JP6201628B2 - エンジンのピストン構造 - Google Patents

Description

本発明は、ピストン頂部を形成するクラウン部と、このクラウン部の外周部に連なるトップランド部とを有するエンジンのピストン構造に関する。

従来より、火花点火式ガソリンエンジンの理論熱効率を向上させるため、幾何学的圧縮比を１２以上の高圧縮比に設定した火花点火式直噴エンジンが知られている。
この高圧縮比に設定された火花点火式直噴エンジンは、熱効率で有利になる反面、エンジンの運転状態が低速域且つ中・高負荷領域において過早着火やノッキングといった異常燃焼を招く虞がある。

ノッキングにより燃焼室内において高圧部が生じた場合、この高圧部に起因して圧力波がピストンのトップランド部とシリンダ壁面との間の隙間に侵入する。
圧力波はトップランド部に打撃を与える衝撃波であるため、トップランド部の表面に減肉現象であるエロージョン（侵食）が発生し、表面荒れを生じることがある。
そこで、トップランド部とシリンダ壁面との間の隙間に侵入した圧力波を効果的に外部空間に逃がすことでトップランド部の表面荒れを防止する技術が提案されている。

特許文献１のエンジンのピストン構造は、ピストンのトップランド外周側面に周方向に延びる周方向溝部を設け、この周方向溝部にピストン頂部に開放する端部を設けている。
これにより、圧力波がトップランド部とシリンダ壁面との間の隙間に侵入した場合であっても、圧力波を周方向溝部を介してピストン頂部に開放することができ、圧力波の打撃によるトップランド部の表面荒れを抑制することができる。

特開２０１２−１１７５０１号公報

特許文献１のエンジンのピストン構造は、トップランド部とシリンダ壁面との間の隙間に侵入した圧力波をピストン頂部に開放するため、複数箇所から隙間に侵入した圧力波の衝突による増幅を防止してトップランド部表面のエロージョン発生を対策している。
しかし、特許文献１のように、トップランド部に周方向溝部やピストン頂部に開放する端部を設けたとしても、トップランド部に対するエロージョン対策としては十分ではなく、依然としてトップランド部表面に表面荒れを生じる虞がある。

即ち、圧力波がトップランド部とシリンダ壁面との間の隙間に侵入したとき、隙間による空洞共鳴に起因した増幅作用によって圧力波が増幅され、この増幅された圧力波がトップランド部を直接的に打撃することから、単一箇所から侵入した単一の圧力波でも圧力波の衝撃がピストンのトップランド部の表面疲労強度を越えた場合には、トップランド部表面にエロージョンを発生させる可能性がある。

また、特許文献１のエンジンのピストン構造では、ピストン頂部の下方で且つトップリング溝の上方のトップランド外周側面に側方に開放した周方向溝部を設けるため、通常燃焼時であっても、トップランド外周側面に形成された周方向溝部内には火炎が伝播し難く、周方向溝部内に未燃ガスであるＨＣが発生し、エミッション性が低下する虞がある。
しかも、トップランド外周側面の周方向溝部やピストン頂部に開放する端部を形成するため、ピストン構造が複雑化し、生産コストの上昇を招く虞もある。

本発明の目的は、生産コストを抑えつつ、ノッキングに起因するエロージョン抑制とエミッション性向上とを両立できるエンジンのピストン構造等を提供することである。

請求項１のエンジンのピストン構造は、ピストン頂部を形成するクラウン部と、このクラウン部の外周部に連なるトップランド部とを有するピストンと、シリンダ内の前記ピストンの上方に形成された燃焼室内の混合気に点火する点火プラグとを備えたエンジンのピストン構造において、前記クラウン部は、前記トップランド部の上面部と、前記上面部から上方へ隆起した隆起部とを有し、前記クラウン部とトップランド部の境界近傍部の周方向の少なくとも一部に自己着火に起因した圧力波を上方へ反射させるための径方向内方へ縮径した第１縮径段部を設け、前記第１縮径段部が、前記トップランド部の外周側面部から上側程縮径するテーパ状に形成された面取り部と、前記面取り部の上端部から径方向内側に向けて略水平状に延びる横壁部と、前記横壁部の径方向内側端部から上方に延びる第１縦壁部と、前記縦壁部の上端部から前記上面部の径方向外側端部に向けて上側程縮径するテーパ状に形成されたテーパ面部とを備えたことを特徴としている。

このエンジンのピストン構造では、クラウン部とトップランド部の境界近傍部の周方向の少なくとも一部に自己着火に起因した圧力波を上方へ反射させるための径方向内方へ縮径した第１縮径段部を設けたため、圧力波がトップランド部とシリンダ壁面との間の隙間へ侵入することを防止でき、ノッキング発生時、増幅された圧力波によるトップランド部の直接的打撃を防止できる。また、第１縮径段部を焼室側に開放した上方開放形状に形成できるため、火花点火時、第１縮径段部まで容易に火炎伝播させて燃焼促進による未燃ガス低減を図ることができ、加工容易な構造の簡単化を図ることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第１縮径段部の径方向幅はピストンリング溝の径方向幅よりも小さいことを特徴としている。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記隆起部に前記第１縮径段部よりも小径の第２縮径段部を設け、前記第２縮径段部が、前記隆起部の周方向一端部に対応した前記上面部の径方向内側端部から上方に延びる第２縦壁部を備えたことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、圧力波がトップランド部とシリンダ壁面との間の隙間へ侵入することを防止でき、ノッキング発生時、増幅された圧力波によるトップランド部の直接的打撃を防止するため、ノッキングに起因するエロージョン抑制し、トップランド部表面の表面荒れを防止できる。また、火花点火時、第１縮径段部まで容易に火炎伝播させて燃焼促進による未燃ガス低減を図ることができるため、エミッション性を向上することができる。しかも、加工容易な構造の簡単化を図れるため、生産コストを抑えることができる。

請求項２の発明によれば、ピストンの強度低下を回避しつつ、エロージョン抑制効果を維持することができる。

請求項３の発明によれば、自己着火に起因した圧力波を上方へ反射させるための反射面の面積を確保することができ、トップランド部表面の表面荒れを一層防止することができる。

本発明の実施例１に係るピストンを有するエンジンの気筒周辺の概略構成図である。 ピストンの斜視図である。 図２のIII方向矢視図である。 図２のIV方向矢視図である。 図３の要部拡大図である。 図４の要部拡大図である。 解析用燃焼室モデルの説明図である。 比較例１の検証モデルを示す図である。 比較例２の検証モデルを示す図である。 比較例３の検証モデルを示す図である。 実施例１の検証モデルを示す図である。 解析結果を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

以下、本発明の実施例１について図１〜図１２に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施例１に係るピストン１を備えたエンジンＥ（火花点火式内燃機関）の気筒周辺の断面図である。このエンジンＥは、シリンダブロック２とその上部に組み付けられたシリンダヘッド３とを備え、シリンダ４には、その軸心軸心方向に対して上下に往復動するようにピストン１が収容されている。
ピストン１は、シリンダブロック２の下部のクランク室内に回転自在に支持されたクランク軸（図示略）にコネクティングロッド５によって連結され、これによりピストン１の往復運動がクランク軸の回転運動に変換されている。
シリンダブロック２の下部には、ピストン冷却用のオイルジェット装置（図示略）が設けられている。

シリンダ４内のピストン１の上方には燃焼室６が形成され、その天井部６ａは、シリンダヘッド３の下面に各シリンダ４毎に形成された窪みによって構成されている。
燃焼室６は、ペントルーフ型に形成され、天井部６ａは吸気側及び排気側の２つの傾斜面からなる三角屋根状に形成され、夫々の傾斜面には吸気ポート７と排気ポート８とが２つづつ開口している。吸気ポート７の直径は、排気ポート８の直径よりも大径に形成され、２つの傾斜面の交差位置は、シリンダ４の中心に対して若干オフセットしている。
各吸気ポート７の開口部には吸気弁１０が、また、各排気ポート８の開口部には排気弁 １１が夫々配設され、動弁機構（図示略）により所定のタイミングで開閉されている。

吸気ポート７の下方には、その開口部間に噴口を臨ませて、燃焼室６の周縁部から中央寄りに向かって燃料を噴射するように、インジェクタ１２が配設されている。このインジェクタ１２は、燃料分配管（図示略）を介して高圧燃料ポンプ等を有する燃料供給系に接続されている。本実施例では、直噴エンジンを想定しているが ポート噴射方式のエンジンに対しても適用可能である。

シリンダヘッド３には、シリンダ軸心に沿って延びるように点火プラグ９が配設され、その先端（下端）の電極９ａが天井部６ａの中央付近から燃焼室６に臨んでいる。
この点火プラグ９の基端側には、点火コイルユニット（図示略）が接続されており、所定のタイミングで電極間に火花を生じさせて燃焼室６内の混合気に点火するように構成されている。このように、燃焼室６の中央付近で混合気に点火するため、良好な火炎伝播性を確保している。

燃焼室６の床部であるピストン１の頂部であるクラウン部３０には、隆起部３１が形成されている。この隆起部３１が、燃焼室６の容積を調整してシリンダ４の幾何学的圧縮比を高く設定している。本実施例では、幾何学的圧縮比が１２以上の所定値、例えば１４に設定されている。

次に、ピストン１について詳細に説明する。
ピストン１は、溶融されたアルミニウム合金材料を射出して成形されたアルミニウム合金製中間成形体をエンドミル等の工作機械によって機械加工することにより製造される。
図１〜図４に示すように、ピストン１は、１対のスカート部２１と、１対のサイドウォール部２２と、円筒状のトップランド部２３，セカンドランド部２４及びサードランド部２５と、ピストン１の頂部を形成するクラウン部３０等を備えている。

１対のスカート部２１は、サードランド部２５下端部分から下方へ延びるように夫々形成され、ピンボス部２２ａを挟んで吸排気方向において対向するように配設されている。これら１対のスカート部２１は、平面視にて略円弧状に形成され、ピストン１の往復運動時には、シリンダ４の内周面を摺動することによってピストン１の上下運動に対するガイド機構を構成している。

１対のサイドウォール部２２は、１対のスカート部２１の両側の端部同士を夫々連結するように形成され、ピンボス部２２ａの軸心方向において互いに対向するように配設されている。以上のように、１対のスカート部２１と１対のサイドウォール部２２とが周方向に連なり、協働して環状の枠体を構成している。

図１〜図６に示すように、１対のスカート部２１及び１対のサイドウォール部２２よりも上方のピストン１の外周側面には、トップランド部２３と，このトップランド部２３の下方にトップリング溝２６（ピストンリング）を間に介して形成されたセカンドランド部２４、このセカンドランド部２４の下方にセカンドリング溝２７を間に介して形成されたサードランド部２５とが夫々形成されている。

サードランド部２５と１対のスカート部２１及び１対のサイドウォール部２２との間には、オイルリング溝２８が形成されている。
トップリング溝２６，セカンドリング溝２７及びオイルリング溝２８は、ピストン１の外周側面から径方向内方へピストン１の全周に亙って縮径して断面略コ字状に形成されている。これらトップリング溝２６，セカンドリング溝２７及びオイルリング溝２８には、略Ｃ字状のトップリング，セカンドリング及びオイルリング（何れも図示略）が夫々収容されている。

図１〜図６に示すように、トップランド部２３は、円筒状に形成され、クラウン部３０の外周部に連なるように構成されている。
トップランド部２３は、クラウン部３０との境界近傍部において、異常燃焼である自己着火に起因して発生する圧力波を燃焼室６内上方へ反射させるための第１縮径段部２９を備えている。この第１縮径段部２９は、トップランド部２３の上下方向途中部から上側までの間で且つ全周に亙って形成され、その径方向幅は、トップリング溝２６，セカンドリング溝２７及びオイルリング溝２８の何れの径方向幅よりも小さく設定されている。

第１縮径段部２９は、テーパ状の面取り部２９ａと、円環状の横壁部２９ｂと、円筒状の縦壁部２９ｃと、テーパ状のテーパ面部２９ｄ等を備えている。
面取り部２９ａは、第１縮径段部２９の下端部の角部をテーパ状に面取りして形成され、上側程縮径するように、例えば鉛直方向に対して約４５°の傾斜角度に構成されている。
面取り部２９ａの下端部は、トップランド部２３の外周側面に連なり、面取り部２９ａの上端部は、横壁部２９ｂの径方向外側端部に連なっている。
横壁部２９ｂは、略水平面状に形成され、その径方向内側端部は縦壁部２９ｃの下端部に連なっている。縦壁部２９ｃは、ピストンの軸心と同軸上に形成され、その上端部はテーパ面部２９ｄの下端部に連なっている。

テーパ面部２９ｄは、第１縮径段部２９の上端部をテーパ状に面取りして形成され、上側程縮径するように、例えば鉛直方向に対して約４５°の傾斜角度に構成されている。
図５，図６に示すように、吸気側のテーパ面部２９ｄの上端部は、トップランド部２３の平坦状の上面部２３ａに連なり、排気側のテーパ面部２９ｄの上端部は、第２縮径段部３５の内周面を形成する縦壁部３５ａの下端部に連なっている。
これにより、テーパ面部２９ｄをエンドミルによって加工するとき、エンドミルをピストン１の軸心方向上方から接近させることにより、第２縮径段部３５の縦壁部３５ａをテーパ面部２９ｄと同時に加工できる。

図１〜図６に示すように、クラウン部３０は、トップランド部２３の平坦状の上面部２３ａと、この上面部２３ａから上方へ隆起した隆起部３１等により構成されている。
隆起部３１は、天井部６ａの三角屋根形状に対応するように、吸気側及び排気側から夫々中央寄りに向かって隆起するように形成されている。この隆起部３１は、ピンボス部２２ａの軸心方向に延びるペントルーフ状に形成され、平面視にてピンボス部２２ａの軸心上に配置されている。

隆起部３１の２つの傾斜面３１ａ，３１ｂの延長面が交差する位置は、天井部６ａの屋根形状に対応するようにシリンダ４の軸心に対して排気側寄り位置に設定され、隆起部３１の高さは、排気側部分が吸気側部分よりも全体的に高くなるように形成されている。
隆起部３１の中央部分には、点火プラグ９の点火による火炎核の形成を容易化するための椀状の凹部３２が設けられている。吸気側傾斜面３１ａには、吸気弁１０との干渉を避けるための略円形の逃げ溝３３が形成され、排気側傾斜面３１ｂには、排気弁１１との干渉を避けて段差突部３４が傾斜状に形成されている。

隆起部３１は、トップランド部２３との境界近傍部において、自己着火に起因して発生する圧力波を燃焼室６内上方へ反射させるための第２縮径段部３５を備えている。
図２〜図４，図６に示すように、第２縮径段部３５は、隆起部３１の周方向一端部から他端部に亙って形成されている。この第２縮径段部３５は、円筒状の縦壁部３５ａを備え、第１縮径段部２９よりも小径になるように構成されている。
第２縮径段部３５の径方向幅は、第１縮径段部２９の径方向幅よりも小さく設定されている。

次に、図７〜図１２に基づき、本実施例に係る検証解析及びその解析結果について説明する。尚、図８〜図１１において、実施例１と同じ部材は同じ符号を付し、左側部分の構造は省略している。

まず、本検証解析の解析条件について説明する。
図７に示すように、エンジンＥの燃焼室モデルＭを作成し、この燃焼室モデルＭにおいて、ノッキングが発生する場所を加振点Ｘ、エロージョンが発生する場所を応答点Ｙと設定して、加振点Ｘに圧力波の代わりに所定の周波数の振動（Ｐ０）を与えて応答点Ｙにおける圧力伝達比率（Ｐ／Ｐ０）を解析した。
燃焼室モデルＭは、シリンダ４とシリンダヘッド３と複数種類のピストンによって形成されるものとし、比較例１〜３と実施例１のピストン形状に基づいて４種類の検証モデルを作成した。

図８に示すように、第１検証モデルＭ１は、実施例１のピストン１から第１，第２縮径段部２９，３５を省略したトップランド部２３Ａを有するピストン１Ａに対応した比較例１の検証モデルである。
図９に示すように、第２検証モデルＭ２は、比較例１のピストン１Ａのトップランド部２３Ａの下端側部分に下方程縮径するテーパ面部４１を備えたトップランド部２３Ｂを有するピストン１Ｂに対応した比較例２の検証モデルである。
図１０に示すように、第３検証モデルＭ３は、比較例１のピストン１Ａのトップランド部２３Ａの上端側部分に上方程拡径するテーパ面部４２を備えたトップランド部２３Ｃを有するピストン１Ｃに対応した比較例３の検証モデルである。このピストン１Ｃは、隆起部３１Ｃの下端部がトップランド部２３Ｃの上端部よりも径方向外側へ張り出している。
図１１に示すように、第４検証モデルＭ４は、実施例１のピストン１に対応した検証モデルである。

図１２の表に基づき、夫々の解析結果について説明する。尚、縦軸は圧力伝達比率（１目盛：０．１）、横軸は周波数（１目盛：１００００Ｈｚ）である。
比較例１は、低周波帯から高周波帯に亙って高い圧力伝達特性を示しているため、トップランド部２３Ａとシリンダ４の壁面との間の隙間に侵入した圧力波が隙間の増幅作用によって増幅され、増幅された圧力波がトップランド部２３Ａを強力に打撃するものと推測される。比較例２は、高周波帯で比較例１に比べて圧力伝達特性が低下している。これは、トップランド部２３Ｂとシリンダ４の壁面との離隔距離が拡大したため、圧力波の増幅作用が低下したことが要因であると推測される。

比較例３は、低周波帯で比較例２に比べて圧力伝達特性が低下し、高周波帯で比較例１，２に比べて圧力伝達特性のピーク値が低下している。これは、圧力波の増幅作用が低下したこと及び上方程拡径するテーパ面部４２が隆起部３１Ｃの下端部とシリンダ４の壁面との間を介して圧力波の一部を燃焼室側へ反射したことが要因であると推測される。
実施例１は、低周波帯から高周波帯に亙って圧力伝達特性を低下でき、特に高周波帯でのピーク値は何れの比較例よりも低い値を示した。これは、第１，第２縮径段部２９，３５の面取り部２９ａ、横壁部２９ｂ、縦壁部２９ｃ、テーパ面部２９ｄ及び縦壁部３５ａによって圧力波の大半を燃焼室側へ反射したこと、更には、断面積の変化毎に圧力波を反射することにより空洞共鳴を変化させたため、反射されずに隙間に侵入した圧力波の増幅作用を大幅に低下させたことが要因であると推測される。

このエンジンＥのピストン構造によれば、圧力波がトップランド部２３とシリンダ４壁面との間の隙間へ侵入することを防止でき、ノッキング発生時、増幅された圧力波によるトップランド部２３の直接的打撃を防止するため、ノッキングに起因するエロージョン抑制し、トップランド部２３表面の表面荒れを防止できる。また、火花点火時、第１，第２縮径段部２９，３５まで容易に火炎伝播させて燃焼促進による未燃ガス低減を図ることができるため、エミッション性を向上することができる。しかも、加工容易な構造の簡単化を図れるため、生産コストを抑えることができる。

第１，第２縮径段部２９，３５の径方向幅はトップリング溝２６の径方向幅よりも小さいため、ピストン１の強度低下を回避しつつ、エロージョン抑制効果を維持することができる。
第１縮径段部２９の下端部の角部が面取りされているため、角部の強度低下を抑制し、一層ピストン１の強度低下を回避することができる。

縮径段部は、トップランド部２３側の第１縮径段部２９と、この第１縮径段部２９よりも上側に位置し且つ第１縮径段部２９よりも小径の第２縮径段部３５を含むため、自己着火に起因した圧力波を上方へ反射させるための反射面の面積を確保することができ、トップランド部２３の表面荒れを一層防止することができる。

第１縮径段部２９の上端部分がテーパ面部２９ｄに形成されると共に第２縮径段部３５の縦壁部３５ａがテーパ面部２９ｄの上端部に連なるように形成される。これにより、第１縮径段部２９のテーパ面部２９ｄの加工と同時に第２縮径段部３５の縦壁部３５ａを加工できるため、一層生産コストを抑えることができる。

次に、前記実施例を部分的に変更した変形例について説明する。
１〕前記実施例においては、クラウン部とトップランド部との境界の上部と下部とに第１縮径段部と第２縮径段部とを夫々形成した例を説明したが、少なくとも一方の縮径段部を設けることで本発明の効果を奏することができる。
また、第１縮径段部がトップランド部の全周に亙って形成された例を説明したが、少なくとも周方向の一部に第１縮径段部を設けても良い。

２〕前記実施例においては、第１縮径段部が、面取り部、横壁部、縦壁部及びテーパ面部によって構成された例を説明したが、横壁部を省略しても良い。また、面取り部又はテーパ面部の数を増加することで、断面積の変化を増して空洞共鳴を更に変化ざることも可能である。

３〕その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態も包含するものである。

本発明は、ピストン頂部を形成するクラウン部と、このクラウン部の外周部に連なるトップランド部とを有するエンジンのピストン構造において、生産コストを抑えつつ、ノッキングに起因するエロージョン抑制とエミッション性向上との両立することができる。

１ ピストン
２３ トップランド部
２６ トップリング
２９ 第１縮径段部
２９ａ 面取り部
２９ｄ テーパ面部
３０ クラウン部
３５ 第２縮径段部
３５ａ 縦壁部
Ｅ エンジン

Claims (3)

1. ピストン頂部を形成するクラウン部と、このクラウン部の外周部に連なるトップランド部とを有するピストンと、シリンダ内の前記ピストンの上方に形成された燃焼室内の混合気に点火する点火プラグとを備えたエンジンのピストン構造において、
   前記クラウン部は、前記トップランド部の上面部と、前記上面部から上方へ隆起した隆起部とを有し、
   前記クラウン部とトップランド部の境界近傍部の周方向の少なくとも一部に自己着火に起因した圧力波を上方へ反射させるための径方向内方へ縮径した第１縮径段部を設け、
   前記第１縮径段部が、前記トップランド部の外周側面部から上側程縮径するテーパ状に形成された面取り部と、前記面取り部の上端部から径方向内側に向けて略水平状に延びる横壁部と、前記横壁部の径方向内側端部から上方に延びる第１縦壁部と、前記縦壁部の上端部から前記上面部の径方向外側端部に向けて上側程縮径するテーパ状に形成されたテーパ面部とを備えたことを特徴とするエンジンのピストン構造。
2. 前記第１縮径段部の径方向幅はピストンリング溝の径方向幅よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のエンジンのピストン構造。
3. 前記隆起部に前記第１縮径段部よりも小径の第２縮径段部を設け、
   前記第２縮径段部が、前記隆起部の周方向一端部に対応した前記上面部の径方向内側端部から上方に延びる第２縦壁部を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンのピストン構造。