JP6343975B2 - 内燃機関のピストン及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のピストン及びその製造方法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、焼結体の外周部の表面側に、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が形成され、少なくとも当該テーパ面は冠面に埋没し、焼結体の裏面の面粗度は、テーパ面の面粗度より小さく、テーパ面の面粗度は、焼結体の、裏面を除く他の面の面粗度より大きいことによって、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表面の一部に覆い被さっているので、ピストンが上下運動した際の慣性力は、当該覆い被された焼結体の表面の一部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断面図である。 図１のピストンの作用を説明する断面図である。 図１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１のII-II線断面に相当）である。 図７のＢ部の拡大断面図である。

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、テーパ面２４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４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の母材がテーパ面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、テーパ面２４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、外周部２１のテーパ面２４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５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のテーパ面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、テーパ面２４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２４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Ｆ３を焼結体２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２５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、図６に示すように当該焼結体２の裏面２３に離型剤２６を塗布することで形成することができる。この離型剤２６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のテーパ面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２６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２４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２４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２６の塗布に代えて焼結体２の裏面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６に示す鋳型４，４の所定位置にセットする。図６は、図２のＡ部に相当する鋳型４，４を示す断面図であり、ピストン１の完成品の状態で凹部１３に露出する焼結体２の表面２２が図６の左の鋳型４に当接し、裏面２３が母材溶湯を注湯する空間（キャビティ）に対面するように焼結体２をセットする。そして、この裏面２３に所定量のナイトライド系離型剤２６を塗布して離型剤２６の膜を形成する。なお、ナイトライド系離型剤２６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４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２６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。

上述した図１及び図２に示す実施形態では、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７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７は本発明の他の実施形態に係るピストンを示す断面図、図８は図７のＢ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２４が形成されている。このテーパ面２４は、上述した実施形態と同様に、図８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２４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２４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２５が形成されている。なお、この空気層２５を形成することに代えて、上述した実施形態と同様に、焼結体２の裏面２３の表面粗度を小さくしてもよい。

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の表面２２の一部がピストン１の冠面１２に覆い被されているので、図４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の表面２２の一部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２４であるため、焼結体２の形状が図１及び図２に示す浅底皿状又は図７及び図８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。

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に形成するテーパ面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４に示す抗力Ｆ２が焼結体２の外周部２１に均等に生じるので、慣性力Ｆ１が、テーパ面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、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２４の長さが長くなるので、テーパ面２４の傾斜角が同じであれば、テーパ面２４の長さを長くするほど慣性力Ｆ１に対する抗力Ｆ２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Ｆ１は、図４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し、したがって、テーパ面２４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好ましい。また、外周部２１の肉厚ｔ２を大きくすると、図３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。

本例の内燃機関のピストン１において、テーパ面２４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２４の粗い表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５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、これを焼結体２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２６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（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…テーパ面
２５…空気層
２６…離型剤
３…燃料噴射バルブ
４…鋳型

Claims (9)

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の表面側に、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面粗度は、前記テーパ面の面粗度より小さく、
   前記テーパ面の面粗度は、前記焼結体の、前記裏面を除く他の面の面粗度より大きい内燃機関のピストン。
2. 前記テーパ面は、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. 前記焼結体の前記外周部の肉厚は、前記焼結体の前記外周部以外の肉厚に比べて厚い請求項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１〜３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、前記冠面に形成された凹部の底面部及び壁面部に設けられている請求項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、前記冠面の平坦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. 前記焼結体は、気孔率が１５〜５０％の多孔質焼結体である請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関のピストン。
8. 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の製造方法において、
   前記焼結体の外周部の表面側に、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焼結体を製造する第１工程と、
   前記焼結体が設置された鋳型に前記ピストンの母材溶湯を注湯して凝固させ、前記焼結体の少なくとも前記テーパ面が前記ピストンの冠面に埋没するように、前記焼結体を前記ピストンに鋳込む第２工程と、を有し、
   前記第１工程は、
   前記焼結体の裏面の面粗度を前記テーパ面の面粗度より小さくする研磨処理工程と、
   前記テーパ面の面粗度を前記焼結体の、前記裏面を除く他の面の面粗度より大きくする粗面化処理工程と、を含む内燃機関のピストンの製造方法。
9. 前記第２工程は、前記ピストンの母材溶湯を注湯する前に、前記焼結体の裏面にナイトライド系離型剤を塗布する工程を含む請求項８に記載の内燃機関のピストンの製造方法。

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