(57)【要約】【課題】燃料噴射量を増量しても熱効率や排気エミッションを悪化させず、成層運転モードの運転域を拡大可能なピストン構造及びその構造のピストンを備えるエンジンの燃料噴射制御装置を提供する。【解決手段】ピストン冠面１１に凹設された外側キャビティ１２と、外側キャビティ１２の内側に凹設された内側キャビティ１３と、内側キャビティ１３のさらに内側に凸設され、断面で見たときに上部表面１４ａの延長線Ａが内側キャビティ１３の壁面１３ｂの上方を通過し、外側キャビティ１２の壁面１２ｂ又は底面１２ａに交叉するキャビティ内凸部１４と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン冠面に凹設された外側キャビティと、
前記外側キャビティの内側に凹設された内側キャビティと、
前記内側キャビティのさらに内側に凸設され、断面で見たときに上部表面の延長線が内側キャビティの壁面の上方を通過し、外側キャビティの壁面又は底面に交叉するキャビティ内凸部と、
を有するピストン構造。
【請求項２】
請求項１に記載のピストン構造において、
前記キャビティ内凸部の上部表面は、前記ピストン冠面に平行である、
ことを特徴とするピストン構造。
【請求項３】
請求項１に記載のピストン構造において、
前記キャビティ内凸部の上部は、円錐状であり、母線の延長線が内側キャビティの壁面の上方を通過する、
ことを特徴とするピストン構造。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のピストン構造において、
前記外側キャビティの底面は、前記ピストン冠面に平行である、
ことを特徴とするピストン構造。
【請求項５】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のピストン構造において、
前記外側キャビティの底面は、断面で見たときに外側ほど深くなるように傾斜する、
ことを特徴とするピストン構造。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のピストン構造において、
前記キャビティ内凸部は、根元部分から上部にかけて縮径される、
ことを特徴とするピストン構造。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のピストン構造において、
前記キャビティ内凸部は、前記上部に設けられた突起部分をさらに含む、
ことを特徴とするピストン構造。
【請求項８】
請求項７に記載のピストン構造において、
前記上部に設けられた突起部分の頂点と前記上部の中心とを結んだ線が、燃料噴射弁の噴射軸線と一致する、
ことを特徴とするピストン構造。
【請求項９】
請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載のピストン構造のピストンを備える直噴エンジンの燃料噴射制御装置において、
成層運転モードでピストンが上昇し燃料噴射弁から噴射される燃料が外側キャビティに到達するタイミングで燃料を噴射し、ピストンがさらに上昇し燃料噴射弁から噴射される燃料が内側キャビティに到達するタイミングで燃料を停止し、ピストンがさらに上昇し燃料噴射弁から噴射される燃料がキャビティ内凸部の上部に到達するタイミングで燃料を再び噴射する、
ことを特徴とする燃料噴射制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ピストン構造及びその構造のピストンを備えるエンジンの燃料噴射制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピストン冠面に凹設された外側キャビティとその内側に凹設された内側キャビティとで構成される２段キャビティ構造のピストンが知られている(特許文献１参照)。
【０００３】
この特許文献１では、成層運転モードの低負荷側では燃料噴射弁から噴射される燃料が内側キャビティに到達するタイミングで燃料を噴射する。そして負荷が上がったら、燃料噴射弁から噴射される燃料が外側キャビティに到達するタイミングで燃料を噴射する。このように負荷に応じて内側キャビティと外側キャビティとを使い分けていた。
【特許文献１】特開２００６−１７０１２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
成層運転モードで運転すると燃費が向上するので、成層運転モードの運転域を拡大することが要望されている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術を使って、成層運転モードの運転域を拡大しようとすると以下のような課題があった。すなわち特許文献１では負荷が上がったときには、燃料噴射弁から噴射される燃料が外側キャビティに到達するタイミングで燃料を噴射している。さらに負荷が上がって燃料噴射量を増量すべく、燃料噴射パルス幅を延長すると、延長分の燃料は内側キャビティに到達する。すると外側キャビティに到達した燃料と、内側キャビティに到達した燃料と、で燃料濃度の濃淡が生じてしまう。成層運転モードは、燃焼室内に部分的に燃料存在層と燃料不在層とを生じさせる運転ではあるが、燃料存在層内の濃度は均一であることが望ましい。燃料存在層内の濃度が不均一であるほど、熱効率が悪化し、また排気エミッションの排出量が増加してしまう、ということが本件発明者らによって確認されている。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、負荷が上がって燃料噴射量を増量しても熱効率や排気エミッションを悪化させず、成層運転モードの運転域を拡大可能なピストン構造及びその構造のピストンを備えるエンジンの燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
本発明は、ピストン冠面(１１)に凹設された外側キャビティ(１２)と、前記外側キャビティ(１２)の内側に凹設された内側キャビティ(１３)と、前記内側キャビティ(１３)のさらに内側に凸設され、断面で見たときに上部表面(１４ａ)の延長線(Ａ)が内側キャビティ(１３)の壁面(１３ｂ)の上方を通過し、外側キャビティ(１２)の壁面(１２ｂ)又は底面(１２ａ)に交叉するキャビティ内凸部(１４)と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、内側キャビティのさらに内側にキャビティ内凸部を設けた。そして断面で見たときにキャビティ内凸部の上部表面の延長線が内側キャビティの壁面の上方を通過し、外側キャビティの壁面又は底面に交叉するようにした。このように構成したので、
キャビティ内凸部に向けて噴射された燃料は、外側キャビティの壁面に沿って旋回する。そして既に旋回している渦状の混合気に混合して均一状態になり、均質な成層混合気が形成される。したがって熱効率や排気エミッションを悪化させることなく燃料噴射量を増量することができ、成層運転モードの運転域を拡大できるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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は、本発明によるピストン構造の第１実施形態を示す図であり、図１(Ａ)は平面図、図１(Ｂ)はピストン冠面付近の縦断面図である。
【００１１】
なおエンジンの当業者においては重力方向とは別に上死点／下死点という表現が慣用されている。水平対向エンジン等においては、必ずしも上死点が重力方向の上／下死点が重力方向の下になるとは限らないし、また仮にエンジンを倒立した場合には、上死点が重力方向の下／下死点が重力方向の上になるが、本明細書においては慣習にしたがって上死点側を上、下死点側を下、とした。すなわち図１(Ｂ)の上方が上、下方が下である。
【００１２】
ピストン１０は、ピストン冠面１１に外側キャビティ１２と、内側キャビティ１３と、キャビティ内凸部１４と、を含む。
【００１３】
外側キャビティ１２は、ピストン冠面１１に凹設される。外側キャビティ１２は、底面１２ａと壁面１２ｂとで構成される。図１(Ａ)に示すように底面１２ａは、ピストン冠面１１の内側に形成される。底面１２ａは円環状である。また図１(Ｂ)に示すように底面１２ａは、ピストン冠面１１に平行な平面である。壁面１２ｂは、底面１２ａに直立し、ピストン冠面１１に連続する。壁面１２ｂは、円筒内面状である。
【００１４】
内側キャビティ１３は、外側キャビティ１２の内側に凹設される。内側キャビティ１３は、底面１３ａと壁面１３ｂとで構成される。図１(Ａ)に示すように底面１３ａは、外側キャビティ底面１２ａの内側に形成される。底面１３ａは円環状である。底面１３ａは、外側キャビティ底面１２ａと同心である。また図１(Ｂ)に示すように底面１３ａは、ピストン冠面１１に平行な平面である。したがって底面１３ａは、外側キャビティ底面１２ａとも平行である。壁面１３ｂは、底面１３ａに直立し、外側キャビティ底面１２ａに連続する。壁面１３ｂは、円筒内面状である。
【００１５】
キャビティ内凸部１４は、内側キャビティ１３のさらに内側に凸設される。キャビティ内凸部１４は、上部表面１４ａと壁面１４ｂとで構成される。図１(Ａ)に示すように上部表面１４ａは、内側キャビティ底面１３ａの中心側に形成される。上部表面１４ａは円状である。上部表面１４ａは、内側キャビティ底面１３ａと同心である。したがって上部表面１４ａは、外側キャビティ底面１２ａとも同心である。また図１(Ｂ)に示すように上部表面１４ａは、ピストン冠面１１に平行な平面である。したがって上部表面１４ａは、外側キャビティ底面１２ａや内側キャビティ底面１３ａとも平行である。壁面１４ｂは、内側キャビティ底面１３ａに直立し、上部表面１４ａに連続する。壁面１４ｂは、円筒状である。図１(Ｂ)に示すように断面で見たときに、上部表面１４ａの延長線(図１(Ｂ)に一点鎖線で示す)Ａが内側キャビティ壁面１３ｂの上方を通過し、外側キャビティ壁面１２ｂに交叉する。
【００１６】
次に、図２を参照して上述の構造のピストンを備える直噴エンジンの燃料噴射制御装置の制御ロジックについて説明する。
【００１７】
ステップＳ１においてコントローラは、エンジンの運転域が成層運転域であるか否かを判定する。具体的にはたとえばあらかじめ記憶されている図３に示すような運転マップに基づいて運転域を判定すればよい。成層運転域であればステップＳ２へ処理を移行し、そうでなければステップＳ７へ処理を移行する。
【００１８】
ステップＳ２においてコントローラは、エンジンの運転域が低負荷側運転域であるか否かを判定する。なおこのときも運転マップに基づいて運転域を判定すればよい。低負荷側運転域であればステップＳ３へ処理を移行し、そうでなければステップＳ４へ処理を移行する。
【００１９】
ステップＳ３においてコントローラは、成層低負荷側運転を実行する。具体的には燃料噴射弁から噴射される燃料が内側キャビティ１３に到達するタイミングで燃料を噴射する。
【００２０】
ステップＳ４においてコントローラは、エンジンの運転域が高負荷側運転域であるか否かを判定する。なおこのときも運転マップに基づいて運転域を判定すればよい。高負荷側運転域であればステップＳ５へ処理を移行し、そうでなければステップＳ６へ処理を移行する。
【００２１】
ステップＳ５においてコントローラは、成層高負荷側運転を実行する。具体的には燃料噴射弁から噴射される燃料が外側キャビティ１２に到達するタイミングで燃料を噴射する。
【００２２】
ステップＳ６においてコントローラは、成層高負荷側拡大運転を実行する。具体的にはピストン１０が上昇し燃料噴射弁から噴射される燃料が外側キャビティ１２に到達するタイミングで燃料を噴射し、ピストン１０がさらに上昇し燃料噴射弁から噴射される燃料が内側キャビティ１３に到達するタイミングで燃料を停止し、ピストン１０がさらに上昇し燃料噴射弁から噴射される燃料がキャビティ内凸部１４の上部に到達するタイミングで燃料を再び噴射する。
【００２３】
ステップＳ７においてコントローラは、均質運転を実行する。具体的には吸気行程で燃料を噴射する。
【００２４】
次に図４を参照して本実施形態の作用について説明する。なお以下ではフローチャートとの対応が分かりやすくするために、フローチャートのステップ番号にＳを付して記載する。
【００２５】
エンジンの運転域が成層高負荷側拡大運転域ときは、コントローラは、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ４→Ｓ６と処理を進めて、成層高負荷側拡大運転を実行する。
【００２６】
すなわち図４(Ａ)のようにピストン１０が上昇し燃料噴射弁２０から噴射される燃料が外側キャビティ１２に到達するタイミングで燃料を噴射する。すると噴射された燃料は、図４(Ａ)に矢印で示すように外側キャビティ壁面１２ｂに沿って旋回して渦を形成しながら均一状態の混合気になる。
【００２７】
そして図４(Ｂ)のようにピストン１０がさらに上昇し燃料噴射弁２０から噴射される燃料が内側キャビティ１３に到達するタイミングでは燃料噴射を停止する。この状態でも図４(Ａ)のタイミングで噴射された燃料が、図４(Ｂ)に矢印で示すように外側キャビティ壁面１２ｂに沿って旋回し続け、均一状態の混合気になっている。
【００２８】
そして図４(Ｃ)のようにピストン１０がさらに上昇し燃料噴射弁２０から噴射される燃料がキャビティ内凸部１４の上部に到達するタイミングで燃料を再び噴射する。すると噴射された燃料は、図４(Ｃ)に矢印で示すようにキャビティ内凸部１４から外側キャビティ１２に流れて壁面１２ｂに沿って旋回する。そして壁面１２ｂに沿って既に旋回している渦状の混合気に混合して均一状態になる。
【００２９】
本実施形態によれば、内側キャビティ１３の内側にキャビティ内凸部１４を凸設した。そしてピストン１０が上昇し燃料噴射弁２０から噴射される燃料が外側キャビティ１２に到達するタイミングで燃料を噴射し(図４(Ａ))、ピストン１０がさらに上昇し燃料噴射弁２０から噴射される燃料が内側キャビティ１３に到達するタイミングで燃料を停止し(図４(Ｂ))、ピストン１０がさらに上昇し燃料噴射弁から噴射される燃料がキャビティ内凸部１４の上部に到達するタイミングで燃料を再び噴射するようにした(図４(Ｃ))。
【００３０】
このとき、断面で見て上部表面１４ａの延長線が内側キャビティ壁面１３ｂの上方を通過し、外側キャビティ壁面１２ｂに交叉するように形成されているので、キャビティ内凸部１４に向けて噴射された燃料は、外側キャビティ１２に流れて壁面１２ｂに沿って旋回する。そして壁面１２ｂに沿って既に旋回している渦状の混合気に混合して均一状態になり、均質な成層混合気が形成される。したがって熱効率や排気エミッションを悪化させることなく燃料噴射量を増量することができ、成層運転モードの運転域を拡大できるのである。
【００３１】
（第２実施形態）
図５は、本発明によるピストン構造の第２実施形態を示す図であり、第１実施形態の図１(Ｂ)に相当する断面図である。
【００３２】
なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００３３】
本実施形態のキャビティ内凸部１４は、上部が円錐状であり、母線１４ａの延長線が内側キャビティ壁面１３ｂの上方を通過し、外側キャビティ底面１２ａに交叉する。
【００３４】
このような構造であっても、キャビティ内凸部１４に向けて噴射された燃料は、外側キャビティ１２の底面１２ａから壁面１２ｂに流れて旋回する。そして壁面１２ｂに沿って既に旋回している混合気に混合して均一状態になり、均質な成層混合気が形成される。
【００３５】
またキャビティ内凸部１４の上部が円錐状であるので、キャビティ内凸部１４に向けて噴射された燃料が剥離しやすく液膜になりにくい。したがってこの点においても熱効率や排気エミッションの悪化防止という効果がさらに向上する。
【００３６】
（第３実施形態）
図６は、本発明によるピストン構造の第３実施形態を示す図であり、第１実施形態の図１(Ｂ)に相当する断面図である。
【００３７】
本実施形態の外側キャビティ１２の底面１２ａは、断面で見たときに外側ほど深くなるように傾斜する。そしてキャビティ内凸部１４は、上部が円錐状であり、母線１４ａの延長線が内側キャビティ壁面１３ｂの上方を通過し、外側キャビティ壁面１２ｂに交叉する。
【００３８】
ピストン冠面には、強度等の性能を確保するために最低限確保すべき下限肉厚が規定されている。そのため内側キャビティ底面１３ａの位置をあまり下げることができない。しかしながら本実施形態では、外側キャビティ１２の底面１２ａは、断面で見たときに外側ほど深くなるように傾斜するので、内側キャビティ底面１３ａの位置を下げることなく壁面１２ｂの高さを高くすることができる。
【００３９】
キャビティ内凸部１４に向けて噴射された燃料は、外側キャビティ１２に流れて壁面１２ｂに沿って旋回するが、壁面１２ｂが高いので、燃料噴射量が多くても外側キャビティ内に燃料(混合気)をとどめておくことができる。たとえば燃料の噴射圧力が高く、燃料噴射量が多い場合に特に有効である。
【００４０】
（第４実施形態）
図７は、本発明によるピストン構造の第４実施形態を示す図であり、第１実施形態の図１(Ｂ)に相当する断面図である。
【００４１】
本実施形態のキャビティ内凸部１４は、根元部分から上部にかけて縮径される。すなわちキャビティ内凸部壁面１４ｂは、内側キャビティ底面１３ａに傾斜して設けられる。なおこの傾斜は燃料噴射弁の噴射角度と同じであることが最も望ましい。
【００４２】
上述のように、エンジンの運転域が成層低負荷側運転域ときは、コントローラは、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３と処理を進めて、成層低負荷側運転を実行する。このとき燃料噴射弁から噴射される燃料が内側キャビティ１３に到達するタイミングで燃料を噴射する。本実施形態では、キャビティ内凸部壁面１４ｂが内側キャビティ底面１３ａに傾斜して設けられているので、燃料噴射弁から噴射された燃料は、キャビティ内凸部壁面１４ｂに沿って内側キャビティ底面１３ａに到達し、内側キャビティ壁面１３ｂに沿って旋回して渦を形成することとなる。したがって内側キャビティ１３に燃料が到達しないデッドペースとなる部分を排除でき、内側キャビティ内が均一な状態で満たされることとなる。したがって成層低負荷側運転においても良好な熱効率性能や排気エミッション性能を得ることができる。
【００４３】
（第５実施形態）
図８は、本発明によるピストン構造の第５実施形態を示す図であり、第１実施形態の図１(Ｂ)に相当する断面図である。
【００４４】
本実施形態のキャビティ内凸部１４は、上部１４ａに設けられた突起部分１４ｃをさらに含む。突起部分１４ｃの底面は、上部の表面１４ａよりも一回り小さく、上部表面１４ａが露出する。上部表面１４ａは、ピストン冠面に平行であり、上部表面１４ａの延長線(図８に一点鎖線で示す)Ａが内側キャビティ壁面１３ｂの上方を通過し、外側キャビティ壁面１２ｂに交叉する。上部表面１４ａの中心１４ｄと突起部分１４ｃの頂点１４ｅとを結んだ線が、燃料噴射弁２０の噴射軸線と一致する。
【００４５】
本実施形態によれば、上部表面１４ａの中心１４ｄと突起部分１４ｃの頂点１４ｅとを結んだ線が、燃料噴射弁２０の噴射軸線と一致するように構成されているので、キャビティ内凸部１４に向けて噴射された燃料は、突起部分１４ｃでほぼ均等に周囲に分散する。そして上部表面１４ａの延長線Ａが内側キャビティ壁面１３ｂの上方を通過し、外側キャビティ壁面１２ｂに交叉するように構成されているので、燃料は、外側キャビティ１２に流れて壁面１２ｂに沿って旋回し、壁面１２ｂに沿って既に旋回している渦状の混合気に混合して均一状態になり、均質な成層混合気が形成される。このように燃料噴射弁２０の噴射軸線が傾斜してる場合であっても均質な成層混合気が確実に形成できる。
【００４６】
（第６実施形態）
図９は、本発明によるピストン構造の第６実施形態を示す図であり、第１実施形態の図１(Ｂ)に相当する断面図である。
【００４７】
本実施形態のキャビティ内凸部１４は、上部が円錐台状であり、その上に突起部分１４ｃが設けられる。上部の母線１４ａの延長線が内側キャビティ壁面１３ｂの上方を通過し、外側キャビティ底面１２ａに交叉する。上部の中心１４ｄと突起部分１４ｃの頂点１４ｅとを結んだ線が、燃料噴射弁２０の噴射軸線と一致する。
【００４８】
本実施形態によれば、上部の中心１４ｄと突起部分１４ｃの頂点１４ｅとを結んだ線が、燃料噴射弁２０の噴射軸線と一致するように構成されているので、キャビティ内凸部１４に向けて噴射された燃料は、突起部分１４ｃでほぼ均等に周囲に分散する。そして上部の母線１４ａの延長線が内側キャビティ壁面１３ｂの上方を通過し、外側キャビティ底面１２ａに交叉するように構成されているので、燃料は、外側キャビティ１２の底面１２ａから壁面１２ｂに流れて旋回する。そして壁面１２ｂに沿って既に旋回している混合気に混合して均一状態になり、均質な成層混合気が形成される。
【００４９】
またキャビティ内凸部１４の上部が円錐台状であるので、燃料が剥離しやすく液膜になりにくい。したがってこの点においても熱効率や排気エミッションの悪化防止という効果がさらに向上する。
【００５０】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
【００５１】
たとえば、第１実施形態のようにキャビティ内凸部の上部表面１４ａが平坦な場合に、キャビティ内凸部壁面１４ｂを傾斜させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明によるピストン構造の第１実施形態を示す図である。
【図２】本発明による構造のピストンを備える直噴エンジンの燃料噴射制御装置の制御ロジックについて説明するフローチャートである。
【図３】エンジンの運転マップの一例を示す図である。
【図４】第１実施形態の作用について説明する。
【図５】本発明によるピストン構造の第２実施形態を示す図である。
【図６】本発明によるピストン構造の第３実施形態を示す図である。
【図７】本発明によるピストン構造の第４実施形態を示す図である。
【図８】本発明によるピストン構造の第５実施形態を示す図である。
【図９】本発明によるピストン構造の第６実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０  ピストン
１１  ピストン冠面
１２  外側キャビティ
１２ａ  底面
１２ｂ  壁面
１３  内側キャビティ
１３ａ  底面
１３ｂ  壁面
１４  キャビティ内凸部１４
１４ａ  上部
１４ｂ  壁面
１４ｃ  突起部分
１４ｄ  上部表面の中心
１４ｅ  突起部分の頂点
２０  燃料噴射弁
【図１】
2010065613.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図４】
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