(57)【要約】【課題】低温時に燃料の気化を促進できるとともに、高温時に熱による歪や変形の発生を抑制することができる内燃機関用のピストンを提供する。【解決手段】キャビティが形成された頂面を有し、キャビティに対して燃料噴射弁から燃料が噴射される内燃機関用のピストンにおいて、キャビティの底部には、複数の微小柱体１０が埋設され、微小柱体１０は、一側面が前記頂面の一部を構成する低熱伝導部材１２と、低熱伝導部材１２の一側面と隣接する側面に沿って当該低熱伝導部材１２を包囲するよう配置される高熱伝導部材１３と、を有し、複数の微小柱体１０は、隣り合う微小柱体１０の対向する高熱伝導部材１３により空隙部が形成され、かつ、高温時には低熱伝導部材１２および高熱伝導部材１３の空隙部の方向への熱膨張により対向する高熱伝導部材１３が互いに接し熱流回路を形成するよう配置される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャビティが形成された頂面を有し、前記キャビティに対して燃料噴射弁から燃料が噴射される内燃機関用のピストンにおいて、
前記キャビティの底部には、複数の微小柱体が埋設され、
前記微小柱体は、一側面が前記頂面の一部を構成する低熱伝導部材と、前記低熱伝導部材の前記一側面と隣接する側面に沿って当該低熱伝導部材を包囲するよう配置される高熱伝導部材と、を有し、
前記複数の微小柱体は、隣り合う前記微小柱体の対向する高熱伝導部材により空隙部が形成され、かつ、高温時には前記低熱伝導部材および前記高熱伝導部材の前記空隙部の方向への熱膨張により前記対向する高熱伝導部材が互いに接し熱流回路を形成するよう配置されることを特徴とする内燃機関用のピストン。
【請求項２】
前記低熱伝導部材は、中空部を有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用のピストン。
【請求項３】
前記低熱伝導部材は、前記一側面および前記一側面と隣接する側面を有する第１の部材と、前記第１の部材に嵌合する第２の部材とによって構成され、
前記中空部は、前記第１の部材および前記第２の部材が嵌合された状態で前記第１の部材と前記第２の部材との間に形成される空隙により構成されていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関用のピストン。
【請求項４】
前記低熱伝導部材は、前記一側面が長方形となるよう形成されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一の請求項に記載の内燃機関用のピストン。
【請求項５】
前記低熱伝導部材は、前記一側面が正方形となるよう形成されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一の請求項に記載の内燃機関用のピストン。
【請求項６】
前記微小柱体は、円筒状の前記低熱伝導部材の外周に前記低熱伝導部材と同軸を有する円筒状の前記高熱伝導部材を配置し、前記低熱伝導部材および前記高熱伝導部材の外周に、前記同軸と平行であり、かつ、互いに平行な一組の平面と、前記一組の平面と垂直なもう一組の平面とが形成されるよう前記外周の一部を削除することにより作製されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一の請求項に記載の内燃機関用のピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用のピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関は、シリンダヘッドとシリンダとの間に形成された燃焼室内で、燃料と空気との混合気を燃焼させている。内燃機関は、この燃焼室において発生した爆発エネルギーをシリンダ内に設けたピストンの運動エネルギーに変換し、変速機などを介して駆動輪に動力を伝達するようになっている。
【０００３】
ピストン頂面は、爆発の衝撃を受けるとともに、燃焼の高温にさらされる。このため、ピストンは、一般に冷却効率のよいアルミ合金により構成されており、衝撃や高温などの過酷な環境に耐えられるようになっている。
【０００４】
また、燃料がシリンダ内に直接噴射される筒内噴射式内燃機関では、燃料の一部に不完全燃焼等が生じると、燃費が低下したり排気ガス特性が悪化する可能性が生じる。このため、燃料の霧化や気化を促進させるようピストン頂面を構成し、燃料に不完全燃焼等が生じることを抑制するようになっている。
【０００５】
このような内燃機関用のピストンにおいて、暖機時にピストン頂面の燃料衝突領域における昇温速度が速まるよう、低熱伝導率を有する板状の合金をピストン頂面のキャビティ底部に設置し、燃料の霧化や気化を促進させるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
この特許文献１に開示された内燃機関用のピストンは、ピストン本体の頂面に凹状のキャビティ部を有し、該キャビティ部に対して燃料噴射弁から燃料が直接吹き付けられる筒内噴射式内燃機関用ピストンであって、キャビティ部において燃料が直接吹き付けられる燃料衝突部に、低熱伝導材料からなって所定の割合で気孔が含まれる焼結材が配設されている。
【０００７】
また、このような内燃機関用のピストンにおいて、低熱伝導材料の熱膨張率をアルミ合金の熱膨張率の近傍となるよう構成したものが知られている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２に開示された内燃機関用のピストンは、燃料衝突領域に設置される低熱伝導部材として、全体を１００質量％としたときに、マンガン（Ｍｎ）を５〜３５質量％、炭素（Ｃ）を０．５〜１．５質量％含み、残りが鉄（Ｆｅ）および不可避不純物若しくは付従的元素により構成される低熱伝導合金が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−１８６６１７号公報
【特許文献２】特開２００９−２５７１８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に開示されたものは、低熱伝導部材がチタン合金により形成されている。そのため、チタン合金の熱膨張率はピストン基材であるアルミ合金と比べて小さく、ピストン頂面が高温になると、この熱膨張差に起因して変形あるいは亀裂が発生する可能性があった。
【００１０】
また、特許文献２に開示されたものは、低熱伝導部材の線膨張係数がピストン基材であるアルミ合金の線膨張係数の近傍となるよう構成されているものの、燃焼室側表面領域近傍は高温になるが、深さ方向への熱流抑制のため相対的に低温となるピストン頂面反対側、あるいは同じく相対的に低温となるアルミ合金基材との間に発生する熱歪により変形あるいは亀裂が発生する可能性があった。
【００１１】
したがって、特許文献１および２のいずれに記載のものも、ピストン頂面が高温になった場合にピストンに熱歪や変形が発生する可能性があった。
【００１２】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、低温時に燃料の気化を促進できるとともに、高温時に熱による歪や変形の発生を抑制することができる内燃機関用のピストン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】
【００１３】
本発明に係る内燃機関用のピストンは、上記目的達成のため、（１）キャビティが形成された頂面を有し、前記キャビティに対して燃料噴射弁から燃料が噴射される内燃機関用のピストンにおいて、前記キャビティの底部には、複数の微小柱体が埋設され、前記微小柱体は、一側面が前記頂面の一部を構成する低熱伝導部材と、前記低熱伝導部材の前記一側面と隣接する側面に沿って当該低熱伝導部材を包囲するよう配置される高熱伝導部材と、を有し、前記複数の微小柱体は、隣り合う前記微小柱体の対向する高熱伝導部材により空隙部が形成され、かつ、高温時には前記低熱伝導部材および前記高熱伝導部材の前記空隙部の方向への熱膨張により前記対向する高熱伝導部材が互いに接し熱流回路を形成するよう配置されることを特徴とする。
【００１４】
この構成により、燃料が直接吹き付けられるピストン頂面のキャビティに、低熱伝導部材を有する微小柱体を空隙部を挟んで複数埋設し、低熱伝導領域を形成することができる。これにより、内燃機関の低温時においては、燃料の燃焼によりピストン頂部が加熱されると、低熱伝導部材および空隙部を形成する空気の断熱作用により熱拡散を抑制し、ピストン頂部の昇温効果で燃料の霧化や気化を促進させることができ、燃料の不完全燃焼の低減と燃費の向上を図ることができる。
【００１５】
一方、内燃機関の高温時においては、微小柱体が空隙部の方向に熱膨張できるとともに、隣り合う微小柱体の高熱伝導部材が互いに接することになるので、熱膨張による変形や亀裂の発生を抑制できるのみならず、高熱伝導部材による熱流回路が形成され、熱拡散を促進でき、微小柱体に熱変形やノッキングなどが発生することを抑制することができる。
【００１６】
また、上記（１）に記載の内燃機関用のピストンにおいて、（２）前記低熱伝導部材は、中空部を有することを特徴とする。
【００１７】
この構成により、低熱伝導部材の内部に中空部が形成されるので、内燃機関の低温時において、ピストン頂面の水平方向への熱拡散を空隙部により抑制できるのみならず、ピストン頂面から鉛直方向への熱拡散を中空部により抑制することができる。
【００１８】
また、上記（２）に記載の内燃機関用のピストンにおいて、（３）前記低熱伝導部材は、前記一側面および前記一側面と隣接する側面を有する第１の部材と、前記第１の部材に嵌合する第２の部材とによって構成され、前記中空部は、前記第１の部材および前記第２の部材が嵌合された状態で前記第１の部材と前記第２の部材との間に形成される空隙により構成されていることを特徴とする。
【００１９】
この構成により、嵌め合いされる２つの部材の形状に応じて中空部の大きさを変化させることが可能となる。したがって、微小柱体の製造効率が高まるとともに、中空部の大きさを適宜設定しピストン頂部の断熱性と強度とのバランスを最適なものとすることができる。
【００２０】
また、上記（１）から（３）に記載の内燃機関用のピストンにおいて、（４）前記低熱伝導部材は、前記一側面が長方形となるよう形成されることを特徴とする。
【００２１】
この構成により、低熱伝導部材の周囲に配置された高熱伝導部材により、低熱伝導部材に蓄積された熱を主に長方形の長手方向に拡散させることができる。
【００２２】
また、上記（１）から（３）に記載の内燃機関用のピストンにおいて、（５）前記低熱伝導部材は、前記一側面が正方形となるよう形成されることを特徴とする。
【００２３】
この構成により、低熱伝導部材の周囲に配置された高熱伝導部材により、低熱伝導部材に蓄積された熱を２方向に拡散させることができる。
【００２４】
また、上記（１）から（４）に記載の内燃機関用のピストンにおいて、（６）前記微小柱体は、円筒状の前記低熱伝導部材の外周に前記低熱伝導部材と同軸を有する円筒状の前記高熱伝導部材を配置し、前記低熱伝導部材および前記高熱伝導部材の外周に、前記同軸と平行であり、かつ、互いに平行な一組の平面と、前記一組の平面と垂直なもう一組の平面とが形成されるよう前記外周の一部を削除することにより作製されることを特徴とする。
【００２５】
この構成により、微小柱体の加工を容易にすることができる。また、中空部が円筒状に形成されるので、内燃機関の燃焼室における燃焼圧に対する微小柱体の耐圧性を高めることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、ピストン頂面の燃料衝突域に周囲よりも高温となる低熱伝導域を設けるとともに、熱による歪を吸収することができる内燃機関用ピストンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るピストンの縦断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るピストンの上面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る微小柱体の斜視図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る微小柱体の横断面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るピストンの熱の拡散を説明するための図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る微小柱体の１次元モデルを説明するための図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係るピストンの製造方法を説明するための図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係るピストンの製造方法を説明するための図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係るピストンの上面図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係る微小柱体の斜視図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係るピストンの熱の拡散を説明するための図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態に係るピストンの上面図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態に係る微小柱体の斜視図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態に係る微小柱体の横断面図である。
【図１５】本発明の第３の実施の形態に係る微小柱体の製造方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
（第１の実施の形態）
以下、本発明の実施の形態に係る内燃機関用のピストンについて、図面を参照して説明する。
【００２９】
まず、構成について説明する。 
図１は、本実施の形態に係る内燃機関用のピストン１の縦断面図である。内燃機関は、複数のシリンダが設置されたシリンダブロックと、シリンダブロックの上端に設置されるシリンダヘッドを備えており、ピストン１は、各シリンダ内に往復動可能に収容されている。また、シリンダの内壁とピストン１の頂面９とによって燃焼室が形成される。
【００３０】
シリンダヘッドには、燃焼室に空気を導入するための吸気ポートおよび燃焼室内の排気を外部に排出するための排気ポートが形成されている。また、シリンダヘッドには点火プラグが取り付けられており、インジェクタから噴射された燃料と空気との混合気を、燃焼室内で燃焼させるようになっている。
【００３１】
ピストン１は、アルミ合金など軽量で熱伝導率の高い金属部材により形成されており、ピストンヘッド２と、往復動の際にガイドとして機能する筒状のピストンスカート３と、ピストンスカート３の内周側に形成されたボス部４とを備えている。ボス部４にはピストンピンが嵌め合わされるピストンピン取付け穴５が形成されている。ピストン１は、ピストンピン、コネクティングロッドを介してクランクシャフトと連結している。そして、燃焼室内において混合気が爆発することにより、ピストン１をシリンダの下方に押し下げる力が発生し、この力がクランクシャフトに伝達されるようになっている。
【００３２】
また、ピストン１の上部には、燃焼室の気密性を高めるための複数のリング溝６が形成されており、これらリング溝６には、コンプレッションリングやオイルリング等のピストンリングが装着されるようになっている。
【００３３】
次に、図１および図２に基づいて本実施の形態に係る内燃機関用ピストン１の頂面構造について説明する。
【００３４】
ピストン１は、ピストンヘッド２の頂面に凹状のキャビティ部８を有し、該キャビティ部８に対して燃料噴射弁から燃料が直接吹き付けられる筒内噴射式内燃機関用ピストンとして構成されている。
【００３５】
キャビティ部８の底部には、複数の微小柱体１０が埋設されている。微小柱体１０は、後述する低熱伝導部材１２の集まりから頂面９に低熱伝導領域を形成している。また、微小柱体１０は、キャビティ部８において燃料の燃焼により高温となる最高温度発生領域の近傍に配置されている。
【００３６】
図３および図４に示すように、微小柱体１０は、燃焼室側に露出した一側面１２ａを有する中空状の低熱伝導部材１２と、低熱伝導部材１２の一側面１２ａと隣接する側面に沿って配置される高熱伝導部材１３とを有している。また、隣り合う２つの微小柱体１０において互いに対向する高熱伝導部材１３によって空隙部１５が形成されている。なお、図４においては、ある微小柱体１０と隣り合う微小柱体を破線により表している。
【００３７】
低熱伝導部材１２は、凸状部材１７と凹状部材１８とを有しており、凸状部材１７と凹状部材１８とが嵌め合わされることにより、全体として直方体の形状を有している。また、凸状部材１７の突出高さに対して、凹状部材１８の窪み深さが大きく形成されており、凸状部材１７と凹状部材１８とが互いに嵌合すると、これらの間に中空部１９が形成されるようになっている。なお、低熱伝導部材１２の長手方向の両端部には、低熱伝導部材１２と同じ材質により形成された蓋部１４が抵抗溶接などの溶接により設置されており、中空部１９を遮蔽するようになっている。
【００３８】
低熱伝導部材１２および中空部１９は、内燃機関の暖機中など低温時において、断熱作用によりキャビティ部８の昇温を早め、燃料噴射弁から噴射された燃料の気化を促進させ、未燃燃料の発生を低減できる。
【００３９】
複数の微小柱体１０は、キャビティ部８の底面において燃料噴射弁から燃料が吹きつけられる領域に埋設されている。なお、図１においては、１２個の微小柱体１０がキャビティ部８に埋設されている場合を示しているが、微小柱体１０の個数はこれに限定されない。なお、微小柱体１０の配設密度が高くなるほどピストン１の頂面９の近傍の強度が低下する。また、頂面９の面積に対する複数の低熱伝導部材１２の一側面１２ａの合計面積が４０％未満となると、燃焼室内の断熱性能が十分に得られず、７０％を超えると、頂面９の近傍の強度が低下する。
【００４０】
したがって、キャビティ部８の底面積をＳｃ、低熱伝導部材１２の一側面１２ａを含む各微小柱体１０の露出面の面積をＳ１とすると、キャビティ部８の底面積に対する複数の微小柱体１０の露出面の合計面積{（ΣＳ１／Ｓｃ）×１００}が、４０％〜７０％の範囲になるよう微小柱体１０を埋設すると好適である。この場合、微小柱体１０を、幅Ｗが３〜１０ｍｍ、高さＨが２〜４ｍｍ、長さＬが１０〜３０ｍｍとなるよう製作し、この微小柱体１０を１０〜１４個埋設するようにする。ここで、露出面とは、キャビティ部８の頂面９の一部を構成し燃焼室に露出する面を意味する。
【００４１】
また、低熱伝導部材１２の中空部１９の大きさや占有率は任意に定めることができるが、例えば、低熱伝導部材１２の体積Ｖ１に対する中空部１９の体積Ｖａの体積比{（Ｖａ／Ｖ１）×１００}を１０〜４０％とすると、燃焼室内の断熱性能の確保と頂面９の近傍の強度確保とを両立できるので好適である。
【００４２】
凸状部材１７は、底面の略中央に外に向かって突出する凸状部を設けることで、この凸状部を挟む左右の縁部に肩部が設けられる。また、凹状部材１８は、上面の略中央に内に向かって窪む凹状部を設けることで、この凹状部を挟む左右の縁部に突出部が設けられる。これらの突出部をそれぞれ対応する肩部に嵌合させることで、凸状部材１７と凹状部材１８とが互いに組み付けられる。
【００４３】
凸状部材１７および凹状部材１８は、いずれも、ピストン１の母材であるアルミ合金よりも熱伝導率が低い材料を用いて構成される。例えば、低熱伝導部材１２は、Ｔｉ（チタン）系材料から構成される。
【００４４】
低熱伝導部材１２がチタンにより形成される場合には、軽量性、高融点性、低熱伝導性などの利点を有している。例えば、熱伝導率кは、純チタンの場合０．１７２Ｗ／ｍＫ、チタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）の場合０．０７６Ｗ／ｍＫとなっている。したがって、低熱伝導部材１２をＴｉ系材料により形成することで、ピストン１の頂部がアルミ合金のみで形成されている場合と比較して、熱伝導率к（Ｗ／ｍＫ）を大幅に低下することができる。
【００４５】
また、低熱伝導部材１２は、Ｔｉ系材料の他、ステンレス系材料等により構成されていてもよい。
【００４６】
また、微小柱体１０は、低熱伝導部材１２の側面を囲む高熱伝導部材１３を有する。例えば、この高熱伝導部材１３は、低熱伝導部材１２における一側面１２ａと隣り合う４つの面を構成する前面、右側面、後面、および左側面に沿って、低熱伝導部材１２を囲むように溶着されている。
【００４７】
高熱伝導部材１３は、低熱伝導部材１２よりも熱伝導率が高い材料により形成されている。例えば、高熱伝導部材１３を、熱伝導率кが室温付近で３９８Ｗ／ｍＫとなる純Ｃｕ（銅）により構成すると、高い熱伝導率を持ちながらも加工が容易であり、かつ、低コストであるため好適である。なお、高熱伝導部材１３は、純Ｃｕのほか、純Ａｌなどにより構成されていてもよい。
【００４８】
高熱伝導部材１３は、板状部材により構成され、高さＨ'は微小柱体１０の側面高さＨの１／２〜１／３とし、厚さｄ（図４における左右方向）は、後述するように、内燃機関運転時のピストン１の頂面温度上昇による低熱伝導部材１２および高熱伝導部材１３の熱膨張量の合計と隣り合う微小柱体１０間の空隙部１５の幅ｓが一致するように設定する。
【００４９】
例えば、隣り合う微小柱体１０の間の空隙部１５が等間隔となるように、微小柱体１０を複数整列して配置する。また、隣り合う微小柱体１０の互いの側面を揃えるように、微小柱体１０を複数整列して配置する。
【００５０】
図５に示すように、ピストン１のキャビティ部８において、最高温度発生領域３１を通過する中心線３２を設けると仮定する。微小柱体１０は、この中心線３２に対して、長手方向が直角となるように複数配置されるとともに、中心線３２に対して対称に配置されるよう、各微小柱体１０の長手方向の端面が中心線３２に沿って並べられる。
【００５１】
なお、図５に示すように、複数の微小柱体１０の大きさや形状は互いに等しくなくてもよい。例えば、ピストン１のキャビティ部８において、最高温度発生領域３１の近傍に配置される微小柱体１０の長手方向の長さは、最高温度発生領域３１の近傍から離れた位置に配置される微小柱体１０の長手方向の長さと比較して長くする。
【００５２】
ここで、図６を用いて、微小柱体１０の各部寸法のうち、常温時における高熱伝導部材１３の長手方向に垂直となる幅方向の長さ、すなわち厚さｄおよび空隙部１５の幅ｓを設定するための算出方法の一例を説明する。
【００５３】
なお、図６においては、ある微小柱体１０を長手方向に沿って頂面９に対し鉛直に２等分し、その一方の部分を取り上げ、１次元モデルとして表している。
【００５４】
低熱伝導部材１２の線膨張係数をα１、高熱伝導部材１３の線膨張係数をα２とする。また、低熱伝導部材１２の常温時の幅をＷ／２（＝Ｗ'）とする。ここで、温度上昇量をΔＴとすると、低熱伝導部材１２の熱膨張量ΔＷ'は式（１）により求まる。
【００５５】
ΔＷ'＝Ｗ'・α１・ΔＴ          （１）
同様に、高熱伝導部材１３の熱膨張量Δｄは式（２）により求まる。
【００５６】
Δｄ＝ｄ・α２・ΔＴ              （２）
よって、微小柱体１０の合計の熱膨張量は、
ΔＷ'＋Δｄ＝Ｗ'・α１・ΔＴ＋ｄ・α２・ΔＴ
＝（Ｗ'・α１＋ｄ・α２）・ΔＴ          （３）
となる。
【００５７】
空隙部１５は、隣り合う２つの微小柱体１０により形成されるため、空隙部１５の幅ｓは、
（ｓ／２）≧（ΔＷ'＋Δｄ）          （４）
の関係が成り立つように各寸法を決めることにより、ピストン１の高温時に隣り合う２つの微小柱体１０の熱膨張により空隙部１５が消滅する。したがって、式（３）を（４）に代入すると、
（ｓ／２）≧（Ｗ'・α１＋ｄ・α２）・ΔＴ          （５）
が求まる。
【００５８】
例えば、低熱伝導部材１２としてＴｉ−６Ａｌ−４Ｖを、高熱伝導部材１３として純Ａｌを用いた場合、ピストン１の高温時である４００℃においては、線膨張係数α１、α２はそれぞれ
α１＝１１＊１０＾−６（／℃）          （６）
α２＝３０＊１０＾−６（／℃）          （７）
である。
【００５９】
また、高速・高負荷運転時のピストン１の頂面最高温度を４００℃、常温を２５℃、Ｗ'＝５ｍｍとすると、
ΔＴ＝４００℃−２５℃＝３７５℃
であるから、式（５）より、
（ｓ／２）≧（Ｗ'・α１＋ｄ・α２）・ΔＴ
＝{(５＊１１＊１０＾−６)＋(ｄ＊３０＊１０＾−６)}＊３７５
【００６０】
したがって、
（ｓ／２）≧{(５５＋３０ｄ)＊１０＾−６)＊３７５      （８）
により表されるｄとｓの関係式が得られる。
【００６１】
この１次元モデルによれば、例えば空隙部１５の幅ｓを０．１とすると、高熱伝導部材１３の長手方向に垂直となる幅方向の長さｄは、
ｄ＝[{（ｓ／２）＊１０＾６／３７５}−５５]／３０
より、約２．６と求まる。なお、本実施の形態においては、空隙部１５の幅ｓは、後述するスペーサ３７の厚みの精度に基づいて設定されている。
【００６２】
また、以上の説明では１次元モデルを例に説明したが、ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）により３次元モデルを用いて最適値を求めるようにしてもよい。
【００６３】
以下、微小柱体１０が埋設されたピストン１の製造工程を図７および図８を用いて説明する。
【００６４】
まず、凸状部材１７と凹状部材１８とを嵌め合わせ、必要数の低熱伝導部材１２を成形する。そして、成形した低熱伝導部材１２の４つの側面に対して、高熱伝導部材１３を嵌合あるいは溶射により取り付けて、微小柱体１０を構成する。
【００６５】
次に、微小柱体１０をアルミ製の板材３５に所定の間隔で接着する。このとき、高熱伝導部材１３間の空隙部１５の幅と同じ厚さを有する耐熱性のスペーサ３７を各微小柱体１０の間に挟む。スペーサ３７は、ＮａＣｌ（融点８００℃）等の水溶性の固形物により形成される。ここで、板材３５にテーパー部３６を形成しておくことにより、後の工程で板材３５を容易に除去することが可能となる。
【００６６】
次に、成形されるピストン１の頂面９が下方に位置するようピストン鋳型３８を倒立させ、微小柱体１０が接着された板材３５を落とし込み溝３９に落とし込んで位置決めする。この落とし込み溝３９の側面には、板材３５のテーパー部３６に対応するテーパー面４０が形成されている。
【００６７】
そして、溶融したアルミ合金をピストン鋳型３８に充填する。そして、冷却後、図８のように脱型し、板材３５を切断し、その切断後の直方体端面を仕上げ加工する。また、スペーサ３７は水溶性であるため、仕上げ後に水洗いすることによりスペーサ３７は除去される。また、リング溝６は、鋳造後に機械加工により形成される。
【００６８】
次に、本発明の作用・効果を説明する。
【００６９】
ピストン１のキャビティ部８には、隣接する微小柱体１０の互いに対向する高熱伝導部材１３により空隙部１５が形成されるよう離間して配置している。空気は熱伝導率кが、０．０２４１Ｗ／ｍＫと小さいため、空隙部１５は断熱材として機能する。また、低熱伝導部材１２は、チタン合金の場合、熱伝導率が室温で７．６Ｗ／ｍＫであるとともに、中空部１９の熱伝導率が室温で０．０２６Ｗ／ｍＫであるため、微小柱体１０の深さ方向に対する断熱性が向上される。
【００７０】
このため、内燃機関の低温時においては、ピストンヘッド２のキャビティ部８に対して燃料噴射弁から燃料が直接吹き付けられると、隣接する微小柱体１０の高熱伝導部材１３の間に空隙部１５が形成されており、この空隙部１５が断熱材として機能するため、燃料の燃焼により発生した熱が拡散しにくくなっている。したがって、キャビティ部８において燃料が吹き付けられる領域の低熱伝導部材１２に熱が蓄熱される結果、当該領域の昇温が促進され、燃料の気化を促進させることができ、未燃ＨＣ低減および燃費の向上を図ることができる。この際、未燃の燃料の一部は微小柱体１０間の空隙部１５に捕捉され、そこでも気化促進がなされる。
【００７１】
さらに高速高負荷運転時などピストン１の頂面９の近傍が高温化する場合には、微小柱体１０の外周を形成するＣｕなどの高熱伝導部材１３の熱膨張により各微小柱体１０間の空隙部１５が消滅し、高熱伝導部材１３により熱流回路が形成される。これにより、ピストン１の半径方向における熱拡散が促進され、微小柱体１０の温度上昇を抑制し微小柱体１０の熱変形を防止するとともに、最高温度発生領域３１側から燃料が発火することに起因してノッキングが発生することを抑制することが可能となる。
【００７２】
また、直方体形状を有する複数の低熱伝導部材１２を用いるので、アルミ合金基材との熱膨張差に起因する変形量の絶対値を縮小することができる。
【００７３】
以上のように、本実施の形態に係るピストン１は、燃料が直接吹き付けられるピストン１のキャビティ部８に、低熱伝導部材１２を有する微小柱体１０を空隙部１５を挟んで複数埋設し、低熱伝導領域を形成することができる。これにより、内燃機関の低温時においては、燃料の燃焼によりピストン１の頂部が加熱されると、低熱伝導部材１２および空隙部１５を形成する空気の断熱作用により熱拡散を抑制し、ピストン１の頂部の昇温効果で燃料の霧化や気化を促進させることができ、燃料の不完全燃焼の低減と燃費の向上を図ることができる。
【００７４】
一方、内燃機関の高温時においては、微小柱体１０が空隙部１５の方向に熱膨張できるとともに、隣り合う微小柱体１０の高熱伝導部材１３が互いに接することになるので、熱膨張による変形や亀裂の発生を抑制できるのみならず、高熱伝導部材１３による熱流回路が形成され、熱拡散を促進でき、微小柱体１０に熱変形やノッキングなどが発生することを抑制することができる。
【００７５】
また、嵌め合いされる２つの部材の形状に応じて中空部１９の大きさを変化させることが可能となる。したがって、微小柱体１０の製造効率が高まるとともに、中空部１９の大きさを適宜設定しピストン１の頂部の断熱性と強度とのバランスを最適なものとすることができる。
【００７６】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態に係る内燃機関用のピストンについて説明する。なお、第２の実施の形態に係る内燃機関用のピストンの構成は、上記第１の実施の形態に係る内燃機関用のピストンと同様であり、微小柱体の構成が異なるものである。以下の説明では、第１の実施の形態と同様の構成については、同一の符号を用い、相違点を中心に詳述する。
【００７７】
図９に、本発明の第２の実施の形態に係る内燃機関用のピストンを示す。
【００７８】
キャビティ部８の底部には、複数の微小柱体５０が埋設されている。微小柱体５０は、低熱伝導部材５２の集まりから低熱伝導領域を形成している。複数の低熱伝導部材５２は、キャビティ部８の最高温度発生領域側に並べられている。
【００７９】
図１０に示すように、微小柱体５０は、燃焼室側に露出した一側面を有する中空状の低熱伝導部材５２と、該低熱伝導部材５２の一側面と隣接する側面に沿って配置される高熱伝導部材５３とを有している。また、隣り合う２つの微小柱体５０において互いに対向する高熱伝導部材５３によって、第１の実施の形態に係る空隙部１５と同様の空隙部が形成されている。
【００８０】
低熱伝導部材５２は、第１の実施の形態に係る低熱伝導部材１２と同様に、凸状部材と凹状部材とが中空部を有するよう嵌め合わされることにより構成され、燃焼室側の一側面が正方形の形状を有している。また、凸状部材および凹状部材は、第１の実施の形態に係る凸状部材１７および凹状部材１８と同様、いずれも、Ｔｉ（チタン）系材料などピストン１の母材であるアルミ合金よりも熱伝導率が低い材料により構成される。また、低熱伝導部材５２の一対の両端部には、蓋部５４が溶接により設置され、中空部を遮蔽するようになっている。
【００８１】
低熱伝導部材５２および中空部は、内燃機関の暖機中など低温時において、断熱作用によりキャビティ部８の底部の昇温を早め、燃料噴射弁から噴射された燃料の気化を促進させ、未燃燃料の発生を低減できる。
【００８２】
複数の微小柱体５０は、キャビティ部８の底面において燃料噴射弁から燃料が吹き付けられる領域に埋設されている。なお、図９においては、１１個の微小柱体１０がキャビティ部８に埋設されている場合を示しているが、微小柱体５０の個数はこれに限定されない。
【００８３】
また、微小柱体５０は、低熱伝導部材５２の側面を囲むように、高熱伝導部材５３を有する。例えば、この高熱伝導部材５３は、低熱伝導部材５２における一側面と隣り合う４つの面を構成する前面、右側面、後面、および左側面の各面と接し低熱伝導部材５２を囲むように設置されている。高熱伝導部材５３は、低熱伝導部材５２の周囲に沿って低熱伝導部材５２の各側面と溶着されていてもよい。
【００８４】
高熱伝導部材５３は、低熱伝導部材５２よりも熱伝導率が高い材料により形成されている。例えば、高熱伝導部材５３は、第１の実施の形態に係る高熱伝導部材１３と同様、熱伝導率кが室温付近で３９８Ｗ／ｍＫとなる純Ｃｕ（銅）により構成される。
【００８５】
また、高熱伝導部材５３の幅ｄや、隣り合う微小柱体５０により形成される空隙部の幅ｓは、図６に示した１次元モデルを用いて同様に設定するようになっている。
【００８６】
このような構成により、本実施の形態に係る微小柱体５０は、低熱伝導部材５２の燃焼室側の一側面を正方形に形成するので、燃焼室側の一側面が長方形に形成された第１の実施の形態に係る微小柱体１０よりも小型化できる。
【００８７】
これにより、高温時における熱歪の発生をより抑制することができるとともに、キャビティ部８において、燃料噴射弁から燃料が吹き付けられる特定の領域のみに微小柱体５０を埋設することが容易になる。
【００８８】
また、第１の実施の形態に係るピストン１と同様、内燃機関の暖機時には、頂面９における熱拡散を低減し、燃料の気化を促進することが可能となるとともに、高温時には低熱伝導部材５２および高熱伝導部材５３の熱膨張により、各微小柱体５０の高熱伝導部材５３が互いに接し、熱流回路が形成され、最高温度発生領域に蓄積された熱の拡散を促進することができる。
【００８９】
また、第１の実施の形態に係るピストン１においては、図５に示したように、最高温度発生領域３１を通過する中心線３２に対し主として垂直方向の熱流回路が形成されていたが、本実施の形態に係るピストン１においては、図１１に示すように、中心線３２に対して垂直方向のみならず平行方向にも熱流回路が形成される。したがって、ピストン１の高温時において、最高温度発生領域３１に蓄積された熱をより効率的に拡散させることが可能となる。
【００９０】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態に係る内燃機関用のピストンについて説明する。なお、第３の実施の形態に係る内燃機関用のピストン１の構成は、上記第１の実施の形態に係るピストン１の構成と同様であり、主に低熱伝導部材の内部に形成される中空部の構成が異なるものである。以下の説明では、第１の実施の形態と同様の構成については、同一の符号を用い、相違点を中心に詳述する。
【００９１】
図１２に、本発明の第３の実施の形態に係る内燃機関用のピストン１を示す。
【００９２】
本実施の形態に係るピストン１は、第１の実施の形態に係るピストン１と同様、キャビティ部８に複数の微小柱体７０が埋設されている。各微小柱体７０は、第１の実施の形態に係る微小柱体１０と同様に、低熱伝導部材７２の一側面が長方形に形成されている。
【００９３】
図１３および図１４に示すように、微小柱体７０は、円筒形の低熱伝導部材７２およびその外周に低熱伝導部材７２と同軸を有するよう設置された円筒形の高熱伝導部材７３により構成されている。また、低熱伝導部材７２の内周側には中空部７５が形成されている。なお、図１４においては、ある微小柱体７０に隣り合う微小柱体を破線により示している。
【００９４】
また、低熱伝導部材７２および高熱伝導部材７３の長手方向の両端には、蓋部７４が形成されており、この蓋部７４により中空部７５が遮蔽されている。例えば、蓋部７４を低熱伝導部材７２と同じ材料により形成した場合には、蓋部の表面に高熱伝動部材７３を設置するようにする。
【００９５】
以下、微小柱体７０の製造工程を図１５を用いて説明する。
【００９６】
まず、円筒形の低熱伝導部材７２および高熱伝導部材７３を形成するとともに、高熱伝導部材７３の内周側に低熱伝導部材７２を圧入などにより嵌め込むことにより、低熱伝導部材７２と同一の中心軸８０を有する高熱伝導部材７３を低熱伝導部材７２の外周に形成する。なお、円筒形の低熱伝導部材７２を予め準備しておき、この外周に高熱伝動部材７２を形成するようにしてもよい。
【００９７】
次に、中心軸８０に対し平行となる平面８３を形成する。この平面８３は、低熱伝導部材７２の一側面を含む露出面を形成する。このとき、平面８３が、低熱伝導部材７２の外周と内周の間の点８１を通るように形成されることにより、低熱伝導部材７２および高熱伝導部材７３により露出面が形成されるようにする。
【００９８】
次に、平面８３と平行で、かつ、中心軸８０との距離が平面８３と中心軸８０との距離と等しくなる平面８４を形成する。平面８４も平面８３と同様に、低熱伝導部材７２および高熱伝導部材７３により形成されることになる。
【００９９】
次に、中心軸８０に対し平行で、かつ、平面８３、８４と垂直となる平面８７、８８を形成する。平面８７、８８と中心軸８０との距離は、平面８３、８４と中心軸８０との距離よりも長くなっており、平面８７、８８が高熱伝導部材７３のみにより形成される。
【０１００】
このような構成により、微小柱体７０が円筒形の低熱伝導部材７２および高熱伝導部材７３から構成されるとともに、低熱伝導部材７２の内部に形成される中空部７５が円筒形であるので、燃焼室内の燃焼圧に対する耐圧強度を高めることができる。
【０１０１】
また、第１および第２の実施の形態に係るピストン１と同様、内燃機関の暖機時には、頂面９における熱拡散を低減し、燃料の気化を促進することが可能となるとともに、高温時には低熱伝導部材７２および高熱伝導部材７３の熱膨張により、各微小柱体７０の高熱伝導部材７３が互いに接し、熱流回路が形成され、最高温度発生領域に蓄積された熱の拡散を促進することができる。
【０１０２】
なお、以上の説明においては、本発明に係るピストンが車両用の内燃機関に用いられる場合について説明したが、これに限定されず、車両以外に搭載される内燃機関に適用されてもよい。
【０１０３】
以上、本発明に係るピストンは、低温時に燃料の気化を促進できるとともに、高温時に熱による歪や変形の発生を抑制することができる内燃機関用のピストンを提供するという効果を奏するものであり、内燃機関用のピストンに有用である。
【符号の説明】
【０１０４】
１  ピストン
２  ピストンヘッド
３  ピストンスカート
６  リング溝
８  キャビティ部
９  頂面
１０  微小柱体
１２  低熱伝導部材
１２ａ  一側面
１３  高熱伝導部材
１４  蓋部
１５  空隙部
１７  凸状部材
１８  凹状部材
１９  中空部
３１  最高温度発生領域
５０  微小柱体
５２  低熱伝導部材
５３  高熱伝導部材
５４  蓋部
５５  空隙部
７０  微小柱体
７２  低熱伝導部材
７３  高熱伝導部材
７４  蓋部
７５  中空部
【図１】
2013160055.tif 000003
【図２】
2013160055.tif 000004
【図３】
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【図４】
2013160055.tif 000006
【図５】
2013160055.tif 000007
【図６】
2013160055.tif 000008
【図７】
2013160055.tif 000009
【図８】
2013160055.tif 000010
【図９】
2013160055.tif 000011
【図１０】
2013160055.tif 000012
【図１１】
2013160055.tif 000013
【図１２】
2013160055.tif 000014
【図１３】
2013160055.tif 000015
【図１４】
2013160055.tif 000016
【図１５】
2013160055.tif 000017