(57)【要約】【課題】  熱効率の向上とエミッション低減を両立し、かつ、ピストンの過熱を防止してノッキング、プレイグニッションの発生及び空気充填効率の低下の防止することができる内燃機関用ピストンを提供する。【解決手段】  本発明に係る内燃機関用ピストン（１００）は、内燃機関（２００）の燃焼室（９）の一部を構成するピストン（１００）であって、  基材（１０３）と、基材（１０３）の燃焼室（９）と接する頂面の一部分に設けられた第１の膜（１０１）と、頂面の他の部分に設けられた第２の膜（１０２）と、を有し、第１の膜（１０１）は、基材（１０３）よりも熱伝導率及び熱容量が小さく、第２の膜（１０２）は、基材（１０３）よりも熱伝導率が小さく、かつ、第１の膜（１０１）よりも熱容量が大きいことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室の一部を構成する内燃機関用のピストンであって、
基材と、前記基材の前記燃焼室と接する頂面の一部分に設けられた第１の膜と、前記頂面の他の部分に設けられた第２の膜と、を有し、
前記第１の膜は、前記基材よりも熱伝導率及び熱容量が小さく、前記第２の膜は、前記基材よりも熱伝導率が小さく、かつ、前記第１の膜よりも熱容量が大きいことを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項２】
請求項１記載の内燃機関用ピストンにおいて、
前記第１の膜及び前記第２の膜が、前記ピストンを上面から見た時に、並列して配置されていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項３】
請求項１記載の内燃機関用ピストンにおいて、
前記基材の表面に凹部が設けられており、前記第２の膜は、前記凹部の底面、側面又はその両方に配置されていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項４】
請求項１記載の内燃機関用ピストンにおいて、
前記第２の膜は、前記ピストンの頂面において、前記内燃機関が有する燃料噴射弁から噴霧される燃料が付着する部位に配置されていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項５】
請求項４記載の内燃機関用ピストンにおいて、
前記ピストンの頂面において、前記燃料の付着量が多い部分ほど、又は前記燃料が前記ピストンの頂面に付着して形成される燃料液膜の厚さが大きい部分ほど前記第２の膜の熱抵抗が大きいことを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項６】
請求項４記載の内燃機関用ピストンにおいて、
前記ピストンの頂面において、前記第２の膜と前記燃料噴射弁との間の距離が近い部分ほど前記第２の膜の熱抵抗が大きいことを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項７】
請求項１記載の内燃機関用ピストンにおいて、
前記第１の膜及び前記第２の膜は、前記ピストンの深さ方向において、前記第１の膜と前記第２の膜との一部が互いに重なる部分を有し、
前記第１の膜と前記第２の膜とが重なる部分において、前記第１の膜が前記第２の膜の上部に位置するように配置されていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項８】
請求項１記載の内燃機関用ピストンにおいて、
前記ピストンの頂面の前記第１の膜及び前記第２の膜が配置されていない部分に、前記基材と同じかそれ以上の熱伝導率を有する冷却部が設けられていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項９】
請求項８記載の内燃機関用ピストンにおいて、
前記冷却部は前記基材の一部で構成されていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項１０】
請求項９記載の内燃機関用ピストンにおいて、
前記冷却部は前記ピストンの外周部に配置されていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の内燃機関用ピストンにおいて、
前記第１の膜の容積比熱は５００ｋＪ／ｍ３Ｋ以下、熱伝導率は０．５Ｗ／ｍＫ以下、膜厚は５０〜２００μｍであり、前記第２の膜の容積比熱は１０００ｋＪ／ｍ３Ｋ以上、熱伝導率は１〜１０Ｗ／ｍＫ、膜厚は２００μｍ以上であることを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項１２】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の内燃機関用のピストンにおいて、
前記第１の膜及び前記第２の膜は、母相と、前記母相に分散され、内部に空孔を有する中空粒子と、を含み、前記母相は、複数の金属粒子が結合して構成された金属層と、前記金属粒子の結合部分以外の部分で囲まれて構成された空隙と、を有し、前記空隙に前記中空粒子が含まれていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項１３】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の内燃機関用ピストンにおいて、
前記第２の膜は、前記ピストンの頂面に複数配置されており、複数の前記第２の膜の燃焼室側の表面積の総和が、前記第１の膜の燃焼室側の表面積よりも小さいことを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項１４】
内燃機関の燃焼室の内側壁面の一部を構成する内燃機関用のピストンの製造方法であって、
基材を準備する工程と、
前記基材よりも熱伝導率及び熱容量が小さい第１の膜と、前記基材よりも熱伝導率が小さく、かつ、前記第１の膜よりも熱容量が大きい第２の膜とを準備する工程と、
前記基材、前記第１の膜及び前記第２の膜より融点が低いインサート材を準備する工程と、
前記基材の表面に、前記インサート材を挟んで前記第１の膜及び前記第２の膜を配置する工程と、
前記インサート材を加熱して前記基材と前記第１の膜及び前記第２の膜とを接合する接合工程と、を有することを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の内燃機関用ピストンの製造方法において、
前記第１の膜と前記第２の膜とを準備する工程において、前記第１の膜の原料及び前記第２の膜の原料をパルス通電焼結法によって焼結して焼結体を得ることを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法。
【請求項１６】
請求項１４記載の内燃機関用ピストンの製造方法において、
前記接合工程における前記インサート材の加熱方法がパルス通電法であることを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法。
【請求項１７】
請求項１４記載の内燃機関用ピストンの製造方法において、
さらに、前記基材の表面に、前記第１の膜が篏合可能な凹部と、前記第２の膜が篏合可能な凹部と、を設ける工程を有することを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法。
【請求項１８】
請求項１４記載の内燃機関用ピストンの製造方法において、
前記第１の膜と前記第２の膜とを準備する工程において、前記第１の膜及び前記第２の膜の燃焼室側の表面を、前記ピストンの完成後の頂面の形状に一致するように焼結成形することを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法。
【請求項１９】
請求項１４記載の内燃機関用ピストンの製造方法において、
前記第１の膜と前記第２の膜とを準備する工程において、前記第１の膜及び前記第２の膜の燃焼室側の表面を、前記ピストンの完成後の頂面の形状に一致するように機械加工することを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法。
【請求項２０】
請求項１４記載の内燃機関用ピストンの製造方法において、
前記第１の膜と前記第２の膜とを準備する工程において、前記ピストンの完成後の形状に一致した金型の中に前記第１の膜及び前記第２の膜の原料粉末を入れ、
前記第１の膜及び前記第２の膜を配置する工程において、前記金型を前記基材の表面に配置することを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用ピストン及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンエンジン等の内燃機関においては、燃焼によって生じた熱の一部が燃焼室内から壁面を通過して外部に排出され損失となる。内燃機関の熱効率を向上するためには、この冷却損失の低減が必要である。そこで、燃焼室壁面のうち比較的大きな面積を占めるピストン表面に、低熱伝導率かつ低熱容量の膜を形成して、燃焼室の断熱性を高めつつ、ピストン表面温度を少ない時間遅れで筒内燃焼ガス温度に追従させることでピストン表面の熱流束を低減する手法（いわゆる温度スイング遮熱法）が知られている。
【０００３】
一方、このように低熱容量化したピストン表面に燃料液滴が付着すると、付着部分のピストン温度が低下し燃料の気化性が悪化する。これは、特に冷機始動時におけるＰＭ（煤粒子）やＨＣ（未燃炭化水素）等のエミッション（排ガス中の有害物質）増加を引き起こす。
【０００４】
そこで熱効率の向上（冷却損失の低減）とエミッション低減を両立するため、例えば特許文献１には、内燃機関を構成するピストンであって、ピストン頂面には、低熱伝導率で低熱容量の陽極酸化被膜が形成されており、前記陽極酸化被膜のうち、燃料噴射領域の表面には該陽極酸化膜よりも相対的に熱容量の高い金属皮膜が配されているピストンが開示されている。特許文献１の構成によれば、車両の定常走行時においては高燃費で高効率なエンジン性能に寄与するピストンとなり、車両の始動時においてはピストン頂面や燃焼室内の速やかな温度上昇に寄与してＨＣやＰＭ等の発生を抑止することのできるピストンとなると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−６７８２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１の構成では、熱効率の向上とエミッション低減を両立し、かつ、ピストンの過熱を防止してノッキング、プレイグニッションの発生及び空気充填効率の低下の防止の全てを達成することは、困難であった。
【０００７】
本発明の目的は、上記事情に鑑み、熱効率の向上とエミッション低減を両立し、かつ、ピストンの過熱を防止してノッキング、プレイグニッションの発生及び空気充填効率の低下の防止することができる内燃機関用ピストン及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、内燃機関の燃焼室の一部を構成するピストンであって、基材と、基材の燃焼室と接する頂面に設けられた第１の膜及び第２の膜を有する。第１の膜は、基材よりも熱伝導率及び熱容量が小さく、第２の膜は、基材よりも熱伝導率が小さく、かつ、第１の膜よりも熱容量が大きい。そして、基材の頂面において、第１の膜が形成されていない部分に第２の膜が設けられている。
【０００９】
また、本発明は、内燃機関の燃焼室の内側壁面の一部を構成する内燃機関用ピストンの製造方法であって、基材を準備する工程と、基材よりも熱伝導率及び熱容量が小さい第１の膜と、基材よりも熱伝導率が小さく、かつ、第１の膜よりも熱容量が大きい第２の膜とを準備する工程と、基材、第１の膜及び第２の膜より融点が低いインサート材を準備する工程と、基材の表面に、前記インサート材を挟んで第１の膜及び第２膜を配置する工程と、インサート材料を加熱して基材と第１の膜及び第２膜とを接合する接合工程と、を有することを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法を提供する。
【００１０】
本発明のより具体的な構成は、特許請求の範囲に記載される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、熱効率の向上とエミッション低減を両立し、かつ、ピストンの過熱を防止してノッキング、プレイグニッションの発生及び空気充填効率の低下の防止することができる内燃機関用ピストン及びその製造方法を提供することができる。
【００１２】
上記以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る内燃機関用ピストンを含む内燃機関の第１の例を示す縦断面図である。
【図２】図１のピストンの燃焼室側から見た平面図である。
【図３】本発明に係るピストンを構成する基材１０３、第１の膜１０１及び第２の膜１０２の熱伝導率と熱容量（容積比熱）を示すグラフである。
【図４】本発明に係るピストンを備えた内燃機関の運転時のピストン表面温度とクランク角の関係を示すグラフである。
【図５】図１において燃料噴射弁５から燃焼室内に燃料が噴射されている状態を示す図である。
【図６】図５のピストンを燃焼室側から見た平面図である。
【図７】本発明に係るピストンを含む内燃機関の第２の例を示す縦断面図である。
【図８】図７のピストンを燃焼室側から見た平面図である。
【図９】本発明に係るピストンを含む内燃機関の第３の例を示す縦断面図である。
【図１０】本発明に係る内燃機関用ピストンを含む内燃機関の第４の例を示す縦断面図である。
【図１１】図１０のピストンを燃焼室側から見た平面図である。
【図１２】本発明に係るピストンを含む内燃機関の第５の例を示す縦断面図である。
【図１３】図１２の液膜の厚さを示すグラフである。
【図１４】第２の膜の熱抵抗と液膜厚さとの関係を示すグラフである。
【図１５】第２の膜の熱抵抗と、燃料噴射弁と第２の膜との間の距離との関係を示すグラフである。
【図１６】本発明に係る用ピストンを含む内燃機関の第６の例を示す縦断面図である。
【図１７】本発明に係るピストンを含む内燃機関の第７の例を示す縦断面図である。
【図１８】本発明に係るピストンを含む内燃機関の第８の例を示す縦断面図である。
【図１９】本発明に係るピストンを含む内燃機関の第９の例を示す縦断面図である。
【図２０】本発明に係るピストンを含む内燃機関の第１０の例を示す縦断面図である。
【図２１】従来技術の内燃機関用ピストンの断面を示す模式図である。
【図２２】図２１ピストンを有するエンジンの１サイクル内の陽極酸化被膜１０１´及び金属被膜１０２´の温度変化を示すグラフである。
【図２３】本発明に係る内燃機関用ピストンの断面を示す模式図である。
【図２４】図２３のピストンを有するエンジンの１サイクル内の第１の膜１０１及び第２の膜１０２の表面の温度変化を示すグラフである。
【図２５】表面層（第１の膜及び第２の膜）を模式的に示す断面図である。
【図２６】図２５の金属層１３６を構成する金属粒子を拡大した模式図である。
【図２７】焼結体を成形して得た第１の膜及び第２の膜を模式的に示す図である。
【図２８】基材の一例の断面図及び平面図である。
【図２９】基材の表面にベース焼結体を設置した状態を示す断面図である。
【図３０】図２９の基材及びベース焼結体を接合するために装置を示す模式図である。
【図３１】ピストン頂面の成形（機械加工）を模式的に示す断面図である。
【図３２】基材及びベース焼結体の他の例を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。
【００１５】
１．本発明の基本思想
図２１は従来技術の内燃機関用ピストンの断面を示す模式図である。図２１に示すように、従来技術（特許文献１）のピストン１００´は、基材１０３´の表面に低熱伝導率・低熱容量の陽極酸化被膜１０１´が設けられ、この陽極酸化被膜１０１´の表面の一部（燃料噴射領域）に、陽極酸化被膜１０１´よりも相対的に熱容量の高い金属被膜１０２´が設けられている。すなわち、基材１０３´の表面に、陽極酸化被膜１０１´及び金属被膜１０２´が積層されている。
【００１６】
図２２は図２１ピストンを有するエンジンの１サイクル内の陽極酸化被膜１０１´及び金属被膜１０２´の表面の温度変化を示すグラフである。図２２において、点線はベース条件、実線はベース条件に対して陽極酸化被膜１０１´の熱伝導率をさらに小さくした場合の陽極酸化被膜１０１´と金属被膜１０２´の表面温度を示している。図２２に示すように、従来技術では陽極酸化被膜１０１´の表面に金属被膜１０２´が形成されているため、燃焼室側から金属被膜１０２´の表面（燃焼室側の面）から基材１０３´への熱抵抗Ｒは、金属被膜１０２´の熱抵抗Ｒ１０２´と陽極酸化被膜１０１´の熱抵抗Ｒ１０１´の和となる。
【００１７】
温度スイング遮熱法によって冷却損失の低減効果を高めるには、陽極酸化被膜１０１´の熱伝導率をできるだけ小さくして、陽極酸化被膜１０１´の表面温度のサイクル内変化幅を大きくするのが望ましい。しかし、陽極酸化被膜１０１´の熱伝導率が小さくなる（陽極酸化被膜１０１´の熱抵抗Ｒ１０１´が大きくなる）と、金属被膜１０２´の表面から基材１０３´への熱抵抗Ｒが増加するため、金属被膜１０２´の表面温度も上昇する。金属被膜１０２´は、吸気行程中期から圧縮行程中期に亘ってその表面温度を高く保つことで、燃料液膜の気化促進を図るものであるが、過度に温度が上昇するとノッキングやプレイグニッションの悪化及び空気充填効率の低下等を引き起こす。
【００１８】
したがって、従来技術においては、冷却損失を低減するために陽極酸化被膜１０１´の熱伝導率を小さくすると、ノッキングやプレイグニッションの悪化及び空気充填効率の低下などの跳ね返りが生じるおそれがある。これを防ぐため、金属被膜１０２´の膜厚を小さくする方法も考えられるが、膜厚の減少によって金属被膜１０２´の耐久性や熱容量が不足したりするおそれがある。
【００１９】
よって、従来技術の構成では、金属被膜１０２´の耐久性及び熱容量を十分に確保しつつ、更なる冷却損失の低減と、ノッキング、プレイグニッションの発生及び空気充填効率の低下の防止の全てを達成することは困難であった。
【００２０】
そこで、本発明らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、以下の構成を見出し、本発明の完成に至った。図２３は本発明に係る内燃機関用ピストンの断面を示す模式図である。図２３に示すように、本発明に係る内燃機関用ピストン（以下、単に「ピストン」とも称する。）は、低熱容量・低熱伝導率の第１の膜１０１を基材１０３の表面（ピストンの頂面）に形成し、さらに高熱容量・低熱伝導率の第２の膜１０２を、基材１０３の表面の第１の膜１０１が設けられている部分以外の部分に形成する。
【００２１】
図２４は図２３のピストンを有するエンジンの１サイクル内の第１の膜１０１及び第２の膜１０２の表面の温度変化を示すグラフである。図２２において、点線はベース条件、実線はベース条件に対して第１の膜１０１の熱伝導率をさらに小さくした場合の第１の膜１０１と第２の膜１０２の表面温度を示している。
【００２２】
本発明では、第１の膜１０１と第２の膜１０２が基材１０３に対して並列に形成されているため（第１の膜１０１と第２の膜１０２が積層されていないため）、第２の膜１０２の表面（燃焼室側の面）から基材１０３への熱抵抗Ｒ１０２は、第１の膜１０１の熱抵抗Ｒ１０１の影響を受けない。したがって、第１の膜１０１の熱伝導率を小さくして、温度スイング遮熱法による冷却損失の低減効果をより高めた場合においても、第２の膜１０２の表面温度は過熱せず、ノッキング、及びプレイグニッションが発生したり、空気充填効率が低下したりすることが無い。
【００２３】
また、第２の膜１０２の熱抵抗Ｒ１０２が第１の膜１０１の熱抵抗Ｒ１０１と独立に制御することができるため、例えば、より厚い燃料液膜が形成される部分の第２の膜１０２の熱抵抗Ｒ１０２をより大きくする等、燃料液膜厚さに応じて、第２の膜１０２の熱抵抗Ｒ１０２の構成を変えることができるメリットがある。
【００２４】
さらに、従来技術の構成では、異なる熱特性を持つ膜を積層しているため、製造工数が増加したり、膜の密着強度が低下したりする懸念がある。一方、本発明は、第１の膜１０１及び第２の膜１０２を積層したものではないので、このような問題も回避することができる。
【００２５】
以下、本発明に係る内燃機関用ピストンの構成について詳述する。
【００２６】
２．内燃機関用ピストン
（２．１）ピストンの構成
図１は本発明に係る内燃機関用ピストンを含む内燃機関の第１の例を示す縦断面図であり、図２は図１のピストンを燃焼室側から見た平面図である。図１に示す内燃機関２００は、火花点火式４サイクルガソリンエンジンである。燃焼室９は、エンジンヘッド７、シリンダ８、ピストン１００ａ、吸気弁３、排気弁４によって形成されている。ピストン１００ａの表面は、燃焼室９の一部を構成している。エンジンヘッド７には燃料噴射弁５が設けられ、その噴射ノズルは燃焼室９を貫通しており、いわゆる筒内直接噴射式エンジンを構成している。また、燃焼室９に空気を取り込むための吸気ポート１、燃焼室９の燃焼ガスを排出するための排気ポート２及び混合気に点火するための点火プラグ６が設けられている。
【００２７】
ピストン１００ａは、基材１０３と、基材１０３の燃焼室と接する表面（頂面）に設けられた第１の膜１０１及び第２の膜（断熱膜１０２）を有する。第１の膜１０１は、基材１０３の頂面の一部分に設けられており、第２の膜１０２は、基材１０３の頂面の他の部分に設けられている。つまり、第１の膜１０１と第２の膜１０２とは、ピストン頂面では互いに重ならないように並列に配置されている。すなわち、第１の膜１０１及び第２の膜１０２が、ピストン１００ａを上面（燃焼室を構成する面）から見た時に、並列して配置されている。そして、基材１０３と第１の膜１０１とは、第１の膜１０１の底面１０４の全部又は大部分と基材１０３の頂面の一部分とで接合している。同様に、基材１０３と第２の膜１０２とは、第２の膜１０２の底面１０５の全部又は大部分と基材１０３の頂面の他の部分と基材１０３とで接合している。
【００２８】
図２に示すように、本実施例においては、第２の膜１０２はピストン１００ａの中央近傍に配置され、その周囲に第１の膜１０１が配置されている。さらに、ピストン１００ａの頂面における第１の膜１０１の面積は、ピストン１００ａの頂面における第２の膜１０２の面積よりも大きくなっている。
【００２９】
ここで、第１の膜１０１は、「遮熱膜」とも称され、燃焼室を断熱し、ピストン表面の温度を少ない時間遅れで燃焼室内のガス温度に追従させる機能を有する膜であり、低熱伝導率かつ低熱容量（低容積比熱）の薄板材又はコーティング材等で構成される。ここで、「低熱伝導」及び「低熱容量（低容積比熱）」とは、熱伝導率及び熱容量（容積比熱）が基材１０３よりも低いことを意味するものとする。具体的には、熱伝導率は０．５Ｗ／ｍＫ以下、容積比熱は５００ｋＪ／ｍ３Ｋ以下であり、膜厚が５０〜２００μｍ（５０μｍ以上２００μｍ以下）であることが望ましい。熱伝導率が０．５Ｗ／ｍＫより大きいと燃焼室の断熱性能が十分ではなくなる。また、容積比熱が５００ｋＪ／ｍ３Ｋより大きいとガス温度への追従性が十分ではなくなる。膜厚が５０μｍ未満であると断熱性が十分ではなくなり、２００μｍを超えると熱応答性が悪くなる。
【００３０】
第２の膜１０２は、「断熱膜」とも称され、ピストン頂面に付着した燃料を気化する機能を有する膜であり、低熱伝導率かつ高熱容量（高容積比熱）の薄板材又はコーティング材等で構成される。ここで、「高熱容量（高容積比熱）」とは、熱容量（容積比熱）が第１の膜１０１よりも高いことを意味するものとする。その熱伝導率は、１〜１０Ｗ／ｍＫ、その容積比熱は１０００ｋＪ／ｍ３Ｋ以上、その膜厚は２００μｍ以上であることが望ましい。熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫより大きいと燃焼室の断熱性能が十分ではなくなる。また、容積比熱が１０００ｋＪ／ｍ３Ｋより大きいとガス温度への追従性が十分ではなくなる。膜厚が２００μｍ未満であると、燃焼室の平均温度（時間に対する平均温度）が低くなり過ぎてしまう。第１の膜１０１及び第２の膜１０２の構成及びその製造方法については、追って詳述する。
【００３１】
基材１０３は、従来の材料を用いることができる。例えば、アルミ合金、鉄又はチタン合金等であり、その熱伝導率は、５０〜２００Ｗ／ｍＫ、容積比熱は２０００〜３０００ｋＪ／ｍ３Ｋであることが好ましい。
【００３２】
図３は本発明に係るピストンを構成する基材１０３、第１の膜１０１及び第２の膜１０２の熱伝導率と熱容量（容積比熱）を示すグラフである。図３に示すように、第１の膜１０１の熱伝導率及び容積比熱は、基材１０３の熱伝導率及び容積比熱よりもそれぞれ小さい。また、第２の膜１０２の熱伝導率は、基材１０３の熱伝導率よりも小さい。さらに、第２の膜１０２の容積比熱は、第１の膜１０１の容積比熱よりも大きい。基材１０３、第１の膜１０１及び第２の膜１０２がこのような関係を有することで、上述した本発明の効果を得ることができる。
【００３３】
図４は本発明に係るピストンを備えた内燃機関の運転時のピストン表面温度とクランク角の関係を示すグラフである。すなわち、内燃機関運転中のピストン頂面温度の時間変化を示すグラフである。より具体的には、図４には、エンジンの吸気、圧縮、膨脹、排気行程から成る１サイクル内の第１の膜１０１と第２の膜１０２の表面温度のクランク角変化が示されている。また、参考として、図４には第１の膜１０１及び第２の膜１０２が設けられていない基材１０３のみからなるピストンの表面温度も図示している。
【００３４】
第１の膜１０１は、低熱伝導率かつ低熱容量であるので、その表面温度は燃焼室内のガス温度変化に対して小さな時間遅れと小さな温度差で追従することができる。すなわち、吸気行程中期から圧縮行程の中期までは、燃焼室への新気導入によって筒内ガス温度は低くなり、これに追従して第１の膜１０１の表面温度は低くなる。さらに、圧縮行程後期から排気行程までは、ガスの圧縮と燃焼によって筒内ガス温度は高くなるので、これに追従して第１の膜１０１の表面温度は高くなる。このように、第１の膜１０１では、筒内ガス温度に追従してその表面温度が変化するので、ガスと壁面間の伝熱量が少なく、エンジンの冷却損失を低減することができる。これは、いわゆる温度スイング遮熱法と呼ばれる熱損失低減手法である。
【００３５】
一方、第２の膜１０２は低熱伝導率かつ高熱容量であるので、その表面温度は、第１の膜１０１及び第２の膜１０２を設けない通常ピストンの表面温度に比して高くなると共に、燃焼室内のガス温度のサイクル内変化に対しては殆ど応答せず、エンジンサイクル内での表面温度変化幅は第１の膜１０１の表面温度変化幅に対して小さい。例えば、第１の膜１０１のサイクル内での表面温度の変化幅は約５００℃であるが、第２の膜１０２のサイクル内での表面温度の変化幅は約５０℃である。この結果、吸気行程の中期から圧縮行程の中期にかけては第２の膜１０２の表面温度は第１の膜１０１の表面温度よりも高くなる。一方、圧縮行程中期から吸気行程中期にかけては、第２の膜１０２の表面温度は第１の膜１０１の表面温度よりも低くなる。
【００３６】
本実施例では、吸気行程の中期において燃料噴射弁５より燃料であるガソリンを燃焼室内に噴射する。図５は図１において燃料噴射弁５から燃焼室内に燃料が噴射されている状態を示す図である。噴射された燃料噴霧（噴霧ビーム）２０は、燃焼室９内をピストン１００ａの方向に進み、その先端はピストン１００ａの中央付近の表面に衝突する。図６は図５のピストンを燃焼室側から見た平面図である。図６では、燃料噴霧２０がピストン１００ａに衝突した直後を示している。図６に示すように、ピストン１００ａに燃料噴霧２０が衝突すると、液滴の一部がピストン１００ａの頂面の中央に付着し、主に第２の膜１０２の表面上に燃料液膜２１が形成される。
【００３７】
第２の膜１０２の表面温度は、前述したように吸気行程中期から圧縮行程中期において温度が高い。また、第２の膜１０２の熱容量は大きいため、比較的温度が低い燃料液膜２１が形成されても、液膜温度に追従することなく高い温度を維持する。このため、第２の膜１０２の表面に形成された液膜２１は、第２の膜１０２の熱を受けて速やかに昇温し気化する。
【００３８】
第１の膜１０１のみを設けたピストン又は第１の膜１０１及び第２の膜１０２を設けないピストンでは、ピストン表面上に燃料液膜が形成されると、燃料液膜の気化が遅いため空気と充分に混合できず、未燃炭化水素（ＨＣ）や煤（ＰＭ）の排出が多くなる。しかし、本実施例の内燃機関では、第２の膜１０２の表面において燃料液膜が速やかに気化して燃焼するため、ＨＣやＰＭの排出を低減することができる。一方、本実施例の内燃機関では、第１の膜１０１の表面における燃料液膜の形成は少ないため、ＨＣやＰＭの排出を低く保ったまま、第１の膜１０１による温度スイング遮熱によって冷却損失を低減することができる。
【００３９】
なお、第２の膜１０２の表面温度はサイクル内で殆ど変化しないため、第１の膜１０１による温度スイング遮熱に比べて冷却損失の低減効果は小さい。そこで、本実施例の内燃機関２００では、第１の膜１０１の燃焼室側の表面積を第２の膜１０２の燃焼室側の表面積よりも大きくし、温度スイング遮熱による冷却損失の低減効果を高めている。
【００４０】
上記から明らかなように、本発明のＨＣ及びＰＭの低減効果を得るには、第２の膜１０２をピストン表面の燃料液膜が形成される場所に配置することが望ましい。図７は本発明に係るピストンを含む内燃機関の第２の例を示す縦断面図であり、図８は図７のピストンを燃焼室側から見た平面図である。図７に示すような多孔式の燃料噴射弁５の場合、燃焼室内に噴射される噴霧は、図７に示されるように複数の燃料噴霧２０により構成される。このような多孔式燃料噴射弁の場合には、図７または図８に示されるように、複数の第２の膜１０２を、ピストン頂面上に形成される液膜２１のパターン（噴霧位置）に一致させて配置することが好ましい。図８では６孔式燃料噴射弁から形成された６本の燃料噴霧２０で形成されるそれぞれの燃料液膜２１に対応する位置に第２の膜１０２を配置した事例が示されている。
【００４１】
このように、複数の第２の膜１０２をピストンの頂面上に形成する場合においては、第１の膜１０１の燃焼室側の表面積が、各々の第２の膜１０２の燃焼室側の表面積の総和よりも大きくなるように、各々の第２の膜１０２の大きさが決められている。
【００４２】
複数の第２の膜１０２を、ピストンの頂面に形成される燃料液膜２１のパターンに一致させて配置すると、第２の膜１０２のピストンの頂面に占める面積割合を少なくしつつ、ピストンの頂面の燃料液膜２１を第２の膜１０２の熱を使って効率的に気化させることができる。第２の膜１０２のピストン表面に占める面積割合を少なくすることで、第１の膜１０１の面積割合を増やすことができるので、温度スイング遮熱による冷却損失の低減効果を最大化することができる。
【００４３】
図９は本発明に係るピストンを含む内燃機関の第３の例を示す縦断面図である。図９に示すピストン１００ｃでは、６孔式燃料噴射弁から形成される６本の燃料噴霧で形成される燃料液膜２１を３つのグループに振り分け、それぞれの燃料液膜グループに対応する位置に第２の膜１０２を配置した事例が示されている。このようにグループ化した燃料液膜に対応して第２の膜１０２を配置すると、第２の膜１０２の面積増加を抑えつつ、第２の膜１０２の配置個数を減らすことができ、ピストンの製造プロセスの簡素化及びコスト低減を図ることができる。
【００４４】
図１０は本発明に係る内燃機関用ピストンを含む内燃機関の第４の例を示す縦断面図であり、図１１は図１０のピストンを燃焼室側から見た平面図である。直噴式ガソリンエンジンでは、冷機始動直後において排気触媒コンバーターの早期昇温のため点火遅角運転を行うことが多い。大きな点火遅角条件において燃焼を安定化するため、ピストン表面にキャビティ（凹部）を設けることが広く行われている。ピストンにキャビティを設けた場合には、キャビティ内に向けて噴射された燃料がキャビティ内に留まることによって、点火プラグ近傍に燃料濃度の高い混合気を形成して、点火遅角運転での安定な燃焼が実現される。図１０はそのようなキャビティを備えたピストン１００ｄを示している。
【００４５】
図１０に示すように、ピストン１００ｄの頂面にキャビティ１１０が設けられている。そして、キャビティ１１０内に、低熱伝導率・高熱容量の第２の膜１０２が接合されている。さらに、第２の膜１０２が設けられている部分以外のピストン１００ｄの頂面には、低熱伝導率・低熱容量の第１の膜１０１が接合されている。
【００４６】
このような構成のピストンを設けた内燃機関の冷機始動直後の点火遅角運転時においては、キャビティ１１０の内部に向けて燃料噴霧２０が噴射され、キャビティ１１０の表面には、図１１に示されるように燃料液膜２１が形成される。吸気行程中期から圧縮行程中期にかけては、低熱伝導率・高熱容量の第２の膜１０２の表面温度は高くなるので、キャビティ１１０に形成された燃料液膜２１は加熱され、速やかに気化するため、ＨＣやＰＭの排出を低減することができる。冷機運転においては、燃料液膜２１の殆どがキャビティ１１０の底面又は側面内に形成されるので、本実施例のようにキャビティ１１０の底面及び側面に第２の膜１０２を形成すると、より効果的に燃料の気化を促進することができる。
【００４７】
一方、暖機後の通常点火タイミングでの運転においては、キャビティ１１０の外側に設けた低熱伝導率・低熱容量の第１の膜１０１による温度スイング遮熱によって冷却損失を低減することができる。
【００４８】
第２の膜１０２は、キャビティ１１０の全部ではなく一部分に設けられている場合であっても、ＨＣやＰＭの排出低減効果を得ることができる。第２の膜１０２をキャビティ１１０内の燃料液膜２１がより多く形成される部分にのみ設置し、残りのキャビティ１１０内に第１の膜１０１を設置することで、第２の膜１０２によるＨＣや煤の低減効果を得つつ、第１の膜１０１による冷却損失の低減効果をより大きくすることができる。
【００４９】
図１２は本発明に係るピストンを含む内燃機関の第５の例を示す縦断面図であり、図１３は図１２の液膜の厚さを示すグラフである。図１２に示されるように、燃料噴霧２０がピストン１００ｅに衝突して、ピストン頂面上に燃料液膜２１が形成されると、その液膜厚さは燃焼室の径方向に対して図１３に示されるような分布となる。すなわち、燃料液膜２１の厚さは、燃料噴射弁５のノズル先端に近い方が厚く、燃料噴射弁から遠い方が薄くなる。これは、燃料噴射弁５からピストン１００ｅまでの距離が近い場合は、遠い場合に比べて、燃料噴霧２０の空気抵抗による減速時間が短く、より速い速度で燃料噴霧２０がピストン１００ｅに衝突するためである。また、距離が近い方が、燃料噴霧２０の空間分散が少ないので、より高い噴霧密度でピストン１００ｅに衝突するため、液膜厚さが厚くなる。
【００５０】
図１４は第２の膜の熱抵抗と液膜厚さとの関係を示すグラフであり、図１５は第２の膜の熱抵抗と、燃料噴射弁と第２の膜との間の距離との関係を示すグラフである。燃料液膜２１の厚さが大きくなると、その気化に必要な時間が長くなるので、より多くの熱を燃料液膜２１に与えて気化を促進するのが望ましい。そこで、第２の膜の膜厚を、ピストン頂面に形成される燃料液膜の厚さ又は燃料液膜の量に応じて変えるのがより好ましい。したがって、図１４に示されるように、液膜厚さが厚くなる部分の第２の膜１０２の熱抵抗Ｒを、液膜厚さが薄くなる部分の第２の膜１０２の熱抵抗Ｒよりも大きくする。熱抵抗Ｒは、「第２の膜１０２の厚さ÷第２の膜１０２の熱伝導率」で定義されるので、熱抵抗Ｒを大きくするには、第２の膜１０２の厚さを大きくするか、第２の膜１０２の熱伝導率を小さくすればよい。または、第２の膜１０２の厚さを大きくして、かつ、第２の膜１０２の熱伝導率を小さくすればよい。
【００５１】
熱抵抗Ｒが大きい方が第２の膜１０２の表面温度をより高くできるので、厚さが大きい燃料液膜２１に多くの熱を与えて、気化時間の短縮を図ることができる。一方、第２の膜１０２の表面温度が高くなり過ぎると、エンジンの高負荷運転時にノッキングが発生したり、空気充填効率が低下したりするおそれがある。このため、ピストン頂面の高温部分の面積はできるだけ小さい方が望ましい。熱抵抗Ｒを、燃料液膜２１の厚さに応じて変えることで、厚さが大きい燃料液膜２１を第２の膜１０２の熱を利用して効果的に気化促進しつつ、ノッキングや充填効率への跳ね返りを抑えることが可能である。
【００５２】
前述したように、燃料液膜２１の厚さは、燃料噴射弁５の先端と燃料液膜２１までの距離に依存する。そこで、図１５に示されるように、燃料噴射弁５の先端と第２の膜１０２の距離が近いほど第２の膜１０２の熱抵抗Ｒを大きくしてもよい。
【００５３】
複数の第２の膜１０２を設ける場合には、それぞれの第２の膜１０２の熱抵抗Ｒを、燃料噴射弁５の先端との距離に応じて変更してもよい。図１６は本発明に係る用ピストンを含む内燃機関の第６の例を示す縦断面図である。図１６では、燃料噴射弁５の先端に近い位置に設けた第２の膜１０２ｉの厚さを、燃料噴射弁５の先端から遠い位置に設けた第２の膜１０２ｉｉの厚さより厚くしている。この他、第２の膜１０２ｉ，１０２ｉｉの膜厚を同じにして、燃料噴射弁５の先端から近い位置に設けた第２の膜１０２ｉの熱伝導率を、燃料噴射弁５の先端から遠い位置に設けた第２の膜１０２ｉｉの熱伝導率より小さくすることもできる。このようにすることで、燃料液膜２１が厚く形成される部分に接触する第２の膜１０２ｉの熱抵抗を大きくし、燃焼の気化促進を図ることができる。
【００５４】
図１７は本発明に係るピストンを含む内燃機関の第７の例を示す縦断面図であり、図１８は本発明に係るピストンを含む内燃機関の第８の例を示す縦断面図である。上述したピストンの構成において、第１の膜１０１と第２の膜１０２は、それぞれの底面の大部分が基材１０３と接合するものであるが、ピストンの厚さ方向において、第１の膜１０１と第２の膜１０２が互いに重なる部分を有していてもよい。
【００５５】
図１７のピストン１００ｇは、第２の膜１０２の端部に段差部１１１を設け、この段差部１１１の上に第１の膜１０１を乗せるように配置されている。また、図１８のピストン１００ｈは、第２の膜１０２の端部に傾斜部１１２を設け、この傾斜部１１２の上に第１の膜１０１を乗せるように配置されている。図１７及び図１８ともに、ピストンの頂面においては、第１の膜１０１と第２の膜１０２とは重なっていないが、ピストンの厚さ方向において、第１の膜１０１と第２の膜１０２とが重なっている。
【００５６】
このように、第２の膜１０２と第１の膜１０１の一部を重ねて設置することで、第２の膜１０２と第１の膜１０１の密着性がより高まり、第２の膜１０２及び第１の膜１０１が基材１０３から剥がれにくくなる。また、第２の膜１０２と第１の膜１０１の密着性が高まることで、両者の隙間に燃料が浸透してＨＣとして排出されることを防止することができる。
【００５７】
第２の膜１０２と第１の膜１０１の重なり部において、第２の膜１０２が第１の膜１０１の上部（燃焼室側）になるように重ねると、重なり部の熱抵抗Ｒは第２の膜１０２の熱抵抗Ｒ１０２と第１の膜１０１の熱抵抗Ｒ１０１の和になるのに加えて、重なり部の燃焼室側表面の熱容量が大きくなるため、吸気行程から圧縮行程において、重なり部の表面温度が局所的に高くなるおそれがある。このような局所高温部の生成はノッキングやプレイグニッションの原因となる。
【００５８】
一方、上述したピストン１００ｇ及び１００ｈのように、第２の膜１０２と第１の膜１０１の重なり部において、第１の膜１０１が第２の膜１０２の上部になるように重ねると、重なり部の表面は熱容量が小さいので、その表面温度はガス温度と小さな温度差で追従する。従って、吸気行程から圧縮行程において、重なり部の表面温度が局所的に高くなることはなく、ノッキングやプレイグニッションを防止することができる。
【００５９】
ところで、温度スイング遮熱法によって冷却損失の低減を図る場合には、圧縮行程での冷却熱も減少することから、圧縮上死点付近での未燃ガス温度が上がりノッキングが起り易くなる。これを防止するための実施例について図１９を用いて説明する。
【００６０】
図１９は本発明に係るピストンを含む内燃機関の第９の例を示す縦断面図である。図１９に示すピストン１００ｉの燃焼室側表面には、第１の膜１０１と第２の膜１０２に加えて、ピストン外周部に冷却部１１３が設けられている。冷却部１１３は、その熱伝導率が基材１０３と同じかそれ以上であり、冷却部１１３の底面の全部、もしくは大部分が基材１０３と接合している。
【００６１】
冷却部１１３は、その熱伝導率がピストン基材と同じかそれ以上であるため、燃焼室の外周部のガスは冷却部１１３によって選択的に冷やされる。ノッキングは燃焼によって燃焼室外周部のエンドガスが圧縮され温度上昇することで自己着火する現象である。したがって、冷却部１１３によって燃焼室外周部のガスを選択的に冷やすことで、温度スイング遮熱法による冷却損低減効果を大きく損なうこと無くノッキングの発生を抑えることが可能である。
【００６２】
図２０は本発明に係るピストンを含む内燃機関の第１０の例を示す縦断面図である。図２０では、冷却部１１３は、基材１０３自身で構成されている。図２０に示されるように、燃焼室外周部のピストン表面に基材１０３を露出することで冷却部１１３が形成される。
【００６３】
（２．２）表面層の構成
次に、本発明に係るピストンに好適な第１の膜１０１及び第２の膜１０２（以下、両者を併せて表面層と称する。）の構成の一例について詳細を説明する。図２５は表面層（第１の膜及び第２の膜）を模式的に示す断面図である。図２５に示すように、表面層３００は、母相１３０と、母相１３０に分散された中空粒子１３４とを含む。中空粒子１３４は、内部に空孔１３５を有する粒子である。そして、母相１３０は、複数の金属粒子が結合して構成された金属層１３６と、金属粒子の結合部分以外の部分で囲まれて構成された空隙（金属粒子間に形成された空隙）１３７とを有し、この空隙１３７に中空粒子１３４が含まれている構成を有する。
【００６４】
母相１３０が有する空隙１３７と、中空粒子１３４が有する空孔１３５が表面層３００を占める体積割合を「気孔率」と称する。気孔率を高めることで、表面層３００の熱伝導率及び容積比熱を小さくすることができる。
【００６５】
第２の膜１０２は、第１の膜１０１に対して大きな熱容量とするため、その気孔率は第１の膜１０１の気孔率に比べて小さくする。第２の膜の気孔率は、例えば２０％程度とすることが好ましい。一方、第１の膜１０１は、低熱伝導率・低容積比熱とするために、例えば５０％程度の気孔率とすることが好ましい。
【００６６】
表面層３００は、内燃機関の中の過酷な環境（高温、高圧及び高振動）に耐えるため、基材１０３への高い密着性と高い引張り強さとが求められる。多孔体である表面層３００の主要部分を構成する母相１３０の大部分を金属層１３６とすることで、金属からなる基材１０３と表面層３００との高い密着性及び高い耐久性を得ることができる。また、母相１３０の空隙１３７中に中空粒子１３４を含有させ、母相１３０中の空隙１３７と中空粒子１３４の空孔１３５とを合わせることで、低熱伝導率化に必要な気孔率を確保しつつ、母相１３０中の空隙１３７の体積量を抑えて、表面層３００の強度を高く保つことができる。
【００６７】
図２６は図２５の金属層１３６を構成する金属粒子を拡大した模式図である。金属層１３６は、金属粒子が焼結によって結合された焼結金属で構成することが好ましい。図２６に示すように、金属粒子１３８の一部同士が焼結によって結合し、ネック１３９を有していることが好ましい。このネック１３９によって金属粒子間の空間を確保し、空隙１３７を形成することができる。また、焼結密度を制御することで空隙１３７の割合を制御し、表面層３００の熱伝導率、容積比熱及び強度を種々に変更することができる。
【００６８】
金属層１３６と基材１０３は、同じ金属をそれぞれの主成分として含むことが好ましい。具体的には、基材１０３をアルミニウム（Ａｌ）合金とし、金属層１３６をＡｌとすることが好ましい。このように基材１０３と、表面層３００の主要部分を構成する金属層１３６を同じ金属を含む構成にすることによって、基材１０３と多孔構造を有する表面層３００の界面で強固な固相接合部を形成して高い密着性を確保し、耐久性に優れた表面層３００を実現できる。
【００６９】
中空粒子１３４の素材としては、表面層３００の断熱性能を確保するため熱伝導率が小さく、中空であっても強度が高い材料が好ましい。このような材料としては、シリカ、アルミナ、ジルコニアなどが挙げられる。例えばシリカを主成分とする中空粒子としてはセラミックビーズ、シリカエアロゲル、多孔ガラス等がある。
【００７０】
３．内燃機関用ピストンの製造方法
次に、本発明に係るピストンの製造方法の一例について説明する。
【００７１】
（３．１）第１の膜及び第２の膜の準備
第１の膜及び第２の膜の作製は、まず、金属層１３６の原料となる金属粒子１３８と中空粒子１３４の粉末を混合し、この混合粒子を加熱して焼結体を得る。焼結法としては、焼結時の荷重と温度を制御可能な加圧焼結が好ましく、パルス通電焼結法が好適である。この方法によれば、原料粉末を加圧しながらパルス通電する方法であり、粉末表面で抵抗発熱とスパーク放電による発熱が発生し、粉末表面での反応を活性化し、金属粒子間接触部にネック１３９を生成しやすい。このためパルス通電焼結法では、空隙を多く含む多孔焼結体であってもネック１３９部分で金属粒子を強固に結合することができる。
【００７２】
焼結時の加圧力を上げると焼結体の気孔率が小さくなり、下げると焼結体の気孔率が大きくなる。したがって、低熱伝導率・低容積比熱の第１の膜１０１を形成する場合には、原料粉末の中の中空粒子１３４の割合を大きくして、焼結時の加圧力を低くする。一方、低熱伝導率・高容積比熱の第２の膜１０２を形成する場合には、原料粉末の中の中空粒子１３４の割合を小さくして、焼結時の加圧力を高くする。
【００７３】
図２７は焼結体を成形して得た第１の膜及び第２の膜を模式的に示す図である。図２７に示すように、上記した焼結工程で得た焼結体を、所定の厚さ及び形状に成型し、第１の膜１０１のベース焼結体１０１ｂと第２の膜１０２のベース焼結体１０２ｂを得る。
【００７４】
（３．２）基材の準備
図２８は、基材の一例の断面図及び平面図である。基材１０３はアルミニウム合金等を鋳造して製作する。そして、基材１０３を機械加工し、図２８に示すように、基材１０３の燃焼室側表面にベース焼結体１０１ｂを設置するための凹部１５１と、ベース焼結体１０２ｂを設置するための凹部１５２を形成する。
【００７５】
（３．３）基材と第１の膜及び第２の膜の接合
図２９は基材の表面にベース焼結体を設置した状態を示す断面図であり、図３０は図２９の基材及びベース焼結体を接合するために装置を示す模式図である。図２９に示すように、凹部１５１内にベース焼結体１０１ｂを嵌め込み、凹部１５２内にベース焼結体１０２ｂを嵌め込む。このとき、基材１０３とベース焼結体１０１ｂ，１０２ｂとの間に、基材１０３、ベース焼結体１０１ｂ，１０２ｂのいずれよりも融点が低いインサート材１５３を設置する。そして、図３０に示すように、電極１５４によりベース焼結体１０１ｂ，１０２ｂを基材１０３に加圧密着させ、電源１５５によりパルス通電する。すると、インサート材１５３が熱溶解してベース焼結体１０１ｂ及びベース焼結体１０２ｂの内部に拡散する。この結果、いわゆる拡散結合によって、ベース焼結体１０１ｂ及びベース焼結体１０２ｂと基材１０３とがそれぞれ接合される。ベース焼結体１０１ｂ，１０２ｂと基材１０３との接合にパルス通電法を用いることで、空隙を多く含むベース焼結体１０１ｂ，１０２ｂと基材１０３とを強固に結合することができる。以上説明したピストンの製造方法によれば、熱伝導率、容積比熱及び厚さが異なる第１の膜１０１及び第２の膜１０２の基材１０３への接合が同時に行われ、ピストンの製造プロセスの簡素化、低コスト化を図ることができる。
【００７６】
（３．４）ピストン頂面の成形
図３１はピストン頂面の成形（機械加工）を模式的に示す断面図である。図３１に示すように、ベース焼結体１０１ｂ，１０２ｂ及び基材１０３の表面が同じ高さになるように（ピストン頂面が平坦になるように）機械加工によってピストン頂面を成形する。
【００７７】
図３２は基材及びベース焼結体の他の例を模式的に示す断面図である。図３２に示すように、ベース焼結体１０１ｂ，１０２ｂを予め最終的なピストン表面形状に一致するように成形してから基材１０３に上記の方法で接合することで、ベース焼結体１０１ｂ，１０２ｂを基材１０３に接合した後の機械加工が不要となり、ピストン製作のための工数を低減できる。
【００７８】
また、図３２では、第２の膜１０２のベース焼結体１０２ｂの表面にキャビティを予め形成し、ベース焼結体１０２ｂを基材１０３に接合する例が示されている。これによって、接合後の機械加工を行うことなくキャビティ付きピストンが形成される。
【００７９】
さらに、基材１０３とベース焼結体１０１ｂ，１０２ｂとを焼結しながら、ベース焼結体１０１ｂ，１０２ｂを最終的な形状に成形することもできる。具体的には、焼結成形の際に、ピストン完成後の形状に一致した金型内に焼結体の原料粉末を入れ、圧力をかけながらパルス通電焼結する。このように焼結成形することで、機械加工をすることなく、ベース焼結体１０１ｂ，１０２ｂを最終的な形状に成形できるため、製作工数を低減することができる。
【００８０】
以上、説明した本発明によれば、熱効率の向上とエミッション低減を両立し、かつ、ピストンの過熱を防止してノッキング、プレイグニッションの発生及び空気充填効率の低下の防止することができる内燃機関用ピストン及びその製造方法を提供することができることが示された。すなわち、低熱伝導率・低熱容量の第１の膜１０１を利用した温度スイング遮熱法によって冷却損失が低減し、エンジンの燃費効率を高めることができる。一方、低熱伝導率・高熱容量の第２の膜１０２によって、ピストン表面に形成された燃料液膜２１の気化を促進し、ＨＣやＰＭを低減することができる。
【００８１】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００８２】
１…吸気ポート、２…排気ポート、３…吸気弁、４…排気弁、５…燃料噴射弁、６…点火プラグ、７…エンジンヘッド、８…シリンダ、９…燃焼室、５…燃料噴射弁、２０…燃料噴霧、２１…燃料液膜、１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅ，１００ｆ，１００ｇ，１００ｈ，１００ｉ，１００´…ピストン、１０１…第１の膜（遮熱膜）、１０１ｂ…第１の膜のベース焼結体、１０１´…陽極酸化被膜、１０２，１０２ｉ，１０２ｉｉ…第２の膜（断熱膜）、１０２´…金属被膜、１０２ｂ…第２の膜のベース焼結体、１０３，１０３´…基材、１０４…第１の膜の底面、１０５…第２の膜の底面、１０３…冷却部、１１０…キャビティ、１１１…段差部、１１２…傾斜部、１１３…冷却部、１３０…母相、１３４…中空粒子、１３５…空孔、１３６…金属層、１３７…空隙、１３８…金属粒子、１３９…ネック、１５１，１５２…凹部、１５３…インサート材、１５４…電極、１５５…電源、２００…内燃機関、３００…表面層。
【図１】
2018127972.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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