JP2000008859A

JP2000008859A - 直噴式エンジンのピストン及び直噴式エンジン

Info

Publication number: JP2000008859A
Application number: JP10170230A
Authority: JP
Inventors: Kazuhisa Takimoto; 和寿滝本; Masahiko Kanehara; 雅彦金原; Ten Ito; 天伊藤; Hiroki Kusano; 弘揮草野; Hiroyuki Sami; 弘之佐味; Takayoshi Takano; 孝義高野
Original assignee: Toyoda Automatic Loom Works Ltd
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 1998-06-17
Filing date: 1998-06-17
Publication date: 2000-01-11

Abstract

(57)【要約】【課題】直噴式エンジンにおいて、ピストンの壁面に
付着してから気化した気化燃料の拡散を促進させ、エミ
ッションの低減および燃費の向上を実現する。【解決手段】直噴式のディーゼルエンジンのピストン
３には、凹部（キャビティ）１６の内周面１６ａ上にお
けるインジェクタ８の六つの噴孔から噴射された燃料の
当たる位置（同図に鎖線で示された噴流の当たる位置）
の近傍に、噴出口１９を有する六つの空気室１７が形成
されている。噴出口１９と空気室１７とを繋ぐ連通路１
８は、燃料の当たる位置を指向して内周面１６ａの接線
方向に延びている。ピストン３が上死点を過ぎた下降時
に噴出口１９から吹き出した空気が内周面１６ａに沿っ
て流れ、燃料の当たる位置に空気流動が起こるようにな
っている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直噴式ディーゼル
エンジンや直噴式（筒内噴射式）ガソリンエンジン等の
気筒内に燃料が直接噴射される直噴式エンジンのピスト
ン及び直噴式エンジンに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンには燃料噴射方式の
違いにより副室式と直噴式とがある。直噴式のディーゼ
ルエンジンでは、各気筒の中央上部にインジェクタが配
置され、インジェクタからの燃料は気筒内の燃焼室に直
接噴射される。インジェクタからの燃料はピストンの上
面（頂面）に形成された凹部（キャビティ）内をねらっ
て噴射される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、インジェク
タから噴射された燃料の一部がピストンの凹部の内壁面
に付着する場合があった。ピストンの壁面に付着した燃
料は液膜を作るため、気化するまでに時間がかかる。こ
のため、自己着火時に壁面に付着したままの燃料が残る
場合があった。また、自己着火までに気化してもガス化
した燃料は、その運動エネルギーが非常に小さく拡散し
難いうえ、燃焼室内に空気を吸入するときに気流ができ
ても、壁面近傍では流速が非常に遅いため気流によって
も拡散し難くかった。

【０００４】例えばインジェクタが六噴孔ノズルである
場合、図１０に示すように、燃料噴射〜自己着火の時期
において、ピストン５１の凹部（キャビティ）５１ａの
内壁面に液状燃料ＦL が付着したまま残っていたり、気
化燃料ＦG が壁面近傍に滞留していた。このため、自己
着火によって、壁面近傍に滞留していた気化燃料ＦGが
空気とあまり混合されていない酸素不足の状態で燃焼す
るとともに、壁面に残った液状燃料ＦL が加熱されて分
解するので、壁面付近で不完全燃焼が発生し易かった。
このことがスス（Ｃ）や一酸化炭素（ＣＯ）等のエミッ
ションの発生量を多くしたり、燃費を悪くする原因とな
っていた。

【０００５】このため、エミッションの低減および燃費
の向上を図るうえで、このような液状燃料FLの気化促進
と、気化燃料FGの拡散の促進とを図る必要があった。ま
た、近年、直噴式（筒内噴射式）のガソリンエンジンが
実用化されているが、ガソリンエンジンの場合も、イン
ジェクタから噴射された燃料の一部がピストンの頂面に
付着すると、前記と同様の問題をかかえていた。

【０００６】本発明は前記課題を解決するためになされ
たものであって、その目的は、直噴式エンジンにおい
て、ピストンの壁面に付着してから気化した気化燃料の
拡散を促進させ、エミッションの低減および燃費の向上
を実現できる直噴式エンジンのピストン及び直噴式エン
ジンを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に請求項１に記載の発明では、直噴式エンジンのピスト
ンには、ピストンの壁面上においてインジェクタから噴
射された燃料が当たる位置へ前記壁面に沿って向かう方
向を指向して空気流を吹き出す噴出口と、該噴出口に連
通された空気室とを備えている。

【０００８】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記ピストンは、その上部に燃焼室
のための凹部が形成された直噴式のディーゼルエンジン
のピストンであって、前記空気室の噴出口は、前記イン
ジェクタから噴射された燃料が当たる面である前記凹部
の内周面上に形成されている。

【０００９】請求項３に記載の発明では、請求項２に記
載の発明において、前記空気室の噴出口は前記凹部の内
周面に複数設けられ、前記各噴出口からの空気流によっ
てスワール流が形成されるように、前記複数の噴出口は
前記凹部の周方向において同一方向を指向するように形
成されている。

【００１０】請求項４に記載の発明では、請求項２又は
請求項３に記載の発明において、前記インジェクタは複
数の噴孔を有し、前記凹部の内周面には噴孔数と同数の
噴出口が、前記各噴孔から噴射された燃料が当たる位置
ごとにその近傍位置に一つずつ前記凹部の周方向にほぼ
等間隔に形成されている。

【００１１】請求項５に記載の発明では、請求項１〜請
求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記イン
ジェクタから噴射される燃料が当たる位置に、該燃料の
気化を促進する気化促進膜が形成されている。

【００１２】請求項６に記載の発明では、請求項５に記
載の発明において、前記気化促進膜は、セラミック膜で
ある。請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の発
明において、前記セラミック膜は、ジルコニアもしくは
ジルコニアを主成分とする溶射膜である。

【００１３】請求項８に記載の発明では、直噴式エンジ
ンには、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の前
記ピストンが備えられている。（作用）従って、請求項１に記載の発明によれば、ピス
トンが上昇する圧縮行程で空気室に空気が圧縮される。
インジェクタから噴射された燃料の一部はピストンの壁
面に付着する。ピストンが上死点を過ぎて下降し始め、
燃焼室の気圧が低下して空気室内の空気圧との間に差圧
（圧力差）が生じると、噴出口から壁面に沿う方向を指
向して空気流が吹き出す。この空気流は壁面に沿って燃
料の当たった位置まで流れ、壁面付着後に気化した気化
燃料を拡散させるとともに、壁面に液状燃料が残ってい
ればその気化を促進させる。その結果、壁面近傍に気化
燃料が滞留することが抑制される。

【００１４】請求項２に記載の発明によれば、直噴式の
ディーゼルエンジンにおいて、インジェクタから噴射さ
れた燃料の一部は、ピストンの凹部（キャビティ）の内
周面に付着する。空気室の噴出口からは空気流が凹部の
内周面に沿う方向に吹き出し、その吹き出した空気流が
内周面上の燃料の付着位置を流れる。凹部内で気化燃料
の拡散が促進される。

【００１５】請求項３に記載の発明によれば、凹部の内
周面上に複数ある噴出口から、凹部の周方向において同
一方向に空気流が吹き出すため、凹部内に強いスワール
流が形成される。このスワール流によって、気化燃料は
凹部内で空気とよく混合される。よって、自己着火後、
一気に燃焼が進む。

【００１６】請求項４に記載の発明によれば、インジェ
クタの複数の噴孔から噴射された燃料が当たる位置ごと
に一つずつの噴出口が周方向にほぼ等間隔に設けられ、
各噴出口から壁面に沿う方向に吹き出した空気流が各噴
孔から噴射された燃料が当たる位置を流れる。燃料の当
たる位置ごとにその近傍位置に噴出口が一つずつ用意さ
れているので、燃料の当たる位置が複数箇所あっても、
気化燃料の拡散が効率よく、しかも同じタイミングで均
一に行われる。また、各噴出口の指向方向が凹部の周方
向において同一方向である構成の場合、各噴出口が周方
向にほぼ等間隔に位置することから、均一なスワール流
が形成される。

【００１７】請求項５に記載の発明によれば、インジェ
クタから噴射されてピストンの壁面に付着した燃料は少
なくともその一部が気化促進膜に付着する。よって、気
化促進膜に付着した燃料の気化が促進される。

【００１８】請求項６に記載の発明によれば、気化促進
膜はセラミック膜であるので、燃料が気化するときに熱
が奪われても金属に比べて冷え難いので、高い燃料の気
化促進作用が得られる。

【００１９】請求項７に記載の発明によれば、セラミッ
ク膜は、ジルコニアもしくはジルコニアを主成分とする
ので、その材料の特性から膜沸騰（ライデンフロスト現
象）の起こる温度をより高い温度にシフトできるので、
膜沸騰による燃料のセラミック面からの浮き上がり現象
を抑え、高い燃料の気化促進作用が得られる。また、溶
射膜であるので、その表面粗度が粗く、燃料の液滴や液
膜との接触面積、すなわち熱伝達面積が広く確保される
ため、高い燃料の気化促進作用が得られる。

【００２０】請求項８に記載の発明によれば、直噴式エ
ンジンは、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の
ピストンを有するので、請求項１〜請求項７のいずれか
一項に記載の発明と同様の作用が得られる。

【００２１】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）以下、本発明
を具体化した第１の実施形態を図１〜図５を用いて説明
する。

【００２２】図５に示すように、直噴式エンジンとして
のディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１
の各気筒を構成するシリンダ２内にはピストン３が収容
されている。各気筒毎のピストン３はコネクティングロ
ッド４によりクランク軸５に連結されている。シリンダ
ヘッド６には、シリンダ２、ピストン３およびシリンダ
ヘッド６によって形成される燃焼室７内に先端部を突出
させたインジェクタ８が装着されている。

【００２３】インジェクタ８は多孔ノズルであって、本
例では六つの噴孔を有する六噴孔式である。インジェク
タ８は配管９等を通じて燃料噴射ポンプ（図示せず）に
接続されている。インジェクタ８からの燃料の噴射のタ
イミングは、電子制御または機械式制御によってその時
のエンジン回転数やエンジン負荷等のパラメータに応じ
て公知の方法により決められる。本実施形態では、燃料
噴射タイミングは、ピストン３が上死点（ＴＤＣ）付近
のクランク角にあるときに噴射が開始され、その噴射が
所定時間継続された後、上死点を少し過ぎたクランク角
で燃焼が開始される。

【００２４】また、エンジン１には吸気通路１０が燃焼
室７に繋がる吸気ポート１１に吸気バルブ１２が設けら
れ、排気通路１３が燃焼室７に繋がる排気ポート１４に
排気バルブ１５が設けられている。

【００２５】次にピストン３の構造を図１，図２を用い
て説明する。図１はピストン３の平断面、図２はピスト
ン３の側断面を示す。ピストン３はその上面（頂面）に
凹部（キャビティ）１６が形成されている。凹部１６の
内周面１６ａは底面側ほど拡開する円周面状に形成され
ており、凹部１６の底面中央には突部３ａが形成されて
いる。ピストン３には凹部１６を囲んでその周方向にほ
ぼ等間隔に並ぶ複数（本例では６つ）の空気室１７が形
成されている。各空気室１７は連通路１８を通じて内周
面１６ａに開口しており、その開口によって空気の噴出
口１９が形成されている。各噴出口１９は、インジェク
タ８の各噴孔から噴射された燃料の噴霧の一部が付着す
る部分（図１において鎖線で示すインジェクタから噴射
される燃料噴霧の当たる位置）に対し、その内周面１６
ａの周方向において同一方向側に位置し、内周面１６ａ
の周方向に等間隔に配置されている。

【００２６】図１，図３に示すように、各連通路１８
は、ピストン３の軸線と直交する面において、内周面１
６ａの接線方向に延びている。そのため、噴出口１９か
ら吹き出した空気流は、内周面１６ａに沿って流れ、そ
の面に付着した燃料の表面を流れるようになっている。
各連通路１８の指向方向が内周面１６ａの周方向におい
て同一方向となっており、各噴出口１９から周方向にお
いて同一方向に空気流が吹き出ることにより、凹部１６
内にスワール流Ｓ（図３を参照）が形成されるようにな
っている。

【００２７】次にエンジン１の動作を説明する。ピスト
ン３が上昇する圧縮行程で空気室１７に空気が圧縮され
る。空気室１７の空気圧はピストン３が上死点にあると
きに最大圧に達する。ピストン３が上死点付近に達する
と、インジェクタ８から燃料が噴射される。噴射された
燃料の一部はピストン３の凹部１６の内周面１６ａに付
着する。

【００２８】ピストン３が上死点を過ぎて下降し始める
と、燃焼室７内の空気圧が低下して燃焼室７と空気室１
７との間に差圧（圧力差）が生じ、空気室１７に圧縮さ
れていた空気が噴出口１９から吹き出す。このとき図３
に示すように、連通路１８が凹部１６の内周面１６ａの
接線方向を指向しているため、噴出口１９からの空気流
は内周面１６ａに沿うように吹き出すことになる。

【００２９】内周面１６ａの周方向に六箇所ある各噴出
口１９からの空気流は、内周面１６ａ上のその直ぐ下流
側に位置する燃料の当たる位置の表面に沿って流れる。
このため、図３，図４に示すように、空気流による空気
流動によって、壁面に付着してから気化した気化燃料FG
が、壁面近傍に滞留することなく拡散される。また、こ
のとき空気流によって液状燃料FLの表面付近の気化燃料
の濃度が下がることにより、液状燃料FLの表面付近の燃
料の蒸気圧が低下し、液状燃料FLの気化も促進される。

【００３０】また、凹部１６の内周面１６ａの周方向に
六箇所ある各噴出口１９から空気流が、内周面１６ａの
周方向における同一方向に吹き出すので、各空気流が一
つに合流して凹部１６内にスワール流Ｓが発生する。よ
って、各噴出口１９から吹き出す空気量そのものは限ら
れてはいるものの、自己着火の前に比較的強いスワール
流Ｓが発生する。

【００３１】このスワ−ル流Ｓによって凹部１６内で気
化燃料FGと空気がよく混合される。よって、自己着火す
ると一気に燃焼が進むので、大きな圧力が生まれ、エン
ジン１のクランク軸５から大きな出力が得られる。

【００３２】以上詳述したように本実施形態によれば、
以下の効果が得られる。（１）ピストン３に六つの空気室１７を設け、各噴出口
１９から内周面１６ａに沿って空気流を吹き出させるこ
とにより、インジェクタ８から噴射されて内周面１６ａ
に付着した燃料の表面を空気流が流れるようにしたの
で、燃料の気化および気化後の拡散を促進させることが
できる。このため、燃料の不完全燃焼する割合が少なく
なるので、すす（Ｃ）やＣＯ等のエミッションを低減で
きるとともに、燃費を向上させることができる。

【００３３】（２）六つの噴出口１９を内周面１６ａに
等間隔に配置するとともに、それぞれの吹き出し指向方
向を内周面１６ａの周方向において同一方向となるよう
に揃えたので、六つの噴出口１９からの各空気流によっ
て自己着火前に凹部１６内に比較的強いスワール流Ｓを
作り出すことができる。よって、このスワール流Ｓによ
って凹部１６内で気化した燃料と空気とをよく混合させ
ることができ、一気に燃焼を進めて強い圧力を得ること
により、大きなエンジン出力を得ることができる。

【００３４】（３）インジェクタ８の噴孔数に合わせて
燃料の当たる位置ごとに噴出口１９を一つずつ用意して
いるので、燃料の当たる位置が複数箇所（六箇所）あっ
ても、気化燃料を、効率よくしかも同じタイミングで均
一に拡散させることができる。

【００３５】（第２の実施形態）次に本発明を具体化し
た第２の実施形態を図６〜図８を用いて説明する。この
実施形態は、ピストン３の壁面に付着した燃料の気化を
一層促進させるために、燃料が付着する部分に気化を促
進させる被覆膜を形成した例である。なお、エンジン１
は前記第１の実施形態と同じ構造を有し、ピストン３の
構造が異なるだけであるので、特に構造の異なるピスト
ン３についてのみ説明する。

【００３６】図６はピストン３の平断面、図７はピスト
ン３の側断面を示す。図６，図７に示すように、ピスト
ン３の上面（頂面）に形成された凹部（キャビティ）１
６の内周面１６ａには、インジェクタ８の六つの噴孔か
ら噴射された燃料の当たる位置に気化促進膜としてのセ
ラミック膜２１がそれぞれ形成されている。インジェク
タ８が六噴孔である本実施形態では、同図に示すよう
に、六つのセラミック膜２１は、六つの噴出口１９の吹
き出し下流側に位置し、内周面１６ａの周方向に各噴出
口１９の間に位置するようにほぼ等間隔に点在してい
る。

【００３７】セラミック膜２１は、本例ではジルコニア
（ＺｒＯ₂）の溶射膜であり、ピストン３の母材（例え
ばアルミ合金）に中間層（図示せず）を介して形成され
たものである。中間層はジルコニア溶射膜と母材との中
間の熱膨張率を有する材料からなり、ジルコニア溶射膜
と母材との密着性を高めるために使用している。セラミ
ック膜２１は、ジルコニア（安定化・部分安定化された
ものを含む）からなることに限定されず、ジルコニアを
主成分（例えば５０ｗｔ％以上）とする混合物または化
合物であってもよい。

【００３８】ジルコニアを使用するのは、例えば特開平
９−８８７４０号公報および特開平９−８８７９４号公
報等に述べられているように、燃料（液滴）が膜沸騰す
る温度を高温側にシフトさせる特性を有するからであ
り、セラミック材料の中でも特に高い気化促進作用を有
するからである。また、セラミック膜２１は溶射法（例
えばプラズマ溶射法）により形成された溶射膜であるの
で、そのバルク中に多数の微細な空隙があり、その表面
粗度は例えば１０〜５０μｍの微細な凹凸をもつ粗いも
のとなっている。

【００３９】本実施形態では、セラミック膜２１は、図
８に示すように、インジェクタ８の噴孔から噴射される
燃料の噴射角θの領域のほぼ中央部に、噴射角θ未満の
面積にて形成されている。セラミック膜２１の面積を特
定するためのピストン３の位置は、インジェクタ８から
噴射された燃料が内周面１６ａに到達するときのピスト
ン３の位置（上死点付近）である。この位置にあるとき
のピストン３とインジェクタ８との距離、および噴射角
θとからセラミック膜２１の面積は決められており、そ
の距離のときに噴射角θから決まる内周面１６ａ上の噴
射エリアの面積よりも小さな面積となっている。

【００４０】セラミック膜２１の形成面積は、本例では
前記噴射エリアの面積のおよそ１／２の広さにしてい
る。セラミック膜２１の面積を制限しているのは、セラ
ミック膜２１の断熱効果に起因する燃焼室７の高温化に
よって、吸入空気量が熱膨張によって減ってエンジン１
の出力低下がもたらされることを防ぐためである。

【００４１】燃料の噴射時間の間の連続噴射によって内
周面１６ａ上に燃料の液滴が次々に付着して燃料の液膜
が成長するが、その成長がセラミック膜２１の気化促進
効果によって抑えられるため、最終的に形成される液膜
の最大面積は、従来のエンジン（空気室およびセラミッ
ク膜のないもの）に比べて小さくなる。この液膜面積に
合わせて液状燃料FLがセラミック膜２１の表面にだけ形
成されるように、その面積を前記噴射エリアの面積のお
よそ１／２の広さに決定している。噴射角θの中央部分
において燃料の噴霧濃度が濃く、噴射エリアの中央部分
から外側へ広がるように液膜が成長することを理由に、
セラミック膜２１を噴射角θの中央部に形成している。
なお、セラミック膜２１の面積は、前記噴射エリアの面
積のおよそ１／２に限定はされない。

【００４２】従って、ピストン３にこのようなセラミッ
ク膜２１が形成されたことにより、インジェクタ８の各
噴孔から噴射された燃料の液滴はセラミック膜２１の表
面上で燃料の液膜を成長させる。セラミック膜２１は、
主に次の三つの要因により燃料の液滴および液膜（液状
燃料FL）との接触面積（熱伝達面積）が広く確保され
る。つまり、(a) ジルコニアからなり、液滴が壁面から
浮き上がる膜沸騰（ライデンフロスト現象）が起こる壁
面温度を高温側にシフトでき、通常、直噴式のディーゼ
ルエンジン１の燃焼室７の壁面温度と言われる約３００
℃程度では膜沸騰しないこと。(b) セラミック膜２１が
溶射膜であってその表面粗度が粗いこと。(c) 酸化物で
あるために燃料との濡れ性がよいこと。これらを理由
に、燃料の液滴や液膜のセラミック膜２１との接触面積
（熱伝達面積）が広く確保されるため、セラミック膜２
１に付着した燃料の液滴および液膜の気化が促進され
る。

【００４３】そして、ピストン３が上昇する圧縮行程で
空気室１７に圧縮された空気が、ピストン３が上死点を
過ぎて下降する膨張行程で、各噴出口１９から内周面１
６ａに沿って吹き出し、その空気流によってセラミック
膜２１の表面に付着してから気化した気化燃料FGが内周
面１６ａ近傍に滞留することなく拡散される。また、空
気流によっても液状燃料FLの気化が促進される。

【００４４】よって、セラミック膜２１の気化促進作用
によって、前記第１の実施形態の構成に比べ、一層多く
の燃料が気化し、例えば噴射された燃料のほとんどがガ
ス化する。そして、各噴出口１９から吹き出す同一方向
の空気流によってできるスワール流Ｓにより、ガス化し
た燃料と空気とがよく混合される。その結果、自己着火
によって燃料の燃焼が一気に進み、大きな圧力が生ま
れ、エンジン１のクランク軸５からより大きな出力が得
られる。

【００４５】以上詳述したようにこの実施形態によれ
ば、前記第１の実施形態で述べた（１）〜（３）の効果
が得られる他、次の効果が得られる。（４）燃料が当たる位置にセラミック膜２１を形成した
ので、セラミック膜２１に燃料を付着させることにより
その気化を促進させることができる。よって、自己着火
時までにより多くの燃料をガス化でき、しかもガス化し
た燃料を噴出口１９からの空気流によってできるスワー
ル流Ｓによって空気とよく混合できるので、エンジン１
の出力を一層向上させて燃費を向上できるとともに、エ
ミッションを一層低減させることができる。

【００４６】（５）セラミック膜２１を、ジルコニアの
溶射膜としたので、その材料のもつ膜沸騰の起こる温度
の高温側へのシフト、表面粗さ、燃料との濡れ性の良さ
などの理由から、燃料の液滴および液膜との熱伝達面積
を広く確保でき、その気化促進効果を著しく高めること
ができる。

【００４７】（６）セラミック膜２１の位置を噴射角θ
の中央部とし、その面積を、噴射角θと燃料の液滴が内
周面１６ａに到達するときのピストン３の位置とから決
まる噴射エリアの面積未満とし、特に噴射エリアのおよ
そ１／２の面積として、セラミック膜２１の面積を液膜
を含むことのできるほぼ必要最小限にとどめた。そのた
め、セラミック膜２１による断熱効果を最小限に抑える
ことができ、熱膨張が原因で吸入空気量が低減すること
によるエンジン１の出力低下を回避できる。

【００４８】なお、実施形態は、上記に限定されず以下
のように変更してもよい。 ○ 噴出口１９から内周面１６ａに沿って吹き出す空気
流の吹き出し指向方向は、ピストン３の軸線と直交する
断面における内周面１６ａの接線方向に限定されない。
例えば図９に示すように、空気室２５と噴出口２６とを
繋ぐ連通路２７を、ピストン３の軸線方向と平行な断面
において内周面１６ａと接する方向に延びるように形成
し、各噴出口２６からの空気流の吹き出し指向方向が内
周面１６ａに沿う方向となるようにしてもよい。例えば
噴出口２６からの空気流によってセラミック膜２１の表
面に沿って流れるタンブル流（縦方向の流れ）が形成さ
れるようにしてもよい。また、図９において、セラミッ
ク膜２１を無くした構成とすることもできる。このよう
な構成によっても、前記各実施形態と同様の効果が得ら
れる。また、凹部１６の周方向と軸方向との両方の方向
成分を有する指向方向をとる連通路を形成し、噴出口か
らの空気流の指向方向が、前記各実施形態の指向方向の
中間の角度ををなすように空気室を設けることもでき
る。

【００４９】○ 空気室の数はインジェクタ８の噴孔数
と同じでなくてもよい。例えば燃料の当たる二位置また
は三位置ごとに一つの噴出口を設けるようにして空気室
１７の数を減らしてもよい。例えば図１において空気室
１７をピストン３の軸心に対して１２０°ずつ角度をず
らした位置に三つのみとしたり、ピストン３の軸心を挟
んで対向する位置に二つのみとしてもよい。また、噴出
口１９は噴孔数と同じ数にし、一つの空気室１７から複
数本（例えば２本）の連通路１８を延ばすことにより、
噴出口１９の数の割に空気室１７の数を減らすようにし
てもよい。また、噴出口１９の数を噴孔数より多くして
もよい。

【００５０】○ 前記各実施形態では、噴出口１９から
の空気流の吹き出し方向が周方向において同一方向とな
るようにしたが、噴出口１９うち幾つかが逆方向や凹部
１６の軸方向を指向していても構わない。強いスワール
流やタンブル流を作り出すことができなくなるものの、
スワール流と空気室の空気流をぶつけることで、内周面
１６ａ近傍に乱流が形成されるので、内周面１６ａ近傍
に気化燃料FGが滞留することが回避され、エミッション
の低減および燃費の向上に一応の効果は得られる。

【００５１】○ セラミック膜２１の面積は、前記各実
施形態に限定されない。液膜を含むのであればその形成
面積を十分広くしてもよく、噴射角θから決まる噴射エ
リアより広くセラミック膜２１を形成することもでき
る。また、複数のセラミック膜２１を、前記各実施形態
のように凹部１６の内周面にその周方向に点在させて形
成するのではなく、セラミック膜を内周面１６ａの周方
向に帯状に形成してもよい。さらに凹部１６の内周面全
域にセラミック膜を形成してもよい。また、液状燃料FL
の液膜がセラミック膜からはみ出る狭い面積としてもよ
い。

【００５２】○ セラミック膜２１の材料はジルコニア
もしくはジルコニアを主成分にすることに限定されな
い。例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、シリカ（Ｓｉ
Ｏ₂）、マグネシア（ＭｇＯ）、イットリア（Ｙ
₂Ｏ₃）またはこれらを主成分とする化合物などを使用
してもよい。その他のセラミック材料を使用しても、溶
射膜であること、酸化物であることを満たせば、気化促
進効果は得られる。また、酸化物以外の例えば炭化物や
窒化物、硼化物などセラミック材料としても、熱容量が
金属に比べて高いので、母材の金属面のままの場合より
も気化促進効果は得られる。また、母材と同じ材料や母
材と異なる金属材料からなる溶射膜を形成し、燃料の付
着するエリアの表面粗度を粗くすることにより、熱伝達
面積を広く確保して燃料の気化促進効果を図ることもで
きる。

【００５３】○ セラミック膜２１の形成方法は溶射法
に限定されない。その他の物理蒸着法（ＰＶＤ）や化学
蒸着法（ＣＶＤ）によってセラミック膜２１を形成して
も構わない。例えば溶射法に比べて緻密な膜が形成され
てその粗度が小さくても構わない。

【００５４】○ インジェクタ８は、多孔ノズルに限定
されない。単噴孔ノズルであってもよい。 ○ ディーゼルエンジン以外の直噴式エンジンにおいて
実施してもよい。例えば直噴式（筒内噴射式）のガソリ
ンエンジンにおいて実施してもよい。

【００５５】次に、前記各実施形態及び別例から把握で
きる請求項に記載した発明以外の技術的思想について、
それらの効果と共に以下に記載する。（１）請求項３又は請求項４において、前記複数の噴出
口は、前記凹部の内周面にその周方向にほぼ等間隔に点
在する燃料の当たる位置の間に一つずつ形成されてい
る。この構成によれば、請求項４と同様の効果が得られ
る。

【００５６】（２）請求項３又は請求項４において、前
記噴出口と前記空気室とを連通する連通路は、前記噴出
口の近傍で少なくとも前記凹部の内周面の接線方向に延
びている。この構成によれば、噴出口からの空気流は内
周面に沿って周方向に吹き出し、請求項３又は請求項４
の発明と同様の効果が得られる。

【００５７】（３）請求項５〜請求項７のいずれかにお
いて、前記複数の噴出口は、前記凹部の内周面にその周
方向にほぼ等間隔に点在する前記気化促進膜の間に一つ
ずつ形成されている。この構成によれば、請求項４およ
び請求項５の効果を兼ね備える。

【００５８】（４）請求項５又は請求項６において、前
記気化促進膜は、溶射膜である。この構成によれば、気
化促進膜は溶射膜であるので、その粗い表面粗度から熱
伝達面積を広く確保でき、高い気化促進効果を得ること
ができる。

【００５９】（５）請求項６において、前記セラミック
膜は酸化物からなる。この構成によれば、酸化物からな
るセラミック膜は、非酸化物に比べ燃料との濡れ性がよ
く熱伝達面積を広く確保できるので、高い気化促進効果
を得ることができる。

【００６０】（６）請求項６において、前記セラミック
膜は、ジルコニアもしくはジルコニアを主成分とする。
セラミック膜は、ジルコニアもしくはジルコニアを主成
分とするので、その材料の特性から膜沸騰（ライデンフ
ロスト現象）を抑えられ、高い気化促進効果を得ること
ができる。

【００６１】（７）請求項６又は請求項７において、前
記セラミック膜は、前記インジェクタの噴射角未満の領
域に形成されている。セラミック膜は、インジェクタの
噴射角未満の領域に形成されているので、セラミック膜
の形成面積をなるべく小さく制限して、セラミック膜の
断熱効果によってもたらされる熱膨張による吸入空気量
の低減を防ぐことができる。

【００６２】

【発明の効果】以上詳述したように請求項１、請求項２
及び請求項８に記載の発明によれば、ピストンの壁面に
沿って空気流が吹き出す噴出口を有する空気室を設け、
燃料の当たる位置に空気流動を起こして気化燃料を拡散
させることにより気化燃料と空気との混合を促進でき、
エミッションの低減および燃費の向上を実現できる。

【００６３】請求項３及び請求項８に記載の発明によれ
ば、凹部の内周面に設けられた複数の噴出口の指向方向
を、凹部の周方向において同一方向に揃えたので、各噴
出口からの空気流によって凹部内に強いスワール流を形
成でき、凹部内で気化燃料と空気を一層よく混合させる
ことができる。よって、エミッションの低減および燃費
の向上をさらに一層図り易い。

【００６４】請求項４及び請求項８に記載の発明によれ
ば、インジェクタの複数の噴孔から噴射された燃料が当
たる位置ごとに噴出口が一つずつ用意されているので、
燃料の当たる位置が複数箇所あっても、気化燃料の拡散
を効率よくしかも同じタイミングで均一に行うことがで
きる。

【００６５】請求項５及び請求項８に記載の発明によれ
ば、インジェクタから噴射された燃料が当たる位置に気
化促進膜を形成したので、ピストンの壁面に付着した燃
料の気化が促進され、より多くの気化燃料を空気流によ
って空気とよく混合させることができ、エミッションの
低減および燃費の向上を一層図り易い。

【００６６】請求項６及び請求項８に記載の発明によれ
ば、気化促進膜はセラミック膜であるので、金属に比べ
高い気化促進効果を得ることができる。請求項７及び請
求項８に記載の発明によれば、セラミック膜は、ジルコ
ニアもしくはジルコニアを主成分とする溶射膜であるの
で、その材料の特性から膜沸騰（ライデンフロスト現
象）を抑えられるとともに、その粗い表面粗度から熱伝
達面積を広く確保でき、高い気化促進効果を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態におけるピストンの平断面図。

【図２】ピストンの側断面図。

【図３】空気室の作用を説明するための平断面図。

【図４】ピストンの部分模式平断面図。

【図５】エンジンの要部側断面図。

【図６】第２の実施形態におけるピストンの平断面図。

【図７】ピストンの側断面図。

【図８】セラミック膜を示す平面図。

【図９】別例のピストンの側断面図。

【図１０】従来技術におけるピストンの部分模式平断面
図。

【符号の説明】

１…直噴式エンジンとしてのディーゼルエンジン、３…
ピストン、７…燃焼室、８…インジェクタ、１６…凹部
（キャビティ）、１６ａ…壁面を構成する内周面、１
７，２５…空気室、１８，２７…連通路、１９，２６…
噴出口、２１…気化促進膜としてのセラミック膜、Ｓ…
スワール流。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤天愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地株式会社豊田自動織機製作所内 (72)発明者草野弘揮愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地株式会社豊田自動織機製作所内 (72)発明者佐味弘之愛知県名古屋市天白区久方２丁目12番地１豊田工業大学内 (72)発明者高野孝義愛知県名古屋市天白区久方２丁目12番地１豊田工業大学内Ｆターム(参考） 3G023 AA02 AA04 AA07 AA18 AB01 AB05 AB08 AC05 AD02 AD06 AD09 AD13 AE04 AE06 AE07 AF01 AG05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ピストンの壁面上においてインジェクタ
から噴射された燃料が当たる位置へ前記壁面に沿って向
かう方向を指向して空気流を吹き出す噴出口と、該噴出
口に連通された空気室とを備えている直噴式エンジンの
ピストン。
【請求項２】前記ピストンは、その上部に燃焼室のた
めの凹部が形成された直噴式のディーゼルエンジンのピ
ストンであって、前記空気室の噴出口は、前記インジェクタから噴射され
た燃料が当たる面である前記凹部の内周面上に形成され
ている請求項１に記載の直噴式エンジンのピストン。
【請求項３】前記空気室の噴出口は前記凹部の内周面
に複数設けられ、前記各噴出口からの空気流によってス
ワール流が形成されるように、前記複数の噴出口は前記
凹部の周方向において同一方向を指向するように形成さ
れている請求項２に記載の直噴式エンジンのピストン。
【請求項４】前記インジェクタは複数の噴孔を有し、
前記凹部の内周面には噴孔数と同数の噴出口が、前記各
噴孔から噴射された燃料が当たる位置ごとにその近傍位
置に一つずつ前記凹部の周方向にほぼ等間隔に形成され
ている請求項２又は請求項３に記載の直噴式エンジンの
ピストン。
【請求項５】前記インジェクタから噴射される燃料が
当たる位置に、該燃料の気化を促進する気化促進膜が形
成されている請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載
の直噴式エンジンのピストン。
【請求項６】前記気化促進膜は、セラミック膜である
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の直噴式エン
ジンのピストン。
【請求項７】前記セラミック膜は、ジルコニアもしく
はジルコニアを主成分とする溶射膜である請求項６に記
載の直噴式エンジンのピストン。
【請求項８】請求項１〜請求項７のいずれか一項に記
載の前記ピストンを有する直噴式エンジン。