JP2008111367A - 内燃機関およびピストン - Google Patents

Abstract

【課題】ピストン冠面に多孔質材からなる断熱層を形成した内燃機関の未燃ＨＣの排出または燃費を改善する。
【解決手段】吸気ポート６に臨むように燃料噴射弁１２を備え、ピストン冠面３ａに多孔質材からなる断熱層を形成した内燃機関において、燃料噴射弁からの燃料噴霧のうち、気化した燃料に比して液状の燃料の割合が大である部分と接触するピストン冠面領域に、前記断熱層を形成しない非断熱領域（Ａ１，Ａ２）を設けた。これにより、多孔質材からなる断熱層への液状燃料の染み込みおよび不完全燃焼に原因する未燃ＨＣの排出または燃費の悪化を回避することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、冠面に断熱層を設けたピストンまたは該ピストンを備える内燃機関に関する。

内燃機関の燃費を改善するための技術として、特許文献１または２に示されるように、ピストン冠面に断熱層を設けるようにしたものが知られている。燃焼ガスと接触するピストン冠面に断熱層を設けることにより、ピストンを介しての熱損失を低減して熱効率を改善することができる。また、断熱効果によりピストン材料の熱的負担が軽減するのでその軽量化を図ることもできる。

ピストン冠面に形成する断熱層は、例えばセラミック溶射による場合には無数の微細な気孔によって効果的な断熱がなされる。また、断熱層はピストンから剥離しないように多数の微細な隙間をなす凹凸状の構造とするものもある。
特開平５−２１５０１１号公報 特開平９−２０９８３０号公報

しかしながら、このように無数の気孔ないしは隙間を有する多孔質材からなる断熱層をピストン冠面に設けた内燃機関においては、必ずしも良好な燃費が得られないという問題が生じる。これは、本出願人の知見によれば、燃焼室に導入された混合気のうち気化しきれない液滴状の燃料が、断熱層をなす多孔質材の空隙部分に染み込むことによるものである。

特に、吸気ポートに設けた燃料噴射弁により各気筒毎に燃料を噴射供給するようにしたいわゆるＭＰＩ式の内燃機関または筒内に直接燃料を噴射供給するようにした直接噴射式の内燃機関では、噴射された燃料が気化する時間的余裕が少ないため、液状のままピストン冠面に達する燃料の割合が大きい。

ピストン冠面の断熱層に染みこんだ燃料は十分に空気と接触できないため燃焼行程において不完全燃焼を起こし、特に低温始動時などにおいて未燃ＨＣの排出量を増大させる原因となる。また、要求出力を満たすためには断熱層への染み込み分だけ余分に燃料を供給する結果となるので、燃費も悪化する。

本発明は、前記知見に基づいてなされたもので、ピストン冠面に多孔質材からなる断熱層を形成した燃料噴射式内燃機関のピストンにおいて、燃料噴射弁からの燃料噴霧のうち、気化した燃料に比して液状の燃料の割合が大である部分と接触する冠面領域に、前記断熱層を形成しない非断熱領域を設けたことを特徴とする内燃機関のピストン、またはそのようなピストンを用いた内燃機関である。

本発明によれば、ピストンに対する断熱性能をある程度確保しつつ、多孔質材からなる断熱層への燃料の染み込み量を減じて、排出ＨＣ量の低減および燃費の改善を図ることができる。

本発明の要点は、前記のとおり燃料噴射弁からの燃料噴霧のうち、気化した燃料に比して液状の燃料の割合が大である部分と接触するピストン冠面領域に非断熱領域を設けたことにある。ピストン冠面のどのような領域を非断熱領域とするかは、本発明を適用する内燃機関の仕様、例えば燃料噴射弁の取付位置、噴射時期、吸気系の形状、吸排気弁の配置等によって種々となることが想定されるので、一般的には内燃機関毎に実験的に非断熱領域を定めるものとする。以下では、一般的な吸排気各２弁の頭上弁式（ＯＨＣ式）内燃機関を前提としていくつかの実施形態を示すこととする。

図１および図２は本発明の第１の実施形態である。図１において、１はシリンダヘッド、２はシリンダブロック、３はピストン、４はコンロッド、５は点火栓、６は吸気ポート、７は吸気弁、８は吸気弁駆動カム、９は排気ポート、１０は排気弁、１１は排気弁駆動カム、１２は燃料噴射弁、１３は燃焼室である。この内燃機関は吸気弁７と排気弁１０をそれぞれ２個備えた４弁のＯＨＣ式内燃機関であり、その吸気ポート６に臨むように設けた燃料噴射弁１２からの燃料噴射により混合気を形成するＭＰＩ式の燃料噴射装置を備えている。

図１は、燃料噴射弁１２からの噴射燃料と吸気とからなる混合気が燃焼室１３内に導入される吸入行程の様子を示している。図１または図２において、実線の矢印ｆ１、破線の矢印ｆ２、一点鎖線の矢印ｆ３はそれぞれ吸入行程での吸気弁７の開作動に同期して燃料噴射をした場合の、燃料噴射弁１３からの燃料噴霧の代表的な流れを示している。吸気ポート６からの混合気はその大部分が吸気弁傘部７ａに衝突して燃焼室１３に流れ込むため、混合気の流れと共に燃料噴霧の流れも各矢印に示したようにピストン冠面３ａの周辺領域に向かうことになる。詳細には、図２に示したように、矢印ｆ１に示した吸気弁傘部７ａの手前（吸気ポート側）に向かう燃料噴霧はその直下のピストン冠面領域を、矢印ｆ２で示した吸気弁傘部７ａの側方に向かう燃料噴霧はピストン冠面の周辺領域を、矢印ｆ３で示した吸気弁傘部７ａの燃焼室中心に近い部分を通過する燃料噴霧は排気ポート９側のピストン冠面領域を、それぞれ指向する。一方、吸気弁傘部７ａによって遮られるのでその直下に相当するピストン冠面領域に向かう燃料噴霧は少ない。

そこで、この実施形態では、前記各矢印ｆ１〜ｆ３で示される代表的な燃料噴霧の流れがそれぞれ気化した燃料に比較して液状の燃料を多く含む場合を想定して、図２に示したような非断熱領域ｎ１〜ｎ３を設定し、これ以外のピストン冠面領域にセラミクス等の多孔質の断熱材からなる断熱層を形成するものとしている。

すなわち、図２について詳細に説明すると、図において符号７ｂは上死点位置におけるピストン冠面３ａ上での２つの吸気弁傘部７ａの投影を示しており、この実施形態では前記２つの投影７ｂの中心を結ぶ線分Ｌicよりも吸気ポート６側の領域（図で右側）であって投影７ｂ内を除く領域Ａ１と、前記線分Ｌicよりも排気ポート９側の領域（図の左側）であって、ピストン冠面３ａの外縁に沿った円弧状の領域Ａ２とをそれぞれ非断熱領域としている。領域Ａ１については、吸気弁傘部の投影７ｂ内を含む領域としてもよいが、この実施形態では吸気弁傘部７ａによって遮られる部分つまり投影７ｂに相当する冠面領域は液状燃料を多く含む燃料噴霧に晒されることは少ないと想定して、前記のように領域Ａ１を設定している。図では前記非断熱領域Ａ１，Ａ２を網掛け表示してある（以下の各実施形態につき同様）。

なお、吸気弁傘部の投影７ｂは、この場合シリンダ中心線に沿った方向の投影であるが、吸気弁７の中心線に沿った方向の投影でもよい。吸気弁７がシリンダ中心線に対して傾斜している場合には何れの投影方向とするかによってピストン冠面３ａ上での投影７ｂの位置および面積に差異が生じるが、ピストン冠面３ａへの液状燃料の付着が問題となる上死点位置付近ではその差は僅かであることによる。

この実施形態によれば、前述のとおりピストン冠面３ａ上の吸気弁傘部の投影７ａ内を含む大略中央部分のみに多孔質材からなる断熱層を設け、それ以外の領域Ａ１，Ａ２を、燃料噴射弁１２からの燃料噴霧のうち、気化した燃料に比して液状の燃料の割合が大である部分と接触する非断熱領域つまり前記断熱層を設けない領域として設定してある。

前記構成によれば、燃料噴射弁１２からの燃料噴霧のうち液状燃料を多く含む部分は主に多孔質の断熱層を設けないピストン冠面領域Ａ１，Ａ２に接触することになり、断熱層を設けた冠面領域に到達する液状燃料の絶対量は減少する。すなわち、多孔質材からなる断熱層への燃料の染み込み量が少なくなると共に、比較的高温となる非断熱領域Ａ１，Ａ２にて液状燃料の気化が促されることから、不完全燃焼をする燃料量を減らして、未燃ＨＣの排出量を低減しまたは燃費を改善することができる。

次に、本発明の他の実施形態につき図３以下の各図を用いて説明する。図３および図４は、それぞれ本発明の第２、第３の実施形態であり、これらはピストン冠面３ａ上の２つの吸気弁傘部の投影７ｂを結ぶ線分Ｌicよりも排気ポート側の領域への燃料噴霧（図１または図２において矢印ｆ２，ｆ３で示した燃料噴霧）には液状燃料が少なく、当該領域の断熱層への燃料の染み込みが問題とならない場合に適合する実施形態である。すなわち、図３のものでは、前記線分Ｌicよりも吸気ポート側の領域であって、吸気弁傘部の投影７ｂ内を除く領域Ａ３を非断熱領域としてある。また、図４のものでは、前記領域（Ａ３）のうち、さらに２つの吸気弁傘部の投影７ｂの共通接戦Ｌo1よりも内側の領域を除く領域Ａ４を非断熱領域としてある。

図５は、本発明の第４の実施形態である。これは、図１または図２において矢印ｆ２で示した吸気弁側方への燃料噴霧には液状燃料が少なく、当該領域の断熱層への燃料の染み込みが問題とならない場合に適合する実施形態である。すなわち、この実施形態では、図３と同様の吸気ポート側の非断熱領域Ａ３に加えて、ピストンの中心線に関して、吸気弁傘部の投影７ｂが位置する領域とは反対側の冠面領域上に、ピストンの外形形状に沿った円弧状の非断熱領域Ａ５を併設してある。この場合、前記非断熱領域Ａ５は、各吸気弁傘部の投影７ａの両外側の接線Ｌo2に挟まれた円弧領域としてある。

図６は、本発明の第５の実施形態である。これは図５のものとは反対に、図１または図２において矢印ｆ２で示した吸気弁側方への燃料噴霧にのみ液状燃料が多く、当該領域の断熱層への燃料の染み込みのみが問題となる場合に適合する実施形態である。すなわち、この実施形態では、吸気ポート６からの吸気流に対して両側方にあたるピストン冠面３ａの周辺領域にのみ円弧状に非断熱領域Ａ６を設けてある。

図７（図７（Ａ）および図７（Ｂ））は、本発明の第６の実施形態である。なお図７（Ａ）はピストン冠面を示す平面図であり、図７（Ｂ）はピストンの縦断面図である。これは、図示したようにピストン３がその冠面領域内にボウル状のキャビティ３ｂを有する場合の実施形態である。この実施形態では、図７（Ａ）に示したように、該キャビティ３ｂよりも外側であって、吸気弁傘部の投影７ｂの線分Ｌicよりも吸気ポート側（ただし前記投影７ｂ内を除く）領域Ａ７のみを非断熱領域としたものである。なお、このようなキャビティ３ｂを有するピストンにおいては、キャビティ３ｂを除く環状のピストン冠面領域全体を非断熱領域とすることで、図１または図２に示したようなｆ１〜ｆ３の各方向の燃料噴霧において液状燃料の割合が大きい場合に容易に対応することができる。

図８は、本発明の第７の実施形態である。これは、冠面３ａ上に、それぞれ吸気弁７および排気弁１０との干渉を避けるためのバルブリセス部３ｃ、３ｄを形成したピストン３への適用例である。前記各バルブリセス部３ｃ、３ｄのうち吸気弁７に対向するバルブリセス部３ｃの部分またはその周辺領域Ａ８を非断熱領域とする。バルブリセス部３ｃは吸入行程で開弁している吸気弁７の傘部７ａと近接している部分であり、したがってピストン３が上死点付近にある間に傘部７ａに付着した液状燃料が集中的に付着しやすい。したがって、この部分を非断熱領域とすることで、未燃ＨＣの発生を効果的に回避することができる。

なお、吸気弁が閉じている間に燃料噴射を行う内燃機関では、噴射燃料の多くが吸気弁傘部に液状のまま付着することから、吸入行程の開始にともない吸気弁が開くと共に傘部の液状燃料がその周辺のピストン冠面領域に付着する傾向がある。したがって、ピストン冠面にバルブリセス部を備えない内燃機関においても、前記のような燃料付着傾向を有する場合には、傘部投影７ｂの周辺の冠面領域を非断熱領域とすることで、未燃ＨＣの排出量を効果的に低減することができる。

図９は、本発明の第８の実施形態である。これは、前述したような冠面に非断熱領域を有するピストンを適用した内燃機関に関する実施形態である。この内燃機関は、クランクピンとピストンピンとをコンロッドのみで連接した一般的なコンロッド式ピストン-クランク機構を備えたものとは異なり、圧縮比および／またはピストンストローク量を可変制御することを目的とした複リンク式のピストン−クランク構を介してピストンとクランク軸とを連接した内燃機関である。この種の可変圧縮比／可変ストローク内燃機関の構成は種々のものが公知であるので（例えば特開2001-227367号公報、特開2002-61501号公報を参照。）、ここではその一例につき簡単に説明し、次いでこの種の内燃機関に本発明を適用することの意義について説明する。

この内燃機関では、ピストン２８のピストンピン２７に連結されるアッパリンク２５と、このアッパリンク２５とクランクシャフト３６のクランクピン２３とを連結するロアリンク２４と、一端が機関本体側へ揺動可能に支持され、他端が前記ロアリンク２４に連結されるコントロールリンク２０とを備える。アッパリンク２５とロアリンク２４とはアッパピン２６を介して回転可能に連結され、コントロールリンク２０とロアリンク２４とはコントロールピン３１を介して回転可能に連結されている。コントロールリンク２０は，コントロールピン３１との連結部の他に偏心軸であるコントロールシャフト３２と連結され，コントロールリンク２０を支持している。このような複リンク機構を有する内燃機関においてロアリンク２４は，ピストン２８が受けた燃焼圧力をアッパリンク２５を介してアッパピン２６により受け取り、コントロールピン３１を支点とするレバー動作によりコントロールピン３１に力を伝達する。

図１０は、前記のような複リンク式ピストン−クランク機構を備えた内燃機関のピストン行程を示している。横軸はクランク角、縦軸はピストン変位である。図において上死点であるクランク角９０degの付近におけるピストンの変位とクランク角度との関係に着目すると、このような内燃機関では一般的なコンロッド式ピストン−クランク機構を有する内燃機関に比較してピストンが上死点付近に位置している時間が長いことがわかる。このことは、ピストン冠面が吸入上死点の付近で液状燃料を含む燃料噴霧にさらされる機会ないし期間がそれだけ大きいこと、つまりピストン冠面に多孔質材からなる断熱層を有する場合に液状燃料の染み込みが多く、未燃ＨＣの排出および燃費悪化の傾向が比較的強く表れることを意味している。

したがって、この種の可変圧縮比または可変ストロークのための機構を有する内燃機関に対して本発明を適用した場合には、前述した未燃ＨＣの排出低減または燃費悪化の抑制という本発明の効果がより顕著なものとなる。

本発明の第１の実施形態に係る内燃機関の概略縦断面図。 第１の実施形態のピストン冠面を示す平面図。 本発明の第２の実施形態のピストン冠面を示す平面図。 本発明の第３の実施形態のピストン冠面を示す平面図。 本発明の第４の実施形態のピストン冠面を示す平面図。 本発明の第５の実施形態のピストン冠面を示す平面図。 本発明の第６の実施形態のピストンを示す図。 本発明の第７の実施形態のピストンの外観斜視図。 本発明の第８の実施形態に係る内燃機関の要部縦断面頭。 図９の内燃機関のピストン変位とクランク角度との関係を示す特性線図。

符号の説明

１ シリンダヘッド
２ シリンダブロック
３ ピストン
３ａ ピストン冠面
３ｂ キャビティ
３ｃ バルブリセス部
４ コンロッド
５ 点火栓
６ 吸気ポート
７ 吸気弁
７ａ 吸気弁の傘部
７ｂ 吸気弁傘部の投影
８ 吸気弁駆動カム
９ 排気ポート
１０ 排気弁
１１ 排気弁駆動カム
１２ 燃料噴射弁
１３ 燃焼室
Ａ１〜Ａ８ 非断熱領域

Claims (12)

1. ピストン冠面に多孔質材からなる断熱層を形成した燃料噴射式の内燃機関において、
   燃料噴射弁からの燃料噴霧のうち、気化した燃料に比して液状の燃料の割合が大である部分と接触するピストン冠面領域に、前記断熱層を形成しない非断熱領域を設けたことを特徴とする内燃機関。
2. 吸気ポートに臨むように燃料噴射弁を備えた吸気２弁形式の頭上弁式内燃機関であって、ピストン冠面に多孔質材からなる断熱層を形成した内燃機関において、
   前記燃料噴射弁からの燃料噴霧のうち、気化した燃料に比して液状の燃料の割合が大である部分と接触するピストン冠面領域に、前記断熱層を形成しない非断熱領域を設けたことを特徴とする内燃機関。
3. 前記２個の吸気弁の傘部をピストン冠面上に投影したときに、各傘部の投影の周辺の冠面領域に、前記非断熱領域を設定したことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記２個の吸気弁の傘部をピストン冠面上に投影したときに、各傘部の投影の中心を結ぶ線分よりも吸気ポート側の冠面領域に、前記非断熱領域を設定したことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
5. 前記冠面領域のうち、各吸気弁傘部の投影内の領域を除いて前記非断熱領域としたことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
6. 前記冠面領域のうち、各吸気弁傘部の投影と、これら投影の吸気ポート側の共通接線とで包囲される領域を除いて前記非断熱領域としたことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
7. 前記ピストンの中心線に関して、前記吸気弁傘部の投影が位置する領域とは反対側の冠面領域上に、ピストンの外形形状に沿った円弧状の非断熱領域を併設したことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
8. 前記ピストンは冠面領域内にキャビティを有し、該キャビティよりも外側のピストン冠面領域を前記非断熱領域としたことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
9. 前記吸気ポートからの吸気流に対して側方にあたるピストン冠面の周辺領域に前記非断熱領域を設けたことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
10. ピストン冠面に形成した吸気弁に対向するバルブリセス部を前記非断熱領域としたことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
11. 圧縮比および／またはピストンストローク量を可変とする複リンク式ピストン−クランク機構を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関。
12. ピストン冠面に多孔質材からなる断熱層を形成した燃料噴射式内燃機関のピストンにおいて、
    燃料噴射弁からの燃料噴霧のうち、気化した燃料に比して液状の燃料の割合が大である部分と接触する冠面領域に、前記断熱層を形成しない非断熱領域を設けたことを特徴とする内燃機関のピストン。