(57)【要約】【課題】ピストン１のキャビティ９の壁面に沿って断熱空気層を形成する。【解決手段】ピストン本体の内部にチャンバー１１を設け、このチャンバー１１とキャビティ９とを連通路１２で結び、圧縮行程において燃焼室内の吸入空気をキャビティ９からチャンバー１１に流入させ、膨張行程においてチャンバー１１の空気をキャビティ９内に流出させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直噴式エンジンのシリンダボア内を往復動するピストンであって、
ピストン頂面に開口し、上記エンジンの燃料噴射弁の複数の噴射口から噴射される燃料を受け入れる凹陥状のキャビティと、
ピストン本体の内部に形成された空気貯留室と、
上記キャビティと上記空気貯留室とを連通し、圧縮行程において上記キャビティから空気を上記空気貯留室に流入させ、膨張行程において上記空気貯留室内の空気を上記キャビティ内に流出させる連通路とを備え、
上記連通路が、上記燃料噴射弁の上記噴射口による燃料噴射方向から外れた位置で上記キャビティの壁面に開口していることを特徴とするエンジンのピストン。
【請求項２】
請求項１において、
上記空気貯留室として、上記キャビティのまわりにピストン周方向に間隔をおいて配設された複数の互いに独立したチャンバーを備え、各チャンバーと上記キャビティとを連通する各連通路がピストン周方向に間隔をおいて上記キャビティの壁面に開口していることを特徴とするエンジンのピストン。
【請求項３】
請求項１において、
上記空気貯留室として、上記キャビティの周囲を巡るドーナツ状のチャンバーを備え、該ドーナツ状チャンバーと上記キャビティとがピストン周方向に間隔をおいて配設された複数の連通路によって連通していることを特徴とするエンジンのピストン。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
上記連通路は、上記キャビティへの空気の流出方向がピストン周方向に傾斜していることを特徴とするエンジンのピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直噴エンジンのピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの冷損（冷却損失）低減のために、エンジンの燃焼室壁面と燃焼ガスとの間に断熱空気層を形成することが知られている。例えば、特許文献１には、ピストンの内部に、サブピストンを嵌挿するボアと、このボアに外部の空気を導入する通路と、ボアから空気を燃焼室に噴出する通路とを形成することが記載されている。ピストンの往復動に連動して往復動するサブピストンによりボア内の空気が圧縮され、ピストンとシリンダボアとの隙間から燃焼室に噴出する。
【０００３】
特許文献２には、燃焼室に断熱空気層を形成する技術ではないが、ピストンの内部に副燃焼室を形成し、この副燃焼室とピストンキャビティとを連通孔で連通することが記載されている。燃料噴射弁から点火プラグに向かって流れる燃料が副燃焼室に入るようにされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１２７５１０号公報
【特許文献２】特開２００５−４８７３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、ピストンとシリンダボアとの隙間から空気を燃焼室に噴出させることから、シリンダボアの壁面に沿って断熱空気層が形成されることになる。これでは、ピストンのキャビティ面に断熱空気層を形成することはできない。また、ピストンとシリンダボアとの隙間から空気を燃焼室に噴出させるということは、エンジンの潤滑油がピストンとシリンダボアとの隙間から燃焼室に洩れやすいということであり、ＬＯＣの増大を招く懸念がある。
【０００６】
なお、特許文献２は上述の如くピストン内部に副燃焼室を形成する技術に関するものであり、燃焼室内に断熱空気層を形成することはできない。
【０００７】
すなわち、本発明の課題は、ピストンキャビティの壁面に沿って断熱空気層を形成することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するために、ピストン内部に空気貯留室を形成し、この空気貯留室とピストンキャビティとを連通路で結び、エンジンの圧縮行程及び膨張行程において、燃焼室の圧力の上昇・降下に遅れて空気貯留室の圧力が上昇・降下することを利用して、エンジンの吸入空気によってキャビティの壁面に断熱空気層を形成するようにした。
【０００９】
すなわち、ここに提示する直噴式エンジンのシリンダボア内を往復動するピストンは、
ピストン頂面に開口し、上記エンジンの燃料噴射弁の複数の噴射口から噴射される燃料を受け入れる凹陥状のキャビティと、
ピストン本体の内部に形成された空気貯留室と、
上記キャビティと上記空気貯留室とを連通し、圧縮行程において上記キャビティから空気を上記空気貯留室に流入させ、膨張行程において上記空気貯留室内の空気を上記キャビティ内に流出させる連通路とを備え、
上記連通路が、上記燃料噴射弁の上記噴射口による燃料噴射方向から外れた位置で上記キャビティの壁面に開口していることを特徴とする。
【００１０】
このようなピストンにおいては、圧縮行程中は、燃焼室内の圧力上昇に伴い、ピストン内部の空気貯留室の圧力も上昇する。また、膨張行程中は、燃焼室内の圧力下降に伴い、ピストン内部の空気貯留室の圧力も下降する。しかし、空気貯留室の圧力上昇及び下降のタイミングが燃焼室に対して遅れるから、圧縮行程中は、圧力が相対的に高い燃焼室から吸入空気が連通路を通ってピストン内部の空気貯留室に流入する。そうして、膨張行程中は、圧力が相対的に高い空気貯留室の方から空気が連通路を通ってキャビティに流出する。この空気貯留室からキャビティに流出する空気によって、キャビティの壁面に沿った断熱空気層が形成されることになる。
【００１１】
ここに、ピストンの温度は例えば２００℃前後と低く、そして、空気貯留室の内壁面は燃焼ガスに直接さらされない。従って、空気貯留室内の空気は膨張行程時の燃焼室内温度よりも低くなる。このため、空気貯留室から流出する空気によってキャビティの壁面に低温の空気層が形成されることになる。よって、燃焼ガスからピストンに奪われる熱量が少なくなり、冷損の低減が図れる。
【００１２】
また、上記連通路は、燃料噴射方向から外れた位置でキャビティの壁面に開口しているから、燃料噴霧が連通路の開口に付着して閉塞されることが避けられる。
【００１３】
本発明の好ましい態様では、上記空気貯留室として、上記キャビティのまわりにピストン周方向に間隔をおいて配設された複数の互いに独立したチャンバーを備え、各チャンバーと上記キャビティとを連通する各連通路がピストン周方向に間隔をおいて上記キャビティの壁面に開口している。
【００１４】
これにより、ピストン周方向に間隔をおいた複数個所から空気がキャビティに流入するから、キャビティの壁面に沿った空気断熱層を形成する上で有利になる。
【００１５】
本発明の好ましい態様では、上記空気貯留室として、上記キャビティの周囲を巡るドーナツ状のチャンバーを備え、該ドーナツ状チャンバーと上記キャビティとがピストン周方向に間隔をおいて配設された複数の連通路によって連通している。
【００１６】
複数のチャンバーをキャビティまわりに間隔をおいて設けるケースに比べて、ドーナツ状のチャンバーにすると、Ｓ／Ｖ比（空気貯留室の容積Ｖとその壁の面積Ｓとの比）の増大に有利になる。よって、チャンバーでの空気の冷却を促進することができ、断熱効果が高い空気層の形成に有利になる。
【００１７】
本発明の好ましい態様では、上記連通路の空気の上記キャビティへの流出方向がピストン周方向に傾斜していることを特徴とする。これにより、空気貯留室から空気がキャビティの壁面に沿って流出することになり、キャビティの壁面に沿った断熱空気層の形成に有利になる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ピストン本体の内部に空気貯留室を設け、この空気貯留室とピストンキャビティとを連通路で結び、圧縮行程において燃焼室内の吸入空気をキャビティから空気貯留室に流入させ、膨張行程において空気貯留室内の空気をキャビティ内に流出させるようにするとともに、上記連通路を燃料噴射弁の燃料噴射方向から外れた位置でキャビティの壁面に開口させたから、燃料による連通路の閉塞を招くことなく、また、ポンプを別途必要とせずに、膨張行程中に空気貯留室からキャビティに流出する空気によってキャビティの壁面に沿った断熱空気層を形成することが可能になり、エンジンの冷損を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施形態１に係るエンジンの構造を示す断面図である。
【図２】実施形態１に係るピストンの平面図である。
【図３】エンジンの圧縮・膨張行程にける燃焼室内圧力及びチャンバー内圧力の変化を示すグラフ図である。
【図４】エンジンの膨張行程におけるキャビティ壁面に形成される空気層厚さの変化を示すグラフ図である。
【図５】エンジンの圧縮・膨張行程にける燃焼室内温度の変化を示すグラフ図である。
【図６】空気層厚さと壁面熱流量低減率との関係を示すグラフ図である。
【図７】実施形態２に係るピストンの平面図である。
【図８】実施形態３に係るピストンの平面図である。
【図９】実施形態３に係るピストンの一部を示す断面図である。
【図１０】実施形態４に係るピストンの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００２１】
＜実施形態１＞
図１に示す直噴エンジンにおいて、１はピストン、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はシリンダヘッド３の吸気ポート５を開閉する吸気バルブ、６は排気ポート７を開閉する排気バルブ、８は燃料噴射弁である。ピストン１がシリンダブロック２のシリンダボア１０内を往復動する。
【００２２】
エンジンの燃焼室は、ピストン１の頂面、シリンダブロック２、シリンダヘッド３、吸排気バルブ４，６の傘部前面（燃焼室に臨む面）で形成される。ピストン１の頂面には凹陥状のキャビティ９が形成されている。燃料噴射弁８は複数の噴射口を有し、この噴射口から噴射される燃料がキャビティ９に受け入れられる。なお、点火プラグの図示は省略している。
【００２３】
上記エンジンは、好ましくは、例えば、幾何学的圧縮比ε＝２０〜５０とされ、少なくとも部分負荷域での空気過剰率λ＝２．５〜６．０で運転されるリーンバーンエンジンである。このようなエンジンでは、圧縮比ε及び空気過剰率λに見合う所期の熱効率を得るために、冷損を大幅に低減させること、すなわち、エンジンの断熱性を高くすることが求められる。
【００２４】
図示は省略するが、上記エンジンの吸気系には吸気を冷却するインタークーラーが設けられている。これにより、圧縮開始時の筒内ガス温度が低くなり、燃焼時のガス圧及び温度の上昇が抑えられ、冷損低減（図示熱効率の改善）に有利になる。
【００２５】
本発明では、エンジンの断熱性向上のために、ピストン１のキャビティ９の壁面に断熱空気層を形成するようにしている。そのために、図１に示すように、ピストン１は、空気貯留室としてピストン本体の内部に形成された複数の互いに独立したチャンバー１１と、キャビティ９と各チャンバー１１とを連通する連通路１２とを備えている。
【００２６】
これらチャンバー１１と連通路１２とは、塩中子や砂中子を用いた周知の鋳造方法によって形成することができる。
【００２７】
図２に示すように、複数のチャンバー１１は、キャビティ９のまわりにピストン周方向に間隔をおいて配設されている。本例の燃料噴射弁８は４つの噴射口を備えている。各チャンバー１１毎に設けられた連通路１２の各々は、燃料噴射弁８の各噴射口による燃料噴射方向（図２に燃料噴霧１３を鎖線で示している）から外れた位置でキャビティ９の周壁面９ａに開口している。
【００２８】
連通路１２は、燃焼室とチャンバー１１の間にエンジンの圧縮行程中の圧力上昇及び膨張行程中の圧力降下のタイミングのずれを生ずることを利用して、圧縮行程中に燃焼室内の吸入空気をキャビティ９からチャンバー１１に流入させ、膨張行程中にチャンバー１１の空気をキャビティ９内に流出させる。
【００２９】
図３は、燃焼室内圧力が上昇及び下降するときのチャンバー内圧力の変化を、温度一定の条件下、ベルヌーイの定理と状態方程式とに基いて机上計算で求めた結果を示す。ここに、連通路１２の通路断面積が小さすぎると膨張行程でのチャンバー１１からキャビティ９への空気の流出するタイミングが遅れ、通路断面積が大きすぎると空気の流出量が少なくなる。その観点から、連通路１２の直径は１〜２ｍｍ（通路断面積でいえば、０．７５〜３．２ｍｍ２程度）が好ましい。また、チャンバー１１の容積が小さすぎると空気流出量が少なくなり、大きすぎると空気の流出タイミングが遅れる。その観点から、チャンバー１１の一個当たりの容積は０．５〜２ｃｍ３程度が好ましい。
【００３０】
図４は、代表例として、連通路１２の直径が１．５ｍｍ、チャンバー１１の容積が１ｃｃ（チャンバー個数４）であるときの、キャビティ９の壁面に形成される空気層厚さの予測結果を示す。ＡＢＤＣ２００゜ＣＡ付近から空気層の形成が始まり、厚さ１ｍｍ以上の空気層が形成されることがわかる。
【００３１】
図５は燃焼室内温度の解析例を示す。燃焼室内温度は、圧縮上死点で８００℃程度になり、その後の混合気の着火燃焼により急激に上昇した後、膨張行程が進むに従って低下していく。チャンバー１１には圧縮上死点までに燃焼室内の空気が入る。仮に圧縮上死点前の８００℃の空気がチャンバー１１に入ったとしても、その空気はピストン本体によって冷却され、圧縮上死点後のチャンバー１１内の空気温度は、例えば、エンジン回転数１０００ｒｐｍでは７７０℃程度になり、３０００ｒｐｍでは７９０℃程度になる。この比較的低い温度の空気が膨張行程でキャビティ９に流出してキャビティ９の壁面に空気層を形成するから、冷損が効果的に抑えられることになる。
【００３２】
図６はキャビティ９の壁面の空気層厚さと壁面熱流量（冷損）低減率との関係を３次元ＣＦＤシミュレーションにより予測した結果を示す。ＡＢＤＣ２００゜ＣＡ以降において平均的に厚さ１ｍｍ程度の空気層が形成されたとすると、冷損低減効果は約５０％となる。ＡＢＤＣ２００゜ＣＡ以降の冷損は１エンジンサイクル中の冷損のうちの２割程度であるので、１エンジンサイクルでは冷損が１割程度改善することになる。
【００３３】
＜実施形態２＞
図７は実施形態２に係るピストン１を示す。この例は、空気貯留室としてのチャンバー１１の構成は実施形態１と同じであるが、連通路１２による空気のキャビティ９への流出方向が、ピストン径方向ではなく、ピストン周方向に傾斜していることを特徴とする。これにより、チャンバー１１から空気がキャビティ９の壁面に沿って流出することになり、キャビティ１１の壁面に沿った断熱空気層の形成に有利になる。この例の燃料噴射弁８は８つの噴射口を有するタイプであり、連通路１２は燃料噴射方向から外れた位置でキャビティ９の周壁面９ａに開口している。
【００３４】
＜実施形態３＞
図８及び図９は実施形態３に係るピストン１を示す。この例は、空気貯留室として、キャビティ９の周囲を巡るドーナツ状のチャンバー１１を備えている。このドーナツ状チャンバーとリエントラント型キャビティ９とがピストン周方向に間隔をおいて配設された複数の連通路１２によって連通している。空気貯留室をドーナツ状のチャンバー１１にしたことにより、Ｓ／Ｖ比が大きくなり、チャンバー１１でのピストン本体による空気の冷却に有利になる。すなわち、断熱効果が高い空気層の形成に有利になる。
【００３５】
＜実施形態４＞
図１０は実施形態４に係るピストン１を示す。この例は、連通路１２による空気の流出方向を実施形態２と同じくピストン周方向に傾斜させている。他の構成は実施形態３と同じである。従って、この例では、ドーナツ状チャンバー１１によって冷却された空気がキャビティ９の壁面に沿って流出することになり、断熱効果が高い空気層をキャビティ９の壁面に沿って形成する上で有利になる。
【符号の説明】
【００３６】
１    ピストン
８    燃料噴射弁
９    キャビティ
１０    シリンダボア
１１    チャンバー
１２    連通路
１３    燃料噴霧
【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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【図８】
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【図９】
2014020285.tif 000011
【図１０】
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