JP2006105103A - ピストン - Google Patents

Abstract

【課題】 低温化が可能なピストンを提供する。
【解決手段】 ピストン１０では、ピストン本体１６粗材と同一粗材からなるリップ部１４に機械的強度および熱的強度を向上させる手段であるロール掛け、ショットブラストまたはショットピーニングが施される。これにより、リップ部１４に応力を付与し、燃焼による熱膨張の引張力に耐えられるようにする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ピストンに関し、より特定的には凹部を有するピストンに関するものである。

従来、ピストンは、たとえば特開平７−７１３１７号公報（特許文献１）および特開平１０−１６９５０５号公報（特許文献２）に開示されている。
特開平７−７１３１７号公報 特開平１０−１６９５０５号公報

上記特許文献１では、ピストンの頂面のリップ部の強度および信頼性を確保するために、ピストン本体粗材と異なる強度を有する環状リップ部材が開示されている。

しかしながら、このようなピストンでは接触境界面を有するため、リップ部材からピストン本体への熱の伝達が悪くなり、リップ部の温度が高温となりやすいという問題があった。

また、特許文献２では、マトリックス金属を含浸させた繊維集積体によって複合強化させ、強化繊維がリップ縁の円周方向に配向した技術が開示されている。しかしながら、特許文献２で開示されたピストンでも、特許文献１と同様に、高温となりやすいという問題があった。

そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、十分な冷却が可能なピストンを提供することを目的とする。

この発明に従ったピストンは、内燃機関のピストンの頂面にリップ形状を設けたピストンであって、ピストン本体粗材と同一粗材からなるリップ部に機械的強度および熱的強度を向上させる手段を施したものである。

このように構成されたピストンでは、ピストン粗材と同一粗材からなるリップ部を設けるため、リップ部のみを別部材で設けた場合に比べてリップ部からピストン本体への熱の移動が妨げられることがなく、熱を放散させることができる。その結果、リップ部の低温化が可能となり、一層耐疲労強度や熱膨張による引張強度に対応することができる。

また、上記手段により、リップ部の密度を上げて、耐疲労強度を向上させることができる。

好ましくは、上記手段は、ロール掛け、ショットブラストおよびショットピーニングからなる群より選ばれた少なくとも１種を含む。

この発明に従えば、リップ部の温度の上昇を抑えることができるピストンを提供することができる。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に従ったピストンを有するエンジンの断面図である。図１を参照して、ピストン１０はシリンダブロック２０内に収納される。ピストン１０はほぼ円筒形状であり、シリンダブロック２０の内部空間であるボア領域に収納されてボア領域を往復運動する。

ピストン１０は、ピストン本体１６およびピストン本体１６に連なるスカート部１３を有する。ピストン本体１６およびスカート部１３はたとえばアルミニウム合金により構成される。スカート部１３の外周部には、摩擦を低下させるための樹脂コートが施されていてもよい。

ピストン本体１６の頂面１７には、凹部である燃焼室１１が設けられる。燃焼室１１は、ピストン本体１６を抉り取った形となりほぼ左右対称形状とされる。燃焼室１１の上部がリップ部１４であり、リップ部１４は、ピストン本体１６の頂面１７と燃焼室１１との境界面となる。ピストン本体１６にはクーリングチャンネル１２が設けられており、ピストン本体１６の熱を奪うための流体がクーリングチャンネル１２に流される。

ピストン１０はコネクティングロッド６０によりクランクシャフト（図示せず）に取付けられる。ピストン１０の往復運動をコネクティングロッド６０が回転運動に変える。

ピストン１０上にはインジェクタ４０が配置される。インジェクタ４０は燃料である軽油を燃焼室１１に向かって吹き付ける。インジェクタ４０としては、電磁式インジェクタ、ピエゾインジェクタなどさまざまなものを採用することができる。また、燃料噴射圧力は特に限定されず、高圧で燃料を噴射するコモンレールシステムを採用してもよい。

実施の形態１に従ったエンジンは、軽油を燃料とするいわゆるディーゼルエンジンである。なお、燃料は軽油に限られず、灯油、重油などを採用することが可能である。インジェクタ４０の横には、エンジンの始動時の燃焼室１１を急激に加熱するためのグロープラグ３０が配置される。グロープラグ３０と反対側には、バルブ５０が配置される。

この発明に従ったピストン１０は直列型、Ｖ型またはＷ型などのさまざまなエンジンに適用することが可能である。また、ピストン１０の材質も、アルミニウムだけでなく、鉄、マグネシウムなど、さまざまな金属を採用することが可能である。また、エンジンの形状としては、単気筒エンジンだけでなく、複数のピストンを有する多気筒エンジンに本発明を適用することが可能である。

図２は、図１で示すピストンの一部断面を含む斜視図である。図３は、図１で示すピストンの一部断面を示す正面図である。

図２を参照して、ピストン１０は円筒形状であり、ヘッドを構成するピストン本体１６にスカート部１３が取付けられて下方向へ延びる形状とされる。燃焼室１１はピストン本体１６の中央部に設けられて、燃焼室１１の中央部がさらに高くなった形状とされる。ピストン１０の頂面１７の一部分を凹形状として燃焼室１１が構成されている。ピストン１０の製造方法としては、鋳造、鍛造などさまざまな方法を採用することができる、鋳造を用いれば、量産化に適している。リップ部１４は円形状であり、燃焼室１１を取囲むように位置する。ピストン１０内部には、クーリングチャンネル１２が円周状に設けられ、クーリングチャンネル１２を冷却媒体（たとえば潤滑油）が通過することで、ピストン１０の温度を低下させることが可能である。

図３を参照して、ピストン１０の左半分が断面となっている。ピストン１０には、上から順に第１コンプレッションリング用溝、第２コンプレッションリング用溝およびオイルリング用溝が配置される。第１コンプレッションリング用溝には、リングトレーガ（耐摩擦管）を採用してもよい。凹み形状の燃焼室１１は頂面１７に向かって開口しており、燃焼室１１のエッジ部がリップ部１４となる。頂面１７から最も遠い部分にスカート部１３が設けられる。スカート部１３にコーティングを施し、耐スカッフ性の向上を図ることも可能である。

図４は、この発明の実施の形態１に従ったピストンの断面図である。図４を参照して、この発明では、ロール１１０を用いて、リップ部１４にロール掛けをする。これにより、リップ部１４の密度を上げる。その結果、リップ部１４の密度が上がることにより、耐疲労強度を向上させることができる。また、リップ部１４に圧縮残留応力を与えて、燃焼による熱膨張による引張力に耐えられるようにする。ロール１１０を構成する材質としては、ピストン本体１６を構成する材質よりも硬度の大きい材料、たとえばピストン本体１６としてアルミニウムを採用した場合には、ロール１１０は鋼により構成される。また、ロール掛けでなく、ショットブラスト、ショットピーニングなどをリップ部１４に施すことでも、同様の効果が得られる。

図５は、ピストンの温度を示す模式図である。図５を参照して、ピストン本体１６において、燃焼室１１で燃焼が行なわれる。これにより、頂面１７において、燃焼室１１に近い部分の温度が高くなり、燃焼室１１から遠い部分の温度が低くなる。これは、リップ部１４の全周に亘って言える。

図６は、従来のピストンにおいて生じる引張応力と圧縮応力との関係を示すピストンの平面図である。図６を参照して、頂面１７のうち、リップ部１４に近い部分、すなわち燃焼室１１に近い部分では図５で示すように温度が高くなる。その結果、この部分には引張応力が加わる。これに対して、リップ部１４から遠い部分、すなわち燃焼室１１から遠い部分（ピストン１０の外周部分）は圧縮応力が加わる。このように、ピストン１０で温度分布が生じるとこの温度分布に伴って引張応力および圧縮応力がピストン１０に加わる。

図７は、本発明に従ったピストンにおける引張応力と圧縮応力との関係を示すピストンの平面図である。図７を参照して、本発明では、リップ部１４にロール掛けを行なう。これにより、リップ部１４には圧縮応力が加わる。この圧縮応力は、図７中の点線で表わされる。その結果、二点鎖線で示す熱膨張による引張応力と、点線で示すロール掛けによる圧縮応力とが互いに打ち消し合い、実線で示す応力分布がピストン１０に生じる。この応力分布は図６で示す応力分布に比べて緩やかな分布となる。

このように構成された、実施の形態１に従ったピストン１０では、内燃機関のピストン１０の頂面１７にリップ形状であるリップ部１４を設けたピストンであって、ピストン本体１６の粗材と同一粗材からなるリップ部１４に、機械的強度および熱的強度を向上させる手段としての、ロール掛け、ショットブラストまたはショットピーニングの少なくとも１つを施したものである。

このようなピストンでは、リップ部１４に境界面がないため、リップ部１４の温度が境界面を有する構造と比較して、熱が逃げやすくなる。その結果、リップ部１４の低温化が可能となり、耐疲労強度や熱膨張による引張強度に対応することができる。また、頂面１７での熱の逃げがよくなるため、特定の高温部がなくなり、燃焼に対して好影響を及ぼすことが可能である。

（実施の形態２）
図８は、この発明の実施の形態２に従ったピストンの平面図である。図９は、図８中のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面図である。図８および図９を参照して、燃焼室１１が皿型であってもよい。図８および図９においても、実施の形態１と同様に直接噴射式であり、この場合、空気と燃料の混合は、噴射による燃料粒子の空気中への拡散、および吸入工程で生じる渦流（スワール）や圧縮工程により生じるスキッシュによる空気の流動と乱れによって行なわれる。その組合せや利用の仕方により、さまざまな形状の燃焼室１１を構成することができる。図８および図９で示す皿型の燃焼室１１は、スキッシュが殆どなく、噴射された燃料４１と空気の混合の大部分は燃料の噴射によって行なわれる。そのため、高い噴射圧力を必要とする。燃焼室１１は横方向に広がっており、深さが浅いのが特徴である。また、インジェクタ４０から放射線状に燃料４１が噴射される。

一般的に、図８および図９で示す皿型の燃焼室１１では、シリンダ内の空気流動が少ない分熱損失が少なく燃費が最もよい反面、空気との混合が難しく、空気の利用度が悪くなり、高出力を得ることが困難となる場合がある。

図１０は、この発明の実施の形態２に従ったピストンの平面図である。図１１は、図１０中のＸＩ−ＸＩ線に沿った断面図である。図１０および図１１では、燃焼室１１は球形である。球形の燃焼室（Ｍ型燃焼方式）は、強いスキッシュの中へ噴射された燃料４１の大半は燃焼室１１の壁に膜状に付着し、極一部が空気中で加熱され、着火する。その後、燃料４１は燃焼室１１の壁と燃焼ガスにより加熱され、順次気化し、燃焼する。そのため、他の燃焼方式とは異なり、着火遅れ時期に噴射された燃料が一気に燃えず、初期燃焼期間における燃焼圧力の上昇率が少なく、ティーゼルノックや燃焼騒音が低いという特徴を有する。しかしながら、ピストンの熱負荷が高くなる。

図１２は、この発明の実施の形態２に従ったピストンの平面図である。図１３は、図１２中のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿った断面図である。図１２および図１３では、トロイダル型の燃焼室１１を示している。トロイダル型の燃焼室１１は、図８および図９で示す皿型の燃焼室１１に比べ、ピストン１０の窪みが深く、その径が小さい燃焼室形状である。また、燃料と空気の混合は、燃料の噴射とスワールおよびスキッシュによって行なわれ、インジェクタ４０に設けられた４個から６個程度の孔から噴射された燃料４１の一部は、ピストン１０の燃焼室１１の壁に衝突し、適度に撥ね返る。

図１４は、この発明の実施の形態２に従ったピストンの平面図である。図１５は、図１４中のＸＶ−ＸＶ線に沿った断面図である。図１４および図１５では、リエントラント型のピストンを示している。リエントラント型の燃焼室１１は、トロイダル型と似ており、スキッシュ効果と、ピストンが上死点から下降するときに生ずる逆スキッシュの効果を生かすためのものである。

図１６は、この発明の実施の形態２に従ったピストンの斜視図である。図１６を参照して、実施の形態２に従ったピストンでは、リップ部１４が四角形状であってもよい。なお、四角形状だけでなく、六角形状、五角形状など多角形状のリップ部１４を採用してもよい。また、矩形でなく、楕円形状などのリップ部１４を採用してもよい。

このように構成された、実施の形態２に従ったピストンでも、実施の形態１に従ったピストンと同様の効果がある。

（実施の形態３）
図１７は、この発明の実施の形態３に従ったピストンを有するエンジンの断面図である。図１７を参照して、この発明の実施の形態３に従ったピストン１０は、ガソリンを燃料とし、ガソリンを燃焼室に直接噴射する、いわゆる筒内直接噴射型のエンジンで用いられるピストン１０である点で、実施の形態１に従ったディーエルエンジン用のピストンと異なる。ピストン１０は、左右対称形状ではなく、燃料が噴射されるインジェクタ４０側に偏在する燃焼室１１を有する。燃焼室１１は、ピストン１０のピストン本体１６に設けられた燃焼室１１はインジェクタ４０側に偏在している。インジェクタ４０からは、燃料であるガソリンが燃焼室１１に向かって噴射される。噴射された燃料は空気と混合されて混合気を形成し、点火プラグ８０によって点火される。このときの圧力がピストン１０に伝達されてピストン１０を下方向へ押し下げる。

なお、燃焼形態としては、点火プラグの近傍のみで混合気が濃くなる、いわゆる成層燃焼だけでなく、全体で均一な混合気が実現される、いわゆる均質燃焼（ストイキ燃焼）であってもよい。点火プラグ８０は２つのバルブ５０で挟まれた位置に配置されている。ピストン１０はコネクティングロッド６０によりクランクシャフト（図示せず）に接続される。ピストン１０はシリンダブロック２０内に収納される。

図１８は、この発明の実施の形態３に従ったピストンの一部断面を含む斜視図である。図１９は、この発明の実施の形態３に従ったピストンの一部断面を含む側面図である。図１８を参照して、ピストン１０には、非対称形状の燃焼室１１が設けられる。ピストン１０の頂面１７の形状の最適化を図り、燃料噴霧と吸入空気の混合を促進することで、筒内直接燃料噴射による燃焼の高効率化を図ることができる。さらに、シリンダヘッド型をコンパクトなペントルーフ型燃焼室とすることで、高性能と低燃費の両立化を図ることができる。

また、ピストン１０のスカート部１３に樹脂コートを施し、フリクションを低減し、高性能および低燃費化を図ることも可能である。リップ部１４には、実施の形態１と同様のロール掛け、ショットブラストおよびショットピーニングが施される。燃焼室１１の形状は、円形状、楕円形状、多角形状などのさまざまな形状とすることができる。

図１９を参照して、ピン孔に対して左右非対称形状の燃焼室１１は頂面１７に開口するように設けられる。燃焼室１１の外周であるリップ部１４は、燃焼室１１と頂面１７との境界となる。

このように構成された、実施の形態３に従ったピストンでは、実施の形態１に従ったピストンと同様の効果がある。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、ここで示した実施の形態はさまざまに変形することが可能である。まず、ピストンを構成する材質としては、上記した金属だけでなく、さらに別の材料を採用することも可能である。また、ピストン１０の用途としては、内燃機関用のピストンであればよく、自動二輪用、四輪車用に限られず、発電機などのエンジンに本発明を採用してもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、たとえば内燃機関の分野で用いることができる。

この発明の実施の形態１に従ったピストンを有するエンジンの断面図である。 図１で示すピストンの一部断面を含む斜視図である。 図１で示すピストンの一部断面を示す正面図である。 この発明の実施の形態１に従ったピストンの断面図である。 ピストンの温度を示す模式図である。 従来のピストンにおいて生じる引張応力と圧縮応力との関係を示すピストンの平面図である。 本発明に従ったピストンにおける引張応力と圧縮応力との関係を示すピストンの平面図である。 この発明の実施の形態２に従ったピストンの平面図である。 図８中のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面図である。 この発明の実施の形態２に従ったピストンの平面図である。 図１０中のＸＩ−ＸＩ線に沿った断面図である。 この発明の実施の形態２に従ったピストンの平面図である。 図１２中のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿った断面図である。 この発明の実施の形態２に従ったピストンの平面図である。 図１４中のＸＶ−ＸＶ線に沿った断面図である。 この発明の実施の形態２に従ったピストンの斜視図である。 この発明の実施の形態３に従ったピストンを有するエンジンの断面図である。 この発明の実施の形態３に従ったピストンの一部断面を含む斜視図である。 この発明の実施の形態３に従ったピストンの一部断面を含む側面図である。

符号の説明

１０ ピストン、１１ 燃焼室、１３ スカート部、１４ リップ部、１６ ピストン本体、１７ 頂面。

Claims (2)

1. 内燃機関のピストンの頂面にリップ形状を設けたピストンであって、
   ピストン本体粗材と同一粗材からなるリップ部に機械的強度および熱的強度を向上させる手段が施された、ピストン。
2. 前記手段はロール掛け、ショットブラストおよびショットピーニングからなる群より選ばれた少なくとも１種を含む、請求項１に記載のピストン。

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