(57)【要約】【課題】エンジン暖機中における暖機を促進しつつ暖機完了後の冷却損失の低減並びに燃焼効果の向上を図る。【解決手段】エンジンのシリンダ内部で往復動するピストンであって、燃料を噴射する噴射ノズルと対面するピストン頂面に、エンジン暖機期間に前記噴射ノズルから燃料を噴射する複数の第１燃料噴射領域と、エンジン暖機終了後に前記噴射ノズルから燃料を噴射する遮熱コーティング層を有する複数の第２燃料噴射領域と、を備え、前記第１燃料噴射領域と前記第２燃料噴射領域とを前記ピストン頂面の中心から放射状に交互に配置した。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンのシリンダ内部で往復動するピストンであって、
燃料を噴射する噴射ノズルと対面するピストン頂面に、
エンジン暖機期間に前記噴射ノズルから燃料を噴射する複数の第１燃料噴射領域と、
エンジン暖機終了後に前記噴射ノズルから燃料を噴射する遮熱コーティング層を有する複数の第２燃料噴射領域と、
を備え、
前記第１燃料噴射領域と前記第２燃料噴射領域とを前記ピストン頂面の中心から放射状に交互に配置した、
ことを特徴とするピストン。
【請求項２】
前記第１燃料噴射領域は非遮熱コーティング層である、
ことを特徴とする請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記第１燃料噴射領域と前記第２燃料噴射領域とは、前記ピストン頂面の外周に向かうほど広がる扇形である、
ことを特徴とする請求項２に記載のピストン。
【請求項４】
前記第１燃料噴射領域と前記第２燃料噴射領域とは、同数配置するとともに、前記ピストン頂面を平面方向から見たときに同一形状且つ同一面積である、
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のピストン。
【請求項５】
前記第１燃料噴射領域と前記第２燃料噴射領域とは、前記噴射ノズルに設けた前記第１燃料噴射領域と同数の第１噴孔から前記第１燃料噴射領域に向けて燃料が噴射され、前記噴射ノズルに設けた前記第２燃料噴射領域と同数の第２噴孔から前記第２燃料噴射領域に向けて燃料が噴射される、ように配置した、
ことを特徴とする請求項４に記載のピストン。
【請求項６】
前記第１燃料噴射領域と前記第２燃料噴射領域とは、前記第１燃料噴射領域に対する前記第１噴孔と前記第２燃料噴射領域に対する前記第２噴孔とが前記ピストン頂面を中心として異なる径の同心円上に位相をずらして配置している、
ことを特徴とする請求項５に記載のピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストン、特に、車両用のエンジンに搭載され、エンジンのシリンダの内部で往復動するピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの燃焼室は、一般的に、シリンダの内部と、シリンダヘッドの下面と、ピストンの頂部と、で区画している。ピストンの頂部には総じて凹陥したキャビティを形成しており、シリンダヘッドに配置した噴射ノズル（インジェクタ）からキャビティに向けて燃料を噴射するようになっている。
【０００３】
この際、エンジンは熱効率が高いほど燃費が向上するため、燃焼による冷却損失を低減することが課題の一つとなっている。このため、ピストンに遮熱層を設けて冷却損失を低減する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実公平０３−０００４９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、エンジンの始動直後から所定期間の冷間時には、エンジンの暖機をできるだけ早く完了させることが望ましい。しかしながら、特許文献１に開示の技術は、コーティングによる断熱層の剥離を抑制するため、噴射ノズルから噴射した燃料が直接当たる衝突領域を除くキャビティの内部にのみ遮熱層を配置していることから、エンジンの暖機を促進することはできても、暖機完了後の冷却損失の低減並びに燃焼効果の向上を図ることができないという問題が生じていた。
【０００６】
本開示の技術は、エンジン暖機中における暖機を促進しつつ暖機完了後の冷却損失の低減並びに燃焼効果の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の技術は、エンジンのシリンダ内部で往復動するピストンであって、燃料を噴射する噴射ノズルと対面するピストン頂面に、エンジン暖機期間に前記噴射ノズルから燃料を噴射する複数の第１燃料噴射領域と、エンジン暖機終了後に前記噴射ノズルから燃料を噴射する遮熱コーティング層を有する複数の第２燃料噴射領域と、を備え、前記第１燃料噴射領域と前記第２燃料噴射領域とを前記ピストン頂面の中心から放射状に交互に配置したものである。
【０００８】
また、前記第１燃料噴射領域は非遮熱コーティング層とするのが望ましい。
【０００９】
また、前記第１燃料噴射領域と前記第２燃料噴射領域とは、前記ピストン頂面の外周に向かうほど広がる扇形とするのが望ましい。
【００１０】
また、前記第１燃料噴射領域と前記第２燃料噴射領域とは、同数配置するとともに、前記ピストン頂面を平面方向から見たときに同一形状且つ同一面積とするのが望ましい。
【００１１】
さらに、前記第１燃料噴射領域と前記第２燃料噴射領域とは、前記噴射ノズルに設けた前記第１燃料噴射領域と同数の第１噴孔から前記第１燃料噴射領域に向けて燃料が噴射され、前記噴射ノズルに設けた前記第２燃料噴射領域と同数の第２噴孔から前記第２燃料噴射領域に向けて燃料が噴射される、ように配置するのが望ましい。
【００１２】
しかも、前記第１燃料噴射領域と前記第２燃料噴射領域とは、前記第１燃料噴射領域に対する前記第１噴孔と前記第２燃料噴射領域に対する前記第２噴孔とが前記ピストン頂面を中心として異なる径の同心円上に位置するように配置するのが望ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本開示の技術によれば、エンジン暖機中における暖機を促進しつつ暖機完了後の冷却損失の低減並びに燃焼効果の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態に係るピストンを適用した燃焼室周辺の概略構成を示す部分断面図である。
【図２】本実施形態に係るピストンを適用した際の噴射ノズルの一例を示す断面図である。
【図３】本実施形態に係るピストンの頂面と噴孔との関係を模式的に示し、（Ａ）は暖機期間における第１燃料噴射領域と第１噴孔との関係を示す説明図、（Ｂ）は暖機完了後における第２燃料噴射領域と第２噴孔との関係を示す説明図、である。
【図４】本実施形態に係るピストンの頂面と燃料噴射との関係を模式的に示し、（Ａ）は暖機期間における第１燃料噴射領域に対する第１噴孔からの燃料噴射状態の説明図、（Ｂ）は暖機完了後における第２燃料噴射領域に対する第２噴孔からの燃料噴射状態の説明図、である。
【図５】第１燃料噴射領域と第２燃料噴射領域とを交互に各５カ所配置した場合における配置例を示し、（Ａ）は暖機期間における第１燃料噴射領域と第１噴孔との関係を示す説明図、（Ｂ）は暖機完了後における第２燃料噴射領域と第２噴孔との関係を示す説明図、である。
【図６】第１燃料噴射領域と第２燃料噴射領域とを交互に各３カ所配置した場合における配置例を示し、（Ａ）は暖機期間における第１燃料噴射領域と第１噴孔との関係を示す説明図、（Ｂ）は暖機完了後における第２燃料噴射領域と第２噴孔との関係を示す説明図、である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係るピストンについて説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
【００１６】
図１に示すように、内燃機関であるエンジン（全体図省略）１は、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」とも称する。）１０で制御する電磁式の燃料噴射装置２０を配置したシリンダヘッド３０と、シリンダブロック４０と、アルミニウム製のピストン５０と、を備えている。
【００１７】
ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１０は、エンジン１を含む制御を実行するためのコンピュータの総称である。ＥＣＵ１０はトランスミッション（図示せず）を含むエンジン１に対する制御を行うようになっている。ＥＣＵ１０は、予め設定した最適な制御値を状況に応じてエンジン１を含む各機構を制御する。具体的に、ＥＣＵ１０は、点火機構・燃料系統・吸排気系統・動弁機構・始動制御等、の制御を含ませることができ、車両の走行に関する動力機構の略全般を制御するようになっている。ＥＣＵ１０は、制御対象となる各機構部の状況判断を、各機構部に取り付けた各種センサによって検出する。これにより、ＥＣＵ１０は、その検出結果に基づいて現在の走行状況或いは路面状況に応じた最適な制御を実行する。ＥＣＵ１０は、燃料噴射装置（以下、「インジェクタ」とも称する。）２０に対し、水温センサ１１及び潤滑油温センサ１２によって検出した温度状況によって燃料噴射制御を実行する。
【００１８】
水温センサ１１は、エンジン冷却系統（図示せず）に配置してエンジン冷却水の温度を検出する温度センサである。ＥＣＵ１０は、エンジン始動直後の冷却水の温度が低い暖機期間であることを水温センサ１１が検出すると、その暖機期間において補正した燃料噴射量で噴射ノズルの第１噴孔（後述する）から燃料を噴射させる。
【００１９】
潤滑油温センサ１２は、エンジン潤滑系統（図示せず）に配置してエンジン潤滑油の温度を検出する温度センサである。ＥＣＵ１０は、暖機期間が完了した旨を潤滑油温センサ１２が検出すると、その暖機完了後において補正した燃料噴射量で噴射ノズルの第２噴孔（後述する）から燃料を噴射させる。
【００２０】
燃料噴射装置２０は、インジェクタ本体２１の基部側をシリンダブロック４０から突出させるとともに、インジェクタ本体２１の先端側に位置して先端に向かうほど縮径するように円錐状（又は截頭円錐状）に形成した可変噴孔式の噴射ノズル２２を燃焼室Ａに突出させている。噴射ノズル２２は、複数の微細な噴孔（図２参照）を備え、これら複数の噴孔から燃焼室Ａに燃料を放射状に噴射する。具体的には、燃料噴射装置２０は、後述するシリンダライナ４１の中心軸Ｑに沿って同軸上に設けている。このため、噴射ノズル２２は、噴孔からシリンダライナ４１の中心軸Ｑを中心として放射状に燃料を噴射する。
【００２１】
インジェクタ本体２１は、ＥＣＵ１０に制御されるコモンレール式（蓄圧式）の燃料噴射ポンプ１３と燃料供給パイプ１４を介して接続している。これにより、インジェクタ本体２１には、燃焼室Ａの内部に向けて噴射ノズル２２から噴射する燃料Ｆ（図２参照）を高圧で送り込むことができる。
【００２２】
図２（Ａ）に示すように、インジェクタ本体２１の内部には、中心軸Ｑに沿って変異可能な第１ニードル２３と第２ニードル２４とを配置している。燃料供給パイプ１４からインジェクタ本体２１に供給される燃料Ｆは、インジェクタ本体２１の内部に形成した誘導流路Ｆ１を経由してインジェクタ本体２１の内周と第２ニードル２４の外周との間に導入される。燃料供給パイプ１４からインジェクタ本体２１に供給される燃料Ｆは、誘導流路Ｆ１及び第２ニードル２４に形成した燃料流路Ｆ２を経由して第２ニードル２４の内部に導入される。
【００２３】
第１ニードル２３は、中心軸Ｑの軸上で変異するシャフト軸であり、その先端で第１噴孔２２Ａを開閉する。第１ニードル２３の基端側（図示上端側）には、プランジャ２５を固定している。第２ニードル２４は、第１ニードル２３が貫通する円筒体であり、その先端で第２噴孔２２Ｂを開閉する。第２ニードル２４の基端側（図示上端側）には、プランジャ２６を固定している。
【００２４】
第１ニードル２３の外周と第２ニードル２４の内周との間には、第１ニードル２３によって第１噴孔２２Ａを閉弁方向に付勢するスプリング２７を配置している。第２ニードル２４の外周とインジェクタ本体２１の内周との間には、第２ニードル２４によって第２噴孔２２Ｂを閉弁方向に付勢するスプリング２８を配置している。
【００２５】
インジェクタ本体２１には、それぞれ閉弁状態にあるときの第１ニードル２３及び第２ニードル２４の上部に位置するように、ＥＣＵ１０によってＯＮ／ＯＦＦ制御される第１電磁コイル１５及び第２電磁コイル１６を配置している。
【００２６】
図２（Ａ）に示すように、噴射ノズル２２は、所定のタイミングで燃料を噴射する複数の第１噴孔２２Ａ及び第２噴孔２２Ｂを形成している。図２（Ｂ）に示すように、第１噴孔２２Ａは、中心軸Ｑを中心とする円周上の７箇所に略等角度間隔（５１〜５２度間隔）に配置している。同様に、第２噴孔２２Ｂは、中心軸Ｑを中心とする円周上の７箇所に略等角度間隔（５１〜５２度間隔）に配置している。ここで、第１噴孔２２Ａと第２噴孔２２Ｂとは、例えば、第１噴孔２２Ａを配置した円周よりも第２噴孔２２Ｂを配置した円周の方を大径として同心円上に配置している。したがって、第１噴孔２２Ａと第２噴孔２２Ｂとは、噴射ノズル２２の中心軸Ｑに沿う高さ方向において異なる高さに配置している。さらに、第１噴孔２２Ａと第２噴孔２２Ｂとは、中心軸Ｑから放射状に延びて各孔中心を通る放射線（仮想）が重ならず且つ均等間隔（均等角度）となるように位相をずらして形成している。これにより、噴射ノズル２２からは、第１噴孔２２Ａ及び第２噴孔２２Ｂから各々７方向に燃料Ｆを噴射するようになっている（図４を参照）。
【００２７】
図１に示すように、シリンダヘッド３０は、燃料噴射装置２０を挟むように、吸気ポート３１と排気ポート３２とを形成している。シリンダヘッド３０は、吸気ポート３１を開弁して燃焼室Ａに吸気を導入する吸気バルブ３３と、排気ポート３２を開弁して燃焼室Ａから排気を導出する排気バルブ３４と、を有する。
【００２８】
図１に示すように、シリンダブロック４０は、略円筒状のシリンダライナ４１を気筒ごとに配置している。シリンダライナ４１の内部（シリンダの内部）には、シリンダライナ４１の中心軸Ｑに沿って往復移動自在なピストン５０を収容している。なお、図１では、シリンダブロック４０としてシリンダライナ４１のみを単なる円筒状に簡略して図示している。
【００２９】
図１に示すように、ピストン５０は、頂部（冠部とも称される）の中央に、表面から所定の深さで凹陥した浅皿型のキャビティ５１を形成している。キャビティ５１は、シリンダヘッド３０に設けた噴射ノズル２２と対面する。なお、キャビティ５１の形状は、上述した浅皿型に限定されず、例えば、トロイダル型やリエントラント型等のように限定されない。ピストン５０は、頂部を平面視したときに、上端面となる環状の冠面５２ａとキャビティ５１の凹面５２ｂとで頂面５２を形成している。
【００３０】
本実施形態に係るピストン５０の頂面（冠面５２ａ＋キャビティ５１の凹面５２ｂ）５２には、例えば、ディーゼルエンジンの冷却損失（燃焼室Ａの燃焼ガスからピストン５０の内部への熱伝達）を低減して燃費を良くするために、遮熱塗料又は断熱塗料（例えば、ジルコニア）からなる遮熱コーティング層としての遮熱膜５３を形成している。
【００３１】
図４に示すように、本実施形態では、頂面５２において、遮熱膜５３を形成していない非遮熱コーティング層である第１燃料噴射領域５４と、遮熱膜５３を形成した第２燃料噴射領域（以下、「第２燃料噴射領域５３」とも称する。）と、を頂面５２の中心軸Ｑ（図２（Ｂ）参照）から放射状に交互に配置している。これにより、第１燃料噴射領域５４と第２燃料噴射領域５３とは、ピストン５０の頂面５２の外周に向かうほど広がる扇形とすることができる。また、第１燃料噴射領域５４と第２燃料噴射領域５３とは、同数（各７箇所）配置するとともに、ピストン５０の頂面５２を平面方向から見たときに同一形状且つ同一面積としている。これにより、図４に示すように、第１燃料噴射領域５４と第２燃料噴射領域５３とは、噴射ノズル２２に設けた第１燃料噴射領域５４と同数の第１噴孔２２Ａから第１燃料噴射領域５４に向けて燃料Ｆが噴射される。（図４（Ａ）参照）。また、噴射ノズル２２に設けた第２燃料噴射領域５３と同数の第２噴孔２２Ｂから第２燃料噴射領域５３に向けて燃料Ｆが噴射される（図４（Ｂ）参照）。
【００３２】
このように、第１噴孔２２Ａと第２噴孔２２Ｂとを各７個、位相をずらして交互に配置したことから、第１燃料噴射領域５４及び第２燃料噴射領域５３においても、各７個交互に配置している。なお、図４において、第１燃料噴射領域５４及び第２燃料噴射領域５３に対する第１噴孔２２Ａ及び第２噴孔２２Ｂの位置や大きさは実際の位置や大きさを示すものではなく、説明の便宜上の図示である。また、第１燃料噴射領域５４は非遮熱コーティング層として遮熱膜５３をマスク等で形成していない場合のほか、積極的に非遮熱コーティング等を行っても良い。
【００３３】
このような基本構成において、エンジン１のシリンダ内部（シリンダライナ４１の内部）で往復動するピストン５０であって、燃料Ｆを噴射する噴射ノズル２２と対面するピストン５０の頂面５２に、エンジン暖機期間に噴射ノズル２２から燃料を噴射する複数の第１燃料噴射領域５４と、エンジン暖機終了後に噴射ノズル２２から燃料を噴射する遮熱コーティング層からなる複数の第２燃料噴射領域５３と、を備え、第１燃料噴射領域５４と第２燃料噴射領域５３とをピストン５０の頂面５２の中心軸Ｑから放射状に交互に配置している。
【００３４】
次に、本実施形態の燃料噴射装置２０の各噴孔２２Ａ，２２Ｂから噴射される状態について説明する。
【００３５】
燃料噴射装置２０は、ＥＣＵ１０が水温センサ１１及び／又は潤滑油温センサ１２による検出結果により、エンジン始動直後の冷却水及び／又は潤滑油の温度が低い暖機期間であることを判定したときには、その暖機期間において補正した燃料噴射量で噴射ノズル２２の第１噴孔２２Ａから燃料Ｆを噴射する。ＥＣＵ１０が暖機を判定したときには、ＥＣＵ１０は、第１ニードル２３の上部に位置する第１電磁コイル１５に電流を印加する。これにより、第１電磁コイル１５がプランジャ２５を引き付けると同時に第１ニードル２３を図中上方に変位させ、第１噴孔２２Ａを連通（開弁）させる。これにより、各第１噴孔２２Ａから燃料Ｆを噴射する。
【００３６】
第１電磁コイル１５への電流の印加を停止すると、プランジャ２５が第１電磁コイル１５から離反して、第１ニードル２３がスプリング２７の付勢力によって変位することで、第１噴孔２２Ａを閉止（閉弁）する。
【００３７】
一方、燃料噴射装置２０は、ＥＣＵ１０が水温センサ１１及び／又は潤滑油温センサ１２による検出結果により、暖機期間が完了したことを判定したときには、その暖機完了後において補正した燃料噴射量で噴射ノズル２２の第２噴孔２２Ｂから燃料Ｆを噴射する。ＥＣＵ１０が暖機完了を判定したときには、ＥＣＵ１０は、第２ニードル２４の上部に位置する第２電磁コイル１６に電流を印加する。これにより、第２電磁コイル１６がプランジャ２６を引き付けると同時に第２ニードル２４を図中上方に変位させ、第２噴孔２２Ｂを連通（開弁）させる。これにより、各第２噴孔２２Ｂから燃料Ｆを噴射する。
【００３８】
第２電磁コイル１６への電流の印加を停止すると、プランジャ２６が第２電磁コイル１６から離反して、第２ニードル２４がスプリング２８の付勢力によって変位することで、第２噴孔２２Ｂを閉止（閉弁）する。
【００３９】
ところで、第１噴孔２２Ａ及び第２噴孔２２Ｂの形成数は、７個に限らず任意の数に設定できる。例えば、第１噴孔２２Ａ及び第２噴孔２２Ｂを各５カ所に設ける（図示せず）とともに、図５に示すように、頂面５２に、第１燃料噴射領域５４と第２燃料噴射領域５３とを交互に放射状に５カ所配置しても良い。
【００４０】
同様に、第１噴孔２２Ａ及び第２噴孔２２Ｂを各３カ所に設ける（図示せず）とともに、図６に示すように、頂面５２に、第１燃料噴射領域５４と第２燃料噴射領域５３とを交互に放射状に３カ所配置しても良い。
【００４１】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
【００４２】
例えば、エンジン１は、ディーゼルエンジンを例に説明していたが、本発明はこれに限られず、ガソリンを燃料とするガソリンエンジンや、他のエンジンであってもよい。
【００４３】
また、ピストン５０は、アルミニウムから構成されるものに限定されず、鉄系材料、アルミニウム合金及び、チタン合金等から構成されるものでもよい。さらに、ピストン５０のキャビティ形状は上述したエンジン方式に応じて適宜のものを採用可能である。
【００４４】
また、遮熱膜５３は、ジルコニアに限定されず、アルミナやチタニア等、遮熱膜５３として使用可能なセラミックスであればよい。遮熱膜５３の形状は、図示例の扇形等に限定されず、スワール状に形成されてもよい。
【００４５】
また、本実施形態では、暖機期間中には燃料Ｆを径方向内側の第１噴孔２２Ａから遮熱膜５３を配置していない第１燃料噴射領域５４に向けて放射状に噴射し、暖機完了後には燃料Ｆを径方向外側の第２噴孔２２Ｂから遮熱膜５３を設けた第２燃料噴射領域５３に向けて放射状に噴射したものを開示したが、逆でもよい。
【００４６】
このように、本発明のピストン５０は、エンジン暖機中における暖機を促進しつつ暖機完了後の冷却損失の低減並びに燃焼効果の向上を図るという効果を有し、両用のエンジンに搭載され、エンジンのシリンダの内部で往復動するピストン全般に適用することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１    エンジン
２２  噴射ノズル
２２Ａ  第１噴孔
２２Ｂ  第２噴孔
４１  シリンダライナ（シリンダ内部）
５０  ピストン５０
５２  頂面
５３  遮熱膜（遮熱コーティング層・第２燃料噴射領域）
５４  第１燃料噴射領域（非遮熱コーティング層）
Ｑ    中心軸
【図１】
2018178857.tif 000003
【図２】
2018178857.tif 000004
【図３】
2018178857.tif 000005
【図４】
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【図５】
2018178857.tif 000007
【図６】
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