(57)【要約】【課題】ディーゼルエンジンに適用した場合にその頂面に形成した遮熱膜による効果が薄れることのないような新規なピストン研磨手法を提供する。【解決手段】ピストン頂面１８に形成した遮熱膜２２の表面を研磨する際に、流体研磨装置３０を用いる。流体研磨装置３０の研磨キャップ３４のピストン頂面１８に対向する表面は、ピストン頂面１８の形状と同形状に加工されている。また、保持テーブル４２の位置は、研磨キャップ３４の表面からピストン頂面１８までの距離が３ｍｍとなるように調整されている。そのため、矢印で示すように、研磨キャップ３４からの研磨流体は、研磨キャップ３４の表面とピストン頂面１８の間の隙間を流れてピストン頂面１８の外周部に向かう。つまり、研磨流体は、ピストン頂面１８の中央部から外周部に向かって放射状に流れることになる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンの頂面に、前記ピストンの母材に比べて熱伝導率が低く、尚且つ、単位体積当たりの熱容量が低い遮熱膜を形成するステップと、
前記頂面の中央部に向けて噴射した研磨流体を、前記中央部から前記頂面の外周部に向かって前記頂面に沿って放射状に流して前記遮熱膜の表面を研磨して平滑化するステップと、
を備えることを特徴とするディーゼルエンジンのピストンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ディーゼルエンジンのピストンの製造方法に関し、より詳細には、その頂面に遮熱膜が形成されるディーゼルエンジンのピストンの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば２０１０−２０３３３４号公報には、エンジンのピストンの頂面に遮熱膜を形成することが開示されている。この遮熱膜は、具体的に、Ａｌ合金を母材とするピストンの表面の陽極酸化処理により得られる多孔質アルミナ膜である。多孔質アルミナは、ピストン母材に比べて熱伝導率が低く、尚且つ、単位体積当たりの熱容量が低いという性質を有している。そのため、ピストンの頂面に多孔質アルミナ膜を形成すれば、燃焼室内の作動ガス温度に対するピストンの表面温度の追従性を向上して各種効果を得ることができる。即ち、エンジンの吸気行程や圧縮行程においては吸気の加熱によるノッキングや異常燃焼の発生を抑制し、燃焼行程においては冷却損失を低減して燃費を向上できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２０３３３４号公報
【特許文献２】特開２０１３−１３７０２９号公報
【特許文献３】特開平５−１４１２４６号公報
【特許文献４】特開２０００−１７９４００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、一般的なピストンの母材には、機械的性質を向上するための添加物が含まれている。しかし、この添加物（主にＳｉ）が多孔質アルミナ膜の形成を阻害し、形成された多孔質アルミナ膜の表面に微細な凹凸を生じさせるという問題がある。多孔質アルミナ膜の表面に凹凸が生じると熱伝達面積が増加するので、上述した多孔質アルミナ膜による効果が薄れてしまう。従って、多孔質アルミナ膜の表面は平滑化されることが望ましい。
【０００５】
平滑化の一手法として、ピストンを回転させつつ、サンドペーパー等の研磨材を遮熱膜の頂面に押し当てて磨く方法が挙げられる。この方法によれば、研磨痕を同心円状に形成できるので、軸対称の燃焼室構造に適したピストンを製造できる。しかし、ディーゼルエンジンでは、シリンダの中央上方からピストン頂面に向けて放射状に燃焼が噴射されるので、噴射燃料の進行方向が研磨痕と直交することになる。そのため、遮熱膜の表面における噴射燃料の進行速度が低下し、この噴射燃料の進行方向に生成する初期火炎の流動性も低下してしまうので、遮熱膜の表面温度が上昇し易くなってしまう。遮熱膜の表面温度が上昇すると、それだけ遮熱膜側から母材側に熱が逃げ易くなるので、上述した燃焼行程における冷却損失の低減効果が薄れてしまうおそれがある。
【０００６】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものである。即ち、ディーゼルエンジンに適用した場合にその頂面に形成した遮熱膜による冷却損失の低減効果が薄れることのないような新規なピストン研磨手法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】
【０００７】
上述の課題を解決するため、本発明は、ディーゼルエンジンのピストンの製造方法であって、
ピストンの頂面に、前記ピストンの母材に比べて熱伝導率が低く、尚且つ、単位体積当たりの熱容量が低い遮熱膜を形成するステップと、
前記頂面の中央部に向けて噴射した研磨流体を、前記中央部から前記頂面の外周部に向かって前記頂面に沿って放射状に流して前記遮熱膜の表面を研磨して平滑化するステップと、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、母材に比べて熱伝導率が低く、尚且つ、単位体積当たりの熱容量が低い遮熱膜の表面を平滑化する過程において、ピストンの頂面の中央部から外周部に向かって放射状に研磨痕を形成できる。従って、ディーゼルエンジンに適用した場合に、遮熱膜の表面における噴射燃料の進行速度や、この噴射燃料の進行方向に生成する初期火炎の流動性が低下するのを抑制できるので、遮熱膜の形成による冷却損失の低減効果を保つことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の各実施の形態のディーゼルエンジンのピストンの製造方法を説明するフロー図である。
【図２】ピストン１０の斜視図である。
【図３】実施の形態１で使用する流体研磨装置３０の概略構成図である。
【図４】研磨後の遮熱膜２２の表面を模式的に示した図である。
【図５】実施の形態１の効果を説明するための図である。
【図６】実施の形態１の効果を説明するための図である。
【図７】実施の形態１の効果を説明するための図である。
【図８】実施の形態２で使用する流体研磨装置５０の概略構成図である。
【図９】実施の形態３で使用する流体研磨装置６０の概略構成図である。
【図１０】流路調整板６２の形状を説明するための図である。
【図１１】流体研磨装置６０を使用して研磨した遮熱膜２２の表面を模式的に示した図である。
【図１２】実施の形態３の効果を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１１】
実施の形態１．
先ず、本発明の実施の形態１について図１乃至図７を参照しながら説明する。
【００１２】
図１は、実施の形態１のディーゼルエンジンのピストンの製造方法を説明するフロー図である。本実施の形態では、先ず、ディーゼルエンジン用のピストン１０を準備する（ステップＳ１）。図２は、ピストン１０の斜視図である。図２に示すように、ピストン１０は、シリンダブロック（図示しない）の内面にその側面が摺接する円筒状のスカート部１２と、スカート部１２の上端部に形成された所定肉厚の冠部１４と、ピストンピン（図示しない）を支持するピンボス部１６と、を備えている。冠部１４の上面（以下、「ピストン頂面」ともいう。）１８の中央には、キャビティ２０が形成されている。キャビティ２０は、円錐台状の底面部２０ａと、円筒状の側面部２０ｂと、底面部２０ａと側面部２０ｂを接続する中間部２０ｃとから構成される。
【００１３】
ステップＳ１に続いて、ピストン頂面１８に遮熱膜を形成する（ステップＳ２）。ピストン１０は、一般的なピストン同様、Ａｌ合金の鋳造により得られるものである。本ステップＳ２では、具体的に、電解液（リン酸、シュウ酸、硫酸、クロム酸等の水溶液）を供給し、電流密度と通電時間を調節しながら電気分解を行うことで膜厚１０〜３００μｍ（一例として１３０μｍ）の多孔質アルミナ膜を遮熱膜２２としてピストン頂面１８に形成する。なお、本ステップＳ２の処理を行う前に、ピストン頂面１８の表面を清浄する等の目的で前処理を行ってもよい。遮熱膜２２の熱伝導率と単位体積当たりの熱容量は、ピストン１０の母材（つまりＡｌ合金）の熱伝導率と単位体積当たりの熱容量よりも低い。また、遮熱膜２２の表面粗さＲａ（ＪＩＳ  Ｂ６０１（２００１）に準拠して測定した算術平均粗さをいう。以下同じ。）は、平均６．０μｍである。
【００１４】
ステップＳ２に続いて、遮熱膜２２の表面を研磨する（ステップＳ３）。本ステップＳ３では、図３にその概略構成を示す流体研磨装置３０を用いる。この流体研磨装置３０は、砥粒（ダイヤモンド、窒化ホウ素、炭化ケイ素、アルミナ等の粒子）と液体（水や軽油）を混合した研磨流体の流れによって研磨対象であるピストン頂面１８（つまり遮熱膜２２の表面）を研磨する装置であり、ポンプ３２と、研磨キャップ３４と、ピストン保持部３６と、これらを接続する管路３８とを備えている。
【００１５】
ポンプ３２は、研磨流体（一例として、ダイヤモンドを主体とする粒度Ｆ３６（６００μｍが４５％以上、最大８５０μｍ）の砥粒を経由に混ぜた研磨流体）を圧送して流体研磨装置３０内に循環するように構成されている。研磨キャップ３４は、ポンプ３２から圧送された研磨流体をピストン頂面１８の中央部に向けて噴射するように構成されている。また、ピストン保持部３６は、研磨流体を回収する回収槽４０と、回収槽４０に固定されてピストン１０を上面側に着脱可能に保持する保持テーブル４２と、研磨流体の外部漏出を防ぐためのシール部材４４とを備えている。
【００１６】
ここで、ピストン頂面１８に対向する研磨キャップ３４の表面は、ピストン頂面１８と同形状に加工されている。また、保持テーブル４２の位置は、研磨キャップ３４の表面からピストン頂面１８までの距離が所定距離（一例として３ｍｍ）となるように移動ステージ（図示しない）によって調整されている。そのため、図３に矢印で示すように、研磨キャップ３４からの研磨流体は、研磨キャップ３４の表面とピストン頂面１８の間の隙間を流れてピストン頂面１８の外周部に向かう。つまり、研磨流体は、ピストン頂面１８の中央部から外周部に向かって放射状に流れることになる。ピストン頂面１８の外周部に到達した研磨流体は、保持テーブル４２の表面とシール部材４４の間を流れて回収槽４０に回収される。
【００１７】
本ステップＳ３では、具体的に、ポンプ３２の吐出圧を一定とし、研磨流体の循環時間を調節することで遮熱膜２２の表面を研磨し、所定膜厚（一例として１００μｍ）まで薄くする。これにより、遮熱膜２２の表面を平滑化する。研磨後の遮熱膜２２の表面粗さＲａは、平均０．５μｍとなる。図４は、研磨後の遮熱膜２２の表面を模式的に示した図である。図４に示すように、遮熱膜２２の表面には、中央部から外周部に向かって研磨痕が放射状に形成される。
【００１８】
図４に示した研磨痕を形成したことによる効果について、図５乃至図７を参照しながら説明する。図５は、従来の手法でピストン頂面１８に形成した遮熱膜２２の表面を研磨した場合の研磨痕を示す図である。この従来手法は、ピストン１０を回転させつつ、サンドペーパー等の研磨材を遮熱膜２２の表面に押し当てて磨く方法である。そのため、図５に示すように、遮熱膜２２の表面には、研磨痕が同心円状に形成されることになる。
【００１９】
ここで、上述したように、ピストンの頂面に多孔質アルミナ膜を形成すれば、エンジンの燃焼行程において冷却損失を低減して燃費を向上できる。しかし、ディーゼルエンジンではシリンダの中央上方に設けたノズルからピストン頂面に向けて放射状に燃焼が噴射されるため、研磨痕が図５に示した同心円状である場合は、この研磨痕が噴射燃料の進行方向に対して直交することになる。故に、図６の右側に「従来の研磨」として示すように、ノズルからの噴射燃料がキャビティリップに衝突した後に、ピストン頂面１８や側面部２０ｂに沿って進む速度が低下する。加えて、この噴射燃料の進行方向に生成する初期火炎の流動性が低下してしまうので、遮熱膜２２の表面温度が上昇し易くなってしまう。遮熱膜２２の表面温度が高くなれば、それだけ遮熱膜２２側からピストン１０の母材側に熱が逃げ易くなってしまうので、遮熱膜２２を形成しているとは言え冷却損失の低減効果が薄れてしまうおそれがある。
【００２０】
この点、ステップＳ３で説明した研磨手法によれば、図４に示した放射状の研磨痕を形成できる。図４に示した研磨痕の形成方向は、噴射燃料の進行方向と同じ方向となる。そのため、図６の左側に「流体研磨（本発明）」として示すように、ノズルからの噴射燃料の進行速度が低下するのを抑制できる。従って、図６の右側に示す「従来の研磨」に比べて遮熱膜２２の表面温度が上昇するのを抑え、遮熱膜２２による冷却損失の低減効果を保つことができる。
【００２１】
また、図７は、ステップＳ３で説明した研磨手法による図示燃費改善効率を示す図である。図７に示すように、図４に示した研磨痕を形成した場合は、従来手法で研磨した場合に比べて、エンジンの燃費を向上することができる。なお、この図示燃費改善効率は、図４に示した研磨痕のピストンおよび図５に示した研磨痕のピストンをそれぞれ搭載したエンジンを、低回転中負荷運転した際に得たデータに基づき作成したものである。
【００２２】
以上、実施の形態１によれば、遮熱膜２２が形成されたピストン頂面１８の中央部から外周部に向かって研磨痕を放射状に形成できる。従って、研磨痕を同心円状に形成する従来手法に比べて、エンジンの燃費を向上することができる。
【００２３】
ところで、上記実施の形態１では、遮熱膜２２を多孔質アルマイト膜で構成した。しかし、ジルコニア（ＺｒＯ２）、シリカ（ＳｉＯ２）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）などのセラミックスの溶射膜、または、サーメット（ＴｉＣ・ＴｉＮ）、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）、コージライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２）、ステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ２）などの複合セラミックスの溶射膜で遮熱膜２２を構成してもよい。これらの溶射膜は多孔質アルマイト膜と同様、熱伝導率と単位体積当たりの熱容量がピストン１０の母材よりも低く、また、溶射膜を形成した場合には膜形成前に比べて表面粗度Ｒａが大きくなることから、上記実施の形態１同様に研磨処理することで、遮熱膜２２による冷却損失の低減効果を保つことが可能となる。
【００２４】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図８を参照しながら説明する。
本実施の形態は、図１のステップＳ３で使用する流体研磨装置を、研磨キャップ３４の噴射口形状が異なる流体研磨装置に変更した点において上記実施の形態１と異なる。
【００２５】
図８は、実施の形態２で使用する流体研磨装置５０の概略構成図である。図８に示すように、研磨キャップ３４の研磨流体噴射口には、円錐状のガイド部材５２が設けられている。ガイド部材５２を設けることで、この表面を流した研磨流体を底面部２０ａの傾斜面に沿って緩やかに噴射できる。上記実施の形態１では、底面部２０ａの平坦面の直上から研磨流体を噴射するので、当該平坦面が過剰に研磨されて窪みが生じるおそれがある。この点、底面部２０ａの傾斜面に沿って研磨流体を緩やかに噴射する本実施の形態によれば、研磨流体による遮熱膜２２の過度の研磨を緩和することができる。
【００２６】
実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について図９乃至図１２を参照しながら説明する。
本実施の形態は、図１のステップＳ３で使用する流体研磨装置を、図８で説明したガイド部材５２と、表面形状の異なる研磨キャップと、流路調整板とを備える流体研磨装置に変更した点において上記実施の形態１と異なる。
【００２７】
図９は、実施の形態３で使用する流体研磨装置６０の概略構成図である。図９に示すように、研磨キャップ３４の研磨流体噴射口には、円錐状のガイド部材５２が設けられている。但し、ピストン頂面１８に対向する研磨キャップ３４の表面は、底面部２０ａと中間部２０ｃの形状に対応した形状に加工されている。中間部２０ｃよりもピストン外周側は、保持テーブル４２上に設けられた流路調整板６２と対向している。流路調整板６２は、図１０に示すように、その内部が刳り抜き加工されており、保持テーブル４２上に設けることで、この刳り抜き部分が研磨流体の流路となる。
【００２８】
図１１は、流体研磨装置６０を使用して研磨した遮熱膜２２の表面を模式的に示した図である。図１１に示すように、遮熱膜２２の表面には、表面粗さＲａの平均が０．５μｍの領域と、６．０μｍの領域とが形成される。この理由は、流路調整板６２によって研磨流体の流通領域が制限され、研磨流体が流れた領域は遮熱膜２２が未研磨となるためである。また、研磨流体が流れた領域には、図４で説明した研磨痕が形成される。
【００２９】
図１２は、図１１に示した表面粗さＲａの異なる領域を形成したことによる効果を説明する図である。図１２の左側は、本実施の形態の研磨手法により得た遮熱膜２２を示しており、同右側は上記実施の形態２で説明した研磨手法により得た遮熱膜２２を示している。図１２の右側に示すように、表面粗さＲａの平均が０．５μｍで均一な場合は噴射燃料が進行し易くなるので燃料同士の干渉も起きやすくなる。そのため、干渉によって遮熱膜２２の表面温度が部分的に高くなり、この高温化部分では、遮熱膜２２側からピストン１０の母材側に熱が逃げ易くなってしまうという問題がある。また、噴射燃料の進行方向に生成する初期火炎の重なり合いが起こり、煤が生成され易くなるという問題もある。
【００３０】
この点、表面粗さＲａの異なる領域を形成する本実施の形態によれば、表面粗さＲａの小さい領域では噴射燃料の抵抗を小さくしてその噴射方向に積極的に進行させ、逆に表面粗さＲａの大きい領域では噴射燃料の進行を遅らせることができる。従って、図１２の左側に示すように、放射状に噴射された燃料同士が干渉するのを抑えることができるので、上述した不具合の発生を未然に防止できる。
【符号の説明】
【００３１】
１０  ピストン
１８  ピストン頂面
２２  遮熱膜
３０，５０，６０  流体研磨装置
【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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【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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