JP2018112149A - ピストン - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関において、燃焼ガスと被膜との熱伝達率を小さくし、燃焼ガスからピストンへの熱移動量を減少させて熱損失を低減させる。また熱伝達の抑制と被膜の劣化に起因する熱損失の悪化とを抑制する。【解決手段】シリンダブロックに形成されたシリンダの内部を往復運動できるようにシリンダ内に収められたピストン１００であって、ピストン１００のピストン冠面１２には被膜４が形成され、被膜４の表面粗さを、ピストン冠面１２を機械加工によって加工した場合における到達限界表面粗さ以下とする。【選択図】図３

Description

本発明はピストンに関する。

特許文献１には、従来のピストンとして、ピストン冠面のキャビティ上に、ピストンの母材よりも熱伝導率の低い多孔質材料からなる断熱層を形成したものが開示されている。

特開２０１５−２１８６０８号公報

前述した従来のピストンのように、ピストン冠面に断熱層を形成することで、断熱層を介してピストンに熱が伝わるのを抑制してシリンダ内壁面からの熱損失を低減することができる。しかしながら、燃焼ガスと断熱層の表面との間の熱伝達率が高いと、断熱層の表面温度が高温になりやすく、さらに熱伝達率が上がるだけでなく、結果として断熱層が劣化するなどして熱損失が増大するおそれがある。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、内燃機関の熱損失を低減するためにピストン冠面に被膜が形成されたピストンにおいて、熱伝達の抑制と被膜の劣化に起因する熱損失の悪化とを抑制することが可能なピストンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様によるピストンは、ピストン冠面に被膜が形成されており、被膜の表面粗さが、前記ピストン冠面を機械加工によって加工した場合における到達限界表面粗さ以下となるように構成される。

本発明のこの態様によれば、燃焼ガスと被膜との熱伝達率を小さくすることができるので、燃焼ガスからピストンへの熱移動量を減少させて熱損失を低減させることができると共に、熱伝達の抑制と被膜の劣化に起因する熱損失の悪化とを抑制できる。

図１は、本発明の第１実施形態によるピストンの正面図である。 図２は、ピストンの平面図である。 図３は、図２のIII-III線に沿うピストンの断面図である。 図４Ａは、本実施形態によるピストンを用いた場合と、比較例による各種のピストンを用いた場合の、圧縮行程から膨張行程にかけての熱伝達率の変化を示した図である。 図４Ｂは、本実施形態によるピストンを用いた場合と、比較例による各種のピストンを用いた場合の、圧縮行程から膨張行程にかけての熱流束の変化を示した図である。 図５は、本実施形態によるピストンを用いた場合と、比較例による各種のピストンを用いた場合の、ピストンの表面における熱流束の大きさの分布を比較して示した図である。 図６は、本実施形態によるピストンを用いた場合と、比較例による各種のピストンを用いた場合の、燃焼室の内壁面からの熱損失量を比較して示した図である。 図７は、本発明の第２実施形態によるピストンの断面図である。 図８は、本発明の第２実施形態によるピストンの裏面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態によるピストン１００の正面図である。図２は、ピストン１００の平面図である。図３は、図２のIII-III線に沿うピストン１００の断面図である。

ピストン１００は、内燃機関のシリンダブロックに形成されたシリンダの内部を往復運動できるようにシリンダ内に収められ、シリンダヘッドと共にシリンダ内に燃焼室を形成するための部品である。本実施形態によるピストン１００は、母材が鋳鉄からなる鉄製のピストンであって、ピストンヘッド１と、ピストンスカート２と、ピストンボス３と、を備える。

図１及び図３に示すように、ピストンヘッド１は、シリンダ軸方向（図１及び図３の上下方向）に所定の肉厚を持った円盤状の部分であって、機関運転中に高温の燃焼ガスに曝される部分である。

ピストンヘッド１の側面には、周方向全周に亘って複数のピストンリング溝１１が形成されている。ピストンリング溝１１には、燃焼室の気密を保持して圧縮漏れやガス漏れを抑制すると共に、ピストン１００の熱をシリンダブロックに伝えて逃がすためのコンプレッションリングや、シリンダの内壁面に付着した余分な潤滑油を掻き落とし、シリンダの内壁面に適切な厚みを持った油膜を形成するためのオイルリングが組み付けられる。

また図２及び図３に示すように、燃焼室の内壁面の一部を構成するピストンヘッド表面（以下「ピストン冠面」という。）１２の中央部には、外周部よりもシリンダ軸方向クランクシャフト側（図１及び図３の下側）に凹んだキャビティ１２ａが形成されている。ピストン冠面１２の外周部には、ピストン１００と吸排気弁との接触を防止するためのバルブリセス１２ｂが形成されている。

ピストンスカート２は、ピストンヘッド１からシリンダ軸方向クランクシャフト側（図１及び図３の下側）に延びるように形成された部分であって、ピストン１００がシリンダの内部を往復運動する際にピストン１００が傾くのを抑制する機能を有する部分である。

ピストンボス３は、ピストン１００とコンロッドと連結するためのピストンピンを保持するための部分であって、ピストンピンを挿入するためのピン孔３１が形成される部分である。

ところで、内燃機関の各種損失の中で、燃焼室の内壁面からの熱損失の割合は大きく、したがって、内燃機関の熱効率を向上させるには、燃焼室の内壁面からの熱損失を低減させることが有効である。

そこで本実施形態では、燃焼ガスとピストン間の熱伝達率［ｋＷ／ｍ^２Ｋ］を小さくして燃焼ガスの熱自体がピストン１００に伝わり難くなるようにすることで、燃焼ガスからピストンへの熱移動量（熱損失量）［ｋＷ］を減少させて、燃焼室の内壁面からの熱損失を低減させることとした。

具体的には図２及び図３に示すように、燃焼室の内壁面の一部を構成するピストン冠面１２の全面に被膜４を形成し、その被膜４の表面粗さ（算術平均粗さＲａ）［μｍ］を、ピストン冠面１２を機械加工（例えば切削加工や研削加工など）によって加工した場合におけるピストン冠面１２の表面粗さの加工限界である到達限界表面粗さ以下にすることとした。なお、鉄製のピストン１００の機械加工による到達限界表面粗さは、概ね３．０［μｍ］程度である。

また、被膜４の材料として、ピストン１００の母材（本実施形態では鋳鉄）よりも耐酸化性の高い（すなわち酸化しにくい）材料を用いることとし、本実施形態ではＳＵＳ材（ステンレス鋼）を用いることとした。

本実施形態では、ピストン冠面１２にＳＵＳ材（ステンレス鋼）を溶射することでピストン冠面１２に厚さ０．３［ｍｍ］から０．５［ｍｍ］程度の被膜４を形成している。そして、被膜４の表面に対して電解研磨又は化学研磨を実施して、被膜４の表面粗さを鏡面レベル以下となる概ね１．２［μｍ］以下まで小さくしている。本実施形態では、被膜４の表面粗さを０．１［μｍ］としている。

図４Ａ及び図４Ｂは、本実施形態によるピストン１００、すなわちピストン冠面１２に表面粗さが０．１［μｍ］の被膜４を形成したピストンを用いた場合と、比較例による各種のピストン、すなわち被膜４が形成されておらず、ピストン冠面１２の表面粗さが異なる４種類のピストンを用いた場合の、圧縮行程から膨張行程にかけての燃焼ガスとピストン冠面（本実施形態によるピストン１００の場合は被膜４の表面）との熱伝達率の変化と、熱流束［ＭＷ／ｍ^２］の変化と、をそれぞれ示した図である。なお４種類のピストンのピストン冠面１２の表面粗さは、それぞれ５０［μｍ］、１２．５［μｍ］、６．３［μｍ］、３．２［μｍ］である。この図示例では、表面粗さが３．２［μｍ］のピストンが、機械加工によって表面粗さを到達限界表面粗さまで小さくしたピストンに相当し、表面粗さが６．３［μｍ］のピストンが、現在の一般的な鉄製のピストンに相当する。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、表面粗さが５０［μｍ］と１２．５［μｍ］のピストンを用いた場合の圧縮行程から膨張行程にかけての熱伝達率及び熱流束の変化はほとんど変わらず、かつ、この２つのピストンを用いた場合に、圧縮上死点付近での熱伝達率及び熱流束が最も大きくなっていることが分かる。そして、表面粗さが６．３［μｍ］、３．２［μｍ］、０．１［μｍ］と小さくなるにつれて、圧縮上死点付近での熱伝達率及び熱流束が低下していることが分かる。

このように、表面粗さを小さくしていくことで、主に圧縮上死点付近での熱伝達率及び熱流束を低下させることができるので、図示熱効率の向上を図って熱損失を低減することができる。そしてまた、以下のような効果も得ることができる。

図５は、本実施形態によるピストン１００を用いた場合と、前述した比較例による各種のピストンを用いた場合の、ピストン冠面１２（本実施形態によるピストンの場合は被膜４の表面）における熱流束の大きさの分布を比較して示した図である。

例えば噴霧拡散燃焼や成層燃焼を実施する内燃機関などは、混合気が燃焼室内の特定箇所（例えばキャビティ内）に集中するため、燃焼室内における燃焼ガスの温度分布に偏りが生じ、燃焼室内において混合気が集中している箇所の温度が局所的に高温となる場合がある。

このような場合において、表面粗さが大きく、その結果として燃焼ガスとピストン冠面１２との熱伝達率や、ピストン冠面１２における熱流束が大きくなると、図５に示すように、ピストン冠面１２の温度分布にも偏りが生じやすくなる。

ピストン冠面１２の温度分布に偏りが生じてピストン冠面１２の温度が局所的に高温になると、高温部分が破損するおそれがあり、ピストン１００の耐久性を低下させることになる。また、被膜４が形成されていない比較例によるピストンの場合、母材が鋳鉄などの鉄製のものであれば、高温部分においてピストン冠面１２の酸化が促進されて錆が発生するおそれがある。そうすると、仮にピストン冠面１２を研磨していたとしても、錆の発生によって徐々に表面粗さが大きくなり、熱損失が悪化してしまう。

これに対して図５に示すように、表面粗さを小さくしていくことで、燃焼ガスとピストン冠面１２との熱伝達率を低下させることができるので、ピストン冠面１２の温度分布の偏りを抑制することができる。そのため、ピストン１００の耐久性の低下を抑制することができる。また本実施形態では、ピストン冠面１２に、ピストン１００の母材よりも耐酸化性の高い材料からなる被膜４を形成し、その被膜４の表面粗さを小さくしているので錆の発生を抑制できる。そのため、表面粗さが大きくなるのを抑制できるので、熱損失の低減効果が低下していくのを抑制することができる。

図６は、本実施形態によるピストン１００を用いた場合と、前述した比較例による各種のピストンを用いた場合の、燃焼室の内壁面からの熱損失量を比較して示した図である。

図４Ａ及び図４Ｂを参照して前述したように、表面粗さを小さくしていくことで、圧縮上死点付近での熱伝達率及び熱流束が低減する。そのため、図６に示すように、表面粗さが小さくなるにつれて、燃焼室の内壁面からの熱損失量が低下していることが分かる。

以上説明した本実施形態によるピストン１００は、ピストン冠面１２に被膜４が形成されたピストンであって、被膜４の表面粗さが、ピストン冠面１２を機械加工によって加工した場合における到達限界表面粗さ以下である。

このように、表面粗さが、ピストン冠面１２を例えば切削又は研削等の機械加工によって加工した場合における到達限界表面粗さ以下の被膜４を、ピストン冠面１２に形成することで、燃焼ガスとピストン間の熱伝達率を小さくすることができる。そのため、燃焼ガスからピストンへの熱移動量（熱損失量）を減少させて燃焼室の内壁面からの熱損失を低減させることができる。また燃焼ガスとピストン間の熱伝達率を小さくすることで、被膜４の表面温度が高温になるのを抑制できる。そのため、表面温度が高温になるのに起因して熱伝達率がさらに上がるのを抑制しつつ、被膜４の劣化を抑制することができ、被膜４の劣化に起因する熱損失の悪化を抑制できる。

また本実施形態によるピストン１００の被膜４は、ピストン１００の母材よりも耐酸化性の高い材料によって形成される。

ピストン冠面１２に被膜４を形成しない場合は、初期のピストン冠面１２の表面を研磨していたとしても、錆の発生等によって徐々に表面粗さが大きくなり、熱損失が悪化するおそれがある。これに対して、ピストン冠面１２に耐酸化性の高い被膜４を形成することで、被膜４の表面に錆が発生するのを抑制することができる。そのため、熱損失の悪化を抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態によるピストン１００について説明する。本実施形態によるピストン１００は、ピストン裏面側に遮熱膜５を形成した点で、第１実施形態と相違する。

図７は、第１実施形態の図２に相当する本実施形態によるピストン１００の断面図である。図８は、本実施形態によるピストン１００の裏面図である。

図７及び図８に示すように、本実施形態によるピストン１００は、ピストン裏面１３の一部に遮熱膜５を備える。本実施形態では、ピストン裏面１３にジルコニア材（ＺｒＯ_２）を溶射することで厚さが０．４［ｍｍ］以上の遮熱膜５を形成している。

遮熱膜５は、ピストン裏面１３からの熱が逃げるのを抑制する機能を有する。これにより、ピストンヘッド１の温度低下を抑制して熱損失を低減させることができる。そのために本実施形態では、遮熱膜５は、主にキャビティ１２ａの裏側を覆うように形成される。具体的には遮熱膜５は、キャビティの裏側に形成される第１遮熱膜５ａと、ピストン裏面１３の一部であり、ピストン冷却用のオイルが噴射される溝部１４の内側に形成される第２遮熱膜５ｂと、を備える。

なお、第２遮熱膜５ｂを溝部１４の内周面の全面に形成せず、内側の一部にだけ形成したのは以下の理由によるものである。すなわち、第２遮熱膜５ｂを溝部１４の内周面の全面に形成してしまうと、ピストン１００の熱がピストンリングや冷却油等を介して逃げにくくなり、ピストンが過剰に高温となって焼き付き等を起こしてしまうおそれがあるためである。

以上説明した本実施形態によるピストン１００は、ピストン裏面１３に遮熱膜５をさらに備える。これにより第１実施形態と同様の効果が得られると共に、ピストン裏面１３からの熱が逃げるのを抑制することができる。そのため、ピストンヘッド１の温度低下を抑制することができるので、熱損失をさらに低減させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば上記の各実施形態では、耐酸化性の高い被膜４の材料としてＳＵＳ材を使用していが、必ずしもＳＵＳ材に限られるものではなく、例えばチタンなどを使用しても良い。また被膜４の熱伝導率は母材よりも低い方が断熱の観点からは好ましいが、必ずしも低い必要はなく、被膜４の材料として、母材と同程度の熱伝導率の材料を用いても良い。

また上記の各実施形態では、ピストン冠面１２の全面に被膜４を形成していたが、例えばキャビティ部分など、一部にのみ被膜４を形成するようにしても良い。しかしながら、表面粗さの変化（悪化）を抑制するためには、ピストン冠面１２の全面に被膜４を形成した方がより好ましい。

また上記の第２実施形態では、遮熱膜５の材料としてジルコニア材を使用していたが、必ずしもジルコニアに限られるものではなく、例えばアルミナなどを使用しても良い。

４ 被膜
５ 遮熱膜
１２ ピストン冠面
１００ ピストン

上記課題を解決するために、本発明のある態様によるピストンは、ピストン冠面に被膜が形成されており、被膜の表面粗さが、前記ピストン冠面を機械加工によって加工した場合における到達限界表面粗さ以下となるように構成され、被膜の材料は、ピストンの母材よりも耐酸化性の高い材料とされる。

上記課題を解決するために、本発明のある態様によるピストンは、ピストン冠面に被膜が形成されており、被膜の表面粗さが、前記ピストン冠面を機械加工によって加工した場合における到達限界表面粗さ以下となるように構成され、被膜の材料は、ピストンの母材よりも耐酸化性の高い材料であり、ピストンの母材は鉄であり、被膜の材料はＳＵＳ材である。

Claims (6)

1. ピストン冠面に被膜が形成されたピストンであって、
   前記被膜の表面粗さが、前記ピストン冠面を機械加工によって加工した場合における到達限界表面粗さ以下である、
   ピストン。
2. 前記被膜の表面の算術平均粗さが１．２μｍ以下である、
   請求項１に記載のピストン。
3. 前記被膜の材料は、前記ピストンの母材よりも耐酸化性の高い材料である、
   請求項１又は請求項２に記載のピストン。
4. 前記ピストンの母材は、鉄であり、
   前記被膜の材料は、ＳＵＳ材である、
   請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のピストン。
5. 前記被膜は、ピストン冠面の全面に形成される、
   請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のピストン。
6. ピストン裏面に遮熱膜を備える、
   請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のピストン。

Images