JP2008286178A - 内燃機関用のピストンおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室内の断熱性を高めることができ、かつ耐久性の高い内燃機関用のピストンとその製造方法を提供する。
【解決手段】内燃機関用のピストン１０に関し、その燃焼室側に形成された頂面部１には、中空部（空気層Ａ）を有する微小柱体３，…がその一端面を頂面部１の燃焼室側表面に臨ませた姿勢で埋設されており、ピストン１０の母材金属に比して相対的に低熱伝導性を有する頂面部１が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関用のピストンとその製造方法に関するものである。

内燃機関用のピストンには、軽量で熱伝導率の高いアルミニウム合金が一般に使用されており、エンジン効率の向上とピストン上部の効率的な放熱が図られている。ピストンの放熱性は、ピストン自体の強度低下を抑制する上で重要であるが、その一方で、ピストンの放熱性が高いと内燃機関始動時等の低負荷下において、燃焼室内の温度が低下してしまい、ハイドロカーボンの増加やＮＯｘの増加といった問題が生じ易い。

そこで、燃焼室内に対向するピストン頂面部をアルミニウム合金等の母材金属に比して相対的に低熱伝導性のチタン系合金等の焼結材で形成するといった技術もおこなわれている。これは、アルミニウム合金等の母材金属にチタン系合金等からなる焼結材を鋳ぐるんで製造するものである。特許文献１，２には、ピストン頂面部の断熱性能をより高めるべく、頂面部の母材金属上に多数の空気穴を設けた金属板を鋳込んでなるピストンが開示されている。

特開２０００−２９７６９５号公報 特開２００５−７６４７１号公報

特許文献１，２に開示のピストンによれば、単に低熱伝導性合金等からなる焼結材のみでピストン頂面部を形成するよりも、よりその断熱性能を向上させることができる。しかし、双方ともに面的に広がりを有する金属板を使用しており、したがって、母材金属からなるピストン頂面部の他の部位との熱膨張差による熱応力がかかる金属板に集中的に作用する結果、金属板に亀裂等の破損が生じることは否めない。この場合、ピストンの耐久性がこの金属板によって決定されるといっても過言ではなく、ピストン自体の耐久性の低下も危惧される。

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、燃焼室内の断熱性を高めることができ、かつ耐久性の高い内燃機関用のピストンとその製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による内燃機関用のピストンは、内燃機関用のピストンであって、前記ピストンの燃焼室側に形成された頂面部には、中空部を有する微小柱体がその一端面を頂面部の燃焼室側表面に臨ませた姿勢で埋設されており、ピストンの母材金属に比して相対的に低熱伝導性を有する頂面部が形成されていることを特徴とするものである。

本発明のピストンは純アルミやアルミニウム合金などの母材金属溶湯から成形されるものであり、燃焼室に対向する頂面部に、母材金属に比して相対的に低熱伝導性を有し、中空部を有する複数の微小柱体が埋設されたピストンである。

母材金属に比して相対的に低熱伝導性を有する、中空部を具備した複数の微小柱体が頂面部に埋設されていることで、まず、ピストン頂面上の燃焼室内の断熱性を高めることが可能となる。加えて、従来技術のごとき面的な広がりを有する金属板ではなく、複数の微小柱体が頂面部内に分散した形態であるために各微小柱体に亀裂が発生する等の問題が生じ得ず、したがってピストンの耐久性を低下させることもない。これは、たとえばチタン等からなる微小柱体が分散した形態であることから、これとアルミニウム母材金属との熱膨張差によって発生する変形量の差を小さくすることができ、個々の部材の過度な変形や亀裂発生にまで至らないことによるものである。

ここで、中空部を具備した微小柱体は、その形状が円柱、角柱、錐柱等、その内部に中空部を具備できる任意の形状を選定でき、さらにその素材はチタン、チタン合金、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、セラミックスなどを使用することができる。チタンは軽量であってかつ比較的安価であること、ステンレス鋼は同様に軽量かつ比較的安価であるとともに成形性に優れていること、セラミックスは高い断熱性を有することなどから、例示の素材が好ましい。また、これらの素材は熱伝導率も高いことから、頂面部を滞熱させることもなく、滞熱によってピストンの耐久性を低下させることもない。たとえば、微小柱体にチタンを使用した場合、その室温での熱伝導率は７．６Ｗ／ｍ・ｋ程度であり、中空部内の空気層の室温での熱伝導率は０．０２６Ｗ／ｍ・ｋ程度であること（高い断熱性）で、燃焼室下部の昇温効果による燃料の気化を促進させ、始動時の未燃ＨＣ（ハイドロカーボン）の低減と燃費の向上を図ることができる。

また、微小柱体がその一端面を頂面部の燃焼室側表面に臨ませた姿勢で埋設されていることにより、完全に頂面部内に埋設されている形態に比して断熱性が格段に高められる。

本発明のピストンによれば、ピストンの放熱性と耐久性の向上、および燃焼室内の断熱性の向上のすべてを図ることができる。

また、本発明による内燃機関用のピストンの他の実施の形態において、前記微小柱体は、２つの蓋部材が嵌め合いされることで形成されることを特徴とするものである。

これは微小柱体の一実施の形態に関するものであり、内部の中空部の大きさ（または体積比）の変化への対応、微小柱体の製造効率等より、たとえば２つの蓋部材を嵌め合いして一つの微小柱体を形成するようにしたものである。

嵌め合い形態は、一方を他方へ押し込んで一体とするもの、双方に螺合溝を形成しておいてねじ込んで一体とするものなど、その形態は任意である。

また、本発明による内燃機関用のピストンの好ましい実施の形態において、前記頂面部のうち、燃料が直接噴射される箇所には、頂面部の他の箇所に比して相対的に多数の微小柱体が埋設されていることを特徴とするものである。

シリンダヘッドの燃料噴射弁から加圧燃料が噴射されてピストン頂面部に直接当たる領域では、点火プラグによる点火後の爆発により、ピストン頂面部の中でも特に断熱性が要求される。

そこで、頂面部のうち、燃料が直接噴射される箇所には、頂面部の他の箇所に比して相対的に多数の微小柱体を埋設しておくことにより、爆発時の室内昇温に最も影響を与える頂面部領域の断熱効果を高めることができる。

さらに、頂面部の他の箇所は相対的に中空部を有する微小柱体の埋設割合が少なくなっていることで、中空部の存在によるピストン強度（剛性）の低下を可及的に低減することができる。

また、本発明による内燃機関用のピストンの他の実施の形態において、前記頂面部は、母材金属の内部に気泡が混入してなることを特徴とするものである。

本発明のピストンは、たとえば頂面部の一部で燃焼室側の領域を気泡が混入された母材金属から成形し、その内部に既述する微小柱体を埋設しておくことにより、ピストン頂面部の断熱性能が一層高められたピストンである。

また、本発明による内燃機関用のピストンの製造方法は、内燃機関用のピストンの製造方法であって、ピストンの燃焼室側に形成された頂面部には、中空部を有する微小柱体がその一端面を頂面部の燃焼室側表面に臨ませた姿勢で埋設されており、ピストンの母材金属に比して相対的に低熱伝導性を有する頂面部が形成されてなるピストンの製造方法において、成形されるピストン頂面部が下方に位置するように成形型を倒立させ、複数の微小柱体が固定された板材を該板材が下方となるようにして成形型内のピストン頂面部成形箇所に載置する第１の工程と、成形型内に母材金属溶湯を充填する第２の工程と、成形型を冷却した後に脱型するとともに前記板材を除去する第３の工程と、からなることを特徴とするものである。

複数の微小柱体の板材への固定方法は、たとえば接着剤による方法や簡易な嵌め合いによっておこなうことができる。また、板材を除去する方法は、カッター等によって切断することができる。なお、板材を成形型内のピストン頂面部成形箇所へ載置固定する固定形態としては、予め該頂面部成形箇所にテーパー付きの落とし込み溝を設けておき、この溝に板材を落とし込む形態がある。この場合、板材の除去は、まず、板材と微小柱体を切断分離し、次いでテーパー面に沿って該板材を引抜くだけで頂面部から板材のみを除去することが可能になる。

さらに、本発明による内燃機関用のピストンの製造方法の他の実施の形態は、ピストンの燃焼室側に形成された頂面部には、中空部を有する微小柱体がその一端面を頂面部の燃焼室側表面に臨ませた姿勢で埋設されており、ピストンの母材金属に比して相対的に低熱伝導性を有する頂面部が形成されてなる、内燃機関用のピストンの製造方法において、気泡が混入された母材金属板材であって複数の微小柱体が埋設固定された母材金属板材を用意し、これを成形型内の頂面部成形箇所に載置する第１の工程と、成形型内に母材金属溶湯を充填する第２の工程と、成形型を冷却した後に脱型する第３の工程と、からなるとを特徴とするものである。

本発明のピストンの製造方法は、既述のごとく頂面部の一部が気泡が混入された母材金属から成形されたピストンの製造方法に関するものである。

予め気泡が混入された母材金属板材であって複数の微小柱体が埋設固定された母材金属板材を用意しておき、これを成形型内の所定箇所に設置することにより、製造効率の向上は勿論のこと、製品の品質を高めることができる。

以上の説明から理解できるように、本発明の内燃機関用のピストンとその製造方法によれば、ピストンの耐久性の向上、ピストン頂面部の断熱性能の向上に起因する燃焼室下部の昇温効果の向上の双方を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明のピストンの一実施の形態の縦断面図であり、図２は図１のII−II矢視図であり、図３は図１のIII部の拡大図であり、図４は図３のIV部の拡大図である。図５は本発明のピストンの製造方法を説明した図であり、図６は図５に続いてピストンの製造方法を説明した図である。図７は本発明のピストンの他の実施の形態の縦断面図であり、図８は図７のVIII部の拡大図である。なお、微小柱体の形態は図示する実施の形態に限定されるものではなく、角柱体、錐体等の形状であってもよく、さらには、図示する嵌め合い構造のほかにも中空部を具備した姿勢で一体に成形されるものであってもよい。

図１は本発明のピストンの一実施の形態の縦断面図であり、図２はその平面図である。このピストン１０は、アルミニウム合金からなる母材金属にて成形された一般部２と、その燃焼室側表面の一部に形成される頂面部１とから大略構成されている。なお、図示する実施の形態ではピストン上面の一部の平面範囲に頂面部１が形成されているが、ピストン上面の全面に頂面部が形成される実施の形態であってもよい。また、図２に示すように、微小柱体３，…の平面視における配設態様は、燃料が直接噴射される領域１ａの微小柱体の配設数を、頂面部の他の箇所１ｂに比して相対的に多く（配設密度を高く）するのが好ましい。微小柱体３が多くなりすぎるとその内部の空気層の介在によって頂面部の強度（剛性）が低下することから、微小柱体３の最適配置を図る必要がある。そこで、燃料が直接噴射される領域１ａの微小柱体の配設数を相対的に多くすることで、燃焼室内の断熱性能確保と、頂面部の強度確保の双方を満足させることができる。

頂面部１のうち、燃焼室側に面する表面部位には複数の微小柱体３，…が埋設されている。この微小柱体３はチタン、チタン合金、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、セラミックスなどから成形されており、その外形は円柱形を呈し、その構造は、微小柱体を拡大した図３，４のごとく２つの蓋部材３１，３２を嵌め合いした構造を呈している。

微小柱体３は、２つの蓋部材３１，３２を嵌め合いすることによってその内部に所定の体積比（微小柱体全体に対する体積比率）の空気層Ａが形成される。たとえば、頂面部の高さ（厚み）が５〜７ｍｍ程度の場合において、微小柱体３の底面の直径をφ２〜４ｍｍ程度、微小柱体の高さを１．５〜３ｍｍ程度に設定することができる。さらに、平面視における頂面部１の面積に対する微小柱体３，…のトータルの面積比率を４０〜７０％程度の範囲に設定するのが好ましい。４０％未満では燃焼室内の断熱性能を十分に得られず、逆に７０％を超えてしまうと、多数の空気層の介在によって頂面部２の強度（剛性）の低下が危惧されるからである。

また、形成される空気層Ａの微小柱体に対する体積比率は１０〜４０％程度に設定するのが好ましい。これも、燃焼室内の断熱性能確保と頂面部の強度確保の双方を満足する最適範囲によるものである。

次に、ピストン１０の製造方法を図５，６に基づいて概説する。
まず、成形されるピストン１０の頂面部１が下方に位置するように成形型Ｄを倒立させ、該成形型ＤのキャビティＣのうち、頂面部成形箇所Ｃ１に所定数の微小柱体３，…を設置する。具体的には、所定数の微小柱体３，…の一端を共通のアルミ金属製の板材４に接着しておき、この板材４を頂面部成形箇所Ｃ１に設けられた落とし込み溝Ｃ２に落とし込んで位置決めする。ここで、落とし込み溝Ｃ２の側面はテーパー面Ｃ２’とされており、板材４の側面にもこのテーパー面Ｃ２’と対応するテーパー面４’が形成されている。このようにテーパー面Ｃ２’、 ４’を形成しておくことで、最後に板材４のみをピストン１０から除去する際の除去効率が高められる。

板材４を設置した後に、母材金属溶湯を成形型ＤのキャビティＣ内に充填する。この姿勢で所定時間残置しておき、成形型が冷却した後に、図６のごとく脱型する。

脱型後、頂面部１内に埋設固定された微小柱体３，…と板材４をカッター切断し、板材４のみを取り外してピストン１０が製造される。

次に、図７，８に基づいて本発明のピストンの他の実施の形態を説明する。

図７は、他の実施の形態の頂面部１Ｃを有するピストン１０Ａを示しており、図８は頂面部１Ｃをさらに拡大した図である。具体的には、この頂面部１Ｃは上下２層から構成されるものであり、上層で燃焼室側の層は多数の気泡Ｂ，…を有するとともに複数の微小柱体３，…を埋設してなるアルミ合金層（発泡アルミ合金層１Ａ）と、その下層でアルミ合金母材からなるアルミ合金層１Ｂと、から形成されている。

ここで、発泡アルミ合金層１Ａは、固有の成形型内に複数の微小柱体３，…を載置した姿勢でバブリングされたアルミ合金溶湯をこの成形型内に充填し、板状の発泡アルミ合金層１Ａを形成しておく。次いで、この発泡アルミ合金層１Ａを図５に示す成形型Ｄ内に載置固定し、母材金属溶湯を流しこんでピストン１０Ａを製造するものである。

図８において、発泡アルミ合金層１Ａの高さｔを２〜４ｍｍに設定でき、頂面部１Ｃの全長ｔ’に対する発泡アルミ合金層１Ａの高さｔの割合を０．２〜０．４程度の範囲に設定するのがよい。これも、燃焼室内の断熱性能とピストン頂面部の強度の双方を満足するための高さ範囲である。

頂面部１Ｃでは、発泡アルミ合金層１Ａ自体が体積比率で空気を５０〜８０％含有することができ、もって高い断熱性を有しており、さらに複数の微小柱体３，…内の空気層Ａ，…の介在によってその断熱効果は一層高められる。

上記する本発明のピストン１０，１０Ａによれば、空気層Ａを内包する微小柱体３，…が頂面部内に埋設されることで燃焼室内の断熱効果を高めることができ、エンジン始動時の未燃ハイドロカーボンの低減と燃費の向上を図ることができる。

また、複数の微小柱体３，…が分散して頂面部内に配設されていることで、母材金属溶湯との間で熱変形量に差があっても各微小柱体３が割れたりする危険性がほとんどなく、したがってピストンの耐久性を格段に高めることができる。

さらには、その製造方法は従来のピストンの製造方法とほとんど変わるものではないことから、製造コストを高騰させることもない。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

本発明のピストンの一実施の形態の縦断面図である。 図１のII−II矢視図である。 図１のIII部の拡大図である。 図３のIV部の拡大図である。 本発明のピストンの製造方法を説明した図である。 図５に続いてピストンの製造方法を説明した図である。 本発明のピストンの他の実施の形態の縦断面図である。 図７のVIII部の拡大図である。

符号の説明

１，１Ｃ…頂面部、１Ａ…発泡アルミ合金層、２…一般部、３…微小柱体、３１，３２…蓋部材、４…板材、４’…テーパー面、１０，１０Ａ…ピストン、Ａ…空気層、Ｂ…気泡、Ｄ…成形型、Ｃ…キャビティ、Ｃ１…頂面部成形箇所、Ｃ２…落とし込み溝、Ｃ２’…テーパー面

Claims (6)

1. 内燃機関用のピストンであって、
   前記ピストンの燃焼室側に形成された頂面部には、中空部を有する微小柱体がその一端面を頂面部の燃焼室側表面に臨ませた姿勢で埋設されており、ピストンの母材金属に比して相対的に低熱伝導性を有する頂面部が形成されていることを特徴とする内燃機関用のピストン。
2. 前記微小柱体は、２つの蓋部材が嵌め合いされることで形成される、請求項１に記載の内燃機関用のピストン。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関用のピストンにおいて、
   前記頂面部のうち、燃料が直接噴射される箇所には、頂面部の他の箇所に比して相対的に多数の微小柱体が埋設されていることを特徴とする内燃機関用のピストン。
4. 前記頂面部は、母材金属の内部に気泡が混入してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関用のピストン。
5. ピストンの燃焼室側に形成された頂面部には、中空部を有する微小柱体がその一端面を頂面部の燃焼室側表面に臨ませた姿勢で埋設されており、ピストンの母材金属に比して相対的に低熱伝導性を有する頂面部が形成されてなる、内燃機関用のピストンの製造方法において、
   成形されるピストン頂面部が下方に位置するように成形型を倒立させ、複数の微小柱体が固定された板材を該板材が下方となるようにして成形型内のピストン頂面部成形箇所に載置する第１の工程と、
   成形型内に母材金属溶湯を充填する第２の工程と、
   成形型を冷却した後に脱型するとともに前記板材を除去する第３の工程と、からなる内燃機関用のピストンの製造方法。
6. ピストンの燃焼室側に形成された頂面部には、中空部を有する微小柱体がその一端面を頂面部の燃焼室側表面に臨ませた姿勢で埋設されており、ピストンの母材金属に比して相対的に低熱伝導性を有する頂面部が形成されてなる、内燃機関用のピストンの製造方法において、
   気泡が混入された母材金属板材であって複数の微小柱体が埋設固定された母材金属板材を用意し、これを成形型内の頂面部成形箇所に載置する第１の工程と、
   成形型内に母材金属溶湯を充填する第２の工程と、
   成形型を冷却した後に脱型する第３の工程と、からなる内燃機関用のピストンの製造方法。

Images