(57)【要約】【課題】断熱膜が形成された頂面を有するピストンと、複数の噴孔から頂面に向かって放射状に燃料を噴射する筒内インジェクタとを備える圧縮着火式内燃機関において、各噴孔由来の火炎が燃焼初期の早い段階から重なり合うのを抑制する。【解決手段】ピストン１４の頂面は、噴射燃料の拡散する８つの領域に分割されている。８つの領域のうちの隣り合う２つの領域は、隣り合う２つの噴孔の軸線の中間を通る線で隔てられている。隣り合う２つの領域の一方には断熱膜２４ａが形成され、他方には断熱膜２４ｂが形成されている。断熱膜２４ａの表面粗さＲａは２μｍ以下であり、断熱膜２４ｂの表面粗さＲａは４μｍ以上である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断熱膜が形成された頂面を有するピストンと、複数の噴孔から前記頂面に向かって放射状に燃料を噴射する筒内インジェクタと、を備える圧縮着火式内燃機関であって、
前記頂面は、前記噴孔のうちの隣り合う２つの噴孔の軸線の間を通る中間線によって、前記噴孔の個数に対応する複数の領域に分割されており、
前記領域のうちの隣り合う２つの領域の表面粗さが異なることを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
【請求項２】
前記噴孔の個数は２以上の偶数であり、
前記領域は、表面粗さを２μｍ以下とした滑面領域と、表面粗さを４μｍ以上とした粗面領域とを、前記頂面の円周方向に１つおきに形成してなることを特徴とする請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関。
【請求項３】
前記頂面には、円錐台形状の底面部を備えるキャビティが形成されており、
前記底面部の円錐台上面に相当する面に、前記粗面領域を形成したことを特徴とする請求項２に記載の圧縮着火式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は圧縮着火式内燃機関に関し、より詳細には、ピストンの頂面に断熱膜が形成される圧縮着火式内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特開２００９−２４３３５５号公報には、圧縮着火式内燃機関のピストンの頂面に、当該ピストンの母材よりも低い伝導率を有し、且つ、当該母材よりも低いまたは当該母材と略同等の単位体積当たりの熱容量を有する断熱材を含む断熱膜を形成する技術が開示されている。この断熱膜は、上述の特性を有する断熱材を含んでいるので、ピストンの頂面の温度を内燃機関のサイクルにおいて刻々と変化する燃焼室内のガス温度に追従させることができ、これにより燃焼室内における熱損失を低減できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２４３３５５号公報
【特許文献２】特開２０１２−０４７１３４号公報
【特許文献３】実開昭６３−３１２４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述の内燃機関をはじめとする一般的な圧縮着火式内燃機関は、複数の噴孔を有する筒内インジェクタを備えており、圧縮上死点の近傍において各噴孔からピストンの頂面に向かって燃料が噴射される。ここで、各噴孔から噴射された燃料は、筒内の空気を巻き込みながらピストンの頂面の中央部から外周部に向かって放射状に拡散していく。そして、この拡散過程において燃料が圧縮により高温化することで複数の火炎核を生じ、これらの火炎核が周囲を高温化することで成長火炎となり、燃焼が広範囲に拡大していく。これが圧縮着火式内燃機関の燃焼メカニズムである。
【０００５】
但し、これらの火炎核が生じるのは、各噴孔の軸線上、尚且つ、各噴孔からの距離が略等しい箇所においてである。何故なら、各噴孔から噴射される燃料の速度は略等しく、また、ピストンの頂面は同心円方向に均一な形状とされているためである。従って、上述した複数の火炎核は、ピストンの頂面上に同心円状に分布することになる。
【０００６】
複数の火炎核がピストンの頂面上に同心円状に生じると、各火炎核由来の成長火炎が、ある同心円の円周上で互いに重なり合うことになる。勿論、燃焼中期から後期にかけては、各火炎核由来の成長火炎の重なり合いが起こる。しかし、燃焼初期の早い段階からこの重なり合いが起これば、それだけ長い時間、重なり合いが続くことになる。そうすると、成長火炎の重複箇所の直下に位置する断熱膜の表面温度が、非重複箇所の直下に位置する断熱膜の表面温度に比べて高くなることになる。
【０００７】
断熱膜の表面温度が高くなるほど、断熱膜とピストン母材との温度差が大きくなるので、断熱膜の表面側からピストン母材側に逃げる熱量が多くなる。よって、燃焼初期の早い段階から成長火炎の重なり合いが起こると、上述した断熱材による断熱効果、即ち、燃焼室内のガス温度に対する追従効果（断熱膜が燃焼室内のガス温度に従って上昇し、ガス温度と断熱膜の温度差を縮小して熱逃げ量を抑える効果）が低下してしまう。また、成長火炎の重なり合いが起こることで、煤が生成され易くなるという問題もある。
【０００８】
この発明は、上述した課題を解決するためになされたものである。即ち、断熱膜が形成された頂面を有するピストンと、複数の噴孔から頂面に向かって放射状に燃料を噴射する筒内インジェクタとを備える圧縮着火式内燃機関において、各噴孔由来の火炎が燃焼初期の早い段階から重なり合うのを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するため、第１の発明は、断熱膜が形成された頂面を有するピストンと、複数の噴孔から前記頂面に向かって放射状に燃料を噴射する筒内インジェクタと、を備える圧縮着火式内燃機関であって、
前記頂面は、前記噴孔のうちの隣り合う２つの噴孔の軸線の間を通る中間線によって、前記噴孔の個数に対応する複数の領域に分割されており、
前記領域のうちの隣り合う２つの領域の表面粗さが異なることを特徴とする。
【００１０】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記噴孔の個数は２以上の偶数であり、
前記領域は、表面粗さを２μｍ以下とした滑面領域と、表面粗さを４μｍ以上とした粗面領域とを、前記頂面の円周方向に１つおきに形成してなることを特徴とする。
【００１１】
また、第３の発明は、第２の発明において、
前記頂面には、円錐台形状の底面部を備えるキャビティが形成されており、
前記底面部の円錐台上面に相当する面に、前記粗面領域を形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
第１の発明によれば、断熱膜が形成された頂面の隣り合う２つの領域の表面粗さが異なるので、隣り合う噴孔からの噴射燃料の同心円方向の移動性に差を生じさせて、各火炎核由来の成長火炎が重なり合う時期を遅らせることができる。従って、各噴孔由来の火炎が燃焼初期の早い段階から重なり合うのを抑制できる。
【００１３】
第２の発明によれば、表面粗さが４μｍ以上の粗面領域においては噴射燃料の同心円方向の移動性を低下させ、その一方で、表面粗さが２μｍ以下の滑面領域においては噴射燃料の同心円方向の移動性を高めることができる。
【００１４】
一般的に、断熱膜の表面粗さは大きく、研磨加工して調整される。そのため、断熱膜の表面粗さを研磨加工により小さくする場合には、加工後の表面粗さに比例して研磨加工に要する時間が増加する。第３の発明によれば、底面部の円錐台上面に粗面領域を形成するので、当該粗面領域の断熱膜の研磨加工に要する時間を短くできる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態１の内燃機関１０の断面模式図である。
【図２】図１のピストン１４の頂面をシリンダヘッド１６側から見た平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】噴射燃料から火炎核が生じている様子を示した図である。
【図５】図４のＡ−Ａ断面図である。
【図６】比較用の内燃機関のピストン２６の頂面をシリンダヘッド１６側から見た平面図である。
【図７】図６のＡ−Ａ断面図である。
【図８】噴射燃料から火炎核が生じている様子を示した図である。
【図９】図８のＡ−Ａ断面図である。
【図１０】実施の形態１の変形例を説明するための図である。
【図１１】実施の形態２の内燃機関のピストン３２の頂面をシリンダヘッド１６側から見た平面図である。
【図１２】図１１のＡ−Ａ断面図である。
【図１３】噴射燃料から火炎核が生じている様子を示した図である。
【図１４】図１３のＡ−Ａ断面図である。
【図１５】実施の形態２の内燃機関のピストン３４の頂面をシリンダヘッド１６側から見た平面図である。
【図１６】噴射燃料から火炎核が生じている様子を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１７】
実施の形態１．
先ず、本発明の実施の形態１について図１乃至図１０を参照しながら説明する。
【００１８】
実施の形態１の内燃機関は、車両等の移動体に搭載される圧縮着火式内燃機関（具体的にはディーゼルエンジン）である。図１は、実施の形態１の内燃機関１０の断面模式図である。図１に示すように、内燃機関１０は、シリンダブロック（不図示）内に形成されたシリンダボア１２と、シリンダボア１２内を上下方向に移動可能に収納されたピストン１４と、シリンダブロックの上方に取り付けられたシリンダヘッド１６と、を備えている。少なくともシリンダボア１２の壁面とピストン１４の頂面とシリンダヘッド１６の底面とにより燃焼室１８が画定される。
【００１９】
ピストン１４の頂面の中央部には、キャビティ２０が形成されている。このキャビティ２０も燃焼室１８の一部を構成する。キャビティ２０は、略円錐台形状の底面部２０ａと、略円筒状の側面部２０ｂと、底面部２０ａと側面部２０ｂを接続する中間部２０ｃと、から構成されている。また、シリンダヘッド１６におけるピストン中心軸Ｌｐ上には、燃焼室１８内に燃料を直接噴射するためのインジェクタ２２が取り付けられている。インジェクタ２２の先端部には、ピストン中心軸Ｌｐ上の一点を中心とした４５°間隔で８つの噴孔（図示しない）が形成されている。インジェクタ２２の燃料噴射タイミングは圧縮上死点の近傍とされ、このタイミングで８つの噴孔からキャビティ２０（具体的には側面部２０ｂ）に向かって燃料が放射状に噴射される。
【００２０】
ピストン１４の頂面の全域には、断熱膜２４が形成されている。断熱膜２４はアルマイト皮膜から構成されている。アルマイト皮膜は、ピストン１４の母材（アルミニウム合金）の陽極酸化処理により得られるものであり、陽極酸化処理の過程で形成された無数の細孔を有している。このような多孔質構造を有することで、アルマイト皮膜は、ピストン母材に比べて熱伝導率が低く、尚且つ、単位体積当たりの熱容量が低い断熱膜として機能する。アルマイト皮膜によれば、ピストン１４の頂面の温度を内燃機関１０のサイクルにおいて刻々と変化する燃焼室１８内のガス温度に追従させることができ、これにより燃焼室１８内における熱損失を低減できる。
【００２１】
また、実施の形態１の内燃機関１０では、燃焼室１８内にスワール流が生成される。ここで、スワール流のスワール比ＳＲ（スワール流の回転速度とエンジン回転速度の比をいう。以下同じ。）は、エンジン運転状態に応じて変動するものであるが、実施の形態１では、低スワール比のスワール流、即ち、スワール比ＳＲが最大１．０のスワール流が生成される。スワール流を生成させる方法は、従来公知の方法によることができる。例えば、シリンダヘッド１６に形成する吸気ポート（図示しない）をシリンダボア１２の周方向に沿わせることで、この吸気ポートから燃焼室１８内に流入させる吸気によって、燃焼室１８内にスワール流を生成できる。
【００２２】
図２は、図１のピストン１４の頂面をシリンダヘッド１６側から見た平面図であり、この図をはじめとする本願の幾つかの図面では、インジェクタ２２の各噴孔からの噴射燃料を「噴霧」として示している。図２に示すように、ピストン１４の頂面は、噴射燃料の拡散する８つの領域に分割されている。８つの領域のうちの隣り合う２つの領域は、隣り合う２つの噴孔の軸線の中間を通る線で隔てられており、各領域の中心角は４５°であり、噴孔の軸線から中間線までの角度はその半分、即ち、２２．５°である。この理由は、燃焼室１８内に生成するスワール流が低スワール比であり、スワール流によって噴射燃料が殆ど流されることが無いためである。
【００２３】
また、図２に示すように、隣り合う２つの領域の一方には断熱膜２４ａが形成され、他方には断熱膜２４ｂが形成されている。つまり、断熱膜２４ａと断熱膜２４ｂは、ピストン１４の頂面の円周方向に１つおきに形成されている。但し、インジェクタ２２の直下領域には、断熱膜２４ａは形成されておらず、断熱膜２４ｂのみが形成されている。図３は、ピストン１４の頂面近傍の縦断面模式図であり、図２のＡ−Ａ断面に相当している。図３に示すように、断熱膜２４ｂは、インジェクタ２２の直下領域、つまり、底面部２０ａの円錐台上面に相当する面と、円錐台側面に相当する面の一部とに形成されている。
【００２４】
ここで、断熱膜２４ａの表面粗さＲａ（ＪＩＳ  Ｂ６０１（２００１）に準拠して測定した算術平均粗さをいう。以下同じ。）は２μｍ以下であり（好ましくは平均０．５〜２μｍ）、断熱膜２４ｂの表面粗さＲａは４μｍ以上である（好ましくは平均４〜８μｍ）。断熱膜２４ａ，２４ｂの表面粗さＲａは、次のように調整されている。即ち、(i)ピストン１４の頂面の全域に上述したアルマイト皮膜を（表面粗さＲａの平均４〜８μｍ）を形成する。(ii)断熱膜２４ｂに相当する領域は研磨加工せずに、断熱膜２４ａに相当する領域のみを研磨加工して当該領域の表面粗さＲａを平均２μｍ以下にする。
【００２５】
図３に戻り説明を続ける。図３に示すように、噴射燃料は側面部２０ｂに衝突し、キャビティ２０の内側（つまり中間部２０ｃおよび底面部２０ａ側）と外側の両方に拡散していく。そして、この拡散過程において燃料が圧縮により高温化することで火炎核を生じ、更に、この火炎核が周囲を高温化することで成長火炎となる。図４は、噴射燃料から火炎核が生じている様子を示した図である。図４に示すように、火炎核は各噴孔の軸線上に２箇所ずつ生じている。但し、同心円方向で見た場合、断熱膜２４ａが形成された領域で生じる火炎核の位置と、断熱膜２４ｂが形成された領域で生じる火炎核の位置は異なっている。
【００２６】
図５は、図４のＡ−Ａ断面に相当している。図５に示すように、断熱膜２４ａが形成された領域では、同一噴孔の軸線上の２つの火炎核ｆｋ１，ｆｋ２の間隔が大きい。これに対し、断熱膜２４ｂが形成された領域では、２つの火炎核ｆｋ３，ｆｋ４の間隔が小さい。この理由は、断熱膜２４ａと断熱膜２４ｂの表面粗さＲａが異なるので、側面部２０ｂへの衝突後から火炎核ｆｋ１〜ｆｋ４の発生までの間における噴射燃料の同心円方向の移動性に差が生じるためである。換言すると、断熱膜２４ａが形成された領域では、断熱膜２４ｂが形成された領域に比べて噴射燃料の同心円方向の移動性が高くなるためである。
【００２７】
図６乃至図９は、比較用の内燃機関のピストンの頂面を説明するための図である。図６乃至図９に示すピストン２６の頂面の平面図および断面図は、図２乃至図５に示したピストン１４の頂面の平面図および断面図と基本的に同じである。但し、比較用の内燃機関は、ピストン２６の頂面に形成する断熱膜２８（図６参照）の表面粗さＲａが均一（４μｍ以上）である点で、内燃機関１０と異なる。
【００２８】
断熱膜２８の表面粗さＲａが均一の場合、各噴孔からの噴射燃料の移動性に殆ど差が生じない(図７参照)。そのため、各噴孔の軸線上に２つずつ生じる火炎核が同心円状に分布することになる(図８参照)。この理由は、ある噴孔の軸線上の２つの火炎核ｆｋ５，ｆｋ６の間隔が、別の噴孔の軸線上の２つの火炎核ｆｋ７，ｆｋ８の間隔と等しくなるためである(図９参照)。火炎核が同心円状に分布すると、各火炎核由来の成長火炎が、ある同心円の円周上で互いに重なり合い、上述した問題、即ち、燃焼室１８内のガス温度に対する追従効果が低下し、或いは、煤が生成され易くなるという問題が起こってしまう。
【００２９】
この点、上述した内燃機関１０によれば、断熱膜２４ａと断熱膜２４ｂがピストン１４の頂面の円周方向に１つおきに形成されているので、隣り合う噴孔からの噴射燃料の同心円方向の移動性に差を生じさせることができる。そのため、上述した成長火炎が重なり合う時期を遅らせることができる。従って、断熱膜２４の同心円方向における表面温度の偏りを軽減できるので、燃焼室１８内のガス温度に対する追従効果の低下を抑制できる。また、煤の生成量を抑えることもできる。
【００３０】
ところで、上記実施の形態１では、アルマイト皮膜から断熱膜２４を構成した。しかし、アルマイト皮膜の表面に、その細孔を塞ぐ封孔皮膜が形成されていてもよい。また、アルマイト皮膜の代わりに、ピストン母材よりも熱伝導率の低いジルコニア、イットリア、アルミナ、シリカ、チタニアなどのセラミック溶射膜（応力緩和のための金属結合層溶射膜を含む）を設けることもできる。また、アルマイト皮膜の代わりに、ピストン母材よりも熱伝導率が低く、尚且つ、単位体積当たりの熱容量が低い膜（例えば中空構造のセラミック粒子を、セラミックス接着剤をバインダとして焼き固めた中空ビーズ膜）を設けることもできる。
【００３１】
また、上記実施の形態１では、インジェクタ２２が８つの噴孔を有し、これらの噴孔に対応するピストン１４の頂面の８つの領域に、２種類の表面粗さの断熱膜２４（つまり、断熱膜２４ａ，２４ｂ）を形成した。しかし、噴孔数は８つに限られず、２つ以上７つ以下でもよく、９つ以上でもよい。また、断熱膜２４の表面粗さは３種類以上でもよく、８つの領域のそれぞれで表面粗さを異ならしめてもよい。図１０は上記実施の形態１の変形例を説明するための図である。図１０に示すピストン３０の頂面は３つの領域に分割されており、このうちの２つの領域には、上述した表面粗さの断熱膜２４ａ，２４ｂが形成されている。また、残りの１つの領域には、断熱膜２４ａと断熱膜２４ｂの中間の表面粗さＲａの断熱膜２４ｃが形成されている。このように、複数の噴孔を有するインジェクタの隣り合う噴孔からの噴射燃料の同心円方向の移動性に差を生じさせることのできる断熱膜の表面粗さの組み合わせであれば、上記実施の形態１の変形例とすることができる。なお、本変形例は、後述の実施の形態においても同様に適用できる。
【００３２】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図１１乃至図１４を参照しながら説明する。
【００３３】
図１１乃至図１４は、実施の形態２の内燃機関のピストンの頂面を説明するための図である。図１１乃至図１４に示すピストン３２の頂面の平面図および断面図は、図２乃至図５に示したピストン１４の頂面の平面図および断面図と基本的に同じである。但し、実施の形態２の内燃機関は、インジェクタ２２の直下領域に形成する断熱膜２４ａの面積が広い点で、実施の形態１の内燃機関１０と異なる。
【００３４】
図１１に示すように、インジェクタ２２の直下領域には、断熱膜２４ａは形成されておらず、断熱膜２４ｂのみが形成されている。図１２は、燃焼室１８の縦断面模式図であり、図１１のＡ−Ａ断面に相当している。図１２に示すように、断熱膜２４ｂは、インジェクタ２２の直下領域、つまり、底面部２０ａの円錐台上面に相当する面に形成されている。
【００３５】
上記実施の形態１で説明したように、断熱膜２４ａの表面粗さＲａは２μｍ以下であり、この表面粗さＲａは断熱膜２４ａに相当する領域の研磨加工により実現されるものである。そのため、インジェクタ２２の直下領域の研磨加工面積が広くなるほど、より多くの時間を研磨加工に要することになる。よって、加工時間短縮の観点からは、断熱膜２４ａの面積が狭い方が望ましい。
【００３６】
しかし、側面部２０ｂ衝突後における噴射燃料のキャビティ２０の内側方向への移動性は、この内側に形成される断熱膜２４の表面粗さＲａが小さくなるほど向上する。この点を考慮し、実施の形態２においては、インジェクタ２２の直下領域に形成する断熱膜２４ａの面積を広くしている。なお、底面部２０ａの円錐台上面に相当する面の全てを断熱膜２４ａで形成することも可能ではあるが、この面の表面粗さは噴射燃料の移動性に殆ど影響を与えない。この点を考慮し、実施の形態２においては、この面は研磨加工せず、研磨加工時間の低減を図っている。
【００３７】
図１３は、噴射燃料から火炎核が生じている様子を示しており、図１４は、図１３のＡ−Ａ断面に相当している。図１３と図４、または、図１４と図５を比較すると分かるように、実施の形態２によれば、キャビティ２０の内側、且つ、断熱膜２４ａが形成された領域で生じる火炎核を、底面部２０ａのより中央側に分布させることができる。特に図１４と図５の比較から分かるように、図１４の２つの火炎核ｆｋ９，ｆｋ１０の間隔を、図５の２つの火炎核ｆｋ１，ｆｋ２の間隔よりも大きくすることができる。このように、実施の形態２によれば、実施の形態１に比べて、隣り合う噴孔からの噴射燃料の同心円方向の移動性により大きな差を生じさせることができる。従って、上述した成長火炎の重なり合う時期をより遅らせることができる。
【００３８】
実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について図１５乃至図１６を参照しながら説明する。
【００３９】
図１５乃至図１６は、実施の形態３の内燃機関のピストンの頂面を説明するための図である。図１５および図１６に示すピストン３４の頂面の平面図は、図２および図４に示したピストン１４の頂面の平面図と基本的に同じである。但し、実施の形態３では、燃焼室１８内に通常スワール比のスワール流、即ち、スワール比ＳＲが最大２．０のスワール流が生成される点、および、断熱膜２４ａ，２４ｂの形成位置を、隣り合う２つの噴孔の軸線の中間を通る線からスワール方向にオフセットさせている点で、実施の形態１の内燃機関１０と異なる。
【００４０】
燃焼室１８内に通常スワール比のスワール流が生成される場合は、図１５に示すスワール方向に噴射燃料が流される。この点を考慮し、実施の形態３においては、断熱膜２４ａ，２４ｂの形成位置を上述した中間線から２．５°だけオフセットさせている。従って、実施の形態３によれば、スワール方向に噴射燃料が流されるようなエンジン構成においても、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００４１】
１０  内燃機関
１４，２６，３０，３２，３４  ピストン
１８  燃焼室
２０  キャビティ
２２  インジェクタ
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２８  断熱膜
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2016132992.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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