(57)【要約】【課題】断熱により高い熱効率が得られ、かつ燃焼室の温度を適切に保持し、燃焼不良を防止できる内燃機関を提供すること。【解決手段】内燃機関は、シリンダを有するシリンダブロックと、シリンダブロックの上端に取り付けられるシリンダヘッドと、シリンダ内に往復動可能に設けられるピストンとを備えている。更に、内燃機関は、シリンダブロックの上端から、ピストンが上死点にあるときの第１ピストンリングの位置と同じ位置までの範囲内で、シリンダ内からシリンダブロックへの熱の移動を抑制する断熱部材を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダを有するシリンダブロックと、
前記シリンダブロックの上端に取り付けられるシリンダヘッドと、
前記シリンダ内に往復動自在に設けられるピストンと、
前記シリンダブロックに設けられ、前記シリンダブロックの上端の位置から、前記ピストンが前記往復動の上死点にあるときの前記ピストンの第１ピストンリングと同じ位置までの範囲内で、前記シリンダ内から前記シリンダブロックへの熱の移動を抑制する断熱部材と、を備えた内燃機関。
【請求項２】
シリンダを有するシリンダブロックと、
前記シリンダブロックの上端に取り付けられるシリンダヘッドと、
クランク軸に連結し、前記シリンダ内にクランク往復動自在に設けられるピストンと、
前記シリンダ内から前記シリンダブロックへの熱の移動を抑制する断熱部材と、を備え、
更に、前記断熱部材は、前記シリンダブロックの上端から、前記シリンダ内において燃焼時に前記シリンダ内から前記シリンダブロックへ移動する熱流束の値が所定値を下回る境界点の位置まで設けられている内燃機関。
【請求項３】
前記熱流束の値が所定値を下回る境界点の位置は、前記クランク軸が上死点後４０度回転したときの前記ピストンの第１ピストンリングの位置である請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記シリンダは、前記シリンダブロックに設けられたシリンダライナの内側に形成され、
前記断熱部材は、前記シリンダライナの外方に設けられている請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記シリンダは、前記シリンダブロックに設けられたシリンダライナの内側に形成され、
前記断熱部材は、前記シリンダライナの内面に設けられている請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記シリンダは、前記シリンダブロックに設けられたシリンダライナの内側に形成され、
前記断熱部材は、前記シリンダライナの上方に、前記シリンダライナと同軸に連続して設けられている請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記断熱部材は、前記シリンダブロックに設けられた空間によって形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室に断熱を施し、効率を向上させる内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の多くは、冷却液や大気を利用して冷却を行い、燃焼室の温度を適切に維持している。一方、燃焼室からの熱の放散は、内燃機関の効率を向上させる観点からは少ない方が好ましい。
【０００３】
例えば、特許文献１には、断熱性の高い調整リングをシリンダライナの内周部に設けた例が見られる。又、特許文献２には、シリンダの壁面に断熱層を設けた例が見られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−４２３８９号公報
【特許文献２】特開２０１３−５３６０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、断熱により内燃機関の冷却が十分になされなくなると、燃焼室の温度が上昇し、ノッキング等の燃焼不良を発生させるおそれがある。
【０００６】
本発明は、断熱により高い熱効率が得られ、かつ燃焼室の温度を適切に保持し、燃焼不良を防止できる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】
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するために、内燃機関を次のように構成した。内燃機関は、シリンダを有するシリンダブロックと、シリンダブロックの上端に取り付けられるシリンダヘッドと、シリンダ内に往復動可能に設けられるピストンとを備えている。更に、内燃機関は、シリンダブロックの上端から、ピストンが上死点にあるときの第１ピストンリングの位置と同等の位置までの範囲で、シリンダ内からシリンダブロックへの熱の移動を抑制する断熱部材を備えている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、断熱により高い熱効率が得られ、かつ燃焼室の温度を適切に保持し、燃焼不良を防止できる内燃機関を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明にかかる第１実施形態の内燃機関を示す断面図。
【図２】ピストンを示す部分断面図。
【図３】第２実施形態の内燃機関を示す断面図。
【図４】第３実施形態の内燃機関を示す断面図。
【図５】第４実施形態の内燃機関を示す断面図。
【図６】第５実施形態の内燃機関を示す断面図。
【図７】熱流束とクランク角の関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１実施形態）
本発明にかかる第１実施形態について説明する。図１に、第１実施形態の内燃機関であるエンジン１０を示す。図１に示すように、エンジン１０は、シリンダヘッド１２と、ピストン１４と、シリンダ１５を有するシリンダブロック１６と、クランクケース１８とを備えている。以下、エンジン１０について、シリンダ１５の中心軸Ｐが鉛直に配置された状態で、シリンダブロック１６から見てシリンダヘッド１２の側をエンジン１０の上方とし、その逆を下方として説明する。
【００１１】
エンジン１０は、例えば直列４気筒の液冷ガソリンエンジンである。エンジン１０は、シリンダヘッド１２とピストン１４とシリンダ１５で囲まれた燃焼室１９を備えている。尚、本発明では、エンジン１０の気筒数やシリンダ１５の配置等は、特に限定しない。又、ガソリンエンジンではなく、ディーゼルエンジンでもよい。図１は、エンジン１０を、シリンダブロック１６に設けられた１つのシリンダ１５の中心軸Ｐを通る平面で破断した状態を示している。
【００１２】
シリンダヘッド１２は、例えば、アルミニウム合金から形成されている。シリンダヘッド１２には、燃焼室１９に連通する吸気通路２０と排気通路２２が設けられている。吸気通路２０には、吸気バルブ２４と燃料噴射弁とが設けられている。吸気バルブ２４は、カムにより駆動し、吸気通路２０を開閉する。燃料噴射弁は、制御装置の制御に従い、吸気通路２０内に燃料を噴射する。排気通路２２には、排気バルブ２６が設けられている。排気バルブ２６は、カムにより駆動し、排気通路２２を開閉する。
【００１３】
シリンダヘッド１２の天井壁２１には、点火プラグ２３が取り付けられている。点火プラグ２３は、制御装置の制御に従い、燃焼室１９内で点火時期に火花を発生させる。シリンダヘッド１２の天井壁２１、及び吸気バルブ２４と排気バルブ２６の各バルブの底面２５、２７には、断熱材による断熱処理が施されている。
【００１４】
尚、エンジン１０は、燃料噴射弁でなく、キャブレタで燃料を供給してもよい。又、燃料噴射弁を、燃焼室１９に直接燃料を噴射するように設けてもよい。又、天井壁２１や各バルブの底面２５、２７への断熱処理はなくともよい。シリンダヘッド１２の下方には、シリンダブロック１６が設けられている。
【００１５】
シリンダブロック１６は、例えば、アルミニウム合金からなり、紙面に対して４つのシリンダ１５が垂直に配列されている。シリンダブロック１６には、シリンダライナ４０が設けられている。シリンダライナ４０は、例えば鋳鉄製の円筒状部材で、シリンダブロック１６に鋳込まれている。気筒としてのシリンダ１５は、シリンダブロック１６に設けられた各シリンダライナ４０により形成されている。
【００１６】
又、シリンダブロック１６には、シリンダライナ４０の外方に冷却液通路４２が設けられている。冷却液通路４２は、ラジエータに連通し、ラジエータで冷却された冷却液を通過させる。各シリンダ１５内には、ピストン１４が組み付けられている。
【００１７】
ピストン１４は、ほぼ円柱状で、上面にピストンヘッド１７を備え、側面に側壁２８を備えている。ピストンヘッド１７には、バルブを避ける凹部６２と、傾斜面６４が形成されている。傾斜面６４は、ピストン１４の外周部に設けられ、天井壁２１とで燃焼室１９内にスキッシュエリアを形成する。
【００１８】
側壁２８の外周には、上から、第１ピストンリング溝２９、第２ピストンリング溝３１、オイルリング溝３３（図２参照）が設けられている。第１ピストンリング溝２９には、第１ピストンリング３０が、第２ピストンリング溝３１には、第２ピストンリング３２が、オイルリング溝３３には、オイルリング３４が取り付けられている。第１ピストンリング３０、第２ピストンリング３２、オイルリング３４の各リングは、シリンダライナ４０の内面にそれぞれ適度なばね力で接している。
【００１９】
ピストン１４には、コネクティングロッド３６の一端がピストンピンを介して結合されている。コネクティングロッド３６の他端は、クランク軸３７に連結している。ピストン１４は、シリンダ１５内に往復動自在に設けられ、ピストン１４が往復動すると、コネクティングロッド３６を介してクランク軸３７が矢印Ａの方向に回転される。
【００２０】
図１は、ピストン１４が往復動の上死点に位置している状態を示している。シリンダライナ４０は、シリンダブロック１６の上端から、ピストン１４の往復動範囲の下端を超えて設けられている。シリンダライナ４０の外方には、断熱部材としての断熱スリーブ４４が設けられている。
【００２１】
断熱スリーブ４４は、筒体形状で、例えば、セラミック等の断熱材から形成されている。断熱スリーブ４４は、シリンダライナ４０の外径とほぼ等しい内径を有し、シリンダライナ４０の外周全体に取り付けられている。断熱スリーブ４４は、シリンダブロック１６の上端から、図１に示すように、ピストン１４が上死点にあるときの第１ピストンリング３０の下端の位置まで設けられている。
【００２２】
尚、断熱スリーブ４４の下端の位置は、ピストン１４が上死点にあるときの第１ピストンリング３０の下端の位置に完全に一致している場合のみならず、第１ピストンリング３０の下端の位置よりわずかに下方に位置していてもよい。又、断熱部材は、セラミック等の断熱スリーブ４４でなく、シリンダブロック１６内に設けられた空間、つまり空気層で形成してもよい。
【００２３】
次に、エンジン１０の作用、及び効果について説明する。エンジン１０は、暖機運転が終了し、通常の運転状態で作動しているとする。エンジン１０が吸気行程になると、吸気バルブ２４が開き、ピストン１４がシリンダ１５内を降下し、吸気通路２０を通って混合気が燃焼室１９内に吸引される。
【００２４】
続いて圧縮行程に移行すると、吸気バルブ２４が作動して吸気通路２０が閉鎖される。下死点を通過したピストン１４は、シリンダ１５内を上昇し、燃焼室１９内で混合気を圧縮する。混合気は、圧縮されるに伴って温度上昇するが、エンジン１０のシリンダヘッド１２の天井壁２１、及び吸気バルブ２４と排気バルブ２６の各バルブの底面には、それぞれ断熱処理がなされているため、それらを通して熱が燃焼室１９からシリンダヘッド１２等に吸収されにくくなっている。
【００２５】
一方、ピストン１４は、第１ピストンリング３０と第２ピストンリング３２とオイルリング３４の各リングを介してシリンダライナ４０の内面に接触している。したがってピストン１４が有する熱は、圧縮行程において第１ピストンリング３０等を通してシリンダブロック１６に伝達され、シリンダブロック１６から冷却液に吸収される。
【００２６】
エンジン１０が点火時期に達すると、点火プラグ２３が作動し、燃焼室１９内で混合気の燃焼が開始される。点火は、上死点より通常手前の段階で行われるので、燃焼室１９内で混合気の燃焼が行なわれている状態でピストン１４は上死点に達する。
【００２７】
図１に示すようにピストン１４が上死点に達すると、第１ピストンリング３０は、断熱スリーブ４４の下端の位置とほぼ同じ位置に達する。断熱スリーブ４４は、シリンダライナ４０からシリンダブロック１６への熱の移動を抑制するので、ピストン１４が上死点にある場合、第１ピストンリング３０を通した、ピストン１４からシリンダブロック１６への熱の移動が抑制される。更に、断熱スリーブ４４により、シリンダライナ４０は、シリンダブロック１６の上端から第１ピストンリング３０までの部分が断熱される。
【００２８】
このように、エンジン１０は、断熱スリーブ４４により、シリンダライナ４０の、シリンダブロック１６の上端から第１ピストンリング３０までの部分が断熱される。更に、ピストンヘッド１７は、燃焼室１９に面しているので、燃焼室１９内での燃焼により温度が上昇しやすい。しかし、ピストン１４が圧縮上死点の位置にある場合、ピストンヘッド１７に最も近い位置にある第１ピストンリング３０を通した放熱が抑制されるので、燃焼室１９からピストン１４を通したシリンダブロック１６への熱の放散が効果的に防止される。したがって、エンジン１０は、上死点における、燃焼室１９の温度低下を抑制し、高い熱効率が得られる。
【００２９】
一方、膨張行程が開始され、ピストン１４が上死点から降下すると、第１ピストンリング３０が断熱スリーブ４４の位置から外れる。これにより、膨張行程から排気行程にかけて、ピストン１４の熱が、第１ピストンリング３０を通してシリンダブロック１６等に吸収される。これにより、ピストン１４の熱が冷却液に吸収され、ピストン１４の温度が過度に上昇することなくエンジン１０は、上記燃焼サイクルに続く次の燃焼サイクルに入ることとなる。
【００３０】
したがってエンジン１０によれば、高い効率が得られ、かつ、ピストン１４が適度に冷却され、燃焼室１９の過熱によるノッキング等の燃焼不良の発生が抑制される。
【００３１】
（第２実施形態）
本発明にかかる第２実施形態について説明する。図３に、第２実施形態のエンジン１１の一部断面を示す。エンジン１１は、断熱部材としての断熱スリーブ５０を、シリンダライナ４０の上部に備えている。
【００３２】
断熱スリーブ５０は、セラミック等の所定の断熱作用を備えた断熱材から形成されている。断熱スリーブ５０は、円筒形で、シリンダライナ４０の内径と等しい内径を有している。断熱スリーブ５０は、シリンダブロック１６の上端から、ピストン１４が上死点にあるときの第１ピストンリング３０の下端の位置と同じ位置まで設けられている。断熱スリーブ５０は、シリンダライナ４０と同軸に、シリンダライナ４０の上端に連続して設けられている。すなわち、シリンダ１５は、シリンダライナ４０と、シリンダライナ４０の上部に設けられた断熱スリーブ５０との組み合わせで形成されている。エンジン１１の他の構成は、第１実施形態のエンジン１０と同様である。
【００３３】
エンジン１１が作動し、ピストン１４が圧縮上死点に達すると、第１ピストンリング３０がシリンダライナ４０から断熱スリーブ５０に達する。すると、第１実施形態のエンジン１０と同様、ピストン１４から第１ピストンリング３０を通してシリンダブロック１６への熱の移動が抑制され、上死点におけるエンジン１１の効率が上昇する。
【００３４】
ピストン１４が降下すると、第１ピストンリング３０は断熱スリーブ５０との接触から外れる。これ以降、ピストン１４の熱は、第１ピストンリング３０を通してシリンダブロック１６に吸収され、ピストン１４が適度に冷却される。
【００３５】
第１ピストンリング３０は、ピストン１４が上死点に達する直前と、上死点を通過した直後に、断熱スリーブ５０とシリンダライナ４０との境界部分を越える。その際、ピストン１４の移動速度はほとんど０に近いので、第１ピストンリング３０は、断熱スリーブ５０とシリンダライナ４０との境界を非常に遅い速度で通過する。
【００３６】
これにより、仮に、断熱スリーブ５０の摩擦係数とシリンダライナ４０の摩擦係数とが異なっていたり、両者間に若干段差等が発生していても、第１ピストンリング３０は、支障なく断熱スリーブ５０とシリンダライナ４０との境界を超えることができる。したがって、シリンダブロック１６に断熱スリーブ５０が設けられていても、ピストン１４を円滑に作動させることができる。
【００３７】
断熱スリーブ５０は、下端部の位置が、上死点に達したときのピストン１４の第１ピストンリング３０の位置と完全に一致し、ピストン１４がわずかでも移動すると、断熱スリーブ５０と第１ピストンリング３０との接触が外れることが、シリンダ１５内でピストン１４を円滑に作動できる点で好ましい。
【００３８】
したがってエンジン１１は、エンジン１０と同様、高い効率が得られ、更に、ピストン１４が適度に冷却され、燃焼室１９の過熱によるノッキング等の燃焼不良の発生が抑制される。
【００３９】
（第３実施形態）
本発明にかかる第３実施形態について説明する。図４に、第３実施形態のエンジン１３の一部断面を示す。エンジン１３は、シリンダライナ４０の内面に、断熱部材としての断熱層５４が施されている。断熱層５４は、シリンダライナ４０の内表面に断熱材料を付着させて形成されている。
【００４０】
断熱層５４は、シリンダブロック１６の上端部から、上死点にあるピストン１４の第１ピストンリング３０の下端の位置まで設けられている。断熱層５４は、十分な断熱性能を有し、かつ、シリンダライナ４０に密着し、ピストン１４の往復動によっても摩耗しにくく形成されている。エンジン１３の他の構成は、第１実施形態のエンジン１０と同様である。
【００４１】
エンジン１３は、ピストン１４が上死点に達すると、第１ピストンリング３０が断熱層５４に接する。すると、エンジン１０と同様第１ピストンリング３０を通したピストン１４からの熱の移動が抑制され、エンジン１３の熱効率が上昇する。
【００４２】
そして、ピストン１４が降下すると、第１ピストンリング３０は、直ちに断熱層５４との接触から外れる。これ以降、ピストン１４の熱は、第１ピストンリング３０を通してシリンダブロック１６に吸収され、ピストン１４が適度に冷却される。
【００４３】
したがってエンジン１３は、断熱層５４によりエンジン１３の熱効率が向上され、更に、ピストン１４が適度に冷却され、燃焼室１９の過熱によるノッキング等の燃焼不良の発生が抑制される。
【００４４】
（第４実施形態）
本発明にかかる第４実施形態について説明する。図５に、第４実施形態のエンジン６０の一部断面を示す。エンジン６０は、シリンダブロック１６に、シリンダ１５が設けられている。アルミニウム合金製のシリンダブロック１６に直接設けられたシリンダ１５の内側に、ピストン１４が組み付けられている。
【００４５】
エンジン６０は、シリンダ１５の内面から若干外側の位置に断熱スリーブ４４を備えている。断熱スリーブ４４は、円筒状で、シリンダ１５と同軸に設けられている。断熱スリーブ４４は、シリンダブロック１６の上端から、図５に示すように、ピストン１４が上死点にあるときの第１ピストンリング３０の下端の位置とほぼ同じ位置まで設けられている。断熱スリーブ４４は、例えば、シリンダブロック１６を鋳造する際同時に、あるいはシリンダブロック１６に形成した溝内に組み入れることによりシリンダブロック１６に設けられている。エンジン６０の他の構成は、第１実施形態のエンジン１０と同様である。
【００４６】
エンジン６０は、図５に示すようにピストン１４が上死点に達すると、第１ピストンリング３０が断熱スリーブ４４の側方に配置される。すると、第１実施形態のエンジン１０と同様、ピストン１４から第１ピストンリング３０を通したシリンダブロック１６への熱の移動が抑制され、エンジン６０の熱効率が上昇する。
【００４７】
エンジン６０は、ピストン１４が降下すると、第１ピストンリング３０が断熱スリーブ４４の位置から離れる。これ以降、ピストン１４の熱は、第１ピストンリング３０を通してシリンダブロック１６に吸収され、ピストン１４が適度に冷却される。
【００４８】
したがってエンジン６０は、エンジン１０と同様、高い効率が得られ、更に、ピストン１４が適度に冷却され、燃焼室１９の過熱によるノッキング等の燃焼不良の発生が抑制される。
【００４９】
（第５実施形態）
本発明にかかる第５実施形態について説明する。図６に、第５実施形態のエンジン７０の一部断面を示す。エンジン７０は、断熱部材としての断熱スリーブ７２をシリンダライナ４０の外方に備えている。断熱スリーブ７２は、第１実施形態のエンジン１０の断熱スリーブ４４と長さが異なっている。
【００５０】
断熱スリーブ７２は、セラミック等の断熱材から形成され、シリンダライナ４０と冷却液通路４２の間に設けられている。断熱スリーブ７２は、筒体状で、シリンダライナ４０の外周面に同心状に設けられている。
【００５１】
断熱スリーブ７２は、シリンダブロック１６の上端から、図５に示すように、クランク軸３７が上死点の位置から４０度正方向に回転したときのピストン１４の第１ピストンリング３０の下端の位置と同じ位置まで設けられている。エンジン７０の他の構成は、第１実施形態のエンジン１０と同様である。
【００５２】
図７に、一般的なエンジンについて、燃焼時にシリンダ１５内からシリンダブロック１６への熱流束の実測例を示す。図７は、横軸にクランク角θ（度）、縦軸に熱流束(ＭＷ/平方ｍ)の値を示す。図７に示すように、熱流束は、ピストンの上死点（ＴＤＣ）の位置からクランク角が４０度回転した位置までの範囲の値が非常に大きく、クランク角が上死点の位置から４０度を超えると急速に減少していることがわかる。この例では、特許請求の範囲でいう、熱流束の所定値は、クランク角が４０度回転した状態の値である。
【００５３】
エンジン７０は、断熱スリーブ７２が、シリンダブロック１６の上端の位置から、クランク軸３７が上死点の位置から４０度回転したときのピストン１４の第１ピストンリング３０の下端の位置まで設けられている。これにより、エンジン７０は、熱流束が大きい領域で第１ピストンリング３０を通したピストン１４からシリンダブロック１６への熱の移動が抑制され、エンジン７０の熱効率が上昇する。
【００５４】
一方、エンジン７０は、クランク軸３７（図１参照）が、上死点から４０度以上回転すると、第１ピストンリング３０が断熱スリーブ７２から離れる。そのため、クランク軸３７が上死点を挟んで前後４０度の範囲以外では、第１ピストンリング３０を通してピストン１４の熱がシリンダブロック１６に吸収され、ピストン１４が適度に冷却される。
【００５５】
したがってエンジン７０は、断熱スリーブ７２によって広い範囲で断熱がなされ、エンジン１０と同様、高い効率が得られる。更に、エンジン７０は、断熱スリーブ７２を外れた領域ではピストン１４が適度に冷却され、燃焼室１９の過熱によるノッキング等の燃焼不良の発生が抑制される。
【００５６】
尚、第５実施形態では、断熱スリーブ７２に代えて、断熱部材として、第２実施形態から第４実施形態と同等の構成を用いてもよい。又、エンジンの特性によって、クランク角と熱流束の関係が図７のグラフと異なる場合は、それに応じて断熱スリーブ７２の長さを変更してもよい。
【００５７】
又、本発明は上記実施形態に限るものではなく、適宜変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、自動車用エンジンに利用できる。
【符号の説明】
【００５９】
１０…エンジン、１２…シリンダヘッド、１４…ピストン、１５…シリンダ、１６…シリンダブロック、１７…シリンダヘッド、１８…クランクケース、２０…吸気通路、２２…排気通路、３０…第１ピストンリング、３２…第２ピストンリング、３４…オイルリング、３７…クランク軸、４０…シリンダライナ、４２…冷却液通路、４４…断熱スリーブ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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