JP6654917B2

JP6654917B2 - ピストン

Info

Publication number: JP6654917B2
Application number: JP2016019023A
Authority: JP
Inventors: 貴之中路
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2016-02-03
Filing date: 2016-02-03
Publication date: 2020-02-26
Anticipated expiration: 2036-02-03
Also published as: JP2017137807A

Description

本発明は、エンジンのシリンダボア内で摺動するピストンに関する。

従来、燃焼室内で燃料が燃焼することによりシリンダボア内で摺動するピストンでは、トップランド部とシリンダボアとの間に形成されるクレビス領域を縮小させることにより、クエンチング領域を減少させるようになされている。

例えば、特許文献１に記載のピストンでは、冠面の外周部を、ピストン縦断面において円弧を呈するように環状の凹部を形成することで、クエンチング領域を減少させるようになされている。

特開２００１−１３２５３６号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されるようなピストンでは、外周部に環状の凹部を形成することで、トップランド部とシリンダボアとの間に形成される空間が大きくなってしまう。この空間は、ピストンにより圧縮することができない空間であるため、燃焼室において圧縮することができない空間が大きくなり、燃焼室の圧縮率が低下してしまうといった問題があった。

そこで、本発明は、圧縮率を低下させることなく、クエンチング領域を減少させることが可能なピストンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のピストンは、シリンダボア内で摺動するピストンであって、外側面に形成された、リングが装着されるためのリング溝と、前記外側面における冠面から前記リング溝までの間であって、該外側面における他の部分よりも軸方向における単位長さ当たりの表面積が大きいトップランド部と、前記トップランド部と前記シリンダボアとの間の空間に設けられた可燃性の樹脂部材と、を備える。

また、本発明のピストンは、シリンダボア内で摺動するピストンであって、外側面に形成された、リングが装着されるためのリング溝と、前記外側面における冠面から前記リング溝までの間であって、該外側面における他の部分よりも表面粗さが大きいトップランド部と、前記トップランド部と前記シリンダボアとの間の空間に設けられた可燃性の樹脂部材と、を備える。

本発明によれば、圧縮率を低下させることなく、クエンチング領域を減少させることができる。

エンジンの構成を示す図である。ピストンの構成を示す図である。トップランド部にカーボンが付着する様子を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、エンジン１の構成を示す概略図である。ただし、以下では、本実施形態に関係する構成や処理について詳細に説明し、本実施形態と無関係の構成や処理については説明を省略する。

図１に示すように、エンジン１は、シリンダブロック１０、および、シリンダブロック１０に連結されたシリンダヘッド１１が設けられている。シリンダブロック１０には、内部でピストン１００が摺動自在に収容されるシリンダボア１２が形成されている。なお、シリンダブロック１０には、シリンダボア１２が１つのみ形成されていてもよく、また、複数形成されていてもよい。

シリンダヘッド１１は、シリンダブロック１０の上方に設けられている。エンジン１では、シリンダブロック１０に形成されたシリンダボア１２と、ピストン１００の冠面１０２と、シリンダヘッド１１とにより囲まれた空間が燃焼室１４として形成されている。

シリンダヘッド１１には、吸気ポート１５および排気ポート１６が燃焼室１４に連通するようにそれぞれ２つずつ形成されている。また、シリンダヘッド１１には、吸気ポート１５を燃焼室１４に対して開閉する吸気バルブ１７が、先端が吸気ポート１５と燃焼室１４との間に位置するように配置されている。また、シリンダヘッド１１には、排気ポート１６を燃焼室１４に対して開閉する排気バルブ１８が、先端が排気ポート１６と燃焼室１４との間に位置するように配置されている。

エンジン１では、吸気バルブ１７の他端に当接された不図示のカムが回転することにより吸気バルブ１７が往復動し、吸気ポート１５と燃焼室１４とを連通させたり、あるいは、その連通を遮断したりする。また、エンジン１では、排気バルブ１８の他端に当接された不図示のカムが回転することにより排気バルブ１８が往復動し、排気ポート１６と燃焼室１４とを連通させたり、あるいは、その連通を遮断したりする。

また、シリンダヘッド１１には、先端が燃焼室１４に臨むようにインジェクタ１９および点火プラグ２０が配置されている。インジェクタ１９は、不図示の燃料タンクに貯留された燃料を、吸気ポート１５を通って燃焼室１４内に導かれた空気中に噴射して混合気を生成する。点火プラグ２０は、所定のタイミングで混合気を点火し、混合気を燃焼させて燃焼室１４において爆発圧力を生じさせる。こうして爆発圧力が生じることで、ピストン１００がシリンダボア１２内を往復動することとなる。

ピストン１００は、外側面１０４において冠面１０２側から順にトップリング２１、セカンドリング２２およびオイルリング２３が装着されている。また、ピストン１００は、コンロッド２４の一端が連結されており、また、コンロッド２４の他端にはクランクシャフト２５が連結されている。これにより、エンジン１では、ピストン１００の直進運動がクランクシャフトの回転運動に変換されることとなる。

図２は、ピストン１００の構成を説明する図である。図２（ａ）は、ピストン１００の全体構成を説明する図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）中、破線で囲んだ部分拡大図である。

図２（ａ）に示すように、ピストン１００は、外側面１０４に、トップリング２１、セカンドリング２２およびオイルリング２３がそれぞれ装着されるための環状のトップリング溝１０６、セカンドリング溝１０８およびオイルリング溝１１０が形成されている。

また、図２（ｂ）に示すように、ピストン１００は、外側面１０４における冠面１０２からトップリング溝１０６までのトップランド部１１２に、サンドブラスト等の表面処理が施されている。

トップランド部１１２は、表面処理が施され表面粗さが大きくなることにより、表面処理が施される前よりも表面積が大きくなっている。すなわち、トップランド部１１２は、外側面１０４におけるトップランド部１１２以外の部分（例えば、トップリング溝１０６およびセカンドリング溝１０８の間）よりも、軸方向における単位長さ当たりの表面積が大きくなっている。

図３は、トップランド部１１２にカーボンＣが付着する様子を説明する図である。図３（ａ）は、トップランド部１１２にカーボンＣが付着する前の図であり、図３（ｂ）は、トップランド部１１２にカーボンＣが付着した後の図である。

図３（ａ）に示すように、エンジン１では、ピストン１００の熱膨張による焼き付きを防止してシリンダボア１２内で摺動可能なように、ピストン１００とシリンダボア１２との間には適正なクリアランス（隙間）が設けられている。

そして、エンジン１では、燃焼室１４の気密性を確保するとともに、燃焼室１４内へのエンジンオイルの流入を防止するために、ピストン１００にトップリング２１、セカンドリング２２およびオイルリング２３が装着されている。

このような構成でなるエンジン１では、トップランド部１１２とシリンダボア１２との間の環状の空間１２０が形成されることになる。この空間１２０は、火炎伝播が行われずに燃料が燃焼しないクレビス領域、および、燃料がシリンダボア１２およびピストン１００に熱を奪われて化学反応温度に到達せずに火炎が消えてしまうクエンチング領域となってしまう。そして、クレビス領域やクエンチング領域が大きいと、ノックやプレイグが発生したり、燃費を悪化させたりしてしまう。

そこで、本実施形態におけるピストン１００では、トップランド部１１２に表面処理が施され表面積が拡大されていることにより、図３（ｂ）に示すように、エンジン１の駆動時において燃焼室１４で燃料が燃焼することにより生成されたカーボン（炭素）Ｃがトップランド部１１２に付着しやすくなる。

そして、トップランド部１１２にカーボンＣが付着していくことで、トップランド部１１２とシリンダボア１２との間の環状の空間１２０が減少していくことになる。これにより、ピストン１００では、クレビス領域およびクエンチング領域を減少させることができ、ノックやプレイグを低減させることができるとともに、燃費、エンジン出力を向上させることができる。

また、ピストン１００では、クレビス領域およびクエンチング領域を減少させるためにトップランド部１１２とシリンダボア１２との間の環状の空間１２０を拡大するような形状となっていないため、燃焼室１４の圧縮率を低下させることもなく、さらに燃費、エンジン出力を向上させることができる。

なお、トップランド部１１２にカーボンＣが付着していき、積層されたカーボンＣがシリンダボア１２に到達したとしても、ピストン１００がシリンダボア１２内で摺動する際にカーボンＣが削られることになる。このとき、シリンダボア１２とカーボンＣとでは、ほぼ摩擦抵抗はないので、出力低下を招くといったことも防止することができる。

以上、添付図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されないことは勿論であり、特許請求の範囲に記載された範疇における各種の変更例又は修正例についても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。

なお、上記の実施形態において、トップリング２１、セカンドリング２２およびオイルリング２３の３つのリングがピストン１００に装着されているようにした。しかしながら、これに限らず、少なくとも１つのリングがピストン１００に装着されており、最も冠面側のリング溝から冠面までのトップランド部に表面積を拡大させる表面処理が施されていればよい。

また、上記の実施形態において、トップランド部１１２に対して表面粗さが大きくなるようなサンドブラスト処理等の表面処理を施すようにした。しかしながら、これに限らず、トップランド部１１２の表面積を拡大することが可能な表面処理であれば、例えば陽極酸化処理等を施すようにしてもよい。

また、上記の実施形態において、トップランド部１１２とシリンダボア１２との間の環状の空間１２０に何も設けられていないようにした。しかしながら、これに限らず、トップランド部１１２とシリンダボア１２との間の環状の空間１２０に、可燃性の樹脂部材を設けるようにしてもよい。これにより、燃焼室１４内で燃料が燃焼することにより生じた熱で樹脂部材が燃焼してカーボンＣが生成されるので、トップランド部１１２に早期にカーボンＣを付着させることができ、より早期にクレビス領域およびクエンチング領域を減少させることができる。

本発明は、エンジンのシリンダボア内で摺動するピストンに利用できる。

１２シリンダボア
１００ピストン
１０６トップリング溝（リング溝）
１１２トップランド部

Claims

シリンダボア内で摺動するピストンであって、
外側面に形成された、リングが装着されるためのリング溝と、
前記外側面における冠面から前記リング溝までの間であって、該外側面における他の部分よりも軸方向における単位長さ当たりの表面積が大きいトップランド部と、
前記トップランド部と前記シリンダボアとの間の空間に設けられた可燃性の樹脂部材と、
を備えることを特徴とするピストン。
シリンダボア内で摺動するピストンであって、
外側面に形成された、リングが装着されるためのリング溝と、
前記外側面における冠面から前記リング溝までの間であって、該外側面における他の部分よりも表面粗さが大きいトップランド部と、
前記トップランド部と前記シリンダボアとの間の空間に設けられた可燃性の樹脂部材と、
を備えることを特徴とするピストン。