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JP2018184860A - 内燃機関のピストン及び内燃機関のピストン冷却制御方法 - Google Patents

内燃機関のピストン及び内燃機関のピストン冷却制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】熱効率の向上と排気有害成分の低減を両立し、かつノッキングやプレイグニッション等の異常燃焼の発生を抑制することができる新規な内燃機関のピストンを提供することにある。
【解決手段】ピストン内に冷却通路２００を形成し、且つピストン頂面の表面に、ピストン基材に比べて熱伝導率と容積比熱が小さい材料で作られた第１の遮熱層１０１と、この第１の遮熱層１０１に比べて熱伝導率と容積比熱が小さい材料で作れられた第２の遮熱層１０２とを設け、第１の遮熱層１０１と冷却通路２００とを結ぶ第１の距離が、第２の遮熱層１０２と冷却通路２００とを結ぶ第２の距離の距離よりも短く設定されている。第２の遮熱層によって冷却損失を低減すると共に、第１の遮熱層によってピストンに付着した燃料の気化が促進されて排気ガス有害成分を低減できる。また、第１の距離が、第２の距離よりも小さいので、第１の遮熱層の温度が過度に上昇することがないのでノッキングやプレイグニッションの発生を抑制することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室を形成するピストンに係り、特にピストン本体の頂面の燃焼室側表面に遮熱層を形成した内燃機関のピストンとそのピストンの冷却制御方法に関するものである。
ガソリンエンジン等の内燃機関においては、燃焼によって生じた熱の一部が燃焼室内からピストンやシリンダ壁面等を通過して外部に排出され冷却損失となる。内燃機関の熱効率を向上するためには、この冷却損失の低減が必要である。そこで、燃焼室壁面のうち比較的大きな面積を占めるピストン本体の頂面の燃焼室側表面に、低熱伝導率で低熱容量の層を形成することで、ピストン本体の頂面の表面温度を少ない時間遅れで筒内燃焼ガス温度に追従させてピストン表面の熱流束を低減する手法、所謂、温度スイング遮熱法が知られている。
尚、以下の説明では、ピストン本体の頂面に形成される、燃焼室を形成する表面を含めて頂面と表記する。したがって、ピストン本体の頂面とはピストン本体の燃焼室側の表面を意味している。
一方、このように低熱容量化したピストン本体の頂面に燃料液滴が付着すると、付着部分のピストン温度が低下して燃料の気化性能が悪化して熱効率が低下する。更に、これは、特に冷機始動時におけるＰＭ（煤粒子）やＨＣ（未燃炭化水素）などの排気ガス中の有害成分の増加を引き起こすことにつながる。
そこで、熱効率の向上と排気ガス有害成分の低減を両立するため、特開２０１３−６７８２３号公報（特許文献１）においては、ピストン本体の頂面に低熱伝導率で低熱容量の陽極酸化層を形成し、この陽極酸化層のうち、燃料噴射領域の表面には陽極酸化層よりも相対的に熱容量の高い金属皮層を配置する技術が開示されている。
特開２０１３−６７８２３号公報
ところで、特許文献１にも記載されているように、ピストン本体の頂面に低熱伝導率で低熱容量の陽極酸化層を形成し、陽極酸化層のうち、燃料噴射領域の表面には陽極酸化層よりも相対的に熱容量の高い金属皮層を配すると、混合気の燃焼時においては高熱容量の金属皮層の温度が過度に高くなり、ノッキングやプレイグニッション等の異常燃焼の発生を誘発する虞がある。したがって、ノッキングやプレイグニッション等の異常燃焼を抑制するピストン、及びこのピストンを冷却する冷却制御方法の開発が要請されている。
本発明の目的は、熱効率の向上と排気ガス有害成分の低減を両立し、かつノッキングやプレイグニッション等の異常燃焼の発生を抑制することができる新規な内燃機関のピストン及びピストンの冷却制御方法を提供することである。
本発明の第１の特徴は、ピストン本体内に冷却通路を形成し、且つピストン本体の頂面に、ピストン基材に比べて熱伝導率と容積比熱が小さい材料で作られた第１の遮熱層と、この第１の遮熱層に比べて熱伝導率と容積比熱が小さい材料で作れられた第２の遮熱層とを設け、第１の遮熱層と冷却通路とを結ぶ第１の離間距離が、第２の遮熱層と冷却通路とを結ぶ第２の離間距離よりも短く設定されている、ところにある。
本発明の第２の特徴は、上述したピストン本体の冷却通路内に冷却媒体を供給し、かつ冷却媒体の流量を変更する冷却媒体可変供給手段を備え、内燃機関の冷却水温または潤滑油温に基づいて、冷却媒体可変供給手段によって冷却通路への冷却媒体の供給量を変える、ところにある。
本発明によれば、第２の遮熱層によって冷却損失を低減すると共に、第１の遮熱層によってピストン本体の頂面に付着した燃料の気化が促進されて排気ガス有害成分を低減できる。また第１の遮熱層と冷却通路との第１の離間距離が、第２の遮熱層と冷却通路の第２の離間距離よりも短いので、第１の遮熱層が冷却通路によって効率的に冷却されることによって、第１の遮熱層の温度が過度に上昇することがないのでノッキングやプレイグニッション等の異常燃焼の発生を抑制することができる。
本発明の第１の実施形態になるピストンを備えた、内燃機関の断面を示す断面図である。 図１に示すピストンを構成する基材と、遮熱層の熱伝導率と容積比熱の相互関係を示す説明図である。 図１に示すピストンをシリンダヘッド側から見た上面図である。 図１に示すピストンの頂面付近の一部を断面した拡大断面図である。 冷却油流量調整弁の開度制御方法の一例を説明する説明図である。 冷却油流量調整弁の開度制御方法の他の例を説明する説明図である。 冷却油流量調整弁の開度制御方法の更に他の例を説明する説明図である。 １燃焼サイクル内のピストンの表面の温度変化を説明する説明図ある。 図４に示すピストンの第１の遮熱層の温度変化を説明する説明図である。 図３に示すピストンの第１の遮熱層と第２の遮熱層の面積比を説明する上面図である。 本発明の第２の実施形態になるピストンを備えた、内燃機関の断面を示す断面図である。 図１１に示すピストンをシリンダヘッド側から見た上面図である。 本発明の第２の実施形態になるピストンを備えた、内燃機関の断面を示す断面図である。 図１３に示すピストンの上面と燃料噴射弁の位置関係を説明するもので、第１の遮熱層が単数の場合を示す説明図である。 図１３に示すピストンの上面と燃料噴射弁の位置関係を説明するもので、第１の遮熱層が複数の場合を示す説明図である。 図１５Ａの燃料噴射点と第１の遮熱層の位置関係を説明するピストンの上面図である。 図１３に示すピストンに第１の遮熱層を複数設けた場合の上面図である。 ピストンの表面層の構造を模式的に示した断面図である。 図１７の金属層を構成する金属粒子の構造を模式的に示した拡大図である。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。
以下、図面を参照して本発明の第１の実施形態になるピストンの形態と、そのピストンを備える内燃機関について説明する。
図１は、第１の実施形態になるピストンを使用した内燃機関の縦断面を示しており、内燃機関ＩＣは火花点火式４サイクル内燃機関であり、シリンダヘッド７、シリンダ８、ピストン本体１００、吸気弁３、排気弁４によって燃焼室９が形成されている。尚、ピストンは、ピストン本体１００、クランクシャフトとピストン本体１００を連結するコネクティングロッド、ピストンリング等から構成されている。
また。燃料噴射弁５が吸気ポート１に設けられ、その噴射ノズルは吸気ポート内に貫通しており、所謂、ポート噴射式内燃機関を構成している。また、燃焼室９の燃焼ガスを排出するための排気ポート２が設けられ、混合気に点火するための点火プラグ６が設けられている。
ピストン基材１００ｍで形成されたピストン本体１００の頂面の燃焼室側表面には第１遮熱層１０１と第２遮熱層１０２がそれぞれ設けられている。そして、第１遮熱層１０１と第２遮熱層１０２は燃焼室９の一部を形成している。
ここで、第１遮熱層１０１と第２遮熱層１０２との比較において、第１遮熱層１０１は、「低熱伝導率で高容積比熱」の薄板材、またはコーティング材などで構成されている。そして、その熱伝導率は１〜１０Ｗ/ｍＫ、その容積比熱は１０００ｋＪ／ｍ３Ｋ以上、その厚さは２００μｍ以上であることが望ましい。また、第２遮熱層１０２は、「低熱伝導率で低容積比熱」の薄板材、またはコーティング材などで構成される。その熱伝導率は０．５Ｗ/ｍＫ以下、その容積比熱は５００ｋＪ／ｍ３Ｋ以下、その厚さは５０〜２００μｍであることが望ましい。
更に、ピストン基材１００ｍはアルミ合金、鉄、チタン合金などであり、その熱伝導率は概ね５０〜２００Ｗ／ｍＫ、容積比熱は概ね２０００〜３０００ｋＪ／ｍ３Ｋである。したがって、熱伝導率については、ピストン基材＞第１遮熱層＞第２遮熱層の関係を有し、容積比熱については、ピストン基材＞第１遮熱層＞第２遮熱層の関係を有していることになる。
ここで、「低熱伝導率で高容積比熱」の第１遮熱層１０１は、熱を伝え難く、かつ熱を保持し易い（熱容量が大きい）という機能を備え、「低熱伝導率で低容積比熱」の第２遮熱層１０２は、熱を伝え難く、かつ熱応答が早い（熱容量が小さい）という機能を備えている。尚、第２遮熱層１０２の熱伝導率の方が、第１遮熱層１０１の熱伝導率より小さく設定されているのは、第２遮熱層１０２からの熱移動を少なくして（遮熱性高めて）冷却損失を低くするためである。第１遮熱層１０１、第１遮熱層１０２の具体的な材料等については後述する。
図２に本実施例におけるピストン基材１００ｍ、第１遮熱層１０１、第２遮熱層１０２の夫々の熱伝導率、容積比熱のおおよその相互関係を示している。本実施形態では、上述した通り、第１遮熱層１０１の熱伝導率及び容積比熱は、基本的にはピストン基材１００ｍの熱伝導率及び容積比熱よりも小さくされている。ただ、容積比熱については重複する場合も存在するものである。また、第２遮熱層１０２の熱伝導率と容積比熱は、第１遮熱層１０１の熱伝導率と容積比熱よりもそれぞれ小さく設定されている。尚、第１遮熱層１０１及び第２遮熱層１０２の具体的な構成例については後述する。
図１に戻って、ピストン本体１００の内部には環状の冷却通路２００が設けられている。冷却通路２００の底面の一部は開口しており、冷却油ジェットノズル２０１より冷却通路２００の開口部２００Ａに向けて冷却油が噴射される。冷却通路２００の内部に入った冷却油は、対向側に設けられた開口部２００Ｂより排出される。冷却油は冷却油ポンプ２０３によって加圧され、冷却油流量調整弁２０２を介して冷却油ジェットノズル２０１へ供給される。
冷却油ジェットノズル２０１へ供給される冷却油の流量は、コントローラ２０４による冷却油流量調整弁２０２への弁開度指令値２０５によって調整される。コントローラ２０４には、図示しない温度センサによって検出された機関の潤滑油温、冷却水温などの情報が入力される。このように、本実施例の内燃機関では、所謂、クーリングチャネルを用いてピストン本体１００を冷却する構成となっている。
図３はピストン本体１００の頂面を、その摺動方向で燃焼室側から見た上面を示している。略円形の形状である第２遮熱層１０２は、ピストン基材１００ｍの表面中央近傍に配置され、その周囲に円環状の形状である第１遮熱層１０１が配置されている。そして第２遮熱層１０２の面積が第１遮熱層１０１の面積よりも大きくなるように第２遮熱層１０２の直径や、第１遮熱層１０１の円環部の幅（径方向）が定められている。尚、第２遮熱層１０２の面積と第１遮熱層１０１の面積の面積比は、約７：３の比率に設定され、第２遮熱層１０２の方が広い面積とされている。これは、冷却損失をより少なくするためである。
図４はピストン本体１００の断面の一部を拡大して示している。第１遮熱層１０１、及び第２遮熱層１０２の底面の微小面積をｄＡ、第１遮熱層１０１及び第２遮熱層１０２のピストン基材１００ｍとの接触面から冷却通路２００の表面までの最短離間距離をＬ１及びＬ２とし、第１遮熱層１０１及び第２遮熱層１０２と冷却通路２００との平均離間距離Ｌｍを以下の式で定義する。
Figure 2018184860
本実施形態においては、第１遮熱層１０１を冷却通路２００の近傍のピストン本体１００の頂面に配置することによって、第１遮熱層１０１と冷却通路２００との平均離間距離Ｌｍ１と、第２遮熱層１０２と冷却通路２００との平均離間距離Ｌｍ２との関係がＬｍ１＜Ｌｍ２となるようにしている。平均離間距離をＬｍ１＜Ｌｍ２とするためには、例えば、ピストン本体１００の摺動方向で燃焼室側から見た場合に、図３に示しているように、第１遮熱層１０１と冷却通路２００の少なくとも一部が重なる位置に、第１遮熱層１０１を配置するのが望ましい。
また、平均離間距離をＬｍ１＜Ｌｍ２とするためには、例えば、ピストン本体１００の下死点側への移動方向を下側とした場合に、第１遮熱層１０１の下面の少なくとも一部が第２遮熱層１０２の下面よりも下側に位置するようにするのが望ましい。
図５には、内燃機関ＩＣを冷間始動した後のコントローラ２０４による冷却油流量制御弁２０２の制御例を示している。機関の冷却水温が予め定めた所定水温Ｔｗｃ（例えば８０℃）より低い場合には冷却油流量制御弁２０２の弁本体が閉じられ、冷却水温がＴｗｃを越えたら冷却油流量制御弁２０２の弁本体が開かれる。これによって、水温がＴｗｃより高い場合にのみ、ピストン本体１００は冷却油ジェットによる冷却が行われる。尚、冷却水温の代わりに、潤滑油温に基づいて同様の制御を行っても良いことはいうまでもない。
また、図６及び図７に示すように、冷却水温または潤滑油温の上昇に伴って、冷却油流量制御弁２０２の弁開度を連続的に大きくしてもよい。この場合には、冷却水温または潤滑油温が高くなるにつれて、冷却油ジェットによるピストン本体１００の冷却効果がより高くなる。このように冷却水温または潤滑油温の上昇に伴って、冷却油流量制御弁２０２の弁開度を連続的に大きくすると、冷却油ジェットによるピストン本体１００の冷却制御がきめ細かく行われるので、冷却損失の低減を最大化したり、ノッキングやプレイグニッションをより効果的に抑制できる効果がある。尚、冷却水温または潤滑油温と弁開度の関係は任意であり、ピストン本体１００の冷却特性等から適切に決められれば良いものである。
図８には、本実施形態になるピストンを設けた内燃機関ＩＣを燃焼運転したときのピストン本体１００の頂面の表面温度の時間変化が示されている。より具体的には、図８には、内燃機関の吸気、圧縮、膨脹、排気行程から成る１燃焼サイクル内の第１遮熱層１０１と第２遮熱層１０２の表面温度のクランク角に対する変化が示されている。また参考として図８には、第１遮熱層１０１及び第２遮熱層１０２が設けられていない従来のピストン基材１００ｍのみから成る通常ピストンの表面温度も示されている。
第２遮熱層１０２は「低熱伝導率及び低容積比熱」の材料で形成されているので、その表面温度は燃焼室内の燃焼ガス温度の変化に対して小さな時間遅れと小さな温度差で追従する。即ち、吸気行程中期から圧縮行程の中期では、燃焼室への新気導入によって筒内ガス温度は低くなるので、これに追従して第２遮熱層１０２の表面温度は低くなる。更に圧縮行程後期から排気行程では、筒内ガスの圧縮と燃焼によって筒内ガス温度は高くなるので、これに追従して第２遮熱層１０２の表面温度は高くなる。
このように第２遮熱層１０２では、筒内ガス温度に追従してその表面温度が変化するので、筒内ガスとピストン本体１００の頂面の壁面間の伝熱量が少なくなり、機関の冷却損失を低減することができる。これは所謂、温度スイング遮熱法と呼ばれる熱損失低減手法である。
一方、第１遮熱層１０１は「低熱伝導率及び高容積比熱」の材料で形成されているので、その表面温度は、通常ピストンの表面温度に比べて高くなるが、燃焼室内の燃焼サイクル内の筒内ガス温度の変化に対しては殆ど追従しないものである。このため第１遮熱層１０１の1燃焼サイクル内での表面温度の変化幅は第２遮熱層１０２の表面温度の変化幅に対して小さいものである。
例えば、第２遮熱層１０２の燃焼サイクル内での表面温度の変化幅は約５００℃であるのに対して、第１遮熱層１０１の燃焼サイクル内での表面温度の変化幅は約５０℃である。この結果、吸気行程の中期から圧縮行程の中期にかけては、第１遮熱層１０１の表面温度は、第２遮熱層１０２の表面温度及び通常ピストンの表面温度よりも高くなる傾向を示すようになる。
機関の冷間始動直後など、機関温度が低い場合には、ピストン本体１００の頂面を含む燃焼室の壁面付近の混合気の温度が低いため、壁面近傍での消炎厚さが大きくなり、多くの未燃炭化水素が排出される。また、壁面に燃料液滴が付着した場合にも、機関温度が低い場合にはその蒸発が遅いため、未燃炭化水素の排出量が増加する。特に、冷却損失を減らすために、ピストン本体１００の頂面に「低熱伝導率及び低容積比熱」の材料からなる第２遮熱層１０２だけを設けた場合には、吸気行程から圧縮行程で、その表面温度が通常の表面温度より低くなるため、冷機時の未燃炭化水素排出量がより多くなる。
これに対して、「低熱伝導率及び高容積比熱」の材料からなる第１遮熱層１０１を付加的に設けると、吸気行程から圧縮行程における第１遮熱層１０１の表面が高温となるので、この熱によって第１遮熱層１０１の表面近傍の未燃成分を含む筒内ガスが高温化する。高温化した筒内ガスでは消炎厚さが薄くなり、また第１遮熱層１０１の表面に付着した液滴の気化が促進される。これらの効果によって未燃炭化水素の排出量が低減されるようになる。このように第１遮熱層１０１と第２遮熱層１０２の双方をピストン本体１００の頂面に設けることで、冷機時の排気ガス有害成分を低減でき、かつ冷却損失を低減して機関の燃費を改善することが可能となる。
一方で、第１遮熱層１０１は「低熱伝導率及び高容積比熱」である材料で作られているので、第１遮熱層１０１の温度は、燃焼回数が増えて機関温度の上昇と共に高くなる。これに伴い、第１遮熱層１０１の表面近傍の未燃ガス温度が過度に高くなり、結果的にノッキングやプレイグニッションといった異常燃焼を引き起こす虞がある。
本実施形態では、ノッキングやプレイグニッションといった異常燃焼を引き起こす状態を、冷却水温または潤滑油温が所定温度に達したことから推定し、冷却水温または潤滑油温が所定温度より高い場合に、冷却油ジェットによりピストン本体１００を冷却する構成としている。そして、本実施形態ではピストン本体１００の冷却通路２００と第１遮熱層１０１との離間距離を、ピストン本体１００の冷却通路２００と第２遮熱層１０２との離間距離よりも短くしている。
一般的に固体の２点間における熱抵抗は２点間の距離に反比例するので、冷却通路２００による遮熱層の冷却効果は、冷却通路２００と遮熱層との離間距離が近いほど強くなる。従って、第１遮熱層１０１が冷却通路２００によって強く冷却される一方、第２遮熱層１０２は冷却通路２００による冷却作用は小さいものとなる。
図９に本実施形態による第１遮熱層１０１の燃焼サイクルの平均温度の時間変化を示している。本実施形態では、第１遮熱層１０１の温度が暖機完了後に低く保たれる結果、機関温度が上昇した時のノッキングやプレイグニッション等の異常燃焼の発生を抑制することができる。また、第２遮熱層１０２は冷却通路２００による冷却効果が弱いので、冷却損失の増大を抑えることができる。
また、本実施形態では、冷却水温または潤滑油温が所定温度より低い場合には、冷却油の噴射停止または流量の減少によって、冷却油ジェットによるピストン本体１００の冷却が停止されるか、冷却効果が弱く制御されるため、機関冷機時の第１遮熱層１０１の温度が低下しないので排気ガス有害成分の低減効果を高めることができる。
尚、筒内ガスの温度は一般的に燃焼室の中心で最も高く、燃焼室の外周壁に向かって低くなる。このため、第２遮熱層１０２は、ピストン本体の頂面の中央部付近に設けた方が、冷却損失を低減する効果が高いものである。一方、燃焼室の外周側では筒内ガス温度が低いため消炎や燃料の気化不足が起こりやすいので、第１遮熱層１０１を燃焼室の外周側、言い換えれば、燃焼室の半径が大きい領域側に設け、外周側のピストン本体の頂面の温度を高めた方が排気ガス有害成分の低減効果が高いものである。
また、ノッキングは燃焼室の外周側の未燃ガスが圧縮されて自己着火することにより発生するので、ノッキングを防止するには燃焼室の外周側を冷却するのが効果的である。このため、冷却通路２００及び第１遮熱層１０１は、ピストン本体１００の外周側寄りに円形状または円弧状に配置するのが望ましい。
尚、本実施形態では、第１遮熱層１０１と冷却通路２００との平均離間距離Ｌｍ１と、第２遮熱層１０２と冷却通路２００との平均離間距離Ｌｍ２との関係がＬｍ１＜Ｌｍ２となるようにしたが、第１遮熱層１０１と冷却通路２００との重複率を、第２遮熱層１０２と冷却通路２００との重複率よりも大きくしても良いものである。
より具体的には、図１０に示されるように、ピストン本体１００をその摺動方向に燃焼室側から投影視した場合に、第１遮熱層１０１の投影面積を「Ｓ１０」、第２遮熱層１０２の投影面積を「Ｓ２０」、第１遮熱層１０１と冷却通路２００とが重なる部分の投影面積を「Ｓ１１」、第２遮熱層１０２と冷却通路２００とが重なる部分の投影面積を「Ｓ２１」とする。
そして、第１遮熱層１０１と冷却通路２００との重複率を「Ｓ１１／Ｓ１０」とし、第２遮熱層１０２と冷却通路２００との重複率を「Ｓ２１／Ｓ２０」とした場合に、以下の式を満足することが有効である。
Figure 2018184860
したがって、第１遮熱層１０１の重複率が第２遮熱層１０２の重複率に比べて大きくなるように、第１遮熱層１０１、第２遮熱層１０２、冷却通路２００の配置、大きさをそれぞれ定めることが必要である。このように、遮熱層と冷却通路の重複率が大きいと冷却通路による冷却効果が高くなるので、第１遮熱層１０１の重複率が第２遮熱層１０２の重複率より大きくすると、第１遮熱層１０１の方が第２遮熱層１０２に比べて冷却通路２００によってより強く冷却されるものとなる。
以上述べた通り、本実施形態によれば、「低熱伝導率及び低容積比熱」の第２遮熱層によって冷却損失を低減すると共に、「低熱伝導率及び高容積比熱」の第１遮熱層によってピストン本体に付着した燃料の気化が促進されて排気ガス有害成分を低減できる。また第１遮熱層と冷却通路との第１の離間距離が、第２の遮熱層と冷却通路の第２の離間距離よりも短いので、第１の遮熱層が冷却通路によって効率的に冷却されることによって、第１の遮熱層の温度が過度に上昇することがないのでノッキングやプレイグニッション等の異常燃焼の発生を抑制することができる。更に、冷却通路による第２の遮熱層の冷却が抑制されて冷却損失の増加を防止できるようになる。
次に、本発明の第２の実施形態について図１１、及び図１２を用いて説明する。図１１は本実施形態における内燃機関の要部断面を示している。また、図１２は、本実施形態のピストン本体を燃焼室側から見た上面を示している。そして、本実施形態における内燃機関では、燃料噴射弁５がエンジンヘッド７に設けられ、その噴射ノズルは燃焼室９に向けられており、燃料が燃焼室を貫通するように噴射される、所謂、筒内直接噴射式内燃機関である。
更に、ピストン本体１００の頂面の表面には下死点側に向かって凹んだキャビティ１０３が設けられている。そしてキャビティ１０３の底部には第１遮熱層１０１が設けられ、また、キャビティ１０３の外側のピストン本体１００の頂面には、第２遮熱層１０２が設けられている。ピストン本体１００の摺動方向で燃焼室側から見た場合に、キャビティ１０３と冷却通路２００の少なくとも一部が重なるようにキャビティ１０３と冷却通路２００が配置されている。
機関の冷機始動直後等の機関温度が低い場合には、圧縮行程の後期において燃料噴射弁５からキャビティ１０３に向けて燃料が噴射されることで、点火プラグ６の電極部近傍に燃料濃度の高い混合気が形成される。これによって混合気への着火性が良くなるため、点火時期を通常運転時よりも遅角しても安定な燃焼が行われ、点火遅角に伴う高温の排気ガスによって図示しない排気ガス浄化用触媒の昇温が効率的に行われるものである。更に冷機時には、キャビティ１０３の底面に設けられた第１遮熱層１０１が高温化することによって、キャビティ１０３の底面に形成した燃料液層は短時間で気化するので、未燃炭化水素や煤の排出が抑制されるものである。
また、ピストン本体１００の摺動方向で燃焼室側から見た場合に、キャビティ１０３と冷却通路２００の少なくとも一部が重なるようにキャビティ１０３と冷却通路２００が配置されているので、機関暖機後は冷却通路２００によってキャビティ１０３の底面に設けられた第１遮熱層１０１が効率良く冷却され、ノッキングやプレイグニッション等の異常燃焼の発生が抑制されるものである。
尚、キャビティ１０３の底面に設けられた第１遮熱層１０１をより効率良く冷却し、かつ第２遮熱層１０２からの冷却損失を低減するためには、キャビティ１０３側における冷却通路２００の幅を、その他の部分における冷却通路２００の幅に比べて広くして、キャビティ１０３と冷却通路２００との伝熱面積を大きくするのが有効である。
また、ピストン本体冷却用の冷却油を取り込む開口部（入口側）２００Ａをキャビティ１０３側に設け、冷却油を排出する開口部（出口側）２００Ｂをキャビティ１０３の反対側に配置するのが望ましい。このようにすると、キャビティ１０３側は入口側となって冷却油温度が低く、キャビティ１０３の対向側は出口側となって冷却油温度が高くなるため、キャビティ１０３の底面に設けられた第１遮熱層１０１が効率良く冷却され、しかも第２遮熱層１０２の冷却が抑制されるようになる。
筒内直接噴射式内燃機関に適用するピストンにおいては、燃料液層が形成されるピストン本体１００の頂面に局所的に第１遮熱層１０１を設けることで、効率的に噴射燃料の気化を促進でき、かつ第２遮熱層１０２の面積を最大化して冷却損失の低減を図ることができる。このためには、図１３に示すように、ピストン位置が上死点と下死点の中間付近に達した状態のときに、燃料噴射弁５から噴射された燃料噴霧２０の重心の延長軸線（中心線）２０Ａが、ピストン本体１００の頂面と交差する位置に第１遮熱層１０１を設けるのが有効である。
更に、第１遮熱層１０１と冷却通路２００との平均値間距離Ｌｍ１が第２遮熱層１０２と冷却通路２００との平均値間距離Ｌｍ２よりも短くなるように冷却通路２００、第１遮熱層１０１の位置、燃料噴霧２０の方向を定めるのが望ましい。また、第１遮熱層１０１と冷却通路２００との重複率を第２遮熱層１０２と冷却通路２００との重複率よりも大きくすることによって、暖機後の第１遮熱層１０１を効率良く冷却できるようにすることができる。
尚、燃料噴射弁５が多孔式ノズルにより構成されており、複数の燃料噴霧が形成される場合には、図１４に示すように、少なくともいずれか１つの噴霧の軸線２０Ａとピストンが交差する位置に第１遮熱層１０１を設けることで、第１遮熱層１０１による燃料液層の気化促進効果が得られる。
また、図１５Ａ、１５Ｂに示すように、複数の噴霧の延長軸線２０Ａとピストン本体１００の頂面が交差する位置に、延長軸線２０Ａに対応するように第１遮熱層１０１を複数設けることで、第１遮熱層１０１による燃料液層の気化促進効果を更に高めることができる。
更に、第１遮熱層１０１を複数設けた場合には、図１６に示すように、少なくともいずれか１つの第１遮熱層１０１と冷却通路２００との平均値間距離が、第２遮熱層１０２と冷却通路２００との平均値間距離よりも短くなるようにしても良いものである。または、少なくともいずれか１つの第１遮熱層１０１と冷却通路２００との重複率が、第２遮熱層１０２と冷却通路２００との重複率よりも大きくなるようにしても良いものである。
また、上述した通り、少なくともいずれか１つの第１遮熱層１０１は、燃焼室の排気側に配置された第１遮熱層１０１とすると、より高温となる排気側の第１遮熱層１０１が冷却通路２００に近接されているので強く冷却され、ノッキングやプレイグニッション等の異常燃焼の抑制に更に効果的である。
更に、近年では燃費、ＣＯ２の低減のために、車両の一時停止時には機関の運転を停止する所謂、アイドリングストップ制御が広く採用されている。アイドリングストップ中には、容積比熱が大きな第１遮熱層１０１は高温状態で保持される。このため、第１遮熱層１０１の表面近傍の空気が加熱され、機関再起動時にプレイグニッションの原因となる。これを防止するには、アイドリングストップ中に冷却油ジェットノズルより冷却油をピストン本体の冷却通路２００内に供給し、第１遮熱層１０１を冷却するのが効果的である。この場合は電動式のポンプによって冷却油を供給すれば良いものである。
次に、上述した第１遮熱層１０１及び第２遮熱層１０２の構成について、図１７及び図１８を用いて詳細に説明する。
尚、以下では第１遮熱層１０１及び第２遮熱層１０２の両者を併せて表面層として説明する。図１７は表面層を模式的に示す断面である。表面層１００ｓは、母相１３０と母相１３０に分散された中空粒子１３４を含んでいる。中空粒子１３４は、内部に空孔１３５を有する粒子である。そして母相１３０は、複数の金属粒子が結合して構成された金属層１３６と、金属粒子の結合部分以外の部分で囲まれて構成された空隙（言い換えると、金属粒子間に形成された空隙）１３７とを有し、この空隙１３７に中空粒子１３４が含まれている。
そして、母相１３０が有する空隙１３７と、中空粒子１３４が有する空孔１３５が表面層１００ｓを占める体積割合を「気孔率」と称する。気孔率を高めることで、表面層１００ｓの熱伝導率及び容積比熱を小さくすることができる。したがって、第１遮熱層１０１では、第２遮熱層１０２に比べて熱伝導率を大きくし、且つ大きな容積比熱を得るため、その気孔率は第２遮熱層１０２の気孔率に比べて小さくする。表面層１００ｓが第１遮熱層１０１を構成する場合には、低熱伝導率・高容積比熱とするために、気孔率は例えば２０％程度とする。一方、表面層１００ｓが第２遮熱層１０２を構成する場合には、低熱伝導率・低容積比熱とするために、気孔率は例えば５０％程度とする。
また、表面層１００ｓは内燃機関の中の過酷な環境（高温、高圧、強振動）に耐えるため、基材１００ｍへの高い密着性と、高い引張り強度とが求められる。そして、多孔体である表面層１００ｓの主要部分を構成する母相１３０を金属層１３６とすることで、金属からなる基材１００ｍと表面層１００ｓとの高い密着性及び高い耐久性を得ることができる。
また、母相１３０の空隙１３７中に中空粒子１３４を含有させ、母相１３０中の空隙１３７と中空粒子１３４の空孔１３５とを合わせることで、低熱伝導率化に必要な気孔率を確保しつつ、母相１３０中の空隙１３７の体積量を抑えて、表面層１００ｓの強度を高く保つことができる。
金属層１３６は、金属粒子が焼結によって結合された焼結金属で構成することが好ましい。図１８には図１７の金属層１３０を構成する金属粒子を拡大したものが示されている。図１８に示されるように、金属粒子１３８の一部同士が焼結によって結合し、ネック１３９を有していることが好ましい。このネック１３９によって金属粒子間の空間を確保し、空隙１３７を形成することができる。また、焼結密度を制御することで空隙１３７の割合を制御し、表面層１００ｓの熱伝導率、容積比熱、強度を種々に変更することができる。
金属層１３６と基材１００ｍは、同じ金属をそれぞれの主成分として含むことが好ましい。具体的には、基材１００ｍをアルミニウム（Ａｌ）合金とし、金属層１３６をアルミニウム（Ａｌ）とすることが好ましい。このように基材１００ｍと、表面層１３０の主要部分を構成する金属層１３６を同系金属で構成することによって、基材１００ｍと多孔構造を有する表面層１００ｓの界面で強固な固相接合部を形成して高い密着性を確保し、耐久性に優れた表面層１００ｓを実現できる。
中空粒子１３４の素材としては、表面層１３０の断熱性能を確保するため熱伝導率が小さく、中空であっても強度が高い材料が好ましい。このような材料としては、シリカ、アルミナ、ジルコニアなどが挙げられる。例えばシリカを主成分とする中空粒子としてはセラミックビーズ、シリカエアロゲル、多孔ガラスなどがある。
以上述べた通り、本発明によれば、ピストン本体内に冷却通路を形成し、且つピストン本体の頂面に、ピストン基材に比べて熱伝導率と容積比熱が小さい材料で作られた第１の遮熱層と、この第１の遮熱層に比べて熱伝導率と容積比熱が小さい材料で作れられた第２の遮熱層とを設け、第１の遮熱層と冷却通路とを結ぶ第１の離間距離が、第２の遮熱層１０２と冷却通路２００とを結ぶ第２の離間距離よりも短く設定されている構成としたものである。また、ピストン本体の冷却通路内に冷却媒体を供給し、かつ冷却媒体の流量を変更する冷却媒体可変供給手段を備え、内燃機関の冷却水温または潤滑油温に基づいて、冷却媒体可変供給手段によって冷却通路への冷却媒体の供給量を変える構成としたものである。
これによれば、第２の遮熱層によって冷却損失を低減すると共に、第１の遮熱層によってピストン本体に付着した燃料の気化が促進されて排気ガス有害成分を低減できるようになる。また第１の遮熱層と冷却通路との第１の離間距離が、第２の遮熱層と冷却通路の第２の離間距離よりも短いので、第１の遮熱層が冷却通路によって効率的に冷却されることによって、第１の遮熱層の温度が過度に上昇することがないのでノッキングやプレイグニッション等の異常燃焼の発生を抑制することができるようになる。
尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
５…燃料噴射弁、６…点火プラグ、２０…燃料噴霧、２０Ａ…燃料噴霧の軸線、１００…ピストン本体、１００ｍ…ピストン基材、１００ｓ…表面層、１０１…第１遮熱層、１０２…第２遮熱層、１０３…キャビティ、２００…冷却通路、２０１…冷却油ジェット、１３０…母相、１３４…中空粒子、１３５…空孔、１３６…金属層、１３７…空隙、１３８…金属粒子、１３９…ネック。

Claims (20)

  1. 冷却通路が形成されたピストン本体と、前記ピストン本体の頂面に燃焼室の一部となる第１遮熱層及び第２遮熱層を形成した内燃機関のピストンであって、
    前記第１遮熱層は、前記ピストン本体を形成するピストン基材の熱伝導率及び容積比熱に比べて、小さな熱伝導率及び同等か小さい容積比熱を有する材料で形成され、
    前記第２遮熱層は、前記第１遮熱層の熱伝導率及び容積比熱に比べて、小さな熱伝導率及び小さな容積比熱を有する材料で形成され、
    更に、前記第１遮熱層と前記冷却通路との離間距離が、前記第２遮熱層と前記冷却通路との離間距離よりも短く設定されている
    ことを特徴とする内燃機関のピストン。
  2. 請求項1に記載の内燃機関のピストンにおいて、
    前記ピストン本体の摺動方向で前記燃焼室の側から見た場合に、前記第１遮熱層が前記冷却通路の少なくとも一部と重なる位置に形成されている
    ことを特徴とする内燃機関のピストン。
  3. 請求項２に記載の内燃機関のピストンにおいて、
    前記ピストン本体の摺動方向で前記燃焼室の側から見た場合に、前記第１遮熱層の投影面積に対する前記第１遮熱層と前記冷却通路との重複した投影面積の比を、前記第２遮熱層の投影面積に対する前記第２遮熱層と前記冷却通路との重複した投影面積の比よりも大きく設定されている
    ことを特徴とする内燃機関のピストン。
  4. 請求項1に記載の内燃機関のピストンにおいて、
    前記ピストン本体の下死点への移動方向を下側とした場合に、前記第１遮熱層の下面の少なくとも一部は、前記第２遮熱層の下面よりも下側に位置している
    ことを特徴とする内燃機関のピストン。
  5. 請求項1乃至請求項３のいずれか１項に記載の内燃機関のピストンにおいて、
    前記第１遮熱層は、前記第２遮熱層よりも前記燃焼室の半径の大きい領域側に配置されている
    ことを特徴とする内燃機関のピストン。
  6. 請求項1乃至請求項３のいずれか１項に記載の内燃機関のピストンにおいて、
    前記第１遮熱層及び前記冷却通路は円状または円弧状に形成されて前記ピストン本体に配置されている
    ことを特徴とする内燃機関のピストン。
  7. 請求項1乃至請求項３のいずれか１項に記載の内燃機関のピストンにおいて、
    前記冷却通路は、前記燃焼室の中心付近よりも排気側に形成されている
    ことを特徴とする内燃機関のピストン。
  8. 請求項1乃至請求項３のいずれか１項に記載の内燃機関のピストンにおいて、
    前記ピストン本体の頂面にキャビティが形成され、前記キャビティの少なくとも底面に前記第１遮熱層が設けられている
    ことを特徴とする内燃機関のピストン。
  9. 請求項８に記載の内燃機関のピストンにおいて、
    前記ピストン本体の摺動方向で前記燃焼室の側から見た場合に、前記キャビティと前記冷却通路の少なくとも一部が重複し、前記キャビティの側の前記冷却通路の幅が、前記キャビティと対向する側の前記冷却通路の幅よりも広いことを特徴する内燃機関のピストン。
  10. 請求項８に記載の内燃機関のピストンにおいて、
    前記冷却通路の冷却油の入口が前記キャビティの側に形成され、前記冷却通路の冷却油の出口が前記キャビティの対向側に形成されている
    ことを特徴する内燃機関のピストン。
  11. 請求項1乃至請求項１０のいずれか１項に記載の内燃機関のピストンにおいて、
    前記ピストン本体は、前記燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた筒内直接噴射式内燃機関に用いられる
    ことを特徴とする内燃機関のピストン。
  12. 請求項1１に記載の内燃機関のピストンにおいて、
    前記ピストン本体が上死点と下死点との中間位置付近にある場合に、前記燃料噴射弁から噴射される噴霧の軸線の少なくとも１つと交差する位置に、前記第１遮熱層が形成されている
    ことを特徴とする内燃機関のピストン。
  13. 冷却通路が形成されたピストン本体と、前記ピストン本体の頂面の表面に燃焼室の一部となる第１遮熱層及び第２遮熱層を形成した内燃機関のピストンであって、
    前記第１遮熱層は、前記ピストン本体を形成するピストン基材の熱伝導率及び容積比熱に比べて、小さな熱伝導率及び同等か小さい容積比熱を有する材料で形成され、
    前記第２遮熱層は、前記第１遮熱層の熱伝導率及び容積比熱に比べて、小さな熱伝導率及び小さな容積比熱を有する材料で形成され、
    更に、前記第１遮熱層は、前記燃焼室の中心付近よりも吸気側及び排気側に配置され、前記排気側に配置された前記第１遮熱層と前記冷却通路との離間距離が、前記第２遮熱層と前記冷却通路との離間距離よりも短く設定されている
    ことを特徴とする内燃機関のピストン。
  14. 請求項1乃至請求項１３のいずれか１項に記載の内燃機関のピストンにおいて、
    前記第１遮熱層と前記第２遮熱層は多孔質体により形成され、前記第１遮熱層の気孔率が前記第２遮熱層の気孔率よりも小さく設定されている
    ことを特徴とする内燃機関のピストン。
  15. 請求項1乃至請求項１３のいずれか１項に記載の内燃機関のピストンにおいて、
    前記第１遮熱層は前記第２遮熱層よりも厚さが大きく設定されている
    ことを特徴とする内燃機関のピストン。
  16. 請求項1乃至請求項１５のいずれか１項に記載の内燃機関のピストンにおいて、
    前記第１遮熱層が前記燃焼室を形成する総面積は、前記第２遮熱層が前記燃焼室を形成する総面積よりも小さく設定されている
    ことを特徴とする内燃機関のピストン。
  17. 請求項1乃至請求項１６のいずれか１項に記載の内燃機関のピストンと、前記冷却通路内に冷却媒体を供給する冷却媒体供給手段と、冷却媒体の流量を変更する冷却媒体可変手段を備え、
    前記内燃機関の冷却水温または潤滑油温に基づいて、前記冷却媒体可変手段によって前記冷却媒体供給手段から前記冷却通路への冷却媒体の供給量が調整される
    ことを特徴とする内燃機関のピストン冷却制御方法。
  18. 請求項1７に記載の内燃機関のピストン冷却制御方法において、
    冷却水温℃または潤滑油温度が高い場合は、冷却水温または潤滑油温が低い場合に比べて前記冷却通路への冷却媒体の供給量が増加される
    ことを特徴とする内燃機関のピストン冷却制御方法。
  19. 請求項1７に記載の内燃機関のピストン冷却制御方法において、
    冷却水温または潤滑油温が所定温度より低い場合には、前記冷却通路への冷却媒体の供給が停止され、冷却水温または潤滑油温が所定温度より高い場合には、前記冷却通路へ冷却媒体が供給される
    ことを特徴とする内燃機関のピストン冷却制御方法。
  20. 請求項1乃至請求項１６のいずれか１項に記載の内燃機関のピストンと、前記冷却通路内に冷却媒体を供給する冷却媒体供給手段と、冷却媒体の流量を変更する冷却媒体可変手段を備え、
    前記内燃機関のアイドリングストップ期間中に、前記冷却媒体供給手段から前記冷却通路へ冷却媒体が供給される
    ことを特徴とする内燃機関のピストン冷却制御方法。
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