JP6260492B2 - 直噴式エンジンのピストンの製造方法 - Google Patents

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Description

この発明は、直噴式エンジンのピストンの製造方法に関する。
従来、Al合金製のピストンの頂面を陽極酸化処理して陽極酸化皮膜を形成すること、および、形成した陽極酸化皮膜の表面を封孔処理することが公知である。例えば、特開2012−72745号公報には、Al合金製のピストンの頂面の陽極酸化処理によるポーラス層を形成するステップと、Y安定化ZrO粉末をプラズマ溶射して当該ポーラス層の表面を覆う皮膜層を形成するステップと、を備えるピストンの製造方法が開示されている。ポーラス層は、一般的な陽極酸化皮膜同様、陽極酸化処理の過程で形成された無数の細孔を有しており、従来のセラミック系の遮熱膜よりも熱伝導率が低く、尚且つ、単位体積当たりの熱容量が低い。また、皮膜層は、ポーラス層の細孔の開口部を塞ぐように形成されるものであり、Y安定化ZrOはAl合金よりも熱伝導率が低い。従って、皮膜層とポーラス層から構成される遮熱膜によれば、低い熱伝導率と、低い単位体積当たりの熱容量とを実現できる。
また、特開2010−249008号公報には、ピストンの頂面に形成した陽極酸化皮膜の最表面に有機シリコン溶液を塗布し、熱処理することでシリコン酸化物の皮膜を形成する手法が開示されている。上記皮膜層同様、シリコン酸化物の皮膜によれば、陽極酸化皮膜の細孔の開口部を塞ぐことができる。このようなシリコン酸化物の皮膜と陽極酸化皮膜とから構成される遮熱膜によっても、低い熱伝導率と、低い単位体積当たりの熱容量とを実現できる。
特開2012−72745号公報 特開2010−249008号公報
ところで、一般的なピストンに使用されるAl合金には、機械的性質を向上するための添加物が含まれている。しかし、この添加物(主にSi)が陽極酸化皮膜の形成を阻害し、形成された陽極酸化皮膜の表面に微細な凹凸を生じさせるという問題がある。陽極酸化皮膜の表面に凹凸が生じると、熱伝達面積が増加するので、陽極酸化皮膜による遮熱性の向上効果が損なわれてしまう。また、陽極酸化皮膜の表面に凹凸が生じると、燃料の燃焼により生成した火炎の流動性(火炎の成長速度)が低下し、燃焼効率が悪化してしまう。この点、上述の皮膜層やシリコン酸化物の皮膜といった封孔皮膜によれば、陽極酸化皮膜の表面の凹凸を覆って遮熱膜の表面を平滑化できるので、陽極酸化皮膜のみから構成される遮熱膜に比べて、火炎の流動性の低下を抑制できるという利点がある。
しかし、このような封孔皮膜が頂面に形成されたピストンをディーゼルエンジンや一部のガソリンエンジンに適用する場合は、次のような問題があることが本発明者により明らかとなった。即ち、ピストン頂面に凹状に形成されたキャビティ部に燃料を直接噴射する直噴式エンジンにおいては、キャビティ部に燃料が高圧で噴射される過程を経ることで火炎が生成する。そのため、高圧噴射された燃料の貫徹力によって、キャビティ部に形成した封孔皮膜が局所的に損傷し易いという問題がある。封孔皮膜が局所的に損傷すると、生成した火炎の流動性に影響を及ぼす可能性が高くなる。また仮に、この損傷が進行すれば封孔皮膜の断片がキャビティ部から剥離し、この剥離した断片によってシリンダボアが損傷し、または、ピストンリング溝への噛み込みが発生してエンジン性能を低下させる虞がある。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものである。即ち、その頂面に封孔皮膜が形成される直噴式エンジンのピストンにおいて、噴射燃料による封孔皮膜の損傷を抑制することを目的とする。
第1の発明は、ピストン頂面に凹状に形成されたキャビティ部に燃料を直接噴射する直噴式エンジンのピストンの製造方法であって、
前記キャビティ部を有し、Al純度99.0%未満のAl合金製のピストンを準備するピストン準備ステップと、
前記キャビティ部の表面の全域に、Al純度99.0%以上のAl皮膜を形成するAl皮膜形成ステップと、
前記Al皮膜の形成後、前記ピストン頂面の陽極酸化処理により、細孔を有する陽極酸化皮膜を前記ピストン頂面の全域に形成する陽極酸化皮膜形成ステップと、
前記陽極酸化皮膜の形成後、前記ピストン頂面のうちの前記キャビティ部よりも外側に、前記陽極酸化皮膜の細孔を封じる封孔皮膜を形成する封孔皮膜形成ステップと、
を備えることを特徴とする。
また、第2の発明は、第1の発明において、
前記Al皮膜形成ステップは、前記Al皮膜を所定厚に形成するステップであり、
前記陽極酸化皮膜形成ステップは、前記所定厚に形成した前記Al皮膜よりも内側のAl合金が陽極酸化されないような条件で前記ピストン頂面を陽極酸化処理するステップであることを特徴とする。
また、第3の発明は、第1または第2の発明において、
前記Al皮膜形成ステップは、前記Al皮膜を所定厚に形成するステップであり、
前記ピストン準備ステップと、前記Al皮膜形成ステップとの間に、前記所定厚の分だけ前記キャビティ部の表面を内側に研削する研削ステップを更に備えることを特徴とする。
また、第4の発明は、第1乃至第3の発明の何れかにおいて、
前記直噴式エンジンがディーゼルエンジンであることを特徴とする。
第1の発明によれば、Al純度99.0%未満のAl合金製のピストンのキャビティ部の表面の全域にAl純度99.0%以上のAl皮膜を形成した後に、細孔を有する陽極酸化皮膜をピストン頂面の全域に形成し、更にその後、キャビティ部よりも外側の陽極酸化皮膜の細孔を封じる封孔皮膜を形成することができる。このため、キャビティ部の内側にAl皮膜由来の陽極酸化皮膜を形成し、キャビティ部の外側にAl合金由来の陽極酸化皮膜と封孔皮膜とから構成される遮熱膜を形成することができる。Al皮膜は添加物を殆ど含まないので、Al皮膜由来の陽極酸化皮膜の表面に微細な凹凸が生じることを抑制できる。従って、Al皮膜由来の陽極酸化皮膜の表面に封孔皮膜を形成せずとも、火炎の流動性の低下を抑制できる。また、Al皮膜由来の陽極酸化皮膜の表面に封孔皮膜を形成せずに済むので、キャビティ部に形成した封孔皮膜が噴射燃料の貫徹力によって損傷するという問題を根本的に解決できる。
Al皮膜よりも内側のAl合金が陽極酸化された場合には、この内側のAl合金由来の陽極酸化皮膜の表面に微細な凹凸が生じるので、Al皮膜由来の陽極酸化皮膜の表面が粗くなるという問題がある。この点、第2の発明によれば、所定厚に形成したAl皮膜よりも内側のAl合金が陽極酸化されないような条件でピストン頂面を陽極酸化処理できる。即ち、Al皮膜のみを陽極酸化して、Al皮膜由来の陽極酸化皮膜の表面を確実に平滑化できる。
第3の発明によれば、ピストン準備ステップとAl皮膜形成ステップとの間に、所定厚の分だけキャビティ部の表面を内側に研削することができる。従って、Al皮膜の形成後のキャビティ部の内外に段差が生じるのを抑制できる。
一般的に、ディーゼルエンジンの方がガソリンエンジンよりも燃料の噴射圧が高いことから、ディーゼルエンジンのピストンにおいては、キャビティ部に形成した封孔皮膜が損傷し易い。この点、第4の発明によれば、ディーゼルエンジンに適用した場合においても、キャビティ部に形成した封孔皮膜の損傷を抑制できる。
直噴式エンジンのピストンの製造方法の実施の形態を説明するフロー図である。 ディーゼルエンジンのピストン10の斜視図である。 スキッシュ部26での陽極酸化処理を説明するための図である。 キャビティ部20での陽極酸化処理を説明するための図である。 実施の形態におけるキャビティ部20での陽極酸化処理を示す図である。 図5の陽極酸化処理の比較としてのキャビティ部20での陽極酸化処理を示す図である。 封孔処理後のスキッシュ部26近傍の断面模式図である。 封孔処理後のキャビティ部20近傍の断面模式図である。 実施の形態の変形例を説明するフロー図である。 図1のフローにより製造したピストンを組み込んだ直噴式エンジンの断面模式図である。
以下、図1乃至図10を参照しながら、直噴式エンジンのピストンの製造方法の実施の形態を説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化しまたは省略する。
[ピストンの製造方法]
図1は、直噴式エンジンのピストンの製造方法の実施の形態を説明するフロー図である。本実施の形態では、先ず、直噴式エンジンのピストンとしてディーゼルエンジンのピストンが準備される(ステップS1)。図2は、ディーゼルエンジンのピストン10の斜視図である。ピストン10は、一般的なエンジンピストン同様、Al合金の鋳造により形成されるものである。図2に示すように、ピストン10は、シリンダブロック(図示しない)の内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冠部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、から構成されている。
冠部14の側面には、3つのピストンリング溝18が形成されている。冠部14の上面(以下、「ピストン頂面」ともいう。)の中央には、キャビティ部20が凹状に設けられている。キャビティ部20は、その開口縁20aから冠部14の内部に向かうように形成された側壁部22と、側壁部22の最深箇所から上向きに立ち上がるように形成された円錐台状の山部24とから構成されている。キャビティ部20の外側には、冠部14の外縁14aと同じ高さのスキッシュ部26が形成されている。スキッシュ部26の表面(以下、「スキッシュ面」ともいう。)には、吸・排気バルブとの接触を避けるためのリセスが必要に応じて設けられる。
再び図1に戻り、ピストンの製造方法の説明を行う。ステップS1においてピストン10が準備された後、キャビティ部20の表面(以下、「キャビティ面」ともいう。)の全域が研削される(ステップS2)。キャビティ面が研削されることで、ピストン10の内側にキャビティ面を後退させる。研削面(研削後のキャビティ面をいう。以下同じ。)とスキッシュ面の間に段差が生じるのを抑制するため、キャビティ面の研削は、研削面に形成する高純度Al皮膜(詳細はステップS4にて後述)の膜厚TAl分だけ行うことが好ましい。
ステップS2に続いて、スキッシュ面がマスキングされる(ステップS3)。マスキング手法は特に限られず、マスキングテープをスキッシュ面に貼り付けてもよく、ピストン10の形状に合わせたマスキング部材をスキッシュ面に押し当ててもよい。
ステップS3に続いて、キャビティ面に高純度Al皮膜が形成される(ステップS4)。高純度Al皮膜は、めっき法、蒸着法、溶射法やコールドスプレー法により形成できるが、Al酸化物などの不純物が介在し難いめっき法や蒸着法によって形成することが好ましい。ステップS4の処理により形成された高純度Al皮膜のAl純度は99.0%以上であり、好ましくは99.5%以上である。また、高純度Al皮膜の膜厚TAlを、キャビティ面に形成する陽極酸化皮膜(詳細は後述)の目標膜厚TTARGETの1/2以上とすることが好ましく、目標膜厚TTARGETの1/2とすることがより好ましい。
ステップS4に続いて、ピストン頂面の全域が陽極酸化処理される(ステップS5)。具体的には、先ず、スキッシュ面のマスキングが解除された上で、ピストン10が電解装置に設置される。この電解装置は、内部に電解液を有する電解槽と、陰極と、電源とを備えるものである(何れも図示しない)。続いて、電解液の中に陰極と、陽極としてのピストン10とが配置され、両極間の通電により陽極酸化皮膜が形成される。
ステップS5の陽極酸化処理の詳細について、図3乃至図4を参照しながら説明する。図3はスキッシュ部26での陽極酸化処理を説明するための図であり、スキッシュ部26近傍の断面を示している。図4はキャビティ部20での陽極酸化処理を説明するための図であり、キャビティ部20近傍の断面を示している。
スキッシュ部26では、図3に示すように、スキッシュ面から内部に向かってAl合金が酸化され、スキッシュ面に垂直な方向にアルマイト膜(つまり、陽極酸化皮膜)28が成長する。アルマイト膜28は、その表面から内部に向かって形成された数nm〜数十nmの細孔(ナノ孔)28aと、内部に形成された数十μmの細孔(ミクロ孔)28bと、を備えている。ミクロ孔28bは、ピストン母材であるAl合金(具体的には、JIS H5202(2010)のAC8A、AC8B等のAl合金)の添加物(主にSi)に由来するものである。ミクロ孔28bが形成されることでアルマイト膜28の空孔率が高められ、熱伝導率や熱容量をより低くできる。ナノ孔28aとミクロ孔28bが形成されることによるアルマイト膜28の空孔率(=ナノ孔28aとミクロ孔28bの総体積×100/アルマイト膜28の体積)は20%以上である。しかし、ミクロ孔28bが形成されればアルマイト膜28の表面に凹部28cが生じ、アルマイト膜28の表面粗さ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。)が3μm以上(平均4〜5μm)となる。
一方、キャビティ部20では、図4に示すように、その表面から内側に向かって高純度Al皮膜が酸化される。但し、高純度Al皮膜の内側のAl合金は酸化されない。そのため、キャビティ面に垂直な方向に、ナノ孔30aのみを有するアルマイト膜30が成長する。アルマイト膜30の表面粗さRaは3μm以下となる。また、ナノ孔30aが形成されることによるアルマイト膜30の空孔率(=ナノ孔30aの総体積×100/アルマイト膜30の体積)は20%以下である。
ステップS5の陽極酸化処理は、高純度Al皮膜の内側のAl合金が酸化されないような条件で行われることが好ましい。アルマイト膜の膜厚は、電流密度と電解時間に比例することが経験的に分かっている。ステップS5においては、硫酸20%の電解液を用い、ピストン温度(または電解液温度)を10±5℃に保ちつつ、電流密度51.6A/cmでの定電流電解を45分間行う。これにより、高純度Al皮膜の内側のAl合金を酸化せずに高純度Al皮膜のみを酸化して、目標膜厚TTARGETに略等しい膜厚のアルマイト膜を形成する。
本実施の形態においては、ステップS4で形成した高純度Al皮膜の膜厚TAlを目標膜厚TTARGETの1/2以上とし、尚且つ、ステップS5において上記条件で陽極酸化処理を行うので、高純度Al皮膜のみをアルマイト膜30に変換させることができる(図5)。仮に、膜厚TAlを目標膜厚TTARGETの1/2未満とした場合には、ステップS5において上記条件での陽極酸化処理により、高純度Al皮膜の内側のAl合金が酸化され、図3同様のミクロ孔30bが形成されてしまい、アルマイト膜30の表面に凹部30cが生じてしまう(図6)。
従って、ステップS5の陽極酸化処理は、ステップS4で形成した高純度Al皮膜の膜厚TAlを考慮した上で、高純度Al皮膜の内側のAl合金が酸化されないような条件(電解液組成、ピストン温度、電流密度、電解時間)で行われることが好ましい。
再び図1に戻り、ピストンの製造方法の説明を行う。ステップS5において陽極酸化処理を行った後、キャビティ面がマスキングされる(ステップS6)。マスキング手法は特に限られず、マスキングテープをキャビティ面に貼り付けてもよく、ピストン10の形状に合わせたマスキング部材をキャビティ面に押し当ててもよい。
ステップS6に続いて、スキッシュ面が封孔処理される(ステップS7)。具体的には先ず、スキッシュ面に封孔剤が塗工される。この封孔剤には、主鎖骨格にSiを含むSi系ポリマー溶液(具体的には、ポリシラザンまたはポリシロキサンを含むポリマー溶液)が使用される。このポリマー溶液は、必要に応じて添加剤を含んでいてもよい。封孔剤の塗工手法は特に限定されず、例えば、スプレー法、ブレードコート法、スピンコート法、刷毛塗り法等が挙げられる。封孔剤の塗工後、この封孔剤の乾燥・焼成により封孔皮膜が形成される。封孔剤の乾燥・焼成条件(温度、時間等)は、封孔剤の塗工厚に応じて適宜調節される。
図7は、封孔処理後のスキッシュ部26近傍の断面模式図であり、図3の断面模式図に対応している。図7に示すように、アルマイト膜28の表面に封孔皮膜32が形成される。封孔皮膜32が形成されていることで、アルマイト膜28の表面の凹部28cを封孔皮膜32で覆い、アルマイト膜28と封孔皮膜32から構成される遮熱膜34の表面粗さRaを3μm以下として平滑化できる。また、封孔皮膜32が形成されていることで、ナノ孔28aを経由してミクロ孔28bに燃料やガスが侵入するのを抑制できる。
図8は、封孔処理後のキャビティ部20近傍の断面模式図であり、図4の断面模式図に対応している。図8に示すように、アルマイト膜30には封孔皮膜が形成されていない。但し、アルマイト膜30は高純度Al皮膜の陽極酸化処理により得られたものであるため、アルマイト膜30から構成される遮熱膜36の表面粗さRaは3μm以下であり、封孔皮膜を形成せずとも十分に平滑化されている。
封孔皮膜32の形成後、キャビティ面のマスキングが解除された上で、ピストン頂面の全域が必要に応じて研磨される。ピストン頂面の研磨の前に、スキッシュ面とキャビティ面とが連続するように開口縁20aを研削することが好ましい。以上のステップを経ることにより、本実施の形態のディーゼルエンジンのピストンが製造される。
なお、上述した実施の形態においては、ステップS1が上記第1の発明における「ピストン準備ステップ」に、ステップS3,S4が同発明における「Al皮膜形成ステップ」に、ステップS5が同発明における「陽極酸化皮膜形成ステップ」に、ステップS6,S7が同発明における「封孔皮膜形成ステップ」に、それぞれ相当している。
また、ステップS2が上記第3の発明における「研削ステップ」に相当している。
ところで、上記実施の形態においては、図1のステップS2においてキャビティ面の全域が研削された後に、ステップS3においてスキッシュ面がマスキングされ、ステップS4においてキャビティ面に高純度Al皮膜が形成された。しかし、図9に示すように、ステップS2の後、ステップS3の前に、研削面と高純度Al皮膜との密着性を高めるために、研削面がブラスト処理されてもよい(ステップS2´)。
[ピストンの構成]
図10は、図1のフローにより製造したピストンを組み込んだ直噴式エンジンの断面模式図である。図10は図2のA−A断面に対応しており、図10においてピストン10は圧縮上死点に位置している。図10に示すように、スキッシュ部26の表面には遮熱膜34が形成され、キャビティ部20の表面には遮熱膜36が形成されている。
遮熱膜34,36は共に、Al合金よりも熱伝導率が低く、尚且つ、単位体積当たりの熱容量が低いことは言うまでもなく、従来のセラミック系の遮熱膜よりも熱伝導率が低く、尚且つ、単位体積当たりの熱容量が低い。遮熱膜34,36によれば、セラミック系の遮熱膜のように膜形成面を常に高温に保つのではなく、エンジンのサイクル間で変動するガスの温度に膜形成面を追従させることができる。即ち、膜形成面の温度を吸入〜圧縮行程(2サイクルエンジンの場合、上昇行程)においては低温にし、膨張〜排気行程(2サイクルエンジンの場合、下降行程)においては高温にできる。従って、遮熱膜34,36が形成されたピストンを直噴式エンジンに適用すれば、エンジンの熱効率のみならず吸気効率をも向上できるので、燃費の向上やNOx排出量の低減といった効果を得ることができる。
また、図10に示す噴射弁38からは、圧縮上死点よりも前に燃料が高圧噴射される。噴射弁38の先端には噴孔が設けられているので、当該噴孔から高圧噴射された燃料は図10に示す墳孔の軸線に沿って側壁部22に向かい、圧縮上死点の近傍において側壁部22に衝突しつつ自己着火し、これにより火炎が生成する。図10に示す破線矢印は、生成した火炎の成長方向を示している。即ち、火炎は、側壁部22の表面に沿って流れて、山部24の中心方向に向かうように成長する。
図8で説明したように、遮熱膜36の表面は平滑化されている。従って、図10に示した火炎の成長時に、遮熱膜36によって火炎の流動性が低下するのを抑制できる。また、遮熱膜36は、アルマイト膜30から構成され、封孔皮膜を含まない。従って、噴射弁38から高圧噴射された燃料の貫徹力によって、キャビティ面に形成した封孔皮膜が損傷するという問題がそもそも生じない。このように、図1のフローにより製造したピストンによれば、遮熱膜36による遮熱効果を最大限に発揮させることが可能となる。
10 ピストン
14 冠部
14a 外縁
20 キャビティ部
20a 開口縁
22 側壁部
24 山部
26 スキッシュ部
28,30 アルマイト膜
28a,30a ナノ孔
28b,30b ミクロ孔
28c,30c 凹部
32 封孔皮膜
34,36 遮熱膜
38 噴射弁

Claims (4)

  1. ピストン頂面に凹状に形成されたキャビティ部に燃料を直接噴射する直噴式エンジンのピストンの製造方法であって、
    前記キャビティ部を有し、Al純度99.0%未満のAl合金製のピストンを準備するピストン準備ステップと、
    前記キャビティ部の表面の全域に、Al純度99.0%以上のAl皮膜を形成するAl皮膜形成ステップと、
    前記Al皮膜の形成後、前記ピストン頂面の陽極酸化処理により、細孔を有する陽極酸化皮膜を前記ピストン頂面の全域に形成する陽極酸化皮膜形成ステップと、
    前記陽極酸化皮膜の形成後、前記ピストン頂面のうちの前記キャビティ部よりも外側に、前記陽極酸化皮膜の細孔を封じる封孔皮膜を形成する封孔皮膜形成ステップと、
    を備えることを特徴とする直噴式エンジンのピストンの製造方法。
  2. 前記Al皮膜形成ステップは、前記Al皮膜を所定厚に形成するステップであり、
    前記陽極酸化皮膜形成ステップは、前記所定厚に形成した前記Al皮膜よりも内側のAl合金が陽極酸化されないような条件で前記ピストン頂面を陽極酸化処理するステップであることを特徴とする請求項1に記載の直噴式エンジンのピストンの製造方法。
  3. 前記Al皮膜形成ステップは、前記Al皮膜を所定厚に形成するステップであり、
    前記ピストン準備ステップと、前記Al皮膜形成ステップとの間に、前記所定厚の分だけ前記キャビティ部の表面を内側に研削する研削ステップを更に備えることを特徴とする請求項1または2に記載の直噴式エンジンのピストンの製造方法。
  4. 前記直噴式エンジンがディーゼルエンジンであることを特徴とする請求項1乃至3何れか1項に記載の直噴式エンジンのピストンの製造方法。
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