JP6701726B2 - Internal combustion engine piston, internal combustion engine, and method of manufacturing internal combustion engine piston - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関のピストン、内燃機関、及び内燃機関のピストンの製造方法に関し、より詳細には、キャビティー内の熱損失を小さくでき、しかも、燃焼状態を良好に維持できて、熱効率の改善ができる内燃機関のピストン、内燃機関、及び内燃機関のピストンの製造方法に関する。 The present invention relates to a piston for an internal combustion engine, an internal combustion engine, and a method for manufacturing a piston for an internal combustion engine. More specifically, the heat loss in the cavity can be reduced, and the combustion state can be favorably maintained to improve thermal efficiency. The present invention relates to an improved internal combustion engine piston, an internal combustion engine, and a method of manufacturing an internal combustion engine piston.
一般的に、車両に搭載されるディーゼルエンジン等の内燃機関等のピストンにおいては、エンジンの燃費を改善するために、ピストンの頂部に設けられたキャビティーを含む燃焼室の温度を保つために、この燃焼室の周囲に遮熱コーティングを施すことが有効な方法として知られている。 Generally, in a piston of an internal combustion engine such as a diesel engine mounted on a vehicle, in order to improve the fuel efficiency of the engine, in order to maintain the temperature of the combustion chamber including a cavity provided at the top of the piston, It is known that an effective method is to apply a thermal barrier coating around the combustion chamber.
例えば、エンジン燃焼室に臨む面などのアルミ合金製母材の表面に陽極酸化処理による空孔を有する断熱性が高いポーラス層(アルマイト膜)を形成し、この凹凸の表面を持つポーラス層の上に、母材よりも熱伝導率が低く表面が平滑なジルコニア等の皮膜層をプラズマ溶射などにより設けた構造としたアルミ合金製品の断熱構造が、エンジンの冷却損失の低減などに利用することができる断熱構造体として提案されている(例えば、特許文献1参照)。なお、この断熱構造体では、熱伝導率はアルミニウム合金製母材が150W/(m・K)、ポーラス側が24〜53W/(m・K)、被覆層が0.40〜0.94W/(m・K)とされている。 For example, on a surface of an aluminum alloy base material such as the surface facing the engine combustion chamber, a porous layer (alumite film) with high heat insulation having pores by anodization is formed, and the porous layer having this uneven surface is formed. In addition, the adiabatic structure of aluminum alloy products, which has a structure with a coating layer such as zirconia that has a lower thermal conductivity than the base material and has a smooth surface by plasma spraying, can be used for reducing engine cooling loss. It has been proposed as a heat insulating structure that can be made (for example, see Patent Document 1). In this heat insulating structure, the thermal conductivity of the aluminum alloy base material is 150 W/(m·K), the porous side is 24 to 53 W/(m·K), and the coating layer is 0.40 to 0.94 W/( m・K).
また、遮熱効果だけでなく、スカッフィングや摩耗などの発生を防止するためにも、アルミニウム合金製のピストンの冠面部に硬質アルマイト処理による酸化被膜を形成することが行われている(例えば、特許文献2参照)。 Further, in addition to the heat shield effect, in order to prevent the occurrence of scuffing and wear, it is performed to form an oxide film by hard alumite treatment on the crown surface of the aluminum alloy piston (for example, patent Reference 2).
この遮熱コーティングとしてのアルマイト皮膜を燃焼室の周囲の凹部形状をしたキャビティーとその周囲の頂面に形成すると、エンジンの冷却損失を低減できて熱効率を改善できる。このアルマイト皮膜の形成は遮熱効果を上げるために、一般的には厚いアルマイト皮膜を形成することが望まれている。 By forming the alumite film as the thermal barrier coating on the cavity having a concave shape around the combustion chamber and the top surface around the cavity, cooling loss of the engine can be reduced and thermal efficiency can be improved. It is generally desired to form a thick alumite film in order to improve the heat shielding effect in forming the alumite film.
しかしながら、アルマイト膜を厚く形成するとその表面が荒くなるので、キャビティー全体を厚いアルマイト膜でコーティングしてしまうと、キャビティーの表面が荒くなり、キャビティー内の空気と燃料の流動状態に悪影響を及ぼし、燃焼室内の燃焼状態が悪化する。そのため、遮熱効果は上昇しても燃焼状態が悪化するため、全体としては熱効率の向上効果が減少してしまうという問題がある。この燃料と空気の流動性に関しては、特にキャビティーのリップ部分の表面の粗さの影響が大きい。 However, if the alumite film is thickly formed, its surface becomes rough, so if the entire cavity is coated with a thick alumite film, the surface of the cavity becomes rough, which adversely affects the flow state of air and fuel in the cavity. This causes the combustion state in the combustion chamber to deteriorate. Therefore, even if the heat shielding effect is increased, the combustion state is deteriorated, and there is a problem that the effect of improving the thermal efficiency is reduced as a whole. The roughness of the surface of the lip portion of the cavity has a great influence on the fluidity of the fuel and air.
一方、アルミニウム合金製のピストンにアルマイト皮膜を形成すると、燃焼室の口縁部(リップ部)、特にピストンピンの方向の両側の互いに対向する口縁部において大きな熱応力が発生し、しばしば亀裂が発生して、ピストン及びこのピストンを使用している内燃機関の耐久性が低下するという問題がある。 On the other hand, when an alumite coating is formed on a piston made of aluminum alloy, large thermal stress is generated at the edges of the combustion chamber (lips), especially at the edges facing each other in the direction of the piston pin, and cracks often occur. When it occurs, there is a problem that the durability of the piston and the internal combustion engine that uses this piston deteriorates.
この対策として、スラストとアンチスラスト側のリップ部、頂面や燃焼室底面にアルマイト皮膜を形成して、フロントとリア方向のリップ部と頂面部分にはアルマイト皮膜を形成しない方法が取られている。 As a countermeasure against this, a method of forming an alumite film on the thrust and anti-thrust side lip parts, the top surface and the bottom of the combustion chamber, and not forming the alumite film on the front and rear lip parts and the top surface part has been taken. There is.
また、別の方法として、例えば、頂面に凹型の燃焼室を有する内燃機関用アルミニウム合金ピストンにおいて、頂面に施すアルマイト処理をこの亀裂発生部分には施さずに、この亀裂発生部分を無機繊維等で複合強化し、残りの領域に硬質アルマイト皮膜を形成した内燃機関用アルミニウム合金ピストンが提案されている(例えば、特許文献3参照)。 Further, as another method, for example, in an aluminum alloy piston for an internal combustion engine having a concave combustion chamber on the top surface, without performing the alumite treatment applied to the top surface to the crack generation portion, the crack generation portion is an inorganic fiber There has been proposed an aluminum alloy piston for an internal combustion engine, which has been subjected to composite strengthening by means such as the above, and has a hard alumite coating formed on the remaining region (see, for example, Patent Document 3).
しかしながら、これらの方法では、キャビティーの内部の燃焼温度が高く、このキャビティーにおける熱損失が多いので、ピストン全体の熱損失を小さくするができない。つまり、ピストンのリップ部分以上の頂面側のみをアルマイト遮熱しているだけでは、キャビティー内の熱損失が大きく、熱効率の改善が限定的となってしまう。その上、キャビティーを単にアルマイトやジルコニア等の遮熱膜でコーディングしても、表面が荒いと、燃焼状態が悪化し、熱効率の向上効果が相殺されてしまう。 However, these methods cannot reduce the heat loss of the entire piston because the combustion temperature inside the cavity is high and the heat loss in this cavity is large. In other words, if the alumite heat is shielded only on the top surface side above the lip portion of the piston, the heat loss in the cavity is large and the improvement of the thermal efficiency is limited. Moreover, even if the cavity is simply coated with a heat shield film such as alumite or zirconia, if the surface is rough, the combustion state deteriorates and the effect of improving the thermal efficiency is offset.
一方、本発明者は、アルマイト膜の厚さと表面の粗さとの関係に注目して、膜の厚さが薄いと表面の平滑度合いが良くなるとの知見を得た。 On the other hand, the present inventor paid attention to the relationship between the thickness of the alumite film and the roughness of the surface, and found that the thinner the film, the better the smoothness of the surface.
本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関のピストンにおいて、遮熱コーティング皮膜の厚みをピストンの部位に応じて変化させることにより、ピストン全体の遮熱効果を向上させながら、しかも、キャビティー内における表面における平滑度合いを維持して燃焼状態を良好に維持できて、内燃機関の熱効率を向上できる、内燃機関のピストン、内燃機関、及び内燃機関のピストンの製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is, in a piston of an internal combustion engine, a heat shield effect of the entire piston by changing the thickness of the heat shield coating film according to the portion of the piston. Of the internal combustion engine piston, the internal combustion engine, and the piston of the internal combustion engine can improve the thermal efficiency of the internal combustion engine by maintaining the smoothness of the surface in the cavity while maintaining a good combustion state. It is to provide a manufacturing method.
さらなる目的は、遮熱コーティング皮膜により、ピストン全体の遮熱効果を向上させながらも、キャビティーのリップ部分(口縁部)の比較的亀裂が発生し易い部位における亀裂の発生を抑制することができて、ピストン及びこのピストンを使用している内燃機関の耐久性を向上することができる内燃機関のピストン、内燃機関、及び内燃機関のピストンの製造方法を提供することにある。 A further object is to improve the heat-shielding effect of the entire piston by the heat-shielding coating film, while suppressing the occurrence of cracks in the lip portion (rim of the cavity) where cracks are likely to occur. An object of the present invention is to provide a piston of an internal combustion engine, an internal combustion engine, and a method of manufacturing the piston of the internal combustion engine, which can improve the durability of the piston and the internal combustion engine using the piston.
上記の目的を達成するための本発明の内燃機関のピストンは、内燃機関のピストンであって、前記ピストンの上部部分を遮熱コーティングしてあると共に、この遮熱コーティング皮膜の厚さに関しては、前記ピストンの少なくともキャビティーのリップ部分を含む第1領域の厚さを、前記リップ部分を含まず、前記ピストンの頂面とキャビティーの中央部分を含む第2領域の厚さよりも薄く形成している。 The piston of the internal combustion engine of the present invention for achieving the above object is a piston of an internal combustion engine, the upper part of the piston is heat-shielding coated, and with respect to the thickness of the heat-shielding coating film, The thickness of the first region including at least the lip portion of the cavity of the piston is formed thinner than the thickness of the second region not including the lip portion and including the top surface of the piston and the central portion of the cavity. There is.
この構成によれば、遮熱コーティング皮膜は厚いとその表面が荒くなり、薄いとその表面が平滑になるので、遮熱コーティング皮膜が厚い第2領域では面積当たりの遮熱効果が大きく、一方、遮熱コーティング皮膜が薄い第1領域では、第2領域よりも面積当たりの遮熱効果は少ないが、第1領域では高温になるので遮熱効果自体は大きくなり、また、その表面は平滑で、荒くなっていないので燃焼状態を良好に維持できる。そのため、ピストン全体としての熱効率を向上できる。 According to this configuration, if the thermal barrier coating film is thick, the surface becomes rough, and if it is thin, the surface becomes smooth, so that the thermal barrier effect per area is large in the second region where the thermal barrier coating film is thick, while In the first region where the thermal barrier coating film is thin, the heat shielding effect per area is smaller than in the second region, but since the temperature becomes higher in the first region, the heat shielding effect itself becomes large, and the surface is smooth, Since it is not rough, it is possible to maintain a good combustion state. Therefore, the thermal efficiency of the piston as a whole can be improved.
また、遮熱コーティング皮膜により、ピストン全体の遮熱効果を向上させながらも、キャビティーのリップ部分の比較的熱応力により亀裂が発生し易い部位における遮熱コーティング皮膜の厚さを、熱応力が大きくなって亀裂が発生するほどには厚くせずに、適度な厚さに抑えているので、この部位の熱応力による亀裂の発生を抑制することができる。 In addition, the thermal barrier coating improves the thermal barrier effect of the entire piston, but the thickness of the thermal barrier coating at the portion where cracks are likely to occur due to the thermal stress of the lip portion of the cavity Since the thickness is suppressed to an appropriate thickness without increasing the thickness so that the crack becomes large and cracks are generated, it is possible to suppress the generation of cracks due to thermal stress in this portion.
なお、この第1領域は、リップ部分を含むが、この第1領域を広げる場合には、リップ部分からキャビティーの底面側に伸ばして、キャビティーの側面部分を含めるように広げることが好ましい。 The first region includes a lip portion, but when the first region is widened, it is preferable to extend the lip region from the lip portion to the bottom surface side of the cavity and to include the side surface portion of the cavity.
上記の内燃機関のピストンにおいて、前記遮熱コーティング皮膜の厚さに関して、前記第1領域の厚さを5μm以上で50μm未満に、前記第2領域の厚さを50μm以上で500μm以下に形成しているように構成される。 In the piston of the internal combustion engine, the thickness of the thermal barrier coating film is formed such that the thickness of the first region is 5 μm or more and less than 50 μm, and the thickness of the second region is 50 μm or more and 500 μm or less. Configured to be.
第1領域の遮熱コーティング皮膜の厚さを5μm以上で50μm未満の厚さにすると、表面の状態を燃焼状態が悪化せずに良好な状態を維持できる程度まで平滑な状態に保つことができ、遮熱効果を発揮できる。また、第2領域の遮熱コーティング皮膜の厚さを、50μm以上で500μm以下の厚さにすると、適度なアルマイト皮膜の形成処理で、この厚さの遮熱コーティング皮膜を比較的容易に形成できる上に、比較的大きな遮熱効果を発揮できる。 When the thickness of the thermal barrier coating film in the first region is 5 μm or more and less than 50 μm, the surface condition can be kept smooth to such an extent that the combustion condition does not deteriorate and a good condition can be maintained. The heat shield effect can be exhibited. When the thickness of the thermal barrier coating film in the second region is 50 μm or more and 500 μm or less, the thermal barrier coating film of this thickness can be relatively easily formed by an appropriate alumite film forming treatment. Moreover, a relatively large heat shield effect can be exhibited.
また、上記の内燃機関のピストンにおいて、前記ピストンのリップ部分の部位を複合強化して形成していると、ピストンのピストンピン孔の方向の両側の互いに対向するリップ部分の部位は亀裂が発生し易いので、アルマイト皮膜などを厚くすると、このアルマイト皮膜に亀裂が発生するという問題が生じるが、この構成では遮熱コーティング皮膜の厚さを亀裂が発生し難い厚さに留めると共に、さらに、この部位をアルミニウム合金の複合強化により強化でき、この部位における亀裂の発生を防止できるようになる。 In addition, in the piston of the internal combustion engine, when the lip portion of the piston is formed by composite strengthening, cracks occur at the lip portion portions on both sides of the piston in the direction of the piston pin hole. Since it is easy, if you thicken the alumite film etc., there will be a problem that cracks will occur in this alumite film, but with this configuration the thickness of the thermal barrier coating film is kept to a thickness where cracks do not easily occur, Can be strengthened by the composite strengthening of the aluminum alloy, and the occurrence of cracks at this portion can be prevented.
そして、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、上記の内燃機関のピストンを備えていることを特徴とする内燃機関であり、上記の内燃機関のピストンと同様の効果を奏することができる。 And an internal combustion engine of the present invention for achieving the above object is an internal combustion engine characterized by including the piston of the above internal combustion engine, and has the same effect as the piston of the above internal combustion engine. You can
また、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関のピストンの製造方法は、上記の内燃機関のピストンの製造方法であり、前記ピストンのピストン本体をアルミニウム合金で形成して、前記第1領域を再溶融した後に、前記ピストンの上部部分を遮熱コーティングすることを特徴とする方法である。 A method for manufacturing a piston for an internal combustion engine according to the present invention to achieve the above object is the method for manufacturing a piston for an internal combustion engine, wherein the piston body of the piston is formed of an aluminum alloy, and the first After remelting the area, a thermal barrier coating is applied to the upper portion of the piston .
この方法は、合金組成の制御により膜の厚さを調整する方法であり、アルミニウム合金をレーザーやアークなどを用いることにより再溶融(リメルト)すると、その組織(粒径)が細かくなり、アルマイト皮膜の成膜速度を遅くすることができ、薄い膜形成となることを利用する方法である。 This method is a method of adjusting the film thickness by controlling the alloy composition, and when the aluminum alloy is remelted (remelted) by using a laser or an arc, its structure (particle size) becomes finer and the alumite film is formed. It is a method that utilizes the fact that the film formation rate can be slowed down and a thin film can be formed.
あるいは、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関のピストンの製造方法は、上記の内燃機関のピストンの製造方法であり、前記ピストンのピストン本体をアルミニウム合金で形成する際に、前記第1領域のアルミニウム合金を複合強化して形成し、この後に前記ピストンの上部部分を遮熱コーティングすることを特徴とする。 Alternatively, a method of manufacturing a piston of an internal combustion engine of the present invention for achieving the above object is a method of manufacturing a piston of the internal combustion engine, wherein the piston main body of the piston is formed of an aluminum alloy, the It is characterized in that the aluminum alloy in one region is formed by composite strengthening, and then the upper portion of the piston is subjected to thermal barrier coating.
この方法は、アルミニウム合金の複合化により膜の厚さを調整する方法であり、アルミニウム合金の中にウィスカーまたはセラミックス繊維などで複合強化しておくと、アルマイト皮膜などの遮熱コーティング皮膜の成長速度を遅くすることができ、薄い膜形成となることを利用する方法である。 This method is a method of adjusting the film thickness by compounding an aluminum alloy.If the aluminum alloy is compounded and strengthened with whiskers or ceramic fibers, the growth rate of a thermal barrier coating such as an alumite film will increase. It is a method that utilizes the fact that it is possible to slow down the process and form a thin film.
本発明の内燃機関のピストン、内燃機関、及び内燃機関のピストンの製造方法によれば、キャビティーのリップ部分を含む第1領域も、キャビティーのリップ部分を含まず、ピストンの頂面とキャビティーの中央部分を含む第2領域の両方のピストンの上部部分を遮熱コーティングするので、内部の温度が高温になり、遮熱効果が比較的大きいキャビティー内も遮熱コーティング皮膜により遮熱することができ、また、第1領域の遮熱コーティング皮膜の厚さを第2領域の遮熱コーティング皮膜の厚さよりも薄く形成していることにより、第1領域のその表面は平滑で、荒くなっていないので燃焼状態を良好に維持できる。そのため、ピストン全体としての熱効率を向上できる。 According to the piston of the internal combustion engine, the internal combustion engine, and the method for manufacturing the piston of the internal combustion engine of the present invention, the first region including the lip portion of the cavity does not include the lip portion of the cavity, and the top surface of the piston and the cavity Since the upper part of both pistons in the second area including the central part of the tee is heat shield coated, the internal temperature becomes high, and the heat shield coating film also shields heat inside the cavity where the heat shield effect is relatively large. In addition, since the thickness of the thermal barrier coating film in the first region is formed thinner than the thickness of the thermal barrier coating film in the second region, the surface of the first region is smooth and rough. Since it does not, it is possible to maintain a good combustion state. Therefore, the thermal efficiency of the piston as a whole can be improved.
また、遮熱コーティング皮膜により、ピストン全体の遮熱効果を向上させながらも、キャビティーのリップ部分の比較的熱応力による亀裂が発生し易い部位における遮熱コーティング皮膜の厚さを、熱応力による亀裂の発生の原因になるほど厚くせずに、適度な厚さに抑えているので、この部位の熱応力による亀裂の発生を抑制することができて、ピストン及びこのピストンを使用している内燃機関の耐久性を向上することができる。 Also, while improving the heat shield effect of the entire piston by the heat shield coating film, the thickness of the heat shield coating film on the lip portion of the cavity where cracks are likely to occur due to heat stress The thickness of the piston and the internal combustion engine that uses this piston can be suppressed because the thickness is suppressed to an appropriate thickness without being thick enough to cause cracks. The durability of can be improved.
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関のピストン、内燃機関、及び内燃機関のピストンの製造方法について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明に係る実施の形態の内燃機関は、本発明に係る実施の形態の内燃機関のピストン10を備えている構成をしており、後述する内燃機関のピストン10が奏する作用効果と同様の作用効果を奏することができる。
Hereinafter, a piston for an internal combustion engine, an internal combustion engine, and a method for manufacturing the piston for the internal combustion engine according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The internal combustion engine according to the embodiment of the present invention has a configuration including the
図1に示すように、本発明に係る実施の形態の内燃機関のピストン(以下、ピストン)10は、シリンダ(図示しない)内で上下運動し、コンロッド(図示しない)を介してクランクシャフト(図示しない)を回転させる機能を有している。 As shown in FIG. 1, a piston (hereinafter, piston) 10 of an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention moves up and down in a cylinder (not shown), and a crankshaft (not shown) via a connecting rod (not shown). Not) has the function of rotating.
このピストン10のピストン本体11の上部部分(ピストン頭頂部:ピストンクラウン)Rtに凹部形状のキャビティー12(燃焼室)が形成され、そのリップ部分(口縁部)13の外側に平坦な頂面14が形成されている。また、それより下のピストン本体11の外周面には、コンプレッションリング用のピストンリング溝15a、15bとオイルリング用のピストンリング溝15cが形成されており、その下側はピストンスカート16となっている。また、ピストン本体11には、ピストン本体11とコンロッド(図示しない)をつなぐピストンピン17が挿入されるピストンピン孔18が設けられている。
A concave-shaped cavity 12 (combustion chamber) is formed in an upper portion (piston crown: piston crown) Rt of the
なお、必要に応じて、ピストン10が上昇した際に排気バルブや吸気バルブが開いた状態でもピストン10と接触しないように逃げの部分となるバルブリセスが設けられるが、図1〜図3では図を簡略化するためにこれらを省略している。また、ピストン本体11を冷却するためのエンジンオイルの冷却通路(クーリングチャンネル)やピストンの裏側にエンジンオイルを噴射する噴射機構なども図示していない。
In addition, if necessary, a valve recess serving as a relief portion is provided so as not to contact the
図1〜図3に示すように、本発明においては、このピストン10の上部部分Rtの表面は遮熱コーティングしてある。つまり、ピストン本体11は、熱膨張率が低く、耐熱性に優れ、さらに軽量であるためにアルミニウム合金で製作されることが多い。このアルミニウム合金は熱伝導率が高く、ピストン上部部分Rtの熱を早く逃がすことができ冷却性に優れているが、エンジンにおいては燃焼状態を良好に保ち燃焼における熱効率を高く維持するためには、燃料が燃焼する部分の遮熱が重要となる。そのため、ピストン上部部分Rtの遮熱性を高めるために、遮熱コーティングして遮熱コーティング皮膜をピストン10の上部部分Rtに形成する。
As shown in FIGS. 1 to 3, in the present invention, the surface of the upper portion Rt of the
この遮熱コーティング皮膜を形成する方法としては、アルマイト皮膜やジルコニア皮膜などを形成する方法がある。このアルマイト層の遮熱コーティング皮膜は、アルミニウム合金製のピストンを陽極として、シュウ酸、硫酸、クロム酸などの水溶液である電解液に浸漬して電解を行うことで、ピストン10の上部部分Rtを酸化して、この部分のアルミニウム合金の表面上に酸化アルミニウムを成長させて酸化皮膜を形成する陽極酸化処理で容易に形成することができる。なお、一般的に、エンジンのピストンにおいては、「硬質アルマイト」と呼ばれる皮膜硬さと耐摩耗性能に優れたアルマイト皮膜の形成が行われる。なお、このアルマイト皮膜の熱伝導率はアルミニウムの約3分の1程度である。
As a method of forming this thermal barrier coating film, there is a method of forming an alumite film or a zirconia film. The thermal barrier coating film of the alumite layer uses the piston made of an aluminum alloy as an anode and is immersed in an electrolytic solution which is an aqueous solution of oxalic acid, sulfuric acid, chromic acid or the like to carry out electrolysis, so that the upper portion Rt of the
また、ジルコニア層の遮熱コーティング皮膜は、一般的にはプラズマ溶射等の溶射により形成れ、ジルコニア(ZrO2)等のセラミック材料の遮熱皮膜をピストンなどのエンジン部品に成膜させる。なお、このジルコニア等の遮熱コーティング皮膜の内部の気孔率は20%〜30%であり、このジルコニア皮膜の熱伝導率は約1W/m・K程度の低いものとなる。 The thermal barrier coating of the zirconia layer is generally formed by thermal spraying such as plasma spraying, and a thermal barrier coating of a ceramic material such as zirconia (ZrO 2 ) is deposited on engine parts such as pistons. The internal porosity of the thermal barrier coating film such as zirconia is 20% to 30%, and the thermal conductivity of the zirconia film is as low as about 1 W/mK.
本発明においては、さらに、このピストン10の上部部分Rtにおいて、ピストン10の少なくともキャビティー12のリップ部分13を含む第1領域(図1〜図3のクロスハッチング部分)R1と、キャビティー12のリップ部分13を含まず、ピストン10の頂面14とキャビティー12の中央部分を含む第2領域(図1〜図3の斜線ハッチング部分)R2とに分ける。そして、遮熱コーティングの膜の厚さに関して、この第1領域R1の厚さを、第2領域R2の厚さよりも薄く形成する。
In the present invention, further, in the upper portion Rt of the
なお、この第1領域は、リップ部分を含むが、この第1領域を広げる場合には、リップ部分からキャビティーの底面側に伸ばして、キャビティーの側面部分を含めるように広げることが好ましい。 The first region includes a lip portion, but when the first region is widened, it is preferable to extend the lip region from the lip portion to the bottom surface side of the cavity and to include the side surface portion of the cavity.
また、この遮熱コーティング皮膜の厚さに関して、第1領域R1の厚さを5μm以上で50μm未満に、第2領域R2の厚さを50μm以上で500μm以下に形成することが好ましい。 Regarding the thickness of the thermal barrier coating, it is preferable that the thickness of the first region R1 is 5 μm or more and less than 50 μm, and the thickness of the second region R2 is 50 μm or more and 500 μm or less.
第1領域R1の遮熱コーティング皮膜の厚さを5μm以上で50μm未満の厚さにすると、表面の状態を燃焼状態が悪化せずに良好な状態を維持できる程度まで平滑な状態に保つことができ、遮熱効果を発揮できる。また、第2領域R2の遮熱コーティング皮膜の厚さを50μm以上で500μm以下の厚さにすると、適度なアルマイト皮膜の形成処理でこの厚さの遮熱コーティング皮膜を比較的容易に形成できる上に、比較的大きな遮熱効果を発揮できる。 When the thickness of the thermal barrier coating film in the first region R1 is 5 μm or more and less than 50 μm, the surface condition can be kept smooth to such an extent that the combustion condition is not deteriorated and a good condition can be maintained. It is possible to exert the heat shield effect. In addition, when the thickness of the thermal barrier coating film in the second region R2 is 50 μm or more and 500 μm or less, the thermal barrier coating film of this thickness can be formed relatively easily by an appropriate alumite film forming process. In addition, a relatively large heat shield effect can be exhibited.
上記の構成により、遮熱コーティングの膜は厚いとその表面が荒くなり、薄いとその表面が平滑になるので、遮熱コーティングの膜が厚い第2領域R2では面積当たりの遮熱効果が大きく、一方、遮熱コーティングの膜が薄い第1領域R1では、第2領域R2よりも面積当たりの遮熱効果は少ないが、第1領域R1では高温になるので遮熱効果自体は大きくなる。 With the above configuration, if the film of the thermal barrier coating is thick, the surface becomes rough, and if it is thin, the surface becomes smooth, so that the thermal barrier effect per area is large in the second region R2 where the film of the thermal barrier coating is thick, On the other hand, in the first region R1 where the film of the thermal barrier coating is thin, the heat shielding effect per area is smaller than in the second region R2, but in the first region R1, the temperature is high and the heat shielding effect itself is large.
従って、キャビティー12のリップ部分13を含む第1領域R1も、キャビティー12のリップ部分13を含まず、ピストン10の頂面14を含む第2領域R2の両方のピストン10の上部部分Rtを遮熱コーティングするので、内部の温度が高温になり、遮熱効果が比較的大きいキャビティー12内も遮熱コーティング皮膜により遮熱することができる。
Therefore, the first region R1 including the
また、第1領域R1の遮熱コーティング皮膜の厚さを第2領域R2の遮熱コーティング皮膜の厚さよりも薄く形成していることにより、第1領域R1のその表面は平滑で、荒くなっていないのでシリンダ内の燃焼状態を良好に維持できる。そのため、ピストン全体としての熱効率を向上できる。 Further, since the thickness of the thermal barrier coating film in the first region R1 is made thinner than the thickness of the thermal barrier coating film in the second region R2, the surface of the first region R1 is smooth and rough. Since it is not present, the combustion state in the cylinder can be maintained well. Therefore, the thermal efficiency of the piston as a whole can be improved.
また、遮熱コーティングにより、ピストン10の全体の遮熱効果を向上させながらも、キャビティー12のリップ部分13の比較的熱応力による亀裂が発生し易い部位における遮熱コーティングの皮膜の厚さを、熱応力による亀裂の発生の原因になるほど厚くせずに、適度な厚さに留めているので、このリップ部分13の部位、特に、図2に一点鎖線で囲んで示す、ピストン10のピストンピン孔18の方向の両側の互いに対向する部位Rcに熱応力による亀裂が発生するのを抑制することができて、ピストン10及びこのピストン10を使用している内燃機関の耐久性を向上することができる。
In addition, the thermal barrier coating improves the overall thermal barrier effect of the
また、さらに、この部位をアルミニウム合金の複合強化により強化できるので、この部位Rcにおける熱応力による亀裂の発生を防止できるようになる。 Further, since this portion can be strengthened by the composite strengthening of the aluminum alloy, it becomes possible to prevent the occurrence of cracks in this portion Rc due to thermal stress.
次に、本発明に係る実施の形態の内燃機関のピストンの製造方法について説明する。この内燃機関のピストンの製造方法は、上記のピストン10を製造するため方法であり、ここでは、第1の実施の形態としての第1領域R1を再溶融する方法と、第2の実施の形態としての第1領域R1を複合強化しておく方法とについて説明する。
Next, a method for manufacturing the piston of the internal combustion engine according to the embodiment of the present invention will be described. This piston manufacturing method for an internal combustion engine is a method for manufacturing the
この第1の実施の形態の内燃機関のピストンの製造方法は、ピストン本体11をアルミニウム合金で形成して、第1領域R1を再溶融した後に、このピストン10の上部部分Rtを遮熱コーティングする方法である。
In the method of manufacturing a piston for an internal combustion engine according to the first embodiment, the
この方法は、合金組成の制御により膜の厚さを調整する方法であり、アルミニウム合金をレーザーを当てたり、アークを飛ばしたりして再溶融(リメルト)すると、その組織(粒径)が細かくなり、アルマイト皮膜の成膜速度を遅くすることができ、薄い膜形成ができることを利用する方法である。 This method is a method of adjusting the film thickness by controlling the alloy composition, and when the aluminum alloy is irradiated with a laser or an arc is blown to remelt it, the structure (grain size) becomes finer. It is a method that utilizes the fact that the film forming rate of the alumite film can be slowed down and a thin film can be formed.
例えば、アルマイト皮膜の厚さを約40μmにすると、このアルマイト皮膜の表面は加工前のアルミニウム合金の表面とほぼ同じ粗さを有することになる。つまり、平滑度合いの高い表面を有する遮熱コーティング皮膜を必要とする第1領域においては、アルミニウム合金を再溶融してから遮熱コーティングする。これにより、表面が平滑で、かつ、ある程度の遮熱効果を有する遮熱コーティング皮膜を得ることができる。 For example, when the thickness of the alumite coating is about 40 μm, the surface of the alumite coating has almost the same roughness as the surface of the aluminum alloy before processing. That is, in the first region requiring the thermal barrier coating film having a surface with a high smoothness, the aluminum alloy is remelted before thermal barrier coating. This makes it possible to obtain a thermal barrier coating film having a smooth surface and having a thermal barrier effect to some extent.
また、第2の実施の形態の内燃機関のピストンの製造方法は、ピストン本体11をアルミニウム合金で形成する際に、第1領域R1のアルミニウム合金を複合強化して形成し、この後にピストン10の上部部分Rtを遮熱コーティングする方法である。
In addition, in the method for manufacturing the piston for the internal combustion engine of the second embodiment, when the
この方法は、アルミニウム合金の複合化により膜の厚さを調整する方法であり、アルミニウム合金の中にウィスカーまたはセラミックス繊維などで複合強化しておくと、アルマイト皮膜などの遮熱コーティング皮膜の成長速度を遅くすることができ、薄い膜形成となることを利用する方法である。 This method is a method of adjusting the film thickness by compounding an aluminum alloy.If the aluminum alloy is compounded and strengthened with whiskers or ceramic fibers, the growth rate of a thermal barrier coating such as an alumite film will increase. It is a method that utilizes the fact that the film can be slowed down and a thin film is formed.
この複合化処理は、例えば、炭化ケイ素(SiC)のウィスカー、ホウ酸アルミニウムウィスカーやアルミナ繊維などによって形成されたプリフォームを第1領域R1に配置して、アルミニウム合金でピストンを鋳造することにより、第1領域R1を複合強化することができる。 This composite treatment is performed by, for example, disposing a preform formed of silicon carbide (SiC) whiskers, aluminum borate whiskers, alumina fibers, or the like in the first region R1, and casting a piston with an aluminum alloy, The first region R1 can be compositely strengthened.
例えば、第1領域R1をホウ酸アルミニウムウィスカーで強化したアルミニウム合金複合材料では、同じ処理時間で、通常の強化なしのアルミニウム合金部分のアルマイト膜の厚さを約180μmとした場合に、第1領域R1の複合材料部分ではアルマイト膜の厚さは約20μmで、表面はアルマイト加工前と同じ粗さであった。 For example, in the case of an aluminum alloy composite material in which the first region R1 is reinforced with aluminum borate whiskers, when the thickness of the alumite film of the normal non-reinforced aluminum alloy part is about 180 μm in the same treatment time, In the composite material portion of R1, the thickness of the alumite film was about 20 μm, and the surface had the same roughness as before the alumite processing.
特に、この方法では、キャビティー12のリップ部分13の比較的亀裂が発生し易い部位Rcにおいても、複合強化できるので熱応力による亀裂が発生するのを抑制することができて、ピストン10及びこのピストン10を使用している内燃機関の耐久性を向上することができる。
In particular, in this method, even in the region Rc of the
上記の構成の内燃機関のピストン10、内燃機関、及び内燃機関のピストンの製造方法によれば、ピストン10の少なくともキャビティー12のリップ部分13を含む第1領域R1も、キャビティー12のリップ部分13を含まず、ピストン10の頂面14を含んで形成される第2領域R2も含めて、ピストン10の上部部分Rtを遮熱コーティングするので、内部の温度が高温になり、遮熱効果が比較的大きいキャビティー12内も遮熱することができ、また、第1領域R1の厚さを第2領域R2の厚さよりも薄く形成していることにより、第1領域R1のその表面は平滑で、荒くなっていないので燃焼状態を良好に維持できる。そのため、ピストン全体としての熱効率を向上できる。
According to the
従って、内燃機関のピストン19において、遮熱コーティング皮膜の厚みをピストン10の部位に応じて変化させることにより、ピストン全体の遮熱効果を向上させながら、しかも、キャビティー12内における表面における平滑度合いを維持して燃焼状態を良好に維持できて、内燃機関の熱効率を向上できる。
Therefore, in the piston 19 of the internal combustion engine, by changing the thickness of the thermal barrier coating film according to the site of the
また、遮熱コーティング皮膜により、ピストン全体の遮熱効果を向上させながらも、キャビティー12のリップ部分(口縁部)13の比較的熱応力による亀裂が発生し易い部位Rcにおける熱応力による亀裂の発生を抑制することができて、ピストン10及びこのピストン10を使用している内燃機関の耐久性を向上することができる。
Further, the thermal barrier coating film improves the thermal barrier effect of the entire piston, but cracks due to thermal stress in the region Rc where cracks due to thermal stress in the lip portion (rim portion) 13 of the
そして、本発明の段付きアルマイト遮熱膜を形成したピストン10と、従来技術のアルマイト遮熱膜を全く形成しない比較例1のピストンと、頂面のみにアルマイト遮熱膜を形成して、キャビティーにはアルマイト遮熱膜を形成しない比較例2のピストンとを比べると、実験例ではあるが、本発明の実施例のピストン10は、比較例1のピストンよりも熱効率で3.5%程度向上でき、比較例2のピストンよりも熱効率で1%改善されているとの結果を得ている。
Then, the
10 ピストン(内燃機関のピストン)
11 ピストン本体
12 キャビティー
13 リップ部分
14 頂面
15a、15b、15c ピストンリング溝
16 ピストンスカート
17 ピストンピン
18 ピストンピン孔
10 piston (piston of internal combustion engine)
11
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