+

WO2018198786A1 - 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

Info

Publication number
WO2018198786A1
WO2018198786A1 PCT/JP2018/015347 JP2018015347W WO2018198786A1 WO 2018198786 A1 WO2018198786 A1 WO 2018198786A1 JP 2018015347 W JP2018015347 W JP 2018015347W WO 2018198786 A1 WO2018198786 A1 WO 2018198786A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piston
combustion engine
internal combustion
heat shield
shield layer
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/015347
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
助川　義寛
高橋　智一
Original Assignee
日立オートモティブシステムズ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日立オートモティブシステムズ株式会社 filed Critical 日立オートモティブシステムズ株式会社
Priority to US16/606,992 priority Critical patent/US20210102511A1/en
Priority to CN201880027062.8A priority patent/CN110546367A/zh
Publication of WO2018198786A1 publication Critical patent/WO2018198786A1/ja

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/002—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working by rapid cooling or quenching; cooling agents used therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01M—LUBRICATING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; LUBRICATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES; CRANKCASE VENTILATING
    • F01M1/00—Pressure lubrication
    • F01M1/08—Lubricating systems characterised by the provision therein of lubricant jetting means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01M—LUBRICATING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; LUBRICATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES; CRANKCASE VENTILATING
    • F01M1/00—Pressure lubrication
    • F01M1/16—Controlling lubricant pressure or quantity
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/06—Arrangements for cooling pistons
    • F01P3/10—Cooling by flow of coolant through pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P7/00—Controlling of coolant flow
    • F01P7/14—Controlling of coolant flow the coolant being liquid
    • F01P7/16—Controlling of coolant flow the coolant being liquid by thermostatic control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/10—Pistons  having surface coverings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/10—Pistons  having surface coverings
    • F02F3/12—Pistons  having surface coverings on piston heads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/10—Pistons  having surface coverings
    • F02F3/12—Pistons  having surface coverings on piston heads
    • F02F3/14—Pistons  having surface coverings on piston heads within combustion chambers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J1/00—Pistons; Trunk pistons; Plungers
    • F16J1/01—Pistons; Trunk pistons; Plungers characterised by the use of particular materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J1/00—Pistons; Trunk pistons; Plungers
    • F16J1/09—Pistons; Trunk pistons; Plungers with means for guiding fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01M—LUBRICATING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; LUBRICATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES; CRANKCASE VENTILATING
    • F01M1/00—Pressure lubrication
    • F01M1/08—Lubricating systems characterised by the provision therein of lubricant jetting means
    • F01M2001/086—Lubricating systems characterised by the provision therein of lubricant jetting means for lubricating gudgeon pins
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2251/00—Material properties
    • F05C2251/04—Thermal properties
    • F05C2251/048—Heat transfer

Definitions

  • the present invention relates to a piston forming a combustion chamber of an internal combustion engine, and more particularly to a piston of an internal combustion engine in which a heat shield layer is formed on the combustion chamber side surface of the top surface of the piston body and a cooling control method for the piston.
  • a part of heat generated by combustion passes through a piston or a cylinder wall surface from the combustion chamber and is discharged to the outside, resulting in a cooling loss.
  • the surface temperature of the top surface of the piston body is reduced by forming a layer with low thermal conductivity and low heat capacity on the combustion chamber side surface of the top surface of the piston body that occupies a relatively large area of the combustion chamber wall surface.
  • a so-called temperature swing heat insulation method is known in which the heat flux on the piston surface is reduced by following the in-cylinder combustion gas temperature with a delay.
  • the top surface including the surface forming the combustion chamber formed on the top surface of the piston body is described. Therefore, the top surface of the piston body means the surface of the piston body on the combustion chamber side.
  • Patent Document 1 forms an anodized layer with low thermal conductivity and low heat capacity on the top surface of the piston body. And the technique of arrange
  • an anodized layer having a low thermal conductivity and a low heat capacity is formed on the top surface of the piston body, and among the anodized layers, the anodized layer is formed on the surface of the fuel injection region. If a metal skin layer having a relatively higher heat capacity is disposed, the temperature of the metal skin layer having a high heat capacity becomes excessively high during the combustion of the air-fuel mixture, which may cause the occurrence of abnormal combustion such as knocking and pre-ignition. . Therefore, development of a piston that suppresses abnormal combustion such as knocking and pre-ignition, and a cooling control method for cooling the piston is required.
  • An object of the present invention is to provide a new internal combustion engine piston and piston cooling control method capable of achieving both improvement in thermal efficiency and reduction of exhaust gas harmful components and suppressing occurrence of abnormal combustion such as knocking and pre-ignition. Is to provide.
  • the first feature of the present invention is that a cooling passage is formed in the piston body, and the top surface of the piston body is a first shielding made of a material having a smaller thermal conductivity and volume specific heat than the piston base material.
  • a thermal layer and a second thermal barrier layer made of a material having a smaller thermal conductivity and volume specific heat than the first thermal barrier layer are provided, and the first thermal barrier layer and the cooling passage are connected to each other.
  • the separation distance of 1 is set to be shorter than the second separation distance connecting the second heat shield layer and the cooling passage.
  • a cooling medium variable supply means for supplying a cooling medium into the cooling passage of the piston main body and changing the flow rate of the cooling medium, so that the cooling water temperature or the lubricating oil temperature of the internal combustion engine can be adjusted. Based on this, the supply amount of the cooling medium to the cooling passage is changed by the cooling medium variable supply means.
  • the second heat shield layer can reduce the cooling loss, and the first heat shield layer can promote the vaporization of the fuel adhering to the top surface of the piston body, thereby reducing the exhaust gas harmful components.
  • the first heat shield layer is more efficient by the cooling passage. Since the temperature of the first heat shield layer does not rise excessively by being cooled, the occurrence of abnormal combustion such as knocking or pre-ignition can be suppressed.
  • FIG. 1 It is sectional drawing which shows the cross section of the internal combustion engine provided with the piston which becomes the 1st Embodiment of this invention. It is explanatory drawing which shows the correlation of the base material which comprises the piston shown in FIG. 1, the heat conductivity of a thermal-insulation layer, and volume specific heat. It is the top view which looked at the piston shown in FIG. 1 from the cylinder head side.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a part of the vicinity of the top surface of the piston shown in FIG. 1. It is explanatory drawing explaining an example of the opening degree control method of a cooling oil flow control valve. It is explanatory drawing explaining the other example of the opening degree control method of a cooling oil flow control valve.
  • FIG. 14 is an explanatory diagram illustrating a positional relationship between an upper surface of a piston and a fuel injection valve illustrated in FIG. 13 and illustrating a case where a single first heat shield layer is provided.
  • FIG. 14 is an explanatory diagram for explaining the positional relationship between the upper surface of the piston and the fuel injection valve shown in FIG. 13 and showing a plurality of first heat shield layers. It is a top view of the piston explaining the positional relationship between the fuel injection point of FIG. 15A and the first heat shield layer. It is a top view at the time of providing a plurality of first heat shield layers on the piston shown in FIG. It is sectional drawing which showed the structure of the surface layer of a piston typically. It is the enlarged view which showed typically the structure of the metal particle which comprises the metal layer of FIG.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of an internal combustion engine using a piston according to the first embodiment.
  • the internal combustion engine IC is a spark ignition type four-cycle internal combustion engine, and includes a cylinder head 7, a cylinder 8, a piston body 100, A combustion chamber 9 is formed by the intake valve 3 and the exhaust valve 4.
  • the piston includes a piston main body 100, a connecting rod that connects the crankshaft and the piston main body 100, a piston ring, and the like.
  • a fuel injection valve 5 is provided in the intake port 1, and its injection nozzle penetrates into the intake port, forming a so-called port injection type internal combustion engine. Further, an exhaust port 2 for discharging the combustion gas in the combustion chamber 9 is provided, and an ignition plug 6 for igniting the air-fuel mixture is provided.
  • a first heat shield layer 101 and a second heat shield layer 102 are provided on the combustion chamber side surface of the top surface of the piston main body 100 formed of the piston base material 100m.
  • the first heat shield layer 101 and the second heat shield layer 102 form a part of the combustion chamber 9.
  • the first thermal barrier layer 101 is made of a thin plate material or a coating material having “low thermal conductivity and high volumetric specific heat”. Yes. It is desirable that the thermal conductivity is 1 to 10 W / mK, the volume specific heat is 1000 kJ / m 3 K or more, and the thickness is 200 ⁇ m or more.
  • the second heat shielding layer 102 is made of a thin plate material or a coating material having “low thermal conductivity and low volumetric specific heat”.
  • the thermal conductivity is preferably 0.5 W / mK or less, the volume specific heat is 500 kJ / m 3 K or less, and the thickness is preferably 50 to 200 ⁇ m.
  • the piston base material 100m is made of aluminum alloy, iron, titanium alloy, etc., and its thermal conductivity is about 50 to 200 W / mK, and its volume specific heat is about 2000 to 3000 kJ / m 3 K. Therefore, the thermal conductivity has a relationship of piston base material> first heat shield layer> second heat shield layer, and the volume specific heat has a relationship of piston base material> first heat shield layer> second heat shield layer. You have a relationship.
  • the first thermal barrier layer 101 having “low thermal conductivity and high volumetric specific heat” has a function of being difficult to transmit heat and easily holding heat (large heat capacity).
  • the second thermal barrier layer 102 has a function of hardly transmitting heat and having a quick thermal response (small heat capacity).
  • the reason why the thermal conductivity of the second thermal barrier layer 102 is set smaller than that of the first thermal barrier layer 101 is to reduce heat transfer from the second thermal barrier layer 102 ( This is because the heat loss is increased) and the cooling loss is reduced. Specific materials for the first heat shield layer 101 and the first heat shield layer 102 will be described later.
  • FIG. 2 shows the approximate relationship between the heat conductivity and the volumetric specific heat of each of the piston base material 100m, the first heat shield layer 101, and the second heat shield layer 102 in this embodiment.
  • the thermal conductivity and volumetric specific heat of the first heat shield layer 101 are basically smaller than the thermal conductivity and volumetric specific heat of the piston base material 100m.
  • the thermal conductivity and the specific volume heat of the second thermal barrier layer 102 are set to be smaller than the thermal conductivity and the specific volume heat of the first thermal barrier layer 101, respectively.
  • a specific configuration example of the first heat shield layer 101 and the second heat shield layer 102 will be described later.
  • an annular cooling passage 200 is provided inside the piston body 100.
  • a part of the bottom surface of the cooling passage 200 is open, and the cooling oil is jetted from the cooling oil jet nozzle 201 toward the opening 200A of the cooling passage 200.
  • the cooling oil that has entered the cooling passage 200 is discharged from an opening 200B provided on the opposite side.
  • the cooling oil is pressurized by the cooling oil pump 203 and supplied to the cooling oil jet nozzle 201 via the cooling oil flow rate adjustment valve 202.
  • the flow rate of the cooling oil supplied to the cooling oil jet nozzle 201 is adjusted by a valve opening command value 205 to the cooling oil flow rate adjustment valve 202 by the controller 204.
  • Information such as the lubricating oil temperature of the engine and the cooling water temperature detected by a temperature sensor (not shown) is input to the controller 204.
  • the piston main body 100 is cooled using a so-called cooling channel.
  • FIG. 3 shows the top surface of the piston body 100 as viewed from the combustion chamber side in the sliding direction.
  • the second heat shield layer 102 having a substantially circular shape is disposed in the vicinity of the center of the surface of the piston base material 100m, and the first heat shield layer 101 having an annular shape is disposed around the second heat shield layer 102.
  • the diameter of the second heat shield layer 102 and the width (radial direction) of the annular portion of the first heat shield layer 101 so that the area of the second heat shield layer 102 is larger than the area of the first heat shield layer 101. Is stipulated.
  • the area ratio of the area of the 2nd thermal insulation layer 102 and the area of the 1st thermal insulation layer 101 is set to the ratio of about 7: 3, and the area of the 2nd thermal insulation layer 102 is made wider. This is to further reduce the cooling loss.
  • FIG. 4 shows an enlarged part of the cross section of the piston body 100.
  • the minute area of the bottom surface of the first heat shield layer 101 and the second heat shield layer 102 is dA, and the surface of the cooling passage 200 from the contact surface of the first heat shield layer 101 and the second heat shield layer 102 with the piston base material 100m.
  • L1 and L2 are defined as the shortest separation distances until the average separation distance Lm between the first and second heat shielding layers 101 and 102 and the cooling passage 200 is defined by the following equation.
  • the average separation distance Lm1 between the first heat shield layer 101 and the cooling passage 200 by disposing the first heat shield layer 101 on the top surface of the piston main body 100 in the vicinity of the cooling passage 200, the average separation distance Lm1 between the first heat shield layer 101 and the cooling passage 200, and the first (2)
  • the relationship between the average separation distance Lm2 between the heat shield layer 102 and the cooling passage 200 is Lm1 ⁇ Lm2.
  • Lm1 ⁇ Lm2 for example, when viewed from the combustion chamber side in the sliding direction of the piston body 100, as shown in FIG. It is desirable to arrange the first heat shield layer 101 at a position where at least a part of the 200 overlaps.
  • FIG. 5 shows a control example of the coolant flow control valve 202 by the controller 204 after the internal combustion engine IC is cold started.
  • Twc a predetermined water temperature
  • the valve body of the cooling oil flow control valve 202 is closed, and when the cooling water temperature exceeds Twc, the valve body of the cooling oil flow control valve 202 Is opened.
  • Twc a predetermined water temperature
  • the piston body 100 is cooled by the cooling oil jet only when the water temperature is higher than Twc. It goes without saying that the same control may be performed based on the lubricating oil temperature instead of the cooling water temperature.
  • the opening degree of the cooling oil flow control valve 202 may be continuously increased as the cooling water temperature or the lubricating oil temperature rises.
  • the cooling effect of the piston main body 100 by the cooling oil jet becomes higher as the cooling water temperature or the lubricating oil temperature becomes higher.
  • the valve opening degree of the cooling oil flow rate control valve 202 is continuously increased as the cooling water temperature or the lubricating oil temperature rises, the cooling control of the piston body 100 by the cooling oil jet is finely performed. This is effective in maximizing the reduction of knocking and suppressing knocking and pre-ignition more effectively.
  • the relationship between the cooling water temperature or the lubricating oil temperature and the valve opening is arbitrary, and may be determined appropriately from the cooling characteristics of the piston body 100 and the like.
  • FIG. 8 shows the change over time of the surface temperature of the top surface of the piston main body 100 when the internal combustion engine IC provided with the piston according to the present embodiment is subjected to combustion operation. More specifically, FIG. 8 shows the change of the surface temperature of the first thermal barrier layer 101 and the second thermal barrier layer 102 with respect to the crank angle in one combustion cycle consisting of intake, compression, expansion, and exhaust strokes of the internal combustion engine. It is shown. For reference, FIG. 8 also shows the surface temperature of a normal piston composed only of a conventional piston base material 100m in which the first heat shield layer 101 and the second heat shield layer 102 are not provided.
  • the second thermal barrier layer 102 is made of a material having “low thermal conductivity and low volume specific heat”, the surface temperature follows the change of the combustion gas temperature in the combustion chamber with a small time delay and a small temperature difference. . That is, from the middle of the intake stroke to the middle of the compression stroke, the in-cylinder gas temperature decreases due to the introduction of fresh air into the combustion chamber, and the surface temperature of the second heat shield layer 102 decreases accordingly. Furthermore, in the exhaust stroke from the latter half of the compression stroke, the in-cylinder gas temperature increases due to the compression and combustion of the in-cylinder gas, and the surface temperature of the second heat shield layer 102 increases accordingly.
  • the surface temperature changes following the in-cylinder gas temperature, so that the amount of heat transfer between the in-cylinder gas and the top wall surface of the piston body 100 is reduced, and the engine cooling is performed. Loss can be reduced. This is a so-called temperature swing heat insulation method called a heat loss reduction method.
  • the first thermal barrier layer 101 is formed of a material having “low thermal conductivity and high volume specific heat”, its surface temperature is usually higher than the surface temperature of the piston. It hardly follows the change in the in-cylinder gas temperature. For this reason, the change width of the surface temperature in one combustion cycle of the first heat shield layer 101 is smaller than the change width of the surface temperature of the second heat shield layer 102.
  • the change width of the surface temperature in the combustion cycle of the second heat shield layer 102 is about 500 ° C.
  • the change width of the surface temperature in the combustion cycle of the first heat shield layer 101 is about 50 ° C. ° C.
  • the temperature of the air-fuel mixture in the vicinity of the wall surface of the combustion chamber including the top surface of the piston body 100 is low. Of unburned hydrocarbons. Further, even when fuel droplets adhere to the wall surface, if the engine temperature is low, the evaporation thereof is slow, so that the amount of unburned hydrocarbon emissions increases.
  • the second heat shield layer 102 made of a material having “low thermal conductivity and low volume specific heat” is provided on the top surface of the piston main body 100, the intake stroke to the compression stroke are performed. Since the surface temperature becomes lower than the normal surface temperature, the amount of unburned hydrocarbons discharged during cold operation increases.
  • the surface of the first thermal barrier layer 101 in the compression stroke from the intake stroke becomes high temperature.
  • the heat causes the in-cylinder gas containing unburned components near the surface of the first heat shield layer 101 to have a high temperature.
  • the in-cylinder gas having a high temperature has a thin flame extinguishing thickness and promotes vaporization of the droplets adhering to the surface of the first heat shield layer 101.
  • the first thermal barrier layer 101 is made of a material having “low thermal conductivity and high volumetric specific heat”, the temperature of the first thermal barrier layer 101 increases as the number of combustion increases and the engine temperature increases. Become. Along with this, the unburned gas temperature near the surface of the first heat shield layer 101 becomes excessively high, and as a result, abnormal combustion such as knocking or pre-ignition may occur.
  • a state that causes abnormal combustion such as knocking or pre-ignition is estimated from the fact that the cooling water temperature or the lubricating oil temperature has reached a predetermined temperature, and when the cooling water temperature or the lubricating oil temperature is higher than the predetermined temperature, the cooling oil
  • the piston main body 100 is cooled by a jet.
  • the separation distance between the cooling passage 200 of the piston body 100 and the first heat shield layer 101 is shorter than the separation distance between the cooling passage 200 of the piston body 100 and the second heat shield layer 102.
  • the cooling effect of the heat shield layer by the cooling passage 200 becomes stronger as the separation distance between the cooling passage 200 and the heat shield layer is closer. . Accordingly, the first heat shield layer 101 is strongly cooled by the cooling passage 200, while the second heat shield layer 102 has a small cooling action by the cooling passage 200.
  • FIG. 9 shows a temporal change in the average temperature of the combustion cycle of the first thermal barrier layer 101 according to the present embodiment.
  • the present embodiment as a result of the temperature of the first heat shield layer 101 being kept low after completion of warm-up, occurrence of abnormal combustion such as knocking or pre-ignition when the engine temperature rises can be suppressed. Further, since the second heat shield layer 102 has a weak cooling effect by the cooling passage 200, an increase in cooling loss can be suppressed.
  • the cooling of the piston main body 100 by the cooling oil jet is stopped by the cooling oil injection stop or the flow rate decrease, or the cooling effect Therefore, since the temperature of the first heat shield layer 101 during engine cooling is not lowered, the effect of reducing exhaust gas harmful components can be enhanced.
  • the temperature of the in-cylinder gas is generally the highest at the center of the combustion chamber and decreases toward the outer peripheral wall of the combustion chamber. For this reason, the effect of reducing the cooling loss is higher when the second heat shield layer 102 is provided near the center of the top surface of the piston body.
  • the in-cylinder gas temperature is low on the outer peripheral side of the combustion chamber, flame extinguishing and insufficient fuel vaporization are likely to occur. If the temperature of the top surface of the piston body on the outer peripheral side is increased, the effect of reducing harmful components of exhaust gas is higher.
  • the cooling passage 200 and the first heat shield layer 101 be arranged in a circular shape or an arc shape near the outer peripheral side of the piston main body 100.
  • the relationship between the average separation distance Lm1 between the first heat shield layer 101 and the cooling passage 200 and the average separation distance Lm2 between the second heat shield layer 102 and the cooling passage 200 is Lm1 ⁇ Lm2.
  • the overlap ratio between the first heat shield layer 101 and the cooling passage 200 may be larger than the overlap ratio between the second heat shield layer 102 and the cooling passage 200.
  • the projected area of the first heat shield layer 101 is “S 10 ”
  • the second The projected area of the heat shield layer 102 is “S 20 ”
  • the projected area of the portion where the first heat shield layer 101 and the cooling passage 200 overlap is “S 11 ”
  • the portion where the second heat shield layer 102 and the cooling passage 200 overlap is “S 21 ”.
  • the overlapping rate between the first heat shield layer 101 and the cooling passage 200 is “S 11 / S 10 ”, and the overlapping rate between the second heat shield layer 102 and the cooling passage 200 is “S 21 / S 20 ”. In this case, it is effective to satisfy the following formula.
  • the arrangement and size of the first heat shield layer 101, the second heat shield layer 102, and the cooling passage 200 are set so that the overlap rate of the first heat shield layer 101 is larger than the overlap rate of the second heat shield layer 102. It is necessary to determine each.
  • the cooling effect by the cooling passage is enhanced when the overlap ratio between the heat shield layer and the cooling passage is large, when the overlap ratio of the first heat shield layer 101 is larger than the overlap ratio of the second heat shield layer 102, The first heat shield layer 101 is cooled more strongly by the cooling passage 200 than the second heat shield layer 102.
  • the second heat shield layer having “low thermal conductivity and low volume specific heat” reduces the cooling loss
  • the first heat shield layer having “low heat conductivity and high volume specific heat” reduces the cooling loss
  • the first heat shield layer having “low heat conductivity and high volume specific heat” reduces the cooling loss
  • the first heat shield layer having “low heat conductivity and high volume specific heat” reduces the cooling loss
  • the first heat shield layer having “low heat conductivity and high volume specific heat” reduces the cooling loss
  • FIG. 11 shows a cross section of the main part of the internal combustion engine in the present embodiment.
  • FIG. 12 shows an upper surface of the piston body of this embodiment as viewed from the combustion chamber side.
  • the fuel injection valve 5 is provided in the engine head 7, the injection nozzle is directed to the combustion chamber 9, and the so-called fuel is injected so as to penetrate the combustion chamber.
  • This is an in-cylinder direct injection internal combustion engine.
  • a cavity 103 that is recessed toward the bottom dead center is provided on the top surface of the piston body 100.
  • a first heat shield layer 101 is provided at the bottom of the cavity 103, and a second heat shield layer 102 is provided on the top surface of the piston body 100 outside the cavity 103.
  • the cavity 103 and the cooling passage 200 are arranged so that at least a part of the cavity 103 and the cooling passage 200 overlap.
  • the cavity 103 and the cooling passage 200 are arranged so that at least a part of the cavity 103 and the cooling passage 200 overlap when viewed from the combustion chamber side in the sliding direction of the piston main body 100, the engine is warmed up.
  • the first heat shield layer 101 provided on the bottom surface of the cavity 103 is efficiently cooled by the cooling passage 200, and the occurrence of abnormal combustion such as knocking and pre-ignition is suppressed.
  • the width of the cooling passage 200 on the cavity 103 side is reduced. It is effective to increase the heat transfer area between the cavity 103 and the cooling passage 200 by making it wider than the width of the cooling passage 200 in other portions.
  • an opening (inlet side) 200A for taking in cooling oil for cooling the piston body is provided on the cavity 103 side, and an opening (outlet side) 200B for discharging the cooling oil is disposed on the opposite side of the cavity 103.
  • the cavity 103 side becomes the inlet side and the cooling oil temperature is low, and the opposite side of the cavity 103 becomes the outlet side and the cooling oil temperature becomes high. Therefore, the first shielding provided on the bottom surface of the cavity 103 is performed.
  • the thermal layer 101 is efficiently cooled and the cooling of the second thermal barrier layer 102 is suppressed.
  • the first heat shield layer 101 is locally provided on the top surface of the piston body 100 where the fuel liquid layer is formed, so that the injected fuel is efficiently vaporized.
  • the area of the second heat shield layer 102 can be maximized and the cooling loss can be reduced.
  • the extension axis of the center of gravity of the fuel spray 20 injected from the fuel injection valve 5 It is effective to provide the first heat shield layer 101 at a position where the center line 20 ⁇ / b> A intersects the top surface of the piston body 100.
  • the cooling passage 200 and the first shielding barrier 200 are arranged such that the average distance Lm1 between the first thermal barrier layer 101 and the cooling passage 200 is shorter than the average distance Lm2 between the second thermal barrier layer 102 and the cooling passage 200. It is desirable to determine the position of the thermal layer 101 and the direction of the fuel spray 20. Further, the first heat shield layer 101 after the warm-up is made efficient by making the overlap rate between the first heat shield layer 101 and the cooling passage 200 larger than the overlap rate between the second heat shield layer 102 and the cooling passage 200. It can be cooled well.
  • the fuel injection valve 5 is constituted by a porous nozzle and a plurality of fuel sprays are formed, as shown in FIG. 14, at least one of the spray axis 20A and the position where the piston intersects.
  • the average distance between at least one of the first heat shield layers 101 and the cooling passage 200 is the second heat shield layer.
  • the distance between the average values of the layer 102 and the cooling passage 200 may be shorter.
  • the overlapping rate between at least one of the first heat shield layer 101 and the cooling passage 200 may be larger than the overlapping rate between the second heat shield layer 102 and the cooling passage 200.
  • the first heat shield layer 101 if at least one of the first heat shield layers 101 is the first heat shield layer 101 disposed on the exhaust side of the combustion chamber, the first heat shield layer 101 on the exhaust side that is at a higher temperature. Since it is close to the cooling passage 200, it is strongly cooled and is more effective in suppressing abnormal combustion such as knocking and pre-ignition.
  • idling stop control that stops the operation of the engine when the vehicle is temporarily stopped has been widely adopted in order to reduce fuel consumption and CO2.
  • the first heat shield layer 101 having a large volumetric specific heat is held at a high temperature. For this reason, the air in the vicinity of the surface of the first heat-insulating layer 101 is heated, causing pre-ignition when the engine is restarted.
  • the cooling oil may be supplied by an electric pump.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view schematically showing the surface layer.
  • the surface layer 100 s includes a mother phase 130 and hollow particles 134 dispersed in the mother phase 130.
  • the hollow particles 134 are particles having pores 135 inside.
  • the parent phase 130 includes a metal layer 136 formed by combining a plurality of metal particles, and a void surrounded by a portion other than the bonded portion of the metal particles (in other words, a void formed between the metal particles). ) 137, and the voids 137 contain hollow particles 134.
  • the porosity is higher than that of the second thermal barrier layer 102 in order to increase the thermal conductivity compared to the second thermal barrier layer 102 and obtain a large volumetric specific heat. Make it smaller.
  • the porosity is set to about 20%, for example, in order to achieve low thermal conductivity and high volume specific heat.
  • the porosity is set to, for example, about 50% in order to achieve low thermal conductivity and low volume specific heat.
  • the surface layer 100s can withstand a severe environment (high temperature, high pressure, strong vibration) in the internal combustion engine, high adhesion to the base material 100m and high tensile strength are required. And by making the parent phase 130 constituting the main part of the surface layer 100s which is a porous body into the metal layer 136, high adhesion and high durability between the base material 100m made of metal and the surface layer 100s can be obtained. it can.
  • the voids 137 in the matrix 130 are contained in the voids 137, and the voids 137 in the matrix 130 and the pores 135 of the hollow particles 134 are combined to ensure the porosity required for low thermal conductivity.
  • the volume of the voids 137 in the parent phase 130 can be suppressed, and the strength of the surface layer 100s can be kept high.
  • the metal layer 136 is preferably composed of a sintered metal in which metal particles are bonded by sintering.
  • FIG. 18 shows an enlarged view of the metal particles constituting the metal layer 130 of FIG. As shown in FIG. 18, it is preferable that a part of the metal particles 138 are bonded together by sintering and have a neck 139.
  • the neck 139 can secure a space between the metal particles and form the gap 137.
  • gap 137 can be controlled by controlling a sintering density, and the thermal conductivity, volume specific heat, and intensity
  • the metal layer 136 and the base material 100m preferably contain the same metal as their main component.
  • the base material 100m is preferably made of an aluminum (Al) alloy, and the metal layer 136 is preferably made of aluminum (Al).
  • Al aluminum
  • the metal layer 136 is preferably made of aluminum (Al).
  • the material of the hollow particles 134 a material having a low thermal conductivity and high strength even when hollow is preferable in order to ensure the heat insulation performance of the surface layer 130.
  • a material having a low thermal conductivity and high strength even when hollow is preferable in order to ensure the heat insulation performance of the surface layer 130.
  • examples of such a material include silica, alumina, zirconia and the like.
  • hollow particles mainly composed of silica include ceramic beads, silica airgel, and porous glass.
  • the cooling passage is formed in the piston main body, and the top surface of the piston main body is made of a material having a lower thermal conductivity and volume specific heat than the piston base material.
  • a second heat shield layer made of a material having a smaller thermal conductivity and volume specific heat than the first heat shield layer, and the first heat shield layer and the cooling passage are provided.
  • the first separation distance to be connected is set to be shorter than the second separation distance to connect the second heat shield layer 102 and the cooling passage 200.
  • a cooling medium variable supply means for supplying a cooling medium into the cooling passage of the piston body and changing the flow rate of the cooling medium is provided, and the cooling medium variable supply means is used based on the cooling water temperature or the lubricating oil temperature of the internal combustion engine. The supply amount of the cooling medium to the cooling passage is changed.
  • the cooling loss is reduced by the second heat shield layer, and the vaporization of the fuel adhering to the piston body is promoted by the first heat shield layer, so that the exhaust gas harmful components can be reduced.
  • the first separation distance between the first heat shield layer and the cooling passage is shorter than the second separation distance between the second heat shield layer and the cooling passage, the first heat shield layer is more efficient by the cooling passage. Since the temperature of the first heat shield layer does not rise excessively by being cooled, the occurrence of abnormal combustion such as knocking or pre-ignition can be suppressed.
  • this invention is not limited to the above-mentioned Example, Various modifications are included.
  • the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Abstract

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。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。

Description

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
　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 JPOXMLDOC01-appb-M000001
　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 JPOXMLDOC01-appb-M000002
　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。
PCT/JP2018/015347 2017-04-25 2018-04-12 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 WO2018198786A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/606,992 US20210102511A1 (en) 2017-04-25 2018-04-12 Internal-Combustion Engine Piston and Method for Controlling Cooling of Internal-Combustion Engine Piston
CN201880027062.8A CN110546367A (zh) 2017-04-25 2018-04-12 内燃机的活塞和内燃机的活塞冷却控制方法

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017-085920 2017-04-25
JP2017085920A JP2018184860A (ja) 2017-04-25 2017-04-25 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

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018198786A1 true WO2018198786A1 (ja) 2018-11-01

Family

ID=63918154

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2018/015347 WO2018198786A1 (ja) 2017-04-25 2018-04-12 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

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20210102511A1 (ja)
JP (1) JP2018184860A (ja)
CN (1) CN110546367A (ja)
WO (1) WO2018198786A1 (ja)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020145365A1 (ja) 2019-01-10 2020-07-16 日本碍子株式会社 放熱部材
JP2021113505A (ja) * 2020-01-16 2021-08-05 トヨタ自動車株式会社 内燃機関のピストンおよびその製造方法
CN115306579B (zh) * 2022-07-20 2023-06-23 武汉理工大学 一种用于活塞的非等厚度热障涂层及其制备方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0565850A (ja) * 1991-09-05 1993-03-19 Toyota Motor Corp 内燃機関
JP2004285944A (ja) * 2003-03-24 2004-10-14 Toyota Motor Corp 内燃機関用のピストン
JP2008038757A (ja) * 2006-08-07 2008-02-21 Toyota Motor Corp 内燃機関のピストン冷却システム
JP2011220207A (ja) * 2010-04-08 2011-11-04 Toyota Motor Corp 内燃機関およびピストン作製方法
JP2013024143A (ja) * 2011-07-21 2013-02-04 Toyota Motor Corp 内燃機関
JP2013024142A (ja) * 2011-07-21 2013-02-04 Toyota Motor Corp ピストン
JP2013067823A (ja) * 2011-09-20 2013-04-18 Toyota Motor Corp ピストン
JP2013164028A (ja) * 2012-02-10 2013-08-22 Toyota Motor Corp ピストン

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2801362A1 (de) * 1978-01-13 1979-07-19 Motoren Turbinen Union Kolben fuer eine brennkraftmaschine
JP2007046510A (ja) * 2005-08-08 2007-02-22 Toyota Motor Corp ピストン冷却装置
US9453439B2 (en) * 2010-08-31 2016-09-27 Ford Global Technologies, Llc Approach for variable pressure oil injection
CN204552970U (zh) * 2015-04-16 2015-08-12 襄阳市普创机电设备有限公司 天然气发动机活塞

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0565850A (ja) * 1991-09-05 1993-03-19 Toyota Motor Corp 内燃機関
JP2004285944A (ja) * 2003-03-24 2004-10-14 Toyota Motor Corp 内燃機関用のピストン
JP2008038757A (ja) * 2006-08-07 2008-02-21 Toyota Motor Corp 内燃機関のピストン冷却システム
JP2011220207A (ja) * 2010-04-08 2011-11-04 Toyota Motor Corp 内燃機関およびピストン作製方法
JP2013024143A (ja) * 2011-07-21 2013-02-04 Toyota Motor Corp 内燃機関
JP2013024142A (ja) * 2011-07-21 2013-02-04 Toyota Motor Corp ピストン
JP2013067823A (ja) * 2011-09-20 2013-04-18 Toyota Motor Corp ピストン
JP2013164028A (ja) * 2012-02-10 2013-08-22 Toyota Motor Corp ピストン

Also Published As

Publication number Publication date
US20210102511A1 (en) 2021-04-08
CN110546367A (zh) 2019-12-06
JP2018184860A (ja) 2018-11-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6699050B2 (ja) 予燃焼室および２つのスパークプラグを有するガソリン内燃エンジン
JP6098489B2 (ja) 直噴ガソリンエンジンの制御装置
JP6010944B2 (ja) 圧縮自己着火エンジン
JP6056989B2 (ja) 直噴ガソリンエンジンの制御装置
JP6172375B2 (ja) 直噴ガソリンエンジンの制御装置
WO2018198786A1 (ja) 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
JP5834650B2 (ja) 火花点火式直噴エンジン
JP2011169232A (ja) 内燃機関
JP6465147B2 (ja) 予混合圧縮着火式エンジン
JPH11193721A (ja) 筒内噴射式火花点火機関
WO2018147188A1 (ja) 内燃機関用ピストン及びその製造方法
JP2018172997A (ja) エンジンの燃焼室構造
JP2014088863A (ja) 内燃機関
JP2013164028A (ja) ピストン
US10309293B2 (en) Internal combustion engine
JP2021161978A (ja) エンジンの燃焼室構造
JP2021173214A (ja) エンジンの燃焼室構造
JP2013068148A (ja) 火花点火式直噴エンジン
JP5978677B2 (ja) 圧縮自己着火エンジン
JP6171956B2 (ja) 直噴ガソリンエンジンの制御装置
JP2003278548A (ja) 副室式希薄燃焼ガスエンジン
JP5978678B2 (ja) 圧縮自己着火エンジン
JP2021173213A (ja) エンジンの燃焼室構造
JP6171958B2 (ja) 直噴ガソリンエンジンの制御装置
JP6156204B2 (ja) 直噴ガソリンエンジンの制御装置

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18791283

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18791283

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

点击 这是indexloc提供的php浏览器服务，不要输入任何密码和下载