JP6963751B2 - 圧縮着火式エンジン - Google Patents

Description

本発明は、圧縮着火式エンジンに関するものである。

エンジンにあっては、特許文献１に示すように、ピストン冠面（頂面）に遮熱材層を形成したものがある。遮熱材層を、例えば中空状粒子を含むものとして構成することにより、断熱性と熱応答性（周囲の熱変化に対する温度変化の応答性）とが両立されて、燃焼性向上や冷損低減の上で好ましいものとなる。

特開２０１５−０８１５２７号公報

ところで、ピストン冠面には、煤が付着しやすいものとなる。特に排気ポートの開口部に対峙する部位やその付近では煤が付着しやすくて偏在しやすいものとなる。ピストン冠面への煤の付着が進行して、煤の堆積量が多くなると、排気ガスの流れが阻害されたり有効圧縮比が変化されることになり、好ましくない。

本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、ピストン冠面に対して煤が堆積しにくいようにした圧縮着火式エンジンを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、請求項１に記載のように、
シリンダブロックとシリンダヘッドとピストンとにより燃焼室が画成され、
前記燃焼室の中心軸を挟んで、一方側に吸気ポートの開口部が位置されると共に他方側に排気ポートの開口部が位置され、
前記ピストンの冠面に、遮熱材層が形成され、
前記遮熱材層のうち、前記吸気ポートの開口部に対峙する側となる吸気側遮熱材層の厚さが、前記排気ポートの開口部に対峙する側となる排気側遮熱材層の厚さに比して小さくされ、
１つの前記燃焼室に対して、前記排気ポートの開口部が２つとされ、
前記遮熱材層のうち前記２つの排気ポートの開口部への対峙部位の間となる部分の厚さが、前記吸気側遮熱材層の厚さとほぼ同一とされ、
前記遮熱材層が、中空状粒子を含むものとして構成されている、
ようにしてある。

上記解決手法によれば、基本的に、ピストン冠面に遮熱材層を形成しておくことにより、冷損低減を図ることができる。また、煤が付着しやすい部位となる排気側遮熱材層の厚さを、煤が付着しにくい部位となる吸気側遮熱材層の厚さよりも厚くしておくという簡単な手法により、排気側遮熱材層部分での煤の付着を防止あるいは抑制することができる。また、たとえ排気側遮熱材層部分に煤が付着しても、排気側遮熱材層部分が極めて高温になったときに煤を燃焼させて、煤を除去することができる。そして、吸気側遮熱材層の厚さを、排気側遮熱材層の厚さよりも薄くすることにより、全体的に遮熱材層の厚さを排気側遮熱材層の厚さを同じように設定した場合に比して、遮熱材の使用量を低減して、その分コストを抑えることができる。

以上に加えて、２つの排気ポートの開口部への対峙部位の間となる部分の遮熱材層の厚さを相対的に薄いものとして、遮熱材の使用量を低減する上で好ましいものとなる。さらに、遮熱材層が、中空状粒子を含むものとして構成されていることから、熱応答性を高めて、断熱性による燃焼性向上を得つつ、ピストン冠面がいたずらに高温になったままに維持されてしまう事態を防止することができる。

上記解決手法を前提とした好ましい態様は、請求項２以下に記載のとおりである。すなわち、
前記吸気側遮熱材層の厚さが、７００μｍ〜１０００μｍ未満の範囲に設定され、
前記排気側遮熱材層の厚さが、１０００μｍ〜１３００μｍの範囲に設定されている、
ようにしてある（請求項２対応）。この場合、断熱性をより十分に高めることができる。また、ピストン冠面の温度が４００℃以上であればピストン冠面への煤の付着が防止できることを実験的に確認したが、遮熱材層の厚さを上記のように設定することにより、一般的に行われる定常走行を継続した際にピストン冠面の温度を４００℃以上に維持させることが可能となり、煤の付着防止の上で極めて好ましいものとなる。

ピストン冠面の中央部に、中央凹部が形成され、
前記中央凹部における前記遮熱材層の厚さが、前記吸気側遮熱材層の厚さとほぼ同一とされて、前記排気側遮熱材層の厚さよりも薄くされている、
ようにしてある（請求項３対応）。この場合、ピストン冠面に中央凹部を有する場合に、遮熱材層の好ましい厚さ分布が提供される。

少なくとも所定の運転領域においてＨＣＣＩ燃焼が行われる、ようにしてある（請求項４対応）。この場合、ＨＣＣＩ燃焼を行うことによって、遮熱材層による冷損低減と合わせて燃費向上を十分に図ることができる。また、遮熱材層によって、ＨＣＣＩ燃焼に要求される圧縮熱を十分に確保することができる。

本発明によれば、ピストン冠面に対して煤が堆積してしまう事態を防止あるいは抑制することができる。

本発明が適用されたエンジンの一例を示す要部側面断面図。 ピストンの冠面を示すもので、吸・排気ポートの開口部との位置関係示す平面図。 遮熱材層の厚さを相違させる参考例を示すもので、図２に対応した平面図。 図３のＸ４−Ｘ４線相当断面図。 遮熱材層の構成を模式的に示す断面図。 本発明の実施形態を示すもので、図３に対応した平面図。

図１において、エンジンＥは、シリンダブロック１とシリンダヘッド２とピストン３とにより燃焼室４が画成された往復動型エンジンとされている。シリンダヘッド２には、それぞれ燃焼室４に開口する吸気ポート５および排気ポート６が形成されている。吸気ポート５は吸気弁７により開閉され、排気ポート６は排気弁８により開閉される。吸気ポート４（吸気弁７）は、クランク軸方向となる紙面直角方向に間隔をあけて２個設けられている。同様に、排気ポート６（排気弁８）は、クランク軸方向となる紙面直角方向に間隔をあけて２個設けられている。

ピストン３の頂面つまり冠面３ａには、その中央部においてキャビティを構成する中央中央凹部が形成されている。そして、シリンダヘッド２には、中央凹部９の中心部（ピストン３の中央部）に臨ませて、燃料噴射弁１０が配設されている。なお、シリンダヘッド２には、２つの吸気ポート５の間に位置させて、点火プラグ（図示略）が配設されている。

エンジンＥは、例えばガソリンを燃料とするもので、所定の運転領域で圧縮着火が行われる。より具体的には、エンジン負荷が所定負荷以下となる低負荷領域では、リーン雰囲気（（例えば空燃比２５〜３５）でＨＣＣＩ燃焼（予混合圧縮自己着火で、Homogeneous Charg Compression Ignition）が行われる。また、エンジン負荷が上記所定負荷よりも大きい高負荷領域では、理論空燃比あるいはその付近の空燃比でもって、点火プラグによるＳＩ燃焼（Spark Ignitionで、通常のガソリンエンジンの場合と同じ燃焼）。なお、高負荷領域でも、ＨＣＣＩ燃焼を行うようにすることもでき、この場合、点火プラグを利用して燃焼開始のタイミング設定を行うことができる（燃焼そのものはＨＣＣＩ燃焼）。

図２は、ピストン冠面３ａを示すものである。この図２において、それぞれ破線によって、吸気ポート５の燃焼室４への開口部位に対峙する対峙部位５ａ、排気ポート６の燃焼室４への開口部位に対峙する対峙部位６ａ、および燃料噴射弁１０の先端が燃焼室４に臨む位置対峙する対峙部位１０ａが示される。２つの吸気ポート５への対峙部位５ａは、燃焼室４の中心軸を挟んで一方側に配設され、２つの排気ポート６への対峙部位６ａは燃焼室４の中心軸を挟んで他方側に配設されている。なお、ピストン冠面３ａの外周縁部には、クランク軸方向（図２上下方向）の端部２箇所と、クランク軸と直交する方向の端部２箇所に、それぞれスキッシュエリア３ｂが形成されている。

図２に示す領域Ａ〜Ｆにおいて、エンジンＥを運転した際に付着する煤の量を計測した。このときのエンジンＥの運転条件は１、０００ｒｐｍ、ＩＭＥＰ４４０ｋｐａ、運転継続時間２０時間、空燃比２０である。まず、領域Ａでは、目視によって煤の付着が認められなかった。領域Ｂでの煤の付着量は、平均１３μｍ、最高で１３．４μｍ、最低で１２．２μｍであった。領域Ｃでの煤の付着量は、平均２２．６μｍ、最高で２３．７μｍ、最低で２１．５μｍであった。領域Ｄでの煤の付着量は、平均２７．１μｍ、最高で２８．３μｍ、最低で２５．７μｍであった。領域Ｅでの煤の付着量は、平均１８．６μｍ、最高で２０．３μｍ、最低で１８．３μｍであった。領域Ｆでの煤の付着量は、平均３０．２μｍ、最高で３２．１μｍ、最低で２９．５μｍであった。

領域Ｃ、Ｄ、Ｆで煤の付着量が多いことが理解され、特に排気ポートへの対峙部位６ａとピストン３の外側面（シリンダブロック１の内壁面）との間の間隔が狭くなる領域Ｄ、Ｆでの煤の付着量が多いことが理解される。これは、排気ガスの流れが、領域Ｄ、Ｆでは悪くなるための考えられる。また、２つの排気ポートへの対峙部位６ａの間の位置となる領域Ｅが、領域Ｄ、Ｆに比して煤の付着量が少ないのは、領域Ｅが排気ポートへの対峙部位６ａの間に位置して、排気ガスの流れが領域Ｄ、Ｆに比して良好なためと考えられる。

図３、図４に示すように、ピストン冠面３ａには、遮熱材層２０が形成されている。なお、図３は本発明の参考例を示すものであり、図４では、遮熱材層２０の厚さを誇張して描いてある。この遮熱材層２０は、全体的に同一の材質のものが用いられて、吸気側は薄く、排気側は厚くなるように形成されている。すなわち、遮熱材層２０は、図３ハッチングを付して示す吸気側領域となる第１領域Ｘ１の厚さが例えば７００μｍ〜１０００μｍ未満とされる。また、遮熱材層２０は、図３ダブルハッチングを付して示す排気側領域となる第２領域Ｘ２の厚さが例えば１０００μｍ〜１３００μｍとされている。なお、遮熱材層２０は、スキッシュエリア３ｂを除いて、ピストン冠面３ａの全面に形成されている。遮熱材層２０の厚さが大きくされる第２領域Ｘ２は、前述した煤の付着量が多くなる領域Ｃ、Ｄ、Ｆの他、領域Ｅを含む範囲とされている。

上記第１領域Ｘ１と第２領域Ｘ２との境界線が、符号αで示される。この境界線αについて図３を参照しつつ説明する。まず、図３中、ピストン３の中心を通りクランク軸方向に延びる中心線を符号βで示す。境界線αは、凹部１０を挟んで、それぞれクランク軸方向に延びる一対の直線状の第１部位α１と第２部位α２を有する。そして、この第一部位α１と第２部位α２とのうち凹部１０側の端部同士を連結する湾曲された第３部位α３を有する。第１部位α２と第２部位α２とは、中心線βよりも若干排気ポートへの対峙部位６ａ側に位置されている。また、第３部位α３は、凹部１０の直近で、凹部１０に沿う形状に湾曲されている。

なお、凹部１０は、外周形状が略円形で、図４に示すようにその外周縁部から中央部に向けて徐々に隆起する形状に設定されているが、凹部１０の形状はこれに限定されないものである。また、図３から明かなように、第１領域Ｘ１の面積が第２領域Ｘ２の面積よりも大きくされているが、この２つの領域の面積割合は適宜設定（変更）することができる。

次に、遮熱材層２０の材質等について、図５を参照しつつ説明する。遮熱材層２０は、無機酸化物を主体とする中空状粒子２３、及び緻密質バインダ材２５を含む。遮熱材層２０では、緻密質バインダ材２５が中空状粒子２３を覆い、中空状粒子２３同士を結合し、中空状粒子２３とピストン冠面３ａとを結合することで、ピストン冠面３ａ上に層構造を成している。緻密質バインダ材２５は、中空状粒子２３同士の間隙を埋めるようにしてそれらを結合しており、また、緻密質バインダ材２５は、非粉末状であって、それ自体が緻密に構成されている。このため、中空状粒子２３同士の間や緻密質バインダ材２５自体に燃料が通過可能な間隙がなく、その結果、燃焼室４に噴射された燃料が遮熱材層２０に浸み込むことを防止できる。

緻密質バインダ材２５は、上記のように非粉末状であり、それ自体が緻密に構成されていれば、その材料は特に限定されず、例えばシリコーン系樹脂を用いることができる。シリコーン系樹脂としては、例えばメチルシリコーン樹脂、メチルフェニルシリコーン樹脂に代表される、分岐度の高い３次元ポリマーからなるシリコーン樹脂を好適に用いることができ、具体例としては、例えばポリアルキルフェニルシロキサンを挙げることができる。

無機酸化物を主体とする中空状粒子２３としては、フライアッシュバルーン、シラスバルーン、シリカバルーン、エアロゲルバルーン等のＳｉ系酸化物成分（例えば、シリカ（ＳｉＯ２））又はＡｌ系酸化物成分（例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３））を含有するセラミック系中空状粒子を採用することが好ましい（各々の材質及び粒径は特許文献１の表１に開示されているのと同様に設定することができる）。なお、中空状粒子２３は、メディアン径が５μｍ以上３０μｍ以下のものを用いることが好ましく、５μｍ未満のメディアン径の中空重粒子をさらに追加してもよい。

例えば、フライアッシュバルーンの化学組成は、ＳｉＯ２；４０．１〜７４．４％、Ａｌ２Ｏ３；１５．７〜３５．２％、Ｆｅ２Ｏ３；１．４〜１７．５％、ＭｇＯ；０．２〜７．４％、ＣａＯ；０．３〜１０．１％（以上は質量％）である。シラスバルーンの化学組成は、ＳｉＯ２；７５〜７７％、Ａｌ２Ｏ３；１２〜１４％、Ｆｅ２Ｏ３；１〜２％、Ｎａ２Ｏ；３〜４％、Ｋ２Ｏ；２〜４％、IgLoss；２〜５％（以上は質量％）である。遮熱材層２０には、このような中空状粒子２３が６０ｖｏｌ％以上７５ｖｏｌ％以下の体積比率で含まれている。遮熱材層２０の成分としての中空状粒子２３の含有量が体積比率で６０ｖｏｌ％以上と大きいので、遮熱材層２０内に空気層を多く含有できる。このため、遮熱材層２０の熱伝導率及び体積比熱を低減することができて、遮熱材層２０の断熱性能を向上することができる。また、遮熱材層２０における中空状粒子２３の体積比率が７５ｖｏｌ％以下であるため、中空状粒子２３同士を結合する緻密質バインダ材２５の量を十分に確保できて、耐久性のある膜を形成することが可能となる。なお、含有させる中空状粒子２３の体積比率は、粒子のみかけ密度と緻密質バインダ材２５の密度とを測定し、続いて緻密質バインダ材２５に対して添加する中空状粒子２３の質量から算出することができる。なお、遮熱材層２０の強度又は硬度を向上するために、遮熱材層２０にフィラー材が含まれていてもよい。

遮熱材層２０は、溶射や塗布によって形成することができる。また、遮熱材層２０の材質（構造）は、上記したものに限定されるものではない。ただし、中空状粒子２３を用いることにより、単に断熱性の向上のみならず、熱応答性（熱変化の応答性）がよくなり、ピストン３やその冠面３ａが高温になったままの状態が維持されるのを阻止する上で好ましいものとなる（例えばノッキング防止等に有利）。ちなみに、遮熱材層２０として断熱性が良好で熱応答性が悪いもの（例えば中実のセラミック材）を用いると、ピストン３やその冠面３ａが高温になったままの状態が維持され続けてしまうおそれが強くなる。なお、スキッシュエリア３ｂにも遮熱材層２０を形成することでき、この場合は、遮熱材層２０の厚さは、第１領域Ｘ１での遮熱材層２０の厚さと同じかそれ以下の厚さとすることもできる。また２つの排気ポートへの対峙部位６ａの近くに位置するスキッシュエリア３ｂにおいては、遮熱材層２０の厚さを第２領域Ｘ２での厚さと同じ厚さ（１０００μｍ〜１３００μｍ）とする一方、その他のスキッシュエリア３ｂでの遮熱材層２０の厚さを、第１領域Ｘ１での厚さと同じ厚さに設定することもできる。

また、遮熱材層２０は、その厚みが５０μｍ以上であれば、実用的な断熱効果を得ることが可能であるが、特にピストン冠面３ａへの煤の付着防止のために、７００μｍ以上とするのが好ましい。すなわち、実験の結果、ピストン冠面３ａの温度が４００℃以上であれば、煤の付着を防止できることが確認された。そして、遮熱材層２０の厚さを７００μｍ以上とすることにより、頻繁に行われる定常走行中でのエンジンの運転状態を継続したときに、ピストン冠面３ａの温度を４００度以上に維持することができる。特に、煤が付着しやすい第２領域Ｘ２では、遮熱材層２０の厚さを１０００μｍ以上とすることにより、煤の付着防止と、付着した煤を燃焼させることによる煤の除去とを行うことが可能になる。

第１領域Ｘ１における遮熱材層２０の厚さは、１０００μｍ以上とすることも可能であるが、元来煤が付着しにくい領域なので、遮熱材層２０の使用量を低減する上で、１０００μｍ未満の厚さとするのが好ましい。

図６は、本発明の実施形態を示すものであり、図３に示す構成要素と同一構成要素には同一符号を付してその重複した説明は省略する。本実施形態では、前記参考例の場合に比して、第１領域Ｘ１を、図２における領域Ｅ側に向けて拡大したものとなっている。より具体的には、境界線α３の中間部位から、２つの排気ポートへの対峙部位６ａの間の領域を形成するように放射状に延びる２本の境界線α４を分岐してある。各境界線α４は、排気ポートへの対峙部位６ａ（における外周縁部）の直近を通るようにされている。本実施形態では、遮熱材層２０のうち厚さの薄い領域を拡大するため、遮熱材層２０を形成するための材料節約となる。

以上実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載された範囲において適宜の変更が可能である。本発明が適用されるエンジンとしては、ディーゼルエンジンであってもよい。遮熱材層２０の熱容量を相違させるには、その厚さの変更に代えてあるいは加えて、材質（構造）を変更することにより行うこともできる（例えば中空状粒子２３の直径や材質を変更したり、その含有割合を変更する）。また、遮熱材層の厚さが厚くされる領域としては、凹部１０よりも排気側となる領域のうち、ピストン中心から排気ポートへの対峙部位６ａに向けて放射状に延び、しかもこの対峙部位６ａを含むような領域であれば、適宜の形状設定とすることができる。特に、排気ポートへの対峙部位６ａの中心からピストン３の外側面（シリンダブロック１の壁面）にかけての領域（図２で領域Ｄ、Ｆとして示す領域とその周辺を含む領域）において、遮熱材層２０の厚さを他の部位よりも厚く設定することができる。ピストン中心を挟んで、一方側に吸気ポート（吸気弁）、他方側に排気ポート（排気弁）を位置させる場合に、吸気ポートの数は適宜設定できる（例えば、吸気ポートが１つあるいは３以上のもの等）。勿論、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。

本発明は、圧縮着火式エンジンに適用して好適である。

Ｅ：エンジン
１：シリンダブロック
２：シリンダヘッド
３：ピストン
３ａ：ピストン冠面
３ｂ：スキッシュエリア
４：燃焼室
５：吸気ポート
５ａ：吸気ポートへの対峙部位
６：排気ポート
６ａ：排気ポートへの対峙部位
７：吸気弁
８：排気弁
９：凹部
１０：燃料噴射弁
２０：遮熱材層
Ｘ１：第１領域（遮熱材層の薄い領域）
Ｘ２：第２領域（遮熱材層の厚い領域）
α：境界線（領域Ｘ１とＸ２との境界線）

Claims (4)

1. シリンダブロックとシリンダヘッドとピストンとにより燃焼室が画成され、
   前記燃焼室の中心軸を挟んで、一方側に吸気ポートの開口部が位置されると共に他方側に排気ポートの開口部が位置され、
   前記ピストンの冠面に、遮熱材層が形成され、
   前記遮熱材層のうち、前記吸気ポートの開口部に対峙する側となる吸気側遮熱材層の厚さが、前記排気ポートの開口部に対峙する側となる排気側遮熱材層の厚さに比して小さくされ、
   １つの前記燃焼室に対して、前記排気ポートの開口部が２つとされ、
   前記遮熱材層のうち前記２つの排気ポートの開口部への対峙部位の間となる部分の厚さが、前記吸気側遮熱材層の厚さとほぼ同一とされ、
   前記遮熱材層が、中空状粒子を含むものとして構成されている、
   ことを特徴とする圧縮着火式エンジン。
2. 請求項１において、
   前記吸気側遮熱材層の厚さが、７００μｍ〜１０００μｍ未満の範囲に設定され、
   前記排気側遮熱材層の厚さが、１０００μｍ〜１３００μｍの範囲に設定されている、
   ことを特徴とする圧縮着火式エンジン。
3. 請求項１または請求項２において、
   ピストン冠面の中央部に、中央凹部が形成され、
   前記中央凹部における前記遮熱材層の厚さが、前記吸気側遮熱材層の厚さとほぼ同一とされて、前記排気側遮熱材層の厚さよりも薄くされている、
   ことを特徴とする圧縮着火式エンジン。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、
   少なくとも所定の運転領域においてＨＣＣＩ燃焼が行われる、ことを特徴とする圧縮着火式エンジン。
   

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