JP2025035406A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】断熱塗装の如き長時間かつ高コストの作業を避けつつも、所定の流路を流れる流体の温度変化を可及的に抑制して、当該温度変化が内燃機関に及ぼす影響を抑える。
【解決手段】この内燃機関１０は、内燃機関本体１２の内部に形成される第一流路１６と、第一流路１６と第一壁部２１を隔てて隣接する第二流路１９と、第一流路１６と第二壁部２２を隔てて隣接しかつ第二流路１９と連通する第三流路２０と、を備え、第三流路２０を流れる流体の流速は、第二流路１９を流れる流体の流速よりも大きく、かつ第一壁部２１の厚み寸法ｔ１が、第二壁部２２の厚み寸法ｔ２よりも大きい。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関に関する。

例えばディーゼルエンジンなどの内燃機関には、吸気口から取り込んだ外気を各シリンダの燃焼室に供給するための吸気ガス流路が設けられている。また、この吸気ガス流路の吸気口よりも下流側には過給機のコンプレッサが設けられ、コンプレッサよりも下流側にインタークーラが設けられている。そして、コンプレッサと同軸に連結された過給機のタービンが排気ガスの流れを受けて回転することでコンプレッサを作動させる。これにより、取り込んだ空気が圧縮されると共に、圧縮された空気がインタークーラにより冷却されて燃焼室に供給されるようになっている（例えば、特許文献１を参照）。

また、この種の内燃機関には、シリンダを収容するシリンダブロックやシリンダヘッドを冷却するための構造が設けられるのが一般的である。具体的には、エンジン本体を構成するシリンダブロックのうちシリンダヘッドとともに燃焼室を画成する部分の近傍に、冷却水を流通させるための冷却水路を形成し、この冷却水路に冷却水を流通させることで、シリンダブロックのうち燃焼室を画成する部分など特に熱負荷の高い部位を冷却可能としている（例えば、特許文献２を参照）。

特開２０１４－２３４７３３号公報 特開２０１９－１６３７３９号公報

ところで、シリンダを冷却する冷却水路と、シリンダに所定の温度に調整された気体を供給する吸気ガス流路とは、限られたスペースの中で配置される関係上、極めて近い位置に配置される場合が少なくない。そのため、たとえ所定の温度に調整した気体を吸気ガス流路に流したとしても、吸気ガス流路を流れる気体の温度が、隣接する冷却水路内の冷却水の温度の影響を受けて、吸気ガス流路の上流側と下流側とで異なる事態が起こり得る。各シリンダに供給される気体の温度が異なることで、内燃機関の性能に影響を及ぼすおそれがある。

冷却水路を流れる冷却水からの影響を最小限に留めるために、吸気ガス流路の内面に断熱塗装を施すことも試みられているが、複雑な構造の吸気ガス流路の内面に漏れなく断熱塗装を施すためには、多大な作業時間と作業コストがかかる問題があった。

上述した問題は何も内燃機関の吸気ガス流路に限った問題ではなく、温度差のある流体がそれぞれ流れる流路が伝熱可能な程度に隣接する構造をなす場合全てに起こり得る。

以上の事情に鑑み、本明細書では、断熱塗装の如き長時間かつ高コストの作業を避けつつも、所定の流路を流れる流体の温度変化を可及的に抑制して、当該温度変化が内燃機関に及ぼす影響を抑えることを、解決すべき技術課題とする。

前記課題の解決は、本発明に係る内燃機関によって達成される。すなわち、この内燃機関は、内燃機関本体の内部に形成される第一流路と、第一流路と第一壁部を隔てて隣接する第二流路と、第一流路と第二壁部を隔てて隣接しかつ第二流路と連通する第三流路と、を備え、第三流路を流れる流体の流速は、第二流路を流れる流体の流速よりも大きく、かつ第一壁部の厚み寸法が、第二壁部の厚み寸法よりも大きい点をもって特徴付けられる。

このように本発明に係る内燃機関では、第一流路と第二流路とを隔てる第一壁部の厚み寸法を、第一流路と第三流路とを隔てる第二壁部の厚み寸法よりも大きくしたので、第一壁部を伝って生じる第一流路と第二流路との間の伝熱作用を低減することができる。一方、第三流路を流れる流体の流速は、第二流路を流れる上記流体の流速よりも大きいため、第二壁部を介して隣接する第一流路から受ける温度の影響は相対的に小さい。以上より、本発明によれば、断熱塗装の如き長時間かつ高コストの作業を避けつつも、第二流路を流れる流体の温度変化を可及的に抑制して、当該温度変化が内燃機関に及ぼす影響を抑えることが可能となる。

また、本発明に係る内燃機関において、第一流路と第二流路とが並んで延びており、かつ複数の第三流路が、第二流路から第一流路と交差する向きに分岐していてもよい。

このように第一流路と第二流路とを並んで延びるように配置することにより、内燃機関本体をコンパクトにしつつも、各流路に必要な容積を確保することが可能となる。第三流路についても第二流路と交差する向きに分岐した形態をとることで、限られたスペースの中に複数の第三流路を配置しつつも各流路に必要な容積を確保することが可能となる。もちろん、第一流路と第二流路との間の第一壁部を相対的に大きくしているので、第一流路と第二流路とが長距離にわたって隣接する配置であっても不要な伝熱を可及的に抑制することが可能となる。

また、本発明に係る内燃機関において、第一流路は、冷却水が流れる冷却水路で、第二流路及び第三流路は、流体としての吸気ガスが燃焼室に向けて流れる吸気ガス流路で、吸気ガスは、吸気ガス流路のうち第一壁部に接する部分よりも上流側で、冷却水よりも低い所定の温度に調整されてもよい。

このように本発明に係る構成を隣接配置される冷却水路と吸気ガス流路とに適用することによって、吸気ガス流路を流れる吸気ガス（吸気エア）の温度変化を最小限に抑制することができる。よって、燃焼室に供給するのに適した温度に調整した吸気ガスを極力調整した温度に維持した状態で燃焼室に供給することができ、これにより内燃機関が安定した出力を発揮することが可能となる。

以上のように、本発明に係る内燃機関によれば、断熱塗装の如き長時間かつ高コストの作業を避けつつも、所定の流路を流れる流体の温度変化を可及的に抑制して、当該温度変化が内燃機関に及ぼす影響を抑えることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の斜視図である。 図１に示す内燃機関のＡ－Ａ断面図である。 図１に示す内燃機関のＢ－Ｂ断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る内燃機関の内容を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、内燃機関として、船舶の発電用モータに回転力を供給する用途として使用され、又は船舶のプロペラ軸を回転させる用途として使用されるディーゼルエンジンを例にとって説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関１０の斜視図を示している。図１に示すように、この内燃機関１０は、複数の気筒（シリンダ１１）内での燃焼により動力を取り出すためのもので、内燃機関本体１２と、各シリンダ１１の燃焼室１３と、燃焼室１３に吸気ガスを供給するための吸気ガス流路１４と、燃焼室１３から排気ガスを排出するための排気ガス流路１５と、冷却水路１６とを備える。ここで、冷却水路１６が、本発明に係る第一流路に相当する。

本実施形態では、内燃機関本体１２は、複数のシリンダ１１を一体的に有するシリンダブロック１７と、シリンダブロック１７とともに各燃焼室１３を画成するシリンダヘッド１８とで構成されている。

吸気ガス流路１４は、主として吸気口（図示は省略）から取り込んだ気体（通常、空気）を圧縮して各シリンダ１１の燃焼室１３に送り込むためのもので、上流端に吸気口が設けられた主吸気路１９と、主吸気路１９から分岐して各シリンダ１１の燃焼室１３に接続される複数の副吸気路２０とを有する。ここで、主吸気路１９が本発明に係る第二流路に相当し、副吸気路２０が本発明に係る第三流路に相当する。本実施形態では、主吸気路１９は内燃機関１０の前後方向（図１のｘ方向）に沿ってかつ直線的に延びている。主吸気路１９の上流側（図１でいえば左下側）には過給機のコンプレッサ（図示は省略）が配設されている。また、主吸気路１９のうちコンプレッサの下流側であって副吸気路２０が分岐する領域よりも上流側にはインタークーラ（図示は省略）が配設されている。このように構成することで、吸気口から取り込まれた空気がコンプレッサにより圧縮され、主吸気路１９、及び副吸気路２０を通じて燃焼室１３に供給される。また、コンプレッサの下流側に配設されたインタークーラにより高温状態の空気が冷却され、所定の温度（例えば４０～４５℃）に調整された圧縮空気が燃焼室１３に供給され得る。

本実施形態では、各副吸気路２０は、主吸気路１９と交差（図１では直交）する向きに分岐している。詳述すると、副吸気路２０は、主吸気路１９から上下方向一方側（ここではｚ方向の燃焼室１３側）に延びた後、内燃機関１０の幅方向（ｙ方向）中央側に湾曲して燃焼室１３に接続する形態をなしている（図２を参照）。

上記構成の主吸気路１９は、シリンダブロック１７の内部に一体的に形成されている。また、副吸気路２０のうち主吸気路１９側の一部は主吸気路１９とともにシリンダブロック１７の内部に一体的に形成され、副吸気路２０の燃焼室１３側の残部はシリンダヘッド１８に一体的に形成されている。

主吸気路１９の断面積Ｓ１は、副吸気路２０の断面積Ｓ２よりも大きい。よって、主吸気路１９の上流側から所定の気体（上述した圧縮空気）が送り込まれる場合、副吸気路２０を流れる気体（圧縮空気）の流速ｖ２は、各副吸気路２０の上流側に位置し主吸気路１９を流れる気体（圧縮空気）の流速ｖ１よりも大きい。

冷却水路１６は、内燃機関本体１２の内部に冷却水を流通可能とするもので、本実施形態では、内燃機関本体１２を構成するシリンダブロック１７の内部に冷却水路１６が一体的に形成されている。この場合、所定の温度（例えば８０℃前後）にまで冷却された冷却水をポンプ（図示は省略）により冷却水路１６内に送り出すことにより、冷却水路１６内に冷却水を流通させ、燃焼室１３の冷却を可能としている。図１では、内燃機関１０の前後方向（ｘ方向）に沿ってかつ直線的に冷却水路１６が延びており、当該形態の冷却水路１６が各シリンダ１１の近傍を通過するように配置されている。この場合、冷却水路１６の下方に吸気ガス流路１４の主吸気路１９が設けられており、冷却水路１６と主吸気路１９とは平行に延びている。また、冷却水路１６と主吸気路１９とは水平方向（ｘ方向及びｙ方向）に延びる第一壁部２１を隔てて上下に隣接している（図３を参照）。

次に、冷却水路１６と副吸気路２０との関係について述べる。各副吸気路２０は、冷却水路１６に対して交差（図１では直交）する向きに延びており、冷却水路１６と副吸気路２０とは上下方向（ｚ方向）に延びる第二壁部２２を隔てて内燃機関１０の幅方向（ｙ方向）に隣接している（図２を参照）。

ここで、第一壁部２１の厚み寸法をｔ１、第二壁部２２の厚み寸法をｔ２とした場合、第一壁部２１の厚み寸法ｔ１と第二壁部２２の厚み寸法ｔ２との間には、ｔ１＞ｔ２が成り立つ。具体的には、ｔ１＞１．２５×ｔ２となるように各壁部２１，２２の厚み寸法ｔ１，ｔ２が設定され、好ましくは、ｔ１＞１．５×ｔ２となるように各壁部２１，２２の厚み寸法ｔ１，ｔ２が設定される。ｔ１≦１．２５×ｔ２の場合、冷却水路１６と主吸気路１９との間の伝熱作用を十分に低減することが難しいためである。一方で、上述した伝熱作用を低減しつつ、内燃機関本体の寸法が必要以上に大きくなる事態を回避する観点からは、ｔ１≦３．０×ｔ２となるように、各壁部２１，２２の厚み寸法ｔ１，ｔ２を設定するのがよい。

本実施形態では、第一壁部２１の外側端部と第二壁部２２の下側端部とが連続している。また、主吸気路１９のうち副吸気路２０が分岐する領域においては、第一壁部２１の厚み寸法ｔ１が外側に向かうにつれて減少し、第二壁部２２の厚み寸法ｔ２と等しくなった状態で第二壁部２２と滑らかに連続している（図２を参照）。一方で、主吸気路１９のうち副吸気路２０の分岐部分を除いた領域では、第一壁部２１の厚み寸法ｔ１はその幅方向で一定とされている（図３を参照）。もちろん、図２に示す第一壁部２１と第二壁部２２の構成は一例に過ぎない。例えば図示は省略するが、第一壁部２１が厚み寸法ｔ１一定の状態で第二壁部２２と連続する構造をとっても構わない。

なお、図１では、本発明に特に関わりの強い冷却水路１６のみを明示しており、他の冷却水路の存在を否定するものではない。すなわち、図示した以外にも任意の形態の冷却水路を内燃機関本体１２に設けることが可能である。

以上述べたように、本実施形態に係る内燃機関１０では、冷却水路１６と主吸気路１９とを隔てる第一壁部２１の厚み寸法ｔ１を、冷却水路１６と副吸気路２０とを隔てる第二壁部２２の厚み寸法ｔ２よりも大きくしたので、第一壁部２１を伝って生じる冷却水路１６と主吸気路１９との間の伝熱作用を低減することができる。一方、副吸気路２０を流れる気体（圧縮空気）の流速ｖ２は、主吸気路１９を流れる気体の流速ｖ１よりも大きいため、第二壁部２２を介して隣接する冷却水路１６から受ける温度の影響は相対的に小さい。以上より、本実施形態に係る内燃機関１０によれば、断熱塗装の如き長時間かつ高コストの作業を避けつつも、主吸気路１９を流れる気体の温度変化を可及的に抑制して、当該温度変化が内燃機関１０に及ぼす影響を抑えることが可能となる。

なお、本実施形態のように内燃機関１０の吸気ガス流路１４が構成される場合、主吸気路１９の上流側と下流側とでは気体の流量が異なる（下流側ほど流量が減少する）。そのため、下流側ほど冷却水路１６からの伝熱の影響を受けやすい。これらの点を考慮して、冷却水路１６と主吸気路１９とを隔てる第一壁部２１の厚み寸法ｔ１の大きさを設定するのがよい。

以上、本発明の一実施形態について述べたが、本発明に係る内燃機関は、その趣旨を逸脱しない範囲において、上記以外の構成を採ることも可能である。

例えば上記実施形態では、冷却水路１６と主吸気路１９、及び第一壁部２１を何れもシリンダブロック１７の内部に一体的に形成した場合を例示したが、もちろんこれには限られない。第一壁部２１を隔てて隣接するように内燃機関本体１２の内部に形成される限りにおいて、冷却水路１６と主吸気路１９の構造及び配置態様は任意である。

また、上記実施形態では、第一壁部２１及び第二壁部２２が何れも平坦な形状を成す場合を例示したが、もちろんこれ以外の形態をなすことも可能である。例えば図示は省略するが、冷却水路１６と主吸気路１９を何れも断面真円形状として第一壁部２１を円弧状に湾曲した形状とすることも可能である。第二壁部２２についても同様に任意の形状をとることが可能である。

また、第一壁部２１の厚み寸法ｔ１に関し、上記実施形態では内燃機関１０の前後方向（ｘ方向）で厚み寸法ｔ１が一定である場合を例示したが、もちろん変化させてもよい。例えば図示は省略するが、主吸気路１９の下流側ほど圧縮空気の流量が減少する点に鑑み、第一壁部２１の厚み寸法ｔ１を主吸気路１９の下流側に向かうにつれて増大させるようにしてもよい。

また、以上の説明では、第一流路が冷却水路１６で第二流路が主吸気路１９（吸気ガス流路１４）である場合を例示したが、もちろんこれ以外の流路の組み合わせに対して本発明を適用することも可能である。すなわち第一流路を流れる流体は冷却水には限られない。同様に、第二流路及び第三流路を流れる流体は圧縮空気には限られない。また、以上の説明では、第一流路と第二流路（及び第三流路）とで異なる種類の流体が流れる場合を例示したが、同種の流体が流れる第一流路と第二流路との組み合わせに対して本発明を適用してもよい。要は、温度差のある流体がそれぞれ流れる流路同士が壁部を隔てて隣接する配置態様をなす限りにおいて、任意の流路の組み合わせに対し本発明を適用可能である。

１０ 内燃機関
１１ シリンダ
１２ 内燃機関本体
１３ 燃焼室
１４ 吸気ガス流路
１５ 排気ガス流路
１６ 冷却水路
１７ シリンダブロック
１８ シリンダヘッド
１９ 主吸気路
２０ 副吸気路
２１ 第一壁部
２２ 第二壁部
ｔ１，ｔ２ 厚み寸法

Claims (3)

1. 内燃機関本体の内部に形成される第一流路と、
   前記第一流路と第一壁部を隔てて隣接する第二流路と、
   前記第一流路と第二壁部を隔てて隣接しかつ前記第二流路と連通する第三流路と、
   を備え、
   前記第三流路を流れる流体の流速は、前記第二流路を流れる前記流体の流速よりも大きく、かつ
   前記第一壁部の厚み寸法が、前記第二壁部の厚み寸法よりも大きい、内燃機関。
2. 前記第一流路と前記第二流路とが並んで延びており、かつ
   複数の前記第三流路が、前記第二流路から前記第一流路と交差する向きに分岐している、請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記第一流路は、冷却水が流れる冷却水路で、
   前記第二流路及び前記第三流路は、前記流体としての吸気ガスが燃焼室に向けて流れる吸気ガス流路で、
   前記吸気ガスは、前記吸気ガス流路のうち前記第一壁部に接する部分よりも上流側で、前記冷却水よりも低い所定の温度に調整される、請求項１又は２に記載の内燃機関。

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