(57)【要約】【課題】熱負荷によるピストンの損傷を効果的に防止することができるエンジンを提供する。【解決手段】シリンダブロック１５内に形成されたシリンダボア１６と、シリンダボア１６内を往復動するピストン１７の頂面１８と、シリンダブロック１５に結合するシリンダヘッド１９の下面とにより区画される燃焼室８内での燃料の燃焼時に、圧縮空気供給手段２５を用いて、燃焼室口元２６に設けられた吹出口２７を通じて燃焼室８内へ圧縮空気を供給する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダブロック内に形成されたシリンダボアと、前記シリンダボア内を往復動するピストンの頂面と、前記シリンダブロックに結合するシリンダヘッドの下面とにより区画される燃焼室を有し、前記ピストンの頂面の中心部にキャビティを凹設したエンジンにおいて、
前記燃焼室内へ前記キャビティの開口縁部に設けた吹出口を通じて圧縮空気を供給する圧縮空気供給手段と、制御手段とを設け、
前記制御手段は、前記燃焼室内での燃料の燃焼時に、前記圧縮空気供給手段により前記圧縮空気を前記燃焼室内へ供給することを特徴とするエンジン。
【請求項２】
前記吹出口を複数設けた請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記吹出口が開口する方向を、該燃焼室の内周壁の接線側の方向から中心軸側の方向までの範囲内で設定した請求項１又は２に記載のエンジン。
【請求項４】
前記圧縮空気供給手段を、前記吹出口から前記ピストンの外周面まで貫通する第１連通孔と、前記第１連通孔と対向する前記シリンダボアの内面から前記シリンダブロックの外面まで貫通する第２連通孔と、一端が前記第２連通孔に接続し、他端が前記エンジンの外部に開口又は該エンジンの吸気系に接続する供給管と、前記供給管に他端側から順に介設された空気圧縮装置、蓄圧タンク及び制御弁とから構成し、
前記制御手段は、前記燃焼室内での燃料の燃焼時に、前記制御弁を開弁する請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジン。
【請求項５】
前記ピストンは、該ピストンの外周面に上方から順に嵌合するトップリング、セカンドリング及びオイルリングを有するとともに、前記第１連通孔は、前記トップリングと前記セカンドリングとの間の外周面に、又は前記セカンドリングと前記オイルリングとの間の外周面に開口する請求項４に記載のエンジン。
【請求項６】
前記空気圧縮装置と前記蓄圧タンクとの間に、前記供給管内を流れる空気を含有成分毎に分離する成分分離装置を介設した請求項５に記載のエンジン。
【請求項７】
前記制御手段は、前記蓄圧タンクに窒素又は窒素を主成分とする空気が貯留されるように前記成分分離装置を制御するとともに、前記吹出口が開口する方向を前記燃焼室の中心軸側の方向に設定した請求項６に記載のエンジン。
【請求項８】
前記成分分離装置の下流側の前記供給管、制御弁、第２連通孔及び第１連通孔を、一対の供給支管、小型制御弁、第２連通支孔及び第２連通支孔からそれぞれ構成するとともに、前記蓄圧タンクを前記一対の供給支管のそれぞれに介設された一対の小型蓄圧タンクから構成し、
前記酸素が貯蔵された小型蓄圧タンクに通じる前記第１連通支孔の吹出口が開口する方向を前記燃焼室の中心軸側の方向に設定する一方で、前記窒素が貯蔵された小型蓄圧タンクに通じる前記第２連通支孔の吹出口が開口する方向を該燃焼室の内周壁の接線側の方向に設定し、
前記制御手段は、前記一対の小型蓄圧タンクに酸素及び窒素がそれぞれ貯蔵されるようにした後に、前記燃焼室内での燃料の燃焼時に、前記酸素が通過する小型制御弁を開弁した後に、前記窒素が通過する小型制御弁を開弁する請求項７に記載のエンジン。
【請求項９】
前記燃焼室口元の温度を測定する温度センサを備え、
前記制御手段は、前記燃焼室内での燃料の燃焼時に、前記温度センサの測定値が予め設定されたしきい温度超となった場合には、前記酸素が通過する小型制御弁の開弁期間の短縮、及び／又は前記窒素が通過する小型制御弁の開弁期間の延長を行う請求項８に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエンジンに関し、更に詳しくは、熱負荷によるピストンの損傷を効果的に防止することができるエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの高出力化に伴いエンジン内部での熱負荷が増加すると、ピストン自体に発生する熱応力などによりピストンが破損するおそれがある。特に、ピストン頂面に形成されたキャビティの開口縁部からなる燃焼室口元には、亀裂が発生しやすいことが知られている。
【０００３】
この問題を解決するために、燃焼室口元とピストン頂面の外周縁部との間に複数の凹部を形成することで、高温空気の流れを抑制してピストンの受熱量を低下させることが提案されている（特許文献１を参照）。
【０００４】
しかしながら、実際には、燃料噴射によって発生する火炎が燃焼室口元に接触することで、燃焼室の高温箇所と低温箇所の温度差を生じさせて熱応力が発生すると考えられている。そのため、特許文献１の発明では、燃焼室におけるピストンへの熱伝達を低減する効果は小さいものになってしまう。
【０００５】
また別の対策として、燃焼室口元の表面に遮熱膜を形成することで、燃焼室内の燃焼ガスからピストンへの熱伝達を低減させることも考えられている（例えば、特許文献２、３を参照）。
【０００６】
しかしながら、特許文献２、３の発明では、燃焼噴射によって発生する火炎が遮熱膜に接触すると、遮熱膜とピストンの基材とにそれぞれ発生する熱応力の差が大きくなって、ピストンに亀裂が発生するおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−１５６２３０号公報
【特許文献２】特開２０１３−８７７１９号公報
【特許文献３】特開２０１３−８７７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、熱負荷によるピストンの損傷を効果的に防止することができるエンジンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成する本発明のエンジンは、シリンダブロック内に形成されたシリンダボアと、前記シリンダボア内を往復動するピストンの頂面と、前記シリンダブロックに結合するシリンダヘッドの下面とにより区画される燃焼室を有し、前記ピストンの頂面の中心部にキャビティを凹設したエンジンにおいて、前記燃焼室内へ前記キャビティの開口縁部に設けた吹出口を通じて圧縮空気を供給する圧縮空気供給手段と、制御手段とを設け、前記制御手段は、前記燃焼室内での燃料の燃焼時に、前記圧縮空気供給手段により前記圧縮空気を前記燃焼室内へ供給することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のエンジンによれば、燃焼室内で燃料と吸入空気が燃焼したときには、吸気管とは別ルートで、燃焼室口元に設けた吹出口を通じて燃焼室内へ圧縮空気を直接的に供給するようにしたので、燃焼室口元の表面に空気層が形成されて、燃焼による火炎の接触が妨げられるため、熱負荷によるピストンの損傷を効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態からなるエンジンの構成図である。
【図２】図１における燃焼室の軸方向の一部断面図である。
【図３】吹出口が開口する方向を示す燃焼室の径方向の断面図であって、（ａ）は燃焼室の内周壁の接線側の方向に開口する場合を、（ｂ）は燃焼室の中心軸側の方向に開口する場合を、それぞれ示す。
【図４】複数の吹出口を設けた場合の例を示す燃焼室の径方向の断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態からなるエンジンの変形例における燃焼室の軸方向の一部断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態からなるエンジンの構成図である。
【図７】図５における燃焼室の径方向の断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態からなるエンジンの構成図である。
【図９】図７における燃焼室の軸方向の断面図である。
【図１０】図８における燃焼室の径方向の断面図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態からなるエンジンの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明の第１の実施形態からなるエンジンを示す。なお、以降の実施形態においては、エンジンとしてディーゼルエンジンを想定している。また、図中の矢印は気体の流れる方向を示している。
【００１４】
このディーゼルエンジン１Ａにおいては、吸気口２から吸気管３内へ吸入された空気は、排気ターボ式過給器４のコンプレッサ５で圧縮された後に、インテークマニホールド（図示せず）を経て、エンジン本体６の複数の気筒７内（この例では４個）にそれぞれ供給される。そして、各気筒７に形成された燃焼室８内において噴射燃料と混合されて燃焼・膨張した後に、エキゾーストマニホールド（図示せず）を経て、排ガスとなって排気管９へ排出されるが、その一部は排気管９から分岐して吸気管３に合流するＥＧＲ通路１０にＥＧＲガスとなって分流する。ＥＧＲ通路１０には、ＥＧＲクーラー１１とＥＧＲ弁１２とが、排気管９側から順に介設されている。ＥＧＲ通路１０に分流しなかった排ガスは、排気ターボ式過給器４のタービン１３を回転駆動した後に、排気口１４から外部へ放出される。
【００１５】
燃焼室８は、図２に示すように、シリンダブロック１５内に形成されたシリンダボア１６と、そのシリンダボア１６内を往復動するピストン１７の頂面１８と、シリンダブロック１５に上方から結合するシリンダヘッド１９の下面２０とにより区画される。ピストン１７の頂面１８の中心部には、例えばリエントラント形のキャビティ２１が凹設されている。また、ピストン１７の外周面には、燃焼ガスをシールするファーストリング２２及びセカンドリング２３と、潤滑オイルを掻き落とすオイルリング２４とが、上方から順に外嵌している。
【００１６】
そして、このディーゼルエンジン１Ａには、吸気管３とは別ルートで燃焼室８内へ圧縮空気を供給する圧縮空気供給手段２５が設けられている。この圧縮空気供給手段２５は、ピストン１７のキャビティ２１の開口縁部（以下、「燃焼室口元」という。）２６に形成された吹出口２７からピストン１７の外周面へ貫通する第１連通孔２８と、シリンダボア１６の内面から外面へ貫通する第２連通孔２９と、空気圧縮装置３０、蓄圧タンク３１及び制御弁３２が順に介設された供給管３３とから構成されている。
【００１７】
第１連通孔２８と第２連通孔２９とは、燃焼室８内で燃料と吸入空気とが燃焼するとき、つまりピストン１７が上死点又はその直前／直後の位置になったときに連通するようになっている。また、供給管３３の一端は制御弁３２を介して第２連通孔２９に接続するとともに、他端はエンジン外部へ開口する吸入口３４となっている。制御弁３２としては、電磁弁やピエゾ素子からなるアクチュエータが例示される。これらの空気圧縮装置３０及び各制御弁３２は、信号線（点線で示す）を通じて、制御手段であるＥＣＵ３５にそれぞれ接続している。なお、供給管３３の他端は、ディーゼルエンジン１Ａの吸気管３に接続するようにしてもよい。
【００１８】
このディーゼルエンジン１ＡにおけるＥＣＵ３５の制御内容は次のようになる。
【００１９】
まず、ＥＣＵ３５は、空気圧縮装置３０を制御して、蓄圧タンク３１に貯留される圧縮空気の圧力が、燃焼室８内の測定圧力又は予め設定された燃焼室８内の最高圧力よりも高くなるようにする。
【００２０】
そして、燃焼室８内で燃料と吸入空気が燃焼したときには、制御弁３２を個別に開弁して蓄圧タンク３１に貯留された圧縮空気を吹出口２７から燃焼室８内へ供給する。これにより、燃焼室口元２６の表面に空気層が形成されて、燃焼による火炎の接触が妨げられるため、ピストン１７に加わる熱応力が低減する。
【００２１】
従って、このようなディーゼルエンジン１Ａにより、熱負荷によるピストン１７の損傷を効果的に防止することができるのである。
【００２２】
このディーゼルエンジン１Ａにおいては、吹出口２７が燃焼室８へ開口する方向を、燃焼室８の内周壁３６の接線側の方向（図３（ａ）を参照）から中心軸３７側の方向（図３（ｂ）を参照）までの範囲内で設定することが望ましい。なお、図中の一点鎖線は、気体の流れる方向を示している。
【００２３】
このような構成により、燃焼室８内における空気の分布を制御して、燃焼効率を向上することができる。また、燃焼室８からの排ガス中に含まれる有害物質を低減することもできる。
【００２４】
また、図４に示すように、第１貫通孔２８を分岐させて吹出口２７を複数設けることにより、燃焼室口元２６の周方向に沿って空気層を形成して、熱負荷によるピストン１７の損傷をより効果的に防止することができる。なお、吹出口２７の個数及び位置は特に限定するものではないが、加工コスト及び空気層の均一性の観点からは、５〜２０個程度の細径の吹出口２７を周方向に均等に配置することが好ましい。
【００２５】
更には、第１連通孔２８は、ファーストリング２２とセカンドリング２３との間でピストン１７の外周面に、又は図５に示すように、セカンドリング２３とオイルリング２４との間の外周面に開口することが望ましい。前者の場合には、セカンドリング２３の位置のみを変更することで、第１連通孔２８を容易に形成することができる。一方、後者の場合には、燃焼室８からエンジン下部への燃焼空気の漏れを確実に抑制することができる。
【００２６】
図６は、本発明の第２の実施形態からなるエンジンを示す。なお、これ以降の図面においては、図１と同じ箇所には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００２７】
このディーゼルエンジン１Ｂは、ディーゼルエンジン１Ａの構成における空気圧縮装置３０と蓄圧タンク３１との間に、空気を含有成分毎に分離する成分分離装置３８を介設したものである。この成分分離装置３８は、信号線を通じてＥＣＵ３５に接続されている。
【００２８】
ＥＣＵ３５は、成分分離装置３８を制御して、蓄圧タンク３１に予め設定された組成の空気が貯留されるようにする。そして、ディーゼルエンジン１Ａの場合と同様の制御を行う。
【００２９】
このようにすることで、燃焼室８内に供給される空気の組成を変化させて、燃料噴射による火炎の発達を調整しつつ、燃焼室口元２６に空気層を形成することができるので、熱負荷によるピストン１７の損傷をより効果的に防止することができる。
【００３０】
特に、蓄圧タンク３１に窒素又は窒素を主成分とする空気を貯留するとともに、図７に示すように、吹出口２７を燃焼室８の中心軸３７側の方向へ向けて開口させることで、燃料噴射による火炎の発達を抑制して、熱負荷によるピストン１７の損傷をより効果的に防止することができる。
【００３１】
図８は、本発明の第３の実施形態からなるエンジンを示す。
【００３２】
このディーゼルエンジン１Ｃは、ディーゼルエンジン１Ｂの構成を変形したものであり、成分分離装置３８の下流側を、小型蓄圧タンク３９Ａ、３９Ｂ及び小型制御弁４０Ａ、４０Ｂが介設された一対の供給支管４１Ａ、４１Ｂに分岐させたものである。更に、図９に示すように、それら一対の供給支管４１Ａ、４１Ｂに対応して、一対の第１連通支孔４２Ａ、４２Ｂ及び第２連通支孔４３Ａ、４３Ｂをそれぞれ形成している。また、一対の第１連通支孔４２Ａ、４２Ｂの吹出口２７Ａ、２７Ｂが開口する方向は、図３の場合と同様に、燃焼室８の内周壁３６の接線側の方向から中心軸３７側の方向までの範囲内でそれぞれ設定することが望ましい。
【００３３】
ＥＣＵ３５は、成分分離装置３８を制御して、一対の小型蓄圧タンク３９Ａ、３９Ｂに互いに組成の異なる空気がそれぞれ貯留されるようにする。そして、ディーゼルエンジン１Ａの場合と同様の制御を行う。なお、一対の小型制御弁４０Ａ、４０Ｂ同士は、同時に又は時間差を置いて開弁させる。
【００３４】
このようにすることで、燃焼室８内の空気の分布及び組成を制御して燃焼効率を向上させつつ、熱負荷によるピストン１７の損傷をより効果的に防止することができる。
【００３５】
一対の小型蓄圧タンク３９Ａ、３９Ｂには、酸素と窒素がそれぞれ貯留されるようにすることが望ましい。そして、図１０に示すように、酸素が貯留された小型蓄圧タンク３９Ａに接続する第１連通支孔４２Ａの吹出口２７Ａを、燃焼室８の中心軸３７の方向へ向けて開口させる一方で、窒素が貯留された小型蓄圧タンク３９Ｂに接続する第１連通支孔４２Ｂの吹出口２７Ｂを、燃焼室８の内周壁３６の接線方向へ向けて開口させる。
【００３６】
そして、ＥＣＵ３５は、燃焼室８内で燃料と吸入空気が燃焼したときには、酸素が通過する小型制御弁４０Ａを開弁した後に、窒素が通過する小型制御弁４０Ｂを開弁する制御を行う。
【００３７】
このようにすることで、燃料が噴射される燃焼室８の中心部に高酸素濃度領域が形成される一方で、燃焼室口元２６の表面には窒素によるガス層が形成されるため、燃焼効率を向上させつつ、火炎の接触による燃焼室口元２６の熱負荷を低減することができる。
【００３８】
図１１は、本発明の第４の実施形態からなるエンジンを示す。
【００３９】
このディーゼルエンジン１Ｄは、基本的な構成はディーゼルエンジン１Ｃとほぼ同一であるが、各気筒７内に燃焼室口元２６の温度を測定する温度センサ４４を新たにそれぞれ設置したものである。この温度センサ４４としては、熱電対や遠隔検出可能な光学式温度センサなどが例示される。
【００４０】
ＥＣＵは、ディーゼルエンジン１Ｃと同様の制御を行った後に、温度センサ４４の測定値が予め設定したしきい値を超えた場合には、酸素が通過する小型制御弁４０Ａを開弁している期間を短縮して燃焼室８内への酸素の供給量を減少させる制御、及び窒素が通過する小型制御弁４０Ｂを開弁している期間を延長して燃焼室８内への窒素の供給量を増加させる制御、の少なくとも一方の制御を実施する。なお、上記のしきい値は、ディーゼルエンジン１Ａ〜１Ｈの燃焼条件や冷却条件により適宜設定される。
【００４１】
このようにすることで、火炎の燃焼熱が小さくなるため、燃焼室口元２６の熱負荷を更に低減することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１Ａ〜１Ｈ  ディーゼルエンジン
８  燃焼室
１５  シリンダブロック
１６  シリンダボア
１７  ピストン
１８  頂面
１９  シリンダヘッド
２０  下面
２１  キャビティ
２５  圧縮空気供給手段
２６  燃焼室口元
２７  吹出口
２８  第１連通孔
２９  第２連通孔
３０  空気圧縮装置
３１  蓄圧タンク
３２  制御弁
３３  供給管
３５  ＥＣＵ
３６  内周壁
３７  中心軸
３８  成分分離装置
３９Ａ、３９Ｂ  小型蓄圧タンク
４０Ａ、４０Ｂ  小型制御弁
４１Ａ、４１Ｂ  供給支管
４４  温度センサ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
2015113739.tif 000011
【図１０】
2015113739.tif 000012
【図１１】
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