JP2009191780A

JP2009191780A - 内燃機関用ピストン及び内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2009191780A
Application number: JP2008034593A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Miyazaki; 啓宮崎
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2008-02-15
Publication date: 2009-08-27

Abstract

【課題】機関始動直後のＨＣ排出量を低減させる。
【解決手段】シリンダ１０Ａに往復運動可能に嵌挿されたピストン１８の冠面に、燃料の主成分たるＨＣを一時的に吸着するＨＣトラップ５４をコーティングする。ここで、ＨＣトラップ５４としては、例えば、ゼオライトなどの多孔性部材を採用することができる。このようにすれば、機関始動直後にシリンダ壁面に付着した燃料は、ピストン１８が下死点から上死点へと移動するときにトップリング１２により掻き集められて冠面へと移動し、ＨＣトラップ５４に一時的に吸着される。そして、機関の暖機が進みピストン１８の温度が上昇すると、ＨＣトラップ５４に吸着された燃料が徐々に離脱し、混合気と共に燃焼して処理される。また、ＨＣトラップ５４のＨＣ吸着量が飽和する可能性を考慮し、排気通路を構成する排気ダクト４４にＨＣトラップ触媒４４を配設するようにしてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関用ピストン及び内燃機関の排気浄化装置において、機関始動直後のＨＣ排出量を低減させる技術に関する。

内燃機関の吸気ポートに噴射された燃料は、その大部分が燃焼室に導入されるが、その一部が吸気弁の傘裏に付着してしまう。内燃機関の始動直後には、吸気弁の温度が低いため、その傘裏に付着した燃料の気化が促進されず、不完全燃焼を起こしてそのまま排出されてしまうおそれがある。このため、特開平９−３１７４１４号公報（特許文献１）に記載されるように、吸気弁の傘裏にＨＣトラップをコーティングし、機関始動直後のＨＣ排出量を低減させた技術が提案されている。
特開平９−３１７４１４号公報

しかしながら、従来提案技術は、吸気ポートに燃料を噴射する内燃機関を前提としていたため、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関に適用することはできなかった。また、吸気ポートに噴射された燃料は、吸気弁の傘裏だけでなくシリンダ内壁にも付着するが、従来提案技術では、シリンダ内壁に付着した燃料を処理することはできなかった。このため、付着燃料の処理が不十分となり、良好なＨＣ排出量低減効果を享受できなかった。

そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、ピストン冠面にＨＣトラップをコーティングすることで、機関始動直後に噴射された燃料を一時的に吸着し、ＨＣ排出量を低減させた内燃機関用ピストン、及び、これを利用した内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

このため、本発明の内燃機関用ピストンでは、その冠面にＨＣトラップをコーティングしたことを特徴とする。ここで、「ＨＣトラップ」とは、燃料の主成分たるＨＣを一時的に吸着する部材、例えば、ゼオライトなどの多孔性部材のことを意味する。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置では、シリンダに嵌挿されたピストンの冠面にＨＣトラップをコーティングすると共に、排気通路にＨＣトラップ触媒を配設したことを特徴とする。ここで、「ＨＣトラップ触媒」とは、燃料の主成分たるＨＣを一時的に吸着しつつ酸化して無害化する触媒、例えば、公知の酸化触媒にＨＣトラップをコーティングしたものを意味する。

本発明の内燃機関用ピストンによれば、機関始動直後にシリンダ壁面に付着した燃料は、ピストンが下死点から上死点へと移動するときにトップリングにより掻き集められて冠面へと移動し、そこにコーティングされているＨＣトラップに一時的に吸着される。そして、機関の暖機が進みピストンの温度が上昇すると、ＨＣトラップに吸着された燃料が徐々に離脱し、燃料と空気との混合気と共に燃焼して処理される。このため、機関始動直後におけるＨＣ排出量を低減させることができる。なお、ＨＣトラップから徐々に離脱した燃料は、極少量であると共に霧化されているので、混合気の着火には影響が少なく、排気性状を低下させるまでには至らない。

本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、前述した内燃機関用ピストンの作用及び効果に加え、次のような作用が奏されてＨＣ排出量を一層低減させることができる。即ち、ピストン冠面におけるＨＣトラップのＨＣ吸着量が飽和し、未燃状態である燃料が排気通路に流出したときには、排気通路に配設されたＨＣトラップ触媒においてこれが処理される。このため、例えば、外気温度が低く暖機に時間がかかるときであっても、未燃状態である燃料が大気中に放出されることが抑制され、ＨＣ排出量を一層低減させることができる。

以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明が適用された内燃機関及びその吸排気系の概略を示す。
シリンダブロック１０の内部に形成されたシリンダ１０Ａには、コンプレッションリングとしてのトップリング１２及びセカンドリング１４、並びに、オイルリング１６が嵌合されたピストン１８が往復運動可能に嵌挿される。シリンダブロック１０の下面に締結されたクランクケース２０には、ピストン１８の往復運動を回転運動に変換するクランクシャフト２２が回転自由に軸支され、そのクランクアームとピストン１８とがコネクティングロッド２４を介して連接される。シリンダブロック１０の上面に締結されたシリンダヘッド２６には、燃焼室の一部を形成する凹部２６Ａが形成され、ここに吸気ポート２６Ｂを開閉する吸気弁２８、排気ポート２６Ｃを開閉する排気弁３０、及び、燃料と空気との混合気を着火する点火プラグ３２が夫々配設される。

また、シリンダヘッド２６には、吸気ポート２６Ｂと連通する吸気通路が形成された吸気マニフォールド３４が締結され、ここに吸気ポート２６Ｂに燃料を噴射する燃料噴射弁３６が配設される。吸気マニフォールド３４の吸気上流側には、吸気脈動を平滑化するコレクタ３８Ａが形成された吸気ダクト３８が締結される。さらに、シリンダヘッド２６には、排気流通方向に沿って、排気ポート２６Ｃと連通する排気通路が形成された排気マニフォールド４０及び排気ダクト４２がこの順番で締結される。排気ダクト４２には、排気流通方向に沿って、ＨＣトラップ触媒４４，三元触媒４６及びマフラー４８がこの順番で配設される。

ＨＣトラップ触媒４４は、燃料の主成分たるＨＣを一時的に吸着しつつ酸化して無害化する触媒、例えば、公知の酸化触媒に対してＨＣを一時的に吸着するＨＣトラップをコーティングしたものである。ここで、ＨＣトラップとしては、例えば、ゼオライトなどの多孔性部材を採用することができる。また、三元触媒４６は、理論空燃比下において排気中のＣＯ，ＨＣ及びＮＯｘを同時に浄化すべく、例えば、モノリスタイプの基体にＰｔ及びＲｈを担持させた触媒担体をコーティングしたものである。なお、ＨＣトラップ触媒４４は、排気熱により触媒活性を促進すべく、排気マニフォールド４０の直下に配設することが望ましい。

さらに、排気の一部を吸気系に還流してＮＯｘ発生量を低減すべく、排気マニフォールド４０と吸気マニフォールド３８のコレクタ３８Ａとは、高応答電子制御型のＥＧＲバルブ５０が配設されたＥＧＲパイプ５２を介して連通接続される。ＥＧＲバルブ５０は、コンピュータを内蔵したコントロールユニットにより、エンジン回転速度及びエンジン負荷に応じてその開度が電子制御される。

そして、かかる構成に加え、ピストン１８の冠面には、ＨＣトラップ５４がコーティングされる。
このようにすれば、機関始動直後にシリンダ壁面に付着した燃料は、ピストン１８が下死点から上死点へと移動するときにトップリング１２により掻き集められて冠面へと移動し、そこにコーティングされているＨＣトラップ５４に一時的に吸着される。そして、機関の暖機が進みピストン１８の温度が上昇すると、ＨＣトラップ５４に吸着された燃料が徐々に離脱し、混合気と共に燃焼されて処理される。このため、機関始動直後におけるＨＣ排出量を低減させることができる。なお、ＨＣトラップ５４から徐々に離脱した燃料は、極少量であると共に霧化されているので、混合気の着火には影響が少なく、排気性状を低下させるまでには至らない。

このとき、ピストン１８の冠面におけるＨＣトラップ５４のＨＣ吸着量が飽和し、未燃状態である燃料が排気マニフォールド４０を通って排気ダクト４２へと流出しても、排気ダクト４２に配設されたＨＣトラップ触媒４４によってこれが処理される。このため、例えば、外気温度が低く暖機に時間がかかるときであっても、未燃状態である燃料が大気中に放出されることが抑制され、ＨＣ排出量を一層低減させることができる。

ここで、ピストン１８の冠面におけるＨＣトラップ５４のコーティング量を増加させるために、その冠面全面に亘って凹凸を形成することが望ましい。このようにすれば、ＨＣトラップ５４のコーティング量が増加するため、機関始動後短時間でＨＣ吸着量が飽和することがなく、さらなるＨＣ排出量の低減を図ることができる。また、凹凸により熱伝達が促進されるので、ピストン１８の冠面が温まり難くなり、耐ノック性も向上させることができる。

このとき、凹凸としては、図２に示すように、ピストン１８の冠面近傍におけるタンブル渦流の流れに沿って形成された溝５６、具体的には、図３に示すような三角断面形状を有する溝５６を採用することができる。このようにすれば、タンブル渦流が冠面から受ける摩擦抵抗が低減すると共に、溝５６がタンブル渦流の整流板として機能するため、タンブル渦流の勢いが阻害されず、均一な混合気生成に寄与することができる。なお、凹凸としては、溝５６に限らず、図４に示すようなディンプル（くぼみ）５８を採用することもできる。凹凸としてディンプル５８を採用すると、溝５６と比較してタンブル渦流の整流作用が若干弱まるが、その方向性を考慮する必要がなくなり、ピストン１８の製造工数が増加することを抑制できる。

なお、本発明は、図１に示す内燃機関に限らず、燃焼室に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関及びディーゼル機関などの各種機関に適用することができる。

本発明が適用された内燃機関及びその吸排気系の概略図ピストン冠面に形成された凹凸の第１実施例を示す平面図同上における要部斜視図ピストン冠面に形成された凹凸の第２実施例を示す平面図

符号の説明

１０シリンダブロック
１０Ａシリンダ
１８ピストン
４２排気ダクト
４４ＨＣトラップ触媒
５４ＨＣトラップ
５６溝
５８ディンプル

Claims

冠面にＨＣトラップがコーティングされたことを特徴とする内燃機関用ピストン。
前記冠面には、その全面に亘って凹凸が形成されたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関用ピストン。
前記凹凸は、タンブル渦流の流れに沿って形成された溝からなることを特徴とする請求項２記載の内燃機関用ピストン。
前記凹凸は、ディンプルからなることを特徴とする請求項２記載の内燃機関用ピストン。
シリンダに嵌挿されたピストンの冠面にコーティングされたＨＣトラップと、
排気通路に配設されたＨＣトラップ触媒と、
を含んで構成されたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記ピストンの冠面には、その全面に亘って凹凸が形成されたことを特徴とする請求項５記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記凹凸は、タンブル渦流の流れに沿って形成された溝からなることを特徴とする請求項６記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記凹凸は、ディンプルからなることを特徴とする請求項６記載の内燃機関の排気浄化装置。