特開 2024-127252 エンジン構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024127252

(43)【公開日】2024-09-20

(54)【発明の名称】エンジン構造

(51)【国際特許分類】

   F02F 1/00 20060101AFI20240912BHJP

【ＦＩ】

F02F1/00 S

【審査請求】有

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023036278

(22)【出願日】2023-03-09

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2024-02-21

(71)【出願人】

【識別番号】000000170

【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110004222

【氏名又は名称】弁理士法人創光国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100166006

【弁理士】

【氏名又は名称】泉 通博

(74)【代理人】

【識別番号】100154070

【弁理士】

【氏名又は名称】久恒 京範

(74)【代理人】

【識別番号】100153280

【弁理士】

【氏名又は名称】寺川 賢祐

(74)【代理人】

【識別番号】100167793

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 学

(72)【発明者】

【氏名】後藤 操

(72)【発明者】

【氏名】山本 和成

(72)【発明者】

【氏名】小宮山 巧

【テーマコード（参考）】

3G024

【Ｆターム（参考）】

3G024AA22

3G024AA31

3G024FA08

(57)【要約】

【課題】ディーゼルエンジンの熱効率を向上させることができるエンジン構造を提供する。
【解決手段】このエンジン構造Ｓ１００は、シリンダボア１１が形成されたシリンダブロック１０と、シリンダボア１１内に設けられたピストン２０と、シリンダボア１１を塞ぐようにシリンダブロック１０の上部に設けられたシリンダヘッド３０と、シリンダボア１１の上端側に挿入され、シリンダボア１１の直径よりも小さな内径を有するリング４０と、を備え、リング４０の内周面に、ピストン２０の外周面と接触して摩耗する第１アブレーダブル層５１が形成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリンダボアが形成されたシリンダブロックと、
前記シリンダボア内に設けられたピストンと、
前記シリンダボアを塞ぐように前記シリンダブロックの上部に設けられたシリンダヘッドと、
前記シリンダボアの上端側に挿入され、前記シリンダボアの直径よりも小さな内径を有するリングと、
を備え、
前記リングの内周面に、前記ピストンの外周面と接触して摩耗する第１アブレーダブル層が形成されている、
エンジン構造。

【請求項2】

前記シリンダボアの内周面のうち、前記リングの直下の領域に第２アブレーダブル層が形成されている、
請求項１に記載のエンジン構造。

【請求項3】

前記シリンダヘッドのうち前記シリンダボアを覆う円形領域の少なくとも一部に第３アブレーダブル層が形成されている、
請求項１又は２に記載のエンジン構造。

【請求項4】

前記円形領域には、
燃料を噴射する燃料噴射部材と、
複数のバルブと、
が設けられており、
前記第３アブレーダブル層は、前記燃料噴射部材と前記複数のバルブよりも外側のリング状の領域に形成されている、
請求項３に記載のエンジン構造。

【請求項5】

前記第１アブレーダブル層の硬度は、前記ピストンの硬度よりも低い、
請求項１に記載のエンジン構造。

【請求項6】

シリンダボアが形成されたシリンダブロックと、
前記シリンダボア内に設けられたピストンと、
前記シリンダボアを塞ぐように前記シリンダブロックの上部に設けられたシリンダヘッドと、
を備え、
前記シリンダボアの上端側の部分は、前記シリンダボアの下端側の部分よりも直径が小さく、
前記シリンダボアは、前記シリンダボアの上端側の部分の内周面に、前記ピストンよりも硬度が低いアブレーダブル層を有する、
エンジン構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エンジン構造に関する。

【背景技術】

【0002】

ディーゼルエンジンのピストンは、頂面にキャビティと呼ばれる凹部が形成されている。キャビティは燃焼室の一部を形成し、燃料はこの燃焼室の内部に噴射される（例えば、特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－８９４１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ディーゼルエンジンの熱効率を向上させるためには、燃焼室に連通する無駄な容積を低減することが好ましく、特許文献１の構成はこの点で改善の余地がある。

【0005】

そこで、本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、ディーゼルエンジンの熱効率を向上させることができるエンジン構造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】

【0006】

本発明のエンジン構造は、シリンダボアが形成されたシリンダブロックと、前記シリンダボア内に設けられたピストンと、前記シリンダボアを塞ぐように前記シリンダブロックの上部に設けられたシリンダヘッドと、前記シリンダボアの上端側に挿入され、前記シリンダボアの直径よりも小さな内径を有するリングと、を備え、前記リングの内周面に、前記ピストンの外周面と接触して摩耗する第１アブレーダブル層が形成されている。

【0007】

前記シリンダボアの内周面のうち、前記リングの直下の領域に第２アブレーダブル層が形成されていてもよい。

【0008】

前記シリンダヘッドのうち前記シリンダボアを覆う円形領域の少なくとも一部に第３アブレーダブル層が形成されていてもよい。

【0009】

前記円形領域には、燃料を噴射する燃料噴射部材と、複数のバルブと、が設けられており、前記第３アブレーダブル層は、前記燃料噴射部材と前記複数のバルブよりも外側のリング状の領域に形成されていてもよい。

【0010】

前記第１アブレーダブル層の硬度は、前記ピストンの硬度よりも低くてもよい。

【0011】

本発明の他の形態のエンジン構造は、シリンダボアが形成されたシリンダブロックと、前記シリンダボア内に設けられたピストンと、前記シリンダボアを塞ぐように前記シリンダブロックの上部に設けられたシリンダヘッドと、を備え、前記シリンダボアの上端側の部分は、前記シリンダボアの下端側の部分よりも直径が小さく、前記シリンダボアは、前記シリンダボアの上端側の部分の内周面に、前記ピストンよりも硬度が低いアブレーダブル層を有する。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、ディーゼルエンジンの熱効率を向上させることができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施形態のエンジン構造を示す断面図である。

【図2】他の実施形態を示す図である。

【図3】さらに他の変形例を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態のエンジン構造を示す断面図である。

【0015】

エンジン構造Ｓ１００は、例えばディーゼルエンジンの一部を構成する。ディーゼルエンジンは、一例として複数のシリンダを有するが、図１では、１つのシリンダ及びその周辺構造のみが示されている。

【0016】

エンジン構造Ｓ１００は、主要な構成要素として、シリンダブロック１０と、ピストン２０と、シリンダヘッド３０と、リング４０とを備えている。

【0017】

本明細書において、「半径方向」とは、シリンダ軸ＣＬを基準とした半径方向のことをいう。方向を示す語句に関し、「上」は、ピストン２０の上死点側のことをいう。「下」は、ピストン２０の下死点側のことをいう。

【0018】

シリンダブロック１０は、金属製の部材である。シリンダブロック１０には、円筒状のシリンダボア１１が形成されている。図１では、シリンダボア１１の中心軸がシリンダ軸ＣＬとして描かれている。シリンダボア１１は、ピストン２０が収容され、ピストン２０が上下に往復運動を行うことが可能な筒状の空間である。

【0019】

ピストン２０は、円柱状の部材である。ピストン２０は、シリンダボア１１の内部をシリンダ軸ＣＬに沿って往復移動するように構成されている。ピストン２０は、クランクシャフトに動力を伝達可能に連結されている。ピストン２０の上部には、燃焼室２５の一部を形成する凹部２２が設けられている。凹部２２はキャビティとも呼ばれる部分である。

【0020】

ピストン２０の外周面には、複数のリング状部材２６が設けられている。この例では、３つのリング状部材２６がシリンダ軸ＣＬに沿う方向に互いに所定の間隔をあけて設けられている。なお、図１の各構成要素はあくまで模式的に描かれたものである。図１では、リング状部材２６がシリンダボア１１の内周面から離れているが、リング状部材２６は実際にはシリンダボア１１の内周面に接する。

【0021】

シリンダヘッド３０は、シリンダブロック１０の上部に設けられている。シリンダヘッド３０は、シリンダボア１１を塞ぐように配置されている。シリンダヘッド３０の下面３１は、一例として平面であり、シリンダボア１１の開口部を塞いでいる。

【0022】

シリンダヘッド３０には、燃料を噴射する燃料噴射部材３８と、複数のバルブ３６とが設けられている。燃料噴射部材３８及び複数のバルブ３６は、具体的には、シリンダヘッド３０の下面３１のうちシリンダボア１１を覆う円形領域に設けられている。燃料噴射部材３８は、燃焼室２５に向けて燃料を噴射する。複数のバルブ３６は、燃焼室２５内に空気を取り込んだり、燃焼後のガスを排気したりするために往復移動するように設けられている。

【0023】

リング４０は、シリンダボア１１の上端側に挿入されている。シリンダボア１１の上端側は、ピストン２０の往復運動における上死点側に対応する。また、シリンダボア１１の上端側は、燃料噴射部材３８やバルブ３６が設けられ、燃料や空気が入ってくる側であることから、シリンダボア１１の入口部分であるともいう。リング４０は、シリンダボア１１の上端側に形成された座繰り部に固定的に配置されている。座繰り部は、シリンダボア１１の内径よりも大きな内径となるように形成された段状部である。リング４０は、シリンダボア１１の直径よりも小さな内径を有している。別の言い方をすれば、リング４０はシリンダボア１１の内周面よりも径方向内側に突出している。図１に示すように、ピストン２０が上死点付近に位置した状態では、ピストン２０の上端部はリング４０の内側に入り込む。

【0024】

このようなリング４０が設けられていることにより、最上部のリング状部材２６の周辺の容積が低減する。その結果、燃焼室２５における圧縮比が向上し、熱効率が向上する。

【0025】

このように、シリンダボア１１の半径方向内側に向かって突出するリング４０が設けられていることにより、熱効率が向上するという利点が得られるが、リング４０の内径が小さすぎるとリング４０がピストン２０の外周面と干渉するおそれがある。他方、熱効率の観点から、ピストン２０とリング４０との間の隙間はなるべく狭いことが好ましい。

【0026】

そこで本実施形態では、リング４０の内周面に、アブレーダブル層５１が形成されている。他の部品に形成されるアブレーダブル層と区別するため、以下、この層を第１アブレーダブル層５１という。第１アブレーダブル層５１は、例えばアブレーダブル溶射によりリング４０の内周面に設けられた皮膜である。第１アブレーダブル層５１は、リング４０の内周面の全体に設けられていてもよいし、部分的に設けられていてもよい。第１アブレーダブル層５１は、例えば、リング４０の内周面のうちピストン２０の外周面と対向する領域に部分的に設けられていてもよい。

【0027】

第１アブレーダブル層５１は、例えば、コバルト、ニッケル、クロム、アルミニウム、又はイットリウム等を含む金属成分を主体とする材料で形成される。この材料は、固体潤滑材としての窒化ホウ素及び気孔率制御のためのポリエステルを含有していてもよい。この材料が、例えばプラズマ溶射（ＡＰＳ：Ａｔｍｏｓｐｈｒｉｃ Ｐｌａｓｍａ Ｓｐｒａｙｉｎｇ）等により溶射される。その後、溶射された材料は加熱処理される。この加熱処理によって、ポリエステルが消失する。これにより多孔質組織の第１アブレーダブル層５１が形成される。

【0028】

第１アブレーダブル層５１は、エンジンを構成する他の部材と比較して硬度が低くなるように構成される。第１アブレーダブル層５１の硬度は、少なくともピストン２０の硬度よりも低い。したがって、例えばピストン２０に接触した際に、ピストン２０を損傷させることなく、摩耗する。第１アブレーダブル層５１は、初期状態（摩耗前の状態）で、第１アブレーダブル層５１が形成されたリング４０の内径がピストン２０の直径よりも小さくなるような厚さで形成される。すなわち、第１アブレーダブル層５１はピストン２０の外周面に接触するように形成されている。第１アブレーダブル層５１はピストン２０の外周面と接触して摩耗する。

【0029】

このような第１アブレーダブル層５１が形成されたエンジン構造Ｓ１００によれば、各部品が組み立てられた状態で、ピストン２０が往復移動することでピストン２０の外周面が第１アブレーダブル層５１と接触し、第１アブレーダブル層５１が摩耗する。その結果、ピストン２０の外周面とリング４０の内周面（第１アブレーダブル層５１を含む）との間の隙間が小さく抑えられる。

【0030】

（エンジン構造Ｓ１００の効果）
以上のように構成されたエンジン構造Ｓ１００では、リング４０の内周面に第１アブレーダブル層５１が形成されており、第１アブレーダブル層５１が摩耗することによってピストン２０の外周面とリング４０の内周面（第１アブレーダブル層５１を含む）との間の隙間が小さく抑えられる。したがって、燃焼室２５に連通する無駄な容積が低減し、燃焼室２５における圧縮比の向上及び熱効率の向上を図ることができる。

【0031】

リング４０の内周面に第１アブレーダブル層５１が形成されている構成によれば、例えば、予めリング４０の内周面に第１アブレーダブル層５１を形成し、第１アブレーダブル層５１が形成されたリング４０をシリンダボア１１に取り付けるという手順でエンジン構造Ｓ１００を作製できる。このような手順の場合、リング４０が取り付けられたシリンダボア１１の内面に対してアブレーダブル溶射を行う必要がないため、作業性がよい。

【0032】

＜変形例＞
本発明は上記の構成に限定されない。図２は他の実施形態を示す図である。図２に示すように、エンジン構造Ｓ１０１は、リング４０の内周面だけではなくシリンダブロック１０及びシリンダヘッド３０の一方又は双方にアブレーダブル層が形成されている。

【0033】

具体的には、図２のエンジン構造Ｓ１０１では、シリンダボア１１の内周面のうち、リング４０の直下の領域に第２アブレーダブル層５２が形成されている。第２アブレーダブル層５２は、具体的には、リング４０よりも下方であって最上部の複数のリング状部材２６よりも上方の領域を少なくとも含む領域に形成されている。

【0034】

また、図２のエンジン構造Ｓ１０１では、第３アブレーダブル層５３も形成されている。第３アブレーダブル層５３は、シリンダヘッド３０のうちシリンダボア１１を覆う円形領域の少なくとも一部に形成されている。第３アブレーダブル層５３は、摩耗する前の状態で、上死点に位置するピストン２０の頂面２１に接する程度の厚みに形成されていてもよい。ピストン２０が動作することにより、第３アブレーダブル層５３が摩耗する。その結果、頂面２１の周辺部と第３アブレーダブル層５３との隙間が小さく抑えられた構成が得られる。

【0035】

このような構成によれば、燃焼室２５に連通する無駄な容積が低減し、燃焼室２５における圧縮比の向上及び熱効率の向上を図ることができる。

【0036】

図３は、さらに他の変形例を示す模式図である。図２では、第３アブレーダブル層５３がシリンダヘッド３０のうちシリンダボア１１を覆う円形領域に全面的に形成されていたが、本発明はこれに限定されない。

【0037】

図３に示すように、第３アブレーダブル層５３Ａが、燃料噴射部材３８と複数のバルブ３６よりも外側のリング状領域Ｒに形成されていてもよい。

【0038】

リング状領域Ｒの内径は、一例として、複数のバルブ３６が存在する円形領域Ｒａの直径よりも大きい。このようなリング状領域Ｒに第３アブレーダブル層５３Ａが設けられている場合、第３アブレーダブル層５３Ａはバルブ３６に接しない。そのため、シリンダヘッド３０の表面のアブレーダブル材の被膜がバルブ３６に接して剥離することが防止される。

【0039】

なお、上述の実施形態では、シリンダボア１１の上端側の内径を小さくするため、リング４０が挿入されていたが、本発明は当該構成に限定されない。すなわち、シリンダボア１１の上端側の部分の内径が、シリンダボア１１の下端側の部分の内径よりも小さくできれば、上記構成に限定されない。例えば、鋳造時にシリンダボア１１の上端側の径が小さくなるように形成されてもよいし、後加工によってシリンダボア１１の下端側の径を拡げてもよい。

【0040】

本発明に係るエンジン構造の他の実施形態としては、シリンダボア１１の上端側の部分の内径がシリンダボア１１の下端側の部分の内径よりも小さく、かつ、シリンダボア１１の上端側の部分の内周面にピストン２０よりも硬度が低いアブレーダブル層５１を有するエンジン構造であってもよい。なお、シリンダボア１１の下端側の部分は、シリンダボア１１内でピストン２０が往復運動をするにあたり、シリンダヘッド３０と反対側の部分である。

【0041】

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。

【符号の説明】

【0042】

１０ シリンダブロック
１１ シリンダボア
２０ ピストン
２１ 頂面
２２ 凹部
２５ 燃焼室
２６ リング状部材
３０ シリンダヘッド
３１ 下面
３６ バルブ
３８ 燃料噴射部材
４０ リング
５１ 第１アブレーダブル層
５２ 第２アブレーダブル層
５３ 第３アブレーダブル層
ＣＬ シリンダ軸
Ｒ リング状領域
Ｒａ 円形領域
Ｓ１００ エンジン構造

【図1】

【図2】

【図3】

【手続補正書】

【提出日】2023-12-19

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリンダボアが形成されたシリンダブロックと、
前記シリンダボア内に設けられたピストンと、
前記シリンダボアを塞ぐように前記シリンダブロックの上部に設けられたシリンダヘッドと、
前記シリンダボアの上端側に挿入され、前記シリンダボアの直径よりも小さな内径を有するリングと、
を備え、
前記リングの内周面に、前記ピストンの外周面と接触して摩耗する第１アブレーダブル層が形成されている、
前記シリンダヘッドのうち前記シリンダボアを覆う円形領域の少なくとも一部に前記第１アブレーダブル層とは異なる他のアブレーダブル層が形成されている、
エンジン構造。

【請求項2】

前記シリンダボアの内周面のうち、前記リングの直下の領域に第２アブレーダブル層が形成されている、
請求項１に記載のエンジン構造。

【請求項3】

前記円形領域には、
燃料を噴射する燃料噴射部材と、
複数のバルブと、
が設けられており、
前記他のアブレーダブル層は、前記燃料噴射部材と前記複数のバルブよりも外側のリング状の領域に形成されている、
請求項１又は２に記載のエンジン構造。

【請求項4】

前記第１アブレーダブル層の硬度は、前記ピストンの硬度よりも低い、
請求項１に記載のエンジン構造。

【請求項5】

シリンダボアが形成されたシリンダブロックと、
前記シリンダボア内に設けられたピストンと、
前記シリンダボアを塞ぐように前記シリンダブロックの上部に設けられたシリンダヘッドと、
を備え、
前記シリンダボアの上端側の部分は、前記シリンダボアの下端側の部分よりも直径が小さく、
前記シリンダボアは、前記シリンダボアの上端側の部分の内周面に、前記ピストンよりも硬度が低い第１アブレーダブル層を有し、
前記シリンダヘッドのうち前記シリンダボアを覆う円形領域の少なくとも一部に前記第１アブレーダブル層とは異なる他のアブレーダブル層が形成されている、
エンジン構造。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0034】

また、図２のエンジン構造Ｓ１０１では、第３アブレーダブル層５３も形成されている。第３アブレーダブル層５３は、シリンダヘッド３０のうちシリンダボア１１を覆う円形領域の少なくとも一部に形成された、第１アブレーダブル層５１とは異なる他のアブレーダブル層である。第３アブレーダブル層５３は、摩耗する前の状態で、上死点に位置するピストン２０の頂面２１に接する程度の厚みに形成されていてもよい。ピストン２０が動作することにより、第３アブレーダブル層５３が摩耗する。その結果、頂面２１の周辺部と第３アブレーダブル層５３との隙間が小さく抑えられた構成が得られる。