WO2017115711A1 - 内燃機関用ピストン - Google Patents

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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/28—Other pistons with specially-shaped head
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16J1/00—Pistons; Trunk pistons; Plungers
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 

Definitions

  • the present invention relates to a piston for an internal combustion engine.
  • Patent Document 1 discloses a piston for an internal combustion engine in which a groove having a certain depth extending in the circumferential direction is formed in a top land. This groove is for keeping unburned fuel inside.
  • Patent Document 1 has a problem in that the concentration of unburned fuel in the exhaust gas is relatively high because unburned fuel remains in the groove.
  • an object of the present invention is to provide a piston for an internal combustion engine that can reduce the concentration of unburned fuel in exhaust gas.
  • a piston for an internal combustion engine of the present invention includes a top land formed such that a plurality of partial grooves extending in the circumferential direction are spaced apart from each other in the circumferential direction, and each of the plurality of partial grooves is The depth is continuously reduced from the center toward both ends.
  • Each of the plurality of partial grooves may be configured such that the bottom of the partial groove extends linearly in a direction perpendicular to the radial direction of the top land. According to this configuration, the groove can be formed at a low cost.
  • the number of the plurality of partial grooves may be 3 or more, and the sum of the occupied angles of the plurality of partial grooves may be 60 degrees or more and 270 degrees or less. If the sum of the occupying angles of the partial grooves is 60 degrees or more, the concentration of unburned fuel in the exhaust can be significantly reduced. If the sum of the occupying angles of the partial grooves is 270 degrees or less, the partial grooves are It can be easily processed.
  • the concentration of unburned fuel in the exhaust can be reduced.
  • FIG. 1 is a plan view of a piston for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention. It is a side view of the piston shown in FIG. It is sectional drawing to which the principal part of the piston shown in FIG. 1 was expanded. It is sectional drawing to which the principal part of the piston of a modification was expanded. It is the experimental result performed in order to confirm the effect by a some partial groove
  • the fuel of the internal combustion engine in which the piston 1A is used may be fuel oil such as gasoline or heavy oil, or may be fuel gas such as natural gas or hydrogen.
  • the piston 1A has a top surface 2 and a peripheral surface, and a plurality of ring grooves 5 are formed on the peripheral surface.
  • piston rings 6 are arranged as shown in FIG.
  • the ring groove 5 located on the uppermost side (top surface 2 side) of the ring grooves 5 is the top ring groove 51, and the portion between the top ring groove 51 and the top surface 2 on the peripheral surface of the piston 1 ⁇ / b> A is the top land 3. It is.
  • a plurality of (three in the illustrated example) partial grooves 4 are formed in the top land 3 so as to be spaced apart from each other in the circumferential direction.
  • the partial grooves 4 are desirably arranged at equal intervals, but may be arranged at unequal intervals.
  • Each partial groove 4 extends in the circumferential direction.
  • the number of partial grooves 4 may be two or four or more.
  • each partial groove 4 is configured so that the depth continuously decreases from the center toward both ends.
  • the sectional shape of each partial groove 4 is a rectangular shape having side surfaces and a bottom surface that are parallel to each other.
  • the sectional shape of each partial groove 4 may be, for example, a triangular shape in which the upper side surface is flat and the lower side surface is inclined like the combustion engine piston 1B of the modification shown in FIG.
  • each partial groove 4 is configured such that the bottom of the partial groove 4 extends linearly in a direction perpendicular to the radial direction of the top land 3.
  • the bottom of each partial groove 4 may be curved in a convex shape or a concave shape. Or when the bottom of each partial groove
  • the depth of both ends of each partial groove 4 is zero, in other words, the depth of the partial groove 4 is continuously shallow from the center to zero toward both ends.
  • the depths at both ends of each partial groove 4 are not necessarily zero, and a slight step may be formed at both ends of each partial groove 4.
  • the occupation angle ⁇ of each partial groove 4 is not particularly limited, but is, for example, 15 to 45 degrees.
  • the number of partial grooves 4 is preferably 3 or more.
  • the inventors of the present invention use a piston 1A of the present embodiment in which three partial grooves 4 are formed in the top land 3 in an internal combustion engine using natural gas as fuel.
  • the THC (Total Hydro Carbon) concentration in the exhaust gas was measured using a reference piston in which the partial groove 4 was not formed in the topland 3 (that is, the top land of the reference piston was a cylindrical shape without irregularities).
  • the reference piston had a THC concentration of 580 ppm
  • the piston 1A of the present embodiment had a THC concentration of 450 ppm. This experiment revealed that the THC concentration was reduced by 130 ppm by the partial groove 4.
  • the self-ignition phenomenon (knocking) derived from the lubricating oil is reduced by making the lubricating oil difficult to burn.
  • a pressure wave is generated, and when the pressure wave collides with the cylinder wall surface 7, a knocking sound may be generated and the temperature boundary layer near the wall surface may be destroyed. This can suppress a self-ignition phenomenon that may cause various troubles, and can improve the quietness and reliability of the internal combustion engine.
  • each partial groove 4 since the bottom of each partial groove 4 extends linearly in a direction perpendicular to the radial direction of the top land 3, the partial groove 4 can be formed at low cost.
  • FIG. 5 shows the results of experiments conducted to confirm the effect of the plurality of partial grooves 4.
  • a solid line and a broken line in FIG. 5 represent Examples 1 and 2 in which a plurality of partial grooves 4 are formed in the top land 3, respectively.
  • a one-dot broken line and a two-dot broken line in FIG. Comparative Examples 1 and 2 in which a continuous annular groove is formed are shown.
  • FIG. 5 shows how much the THC concentration in the exhaust gas was reduced in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 as the engine operation time passed with respect to the reference piston having no partial groove and annular groove in the top land described above. Indicate.
  • each partial groove 4 having a bottom extending linearly in a direction orthogonal to the radial direction of the top land 3 are formed.
  • the occupation angle ⁇ of each partial groove 4 is 30 degrees, and the total sum is 90 degrees.
  • the central depth (maximum depth) of each partial groove 4 is about 3/100 with respect to the diameter of the top land 3.
  • the number of partial grooves 4 is changed from three to six as compared with the first embodiment. Therefore, in Example 2, the total sum of the occupation angles ⁇ of the partial grooves 4 is 180 degrees.
  • the depth of the annular groove is about 1/300 with respect to the diameter of the top land 3.
  • the depth of the annular groove is about 1/150 (twice that of Comparative Example 1) with respect to the diameter of the top land 3.

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Abstract

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。

Description

内燃機関用ピストン
　本発明は、内燃機関用ピストンに関する。
　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。
実開平５－８３３４６号公報
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
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１に示すピストンの側面図である。 図１に示すピストンの要部を拡大した断面図である。 変形例のピストンの要部を拡大した断面図である。 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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　１Ａ，１Ｂ　内燃機関用ピストン
　３　　トップランド
　４　　部分溝
 

Claims (3)

  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。
  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。
  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。
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