(57)【要約】【課題】内燃機関の負荷に応じて、燃焼室に生じる燃焼熱の放熱の度合いを変えることが可能な内燃機関を提供すること。【解決手段】本発明は、内燃機関１００の負荷に応じて燃焼室２２の容積を変更して圧縮比を変更する可変圧縮比装置３４と、燃焼室２２の壁面に設けられた断熱部２４と、を備え、断熱部２４は、内燃機関１００の負荷に応じた可変圧縮比装置３４の動作によって、内燃機関１００が高負荷である場合は低負荷である場合に比べて燃焼室２２の壁面に占める割合が小さくなるように配置されている内燃機関１００である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の負荷に応じて燃焼室の容積を変更して圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、
前記燃焼室の壁面に設けられた断熱部と、を備え、
前記断熱部は、前記内燃機関の負荷に応じた前記可変圧縮比機構の動作によって、前記内燃機関が高負荷である場合は低負荷である場合に比べて前記燃焼室の壁面に占める割合が小さくなるように配置されていることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記内燃機関が高負荷となり、前記可変圧縮比機構の動作により前記燃焼室の容積が大きくなった場合に、前記断熱部よりも熱伝導率が高い高熱伝導部が前記燃焼室の壁面の一部として露出することを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
【請求項３】
前記高熱伝導部は、シリンダライナと共にピストンの摺動面を形成し、前記高熱伝導部の熱伝導率は、前記シリンダライナの熱伝導率よりも高いことを特徴とする請求項２記載の内燃機関。
【請求項４】
前記断熱部は、前記内燃機関が低負荷となり、前記可変圧縮比機構の動作により前記燃焼室の容積が小さくなった場合に、前記燃焼室の壁面全面を覆うように設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関し、特に、可変圧縮比機構を備えた内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃焼室の壁面に断熱部材を設けることで、低負荷時における冷却損失を低減させる技術が提案されている。その一方で、燃焼室の壁面に断熱部材を設けて燃焼室を断熱すると、高負荷時において燃焼室の壁温が高くなり、ノッキングや異常燃焼などが生じる場合がある。この対策として、高負荷時において圧縮比を下げる方法が提案されている。例えば特許文献１には、上死点におけるピストンとシリンダの相対位置を変化させて圧縮比を変更する可変圧縮比機構を備えた内燃機関において、燃焼室の壁面を構成するシリンダの側面やピストンの頂面に断熱部を設け、燃焼室に露出するヘッドガスケットを熱伝導部材とする構造が提案されている。特許文献１によれば、燃焼室に熱伝導部材が露出しているため、燃焼室からの放熱がなされ、可変圧縮比機構による圧縮比の低下幅を小さくすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２８０９６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１によれば、高負荷時におけるノッキングなどの発生を抑制するために、可変圧縮比機構により上死点におけるピストンとシリンダの相対位置を変化させて圧縮比を下げたとしても、燃焼室に露出する熱伝導部材の面積は変化しない。つまり、熱伝導部材による燃焼室の放熱の度合いは変化しない。また、熱伝導部材は、低負荷時においても燃焼室に露出している。これらのことから、特許文献１は、低負荷時において冷却損失を低減するため燃焼室を断熱させ、高負荷時においてノッキングなどの発生を抑制するため燃焼室を放熱させるという要求に対して改善の余地が残されている。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、内燃機関の負荷に応じて、燃焼室に生じる燃焼熱の放熱の度合いを変えることが可能な内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的は、内燃機関の負荷に応じて燃焼室の容積を変更して圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、前記燃焼室の壁面に設けられた断熱部と、を備え、前記断熱部は、前記内燃機関の負荷に応じた前記可変圧縮比機構の動作によって、前記内燃機関が高負荷である場合は低負荷である場合に比べて前記燃焼室の壁面に占める割合が小さくなるように配置されていることを特徴とする内燃機関によって達成できる。これによれば、内燃機関の負荷に応じて、燃焼室に生じる燃焼熱の放熱の度合いを変えることができる。
【０００７】
上記構成において、前記内燃機関が高負荷となり、前記可変圧縮比機構の動作により前記燃焼室の容積が大きくなった場合に、前記断熱部よりも熱伝導率が高い高熱伝導部が前記燃焼室の壁面の一部として露出する構成とすることができる。この構成によれば、内燃機関が高負荷の場合に、燃焼室に生じる燃焼熱の放熱を促進できる。
【０００８】
上記構成において、前記高熱伝導部は、前記シリンダライナと共にピストンとの摺動面を形成していて、前記高熱伝導部の熱伝導率は、前記シリンダライナの熱伝導率よりも高い構成とすることができる。この構成によれば、シリンダライナに求められる耐摩耗性の特性を維持しつつ、内燃機関が高負荷の場合に、燃焼室に生じる燃焼熱の放熱をより促進できる。
【０００９】
上記構成において、前記断熱部は、前記可変圧縮比機構の動作により前記燃焼室の容積が小さくなった場合に、前記燃焼室の壁面全面を覆うように設けられている構成とすることができる。この構成によれば、内燃機関が低負荷の場合に、燃焼室に生じる燃焼熱が放熱されることをより抑制できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、内燃機関の負荷に応じて、燃焼室に生じる燃焼熱の放熱の度合いを変えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、実施例１に係る内燃機関の構成を示す模式図である。
【図２】図２は、ＥＣＵの制御について説明するフローチャートである。
【図３】図３（ａ）は、実施例１に係る内燃機関が低負荷の場合の燃焼室を示す模式図であり、図３（ｂ）は、高負荷の場合の燃焼室を示す模式図である。
【図４】図４は、吸気弁および排気弁の断面模式図である。
【図５】図５（ａ）は、実施例２に係る内燃機関が低負荷の場合の燃焼室を示す模式図であり、図５（ｂ）は、高負荷の場合の燃焼室を示す模式図である。
【図６】図６（ａ）は、実施例３に係る内燃機関が低負荷の場合の燃焼室を示す模式図であり、図６（ｂ）は、高負荷の場合の燃焼室を示す模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明に係る実施例について説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、実施例１に係る内燃機関１００の構成を示す模式図である。図１のように、シリンダブロック１０にはシリンダ１２が設けられている。シリンダ１２内には往復動するピストン１４が設けられている。シリンダ１２の側壁には円筒形状のシリンダライナ１６が設けられていて、ピストン１４との摺動面を形成している。シリンダブロック１０内にはウォータージャケット１８が設けられている。ウォータージャケット１８はシリンダ１２に沿って配置されていて、ウォータージャケット１８内を流れる冷却水により、シリンダライナ１６などは冷却されている。
【００１４】
シリンダブロック１０の上側にはシリンダヘッド２０が配置されている。例えば内燃機関１００が低負荷の場合、ピストン１４の頂面とシリンダヘッド２０の下面とで区画される領域が燃焼室２２となる。燃焼室２２の壁面には断熱部２４が設けられている。燃焼室２２の詳細については後述する。
【００１５】
シリンダヘッド２０には、吸気ポート２６および排気ポート２８が設けられている。燃焼室２２と吸気ポート２６との連通は、吸気弁３０の開閉によって制御される。また、燃焼室２２と排気ポート２８との連通は、排気弁３２の開閉によって制御される。燃焼室２２には、吸気ポート２６を通って燃焼に必要な混合ガスが流入する。また、燃焼室２２で発生した燃焼ガスは、排気ポート２８を通って外部に排出される。
【００１６】
可変圧縮比装置３４は、上部ブロック１０ａと下部ブロック１０ｂとアクチュエータ３６とで構成される。ここで、上部ブロック１０ａと下部ブロック１０ｂとは、シリンダブロック１０を構成する部品である。アクチュエータ３６は、上部ブロック１０ａと下部ブロック１０ｂとの間に設けられている。アクチュエータ３６は、制御部であるＥＣＵ３８の制御のもと、上部ブロック１０ａを下部ブロック１０ｂに対して上下方向に移動させる。上部ブロック１０ａを上方に移動させると、上部ブロック１０ａと共にシリンダヘッド２０も上方に移動し、燃焼室２２の容積が大きくなる。このため、圧縮比を下げることができる。逆に上部ブロック１０ａを下方に移動させると、燃焼室２２の容積が小さくなり、圧縮比を上げることができる。なお、可変圧縮比機構は可変圧縮比装置３４に限られず、例えばピストン１４の動作距離を変化させ、上死点におけるピストン１４とシリンダ１２との相対位置を変えることにより燃焼室２２の容積を変更する場合など、燃焼室２２の容積を変更して圧縮比の変更が可能な方法であれば、その他の方法の場合でもよい。
【００１７】
図２は、ＥＣＵ３８の制御について説明するフローチャートである。ＥＣＵ３８はＣＰＵ、ＲＯＭなどを含み、ＣＰＵのハードウエアとＲＯＭに格納されたソフトウエアの協働によって制御が実行される。図２のように、まず、ＥＣＵ３８は、内燃機関１００の負荷を調べる（ステップＳ１０）。内燃機関１００の負荷は、例えば燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射量に基づいて調べることができる。燃料噴射量が多い場合は内燃機関１００は高負荷であり、少ない場合は低負荷である。なお、燃料噴射量以外のパラメータにより内燃機関１００の負荷を調べてもよい。
【００１８】
次いで、ＥＣＵ３８は、内燃機関１００の負荷に応じてアクチュエータ３６を制御する（ステップＳ１２）。具体的には、内燃機関１００が低負荷の場合、ＥＣＵ３８は、上部ブロック１０ａが下方に移動するようにアクチュエータ３６を制御する。これにより、燃焼室２２の容積は小さくなり、圧縮比が上がる。一方、内燃機関１００が高負荷の場合、ＥＣＵ３８は、上部ブロック１０ａが上方に移動するようにアクチュエータ３６を制御する。これにより、燃焼室２２の容積は大きくなり、圧縮比が下がる。このように、可変圧縮比装置３４は、ＥＣＵ３８の制御のもと、内燃機関１００の負荷に応じて燃焼室２２の容積を変更して圧縮比を変更する。
【００１９】
図３（ａ）は、内燃機関１００が低負荷の場合の燃焼室２２を示す模式図であり、図３（ｂ）は、内燃機関１００が高負荷の場合の燃焼室２２を示す模式図である。図３（ａ）のように、内燃機関１００が低負荷の場合、図２で説明したように、ＥＣＵ３８は、上部ブロック１０ａが下方に移動するようにアクチュエータ３６を制御する。このため、燃焼室２２の容積は小さくなり、燃焼室２２は、例えばピストン１４の頂面１５とシリンダヘッド２０の下面２１とで区画された領域となる。よって、燃焼室２２の壁面は、ピストン１４の頂面１５とシリンダヘッド２０の下面２１と吸気弁３０および排気弁３２の傘部の下面３１とからなる。
【００２０】
図３（ａ）のように、ピストン１４の頂面１５とシリンダヘッド２０の下面２１とには、例えば多孔質シリカのような多孔質断熱材である断熱部２４が設けられている。図４は、吸気弁３０と排気弁３２との断面模式図であるが、図４のように、吸気弁３０と排気弁３２との傘部３３であって、吸気ポート２６および排気ポート２８の開口部を塞ぎ、燃焼室２２に露出する面である下面３１にも断熱部２４が設けられている。このため、燃焼室２２の壁面全面が断熱部２４で覆われた構成となり、燃焼室２２の断熱がなされている。
【００２１】
一方、図３（ｂ）のように、内燃機関１００が高負荷の場合、図２で説明したように、ＥＣＵ３８は、上部ブロック１０ａが上方に移動するようにアクチュエータ３６を制御する。このため、燃焼室２２の容積は大きくなり、燃焼室２２は、ピストン１４の頂面１５とシリンダヘッド２０の下面２１とシリンダライナ１６の側面１７とで区画された領域となる。よって、燃焼室２２の壁面は、ピストン１４の頂面１５とシリンダヘッド２０の下面２１と吸気弁３０および排気弁３２の傘部の下面３１とシリンダライナ１６の側面１７とからなる。
【００２２】
図３（ａ）で説明したように、ピストン１４の頂面１５とシリンダヘッド２０の下面２１と吸気弁３０および排気弁３２の傘部の下面３１とには断熱部２４が設けられている。一方、シリンダライナ１６の側面１７には断熱部２４が設けられていない。このため、燃焼室２２は、断熱部２４で覆われた部分とシリンダライナ１６が露出した部分とを有し、シリンダライナ１６が燃焼室２２に露出することで燃焼室２２からの放熱が促進される。
【００２３】
このように、実施例１によれば、内燃機関１００の負荷に応じて燃焼室２２の容積を変更することで圧縮比を変更する可変圧縮比装置３４と、燃焼室２２の壁面に設けられた断熱部２４と、を有する。断熱部２４は、具体的には、ピストン１４の頂面１５とシリンダヘッド２０の下面２１と吸気弁３０および排気弁３２の傘部の下面３１とに設けられている。このため、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、内燃機関１００の負荷に応じた可変圧縮比装置３４の動作によって、内燃機関１００が高負荷である場合は低負荷である場合に比べて燃焼室２２の壁面に占める断熱部２４の割合が小さくなる。言い換えると、断熱部２４は、内燃機関１００の負荷に応じた可変圧縮比装置３４の動作によって、内燃機関１００が高負荷である場合は低負荷である場合に比べて燃焼室２２の壁面に占める割合が小さくなるように配置されている。これにより、内燃機関１００の負荷に応じて、燃焼室２２に生じる燃焼熱の放熱の度合いを変えることが可能となる。よって、例えば、内燃機関１００が低負荷の場合は、燃焼室２２を断熱させて冷却損失の低減を優先的に実行し、高負荷の場合は、燃焼室２２からの放熱を促進させてノッキングの発生の抑制を優先的に実行することが可能となる。
【００２４】
図３（ｂ）のように、内燃機関１００が高負荷となり、可変圧縮比装置３４の動作により燃焼室２２の容積が大きくなった場合に、シリンダライナ１６の側面１７が燃焼室２２の壁面の一部として燃焼室２２に露出している。シリンダライナ１６は、例えば鋳鉄製であり、断熱部２４よりも熱伝導率が高い。つまり、内燃機関１００が高負荷となり、可変圧縮比装置３４の動作により燃焼室２２の容積が大きくなった場合に、断熱部２４よりも熱伝導率が高い高熱伝導部であるシリンダライナ１６が燃焼室２２の側壁の一部として露出することになる。これにより、内燃機関１００が高負荷の場合に、燃焼室２２に生じる燃焼熱の放熱を促進させることができる。よって、内燃機関１００が高負荷の場合に、圧縮端ガス温度を低下させることができ、ノッキングの発生や異常燃焼などを抑制しつつ、圧縮比の低下幅を小さくできる。よって、熱交換効率の低下が抑制できる。
【００２５】
図３（ａ）のように、断熱部２４は、内燃機関１００が低負荷となり、可変圧縮比装置３４の動作により燃焼室２２の容積が小さくなった場合に、燃焼室２２の壁面全面を覆うように設けられている。これにより、内燃機関１００が低負荷の場合に、燃焼室２２に生じる燃焼熱が放熱されることを抑制でき、冷却損失を低減できる。
【００２６】
実施例１において、内燃機関１００が高負荷の場合に、燃焼室２２の壁面の一部として露出する高熱伝導部としてシリンダライナ１６の場合を例に示したが、これに限られる訳ではない。断熱部２４よりも熱伝導率の高い高熱伝導部であれば、シリンダライナ１６以外の部分が燃焼室２２の壁面の一部として露出する場合でもよい。この場合でも、燃焼室２２内に生じる燃焼熱の放熱を促進させることができるため、ノッキングの発生や異常燃焼などを抑制しつつ圧縮比の低下幅を小さくする効果は得られる。
【実施例２】
【００２７】
図５（ａ）は、実施例２に係る内燃機関２００が低負荷の場合の燃焼室２２を示す模式図であり、図５（ｂ）は、内燃機関２００が高負荷の場合の燃焼室２２を示す模式図である。図５（ａ）および図５（ｂ）のように、断熱部２４は、吸気弁３０および排気弁３２の傘部の下面３１とピストン１４の頂面１５の中央部とに設けられている。つまり、断熱部２４は、シリンダヘッド２０の下面２１とピストン１４の頂面１５の周辺部とには設けられていない。実施例２に係る内燃機関２００のその他の構成については、実施例１と同じであり、図１および図３で説明しているため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００２８】
実施例２のように、断熱部２４を、吸気弁３０および排気弁３２の傘部の下面３１とピストン１４の頂面１５の中心部とにだけ設けた構造であっても、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、内燃機関２００の負荷に応じた可変圧縮比装置３４の動作によって、内燃機関２００が高負荷である場合は低負荷である場合に比べて燃焼室２２の壁面に占める断熱部２４の割合が小さくなる。よって、実施例１と同様に、内燃機関２００の負荷に応じて、燃焼室２２に生じる燃焼熱の放熱の度合いを変えることができる。
【実施例３】
【００２９】
図６（ａ）は、実施例３に係る内燃機関３００が低負荷の場合の燃焼室２２を示す模式図であり、図６（ｂ）は、内燃機関３００が高負荷の場合の燃焼室２２を示す模式図である。図６（ａ）および図６（ｂ）のように、シリンダ１２の側壁に、シリンダライナ１６と、シリンダライナ１６の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導部４０が設けられている。高熱伝導部４０は、シリンダライナ１６よりも燃焼室２２に近い側に設けられている。つまり、高熱伝導部４０はシリンダライナ１６の上側に設けられている。高熱伝導部４０とシリンダライナ１６とはピストン１４との摺動面を形成している。シリンダライナ１６は、例えば鋳鉄で形成され、高熱伝導部４０は、例えば銅（Ｃｕ）で形成されている。実施例３に係る内燃機関３００のその他の構成については、実施例１と同じであり、図１および図３で説明しているため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００３０】
図６（ａ）のように、内燃機関３００が低負荷の場合は、実施例１と同様に、燃焼室２２の壁面全面が断熱部２４で覆われている。一方、図６（ｂ）のように、内燃機関３００が高負荷の場合は、シリンダライナ１６の上側に設けられた高熱伝導部４０が燃焼室２２の壁面の一部として露出している。
【００３１】
このように、実施例３によれば、シリンダライナ１６の上側に、シリンダライナ１６と共にピストン１４との摺動面を形成する高熱伝導部４０が設けられている。高熱伝導部４０の熱伝導率はシリンダライナ１６の熱伝導率よりも大きい。このため、内燃機関３００が高負荷の場合に、シリンダライナ１６よりも熱伝導率が高い高熱伝導部４０が燃焼室２２の壁面の一部として露出することで、燃焼室２２に生じる燃焼熱の放熱をより促進させることができる。これにより、内燃機関３００が高負荷の場合に、圧縮端ガス温度をより低下させることができ、ノッキングの発生や異常燃焼などを抑制しつつ、圧縮比の低下幅をより小さくすることができる。よって、熱交換効率の低下をより抑制できる。また、ピストン１４との摺動面を形成するシリンダライナ１６は、耐摩耗性に優れた鋳鉄性である場合が好ましい。このため、鋳鉄製のシリンダライナ１６の上側に銅（Ｃｕ）などの高熱伝導部４０を設けることで、シリンダライナ１６の優れた耐磨耗性は維持しつつ、燃焼室２２に生じる燃焼熱の放熱をより促進できるとの効果が得られる。
【００３２】
実施例３においても、内燃機関３００の負荷に応じた可変圧縮比装置３４の動作によって、内燃機関３００が高負荷である場合は低負荷である場合に比べて燃焼室２２の壁面に占める断熱部２４の割合が小さくなる。よって、実施例１と同様に、内燃機関３００の負荷に応じて、燃焼室２２に生じる燃焼熱の放熱の度合いを変えることができる。
【００３３】
実施例１から実施例３において、高熱伝導部を燃焼室２２の壁面の一部として露出する場合に加え、ウォータージャケット１８を流れる冷却水の水温を低くしたり、冷却水流を強くしたりすることで冷却系をより強化して、燃焼室２２に生じる燃焼熱の放熱をより促進させてもよい。
【００３４】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１０  シリンダブロック
１２  シリンダ
１４  ピストン
１５  ピストンの頂面
１６  シリンダライナ
１７  シリンダライナの側面
１８  ウォータージャケット
２０  シリンダヘッド
２１  シリンダヘッドの下面
２２  燃焼室
２４  断熱部
２６  吸気ポート
２８  排気ポート
３０  吸気弁
３１  傘部の下面
３２  排気弁
３３  傘部
３４  可変圧縮比装置
３６  アクチュエータ
３８  ＥＣＵ
４０  高熱伝導部
１００  内燃機関
２００  内燃機関
３００  内燃機関
【図１】
2011220180.tif 000003
【図２】
2011220180.tif 000004
【図３】
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【図４】
2011220180.tif 000006
【図５】
2011220180.tif 000007
【図６】
2011220180.tif 000008