(57)【要約】【課題】潤滑用オイルへの熱伝達を抑えてその過熱，劣化を防ぎ得るようにした内燃機関用ピストンを提供する。【解決手段】内燃機関用ピストンＰの少なくともヘッド部１の内面に，熱伝達率がピストン素材よりも小さい断熱皮膜５を形成した。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともヘッド部（１）の内面に，熱伝達率がピストン素材よりも小さい断熱皮膜（５）を形成したことを特徴とする，内燃機関用ピストン。
【請求項２】
請求項１又は２記載の内燃機関用ピストンにおいて，
前記ヘッド部（１）及びスカート部（３）の内面に前記断熱皮膜（５）を形成した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又は２記載の内燃機関用ピストンにおいて，
前記断熱皮膜（５）の膜厚を５〜５０μｍの範囲に設定したことを特徴とする，内燃機関用ピストン。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載の記載の内燃機関用ピストンにおいて，
前記ピストン素材をＡｌ合金とし，前記断熱皮膜（５）を無電解Ｎｉメッキ皮膜とした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記載の記載の内燃機関用ピストンにおいて，
前記無電解Ｎｉメッキ皮膜をＮｉ，Ｐ，Ｂの３元合金皮膜としたことを特徴とする内燃機関用ピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，内燃機関用ピストンに関し，特に，潤滑用オイルへの熱伝達を抑えてその劣化を防ぐようにしたピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来，内燃機関用ピストンにおいては，機関の熱効率及び耐久性の向上のために，ピストンヘッド部の頂面に低熱伝達率及び低熱容量の陽極酸化皮膜を形成し（特許文献１参照），またピストンのシリンダスリーブに対する摺動摩擦の低減のために，スカート部の外周面に低摩擦係数の樹脂を塗布して潤滑層を形成する（特許文献２参照）ことが知られている。このように，従来の内燃機関用ピストンの表面処理技術の多くは，ピストンの外面に向けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＷＯ２０１０／１１９９７７Ａ１公報
【特許文献２】特開２０１０−９０８１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで，近年，内燃機関技術の発展により，熱効率の向上による高出力化が著しく，それに伴ないピストンが燃焼室から受ける熱量が増加し，ピストンの温度上昇が著しいため，ピストンの内面に接触する潤滑用オイルが過熱され，その劣化が懸念される。
【０００５】
本発明は，かゝる事情に鑑みてなされたもので，潤滑用オイルへの熱伝達を抑えてその過熱，劣化を防ぎ得るようにした内燃機関用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】
【０００６】
上記目的を達成するために，本発明の内燃機関用のピストンは，少なくともヘッド部の内面に，熱伝達率がピストン素材よりも小さい断熱皮膜を形成したことを第１の特徴とする。
【０００７】
また本発明は，第１の特徴に加えて，前記ヘッド部及びスカート部の内面に前記断熱皮膜を形成したことを第２の特徴とする。
【０００８】
さらに本発明は，第１又は第２の特徴に加えて，前記断熱皮膜の膜厚を５〜５０μｍの範囲に設定したことを第３の特徴とする。
【０００９】
さらにまた本発明は，第１〜第３の特徴の何れかに加えて，前記ピストン素材をＡｌ合金とし，前記断熱皮膜を無電解Ｎｉメッキ皮膜としたことを第４の特徴とする。
【００１０】
さらにまた本発明は，第４の特徴に加えて，前記無電解Ｎｉメッキ皮膜をＮｉ，Ｐ，Ｂの３元合金皮膜としたことを第５の特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の第１の特徴によれば，ピストンの少なくともヘッド部の内面に，熱伝達率がピストン素材より小さい断熱皮膜が形成されるので，機関の運転中，特にピストンの，燃焼室に臨むヘッド部が高温となっても，前記断熱皮膜によって，ヘッド部から，その内面に接する潤滑用のオイルへの熱伝達が抑制され，そのオイルの過熱を防止し，そのオイルの劣化を防ぐことができる。
【００１２】
本発明の第２の特徴によれば，内燃機関の形式を問わず，前記断熱皮膜によって，ヘッド部及びスカート部から，それらの内面に接する潤滑用のオイルへの熱伝達が抑制され，そのオイルの過熱を防止し，そのオイルの劣化を防ぐことができる。
【００１３】
本発明の第３の特徴によれば，断熱皮膜の膜厚を５〜５０μｍの範囲に設定することにより，オイルに対する断熱効果を充分に得ることができる。
【００１４】
本発明の第４の特徴によれば，Ａｌ合金製のピストンと，その内面に形成される無電解Ｎｉメッキ皮膜とは相性がよいため，上記無電解Ｎｉメッキ皮膜はピストン内面に強固に密着することができ，振動衝撃による剥離を生じることもなく，オイルに対する良好な断熱効果を長期にわたり発揮することができる。
【００１５】
本発明の第５の特徴によれば，Ａｌ合金製のピストンと，その内面に形成されるＮｉ，Ｐ，Ｂの３元合金皮膜とは相性が一層良く，上記３元合金皮膜はピストン内面により強固に密着することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る内燃機関用ピストンの縦断面図。
【図２】上記ピストンを装着したバーチカル型内燃機関の縦断面図。
【図３】本発明ピストンと従来ピストンにつき，ヘッド部からピストン内部への熱伝達状況を試験するための試験設備の縦断面図。
【図４】上記試験の結果を示す第１の熱伝達特性線図。
【図５】上記試験の結果を示す第２の熱伝達特性線図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施形態を添付図面に基づいて以下に説明する。
【００１８】
先ず，図１において，内燃機関用ピストンＰは，Ａｌ合金を素材としてダイカスト鋳造で成形されたもので，外周面に複数条のリング溝２を備えるヘッド部１と，このヘッド部１の下端に連続的に連なるスカート部３と，このスカート部３の内周面から隆起すると共にヘッド部１の天井面まで延びて，ピストンＰの軸線を挟んで互いに対向する一対のピンボス部４とよりなっており，リング溝２にはピストンリング６が装着され，ピンボス部４のピン孔４ａにはピストンピン７が嵌装される。
【００１９】
このピストンＰの内面，即ちヘッド部１の内面，スカート部３の内面及びピンボス部４の内面（但し，ピン孔４ａは除く。）には，熱伝達率がピストン素材よりも小さい断熱皮膜５が形成される。具体的には，ピストンＰをＡｌ合金製とし，その内面には，断熱皮膜５として，膜厚が５〜５０μｍの無電解メッキ皮膜が形成され，望ましくはＮｉ，Ｐ，Ｂの３元合金皮膜５（カニボロン：日本カニゼン（株）の登録商標）が無電解メッキ処理により形成される。
【００２０】
因みに，Ａｌ合金の熱伝達率は，１００〜１５０Ｗ／ｍ・ｋであり，上記３元合金皮膜５の熱伝達率は，６０〜８０Ｗ／ｍ・ｋである。
【００２１】
次に，上記ピストンＰを装着する内燃機関について，図２により説明する。
【００２２】
この内燃機関Ｅは，クランク軸１６を鉛直方向に向けた姿勢で運転されるバーチカル型に構成される。即ち，機関本体１１は，下面を開放したクランクケース１２と，このクランクケース１２の下端面に接合されるオイルパン１３と，クランクケース１２の一側に一体に形成されて水平方向に配置されるシリンダブロック１４と，このシリンダブロック１４の端面に接合されるシリンダヘッド１５とよりなっており，クランクケース１２及びオイルパン１３とで鉛直配置のクランク軸１６及びカム軸１７が回転自在に支承される。クランク軸１６には，コンロッド１８及び，ピンボス部４に嵌装されるピストンピン７を介して本発明の前記ピストンＰが連設され，このピストンＰは，シリンダブロック１４のシリンダスリーブ１４ａに摺動可能に嵌装される。
【００２３】
シリンダヘッド１５には，ピストンＰのヘッド部１が臨む燃焼室１９と，この燃焼室１９に開口する吸気ポート２０及び排気ポート２１とが形成されると共に，これら吸気及び排気ポート２０，２１をそれぞれ開閉する吸気及び排気弁２２，２３が取り付けられ，これら吸気及び排気弁２２，２３を開閉駆動する動弁装置２４がシリンダヘッド１５と，その端面に接合されるヘッドカバー２５との間に画成される動弁室２６に配設される。クランク軸１６は，調時伝動ギヤ列３０を介してカム軸１７を２分の１の減速比で駆動し，そのカム軸１７はプッシュロッド（図示せず）を介して前記動弁装置２４を駆動し，それにより吸気及び排気弁２２，２３を開閉するようになっている。
【００２４】
オイルパン１３には，カム軸１７により駆動されてオイルパン１３内の貯留オイル３１を吸い上げるオイルポンプ３２が設けられ，このオイルポンプ３２の吐出ポートに連なる一連の供給油路３３がオイルパン１３の側壁，クランクケース１２及びシリンダヘッド１５の上壁に形成され，またそれらの上壁には供給油路３３のオイルを噴射する第１〜第３オイルジェット３４〜３６が設けられ，第１オイルジェット３４は，上記オイルをクランク軸１６及びカム軸１７の周辺に噴射し，第２オイルジェット３５は，上記オイルをシリンダスリーブ１４ａ及びピストンＰの周辺に噴射し，第３オイルジェット３６は，上記オイルを動弁装置２４に噴射する。
【００２５】
またシリンダヘッド１５及びシリンダブロック１４の下壁には，動弁室２６の底部をオイルパン１３内に連通する戻し油路３７が形成される。
【００２６】
而して，第１及び第２オイルジェット３４，３５の噴射オイルは，各部の潤滑後，直接オイルパン１３に流下し，第３オイルジェット３６の噴射オイルは，動弁装置２４の潤滑後，戻し油路３７を経てオイルパン１３へと戻る。こうして，オイルパン１３内のオイルは機関Ｅ内を循環する。
【００２７】
ところで，機関Ｅの運転中，ピストンＰは燃焼室１９の発生熱により加熱され，特に燃焼室１９に臨むヘッド部１は高温となるので，その内面に接触するオイルは過熱される傾向がある。しかもバーチカル型内燃機関Ｅの場合，ピストンＰは，その軸線を水平にした配置となるので，ピストンＰのスカート部３の下部内面にオイルが比較的長い時間留まる傾向があり，そのオイルはスカート部３から比較的長い時間加熱され，過熱状態になり易く，これらがオイルの劣化を招く原因となる。
【００２８】
しかしながら，前記ヘッド部１及びスカート部３の内面には，熱伝達率がピストン素材より小さい断熱皮膜５が形成されているので，この断熱皮膜５によってヘッド部１及びスカート部３からオイルへの熱伝達が抑制され，その過熱を防ぎ，オイル劣化を回避することができる。
【００２９】
ピストンＰの素材がＡｌ合金である場合，断熱皮膜５を，膜厚が５〜５０μｍの無電解メッキ皮膜，特にＮｉ，Ｐ，Ｂの３元合金皮膜とすると，オイルに対する断熱効果を顕著に得ることができる。その際，３元合金皮膜５の膜厚を５μｍ未満とすると，断熱効果が充分に得られず，膜厚が厚くなるに従い断熱効果は高まるものゝ，５０μｍを上回るころには，それまで以上の断熱効果の向上が期待できず，皮膜形成のコストを上昇させるのみとなって好ましくない。また特に，Ａｌ合金製のピストンＰとＮｉ，Ｐ，Ｂの３元合金皮膜５とは相性が良好であるため，その元合金皮膜５は，Ａｌ合金製のピストンＰの内面に強固に密着することができ，振動衝撃による剥離を生じることもなく，オイルに対する良好な断熱効果を長期にわたり発揮することができる。
に，図３〜図５により，本発明ピストンＰにおける断熱皮膜５の断熱効果を確認する試験状況及びその結果について説明する。
【００３０】
先ず，試験対象として，膜厚が５〜５０μｍのＮｉ，Ｐ，Ｂの３元合金の断熱皮膜５を内面に形成したＡｌ合金製の本発明ピストンＰと，同じくＡｌ合金製ではあるが，断熱皮膜の無形成の従来ピストンＰ′とを用意する。
【００３１】
試験に当たり，図３に示すように，恒温水４１を貯留する水槽４０を用意し，その恒温水４１をヒータ４２により６０°Ｃに加熱し，攪拌機４３による攪拌により恒温水４１の各部温度の均一化を図る。その水温を，水槽４０の一定深さに設置した第１温度センサ４４により検出する。
【００３２】
またＰＶＣ樹脂製で上下両端を開放した同物性でシリンダ状の一対の第１及び第２ワーク保持筒４６，４６′を用意し，第１及び第２ワーク保持筒４６，４６′の内周面に用意した前記本発明ピストンＰ及び従来ピストンＰ′をそれぞれ液密に嵌合し，それらピストンＰ，Ｐ′のヘッド部を下向きにした状態で第１及び第２ワーク保持筒４６，４６′を水槽４０の恒温水４１に浸漬していき，それらの浸漬位置は，各ピストンＰ，Ｐ′のヘッド部のトップリング溝が恒温水４１の水面に到達する位置に設定する。
【００３３】
次に，室温と同温度の安定した測温用浄水４７を５００ｃｃを第１及び第２ワーク保持筒４６，４６′内に上方から注入する。これによって，各ピストンＰ，Ｐ′は，ヘッド部の頂面が６０°の恒温水４１に接し，内面が各ワーク保持筒４６，４６′の測定用浄水４７，４７に接した状態に置かれるので，恒温水４１の熱は，各ピストンＰ，Ｐ′を介して各ワーク保持筒４６，４６′の測定用浄水４７，４７へと伝達し，それら測定用浄水４７，４７の温度を高めていくことになる。
【００３４】
これら測定用浄水４７，４７の温度を，第１及び第２ワーク保持筒４６，４６′の一定深さに設置した第２温度センサ４５，４５によりそれぞれ検出する。その間，各測定用浄水４７，４７を攪拌棒４９で攪拌して，測定用浄水４７，４７内の気泡を排除しつゝ測定用浄水４７の各部温度を均一化する。そして上記第１及び第２温度センサ４５，４５で検出した温度をデータアナライザ４８により試験時間の経過と共に解析する。
【００３５】
このような試験により図４及び図５の図表に示す試験結果を得た。
【００３６】
即ち，図５の図表に示すように，第１及び第２ワーク保持筒４６，４６′内の測定用浄水４７，４７の温度は試験時間の経過と共に上昇するが，本発明ピストンＰを保持した第１ワーク保持筒４６内の測定用浄水４７の温度の方が，従来ピストンＰ′を保持した第２ワーク保持筒４６′内の測定用浄水４７の温度の方より常に低く，しかもその温度差は時間の経過と共に増加する。また図６の図表に示すように，恒温水４１の温度から測定用浄水４７の温度を引いた温度を横軸にして得た温度勾配でも，本発明ピストンＰの方が従来ピストンＰ′の方より常に低い。
【００３７】
このように，同じＡｌ合金製のピストンでありながら，内面に断熱皮膜５を形成した本発明ピストンＰと，断熱皮膜が無形成の従来ピストンＰ′において，それぞれの測定用浄水４７，４７の温度変化に相違が生じることは，前記断熱皮膜５の存在に起因するものである。
【００３８】
したがって，内燃機関Ｅの実際の運転中，その断熱皮膜５が，前述のようにピストンＰの内面に接するオイルの過熱防止に寄与するのである。
【００３９】
尚，他の試験によって，ピストンＰのヘッド部１の内面にのみ断熱皮膜５を形成した場合でも略同様の結果が得ることができた。したがって，本発明では，特にヘッド部１の内面に断熱皮膜５を形成することが重要である。
【００４０】
本発明は，上記実施形態に限定されるものではなく，その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。例えば，上記実施形態とは異なる形式の内燃機関，例えば自着火式内燃機関用のピストンにも適用可能である。また本発明は，ＧＤＣ（グラビティ鋳造）や鍛造により成形されたピストンにも適用可能である。
【符号の説明】
【００４１】
Ｅ・・・・・内燃機関
Ｐ・・・・・ピストン
１・・・・・ヘッド部
３・・・・・スカート部
５・・・・・断熱皮膜
１６・・・・クランク軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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