(57)【要約】【課題】内燃機関のシリンダ内において、冷却損失の増大を抑制しつつ、エンドガスゾーンの温度上昇を抑制することで、ノッキングの発生を確実に回避することができるピストンを提供する。【解決手段】冠面の、燃焼室内のノッキング発生の起点となり得る部位に対向する領域３、４を、複数の微細な柱状凹部を備える表面構造、例えば陽極酸化による酸化物被膜とすることで、当該部分の熱伝達率を向上させて、燃焼ガスとピストン１の熱交換を促進させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冠面の、燃焼室内のノッキング発生の起点となり得る部位に対向する部位が、複数の微細な凹部を備える表面構造となっていることを特徴とする内燃機関のピストン。
【請求項２】
前記複数の微細な凹部を備える表面構造は、陽極酸化による酸化物被膜であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のピストン。
【請求項３】
前記複数の微細な凹部を備える表面構造となっている部位は、冠面の外縁部及びスキッシュ部であることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関のピストン。
【請求項４】
前記複数の微細な凹部を備える表面構造となっている部位は、吸気側及び排気側のスキッシュ部のうち、少なくとも吸気側のスキッシュ部であることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関のピストン。
【請求項５】
前記複数の微細な凹部を備える表面構造となっている部位は、吸気側のスキッシュ部の外縁部であることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関のピストン。
【請求項６】
前記冠面の外縁部またはスキッシュ部と、前記冠面の略中央に設けられたキャビティとの境界にあたる稜線を含んだ鋭角な部位の周辺を、前記複数の微細な凹部を備える表面構造とはしないことを特徴とする請求項３から請求項５のいずれかに記載の内燃機関のピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のピストンに関し、特にノッキング防止に有効なピストンの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
火花点火式の内燃機関では、出力向上のために圧縮比を高めることが有効である。しかし、圧縮比を高めると、シリンダ外周部のいわゆるエンドガスゾーンの未燃混合気が火炎面とシリンダ内壁との間で圧縮されて自己着火する、いわゆるノッキングが発生し易くなる。このため、圧縮比の上限が制限されてしまうという問題がある。
【０００３】
そこで、ピストン冠面に皮膜処理を施すことにより、燃焼ガスからピストンへの熱伝導を抑えてピストンの温度上昇を抑制し、ピストンリングを介してピストンからシリンダブロックへ流入する熱量を低減することでノッキングを回避しようとする構成が特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１００６５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された構成では、ピストン冠面に設けた被膜の温度が上昇し、この被膜に近接するシリンダ壁も昇温される。このため、エンドガスゾーンでは、かえって高温となり、ノッキングを増長させることになってしまう。
【０００６】
そこで、本発明では、ノッキングを確実に回避し得るピストン構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のピストンは、冠面の、燃焼室内のノッキング発生の起点となり得る部位に対向する領域が、複数の微細な柱状凹部を備える表面構造となっている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、複数の微細な柱状凹部を設けた部分で、燃焼ガスとピストン１の熱交換が促進され、エンドガスゾーンの温度上昇が抑制されるので、耐ノッキング性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】（ａ）は第１実施形態のピストンの上面図、（ｂ）は同じく断面図である。
【図２】熱伝達率を増大させるための表面構造となっている領域を示すピストンの上面図である（第１実施形態）。
【図３】熱伝達率を増大させるための表面構造の一例を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図４】熱伝達率を増大させるための表面構造となっている領域を示すピストンの上面図である（第３実施形態）。
【図５】熱伝達率を増大させるための表面構造となっている領域を示すピストンの上面図である（第４実施形態）。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１（ａ）は、本実施形態を適用するピストン１の上面図、図１（ｂ）は同じくピストン１の断面図である。図中の５、６は、それぞれピストン１をエンジンに組み込んだ際の吸気弁、排気弁の傘部を投影したもの（以下、吸気弁５、排気弁６という）である。
【００１２】
２はピストン冠面の外縁部４のうち、吸気弁５よりも吸気側の部分および２本の吸気弁５に挟まれた部分と、排気弁６よりも排気側の部分及び２本の排気弁６に挟まれた部分（図１（ａ）中の斜線を付した部分）は、いずれも冠面２の他の領域に対して凸状になっており、スキッシュ部３を形成している。なお、スキッシュ部３の形状はこれに限られるわけではなく、他の公知の形状であっても構わない。例えば、エッジ部７をより鋭角にしてもよい。エッジ部７は、例えば、２本の吸気弁５に挟まれた部分、または、２本の排気弁６に挟まれた部分と、ピストン冠面２の略中央に設けられたキャビティと、の境界にあたる稜線を挟んだ鋭角な部位を指す。当該ピストン１を組み込む内燃機関において、燃焼室を平面視で見たときの燃焼室の中央付近に点火装置を設けることができる。
【００１３】
ここで、ノッキングの発生メカニズムについて説明する。
【００１４】
点火装置により混合気に着火すると、火炎は筒内ガスを膨張させながらシリンダ外周方向へ伝播していく。このとき、シリンダ外周部へ近づくほど点火装置からの距離が大きくなるので、点火装置で着火してから外周部のガスが火炎伝播により着火するまでに遅れ（着火遅れ）が生じる。この着火遅れ期間中に、外周部のガスは点火装置周辺で膨張した燃焼ガスに圧縮されて高温・高圧となる。これにより外周部のガスが火炎伝播による着火の前に自着火してしまうのが、ノッキング発生のメカニズムである。
【００１５】
特に、ピストン１とクランクシャフトを複数のリンクを介して接続し、ピストン上死点位置を変化させることで機関圧縮比を変化させる可変圧縮比機構付きのエンジンの場合には、従来のピストン−クランク機構に比べて、ピストン１の上死点付近での滞在時間が長くなるため、よりノッキングが発生しやすい。
【００１６】
また、シリンダの吸気側では、低温の新気が流入するため、排気側よりも低温となる。このため吸気側は排気側に比べて火炎伝播速度が遅くなり、燃焼ガスによる圧縮によってより高温・高圧となるので、ノッキングが発生し易くなる。
【００１７】
また、スキッシュ部３では、シリンダヘッドとピストン冠面２のクリアランスが小さいため、燃料と空気の混合が進みにくいので、火炎伝播速度が遅くなり、ノッキングの起点となりやすい。
【００１８】
このようなノッキング発生のメカニズムを考えると、ノッキングの発生を防止するためには、燃焼速度は下げずに、ノッキングの起点となるシリンダ外周部やスキッシュ部３の温度上昇を局所的に抑制することが有効である。
【００１９】
図２は、ピストン１の上面図であり、図中の網掛け部分（スキッシュ部３及びその他の外縁部４）は、温度上昇を抑制するための表面構造となっている部分を示している。なお、外縁部４の幅は、シリンダヘッド４との距離に応じて適宜設定するものとする。
【００２０】
温度上昇を抑制するためには、燃焼ガスからピストン１への熱の移動量を増加させればよい。つまり、ピストン１の熱伝達率を増大させればよい。ピストン１に伝わった熱は、例えば、ピストンリングを介してさらにシリンダブロックへと伝えられ、シリンダブロックを流れる冷却水によって冷却される。
【００２１】
図３は、熱伝達率を増大させるための表面構造の一例を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【００２２】
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、図２の網掛け部分のピストン表面には、多数の微細な柱状凹部３２を備える酸化物被膜３１を設ける。この酸化物被膜３１は、ピストン１の母材自体の陽極酸化処理によって形成する。なお、柱状凹部３２の大きさは、その平均直径が０．１μｍ程度、深さは平均直径に対して十分に大きい、例えば４μｍ以上とする。
【００２３】
ピストン１の母材としては、純アルミニウムまたはアルミニウム合金が望ましい。酸化物被膜としてのアルミナを陽極酸化によって容易に形成できるためである。なお、柱状凹部３２の断面形状は、円形状に限られず、例えば四角形や六角形とすることもできる。
【００２４】
酸化物被膜３１を形成するための工程は、例えば研磨工程、陽極酸化工程、エッチング工程からなる。
【００２５】
研磨工程においては、ピストン１の表面にバフ研磨及び電解研磨を施し、表面性状を調整する。なお、バフ研磨または電解研磨のいずれかを、適宜省略することも可能である。
【００２６】
陽極酸化工程においては、表面性状が調整された内壁面を電解液に浸漬し、電圧を印加することで陽極酸化被膜を形成する。電解液は、例えば酸系のものを用いる。印加電圧は、例えば７０〜８０Ｖとする。
【００２７】
このように形成した陽極酸化被膜は、アルミナからなる酸化物被膜であり、微細穴を有する。この微細穴が前述した柱状凹部３２である。
【００２８】
エッチング工程においては、清浄表面を露出させるために、酸化物被膜３１が形成された内壁面をエッチング液に浸漬する。エッチング液は、例えば酸系のものを用いる。浸漬時間は、例えば１５分程度とする。
【００２９】
これらの工程により、多数の微細な柱状凹部３２を有する酸化物被膜３１が得られる。
【００３０】
このような陽極酸化によれば、任意の範囲にわたって容易かつ廉価に柱状凹部３２を形成することができる。なお、柱状凹部３２となる微細穴の平均直径及び平均深さは、アルミニウム基材の成分組成の選定、電解液の成分組成の選定、陽極酸化条件等を制御することによって調整可能である。尚、多数の微細な柱状凹部３２はプレス加工等の機械加工で形成したものであっても構わない。
【００３１】
上記のような表面構造にすることで、燃焼ガスとピストン１の接触面積が増大するので、燃焼ガスからピストン１への熱移動が増加する。このため、酸化物被膜３１を設けた部位は他の部位よりも低温となる。
【００３２】
一方、酸化物被膜３１を設けて燃焼ガスからピストン１への熱移動が増加すると、冷却損失が増大し、熱効率が低下することとなる。
【００３３】
したがって、図２に示すように、点火装置から離れた部位であってノッキング発生の起点となり易い、スキッシュ部３及びピストン冠面外縁部４に酸化物被膜３１を形成する。
【００３４】
これにより、ノッキング発生の起点となる部分は局所的に冷却して、耐ノッキング性は確保しつつ、その他の部分については冷却損失の増大を回避することができる。
【００３５】
なお、上述した酸化物皮膜３１は、冠面の外縁部及びスキッシュ部と前記冠面の略中央に設けられたキャビティとの境界にあたる、稜線を含んだ鋭角な部位であるエッジ部７の周辺（図１（ｂ）における破線内のスキッシュ部３と燃焼室中央向きのキャビティ内側の壁面７ａ）には設けられない。エッジ部７は燃焼室中央向きの壁面７ａと上向きの面３とで火炎と接するので、他の部位に比べて体積の割に火炎との接触面積が大きい。このため、エッジ部７両側のスキッシュ部３や壁面７ａにも酸化物被膜３１を形成すると、エッジ部７に熱が溜まってしまうこととなる。特に、スキッシュ流動を強めるためにエッジ部７を鋭角にするほど、熱が溜まり易くなる。そこで、熱が溜まらないようにするために、エッジ部７両側のスキッシュ部３や壁面７ａには酸化物被膜３１を設けない。
【００３６】
以上により本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
【００３７】
（１）冠面２の、燃焼室内のノッキング発生の起点となり得る部位に対向する部位が、複数の微細な柱状凹部３２を備える表面構造となっているので、燃焼ガスとピストン１の熱交換が促進され、エンドガスゾーンの温度上昇が抑制されるので、耐ノッキング性が向上する。
【００３８】
（２）複数の微細な柱状凹部３２を備える表面構造は、陽極酸化による酸化物被膜３１であるので、容易に形成することができる。
【００３９】
なお、本実施形態では、熱伝達率を向上させるために酸化物被膜３１を形成したが、これに限られるわけではなく、例えば、多数の微細な柱状凹部３２を塑性加工により形成してよい。
【００４０】
第２実施形態について説明する。
【００４１】
本実施形態は、酸化物被膜３１を形成する部位が第１実施形態と異なる。ここでは、図１（ａ）で網掛けした部位、つまりスキッシュ部３にのみ酸化物被膜３１を形成する。
【００４２】
上述したように、スキッシュ部３はピストン１とシリンダヘッドとの距離が小さいために、燃料と空気の混合が進みにくく、着火遅れ期間が長くなりがちである。
【００４３】
一方、ピストン１の外縁部４は、機関圧縮比の設定や燃焼室形状によっては、ノッキング発生の起点となるおそれがない場合がある。このような場合に、外縁部４に酸化物被膜３１を形成して熱伝達率を向上しても、冷却損失が増大するだけである。
【００４４】
そこで、外縁部４がノッキング発生の起点になりにくい機関の場合には、スキッシュ部３にのみ酸化物被膜３１を形成するようにする。これにより、耐ノッキング性を確保しつつ、冷却損失を抑制することができる。
【００４５】
第３実施形態について説明する。
【００４６】
図４はピストン上面図であり、網掛け部分は本実施形態で酸化物被膜３１を形成する部位を示す。
【００４７】
上述したように、燃焼室内において、排気側は高温の既燃ガスが流れるため、吸気側に比べて高温となる。このため、吸気側のスキッシュ部３に比べれば、排気側のスキッシュ部３はノッキング発生の起点にはなりにくい。
【００４８】
そこで、本実施形態では、図４に示すように、吸気側のスキッシュ部３にのみ酸化物被膜３１を形成する。
【００４９】
これにより、耐ノッキング性を確保しつつ、冷却損失を抑制することができる。
【００５０】
第４実施形態について説明する。
【００５１】
図５はピストン上面図であり、網掛け部分は本実施形態で酸化物被膜３１を形成する部位を示す。
【００５２】
酸化物被膜３１を形成した部位は熱伝達率が向上するため、これに接したガスは他の部位と接したガスに比べて温度低下代が大きくなる。そして、ガスの温度が低下すると、燃焼速度も低下する。
【００５３】
燃焼速度が低下すると、着火遅れ期間が長くなり、外周部のガスは点火装置周辺で膨張した燃焼ガスに圧縮される時間が長くなるため、ノッキングが発生しやすくなる。
【００５４】
そこで、本実施形態では、最もノッキング発生の起点となり易いと思われる、吸気側のスキッシュ部３の外縁部にのみ酸化物被膜３１を形成する。これにより、最もノッキング発生の起点となり易い部位については、ガス温度を低下させることで耐ノッキング性を確保する。そして、吸気側のスキッシュ部３の酸化物被膜３１を設けない部位については、燃焼速度を低下させないことでノッキング発生の起点となることを回避することで、耐ノッキング性の確保しつつ、冷却損失をさらに抑制することができる。
【００５５】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００５６】
１    ピストン
２    冠面
３    スキッシュ部
４    外縁部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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