JP2017203437A - 内燃機関用ピストン - Google Patents

Abstract

【課題】スキッシュエリア面に遮熱層を形成しつつ、ノッキングによる当該遮熱層の損傷・剥離を抑えるとともに、スキッシュエリアにおいて乱流の発生を防止し冷却損失を低減させる。
【解決手段】ピストン本体１９の頂面のスキッシュエリア面１２’を含む外周側に設けられた遮熱層外周部２１ｂと、その内周側に設けられた遮熱層内周部２１ａとの境界を段差なく滑らかに接続させるようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関用ピストンに関するものである。

従来、エンジン部品のような高温ガスに晒される金属製品では、高温ガスからの熱伝達、すなわち冷却損失を抑制するために、その金属製母材の表面に遮熱層を形成することが行われている。その一例として、エンジンの燃焼室を区画するピストン本体の頂面に、ジルコニア等の無機酸化物や、中空粒子を含有する有機系材料からなる遮熱層を形成することが知られている。

ところで、燃焼室を区画するピストン本体の頂面とシリンダヘッドの下面との間隙部にスキッシュエリアが形成されることがある。このようなピストン本体の頂面のうち、スキッシュエリアを形成する面（スキッシュエリア面）に遮熱層が設けられている場合、当該遮熱層の温度は高温となり、延いてはスキッシュエリア面自体が高温となる。このため、燃焼工程において、スキッシュエリアに高温高圧のエンドガス（点火プラグから遠い場所にある未燃焼の混合気）が流れ込んだ際に、高温のスキッシュエリア面により、エンドガスからスキッシュエリア面への放熱が妨げられて、ノッキングが発生し得る。そして、スキッシュエリア面に形成された遮熱層にクラックが生じ、遮熱層の損傷・剥離が引き起こされ、遮熱性能が失われる。

そこで、ピストン本体の頂面のうち、スキッシュエリア面上には遮熱層を形成せず、それ以外の部分にのみ遮熱層を形成した内燃機関が記載されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の内燃機関によれば、スキッシュエリア面上には遮熱層を形成していないので、エンドガスからのスキッシュエリア面への放熱が促進され、ノッキングの発生が抑制される。

特開２０１１−１６９２３２号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、遮熱層を形成していない領域の冷却損失を低減することができない。また、遮熱層を形成した部位と遮熱層を形成していない部位との境界に遮熱層の厚さに起因する段差が生じるため、乱流が発生し、ピストン外周部での冷却損失が増大する虞がある。

そこで、本発明では、スキッシュエリア面に遮熱層を形成しつつ、ノッキングによる当該遮熱層の損傷・剥離を抑えるとともに、スキッシュエリアにおいて乱流の発生を防止し冷却損失を低減させることができる内燃機関用ピストンをもたらすことを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明では、ピストン本体頂面のスキッシュエリア面を含む外周側に設けられた遮熱層と、その内周側に設けられた遮熱層との境界を段差なく滑らかに接続させるようにした。

すなわち、ここに開示する内燃機関用ピストンは、頂面外周側に内燃機関燃焼室のスキッシュエリアを形成するスキッシュエリア面を備えたピストン本体と、前記ピストン本体の頂面に形成された遮熱層と、を備えた内燃機関用ピストンであって、前記遮熱層は、前記ピストン本体の頂面の少なくとも前記スキッシュエリア面を含む外周側に形成され、該ピストン本体頂面の径方向内周側から外周側に向かって厚さが次第に減少している外周部と、前記ピストン本体の頂面において前記外周部よりも内周側に形成され、外周側端部表面が前記外周部の内周側端部表面から滑らかに接続されるように形成された内周部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、遮熱層における内周部の外周側端部と外周部の内周側端部との境界において、表面が滑らかに接続されているので、遮熱層表面での乱流発生を抑制し、冷却損失を低減させることができる。また、外周部はスキッシュエリア面全体を覆うように形成されており、ピストン本体頂面外周側に向かって次第に膜厚が減少するように設定されているので、スキッシュエリアでノッキングが生じてもクラックの成長を抑制し、遮熱層の損傷・剥離を抑えることができる。

好ましい態様では、前記遮熱層の外周部は、前記ピストン本体頂面の径方向内周側から外周側に向かって厚さが段差なく連続的に減少するように形成されている。これにより、外周部表面も段差なく滑らかに形成されているので、遮熱層表面での乱流発生の抑制効果をより高めることができる。

なお、本明細書において、「段差なし」とは、前記遮熱層の外周部表面並びに前記遮熱層の外周部及び内周部の境界部に、高低差１０μｍ以上、円筒状のピストン本体の軸に対する傾斜角度が２０°以内の傾斜がないことをいう。

好ましい態様では、前記遮熱層の内周部及び外周部により、前記ピストン本体頂面の全面が覆われている。これにより、ピストン本体の頂面全体で優れた遮熱性能を得つつ、遮熱層の損傷・剥離を効果的に抑えることができる。

好ましい態様では、前記遮熱層の外周部の外周側端部厚さは、該外周部の内周側端部厚さの２０％以上６０％以下である。

外周部における径方向断面の勾配が大きすぎると、段差が形成されている状態と同様に乱流が発生する虞がある。本構成とすることにより、乱流の発生を効果的に防止することができる。

好ましい態様では、前記遮熱層の外周部の径方向幅は、前記ピストン本体頂面外径の５％以上３０％以内である。

外周部エリアを大きくしすぎると、遮熱層全体に占める厚さの薄い領域の割合が高くなり、遮熱性能が低下する虞がある。本構成によれば、遮熱層の耐久性と遮熱性能とを両立させることができる。

好ましい態様では、前記遮熱層の内周部の厚さは一定である。

これにより、ピストン本体頂面内周側では均一な厚さの遮熱層が形成されているので、優れた遮熱性能を得ることができる。

なお、本明細書において、遮熱層の所定領域の厚さが一定とは、所定領域の遮熱層の厚さが、その平均厚さから１０％前後の範囲内の厚さに設定されていることをいう。

好ましい態様では、前記遮熱層は、多数の中空粒子と、前記中空粒子を前記ピストン本体の頂面に保持するとともに、前記中空粒子間を埋めて前記遮熱層の母材を形成するバインダと、を含む。これにより、遮熱層の遮熱性能を効果的に向上させることができる。

好ましい態様では、前記バインダは、シリコーン系樹脂である。これにより、遮熱層の熱伝導性を低下させることができるとともに、ピストン本体の頂面と遮熱層との優れた密着性を得ることができる。

好ましい態様では、前記中空粒子は、ガラスバルーンである。これにより、遮熱層の熱伝導性を低くすることができるとともに、その強度も向上させることができる。

以上述べたように、本発明によれば、遮熱層における内周部の外周側端部と外周部の内周側端部との境界において、表面が滑らかに接続されているので、遮熱層表面での乱流発生を抑制し、冷却損失を低減させることができる。また、外周部はスキッシュエリア面全体を覆うように形成されており、ピストン本体頂面外周側に向かって次第に膜厚が減少するように設定されているので、スキッシュエリアでノッキングが生じてもクラックの成長を抑制し、遮熱層の損傷・剥離を抑えることができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るエンジンを模式的に示す断面図である。 図２は、図１の実施形態に係るピストンの冠面を示す平面図である。 図３は、図２のピストンのピストン本体の頂面を示す平面図である。 図４は、図２のピストンのＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 図５は、図４の遮熱層の拡大断面図である。 図６は、図４の遮熱層の拡大断面図である。 図７は、遮熱層のピストン直径ｄに対するスロープ長ｓの割合に対して熱の遮熱率及び残存膜の増加率をプロットしたグラフである。 図８は、従来のピストンにおいて遮熱層に段差がある状態を説明するための図である。 図９は、段差の高さに対する熱流束を算出するためのモデルを示す図である。 図１０は、図９のモデルにより算出した段差の高さに対する熱流束（平面比）を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

［第１実施形態］
＜エンジンの構成＞
図１に示す直噴エンジン（内燃機関）Ｅは、ピストン（内燃機関用ピストン）１、シリンダブロック２、シリンダヘッド３、シリンダヘッド３の内部に形成された吸気ポート５の燃焼室側開口端を開閉するように構成された吸気バルブ４、シリンダヘッド３の内部に形成された排気ポート７の燃焼室側開口端を開閉するように構成された排気バルブ６、インジェクタ８、点火プラグ９を備える。ピストン１がシリンダブロック２のシリンダボア内を往復動する。

エンジンの燃焼室（内燃機関燃焼室）は、ピストン１の冠面１０、シリンダブロック２のシリンダボア、シリンダヘッド３に形成された燃焼室壁面、吸排気バルブ４，６の傘部４１，６１の前面で形成される。図１及び図２に示すように、ピストン１の冠面１０の略中央部には、燃焼室のキャビティを形成する凹陥状のキャビティ部１１が設けられている。また、冠面１０の外縁部には、燃焼室のキャビティから離れた外縁側に圧縮行程中に燃焼室の混合気の流動方向を燃焼室中央部に指向させるための段差部であるスキッシュエリアを形成するためのスキッシュエリア部１２が存在する。本実施形態に係るピストン１の冠面１０において、スキッシュエリア部１２はスキッシュエリア部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄからなっている。

＜遮熱層＞
図２及び図４に示すように、ピストン１は、該ピストン１の基材であるピストン本体１９と、エンジンＥの燃焼室の冷却損失低減の観点からピストン本体１９の頂面１０’に設けられた遮熱層２１とを備えている。

ピストン本体１９はアルミニウム合金製であり、Ｔ７処理又はＴ６処理の熱処理が施されている。図３に示すように、ピストン本体１９の頂面１０’は、上記キャビティ部１１を構成するキャビティ面１１’と、上記スキッシュエリア部１２を構成するスキッシュエリア面１２’とを備えている。なお、本実施形態におけるスキッシュエリア面１２’は、図３において斜線領域として示すスキッシュエリア面１２ａ’，１２ｂ’，１２ｃ’，１２ｄ’からなる。そして、図４において、ピストン本体１９の頂面１０’のうち、破線で示す位置よりも外周側がスキッシュエリア面１２ａ’，１２ｃ’である。すなわち、図２及び図４に示すスキッシュエリア部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄは、図３に示すピストン本体１９の頂面１０’のスキッシュエリア面１２ａ’，１２ｂ’，１２ｃ’，１２ｄ’と、これらのスキッシュエリア面１２ａ’，１２ｂ’，１２ｃ’，１２ｄ’に形成された遮熱層２１とにより構成されている。

遮熱層２１は、図５に示すように、中空粒子３１と、バインダ材（バインダ）３２とを含む層である。

すなわち、遮熱層２１は、遮熱層の遮熱性能向上の観点から、バインダ材３２と、その中に分散された多数の中空粒子３１とを含む。バインダ材３２は、中空粒子３１をピストン本体１９の頂面１０’に保持するとともに、中空粒子３１間を埋めて遮熱層２１の母材を形成する。バインダ材３２は例えばシリコーン系樹脂などの低熱伝導性材料であるとともに、中空粒子３１は、その内部空間に熱伝導性の低い空気を含有する。このようにバインダ材３２の中に中空粒子を分散させることにより、遮熱層２１を、より低熱伝導性の層としている。

中空粒子３１としては、シリカバルーン、ガラスバルーン、シラスバルーン、フライアッシュバルーン、エアロゲルバルーン等のＳｉ系酸化物成分（例えば、シリカ（ＳｉＯ_２））又はＡｌ系酸化物成分（例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３））を含有するセラミック系中空粒子を採用することが好ましく、特にガラスバルーンを採用することが好ましい。これにより、遮熱層２１の熱伝導性をより低くすることができるとともに、その強度も確保することができる。

なお、中空粒子３１は好ましくは球状である。中空粒子３１の平均粒径は、遮熱層２１の遮熱性向上の観点から、好ましくは５μｍ以上５０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以上４５μｍ以下、特に好ましくは１５μｍ以上４０μｍ以下である。遮熱層２１中における中空粒子３１の含有量は、遮熱層２１の遮熱性向上の観点から、好ましくは５質量％以上５０質量％以下、より好ましくは１０質量％以上４５質量％以下、特に好ましくは１５質量％以上４０質量％以下である。

バインダ材３２としては、耐熱性樹脂を用いることができ、例えば低熱伝導性材料であるシリコーン系樹脂を用いることができる。シリコーン系樹脂は具体的には例えば、メチルシリコーン樹脂、メチルフェニルシリコーン樹脂に代表される、分岐度の高い３次元ポリマーからなるシリコーン系樹脂を好ましく用いることができる。シリコーン系樹脂の具体例としては、さらに例えばポリアルキルフェニルシロキサンを挙げることができる。これにより、遮熱層２１の熱伝導性を低下させることができるとともに、ピストン本体１９の頂面１０’と遮熱層２１との優れた密着性を得ることができる。

ここに、遮熱層２１は、図２に示すように、ピストン本体１９頂面１０’の少なくともスキッシュエリア面１２’を含む外周側に形成された遮熱層外周部２１ｂと、ピストン本体１９頂面１０’の内周側であって遮熱層外周部２１ｂの内周側に形成された遮熱層内周部２１ａとを備えている。

そして、遮熱層外周部２１ｂは、図４に示すように、ピストン本体１９頂面１０’の径方向内周側から外周側に向かって厚さが次第に減少するように、特に、厚さが段差なく連続的に減少するように形成されている。また、遮熱層内周部２１ａは、表面が遮熱層外周部２１ｂの内周側端部から滑らかに接続されるように形成されていることを特徴とする。換言すると、遮熱層内周部２１ａの外周側端部表面と遮熱層外周部２１ｂの内周側端部表面との境界部は滑らかに接続されている。以下、本構成の作用効果について述べる。

図８に従来のピストン本体１９頂面１０’に設けられた遮熱層２１の構造を示す。図８の遮熱層２１は、スキッシュエリア面１２’を含むピストン本体１９頂面１０’の外周側に設けられた遮熱層外周部２１ｂと、ピストン本体１９頂面１０’の内周側に設けられた遮熱層内周部２１ａとの境界部に両者の厚みの差に起因する段差２２が形成されている。この段差２２の存在により、スキッシュエリア近傍において発生し得る乱流について考察する。

図９に示すように、平面４１上に遮熱層２１を設けたモデルを作成し、ガス温度１０００Ｋ、壁温度５００Ｋと仮定したときに、スキッシュ流相当の流速７．９ｍ／ｓの流動４２を与えた場合の、遮熱層２１の厚さ、すなわち段差２２の高さｈに対する、遮熱層２１の上面２５に発生する熱の移動量、すなわち熱流束を算出した。図１０に、段差２２の高さｈが０の場合、すなわち平面４１のみの場合の熱流束に対する比率として、高さｈに対する遮熱層２１の上面２５上に発生する熱流束の算出結果を示す。

図１０に示すように、段差の高さｈが例えば２５〜１００μｍの範囲の場合、段差ｈが０の場合に対して、熱流束は３％〜１０％増加することが判る。すなわち、段差２２によって筒内の流動が乱れることで、平面の熱流速より増加していることが判る。

このように、段差２２が存在することで、スキッシュエリアで発生するスキッシュ流が乱れてスキッシュエリア近傍に滞留し得る。そうすると、スキッシュ流の熱がシリンダブロック２のシリンダボア壁面等に逃げてしまい、冷却損失の増加につながる。

本実施形態では、上述の構成とすることにより、遮熱層２１における遮熱層内周部２１ａの外周側端部と遮熱層外周部２１ｂの内周側端部との境界部において、両者の表面が滑らかに接続されているので、遮熱層表面での乱流発生を抑制し、冷却損失を低減させることができる。また、遮熱層外周部２１ｂはピストン本体１９頂面１０’の外周側に向かって厚さが段差なく連続的に次第に減少するように設定されているので、スキッシュエリアでノッキングが生じてもクラックの成長を抑制し、遮熱層２１の損傷・剥離を抑えることができるとともに、遮熱層２１表面での乱流発生の抑制効果をより高めて冷却損失を低減させることができる。

なお、遮熱層内周部２１ａの外周側端部と遮熱層外周部２１ｂの内周側端部との境界部は丸みを帯びた形状に形成してもよい。図４に示すように、本実施形態に係るピストン本体１９頂面１０’は、スキッシュエリア面１２’とそれ以外の面とで、傾斜角度が異なっている。具体的には、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面位置では、図４に示すように、スキッシュエリア部１２ａを形成するスキッシュエリア面１２’は円筒状のピストン本体１９の軸に垂直な面と平行に形成されているのに対し、スキッシュエリア面１２’からキャビティ面１１’に向かうピストン本体１９頂面１０’は当該ピストン本体１９の軸に垂直な面に対して傾斜するように形成されている。従って、本実施形態に係るピストン本体１９の頂面１０’では、遮熱層外周部２１ｂの厚さはピストン本体１９径方向内周側から外周側に向かって段差なく連続的に減少しているが、遮熱層外周部２１ｂ及び遮熱層内周部２１ａのピストン本体１９の軸に垂直な面に対する見かけ上の傾斜はほぼ同じとなっており、遮熱層外周部２１ｂの内周側端部と遮熱層内周部２１ａの外周側端部との境界部はほとんど傾斜角度が変化すること無く滑らかに繋がっている。

また、遮熱層外周部２１ｂ及び遮熱層内周部２１ａのピストン本体１９の軸に垂直な面に対する見かけ上の傾斜角度は、いずれの部位の傾斜角度が大きい場合であっても、その境界部表面は滑らかに繋がるように形成される。図４に示すように、スキッシュエリア部１２ｃを形成するスキッシュエリア面１２’からキャビティ面１１’へ延びるピストン本体１９頂面１０’の見かけの傾斜角度は遮熱層外周部２１ｂの見かけの傾斜角度よりも大きくなっているため、遮熱層内周部２１ａのピストン本体１９の軸に垂直な面に対する見かけ上の傾斜角度は遮熱層外周部２１ｂの見かけの傾斜角度よりも大きくなっている。この場合であっても、遮熱層外周部２１ｂの内周側端部と遮熱層内周部２１ａの外周側端部との境界部は滑らかに繋がっている。

なお、図２に示すように、遮熱層内周部２１ａ及び遮熱層外周部２１ｂにより、ピストン本体１９頂面１０’の全面が覆われていることが好ましい。これにより、ピストン本体１９の頂面１０’全体で優れた遮熱性能を得つつ、遮熱層２１の損傷・剥離を効果的に抑えることができる。また、特に、遮熱層外周部２１ｂはスキッシュエリア部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄのスキッシュエリア面１２ａ’，１２ｂ’，１２ｃ’，１２ｄ’全てを覆っている。これにより、スキッシュエリアでノッキングが生じてもクラックの成長を抑制し、遮熱層２１の損傷・剥離を抑えることができるとともに、遮熱層２１表面での乱流発生の抑制効果をより高めて冷却損失を低減させることができる。さらに、図２に示すように、遮熱層内周部２１ａは、平面視円形状に形成されているが、遮熱層外周部２１ｂがスキッシュエリア面１２’の全てを覆うように形成されていれば、遮熱層内周部２１ａは例えば円形や楕円形状などいかなる形状に形成されていてもよい。

遮熱層内周部２１ａの厚さは、優れた遮熱性能を得る観点から、好ましくは４０μｍ以上１５０μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以上１２０μｍ以下、特に好ましくは６０μｍ以上１００μｍ以下である。そして、遮熱層内周部２１ａの厚さは一定であることが好ましい。これにより、ピストン本体１９頂面１０’の内周側では均一な厚さの遮熱層２１が形成されているので、優れた遮熱性能を得ることができる。

また、遮熱層外周部２１ｂの厚さは、高い遮熱性能を維持しつつ遮熱層外周部２１ｂの破損・剥離を防止する観点から、好ましくは８μｍ以上９０μｍ以下、より好ましくは１２．５μｍ以上６６μｍ以下、特に好ましくは１８μｍ以上５０μｍ以下である。

換言すると、遮熱層外周部２１ｂにおける径方向断面の勾配が大きすぎると、段差が形成されている状態と同様に乱流が発生する虞がある。従って、乱流の発生を効果的に防止する観点から、遮熱層外周部２１ｂの外周側端部厚さは、遮熱層外周部２１ｂの内周側端部厚さの、好ましくは２０％以上６０％以下、より好ましくは２５％以上５５％以下、特に好ましくは３０％以上５０％以下とすることができる。

さらに、遮熱層外周部２１ｂの径方向幅は、ピストン本体１９頂面１０’の外径の、好ましくは５％以上４０％以内、より好ましくは５％以上３０％以内、特に好ましくは５％以上２５％以内である。

図６に示すように、ピストン本体１９の直径をｄ、遮熱層外周部２１ｂのスロープ長をｓとしたときに、ピストン本体１９の直径ｄに対するスロープ長ｓが占める割合（％）に対して、遮熱層２１の遮熱率（％）及び残存膜の増加率（％）をプロットしたものを図７に示す。なお、遮熱層２１の遮熱率（％）は、シミュレーション結果に基づいて算出することができる。また、残存膜の増加率（％）は、実機検証結果に基づいて算出することができる。

遮熱層外周部２１ｂの径方向幅を４０％より大きくすると、遮熱層全体に占める厚さの薄い領域の割合が高くなり、遮熱性能が低下する虞がある。また、遮熱層外周部２１ｂの径方向幅を５％より小さくすると遮熱性能は高いものの遮熱層が損傷・剥離しやすくなる虞がある。本構成によれば、遮熱層の耐久性と遮熱性能とを両立させることができる。

＜ピストンの製造方法＞
次に、本実施形態に係るピストンの製造方法について説明する。

まず、ピストン本体１９と遮熱層２１を形成するための遮熱材料とを準備する。

ピストン本体１９については、その頂面１０’にキャビティ形成用の凹部を形成しておき、脱脂処理により、ピストン本体１９の頂面１０’に付着している油脂や指紋等の汚れを除去する。

また、バインダ材３２としての液状シリコーン樹脂と中空粒子３１としてのガラスバルーンとを攪拌・混合した遮熱材料を準備する。必要に応じて、増粘剤や希釈溶剤を添加して遮熱材料の粘度を調整する。

ピストン本体１９と遮熱材料、特にシリコーン樹脂との付着力を高めるべく、ピストン本体１９の頂面１０’に粗面化処理を施すことが好ましい。粗面化処理としては、例えばサンドブラスト等のブラスト処理を行うことが好ましい。例えば、ブラスト処理は、エアーブラスト装置を使用し、研削材として粒度＃３０のアルミナを用い、圧力０．３９ＭＰａ、時間４５秒、距離１００ｍｍの処理条件で行うことができる。なお、これに限らず、ピストン本体１９がＡｌ合金からなる場合、アルマイト処理によってピストン本体１９の頂面１０’に微小凹凸を形成するようにしてもよい。例えば、アルマイト処理は、シュウ酸浴を用い、浴温２０℃、電流密度２Ａ／ｄｍ^２、時間２０分の処理条件で行うことができる。

しかる後、ピストン本体１９の頂面１０’に遮熱材料を載せ、ピストン本体１９の頂面１０’の形状に倣った成形面を有する成形型によって遮熱材料をピストン本体頂面１０’に押し付けて頂面１０’の全体に拡げる。

なお、本実施形態においては、スキッシュエリア面１２’の遮熱層外周部２１ｂの厚さがピストン本体１９頂面径方向内周側から外周側に向かって次第に減少するように成形型の成形面を形成する。そして、遮熱層内周部２１ａの外周側端部表面が前記遮熱層外周部２１ｂの内周側端部表面から滑らかに接続されるように成形型の成形面を形成する。なお、遮熱層内周部２１ａの外周側端部表面と前記遮熱層外周部２１ｂの内周側端部表面との接続部は、丸みを帯びた形状としてもよい。

次に、ピストン本体１９の頂面１０’に塗布された遮熱材料に対して、例えば、１８０℃前後の温度で数時間ないし数十時間の加熱処理を行う。これにより、シリコーン樹脂（バインダ）が硬化して、多数の中空粒子３１が密に充填され、それら粒子間がバインダ材３２で埋まった遮熱層２１が得られる。

なお、本方法によれば、成形中に成形型を加熱することにより、遮熱層２１の焼成を同時に行う構成としてもよい。これにより、遮熱層２１の製造工程を簡略化することができる。また、遮熱層２１の焼成を同時に行う場合には、ピストン本体１９を、例えばピストンスカートの内側から水冷又は空冷する等の方法によって冷却する構成とすることができる。これにより、遮熱層２１とピストン本体１９の頂面１０’との密着性を向上させることができる。

［第２実施形態］
以下、本発明に係る他の実施形態について詳述する。なお、これらの実施形態の説明において、第１実施形態と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

＜遮熱層＞
本実施形態に係る遮熱層２１は、第１実施形態の構成に加え、さらに磁性体粒子を含む。

磁性体粒子は具体的には例えば、マグネタイトＦｅ_３Ｏ_４、パーマロイＦｅ−Ｎｉ等の微粒子である。これらの磁性体粒子は、微妙な磁場の変化に対して容易に応答し得るため遮熱材料の成形が容易となるとともに、熱伝導率も低いため遮熱層２１の優れた遮熱性能を保持することができ、特に、界面活性剤で安定化されたマグネタイトＦｅ_３Ｏ_４の微粒子が好ましい。磁性体粒子の平均粒子径は、バインダ材への均一な分散性を確保する観点から、好ましくは１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、より好ましくは１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、特に好ましくは１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。

＜ピストンの製造方法＞
バインダ材３２としての液状シリコーン樹脂と中空粒子３１としてのガラスバルーンに加え、磁性体粒子としてマグネタイト微粒子のヘキサン溶液（平均粒子径１０ｎｍ）とを攪拌・混合した遮熱材料を準備する。必要に応じて、増粘剤や希釈溶剤を添加して遮熱材料の粘度を調整する。

なお、当該遮熱材料中における磁性体粒子の含有量は、好ましくは５質量％以上５０質量％以下、より好ましくは１０質量％以上４５質量％以下、特に好ましくは１５質量％以上４０質量％以下である。

しかる後、遮熱材料をピストン本体１９の頂面１０’にスプレーや刷毛等を用いて塗布する（塗布工程Ｓ１）。

具体的には例えば、塗布工程Ｓ１は以下の３つの工程からなる。すなわち、まずピストン本体１９の頂面１０’のスキッシュエリア面１２’を含む頂面１０’の外周部のみにマスキングを行い、キャビティ面１１’等を含む頂面１０’の内周部に必要回数の重ね塗りを行って、後述する調整工程Ｓ２において遮熱材料の厚さを調整しない遮熱層内周部２１ａに該当する部位に遮熱材料を塗布する（先塗布工程Ｓ１１）。なお、上記マスキングは、マスキングテープ又は、樹脂系のマスキング膜を用いて行うことができる。

次に、先塗布工程Ｓ１１で塗布された遮熱材料に対し、熱風乾燥、赤外線ヒータ等を用いて予備乾燥を行い、遮熱層内周部２１ａを形成する（乾燥工程Ｓ１２）。なお、予備乾燥は、後述する調整工程Ｓ２において遮熱材料層の形状を保持する観点から、好ましくは１５０℃以上２００℃以下、より好ましくは１６０℃以上１９０℃以下、特に好ましくは１７５℃以上１８５℃以下で、好ましくは１０分以上２時間以内、より好ましくは２０分以上１．５時間以内、特に好ましくは３０分以上１時間以内行う。

その後、スキッシュエリア面１２’のマスキングを除去し、スキッシュエリア面１２’表面を脱脂処理する。そして、後述する調整工程Ｓ２において厚さを調整する遮熱層外周部２１ｂに相当する部位に遮熱材料を塗布する（後塗布工程Ｓ１３）。このとき、頂面１０’の外周側の遮熱層外周部２１ｂの厚さを、遮熱層内周部２１ａの厚さよりも薄くなるように遮熱材料を塗布する。

そうして、磁石５１の磁力を用いて遮熱層外周部２１ｂの遮熱材料の厚さを調整し、傾斜を付ける（調整工程Ｓ２）。具体的には例えば、頂面外周側から頂面内周側に向けて磁石を動かし、磁力により遮熱材料を引き上げる。これにより、遮熱層外周部２１ｂのうち、遮熱層内周部２１ａに近い位置では、遮熱材料の付着量が多くなる一方、外周側の位置では、遮熱材料の付着量が少なくなる。そうして、ピストン本体１９頂面径方向内周側から外周側に向かうにつれて次第に厚さが減少するように構成された遮熱層外周部２１ｂが得られる。なお、磁石５１の磁界強度は、磁力による遮熱材料の引き上げ速度を制御して遮熱材料の表面をより滑らかに形成する観点から、例えば２００〜２５０ｋＡ／ｍとすることができる。

なお、磁石を頂面外周側から頂面内周側へ複数回動かすことにより、遮熱層外周部２１ｂは、ピストン本体頂面１０’の径方向内周側から外周側に向かって厚さが段差なく連続的に減少するように滑らかに形成することができる。

また、遮熱層外周部２１ｂの内周側端部と遮熱層内周部２１ａの外周側端部との境界において、磁石を腸満外周側から頂面内周側へ複数回往復動させることにより、両端部表面が滑らかに接続された遮熱層２１を得ることができる。

最後に、第１実施形態と同様に焼成処理を行い、塗布工程Ｓ１において塗布された遮熱材料を硬化させてピストン本体１９の頂面１０’に遮熱層２１を形成する。

本発明によれば、遮熱材料の表面に触れることなく遮熱材料の厚さを調整することができる。そうして、複雑な形状を有するピストン本体１９の頂面１０’に対しても滑らかな表面の遮熱層を形成することができる。

本構成によると、ヘラや刷毛等で遮熱材料の表面に触れて物理的に遮熱材料な厚さを調整する従来の方法と異なり、遮熱材料の表面に触れることなく遮熱層の外周部と内周部との境界部に該当する箇所の遮熱材料の厚さを調整することができる。そうして、境界部にエッジ等が形成されることなく、境界部の表面を滑らかに接続させることができる。その結果、遮熱層表面に形成される段差を最小限とし、燃焼室内の筒内流動の乱れを抑えて冷却損失を低減させることができる。

また、遮熱層外周部２１ｂの遮熱材料の厚さを段差なく連続的に外周側に向かって減少するように形成することができるので、特にスキッシュエリアでの乱流の発生を効果的に抑制するとともに、スキッシュエリアでノッキングが生じてもクラックの成長を抑制し、遮熱層の損傷・剥離を抑えることができる。

また、磁力を制御することで、遮熱層の厚さを自在に変更させることができるので、例えば異なる径のピストンであっても、設備を大きく変更させることなく遮熱層を形成することができる。

また、上述のごとく、遮熱層の厚さを所定の厚さに保持したい部分の磁性材料については、先塗布工程Ｓ１１で塗布した後、前記乾燥工程Ｓ１２により予め乾燥させて硬化させておくことで、後の調整工程Ｓ２において遮熱材料に磁力を与えたときに、遮熱層の厚さを調整したい部分のみ調整することができる。

なお、後塗布工程Ｓ１３及び調整工程Ｓ２を複数回繰り返して行う構成としてもよい。

本構成によれば、遮熱層の厚さを調整したい部分の遮熱材料を複数回に分けて塗布し、その厚さを調整することで、微細な厚さの調整を行うことができ、遮熱層の表面をより滑らかに形成することができる。また、径が大きなピストンにおいても表面が滑らかな遮熱層を効果的に形成することができる。

本発明は、スキッシュエリア面に遮熱層を形成しつつ、ノッキングによる当該遮熱層の損傷・剥離を抑えるとともに、スキッシュエリアにおいて乱流の発生を防止し冷却損失を低減させることができるので、極めて有用である。

１ ピストン
１０ （ピストンの）冠面
１０’ （ピストン本体の）頂面
１１ キャビティ部
１１’ キャビティ面
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ スキッシュエリア部
１２’，１２ａ’，１２ｂ’，１２ｃ’，１２ｄ’ スキッシュエリア面
１９ ピストン本体
２１ 遮熱層
２１ａ 遮熱層内周部（内周部）
２１ｂ 遮熱層外周部（外周部）
３１ 中空粒子
３２ バインダ材（バインダ）
Ｅ エンジン

Claims (9)

1. 頂面外周側に内燃機関燃焼室のスキッシュエリアを形成するスキッシュエリア面を備えたピストン本体と、
   前記ピストン本体の頂面に形成された遮熱層と、
   を備えた内燃機関用ピストンであって、
   前記遮熱層は、
   前記ピストン本体の頂面の少なくとも前記スキッシュエリア面を含む外周側に形成され、該ピストン本体頂面の径方向内周側から外周側に向かって厚さが次第に減少している外周部と、
   前記ピストン本体の頂面において前記外周部よりも内周側に形成され、外周側端部表面が前記外周部の内周側端部表面から滑らかに接続されるように形成された内周部と、を備えた
   ことを特徴とする内燃機関用ピストン。
2. 請求項１において、
   前記遮熱層の外周部は、前記ピストン本体頂面の径方向内周側から外周側に向かって厚さが段差なく連続的に減少するように形成されていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
3. 請求項１又は請求項２において、
   前記遮熱層の内周部及び外周部により、前記ピストン本体頂面の全面が覆われていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
   前記遮熱層の外周部の外周側端部厚さは、該外周部の内周側端部厚さの２０％以上６０％以下であることを特徴とする内燃機関用ピストン。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
   前記遮熱層の外周部の径方向幅は、前記ピストン本体頂面外径の５％以上３０％以内であることを特徴とする内燃機関用ピストン。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一において、
   前記遮熱層の内周部の厚さは一定であることを特徴とする内燃機関用ピストン。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一において、
   前記遮熱層は、
   多数の中空粒子と、
   前記中空粒子を前記ピストン本体の頂面に保持するとともに、前記中空粒子間を埋めて前記遮熱層の母材を形成するバインダと、を含む
   ことを特徴とする内燃機関用ピストン。
8. 請求項７において、
   前記バインダは、シリコーン系樹脂であることを特徴とする内燃機関用ピストン。
9. 請求項７又は請求項８において、
   前記中空粒子は、ガラスバルーンであることを特徴とする内燃機関用ピストン。

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