(57)【要約】  内燃機関用ピストンは、周方向に延びる複数の部分溝が互いに周方向に離間するように形成されたトップランドを備え、複数の部分溝のそれぞれは、中央から両端に向かって深さが連続的に浅くなるように構成されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向に延びる複数の部分溝が互いに周方向に離間するように形成されたトップランドを備え、
前記複数の部分溝のそれぞれは、中央から両端に向かって深さが連続的に浅くなるように構成されている、内燃機関用ピストン。
【請求項２】
前記複数の部分溝のそれぞれは、当該部分溝の底が前記トップランドの径方向と直交する方向に直線状に延びるように構成されている、請求項１に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項３】
前記複数の部分溝の数は３以上であり、
前記複数の部分溝の占有角度の総和は、６０度以上２７０度以下である、請求項１または２に記載の内燃機関用ピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用ピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、種々の形状の内燃機関用ピストンが提案されている。例えば、特許文献１には、トップランドに周方向に延びる一定の深さの溝が形成された内燃機関用ピストンが開示されている。この溝は、未燃燃料を内部に留めるためのものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開平５−８３３４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示されたピストンでは、溝内に未燃燃料が留まるため、排気中の未燃燃料の濃度が比較的に高いという問題がある。【０００５】
そこで、本発明は、排気中の未燃燃料の濃度を低減することができる内燃機関用ピストン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】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明の内燃機関用ピストンは、周方向に延びる複数の部分溝が互いに周方向に離間するように形成されたトップランドを備え、前記複数の部分溝のそれぞれは、中央から両端に向かって深さが連続的に浅くなるように構成されている、ことを特徴とする。【０００７】
上記の構成によれば、シリンダ壁面とトップランドの隙間に火炎が入り込む際に、その火炎が部分溝の両端から中央に引き込まれるように流れる。従って、部分溝内でも空気と燃料の混合気を確実に燃焼させることができる。これにより、排気中の未燃燃料の濃度を低減することができる。【０００８】
前記複数の部分溝のそれぞれは、当該部分溝の底が前記トップランドの径方向と直交する方向に直線状に延びるように構成されていてもよい。この構成によれば、溝を安価に形成することができる。【０００９】
前記複数の部分溝の数は３以上であり、前記複数の部分溝の占有角度の総和は、６０度以上２７０度以下であってもよい。部分溝の占有角度の総和が６０度以上であれば、排気中の未燃燃料の濃度を顕著に低減することができ、部分溝の占有角度の総和が２７０度以下であれば、部分溝を容易に加工することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、排気中の未燃燃料の濃度を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関用ピストンの平面図である。
【図２】図１に示すピストンの側面図である。
【図３】図１に示すピストンの要部を拡大した断面図である。
【図４】変形例のピストンの要部を拡大した断面図である。
【図５】複数の部分溝による効果を確認するために行った実験結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１および図２に、本発明の一実施形態に係る内燃機関用ピストン１Ａを示す。このピストン１Ａが用いられる内燃機関の燃料は、ガソリンや重油などの燃料油であってもよいし、天然ガスや水素などの燃料ガスであってもよい。
【００１３】
ピストン１Ａは、トップ面２と周面を有し、周面には、複数のリング溝５が形成されている。これらのリング溝５内には、図３に示すように、ピストンリング６が配置される。リング溝５のうちの最も上方（トップ面２側）に位置するリング溝５がトップリング溝５１であり、ピストン１Ａの周面におけるトップリング溝５１とトップ面２の間の部分がトップランド３である。
【００１４】
図１および図２に示すように、トップランド３には、複数（図例では３つ）の部分溝４が互いに周方向に離間するように形成されている。部分溝４は、均等な間隔で配置されていることが望ましいが、不均等な間隔で配置されてもよい。各部分溝４は、周方向に延びている。なお、部分溝４の数は２つであっても４つ以上であってもよい。
【００１５】
より詳しくは、各部分溝４は、中央から両端に向かって深さが連続的に浅くなるように構成されている。本実施形態では、図３に示すように各部分溝４の断面形状が、互いに平行な側面および底面を有する矩形状になっている。ただし、各部分溝４の断面形状は、例えば、図４に示す変形例の燃焼機関用ピストン１Ｂのように上側の側面がフラットで下側の側面が傾斜する三角形状であってもよい。
【００１６】
また、本実施形態では、各部分溝４が、当該部分溝４の底がトップランド３の径方向と直交する方向に直線状に延びるように構成されている。ただし、各部分溝４の底は、凸状または凹状に湾曲していてもよい。あるいは、各部分溝４の底は、ピストン１Ａの軸方向から見たときに、複数回折れ曲がる折れ線となっていてもよい。
【００１７】
さらに、本実施形態では、各部分溝４の両端の深さはゼロである、換言すれば部分溝４の深さが中央から両端に向かってゼロまで連続的に浅くなっている。ただし、各部分溝４の両端の深さは必ずしもゼロである必要はなく、各部分溝４の両端で僅かな段差が形成されてもよい。
【００１８】
各部分溝４の占有角度θ（周方向における部分溝４の両端間の角度）は、特に限定されるものではないが、例えば、１５〜４５度である。部分溝４の数は３以上であることが望ましい。この場合、部分溝４の占有角度θの総和（Σθ）は、６０度以上２７０度以下であることが望ましい。部分溝４の占有角度θの総和が６０度以上であれば、排気中の未燃燃料の濃度を顕著に低減することができ、部分溝４の占有角度θの総和が２７０度以下であれば、部分溝４を容易に加工することができるからである。例えば、θ＝２０°の部分溝４が３つ形成されてもよいし、θ＝４５°の部分溝４が６つ形成されてもよい。より望ましくは、部分溝４の占有角度θの総和は１８０度以下である。
【００１９】
以上説明した構成を有する本実施形態のピストン１Ａでは、シリンダ壁面７（図３参照）とトップランド３の隙間に火炎が入り込む際に、その火炎が部分溝４の両端から中央に引き込まれるように流れる。従って、部分溝４内でも空気と燃料の混合気を確実に燃焼させることができる。これにより、排気中の未燃燃料の濃度を低減することができる。換言すれば、従来排気と共に排出されていた燃料を燃焼させて仕事に変えることができるので、燃焼効率を向上させることができる。また、燃焼効率が向上することによって、ＣＯやＮＯＸも低減する。
【００２０】
本発明の発明者らは、上記の効果を確かめるために、天然ガスを燃料とする内燃機関において、トップランド３に３つの部分溝４が形成された本実施形態のピストン１Ａを用いた場合と、トップランド３に部分溝４が形成されていない参照ピストン（つまり、参照ピストンのトップランドは凹凸のない筒状）を用いた場合とで、排気中のＴＨＣ（Total Hydro Carbon）濃度を測定した。参照ピストンではＴＨＣ濃度が５８０ｐｐｍであったのに対し、本実施形態のピストン１ＡではＴＨＣ濃度が４５０ｐｐｍであった。この実験によって、部分溝４によりＴＨＣ濃度が１３０ｐｐｍ低減されたことが明らかになった。
【００２１】
ところで、トップランド３に部分溝４が形成されていない場合には、ピストンリング６を超えて上昇した潤滑油が燃えてトップランド３に全面的に潤滑油の残渣物が堆積する。これに対し、トップランド３に部分溝４が形成されている場合には、ピストンリング６を超えて上昇した潤滑油が部分溝４でトラップされるため、部分溝４よりも上方では潤滑油が燃え難くなる。その結果、部分溝４よりも上方では、潤滑油の残渣物がトップランド３に堆積し難く、シリンダ壁面７とトップランド３の隙間を長期間に亘って消炎距離よりも大きく確保することができる。しかも、潤滑油が燃え難くなることによって、潤滑油の消費量の低減、メンテナンスコストの低減および長期運転時の信頼性向上という効果も得ることができる。
【００２２】
さらには、潤滑油が燃え難くなることによって、潤滑油由来の自着火現象（ノッキング）が低減する。自着火現象が起きると圧力波が発生し、その圧力波がシリンダ壁面７に衝突する際にノック音が発生するとともに壁面近傍の温度境界層を破壊するおそれがあるが、本実施形態ではそのような不具合を招来する可能性のある自着火現象を抑制でき、内燃機関の静粛性および信頼性を向上することができる。
【００２３】
また、本実施形態では、各部分溝４の底がトップランド３の径方向と直交する方向に直線状に延びているので、部分溝４を安価に形成することができる。
【００２４】
図５は、複数の部分溝４による効果を確認するために行った実験結果である。図５中の実線および破線は、それぞれトップランド３に複数の部分溝４が形成された実施例１，２を表し、図５中の一点破線および二点破線は、それぞれトップランド３に周方向に連続する環状溝が形成された比較例１，２を表す。図５は、上述したトップランドに部分溝および環状溝のない参照ピストンに対し、エンジン運転時間が経過するにつれて実施例１，２および比較例１，２では排気中のＴＨＣ濃度がどれだけ低減したかを示す。
【００２５】
より詳しくは、実施例１では、トップランド３の径方向と直交する方向に直線状に延びる底を有する部分溝４が３つ形成されている。各部分溝４の占有角度θは３０度であり、その総和は９０度である。各部分溝４の中央の深さ（最大深さ）は、トップランド３の直径に対して約３／１００である。実施例２は、実施例１に対して、部分溝４の数を３つから６つに変更しただけのものである。従って、実施例２では、部分溝４の占有角度θの総和は１８０度である。
【００２６】
比較例１では、環状溝の深さが、トップランド３の直径に対して約１／３００である。比較例２では、環状溝の深さが、トップランド３の直径に対して約１／１５０（比較例１の２倍）である。
【００２７】
図５からは、トップランド３に環状溝が形成された比較例１，２では排気中の未燃燃料の濃度があまり低減されないが、トップランド３に部分溝４が形成され、かつ、その部分溝４の占有角度θの総和が６０度以上の実施例１，２では排気中の未燃燃料の濃度が顕著に低減されることが分かる。
【００２８】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１Ａ，１Ｂ  内燃機関用ピストン
３    トップランド
４    部分溝
【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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【国際調査報告】
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