(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に供給される空気と前記燃焼室内に供給される燃料との混合気を火花点火により燃焼させるエンジンのピストン構造であって、
前記エンジンのピストンのトップランドに、ピストン頂部側からトップリング溝側に向かって外周面がテーパ状に縮径された逆反り部を設け、
前記逆反り部により、前記ピストンの外周面とシリンダ内壁面との間に生成される燃料及び潤滑油の混合液滴の前記燃焼室内への飛散を制限するとともに、
前記逆反り部の外表面を、前記混合液滴の成長を抑制可能な撥油性を有する表面特性としたことを特徴とするエンジンのピストン構造。
【請求項２】
前記逆反り部は、前記混合液滴の前記燃焼室の中心側への飛散を制限することを特徴とする請求項１記載のエンジンのピストン構造。
【請求項３】
前記逆反り部の外表面を、遮熱性を有する表面特性としたことを特徴とする請求項１又は２記載のエンジンのピストン構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室内の異常燃焼の発生を抑制するエンジンのピストン構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の車両に搭載されるエンジンにおいては、排ガス有害成分の低減と共に、熱効率向上、実用燃費の改善が望まれている。特に、乗用車用ガソリンエンジンは、実用域での熱効率が低いことから、排ガス性能を良好に維持するため、ストイキ（理論空燃比）での燃焼を前提に、高圧縮比化、高ＥＧＲ付加、ミラーサイクル、過給ダウンサイジング等の技術が実用化されている。
【０００３】
過給によるエンジンのダウンサイジングは有力な技術の一つであるが、従来、過給ダウンサイジングガソリンエンジンでは、図８に示すように、低速高負荷（高過給）運転時に、正規の点火タイミングの前の過早着火による異常燃焼である低速プレイグニッション（Low Speed Pre Ignition;LSPI）が突発的に発生する場合がある。このＬＳＰＩが発生すると、図８中に破線で示す通常の燃焼による筒内圧力に対して、同図中に実線で示すように、高い圧力振動を伴うスーパーノックを誘発し、エンジンに大きな損傷を与える虞がある。
【０００４】
このため、例えば、特許文献１には、ノッキング強度或いは筒内圧から異常燃焼を検出し、プレイグニッションが発生したと判定された場合、燃料噴射量を増量すると共に点火時期の進角を行うことで、プレイグニッションを抑制する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１４２２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＬＳＰＩの発生には、様々な原因とパターン、発生場所が存在し、一つのメカニズムのみで説明できる現象ではないが、その原因物質として、燃料で希釈された潤滑油の液滴、デポジットが剥がれ微粒化したもの、潤滑油に添加されている炭酸カルシウムCaCO3が変化した酸化カルシウムCaOの粒子等が挙げられている。これらの中でも、特に、１サイクル目のプレイグニッションが発生する主な原因・起点として、燃料で希釈された潤滑油の液滴が主要原因となることが実験結果等から明らかにされている。
【０００７】
この点、特許文献１に開示されるような従来の技術は、ＬＳＰＩの発生そのものを抑制するのではなく、例えばプレイグニッションを検出後、数サイクルをリッチ化や点火進角することで連続発生を抑える等のエンジン制御による後対策であり、根本的な対策にはなっていない。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料と潤滑油の混合液滴に起因する低速高負荷時の異常燃焼を抑制することのできるエンジンのピストン構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によるエンジンのピストン構造は、燃焼室内に供給される空気と前記燃焼室内に供給される燃料との混合気を火花点火により燃焼させるエンジンのピストン構造であって、前記エンジンのピストンのトップランドに、ピストン頂部側からトップリング溝側に向かって外周面がテーパ状に縮径された逆反り部を設け、前記逆反り部により、前記ピストンの外周面とシリンダ内壁面との間に生成される燃料及び潤滑油の混合液滴の前記燃焼室内への飛散を制限するとともに、前記逆反り部の外表面を、前記混合液滴の成長を抑制可能な撥油性を有する表面特性としたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料と潤滑油の混合液滴に起因する低速高負荷時の異常燃焼を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の第１形態に係り、エンジン系の全体構成図
【図２】同上、燃焼室周辺の部分断面図
【図３】同上、ピストンの逆反り部を示す拡大図
【図４】同上、液膜挙動のシミュレーション結果を示す説明図
【図５】本発明の実施の第２形態に係り、逆反り部の表面を示す説明図
【図６】同上、液膜挙動のシミュレーション結果を示す説明図
【図７】同上、ピストン下部の液膜挙動のシミュレーション結果を示す説明図
【図８】プレイグニッションによる筒内の圧力振動を示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。  
図１〜図４は、本発明の実施の第１形態に係り、図１において、符号１はエンジンである。このエンジン１は、出力を確保しつつ排気量の増大を抑えて小型化を図るダウンサイジングエンジンとして形成されている。図１においては、エンジン１は、各気筒の燃焼室２内にインジェクタ２０から直接噴射された燃料と、ターボ過給機３０によって過給された空気との混合気を、点火プラグ７０による火花点火で燃焼させる４気筒ガソリンエンジンを示している。
【００１３】
各気筒のインジェクタ２０は、図示しない燃料ポンプや圧力レギュレータによって所定の燃料圧力に保持された高圧燃料レール２１に連設されており、燃焼室２内への燃料噴射量（噴射時間）及び噴射タイミングが最適に制御される。また、各気筒の点火プラグ７０は、例えば点火コイルを一体的に備え、図示しないイグナイタを介して各点火コイルが電子的にオンオフ制御され、点火時期が最適に制御される。
【００１４】
また、エンジン１の吸気系として、各気筒の吸気ポート３に連通するブランチ部を有する吸気マニホルド４が備えられ、この吸気マニホルド４の上流側に、吸気通路５が連通されている。吸気通路５には、スロットル弁６が介装され、図示しないアクチュエータを介してスロットル開度が電子的に制御される。
【００１５】
更に、スロットル弁６の上流側には、インタークーラ７が介装され、このインタークーラ７の上流側に、ターボ過給機３０のコンプレッサ３０ａが介装されている。コンプレッサ３０ａの上流側には、エアクリーナ８が介装され、このエアクリーナ８の下流側に、吸入空気量を検出する吸入空気量センサ９が介装されている。
【００１６】
一方、エンジン１の排気系として、各気筒の排気ポート１０に連通するブランチ部を有する排気マニホルド１１が備えられ、この排気マニホルド１１の下流側に、排気通路１２が連通されている。排気通路１２には、ターボ過給機３０のタービン３０ｂが介装され、このタービン３０ｂを通過した排気が触媒コンバータ１３，１４で浄化されてマフラー１５から大気に放出される。
【００１７】
尚、ターボ過給機３０は、図１においては、排気ガスの一部を分流させてタービン３０ｂへの排気流入量を調節し、過給圧を制御するウェストゲート式ターボ過給機を示しているが、タービン側のノズルベーンを可変してタービン３０ｂへの排気流入量を調節し、過給圧を制御する可変ノズル式ターボ過給機でも良い。また、図示を省略するが、エンジン１には、排気系から吸気系に排気ガスを還流するＥＧＲ通路が備えられている。
【００１８】
次に、エンジン１の燃焼室２周辺について説明する。図２に示すように、燃焼室２は、シリンダヘッド１ａのシリンダブロック１ｂとの合わせ面に形成される凹部壁面と、シリンダブロック１ｂのシリンダボア１ｃの内周側壁面（シリンダライナーの内周側壁面）と、このシリンダボア１ｃに往復動可能に収容されるピストン４０の頂部とよって区画・囲繞される空間として形成されている。
【００１９】
燃焼室２の上部をなすシリンダヘッド１ａの凹部壁面には、吸気ポート３と排気ポート１０が開口され、それぞれ、吸気バルブ５０，排気バルブ５１により開閉される。尚、エンジン１は、吸気側及び排気側にそれぞれ２つのポート及びバルブを有するが、図２においては、一方のみを示している。
【００２０】
また、燃焼室２の下部をなして燃焼室容積を可変するピストン４０には、ピストン頂部４１から下方に位置した部分の側面全周に、後述する３本のリング溝が下方方向に形成されており、上側から、トップリング（コンプレッションリング）５５、セカンドリング５６及びサードリング（オイルリング）５７が嵌着されている。これらのリング５５，５６，５７により、シリンダボア１ｃ内周面とピストン４０との気密が保持され、特に、トップリング５５により、燃焼室２内の混合気の圧縮及び混合気の燃焼圧力の気密が保持される。
【００２１】
このような燃焼室２内では、ターボ過給機３０で過給されて圧送された空気と、インジェクタ２０から噴射された燃料とによる混合気が点火プラグ７０の放電火花によって着火され、爆発・燃焼する。そして、このときに生じた高温高圧の燃焼ガスにより、ピストン４０が往復動されて図示しないクランク軸が回転され、エンジン１の駆動力（出力トルク）が得られる。
【００２２】
このとき、エンジン１は、低回転・高負荷運転時においても、出力トルクを確保するため過給を行っており、低速高過給運転時に点火前の着火による異常燃焼である低速プレイグニッション（Low Speed Pre Ignition ;LSPI）が発生する場合がある。このＬＳＰＩは、点火プラグや燃焼室壁面の熱面着火による過早着火現象である従来型のプレイグニッションが中高速で連続的に発生する場合が多いのに対して、突発的に発生し、場合によって何サイクルか間歇的又は連続的に発生し、終息するという特徴を有している。
【００２３】
ＬＳＰＩの発生には、様々な原因とパターン、発生場所が存在するが、特に、１サイクル目のプレイグニッションが発生する主な原因・起点として、燃料で希釈された潤滑油の液滴が主要原因となることが実験結果等から明らかにされている。尚、燃料で希釈された潤滑油の液滴については、適宜、「油滴」と記載する場合がある。
【００２４】
インジェクタ２０から燃焼室２内に噴射された燃料（ガソリン）Ｇｑは、吸気バルブ５０からのタンブル流Ｔｂによってガソリン・空気の混合気が形成されると共に、一部がシリンダボア１ｃに付着する。このとき、シリンダボア１ｃに付着するガソリン液膜の厚さは、例えば、オイル（潤滑油）の液膜２〜３μｍに対して、数ミクロンの厚さの部分もあり、ガソリンの軽質分は沸騰蒸発するが、残留分でオイル（潤滑油）が希釈される。
【００２５】
このガソリンで希釈されたオイル・ガソリン混合液膜ＦＬは、ピストン４０のトップランド４２に取り込まれ、トップランド４２の外周面とシリンダボア１ｃの内壁面との間の隙間（クレビス部）６０から液滴ＤＰとなって燃焼室２内に飛び出す。このとき、燃焼室２内に飛び出す液滴ＤＰは、トップリング５５の合口で発生するブローバイガスの逆流に乗って直接飛び出すものや、セカンドリング５６及びサードリング５７で掻き上げられてトップランド４２に貯まり、慣性力で飛び出すものがあり、これらのオイル・ガソリン混合液滴がＬＳＰＩを生じさせる原因となる。
【００２６】
オイル・ガソリン混合液滴（油滴）が燃焼室２内に飛び出した後、混合気を着火させる経緯は、以下の（１）〜（３）が考えられる。従って、ＬＳＰＩの発生を防止するためには、油滴の成長を抑制したり、燃焼室２内に飛び出した油滴が着火源とならないように、油滴の飛散方向を制御することが有効である。  
（１）油滴そのものが着火源となる。  
（２）油滴がデポジットになり粒子化して着火源となる。  
（３）オイル添加剤の炭酸カルシウムCaCO3が変化した酸化カルシウムCaOが油滴中に含まれ、炭酸ガスCO2を吸着する際の発熱で着火する。
【００２７】
このため、本エンジン１のピストン４０は、図３に示すように、トップランド４２に、クレビス部６０から燃焼室２内へのオイル・ガソリン混合液滴の飛散を制限する逆反り部４８を備えている。具体的には、ピストン４０は、ピストン外周部において、ピストン頂部４１から下方に向って順に、トップランド４２、トップリング５５が嵌着されるトップリング溝４３、セカンドランド４４、セカンドリング５６が嵌着されるセカンドリング溝４５、サードランド４６、サードリング５７が嵌着されるサードリング溝４７を有しており、トップランド４２に、ピストン頂部４１側からトップリング溝４３側に向かって外周面がテーパ状に縮径された逆反り部４８が設けられている。
【００２８】
本実施の形態においては、逆反り部４８は、ピストン頂部４１からトップリング溝４３の開口部上縁４３ａにかけてのトップランド４２全体に設けられている。すなわち、逆反り部４８のピストン頂部４１側の上端部は、セカンドランド４４以下のピストン外周の直径と略等しく、この上端部からトップリング溝４３までの外周面が逆テーパ状に縮径され、トップリング溝４３の開口部上縁４３ａの直径がセカンドランド４４以下のピストン外周の直径よりも小さくされている。
【００２９】
尚、逆反り部４８は、必ずしもトップランド４２全体に設けなくとも良く、ピストン頂部４１側に逆反り部４８を部分的に設けるようにしても良い。
【００３０】
このような逆反り部４８を設けることにより、クレビス部６０でオイル・ガソリン混合液滴が成長しても、この液滴が燃焼室２の中心側に飛散することを制限して、相対的に温度が低く消炎効果を期待できるシリンダボア１ｃの内壁面側に導くことができ、燃焼室空間での着火開始を抑制してＬＳＰＩの発生を防止することが可能となる。
【００３１】
図４は、液膜挙動のシミュレーション結果を示しており、液膜から油滴が生成されて燃焼室内へ飛び出す様子を示している。ここでのシミュレーション結果は、ピストン４０の外周面におけるオイル・ガソリン混合液膜の時間変化を計算したときの計算領域中心断面での液膜の挙動を示すものであり、図４においては、時刻ｔ0〜ｔ9（1msec間隔）における液膜の変化の様子を図示している。尚、液膜は簡易的に層状で図示しているが、表面ほどガソリン成分が多いものとする。
【００３２】
時刻ｔ0〜ｔ2では、時間経過と共にオイル・ガソリン混合液膜ＦＬの膜厚が変化してピストン頂部４１側に移動し、膜厚が厚くなって液滴化していく様子が分かる。次に、時刻ｔ3〜ｔ4において、液膜が逆反り部４８の先端に集中した後、液滴ＤＰとなって燃焼室２のシリンダボア１ｃ側に飛び出していくことが確認できる。更に、時刻ｔ5〜ｔ7において、ピストン頂部４１上の液膜が外周方向に移動して逆反り部４８の先端に集中し、その後、時刻ｔ8，ｔ9で燃焼室２のシリンダボア１ｃ側に飛び出していく。
【００３３】
以上のシミュレーション結果から、逆反り部４８のみでは油滴そのものの成長を抑制することは困難であるものの、燃焼室２内への油滴の飛散方向を逆反り部４８によって制御することができることが分かる。すなわち、燃焼室２の中心側への油滴の飛散を制限してシリンダボア１ｃ内壁面側に油滴を飛散させることが可能となる。
【００３４】
このように、本実施の形態においては、ピストン４０のトップランド４２に、逆テーパー状の逆反り部４８を設け、ピストン４０の外周面とシリンダボア１ｃ内壁面との間のオイル・ガソリン混合液膜が液滴化して燃焼室２内に飛散する際に、逆反り部４８により燃焼室２中央側への飛散を制限してシリンダボア１ｃ内壁面側に飛散させることができ、燃焼室２内での油滴の着火開始を抑制してＬＳＰＩの発生を回避することができる。
【００３５】
次に、本発明の実施の第２形態について説明する。  
第２形態は、ピストン４０の逆反り部４８の外周面の表面特性を、油滴の成長を抑制可能な特性とするものであり、具体的には、撥油性又は親油性、遮熱性を有する表面特性とする。撥油性又は親油性の表面特性では、油滴が所定の大きさ以上に成長し過ぎないように抑制することが可能となる。また、遮熱性の表面特性では、筒内ガス温度への追従性を高めて油滴の蒸発を促すことにより、油滴の成長を抑制することが可能となる。
【００３６】
撥油性を有する表面特性は、例えば図５に示すように、逆反り部４８の外周面にフッ素系樹脂のコーティング膜４９Ａを設けることにより、得ることができる。また、逆反り部４８の外周面をフッ素ガスによる気相処理で改質することにより、基材との反応に応じて撥油性又は親油性を有する表面特性とすることもできる。更には、メチルシラン等のフッ素化合物以外の塗膜を逆反り部４８の外周面に設けることで、撥油性を持たせることも可能である。
【００３７】
また、遮熱性を有する表面特性は、例えばセラミックス粒子を所定のバインダで接合させて逆反り部４８の外周面に遮熱膜４９Ｂを形成することで得ることができる。この遮熱膜４９Ｂの温度が筒内ガス温度に追従するスイング特性を持たせることにより、液体の状態での油滴の燃焼室内への飛び出しを抑制することができる。
【００３８】
図６，図７は、逆反り部４８に撥油性のコーティング膜４９Ａを設けた場合の液膜挙動のシミュレーション結果を示している。図６は、ピストン４０の外周面におけるオイル・ガソリン混合液膜の時間変化を計算したときの計算領域中心断面での液膜の挙動を示しており、同図においては、時刻ｔ0'〜ｔ9'（0.5msec間隔）における液膜の変化の様子を図示している。また、図７は、図６の時刻ｔ9'以降に計算領域の下部に形成される液滴に注目し、その挙動を時刻ｔ10'〜ｔ19'で示している。
【００３９】
図６に示すように、時刻ｔ0'〜ｔ5'では、時間経過と共にオイル・ガソリン混合液膜ＦＬが逆反り部４８の下部に集まって液滴化し、時刻ｔ6'〜ｔ7'において、液滴ＤＰが逆反り部４８の先端に移動する。その後、時刻ｔ8',ｔ9'で燃焼室２のシリンダボア１ｃに向かって飛び出していくことが確認できる。
【００４０】
また、図７に示すように、時刻ｔ10'で逆反り部４８の下部に発生した液滴ＤＰが、時刻ｔ11'〜ｔ12'で逆反り部４８に向かって移動し、時刻ｔ13',ｔ14'で液滴が逆反り部４８の外表面に衝突して移動方向が変化する。そして、時刻ｔ15'〜ｔ19’で液滴がシリンダボア１ｃ側に向かって飛び出していく様子を確認することができる。
【００４１】
第２形態においては、逆反り部４８の外周面の表面特性を、撥油性又は親油性、遮熱性の表面特性とすることにより、油膜の飛散方向をシリンダボア１ｃ側として油滴の着火開始を抑制することに加えて、油滴そのものの成長を抑制することが可能となり、より確実にＬＳＰＩの発生を防止することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１  エンジン
１ｃ  シリンダボア
２  燃焼室
２０  インジェクタ
３０  ターボ過給機
４０  ピストン
４１  ピストン頂部
４２  トップランド
４３  トップリング溝
４８  逆反り部
４９Ａ  コーティング膜
４９Ｂ  遮熱膜
６０  クレビス部
７０  点火プラグ
【要約】
【課題】燃料と潤滑油の混合液滴に起因する低速高負荷時の異常燃焼を抑制する。
【解決手段】ピストン４０のトップランド４２に、ピストン頂部４１側からトップリング溝４３側に向かって外周面がテーパ状に縮径された逆反り部４８を設け、ガソリンオイル混合液滴がクレビス部６０から燃焼室２の中心側に飛散することを制限して相対的に温度の低いシリンダボア１ｃの内壁面側に導き、燃焼室空間での着火開始を抑制してＬＳＰＩの発生を防止する。
【選択図】図３【図１】
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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２】
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