JP6281332B2 - 内燃機関のピストン - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のピストンに関するものである。

ピストン冠面に当該ピストンの母材よりも低熱伝導性の複合焼結体を設け、燃焼室内の断熱性を高めることで燃料の気化を促進し、これにより燃焼安定性を高めて排気浄化性能の向上やパーティクルマターＰＭの低減を図るピストンが知られている（特許文献１）。この従来技術では、複合焼結体を、第１の焼結体と、当該第１の焼結体の外周を囲繞する多孔質の第２の焼結体とで構成することで、複合焼結体の低熱伝導性を保持しながら当該複合焼結体とピストン冠面との接合強度を確保できるとされている。

特開２００８−２６７１５８号公報

しかしながら、上記従来技術では、複合焼結体を得るためには、第１の焼結体を形成するための第１の加圧成形体を製造する第１工程の後に、第２の焼結体を形成するための第２の加圧成形体を当該第１の加圧成形体の外周に形成する第２工程が必要とされるので、製造工程数が増加するという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、少ない製造工程で低熱伝導性と高接合強度を確保できる内燃機関のピストン及びその製造方法を提供することである。

本発明は、ピストンの母材より低熱伝導性の焼結体をピストン冠面に露出して設けた内燃機関のピストンであって、焼結体の外周部から外側へ突出する突出部を当該焼結体に設け、前記突出部の表面及び裏面の面粗度を、前記焼結体の他の面の面粗度より大きくすることによって、上記課題を解決する。

本発明によれば、突出部が焼結体の外周部から外側へ突出しているので、ピストンが上下運動した際の慣性力は、当該突出部の表面で受けることができる。また焼結体は、加圧成形工程と焼結工程とで製造することができるので、少ない製造工程で低熱伝導性と高接合強度を確保することができる。

本発明の一実施の形態に係る内燃機関のピストンを示す平面図である。 図１のII-II線に沿う断面図である。 図１のピストンの作用を説明する図２のＡ部の拡大断面図である。 図１のピストンの作用を説明する図２のＡ部の拡大断面図である。 本発明の他の実施の形態に係る内燃機関のピストンを示す断面図（図２のＡ部拡大断面に相当）である。

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。本例のピストン１は、燃焼室内において燃料をピストン１の冠面１２に向けて直接噴射する、いわゆる直噴型ガソリンエンジンやディーゼルエンジンのピストン１として用いて好ましい。ただし、断熱効果の大小はあるが、燃料をインテークの燃料噴射ポートに噴射するエンジンにも適用することができる。以下においては、断熱効果が特に顕著となる直噴型ガソリンエンジンのピストン１に適用する実施形態を説明する。なお、図２などの説明において、ピストン１の往復運動方向を「上下方向」というが、これは図２に示した状態における往復運動方向の意味であって、内燃機関の車載状態における方向を意味するものではない。すなわち、水平対向エンジンのピストン１の往復運動方向は、車載状態においては水平方向となるが、こうした内燃機関に用いられるピストンを除外するものではない。

本例のピストン１は、図１及び図２に示すように、アルミニウム合金などから構成されたピストン本体１１と、その冠面１２に露出して設けられ、ピストン本体１１の母材であるアルミニウム合金に比べて低熱伝導性の材料から構成された焼結体２と、を含む。

ピストン本体１１は、外表面が略円筒状に形成された略中空状部材であり、その上面には所定の肉厚を有し燃焼室の一部を構成する冠面１２が形成され、側面にはシリンダボアに接するピストンリングが嵌め込まれるリング溝１５が形成され、この側面から下方に向かって延在するスカート部１４が形成され、底面側にピストンロッドが取り付けられるピストンピン孔１６が形成されてなる。

そして、冠面１２の一部又は全部には、燃料噴射バルブ３から噴射された燃料を受容する凹部１３（一般にキャビティと称される）が形成されている。図１に示すように、本例の凹部１３は、冠面１２の一部（図示する左側）、たとえば吸気ポート側に形成されているが、ディーゼルエンジンのように燃料噴射バルブ３の装着位置が異なる場合などには、燃料噴射バルブ３からの燃料噴射位置に応じて凹部１３の形成位置と形成範囲が適宜設定される。凹部１３は、平坦面又はほぼ平坦面からなる楕円状の底面部１３１と、当該底面部１３１の外周縁から環状に延在し、上方に向かって拡径する壁面部１３２とから構成されている。

本例の焼結体２は、ステンレス鋼などの鉄系合金等からなる焼結体であって、その熱伝導性がピストン本体１１を構成する母材の熱伝導率より小さいものである。焼結体２は、原料合金粉末に所定量の潤滑剤を充填し、この潤滑剤を含有した原料粉末を成形型内に充填して加圧成形し、焼結することで製造することができる。潤滑剤の含有量は、この潤滑剤が加熱処理されて焼結体内に気孔が生成されるに際し、焼結体２が具備すべき所望の気孔率、たとえば１５〜５０％を得るために調整された量である。気孔率が大きい焼結体２を用いると、ピストン本体１１に焼結体２を鋳込んだ際に、焼結体２の気孔にピストン本体１１の母材であるアルミニウムが含浸され、これにより熱伝導性が高くなり断熱性が低下するので、気孔率は５０％以下であることが望ましい。

本例の焼結体２は、凹部１３の底面部１３１の全体と壁面部１３２の一部又は全部において、その表面２２が露出するように、当該凹部１３に応じた形状とされている。すなわち、中央が肉厚ｔ１の平板状とされ、同じく肉厚ｔ１の外周部２１がその全周にわたって上方に向かって拡径する浅底の皿形状とされている。本例において、焼結体２は凹部１３の壁面部１３２の上端までその表面２２が露出するように設けられている。

特に本例の焼結体２には、外周部２１の全周にわたり、外側に向かって突出する突出部２４が形成されている。そして、図３に示すように、焼結体２がピストン本体１１の母材に鋳込まれた状態において、当該突出部２４は冠面１２に覆い被されている。換言すれば、外周部２１から突出する突出部２４は、冠面１２に埋没するように設けられている。ここで、焼結体２の外周部２１の突出部２４がピストン本体１１の冠面１２に埋没している状態とは、図３に示すように、ピストン１が上下方向に往復運動を行った場合において、焼結体２に作用する当該焼結体２の慣性力をＦ１、この慣性力Ｆ１に対抗することができる、冠面１２の母材が突出部２４を押さえ付ける抗力をＦ２とすると、焼結体２の慣性力Ｆ１≦冠面１２の母材の抗力Ｆ２となる状態をいう。慣性力Ｆ１は、同図において上方向に作用するので、抗力Ｆ２は下方向の成分が押さえ付けに実効する。したがって、突出部２４の長さが同じであれば突出部２４の表面２４ａの傾斜角を水平に近づけるほど抗力Ｆ２を大きくすることができ、傾斜角が同じであれば突出部２４の長さを長くするほど抗力Ｆ２を大きくすることができ、焼結体２の剥離又は脱落をよりよく抑制することができる。

また、本例の突出部２４は、その表面２４ａと裏面２４ｂが、基端から先端に向かって断面が拡径する楔状に形成されている。図４は、ピストン本体１１が高温になった時の焼結体２と冠面１２近傍との熱膨張差による突出部２４へ作用する応力と、ピストン本体１１が高温から冷却されるときの熱収縮による応力を示している。ピストン本体１１のＺ方向の熱膨張・熱収縮によって焼結体２の突出部２４にはアルミニウムの熱膨張・収縮の圧力Ｆ３が作用するが、突出部２４を楔状に形成することで、この熱膨張収縮の圧力Ｆ３を突出部２４の表面２４ａ及び裏面２４ｂの抗力Ｆ４により対抗でき、焼結体２の剥離又は脱落を抑制することができる。

図５は本発明の他の実施形態に係るピストンを示す、図２のＡ部に相当する拡大断面図である。上述した図３及び図４に示す突出部２４の実施形態に対し、図５に示す突出部２４は、表面２４ａ及び裏面２４ｂの表面粗度が焼結体２の他の面の表面粗度より大きく（粗く）形成されている。またこれとともに若しくはこれとは独立して、突出部２４の先端縁は、ピストンの中心から外周方向に向かって下向きのテーパ面２６とされている。突出部２４の表面２４ａ及び裏面２４ｂの表面粗度を大きくすると、焼結体２を冠面１２に鋳込んだ際に突出部２４の表面２４ａ及び裏面２４ｂの粗い面にアルミニウム材が含浸し、密着性が高くなる。このため、熱膨張収縮の圧力Ｆ３に対向する突出部２４の抗力Ｆ４がより一層大きくなるので、焼結体２の剥離又は脱落をよりよく抑制することができる。一方、突出部２４の先端縁を下向きのテーパ面２６とすることにより、鋳造時の溶湯が図５にＹで示すように等がテーパ面２６に沿って流れるので、溶湯の充填性が向上する。なお、図５において、突出部２４の表面２４ａ及び裏面２４ｂの表面粗度を大きくするとともに、先端縁にテーパ面２６を形成したが、いずれか一方であってもよい。

図３に戻り、焼結体２の裏面２３は、ピストン本体１１に埋没されるが、この裏面２３の表面粗度を大きく（粗く）するとピストン本体１１の母材であるアルミニウム材が裏面２３の粗い面に含浸し、この境界部分の熱伝導性が高くなって断熱性能が低下する。このため、焼結体２の裏面２３の表面粗度を小さく（細かく）してピストン本体１１との接触面積を最小限にするか、あるいはここに空気層２５を形成して、断熱性を確保することが望ましい。図３及び図４に示す例では焼結体２の裏面２３とピストン本体１１との境界部分に空気層２５を設けている。

空気層２５は、焼結体２をピストン本体１１に鋳込む前に、当該焼結体２の裏面２３に離型剤を塗布することで形成することができる。この離型剤は、鋳造中に母材溶湯で蒸発して空気層２５が形成できるものであればよいが、ボロンナイトライドなどのナイトライド系離型剤が特に好ましい。セラミック系離型剤では鋳造中に蒸発し難く適切な空気層２５を形成することが困難であり、またパラフィン系離型剤は鋳造中に蒸発して空気層２５は形成できるが蒸発時に発生したガスが鋳巣の原因となるおそれがある。

次に、ピストン１の製造方法について説明する。
本例のピストンの製造方法は、焼結体２を製造する第１工程と、焼結体２が設置された鋳型４にピストン本体１１の母材溶湯を注湯して凝固させ、焼結体２の外周部２１の突出部２４がピストン本体１１の冠面１２に覆い被されて埋没するように、焼結体２をピストン本体１１に鋳込む第２工程と、を有する。また、第１工程の焼結体２を製造したのちであって第２工程の母材溶湯の注湯前に、焼結体２の裏面２３にナイトライド系離型剤を塗布する工程を有する。

第１工程である焼結体２の製造は、最初にステンレス鋼などの鉄系合金粉末に気孔率に応じた量の潤滑剤を充填し、この潤滑剤を含有した原料粉末を成形型内に充填して図１及び図２に示す形状に加圧成形し、これを所定温度で焼結する。図５に示す実施形態の焼結体２にあっては、得られた焼結体２の突出部２４の表面２４ａ及び裏面２４ｂに対してサンディングなどの粗面化処理を施すことで、これらの面２４ａ，２４ｂの表面粗度を他の面より大きくする。なお、ナイトライド系離型剤の塗布に代えて焼結体２の裏面２３の表面粗度を小さくする場合には、この工程において裏面２３に対して研磨処理を施せばよい。

第１工程により底が浅い皿状の焼結体２が得られるので、次の第２工程においてこれを図示しない鋳型の所定位置にセットする。そして、鋳型にセットされた焼結体２の裏面２３に所定量のナイトライド系離型剤を塗布して離型剤の膜を形成する。なお、ナイトライド系離型剤は、焼結体２を鋳型４にセットする前に塗布してもよい。鋳型を型締めしたら、たとえばスカート部１４の下部に相当する鋳型部分に設けられた所定の注湯口から母材溶湯を注湯する。この注湯された溶湯の熱により焼結体２の裏面２３に塗布されたナイトライド系離型剤は蒸発するが、冷却後においてここに所定厚さの空気層２５が形成されることになる。なお、ピストン１を鋳造したら、機械加工によりリング溝１５を形成する。

以上のように、本例の内燃機関のピストン１によれば、焼結体２の外周部２１に突出部２４が設けられ、当該突出部２４がピストン１の冠面１２に覆い被されているので、図３に示すように、ピストン１が上下方向に往復運動を行った場合において、焼結体２にはピストン１の冠面１２から離脱しようとする慣性力Ｆ１が作用するが、ピストン１の冠面１２が焼結体２の突出部２４に覆い被さることによる抗力Ｆ２（冠面１２の母材が突出部２４を押さえ付ける力）が作用するので、この慣性力Ｆ１に対抗することができる。その結果、ピストン１の冠面１２から焼結体２が剥離又は脱落するのを抑制することができる。そして、このように焼結体２の冠面１２への接合強度が確保できるので、高圧鋳造により多孔質焼結体へ母材アルミニウムを含浸させて接合強度を確保する必要もなく、含浸による断熱性の低下という問題も解消される。

特に本例の内燃機関のピストン１において、上記抗力Ｆ２の原因となる焼結体２の突出部２４は、外周部２１から外側に突出するものであるため、焼結体２をピストン本体１１の凹部１３の底面部１３１及び壁面部１３２の全体、特に壁面部の上端縁まで露出させることができる。このため、図２に示すように、燃料噴射バルブ３からの燃料が凹部１３に噴射された場合に、ほぼ全ての燃料に対して高断熱性による気化の促進を発揮することができる。

本例の内燃機関のピストン１において、焼結体２の外周部２１に形成する突出部２４は、当該外周部２１に離散的に形成してもよいが、全周にわたって形成することが好ましい。図３に示す抗力Ｆ２が焼結体２の突出部２４に均等に生じるので、慣性力Ｆ１が、突出部２４が設けられていない部分に応力集中するのを抑制でき、その結果、ピストン１の冠面１２から焼結体２が剥離又は脱落するのをよりよく抑制することができる。

本例の内燃機関のピストン１において、突出部２４の断面形状は基端から先端に向かって拡径する楔状であることが好ましい。図４に示すように、ピストン本体１１の熱膨張・熱収縮によって焼結体２の突出部２４にはアルミニウムの熱膨張・収縮の圧力Ｆ３が作用するが、突出部２４を楔状に形成することで、この熱膨張収縮の圧力Ｆ３を突出部２４の表面２４ａ及び裏面２４ｂの抗力Ｆ４により対抗でき、これにより、焼結体２の剥離又は脱落を抑制することができる。

本例の内燃機関のピストン１において、突出部２４の表面２４ａ及び裏面２４ｂの面粗度を焼結体２の他の面の面粗度より大きくすれば、焼結体２を冠面１２に鋳込んだ際にこれら表面２４ａ及び裏面２４ｂの粗い面にアルミニウム材が含浸し、密着性（抗力Ｆ４）が高くなる。このため、図４に示すようにピストン本体１１の熱膨張・熱収縮によって焼結体２の突出部２４にアルミニウムの熱膨張・収縮の圧力Ｆ３が作用しても、これを突出部２４ａ，２４ｂの抗力Ｆ４により対抗できるので、焼結体２の剥離又は脱落をよりよく抑制することができる。

本例の内燃機関のピストン１において、突出部２４の先端縁を、ピストンの中心から外周方向に向かって下向きのテーパ面２６とすれば、鋳造時の溶湯が図５にＹで示すように等がテーパ面２６に沿って流れるので、溶湯の充填性が向上する。その結果、鋳造品質が向上する。

本例の内燃機関のピストン１において、焼結体２の裏面２３とピストン本体１１との境界部分に空気層２５が設けられているので、焼結体２をピストン１に鋳込む際に焼結体２の裏面２３に母材アルミニウムが含浸されず、低熱伝導性が維持される。こうした空気層２５は、焼結体２の鋳込み前に焼結体２の裏面２３にナイトライド系離型剤を塗布することにより容易に形成することができる。またこれに代えて、焼結体２の裏面２３の表面粗度を小さくしても、ピストン本体１１との接触面積が最小限になり、これによっても低熱伝導性が維持される。

本例の内燃機関のピストン１において、焼結体２とピストン１の冠面１２との接合強度の確保構造は、多孔質焼結体への母材アルミニウムの含浸によるものではないので、本例では１５〜５０％といった気孔率が小さい多孔質焼結体２を用いることができ、低熱伝導性が確保される。

１…ピストン
１１…ピストン本体
１２…冠面
１３…凹部
１３１…底面部
１３２…壁面部
１４…スカート部
１５…リング溝
１６…ピストンピン孔
２…焼結体
２１…外周部
２２…表面
２３…裏面
２４…突出部
２４ａ…突出部の表面
２４ｂ…突出部の裏面
２５…空気層
２６…テーパ面
３…燃料噴射バルブ

Claims (7)

1. ピストンの母材より低熱伝導性の焼結体が、当該ピストンの冠面に露出して設けられた内燃機関のピストンにおいて、
   前記焼結体の外周部から外側へ突出する突出部が当該焼結体に設けられ、
   前記突出部の表面及び裏面の面粗度は、前記焼結体の他の面の面粗度より大きい内燃機関のピストン。
2. 前記突出部は、前記焼結体の前記外周部の全周にわたって形成されている請求項１に記載の内燃機関のピストン。
3. 前記突出部は、基端から先端に向かって拡径する請求項１又は２に記載の内燃機関のピストン。
4. 前記突出部の先端縁は、前記ピストンの中心から外周方向に向かって下向きのテーパ面を有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関のピストン。
5. 前記焼結体は、気孔率が１５〜５０％の多孔質焼結体である請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関のピストン。
6. 前記焼結体は、前記冠面に形成された凹部の底面部及び壁面部の全面に設けられている請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関のピストン。
7. 前記焼結体の裏面と前記冠面との間に空気層が形成されている請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関のピストン。

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