(57)【要約】【課題】  異なる材料を含むピストンにおいて、各材料が互いに結合された界面の破壊を抑制する。また、そのようなピストンの製造方法を提供する。【解決手段】  内燃機関のピストン１であって、第１材料を含む第１部分２０、２０・２１と、第１材料と異なる第２材料を含む第２部分２１、２５と、第１材料及び第２材料を含み、第１部分と第２部分との間に所定の厚さをもって設けられ、第１部分と第２部分とを結合する境界部分２２、（２６、２７）とを有し、境界部分は、第１部分側から第２部分側にかけて、第１材料の割合が漸減すると共に第２材料の割合が漸増することを特徴とする。境界部分は、積層造形法によって形成する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のピストンであって、
第１材料を含む第１部分と、
前記第１材料と異なる第２材料を含む第２部分と、
前記第１材料及び前記第２材料を含み、前記第１部分と前記第２部分との間に所定の厚さをもって設けられ、前記第１部分と前記第２部分とを結合する境界部分とを有し、
前記境界部分は、前記第１部分側から前記第２部分側にかけて、前記第１材料の割合が漸減すると共に前記第２材料の割合が漸増することを特徴とするピストン。
【請求項２】
前記境界部分は、前記第１部分側から前記第２部分側にかけて、前記第１材料の割合が連続的に漸減すると共に前記第２材料の割合が連続的に漸増することを特徴とする請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記境界部分は、前記第１部分側から前記第２部分側にかけて、前記第１材料の割合が直線状に漸減すると共に前記第２材料の割合が直線状に漸増することを特徴とする請求項２に記載のピストン。
【請求項４】
前記境界部分は、前記第１部分側から前記第２部分側にかけて、前記第１材料の割合が階段状に漸減すると共に前記第２材料の割合が階段状に漸増することを特徴とする請求項１に記載のピストン。
【請求項５】
前記第１材料は鉄系材料であり、前記第２材料はアルミ系材料であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つの項に記載のピストン。
【請求項６】
前記第１材料はアルミ系材料又は鉄系材料であり、前記第２材料は樹脂材料であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つの項に記載のピストン。
【請求項７】
前記第１部分は、当該ピストンの軸線方向における燃焼室側に設けられ、
前記第２部分は、前記軸線方向において前記第１部分に対して燃焼室側と相反する側に設けられていることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のピストン。
【請求項８】
前記第１部分は、当該ピストンの径方向における外側に設けられ、
前記第２部分は、前記径方向において前記第１部分に対して内側に設けられていることを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれか１つの項に記載のピストン。
【請求項９】
燃焼室の下部を画定するクラウン部、前記クラウン部から前記燃焼室と相反する側に突出し、ピストンピンを受容する一対のピンボス部、前記クラウン部から前記燃焼室と相反する側に突出すると共に、前記ピンボス部のそれぞれに繋がった一対のスカート部を有する内燃機関のピストンであって、
鉄系材料を含む鉄系部分と、
アルミ系材料を含むアルミ系部分と、
前記鉄系材料及び前記アルミ系材料を含み、前記鉄系部分と前記アルミ系部分との間に所定の厚さをもって設けられ、前記鉄系部分と前記アルミ系部分とを結合する鉄−アルミ境界部分とを有し、
前記鉄−アルミ境界部分は、前記鉄系部分側から前記アルミ系部分側にかけて、前記鉄系材料の割合が漸減すると共に前記アルミ系材料の割合が漸増し、
前記鉄系部分は、前記クラウン部の少なくとも一部を構成し、
前記アルミ系部分は、前記スカート部の少なくとも一部を構成することを特徴とするピストン。
【請求項１０】
前記鉄系部分は、前記クラウン部の前記燃焼室を画定する部分を構成することを特徴とする請求項９に記載のピストン。
【請求項１１】
前記クラウン部の外周部には、それぞれ周方向に延びて環状をなす、第１コンプレッションリング溝、第２コンプレッションリング溝、及びオイルリング溝が前記燃焼室側から順に形成され、
前記鉄系部分は、前記第１コンプレッションリング溝を画定する部分を構成し、
前記アルミ系部分は、前記第２コンプレッションリング溝及び前記オイルリング溝を画定する部分を構成し、
前記鉄−アルミ境界部分は、前記第１コンプレッションリング溝と前記第２コンプレッションリング溝との間を通過して延びることを特徴とする請求項１０に記載のピストン。
【請求項１２】
前記アルミ系部分は、前記ピンボス部の全領域を構成することを特徴とする請求項９〜請求項１１のいずれか１つの項に記載のピストン。
【請求項１３】
前記鉄系部分は、前記ピンボス部の全領域を構成することを特徴とする請求項９〜請求項１１のいずれか１つの項に記載のピストン。
【請求項１４】
前記鉄系部分は、前記ピンボス部の前記クラウン部側の部分を構成し、
前記アルミ系部分は、前記ピンボス部の前記クラウン部側と相反する側の部分を構成することを特徴とする請求項９〜請求項１１のいずれか１つの項に記載のピストン。
【請求項１５】
前記ピンボス部は、前記ピストンピンが挿入されるピン孔を有し、
前記鉄系部分は、前記ピン孔を画定するピン孔縁部と、前記ピンボス部の前記クラウン部側の部分とを構成し、
前記アルミ系部分は、前記ピン孔縁部を除き、前記ピンボス部の前記クラウン部側と相反する側の部分を構成することを特徴とする請求項９〜請求項１１のいずれか１つの項に記載のピストン。
【請求項１６】
前記ピンボス部は、前記ピストンピンが挿入されるピン孔を有し、
前記鉄系部分は、前記ピン孔を画定するピン孔縁部を構成し、
前記アルミ系部分は、前記ピンボス部の前記ピン孔縁部を除く他の部分を構成することを特徴とする請求項９〜請求項１１のいずれか１つの項に記載のピストン。
【請求項１７】
前記ピンボス部は、前記ピストンピンが挿入されるピン孔を有し、
前記鉄系部分は、前記ピン孔を画定するピン孔縁部と、前記ピンボス部において前記ピン孔縁部から前記クラウン部に延びる接続部とを構成し、
前記アルミ系部分は、前記ピンボス部の前記ピン孔縁部及び前記接続部を除く他の部分を構成することを特徴とする請求項９〜請求項１１のいずれか１つの項に記載のピストン。
【請求項１８】
前記鉄系部分は、前記クラウン部の外周部を構成し、
前記アルミ系部分は、前記クラウン部の中央部、前記ピンボス部、及び前記スカート部を構成することを特徴とする請求項９〜請求項１１のいずれか１つの項に記載のピストン。
【請求項１９】
前記クラウン部の外周部には周方向に延びるクーリングチャンネルが形成され、
前記アルミ系部分は、前記クーリングチャンネルを画定するチャンネル縁部において、前記燃焼室側と相反する側の部分を構成することを特徴とする請求項９〜請求項１１のいずれか１つの項に記載のピストン。
【請求項２０】
樹脂材料を含む樹脂部分と、
前記鉄系材料及び前記樹脂材料を含み、前記鉄系部分と前記樹脂部分との間に所定の厚さをもって設けられ、前記鉄系部分と前記樹脂部分とを結合する鉄−樹脂境界部分とを更に有し、
前記クラウン部の前記外周部には周方向に延びるクーリングチャンネルが形成され、
前記樹脂部分は、前記クーリングチャンネルを画定するチャンネル縁部を構成し、
前記鉄系部分は、前記クラウン部の前記外周部において前記チャンネル縁部を除く他の部分を構成することを特徴とする請求項９〜請求項１１に記載のピストン。
【請求項２１】
樹脂材料を含む樹脂部分と、
前記アルミ系材料及び前記樹脂材料を含み、前記アルミ系部分と前記樹脂部分との間に所定の厚さをもって設けられ、前記アルミ系部分と前記樹脂部分とを結合するアルミ−樹脂境界部分とを更に有し、
前記アルミ系部分は、前記スカート部の外周側部分を構成し、
前記樹脂部分は、前記スカート部の内周側部分を構成することを特徴とする請求項９〜請求項１１に記載のピストン。
【請求項２２】
第１材料を含む第１部分と、前記第１材料と異なる第２材料を含む第２部分と、前記第１材料及び前記第２材料を含み、前記第１部分と前記第２部分との間に所定の厚さをもって設けられ、前記第１部分と前記第２部分とを結合する境界部分とを有し、前記境界部分は、前記第１部分側から前記第２部分側にかけて、前記第１材料の割合が漸減すると共に前記第２材料の割合が漸増するピストンの製造方法であって、
前記境界部分は、前記第１材料と前記第２材料とを所定の割合にし、溶融させることによって形成した層を、前記第１材料と前記第２材料と割合を変化させながら積層する積層造形法によって形成されることを特徴とするピストンの製造方法。
【請求項２３】
前記第１部分は、溶融成形又は機械加工によって単体として成形され、
前記境界部分は、前記第１部分の表面に形成され、
前記第２部分は、前記境界部分の表面に前記第２材料を溶融させることによって形成した層を積層する積層造形法によって形成されることを特徴とする請求項２２に記載のピストンの製造方法。
【請求項２４】
前記第１部分は、溶融成形又は機械加工によって単体として成形され、
前記境界部分は、前記第１部分の表面に形成され、
前記第２部分は、溶融成形又は機械加工によって単体として成形された後に、前記境界部分に結合されることを特徴とする請求項２２に記載のピストンの製造方法。
【請求項２５】
前記第１部分は、溶融成形又は機械加工によって単体として成形され、
前記第２部分は、溶融成形又は機械加工によって単体として成形され、
前記境界部分は、単体として形成された後に、前記第１部分及び前記第２部分に結合されることを特徴とする請求項２２に記載の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、内燃機関のピストン及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関のピストンとして、剛性や軽量化、耐熱性、冷却損失の観点から、ピストンの各部を異なる材料から形成したものがある（例えば、特許文献１〜３参照）。このようなピストンでは、クラウン部に鉄系材料を用いることによって耐熱性及び剛性を高めると共に冷却損失を低減し、スカート部にアルミ系材料を用いることによって軽量化を行っている。鉄系材料とアルミ系材料とは、鍛造による圧着や摩擦撹拌接合、又は一方の材料の表面上への他方の材料の積層化によって結合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第ＵＳ２０１４／０２９９０９１号明細書
【特許文献２】特開平９−３１０６３９号公報
【特許文献３】特開２０１０−５６８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、異なる材料が互いに結合された界面では各材料の熱膨張率の差に起因して、界面破壊が生じる虞がある。【０００５】
本発明は、以上の背景を鑑み、異なる材料を含むピストンにおいて、各材料が互いに結合された界面の破壊を抑制することを課題とする。また、そのようなピストンの製造方法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本発明の一態様は、内燃機関のピストン（１）であって、第１材料を含む第１部分（２０、２０・２１）と、前記第１材料と異なる第２材料を含む第２部分（２１、２５）と、前記第１材料及び前記第２材料を含み、前記第１部分と前記第２部分との間に所定の厚さをもって設けられ、前記第１部分と前記第２部分とを結合する境界部分（２２、２６・２７）とを有し、前記境界部分は、前記第１部分側から前記第２部分側にかけて、前記第１材料の割合が漸減すると共に前記第２材料の割合が漸増することを特徴とする。【０００７】
この態様によれば、第１部分と第２部分との間に境界部分が存在し、境界部分では第１材料及び第２材料の割合が徐々に変化するため、第１材料及び第２材料の熱膨張率の差に起因する応力が生じ難い。これにより、境界部分に損傷が生じ難い。【０００８】
また、上記の態様において、前記境界部分は、前記第１部分側から前記第２部分側にかけて、前記第１材料の割合が連続的に漸減すると共に前記第２材料の割合が連続的に漸増してもよい。また、前記境界部分は、前記第１部分側から前記第２部分側にかけて、前記第１材料の割合が直線状に漸減すると共に前記第２材料の割合が直線状に漸増してもよい。【０００９】
これらの態様によれば、境界部分における第１材料及び第２材料の割合変化が滑らかになり、第１材料及び第２材料の熱膨張率の差に起因する応力が生じ難い。【００１０】
また、上記の態様において、前記境界部分は、前記第１部分側から前記第２部分側にかけて、前記第１材料の割合が階段状に漸減すると共に前記第２材料の割合が階段状に漸増してもよい。【００１１】
この態様によれば、境界部分の形成が容易になる。【００１２】
また、上記の態様において、前記第１材料は鉄系材料であり、前記第２材料はアルミ系材料であるとよい。【００１３】
この態様によれば、ピストンの高温部及び摺動部に鉄系材料を使用することによって、剛性、耐熱性、耐摩耗性を向上させることができると共に冷却損失の低減を図ることができる。また、ピストンの低温部にアルミ系材料を使用することによって、軽量化を図ることができる。【００１４】
また、上記の態様において、前記第１材料はアルミ系材料又は鉄系材料であり、前記第２材料は樹脂材料であるとよい。【００１５】
この態様によれば、ピストンの高温部及び摺動部に鉄系材料又はアルミ系材料を使用することによって、剛性、耐熱性、耐摩耗性を向上させることができる。また、ピストンの低温部に樹脂材料を使用することによって、軽量化を図ることができる。【００１６】
また、上記の態様において、前記第１部分は、当該ピストンの軸線方向における燃焼室側に設けられ、前記第２部分は、前記軸線方向において前記第１部分に対して燃焼室側と相反する側に設けられているとよい。【００１７】
この態様によれば、ピストンにおいて高温となる部分が、剛性、耐熱性が高い材料によって構成され、ピストンにおいて低温となる部分が軽量な材料によって構成される。【００１８】
また、上記の態様において、前記第１部分は、当該ピストンの径方向における外側に設けられ、前記第２部分は、前記径方向において前記第１部分に対して内側に設けられているとよい。【００１９】
この態様によれば、ピストンにおいてシリンダの壁面と摺接する部分が、耐摩耗性が高い材料によって構成され、ピストンにおいてシリンダの壁面と摺接しない部分が軽量な材料によって構成される。【００２０】
また、本発明の他の側面は、燃焼室の下部を画定するクラウン部（２）、前記クラウン部から前記燃焼室と相反する側に突出し、ピストンピンを受容する一対のピンボス部（３）、前記クラウン部から前記燃焼室と相反する側に突出すると共に、前記ピンボス部のそれぞれに繋がった一対のスカート部（４）を有する内燃機関のピストン（１）であって、鉄系材料を含む鉄系部分（２０）と、アルミ系材料を含むアルミ系部分（２１）と、前記鉄系材料及び前記アルミ系材料を含み、前記鉄系部分と前記アルミ系部分との間に所定の厚さをもって設けられ、前記鉄系部分と前記アルミ系部分とを結合する鉄−アルミ境界部分（２２）とを有し、前記鉄−アルミ境界部分は、前記鉄系部分側から前記アルミ系部分側にかけて、前記鉄系材料の割合が漸減すると共に前記アルミ系材料の割合が漸増し、前記鉄系部分は、前記クラウン部の少なくとも一部を構成し、前記アルミ系部分は、前記スカート部の少なくとも一部を構成することを特徴とする。【００２１】
この態様によれば、ピストンの内で比較的高温になるクラウン部が鉄系材料によって構成されるため、剛性、耐熱性、耐摩耗性が向上すると共に、冷却損失が低減する。また、ピストンの内で比較的低温になるスカート部がアルミ系材料によって構成されるため、軽量化が可能になる。【００２２】
また、上記の態様において、前記鉄系部分は、前記クラウン部の前記燃焼室を画定する部分を構成するとよい。【００２３】
この態様によれば、ピストンの内で最も高温になる部分が鉄系材料によって構成されるため、剛性、耐熱性、耐摩耗性が向上すると共に、冷却損失が低減する。また、ピストンのトップランドの高さの縮小が可能になる。これにより、ピストンのトップランドの外周面の表面積が小さくなり、ピストンの燃焼室側の表面積が縮小する。表面積が縮小すると、燃焼ガスからピストンへの熱の移動が抑制され、冷却損失が一層低減する。また、トップランドの外周面とシリンダ壁面との間に形成される隙間の体積が縮小されるため、この部分に滞留するガス量が低減され、ピストンの上昇時にピストンの上面（冠面）の外周側か燃焼室の中心側に流れるガスの流れ（いわゆる、スキッシュ）が強化される。これにより、燃焼室内のガス流動が促進され、燃焼効率が向上する。【００２４】
また、上記の態様において、前記クラウン部の外周部には、それぞれ周方向に延びて環状をなす、第１コンプレッションリング溝（１１）、第２コンプレッションリング溝（１２）、及びオイルリング溝（１３）が前記燃焼室側から順に形成され、前記鉄系部分は、前記第１コンプレッションリング溝を画定する部分を構成し、前記アルミ系部分は、前記第２コンプレッションリング溝及び前記オイルリング溝を画定する部分を構成し、前記鉄−アルミ境界部分は、前記第１コンプレッションリング溝と前記第２コンプレッションリング溝との間を通過して延びるとよい。【００２５】
この態様によれば、第１コンプレッションリング溝を画定する部分の耐摩耗性が向上する。【００２６】
また、上記の態様において、前記アルミ系部分は、前記ピンボス部の全領域を構成するとよい。【００２７】
この態様によれば、ピストンの軽量化が図れる。【００２８】
また、上記の態様において、 前記鉄系部分は、前記ピンボス部の全領域を構成するとよい。【００２９】
この態様によれば、ピンボス部の剛性が向上するため、ピストンピン及びピストンピンが挿入されるピン孔の径を小さくすることが可能になる。ピン孔の径が小さくなることによって、ピストンのコンプレッションハイトを小さくすることが可能になる。コンプレッションハイトが小さくなると、ピストンの軽量化が可能になる。また、ピストンのサイドフォースが低減され、スカート部とシリンダ内壁との間に生じる摩擦力が低減される。【００３０】
また、上記の態様において、前記鉄系部分は、前記ピンボス部の前記クラウン部側の部分を構成し、前記アルミ系部分は、前記ピンボス部の前記クラウン部側と相反する側の部分を構成するとよい。また、上記の態様において、前記ピンボス部は、前記ピストンピンが挿入されるピン孔（１６）を有し、前記鉄系部分は、前記ピン孔を画定するピン孔縁部（３Ａ）と、前記ピンボス部の前記クラウン部側の部分とを構成し、前記アルミ系部分は、前記ピン孔縁部を除き、前記ピンボス部の前記クラウン部側と相反する側の部分を構成するとよい。また、上記の態様において、前記ピンボス部は、前記ピストンピンが挿入されるピン孔（１６）を有し、前記鉄系部分は、前記ピン孔を画定するピン孔縁部（３Ａ）を構成し、前記アルミ系部分は、前記ピンボス部の前記ピン孔縁部を除く他の部分を構成するとよい。また、前記ピンボス部は、前記ピストンピンが挿入されるピン孔（１６）を有し、前記鉄系部分は、前記ピン孔を画定するピン孔縁部（３Ａ）と、前記ピンボス部において前記ピン孔縁部から前記クラウン部に延びる接続部とを構成し、前記アルミ系部分は、前記ピンボス部の前記ピン孔縁部及び前記接続部を除く他の部分を構成するとよい。【００３１】
これらの態様によれば、ピンボス部に形成されるピン孔の周囲の剛性が向上するため、ピン孔の縮小が可能になり、コンプレッションハイトの縮小が可能になる。また、アルミ系部分がピンボス部において剛性への影響が小さい部分を構成するため、軽量化が図れる。【００３２】
また、上記の態様において、前記鉄系部分は、前記クラウン部の外周部を構成し、前記アルミ系部分は、前記クラウン部の中央部、前記ピンボス部、及び前記スカート部を構成するとよい。【００３３】
この態様によれば、耐摩耗性が要求される部分が鉄系材料によって構成されることによって耐摩耗性が向上し、他の部分がアルミ系材料に構成されることによって軽量化が図れる。【００３４】
また、上記の態様において、前記クラウン部の外周部には周方向に延びるクーリングチャンネル（１４）が形成され、前記アルミ系部分は、前記クーリングチャンネルを画定するチャンネル縁部（２Ｅ）において、前記燃焼室側と相反する側の部分を構成するとよい。【００３５】
この態様によれば、クラウン部において比較的要求される剛性が低い部位がアルミ系部分によって構成されるため、ピストンの軽量化が図れる。また、オイルジェットからピストンの裏面側に向けて噴射されるオイルがアルミ系部分に接触し易くなるため、ピストンからオイルへの熱伝導が促進され、ピストンの冷却が促進される。【００３６】
また、上記の態様において、樹脂材料を含む樹脂部分（２５）と、前記鉄系材料及び前記樹脂材料を含み、前記鉄系部分と前記樹脂部分との間に所定の厚さをもって設けられ、前記鉄系部分と前記樹脂部分とを結合する鉄−樹脂境界部分（２６）とを更に有し、前記クラウン部の前記外周部には周方向に延びるクーリングチャンネルが形成され、前記樹脂部分は、前記クーリングチャンネルを画定するチャンネル縁部を構成し、前記鉄系部分は、前記クラウン部の前記外周部において前記チャンネル縁部を除く他の部分を構成するとよい。【００３７】
この態様によれば、クラウン部において比較的要求される剛性が低い部位が樹脂部分によって構成されるため、ピストンの軽量化が図れる。【００３８】
また、上記の態様において、樹脂材料を含む樹脂部分（２５）と、前記アルミ系材料及び前記樹脂材料を含み、前記アルミ系部分と前記樹脂部分との間に所定の厚さをもって設けられ、前記アルミ系部分と前記樹脂部分とを結合するアルミ−樹脂境界部分（２７）とを更に有し、前記アルミ系部分は、前記スカート部の外周側部分を構成し、前記樹脂部分は、前記スカート部の内周側部分を構成するとよい。【００３９】
この態様によれば、スカート部において比較的要求される剛性が低い部位が樹脂部分によって構成されるため、ピストンの軽量化が図れる。【００４０】
また、本発明の他の態様は、第１材料を含む第１部分（２０、２０・２１）と、前記第１材料と異なる第２材料を含む第２部分（２１、２５）と、前記第１材料及び前記第２材料を含み、前記第１部分と前記第２部分との間に所定の厚さをもって設けられ、前記第１部分と前記第２部分とを結合する境界部分（２２、２６・２７）とを有し、前記境界部分は、前記第１部分側から前記第２部分側にかけて、前記第１材料の割合が漸減すると共に前記第２材料の割合が漸増するピストンの製造方法であって、前記境界部分は、前記第１材料と前記第２材料とを所定の割合にし、溶融させることによって形成した層を、前記第１材料と前記第２材料と割合を変化させながら積層する積層造形法によって形成されることを特徴とする。【００４１】
この態様によれば、境界部分を備えたピストンの製造が可能になる。【００４２】
また、上記の態様において、前記第１部分は、溶融成形又は機械加工によって単体として成形され、前記境界部分は、前記第１部分の表面に形成され、前記第２部分は、前記境界部分の表面に前記第２材料を溶融させることによって形成した層を積層する積層造形法によって形成されるとよい。また、前記第１部分は、溶融成形又は機械加工によって単体として成形され、前記境界部分は、前記第１部分の表面に形成され、前記第２部分は、溶融成形又は機械加工によって単体として成形された後に、前記境界部分に結合されるとよい。また、前記第１部分は、溶融成形又は機械加工によって単体として成形され、前記第２部分は、溶融成形又は機械加工によって単体として成形され、前記境界部分は、単体として形成された後に、前記第１部分及び前記第２部分に結合されるとよい。【００４３】
これらの態様によれば、積層造形法によって形成する部分が限定されるため、製造時間が短縮される。
【発明の効果】
【００４４】
以上の構成によれば、異なる材料を含むピストンにおいて、各材料が互いに結合された界面の破壊を抑制することができる。また、そのようなピストンの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】第１実施形態に係るピストンの断面図
【図２】鉄系部分、鉄−アルミ境界部分、アルミ系部分の材料の組成比を示すグラフ
【図３】鉄系部分、鉄−アルミ境界部分、アルミ系部分の材料の組成比を示すグラフの他の例
【図４】第２実施形態に係るピストンの断面図
【図５】第３実施形態に係るピストンの断面図
【図６】第４実施形態に係るピストンの断面図
【図７】第５実施形態に係るピストンの断面図
【図８】第６実施形態に係るピストンの断面図
【図９】第７実施形態に係るピストンの断面図
【図１０】第８実施形態に係るピストンの断面図
【図１１】第９実施形態に係るピストンの断面図
【図１２】第１０実施形態に係るピストンの断面図
【図１３】３Ｄプリンタの概略図
【発明を実施するための形態】
【００４６】
以下、図面を参照して、本発明に係る内燃機関のピストンの各実施形態について説明する。
【００４７】
（第１実施形態）
図１に示すように、第１実施形態に係る内燃機関のピストン１は、燃焼室の下部を画定するクラウン部２（トップランド部）と、クラウン部２の下面２Ｄから下方に突出し、ピストンピンを受容する一対のピンボス部３と、クラウン部２の下面２Ｄにおける外周縁から下方に突出すると共に、両側部においてピンボス部３のそれぞれに繋がった一対のスカート部４を有する。
【００４８】
クラウン部２は、円板形に形成され、その上面２Ａは内燃機関のシリンダの壁部と協働して燃焼室を画定する。具体的には、クラウン部２の上面２Ａは、燃焼室の下部を画定する。クラウン部２の上面２Ａの中央部に下方に向けて凹んだキャビティ２Ｂが形成されている。クラウン部２の外周面２Ｃには、径方向内方に向けて凹むと共に、周方向に延びて環状をなす第１コンプレッションリング溝１１、第２コンプレッションリング溝１２、及びオイルリング溝１３が上側（燃焼室側）から順に形成されている。第１コンプレッションリング溝１１には第１コンプレッションリングが装着され、第２コンプレッションリング溝１２には第２コンプレッションリングが装着され、オイルリング溝１３にはオイルリングが装着される。
【００４９】
クラウン部２の外周部には、ピストン１の軸線を中心として環状に形成された通路であるクーリングチャンネル１４が形成されている。クーリングチャンネル１４は、キャビティ２Ｂの径方向外方、かつ第１コンプレッションリング溝１１、第２コンプレッションリング溝１２、及びオイルリング溝１３の径方向内方に配置されている。クラウン部２の下部には、前記クーリングチャンネル１４の下部から下方に延びてクラウン部２の下面２Ｄに開口する通路１４Ａが形成されている。
【００５０】
一対のピンボス部３は、それぞれクラウン部２の下面２Ｄから下方へと突設されている。各ピンボス部３は、互いに距離をおいて対向している。各ピンボス部３には、断面円形の貫通孔であり、互いに同軸となるピン孔１６がそれぞれ形成されている。ピン孔１６を画成するピン孔縁部３Ａは、ピン孔１６の軸線方向に筒形に突出している。すなわち、ピンボス部３において、ピン孔縁部３Ａは他の部分に対して厚みが大きく形成されている。ピン孔１６には、ピストンピンが挿入され、ピストンピンはコンロッドの小端部を回転可能に支持する。
【００５１】
一対のスカート部４は、それぞれクラウン部２の下面２Ｄの外周縁から下方に突出し、クラウン部２の外周縁に沿って周方向に延び、周方向における両端がそれぞれピンボス部３に繋がっている。各スカート部４の周方向における中間部の外面４Ａは、ピストン１の軸線を中心とした円周面に形成されている。
【００５２】
ピストン１は、鉄系材料を含む鉄系部分２０（図１等の薄いドット部分）と、アルミ系材料を含むアルミ系部分２１（図１等の白色部分）と、鉄系材料及びアルミ系材料を含み、鉄系部分２０とアルミ系部分２１との間（境界）に設けられ、鉄系部分２０とアルミ系部分２１とを結合する鉄−アルミ境界部分２２（図１等の濃いドット部分）とを有する。鉄系材料は、鉄元素を主成分として含む材料であり、鋼や鋳鉄等の鉄合金である。アルミ系材料は、アルミニウム元素を主成分として含む材料であり、銅、シリコン、マグネシウム、及びニッケルの少なくとも１つとアルミニウムとを含むアルミニウム合金である。アルミ系材料は、例えばローエックス（Lo-Ex）等のアルミニウム−ケイ素合金であってよい。このように、ピストン１は、互いに異なる材料からなる複数の部分を有する。
【００５３】
鉄−アルミ境界部分２２は、鉄系部分２０側からアルミ系部分２１側にかけて、鉄系材料の割合が漸減すると共にアルミ系材料の割合が漸増する。図２に示すように、鉄−アルミ境界部分２２は、鉄系部分２０側からアルミ系部分２１側にかけて、鉄系材料の割合が連続的に漸減すると共にアルミ系材料の割合が連続的に漸増してもよい。また、鉄−アルミ境界部分２２は、鉄系部分２０側からアルミ系部分２１側にかけて、鉄系材料の割合が直線状に漸減すると共にアルミ系材料の割合が直線状に漸増してもよい。また、図示しないが、鉄−アルミ境界部分２２は、鉄系部分２０側からアルミ系部分２１側にかけて、鉄系材料の割合が曲線状に漸減すると共にアルミ系材料の割合が曲線状に漸増してもよい。また、図３に示すように、鉄−アルミ境界部分２２は、鉄系部分２０側からアルミ系部分２１側にかけて、鉄系材料の割合が階段状に漸減すると共にアルミ系材料の割合が階段状に漸増してもよい。鉄−アルミ境界部分２２の厚さは、これに限定されるものではないが、例えば０．５ｍｍ以上３０ｍｍ以下であるとよい。
【００５４】
第１実施形態では、鉄系部分２０が、クラウン部２の中央部及び外周部の燃焼室側部分（外周部の上半部）を構成し、アルミ系部分２１がクラウン部２の外周部の燃焼室側と相反する側の部分（外周部の下半部）と、ピンボス部３の全領域と、スカート部４の全領域とを構成する。鉄−アルミ境界部分２２は、クラウン部２の外周部において、鉄系部分２０とアルミ系部分２１との境界に設けられている。鉄系部分２０は、クラウン部２の外周部において第１コンプレッションリング溝１１を画定する部分を構成し、アルミ系部分２１はクラウン部２の外周部において第２コンプレッションリング溝１２及びオイルリング溝１３を画定する部分を構成している。すなわち、本実施形態では、鉄系部分２０はピストン１の軸線方向における燃焼室側に設けられ、アルミ系部分２１は、軸線方向において鉄系部分２０に対して燃焼室側と相反する側に設けられている。
【００５５】
鉄−アルミ境界部分２２は、クラウン部２の外周面２Ｃから、第１コンプレッションリング溝１１と第２コンプレッションリング溝１２との間の部分を通過してクーリングチャンネル１４の外周側に延びると共に、クーリングチャンネル１４の下部からクラウン部２の下面２Ｄに延びている。また、鉄−アルミ境界部分２２は、クラウン部２とピンボス部３の境界に沿って延びている。
【００５６】
以下の第２〜第１０実施形態では、第１実施形態に係るピストン１と比較して、鉄系部分２０、アルミ系部分２１、が構成するピストン１の部位が異なる。以下の各実施形態に係る説明では、第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【００５７】
（第２実施形態）
図４に示すように、第２実施形態では、鉄系部分２０が、クラウン部２の中央部及び外周部の燃焼室側部分と、ピンボス部３の全領域とを構成し、アルミ系部分２１がクラウン部２の外周部の燃焼室側と相反する側の部分と、スカート部４の全領域とを構成する。鉄系部分２０は、クラウン部２の外周部において第１コンプレッションリング溝１１を画定する部分を構成し、アルミ系部分２１はクラウン部２の外周部において第２コンプレッションリング溝１２及びオイルリング溝１３を画定する部分を構成している。
【００５８】
鉄−アルミ境界部分２２は、鉄系部分２０とアルミ系部分２１との境界に設けられ、クラウン部２の外周面２Ｃから、第１コンプレッションリング溝１１と第２コンプレッションリング溝１２との間の部分を通過してクーリングチャンネル１４の外周側に延びると共に、クーリングチャンネル１４の下部からクラウン部２の下面２Ｄに延びている。また、鉄−アルミ境界部分２２は、スカート部４とピンボス部３の境界に沿って延びている。
【００５９】
（第３実施形態）
図５に示すように、第３実施形態では、鉄系部分２０が、クラウン部２の中央部及び外周部の燃焼室側部分と、ピンボス部３の燃焼室側部分（ピンボス部３の上半部）とを構成し、アルミ系部分２１がクラウン部２の外周部の燃焼室側と相反する側の部分と、スカート部４の全領域と、ピンボス部３の燃焼室側と相反する側の部分（ピンボス部３の下半部）を構成する。鉄系部分２０は、クラウン部２の外周部において第１コンプレッションリング溝１１を画定する部分を構成し、アルミ系部分２１はクラウン部２の外周部において第２コンプレッションリング溝１２及びオイルリング溝１３を画定する部分を構成している。
【００６０】
鉄−アルミ境界部分２２は、鉄系部分２０とアルミ系部分２１との境界に設けられ、クラウン部２の外周面２Ｃから、第１コンプレッションリング溝１１と第２コンプレッションリング溝１２との間の部分を通過してクーリングチャンネル１４の外周側に延びると共に、クーリングチャンネル１４の下部からクラウン部２の下面２Ｄに延びている。また、鉄−アルミ境界部分２２は、スカート部４の上半部とピンボス部３の上半部の境界に沿って延びると共に、その下端からピンボス部３を上下に２分割する仮想線に沿ってピン孔１６に延びている。
【００６１】
（第４実施形態）
図６に示すように、第４実施形態では、鉄系部分２０が、クラウン部２の中央部及び外周部の燃焼室側部分と、ピンボス部３の燃焼室側部分及びピン孔縁部３Ａを構成し、アルミ系部分２１がクラウン部２の外周部の燃焼室側と相反する側の部分と、スカート部４の全領域と、ピンボス部３の燃焼室側と相反する側の部分のピン孔縁部３Ａを除く部分を構成する。鉄系部分２０は、クラウン部２の外周部において第１コンプレッションリング溝１１を画定する部分を構成し、アルミ系部分２１はクラウン部２の外周部において第２コンプレッションリング溝１２及びオイルリング溝１３を画定する部分を構成している。
【００６２】
鉄−アルミ境界部分２２は、鉄系部分２０とアルミ系部分２１との境界に設けられ、クラウン部２の外周面２Ｃから、第１コンプレッションリング溝１１と第２コンプレッションリング溝１２との間の部分を通過してクーリングチャンネル１４の外周側に延びると共に、クーリングチャンネル１４の下部からクラウン部２の下面２Ｄに延びている。また、鉄−アルミ境界部分２２は、スカート部４の上半部とピンボス部３の上半部の境界に沿って延びると共に、ピンボス部３においてピン孔縁部３Ａの下半部の外周縁に沿って延びている。
【００６３】
（第５実施形態）
図７に示すように、第５実施形態では、鉄系部分２０が、クラウン部２の中央部及び外周部の燃焼室側部分と、ピンボス部３のピン孔縁部３Ａとを構成し、アルミ系部分２１がクラウン部２の外周部の燃焼室側と相反する側の部分と、スカート部４の全領域と、ピンボス部３のピン孔縁部３Ａを除く部分を構成する。鉄系部分２０は、クラウン部２の外周部において第１コンプレッションリング溝１１を画定する部分を構成し、アルミ系部分２１はクラウン部２の外周部において第２コンプレッションリング溝１２及びオイルリング溝１３を画定する部分を構成している。
【００６４】
鉄−アルミ境界部分２２は、鉄系部分２０とアルミ系部分２１との境界に設けられ、クラウン部２の外周面２Ｃから、第１コンプレッションリング溝１１と第２コンプレッションリング溝１２との間の部分を通過してクーリングチャンネル１４の外周側に延びると共に、クーリングチャンネル１４の下部からクラウン部２の下面２Ｄに延びている。また、鉄−アルミ境界部分２２は、ピンボス部３においてピン孔縁部３Ａの外周縁に沿って延びている。
【００６５】
（第６実施形態）
図８に示すように、第６実施形態では、鉄系部分２０が、クラウン部２の中央部及び外周部の燃焼室側部分と、ピンボス部３のピン孔縁部３Ａと、ピンボス部３においてピン孔縁部３Ａからクラウン部２に延びる接続部３Ｂとを構成し、アルミ系部分２１がクラウン部２の外周部の燃焼室側と相反する側の部分と、スカート部４の全領域と、ピンボス部３のピン孔縁部３Ａ及び接続部３Ｂを除く部分を構成する。鉄系部分２０は、クラウン部２の外周部において第１コンプレッションリング溝１１を画定する部分を構成し、アルミ系部分２１はクラウン部２の外周部において第２コンプレッションリング溝１２及びオイルリング溝１３を画定する部分を構成している。接続部３Ｂは、ピンボス部３におけるスカート部４との境界に沿って延びている。他の実施形態では、接続部３Ｂの位置及び数は任意に設定してよく、例えば接続部３Ｂはピンボス部３の中央を上下に直線状に延びてもよい。
【００６６】
鉄−アルミ境界部分２２は、鉄系部分２０とアルミ系部分２１との境界に設けられ、クラウン部２の外周面２Ｃから、第１コンプレッションリング溝１１と第２コンプレッションリング溝１２との間の部分を通過してクーリングチャンネル１４の外周側に延びると共に、クーリングチャンネル１４の下部からクラウン部２の下面２Ｄに延びている。また、鉄−アルミ境界部分２２は、ピンボス部３においてピン孔縁部３Ａの外周縁、及び接続部３Ｂの両側縁に沿って延びている。
【００６７】
（第７実施形態）
図９に示すように、第７実施形態では、鉄系部分２０が、クラウン部２の外周部を構成し、アルミ系部分２１がクラウン部２の中央部と、スカート部４の全領域と、ピンボス部３の全領域とを構成する。鉄系部分２０はピストン１の径方向における外側に設けられ、アルミ系部分２１は径方向において鉄系部分２０に対して内側に設けられている。
【００６８】
鉄−アルミ境界部分２２は、鉄系部分２０とアルミ系部分２１との境界に設けられ、クラウン部２において上面２Ａから下面２Ｄに延びると共に、ピストン１の軸線を中心とした環状に延びている。また、鉄−アルミ境界部分２２は、クラウン部２とスカート部４との境界に沿って延びている。
【００６９】
（第８実施形態）
図１０に示すように、第８実施形態では、鉄系部分２０が、クラウン部２の外周部における燃焼室側部分を構成し、アルミ系部分２１がクラウン部２の外周部における燃焼室側部と相反する側の部分、及び中央部と、スカート部４の全領域と、ピンボス部３の全領域とを構成する。鉄系部分２０は、クラウン部２の外周部において第１コンプレッションリング溝１１を画定する部分を構成し、アルミ系部分２１はクラウン部２の外周部において第２コンプレッションリング溝１２及びオイルリング溝１３を画定する部分を構成している。
【００７０】
鉄−アルミ境界部分２２は、鉄系部分２０とアルミ系部分２１との境界に設けられ、鉄系部分２０とアルミ系部分２１との境界に設けられ、クラウン部２の外周面２Ｃから、第１コンプレッションリング溝１１と第２コンプレッションリング溝１２との間の部分を通過してクーリングチャンネル１４の外周側に延びると共に、クーリングチャンネル１４の上部からクラウン部２の上面２Ａに延びている。
【００７１】
（第９実施形態）
図１１に示すように、第９実施形態では、鉄系部分２０が、クラウン部２の中央部、外周部におけるクーリングチャンネル１４の下部を画定する部分を除く部分、スカート部４の全領域、及びピンボス部３の全領域を構成し、アルミ系部分２１がクラウン部２の外周部におけるクーリングチャンネル１４の下部を画定する部分を構成する。
【００７２】
鉄−アルミ境界部分２２は、鉄系部分２０とアルミ系部分２１との境界に設けられ、クラウン部２の外周部の下部におけるアルミ系部分２１の側面をクーリングチャンネル１４の下部を構成する壁面からクラウン部２の下面２Ｄ部に延びている。
【００７３】
（第１０実施形態）
図１２に示すように、第１０実施形態に係るピストン１は、鉄系部分２０及びアルミ系部分２１に加えて、樹脂材料を含む樹脂部分２５と、鉄系材料及び樹脂材料を含み、鉄系部分２０と樹脂部分２５との間に所定の厚さをもって設けられ、鉄系部分２０と樹脂部分２５とを結合する鉄−樹脂境界部分２６と、アルミ系材料及び樹脂材料を含み、アルミ系部分２１と樹脂部分２５との間に所定の厚さをもって設けられ、アルミ系部分２１と樹脂部分２５とを結合するアルミ−樹脂境界部分２７とを有する。樹脂材料は、耐熱性の樹脂材料であり、例えばポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、エポキシ樹脂、ナイロン−６樹脂、ナイロン−６，６樹脂等であってよい。
【００７４】
鉄−樹脂境界部分２６は、鉄系部分２０と樹脂部分２５との間に所定の厚さをもって設けられ、鉄系部分２０側から樹脂部分２５側にかけて、鉄系材料の割合が漸減すると共に樹脂材料の割合が漸増する。鉄−樹脂境界部分２６における鉄系材料及び樹脂材料の割合の変化は連続的、或は階段状であってよい。アルミ−樹脂境界部分２７は、アルミ系部分２１と樹脂部分２５との間に所定の厚さをもって設けられ、アルミ系部分２１側から樹脂部分２５側にかけて、アルミ系材料の割合が漸減すると共に樹脂材料の割合が漸増する。アルミ−樹脂境界部分２７におけるアルミ系材料及び樹脂材料の割合の変化は連続的、或は階段状であってよい。鉄−樹脂境界部分２６の厚さ、及びアルミ−樹脂境界部分２７の厚さは、これに限定されるものではないが、それぞれ例えば０．５ｍｍ以上３０ｍｍ以下であるとよい。
【００７５】
鉄系部分２０は、クラウン部２の中央部と、クーリングチャンネル１４を画定する部分であるチャンネル縁部２Ｅを除いたクラウン部２の外周部の燃焼室側部分とを構成する。アルミ系部分２１は、チャンネル縁部２Ｅを除いたクラウン部２の外周部の燃焼室側と相反する側の部分と、ピンボス部３の全領域と、スカート部４の外周側部分とを構成する。樹脂部分２５は、チャンネル縁部２Ｅと、スカート部４の内周側部分とを構成する。鉄系部分２０は、クラウン部２の外周部において第１コンプレッションリング溝１１を画定する部分を構成し、アルミ系部分２１はクラウン部２の外周部において第２コンプレッションリング溝１２及びオイルリング溝１３を画定する部分を構成している。チャンネル縁部２Ｅは、クーリングチャンネル１４の壁面からクーリングチャンネル１４の径方向外方に所定の幅の範囲をいい、筒形をなす。
【００７６】
鉄−樹脂境界部分２６は、鉄系部分２０と樹脂部分２５との境界に設けられ、チャンネル縁部２Ｅの外周縁の上部に沿って延びている。アルミ−樹脂境界部分２７は、アルミ系部分２１と樹脂部分２５との境界に設けられ、チャンネル縁部２Ｅの外周縁の下部に沿って延びている。また、アルミ−樹脂境界部分２７は、スカート部４において、スカート部４を厚み方向に分割するように上下に延びている。
【００７７】
（ピストンの製造方法）
上記の第１〜第１０実施形態に係るピストン１は、以下の製造方法によって製造される。鉄−アルミ境界部分２２、鉄−樹脂境界部分２６、アルミ−樹脂境界部分２７は、公知の積層造形法を用いて形成される。積層造形法は、層を積層することによって部材を形成するため、各層の組成を変化させることによって、積層方向に材料の組成を変化させることができる。積層造形法は、例えば選択的レーザー溶融法（Selective Laser Melting：ＳＬＭ）や選択的レーザー焼結法（Selective Laser Sintering：ＳＬＳ）等の粉末積層法であってよい。
【００７８】
一例として、選択的レーザー溶融法を使用してピストン１を製造する例を以下に示す。図１３は、積層造形法により成形を行う３Ｄプリンタ３０の一例である。図１３に示すように、３Ｄプリンタ３０は、上方に向けて開口したケース３１と、ケース３１内において成形物を支持するステージ３２と、粉末材料を供給するノズル３３と、供給された粉末材料にレーザー光を照射して溶融させるレーザー装置３４とを有する。ステージ３２は、上下方向及び所定の軸線方向に回転可能になっている。ステージ３２は、周方向に区画された複数の作業領域を有し、回転することによって作業領域を変更することができる。造形物は、作業領域毎に成形可能となっている。また、ステージ３２は、ステージ３２に支持された造形物の積層が進むに従って下方に移動することによって、材料が積層される位置を上下方向において一定に維持することができる。
【００７９】
ノズル３３は、鉄系材料の粉末を供給する第１ノズルと、アルミ系材料の粉末を供給する第２ノズルと、樹脂材料の粉末を供給する第３ノズルとを有する。第１〜第３ノズルのそれぞれは、絞り弁を有しており、供給する材料量の調節が可能となっている。第１〜第３ノズルから供給する各材料の量を変化させることによって、任意の位置に供給される材料の割合（組成比）を変化させることができる。ノズル３３及びレーザー装置３４は、例えばガイドレール及びモータを備えた移動装置３５に支持され、ステージ３２に対して前後及び左右に移動可能になっている。
【００８０】
３Ｄプリンタ３０は、鉄−アルミ境界部分２２、鉄−樹脂境界部分２６、アルミ−樹脂境界部分２７の形状及び各部の材料の組成比に関する３次元データに基づいて、ノズル３３を制御して特定の位置に特定の組成比の材料を供給し、レーザー装置３４を制御して特定の位置の材料に選択的にレーザー光を照射してその部分の材料を溶融させ、材料層を積層させる。
【００８１】
鉄系部分２０、アルミ系部分２１、及び樹脂部分２５のそれぞれは、溶融成形又は機械加工によって単体として形成されてよく、上記の積層造形法によって形成されてもよい。溶融成形は鋳造や射出成形を含み、機械加工は切削加工や鍛造を含む。
【００８２】
鉄系部分２０、アルミ系部分２１、鉄−アルミ境界部分２２を含むピストン１の製造方法の第１の例では、最初に鉄系部分２０及びアルミ系部分２１の一方を溶融成形又は機械加工によって単体として形成する。次に、形成された鉄系部分２０及びアルミ系部分２１の一方の表面上に積層造形法によって鉄−アルミ境界部分２２、及び鉄系部分２０及びアルミ系部分２１の他方を形成する。
【００８３】
鉄系部分２０、アルミ系部分２１、鉄−アルミ境界部分２２を含むピストン１の製造方法の第２の例では、最初に鉄系部分２０及びアルミ系部分２１の一方を溶融成形又は機械加工によって単体として形成する。次に、形成された鉄系部分２０及びアルミ系部分２１の一方の表面上に積層造形法によって鉄−アルミ境界部分２２を形成する。鉄系部分２０及びアルミ系部分２１の他方は、溶融成形又は機械加工によって単体として形成し、溶接や摩擦撹拌接合、鍛造による圧着等の公知の結合方法によって鉄−アルミ境界部分２２に結合する。
【００８４】
鉄系部分２０、アルミ系部分２１、鉄−アルミ境界部分２２を含むピストン１の製造方法の第３の例では、最初に、鉄系部分２０及びアルミ系部分２１を、それぞれ溶融成形又は機械加工によって単体として形成し、鉄−アルミ境界部分２２を積層造形法によって形成する。次に、溶接や摩擦撹拌接合、鍛造による圧着等の公知の結合方法によって鉄−アルミ境界部分２２を鉄系部分２０及びアルミ系部分２１に結合する。
【００８５】
鉄系部分２０、アルミ系部分２１、鉄−アルミ境界部分２２を含むピストン１の製造方法の第４の例では、積層造形法によって、鉄系部分２０、アルミ系部分２１、鉄−アルミ境界部分２２を一体に形成する。
【００８６】
鉄系部分２０、アルミ系部分２１、樹脂部分２５、鉄−アルミ境界部分２２、鉄−樹脂境界部分２６、アルミ−樹脂境界部分２７を含むピストン１の製造方法の例では、積層造形法によって、鉄系部分２０、アルミ系部分２１、樹脂部分２５、鉄−アルミ境界部分２２、鉄−樹脂境界部分２６、アルミ−樹脂境界部分２７を一体に形成するとよい。また、鉄系部分２０、アルミ系部分２１、樹脂部分２５の一部を、予め単体として形成し、その表面に積層造形法によって他の部分を積層してもよい。
【００８７】
次に上記の実施形態に係るピストン１の効果について説明する。鉄系部分２０とアルミ系部分２１との間に鉄−アルミ境界部分２２が存在し、鉄−アルミ境界部分２２では鉄系材料及びアルミ系材料の割合が徐々に変化するため、鉄系材料及びアルミ系材料の熱膨張率の差に起因する応力が生じ難い。これにより、鉄−アルミ境界部分２２に損傷が生じ難い。鉄系部分２０と樹脂部分２５との間に設けられる鉄−樹脂境界部分２６、アルミ系部分２１と樹脂部分２５との間に設けられるアルミ−樹脂境界部分２７についても同様に材料の組成比の変化を緩和して熱膨張率の差に起因する損傷を抑制する。
【００８８】
クラウン部２が鉄系部分２０によって構成されることによって、クラウン部２がアルミ系部分２１によって構成される場合よりも、クラウン部２の耐熱性及び剛性が向上する。また、クラウン部２の蓄熱性が向上することによって、冷却損失が低減される。
【００８９】
クラウン部２の第１コンプレッションリング溝１１を画定する部分が鉄系部分２０によって構成されることによって、クラウン部２がアルミ系部分２１によって構成される場合よりも耐摩耗性が向上し、第１コンプレッションリングによる摩耗が抑制される。クラウン部２の第２コンプレッションリング溝１２及びオイルリング溝１３を画定する部分は、第１コンプレッションリング溝１１を画定する部分よりも耐摩耗性及び耐熱性の要求が低いため、この部分をアルミ系部分２１によって構成することによって、ピストン１の軽量化が可能になる。
【００９０】
また、クラウン部２の第１コンプレッションリング溝１１を画定する部分が鉄系部分２０によって構成されることによって、ピストン１のトップランド（ピストン１の上面２Ａから第１コンプレッションリング溝１１までの部分）の高さの縮小が可能になる。これにより、ピストン１のトップランドの外周面の表面積が小さくなり、ピストン１の燃焼室側の表面積が縮小する。表面積が縮小すると、燃焼ガスからピストン１への熱の移動が抑制され、冷却損失が一層低減する。また、トップランドの外周面とシリンダ壁面との間に形成される隙間の体積が縮小されるため、この部分に滞留するガス量が低減され、スキッシュが強化される。これにより、燃焼室内のガス流動が促進され、燃焼効率が向上する。
【００９１】
また、クラウン部２において、クーリングチャンネル１４を画定するチャンネル縁部２Ｅが樹脂部分２５によって構成されると、クラウン部２の冷却が抑制され、冷却損失が低減される。また、クラウン部２において、クーリングチャンネル１４の燃焼室側と相反する側を画定する部分は、比較的低い剛性及び耐熱性で足りるため、アルミ系部分２１によって構成することによって、ピストン１の軽量化が図れる。また、オイルジェットからピストン１の裏面側に向けて噴射されるオイルがアルミ系部分２１に接触し易くなるため、ピストン１からオイルへの熱伝導が促進され、ピストン１の冷却が促進される。なお、他の実施形態において、冷却効率を抑制したい場合には、アルミ系部分２１を樹脂部分２５に置換してもよい。
【００９２】
スカート部４がアルミ系部分２１によって構成されることによって、スカート部４が鉄系部分２０によって構成される場合よりも軽量化が可能になる。また、スカート部４の外周部をアルミ系部分２１によって構成し、スカート部４の内周部を樹脂部分２５によって構成することによって、一層の軽量化が可能になる。
【００９３】
ピンボス部３が鉄系部分２０によって構成されることによって、アルミ系部分２１によって構成された場合よりも剛性が向上する。そのため、ピストンピン及びピン孔１６の径を小さくすることができる。これにより、ピストン１のコンプレッションハイトが縮小され、軽量化が可能になる。また、コンプレッションハイトが縮小されることによって、ピストン１に生じるサイドフォースが低減され、スカート部４とシリンダ壁面との摩擦が低減される。ピンボス部３は、ピン孔縁部３Ａや上部を鉄系部分２０によって構成することによって剛性を向上させることができる。そのため、ピンボス部３の下部をアルミ系部分２１によって構成することによって、軽量化が可能になる。ピン孔縁部３Ａとクラウン部２とを鉄系部分２０によって接続すると剛性が効率良く向上するため、鉄系部分２０によって構成される接続部３Ｂによってピン孔縁部３Ａとクラウン部２とを接続してもよい。
【００９４】
鉄−アルミ境界部分２２の厚さは、鉄系部分２０側からアルミ系部分２１側にかけての熱膨張量の変化率を小さくするという観点では厚い方が好ましい。鉄−アルミ境界部分２２の厚さが、例えば０．５ｍｍ以上であると、鉄系部分２０側からアルミ系部分２１側にかけての単位長さ当りの組成の変化率が十分に小さくなり、熱膨張時の膨張量の差を好適に低減させることができる。これにより、高温環境下で鉄−アルミ境界部分２２に応力が集中し難くなり、損傷が好適に防止される。一方、鉄−アルミ境界部分２２の厚さは、製造時間及び製造コストの観点では小さい方が好ましい。鉄−アルミ境界部分２２は、上述した積層造形法によって形成する必要があるため、厚みが大きくなると、製造時間及び製造コストが増加する。そのため、熱膨張量の変化率を小さくするという観点と、製造時間及び製造コストの観点から、鉄−アルミ境界部分２２の厚さは、０．５ｍｍ以上３０ｍｍ以下が好適となる。
【００９５】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記の実施形態では、ピストンは、鉄系部分２０、アルミ系部分２１、樹脂部分２５の少なくとも２つを有する構造としたが、他の実施形態では使用する材料の数を４以上にしてもよい。この場合、各材料からなる部分の数に応じて各材料に対応した境界部分を形成するとよい。また、本発明に係るピストンは、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン、ＨＣＣＩエンジン等の公知の様々な内燃機関に適用することができる。
【符号の説明】
【００９６】
１      ：ピストン
２      ：クラウン部
２Ｅ    ：チャンネル縁部
３      ：ピンボス部
３Ａ    ：ピン孔縁部
３Ｂ    ：接続部
４      ：スカート部
１１    ：第１コンプレッションリング溝
１２    ：第２コンプレッションリング溝
１３    ：オイルリング溝
１４    ：クーリングチャンネル
１６    ：ピン孔
２０    ：鉄系部分
２１    ：アルミ系部分
２２    ：アルミ境界部分
２５    ：樹脂部分
２６    ：樹脂境界部分
２７    ：樹脂境界部分
３０    ：３Ｄプリンタ
【図１】
2017203779.tif 000003
【図２】
2017203779.tif 000004
【図３】
2017203779.tif 000005
【図４】
2017203779.tif 000006
【図５】
2017203779.tif 000007
【図６】
2017203779.tif 000008
【図７】
2017203779.tif 000009
【図８】
2017203779.tif 000010
【図９】
2017203779.tif 000011
【図１０】
2017203779.tif 000012
【図１１】
2017203779.tif 000013
【図１２】
2017203779.tif 000014
【図１３】
2017203779.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成30年10月5日(2018.10.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のピストンであって、
第１材料を含む第１部分と、
前記第１材料と異なる第２材料を含む第２部分と、
前記第１材料及び前記第２材料を含み、前記第１部分と前記第２部分との間に０．５ｍｍ以上３０ｍｍ以下の厚さをもって設けられ、前記第１部分と前記第２部分とを結合する境界部分とを有し、
前記境界部分は、前記第１部分側から前記第２部分側にかけて、前記第１材料の割合が漸減すると共に前記第２材料の割合が漸増することを特徴とするピストン。
【請求項２】
前記境界部分は、前記第１部分側から前記第２部分側にかけて、前記第１材料の割合が連続的に漸減すると共に前記第２材料の割合が連続的に漸増することを特徴とする請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記境界部分は、前記第１部分側から前記第２部分側にかけて、前記第１材料の割合が直線状に漸減すると共に前記第２材料の割合が直線状に漸増することを特徴とする請求項２に記載のピストン。
【請求項４】
前記境界部分は、前記第１部分側から前記第２部分側にかけて、前記第１材料の割合が階段状に漸減すると共に前記第２材料の割合が階段状に漸増することを特徴とする請求項１に記載のピストン。
【請求項５】
前記第１材料は鉄系材料であり、前記第２材料はアルミ系材料であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つの項に記載のピストン。
【請求項６】
前記第１材料はアルミ系材料又は鉄系材料であり、前記第２材料は樹脂材料であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つの項に記載のピストン。
【請求項７】
前記第１部分は、当該ピストンの軸線方向における燃焼室側に設けられ、
前記第２部分は、前記軸線方向において前記第１部分に対して燃焼室側と相反する側に設けられていることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のピストン。
【請求項８】
前記第１部分は、当該ピストンの径方向における外側に設けられ、
前記第２部分は、前記径方向において前記第１部分に対して内側に設けられていることを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれか１つの項に記載のピストン。
【請求項９】
燃焼室の下部を画定するクラウン部、前記クラウン部から前記燃焼室と相反する側に突出し、ピストンピンを受容する一対のピンボス部、前記クラウン部から前記燃焼室と相反する側に突出すると共に、前記ピンボス部のそれぞれに繋がった一対のスカート部を有する内燃機関のピストンであって、
鉄系材料を含む鉄系部分と、
アルミ系材料を含むアルミ系部分と、
前記鉄系材料及び前記アルミ系材料を含み、前記鉄系部分と前記アルミ系部分との間に所定の厚さをもって設けられ、前記鉄系部分と前記アルミ系部分とを結合する鉄−アルミ境界部分とを有し、
前記鉄−アルミ境界部分は、前記鉄系部分側から前記アルミ系部分側にかけて、前記鉄系材料の割合が漸減すると共に前記アルミ系材料の割合が漸増し、
前記鉄系部分は、前記クラウン部の少なくとも一部を構成し、
前記アルミ系部分は、前記スカート部の少なくとも一部を構成することを特徴とするピストン。
【請求項１０】
前記鉄系部分は、前記クラウン部の前記燃焼室を画定する部分を構成することを特徴とする請求項９に記載のピストン。
【請求項１１】
前記クラウン部の外周部には、それぞれ周方向に延びて環状をなす、第１コンプレッションリング溝、第２コンプレッションリング溝、及びオイルリング溝が前記燃焼室側から順に形成され、
前記鉄系部分は、前記第１コンプレッションリング溝を画定する部分を構成し、
前記アルミ系部分は、前記第２コンプレッションリング溝及び前記オイルリング溝を画定する部分を構成し、
前記鉄−アルミ境界部分は、前記第１コンプレッションリング溝と前記第２コンプレッションリング溝との間を通過して延びることを特徴とする請求項１０に記載のピストン。
【請求項１２】
前記アルミ系部分は、前記ピンボス部の全領域を構成することを特徴とする請求項９〜請求項１１のいずれか１つの項に記載のピストン。
【請求項１３】
前記鉄系部分は、前記ピンボス部の全領域を構成することを特徴とする請求項９〜請求項１１のいずれか１つの項に記載のピストン。
【請求項１４】
前記鉄系部分は、前記ピンボス部の前記クラウン部側の部分を構成し、
前記アルミ系部分は、前記ピンボス部の前記クラウン部側と相反する側の部分を構成することを特徴とする請求項９〜請求項１１のいずれか１つの項に記載のピストン。
【請求項１５】
前記ピンボス部は、前記ピストンピンが挿入されるピン孔を有し、
前記鉄系部分は、前記ピン孔を画定するピン孔縁部と、前記ピンボス部の前記クラウン部側の部分とを構成し、
前記アルミ系部分は、前記ピン孔縁部を除き、前記ピンボス部の前記クラウン部側と相反する側の部分を構成することを特徴とする請求項９〜請求項１１のいずれか１つの項に記載のピストン。
【請求項１６】
前記ピンボス部は、前記ピストンピンが挿入されるピン孔を有し、
前記鉄系部分は、前記ピン孔を画定するピン孔縁部を構成し、
前記アルミ系部分は、前記ピンボス部の前記ピン孔縁部を除く他の部分を構成することを特徴とする請求項９〜請求項１１のいずれか１つの項に記載のピストン。
【請求項１７】
前記ピンボス部は、前記ピストンピンが挿入されるピン孔を有し、
前記鉄系部分は、前記ピン孔を画定するピン孔縁部と、前記ピンボス部において前記ピン孔縁部から前記クラウン部に延びる接続部とを構成し、
前記アルミ系部分は、前記ピンボス部の前記ピン孔縁部及び前記接続部を除く他の部分を構成することを特徴とする請求項９〜請求項１１のいずれか１つの項に記載のピストン。
【請求項１８】
前記鉄系部分は、前記クラウン部の外周部を構成し、
前記アルミ系部分は、前記クラウン部の中央部、前記ピンボス部、及び前記スカート部を構成することを特徴とする請求項９〜請求項１１のいずれか１つの項に記載のピストン。
【請求項１９】
前記クラウン部の外周部には周方向に延びるクーリングチャンネルが形成され、
前記アルミ系部分は、前記クーリングチャンネルを画定するチャンネル縁部において、前記燃焼室側と相反する側の部分を構成することを特徴とする請求項９〜請求項１１のいずれか１つの項に記載のピストン。
【請求項２０】
樹脂材料を含む樹脂部分と、
前記鉄系材料及び前記樹脂材料を含み、前記鉄系部分と前記樹脂部分との間に所定の厚さをもって設けられ、前記鉄系部分と前記樹脂部分とを結合する鉄−樹脂境界部分とを更に有し、
前記クラウン部の前記外周部には周方向に延びるクーリングチャンネルが形成され、
前記樹脂部分は、前記クーリングチャンネルを画定するチャンネル縁部を構成し、
前記鉄系部分は、前記クラウン部の前記外周部において前記チャンネル縁部を除く他の部分を構成することを特徴とする請求項９〜請求項１１に記載のピストン。
【請求項２１】
樹脂材料を含む樹脂部分と、
前記アルミ系材料及び前記樹脂材料を含み、前記アルミ系部分と前記樹脂部分との間に所定の厚さをもって設けられ、前記アルミ系部分と前記樹脂部分とを結合するアルミ−樹脂境界部分とを更に有し、
前記アルミ系部分は、前記スカート部の外周側部分を構成し、
前記樹脂部分は、前記スカート部の内周側部分を構成することを特徴とする請求項９〜請求項１１に記載のピストン。
【請求項２２】
第１材料を含む第１部分と、前記第１材料と異なる第２材料を含む第２部分と、前記第１材料及び前記第２材料を含み、前記第１部分と前記第２部分との間に所定の厚さをもって設けられ、前記第１部分と前記第２部分とを結合する境界部分とを有し、前記境界部分は、前記第１部分側から前記第２部分側にかけて、前記第１材料の割合が漸減すると共に前記第２材料の割合が漸増するピストンの製造方法であって、
前記境界部分は、前記第１材料と前記第２材料とを所定の割合にし、溶融させることによって形成した層を、前記第１材料と前記第２材料と割合を変化させながら積層する積層造形法によって形成されることを特徴とするピストンの製造方法。
【請求項２３】
前記第１部分は、溶融成形又は機械加工によって単体として成形され、
前記境界部分は、前記第１部分の表面に形成され、
前記第２部分は、前記境界部分の表面に前記第２材料を溶融させることによって形成した層を積層する積層造形法によって形成されることを特徴とする請求項２２に記載のピストンの製造方法。
【請求項２４】
前記第１部分は、溶融成形又は機械加工によって単体として成形され、
前記境界部分は、前記第１部分の表面に形成され、
前記第２部分は、溶融成形又は機械加工によって単体として成形された後に、前記境界部分に結合されることを特徴とする請求項２２に記載のピストンの製造方法。
【請求項２５】
前記第１部分は、溶融成形又は機械加工によって単体として成形され、
前記第２部分は、溶融成形又は機械加工によって単体として成形され、
前記境界部分は、単体として形成された後に、前記第１部分及び前記第２部分に結合されることを特徴とする請求項２２に記載のピストンの製造方法。
【国際調査報告】
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