(57)【要約】【課題】車両の定常走行時には高燃費かつ高効率なエンジン性能の発揮に供し、車両のエンジン始動時には温度上昇をし易くしてＨＣやＰＭの発生を効果的に解消することのできる遮熱膜を具備したピストンを提供する。【解決手段】内燃機関１０を構成するピストン３であって、ピストン３の頂面３ａには、低熱伝導率で低体積比熱の遮熱膜５が形成されており、遮熱膜５のうち、燃料噴射領域Ａｉｎの遮熱膜５の表面の一部には遮熱膜５よりも相対的に体積比熱の高い熱保持材６が配されている。【選択図】図２
2013024142.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関を構成するピストンであって、
前記ピストンの頂面には、低熱伝導率で低体積比熱の遮熱膜が形成されており、
前記遮熱膜のうち、燃料噴射領域の遮熱膜の表面の一部に該遮熱膜よりも相対的に体積比熱の高い熱保持材が配されているピストン。
【請求項２】
前記熱保持材が、複数の径の異なる同心円の集合体、複数の径の異なる同心円においてそれぞれの同心円が間欠的に構成された集合体、螺旋状、もしくは多数のドットの集合体のいずれかの形状を呈している請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記ピストンの母材はアルミニウムもしくはその合金からなり、前記遮熱膜はアルマイト被膜からなり、前記熱保持材が鉄マンガン系合金からなる請求項１または２に記載のピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関を構成するピストンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関は、主にエンジンブロックとシリンダヘッドから構成されており、その燃焼室は、シリンダブロックのボア面と、このボアに組み込まれたピストンの頂面と、シリンダヘッドの底面と、シリンダヘッドに開設された吸気ポートと排気ポートに配設された吸気バルブおよび排気バルブの底面から画成されている。昨今の内燃機関に要求される高出力化にともなってその冷却損失を低減することが重要になってくるが、この冷却損失を低減する方策の一つとして、燃焼室の内壁にセラミックスからなる遮熱膜を形成する方法を挙げることができる。
【０００３】
しかし、上記するセラミックスは一般に低い熱伝導率を有し、かつ高い熱容量を有することから、定常的な表面温度上昇による吸気効率の低下やノッキング（燃焼室内に熱が篭ることに起因する異常燃焼）が発生するために燃焼室の内壁への被膜素材として普及していないのが現状である。
【０００４】
このことから、燃焼室の壁面に形成される遮熱膜は、耐熱性と断熱性は勿論のこと、低熱伝導率と低熱容量の素材から形成されるのが望ましい。さらに、この低熱伝導率および低熱容量であることに加えて、燃焼室内での燃焼時の爆発圧や噴射圧、熱膨張と熱収縮の繰り返し応力に耐え得る素材から遮熱膜が形成されること、およびシリンダブロック等の母材への密着性が高い素材から遮熱膜が形成されることが望ましい。
【０００５】
このように低熱伝導率かつ低熱容量の遮熱膜を備えたエンジン燃焼室構造が特許文献１に開示されている。ここで開示される遮熱膜は、低熱伝導率かつ低熱容量に加えて、壁面からの剥離や脱落がなく、耐久性や信頼性に優れたものとするべく、膜厚が２０μｍより大きくて５００μｍ以下であり、かつ気孔率が２０％以上の陽極酸化被膜となっている。
【０００６】
ところで、燃焼室内に送り込まれる燃料ガス（ガソリンエンジンの場合にはガソリンと空気の混合ガスであり、ディーゼルエンジンの場合には燃焼室内に別途のタイミングで送り込まれる空気とガソリン）は、１サイクルにおける燃焼工程（着火）や排気工程（膨張）の際には高温を保ち、吸気・圧縮工程の際には早期に冷却されることで燃費や出力効率が向上する。中でも、ピストンの頂面の一部には燃料ガスが直接噴射されることから、上記する燃焼室を構成する各種壁面の中でも特にピストンの頂面には低熱伝導率でかつ低熱容量の遮熱膜が形成されているのが望ましい。
【０００７】
すなわち、ピストンの頂面に低熱伝導率でかつ低熱容量の遮熱膜が形成されていることにより、車両の定常走行時には高燃費かつ高効率なエンジン性能が期待できる。なお、この「熱容量」は、体積比熱（密度×比熱）で示すこともでき、したがって、「低熱伝導率かつ低体積比熱の遮熱膜」が定常走行時に優れた効果を発揮すると言い換えることができる。
【０００８】
一方、車両の始動時においては、ピストンの頂面に低熱伝導率かつ低熱容量の遮熱膜が形成されていることによって、ディーゼルエンジンの場合にはＰＭ（煤煙、粒子状物質）の発生が、ガソリンエンジンの場合にはＨＣ等の発生がそれぞれ生じ易くなってしまう。
【０００９】
すなわち、このことはピストンの頂面が低熱伝導率かつ低熱容量の遮熱膜で被覆されたことの背反事象であり、遮熱膜によって熱が逃げ易く、したがって温度が上昇し難いためにこれらの物質が発生し易くなっているのである。
【００１０】
これらのことより、車両の定常走行時には高燃費かつ高効率なエンジン性能の発揮に供し、車両のエンジン始動時には温度を上昇し易くしてＨＣやＰＭの発生を効果的に解消することのできる遮熱膜を具備したピストンの開発が切望されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１０−２４９００８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、車両の定常走行時には高燃費かつ高効率なエンジン性能の発揮に供し、車両のエンジン始動時には温度を上昇し易くしてＨＣやＰＭの発生を効果的に解消することのできる遮熱膜を具備した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】
【００１３】
前記目的を達成すべく、本発明によるピストンは、内燃機関を構成するピストンであって、前記ピストンの頂面には、低熱伝導率で低体積比熱の遮熱膜が形成されており、前記遮熱膜のうち、燃料噴射領域の遮熱膜の表面の一部に該遮熱膜よりも相対的に体積比熱の高い熱保持材が配されているものである。
【００１４】
本発明のピストンを具備する内燃機関はガソリンエンジンやディーゼルエンジンのいずれを対象としたものであってもよく、その構成は既述するように、エンジンブロックとシリンダヘッドから主として構成され、その燃焼室は、シリンダブロックのボア面と、このボアに組み込まれた本発明にかかるピストンの頂面と、シリンダヘッドの底面と、シリンダヘッド内に配設された吸気バルブおよび排気バルブの底面から画成されている。
【００１５】
また、内燃機関の燃焼室を構成する母材は、アルミニウムや、鋼、チタン、ニッケル、銅やそれらの合金を挙げることができ、遮熱膜を陽極酸化被膜から形成することができる。たとえばアルミニウムやその合金を母材とする壁面に陽極酸化被膜からなる遮熱膜が形成される場合に、この陽極酸化被膜はアルマイトとなる。
【００１６】
上記するピストンは、車両の定常走行時において高燃費かつ高効率なエンジン性能に寄与するべく、その頂面の全面に低熱伝導率でかつ低熱容量の遮熱膜が形成されている。
【００１７】
この遮熱膜としては、陽極酸化被膜のほか、多数の中空ビーズをたとえばシリカ系の接着剤で繋いで層状に構成した被膜などを挙げることができる。いずれにせよ、被膜がその内部に多数の空隙を有する構造が望ましく、このように多数の空隙を具備することで、低熱伝導率かつ低熱容量を有し、さらに、スイング特性（断熱性能を具備しながらも、燃焼室内のガス温度に被膜の温度が追随する特性）を有する遮熱膜となる。
【００１８】
ここで、本明細書において「低熱伝導率」とは、0.10(W/mK)以下の熱伝導率のことを意味しており、望ましくは0.02(W/mK)以下の熱伝導率のことである。
【００１９】
また、同様に本明細書において「低体積比熱」とは、3.8×105(J/m3K)以下の体積比熱のことを意味している。
【００２０】
このように、本発明にかかるピストンはその頂面において低熱伝導率かつ低熱容量を有することにより、車両の定常走行時において高燃費かつ高効率なエンジン性能に寄与するものであることに加えて、ピストンの頂面のうち、シリンダヘッドの底面に臨む吸気バルブに対向する領域の一部、すなわち、混合ガス等が直接噴射される領域である燃料噴射領域の一部において、遮熱膜よりも相対的に体積比熱の高い熱保持材が配されている。
【００２１】
ピストンの頂面において燃料噴射領域はある一定の平面積を有しているが、仮にこの燃料噴射領域の全面が熱保持材でカバーされてしまうと、車両の定常走行時においてこの燃料噴射領域における熱引けが阻害され、吸気効率の低下やノッキングの発生といった問題が生じてしまう。
【００２２】
そこで、「燃料噴射領域の遮熱膜の表面の一部」に遮熱膜よりも相対的に体積比熱の高い熱保持材を配するようにしている。
【００２３】
この熱保持材の素材としては、比較的体積比熱（もしくは熱容量）が高い金属単体もしくは合金が適用でき、より具体的には、遮熱膜がアルマイト被膜からなる場合には、熱保持材が鉄マンガン系合金から形成されていることにより、体積比熱が高く、かつアルマイト被膜の線膨張係数と近接した線膨張係数を有していること（アルマイト被膜は4.5×10-6/℃程度、Fe-Mn系合金は2.0〜4.0×10-6/℃程度）から望ましい。
【００２４】
また、燃料噴射領域の遮熱膜の表面の一部に形成される熱保持材の形態は特に限定されるものではないが、たとえば、複数の径の異なる同心円の集合体、複数の径の異なる同心円においてそれぞれの同心円が間欠的に構成された集合体、螺旋状、もしくは多数のドットの集合体のいずれかの形状形態を挙げることができる。
【００２５】
これらの熱保持材の形状形態はいずれも、熱保持材が燃料噴射領域の全域において隙間を有した態様で配設されたものとなっており、したがって、車両の始動時においては、熱保持材によってピストン頂面や燃焼室内の速やかな温度上昇に寄与でき、車両の定常走行時においてはピストン頂面の燃料噴射領域以外の領域と燃料噴射領域において熱保持材が存在しない領域の遮熱膜によって燃焼室内の熱篭りが抑制され、ピストン頂面をはじめとする燃焼室に臨む壁面の燃焼室内ガス温度に対する優れたスイング特性に寄与できるものとなっている。
【発明の効果】
【００２６】
以上の説明から理解できるように、本発明のピストンによれば、その頂面の全面に低熱伝導率でかつ低熱容量の遮熱膜が形成されており、さらに、ピストンの頂面のうちでシリンダヘッドの底面に臨む吸気バルブに対向する領域である燃料噴射領域の一部に遮熱膜よりも相対的に体積比熱の高い熱保持材が配されていることにより、車両の定常走行時においては高燃費で高効率なエンジン性能に寄与するピストンとなり、車両の始動時においてはピストン頂面や燃焼室内の速やかな温度上昇に寄与してＨＣやＰＭ等の発生を抑止することのできるピストンとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の内燃機関の一実施の形態の縦断面図である。
【図２】図１のII矢視図であって、ピストンの頂面に形成された遮熱膜および熱保持材の一実施の形態を示す平面図である。
【図３】図２に対応する図であって、ピストンの頂面に形成された遮熱膜および熱保持材の他の実施の形態を示す平面図である。
【図４】図２に対応する図であって、ピストンの頂面に形成された遮熱膜および熱保持材のさらに他の実施の形態を示す平面図である。
【図５】図２に対応する図であって、ピストンの頂面に形成された遮熱膜および熱保持材のさらに他の実施の形態を示す平面図である。
【図６】本発明のピストン（実施例）と従来構造のピストン（比較例）をそれぞれ備えた内燃機関の燃焼サイクルごとのピストン頂面における温度変化に関するCAE解析結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明のピストンの実施の形態とこのピストンを具備する内燃機関を説明する。
（内燃機関およびピストンの実施の形態１）
図１は内燃機関の一実施の形態の縦断面図を示すものであり、図２は図１のII矢視図であって、ピストンの頂面に形成された遮熱膜および熱保持材の一実施の形態を示す平面図であり、ピストンの実施の形態１を説明した図である。
【００２９】
図示する内燃機関１０はガソリンエンジンをその対象としたものであり、その内部に不図示の冷却水ジャケットが形成されたシリンダブロック２と、シリンダブロック２上に配設されたシリンダヘッド１と、シリンダヘッド１内に画成された吸気ポート１ｂおよび排気ポート１ｃとそれらが燃焼室ＮＳに臨む開口に昇降自在に装着された吸気バルブ１ｄおよび排気バルブ１ｅと、シリンダヘッド１の底面１ａの中央位置もしくは略中央位置で燃焼室ＮＳに臨む点火プラグ４と、シリンダブロック２の下方開口から昇降自在に形成されたピストン３から大略構成されている。なお、本発明の内燃機関がディーゼルエンジンを対象としたものであってもよいことは勿論のことである。
【００３０】
この内燃機関１０を構成する各構成部材はともにアルミニウムもしくはその合金から形成されている。なお、構成部材がアルミニウムもしくはその合金以外の素材で形成され、かつ、構成部材の表面がアルミニウムもしくはその合金にてアルミ化されている形態であってもよい。
【００３１】
内燃機関１０を構成する、シリンダブロック２のボア面２ａと、シリンダヘッド１の底面１ａと、ピストン３の頂面３ａから燃焼室ＮＳが画成される。
【００３２】
同図で示す内燃機関１０においては、ピストン３の頂面３ａの全面と、シリンダヘッド１の底面１ａ、吸気バルブ１ｄおよび排気バルブ１ｅの底面１ａのそれぞれにアルマイト被膜からなる遮熱膜５が形成されている。
【００３３】
なお、遮熱膜５としては、陽極酸化被膜のほか、多数の中空ビーズをたとえばシリカ系の接着剤で繋いで層状に構成した被膜などを挙げることができる。いずれの形態であっても、遮熱膜５がその内部に多数の空隙を有する構造が望ましく、このように多数の空隙を具備することで、低熱伝導率かつ低熱容量を有し、さらに、スイング特性（断熱性能を具備しながらも、燃焼室内のガス温度に被膜の温度が追随する特性）を有する遮熱膜となる。
【００３４】
ここで、遮熱膜５の厚みとしては、たとえば１００〜５００μｍの範囲であるのが好ましい。断熱性能を有する陽極酸化被膜の厚みを１００μｍ以上とすることで燃焼サイクル中の被膜表面の温度上昇が十分となって断熱性能も良好となり、十分な燃費改善効果を期待できるし、陽極酸化被膜の厚みを５００μｍ以下とすることで熱容量が大きくなるのを抑制でき、陽極酸化被膜自体が熱を溜め易くなることを防止して良好なスイング特性を保証することができる。
【００３５】
このように、図示するピストン３は、その頂面３ａにおいて低熱伝導率かつ低熱容量を有する遮熱膜５を具備することにより、車両の定常走行時において高燃費かつ高効率なエンジン性能に寄与するものとなる。
【００３６】
さらに図示するピストン３においては、その頂面３ａの全面にアルマイト被膜からなる遮熱膜５が形成されていることに加えて、その燃料噴射領域Ａｉｎにおいて、図２でその平面形状を示すように複数の径の異なる同心円の集合体からなる熱保持材６が形成されている。
【００３７】
ここで、「燃料噴射領域Ａｉｎ」とは、吸気バルブ１ｄから燃焼室ＮＳ内に燃料ガス（ガソリンエンジンの場合にはガソリンと空気の混合ガス）が送り込まれた際にピストン３の頂面３ａにおいてこの送り込まれた混合ガスが直接噴射される領域やさらにその周辺の一定領域までをも含んだ領域のことである。
【００３８】
ピストン３の頂面３ａのうち、シリンダヘッド１の底面１ａに臨む吸気バルブ１ｄに対向する領域、すなわち、混合ガス等が直接噴射される領域である燃料噴射領域Ａｉｎの一部において、遮熱膜５よりも相対的に体積比熱の高い熱保持材６が配されている。
【００３９】
同図からも明らかなように、ピストン３の頂面３ａにおいて燃料噴射領域Ａｉｎはある一定の平面積を有しているが、仮にこの燃料噴射領域Ａｉｎの全面が熱保持材で完全にカバーされてしまうと、車両の定常走行時においてこの燃料噴射領域Ａｉｎにおける熱引けが阻害され、吸気効率の低下やノッキングの発生といった問題が懸念される。
【００４０】
このことから、遮熱膜５よりも相対的に体積比熱の高い熱保持材６を燃料噴射領域Ａｉｎの全面ではなくて、その一部に配するようにしている。
【００４１】
ここで、熱保持材６の素材としては、比較的体積比熱が高い金属単体もしくは合金が適用でき、アルマイト被膜からなる遮熱膜５に対しては、鉄マンガン系合金から形成された熱保持材６が適用されるのが望ましい。熱保持材６が鉄マンガン系合金から形成されていることにより、体積比熱が高く、かつアルマイト被膜からなる遮熱膜５との間で双方の線膨張係数が近接しているためである（アルマイト被膜は4.5×10-6/℃程度、Fe-Mn系合金は2.0〜4.0×10-6/℃程度）。
【００４２】
燃料噴射領域Ａｉｎの遮熱膜５の表面の一部にこれよりも相対的に体積比熱の高い熱保持材６が配されていることにより、車両の始動時においては、この熱保持材６によってピストン３の頂面３ａや燃焼室ＮＳ内の速やかな温度上昇を図ることができ、ＨＣやＰＭ（ディーゼルエンジンの場合）の発生を効果的に抑止することができる。
【００４３】
すなわち、図示するピストン３によれば、その頂面３ａの全面に低熱伝導率でかつ低熱容量の遮熱膜５が形成され、さらに、その頂面３ａのうちでシリンダヘッド１の底面１ａに臨む吸気バルブ１ｄに対向する領域である燃料噴射領域Ａｉｎの一部に遮熱膜５よりも相対的に体積比熱の高い熱保持材６が配されていることにより、車両の定常走行時においては高燃費で高効率なエンジン性能に寄与するピストン３となり、車両の始動時においてはピストン３の頂面３ａや燃焼室ＮＳ内の速やかな温度上昇に寄与してＨＣやＰＭ等の発生を抑止することができるものとなる。
【００４４】
ここで、遮熱膜５および熱保持材６の形成方法を概説する。まず、ピストン３の頂面３ａを不図示の容器内に収容された酸性電解液に浸漬して陽極とする。次に、酸性電解液内に別途陰極を形成し、酸性電解液の排出と注入を順次おこなって酸性電解液を循環させることでアルマイト成長を促進させながら所望厚の遮熱膜５が形成される。
【００４５】
この遮熱膜５の燃料噴射領域Ａｉｎに対し、鉄マンガン系合金のスラリーを図２で示すように複数の径の異なる同心円の集合体を形成するように塗工し、少なくともピストン３の頂面３ａを熱処理してスラリーを焼成することにより、ピストン３の頂面３ａに対して遮熱膜５と熱保持材６が形成される。なお、熱保持材６は、遮熱膜５の表面において若干食い込むようにして形成されるのがよい。
【００４６】
（ピストンの実施の形態２〜４）
図３〜図５はいずれも図２に対応する図であり、それぞれピストンの実施の形態２〜４を説明する平面図である。
【００４７】
図３で示す実施の形態２にかかるピストン３Ａは、その燃料噴射領域Ａｉｎにおいて螺旋状の熱保持材６Ａが形成されたものである。
【００４８】
このピストン３Ａにおいても、熱保持材６Ａが燃料噴射領域Ａｉｎの全域をカバーするとともにその全面ではなくてその一部に形成されていることから、車両の定常走行時における高燃費で高効率なエンジン性能への寄与と、車両の始動時においてはピストン３の頂面３ａ等の速やかな温度上昇への寄与を図ることができる。
【００４９】
一方、図４で示す実施の形態３にかかるピストン３Ｂは、その燃料噴射領域Ａｉｎにおいて、複数の径の異なる同心円のそれぞれが間欠的に構成された集合体からなる熱保持材６Ｂが形成されたものである。
【００５０】
さらに、図５で示す実施の形態４にかかるピストン３Ｃは、その燃料噴射領域Ａｉｎにおいて多数のドットの集合体からなる熱保持材６Ｃが形成されたものである。
【００５１】
なお、図２で示すピストン３をはじめとして、各ピストン３〜３Ｃの頂面３ａの燃料噴射領域Ａｉｎにおける熱保持材６〜６Ｃの平面比率は、熱保持材６〜６Ｃがエンジン始動時にのみ効果を発揮するものであることに鑑み、そのエンジン始動時の温度上昇作用を保証できる範囲で可及的に少ない面積比率で形成されるのがよい。
【００５２】
[本発明のピストン（実施例）と従来構造のピストン（比較例）をそれぞれ備えた内燃機関の燃焼サイクルごとのピストン頂面における温度の変化に関するCAE解析とその結果]
本発明者等は、図２で示す本発明のピストン３にかかる実施例モデルと、熱保持材を具備しない従来構造のピストンにかかる比較例モデルをコンピュータ内で作成し、繰返しの燃焼サイクルを再現して各燃焼サイクルにおける実施例および比較例のピストン頂面の温度に関するCAE解析をおこなった。以下、表１にCAE解析におけるピストン母材、遮熱膜および熱保持材の各物性値を示しており、解析結果を図６に示している。
【００５３】
【表１】
2013024142.tif 000003
【００５４】
図６より、比較例に比して実施例のピストン頂面の初期温度（エンジン始動開始温度）からの上昇温度は、およそ１７％増加する解析結果が得られている。
【００５５】
この解析結果より、ピストン頂面に熱保持材が形成されていることによって車両の始動時においてはピストン頂面や燃焼室内の速やかな温度上昇を図ることができ、従来構造において課題となっているＨＣやＰＭ等の発生を抑制できることが実証されている。
【００５６】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの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における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５７】
１…シリンダヘッド、１ａ…底面、１ｂ…吸気ポート、１ｃ…排気ポート、１ｄ…吸気バルブ、１ｅ…排気バルブ、２…シリンダブロック、２ａ…ボア面、３，３Ａ,３Ｂ,３Ｃ…ピストン、３ａ…ピストンの頂面、４…点火プラグ、５…遮熱膜（陽極酸化被膜、アルマイト被膜）、６…熱保持材、Ａｉｎ…燃料噴射領域、ＮＳ…燃焼室
【図１】
2013024142.tif 000004
【図２】
2013024142.tif 000005
【図３】
2013024142.tif 000006
【図４】
2013024142.tif 000007
【図５】
2013024142.tif 000008
【図６】
2013024142.tif 000009