説明

内燃機関用ピストン及び内燃機関の排気浄化装置

【課題】機関始動直後のHC排出量を低減させる。
【解決手段】シリンダ10Aに往復運動可能に嵌挿されたピストン18の冠面に、燃料の主成分たるHCを一時的に吸着するHCトラップ54をコーティングする。ここで、HCトラップ54としては、例えば、ゼオライトなどの多孔性部材を採用することができる。このようにすれば、機関始動直後にシリンダ壁面に付着した燃料は、ピストン18が下死点から上死点へと移動するときにトップリング12により掻き集められて冠面へと移動し、HCトラップ54に一時的に吸着される。そして、機関の暖機が進みピストン18の温度が上昇すると、HCトラップ54に吸着された燃料が徐々に離脱し、混合気と共に燃焼して処理される。また、HCトラップ54のHC吸着量が飽和する可能性を考慮し、排気通路を構成する排気ダクト44にHCトラップ触媒44を配設するようにしてもよい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、内燃機関用ピストン及び内燃機関の排気浄化装置において、機関始動直後のHC排出量を低減させる技術に関する。
【背景技術】
【0002】
内燃機関の吸気ポートに噴射された燃料は、その大部分が燃焼室に導入されるが、その一部が吸気弁の傘裏に付着してしまう。内燃機関の始動直後には、吸気弁の温度が低いため、その傘裏に付着した燃料の気化が促進されず、不完全燃焼を起こしてそのまま排出されてしまうおそれがある。このため、特開平9−317414号公報(特許文献1)に記載されるように、吸気弁の傘裏にHCトラップをコーティングし、機関始動直後のHC排出量を低減させた技術が提案されている。
【特許文献1】特開平9−317414号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
しかしながら、従来提案技術は、吸気ポートに燃料を噴射する内燃機関を前提としていたため、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関に適用することはできなかった。また、吸気ポートに噴射された燃料は、吸気弁の傘裏だけでなくシリンダ内壁にも付着するが、従来提案技術では、シリンダ内壁に付着した燃料を処理することはできなかった。このため、付着燃料の処理が不十分となり、良好なHC排出量低減効果を享受できなかった。
【0004】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、ピストン冠面にHCトラップをコーティングすることで、機関始動直後に噴射された燃料を一時的に吸着し、HC排出量を低減させた内燃機関用ピストン、及び、これを利用した内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
このため、本発明の内燃機関用ピストンでは、その冠面にHCトラップをコーティングしたことを特徴とする。ここで、「HCトラップ」とは、燃料の主成分たるHCを一時的に吸着する部材、例えば、ゼオライトなどの多孔性部材のことを意味する。
【0006】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置では、シリンダに嵌挿されたピストンの冠面にHCトラップをコーティングすると共に、排気通路にHCトラップ触媒を配設したことを特徴とする。ここで、「HCトラップ触媒」とは、燃料の主成分たるHCを一時的に吸着しつつ酸化して無害化する触媒、例えば、公知の酸化触媒にHCトラップをコーティングしたものを意味する。
【発明の効果】
【0007】
本発明の内燃機関用ピストンによれば、機関始動直後にシリンダ壁面に付着した燃料は、ピストンが下死点から上死点へと移動するときにトップリングにより掻き集められて冠面へと移動し、そこにコーティングされているHCトラップに一時的に吸着される。そして、機関の暖機が進みピストンの温度が上昇すると、HCトラップに吸着された燃料が徐々に離脱し、燃料と空気との混合気と共に燃焼して処理される。このため、機関始動直後におけるHC排出量を低減させることができる。なお、HCトラップから徐々に離脱した燃料は、極少量であると共に霧化されているので、混合気の着火には影響が少なく、排気性状を低下させるまでには至らない。
【0008】
本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、前述した内燃機関用ピストンの作用及び効果に加え、次のような作用が奏されてHC排出量を一層低減させることができる。即ち、ピストン冠面におけるHCトラップのHC吸着量が飽和し、未燃状態である燃料が排気通路に流出したときには、排気通路に配設されたHCトラップ触媒においてこれが処理される。このため、例えば、外気温度が低く暖機に時間がかかるときであっても、未燃状態である燃料が大気中に放出されることが抑制され、HC排出量を一層低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図1は、本発明が適用された内燃機関及びその吸排気系の概略を示す。
シリンダブロック10の内部に形成されたシリンダ10Aには、コンプレッションリングとしてのトップリング12及びセカンドリング14、並びに、オイルリング16が嵌合されたピストン18が往復運動可能に嵌挿される。シリンダブロック10の下面に締結されたクランクケース20には、ピストン18の往復運動を回転運動に変換するクランクシャフト22が回転自由に軸支され、そのクランクアームとピストン18とがコネクティングロッド24を介して連接される。シリンダブロック10の上面に締結されたシリンダヘッド26には、燃焼室の一部を形成する凹部26Aが形成され、ここに吸気ポート26Bを開閉する吸気弁28、排気ポート26Cを開閉する排気弁30、及び、燃料と空気との混合気を着火する点火プラグ32が夫々配設される。
【0010】
また、シリンダヘッド26には、吸気ポート26Bと連通する吸気通路が形成された吸気マニフォールド34が締結され、ここに吸気ポート26Bに燃料を噴射する燃料噴射弁36が配設される。吸気マニフォールド34の吸気上流側には、吸気脈動を平滑化するコレクタ38Aが形成された吸気ダクト38が締結される。さらに、シリンダヘッド26には、排気流通方向に沿って、排気ポート26Cと連通する排気通路が形成された排気マニフォールド40及び排気ダクト42がこの順番で締結される。排気ダクト42には、排気流通方向に沿って、HCトラップ触媒44,三元触媒46及びマフラー48がこの順番で配設される。
【0011】
HCトラップ触媒44は、燃料の主成分たるHCを一時的に吸着しつつ酸化して無害化する触媒、例えば、公知の酸化触媒に対してHCを一時的に吸着するHCトラップをコーティングしたものである。ここで、HCトラップとしては、例えば、ゼオライトなどの多孔性部材を採用することができる。また、三元触媒46は、理論空燃比下において排気中のCO,HC及びNOxを同時に浄化すべく、例えば、モノリスタイプの基体にPt及びRhを担持させた触媒担体をコーティングしたものである。なお、HCトラップ触媒44は、排気熱により触媒活性を促進すべく、排気マニフォールド40の直下に配設することが望ましい。
【0012】
さらに、排気の一部を吸気系に還流してNOx発生量を低減すべく、排気マニフォールド40と吸気マニフォールド38のコレクタ38Aとは、高応答電子制御型のEGRバルブ50が配設されたEGRパイプ52を介して連通接続される。EGRバルブ50は、コンピュータを内蔵したコントロールユニットにより、エンジン回転速度及びエンジン負荷に応じてその開度が電子制御される。
【0013】
そして、かかる構成に加え、ピストン18の冠面には、HCトラップ54がコーティングされる。
このようにすれば、機関始動直後にシリンダ壁面に付着した燃料は、ピストン18が下死点から上死点へと移動するときにトップリング12により掻き集められて冠面へと移動し、そこにコーティングされているHCトラップ54に一時的に吸着される。そして、機関の暖機が進みピストン18の温度が上昇すると、HCトラップ54に吸着された燃料が徐々に離脱し、混合気と共に燃焼されて処理される。このため、機関始動直後におけるHC排出量を低減させることができる。なお、HCトラップ54から徐々に離脱した燃料は、極少量であると共に霧化されているので、混合気の着火には影響が少なく、排気性状を低下させるまでには至らない。
【0014】
このとき、ピストン18の冠面におけるHCトラップ54のHC吸着量が飽和し、未燃状態である燃料が排気マニフォールド40を通って排気ダクト42へと流出しても、排気ダクト42に配設されたHCトラップ触媒44によってこれが処理される。このため、例えば、外気温度が低く暖機に時間がかかるときであっても、未燃状態である燃料が大気中に放出されることが抑制され、HC排出量を一層低減させることができる。
【0015】
ここで、ピストン18の冠面におけるHCトラップ54のコーティング量を増加させるために、その冠面全面に亘って凹凸を形成することが望ましい。このようにすれば、HCトラップ54のコーティング量が増加するため、機関始動後短時間でHC吸着量が飽和することがなく、さらなるHC排出量の低減を図ることができる。また、凹凸により熱伝達が促進されるので、ピストン18の冠面が温まり難くなり、耐ノック性も向上させることができる。
【0016】
このとき、凹凸としては、図2に示すように、ピストン18の冠面近傍におけるタンブル渦流の流れに沿って形成された溝56、具体的には、図3に示すような三角断面形状を有する溝56を採用することができる。このようにすれば、タンブル渦流が冠面から受ける摩擦抵抗が低減すると共に、溝56がタンブル渦流の整流板として機能するため、タンブル渦流の勢いが阻害されず、均一な混合気生成に寄与することができる。なお、凹凸としては、溝56に限らず、図4に示すようなディンプル(くぼみ)58を採用することもできる。凹凸としてディンプル58を採用すると、溝56と比較してタンブル渦流の整流作用が若干弱まるが、その方向性を考慮する必要がなくなり、ピストン18の製造工数が増加することを抑制できる。
【0017】
なお、本発明は、図1に示す内燃機関に限らず、燃焼室に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関及びディーゼル機関などの各種機関に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本発明が適用された内燃機関及びその吸排気系の概略図
【図2】ピストン冠面に形成された凹凸の第1実施例を示す平面図
【図3】同上における要部斜視図
【図4】ピストン冠面に形成された凹凸の第2実施例を示す平面図
【符号の説明】
【0019】
10 シリンダブロック
10A シリンダ
18 ピストン
42 排気ダクト
44 HCトラップ触媒
54 HCトラップ
56 溝
58 ディンプル

【特許請求の範囲】
【請求項1】
冠面にHCトラップがコーティングされたことを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項2】
前記冠面には、その全面に亘って凹凸が形成されたことを特徴とする請求項1記載の内燃機関用ピストン。
【請求項3】
前記凹凸は、タンブル渦流の流れに沿って形成された溝からなることを特徴とする請求項2記載の内燃機関用ピストン。
【請求項4】
前記凹凸は、ディンプルからなることを特徴とする請求項2記載の内燃機関用ピストン。
【請求項5】
シリンダに嵌挿されたピストンの冠面にコーティングされたHCトラップと、
排気通路に配設されたHCトラップ触媒と、
を含んで構成されたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項6】
前記ピストンの冠面には、その全面に亘って凹凸が形成されたことを特徴とする請求項5記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項7】
前記凹凸は、タンブル渦流の流れに沿って形成された溝からなることを特徴とする請求項6記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項8】
前記凹凸は、ディンプルからなることを特徴とする請求項6記載の内燃機関の排気浄化装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2009−191780(P2009−191780A)
【公開日】平成21年8月27日(2009.8.27)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−34593(P2008−34593)
【出願日】平成20年2月15日(2008.2.15)
【出願人】(000003997)日産自動車株式会社 (16,386)
【Fターム(参考)】