(57)【要約】【課題】  アルミニウム合金からなる内燃機関のピストンピンにおいて、ピストンピンの曲げ剛性向上を図る手段を提供する。【解決手段】  ピストンとコネクティングロッドとを連結する内燃機関のピストンピンであって、前記ピストンピンは、カーボンナノチューブを含むアルミニウム合金からなる、内燃機関のピストンピンである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンとコネクティングロッドとを連結する内燃機関のピストンピンであって、前記ピストンピンは、カーボンナノチューブを含むアルミニウム合金からなる、内燃機関のピストンピン。
【請求項２】
前記アルミニウム合金中の前記カーボンナノチューブの含有率が、８体積％〜４０体積％である、請求項１に記載の内燃機関のピストンピン。
【請求項３】
前記カーボンナノチューブは、前記ピストンピンの軸方向に平行に一軸配向されてなる、請求項１または２に記載の内燃機関のピストンピン。
【請求項４】
前記カーボンナノチューブの含有量は、ピストンピンの中心軸付近よりもピストンピンの外周部付近の方が高い、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関のピストンピン。
【請求項５】
前記ピストンピンの外周部に硬質炭素薄膜を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関のピストンピン。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関のピストンピンと、前記ピストンピンによって連結されるピストンおよびコネクティングロッドからなる、内燃機関のピストン機構。
【請求項７】
前記ピストンまたは前記コネクティングロッドは、前記ピストンピンとの接触部に硬質炭素薄膜を有する、請求項６に記載の内燃機関のピストン機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンおよびコネクティングロッドを連結するピストンピンに関し、特に、軽量化および曲げ剛性向上の両立を図ったピストンピンに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車業界では、自動車用内燃機関の出力および燃費の向上に対する要求がますます高まってきており、そのための研究が日々盛んに行われている。ところで、内燃機関の可動部である、ピストン、コネクティングロッドおよびこれらを連結するピストンピンは、その重量が出力および燃費に大きく影響を与える部品である。ピストンやコネクティングロッドと共に、ピストンピンをも軽量化することができれば、内燃機関の可動部全体の軽量化に寄与することとなり、内燃機関の出力および燃費の向上に応えることが可能となる。
【０００３】
ところで、アルミニウム合金は、軽量で、加工性も良いことから、ピストンピンのアルミニウム化が検討されている。例えば、特許文献１において、Ｔｉ−Ａｌ金属間化合物からなるピストンピンが開示されており、また、特許文献２において、アルミニウム材を基材としたピストンピンが開示されている。
【０００４】
しかし、ピストンピンは、燃料の爆発力を直線運動から回転運動へと変換する機関の一部品であり、可動時には大きな荷重を受ける。そこで、一般的に剛性の低いアルミニウム合金をピストンピンとして用いた場合、可動時の大きな荷重に耐え切れないおそれがある。そこで、高い曲げ剛性を有する、アルミニウム合金製ピストンピンが望まれていた。
【特許文献１】特開平５−１２６２５５号公報
【特許文献２】特開２００４−３６０６４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明は、アルミニウム合金からなる内燃機関のピストンピンにおいて、ピストンピンの曲げ剛性向上を図る手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ピストンとコネクティングロッドとを連結する内燃機関のピストンピンであって、前記ピストンピンは、カーボンナノチューブを含むアルミニウム合金からなる、内燃機関のピストンピンである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の、アルミニウム合金からなる内燃機関のピストンピンによれば、高い曲げ剛性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【０００９】
図１は、本発明に係る内燃機関のピストンピンを示す図であり、図１Ａは側面図、図１Ｂは平面図である。本発明に係る内燃機関のピストンピンは、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含むアルミニウム合金からなることを特徴としている。
【００１０】
カーボンナノチューブは、その構造に起因して特異な性質を有しており、特に、機械的性質および熱伝導率は他の物質と比べて桁違いの値を示す。そこで、カーボンナノチューブを他の物質中に添加して複合材とすることにより、優れた性能を有する材料を作り出すことができる。
【００１１】
カーボンナノチューブの強度は、通常、自動車用材料として使用されるアルミニウム合金（ＪＩＳ  ＡＣ２Ａ合金、ＪＩＳ  ＡＣ２Ｂ合金、ＪＩＳ  ＡＣ４Ｃ合金、ＪＩＳ  ＡＣ８Ａ合金、ＪＩＳ  ＡＣ８Ｂ合金など）の強度の数百倍であると言われている。よって、これらのアルミニウム合金製ピストンピンにカーボンナノチューブを複合化することにより、ピストンピンの曲げ剛性を向上させることが可能となる。
【００１２】
また、カーボンナノチューブの比重はアルミニウム合金の比重よりも小さいため、アルミニウム合金製ピストンピンにカーボンナノチューブを複合化することにより、複合化しない場合と比べてピストンピンの軽量化を促進することが可能となる。
【００１３】
ところで、カーボンナノチューブを含む複合材料は、それを含まないものと比べて摩擦が低減する。よって、アルミニウム合金製ピストンピンにカーボンナノチューブを複合化することにより、ピストンピンとピストン、あるいはピストンピンとコネクティングロッドとの接触部の摩擦を低減することができる。したがって、当該接触部における焼付きを効果的に防止することが可能となる。また、摩擦低減効果により内燃機関全体の機械損失が減少するため、自動車の出力および燃費の向上にもつながる。
【００１４】
カーボンナノチューブとしては、多層型カーボンナノチューブ（ＭＷ−ＣＮＴ）や単層型カーボンナノチューブ（ＳＷ−ＣＮＴ）などが存在するが、本発明においては、いずれのカーボンナノチューブを用いても高強度化といった目的を達成することが可能である。したがって、アルミニウム合金に複合化するカーボンナノチューブの種類については特に限定はされない。しかし、カーボンナノチューブの複合化に際して、鋳造法や粉末焼結法などを用いる場合には、７００℃程度まで安定であるカーボンナノチューブを採用することが望ましい。
【００１５】
アルミニウム合金中のカーボンナノチューブの含有率は、８体積％〜４０体積％であることが望ましい。当該含有率が８体積％未満である場合には、内燃機関の燃焼圧力による荷重や、ピストンの往復運動による慣性力に耐えうる強度としてのカーボンナノチューブの複合化の効果を十分に得ることができないおそれがある。また、当該含有率が４０体積％を超えると、鋳造法によりカーボンナノチューブをアルミニウム合金に複合化させる際に用いる、プリフォームの製作が困難になるおそれがある。あるいは、粉末法によりカーボンナノチューブをアルミニウム合金に複合化させる際に、焼結性が悪化するおそれがある。
【００１６】
カーボンナノチューブは、ピストンピンの軸方向に平行に一軸配向されてなることが望ましい。ここで、ピストンピンの軸方向とは、図１Ｂにおける両矢印の方向のことである。一般に、複合材中の添加材がある方向に配向していると性質にも方向性が生じ、配向方向の性質はランダムに分散している場合に比べ、際立った性質が得られる。よって、アルミニウム合金中に含まれるカーボンナノチューブをピストンピンの軸方向と平行に一軸配向させることにより、カーボンナノチューブをランダムに配向させた場合に比べ、ピストンピンの軸方向に対する曲げ剛性がさらに向上する。
【００１７】
アルミニウム合金中のカーボンナノチューブの含有量は、ピストンピンの中心軸１０（図１Ａ参照）付近よりもピストンピンの外周部２０（図１Ａ参照）付近の方が高いことが望ましい。上述のように、カーボンナノチューブを含む複合材料は、それを含まないものと比べて摩擦が低減する。さらに、カーボンナノチューブの含有量が高くなればなるほど、摩擦低減の効果が大きい。そこで、ピストンピンの外周部付近のカーボンナノチューブの含有量を、ピストンピンの中心軸付近の含有量よりも高くすることで、さらなる摩擦低減効果を得ることができる。なお、カーボンナノチューブの含有量が、ピストンピンの中心軸付近よりもピストンピンの外周部付近の方が高くなるような構造としては、含有量の異なる複数の層を組み合わせた多層構造であってもよいし、含有量がピストンピン外周部に向けて連続的に高くなるような傾斜構造であってもかまわない。
【００１８】
ピストンピンの外周部は、硬質炭素薄膜を有していることが望ましい。ここで、硬質炭素薄膜は、炭素元素を主として構成された非晶質のものであり、炭素同士の結合形態がダイヤモンド構造（ＳＰ３結合）とグラファイト結合（ＳＰ２結合）の両方から成る。具体的には、炭素元素だけから成るアモルファスカーボン薄膜、水素を含有する水素アモルファスカーボン薄膜、及びチタン（Ｔｉ）やモリブデン（Ｍｏ）等の金属元素を一部に含む金属アモルファスカーボン薄膜が挙げられる。硬質炭素薄膜は、摺動部材の摺動面に被覆されることで摩擦低減効果をもたらす。しかし、被覆される部材の強度が低い場合、部材の弾性変形により被覆された硬質炭素薄膜が剥離するおそれがある。カーボンナノチューブを含むアルミニウム合金製ピストンピンは、高い曲げ剛性を有しているため、その外周部に硬質炭素薄膜を有していても、硬質炭素薄膜の剥離を効果的に防止することができる。
【００１９】
本発明に係るピストンピンによって連結されるピストンまたはコネクティングロッドは、ピストンピンとの接触部に硬質炭素薄膜を有していることが望ましい。前述のとおり、カーボンナノチューブを含む複合材料は摩擦低減効果を有する。また、硬質炭素薄膜は、摺動部材の摺動面に被覆されることで摩擦を低減する。よって、カーボンナノチューブを含むアルミニウム合金製ピストンピンと、ピストンピンとの接触部に硬質炭素薄膜を有するピストンまたはコネクティングロッドとを組み合わせることで、摩擦低減に対する相乗効果が期待できる。なお、硬質炭素薄膜は、ピストンまたはコネクティングロッドの一方に有していても、両方に有していてもかまわない。
【００２０】
続いて、本発明に係る内燃機関のピストンピンの製造方法について説明する。
【００２１】
まず、アルミニウム合金とカーボンナノチューブを複合化する。次に、複合化して得られた複合化物を、ピストンピン形状に機械加工して、目的のピストンピンを得る。
【００２２】
上記、アルミニウム合金とカーボンナノチューブの複合化は、例えば、以下のようにしてすることができる。まず、カーボンナノチューブを分散させてバインダにより固めたプリフォームを作製し、得られたプリフォームを金型に配置する。次に、溶湯鍛造法、低圧鋳造法および重力鋳造法のいずれかにより、アルミニウム溶湯を金型内に鋳込むことにより、目的の複合化物を得る。
【００２３】
また、アルミニウム合金とカーボンナノチューブの複合化の別の方法として、以下のようにすることもできる。まず、アルミニウム粉末とカーボンナノチューブを混合する。次に、混合によって得られた混合物を、ＳＰＳ法、ＨＩＰ法および焼結法のいずれかにより、成形固化することにより、目的の複合化物を得る。
【００２４】
続いて、カーボンナノチューブがピストンピンの軸方向に平行に一軸配向したピストンピンの製造方法について説明する。まず、アルミニウム合金とカーボンナノチューブを複合化する。次に、複合化によって得られた複合化物を、押し出し成形する。さらに、押し出し成形によって得られた押出物を、カーボンナノチューブがピストンピンの軸方向に平行に一軸配向する向きになるようにピストンピン形状に機械加工して、目的のピストンピンを得る。上記複合化物を、圧延や押し出し成形によって塑性加工を加えることによって緻密化するとともに、カーボンナノチューブを所定方向に配向させることができる。
【００２５】
図２は、本発明に係る内燃機関のピストンピンの製造方法の一例を示す図である。まず、工程Ａでは、カーボンナノチューブのプリフォーム３０を溶湯鍛造用金型３２内に配置し、アルミニウム溶湯３４を溶湯鍛造用金型３２内に注入する。次に、溶湯鍛造用金型３２に対し圧力を加えつつ、アルミニウム合金とカーボンナノチューブを複合化し、複合化物４０を得る。工程Ｂでは、工程Ａで得られた複合化物４０を押し出し成形し、カーボンナノチューブが一軸配向した押出物を得る。押し出し成形の際に用いられる装置については、特に限定されない。例えば、図２Ｂに示すような、ダイス４２、コンテナ４４、ステム４６、およびダミーブロック４８を備えた装置が用いられる。続いて、工程Ｃでは、工程Ｂで得られた押出物を、カーボンナノチューブがピストンピンの軸方向に平行に一軸配向する向きになるようにピストンピン形状に機械加工して、目的のピストンピン５０を得る。
【実施例】
【００２６】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。なお、本発明は、これら実施例によって何ら限定されるものではない。
【００２７】
（実施例１）
アルミニウム合金（ＡＤＣ１２）をマトリックスとし、これにカーボンナノチューブを複合化して、アルミニウム合金とカーボンナノチューブの複合化物を作製した。アルミニウム合金中のカーボンナノチューブの含有量（Ｖｆ）は、１０体積％とした。作製方法としては、ＡＤＣ１２粉末に所定量のカーボンナノチューブ（直径２０〜５０μｍ、長さ数μｍの多層カーボンナノチューブ）を混合して撹拌し、冷間プレスで所定形状に成形した。上記成形により得られた成形体を、焼結温度７８０℃で加熱して焼結体を作製し、その焼結体を熱間（押し出し温度７５０℃）で押し出し成形することによって、カーボンナノチューブ複合体を得た。
【００２８】
次に、得られたカーボンナノチューブ複合体を、カーボンナノチューブがピストンピンの軸方向に平行に一軸配向するように機械加工して、ピストンピンを得た。続いて、得られたピストンピンの重量を測定した。
【００２９】
また、このピストンピンを２５００ｃｃ直列４気筒エンジンに搭載し、最高出力回転数で、最大負荷をかけてエンジンを運転した後の、ピストンピンの曲げ剛性を測定した。
【００３０】
さらに、ピストン−ピストンピン間の摩擦による焼付限界荷重を測定するため、往復摺動実験を行った。実験に用いた部材は、図３に示すように、本発明に係るピストンピン５０と、ピストンを模擬した、材質がアルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）の評価台６０からなる。図中の矢印は、摺動方向を示す。実験は、本発明に係るピストンピン５０を評価台６０の上に乗せ、図４に示すように、試験時間の経過と共にピストンピンへの荷重を増加させつつ、ピストンピンを摺動させて行った。そして、焼付現象が生じた時の荷重を測定した。
【００３１】
（実施例２）
アルミニウム合金中のカーボンナノチューブの含有量（Ｖｆ）を１７体積％とし、実施例１と同様の手順により、ピストンピンの重量、ピストンピンの曲げ剛性、およびピストン−ピストンピン間の摩擦による焼付限界荷重を測定した。
【００３２】
（実施例３）
アルミニウム合金中のカーボンナノチューブの含有量（Ｖｆ）を２５体積％とし、実施例１と同様の手順により、ピストンピンの重量、ピストンピンの曲げ剛性、およびピストン−ピストンピン間の摩擦による焼付限界荷重を測定した。
【００３３】
（比較例１）
カーボンナノチューブを含まない、鋼合金製ピストンピンを用いて、実施例１と同様の手順により、ピストンピンの重量、ピストンピンの曲げ剛性、およびピストン−ピストンピン間の摩擦による焼付限界荷重を測定した。
【００３４】
表１に、各実施例および比較例１における、ピストンピンの重量、ピストンピンの曲げ剛性、およびピストン−ピストンピン間の摩擦による焼付限界荷重の測定結果を示す。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
表１において、重量は、比較例１のピストンピンの重量を１００とした場合のピストンピンの重量を、曲げ剛性は、比較例１のピストンピンの曲げ剛性を１００とした場合のピストンピンの曲げ剛性を示している。また、焼付限界荷重は、比較例１のピストン−ピストンピン間の摩擦による焼付限界荷重を１００とした場合の焼付限界荷重を示している。
【００３７】
表１より、比較例１に対し、すべての実施例において、ピストンピンの大幅な軽量化、曲げ剛性の向上、および焼付限界荷重の向上が達成されていることが分かる。また、実施例１〜３の比較より、アルミニウム合金中のカーボンナノチューブの含有量（Ｖｆ）が多くなればなるほど、ピストンピンの軽量化、曲げ剛性の向上、および焼付限界荷重の向上の効果が増大することが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、例えば、自動車用内燃機関に用いられる、ピストンとコネクティングロッドとを連結するピストンピンに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る内燃機関のピストンピンを示す図であり、図１Ａは側面図、図１Ｂは平面図である。
【図２】本発明に係る内燃機関のピストンピンの製造方法の一例を示す図である。
【図３】実施例および比較例で用いた往復摺動試験装置を示す概略構成図である。
【図４】往復摺動実験における、時間と荷重の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０  ピストンピンの中心軸、２０  ピストンピンの外周部、３０  カーボンナノチューブのプリフォーム、３２  溶湯鍛造用金型、３４  アルミニウム溶湯、４０  アルミニウム合金とカーボンナノチューブの複合化物、４２  ダイス、４４  コンテナ、４６  ステム、４８  ダミーブロック、５０  本発明に係るピストンピン、６０  評価台。
【図１】
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【図２】
2006250280.tif 000005
【図３】
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【図４】
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