内燃機関用ハイブリッドピストン
【課題】ピストン頂面の断熱化と高熱伝導化という、背反する両性能を同時に満足させることのできるピストンを提供する。
【解決手段】頂面１ａ付近に空洞部３を有するピストン本体４と、空洞部３に内蔵された、ピストン本体４の材料よりも熱伝導率の高い材料よりなる機能体５と、を備えている。燃焼室２の温度が内燃機関の始動直後における燃焼室温度を含む低温域にあるときは、機能体５の少なくとも頂面１ａ側の面５ａとピストン本体４との間に所定の隙間が形成され、燃焼室２の温度が内燃機関の運行中における燃焼室温度を含む高温域にあるときは、前記隙間の少なくとも一部が消滅するように機能体５の熱変形（熱膨張）により機能体５の少なくとも頂面１ａ側の面５ａとピストン本体４とが接触するように構成されている。
【解決手段】頂面１ａ付近に空洞部３を有するピストン本体４と、空洞部３に内蔵された、ピストン本体４の材料よりも熱伝導率の高い材料よりなる機能体５と、を備えている。燃焼室２の温度が内燃機関の始動直後における燃焼室温度を含む低温域にあるときは、機能体５の少なくとも頂面１ａ側の面５ａとピストン本体４との間に所定の隙間が形成され、燃焼室２の温度が内燃機関の運行中における燃焼室温度を含む高温域にあるときは、前記隙間の少なくとも一部が消滅するように機能体５の熱変形（熱膨張）により機能体５の少なくとも頂面１ａ側の面５ａとピストン本体４とが接触するように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関用ハイブリッドピストンに関し、詳しくは内燃機関の燃焼室を区画形成する頂面を有する内燃機関用のピストンであって、燃焼室温度に応じて適切な機能を発揮しうる内燃機関用ハイブリッドピストンに関する。本発明の内燃機関用ハイブリッドピストンは、例えば燃焼室内に燃料が直接噴射される直噴式エンジンに好適に用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンのシリンダとピストン頂面とにより区画形成された燃焼室内に燃料を直接噴射する直噴式エンジンが知られている。この直噴式エンジンでは、点火プラグまわりに可燃混合気を形成するために、ピストン頂面に凹状に窪んだ凹部が設けられ、このピストン頂面の凹部に向かって燃料噴射弁から燃料が吹き付けられる。
【０００３】
このような直噴式エンジンに用いられるピストンにあっては、一種の材料から一体品として形成されていると、ピストンの熱容量が大きくなることから、燃料が衝突するピストン頂面が昇温しにくい。このため、燃焼室の温度が低いエンジンの始動直後において、燃料が液体の状態でピストン頂面に付着して未燃焼ガスになりやすく、ＨＣエミッションや燃費の悪化を招くという問題があった。
【０００４】
そこで、一対の金属板間に断熱空間を設けた断熱手段をピストン頂面に接合固定したピストンが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
このピストンでは、断熱空間により、ピストン頂面の温度が上昇し易くなる。その結果、エンジンの始動直後から早期にピストン頂面の温度が上昇し、燃焼室内に噴射された燃料の気化を促進して適切な混合気を形成することができる。
【０００６】
また、ピストン頂面に、セラミックス等よりなる低熱伝導率の断熱層を形成し、さらにこの断熱層の上に、高熱伝導率で輻射熱吸収の低い被覆層を銀めっき等により形成したピストンが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
このピストンによれば、ピストン頂面の最表層に形成された被覆層により、輻射熱損失を低減して燃費を改善することができる。なお、被覆層による輻射熱吸収量の低下は、燃焼室からの受熱量の低下に伴ってピストン頂面の温度低下を招き、その結果発熱量の少ない軽負荷時に、ピストン頂面にカーボンスラッジ等の燃焼生成物が付着、堆積する現象が生じ、被覆層による輻射熱損失の低減機能が失われることになる。そこで、このピストンでは、セラミックス等による低熱伝導率の断熱層を被覆層の下に形成することで、被覆層の温度低下を抑えて、被覆層による輻射熱損失の低減機能を維持している。
【０００８】
一方、車両の走行中で、エンジンの負荷が高いときは、ノッキングを防止するために、燃焼室温度を低減させることが望まれる。
【０００９】
そこで、ピストンの頂面付近に、ピストン素材よりも熱伝導率の高い材料よりなる高熱伝導率材を中子的に鋳込んで配備したピストンが知られている（例えば、特許文献３参照）。
【００１０】
このピストンによれば、ピストン頂面の高熱部分の熱を速やかに高熱伝導率材に吸収して、この高熱伝導率材の高熱伝導性を利用して低温部へ熱を移動させることができ、燃焼室温度が過度に上昇することを抑えることが可能となる。
【特許文献１】特開２０００−２９７６９５号公報
【特許文献２】特開平３−２８１９３６号公報
【特許文献３】特開平８−２３２７５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述のとおり、エンジンの始動直後等の低負荷時には、燃焼室の温度を速やかに上昇させるべく、ピストン頂面の断熱化が望まれる一方、車両の走行時等のエンジンの高負荷時には、燃焼室の過度な上昇を抑えるべく、ピストン頂面の高熱伝導化が望まれる。しかしながら、ピストン頂面の断熱化と高熱伝導化という、背反する両性能を同時に満足させるようなピストンは従来なかった。
【００１２】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、ピストン頂面の断熱化と高熱伝導化という、背反する両性能を同時に満足させることのできるピストンを提供することを解決すべき技術課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決する本発明の内燃機関用ハイブリッドピストンは、内燃機関の燃焼室を区画形成する頂面を有する内燃機関用ハイブリッドピストンであって、前記頂面付近に空洞部を有するピストン本体と、前記空洞部に内蔵された、前記ピストン本体の材料よりも熱伝導率の高い材料よりなる機能体と、を備え、前記燃焼室の温度が前記内燃機関の始動直後における燃焼室温度を含む低温域にあるときは、前記機能体の少なくとも前記頂面側の面と前記ピストン本体との間に所定の隙間が形成され、前記燃焼室の温度が該内燃機関の運行中における燃焼室温度を含む高温域にあるときは、前記隙間の少なくとも一部が消滅するように前記機能体の熱変形により該機能体の少なくとも該頂面側の面と前記ピストン本体とが接触するように構成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
この内燃機関用ハイブリッドピストンでは、内燃機関の始動直後等の低負荷時で燃焼室温度が低いときは、ピストンの頂面付近の空洞部に内蔵された機能体の少なくとも頂面側の面とピストン本体との間に隙間が形成されている。この隙間は断熱層として作用する。このため、燃焼室の温度が内燃機関の始動直後における燃焼室温度を含む低温域にあるときは、断熱層として作用する隙間の存在により、燃焼室温度を速やかに上昇させることができる。
【００１５】
したがって、内燃機関の始動直後から早期に燃焼室温度を上昇させることで、燃焼室内に噴射された燃料の気化を促進して適切な混合気を形成することができ、燃料が液体の状態でピストン頂面に付着することによる、ＨＣエミッションや燃費の悪化を防ぐことが可能となる。
【００１６】
一方、内燃機関の運行中の高負荷時で燃焼室温度が高いときは、ピストンの頂面付近の空洞部に内蔵された機能体が熱変形することにより、前記隙間の少なくとも一部が消滅して機能体の少なくとも頂面側の面とピストン本体とが接触する。この機能体は、ピストン本体の材料よりも熱伝導率の高い材料よりなる。このため、ピストン頂面付近の高温部の熱は、機能体の少なくとも頂面側の面とピストン本体との接触部分を介して、高熱伝導率材料よりなる機能体に速やかに吸収される。そして、この機能体の高熱伝導性を利用してピストン本体の低温部へ熱を速やかに移動させることで、燃焼室温度が過度に上昇することを抑えることができる。
【００１７】
したがって、内燃機関の運行中で高負荷時には、燃焼室温度の過度な上昇を抑えて、ノッキングを防止することが可能となる。そして、点火タイミングを理想のタイミングに近付けることができ、燃費の向上に貢献しうる。
【００１８】
このように、本発明の内燃機関用ハイブリッドピストンによれば、ピストン頂面の断熱化と高熱伝導化という、背反する両性能を同時に満足させることができる。
【００１９】
本発明の内燃機関用ハイブリッドピストンの好適な態様において、前記燃焼室の温度が前記高温域にあるときは、前記機能体の少なくとも前記頂面側の面が前記ピストン本体に圧接される。
【００２０】
この内燃機関用ハイブリッドピストンでは、内燃機関の運行中で燃焼室の温度が高温域にある高負荷時には、機能体の少なくとも頂面側の面がピストン本体に圧接される。ここに、熱伝導率の高い材料よりなる機能体と、それよりも熱伝導率の低い材料よりなるピストン本体との接触部においては、圧力が高い方が熱伝導性を高める上で有利となる。このため、機能体の少なくとも頂面側の面がピストン本体に圧接されていれば、ピストン頂面付近の高熱部の熱をより速やかにピストン本体から機能体に熱伝導させることができる。したがって、燃焼室温度が過度に上昇することをより効果的に抑えることが可能となる。
【００２１】
ここに、ピストン本体から機能体への熱伝導性をより高めるという観点より、機能体の全面とピストン本体とが接触していることが好ましく、また、機能体の全面がピストン本体に圧接されていることがより好ましい。こうすれば、ピストン頂面付近の高温部の熱を、機能体を介して低温部により速やかに移動させることができ、ノッキングをより効果的に抑えることが可能となる。
【００２２】
また、本発明の内燃機関用ハイブリッドピストンでは、燃焼室の温度が内燃機関の運行中の温度を含む高温域にあるときは、機能体が熱変形することにより、機能体の少なくとも頂面側の面とピストン本体とが接触して前記隙間の少なくとも一部が消滅する。このときの機能体が熱変形する態様としては、機能体が熱変形することにより機能体の少なくとも頂面側の面とピストン本体とが接触する態様であれば特に限定されないが、好適には機能体の熱膨張により機能体の少なくとも頂面側の面とピストン本体とが接触することが好ましい。
【００２３】
すなわち、本発明の内燃機関用ハイブリッドピストンの好適な態様において、前記機能体は、前記ピストン本体の材料よりも熱膨張率の高い材料よりなる。
【００２４】
この内燃機関用ハイブリッドピストンでは、内燃機関の運行中の高負荷時で燃焼室温度が高いときは、前記隙間の少なくとも一部が消滅するように前記機能体が熱変形することにより、機能体の少なくとも頂面側の面とピストン本体とが接触する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ具体的に説明する。
【００２６】
（実施形態１）
図１の断面図に示される本実施形態の内燃機関用ハイブリッドピストン１は、エンジンのシリンダ（図示せず）とピストン頂面１ａとにより区画形成される燃焼室２内に燃料を直接噴射する直噴式エンジンに用いられるものである。
【００２７】
この内燃機関用ハイブリッドピストン１は、頂面１ａ付近に空洞部３を有するピストン本体４と、空洞部３に内蔵された機能体５とを備えている。
【００２８】
ピストン本体４を構成する材料は特に限定されず、アルミ系合金等を採用することができる。また、このピストン本体４では、点火プラグ（図示せず）まわりに可燃混合気を形成するために、凹状に窪んだ凹部６が頂面１ａに設けられている。なお、このピストン頂面１ａの凹部６に向かって燃料噴射弁（図示せず）から燃料が吹き付けられる。
【００２９】
機能体５は、ピストン本体４の材料よりも熱伝導率及び熱膨張率の高い材料よりなる。ピストン本体４の材料よりも熱伝導率及び熱膨張率の高い材料として、具体的には、Ｍｇ（マグネシウム）とＣｕ（銅）との合金（Ｍｇ−Ｃｕ系合金）や、Ｍｇ（マグネシウム）とＡｇ（銀）との合金（Ｍｇ−Ａｇ系合金）等を挙げることができる。
【００３０】
そして、本実施形態の内燃機関用ハイブリッドピストン１では、機能体５の頂面１ａ側の面５ａ及び各側面５ｂと、空洞部３を区画形成するピストン本体４の内壁面との間には、所定量の隙間Ｔ（ｔ１、ｔ２）が形成されている。すなわち、機能体５の頂面１ａ側の面５ａとピストン本体４の内壁面との間には隙間Ｔ（ｔ１）が形成され、機能体５の各側面５ｂとピストン本体４との間には隙間Ｔ（ｔ２）が形成されている。
【００３１】
ここに、前記隙間Ｔの大きさとしては、燃焼室の温度が低い低温域にあるときに隙間Ｔが断熱層として作用する断熱効果と、燃焼室の温度が高い高温域にあるときに機能体５が所定量熱変形（熱膨張）することにより機能体５とピストン本体４と接触（好ましくは圧接状態で接触）することによる熱伝導効果との双方が良好に達成されうるように、燃焼室の温度変化に伴う機能体５の熱膨張量を考慮して適切に設定することができる。すなわち、断熱効果を考慮すれば、隙間Ｔは大きい方が好ましい。一方、機能体５の熱膨張率（厳密には機能体５の熱膨張率とピストン本体４の熱膨張率との差）に対して隙間Ｔが過度に大きくなると、燃焼室の温度が高い高温域にあるときに機能体５が熱膨張しても隙間Ｔが消滅しなかったり（機能体５の面５ａ及び側面５ｂとピストン本体４とが接触しなかったり）、隙間Ｔが消滅しても機能体５の面５ａ及び側面５ｂがピストン本体４に圧接されなかったりすることが起こり、その結果熱伝導効果が得られなかったり、不十分に又は小さくなったりする。このため、熱伝導効果を考慮すれば、隙間Ｔは過度に大きくないことが好ましい。
【００３２】
具体的には、機能体５の頂面１ａ側の面５ａとピストン本体４の内壁面との間の隙間Ｔ（ｔ１）は、常温時において、５〜２０μｍ程度に設定することが好ましく、機能体５の側面５ｂとピストン本体４との間の隙間Ｔ（ｔ２）は、常温時において、３０〜１００μｍ程度に設定することが好ましい。
【００３３】
本実施形態の内燃機関用ハイブリッドピストン１では、エンジンの始動直後（点火から０〜２０秒程度の間）の低負荷時でピストン頂面１ａの温度が低温域（大気温度〜大気温度＋１０℃程度）にあるときに、前記隙間Ｔ（ｔ１及びｔ２）が形成され、車両の走行時（エンジンの高負荷時）でピストン頂面１ａの温度が高温域（２００〜３００℃程度）にあるときに、機能体５の熱膨張により前記隙間Ｔ（ｔ１及びｔ２）が消滅して、機能体５の全面とピストン本体４とが接触するとともに、機能体５の全面がピストン本体４に所定の圧力で圧接されるように、前記隙間Ｔが設定されている（図２参照）。
【００３４】
上記構成を有する本実施形態の内燃機関用ハイブリッドピストン１は、例えば以下のようにして鋳造により製造することができる。
【００３５】
先ず、所定形状の機能体５を予め準備しておき、この機能体５の表面の所定部位（前記隙間Ｔを区画形成することになる面５ａ及び全ての側面５ｂ）に、隙間形成用層７を塗布する。
【００３６】
この隙間形成用層７は、機能体５と共にピストン本体４に前記空洞部３を形成するとともに、ピストン本体４と機能体５との間に前記隙間Ｔを形成するためのものである。なお、この隙間形成用層７の材料は、鋳造時には溶湯の熱等によって溶融等により消失することがなく、鋳造後に水その他の液体等により容易に溶解等して除去することができる材料、例えば塩を採用することができる。また、隙間形成用層７の厚さは、所望の大きさの前記隙間Ｔとすべく、隙間Ｔの大きさに応じて適切に設定することができる。
【００３７】
一方、所定形状のキャビティ８を有する第１〜第３鋳造型９〜１１と、一対の支持部材１２、１２とを準備する。この支持部材１２は、鋳造時に、機能体５がキャビティ８内で所定の位置関係で保持され得るように、機能体５を第３鋳造型１１に支持させるとともに、鋳造後（鋳造品の脱型後）に、鋳造品から支持部材１２を取り去ることで形成される孔１３により、前記空洞部３と外部とを連通させ、この孔１３を介して、空洞部３内に水等を注入して前記隙間形成用層７を溶解等して除去するためのものである。なお、各支持部材１２の長さ（図３における紙面の表裏方向の長さ）は、機能体５の長さ（図３における紙面の表裏方向の長さ）よりも若干大きくされており、支持部材１２の両端は前記隙間形成用層７まで到達している。
【００３８】
そして、図３に示されるように、各支持部材１２を第３鋳造型１１にセットするとともに、両支持部材１２上に機能体５を保持させる。なお、鋳造時の溶湯流れにより機能体５の位置ずれを防止すべく、機能体５を支持部材１２に対して所定の固定手段（凹凸嵌合等）で脱着可能に固定しておくことが好ましい。
【００３９】
この状態で、第２鋳造型１０の溶湯注入口１４からキャビティ８内にピストン本体４の溶湯を注入し、溶湯が固まったら、鋳造品を脱型する。そして、支持部材１２、１２を鋳造品から取り去り、それにより形成された孔１３から水等を注入して、隙間形成用層７を溶解、除去する。こうして、所定の隙間Ｔを形成しつつ機能体５をピストン本体４の空洞部３に内蔵させた本実施形態の内燃機関用ハイブリッドピストン１を完成する。
【００４０】
なお、前記孔１３はそのまま残して油穴等に活用してもよいし、適当な材料で穴埋めしてもよい。
【００４１】
この内燃機関用ハイブリッドピストン１では、エンジンの始動直後等の低負荷時で燃焼室２の温度が低いときは、ピストン１の頂面１ａ付近の空洞部３に内蔵された機能体５の頂面側の面５ａ及び各側面５ｂとピストン本体４との間に前記隙間Ｔ（ｔ１及びｔ２）が形成されている。この隙間Ｔは断熱層として作用する。このため、燃焼室２の温度がエンジンの始動直後における燃焼室温度を含む低温域にあるときは、断熱層として作用する隙間Ｔの存在により、燃焼室２の温度を速やかに上昇させることができる。
【００４２】
したがって、エンジンの始動直後から早期に燃焼室２の温度を上昇させることで、燃焼室２内に噴射された燃料の気化を促進して適切な混合気を形成することができ、燃料が液体の状態でピストン頂面１ａに付着することによる、ＨＣエミッションや燃費の悪化を防ぐことが可能となる。
【００４３】
一方、車両の走行中のエンジン高負荷時で燃焼室２の温度が高いときは、ピストン１の頂面１ａ付近の空洞部３に内蔵された機能体５が熱膨張することにより、前記隙間Ｔが全て消滅して機能体５の頂面側の面５ａ及び各側面５ｂとピストン本体４とが接触し、機能体５の全面とピストン本体４とが圧接された状態で接触する。この機能体５は、ピストン本体４の材料よりも熱伝導率の高い材料よりなる。このため、ピストン１の頂面１ａ付近の高温部の熱は、機能体５の頂面側の面５ａ及び各側面５ｂとピストン本体４との接触部分を介して、高熱伝導率材料よりなる機能体５に速やかに吸収される。そして、この機能体５の高熱伝導性を利用してピストン本体４の低温部へ熱を速やかに移動させることで、燃焼室２の温度が過度に上昇することを抑えることができる。
【００４４】
したがって、エンジンの運行中で高負荷時には、燃焼室２の過度な温度上昇を抑えて、ノッキングを防止することが可能となる。そして、点火タイミングを理想のタイミングに近付けることができ、燃費の向上に貢献しうる。
【００４５】
このように、本実施形態の内燃機関用ハイブリッドピストン１によれば、ピストン頂面１ａの断熱化と高熱伝導化という、背反する両性能を同時に満足させることができる。
【００４６】
また、本実施形態の内燃機関用ハイブリッドピストン１では、エンジンの運行中で燃焼室２の温度が高温域にある高負荷時には、機能体５の全面がピストン本体４に圧接される。このため、ピストン頂面１ａ付近の高熱部の熱をピストン本体４から機能体５により速やかに熱伝導させることができる。したがって、燃焼室２の温度が過度に上昇することをより効果的に抑えることが可能となる。
【００４７】
（その他の実施形態）
前記実施形態１では、燃焼室２の温度上昇に伴う機能体５の熱膨張により、前記隙間Ｔが消滅して機能体５とピストン本体４とが接触する例について説明したが、機能体５の熱膨張以外の熱変形を伴って前記隙間Ｔが消滅するような構成とすることもできる。例えば、所定の二方向性形状記憶効果を有する形状記憶合金により機能体５を構成することもできる。この場合、この形状記憶合金の二方向性形状記憶効果により、燃焼室２の温度が前記低温域にあるときは機能体５の少なくともピストン頂面１ａ側の面とピストン本体４との間に隙間が形成されるように、機能体５が所定の形状を維持し、かつ、燃焼室２の温度が前記高温域にあるときはそのときの温度上昇に伴って機能体５の形状が変化することで、前記隙間が消滅して機能体５の少なくともピストン頂面１ａ側の面とピストン本体４とが接触するように、機能体５が所定の形状を維持する構成とすることができる。
【００４８】
また、前述の実施形態１では、鋳込むことにより機能体５をピストン本体４の空洞部３に内蔵させる例について説明したが、ピストン本体４を２分割品等の分割体として構成し、空洞部３に機能体５を内蔵させた状態で各分割品を接合させてもよい。
【実施例】
【００４９】
前記実施形態１の内燃機関用ハイブリッドピストン１について、シミュレーション計算により、エンジン始動時と、車両走行時とについて、その効果を確認した。
【００５０】
その結果を図４及び図５に示す。
【００５１】
比較のため、前記実施形態１と同様のアルミ系合金から一体にピストンを形成した、機能体５を備えていない比較例のピストンについても、同様の評価をした。なお、図４及び図５中、実線が前記実施形態１に係る本実施例のハイブリッドピストン１についての評価結果であり、点線が比較例のピストンについての評価結果である。
【００５２】
そして、図４がエンジン始動時の評価結果で、図５が車両走行時の評価結果である。また、図４及び図５中、横軸はエンジン始動後の時間（点火からの経過時間）であり、縦軸はピストン頂面１ａ付近における最高温度を示す部位のピストン温度である。この図４と図５とでは、横軸及び縦軸の長さは実際の値に対する長さと異なる。
【００５３】
図４から明らかなように、本実施例のハイブリッドピストン１は、比較例のピストンと比較して、エンジン始動直後から速やかにピストン頂面１ａ付近の温度が上昇した。
【００５４】
また、図５から明らかなように、本実施例のハイブリッドピストン１は、比較例のピストンと比較して、車両の走行中にピストン頂面１ａ付近の温度が過度に上昇することを抑えることができた。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本実施形態１に係る内燃機関用ハイブリッドピストンの構成を示す断面図である。
【図２】本実施形態１に係る内燃機関用ハイブリッドピストンについて、高温時における要部を示す部分断面図である。
【図３】本実施形態１に係る内燃機関用ハイブリッドピストンを製造する方法を説明する断面図である。
【図４】シミュレーション計算による、エンジン始動時の評価結果を示す線図である。
【図５】シミュレーション計算による、車両走行時の評価結果を示す線図である。
【符号の説明】
【００５６】
１…ハイブリッドピストン １ａ…頂面
２…燃焼室 ３…空洞部
４…ピストン本体 ５…機能体
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関用ハイブリッドピストンに関し、詳しくは内燃機関の燃焼室を区画形成する頂面を有する内燃機関用のピストンであって、燃焼室温度に応じて適切な機能を発揮しうる内燃機関用ハイブリッドピストンに関する。本発明の内燃機関用ハイブリッドピストンは、例えば燃焼室内に燃料が直接噴射される直噴式エンジンに好適に用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンのシリンダとピストン頂面とにより区画形成された燃焼室内に燃料を直接噴射する直噴式エンジンが知られている。この直噴式エンジンでは、点火プラグまわりに可燃混合気を形成するために、ピストン頂面に凹状に窪んだ凹部が設けられ、このピストン頂面の凹部に向かって燃料噴射弁から燃料が吹き付けられる。
【０００３】
このような直噴式エンジンに用いられるピストンにあっては、一種の材料から一体品として形成されていると、ピストンの熱容量が大きくなることから、燃料が衝突するピストン頂面が昇温しにくい。このため、燃焼室の温度が低いエンジンの始動直後において、燃料が液体の状態でピストン頂面に付着して未燃焼ガスになりやすく、ＨＣエミッションや燃費の悪化を招くという問題があった。
【０００４】
そこで、一対の金属板間に断熱空間を設けた断熱手段をピストン頂面に接合固定したピストンが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
このピストンでは、断熱空間により、ピストン頂面の温度が上昇し易くなる。その結果、エンジンの始動直後から早期にピストン頂面の温度が上昇し、燃焼室内に噴射された燃料の気化を促進して適切な混合気を形成することができる。
【０００６】
また、ピストン頂面に、セラミックス等よりなる低熱伝導率の断熱層を形成し、さらにこの断熱層の上に、高熱伝導率で輻射熱吸収の低い被覆層を銀めっき等により形成したピストンが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
このピストンによれば、ピストン頂面の最表層に形成された被覆層により、輻射熱損失を低減して燃費を改善することができる。なお、被覆層による輻射熱吸収量の低下は、燃焼室からの受熱量の低下に伴ってピストン頂面の温度低下を招き、その結果発熱量の少ない軽負荷時に、ピストン頂面にカーボンスラッジ等の燃焼生成物が付着、堆積する現象が生じ、被覆層による輻射熱損失の低減機能が失われることになる。そこで、このピストンでは、セラミックス等による低熱伝導率の断熱層を被覆層の下に形成することで、被覆層の温度低下を抑えて、被覆層による輻射熱損失の低減機能を維持している。
【０００８】
一方、車両の走行中で、エンジンの負荷が高いときは、ノッキングを防止するために、燃焼室温度を低減させることが望まれる。
【０００９】
そこで、ピストンの頂面付近に、ピストン素材よりも熱伝導率の高い材料よりなる高熱伝導率材を中子的に鋳込んで配備したピストンが知られている（例えば、特許文献３参照）。
【００１０】
このピストンによれば、ピストン頂面の高熱部分の熱を速やかに高熱伝導率材に吸収して、この高熱伝導率材の高熱伝導性を利用して低温部へ熱を移動させることができ、燃焼室温度が過度に上昇することを抑えることが可能となる。
【特許文献１】特開２０００−２９７６９５号公報
【特許文献２】特開平３−２８１９３６号公報
【特許文献３】特開平８−２３２７５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述のとおり、エンジンの始動直後等の低負荷時には、燃焼室の温度を速やかに上昇させるべく、ピストン頂面の断熱化が望まれる一方、車両の走行時等のエンジンの高負荷時には、燃焼室の過度な上昇を抑えるべく、ピストン頂面の高熱伝導化が望まれる。しかしながら、ピストン頂面の断熱化と高熱伝導化という、背反する両性能を同時に満足させるようなピストンは従来なかった。
【００１２】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、ピストン頂面の断熱化と高熱伝導化という、背反する両性能を同時に満足させることのできるピストンを提供することを解決すべき技術課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決する本発明の内燃機関用ハイブリッドピストンは、内燃機関の燃焼室を区画形成する頂面を有する内燃機関用ハイブリッドピストンであって、前記頂面付近に空洞部を有するピストン本体と、前記空洞部に内蔵された、前記ピストン本体の材料よりも熱伝導率の高い材料よりなる機能体と、を備え、前記燃焼室の温度が前記内燃機関の始動直後における燃焼室温度を含む低温域にあるときは、前記機能体の少なくとも前記頂面側の面と前記ピストン本体との間に所定の隙間が形成され、前記燃焼室の温度が該内燃機関の運行中における燃焼室温度を含む高温域にあるときは、前記隙間の少なくとも一部が消滅するように前記機能体の熱変形により該機能体の少なくとも該頂面側の面と前記ピストン本体とが接触するように構成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
この内燃機関用ハイブリッドピストンでは、内燃機関の始動直後等の低負荷時で燃焼室温度が低いときは、ピストンの頂面付近の空洞部に内蔵された機能体の少なくとも頂面側の面とピストン本体との間に隙間が形成されている。この隙間は断熱層として作用する。このため、燃焼室の温度が内燃機関の始動直後における燃焼室温度を含む低温域にあるときは、断熱層として作用する隙間の存在により、燃焼室温度を速やかに上昇させることができる。
【００１５】
したがって、内燃機関の始動直後から早期に燃焼室温度を上昇させることで、燃焼室内に噴射された燃料の気化を促進して適切な混合気を形成することができ、燃料が液体の状態でピストン頂面に付着することによる、ＨＣエミッションや燃費の悪化を防ぐことが可能となる。
【００１６】
一方、内燃機関の運行中の高負荷時で燃焼室温度が高いときは、ピストンの頂面付近の空洞部に内蔵された機能体が熱変形することにより、前記隙間の少なくとも一部が消滅して機能体の少なくとも頂面側の面とピストン本体とが接触する。この機能体は、ピストン本体の材料よりも熱伝導率の高い材料よりなる。このため、ピストン頂面付近の高温部の熱は、機能体の少なくとも頂面側の面とピストン本体との接触部分を介して、高熱伝導率材料よりなる機能体に速やかに吸収される。そして、この機能体の高熱伝導性を利用してピストン本体の低温部へ熱を速やかに移動させることで、燃焼室温度が過度に上昇することを抑えることができる。
【００１７】
したがって、内燃機関の運行中で高負荷時には、燃焼室温度の過度な上昇を抑えて、ノッキングを防止することが可能となる。そして、点火タイミングを理想のタイミングに近付けることができ、燃費の向上に貢献しうる。
【００１８】
このように、本発明の内燃機関用ハイブリッドピストンによれば、ピストン頂面の断熱化と高熱伝導化という、背反する両性能を同時に満足させることができる。
【００１９】
本発明の内燃機関用ハイブリッドピストンの好適な態様において、前記燃焼室の温度が前記高温域にあるときは、前記機能体の少なくとも前記頂面側の面が前記ピストン本体に圧接される。
【００２０】
この内燃機関用ハイブリッドピストンでは、内燃機関の運行中で燃焼室の温度が高温域にある高負荷時には、機能体の少なくとも頂面側の面がピストン本体に圧接される。ここに、熱伝導率の高い材料よりなる機能体と、それよりも熱伝導率の低い材料よりなるピストン本体との接触部においては、圧力が高い方が熱伝導性を高める上で有利となる。このため、機能体の少なくとも頂面側の面がピストン本体に圧接されていれば、ピストン頂面付近の高熱部の熱をより速やかにピストン本体から機能体に熱伝導させることができる。したがって、燃焼室温度が過度に上昇することをより効果的に抑えることが可能となる。
【００２１】
ここに、ピストン本体から機能体への熱伝導性をより高めるという観点より、機能体の全面とピストン本体とが接触していることが好ましく、また、機能体の全面がピストン本体に圧接されていることがより好ましい。こうすれば、ピストン頂面付近の高温部の熱を、機能体を介して低温部により速やかに移動させることができ、ノッキングをより効果的に抑えることが可能となる。
【００２２】
また、本発明の内燃機関用ハイブリッドピストンでは、燃焼室の温度が内燃機関の運行中の温度を含む高温域にあるときは、機能体が熱変形することにより、機能体の少なくとも頂面側の面とピストン本体とが接触して前記隙間の少なくとも一部が消滅する。このときの機能体が熱変形する態様としては、機能体が熱変形することにより機能体の少なくとも頂面側の面とピストン本体とが接触する態様であれば特に限定されないが、好適には機能体の熱膨張により機能体の少なくとも頂面側の面とピストン本体とが接触することが好ましい。
【００２３】
すなわち、本発明の内燃機関用ハイブリッドピストンの好適な態様において、前記機能体は、前記ピストン本体の材料よりも熱膨張率の高い材料よりなる。
【００２４】
この内燃機関用ハイブリッドピストンでは、内燃機関の運行中の高負荷時で燃焼室温度が高いときは、前記隙間の少なくとも一部が消滅するように前記機能体が熱変形することにより、機能体の少なくとも頂面側の面とピストン本体とが接触する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ具体的に説明する。
【００２６】
（実施形態１）
図１の断面図に示される本実施形態の内燃機関用ハイブリッドピストン１は、エンジンのシリンダ（図示せず）とピストン頂面１ａとにより区画形成される燃焼室２内に燃料を直接噴射する直噴式エンジンに用いられるものである。
【００２７】
この内燃機関用ハイブリッドピストン１は、頂面１ａ付近に空洞部３を有するピストン本体４と、空洞部３に内蔵された機能体５とを備えている。
【００２８】
ピストン本体４を構成する材料は特に限定されず、アルミ系合金等を採用することができる。また、このピストン本体４では、点火プラグ（図示せず）まわりに可燃混合気を形成するために、凹状に窪んだ凹部６が頂面１ａに設けられている。なお、このピストン頂面１ａの凹部６に向かって燃料噴射弁（図示せず）から燃料が吹き付けられる。
【００２９】
機能体５は、ピストン本体４の材料よりも熱伝導率及び熱膨張率の高い材料よりなる。ピストン本体４の材料よりも熱伝導率及び熱膨張率の高い材料として、具体的には、Ｍｇ（マグネシウム）とＣｕ（銅）との合金（Ｍｇ−Ｃｕ系合金）や、Ｍｇ（マグネシウム）とＡｇ（銀）との合金（Ｍｇ−Ａｇ系合金）等を挙げることができる。
【００３０】
そして、本実施形態の内燃機関用ハイブリッドピストン１では、機能体５の頂面１ａ側の面５ａ及び各側面５ｂと、空洞部３を区画形成するピストン本体４の内壁面との間には、所定量の隙間Ｔ（ｔ１、ｔ２）が形成されている。すなわち、機能体５の頂面１ａ側の面５ａとピストン本体４の内壁面との間には隙間Ｔ（ｔ１）が形成され、機能体５の各側面５ｂとピストン本体４との間には隙間Ｔ（ｔ２）が形成されている。
【００３１】
ここに、前記隙間Ｔの大きさとしては、燃焼室の温度が低い低温域にあるときに隙間Ｔが断熱層として作用する断熱効果と、燃焼室の温度が高い高温域にあるときに機能体５が所定量熱変形（熱膨張）することにより機能体５とピストン本体４と接触（好ましくは圧接状態で接触）することによる熱伝導効果との双方が良好に達成されうるように、燃焼室の温度変化に伴う機能体５の熱膨張量を考慮して適切に設定することができる。すなわち、断熱効果を考慮すれば、隙間Ｔは大きい方が好ましい。一方、機能体５の熱膨張率（厳密には機能体５の熱膨張率とピストン本体４の熱膨張率との差）に対して隙間Ｔが過度に大きくなると、燃焼室の温度が高い高温域にあるときに機能体５が熱膨張しても隙間Ｔが消滅しなかったり（機能体５の面５ａ及び側面５ｂとピストン本体４とが接触しなかったり）、隙間Ｔが消滅しても機能体５の面５ａ及び側面５ｂがピストン本体４に圧接されなかったりすることが起こり、その結果熱伝導効果が得られなかったり、不十分に又は小さくなったりする。このため、熱伝導効果を考慮すれば、隙間Ｔは過度に大きくないことが好ましい。
【００３２】
具体的には、機能体５の頂面１ａ側の面５ａとピストン本体４の内壁面との間の隙間Ｔ（ｔ１）は、常温時において、５〜２０μｍ程度に設定することが好ましく、機能体５の側面５ｂとピストン本体４との間の隙間Ｔ（ｔ２）は、常温時において、３０〜１００μｍ程度に設定することが好ましい。
【００３３】
本実施形態の内燃機関用ハイブリッドピストン１では、エンジンの始動直後（点火から０〜２０秒程度の間）の低負荷時でピストン頂面１ａの温度が低温域（大気温度〜大気温度＋１０℃程度）にあるときに、前記隙間Ｔ（ｔ１及びｔ２）が形成され、車両の走行時（エンジンの高負荷時）でピストン頂面１ａの温度が高温域（２００〜３００℃程度）にあるときに、機能体５の熱膨張により前記隙間Ｔ（ｔ１及びｔ２）が消滅して、機能体５の全面とピストン本体４とが接触するとともに、機能体５の全面がピストン本体４に所定の圧力で圧接されるように、前記隙間Ｔが設定されている（図２参照）。
【００３４】
上記構成を有する本実施形態の内燃機関用ハイブリッドピストン１は、例えば以下のようにして鋳造により製造することができる。
【００３５】
先ず、所定形状の機能体５を予め準備しておき、この機能体５の表面の所定部位（前記隙間Ｔを区画形成することになる面５ａ及び全ての側面５ｂ）に、隙間形成用層７を塗布する。
【００３６】
この隙間形成用層７は、機能体５と共にピストン本体４に前記空洞部３を形成するとともに、ピストン本体４と機能体５との間に前記隙間Ｔを形成するためのものである。なお、この隙間形成用層７の材料は、鋳造時には溶湯の熱等によって溶融等により消失することがなく、鋳造後に水その他の液体等により容易に溶解等して除去することができる材料、例えば塩を採用することができる。また、隙間形成用層７の厚さは、所望の大きさの前記隙間Ｔとすべく、隙間Ｔの大きさに応じて適切に設定することができる。
【００３７】
一方、所定形状のキャビティ８を有する第１〜第３鋳造型９〜１１と、一対の支持部材１２、１２とを準備する。この支持部材１２は、鋳造時に、機能体５がキャビティ８内で所定の位置関係で保持され得るように、機能体５を第３鋳造型１１に支持させるとともに、鋳造後（鋳造品の脱型後）に、鋳造品から支持部材１２を取り去ることで形成される孔１３により、前記空洞部３と外部とを連通させ、この孔１３を介して、空洞部３内に水等を注入して前記隙間形成用層７を溶解等して除去するためのものである。なお、各支持部材１２の長さ（図３における紙面の表裏方向の長さ）は、機能体５の長さ（図３における紙面の表裏方向の長さ）よりも若干大きくされており、支持部材１２の両端は前記隙間形成用層７まで到達している。
【００３８】
そして、図３に示されるように、各支持部材１２を第３鋳造型１１にセットするとともに、両支持部材１２上に機能体５を保持させる。なお、鋳造時の溶湯流れにより機能体５の位置ずれを防止すべく、機能体５を支持部材１２に対して所定の固定手段（凹凸嵌合等）で脱着可能に固定しておくことが好ましい。
【００３９】
この状態で、第２鋳造型１０の溶湯注入口１４からキャビティ８内にピストン本体４の溶湯を注入し、溶湯が固まったら、鋳造品を脱型する。そして、支持部材１２、１２を鋳造品から取り去り、それにより形成された孔１３から水等を注入して、隙間形成用層７を溶解、除去する。こうして、所定の隙間Ｔを形成しつつ機能体５をピストン本体４の空洞部３に内蔵させた本実施形態の内燃機関用ハイブリッドピストン１を完成する。
【００４０】
なお、前記孔１３はそのまま残して油穴等に活用してもよいし、適当な材料で穴埋めしてもよい。
【００４１】
この内燃機関用ハイブリッドピストン１では、エンジンの始動直後等の低負荷時で燃焼室２の温度が低いときは、ピストン１の頂面１ａ付近の空洞部３に内蔵された機能体５の頂面側の面５ａ及び各側面５ｂとピストン本体４との間に前記隙間Ｔ（ｔ１及びｔ２）が形成されている。この隙間Ｔは断熱層として作用する。このため、燃焼室２の温度がエンジンの始動直後における燃焼室温度を含む低温域にあるときは、断熱層として作用する隙間Ｔの存在により、燃焼室２の温度を速やかに上昇させることができる。
【００４２】
したがって、エンジンの始動直後から早期に燃焼室２の温度を上昇させることで、燃焼室２内に噴射された燃料の気化を促進して適切な混合気を形成することができ、燃料が液体の状態でピストン頂面１ａに付着することによる、ＨＣエミッションや燃費の悪化を防ぐことが可能となる。
【００４３】
一方、車両の走行中のエンジン高負荷時で燃焼室２の温度が高いときは、ピストン１の頂面１ａ付近の空洞部３に内蔵された機能体５が熱膨張することにより、前記隙間Ｔが全て消滅して機能体５の頂面側の面５ａ及び各側面５ｂとピストン本体４とが接触し、機能体５の全面とピストン本体４とが圧接された状態で接触する。この機能体５は、ピストン本体４の材料よりも熱伝導率の高い材料よりなる。このため、ピストン１の頂面１ａ付近の高温部の熱は、機能体５の頂面側の面５ａ及び各側面５ｂとピストン本体４との接触部分を介して、高熱伝導率材料よりなる機能体５に速やかに吸収される。そして、この機能体５の高熱伝導性を利用してピストン本体４の低温部へ熱を速やかに移動させることで、燃焼室２の温度が過度に上昇することを抑えることができる。
【００４４】
したがって、エンジンの運行中で高負荷時には、燃焼室２の過度な温度上昇を抑えて、ノッキングを防止することが可能となる。そして、点火タイミングを理想のタイミングに近付けることができ、燃費の向上に貢献しうる。
【００４５】
このように、本実施形態の内燃機関用ハイブリッドピストン１によれば、ピストン頂面１ａの断熱化と高熱伝導化という、背反する両性能を同時に満足させることができる。
【００４６】
また、本実施形態の内燃機関用ハイブリッドピストン１では、エンジンの運行中で燃焼室２の温度が高温域にある高負荷時には、機能体５の全面がピストン本体４に圧接される。このため、ピストン頂面１ａ付近の高熱部の熱をピストン本体４から機能体５により速やかに熱伝導させることができる。したがって、燃焼室２の温度が過度に上昇することをより効果的に抑えることが可能となる。
【００４７】
（その他の実施形態）
前記実施形態１では、燃焼室２の温度上昇に伴う機能体５の熱膨張により、前記隙間Ｔが消滅して機能体５とピストン本体４とが接触する例について説明したが、機能体５の熱膨張以外の熱変形を伴って前記隙間Ｔが消滅するような構成とすることもできる。例えば、所定の二方向性形状記憶効果を有する形状記憶合金により機能体５を構成することもできる。この場合、この形状記憶合金の二方向性形状記憶効果により、燃焼室２の温度が前記低温域にあるときは機能体５の少なくともピストン頂面１ａ側の面とピストン本体４との間に隙間が形成されるように、機能体５が所定の形状を維持し、かつ、燃焼室２の温度が前記高温域にあるときはそのときの温度上昇に伴って機能体５の形状が変化することで、前記隙間が消滅して機能体５の少なくともピストン頂面１ａ側の面とピストン本体４とが接触するように、機能体５が所定の形状を維持する構成とすることができる。
【００４８】
また、前述の実施形態１では、鋳込むことにより機能体５をピストン本体４の空洞部３に内蔵させる例について説明したが、ピストン本体４を２分割品等の分割体として構成し、空洞部３に機能体５を内蔵させた状態で各分割品を接合させてもよい。
【実施例】
【００４９】
前記実施形態１の内燃機関用ハイブリッドピストン１について、シミュレーション計算により、エンジン始動時と、車両走行時とについて、その効果を確認した。
【００５０】
その結果を図４及び図５に示す。
【００５１】
比較のため、前記実施形態１と同様のアルミ系合金から一体にピストンを形成した、機能体５を備えていない比較例のピストンについても、同様の評価をした。なお、図４及び図５中、実線が前記実施形態１に係る本実施例のハイブリッドピストン１についての評価結果であり、点線が比較例のピストンについての評価結果である。
【００５２】
そして、図４がエンジン始動時の評価結果で、図５が車両走行時の評価結果である。また、図４及び図５中、横軸はエンジン始動後の時間（点火からの経過時間）であり、縦軸はピストン頂面１ａ付近における最高温度を示す部位のピストン温度である。この図４と図５とでは、横軸及び縦軸の長さは実際の値に対する長さと異なる。
【００５３】
図４から明らかなように、本実施例のハイブリッドピストン１は、比較例のピストンと比較して、エンジン始動直後から速やかにピストン頂面１ａ付近の温度が上昇した。
【００５４】
また、図５から明らかなように、本実施例のハイブリッドピストン１は、比較例のピストンと比較して、車両の走行中にピストン頂面１ａ付近の温度が過度に上昇することを抑えることができた。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本実施形態１に係る内燃機関用ハイブリッドピストンの構成を示す断面図である。
【図２】本実施形態１に係る内燃機関用ハイブリッドピストンについて、高温時における要部を示す部分断面図である。
【図３】本実施形態１に係る内燃機関用ハイブリッドピストンを製造する方法を説明する断面図である。
【図４】シミュレーション計算による、エンジン始動時の評価結果を示す線図である。
【図５】シミュレーション計算による、車両走行時の評価結果を示す線図である。
【符号の説明】
【００５６】
１…ハイブリッドピストン １ａ…頂面
２…燃焼室 ３…空洞部
４…ピストン本体 ５…機能体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室を区画形成する頂面を有する内燃機関用ハイブリッドピストンであって、
前記頂面付近に空洞部を有するピストン本体と、
前記空洞部に内蔵された、前記ピストン本体の材料よりも熱伝導率の高い材料よりなる機能体と、を備え、
前記燃焼室の温度が前記内燃機関の始動直後における燃焼室温度を含む低温域にあるときは、前記機能体の少なくとも前記頂面側の面と前記ピストン本体との間に所定の隙間が形成され、前記燃焼室の温度が該内燃機関の運行中における燃焼室温度を含む高温域にあるときは、前記隙間の少なくとも一部が消滅するように前記機能体の熱変形により該機能体の少なくとも該頂面側の面と前記ピストン本体とが接触するように構成されていることを特徴とする内燃機関用ハイブリッドピストン。
【請求項２】
前記燃焼室の温度が前記高温域にあるときは、前記機能体の少なくとも前記頂面側の面が前記ピストン本体に圧接されることを特徴とする請求項１記載の内燃機関用ハイブリッドピストン。
【請求項３】
前記機能体は、前記ピストン本体の材料よりも熱膨張率の高い材料よりなることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関用ハイブリッドピストン。
【請求項１】
内燃機関の燃焼室を区画形成する頂面を有する内燃機関用ハイブリッドピストンであって、
前記頂面付近に空洞部を有するピストン本体と、
前記空洞部に内蔵された、前記ピストン本体の材料よりも熱伝導率の高い材料よりなる機能体と、を備え、
前記燃焼室の温度が前記内燃機関の始動直後における燃焼室温度を含む低温域にあるときは、前記機能体の少なくとも前記頂面側の面と前記ピストン本体との間に所定の隙間が形成され、前記燃焼室の温度が該内燃機関の運行中における燃焼室温度を含む高温域にあるときは、前記隙間の少なくとも一部が消滅するように前記機能体の熱変形により該機能体の少なくとも該頂面側の面と前記ピストン本体とが接触するように構成されていることを特徴とする内燃機関用ハイブリッドピストン。
【請求項２】
前記燃焼室の温度が前記高温域にあるときは、前記機能体の少なくとも前記頂面側の面が前記ピストン本体に圧接されることを特徴とする請求項１記載の内燃機関用ハイブリッドピストン。
【請求項３】
前記機能体は、前記ピストン本体の材料よりも熱膨張率の高い材料よりなることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関用ハイブリッドピストン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−２８５２０３（Ｐ２００７−２８５２０３Ａ）
【公開日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１１３５４６（Ｐ２００６−１１３５４６）
【出願日】平成１８年４月１７日（２００６．４．１７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月１７日（２００６．４．１７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]