JP2016075226A

JP2016075226A - 内燃機関

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Publication number: JP2016075226A
Application number: JP2014206331A
Authority: JP
Inventors: 学立野; Manabu Tateno
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-10-07
Filing date: 2014-10-07
Publication date: 2016-05-12
Anticipated expiration: 2034-10-07
Also published as: EP3204627A1; JP6446973B2; CN106795831A; WO2016056161A1; CN106795831B; EP3204627B1; US20170284281A1; US10309293B2

Abstract

【課題】燃焼室を構成するシリンダヘッドの底面に断熱膜が形成される内燃機関において、ピストンの上昇の際にスキッシュエリアから押し出される混合気の流動性の低下を抑制する。【解決手段】ピストン１４の頂面に対向するシリンダヘッド１８の底面に断熱膜３４が形成されている。キャビティ２２に対向するシリンダヘッド１８の底面の領域（キャビティ領域）における断熱膜３４よりも、キャビティ領域の周縁においてスキッシュエリアを構成するシリンダヘッド１８の底面の領域（周縁領域）における断熱膜３４の方が薄く形成されている。周縁領域における断熱膜３４は研磨加工されており、その表面粗度は３μｍ以下である。キャビティ領域における断熱膜３４は研磨加工されておらず、その表面粗度は平均３〜８μｍである。【選択図】図３

Description

この発明は、内燃機関に関し、より詳細には、そのシリンダヘッドの底面に断熱膜が形成される内燃機関に関する。

従来、例えば特開２０１２−１５９０５９号公報には、燃焼室を構成するシリンダヘッドの底面にアルマイト皮膜を形成する火花点火式エンジンにおいて、点火プラグを設けるシリンダヘッドの中心部から離れるほどアルマイト皮膜の膜厚を薄くし、または、アルマイト皮膜の表面の粗度を大きくすることが開示されている。アルマイト皮膜は、シリンダヘッドの母材（アルミニウム合金）に比べて熱伝導率が低く、尚且つ、単位体積当たりの熱容量が低い断熱膜として機能するものである。アルマイト皮膜の膜厚やその表面の粗度を上記の如くすることで、点火プラグから離れた箇所での断熱性を低くして熱篭もりを抑制できるので、当該箇所において発生し易いノッキングに対する耐性を向上できる。

特開２０１２−１５９０５９号公報

上述のエンジンにおいてアルマイト皮膜の表面粗度を大きくしたのは、アルマイト皮膜の熱伝達面積を拡大して、点火プラグから離れた箇所での放熱性能を高めるためである。しかし、ピストンの上昇に伴い混合気が潰されるスキッシュエリアを有するエンジンにおいては、スキッシュエリアを構成するシリンダヘッドの底面の表面粗度が大きくなると、当該ピストンの上昇の際にスキッシュエリアから押し出される混合気の流動性が低下して、燃焼性を低下させるという問題がある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、燃焼室を構成するシリンダヘッドの底面に断熱膜が形成される内燃機関において、ピストンの上昇の際にスキッシュエリアから押し出される混合気の流動性の低下を抑制することを目的とする。

第１の発明は、キャビティが形成されたピストンの頂面と、前記頂面と共に燃焼室を構成すると共に、母材よりも熱伝導率が低く尚且つ単位体積当たりの熱容量が低い断熱膜が形成されたシリンダヘッドの底面と、を備える内燃機関であって、
前記燃焼室を構成するシリンダヘッドの底面において、前記キャビティに対向するキャビティ領域における断熱膜の表面粗度よりも、前記キャビティ領域の周縁においてスキッシュエリアを構成する周縁領域における断熱膜の表面粗度を小さく形成したことを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記キャビティ領域における断熱膜の膜厚よりも、前記周縁領域における断熱膜の膜厚を薄く形成したことを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記周縁領域における断熱膜の膜厚は、前記キャビティ領域との接続部において連続的に変化し、前記キャビティ領域から離れるほど薄く形成したことを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れか１つにおいて、
前記ピストンの頂面には、ピストン母材よりも熱伝導率が低く尚且つ単位体積当たりの熱容量が低い断熱膜が形成され、
前記ピストンの頂面における断熱膜の表面粗度を、前記周縁領域における断熱膜の表面粗度と同等に形成したことを特徴とする。

また、第５の発明は、第４の発明において、
前記キャビティにおける前記断熱膜の膜厚よりも、前記キャビティの周縁における前記断熱膜の膜厚を薄く形成したことを特徴とする。

第１の発明によれば、キャビティ領域における断熱膜の表面粗度よりも周縁領域における断熱膜の表面粗度を小さく形成したので、周縁領域における断熱膜の表面粗度をキャビティ領域における断熱膜の表面粗度よりも大きく形成する場合に比べて、周縁領域における混合気の流動性を向上できる。従って、ピストン上昇時の混合気の流動性の低下に伴う燃焼性の低下を抑えることができる。また、第１の発明によれば、周縁領域における断熱膜の表面粗度をキャビティ領域における断熱膜の表面粗度よりも大きく形成することができる。従って、ピストン上昇時に周縁領域からキャビティ領域に移動してきた混合気に乱れを生じさせて、混合気を形成する吸気と燃料の更なる混合を促進させることが可能となる。また、燃料の燃焼時に断熱膜の温度を短時間で上昇させることも可能となる。従って、燃焼ガスの多くがキャビティ領域に接触する冷間始動時において、キャビティ領域の断熱膜を早期に温めて混合気の着火性を向上できる。

断熱膜を厚く形成すれば燃焼室の断熱性が向上するが、燃焼室内のガス温度が下がり難くなる。この点、第２の発明によれば、キャビティ領域における断熱膜の膜厚よりも、周縁領域における断熱膜の膜厚を薄く形成したので、火炎生成時においてはキャビティ領域に形成した相対的に厚い断熱膜によって燃焼室の断熱性を高めつつ、吸気行程においては周縁領域に形成した相対的に薄い断熱膜によって燃焼室内のガス温度が上昇し過ぎるのを抑制することができる。

第３の発明によれば、キャビティ領域との接続部において、周縁領域における断熱膜の膜厚を、キャビティ領域から離れるほど薄く形成したので、当該接続部において混合気の流動性が低下するのを抑制できる。

第４の発明によれば、シリンダヘッドの底面に加えてピストンの頂面に断熱膜を形成すると共に、この頂面における断熱膜の表面粗度を、周縁領域における断熱膜の表面粗度と同等に形成したので、ピストンの頂面における断熱膜の表面粗度をキャビティ領域における断熱膜の表面粗度と同等とする場合に比べて、ピストンの頂面における混合気の流動性を向上できる。

第５の発明によれば、ピストンの頂面に断熱膜を形成すると共に、キャビティにおける断熱膜の膜厚よりも、キャビティの周縁における断熱膜の膜厚を薄く形成したので、火炎生成時においてはキャビティに形成した相対的に厚い断熱膜によって燃焼室の断熱性を高めつつ、吸気行程においては周縁領域に形成した相対的に薄い断熱膜によって燃焼室内のガス温度が上昇し過ぎるのを抑制することができる。

実施の形態１の内燃機関の燃焼室の縦断面模式図である。シリンダヘッド１８の底面をピストン１４の頂面側から見た図である。図１の部分拡大図である。吸気バルブ３０の傘部近傍のシリンダヘッド１８の部分拡大図である。排気バルブ３２の傘部近傍のシリンダヘッド１８の部分拡大図である。実施の形態１による効果を説明するための図である。実施の形態１による効果を説明するための図である。燃焼室壁面に形成したアルマイト皮膜の表面温度と膜厚との関係を示した図である。火花点火式のエンジンのシリンダヘッドの底面をピストンの頂面側から見た図である。実施の形態２の内燃機関の燃焼室の縦断面模式図である。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
先ず、本発明の実施の形態１について図１乃至図９を参照しながら説明する。

図１は、実施の形態１の内燃機関の燃焼室の縦断面模式図である。図１に示す内燃機関１０は、車両等の移動体に搭載される圧縮着火式のエンジン（ディーゼルエンジン）である。図１に示すように、内燃機関１０は、シリンダブロック（不図示）内に形成されたシリンダ１２と、シリンダ１２内を上下方向に摺動可能に収納されたピストン１４と、シリンダブロックの上方にガスケット１６を介して取り付けられたシリンダヘッド１８と、を備えている。

ピストン１４の頂面と、シリンダヘッド１８の底面とで挟まれる空間が燃焼室２０を形成する。ピストン１４の頂面の中心部には、略円筒状の窪みからなるキャビティ２２が形成されており、このキャビティ２２も燃焼室２０の一部を構成する。また、シリンダ１２の内壁面と、ピストン１４の頂面の周縁部２４（ピストン１４の頂面のうちキャビティ２２が形成されていない領域）と、周縁部２４に対向するシリンダヘッド１８の底面とで挟まれる空間がスキッシュエリアを構成する。

シリンダヘッド１８には、燃焼室２０に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁２６と、内燃機関１０の始動補助装置として機能するグロープラグ２８とが取り付けられている。図２は、シリンダヘッド１８の底面をピストン１４の頂面側から見た図である。燃料噴射弁２６はシリンダヘッド１８の略中央部に設けられており、グロープラグ２８は燃料噴射弁２６の近傍に設けられている。また、シリンダヘッド１８には、燃焼室２０へ空気を導入する吸気ポート（不図示）を開閉する吸気バルブ３０と、燃焼室２０から排気を排出する排気ポート（不図示）を開閉する排気バルブ３２とが設けられている。

図１乃至図２に示すように、ピストン１４の頂面に対向するシリンダヘッド１８の底面には断熱膜３４が形成されている。断熱膜３４はアルマイト皮膜から構成されている。アルマイト皮膜は、シリンダヘッド１８の母材（アルミニウム合金）の陽極酸化処理により得られるものであり、陽極酸化処理の過程で形成された無数の細孔を有している。このような多孔質構造を有することで、アルマイト皮膜は、母材に比べて熱伝導率が低く、尚且つ、単位体積当たりの熱容量が低い断熱膜として機能する。なお、アルマイト皮膜の表面に、その細孔を塞ぐ封孔皮膜が形成されていてもよい。

但し、シリンダヘッド１８の底面に形成された断熱膜３４の膜厚は一定ではない。即ち、キャビティ２２に対向するシリンダヘッド１８の底面の領域（以下、「キャビティ領域」と称す）における断熱膜３４よりも、キャビティ領域の周縁においてスキッシュエリアを構成するシリンダヘッド１８の底面の領域（以下、「周縁領域」と称す）における断熱膜３４の方が薄く形成されている。この理由は、アルマイト皮膜をシリンダヘッド１８の底面に形成した後に、表面粗度（ＪＩＳＢ６０１（２００１）に準拠して測定した算術平均粗さをいう。以下同じ。）を向上させる（滑らかにする）目的で、周縁領域を研磨加工しているためである。周縁領域に形成された断熱膜３４の表面粗度は３μｍ以下である。一方、キャビティ領域は研磨加工しておらず、キャビティ領域に形成された断熱膜３４の表面粗度は平均３〜８μｍである。

図３は、図１の部分拡大図である。図３に示すように、周縁領域に形成された断熱膜３４の膜厚は、周縁領域の略全域にわたって均一である（５０〜１５０μｍ）。但し、周縁領域に形成された断熱膜３４の膜厚は、キャビティ領域との接続部３４Ａとシリンダ１２近傍の端部３４Ｂにおいて連続的に変化し、キャビティ領域から離れるほど薄くなる。同様に、キャビティ領域に形成された断熱膜３４の膜厚は、キャビティ領域の略全域にわたって均一である（１５０〜２５０μｍ）。但し、キャビティ領域に形成された断熱膜３４の膜厚は、燃料噴射弁２６近傍の端部３４Ｃとグロープラグ２８の近傍の端部３４Ｄにおいて連続的に変化し、燃料噴射弁２６やグロープラグ２８に近づくほど薄くなる。

図４は、吸気バルブ３０の傘部近傍のシリンダヘッド１８の部分拡大図であり、図５は、排気バルブ３２の傘部近傍のシリンダヘッド１８の部分拡大図である。図４および図５に示すように、断熱膜３４の膜厚は、吸気バルブ３０の傘部近傍の端部３４Ｅや排気バルブ３２の傘部近傍の端部３４Ｆにおいて連続的に減少し、吸気バルブ３０や排気バルブ３２に近づくほど薄くなる。なお、吸気バルブ３０や排気バルブ３２を囲む断熱膜３４はキャビティ領域と周縁領域の両方に跨るので（図２参照）、図４および図５に示す断熱膜３４は、キャビティ領域に形成された断熱膜３４と周縁領域に形成された断熱膜３４の両方を意味している。

図３乃至図５で説明した接続部３４Ａ、端部３４Ｂ〜３４Ｆにおける断熱膜３４の膜厚は、これらの部位のアルマイト皮膜を、周縁領域のアルマイト皮膜同様に研磨加工することで変化させている。

図６乃至図８を参照しながら、実施の形態１による効果を説明する。図６に示すように、内燃機関１０の圧縮行程においてはピストン１４が上昇して周縁部２４からキャビティ２２に混合気が押し出されるスキッシュが発生する。実施の形態１においては、周縁領域における断熱膜３４の表面を研磨加工により滑らかに形成したので、当該表面を研磨加工していない場合に比べてスキッシュ流速を高めて混合気の流動性を向上できる。また、接続部３４Ａにおける断熱膜３４の膜厚を連続的に変化させているので、混合気の流動性が接続部３４Ａにおいて阻害されることを抑制できる。よって、混合気の流動性の低下に伴う燃焼性の低下を抑えることができる。

また、実施の形態１においては、キャビティ領域を研磨加工していないため、キャビティ領域に形成された断熱膜３４の表面粗度が大きいままである。従って、ピストン１４の上昇時に周縁領域からキャビティ領域に移動してきた混合気に乱れを生じさせて、混合気を形成する吸気と燃料の更なる混合を促進させることが可能となる。また、キャビティ領域に形成された断熱膜３４が大きいままであるので、その温度を短時間で上昇させることも可能となる。従って、燃焼ガスの多くがキャビティ領域に接触する内燃機関１０の冷間始動時において、キャビティ領域の断熱膜を早期に温めて混合気の着火性を向上できる。

また、図７に示すように、内燃機関１０の膨張行程においてはピストン１４が下降してキャビティ２２から周縁部２４に火炎が引き込まれる逆スキッシュが発生する。実施の形態１においては、周縁領域における断熱膜３４の表面を研磨加工により滑らかに形成したので、当該表面を研磨加工していない場合に比べて逆スキッシュ流速を高めて火炎の流動性を向上できる。また、接続部３４Ａにおける断熱膜３４の膜厚を連続的に変化させているので、火炎の流動性が接続部３４Ａにおいて低下するのを抑制できる。よって、火炎の流動性の低下に伴う燃焼効率の悪化を抑えることができる。

また、実施の形態１においては、端部３４Ｂ〜３４Ｆにおける断熱膜３４の膜厚を連続的に変化させているので、端部３４Ｂ〜３４Ｆにおける未燃燃料の発生を抑制することもできる。

また、実施の形態１においては、キャビティ領域と周縁領域とで断熱膜３４の膜厚が異なるので、次のような効果が期待できる。図８は、燃焼室壁面に形成したアルマイト皮膜の表面温度と膜厚との関係を示した図である。図８に示すように、アルマイト皮膜の表面温度は火炎が生成される圧縮ＴＤＣ付近に急激に上昇して最高温度に到達し、その後は低下する。この最高温度は、アルマイト皮膜が厚くなるほど高くなるので、断熱性に着目した場合にはアルマイト皮膜を厚くすることが望ましいことになる。しかし、スイング温度（燃焼室内のガス温度の最大値と最小値の差）が大きいほどスイング特性（燃焼室内のガス温度に皮膜の温度が追従する特性をいう。以下同じ。）が高くなるので、スイング特性に着目した場合にはアルマイト皮膜を単に厚くすればよい訳ではないことが分かる。

この点、実施の形態１においては、キャビティ領域における断熱膜３４を厚く形成したので、圧縮ＴＤＣ付近において燃焼室２０の大部分を構成するこの厚い断熱膜３４によって燃焼ガスの温度を十分に高め、膨張行程における冷却損失を低減させることができる。また、周縁領域における断熱膜３４を薄く形成したので、吸気行程においてはこの薄い断熱膜３４によって、燃焼室２０内のガス温度が上昇し過ぎるのを抑制することもできる。この理由は、断熱膜３４の薄い部分では断熱膜３４の厚い部分に比べて熱容量が小さく、膨張・排気行程において燃焼ガスから受け取る熱量が相対的に低くなるので、その後の吸気行程において混合気に与える熱量も低くなるためである。従って、吸気行程において燃焼室２０内に流入したガスが加熱されて充填効率が低下するのを良好に抑制できる。

ところで、上記実施の形態１においては、断熱膜３４をアルマイト皮膜から構成した。しかし、シリンダヘッド１８の母材よりも熱伝導率の低い金属（例えばジルコニア、チタン、マンガン、鉄）の溶射により得られる溶射皮膜から断熱膜３４を構成してもよい。溶射皮膜は、施工の過程で形成された気泡を皮膜内に有しており、このような構造により、シリンダヘッド１８の母材よりも低い単位体積当たりの熱容量を実現するものである。更に言えば、シリンダヘッド１８の母材よりも熱伝導率が低く、単位体積当たりの熱容量が低い断熱材であれば、アルマイト皮膜の代わりに用いることができる。なお、本変形例については、後述の実施の形態においても同様に適用できる。

また、上記実施の形態１においては、内燃機関１０が圧縮着火式のエンジンであるとした。しかし、本発明が適用できるエンジンは圧縮着火式のものに限られない。図９は、火花点火式のエンジンのシリンダヘッドの底面をピストンの頂面側から見た図である。但し、図１に示したピストン１４同様、当該ピストンの頂面には、キャビティと周縁部が形成されているものとする。図９に示す断熱膜４０は、図２に示した断熱膜３４同様、キャビティ領域と周縁領域とで膜厚が異なるものである。具体的に、キャビティに対向するシリンダヘッド４２の領域（キャビティ領域）における断熱膜４０は、周縁部に対向するシリンダヘッド４２の領域（周縁領域）における断熱膜４０よりも厚く形成されている。このように、頂面にキャビティと周縁部が形成されたピストンを構成要素とする内燃機関であれば、上記実施の形態１と同様に適用できる。なお、本変形例については、後述の実施の形態においても同様に適用できる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図１０を参照しながら説明する。実施の形態２の特徴は、シリンダヘッド１８の底面だけでなく、ピストン１４の頂面にも断熱膜３４を形成したことにある。従って、以下においては、主にこの特徴について説明を行う。

図１０は、実施の形態２の内燃機関の燃焼室の縦断面模式図である。図１０に示すように、ピストン１４の頂面には断熱膜３４が形成されている。キャビティ２２および周縁部２４における断熱膜３４の表面粗度は、周縁領域における断熱膜３４の表面粗度と同等とされている（平均３μｍ以下）。また、キャビティ２２における断熱膜３４は、周縁部２４における断熱膜３４よりも厚く形成されている。キャビティ２２周辺での断熱性を均一にする観点から、キャビティ２２における断熱膜３４の膜厚は、キャビティ領域における断熱膜３４の膜厚と同等であることが好ましい。同様に、周縁部２４での断熱性を均一にする観点から、周縁部２４における断熱膜３４の膜厚は、周縁領域における断熱膜の膜厚と同等であることが好ましい。キャビティ２２や周縁部２４に形成された断熱膜３４の表面粗度および膜厚は、周辺領域同様、アルマイト皮膜の研磨加工により調節されたものである。

実施の形態２によれば、上記実施の形態１で述べた効果に加えて、次のような効果がある。先ず、実施の形態２においては、ピストン１４の頂面に断熱膜３４が形成されているので、実施の形態１に比べて燃焼室２０内の断熱性を向上することができる。

また、実施の形態２においては、周縁部２４における断熱膜３４の表面を研磨加工して周縁領域における断熱膜３４と同等の表面粗度としたので、スキッシュ流速を高めて混合気の流動性を向上できる。よって、混合気の流動性の低下に伴う燃焼性の低下を抑えることができる。

また、実施の形態２においては、キャビティ２２における断熱膜３４の表面を研磨加工して周縁領域における断熱膜３４と同等の表面粗度としたので、キャビティ２２における火炎の流動性を向上できる。また、周縁部２４における断熱膜３４の表面を研磨加工して周縁領域における断熱膜３４と同等の表面粗度としたので、逆スキッシュ流速を高めて火炎の流動性を向上できる。よって、火炎の流動性の低下に伴う燃焼効率の悪化を抑えることができる。

また、実施の形態２においては、キャビティ２２における断熱膜３４を厚く形成したので、圧縮ＴＤＣ付近において燃焼ガスの最高温度を十分に高め、膨張行程における冷却損失を低減させることができる。また、周縁部２４における断熱膜３４を薄く形成したので、吸気行程においては燃焼室２０内のガス温度が上昇し過ぎるのを抑制することもできる。この理由については、周縁領域における断熱膜３４を薄く形成したのと同様である。従って、吸気行程において燃焼室２０内に流入したガスが加熱されて充填効率が低下するのを良好に抑制できる。

１０内燃機関
１２シリンダ
１４ピストン
１８，４２シリンダヘッド
２０燃焼室
２２キャビティ
２４周縁部
３４，４０断熱膜

Claims

キャビティが形成されたピストンの頂面と、前記頂面と共に燃焼室を構成すると共に、母材よりも熱伝導率が低く尚且つ単位体積当たりの熱容量が低い断熱膜が形成されたシリンダヘッドの底面と、を備える内燃機関であって、
前記燃焼室を構成するシリンダヘッドの底面において、前記キャビティに対向するキャビティ領域における断熱膜の表面粗度よりも、前記キャビティ領域の周縁においてスキッシュエリアを構成する周縁領域における断熱膜の表面粗度を小さく形成したことを特徴とする内燃機関。
前記キャビティ領域における断熱膜の膜厚よりも、前記周縁領域における断熱膜の膜厚を薄く形成したことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
前記周縁領域における断熱膜の膜厚は、前記キャビティ領域との接続部において連続的に変化し、前記キャビティ領域から離れるほど薄く形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
前記ピストンの頂面には、ピストン母材よりも熱伝導率が低く尚且つ単位体積当たりの熱容量が低い断熱膜が形成され、
前記ピストンの頂面における断熱膜の表面粗度を、前記周縁領域における断熱膜の表面粗度と同等に形成したことを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載の内燃機関。
前記キャビティにおける前記断熱膜の膜厚よりも、前記キャビティの周縁における前記断熱膜の膜厚を薄く形成したことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。