JP4983488B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に関し、特に、その排気通路構造に関する。

内燃機関の排気通路における熱損失を低減して排気温度の上昇を図るための技術が下記特許文献１，２に開示されている。特許文献１においては、排気管を、排気ガスの流れる内管と、所定の空隙を隔てて内管の外周を覆う外管とを含む２重管構造とし、内管と外管との間の空気層を断熱層として機能させることで、排気管（内管）内を流れる排気ガスの熱エネルギーが外部へ放出されるのを抑制して排気温度の上昇を図っている。

特許文献２においては、単一セラミックスもしくは中空セラミックスによる断熱膜を排気管の内壁面に形成することで、排気管内を流れる排気ガスの熱エネルギーが外部へ放出されるのを抑制して排気温度の上昇を図っている。

特開２００３−２８６８４１号公報 特開昭５９−１２１１６号公報

内燃機関の排気通路における熱損失は、シリンダ内への開口部の直後にて主に生じる。このことは、以下に説明する本願発明者の解析により明らかになった。この理由としては、図４に示すように、シリンダ１１内から開口部１５ｂを通って排気通路１５内に流入する高温且つ高速のガス流が開口部直上に位置する排気通路１５の内壁面１５ｄに衝突するために温度境界層が薄くなること、ならびに開口部直後であるためにガスが高温に保たれており、排気管との温度差が大きいことが挙げられる。そのため、図５に示すように、高温且つ高速のガス流が衝突する開口部直上の内壁面１５ｄにて熱流束が最も大きくなり、開口部直上の内壁面１５ｄにて排気管に与えられる熱が管を伝わって放熱される結果、熱損失が増大する。ここで、図４は、排気弁１７が開いた直後における排気通路１５を流れる燃焼ガス（燃焼後の排ガス）の速度分布を計算した結果を示し、排気弁１７の付近をその軸線方向に沿って流れる燃焼ガスの速度が最も高くなっている。そして、図５は、排気弁１７が開いた直後における排気通路１５の内壁面１５ｄの熱流束分布を計算した結果を示す。排気通路１５における熱損失を低減するためには、開口部直上の内壁面１５ｄにおける熱流束を低減することが望ましい。

特許文献１では、内管と外管による２重管構造により排気通路における熱損失の低減を図っているが、内管内を流れる燃焼ガスから内管の内壁面へ熱が伝わることで、内管と外管との間には大きな温度差が生じる。その結果、内管の熱膨張により内管と外管との接続部分に応力がかかって亀裂が生じやすくなり、耐久性の低下を招きやすくなる。

また、特許文献２では、排気管の内壁面に形成した断熱膜により排気通路における熱損失の低減を図っているが、排気管内を流れる燃焼ガスから内壁面上の断熱膜へ熱が伝わり、熱負荷の変化に対して断熱膜が剥がれやすくなる等、耐久性の低下を招きやすくなる。

本発明は、排気通路内を流れる燃焼ガスから排気通路の内壁面へ伝わる熱量を抑制することができ、排気通路における熱損失を低減することができる内燃機関を提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る内燃機関は、排気弁が開いているときにシリンダ内の燃焼ガスが排気通路内へ排出される内燃機関であって、排気通路においては、その軸線方向がシリンダ内への開口面の法線方向に対して傾斜しており、排気通路内には、前記開口面を通って流入する燃焼ガスが排気通路の内壁面に衝突するのを遮るとともに、該燃焼ガスの流れ方向を前記軸線方向へ向けて変化させるための遮蔽部材が設けられており、遮蔽部材は、燃焼ガスの衝突する面が排気通路の軸線方向まわりの周方向において凹曲面状に湾曲し、且つ燃焼ガスの衝突する面が燃焼ガス流れの上流側から下流側にかけて凹曲面状に湾曲している板状の部材であり、遮蔽部材は、排気弁を摺動可能に支持するバルブガイドに接合された状態、またはバルブガイドと一体で成型された状態で、排気通路の内壁面と間隔を空けて該内壁面から浮かせてバルブガイドに固定されていることを要旨とする。

本発明の一態様では、遮蔽部材の熱伝導率が、排気通路の内壁面を形成する材料の熱伝導率よりも低いことが好適である。また、本発明の一態様では、遮蔽部材は、排気通路内を流れる燃焼ガスに対する耐熱性を有することが好適である。

本発明の一態様では、排気通路を形成する排気管は、燃焼ガスの流れる内管と、内管の外周を覆う外管とを含み、内管と外管との間には、空隙が形成されている、もしくは真空に保たれた空隙が形成されている、または断熱材が設けられていることが好適である。また、本発明の一態様では、排気通路の内壁面に断熱膜が形成されていることが好適である。

本発明によれば、シリンダ内から開口面を通って排気通路内に流入した燃焼ガスが排気通路の内壁面に衝突するのを遮ることができるとともに、流入した燃焼ガスの流れ方向を排気通路の軸線方向へ向けて変化させることができる。その結果、排気通路内を流れる燃焼ガスから排気通路の内壁面へ伝わる熱量を抑制することができ、排気通路における熱損失を低減することができる。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１，２は、本発明の実施形態に係る内燃機関１の概略構成を示す図であり、図１はシリンダ１１の軸線方向と直交する方向から見た内部構成の概略を示し、図２は排気通路１５の拡大図を示す。内燃機関（エンジン）１は、シリンダブロック９及びシリンダヘッド１０を備え、シリンダブロック９及びシリンダヘッド１０によりシリンダ１１を形成する。シリンダ１１内には、その軸線方向に往復運動するピストン１２が収容されている。シリンダヘッド１０には、シリンダ１１内に連通する管路状の吸気通路１４及び排気通路１５が形成されている。さらに、吸気通路１４とシリンダ１１内との境界を開閉する吸気弁１６、及び排気通路１５とシリンダ１１内との境界を開閉する排気弁１７が設けられている。吸気弁１６は、その軸線方向に沿って摺動可能にバルブガイド２６に支持されており、吸気通路１４内を通ってシリンダ１１内との境界（シリンダ１１内への開口面）まで延びている。同様に、排気弁１７はその軸線方向に沿って摺動可能にバルブガイド２７に支持されており、排気通路１５内を通ってシリンダ１１内との境界（シリンダ１１内への開口面１５ｂ）まで延びている。なお、図１，２は、排気弁１７が開いている状態を示している。

図１では、シリンダ１１内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁１８がシリンダヘッド１０に配設された例を示しているが、本実施形態に係る内燃機関１は、ディーゼルエンジン等の圧縮自着火式内燃機関であってもよいし、ガソリンエンジン等の火花点火式内燃機関であってもよい。圧縮自着火式内燃機関の場合は、例えばピストン１２が圧縮上死点付近に位置するときに燃料噴射弁１８からシリンダ１１内に燃料を噴射することで、シリンダ１１内の燃料が自着火して燃焼する。火花点火式内燃機関の場合は、点火時期にて点火栓の火花放電によりシリンダ１１内の混合気に点火することで、シリンダ１１内の混合気を火炎伝播燃焼させる。シリンダ１１内の燃焼ガス（燃焼後の排ガス）は、排気行程にて排気弁１７が開いているときに排気通路１５内へ排出される。

排気通路１５においては、図１，２に示すように、その軸線１５ａの方向（以下軸線方向とする）がシリンダ１１内への開口面１５ｂの法線１５ｃの方向（以下法線方向とする）に対して傾斜している。ここでは、開口面１５ｂの法線方向が、排気弁１７の軸線方向（排気弁１７の摺動方向）と一致している。さらに、排気通路１５においては、開口面１５ｂの法線方向に対する軸線方向の傾斜角度が、燃焼ガス流れの上流側（開口面１５ｂ）から下流側へ向かうにつれて増大しており、軸線１５ａが湾曲している。

本実施形態では、排気通路１５内に遮蔽板２０が設けられている。ここでの遮蔽板２０は、図１，２に示すように、排気通路１５の内壁面１５ｄと間隔を空けた状態でバルブガイド２７の下部に固定されており、排気弁１７の付近に配置されている。ここでは、遮蔽板２０をバルブガイド２７に接合することも可能であるし、遮蔽板２０をバルブガイド２７と一体で成型することも可能である。そして、遮蔽板２０は、法線方向において開口面１５ｂと対向する位置（開口面直上の位置）に配置されており、排気通路１５の内壁面１５ｄ（法線方向において開口面１５ｂと対向する開口面直上の部分）を遮蔽する。シリンダ１１内から開口面１５ｂを通って排気通路１５内に流入する燃焼ガスが遮蔽板２０に衝突することで、排気通路１５内に流入する燃焼ガスが内壁面１５ｄ（法線方向において開口面１５ｂと対向する開口面直上の部分）に直接衝突するのを遮ることができる。さらに、図２の矢印に示すように、開口面１５ｂを通って排気通路１５内に流入した燃焼ガスは、遮蔽板２０に衝突して反射することで、その流れ方向が排気通路１５の軸線方向へ向けて変化する。このように、遮蔽板２０は、排気通路１５内に流入した燃焼ガスが排気通路１５の内壁面１５ｄに衝突するのを抑制し、燃焼ガスの流れ方向を排気通路１５の軸線方向（排気通路１５の出口方向）へ向けて整流するために設けられている。以下、遮蔽板２０の好適な構成例について説明する。

遮蔽板２０については、図３に示すように、燃焼ガスの衝突する面（以下衝突面とする）２０ａが、排気通路１５の軸線方向まわりの周方向において凹曲面状に湾曲している。ここで、図３は、図２のＡ−Ａ断面で切断した（燃焼ガス流れの上流側から見た）排気通路１５の断面図を示す。図３に示す例では、周方向に関する遮蔽板２０（衝突面２０ａ）の曲率が、周方向に関する内壁面１５ｄの曲率よりも若干大きく、遮蔽板２０が開口面直上の内壁面１５ｄを周方向においてほぼ１８０°の範囲で遮蔽している。ここで、図６に示すように遮蔽板２０が平板（衝突面２０ａが平面）である場合を考えると、遮蔽板２０（衝突面２０ａ）に衝突した後の燃焼ガスの一部は、図６の矢印に示すように排気通路１５の半径方向外側へと広がることで排気通路１５の内壁面１５ｄへ向かう流れとなる。その結果、燃焼ガスの内壁面１５ｄへの衝突を抑制する作用が弱まる。これに対して図３に示すように遮蔽板２０（衝突面２０ａ）を周方向において凹曲面状に湾曲させることで、図７の矢印に示すように遮蔽板２０（衝突面２０ａ）に衝突した後の燃焼ガスが半径方向外側へ広がるのを抑止することができ、遮蔽板２０への衝突後の燃焼ガス流れを排気通路１５の出口方向へ向ける作用を促進させることができる。その結果、燃焼ガスの内壁面１５ｄへの衝突を抑制する作用を促進させることができる。なお、周方向に関する遮蔽板２０（衝突面２０ａ）の曲率については、周方向に関する内壁面１５ｄの曲率とほぼ等しくすることも可能であるし、周方向に関する内壁面１５ｄの曲率よりも若干小さくすることも可能である。また、遮蔽板２０が開口面直上の内壁面１５ｄを遮蔽する範囲についても、例えば周方向において１２０°〜１８０°程度の範囲とすることも可能である。

また、遮蔽板２０の衝突面２０ａは、図１，２に示すように、燃焼ガス流れの上流側から下流側にかけて凹曲面状に湾曲している。この衝突面２０ａの形状により、遮蔽板２０（衝突面２０ａ）に衝突した後の燃焼ガスの流れ方向を排気通路１５の出口方向（排気通路１５の軸線方向）へ向けて整流する作用を促進させることができ、燃焼ガスの内壁面１５ｄへの衝突を抑制する作用を促進させることができる。なお、図１，２は、燃焼ガス流れの上流側から下流側にかけての遮蔽板２０（衝突面２０ａ）の曲率が、燃焼ガス流れの上流側から下流側にかけての内壁面１５ｄの曲率よりも若干大きく設定された例を示している。ただし、上流側から下流側にかけての衝突面２０ａの曲率については、衝突面２０ａに衝突した後の燃焼ガスが上流側（開口面１５ｂ側）へ向けて逆流しない程度の大きさに設定することが好ましい。また、上流側から下流側にかけての遮蔽板２０（衝突面２０ａ）の曲率については、上流側から下流側にかけての内壁面１５ｄの曲率とほぼ等しくすることも可能であるし、上流側から下流側にかけての内壁面１５ｄの曲率よりも若干小さくすることも可能である。

また、遮蔽板２０は排気通路１５内を流れる燃焼ガスに晒されるため、遮蔽板２０を構成する材料は、排気通路１５内を流れる燃焼ガスに対する耐熱性を有する耐熱材料であることが好ましく、例えば１６００［Ｋ］以上の耐熱温度を有することが好ましい。また、燃焼ガスから遮蔽板２０に伝わる熱量が遮蔽板２０の固定部分（図１，２に示す例ではバルブガイド２７）を通して伝達することを抑制するために、遮蔽板２０を構成する材料は、低い熱伝導率を有する断熱材料であることが好ましく、少なくとも、遮蔽板２０を構成する材料の熱伝導率が排気通路１５の内壁面１５ｄを形成する材料（例えば鋳鉄やアルミニウム合金等のシリンダヘッド材料、あるいは後述する２重管構造の場合にはステンレス）の熱伝導率よりも低いことが好ましい。これらの点を考慮すると、遮蔽板２０の材料として、例えばジルコニア（ＺｒＯ₂）等のセラミックスを挙げることができる。ジルコニアにおいては、熱伝導率は３．０［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度であり、耐熱温度は３０００［Ｋ］程度である。ただし、その他にも、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃、熱伝導率は３２［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度）、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄、熱伝導率は２０［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度）、チタニア（ＴｉＯ₂、熱伝導率は８．４［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度）等の材料を遮蔽板２０に用いることもできる。

排気弁１７が開くと、シリンダ１１内の燃焼ガスが開口面１５ｂを通って排気通路１５内に流入する。図４の速度分布の計算結果に示すように、開口面１５ｂを通って排気通路１５内に流入する燃焼ガスの主流方向は、開口面１５ｂの法線方向にほぼ一致している。ここで、排気通路１５内に遮蔽板２０が設けられていない場合を考えると、排気通路１５の軸線方向はこの燃焼ガスの主流方向に対して傾斜しているため、排気通路１５内に流入した高温且つ高速の燃焼ガスは、図４に示すように、排気通路１５の内壁面１５ｄ（法線方向において開口面１５ｂと対向する開口面直上の部分）に衝突する。そのため、図５の熱流束分布の計算結果に示すように、燃焼ガスが衝突する開口面直上の内壁面１５ｄにて熱流束が最も大きくなる。排気通路１５における熱損失を低減するためには、開口面直上の内壁面１５ｄにおける熱流束を低減することが望ましい。

これに対して本実施形態では、開口面１５ｂの法線方向にほぼ沿って排気通路１５内に流入した燃焼ガスが開口面直上の遮蔽板２０に衝突することで、燃焼ガスが開口面直上の内壁面１５ｄに直接衝突するのが遮られる。さらに、排気通路１５の軸線方向に対して傾斜していた燃焼ガスの流れ方向が、遮蔽板２０への衝突により排気通路１５の軸線方向へ向けて変化するため、排気通路１５内の燃焼ガス流れが、内壁面１５ｄに衝突せずに排気通路１５の出口方向へ向けて整流化される。したがって、排気通路１５内に流入した燃焼ガスが開口面直上の部分等の内壁面１５ｄに衝突するのを抑止することができ、開口面直上の部分等の内壁面１５ｄにおける熱流束を低減することができる。その結果、排気通路１５内を流れる燃焼ガスから内壁面１５ｄへ伝わる熱量を抑制することができ、排気通路１５における熱損失を低減することができる。したがって、排気温度を上昇させることができる。例えば、２．２Ｌ程度の過給ディーゼルエンジンを対象とした解析によると、燃費最良点で排気温度を最大１５℃程度上昇させることができる。排気温度を上昇させることができると、例えばターボチャージャーによる過給エンジンにおいては、排気エネルギーのさらなる有効利用を図ることができ、燃費を向上させることができる。さらに、排気エネルギーの有効利用により過給圧を上昇させることができれば、燃焼による窒素酸化物（ＮＯｘ）排出量減少につながり、その結果、ディーゼルエンジンやリーンブーストガソリンエンジンにおいては、ポスト噴射を削減できるために燃費向上にもつながる。さらに、排気温度を上昇させることができると、特に低負荷時の後処理システム中の触媒の活性を高めることにつながり、排気エミッションの低減も可能となる。

さらに、本実施形態では、遮蔽板２０（衝突面２０ａ）を周方向において凹曲面状に湾曲させることで、燃焼ガスの内壁面１５ｄへの衝突を抑制する作用を促進させることができる。また、燃焼ガス流れの上流側から下流側にかけて遮蔽板２０（衝突面２０ａ）を凹曲面状に湾曲させることによっても、燃焼ガスの内壁面１５ｄへの衝突を抑制する作用を促進させることができる。

また、本実施形態では、遮蔽板２０は、排気通路１５の内壁面１５ｄからは浮かせて配置されているため、遮蔽板２０から内壁面１５ｄに直接熱が伝わるのを抑止することができ、遮蔽板２０に蓄積された熱量については、排気通路１５内を流れる燃焼ガスへ再び戻すことができる。そして、遮蔽板２０は、排気通路１５の内壁面１５ｄと比べて表面積が限られるため、排気通路１５内を流れる燃焼ガスの温度と同等まで加熱されれば、それ以上燃焼ガスから熱を吸収することなく、排気通路１５内に流入した燃焼ガスが内壁面１５ｄに衝突するのを抑制することができる。

次に、本実施形態の他の構成例について説明する。

本実施形態では、例えば図８に示すように、遮蔽板２０を排気弁１７に固定することもできる。図８に示す例では、遮蔽板２０は、排気弁１７のステム部１７ａに固定されている。また、本実施形態では、例えば図９に示すように、排気通路１５の内壁面１５ｄに複数の柱状の断熱部材（立設部材）２２を燃焼ガス流れ方向において間隔を空けて立設し、遮蔽板２０を各柱状の断熱部材２２に固定することもできる。ここでの断熱部材２２の材料としては、遮蔽板２０の材料と同様に、例えばジルコニア、アルミナ、窒化珪素、チタニア等のセラミックスを挙げることができる。これらの構成例によっても、遮蔽板２０から内壁面１５ｄに直接熱が伝わるのを抑止することができる。図９に示す構成例においては、遮蔽板２０と排気通路１５の内壁面１５ｄとを繋ぐ立設部材２２の熱伝導率を内壁面１５ｄより下げることも同様の効果がある。

また、本実施形態では、例えば図１０に示すように、排気通路１５を形成する排気管２５を、燃焼ガスの流れる内管２５ａと、内管２５ａの外周を覆う外管２５ｂとを含む２重管構造とすることもできる。内管２５ａと外管２５ｂとの間には空隙（空気層）２５ｃが形成されており、この空隙２５ｃが断熱層として機能する。ただし、内管２５ａと外管２５ｂとの間には、空隙２５ｃの代わりに断熱材を設けることもできる。ここでの断熱材としては、例えばジルコニア、アルミナ、窒化珪素、チタニア等のセラミックスを用いることができる。また、内管２５ａと外管２５ｂとの間の空隙２５ｃを真空に保つ構造とすることも有効である。

また、本実施形態では、例えば図１１に示すように、排気通路１５の内壁面１５ｄに断熱膜３０を形成することもできる。ここでの断熱膜３０の材料についても、遮蔽板２０の材料と同様に、例えばジルコニア、アルミナ、窒化珪素、チタニア等のセラミックスを挙げることができる。

図１０，１１の構成例に示すように、遮蔽板２０を２重管構造の排気管２５や断熱膜３０と組み合わせることで、排気通路１５における熱損失をさらに低減することができ、排気温度をさらに上昇させることができる。なお、図１０，１１に示す構成例では、遮蔽板２０があるために、内管２５ａの耐久性や断熱膜３０の耐久性等の問題点は緩和される。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態に係る内燃機関の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る内燃機関の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る内燃機関の概略構成を示す図である。 排気弁が開いた直後における排気通路を流れる燃焼ガスの速度分布を計算した結果を示す図である。 排気弁が開いた直後における排気通路の内壁面の熱流束分布を計算した結果を示す図である。 遮蔽板が平板形状である場合の燃焼ガス流れを説明する図である。 排気通路の周方向において遮蔽板を凹曲面状に湾曲させた場合の燃焼ガス流れを説明する図である。 本発明の実施形態に係る内燃機関の他の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る内燃機関の他の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る内燃機関の他の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る内燃機関の他の概略構成を示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関、９ シリンダブロック、１０ シリンダヘッド、１１ シリンダ、１２ ピストン、１４ 吸気通路、１５ 排気通路、１５ｂ 開口面、１５ｄ 内壁面、１６ 吸気弁、１７ 排気弁、１８ 燃料噴射弁、２０ 遮蔽板、２０ａ 衝突面、２６，２７ バルブガイド。

Claims (5)

1. 排気弁が開いているときにシリンダ内の燃焼ガスが排気通路内へ排出される内燃機関であって、
   排気通路においては、その軸線方向がシリンダ内への開口面の法線方向に対して傾斜しており、
   排気通路内には、前記開口面を通って流入する燃焼ガスが排気通路の内壁面に衝突するのを遮るとともに、該燃焼ガスの流れ方向を前記軸線方向へ向けて変化させるための遮蔽部材が設けられており、
   遮蔽部材は、燃焼ガスの衝突する面が排気通路の軸線方向まわりの周方向において凹曲面状に湾曲し、且つ燃焼ガスの衝突する面が燃焼ガス流れの上流側から下流側にかけて凹曲面状に湾曲している板状の部材であり、
   遮蔽部材は、排気弁を摺動可能に支持するバルブガイドに接合された状態、またはバルブガイドと一体で成型された状態で、排気通路の内壁面と間隔を空けて該内壁面から浮かせてバルブガイドに固定されている、内燃機関。
2. 請求項１に記載の内燃機関であって、
   遮蔽部材の熱伝導率が、排気通路の内壁面を形成する材料の熱伝導率よりも低い、内燃機関。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関であって、
   遮蔽部材は、排気通路内を流れる燃焼ガスに対する耐熱性を有する、内燃機関。
4. 請求項１〜３のいずれか１に記載の内燃機関であって、
   排気通路を形成する排気管は、燃焼ガスの流れる内管と、内管の外周を覆う外管とを含み、
   内管と外管との間には、空隙が形成されている、もしくは真空に保たれた空隙が形成されている、または断熱材が設けられている、内燃機関。
5. 請求項１〜４のいずれか１に記載の内燃機関であって、
   排気通路の内壁面に断熱膜が形成されている、内燃機関。