WO2014014022A1 - 内燃機関のピストン構造 - Google Patents

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飯島　章
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    • F05C2251/00—Material properties
    • F05C2251/04—Thermal properties
    • F05C2251/048—Heat transfer

Definitions

  • the present invention relates to a piston structure of an internal combustion engine (engine).
  • a combustion chamber of a diesel engine is generally defined by a cylinder bore, a lower surface of a cylinder head, and a top portion of a piston.
  • a cavity is provided at the top of the piston, and fuel is injected into the cavity from a fuel injection valve disposed above the piston.
  • heat insulating paint or heat insulating paint is applied to the top of the piston to insulate the top of the piston. It is easy to form a film.
  • the formation of a heat shield film on the top of the piston in this way is disclosed in Patent Document 1, for example.
  • an object of the present invention is to suppress peeling of the heat shield film formed on the top of the piston.
  • a piston structure of an internal combustion engine according to the present invention is formed on the top of a piston, and includes a heat insulating film for suppressing heat transfer to the inside of the piston, and a top of the piston.
  • a recessed portion provided at a distance from the outer peripheral portion of the piston, and a terminal portion of the heat shield film is disposed in the recessed portion provided at the top of the piston.
  • the outer surface of the thermal barrier film formed in the recess may be flush with the surface of the top of the piston or lower than the surface of the top of the piston.
  • An overhang portion in which the inner peripheral wall surface of the recess is inclined inward in the radial direction of the piston may be provided at the end of the recess.
  • (A) is a typical sectional side view which shows the piston structure of the internal combustion engine which concerns on one Embodiment of this invention
  • (b) is the A section enlarged view of (a). It is a typical sectional side view which shows the piston structure of the internal combustion engine which concerns on a comparative example.
  • FIG. 1 shows a piston structure of an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention.
  • Piston 10 is used for a diesel engine, for example.
  • the piston 10 has a crown portion 11 defining a combustion chamber between a cylinder bore formed in the cylinder block and a cylinder head, a skirt portion 12 extending downward from the lower end of the crown portion 11, and a piston pin.
  • a pin boss portion 14 having a piston pin hole 13.
  • the top ring groove 15, the second ring groove 16, and the oil ring groove 17 are provided in the outer peripheral part of the crown part 11 in order from the top. Moreover, the top ring groove 15, the second ring groove 16, and the oil ring groove 17 form the top land portion 18, the second land portion 19, and the third land portion 20 on the outer peripheral portion of the crown portion 11.
  • the top ring groove 15 and the second ring groove 16 are compression rings having functions such as suppressing the leakage of combustion gas from the combustion chamber through the gap between the piston 10 and the inner wall surface of the cylinder bore, and maintaining airtightness in the combustion chamber (see FIG. (Not shown) are mounted.
  • the oil ring groove 17 is also provided with an oil ring (not shown) having a function of scraping off excess lubricating oil adhering to the inner wall surface of the cylinder bore and forming an appropriate oil film on the inner wall surface of the cylinder bore. Is done.
  • the top land portion 18 is composed of an outer peripheral portion of the crown portion 11 located above the top ring groove 15. Further, the second land portion 19 is constituted by the outer peripheral portion of the crown portion 11 located between the top ring groove 15 and the second ring groove 16. Further, the third land portion 20 is constituted by an outer peripheral portion of the crown portion 11 located between the second ring groove 16 and the oil ring groove 17.
  • a thermal barrier paint or a heat insulating paint is applied to the top part 21 of the piston 10 to the top part of the piston 10.
  • a thermal barrier film 22 is formed by coating on 21. Specifically, a cavity 23 (in the illustrated example, a cavity with a lip) is provided on the top 21 of the piston 10, and the heat shield film 22 is formed on the top 21 of the piston 10 including the cavity 23.
  • the thickness (film thickness) T of the thermal barrier film 22 is, for example, about 100 ⁇ m (0.1 mm).
  • an annular recess (depression) 24 is provided at the top 21 of the piston 10 at a distance from the outer periphery of the piston 10, and the end portion (outer periphery) of the heat shield film 22 is provided as the top 21 of the piston 10. It arrange
  • the recessed part 24 is provided in the top part 21 of piston 10 over the perimeter except the part in which the cavity 23 was provided.
  • the outer surface of the heat shield film 22 formed in the recess 24 is flush with the surface of the top portion 21 of the piston 10. Therefore, the depth D (see FIG. 1B) of the recess 24 with respect to the height direction (vertical direction) of the piston 10 is set to be equal to the thickness T of the heat shield film 22. That is, the depth D of the recess 24 is the same length (about 100 ⁇ m) as the thickness T of the heat shield film 22.
  • the length L of the recess 24 (see FIG. 1A) with respect to the radial direction (lateral direction) of the piston 10 is preferably ensured to some extent from the viewpoint of suppressing peeling of the thermal barrier film 22, For example, it is about 10 mm (radius).
  • a portion (inclined wall surface portion) 25 is provided (see FIG. 1B).
  • the overhang part 25 is provided in the recessed part 24 over the perimeter. Further, by providing an annular deep bottom concave portion 26 that is deeper than other portions at the end portion (outer peripheral portion) of the concave portion 24 (see FIG. 1B), the height of the overhang portion 25 is further increased. Further, the heat shield film 22 is further prevented from peeling off.
  • the deep bottom recess 26 is provided in the recess 24 over the entire circumference.
  • the depth Dd (see FIG. 1B) of the deep bottom concave portion 26 with respect to the height direction (vertical direction) of the piston 10 is, for example, about 1.5 times the depth D of the concave portion 24 (that is, 150 ⁇ m (0. About 15 mm)).
  • an annular recess 24 is provided at the top 21 of the piston 10 at a distance from the outer periphery of the piston 10, and the end portion (outer periphery) of the heat shield film 22 is provided at the top 21 of the piston 10. 24.
  • the heat shielding film 22 does not exist in the outer peripheral part of the top part 21 of the piston 10, since the temperature of the combustion gas which contact
  • the outer surface of the heat shield film 22 formed in the recess 24 is flush with the surface of the top portion 21 of the piston 10.
  • an overhang portion 25 is provided at the end portion of the recess 24, in which the inner peripheral wall surface of the recess 24 is inclined inward in the radial direction of the piston 10.
  • the outer surface of the heat shield film 22 formed in the recess 24 may be formed to be lower than the outer peripheral surface of the piston 10.
  • the depth D (see FIG. 1B) of the recess 24 with respect to the height direction (vertical direction) of the piston 10 is set to be greater than the thickness T of the heat shield film 22.
  • the piston 10 is not limited to one made of aluminum, and may be made of an iron-based material, an aluminum alloy, a titanium alloy, or the like.
  • piston 10 is not limited to that used for a diesel engine, and may be used for a gasoline engine or the like.
  • the shape of the cavity 23 provided in the top portion 21 of the piston 10 is not limited to the lip type in the case of a diesel engine, but may be a reentrant type or a toroidal type.

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Abstract

　ピストンの頂部に形成した遮熱膜の剥がれを抑制する。　内燃機関のピストン構造は、ピストン（１０）の頂部（２１）に形成され、ピストン（１０）の内部への熱伝達を抑制するための遮熱膜（２２）と、ピストン（１０）の頂部（２１）にピストン（１０）の外周部から間隔を隔てて設けられる凹部（２４）とを備え、遮熱膜（２２）の末端部分が、ピストン（１０）の頂部（２１）に設けた凹部（２４）に配設される。

Description

内燃機関のピストン構造
　本発明は、内燃機関（エンジン）のピストン構造に関する。
　ディーゼルエンジンの燃焼室は、一般的に、シリンダボアとシリンダヘッドの下面とピストンの頂部とで区画される。ピストンの頂部にキャビティが設けられており、ピストンの上方に配置された燃料噴射弁からキャビティ内に燃料が噴射されるようになっている。
　ディーゼルエンジンの冷却損失（燃焼室内の燃焼ガスからピストンの内部への熱伝達）を低減して燃費を向上させるため、遮熱塗料又は断熱塗料をピストンの頂部に塗布してピストンの頂部に遮熱膜を形成することは容易に考えられる。このようにピストンの頂部に遮熱膜を形成することは、例えば特許文献１に開示されている。
特開平８－１００６５９号公報
　例えば図２に示すように、遮熱塗料又は断熱塗料をピストン３０の頂部３１全体に塗布してピストン３０の頂部３１全体に遮熱膜３２を形成することが考えられる。図２に示すピストン３０においては、遮熱膜３２とピストン３０の頂部３１との接合部（即ち、遮熱膜３２の末端部分）に過大な外力（組立作業者等が手でピストンを掴む、エンジン運転中にピストンとシリンダボアとの間に排気ガス中の煤等が堆積して煤によりピストンが押される等）が加わると、そのピストン３０の頂部３１との接合部から遮熱膜３２が剥がれてしまう。そのため、ピストン３０の頂部３１に形成した遮熱膜３２の剥がれを抑制する必要がある。
　そこで、本発明の目的は、ピストンの頂部に形成した遮熱膜の剥がれを抑制することにある。
　上述の目的を達成するために、本発明に係る内燃機関のピストン構造は、ピストンの頂部に形成され、前記ピストンの内部への熱伝達を抑制するための遮熱膜と、前記ピストンの頂部に前記ピストンの外周部から間隔を隔てて設けられる凹部とを備え、前記遮熱膜の末端部分が、前記ピストンの頂部に設けた前記凹部に配設されるものである。
　前記凹部に形成される前記遮熱膜の外表面は、前記ピストンの頂部の表面と面一とされ又は前記ピストンの頂部の表面よりも低くなるように形成されても良い。
　前記凹部の末端部に、前記凹部の内周壁面を前記ピストンの径方向内側に傾斜させたオーバーハング部が設けられても良い。
　本発明によれば、ピストンの頂部に形成した遮熱膜の剥がれを抑制することができるという優れた効果を奏する。
（ａ）は本発明の一実施形態に係る内燃機関のピストン構造を示す模式的な側断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大図である。 比較例に係る内燃機関のピストン構造を示す模式的な側断面図である。
　以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
　図１に、本発明の一実施形態に係る内燃機関のピストン構造を示す。
　図１に示すピストン１０は、例えば、アルミニウムから構成されるものである。また、ピストン１０は、例えば、ディーゼルエンジンに用いられるものである。
　ピストン１０は、シリンダブロックに形成されるシリンダボアとシリンダヘッドとの間に燃焼室を区画するクラウン部１１と、クラウン部１１の下端から下方に延出するスカート部１２と、ピストンピンが挿通されるピストンピン孔１３を有するピンボス部１４とを備える。
　クラウン部１１の外周部には、上方から順に、トップリング溝１５、セカンドリング溝１６及びオイルリング溝１７が設けられる。また、トップリング溝１５、セカンドリング溝１６及びオイルリング溝１７の形成により、クラウン部１１の外周部に、トップランド部１８、セカンドランド部１９及びサードランド部２０が区画される。
　トップリング溝１５及びセカンドリング溝１６には、ピストン１０とシリンダボアの内壁面との隙間を介する燃焼室からの燃焼ガスの漏れを抑制し、燃焼室内の気密を保つ機能等を有するコンプレッションリング（図示せず）がそれぞれ装着される。また、オイルリング溝１７には、シリンダボアの内壁面に付着している余分な潤滑油を掻き落とし、適度な油膜をシリンダボアの内壁面に形成する機能等を有するオイルリング（図示せず）が装着される。
　トップランド部１８は、トップリング溝１５よりも上方に位置するクラウン部１１の外周部から構成される。また、セカンドランド部１９は、トップリング溝１５とセカンドリング溝１６との間に位置するクラウン部１１の外周部から構成される。さらに、サードランド部２０は、セカンドリング溝１６とオイルリング溝１７との間に位置するクラウン部１１の外周部から構成される。
　ディーゼルエンジンの冷却損失（燃焼室内の燃焼ガスからピストン１０の内部への熱伝達）を低減して燃費を良くするために、ピストン１０の頂部２１に、遮熱塗料又は断熱塗料をピストン１０の頂部２１に塗布して成る遮熱膜２２が形成される。具体的には、キャビティ２３（図例では、リップ付タイプのキャビティ）がピストン１０の頂部２１に設けられ、遮熱膜２２は、キャビティ２３を含むピストン１０の頂部２１に形成される。遮熱膜２２の厚さ（膜厚さ）Ｔは、例えば１００μｍ（０．１ｍｍ）程度とされる。
　本実施形態では、ピストン１０の頂部２１にピストン１０の外周部と間隔を隔てて環状の凹部（窪み部）２４を設け、遮熱膜２２の末端部分（外周部分）を、ピストン１０の頂部２１に設けた凹部２４に配設している。即ち、ピストン１０の頂部２１を１００μｍ程度一段掘り下げる等し、遮熱膜２２の末端部分を、ピストン１０の外周部まで延ばさずピストン１０の頂部２１に設けた凹部２４までで止めるようにしている。凹部２４は、キャビティ２３が設けられた部分を除いてピストン１０の頂部２１に全周に亘って設けられている。
　また、本実施形態では、凹部２４に形成される遮熱膜２２の外表面は、ピストン１０の頂部２１の表面と面一とされる。そのため、ピストン１０の高さ方向（上下方向）に対する凹部２４の深さＤ（図１（ｂ）参照）は、遮熱膜２２の厚さＴと等しくなるように設定される。即ち、凹部２４の深さＤは、遮熱膜２２の厚さＴと同じ長さ（１００μｍ程度）とされる。また、ピストン１０の径方向（横方向）に対する凹部２４の長さＬ（図１（ａ）参照）は、遮熱膜２２の剥がれを抑制する観点からある程度の長さを確保することが好ましく、例えば１０ｍｍ（半径）程度とされる。
　さらに、本実施形態では、遮熱膜２２をより剥がれ難くするために、凹部２４の末端部（外周部）に、凹部２４の内周壁面をピストン１０の径方向内側に傾斜させて成るオーバーハング部（傾斜壁面部）２５が設けられている（図１（ｂ）参照）。オーバーハング部２５は、凹部２４に全周に亘って設けられている。また、凹部２４の末端部（外周部）に他の部分よりも深くされる環状の深底凹部２６を設けることで（図１（ｂ）参照）、オーバーハング部２５の高さをより高くし、遮熱膜２２をさらに剥がれ難くする。深底凹部２６は、凹部２４に全周に亘って設けられている。ピストン１０の高さ方向（上下方向）に対する深底凹部２６の深さＤｄ（図１（ｂ）参照）は、例えば、凹部２４の深さＤの１．５倍程度（即ち、１５０μｍ（０．１５ｍｍ）程度）に設定される。
　本実施形態の作用効果を説明する。
　本実施形態では、ピストン１０の頂部２１にピストン１０の外周部と間隔を隔てて環状の凹部２４を設け、遮熱膜２２の末端部分（外周部分）を、ピストン１０の頂部２１に設けた凹部２４に配設している。このように遮熱膜２２を構成することにより、外力（組立作業者等が手でピストン１０を掴む等）をピストン１０に加えても、そもそも遮熱膜２２の末端部分が組立作業者等の手に引っかからないので、遮熱膜２２が剥がれることはない。なお、ピストン１０の頂部２１の外周部分には遮熱膜２２が存在しないが、当該外周部分は内周部分と比較すると接する燃焼ガスの温度が低いので影響はほとんどないといえる。
　また、本実施形態では、凹部２４に形成される遮熱膜２２の外表面は、ピストン１０の頂部２１の表面と面一とされる。このように遮熱膜２２を構成することにより、外力（組立作業者等が手でピストン１０を掴む等）をピストン１０に加え、たとえ遮熱膜２２の末端部分が組立作業者等の手に触れたとしても、遮熱膜２２の末端部分が組立作業者等の手に引っかからないので、遮熱膜２２が剥がれることはない。
　さらに、本実施形態では、凹部２４の末端部に、凹部２４の内周壁面をピストン１０の径方向内側に傾斜させて成るオーバーハング部２５が設けられている。このように凹部２４を構成することにより、外力（組立作業者等が手でピストン１０を掴む等）をピストン１０に加え、たとえ遮熱膜２２の末端部分が組立作業者等の手に引っかかったとしても、充分に高いオーバーハング部２５により、遮熱膜２２が剥がれることはない。
　以上要するに、本実施形態によれば、ピストン１０の頂部２１に形成した遮熱膜２２の剥がれを抑制することが可能となり、ピストン１０を簡便に信頼性のある遮熱構造とすることができる。
　以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。
　例えば、凹部２４に形成される遮熱膜２２の外表面は、ピストン１０の外周面よりも低くなるように形成されても良い。その場合、ピストン１０の高さ方向（上下方向）に対する凹部２４の深さＤ（図１（ｂ）参照）は、遮熱膜２２の厚さＴよりも大きく設定される。このように凹部２４を構成した場合でも、外力（組立作業者等が手でピストン１０を掴む等）をピストン１０に加え、たとえ遮熱膜２２の末端部分が組立作業者等の手に触れたとしても、遮熱膜２２の末端部分が組立作業者等の手に引っかからないので、遮熱膜２２が剥がれることはない。
　また、ピストン１０は、アルミニウムから構成されるものには限定はされず、鉄系材料、アルミニウム合金及びチタン合金等から構成されるものであっても良い。
　また、ピストン１０は、ディーゼルエンジンに用いられるものには限定はされず、ガソリンエンジン等に用いられるものであっても良い。
　さらに、ピストン１０の頂部２１に設けられるキャビティ２３の形状に関しては、ディーゼルエンジンの場合、リップ付タイプに限定はされず、リエントラントタイプやトロイダルタイプ等であっても良い。
１０　ピストン
２１　頂部
２２　遮熱膜
２４　凹部
２５　オーバーハング部

Claims (3)

  1. 　ピストンの頂部に形成され、前記ピストンの内部への熱伝達を抑制するための遮熱膜と、前記ピストンの頂部に前記ピストンの外周部から間隔を隔てて設けられる凹部とを備え、前記遮熱膜の末端部分が、前記ピストンの頂部に設けた前記凹部に配設されることを特徴とする内燃機関のピストン構造。
  2. 　前記凹部に形成される前記遮熱膜の外表面は、前記ピストンの頂部の表面と面一とされ又は前記ピストンの頂部の表面よりも低くなるように形成される請求項１に記載の内燃機関のピストン構造。
  3. 　前記凹部の末端部に、前記凹部の内周壁面を前記ピストンの径方向内側に傾斜させたオーバーハング部が設けられる請求項１又は２に記載の内燃機関のピストン構造。
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