JP5859395B2 - 内燃機関のピストン及びこのピストンの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、鋳造によって形成される内燃機関のピストン及びこのピストンの製造方法に関する。
周知のように、火花点火式のガソリン内燃機関にあっては、リーンバーンによる燃費の向上や均質燃焼による出力の向上などを狙ったいわゆる直噴型(GDI)内燃機関が提供されている。
これは特に、燃焼室を構成するアルミニウム合金製のピストンの冠面に、部分的に断熱材を設けることによって、噴射燃料の霧化促進効果があることが解っているが、アルミニウム合金母材に断熱材を強固に結合することが困難である。
そこで、以下の特許文献1に記載されたもののように、アルミニウム合金母材よりも熱伝導率の低い材料からなる多孔質の断熱材の内部にアルミニウム合金母材を含浸させて、母材と断熱材を強固に結合することも提案されている。
しかしながら、前記特許文献1に記載された従来の技術は、多孔質断熱材の空孔全体に母材が含浸してしまうと十分な断熱効果が得られなくなることから、前記多孔質断熱材と母材との間に空気層や真空層を形成するようになっている。このため、断熱効果を優先的に確保したことによって、母材と多孔質断熱材との結合強度が十分に得られなくなってしまうといった技術的課題を再び招いている。
本発明は、ピストン母材と低熱伝導率部との間の高い断熱性と結合強度の両方を満足することができる内燃機関のピストン及びこのピストンの製造方法を提供することを目的としている。
請求項1に記載の発明は、筒内噴射式火花点火式の内燃機関に用いられ、インジェクターから燃料が噴射される冠面の所定部位に、母材よりも熱伝導率の低い低熱伝導率部が部分的に設けられている内燃機関のピストンであって、
前記低熱伝導率部は、前記母材よりも熱伝導率の低いガラス材からなる多孔質部材の内部に前記母材が含浸され、前記多孔質部材と母材との間の少なくとも一部に、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、硫酸マグネシウム、硫酸カリウム、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硝酸マグネシウム、硝酸カルシウム、四ホウ酸ナトリウムの少なくとも一つを含む材料が介在していることを特徴としている。
前記低熱伝導率部は、前記母材よりも熱伝導率の低いガラス材からなる多孔質部材の内部に前記母材が含浸され、前記多孔質部材と母材との間の少なくとも一部に、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、硫酸マグネシウム、硫酸カリウム、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硝酸マグネシウム、硝酸カルシウム、四ホウ酸ナトリウムの少なくとも一つを含む材料が介在していることを特徴としている。
本発明によれば、ピストン母材と低熱伝導率部との間の高い断熱性と結合強度の両方を満足することができる。
以下、本発明に係る内燃機関用ピストンと、このピストンの製造方法の実施形態を図面に基づいて詳述する。本実施形態に供されるピストンは、火花点火式の直噴型ガソリン機関に適用したものである。
前記ピストン1は、全体が母材としてAC8A Al−Si系のアルミニウム合金によって一体に鋳造され、図1に示すように、ほぼ円筒状に形成されて、冠面2a上に燃焼室を画成する冠部2と、該冠部2の下端外周縁に一体に設けられた円弧状の一対のスラスト側スカート部3及び反スラスト側スカート3と、該各スカート部3の円周方向の両側端に各連結部位を介して連結された一対のエプロン部4、4と、を備えている。なお、このエプロン部4には、図外のピストンピンの両端部を支持するピンボス部4a、4aが一体に形成されている。
前記冠部2は、比較的肉厚に形成された円盤状を呈し、燃焼室を構成する冠面2aが断面ほぼ凹凸状に形成されて一部に表面積の大きな平坦状の凹部2bが形成されていると共に、該凹部2bの上面所定位置に前記ピストン母材1’よりも熱伝導率の低い低熱伝導率部5が埋設されている。また、冠部2の外周には、3つのピストンリング溝2cが形成されている。
この低熱伝導率部5は、凹部2bでの埋設位置が図外のシリンダヘッドに設けられた燃料噴射弁であるインジェクターからの燃料が直接噴射される位置であって、後述するピストン1の鋳造時に凹部2b内に一体的に埋設されるようになっていると共に、図1Bに示すように、ピストン母材1’よりも熱伝導率の低いガラス材からなる多孔質部材6の内部にピストン母材1’の一部1aが含浸されている。
すなわち、この低熱伝導率部5は、ピストン1とは別途に後述する製造方法によって基本的に凸円盤状に形成されて前記ガラス材からなる多孔質部材6と、該多孔質部材6の空孔内に予め充填される水溶性塩が溶解した後の空孔9aに充填される母材1’の一部であるアルミニウム合金材1aとから構成されている。
〔多孔質部材の製造方法〕
以下、前記多孔質部材6の製造方法の概略について説明すると、まず、水に溶けないガラスの粉末である第1粉体8と、水溶性の粉末材(塩化ナトリウム粉末材)としての第2粉体9を混合し、この混合粉を型に入れて所定圧で加圧成形した後、温度TBによって焼結させる。なお、前記第1粉体8の焼結温度TBは、第2粉体9の焼結温度TAよりも低い。
以下、前記多孔質部材6の製造方法の概略について説明すると、まず、水に溶けないガラスの粉末である第1粉体8と、水溶性の粉末材(塩化ナトリウム粉末材)としての第2粉体9を混合し、この混合粉を型に入れて所定圧で加圧成形した後、温度TBによって焼結させる。なお、前記第1粉体8の焼結温度TBは、第2粉体9の焼結温度TAよりも低い。
その後、焼結された焼結体を、攪拌された水または湯に浸漬させて、焼結体内の第2粉体9を水または湯によって溶解して除去して多くの空孔9aにすることによって、図2に示す多孔質部材6を成形する。この多孔質部材6の熱伝導率は、溶湯金属である前記母材1’の熱伝導率よりも十分に小さい。
前記第1粉体8は、前述したようにガラス粉末であって、昇温によりガラス転移現象を示す非結晶固体である珪酸塩、ホウ酸塩、リン酸塩を主成分とする硬く透明な物質である。化学的にはガラス状態になる主として珪酸化合物(珪酸塩鉱物)である。ガラスを構成する酸化物としては、SiO2、Al203、B203、BaO、Bi203、Li20、MgO、P205、PbO、SnO、TiO2、ZnO、R2O(Rはアルカリ金属:Li、Na、Kの略号)、RO(Rはアルカリ土類金属;Mg、Ca、Sr、Baの略号)がある。
前記第1粉体8は、軟化する温度(軟化点)が第2粉体9の融点より低く、融点700℃以上になっている。
前記転移点は、ガラス構造が変化する温度であって、粘性約1013.3poise。前記軟化点は、ガラスが自重で軟化変形する温度であって、粘性約107.6poiseである。
一方、第2粉体9は、材料として塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、硫酸マグネシウム、硫酸カリウム、硝酸ナトリウム、硝酸カルシウム、硝酸マグネシウム、硝酸カリウム、四ホウ酸ナトリウムなど水溶性の塩類であるが、この中の一つもしくは二つ以上の塩の混合塩であってもよい。
前記塩化ナトリウムと、塩化カリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、硫酸マグネシウム、硫酸カリウム、四ホウ酸ナトリウムのように融点が700℃を超えかつ水溶性である塩が望ましい。本実施形態では前記塩化ナトリウムを用いている。
〔実施例〕
以下、多孔質部材6の具体的な製造方法について説明する。
〔実施例〕
以下、多孔質部材6の具体的な製造方法について説明する。
まず、ホウ珪酸ガラス(旭硝子(株)製の粉末ガラス ASF1898)の第1粉体8に前記塩化ナトリウムである第2粉体9を混合する。
第1粉体8と第2粉体9の混合割合は、第2粉体9が60〜80体積%で、第1粉体が40〜20体積%に設定した。重量比の比率割合が54:46(重量比)となる混合粉を混合した(混合工程)。
各粉末の粒径は、第1粉体8が平均粒径4.5μm、第2粉体9が75〜180μmが70%以上に設定した。
次に、前記混合粉を型に入れて加圧成形し、650℃〜750℃の温度で、20〜40分加熱して焼成するが、本実施例では、700℃の温度で30分加熱して焼結成形体を得た(焼成工程)。
この焼結成形体を、攪拌された55℃の湯中に浸漬して内部の第2粉体9(塩化ナトリウム)を溶解して成形体から抜き出して多くの空孔9aを有する多孔質部材6を得た(溶解工程)。なお、この溶解工程は、第2粉体9を50℃〜95℃の湯中で30分〜3時間の範囲内で行うようになっている。
この多孔質部材6は、図2Aに示すように、円盤状の基部6aと、該基部6aの上面に一体に設けられた小径円柱状の突起部6bとからなり、前記基部6aの上端外周縁がテーパ面6cに形成されている。また、この多孔質部材6は、図2Bに示すように、第2粉体9が殆ど溶解されて消失して前記第1粉体8(ガラス)が残存する形になるので、第1粉体8の周囲には多数の空孔9aが形成された状態になる。
そして、前述した混合工程と焼成工程において、第1粉体8(ガラス粉末)と第2粉体9(塩化ナトリウム)の混合粉の成形体を加熱すると、塩化ナトリウムの粒子の周りをガラス粉末が覆うことになり、第1粉体8と第2粉体9の混合割合によって多孔質部材6の出来方が異なる。
つまり、本願の発明者が、第1粉体8と第2粉体9の混合割合を種々変えた実験をしたところ、図3及び図4に示す結果になった。
すなわち、例えば、塩化ナトリウムの粉末が80体積%以上で、ガラス粉末が20体積%以下である場合には、加熱によってガラス粉末同士が溶融接合しないため、成形体を作ることができず、水または湯で溶解したときに成形体が崩れてしまう。
また、塩化ナトリウムの粉末が60体積%より少なく、ガラス粉末が40体積%より多いと、加熱によってガラス粉末同士が容易に溶融接合して、塩化ナトリウム粉末の周りを覆ってしまう。したがって、その後の水または湯で塩化ナトリウムの粉末が溶かし出す際に、塩化ナトリウム粉末に水や湯が接触することができず、前記多孔質部材6を成形することが出来なくなる。
塩化ナトリウム粉末が60〜80体積%で、ガラス粉末が40〜20体積%のとき、オープンな空孔9a(表面から内部までつながっている空孔)が得られる。塩化ナトリウム粉末は全て溶け出されことはなく、その一部はガラス粉末に覆われてクローズな状態になっている。このクローズな状態の塩化ナトリウム粉末の量は、該塩化ナトリウム粉末(第2粉体9)とガラス粉末(第1粉体8)の混合割合で決定される。
そして、塩化ナトリウム(第2粉体9)が80体積%のとき、溶解によって残留する塩化ナトリウムはなくなり、第2粉体9の体積%が減少していくと、残留塩化ナトリウムの体積%も上昇して第2粉体9が60体積%のとき、残留する塩化ナトリウムの粉末は25体積%となる。残留した塩化ナトリウム粉末は第1粉体8のガラス粉末に囲まれており、断熱材として機能する一方、得られた多孔質部材6に、後述するピストン鋳造合金(アルミニウム合金1a)を含浸させた後、含浸部分を切削加工して仕上げるが、その加工表面に残留した塩化ナトリウムが現れる。
現れた塩化ナトリウム粉末を再び水または湯で溶解除去すると、加工表面は多孔質部材6であるガラスとピストン母材1’の鋳造合金の複合構造になって、塩化ナトリウム粉末が多くなるほど溶解量が多くなり、表面の凹凸が多くなって表面積が増大する。
なお、残留する塩化ナトリウムは、該塩化ナトリウムの体積率が少なくなるほど多くなる。
そこで、本実施例では、第2粉体9の塩化ナトリウム粉末を60〜80体積%とし、第1粉体8のガラス粉末を40〜20体積%に設定したのである。
次に、前記第2粉体9の殆どが除去されて、主として第1粉体8(ガラス)によって構成された多孔質部材6を、ピストン1を成形する減圧鋳造用金型10内に配置して、ピストン1の鋳造中に多孔質部材6の空孔内に母材1’の一部を含浸させて冠面2aの凹部2bに低熱伝導率部5を一体に埋設するようになっている。
〔ピストンの鋳造用金型構造〕
前記減圧鋳造用金型10は、図5A、Bに示すように、モールド型11を備え、このモールド型11内には、センターコア12及び該センターコア12の周囲に配置したフィリップコア13やサイドコア14などの複数の分割コアを組み合せてなる中子15を下部側に備えている。この中子15は、前記ピストン1を成形する場合にピストン1の内部形状を形成するものである。
〔ピストンの鋳造用金型構造〕
前記減圧鋳造用金型10は、図5A、Bに示すように、モールド型11を備え、このモールド型11内には、センターコア12及び該センターコア12の周囲に配置したフィリップコア13やサイドコア14などの複数の分割コアを組み合せてなる中子15を下部側に備えている。この中子15は、前記ピストン1を成形する場合にピストン1の内部形状を形成するものである。
また、前記減圧鋳造用金型10には、内部に冷却水を循環するための冷却路を形成した左右一対のリストピン16が対向して水平に備えられている。このリストピン16の先端部が前記サイドコア14に形成した穴に係脱可能に係合されている。
さらに、前記減圧鋳造用金型10は、前記リストピン16を支持するモールドブッシュ17を有し、上部側には、前記モールド型11に対して着脱可能なトップコア19が設けられている。
該トップコア19は、吸引排出部20の一例としての空間部を備えた外トップコア21と、この外トップコア21に一体的に設けた内トップコア23とから構成されている。
前記外トップコア21は、上端部に前記吸引排出部20を封止するアダプター25が設けられていると共に、このアダプター25のほぼ中央にパイプ状の第1連通管27が設けられている。この第1連通管27は、前記吸引排出部20に連通していると共に、例えば真空ポンプ(図示省略)などのような負圧発生手段に接続されている。したがって、前記負圧発生手段を作動することにより、前記吸引排出部20内を減圧し負圧にすることができるものである。
なお、前記吸引排出部20は、空間部になっているが、空間部としては室状の空間は勿論のこと、穴状の空間、溝状の空間をも含むものである。要するに、吸引排出部20としては、前記内トップコア23を介して(透過して)後述するキャビティ内の気体を効果的に吸引排出する機能を奏する構成であれば良いものである。
前記内トップコア23は、前記中子15と対向して設けられると共に、該中子15及び前記モールド型11との間にキャビティ29を形成するものである。また、この内トップコア23は、例えばSUS材等の鉄系金属粉末を焼結してなる多孔質材料により通気性金型(多孔質金型)によって構成されている。
すなわち、前記内トップコア23は、粉末粒度100メッシュ以下、250メッシュ以上の鉄系金属粉末を用いて、熱間等方圧プレス[HIP(Hot Isosutatic Pressing)]によって空孔径が4μm〜12μmの通気性金型素材に成形した後に焼結され、または成形と焼結とを同時に行って製造されている。これによって、通気性金型として形成されている。
そして、前記内トップコア23の下面、つまり前記中子15と対向したキャビティ面23Aは、前記キャビティ29にアルミニウム合金の溶湯を給湯(注湯)して製品としてのピストン1を成形するときに、ピストン1の冠面2aを転写するための転写面に形成されている。このキャビティ面23Aは、放電加工により仕上げ面に形成され、つまり、形彫放電加工機における放電加工条件の仕上領域を用いて、後加工としての例えば仕上げ加工やバフ加工が不要であるように、予め製品の仕上げ面粗さに対応した表面粗さの製品仕上げ面に形成されている。
したがって、アルミニウム合金の溶湯に対する耐熱性、耐摩耗性に優れていると共に、かじりを生じることがない。すなわち、内トップコア23のキャビティ面23Aは、切削加工や研磨加工によることなく放電加工によって製品仕上げ面に加工されているので、金属粉末粒子が潰れて粒子間の空孔を塞ぐようなことがなく、粉末粒子間の空孔の通気性が良好に保持されているものである。
また、前記内トップコア23のキャビティ面23Aにおいて、製品としてのピストン1における冠面2aの冠面燃焼室の細い部分やエッジに対応した部分23Bの肉厚は2mmよりは厚く12mm以下に形成してある。
また、内トップコア23の所定位置、つまり前記冠面2aの凹部2bが形成される部位に対応する位置には、図5A及び図6に示すように、該内トップコア23と前記吸引排出部20及びアダプター25を上下方向から貫通した金属パイプ状の第2連通管30が設けられていると共に、該第2連通管30の下端部に位置する部位に、前記多孔質部材6を保持するほぼ円錐状の保持溝31が形成されている。つまり、前記多孔質部材6は、予め内トップコア23のキャビティ面2Aの所定位置に保持されているおり、前記突起部6bが第2連通管30の下端部内に圧入によって嵌合保持されていると共に、基部6aが保持溝31の周面に当接保持されている。
前記第2連通管30は、上端部に前記第1連通管27と同じく例えば真空ポンプ(図示省略)などのような負圧発生手段に接続されている。したがって、前記負圧発生手段を作動することにより、前記保持溝31に予め保持された前記多孔質部材6の内部を減圧し負圧にして、後述するアルミニウム溶湯を多くの空孔9aに含浸させるようになっている。
前述したように、前記内トップコア23が多孔質型に構成されていることによって、前記吸引排出部20を負圧にすると、前記キャビティ29内の気体は内トップコア23を介して吸引排出部20に吸引されて外部へ排出されることになる。また、前記キャビティ29に注湯されたアルミ合金の溶湯は、前記内トップコア23のキャビティ面23A(転写面)に吸引されて直接接触し、前記キャビティ面23Aの形状がそのまま転写されることになる。
また、前記内トップコア23のキャビティ面23Aに溶湯が直接接触することによって製品に対してキャビティ面23Aの形状をそのまま転写するとき、製品に細い部分やエッジが存在する場合、溶湯の表面張力によって精密に転写し難いものである。そこで、本実施形態においては、前記内トップコア23の細い部分やエッジに対応した部分23Bの肉厚は、他の部分の肉厚より薄く形成されている。
したがって、前記吸引排出部20を負圧にしてキャビティ29の気体を吸引排出すると共に、キャビティ29内の溶湯を吸引して内トップコア23のキャビティ面23Aに直接密着するとき、製品の細い部分やエッジに対応した部分の吸引が効果的に行われることとなり、製品の細い部分やエッジの部分であっても内トップコア23のキャビティ面23Aの形状を正確に転写することができるものである。
ところで、燃料をピストン1の冠面2aに形成されている燃焼室へ直接噴射してタンブル流又はスワール流を形成する型式のガソリン直噴用のピストン1の冠面2aに要求される仕様粗さは、噴射ノズルを配置する位置等によって異なるが、大略Ra=8μm以下、冠面形状部最小抜き勾配は5°であるから、内トップコア23の多孔質材料として100メッシュ(粒径20μm)のステンレス粉を使用し、HIP成形法により空孔径4μmの多孔質金型素材を形成する。その後、この多孔質金型素材を焼結し、放電加工によってキャビティ面23Aを表面粗さRa=8μm以下に仕上げ加工する。
この際、ピストン冠面2aに形成される凸部に対応して前記キャビティ面23Aに形成された凹部23Cに対応した部分23B、すなわちピストン冠面2aの形状の出にくい部分の肉厚を8mmとした。なお、肉厚については、強度又は金型温度の関係から精度を必要とする箇所のみの薄肉化にとどめることが望ましい。
前記モールド型11には、前記キャビティ29内に注湯(給湯)された溶湯が冷却・凝固するときの体積収縮を補うための押し湯キャビティ31が前記キャビティ29に連通している。この押し湯キャビティ31の周囲には、保温性の高い材料よりなる押し湯入子33が設けられている。さらに、前記モールド型11には、前記キャビティ29に対して溶湯を給湯するための湯道35が設けてあり、この湯道35は前記キャビティ29の下部側に連通している。
〔ピストンの鋳造方法〕
したがって、前記金型10を用いてピストン1を鋳造するには、モールド型11の前記湯道35から前記キャビティ29内へアルミ合金の溶湯を注湯すると共に、吸引排出部20内を負圧にする。この際、前記キャビティ29に対する溶湯の供給は、キャビティ29の下部側に行われ、前記吸引排出部20を減圧し負圧にすることにより、前記キャビティ29内の気体は、前記内トップコア23を透過して外部へ排出されるものである。したがって、キャビティ29内の気体の排出を効果的に行うことができるものである。
したがって、前記金型10を用いてピストン1を鋳造するには、モールド型11の前記湯道35から前記キャビティ29内へアルミ合金の溶湯を注湯すると共に、吸引排出部20内を負圧にする。この際、前記キャビティ29に対する溶湯の供給は、キャビティ29の下部側に行われ、前記吸引排出部20を減圧し負圧にすることにより、前記キャビティ29内の気体は、前記内トップコア23を透過して外部へ排出されるものである。したがって、キャビティ29内の気体の排出を効果的に行うことができるものである。
また、同時に前記真空ポンプによって第2連通管30を介して多孔質部材6内を減圧して負圧にする。
したがって、前記キャビティ29内に供給された溶湯は、前記吸引排出部20が負圧であることにより、内トップコア23のキャビティ面23A(転写面)に直接吸引接触されて密着されるものである。この際、前記内トップコア23の、製品形状の細い部分やエッジの部分に対応する部分23Bの肉厚は他の部分より薄く形成してあるので、この部分における溶湯の吸引密着が効果的に行われることとなり、より正確な転写が行われ得るものである。
すなわち、キャビティ29に対してアルミニウム合金溶湯を湯道35から給湯し、湯口が溶湯によって閉塞されると、図外の減圧用のモータが駆動されて吸引排出部20内の空気が排出され、吸引排出部20が減圧される。この減圧によって吸引排出部20とキャビティ29との間に差圧が生じると、キャビティ29内の気体は通気性金型(多孔質金型)23の空孔を透過して外部へ排出される。
そして、キャビティ29内の溶湯が次第に上昇して前記内トップコア23のキャビティ面23Aに接触すると、吸引排出部20が減圧されていることにより、前記溶湯はキャビティ面23Aに吸引密着される態様となる。この際、ピストン1を成形する場合には、前記キャビティ面23Aの凹凸がピストンの冠面に転写されるものであり、ピストン冠面の凸部に相当するキャビティ面23Aの凹部23Cの部分23Bは、他の部分よりも薄く形成してあるので、この部分の溶湯の吸引密着がより効果的に行われるものであり、ピストン冠面2aの形状の出にくい部分であっても高精度に成形することができるものである。
また、前記多孔質部材6内も負圧になっていることから、キャビティ29内のアルミニウム溶湯の一部は前記多孔質部材6内に吸引されて、塩化ナトリウムが溶解された多数の空孔9a内に浸透して充填される。これにより、図7に示すように、内部にピストン母材1’と同じアルミニウム合金材1aが含浸された低熱伝達率部5が母材1’に対して一体的に埋設固定される。なお、前記各空孔9aにアルミニウム合金材1aが充填されるが、僅かに前記第2粉体9(塩化ナトリウム)が残存している。
その後、冷却された減圧鋳造用金型10から前記低熱伝導率部5が一体となったピストン母材1’を取り出して、図1Aに示すように、ピストン母材1’の外周面に形成された鋳バリ等やピストンリング溝2cを切削加工すると共に、前記低伝導率部5(多孔質部材6)の突起部6aや基部6a上面を切削加工して冠面2aと同一面に形成した(切削工程)。これら一連の成形加工によってピストン1の成形作業が完了する。
以上のように、本実施形態では、ピストン1の冠面2aの燃料が直接噴射される部位に低熱伝導率部5が設けられ、この低熱伝達率部5は、主たる構造がアルミニウム合金材よりも熱伝導率の低いホウ珪酸ガラス製の多孔質部材6によって形成されていることから、高い断熱性が得られる。したがって、燃料の霧化が十分に促進されて燃焼性能が向上すると共に、燃費が向上する。
ここで、前記低熱伝達率部5の熱伝導率について考察すると、前記多孔質部材6の空孔9aによる空隙率が小さいほどこの空孔9aへのピストン1の鋳造合金1aの含浸量が少なくなるため、第1粉体8(ガラス粉末)と残留した塩化ナトリウム粉末の合計体積率が大きくなることから熱伝導率が低下する。
表面に現れた残留塩化ナトリウムを水や湯で溶解除去すると、除去前の第1粉体8と残留した塩化ナトリウムの表面積が除去後に第1粉体8のガラス成分だけになって凹凸が形成されるので、その表面積が増大する
そして、前述のように、低熱伝達率部5の熱伝導率が低下すると、該低熱伝導率部5の熱の蓄積が増大し、蓄積された熱量は、燃料の霧化に寄与させるが、その際、表面積の大きい方が燃料に熱を伝え易くなって、燃料の霧化が促進される。
そして、前述のように、低熱伝達率部5の熱伝導率が低下すると、該低熱伝導率部5の熱の蓄積が増大し、蓄積された熱量は、燃料の霧化に寄与させるが、その際、表面積の大きい方が燃料に熱を伝え易くなって、燃料の霧化が促進される。
しかも、前記低熱伝導率部5は、多くの空孔9aを介してピストン母材1’と同じアルミニウム合金材1aが含浸されていることから、該アルミニウム合金材1aとピストン母材1’との融着性が高くなって結合強度が向上する。
この結果、ピストン母材1’と低熱伝導率部5との間の高い断熱性と結合強度の両方を満足することができる。
特に、前記多孔質部材6の多くの空孔9a内にピストン1の鋳造合金1aが含浸されるので、ピストン1の鋳造合金と多孔質部材6との界面強度が大きくなる。
なお、多孔質部材6の表面に現れたガラス材が欠け落ちるおそれがあるので、ピストン1のアルミニウム合金を陽極酸化することによって前記表面のガラス材を覆うことによって欠け落ちが抑制されると共に、陽極酸化層の断熱効果が得られる。
また、前記内トップコア23のキャビティ面23Aは、予め製品仕上げ面に高精度に加工してあるので、鋳造したピストン1の冠面2aは仕上げ加工等の後加工を必要とすることなく、そのまま使用可能であるのでピストン1を安価に製造することができるものである。
なお、前記説明においては、内トップコア23のみを多孔質型(通気性金型)に形成した場合について例示したが、内トップコア23のみに限ることなく、例えば前記中子15やモールドブッシュ15をも多孔質型とすることが望ましいものである。このように、中子やモールドブッシュを多孔質型にすると、多孔質型は内部に気体を包含しているので保温性に優れ、溶湯の流動性を良好に保持することができるものである。
また、減圧鋳造用金型10において多孔質材料で形成した内トップコア23の空孔径を4μm〜12μmとしてあるので、塗型を行うことなくアルミニウム合金の溶湯を給湯して製品の成形を行う場合であっても、溶湯の表面張力により空孔内に溶湯の一部が入り込むようなことがなく、かじりを生じることはないものである。
さらに、前記内トップコア23において、転写精度を必要とする箇所の肉厚を12mm以下に形成してあるので、この箇所においてキャビティ内の気体を効果的に排気して溶湯を吸引することにより精確な転写を行うことができるものである。
また、前記内トップコア23の多孔質材料は、鉄系金属粉を焼結してなるものであるから、アルミニウム合金の溶湯をキャビティに給湯して成形を行う場合の耐熱性に優れているものである。
また、前記鉄系金属粉がステンレス粉であることにより、耐食性、耐熱性、耐摩耗性に優れているものである。
前記実施形態から把握される前記請求項以外の発明の技術的思想について以下に説明する。
〔請求項a〕請求項1に記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記多孔質部材は、ホウ珪酸ガラスであることを特徴とする内燃機関のピストン。
〔請求項b〕請求項1に記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記多孔質部材の空孔率は、約60〜80体積%であることを特徴とする内燃機関のピストン。
〔請求項c〕請求項1に記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記母材は、アルミニウム合金であることを特徴とする内燃機関のピストン。
〔請求項d〕請求項1に記載の内燃機関のピストンにおいて、
多孔質部材と母材との間に介在される材料は、塩化ナトリウムであることを特徴とする内燃機関のピストン。
〔請求項a〕請求項1に記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記多孔質部材は、ホウ珪酸ガラスであることを特徴とする内燃機関のピストン。
〔請求項b〕請求項1に記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記多孔質部材の空孔率は、約60〜80体積%であることを特徴とする内燃機関のピストン。
〔請求項c〕請求項1に記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記母材は、アルミニウム合金であることを特徴とする内燃機関のピストン。
〔請求項d〕請求項1に記載の内燃機関のピストンにおいて、
多孔質部材と母材との間に介在される材料は、塩化ナトリウムであることを特徴とする内燃機関のピストン。
この発明によれば、介在物として塩化ナトリウムを用いることにより、溶解度が高くかつ材料コストが低いことから、製造コストの低減化が図れる。
〔請求項e〕請求項3に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
前記第1粉体はホウ珪酸ガラスである一方、第2粉体は塩化ナトリウム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。
〔請求項f〕請求項3に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
前記第1粉体と第2粉体の重量比率は、54対46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。
〔請求項g〕請求項3に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
前記混合粉の焼成は、650℃〜750℃の温度で、20〜40分の間行われることを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。
〔請求項h〕請求項3に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
前記第2粉体を、50℃〜95℃の湯中で30分〜3時間の間で溶解させることを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。
〔請求項e〕請求項3に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
前記第1粉体はホウ珪酸ガラスである一方、第2粉体は塩化ナトリウム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。
〔請求項f〕請求項3に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
前記第1粉体と第2粉体の重量比率は、54対46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。
〔請求項g〕請求項3に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
前記混合粉の焼成は、650℃〜750℃の温度で、20〜40分の間行われることを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。
〔請求項h〕請求項3に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
前記第2粉体を、50℃〜95℃の湯中で30分〜3時間の間で溶解させることを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。
1…ピストン
1a…アルミニウム合金材
2…冠部
2a…冠面
2b…凹部
3…スカート部
4…エプロン部
5…低熱伝導率部
6…多孔質部材
8…第1粉体
9…第2粉体
9a…空孔
10…減圧鋳造用金型
1a…アルミニウム合金材
2…冠部
2a…冠面
2b…凹部
3…スカート部
4…エプロン部
5…低熱伝導率部
6…多孔質部材
8…第1粉体
9…第2粉体
9a…空孔
10…減圧鋳造用金型
Claims (3)
- 筒内噴射式火花点火式の内燃機関に用いられ、インジェクターから燃料が噴射される冠面の所定部位に、母材よりも熱伝導率の低い低熱伝導率部が部分的に設けられている内燃機関のピストンであって、
前記低熱伝導率部は、前記母材よりも熱伝導率の低いガラス材からなる多孔質部材の内部に前記母材が含浸され、前記多孔質部材と母材との間の少なくとも一部に、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、硫酸マグネシウム、硫酸カリウム、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硝酸マグネシウム、硝酸カルシウム、四ホウ酸ナトリウムの少なくとも一つを含む材料が介在していることを特徴とする内燃機関のピストン。 - 少なくとも冠面に母材に対して熱伝導率の低い低熱伝導率部を有する内燃機関のピストンであって、
前記低熱伝導率部は、前記母材よりも熱伝導率の低いガラス材からなる多孔質部材の内部に母材が含浸され、前記多孔質部材と母材との間の少なくとも一部に、水溶性で、かつ前記多孔質部材よりも融点が高い材料が介在していることを特徴とする内燃機関のピストン。 - 少なくとも冠面に母材に対して熱伝導率の低い低熱伝導率部を有する内燃機関のピストンの製造方法であって、
少なくとも前記母材よりも熱伝導率が低く、熱によって軟化する材料の第1粉体と、水溶性で、かつ前記第1粉体よりも融点が高い第2粉体を混合する工程と、
前記混合粉を加圧成形して焼成する工程と、
該焼成工程後に、前記第2粉体を液体で溶解させて多孔質部材を成形する工程と、
金型内に設置された前記多孔質部材を吸引または溶湯を加圧しながら前記金型内に注湯する工程と、
冷却された後に金型から取り出されたピストンの冠面に切削加工を施す工程と、
を備えたことを特徴とする内燃機関のピストの製造方法。
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