(57)【要約】      （修正有）【課題】断熱効果と熱伝導効果の両方を十分に満足させるための信頼性を高めることのできる内燃機関用ピストンなどを提供する。【解決手段】ピストン１の軸方向一端部に有し、燃焼室を画成する冠面２ａを有する冠部２と、該冠部の内部に形成された円盤状の空洞部５と、該空洞部内に封入され、前記ピストン母材のアルミニウム合金材材料よりも融点の低い機能体６であるナトリウム金属によって形成されている。この機能体は、燃焼室が所定温度よりも低い場合は固体状態になり、所定温度よりも高い場合はて液体状態に変化するようになっている。前記機能体が固体状態にあるときは、該機能体と前記空洞部の内壁面との間に空隙部Ｓが存在するようになっている。【選択図】図２
2016089793.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン本体の軸方向一端部に有し、燃焼室を画成する冠面を有する冠部と、
該冠部の内部に形成された空洞部と、
該空洞部内に封入され、前記ピストン本体の材料よりも融点の低い材料によって形成されていると共に、前記燃焼室の温度状態によって固体状態と液体状態に変化し得る機能体と、
前記機能体が固体状態にあるときは、該機能体と前記空洞部の内壁面との間に空隙部が存在する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に記載の内燃機関用ピストンにおいて、
前記冠部の冠面に凹部が形成されている共に、
該凹部と前記空洞部は、前記ピストン本体の上下軸方向において重合していることを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項３】
請求項２に記載の内燃機関用ピストンにおいて、
前記空洞部は、前記冠部内に互いに独立した状態で複数設けられていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項４】
請求項３に記載の内燃機関用ピストンにおいて、
前記空洞部は、前記ピストン本体の上下軸方向と軸直角方向で第１空洞部と第２空洞部の２つに隔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５】
請求項４に記載の内燃機関用ピストンにおいて、
前記第１空洞部は、前記燃焼室の排気側と対応した位置に形成されている一方、前記第２空洞部は、前記燃焼室の吸気側に対応した位置に形成されていると共に、
前記第１空洞部内に封入された機能体は、前記第２空洞部内に封入された機能体よりも融点の低い材料によって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６】
請求項２に記載の内燃機関用ピストンにおいて、
前記空洞部の内壁面のうち、少なくとも上壁面と底壁面が凹凸状に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７】
請求項２に記載の内燃機関用ピストンにおいて、
前記空洞部を、前記燃焼室の排気側から吸気側に亘って下り傾斜状に形成すると共に、
前記空洞部の排気側に位置する冠部下面側をオイルジェットによって冷却することを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項８】
請求項１に記載の内燃機関用ピストンにおいて、
前記冠部の冠面には、凹部が形成されていると共に、
該凹部と前記空洞部とは、前記ピストン本体の上下軸方向において重合していないことを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項９】
ピストン本体の軸方向一端部に有し、燃焼室を画成する冠面を有する冠部と、
該冠部の内部に形成された空洞部と、
該空洞部内に封入され、前記ピストン本体の材料よりも融点の低い材料からなっていると共に、前記燃焼室の温度状態に基づいて固体状態と液体状態に変化し得る機能体と、
を備えた内燃機関用ピストンの製造方法において、
前記空洞部を成形する可溶性中子が内部に配置された金型内に溶融金属を注入してピストン母材を成形する第１工程と、
前記可溶性中子を溶解して前記空洞部を成形する第２工程と、
前記ピストン母材の材料よりも融点の低い材料によって形成され、前記燃焼室の温度状態に基づいて固体状態と液体状態に変化し得る機能体を、前記空洞部内に注入口から注入する第３工程と、
前記注入口を封止部材によって封止する第４工程と、
を備えた内燃機関用ピストンの製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の内燃機関用ピストンの製造方法において、
前記封止部材を、前記注入口の孔縁に対して摩擦熱により軟化させて固相接合によって前記注入口を封止させることを特徴とする内燃機関用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、冠部の内部に設けられた空洞部内に機能体を封入してなる内燃機関用ピストンと、該ピストンの製造方法の改良技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の内燃機関用ピストンとしては、例えば以下の特許文献１に記載されたいわゆる直噴式の内燃機関に用いられているものが知られている。
【０００３】
このピストンは、冠部の冠面付近の内部に空洞部を有していると共に、該空洞部に封入されて、機関の燃焼室の温度によって体積が変化する機能体を備えている。
【０００４】
そして、内燃機関の始動直後における燃焼室の温度が低温域にあるときは、前記機能体の少なくとも前記冠面側の上面と前記空洞部の内部上壁面との間に所定の隙間が形成され、この隙間内の空気によって断熱効果が発揮されて速やかに燃焼室温度を上昇させて排気エミッション性能などを向上させるようになっている。
【０００５】
一方、内燃機関の定常運転中などで燃焼室の温度が高温域にあるときは、前記機能体が熱膨張して該機能体の冠面側の上面が前記空洞部の内部上壁面に接触して前記隙間を消失させる。これによって、燃焼室の高熱が冠面から機能体に伝達吸収されて、過度な温度上昇を抑制して自着火（ノッキング）の発生を低減させるようになっている。
【０００６】
つまり、冠面の断熱化と高熱伝導化という背反する両性能を同時に満足させることができるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２８５２０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記特許文献１に記載されたピストンは、前記燃焼室の温度変化に伴う機能体の収縮、膨張といった熱変形量を十分に考慮した上で前記隙間の大きさを設定する必要がある。
【０００９】
すなわち、例えば、断熱効果を考慮すると前記隙間は大きい方が良いが、前記機能体の熱変形量に対して隙間が過度に大きいと、高温域で前記隙間が消失できなくなって機能体による十分な吸熱効果が得られなくなる。一方、前記機能体の熱変形量に対して前記隙間が過度に小さいと、僅かな温度上昇によって機能体が膨張して前記隙間が即座に消失して断熱効果が得られなくなる。
【００１０】
つまり、前記隙間の大きさの設定によっては、断熱効果と熱伝導効果の両方を十分に満足させるための信頼性が低下するおそれがある。
【００１１】
本発明は、前記従来の技術的課題に鑑みて案出されたもので、断熱効果と熱伝導効果の両方を十分に満足させるための信頼性を高めることのできる内燃機関用ピストンとピストン製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願請求項１に記載の発明は、ピストン本体の軸方向一端部に有し、燃焼室を画成する冠面を有する冠部と、該冠部の内部に形成された空洞部と、該空洞部内に封入され、前記ピストン本体の材料よりも融点の低い材料によって形成されていると共に、前記燃焼室の温度状態によって固体状態と液体状態に変化し得る機能体と、前記機能体が固体状態にあるときは、該機能体と前記空洞部の内壁面との間に空隙部が存在することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、断熱効果と熱伝導効果の両方を十分に満足させるための信頼性を高めることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る内燃機関の縦断面図である。
【図２】本実施形態に供されるピストンの縦断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】本実施形態に供される鋳造金型装置の縦断面図である。
【図５】同鋳造金型装置の中子を示す正面図である。
【図６】同鋳造金型装置と該金型装置で鋳造されたピストン母材の要部断面図である。
【図７】本実施形態の鋳造金型装置から取り出したピストン母材を縦断面して示す斜視図である。
【図８】同ピストン母材の逆さまして示す要部断面図である。
【図９】同ピストン母材の冠部内の空洞部に機能体を封入して開口部をプラグで閉止した状態を示すピストン母材の要部断面図である。
【図１０】本発明の第２実施形態を示すピストンの縦断面図である。
【図１１】図１０のＢ−Ｂ線断面図である。
【図１２】本発明の第３実施形態を示すピストンの縦断面図である。
【図１３】本発明の第４実施形態を示すピストンの縦断面図である。
【図１４】本発明の第５実施形態を示すピストンの縦断面図である。
【図１５】本発明の第６実施形態を示すピストンの縦断面図である。
【図１６】本発明の第７実施形態を示すピストンの縦断面図である。
【図１７】図１６のＣ−Ｃ線断面図である。
【図１８】本発明の第８実施形態を示すピストンの縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る内燃機関用ピストンと該ピストンの製造方法の実施形態を詳述する。本実施形態に供されるピストンは噴射燃料を直接燃焼室に噴射するいわゆる直噴型の直列４気筒内燃機関に適用したものである。
〔第１実施形態〕
前記ピストン１は、図１に示すように、機関のシリンダブロック０１内に形成されたほぼ円柱状のシリンダ壁面０２内に上下摺動自在に設けられ、前記シリンダ壁面０２とシリンダヘッド０３の下面との間に燃焼室０４を形成するようになっていると共に、ピストンピン０５に連結されたコンロッド０６を介してクランクシャフト０７に連結されている。また、前記シリンダヘッド０３には、該シリンダヘッド０３内部に形成された吸気ポートと排気ポートの各開口端を開閉する吸気弁０８と排気弁０９が開閉摺動自在に設けられている。
【００１６】
前記燃焼室０４の中央上端には、シリンダヘッド０３に固定されたスパークプラグ０１０の先端部が臨設されている。
【００１７】
また、前記シリンダヘッド０３には、前記燃焼室０４の吸気側に燃料を直接噴射する図外の燃料噴射弁が設けられおり、この燃料噴射弁の噴射ノズルの先端が前記ピストン１の冠部２の冠面２ａの吸気側に指向している。
【００１８】
さらに、前記シリンダブロック０１のシリンダ壁面０２の排気側の下部には、前記ピストン１の後述する冠部２の下部などを冷却するオイルジェット２５が設けられている。このオイルジェット２５は、先端側のノズル２５ａがほぼＬ字形状に折曲形成されて、該ノズル２５ａ先端の噴射口が前記冠部２の排気側下部を指向している。
【００１９】
前記ピストン１は、母材としてJIS ＡＣ８Ａ  Ａｌ−Ｓｉ系のアルミニウム合金によって重力鋳造法によって一体成形され、図１及び図２に示すように、ほぼ円筒状に形成されて、前記冠面２ａ上に燃焼室を画成する前記冠部２と、該冠部２の下端外周縁に一体に設けられた円弧状の一対のスラスト側スカート部３ａ及び反スラスト側スカート３ｂと、該各スカート部３ａ、３ｂの円周方向の両側端に各連結部位を介して連結された一対のエプロン部４ａ、４ｂと、を備えている。なお、このエプロン部４ａ、４ｂには、図外のピストンピンの両端部をピストンピン孔４ｃ、４ｃを介して支持するピンボス４ｄ、４ｄが一体に形成されている。
【００２０】
前記冠部２は、比較的肉厚に形成された円盤状を呈し、前記燃焼室０４を画成する前記冠面２ａの中央位置のほぼ全体に円形状の凹部２ｂが形成されている。また、前記冠部２は、外周部にプレッシャリングやオイルリングが嵌着される３つのピストンリング溝２ｃ、２ｄ、２ｅが形成されている。
【００２１】
前記凹部２ｂは、底面２ｆの外周部２ｇが外周縁側に向かって上り傾斜状に形成されていると共に、前記底面２ｆの吸気側の部位２ｆ’に図外の燃料噴射弁から燃料が噴射されるようになっている。
【００２２】
また、前記冠部２の前記凹部２ｂ下部の内部には、図１〜図３に示すように、円盤状の空洞部５が設けられている。
【００２３】
この空洞部５は、前記凹部２ｂの底面２ｆと前記冠部２の裏面２ｈとの間のほぼ中央位置に形成されている共に、内径Ｄが前記凹部２ｂの内径とほぼ同じ大きさに形成されている一方、前記ピストン１の上下軸方向の高さＷが前記凹部２ｂの底面ｆ側の肉厚と裏面２ｈ側の肉厚を十分に確保して前記冠部２全体の剛性を低下させない高さに形成されている。
【００２４】
また、この空洞部５の内部には、前記燃焼室０４の温度によって固体状態と液体状態に変化する機能体６が封入されている。
【００２５】
すなわち、この機能体６は、前記ピストン１の母材であるアルミニウム合金材よりも熱伝導率の高い純金属材と合金材のいずれかの金属材が用いられるが、純金属材の場合、機関運転中の前記燃焼室０４の温度、つまり前記ピストン１の冠面２ａの温度は、約１２０℃〜３００℃程度の範囲で変化し、前記ピストン１の冷却が必要な温度は２５０℃以上となる場合であることから融点が最大２５０℃以下となる金属材を選定する。
【００２６】
したがって、前記機能体６を純金属材とした場合は、以下の表１で示すものが選定され、錫（Ｓｎ）やリチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）のいずれか一つが選定され、本実施形態では例えばナトリウム（Ｎａ）が用いられている。
【００２７】
【表１】
2016089793.tif 000003
【００２８】
前記ナトリウム（Ｎａ）は、融点温度が約９８℃であり、また密度が９６８ｋｇ／ｍ3、比熱が１２２３Ｊ／ｋｇ・Ｋ、熱伝導率が０．１３２Ｗ／ｍｍＫであって、他の純金属材Ｓｎ、Ｌｉ、Ｋに比較すると特に融点温度中間の温度になっているから、機関始動後の比較的早い時期に液体状態になりやすい。また、他の金属材に比較して熱伝導率が高いことから、冷却効果が期待できる。よって、本実施形態では、前記機能体６としてナトリウム（Ｎａ）を選択したものである。
【００２９】
また、前記機能体６を合金材とする場合には、液相温度が１２０℃〜２５０℃程度の範囲の材料で、この液相温度と固相温度がほぼ等しい半田など共晶合金系の材料を選択することが望ましい。なぜなら、固相と液相が共存してしまうと、その溶解しなかった固体部分による前記空隙部５内での前記ピストン１の往復運動に伴う激しい移動によって音振特性（ＮＶＨ）の影響が懸念されるからである。
【００３０】
なお、前記機能体６に関しては、ＪＩＳ  Ｚ３２８２：１９９９「はんだ−化学成分及び形状」において定義されている材料の中から前記条件に当てはまる材料を使用することも可能である。
〔ピストンの鋳造方法〕
次に、前記空隙部５などを備えた前記ピストン１の鋳造装置及び鋳造方法について説明する。
【００３１】
まず、前記ピストン１を鋳造する鋳造用金型１０としては、図４に示すように、外型であるモールド型１１と、このモールド型１１の内部下部側に設けられた下型である中子１２と、前記モールド型１１の上部に設けられた上型であるトップコア１３と、これらの各コア１１〜１３によって隔成されるキャビティ１４と、から主として構成されている。
【００３２】
前記モールド型１１は、前記キャビティ１４に対して溶湯を給湯するための湯道１５が設けてあり、この湯道１５は、上流側に湯口１５ａが形成されて下流部１５ｂが前記キャビティ１４の下部側に連通している。
【００３３】
前記中子１２は、前記モールド型１１の内面と前記トップコア１３の下面１３ａと協働して前記ピストン１の冠部２やスカート部３ａ、３ｂ及びエプロン部４ａ、４ｂなどを成形するものである。
【００３４】
すなわち、この中子１２は、複数の分割コアを組み合わせてなり、中央に位置するほぼ板状のセンターコア１６と、該センターコア１６の図中両側に配置されて、主として両スカート部３ａ、３ｂの円周方向の中央部内面を成形する２つのフィリップコア１７、１７と、前記センターコア１６の図中前後に配置されて、主としてピンボス部４ｄ、４ｄを含む前記エプロン部４ａ、４ｂを成形する図外の２つのサイドコアと、を備えている。
【００３５】
前記センターコア１６は、図５にも示すように、長方形状に形成されていると共に、左右の内部上下方向には一対の支持ピン１８，１８を上下摺動自在に保持していると共に、上端面から突出した前記両支持ピン１８，１８の円錐テーパ状の先端部に、前記空洞部５を成形するための円盤状の塩中子１９が支持されている。
【００３６】
この塩中子１９は、溶解可能な塩を固めて円盤状に成形されたものであって、所定の下部位置に前記両支持ピン１８、１８の先端鋭角な各先端部に下側から突き刺されて、鋳造後における前記冠部２の内部となる所定位置にセットされている。
【００３７】
また、前記鋳造用金型１０の内部には、内部に冷却水を循環するための冷却路を形成した図外の左右一対のリストピンが対向して水平に備えられている。
【００３８】
したがって、前記鋳造用金型１０を用いて前記ピストン１を鋳造するには、図４に示すように、予め前記モールド型１１内で中子１２の各コア１６、１７などの型締めを行い、続いて前記センターコア１６の内部に形成された各摺動用孔を介して前記両支持ピン１８、１８を上方へ移動させて、これらの先端部を前記センターコア１６の上面から突出させる。
【００３９】
その後、前記両支持ピン１８，１８の先端部に、図４〜図６に示すように、前記塩中子６を上方から刺して所定位置に位置決め固定する。
【００４０】
次に、上方位置にある前記トップコア１３を、該トップコア１３のフランジ部１３ｂが前記モールド型１１の上端開口部１１ａの孔縁に当接するまで下降させて型締めを行う。
【００４１】
その後、前記モールド型１１の湯口１５ａから湯道１５を介して前記キャビティ１４の下部から内部へアルミ合金の溶湯を徐々に注入して、前記キャビティ１４全体にアルミ合金溶湯を充填する（第１工程）。
【００４２】
その後、前記アルミ合金溶湯が最終的に前記キャビティ１４内に完全に充填されると、前記冠部２の冠面２ａと裏面２ｈ全体が形成されると共に、前記各スカート部３ａ、３ｂ、エプロン部４ａ、４ｂなどが形成される。つまり、この状態で、前記モールド型１１の内面と前記中子１２の外面及び前記トップコア１３のキャビティ面に密着して形状転写される。
【００４３】
このように、前記キャビティ１４内へのアルミ合金溶湯の充填が終了して、所定時間冷却した後、鋳造用金型１０を型開きして図７に示す前記ピストン１の母材を取り出す。
【００４４】
続いて、図８に示すように、前記ピストン１の母材を逆さまにした状態で、前記支持ピン１８，１８の先端部の抜き後に形成された２つの開口部２０ａ、２０ｂのうち一方の開口部２０ａから水または温水などの液体を注入して前記塩中子１９を溶解すると共に、溶解された塩水を他方の開口部２０ｂから外部に排出して、前記冠部２の内部の円盤状の前記空洞部５を形成する（第２工程）。
【００４５】
次に、前記空洞部５の内部に、前記いずれかの開口部２０ａ、２０ｂから前記機能体６としてのナトリウム（Ｎａ）を予め設定された所定量だけ注入する（第３工程）。
【００４６】
その後、図９に示すように、前記各開口部２０ａ、２０ｂを、封止部材であるプラグ２１ａ，２１ｂによって封止して、前記機能体６を空洞部５内に封入する（第４工程）。
【００４７】
前記プラグ２１ａ、２１ｂは、前記ピストン１の母材と同じアルミニウム合金材によってほぼ円錐状に形成され、これらの先端部を各開口部２０ａ、２０ｂに挿入しつつ摩擦攪拌接合法（ＦＳＷ）によって接合する。このＦＳＷ法を用いて封止することによって、各開口部２０ａ、２０ｂの開口縁と各プラグ２１ａ、２１ｂの外周面の界面が金属的に結合することで、熱膨張による封止機能の低下がなくなる。
【００４８】
つまり、前記各開口部２０ａ、２０ｂの封止手段としては、鉄系金属のねじによってねじ止めすることや、前記プラグ２１ａ、２１ｂを各開口部２０ａ、２０ｂに機械的に打ち込んで封止することも考えられるが、前記ピストン１はアルミニウム合金材によって成形されており、その熱膨張が大きいことから、前記ねじの軸力低下や打ち込みの張力低減による封止の信頼性に対して懸念が生じるおそれがある。
【００４９】
そこで、本実施形態では、前記各プラグ２１ａ、２１ｂを前記ピストン１と同系のアルミニウム合金材によってＦＳＷ法によって接合したことから、熱膨張による封止機能の低下が十分に抑制できる。
【００５０】
前記各プラグ２１ａ、２１ｂによる前記機能体６の封止後は、前記ピストン１の母材の表面や前記各ピストンリング溝２ｃ〜２ｅ、並びに前記プラグ２１ａ、２１ｂの外部に突出した部位などを機械的に切削加工することによって、図２に示す前記ピストン１の成形作業が完了する。
【００５１】
したがって、本実施形態によれば、冷機始動時には、前記燃焼室０４内の温度も低温状態になっていることから、前記ピストン冠部２内の前記空洞部５内に封入された前記機能体６は、図１、２に示すように、固体状態が維持されて自重によって前記空洞部５の底面５ａ側に位置している。この状態では、前記機能体６の上面と空洞部５の内壁上面５ｂとの間に、ほぼ円盤状の空隙部Ｓが形成されている。
【００５２】
この空隙部Ｓによる断熱効果が発揮されて燃焼室０４内の温度が比較的早い時間で上昇するため、燃焼状態が良好になって排気ガス中のハイドロカーボン（ＨＣ）の発生が抑制されて始動時の排気エミッション性能が向上する。
【００５３】
その後、暖気が完了後に定常運転に移行して、前記燃焼室０４内の温度が所定以上になると、前記固体状態にあった機能体６が溶解して液体状態に変化して前記ピストン１の上下摺動に伴って前記空洞部５内を流体として自由に移動する。つまり、流体となった前記機能体６が前記空洞部５内で上下左右に流動して前記空洞部５の内壁底面５ａや上面５ｂに自由に接触して前記冠面２ａから前記冠部２内に伝達された高熱を前記機能体６で吸収しつつ前記冠部２の特に裏面２ｈ側から外部へ放出する。
【００５４】
この放出された熱は、オイルジェット２５から噴射された冷却オイルによって冷却されることから、前記冠部２全体が冷却されて過度な温度上昇が抑制されて機関の自着火（ノッキング）の発生や排気中のＮＯｘの発生を低減させることができる。
【００５５】
このように、本実施形態では、前記機能体６の固体化と液体化の変化よって前記冠面２ａの断熱効果と高熱伝導効果という両性能を同時に満足させることができる。
【００５６】
しかも、前記機能体６は、前記断熱化と高熱伝導化を従来技術のように、熱による収縮、膨張変化によって行うのではなく、固体化と液体化の変化によって行うことから、熱膨張変化量を考慮する必要がなくなり、前記空隙部Ｓの大きさや前記機能体６の封入量の設定の自由度が高くなる。したがって、前記断熱効果と熱伝導効果の両方を十分に満足させるための信頼性が高くなる。
【００５７】
特に、本実施形態では、前述のように、前記機能体６としてナトリウム（Ｎａ）を用いたことから、機関始動後の比較的早い時期に液体状態になりやすく、また、他の金属材に比較して熱伝導率が高いことから、機関始動中の排気エミッション性能の向上を図りつつ始動後の前記冠部２（冠面２ａ）の冷却効果が大きくなる。
【００５８】
また、前述したように、前記空洞部５への前記機能体６の注入後は、前記各開口部２０ａ、２０ｂを前記プラグ２１ａ、２１ｂをＦＳＷ法によって接合して封止するため、前記ピストン１の熱膨張変化によっても何ら影響を受けずに常時安定した封止状態が得られる。
〔第２実施形態〕
図１０及び図１１は第２実施形態を示し、この実施形態では、前記冠部２内の空洞部を排気側の第１空洞部２２と吸気側の第２空洞部２３とに分離して形成したものである。
【００５９】
すなわち、前記第１、第２空洞部２２，２３は、前記各エプロン部４ａ、４ｂの前記各ピン孔４ｃ、４ｃの中心軸線Ｐに沿って直径方向に延びた隔壁８によって各スカート部３ａ、３ｂ側（排気側と吸気側）にそれぞれ半円形状に分離されており、全体の内径Ｄと両方の前記ピストン１の上下方向の高さＷが第１実施形態と同じ内径Ｄ、高さＷに形成されている。
【００６０】
また、前記第１空洞部２２の内部には、機能体６として第１実施形態と同じく純金属材としてのナトリウム（Ｎａ）が封入されている一方、前記第２空洞部２３の内部には、機能体７として前記表１で示した錫（Ｓｎ）が封入されている。
【００６１】
前記排気側の機能体６としてのナトリウム（Ｎａ）は、第１実施形態で説明したように、融点温度が比較的低いことから、固体状態から液体状態に変化する時間が短くなり、排気熱により高熱化し易い排気側の高熱伝導効果が大きくなる。
【００６２】
一方、吸気側の機能体７としての錫（Ｓｎ）は、融点温度が２３２℃、密度が７１７ｋｇ／ｍ3、比熱が２２６Ｊ／ｋｇ・Ｋ、熱伝導率が０．０６７Ｗ／ｍｍＫになっている。したがって、冷機始動時には、直ぐには溶解、つまり液体化せずに固体状態が維持されることから、前記空隙部Ｓの形成状態が継続されて断熱効果を比較的長い時間得られることになる。
【００６３】
このため、本実施形態では、それぞれの機能体６、７の異なる性質によって、機関始動時の吸気側での断熱効果と、定常運転への移行時の排気側での高熱伝達効果がそれぞれ個別的に促進される。したがって、前記冠部２全体の温度が均一化される。
【００６４】
このように、機能体を吸気側と排気側で異なる性質のものを用いることによって、信頼性は勿論のこと、前記断熱効果と熱伝導効果の両方をさらに効率良く満足させることができる。
〔第３実施形態〕
図１２は第３実施形態を示し、第２実施形態と同じく排気側と吸気側に同じ半円形状の前記第１、第２空洞部２２，２３が形成され、また、これらにそれぞれ封入される機能体６、７も同じく排気側がナトリウム（Ｎａ）、吸気側が錫（Ｓｎ）であり、さらに、それぞれの前記ピストン１の上下方向の高さＷも同じに形成されているが、異なるところは、前記排気側の第１空洞部２２の冠部２内での高さ位置が前記吸気側の第２空洞部２３の高さよりも冠面２ａ側（凹部２ｂの底面２ｆ側）寄りに高くなっている。つまり、前記第１空洞部２２が冠面２ａ側にオフセット配置されている。
【００６５】
したがって、前記第１空洞部２２内の機能体６も前記凹部２ｂの底面２ｆ側に近接配置されていることから、前記排気側の高熱を受け易くなるので、前記機能体６の固体状態から液体化が前記第１、第２実施形態の場合よりも短時間で行われることになる。よって、前記排気側での高熱伝導効率がさらに促進されて冷却（放熱）効果が高くなることから、ノッキングの発生やＮＯｘの発生をさらに効果的に抑制することが可能になる。
〔第４実施形態〕
図１３は第４実施形態を示し、基本構成は前記第２実施形態と同じであるが異なるところは、前記排気側の第１空洞部２２の底面２２ａから上面２２ｂまでの巾長さＷ１が、第２実施形態と同じ構成の前記吸気側の第２空洞部２３の同じ高さの底面２３ａから上面２３ｂまでの巾長さＷよりも１．５倍程度大きく形成されて上面２３ｂが前記冠面２ａ寄りになっていると共に、前記第１空洞部２２の内の機能体６であるナトリウムの封入量が吸気側の機能体７である錫（Ｓｎ）の封入量に比較して１．５倍程度多くなっている。なお、本実施形態では、前記第１空洞部２２の巾長さＷ１を大きくしたことによって前記冠部２の剛性の低下を抑制するために、前記凹部２ｂの深さを第１、第２実施形態の場合に比較して小さく形成されている。
【００６６】
したがって、この実施形態によれば、前記第１空洞部２２の拡大と機能体６の増量によって、前記冠面２ａからの熱伝達性が高くなると共に、機能体６の固体状態から液体化への変化速度も速くなって、該機能体６による高熱伝達効率も高くなる。この結果、定常運転時におけるノッキング低減効果と排気エミッション性能の向上をさらに高めることができる。
〔第５実施形態〕
図１４は第５実施形態を示し、第１実施形態のように前記空洞部５を単一の円盤状に形成してあるが、該空洞部５の内壁底面５ａと上面５ｂを波形状に形成したものである。
【００６７】
すなわち、前記空洞部５は、その巾高さが基本的に第１実施形態と同じであるが、前記底面５ａと上面５ｂが三角の山と谷が連続して形成されて、この分だけ第１実施形態よりも全体の巾長さＷ２が大きく形成されている。また、前記底面５ａ側の谷部５ｃと前記上面５ｂ側の山部５ｄが上下方向で対向されていると共に、前記底面５ａ側の山部５ｅと前記上面５ｂの谷部５ｆが上下方向で対向されて、全体が断面蛇腹状に形成されている。
【００６８】
また、前記空洞部５の内部に機能体６であるナトリウム（Ｎａ）が封入されて、この封入量は水平状態で前記上面５ｂの谷部５ｅ近傍までの量になっている。
【００６９】
したがって、この実施形態によれば、前記空洞部５が蛇腹状に形成されていることによって、前記底面５ａと上面５ｂの表面積が大きくなる。
【００７０】
このため、機関の定常運転中などに前記燃焼室０４内の温度が高温になった場合は、前記空洞部５内で固体状態から液体化した前記機構体６が、前記ピストン１の上下動に伴って前記空洞部５内で攪拌状に自由移動して、蛇腹状の前記底面５ａと上面５ｂに付着する。これによって、前記冠面２ａからの熱伝達性が高くなると共に、前記機能体６から前記冠部２の裏面２ｈへの伝熱効率も高くなる。この結果、放熱効果が大きくなって、つまり前記冠部２の冷却効果が大きくなって定常運転時におけるノッキング低減効果と排気エミッション性能の向上をさらに高めることができる。
【００７１】
また、冷機始動時には、図１４に示すように、前記機能体６は前記底面５ａ側に固体状態に保持されて、該機能体６の上面とこれに対向する波形状の上面５ｂとの間の空隙部Ｓ全体の体積が大きくなることから、始動時における前記冠面２ａの断熱効果が大きくなる。このため、前記燃焼室０４内の温度が比較的早い時間で上昇するため、燃焼状態が良好になって排気ガス中のハイドロカーボン（ＨＣ）の発生が抑制されて始動時の排気エミッション性能が向上する。始動性が良好になる
〔第６実施形態〕
図１５は第６実施形態を示し、前記単一円盤状の前記空洞部５の巾長さＷ３を大きくすると共に、該空洞部５を吸気側から排気側へ登り傾斜状に形成したものである。すなわち、前記空洞部５は、前記上面５ｂが吸気側では前記冠面２ａから遠ざかり排気側では前記冠面２ａに近接するように傾斜状に形成されている。なお、前記空洞部５を傾斜状に形成したことに伴い、前記冠部２の剛性を確保するために、前記凹部２ｂの深さが浅く形成されていると共に、前記機能体６として第１実施形態と同じくナトリウム（Ｎａ）が封入されている。
【００７２】
したがって、この実施形態では、冷機始動時では空隙部Ｓによる断熱効果を確保しつつ、定常運転中では液体化した前記機能体６が前記冠面２ａからの伝熱作用が活発になるため、放熱効果が促進されて耐ノッキング性能の向上などが図れる。特に、前記冠部２の裏面２ｈ側は排気側に設けられた前記オイルジェット２５から噴射された冷却オイルによって冷却されることから、冷却効率が高くなって前記冠部２全体の温度の均一化が図れると共に、ノッキングの低減化が促進される。
〔第７実施形態〕
図１６及び図１７は第７実施形態を示し、前記ピストン１の冠部２の形状を変更したものである。すなわち、吸気側の冠面２ａにほぼ楕円状の凹溝２ｉが形成され、この凹溝２ｉ内に燃料噴射弁から燃料が噴射されるようになっていると共に、該吸気側の冠面２ａの下部には前記空洞部が設けられていない。一方、前記冠部２の排気側では、肉厚が大きい肉厚部２ｊが形成されていると共に、該肉厚部２ｊの内部に空洞部５が形成されている。
【００７３】
前記冠面２ａの凹溝２ｉは、両エプロン部４ａ、４ｂの方向、つまり前記ピン孔４ｃの軸線方向に沿って長く形成されて、内周の壁面２ｋがほぼ垂直状に立ち上がり形成されている。
【００７４】
一方、前記肉厚部２ｊは、ほぼ半円状に形成されて、上端部が上方へ突出状に形成されていると共に、下端部が前記エプロン部４ａ、４ｂの各ピン孔４ｃ付近まで下がった位置になっている。
【００７５】
前記空洞部５は、前記肉厚部２ｊの外形状に倣ってほぼ半円状に形成されていると共に、上面５ｂが前記凹溝２ｉの底面とほぼ同じ高さに形成されて、全体が前記凹溝２ｉよりも下方位置に形成されている。
【００７６】
また、前記空洞部５の内部には、機能体６として、第１実施形態などと同じくナトリウム（Ｎａ）が封入されており、この封入量は例えば固定状態で機能体６の上面と空洞部５の上面５ｂとの間に前記機能体６の約１／３程度の空隙部Ｓが形成される量に設定されている。
【００７７】
したがって、この実施形態によれば、機関の低温始動時（冷機始動時）には、吸気側の凹溝２ｉ内に燃料噴射されて燃焼した高熱は前記凹溝２ｉの底壁及び周壁に伝達されると共に、該底壁及び周壁から前記排気側の肉厚部２ｊに伝達されるが、ここで、固体状態にある機能体６の上面側の前記空隙部Ｓの断熱効果によって前記凹溝２ｉの底壁や周壁によって隔成された燃焼室温度が速やかに上昇する。これによって、排気エミッション性能などを向上させることができる。
【００７８】
一方、機関の定常運転中は、燃焼室の温度上昇に伴って前記機能体６が固体から液体化へ変化して、該機能体６が空洞部５内で攪拌状態に移動して、前記肉厚部２ｊの伝熱を効果的に吸収する。これによって、排気側の冠部２を十分に冷却して冠部２全体の温度をほぼ均一にする。
【００７９】
また、同時に前記オイルジェット２５から噴射された冷却オイルが、前記肉厚部２ｊの底壁に吹き付けられて冷却することから、ノッキングの発生などを抑制できる。
【００８０】
特に、本実施形態では、吸気側の冠部２に形成された前記凹溝２ｉ内に燃料が噴射されてここで燃焼されることから、この凹溝２ｉでの燃焼熱の上昇速度が速くなるので、排気エミッション性能などをさらに促進させることができる。
【００８１】
また、排気側の冠部２を前記肉厚部２ｊとすることにより、前記空洞部５の体積を大きくすることができ、結果的に、前記機能体６の封入量も多くすることができるので、前記排気側の冷却効率をさらに高くすることができる。
〔第８実施形態〕
図１８は第８実施形態を示し、基本構造は第２実施形態と同じであるが、異なるところは、前記冠部２の冠面２ａに凹部２ｂを形成することなく、全体が平坦面に形成されている点である。
【００８２】
したがって、この実施形態によれば、第２実施形態の前記凹部２ｂによる噴射燃料のタンブル効果が僅かに低下するが、前述した空隙部Ｓや機能体６による断熱効果や冷却効果などの基本的な作用効果が得られると共に、凹部を形成しないことによる成形コストの低減化が図れる。
【００８３】
本発明は、前記各実施形態の構成に限定されるものではなく、例えば前記空洞部５、２２，２３の形状を機関の使用や大きさなどによってさらに変更することも可能である。
【００８４】
また、前記機能体６としては、前記各実施形態のように、ナトリウム（Ｎａ）や錫（Ｓｎ）以外に、前記表１で示した所定温度で固体化して所定温度以上で液体化する金属材料であればよい。
【００８５】
また、前記各実施形態では、ピストン冷却用の前記オイルジェット２５を設けているが、場合によっては該オイルジェット２５を必ずしも設ける必要はない。
【００８６】
さらに、本発明が適用される内燃機関は、エンジンルーム内でほぼ垂直に配置される直列型やや傾斜状に配置されるＶ型のものにも適用することが可能である。
【００８７】
前記実施形態から把握される前記請求項以外の発明の技術的思想について以下に説明する。
【００８８】
〔請求項ａ〕
請求項４に記載の内燃機関用ピストンにおいて、
前記第１空洞部は、前記燃焼室の排気側寄りに形成されている一方、前記第２空洞部は、前記燃焼室の吸気側寄りに形成されていると共に、
前記第１空洞部内に封入された機能体は、前記第２空洞部内に封入された機能体よりも封入量が多いことを特徴とする内燃機関用ピストン。
【００８９】
この発明によれば、冠部の温度は燃焼熱によって排気側の方が高くなることから、排気側の機能体の封入量を多くすることによって、吸気側よりも排気側領域の放熱効率が高くなる。これによって、冠部全体の温度を均一化することができる。
〔請求項ｂ〕
請求項４に記載の内燃機関用ピストンにおいて、
前記第１空洞部は、前記燃焼室の排気側寄りに形成されている一方、前記第２空洞部は、前記燃焼室の吸気側寄りに形成されていると共に、
前記第１空洞部は、前記第２空洞部に対して前記冠面側寄りにオフセット配置されていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
【００９０】
この発明によれば、燃焼熱によって排気側の温度の方が吸気側よりも高くなるので、第１空洞部を冠面側にオフセット配置させることにより、第１空洞部内の機能体による熱交換効率を高めて排気側の温度を低下させ、これによって、冠部全体の温度を均一化させることが可能になる。
〔請求項ｃ〕
請求項４に記載の内燃機関用ピストンにおいて、
前記第１空洞部は、前記燃焼室の排気側寄りに形成されている一方、前記第２空洞部は、前記燃焼室の吸気側寄りに形成されていると共に、
前記第１空洞部の内部上壁面と前記冠面との間の肉厚が、前記第２空洞部の内部上壁面と前記冠面との間の肉厚よりも小さく形成されていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
【００９１】
この発明によれば、請求項ｂと同じ作用効果が得られる。
【符号の説明】
【００９２】
１…ピストン
２…冠部
２ａ…冠面
２ｂ…凹部
２ｈ…裏面
３ａ、３ｂ…スカート部
４ａ、４ｂ…エプロン部
４ｃ…ピン孔
４ｄ…ピンボス部
５・２２・２３…空洞部
６・７…機能体
５ａ・２２ａ・２３ａ…底面
５ｂ・２２ｂ・２３ｂ…上面
８…隔壁
１０…鋳造用金型
１１…モールド型
１２…中子（下型）
１３…アッパコア（上型）
１４…キャビティ
１６…センターコア
１７…サイドコア
１８…支持ピン
１９…塩中子
２０ａ・２０ｂ…開口部
２１ａ、２１ｂ…プラグ
２５…オイルジェット
【図１】
2016089793.tif 000004
【図２】
2016089793.tif 000005
【図３】
2016089793.tif 000006
【図４】
2016089793.tif 000007
【図５】
2016089793.tif 000008
【図６】
2016089793.tif 000009
【図７】
2016089793.tif 000010
【図８】
2016089793.tif 000011
【図９】
2016089793.tif 000012
【図１０】
2016089793.tif 000013
【図１１】
2016089793.tif 000014
【図１２】
2016089793.tif 000015
【図１３】
2016089793.tif 000016
【図１４】
2016089793.tif 000017
【図１５】
2016089793.tif 000018
【図１６】
2016089793.tif 000019
【図１７】
2016089793.tif 000020
【図１８】
2016089793.tif 000021