(57)【要約】【課題】ピストンのヘッド部表面から受熱した熱の放熱の大部分がピストンリングからの放熱に依存しており、熱がピストン本体に蓄積しやすい。【解決手段】ピストン本体１のヘッド部２の表面２ｅを除く表面のうちの少なくとも一部に、ピストン本体１の材料よりも熱伝導率の高い物質の被膜ｆを形成する。【選択図】  図１
2005351155.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン本体のヘッド部表面を除く表面のうちの少なくとも一部に、ピストン本体の材料よりも熱伝導率の高い物質の被膜が形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２】
ピストン本体のヘッド部表面を除く周面のうちの少なくとも一部に、アルミニウムよりも熱伝導率の高い物質の被膜が形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３】
ピストン本体の、スカート部及びサイドウォール部の内周面と、スカート部及びサイドウォール部で囲まれたヘッド部裏面とに、被膜が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項４】
ピストン本体内部に円周方向に延びる冷却用空洞を有し、その冷却用空洞の内周面に、被膜が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項５】
ピストン本体に形成されているピストンリング溝の溝底及び溝壁の少なくとも一方に被膜が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項６】
ピストン本体のピンボス部に被膜が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項７】
ピストン本体のピンボス部に軸支されるピストンピンに被膜が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項８】
ピストン本体のランド部に被膜が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関用ピストン。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
従来、内燃機関用ピストンとして、アルミニウム系合金を母材としたものや鉄を母材としたもの、アルミニウム系合金と鉄を組み合わせて母材としたもの等が知られている。これら内燃機関用ピストンでは、燃焼室で発生した燃焼熱をピストンのヘッド部表面から受熱し、その熱のうちの大部分はピストンリングから、そして残りの熱はスカート部から放熱している。
【０００２】
その放熱効率を高めるために、ピストン本体の母材としてアルミニウム系合金を用いると共に、ピストンのヘッド部表面に、アルミニウム系合金より熱伝導度の高い純アルミニウム系合金を設けた内燃機関用ピストンが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この内燃機関用ピストンでは、純アルミニウム系合金によってヘッド部に高い熱伝導度が付与されるので、燃焼による熱をヘッド部表面から速やかにピストンリングやスカート部等に逃がすことができる。
【特許文献１】特開平１０−２６２２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記従来の内燃機関用ピストンでは、ピストンのヘッド部表面から受熱した熱の放熱の大部分がピストンリングからの放熱に依存しており、ピストン全体からの放熱ができていないため、熱がピストン本体に蓄積しやすい。そのため、熱による材料強度の低下を考慮して高強度材料を使用したり、強度維持のために肉厚構造にしたり、または、リング溝部に表面処理等の強化を施す必要があり、ピストンが高コスト化したり、ピストンの重量が増加したりするといった問題がある。
【０００４】
そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、ピストン全体からの放熱の効率が良い内燃機関用ピストンを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために請求項１記載の発明は、内燃機関用ピストンであって、ピストン本体のヘッド部表面を除く表面のうちの少なくとも一部に、ピストン本体の材料よりも熱伝導率の高い物質の被膜が形成されていることを特徴としている。
【０００６】
また、請求項２記載の発明は、内燃機関用ピストンであって、ピストン本体のヘッド部表面を除く周面のうちの少なくとも一部に、アルミニウムよりも熱伝導率の高い物質の被膜が形成されていることを特徴としている。
【０００７】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の内燃機関用ピストンにおいて、ピストン本体の、スカート部及びサイドウォール部の内周面と、スカート部及びサイドウォール部で囲まれたヘッド部裏面とに、被膜が形成されていることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項４記載の発明は、請求項１または請求項２記載の内燃機関用ピストンにおいて、ピストン本体内部に円周方向に延びる冷却用空洞を有し、その冷却用空洞の内周面に、被膜が形成されていることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項５記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の内燃機関用ピストンにおいて、ピストン本体に形成されているピストンリング溝の溝底及び溝壁の少なくとも一方に被膜が形成されていることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項６記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の内燃機関用ピストンにおいて、ピストン本体のピンボス部に被膜が形成されていることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項７記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の内燃機関用ピストンにおいて、ピストン本体のピンボス部に軸支されるピストンピンに被膜が形成されていることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項８記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の内燃機関用ピストンにおいて、ピストン本体のランド部に被膜が形成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ヘッド部表面からピストン内部を伝わりスカート部等の所定部分に集中する熱が、ピストン本体表面に形成された、ピストン本体の材料よりも熱伝導率の高い物質の被膜や、アルミニウムよりも熱伝導率の高い物質の被膜を介してスカート部等全体に拡散する。そのため、被膜の形成されたピストン本体の表面全体から放熱することができるので、ピストンリング以外の部位からの放熱の効率が良くなり、ピストン全体の熱排出効率も良くなる。そして、ピストン全体の熱排出効率の向上により、低強度・低コスト材料の使用によるピストンの低コスト化、及び、薄肉構造の採用によるピストンの軽量化を図ることができる。また、リング溝部に集中する熱が拡散されて該溝部の温度も低くなるので、リング溝部の表面処理や耐摩環等の溝強化材の使用が不要となる。
【００１４】
なお、上記被膜は、スカート部及びサイドウォール部の内周面と、スカート部及びサイドウォール部で囲まれたヘッド部裏面とに形成するのが好ましい。また、冷却用空洞を有するピストンにおいては、その冷却用空洞の内周面に被膜を形成するようにしても良い。また、ピストンリング溝の溝底及び溝壁の少なくとも一方に被膜を形成しても良く、あるいは、ピストン本体のピンボス部や、そのピンボス部に軸支されるピストンピンに被膜を形成しても良い。また、ピストン本体のランド部に被膜を形成しても良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００１６】
図１（ａ）、（ｂ）を参照して、１は、エンジンのシリンダ内を往復動するピストン本体であり、このピストン本体１は、ピストン用アルミニウム合金で成形されている。ピストン本体１は、ヘッド部２と、そのヘッド部２の下方に形成されたスカート部３，３と、そのスカート部３，３の外周面を含む仮想円筒面より径方向内方に凹入したサイドウォール部４，４と、そのサイドウォール部４，４の略中央に形成されたピンボス部５，５とを備えている。
【００１７】
上記ヘッド部２の外周には、上方から順に、トップリング溝２ａとセカンドリング溝２ｂとオイルリング溝２ｃとが形成されている。
【００１８】
上記ピストン本体１の、スカート部３，３、サイドウォール部４，４及びピンボス部５，５の内周面と、それらスカート部３，３、サイドウォール部４，４及びピンボス部５，５で囲まれたヘッド部２の裏面２ｄとには、ピストン本体１の材料であるアルミニウム合金よりも熱伝導率の高い物質として、放熱用コーティング材（例えば、オキツモ株式会社のオキツモクールテック）の被膜ｆを形成している。この被膜ｆは、ピストン本体１に対して脱脂処理、乾燥処理（蒸気又はエアブロー）、マスキング処理、放熱用コーティング材の塗布処理、焼成処理を順に行うことによって形成される。なお、上記塗布処理の代わりにピストン本体１を放熱用コーティング材に浸漬する浸漬処理を行っても良い。
【００１９】
この被膜ｆにより、ピストン本体１をエンジンに使用した場合に、ヘッド部２の表面２ｅからスカート部３，３やサイドウォール部４，４、ピンボス部５，５の所定部分に集中する熱が、被膜ｆを通じてそれらの内周面全体に拡散する。そのため、被膜ｆ形成前と比べてピストン本体１の表面全体から放熱することができるので、上記トップリング溝２ａ、セカンドリング溝２ｂ及びオイルリング溝２ｃに嵌着されるピストンリング以外の部位からの放熱の効率が良くなり、ピストン全体の熱排出効率も良くなる。そして、ピストン全体の熱排出効率の向上により、低強度・低コスト材料の使用によるピストンの低コスト化、及び、薄肉構造の採用によるピストンの軽量化を図ることができる。また、リング溝部２ａ，２ｂ，２ｃに集中する熱が拡散されて該溝部の温度も低くなるので、リング溝部の表面処理や耐摩環等の溝強化材の使用が不要となる。実際に、被膜ｆを形成したピストン本体１と被膜ｆを形成していないピストン本体１とをエンジンに使用した結果、図７に示すように、被膜ｆを形成したピストン本体１は、被膜を形成していないピストン本体１と比べてヘッド部２表面の温度が低くなり、スカート部３，３の表面の温度が高くなることがわかった。
【００２０】
なお、上記放熱用コーティング材としては、ピストン本体１の表面に確実に固着することができ、ピストン本体１の材料よりも熱伝導率の高い物質であれば、どのようなものを用いても良い。
【００２１】
また、上記実施形態では、ピストン本体１の内側面、すなわちスカート部３，３、サイドウォール部４，４及びピンボス部５，５の内周面と、それらスカート部３，３、サイドウォール部４，４及びピンボス部５，５で囲まれたヘッド部２裏面とに放熱用コーティング材の被膜ｆを形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ピストン本体１のヘッド部２表面を除く周面であれば、どこの箇所にでも被膜ｆを形成することができる。例えば、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、ヘッド部２の内部に円周方向に延びる冷却用空洞６を有しているピストン本体１の場合、その冷却用空洞６の内周面に、放熱用コーティング材の被膜ｆを形成することができる。あるいは、図３に示すように、上記トップリング溝２ａ、セカンドリング溝２ｂ及びオイルリング溝２ｃの溝底及び溝壁の少なくとも一方に放熱用コーティング材の被膜ｆを形成しても良い。また、図４に示すように、サイドウォール部４，４及びピンボス部５，５の外周面や、それらサイドウォール部４，４及びピンボス部５，５の外側のヘッド部の２裏面２ｄに放熱用コーティング材の被膜ｆを形成しても良い。また、図５に示すように、ヘッド部２のランド部２ｆに放熱用コーティング材の被膜ｆを形成しても良い。
【００２２】
また、ピストン本体１の内側面全体ではなく、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、ピストン本体１の内側面のうちの一部、例えば、ピンボス部５，５の内周面のみに被膜ｆを形成しても良い。
【００２３】
また、ピストン本体１の内側面以外に放熱用コーティング材の被膜ｆを形成しても良く、ピンボス部５，５に軸支されるピストンピン（図示しない）に被膜を形成しても良い。
【００２４】
なお、本発明は上記実施形態のものに限定されるものではなく、必要に応じて種々変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態に係るピストン本体を示す（ａ）断面図（ｂ）下面図
【図２】本発明の他の実施形態に係るピストン本体を示す（ａ）断面図（ｂ）下面図
【図３】本発明の他の実施形態に係るピストン本体を示す側面図
【図４】本発明の他の実施形態に係るピストン本体を示す（ａ）側面図（ｂ）下面図
【図５】本発明の他の実施形態に係るピストン本体を示す側面図
【図６】本発明の他の実施形態に係るピストン本体を示す（ａ）断面図（ｂ）下面図
【図７】被膜の有無によるピストン本体の温度変化を表す図表
【符号の説明】
【００２６】
１  ピストン本体
２  ヘッド部
３  スカート部
４  サイドウォール部
５  ピンボス部
ｆ  被膜
【図１】
2005351155.tif 000003
【図２】
2005351155.tif 000004
【図３】
2005351155.tif 000005
【図４】
2005351155.tif 000006
【図５】
2005351155.tif 000007
【図６】
2005351155.tif 000008
【図７】
2005351155.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成16年6月10日(2004.6.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温且つ高圧下で使用される内燃機関用ピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関用ピストンとして、アルミニウム系合金を母材としたものや鉄を母材としたもの、アルミニウム系合金と鉄を組み合わせて母材としたもの等が知られている。これら内燃機関用ピストンでは、燃焼室で発生した燃焼熱をピストンのヘッド部表面から受熱し、その熱のうちの大部分はピストンリングから、そして残りの熱はスカート部から放熱している。
【０００３】
その放熱効率を高めるために、ピストン本体の母材としてアルミニウム系合金を用いると共に、ピストンのヘッド部表面に、アルミニウム系合金より熱伝導度の高い純アルミニウム系合金を設けた内燃機関用ピストンが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この内燃機関用ピストンでは、純アルミニウム系合金によってヘッド部に高い熱伝導度が付与されるので、燃焼による熱をヘッド部表面から速やかにピストンリングやスカート部等に逃がすことができる。
【特許文献１】特開平１０−２６２２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記従来の内燃機関用ピストンでは、ピストンのヘッド部表面から受熱した熱の放熱の大部分がピストンリングからの放熱に依存しており、ピストン全体からの放熱ができていないため、熱がピストン本体に蓄積しやすい。そのため、熱による材料強度の低下を考慮して高強度材料を使用したり、強度維持のために肉厚構造にしたり、または、リング溝部に表面処理等の強化を施す必要があり、ピストンが高コスト化したり、ピストンの重量が増加したりするといった問題がある。
【０００５】
そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、ピストン全体からの放熱の効率が良い内燃機関用ピストンを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために請求項１記載の発明は、内燃機関用ピストンであって、ピストン本体のヘッド部表面を除く表面のうちの少なくとも一部に、ピストン本体の材料よりも熱伝導率の高い物質の被膜が形成されていることを特徴としている。
【０００７】
また、請求項２記載の発明は、内燃機関用ピストンであって、ピストン本体のヘッド部表面を除く周面のうちの少なくとも一部に、アルミニウムよりも熱伝導率の高い物質の被膜が形成されていることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の内燃機関用ピストンにおいて、ピストン本体の、スカート部及びサイドウォール部の内周面と、スカート部及びサイドウォール部で囲まれたヘッド部裏面とに、被膜が形成されていることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項４記載の発明は、請求項１または請求項２記載の内燃機関用ピストンにおいて、ピストン本体内部に円周方向に延びる冷却用空洞を有し、その冷却用空洞の内周面に、被膜が形成されていることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項５記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の内燃機関用ピストンにおいて、ピストン本体に形成されているピストンリング溝の溝底及び溝壁の少なくとも一方に被膜が形成されていることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項６記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の内燃機関用ピストンにおいて、ピストン本体のピンボス部に被膜が形成されていることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項７記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の内燃機関用ピストンにおいて、ピストン本体のピンボス部に軸支されるピストンピンに被膜が形成されていることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項８記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の内燃機関用ピストンにおいて、ピストン本体のランド部に被膜が形成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ヘッド部表面からピストン内部を伝わりスカート部等の所定部分に集中する熱が、ピストン本体表面に形成された、ピストン本体の材料よりも熱伝導率の高い物質の被膜や、アルミニウムよりも熱伝導率の高い物質の被膜を介してスカート部等全体に拡散する。そのため、被膜の形成されたピストン本体の表面全体から放熱することができるので、ピストンリング以外の部位からの放熱の効率が良くなり、ピストン全体の熱排出効率も良くなる。そして、ピストン全体の熱排出効率の向上により、低強度・低コスト材料の使用によるピストンの低コスト化、及び、薄肉構造の採用によるピストンの軽量化を図ることができる。また、リング溝部に集中する熱が拡散されて該溝部の温度も低くなるので、リング溝部の表面処理や耐摩環等の溝強化材の使用が不要となる。
【００１５】
なお、上記被膜は、スカート部及びサイドウォール部の内周面と、スカート部及びサイドウォール部で囲まれたヘッド部裏面とに形成するのが好ましい。また、冷却用空洞を有するピストンにおいては、その冷却用空洞の内周面に被膜を形成するようにしても良い。また、ピストンリング溝の溝底及び溝壁の少なくとも一方に被膜を形成しても良く、あるいは、ピストン本体のピンボス部や、そのピンボス部に軸支されるピストンピンに被膜を形成しても良い。また、ピストン本体のランド部に被膜を形成しても良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００１７】
図１（ａ）、（ｂ）を参照して、１は、エンジンのシリンダ内を往復動するピストン本体であり、このピストン本体１は、ピストン用アルミニウム合金で成形されている。ピストン本体１は、ヘッド部２と、そのヘッド部２の下方に形成されたスカート部３，３と、そのスカート部３，３の外周面を含む仮想円筒面より径方向内方に凹入したサイドウォール部４，４と、そのサイドウォール部４，４の略中央に形成されたピンボス部５，５とを備えている。
【００１８】
上記ヘッド部２の外周には、上方から順に、トップリング溝２ａとセカンドリング溝２ｂとオイルリング溝２ｃとが形成されている。
【００１９】
上記ピストン本体１の、スカート部３，３、サイドウォール部４，４及びピンボス部５，５の内周面と、それらスカート部３，３、サイドウォール部４，４及びピンボス部５，５で囲まれたヘッド部２の裏面２ｄとには、ピストン本体１の材料であるアルミニウム合金よりも熱伝導率の高い物質として、放熱用コーティング材（例えば、オキツモ株式会社のオキツモクールテック）の被膜ｆを形成している。この被膜ｆは、ピストン本体１に対して脱脂処理、乾燥処理（蒸気又はエアブロー）、マスキング処理、放熱用コーティング材の塗布処理、焼成処理を順に行うことによって形成される。なお、上記塗布処理の代わりにピストン本体１を放熱用コーティング材に浸漬する浸漬処理を行っても良い。
【００２０】
この被膜ｆにより、ピストン本体１をエンジンに使用した場合に、ヘッド部２の表面２ｅからスカート部３，３やサイドウォール部４，４、ピンボス部５，５の所定部分に集中する熱が、被膜ｆを通じてそれらの内周面全体に拡散する。そのため、被膜ｆ形成前と比べてピストン本体１の表面全体から放熱することができるので、上記トップリング溝２ａ、セカンドリング溝２ｂ及びオイルリング溝２ｃに嵌着されるピストンリング以外の部位からの放熱の効率が良くなり、ピストン全体の熱排出効率も良くなる。そして、ピストン全体の熱排出効率の向上により、低強度・低コスト材料の使用によるピストンの低コスト化、及び、薄肉構造の採用によるピストンの軽量化を図ることができる。また、リング溝部２ａ，２ｂ，２ｃに集中する熱が拡散されて該溝部の温度も低くなるので、リング溝部の表面処理や耐摩環等の溝強化材の使用が不要となる。実際に、被膜ｆを形成したピストン本体１と被膜ｆを形成していないピストン本体１とをエンジンに使用した結果、図７に示すように、被膜ｆを形成したピストン本体１は、被膜を形成していないピストン本体１と比べてヘッド部２表面の温度が低くなり、スカート部３，３の表面の温度が高くなることがわかった。
【００２１】
なお、上記放熱用コーティング材としては、ピストン本体１の表面に確実に固着することができ、ピストン本体１の材料よりも熱伝導率の高い物質であれば、どのようなものを用いても良い。
【００２２】
また、上記実施形態では、ピストン本体１の内側面、すなわちスカート部３，３、サイドウォール部４，４及びピンボス部５，５の内周面と、それらスカート部３，３、サイドウォール部４，４及びピンボス部５，５で囲まれたヘッド部２裏面とに放熱用コーティング材の被膜ｆを形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ピストン本体１のヘッド部２表面を除く周面であれば、どこの箇所にでも被膜ｆを形成することができる。例えば、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、ヘッド部２の内部に円周方向に延びる冷却用空洞６を有しているピストン本体１の場合、その冷却用空洞６の内周面に、放熱用コーティング材の被膜ｆを形成することができる。あるいは、図３に示すように、上記トップリング溝２ａ、セカンドリング溝２ｂ及びオイルリング溝２ｃの溝底及び溝壁の少なくとも一方に放熱用コーティング材の被膜ｆを形成しても良い。また、図４に示すように、サイドウォール部４，４及びピンボス部５，５の外周面や、それらサイドウォール部４，４及びピンボス部５，５の外側のヘッド部の２裏面２ｄに放熱用コーティング材の被膜ｆを形成しても良い。また、図５に示すように、ヘッド部２のランド部２ｆに放熱用コーティング材の被膜ｆを形成しても良い。
【００２３】
また、ピストン本体１の内側面全体ではなく、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、ピストン本体１の内側面のうちの一部、例えば、ピンボス部５，５の内周面のみに被膜ｆを形成しても良い。
【００２４】
また、ピストン本体１の内側面以外に放熱用コーティング材の被膜ｆを形成しても良く、ピンボス部５，５に軸支されるピストンピン（図示しない）に被膜を形成しても良い。
【００２５】
なお、本発明は上記実施形態のものに限定されるものではなく、必要に応じて種々変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係るピストン本体を示す（ａ）断面図（ｂ）下面図
【図２】本発明の他の実施形態に係るピストン本体を示す（ａ）断面図（ｂ）下面図
【図３】本発明の他の実施形態に係るピストン本体を示す側面図
【図４】本発明の他の実施形態に係るピストン本体を示す（ａ）側面図（ｂ）下面図
【図５】本発明の他の実施形態に係るピストン本体を示す側面図
【図６】本発明の他の実施形態に係るピストン本体を示す（ａ）断面図（ｂ）下面図
【図７】被膜の有無によるピストン本体の温度変化を表す図表
【符号の説明】
【００２７】
１  ピストン本体
２  ヘッド部
３  スカート部
４  サイドウォール部
５  ピンボス部
ｆ  被膜