(57)【要約】【課題】内燃機関において、壁温スイング遮熱法の効用を享受しつつ、異常燃焼の発生を効果的に抑止する。【解決手段】気筒内で往復動するピストン１が、当該ピストン１の頂面を被覆するように設けられ同ピストン１の本体を構成する基材よりも熱伝導率及び比熱が低い遮熱膜１１と、当該ピストン１の頂面における、異常燃焼の前兆として局所的な高温が発生すると推測される箇所に面する部位に設けられ、前記遮熱膜により被覆されず同遮熱膜よりも熱伝導率が高い局所的吸熱部１２とを有している内燃機関を構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒内で往復動するピストンが、
当該ピストンの頂面を被覆するように設けられ同ピストンの本体を構成する基材よりも熱伝導率及び比熱が低い遮熱膜と、
当該ピストンの頂面における、異常燃焼の前兆として局所的な高温が発生すると推測される箇所に面する部位に設けられ、前記遮熱膜により被覆されず同遮熱膜よりも熱伝導率が高い局所的吸熱部と
を有している内燃機関。
【請求項２】
前記ピストンの裏面における前記局所的吸熱部の直下に位置する部位に向けて潤滑油を供給するピストンオイルジェットを具備する、または、同部位が肉抜きされ当該部位に隣接する部位と比較して肉厚が薄くなっている、請求項１記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、往復動内燃機関の構成要素であるピストンに遮熱膜が設けられた内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関において生じる各種の損失のうち、膨張行程中に燃焼ガスからピストンの頂面を含む燃焼室の壁面に熱エネルギが奪われる冷却損失（熱損失）は大きな割合を占める。この冷却損失の低減を企図して、かねてより、セラミックスを使用して断熱することで燃焼室の壁温を高く保つ研究が行われてきた。しかしながら、燃焼室の壁温が恒常的に高いと、吸気行程を通じて気筒に流入する吸気の温度が上昇し、吸気の体積が膨脹して充填効率が低下してしまう。加えて、排気に含まれる有害物質の排出量が増加するきらいもあり、依然として実用化には至っていない。
【０００３】
上述の問題を克服するべく、近時、壁温スイング遮熱法（下記非特許文献を参照）が提案されている。壁温スイング遮熱法は、燃焼室の壁面に熱伝導率及び比熱の低い遮熱膜を形成し、サイクル中の燃焼室の壁温が燃焼室内のガスの温度変化に追従して上昇及び下降するようにするものである。膨張行程の初期ないし中期では、燃焼室の壁温が高温化して冷却損失が低減する。一方で、膨脹行程の後期以降、燃焼室の壁温が低温化し、有害物質の生成が抑制され、吸気の昇温による充填効率の低下も回避できる。遮熱膜の熱伝導率及び比熱が低いほど、大きな壁温のスイング幅を得られ、損失の低減効果が高くなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】脇坂  佳史、川口  暁生、“壁温スイング遮熱法によるエンジンの熱損失低減（トピックス）”、［ｏｎｌｉｎｅ］、日本機械学会誌、２０１６、１１９巻、１１７４号、ｐ．５２５−、［平成３０年１２月３日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：https://doi.org/10.1299/jsmemag.119.1174#525、https://www.jstage.jst.go.jp/article/jsmemag/119/1174/119#525/#article/-char/ja＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
火花点火式内燃機関において、ノッキングに代表される異常燃焼は悩みの種である。異常燃焼の発生を鎮圧するためには、火花点火のタイミングを遅角せざるを得ず、ＭＢＴ（Ｍｉｎｉｍｕｍ  ａｄｖａｎｃｅ  ｆｏｒ  Ｂｅｓｔ  Ｔｏｒｑｕｅ）から遠ざかることで熱機械変換効率の低下を招く。
【０００６】
膨張行程中の燃焼室の壁面、特にピストンの頂面の温度を高温化することは、異常燃焼の発生リスクを高める方向に作用する。ピストンの頂面の広範囲に亘って遮熱膜を形成しない領域を確保すれば、異常燃焼の発生リスクを低下させることができるかもしれない。だが、背反として、壁温スイング遮熱法による効用が低減することになる。
【０００７】
本発明は、壁温スイング遮熱法の効用を享受しつつ、異常燃焼の発生を効果的に抑止することを所期の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、気筒内で往復動するピストンが、当該ピストンの頂面を被覆するように設けられ同ピストンの本体を構成する基材よりも熱伝導率及び比熱が低い遮熱膜と、当該ピストンの頂面における、異常燃焼の前兆として局所的な高温が発生すると推測される箇所に面する部位に設けられ、前記遮熱膜により被覆されず同遮熱膜よりも熱伝導率が高い局所的吸熱部とを有している内燃機関を構成した。
【０００９】
より好ましくは、前記ピストンの裏面における前記局所的吸熱部の直下に位置する部位に向けて潤滑油を供給するピストンオイルジェットを具備するものとし、及び／または、同部位が肉抜きされ当該部位に隣接する部位と比較して肉厚が薄くなっているものとする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、壁温スイング遮熱法の効用を享受しつつ、異常燃焼の発生を効果的に抑止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態の内燃機関のピストンの平面図。
【図２】同実施形態の内燃機関のピストンの側断面図。
【図３】同実施形態の内燃機関のピストンの下方（裏面側）から見た平断面図。
【図４】同実施形態の内燃機関のピストンの側面断面。
【図５】同実施形態の前提となる計算機シミュレーションによる筒内温度の分布を示す図。
【図６】同実施形態の前提となる計算機シミュレーションによる筒内温度の分布を示す図。
【図７】同実施形態の前提となる計算機シミュレーションによる筒内圧力の変動の推移を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１ないし図４に、本実施形態における火花点火式内燃機関（特に、ガソリンエンジン）のピストン１を示す。本実施形態の内燃機関のピストン１は、その頂面の概ね全域を遮熱膜１１により被覆している。ピストン１の頂面は、内燃機関のシリンダヘッドに形成される燃焼室の天井部の壁面や、シリンダブロックに形成されるシリンダボアの内壁面とともに、燃焼室の壁面を構成する。ピストン１の頂面の遮熱膜１１は、燃焼室を断熱し、かつピストン１の頂面の温度をできるだけ少ない時間遅れで燃焼室内のガスの温度に追従させる機能を発揮する。遮熱膜１１は、ピストン１の本体の基材であるアルミニウム合金やマグネシウム合金等と比較して熱伝導率及び比熱（特に、体積比熱）がそれぞれ低い、陽極酸化皮膜その他のコーティングまたは薄板等である。
【００１３】
その上で、本実施形態では、ピストン１の頂面の特定の部位に限定して、遮熱膜１１により被覆しない局所的吸熱部１２を設けている。ピストン１の頂面の局所的吸熱部１２の熱伝導率は、局所的吸熱部１２以外の遮熱膜１１で覆われた部位の熱伝導率よりも高い。並びに、局所的吸熱部１２の比熱（特に、体積比熱）は、遮熱膜１１で覆われた部位の比熱よりも高い。局所的吸熱部１２は、遮熱膜１１のように燃焼室内のガスの温度に追従して温度が大きく上下動せず、燃焼ガスの温度に比して低温のままであり、当該局所的吸熱部１２に接触した燃焼ガスから積極的に熱エネルギを奪う。
【００１４】
局所的吸熱部１２は、内燃機関の気筒に燃料を供給しこれを燃焼させて運転しているときに、異常燃焼の前兆として局所的な高温が発生する箇所に面している。図示例では、気筒の吸気ポート２側のバルブリセスまたはその近傍、ピストン１の外周縁に近い局所に吸熱部１２を配している。
【００１５】
局所的吸熱部１２における冷却を促進するためには、例えば、図２に示すように、内燃機関のシリンダブロック、進退往復動するピストン１の下方にピストンオイルジェット４を設置し、このピストンオイルジェット４から上方に潤滑油を噴出させて、ピストン１の裏面における局所的吸熱部１２の直下に位置する部位１３に吹き当てる。潤滑油が接触する当該部位１３は肉抜き（または、肉盗み）し、同部位１３に隣接する部位と比較して基材の肉厚を薄くする。
【００１６】
図１に示しているように、ピストン１の頂面に複数の局所的吸熱部１２を設けている場合には、その各吸熱部１２を指向する複数のピストンオイルジェット４を設置し、またはピストンオイルジェット４のノズルを複数に枝分かれさせてそれらが各吸熱部１２を指向するように構成することが考えられる。
【００１７】
あるいは、図３に示すように、ピストン１の裏面における、複数の局所的吸熱部１２の中間に臨む箇所に、下方に突出したリブ１４を成形しておく。そして、ピストンオイルジェット４から複数の局所的吸熱部１２の中間に向けて噴出した潤滑油をリブ１４に衝突させ、その潤滑油の流れを矢印で描画しているように複数に分流して、各吸熱部１２の直下に位置する部位１３に当てる。
【００１８】
図４に示すように、ピストン１内部に中空の環状通路であるクーリングチャンネル１５を形成し、クーリングチャンネル１５が局所的吸熱部１２の直下を通過するようにしてもよい。ピストンオイルジェット４から噴出する潤滑油は、局所的吸熱部１２が所在する気筒の吸気ポート２側に開設した入口１５１を通じてクーリングチャンネル１５内に流入し、クーリングチャンネル１５を循環した後、気筒の排気ポート３側に開設した出口１５２を通じてクーリングチャンネル１５外に流下する。この場合にも、局所的吸熱部１２の直下に位置する部位１３を肉抜きし、同部位１３に隣接する部位と比較して基材の肉厚を薄くすることが好ましい。
【００１９】
ピストン１の頂面における、局所的吸熱部１２を設けるべき部位は、様々な型式の内燃機関一般に共通するとは限らず、内燃機関の構造、各構成部材の形状や寸法その他の条件に応じて変化し得る。本実施形態では、内燃機関の運転中に燃焼室内で異常燃焼の前兆として局所的な高温が発生する箇所２１を、計算機シミュレーションにより推測、特定し、その特定した箇所２１に面する部位に局所的吸熱部１２を設けるようにしている。
【００２０】
以降、実際の内燃機関を模したモデルにおける三次元燃焼シミュレーションに関して補記する。三次元燃焼シミュレーションでは、乱流計算と化学反応計算とを並行して実行する。乱流の解析手法として、ＬＥＳ（Ｌａｒｇｅ−Ｅｄｄｙ  Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）やＲＡＮＳ（Ｒｅｙｎｏｌｄｓ−Ａｖｅｒａｇｅｄ  Ｎａｖｉｅｒ−Ｓｔｏｋｅｓ  Ｅｑｕａｔｉｏｎｓ）等が知られている。ＲＡＮＳは、計算負荷が小さく実務上好まれる。
【００２１】
他方、燃焼の化学反応のモデルとしては、一段総括反応モデル、詳細化学反応モデル等が知られる。詳細化学反応モデルは、乱流の拡散による化学種の移送、及びその化学反応の生起という事象をモデル化するものであり、燃焼の速度を予め実験的に定式化しない。詳細化学反応モデルに則った化学反応計算により、原理的には、自着火及びこれに端を発する重度の異常燃焼の再現が可能である。
【００２２】
本実施形態にあって、計算機シミュレーションに使用したソフトウェアはＣｏｎｖｅｒｇｅｎｔ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｉｎｃ．製の熱流体解析プログラムＣＯＮＶＥＲＧＥ  ２．３、乱流モデルはＲＡＮＳ（ＲＮＧ  ｋ−ε）、燃焼モデルは詳細化学反応モデル（ソルバーＳＡＧＥ）、反応メカニズムはＬｉｕ  ｍｅｃｈ．（４８化学種、１５２素反応）、燃料はＩＳＯ−ｏｃｔａｎｅ（λ＝１の理論混合気（量論混合気）、燃料の気化潜熱は考慮せず）、計算期間は排気バルブの開弁前５°ＣＡ（クランク角度）から７２００°ＣＡ（１０サイクル分。複数サイクルに亘る計算を行うことで残留ガス組成を再現）、計算格子は直交格子（壁面はカットセル）、燃焼行程中に温度ＡＭＲ（解適合格子）を適用（即ち、温度勾配が大きな領域（特に、火炎面の前後）において自動で格子を再分割）、計算格子の最大数は９５万である。その上で、吸気通路の一部、吸気ポート２及び吸気バルブ、排気ポート３及び排気バルブ、並びに、燃焼室の天井部及びシリンダボア、ピストン１の頂面（上記の遮熱膜１１及び局所的吸熱部１２を設けていないもの）により包囲された燃焼室を格子化し、０．１°ＣＡ刻みの時間粒度で三次元燃焼シミュレーションを実行した。
【００２３】
シミュレーションの結果、図５に示すように、内燃機関の気筒の吸気ポート２及び吸気バルブの下方、かつシリンダボア及びピストン１の周縁近傍の局所２１で、最初の自着火が発生した。この自着火自体は、重度の異常燃焼、あるいはヘビーノック（強度のノッキング）と呼ぶべきものではない。そして、図６に示すように、その自着火の発生後に、気筒の排気ポート３及び排気バルブの下方、シリンダボア及びピストン１の周縁近傍３１で、問題となる急速かつ重度の異常燃焼が発生した。
【００２４】
図７は、筒内圧即ち気筒の燃焼室内の圧力の変動の推移を示している。図７中、実線は筒内圧、破線は筒内圧を所定値（例えば、６ｋＨｚ）以上の周波数成分を通過させるハイパスフィルタで処理したものを表す。但し、実線の筒内圧と破線の振動成分とではスケールが異なる。時点ｔ0は圧縮上死点、時点ｔ1は吸気ポート２及び吸気バルブの下方で最初の自着火が発生した時点、時点ｔ2は排気ポート３及び排気バルブの下方で重度の異常燃焼が発生した時点である。時点ｔ2直後、振幅が所定値を超える大きな圧力振動が生じており、排気ポート３側での異常燃焼を示唆している。内燃機関のリア側の排気ポート３の下方では、未燃焼ガスの塊が一挙に燃焼し、フロント側の排気ポート３の下方では、シリンダボアの壁際を伝播しながら広範囲に燃焼する傾向が見られた。内燃機関のフロント側とリア側とで挙動が相違するのは、吸気通路の形状が前後対称でないことによると考えられる。何れにせよ、問題となる異常燃焼の主体は、吸気ポート２の下方における最初の自着火ではなく、排気ポート３の下方における後の急速燃焼である。
【００２５】
火炎面、ガスの流速及び筒内圧の変動の推移に着目すると、ガスの流速の変化は、最初の自着火によるものではなく、排気ポート３の下方における後の自着火及び急速燃焼によるものが大きい。それは、吸気ポート２側からの圧力波が排気ポート３側の異常燃焼を起こす部位に到達した時期に発生している。従って、問題となる異常燃焼の原因は、最初の自着火により生じた圧力波をトリガとした、最初の自着火の発生位置とは別の位置での自着火と推察される。
【００２６】
最初の自着火が発生した吸気ポート２側の局所２１の温度は、自着火の発生直前に、当該箇所２１に隣接する周囲の温度よりも約５０Ｋ高温となっていた。その箇所２１は、ピストン１の吸気ポート２側のバルブリセスの上方に位置する。この箇所２１で、流れの淀みが生じ、局所的な高温という温度むらが発生している。流れの滞留箇所２１は、タンブル流の渦の中心が移動してくる位置にあたり、流れの弱体化を招いている。加えて、当該箇所２１は、空間的にも周囲の流れから取り残されやすい形状となっている。
【００２７】
また、当該箇所２１における特定の化学種（特に、ＮＯ、ＣＯ）の濃度は、自着火の発生直後、当該箇所２１に隣接する周囲の濃度よりも高濃度となった。
【００２８】
さらに、シミュレーションの対象とした内燃機関の実物（ピストン１の頂面に遮熱膜１１及び局所的吸熱部１２を設けていないもの）で燃焼運転の試験を行い、気筒の燃焼室内で異常燃焼が発生する部位を確認した。異常燃焼の観測には、ＡＶＬ  ＬＩＳＴ  ＧＭＢＨ製のＶｉｓｉｏＫｎｏｃｋセンサを用い、燃焼室内の輝度分布を測定し、初めに輝度が極大値となった箇所を異常燃焼の発生部位として特定した。その結果、計算機シミュレーションによる異常燃焼の発生部位３１と、実物の内燃機関における異常燃焼の発生部位とがよく一致した。
【００２９】
以上より、対象の内燃機関では、吸気ポート２側の局所２１で発生した自着火による圧力波の形成が、排気ポート３側での異常燃焼のきっかけとなっていることが明らかとなった。そこで、当該内燃機関の気筒に配するピストン１の頂面における、吸気ポート２側の局所２１に面する部位、より具体的にはバルブリセスの外方に、遮熱膜１１を敷設しない局所的吸熱部１２を設けた。これにより、異常燃焼のトリガとなる最初の自着火を惹起する高温の熱をピストン１に逃がし、最初の自着火の発生を抑制、以て問題となる異常燃焼を防止することが可能となる。
【００３０】
本実施形態では、気筒内で往復動するピストン１が、当該ピストン１の頂面を被覆するように設けられ同ピストン１の本体を構成する基材よりも熱伝導率及び比熱が低い遮熱膜１１と、当該ピストン１の頂面における、（計算機シミュレーション及び／または実物の内燃機関の試験を通じて）異常燃焼の前兆として局所的な高温が発生すると推測された箇所２１に面する部位に設けられ、前記遮熱膜１１により被覆されず同遮熱膜１１よりも熱伝導率が高い局所的吸熱部１２とを有している内燃機関を構成した。
【００３１】
本実施形態では、異常燃焼のトリガとなる局所的な高温部（所定値以上の大きな圧力振動を起こす異常燃焼の前に起こる高温化及び自着火の発生箇所であり、しかも異常燃焼の発生箇所とは別の箇所）２１を特定し、ピストン１の頂面における当該箇所２１に面する部位に限り局所的に遮熱膜１１を設けないようにして、当該箇所２１の高温の熱を吸収、放熱して当該箇所２１を冷却するようにした。本実施形態によれば、異常燃焼のトリガとなる最初の自着火を未然に防ぎ、その自着火に連鎖した自着火が引き起こす急激な異常燃焼（正常燃焼による火炎が燃焼室の最外縁部即ちシリンダボアの周縁部に到達する前に、当該周縁部において起こる爆発的な燃焼）を効果的に抑止することができる。
【００３２】
加えて、前記ピストン１の裏面における前記局所的吸熱部１２の直下に位置する部位１３に向けて潤滑油を供給するピストンオイルジェット４を具備しており、また同部位１３が肉抜きされ当該部位１３に隣接する部位と比較してその肉厚が薄くなっていることから、局所的吸熱部１２による熱の吸収、放熱作用を促進して異常燃焼の発生リスクをより一層低減することができる。内燃機関の潤滑油の温度は、燃焼室内において最初の自着火が生じ得る箇所２１の温度よりも十分に低温であり、オイルジェットによる冷却効果は高い。また、異常燃焼のトリガとなる最初の自着火が生じ得る箇所２１を集中的に冷却することで、未燃焼ガスが分布する領域の全体、例えばシリンダボア及びピストン１の外周縁部をその全周に亘って冷却する必要がなくなる。
【００３３】
ピストン１における肉抜きされて薄肉化した部位１３にオイルジェット４から噴出した潤滑油を供給することにより、当該部位１３の温度上昇が緩和され、薄肉化による強度の弱体化を補償でき、ピストン１の損傷を招かずに済む。
【００３４】
クーリングチャンネル１５を形成したピストン１にあっても、クーリングチャンネル１５を囲繞する外周壁により、ピストン１の頂部の外周の強度を必要十分に確保できる。また、クーリングチャンネル１５の入口１５１を局所的吸熱部１２の直下付近に開設していることで、局所的吸熱部１２を効果的に冷却し、局所的吸熱部１２の昇温による強度の弱体化を回避できる。
【００３５】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的な構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、往復動内燃機関の構成要素となるピストンに適用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１…ピストン
１１…遮熱膜
１２…局所的吸熱部
１３…局所的吸熱部の直下に位置する部位
２１…異常燃焼の前兆として局所的な高温が発生する箇所
４…ピストンオイルジェット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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