JP6187545B2 - Piston for internal combustion engine, internal combustion engine including the piston, and method for manufacturing the piston - Google Patents

Piston for internal combustion engine, internal combustion engine including the piston, and method for manufacturing the piston Download PDF

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Description

この発明は、内燃機関のピストン、該ピストンを備える内燃機関および該ピストンの製造方法に関する。   The present invention relates to a piston for an internal combustion engine, an internal combustion engine including the piston, and a method for manufacturing the piston.

従来、例えば特許文献1(特開2009−243355号公報)には、ピストン母材よりも低い熱伝導率を有し、尚且つ、当該ピストン母材よりも低い単位体積当たりの熱容量を有する遮熱膜を、ランド部の上面に形成した内燃機関のピストンが開示されている。この様な熱特性を有する遮熱膜によれば、内燃機関のシリンダ内の作動ガスの温度にランド部の上面の温度を追従させることができる。即ち、内燃機関の燃焼行程ではランド部の上面の温度を上昇させ、吸気行程では当該上面の温度を下げることができる。従って、燃焼行程での冷却損失を低減して燃費を向上でき、吸気行程での作動ガスの加熱によるノッキングや異常燃焼の発生を抑制できる。   Conventionally, for example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2009-243355) discloses a heat shield having a lower thermal conductivity than a piston base material and a heat capacity per unit volume lower than that of the piston base material. A piston for an internal combustion engine in which a film is formed on an upper surface of a land portion is disclosed. According to the thermal barrier film having such thermal characteristics, the temperature of the upper surface of the land portion can be made to follow the temperature of the working gas in the cylinder of the internal combustion engine. That is, the temperature of the upper surface of the land portion can be increased in the combustion stroke of the internal combustion engine, and the temperature of the upper surface can be decreased in the intake stroke. Accordingly, it is possible to reduce the cooling loss in the combustion stroke and improve the fuel consumption, and to suppress the occurrence of knocking or abnormal combustion due to the heating of the working gas in the intake stroke.

また、特許文献2(特開平11−280545号公報)には、ピストン母材(具体的には、アルミニウム合金)よりも熱拡散率の小さい鉄系の金属材を、ランド部の側面に設けた内燃機関のピストンが開示されている。この様な熱特性の金属材を設けることで、当該金属材の周囲の温度を上昇させることができる。従って、金属材の表面やその周囲に付着した液体燃料の蒸発、気化を促進して内燃機関の燃焼効率を向上できる。   In Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 11-280545), an iron-based metal material having a smaller thermal diffusivity than the piston base material (specifically, an aluminum alloy) is provided on the side surface of the land portion. An internal combustion engine piston is disclosed. By providing a metal material having such thermal characteristics, the temperature around the metal material can be increased. Accordingly, it is possible to improve the combustion efficiency of the internal combustion engine by promoting the evaporation and vaporization of the liquid fuel adhering to the surface of the metal material and the periphery thereof.

特開2009−243355号公報JP 2009-243355 A 特開平11−280545号公報JP 11-280545 A 特開2014−020300号公報JP 2014-020300 A 特開平5−079564号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-079564 特開2002−332571号公報JP 2002-332571 A

ところで、特許文献1の様な熱特性を有する遮熱膜をランド部の上面に形成する場合には、燃焼行程での当該上面の温度上昇に伴い作動ガスの粘度が上昇することから、作動ガスの流動性が低下して燃焼悪化が起き易いという弱点がある。燃焼悪化が起きてしまうと、本来であれば燃焼行程においてシリンダ内の隅々まで伝播するはずの火炎が、ランド部の側面に回り込むことができなくなる。そうすると、ランド部の側面の周囲に存在する作動ガスが燃焼行程において燃焼できずに当該側面の周囲に留まることになる。更には、燃焼行程の後の吸気行程において新たな作動ガスがシリンダ内に流入することで、ランド部の側面の周囲に残留していた作動ガスが冷やされ、当該作動ガス中の燃料が凝縮して当該側面に付着してしまう。   By the way, when the thermal barrier film having thermal characteristics as in Patent Document 1 is formed on the upper surface of the land portion, the viscosity of the working gas increases as the temperature of the upper surface increases during the combustion stroke. There is a weak point that the fluidity of the gas is reduced and the combustion worsens easily. If the deterioration of combustion occurs, the flame that would normally have propagated to every corner in the cylinder during the combustion stroke cannot go around the side surface of the land portion. If it does so, the working gas which exists around the side surface of a land part will not be combusted in a combustion stroke, but will stay around the said side surface. Furthermore, in the intake stroke after the combustion stroke, the new working gas flows into the cylinder, so that the working gas remaining around the side surface of the land portion is cooled, and the fuel in the working gas is condensed. Will stick to the side.

この問題に関し、特許文献1のランド部の側面に特許文献2の金属材を設ければ、当該金属材の周囲の温度を上昇させ易くすることができる。しかし、特許文献2は金属材の熱拡散率を特定するものであり、当該金属材の単位体積当たりの熱容量については言及がなされていない。そのため、特許文献2の金属材を特許文献1のランド部の側面に設けた場合、燃焼行程や排気行程においては当該金属材の小さい熱拡散率によって当該金属材の表面の温度を上昇できたとしても、その後の吸気行程においては当該表面の温度が低下してしまう可能性がある。故に、上述した燃焼悪化に伴う作動ガスの吸気行程への持ち越しが起きた場合には、当該吸気行程において当該作動ガス中の燃料が凝縮して当該金属材の表面に付着してしまう。   If the metal material of patent document 2 is provided in the side surface of the land part of patent document 1 regarding this problem, it can make it easy to raise the temperature around the said metal material. However, Patent Document 2 specifies the thermal diffusivity of a metal material, and no mention is made of the heat capacity per unit volume of the metal material. Therefore, when the metal material of Patent Document 2 is provided on the side surface of the land portion of Patent Document 1, it is assumed that the surface temperature of the metal material can be increased by the small thermal diffusivity of the metal material in the combustion stroke and the exhaust stroke. However, in the subsequent intake stroke, the temperature of the surface may decrease. Therefore, when the carry-over of the working gas to the intake stroke accompanying the above-described deterioration of combustion occurs, the fuel in the working gas condenses and adheres to the surface of the metal material in the intake stroke.

また、特許文献2の金属材は、ランド部の側面のうちの、当該ランド部の上面からセカンドランドの途中にかけて設けられている。つまり、この金属材は、トップランドの側面だけでなくセカンドランドの側面にも設けられている。そのため、トップランドとセカンドランドの間の溝に装着されるピストンリング(即ち、トップリング)を介したランド部の上面からシリンダの内壁面への伝熱が妨げられてしまう。この結果、吸気行程においてシリンダ内に新たに流入した作動ガスに遮熱膜から熱が移動できてしまい、作動ガスが加熱されてしまう。即ち、ランド部の上面に遮熱膜を形成しているにも関わらず、ノッキングや異常燃焼が発生してしまう。   Moreover, the metal material of patent document 2 is provided from the upper surface of the said land part to the middle of a second land among the side surfaces of a land part. That is, this metal material is provided not only on the side surface of the top land but also on the side surface of the second land. For this reason, heat transfer from the upper surface of the land portion to the inner wall surface of the cylinder via the piston ring (that is, the top ring) mounted in the groove between the top land and the second land is hindered. As a result, heat can be transferred from the thermal barrier film to the working gas newly flowing into the cylinder during the intake stroke, and the working gas is heated. That is, knocking or abnormal combustion occurs despite the formation of the heat shield film on the upper surface of the land portion.

本発明は、上述の課題の少なくとも1つを解決するためになされたものである。即ち、ピストン母材よりも低い熱伝導率を有し、尚且つ、当該ピストン母材よりも低い単位体積当たりの熱容量を有する遮熱膜をランド部の上面に形成する内燃機関のピストンにおいて、当該ランド部の側面への燃料付着を抑制し、吸気行程での作動ガスの加熱を抑制することを目的とする。   The present invention has been made to solve at least one of the above-described problems. That is, in a piston of an internal combustion engine that has a thermal conductivity lower than that of a piston base material and has a heat capacity per unit volume lower than that of the piston base material on the upper surface of the land portion, An object of the present invention is to suppress the fuel adhesion to the side surface of the land portion and to suppress the heating of the working gas in the intake stroke.

上述の課題を解決するため、第1の発明は、ピストン母材よりも低い熱伝導率を有し、尚且つ、前記ピストン母材よりも低い単位体積当たりの熱容量を有する遮熱膜としての陽極酸化膜がランド部の上面に形成される内燃機関のピストンであって、
前記ランド部の側面に前記遮熱膜は形成されず、
前記ランド部のうちのトップリングが装着される溝よりも上方の部位であるトップランドの側面に、前記ピストン母材よりも低い熱伝導率を有し、尚且つ、前記遮熱膜よりも高い単位体積当たりの熱容量を有する保熱膜であって、前記遮熱膜の表面粗度よりも小さい表面粗度を有する保熱膜が形成されることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problem, the first invention is an anode as a heat shielding film having a thermal conductivity lower than that of a piston base material and having a heat capacity per unit volume lower than that of the piston base material. A piston of an internal combustion engine in which an oxide film is formed on the upper surface of the land portion,
The thermal barrier film is not formed on the side surface of the land portion,
Of the land portion , the side surface of the top land, which is a portion above the groove in which the top ring is mounted , has a lower thermal conductivity than the piston base material, and is higher than the thermal barrier film. A heat insulating film having a heat capacity per unit volume , wherein the heat insulating film has a surface roughness smaller than the surface roughness of the heat shielding film, is formed.

第2の発明は、第1の発明において、
前記保熱膜は、前記ランド部の下面側から前記ランド部の上面側に向かって段階的に薄くなる膜厚、若しくは、前記ランド部の下面側から前記ランド部の上面側に向かって連続的に膜厚が薄くなる膜厚を有し、または、前記ランド部の下面側に形成されて前記ランド部の上面側に形成されないことを特徴とする。
According to a second invention, in the first invention,
The heat insulating film is a film thickness that gradually decreases from the lower surface side of the land portion toward the upper surface side of the land portion, or continuously from the lower surface side of the land portion toward the upper surface side of the land portion. The film has a film thickness that decreases, or is formed on the lower surface side of the land portion and is not formed on the upper surface side of the land portion.

第3の発明は、第1または第2の発明において、
前記ランド部の側面のうちの前記溝よりも下方においては、前記ピストン母材が露出することを特徴とする。
According to a third invention, in the first or second invention,
The piston base material is exposed below the groove in the side surface of the land portion.

第4の発明は、第1乃至第3の発明の何れかのピストンを備える内燃機関であって、
前記ピストンを収容するシリンダの内壁面のうちの前記ピストンが下死点に位置したときに前記トップランドの側面と対向する位置に、前記ピストン母材よりも低く前記遮熱膜よりも高い単位体積当たりの熱容量を有する保熱膜が形成されることを特徴とする。
A fourth invention is an internal combustion engine comprising the piston of any one of the first to third inventions,
A unit volume that is lower than the piston base material and higher than the thermal barrier film at a position facing the side surface of the top land when the piston is located at the bottom dead center of the inner wall surface of the cylinder that houses the piston. A heat-retaining film having a heat capacity per unit is formed.

第5の発明は、第1乃至第3の発明の何れかのピストンの製造方法であって、
前記ピストン母材の陽極酸化処理により前記ランド部の上面に前記遮熱膜を形成するステップと、
前記遮熱膜の形成後、前記ピストン母材よりも低い熱伝導率を有し、尚且つ、前記遮熱膜よりも高い単位体積当たりの熱容量を有する絶縁性材料を前記トップランドの側面に成膜することにより前記保熱膜を前記トップランドの側面に形成するステップと、
を備えることを特徴とする。
5th invention is the manufacturing method of the piston in any one of 1st thru | or 3rd invention, Comprising:
And forming the thermal barrier layer on the upper surface of the land portion by anodic oxidation of said piston base material,
After the formation of the thermal barrier film, an insulating material having a lower thermal conductivity than the piston base material and a higher heat capacity per unit volume than the thermal barrier film is formed on the side surface of the top land. and forming the heat retaining film on the side surface of the top land by film,
It is characterized by providing.

第1の発明によれば、トップランドの側面に、ピストン母材よりも低い熱伝導率を有し、尚且つ、遮熱膜よりも高い単位体積当たりの熱容量を有する保熱膜を形成したので、内燃機関の1サイクルにおける当該側面の平均温度を上昇させて、吸気行程においてトップランドの側面の温度が低下するのを抑制できる。従って、あるサイクルにおいてトップランドの側面の周囲に存在する作動ガスが燃焼行程において燃焼せずに残留し、吸気行程に持ち越されたとしても、当該吸気行程の後の燃焼行程において燃焼させることが可能となる。よって、トップランドの側面への燃料付着を抑制できる。また、第1の発明によれば、ランド部の側面に遮熱膜としての陽極酸化膜が形成されず、また、トップランドの側面に形成される保熱膜の表面粗度が遮熱膜の表面粗度よりも小さいので、トップランドの側面に遮熱膜が形成されるピストンに比べて、シリンダとの間で生じるフリクションを軽減することができる。 According to the first invention, the heat retaining film having a lower thermal conductivity than the piston base material and having a higher heat capacity per unit volume than the heat shielding film is formed on the side surface of the top land . , raising the average temperature of the side surface in one cycle of the internal combustion engine can suppress the temperature of the side surface of the top land is lowered in the intake stroke. Therefore, even if the working gas existing around the side of the top land in a certain cycle remains without being burned in the combustion stroke and is carried over to the intake stroke, it can be burned in the combustion stroke after the intake stroke. It becomes. Therefore, fuel adhesion to the side surface of the top land can be suppressed. According to the first invention, the anodic oxide film as the heat shield film is not formed on the side surface of the land portion, and the surface roughness of the heat insulating film formed on the side surface of the top land is the heat shield film. Since it is smaller than the surface roughness, it is possible to reduce the friction generated between the cylinder and the piston having the heat shield film formed on the side surface of the top land.

トップランドの側面に着目した場合、当該側面の温度は、ランド部の上面から離れるほど低くなる。そのため、トップランドの側面の周囲に存在する作動ガスが燃焼行程において燃焼せずに残留し、吸気行程に持ち越された場合においては、ランド部の下面に近い領域において残留作動ガス中の燃料が凝縮する確率が高くなる。この点、第2の発明によれば、トップランドの側面の保熱効果を、上記ランド部の上面側よりも下面側において高めることができるので、トップランドの側面の上記ランド部の下面に近い領域での残留作動ガス中の燃料の凝縮を良好に抑制できる。 When attention is paid to the side surface of the top land , the temperature of the side surface decreases as the distance from the top surface of the land portion increases. Therefore, when the working gas existing around the side of the top land remains without being burned in the combustion stroke and is carried over to the intake stroke, the fuel in the remaining working gas is condensed in the region near the lower surface of the land portion. The probability of doing is increased. In this respect, according to the second invention, the heat retention effect of the side surface of the top land can be enhanced on the lower surface side than the upper surface side of the land portion, so that it is close to the lower surface of the land portion on the side surface of the top land. It is possible to satisfactorily suppress the condensation of fuel in the residual working gas in the region.

第3の発明によれば、トップリングが装着される溝よりも下方においてピストン母材を露出できるので、ランド部の上面から、当該ランド部の内部およびトップリングを介したシリンダの内壁面への伝熱量を多くできる。従って、吸気行程での作動ガスの加熱を抑制できる。   According to the third invention, since the piston base material can be exposed below the groove in which the top ring is mounted, from the upper surface of the land portion to the inside of the land portion and the inner wall surface of the cylinder via the top ring. The amount of heat transfer can be increased. Accordingly, heating of the working gas in the intake stroke can be suppressed.

シリンダの内壁面の温度は基本的に、クランクケースに近づくほど低くなる。そのため、クランクケースに最も近づく下死点において、トップランドの側面に形成した保熱膜の温度が最も低くなると言える。この点、第4の発明によれば、ピストン母材よりも低く遮熱膜よりも高い単位体積当たりの熱容量を有する保熱膜を、ピストンが下死点に位置するときにトップランドの側面と対向するシリンダの内壁面に形成したので、当該側面に形成した保熱膜の温度が最も低くなる位置において、当該内壁面に形成した保熱膜によって当該側面の周囲に存在する作動ガスを温めることができる。よって、トップランドの側面への燃料付着を抑制できる。
The temperature of the inner wall surface of the cylinder basically becomes lower as it approaches the crankcase. Therefore, it can be said that the temperature of the heat insulating film formed on the side surface of the top land is lowest at the bottom dead center closest to the crankcase. In this regard, according to the fourth invention, the heat retaining film having a heat capacity per unit volume lower than that of the piston base material and higher than that of the heat shielding film is formed on the side surface of the top land when the piston is located at the bottom dead center. Since it is formed on the inner wall surface of the opposing cylinder, the working gas existing around the side surface is warmed by the heat retaining film formed on the inner wall surface at the position where the temperature of the heat retaining film formed on the side surface is the lowest. Can do. Therefore, fuel adhesion to the side surface of the top land can be suppressed.

絶縁性材料の成膜後に陽極酸化処理よって遮熱膜を形成する場合、陽極酸化反応が阻害されてしまい、形成される遮熱膜の構造や膜厚にばらつきが生じるおそれがある。この点、第5の発明によれば、陽極酸化処理による遮熱膜の形成後に、絶縁性材料を成膜して保熱膜を形成できるので、遮熱膜を良好に形成できる。   When the thermal barrier film is formed by anodic oxidation after the insulating material is formed, the anodic oxidation reaction is hindered and the structure and film thickness of the formed thermal barrier film may vary. In this regard, according to the fifth aspect, since the heat insulating film can be formed by forming the insulating material after the formation of the heat shield film by the anodic oxidation treatment, the heat shield film can be favorably formed.

本発明の実施の形態に係るピストン10の斜視図である。It is a perspective view of piston 10 concerning an embodiment of the invention. 図1のピストン10を火花点火式内燃機関のシリンダ内に収容したときの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram when the piston 10 of FIG. 1 is accommodated in the cylinder of a spark ignition internal combustion engine. 内燃機関の1サイクルにおけるシリンダ内の作動ガスの温度およびランド部の上面の温度の推移を示す図である。It is a figure which shows transition of the temperature of the working gas in a cylinder in the 1 cycle of an internal combustion engine, and the temperature of the upper surface of a land part. セラミックス膜の内燃機関の1サイクルでの平均温度と、当該セラミックス膜の単位体積当たりの熱容量と、未燃HCの低減効果との関係性を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the average temperature in 1 cycle of the internal combustion engine of a ceramic film | membrane, the heat capacity per unit volume of the said ceramic film | membrane, and the reduction effect of unburned HC. ランド部の上面からピストンの側面への伝熱量を示す図である。It is a figure which shows the heat transfer amount from the upper surface of a land part to the side surface of a piston. ランド部の上面からピストンの側面への伝熱量を示す図である。It is a figure which shows the heat transfer amount from the upper surface of a land part to the side surface of a piston. 本発明の実施の形態に係るピストンの変形例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the modification of the piston which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るピストンの変形例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the modification of the piston which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るピストンの変形例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the modification of the piston which concerns on embodiment of this invention. 多孔質アルマイト膜32、セラミックス膜34および硬質アルマイト膜36が形成されたピストンを圧縮着火式内燃機関のシリンダ内に収容したときの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram when the piston in which the porous alumite film | membrane 32, the ceramic film | membrane 34, and the hard alumite film | membrane 36 were formed was accommodated in the cylinder of a compression ignition internal combustion engine. 本発明の実施の形態に係る内燃機関50の断面模式図である。1 is a schematic cross-sectional view of an internal combustion engine 50 according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態に係るピストンの製造方法を説明するフロー図である。It is a flowchart explaining the manufacturing method of the piston which concerns on embodiment of this invention.

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is common in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted. The present invention is not limited to the following embodiments.

[内燃機関のピストン]
先ず、図1を参照しながら、本発明のピストンの実施の形態について説明する。図1は、本発明の実施の形態に係るピストン10の斜視図である。ピストン10は、一般的な内燃機関のピストン同様、ピストン母材であるアルミニウム合金の鋳造により形成されるものである。図1に示すように、ピストン10は、シリンダ(図示しない)の内壁面にその側面が摺接する円筒状のスカート部12と、スカート部12の上端部に形成された所定肉厚のランド部14と、ピストンピン(図示しない)を支持するピンボス部16と、を備えている。ランド部14の側面には、3つのピストンリング(図示しない)を装着するための溝18,20,22が形成されている。ランド部14の上面(以下、「ピストン頂面」ともいう。)には、吸気バルブおよび排気バルブ(何れも図示しない)との干渉を回避する半月状のバルブリセス24,26,28,30が形成されている。
[Piston of internal combustion engine]
First, an embodiment of the piston of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a perspective view of a piston 10 according to an embodiment of the present invention. The piston 10 is formed by casting an aluminum alloy which is a piston base material, like a piston of a general internal combustion engine. As shown in FIG. 1, the piston 10 includes a cylindrical skirt portion 12 whose side surface is in sliding contact with an inner wall surface of a cylinder (not shown), and a land portion 14 having a predetermined thickness formed at the upper end portion of the skirt portion 12. And a pin boss portion 16 that supports a piston pin (not shown). Grooves 18, 20, and 22 for mounting three piston rings (not shown) are formed on the side surface of the land portion. On the upper surface of the land portion 14 (hereinafter also referred to as “piston top surface”), half-moon shaped valve recesses 24, 26, 28, 30 that avoid interference with an intake valve and an exhaust valve (both not shown) are formed. Has been.

図2は、図1のピストン10を火花点火式内燃機関のシリンダ内に収容したときの断面模式図であり、図1のA−A断面に対応している。なお、図2において、ピストン10は上死点に位置しているものとする。図2に示すように、ピストン頂面には、多孔質アルマイト膜32が形成されている。また、溝18からピストン頂面にかけてのランド部14の側面、即ち、トップランドの側面には、セラミックス膜34が形成されている。また、溝18,20,22の表面には、硬質アルマイト膜36が形成されている。一方、溝18からランド部14の下面(図示しない)にかけてのランド部14の側面では、ピストン母材が露出している。例えば、溝18と溝20の間のランド部14の側面、即ち、セカンドランドの側面や、溝20と溝22の間のランド部14の側面、即ち、サードランドの側面ではピストン母材が露出している。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view when the piston 10 of FIG. 1 is accommodated in a cylinder of a spark ignition type internal combustion engine, and corresponds to the AA cross section of FIG. In FIG. 2, it is assumed that the piston 10 is located at the top dead center. As shown in FIG. 2, a porous alumite film 32 is formed on the top surface of the piston. A ceramic film 34 is formed on the side surface of the land portion 14 from the groove 18 to the top surface of the piston, that is, the side surface of the top land. A hard alumite film 36 is formed on the surfaces of the grooves 18, 20, and 22. On the other hand, the piston base material is exposed on the side surface of the land portion 14 from the groove 18 to the lower surface (not shown) of the land portion 14. For example, the piston base material is exposed at the side surface of the land portion 14 between the groove 18 and the groove 20, that is, the side surface of the second land, or the side surface of the land portion 14 between the groove 20 and the groove 22, ie, the side surface of the third land. doing.

多孔質アルマイト膜32および硬質アルマイト膜36は共に、ピストン母材(即ち、アルミニウム合金)の陽極酸化処理により成膜される。但し、多孔質アルマイト膜32と硬質アルマイト膜36ではアルマイトの特性および膜厚(シリンダ軸方向に対して垂直な方向の膜厚をいう。以下同じ。)が異なる。具体的に、多孔質アルマイト膜32は、ピストン母材よりも低い熱伝導率を有し、尚且つ、ピストン母材よりも低い単位体積当たりの熱容量を有している。また、多孔質アルマイト膜32の膜厚は100〜500μmである。多孔質アルマイト膜32はスイング特性(シリンダ内の作動ガスの温度の変化に対する膜形成面の温度の追従性をいう。以下同じ。)に優れるので各種の効果を得ることができる(詳細は後述)。   Both the porous anodized film 32 and the hard anodized film 36 are formed by anodizing the piston base material (that is, aluminum alloy). However, the porous anodized film 32 and the hard anodized film 36 are different in anodized characteristics and film thickness (thickness in the direction perpendicular to the cylinder axis direction; the same applies hereinafter). Specifically, the porous alumite film 32 has a thermal conductivity lower than that of the piston base material, and also has a heat capacity per unit volume lower than that of the piston base material. Moreover, the film thickness of the porous alumite film | membrane 32 is 100-500 micrometers. Since the porous alumite film 32 is excellent in swing characteristics (referring to the temperature followability of the film forming surface with respect to changes in the temperature of the working gas in the cylinder, the same applies hereinafter), various effects can be obtained (details are described later). .

なお、多孔質アルマイト膜32が断熱性粒子(例えばシリカ(SiO)、アルミナ(Al)、ジルコニア(ZrO)、チタニア(TiO)の粒子)を備える膜構成であってもよい。また、多孔質アルマイト膜の構成やその熱特性(つまり、熱伝導率や単位体積当たりの熱容量)については、例えば特開2010−249008号公報や特開2013−14830号公報を参照することができる。 The porous alumite film 32 may have a film configuration including heat insulating particles (for example, particles of silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), zirconia (ZrO 2 ), titania (TiO 2 )). . In addition, regarding the configuration of the porous alumite film and its thermal characteristics (that is, thermal conductivity and heat capacity per unit volume), for example, JP 2010-249008 A and JP 2013-14830 A can be referred to. .

多孔質アルマイト膜32同様、硬質アルマイト膜36も、ピストン母材よりも低い熱伝導率を有し、尚且つ、ピストン母材よりも低い単位体積当たりの熱容量を有している。但し、硬質アルマイト膜36の膜厚は数μmで空孔率も小さく、多孔質アルマイト膜32に比べると、硬質アルマイト膜36の熱伝導率と単位体積当たりの熱容量は遥かに高い。そのため、硬質アルマイト膜36にはスイング特性が殆どなく、その代わりに膜硬度および耐摩耗性に優れる。硬質アルマイト膜36によれば、溝18,20,22とピストンリングとの接触による摩擦を防止することができる。   Like the porous anodized film 32, the hard anodized film 36 also has a lower thermal conductivity than the piston base material, and also has a lower heat capacity per unit volume than the piston base material. However, the thickness of the hard anodized film 36 is several μm and the porosity is small, and compared with the porous anodized film 32, the thermal conductivity of the hard anodized film 36 and the heat capacity per unit volume are much higher. For this reason, the hard alumite film 36 has almost no swing characteristics, and instead has excellent film hardness and wear resistance. According to the hard anodized film 36, friction due to contact between the grooves 18, 20, 22 and the piston ring can be prevented.

セラミックス膜34は、ジルコニア(ZrO)、シリカ(SiO)、窒化珪素(Si)、イットリア(Y)、チタニア(TiO)などのセラミックスや、サーメット(TiC・TiN)、ムライト(3Al・2SiO)、コージライト(2MgO・2Al・5SiO)、ステアタイト(MgO・SiO)などの複合セラミックス(以下単に、「セラミックス系材料」と称す。)の溶射またはコールドスプレーにより成膜される。また、セラミックス膜34は、ピストン母材よりも低い熱伝導率を有し、尚且つ、多孔質アルマイト膜32よりも高い単位体積当たりの熱容量を有している。セラミックス膜34の膜厚は50〜3000μmである。 The ceramic film 34 is made of ceramics such as zirconia (ZrO 2 ), silica (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), yttria (Y 2 O 3 ), titania (TiO 2 ), and cermet (TiC / TiN). , mullite (3Al 2 O 3 · 2SiO 2 ), cordierite (2MgO · 2Al 2 O 3 · 5SiO 2), composite ceramics such as steatite (MgO · SiO 2) (hereinafter simply referred to as "ceramic material". The film is formed by thermal spraying or cold spraying. The ceramic film 34 has a lower thermal conductivity than the piston base material and a higher heat capacity per unit volume than the porous alumite film 32. The film thickness of the ceramic film 34 is 50 to 3000 μm.

一例として、多孔質アルマイト膜32の熱伝導率λ32はλ32≦0.5W/m・Kであり、多孔質アルマイト膜32の単位体積当たりの熱容量C32はC32≦1500×10J/m・Kである。また、セラミックス膜34の熱伝導率λ34はλ34<0.5〜30W/m・Kであり、セラミックス膜34の単位体積当たりの熱容量C34はC34>1500×10J/m・Kである。なお、アルミニウム合金の熱伝導率λAlはλAl=96.2W/m・Kであり、熱容量CAlはCAl=2639×10J/m・Kである。 As an example, the thermal conductivity λ 32 of the porous anodized film 32 is λ 32 ≦ 0.5 W / m · K, and the heat capacity C 32 per unit volume of the porous anodized film 32 is C 32 ≦ 1500 × 10 3 J / M 3 · K. The thermal conductivity lambda 34 of the ceramic film 34 is <a 0.5~30W / m · K, the heat capacity C 34 per unit volume of the ceramic film 34 C 34> λ 34 1500 × 10 3 J / m 3 -K. The thermal conductivity λ Al of the aluminum alloy is λ Al = 96.2 W / m · K, and the heat capacity C Al is C Al = 2639 × 10 3 J / m 3 · K.

多孔質アルマイト膜32とセラミックス膜34は、膜の密度および膜の表面粗度Ra(JIS B601(2001)に準拠して測定した算術平均粗さをいう。以下同じ。)において異なる。具体的に多孔質アルマイト膜32は、セラミックス膜34よりも低い密度を有している。多孔質アルマイト膜32の密度が低いのは、陽極酸化処理の過程において形成される細孔が多孔質アルマイト膜32の空孔率を大きくするためである。また、多孔質アルマイト膜32は、セラミックス膜34の表面粗度Raよりも大きい表面粗度Raを有している。多孔質アルマイト膜32の表面粗度Raが大きいのは、ピストン母材の添加物がアルマイトの形成を妨げることで膜表面の高さが揃わなくなるためである。一例として、多孔質アルマイト膜32の表面粗度Ra32は1.0μm≦Ra32≦3.0μmであり、セラミックス膜34の表面粗度Ra34はRa34<1.0μmである。 The porous alumite film 32 and the ceramic film 34 differ in film density and film surface roughness Ra (an arithmetic average roughness measured in accordance with JIS B601 (2001); the same applies hereinafter). Specifically, the porous alumite film 32 has a lower density than the ceramic film 34. The reason why the density of the porous alumite film 32 is low is that the pores formed in the process of anodizing increase the porosity of the porous alumite film 32. The porous alumite film 32 has a surface roughness Ra that is greater than the surface roughness Ra of the ceramic film 34. The reason why the surface roughness Ra of the porous alumite film 32 is large is that the addition of the piston base material prevents the formation of the alumite so that the height of the film surface is not uniform. As an example, the surface roughness Ra 32 of the porous alumite film 32 is 1.0 μm ≦ Ra 32 ≦ 3.0 μm, and the surface roughness Ra 34 of the ceramic film 34 is Ra 34 <1.0 μm.

[ピストンによる効果]
多孔質アルマイト膜32とセラミックス膜34を形成したピストン10によれば、以下の効果を得ることができる。先ず、多孔質アルマイト膜32による効果について、図3を参照しながら説明する。図3は、内燃機関の1サイクルにおけるシリンダ内の作動ガスの温度およびランド部の上面の温度の推移を示す図である。この図において、「従来の壁温」は、ランド部の上面に一般的なセラミックス膜を形成した場合の当該上面の温度を表している。また、「実施の形態における壁温」は、ランド部の上面に多孔質アルマイト膜(即ち、多孔質アルマイト膜32)を形成した場合の当該上面の温度を表している。また、「ベース(Al)壁温」は、ランド部の上面にピストン母材が露出する場合の当該上面の温度を表している。
[Effects of piston]
According to the piston 10 in which the porous alumite film 32 and the ceramic film 34 are formed, the following effects can be obtained. First, the effect of the porous alumite film 32 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a graph showing changes in the temperature of the working gas in the cylinder and the temperature of the upper surface of the land portion in one cycle of the internal combustion engine. In this figure, “conventional wall temperature” represents the temperature of the upper surface when a general ceramic film is formed on the upper surface of the land portion. The “wall temperature in the embodiment” represents the temperature of the upper surface when the porous alumite film (that is, the porous alumite film 32) is formed on the upper surface of the land portion. The “base (Al) wall temperature” represents the temperature of the upper surface when the piston base material is exposed on the upper surface of the land portion.

図3に示すように、一般的なセラミックス膜を形成した場合(従来の壁温)、ピストン母材が露出する場合(ベース(Al)壁温)に比べてランド部の上面での遮熱性を向上できるので、燃焼行程での冷却損失を低減できる。しかし、ランド部の上面の温度が吸気行程においても高いままとなる。そのため、この吸気行程において、ランド部の上面から作動ガスに向けて熱が移動する。従って、作動ガスが加熱されてしまい、ノッキングや異常燃焼が発生し易くなってしまう。   As shown in FIG. 3, when a general ceramic film is formed (conventional wall temperature), the heat shielding property on the upper surface of the land portion is higher than when the piston base material is exposed (base (Al) wall temperature). Since it can improve, the cooling loss in a combustion stroke can be reduced. However, the temperature of the upper surface of the land portion remains high even in the intake stroke. Therefore, in this intake stroke, heat moves from the upper surface of the land portion toward the working gas. Accordingly, the working gas is heated, and knocking and abnormal combustion are likely to occur.

これに対し、多孔質アルマイト膜を形成した場合(実施の形態における壁温)、スイング特性によって吸気行程でのランド部の上面の温度を下げて、当該吸気行程での作動ガスの加熱を抑制することができる(下向き矢印参照)。従って、ノッキングや異常燃焼の発生を抑制できる。また、このスイング特性によれば、燃焼行程においてランド部の上面の温度を大きく上昇させることができる(上向き矢印参照)。従って、一般的なセラミックス膜を形成した場合よりも、燃焼行程での冷却損失を大きく低減して燃費を向上できる。   On the other hand, when a porous alumite film is formed (wall temperature in the embodiment), the temperature of the upper surface of the land portion in the intake stroke is lowered by the swing characteristic to suppress heating of the working gas in the intake stroke. (See the down arrow). Therefore, the occurrence of knocking or abnormal combustion can be suppressed. Further, according to this swing characteristic, the temperature of the upper surface of the land portion can be greatly increased in the combustion stroke (see the upward arrow). Therefore, the fuel consumption can be improved by greatly reducing the cooling loss in the combustion stroke, compared with the case where a general ceramic film is formed.

次に、セラミックス膜34による効果について説明する。セラミックス膜34は、多孔質アルマイト膜32の密度よりも高い密度を有するので、トップランドの側面に多孔質アルマイト膜32同様の多孔質アルマイト膜を形成する場合に比べて、ピストン10の上下動時の膜破損を抑制できる。加えて、セラミックス膜34は、多孔質アルマイト膜32の表面粗度Raよりも小さい表面粗度Raを有するので、トップランドの側面に多孔質アルマイト膜32同様の多孔質アルマイト膜を形成する場合に比べて、ピストン10とシリンダの間で生じるフリクションを軽減することもできる。   Next, the effect of the ceramic film 34 will be described. Since the ceramic film 34 has a density higher than that of the porous anodized film 32, the piston 10 is moved up and down as compared with the case where a porous anodized film similar to the porous anodized film 32 is formed on the side surface of the top land. It is possible to suppress film damage. In addition, since the ceramic film 34 has a surface roughness Ra smaller than the surface roughness Ra of the porous anodized film 32, the porous anodized film similar to the porous anodized film 32 is formed on the side surface of the top land. In comparison, the friction generated between the piston 10 and the cylinder can be reduced.

また、セラミックス膜34は、ピストン母材よりも低い熱伝導率を有し、尚且つ、多孔質アルマイト膜32よりも高い単位体積当たりの熱容量を有しているので、内燃機関の1サイクルでの膜の平均温度を高くできる。図4は、セラミックス膜の内燃機関の1サイクルでの平均温度と、当該セラミックス膜の単位体積当たりの熱容量と、未燃HCの低減効果との関係性を示した図である。なお、図4のセラミックス膜の熱伝導率は、セラミックス膜34の熱伝導率同様、ピストン母材よりも低いものとする。図4に示すように、セラミックス膜の単位体積当たりの熱容量が高くなれば、当該セラミックス膜の1サイクルでの平均温度を高くできる。この理由は、ピストン母材よりも低い熱伝導率を有するセラミックス膜の単位体積当たりの熱容量が高くなることで、当該セラミックス膜の保熱効果が高まるためである。   Further, since the ceramic film 34 has a lower thermal conductivity than the piston base material and has a higher heat capacity per unit volume than the porous alumite film 32, the ceramic film 34 in one cycle of the internal combustion engine. The average temperature of the film can be increased. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the average temperature of the ceramic film in one cycle of the internal combustion engine, the heat capacity per unit volume of the ceramic film, and the effect of reducing unburned HC. It is assumed that the thermal conductivity of the ceramic film in FIG. 4 is lower than that of the piston base material, as is the thermal conductivity of the ceramic film 34. As shown in FIG. 4, if the heat capacity per unit volume of the ceramic film is increased, the average temperature in one cycle of the ceramic film can be increased. This is because the heat retention effect of the ceramic film is enhanced by increasing the heat capacity per unit volume of the ceramic film having a lower thermal conductivity than the piston base material.

セラミックス膜の1サイクルでの平均温度を高くできれば、次の効果が期待できる。即ち、ランド部の上面に多孔質アルマイト膜32を形成する場合、燃焼行程において当該上面の温度を上昇できる(図3参照)。しかしこの温度上昇に伴い作動ガスの粘度が上昇することから、作動ガスの流動性が低下して燃焼悪化が起き易いという弱点がある。上述したように、燃焼悪化が起きてしまうと、トップランドの側面の周囲に存在する作動ガスが燃焼行程において燃焼できずに当該側面の周囲に留まることになる。また、トップランドの側面の周囲に残留していた作動ガスが冷やされ、当該作動ガス中の燃料が凝縮して当該側面に付着してしまう。   If the average temperature in one cycle of the ceramic film can be increased, the following effects can be expected. That is, when the porous alumite film 32 is formed on the upper surface of the land portion, the temperature of the upper surface can be increased in the combustion stroke (see FIG. 3). However, since the viscosity of the working gas increases with this temperature rise, there is a weak point that the fluidity of the working gas is lowered and combustion deterioration is likely to occur. As described above, when the combustion worsens, the working gas present around the side surface of the top land cannot be burned in the combustion stroke and remains around the side surface. In addition, the working gas remaining around the side surface of the top land is cooled, and the fuel in the working gas is condensed and adheres to the side surface.

この点、セラミックス膜の1サイクルでの平均温度を高くできると、あるサイクルにおいて当該セラミックス膜の周囲に存在する作動ガスが燃焼行程において燃焼せずに残留し、吸気行程に持ち越されたとしても、その後の燃焼行程において燃焼させることが可能となる。よって、トップランドの側面への燃料付着を抑制できる。即ち、未燃HCの低減効果を高めることができる(図4参照)。   In this regard, if the average temperature in one cycle of the ceramic film can be increased, even if the working gas existing around the ceramic film in a certain cycle remains without being burned in the combustion stroke and is carried over to the intake stroke, It becomes possible to burn in the subsequent combustion stroke. Therefore, fuel adhesion to the side surface of the top land can be suppressed. That is, the effect of reducing unburned HC can be enhanced (see FIG. 4).

ここで、セラミックス膜34による効果に関連し、セラミックス膜34がトップランドの側面にのみ形成される理由について図5乃至図6を参照しながら説明する。図5乃至図6は、ランド部の上面からピストンの側面への伝熱量を示す図である。上述した未燃HCの低減効果に鑑みれば、トップランドの側面に限ることなくセカンドランドやサードランドの側面にもセラミックス膜34を形成するという選択肢が考えられる。しかし、図3で説明した吸気行程でのランド部の上面の温度の下降は、直前の排気行程の後半から当該吸気行程の前半にかけての、ピストンの側面からシリンダの内壁面への伝熱が大きく寄与している。そのため、セカンドランドやサードランドの側面にセラミックス膜34同様のセラミックス膜を形成した場合には、当該側面から当該内壁面への伝熱量が少なくなってしまう(図5の矢印参照)。そうすると、吸気行程の中盤以降もピストンの頂面に残る熱によって、シリンダ内に吸入された作動ガスが温められ、ノッキングや異常燃焼が発生してしまう。   Here, the reason why the ceramic film 34 is formed only on the side surface of the top land in relation to the effect of the ceramic film 34 will be described with reference to FIGS. 5 to 6 are views showing the heat transfer amount from the upper surface of the land portion to the side surface of the piston. In view of the above-described effect of reducing unburned HC, an option of forming the ceramic film 34 on the side surfaces of the second land and the third land is not limited to the side surface of the top land. However, the decrease in the temperature of the upper surface of the land portion in the intake stroke described with reference to FIG. 3 causes a large heat transfer from the side surface of the piston to the inner wall surface of the cylinder from the latter half of the previous exhaust stroke to the first half of the intake stroke. Has contributed. Therefore, when a ceramic film similar to the ceramic film 34 is formed on the side surface of the second land or the third land, the amount of heat transferred from the side surface to the inner wall surface decreases (see the arrow in FIG. 5). Then, the working gas sucked into the cylinder is warmed by the heat remaining on the top surface of the piston after the middle of the intake stroke, and knocking and abnormal combustion occur.

この点、セラミックス膜34をトップランドの側面に形成し、セカンドランドやサードランドの側面にはセラミックス膜34を形成せずにピストン母材を露出することで、溝18,20,22に装着されるピストンリングを介したピストンの側面からシリンダの内壁面への伝熱量を多くすることができる(図6の矢印参照)。従って、吸気行程での作動ガスの加熱を抑制できる。このように、トップランドの側面にセラミックス膜34を形成し、セカンドランドやサードランドの側面ではピストン母材を露出することで、未燃HCの低減効果を高めつつ、吸気行程での作動ガスの加熱を抑制することができる。   In this respect, the ceramic film 34 is formed on the side surface of the top land, and the piston base material is exposed without forming the ceramic film 34 on the side surface of the second land or the third land. The amount of heat transfer from the side surface of the piston through the piston ring to the inner wall surface of the cylinder can be increased (see the arrow in FIG. 6). Accordingly, heating of the working gas in the intake stroke can be suppressed. As described above, the ceramic film 34 is formed on the side surface of the top land, and the piston base material is exposed on the side surface of the second land or the third land, so that the effect of reducing the unburned HC is enhanced and the working gas in the intake stroke is increased. Heating can be suppressed.

なお、上記実施の形態においては、多孔質アルマイト膜32が上記第1の発明の「遮熱膜」に、セラミックス膜34が同発明の「保熱膜」に、それぞれ相当している。多硬質アルマイト膜32が多孔質粒子を備える場合は、多孔質粒子を備える多孔質アルマイト膜32が上記第1の発明の「遮熱膜」に相当する。 In the above embodiment, the porous alumite film 32 corresponds to the “heat shield film” of the first invention, and the ceramic film 34 corresponds to the “heat insulating film” of the invention. When the multi-hard anodized film 32 includes porous particles, the porous anodized film 32 including porous particles corresponds to the “heat shielding film” of the first invention.

[ピストンの変形例]
ところで、上記実施の形態においては、トップランドの側面の全域に膜厚一定のセラミックス膜34を形成した。しかし、セラミックス膜34の膜厚を段階的または連続的に変えてもよいし、セラミックス膜34をトップランドの側面の一部に形成してもよい。図7乃至図9は、本発明の実施の形態に係るピストンの変形例を説明するための図である。これらの図は、図2同様、火花点火式内燃機関のシリンダの断面模式図に相当している。
[Piston variants]
By the way, in the said embodiment, the ceramic film 34 with constant film thickness was formed in the whole region of the side surface of a top land. However, the thickness of the ceramic film 34 may be changed stepwise or continuously, or the ceramic film 34 may be formed on a part of the side surface of the top land. 7 to 9 are views for explaining modifications of the piston according to the embodiment of the present invention. These drawings correspond to the schematic sectional views of the cylinder of the spark ignition type internal combustion engine, as in FIG.

図7の例では、セラミックス膜34の膜厚が2段階に変えられている。具体的には、溝18側のセラミックス膜34aの膜厚(50〜3000μm)よりも、ピストン頂面側のセラミックス膜34bの膜厚の方が薄くされている。また、図8の例では、溝18側の膜厚が最も厚く(50〜3000μm)、溝18からのピストン頂面に向かうほど膜厚が薄くされている。また、図9の例では、セラミックス膜34の膜厚は一定(50〜3000μm)であるものの、セラミックス膜34がトップランドの途中から溝18にかけて形成され、トップランドの途中からピストン頂面にかけてはピストン母材が露出している。   In the example of FIG. 7, the thickness of the ceramic film 34 is changed in two stages. Specifically, the thickness of the ceramic film 34b on the piston top surface side is made thinner than the thickness (50 to 3000 μm) of the ceramic film 34a on the groove 18 side. In the example of FIG. 8, the film thickness on the groove 18 side is the largest (50 to 3000 μm), and the film thickness is reduced toward the piston top surface from the groove 18. In the example of FIG. 9, although the film thickness of the ceramic film 34 is constant (50 to 3000 μm), the ceramic film 34 is formed from the middle of the top land to the groove 18, and from the middle of the top land to the top surface of the piston. The piston base material is exposed.

トップランドの側面に着目した場合、当該側面の温度は、ピストン頂面から離れるほど低くなる。そのため、トップランドの側面に存在する作動ガスが燃焼行程において燃焼せずに残留し、吸気行程に持ち越された場合、当該側面に近い領域において残留作動ガス中の燃料が凝縮する確率が高くなる。この点、図7乃至図9の如く、トップランドの側面の溝18に近い領域にセラミックス膜34を形成しておけば、当該領域での保熱効果を高めることができる。従って、残留作動ガス中の燃料の凝縮を良好に抑制できる。   When attention is paid to the side surface of the top land, the temperature of the side surface decreases as the distance from the top surface of the piston increases. Therefore, when the working gas existing on the side surface of the top land remains without being burned in the combustion stroke and is carried over to the intake stroke, the probability that the fuel in the residual working gas is condensed in a region near the side surface becomes high. In this regard, as shown in FIGS. 7 to 9, if the ceramic film 34 is formed in a region near the groove 18 on the side surface of the top land, the heat retaining effect in the region can be enhanced. Therefore, the condensation of fuel in the residual working gas can be satisfactorily suppressed.

また、上記実施の形態においては、ピストン10が火花点火式内燃機関に適用されるとして説明した。しかし、3種類の膜(多孔質アルマイト膜32、セラミックス膜34および硬質アルマイト膜36を指す。以下同じ。)を形成したピストンを圧縮着火式内燃機関に適用してもよい。図10は、3種類の膜が形成されたピストンを圧縮着火式内燃機関のシリンダ内に収容したときの断面模式図である。なお、図10において、ピストン40は上死点に位置しているものとする。図10に示すピストン40とピストン10では、ランド部14の上面の中央にキャビティ42が形成される点で異なるものの、その他の点については基本的に共通する。そのため、ピストン40によれば、ピストン10による効果と同様の効果を得ることができる。   Moreover, in the said embodiment, it demonstrated that the piston 10 was applied to a spark ignition type internal combustion engine. However, a piston on which three types of films (a porous anodized film 32, a ceramic film 34, and a hard anodized film 36 are indicated; the same applies hereinafter) may be applied to a compression ignition type internal combustion engine. FIG. 10 is a schematic cross-sectional view when a piston on which three types of films are formed is housed in a cylinder of a compression ignition type internal combustion engine. In FIG. 10, it is assumed that the piston 40 is located at the top dead center. The piston 40 and the piston 10 shown in FIG. 10 are basically the same except for the point that the cavity 42 is formed at the center of the upper surface of the land portion 14. Therefore, according to the piston 40, the effect similar to the effect by the piston 10 can be acquired.

[内燃機関]
次に、図11を参照しながら、本発明の内燃機関の実施形態について説明する。
なお、本実施の形態に係る内燃機関は、上記ピストン10を組み込んだ火花点火式内燃機関に相当する。そのため、ピストン10や3種類の膜の説明については省略する。
[Internal combustion engine]
Next, an embodiment of the internal combustion engine of the present invention will be described with reference to FIG.
The internal combustion engine according to the present embodiment corresponds to a spark ignition type internal combustion engine in which the piston 10 is incorporated. Therefore, the description of the piston 10 and the three types of films is omitted.

図11は、本発明の実施の形態に係る内燃機関50の断面模式図である。なお、図11において、ピストン10は下死点に位置しているものとする。図11に示すように、内燃機関50のシリンダ52の内壁面には、セラミックス膜54が形成されている。当該内壁面のうち、セラミックス膜54の形成領域以外の領域は、ピストン母材が露出している。   FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of the internal combustion engine 50 according to the embodiment of the present invention. In FIG. 11, it is assumed that the piston 10 is located at the bottom dead center. As shown in FIG. 11, a ceramic film 54 is formed on the inner wall surface of the cylinder 52 of the internal combustion engine 50. Of the inner wall surface, the piston base material is exposed in a region other than the region where the ceramic film 54 is formed.

セラミックス膜54の熱特性等は、基本的にセラミックス膜34と同じである。即ち、セラミックス膜54は、セラミックス系材料の溶射またはコールドスプレーにより成膜される。また、セラミックス膜54は、ピストン母材よりも低い熱伝導率を有し、尚且つ、多孔質アルマイト膜32よりも高い単位体積当たりの熱容量を有している。また、セラミックス膜54の膜厚は、50〜3000μmである。また、セラミックス膜54の膜幅(シリンダ軸方向に対して平行な方向の膜厚をいう。以下同じ。)は、セラミックス膜34の膜幅と同じである。 The thermal characteristics and the like of the ceramic film 54 are basically the same as those of the ceramic film 34. That is, the ceramic film 54 is formed by thermal spraying or cold spraying of a ceramic material. The ceramic film 54 has a lower thermal conductivity than that of the piston base material, and has a higher heat capacity per unit volume than that of the porous alumite film 32. The thickness of the ceramic film 54 is 50 to 3000 μm. The film width of the ceramic film 54 (referred to as the film thickness in the direction parallel to the cylinder axis direction; hereinafter the same) is the same as the film width of the ceramic film 34.

図11に示すように、セラミックス膜54は、ピストン10が下死点に位置したときにトップランドの側面(即ち、セラミックス膜34の形成面)と対向する位置に形成されている。シリンダ52の内壁面の温度は基本的に、クランクケースに近づくほど低くなる。そのため、クランクケースに最も近づく下死点において、セラミックス膜34の温度が最も低くなると言える。この点、図11の如くセラミックス膜54を形成しておけば、セラミックス膜34の温度が最も低くなる位置において、シリンダ52の内壁面に形成したセラミックス膜54によってトップランドの側面の周囲に存在する作動ガスを温めることができる。よって、トップランドの側面への燃料付着を抑制できる。   As shown in FIG. 11, the ceramic film 54 is formed at a position facing the side surface of the top land (that is, the surface on which the ceramic film 34 is formed) when the piston 10 is located at the bottom dead center. The temperature of the inner wall surface of the cylinder 52 basically becomes lower as it approaches the crankcase. Therefore, it can be said that the temperature of the ceramic film 34 is lowest at the bottom dead center closest to the crankcase. In this regard, if the ceramic film 54 is formed as shown in FIG. 11, the ceramic film 54 formed on the inner wall surface of the cylinder 52 exists around the side surface of the top land at the position where the temperature of the ceramic film 34 is lowest. The working gas can be warmed. Therefore, fuel adhesion to the side surface of the top land can be suppressed.

なお、上記実施の形態においては、セラミックス膜54が上記第4の発明の「保熱膜」に相当している。   In the above embodiment, the ceramic film 54 corresponds to the “heat retaining film” of the fourth invention.

[ピストンの製造方法]
次に、図12を参照しながら本発明の実施の形態に係るピストンの製造方法について説明する。
なお、本実施の形態に係る製造方法は、上記ピストン10を製造する方法に相当する。
[Piston manufacturing method]
Next, a piston manufacturing method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The manufacturing method according to the present embodiment corresponds to a method for manufacturing the piston 10.

図12は、本発明の実施の形態に係るピストンの製造方法を説明するフロー図である。図12に示すように、本実施の形態では、先ず、陽極酸化処理により溝18,20,22の表面に硬質アルマイトを成膜する(ステップS1)。本ステップS1では、具体的に、溝18,20,22、バルブリセス24,26,28,30等が形成されたピストンのランド部の表面のうち、硬質アルマイトを成膜する必要のない領域にマスキングを施す。続いて、このピストンを、電解槽と陰極と電源とを備える電解装置に設置する。そして、硬質アルマイトの成膜に適した電解条件(電解液温度、電流密度や電解時間をいう。以下同じ。)を設定し、陽極としてのピストンと陰極の間に通電する。本ステップS1を経ることで、硬質アルマイト膜36が形成される。   FIG. 12 is a flowchart for explaining a manufacturing method of the piston according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 12, in the present embodiment, first, hard alumite is formed on the surfaces of the grooves 18, 20, and 22 by anodizing (step S1). Specifically, in this step S1, masking is performed on the surface of the land portion of the piston in which the grooves 18, 20, 22 and the valve recesses 24, 26, 28, 30 and the like are formed, in which hard alumite is not required to be formed. Apply. Subsequently, this piston is installed in an electrolysis apparatus including an electrolytic cell, a cathode, and a power source. Then, electrolysis conditions (electrolyte temperature, current density and electrolysis time, which are the same hereinafter) suitable for film formation of hard alumite are set, and electricity is supplied between the piston as the anode and the cathode. By passing through this step S1, the hard alumite film | membrane 36 is formed.

ステップS1に続いて、陽極酸化処理によりランド部の上面に多孔質アルマイトを成膜する(ステップS2)。本ステップS2は基本的にステップS1と同じである。即ち、ランド部の表面のうち、多孔質アルマイトを成膜する必要のない領域にマスキングを施す。続いて、このピストンを反転状態で電解装置に設置し、電気分解を行う。具体的には、多孔質アルマイトの成膜に適した電解条件を設定し、陽極としてのピストンと陰極の間に通電する。これにより、多孔質アルマイトを成膜する。成膜後、必要に応じて成膜面を研磨加工する。なお、上記断熱性粒子を多孔質アルマイトと併用する場合には、多孔質アルマイトの成膜後、当該断熱性粒子を含む溶液(例えば、ポリシラザン溶液、ポリシロキサン溶液)を多孔質アルマイトの表面に塗工等する。本ステップS2を経ることで、多孔質アルマイト膜32が形成される。   Subsequent to step S1, porous alumite is formed on the upper surface of the land portion by anodizing (step S2). This step S2 is basically the same as step S1. That is, masking is performed on the area of the land portion where it is not necessary to form a porous alumite film. Subsequently, this piston is installed in an electrolysis apparatus in an inverted state, and electrolysis is performed. Specifically, electrolysis conditions suitable for the film formation of the porous alumite are set, and electricity is supplied between the piston as the anode and the cathode. Thereby, a porous alumite film is formed. After film formation, the film formation surface is polished as necessary. When the heat insulating particles are used in combination with porous alumite, a solution containing the heat insulating particles (for example, a polysilazane solution or a polysiloxane solution) is applied to the surface of the porous alumite after the porous alumite film is formed. Work. By passing through this step S2, the porous alumite film | membrane 32 is formed.

ステップS2に続いて、トップランドの側面にセラミックス系材料を成膜する(ステップS3)。本ステップS3では、先ず、トップランドの側面を、セラミックス系材料の膜厚分だけ切削加工する。切削加工する理由は、セラミックス系材料の成膜によってトップランドの側面とシリンダの内壁面の間のクリアランスが縮小されるのを抑制するためである。続いて、切削加工面をブラスト処理する。ブラスト処理する理由は、切削加工面の表面粗度を意図的に悪化させて、当該切削加工面に形成するセラミックス膜のピストン母材への密着力をアンカー効果によって向上させるためである。続いて、ブラスト処理面へのセラミックス系材料の溶射またはコールドスプレーを行う。これにより、セラミックス系材料を成膜する。成膜後、必要に応じて成膜面を研磨加工する。本ステップS3を経ることで、セラミックス膜34が形成される。   Subsequent to step S2, a ceramic material is deposited on the side surface of the top land (step S3). In this step S3, first, the side surface of the top land is cut by the thickness of the ceramic material. The reason for cutting is to prevent the clearance between the side surface of the top land and the inner wall surface of the cylinder from being reduced by the film formation of the ceramic material. Subsequently, the cut surface is blasted. The reason for blasting is to intentionally deteriorate the surface roughness of the machined surface and improve the adhesion of the ceramic film formed on the machined surface to the piston base material by the anchor effect. Subsequently, thermal spraying or cold spraying of the ceramic material is performed on the blasted surface. Thereby, a ceramic material is deposited. After film formation, the film formation surface is polished as necessary. By passing through this step S3, the ceramic film 34 is formed.

セラミックス系材料は基本的に絶縁性を示すことから、ステップS3の処理後にステップS1やステップS2を処理した場合には、陽極酸化反応が阻害されてしまう。この点、本実施の形態によれば、ステップS3の処理前にステップS1とステップS2を処理するので、3種類の膜の構造や膜厚にばらつきが出るのを抑えることができる。   Since the ceramic material basically exhibits insulating properties, the anodic oxidation reaction is hindered when step S1 or step S2 is performed after step S3. In this regard, according to the present embodiment, steps S1 and S2 are processed before the processing of step S3, so that variations in the structure and film thickness of the three types of films can be suppressed.

なお、上記実施の形態においては、ステップS2が上記第5の発明の「遮熱膜形成ステップ」に、ステップS3が同発明の「保熱膜形成ステップ」に、それぞれ相当している。   In the above embodiment, step S2 corresponds to the “heat shield film forming step” of the fifth invention, and step S3 corresponds to the “heat insulation film forming step” of the invention.

[製造方法の変形例]
ところで、上記実施の形態においては、ステップS1の処理後にステップS2を処理した。しかし、ステップS1の処理前にステップS2を処理してもよい。
また、上記実施の形態においては、ステップS3において溶射またはコールドスプレーによりセラミックス系材料を成膜した。しかし、セラミックス系材料からリング状の成形体を別途作製し、この成形体をトップランドの側面に圧入してもよい。
[Modification of manufacturing method]
By the way, in the said embodiment, step S2 was processed after the process of step S1. However, step S2 may be processed before the process of step S1.
In the above embodiment, the ceramic material is formed by thermal spraying or cold spraying in step S3. However, a ring-shaped molded body may be separately manufactured from a ceramic material, and the molded body may be press-fitted into the side surface of the top land.

10,40 ピストン
14 ランド部
18,20,22 溝
32 多孔質アルマイト膜
34,54 セラミックス膜
36 硬質アルマイト膜
50 内燃機関
52 シリンダ
10, 40 Piston 14 Land portion 18, 20, 22 Groove 32 Porous anodized film 34, 54 Ceramic film 36 Hard anodized film 50 Internal combustion engine 52 Cylinder

Claims (5)

ピストン母材よりも低い熱伝導率を有し、尚且つ、前記ピストン母材よりも低い単位体積当たりの熱容量を有する遮熱膜としての陽極酸化膜がランド部の上面に形成される内燃機関のピストンであって、
前記ランド部の側面に前記遮熱膜は形成されず、
前記ランド部のうちのトップリングが装着される溝よりも上方の部位であるトップランドの側面に、前記ピストン母材よりも低い熱伝導率を有し、尚且つ、前記遮熱膜よりも高い単位体積当たりの熱容量を有する保熱膜であって、前記遮熱膜の表面粗度よりも小さい表面粗度を有する保熱膜が形成されることを特徴とする内燃機関のピストン。
An internal combustion engine in which an anodic oxide film as a thermal barrier film having a thermal conductivity lower than that of a piston base material and having a heat capacity per unit volume lower than that of the piston base material is formed on an upper surface of a land portion. A piston,
The thermal barrier film is not formed on the side surface of the land portion,
Of the land portion , the side surface of the top land, which is a portion above the groove in which the top ring is mounted , has a lower thermal conductivity than the piston base material, and is higher than the thermal barrier film. A piston for an internal combustion engine , wherein a heat retaining film having a heat capacity per unit volume and having a surface roughness smaller than the surface roughness of the heat shielding film is formed.
前記保熱膜は、前記ランド部の下面側から前記ランド部の上面側に向かって段階的に薄くなる膜厚、若しくは、前記ランド部の下面側から前記ランド部の上面側に向かって連続的に膜厚が薄くなる膜厚を有し、または、前記ランド部の下面側に形成されて前記ランド部の上面側に形成されないことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関のピストン。 The heat insulating film is a film thickness that gradually decreases from the lower surface side of the land portion toward the upper surface side of the land portion, or continuously from the lower surface side of the land portion toward the upper surface side of the land portion. 2. The piston of the internal combustion engine according to claim 1, wherein the piston has a film thickness that decreases, or is formed on a lower surface side of the land portion and is not formed on an upper surface side of the land portion. 前記ランド部の側面のうちの前記溝よりも下方においては、前記ピストン母材が露出することを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関のピストン。 In lower than the grooves of the side surface of the land portion, a piston for an internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that the piston base material is exposed. 請求項1乃至3何れか1項に記載のピストンを備える内燃機関であって、
前記ピストンを収容するシリンダの内壁面のうちの前記ピストンが下死点に位置したときに前記トップランドの側面と対向する位置に、前記ピストン母材よりも低く前記遮熱膜よりも高い単位体積当たりの熱容量を有する保熱膜が形成されることを特徴とする内燃機関。
An internal combustion engine comprising the piston according to any one of claims 1 to 3,
A unit volume that is lower than the piston base material and higher than the thermal barrier film at a position facing the side surface of the top land when the piston is located at the bottom dead center of the inner wall surface of the cylinder that houses the piston. An internal combustion engine, wherein a heat retaining film having a heat capacity per unit is formed.
請求項1乃至3何れか1項に記載のピストンの製造方法であって、
前記ピストン母材の陽極酸化処理により前記ランド部の上面に前記遮熱膜を形成するステップと、
前記遮熱膜の形成後、前記ピストン母材よりも低い熱伝導率を有し、尚且つ、前記遮熱膜よりも高い単位体積当たりの熱容量を有する絶縁性材料を前記トップランドの側面に成膜することにより前記保熱膜を前記トップランドの側面に形成するステップと、
を備えることを特徴とするピストンの製造方法。
A method for manufacturing a piston according to any one of claims 1 to 3,
And forming the thermal barrier layer on the upper surface of the land portion by anodic oxidation of said piston base material,
After the formation of the thermal barrier film, an insulating material having a lower thermal conductivity than the piston base material and a higher heat capacity per unit volume than the thermal barrier film is formed on the side surface of the top land. and forming the heat retaining film on the side surface of the top land by film,
The manufacturing method of the piston characterized by comprising.
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