JP2013164028A - ピストン - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室を断熱するにあたり、熱特性が一定のレベルの多孔質断熱材を断熱材として頂部に適用する場合であっても、冷却損失の低減と吸気加熱の抑制との両立を図ることが可能なピストンを提供する。
【解決手段】ピストン１Ａは例えばエンジン５０に設けられ、燃焼ガスに曝される頂部２ａと、頂部２ａの中央部２ａａおよび周辺部２ａｂのうち、周辺部２ａｂに設けられた断熱材３とを備えている。断熱材３は多孔質断熱材であり、断熱材３には例えばジルコニア、窒化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、イットニア、窒化アルミ、ステアタイト、コージェライト、ムライト、シリカなどのセラミックスを用いることができる。断熱材３はこれらの複合化材料によって作製されてもよい。
【選択図】図２

Description

本発明はピストンに関する。

エンジンでは燃焼室の断熱性を高めることで、冷却損失の低減による熱効率の向上を図ることができる。この点、特許文献１ではエンジン燃焼室の内面に空孔率が２０％以上である陽極酸化被膜を形成するエンジン燃焼室構造が開示されている。このエンジン燃焼室構造では空孔率を２０％以上とすることで、陽極酸化被膜の熱伝導率および体積熱容量を低減し、これにより燃焼室の断熱性を高めている。

このほか例えば特許文献２では燃焼室の壁面に多孔質断熱部材を備える内燃機関が開示されている。また、特許文献３ではピストン頂面の燃料衝突部を含む領域が低熱伝導率且つ低比熱の部材または構造体により構成されている筒内噴射式火花点火内燃機関が開示されている。

特開２０１０−２４９００８号公報 特開２０１１−２２５４０７号公報 特開平１１−１９３７２１号公報

多孔質断熱材を燃焼室の断熱に利用する場合、熱伝導率が低く、且つ体積熱容量が小さいという熱特性を利用して燃焼室の断熱性を高めることができる。ところが、多孔質断熱材の熱特性が必ずしも良好とは言えないレベルである場合には、筒内ガス温に対する燃焼室壁温の追従性（以下、壁温スイングと称す）が低下する結果、冷却損失の低減効果が縮小する虞があるほか、定常的な燃焼室壁温の上昇を招くことで、吸気が加熱される虞がある。以下、この点について説明する。

図１３は壁温スイングの説明図である。図１３（ａ）は燃焼室壁面を構成する多孔質断熱材の熱特性が良好である場合を示す。図１３（ｂ）は燃焼室壁面を構成する多孔質断熱材の熱特性が図１３（ａ）の場合ほど良好ではない場合を示す。図１３（ａ）、図１３（ｂ）において縦軸は温度、横軸は燃焼サイクルを示し、線Ｌ１は筒内ガス温、線Ｌ２は燃焼室壁温を示す。

図１３（ａ）に示すように多孔質断熱材の熱特性が良好である場合には、熱伝導率が低いだけでなく、体積熱容量も小さい結果、高い壁面スイングが得られる。一方、図１３（ｂ）に示すように多孔質断熱材の熱特性が図１３（ａ）の場合ほど良好でない場合には、壁面スイングも低下する。

結果、図１３（ａ）に示すように多孔質断熱材の熱特性が良好である場合には、燃焼行程から排気行程にかけて燃焼室壁面の温度が大きく上昇する。また、排気行程から圧縮行程にかけて燃焼室壁面の温度が大きく低下する。そしてこれにより、燃焼行程から排気行程にかけて高い冷却損失の低減効果を得ることができる。また、排気行程から圧縮行程にかけて高い吸気加熱の抑制効果を得ることできる。

一方、図１３（ｂ）に示すように多孔質断熱材の熱特性が図１３（ａ）の場合ほど良好でない場合には、燃焼行程から排気行程にかけて燃焼室壁面の温度上昇度合いが図１３（ａ）に示す場合よりも小さくなる。結果、図１３（ａ）に示す場合と比較して冷却損失の低減効果が縮小することになる。

また、この場合には排気行程から圧縮行程にかけて燃焼室壁面の温度低下度合いが図１３（ａ）に示す場合よりも小さくなる。同時にこの場合には、冷却水温と比較して燃焼室壁面の温度が相当高くなっている。これは、熱特性が良好ではない分、燃焼室壁温の上昇が定常的になったためである。このためこの場合には吸気が加熱される結果、異常燃焼やノッキングが発生する虞もある。

この点、このような懸念は熱特性が良好な多孔質断熱材で燃焼室壁面を構成する場合には特に必要がないものとも言える。ところが、熱特性が良好な多孔質断熱材ですべての燃焼室壁面を構成することは必ずしも現実的とは言えない面もある。このため、燃焼室壁面のうち、可能な部分については、仮に熱特性が燃焼室の断熱にとって必ずしも良好或いは理想的とは言えない一定のレベルの多孔質断熱材を断熱材として適用した場合であっても、冷却損失の低減と吸気加熱の抑制との両立を図ることが可能な技術が望まれる。

本発明は上記課題に鑑み、燃焼室を断熱するにあたり、熱特性が一定のレベルの多孔質断熱材を断熱材として頂部に適用する場合であっても、冷却損失の低減と吸気加熱の抑制との両立を図ることが可能なピストンを提供することを目的とする。

本発明は燃焼ガスに曝される頂部と、前記頂部の中央部および周辺部のうち、周辺部に設けられた多孔質断熱材とを備え、エンジンに設けられるピストンである。

本発明は前記エンジンの燃焼室とは反対の側から前記多孔質断熱材に隣接する空間を形成する空間形成部をさらに備える構成とすることができる。

本発明によれば、燃焼室を断熱するにあたり、熱特性が一定のレベルの多孔質断熱材を断熱材として頂部に適用する場合であっても、冷却損失の低減と吸気加熱の抑制との両立を図ることができる。

エンジンの概略構成図である。 実施例１のピストンを示す図である。 実施例１のピストンの作用効果の説明図である。 実施例１のピストンの第１の変形例を示す図である。 実施例２のピストンを示す図である。 実施例２のピストンの作用効果の第１の説明図である。 実施例２のピストンの作用効果の第２の説明図である。 実施例１のピストンの第２の変形例を示す図である。 実施例３のピストンを示す図である。 実施例３のピストンの第１の変形例を示す図である。 実施例３のピストンの第２の変形例を示す図である。 実施例３のピストンの第３の変形例を示す図である。 壁温スイングの説明図である。

図面を用いて、本発明の実施例について説明する。

図１はエンジン５０の概略構成図である。エンジン５０は火花点火式の内燃機関となっている。また、筒内燃料直接噴射式の内燃機関となっている。エンジン５０はピストン１Ａのほか、シリンダブロック５１とシリンダヘッド５２と吸気弁５３と排気弁５４と点火プラグ５５と燃料噴射弁５６とを備えている。

シリンダブロック５１には、シリンダ５１ａが形成されている。シリンダ５１ａ内にはピストン１Ａが収容されている。シリンダブロック５１の上面にはシリンダヘッド５２が固定されている。燃焼室Ｅはピストン１Ａ、シリンダブロック５１およびシリンダヘッド５２に囲まれた空間として形成されている。シリンダヘッド５２には燃焼室Ｅに吸気を導く吸気ポート５２ａと、燃焼室Ｅからガスを排出する排気ポート５２ｂとが形成されている。また、吸気ポート５２ａを開閉する吸気弁５３と、排気ポート５２ｂを開閉する排気弁５４とが設けられている。点火プラグ５５は燃焼室Ｅの上死点側中央の部分に電極を突出させた状態でシリンダヘッド５２に設けられている。燃料噴射弁５６は燃焼室Ｅに燃料を噴射できるようにシリンダヘッド５２に設けられている。

図２はピストン１Ａを示す図である。図２（ａ）はピストン１Ａの正面図、図２（ｂ）はピストン１Ａの上面図となっている。ピストン１Ａは母材２Ａと断熱材３とを備えている。なお、図２（ａ）では厚さを誇張して断熱材３を示している。母材２Ａはアルミ合金製であり、燃焼ガスに曝される頂部２ａを備えている。頂部２ａは中央部２ａａと周辺部２ａｂとを備えている。中央部２ａａは燃料噴射弁５６が噴射する燃料が衝突する燃料衝突部になっている。

断熱材３は多孔質断熱材であり、頂部２ａの中央部２ａａおよび周辺部２ａｂのうち、周辺部２ａｂに設けられている。断熱材３には例えばジルコニア、窒化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、イットニア、窒化アルミ、ステアタイト、コージェライト、ムライト、シリカなどのセラミックスを用いることができる。断熱材３はこれらの複合化材料によって作製されてもよい。断熱材３は空孔率が例えば２０％以上の多孔質断熱材とすることができる。

次にピストン１Ａの作用効果について説明する。図３はピストン１Ａの作用効果の説明図である。ピストン１Ａは中央部２ａａおよび周辺部２ａｂのうち、周辺部２ａｂに設けられた断熱材３を備えている。このため、ピストン１Ａは頂部２ａのうち、周辺部２ａｂに断熱材３を設けている分、冷却損失の低減を図ることができる。また、ピストン１Ａは頂部２ａに占める断熱材３の占有面積が頂部２ａ全体に断熱材３を設ける場合と比較して中央部２ａａの分だけ小さい分、断熱材３が保持可能な熱量を少なくすることができる。このため、ピストン１Ａは吸気が断熱材３を冷却するように作用しても、吸気が加熱されることも抑制できる。

この点、ピストン１Ａは周辺部２ａｂに断熱材３を設けることで、吸気行程や圧縮行程において新気のほかスキッシュエリアＳで発生するスキッシュ流や渦流によって、断熱材３を冷却することができる。そしてこれにより、断熱材３を冷却することで断熱材３の定常的な温度上昇を招くことも回避できる。このため、ピストン１Ａは燃焼室Ｅを断熱するにあたり、熱特性が一定のレベルの多孔質断熱材を断熱材３として頂部２ａに適用する場合であっても、冷却損失の低減と吸気加熱の抑制との両立を図ることができる。なお、周辺部２ａｂは具体的には図３に示すようにスキッシュ流を形成可能なように形成されていてよい。

ピストン１Ａは中央部２ａａにおいて母材２Ａを燃焼室Ｅに露出させることで、中央部２ａａにおける熱の引きを良くし、これにより吸気加熱を抑制することもできる。この場合、ピストン１Ａは例えば異常燃焼やノッキングを抑制可能な範囲内で頂部２ａに占める周辺部２ａｂの占有面積を大きく確保することで、冷却損失の低減と吸気加熱の抑制との両立をより好適に図ることを可能にすることもできる。

火花点火式の内燃機関であるエンジン５０では、中央部２ａａが２０００℃以上の高温となる燃焼初期火炎Ｈが接する部分となる。すなわち、中央部２ａａが頂部２ａのうち、最も熱負荷が高い部分となる。このため、エンジン５０では中央部２ａａに熱特性が一定のレベルの多孔質断熱材を断熱材３として設けると断熱材３が溶融する虞もある。これに対し、ピストン１Ａは中央部２ａａおよび周辺部２ａｂのうち、周辺部２ａｂに断熱材３を設けることで、断熱材３が溶融することも防止できる。このため、ピストン１Ａはさらに断熱材３の溶融を防止できることと相俟って、エンジン５０が火花点火式の内燃機関である場合に好適である。

筒内燃料直接噴射式の内燃機関であるエンジン５０では、燃焼噴射弁５６から噴射された燃料Ｆが中央部２ａａに衝突する。このため、エンジン５０では中央部２ａａに断熱材３を設けると断熱材３に燃料が浸透することで、断熱材３の断熱性が低下する虞もある。これに対し、ピストン１Ａは中央部２ａａおよび周辺部２ａｂのうち、周辺部２ａｂに断熱材３を設けることで、断熱材３に燃料が浸透することも抑制できる。このため、ピストン１Ａはさらに断熱材３の断熱性低下を抑制できることと相俟って、エンジン５０が中央部２ａａに燃料が衝突する筒内燃料直接噴射式の内燃機関である場合に好適である。

ピストン１Ａは次に説明するように燃料の気化潜熱の観点から吸気通路に燃料を噴射する内燃機関にも好適である。すなわち、吸気通路に燃料を噴射する内燃機関においては、燃料の気化潜熱を冷却に利用できないところ、仮に中央部２ａａにも断熱材３を設けた場合には頂部２ａに占める断熱材３の占有面積が大きくなる。そして、この場合に熱特性が一定のレベルの多孔質断熱材を断熱材３として適用すると、占有面積が大きい分、吸気加熱が特に助長され易くなる。

これに対し、ピストン１Ａは中央部２ａａおよび周辺部２ａｂのうち、周辺部２ａｂに断熱材３を設けることで、頂部２ａに占める断熱材３の占有面積が中央部２ａａの分だけ小さい分、吸気加熱が助長され難くなるようにすることができる。このため、ピストン１Ａは気化潜熱の観点から吸気加熱が特に助長され易くなることに対し、吸気加熱が助長され難くなるようにすることができることと相俟って、吸気通路に燃料を噴射する内燃機関にも好適である。

ピストン１Ａは次のように構成されてもよい。図４はピストン１Ａの第１の変形例であるピストン１ＡＡを示す図である。図４（ａ）はピストン１ＡＡの正面図、図４（ｂ）はピストン１ＡＡの上面図となっている。ピストン１ＡＡは断熱材４をさらに備えている点以外、ピストン１Ａと実質的に同一となっている。断熱材４は中央部２ａａおよび周辺部２ａｂのうち、中央部２ａａに設けられている。断熱材４は断熱材３よりも空孔率が低い緻密質断熱材となっている。また、燃焼初期火炎に耐えることが可能な耐熱性（例えば２０００℃以上の耐熱性）を有している。断熱材４には例えばジルコニア、窒化アルミなどのセラミックス、またはカーボンを主成分とする材料を用いることができる。断熱材３、４は空孔率が互いに異なる同じ材料で作製されてもよい。

このように構成されたピストン１ＡＡは中央部２ａａに断熱材４を備えることで、ピストン１Ａと比較して更なる冷却損失の低減を図ることができる。また、断熱材４が燃焼初期火炎に耐えることが可能な耐熱性を有することから、火花点火式の内燃機関に用いることもできる。また、中央部２ａａに設けた断熱材４が断熱材３よりも空孔率が低い緻密質断熱材となっていることから、中央部２ａａに燃料が衝突する筒内燃料直接噴射式の内燃機関に用いた場合に断熱性が低下することも抑制できる。

図５はピストン１Ｂを示す図である。ピストン１Ｂは母材２Ｂと断熱材５とを備えている。母材２Ｂは空間形成部２ａｃをさらに備える点以外、母材２Ａと実質的に同一となっている。断熱材５には断熱材３と同様の多孔質断熱材が適用されている。ピストン１Ｂは例えばピストン１Ａの代わりにエンジン５０に設けることができる。この点、断熱材５には例えば断熱材４と同様の緻密質断熱材を適用してもよい。

ピストン１Ｂでは空間形成部２ａｃが中央部２ａａに凹状に設けられるとともに、断熱材５が空間形成部２ａｃの底部との間に空間Ｒを有して空間形成部２ａｃに設けられている。そしてこれにより、空間形成部２ａｃと断熱材５とがともに中央部２ａａに設けられている。ピストン１Ｂではこのように空間形成部２ａｃと断熱材５とを設けることで、空間形成部２ａｃが燃焼室Ｅとは反対の側から断熱材５に隣接する空間Ｒを形成するようになっている。

次にピストン１Ｂの作用効果について説明する。図６はピストン１Ｂの作用効果の第１の説明図である。図７はピストン１Ｂの作用効果の第２の説明図である。図６（ａ）から図６（ｄ）は吸気行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程の順でピストン１Ｂの頂部２ａに作用する燃焼室Ｅの状態を模式的に示す。図７において線Ｌ１１は筒内ガス温、線Ｌ１２は断熱材５の表面温度を示す。

図６に示すように、吸気行程では新気が導入されることで、断熱材５が冷却され、圧縮行程では筒内ガスの圧力が高まる。そして、燃焼行程では高温の燃焼ガスが頂部２ａに作用し、排気行程では筒内ガスが排出される。この点、ピストン１Ｂは空間Ｒを形成する空間形成部２ａｃを備えることで、断熱材５の背後から燃焼室Ｅの断熱性を高めるようにすることができる。

このため、ピストン１Ｂは図７に示すように燃焼行程において断熱材５の温度を高めることができる。そしてこれにより、中央部２ａａに断熱材５を設けた分、冷却損失を低減するだけでなく、筒内ガス温と断熱材５の表面温度との温度差を縮小することでも、冷却損失を低減できる。また、ピストン１Ｂでは頂部２ａに占める断熱材５の占有面積が頂部２ａ全体に断熱材５を設ける場合と比較して周辺部２ａｂの分だけ小さいことから、この分、断熱材５が保持可能な熱量を少なくすることで、吸気加熱も抑制できる。このため、ピストン１Ｂは熱特性が一定のレベルの多孔質断熱材を断熱材５として適用した場合でも、冷却損失の低減と吸気加熱の抑制との両立を図ることができる。

一方、同様の構造は例えばピストン１Ａにも適用できる。図８はピストン１Ａの第２の変形例であるピストン１ＡＢを示す図である。ピストン１ＡＢは空間形成部２ａｃ´をさらに備える点以外、ピストン１Ａと実質的に同一となっている。空間形成部２ａｃ´は周辺部２ａｂに一周に亘って溝状に設けられている。そしてこれにより、燃焼室Ｅとは反対の側から断熱材３に隣接する空間Ｒを形成している。このように構成されたピストン１ＡＢは筒内ガス温と断熱材３の表面温度との温度差を縮小することで、ピストン１Ａと比較して更なる冷却損失の低減を図ることができる。

図９はピストン１Ｃを示す図である。図９（ａ）はピストン１Ｃの正面図、図９（ｂ）はピストン１Ｃの要部拡大図となっている。ピストン１Ｃはメッシュ構造体６をさらに備える点以外、ピストン１Ｂと実質的に同一となっている。同様の変更は後述する変形例を含め、例えばピストン１ＡＢに対して行うこともできる。メッシュ構造体６は空間Ｒに設けられている。メッシュ構造体６は金属製であり、複数の金属線を互いに直交する３つの方向それぞれに沿って張り巡らせながら互いに連結したような構造を有している。複数の金属線は具体的にはピストン１Ｃの中心軸線と当該中心軸線に直交する２つの方向それぞれに沿って張り巡らされている。複数の金属線は互いに直交する３つの方向それぞれに沿って例えば等間隔に張り巡らせることができる。

次にピストン１Ｃの作用効果について説明する。ピストン１Ｃは空間Ｒにメッシュ構造体６を備えることで、空間Ｒを空間として維持しつつ、断熱材５を支持することができる。そしてこれにより、断熱材５の背後から燃焼室Ｅの断熱性を高めることを可能にしつつ、断熱材５を支持することができる。

ピストン１Ｃはさらに次のように構成されてもよい。図１０はピストン１Ｃの第１の変形例であるピストン１ＣＡを示す図である。図１０（ａ）はピストン１ＣＡの正面図、図１０（ｂ）はピストン１ＣＡの要部拡大図となっている。ピストン１ＣＡはさらに断熱材５に一部が埋没するようにメッシュ構造体６が設けられている点以外、ピストン１Ｃと実質的に同一となっている。この場合にはさらに断熱材５と母材２Ｂとの接合力を高めることができるほか、断熱材５からの熱の引きを良くすることもできる。

ピストン１Ｃはさらに次のように構成することもできる。図１１はピストン１Ｃの第２の変形例であるピストン１ＣＢを示す図である。図１１（ａ）はピストン１ＣＢの正面図、図１０（ｂ）はピストン１ＣＢの要部拡大図となっている。ピストン１ＣＢはメッシュ構造体６の代わりにメッシュ構造体６´を備える点以外、ピストン１Ｃと実質的に同一となっている。メッシュ構造体６´はさらに複数の金属線のうち、中心軸線に沿って延伸する金属線の太さが中心軸線に直交する２つの方向それぞれに沿って延伸する金属線の太さよりも太く設定されている点以外、メッシュ構造体６と実質的に同一となっている。この場合には断熱材５を支持するにあたって、さらに圧縮強度を高めることができる。

ピストン１Ｃはさらに次のように構成することもできる。図１２はピストン１Ｃの第３の変形例であるピストン１ＣＣを示す図である。図１２（ａ）はピストン１ＣＣの正面図、図１２（ｂ）はピストン１ＣＣの要部拡大図となっている。ピストン１ＣＣはメッシュ構造体６の代わりにメッシュ構造体６´´を備える点以外、ピストン１Ｃと実質的に同一となっている。メッシュ構造体６´´はさらにピストン１ＣＣの中心軸線に沿った各部の位置が断熱材５に近い場合ほど、各部の熱膨張率が小さく設定されている点以外、メッシュ構造体６と実質的に同一となっている。この場合には断熱材５を支持するにあたって、さらに熱膨張差による断熱材５の破損が発生することを抑制できる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

ピストン １Ａ、１ＡＡ、１ＡＢ、１Ｂ、１Ｃ、１ＣＡ、１ＣＢ、１ＣＣ
母材 ２Ａ、２Ｂ
頂部 ２ａ
中央部 ２ａａ
周辺部 ２ａｂ
空間形成部 ２ａｃ、２ａｃ´
断熱材 ３、４、５

Claims (2)

1. 燃焼ガスに曝される頂部と、
   前記頂部の中央部および周辺部のうち、周辺部に設けられた多孔質断熱材とを備え、エンジンに設けられるピストン。
2. 請求項１記載のピストンであって、
   前記エンジンの燃焼室とは反対の側から前記多孔質断熱材に隣接する空間を形成する空間形成部をさらに備えるピストン。
   

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