JP2009062975A - 水噴射式エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】ノッキングの発生を抑制するとともに、水噴射することができる水噴射式エンジンを提供する。
【解決手段】エンジン運転状態に応じて燃焼室内に水を噴射する水噴射式エンジン１００は、ピストン基材からなる外周側ピストン冠面と、該外周側ピストン冠面の内側にピストン基材よりも熱伝導率が低い断熱部１１ｂを配置した内側ピストン冠面とを有するピストン１１と、内側ピストン冠面の断熱部１１ｂに水を噴射する水噴射手段３０と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室内に水を噴射する水噴射式エンジンに関する。

従来から、エンジンの燃焼室（ピストン冠面など）に水を噴射する水噴射式エンジンが知られている（例えば、特許文献１）。

特許文献１に記載の水噴射式エンジンは、ディーゼルエンジンであって、膨張行程においてピストン冠面に向けて水を噴射する。

この水噴射式ディーゼルエンジンは、水が気化するときの体積膨張を圧力エネルギーとして膨張行程で回収し、熱効率の向上を図る。
特開昭６０−１８４９２３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の水噴射式のディーゼルエンジンでは、セラミック製のピストンやシリンダヘッド、シリンダなどによって燃焼室内を断熱しているため、このままガソリンエンジンに適用したのでは、燃焼室内の温度が上昇し過ぎてしまい、ノッキングが発生しやすくなるという問題が生じる。

そこで、本発明は、上記した問題に鑑みてなされたものであり、ノッキングの発生を抑制するとともに、水噴射することができる水噴射式エンジンを提供することを目的とする。

本発明は、以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明の水噴射式エンジン（１００）は、ピストン基材からなる外周側ピストン冠面と、該外周側ピストン冠面の内側にピストン基材よりも熱伝導率が低い断熱部（１１ｂ）を配置した内側ピストン冠面とを有するピストン（１１）と、内側ピストン冠面の断熱部（１１ｂ）に水を噴射する水噴射手段（３０）と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、ピストン冠面に熱伝導率の低い断熱部を形成するので、断熱膜表面温度が高くなって、噴射された水の気化速度を促進する。そのため、ピストン上死点近傍で噴射する水の量を増加させることができ、熱効率を向上させることができる。断熱部は、燃焼の時期が遅くなることからノッキングが発生しやすいピストン冠面の外周部を除いて形成されるので、ピストン冠面外周部の温度上昇を抑制することができる。そのため、ピストン冠面に断熱部を形成したとしても、ピストン冠面外周部近傍でのノッキングの発生を抑制することができる。

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（第１実施形態）
図１（Ａ）は、第１実施形態の水噴射式エンジンの構成を示す図である。また、図１（Ｂ）は、ピストン冠面を示す図である。

本実施形態では、４ストロークのレシプロエンジンに適用した場合で説明するが、このような４ストロークエンジンに限定されるものでなく、２ストロークエンジンにも適用することができる。

水噴射式エンジン１００は、図１（Ａ）に示すように、シリンダブロック１０と、シリンダヘッド２０とを備える。

シリンダブロック１０には、シリンダ１２が形成される。そして、シリンダ１２の壁面と、ピストン１１のピストン冠面１１ａと、シリンダヘッド２０の下面とによって燃焼室１３を形成する。燃焼室１３で混合気が燃焼すると、ピストン１１が燃焼による燃焼圧力を受けてシリンダ１２を往復動する。燃焼時の熱の一部は、ピストン冠面１１ａから逃げて熱損失となるが、本実施形態ではピストン冠面１１ａに断熱膜１１ｂを形成して熱損失の低減を図る。

上記したピストン１１の断熱膜１１ｂは、図１（Ｂ）に示すように、ピストン１１の外周部を除いたピストン冠面１１ａを覆うように形成され、例えばピストン冠面１１ａに対して同心円状に形成される。この断熱膜１１ｂは、セラミックをプラズマ溶射法によってピストン冠面１１ａに溶射して形成される膜内に空隙を有する多孔質断熱層である。このように形成されるピストン１１の断熱膜１１ｂは、低熱伝導率かつ高熱容量であって断熱性能に優れる。

一方、シリンダヘッド２０は、図１（Ａ）に示すように、シリンダブロック１０の上側に配置される。このシリンダヘッド２０には、燃焼室１３に混合気を流す吸気ポート２１と、燃焼室１３からの排気を流す排気ポート２２とが形成される。

吸気ポート２１には、吸気弁２１ａが設けられる。この吸気弁２１ａは、図示しない吸気側カムシャフトに一体形成されるカムによって駆動され、ピストン１１の上下動に応じて吸気ポート２１を開閉する。同様に、排気ポート２２には排気弁２２ａが設けられ、この排気弁２２ａは、図示しない排気側カムシャフトに一体形成されるカムによって駆動され、ピストン１１の上下動に応じて排気ポート２２を開閉する。

吸気ポート２１には図示しない燃料噴射弁が設置されており、この燃料噴射弁が吸気ポート２１の燃焼室１３への開口部に向けて燃料を噴射する。

なお、本実施形態では、吸気ポート内に燃料を噴射するようにしたが、これに限られるものではなく、燃焼室内に直接燃料を噴射するように燃料噴射弁を設置するようにしてもよい。

また、排気ポート側のシリンダヘッド２０には、点火プラグ２３が設置される。この点火プラグ２３の点火部は、燃焼室１３の中心部近傍に向かって突出しており、燃焼室内の混合気に着火する。

そして、吸気ポート２１と排気ポート２２との間であって、シリンダヘッド２０の燃焼室中心部には、水を燃焼室内に噴射する水噴射装置３０が設置される。この水噴射装置３０は、車両の運転状態に応じてピストン冠面１１ａの断熱膜１１ｂに向かって水を噴射する。

水噴射式エンジン１００は、点火プラグ２３や水噴射装置３０を制御するため、コントローラ４０を備える。コントローラ４０はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＩ／Ｏインタフェースを有する。このコントローラ４０には、エンジン回転速度やエンジン負荷、クランク角度など、エンジン運転状態を検出する各種センサの出力が入力する。コントローラ４０は、これら出力に基づいて点火プラグ２３の点火時期や水噴射装置３０の水噴射時期、水噴射量などを制御する。

上記のように構成される水噴射式エンジン１００では、車両の運転状態に応じて、ピストン１１が上死点近傍にあるときに、水噴射装置３０からピストン冠面１１ａの断熱膜１１ｂに向けて水を噴射する。水噴射装置３０から噴射される水は、断熱膜１１ｂが覆われている範囲内において、図１（Ａ）の破線領域Ｐで示されるように円錐状に噴射される。

このようにピストン１１が上死点近傍にあるときに水が噴射されると、ピストン冠面１１ａの断熱膜１１ｂに水膜が形成される。この水膜は、断熱膜１１ｂから受熱して、その一部が気化する。そして、水が気化して水蒸気になるときの体積膨張を圧力エネルギーとして膨張行程で回収することによって、水噴射式エンジン１００の熱効率を向上させる。

本実施形態では、ピストン冠面１１ａの断熱膜１１ｂが低熱伝導率、高熱容量の多孔質断熱層であるため、断熱膜１１ｂの表面温度が高くなり、噴射できる水量などが増加するので、膨張行程で回収される圧力エネルギーも増加する。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、低熱伝導率で高熱容量の断熱膜１１ｂの作用を説明する図である。

ここで、図２（Ａ）は、断熱膜１１ｂの膜厚方向における位置と温度との関係を示す図である。実線Ａは、断熱膜１１ｂが低熱伝導率である場合の特性を示す。また、破線Ｂは、断熱膜１１ｂが高熱伝導率である場合の特性を示す。

断熱膜１１ｂの表面に与えられる熱量が同一で、断熱膜表面からピストン冠面１１ａに伝熱するとした場合には、熱伝導率が低い断熱膜の方が膜厚方向に熱が伝わりにくくなる。そのため、実線Ａの低熱伝導率の断熱膜１１ｂでは、断熱膜表面における温度Ｔ₁が、破線Ｂの高熱伝導率の断熱膜１１ｂの断熱膜表面温度Ｔ₂よりも高くなる。そして、実線Ａの低熱伝導率の断熱膜１１ｂでは、ピストン冠面位置における温度Ｔ₄が、破線Ｂの高熱伝導率の断熱膜１１ｂのピストン冠面位置温度Ｔ₂よりも低くなる。

したがって、本実施形態のように低熱伝導率の断熱膜１１ｂでは、断熱膜表面温度が高くなり、水噴射時の気化速度を促進することができるので、噴射できる水量などを増加することができる。また、上記のように噴射された水の気化速度が促進されると、水噴射装置３０から噴射された水は断熱膜１１ｂに到達した後すぐに気化し始めることになるので、水が断熱膜１１ｂに衝突して跳ね返ることが抑制される。

ところで、燃焼室中心近傍で混合気に点火する場合には、燃焼室内で点火された火炎の火炎伝播が遅くなるピストン冠面１１ａの外周部近傍でノッキングが発生しやすい。そして、ピストン冠面１１ａの全体に断熱膜１１ｂを配置する場合には、ピストン１１の外周部近傍の温度が高くなってしまい、さらにノック性能が悪化してしまう。

そこで、本実施形態の水噴射式エンジン１００のピストン１１では、ピストン冠面１１ａの外周部を除いて断熱膜１１ｂを形成するように構成している。このように構成することによって、ピストン冠面１１ａの外周部近傍の温度上昇を抑制することができるので、ピストン冠面１１ａに断熱膜１１ｂを形成したとしても、ピストン１１の外周部近傍においてノッキングが発生するのを抑制することができる。

一方、ピストン１１の断熱膜１１ｂは高熱容量であるので、図２（Ｂ）に示すように車両の運転状態に起因する断熱膜表面温度の温度変化を抑制できる。

図２（Ｂ）は、時間と断熱膜表面温度との関係を示す図である。実線Ｃは、断熱膜１１ｂが高熱容量である場合の特性を示す。また、破線Ｄは、断熱膜１１ｂが低熱容量である場合の特性を示す。

４サイクルレシプロエンジンである水噴射式エンジン１０では、エンジンの運転状態や各サイクルに応じて燃焼室内温度が変動する。そのため、断熱膜１１ｂの熱容量が低いと、図２（Ｂ）の破線Ｂに示すように断熱膜表面温度が変動して、温度変化ΔＴ_Bが大きくなる。

これに対して、本実施形態のように断熱膜１１ｂが高熱容量になると、実線Ａに示すように、断熱膜表面温度の変動が小さくなって温度変化ΔＴ_Aが小さくなる。そのため、断熱膜１１ｂの表面温度を高温に維持しやすくなるので、水噴射装置３０から噴射される水を断熱膜１１ｂで確実に気化させることができる。

さらに、本実施形態のピストン１１の断熱膜１１ｂは、図３に示すように膜内に空隙を有し、断熱膜１１ｂに噴射された水をその空隙に保持する。

以上により、第１実施形態の水噴射式エンジン１００では、下記の効果を得ることができる。

第１実施形態の水噴射式エンジン１００では、ピストン冠面外周部を除いたピストン冠面１１ａに低熱伝導率で高熱容量の多孔質断熱層を形成する。

このように断熱膜１１ｂは、低熱伝導率となるように構成されているので、断熱膜表面温度が高くなって、噴射された水の気化速度を促進する。このように気化速度が促進されると、ピストン上死点近傍で噴射する水の量を増加させることができ、熱効率を向上させることができる。

また、気化速度が促進されると、断熱膜１１ｂに到達した水はすぐに気化し始めるので、水噴射装置３０から噴射された水が断熱膜１１ｂに衝突して跳ね返ることがない。そのため、跳ね返った水がピストン１１とシリンダ１２との隙間に流れ込んでしまいピストン１１の潤滑性能が悪化するということがない。

さらに、断熱膜１１ｂは低熱伝導率であり、断熱膜１１ｂの熱は水の気化潜熱によって奪われるので、ピストン１１の基材温度の上昇を抑制することができる。これにより、ピストン１１の耐久性を向上させることができる。

燃焼室内の略中心位置で混合気に点火する水噴射式エンジン１００において、断熱膜１１ｂはノッキングが発生しやすいピストン冠面１１ａの外周部を除いて形成されるので、ピストン冠面１１ａの外周部の温度上昇を抑制することができる。そのため、ピストン冠面１１ａに断熱膜１１ｂを形成ししたとしても、ピストン冠面外周部近傍でのノッキングの発生を抑制することができる。ピストン１１は最も温度が上昇するピストン中心部に低熱伝導率の断熱膜１１ｂを配置しているので、高熱伝導率の部材を配置する場合よりも、ピストン中心部の内部温度が低下する。そのため、ピストン外周方向に伝わる熱量が少なくなり、ピストン外周部の温度も低下するので、ノッキングをより抑制することができる。

断熱膜１１ｂは高熱容量となるように構成されているので、車両の運転状態などによらず断熱膜表面温度を高温に維持しやすくなる。そのため、水噴射装置３０から噴射される水を断熱膜１１ｂにおいて安定して気化することができ、確実に熱効率を向上させることができる。

断熱膜１１ｂは、膜内に間隙を有する多孔質断熱層となるように構成されているので、断熱膜１１ｂに噴射された水を空隙に保持できる。そのため、断熱膜１１ｂに噴射された水のうち、気化しない水が断熱膜１１ｂからピストン冠面１１ａに流出し、ピストン１１とシリンダ１２との隙間に流れ込んでしまい、ピストン１１の潤滑性能が悪化するということがない。また、断熱膜１１ｂが多孔質断熱層であるので、噴射された水がピストン基材に到達しやすく、ピストン１１が冷却されやすくなる。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る水噴射式エンジン１００のピストン１１のピストン冠面１１ａを示す図である。

第２実施形態の水噴射式エンジン１００の基本構成は、第１実施形態とほぼ同様であるが、ピストン冠面１１ａに形成される断熱膜の構成において相違する。

つまり、ピストン冠面１１ａに空隙率（断熱膜の総体積に対する空隙部分の体積の比）の異なる第１断熱膜１１ｂ及び第２断熱膜１１ｃを形成するようにしたもので、以下にその相違点を中心に説明する。

第２実施形態の水噴射式エンジン１００では、図４に示すように、ピストン１１の外周部近傍を除いたピストン冠面１１ａを覆うように、低熱伝導率かつ高熱容量であって断熱性能に優れた第１断熱膜１１ｂ及び第２断熱膜１１ｃを形成する。第１断熱膜１１ｂは、第２断熱膜１１ｃよりも空隙率が高くなるように構成されている。この第１断熱膜１１ｂは、円形状のピストン冠面１１ａに対して同心円状に形成される。これに対して、第２断熱膜１１ｃは、第１断熱膜１１ｂよりも空隙率が低く設定されており、円形状のピストン冠面１１ａに対して同心円状であって第１断熱膜１１ｂを取り囲むように形成される。

上記した第１断熱膜１１ｂ及び第２断熱膜１１ｃは、いずれもプラズマ溶射法によってピストン冠面１１ａに溶射されている。

なお、第１断熱膜１１ｂ及び第２断熱膜１１ｃの空隙率は、プラズマ溶射法で使用されるセラミックの粒径や溶射時の溶射温度などの溶射条件を制御することによって調整される。

このように構成される第２実施形態の水噴射式エンジン１００では、車両の運転状態に応じて、ピストン１１が上死点近傍にあるときに、水噴射装置３０が第１断熱膜１１ｂに向けて水を噴射する。第１断熱膜１１ｂに噴射された水のうち、すぐに気化しない水は第１断熱膜１１ｂの空隙に一時的に保持される。しかしながら、第１断熱膜１１ｂは空隙率が高いので、水噴射装置３０からの水噴射量が増加した場合などには、第１断熱膜１１ｂからピストン冠面１１ａに水が流出することがある。

しかしながら、本実施形態においては、第１断熱膜１１ｂの外周には空隙率の低い第２断熱膜１１ｃが配置されているため、この第２断熱膜１１ｃが第１断熱膜１１ｂからピストン冠面１１ａへ水が流出するのを抑制する。

以上により、第２実施形態の水噴射式エンジン１００では、下記の効果を得ることができる。

第２実施形態の水噴射式エンジン１００では、ピストン冠面１１ａに空隙率の高い第１断熱膜１１ｂを形成し、その第１断熱膜１１ｂを取り囲むように第１断熱膜よりも空隙率の低い第２断熱膜１１ｃを形成する。

このように第１断熱膜１１ｂの外周に空隙率の低い第２断熱膜１１ｃを配置するので、第１断熱膜１１ｂに噴射される水の噴射量が増加しても、第１断熱膜１１ｂに保持されている水がピストン冠面１１ａに流れ出ないように第２断熱膜１１ｃによって遮られる。これにより、第１断熱膜１１ｂに噴射された水が、ピストン１１とシリンダ１２との隙間に流れ込むことが抑えられるので、ピストン１１の潤滑性能の低下を抑制することができる。

また、最も温度が上昇するピストン中心部に空隙率の高い、多孔質断熱層の第１断熱膜１１ｂを形成するので、噴射された水がピストン中心部のピストン基材に到達しやすく、ピストン１１を効果的に冷却することができる。

（第３実施形態）
図５は、第３実施形態に係る水噴射式エンジン１００の構成を示す図である。

第３実施形態の水噴射式エンジン１００の基本構成は、第１実施形態とほぼ同様であるが、ピストン１１とクランクシャフト６０とを連結する構成において一部相違する。つまり、ピストン１１とクランクシャフト６０とを複数のリンクで接続するようにしたもので、以下にその相違点を中心に説明する。

第３実施形態の水噴射式エンジン１００は、図５に示すように、ピストン行程を変化させて機械圧縮比を変更する圧縮比可変機構５０を備える。圧縮比可変機構５０は、ピストン１１とクランクシャフト６０とをアッパリンク５１、ロアリンク５２で連結して、コントロールリンク５３でロアリンク５２の姿勢を制御することで機械圧縮比を変更できるように構成されている。

アッパリンク５１は、その上端でピストンピン５４を介してピストン１１に連結する。また、アッパリンク５１の下端は、連結ピン５５を介してロアリンク５２の一端に連結する。

ロアリンク５２は、その一端が連結ピン５５を介してアッパリンク５１に連結する。また、ロアリンク５２の他端は、連結ピン５６を介してコントロールリンク５３に連結する。ロアリンク５２は、図中左右の２部材から分割可能に構成され、ほぼ中央に連結孔５２ａを有する。ロアリンク５２は、連結孔５２ａにクランクシャフト６０のクランクピン６１を挿入し、クランクピン６１を中心軸として揺動する。

クランクシャフト６０は、クランクピン６１、ジャーナル６２及びカウンターウェイト６３を備える。クランクピン６１の中心はジャーナル６２の中心から所定量偏心しており、このクランクピン６１にロアリンク５２が回転自在に連結する。ジャーナル６２は、シリンダブロック１０とラダーフレーム５７とによって回転自在に支持される。ジャーナル６２の軸心は、クランクシャフト６０の軸心と一致している。カウンターウェイト６３は、クランクアームに一体形成されて、ピストン運動の回転１次振動成分を低減する。

コントロールリンク５３の上端は、連結ピン５６を介してロアリンク５２に対して回動自在に連結する。また、コントロールリンク５３の下端は、連結ピン５８を介して、クランクシャフト６０と平行に配置されるコントロールシャフト７１に連結する。連結ピン５８は、コントロールシャフト７１の軸心から所定量偏心しており、コントロールリンク５３がその偏心した連結ピン５８を軸心として揺動する。このコントロールシャフト７１は、その外周にギア７２を形成する。このギア７２がピニオン７３と噛合する。ピニオン７３は、シリンダブロック１０の側部に取付けられたアクチュエータ７４の回転軸７５に設けられている。

このように構成される水噴射式エンジン１００では、ピストン１１の往復運動はアッパリンク５１に伝達され、ロアリンク５２を介してクランクシャフト６０の回転運動に変化される。

この場合には、ロアリンク５２はクランクピン６１を中心軸として揺動しながら、クランクシャフト６０の中心に対して図中反時計回りに回転する。ロアリンク５２に連結するコントロールリンク５３は、その下端に連結するコントロールシャフト７１の連結ピン５８を支点として揺動する。コントロールシャフト７１と連結ピン５８とは偏心しているため、アクチュエータ７４によってコントロールシャフト７１が回転すると、連結ピン５８が移動する。この連結ピン５８の移動によってコントロールリンク５３の揺動中心が変化するため、これによりアッパリンク５１及びロアリンク５２の傾斜を変えることができ、ピストン１１の上死点位置を所定の範囲内で任意に調整できる。

このように、第３実施形態の水噴射式エンジン１００では、ピストン１１の上死点位置を調整することによって機械圧縮比が可変となる。そのため、車両の運転状態に応じて、機械圧縮比を最適に制御することができる。

つまり、低回転速度・低負荷側では機械圧縮比を高くして燃費性能の向上を図ることができ、高回転速度・高負荷側では機械圧縮比を低くしてノッキングの防止を図ることができる。

また、水噴射式エンジン１００では、車両の運転状態に応じて、ピストン１１が上死点近傍にあるときに、水噴射装置３０からピストン冠面１１ａの断熱膜１１ｂに向けて水を噴射する。

特に、低負荷時など、機械圧縮比が高く設定されている場合には、ピストン冠面１１ａの位置が高くなって、ピストン冠面１１ａと水噴射装置３０との距離が近づくので、噴射された水は確実に断熱膜１１ｂに到達して断熱膜表面で気化する。そして、ピストン冠面１１ａの位置が高くなると高膨張比となるので、水の気化するときに得られる圧力エネルギーの回収効率が向上する。

さらに、水噴射式エンジン１００はピストン１１とクランクシャフト６０とを複数のリンクで接続しているので、図６に示すように、ピストンとクランクシャフトとを１本のコンロッドで連結する単リンク式ピストン−クランク機構を有する一般的な通常のエンジン(以下「従来エンジン」という。）に比べて、ピストン１１が上死点近傍に滞在する期間が長いという特性がある。

なお、この特性は、上記した複数のリンクからなるマルチリンク機構であれば得られるものであって、機械圧縮比（ピストン１１の上死点位置）を可変とするか否かによるものではない。

図６（Ａ）は、水噴射式エンジン１００のピストン１１のストローク特性を示す図である。図６(Ｂ)は、図６（Ａ）における上死点近傍を拡大した図である。図６（Ａ）及び図６（Ｂ）において、実線Ａは本実施形態の水噴射式エンジン１００のストローク特性を示し、破線Ｂは従来エンジンのストローク特性を示す。

水噴射式エンジン１００では、図６（Ａ）の実線Ａに示すように、ピストンストローク特性が単振動に近くなって、上死点及び下死点におけるピストン１１の加速度が略同一となる。そのため、ピストン１１が上死点から所定の距離内にあるときを上死点近傍滞在期間と定義した場合には、図６（Ｂ）に示すように、水噴射式エンジン１００の上死点近傍滞在期間Ｌ₁は、従来エンジンの上死点近傍滞在期間Ｌ₂よりも長くなる。

このように、従来エンジンよりも上死点近傍滞在期間が長くなって、ピストン１１の上死点近傍の動きが遅くなると、燃焼圧力及び燃焼温度が高い状態で、噴射された水を蒸発させるための時間を長く確保することができ、さらに膨張行程における燃焼室内の圧力を高圧に維持することができる。

なお、第３実施形態の水噴射式エンジン１００のピストン−クランク機構は、上死点から下死点までのピストンストローク量が、ピストン−クランク機構における上死点から下死点までのピストンストローク量と同一の単リンク式ピストン−クランク機構に比べて、クランクシャフトの回転に対するピストン１１の往復運動が単振動運動に近いストローク特性となるよう、上死点側と下死点側におけるピストンストローク特性が略対称で、単リンク式ピストン−クランク機構に比べてピストン下死点前後のピストンストローク速度が大きく、かつピストン上死点前後のピストンストローク速度が小さくなるよう、上死点前から上死点にかけて、及び下死点前から下死点にかけては単リンク式ピストン−クランク機構に比べてピストン１１を引き下げる方向にロアリンク５２がコントロールリンク５３の揺動によってクランクピン回りに揺動し、上死点から上死点後にかけて、及び下死点から下死点後にかけては単リンク式ピストン−クランク機構に比べてピストン１１を引き上げる方向にロアリンク５２がコントロールリンク５３の揺動によってクランクピン回りに揺動するように、各リンクや各支点のアライメントが設定されている。

以上により、第３実施形態の水噴射式エンジン１００では、下記の効果を得ることができる。

水噴射式エンジン１００では、低回転速度・低負荷側では機械圧縮比を高くして燃費性能の向上を図り、高回転速度・高負荷側では機械圧縮比を低くしてノッキングを抑制する。特に、低負荷時など、機械圧縮比が高く設定される場合には、ピストン冠面１１ａの位置が高くなって高膨張比となり、さらにピストン冠面１１ａと水噴射装置３０との距離も近づくので、断熱膜表面での水の気化で得られる圧力エネルギーの回収効率を向上させることができる。

また、ピストン１１の上死点近傍滞在期間を長くすることで、燃焼圧力及び燃焼温度が高い状態で、噴射された水を蒸発させるための時間を長く確保することができ、さらに膨張行程における燃焼室内圧力を高圧に維持することができる。そのため、水の蒸発による圧力上昇の遅れによる膨張仕事での回収効率の悪化を大幅に改善することが可能となる。

（第４実施形態）
第４実施形態の水噴射式エンジン１００について、図７を参照して説明する。図７（Ａ）は、水噴射エンジン１００のピストン１１のピストン冠面１１ａを示す図である。図７（Ｂ）及び図７（Ｃ）は、断熱膜１１ｂの水に対する濡れ性を説明する図である。

第４実施形態の水噴射式エンジン１００の基本構成は、第１実施形態とほぼ同様であるが、ピストン冠面１１ａに形成される断熱膜１１ｂにおいて相違する。つまり、濡れ性に優れる高親水性の断熱膜１１ｂを形成するようにしたもので、以下にその相違点を中心に説明する。

第４実施形態では、低熱伝導率、高熱容量で断熱性能に優れかつ高い親水性を有する酸化チタン（ＴｉＯ₂）を断熱膜１１ｂとしてピストン冠面１１ａに形成する。この酸化チタンからなる断熱膜１１ｂは、例えばプラズマ溶射法によってピストン冠面１１ａに溶射して形成される。

断熱膜１１ｂはピストン基材よりも高い親水性を有しているので、水噴射装置３０によって噴射された水のうち、すぐに気化しない水は、図７（Ｂ）に示すように断熱膜１１ｂの表面全体に広がって保持される。この断熱膜１１ｂでは、水に対する接触角θ₁が０°〜３０°程度である。なお、本実施形態との比較のため、ピストン冠面１１ａに高親水性断熱膜１１ｂを設けていない場合を図７（Ｃ）に示す。ピストン１１は低親水性のアルミニウム系合金からなり、断熱膜１１ｂを設けている場合よりも接触角θ₂が大きくなるので、噴射された水はピストン冠面１１ａで広がりにくい。

以上により、第４実施形態の水噴射式エンジン１００では、下記の効果を得ることができる。

本実施形態では、ピストン冠面１１ａに高親水性の断熱膜１１ｂを設けるので、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また。水噴射装置３０によって噴射された水の一部は断熱膜表面に広がり水膜を形成するので、第１実施形態よりも断熱効果を向上させることができ、冷却損失を低減させて熱効率を高めることができる。これにより、燃焼室内温度の上昇を抑え、ノッキングの発生を抑制することができる。さらに、ピストン１１の基材温度の上昇を抑制することができ、ピストン１１の耐久性を向上させることができる。

（第５実施形態）
図８は、第５実施形態に係る水噴射式エンジン１００のピストン１１のピストン冠面１１ａを示す図である。

第５実施形態の水噴射式エンジン１００の基本構成は、第４実施形態とほぼ同様であるが、ピストン冠面１１ａに形成される断熱膜の構成において相違する。つまり、ピストン冠面１１ａに親水性の異なる第１断熱膜１１ｂ及び第２断熱膜１１ｃを形成するようにしたもので、以下にその相違点を中心に説明する。

第５実施形態の水噴射式エンジン１００では、図８に示すように、ピストン１１の外周部近傍を除いたピストン冠面１１ａを覆うように、親水性の異なる第１断熱膜１１ｂ及び第２断熱膜１１ｃを形成する。

第１断熱膜１１ｂは、ピストン基材よりも高い親水性を有する酸化チタン（ＴｉＯ２）によって形成された断熱膜である。これに対して、第２断熱膜１１ｃは、第１断熱材１１ａよりも親水性が低く撥水性を有するＰＴＦＥなどのフッ素系樹脂の皮膜としてピストン冠面１１ａに形成される。この第２断熱膜１１は、第１断熱膜１１ｂを取り囲むように形成される。

このように構成される第５実施形態の水噴射式エンジン１００では、車両の運転状態に応じて、ピストン１１が上死点近傍にあるときに、水噴射装置３０が第１断熱膜１１ｂに向けて水を噴射する。第１断熱膜１１ｂに噴射された水のうち、すぐに気化しない水は第１断熱膜１１ｂの表面全体に広がって水膜として保持される。

このように第１断熱膜１１ｂは高親水性であるので、水噴射装置３０からの水噴射量が増加した場合などには、第１断熱膜１１ｂからピストン冠面１１ａに水が流出することがある。

本実施形態では、第１断熱膜１１ｂの外周に低親水性の第２断熱膜１１ｃを配置するので、第１断熱膜上に水膜を保持することができ、ピストン冠面１１ａへの水の流出を抑制できる。これにより噴射された水が、ピストン１１とシリンダ１２との隙間に流れ込むことが抑えられ、ピストン１１の潤滑性能が悪化するのを抑制することができる。

なお、本実施形態の技術的思想は、図９に示すような凹形状のピストン冠面１１ａを有するピストン１１についても適用することができる。つまり、図９に示すように、ピストン冠面１１ａの凹部１１ｄに高親水性の断熱膜１１ｂを設け、凹部１１ｄの外周に低親水性の断熱膜１１ｃを設けるので、第１断熱膜上に水膜を保持しやすくなり、ピストン冠面１１ａへの水の流出の抑制効果を高めることができる。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、第３実施形態の水噴射式エンジン１００では、第１実施形態と同様の断熱膜１１ｂを備えるようにしたが、第２実施形態〜第５実施形態と同様の断熱膜１１ｂを備えるようにしてもよく、
また、第２実施形態では、空隙率の高い第１断熱膜１１ｂの外側に、第１断熱膜１１ｂよりも空隙率の低い第２断熱膜１１ｃを構成するが、ピストン冠面中心から外側に向かうにつれて断熱膜の空隙率が徐々に低くなるように構成してもよい。

第１実施形態〜第５実施形態の水噴射式エンジン１００では、ピストン１１が燃焼上死点近傍にあるときに水噴射装置３０によって水を噴射するが、吸気上死点において水を噴射するようにしてもよい。

第１実施形態の水噴射式エンジンの構成を示す図である。 低熱伝導率で高熱容量の断熱膜の作用を説明する図である。 断熱膜が多孔質断熱層であることを示す図である。 第２実施形態の水噴射式エンジンのピストンを示す図である。 第３実施形態の水噴射式エンジンの構成を示す図である。 水噴射式エンジンのストローク特性を示す図である。 第４実施形態の水噴射式エンジンのピストンを示す図である。 第５実施形態の水噴射式エンジンのピストンを示す図である。 凹形状のピストン冠面を有するピストンを示す図である。

符号の説明

１００ 水噴射式エンジン
１０ シリンダブロック
１１ ピストン
１１ａ ピストン冠面
１１ｂ （第１）断熱膜（断熱部、第１断熱部）
１１ｃ 第２断熱膜（第２断熱部）
１２ シリンダ
１３ 燃焼室
２０ シリンダヘッド
２１ 吸気ポート
２１ａ 吸気弁
２２ 排気ポート
２２ａ 排気弁
２３ 点火プラグ（点火装置）
３０ 水噴射装置（水噴射手段）
４０ コントローラ
５０ 圧縮比可変機構
５１ アッパリンク（第１のリンク）
５２ ロアリンク（第２のリンク）
５３ コントロールリンク（第３のリンク）
６０ クランクシャフト
７１ コントロールシャフト
７４ アクチュエータ

Claims (13)

1. エンジン運転状態に応じて燃焼室内に水を噴射する水噴射式エンジンにおいて、
   ピストン基材からなる外周側ピストン冠面と、該外周側ピストン冠面の内側にピストン基材よりも熱伝導率が低い断熱部を配置した内側ピストン冠面とを有するピストンと、
   前記内側ピストン冠面の断熱部に水を噴射する水噴射手段と、
   を備えることを特徴とする水噴射式エンジン。
2. 前記断熱部は、前記ピストンの基材よりも熱容量が大きい、
   ことを特徴とする請求項１に記載の水噴射式エンジン。
3. 前記断熱部は、空隙を有する多孔質層であって、前記水噴射手段によって噴射された水を保持するように構成される、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の水噴射式エンジン。
4. 前記断熱部は、
   前記水噴射手段によって水が噴射される位置に形成される第１断熱部と、
   前記第１断熱部よりも空隙率が低く、その第１断熱部を取り囲むように形成される第２断熱部と、
   を備えることを特徴とする請求項３に記載の水噴射式エンジン。
5. 前記断熱部は、前記ピストン冠面中心から外周側に向かうにつれて空隙率が徐々に低下するように構成される、
   ことを特徴とする請求項３に記載の水噴射式エンジン。
6. 前記断熱部は、ピストン基材よりも親水性が高い、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の水噴射式エンジン。
7. 前記断熱部は、
   前記水噴射手段によって水が噴射される位置に形成される第１断熱部と、
   前記第１断熱部よりも親水性が低く、その第１断熱部を取り囲むように形成される第２断熱部と、
   を備えることを特徴とする請求項６に記載の水噴射式エンジン。
8. 前記ピストンは、ピストン冠面が凹むように形成された凹部を有し、前記凹部に前記第１断熱部を設けるとともに、前記凹部の外周に前記第２断熱部を設ける、
   ことを特徴とする請求項７に記載の水噴射式エンジン。
9. 前記水噴射手段は、前記ピストンが上死点近傍にあるときに水を噴射する、
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の水噴射エンジン。
10. 前記水噴射手段は、前記ピストンが燃焼上死点近傍にあるときに水を噴射する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の水噴射式エンジン。
11. 前記水噴射手段は、前記ピストンが吸気上死点近傍にあるときに水を噴射する、
    ことを特徴とする請求項９又は１０に記載の水噴射式エンジン。
12. 前記ピストンに揺動自由に連結する第１のリンクと、
    前記第１のリンクに回動自由に連結するとともに、クランクシャフトに回転自由に装着される第２のリンクと、
    前記クランクシャフトと平行にシリンダブロックに回転自由に支持され、その回転軸心に対して偏心する偏心軸部を有するコントロールシャフトと、
    前記第２のリンクに連結ピンを介して回転自由に連結されるとともに、前記コントロールシャフトの偏心軸部を揺動軸心として揺動可能な第３のリンクと、を備え、
    前記ピストンのストローク特性が略単振動となるように構成することを特徴とする請求項１から１１のいずれか一つに記載の水噴射式エンジン。
13. 前記コントロールシャフトを回転させるアクチュエータを備え、
    前記アクチュエータは、車両の運転状態に応じて前記コントロールシャフトを回転させ、前記偏心軸部の位置を変更させて、エンジンの機械圧縮比を変更するようにした、
    ことを特徴とする請求項１２に記載の水噴射式エンジン。