JP6070631B2

JP6070631B2 - 内燃機関のピストン

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Publication number: JP6070631B2
Application number: JP2014107380A
Authority: JP
Inventors: 英男山下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2014-05-23
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2034-05-23
Also published as: CN106164454A; EP3146189B1; JP2015222060A; US9932928B2; US20170122250A1; EP3146189A1; WO2015177980A1; CN106164454B

Description

この発明は、内燃機関のピストンに関し、より詳細には、頂面に遮熱膜が形成される内燃機関のピストンに関する。

従来、例えば特許文献１には、頂面の全体に遮熱膜が形成された内燃機関のピストンが開示されている。この遮熱膜は、アルミ合金製のピストン母材の表面の陽極酸化処理により得られるポーラス層と、該ポーラス層の上に設けられＹ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ_２粉末のプラズマ溶射により得られる被覆層とから構成される。被覆層は、該ポーラス層の細孔を塞ぐように設けられ、被覆層を構成するＹ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ_２は該ピストン母材よりも熱伝導率が低い。このような遮熱膜が形成されたピストンを内燃機関に適用すれば、内燃機関の燃焼室内の遮熱性を高めて冷却損失の低減を図ることができる。

特開２０１２−７２７４５号公報特開２００８−１１１３６７号公報

上述のポーラス層はアルマイトと称されるものであり、ピストン母材のみならず従来のセラミック系の断熱材よりも低熱伝導率かつ低熱容量であることが知られている。従って、ポーラス層と被覆層の組み合わせから構成される特許文献１の遮熱膜は膜全体として低熱伝導率かつ低熱容量であり、このような遮熱膜をピストン頂面の全体に形成したピストンを内燃機関に適用すれば、燃焼室内のガス温度に対するピストン頂面温度の追従性を向上できる。しかし、本発明者の知見によれば、このような遮熱膜をピストン頂面の全体に形成した場合には、ノッキングが発生し易くなるという新たな問題が起こることが明らかとなった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものである。即ち、内燃機関に適用した場合に、燃焼室内のガス温度に対するピストン頂面温度の追従性を確保しつつ、ノッキングの発生を良好に抑制可能なピストンを提供することを目的とする。

第１の発明は、ピストン本体と、前記ピストン本体の頂面に形成されたキャビティと、前記頂面に形成され前記ピストン本体の母材に使用されるアルミニウム合金よりも熱伝導率が低く、かつ、単位体積当たりの熱容量が低い遮熱膜と、を備える内燃機関のピストンであって、
前記遮熱膜が、前記キャビティと前記頂面の境界を形成するキャビティエッジ部に形成され前記頂面に開口する多数の細孔を有するアルミナからなる低遮熱性膜と、前記キャビティエッジ部よりも内側の面と前記キャビティエッジ部を囲む面とに形成され、前記頂面に開口する多数の細孔を有するアルミナと前記多数の細孔の開口部を覆うように設けられた封孔材とで構成される高遮熱性膜と、を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記頂面の縁を形成するピストンエッジ部に前記低遮熱性膜が形成され、
前記ピストンエッジ部と前記キャビティエッジ部との間に、前記キャビティエッジ部を囲む面が形成されることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記キャビティエッジ部のエッジ角度θが０°＜θ≦９０°であることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の何れかの発明において、
前記キャビティエッジ部を囲む面に形成されたバルブリセスを更に備え、
前記キャビティエッジ部を囲む面と前記バルブリセスの境界のうちの円弧部分に相当するバルブリセスエッジ部に前記低遮熱性膜が形成され、
前記バルブリセスエッジ部よりも内側の面に、前記高遮熱性膜が形成されることを特徴とする。

また、第５の発明は、第４の発明において、
前記バルブリセスエッジ部のエッジ角度θが０°＜θ≦９０°であることを特徴とする。

本発明者の知見によれば、キャビティが形成されたピストン頂面の全体にピストン母材であるアルミニウム合金よりも熱伝導率が低く、かつ、単位体積当たりの熱容量が低い遮熱膜を設けると、キャビティとピストン頂面との境界を形成するキャビティエッジ部がヒートスポット化して、ノッキングが発生し易くなることが明らかとなった。第１の発明は、この知見に基づいてなされたものである。即ち、第１の発明によれば、低遮熱性膜と高遮熱性膜によって燃焼室内のガス温度に対するピストン頂面温度の追従性を確保しつつ、低遮熱性膜の構造によって燃焼室内で発生した熱をピストン母材側に逃げ易くできるので、キャビティエッジ部のヒートスポット化を抑制できる。

ヒートスポット化の問題は、ピストン頂面の縁を形成するピストンエッジ部においても生じ得る。この点、第２の発明によれば、ピストンエッジ部に形成した低遮熱性膜の構造によって燃焼室内で発生した熱をピストン母材側に逃げ易くできるので、ピストンエッジ部のヒートスポット化を抑制できる。

キャビティエッジ部のエッジ角度θが０°＜θ≦９０°である場合は、キャビティエッジ部においてヒートスポット化の問題が生じ易い傾向がある。この点、第３の発明によれば、キャビティエッジ部のヒートスポット化を良好に抑制できる。

キャビティエッジ部を囲む面にバルブリセスが形成されている場合には、キャビティエッジ部を囲む面とバルブリセスの境界のうちの円弧部分に相当するバルブリセスエッジ部において、ヒートスポット化の問題が生じ得る。この点、第４の発明によれば、バルブリセスエッジ部に形成した低遮熱性膜の構造によって燃焼室内で発生した熱をピストン母材側に逃げ易くできるので、バルブリセスが形成されている場合においても、第１の発明と同様の効果を得ることができる。

バルブリセスエッジ部のエッジ角度θが０°＜θ≦９０°である場合は、キャビティエッジ部においてヒートスポット化の問題が生じ易い傾向がある。この点、第５の発明によれば、キャビティエッジ部のヒートスポット化を良好に抑制できる。

実施の形態の内燃機関のピストンの頂面模式図である。図１のＡ−Ａ断面図である。図１のＢ−Ｂ断面図である。図２のエッジ部１２ａの拡大模式図である。図２のエッジ部１４ａの拡大模式図である。図２のエッジ部１０ａの拡大模式図である。第１の遮熱膜と第２の遮熱膜の違いを説明するための図である。燃焼サイクルにおけるエッジ部の表面温度と燃焼室内のガス温度の推移を示した図である。実施の形態のピストンの製造方法を説明するための図である。第２の遮熱膜の他の形成例を説明するための図である。実施の形態のピストンの他の製造方法を説明するための図である。圧縮点火式の内燃機関のピストンの頂面模式図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、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。

［ピストンの構成］
図１は、本実施の形態の内燃機関のピストンの頂面模式図である。図１に示すように、ピストン頂面１０には、キャビティ１２と、２つのバルブリセス１４とが形成されている。キャビティ１２は、ピストン頂面１０に向けて噴射される燃料を点火プラグ（図示しない）側に導く目的でピストン頂面１０に凹設されるものである。バルブリセス１４は、排気バルブ（図示しない）との干渉を回避する目的でピストン頂面１０に凹設されるものである。図中に示す破線１６は吸気バルブの投影線であり、破線１８は排気バルブの投影線である。ピストン頂面１０とキャビティ１２の境界には、環状のエッジ部１２ａが形成される。ピストン頂面１０とバルブリセス１４の境界は半月状に形成され、破線１８に沿った円弧部分にエッジ部１４ａが形成されている。エッジ部１４ａの一部はピストン頂面１０の縁を形成するエッジ部１０ａと連続している。

ピストン頂面１０には第１の遮熱膜が形成されている。但し、エッジ部１０ａ，１２ａ，１４ａには、第１の遮熱膜とは異なる第２の遮熱膜が形成されている。第２の遮熱膜は、エッジ部１０ａ，１２ａ，１４ａに沿って形成されている。なお、以下の説明において、エッジ部１０ａ，１２ａ，１４ａの区別を要しない場合には、「エッジ部」と総称することがある。

第１の遮熱膜と第２の遮熱膜の位置関係について、図２乃至図６を参照しながら説明する。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図２に示すエッジ部１２ａを除いたキャビティ１２の内部構成面（具体的には、キャビティ側面１２ｂおよびキャビティ底面１２ｃ）に、第１の遮熱膜が形成されている。エッジ部１４ａを除いたバルブリセス１４の内部構成面（具体的には、バルブリセス側面１４ｂおよびバルブリセス底面１４ｃ）にも、第１の遮熱膜が形成されている。エッジ部１０ａとエッジ部１２ａの間のピストン頂面１０ｂ、エッジ部１０ａとエッジ部１４ａの間のピストン頂面１０ｃや、エッジ部１２ａとバルブリセス底面１４ｃの間のピストン頂面１０ｄにも、第１の遮熱膜が形成されている。

図３は、図１のＢ−Ｂ断面図である。図３に示すエッジ部１０ａとエッジ部１４ａの間のバルブリセス１４の内部構成面、つまり、バルブリセス側面１４ｂおよびバルブリセス底面１４ｃに、第１の遮熱膜が形成されている。２つのエッジ部１４ａの間のピストン頂面１０ｅにも、第１の遮熱膜が形成されている。

図４は、図２のエッジ部１２ａの拡大模式図である。図４に示すエッジ部１２ａに第２の遮熱膜が形成されている。エッジ部１２ａに形成された第２の遮熱膜のピストン頂面方向の膜幅は、エッジ部１２ａの端点Ｐ_１２から最大２ｍｍとされる。第２の遮熱膜のキャビティ方向の膜幅も同様で、端点Ｐ_１２から最大２ｍｍとされる。また、破線Ｓ_１と破線Ｓ_２のなす角度（エッジ角度）θ_１２は０°＜θ_１２≦９０°である。ここで、破線Ｓ_１は、エッジ部１２ａに隣接するピストン頂面１０側の面（つまり、ピストン頂面１０ｂまたはピストン頂面１０ｄ）の延長により形成される仮想表面の断面線である。破線Ｓ_２は、エッジ部１２ａに隣接するキャビティ１２側の面（つまり、キャビティ側面１２ｂ）の延長により形成される仮想表面の断面線である。

図５は、図２のエッジ部１４ａの拡大模式図である。図５に示すエッジ部１４ａに第２の遮熱膜が形成されている。エッジ部１４ａに形成された第２の遮熱膜のピストン頂面方向の膜幅は、エッジ部１４ａの端点Ｐ_１４から最大２ｍｍとされる。第２の遮熱膜のバルブリセス方向の膜幅も同様で、端点Ｐ_１４から最大２ｍｍとされる。また、破線Ｓ_３と破線Ｓ_４のなす角度（エッジ角度）θ_３４は０°＜θ_３４≦９０°である。ここで、破線Ｓ_３は、エッジ部１４ａに隣接するピストン頂面１０側の面（つまり、ピストン頂面１０ｃ）の延長により形成される仮想表面の断面線である。破線Ｓ_４は、エッジ部１４ａに隣接するバルブリセス１４側の面（つまり、バルブリセス側面１４ｂ）の延長により形成される仮想表面の断面線である。

図６は、図２のエッジ部１０ａの拡大模式図である。図６に示すエッジ部１０ａに第２の遮熱膜が形成されている。第２の遮熱膜はピストン頂面方向にのみ形成されている。第２の遮熱膜のピストン頂面方向の膜幅は、エッジ部１０ａの端点Ｐ_１０から最大２ｍｍとされる。また、破線Ｓ_５と破線Ｓ_６のなす角度（エッジ角度）θ_５６は９０°≦θ_５６＜１８０°である。ここで、破線Ｓ_５は、エッジ部１０ａに隣接するピストン頂面１０側の面（つまり、ピストン頂面１０ｂまたはピストン頂面１０ｄ）の延長により形成される仮想表面の断面線である。破線Ｓ_６は、エッジ部１０ａに隣接するピストン側面の延長により形成される仮想表面の断面線である。

第１の遮熱膜と第２の遮熱膜の違いについて、図７を参照しながら説明する。本実施の形態において、第２の遮熱膜はアルマイトから構成されている。一方、第１の遮熱膜は、アルマイトと封孔材とから構成されている。アルマイトは、ピストン頂面１０の陽極酸化処理によりピストン頂面１０上に形成される多孔質アルミナの被膜（膜厚約１００〜５００μｍ）である。多孔質アルミナは、ピストン母材であるアルミニウム合金の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有しており、尚且つ、アルミニウム合金の単位体積当たりの熱容量よりも低い熱容量を有している。封孔材は、シリコン酸化物（例えばポリシロキサン、ポリシラザン等）を主成分し、多孔質アルミナの表面に形成される被膜（膜厚約５〜５０μｍ）である。

第１の遮熱膜と第２の遮熱膜の違いは、封孔材の有無にある。図７は、封孔材の有無による被膜構造の違いを説明するための図である。図７（ａ）は封孔材を使用していない被膜構造を示しており、図７（ｂ）は封孔材を使用した被膜構造を示している。図７に示すように、アルマイトはその表面に開口する複数の細孔を有しており、この細孔の開口部を覆うように封孔材が設けられる。ここで、シリコン酸化物を主成分とする封孔材は、多孔質アルミナ同様、アルミニウム合金の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有している。従って、図７（ａ），（ｂ）の被膜構造は共に高い遮熱性を示す。但し、図７（ａ）の被膜構造は、細孔内に圧縮ガスや噴射燃料が侵入可能であることから、図７（ｂ）の被膜構造に比べると遮熱性は低い。つまり、図７（ａ）の被膜構造は、図７（ｂ）の被膜構造に比べて燃焼室で発生した熱がアルミ母材側に逃げ易い構造となっている。

本実施の形態のピストンによる効果を、図８を参照しながら説明する。図８は、燃焼サイクルにおけるエッジ部の表面温度と燃焼室内のガス温度の推移を示した図である。図８に一点鎖線で示す「ガス温」は燃焼室内のガス温度の推移を示している。同図に実線で示す「未遮熱時」は、本実施の形態のピストンのエッジ部の表面温度の推移を示している。同図に破線で示す「遮熱時」は、ピストン頂面の全体に第１の遮熱膜を形成した比較用ピストンのエッジ部の表面温度の推移を示している。

図８に示すように、ガス温度は、ＴＤＣ近傍での点火により急上昇してピークに到達する。ガス温度の上昇に追従してエッジ部の表面温度も上昇する。但し、遮熱時においては点火タイミング以前にエッジ部の表面温度が高温化している。この理由は、エッジ部がヒートスポット化しているためである。エッジ部のヒートスポット化は、エッジ部の構造と、図７で説明した第１の遮熱膜の高い遮熱性とに由来する。エッジ部がヒートスポット化すれば、このエッジ部の近傍を着火点としたノッキングが発生し易くなる。この点、未遮熱時においては点火タイミング以前のエッジ部の表面温度を下げることができる。この理由は、図７で説明した第２の遮熱膜の被膜構造によるものである。

以上、本実施の形態のピストンによれば、ピストン頂面１０に形成した第１の遮熱膜によって燃焼室内の遮熱性を高めることができる。また、エッジ部に形成した第２の遮熱膜によって、ヒートスポット化し易いエッジ部の表面温度が点火タイミング以前に過剰に上昇することを抑制できる。

［ピストンの製造方法］
本実施の形態のピストンの製造方法について、図９を参照しながら説明する。本実施の形態のピストンの製造方法は、アルミニウム合金製のピストンの頂面を陽極酸化処理してアルマイトを形成する工程（陽極酸化処理工程）と、アルマイトの表面を封孔処理して封孔材を形成する工程（封孔処理工程）と、を備えている。

図９（ａ）は、陽極酸化処理工程を示している。陽極酸化処理工程においては、電解液を流通させる流路と一対の電極とを備える処理装置が使用される。処理装置にピストンを設置し、当該流路に電解液を流通させながら一対の電極間に電圧を印加して電気分解を行うことで、ピストン頂面にアルマイトが形成される。アルマイトの空孔率は印加電圧により、アルマイトの膜厚は印加時間により、それぞれ所望の値に調節される。なお、このような陽極酸化手法は既に公知であることから、これ以上の詳細な説明は省略する。

図９（ｂ），（ｃ）は、封孔処理工程を示している。封孔処理工程においては、先ず、エッジ部をシールした上で、シリコン酸化物の原料となるケイ素系ポリマー溶液（ポリシロキサン溶液、ポリシラザン溶液等）をアルマイトの表面に含浸させる。含浸方法は特に限定されるものではなく、アルマイトの表面にスプレーする方法、ブレードコート法、スピンコート法、刷毛塗り法などを適用することができる。続いて、アルマイトの表面を高温加熱してケイ素系ポリマー溶液を乾燥・焼成する。高温加熱時の条件（温度、時間等）は、ケイ素系ポリマー溶液の含浸厚さに応じて適宜調節される。最後に、エッジ部のシールを除去する。以上の工程を経ることで、本実施の形態のピストンを製造できる。

なお、上記実施の形態においては、第１の遮熱膜が上記第１の発明の「高遮熱性膜」に、第２の遮熱膜が上記第１の発明の「低遮熱性膜」に、エッジ部１２ａが同発明の「キャビティエッジ部」に、キャビティ側面１２ｂおよびキャビティ底面１２ｃが同発明の「キャビティエッジ部よりも内側の面」に、ピストン頂面１０ｂ，１０ｄが同発明の「キャビティエッジ部を囲む面」に、それぞれ相当する。
また、エッジ部１０ａが上記第２の発明の「ピストンエッジ部」に相当する。
また、エッジ部１４ａが上記第４の発明の「バルブリセスエッジ部」に、バルブリセス側面１４ｂおよびバルブリセス底面１４ｃが同発明の「バルブリセスエッジ部よりも内側の面」に、それぞれ相当する。

［その他のピストンの構成］
ところで、上記実施の形態においては、図４の説明で述べたように、エッジ部１２ａのピストン頂面方向とキャビティ方向の両方に第２の遮熱膜を形成した。しかし、ピストン頂面方向とキャビティ方向の何れか一方に第２の遮熱膜を形成してもよい。図１０は、第２の遮熱膜の他の形成例を説明するための図である。図１０（ａ）に示すように、第２の遮熱膜をエッジ部１２ａのピストン頂面方向にのみ形成し、エッジ部１２ａのキャビティ方向には第１の遮熱膜を形成してもよい。図１０（ｂ）に示すように、第２の遮熱膜をエッジ部１２ａのキャビティ方向にのみ形成し、エッジ部１２ａのピストン頂面方向には第１の遮熱膜を形成してもよい。

また、上記実施の形態においては、図５の説明で述べたように、エッジ部１４ａのピストン頂面方向とバルブリセス方向の両方に第２の遮熱膜を形成した。しかし、エッジ部１４ａのピストン頂面方向にのみ第２の遮熱膜を形成し、エッジ部１４ａのバルブリセス方向には第１の遮熱膜を形成してもよい。また、エッジ部１４ａのバルブリセス方向にのみ第２の遮熱膜を形成し、エッジ部１４ａのピストン頂面方向には第１の遮熱膜を形成してもよい。

また、上記実施の形態においては、エッジ部に第２の遮熱膜を形成した。しかし、エッジ部１２ａ，１４ａに第２の遮熱膜を形成し、エッジ部１０ａに第１の遮熱膜を形成してもよい。図４乃至図６の説明の際に述べたように、エッジ角度θ_５６は（９０°≦θ_５６＜１８０°）はエッジ角度θ_１２，θ_３４（０°＜θ_１２，θ_３４≦９０°）以上である。つまり、エッジ部１０ａはエッジ部１２ａ，１４ａに比べて傾斜が緩やかであり、エッジ部１２ａ，１４ａに比べてヒートスポット化し難い構造となっている。従って、エッジ部１０ａに第１の遮熱膜を形成した場合でも、エッジ部１２ａ，１４ａに第２の遮熱膜を形成すれば、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態においては、ピストン頂面１０にバルブリセス１４が凹設されていたが、バルブリセス１４が凹設されていなくてもよい。この場合、エッジ部１０ａ，１２ａに第２の遮熱膜を形成し、エッジ部１０ａ，１２ａを除くピストン頂面１０に第１の遮熱膜を形成すれば、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態においては、ピストン頂面１０にバルブリセス１４が凹設されていたが、バルブリセス１４の他に、吸気バルブ（図示しない）との干渉を回避するバルブリセスが更に凹設されていてもよい。この場合は、当該バルブリセスのエッジ部に第２の遮熱膜を形成すれば、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態においては、図９で説明した手法によりピストンを製造した。しかし、図１１に示す手法によっても製造できる。図１１に示す製造方法は、上述した陽極酸化処理工程および封孔処理工程の他に、封孔材を研削する研削工程を備えている。図１１（ａ）は、陽極酸化処理工程を示している。この陽極酸化処理工程は、図９（ａ）と同様である。図１１（ｂ）は、封孔処理工程を示している。封孔処理工程においては、図９（ｂ）と異なり、エッジ部のシールを行わずに、アルマイトの表面に封孔材を設ける。図１１（ｃ）は、研削工程を示している。研削工程においては、封孔材を設けた箇所の周辺を研削してアルマイトを露出させる。以上の工程を経ることで、本実施の形態のピストンと同様のピストンを製造できる。

また、上記実施の形態においては、点火プラグを備える火花点火式の内燃機関を前提としたが、本発明のピストンは、圧縮点火式の内燃機関にも適用できる。図１２は、圧縮点火式の内燃機関のピストンの頂面模式図である。図１２に示すように、ピストン頂面２０の中心部にはキャビティ２２が形成されている。ピストン頂面２０には第１の遮熱膜が形成されている。但し、ピストン頂面２０のエッジ部２０ａとキャビティ２２のエッジ部２２ａには第２の遮熱膜が形成されている。エッジ部２０ａ，２２ａに形成した第２の遮熱膜によれば、エッジ部２０ａ，２２ａのヒートスポット化に起因したプレイグニッションの発生を抑制できる。即ち、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。

１０，２０ピストン頂面
１２，２２キャビティ
１４バルブリセス
１０ａ，１２ａ，１４ａ，２０ａ，２２ａエッジ部

Claims

ピストン本体と、前記ピストン本体の頂面に形成されたキャビティと、前記頂面に形成され前記ピストン本体の母材に使用されるアルミニウム合金よりも熱伝導率が低く、かつ、単位体積当たりの熱容量が低い遮熱膜と、を備える内燃機関のピストンであって、
前記遮熱膜が、前記キャビティと前記頂面の境界を形成するキャビティエッジ部に形成され前記頂面に開口する多数の細孔を有するアルミナからなる低遮熱性膜と、前記キャビティエッジ部よりも内側の面と前記キャビティエッジ部を囲む面とに形成され、前記頂面に開口する多数の細孔を有するアルミナと前記多数の細孔の開口部を覆うように設けられた封孔材とで構成される高遮熱性膜と、を備えることを特徴とする内燃機関のピストン。
前記頂面の縁を形成するピストンエッジ部に前記低遮熱性膜が形成され、
前記ピストンエッジ部と前記キャビティエッジ部との間に、前記キャビティエッジ部を囲む面が形成されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のピストン。
前記キャビティエッジ部のエッジ角度θが０°＜θ≦９０°であることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関のピストン。
前記キャビティエッジ部を囲む面に形成されたバルブリセスを更に備え、
前記キャビティエッジ部を囲む面と前記バルブリセスの境界のうちの円弧部分に相当するバルブリセスエッジ部に前記低遮熱性膜が形成され、
前記バルブリセスエッジ部よりも内側の面に、前記高遮熱性膜が形成されることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載の内燃機関のピストン。
前記バルブリセスエッジ部のエッジ角度θが０°＜θ≦９０°であることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関のピストン。