JP2017115781A - Internal combustion engine piston, internal combustion engine and process of manufacture of internal combustion engine piston - Google Patents

Internal combustion engine piston, internal combustion engine and process of manufacture of internal combustion engine piston Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an internal combustion engine piston, internal combustion engine and process of manufacture of internal combustion engine capable of keeping superior combustion state by maintaining a degree of smoothness at a surface in a cavity while improving a heat shield effect of an entire piston of the internal combustion engine by changing a thickness of Alumite heat shield film in response to a location of the piston and further capable of improving thermal efficiency of the internal combustion engine.SOLUTION: An upper portion Rt of a piston 10 is heat shield coated and at the same time in regard to a thickness of film of this heat shield coating, a thickness of a first area R1 including a lip portion 13 of at least a cavity 12 of the piston 10 is formed not to have that of the lip portion 13. but formed to be thinner than that of a second area R2 including a top surface 14 of the piston 10 and a central portion of the cavity 12.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、内燃機関のピストン、内燃機関、及び内燃機関のピストンの製造方法に関し、より詳細には、キャビティー内の熱損失を小さくでき、しかも、燃焼状態を良好に維持できて、熱効率の改善ができる内燃機関のピストン、内燃機関、及び内燃機関のピストンの製造方法に関する。   The present invention relates to an internal combustion engine piston, an internal combustion engine, and a method of manufacturing an internal combustion engine piston. More specifically, the present invention can reduce heat loss in a cavity, maintain a good combustion state, and improve thermal efficiency. The present invention relates to a piston for an internal combustion engine that can be improved, an internal combustion engine, and a method for manufacturing a piston for an internal combustion engine.

一般的に、車両に搭載されるディーゼルエンジン等の内燃機関等のピストンにおいては、エンジンの燃費を改善するために、ピストンの頂部に設けられたキャビティーを含む燃焼室の温度を保つために、この燃焼室の周囲に遮熱コーティングを施すことが有効な方法として知られている。   In general, in a piston such as an internal combustion engine such as a diesel engine mounted on a vehicle, in order to improve the fuel consumption of the engine, in order to maintain the temperature of the combustion chamber including the cavity provided at the top of the piston, It is known as an effective method to apply a thermal barrier coating around the combustion chamber.

例えば、エンジン燃焼室に臨む面などのアルミ合金製母材の表面に陽極酸化処理による空孔を有する断熱性が高いポーラス層(アルマイト膜)を形成し、この凹凸の表面を持つポーラス層の上に、母材よりも熱伝導率が低く表面が平滑なジルコニア等の皮膜層をプラズマ溶射などにより設けた構造としたアルミ合金製品の断熱構造が、エンジンの冷却損失の低減などに利用することができる断熱構造体として提案されている(例えば、特許文献1参照)。なお、この断熱構造体では、熱伝導率はアルミニウム合金製母材が150W/(m・K)、ポーラス側が24〜53W/(m・K)、被覆層が0.40〜0.94W/(m・K)とされている。   For example, a highly heat-insulating porous layer (anodized film) having pores by anodizing treatment is formed on the surface of an aluminum alloy base material such as the surface facing the engine combustion chamber. In addition, the heat insulation structure of aluminum alloy products with a coating layer of zirconia, etc., which has a lower thermal conductivity than the base material and a smooth surface by plasma spraying, etc. can be used to reduce engine cooling loss, etc. It has been proposed as a heat insulating structure that can be used (see, for example, Patent Document 1). In this heat insulating structure, the thermal conductivity of the aluminum alloy base material is 150 W / (m · K), the porous side is 24 to 53 W / (m · K), and the covering layer is 0.40 to 0.94 W / ( m · K).

また、遮熱効果だけでなく、スカッフィングや摩耗などの発生を防止するためにも、アルミニウム合金製のピストンの冠面部に硬質アルマイト処理による酸化被膜を形成することが行われている(例えば、特許文献2参照)。   Also, in order to prevent not only the heat shielding effect but also scuffing and wear, an oxide film is formed on the crown surface portion of the aluminum alloy piston by hard anodizing (for example, patents) Reference 2).

この遮熱コーティングとしてのアルマイト皮膜を燃焼室の周囲の凹部形状をしたキャビティーとその周囲の頂面に形成すると、エンジンの冷却損失を低減できて熱効率を改善できる。このアルマイト皮膜の形成は遮熱効果を上げるために、一般的には厚いアルマイト皮膜を形成することが望まれている。   When the alumite film as the thermal barrier coating is formed on the cavity having a concave shape around the combustion chamber and the top surface around the cavity, the cooling loss of the engine can be reduced and the thermal efficiency can be improved. In order to increase the heat shielding effect, it is generally desired to form a thick alumite film.

しかしながら、アルマイト膜を厚く形成するとその表面が荒くなるので、キャビティー全体を厚いアルマイト膜でコーティングしてしまうと、キャビティーの表面が荒くなり、キャビティー内の空気と燃料の流動状態に悪影響を及ぼし、燃焼室内の燃焼状態が悪化する。そのため、遮熱効果は上昇しても燃焼状態が悪化するため、全体としては熱効率の向上効果が減少してしまうという問題がある。この燃料と空気の流動性に関しては、特にキャビティーのリップ部分の表面の粗さの影響が大きい。   However, if the alumite film is formed thick, its surface becomes rough, and if the entire cavity is coated with a thick alumite film, the surface of the cavity becomes rough, which adversely affects the flow state of air and fuel in the cavity. The combustion state in the combustion chamber deteriorates. Therefore, since the combustion state is deteriorated even if the heat shielding effect is increased, there is a problem that the effect of improving the thermal efficiency is reduced as a whole. Regarding the fluidity of the fuel and air, the influence of the roughness of the surface of the lip portion of the cavity is particularly large.

一方、アルミニウム合金製のピストンにアルマイト皮膜を形成すると、燃焼室の口縁部(リップ部)、特にピストンピンの方向の両側の互いに対向する口縁部において大きな熱応力が発生し、しばしば亀裂が発生して、ピストン及びこのピストンを使用している内燃機関の耐久性が低下するという問題がある。   On the other hand, when an alumite film is formed on a piston made of an aluminum alloy, a large thermal stress is generated at the edge (lip) of the combustion chamber, particularly the opposite edges on both sides in the direction of the piston pin. There is a problem that the durability of the piston and the internal combustion engine using the piston is lowered.

この対策として、スラストとアンチスラスト側のリップ部、頂面や燃焼室底面にアルマイト皮膜を形成して、フロントとリア方向のリップ部と頂面部分にはアルマイト皮膜を形成しない方法が取られている。   As a countermeasure, an alumite film is formed on the lip portion on the thrust and anti-thrust sides, the top surface and the bottom surface of the combustion chamber, and the alumite film is not formed on the lip portion and the top surface portion in the front and rear directions. Yes.

また、別の方法として、例えば、頂面に凹型の燃焼室を有する内燃機関用アルミニウム合金ピストンにおいて、頂面に施すアルマイト処理をこの亀裂発生部分には施さずに、この亀裂発生部分を無機繊維等で複合強化し、残りの領域に硬質アルマイト皮膜を形成した内燃機関用アルミニウム合金ピストンが提案されている(例えば、特許文献3参照)。   As another method, for example, in an aluminum alloy piston for an internal combustion engine having a concave combustion chamber on the top surface, an alumite treatment applied to the top surface is not performed on the crack generating portion, and the crack generating portion is treated with an inorganic fiber. An aluminum alloy piston for an internal combustion engine that has been reinforced in a composite manner and formed with a hard anodized film in the remaining region has been proposed (see, for example, Patent Document 3).

しかしながら、これらの方法では、キャビティーの内部の燃焼温度が高く、このキャビティーにおける熱損失が多いので、ピストン全体の熱損失を小さくするができない。つまり、ピストンのリップ部分以上の頂面側のみをアルマイト遮熱しているだけでは、キャビティー内の熱損失が大きく、熱効率の改善が限定的となってしまう。その上、キャビティーを単にアルマイトやジルコニア等の遮熱膜でコーディングしても、表面が荒いと、燃焼状態が悪化し、熱効率の向上効果が相殺されてしまう。   However, in these methods, since the combustion temperature inside the cavity is high and the heat loss in the cavity is large, the heat loss of the entire piston cannot be reduced. That is, if only the alumite heat shielding is applied only to the top surface side of the lip portion or more of the piston, the heat loss in the cavity is large and the improvement of the thermal efficiency is limited. Moreover, even if the cavity is simply coded with a thermal barrier film such as anodized or zirconia, if the surface is rough, the combustion state deteriorates and the effect of improving thermal efficiency is offset.

特開2012−72745号公報JP 2012-72745 A 特開平11−267929号公報JP 11-267929 A 特開昭61−294159号公報JP-A 61-294159

一方、本発明者は、アルマイト膜の厚さと表面の粗さとの関係に注目して、膜の厚さが薄いと表面の平滑度合いが良くなるとの知見を得た。   On the other hand, the present inventors paid attention to the relationship between the thickness of the alumite film and the roughness of the surface, and obtained the knowledge that the smoothness of the surface is improved when the film is thin.

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関のピストンにおいて、遮熱コーティング皮膜の厚みをピストンの部位に応じて変化させることにより、ピストン全体の遮熱効果を向上させながら、しかも、キャビティー内における表面における平滑度合いを維持して燃焼状態を良好に維持できて、内燃機関の熱効率を向上できる、内燃機関のピストン、内燃機関、及び内燃機関のピストンの製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to change the thickness of the thermal barrier coating film in the piston of the internal combustion engine in accordance with the portion of the piston, so that the overall thermal barrier effect of the piston is achieved. The piston of the internal combustion engine, the internal combustion engine, and the piston of the internal combustion engine can improve the thermal efficiency of the internal combustion engine by maintaining the smoothness on the surface in the cavity and improving the combustion state. It is to provide a manufacturing method.

さらなる目的は、遮熱コーティング皮膜により、ピストン全体の遮熱効果を向上させながらも、キャビティーのリップ部分(口縁部)の比較的亀裂が発生し易い部位における亀裂の発生を抑制することができて、ピストン及びこのピストンを使用している内燃機関の耐久性を向上することができる内燃機関のピストン、内燃機関、及び内燃機関のピストンの製造方法を提供することにある。   A further object is to suppress the occurrence of cracks in the lip portion (mouth edge) of the cavity where cracks are likely to occur while improving the heat shielding effect of the entire piston by the thermal barrier coating film. An object of the present invention is to provide a piston for an internal combustion engine, an internal combustion engine, and a method for manufacturing the piston for an internal combustion engine that can improve the durability of the piston and the internal combustion engine using the piston.

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関のピストンは、当該ピストンの上部部分を遮熱コーティングしてあると共に、この遮熱コーティング皮膜の厚さに関しては、当該ピストンの少なくともキャビティーのリップ部分を含む第1領域の厚さを、前記リップ部分を含まず、当該ピストンの頂面とキャビティーの中央部分を含む第2領域の厚さよりも薄く形成している。   In order to achieve the above object, the piston of the internal combustion engine of the present invention has a thermal barrier coating on the upper portion of the piston, and the thickness of the thermal barrier coating is at least the lip of the cavity of the piston. The thickness of the first region including the portion is formed thinner than the thickness of the second region not including the lip portion and including the top surface of the piston and the central portion of the cavity.

この構成によれば、遮熱コーティング皮膜は厚いとその表面が荒くなり、薄いとその表面が平滑になるので、遮熱コーティング皮膜が厚い第2領域では面積当たりの遮熱効果が大きく、一方、遮熱コーティング皮膜が薄い第1領域では、第2領域よりも面積当たりの遮熱効果は少ないが、第1領域では高温になるので遮熱効果自体は大きくなり、また、その表面は平滑で、荒くなっていないので燃焼状態を良好に維持できる。そのため、ピストン全体としての熱効率を向上できる。   According to this configuration, when the thermal barrier coating film is thick, the surface becomes rough, and when the thermal barrier coating film is thin, the surface becomes smooth. Therefore, in the second region where the thermal barrier coating film is thick, the thermal barrier effect per area is large, In the first region where the thermal barrier coating film is thin, the thermal barrier effect per area is less than in the second region, but the thermal barrier effect itself is increased because of the high temperature in the first region, and the surface is smooth, Since it is not rough, the combustion state can be maintained well. Therefore, the thermal efficiency as the whole piston can be improved.

また、遮熱コーティング皮膜により、ピストン全体の遮熱効果を向上させながらも、キャビティーのリップ部分の比較的熱応力により亀裂が発生し易い部位における遮熱コーティング皮膜の厚さを、熱応力が大きくなって亀裂が発生するほどには厚くせずに、適度な厚さに抑えているので、この部位の熱応力による亀裂の発生を抑制することができる。   In addition, while the thermal barrier coating film improves the thermal barrier effect of the entire piston, the thermal stress can reduce the thickness of the thermal barrier coating film at the lip part of the cavity where cracks are likely to occur due to relatively thermal stress. Since it is not thick enough to become large and cracks are generated, it is suppressed to an appropriate thickness, so that generation of cracks due to thermal stress at this part can be suppressed.

なお、この第1領域は、リップ部分を含むが、この第1領域を広げる場合には、リップ部分からキャビティーの底面側に伸ばして、キャビティーの側面部分を含めるように広げることが好ましい。   The first region includes a lip portion. However, when the first region is expanded, it is preferable that the first region is extended from the lip portion to the bottom surface side of the cavity so as to include the side surface portion of the cavity.

上記の内燃機関のピストンにおいて、前記遮熱コーティング皮膜の厚さに関して、前記第1領域の厚さを5μm以上で50μm未満に、前記第2領域の厚さを50μm以上で500μm以下に形成しているように構成される。   In the piston of the internal combustion engine, with respect to the thickness of the thermal barrier coating film, the thickness of the first region is 5 μm or more and less than 50 μm, and the thickness of the second region is 50 μm or more and 500 μm or less. Configured to be.

第1領域の遮熱コーティング皮膜の厚さを5μm以上で50μm未満の厚さにすると、表面の状態を燃焼状態が悪化せずに良好な状態を維持できる程度まで平滑な状態に保つことができ、遮熱効果を発揮できる。また、第2領域の遮熱コーティング皮膜の厚さを、50μm以上で500μm以下の厚さにすると、適度なアルマイト皮膜の形成処理で、この厚さの遮熱コーティング皮膜を比較的容易に形成できる上に、比較的大きな遮熱効果を発揮できる。   When the thickness of the thermal barrier coating film in the first region is 5 μm or more and less than 50 μm, the surface state can be kept smooth to such an extent that the good state can be maintained without deteriorating the combustion state. The heat shielding effect can be demonstrated. In addition, when the thickness of the thermal barrier coating film in the second region is 50 μm or more and 500 μm or less, the thermal barrier coating film having this thickness can be formed relatively easily by an appropriate anodizing process. Moreover, a relatively large heat shielding effect can be exhibited.

また、上記の内燃機関のピストンにおいて、前記ピストンのリップ部分の部位を複合強化して形成していると、ピストンのピストンピン孔の方向の両側の互いに対向するリップ部分の部位は亀裂が発生し易いので、アルマイト皮膜などを厚くすると、このアルマイト皮膜に亀裂が発生するという問題が生じるが、この構成では遮熱コーティング皮膜の厚さを亀裂が発生し難い厚さに留めると共に、さらに、この部位をアルミニウム合金の複合強化により強化でき、この部位における亀裂の発生を防止できるようになる。   Also, in the piston of the internal combustion engine, if the lip portion of the piston is formed by composite reinforcement, the lip portions facing each other on both sides in the direction of the piston pin hole of the piston will crack. However, if the alumite film is thick, there is a problem that cracks occur in this alumite film. However, with this configuration, the thickness of the thermal barrier coating film is kept to a level where cracks are unlikely to occur, Can be strengthened by the composite strengthening of the aluminum alloy, and the occurrence of cracks at this portion can be prevented.

そして、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、上記の内燃機関のピストンを備えていることを特徴とする内燃機関であり、上記の内燃機関のピストンと同様の効果を奏することができる。   An internal combustion engine of the present invention for achieving the above object is an internal combustion engine including the piston of the internal combustion engine, and has the same effect as the piston of the internal combustion engine. Can do.

また、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関のピストンの製造方法は、上記の内燃機関のピストンの製造方法であり、ピストン本体をアルミニウム合金で形成して、前記第1領域を再溶融した後に、当該ピストンの上部部分を遮熱コーティングすることを特徴とする方法である。   A method for manufacturing a piston for an internal combustion engine according to the present invention for achieving the above object is a method for manufacturing a piston for an internal combustion engine as described above, wherein the piston body is formed of an aluminum alloy, and the first region is reused. After melting, a thermal barrier coating is applied to the upper part of the piston.

この方法は、合金組成の制御により膜の厚さを調整する方法であり、アルミニウム合金をレーザーやアークなどを用いることにより再溶融(リメルト)すると、その組織(粒径)が細かくなり、アルマイト皮膜の成膜速度を遅くすることができ、薄い膜形成となることを利用する方法である。   This method is a method of adjusting the thickness of the film by controlling the alloy composition. When an aluminum alloy is remelted (remelted) by using a laser or an arc, the structure (particle size) becomes finer, and the anodized film This method utilizes the fact that the film formation rate can be reduced and a thin film is formed.

あるいは、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関のピストンの製造方法は、上記の内燃機関のピストンの製造方法であり、ピストン本体をアルミニウム合金で形成する際に、前記第1領域のアルミニウム合金を複合強化して形成し、この後に当該ピストンの上部部分を遮熱コーティングすることを特徴とする。   Alternatively, a method for manufacturing a piston of an internal combustion engine according to the present invention for achieving the above object is a method for manufacturing a piston of the above internal combustion engine, and when the piston body is formed of an aluminum alloy, It is characterized in that it is formed by composite strengthening of an aluminum alloy, and thereafter, the upper part of the piston is subjected to thermal barrier coating.

この方法は、アルミニウム合金の複合化により膜の厚さを調整する方法であり、アルミニウム合金の中にウィスカーまたはセラミックス繊維などで複合強化しておくと、アルマイト皮膜などの遮熱コーティング皮膜の成長速度を遅くすることができ、薄い膜形成となることを利用する方法である。   This method is a method of adjusting the film thickness by compounding an aluminum alloy. If the aluminum alloy is reinforced with whiskers or ceramic fibers, the growth rate of the thermal barrier coating film such as an alumite film is increased. This is a method utilizing the fact that a thin film can be formed.

本発明の内燃機関のピストン、内燃機関、及び内燃機関のピストンの製造方法によれば、キャビティーのリップ部分を含む第1領域も、キャビティーのリップ部分を含まず、ピストンの頂面とキャビティーの中央部分を含む第2領域の両方のピストンの上部部分を遮熱コーティングするので、内部の温度が高温になり、遮熱効果が比較的大きいキャビティー内も遮熱コーティング皮膜により遮熱することができ、また、第1領域の遮熱コーティング皮膜の厚さを第2領域の遮熱コーティング皮膜の厚さよりも薄く形成していることにより、第1領域のその表面は平滑で、荒くなっていないので燃焼状態を良好に維持できる。そのため、ピストン全体としての熱効率を向上できる。   According to the piston of the internal combustion engine, the internal combustion engine, and the manufacturing method of the piston of the internal combustion engine of the present invention, the first region including the lip portion of the cavity also does not include the lip portion of the cavity, and the top surface of the piston and the cavity. Since the upper part of both pistons in the second region including the center part of the tee is thermally shielded, the inside temperature becomes high, and the inside of the cavity having a relatively large thermal shielding effect is also shielded by the thermal barrier coating film. In addition, since the thickness of the thermal barrier coating film in the first region is smaller than the thickness of the thermal barrier coating film in the second region, the surface of the first region is smooth and rough. The combustion state can be maintained well. Therefore, the thermal efficiency as the whole piston can be improved.

また、遮熱コーティング皮膜により、ピストン全体の遮熱効果を向上させながらも、キャビティーのリップ部分の比較的熱応力による亀裂が発生し易い部位における遮熱コーティング皮膜の厚さを、熱応力による亀裂の発生の原因になるほど厚くせずに、適度な厚さに抑えているので、この部位の熱応力による亀裂の発生を抑制することができて、ピストン及びこのピストンを使用している内燃機関の耐久性を向上することができる。   In addition, the thermal barrier coating film improves the thermal barrier effect of the entire piston, but the thickness of the thermal barrier coating film at the part where the cracks due to relatively thermal stress of the lip part of the cavity are likely to occur is determined by the thermal stress. Since the crack is not thick enough to cause cracking, it is suppressed to an appropriate thickness, so that cracking due to thermal stress at this part can be suppressed, and a piston and an internal combustion engine using this piston are used. It is possible to improve the durability.

本発明に係る実施の形態のピストンの構成を模式的に示す側断面図である。It is a sectional side view showing typically composition of a piston of an embodiment concerning the present invention. 図1のピストンの構成を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the structure of the piston of FIG. ピストンにおける第1領域と第2領域の例を模式的に示す拡大側断面図である。It is an expansion side sectional view showing typically the example of the 1st field and the 2nd field in a piston.

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関のピストン、内燃機関、及び内燃機関のピストンの製造方法について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明に係る実施の形態の内燃機関は、本発明に係る実施の形態の内燃機関のピストン10を備えている構成をしており、後述する内燃機関のピストン10が奏する作用効果と同様の作用効果を奏することができる。   Hereinafter, a piston of an internal combustion engine, an internal combustion engine, and a method of manufacturing the piston of the internal combustion engine according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the internal combustion engine of the embodiment according to the present invention is configured to include the piston 10 of the internal combustion engine of the embodiment according to the present invention, and is similar to the operational effects exhibited by the piston 10 of the internal combustion engine described later. The effect of this can be achieved.

図1に示すように、本発明に係る実施の形態の内燃機関のピストン(以下、ピストン)10は、シリンダ(図示しない)内で上下運動し、コンロッド(図示しない)を介してクランクシャフト(図示しない)を回転させる機能を有している。   As shown in FIG. 1, a piston (hereinafter, piston) 10 of an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention moves up and down in a cylinder (not shown) and is connected to a crankshaft (not shown) via a connecting rod (not shown). Has a function to rotate.

このピストン10のピストン本体11の上部部分(ピストン頭頂部:ピストンクラウン)Rtに凹部形状のキャビティー12(燃焼室)が形成され、そのリップ部分(口縁部)13の外側に平坦な頂面14が形成されている。また、それより下のピストン本体11の外周面には、コンプレッションリング用のピストンリング溝15a、15bとオイルリング用のピストンリング溝15cが形成されており、その下側はピストンスカート16となっている。また、ピストン本体11には、ピストン本体11とコンロッド(図示しない)をつなぐピストンピン17が挿入されるピストンピン孔18が設けられている。   A concave cavity 12 (combustion chamber) is formed in the upper portion (piston head portion: piston crown) Rt of the piston 10 of the piston 10, and a flat top surface is formed outside the lip portion (mouth edge portion) 13. 14 is formed. Further, compression ring piston ring grooves 15a and 15b and an oil ring piston ring groove 15c are formed on the outer peripheral surface of the piston body 11 below the piston main body 11, and a piston skirt 16 is formed on the lower side thereof. Yes. The piston body 11 is provided with a piston pin hole 18 into which a piston pin 17 that connects the piston body 11 and a connecting rod (not shown) is inserted.

なお、必要に応じて、ピストン10が上昇した際に排気バルブや吸気バルブが開いた状態でもピストン10と接触しないように逃げの部分となるバルブリセスが設けられるが、図1〜図3では図を簡略化するためにこれらを省略している。また、ピストン本体11を冷却するためのエンジンオイルの冷却通路(クーリングチャンネル)やピストンの裏側にエンジンオイルを噴射する噴射機構なども図示していない。   In addition, if necessary, a valve recess serving as a relief portion is provided so that the piston 10 does not come into contact with the piston 10 even when the exhaust valve or the intake valve is opened when the piston 10 is raised. These are omitted for the sake of simplicity. Also, an engine oil cooling passage (cooling channel) for cooling the piston body 11 and an injection mechanism for injecting engine oil to the back side of the piston are not shown.

図1〜図3に示すように、本発明においては、このピストン10の上部部分Rtの表面は遮熱コーティングしてある。つまり、ピストン本体11は、熱膨張率が低く、耐熱性に優れ、さらに軽量であるためにアルミニウム合金で製作されることが多い。このアルミニウム合金は熱伝導率が高く、ピストン上部部分Rtの熱を早く逃がすことができ冷却性に優れているが、エンジンにおいては燃焼状態を良好に保ち燃焼における熱効率を高く維持するためには、燃料が燃焼する部分の遮熱が重要となる。そのため、ピストン上部部分Rtの遮熱性を高めるために、遮熱コーティングして遮熱コーティング皮膜をピストン10の上部部分Rtに形成する。   As shown in FIGS. 1-3, in this invention, the surface of the upper part Rt of this piston 10 is heat-shielding-coated. That is, the piston body 11 is often made of an aluminum alloy because it has a low coefficient of thermal expansion, excellent heat resistance, and is lightweight. This aluminum alloy has a high thermal conductivity and can quickly release the heat of the piston upper portion Rt and has excellent cooling performance. However, in an engine, in order to maintain a good combustion state and maintain high thermal efficiency in combustion, It is important to shield the area where the fuel burns. Therefore, in order to improve the heat shielding property of the piston upper portion Rt, a heat shielding coating is formed on the upper portion Rt of the piston 10 by heat shielding coating.

この遮熱コーティング皮膜を形成する方法としては、アルマイト皮膜やジルコニア皮膜などを形成する方法がある。このアルマイト層の遮熱コーティング皮膜は、アルミニウム合金製のピストンを陽極として、シュウ酸、硫酸、クロム酸などの水溶液である電解液に浸漬して電解を行うことで、ピストン10の上部部分Rtを酸化して、この部分のアルミニウム合金の表面上に酸化アルミニウムを成長させて酸化皮膜を形成する陽極酸化処理で容易に形成することができる。なお、一般的に、エンジンのピストンにおいては、「硬質アルマイト」と呼ばれる皮膜硬さと耐摩耗性能に優れたアルマイト皮膜の形成が行われる。なお、このアルマイト皮膜の熱伝導率はアルミニウムの約3分の1程度である。   As a method of forming this thermal barrier coating film, there is a method of forming an alumite film or a zirconia film. The thermal barrier coating film of the alumite layer is formed by immersing an aluminum alloy piston as an anode in an electrolytic solution that is an aqueous solution of oxalic acid, sulfuric acid, chromic acid, etc. It can be easily formed by anodizing treatment by oxidizing and growing aluminum oxide on the surface of the aluminum alloy in this portion to form an oxide film. In general, a piston of an engine is formed with an alumite film called “hard anodized” having excellent film hardness and wear resistance. The thermal conductivity of this anodized film is about one third of that of aluminum.

また、ジルコニア層の遮熱コーティング皮膜は、一般的にはプラズマ溶射等の溶射により形成れ、ジルコニア(ZrO2)等のセラミック材料の遮熱皮膜をピストンなどのエンジン部品に成膜させる。なお、このジルコニア等の遮熱コーティング皮膜の内部の気孔率は20%〜30%であり、このジルコニア皮膜の熱伝導率は約1W/m・K程度の低いものとなる。 The thermal barrier coating film of the zirconia layer is generally formed by thermal spraying such as plasma spraying, and a thermal barrier coating film of a ceramic material such as zirconia (ZrO 2 ) is formed on an engine component such as a piston. The internal porosity of the thermal barrier coating such as zirconia is 20% to 30%, and the thermal conductivity of the zirconia coating is as low as about 1 W / m · K.

本発明においては、さらに、このピストン10の上部部分Rtにおいて、ピストン10の少なくともキャビティー12のリップ部分13を含む第1領域(図1〜図3のクロスハッチング部分)R1と、キャビティー12のリップ部分13を含まず、ピストン10の頂面14とキャビティー12の中央部分を含む第2領域(図1〜図3の斜線ハッチング部分)R2とに分ける。そして、遮熱コーティングの膜の厚さに関して、この第1領域R1の厚さを、第2領域R2の厚さよりも薄く形成する。   In the present invention, in the upper portion Rt of the piston 10, a first region (cross-hatched portion in FIGS. 1 to 3) R 1 including at least the lip portion 13 of the cavity 12 of the piston 10, and the cavity 12. The lip portion 13 is not included, and the top surface 14 of the piston 10 and the second region (the hatched portion in FIGS. 1 to 3) R2 including the central portion of the cavity 12 are divided. And regarding the thickness of the film of the thermal barrier coating, the thickness of the first region R1 is formed to be thinner than the thickness of the second region R2.

なお、この第1領域は、リップ部分を含むが、この第1領域を広げる場合には、リップ部分からキャビティーの底面側に伸ばして、キャビティーの側面部分を含めるように広げることが好ましい。   The first region includes a lip portion. However, when the first region is expanded, it is preferable that the first region is extended from the lip portion to the bottom surface side of the cavity so as to include the side surface portion of the cavity.

また、この遮熱コーティング皮膜の厚さに関して、第1領域R1の厚さを5μm以上で50μm未満に、第2領域R2の厚さを50μm以上で500μm以下に形成することが好ましい。   Further, regarding the thickness of the thermal barrier coating film, it is preferable that the thickness of the first region R1 is 5 μm or more and less than 50 μm, and the thickness of the second region R2 is 50 μm or more and 500 μm or less.

第1領域R1の遮熱コーティング皮膜の厚さを5μm以上で50μm未満の厚さにすると、表面の状態を燃焼状態が悪化せずに良好な状態を維持できる程度まで平滑な状態に保つことができ、遮熱効果を発揮できる。また、第2領域R2の遮熱コーティング皮膜の厚さを50μm以上で500μm以下の厚さにすると、適度なアルマイト皮膜の形成処理でこの厚さの遮熱コーティング皮膜を比較的容易に形成できる上に、比較的大きな遮熱効果を発揮できる。   When the thickness of the thermal barrier coating film in the first region R1 is 5 μm or more and less than 50 μm, the surface state can be kept smooth to such an extent that the good state can be maintained without deteriorating the combustion state. And can exert a heat shielding effect. Further, when the thickness of the thermal barrier coating film in the second region R2 is set to 50 μm or more and 500 μm or less, the thermal barrier coating film having this thickness can be formed relatively easily by an appropriate anodizing process. In addition, a relatively large heat shielding effect can be exhibited.

上記の構成により、遮熱コーティングの膜は厚いとその表面が荒くなり、薄いとその表面が平滑になるので、遮熱コーティングの膜が厚い第2領域R2では面積当たりの遮熱効果が大きく、一方、遮熱コーティングの膜が薄い第1領域R1では、第2領域R2よりも面積当たりの遮熱効果は少ないが、第1領域R1では高温になるので遮熱効果自体は大きくなる。   With the above configuration, when the thermal barrier coating film is thick, the surface becomes rough, and when the thermal barrier coating film is thin, the surface becomes smooth. Therefore, in the second region R2 where the thermal barrier coating film is thick, the thermal barrier effect per area is large, On the other hand, in the first region R1 where the thermal barrier coating film is thin, the heat shielding effect per area is less than in the second region R2, but in the first region R1, since the temperature is high, the heat shielding effect itself is increased.

従って、キャビティー12のリップ部分13を含む第1領域R1も、キャビティー12のリップ部分13を含まず、ピストン10の頂面14を含む第2領域R2の両方のピストン10の上部部分Rtを遮熱コーティングするので、内部の温度が高温になり、遮熱効果が比較的大きいキャビティー12内も遮熱コーティング皮膜により遮熱することができる。   Accordingly, the first region R1 including the lip portion 13 of the cavity 12 also does not include the lip portion 13 of the cavity 12, and the upper portions Rt of both the pistons 10 in the second region R2 including the top surface 14 of the piston 10 are changed. Since the thermal barrier coating is performed, the internal temperature becomes high, and the inside of the cavity 12 having a relatively large thermal barrier effect can also be shielded by the thermal barrier coating film.

また、第1領域R1の遮熱コーティング皮膜の厚さを第2領域R2の遮熱コーティング皮膜の厚さよりも薄く形成していることにより、第1領域R1のその表面は平滑で、荒くなっていないのでシリンダ内の燃焼状態を良好に維持できる。そのため、ピストン全体としての熱効率を向上できる。   Further, since the thickness of the thermal barrier coating film in the first region R1 is formed thinner than the thickness of the thermal barrier coating film in the second region R2, the surface of the first region R1 is smooth and rough. Therefore, the combustion state in the cylinder can be maintained satisfactorily. Therefore, the thermal efficiency as the whole piston can be improved.

また、遮熱コーティングにより、ピストン10の全体の遮熱効果を向上させながらも、キャビティー12のリップ部分13の比較的熱応力による亀裂が発生し易い部位における遮熱コーティングの皮膜の厚さを、熱応力による亀裂の発生の原因になるほど厚くせずに、適度な厚さに留めているので、このリップ部分13の部位、特に、図2に一点鎖線で囲んで示す、ピストン10のピストンピン孔18の方向の両側の互いに対向する部位Rcに熱応力による亀裂が発生するのを抑制することができて、ピストン10及びこのピストン10を使用している内燃機関の耐久性を向上することができる。   In addition, the thermal barrier coating improves the overall thermal barrier effect of the piston 10 while reducing the thickness of the thermal barrier coating on the lip portion 13 of the cavity 12 where cracking due to relatively thermal stress is likely to occur. Since it is not thick enough to cause cracks due to thermal stress, it is kept at an appropriate thickness, so that the portion of this lip portion 13, in particular, the piston pin of the piston 10 surrounded by a one-dot chain line in FIG. It is possible to suppress the occurrence of cracks due to thermal stress in the mutually facing portions Rc on both sides in the direction of the hole 18, and to improve the durability of the piston 10 and the internal combustion engine using the piston 10. it can.

また、さらに、この部位をアルミニウム合金の複合強化により強化できるので、この部位Rcにおける熱応力による亀裂の発生を防止できるようになる。   Furthermore, since this part can be strengthened by the composite strengthening of the aluminum alloy, the occurrence of cracks due to thermal stress in this part Rc can be prevented.

次に、本発明に係る実施の形態の内燃機関のピストンの製造方法について説明する。この内燃機関のピストンの製造方法は、上記のピストン10を製造するため方法であり、ここでは、第1の実施の形態としての第1領域R1を再溶融する方法と、第2の実施の形態としての第1領域R1を複合強化しておく方法とについて説明する。   Next, a method for manufacturing the piston of the internal combustion engine according to the embodiment of the present invention will be described. The piston manufacturing method of the internal combustion engine is a method for manufacturing the above-described piston 10, and here, the method of remelting the first region R1 as the first embodiment and the second embodiment. And a method of strengthening the first region R1 as a composite.

この第1の実施の形態の内燃機関のピストンの製造方法は、ピストン本体11をアルミニウム合金で形成して、第1領域R1を再溶融した後に、このピストン10の上部部分Rtを遮熱コーティングする方法である。   In the method of manufacturing the piston of the internal combustion engine according to the first embodiment, the piston main body 11 is formed of an aluminum alloy, and after remelting the first region R1, the upper portion Rt of the piston 10 is subjected to thermal barrier coating. Is the method.

この方法は、合金組成の制御により膜の厚さを調整する方法であり、アルミニウム合金をレーザーを当てたり、アークを飛ばしたりして再溶融(リメルト)すると、その組織(粒径)が細かくなり、アルマイト皮膜の成膜速度を遅くすることができ、薄い膜形成ができることを利用する方法である。   This method is a method of adjusting the film thickness by controlling the alloy composition. When the aluminum alloy is remelted by applying a laser or blowing an arc, the structure (particle size) becomes finer. In this method, the film forming speed of the alumite film can be slowed and a thin film can be formed.

例えば、アルマイト皮膜の厚さを約40μmにすると、このアルマイト皮膜の表面は加工前のアルミニウム合金の表面とほぼ同じ粗さを有することになる。つまり、平滑度合いの高い表面を有する遮熱コーティング皮膜を必要とする第1領域においては、アルミニウム合金を再溶融してから遮熱コーティングする。これにより、表面が平滑で、かつ、ある程度の遮熱効果を有する遮熱コーティング皮膜を得ることができる。   For example, when the thickness of the anodized film is about 40 μm, the surface of the anodized film has almost the same roughness as the surface of the aluminum alloy before processing. That is, in the first region that requires a thermal barrier coating film having a highly smooth surface, the thermal barrier coating is performed after the aluminum alloy is remelted. As a result, a thermal barrier coating film having a smooth surface and a certain level of thermal barrier effect can be obtained.

また、第2の実施の形態の内燃機関のピストンの製造方法は、ピストン本体11をアルミニウム合金で形成する際に、第1領域R1のアルミニウム合金を複合強化して形成し、この後にピストン10の上部部分Rtを遮熱コーティングする方法である。   Further, in the method of manufacturing the piston of the internal combustion engine according to the second embodiment, when the piston body 11 is formed of an aluminum alloy, the aluminum alloy of the first region R1 is formed by composite strengthening, and thereafter, the piston 10 This is a method of applying a thermal barrier coating to the upper portion Rt.

この方法は、アルミニウム合金の複合化により膜の厚さを調整する方法であり、アルミニウム合金の中にウィスカーまたはセラミックス繊維などで複合強化しておくと、アルマイト皮膜などの遮熱コーティング皮膜の成長速度を遅くすることができ、薄い膜形成となることを利用する方法である。   This method is a method of adjusting the film thickness by compounding an aluminum alloy. If the aluminum alloy is reinforced with whiskers or ceramic fibers, the growth rate of the thermal barrier coating film such as an alumite film is increased. This is a method utilizing the fact that a thin film can be formed.

この複合化処理は、例えば、炭化ケイ素(SiC)のウィスカー、ホウ酸アルミニウムウィスカーやアルミナ繊維などによって形成されたプリフォームを第1領域R1に配置して、アルミニウム合金でピストンを鋳造することにより、第1領域R1を複合強化することができる。   This compounding process is performed by, for example, placing a preform formed of silicon carbide (SiC) whisker, aluminum borate whisker, alumina fiber, or the like in the first region R1, and casting a piston with an aluminum alloy. The first region R1 can be combined and strengthened.

例えば、第1領域R1をホウ酸アルミニウムウィスカーで強化したアルミニウム合金複合材料では、同じ処理時間で、通常の強化なしのアルミニウム合金部分のアルマイト膜の厚さを約180μmとした場合に、第1領域R1の複合材料部分ではアルマイト膜の厚さは約20μmで、表面はアルマイト加工前と同じ粗さであった。   For example, in an aluminum alloy composite material in which the first region R1 is reinforced with aluminum borate whiskers, the first region is obtained when the thickness of the alumite film of an aluminum alloy portion without normal strengthening is about 180 μm in the same processing time. In the composite material portion of R1, the thickness of the alumite film was about 20 μm, and the surface was the same roughness as before the alumite processing.

特に、この方法では、キャビティー12のリップ部分13の比較的亀裂が発生し易い部位Rcにおいても、複合強化できるので熱応力による亀裂が発生するのを抑制することができて、ピストン10及びこのピストン10を使用している内燃機関の耐久性を向上することができる。   In particular, in this method, even in the portion Rc where the lip portion 13 of the cavity 12 is relatively liable to be cracked, it is possible to suppress the occurrence of cracking due to thermal stress because the composite reinforcement can be performed. The durability of the internal combustion engine using the piston 10 can be improved.

上記の構成の内燃機関のピストン10、内燃機関、及び内燃機関のピストンの製造方法によれば、ピストン10の少なくともキャビティー12のリップ部分13を含む第1領域R1も、キャビティー12のリップ部分13を含まず、ピストン10の頂面14を含んで形成される第2領域R2も含めて、ピストン10の上部部分Rtを遮熱コーティングするので、内部の温度が高温になり、遮熱効果が比較的大きいキャビティー12内も遮熱することができ、また、第1領域R1の厚さを第2領域R2の厚さよりも薄く形成していることにより、第1領域R1のその表面は平滑で、荒くなっていないので燃焼状態を良好に維持できる。そのため、ピストン全体としての熱効率を向上できる。   According to the piston 10 of the internal combustion engine configured as described above, the internal combustion engine, and the piston manufacturing method, the first region R1 including at least the lip portion 13 of the cavity 12 of the piston 10 is also the lip portion of the cavity 12. 13, including the second region R 2 formed including the top surface 14 of the piston 10, the upper portion Rt of the piston 10 is subjected to thermal barrier coating, so that the internal temperature becomes high and the thermal barrier effect is achieved. The inside of the relatively large cavity 12 can also be shielded from heat, and the surface of the first region R1 is smooth by forming the first region R1 thinner than the second region R2. And since it is not rough, the combustion state can be maintained well. Therefore, the thermal efficiency as the whole piston can be improved.

従って、内燃機関のピストン19において、遮熱コーティング皮膜の厚みをピストン10の部位に応じて変化させることにより、ピストン全体の遮熱効果を向上させながら、しかも、キャビティー12内における表面における平滑度合いを維持して燃焼状態を良好に維持できて、内燃機関の熱効率を向上できる。   Accordingly, in the piston 19 of the internal combustion engine, by changing the thickness of the thermal barrier coating film according to the part of the piston 10, the degree of smoothness on the surface in the cavity 12 is improved while improving the thermal barrier effect of the entire piston. Thus, the combustion state can be maintained well, and the thermal efficiency of the internal combustion engine can be improved.

また、遮熱コーティング皮膜により、ピストン全体の遮熱効果を向上させながらも、キャビティー12のリップ部分(口縁部)13の比較的熱応力による亀裂が発生し易い部位Rcにおける熱応力による亀裂の発生を抑制することができて、ピストン10及びこのピストン10を使用している内燃機関の耐久性を向上することができる。   In addition, the thermal barrier coating film improves the overall thermal barrier effect of the piston, but the lip portion (mouth edge) 13 of the cavity 12 cracks due to thermal stress in the portion Rc where cracks are relatively likely to occur. Can be suppressed, and the durability of the piston 10 and the internal combustion engine using the piston 10 can be improved.

そして、本発明の段付きアルマイト遮熱膜を形成したピストン10と、従来技術のアルマイト遮熱膜を全く形成しない比較例1のピストンと、頂面のみにアルマイト遮熱膜を形成して、キャビティーにはアルマイト遮熱膜を形成しない比較例2のピストンとを比べると、実験例ではあるが、本発明の実施例のピストン10は、比較例1のピストンよりも熱効率で3.5%程度向上でき、比較例2のピストンよりも熱効率で1%改善されているとの結果を得ている。   Then, the piston 10 having the stepped anodized heat shielding film of the present invention, the piston of the comparative example 1 in which the prior art anodized heat shielding film is not formed at all, the anodized heat shielding film only on the top surface, When compared with the piston of Comparative Example 2 in which the anodized thermal barrier film is not formed on the tee, although it is an experimental example, the piston 10 of the example of the present invention has a thermal efficiency of about 3.5% compared to the piston of Comparative Example 1. The result shows that the efficiency is improved by 1% in comparison with the piston of Comparative Example 2.

10 ピストン(内燃機関のピストン)
11 ピストン本体
12 キャビティー
13 リップ部分
14 頂面
15a、15b、15c ピストンリング溝
16 ピストンスカート
17 ピストンピン
18 ピストンピン孔
10 Piston (Piston of internal combustion engine)
11 Piston body 12 Cavity 13 Lip portion 14 Top surfaces 15a, 15b, 15c Piston ring groove 16 Piston skirt 17 Piston pin 18 Piston pin hole

Claims (6)

当該ピストンの上部部分を遮熱コーティングしてあると共に、この遮熱コーティング皮膜の厚さに関しては、当該ピストンの少なくともキャビティーのリップ部分を含む第1領域の厚さを、前記リップ部分を含まず、当該ピストンの頂面とキャビティーの中央部分を含む第2領域の厚さよりも薄く形成していることを特徴とする内燃機関のピストン。 The upper portion of the piston is coated with a thermal barrier coating, and the thickness of the thermal barrier coating film is the thickness of the first region including at least the lip portion of the cavity of the piston without including the lip portion. The piston of the internal combustion engine, wherein the piston is formed thinner than the thickness of the second region including the top surface of the piston and the central portion of the cavity. 前記遮熱コーティング皮膜の厚さに関して、前記第1領域の厚さを5μm以上で50μm未満に、前記第2領域の厚さを50μm以上で500μm以下に形成している請求項1に記載の内燃機関のピストン。   2. The internal combustion engine according to claim 1, wherein the thickness of the thermal barrier coating film is 5 μm or more and less than 50 μm, and the second region is 50 μm or more and 500 μm or less. Engine piston. 前記ピストンのリップ部分の部位を複合強化して形成している請求項1又は2に記載の内燃機関のピストン。   The piston of the internal combustion engine according to claim 1 or 2, wherein a portion of the lip portion of the piston is formed by composite reinforcement. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の内燃機関のピストンを備えていることを特徴とする内燃機関。   An internal combustion engine comprising the piston of the internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の内燃機関のピストンの製造方法であり、ピストン本体をアルミニウム合金で形成して、前記第1領域に再溶融した後に、当該ピストンの上部部分を遮熱コーティングすることを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。   The method for manufacturing a piston of an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the piston body is formed of an aluminum alloy and re-melted in the first region, and then the upper portion of the piston is shielded. A method of manufacturing a piston of an internal combustion engine, characterized by performing thermal coating. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の内燃機関のピストンの製造方法であり、ピストン本体をアルミニウム合金で形成する際に、前記第1領域のアルミニウム合金を複合強化して形成し、この後に当該ピストンの上部部分を遮熱コーティングすることを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。   The method for manufacturing a piston of an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, wherein when the piston body is formed of an aluminum alloy, the aluminum alloy in the first region is formed by composite strengthening. A method of manufacturing a piston for an internal combustion engine, characterized in that an upper portion of the piston is thermally coated later.
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