(57)【要約】【課題】オイルダイリューションの発生を抑制しつつ、エンジンの燃費を向上させることができるエンジンシステムを提供する。【解決手段】エンジンシステム１は、シリンダ１１ａと、シリンダ１１ａの内部に配置されたピストン１３と、ピストン１３の頂面１３ａに配置された遮熱膜２０と、を有するエンジン１０と、エンジン１０の排気行程において、遮熱膜２０に向けて圧縮ガスを供給する圧縮ガス供給装置４０と、を備える。このエンジンシステム１によれば、オイルダイリューションの発生を抑制しつつ、エンジン１０の燃費を向上させることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダと前記シリンダの内部に配置されたピストンと前記ピストンの頂面に配置された遮熱膜とを有するエンジンと、
前記エンジンの排気行程において、前記遮熱膜に向けて圧縮ガスを供給する圧縮ガス供給装置と、を備えるエンジンシステム。
【請求項２】
前記圧縮ガス供給装置は、制御装置と、前記エンジンに配置されて、前記制御装置によって制御されることで前記排気行程において前記遮熱膜に向けて前記圧縮ガスを供給する圧縮ガス噴射弁と、を備える請求項１記載のエンジンシステム。
【請求項３】
前記遮熱膜は、前記ピストンの母材に比較して、熱伝導率が低く、且つ、単位体積当たりの熱容量も低い材質によって構成されている請求項１又は２に記載のエンジンシステム。
【請求項４】
前記遮熱膜は、多孔質構造の陽極酸化膜にシリカが充填されたシリカ強化多孔質陽極酸化膜によって構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、エンジンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ピストンの頂面に遮熱膜が配置された構造を有するエンジンが知られている（例えば特許文献１参照）。この遮熱膜は、エンジンの冷却損失を低減させて燃費を向上させるために設けられたものである。しかしながら、このようにピストンの頂面に遮熱膜を配置した場合、今度は、遮熱膜の温度が高温になり過ぎるおそれがある。この場合、吸気行程において燃焼室に流入したガスが遮熱膜によって加熱されて膨張してしまい、この結果、燃焼室に充填されるガスの充填効率が低下してしまい、燃費向上を十分に図ることが困難になるおそれがある。
【０００３】
そこで、特許文献１には、この遮熱膜に向けて水を噴射する水噴射弁をエンジンに配置する技術が開示されている。この技術によれば、この水噴射弁から噴射された水によって遮熱膜を冷却して、遮熱膜の温度を低下させることができ、この結果、吸気行程におけるガスの充填効率の低下の抑制を図ることができると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−９８７９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した技術では、遮熱膜に向けて水が噴射されているので、この噴射された水によって、エンジンのピストンを潤滑するエンジンオイルが希釈される現象（オイルダイリューションと称する）が生じるおそれがある。
【０００６】
本開示は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、オイルダイリューションの発生を抑制しつつ、エンジンの燃費を向上させることができるエンジンシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の態様に係るエンジンシステムは、シリンダと前記シリンダの内部に配置されたピストンと前記ピストンの頂面に配置された遮熱膜とを有するエンジンと、前記エンジンの排気行程において、前記遮熱膜に向けて圧縮ガスを供給する圧縮ガス供給装置と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
上記のエンジンシステムによれば、オイルダイリューションの発生を抑制しつつ、エンジンの燃費を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係るエンジンシステムの構成を説明するための模式的構成図である。
【図２】実施形態に係るエンジンの構成を説明するための模式的断面図である。
【図３】実施形態に係る制御装置による圧縮ガス噴射弁の制御を示すフローチャートの一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態に係るエンジンシステム１について図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係るエンジンシステム１の構成を説明するための模式的構成図である。このエンジンシステム１は、一例として、車両に搭載されている。この車両の具体的な種類は特に限定されるものではなく、乗用車、トラック、バス等の種々の車両を用いることができる。本実施形態では、車両の一例として、トラックを用いている。なお、エンジンシステム１は、車両以外の装置に搭載されていてもよい。
【００１１】
エンジンシステム１は、エンジン１０、センサ群３０、及び、圧縮ガス供給装置４０を備えている。図２は、エンジン１０の構成を説明するための模式的断面図である。エンジン１０の具体的な種類は特に限定されるものではなく、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等の種々のエンジンを用いることができる。本実施形態では、エンジン１０の一例として、ディーゼルエンジンを用いている。このエンジン１０は、シリンダブロック１１、シリンダヘッド１２、ピストン１３、吸気弁１４、排気弁１５、及び、燃料噴射弁１６を備えるとともに、コンロッド（図示せず）及びクランクシャフト（図示せず）も備えている。シリンダブロック１１には、シリンダ１１ａが形成されている。
【００１２】
ピストン１３は、シリンダ１１ａの内部に配置されており、シリンダ１１ａの内部を上下方向に摺動する。このピストン１３は、コンロッドを介してクランクシャフトに接続されている。また、ピストン１３は、エンジンオイルによって潤滑されている。なお、このエンジンオイルによるピストン１３の潤滑手法は、公知のエンジンに用いられているピストンの潤滑手法を適用できるため、その詳細な説明は省略する。
【００１３】
シリンダヘッド１２は、シリンダブロック１１の上部に配置されている。ピストン１３とシリンダブロック１１とシリンダヘッド１２とによって囲まれた領域に、燃焼室１７が形成されている。シリンダヘッド１２には、吸気が通過する吸気ポート１８と、排気（Ｇｅ）が通過する排気ポート１９とが形成されている。吸気弁１４は、吸気ポート１８の下流側端部を開閉する弁である。排気弁１５は、排気ポート１９の上流側端部を開閉する弁である。燃料噴射弁１６は、シリンダヘッド１２に配置されており、後述する制御装置４５によって制御されることで、燃焼室１７に向けて燃料（本実施形態では軽油）を噴射する。
【００１４】
なお、シリンダブロック１１及びシリンダヘッド１２には、冷媒（具体的には冷却水）が通過するウォータージャケット（図示せず）が設けられている。このウォータージャケットを通過する冷媒によって、エンジン１０は効果的に冷却されている。
【００１５】
また、エンジン１０は、ピストン１３の頂面１３ａ（シリンダヘッド１２に対向する面（すなわち上面））に配置された遮熱膜２０も備えている。本実施形態に係る遮熱膜２０は、ピストン１３の頂面１３ａに全体的に成膜されている。
【００１６】
この遮熱膜２０は、燃焼室１７とピストン１３との間を遮熱するために設けられた膜（すなわち断熱膜）である。エンジン１０が遮熱膜２０を有することによって、遮熱膜２０を有していない場合に比較して、エンジン１０の冷却損失の低減を図り、以って、エンジン１０の燃費の向上を図ることができる。
【００１７】
本実施形態に係る遮熱膜２０は、ピストン１３の母材に比較して、熱伝導率（Ｗ／（ｍＫ））が低く、且つ、単位体積当たりの熱容量（Ｊ／Ｋ）も低い材質によって構成されている。なお、ピストン１３の母材の材質としては、例えばアルミニウム合金や鋼等のような、一般的なピストンの母材材質を用いることができる。本実施形態では、ピストン１３
の母材の材質の一例として、アルミニウム合金（アルミニウムを主成分とし、他の添加物質が添加された合金）を用いている。なお、アルミニウム合金の具体的な組成は特に限定されるものではなく、公知のピストン用のアルミニウム合金を適用できるので、アルミニウム合金の詳細な説明は省略する。また、遮熱膜２０の膜厚は、特に限定されるものではないが、例えば、数μｍ〜数百μｍから選択された値を用いることができる。
【００１８】
上述したような遮熱膜２０の材質（ピストン１３の母材に比較して熱伝導率が低く且つ単位体積当たりの熱容量も低い材質）として、例えば、セラミックを用いることができる。具体的には、このようなセラミックの具体例として、アルマイトや、ジルコニヤ、イットリヤ、アルミナ、シリカ、チタニヤ等を用いることができる。
【００１９】
あるいは、上述したような遮熱膜２０の材質（ピストン１３の母材に比較して熱伝導率が低く且つ単位体積当たりの熱容量も低い材質）として、多孔質構造の陽極酸化膜にシリカが充填された陽極酸化膜である「シリカ強化多孔質陽極酸化膜」を用いることもできる。本実施形態では、遮熱膜２０の具体例として、このシリカ強化多孔質陽極酸化膜を用いることとする。このシリカ強化多孔質陽極酸化膜は、遮熱膜２０としての機能を有する上述したセラミックに比較して、単位体積当たりの熱容量がさらに低くなっている。
【００２０】
このシリカ強化多孔質陽極酸化膜は、例えば以下のような手法で形成することができる。まず、電解液中でアルミニウム合金（ピストン１３の母材）に電荷をかけて酸化させることによって、中央に孔の空いた柱状のアルミナがアルミニウム合金の表面から垂直方向に成長する。これにより、この中央に孔の空いた柱状のアルミナからなる皮膜（すなわち、多孔質構造の陽極酸化膜）が形成される。そして、この皮膜内部の空隙の量を増大させ、且つ、熱および応力への耐久性を向上させるために、この皮膜にシリカを充填する。これにより、シリカ強化多孔質陽極酸化膜が得られる。なお、これはシリカ強化多孔質陽極酸化膜の形成手法の一例に過ぎず、シリカ強化多孔質陽極酸化膜の具体的な形成手法は、これに限定されるものではない。
【００２１】
図１を再び参照して、センサ群３０は、エンジンシステム１の制御に用いられる各種の測定値を検出するための複数のセンサを含んでいる。具体的には、センサ群３０は、クランクシャフトの位置（すなわちクランクポジション）を検出するクランクポジションセンサや、エンジン１０の回転数（ｒｐｍ）を検出する回転数センサ、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ、ブレーキ開度を検出するブレーキ開度センサ等、種々のセンサを含んでいる。このセンサ群３０の検出結果は、後述する制御装置４５に伝えられる。
【００２２】
なお、制御装置４５は、クランクポジションに基づいて、吸気弁１４、排気弁１５、及びピストン１３の位置を把握することができる。これにより、エンジン１０が吸気行程、圧縮行程、燃焼・膨張行程、及び排気行程のうち、どの行程の段階にあるかを把握することができる。
【００２３】
圧縮ガス供給装置４０は、エンジン１０の排気行程において、遮熱膜２０に向けて圧縮ガス（Ｇｃ）を供給する装置である。このような機能を有するものであれば、圧縮ガス供給装置４０の具体的な構成は特に限定されるものではないが、本実施形態に係る圧縮ガス供給装置４０は、一例として、圧縮ガス噴射弁４１と、この圧縮ガス噴射弁４１に圧縮ガスを供給する圧縮ガスボンベ４２と、圧縮ガス噴射弁４１を制御する制御装置４５とを備えている。
【００２４】
なお、圧縮ガス噴射弁４１と圧縮ガスボンベ４２とは、配管によって連通されており、これにより、圧縮ガスボンベ４２に貯留された圧縮ガスは配管を介して圧縮ガス噴射弁４１に供給される。なお、この圧縮ガスの具体的な種類は特に限定されるものではないが、本実施形態においては、圧縮ガスの一例として空気を用いている。すなわち、本実施形態に係る圧縮ガスは、圧縮空気（大気圧よりも高圧の空気）である。なお、圧縮ガスボンベ４２の代わりに、例えば圧縮機（コンプレッサ）等を用いることもできる。
【００２５】
図２を参照して、本実施形態に係る圧縮ガス噴射弁４１は、エンジン１０のシリンダヘッド１２の部分に配置されている。但し、圧縮ガス噴射弁４１の具体的な配置箇所は、これに限定されるものではない。他の例を挙げると、圧縮ガス噴射弁４１は、例えば、エンジン１０のシリンダブロック１１に配置されていてもよい。
【００２６】
圧縮ガス噴射弁４１は、制御装置４５によって制御されることで、排気行程において、遮熱膜２０に向けて圧縮ガス（Ｇｃ）を供給する。具体的には、本実施形態に係る圧縮ガス噴射弁４１は、インジェクタによって構成されている。このインジェクタの具体的な種類は特に限定されるものではなく、ソレノイド式のインジェクタや、ピエゾ式のインジェクタ等、種々のインジェクタを用いることができる。そして、このインジェクタの噴孔は、この噴孔から噴射された圧縮ガスが遮熱膜２０に供給されるように、その位置が設定されている。そして、このインジェクタは、制御装置４５からの指示を受けて、排気行程において開弁することで、遮熱膜２０に向けて圧縮ガスを噴射する。
【００２７】
なお、本実施形態に係る圧縮ガス噴射弁４１は、吸気ポート１８の近傍に配置されており、吸気ポート１８の近傍箇所から斜め下方に向けて圧縮ガスを噴射している。但し、圧縮ガス噴射弁４１の配置箇所は、これに限定されるものではなく、他の一例を挙げると、圧縮ガス噴射弁４１は排気ポート１９の近傍に配置されていてもよい。
【００２８】
図１を再び参照して、制御装置４５は、燃料噴射弁１６の動作を制御することでエンジン１０の運転状態を制御する。また、制御装置４５は、圧縮ガス噴射弁４１の動作を制御することで、圧縮ガス供給装置４０の運転状態も制御する。すなわち、本実施形態においては、エンジン１０の動作を制御する制御装置が、圧縮ガス供給装置４０の制御装置としての機能を兼ねている。但し、エンジンシステム１の構成はこれに限定されるものではなく、例えばエンジンシステム１は、エンジン１０の動作を制御する制御装置とは別に、圧縮ガス供給装置４０専用の制御装置を備えていてもよい。
【００２９】
本実施形態に係る制御装置４５は、各種の制御処理を実行するプロセッサとしての機能を有するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）４６や、ＣＰＵ４６の動作に用いられるプログラムや各種の情報を記憶する記憶装置４７等を備えるマイクロコンピュータによって構成されている。すなわち、本実施形態に係る制御装置４５は、いわゆる電子制御装置である。なお、記憶装置４７は、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等を備えている。この制御装置４５は、信号線を介してセンサ群３０と電気的に接続されているとともに、被制御対象部材（燃料噴射弁１６及び圧縮ガス噴射弁４１）に対しても、信号線を介して電気的に接続されている。
【００３０】
図３は、制御装置４５による圧縮ガス噴射弁４１の制御を示すフローチャートの一例である。制御装置４５は、図３のフローチャートをエンジン１０の始動開始と同時に繰り返し実行する。また、図３のフローチャートの各ステップは、制御装置４５の具体的にはＣＰＵ４６が記憶装置４７のプログラムに基づいて実行する。
【００３１】
まず、ステップＳ１０において、制御装置４５は、圧縮ガス噴射制御処理の実行を開始するための条件（「開始条件」と称する）が満たされたか否かを判定する。本実施形態では、この開始条件として、エンジン１０の行程が排気行程であるという条件を用いている。具体的には、エンジン１０は、吸気行程、圧縮行程、燃焼・膨張行程、及び排気行程を順に繰り返している。制御装置４５は、エンジン１０の行程が排気行程である場合に、開始条件が満たされたと判定する。
【００３２】
より具体的には、本実施形態に係る制御装置４５は、一例として、エンジン１０が排気行程を開始した場合（すなわち、燃焼・膨張行程が終了してピストン１３が下死点にある状態からピストン１３が上死点側に向けて移動を開始した場合）に、開始条件が満たされたと判定する。なお、制御装置４５は、クランクポジションセンサ（センサ群３０）の検出結果に基づいて、エンジン１０が排気行程を開始したか否かを把握することができる。
【００３３】
但し、開始条件は、排気行程中の任意の時期を用いることができ、上述したような排気行程の開始時に限定されるものではない。
【００３４】
ステップＳ１０でＮＯと判定された場合、制御装置４５はフローチャートを再度スタートから実行する（リターン）。ステップＳ１０でＹＥＳと判定された場合（すなわち、エンジン１０の行程が排気行程の場合）、制御装置４５は、圧縮ガス噴射制御処理を実行する（ステップＳ２０）。このステップＳ２０において、制御装置４５は、圧縮ガス噴射弁４１を開弁させて、圧縮ガス噴射弁４１に遮熱膜２０へ向けた圧縮ガスの噴射を開始させる。
【００３５】
すなわち、圧縮ガス噴射弁４１は、制御装置４５によって制御されることで、排気行程において遮熱膜２０に向けて圧縮ガスを供給（具体的には噴射）している。この供給された圧縮ガスによって、遮熱膜２０は冷却されて、遮熱膜２０の温度は低下する。
【００３６】
次いで制御装置４５は、圧縮ガス噴射制御処理の実行を終了するための条件（「終了条件」と称する）が満たされたか否かを判定する（ステップＳ３０）。本実施形態では、この終了条件として、エンジン１０の排気行程が終了したという条件を用いている。具体的には、本実施形態に係る制御装置４５は、エンジン１０の排気行程の終了時にピストン１３が上死点に到達した場合に、この終了条件が満たされたと判定する。
【００３７】
ステップＳ３０はＹＥＳと判定されるまで、繰り返し実行される。ステップＳ３０でＹＥＳと判定された場合（すなわち、本実施形態ではエンジン１０の排気行程が終了した場合）、制御装置４５は、圧縮ガス噴射制御処理の実行を終了する（ステップＳ４０）。このステップＳ４０において、制御装置４５は、圧縮ガス噴射弁４１を閉弁させて、圧縮ガス噴射弁４１による遮熱膜２０へ向けた圧縮ガスの噴射を終了させる。次いで、制御装置４５は、フローチャートをスタートから再度実行する（リターン）。
【００３８】
なお、ステップＳ２０に係る圧縮ガス噴射制御処理において、本実施形態に係る制御装置４５は、圧縮ガス噴射弁４１を連続的に開弁状態に制御することで、圧縮ガスを連続的に噴射させているが、これに限定されるものではない。例えば、制御装置４５は、圧縮ガス噴射弁４１を間欠的に開弁状態に制御することで（すなわち、開弁状態と閉弁状態とを繰り返すように制御することで）、圧縮ガスを間欠的に噴射させてもよい。
【００３９】
また、ステップＳ３０に係る終了条件の具体的な内容も、本実施形態のような、排気行程が終了したという条件に限定されるものではない。他の一例を挙げると、ステップＳ３０に係る終了条件として、排気行程中であり、且つ、圧縮ガス噴射制御処理の実行が開始されてからの経過時間が予め設定された所定時間に到達したという条件を用いることもできる。この場合、圧縮ガス噴射弁４１は、排気行程中において、所定時間の間、開弁して、圧縮ガスを所定時間の間、噴射することになる。この所定時間は、予め実験、シミュレーション等を行って、適切な値を求めておき、記憶装置４７（例えばＲＯＭ等）に記憶させておけばよい。
【００４０】
なお、ステップＳ１０及びステップＳ３０に係る判定処理を実行する制御装置４５のＣＰＵ４６は、これらの判定処理を実行する判定部としての機能を有する部材の一例である。また、ステップＳ２０及びステップＳ４０に係る制御処理を実行する制御装置４５のＣＰＵ４６は、これらの制御処理を実行する制御部としての機能を有する部材の一例である。
【００４１】
続いて、本実施形態に係るエンジンシステム１の作用効果についてまとめて説明する。まず、本実施形態に係るエンジンシステム１によれば、ピストン１３の頂面１３ａに遮熱膜２０が形成されているので、この遮熱膜２０によって、エンジン１０の冷却損失を低減させて、エンジン１０の燃費向上を図ることができる。また、圧縮ガス供給装置４０が排気行程において遮熱膜２０に向けて圧縮ガスを供給しているので、この圧縮ガスによって、遮熱膜２０の温度を低下させることができる。これにより、排気行程の次に行われる吸気行程において、燃焼室１７に流入したガス（吸気）が遮熱膜２０によって加熱されて膨張することを抑制できるので、この吸気行程において、燃焼室１７に充填されるガスの充填効率が低下することを抑制することができる。この結果、エンジン１０の燃費をさらに向上させることができる。また、遮熱膜２０に供給されるものが、水ではなく、圧縮ガスであるので、遮熱膜２０に供給された水によってエンジンオイルが希釈されるオイルダイリューションの発生も抑制することができる。
【００４２】
以上のように、本実施形態に係るエンジンシステム１によれば、オイルダイリューションの発生を抑制しつつ、エンジン１０の燃費を向上させることができる。
【００４３】
また、本実施形態に係るエンジンシステム１によれば、遮熱膜２０の具体例として、シリカ強化多孔質陽極酸化膜を用いている。これにより、以下のような効果を奏することができる。まず、前述したように、このシリカ強化多孔質陽極酸化膜は、遮熱膜２０としての機能を有するセラミックに比較して、単位体積当たりの熱容量が低い。このため、遮熱膜２０としてシリカ強化多孔質陽極酸化膜を用いた場合、遮熱膜２０の温度は、燃焼室１７内の温度の上下動に精度よく追従して、上下動することができる。すなわち、遮熱膜２０としてシリカ強化多孔質陽極酸化膜を用いた場合、燃焼室１７内の温度に対する遮熱膜２０の温度の追従性を良好にすることができる。これにより、排気行程において、燃焼室１７内の排気の温度に遮熱膜２０の温度を追従させて、遮熱膜２０の温度の低下を効果的に図ることができる。
【００４４】
但し、シリカ強化多孔質陽極酸化膜の熱容量が低いといっても、この熱容量はゼロではないので、遮熱膜２０としてシリカ強化多孔質陽極酸化膜を用いるだけでは、排気行程における遮熱膜２０の温度上昇を十分に抑制できるとはいえない。これに対して、本実施形態によれば、遮熱膜２０としてシリカ強化多孔質陽極酸化膜を用いており、さらに、排気行程中に、この遮熱膜２０に圧縮ガスが供給されているので、遮熱膜２０としてシリカ強化多孔質陽極酸化膜を用いることによる遮熱膜２０の温度低下効果と、圧縮ガスによって冷却されることによる遮熱膜２０の温度低下効果とを相乗的に得ることができる。これにより、オイルダイリューションの発生を抑制しつつ、排気行程における遮熱膜２０の温度低下を効果的に図ることができ、以って、エンジン１０の燃費向上を効果的に図ることができる。
【００４５】
なお、上述した実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定するものではない。上述した実施形態は、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１  エンジンシステム
１０  エンジン
１１  シリンダブロック
１１ａ  シリンダ
１３  ピストン
１３ａ  頂面
２０  遮熱膜
３０  センサ類
４０  圧縮ガス供給装置
４１  圧縮ガス噴射弁
４２  圧縮ガスボンベ
４５  制御装置
【図１】
2020007988.tif 000003
【図２】
2020007988.tif 000004
【図３】
2020007988.tif 000005