JP3214657B2 - 内燃機関のピストン及びその製造方法 - Google Patents

内燃機関のピストン及びその製造方法

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    • F02F3/00Pistons 
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    • F02F3/20Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid
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    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
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    • F05C2253/16Fibres

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は内燃機関のピストン及び
その製造方法に関し、さらに詳しくは、冷却用クーリン
グチャンネル付きFRMピストン及びその製造方法に関
する。
【0002】
【従来の技術】内燃機関、特に自動車用エンジンのピス
トンは近年の高性能化に伴い、従来にない高温の燃焼ガ
スにさらされており、使用状況はますます過酷になりつ
つある。実際、ピストンヘッド及び1stリング溝周囲
の温度は300℃以上にもなることがあった。このため
の熱対策として従来以下のようなものがあった。 (1) 図4に示すように、ピストンヘッド41やリン
グ溝42を高温強度・耐熱性・耐摩耗性に優れるセラミ
ックス繊維あるいはウイスカーとアルミニウム合金とを
複合化したFRMピストンとしてピストン自体の耐熱性
を向上させる。 (2) 図5に示すように、ピストン鋳造時にピストン
ヘッド直下のリング溝の裏に中子を用いてクーリングチ
ャンネル51を設け、ここにオイルジェットノズル52
からエンジンオイルを流すことによって冷却を行う。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ここで、セラミックス
とアルミニウム合金とを複合化した場合、例えば表1に
示すように、JIS AC8A合金にSiCウイスカー
を体積率で20%複合化すると、元のAC8Aに対して
熱伝導率が約20%低下する。そのため、ピストン自体
の耐熱性は向上するものの、燃焼によって発生した熱を
ピストンリングを通じて逃がす能力はかえって低下して
しまう。その結果、複合強化部がホットスポットとなっ
てノッキングが発生しやすくなり、FRMピストン本来
の耐熱性が活かされなかった。
【0004】
【表1】 @001
【0005】しかしながら、セラミックスとアルミニウ
ム合金を複合化させるためには、溶湯にプランジャーで
圧力を加える溶湯鋳造法にて製造しなければならず、溶
湯の圧力で中子が破壊されてしまうためクーリングチャ
ンネルを有するFRMピストンを製造するのは不可能で
ある。また、クーリングチャンネルのみでは冷却能に限
界があるために、さらなるエンジンの高性能化には対応
できなかった。したがって、本発明の目的は、上記欠点
を解消した冷却用クーリングチャンネル付きFRMピス
トン及びその製造方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項1記載の発明は、あらかじめ強化する部位の
形状に溶湯鋳造法にてFRM強化部を製造し、しかる後
にFRM強化部とともにクーリングチャンネル用中子を
型内にセットしてアルミニウム合金溶湯で鋳包むことに
よって製造される内燃機関のクーリングチャンネル付き
FRMピストンにおいて、FRM強化部とともにクーリ
ングチャンネル用中子を型内にセットしてアルミニウム
合金溶湯で鋳包む際に、鋳造素材重量に対し、押し湯重
量が2〜7倍となるようにアルミニウム溶湯を注湯する
ことを特徴とする。
【0007】また、請求項2記載の発明は、あらかじめ
強化する部位の形状に溶湯鋳造法にてFRM強化部を製
造し、しかる後にFRM強化部とともにクーリングチャ
ンネル用中子を型内にセットしてアルミニウム合金溶湯
で鋳包むようにした内燃機関のクーリングチャンネル付
きFRMピストンの製造方法において、FRM強化部と
ともにクーリングチャンネル用中子を型内にセットして
アルミニウム合金溶湯で鋳包む際に、鋳造素材重量に対
し、押し湯重量が2〜7倍となるようにアルミニウム溶
湯を注湯することを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】図1を参照して本発明のプロセス
の概略を説明する。 (1) プリフォームの製造 適当なウイスカー、例えば、ウイスカー直径0.3〜
1.4μm、ウイスカー長さ5〜30μm、アスペクト
比10〜40の東海カーボン製SiCウイスカーを金型
内に投入し、乾式プレスでプレス成形を行い、FRM強
化部のプリフォームを得る。
【0009】(2) FRM製造 プリフォームを電気炉で700〜750℃に予熱した
後、200〜400℃に加熱した金型内に配置して70
0〜780℃のアルミニウム合金溶湯例えばJIS A
C8A溶湯を型内に注ぎ、プランジャーにて50〜20
0MPaの圧力を加えたまま凝固させ、ピストン強化部
となる繊維強化金属(FRM)を得る。これに機械加工
を行って、ピストン1stリング溝強化材とする。
【0010】(3) 中子及び強化部の型内への設置 砂あるいは塩により造形したクーリングチャンネル中子
及びFRMで製造した1stリング溝強化部を100〜
400℃に予熱した後、100〜400℃に加熱したピ
ストン金型内に中子と強化部を配置する。
【0011】(4) 鋳包み 続いて、ピストン素材重量に対して押し湯重量が2〜7
倍となるように700〜780℃のアルミニウム合金溶
湯例えばJIS AC8A溶湯を重力鋳造にて金型内に
注湯し、そのまま冷却・凝固させた。この時、ピストン
素材重量に対して押し湯重量が2倍となるような十分な
量のアルミニウム合金溶湯を型内に連続的に供給するこ
とによって、アルミニウム合金溶湯から熱エネルギーが
供給されて複合材表面が加熱・溶融し、表面の酸化被膜
が破壊されて強化材マトリックスの液相とアルミニウム
溶湯の液相が拡散し合って強固な接合界面をえることが
できる。また、鋳造素材重量の7倍以上押し湯量となる
溶湯量では被鋳包み材の溶損が激しく好ましくない。し
たがって、溶湯量を前記範囲に制御することが好適であ
る。なお、鋳造素材とは、機械加工前の鋳物製品のこと
であり、鋳造素材重量とはその鋳物製品の重量を指す。
また、押し湯とは、一般的には凝固収縮により収縮した
部分に溶湯を補給し、引け巣を防止するものであるが、
本案では被鋳包み材表面に溶湯からの熱エネルギーを供
給する目的で用いられ、押し湯重量とは押し湯全体の重
量を指す。
【0012】(5) 中子の取り出し 鋳包み後、クーリングチャンネル用の中子を取り出す。 (6) 熱処理・機械加工 ピストン鋳造素材に対して、溶体化処理及び時効の熱処
理を加えた後、ピストン外周、リング溝、オイル溝、ピ
ストンピン穴等の機械加工を行い、クーリングチャンネ
ルを有するFRMピストンを成形した。
【0013】以上のようにして得たピストンの断面図を
図2に示す。図2において、1はFRM強化部材を用い
た部位を示し、2はクーリングチャンネルである。クー
リングチャンネル2には、オイルジェットノズル3から
オイルが供給される。このように図2のピストンは、F
RM強化部材1とクーリングチャンネル2とを併せ持つ
こととなる。
【0014】
【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。 (1) プリフォームの製造 ウイスカー直径0.3〜1.4μm、ウイスカー長さ5
〜30μm、アスペクト比10〜40の東海カーボン製
SiCウイスカーを金型内に投入した後、体積比が20
%となるように乾式プレスでプレス成形を行い、円板状
のプリフォームを得た。 (2) FRM製造 プリフォームを電気炉で750℃に予熱した後、250
℃に加熱した金型内に配置して750℃のJIS AC
8A溶湯を型内に注ぎ、プランジャーにて100MPa
の圧力を加えたまま凝固させ、リング状のピストン強化
部となる繊維強化金属(FRM)を得た。これに機械加
工を行って、外形φ65mm、厚さ9mmのピストン1
stリング溝強化材とした。 (3) 鋳包み 砂あるいは塩により造形したクーリングチャンネル中子
及びFRMで製造した1stリング溝強化部を200℃
に予熱した後、200℃に加熱したピストン金型内に中
子と強化部を配置する。続いて、ピストン素材重量25
0gに対して押し湯重量が2倍の500gとなるように
750℃のJIS AC8A合金を重力鋳造にて金型内
に注湯し、そのまま冷却・凝固させた。この時、ピスト
ン素材重量に対して押し湯重量が2倍となるような十分
な量のアルミニウム合金溶湯を型内に連続的に供給する
ことによって、アルミニウム合金溶湯から熱エネルギー
が供給されて複合材表面が加熱・溶融し、表面の酸化被
膜が破壊されて強化材マトリックスの液相とアルミニウ
ム溶湯の液相が拡散し合って強固な接合界面をえること
ができる。 (4) 熱処理・機械加工 ピストン鋳造素材に対して、溶体化処理及び時効の熱処
理を加えた後、ピストン外周、リング溝、オイル溝、ピ
ストンピン穴等の機械加工を行い、クーリングチャンネ
ルを有するFRMピストンを成形した。 (5) 製品 得られた製品は、図2について説明したように1stリ
ング溝をFRMで強化したクーリングチャンネル付きF
RMピストンである。
【0015】以上のように、あらかじめ、FRM強化部
を溶湯鋳造法にて製造した後、これを鋳包むと同時にク
ーリングチャンネル用中子を用いることにより、従来製
造が不可能であったクーリングチャンネル付きFRMピ
ストンの製造が可能となった。また、鋳包み界面は、図
3に示すように十分な量のアルミニウム溶湯を用いて鋳
包むことによって、アルミニウム溶湯から熱エネルギー
が供給され、強化材表面の酸化被膜が破壊されて強固な
接合界面を形成することができる。クーリングチャンネ
ル付きFRMピストンを用いることによって、熱伝導率
の低いFRM強化部がエンジンオイルによって積極的に
冷却され、FRM本来の耐熱性・耐摩耗性が活かされる
こととなる。したがって、従来のFRMピストンでは対
応できなかった燃焼ガス温度がさらに高温となる高圧縮
比化・希薄燃焼化が可能となり、その結果高出力化・低
燃焼費というエンジンの高性能化を達成することができ
る。また、強化部のみを溶湯鍛造にて製造した後鋳包み
によって複合化するため、従来の溶湯鍛造にて一体製造
されていたFRMピストンと比較して金型・設備を大幅
に簡略化することができ、従来より安価にFRMピスト
ンの製造を行うことができる。
【0016】
【発明の効果】以上の説明から明かなように、本発明に
よれば、好適な特性を備えた内燃機関の冷却用クーリン
グチャンネル付きFRMピストン及びその製造方法が提
供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる内燃機関の冷却用クーリングチ
ャンネル付きFRMピストンの製造方法を説明するブロ
ック図である。
【図2】本発明によって製造された内燃機関の冷却用ク
ーリングチャンネル付きFRMピストンを説明する断面
図である。
【図3】本発明によって製造された内燃機関の冷却用ク
ーリングチャンネル付きFRMピストンの鋳包み界面の
100倍の光学顕微鏡写真である。
【図4】従来のピストンを説明する断面図である。
【図5】従来のピストンを説明する断面図である。
【符号の説明】
1 FRM強化部材を用いた部位 2 クーリングチャンネル 3 オイルジェットノズル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F02F 3/00 301 F02F 3/00 302 F02F 3/22

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 あらかじめ強化する部位の形状に溶湯鋳
    造法にてFRM強化部を製造し、しかる後にFRM強化
    部とともにクーリングチャンネル用中子を型内にセット
    してアルミニウム合金溶湯で鋳包むことによって製造さ
    れる内燃機関のクーリングチャンネル付きFRMピスト
    において、FRM強化部とともにクーリングチャンネ
    ル用中子を型内にセットしてアルミニウム合金溶湯で鋳
    包む際に、鋳造素材重量に対し、押し湯重量が2〜7倍
    となるようにアルミニウム溶湯を注湯することを特徴と
    する内燃機関のクーリングチャンネル付きFRMピスト
    ン。
  2. 【請求項2】 あらかじめ強化する部位の形状に溶湯鋳
    造法にてFRM強化部を製造し、しかる後にFRM強化
    部とともにクーリングチャンネル用中子を型内にセット
    してアルミニウム合金溶湯で鋳包むようにした内燃機関
    のクーリングチャンネル付きFRMピストンの製造方法
    において、FRM強化部とともにクーリングチャンネル
    用中子を型内にセットしてアルミニウム合金溶湯で鋳包
    む際に、鋳造素材重量に対し、押し湯重量が2〜7倍と
    なるようにアルミニウム溶湯を注湯することを特徴とす
    る内燃機関のクーリングチャンネル付きFRMピストン
    の製造方法。
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