(57)【要約】【課題】コンロッドの小端部に生じる熱害を低減可能な内燃機関に用いることができるピストンを提供すること。【解決手段】内燃機関用ピストンであって、頂部および外周面を備えるクラウン部と、前記外周面の端部から延在するスカート部と、前記スカート部に設けられたピストンピン孔とを備え、前記ピストンピン孔にピストンピンを挿通してコンロッドを保持可能であり、前記スカート部によって形成される中空部に接する内表面に遮熱膜が形成されている、内燃機関用ピストン。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
頂部および外周面を有するクラウン部と、前記外周面の端部から延在するスカート部と、前記スカート部に設けられたピストンピン孔とを備え、前記ピストンピン孔にピストンピンを挿通してコンロッドを保持可能な内燃機関用ピストンであって、
前記スカート部によって形成される中空部に接する内表面に遮熱膜が形成されている、内燃機関用ピストン。
【請求項２】
前記遮熱膜は、前記内表面の中央部を含む領域に形成されている、請求項１に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項３】
前記遮熱膜は、前記内表面の全面に形成されている、請求項１または２に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項４】
前記クラウン部は、前記頂部の中央部を含む領域に凹設された燃焼室を有し、
前記燃焼室は、その表面に遮熱膜が形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関用ピストンと、
前記ピストンピン孔に挿通されたピストンピンと、
前記ピストンピンを挿通可能な小端孔が形成された小端部を有し、前記小端孔に前記ピストンピンが挿通されて前記ピストンピンに回転可能に取り付けられたコンロッドと、を含む内燃機関。
【請求項６】
前記コンロッドの小端部は、その表面に遮熱膜が形成されている、請求項５に記載の内燃機関。
【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および上記内燃機関用ピストンを含む内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関は、シリンダ内で燃料を燃焼させ、この燃焼によって生じた熱エネルギーを運動エネルギーに変換して、駆動輪に動力を伝達する。そのため、内燃機関には、熱効率を高めて、燃費を高めることが従来から求められている。
【０００３】
たとえば、内燃機関の熱効率を高める観点から、内燃機関が備えるピストンの燃焼室の壁面を構成する部材に遮熱膜を形成する技術が知られている（特許文献１など）。遮熱膜を形成することによって、燃焼室からピストン内部への熱の移動による熱損失を低減して、上記ピストンを備える内燃機関の熱効率を向上させることが可能となる。
【０００４】
また、特許文献２には、ピストンの上側内部に潤滑油を導入可能なオイルギャラリを設け、このオイルギャラリの内壁のうち、燃焼室から離れている部分に遮熱膜を形成する技術が記載されている。特許文献２によれば、このような構造を有するピストンでは、上記オイルギャラリに導入した潤滑油がピストンの燃焼室の入口リップ部や側面のトップリングからの熱を奪って、これらの熱負荷の高い部位に位置する部材を効率的に冷却することができ、一方で、燃焼室からオイルギャラリへの熱の移動を抑制して、上記熱の移動による燃焼室からの熱損失を低減できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−８７７１９号公報
【特許文献２】特開２０１４−３４９１７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、内燃機関を高負荷で繰り返し使用していると、コンロッドの小端孔の内表面に焼き付きなどの熱害が生じることがある。このような熱害が生じると、コンロッドの軸受機能が損失し、重大なエンジン破損を引き起こす。そのため、コンロッドの小端部に熱害が生じにくい内燃機関を開発できれば、内燃機関の耐用期間をより長くすることができると期待される。
【０００７】
上記課題に鑑み、本発明は、コンロッドの小端部に生じる熱害を低減可能な内燃機関に用いることができるピストン、およびそのようなピストンを備える内燃機関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】
【０００８】
上記課題を解決するための本発明の一態様は、頂部および外周面を有するクラウン部と、前記外周面の端部から延在するスカート部と、前記スカート部に設けられたピストンピン孔とを備え、前記ピストンピン孔にピストンピンを挿通してコンロッドを保持可能な内燃機関用ピストンであって、前記スカート部によって形成される中空部に接する内表面に遮熱膜が形成されている、内燃機関用ピストンに関する。
【０００９】
また、上記課題を解決するための本発明の別の態様は、上記内燃機関用ピストンと、前記ピストンピン孔に挿通されたピストンピンと、前記ピストンピンを挿通可能な小端孔が形成された小端部を有し、前記小端孔に前記ピストンピンが挿通されて前記ピストンピンに回転可能に取り付けられたコンロッドと、を含む内燃機関に関する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、コンロッドの小端部に生じる熱害を低減可能な内燃機関に用いることができるピストン、およびそのようなピストンを備える内燃機関が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るピストンの模式的な正面図である。
【図２】図２Ａは、本発明の一実施形態に係るピストンの模式的な断面図であり、図２Ｂは、本発明の一実施形態に係る燃焼室を備えるピストンの模式的な断面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係るピストンをスカート部側から見た模式的な底面図である。
【図４】図４は、本発明の別の実施形態に係るピストンの構成を示す模式的な断面図である。
【図５】図５Ａは、本発明の別の実施形態に係る内燃機関の模式的な断面図であり、図５Ｂ、図５Ｃおよび図５Ｄは、上記内燃機関が備えるコンロッドの模式的な形態を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１および図２は、本発明の一実施形態に係るピストン１００の模式構成図である。図１は、ピストン１００の正面図であり、図２Ａおよび図２Ｂは、ピストン１００の内部の構成を表す断面図である。図１に示すように、ピストン１００は、頂部１０１および外周面１０２を有するクラウン部１１０と、前記外周面１０２の端部から延在するスカート部１２０とを有し、スカート部１２０には２つのピストンピン孔１３０が互いに対向する位置に設けられている。スカート部１２０は前記外周面１０２の端部からピストン１００の底方向（クランク回転軸方向）に延在する壁状部材であり、クランク回転軸方向に開放された中空部（以下、単に「ピストン１００の中空部１４０」ともいう。）をピストン１００の内部に形成する。ピストンピン孔１３０は、ピストンピン２００を挿通可能な内径を有する。ピストンピン２００は、不図示のピストンピンボス部などを設けて形成されていてもよい。
【００１３】
ピストン１００のクラウン部１１０は、図２Ａに示すように燃焼室１５０を備えなくてもよいし、図２Ｂに示すように頂部１０１の中央部を含む領域に凹溝状の窪みである燃焼室１５０が凹設されていてもよい。燃焼室１５０の形状は、浅皿型、リエントラント型、トロイダル型、およびバスタブ型などの公知の形状とすることができる。
【００１４】
ピストン１００は、特に図２Ｂに示すようにクラウン部１１０が燃焼室１５０を備えるとき、ピストン（特には燃焼室１５０）を冷却するためのオイルを導入する環状の空洞部であるオイルギャラリ１６０を、燃焼室１５０の周囲に有してもよい。
【００１５】
また、クラウン部１１０は、ピストンリング溝１０３を備えていてもよく、このとき、たとえば上記ピストンリング溝１０３はトップリング溝１０３ａ、セカンドリング溝１０３ｂおよびオイルリング溝１０３ｃの３つの溝とすることができる。
【００１６】
ピストンピン２００は、上記２つのピストンピン孔１３０に挿通され、かつ、ピストン１００の中空部１４０でコンロッド３００を回転可能に保持して、ピストン１００とコンロッド３００とを連結する。
【００１７】
コンロッド３００は、大きさが異なる小端部３２０および大端部（不図示）を軸部３１０の両端に設けた構造を有し、小端部３２０にはピストンピン２００を挿通可能な内径を有する小端孔３３０が形成されている。なお、図示しないが、大端部にはコンロッド３００とクランクとを連結するためのクランクピンを挿通可能な大端孔が形成されている。
【００１８】
ピストン１００の材料は、アルミニウム−珪素合金、アルミ−銅合金、チタン合金、鉄および鋼などの公知の材料とすることができる。ピストン１００は、これらの材料からなる母材を鋳造または鍛造するなどの公知の方法で作製することができる。なお、ピストン１００は、複数の部品が複合してなってもよいし、単一の部品として構成されていてもよい。ピストン１００が複数の部品からなる場合、それぞれの部品の材料は同じでもよいし、異なっていてもよい。
【００１９】
ここで、ピストン１００は、ピストン１００の中空部１４０に接する表面（以下、単にピストン１００の「内表面１２５」ともいう。）に、遮熱膜１７０が形成されている。
【００２０】
遮熱膜１７０は、燃料の燃焼により生じてピストン１００の内部を伝導してきた熱を、上記ピストン１００の内表面１２５から放射しにくくする。これにより、上記ピストン１００の内部を伝導してきた熱はコンロッド３００の小端部３２０に到達しにくくなり、この熱が原因となる小端孔３３０の焼き付きが抑制される。
【００２１】
内燃機関を繰り返し高負荷で使用していると、コンロッド３００の小端孔３３０に焼き付きが生じることが知られており、コンロッド３００の耐用期間を長くするため、上記小端孔３３０の焼き付きを抑制することが求められている。従来、上記小端孔３３０の焼き付きを抑制するため、コンロッド３００が回転するときの、小端部３２０の内表面とピストンピン２００との間の摺動摩擦を低減させる試みが主にされてきた。これに対し、本実施形態に係るピストン１００は、燃料の燃焼により生じてピストン１００の内部を伝わった熱を、スカート部１２０の内表面から放射されにくくすることで、上記熱がコンロッド３００の小端部３２０に到達しにくくし、小端孔３３０の焼き付きを抑制しようとするものである。
【００２２】
なお、特許文献１などに記載のように、燃焼室１５０の表面にのみ遮熱膜を形成してピストン１００の内部への熱伝導を抑制しても、ある程度の遮熱効果は奏されると考えられる。しかし、ピストン頂部１０１や燃焼室１５０のうち遮熱膜を形成していない領域からピストン１００の内部に熱が伝導し、この熱がピストン１００の内表面１２５から放射されてコンロッド３００の小端部３２０に到達すると、小端部３２０の温度が上昇して小端部のエンジンオイル粘度が低下、油膜形成を阻害し適切な潤滑が保てず焼き付きを起こすことがある。これに対し、上記ピストン１００の内表面１２５に遮熱膜を形成することで、上記内表面１２５からの熱の放射による小端孔３３０の焼き付きを効果的に抑制することができる。
【００２３】
特に、近年、ピストンピン孔１３０の中心から頂部１０１までの距離を短くした（以下、単に「コンプレッションハイトを小さくした」ともいう。）ピストンが開発されている。コンプレッションハイトが小さいピストンは、コンロッドの揺動角を減らしシリンダボア方向の側圧を減少させ、スカート部とシリンダボア部との接触による運動エネルギーの摩擦損失が生じにくく、かつ、従来のピストンよりも軽量であるため、燃費の向上を図れるという利点を有する。しかし、コンプレッションハイトを小さくすると、ピストンの頂部および燃焼室などの燃料の燃焼により熱が生じる箇所からコンロッドまでの距離も短くなるため、ピストンの内部を熱が伝導する経路も短くなる。そのため、コンプレッションハイトが小さいピストンでは、ピストンの内部を伝導する間の熱の損失が少なく、その結果として、より多くの熱がピストン１００の内表面１２５から放射されてコンロッド３００の小端部３２０に到達することになる。このような理由から、コンプレッションハイトが小さいピストンでは、小端孔３３０の焼き付きがより生じやすいと考えられる。そのため、上記ピストン１００のようにスカート部１２０の内表面に遮熱膜を形成することで小端孔３３０の焼き付きを抑制する効果は、コンプレッションハイトが小さいピストンにおいてより顕著に奏されると考えられる。
【００２４】
また、特にピストン１００がアルミニウムなどの熱伝導率が高い材料からなるとき、より多くの熱がコンロッド３００の小端部３２０に到達するため、上記遮熱膜１７０によって小端孔３３０の焼き付きを抑制する効果はより顕著に奏されると考えられる。一方で、鉄および鋼などはアルミニウムよりも強度が高いため、上記コンプレッションハイトが小さいピストンを作製することが容易である。そのため、コンプレッションハイトが小さい、鉄および鋼などを材料とするピストンにおいても、上記遮熱膜１７０によって小端孔３３０の焼き付きを抑制する効果はより顕著に奏されると考えられる。
【００２５】
遮熱膜１７０は、上記ピストン１００の材料（ピストン１００が複数の部品からなる場合は、少なくともスカート部１２０の材料）よりも熱伝導率が低い材料からなればよい。遮熱膜１７０の材料の例には、セラミック系遮熱材料、ジルコニア系遮熱材料、ニッケル−クロム合金および酸化クロムなどの、遮熱材料として公知の材料が含まれる。これらの材料からなる遮熱膜１７０は、溶射、溶着、めっき、接着剤による接着および塗装などの公知の方法で、形成することができる。また、遮熱膜１７０は、ピストン１００の材質がアルミニウムの場合、陽極酸化させて形成されるアルマイト膜などであってもよい。
【００２６】
遮熱膜１７０の膜厚は、ピストン１００からの熱伝導による小端孔３３０の焼き付きが十分に抑制される程度であればよく、たとえば、１００μｍ以上１０００μｍ以下とすることができる。
【００２７】
遮熱膜１７０は、ピストン１００の内表面１２５のうち、クラウン部１１０側に位置する、頂部１０１と略同一方向に延在して中空部１４０の上面を形成する内表面１２５ａに形成されることが好ましいが、スカート部１２０により構成される、スカート部１２０と略同一方向に延在して中空部１４０の側面を形成する内表面１２５ｂに形成されていてもよい。
【００２８】
図３は、ピストン１００をスカート部１２０側から見た模式底面図である。図３Ａに示すように、遮熱膜１７０は、ピストン１００の、中空部１４０の上面を形成する内表面１２５ａの中央部（以下、単に「内表面１２５の中央部」ともいう。）を含む領域に形成されていることが好ましい。
【００２９】
通常、図２Ａからも明らかなように、ピストン１００の頂部１０１などの燃料が燃焼される領域と、ピストン１００の内表面１２５との間の距離は、上記内表面１２５の中央部において最も短くなる。また、図２Ｂに示すように、燃焼室１５０はピストン１００の頂部１０１の中央部を含む領域に形成されるため、燃焼室１５０とピストン１００の内表面１２５との間の距離も、上記内表面１２５の中央部において最も短くなる。そのため、ピストン１００の内表面１２５から放射される熱量は、上記内表面１２５の中央部において最も多くなると考えられる。さらに、通常、コンロッド３００はピストン１００の内表面１２５の中央部の底面側（クランク回転軸側）に配置されるため、上記内表面１２５とコンロッド３００の小端部３２０との距離も、上記内表面１２５の中央部において最も短くなる。そのため、そのため、ピストン１００の内表面１２５から放射された熱のうち上記小端部３２０に到達する量も、上記内表面１２５の中央部において最も多くなると考えられる。そのため、ピストン１００の内表面１２５の中央部を含む領域に遮熱膜１７０を形成することで、ピストン１００から上記小端部３２０への熱伝導を効率よく低減し、小端孔３３０の焼き付けをより抑制することが可能となる。
【００３０】
なお、ピストン１００の頂部１０１や燃焼室１５０などで生じた熱は、ピストン１００の中空部１４０を伝導し、上記内表面１２５の中央部以外からも放射されてコンロッド３００の小端部３２０に到達すると考えられる。これらの熱伝導をも抑制して、コンロッド３００の小端孔３３０の焼き付けをさらに生じにくくする観点からは、遮熱膜１７０は、図３Ｂに示すように、中空部１４０の上面を形成する内表面１２５ａの全面に形成されていることが好ましく、図３Ｃに示すように、中空部１４０の側面を形成する内表面１２５ｂにまでさらに形成されていることも好ましい。なお、図３Ｂおよび図３Ｃに示すように、中空部１４０の上面を形成する内表面１２５ａの全面、または中空部１４０の側面を形成する内表面１２５ｂも含めた内表面１２５の全面、に遮熱膜１７０を形成すれば、遮熱膜１７０の作製のための位置合わせ等が不要となるため遮熱膜の形成が容易であり、低コストかつ短時間でのピストン１００の製造が可能となる。
【００３１】
ただし、コンロッド３００の小端部３２０への熱伝導による小端孔３３０の焼き付きを抑制する効果を十分に奏しつつ、ピストン１００の熱をクランク回転軸方向に十分に逃がす観点からは、遮熱膜１７０は、上記内表面１２５ａの中央部を含む一部または全部の領域（図３Ａまたは図３Ｂ）にのみ形成されていることが好ましい。
【００３２】
なお、ピストン１００がオイルギャラリ１６０を備えるとき、遮熱膜はオイルギャラリ１６０の内表面に形成されていてもよいし、オイルギャラリ１６０の内表面には形成されていなくてもよい。特に、オイルギャラリ１６０の内表面に遮熱膜が形成されていない場合には、ピストン１００の作製が容易であり、低コストかつ短時間でのピストン１００の製造が可能となる。
【００３３】
図４は、本発明の別の実施形態に係るピストン４００の構成を示す模式正面図である。図４に示すように、ピストン４００は燃焼室４５０を備え、燃焼室４５０の表面に遮熱膜４７０が形成されている。このような態様とすることで、燃焼室４５０からピストン４００の内部への熱の伝導が抑制され、ピストン４００の内部を伝導してコンロッド３００の小端部３２０に到達する熱の量も減少する。そのため、ピストン４００では、小端孔３３０の焼き付きがさらに抑制されると考えられる。
【００３４】
燃焼室４５０からピストン４００の内部に伝導した熱による小端孔３３０の焼き付きをより効果的に抑制する観点からは、遮熱膜４７０は、燃焼室４５０の中央を含む領域に形成されることが好ましい。
【００３５】
図５は、本発明のさらに別の実施形態に係る内燃機関５００の模式図である。模式的な正面からの断面図である図５Ａに示すように、内燃機関５００は、上述したピストン１００またはピストン４００と、ピストンピン２００と、コンロッド３００とを備える。ピストン１００のピストンピン孔１３０およびコンロッド３００の小端孔３３０にはピストンピン２００が挿通され、ピストンピン２００は、ピストン１００の中空部１４０でコンロッド３００を回転可能に保持する。
【００３６】
このような構成を有する内燃機関５００によれば、ピストン１００が備える燃焼室１５０からの熱がコンロッド３００の小端部３２０に伝導しにくく、コンロッド３００の小端孔３３０の焼き付きが生じにくい。
【００３７】
なお、このとき、図５Ｂに示すように、コンロッド３００の小端部３２０に遮熱膜５７０が形成されていると、コンロッド内部への熱の到達が抑制されて、小端孔３３０の焼き付きがより生じにくい。なお、上述したように、ピストン内部からの熱は、ピストン１００の内表面１２５の中央部から最も多くコンロッド３００の小端部３２０に到達する。そのため、遮熱膜５７０は、コンロッド３００の小端部３２０のうち上記内表面１２５の中央部に最も近くなる、軸部３１０からの距離が最も大きくなる点を中心とした領域に形成されていることが好ましい。なお、コンロッド３００の小端部３２０に到達する熱量をより少なくして、小端孔３３０の焼き付きをより抑制する観点からは、図５Ｃに示すように、上記遮熱膜５７０は、軸部３１０からの距離が最も大きくなる点から小端部３２０と軸部３１０の境界までを含む、小端部３２０の外表面の全面に形成されることが好ましい。コンロッドの内部を伝導した熱による小端孔３３０の焼き付きも抑制する観点からは、図５Ｄに示すように、上記遮熱膜５７０は、小端部３２０の外表面の全面に加えて、軸部３１０の表面のうち一部の領域にわたる領域に形成されることがより好ましい。
【００３８】
上記の各実施形態に係るピストン１００、ピストン４００および内燃機関５００によれば、コンロッド３００の小端孔３３０の焼き付きを抑制することができる。それにより、コンロッドの耐用期間が長くなり、内燃機関の耐用期間も長くすることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、コンロッドの小端孔の焼き付きを抑制することが可能なピストンおよびそのようなピストンを備える内燃機関として有用である。
【符号の説明】
【００４０】
１００、４００  ピストン
１０１  頂部
１０２  外周面
１０３  ピストンリング溝
１０３ａ  トップリング溝
１０３ｂ  セカンドリング溝
１０３ｃ  オイルリング溝
１１０  クラウン部
１２０  スカート部
１２５  内表面
１２５ａ  中空部の上面を形成する内表面
１２５ｂ  中空部の側面を形成する内表面
１３０  ピストンピン孔
１４０  中空部
１５０、４５０  燃焼室
１６０  オイルギャラリ
１７０、４７０、５７０  遮熱膜
２００  ピストンピン
３００  コンロッド
３１０  軸部
３２０  小端部
３３０  小端孔
５００  内燃機関
【図１】
2018031287.tif 000003
【図２】
2018031287.tif 000004
【図３】
2018031287.tif 000005
【図４】
2018031287.tif 000006
【図５】
2018031287.tif 000007