JP5974701B2

JP5974701B2 - エンジンの燃焼室構造

Info

Publication number: JP5974701B2
Application number: JP2012160519A
Authority: JP
Inventors: 青木　理; 理青木; 祐利瀬戸; 裕典中尾; 克晶安富; 猪飼　孝至; 孝至猪飼; 和男市川
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2012-07-19
Filing date: 2012-07-19
Publication date: 2016-08-23
Anticipated expiration: 2032-07-19
Also published as: JP2014020301A

Description

本発明は、エンジンの燃焼室構造に関し、特に燃焼室の断熱構造に関する。

従来、エンジン部品のような高温ガスに晒される金属製品には、高温ガスからの熱伝達、すなわち冷却損失を抑制して燃費性能等を向上するために、その金属製母材の表面に断熱層を形成することが行われている。その一例として、エンジンの燃焼室の壁面をジルコニア等の低熱伝導性の無機酸化物を溶射法により被覆して断熱することが知られている。

また、特許文献１には、排気エミッションの低減及び燃費の向上を達成するために、ピストンのキャビティの内周壁面におけるインジェクタから噴射される燃料の当たる位置に、燃料の気化を促進するためのセラミック膜が周方向にほぼ等間隔に形成された構造が開示されている。具体的に、上記セラミック膜は、ピストンのキャビティと頂面とを結ぶオーバーハング状のリップ部よりも若干キャビティ内に入った部分に形成されている。通常、燃料は、キャビティ内に向かって噴霧され、当該キャビティ内で燃焼されるものであるから、このような構造は好ましいと考えられる。

ところで、キャビティのリップ部周辺において、ピストンが圧縮上死点（ＴＤＣ）を過ぎて下降を始める際に流速が高い逆スキッシュ流が発生することが知られている。このような逆スキッシュ流が発生すると、燃焼ガスからピストン等への熱伝達が促進されることとなる。その結果、熱流量が大きくなり、冷却損失が増大してしまう。

近年、ピストンの頂面とキャビティの壁面とを結ぶ部分をオーバーハング状にせずに、緩やかな傾斜面とすることで、上記の問題を解決できることが報告されている。そのようにすると、逆スキッシュ流の流速を低減でき、燃焼ガスからピストン等への熱伝達を抑制することができる。すなわち、このようにすることで冷却損失を低減することが可能となる。

特開２０００−８８５７号公報

しかしながら、上記のような構造を用いて逆スキッシュ流の流速を低減すると、当然に、ピストンがＴＤＣに向かう際に生じる順方向のスキッシュ流の流速をも低減することとなる。その結果、スキッシュ流によるキャビティ内における燃料と空気との混合が十分になされずに、燃費の悪化及び排気エミッションの増加が起こる。すなわち、この構造を採用して冷却損失を抑制できたとしても、結局、燃費性能等の改善効果が少なくなってしまう。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ピストンの形状を変更することなく、燃料ガスからピストン等のエンジン部品への熱伝達を抑制して冷却損失を低減できるようにすることにある。

前記の目的を達成するために、本発明は、エンジンの燃焼室構造において、流速が高い逆スキッシュ流が生じる部位に、他の部位よりも断熱性が高い断熱層が形成された構成とした。

具体的に、本発明に係るエンジンの燃焼室構造は、ピストンの頂面にキャビティが形成されているエンジンの燃焼室構造を対象とし、ピストンの頂面に対向するシリンダヘッドの面、並びに吸気弁及び排気弁のそれぞれのバルブヘッド面における、ピストンのキャビティの開口縁を形成するリップ部に対応する部位には、前記シリンダヘッドの面、並びに前記吸気弁及び排気弁のそれぞれのバルブヘッド面における他の部位に形成された断熱層よりも断熱性が高い高断熱層が、前記ピストンの往復動方向の軸線上で一致するように前記リップ部に対向して環状に形成されており、前記高断熱層は、無機酸化物の中空状粒子を含むことを特徴とする。

本発明に係るエンジンの燃焼室構造によると、ピストンの頂面に対向するシリンダヘッドの面、並びに吸気弁及び排気弁のそれぞれのバルブヘッド面には、流速が高い逆スキッシュ流が生じる領域であるキャビティの開口縁を形成するリップ部に対応する部位に前記シリンダヘッドの面、並びに前記吸気弁及び排気弁のそれぞれのバルブヘッド面における他の部位に形成された断熱層よりも断熱性が高い高断熱層が前記ピストンの往復動方向の軸線上で一致するように前記リップ部に対向して環状に形成されているため、その部位における燃料ガスからシリンダヘッド、吸気弁及び排気弁への熱伝達を低減できる。その結果、逆スキッシュ流による冷却損失を低減することが可能となる。また、前記高断熱層は、無機酸化物の中空状粒子を含むことにより、熱伝導率が低く、断熱性が高い高断熱層を形成することができるため、冷却損失を低減することができる。

本発明に係るエンジンの燃焼室構造において、リップ部にも、前記高断熱層が形成されていることが好ましい。

このようにすると、燃焼室の天井面を構成するシリンダヘッドの下面、換言すると、ピストンの頂面に対向するシリンダヘッドの面、並びに吸気弁及び排気弁のバルブヘッド面だけでなく、燃焼室の底面を構成するピストンにおける流速が高い逆スキッシュ流が生じる部位であるリップ部にも、上記断熱層が形成されているため、燃料ガスからピストンへの熱伝達をも低減できる。その結果、逆スキッシュ流による冷却損失をさらに低減できる。

本発明に係るエンジンの燃焼室構造において、吸気弁及び排気弁のそれぞれのバルブヘッド面には、前記リップ部に対応する部位に加えてさらにその全面に前記高断熱層が形成されていてもよい。

吸気弁及び排気弁のバルブヘッド面の一部に上記の断熱性が高い断熱層を設ける場合、その工程が若干煩雑となるが、全面にその断熱層を設けることにより、その工程を簡便にすることができる。また、そのようにすることで、燃焼室の天井面の多くの割合を占める吸気弁及び排気弁のバルブヘッド面の断熱性を向上でき、冷却損失をより低減できる。

本発明に係るエンジンの燃焼室構造によると、逆スキッシュ流の流速を抑制することなく、燃料ガスからシリンダヘッド等のエンジン部品への熱伝達を抑制でき、冷却損失を低減できる。

本発明の実施形態に係るエンジン構造を示す断面図である。本発明の実施形態に係るエンジンの燃焼室の天井面の構造を示す平面図である。本発明の実施形態に係るエンジンの燃焼室構造を示す図２のIII−III線における断面図である。本発明の実施形態に係るエンジンの燃焼室構造を示す図２のIV−IV線における断面図である。本発明の実施形態に係るエンジンの燃焼室構造の変形例を示す断面図である。本発明の実施形態に係るエンジンの燃焼室構造の変形例を示す断面図である。（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施形態に係るエンジンの燃焼室構造に用いられる断熱層を形成する方法の一例を工程順に示す断面図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態に係るエンジンの燃焼室構造に用いられる断熱層を形成する方法の他の例を工程順に示す断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態に係るエンジンの燃焼室構造に用いられる断熱層を形成する方法の他の例を工程順に示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用方法或いはその用途を制限することを意図するものでない。

本実施形態は、本発明に係るエンジンの燃焼室構造を図１に示すエンジンに採用したものである。

＜エンジンの特徴＞
図１において、符号１はピストン、符号２はシリンダブロック、符号３はシリンダヘッド、符号４はシリンダヘッド３の吸気ポート５を開閉する吸気弁、符号６は排気ポート７を開閉する排気弁、符号８は燃料噴射弁である。エンジンの燃焼室は、ピストン１の頂面、シリンダブロック２、シリンダヘッド３、並びに吸気弁４及び排気弁６のバルブヘッド面（燃焼室に臨む面）で形成される。ピストン１の頂面には、キャビティ９が形成されている。なお、このエンジンは、ピストンが鉛直方向に往復動するものである。

ところで、エンジンの熱効率は、理論的に幾何学的圧縮比を高めるほど、また、作動ガスの空気過剰率を大きくするほど、高くなることが知られている。しかし、実際には、圧縮比を大きくするほど、また、空気過剰率を大きくするほど、冷却損失が大きくなるため、圧縮比及び空気過剰率の増大による熱効率の改善は頭打ちになる。

すなわち、冷却損失は、作動ガスからエンジン燃焼室壁への熱伝達率、その伝熱面積、及びガス温と壁温との温度差に依存する。このため、エンジン燃焼室を構成するエンジン部品の表面には、エンジン部品の金属製母材よりも熱伝導率が低い材料からなる断熱層が形成された断熱構造が採用される。さらに、上記の通り、キャビティ９の周縁部の近傍では、ピストン１が圧縮上死点（ＴＤＣ）を過ぎて下降を始める際に逆スキッシュ流が発生して、これにより、冷却損失が増大するため、本実施形態では、特に、そのような逆スキッシュ流に起因する冷却損失を抑制するための断熱層が設けられた断熱構造を採用している。

＜断熱構造＞
そこで、次に、本実施形態に係るエンジンの燃焼室構造について、図２〜図４を参照しながら説明する。図２は、本実施形態に係るエンジンの燃焼室の天井面の断熱構造を示す平面図である。図３は、実施形態に係るエンジンの燃焼室の断熱構造を示す図２のIII−III線における断面図である。図４は、本発明の実施形態に係るエンジンの燃焼室の断熱構造を示す図２のIV−IV線における断面図である。なお、図２〜図４では、図の簡略化のために燃料噴射弁８を省略している。

図２〜図４に示すように、本実施形態のエンジンの燃焼室構造では、燃焼室の底面を構成するピストン１の頂面並びにキャビティ９の底面及び壁面と、燃焼室の天井面を構成するシリンダヘッド３の下面（ピストン１の頂面に対向するシリンダヘッド３の面）、並びに吸気弁４及び排気弁６のバルブヘッド面とに断熱層１０ａが設けられている。また、特に、シリンダヘッド３の下面並びに吸気弁４及び排気弁６のバルブヘッド面における、キャビティ９の周縁部、具体的にはキャビティ９の開口縁を形成するようにピストン１の頂面部において内方へ突出する環状のリップ部１１に対応する部位は、シリンダヘッド３、吸気弁４及び排気弁６における他の部位に形成された断熱層１０ａよりも断熱性が高い断熱層１０ｂ（以下、高断熱層という。）がリップ部１１に対応して環状に形成されている。ここで、図３及び図４に示すように、断熱層１０ｂは、リップ部１１に対応する部位だけでなく、さらにリップ部１１の周辺部に対応する部位に形成されていてもよい。

通常、高断熱層１０ｂが形成される上記の部位では、上記の通り、ピストン１が圧縮上死点（ＴＤＣ）を過ぎて下降を始める際に流速が高い逆スキッシュ流が発生するため、この部位におけるエンジン部品への熱伝達が促進される。本実施形態では、その領域に高断熱層１０ｂが設けられていることにより、上記の逆スキッシュ流による熱伝達を抑制することができるため、冷却損失を低減することが可能となる。

ここで、本実施形態の変形例について図５及び図６を参照しながら説明する。なお、図５及び図６は、それぞれ図３及び図４と同一の断面を示している。

本実施形態の変形例として、図５及び図６に示すように、キャビティ９の周縁部、具体的にはキャビティ９の開口縁を形成するようにピストン１の頂面部において内方へ突出する環状のリップ部１１にも高断熱層１０ｂを形成してもよい。言い換えると、シリンダヘッド３、吸気弁４及び排気弁６に設けられた高断熱層１０ｂに対応するピストン１の部位に高断熱層１０ｂを形成してもよい。

このようにすると、上記の逆スキッシュ流によるピストン側への熱伝達をも抑制できるため、冷却損失をより低減することが可能となる。

なお、図５及び図６に示すように、断熱層１０ｂは、リップ部１１だけでなく、さらにリップ部１１の周辺部に形成されていてもよい。

また、高断熱層１０ｂは、吸気弁４及び排気弁６のバルブヘッド面の全面に設けられていてもよい。このようにすると、吸気弁４及び排気弁６における高断熱層１０ｂの形成工程が簡便となり、さらに、燃焼室における冷却損失をより低減できる。

なお、本実施形態において、流速が高い逆スキッシュ流が生じる上記の部位の断熱性を他の部位よりも高くするために、高断熱層１０ｂが形成されていれば、他の部位に断熱層１０ａが形成されていなくてもよい。但し、エンジン燃焼室における冷却損失の低減の観点から、他の部位に断熱層１０ａが形成されていることが好ましい。

本実施形態における高断熱層１０ｂは、他の断熱層１０ａよりも断熱性が高いが、他の断熱層１０ａよりも断熱性を高くするために、例えば、他の断熱層１０ａよりも熱伝導率が低い材料から形成されていてもよく、他の断熱層１０ａよりも厚く形成されていてもよい。

高断熱層１０ｂは、熱伝導率を低減するために、無機酸化物粒子を含むことでき、例えば、ジルコニア、シリカ又はアルミナ等の無機酸化物粒子を含むことが好ましい。さらに、熱伝導率を低減するために、上記の無機酸化物からなる中空状粒子を用いることができる。具体的に、中空状粒子としては、アルミナバブル、フライアッシュバルーン、シラスバルーン、シリカバルーン、エアロゲルバルーン等のセラミック系中空粒子、その他の無機系中空粒子を用いることができる。なお、各々の材質及び粒径は表１の通りである。

例えば、フライアッシュの化学組成は、ＳｉＯ_２；４０．１〜７４．４％、Ａｌ_２Ｏ_３；１５．７〜３５．２％、Ｆｅ_２Ｏ_３；１．４〜１７．５％、ＭｇＯ；０．２〜７．４％、ＣａＯ；０．３〜１０．１％（以上は質量％）である。シラスバルーンの化学組成は、ＳｉＯ_２；７５〜７７％、Ａｌ_２Ｏ_３；１２〜１４％、Ｆｅ_２Ｏ_３；１〜２％、Ｎａ_２Ｏ；３〜４％、Ｋ_２Ｏ；２〜４％、IgLoss；２〜５％（以上は質量％）である。

次に、上記高断熱層１０ｂと断熱層１０ａとを形成する方法について説明する。まず、高断熱層１０ｂが断熱層１０ａよりも熱伝導率が低い材料からなる場合、すなわち、それぞれの材料が異なる場合について図７を参照しながら説明する。

この場合、図７（ａ）に示すように、例えばシリンダヘッド３の下面（図７では上側に示す）において、予め高断熱層１０ｂを形成する部位に樹脂等からなるマスク層１２を形成しておく。

次に、図７（ｂ）に示すように、例えば溶射法により断熱層１０ａの材料をシリンダヘッド３の下面に溶射することにより、マスク層１２が形成されておらず露出したシリンダヘッド３の下面に断熱層１０ａを形成する。このときマスク層１２が形成された部位には、マスク層１２の上に断熱層１０ａの材料が堆積する。

次に、図７（ｃ）に示すように、マスク層１２とその上に形成された断熱層１０ａの材料とをエッチング法等により除去する。これにより、後に高断熱層１０ｂを形成する部位以外の部位に断熱層１０ａを設けることができる。

次に、図７（ｄ）に示すように、形成された断熱層１０ａの上に、上記と同様にマスク層１２を形成する。

次に、図７（ｅ）に示すように、高断熱層１０ｂの材料をシリンダヘッド３の下面に溶射することにより、マスク層１２が形成されておらず露出したシリンダヘッド３の下面に高断熱層１０ｂを形成する。このときマスク層１２が形成された部位には、マスク層１２の上に高断熱層１０ｂの材料が堆積する。

次に、図７（ｆ）に示すように、マスク層１２とその上に形成された断熱層１０ｂの材料とをエッチング法等により除去する。これにより、シリンダヘッド３の下面の上記の各部位に高断熱層１０ｂと断熱層１０ａとを形成することができる。

次に、高断熱層１０ｂがその他の断熱層１０ａと材料が同一で、厚さが異なる場合におけるそれぞれの形成方法について図８を参照しながら説明する。

この場合、図８（ａ）に示すように、例えばシリンダヘッド３の下面（図８では上側に示す）において、予め高断熱層１０ｂを形成する部位に窪部１３を形成し、断熱層１０ａを形成する部位にマスク層１２を形成しておく。

次に、図８（ｂ）に示すように、断熱材１０ｃをシリンダヘッド３の下面に対して、窪部１３が埋まり且つ断熱材１０ｃがシリンダヘッド３の下面と面一になるまで溶射する。

次に、図８（ｃ）に示すように、マスク層１２をエッチング法等により除去する。

次に、図８（ｄ）に示すように、シリンダヘッド３の下面に均一に断熱材１０ｃを溶射することによって、高断熱層１０ｂを断熱層１０ａよりも厚く形成することができる。

上記方法の他に、厚さが異なる高断熱層１０ｂ及び断熱層１０ａを形成する方法について図９を参照しながら説明する。

まず、図９（ａ）に示すように、予め高断熱層１０ｂを形成する部位のシリンダヘッド３の下面（図９では上側に示す）に窪部１３を形成しておく。

次に、図９（ｂ）に示すように、シリンダヘッド３の下面に均一に断熱材１０ｃを溶射する。このとき、断熱材１０ｃの表面は、窪部１３に対応して、凹部が形成される。

次に、図９（ｃ）に示すように、断熱材１０ｃの表面を研磨等をして、表面を平坦にすることにより、高断熱層１０ｂを断熱層１０ａよりも厚く形成することができる。

これらの方法を用いることにより、高断熱層１０ｂ及び断熱層１０ａをシリンダヘッド３等のエンジン部品の所望の部位にそれぞれ形成することができる。

本実施形態では、ピストン１のキャビティ９の開口縁を形成するようにピストン１の頂面部において内方へ突出する環状のリップ部１１が形成されているが、キャビティ９の開口縁は、このような形状でなくてもよい。例えば、ピストン１の頂面とキャビティ９の側壁面とは、略垂直であってもよく、９０°以上の緩やかな角度であってもよい。このとき、高断熱層１０ｂは、キャビティ９の周縁部、具体的に、ピストン１の頂面からキャビティ９の壁面に臨む部分及びその周辺部と対向するシリンダヘッド３の領域に形成される。

但し、その角度が９０°よりも過剰に大きいと、上述の通り、ピストン１がＴＤＣに向かう際に生じる順方向のスキッシュ流の流速を低減することとなるため、キャビティ内における燃料と空気との混合が十分になされず、燃費の悪化をし、排気エミッションが増加することとなる。このため、上記のようなリップ部１１を形成する方が好ましい。

１ピストン
２シリンダブロック
３シリンダヘッド
４吸気バルブ
５吸気ポート
６排気バルブ
７排気ポート
８燃料噴射弁
９キャビティ
１０ａ断熱層
１０ｂ高断熱層
１０ｃ断熱材
１１リップ部
１２マスク層
１３窪部

Claims

ピストンの頂面にキャビティが形成されているエンジンの燃焼室構造であって、
前記ピストンの頂面に対向するシリンダヘッドの面、並びに吸気弁及び排気弁のそれぞれのバルブヘッド面における、前記ピストンのキャビティの開口縁を形成するリップ部に対応する部位には、前記シリンダヘッドの面、並びに前記吸気弁及び排気弁のそれぞれのバルブヘッド面における他の部位に形成された断熱層よりも断熱性が高い高断熱層が、前記ピストンの往復動方向の軸線上で一致するように前記リップ部に対向して環状に形成されており、
前記高断熱層は、無機酸化物の中空状粒子を含む
ことを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
前記リップ部にも、前記高断熱層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃焼室構造。
前記吸気弁及び排気弁のそれぞれのバルブヘッド面には、前記リップ部に対応する部位に加えてさらにその全面に前記高断熱層が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの燃焼室構造。