JP7380803B2 - 内燃機関のピストンの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、遮熱コーティングが形成された頂面を有する内燃機関（以下、単に「エンジン」とも称す。）のピストンの製造方法に関する。

特開２０１９－０７４００９号公報は、遮熱コーティングが形成された頂面を有するエンジンのピストンを開示する。この遮熱コーティングは、多孔質アルミナから構成される層（以下、「アルマイト層」とも称す。）を有する。多孔質アルミナは、ピストンの素材の陽極酸化処理により形成される。アルマイト層は、その構造が故に、素材よりも体積比熱と熱伝導率において低い熱物性を示す。

アルマイト層が形成されたピストンによれば、エンジンの燃焼室内の作動ガスの温度に、頂面の温度を追従させることが可能となる。すなわち、膨張行程では、上昇する燃焼ガスの温度に、頂面の温度を追従させることが可能となる。また、吸気行程では、比較的低い吸気の温度に、頂面の温度を追従させることが可能となる。このような追従特性は、「スイング特性」とも呼ばれる。スイング特性によれば、冷却損失の低減と、ノッキングの発生抑制と、を両立させることが可能となる。

特開２０１９－０７４００９号公報

アルマイト層の表面には、厚さ方向に延びる無数の細孔が開口している。そのため、燃焼室内の燃料は、これらの細孔の開口部からアルマイト層の内部に入り込むことが予想される。つまり、燃焼室内の燃料は、アルマイト層に染み込むことが予想される。

アルマイト層の温度が高ければ、このような燃料の染み込みは起こりにくい。何故なら、この場合は、アルマイト層に燃料が接触したとしても、この燃料の霧化状態が保たれることが予想されるためである。ところが、上述したスイング特性によれば、吸気行程ではアルマイト層の温度が低下する。そのため、アルマイト層に接触した燃料がアルマイト層に染み込み、圧縮行程でも蒸発しない可能性がある。

また、上述したスイング特性によれば、膨張行程ではアルマイト層の温度が上昇する。そのため、アルマイト層に染み込んでいる燃料が、膨張行程の後半に蒸発する可能性がある。そうすると、この燃料を膨張行程で燃焼させることができず、その後の排気行程で燃焼室外に排出される。したがって、アルマイト層が形成されたエンジンでは、燃焼に寄与しない燃料が発生してエネルギ効率が低下するという問題がある。

上述した頂面の一部の領域には、開口部を封じる封孔層がアルマイト層の上に形成されている。開口部が封じられていれば、燃料の染み込みを抑制することが可能となる。ところが、封孔層が形成されれば、遮熱コーティングの層厚が増すことになる。そうすると、遮熱コーティング全体の熱容量が増加する可能性がある。また、封孔層が形成されれば、その体積比熱および熱伝導率が遮熱コーティングの熱物性に影響する可能性がある。したがって、スイング特性の維持が困難になるおそれがあった。

本発明の１つの目的は、アルマイト層が形成された頂面を有するピストンを備えるエンジンにおいて、アルマイト層によるスイング特性を活かしつつ、燃焼に寄与しない燃料の発生を抑えることのできる技術を提供することにある。

第１の発明は、内燃機関のピストンの製造方法であり、次の特徴を有する。
前記ピストンは、多孔質アルミナから構成される頂面を有する。
前記頂面は、第１領域と、第２領域と、を備える。
前記第１領域は、前記頂面の外周に繋がる領域の一部または全てを含む。
前記第２領域は、第１領域に隣接する。前記第２領域は、前記頂面の内側の領域の一部または全てを含む。
前記製造方法は、
前記頂面が鋳肌で覆われたアルミニウム合金製の鋳造ピストンを準備するステップと、
前記第１領域における前記鋳肌を除去して、前記鋳造ピストンの素材面を露出させるステップと、
前記素材面が露出した前記鋳造ピストンの陽極酸化処理により、前記第１および第２領域に多孔質アルミナを形成するステップと、
を備える。

第２の発明は、第１の発明において、更に次の特徴を有する。
前記頂面には、バルブリセス部が形成され、
前記バルブリセス部を構成する面は、前記第２領域に属する。

第３の発明は、第１の発明において、更に次の特徴を有する。
前記頂面には、バルブリセス部が形成され、
前記バルブリセス部を構成する面が、前記第１領域に属する。

第４の発明は、第１～３のいずれか１つの発明において、更に次の特徴を有する。
前記第１領域が、前記外周に繋がる領域の全てを含み、
前記第２領域が、前記第１領域の内側に位置する。

第５の発明は、第１～４のいずれか１つの発明において、更に次の特徴を有する。
前記多孔質アルミナが、厚さ方向に延びる細孔を有し、
前記細孔の開口部が、前記頂面に開口する。

本発明によれば、その頂面が多孔質アルミナから構成されるピストンを得ることができる。頂面が多孔質アルミナから構成されるということは、細孔の開口部を封じるための層（すなわち、封孔層）は設けられていないことを意味する。そのため、封孔層の形成に伴って増加する各種の問題は生じない。したがって、アルマイト層の熱物性を活かして、スイング特性による効果を確実に得ることが可能となる。

本発明によれば、また、鋳造ピストンの鋳肌の除去が第１領域においてのみ行われる。そのため、鋳肌の除去を第１および第２領域において行う場合に比べて、加工に要する時間を短縮することが可能となる。したがって、ピストンの製造コストを削減することが可能となる。

本発明によれば、また、第１領域においては素材面を露出させ、第２領域においては鋳肌を残した状態で、陽極酸化処理が行われる。ここで、鋳肌を構成する素材の酸化速度は、素材面を構成する素材のそれよりも遅い。したがって、素材面と鋳肌が混在する状態で陽極酸化処理が行われることで、第２領域におけるアルマイト層が第１領域におけるそれよりも薄いピストンを得ることが可能となる。

実施の形態に係る製造方法により得られるピストンの第１の構成例を示す平面図である。 図１に示した２－２線に沿って切断したピストンの断面図である。 図１に示した３－３線に沿って切断したピストンの断面図である。 実施の形態に係る製造方法により得られるピストンの第２の構成例を示す平面図である。 実施の形態に係る製造方法により得られるピストンの第３の構成例を示す平面図である。 実施の形態に係る製造方法により得られるピストンの第４の構成例を示す平面図である。 実施の形態に係る製造方法により得られるピストンの第５の構成例を示す平面図である。 実施の形態に係る製造方法により得られるピストンの第６の構成例を示す平面図である。 実施の形態に係る製造方法により得られるピストンの第７の構成例を示す平面図である。 実施の形態に係るピストンの製造方法の流れを示すフローチャートである。 図１０のステップＳ２の概要を示す図である。 図１０のステップＳ３の概要を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

１．ピストンの構成例
まず、図１～９を参照して本発明の実施の形態に係る製造方法により得られるピストンの構成について説明する。本実施の形態に係る製造方法により得られるピストンは、好ましくは、車両に搭載されるエンジンに適用される。このようなエンジンとしては、火花点火式のエンジンおよび圧縮自着火式のエンジンが例示される。

１－１．第１の構成例
図１は、本実施の形態に係る製造方法により得られるピストンの第１の構成例を示す平面図である。図１の上方に示される“ＩＮ”の方向はエンジンの吸気側の方向を表し、“ＥＸ”の方向は、エンジンの排気側の方向を表している。図２は、図１に示した２－２線に沿って切断したピストンの断面図である。図３は、図１に示した３－３線に沿って切断したピストンの断面図である。

図１～３に示されるピストンは、火花点火式のエンジンに適用される。図１～３に示されるように、このピストンの頂面１０には、皿状の窪み部１１と、平面部１２および１３と、傾斜部１４と、が形成されている。窪み部１１は、頂面１０の中央部に形成される。窪み部１１は、インジェクタ（不図示）から噴射された燃料と、吸気との混合気を燃焼室内に拡散させる目的で形成される。平面部１２および１３は、窪み部１１の外側に形成される。傾斜部１４は、平面部１２および１３の外側に形成される。傾斜部１４は、頂面１０の中心から離れるほどピストンの内側方向に傾斜している。傾斜部１４は、ピストンの上昇時、シリンダヘッド（不図示）の底面との間にスキッシュエリアを形成する。

図１～３に示されるピストンの形状それ自体は公知である。公知のピストンには、平面部１２および１３を有さず、窪み部１１の外側に傾斜部１４が位置するピストンも例示される。

図１～３に示されるように、頂面１０にはアルマイト層ＡＬが形成されている。アルマイト層ＡＬは、厚さ方向に規則正しく延びる無数の細孔を有している。アルマイト層ＡＬのこのような構造は、例えば特開２０１３－０６０６２０号公報に開示されている。アルマイト層ＡＬの熱物性については、既に説明したとおりである。

第１の構成例の特徴は、第１領域におけるアルマイト層ＡＬの層厚ＴＨ１と、第２領域におけるそれの層厚ＴＨ２との違いにある。図１において、ハッチングが掛けられている領域が第２領域に該当する。つまり、第２領域は、窪み部１１、平面部１２および１３を構成する面の領域に相当する。第２領域以外の領域が、第１領域に該当する。つまり、第１領域は、傾斜部１４を構成する面の領域に相当する。

図２および３に示されるように、層厚ＴＨ２は層厚ＴＨ１よりも薄い。なお、層厚ＴＨ１およびＴＨ２の代表的な測定方法としては、直接法が例示される。直接法では、まず、アルマイト層ＡＬの厚さ方向にピストンが切断される。そして、第１および第２領域に相当する領域における任意の点で、アルマイト層ＡＬの厚さが測定される。測定点は複数でもよい。この場合、層厚ＴＨ１およびＴＨ２は、複数の測定値の平均値、中央値または最頻値により表される。

層厚ＴＨ１とＴＨ２の大小関係は、以下に説明する第２～７の構成例においても同じである。そのため、第２～７の構成例の説明では、第１および第２領域の位置関係の説明を主に行い、断面図を用いた大小関係の説明を省略する。

１－２．第２の構成例
図４は、本実施の形態に係る製造方法により得られるピストンの第２の構成例を示す平面図である。図４に示されるピストンは、火花点火式のエンジンに適用される。図４に示されるように、このピストンの頂面２０には、バルブリセス部２１および２２と、平面部２３と、が形成されている。バルブリセス部２１および２２は、２本の排気バルブ（不図示）が頂面２０に干渉するのを防止する目的で形成される。バルブリセス部２１および２２は、頂面２０の中心から離れるほどピストンの内側方向に傾斜している。平面部２３は、バルブリセス部２１および２２の間に形成される。平面部２３は、図１の排気側における平面部１２の一部に該当する。

図４において、ハッチングが掛けられている領域が第２領域に該当する。つまり、第２領域は、窪み部１１、平面部１２、１３および２３、バルブリセス部２１および２２を構成する面の領域に相当する。第２領域以外の領域が、第１領域に該当する。つまり、第１領域は、傾斜部１４を構成する面の領域に相当する。

１－３．第３の構成例
図５は、本実施の形態に係る製造方法により得られるピストンの第３の構成例を示す平面図である。図５に示されるピストンは、火花点火式のエンジンに適用される。図５に示されるように、このピストンの頂面３０には、バルブリセス部３１および３２と、平面部３３と、が形成されている。バルブリセス部３１および３２は、２本の吸気バルブ（不図示）が頂面３０に干渉するのを防止する目的で形成される。バルブリセス部３１および３２は、頂面３０の中心から離れるほどピストンの内側方向に傾斜している。平面部３３は、バルブリセス部３１および３２の間に形成される。平面部３３は、図１の吸気側における平面部１２の一部に該当する。

図５において、ハッチングが掛けられている領域が第２領域に該当する。つまり、第２領域は、窪み部１１、平面部１３、２３および３３、および、バルブリセス部２１、２２、３１および３２を構成する面の領域に相当する。第２領域以外の領域が、第１領域に該当する。つまり、第１領域は、傾斜部１４を構成する面の領域に相当する。

１－４．第４の構成例
図６は、本実施の形態に係る製造方法により得られるピストンの第４の構成例を示す平面図である。図６に示されるピストンは、火花点火式のエンジンに適用される。図６に示されるように、このピストンの頂面４０には、皿状の窪み部４１が形成されている。窪み部４１の基本的な形状は、図１に示した窪み部１１と同じである。ただし、窪み部４１の中央部には、窪み部４２が更に形成されている。窪み部４２は、燃焼状態の改善を目的として形成される。窪み部４２の形状としては、半球状が例示される。窪み部４１の外側には、傾斜部４３が形成されている。傾斜部４３は、シリンダヘッドの底面との間にスキッシュエリアを形成する。

図６において、ハッチングが掛けられている領域が第２領域に該当する。つまり、第２領域は、窪み部４１、および、バルブリセス部２１、２２、３１および３２を構成する面の領域に相当する。第２領域以外の領域が、第１領域に該当する。つまり、第１領域は、窪み部４２および傾斜部４３を構成する面の領域に相当する。

第１～３の構成例では、第１領域の内側の全てを第２領域が占めている。これに対し、第４の構成例では、２つの第１領域の間に第２領域が位置している。つまり、第１領域の内側の一部のみを第２領域が占めている。このような位置関係にした理由は、燃焼前の混合気との接触機会が多い領域に着目しているからである。接触機会が多い領域では、接触機会が少ない領域に比べて、細孔の開口部からアルマイト層ＡＬの内部に混合気が入り込み易い。そのため、接触機会が多い領域では、混合気中の燃料がアルマイト層ＡＬに染み込み易い。

１－５．第５の構成例
接触機会に着目した場合、バルブリセス部２１、２２、３１および３２を構成する面の領域での接触機会は、窪み部４１を構成する面の領域での接触機会に比べて少ないことが予想される。そのため、バルブリセス部を構成する面の領域は、第１領域に設定されてもよい。つまり、バルブリセス部を構成する面の領域におけるアルマイト層ＡＬは、層厚ＴＨ１を有していてもよい。

図７は、本実施の形態に係る製造方法により得られるピストンの第５の構成例を示す平面図である。図７に示される第５の構成例の形状は、第２の構成例のそれと同じである。ただし、第５の構成例では、バルブリセス部２１および２２を構成する面の領域が、第２領域ではなく第１領域に該当する点において、第２の構成例と異なる。

第５の構成例における変形は、図５および６に示した第３および４の構成例に適用されてもよい。つまり、バルブリセス部２１、２２、３１および３２を構成する面の領域が、第１領域に該当してもよい。

更に、バルブリセス部２１、２２、３１および３２を構成する面のうちの一部の領域が、第１領域に設定されてもよい。インジェクタからの噴射態様によっては、接触機会の多い領域が吸気側または排気側の領域に偏ることが想定されるためである。例えば、接触機会の多い領域が排気側の領域に偏るエンジンの場合を考える。この場合は、吸気側の領域での接触機会が少なくなることが予想される。よって、この場合は、吸気側のバルブリセス部を構成する面の領域（例えば、第３および４の構成例におけるバルブリセス部３１および３２を構成する面の領域）が第１領域に設定されてもよい。

１－６．第６の構成例
図８は、本実施の形態に係る製造方法により得られるピストンの第６の構成例を示す平面図である。図８に示されるピストンは、圧縮自着火式のエンジンに適用される。図８に示されるように、このピストンの頂面６０には、窪み部６１と、平面部６２と、バルブリセス部６３～６６と、が形成されている。窪み部６１は、エンジンの主たる燃焼室を構成する。バルブリセス部６３～６６は、平面部６２と平行に設けられる。バルブリセス部６３および６４は、排気バルブ（不図示）との干渉を防止する目的で形成される。バルブリセス部６５および６６は、吸気バルブ（不図示）との干渉を防止する目的で形成される。

図８において、ハッチングが掛けられている領域が第２領域に該当する。つまり、第２領域は、窪み部６１、およびバルブリセス部６３～６６を構成する面の領域に相当する。第２領域以外の領域が、第１領域に該当する。つまり、第１領域は、平面部６２を構成する面の領域に相当する。

ここで、平面部６２を構成する面は、隣り合う２つのバルブリセス部によって４つに分割されている。つまり、第６の構成例において、第１領域は、頂面６０の外周に繋がる領域の一部を含んでいる。バルブリセス部６３～６６を構成する面は、頂面６０の外周の一部を含んでいる。つまり、第６の構成例において、第２領域は、頂面６０の外周に繋がる領域の一部を含んでいる。

１－７．第７の構成例
図９は、本実施の形態に係る製造方法により得られるピストンの第７の構成例を示す平面図である。図９に示される第７の構成例の形状は、第６の構成例のそれと同じである。ただし、第７の構成例では、バルブリセス部６３～６６を構成する面の領域が、第２領域ではなく第１領域に該当する点において、第６の構成例と異なる。つまり、第６および７の構成例の関係は、上述した第２および５の構成例の関係と同じである。

１－８．効果
以上説明した各種の構成例では、アルマイト層ＡＬのみから頂面が構成される。つまり、各種の構成例では、開口部を封じるための層（すなわち、封孔層）が設けられていない。そのため、封孔層の形成に伴って増加する各種の問題（すなわち、遮熱コーティングの全体厚および全容積の問題）は生じない。このように、本実施の形態に係るピストンによれば、アルマイト層ＡＬの熱物性を活かして、スイング特性による効果を確実に得ることが可能となる。

また、各種の構成例では、層厚ＴＨ２が層厚ＴＨ１よりも薄い。層厚ＴＨが薄ければ、細孔の開口部からアルマイト層ＡＬの内部に入り込む混合気の量を抑えて、アルマイト層ＡＬに染み込む燃料の量を抑えることが可能となる。また、層厚ＴＨが薄ければ、アルマイト層ＡＬに染み込んだ燃料が蒸発したときに開口部から容易に抜け出すことも可能となる。したがって、本実施の形態に係るピストンによれば、燃焼に寄与しない燃料が発生してエネルギ効率が低下するのを抑えることができる。

特に、第２～４および６の構成例では、バルブリセス部を構成する領域が第２領域に設定される。そのため、バルブリセス部が頂面に形成されるピストンが適用されるエンジンにおいても、上述した効果を得ることが可能となる。

一方、第５および７の構成例では、バルブリセス部を構成する領域が第１領域に設定される。第１領域に設定されれば、第２領域に設定される場合に比べて層厚ＴＨが増加する。そうすると、バルブリセス部を構成する面の領域における熱容量が増加する。熱容量が増加すれば、バルブリセス部を構成する面の領域の温度が、エンジンのサイクルを通じて上昇する。

ここで、バルブリセス部は、燃焼室内の浮遊物（例えば、煤）やエンジンオイルが溜まり易い形状を有している。そのため、バルブリセス部は、頂面に形成されている他の部位に比べてデポジットが堆積し易いと言える。この点、バルブリセス部を構成する領域が第１領域に設定されれば、ここに付着した浮遊物やエンジンオイルを膨張行程で燃焼させることが可能となる。よって、バルブリセス部に堆積するデポジットの量を減らすことが可能となる。

２．ピストンの製造方法
次に、図１０～１２を参照して本発明の実施の形態に係るピストンの製造方法について説明する。

２－１．製造方法の流れ
図１０は、本実施の形態に係るピストンの製造方法の流れを示すフローである。図１０に示されるように、本実施の形態に係る方法では、先ず、アルミニウム合金製の鋳造ピストンが準備される（ステップＳ１）。鋳造ピストンは、例えば、金型鋳造法に従って製造される。金型鋳造法では、液体状のアルミニウム合金が金型に流し込まれ、その後、熱処理が行われる。アルミニウム合金の凝固後、鋳型から鋳造ピストンが取り出される。

ステップＳ１に続いて、第１領域の機械加工が行われる（ステップＳ２）。図１１は、ステップＳ２の概要を示す図である。図１１には、鋳造ピストンの頂面の周囲の含む一部の断面が模式的に描かれている。図１１に示されるように、鋳造ピストンの頂面は、鋳肌ＣＳで覆われている。ステップＳ２では、砥石、エンドミル等を用い、第１領域に相当する領域の鋳肌ＣＳが除去され、これにより素材面ＭＳが露出する。一方、第２領域に相当する鋳肌ＣＳは除去されずに残る。

ステップＳ２に続いて、鋳造ピストンの頂面の全領域の陽極酸化が行われる（ステップＳ３）。陽極酸化は、成膜領域（すなわち、頂面の全領域）に電解液を供給しながら、当該成膜領域を構成する素材（すなわち、アルミニウム合金）を酸化する処理である。図１２は、ステップＳ３の概要を示す図である。図１２に示されるように、ステップＳ３では、厚み方向にアルマイト層ＡＬが生成する。

陽極酸化では、成膜領域を構成する素材が消費される。ただし、素材面ＭＳを構成する素材の消費速度は、鋳肌ＣＳを構成する素材のそれよりも速い。つまり、第１領域におけるアルマイト層ＡＬの成長速度は、第２領域におけるそれよりも速い。この理由は、鋳肌ＣＳの構造に起因する。そのため、頂面の全領域を陽極酸化すると、層厚ＴＨ２が層厚ＴＨ１よりも薄いアルマイト層ＡＬが得られる。

本実施の形態に係る製造方法では、第１領域と第２領域におけるアルマイト層ＡＬの高さを揃えるための陽極酸化条件が事前に設定されている。そのため、この陽極酸化条件に従ってステップＳ３が行われることで、第１領域と第２領域の境界に段差を有することのない頂面が形成される。

２－２．効果
以上説明した製造方法によれば、ステップＳ２において第１領域に相当する領域の鋳肌ＣＳのみが除去される。そのため、鋳造ピストンの頂面の全領域の鋳肌ＣＳを除去する場合に比べて鋳造ピストンの頂面の機械加工に要する時間を短縮することが可能となる。したがって、ピストンの製造コストを削減することが可能となる。

また、上述した製造方法によれば、ステップＳ３において素材面ＭＳと鋳肌ＣＳの両方を含んだ頂面の全領域が陽極酸化される。アルマイト層ＡＬは、その構造が故に、頂面の切削加工によって層厚ＴＨを調整することは困難である。この点、ステップＳ３では、鋳肌ＣＳと素材面ＭＳの反応速度の違いを利用した陽極酸化が行われる。したがって、層厚ＴＨ２が層厚ＴＨ１よりも薄いアルマイト層ＡＬを容易に得ることが可能となる。

１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０ 頂面
１１，４１，４２，６１ 窪み部
１２，１３，２３，３３ 平面部
１４，４３ 傾斜部
２１，２２，３１，３２，６３，６４，６５，６６ バルブリセス部
ＡＬ アルマイト層
ＣＳ 鋳肌
ＭＳ 素材面
ＴＨ，ＴＨ１，ＴＨ２ 層厚

Claims (4)

1. 多孔質アルミナから構成される頂面を有する内燃機関のピストンの製造方法であって、
   前記頂面は、前記頂面の外周に繋がる領域の一部または全てを含む第１領域と、前記第１領域に隣接し、前記頂面の内側の領域の一部または全てを含む第２領域と、を備え、
   前記頂面が鋳肌で覆われたアルミニウム合金製の鋳造ピストンを準備するステップと、
   前記第１領域における前記鋳肌を除去して、前記鋳造ピストンの素材面を露出させるステップと、
   前記素材面が露出した前記第１領域および前記鋳肌で覆われた前記第２領域の陽極酸化処理を、事前に設定された陽極酸化条件であって前記第１領域と前記第２領域の境界に段差を生じさせない条件に従って行い、前記第１および第２領域に多孔質アルミナを形成するステップと、
   を備えることを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。
2. 請求項１に記載のピストンの製造方法であって、
   前記第１領域が、前記外周に繋がる領域の全てを含み、
   前記第２領域が、前記第１領域の内側に位置する
   ことを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。
3. 請求項１又は２に記載のピストンの製造方法であって、
   前記多孔質アルミナが、厚さ方向に延びる細孔を有し、
   前記細孔の開口部が、前記頂面に開口する
   ことを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載のピストンの製造方法であって、
   前記内燃機関が火花点火式の内燃機関である
   ことを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。

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