JPH0610453B2 - 内燃機関のピストン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、内燃機関のピストンに係り、特にその耐熱性
の改良に関する。

〔従来の技術〕

近年、内燃機関の高性能化に伴いピストンの熱負荷は一
段と厳しくなっており、特に高回転、部分負荷時での熱
負荷は大きく、異常燃焼いわゆるデトネーションが生じ
やすい。

これは、機関圧縮工程において、点火プラグによる着火
に先立ち、あるいはこれと並行して高温となったピスト
ントップで発火するもので、この発火によりピストン頭
部の表面を荒らす現象であり、特にスキッシュエリアで
発生しやすく、かつ、このスキッシュエリアで発生する
と表面の荒れが進展して機関性能上不都合を生じる。

特に、４サイクルエンジンではピストンリングが回転自
在のため、リングを介して放熱が可能であって、熱的条
件は比較的緩やかであるが、２サイクルエンジンではシ
リンダに開口された排気および掃気ポート等の開閉を行
う関係から、通常排気ポートの反対側等の比較的低温の
部分に設けられる鉄製時のノックピンによってピストン
リングの回り止めを行っており、リングの回転による熱
放散が行われないため熱的条件が厳しいものとなる。

このため、ピストン頭部を保護する目的で、ピストン頭
部に鉄メッキを施すもの（実開昭５７−２８１４７）、
あるいはニッケルメッキを施すもの（特開昭５５−７８
８５６）等が提案されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このようにピストン頭部にメッキを施すことにより、異
常燃焼に基づくピストン頭部の形状損傷という不都合は
解決できるものの、新たな問題が生じてきた。すなわ
ち、ピストン頭部の耐熱性の向上に伴い、エンジンの更
なる高出力化が可能となり、ピストンがより過酷な条件
で使用されるようになった。

一方、ピストンは頭部をメッキ保護されることで断熱化
され、放熱性が低下する傾向にある。これらから、従来
は何ら耐熱性の対策を施してないピストンリングのトッ
プリングと、このトップリングを収納するトップリング
溝との間で高熱による表面荒れが生じ、ピストンリング
としての十分な性能を発揮できなくなるという問題点が
生じてきた。

本発明の目的は、燃焼温度が高出力機関においても、ト
ップリング部分の不都合を生じさせない内燃機関のピス
トンを提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、高出力化する２サイクルエンジンにおいて
は、ピストントップの保護に加えてトップリング溝内の
保護が必要であり、特にトップリングは燃焼行程で圧力
を受けてトップリング溝の下面に押圧され、この押圧部
分はピストンの放熱経路にもなることから熱的負荷が大
きくなり、このためにトップリング溝内の下面側の保護
が重要であるとの知見に基づくものである。そして、保
護層等の寸法許容範囲が比較的広いピストントップ部に
対し、リングが装着される関係から、トップリング溝内
の保護層には寸法精度の高い手法を採用するに到ったも
のである。

すなわち、トップリング溝内にリング廻り止め用ノック
ピンを有する２サイクル式内燃機関のピストンにおい
て、ピストントップ部にニッケルメッキ層を施して所定
圧さのニッケルメッキ層を形成するとともに、トップリ
ング溝の少なくとも溝部下面の排気ポート側でありかつ
ノックピン近傍を除く部分に、いわゆる硬質アルマイト
処理等といわれる陽極酸化処理を施して所定厚さの陽極
酸化処理層を形成したものである。

ここにおいて、ニッケルメッキとしては、エッジ部のメ
ッキ層を他の部分とほぼ均等の厚さにできる点で無電解
ニッケルメッキが好ましく、厚さは２０〜３０μｍが好
ましい。厚さが２０μｍ未満では保護効果が十分でな
く、３０μｍを越えても保護効果はそれ程変わらない
が、厚くなるとメッキ処理時間が長くなって不利であ
る。ニッケルメッキを施す部位は、ピストントップ部で
あればよく、必ずしも全面を必要としないがスキッシュ
エリアに対向した部分にあれば効果的である。

また、陽極酸化処理層の厚さは１０μｍ程度が好まし
く、あまり厚いと剥離等の問題を生じるので好ましくな
い。さらに、陽極酸化処理層が形成される部位は、トッ
プリング溝の内面のうち、通常２サイクルエンジンの排
気ポートと対向しない部分に配置されるピストンリング
廻り止め用のノックピンの近傍を除く部位であればよ
く、少なくともトップリング溝の溝部下面側の一部、特
に２サイクルエンジンにあっては、高温の排ガスにさら
れる機会の多い排気ポートに対向される部分に設けてあ
れば足りる。

〔作用〕

このような構成において、異常燃焼等によるピストント
ップの表面荒れはニッケルメッキ層により防止でき、一
方、高負荷等に伴うトップリング溝の荒れは陽極酸化処
理層により防止できる。

この際、トップリング溝においては、陽極酸化処理層の
薄い膜であるためトップリングが嵌め込まれるための形
状精度が確保される。また、トップリング溝内の陽極酸
化処理層は、少なくとも燃焼圧力による負荷の大きい下
面側とされ、排気により高温となる排気ポート側とされ
ることで、充分な耐熱性が確保できるとともに、通常そ
の反対側とされるノックピン部分を除くことで、鉄製が
多用されるノックピンに対して陽極酸化処理による影響
を及ぼすことがなく、機関の高性能化に対応できること
になる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図には、本発明に係るピストンを適用した２サイク
ルエンジンの一部が示されている。この図において、エ
ンジン１０のシリンダブロック１１にはシリンダヘッド
１２が被嵌、固定されるとともに、シリンダブロック１
１内に形成されたシリンダ１３内には本発明に係るピス
トン３０が軸方向摺動自在に収納されている。このピス
トン３０は、ピストンロッド１４を介してクランク軸１
５により駆動されるようになっている。

前記シリンダ１３の途中には、クランク軸１５が収納さ
れたクランクケース１６内と連通する掃気孔１７が開口
されるとともに、排ガスを放出する排気孔１８が開口さ
れている。この排気孔１８内には、エンジン回転数に応
じて排気タイミングを変化させる排気バルブ１９が設け
られている。

前記シリンダヘッド１２内には、ピストン３０のピスト
ントップ３１に対向して燃焼室２０が形成されている。
この燃焼室２０の中央上部には、点火プラグ２１が設け
られるとともに、周縁部には、第２図にも拡大して示さ
れるように、混合気を点火プラグ２１側に集中させて着
火性を高めるためのスキッシュエリア２２が設けられて
いる。

前記ピストン３０は、第３図に拡大して示されるよう
に、ピストンオップ３１側がスカート部３２側よりもや
や小径に機械加工され、トップ側周面はトップ側に向か
って先細となるテーパ面３３に形成されている。このテ
ーパ面３３の一部とピストントップ３１の全面とを被覆
するように無電解のニッケルメッキが施されて所定厚
さ、例えば２０〜３０μｍの厚さのニッケルメッキ層４
１が形成されている。この際、ピストントップ３１の表
面の面粗度は、６．３Ｓより滑らかとされ、異常燃焼が
発生しにくくされている。

また、ピストントップ３１のやや下方には所定間隔を離
してピストンリングであるトップリング５１を収納する
トップリング溝３４およびエクスパンダー等のセカンド
リング５２を収納するセカンドリング溝３５がこの順序
でそれぞれ設けられている。前記トップリング溝３４の
下面３４Ａを含む表面には、いわゆる硬質アルマイト処
理といわれる陽極酸化処理が施されて所定厚さ、例えば
１０μｍ程度の陽極酸化処理層４２が形成されている。
また、セカンドリング溝３５よりもやや下方のスカート
部３２の周面には、すずメッキが施されて所定厚さのす
ずメッキ層４３が形成され、シリンダ１３との摺動抵抗
が小さくなるようにされている。この際、すずメッキ層
４３の厚さは、従来一般の厚さと同程度である。

次に、本実施例におけるピストンの製造工程につき、第
４図（Ａ）〜（Ｄ）ないし第７図を参照して説明する。

第４図（Ａ）において、アルミ合金鋳物からなるピスト
ン３０は、一般のピストンと同様に機械加工により所定
の外径形状となるよう形成されている。この際、本実施
例では、ピストントップ３１近傍の周面は、前記ニッケ
ルメッキ層４１の厚さ分を考慮してテーパ面３３に加工
される。

この機械加工後、第４図（Ｂ）に示されるように、ゴム
製で筒状の第１のマスキング治具６０でピストントップ
３およびテーパ面３３以外の部分を覆った状態で、洗浄
を行なうとともに、必要に応じて活性化処理等のメッキ
前処理を行なった後、ピストン３０をpH４、９３±２℃
に保持された無電解ニッケルメッキ浴に浸漬し、２０〜
３０μｍの厚さ、より好ましくは２５±３μｍのニッケ
ルメッキ層４１を形成する。この際、メッキ厚さが２０
μｍ未満では薄くてトップ表面の荒れ防止の効果が少な
く、一方、厚さが厚い分には荒れ防止の効果上は問題な
いが、３０μｍを越えるような厚さになると処理時間が
長くなってコスト上不利であるばかりでなく、その膜厚
分の切削加工量が多くなり、この点からも不利となる。
また、無電解ニッケルメッキを用いるのは、トップ３１
とテーパ面３３とが交差するエッジ部分におけるメッキ
膜厚が厚くなるのを防止して全体を均一の厚さにするた
めであり、エッジ部形状の工夫やメッキ時にエッジ部を
一部覆ってやるなどすれば、電解メッキであってもよ
い。

前記マスキング治具６０は、第６図にも示されるよう
に、筒状の本体６１を備え、この本体６１は、メッキ液
のスカート部３２側への侵入を防止するため、ピストン
３０のテーパ面３３に所定の緊度で液密に接する円環状
のリップ部６２を上端開口縁に有するとともに、セカン
ドリング溝３５に係合してリップ部６２の位置決めをす
る治具固定部としての環状凸部６３を一体に有してい
る。

このようにしてニッケルメッキが完了したら、洗浄等の
後処理をした後、第１のマスキング治具６０を外し、次
いで、第４図（Ｃ）に示されるように、ピストン３０に
ニッケルメッキ層４１側を覆うキャップ状のゴムからな
る第２のマスキング治具７０を取付けるとともに、トッ
プリング溝３４の近傍を除くスカート部３２を覆う円筒
状のゴムからなる第３のマスキング治具８０を取付け
る。この状態で、洗浄等の一般の前処理をした後、０〜
５℃の温度に保持された３５％の硫酸浴中に１０〜２０
分浸漬し、陽極酸化処理により１０μｍ程度の陽極酸化
処理層４２を形成する。

前記第２のマスキング治具７０は、第７図にも示される
ように、有底円筒状の本体７１を備え、この本体７１
は、メッキ液の治具７０内への流入を防止するため、ピ
ストン３０のテーパ面３３と所定の緊度で液密に接する
円環状のリップ部７２を下端開口縁に一体に有するとと
もに、このリップ部７２の位置決めをピストンリップ３
１との当接で確保するための圧着力強化用の円板状ばね
板材７３を備えている。

さらに、２サイクルエンジンでは、ピストンリング（ト
ップリング、セカンドリング）５１、５２の回り止め用
のノックピン３６が設けられているが、このピン３６は
一般に鉄製であり、硫酸浴中で溶融する虞れがあるた
め、このピン３６の周囲を覆う舌片部７４を一体に備え
ている。この舌片部７４は、第５図にも示されるよう
に、前記ばね板材７３から一体あるいは別体として延長
された狭巾の芯金７５を有し、この芯金７５の押圧力に
よりピン３６の周囲を液密に封止できるようになってい
る。この際、舌片部７４とこの舌片部７４に対向される
位置の円環状のリップ部７２との距離が短いため、リッ
プ部７２によるシールが十分に行なえない場合には、舌
片部７４をリップ部７２の下縁側から切り離し、治具７
０の外周側から延長した形状としてもよい。

第３のマスキング治具８０は、第１のマスキング治具６
０と同様に円筒状のゴムからなり、同じく円筒状の本体
８１ならびにこの本体８１に一体に形成された液密シー
ル用の円環状のリップ部８２および治具固定用の環状凸
部８３を備えており、第１のマスキング治具６０とは、
セカンドリング溝３５からリップ部８２までの長さ寸法
が異なるのみである。また、この第３の治具８０におい
て、第２の治具７０と同様に、リップ部８２と環状凸部
８３との間の寸法が短いことから、シール性に問題が生
じる場合は、治具固定用の環状凸部８３を廃し、ピスト
ン３０のピストンピン挿入用孔３７（第３図参照）に係
合する凸部を設けて治具８０の固定と、リップ部８２の
位置決めとを行なってもよい。

このようにして陽極酸化処理層４１を形成した後、必要
に応じて熱水等による封孔処理を行い、さらに洗浄等の
後処理をして第１、第２の両マスキング治具７０、８０
を取外し、さらに第４図（Ｄ）に示されるように、キャ
ップ状の第３のマスキング治具９０をピストントップ３
１側から被せ、ピストン３０のセカンドリング溝３５の
下方まで被覆する。この状態で洗浄等の前処理をしたの
ち、ピストン３０のスカート部３２にすずメッキ処理に
より所定厚さのすずメッキ層４３を形成し、再度洗浄等
の後処理を行なった後、治具９０を取り外して完成品と
する。

前記第３のマスキング治具９０は、第２のマスキング治
具７０と同様に、有底円筒状の本体９１の開口部周縁に
一体に形成された円環状のリップ部９２を有するととも
に、ピストントップ３１での位置決めと圧着力強化用の
円板状のばね板材９３を有し、さらに、トップリング溝
３４に係合する環状凸部９４を有している。

前記第１ないし第４のマスキング治具６０、７０、８
０、９０の材質としては、加硫剤中の硫黄分を除いた特
殊のエチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）やブチル系ゴ
ム等が用いられる。これは、治具６０、７０、８０、９
０がメッキの前処理液で浸されない耐薬品性を求められ
るとともに、ピストン３０の表面にすずメッキが施され
ていた場合、このすずを浸すことがない材質であること
を要求されるためである。

以上のようにして所定の表面処理をされた本実施例によ
れば、次のような効果がある。

すなわち、テーパ面３３を含むピストントップ３１部に
はニッケルメッキ層４１を形成したから、ニッケルの融
点が約１４８０℃と高いことに基づく耐熱性を発揮でき
るとともに、ビッカース硬度（Ｈ_Ｖ）で５５０と硬いこ
とに基づく耐損傷性を発揮でき、高負荷で熱的条件の厳
しい高性能エンジンのピストンとして十分な耐久性を発
揮できる。

特に、異常燃焼の発火点となりやすいピストントップ３
１の周縁エッジ部をニッケルメッキ層４１で覆ったか
ら、発火を有効に防止できる。

この際、ピストントップ３１の外周縁は、ニッケルメッ
キ層４１を形成するための逃げとしてテーパ面３３に形
成されており、段付きの小径に形成されているものでな
いから、第１のマスキング６０のリップ部６２によるシ
ール位置からニッケルメッキ層４１を形成することがで
き、ニッケルメッキ層４１のテーパ面３３上の長さ寸法
Ｌ（第４図（Ｂ）参照）を、治具６０の位置決め精度に
対応した精度で一定にできる。なお、段付き小径形状と
した場合は、リップ部６２が段部と干渉するなどの理由
から前記寸法Ｌに相当する長さ寸法がばらつき、十分な
発火防止効果は期待できない。

また、トップリング溝３４には、いわゆる硬質アルマイ
ト処理により陽極酸化処理層４２を設けたから、高温下
でのトップリング溝３４とトップリング５１との当接に
よる損傷を防止できる。

さらに、セカンドリング溝３５より下方のスカート部３
２の外周には、すずメッキ層４３が形成されているか
ら、シリンダ１３とのなじみが良好となって摺動抵抗を
低減できる。

また、２サイクルエンジンにおいて、リング回転防止用
として鉄製のノックピン３６を用いたとしても、このピ
ン３６の部分は、トップリング溝３４の陽極酸化処理時
には、第２のマスキング治具７０の舌片部７４により液
密にシールされているから、溶融することはない。

さらに、各表面処理を行なうにあたり、第１〜第４のマ
スキング治具６０、７０、８０、９０を用いて必要な部
分以外は十分にシールしたから、適正な位置に適正な表
面処理を行なうことができる。この際、第１、第３の治
具６０、８０にあっては環状凸部６３、８３により十分
な固定と、正確なリップ部位置決めができ、第２、第４
の治具７０、９０にあってはばね板材７３、９３によ
り、第４の治具９０ではこれに加えて環状凸部９４によ
り、十分な固定と正確な位置決めとが行なえる。また、
各治具６０、７０、８０、９０の材質は、すずメッキ層
４３に悪影響を与えないゴム材から形成されているた
め、製品不良等を生じさせることもない。

さらに、異常燃焼を発生しているか否かを検出する指標
の１つとして爆発時の燃焼室２０の指示圧を測定するこ
とが行なわれるが、本発明者らの実験によると、この指
示圧は、ピストントップ３１の面粗度に左右されること
が判明した。

すなわち、第８図に示されるように、横軸にピストント
ップ３１の面粗度をとり、縦軸に爆発時の燃焼室２０の
指示圧をとると、面粗度が６．３Ｓより粗い場合は、指
示圧が通常の爆発時の圧力を越えることとなり、異常燃
焼を生じていることが判る。従って、本実施例のように
ピストントップ３１の面粗度を６．３Ｓより滑らかに形
成しておけば、この点からも異常燃焼の発生を防止する
ことができる。

なお、本発明は、前記実施例に限定されるものではな
く、本発明の目的を達成し得る範囲での変形は、本発明
に含まれるものである。

例えば、前記実施例では、ニッケルメッキ層４１をピス
トントップ３１の全面に設けたが、必ずしもこれに限定
されるものではなく、異常燃焼の発火点となりやすいス
キッシュエリア２２に対向する位置のピストントップ３
１に設け、中央部には設けないものであってもよく、要
するに必要に応じたピストントップ部に設ければ足り
る。

また、陽極酸化処理層４２をトップリング溝３４の上下
面全周に設けたが、必ずしもこれに限定されるものでは
なく、少なくともリング５１と溝３４との表面荒れ現象
の発生の多い下面３４Ａ側に設ければ良く、しかも、２
サイクルエンジンの場合、第９図に示されるように、高
温の排ガスにさらされる機会の多い排気孔１８側の一
部、具体的には角度αで示す半周程度であっても十分で
ある。この際、２サイクルエンジンにおける排気孔１８
の反対側は掃気孔１７による低温の混合気にさらされる
ため、さほど高温とはならず、必ずしも陽極酸化処理は
必要ではない。

さらに、第１のマスキング治具６０のリップ部６２の位
置決めおよびピストン３０への固定は、前記実施例のよ
うに、セカンドリング溝３５に係止される環状凸部６３
によるものに限らず、第１０図に示されるように、ピス
トン３０の外周と所定の圧力で密接に嵌合される治具固
定部６３Ａとしてもよく、この時の位置決めは、別途設
ける位置決め治具によりピストン３０へのマスキング治
具６０の嵌合深さにより行なう。この際、このピストン
外周での固定は、他のマスキング治具７０、８０、９０
の固定手段として適用することは十分可能である。

〔発明の効果〕

本発明のピストンによれば、ピストントップに設けたニ
ッケルメッキ層およびトップリング溝の少なくとも下面
の一部に設けた陽極酸化処理層により、従来以上の高負
荷の内燃機関に適用できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第８図は本発明の一実施例を示すもので、
第１図は２サイクルエンジンに適用した断面図、第２図
は第１図の要部の拡大断面図、第３図は本実施例のピス
トンの要部の拡大断面図、第４図（Ａ）〜（Ｄ）は本実
施例の製造工程を示す説明図、第５図は第４図（Ｃ）の
Ｖ−Ｖ線に沿う断面図、第６図および第７図は共に本実
施例の製造に用いる第１および第２のマスキング治具の
一部を切欠いた斜視図、第８図はピストントップの面粗
度と燃焼室の指示圧との関係を示す特性図、第９図は本
発明の他の実施例を示す２サイクルエンジンの横断面
図、第１０図は本発明のさらに他の実施例を示すピスト
ンの要部拡大断面図である。 ３０……ピストン、３１……ピストントップ、３２……
スカート部、３３……テーパ面、３４……トップリング
溝、３４Ａ……下面、４１……ニッケルメッキ層、４２
……陽極酸化処理層、４３……すずメッキ層、５１……
トップリング、６０、７０、８０、９０……第１、第
２、第３、第４のマスキング治具。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中島 康二 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 山本 均 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (56)参考文献 特公 昭59−36100（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】トップリング溝内にリング回り止め用ノッ
   クピンを有する２サイクル式内燃機関のピストンにおい
   て、ピストントップ部にニッケルメッキ層を形成すると
   ともに、トップリング溝の少なくとも溝部下面の排気ポ
   ート側でありかつノックピン近傍を除く部分に陽極酸化
   処理層を形成したことを特徴とする内燃機関のピスト
   ン。