）以下とすることが要求されている。
【０００５】
特許文献１によれば、断熱膜が、シリンダヘッドの底面の全体に形成される。つまり、断熱膜は、適切なクリアランスが要求される周縁領域にも形成される。しかしながら、断熱膜の形成時、断熱膜の膜厚や表面粗さには製造ばらつきが発生する。従って、要求クリアランスを満たすように内燃機関を設計したとしても、実際に作製した場合にピストン上面とシリンダヘッド底面との間で干渉が発生するおそれがある。つまり、特許文献１に開示された構造の場合、適切なクリアランスを確保することが困難である。
【０００６】
本発明の１つの目的は、内燃機関のピストン上面とシリンダヘッド底面との間の適切なクリアランスを容易に実現することができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る内燃機関は、
シリンダヘッドと、
シリンダヘッドの底面と対向する上面を有するピストンと、
シリンダヘッドの底面とピストンの上面とに挟まれた燃焼室と
を備える。
ピストンの上面には、凹状のキャビティが形成されている。
ピストンの上面のうちキャビティが形成されていない部分は、非キャビティ面である。
シリンダヘッドの底面は、
キャビティと対向する第１領域と、
非キャビティ面と対向する第２領域と
を含む。
シリンダヘッドの母材よりも熱伝導率及び単位体積当たりの熱容量が低い断熱膜は、第２領域には形成されておらず、第１領域だけに形成されている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、断熱膜は、シリンダヘッドの底面の全体には形成されず、一部だけに形成される。より詳細には、断熱膜は、ピストン上面の非キャビティ面と対向する第２領域には形成されない。ピストン上面の非キャビティ面と第２領域との間の空間はスキッシュエリアであるが、そのスキッシュエリアのクリアランスを確保するために断熱膜の存在を考慮する必要はない。例えば、断熱膜の製造ばらつきを考慮して、クリアランスを不必要に大きくする必要はない。断熱膜の製造ばらつきによるピストン上面とシリンダヘッド底面との干渉は発生しないからである。よって、本発明によれば、適切なクリアランスを容易に実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態に係る内燃機関の構造を概略的に示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る内燃機関のピストンの構造を概略的に示す平面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る内燃機関のシリンダヘッドの構造を概略的に示す平面図である。
【図４】本実施の形態の効果を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る内燃機関を説明する。
【００１１】
１．構造
図１は、本実施の形態に係る内燃機関１の構造を概略的に示す断面図である。図１に示される内燃機関１は、圧縮着火式のエンジン（ディーゼルエンジン）である。この内燃機関１は、主な構成として、燃焼室１０、シリンダブロック２０、ピストン３０、及びシリンダヘッド４０を備えている。燃焼室１０は、シリンダブロック２０、ピストン３０、及びシリンダヘッド４０によって囲まれた空間である。
【００１２】
より詳細には、シリンダブロック２０は、燃焼室１０の側壁を形成する円筒形状のシリンダライナ２１（シリンダボア）を備えている。シリンダライナ２１の円筒形状の中心軸は、以下「中心軸Ｃ」と呼ばれる。また、以下の説明において、中心軸Ｃに平行な方向は「Ｚ方向」と呼ばれ、Ｚ方向と直交する平面は「ＸＹ平面」と呼ばれる。
【００１３】
ピストン３０は、シリンダライナ２１の内周面に沿ってＺ方向に摺動するように設けられている。このピストン３０の上面３１が、燃焼室１０に面しており、燃焼室１０の底面を形成している。ピストン３０の上面３１は、以下、「ピストン上面３１」と呼ばれる。
【００１４】
シリンダヘッド４０は、ピストン上面３１と対向するようにシリンダブロック２０上に設置されている。このシリンダヘッド４０の底面４１が、燃焼室１０に面しており、燃焼室１０の上面を形成している。シリンダヘッド４０の底面は、以下、「ヘッド底面４１」と呼ばれる。ヘッド底面４１は、ＸＹ平面とほぼ平行である。
【００１５】
このように、燃焼室１０は、シリンダライナ２１、ピストン上面３１、及びヘッド底面４１によって囲まれている。特に、ピストン３０が移動するＺ方向において、ピストン上面３１とヘッド底面４１とは対向しており、燃焼室１０は、それらピストン上面３１とヘッド底面４１によって挟まれている。
【００１６】
シリンダヘッド４０には、更に、燃料噴射弁５０及びグロープラグ６０が取り付けられている。燃料噴射弁５０は、燃焼室１０に燃料を噴射する。典型的には、燃料噴射弁５０は、中心軸Ｃの近傍に取り付けられる。グロープラグ６０は、内燃機関１の始動補助装置として機能する。
【００１７】
図２は、Ｚ方向から見たピストン３０の構造を概略的に示すＸＹ平面図である。図２中の線Ｉ−Ｉ’に沿った内燃機関１の断面構造が、図１で示された断面構造に相当する。以下、図１及び図２を参照して、本実施の形態に係るピストン３０のピストン上面３１について詳しく説明する。
【００１８】
本実施の形態に係るピストン３０のピストン上面３１には、凹状のキャビティ３２が形成されている。このキャビティ３２は、燃焼室１０の一部である。ピストン上面３１のうちキャビティ３２が形成されている部分は、以下「キャビティ面３１Ａ」と呼ばれる。つまり、ピストン上面３１のうちキャビティ面３１Ａが、凹状のキャビティ３２を形成している。一方、ピストン上面３１のうちキャビティ３２が形成されていない部分、すなわち、キャビティ面３１Ａ以外の部分は、以下「非キャビティ面３１Ｂ」と呼ばれる。非キャビティ面３１Ｂは、ＸＹ平面と平行であり、ピストン上面３１のうちシリンダヘッド４０に最も近い。
【００１９】
図１及び図２に示される例において、キャビティ３２は、中心軸Ｃを含む中央領域に形成されている。非キャビティ面３１Ｂは、ピストン上面３１の周縁領域に円環状に形成されている。キャビティ面３１Ａは、円環状の非キャビティ面３１Ｂに囲まれるように形成されている。
【００２０】
図３は、Ｚ方向から見たシリンダヘッド４０の構造を概略的に示すＸＹ平面図である。図３中の線Ｉ−Ｉ’に沿った内燃機関１の断面構造が、図１で示された断面構造に相当する。シリンダヘッド４０には、吸気バルブ７０及び排気バルブ８０も形成されている。吸気バルブ７０は、燃焼室１０に空気を導入する吸気ポート（図示されない）を開閉するように設けられている。排気バルブ８０は、燃焼室１０から排気を排出する排気ポート（図示されない）を開閉するように設けられている。以下、図１及び図３を参照して、本実施の形態に係るシリンダヘッド４０のヘッド底面４１について詳しく説明する。
【００２１】
本実施の形態に係るシリンダヘッド４０のヘッド底面４１には、断熱膜４２が形成されている。断熱膜４２の熱伝導率は、シリンダヘッド４０の母材のものよりも低い。また、断熱膜４２の単位体積当たりの熱容量は、シリンダヘッド４０の母材のものよりも低い。例えば、シリンダヘッド４０の母材はアルミニウム合金であり、断熱膜４２はセラミック系材料で形成される。このような断熱膜４２がヘッド底面４１に形成されることにより、ヘッド底面４１からの冷却損失が低減される。
【００２２】
但し、本実施の形態では、断熱膜４２は、ヘッド底面４１の全体に形成されるわけではなく、ヘッド底面４１の一部にだけ形成される。より詳細には、シリンダヘッド４０のヘッド底面４１は、第１領域４１Ａと第２領域４１Ｂとに区分けされる。第１領域４１Ａは、ピストン上面３１のキャビティ３２と対向する領域である。一方、第２領域４１Ｂは、ピストン上面３１の非キャビティ面３１Ｂと対向する領域である。図１〜図３に示される例では、第２領域４１Ｂは、円環状の非キャビティ面３１Ｂに対応して円環状になっており、第１領域４１Ａは、円環状の第２領域４１Ｂに囲まれている。そして、本実施の形態によれば、断熱膜４２は、第２領域４１Ｂには形成されておらず、第１領域４１Ａだけに形成されている。以下、このような構造により得られる効果について説明する。
【００２３】
２．効果
図４は、本実施の形態の効果を説明するための図であり、そのフォーマットは既出の図１と同じである。図４には、圧縮工程においてピストン３０が上死点近傍まで上昇している状態が示されている。このとき、ピストン上面３１のキャビティ３２が、燃焼室１０の大部分を占めている。
【００２４】
ピストン上面３１の非キャビティ面３１Ｂとヘッド底面４１の第２領域４１Ｂとの間の空間は、スキッシュエリアである。ピストン３０が上死点に達したときのスキッシュエリアのＺ方向の高さは、クリアランス（寸法的余裕）である。燃焼性能を向上させるためには、スキッシュエリアを可能な限り小さくすることが望ましい。そのために、クリアランスは所定値（例えば１ｍｍ）以下とすることが要求されている。
【００２５】
ここで、本実施の形態の効果を説明するために、比較例を考える。比較例では、断熱膜４２が、ヘッド底面４１の全体に形成される。つまり、比較例では、断熱膜４２が、第１領域４１Ａだけでなく、適切なクリアランスが要求される第２領域４１Ｂにも形成される。しかしながら、断熱膜４２の形成時、断熱膜４２の膜厚や表面粗さには製造ばらつきが発生する。従って、要求クリアランスを満たすように内燃機関１を設計したとしても、実際に作製した場合に、ピストン上面３１（非キャビティ面３１Ｂ）とヘッド底面４１（第２領域４１Ｂの断熱膜４２）との間で干渉が発生するおそれがある。
【００２６】
また、第２領域４１Ｂは、温度が上がりにくい燃焼室１０の周縁部に位置している。シリンダヘッド４０の母材（アルミニウム合金）に比べ、断熱膜４２には材質に起因する凹部が多く存在しており、温度が上がりにくい第２領域４１Ｂでは特に、断熱膜４２にデポジットが堆積しやすい。第２領域４１Ｂの断熱膜４２にデポジットが堆積すると、ピストン上面３１との干渉が更に起こりやすくなる。
【００２７】
ピストン上面３１との干渉をおそれてクリアランスを緩和する（大きくする）と、燃焼性能が悪化する。
【００２８】
断熱膜４２の形成後、形成された断熱膜４２の膜厚の製造ばらつきを吸収するために部品を使い分けることも考えられる。例えば、シリンダブロック２０とシリンダヘッド４０との間に介在するヘッドガスケットに関して、厚さの異なる複数種類のヘッドガスケットをあらかじめ用意しておく。そして、断熱膜４２の膜厚に応じて、要求クリアランスを満たすような厚さのヘッドガスケットを選択し、組み込む。しかしながら、この場合、部品点数が増加し、部品コスト及び管理コストが増大する。
【００２９】
断熱膜４２の膜厚の精度を向上させるために、研磨加工を行うことも考えられる。しかしながら、断熱膜４２の膜厚の計測及び確認を繰り返しながら研磨加工を行うためには、高度な制御が必要となる。大面積のヘッド底面４１に対してそのような高度な研磨加工を実施することは現実的ではない。
【００３０】
一方、本実施の形態によれば、断熱膜４２は、ヘッド底面４１の第２領域４１Ｂには形成されない。従って、スキッシュエリアのクリアランスを確保するために断熱膜４２の存在を考慮する必要はない。例えば、断熱膜４２の製造ばらつきを考慮して、クリアランスを不必要に大きくする必要はない。断熱膜４２の製造ばらつきによるピストン上面３１とヘッド底面４１との干渉は発生しないからである。よって、本実施の形態によれば、適切なクリアランスを容易に実現することが可能となる。
【００３１】
本実施の形態によれば、ピストン上面３１とヘッド底面４１との間の干渉を防ぎながら、クリアランスを可能な限り小さくすることができる。これにより、燃焼性能が向上する。
【００３２】
また、本実施の形態によれば、断熱膜４２の膜厚の製造ばらつきを考慮する必要がないため、その製造ばらつきを吸収するために部品を使い分ける必要はない。例えば、断熱膜４２の様々な膜厚に対応するために、厚さの異なる多種類のヘッドガスケットをあらかじめ用意しておく必要はない。よって、部品点数が削減され、部品コスト及び管理コストが削減される。
【００３３】
更に、本実施の形態によれば、断熱膜４２は、ヘッド底面４１の第１領域４１Ａに形成される。第１領域４１Ａは、中心軸Ｃ（燃料噴射弁５０の設置位置）を含む燃焼室１０の中央部分に面しており、初期の燃焼ガスが当たる部分である。そのような第１領域４１Ａに断熱膜４２を形成することによって、効率的に遮熱を実現し、冷却損失を低減することが可能となる。
【００３４】
また、断熱膜４２をヘッド底面４１の全体にわたって形成する必要がないことは、断熱膜４２の形成時間の短縮、及び、生産コストの削減に寄与する。
【００３５】
尚、本実施の形態に係る構成の適用先は、圧縮着火式のエンジン（ディーゼルエンジン）に限られない。同様の議論が可能でれば、本実施の形態に係る構成を火花点火式のエンジンに適用することも可能である。
【００３６】
３．断熱膜の形成方法の例
本実施の形態に係る断熱膜４２は、例えば、シリンダヘッド４０の母材（アルミニウム合金）よりも熱伝導率の低い材料の溶射によって成膜される。溶射皮膜の内部には施工の過程で気泡が形成される。これにより、断熱膜４２の単位体積当たりの熱容量は、シリンダヘッド４０の母材よりも低くなる。
【符号の説明】
【００３７】
１    内燃機関
１０    燃焼室
２０    シリンダブロック
２１    シリンダライナ
３０    ピストン
３１    ピストン上面
３１Ａ  キャビティ面
３１Ｂ  非キャビティ面
３２    キャビティ
４０    シリンダヘッド
４１    ヘッド底面
４１Ａ  第１領域
４１Ｂ  第２領域
４２    断熱膜
５０    燃料噴射弁
６０    グロープラグ
７０    吸気バルブ
８０    排気バルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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