JP4458496B2 - 筒内噴射式内燃機関、筒内噴射式内燃機関用ピストン、筒内噴射式内燃機関用ピストンの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどの筒内噴射式内燃機関およびその筒内に噴射された液体燃料の霧化や気化を促進する低熱伝導部材を備えた筒内噴射式内燃機関用ピストンと、そのピストンの製造方法とに関するものである。

環境意識の高揚に伴い、自動車、二輪車、産業機械等に使用されるディーゼルエンジンやガソリンエンジン等の内燃機関は、省燃費化かつ排気ガスの清浄化が強く要請されている。例えば、省燃費の観点から、最近では筒内噴射式ガソリンエンジンが一般市販車にまで採用されるに至っている。

ところで、筒内噴射式内燃機関の場合、シリンダ内へ直接噴霧される燃料の噴霧量や噴霧タイミングが内燃機関の負荷に応じて変動するため、常に燃料を完全に霧化または気化させることは容易ではない。このため、燃料の不完全燃焼等が僅かながら生じ、冷間時の一時にしろ、燃費が悪化したり、排気ガス中のハイドロカーボンやすす等が増加することもある。確かに最近の自動車等には排気ガス触媒装置が装着されてはいるが、ある程度昇温しなければ触媒は活性化しない。このため、始動直後など内燃機関の冷間時に排気ガスの浄化が不十分な場合が起こり易かった。

特に、均一混合燃焼に加えて空燃比の高い超希薄領域での成層燃焼をなされる筒内噴射式ガソリンエンジンの場合、成層燃焼時に点火プラグ周囲で燃料の霧化や気化が不十分だと、着火性の悪化に伴い未燃焼ガスが排出されるなど、却って省燃費化や排気ガスの清浄化に悪影響を与え得る。

このような事情の下、噴霧した燃料の霧化または気化を促進させるために、例えば、ピストン頂面の燃料衝突域に周囲よりも高温となる低熱伝導域を設けることが従来から提案されており、下記の特許文献にそれに関する具体的な開示がある。

特開２０００−１８６６１７号公報（特許３５５１８０１号公報）

特許文献１は、燃料の蒸発促進や燃料の付着を減少させるために、筒内噴射式火花点火機関用ピストンの頂面の燃料衝突部に、低熱伝導材料からなるプレート（低熱伝導部材）を載置することを提案している。しかも、そのプレートの裏面側を凹凸状にして、プレートとピストン本体との間に、断熱性の高い空隙層を形成することを提案している。

しかし、本発明者が調査研究したところによれば、裏面側を凹凸状にしたプレートを単にアルミニウム合金の溶湯中に鋳込むと、その際の溶湯の流れ方が不安定なため、引用文献１に記載されているような空隙層の形成は現実には困難である。また、プレートの裏面を凹凸状にすることはコスト高となりやすい。さらに、大きな爆発力がピストンに作用することを考慮すると、強度や剛性の点で裏面側を大きく肉抜きすることもできない。

本発明はこのような事情に鑑みて為されたものである。すなわち、本発明は、ピストン頂部に鋳込んだ低熱伝導部材による断熱性を、より確実にかつ現実的に一層高めることができる筒内噴射式内燃機関用ピストンおよびそのピストンを用いた筒内噴射式内燃機関を提供することを目的とする。併せて、その筒内噴射式内燃機関用ピストンの製造方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段およびその効果

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、ピストン頂部に鋳込む低熱伝導基材の裏面側に、アルミナ（Ａｌ _２ Ｏ _３ ）微粒子からなるコーティング層を設けることを思いつくに至った。そして、このコーティング層の施された低熱伝導基材をアルミニウム合金溶湯中に鋳込むと、その基材の裏面側である鋳込面とピストン本体との間に、アルミナ微粒子を介在させた空隙層が形成されることを新たに知見した。このような成果に基づき、次のような本発明を完成するに至った。

〈筒内噴射式内燃機関用ピストン〉
（１）すなわち、本発明の筒内噴射式内燃機関用ピストンは、内燃機関のシリンダブロックのシリンダ内を往復動可能なピストン本体部と、該シリンダブロック上のシリンダヘッドに設けた燃料噴射弁から該シリンダ内へ噴射された液体燃料が衝突し得る燃料衝突域の少なくとも一部であって周囲よりも熱伝導率の低い低熱伝導域を形成する低熱伝導部材を該ピストン本体部の頂部に鋳込んだピストン頂部と、からなる筒内噴射式内燃機関用ピストンであって、
前記ピストン頂部は、アルミニウム合金製鋳物からなり、前記低熱伝導部材は、低熱伝導基材と、該低熱伝導基材の片面側で前記ピストン本体部に鋳込まれる鋳込面の少なくとも一部に付着したアルミナ（Ａｌ _２ Ｏ _３ ）微粒子を含むコーティング材からなるコーティング層と、からなり、
該コーティング層には、前記コーティング材が残存又は共存した状態で空隙が形成されていることを特徴とする。

（２）本発明の筒内噴射式内燃機関用ピストンによれば、熱伝導性が非常に低い低熱伝導域を燃料衝突域に確実に形成することが可能となり、筒内噴射された液体燃料をより確実に霧化または気化させることが可能となる。そしてこのピストンを用いた筒内噴射式内燃機関によれば、従来よりも確実に、燃費の向上や排ガスの浄化が可能となる。

ところで、本発明により、そのような優れた作用効果が得られる詳細は必ずしも定かではないないが、一応次のように考えられる。
先ず、アルミナ微粒子は、いわゆるセラミック微粒子であり、それ自体がアルミニウム合金や鉄合金などに比べて熱伝導率が低い。このため、アルミナ微粒子からなるコーティング層自体がいわゆる断熱層となり、低熱伝導部材とピストン本体（アルミニウム合金製の鋳物部分）との間の熱伝達を妨げ、低熱伝導部材の温度が上昇し易くなる。

さらに本発明では、そのようなコーティング層自体の低熱伝導性に加えて、コーティング層の存在によって低熱伝導部材とピストン本体との間に空隙層が形成され易くなる。この空隙の形態まで特定することは困難であるが、例えば、空隙は連続した空間でも、アルミナ微粒子間に存在する気孔が散在したものでも良い。いずれにしても空隙層は、低熱伝導基材自体よりも遙かに低熱伝導率が低いため、優れた断熱性を発揮する。
従って、この空隙層による断熱性が低熱伝導基材自体やコーティング層自体の断熱性に加わることで、結局、低熱伝導部材からピストン本体への熱伝達が従来になく確実に大きく阻害されることとなる。この結果、液体燃料の衝突する低熱伝導部材は、従来よりも遙かに、しかも確実に、周囲よりも高温になり易くなり、液体燃料の霧化または気化が促進され、ひいては、筒内噴射式内燃機関の燃費や排ガス浄化性能の向上が図られる。
しかも、本発明の場合、実質的にはコーティング層を低熱伝導基材の鋳込面に設けるだけであるから、コスト高となるような加工等も不要であり、低コスト化を図りやすい。

ここで、コーティング層を施した低熱伝導部材を鋳込んだ際に、低熱伝導部材とピストン本体との界面付近に空隙層が形成される詳細なメカニズムは必ずしも定かではない。現状では、次のように考えられる。すなわち、アルミナ微粒子からなるコーティング層は、アルミニウム合金の溶湯と濡れにくい。この低い濡れ性のために、そのコーティング層と接触する部分でアルミニウム合金溶湯が弾かれるようになり、アルミナ微粒子間にアルミニウム合金溶湯が含浸せずに、低熱伝導部材とピストン本体とが接合せず、両者の界面部分に細かな空隙が形成されたのではないかと思われる。

なお、一見すると、このような空隙または空隙層は、大きな爆発力等が作用する低熱伝導部材の変形やたわみ等の原因となるようにも思われる。しかし、現実に形成される空隙または空隙層は、孔径が５〜５０μｍ程度の微細な気孔の集合であったり、厚さが高々０．５ｍｍ程度の隙間に過ぎないため、低熱伝導部材のたわみ等が問題となることはない。しかも、完全無欠の空隙ではなく、コーティング層を構成するアルミナ微粒子が、低熱伝導部材とピストン本体との間に介在した状態となっている。これは、多数のアルミナ微粒子がいわゆる「柱」となって空隙を支持している状態に近い。しかもアルミナ微粒子は高強度なセラミック粒子である。従って、低熱伝導部材に大きな爆発力が繰り返し作用しても、低熱伝導部材の変形等が問題となることはないと思われる。
〈筒内噴射式内燃機関用ピストンの製造方法〉

本発明は、上述のような筒内噴射式内燃機関用ピストンの製造方法としても把握される。すなわち本発明は、内燃機関のシリンダブロックのシリンダ内を往復動可能なピストン本体部と、該シリンダブロック上のシリンダヘッドに設けた燃料噴射弁から該シリンダ内へ噴射された液体燃料が衝突し得る燃料衝突域の少なくとも一部であって周囲よりも熱伝導率の低い低熱伝導域を形成する低熱伝導部材を該ピストン本体部の頂部に鋳込んだピストン頂部と、からなる筒内噴射式内燃機関用ピストンの製造方法であって、
低熱伝導基材の少なくとも片面側の一部にアルミナ微粒子を含むコーティング材を付着させる付着工程と、該コーティング材の付着したコーティング面をアルミニウム合金の溶湯に接触させつつ鋳造して、前記低熱伝導部材が鋳込まれて該低熱伝導部材と前記ピストン頂部との間に前記コーティング材が残存又は共存した状態で空隙が形成されたコーティング層を設けたアルミニウム合金製の前記ピストン頂部を得る鋳込工程と、を備えることを特徴とする筒内噴射式内燃機関用ピストンの製造方法であってもよい。

〈筒内噴射式内燃機関〉
さらに本発明は、単なるピストンとしてのみならず、それを用いた筒内噴射式内燃機関自体としても把握できる。すなわち、本発明は、シリンダを有するシリンダブロックと、
該シリンダブロック上に設けたシリンダヘッドと、該シリンダヘッドに設けた燃料噴射弁と、上述した本発明の筒内噴射式内燃機関用ピストンと、を備えたことを特徴とする筒内噴射式内燃機関であってもよい。

〈付加的構成〉
本発明は、上述した構成に加えて、次に列挙する構成中から任意に選択した一つまたは二つ以上がさらに付加されるものであると好適である。なお、下記から選択された構成は、複数の発明に重畳的かつ任意的に付加可能であることを断っておく。

また、便宜上、筒内噴射式内燃機関またはそのピストンと、そのピストンの製造方法とを区別して記載するが、下記に示したいずれの構成も、カテゴリーを越えて相互に適宜組合わせ可能である。例えば、低熱伝導部材のコーティング材に関する構成であれば、筒内噴射式内燃機関用ピストン自体のみならず、その製造方法にも関連することはいうまでもない。また、一見、「方法」に関する構成のように見えても、プロダクトバイプロセスとして理解すれば、「物」に関する構成ともなり得る。

（１）筒内噴射式内燃機関用ピストン
(i)前記低熱伝導基材は、全体を１００質量％としたときに、マンガン（Ｍｎ）：５〜３５質量％と、炭素（Ｃ）：０．５〜１．５質量％と、残部：鉄（Ｆｅ）および不可避不純物若しくは改質元素とからなる。
(ii)低熱伝導基材の鋳込面の少なくとも一部は凹凸状である。
(iii)アルミナ微粒子は、粒径が５〜５０μｍである。
(iv)コーティング層は、厚みが０．０１〜０．３０ｍｍである。
(v)コーティング層は、アルミナ微粒子の存在割合が体積率で５〜１００％である。
(vi)前記低熱伝導基材は、Ｔｉ合金またはステンレス（Ｆｅ−Ｃｒ合金）からなる。

（２）筒内噴射式内燃機関用ピストンの製造方法
(i)前記付着工程は、前記コーティング材を溶媒に分散させたコーティング溶液に前記低熱伝導基材の片面側の少なくとも一部を浸漬する浸漬工程である。
(ii)前記付着工程は、前記コーティング材を溶媒に分散させたコーティング溶液を前記低熱伝導基材の少なくとも片面側の一部に塗布する塗布工程である。
(iii)前記付着工程は、さらに、浸漬または塗布されたコーティング溶液を乾燥させる乾燥工程を有する。
(iv)前記溶媒は水またはアルコールである。
(v)前記コーティング溶液の配合は、コーティング材の溶媒に対する質量比（コーティング材／溶媒）が１〜２である。
(vi)コーティング材は、アルミナ粉末またはアルミナを含有するアルミナ含有粘土の一種以上からなる。
(vii)コーティング材は、アルミナ粉末とアルミナを含有するアルミナ含有粘土との混合物からなる。
(viii)前記混合物は、アルミナ含有粘土のアルミナ微粉末に対する質量比（アルミナ含有粘土／アルミナ微粉末）が０〜８０である。
(ix)アルミナ含有粘土は、アルミナ−シリカ水和物である。
(x)前記乾燥工程の乾燥温度は、５０℃以上である。

（３）筒内噴射式内燃機関
筒内噴射式内燃機関は、ガソリンエンジンは勿論のことディーゼルエンジンであってもよい。

実施形態を挙げて、本発明をより詳しく説明する。なお、以下の実施形態を含め、本明細書で説明する内容は、本発明に係る筒内噴射式内燃機関およびそのピストンのみならず、そのピストンの製造方法にも適宜適用できるものであることを断っておく。さらに、いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なることを断っておく。

〈低熱伝導基材〉
（１）本発明に係る低熱伝導基材は、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃ系材料の他、ステンレス系材料、Ｔｉ系材料等でもよい。低熱伝導基材は、ピストンを構成するアルミニウム合金よりも熱伝導率が低い材料であると好ましい。もっとも、本発明の場合は、コーティング層による断熱効果が大きいため、必ずしも、低熱伝導基材の熱伝導率までは問わない。
低熱伝導基材は、高速で往復動すると共に大きな爆発力が作用するピストンに鋳込まれるものであるため、そのピストンの機能に支障をきたさないものでなければならない。具体的には、例えば、必要な機械的強度や剛性を備えると共に、繰り返される冷熱サイクルにも耐え得る熱疲労強度などを備えることも低熱伝導基材にとり必要である。特に、後者の観点から、低熱伝導基材の線膨張係数がピストンの主材料であるアルミニウム合金の線膨張係数に近似していると好ましい。さらに、低熱伝導基材は、コーティング層部分を除き、アルミニウム合金との密着性に優れる鋳造性（鋳込性）を有すると好ましい。

（２）低熱伝導基材がＦｅ−Ｍｎ−Ｃ系材料の場合、ＭｎとＣおよび残部であるＦｅと不可避不純物以外に少量の改質元素を含んでもよい。改質元素は、低熱伝導基材の特性を基本的に損なわない範囲で従として含有することが許容される元素である。この改質元素は、低熱伝導合金の特性を改善するか否かは問わない。このような特性の改善効果がなくても、低熱伝導合金の基本的な特性を損なわない元素である限り、改質元素に含まれる。なお、不可避不純物は、原料中に含まれる不純物、製造時に混入等する不純物などがあり、コスト的または技術的な理由等により除去することが困難な元素である。

ここでは、本発明者が別に開発したＦｅ−Ｍｎ−Ｃ合金について付言しておく。
先ず、Ｍｎ量が５〜３５質量％であると、所望の熱伝導率および線膨張係数が安定して得られる。これに対してＭｎが過少では熱伝導率が急増して好ましくない。Ｍｎが過多では線膨張係数が低下して所望の線膨張係数が得られない。Ｍｎが７〜３０質量％であるとより好ましい。

次に、Ｃ量が０．５〜１．５質量％であると、所望の熱伝導率および線膨張係数が安定して得られる。これに対してＣが過少では熱伝導率が急増したり、線膨張係数が所望範囲より低くなって好ましくない。一方、Ｃが増加するほど、熱伝導率や線膨張係数は所望範囲に近づき好ましいが、Ｃが過多では引張強さが急減して実用性が乏しくなり好ましくない。Ｃが０．８〜１．２質量％であるとより好ましい。

Ｆｅは残部の主成分であるが、上記のような特定量のＭｎおよびＣがＦｅに加わることで、一般的な鉄系材料とはかけ離れた特性を示すようになる。少なくとも、熱伝導率や線膨張係数に関して観れば、前述のように鉄基合金とは思えないような優れた特性を示す。

このＦｅ−Ｍｎ−Ｃ合金の基本構成元素はＭｎ、ＣおよびＦｅの３元素ではあるが、その他に、改質元素として、例えば、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｏ、Ｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ等が考えられる。このような改質元素の含有量は通常微量（０．０１〜１質量％）である。

なお、本明細書中で「ｘ〜ｙ」という数値範囲は、特に断らない限り、下限値（ｘ）および上限値（ｙ）を含むものとする。また、本明細書に上限値または下限値として特記した数値の他、範囲指定した数値の上下限値、［実施例］欄に記載した数値、さらには添付した表中に示した数値など、任意の数値を適宜組合わせて、新たな上下限値または「ａ〜ｂ」のような新たな数値範囲を設定できることを断っておく。

（３）このＦｅ−Ｍｎ−Ｃ合金は、ピストン材料であるアルミニウム合金に較べて熱伝導率が１／１０〜１／２０（例えば、７〜１３Ｗ／ｍ・Ｋ）と非常に小さい。その一方で、線膨張係数が約２０ｘ１０ ^−６ ／Ｋ程度（例えば、１５〜２５ｘ１０ ^−６ ／Ｋ）とピストン本体に近似している。従って、ピストン頂部の燃料衝突域に組成の異なる低熱伝導部材を設けた場合でも、両者間で剥離や破壊、繰返熱応力による熱疲労破壊等の不都合を生じ難い。

（４）低熱伝導基材は、本発明のコーティング処理とは別に、公知の浸炭処理や窒化処理などを適切に行うことで、本発明の低熱伝導合金の表層のみを必要に応じて改質することも可能である。この目的は低熱伝導合金の強度向上には限らず、例えば、ＤＬＣ被膜等の下地処理などにも利用可能である。また、低熱伝導基材が焼結材からなる場合、低熱伝導部材の表面に封孔処理を施しても良い。この封孔処理により、低熱伝導基材の内部へ液体燃料が含浸して気化が不十分となることが阻止される。

低熱伝導基材の形状は、ピストン頂部の形状や燃料衝突域の形状等に応じて適宜定められる。また、低熱伝導基材は焼結材、溶製材等いずれでも良い。もっとも、焼結材であれば、ネットシェイプによる加工費削減、気孔率（密度）の調整による熱伝導率の増減なども可能となる。

低熱伝導基材は、表面に微少な凹凸形状等を有していても良い。これにより表面積が拡大し、接触した液体燃料の気化等がより促進される。また、コーティング層によって形成される程度の空隙以外に、より大きな空隙が形成されるように、低熱伝導基材の鋳込面側を凹凸状としてもよい。

〈コーティング処理〉
（１）コーティング材
コーティング材はアルミナ微粒子を含むものである。このコーティング材を低熱伝導基材の片面側に付着させることでコーティング層が形成される。

コーティング材の主成分であるアルミナ微粒子の製法、粒径、存在形態等は問わない。もっとも、コーティング層を所望の形態とするために、コーティング材の配合、原材料、アルミナ微粒子の粒径などが適宜選択される。例えば、アルミナ微粒子の粒径は５〜５０μｍである。

コーティング材は、純粋にアルミナ微粒子のみを含むアルミナ粉末のみを用いてもよいが、他のシリカ等のセラミック微粒子を含むセラミック粉末との混合粉末を用いることもできる。さらにコーティング材として、アルミナを含有するアルミナ含有粘土を用いることもできる。さらには、アルミナ粉末とアルミナ含有粘土との混合物をコーティング材としても良い。
ちなみにアルミナ含有粘土は、例えば、アルミナとシリカと水との混和物であるアルミナ−シリカ水和物（例えば、Ａｌ _２ Ｏ _３ ・２ＳｉＯ _２ ・２Ｈ _２ Ｏ、２ＳｉＯ _２ ・４Ｈ _２ Ｏなど）である。なお、コーティング材は、これら粉末や粘土以外にも、低熱伝導基材への付着に必要となるバインダー等を含んでいても良い。

（２）付着工程
付着工程は、コーティング材を低熱伝導基材に付着させる工程である。具体的な方法は問わないが、例えば、コーティング材を溶媒に分散させたコーティング溶液に低熱伝導基材を浸漬する浸漬法、そのコーティング溶液を低熱伝導基材へ塗布する塗布法などがある。さらに塗布法の場合は、刷毛塗り、噴霧（スプレー）などにより行うことができる。

コーティング溶液の調製に用いる溶媒として、水の他に、アルコールなどの有機溶媒を用いることもできる。水は低コストで環境負荷が小さい。低沸点のアルコールは速乾性があり生産性を向上させる。
コーティング材と溶媒との配合割合は、付着工程およびその後の乾燥工程を効率よく行える範囲であれば良い。例えば、コーティング材の溶媒に対する質量割合（コーティング材／溶媒）は、１〜２であると好ましい。

（３）乾燥工程
乾燥工程は、低熱伝導基材の表面に塗布されたコーティング溶液を乾燥させる工程である。これにより、低熱伝導基材の表面には主にアルミナ微粒子からなるコーティング層が形成される。
乾燥温度や乾燥時間は、コーティング溶液の組成や付着量にも依るため、一概に特定することは難しい。もっとも、本発明者が調査研究したところ、比較的高温・短時間で乾燥させた方が、所望する空隙以外の余計な膨れ等の発生を抑制し易い。
そこで例えば、乾燥温度は３００〜６００℃、乾燥時間は２０〜６０分間程度とするのが良い。また、乾燥させる雰囲気は蒸発した溶媒成分が排気される環境であれば、大気雰囲気中でも不活性雰囲気中でも良い。

実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
〈筒内噴射式内燃機関〉
本発明の筒内噴射式内燃機関の一例である、ガソリンを燃料とする筒内噴射式火花点火機関１（以下、単に「エンジン１」という。）を図１に示した。
エンジン１は、シリンダブロック３０と、シリンダブロック３０上にガスケット（図略）を介してヘッドボルト(図略)で固定されたシリンダヘッド４０と、シリンダブロック３０のシリンダ３１内に往復動可能に嵌挿されたピストン１０とからなる。

シリンダブロック３０、シリンダヘッド４０およびピストン１０はアルミニウム合金製である。ピストン１０のアルミニウム合金はＡＣ８Ａ合金（ＪＩＳ規格）で、熱伝導率１３４Ｗ／ｍＫ（室温）、線膨張係数２０．９ｘ１０ ^−６ ／Ｋ（室温〜２００℃）である。シリンダブロック３０のシリンダ３１は、圧入された鋳鉄製スリーブからなる。

シリンダヘッド４０は、吸気ポート４１と排気ポート４２を備える。吸気ポート４１の開孔は吸気側カム(図略)によって駆動される吸気バルブ７１の傘部により開閉される。排気ポート４２の開孔は排気側カム(図略)によって駆動される排気バルブ７２の傘部により開閉される。吸気バルブ７１と排気バルブ７２の略中央には点火プラグ８０が配設される。また、吸気ポート４１側には燃料噴射弁であるインジェクタ５０が配設され、インジェクタ５０の開孔５１から所定圧力に加圧されたガソリン（液体燃料）がシリンダ３１内へ噴霧される。

筒内噴射式内燃機関用ピストンであるピストン１０は、ピストン頂部１１とピストン本体部１２とからなる。ピストン１０は、ピストン本体部１２に設けたピンホール１１３に嵌挿されたピストンピン６１を介して、コンロッド６０と揺動可能に連結されている。ピストン１０の上側にあるピストン頂部１１は、外周側にトップリング１１２ａ、セカンドリング１１２ｂおよびオイルリング１１２ｃを備える。ピストン頂部１１の頂面側には、深皿部１１１が形成されている。ガソリンは、深皿部１１１に向けてインジェクタ５０から噴霧される。この深皿部１１１の内壁面（特に内底面）が本発明でいう燃料衝突域を形成することとなる。

超希薄燃焼時など上死点付近で噴霧されたガソリンは、深皿部１１１によって点火プラグ８０の周囲に集められる。これにより、空燃比が高くても点火プラグ８０の周囲には着火可能は濃度の混合気が形成される。そして、点火プラグ８０のギャップ間で火花放電がなされると、シリンダヘッド４０とピストン頂部１１との間に形成された燃焼室内で成層燃焼が生じる。勿論、高負荷時には、ピストン１０が下降する吸気行程中からガソリンがインジェクタ５０より噴霧され、ストイキ領域またはリッチ領域で均一混合燃焼が行われる。

本実施例のエンジン１では、低熱伝導部材２０をピストン頂部１１の深皿部１１１に鋳込んだピストン１０を用いた。この低熱伝導部材２０の表面部２１が本発明でいう低熱伝導域に相当する。図１からも明らかなように、低熱伝導部材２０の表面部２１は深皿部１１１の内壁の全部ではなく一部を形成しているに過ぎない。すなわち、インジェクタ５０から噴霧されたガソリンが主に衝突または付着し得る部分に限られている。これにより、噴霧されたガソリンの気化を促進する一方で、ノッキング等の原因となるヒートスポットの形成が回避される。

ところで、この低熱伝導部材２０は、後述する低熱伝導基材の裏面側にコーティング層２２を有し、さらにそのコーティング層２２により、低熱伝導部材２０の下面とピストン頂部１１の上面間には薄い空隙層１４が形成される。なお、コーティング層２２と空隙層１４とは別個独立ではなく、両者は共存関係にある。以下では、このようなコーティング層２２を有する低熱伝導部材２０を鋳込んだピストン１０の製造方法について説明する

〈筒内噴射式内燃機関用ピストンの製造方法〉
（１）低熱伝導基材の製造
低熱伝導部材２０を構成する低熱伝導基材は、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃ合金系の焼結材からなる。この焼結材は次のようにして製造される。

先ず、純Ｆｅ粉末、黒鉛粉末、Ｆｅ−Ｍｎ合金粉末（組成：Ｆｅ−５０質量％Ｍｎ）を回転型混合機で均一に混合して原料粉末を用意した。この原料粉末を超硬製金型（成形型）のキャビティへ充填し、金型潤滑温間加圧成形法（特許３３０９９７０号公報参照）を用いて成形圧力７８４ＭＰａで加圧成形した。
こうして得られた粉末成形体を、１ａｔｍのＮ _２ からなる焼結雰囲気中で、１２５０℃ｘ３０分間で焼結させた。こうして、Ｆｅ−２５％Ｍｎ−１％Ｃ合金（単位：質量％）の焼結体からなる低熱伝導基材を得た。

（２）コーティング処理
得られた低熱伝導部材の片面側に、コーティング材を溶媒に分散させたコーティング溶液を塗布した。コーティング材は、アルミナ粉末（平均粒径５０μｍ、嵩密度０．７〜１．２ｇ／ｃｍ³）とアルミナ含有粘土であるアルミナ−シリカ水和物（木節粘土（キブシネンド））とを４：１の質量割合で配合したものである。このコーティング材をエタノール中に分散させてコーティング溶液を調製した。コーティング材とエタノールの配合は、質量割合で３：２とした。

このコーティング溶液を、低熱伝導基材（φ３９ｍｍｘ５ｍｍ）の表面上の中央（約φ２３ｍｍの範囲）に厚さ約０．２ｍｍで刷毛塗りした（塗布工程）。この塗布後の低熱伝導基材を５００℃の大気雰囲気中に３０分間保持してコーティング溶液を乾燥させてコーティング層を形成した（乾燥工程）。

コーティング層を形成した低熱伝導基材（低熱伝導部材）をアルミニウム合金（ＪＩＳ ＡＣ８Ａ）の溶湯中に重力鋳造により鋳込んだ（鋳込工程）。このときの溶湯温度は７８０℃とした。

こうしてアルミニウム合金製の鋳物中に低熱伝導部材を鋳込んだ試験片を作製した。なお、比較例として、上述のコーティング処理を行わずに低熱伝導基材を鋳込んだ試験片も作製した。

これらの試験片を縦方向に切断した断面写真を図２（ａ）、（ｂ）に示す。
図２（ａ）から明らかなように、コーティング処理された低熱伝導部材が鋳込まれた実施例の場合は、低熱伝導基材とピストン本体との間に薄いほぼ均一な空隙層（またはコーティング層）が形成されていることが分かる。この空隙層は単なる空洞ではなく、コーティング材が残存または共存した状態となっていた。なお、アルミナ微粒子がどの程度存在するかは、コーティング処理の程度や鋳造中の溶湯の流れ方などにより異なると思われる。
ちなみに、低熱伝導基材の内でコーティング層のない部分は、低熱伝導基材とアルミニウム合金とが密着接合してる。

一方、コーティング処理をしなかった低熱伝導基材をアルミニウム合金の溶湯中に鋳込んだ比較例の試験片の場合、図２（ｂ）から明らかなように、低熱伝導基材とアルミニウム合金とが鋳込面全体で、隙間無く密着接合していることが分かる。

本発明の筒内噴射式内燃機関に係る一実施例を示す部分断面図である。 低熱伝導部材を鋳込んだ試験片の縦断面写真であり、同図（ａ）はコーティング層を有する低熱伝導部材を鋳込んだ実施例の場合であり、同図（ｂ）はコーティング層のない低熱伝導部材を鋳込んだ比較例の場合である。

符号の説明

１ 筒内噴射式火花点火機関（筒内噴射式内燃機関）
１０ ピストン
１１ ピストン頂部
１２ ピストン本体部
１１１ 燃料衝突域
１４ 空隙層
２０ 低熱伝導部材
２１ 低熱伝導域
２２ コーティング層
３０ シリンダブロック
３１ シリンダ
４０ シリンダヘッド
５０ インジェクタ（燃料噴射弁）

Claims (3)

1. 内燃機関のシリンダブロックのシリンダ内を往復動可能なピストン本体部と、該シリンダブロック上のシリンダヘッドに設けた燃料噴射弁から該シリンダ内へ噴射された液体燃料が衝突し得る燃料衝突域の少なくとも一部であって周囲よりも熱伝導率の低い低熱伝導域を形成する低熱伝導部材を該ピストン本体部の頂部に鋳込んだピストン頂部と、からなる筒内噴射式内燃機関用ピストンであって、
   前記ピストン頂部は、アルミニウム合金製鋳物からなり、
   前記低熱伝導部材は、低熱伝導基材と、該低熱伝導基材の片面側で前記ピストン本体部に鋳込まれる鋳込面の少なくとも一部に付着したアルミナ（Ａｌ _２ Ｏ _３ ）微粒子を含むコーティング材からなるコーティング層と、からなり、
   該コーティング層には、前記コーティング材が残存又は共存した状態で空隙が形成されていることを特徴とする筒内噴射式内燃機関用ピストン。
2. シリンダを有するシリンダブロックと、
   該シリンダブロック上に設けたシリンダヘッドと、
   該シリンダヘッドに設けた燃料噴射弁と、
   請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関用ピストンと、
   を備えたことを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
3. 内燃機関のシリンダブロックのシリンダ内を往復動可能なピストン本体部と、該シリンダブロック上のシリンダヘッドに設けた燃料噴射弁から該シリンダ内へ噴射された液体燃料が衝突し得る燃料衝突域の少なくとも一部であって周囲よりも熱伝導率の低い低熱伝導域を形成する低熱伝導部材を該ピストン本体部の頂部に鋳込んだピストン頂部と、からなる筒内噴射式内燃機関用ピストンの製造方法であって、
   低熱伝導基材の少なくとも片面側の一部にアルミナ微粒子を含むコーティング材を付着させる付着工程と、
   該コーティング材の付着したコーティング面をアルミニウム合金の溶湯に接触させつつ鋳造して、前記低熱伝導部材が鋳込まれて該低熱伝導部材と前記ピストン頂部との間に前記コーティング材が残存又は共存した状態で空隙が形成されたコーティング層を設けたアルミニウム合金製の前記ピストン頂部を得る鋳込工程と、
   を備えることを特徴とする筒内噴射式内燃機関用ピストンの製造方法。