(57)【要約】【課題】安価なコストで、応力歪みによる燃焼室口元の亀裂を防止することができるエンジンのピストンを提供する。【解決手段】ピストン頂面２にエンジン３の燃焼室の一部をなすキャビティ４が形成されたピストン１において、上記キャビティ４の開口縁部と上記ピストン頂面２の外周縁部２１との間の上記ピストン頂面２に、該ピストン頂面２に沿ったスキッシュガスＧの流れを遅くするための複数の凹部５（６）を形成したものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン頂面にエンジンの燃焼室の一部をなすキャビティが形成されたピストンにおいて、
上記キャビティの開口縁部と上記ピストン頂面の外周縁部との間の上記ピストン頂面に、該ピストン頂面に沿ったスキッシュガスの流れを遅くするための複数の凹部を形成したことを特徴とするエンジンのピストン。
【請求項２】
上記凹部は、上記ピストン頂面上の２つの部分であって上記キャビティを挟んでピストンピン軸方向と直交する方向に互いに離間する２つの部分に形成された請求項１記載のエンジンのピストン。
【請求項３】
上記２つの部分は、上記ピストン頂面と同心的な扇形状であって、ピストンピン軸方向と直交する方向に延びると共に上記ピストン頂面の中心を通る直線を中心に３０°以上４０°以下の角度で周方向に広がる扇形状を各々有する請求項２記載のエンジンのピストン。
【請求項４】
上記凹部は、上記ピストン頂面を断面曲線状に窪ませて形成されたデンプルからなる請求項１から３いずれかに記載のエンジンのピストン。
【請求項５】
上記デンプルが、上記ピストン頂面の周方向に沿って並べて複数配置されてデンプル群をなすと共に、そのデンプル群が径方向に間隔を隔てて複数配置された請求項４記載のエンジンのピストン。
【請求項６】
上記凹部は、上記ピストン頂面の周方向に延びる断面曲線状の溝からなり、該溝が、上記ピストン頂面に径方向に間隔を隔てて複数配置された請求項１から３いずれかに記載のエンジンのピストン。
【請求項７】
上記溝の深さが、径方向外側に配置された溝ほどが浅くなる請求項６記載のエンジンのピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストン頂面に燃焼室をなすキャビティが形成されたエンジンのピストンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の排ガス規制対応と高出力化に伴い、エンジンの熱負荷増によるトラブルが目立つ。その１つに、ピストンの燃焼室口元の亀裂がある。
【０００３】
その一例を図５および図６に基づき説明する。
【０００４】
図５および図６に示すように、ピストン８０の頂面８１に、燃焼室の一部をなすキャビティ８２が開口させて形成され、そのキャビティ８２の開口縁部が燃焼室口元８３をなす。ピストン８０の内部には、キャビティ８２を囲むようにリング状のクーリングチャネル８４が形成される。
【０００５】
キャビティ８２の下方のピストン８０には、ピストンピン（図示せず）を支持するためのピン穴８５（図６参照）が形成される。
【０００６】
このピストン８０では、通常、燃焼室口元８３には燃焼行程（膨張行程）時にスキッシュガス流れにより燃焼による熱応力（圧縮）が発生する。
【０００７】
ここで、ピン方向（つまり、ピン穴８５の上方）の燃焼室口元では、膨張行程でピストンピンによって発生する機械的な引張応力により、熱応力である圧縮応力が相殺される。
【０００８】
他方、ピン方向の燃焼室口元からほぼ９０°周方向に離間したピン直角方向の燃焼室口元では、機械的な圧縮と熱圧縮応力で応力が重畳される。そのため、燃焼室口元が亀裂の起点となり、その起点から亀裂が進行してピストン焼き付きトラブルが発生してしまう。
【０００９】
従来、このような燃焼室口元の亀裂防止を図ったピストンとして、例えば特許文献１には、ピストン頂面に予め引張応力を付与するべくアルマイト処理を施したピストンが提案されている。
【００１０】
その特許文献１では、ピストンピンの上方における燃焼室開口部にマスキング処理を施した後、ピストン頂面にアルマイト処理を施すことで、ピストンピン上方の燃焼室開口部を除く部分に引張応力を付与するようにしている。
【００１１】
【特許文献１】特開平０８−１７７６２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献１のピストンは、製造の際に、マスキング処理とアルマイト処理とを必要とするため、製造コストが高くなるという問題があった。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、安価なコストで、応力歪みによる燃焼室口元の亀裂を防止することができるエンジン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】
【００１４】
上記目的を達成するために本発明は、ピストン頂面にエンジンの燃焼室の一部をなすキャビティが形成されたピストンにおいて、上記キャビティの開口縁部と上記ピストン頂面の外周縁部との間の上記ピストン頂面に、該ピストン頂面に沿ったスキッシュガスの流れを遅くするための複数の凹部を形成したものである。
【００１５】
好ましくは、上記凹部は、上記ピストン頂面上の２つの部分であって上記キャビティを挟んでピストンピン軸方向と直交する方向に互いに離間する２つの部分に形成されたものである。
【００１６】
好ましくは、上記２つの部分は、上記ピストン頂面と同心的な扇形状であって、ピストンピン軸方向と直交する方向に延びると共に上記ピストン頂面の中心を通る直線を中心に３０°以上４０°以下の角度で周方向に広がる扇形状を各々有するものである。
【００１７】
上記凹部は、上記ピストン頂面を断面曲線状に窪ませて形成されたデンプルからなるものでもよい。
【００１８】
上記デンプルが、上記ピストン頂面に周方向に沿って並べて複数配置されてデンプル群をなすと共に、そのデンプル群が径方向に間隔を隔てて複数配置されたものでもよい。
【００１９】
上記凹部は、上記ピストン頂面の周方向に延びる断面曲線状の溝からなり、該溝が、上記ピストン頂面に径方向に間隔を隔てて複数配置されたものでもよい。
【００２０】
上記溝の深さが、径方向外側に配置された溝ほどが浅くなるものでもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、安価なコストで、応力歪みによる燃焼室口元の亀裂を防止することができるという優れた効果を発揮するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２３】
本実施形態のエンジンのピストン（以下、ピストンという）は、例えば、車両に搭載されるディーゼルエンジンなどに適用される。
【００２４】
図１および図２に基づき本実施形態のエンジンおよびピストンの概略構造を説明する。
【００２５】
図１に示すように、エンジン３は、ピストン１と、そのピストン１を収容するシリンダボア３１が形成されたシリンダブロック３２と、そのシリンダブロック３２に取り付けられたシリンダヘッド３３とを有する。
【００２６】
シリンダボア３１は、上下方向に延び、その上端がシリンダヘッド３３により閉塞される。そのシリンダヘッド３３は、シリンダブロック３２の上面にボルトなどにより接合される。それらシリンダブロック３２の上面とシリンダヘッド３３の下面との間には、その両面の間をシールするためのガスケット３４が設けられる。
【００２７】
また、シリンダボア３１内には、ピストン１が上下方向に摺動可能に収容される。
【００２８】
そのピストン１は、上下に延びると共に上端がヘッド部１１により閉塞された円筒状に形成される。そのヘッド部１１の上面（以下、ピストン頂面という）２には、燃焼室の一部をなすキャビティ４が下方に窪ませて形成される。そのキャビティ４は、ピストン頂面２に開口を形成しており、その開口縁部が燃焼室口元４１をなす。
【００２９】
図２に示すように、図例のピストン頂面２は平面視ほぼ円形状に形成され、キャビティ４はピストン頂面２に同心的なほぼ円形状で開口する。
【００３０】
図１に戻り、本実施形態の燃焼室は、所謂リエントラント型の燃焼室であり、キャビティ４の底面のほぼ中央部に上方に突出する山形状の突起部４２が形成されると共に、燃焼室口元４１（開口縁部）が窄められる。つまり、燃焼室口元４１は、キャビティ４の開口を絞るように開口の全周に亘り径方向内側に突出する。その燃焼室口元４１の下方には、突起部４２を囲む円環体状の空間Ｓが形成される。
【００３１】
ピストン１の外周面には、複数のリング溝１２−１４が上下方向に所定の間隔を隔てて形成される。図例では、上から順に、トップリング溝１２、セカンドリング溝１３、オイルリング溝１４が外周面に形成される。トップリング溝１２およびセカンドリング溝１３には燃焼ガスをシールするためのコンプレッションリング１５、１６が嵌め合わされ、オイルリング溝１４には、潤滑オイルを掻き落とすためのオイルリング１７が嵌め合わされる。
【００３２】
ピストン１の内部には、ピストン１を冷却するためのクーリングチャネル１８が形成される。そのクーリングチャネル１８は、キャビティ４を囲むリング形状を有し、キャビティ４の底面とほぼ同じ高さに配置される。クーリングチャネル１８には、例えば、エンジン３の潤滑オイルなどが供給されて流通する。
【００３３】
また、ピストン１には、ピストンピン７が連結される。すなわち、キャビティ４の下方のピストン１の内壁をなすスカート部１９にボス（図示せず）が設けられると共に、そのボスにピン穴（図示せず）が形成され、そのピン穴にピストンピン７が挿通、支持される。ピストンピン７は、その軸方向（ピストンピン軸方向）Ａが、ピストン１の軸方向（図１では上下方向）と直交するように配置される。
【００３４】
以下の説明において、ピストンピン７の軸方向をピン方向（図１の紙面表裏方向、図２の上下方向）Ａ、ピストンピン７の軸方向に直交する方向を、ピン直角方向（図１の上下方向、図２の左右方向）Ｔという。
【００３５】
ピストン１には、燃焼行程時のスキッシュガス流れの乱流を作ってガスからピストン１への受熱を限りなく少なくするために、燃焼室口元４１（キャビティ４の開口縁部）とピストン頂面２の外周縁部２１との間のピストン頂面２に、そのピストン頂面２に沿ったスキッシュガスＧの流れを遅くするための複数の凹部が形成される。本実施形態の凹部は、ピストン頂面２を断面曲線状に窪ませて形成されたすり鉢状の多数のデンプル５からなる。
【００３６】
それらデンプル５は、燃焼室口元４１の亀裂が集中し易い部分にのみ設けられる。具体的には、図２に示すように、デンプル５は、ピストン頂面２上に定義された２つの部分（以下、ピン直角部分という）２３、２３であってキャビティ４を挟んでピストンピン軸方向Ａと直交する方向Ｔに互いに離間する２つのピン直角部分２３、２３に形成される。
【００３７】
そのピン直角部分２３は、ピストン頂面２を平面視したときに、ピストン頂面２と同心的な扇形状を有する。その扇形状のピン直角部分２３は、ピストン頂面２の中心Ｃを通ってピン直角方向Ｔに延びる直線Ｌを中心に、所定の角度αで周方向に広がる。
【００３８】
その所定の角度αは、好ましくは、３０°以上４０°以下である。所定の角度αは、予め実験やシミュレーションを行い、或いは過去の実機データから経験的に求められる。
【００３９】
また、デンプル５は、燃焼行程におけるピストン頂面２上のスキッシュガスＧの流れ方向に沿うように、ピストン頂面２の径方向に離間させて配置される。
【００４０】
より具体的には、デンプル５は、ピストン頂面２に周方向に沿って密に並べて複数配置されてデンプル群をなすと共に、そのデンプル群が径方向に間隔を隔てて複数（５つ）配置される。図例では、各デンプル群ごとにデンプル５の数が異なる。
【００４１】
図１に戻り、各デンプル５では、ピストン頂面２の径方向外側（図１では右側）の側壁面が、ピストン頂面２からデンプル５内に流入したスキッシュガスＧを偏向させて戻すための返し面５１をなす。その返し面５１は、デンプル５の底面から上方に湾曲しつつ延び、上端部がピストン頂面２に対してほぼ垂直となる。図例のデンプル５は、ほぼ半球面状に形成される。
【００４２】
このデンプル５の形状（直径、深さなど）やデンプル５間の径方向および周方向の間隔は、例えばスキッシュ流速などに基づき適宜設定される。なお、デンプル５の直径は、少なくともキャビティ４の直径よりは十分に小さい。
【００４３】
デンプル５は、切削工具による機械加工やレーザ加工などにより形成され、例えば、キャビティ４やリング溝１２−１４をＮＣ機械加工する際に加工される。
【００４４】
次に図１および図２に基づき本実施形態のピストン１の作用を説明する。
【００４５】
エンジン３の燃焼行程（膨張行程）では、燃焼ガスの圧力によりピストン１が圧縮上死点から下降する。
【００４６】
そのピストン１が下降する際、キャビティ４の近傍では、キャビティ４内の高温の燃焼ガスが外部に流出するような流動が生じており、図１に示すように、Ｓ字状のスキッシュが生じている。そのスキッシュによるスキッシュガスＧは、キャビティ４から流出した後、ピストン頂面２を径方向に沿って外側へと流れる。
【００４７】
その際に、ピストン頂面２を流れる高温のスキッシュガスＧからピストン頂面２に熱が伝達され、その熱が一因となりピストン１に熱応力が発生する。
【００４８】
ここで、本実施形態のピストン１は、ピストン頂面２に凹部（デンプル）５を複数持つ構造とし、デンプル５によりキッシュガスの流れを遅くすることで、乱流を発生させ、ピストン１の受熱を少なくしている。
【００４９】
すなわち、本実施形態では、キャビティ４からピストン頂面２を伝って流れるスキッシュガスＧの一部がピストン頂面２のデンプル５に流入する。そのデンプル５内に流入したガスは、デンプル５内を壁面に沿って流れ、返し面５１により流れの方向が径方向外側から径方向内側へと偏向される。
【００５０】
これにより、デンプル５から流出したガスＲは、スキッシュガスＧに対向（逆行）して流れることになり、それらデンプル５からのガスＲが、スキッシュガスＧに衝突して、スキッシュガスＧの流れが遅くなる。図２に示すように、デンプル５を設けたピン直角部分（領域）２３、２３のスキッシュ流速Ｖ１は、他の部分のスキッシュ流速Ｖ２よりも小さくなる。
【００５１】
スキッシュガスＧの流速が低下すると、スキッシュガスＧからピストン頂面２への熱伝達が低減され、燃焼室口元４１に発生する熱応力が低減する。
【００５２】
このように、本実施形態では、燃焼行程で流れる高温スキッシュガスＧの流れをピストン頂面２のデンプル５により遅くして熱応力を低下させることで、応力歪みによる燃焼室口元４１の亀裂を防止することができる。また、ピストン１にアルマイト処理を施す場合に比べて、安価なコストで亀裂を防止することができる。
【００５３】
その他にも、デンプル５を形成する場所を、機械的圧縮応力と熱圧縮応力とが重なり作用するピン直角部分２３に限定することで、加工コストを低減することができる。
【００５４】
次に、図３および図４に基づき本発明に係る他の実施形態を説明する。
【００５５】
本実施形態は、凹部の形状が異なる以外、図１および図２の実施形態と同じほぼ構造を有する。そこで、図１および図２に示したものと同一要素には、同一符号を付し、説明を省略する。
【００５６】
本実施形態の凹部は、ピストン頂面２の周方向に延びる断面曲線状の溝６からなり、複数（図例では４本）の溝６が、ピストン頂面２に径方向に間隔を隔てて配置される。
【００５７】
具体的には、溝６は、ピストン頂面２を平面視したときに、そのピストン頂面２と同心的な円弧状を有し、周方向にピン直角部分２３の全域に亘り延びる。つまり、溝６は、円弧の中心角が、上記所定の角度αとなる。
【００５８】
溝６の深さｈは、外周側（図４では、右側）に向かって段々小さくなる。つまり、径方向外側に配置された溝６ほど溝深さｈが浅くなる。
【００５９】
各溝６は、底面の角が丸められアールが付けられたＲ溝であり、図例の溝６は、Ｕ字状の断面形状を有する。溝６は、デンプル５と同様に、ピストン頂面２の径方向外側の側壁面がスキッシュガスを偏向させるための返し面５１をなす。
【００６０】
本実施形態でも、上述の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６１】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。
【００６２】
例えば、デンプルや溝の断面形状は、上述のものに限定されず、放物線、楕円などでもよい。
【００６３】
デンプルの配置は、上述のものに限定されず、例えば、千鳥状やランダムに配置してもよい。
【００６４】
燃焼室は、リエントラント型のものに限定されず、トロイダル型など様々なものが考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】図１は、本発明に係る一実施形態によるエンジンおよびそのピストンの概略側断面図である。
【図２】図２は、本実施形態のピストンの概略平面図である。
【図３】図３は、他の実施形態に係るピストンの概略側断面図である。
【図４】図４は、他の実施形態に係るピストンの概略平面図である。
【図５】図５は、従来のピストンの概略側断面図である。
【図６】図５は、従来のピストンの概略平面図である。
【符号の説明】
【００６６】
１  ピストン
２  ピストン頂面
３  エンジン
４  キャビティ
５  デンプル
６  溝
２１  外周縁部
４１  燃焼室口元（開口縁部）
Ｇ  スキッシュガス
【図１】
2010156230.tif 000003
【図２】
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【図３】
2010156230.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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