JP6526524B2 - 内燃機関のピストン - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のピストンに関する。

従来、例えば特許文献１に記載された内燃機関のピストンが知られている。特許文献１に記載された内燃機関のピストンでは、燃焼室に面するピストン頂面に弾性接着剤層が形成され、当該弾性接着剤層の上に低熱伝導率シートが形成されている。弾性接着剤層の材料は断熱樹脂であり、低熱伝導率シートの材料はピストン本体の材料の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有している。

特開２００８−２６７５９９号公報

上記従来技術では、前述のように、低熱伝導率シートの材料がピストン本体の材料の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有している。そのため、内燃機関の暖機後においても燃焼室が遮熱されてしまう場合があり、この場合には、内燃機関の体積効率が低下してしまうおそれがある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、冷間時における燃焼室の遮熱と暖機後における体積効率の低下抑制とを両立できる内燃機関のピストンを提供することを課題とする。

本発明に係る内燃機関のピストンは、内燃機関に用いられるピストンであって、燃焼室を有するピストン本体と、ピストン本体において燃焼室を構成する表面の少なくとも一部に設けられたコーティング部と、を備え、コーティング部の材料の熱伝導率は、内燃機関の冷間時においてはピストン本体の材料の熱伝導率よりも低く、内燃機関の暖機後においてはピストン本体の材料の熱伝導率よりも高い。

この内燃機関のピストンでは、冷間時において、燃焼により発生した熱（燃焼熱）のピストン本体への伝達がコーティング部によって抑制される。よって、冷間時における燃焼室の遮熱が実現される。一方、暖機後においては、コーティング部により燃焼室を大きく遮熱することがなくなり、燃焼熱のピストン本体への伝達がコーティング部において妨げられにくい。よって、燃焼室内に吸入した空気の密度の低下が抑制され、暖機後における体積効率の低下抑制が実現される。従って、冷間時における燃焼室の遮熱と暖機後における体積効率の低下抑制とを両立することが可能となる。

本発明に係る内燃機関のピストンでは、ピストン本体において燃焼室を構成する表面には、リップ部を有するキャビティが設けられており、コーティング部は、リップ部の表面に少なくとも設けられていてもよい。この構成によれば、例えば燃焼ガスがリップ部に特に当たり易い場合、燃焼室を効果的に遮熱することが可能となる。

本発明に係る内燃機関のピストンにおいて、ピストン本体の材料は、アルミ合金であり、コーティング部の材料は、黄銅であってもよい。この構成によれば、上記作用効果が好適に奏される。

本発明に係る内燃機関のピストンにおいて、ピストンの本体の材料は、鉄であり、コーティング部の材料は、白金ロジウムであってもよい。この構成によれば、上記作用効果が好適に奏される。

本発明に係る内燃機関のピストンは、ピストン本体とコーティング部との間に介在された中間層をさらに備え、中間層の材料の熱伝導率は、ピストン本体の材料の熱伝導率よりも高くてもよい。この構成によれば、コーティング部の密着性を高めることができる。

本発明によれば、冷間時における燃焼室の遮熱と暖機後における体積効率の低下抑制とを両立できる内燃機関のピストンを提供することが可能となる。

第１の実施形態に係るピストンを示す断面図である。 熱伝導率の温度特性を示すグラフである。 （ａ）は、第２の実施形態に係るピストンを示す断面図である。（ｂ）は、第３の実施形態に係るピストンを示す拡大断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。なお、「上」、「下」の方向は、内燃機関におけるピストンの往復方向に対応する。また、「上」の語はピストンの上死点側に対応し、「下」の語はピストンの下死点側に対応する。

［第１の実施形態］
図１に示されるように、第１の実施形態に係るピストン１は、例えば車両に搭載されたディーゼルエンジンなどの内燃機関に用いられる。ピストン１は、中心軸（ピストン中心軸）Ｃの延在方向に沿って、シリンダＳの内部を往復運動する部材である。ピストン１は、略円柱の外形を呈している。ピストン１は、コネクティングロッドを介して、内燃機関のクランクシャフトに接続される。シリンダＳは、シリンダブロックに形成された気筒である。シリンダＳの周囲には、冷却水が流通する冷却水流路が設けられている（不図示）。シリンダＳの内壁面には、例えばシリンダライナが挿入されて装着される。

ピストン１は、ピストン本体１ａを備えている。ピストン本体１ａは、ピストン頂面２と、摺動側面３と、ピストンスカート４と、オイルギャラリ５と、キャビティ６とを備えている。ピストン本体１ａの材料としては、例えばアルミ合金又は鉄等が採用される（詳しくは、後述）。ピストン頂面２は、ピストン本体１ａの上端面である。ピストン頂面２は、ピストン本体１ａにおいて燃焼室Ｅを構成する。燃焼室Ｅは、ピストン１、シリンダＳ、及び図示しないシリンダヘッドによって画成される空間である。燃焼室Ｅは、シリンダＳに囲まれた燃焼室Ｅ１と、キャビティ６に囲まれた燃焼室Ｅ２と、を有する。つまり、ピストン本体１ａは燃焼室Ｅ２を有する。燃焼室Ｅでは、燃料噴射部９から噴射された燃料が燃焼される。

摺動側面３は、シリンダライナの内壁面と摺動するピストン側面である。摺動側面３には、ピストンリング８Ａ〜８Ｃがそれぞれ嵌め込まれるピストンリング溝３ａ〜３ｃが形成されている。第１のピストンリング溝３ａには、最もピストン頂面２側に位置する第１のピストンリング８Ａが配置される。第２のピストンリング溝３ｂには、第１のピストンリング溝３ａ及び第３のピストンリング溝３ｃの間に位置する第２のピストンリング８Ｂが配置される。第３のピストンリング溝３ｃには、最もピストンスカート４側に位置する第３のピストンリング８Ｃが配置される。

ピストンスカート４は、摺動側面３に沿って下側に延びている。このピストンスカート４の内部空間７には、コネクティングロッドの小端部が配置される。ピストン本体１ａは、キャビティ６（中心軸Ｃ）を囲むように環状に形成されたオイルギャラリ５を有している。オイルギャラリ５は、ピストン本体１ａの内部に形成された空洞部であり、オイルジェット孔を通じてエンジンオイルが内部を流れることでピストン本体１ａの冷却を行う。

キャビティ６は、ピストン本体１ａの燃焼室Ｅ側に設けられた凹部である。キャビティ６の内面は、ピストン本体１ａにおいて燃焼室Ｅを構成する。キャビティ６は、中心軸Ｃに関して軸対象の形状を有する。キャビティ６は、底面６ａと側壁面６ｂとを有する。底面６ａは、中心軸Ｃに近づくほど上方に傾斜しており、中心軸Ｃを中心とする円錐形状の側面を呈している。側壁面６ｂは、径方向外側に膨む曲面であり、中心軸Ｃを中心に環状に延在している。

キャビティ６は、リップ部Ｌｐを有する。リップ部Ｌｐは、キャビティ６の外縁の上部（燃焼室Ｅ１側）に形成された、側壁面６ｂのうちの内側に最も突出する部分である。キャビティ６は、リエントラント型の燃焼室Ｅ２を構成する。なお、キャビティ６が構成する燃焼室Ｅ２としては、リエントラント型に限られず、種々の形状を採用することができる。例えば、キャビティ６は、側壁面６ｂが中心軸Ｃに沿うように垂直に形成されるトロイダル型であってもよく、側壁面６ｂが垂直で底面６ａも平面に形成されるバスタブ型であってもよい。

ここで、ピストン頂面２及びキャビティ６（底面６ａ及び側壁面６ｂ）には、コーティング部Ｍが設けられている。コーティング部Ｍは、ピストン本体１ａにおいて燃焼室Ｅを構成する表面に沿って設けられている。具体的には、コーティング部Ｍは、ピストン頂面２、底面６ａ及び側壁面６ｂに沿って設けられている。コーティング部Ｍは、キャビティ６の底面６ａの中心からピストン頂面２の外縁までを覆う。コーティング部Ｍは、燃焼室Ｅからピストン本体１ａを経由してシリンダＳの冷却水流路へ至る熱の伝達経路上に介在されている。コーティング部Ｍは、例えば、めっき、溶射、及びスパッタリング等の金属皮膜処理により形成することができる。コーティング部Ｍの厚さは、例えば０．３〜１．２ｍｍの範囲で略均一の厚さとされている。

コーティング部Ｍは、燃焼室Ｅを遮熱（断熱）する。冷間時において、コーティング部Ｍは、燃焼室Ｅで噴射された燃料の燃焼熱がピストン本体１ａに伝達することを抑制する。図２は、熱伝導率の温度特性を示すグラフである。図２において、実線Ｘはピストン本体１ａの材料の熱伝導率Ｋｐの温度特性を示し、破線Ｙはコーティング部Ｍの材料の熱伝導率Ｋｍの温度特性を示す。

図２に示されるように、実線Ｘと破線Ｙとは、温度Ｔ０において交差している。コーティング部Ｍの材料の熱伝導率Ｋｍは、温度Ｔ０よりも低い温度においてはピストン本体１ａの材料の熱伝導率Ｋｐよりも低く、温度Ｔ０よりも高い温度においてはピストン本体１ａの材料の熱伝導率Ｋｐよりも高い。温度Ｔ０は、ピストン本体１ａにおいて燃焼室Ｅを構成する表面の温度（以下、単に筒内温度という）と比較した場合、内燃機関の冷間時における筒内温度よりも高く、暖機後における筒内温度よりも低い。すなわち、コーティング部Ｍの材料の熱伝導率Ｋｍは、冷間時においてはピストン本体１ａの材料の熱伝導率Ｋｐよりも低く、暖機後においてはピストン本体１ａの材料の熱伝導率Ｋｐよりも高い。このような特性を具備するコーティング部Ｍの材料として、ピストン本体１ａの材料がアルミ合金である場合には黄銅を採用することができ、ピストン本体１ａの材料が鉄である場合には白金ロジウムを採用することができる。

暖機後とは、内燃機関の暖機が完了した状態である。暖機後では、例えば燃焼室Ｅに噴射された燃料が蒸発してシリンダライナの内壁面及びピストン１の表面に液滴として付着しない程度に筒内温度が高い。暖機後としては、例えばシリンダブロックにおける冷却水の温度ＴがＴｗ以上の状態が挙げられる。Ｔｗとしては、７０℃を例示することができる。一般的に、暖機後では、筒内温度が高くなり過ぎると、燃焼室Ｅ内に吸入した空気の密度が低下する。つまり、体積効率が低下する。体積効率の低下は、燃費の悪化につながることがある。

冷間時とは、内燃機関の暖機が完了していない状態である。冷間時では、暖機後と比較して、内燃機関のシリンダヘッド、シリンダライナ、及びピストン１等の温度が低く、筒内温度が低い。冷間時としては、例えばシリンダブロックにおける冷却水の温度がＴｗ未満の状態、内燃機関の始動後からの燃焼回数が所定回数未満の場合、等が挙げられる。一般的に、冷間時では、暖機後と比較して燃焼室Ｅに噴射された燃料が蒸発しにくく、シリンダライナの内壁面及びピストン１の表面に液滴として付着することがある。そのため、白煙の排出及び失火の発生の可能性が高くなる。

冷間時においては、コーティング部Ｍの材料の熱伝導率Ｋｍがピストン本体１ａの材料の熱伝導率Ｋｐよりも低い。よって、ピストン本体１ａにおいて燃焼室Ｅを構成する表面（ピストン頂面２、底面６ａ及び側壁面６ｂ等）のうちコーティング部Ｍが設けられた部分においては、燃焼熱がピストン本体１ａ及びシリンダＳを介してシリンダＳの冷却水流路の冷却水に伝達することが抑制される。そのため、コーティング部Ｍが設けられていない場合と比較して、筒内温度が高くなる。すなわち、コーティング部Ｍによって燃焼室Ｅの遮熱が実現される。その結果、コーティング部Ｍが設けられていない場合と比較して、燃焼室Ｅに噴射された燃料が蒸発し易くなり、燃料がシリンダライナの内壁面及びピストン１の表面に液滴として付着することが低減され、白煙の排出及び失火の発生の可能性が低減される。

暖機後においては、コーティング部Ｍの材料の熱伝導率Ｋｍがピストン本体１ａの材料の熱伝導率Ｋｐよりも高い。よって、コーティング部Ｍが設けられていない場合と比較して、燃焼熱のピストン本体１ａへの伝達がコーティング部Ｍにおいて妨げられにくい。換言すると、燃焼室Ｅの遮熱効果は、ピストン本体１ａの材料（ピストン母材）の熱伝導率Ｋｐに強く影響され、コーティング部Ｍの材料の熱伝導率Ｋｍに影響される程度が小さい。そのため、筒内温度は、コーティング部Ｍが設けられていない場合と略同等となる。その結果、燃焼室Ｅ内に吸入した空気の密度の低下が抑制される。すなわち、暖機後における体積効率の低下抑制が実現される。

以上のように構成されたピストン１では、コーティング部Ｍにより、冷間時における燃焼室の遮熱と暖機後における体積効率の低下抑制とを両立できる。具体的には、冷間時において、燃焼熱がピストン本体１ａを介してシリンダＳに伝達して冷却水に伝達することが抑制され、コーティング部Ｍが設けられていない場合と比較して、筒内温度が高くなる。すなわち、コーティング部Ｍによって、冷間時における燃焼室Ｅの遮熱を実現できる。一方、暖機後においては、コーティング部Ｍにより燃焼室Ｅを大きく遮熱することがなくなり、燃焼熱のピストン本体１ａへの伝達がコーティング部Ｍにおいて妨げられにくい。そのため、筒内温度は、コーティング部Ｍが設けられていない場合と略同等となる。その結果、燃焼室Ｅ内に吸入した空気の密度の低下が抑制される。すなわち、暖機後における体積効率の低下抑制を実現できる。従って、冷間時における燃焼室Ｅの遮熱と暖機後における体積効率の低下抑制とを両立することが可能となる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係るピストン１０は、第１の実施形態に係るピストン１と同様に構成されている。図３（ａ）に示されるように、ピストン１０がピストン１と異なる点は、コーティング部Ｍがピストン本体１ａのリップ部Ｌｐを含む側壁面６ｂの表面に設けられており、底面６ａには設けられていない点である。

ピストン１０では、コーティング部Ｍがピストン本体１ａにおいて燃焼室Ｅ２を構成する表面の少なくとも一部に設けられている。よって、第１の実施形態と同様に、冷間時における燃焼室Ｅの遮熱と暖機後における体積効率の低下抑制とを両立することが可能となる。

ここで、例えばディーゼルエンジンにおいては、一般的に、図３（ａ）の破線で示される噴射方向に沿って（リップ部Ｌｐを含む側壁面６ｂに向けて）、燃料噴射部９から燃料が噴射される場合がある。この場合、リップ部Ｌｐを含む側壁面６ｂの表面は、底面６ａと比較して燃焼ガスに曝され易い。そこで、本実施形態のピストン１０の構成では、ピストン本体１ａにおいて燃焼室Ｅを構成する表面には、リップ部Ｌｐを有するキャビティ６が設けられており、コーティング部Ｍは、リップ部Ｌｐの表面に設けられている。この構成によれば、例えば燃焼ガスがリップ部に特に当たり易い場合に、燃焼熱がピストン本体１ａを介してシリンダＳに伝達することを効果的に抑制できる。よって、燃焼室を効果的に遮熱することが可能となる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態に係るピストン２０は、第１の実施形態に係るピストン１と同様に構成されている。図３（ｂ）に示されるように、ピストン２０がピストン１と異なる点は、ピストン２０のピストン本体１ａとコーティング部Ｍとの間に介在する中間層Ｎが設けられている点である。

中間層Ｎの材料の密着性は、ピストン本体１ａ及びコーティング部Ｍの双方との密着性が高い。具体的には、中間層Ｎとピストン本体１ａとの密着性、及び中間層Ｎとコーティング部Ｍとの密着性は、ピストン本体１ａとコーティング部Ｍとの密着性よりも高い。密着性とは、例えば中間層Ｎとピストン本体１ａとの間、及び中間層Ｎとコーティング部Ｍとの間の結合力（接着力）を意味する。

例えば、中間層Ｎがピストン本体１ａとコーティング部Ｍとの間に介在する場合、中間層Ｎとピストン本体１ａとの密着性が高く、且つ、中間層Ｎとコーティング部Ｍとの密着性が高い。このため、中間層Ｎが介在しない場合と比べて、中間層Ｎを介してピストン本体１ａとコーティング部Ｍとの密着性が高い状態を実現することができる。よって、中間層Ｎとピストン本体１ａとの間、及び中間層Ｎとコーティング部Ｍとの間の結合力が高くなる。

また、ピストン本体１ａの熱膨張率とコーティング部Ｍの熱膨張率とが大きく異なる場合、ピストン本体１ａ及びコーティング部Ｍが加熱されると、ピストン本体１ａの熱膨張量とコーティング部Ｍの熱膨張量とが異なることにより、コーティング部Ｍがピストン本体１ａからはがれやすくなる可能性が高まる。このため、例えば、コーティング部Ｍの熱膨張率と比べてピストン本体１ａの熱膨張率が大きい場合には、中間層Ｎの熱膨張率は、コーティング部Ｍの熱膨張率よりも大きく、且つ、中間層Ｎの熱膨張率がピストン本体１ａの熱膨張率よりも小さい熱膨張率に設定される。このような中間層Ｎが介在することにより、ピストン本体１ａの熱膨張量と中間層Ｎの熱膨張量との差、及び、中間層Ｎの熱膨張量とコーティング部Ｍの熱膨張量との差が、ピストン本体１ａの熱膨張量とコーティング部Ｍの熱膨張量との差よりも小さくなる。その結果、ピストン本体１ａとコーティング部Ｍとの間に中間層Ｎが介在しない場合と比べて、コーティング部Ｍがピストン本体１ａからはがれにくくなる。中間層Ｎの材料としては、例えばピストン本体１ａの材料が鉄（Ｆｅ）であってコーティング部Ｍの材料が白金ロジウムである場合には、ニッケルアルミ（ＮｉＡｌ）を採用することができる。中間層Ｎの材料の熱伝導率は、ピストン本体１ａの材料の熱伝導率よりも高くてもよい。

ピストン２０においても、コーティング部Ｍがピストン本体１ａにおいて燃焼室Ｅ２を構成する表面に設けられている。よって、第１の実施形態と同様に、冷間時における燃焼室Ｅの遮熱と暖機後における体積効率の低下抑制とを両立することが可能となる。

このように、ピストン２０は、ピストン本体１ａとコーティング部Ｍとの間に介在された中間層Ｎをさらに備えている。中間層Ｎの材料の熱伝導率は、ピストン本体１ａの材料の熱伝導率よりも高いため、中間層Ｎが燃焼室Ｅを遮熱する効果は小さい。そのため、暖機後における体積効率の低下を抑制しつつ、ピストン本体１ａとコーティング部Ｍとの密着性を高めることができる。

以上、本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用してもよい。例えば、上記実施形態では、内燃機関の一例としてディーゼルエンジンを用いて説明したが、ガソリンエンジン等の内燃機関でもよい。上記実施形態では、コーティング部Ｍを単一の領域として連続的に設けたが、複数の領域に分けて（断続的に）設けてもよい。

１，１０，２０…ピストン、１ａ…ピストン本体、６…キャビティ、Ｅ…燃焼室、Ｍ…コーティング部、Ｌｐ…リップ部。

Claims (5)

1. 内燃機関に用いられるピストンであって、
   燃焼室を有するピストン本体と、
   前記ピストン本体において前記燃焼室を構成する表面の少なくとも一部に設けられたコーティング部と、を備え、
   前記コーティング部の材料の熱伝導率は、
   前記内燃機関の冷間時においては前記ピストン本体の材料の熱伝導率よりも低く、前記内燃機関の暖機後においては前記ピストン本体の材料の熱伝導率よりも高い、内燃機関のピストン。
2. 前記ピストン本体において前記燃焼室を構成する前記表面には、リップ部を有するキャビティが設けられており、
   前記コーティング部は、前記リップ部の表面に少なくとも設けられている、請求項１に記載の内燃機関のピストン。
3. 前記ピストン本体の材料は、アルミ合金であり、
   前記コーティング部の材料は、黄銅である、請求項１又は２に記載の内燃機関のピストン。
4. 前記ピストンの本体の材料は、鉄であり、
   前記コーティング部の材料は、白金ロジウムである、請求項１又は２に記載の内燃機関のピストン。
5. 前記ピストン本体と前記コーティング部との間に介在された中間層をさらに備え、
   前記中間層の材料の熱伝導率は、前記ピストン本体の材料の熱伝導率よりも高い、請求項１〜４の何れか１項に記載の内燃機関のピストン。

Images