JP2014227859A

JP2014227859A - 内燃機関のピストン

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Publication number: JP2014227859A
Application number: JP2013106246A
Authority: JP
Inventors: 学立野; Manabu Tateno; 暁生川口; Akio Kawaguchi; 英男山下; Hideo Yamashita
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2013-05-20
Publication date: 2014-12-08

Abstract

【課題】刻印用の領域を確保しつつ、陽極酸化皮膜の特性を最大限に活用可能な新規な内燃機関のピストンを提供する。【解決手段】テーパ部２４ｂの冠面外周方向の寸法ａは、陽極酸化皮膜３６の目標膜厚ｂよりも大きく設計されている。テーパ部２４ｂの深さ方向の寸法ｈは、バルブリセス２６，２８のテーパ部２４ｂとの接点から冠面までの寸法ｅよりも大きく設計されている。テーパ部２４ｂにおいて、陽極酸化皮膜３６の冠面外周方向の寸法ｃは寸法ａよりも小さく設計されている。陽極酸化皮膜３６の深さ方向の寸法ｆは、寸法ｈよりも小さく設計されている。陽極酸化皮膜３６が形成されていない領域は、シール面（冠面の外周方向の寸法ｄ、テーパ部２４ｂの斜面方向の寸法ｇ）である。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関のピストンに関し、より詳細には、断熱膜が形成される内燃機関のピストンに関する。

従来、内燃機関の燃焼室の壁面に断熱膜を形成することが知られている。例えば、特許文献１の実施例には、膜厚５０〜５００μｍ、空孔率３０％以上の断熱膜（陽極酸化皮膜）をアルミニウム箔上に形成したところ、低熱伝導率・低熱容量に加え、剥離・脱離等のない耐久性に優れる結果が得られたことが示されている。上記実施例において、アルミニウム箔は燃焼室の壁面を模したものであり、このアルミニウム箔を電解液（シュウ酸、硫酸等の水溶液）に浸漬し、２５〜４０Ｖの電圧を２〜１５時間印加して電気分解することにより、断熱膜が形成される。

特開２０１０−２４９００８号公報

上述の特性に鑑みれば、断熱膜を燃焼室の壁面全体に形成することが望ましい。例えばピストンであれば、その冠部の上面の全領域に断熱膜を形成することが望ましい。その一方で、当該上面には、ピストンの寸法ランクなどの識別記号等を刻印する必要がある。この刻印は、ピストンの出荷時のみならずメンテナンス時にも必要となるものであるため、燃焼ガス等により消える可能性のある断熱膜に付すことは望ましくない。故に、ピストン冠部の上面には、断熱膜の形成領域とは別に、刻印用の領域を確保することが求められる。しかしながら、このような観点に基づいて、断熱膜を形成したピストンは従来存在していない。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものである。即ち、刻印用の領域を確保しつつ、断熱膜の特性を最大限に活用可能な新規な内燃機関のピストンを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、断熱膜が形成される内燃機関のピストンであって、
前記ピストンは、冠部の上面に接続され尚且つ前記上面の中心から水平方向に離れるほど下向きに傾斜して前記冠部の側面に接続される傾斜部を備え、
前記断熱膜は、前記傾斜部のうちの前記上面側の上方領域および前記上面に形成され、
前記傾斜部のうちの前記側面側の下方領域および前記側面には、前記断熱膜が形成されない領域が設けられることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記傾斜部は、前記上面の外周に沿って環状に形成され前記上面から前記側面に向かうほど径が拡大していることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記ピストンは、前記冠部の外周部に部分的に形成され、前記上面に接続されるとともに、前記上面の中心から水平方向に離れるほど下向きに傾斜して前記側面に接続されるバルブリセスを更に備え、
前記断熱膜が、前記バルブリセスに形成されていることを特徴とする。

また、第４の発明は、第３の発明において、
前記側面に形成される前記バルブリセスの外縁が、前記上方領域および前記下方領域の両者に亘ることを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記断熱膜は、ピストン母材の熱伝導率よりも低い熱伝導率と、ピストン母材の単位体積当り熱容量よりも低い単位体積当り熱容量とを有する陽極酸化皮膜であることを特徴とする。

本発明によれば、上記上方領域と冠部の上面には断熱膜を形成し、上記下方領域と冠部の上面には断熱膜が形成されない領域を設けることができる。従って、当該下方領域と冠部の上面を刻印用の領域として確保しつつ、断熱膜の特性を最大限に活用可能なピストンを提供できる。

実施形態に係るピストンの斜視図である。図１のＸ部分の拡大模式図である。テーパ部２４ｂにおける陽極酸化皮膜３６の形成領域を説明する図である。陽極酸化皮膜３６の構造を説明するための図である。陽極酸化処理中のテーパ部２４ｂ周辺の拡大模式図である。陽極酸化処理の従来手法を説明するための図である。陽極酸化処理の従来手法を説明するための図である。陽極酸化処理の従来手法を説明するための図である。陽極酸化処理前に刻印を付した場合の問題点を説明するための図である。シール面の形成手法の他の例を説明するための図である。

以下、本発明に係るピストンの実施形態について、図１乃至図１０を参照しながら説明する。なお、本発明に係るピストンは、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジンの何れにも適用が可能である。

［ピストンの構成］
図１は、実施形態に係るピストンの斜視図である。図１に示すように、ピストン１０は、シリンダブロック（図示しない）の内面にその側面が摺接する円筒状のスカート部１２と、スカート部１２の上端部に形成された所定肉厚の冠部１４と、ピストンピン（図示しない）を支持するピンボス部１６，１８と、から構成されている。

冠部１４の側面には、３つのピストンリング溝１８，２０，２２が形成されている。ピストンリング溝１８よりも上方の冠部１４は、トップランド部２４を構成する。トップランド部２４の上面（以下、「冠面」ともいう。）には、バルブ（図示しない）との干渉を回避するバルブリセス２６，２８が形成されている。バルブリセス２６，２８の深さは、トップランド部２４の中心から側面に向けて漸次深くなるように形成されている。バルブリセス２６，２８の間には、スキッシュエリア３０，３２が形成されている。また、トップランド部２４の上面の中央には、キャビティ３４が凹設されている。

トップランド部２４の側面は、ピストン１０の中心軸方向に平行な平行部２４ａと、平行部２４ａの上方に形成されたテーパ部２４ｂとから構成されている。テーパ部２４ｂは、冠面側から下方に向かうほど径が拡大している。

テーパ部２４ｂの一部および冠面には、陽極酸化皮膜３６が形成されている。図２は、図１のＸ部分の拡大模式図である。図２に示すように、陽極酸化皮膜３６は、冠面の全域すなわちバルブリセス２８、スキッシュエリア３２、キャビティ３４に形成されている。また、陽極酸化皮膜３６は、テーパ部２４ｂのうちの冠面側の領域に形成されている。

図３は、テーパ部２４ｂにおける陽極酸化皮膜３６の形成領域を説明する図である。図３に示すように、テーパ部２４ｂの冠面の外周方向の寸法ａは、陽極酸化皮膜３６の目標膜厚ｂ（１０〜５００μｍ）よりも大きく設計されている。テーパ部２４ｂの深さ方向の寸法ｈ（１〜３ｍｍ程度）は、バルブリセス２６，２８のテーパ部２４ｂとの接点から冠面までの寸法ｅよりも大きく設計されている。テーパ部２４ｂにおいて、陽極酸化皮膜３６の冠面外周方向の寸法ｃは寸法ａよりも小さく設計されている。また、陽極酸化皮膜３６の深さ方向の寸法ｆは、寸法ｈよりも小さく設計されている。なお、陽極酸化皮膜３６が形成されていない領域はシール面（冠面の外周方向の寸法ｄ、テーパ部２４ｂの斜面方向の寸法ｇ（２〜４ｍｍ程度））である。

図４は、陽極酸化皮膜３６の構造を説明するための図である。図４に示すように、陽極酸化皮膜３６は、アルマイト皮膜３６ａと、封孔材３６ｂとから構成されている。アルマイト皮膜３６ａは、ピストン１０の母材であるアルミニウム合金の陽極酸化処理により形成される多孔質皮膜である。封孔材３６ｂは、アルマイト皮膜３６ａの上面に形成された亀裂３６ｃや内部に形成された連通孔３６ｄを封止してアルマイト皮膜３６ａの熱疲労を抑制する目的で設けられるものである。封孔材３６ｂとしては、塗布硬化後、シリカ等の耐熱性のある材質が主成分として作用する材料（好ましくはポリシラザン）が用いられる。

図４に示した構造の陽極酸化皮膜３６は、アルミニウム合金よりも低熱伝導率かつ低熱容量であることは言うまでもなく、従来のセラミック系の断熱膜よりも低熱伝導率かつ低熱容量である。そのため、セラミック系断熱膜のように燃焼室の壁面を常に高温に保つのではなく、エンジンのサイクル間で変動する燃焼室内のガス温度に追従させることが可能となる。即ち、燃焼室の壁面温度を吸入〜圧縮行程（２サイクルエンジンの場合、上昇行程）においては低温にし、膨張〜排気行程（２サイクルエンジンの場合、下降行程）においては高温にできる。従って、陽極酸化皮膜３６を形成したピストン１０によれば、エンジンの熱効率のみならず吸気効率をも向上できるので、燃費の向上やＮＯｘ排出量の低減といった効果を得ることが可能となる。

また、図１乃至図３で説明したように、陽極酸化皮膜３６は、冠面のみならずテーパ部２４ｂの一部にも形成されている。このような広範囲に陽極酸化皮膜３６を形成することで、上記の効果を最大限に得ることが可能となる。また、テーパ部２４ｂに形成する陽極酸化皮膜３６の寸法を上記の如く設計することで、ピストン１０をシリンダ内でスムーズに摺動させることが可能となる。同時に、陽極酸化皮膜３６が形成されていないテーパ部２４ｂを刻印用の領域として活用できる。なお、刻印には、ピストン１０のメンテナンス情報（ピン径、ボア径寸法ランク、フロントマーク）や製造情報（製造年月、バーコード、ＱＲコード（登録商標））などが含まれる。

［ピストンの製造方法］
ピストン１０の製造方法の概要は次のとおりである。即ち、先ず、テーパ部２４ｂ、バルブリセス２６，２８、スキッシュエリア３０，３２、キャビティ３４等が形成されたピストンをアルミニウム合金から鋳造する。鋳造ピストンの寸法サイズは、冠部１４の直径がφＡで冠面の直径がφＢ（＜φＡ）である。続いて、この鋳造ピストンを陽極酸化処理して、テーパ部２４ｂの一部および冠面にアルマイト皮膜３６ａを形成する。続いて、封孔材３６ｂをスプレー等してアルマイト皮膜３６ａを覆う。これにより、陽極酸化皮膜３６が形成されたピストン１０を得る。

ピストン１０の製造工程のうちの陽極酸化処理について、図５乃至図９を参照しながら説明する。図５は、陽極酸化処理中のテーパ部２４ｂ周辺の拡大模式図である。陽極酸化処理においては、水平方向の断面が円環状で、尚且つ、その内径φＣがφＡ＞φＣ＞φＢを満たすマスキング材４０が用いられる。このようなマスキング材４０に鋳造ピストンを挿入すれば、トップランド部２４がマスキング材４０によって締め付けられてテーパ部２４ｂにシール面が形成される。図５に示すように、マスキング材４０の内部を電解液（シュウ酸、硫酸等の水溶液）で満たし、ピストン１０を陽極とする電気分解を行うと、当該シール面よりも上方（図中に示す製膜端よりも上方）のテーパ部２４ｂにアルマイト皮膜３６ａが形成される。なお、バルブリセス２６，２８と接続するテーパ部２４ｂにおいては、バルブリセス２６，２８とテーパ部２４ｂの接続点よりも下方にシール面が形成される。つまり、当該接続点が製膜端となる。

ここで、図６乃至図８は、陽極酸化処理の従来手法を説明するための図である。図６に示すように、ピストン側面にマスキング材を当接させて陽極酸化処理を行えば、冠部の上面全体にアルマイト皮膜を形成できる。しかしながら、アルマイト皮膜の形成後、上述した刻印を付すために、このアルマイト皮膜を削り加工等する必要がある。つまり、従来手法では、工程数が増加し生産性が低下する可能性が高い。

また、図６に示すように、マスキング材が摩耗、劣化した場合には、陽極酸化処理中にマスキング材とピストン側面との間から電解液が侵入する可能性がある。特に、厚さ１００μｍ以上のアルマイト皮膜を形成する際は、電圧の印加時間が数時間に及ぶので、電解液が侵入し易くなる。そうすると、アルマイト皮膜の厚さが不十分となり、或いは、ピストン側面にアルマイト皮膜が形成されてしまう。ピストン側面にアルマイト皮膜が形成されると、このピストンがシリンダ内を摺動する際に、上記側面に形成された陽極酸化皮膜によってシリンダボア面が損傷を受ける可能性がある。

また、マスキング材の代わりにＯリングシール材を用いた場合も同様である。図７乃至図８に示すように、陽極酸化処理中にＯリングシール材とピストン側面との間から電解液が侵入する可能性がある。加えて、陽極酸化処理中に電解液がバルブリセスを伝ってピストンの側面に漏れ出し（図７）、或いは、Ｏリングシール材の上方からピストンの側面に電解液が侵入する（図８）可能性がある。

仮に、メンテナンス情報等の刻印を陽極酸化処理前に付し、陽極酸化処理後に当該刻印を露出させる手法を採用したとする。しかしながら、陽極酸化皮膜は母材面に対して垂直方向に形成する性質を有している。そのため、図９に示すように、刻印箇所（溝部分）の中心に陽極酸化皮膜のセルが集中し、溝の外周に亀裂が生じてしまう可能性がある。このように、陽極酸化皮膜の性質を考慮した場合、事前に刻印を付しておくことは膜欠損等の不具合に繋がるので望ましくない。

この点、図５に示した陽極酸化処理によれば、マスキング材４０によってテーパ部２４ｂにシール面を形成できる。そのため、当該シール面よりも上方かつ内側に電解液を液封し陽極酸化処理中に電解液がピストンの側面に侵入するのを防止できる。また、このシール面を、アルマイト皮膜３６ａを形成しない領域とすることができる。従って、陽極酸化処理後に当該シール面に刻印を付すことができる。

ところで、上記実施形態においては、テーパ部２４ｂの傾斜面が凸状に膨らんでいてもよい。即ち、マスキング材４０に挿入した際に、このマスキング材４０によってシール面を確保できる限りにおいて、テーパ部２４ｂの形状は各種の変形が可能である。

また、上記実施形態においては、陽極酸化皮膜３６の深さ方向の寸法ｆを、バルブリセス２６，２８のテーパ部２４ｂとの接点から冠面までの寸法ｅよりも小さく設計したが、寸法ｅよりも大きく設計してもよい。テーパ部２４ｂの深さ方向の寸法ｈよりも小さく設計する限りにおいて、寸法ｅ，寸法ｆの大小関係は適宜変更できる。

また、上記陽極酸化処理においては、マスキング材４０を用いてテーパ部２４ｂにシール面を形成したが、このシール面の形成手法は上記の例に限られない。図１０は、シール面の形成手法の他の例を説明するための図である。図１０に示すように、Ｏリングシール材を用いてテーパ部２４ｂにシール面を形成してもよい。但し、Ｏリングシール材を用いる場合は、当該シール材を保持する保持部材の内径をも考慮する必要がある。これに関し、保持部材のシール材上方の内径φをＣとすると、φＡ＞φＣ≧φＢを満たす保持部材であれば、マスキング材４０同様にテーパ部２４ｂにシール面を形成できる。また、Ｏリングシール材を用いる場合は、図７で説明したバルブリセスを経由した電解液の漏出を防止するため、バルブリセス２６，２８とテーパ部２４ｂの接点が、シール面よりも上方となるようにＯリングシール材の位置管理をする必要がある。この場合、寸法ｆの方が寸法ｅよりも大きくなる。

なお、上記実施形態においては、トップランド部２４の上面が上記第１の発明の「冠部の上面」に、平行部２４ａが同発明の「冠部の側面」に、テーパ部２４ｂが同発明の「傾斜部」に、陽極酸化皮膜３６が同発明の「断熱膜」に、それぞれ相当している。
また、バルブリセス２６，２８が上記第３の発明における「バルブリセス」に相当している。

１０ピストン
２４トップランド部
２４ａ平行部
２４ｂテーパ部
２６，２８バルブリセス
３６陽極酸化皮膜

Claims

断熱膜が形成される内燃機関のピストンであって、
前記ピストンは、冠部の上面に接続され尚且つ前記上面の中心から水平方向に離れるほど下向きに傾斜して前記冠部の側面に接続される傾斜部を備え、
前記断熱膜は、前記傾斜部のうちの前記上面側の上方領域および前記上面に形成され、
前記傾斜部のうちの前記側面側の下方領域および前記側面には、前記断熱膜が形成されない領域が設けられることを特徴とする内燃機関のピストン。
前記傾斜部は、前記上面の外周に沿って環状に形成され前記上面から前記側面に向かうほど径が拡大していることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のピストン。
前記ピストンは、前記冠部の外周部に部分的に形成され、前記上面に接続されるとともに、前記上面の中心から水平方向に離れるほど下向きに傾斜して前記側面に接続されるバルブリセスを更に備え、
前記断熱膜が、前記バルブリセスに形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関のピストン。
前記側面に形成される前記バルブリセスの外縁が、前記上方領域および前記下方領域の両者に亘ることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関のピストン。
前記断熱膜は、ピストン母材の熱伝導率よりも低い熱伝導率と、ピストン母材の単位体積当り熱容量よりも低い単位体積当り熱容量とを有する陽極酸化皮膜であることを特徴とする請求項１乃至４何れか１項に記載の内燃機関のピストン。