JP2021131019A - 内燃機関のピストンおよび内燃機関のピストンの製造方法 - Google Patents
内燃機関のピストンおよび内燃機関のピストンの製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2021131019A JP2021131019A JP2020024841A JP2020024841A JP2021131019A JP 2021131019 A JP2021131019 A JP 2021131019A JP 2020024841 A JP2020024841 A JP 2020024841A JP 2020024841 A JP2020024841 A JP 2020024841A JP 2021131019 A JP2021131019 A JP 2021131019A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piston
- internal combustion
- combustion engine
- powder
- metal binder
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 title claims abstract description 64
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 12
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 69
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims abstract description 49
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 33
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 51
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 51
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 claims description 31
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 claims description 23
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 16
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical group [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 15
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 12
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 8
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 8
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 7
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 4
- 230000015271 coagulation Effects 0.000 claims description 3
- 238000005345 coagulation Methods 0.000 claims description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 abstract description 14
- 239000011800 void material Substances 0.000 abstract description 6
- 239000013528 metallic particle Substances 0.000 abstract 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 13
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 10
- 230000004523 agglutinating effect Effects 0.000 description 9
- 239000010408 film Substances 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 239000012188 paraffin wax Substances 0.000 description 3
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 2
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 2
- WMGSQTMJHBYJMQ-UHFFFAOYSA-N aluminum;magnesium;silicate Chemical compound [Mg+2].[Al+3].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] WMGSQTMJHBYJMQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 2
- JAUGGEIKQIHSMF-UHFFFAOYSA-N dialuminum;dimagnesium;dioxido(oxo)silane;oxygen(2-);hydrate Chemical compound O.[O-2].[O-2].[Mg+2].[Mg+2].[Al+3].[Al+3].[O-][Si]([O-])=O.[O-][Si]([O-])=O.[O-][Si]([O-])=O JAUGGEIKQIHSMF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 229920006015 heat resistant resin Polymers 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 2
- 229920001709 polysilazane Polymers 0.000 description 2
- 229920002689 polyvinyl acetate Polymers 0.000 description 2
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 2
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910018134 Al-Mg Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021364 Al-Si alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018467 Al—Mg Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 description 1
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 239000011118 polyvinyl acetate Substances 0.000 description 1
- 239000011164 primary particle Substances 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 1
- 230000000452 restraining effect Effects 0.000 description 1
- 239000011163 secondary particle Substances 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 1
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
Abstract
【課題】低熱伝導化を実現できる内燃機関のピストンおよび内燃機関のピストンの製造方法を提供する。【解決手段】ピストンはピストン本体1a、低熱伝導層3および封孔層4を備える。ピストンは冠面2上に設けられピストン本体1aの冠面2を覆う低熱伝導層3が、金属バインダ5と、微細な粉体が凝集したものであって低熱伝導層3内に均質に分布し金属バインダ5を構成する金属粒子の平均粒径よりも小さな平均粒径を有する凝集粉6と、空隙部7を含む。【選択図】図３
Description
本発明は、内燃機関のピストンおよび内燃機関のピストンの製造方法に関する。
特許文献１には、冠面にセラミック粒子を含む低熱伝導層を備えた内燃機関のピストンが開示されている。
しかしながら、上記従来技術にあっては、セラミック粒子に設けられた空隙が比較的大きいため、十分な低熱伝導化を実現できないという問題があった。
本発明の目的は、低熱伝導化を実現できる内燃機関のピストンおよ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。
本発明の目的は、低熱伝導化を実現できる内燃機関のピストンおよ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。
本発明の内燃機関のピストンは、冠面上に設けられた低熱伝導皮膜が、金属バインダと、微細な粉体が凝集したものであって、金属バインダを構成する金属粒子の平均粒径よりも小さな平均粒径を有する凝集粉と、を含む。
よって、本発明によれば、低熱伝導化を実現できる。
〔実施形態１〕
図１は実施形態１のピストン1の斜視図、図２は図１のS1-S1線矢視断面図である。
ピストン1は、その上面に冠面2を備える。冠面2は、内燃機関であるエンジンの燃焼室に臨み、燃焼室の内壁の一部となる部分であり、燃焼効率を向上するために従来断熱層が設けられる部分である。実施形態１では、ピストン1の上面、すなわち冠面2上に、低熱伝導性および低い体積比熱を併せ持つ低熱伝導層3を備える。低熱伝導層3は、図２に示すように、冠面2の表面形状に沿って設けられ、均一な被膜厚さを持つ。
図１は実施形態１のピストン1の斜視図、図２は図１のS1-S1線矢視断面図である。
ピストン1は、その上面に冠面2を備える。冠面2は、内燃機関であるエンジンの燃焼室に臨み、燃焼室の内壁の一部となる部分であり、燃焼効率を向上するために従来断熱層が設けられる部分である。実施形態１では、ピストン1の上面、すなわち冠面2上に、低熱伝導性および低い体積比熱を併せ持つ低熱伝導層3を備える。低熱伝導層3は、図２に示すように、冠面2の表面形状に沿って設けられ、均一な被膜厚さを持つ。
図３は、実施形態１の低熱伝導層3の模式図である。
ピストン1は、ピストン本体1a、低熱伝導層3および封孔層4を備える。ピストン本体1aは、アルミニウム合金（例えばAC8A）により形成されている。
低熱伝導層3は、ピストン本体1aの冠面2を覆う。低熱伝導層3は、金属バインダ5、凝集粉6および空隙部7を含む。
金属バインダ5は、金属粒子（アルミニウム、チタン、アルミニウムおよびチタンを含む混合物、またはアルミニウムおよびチタンを含む合金）が結合して形成されている。金属バインダ5を構成する金属粒子の平均粒径は、30μm以下とする。実施形態１では、金属バインダ5を構成する金属粒子として、アルミニウム合金（例えばA5083）の粒子が用いられている。
ピストン1は、ピストン本体1a、低熱伝導層3および封孔層4を備える。ピストン本体1aは、アルミニウム合金（例えばAC8A）により形成されている。
低熱伝導層3は、ピストン本体1aの冠面2を覆う。低熱伝導層3は、金属バインダ5、凝集粉6および空隙部7を含む。
金属バインダ5は、金属粒子（アルミニウム、チタン、アルミニウムおよびチタンを含む混合物、またはアルミニウムおよびチタンを含む合金）が結合して形成されている。金属バインダ5を構成する金属粒子の平均粒径は、30μm以下とする。実施形態１では、金属バインダ5を構成する金属粒子として、アルミニウム合金（例えばA5083）の粒子が用いられている。
凝集粉6は、微細な粉体が凝集したものであり、低熱伝導層3内に均質に分布する。凝集粉6の平均粒径は、金属バインダ5を構成する金属粒子の平均粒径よりも小さい。また、凝集粉6の熱伝導率は、金属バインダ5の熱伝導率よりも低い。凝集粉6は、酸化物であるSiO2、Al2O3またはMgOのいずれかを用いる。また、凝集粉6の気孔率は、50%以上とする。さらに、凝集粉6を構成する微細な粉体の平均粒径は、1μm以下とする。実施形態１では、凝集粉6として、ナノ多孔質断熱材であるシリカエアロゲルが用いられている。シリカエアロゲルは、0.02μm程度の平均粒径を持つ１次粒子(SiO2)が集合（連結）した9μm前後の平均粒径を持つシリカ２次粒子が、10〜60nm程度の粒子間距離の隙間を持つ網目構造の集合体である。シリカエアロゲルの気孔率は、95%程度である。
空隙部7は、金属バインダ5を構成する金属粒子の結合部分以外の部分で囲まれた空間、言い換えると、金属粒子間に形成された空隙と凝集紛6と金属粒子間に形成された空隙であって、低熱伝導層3内に多数設けられている。
封孔層4は、低熱伝導層3の上面に設けられ、低熱伝導層3の表面を封孔する。封孔層4は、耐熱樹脂（例えばPAI,PPS,EP等）またはポリシラザンにより形成されている。低熱伝導層3の側面（外周面）は封孔層4で覆われていないため、空隙部7のうち低熱伝導層3の外周面に望む空隙部7は、大気解放されている。これにより、低熱伝導層3内の気体の膨張収縮による低熱伝導層3の損傷を防止できる.
封孔層4は、低熱伝導層3の上面に設けられ、低熱伝導層3の表面を封孔する。封孔層4は、耐熱樹脂（例えばPAI,PPS,EP等）またはポリシラザンにより形成されている。低熱伝導層3の側面（外周面）は封孔層4で覆われていないため、空隙部7のうち低熱伝導層3の外周面に望む空隙部7は、大気解放されている。これにより、低熱伝導層3内の気体の膨張収縮による低熱伝導層3の損傷を防止できる.
次に、実施形態１のピストン1の製造方法のうち、低熱伝導層3および封孔層4の形成に関する部分について説明する。
まず、混合粉準備工程では、凝集粉6と金属バインダを構成する金属粒子とを均質に混合して低熱伝導層3となる混合粉を準備する。上述したように、凝集粉6はシリカエアロゲルを用いる。また、金属粒子はアルミニウム合金(A5083)の粒子(20μm)を用いる。なお、A5083に加えて、Al-Si合金の粉末やAl-Mg合金の粉末等、低融点のアルミニウム合金の粉末を混合させることにより、後述する焼結工程における混合粉の焼結を促進できる。次に、混合粉にパラフィンワックスを加え、これを摂氏120度で加熱してパラフィンを溶解させてから撹拌することにより、ペースト状の混合物が得られる。
まず、混合粉準備工程では、凝集粉6と金属バインダを構成する金属粒子とを均質に混合して低熱伝導層3となる混合粉を準備する。上述したように、凝集粉6はシリカエアロゲルを用いる。また、金属粒子はアルミニウム合金(A5083)の粒子(20μm)を用いる。なお、A5083に加えて、Al-Si合金の粉末やAl-Mg合金の粉末等、低融点のアルミニウム合金の粉末を混合させることにより、後述する焼結工程における混合粉の焼結を促進できる。次に、混合粉にパラフィンワックスを加え、これを摂氏120度で加熱してパラフィンを溶解させてから撹拌することにより、ペースト状の混合物が得られる。
燃焼工程では、混合粉準備工程後、ピストン本体1aとなるピストン基材および混合粉を放電プラズマ焼結によって焼結する。図４は、実施形態１の焼結工程の態様を示す模式図である。まず、図４(a)に示すように、ピストン基材11をカーボン製の拘束金具12内に収容し、円盤状に成形した混合物13を、ピストン基材11の冠面2に載せる。混合物13を冠面2に塗布してもよい。続いて、図４(b)のように、上方から冠面2の形状に沿う端面形状を有するカーボン製の上型電極14で下方に加圧する。これにより、冠面2と上型電極14との間に必要量の混合物13を均一に配置できる。次に、上型電極14の上方および拘束金具12の下方に配置された図外の上部電極および下部電極に対し、電源からパルス電圧（電流）を１分程度印加する。これにより、冠面2に焼結体15が焼結される（図４(c)）。
熱処理工程では、燃焼工程後、酸素を含む気体中で、ピストン基材11を所定温度で加熱する。実施形態１では、熱処理工程として、T6処理またはT7処理を行う。T6処理は、溶体化処理後焼入れし、人工時効処理を行う処理であり、高強度が得られる。T7処理は、T6処理と同様であるが、人工時効処理を若干高温または長時間行い、過時効状態とする処理であり、機械的性質（寸法精度等）を向上できる。
封孔処理工程では、熱処理工程後、低熱伝導層3の上面に封孔処理を行う。実施形態１では、封孔処理として、低熱伝導層3の上面に耐熱樹脂またはポリシラザンを塗布する。封孔処理により、低熱伝導層3の表面に封孔層4が形成される。なお、封孔処理は低熱伝導層3の上面のみに行い、低熱伝導層3の側面（外周面）には封孔処理を行わない。
封孔処理工程では、熱処理工程後、低熱伝導層3の上面に封孔処理を行う。実施形態１では、封孔処理として、低熱伝導層3の上面に耐熱樹脂またはポリシラザンを塗布する。封孔処理により、低熱伝導層3の表面に封孔層4が形成される。なお、封孔処理は低熱伝導層3の上面のみに行い、低熱伝導層3の側面（外周面）には封孔処理を行わない。
次に、実施形態１の作用効果を説明する。
実施形態１のピストン1は、金属バインダ5および凝集粉6を有する低熱伝導層3を備える。低熱伝導層3は、燃焼室とピストン本体1aとの間で断熱層として機能し、燃焼室からピストン本体1aへの熱伝導を阻害する。すなわち、低熱伝導層3は、燃焼室内のガスからピストンヘッド（ピストン本体1a）への熱伝達を低下させ、混合気の熱がピストン本体1aに奪われるのを抑制する。よって、エンジンの燃焼効率の低下（冷却損失）を抑制できるため、エンジンの熱効率の向上を図れる。
ここで、低熱伝導層3の凝集粉6は、微細な粉体が凝集したものであり、その平均粒径は、金属バインダ5を構成する金属粒子の平均粒径よりも小さい。微細な粉体が凝集した凝集粉6の内部には、微細な隙間を有する空孔が無数に形成されているため、空孔毎に空気の滞留が起こり、対流による伝熱を抑制できる。よって、燃焼室からピストン本体1aへの熱移動量が抑えられ、低熱伝導層3の低熱伝導化を図れる。
実施形態１のピストン1は、金属バインダ5および凝集粉6を有する低熱伝導層3を備える。低熱伝導層3は、燃焼室とピストン本体1aとの間で断熱層として機能し、燃焼室からピストン本体1aへの熱伝導を阻害する。すなわち、低熱伝導層3は、燃焼室内のガスからピストンヘッド（ピストン本体1a）への熱伝達を低下させ、混合気の熱がピストン本体1aに奪われるのを抑制する。よって、エンジンの燃焼効率の低下（冷却損失）を抑制できるため、エンジンの熱効率の向上を図れる。
ここで、低熱伝導層3の凝集粉6は、微細な粉体が凝集したものであり、その平均粒径は、金属バインダ5を構成する金属粒子の平均粒径よりも小さい。微細な粉体が凝集した凝集粉6の内部には、微細な隙間を有する空孔が無数に形成されているため、空孔毎に空気の滞留が起こり、対流による伝熱を抑制できる。よって、燃焼室からピストン本体1aへの熱移動量が抑えられ、低熱伝導層3の低熱伝導化を図れる。
凝集粉6は、酸化物（SiO2、Al2O3またはMgO)を含む。SiO2、Al2O3またはMgOは熱伝導性が低いため、伝導による伝熱を抑制でき、低熱伝導層3の熱伝導性をより低くできると共に、十分な強度を確保できる。
金属バインダ5を構成する金属粒子として、アルミニウム合金を用いた。アルミニウム合金は、アルミニウムの純金属よりも熱伝導性が低いため、アルミニウムの純金属を用いた場合と比べて、金属バインダ5の熱伝導性をより低くできる。
金属バインダ5は、空隙部7を有するため、金属バインダ5が空隙部を持たない場合と比べて、金属バインダ5の熱伝導性をより低くできる。
金属バインダ5を構成する金属粒子として、アルミニウム合金を用いた。アルミニウム合金は、アルミニウムの純金属よりも熱伝導性が低いため、アルミニウムの純金属を用いた場合と比べて、金属バインダ5の熱伝導性をより低くできる。
金属バインダ5は、空隙部7を有するため、金属バインダ5が空隙部を持たない場合と比べて、金属バインダ5の熱伝導性をより低くできる。
凝集粉6を構成する微細な粉体の平均粒径は、1μm以下（シリカエアロゲルを用いた場合は平均粒径が0.02μm程度）である。これにより、微細な隙間を有する空孔が無数に形成された、熱伝導性の低い凝集粉6が得られる。特に、微細な粉体の平均粒径を空気分子の平均自由行程（68nm程度）よりも小さくすることにより、空気分子がその平均自由行程よりも小さな空間（空孔）に閉じ込められる。この結果、空孔内部で分子同士の衝突が生じないため、対流による伝熱を抑制でき、低熱伝導層3の断熱性能を著しく向上できる。
凝集粉6の熱伝導率は、金属バインダ5の熱伝導率よりも低い。これにより、凝集粉6が低熱伝導層3の低熱伝導化に寄与できる。
凝集粉6の熱伝導率は、金属バインダ5の熱伝導率よりも低い。これにより、凝集粉6が低熱伝導層3の低熱伝導化に寄与できる。
低熱伝導層3は、パルス通電加圧焼結により形成されている。パルス通電加圧焼結は、電気炉などの雰囲気加熱と比べて急速昇温・冷却が可能であるため、焼結時間の大幅な短縮が可能である。
金属バインダ5を構成する金属粒子の平均粒径は、30μm以下であるため、低熱伝導層3の厚みを100μm程度に抑えられる。
凝集粉6の気孔率は、50%以上（シリカエアロゲルを用いた場合の気孔率は95%程度）である。よって、気孔率が50%未満である場合と比べて、低熱伝導層3の熱伝導性をより低くできる。
金属バインダ5を構成する金属粒子の平均粒径は、30μm以下であるため、低熱伝導層3の厚みを100μm程度に抑えられる。
凝集粉6の気孔率は、50%以上（シリカエアロゲルを用いた場合の気孔率は95%程度）である。よって、気孔率が50%未満である場合と比べて、低熱伝導層3の熱伝導性をより低くできる。
〔実施形態２〕
実施形態１では、凝集粉6に、ナノ多孔質断熱材であるシリカエアロゲルが用いられていたが、実施形態２では、凝集粉6として、メタケイ酸アルミン酸マグネシウムを用いる。メタケイ酸アルミン酸マグネシウムは、Al2O3を29.1〜35.5%、MgOを11.4〜14.0%、SiO2を29.2〜35.6%をそれぞれ有している。メタケイ酸アルミン酸マグネシウムは、圧縮成形性に非常に優れるという特性を備えており、圧縮するだけで被膜形態とすることが可能である。
実施形態１では、凝集粉6に、ナノ多孔質断熱材であるシリカエアロゲルが用いられていたが、実施形態２では、凝集粉6として、メタケイ酸アルミン酸マグネシウムを用いる。メタケイ酸アルミン酸マグネシウムは、Al2O3を29.1〜35.5%、MgOを11.4〜14.0%、SiO2を29.2〜35.6%をそれぞれ有している。メタケイ酸アルミン酸マグネシウムは、圧縮成形性に非常に優れるという特性を備えており、圧縮するだけで被膜形態とすることが可能である。
次に、実施形態２のピストン１の製造方法のうち、低熱伝導層3および封孔層4の形成に関する部分について説明する。
まず、混合粉準備工程では、凝集粉6と金属バインダを構成する金属粒子とを均質に混合して低熱伝導層3となる混合粉を準備する。上述したように、凝集粉6はメタケイ酸アルミン酸マグネシウムを用いる。また、金属粒子はアルミニウム合金(A5083)の粒子(20μm)を用いる。なお、金属バインダ5として、チタン、アルミニウムおよびチタンを含む混合物、アルミニウムおよびチタンを含む合金を用いてもよい。
まず、混合粉準備工程では、凝集粉6と金属バインダを構成する金属粒子とを均質に混合して低熱伝導層3となる混合粉を準備する。上述したように、凝集粉6はメタケイ酸アルミン酸マグネシウムを用いる。また、金属粒子はアルミニウム合金(A5083)の粒子(20μm)を用いる。なお、金属バインダ5として、チタン、アルミニウムおよびチタンを含む混合物、アルミニウムおよびチタンを含む合金を用いてもよい。
混合粉設置工程では、混合粉準備工程後、ピストン本体１aとなるピストン基材の冠面に、混合粉を塗布する。図５は、実施形態２の混合粉設置工程の態様を示す模式図である。まず、図５(a)に示すように、ピストン基材11の冠面2に、主成分がポリ酢酸ビニル（略号：PVAc、化学式：(C4H6O2)n）である接着剤16をスプレー塗布する。なお、接着剤１６としては、粘着性の液体であるポリビニルアルコール（略号：PVA,化学式：(C2H4O)n）または澱粉を用いても良い。続いて、図５(b)のように、接着剤16が吹き付けられた冠面2に、混合粉準備工程で準備した混合粉17を均一に振りかける。具体的には、例えば混合粉17をふるいに入れ、ナイロンブラシでふるいの網を擦りながら混合粉17をふるい落とす。これにより、図５(c)に示すように、低熱伝導層3を作成に必要な少量の混合粉17を、冠面2上に均一に設置できる。
燃焼工程、熱処理工程および封孔処理工程は、実施形態１と同様であるため、説明を省略する。
燃焼工程、熱処理工程および封孔処理工程は、実施形態１と同様であるため、説明を省略する。
次に、実施形態２の作用効果を説明する。
実施形態２のピストン1は、実施形態１と同様、エンジンの燃焼効率の低下（冷却損失）を抑制できるため、内燃機関の熱効率の向上を図れると共に、燃焼室からピストン本体1aへの熱移動量が抑えられ、低熱伝導層3の低熱伝導化を図れる。具体的な説明については、実施形態１と同様なので、説明を省略する。
実施形態２のピストン1は、実施形態１と同様、エンジンの燃焼効率の低下（冷却損失）を抑制できるため、内燃機関の熱効率の向上を図れると共に、燃焼室からピストン本体1aへの熱移動量が抑えられ、低熱伝導層3の低熱伝導化を図れる。具体的な説明については、実施形態１と同様なので、説明を省略する。
実施形態２において、凝集粉6は、酸化物（SiO2、Al2O3およびMgO)を含む。SiO2、Al2O3およびMgOは熱伝導性が低いため、伝導による伝熱を抑制でき、低熱伝導層3の熱伝導性をより低くできると共に、十分な強度を確保できる。
実施形態２では、混合粉設置工程によって、混合粉17をピストン基材11の冠面2上にふりかけているので、ピストン基材11の冠面2上に混合粉17を少量かつ均一に配置できる。そのため、低熱伝導層3を100μm程の薄膜に形成することが可能となる。この実施形態２の方法は、実施形態１の混合粉にパラフィンを混ぜる方法と比べて、低熱伝導層3をより薄く形成でき、冠面2上に低熱伝導層3を備えたピストン1の軽量化に寄与できる。
〔他の実施形態〕
以上、本発明を実施するための実施形態を説明したが、本発明の具体的な構成は実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。
凝集粉6は、微細な粉体同士が分子間力で結合したものでもよい。これにより、凝集粉6の内部に微細な隙間を有する空孔を無数に形成できるため、対流による伝熱を抑制でき、低熱伝導層3の低熱伝導化を図れる。なお、微細な粉体の凝集、すなわち微細な粉体同士の連結構造は、ネットワーク構造、鎖構造やヒモ構造であってもよい。
以上、本発明を実施するための実施形態を説明したが、本発明の具体的な構成は実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。
凝集粉6は、微細な粉体同士が分子間力で結合したものでもよい。これにより、凝集粉6の内部に微細な隙間を有する空孔を無数に形成できるため、対流による伝熱を抑制でき、低熱伝導層3の低熱伝導化を図れる。なお、微細な粉体の凝集、すなわち微細な粉体同士の連結構造は、ネットワーク構造、鎖構造やヒモ構造であってもよい。
金属バインダ5として、チタン、アルミニウムおよびチタンを含む混合物、アルミニウムおよびチタンを含む合金を用いてもよい。金属バインダとしてチタンを用いることにより、アルミニウムを用いた場合と比べて、伝導による伝熱を抑制でき、低熱伝導層3の熱伝導性をより低くできる。また、金属バインダ5として、アルミニウムおよびチタンを含む混合物、またはアルミニウムおよびチタンを含む合金を用いることにより、アルミニウムおよびチタンの純金属を用いた場合と比べて、伝導による伝熱を抑制でき、低熱伝導層3の熱伝導性をより低くできる。
以上説明した実施形態から把握し得る技術的思想について、以下に記載する。
内燃機関のピストンは、その一つの態様において、前記内燃機関の燃焼室に面する冠面と、前記冠面上に設けられた低熱伝導皮膜であって、金属バインダと、凝集粉と、を含み、前記凝集粉は、微細な粉体が凝集したものであり、前記金属バインダを構成する金属粒子の平均粒径よりも小さな平均粒径を有する、前記低熱伝導皮膜と、を備える。
より好ましい態様では、上記態様において、前記微細な粉体同士は、分子間力で結合している。
別の好ましい態様では、上記態様のいずれかにおいて、前記凝集粉は、酸化物である。
さらに別の好ましい態様では、上記態様のいずれかにおいて、前記凝集粉は、SiO2、Al2O3、MgOのいずれかである。
内燃機関のピストンは、その一つの態様において、前記内燃機関の燃焼室に面する冠面と、前記冠面上に設けられた低熱伝導皮膜であって、金属バインダと、凝集粉と、を含み、前記凝集粉は、微細な粉体が凝集したものであり、前記金属バインダを構成する金属粒子の平均粒径よりも小さな平均粒径を有する、前記低熱伝導皮膜と、を備える。
より好ましい態様では、上記態様において、前記微細な粉体同士は、分子間力で結合している。
別の好ましい態様では、上記態様のいずれかにおいて、前記凝集粉は、酸化物である。
さらに別の好ましい態様では、上記態様のいずれかにおいて、前記凝集粉は、SiO2、Al2O3、MgOのいずれかである。
さらに別の好ましい態様では、上記態様のいずれかにおいて、前記金属バインダは、チタンである。
さらに別の好ましい態様では、上記態様のいずれかにおいて、前記金属バインダは、混合物である。
さらに別の好ましい態様では、上記態様のいずれかにおいて、前記金属バインダは、合金である。
さらに別の好ましい態様では、上記態様のいずれかにおいて、前記金属バインダは、空隙部を有する。
さらに別の好ましい態様では、上記態様のいずれかにおいて、前記微細な粉体の平均粒径は、1μm以下である。
さらに別の好ましい態様では、上記態様のいずれかにおいて、前記金属バインダは、混合物である。
さらに別の好ましい態様では、上記態様のいずれかにおいて、前記金属バインダは、合金である。
さらに別の好ましい態様では、上記態様のいずれかにおいて、前記金属バインダは、空隙部を有する。
さらに別の好ましい態様では、上記態様のいずれかにおいて、前記微細な粉体の平均粒径は、1μm以下である。
さらに別の好ましい態様では、上記態様のいずれかにおいて、前記凝集粉の熱伝導率は、前記金属バインダの熱伝導率よりも低い。
さらに別の好ましい態様では、上記態様のいずれかにおいて、前記低熱伝導皮膜は、パルス通電加圧焼結により形成されている。
さらに別の好ましい態様では、上記態様のいずれかにおいて、前記金属バインダを構成する金属粒子の平均粒径は、30μm以下である。
さらに別の好ましい態様では、上記態様のいずれかにおいて、前記凝集粉の気孔率は、50%以上である。
さらに別の好ましい態様では、上記態様のいずれかにおいて、前記低熱伝導皮膜は、パルス通電加圧焼結により形成されている。
さらに別の好ましい態様では、上記態様のいずれかにおいて、前記金属バインダを構成する金属粒子の平均粒径は、30μm以下である。
さらに別の好ましい態様では、上記態様のいずれかにおいて、前記凝集粉の気孔率は、50%以上である。
また、他の観点から、内燃機関のピストンの製造方法は、内燃機関の燃焼室に面するピストンの冠面と、前記冠面上に設けられた低熱伝導皮膜であって、金属バインダと、凝集粉と、を含み、前記凝集粉は、微細な粉体が凝集したものであり、前記金属バインダを構成する金属粒子の平均粒径よりも小さな平均粒径を有する、前記低熱伝導皮膜と、を備える内燃機関のピストンの製造方法であって、前記凝集粉と前記金属バインダを構成する前記金属粒子とを均質に混合する混合粉準備工程と、前記冠面に接着剤を設け、前記接着剤上に前記混合粉を振りかける混合粉設置工程と、前記混合粉を前記冠面に放電プラズマ焼結によって焼結する焼結工程と、を備える。
1 ピストン
1a ピストン本体
2 冠面
3 低熱伝導層（低熱伝導皮膜）
4 封孔層
5 金属バインダ
6 凝集粉
7 空隙部
11 ピストン基材
12 拘束金具
13 混合物
14 上型電極
15 焼結体
1a ピストン本体
2 冠面
3 低熱伝導層（低熱伝導皮膜）
4 封孔層
5 金属バインダ
6 凝集粉
7 空隙部
11 ピストン基材
12 拘束金具
13 混合物
14 上型電極
15 焼結体
Claims (14)
- 内燃機関のピストンであって、
前記内燃機関の燃焼室に面する冠面と、
前記冠面上に設けられた低熱伝導皮膜であって、金属バインダと、凝集粉と、を含み、
前記凝集粉は、微細な粉体が凝集したものであり、前記金属バインダを構成する金属粒子の平均粒径よりも小さな平均粒径を有する、
前記低熱伝導皮膜と、
を備える内燃機関のピストン。 - 請求項１に記載の内燃機関のピストンであって、
前記微細な粉体同士は、分子間力で結合している、
内燃機関のピストン。 - 請求項１に記載の内燃機関のピストンであって、
前記凝集粉は、酸化物である、
内燃機関のピストン。 - 請求項３に記載の内燃機関のピストンであって、
前記凝集粉は、SiO2、Al2O3、MgOのいずれかである、
内燃機関のピストン。 - 請求項１に記載の内燃機関のピストンであって、
前記金属バインダは、チタンである、
内燃機関のピストン。 - 請求項１に記載の内燃機関のピストンであって、
前記金属バインダは、混合物である、
内燃機関のピストン。 - 請求項１に記載の内燃機関のピストンであって、
前記金属バインダは、合金である、
内燃機関のピストン。 - 請求項１に記載の内燃機関のピストンであって、
前記金属バインダは、空隙部を有する、
内燃機関のピストン。 - 請求項１に記載の内燃機関のピストンであって、
前記微細な粉体の平均粒径は、1μm以下である、
内燃機関のピストン。 - 請求項１に記載の内燃機関のピストンであって、
前記凝集粉の熱伝導率は、前記金属バインダの熱伝導率よりも低い、
内燃機関のピストン。 - 請求項１に記載の内燃機関のピストンであって、
前記低熱伝導皮膜は、パルス通電加圧焼結により形成されている、
内燃機関のピストン。 - 請求項１に記載の内燃機関のピストンであって、
前記金属バインダを構成する金属粒子の平均粒径は、30μm以下である、
内燃機関のピストン。 - 請求項１に記載の内燃機関のピストンであって、
前記凝集粉の気孔率は、50%以上である、
内燃機関のピストン。 - 内燃機関の燃焼室に面するピストンの冠面と、
前記冠面上に設けられた低熱伝導皮膜であって、金属バインダと、凝集粉と、を含み、
前記凝集粉は、微細な粉体が凝集したものであり、前記金属バインダを構成する金属粒子の平均粒径よりも小さな平均粒径を有する、
前記低熱伝導皮膜と、
を備える内燃機関のピストンの製造方法であって、
前記凝集粉と前記金属バインダを構成する前記金属粒子とを均質に混合する混合粉準備工程と、
前記冠面に接着剤を設け、前記接着剤上に前記混合粉を振りかける混合粉設置工程と、
前記混合粉を前記冠面に放電プラズマ焼結によって焼結する焼結工程と、
を備える内燃機関のピストンの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020024841A JP2021131019A (ja) | 2020-02-18 | 2020-02-18 | 内燃機関のピストンおよび内燃機関のピストンの製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020024841A JP2021131019A (ja) | 2020-02-18 | 2020-02-18 | 内燃機関のピストンおよび内燃機関のピストンの製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2021131019A true JP2021131019A (ja) | 2021-09-09 |
Family
ID=77550659
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2020024841A Pending JP2021131019A (ja) | 2020-02-18 | 2020-02-18 | 内燃機関のピストンおよび内燃機関のピストンの製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2021131019A (ja) |
-
2020
- 2020-02-18 JP JP2020024841A patent/JP2021131019A/ja active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5081173B2 (ja) | 排気管用塗料、排気管用塗料の使用方法及び排気管 | |
| EP3023510B1 (en) | Spray coating film, engine having the spray coating film and film-forming method of the spray coating film | |
| EP2436898A1 (en) | Heat-insulting structure | |
| JP6321934B2 (ja) | エンジン燃焼室に臨む部材表面の断熱層の製造方法 | |
| JP5506200B2 (ja) | 排気管用塗料の使用方法 | |
| CN1989273B (zh) | 导电元件及制备方法 | |
| JPH03170724A (ja) | 内燃機関用点火グロープラグ及びその製法 | |
| JP2011517045A (ja) | セラミックスパークプラグ絶縁体およびその製造方法 | |
| WO2012105478A1 (ja) | 炭化珪素質材料、ハニカム構造体及び電気加熱式触媒担体 | |
| JPWO2012102348A1 (ja) | Ｔｉ３ＳｉＣ２質材料、電極、スパークプラグ、及びその製造方法 | |
| JP2010524816A (ja) | 金属材料により規定される熱膨張係数に調整された組成を有するセラミック材料 | |
| WO2018061591A1 (ja) | 内燃機関用ピストンおよび内燃機関用ピストンの製造方法 | |
| JP2021131019A (ja) | 内燃機関のピストンおよび内燃機関のピストンの製造方法 | |
| JP3445342B2 (ja) | 高熱伝導性窒化けい素構造部材および半導体パッケージ | |
| JP3043679B2 (ja) | 長時間真空密の、高強度の並びに耐腐食性の結合を製造する方法及び静電容量型圧力センサ | |
| JPS62187156A (ja) | 高絶縁性高アルミナ質磁器組成物の製造方法 | |
| JP2001332525A (ja) | セラミックスヒータ | |
| WO2020170635A1 (ja) | 内燃機関のピストンおよびその製造方法 | |
| JP3942441B2 (ja) | 窒化アルミニウムの製造方法 | |
| JPH04259781A (ja) | セラミックヒータ | |
| JPH11251038A (ja) | セラミックスヒータ | |
| JP2023172735A (ja) | 潜熱蓄熱体及び潜熱蓄熱体の製造方法 | |
| WO2018199024A1 (ja) | 内燃機関用ピストンおよび内燃機関用ピストンの製造方法 | |
| JPS58210341A (ja) | セラミツク製シリンダ−ヘツド | |
| JP2001185665A (ja) | 炭化珪素・金属複合体からなる放熱板及びモジュール用基板 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20200612 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20221025 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20230731 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20230801 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20240206 |