JP4748078B2 - Internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、ピストンが往復運動するシリンダ内に燃料を噴射する内燃機関に関し、特に、その冷却に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine that injects fuel into a cylinder in which a piston reciprocates, and more particularly to cooling thereof.
一般的な内燃機関の冷却構造においては、シリンダヘッド内部とシリンダブロック内部とに冷却水が流れる水ジャケットを形成し、ピストンに冷却用のオイルが流れるクーリングチャンネルを形成している。下記非特許文献1によると、燃焼によって生じてピストンに伝わった熱のうち過半数の熱は、クーリングチャンネルを通過するオイルに伝わり、クーリングチャンネル出口よりピストン外へ放出される。ピストンに伝わった残りの熱は、ピストンリングやピストンスカートを通じてシリンダライナに伝わり、水ジャケット内を流れる冷却水へ放出される。また、燃焼によって生じてシリンダヘッド下面に伝わった熱は、シリンダヘッド内部の水ジャケット内を流れる冷却水へ放出される。冷却水に放出された熱は、ラジエータによって大気中へ放出される。オイルに伝わった熱もオイルパンやオイルクーラーを通じて大気中へ放出される。 In a general internal combustion engine cooling structure, a water jacket through which cooling water flows is formed inside the cylinder head and inside the cylinder block, and a cooling channel through which cooling oil flows is formed in the piston. According to the following Non-Patent Document 1, a majority of the heat generated by combustion and transferred to the piston is transferred to the oil passing through the cooling channel and released from the cooling channel outlet to the outside of the piston. The remaining heat transferred to the piston is transferred to the cylinder liner through the piston ring and piston skirt, and released to the cooling water flowing in the water jacket. Further, the heat generated by the combustion and transmitted to the lower surface of the cylinder head is released to the cooling water flowing in the water jacket inside the cylinder head. The heat released to the cooling water is released into the atmosphere by the radiator. The heat transmitted to the oil is also released into the atmosphere through the oil pan and oil cooler.
また、冷却損失を低減するために、セラミックで燃焼室壁面をコーティングしたセラミック遮熱型の内燃機関が提案されており、その関連技術が下記非特許文献2に開示されている。 In order to reduce the cooling loss, a ceramic heat shield internal combustion engine in which the combustion chamber wall surface is coated with ceramic has been proposed, and the related technology is disclosed in Non-Patent Document 2 below.
また、燃料と水とを同一の噴射弁から燃焼室内に噴射する二種流体噴射装置をシリンダヘッドに配設した内燃機関が提案されており、その関連技術が下記特許文献1及び非特許文献3に開示されている。特許文献1においては、主に燃焼制御(NOxや煤)を抑制するために噴射される水をシリンダヘッド側から排気弁等の燃焼室壁高温部へ向けて噴射することで、燃焼室壁面の熱応力の低減を図っている。 In addition, an internal combustion engine in which a two-fluid injection device for injecting fuel and water into the combustion chamber from the same injection valve is disposed in a cylinder head has been proposed. Is disclosed. In Patent Document 1, water injected mainly to suppress combustion control (NOx and soot) is injected from the cylinder head side toward a combustion chamber wall high temperature portion such as an exhaust valve, so that the combustion chamber wall surface The thermal stress is reduced.
上述した一般的な内燃機関の冷却構造においては、燃焼によって生じる熱の約1/3程度がピストン頂面等の燃焼室壁面から冷媒を介して冷却損失として放出されており、熱効率が低い。特に、ピストン頂面については、燃焼によって生じる熱の伝達が大きくなり、熱がピストン頂面から冷媒を介して冷却損失として放出されやすい。燃焼室壁面が断熱壁であれば、この壁面への冷却損失が無く、理想的な熱効率が得られる。 In the cooling structure for a general internal combustion engine described above, about 1/3 of the heat generated by combustion is released from the combustion chamber wall surface such as the piston top surface as a cooling loss through the refrigerant, and the thermal efficiency is low. In particular, on the piston top surface, the transfer of heat generated by combustion becomes large, and heat is easily released from the piston top surface as a cooling loss through the refrigerant. If the combustion chamber wall surface is a heat insulating wall, there is no cooling loss to the wall surface, and ideal thermal efficiency can be obtained.
そこで、セラミック遮熱型の内燃機関においては、セラミック壁で断熱を図ることにより、冷却損失の低減を図っている。しかし、この場合は、セラミック壁に熱が蓄積され、燃焼室壁の温度が高温になるという欠点がある。 In view of this, in a ceramic heat insulation type internal combustion engine, cooling loss is reduced by insulating the ceramic wall. However, in this case, there is a disadvantage that heat is accumulated in the ceramic wall and the temperature of the combustion chamber wall becomes high.
また、水をシリンダヘッド側から燃焼室壁へ向けて噴射する内燃機関において、水をピストン頂面へ向けて噴射してピストン頂面を冷却しようとすると、噴射された水がピストン頂面に到達する前に高温の筒内ガス中を進む過程で、水分の多くが筒内ガスから熱を受けて蒸発する。したがって、ピストン頂面を冷却するためには、ピストン頂面に到達して冷却を行う水量に加えて、途中で蒸発して失われる水量も余分に噴射する必要がある。 Also, in an internal combustion engine that injects water from the cylinder head toward the combustion chamber wall, when water is injected toward the piston top surface to cool the piston top surface, the injected water reaches the piston top surface. In the process of proceeding through the high-temperature in-cylinder gas before starting, most of the water is evaporated by receiving heat from the in-cylinder gas. Therefore, in order to cool the piston top surface, in addition to the amount of water that reaches the piston top surface and cools, it is necessary to inject an extra amount of water that evaporates and is lost in the middle.
本発明は、冷却損失を低減することができ、熱効率を向上させることができる内燃機関を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the internal combustion engine which can reduce a cooling loss and can improve thermal efficiency.
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。 The internal combustion engine according to the present invention employs the following means in order to achieve the above-described object.
本発明に係る内燃機関は、ピストンが往復運動するシリンダ内に燃料を噴射する内燃機関であって、ピストン内部には、冷却液が供給される冷却液流路と、冷却液流路内の冷却液をピストン頂面に送り出すための冷却液送出口と、冷却液流路と冷却液送出口との連通を許容または遮断する送出調整弁と、が設けられており、冷却液流路に冷却液を供給する冷却液供給手段と、シリンダ内で燃料を燃焼させる際に、送出調整弁を駆動して冷却液流路と冷却液送出口とを連通させることで、冷却液流路内の冷却液を冷却液送出口からピストン頂面に送り出す送出調整弁駆動手段と、を備えることを要旨とする。 An internal combustion engine according to the present invention is an internal combustion engine that injects fuel into a cylinder in which a piston reciprocates, and inside the piston, a coolant flow path to which a coolant is supplied, and a cooling in the coolant flow path A coolant delivery port for delivering the liquid to the piston top surface, and a delivery adjusting valve that allows or blocks communication between the coolant flow channel and the coolant delivery port. When the fuel is burned in the cylinder, the coolant supply means for supplying the coolant is driven to connect the coolant flow path and the coolant discharge port so that the coolant in the coolant flow path is communicated. And a delivery adjusting valve driving means for delivering the gas from the coolant delivery port to the piston top surface.
本発明によれば、シリンダ内で燃料を燃焼させる際に、ピストンに設けた冷却液送出口から冷却液流路内の冷却液をピストン頂面に送り出すことで、ピストン頂面上に水膜を形成する。そして、この水膜と水膜が蒸発してできる水蒸気とを断熱層として利用して、シリンダ内の高温の燃焼ガスからピストン頂面への熱伝達を低下させることができる。したがって、ピストン頂面の温度上昇を抑制することができるとともに、ピストン頂面からの冷却損失を低減することができる。その結果、内燃機関の熱効率を向上させることができる。 According to the present invention, when the fuel is burned in the cylinder, the coolant in the coolant channel is sent to the piston top surface from the coolant delivery port provided in the piston, so that the water film is formed on the piston top surface. Form. And the heat transfer from the high-temperature combustion gas in a cylinder to the piston top surface can be reduced using this water film and the water vapor | steam which a water film evaporates as a heat insulation layer. Therefore, the temperature rise of the piston top surface can be suppressed, and the cooling loss from the piston top surface can be reduced. As a result, the thermal efficiency of the internal combustion engine can be improved.
本発明の一態様では、送出調整弁は、冷却液流路内の冷却液の圧力上昇に応じて冷却液流路と冷却液送出口との連通を許容する弁であり、送出調整弁駆動手段は、シリンダ軸線方向においてピストンと対向してシリンダヘッドに配設され、シリンダ軸線方向に沿って移動することが可能な可動部材と、シリンダ軸線方向において可動部材と対向してピストンに配設され、可動部材により押圧されることで冷却液流路内の冷却液を加圧する加圧部材と、可動部材を加圧部材側へ移動させて、可動部材により加圧部材を押圧することで、送出調整弁を駆動して冷却液流路と冷却液送出口とを連通させる可動部材駆動手段と、を含むことが好適である。これによって、ピストン内部に設けられた送出調整弁をシリンダヘッド側から駆動することができる。 In one aspect of the present invention, the delivery adjustment valve is a valve that allows communication between the coolant flow path and the coolant delivery port according to an increase in the pressure of the coolant in the coolant flow path, and a delivery adjustment valve driving means. Is disposed on the cylinder head facing the piston in the cylinder axial direction, and is movable on the piston facing the movable member in the cylinder axial direction. Pressure adjustment by pressurizing the coolant in the coolant flow path by being pressed by the movable member, and moving the movable member to the pressure member side, and pressing the pressure member by the movable member to adjust delivery It is preferable to include a movable member driving means for driving the valve to communicate the coolant flow path and the coolant delivery port. Thereby, the delivery adjusting valve provided in the piston can be driven from the cylinder head side.
本発明の一態様では、可動部材駆動手段は、可動部材を加圧部材側へ移動させる期間と可動部材の加圧部材側への移動量とのいずれか1つ以上を調整することで、冷却液送出口からの冷却液の送出期間及び送出量のいずれか1つ以上を調整することが好適である。これによって、シリンダ内の高温の燃焼ガスからピストン頂面への熱伝達を調整することができる。 In one aspect of the present invention, the movable member driving means adjusts at least one of a period during which the movable member is moved to the pressure member side and a moving amount of the movable member to the pressure member side. It is preferable to adjust at least one of the cooling liquid delivery period and the delivery amount from the liquid delivery outlet. Thereby, heat transfer from the high-temperature combustion gas in the cylinder to the piston top surface can be adjusted.
本発明の一態様では、可動部材駆動手段は、ピストンが圧縮上死点付近に位置する時期に可動部材が加圧部材を押圧するように、可動部材を加圧部材側へ移動させることが好適である。これによって、ピストンが圧縮上死点付近に位置する時期に冷却液をピストン頂面に送り出すことができる。 In one aspect of the present invention, it is preferable that the movable member driving means moves the movable member to the pressure member side so that the movable member presses the pressure member when the piston is positioned near the compression top dead center. It is. As a result, the coolant can be sent to the top surface of the piston when the piston is positioned near the compression top dead center.
本発明の一態様では、可動部材駆動手段は、クランクシャフトの回転に伴う回転運動を可動部材のシリンダ軸線方向の運動に変換するための送出用カム機構を含むことが好適である。これによって、クランクシャフトの回転を利用して送出調整弁を駆動することができる。 In one aspect of the present invention, it is preferable that the movable member driving means includes a feeding cam mechanism for converting a rotational movement accompanying the rotation of the crankshaft into a movement of the movable member in the cylinder axial direction. As a result, the delivery adjusting valve can be driven using the rotation of the crankshaft.
本発明の一態様では、可動部材は、吸気弁よりも排気弁の方が近い位置に配置されていることが好適である。 In one embodiment of the present invention, it is preferable that the movable member is disposed at a position closer to the exhaust valve than to the intake valve.
本発明の一態様では、ピストンには、冷却液流路に供給される冷却液を受け入れる冷却液受入口と、冷却液受入口を開閉する受入調整弁と、がシリンダ軸線方向においてシリンダヘッドと対向して設けられており、冷却液供給手段は、シリンダヘッド側から受入調整弁を駆動して冷却液受入口を開けて冷却液流路に冷却液を供給する手段であることが好適である。 In one aspect of the present invention, the piston has a coolant receiving port that receives the coolant supplied to the coolant channel, and a receiving adjustment valve that opens and closes the coolant receiving port facing the cylinder head in the cylinder axial direction. Preferably, the coolant supply means is a means for driving the reception adjusting valve from the cylinder head side to open the coolant reception port and supplying the coolant to the coolant flow path.
本発明の一態様では、冷却液供給手段は、シリンダ軸線方向においてピストンと対向してシリンダヘッドに配設された冷却液供給ノズルであって、冷却液を吐出する冷却液吐出口と、シリンダ軸線方向において受入調整弁と対向し且つ受入調整弁側へ移動することで冷却液吐出口を開ける吐出調整弁と、が設けられた冷却液供給ノズルと、冷却液供給ノズルをピストン側へ移動させてピストンに当接させるノズル駆動手段と、冷却液供給ノズルがピストンに当接している状態で、吐出調整弁を受入調整弁側へ移動させて、吐出調整弁により受入調整弁を駆動して冷却液受入口を開けることで、冷却液吐出口から冷却液受入口を通じて冷却液流路に冷却液を供給する吐出調整弁駆動手段と、を含むことが好適である。これによって、ピストン内部に設けられた冷却液流路に冷却液をシリンダヘッド側から供給することができる。 In one aspect of the present invention, the coolant supply means is a coolant supply nozzle disposed in the cylinder head so as to face the piston in the cylinder axial direction, and includes a coolant discharge port for discharging the coolant, and a cylinder axis. The coolant supply nozzle provided with a discharge adjustment valve that opens the coolant discharge port by moving to the reception adjustment valve side in the direction and moving the coolant supply nozzle to the piston side. With the nozzle drive means that contacts the piston and the coolant supply nozzle in contact with the piston, the discharge adjustment valve is moved to the reception adjustment valve side, and the reception adjustment valve is driven by the discharge adjustment valve to cool the coolant. It is preferable to include a discharge adjusting valve driving unit that opens the receiving port to supply the cooling liquid from the cooling liquid discharge port to the cooling liquid flow path through the cooling liquid receiving port. Thus, the coolant can be supplied from the cylinder head side to the coolant flow path provided in the piston.
本発明の一態様では、ノズル駆動手段は、ピストンが吸気上死点付近に位置する時期に冷却液供給ノズルがピストンに当接するように、冷却液供給ノズルをピストン側へ移動させることが好適である。これによって、ピストンが吸気上死点付近に位置する時期に冷却液を冷却液流路に供給することができる。 In one aspect of the present invention, it is preferable that the nozzle driving means moves the coolant supply nozzle toward the piston so that the coolant supply nozzle contacts the piston when the piston is positioned near the intake top dead center. is there. Thus, the coolant can be supplied to the coolant flow path when the piston is positioned near the intake top dead center.
本発明の一態様では、ノズル駆動手段は、クランクシャフトの回転に伴う回転運動を冷却液供給ノズルのシリンダ軸線方向の運動に変換するための供給用カム機構を含むことが好適である。これによって、クランクシャフトの回転を利用して冷却液供給ノズルをピストン側へ移動させることができる。 In one aspect of the present invention, it is preferable that the nozzle driving means includes a supply cam mechanism for converting the rotational movement accompanying the rotation of the crankshaft into the movement of the coolant supply nozzle in the cylinder axial direction. Thereby, the coolant supply nozzle can be moved to the piston side by utilizing the rotation of the crankshaft.
本発明の一態様では、冷却液供給ノズルは、排気弁よりも吸気弁の方が近い位置に配置されていることが好適である。これによって、冷却液供給ノズルが高熱に晒されるのを避けることができる。 In one aspect of the present invention, it is preferable that the coolant supply nozzle is disposed at a position closer to the intake valve than to the exhaust valve. This can avoid exposing the coolant supply nozzle to high heat.
本発明の一態様では、ピストン頂面の中央部には窪み部が形成されており、冷却液流路は窪み部の周囲に設けられていることが好適である。この態様では、冷却液送出口は、ピストン頂面における窪み部の縁部に冷却液を送り出すことで、シリンダ内の燃焼ガスからの熱伝達が大きくなる領域に水膜を形成することができる。また、この態様では、冷却液送出口は、ピストン頂面における窪み部より外側に冷却液を送り出すことによっても、シリンダ内の燃焼ガスからの熱伝達が大きくなる領域に水膜を形成することができる。 In one aspect of the present invention, it is preferable that a recess is formed in the central portion of the piston top surface, and the coolant flow path is provided around the recess. In this aspect, the coolant supply outlet can form a water film in a region where heat transfer from the combustion gas in the cylinder is increased by sending the coolant to the edge of the recess on the piston top surface. Further, in this aspect, the coolant delivery port can also form a water film in a region where heat transfer from the combustion gas in the cylinder is increased by sending the coolant outside the recess on the piston top surface. it can.
本発明の一態様では、冷却液流路内の冷却液が沸騰しているか否かを判定する沸騰判定手段を備えることが好適である。この態様では、沸騰判定手段で冷却液流路内の冷却液が沸騰していると判定された場合は、シリンダ内への燃料噴射量を減少させる、またはシリンダ内への燃料噴射を停止させることで、冷却液流路内の冷却液の温度を下げることができる。また、この態様では、沸騰判定手段で冷却液流路内の冷却液が沸騰していると判定された場合は、冷却液送出口からの冷却液の送出量を増大させることによっても、冷却液流路内の冷却液の温度を下げることができる。また、この態様では、沸騰判定手段は、冷却液供給手段から冷却液流路に冷却液が供給される際に、冷却液供給手段における冷却液の圧力変化に基づいて、冷却液流路内の冷却液が沸騰しているか否かを判定することが好適である。 In one aspect of the present invention, it is preferable to include a boiling determination unit that determines whether or not the coolant in the coolant channel is boiling. In this aspect, when it is determined by the boiling determination means that the coolant in the coolant channel is boiling, the fuel injection amount into the cylinder is decreased or the fuel injection into the cylinder is stopped. Thus, the temperature of the coolant in the coolant channel can be lowered. Further, in this aspect, when the boiling determination means determines that the coolant in the coolant channel is boiling, the coolant can also be increased by increasing the amount of coolant sent from the coolant outlet. The temperature of the coolant in the flow path can be lowered. Further, in this aspect, the boiling determination unit is configured to detect the inside of the cooling fluid channel based on the pressure change of the cooling fluid in the cooling fluid supply unit when the cooling fluid is supplied from the cooling fluid supply unit to the cooling fluid channel. It is preferable to determine whether or not the coolant is boiling.
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。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.
図1,2は、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り、本発明をディーゼルエンジン等の圧縮自着火式内燃機関に適用した場合を示す。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はシリンダ11の軸線方向上側から見た内部構成の概略を示す。内燃機関(エンジン)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、その軸線方向に沿って往復運動するピストン12が収容されている。ピストン12の頂面12a、シリンダブロック9の内壁、及びシリンダヘッド10の下面10aに囲まれた空間は、燃焼室13を形成する。シリンダヘッド10には、燃料をシリンダ11内(燃焼室13内)に直接噴射する燃料噴射弁14が燃焼室13に臨んで配設されている。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14から燃焼室13内に燃料を噴射すると、燃焼室13内の燃料が自着火して燃焼する。ここでの燃料噴射制御は、図示しない電子制御装置により行われる。また、燃焼室13に面するピストン頂面12aの中央部には、窪み部12b(ピストンキャビティ)が形成されている。図1,2は、噴孔が形成された燃料噴射弁14の先端部が燃焼室13内のほぼ中央部に臨んで配置され、燃料噴射弁14の噴孔から燃料噴霧15が窪み部12bへ向けて放射状に噴出する例を示している。
1 and 2 are diagrams showing a schematic configuration of an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention, and show a case where the present invention is applied to a compression self-ignition internal combustion engine such as a diesel engine. FIG. 1 shows an outline of an internal configuration viewed from a direction orthogonal to the axial direction of the
本実施形態では、ピストン12の内部には、冷却水(冷却液)が供給される環状の水チャンネル(冷却液流路)22が窪み部12bの周囲を取り囲んで形成されている。水チャンネル22に冷却水を供給するための構成については後述する。さらに、ピストン12の内部には、水チャンネル22内の冷却水をピストン頂面12aに送り出すための複数の冷却水送出口24と、水チャンネル22と複数の冷却水送出口24との連通を許容または遮断する送出調整弁26と、が設けられている。図1,2は、送出調整弁26として、シリンダ周方向に沿って移動可能な円環状のスライド弁が設けられた例を示している。送出調整弁(スライド弁)26には受圧プランジャ27が連結されており、受圧プランジャ27には、ばね28による付勢力と、水チャンネル22内の冷却水による押圧力と、が互いに反対方向に作用する。水チャンネル22内の冷却水の圧力が低下してばね28による付勢力が水チャンネル22内の冷却水による押圧力を上まわるときは、図3に示すように、スライド弁26がシリンダ周方向の一方側(図の反時計まわり)へ付勢されることで、水チャンネル22と冷却水送出口24との連通が遮断される。一方、水チャンネル22内の冷却水の圧力が上昇して水チャンネル22内の冷却水による押圧力がばね28による付勢力を上まわると、図2に示すように、スライド弁26がシリンダ周方向の他方側(図の時計まわり)に回転移動することで、水チャンネル22と冷却水送出口24との連通が許容される。このように、送出調整弁26は、水チャンネル22内の冷却水の圧力上昇に応じて水チャンネル22と冷却水送出口24との連通を許容し、水チャンネル22内の冷却水の圧力低下に応じて水チャンネル22と冷却水送出口24との連通を遮断する。
In the present embodiment, an annular water channel (cooling liquid flow path) 22 to which cooling water (cooling liquid) is supplied is formed in the
次に、送出調整弁26を駆動するための構成例について説明する。図4に示すように、プッシュロッド32は、シリンダ軸線方向においてピストン12と対向してシリンダヘッド10に配設されており、シリンダヘッド10に対しシリンダ軸線方向に沿って摺動可能である。プッシュロッド32には、燃焼室13内のガスの流出を防止するためのガスシールリング33が装着されている。オイル室シリンダ36は、プッシュロッド32よりシリンダ軸線方向の一方側(図4の上側)でシリンダヘッド10に固定されており、プッシュロッド32には、ばね35の弾性力によりオイル室シリンダ36側への付勢力が作用している。さらに、プッシュロッド32よりシリンダ軸線方向の一方側には、オイル室シリンダ36に対しシリンダ軸線方向に沿って摺動可能なアクチュエータ38が配設されており、アクチュエータ38には、ばね39の弾性力によりシリンダ軸線方向の一方側への付勢力が作用している。
Next, a configuration example for driving the
プッシュロッド32、アクチュエータ38、及びオイル室シリンダ36に囲まれた空間により、オイル室37が形成されている。逆止弁46は、オイル流入口36aからオイル室37へのオイルの流れを許容し、且つオイル室37からオイル流入口36aへのオイルの流れを遮断する。この逆止弁46によって、オイル室37内のオイル圧力が上昇したときにオイルの流れがせき止められる。制御弁48は、オイル室37とオイル流出口36bとの連通を許容または遮断する。制御弁48が閉じている場合は、オイル室37からオイル流出口36bへのオイルの流出が遮断され、制御弁48が開いている場合は、オイル室37からオイル流出口36bへのオイルの流出が許容される。ここでの制御弁48の開閉制御は、図示しない電子制御装置により行われる。
An
ロッカーアーム41は、アクチュエータ38に連結されており、アーム軸42まわりに揺動可能に支持されている。ローラー43はロッカーアーム41に回転自在に支持されており、送出用カム44はローラー43に当接している。送出用カム44の回転軸は図示しない排気カムの回転軸と一体であり、図示しないクランクシャフトの回転に連動して送出用カム44が回転し、クランクシャフトが2回転するのに対して送出用カム44が1回転する。送出用カム44の回転に連動して、ロッカーアーム41がアーム軸42まわりに揺動し、アクチュエータ38がシリンダ軸線方向に沿って移動する。制御弁48が閉じている場合は、オイル室37内のオイル圧力によってアクチュエータ38のシリンダ軸線方向の運動がプッシュロッド32に伝えられ、プッシュロッド32がシリンダ軸線方向に沿って移動する。このように、クランクシャフトの回転に伴う送出用カム44の回転運動がプッシュロッド32のシリンダ軸線方向の運動に変換される。
The
一方、ピストン12には、プランジャ34がシリンダ軸線方向においてプッシュロッド32と対向して配設されている。プランジャ34は、ピストン12に対しシリンダ軸線方向に沿って摺動可能である。送出用カム44の回転によりプッシュロッド32をプランジャ34側(シリンダ軸線方向の他方側、図4の下側)へ移動させて、プッシュロッド32によりプランジャ34を押圧することで、水チャンネル22内の冷却水がプランジャ34によって加圧される。水チャンネル22内の冷却水が加圧されると、送出調整弁26が駆動されて水チャンネル22と冷却水送出口24とが連通することで、水チャンネル22内の冷却水が冷却水送出口24からピストン頂面12aに送り出される。一方、プッシュロッド32がシリンダヘッド10側(シリンダ軸線方向の一方側)へ移動すると、プランジャ34による冷却水の加圧が終了し、水チャンネル22内の冷却水の圧力が低下することで、水チャンネル22と冷却水送出口24との連通が遮断され、冷却水送出口24からの冷却水の送出が停止する。このように、プッシュロッド32によりプランジャ34を押圧することで、ピストン12内部に設けられた送出調整弁26をシリンダヘッド10側から駆動することができる。さらに、クランクシャフトの回転を利用して送出調整弁26を駆動することができる。
On the other hand, a
燃焼室13内の燃料の燃焼によって生じた熱がピストン頂面12a等の燃焼室13壁面に伝わると、冷媒を介して冷却損失として放出されることで熱効率が低下する。ピストン頂面12a等の燃焼室13壁面が断熱壁であれば、この壁面への冷却損失が無く、理想的な熱効率が得られる。
When the heat generated by the combustion of the fuel in the
そこで、本実施形態では、図5〜7に示すように、シリンダ11内で燃料を燃焼させる際に、プッシュロッド32により送出調整弁26を駆動して水チャンネル22と冷却水送出口24とを連通させることで、水チャンネル22内の冷却水を冷却水送出口24からピストン頂面12a等の燃焼室13壁面に送り出す。ここでは、例えば圧縮行程終盤から、プッシュロッド32のプランジャ34側への移動が開始される。冷却水送出口24から流出した冷却水は、図6に示すように、ピストン頂面12a等の燃焼室13壁面上に水膜16を形成する。この水膜16と水膜16が蒸発してできる水蒸気層17とを断熱層として利用して、燃焼室13内の高温の燃焼ガス19から燃焼室13壁面への熱伝達を低下させることで、燃焼室13壁面からの冷却損失を低減する。また、この水蒸気層17によって燃焼温度を下げることで、窒素酸化物(NOx)の生成を抑制する。ここでの水膜16については、図8に示すように、火炎18が激しく衝突して燃焼室13壁面への熱伝達が大きくなる領域に形成することが好ましい。例えば、冷却水送出口24は、燃料噴射弁14から噴射される燃料噴霧15の延長線上を含む領域に冷却水を送り出して水膜16を形成することが好ましい。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIGS. 5 to 7, when fuel is burned in the
また、燃焼室13内の高温の燃焼ガス19は、ピストン12が下降を始めると、図7に示すように、ピストン12上部のスキッシュエリア13aへ流出する。その際に、燃焼ガス19のスキッシュエリア13aへの流出速度が極めて速くなることで流動が生じるため、ピストン頂面12aにおける窪み部12bの縁部(リップ部)12cや、ピストン頂面12aにおける窪み部12bより外側の領域(スキッシュエリア13aに面する領域)12dや、シリンダヘッド下面10aにおけるスキッシュエリア13aに面する領域10bへの熱流束が大きくなる。そのため、冷却水送出口24は、図6,7に示すように、ピストン頂面12aにおける窪み部12bの縁部12cに冷却水を送り出して水膜16を形成することが好ましい。また、冷却水送出口24は、図6,7に示すように、ピストン頂面12aにおける窪み部12bより外側の領域12dに冷却水を送り出して水膜16を形成することも好ましい。さらに、ピストン頂面12a(窪み部12bより外側の領域12d)に送り出された冷却水は、図6,7に示すように、ピストン頂面12aだけでなく、シリンダヘッド下面10a(スキッシュエリア13aに面する領域10b)にも到達して水膜16及び水蒸気層17を形成する。
Further, when the
また、シリンダ11内にスワール流を形成する内燃機関においては、図8に示すように、燃焼に伴って生じる火炎18がスワール流によってスワール下流側へ流される。そのため、冷却水送出口24は、図8に示すように、燃料噴射弁14から噴射される燃料噴霧15の延長線上よりスワール下流側の領域に冷却水を送り出して水膜16を形成することが好ましい。また、燃焼室13壁面(ピストン頂面12aやシリンダヘッド下面10a)に送り出された冷却水は、スワール流によって燃焼室13壁面に伝ってスワール下流側へ流される。そのため、冷却水送出口24は、図2,8に示すように、シリンダ径方向に対してスワール下流側に傾斜して形成されていることが好ましい。これによって、ピストン頂面12aやシリンダヘッド下面10aに水膜16及び水蒸気層17(断熱層)を形成する領域を広げることができ、燃焼室13内の高温の燃焼ガス19からピストン頂面12aやシリンダヘッド下面10aへの熱伝達をより効果的に低下させることができる。なお、シリンダ11内にスワール流を形成するための具体的構成については、公知技術を適用可能であるため、ここでは説明を省略する。
Further, in the internal combustion engine that forms a swirl flow in the
現状の水冷式の内燃機関においては、図9に示すように、高温の燃焼ガスから金属壁(燃焼室壁)へ熱が伝わり、金属壁から冷却水へ熱が伝わる。この場合の熱伝達率は、燃焼ガスと金属壁との間の熱伝達率αgよりも金属壁から冷却水への熱伝達率αwの方が大きく、言い換えれば、熱流路は、燃焼ガスと金属壁との間よりも金属壁から冷却水の方が広くなっている。そのため、熱流束、すなわち燃焼室壁面からの冷却損失は、燃焼ガスと金属壁との間の熱伝達率αgで制限されている。 In the current water-cooled internal combustion engine, as shown in FIG. 9, heat is transferred from the high-temperature combustion gas to the metal wall (combustion chamber wall), and heat is transferred from the metal wall to the cooling water. In this case, the heat transfer coefficient αw from the metal wall to the cooling water is larger than the heat transfer coefficient αg between the combustion gas and the metal wall, in other words, the heat flow path is composed of the combustion gas and the metal. The cooling water is wider from the metal wall than between the walls. Therefore, the heat flux, that is, the cooling loss from the wall surface of the combustion chamber is limited by the heat transfer coefficient αg between the combustion gas and the metal wall.
また、セラミック遮熱型の内燃機関においては、金属壁の代わりに耐熱性の高いセラミックを用いることで水冷無しの状態に耐えられ、熱が遮断される。この場合の熱流束をみると、図9に示すように、燃焼ガスとセラミック壁との間の熱伝達率αgは、素材を金属からセラミックに換えてもあまり変化しないが、セラミック壁から外側空気への熱伝達率αwが小さくなることで熱流束が制限される。しかし、この場合は、セラミック壁内に熱が蓄積されていくため、セラミック壁の温度が上昇する。そのため、セラミック壁からの受熱により吸気温度が上昇し、例えば圧縮上死点で一般的な水冷式の内燃機関より約250℃高い温度となる。高温雰囲気に噴射された燃料噴霧は着火遅れ期間が減少し、十分な予混合気を形成することなく拡散燃焼が進行する。そのため、初期熱発生率のピークが低く、等容燃焼割合が少なくなって熱効率が低下する。また、燃焼期間中のガス温度が水冷式の内燃機関に比べて大きく上昇するため、NOxが増加する。また、吸入空気が燃焼室壁面より熱を受けて膨張するため、吸気の体積効率が低下する。その結果、空気不足のため、煤排出量が増加する。このように、圧縮自着火式内燃機関においてセラミック壁により遮熱を行っても、熱効率を向上させることができず、排気エミッションも増大する。 Further, in a ceramic heat insulation type internal combustion engine, by using a highly heat-resistant ceramic instead of a metal wall, it can withstand a state without water cooling and heat is cut off. Looking at the heat flux in this case, as shown in FIG. 9, the heat transfer coefficient αg between the combustion gas and the ceramic wall does not change much even if the material is changed from metal to ceramic. The heat flux is limited by decreasing the heat transfer coefficient αw to the heat flux. However, in this case, since heat is accumulated in the ceramic wall, the temperature of the ceramic wall rises. Therefore, the intake air temperature rises due to the heat received from the ceramic wall, and becomes a temperature about 250 ° C. higher than that of a general water-cooled internal combustion engine, for example, at the compression top dead center. The fuel spray injected into the high-temperature atmosphere has a reduced ignition delay period, and diffusion combustion proceeds without forming a sufficient premixed gas. Therefore, the peak of the initial heat generation rate is low, the isobaric combustion ratio is reduced, and the thermal efficiency is lowered. Further, since the gas temperature during the combustion period is greatly increased as compared with the water-cooled internal combustion engine, NOx increases. Further, since the intake air receives heat from the wall surface of the combustion chamber and expands, the volumetric efficiency of the intake air decreases. As a result, soot emissions increase due to lack of air. As described above, even if heat is shielded by the ceramic wall in the compression self-ignition internal combustion engine, the thermal efficiency cannot be improved and the exhaust emission increases.
これに対して本実施形態では、図7,9に示すように、金属壁(ピストン頂面12aやシリンダヘッド下面10a)と燃焼ガス19との間に水膜16及び水蒸気層17による断熱層を形成し、この断熱層により燃焼室13内の熱を閉じこめることで、燃焼室13内の燃焼ガス19から金属壁(燃焼室13壁面)への熱伝達率αgを低下させることができる。したがって、燃焼室13壁面(ピストン頂面12aやシリンダヘッド下面10a)に伝わる熱量が減ることで、燃焼室13壁面の温度上昇を抑制することができるとともに、燃焼室13壁面から外部へ熱が放出されることで生じる冷却損失を低減することができる。その結果、内燃機関の熱効率を向上させることができ、燃費を向上させることができる。
On the other hand, in this embodiment, as shown in FIGS. 7 and 9, a heat insulating layer composed of a
そして、燃焼室13壁面に伝わる熱量を減らすことができるため、水ジャケット内の冷却水を経由して大気へ放出される熱量も減らすことができる。その結果、ラジエータの小型化を図ることができ、エンジンの小型化及び軽量化を図ることができる。同様に、クーリングチャンネル内のオイルを経由して大気へ放出される熱量も減らすことができるので、オイルクーラーの小型化もしくは省略が可能となり、オイルの熱的劣化を弱めることができる。
And since the amount of heat transmitted to the wall surface of the
また、本実施形態では、冷却水送出口24から送り出された冷却水が蒸発することで、燃焼室13内の火炎の燃焼温度を下げることができる。その結果、窒素酸化物(NOx)の生成を抑制することができる。なお、NOxの抑制にはEGR(排気再循環)が用いられるが、排気ガスが燃焼室を出て排気管→EGRクーラー→吸気管を経て再び燃焼室に供給される過程で時間遅れが生じるため、過渡運転時にはNOx抑制効果が低下する。これに対して本実施形態では、時間遅れが生じることなく、燃焼期間直前に燃焼室13内に水を直接供給することができるため、過渡運転時でもNOxの生成を十分に抑制することができる。
Moreover, in this embodiment, the combustion temperature of the flame in the
なお、冷却水をシリンダヘッド側からピストン頂面へ向けて噴射して水膜を形成する場合は、噴射された冷却水がピストン頂面に到達する前に高温の筒内ガス中を進む過程で、水分の多くが筒内ガスから熱を受けて蒸発する。したがって、ピストン頂面に水膜を形成するためには、ピストン頂面に到達する水量に加えて、途中で蒸発して失われる水量も余分に噴射する必要がある。 In addition, when the cooling water is jetted from the cylinder head side toward the piston top surface to form a water film, the jetted cooling water travels through the high-temperature in-cylinder gas before reaching the piston top surface. Most of the water evaporates by receiving heat from the in-cylinder gas. Therefore, in order to form a water film on the piston top surface, in addition to the amount of water reaching the piston top surface, it is necessary to inject an extra amount of water lost by evaporation in the middle.
これに対して本実施形態では、水膜16を形成するピストン頂面12aにピストン12内部から冷却水が供給されるため、冷却水が高温の筒内ガス中を通過して無駄に蒸発するのを抑えることができる。なお、冷却水がシリンダヘッド下面10a(スキッシュエリア13aに面する領域10b)に供給される際には、冷却水が高温の筒内ガス中を通過することになるが、燃焼期間中のピストン頂面12a(窪み部12bより外側の領域12d)とシリンダヘッド下面10a(スキッシュエリア13aに面する領域10b)との距離は極めて短いため、シリンダヘッド下面10aに到達する前に蒸発して失われる冷却水の量は僅かである。また、水等の液体(非圧縮性流体)であれば、圧縮後の燃焼室13内へ送り出すことは比較的容易である。液体は、気体(圧縮性流体)とは異なり密度変化がほとんど無いため、圧力を上げることが容易であり、そのための機械仕事も少なくて済む。
On the other hand, in this embodiment, since cooling water is supplied from the inside of the
さらに、本実施形態では、プッシュロッド32(送出調整弁26)の駆動制御により、プッシュロッド32をプランジャ34側へ移動させる期間とプッシュロッド32のプランジャ34側へ移動量とのいずれか1つ以上を制御することができ、冷却水送出口24からの冷却水の送出期間及び送出量のいずれか1つ以上を制御することができる。これによって、燃焼室13内の高温の燃焼ガス19から燃焼室13壁面(ピストン頂面12aやシリンダヘッド下面10a)へ伝達される熱量を制御することができる。以下、冷却水送出口24からの冷却水の送出期間・送出量の制御の具体例について、図10〜13を用いて説明する。
Further, in the present embodiment, one or more of a period during which the
図10〜13は、クランク角度(時間)に対するプッシュロッド32先端及びピストン頂面12aの位置(シリンダヘッド10の下面10aを0とする)の関係を示す。図10〜13では、時期t0にてプッシュロッド32がピストン頂面12a(プランジャ34)側へ移動し始める。そして、プッシュロッド32先端がピストン頂面12a(プランジャ34上端)に当たる時期t1から、送出調整弁26が駆動されて冷却水送出口24からの冷却水の流出が始まり、プッシュロッド32先端がプランジャ34を最も深い位置まで押し込んだ時期、言い換えればプッシュロッド32先端位置とピストン頂面12a位置との距離が最大になる時期t2に、冷却水送出口24からの冷却水の流出が終了する。ここで、時期t0から時期t2までの期間は、プッシュロッド32がプランジャ34側へ移動する期間である。そして、時期t1から時期t2までの期間は、プッシュロッド32がプランジャ34を押圧する期間であり、冷却水送出口24からの冷却水の送出期間である。さらに、時期t2におけるプッシュロッド32先端位置とピストン頂面12a位置との距離は、冷却水送出口24からの冷却水の送出量に相当する。
10 to 13 show the relationship between the tip of the
図10に示す例では、制御弁48が閉状態に保たれている。さらに、プッシュロッド32の繰り出しが開始される時期t0、及びプッシュロッド32がプランジャ34に当たる時期t1が圧縮上死点TDC前になり、且つプッシュロッド32の繰り出し量が最大となる時期t2が圧縮上死点TDCに一致するように、送出用カム44のプロフィールが設定されている。
In the example shown in FIG. 10, the
図11に示す例では、図10に示す例と比較して、圧縮上死点TDC前の時期t0にて制御弁48を開状態から閉状態に切り換える。制御弁48が開状態にあるとき(時期t0以前)には、送出用カム44がアクチュエータ38を駆動しても、オイル室37内のオイルが制御弁48を通ってオイル流出口36bへ流出することで、アクチュエータ38の運動がプッシュロッド32に伝えられないため、プッシュロッド32は駆動されない。そして、制御弁48が閉状態に切り換えられた後(時期t0以後)に、プッシュロッド32が繰り出される。図11に示す例では、図10に示す例と比較して、プッシュロッド32の繰り出し開始時期t0が遅くなることで、冷却水の送出開始時期t1が遅くなるため、冷却水の送出期間が短くなり、冷却水の送出量が減少する。
In the example shown in FIG. 11, as compared with the example shown in FIG. 10, the
図12に示す例では、図10に示す例と比較して、圧縮上死点TDC前の時期t2にて制御弁48を閉状態から開状態に切り換える。制御弁48が開状態に切り換えられた後(時期t2以後)は、オイル室37内のオイルが制御弁48を通ってオイル流出口36bへ流出することで、プッシュロッド32がシリンダヘッド10側へ戻り、冷却水の送出が停止する。図12に示す例では、図10に示す例と比較して、冷却水の送出終了時期t2が早くなることで、冷却水の送出期間が短くなり、冷却水の送出量が減少する。
In the example shown in FIG. 12, as compared with the example shown in FIG. 10, the
図13に示す例では、図10に示す例と比較して、プッシュロッド32(アクチュエータ38)のフルリフト量が大きく揚程区間の傾きが急になるように、送出用カム44のプロフィールが設定されている。圧縮上死点TDC前の時期t1にてプッシュロッド32がプランジャ34に当たることで冷却水の送出が開始され、圧縮上死点TDCを過ぎてもプッシュロッド32がプランジャ34を押圧し続けることで冷却水の送出が続けられる。そして、圧縮上死点TDC後の時期t2にてプッシュロッド32先端位置とピストン頂面12a位置との距離が最大になり、冷却水の送出が終了する。図13に示す例では、図10に示す例と比較して、冷却水の送出終了時期t2が遅くなることで冷却水の送出期間が長くなり、プッシュロッド32の繰り出し量が増大することで冷却水の送出量が増大する。内燃機関の高負荷運転時には、燃焼期間が長くなり、圧縮上死点TDC後20°以降まで燃焼室13が高温の燃焼ガス19に晒される。そのため、内燃機関の高負荷運転時には、、燃焼ガス19から燃焼室13壁面への熱伝達を低下させるために、図13に示すように、圧縮上死点TDC以降においても冷却水の送出を続けて冷却水の送出量を増大させる。なお、図13に示すように、冷却水の送出終了時期t2にて制御弁48を閉状態から開状態に切り換えることで、冷却水の送出を終了した後にプッシュロッド32をシリンダヘッド10側へ速やかに戻すことができる。また、図11,12に示す例と同様に制御弁48の開閉制御を行うことで、冷却水の送出期間を短くすることもできるし、冷却水の送出量を減少させることもできる。
In the example shown in FIG. 13, the profile of the
上記のように、ピストン12が圧縮上死点TDC付近に位置する時期にプッシュロッド32がプランジャ34を押圧するように、プッシュロッド32のプランジャ34側への移動が送出用カム44により行われる。さらに、制御弁48の開閉制御を行うことで、プッシュロッド32(送出調整弁26)の駆動制御を行うことができ、冷却水送出口24からの冷却水の送出期間及び送出量のいずれか1つ以上を制御することができる。ただし、本実施形態では、プッシュロッド32を駆動する送出用カム44を切り換えて送出用カム44のプロフィールを変更することによっても、プッシュロッド32をプランジャ34側へ移動させる期間とプッシュロッド32のプランジャ34側へ移動量とのいずれか1つ以上を変更することができ、冷却水送出口24からの冷却水の送出期間及び送出量のいずれか1つ以上を変化させることができる。なお、送出用カム44を切り換えるための具体的構成については、可変バルブタイミング機構の公知技術を適用可能であるため、ここでは説明を省略する。
As described above, the
次に、水チャンネル22に冷却水を供給するための構成例について説明する。水チャンネル22への冷却水の供給については、現状の内燃機関で広く用いられているピストンピンへのオイル供給方法、すなわちクランクシャフト〜コネクティングロッド〜ピストンピンという経路で各部品の内部に流路を設けてオイルを送り出す方法を冷却水の供給にも適用することが可能である。ただし、この場合は、各軸受け部品から冷却水が漏れることが避けられず、クランクシャフト等の潤滑をオイルで行う場合は冷却水がオイルと混ざりやすくなる。この方法を用いるには、オイル水分離装置を追加する、もしくはクランクシャフト等の潤滑を水で行う必要がある。そのため、本実施形態では、シリンダヘッド10側から水チャンネル22に冷却水を供給することが好ましい。以下、その構成例について説明する。
Next, a configuration example for supplying cooling water to the
図14に示すように、ピストン12には、水チャンネル22に供給される冷却水を受け入れる冷却水受入口54と、冷却水受入口54を開閉する受入調整弁56と、がシリンダ軸線方向においてシリンダヘッド10と対向して設けられている。受入調整弁56には、ばね55の弾性力によりシリンダヘッド10側(シリンダ軸線方向の一方側)への付勢力が作用している。ばね55の付勢力によって受入調整弁56がピストン12に設けられたシート部に当接している場合は、冷却水受入口54が閉じている。
As shown in FIG. 14, the
一方、シリンダヘッド10には、水供給ノズル62がシリンダ軸線方向においてピストン12と対向して配設されている。水供給ノズル62は、シリンダヘッド10に対しシリンダ軸線方向に沿って摺動可能である。オイル室シリンダ66は、水供給ノズル62よりシリンダ軸線方向の一方側でシリンダヘッド10に固定されており、水供給ノズル62には、ばね65の弾性力によりオイル室シリンダ66側への付勢力が作用している。さらに、水供給ノズル62よりシリンダ軸線方向の一方側には、オイル室シリンダ66に対しシリンダ軸線方向に沿って摺動可能なアクチュエータ68が配設されており、アクチュエータ68には、ばね69の弾性力によりシリンダ軸線方向の一方側への付勢力が作用している。
On the other hand, the
水供給ノズル62、アクチュエータ68、及びオイル室シリンダ66に囲まれた空間により、オイル室67が形成されている。逆止弁76は、オイル流入口66aからオイル室67へのオイルの流れを許容し、且つオイル室67からオイル流入口66aへのオイルの流れを遮断する。開閉制御弁78は、オイル室67とオイル流出口66bとの連通を許容または遮断する。開閉制御弁78が閉じている場合は、オイル室67からオイル流出口66bへのオイルの流出が遮断され、開閉制御弁78が開いている場合は、オイル室67からオイル流出口66bへのオイルの流出が許容される。ここでの開閉制御弁78の開閉制御は、図示しない電子制御装置により行われる。さらに、オイル室67とオイル流出口66bとの間には、圧力制御弁79が開閉制御弁78と並列に設けられている。オイル室67内のオイルの圧力が設定圧力より高い場合には、開閉制御弁78が閉じていても圧力制御弁79が開くことで、オイル室67からオイル流出口66bへのオイルの流出が許容される。これによって、オイル室67内のオイルの圧力が設定圧力以下に保たれる。
An
ロッカーアーム71は、アクチュエータ68に連結されており、アーム軸72まわりに揺動可能に支持されている。ローラー73はロッカーアーム71に回転自在に支持されており、供給用カム74はローラー73に当接している。供給用カム74の回転軸は図示しない吸気カムの回転軸と一体であり、クランクシャフトの回転に連動して供給用カム74が回転し、クランクシャフトが2回転するのに対して供給用カム74が1回転する。供給用カム74の回転に連動して、ロッカーアーム71がアーム軸72まわりに揺動し、アクチュエータ68がシリンダ軸線方向に沿って移動する。開閉制御弁78が閉じている場合は、オイル室67内のオイル圧力によってアクチュエータ68のシリンダ軸線方向の運動が水供給ノズル62に伝えられ、水供給ノズル62がシリンダ軸線方向に沿って移動する。このように、クランクシャフトの回転に伴う供給用カム74の回転運動が水供給ノズル62のシリンダ軸線方向の運動に変換される。
The
水供給ノズル62には、図示しない冷却水供給源から冷却水(高圧水)が供給される加圧室83と、加圧室83に供給された冷却水を吐出する冷却水吐出口84と、シリンダ軸線方向において受入調整弁56と対向し且つシリンダ軸線方向に沿って摺動することで冷却水吐出口84を開閉する吐出調整弁86と、が設けられている。吐出調整弁86には、ばね85の弾性力により加圧室83側(シリンダ軸線方向の一方側)への付勢力が作用するとともに、加圧室83内の冷却水の圧力により受入調整弁56側(シリンダ軸線方向の他方側)への押圧力が作用する。ここでの吐出調整弁86は、受入調整弁56側へ移動することで冷却水吐出口84を開け、加圧室83側へ移動することで冷却水吐出口84を閉じる外開弁である。開閉制御弁88は、冷却水供給源と加圧室83との連通を許容または遮断する。開閉制御弁88を閉じる場合は、冷却水供給源から加圧室83への冷却水の供給が遮断されることで、ばね85による付勢力が加圧室83内の冷却水による押圧力を上まわり、吐出調整弁86は冷却水吐出口84を閉じる。一方、開閉制御弁88を開ける場合は、冷却水供給源から加圧室83への冷却水の供給が許容されることで、加圧室83内の冷却水による押圧力がばね85による付勢力を上まわり、吐出調整弁86は受入調整弁56側へ移動して冷却水吐出口84を開ける。ここでの開閉制御弁88の開閉制御は、図示しない電子制御装置により行われる。冷却水供給源から加圧室83に冷却水が供給される際には、水供給ノズル62に設けられた水シールリング91,92により冷却水の漏れが防止される。
The
図15〜19に、冷却水供給過程を示す。まず排気行程終盤において、図15に示すように、供給用カム74の回転により水供給ノズル62をピストン12側(シリンダ軸線方向の他方側)へ移動させて、水供給ノズル62を最下点まで繰り出しておく。ここでは、開閉制御弁78は閉じており、水供給ノズル62の運動は供給用カム74の運動に従っている。その後、水供給ノズル62が上昇中にピストン12がそれより速い速度で上昇して水供給ノズル62に追いつくことで、図16に示すように、水供給ノズル62とピストン12とがドッキング(当接)する。このとき、オイル室67が水供給ノズル62によって押されてオイル室67内のオイルの圧力が前述の設定圧力を超えると、圧力制御弁79が開いてオイル室67内のオイルが流出することで、ドッキングの際の衝撃を和らげることができる。その後、ピストン12が吸気上死点付近に位置する時期において、水供給ノズル62先端は、一定のオイル圧力でピストン頂面12aに当接する。その際には、水供給ノズル62先端に設けられたシール座金93により水供給ノズル62とピストン12との間のシールが確保される。
15 to 19 show the cooling water supply process. First, at the end of the exhaust stroke, as shown in FIG. 15, the
水供給ノズル62がピストン12に当接している状態で、開閉制御弁88を閉状態から開状態に切り換えると、吐出調整弁86は、加圧室83に供給された冷却水の圧力によって受入調整弁56側へ移動する。これによって、図17に示すように、冷却水吐出口84が開くとともに、吐出調整弁86が受入調整弁56を押圧することで、受入調整弁56がピストン12に設けられたシート部から離れて冷却水受入口54が開く。そのため、加圧室83内の冷却水が冷却水吐出口84及び冷却水受入口54を通って水チャンネル22に供給される。このように、吐出調整弁86によりシリンダヘッド10側から受入調整弁56を駆動して冷却水受入口54を開けることで、冷却水吐出口84から冷却水受入口54を通じて水チャンネル22に冷却水を供給することができる。開閉制御弁88を開状態から閉状態に切り換えると、吐出調整弁86が加圧室83側へ移動することで、冷却水吐出口84及び冷却水受入口54が閉じ、水供給ノズル62から水チャンネル22への冷却水の供給が停止する。その後、ピストン12は上死点で上昇を止めて下降に転じ、水供給ノズル62は上昇を続けるため、図18に示すように、水供給ノズル62はピストン12から離れる。そして、図19に示すように、水供給ノズル62はシリンダヘッド10内に格納される。アクチュエータ68は供給用カム74の回転に従って上昇し、途中でオイル室67内のオイルの圧力が下がるため、逆止弁76を介してオイル室67にオイルが供給される。
When the open /
図20に、プッシュロッド32及び水供給ノズル62の配置例を示す。図20に示す例では、2つの排気弁EXの間にプッシュロッド32が配置され、2つの吸気弁INの間に水供給ノズル62が配置されている。つまり、プッシュロッド32は、吸気弁INよりも排気弁EXの方が近い位置に配置され、水供給ノズル62は、排気弁EXよりも吸気弁INの方が近い位置に配置されている。排気弁EXの間の領域は、排気行程中に排気ポートを通過する排気ガスによって吸気弁INの間の領域よりも高温になる。そこで、水チャンネル22に冷却水を供給する水供給ノズル62が高熱に晒されるのを避けるために、吸気弁INの間の領域に水供給ノズル62を配置している。一方、送出調整弁26を駆動するプッシュロッド32は高熱に晒されても問題は生じないため、排気弁EXの間の領域にプッシュロッド32を配置している。
FIG. 20 shows an arrangement example of the
なお、水チャンネル22内の冷却水が沸騰すると、水チャンネル22の圧力が高くなって水チャンネル22への冷却水の供給が困難になることや、プランジャ34が水チャンネル22内の冷却水を押圧しても沸騰した蒸気によって吸収されて冷却水の送出量が減少する等の問題点が生じる。そこで、本実施形態では、図21に示すように、水チャンネル22内における冷却水の沸騰の有無を検知するために、図示しない冷却水供給源と水供給ノズル62(加圧室83)とを接続する水供給流路94に水圧センサ96を設けて、水供給流路94内の冷却水の圧力を検出する。そして、電子制御装置は、水供給ノズル62から水チャンネル22に冷却水を供給する際に、水圧センサ96で検出された水供給流路94内の冷却水の圧力変化に基づいて、水チャンネル22内の冷却水が沸騰しているか否かを判定する。
In addition, when the cooling water in the
より具体的には、水チャンネル22内の冷却水に沸騰が生じていなければ、水チャンネル22内の冷却水の圧力が冷却水供給源からの冷却水の圧力より低いため、開閉制御弁88が開いて吐出調整弁86が受入調整弁56を駆動することで加圧室83が水チャンネル22に繋がった瞬間に、水供給流路94内の冷却水の圧力(水圧センサ96の検出圧力)が低下する。一方、水チャンネル22内の冷却水に沸騰が生じて圧力が高くなっていると、加圧室83が水チャンネル22に繋がった瞬間における水圧センサ96の検出圧力の低下幅が減少する。電子制御装置は、開閉制御弁88を開けたときにおける水圧センサ96の検出圧力の低下幅が所定値以下である場合は、水チャンネル22内の冷却水が沸騰していると判定する。
More specifically, if the cooling water in the
そして、電子制御装置は、水チャンネル22内の冷却水が沸騰していると判定した場合は、その直後のサイクルにおいてシリンダ11内への燃料噴射量を減少させる、またはシリンダ11内への燃料噴射を停止させることで、ピストン12を冷却して水チャンネル22内の冷却水の温度を下げる。これによって、水チャンネル22内の冷却水の沸騰を抑える。また、電子制御装置は、水チャンネル22内の冷却水が沸騰していると判定した場合は、その直後のサイクルにおいて冷却水送出口24からの冷却水の送出量を増大させるようにプッシュロッド32の駆動制御を行うことによっても、ピストン12を冷却して水チャンネル22内の温度を下げることができる。また、水チャンネル22内で沸騰が生じないように水チャンネル22内の冷却水の圧力はできるだけ高めに設定する。なお、水チャンネル22内の冷却水が大量に沸騰すると、水チャンネル22の破損が懸念されるが、送出調整弁26は水チャンネル22内の圧力がある値を超えると自動的に開く構造になっているため、水チャンネル22内で大量に沸騰が生じても蒸気によって水チャンネル22が破損することなない。
If the electronic control unit determines that the cooling water in the
次に、本実施形態の他の構成例について説明する。図22,23は、送出調整弁26として、シリンダ軸線方向に沿って移動可能なニードル弁が複数設けられた例を示している。送出調整弁(ニードル弁)26には、ばね28による付勢力と、水チャンネル22内の冷却水による押圧力と、が互いに反対方向に作用する。水チャンネル22内の冷却水の圧力が低下してばね28による付勢力が水チャンネル22内の冷却水による押圧力を上まわるときは、図24に示すように、ニードル弁26がシリンダ軸線方向の一方側(図の上側)へ付勢されてピストン12に設けられたシート部23に当接することで、水チャンネル22と冷却水送出口24との連通が遮断される。一方、水チャンネル22内の冷却水の圧力が上昇して水チャンネル22内の冷却水による押圧力がばね28による付勢力を上まわると、図22に示すように、ニードル弁26がシート部23から離れてシリンダ軸線方向の他方側(図の下側)に移動することで、水チャンネル22と冷却水送出口24との連通が許容される。図22,23に示す構成例でも、図1,2に示す構成例と同様に、プッシュロッド32によりプランジャ34を押圧することで、送出調整弁(ニードル弁)26を駆動して水チャンネル22と冷却水送出口24とを連通させることができる。
Next, another configuration example of this embodiment will be described. 22 and 23 show an example in which a plurality of needle valves that are movable along the cylinder axial direction are provided as the
以上の実施形態の説明では、本発明をディーゼルエンジンに適用した場合について説明した。ただし、本発明を直噴ガソリンエンジン等の内燃機関に対しても適用することができる。 In the above description of the embodiment, the case where the present invention is applied to a diesel engine has been described. However, the present invention can also be applied to an internal combustion engine such as a direct injection gasoline engine.
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。 As mentioned above, although the form for implementing this invention was demonstrated, this invention is not limited to such embodiment at all, and it can implement with a various form in the range which does not deviate from the summary of this invention. Of course.
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、12a 頂面、12b 窪み部、13 燃焼室、14 燃料噴射弁、16 水膜、17 水蒸気層、18 火炎、19 燃焼ガス、22 水チャンネル、24 冷却水送出口、26 送出調整弁、32 プッシュロッド、34 プランジャ、37,67 オイル室、38,68 アクチュエータ、41,71 ロッカーアーム、42,72 アーム軸、43,73 ローラー、44 送出用カム、46,76 逆止弁、48 制御弁、54 冷却水受入口、56 受入調整弁、62 水供給ノズル、74 供給用カム、78,88 開閉制御弁、79 圧力制御弁、83 加圧室、86 吐出調整弁、94 水供給流路、96 水圧センサ。 9 Cylinder block, 10 Cylinder head, 11 Cylinder, 12 Piston, 12a Top surface, 12b Recessed part, 13 Combustion chamber, 14 Fuel injection valve, 16 Water film, 17 Water vapor layer, 18 Flame, 19 Combustion gas, 22 Water channel, 24 Cooling water delivery port, 26 Delivery adjustment valve, 32 Push rod, 34 Plunger, 37, 67 Oil chamber, 38, 68 Actuator, 41, 71 Rocker arm, 42, 72 Arm shaft, 43, 73 Roller, 44 Delivery cam , 46, 76 Check valve, 48 Control valve, 54 Cooling water inlet, 56 Receipt adjustment valve, 62 Water supply nozzle, 74 Supply cam, 78, 88 Open / close control valve, 79 Pressure control valve, 83 Pressure chamber, 86 Discharge adjustment valve, 94 water supply flow path, 96 water pressure sensor.
Claims (18)
ピストン内部には、冷却液が供給される冷却液流路と、冷却液流路内の冷却液をピストン頂面に送り出すための冷却液送出口と、冷却液流路と冷却液送出口との連通を許容または遮断する送出調整弁と、が設けられており、
冷却液流路に冷却液を供給する冷却液供給手段と、
シリンダ内で燃料を燃焼させる際に、送出調整弁を駆動して冷却液流路と冷却液送出口とを連通させることで、冷却液流路内の冷却液を冷却液送出口からピストン頂面に送り出す送出調整弁駆動手段と、
を備える、内燃機関。 An internal combustion engine that injects fuel into a cylinder in which a piston reciprocates,
Inside the piston, there are a coolant channel to which coolant is supplied, a coolant outlet for sending the coolant in the coolant channel to the top surface of the piston, a coolant channel and a coolant outlet. A delivery regulating valve that allows or blocks communication, and
A coolant supply means for supplying the coolant to the coolant flow path;
When the fuel is burned in the cylinder, the coolant is driven from the coolant outlet to the top surface of the piston by driving the delivery adjusting valve to connect the coolant passage and the coolant outlet. A delivery adjusting valve driving means for feeding to
An internal combustion engine comprising:
送出調整弁は、冷却液流路内の冷却液の圧力上昇に応じて冷却液流路と冷却液送出口との連通を許容する弁であり、
送出調整弁駆動手段は、
シリンダ軸線方向においてピストンと対向してシリンダヘッドに配設され、シリンダ軸線方向に沿って移動することが可能な可動部材と、
シリンダ軸線方向において可動部材と対向してピストンに配設され、可動部材により押圧されることで冷却液流路内の冷却液を加圧する加圧部材と、
可動部材を加圧部材側へ移動させて、可動部材により加圧部材を押圧することで、送出調整弁を駆動して冷却液流路と冷却液送出口とを連通させる可動部材駆動手段と、
を含む、内燃機関。 The internal combustion engine according to claim 1,
The delivery adjustment valve is a valve that allows communication between the coolant flow path and the coolant delivery port according to an increase in the pressure of the coolant in the coolant flow path.
The delivery adjusting valve driving means is
A movable member disposed on the cylinder head facing the piston in the cylinder axial direction and capable of moving along the cylinder axial direction;
A pressurizing member disposed on the piston facing the movable member in the cylinder axis direction, and pressurizing the coolant in the coolant flow path by being pressed by the movable member;
A movable member driving means that moves the movable member to the pressure member side and presses the pressure member by the movable member, thereby driving the delivery adjustment valve to connect the coolant flow path and the coolant delivery port;
Including an internal combustion engine.
可動部材駆動手段は、可動部材を加圧部材側へ移動させる期間と可動部材の加圧部材側への移動量とのいずれか1つ以上を調整することで、冷却液送出口からの冷却液の送出期間及び送出量のいずれか1つ以上を調整する、内燃機関。 An internal combustion engine according to claim 2,
The movable member driving means adjusts at least one of the period during which the movable member is moved to the pressure member side and the amount of movement of the movable member to the pressure member side, so that the coolant from the coolant delivery port is adjusted. An internal combustion engine that adjusts at least one of a delivery period and a delivery amount of the engine.
可動部材駆動手段は、ピストンが圧縮上死点付近に位置する時期に可動部材が加圧部材を押圧するように、可動部材を加圧部材側へ移動させる、内燃機関。 The internal combustion engine according to claim 2 or 3,
The movable member driving means is an internal combustion engine that moves the movable member toward the pressure member so that the movable member presses the pressure member when the piston is positioned near the compression top dead center.
可動部材駆動手段は、クランクシャフトの回転に伴う回転運動を可動部材のシリンダ軸線方向の運動に変換するための送出用カム機構を含む、内燃機関。 The internal combustion engine according to any one of claims 2 to 4,
The movable member drive means is an internal combustion engine including a delivery cam mechanism for converting a rotational motion accompanying the rotation of the crankshaft into a motion of the movable member in the cylinder axial direction.
可動部材は、吸気弁よりも排気弁の方が近い位置に配置されている、内燃機関。 The internal combustion engine according to any one of claims 2 to 5,
The internal combustion engine, wherein the movable member is disposed at a position closer to the exhaust valve than to the intake valve.
ピストンには、冷却液流路に供給される冷却液を受け入れる冷却液受入口と、冷却液受入口を開閉する受入調整弁と、がシリンダ軸線方向においてシリンダヘッドと対向して設けられており、
冷却液供給手段は、シリンダヘッド側から受入調整弁を駆動して冷却液受入口を開けて冷却液流路に冷却液を供給する手段である、内燃機関。 The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 6,
The piston is provided with a coolant inlet that receives the coolant supplied to the coolant channel, and a receiving adjustment valve that opens and closes the coolant inlet, facing the cylinder head in the cylinder axial direction.
The coolant supply means is an internal combustion engine that is a means for driving the reception adjusting valve from the cylinder head side to open the coolant reception inlet and supplying the coolant to the coolant flow path.
冷却液供給手段は、
シリンダ軸線方向においてピストンと対向してシリンダヘッドに配設された冷却液供給ノズルであって、冷却液を吐出する冷却液吐出口と、シリンダ軸線方向において受入調整弁と対向し且つ受入調整弁側へ移動することで冷却液吐出口を開ける吐出調整弁と、が設けられた冷却液供給ノズルと、
冷却液供給ノズルをピストン側へ移動させてピストンに当接させるノズル駆動手段と、
冷却液供給ノズルがピストンに当接している状態で、吐出調整弁を受入調整弁側へ移動させて、吐出調整弁により受入調整弁を駆動して冷却液受入口を開けることで、冷却液吐出口から冷却液受入口を通じて冷却液流路に冷却液を供給する吐出調整弁駆動手段と、
を含む、内燃機関。 The internal combustion engine according to claim 7,
The coolant supply means
A coolant supply nozzle disposed in the cylinder head facing the piston in the cylinder axial direction, the coolant discharge port for discharging the coolant, and the receiving adjustment valve side facing the receiving adjustment valve in the cylinder axial direction A discharge adjusting valve that opens the coolant discharge port by moving to, a coolant supply nozzle provided with,
Nozzle driving means for moving the coolant supply nozzle to the piston side and contacting the piston;
While the coolant supply nozzle is in contact with the piston, move the discharge adjustment valve to the acceptance adjustment valve side, drive the acceptance adjustment valve with the discharge adjustment valve, and open the coolant acceptance port. A discharge regulating valve driving means for supplying the coolant to the coolant channel from the outlet through the coolant inlet;
Including an internal combustion engine.
ノズル駆動手段は、ピストンが吸気上死点付近に位置する時期に冷却液供給ノズルがピストンに当接するように、冷却液供給ノズルをピストン側へ移動させる、内燃機関。 An internal combustion engine according to claim 8,
The nozzle drive means is an internal combustion engine that moves the coolant supply nozzle to the piston side so that the coolant supply nozzle contacts the piston when the piston is located near the intake top dead center.
ノズル駆動手段は、クランクシャフトの回転に伴う回転運動を冷却液供給ノズルのシリンダ軸線方向の運動に変換するための供給用カム機構を含む、内燃機関。 An internal combustion engine according to claim 8 or 9, wherein
The nozzle driving means is an internal combustion engine including a supply cam mechanism for converting a rotational movement accompanying the rotation of the crankshaft into a movement of the coolant supply nozzle in the cylinder axial direction.
冷却液供給ノズルは、排気弁よりも吸気弁の方が近い位置に配置されている、内燃機関。 The internal combustion engine according to any one of claims 8 to 10,
The internal combustion engine, wherein the coolant supply nozzle is disposed at a position closer to the intake valve than to the exhaust valve.
ピストン頂面の中央部には窪み部が形成されており、
冷却液流路は窪み部の周囲に設けられている、内燃機関。 The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 11,
A hollow is formed in the center of the piston top surface,
An internal combustion engine in which the coolant flow path is provided around the recess.
冷却液送出口は、ピストン頂面における窪み部の縁部に冷却液を送り出す、内燃機関。 An internal combustion engine according to claim 12,
The coolant delivery port is an internal combustion engine that delivers coolant to the edge of the recess on the top surface of the piston.
冷却液送出口は、ピストン頂面における窪み部より外側に冷却液を送り出す、内燃機関。 An internal combustion engine according to claim 12 or 13,
The cooling liquid delivery port is an internal combustion engine that sends out the cooling liquid to the outside of the recess in the piston top surface.
冷却液流路内の冷却液が沸騰しているか否かを判定する沸騰判定手段を備える、内燃機関。 The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 14,
An internal combustion engine comprising boiling determination means for determining whether or not the coolant in the coolant flow path is boiling.
沸騰判定手段で冷却液流路内の冷却液が沸騰していると判定された場合は、シリンダ内への燃料噴射量を減少させる、またはシリンダ内への燃料噴射を停止させる、内燃機関。 The internal combustion engine according to claim 15,
An internal combustion engine that reduces the fuel injection amount into the cylinder or stops the fuel injection into the cylinder when it is determined by the boiling determination means that the coolant in the coolant channel is boiling.
沸騰判定手段で冷却液流路内の冷却液が沸騰していると判定された場合は、冷却液送出口からの冷却液の送出量を増大させる、内燃機関。 The internal combustion engine according to claim 15 or 16,
An internal combustion engine that increases the amount of coolant delivered from the coolant outlet when it is judged by the boiling judgment means that the coolant in the coolant channel is boiling.
沸騰判定手段は、冷却液供給手段から冷却液流路に冷却液が供給される際に、冷却液供給手段における冷却液の圧力変化に基づいて、冷却液流路内の冷却液が沸騰しているか否かを判定する、内燃機関。 The internal combustion engine according to any one of claims 15 to 17,
When the cooling liquid is supplied from the cooling liquid supply means to the cooling liquid flow path, the boiling determination means causes the cooling liquid in the cooling liquid flow path to boil based on the change in pressure of the cooling liquid in the cooling liquid supply means. An internal combustion engine that determines whether or not.
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