DE102020107355A1

DE102020107355A1 - COMBUSTION ENGINE PISTON

Info

Publication number: DE102020107355A1
Application number: DE102020107355.0A
Authority: DE
Inventors: Haruhiko Murakami; Shinya Masuhara; Tomohiro Nishiwaki
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2019-06-17
Filing date: 2020-03-17
Publication date: 2020-12-17
Also published as: JP2023086758A; JP7344460B2; JP7396525B2; FR3097274A1; JP2020204287A; JP2023086759A; JP7411171B2; FR3097274B1

Abstract

[Aufgabe] Bereitstellung eines Verbrennungsmotorkolbens , der eine weitere Reduzierung des Blowby-Gasflusses und der Anzahl der ausgetragenen Feinpartikel ermöglicht, der eine genaue Beurteilung der Oberflächenrauheit der anodischen Oxidschicht in Bezug auf die Strömungsrate des Blowby-Gases ermöglicht und der es ermöglicht, auf verlässliche Weise eine glatte anodische Oxidschicht auszubilden.[Mittel zur Lösung der Aufgabe] Ein Verbrennungsmotorkolben nach der vorliegenden Erfindung hat eine obere Ringnut 13 in einer äußeren Umfangsfläche 12. Ein Bereich einer innenliegenden Fläche der oberen Ringnut 13c, der mindestens eine innenliegende Fläche auf einer zu einer zweiten Ringnut hin gelegenen Seite ist und der mit einem oberen Ring 20 in Kontakt steht, ist mit einer anodischen Oxidschicht 20A ausgestattet. Die anodische Oxidschicht 20A weist eine Oberflächenrauheit Rpk gemäß JIS B 0671-2 von 1,00 µm oder weniger auf.[Object] To provide an internal combustion engine piston which enables the blow-by gas flow and the number of fine particles discharged to be further reduced, which enables the surface roughness of the anodic oxide film to be accurately assessed with respect to the flow rate of the blow-by gas, and which enables it to be reliably determined [Means for Solving the Problem] An internal combustion engine piston according to the present invention has an upper annular groove 13 in an outer peripheral surface 12. A portion of an inner surface of the upper annular groove 13c which has at least one inner surface on one to a second The side facing the annular groove and which is in contact with an upper ring 20 is provided with an anodic oxide layer 20A. The anodic oxide layer 20A has a surface roughness Rpk according to JIS B 0671-2 of 1.00 µm or less.

Description

[Gebiet der Technik][Field of technology]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotorkolben, genauer gesagt auf einen Verbrennungsmotorkolben, bei dem eine anodische Oxidschicht auf der innenliegenden Fläche einer oberen Ringnut gebildet ist.The present invention relates to an internal combustion engine piston, more specifically to an internal combustion engine piston in which an anodic oxide layer is formed on the inner surface of an upper annular groove.

[Stand der Technik][State of the art]

Um die Luftdichtheit eines Brennraums aufrechtzuerhalten und das Eindringen von Öl in den Brennraum zu unterdrücken, wird ein Kolbenring an der äußeren Umfangsfläche eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, wie z.B. einen Kraftfahrzeugmotor, angebracht. Der Kolbenring wird in eine Ringnut eingepasst, die in der äußeren Umfangsfläche des Kolbens ausgebildet ist. Von den Ringnuten unterliegt eine obere Ringnut, die dem Kolbenboden am nächsten liegt, Verschleiß und Adhäsion zwischen ihr selbst und dem oberen Kolbenring, so dass zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit und der Anti-Aluminium-Adhäsionseigenschaft der oberen Ringnut eine Anodisierung der oberen Ringnut durchgeführt wird.In order to maintain the airtightness of a combustion chamber and suppress the ingress of oil into the combustion chamber, a piston ring is attached to the outer peripheral surface of a piston for an internal combustion engine such as a piston ring. an automobile engine attached. The piston ring is fitted into an annular groove formed in the outer peripheral surface of the piston. Of the ring grooves, an upper ring groove closest to the piston crown is subject to wear and adhesion between itself and the upper piston ring, so anodizing of the upper ring groove is performed to improve the wear resistance and anti-aluminum adhesion property of the upper ring groove.

Insbesondere jedoch wenn eine anodische Oxidschicht auf der oberen Ringnut eines Kolbens gebildet wird, der aus einer Aluminiumlegierung besteht, die zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit und der Anti-Aluminium-Adhäsionseigenschaft Silizium (Si) enthält, werden auf der Oberfläche der anodischen Oxidschicht aufgrund des in der Aluminiumlegierung enthaltenen Si Vorsprünge und Vertiefungen gebildet. So entsteht während des Motorbetriebs eine große Anzahl winziger Spalte zwischen der oberen Ringnut und dem oberen Kolbenring, was z.B. zu einer Erhöhung der Strömungsrate des Blowby-Gases und zu einer Verschlechterung der Öldichtleistung führt.In particular, however, when an anodic oxide layer is formed on the upper ring groove of a piston made of an aluminum alloy containing silicon (Si) to improve wear resistance and anti-aluminum adhesion property, the surface of the anodic oxide layer due to the in the Aluminum alloy contained Si protrusions and depressions are formed. Thus, during engine operation, a large number of tiny gaps arise between the upper ring groove and the upper piston ring, which e.g. leads to an increase in the flow rate of the blowby gas and a deterioration in the oil sealing performance.

Nach der Offenbarung der Patentliteratur 1 ist es möglich, bei einem Kolben, dessen Hauptkörper aus einem Gussmaterial vom Typ Aluminium-Silicium-Legierung hergestellt ist, beim Durchführen einer Anodisierung im Bereich der oberen Ringnut im äußeren Umfangsbereich des Kolben-Hauptkörpers eine glatte Oberflächenrauheit Ra dieser anodischen Oxidschicht von 1,5 µm oder weniger zu erreichen und somit die Strömungsrate des Blowby-Gases während des Motorbetriebs zu reduzieren, wenn die Korngröße des Si-Primärkristalls und des eutektischen Si, das in diesem Gussmaterial kristallisiert, 10 µm oder weniger beträgt.According to the disclosure of Patent Literature 1, it is possible in a piston whose main body is made of a cast material of the aluminum-silicon alloy type, when performing anodization in the region of the upper ring groove in the outer peripheral region of the piston main body, a smooth surface roughness Ra of this to achieve an anodic oxide layer of 1.5 µm or less and thus reduce the flow rate of the blowby gas during engine operation when the grain size of the Si primary crystal and the eutectic Si that crystallizes in this casting material is 10 µm or less.

[Liste der Anführungen][List of citations]

[Patentliteratur][Patent literature]

[Patentliteratur 1] JP H09-159022 A [Patent Literature 1] JP H09-159022 A

[Zusammenfassung der Erfindung][Summary of the invention]

[Technische Aufgabe][Technical task]

In dem in Patentliteratur 1 offenbarten Beispiel liegt jedoch die Oberflächenrauheit Ra aller anodischen Oxidschichten im Bereich von 1,1 bis 1,5 µm oder weniger, und bei dem im Patentliteratur 1 beschriebenen Verfahren, bei dem der Kolben-Hauptkörper aus einer vorbestimmten Aluminiumlegierung gebildet wird, bei dem die Anodisierung durchgeführt wird, beträgt der untere Grenzwert der Oberflächenrauheit Ra der anodischen Oxidschicht 1,1 µm, so dass es schwierig ist, eine weitere Reduzierung der Strömungsrate des Blowby-Gases zu erreichen.In the example disclosed in Patent Literature 1, however, the surface roughness Ra of all anodic oxide films is in the range of 1.1 to 1.5 µm or less, and in the method described in Patent Literature 1 in which the piston main body is formed from a predetermined aluminum alloy , in which anodization is performed, the lower limit of the surface roughness Ra of the anodic oxide film is 1.1 µm, so it is difficult to achieve further reduction in the flow rate of the blow-by gas.

Hinsichtlich der Oberflächenrauheit der anodischen Oxidschicht, die sich auf der oberen Ringnut des Kolbens bildet, haben die Erfinder der gegenständlichen Erfindung erkannt, dass nur eine schwache Korrelation zwischen dem Kennwert der Oberflächenrauheit Ra, wie in Patentliteratur 1 gemessen, und der Strömungsrate des Blowby-Gases besteht. Beispielsweise ist nach einem Messergebnis die Strömungsrate des Blowby-Gases bei einem Kolben mit einer anodischen Oxidschicht mit einer Oberflächenrauheit Ra von 1,63 µm geringer als bei einem Kolben mit einer anodischen Oxidschicht mit einer Oberflächenrauheit Ra von 1,30 µm. Das heißt, in Bezug auf die Strömungsrate des Blowby-Gases ist eine genaue Auswertung auf Grundlage der Oberflächenrauheit Ra nicht möglich.With regard to the surface roughness of the anodic oxide layer that forms on the upper annular groove of the piston, the inventors of the present invention have recognized that there is only a weak correlation between the characteristic value of the surface roughness Ra, as measured in Patent Literature 1, and the flow rate of the blowby gas consists. For example, according to a measurement result, the flow rate of the blowby gas in a piston with an anodic oxide layer with a surface roughness Ra of 1.63 µm is lower than that in a piston with an anodic oxide layer with a surface roughness Ra of 1.30 µm. That is, with respect to the flow rate of the blowby gas, an accurate evaluation based on the surface roughness Ra is not possible.

Darüber hinaus wird zusätzlich zur Strömungsrate des Blowby-Gases eine Reduzierung der Anzahl ausgetragener Feinpartikel PN (Partikelnummer) gefordert, und auch wenn die Oberflächenrauheit Ra der anodischen Oxidschicht 1,5 µm oder weniger beträgt, ist es schwierig, einen vorgegebenen Richtwert zu erreichen.Furthermore, in addition to the flow rate of the blowby gas, a reduction in the number of discharged fine particles PN (Particle Number) is required, and even if the surface roughness Ra of the anodic oxide layer is 1.5 µm or less, it is difficult to achieve a predetermined standard.

Angesichts der oben genannten Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verbrennungsmotorkolben bereitzustellen, der eine weitere Reduzierung der Strömungsrate des Blowby-Gases und der Anzahl ausgetragener Feinpartikel ermöglicht, der es erlaubt, die Oberflächenrauheit der anodischen Oxidschicht in Bezug auf die Strömungsrate des Blowby-Gases genau zu beurteilen, und der es ermöglicht, auf verlässliche Weise eine glatte anodische Oxidschicht zu bilden.In view of the above problems, it is an object of the present invention to provide an internal combustion engine piston which enables a further reduction in the flow rate of blowby gas and the number of discharged fine particles, which allows the surface roughness of the anodic oxide layer to be reduced with respect to the flow rate of blowby -Gas accurately, and which makes it possible to reliably form a smooth anodic oxide layer.

[Technische Lösung][Technical solution]

Um die obige Aufgabe zu lösen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verbrennungsmotorkolben mit einer oberen Ringnut in einer äußeren Umfangsfläche bereitgestellt, wobei ein Bereich einer innenliegenden Fläche der oberen Ringnut, der mindestens ein innenliegender Flächenbereich (das heißt eine untere Oberfläche) auf einer zu einer zweiten Ringnut hin gelegenen Seite ist und der in Kontakt mit einem oberen Ring steht, mit einer anodischen Oxidschicht ausgestattet ist, und wobei eine Oberflächenrauheit Rpk der anodischen Oxidschicht gemäß JIS B 0671-2 1,00 µm oder weniger beträgt.In order to achieve the above object, according to the present invention, an internal combustion engine piston is provided with an upper annular groove in an outer peripheral surface, a portion of an inner surface of the upper annular groove, the at least one inner surface area (i.e., a lower surface) on one to one The side facing the second ring groove and which is in contact with an upper ring is provided with an anodic oxide film, and a surface roughness Rpk of the anodic oxide film is 1.00 µm or less according to JIS B 0671-2.

[Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung][Advantageous Effects of Invention]

Da nach der vorliegenden Erfindung die Korrelation mit der Strömungsrate des Blowby-Gases nach JIS B 0601 höher ist als im Falle des konventionellen Kennwerts Ra, ist es möglich, die Oberflächenrauheit der anodischen Oxidschicht in Bezug auf die Strömungsrate des Blowby-Gases genau zu bewerten. Zusätzlich ist es möglich, eine weitere Verbesserung der Luftdichtheit zwischen der anodischen Oxidschicht auf der Unterseite der oberen Ringnut und dem oberen Ring zu erreichen, wodurch es möglich ist, die Strömungsrate des Blowby-Gases während eines Motorbetriebs gegenüber dem Stand der Technik weiter zu reduzieren. Darüber hinaus ist es möglich, die Anzahl der ausgetragenen Feinpartikel PN auf einen Wert zu reduzieren, der nicht höher als ein vorgegebener Richtwert ist. Darüber hinaus ist es möglich, die mittels anodischer Oxidation zu bearbeitende Fläche der oberen Ringnut zu reduzieren, wodurch der erforderliche Energieverbrauch reduziert und die Bearbeitungszeit der anodischen Oxidation verkürzt werden können. Darüber hinaus ist es möglich, Schwankungen in der erzeugten Wärmemenge zu reduzieren und die Oberflächenrauheit Rpk weiter zu vermindern.According to the present invention, since the correlation with the flow rate of blowby gas according to JIS B 0601 is higher than that of the conventional value Ra, it is possible to accurately evaluate the surface roughness of the anodic oxide film with respect to the flow rate of blowby gas. In addition, it is possible to achieve a further improvement in the airtightness between the anodic oxide layer on the underside of the upper ring groove and the upper ring, whereby it is possible to further reduce the flow rate of the blowby gas during engine operation compared to the prior art. In addition, it is possible to reduce the number of fine particles PN discharged to a value that is not higher than a predetermined guide value. In addition, it is possible to reduce the area of the upper ring groove to be processed by means of anodic oxidation, as a result of which the required energy consumption can be reduced and the processing time for the anodic oxidation can be shortened. In addition, it is possible to reduce fluctuations in the amount of heat generated and to further reduce the surface roughness Rpk.

FigurenlisteFigure list

1 Fig. 13 is a schematic sectional view of the vicinity of an upper annular groove of an internal combustion engine piston according to an embodiment of the present invention.
2 Fig. 13 is a schematic sectional view of the vicinity of an upper annular groove of an internal combustion engine piston according to another embodiment of the present invention.
3 Figure 13 is a schematic cross-sectional view of an AC / DC overlay electrolytic layer that may be applied to an internal combustion engine piston in accordance with the present invention.
4th Fig. 13 is a schematic sectional view of a conventional direct current overlay electrolytic layer.
5 Figure 13 is a schematic cross-sectional view of a DC overlay electrolytic layer that can be applied to an internal combustion engine piston in accordance with the present invention.
6th Fig. 13 is a schematic diagram illustrating a state in which the wettability of the anodic oxide layer with oil is poor.
7th Fig. 13 is a schematic diagram illustrating a state in which the wettability of the anodic oxide layer with oil is high.
8th FIG. 13 is a schematic cross-sectional view illustrating a method of performing anodization on the periphery of the upper ring groove around the engine piston as in FIG 2 illustrated to receive.

[Beschreibung der Ausführungsformen][Description of the embodiments]

Im Folgenden wird ein Verbrennungsmotorkolben nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Die Figuren dienen der Erleichterung des Verständnisses. Sie sind nicht maßstabsgetreu dargestellt.In the following, an internal combustion engine piston according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the figures. The figures are used to facilitate understanding. They are not shown to scale.

Wie in 1 dargestellt, hat ein Verbrennungsmotorkolben 10 nach der vorliegenden Ausführung eine obere Ringnut 13 in einer äußeren Umfangsfläche 12. Drei Ringnuten sind untereinander ausgebildet: vom Kolbenboden 11 ausgehend in dieser Reihenfolge die obere Ringnut 13, eine zweite Ringnut (nicht dargestellt) und eine Ölringnut (nicht dargestellt). Ein oberer Ring 30 wird in die obere Ringnut 13 eingepasst, ein zweiter Ring (nicht abgebildet) wird in die zweite Ringnut eingepasst, und ein Ölabstreifring (nicht abgebildet) wird in die Ölringnut eingepasst.As in 1 shown has an internal combustion engine piston 10 according to the present embodiment, an upper annular groove 13th in an outer circumferential surface 12. Three ring grooves are formed one below the other: from the piston head 11 starting in this order the upper ring groove 13th , a second ring groove (not shown) and an oil ring groove (not shown). An upper ring 30th is in the upper ring groove 13th fitted, a second ring (not shown) is fitted into the second ring groove, and an oil control ring (not shown) is fitted into the oil ring groove.

Der Verbrennungsmotorkolben 10 besteht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Die Aluminiumlegierung kann als eine Komponente Silizium (Si) enthalten, das zur Verschleißfestigkeit und Anti-Aluminium-Adhäsion beiträgt. Demgegenüber sind die Ringe, wie z.B. der obere Ring 30, z.B. aus hochfestem Kohlenstoffstahl oder martensitischem Edelstahl gebildet. Die Ringe, wie z.B. der obere Ring 30, haben im Wesentlichen eine C-förmige Konfiguration, die an einem Abschnitt des Umfangs offen ist. Die Ringe werden in einem Zustand, in dem sie elastisch im Durchmesser vergrößert sind, in die Ringnuten, wie z.B. die obere Ringnut 13 des Kolbens 10, eingelegt und dann durch elastische Rückfederung im Durchmesser verkleinert, um in die Ringnuten eingepasst zu werden.The internal combustion engine piston 10 consists of aluminum or an aluminum alloy. The aluminum alloy can contain silicon (Si) as a component, which contributes to wear resistance and anti-aluminum adhesion. On the other hand are the rings, such as the upper ring 30th , for example made of high-strength carbon steel or martensitic stainless steel. The rings, such as the top ring 30th , have a substantially C-shaped configuration that is open at a portion of the perimeter. The rings are in a state that they are elastically enlarged in diameter, in the ring grooves such as the upper ring groove 13th of the piston 10 , inserted and then reduced in diameter by elastic springback in order to be fitted into the ring grooves.

Eine äußere Umfangsfläche 33 des oberen Rings 30 ragt auf der äußeren Umfangsseite über die äußere Umfangsfläche 12 des Verbrennungsmotorkolbens 10 hinaus. Von der äußeren Umfangsfläche 12 des Verbrennungsmotorkolbens 10 wird der Abschnitt zwischen Kolbenboden 11 und der oberen Ringnut 13 als oberer Steg 12a, der Abschnitt zwischen der oberen Ringnut 13 und der zweiten Ringnut (nicht abgebildet) als zweiter Steg 12b und der Abschnitt zwischen der zweiten Ringnut und der Ölringnut (nicht abgebildet) als dritter Steg (nicht abgebildet) bezeichnet. Die jeweiligen äußeren Umfangsflächendes oberen Rings 30 etc., ragen nach außen über die äußere Umfangsfläche 12 des Verbrennungsmotorkolbens 10 hinaus, so dass beim Einsetzen des Kolbens 10 mit den daran befestigten Ringen, wie dem oberen Ring 30, in einen Zylinder 40 die Ringe, wie der obere Ring 30, im Durchmesser elastisch verkleinert werden. So werden in dem Zustand, in dem der Verbrennungsmotorkolben 10 in den Zylinder 40 eingesetzt ist, die Ringe, wie z.B. der obere Ring 30, aufgrund ihrer elastischen Rückfederung gegen eine Innenwand 41 des Zylinders 40 gedrückt. Der obere Ring 30 und der zweite Ring dienen zur Aufrechterhaltung der Luftdichtheit des Brennraums und der Ölabstreifring dient zum Abstreifen des an der Innenwand 41 des Zylinders 40 verbliebenen Öls.An outer peripheral surface 33 of the top ring 30th protrudes on the outer peripheral side over the outer peripheral surface 12 of the internal combustion engine piston 10 out. From the outer peripheral surface 12 of the internal combustion engine piston 10 becomes the section between the piston crown 11 and the upper ring groove 13th as the upper bridge 12a , the section between the upper ring groove 13th and the second annular groove (not shown) as a second web 12b and the section between the second ring groove and the oil ring groove (not shown) is referred to as the third land (not shown). The respective outer peripheral surfaces of the top ring 30th etc., protrude outwardly beyond the outer peripheral surface 12 of the internal combustion engine piston 10 addition, so that when inserting the piston 10 with the rings attached, like the top ring 30th , in a cylinder 40 the rings, like the top ring 30th , can be elastically reduced in diameter. So be in the state in which the engine piston 10 in the cylinder 40 is inserted, the rings, such as the top ring 30th , due to their elastic resilience against an inner wall 41 of the cylinder 40 pressed. The top ring 30th and the second ring are used to maintain the airtightness of the combustion chamber and the oil control ring is used to wipe the on the inner wall 41 of the cylinder 40 remaining oil.

Von der innenliegenden Fläche der oberen Ringnut 13, die in der äußeren Umfangsfläche 12 des Verbrennungsmotorkolbens 10 ausgebildet ist, wird die zum Kolbenboden 11 hin gelegene Seite der innenliegenden Fläche als eine obere Fläche 13a, die zur zweiten Ringnut (nicht abgebildet) hin gelegene Seite der innenliegenden Fläche als eine untere Fläche 13c und die dazwischen liegende Fläche am Nutgrund als eine Nutgrundfläche 13b bezeichnet. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine anodische Oxidschicht 20A mindestens im Bereich der unteren in Kontakt mit dem oberen Ring 30 stehenden Fläche 13c der oberen Ringnut 13 gebildet. Unterschiedlich je nach Kolbenausführung kann sich dieser Bereich, unter der Annahme, dass die Länge (Nutbreite) von der äußeren Umfangsfläche 12 des Verbrennungsmotorkolbens 10 bis zur Nutgrundfläche 13b der oberen Ringnut 13 100% beträgt, von der äußeren Umfangsfläche 12 ausgehend vorzugsweise über eine Länge von mindestens 90%, noch bevorzugter über eine Länge von mindestens 80% und noch bevorzugter über eine Länge von mindestens 70% erstrecken.From the inner surface of the upper ring groove 13th that are in the outer peripheral surface 12 of the internal combustion engine piston 10 is formed, becomes the piston crown 11 the side of the inner surface facing the second annular groove (not shown) as an upper surface 13a, the side of the inner surface facing the second annular groove (not shown) as a lower surface 13c and the intermediate surface on the groove bottom is referred to as a groove bottom surface 13b. In the present embodiment, an anodic oxide layer 20A is in contact with the upper ring at least in the area of the lower one 30th standing area 13c the upper ring groove 13th educated. This area can vary depending on the piston design, assuming that the length (groove width) is from the outer circumferential surface 12 of the internal combustion engine piston 10 up to the groove base 13b of the upper annular groove 13th 100%, starting from the outer circumferential surface 12, preferably extending over a length of at least 90%, more preferably over a length of at least 80% and even more preferably over a length of at least 70%.

Auf diese Weise wird die anodische Oxidschicht 20A auf der unteren Fläche 13c der oberen Ringnut 13 gebildet, wie in 1 dargestellt, denn während des Verdichtungs- und des Expansionshubs herrscht auf der Seite des Kolbenbodens 11 des Verbrennungsmotorkolbens 10 im Brennraum hoher Druck, so dass die untere Fläche 32 des oberen Rings 30 fest mit der unteren Fläche 13c der oberen Ringnut 13 in Kontakt gebracht wird. Demgegenüber und obwohl nicht dargestellt kommt bei dem Verbrennungsmotorkolben 10 während des Ansaugvorgangs die obere Fläche 31 des oberen Rings 30 in engen Kontakt mit der oberen Fläche 13a der oberen Ringnut 13. Jedes Mal, wenn diese Vorgänge wiederholt werden, bewegt sich der Verbrennungsmotorkolben 10 zwischen der oberen Fläche 13a und der unteren Fläche 13c der oberen Ringnut 13. Somit unterliegt die untere Fläche 13c der oberen Ringnut 13 dem Verschleiß und der Adhäsion zwischen ihr selbst und dem oberen Ring 30, weshalb eine Verbesserung der Verschleißfestigkeit und der Anti-Aluminium-Adhäsionseigenschaft die Ausbildung der anodischen Oxidschicht 20A erfordert.In this way, the anodic oxide layer 20A becomes on the lower surface 13c the upper ring groove 13th formed as in 1 shown, because during the compression and expansion stroke prevails on the side of the piston crown 11 of the internal combustion engine piston 10 high pressure in the combustion chamber, so that the lower surface 32 of the upper ring 30th firmly to the lower surface 13c the upper ring groove 13th is brought into contact. In contrast, and although not shown, comes with the internal combustion engine piston 10 during the suction process the upper surface 31 of the upper ring 30th in close contact with the upper surface 13a of the upper ring groove 13th . Every time these processes are repeated, the engine piston moves 10 between the upper surface 13a and the lower surface 13c the upper ring groove 13th . Thus the lower surface is defeated 13c the upper ring groove 13th the wear and tear and adhesion between itself and the top ring 30th therefore, improvement in wear resistance and anti-aluminum adhesion property requires the formation of the anodic oxide layer 20A.

Unter Verwendung der Oberflächenrauheit Rpk gemäß JIS B 0671-2 als Kennwert beträgt die Oberflächenrauheit der anodischen Oxidschicht 20A 1,00 µm oder weniger. Die anodische Oxidschicht 20 mit einer Oberflächenrauheit Rpk von 1,00 µm oder weniger kann z.B. durch das Verfahren der Wechselstrom/Gleichstrom-Überlagerungselektrolyse gebildet werden. Bei der Wechselstrom/Gleichstrom-Überlagerungselektrolyse werden ein Schritt des Anlegens einer positiven Spannung und ein Schritt des Entfernens elektrischer Ladung wiederholt an einem Körper aus einer Aluminiumlegierung, der den Gegenstand des Elektrolyseverfahrens bildet, durchgeführt. Wie in 3 gezeigt, wächst eine anodische Oxidschicht (Wechselstrom/Gleichstrom-Überlagerungselektrolyseschicht) 21 in zufälligen Richtungen und besitzt keine Orientierung, so dass die anodische Oxidschicht 21 während des Wachstums Silizium 16, das in dem den Gegenstand des Elektrolyseverfahrens bildenden Körper aus Aluminiumlegierung 15 enthalten ist, einschließt, wodurch es möglich ist, die anodische Oxidschicht 21 mit einer dichten und glatten Oberfläche zu bilden.Using the surface roughness Rpk according to JIS B 0671-2 as a characteristic value, the surface roughness of the anodic oxide film 20A is 1.00 µm or less. The anodic oxide layer 20th having a surface roughness Rpk of 1.00 µm or less can be formed, for example, by the method of alternating current / direct current superimposed electrolysis. In AC / DC superposed electrolysis, a step of applying a positive voltage and a step of removing electric charge are repeatedly performed on an aluminum alloy body which is the subject of the electrolysis process. As in 3 shown, an anodic oxide layer (alternating current / direct current overlay electrolysis layer) grows 21st in random directions and has no orientation, so the anodic oxide layer 21st silicon during growth 16 contained in the aluminum alloy body subject to the electrolysis process 15th is included, which makes it possible, the anodic oxide layer 21st to form with a dense and smooth surface.

Dagegen ist es schwierig, durch die Anwendung lediglich einer Gleichstrom-Elektrolyse die anodische Oxidschicht 20 mit einer Oberflächenrauheit Rpk von 1,00 µm oder weniger herzustellen. Bei der Gleichstrom-Elektrolyse wird die Anodisierung durch Anlegen einer festen Gleichspannung an einen den Gegenstand des Elektrolyseverfahrens bildenden Körper aus einer Aluminiumlegierung durchgeführt. Wie in 4 gezeigt, wächst eine anodische Oxidschicht (Gleichstrom-Elektrolyseschicht) 22, die durch das Gleichstrom-Elektrolyseverfahren gebildet wird, in einer Richtung, so dass das Wachstum der anodischen Oxidschicht 22 durch das Silizium 16, das in dem den Gegenstand des Elektrolyseverfahrens bildenden Körper aus Aluminiumlegierung 15 enthalten ist, behindert wird und eine Vielzahl von großen Leerräumen 23 auf der Oberfläche erzeugt wird. Mit der anodischen Oxidschicht 22, die eine Oberfläche mit so großen Vorsprüngen und Vertiefungen aufweist, ist es schwierig, eine Oberflächenrauheit Rpk von 1,00 µm oder weniger zu erzielen.On the other hand, it is difficult to remove the anodic oxide film by using only direct current electrolysis 20th with a surface roughness Rpk of 1.00 µm or less. In direct current electrolysis, anodizing is carried out by applying a fixed direct voltage to a body made of an aluminum alloy which is the subject of the electrolysis process. As in 4th shown, an anodic oxide layer grows (direct current electrolysis layer) 22nd , which is formed by the direct current electrolysis process, in one direction, so that the growth of the anodic oxide layer 22nd through the silicon 16 contained in the aluminum alloy body subject to the electrolysis process 15th is contained, hindered and a variety of large white spaces 23 is generated on the surface. With the anodic oxide layer 22nd having a surface with such large protrusions and depressions, it is difficult to obtain a surface roughness Rpk of 1.00 µm or less.

Vor diesem Hintergrund wird, wie in 5 gezeigt, zur Bildung einer anodischen Oxidschicht 26 mit einer Oberflächenrauheit Rpk von 1,00 µm oder weniger unter Verwendung der durch die Gleichstrom-Elektrolyse gebildeten anodischen Oxidschicht 22 ein Oberflächenabschnitt 24 der anodischen Oxidschicht 22 durch Zerspanen abgetragen und die Oberfläche der anodischen Oxidschicht 22 durch das entstehende Pulver der zerspanten Schicht versiegelt. Somit weist die anodische Oxidschicht 26 versiegelte Abschnitte 25 auf, die durch Füllen der Leerräume der Gleichstrom-Elektrolyseschicht mit dem Pulver der zerspanten Schicht gebildet werden, wodurch die Oberfläche geglättet wird und es möglich ist, eine Oberflächenrauheit Rpk von 1,00 µm oder weniger zu erzielen. Ein solches Zerspanen kann z.B. durch spanende Bearbeitung mit Schneidwerkzeugen, wie z.B. mit Wendeschneidplatten und Schneidkanten, oder durch spanende Bearbeitung wie z.B. Schleifen mit Schleifscheibe oder Trommelpolieren erfolgen.Against this background, as in 5 shown to form an anodic oxide layer 26th having a surface roughness Rpk of 1.00 µm or less using the anodic oxide film formed by the direct current electrolysis 22nd a surface portion 24 of the anodic oxide layer 22nd removed by machining and the surface of the anodic oxide layer 22nd sealed by the resulting powder of the machined layer. Thus, the anodic oxide layer 26th sealed sections 25th formed by filling the voids of the direct current electrolytic layer with the powder of the machined layer, thereby smoothing the surface and making it possible to obtain a surface roughness Rpk of 1.00 µm or less. Such machining can take place, for example, by machining with cutting tools, such as, for example, indexable inserts and cutting edges, or by machining, such as grinding with a grinding wheel or drum polishing.

Es ist davon auszugehen, dass die durch Gleichstrom-Elektrolyse und Zerspanung erhaltene anodische Oxidschicht 26 eine Oberflächenstruktur aufweist, die als Plateau-Struktur bezeichnet wird. Der Begriff „Plateau-Struktur“ wird auch in JIS B 0671 verwendet und beschreibt eine Struktur, deren Oberfläche aus einem Plateau-Anteil (flacher Anteil) und einem Mulden-Anteil besteht. Wie in JIS B 0671-2 genormt, kann der Oberflächenrauheits-Kennwert Rpk verwendet werden, um die Eigenschaften der Oberfläche einer Plateau-Struktur zu bewerten. Dagegen bezieht sich der in JIS B 0601 genormte Oberflächenrauheits-Kennwert Ra auf den arithmetischen Mittelwert der Rauheit eines Kontur-Messschriebs. Es ist also davon auszugehen, dass die Oberflächenrauheit Rpk dazu beitragen kann, die Oberflächenrauheit der anodischen Oxidschicht 26 in Bezug auf die Strömungsrate des Blowby-Gases genauer zu bewerten als die Oberflächenrauheit Ra. Das Blowby-Gas ist ein Gas, das während des Kompressions-/Expansionshubs aus dem Brennraum über den Spalt zwischen Kolben und Zylinderwand in den Kurbelraum entweicht und in engem Zusammenhang mit der Luftdichtheit zwischen Kolbenring und Ringnut steht. Die Oberfläche der durch die Wechselstrom/Gleichstrom-Überlagerungselektrolyse gebildeten anodischen Oxidschicht (Wechselstrom/Gleichstrom-Überlagerungselektrolyseschicht) 21 kann nicht als eine Plateau-Struktur angesehen werden. Da diese Oberfläche dagegen sehr glatt ist, ist davon auszugehen, dass sie ebenfalls mit dem Oberflächenrauheits-Kennwert Rpk hinreichend genau bewertet werden kann.It can be assumed that the anodic oxide layer obtained by direct current electrolysis and machining 26th has a surface structure which is referred to as a plateau structure. The term “plateau structure” is also used in JIS B 0671 and describes a structure whose surface consists of a plateau part (flat part) and a trough part. As standardized in JIS B 0671-2, the surface roughness parameter Rpk can be used to evaluate the properties of the surface of a plateau structure. In contrast, the surface roughness parameter Ra standardized in JIS B 0601 relates to the arithmetic mean value of the roughness of a contour measurement record. It can therefore be assumed that the surface roughness Rpk can contribute to the surface roughness of the anodic oxide layer 26th with respect to the flow rate of the blowby gas to be evaluated more precisely than the surface roughness Ra. The blow-by gas is a gas that escapes from the combustion chamber through the gap between the piston and cylinder wall into the crankcase during the compression / expansion stroke and is closely related to the airtightness between the piston ring and the annular groove. The surface of the anodic oxide layer formed by the alternating current / direct current superimposed electrolysis (alternating current / direct current superimposed electrolysis layer) 21st cannot be viewed as a plateau structure. Since this surface, on the other hand, is very smooth, it can be assumed that it can also be assessed with sufficient accuracy using the surface roughness parameter Rpk.

Darüber hinaus wird die anodische Oxidschicht 21, 26 mit einer Oberflächenrauheit Rpk von 1,00 µm oder weniger in einem vorbestimmten Bereich der unteren Fläche 13c der oberen Ringnut 13 des Verbrennungsmotorkolbens 10 als anodische Oxidschicht 20A ausgebildet, wobei die Luftdichtheit zwischen dem oberen Ring 30 und der anodischen Oxidschicht 20A auf der unteren Fläche 13c der oberen Ringnut 13 sehr hoch ist, wenn, wie in 1 dargestellt, der obere Ring 30 während des Verdichtungshubs und des Expansionshubs in engen Kontakt mit der unteren Fläche 13c der oberen Ringnut 13 gebracht wird, so dass es möglich ist, die Strömungsrate des Blowby-Gases, das aus dem Brennraum über den Spalt zwischen dem Verbrennungsmotorkolben 10 und dem Zylinder 40 in den Kurbelraum entweicht, zu reduzieren. Insbesondere durch die Ausbildung der Oberfläche der anodischen Oxidschicht 20A als Plateau-Struktur ist es möglich, eine weitere Verbesserung der Luftdichtheit zwischen der anodischen Oxidschicht 20A auf der unteren Fläche 13c der oberen Ringnut 13 und dem oberen Ring 30 zu erreichen und außerdem die Strömungsrate des Blowby-Gases während des eigentlichen Motorbetriebs zu reduzieren.In addition, the anodic oxide layer 21st , 26th with a surface roughness Rpk of 1.00 µm or less in a predetermined area of the lower surface 13c the upper ring groove 13th of the internal combustion engine piston 10 formed as an anodic oxide layer 20A, the airtightness between the upper ring 30th and the anodic oxide layer 20A on the lower surface 13c the upper ring groove 13th is very high if, as in 1 shown, the top ring 30th in close contact with the lower surface during the compression stroke and the expansion stroke 13c the upper ring groove 13th is brought so that it is possible to control the flow rate of the blowby gas emerging from the combustion chamber via the gap between the internal combustion engine piston 10 and the cylinder 40 escapes into the crankcase, reduce. In particular, by forming the surface of the anodic oxide layer 20A as a plateau structure, it is possible to have a further improving the airtightness between the anodic oxide layer 20A on the lower surface 13c the upper ring groove 13th and the top ring 30th and also to reduce the flow rate of the blowby gas during actual engine operation.

Die Oberflächenrauheit Rpk der anodischen Oxidschicht 20A beträgt vorzugsweise 0,90 µm oder weniger, und noch bevorzugter 0,60 µm oder weniger. Während es keine bestimmte Begrenzung für die untere Grenze der Oberflächenrauheit Rpk der anodischen Oxidschicht 20A gibt, beträgt sie vorzugsweise 0,01 µm oder mehr, und noch bevorzugter 0,10 µm oder mehr, und noch bevorzugter 0,20 µm oder mehr. Auf diese Weise ist es möglich, durch eine Verringerung der Oberflächenrauheit Rpk der anodischen Oxidschicht 20A auf 0,90 µm oder weniger, und durch eine weitere Verringerung auf 0,60 µm oder weniger, eine weitere Verbesserung der Luftdichtheit zwischen der anodischen Oxidschicht 20A auf der unteren Fläche 13c der oberen Ringnut 13 und dem oberen Ring 30 zu erreichen, so dass es möglich ist, die Strömungsrate des Blowby-Gases während des tatsächlichen Motorbetriebs weiter zu reduzieren.The surface roughness Rpk of the anodic oxide layer 20A is preferably 0.90 µm or less, and more preferably 0.60 µm or less. While there is no particular limitation on the lower limit of the surface roughness Rpk of the anodic oxide layer 20A, it is preferably 0.01 µm or more, and more preferably 0.10 µm or more, and even more preferably 0.20 µm or more. In this way, by reducing the surface roughness Rpk of the anodic oxide layer 20A to 0.90 µm or less, and further reducing it to 0.60 µm or less, it is possible to further improve the airtightness between the anodic oxide layer 20A on the lower surface 13c the upper ring groove 13th and the top ring 30th to achieve, so that it is possible to further reduce the flow rate of the blowby gas during actual engine operation.

Während keine bestimmte Beschränkung der Schichtdicke der anodischen Oxidschicht 20A existiert, liegt die obere Grenze vorzugsweise bei 15 µm oder weniger, und noch bevorzugter bei 10 µm oder weniger. Die untere Grenze liegt vorzugsweise bei 3 µm oder mehr, und noch bevorzugter bei 5 µm oder mehr.While there is no particular limitation on the film thickness of the anodic oxide film 20A, the upper limit is preferably 15 µm or less, and more preferably 10 µm or less. The lower limit is preferably 3 µm or more, and more preferably 5 µm or more.

Für einen Verbrennungsmotorkolben 10 wird zusätzlich zur Reduzierung der Strömungsrate des Blowby-Gases eine Reduzierung der Anzahl der ausgestoßenen Feinpartikel PN gefordert. Während man annimmt, dass die Hauptursache für die PN ein Phänomen (bezeichnet als Ölaufstieg) ist, bei dem Motoröl durch den Spalt zwischen Verbrennungsmotorkolben 10 und Zylinder 40 in den Brennraum gelangt, ist die anodische Oxidschicht 20 porös, und der Beitrag der anodischen Oxidschicht 20 zur Benetzbarkeit mit Öl ist vermutlich groß.For an internal combustion engine piston 10 In addition to reducing the flow rate of the blowby gas, a reduction in the number of fine particles PN emitted is required. While the main cause of PN is believed to be a phenomenon (referred to as oil rise) in engine oil through the gap between engine pistons 10 and cylinder 40 The anodic oxide layer gets into the combustion chamber 20th porous, and the contribution of the anodic oxide layer 20th for wettability with oil is presumably great.

Wie oben beschrieben, ist die anodische Oxidschicht 21, die durch die Wechselstrom/Gleichstrom-Überlagerungselektrolyse (Wechselstrom/Gleichstrom-Überlagerungselektrolyseschicht) gebildet wird, in zufälligen Richtungen orientiert, so dass ihre Oberfläche dicht ausgebildet ist und Öl nicht leicht in die anodische Oxidschicht eindringen kann. Somit weist sie, wie in 6 gezeigt, eine geringe Benetzbarkeit gegenüber Öl 50a auf. Bei der anodischen Oxidschicht 26, die durch Gleichstrom-Elektrolyse und Zerspanen hergestellt wird, wird die Oberfläche der Gleichstrom-Elektrolyseschicht abgetragen und die Oberfläche durch das entstehende Pulver versiegelt, so dass sie, wie in 6 gezeigt, eine geringe Benetzbarkeit gegenüber dem Öl 50a aufweist. Demgegenüber dringt bei der in 4 gezeigten Gleichstrom-Elektrolyseschicht 22 mit einer Vielzahl von großen Leerräumen 23 auf der Oberfläche leicht Öl in diese Leerräume 23 ein, so dass die Schicht, wie in 7 gezeigt, eine hohe Benetzbarkeit gegenüber dem Öl 50b aufweist.As described above, the anodic oxide layer is 21st formed by the AC / DC overlay electrolysis (AC / DC overlay electrolysis layer) is oriented in random directions so that its surface is made dense and oil does not easily penetrate into the anodic oxide layer. Thus, as in 6th shown to have a low wettability with respect to oil 50a. With the anodic oxide layer 26th , which is produced by direct current electrolysis and machining, the surface of the direct current electrolysis layer is removed and the surface is sealed by the resulting powder, so that it is, as in 6th shown, has a low wettability compared to the oil 50a. In contrast, the in 4th DC electrolysis layer shown 22nd with a variety of large white spaces 23 on the surface lightly oil in these voids 23 one so that the layer as in 7th shown has a high wettability with respect to the oil 50b.

Die anodische Oxidschicht 21, 26, die somit eine Oberfläche geringer Benetzbarkeit in Bezug auf Öl aufweist, wird als anodische Oxidschicht 20A in einem vorbestimmten Bereich der unteren Fläche 13c der oberen Ringnut 13 des Verbrennungsmotorkolbens 10 gebildet, wodurch, wenn das Öl entlang der äußeren Umfangsfläche 12 des Verbrennungsmotorkolbens 10 aus dem Kurbelraum aufgestiegen ist und in den Poren der porösen anodischen Oxidschicht 20A an der unteren Fläche 13c der oberen Ringnut 13 vom äußeren Umfang zur Innenseite permeiert, das Öl sich nicht leicht über die anodische Oxidschicht 20A ausbreiten kann und stagniert, so dass es möglich ist, den Ölaufstieg zu unterdrücken und somit die Anzahl der ausgetragenen Feinpartikel PN auf einen Wert unterhalb eines Richtwertes zu reduzieren.The anodic oxide layer 21st , 26th thus having a surface of poor wettability with respect to oil is used as the anodic oxide layer 20A in a predetermined area of the lower surface 13c the upper ring groove 13th of the internal combustion engine piston 10 formed, whereby when the oil along the outer peripheral surface 12 of the internal combustion engine piston 10 has risen from the crankcase and into the pores of the porous anodic oxide layer 20A on the lower surface 13c the upper ring groove 13th permeates from the outer periphery to the inner side, the oil cannot easily spread over the anodic oxide layer 20A and stagnates, so it is possible to suppress the rise of oil and thus reduce the number of the discharged fine particles PN to below a standard value.

Der Bereich der unteren Fläche 13c der oberen Ringnut 13, der nicht in Kontakt mit dem oberen Ring 30 steht, ist als bearbeitete Oberfläche einer Aluminiumlegierung mit geringer Oberflächenrauheit ausgebildet, wodurch das Eindringen von Öl in den Brennraum weiter vermindert werden kann. Darüber hinaus wird eine Anodisierung ausschließlich in dem Bereich der unteren Fläche 13c des oberen Ringnut 13 durchgeführt, der mit dem oberen Ring 30 in Kontakt steht, d.h. in dem Bereich, in dem eine Verbesserung der Verschleißfestigkeit und der Anti-Aluminium-Adhäsionseigenschaften wichtig ist, wodurch es möglich ist, die Bearbeitungsfläche der oberen Ringnut 13 für die Anodenoxidation zu reduzieren, wodurch es möglich ist, den erforderlichen Energieverbrauch und die Bearbeitungszeit der Anodisierung zu verkürzen. Darüber hinaus ist es möglich, Schwankungen in der erzeugten Wärmemenge zu reduzieren, wodurch es möglich ist, die Oberflächenrauheit Rpk der anodischen Oxidschicht 20 weiter zu verringern. Die anodische Oxidschicht kann nicht nur im Kontaktbereich mit dem oberen Ring 30, sondern auch auf der gesamten unteren Fläche 13c der oberen Ringnut 13 gebildet werden.The area of the lower face 13c the upper ring groove 13th that is not in contact with the top ring 30th is designed as a machined surface of an aluminum alloy with low surface roughness, whereby the penetration of oil into the combustion chamber can be further reduced. In addition, anodization is only applied to the area of the lower surface 13c of the upper ring groove 13th performed that with the top ring 30th is in contact, that is, in the area in which an improvement in wear resistance and anti-aluminum adhesion properties is important, making it possible to use the machining surface of the upper ring groove 13th for the anode oxidation, which makes it possible to shorten the required energy consumption and the processing time of the anodization. In addition, it is possible to reduce fluctuations in the amount of heat generated, thereby making it possible to improve the surface roughness Rpk of the anodic oxide layer 20th further decrease. The anodic oxide layer can not only be in the contact area with the upper ring 30th but also on the entire lower surface 13c the upper ring groove 13th are formed.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt. Zum Beispiel ist entsprechend einer anderen, in 2 dargestellten Ausführungsform der Verbrennungsmotorkolben 10 mit einer anodischen Oxidschicht 20B ausgestattet, die die gesamte innenliegende Fläche der oberen Ringnut 13 (d.h. die obere Fläche 13a, die Nutgrundfläche 13b und die untere Fläche 13c) und einen Teil der äußeren Umfangsfläche 12 des Verbrennungsmotorkolbens 10, der sich von der oberen Ringnut 13 zum Kolbenboden 11 hin erstreckt (d.h. den oberen Steg 12a), und einen Teil der äußeren Umfangsfläche, der sich von der oberen Ringnut 13 zur zweiten Ringnut (nicht abgebildet) hin erstreckt (d.h. den zweiten Steg 12b), bedeckt. Die anodische Oxidschicht 20B kann einstückig ausgebildet werden. Die anodische Oxidschicht 20B kann über die gesamte Oberfläche des oberen Stegs 12a und des zweiten Stegs 12b oder an einem Teil davon gebildet werden. Im letzteren Fall wird die anodische Oxidschicht 20B z.B. so gebildet, dass sie sich mindestens 4 mm und vorzugsweise 2 mm vom Rand der oberen Ringnut 13 hin zur Seite des Kolbenbodens 11 oder zur Seite der zweiten Ringnut (nicht abgebildet) erstreckt.The present invention is not limited to the embodiment described above. For example, according to another, in 2 illustrated embodiment of the internal combustion engine piston 10 equipped with an anodic oxide layer 20B covering the entire inner surface of the upper ring groove 13th (ie, the top surface 13a, the groove bottom surface 13b, and the bottom surface 13c ) and part of the outer peripheral surface 12 of the internal combustion engine piston 10 that extends from the upper ring groove 13th to the piston crown 11 extends towards (ie the upper web 12a ), and part of the outer peripheral surface extending from the upper ring groove 13th extends towards the second annular groove (not shown) (ie the second web 12b ), covered. The anodic oxide film 20B can be integrally formed. The anodic oxide layer 20B may be over the entire surface of the top land 12a and the second web 12b or formed on a part thereof. In the latter case, the anodic oxide layer 20B is formed, for example, so that it extends at least 4 mm and preferably 2 mm from the edge of the upper annular groove 13th towards the side of the piston crown 11 or to the side of the second annular groove (not shown).

Auf diese Weise bildet sich die anodische Oxidschicht 20B sowohl auf dem oberen Steg 12a als auch auf dem zweiten Steg 12b, so dass das Öl nicht nur an der innenliegenden Fläche der oberen Ringnut 13, sondern auch an dem oberen Steg 12a und dem zweiten Steg 12b stagniert, wodurch der Ölaufstieg deutlich unterdrückt und die PN-reduzierende Wirkung weiter verstärkt werden kann.In this way, the anodic oxide layer 20B is formed on both the top land 12a as well as on the second bridge 12b so that the oil is not only on the inner surface of the upper ring groove 13th , but also on the upper bridge 12a and the second bridge 12b stagnates, which significantly suppresses the rise in oil and the PN-reducing effect can be further intensified.

Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung des Verbrennungsmotorkolbens gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben, d.h. ein Verfahren zur Bildung einer anodischen Oxidschicht in einem vorbestimmten Bereich der oberen Ringnut, die in der äußeren Umfangsfläche des Verbrennungsmotorkolbens vorgesehen ist.Next, a method for manufacturing the internal combustion engine piston according to the present invention will be described, i. a method of forming an anodic oxide film in a predetermined area of the upper ring groove provided in the outer peripheral surface of the internal combustion engine piston.

Wie in 8 dargestellt, wird zunächst eine Anodisierungsvorrichtung 60 so angeordnet, dass sie die äußere Umfangsseite der oberen Ringnut 13 des Verbrennungsmotorkolbens 10 umgibt. Die Anodisierungsvorrichtung 60 und der Verbrennungsmotorkolben 10 werden mit Hilfe von Dichtringen 62a und 62b, die im Wesentlichen in der Mitte des oberen Stegs 12a bzw. des zweiten Stegs 12b angeordnet sind, in engen Kontakt miteinander gebracht. Während eine Prozessflüssigkeit 63 in die obere Ringnut 13 des Verbrennungsmotorkolbens 10 und an die Teile des oberen Stegs 12a und des zweiten Stegs 12b bis zu den Dichtringen 62a und 62b geleitet wird, wird ein elektrischer Strom zwischen dem als Anode dienenden Verbrennungsmotorkolben 10 und einer Kathodenelektrode 61 auf der Seite der Anodisierungsvorrichtung 60 zugeführt, wodurch die anodische Oxidschicht 20B auf der Oberfläche des Teils der Aluminiumlegierung gebildet wird, zu dem die Prozessflüssigkeit 63 geleitet wird.As in 8th First, an anodizing device is shown 60 arranged to be the outer peripheral side of the upper ring groove 13th of the internal combustion engine piston 10 surrounds. The anodizing device 60 and the internal combustion engine piston 10 are made with the help of sealing rings 62a and 62b, which are essentially in the middle of the upper web 12a or the second web 12b are arranged, brought into close contact with each other. While a process fluid 63 in the upper ring groove 13th of the internal combustion engine piston 10 and to the parts of the upper bridge 12a and the second web 12b is passed up to the sealing rings 62a and 62b, an electrical current between the internal combustion engine piston serving as anode 10 and a cathode electrode 61 on the side of the anodizing device 60 is supplied, thereby forming the anodic oxide layer 20B on the surface of the part of the aluminum alloy to which the process liquid is added 63 is directed.

Bei diesem Vorgang der Anodisierung werden auf der Seite der Kathodenelektrode 61 Wasserstoffblasen 64 erzeugt. Wenn die Wasserstoffblasen 64 mit der innenliegenden Fläche der oberen Ringnut 13 in Kontakt kommen, wird die Anodisierung an diesem Kontaktpunkt nicht fortgesetzt, so dass die Oberflächenrauheit der gebildeten anodischen Oxidschicht 20B vergleichsweise hoch ist. Angesichts dessen wird, wie in 8 gezeigt, die Prozessflüssigkeit 63 bis zum oberen Steg 12a und zum zweiten Steg 12b zugeführt, wobei der größte Teil der erzeugten Wasserstoffblasen 64 zum oberen Steg 12a und zum zweiten Steg 12b fließt, wo der Druck niedrig ist, so dass es möglich ist, das Eindringen der Wasserstoffblasen 64 in die obere Ringnut 13 zu unterdrücken. Auf diese Weise ist es möglich, eine glatte anodische Oxidschicht 20B mit geringer Oberflächenrauheit zu erhalten.In this process of anodizing are on the side of the cathode electrode 61 Hydrogen bubbles 64 generated. When the hydrogen bubbles 64 with the inner surface of the upper ring groove 13th come into contact, the anodization is not continued at this contact point, so that the surface roughness of the anodic oxide layer 20B formed is comparatively high. Given that, as in 8th shown the process fluid 63 to the upper bridge 12a and to the second bridge 12b supplied, with most of the hydrogen bubbles generated 64 to the upper bridge 12a and to the second bridge 12b flows where the pressure is low so that it is possible for the hydrogen bubbles to penetrate 64 in the upper ring groove 13th to suppress. In this way, it is possible to obtain a smooth anodic oxide film 20B with low surface roughness.

Dieses Anodisierungsverfahren ist sowohl für die Wechselstrom/Gleichstrom-Überlagerungselektrolyse als auch für die Gleichstrom-Elektrolyse anwendbar. In dem in 1 dargestellten Fall, in dem die anodische Oxidschicht 20A an einem Teilbereich der unteren Fläche 13c der innenliegenden Fläche der oberen Ringnut 13 gebildet werden soll, erfolgt eine Maskierung des verbleibenden Teils der innenliegenden Fläche der oberen Ringnut 13 und der Oberflächen des oberen Stegs 12a und des zweiten Stegs 12b mittels Harz, einer Metallfeder, einer Sprühbeschichtung oder ähnlichem, wodurch es möglich ist, die anodische Oxidschicht 20A nur auf dem gewünschten Bereich zu bilden.This anodizing method is applicable to both AC / DC superimposed electrolysis and DC electrolysis. In the in 1 illustrated case in which the anodic oxide film 20A on a portion of the lower surface 13c the inner surface of the upper ring groove 13th is to be formed, the remaining part of the inner surface of the upper annular groove is masked 13th and the surfaces of the top land 12a and the second web 12b by means of resin, metal spring, spray coating or the like, whereby it is possible to form the anodic oxide layer 20A only on the desired area.

[Beispiele][Examples]

Im Folgenden werden Beispiele der vorliegenden Erfindung und vergleichende Beispiele beschrieben.Examples of the present invention and comparative examples are described below.

(Anodisierung)(Anodizing)

In den Beispielen 1 bis 3 wurde eine anodische Oxidschicht auf der innenliegenden Fläche der oberen Ringnut eines Verbrennungsmotorkolbens aus einer Aluminiumlegierung durch die folgenden Verfahrensschritte gebildet. Zuerst wurde der Verbrennungsmotorkolben aus einer Aluminiumlegierung, die 12% Si enthält, gegossen und einer vorbestimmten Wärmebehandlung unterzogen, bevor durch Zerspanen eine Ringnut eingebracht wurde. Die spanende Bearbeitung der oberen Ringnut wurde so fertiggestellt, dass die Oberflächenrauheit Rpk etwa 0,01 µm betrug. Zusätzlich wurde unter Verwendung einer Schwefelsäure als Prozessflüssigkeit eine Anodenoxidation an der innenliegenden Fläche dieser oberen Ringnut durch das Wechselstrom/Gleichstrom-Überlagerungselektrolyseverfahren unter folgenden Bedingungen durchgeführt: Jeweilige Dauer der Stromversorgung für das Anlegen einer positiven Spannung von 20 bis 30 µs und eine Frequenz von 10 bis 12 kHz. Anschließend wurden die Oberflächenrauheit Ra und die Oberflächenrauheit Rpk der anodischen Oxidschicht (Wechselstrom/Gleichstrom-Überlagerungselektrolyseschicht), die auf der unteren Fläche der oberen Ringnut gebildet wurde, gemäß JIS B 0601 bzw. JIS B 0671-2 gemessen. Die Messergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.In Examples 1 to 3, an anodic oxide layer was formed on the inner surface of the upper annular groove of an internal combustion engine piston made of an aluminum alloy by the following process steps. First, the internal combustion engine piston was cast from an aluminum alloy containing 12% Si and subjected to a predetermined heat treatment before an annular groove was machined was introduced. The machining of the upper ring groove was completed so that the surface roughness Rpk was about 0.01 µm. In addition, using sulfuric acid as the process liquid, anode oxidation was carried out on the inner surface of this upper annular groove by the alternating current / direct current superimposed electrolysis process under the following conditions: the respective duration of the power supply for the application of a positive voltage of 20 to 30 μs and a frequency of 10 to 12 kHz. Subsequently, the surface roughness Ra and the surface roughness Rpk of the anodic oxide film (AC / DC superimposed electrolysis film) formed on the lower surface of the upper ring groove were measured according to JIS B 0601 and JIS B 0671-2, respectively. The measurement results are shown in Table 1.

In den Beispielen 4 bis 6 wurde eine anodische Oxidschicht auf der innenliegenden Fläche der oberen Ringnut in der gleichen Weise wie in den Beispielen 1 bis 3 gebildet, mit der Ausnahme, dass für die Anodisierung anstelle der Wechselstrom/Gleichstrom-Überlagerungselektrolyse die Gleichstrom-Elektrolyse verwendet wurde und die Oberfläche der anodischen Oxidschicht (Gleichstrom-Elektrolyseschicht) mit Schneidwerkzeugen nachbearbeitet wurde. Die Bedingungen des Gleichstrom-Elektrolyseverfahrens waren wie folgt: elektrische Stromdichte 4 bis 10 A/dm² und Verarbeitungszeit 0,2 bis 1,5 Minuten. Die Messergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.In Examples 4 to 6, an anodic oxide film was formed on the inner surface of the upper ring groove in the same manner as in Examples 1 to 3, except that direct current electrolysis was used for anodization instead of alternating current / direct current superimposed electrolysis and the surface of the anodic oxide layer (direct current electrolysis layer) was reworked with cutting tools. The conditions of the direct current electrolysis process were as follows: electric current density 4 to 10 A / dm ² and processing time 0.2 to 1.5 minutes. The measurement results are shown in Table 1.

In den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 wurde zudem eine anodische Oxidschicht auf der innenliegenden Fläche der oberen Ringnut in der gleichen Weise wie in den Beispielen 1 bis 3 gebildet, mit dem Unterschied, dass für die Anodisierung anstelle der Wechselstrom/Gleichstrom-Überlagerungselektrolyse die Gleichstrom-Elektrolyse verwendet wurde. Die Bedingungen des Gleichstrom-Elektrolyseverfahrens waren wie folgt: elektrische Stromdichte 4 bis 10 A/dm² und Verarbeitungszeit 0,2 bis 1,5 Minuten. Die Messergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.In Comparative Examples 1 to 3, an anodic oxide layer was also formed on the inner surface of the upper ring groove in the same manner as in Examples 1 to 3, with the difference that for the anodization instead of the AC / DC superimposed electrolysis, the direct current electrolysis was used. The conditions of the direct current electrolysis process were as follows: electric current density 4 to 10 A / dm ² and processing time 0.2 to 1.5 minutes. The measurement results are shown in Table 1.

(Messung der Strömungsrate des Blowby-Gases)(Measurement of the flow rate of the blowby gas)

Experimente zur Messung der Strömungsrate des Blowby-Gases in einem realen Motor wurden an den Verbrennungsmotorkolben der Beispiele 1 bis 6 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 durchgeführt, auf denen eine anodische Oxidschicht erzeugt worden war. Die Versuchsbedingungen waren wie folgt: Es wurde ein 1200 ccm-Vierzylinder-Reihenmotor verwendet, die Motordrehzahl bei Volllast betrug 6400 U/min, die Wassertemperatur betrug 90°C und die Öltemperatur 135°C. Die Versuchsergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Strömungsrate des Blowby-Gases in Tabelle 1 wurde wie folgt ermittelt: Es wurde 30 Stunden nach Beginn des Motorbetriebs der Mittelwert der Messwerte der Strömungsrate des Blowby-Gases (Einheit: L/min) berechnet. Die angegebenen Werte sind normiert, wobei der Mittelwert des Vergleichsbeispiels 1 100 beträgt.Experiments to measure the flow rate of blowby gas in a real engine were carried out on the internal combustion engine pistons of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 on which an anodic oxide film was formed. The test conditions were as follows: A 1200 cc in-line four-cylinder engine was used, the engine speed at full load was 6400 rpm, the water temperature was 90 ° C and the oil temperature was 135 ° C. The test results are shown in Table 1. The flow rate of the blowby gas in Table 1 was determined as follows: The mean value of the measured values of the flow rate of the blowby gas (unit: L / min) was calculated 30 hours after the engine was started. The stated values are standardized, the mean value of Comparative Example 1 being 100.

[Tabelle 1] anodische Oxidschicht Oberflächenbearbeitung Ra [µm] Rpk [µm] Strömungsrate des Blowby-Gases Beispiel 1 Wechselstrom/ Gleichstrom-Überlagerungselektrolyseschicht Nicht ausgeführt 1.09 0.68 42 Beispiel 2 Wechselstrom/ Gleichstrom-Überlagerungselektrolyseschicht Nicht ausgeführt 0.93 0.88 69 Beispiel 3 Wechselstrom/ Gleichstrom-Überlagerungselektrolyseschicht Nicht ausgeführt 1.01 0.73 44 Beispiel 4 Gleichstrom-Elektrolyseschicht Ausgeführt 0.81 0.59 33 Beispiel 5 Gleichstrom-Elektrolyseschicht Ausgeführt 0.92 0.22 14 Beispiel 6 Gleichstrom-Elektrolyseschicht Ausgeführt 1.14 0.43 28 Vergleichsbeispiel 1 Gleichstrom-Elektrolyseschicht Nicht ausgeführt 0.85 1.21 100 Vergleichsbeispiel 2 Gleichstrom-Elektrolyseschicht Nicht ausgeführt 1.30 1.35 111 Vergleichsbeispiel 3 Gleichstrom-Elektrolyseschicht Nicht ausgeführt 1.13 1.07 89 [Table 1] anodic oxide layer Surface treatment Ra [µm] Rpk [µm] Flow rate of blowby gas example 1 AC / DC overlay electrolytic layer Not executed 1.09 0.68 42 Example 2 AC / DC overlay electrolytic layer Not executed 0.93 0.88 69 Example 3 AC / DC overlay electrolytic layer Not executed 1.01 0.73 44 Example 4 DC electrolysis layer Executed 0.81 0.59 33 Example 5 DC electrolysis layer Executed 0.92 0.22 14th Example 6 DC electrolysis layer Executed 1.14 0.43 28 Comparative example 1 DC electrolysis layer Not executed 0.85 1.21 100 Comparative example 2 DC electrolysis layer Not executed 1.30 1.35 111 Comparative example 3 DC electrolysis layer Not executed 1.13 1.07 89

(Bewertung der Benetzbarkeit mit Öl)(Evaluation of wettability with oil)

Tests zur Benetzbarkeit mit Öl wurden an Beispielen durchgeführt, bei denen eine anodische Oxidschicht auf einem Grundkörper aus Aluminiumlegierung unter den gleichen Bedingungen wie in den Beispielen 1, 4 und dem Vergleichsbeispiel 1 erzeugt wurde, sowie an nicht anodisierten Aluminiumlegierungs-Grundkörpern. Das verwendete Öl ist vom Typ 5W-30. Jedes Untersuchungsbeispiel wurde auf eine Heizplatte gelegt, und eine vorbestimmte Menge Öl wurde bei einer vorbestimmten Temperatur aufgetropft, wobei jeweils die maximale Breite (Einheit: mm) des Ölfilms gemessen wurde. Die Messergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die in Tabelle 2 aufgeführten Benetzungsergebnisse sind normiert, wobei die Ölbreite auf dem Grundkörper aus Aluminiumlegierung bei 30°C 1,0 beträgt.Tests for wettability with oil were carried out on examples in which an anodic oxide layer was produced on an aluminum alloy base under the same conditions as in Examples 1, 4 and Comparative Example 1, and on non-anodized aluminum alloy base bodies. The oil used is of the 5W-30 type. Each test sample was placed on a hot plate, and a predetermined amount of oil was dropped at a predetermined temperature, each of which measured the maximum width (unit: mm) of the oil film. The measurement results are shown in Table 2. The wetting results listed in Table 2 are standardized, the oil width on the base body made of aluminum alloy at 30 ° C. being 1.0.

[Tabelle 2] Temperatur 30°C 80°C 130°C 170°C Grundkörper aus Aluminium legierung 1.0 1.3 1.4 1.8 Beispiel 1 0.9 1.1 1.2 1.2 Beispiel 4 0.4 0.4 0.6 0.6 Vergleichsbeispiel 1 1.2 1.6 1.7 1.8 [Table 2] temperature 30 ° C 80 ° C 130 ° C 170 ° C Base body made of aluminum alloy 1.0 1.3 1.4 1.8 example 1 0.9 1.1 1.2 1.2 Example 4 0.4 0.4 0.6 0.6 Comparative example 1 1.2 1.6 1.7 1.8

Wie aus den Ergebnissen von Tabelle 1 ersichtlich, ist eine Korrelation zwischen der Oberflächenrauheit Rpk und der Strömungsrate des Blowby-Gases zu beobachten, während die Oberflächenrauheit Ra in einem kleinen Bereich von ca. 0,8 bis 1,1 µm liegt und keine Korrelation zur Strömungsrate des Blowby-Gases zeigt. Daraus ist ersichtlich, dass es unmöglich ist, die Oberflächenrauheit der anodischen Oxidschicht in Bezug auf die Strömungsrate des Blowby-Gases mit dem Oberflächenrauhigkeits-Kennwert Ra genau zu bewerten. Die Strömungsraten des Blowby-Gases der Beispiele 1 bis 6 sind gegenüber dem Vergleichsbeispiel 1 um 31% oder mehr reduziert, folglich ist es möglich, durch die Bereitstellung einer anodischen Oxidschicht mit einer Oberflächenrauheit Rpk von 1,00 µm oder weniger die Strömungsrate des Blowby-Gases zuverlässig zu reduzieren.As can be seen from the results of Table 1, a correlation is observed between the surface roughness Rpk and the flow rate of the blowby gas, while the surface roughness Ra is in a small range of about 0.8 to 1.1 µm and no correlation with Shows flow rate of blowby gas. From this, it can be seen that it is impossible to accurately evaluate the surface roughness of the anodic oxide film with respect to the flow rate of the blowby gas having the surface roughness index Ra. The flow rates of the blow-by gas of Examples 1 to 6 are reduced by 31% or more compared to Comparative Example 1, so it is possible to reduce the flow rate of the blow-by gas by providing an anodic oxide layer with a surface roughness Rpk of 1.00 µm or less. Reliably reduce gas.

Wie aus den Ergebnissen von Tabelle 2 ersichtlich, nimmt die Breite des Ölfilms mit der Temperatur zu. Darüber hinaus ist die Gleichstrom-Elektrolyseschicht des Vergleichsbeispiels 1 porös, so dass im Niedertemperaturbereich die Breite des Ölfilms hierauf größer ist als die Breite des Ölfilms auf dem Grundkörper aus Aluminiumlegierung. Im Gegensatz dazu weist die Wechselstrom/Gleichstrom-Überlagerungselektrolyseschicht von Beispiel 1 eine dichte Oberfläche auf, so dass die Breite des Ölfilms kleiner ist als die Breite des Ölfilms auf dem Grundkörper aus Aluminiumlegierung. Darüber hinaus ist bei hohen Temperaturen die Zunahme des Verhältnisses der Ölfilmbreite im Vergleich zum Fall des Aluminiumlegierungs-Grundkörpers deutlich kleiner. Auf der Gleichstrom-Elektrolyseschicht, die der Oberflächenbearbeitung von Beispiel 4 unterzogen wurde, ist die Breite des Ölfilms noch kleiner und auch bei einer Temperaturerhöhung wird eine geringe Größe beibehalten. Somit weist die anodische Oxidschicht der Beispiele 1 und 4 eine geringe Benetzbarkeit gegenüber Öl auf. Insbesondere im Hochtemperaturbereich ist der Unterschied zwischen diesen Beispielen und dem Grundkörper aus Aluminiumlegierung und Vergleichsbeispiel 1 auffallend. Folglich ist es durch die Bereitstellung einer anodischen Oxidschicht, die im Hochtemperaturbereich eine geringe Benetzbarkeit gegenüber Öl aufweist, möglich, den Ölaufstieg wirksam zu unterdrücken und somit einen großen Beitrag zur Verringerung der Anzahl ausgetragener Feinpartikel PN zu leisten.As can be seen from the results of Table 2, the width of the oil film increases with the temperature. In addition, the direct current electrolysis layer of Comparative Example 1 is porous, so that in the low temperature range, the width of the oil film thereon is larger than the width of the oil film on the aluminum alloy base. In contrast, the AC / DC superimposed electrolysis layer of Example 1 has a dense surface so that the width of the oil film is smaller than the width of the oil film on the aluminum alloy base. In addition, at high temperatures, the increase in the ratio of the oil film width is significantly smaller as compared with the case of the aluminum alloy base body. On the direct current electrolytic layer subjected to the surface treatment of Example 4, the width of the oil film is still smaller and the size is kept small even when the temperature is increased. Thus, the anodic oxide layer of Examples 1 and 4 has poor wettability with respect to oil. The difference between these examples and the base body made of aluminum alloy and Comparative Example 1 is particularly striking in the high-temperature range. Accordingly, by providing an anodic oxide film which is poor in wettability with oil in the high temperature region, it is possible to effectively suppress the rise of oil and thus make a great contribution to reducing the number of fine particles PN carried out.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010: VerbrennungsmotorkolbenInternal combustion engine pistons
1111: KolbenbodenPiston crown
12a12a: Oberer StegUpper bridge
12b12b: Zweiter StegSecond bridge
1313: Obere RingnutUpper ring groove
13c13c: Untere Fläche der oberen RingnutLower surface of the upper ring groove
1515th: Bauteil aus AluminiumlegierungAluminum alloy component
1616: Siliziumsilicon
20, 21, 22, 2620, 21, 22, 26: anodische Oxidschichtanodic oxide layer
2323: LeerraumWhite space
2525th: Versiegelter AbschnittSealed section
3030th: Oberer (Kolben-)RingUpper (piston) ring
4040: Zylindercylinder
5050: Öloil
6060: AnodisierungsvorrichtungAnodizing device
6161: KathodenelektrodeCathode electrode
6262: DichtringSealing ring
6363: ProzessflüssigkeitProcess fluid
6464: WasserstoffblaseHydrogen bubble

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

JP H09159022 A [0005]

Claims

Internal combustion engine piston with an upper annular groove in an outer peripheral surface, wherein a region of an inner surface of the upper ring groove, which is at least one inner surface on a side facing a second ring groove and which is in contact with an upper ring, is provided with an anodic oxide layer, and the anodic oxide layer has a surface roughness Rpk according to JIS B 0671-2 of 1.00 µm or less.

Internal combustion engine pistons after Claim 1 wherein the anodic oxide layer has a surface roughness Rpk according to JIS B 0671-2 of 0.90 µm or less.

Internal combustion engine pistons after Claim 1 or 2 wherein the anodic oxide layer is an AC / DC overlay electrolytic layer.

Internal combustion engine pistons after Claim 1 or 2 , wherein the surface of the anodic oxide layer has a plateau structure.

Internal combustion engine pistons after Claim 4 wherein the anodic oxide layer has a surface roughness Rpk according to JIS B 0671-2 of 0.60 µm or less.

Internal combustion engine piston according to one of the Claims 1 to 5 wherein the anodic oxide layer is on the entire inner surface of the upper ring groove and on a portion of the outer peripheral surface of the internal combustion engine piston that extends from the upper ring groove to a piston crown, and on a portion of the outer peripheral surface that extends from the upper ring groove the second annular groove is provided.