火花点火式内燃機関のピストン
【課題】ノッキングに起因するエロージョンの抑制に好適な火花点火式内燃機関のピストンを提供する。
【解決手段】本発明に係る火花点火式内燃機関のピストンは外周側面２と頂面３とを有する。外周側面２に複数のリング溝４，５，６が形成され、最上のリング溝４の上方にトップランド８が形成され、トップランド８に属する外周側面２がトップランド外周側面９を形成する。頂面３に複数の吸気バルブリセス１２Ｆ，１２Ｒが設けられ、これら吸気バルブリセス間の頂面３がスキッシュ部１５を形成する。スキッシュ部に接続するトップランド外周側面９Ｌの少なくとも一部に、熱伝導性を高めるための高熱伝導部２０を設ける。
【解決手段】本発明に係る火花点火式内燃機関のピストンは外周側面２と頂面３とを有する。外周側面２に複数のリング溝４，５，６が形成され、最上のリング溝４の上方にトップランド８が形成され、トップランド８に属する外周側面２がトップランド外周側面９を形成する。頂面３に複数の吸気バルブリセス１２Ｆ，１２Ｒが設けられ、これら吸気バルブリセス間の頂面３がスキッシュ部１５を形成する。スキッシュ部に接続するトップランド外周側面９Ｌの少なくとも一部に、熱伝導性を高めるための高熱伝導部２０を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は火花点火式内燃機関のピストンに係り、特に、ノッキングに起因するエロージョンの抑制に好適なピストンの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンエンジンに代表される火花点火式内燃機関において、ノッキングがピストンに与えるダメージが問題視されている。特に近年、内燃機関の高過給化や高出力化に伴い、この問題はより一層深刻になってきている。
【０００３】
ノッキングによるダメージを受けたピストンの表面にはエロージョンが発生している。このエロージョンとは、圧力波によるピストン表面の剥離をいう。エロージョンが発生すると、外観的には本来滑らかなピストン表面が粗くなり、所謂梨地状に変化する。従来より適合や材料の強化により解決を試みているが、効率の悪化やコスト増の問題があり、効果的な対策とは言い難い。
【０００４】
なお関連技術として、特許文献１には、ピストン冠面を熱伝導性の低い材料で構成し、ピストンリング溝部を熱伝導性の高い材料で構成したピストンが開示されている。この構造は、燃焼時の冷却損失の低減と共に、従来同様のトライボ性能の維持を狙いとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２３１８３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで本発明者は、鋭意研究の結果、ノッキングに起因するエロージョンの発生について、その原因およびメカニズムを解明するに至った。
【０００７】
そこで本発明はかかる事情に鑑みて創案されたものであり、その一の目的は、ノッキングに起因するエロージョンの抑制に好適な火花点火式内燃機関のピストンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様によれば、
火花点火式内燃機関のピストンであって、
外周側面と頂面とを有し、
前記外周側面に複数のリング溝が形成され、そのうち最上のリング溝の上方にトップランドが形成され、該トップランドに属する前記外周側面がトップランド外周側面を形成し、
前記頂面に複数の吸気バルブリセスが設けられ、これら吸気バルブリセス間の前記頂面がスキッシュ部を形成し、
前記スキッシュ部に接続する前記トップランド外周側面の少なくとも一部に、熱伝導性を高めるための高熱伝導部を設けた
ことを特徴とする火花点火式内燃機関のピストンが提供される。
【０００９】
本発明の第２の態様によれば、
火花点火式内燃機関のピストンであって、
外周側面と頂面とを有し、
前記外周側面に複数のリング溝が形成され、そのうち最上のリング溝の上方にトップランドが形成され、該トップランドに属する前記外周側面がトップランド外周側面を形成し、
前記頂面に複数の吸気バルブリセスが設けられ、これら吸気バルブリセス間の前記頂面がスキッシュ部を形成し、
前記スキッシュ部の少なくとも一部に、断熱性を高めるための断熱部を設けた
ことを特徴とする火花点火式内燃機関のピストンが提供される。
【００１０】
本発明の第３の態様によれば、
火花点火式内燃機関のピストンであって、
外周側面と頂面とを有し、
前記外周側面に複数のリング溝が形成され、そのうち最上のリング溝の上方にトップランドが形成され、該トップランドに属する前記外周側面がトップランド外周側面を形成し、
前記頂面に複数の吸気バルブリセスが設けられ、これら吸気バルブリセス間の前記頂面がスキッシュ部を形成し、
前記スキッシュ部に接続する前記トップランド外周側面の少なくとも一部に、熱伝導性を高めるための高熱伝導部を設け、
前記スキッシュ部の少なくとも一部に、断熱性を高めるための断熱部を設けた
ことを特徴とする火花点火式内燃機関のピストンが提供される。
【００１１】
好ましくは、前記高熱伝導部が、前記スキッシュ部に接続する前記トップランド外周側面の少なくとも一部に、ピストン素材よりも高い熱伝導性を有する材料の被膜を形成することにより、形成される。
【００１２】
好ましくは、前記断熱部が、前記スキッシュ部の少なくとも一部に、ピストン素材よりも高い断熱性を有する材料の被膜を形成することにより、形成される。
【００１３】
好ましくは、前記複数の吸気バルブリセスの底面が傾斜されており、前記複数の吸気バルブリセスが前記ピストンの前記外周側面に内接するように延びており、これにより、前記トップランド外周側面の上端縁部が、前記複数の吸気バルブリセスとの接続位置において、下方に切り欠かれたような形状となっている。
【００１４】
好ましくは、前記吸気バルブリセスの数が二つであり、
平面視においてピストン中心線を原点とする直交座標を定義し、ピストンピン穴の中心線に平行なＸ軸と、該Ｘ軸に直交するＹ軸とを定義した場合、前記スキッシュ部に接続する前記トップランド外周側面、前記二つの吸気バルブリセスおよび前記スキッシュ部が前記Ｙ軸に対し対称に配置されている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ノッキングに起因するエロージョンの抑制に好適な火花点火式内燃機関のピストンを提供することができるという、優れた効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明が適用される前のベースピストンを示す斜視図である。
【図２】本発明が適用される前のベースピストンを示す平面図である。
【図３】実機試験に用いた試験用ピストンの平面図である。
【図４】プラグ位置におけるノッキング時筒内圧波形を示すグラフである。
【図５】トップランド位置におけるノッキング時筒内圧波形を示すグラフである。
【図６】プラグ位置ノック振幅とトップランド位置ノック振幅との関係を示すグラフである。
【図７】ＣＦＤ解析に用いたピストンの平面図である。
【図８】ＣＦＤ解析の結果を示す斜視図である。
【図９】ＣＦＤ解析の結果を示す斜視図である。
【図１０】ＣＦＤ解析の結果を示す斜視図である。
【図１１】ＣＦＤ解析の結果を示す斜視図である。
【図１２】３者の圧力波が衝突する様子を示す平面図である。
【図１３】本発明の第１実施形態に係るピストンの斜視図である。
【図１４】第１実施形態において３者の圧力波が衝突する様子を示す平面図である。
【図１５】第１実施形態の第１変形例に係るピストンの斜視図である。
【図１６】第１実施形態の第２変形例に係るピストンの斜視図である。
【図１７】本発明の第２実施形態に係るピストンの斜視図である。
【図１８】第２実施形態において３者の圧力波が衝突する様子を示す平面図である。
【図１９】第２実施形態の変形例に係るピストンの斜視図である。
【図２０】本発明の第３実施形態に係るピストンの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の好適実施形態を添付図面に基づき説明する。
【００１８】
図１および図２は、本発明が適用される前のベースとなるピストンを示す。図１は斜視図、図２は平面図である。ピストン１は、ガソリンエンジン等の火花点火式内燃機関のピストンであり、その用途は問わないが例えば自動車用である。
【００１９】
図２に示す平面視において、ピストン中心線Ｏを原点とする直交座標を定義し、図の左右方向に延びる軸をＸ軸、図の上下方向に延びる軸をＹ軸とする。Ｘ軸は、ピストンピン穴（図示せず）の中心線およびクランク軸（図示せず）の中心線に平行である。他方、Ｙ軸はＸ軸と直交する。Ｘ軸を境に図の下側が吸気側、上側が排気側である。またＹ軸を境に図の右側を前、左側を後とする。Ｘ軸は、ピストン１を吸気側と排気側とに仕切り、あるいは二分割する。Ｙ軸は、ピストン１を前側と後側とに仕切り、あるいは二分割する。ピストン中心線Ｏに沿った紙面厚さ方向手前側を上、奥側を下とする。
【００２０】
図１および図２に示すように、ピストン１は外周側面２と頂面３とを有する（以下、それぞれピストン外周側面２およびピストン頂面３という）。ピストン外周側面２には、それぞれピストンリングを収容するための複数（三つ）のリング溝４，５，６が形成されている。最上のリング溝すなわちトップリング溝４にはトップリング（図示せず）が収容され、中間のリング溝すなわちセカンドリング溝５にはセカンドリング（図示せず）が収容され、最下のリング溝すなわちオイルリング溝６にはオイルリング（図示せず）が収容される。オイルリング溝６の下方にはスカート７が形成されている。
【００２１】
他方、ピストン１において、トップリング溝４の上方にはトップランド８が形成されている。ここでトップランド８とは、トップリング溝４の上方に位置するピストン１の肉の部分全体をいう。このトップランド８に属するピストン外周側面２がトップランド外周側面９を形成する。なお、トップリング溝４とセカンドリング溝５との間にはセカンドランド１０が形成され、セカンドリング溝５とオイルリング溝６との間にはサードランド１１が形成されている。
【００２２】
ピストン頂面３においては、その吸気側に複数の吸気バルブリセス１２Ｆ，１２Ｒが設けられ、その排気側に複数の排気バルブリセス１３Ｆ，１３Ｒが設けられている。吸気バルブリセス１２Ｆ，１２Ｒは吸気弁（図示せず）との干渉を避けるためのものであり、ピストン頂面３に凹設されている。また排気バルブリセス１３Ｆ，１３Ｒは排気弁（図示せず）との干渉を避けるためのものであり、ピストン頂面３に凹設されている。
【００２３】
本実施形態において、吸気バルブリセスの数は二つである。前側の吸気バルブリセスを１２Ｆで表し、後側の吸気バルブリセスを１２Ｒで表す。これら吸気バルブリセス１２Ｆ，１２Ｒは平面視（図２）において略半円状であり、同一径を有し、Ｙ軸に対して対称に配置されている。
【００２４】
同様に、排気バルブリセスの数も二つである。前側の排気バルブリセスを１３Ｆで表し、後側の排気バルブリセスを１３Ｒで表す。これら排気バルブリセス１３Ｆ，１３Ｒは平面視（図２）において略半円状であり、同一径を有するが、吸気バルブリセス１２Ｆ，１２Ｒよりも小径である。そしてＹ軸に対して対称に配置されている。
【００２５】
これら吸気バルブリセス１２Ｆ，１２Ｒおよび排気バルブリセス１３Ｆ，１３Ｒの底面は、知られているように、Ｘ軸から離れるほど位置が下がるように傾斜されている。そして前側吸気バルブリセス１２Ｆおよび後側吸気バルブリセス１２Ｒは、それぞれピストン外周側面２に内接するように延びており、これにより、トップランド外周側面９の上端縁部は、前側吸気バルブリセス１２Ｆおよび後側吸気バルブリセス１２Ｒとの接続位置において、下方に切り欠かれたような形状となっている。この前側および後側の切欠き形状部を図１に１４Ｆ，１４Ｒで示す。これら前側および後側切欠き形状部１４Ｆ，１４ＲはＹ軸に対し対称に配置されている。
【００２６】
二つの吸気バルブリセス１２Ｆ，１２Ｒの間のピストン頂面３はスキッシュ部１５を形成する。スキッシュ部１５は、ピストン頂面３の外周側に位置され、平面視（図２）において略扇状であり、エンジン運転時にシリンダブロックとシリンダヘッド（いずれも図示せず）の隙間から流出するスキッシュ流が積極的に当たる部位となる。スキッシュ部１５はＹ軸に対し対称に配置されている。
【００２７】
スキッシュ部１５に接続するトップランド外周側面９は、トップランド外周側面９のうち、図中Ｌで示される範囲の部分、即ち吸気バルブリセス１２Ｆ，１２Ｒとスキッシュ部１５との境界が最も半径方向外側となる二つのピストン周方向位置の間におけるトップランド外周側面９の部分である。このスキッシュ部１５に接続するトップランド外周側面９を、符号９Ｌを用いて区別して表し、スキッシュ接続トップランドともいう。スキッシュ接続トップランド９Ｌは、Ｙ軸に対し対称に配置されている。
【００２８】
スキッシュ接続トップランド９Ｌの周方向中間位置９ＬｍはＹ軸上に存在する。そしてこの周方向中間位置９Ｌｍから周方向に沿って前後に最も離れた位置に、スキッシュ接続トップランド９Ｌの前端９Ｌｆおよび後端９Ｌｒが存在する。前側および後側切欠き形状部１４Ｆ，１４Ｒは、これら前端９Ｌｆおよび後端９Ｌｒよりも、さらに周方向中間位置９Ｌｍから周方向に沿って前後に離れた位置に存在する。
【００２９】
ピストン頂面３の中心部には、僅かに窪まされた中心凹部１６が形成されている。そして中心凹部１６の真上に、図示しない点火プラグがシリンダヘッドに取り付けられて設けられることとなる。
【００３０】
次に、燃焼室内でのノッキングに起因してピストンに発生するエロージョンについて、本発明者の知見により得られた発生原因とメカニズムを説明する。
【００３１】
まず本発明者は実機試験を行った。図３に実機試験に用いた試験用ピストン１０１を示す。この試験用ピストン１０１は、前述したベースピストン１とは異なるが、ベースピストン１と同様、ピストン頂面１０３に吸気バルブリセス１１２Ｆ，１１２Ｒと排気バルブリセス１１３Ｆ，１１３Ｒとが二つずつ設けられている。
【００３２】
図中、着色部分はノッキング発生率の分布を表す。着色が濃いほどノッキング発生率が高いことを意味し、第１領域Ａ１はノッキング発生率が最も高く、第２領域Ａ２は中間程度のノッキング発生率で、第３領域Ａ３はノッキング発生率が最も低い。
【００３３】
また、スキッシュ接続トップランド１０９Ｌにエロージョンが顕著に見られた。但しスキッシュ部１１５にも、スキッシュ接続トップランド１０９Ｌほどではないが、エロージョンが見られた。
【００３４】
図４〜図６に多点圧力解析の結果を示す。図４は、点火プラグの位置（プラグ位置という）で筒内圧センサを用いて筒内圧を計測したときのノッキング時筒内圧波形を示す。横軸はクランク角であり、縦軸は筒内圧である。図５は、スキッシュ接続トップランド１０９Ｌの周方向中間位置に対向するシリンダ内周面の位置（トップランド位置という）で筒内圧センサを用いて筒内圧を計測したときのノッキング時筒内圧波形を示す。横軸はクランク角であり、縦軸は筒内圧である。なおこれら波形はハイパスフィルタを通した後での波形である。
【００３５】
これら図を比較すると分かるように、トップランド位置ではプラグ位置よりも、ノッキング時の筒内圧波形が大きく振動しており、自着火に伴う圧力波が大きくなっている。
【００３６】
これら図４および図５に示したような筒内圧波形を複数取得し、その結果に基づき作成したのが図６のグラフである。横軸はプラグ位置ノック振幅であり、縦軸はトップランド位置ノック振幅である。ここでノック振幅とは、図４および図５に示したような１燃焼当たりの筒内圧波形のうちの最大振幅Ｗをいう。
【００３７】
図６から分かるように、トップランド位置ノック振幅はプラグ位置ノック振幅に対し概ね比例関係にあるが、その比例係数は１より大きく、しかも図中円内に示すように、トップランド位置ノック振幅がプラグ位置ノック振幅より顕著に大きくなることがある。この結果から、スキッシュ接続トップランド１０９Ｌの位置において、ノッキング時に圧力が急激に増大していることが分かる。なお図６の円内のデータは、図４および図５の筒内圧波形に基づいたデータである。
【００３８】
次に本発明者はＣＦＤ解析を行った。図７にＣＦＤ解析に用いたピストン２０１を示す。このＣＦＤ解析用ピストン２０１も、前述したベースピストン１とは異なるが、ベースピストン１と同様、ピストン頂面２０３に吸気バルブリセス２１２Ｆ，２１２Ｒと排気バルブリセス２１３Ｆ，２１３Ｒとが二つずつ設けられている。なおこのＣＦＤ解析用ピストン２０１は、筒内直噴エンジンのものであり、ピストン頂面２０３には燃料衝突用凹部２１９が設けられている。
【００３９】
このＣＦＤ解析においては、初期条件として、矢印Ｂで示す領域を既燃領域として温度を２０００℃に設定し、矢印Ｃで示す領域を未燃領域として温度を１０００℃に設定し、その境界層から自着火を模擬した圧力を伝播させている。ピストン２０１の位置は圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）１５°に固定している。
【００４０】
図８〜図１１はＣＦＤ解析の結果であり、それぞれ開始から６μｓｅｃ後、１２μｓｅｃ後、１８μｓｅｃ後、２４μｓｅｃ後の状態を示している。まず図８に示す６μｓｅｃ後では、吸気バルブリセス２１２Ｆ，２１２Ｒから、スキッシュ接続トップランド２０９Ｌの位置（即ちスキッシュ接続トップランド２０９Ｌと、これに対向するシリンダ内周面との間の隙間）に、圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒが進入している。特にこの進入は、トップランド外周側面２０９の上端縁部における切欠き形状部２１４Ｆ，２１４Ｒを通じて行われる。なお切欠き形状部２１４Ｆ，２１４Ｒがない場合もあるが、このときには吸気バルブリセス２１２Ｆ，２１２Ｒの内側壁を乗り越えて進入が行われる。
【００４１】
次に、図９に示す１２μｓｅｃ後では、スキッシュ部２１５から圧力波Ｐ２がＹ軸方向且つ半径方向外側に進み、スキッシュ接続トップランド２０９Ｌの位置に進入する。他方、既に進入した吸気バルブリセス２１２Ｆ，２１２Ｒからの圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒは、スキッシュ接続トップランド２０９Ｌとこれに対向するシリンダ内周面との隙間を、周方向に回り込んで進む。つまり、これら３者の圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２は互いに合流する方向に向かっている。
【００４２】
次に、図１０に示す１８μｓｅｃ後では、スキッシュ部１５からの圧力波Ｐ２がトップリング（図示せず）に衝突し、当該衝突位置で圧力が部分的に上昇する。
【００４３】
次に、図１１に示す２４μｓｅｃ後では、吸気バルブリセス２１２Ｆ，２１２Ｒからの圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒが、圧力上昇したスキッシュ部１５からの圧力波Ｐ２と衝突する。よって３者の圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２の衝突位置で圧力が急激に上昇する。この衝突位置ないし圧力上昇位置は、Ｙ軸近傍の位置、即ちスキッシュ接続トップランド２０９Ｌの周方向中間位置の近傍の位置である。
【００４４】
このように、自着火により発生した圧力波は、スキッシュ接続トップランド２０９Ｌの周方向中間位置の近傍で、重ね合わさって増幅することが判明した。そしてこのことが、図３に示したような実機のピストン１０１において、スキッシュ接続トップランド１０９Ｌ（特にその周方向中間位置）にエロージョンが顕著に発生する理由と推測される。図１２に３者の圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２が衝突する様子を示す。
【００４５】
３者の圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２が衝突する位置は３重点をなす。このような３重点が現れる理由は、これら圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２の伝播速度がＹ軸に対し対称であること、言い換えれば前後に対称であることと考えられる。
【００４６】
そこで、これら圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２のうち一つでも伝播速度を変えれば、即ち３者の伝播速度のバランスを崩せば、３重点の発生は回避できることとなる。本発明はこのような知見に基づき創案されたものである。
【００４７】
［第１実施形態］
図１３に、前記ベースピストン１に対して本発明を適用した第１実施形態に係るピストンを示す。なおベースピストン１と同一の構成要素には図中同一符号を付し、説明を省略する。
【００４８】
図示するように、第１実施形態に係るピストン１Ａにおいては、スキッシュ接続トップランド９Ｌの少なくとも一部に、熱伝導性を高めるための高熱伝導部２０（ハッチング領域で示す）が設けられている。ここでピストン１Ａ自体は、アルミニウム、鉄またはそれらの合金等のピストン素材により一体に形成されている。高熱伝導部２０は、このようなピストン１Ａのスキッシュ接続トップランド９Ｌの少なくとも一部に、異なる材料を被覆したり特殊加工を施したりすることにより形成され、これにより高熱伝導部２０はその隣接部位よりも高い熱伝導性を有するようになる。
【００４９】
図示例において、高熱伝導部２０は、Ｙ軸に対して対称的に二つ設けられている。前側の高熱伝導部２０を符号２０Ｆで表し、後側の高熱伝導部２０を符号２０Ｒで表す。Ｙ軸付近、すなわちスキッシュ接続トップランド９Ｌの周方向中間位置９Ｌｍ付近の未設置領域２１には、高熱伝導部２０が設けられていない。この未設置領域２１を除き、Ｙ軸より前方のスキッシュ接続トップランド９Ｌ全体には前側高熱伝導部２０Ｆが設けられ、Ｙ軸より後方のスキッシュ接続トップランド９Ｌ全体には後側高熱伝導部２０Ｒが設けられている。
【００５０】
これら高熱伝導部２０Ｆ，２０Ｒは、例えば、ピストン素材よりも熱伝導性あるいは熱伝導率の高い材料（例えば銅等の金属）を溶射し、スキッシュ接続トップランド９Ｌの該当箇所の表面に当該材料の被膜を形成することにより、形成される。あるいは、高熱伝導部２０Ｆ，２０Ｒは、例えば、スキッシュ接続トップランド９Ｌの該当箇所の表面の面粗度を粗くすることにより、形成される。
【００５１】
かかる高熱伝導部２０Ｆ，２０Ｒを設けると、高熱伝導部２０Ｆ，２０Ｒの雰囲気温度が低下するため、吸気バルブリセス１２Ｆ，１２Ｒからの圧力波（図１４のＰ１Ｆ，Ｐ１Ｒ参照）が高熱伝導部２０Ｆ，２０Ｒを通過する際の伝播速度が局所的に遅くなる。従って、吸気バルブリセス１２Ｆ，１２Ｒからの圧力波と、スキッシュ部１５からの圧力波（図１４のＰ２参照）との３者の同時衝突を回避し、各圧力波のタイミングをずらし、圧力増幅箇所を分散することができる。そして３重点の発生を回避し、特にスキッシュ接続トップランド９Ｌにおいて顕著であったエロージョンの発生を抑制することが可能である。
【００５２】
図１４に３者の圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２が衝突する様子を示す。衝突は、スキッシュ接続トップランド９Ｌの周方向中間位置９Ｌｍよりも、圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒの上流側で発生する。すなわち、前側吸気バルブリセス１２Ｆからの圧力波Ｐ１Ｆは、スキッシュ接続トップランド９Ｌの周方向中間位置９Ｌｍよりも上流側で、スキッシュ部１５からの圧力波Ｐ２と衝突する。他方、後側吸気バルブリセス１２Ｒからの圧力波Ｐ１Ｒは、スキッシュ接続トップランド９Ｌの周方向中間位置９Ｌｍよりも上流側で、スキッシュ部１５からの圧力波Ｐ２と衝突する。このように２者の圧力波でしか衝突が行われないこと、および、衝突位置が２箇所に分散されることから、圧力増幅の度合いを低減すると共に、その箇所を分散し、エロージョンの発生を抑制することが可能である。
【００５３】
図１５には、第１実施形態の第１変形例に係るピストンを示す。このピストン１Ｂにおいては、スキッシュ接続トップランド９Ｌの全体に高熱伝導部２０が設けられている。このようにしても、吸気バルブリセス１２Ｆ，１２Ｒからの圧力波の伝播速度を局所的に遅くし、前記同様の作用効果を果たせる。
【００５４】
図１６には、第１実施形態の第２変形例に係るピストンを示す。このピストン１Ｃにおいては、前側高熱伝導部２０Ｆのみが設けられ、後側高熱伝導部２０Ｒは省略されている。こうすると前側の吸気バルブリセス１２Ｆからの圧力波Ｐ１Ｆの伝播速度のみが遅くなるが、これによっても３重点の発生を回避して前記同様の作用効果を果たせる。
【００５５】
第１実施形態の変形例は他にも様々なものが考えられる。ここでは高熱伝導部２０の高さがスキッシュ接続トップランド９Ｌの高さと同一である例を示したが、前者を後者より小さくしてもよい。例えば前側の高熱伝導部２０Ｆについて、これを未設置領域２１より前方のスキッシュ接続トップランド９Ｌ全体に設けるようにしたが、部分的に設けるようにしてもよく、形状も長方形に限らない。後側の高熱伝導部２０Ｒについても同様である。
【００５６】
［第２実施形態］
図１７に、前記ベースピストンに対して本発明を適用した第２実施形態に係るピストンを示す。なおベースピストンと同一の構成要素には図中同一符号を付し、説明を省略する。
【００５７】
図示するように、第２実施形態に係るピストン１Ｄにおいては、スキッシュ部１５の少なくとも一部に、断熱性を高めるための断熱部３０（ドット領域で示す）が設けられている。前記同様、ピストン１Ｄ自体は、アルミニウム、鉄またはそれらの合金等のピストン素材により一体に形成されている。断熱部３０は、このようなピストン１Ｄのスキッシュ部１５の少なくとも一部に、異なる材料を被覆したり特殊加工を施したりすることにより形成され、これにより断熱部３０はその隣接部位よりも高い断熱性を有するようになる。
【００５８】
図示例において、断熱部３０はスキッシュ部１５の全体に設けられている。断熱部３０は、例えば、ピストン素材よりも断熱性の高い材料の被膜を、スキッシュ部１５に形成することにより、形成される。このような例としては、ピストン素材がアルミニウムまたはアルミニウム合金である場合、スキッシュ部１５にアルマイト処理を行うことが好適である。こうすると、スキッシュ部１５の表面にアルミニウムの陽極酸化皮膜（具体的にはアルミナＡｌ2Ｏ3の被膜）が生成される。この陽極酸化皮膜が、ピストン素材よりも断熱性の高い被膜をなす。
【００５９】
あるいは、断熱部３０は、例えばスキッシュ部１５を発泡構造とすることにより形成される。
【００６０】
かかる断熱部３０を設けると、断熱部３０の雰囲気温度が上昇するため、スキッシュ部１５からの圧力波（図１８のＰ２参照）がスキッシュ部１５を通過する際の伝播速度が局所的に速くなる。従って、吸気バルブリセス１２Ｆ，１２Ｒからの圧力波と、スキッシュ部１５からの圧力波との同時衝突を回避し、各圧力波のタイミングをずらし、圧力増幅箇所を分散することができる。そして３重点の発生を回避し、特にスキッシュ接続トップランド９Ｌにおいて顕著であったエロージョンの発生を抑制することが可能である。
【００６１】
図１８に３者の圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２が衝突する様子を示す。この第２実施形態でも第１実施形態と同様、衝突が、スキッシュ接続トップランド９Ｌの周方向中間位置９Ｌｍよりも圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒの上流側で発生する。よって圧力増幅の度合いを低減すると共に、その箇所を分散し、エロージョンの発生を抑制することが可能である。
【００６２】
図１９には、第２実施形態の変形例に係るピストンを示す。このピストン１Ｅにおいては、スキッシュ部１５の一部にのみ断熱部３０が設けられている。ここでスキッシュ部１５は略扇形となっているが、断熱部３０は、スキッシュ部１５と相似でそれより小さい略扇形となっている。このようにしても、スキッシュ部１５からの圧力波の伝播速度を局所的に速くし、前記同様の作用効果を果たせる。
【００６３】
この第２実施形態の変形例もその他様々なものが考えられる。スキッシュ部１５と異なる形状あるいは非相似形状の断熱部３０としてもよい。
【００６４】
［第３実施形態］
図２０に第３実施形態に係るピストンを示す。この第３実施形態に係るピストン１Ｆは、第１実施形態で述べた高熱伝導部２０と、第２実施形態で述べた断熱部３０との両方を備える。図示例は、図１３で示した例と図１７で示した例との組み合わせである。
【００６５】
これによれば、高熱伝導部２０Ｆ，２０Ｒにより、吸気バルブリセス１２Ｆ，１２Ｒからの圧力波の伝播速度を局所的に遅くすると共に、断熱部３０により、スキッシュ部１５からの圧力波の伝播速度を局所的に速くすることができる。従って、この第３実施形態によっても前記同様の作用効果を果たせる。
【００６６】
この第３実施形態の変形例も様々なものが考えられ、例えば図１５で示した例と図１７で示した例との組み合わせ、図１３で示した例と図１９で示した例との組み合わせ等、第１実施形態と第２実施形態との任意の組み合わせが可能である。
【００６７】
以上、本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の実施形態は他にも種々考えられる。例えば、２つより多い例えば３つの吸気弁を有する内燃機関において、ピストンに同数の３つの吸気バルブリセスが設けられる場合にも、本発明は適用可能である。この場合、互いに隣り合う２つの吸気バルブリセスの組が２組設けられるが、それぞれの組に対して、前記実施形態で述べたような構造を適用することが可能である。
【００６８】
本発明には、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１Ａ〜１Ｆ ピストン
２ 外周側面
３ 頂面
４ トップリング溝
５ セカンドリング溝
６ サードリング溝
８ トップランド
９ トップランド外周側面
９Ｌ スキッシュ接続トップランド
１２Ｆ 前側吸気バルブリセス
１２Ｒ 後側吸気バルブリセス
１４Ｆ 前側切欠き形状部
１４Ｒ 後側切欠き形状部
１５ スキッシュ部
２０ 高熱伝導部
３０ 断熱部
Ｏ ピストン中心線
【技術分野】
【０００１】
本発明は火花点火式内燃機関のピストンに係り、特に、ノッキングに起因するエロージョンの抑制に好適なピストンの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンエンジンに代表される火花点火式内燃機関において、ノッキングがピストンに与えるダメージが問題視されている。特に近年、内燃機関の高過給化や高出力化に伴い、この問題はより一層深刻になってきている。
【０００３】
ノッキングによるダメージを受けたピストンの表面にはエロージョンが発生している。このエロージョンとは、圧力波によるピストン表面の剥離をいう。エロージョンが発生すると、外観的には本来滑らかなピストン表面が粗くなり、所謂梨地状に変化する。従来より適合や材料の強化により解決を試みているが、効率の悪化やコスト増の問題があり、効果的な対策とは言い難い。
【０００４】
なお関連技術として、特許文献１には、ピストン冠面を熱伝導性の低い材料で構成し、ピストンリング溝部を熱伝導性の高い材料で構成したピストンが開示されている。この構造は、燃焼時の冷却損失の低減と共に、従来同様のトライボ性能の維持を狙いとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２３１８３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで本発明者は、鋭意研究の結果、ノッキングに起因するエロージョンの発生について、その原因およびメカニズムを解明するに至った。
【０００７】
そこで本発明はかかる事情に鑑みて創案されたものであり、その一の目的は、ノッキングに起因するエロージョンの抑制に好適な火花点火式内燃機関のピストンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様によれば、
火花点火式内燃機関のピストンであって、
外周側面と頂面とを有し、
前記外周側面に複数のリング溝が形成され、そのうち最上のリング溝の上方にトップランドが形成され、該トップランドに属する前記外周側面がトップランド外周側面を形成し、
前記頂面に複数の吸気バルブリセスが設けられ、これら吸気バルブリセス間の前記頂面がスキッシュ部を形成し、
前記スキッシュ部に接続する前記トップランド外周側面の少なくとも一部に、熱伝導性を高めるための高熱伝導部を設けた
ことを特徴とする火花点火式内燃機関のピストンが提供される。
【０００９】
本発明の第２の態様によれば、
火花点火式内燃機関のピストンであって、
外周側面と頂面とを有し、
前記外周側面に複数のリング溝が形成され、そのうち最上のリング溝の上方にトップランドが形成され、該トップランドに属する前記外周側面がトップランド外周側面を形成し、
前記頂面に複数の吸気バルブリセスが設けられ、これら吸気バルブリセス間の前記頂面がスキッシュ部を形成し、
前記スキッシュ部の少なくとも一部に、断熱性を高めるための断熱部を設けた
ことを特徴とする火花点火式内燃機関のピストンが提供される。
【００１０】
本発明の第３の態様によれば、
火花点火式内燃機関のピストンであって、
外周側面と頂面とを有し、
前記外周側面に複数のリング溝が形成され、そのうち最上のリング溝の上方にトップランドが形成され、該トップランドに属する前記外周側面がトップランド外周側面を形成し、
前記頂面に複数の吸気バルブリセスが設けられ、これら吸気バルブリセス間の前記頂面がスキッシュ部を形成し、
前記スキッシュ部に接続する前記トップランド外周側面の少なくとも一部に、熱伝導性を高めるための高熱伝導部を設け、
前記スキッシュ部の少なくとも一部に、断熱性を高めるための断熱部を設けた
ことを特徴とする火花点火式内燃機関のピストンが提供される。
【００１１】
好ましくは、前記高熱伝導部が、前記スキッシュ部に接続する前記トップランド外周側面の少なくとも一部に、ピストン素材よりも高い熱伝導性を有する材料の被膜を形成することにより、形成される。
【００１２】
好ましくは、前記断熱部が、前記スキッシュ部の少なくとも一部に、ピストン素材よりも高い断熱性を有する材料の被膜を形成することにより、形成される。
【００１３】
好ましくは、前記複数の吸気バルブリセスの底面が傾斜されており、前記複数の吸気バルブリセスが前記ピストンの前記外周側面に内接するように延びており、これにより、前記トップランド外周側面の上端縁部が、前記複数の吸気バルブリセスとの接続位置において、下方に切り欠かれたような形状となっている。
【００１４】
好ましくは、前記吸気バルブリセスの数が二つであり、
平面視においてピストン中心線を原点とする直交座標を定義し、ピストンピン穴の中心線に平行なＸ軸と、該Ｘ軸に直交するＹ軸とを定義した場合、前記スキッシュ部に接続する前記トップランド外周側面、前記二つの吸気バルブリセスおよび前記スキッシュ部が前記Ｙ軸に対し対称に配置されている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ノッキングに起因するエロージョンの抑制に好適な火花点火式内燃機関のピストンを提供することができるという、優れた効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明が適用される前のベースピストンを示す斜視図である。
【図２】本発明が適用される前のベースピストンを示す平面図である。
【図３】実機試験に用いた試験用ピストンの平面図である。
【図４】プラグ位置におけるノッキング時筒内圧波形を示すグラフである。
【図５】トップランド位置におけるノッキング時筒内圧波形を示すグラフである。
【図６】プラグ位置ノック振幅とトップランド位置ノック振幅との関係を示すグラフである。
【図７】ＣＦＤ解析に用いたピストンの平面図である。
【図８】ＣＦＤ解析の結果を示す斜視図である。
【図９】ＣＦＤ解析の結果を示す斜視図である。
【図１０】ＣＦＤ解析の結果を示す斜視図である。
【図１１】ＣＦＤ解析の結果を示す斜視図である。
【図１２】３者の圧力波が衝突する様子を示す平面図である。
【図１３】本発明の第１実施形態に係るピストンの斜視図である。
【図１４】第１実施形態において３者の圧力波が衝突する様子を示す平面図である。
【図１５】第１実施形態の第１変形例に係るピストンの斜視図である。
【図１６】第１実施形態の第２変形例に係るピストンの斜視図である。
【図１７】本発明の第２実施形態に係るピストンの斜視図である。
【図１８】第２実施形態において３者の圧力波が衝突する様子を示す平面図である。
【図１９】第２実施形態の変形例に係るピストンの斜視図である。
【図２０】本発明の第３実施形態に係るピストンの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の好適実施形態を添付図面に基づき説明する。
【００１８】
図１および図２は、本発明が適用される前のベースとなるピストンを示す。図１は斜視図、図２は平面図である。ピストン１は、ガソリンエンジン等の火花点火式内燃機関のピストンであり、その用途は問わないが例えば自動車用である。
【００１９】
図２に示す平面視において、ピストン中心線Ｏを原点とする直交座標を定義し、図の左右方向に延びる軸をＸ軸、図の上下方向に延びる軸をＹ軸とする。Ｘ軸は、ピストンピン穴（図示せず）の中心線およびクランク軸（図示せず）の中心線に平行である。他方、Ｙ軸はＸ軸と直交する。Ｘ軸を境に図の下側が吸気側、上側が排気側である。またＹ軸を境に図の右側を前、左側を後とする。Ｘ軸は、ピストン１を吸気側と排気側とに仕切り、あるいは二分割する。Ｙ軸は、ピストン１を前側と後側とに仕切り、あるいは二分割する。ピストン中心線Ｏに沿った紙面厚さ方向手前側を上、奥側を下とする。
【００２０】
図１および図２に示すように、ピストン１は外周側面２と頂面３とを有する（以下、それぞれピストン外周側面２およびピストン頂面３という）。ピストン外周側面２には、それぞれピストンリングを収容するための複数（三つ）のリング溝４，５，６が形成されている。最上のリング溝すなわちトップリング溝４にはトップリング（図示せず）が収容され、中間のリング溝すなわちセカンドリング溝５にはセカンドリング（図示せず）が収容され、最下のリング溝すなわちオイルリング溝６にはオイルリング（図示せず）が収容される。オイルリング溝６の下方にはスカート７が形成されている。
【００２１】
他方、ピストン１において、トップリング溝４の上方にはトップランド８が形成されている。ここでトップランド８とは、トップリング溝４の上方に位置するピストン１の肉の部分全体をいう。このトップランド８に属するピストン外周側面２がトップランド外周側面９を形成する。なお、トップリング溝４とセカンドリング溝５との間にはセカンドランド１０が形成され、セカンドリング溝５とオイルリング溝６との間にはサードランド１１が形成されている。
【００２２】
ピストン頂面３においては、その吸気側に複数の吸気バルブリセス１２Ｆ，１２Ｒが設けられ、その排気側に複数の排気バルブリセス１３Ｆ，１３Ｒが設けられている。吸気バルブリセス１２Ｆ，１２Ｒは吸気弁（図示せず）との干渉を避けるためのものであり、ピストン頂面３に凹設されている。また排気バルブリセス１３Ｆ，１３Ｒは排気弁（図示せず）との干渉を避けるためのものであり、ピストン頂面３に凹設されている。
【００２３】
本実施形態において、吸気バルブリセスの数は二つである。前側の吸気バルブリセスを１２Ｆで表し、後側の吸気バルブリセスを１２Ｒで表す。これら吸気バルブリセス１２Ｆ，１２Ｒは平面視（図２）において略半円状であり、同一径を有し、Ｙ軸に対して対称に配置されている。
【００２４】
同様に、排気バルブリセスの数も二つである。前側の排気バルブリセスを１３Ｆで表し、後側の排気バルブリセスを１３Ｒで表す。これら排気バルブリセス１３Ｆ，１３Ｒは平面視（図２）において略半円状であり、同一径を有するが、吸気バルブリセス１２Ｆ，１２Ｒよりも小径である。そしてＹ軸に対して対称に配置されている。
【００２５】
これら吸気バルブリセス１２Ｆ，１２Ｒおよび排気バルブリセス１３Ｆ，１３Ｒの底面は、知られているように、Ｘ軸から離れるほど位置が下がるように傾斜されている。そして前側吸気バルブリセス１２Ｆおよび後側吸気バルブリセス１２Ｒは、それぞれピストン外周側面２に内接するように延びており、これにより、トップランド外周側面９の上端縁部は、前側吸気バルブリセス１２Ｆおよび後側吸気バルブリセス１２Ｒとの接続位置において、下方に切り欠かれたような形状となっている。この前側および後側の切欠き形状部を図１に１４Ｆ，１４Ｒで示す。これら前側および後側切欠き形状部１４Ｆ，１４ＲはＹ軸に対し対称に配置されている。
【００２６】
二つの吸気バルブリセス１２Ｆ，１２Ｒの間のピストン頂面３はスキッシュ部１５を形成する。スキッシュ部１５は、ピストン頂面３の外周側に位置され、平面視（図２）において略扇状であり、エンジン運転時にシリンダブロックとシリンダヘッド（いずれも図示せず）の隙間から流出するスキッシュ流が積極的に当たる部位となる。スキッシュ部１５はＹ軸に対し対称に配置されている。
【００２７】
スキッシュ部１５に接続するトップランド外周側面９は、トップランド外周側面９のうち、図中Ｌで示される範囲の部分、即ち吸気バルブリセス１２Ｆ，１２Ｒとスキッシュ部１５との境界が最も半径方向外側となる二つのピストン周方向位置の間におけるトップランド外周側面９の部分である。このスキッシュ部１５に接続するトップランド外周側面９を、符号９Ｌを用いて区別して表し、スキッシュ接続トップランドともいう。スキッシュ接続トップランド９Ｌは、Ｙ軸に対し対称に配置されている。
【００２８】
スキッシュ接続トップランド９Ｌの周方向中間位置９ＬｍはＹ軸上に存在する。そしてこの周方向中間位置９Ｌｍから周方向に沿って前後に最も離れた位置に、スキッシュ接続トップランド９Ｌの前端９Ｌｆおよび後端９Ｌｒが存在する。前側および後側切欠き形状部１４Ｆ，１４Ｒは、これら前端９Ｌｆおよび後端９Ｌｒよりも、さらに周方向中間位置９Ｌｍから周方向に沿って前後に離れた位置に存在する。
【００２９】
ピストン頂面３の中心部には、僅かに窪まされた中心凹部１６が形成されている。そして中心凹部１６の真上に、図示しない点火プラグがシリンダヘッドに取り付けられて設けられることとなる。
【００３０】
次に、燃焼室内でのノッキングに起因してピストンに発生するエロージョンについて、本発明者の知見により得られた発生原因とメカニズムを説明する。
【００３１】
まず本発明者は実機試験を行った。図３に実機試験に用いた試験用ピストン１０１を示す。この試験用ピストン１０１は、前述したベースピストン１とは異なるが、ベースピストン１と同様、ピストン頂面１０３に吸気バルブリセス１１２Ｆ，１１２Ｒと排気バルブリセス１１３Ｆ，１１３Ｒとが二つずつ設けられている。
【００３２】
図中、着色部分はノッキング発生率の分布を表す。着色が濃いほどノッキング発生率が高いことを意味し、第１領域Ａ１はノッキング発生率が最も高く、第２領域Ａ２は中間程度のノッキング発生率で、第３領域Ａ３はノッキング発生率が最も低い。
【００３３】
また、スキッシュ接続トップランド１０９Ｌにエロージョンが顕著に見られた。但しスキッシュ部１１５にも、スキッシュ接続トップランド１０９Ｌほどではないが、エロージョンが見られた。
【００３４】
図４〜図６に多点圧力解析の結果を示す。図４は、点火プラグの位置（プラグ位置という）で筒内圧センサを用いて筒内圧を計測したときのノッキング時筒内圧波形を示す。横軸はクランク角であり、縦軸は筒内圧である。図５は、スキッシュ接続トップランド１０９Ｌの周方向中間位置に対向するシリンダ内周面の位置（トップランド位置という）で筒内圧センサを用いて筒内圧を計測したときのノッキング時筒内圧波形を示す。横軸はクランク角であり、縦軸は筒内圧である。なおこれら波形はハイパスフィルタを通した後での波形である。
【００３５】
これら図を比較すると分かるように、トップランド位置ではプラグ位置よりも、ノッキング時の筒内圧波形が大きく振動しており、自着火に伴う圧力波が大きくなっている。
【００３６】
これら図４および図５に示したような筒内圧波形を複数取得し、その結果に基づき作成したのが図６のグラフである。横軸はプラグ位置ノック振幅であり、縦軸はトップランド位置ノック振幅である。ここでノック振幅とは、図４および図５に示したような１燃焼当たりの筒内圧波形のうちの最大振幅Ｗをいう。
【００３７】
図６から分かるように、トップランド位置ノック振幅はプラグ位置ノック振幅に対し概ね比例関係にあるが、その比例係数は１より大きく、しかも図中円内に示すように、トップランド位置ノック振幅がプラグ位置ノック振幅より顕著に大きくなることがある。この結果から、スキッシュ接続トップランド１０９Ｌの位置において、ノッキング時に圧力が急激に増大していることが分かる。なお図６の円内のデータは、図４および図５の筒内圧波形に基づいたデータである。
【００３８】
次に本発明者はＣＦＤ解析を行った。図７にＣＦＤ解析に用いたピストン２０１を示す。このＣＦＤ解析用ピストン２０１も、前述したベースピストン１とは異なるが、ベースピストン１と同様、ピストン頂面２０３に吸気バルブリセス２１２Ｆ，２１２Ｒと排気バルブリセス２１３Ｆ，２１３Ｒとが二つずつ設けられている。なおこのＣＦＤ解析用ピストン２０１は、筒内直噴エンジンのものであり、ピストン頂面２０３には燃料衝突用凹部２１９が設けられている。
【００３９】
このＣＦＤ解析においては、初期条件として、矢印Ｂで示す領域を既燃領域として温度を２０００℃に設定し、矢印Ｃで示す領域を未燃領域として温度を１０００℃に設定し、その境界層から自着火を模擬した圧力を伝播させている。ピストン２０１の位置は圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）１５°に固定している。
【００４０】
図８〜図１１はＣＦＤ解析の結果であり、それぞれ開始から６μｓｅｃ後、１２μｓｅｃ後、１８μｓｅｃ後、２４μｓｅｃ後の状態を示している。まず図８に示す６μｓｅｃ後では、吸気バルブリセス２１２Ｆ，２１２Ｒから、スキッシュ接続トップランド２０９Ｌの位置（即ちスキッシュ接続トップランド２０９Ｌと、これに対向するシリンダ内周面との間の隙間）に、圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒが進入している。特にこの進入は、トップランド外周側面２０９の上端縁部における切欠き形状部２１４Ｆ，２１４Ｒを通じて行われる。なお切欠き形状部２１４Ｆ，２１４Ｒがない場合もあるが、このときには吸気バルブリセス２１２Ｆ，２１２Ｒの内側壁を乗り越えて進入が行われる。
【００４１】
次に、図９に示す１２μｓｅｃ後では、スキッシュ部２１５から圧力波Ｐ２がＹ軸方向且つ半径方向外側に進み、スキッシュ接続トップランド２０９Ｌの位置に進入する。他方、既に進入した吸気バルブリセス２１２Ｆ，２１２Ｒからの圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒは、スキッシュ接続トップランド２０９Ｌとこれに対向するシリンダ内周面との隙間を、周方向に回り込んで進む。つまり、これら３者の圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２は互いに合流する方向に向かっている。
【００４２】
次に、図１０に示す１８μｓｅｃ後では、スキッシュ部１５からの圧力波Ｐ２がトップリング（図示せず）に衝突し、当該衝突位置で圧力が部分的に上昇する。
【００４３】
次に、図１１に示す２４μｓｅｃ後では、吸気バルブリセス２１２Ｆ，２１２Ｒからの圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒが、圧力上昇したスキッシュ部１５からの圧力波Ｐ２と衝突する。よって３者の圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２の衝突位置で圧力が急激に上昇する。この衝突位置ないし圧力上昇位置は、Ｙ軸近傍の位置、即ちスキッシュ接続トップランド２０９Ｌの周方向中間位置の近傍の位置である。
【００４４】
このように、自着火により発生した圧力波は、スキッシュ接続トップランド２０９Ｌの周方向中間位置の近傍で、重ね合わさって増幅することが判明した。そしてこのことが、図３に示したような実機のピストン１０１において、スキッシュ接続トップランド１０９Ｌ（特にその周方向中間位置）にエロージョンが顕著に発生する理由と推測される。図１２に３者の圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２が衝突する様子を示す。
【００４５】
３者の圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２が衝突する位置は３重点をなす。このような３重点が現れる理由は、これら圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２の伝播速度がＹ軸に対し対称であること、言い換えれば前後に対称であることと考えられる。
【００４６】
そこで、これら圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２のうち一つでも伝播速度を変えれば、即ち３者の伝播速度のバランスを崩せば、３重点の発生は回避できることとなる。本発明はこのような知見に基づき創案されたものである。
【００４７】
［第１実施形態］
図１３に、前記ベースピストン１に対して本発明を適用した第１実施形態に係るピストンを示す。なおベースピストン１と同一の構成要素には図中同一符号を付し、説明を省略する。
【００４８】
図示するように、第１実施形態に係るピストン１Ａにおいては、スキッシュ接続トップランド９Ｌの少なくとも一部に、熱伝導性を高めるための高熱伝導部２０（ハッチング領域で示す）が設けられている。ここでピストン１Ａ自体は、アルミニウム、鉄またはそれらの合金等のピストン素材により一体に形成されている。高熱伝導部２０は、このようなピストン１Ａのスキッシュ接続トップランド９Ｌの少なくとも一部に、異なる材料を被覆したり特殊加工を施したりすることにより形成され、これにより高熱伝導部２０はその隣接部位よりも高い熱伝導性を有するようになる。
【００４９】
図示例において、高熱伝導部２０は、Ｙ軸に対して対称的に二つ設けられている。前側の高熱伝導部２０を符号２０Ｆで表し、後側の高熱伝導部２０を符号２０Ｒで表す。Ｙ軸付近、すなわちスキッシュ接続トップランド９Ｌの周方向中間位置９Ｌｍ付近の未設置領域２１には、高熱伝導部２０が設けられていない。この未設置領域２１を除き、Ｙ軸より前方のスキッシュ接続トップランド９Ｌ全体には前側高熱伝導部２０Ｆが設けられ、Ｙ軸より後方のスキッシュ接続トップランド９Ｌ全体には後側高熱伝導部２０Ｒが設けられている。
【００５０】
これら高熱伝導部２０Ｆ，２０Ｒは、例えば、ピストン素材よりも熱伝導性あるいは熱伝導率の高い材料（例えば銅等の金属）を溶射し、スキッシュ接続トップランド９Ｌの該当箇所の表面に当該材料の被膜を形成することにより、形成される。あるいは、高熱伝導部２０Ｆ，２０Ｒは、例えば、スキッシュ接続トップランド９Ｌの該当箇所の表面の面粗度を粗くすることにより、形成される。
【００５１】
かかる高熱伝導部２０Ｆ，２０Ｒを設けると、高熱伝導部２０Ｆ，２０Ｒの雰囲気温度が低下するため、吸気バルブリセス１２Ｆ，１２Ｒからの圧力波（図１４のＰ１Ｆ，Ｐ１Ｒ参照）が高熱伝導部２０Ｆ，２０Ｒを通過する際の伝播速度が局所的に遅くなる。従って、吸気バルブリセス１２Ｆ，１２Ｒからの圧力波と、スキッシュ部１５からの圧力波（図１４のＰ２参照）との３者の同時衝突を回避し、各圧力波のタイミングをずらし、圧力増幅箇所を分散することができる。そして３重点の発生を回避し、特にスキッシュ接続トップランド９Ｌにおいて顕著であったエロージョンの発生を抑制することが可能である。
【００５２】
図１４に３者の圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２が衝突する様子を示す。衝突は、スキッシュ接続トップランド９Ｌの周方向中間位置９Ｌｍよりも、圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒの上流側で発生する。すなわち、前側吸気バルブリセス１２Ｆからの圧力波Ｐ１Ｆは、スキッシュ接続トップランド９Ｌの周方向中間位置９Ｌｍよりも上流側で、スキッシュ部１５からの圧力波Ｐ２と衝突する。他方、後側吸気バルブリセス１２Ｒからの圧力波Ｐ１Ｒは、スキッシュ接続トップランド９Ｌの周方向中間位置９Ｌｍよりも上流側で、スキッシュ部１５からの圧力波Ｐ２と衝突する。このように２者の圧力波でしか衝突が行われないこと、および、衝突位置が２箇所に分散されることから、圧力増幅の度合いを低減すると共に、その箇所を分散し、エロージョンの発生を抑制することが可能である。
【００５３】
図１５には、第１実施形態の第１変形例に係るピストンを示す。このピストン１Ｂにおいては、スキッシュ接続トップランド９Ｌの全体に高熱伝導部２０が設けられている。このようにしても、吸気バルブリセス１２Ｆ，１２Ｒからの圧力波の伝播速度を局所的に遅くし、前記同様の作用効果を果たせる。
【００５４】
図１６には、第１実施形態の第２変形例に係るピストンを示す。このピストン１Ｃにおいては、前側高熱伝導部２０Ｆのみが設けられ、後側高熱伝導部２０Ｒは省略されている。こうすると前側の吸気バルブリセス１２Ｆからの圧力波Ｐ１Ｆの伝播速度のみが遅くなるが、これによっても３重点の発生を回避して前記同様の作用効果を果たせる。
【００５５】
第１実施形態の変形例は他にも様々なものが考えられる。ここでは高熱伝導部２０の高さがスキッシュ接続トップランド９Ｌの高さと同一である例を示したが、前者を後者より小さくしてもよい。例えば前側の高熱伝導部２０Ｆについて、これを未設置領域２１より前方のスキッシュ接続トップランド９Ｌ全体に設けるようにしたが、部分的に設けるようにしてもよく、形状も長方形に限らない。後側の高熱伝導部２０Ｒについても同様である。
【００５６】
［第２実施形態］
図１７に、前記ベースピストンに対して本発明を適用した第２実施形態に係るピストンを示す。なおベースピストンと同一の構成要素には図中同一符号を付し、説明を省略する。
【００５７】
図示するように、第２実施形態に係るピストン１Ｄにおいては、スキッシュ部１５の少なくとも一部に、断熱性を高めるための断熱部３０（ドット領域で示す）が設けられている。前記同様、ピストン１Ｄ自体は、アルミニウム、鉄またはそれらの合金等のピストン素材により一体に形成されている。断熱部３０は、このようなピストン１Ｄのスキッシュ部１５の少なくとも一部に、異なる材料を被覆したり特殊加工を施したりすることにより形成され、これにより断熱部３０はその隣接部位よりも高い断熱性を有するようになる。
【００５８】
図示例において、断熱部３０はスキッシュ部１５の全体に設けられている。断熱部３０は、例えば、ピストン素材よりも断熱性の高い材料の被膜を、スキッシュ部１５に形成することにより、形成される。このような例としては、ピストン素材がアルミニウムまたはアルミニウム合金である場合、スキッシュ部１５にアルマイト処理を行うことが好適である。こうすると、スキッシュ部１５の表面にアルミニウムの陽極酸化皮膜（具体的にはアルミナＡｌ2Ｏ3の被膜）が生成される。この陽極酸化皮膜が、ピストン素材よりも断熱性の高い被膜をなす。
【００５９】
あるいは、断熱部３０は、例えばスキッシュ部１５を発泡構造とすることにより形成される。
【００６０】
かかる断熱部３０を設けると、断熱部３０の雰囲気温度が上昇するため、スキッシュ部１５からの圧力波（図１８のＰ２参照）がスキッシュ部１５を通過する際の伝播速度が局所的に速くなる。従って、吸気バルブリセス１２Ｆ，１２Ｒからの圧力波と、スキッシュ部１５からの圧力波との同時衝突を回避し、各圧力波のタイミングをずらし、圧力増幅箇所を分散することができる。そして３重点の発生を回避し、特にスキッシュ接続トップランド９Ｌにおいて顕著であったエロージョンの発生を抑制することが可能である。
【００６１】
図１８に３者の圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２が衝突する様子を示す。この第２実施形態でも第１実施形態と同様、衝突が、スキッシュ接続トップランド９Ｌの周方向中間位置９Ｌｍよりも圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒの上流側で発生する。よって圧力増幅の度合いを低減すると共に、その箇所を分散し、エロージョンの発生を抑制することが可能である。
【００６２】
図１９には、第２実施形態の変形例に係るピストンを示す。このピストン１Ｅにおいては、スキッシュ部１５の一部にのみ断熱部３０が設けられている。ここでスキッシュ部１５は略扇形となっているが、断熱部３０は、スキッシュ部１５と相似でそれより小さい略扇形となっている。このようにしても、スキッシュ部１５からの圧力波の伝播速度を局所的に速くし、前記同様の作用効果を果たせる。
【００６３】
この第２実施形態の変形例もその他様々なものが考えられる。スキッシュ部１５と異なる形状あるいは非相似形状の断熱部３０としてもよい。
【００６４】
［第３実施形態］
図２０に第３実施形態に係るピストンを示す。この第３実施形態に係るピストン１Ｆは、第１実施形態で述べた高熱伝導部２０と、第２実施形態で述べた断熱部３０との両方を備える。図示例は、図１３で示した例と図１７で示した例との組み合わせである。
【００６５】
これによれば、高熱伝導部２０Ｆ，２０Ｒにより、吸気バルブリセス１２Ｆ，１２Ｒからの圧力波の伝播速度を局所的に遅くすると共に、断熱部３０により、スキッシュ部１５からの圧力波の伝播速度を局所的に速くすることができる。従って、この第３実施形態によっても前記同様の作用効果を果たせる。
【００６６】
この第３実施形態の変形例も様々なものが考えられ、例えば図１５で示した例と図１７で示した例との組み合わせ、図１３で示した例と図１９で示した例との組み合わせ等、第１実施形態と第２実施形態との任意の組み合わせが可能である。
【００６７】
以上、本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の実施形態は他にも種々考えられる。例えば、２つより多い例えば３つの吸気弁を有する内燃機関において、ピストンに同数の３つの吸気バルブリセスが設けられる場合にも、本発明は適用可能である。この場合、互いに隣り合う２つの吸気バルブリセスの組が２組設けられるが、それぞれの組に対して、前記実施形態で述べたような構造を適用することが可能である。
【００６８】
本発明には、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１Ａ〜１Ｆ ピストン
２ 外周側面
３ 頂面
４ トップリング溝
５ セカンドリング溝
６ サードリング溝
８ トップランド
９ トップランド外周側面
９Ｌ スキッシュ接続トップランド
１２Ｆ 前側吸気バルブリセス
１２Ｒ 後側吸気バルブリセス
１４Ｆ 前側切欠き形状部
１４Ｒ 後側切欠き形状部
１５ スキッシュ部
２０ 高熱伝導部
３０ 断熱部
Ｏ ピストン中心線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
火花点火式内燃機関のピストンであって、
外周側面と頂面とを有し、
前記外周側面に複数のリング溝が形成され、そのうち最上のリング溝の上方にトップランドが形成され、該トップランドに属する前記外周側面がトップランド外周側面を形成し、
前記頂面に複数の吸気バルブリセスが設けられ、これら吸気バルブリセス間の前記頂面がスキッシュ部を形成し、
前記スキッシュ部に接続する前記トップランド外周側面の少なくとも一部に、熱伝導性を高めるための高熱伝導部を設けた
ことを特徴とする火花点火式内燃機関のピストン。
【請求項２】
火花点火式内燃機関のピストンであって、
外周側面と頂面とを有し、
前記外周側面に複数のリング溝が形成され、そのうち最上のリング溝の上方にトップランドが形成され、該トップランドに属する前記外周側面がトップランド外周側面を形成し、
前記頂面に複数の吸気バルブリセスが設けられ、これら吸気バルブリセス間の前記頂面がスキッシュ部を形成し、
前記スキッシュ部の少なくとも一部に、断熱性を高めるための断熱部を設けた
ことを特徴とする火花点火式内燃機関のピストン。
【請求項３】
火花点火式内燃機関のピストンであって、
外周側面と頂面とを有し、
前記外周側面に複数のリング溝が形成され、そのうち最上のリング溝の上方にトップランドが形成され、該トップランドに属する前記外周側面がトップランド外周側面を形成し、
前記頂面に複数の吸気バルブリセスが設けられ、これら吸気バルブリセス間の前記頂面がスキッシュ部を形成し、
前記スキッシュ部に接続する前記トップランド外周側面の少なくとも一部に、熱伝導性を高めるための高熱伝導部を設け、
前記スキッシュ部の少なくとも一部に、断熱性を高めるための断熱部を設けた
ことを特徴とする火花点火式内燃機関のピストン。
【請求項４】
前記高熱伝導部が、前記スキッシュ部に接続する前記トップランド外周側面の少なくとも一部に、ピストン素材よりも高い熱伝導性を有する材料の被膜を形成することにより、形成される
ことを特徴とする請求項１または３に記載の火花点火式内燃機関のピストン。
【請求項５】
前記断熱部が、前記スキッシュ部の少なくとも一部に、ピストン素材よりも高い断熱性を有する材料の被膜を形成することにより、形成される
ことを特徴とする請求項２または３に記載の火花点火式内燃機関のピストン。
【請求項６】
前記複数の吸気バルブリセスの底面が傾斜されており、前記複数の吸気バルブリセスが前記ピストンの前記外周側面に内接するように延びており、これにより、前記トップランド外周側面の上端縁部が、前記複数の吸気バルブリセスとの接続位置において、下方に切り欠かれたような形状となっている
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の火花点火式内燃機関のピストン。
【請求項７】
前記吸気バルブリセスの数が二つであり、
平面視においてピストン中心線を原点とする直交座標を定義し、ピストンピン穴の中心線に平行なＸ軸と、該Ｘ軸に直交するＹ軸とを定義した場合、前記スキッシュ部に接続する前記トップランド外周側面、前記二つの吸気バルブリセスおよび前記スキッシュ部が前記Ｙ軸に対し対称に配置されている
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の火花点火式内燃機関のピストン。
【請求項１】
火花点火式内燃機関のピストンであって、
外周側面と頂面とを有し、
前記外周側面に複数のリング溝が形成され、そのうち最上のリング溝の上方にトップランドが形成され、該トップランドに属する前記外周側面がトップランド外周側面を形成し、
前記頂面に複数の吸気バルブリセスが設けられ、これら吸気バルブリセス間の前記頂面がスキッシュ部を形成し、
前記スキッシュ部に接続する前記トップランド外周側面の少なくとも一部に、熱伝導性を高めるための高熱伝導部を設けた
ことを特徴とする火花点火式内燃機関のピストン。
【請求項２】
火花点火式内燃機関のピストンであって、
外周側面と頂面とを有し、
前記外周側面に複数のリング溝が形成され、そのうち最上のリング溝の上方にトップランドが形成され、該トップランドに属する前記外周側面がトップランド外周側面を形成し、
前記頂面に複数の吸気バルブリセスが設けられ、これら吸気バルブリセス間の前記頂面がスキッシュ部を形成し、
前記スキッシュ部の少なくとも一部に、断熱性を高めるための断熱部を設けた
ことを特徴とする火花点火式内燃機関のピストン。
【請求項３】
火花点火式内燃機関のピストンであって、
外周側面と頂面とを有し、
前記外周側面に複数のリング溝が形成され、そのうち最上のリング溝の上方にトップランドが形成され、該トップランドに属する前記外周側面がトップランド外周側面を形成し、
前記頂面に複数の吸気バルブリセスが設けられ、これら吸気バルブリセス間の前記頂面がスキッシュ部を形成し、
前記スキッシュ部に接続する前記トップランド外周側面の少なくとも一部に、熱伝導性を高めるための高熱伝導部を設け、
前記スキッシュ部の少なくとも一部に、断熱性を高めるための断熱部を設けた
ことを特徴とする火花点火式内燃機関のピストン。
【請求項４】
前記高熱伝導部が、前記スキッシュ部に接続する前記トップランド外周側面の少なくとも一部に、ピストン素材よりも高い熱伝導性を有する材料の被膜を形成することにより、形成される
ことを特徴とする請求項１または３に記載の火花点火式内燃機関のピストン。
【請求項５】
前記断熱部が、前記スキッシュ部の少なくとも一部に、ピストン素材よりも高い断熱性を有する材料の被膜を形成することにより、形成される
ことを特徴とする請求項２または３に記載の火花点火式内燃機関のピストン。
【請求項６】
前記複数の吸気バルブリセスの底面が傾斜されており、前記複数の吸気バルブリセスが前記ピストンの前記外周側面に内接するように延びており、これにより、前記トップランド外周側面の上端縁部が、前記複数の吸気バルブリセスとの接続位置において、下方に切り欠かれたような形状となっている
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の火花点火式内燃機関のピストン。
【請求項７】
前記吸気バルブリセスの数が二つであり、
平面視においてピストン中心線を原点とする直交座標を定義し、ピストンピン穴の中心線に平行なＸ軸と、該Ｘ軸に直交するＹ軸とを定義した場合、前記スキッシュ部に接続する前記トップランド外周側面、前記二つの吸気バルブリセスおよび前記スキッシュ部が前記Ｙ軸に対し対称に配置されている
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の火花点火式内燃機関のピストン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１２−４１８５３（Ｐ２０１２−４１８５３Ａ）
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８３１８７（Ｐ２０１０−１８３１８７）
【出願日】平成２２年８月１８日（２０１０．８．１８）
【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２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月１８日（２０１０．８．１８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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