JP6036542B2 - ピストンおよび内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、ピストンおよび内燃機関に関し、より詳細には、断熱膜が形成されるピストンおよびそれを備える内燃機関に関する。

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 実開平５−６２５６９号公報 特開２０１２−７２７４５号公報 特開２００２−３６４３６９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。

ピストン表面への断熱膜形成に関し、特許文献２には、ピストンのトップランド部およびトップリングの溝部を除いたピストン本体部分にマスキング治具を設ける方法が開示されている。しかしながら、この方法を用いたとしても、上述した刻印の問題は依然として解決できない。また、特許文献２の方法によれば、トップランド部の側面に断熱膜が形成されてしまう。ここで、陽極酸化処理によって形成される断熱膜（つまり、陽極酸化皮膜）は一定の厚みを有しており、硬度も高い。そのため、上記側面に陽極酸化皮膜が形成されると、トップランド部の外径が拡大したピストンができてしまう。加えて、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。

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ピストンおよびそれを備える内燃機関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ピストンであって、
前記ピストンは、冠部の上面の外縁から前記冠部の深さ方向に窪んで前記冠部の側面に接続され且つＬ字状の断面を有する窪み部を備え、
前記断熱膜は、前記上面に形成され、
前記窪み部の少なくとも一部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。

第２の発明は、第１の発明において、
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。

第３の発明は、第１または第２の発明のピストンを備える内燃機関であって、
前記上面の形状は円であり、
シリンダブロックとシリンダヘッドとで挟持され、前記冠部の直径よりも小径かつ前記上面の直径よりも大径の開口部を有する環状のガスケットを更に備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、冠部の上面には断熱膜を形成し、冠部の上面の外縁から冠部の深さ方向に窪んで冠部の側面に接続され且つＬ字状の断面を有する窪み部の少なくとも一部と、冠部の側面と、に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、Ｌ字状の断面を有する窪み部の断熱膜非形成領域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。

第２の発明によれば、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の特性を最大限に活用可能なピストンを提供できる。

第３の発明によれば、冠部の直径よりも小径かつ冠部の上面の直径よりも大径の開口部を有する環状のガスケットによって、燃焼室内の圧縮比を確保でき、窪み部周辺での未燃ガスの発生を防止できる。

実施形態に係る内燃機関のガスケット周辺の拡大断面図である。 実施形態に係るピストン１４の斜視図である。 陽極酸化皮膜３６の構造を説明するための図である。 陽極酸化処理中の加工溝２４周辺の拡大断面図である。 陽極酸化処理の従来手法を説明するための図である。 陽極酸化皮膜３６を加工溝２４に部分的に形成するための陽極酸化処理手法を説明するための図である。

以下、本発明に係るピストンおよび内燃機関の実施形態について、図１乃至図６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。

［内燃機関の構成］
図１は、実施形態に係る内燃機関のガスケット周辺の拡大断面図である。図１に示すように、内燃機関１０は、シリンダブロック１２と、ピストン１４と、シリンダヘッド１６と、ガスケット１８とを備えている。ピストン１４は、シリンダブロック１２内に上下に往復自在に挿入されている。ピストン１４において、ピストンリング２０よりも上方はトップランド部２２を構成する。トップランド部２２の上方かつ外周には加工溝２４が形成されている。具体的に、加工溝２４は、トップランド部２２の上面（以下、「冠面」ともいう。）の外縁２２ａと、トップランド部２２の側面との間に形成されており、その断面は略Ｌ字状である。

シリンダヘッド１６は、ヘッドボルト（図示しない）によりシリンダブロック１２と締結されている。シリンダブロック１２とシリンダヘッド１６とは、これらの間に環状のガスケット１８を挟持させた状態で締結されている。シリンダブロック１２の内面、ピストン１４の上面およびシリンダヘッド１６の下面で囲まれる空間が燃焼室を構成する。ガスケット１８の開口端部１８ａは燃焼室内に露出しており、ピストン１４が上死点に接近すると、加工溝２４、シリンダブロック１２およびシリンダヘッド１６から形成される空間をこの開口端部１８ａが埋めることになり、ピストン１４に加工溝２４を形成する前と同様の圧縮比を維持することができる。さらに、加工溝２４周辺での未燃ガスの発生を低減している。

［ピストンの構成］
図２は、実施形態に係るピストン１４の斜視図である。図２に示すように、ピストン１４の側面には、ピストンリング溝２１が形成されている。冠面には、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２２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２２の上面の中央には、キャビティ３４が凹設されている。

図１乃至図２に示すように、冠面の略全域すなわちバルブリセス２６，２８、スキッシュエリア３０，３２およびキャビティ３４には、陽極酸化皮膜３６が形成されている。図３は、陽極酸化皮膜３６の構造を説明するための図である。図３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１４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３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１４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１，２で説明したように、陽極酸化皮膜３６は、冠面の略全域に形成されている。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。他方、加工溝２４には陽極酸化皮膜３６が形成されていない。このような加工溝２４を設けることで、ピストン１４をシリンダブロック１２内でスムーズに摺動させることが可能となる。同時に、加工溝２４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１４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。更には、加工溝２４をピストン組み付け後のブロック上端からの突き出し量の測定用の基準面としても活用できる。

［ピストンの製造方法］
ピストン１４の製造方法の概要は次のとおりである。即ち、先ず、加工溝２４、バルブリセス２６，２８、スキッシュエリア３０，３２やキャビティ３４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。続いて、この鋳造ピストンを陽極酸化処理して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１４を得る。

ピストン１４の製造工程のうちの陽極酸化処理について、図４乃至図５を参照しながら説明する。図４は、陽極酸化処理中の加工溝２４周辺の拡大断面図である。陽極酸化処理においては、Ｏリングシール材４０を保持する処理装置４２が用いられる。鋳造ピストンを持ち上げて処理装置４２にセットすると、Ｏリングシール材４０は加工溝２４に押し当てられて変形する。これにより、加工溝２４に沿ってシール面が形成される。図４に示すように、処理装置４２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１４を陽極とする電気分解を行うと、冠面にアルマイト皮膜３６ａが形成される。

ここで、図５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５に示すように、ピストン側面にシール材を当接させて陽極酸化処理を行えば、ピストンの冠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５に示すように、シール材が摩耗、劣化した場合には、陽極酸化処理中に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。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。

この点、図４に示した陽極酸化処理によれば、Ｏリングシール材４０によって加工溝２４にシール面を形成できる。そのため、当該シール面よりも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、加工溝２４には陽極酸化皮膜３６が形成されていないとしたが、陽極酸化皮膜３６が部分的に形成されていてもよい。図６は、陽極酸化皮膜３６を加工溝２４に部分的に形成するための陽極酸化処理手法を説明するための図である。図６に示すように、Ｏリングシール材４０は加工溝２４に押し当てられて変形する。これにより、加工溝２４にシール面が部分的に形成される。このような場合には、アルマイト皮膜３６ａが加工溝２４に部分的に形成される。

なお、上記実施形態においては、内燃機関１０が上記第１の発明の「内燃機関」に、トップランド部２２が同発明の「冠部」に、加工溝２４が同発明の「窪み部」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、シリンダブロック１２が上記第２の発明の「シリンダブロック」に、シリンダヘッド１６が同発明の「シリンダヘッド」に、ガスケット１８が同発明の「ガスケット」に、それぞれ相当している。

１０ 内燃機関
１２ シリンダブロック
１４ ピストン
１６ シリンダヘッド
１８ ガスケット
１８ａ 開口端部
２２ トップランド部
２２ａ 外縁
２４ 加工溝
３６ 陽極酸化皮膜
３６ａ アルマイト皮膜
３６ｂ 封孔材

Claims (3)

1. 断熱膜が形成されるピストンであって、
   前記ピストンは、冠部の上面の外縁から前記冠部の深さ方向に窪んで前記冠部の側面に接続され且つＬ字状の断面を有する窪み部を備え、
   前記断熱膜は、前記上面に形成され、
   前記窪み部の少なくとも一部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ピストン。
2. 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に記載のピストン。
3. 請求項１または２に記載のピストンを備える内燃機関であって、
   前記上面の形状は円であり、
   シリンダブロックとシリンダヘッドとで挟持され、前記冠部の直径よりも小径かつ前記上面の直径よりも大径の開口部を有する環状のガスケットを更に備えることを特徴とする内燃機関。

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