JP6278020B2 - エンジン用ピストンの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、エンジン用ピストンの製造方法に関するものである。
従来、エンジン部品のような高温ガスに晒される金属製品では、高温ガスからの熱伝達、すなわち冷却損失を抑制するために、その金属製母材の表面に断熱層を形成することが行われている。その一例として、エンジンの燃焼室を区画するピストン本体の頂面に、ジルコニア等の無機酸化物や、中空粒子を含有する有機系材料からなる断熱層を形成することが知られている。
ところで、燃焼室を区画するピストン本体の頂面とシリンダヘッドの下面との間隙部にスキッシュエリアが形成されることがある。このようなピストン本体の頂面のうち、スキッシュエリアを形成する面（スキッシュエリア面）に断熱層が設けられている場合、当該断熱層の温度は高温となり、延いてはスキッシュエリア面自体が高温となる。このため、燃焼工程において、スキッシュエリアに高温高圧のエンドガス（点火プラグから遠い場所にある未燃焼の混合気）が流れ込んだ際に、高温のスキッシュエリア面により、エンドガスからスキッシュエリア面への放熱が妨げられて、ノッキングが発生し得る。そして、スキッシュエリア面に形成された断熱層にクラックが生じ、断熱層の損傷・剥離が引き起こされ、断熱性能が失われる。
そこで、ピストン本体の頂面のうち、スキッシュエリア面上には断熱層を形成せず、それ以外の部分にのみ断熱層を形成した内燃機関が記載されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１の内燃機関によれば、スキッシュエリア面上には断熱層を形成していないので、エンドガスからのスキッシュエリア面への放熱が促進され、ノッキングの発生が抑制される。
特開２０１１−１６９２３２号公報
しかしながら、特許文献１の構成では、スキッシュエリアにおけるノッキング発生を抑制できるものの、冷却損失の低減という観点からは、スキッシュエリア面も含めたピストン本体の頂面全体に断熱層を形成することが望ましい。
そこで、本発明では、スキッシュエリア面に断熱層を形成しつつ、ノッキングの発生によって当該断熱層に大きなクラックが生じるのを防止し、断熱層の損傷・剥離を抑えることを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明では、ピストン本体の頂面に設けられた断熱層を加圧し、予め加圧応力を加えておくようにした。
すなわち、ここに開示するエンジン用ピストンの製造方法は、ピストン本体の頂面に断熱層が設けられたエンジン用ピストンの製造方法であって、上記断熱層は、多数の中空粒子と、該中空粒子を上記ピストン本体の頂面に保持するとともに、上記中空粒子間を埋めて上記断熱層の母材を形成するバインダとを含むものであり、上記ピストン本体の頂面上に、上記中空粒子と、上記バインダとを含む断熱材料を配置して上記断熱層を形成する断熱層形成工程と、上記断熱層に対して加圧を行う加圧工程とを備え、上記ピストン本体の頂面は、スキッシュエリアを形成するスキッシュエリア面を備えており、上記加圧工程において、上記加圧は上記スキッシュエリア面に配置された断熱層に対してのみ行われることを特徴とする。
本発明によれば、ピストン本体の頂面に設けられた断熱層に予め加圧応力を加えておくことにより、当該断熱層の引っ張り応力に対する耐性を高め、ノッキングが生じた場合に、断熱層におけるクラックの発生を抑制することができる。
また、スキッシュエリアはノッキングが発生しやすく、スキッシュエリア面に形成された断熱層はクラックが発生しやすい。本構成によれば、スキッシュエリア面に形成された断熱層におけるクラックの発生を効果的に抑制することができる。
好ましい態様では、上記スキッシュエリアは平面である。これにより、容易に加圧することができる。
好ましい態様では、上記加圧工程において、上記加圧と同時に上記断熱層の焼成を行う。これにより、断熱層の強度が向上し、クラックの発生を効果的に抑制することができる。
好ましい態様では、上記バインダは、シリコーン系樹脂であり、上記焼成により、上記断熱層の表面の少なくとも一部の上記シリコーン系樹脂は酸化される。これにより、断熱層の強度が向上し、クラックの発生を効果的に抑制することができる。
好ましい態様では、上記加圧工程において、上記焼成と同時に上記ピストン本体の冷却を行う。これにより、断熱層の加圧及び焼成時にピストン本体を冷却することにより断熱層とピストン本体の頂面との密着性を向上させることができる。
以上述べたように、本発明によると、スキッシュエリア面に設けられた断熱層に予め加圧応力を加えておくことにより、当該断熱層の引っ張り応力に対する耐性を高め、スキッシュエリアでノッキングが生じた場合に、スキッシュエリア面の断熱層におけるクラックの発生を抑制することができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る方法で製造されたピストンを備えたエンジンを模式的に示す断面図である。 図２は、図１の実施形態に係るピストンの冠面を示す平面図である。 図３は、図２のピストンの縦断面図である。 図４は、図３の断熱層の拡大断面図である。 図５は、図１の実施形態に係るピストンの製造装置を示す図である。 図６は、図５の装置を用いて断熱層の加圧を行っている状態を示す図である。 図７は、本発明の他の実施形態に係るピストンの製造装置を示す図である。 図８は、図７の装置を用いて断熱層の加圧を行っている状態を示す図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
（第１実施形態）
＜エンジンの構成＞
図１に示す直噴エンジンＥは、ピストン１、シリンダブロック２、シリンダヘッド３、シリンダヘッド３の吸気ポート５を開閉する吸気バルブ４、排気ポート７を開閉する排気バルブ６、インジェクタ８、点火プラグ９を備える。ピストン１がシリンダブロック２のシリンダボア内を往復動する。
エンジンの燃焼室は、ピストン１の冠面１０、シリンダブロック２、シリンダヘッド３、吸排気バルブ４，６の傘部前面（燃焼室に臨む面）で形成される。図１、図２に示すように、ピストン１の冠面１０の略中央部には、燃焼室のキャビティを形成する凹陥状のキャビティ部１１が設けられている。また、冠面１０の外縁側には、燃焼室のキャビティから離れた外縁側にスキッシュエリアを形成するスキッシュエリア部１２が存在する。本実施形態に係るピストン１の冠面１０において、スキッシュエリア部１２はスキッシュエリア部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄからなっている。
＜断熱層＞
図３に示すように、ピストン１は、該ピストン１の基材であるピストン本体１９と、エンジンＥの燃焼室の冷却損失低減の観点からピストン本体１９の頂面に設けられた断熱層２１とを備えている。
ピストン本体１９はＴ７処理又はＴ６処理を施してなるアルミニウム合金製である。ピストン本体１９の頂面は、上記キャビティ部１１を構成するキャビティ面１１’と、上記スキッシュエリア部１２を構成するスキッシュエリア面１２’とを備えている。
断熱層２１は、図４に示すように、中空粒子３１と、バインダ材（バインダ）３２とを含む層である。
すなわち、断熱層２１は、バインダ材３２と、その中に分散された多数の中空粒子３１とを含む。バインダ材３２は、中空粒子３１をピストン本体１９の頂面に保持するとともに、中空粒子３１間を埋めて断熱層２１の母材を形成する。バインダ材３２は例えばシリコーン系樹脂などの低熱伝導性材料であるとともに、中空粒子３１は、その内部空間に熱伝導性の低い空気を含有する。このため、断熱層２１は低熱伝導性の層になっている。
中空粒子３１としては、シリカバルーン、ガラスバルーン、シラスバルーン、フライアッシュバルーン、エアロゲルバルーン等のＳｉ系酸化物成分（例えば、シリカ（ＳｉＯ２））又はＡｌ系酸化物成分（例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３））を含有するセラミック系中空粒子を採用することが好ましく、特にガラスバルーンを採用することが好ましい。これにより、断熱層２１の熱伝導性を低くすることができるとともに、その強度も向上させることができる。
なお、中空粒子３１は好ましくは球状である。中空粒子３１の平均粒径は、断熱層２１の断熱性向上の観点から、好ましくは５μｍ以上５０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以上４５μｍ以下、特に好ましくは１５μｍ以上４０μｍ以下である。断熱層２１中における中空粒子３１の含有量は、断熱層２１の断熱性向上の観点から、好ましくは５質量％以上５０質量％以下、より好ましくは１０質量％以上４５質量％以下、特に好ましくは１５質量％以上４０質量％以下である。
バインダ材３２としては、低熱伝導性材料であるシリコーン系樹脂を用いることができ、例えば、メチルシリコーン樹脂、メチルフェニルシリコーン樹脂に代表される、分岐度の高い３次元ポリマーからなるシリコーン系樹脂を好ましく用いることができる。シリコーン系樹脂の具体例としては、例えばポリアルキルフェニルシロキサンを挙げることができる。これにより、断熱層２１の熱伝導性を低下させることができるとともに、ピストン本体１９の頂面と断熱層２１との優れた密着性を得ることができる。
なお、断熱層２１の厚さは、優れた断熱性能を得る観点から、好ましくは５０μｍ以上１５０μｍ以下、より好ましくは６０μｍ以上１２０μｍ以下、特に好ましくは６０μｍ以上１００μｍ以下である。
また、断熱層２１の厚さは、ピストン本体１９の頂面上の位置によって厚さが異なる構成としてもよい。例えば、スキッシュエリア面１２’に設けられた断熱層２１の厚さは、キャビティ面１１’に設けられた断熱層２１の半分程度以下であってもよい。この場合、キャビティ面１１’に設けられた断熱層の厚さは、上述の範囲であることが好ましく、一方スキッシュエリア面１２’に設けられた断熱層は、好ましくは１５μｍ以上１５０μｍ以下、より好ましくは２５μｍ以上１２０μｍ以下、特に好ましくは３０μｍ以上１００μｍ以下である。これにより、ノッキングの発生によりスキッシュエリア面１２’上の断熱層２１にクラックが生じたときであっても、そのクラックの進行を効果的に抑制することができる。
＜断熱層の形成方法＞
ピストン本体１９と断熱層２１を形成するための断熱材料を準備する。
ピストン本体１９については、その頂面にキャビティ形成用の凹部を形成しておき、脱脂処理により、ピストン本体１９の頂面に付着している油脂や指紋等の汚れを除去する。
また、バインダ材３２としての液状シリコーン樹脂と中空粒子３１としてのガラスバルーンとを攪拌・混合した断熱材料を準備する。必要に応じて、増粘剤や希釈溶剤を添加して断熱材料の粘度を調整する。
ピストン本体１９と断熱材料、特にシリコーン樹脂との付着力を高めるべく、ピストン本体１９の頂面に粗面化処理を施すことが好ましい。粗面化処理としては、例えばサンドブラスト等のブラスト処理を行うことが好ましい。例えば、ブラスト処理は、エアーブラスト装置を使用し、研削材として粒度＃３０のアルミナを用い、圧力０．３９ＭＰａ、時間４５秒、距離１００ｍｍの処理条件で行うことができる。なお、これに限らず、ピストン本体１９がＡｌ合金からなる場合、アルマイト処理によってピストン本体１９の頂面に微小凹凸を形成するようにしてもよい。例えば、アルマイト処理は、シュウ酸浴を用い、浴温２０℃、電流密度２Ａ／ｄｍ２、時間２０分の処理条件で行うことができる。
しかる後、断熱材料をピストン本体１９の頂面にスプレーや刷毛等を用いて塗布し、断熱層２１を形成する（断熱層形成工程）。続いて、熱風乾燥、赤外線ヒータ等により、形成された断熱層２１の予備乾燥を行う。
そして、必要に応じて、当該塗布と予備乾燥を繰り返し（重ね塗り）、所望の塗布厚さにする。
次に、上記断熱層２１のうち、スキッシュエリア面に配置された断熱層２１ｂに加圧型を押し付ける（加圧工程）。
図５は上記断熱層２１ｂを加圧するための加圧装置の構成を示す。この加圧装置は、ピストン本体１９を支持する支持台４１、位置検出手段としての透過型レーザセンサを構成する投光器４３ａは及び受光器４３ｂ、並びに加圧型４５を備える。
支持台４１は、ピストンスカートのインロー部に嵌る嵌合部４１ａを備え、ピストン本体１９をぐらつくことなく支持する。レーザセンサは、支持台４１に支持されたピストン本体１９のピストンピンボスの中心位置（ピストンピン孔の中心軸線Ｌの位置）Ｌを検出するものであり、投光器４３ａと受光器４３ｂとよりなる。
加圧型４５は、その下面にピストン本体１９のスキッシュエリア面に倣った加圧面４５ａを有し、支持台４１の上方の昇降するスライダ４９に取り付けられている。
断熱層２１の形成にあたっては、図６に示すように、ピストン本体１９のインロー部を支持台４１の嵌合部４１ａに嵌めてピストン本体１９を支持台４１に支持する。レーザセンサ４３ａ，４３ｂによってピストン本体１９のピストンピンボスの中心位置Ｌを検出し、その位置情報をスライダ４９の駆動制御部にインプットする。
上記位置情報に基づいて、加圧型４５の下降ストロークを設定する。そして、加圧型４５を、スライダ４９によって上記設定ストローク下降させる。そうして、加圧面４５ａはピストン本体１９のスキッシュエリア面上に設けられた断熱層２１ｂ上に押し付けられる。このとき、断熱層２１ｂの強度を向上させ、クラックの発生を効果的に抑制する観点から、加圧力は好ましくは０．１ＭＰａ以上２ＭＰａ以下、より好ましくは０．５ＭＰａ以上１．５ＭＰａ以下、特に好ましくは０．８ＭＰａ以上１．２ＭＰａ以下である。
上記加圧処理を行った後、ピストン本体１９の頂面に設けられた断熱層２１全体に対して、例えば、１８０℃前後の温度で数時間ないし数十時間の加熱処理を行う。これにより、シリコーン樹脂（バインダ）が硬化して、多数の中空粒子３１が密に充填され、それら粒子間がバインダ材３２で埋まった断熱層２１が得られる。
以上述べたように、本実施形態に係るピストン１の製造方法は、ピストン本体１９のスキッシュエリア面１２’上に設けられた断熱層２１ｂに対し、加圧型を押し付けて加圧処理を行い、予め加圧応力を加えておくことを特徴とする。
本構成によれば、スキッシュエリア面に設けられた断熱層２１ｂに予め加圧応力を加えておくことにより、当該断熱層２１ｂの引っ張り応力に対する耐性を高め、スキッシュエリアでノッキングが生じた場合に、スキッシュエリア面１２’の断熱層２１ｂにおけるクラックの発生を抑制することができる。
なお、加圧工程において容易に加圧を行う観点から、ピストン本体１９の頂面のうちスキッシュエリア面１２’は平面であることが好ましい。
（その他の実施形態）
以下、本発明に係る他の実施形態について説明する。なお、これらの実施形態の説明において、第１実施形態と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
図７及び図８はピストンの製造方法の別の実施形態を説明する図面である。
図７に示すように、加圧型４５は、ピストン本体１９のスキッシュエリア面１２’上に設けられた断熱層２１ｂのみならず、それ以外の断熱層２１ａに対しても加圧を行うことができるように、断熱層２１全体に亘る加圧面４５ａを備える。
本構成によれば、断熱層２１全体に加圧処理を行うことができるから、断熱層２１全体が引っ張り応力に強くなり、より効果的にクラックの発生を抑制することができる。
また、このような加圧型４５を用いる場合には、断熱層２１を予め形成しておく代わりに、断熱材料をピストン本体１９の頂面上に供給し、加圧型４５によりこの断熱材料を頂面上に押し広げて、断熱層２１の成形を同一の装置で行う構成としてもよい。この場合、成形を行った後に続けて加圧を行うことにより、加圧処理が達成される。これにより、ピストン１の製造工程が簡略化され得る。
また、別の実施形態では、加圧型４５による加圧処理と同時に又はその後に続けて、加圧型４５を加熱し、断熱層２１の焼成を行う構成としてもよい。これにより、ピストン１の製造工程が簡略化され得る。
また、焼成により、上記断熱層２１の表面の少なくとも一部のシリコーン樹脂は酸化される。これにより、断熱層２１の強度が向上し、クラックの発生を効果的に抑制することができる。
なお、加圧型４５の加熱による焼成では、断熱層２１中において、加圧型４５に接触した表面側から熱が伝わるため、断熱層２１の表面側からピストン本体１９の頂面側にかけて温度の勾配ができる。従って、加圧型４５の温度を調節することにより、断熱層２１の表面の少なくとも一部の上記シリコーン樹脂を酸化させて断熱層２１の強度を向上させつつ、断熱層２１内部はシリコーン樹脂のまま保つことによりピストン本体１９の頂面との密着性を保つことができる。
このように、加圧型４５により断熱層２１の焼成を行う場合には、ピストン本体１９を、例えばピストンスカートの内側から水冷又は空冷する等の方法によって冷却する構成とすることができる。これにより、断熱層２１中に生じる上述の温度勾配が大きくなり、すなわち断熱層２１内部のシリコーン樹脂の温度上昇を効果的に抑えることができるため、断熱層２１とピストン本体１９の頂面との密着性を向上させることができる。
本発明は、ピストン本体頂面のスキッシュエリア面に断熱層を形成しつつ、当該断熱層に大きなクラックが発生するのを防止し、断熱層の損傷・剥離を抑えることができるので、極めて有用である。
１ ピストン
１１’ キャビティ面
１２’ スキッシュエリア面
１９ ピストン本体
２１，２１ａ，２１ｂ 断熱層
３１ 中空粒子
３２ バインダ材（バインダ）
４５ 加圧型
Ｅ エンジン

Claims (5)

  1. ピストン本体の頂面に断熱層が設けられたエンジン用ピストンの製造方法であって、
    上記断熱層は、多数の中空粒子と、該中空粒子を上記ピストン本体の頂面に保持するとともに、上記中空粒子間を埋めて上記断熱層の母材を形成するバインダとを含むものであり、
    上記ピストン本体の頂面上に、上記中空粒子と、上記バインダとを含む断熱材料を配置して上記断熱層を形成する断熱層形成工程と、
    上記断熱層に対して加圧を行う加圧工程とを備え、
    上記ピストン本体の頂面は、スキッシュエリアを形成するスキッシュエリア面を備えており、
    上記加圧工程において、上記加圧は上記スキッシュエリア面に配置された断熱層に対してのみ行われる
    ことを特徴とするエンジン用ピストンの製造方法。
  2. 請求項１において、
    上記スキッシュエリア面は平面である
    ことを特徴とするエンジン用ピストンの製造方法。
  3. 請求項１又は請求項２において、
    上記加圧工程において、上記加圧と同時に上記断熱層の焼成を行う
    ことを特徴とするエンジン用ピストンの製造方法。
  4. 請求項３において、
    上記バインダは、シリコーン系樹脂であり、
    上記焼成により、上記断熱層の表面の少なくとも一部の上記シリコーン系樹脂は酸化される
    ことを特徴とするエンジン用ピストンの製造方法。
  5. 請求項３又は請求項４において、
    上記加圧工程において、上記焼成と同時に上記ピストン本体の冷却を行う
    ことを特徴とするエンジン用ピストンの製造方法。
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