JP6343974B2 - 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、焼結体に、開口縁が中心に向かって下向きのテーパ面とされた開口部を設け、少なくとも当該テーパ面は、前記冠面に埋没し、前記焼結体の裏面の前記開口部の周囲に、突出部が形成され、前記テーパ面及び前記突出部の面粗度は、前記焼結体の裏面を除く前記焼結体の他の面の面粗度より大きく、前記突出部を除く前記焼結体の裏面の面粗度は、前記焼結体の裏面を除く前記焼結体の他の面の面粗度より小さいことによって、上記課題を解決する。

本発明によれば、ピストンの冠面が焼結体の開口部のテーパ面に覆い被さるので、ピストンが上下運動した際の慣性力は、当該覆い被されたテーパ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部の断面図である。 図１の実施の形態に係る内燃機関のピストンの変形例を示す平面図である。 図１の実施の形態に係る内燃機関のピストンの他の変形例を示す平面図である。 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平面図である。 図８のIX-IX線に沿う断面図である。 図９のＢ部の拡大断面図である。 図８のピストンの作用を説明する図９のＢ部の断面図である。 図８のピストンの作用を説明する図９のＢ部の断面図である。 図８の焼結体の裏面に塗布する離型剤を示す断面図である。 本発明のさらに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８のIX-IX線断面に相当）である。 図１４のＣ部の拡大断面図である。 本発明のさらに他の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１６のXVII-XVII線に沿う断面図である。 図１６のピストンの作用を説明する図１７のＤ部の拡大断面図である。 図１６のピストンの作用を説明する図１７のＤ部の拡大断面図である。 図１６の実施の形態に係る内燃機関のピストンの変形例を示す断面図（図１７のＤ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。

以上が、以下に説明する幾つかの実施形態に係るピストン１に共通する構成であり、各実施形態に特有の構成については以下に説明する。

《第１実施形態》
第１実施形態の焼結体２は、ピストン２の凹部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、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。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。

特に本例の焼結体２には、図１に示す平面視において、噴射された燃料が相対的に当たらない箇所、図示する例では燃料噴射バルブ３が配置された左側の上下２箇所に、開口部２４，２４が形成されている。本例の開口部２４は、開口部２４の中心に向かって下向きのテーパ面２４ａとされた開口縁を有する。テーパ面２４ａは、開口縁の全周又は一部に設けることができるが、後述する焼結体２の剥離または脱落をよりよく抑制するためには開口縁の全周に形成することが望ましい。そして、図３に拡大して示すように、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、テーパ面２４ａは冠面１２に覆い被されている。換言すれば、開口部２４のテーパ面２４ａ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の開口部２４のテーパ面２４ａがピストン本体１１の冠面１２に覆い被されている状態、換言すれば焼結体２のテーパ面２４ａ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の母材が開口部２４のテーパ面２４ａ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、開口部２４のテーパ面２４ａの長さが同じであれば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テーパ面２４ａ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。なお、開口部２４のテーパ面２４ａの表面粗度を他の一般面より大きくし、テーパ面２４ａとピストン本体１１の母材との密着性を高くしてもよい。

また、本例の焼結体２は、その裏面２３の開口部２４の周囲に、突出部２５が形成されている。この突出部２５は、開口部２４の周囲の全周又は一部に設けることができるが、後述する焼結体２の剥離または脱落をよりよく抑制するためには開口部２４の全周に形成することが望ましい。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２５へ作用する応力を示し、図５は、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。図４に示すピストン本体１１のＺ１方向の熱膨張によって焼結体２の突出部２５にはアルミニウムの熱膨張の圧力Ｆ３が作用するが、焼結体２の裏面２３に設けた突出部２５に生じる対抗力Ｆ４によりこれに対抗できるので、焼結体２の剥離又は脱落を抑制することができる。また、図５に示すピストン本体１１のＺ２方向の熱収縮によって焼結体２の突出部２５にはアルミニウムの熱収縮の圧力Ｆ５が作用するが、焼結体２の裏面２３に設けた突出部２５に生じる対抗力Ｆ６によりこれに対抗できるので、焼結体２の剥離又は脱落を抑制することができる。なお、この突出部２５の表面粗度を他の一般面より大きくし、突出部２５とピストン本体１１の母材との密着性を高くしてもよい。

焼結体２の裏面２３は、ピストン本体１１に埋没されるが、開口部２４及び突出部２５を除く裏面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、開口部２４及び突出部２５を除く焼結体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を形成して、断熱性を確保することが望ましい。図３に示す例では開口部２４及び突出部２５を除く焼結体２の裏面２３の表面粗度を小さく（細かく）している。なお、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２６を形成した例は図１０を参照して後述する。

図１に示す例では、燃料噴射バルブ３が配置された左側の上下２箇所に開口部２４，２４を形成したが、本例の開口部２４は図６に示すように焼結体２の中央の１箇所に設けてもよいし、図７に示すように焼結体２の中央付近の３箇所に設けてもよい。開口部２４の形成位置を検討する場合は、噴射された燃料が相対的に当たらない箇所を選定することが肝要である。また、開口部２４の開口形状は図示する円形にのみ限定されず多角形であってもよい。また、開口部２４の開口径、厳密にはテーパ面２４ａの総面積（と傾斜角）を大きくすれば焼結体２の剥離又は脱落をよりよく抑制できるが、開口部２４を設けることによって断熱性が低下するので、これらの兼ね合いを考慮して決定することが必要である。

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の開口部２４のテーパ面２４ａ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、焼結体２の裏面２３に空気層を形成する場合には、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。得られた焼結体２のテーパ面２４ａや突出部２５に対してサンディングなどの粗面化処理を施すことで、テーパ面２４ａや突出部２５の表面粗度を他の一般面より大きくしてもよい。なお、ナイトライド系離型剤の塗布に代えて、開口部２４及び突出部２５以外の焼結体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、開口部２４を有する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鋳型の所定位置にセットする。そして、空気層を形成する場合には、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。

《第２実施形態》
上述した図１及び図２に示す第１実施形態では、焼結体２に一又は複数の開口部２４を形成し、この開口部２４の開口縁にテーパ面２４ａを形成するとともに裏面２３の開口部２４の周囲に突出部２５を形成することで、ピストン１の往復運動と熱膨張・収縮による焼結体２の剥離又は脱落を抑制することとしたが、これに加えて焼結体２の外周部２１の接合強度を高める構造を採用してもよい。図８〜図１５は本発明の第２実施形態に内燃機関のピストンを示す図面である。以下において、開口部２４の構成については上述した第１実施形態と同じであるためその内容をここに援用し、その説明を省略するものとする。

図８及び図９に示すように、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、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。特に外周部２１は、中央部の肉厚ｔ１より厚い肉厚ｔ２とされ、その表面２２側に、全周にわたって、ピストン本体１１の中心から外周方向に向かって下向きのテーパ面２８が形成されている。そして、図１０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、テーパ面２８は冠面１２に覆い被されている。換言すれば、外周部２１の表面２２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の表面の一部がピストン本体１１の冠面１２に覆い被されている状態、より具体的には、焼結体２の外周部２１のテーパ面２８がピストン本体１１の冠面１２に埋没している状態とは、図１１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Ｆ７、この慣性力Ｆ７に対抗することができる、冠面１２の母材がテーパ面２８を押さえ付ける抗力をＦ８とすると、焼結体２の慣性力Ｆ７≦冠面１２の母材の抗力Ｆ８となる状態をいう。慣性力Ｆ７は、同図において上方向に作用するので、抗力Ｆ８は下方向の成分が押さえ付けに実効する。したがって、テーパ面２８の長さが同じであれば傾斜角を水平に近づけるほど抗力Ｆ８を大きくすることができ、傾斜角が同じであればテーパ面２８の長さを長くするほど抗力Ｆ８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、外周部２１のテーパ面２８の面粗度は、焼結体２の他の面の面粗度に比べて大きく（粗く）形成されている。図１２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テーパ面２８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のテーパ面２８にはアルミニウムの熱膨張・収縮の圧力Ｆ９が作用するが、テーパ面２８の面粗度を大きくすることで、焼結体２を冠面１２に鋳込んだ際にテーパ面２８の粗い表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Ｆ９を焼結体２の抗力Ｆ１０により対抗できるので、焼結体２の剥離又は脱落を抑制することができる。

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２６を形成して、断熱性を確保することが望ましい。図１０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２６を設けている。

空気層２６は、焼結体２をピストン本体１１に鋳込む前に、図１３に示すように当該焼結体２の裏面２３に離型剤２７を塗布することで形成することができる。この離型剤２７は、鋳造中に母材溶湯で蒸発して空気層２６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２６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２６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。

上述した図８〜図１３に示す第２実施形態では、ピストン１の凹部１３のうち底面部１３１の全体と壁面部１３２の一部にまで延在する浅底皿状の焼結体２を構成したが、図１４に示すように凹部１３のうち底面部１３１のみに形成してもよい。図１４は第２実施形態に係るピストンの変形例を示す断面図、図１５は図１４のＣ部の拡大断面図である。

本例の焼結体２は、ピストン本体１１の冠面１２に露出する表面２２は平坦面に形成され、裏面２３の大部分も平坦面に形成されているが、外周部２１の肉厚ｔ２がその他の肉厚ｔ１より厚く形成され、したがって焼結体２の外周部２１が全周にわたって下方に隆起した楕円板状とされている。そして、外周部２１の表面側に、全周にわたって、ピストン本体１１の中心から外周方向に向かって下向きのテーパ面２８が形成されている。このテーパ面２８は、上述した図８〜図１３に示す第２実施形態と同様に、図１５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、当該テーパ面２８が冠面１２に覆い被されている。換言すれば、外周部２１の表面２２は、冠面１２に埋没するように設けられている。

本例においても、外周部２１のテーパ面２８の面粗度は、焼結体２の他の面の面粗度に比べて大きく（粗く）形成されている。また、焼結体２の裏面２３とピストン本体１１との境界部分の全体には空気層２６が形成されている。なお、この空気層２６を形成することに代えて、上述した第１実施形態と同様に、焼結体２の裏面２３の表面粗度を小さくしてもよい。

《第３実施形態》
上述した図１及び図２に示す第１実施形態では、焼結体２に一又は複数の開口部２４を形成し、この開口部２４の開口縁にテーパ面２４ａを形成するとともに裏面２３の開口部２４の周囲に突出部２５を形成することで、ピストン１の往復運動と熱膨張・収縮による焼結体２の剥離又は脱落を抑制することとしたが、これに加えて焼結体２の外周部２１の接合強度を高める構造を採用してもよい。図１６〜図２０は本発明の第３実施形態に内燃機関のピストンを示す図面である。以下において、開口部２４の構成については上述した第１実施形態と同じであるためその内容をここに援用し、その説明を省略するものとする。

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２９が形成されている。そして、図１８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２９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２９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２９がピストン本体１１の冠面１２に埋没している状態とは、図１８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Ｆ１１、この慣性力Ｆ１１に対抗することができる、冠面１２の母材が突出部２９を押さえ付ける抗力をＦ１２とすると、焼結体２の慣性力Ｆ１１≦冠面１２の母材の抗力Ｆ１２となる状態をいう。慣性力Ｆ１１は、同図において上方向に作用するので、抗力Ｆ１２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２９の長さが同じであれば突出部２９の表面２９ａの傾斜角を水平に近づけるほど抗力Ｆ１２を大きくすることができ、傾斜角が同じであれば突出部２９の長さを長くするほど抗力Ｆ１２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２９は、その表面２９ａと裏面２９ｂ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１９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２９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２９にはアルミニウムの熱膨張・収縮の圧力Ｆ１３が作用するが、突出部２９を楔状に形成することで、この熱膨張収縮の圧力Ｆ１３を突出部２９の表面２９ａ及び裏面２９ｂの抗力Ｆ１４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２０は第３実施形態に係るピストンの変形例を示す、図１７のＤ部に相当する拡大断面図である。上述した図１８及び図１９に示す突出部２９の実施形態に対し、図２０に示す突出部２９は、表面２９ａ及び裏面２９ｂ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２９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２９ｃとされている。突出部２９の表面２９ａ及び裏面２９ｂ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２９の表面２９ａ及び裏面２９ｂ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Ｆ１３に対向する突出部２９の抗力Ｆ１４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２９の先端縁を下向きのテーパ面２９ｃとすることにより、鋳造時の溶湯が図２０にＹで示すように等がテーパ面２９ｃに沿って流れるので、溶湯の充填性が向上する。なお、図２０において、突出部２９の表面２９ａ及び裏面２９ｂの表面粗度を大きくするとともに、先端縁にテーパ面２９ｃを形成したが、いずれか一方であってもよい。

図１７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２６を形成して、断熱性を確保することが望ましい。図１８及び図１９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２６を設けている。

空気層２６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２６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２６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２６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。

以上の第１実施形態〜第３実施形態によって説明したとおり、本例の内燃機関のピストン１によれば、焼結体２に、開口縁が中心に向かって下向きのテーパ面２４ａとされた開口部２４が設けられているので、焼結体２を鋳込むとピストン１の冠面１２が焼結体２の開口部２４のテーパ面２４ａに覆い被さり、ピストン１が上下運動した際の慣性力Ｆ１は、当該覆い被されたテーパ面２４ａの効力Ｆ２で受けることができる。すなわち、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のテーパ面２４ａに覆い被さることによる抗力Ｆ２（冠面１２の母材がテーパ面２４ａ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。

また本例の内燃機関のピストン１によれば、焼結体２の裏面２３の開口部２４の周囲に、突出部２５が形成されているので、図４及び図５に示すように、ピストン本体１１のＺ１方向の熱膨張又はＺ２方向の熱収縮によって、焼結体２の突出部２５にはアルミニウムの熱膨張の圧力Ｆ３又は熱収縮の圧力Ｆ５が作用するが、焼結体２の裏面２３に設けた突出部２５に生じる対抗力Ｆ４，Ｆ６によりこれに対抗できるので、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、焼結体２に開口部２４を複数設けることにより、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、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２６を設けることで、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２６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２７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。

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のテーパ面２４ａは、焼結体２の中央周辺に設けられるものであるため、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、第１実施形態の開口部２４に加えて、第２実施形態又は第３実施形態のように焼結体２の外周部２１の一部をピストン１の冠面１２に覆い被せることにより、焼結体２の外周部２１からの剥離又は脱落も抑制することができる。

特に第２実施形態の内燃機関のピストン１において、外周部２１に作用する抗力Ｆ８の原因となる焼結体２の表面の一部は、外周部２１の表面２２側に形成された、前記ピストン１の中心から外周方向に向かって下向きのテーパ面２８であるため、焼結体２の形状が図８及び図９に示す浅底皿状又は図１４及び図１５に示す楕円板状といった、複雑ではない単純な形状として具現化されている。このため、製造が容易であり、かつ製造工程内において割れたり欠けたりすることのない、高い歩留まりが期待できる焼結体２となる。

第２実施形態の内燃機関のピストン１において、焼結体２の外周部２１に形成するテーパ面２８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１１に示す抗力Ｆ８が焼結体２の外周部２１に均等に生じるので、慣性力Ｆ７が、テーパ面２８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。

第２実施形態の内燃機関のピストン１において、焼結体２の肉厚は全体にわたって均等であってもよいが、外周部２１の肉厚ｔ２をその他の部位の肉厚ｔ１より厚く形成することが好ましい。外周部２１の肉厚ｔ２を厚くすればするほどテーパ面２８の長さが長くなるので、テーパ面２８の傾斜角が同じであれば、テーパ面２８の長さを長くするほど慣性力Ｆ７に対する抗力Ｆ８を大きくすることができ、その結果、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からである。なお、慣性力Ｆ７は、図１１において上方向に作用するので、抗力Ｆ８は下方向の成分が押さえ付けに実効し、したがって、テーパ面２８の長さが同じであれば傾斜角を水平に近づけるほど抗力Ｆ８を大きくすることが好ましい。また、外周部２１の肉厚ｔ２を大きくすると、図１０に示す外周部２１の裏面の角部２１ａのＲが大きくなるのでピストン本体１１のアルミニウム母材への応力集中を抑制することができる。

第２実施形態の内燃機関のピストン１において、テーパ面２８の面粗度を焼結体２の他の面の面粗度より大きくしているので、焼結体２を冠面１２に鋳込んだ際にテーパ面２８の粗い表面にアルミニウム材が含浸し、密着性（抗力Ｆ１０）が高くなる。このため、図１２に示すようにピストン本体１１のＺ方向の熱膨張・熱収縮によって焼結体２のテーパ面２８にアルミニウムの熱膨張・収縮の圧力Ｆ９が作用しても、これを焼結体２の抗力Ｆ１０により対抗できるので、焼結体２の剥離又は脱落を抑制することができる。

第３実施形態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２９が設けられ、当該突出部２９がピストン１の冠面１２に覆い被されているので、図１８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Ｆ１１が作用するが、ピストン１の冠面１２が焼結体２の突出部２９に覆い被さることによる抗力Ｆ１２（冠面１２の母材が突出部２９を押さえ付ける力）が作用するので、この慣性力Ｆ１１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。

また第３実施形態の内燃機関のピストン１において、上記抗力Ｆ１２の原因となる焼結体２の突出部２９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１７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。

第３実施形態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２９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１８に示す抗力Ｆ１２が焼結体２の突出部２９に均等に生じるので、慣性力Ｆ１１が、突出部２９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。

第３実施形態の内燃機関のピストン１において、突出部２９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１９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２９にはアルミニウムの熱膨張・収縮の圧力Ｆ１３が作用するが、突出部２９を楔状に形成することで、この熱膨張収縮の圧力Ｆ１３を突出部２９の表面２９ａ及び裏面２９ｂの抗力Ｆ１４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。

第３実施形態の内燃機関のピストン１において、突出部２９の表面２９ａ及び裏面２９ｂ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２９ａ及び裏面２９ｂの粗い面にアルミニウム材が含浸し、密着性（抗力Ｆ１４）が高くなる。このため、図１９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２９にアルミニウムの熱膨張・収縮の圧力Ｆ１３が作用しても、これを突出部２９ａ，２９ｂの抗力Ｆ１４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。

第３実施形態の内燃機関のピストン１において、突出部２９の先端縁を、ピストン１の中心から外周方向に向かって下向きのテーパ面２９ｃとすれば、鋳造時の溶湯が図２０にＹで示すように等がテーパ面２９ｃ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。

１…ピストン
１１…ピストン本体
１２…冠面
１３…凹部
１３１…底面部（平坦面）
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
２１ａ…裏面の角部
２２…表面
２３…裏面
２４…開口部
２４ａ…テーパ面
２５…突出部
２６…空気層
２７…ナイトライド系離型剤
２８…テーパ面
２９…突出部
２９ａ…突出部の表面
２９ｂ…突出部の裏面
２９ｃ…突出部のテーパ面
３…燃料噴射バルブ
４…鋳型

Claims (6)

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、
   前記焼結体に、中心に向かって下向きのテーパ面とされた開口縁を有する開口部が形成され、
   少なくとも当該テーパ面は、前記冠面に埋没し、
   前記焼結体の裏面の前記開口部の周囲に、突出部が形成され、
   前記テーパ面及び前記突出部の面粗度は、前記焼結体の裏面を除く前記焼結体の他の面の面粗度より大きく、
   前記突出部を除く前記焼結体の裏面の面粗度は、前記焼結体の裏面を除く前記焼結体の他の面の面粗度より小さい内燃機関のピストン。
2. 前記開口部が複数設けられている請求項１又は２に記載の内燃機関のピストン。
3. 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又は２に記載の内燃機関のピストン。
4. 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１〜３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. 前記焼結体の外周部の一部が、前記ピストンの冠面に覆い被された請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関のピストン。

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