(57)【要約】【課題】製造コストの大幅な上昇を抑制しつつ冷却用オイルによる高い冷却効率を発揮することができる内燃機関のピストンを提供する。【解決手段】内燃機関１のピストン１０は、冷却用オイルが通過可能な冷却空洞部１５を有するピストン本体部１１を備える内燃機関のピストンにおいて、ピストン本体部と冷却空洞部との間の部分に、ピストン本体部の材質の主成分よりも熱伝導率の高い高熱伝導率素材を主成分とするメッキ層１７を有することを特徴とする。本発明によれば、コストの大幅な上昇を抑制しつつ冷却用オイルによる高い冷却効率を発揮することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却用オイルが通過可能な冷却空洞部を有するピストン本体部を備える内燃機関のピストンにおいて、
前記ピストン本体部と前記冷却空洞部との間の部分に、前記ピストン本体部の材質の主成分よりも熱伝導率の高い高熱伝導率素材を主成分とするメッキ層を有することを特徴とする内燃機関のピストン。
【請求項２】
前記ピストン本体部の材質の主成分は鉄またはアルミニウムであり、
前記高熱伝導率素材の主成分は銅、銀、または金である請求項１記載の内燃機関のピストン。
【請求項３】
前記ピストン本体部の材質の主成分は鉄であり、
前記高熱伝導率素材の主成分はアルミニウムである請求項１記載の内燃機関のピストン。
【請求項４】
前記冷却空洞部は、アルミニウムを主成分とする材質からなる前記ピストン本体部の内部に配置された鉄を主成分とする材質からなるパイプ部材によって構成され、
前記メッキ層は、前記パイプ部材の外面及び内面の少なくとも一方に配置されている請求項１記載の内燃機関のピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関のピストンとして、冷却用オイルが通過する空洞部（冷却空洞部と称する）を有するピストン本体部を備えるものが知られている（例えば特許文献１参照）。このようなピストンによれば、冷却空洞部を通過する冷却用オイルによってピストン本体部を冷却して、燃焼室の温度上昇を抑制することができるとともに、ピストン本体部の熱応力の低減を図ることができる。また、温度上昇に伴うピストン本体部の材料強度低下を抑制することもできる。
【０００３】
ところで、一般に、ピストン本体部の素材としては、鉄を主成分とする材質（例えば鉄系合金等）や、アルミニウムを主成分とする材質（例えばアルミニウム系合金等）が用いられることが多い。しかしながら、これらの材質の熱伝導率は十分に高いとはいえないので、このような材質を主成分とするピストン本体部に冷却空洞部を形成しただけでは、冷却用オイルによるピストン本体部の冷却効率は十分に高いとはいえない。
【０００４】
これに関して、例えば特許文献１には、多孔質材料を含む中空部材をピストン素材内に鋳込むことで、ピストン本体部に冷却空洞部を形成するとともに、この多孔質材料に銅を含浸させることで、冷却空洞部内に銅を含む中空部材を配置する技術が開示されている。
【０００５】
上記特許文献１に係る技術を、鉄やアルミニウムを主成分とするピストンに適用すれば、冷却空洞部に配置された熱伝導率の高い銅を含んだ多孔質材料によって、冷却用オイルとピストン本体部との間の熱伝導率を向上させることができる。これにより、冷却用オイルによる冷却効率を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２８７４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に係る技術では、ピストンの製造時に、銅を多孔質材料に含浸させて、この銅が含浸した多孔質材料をピストン素材内に鋳込む必要があるので、ピストンの製造工程が複雑化している。このため、ピストンの製造コストが大幅に上昇する可能性がある。
【０００８】
本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、製造コストの大幅な上昇を抑制しつつ冷却用オイルによる高い冷却効率を発揮することができる内燃機関のピストンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するための本発明の内燃機関のピストンは、冷却用オイルが通過可能な冷却空洞部を有するピストン本体部を備える内燃機関のピストンにおいて、前記ピストン本体部と前記冷却空洞部との間の部分に、前記ピストン本体部の材質の主成分よりも熱伝導率の高い高熱伝導率素材を主成分とするメッキ層を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、ピストン本体部と冷却空洞部との間の部分に、高熱伝導率素材を主成分とするメッキ層を有するので、このようなメッキ層を備えていない場合に比較して、冷却用オイルとピストン本体部との間の熱伝導率を向上させることができる。これにより、冷却用オイルによる高い冷却効率を発揮することができる。また、ピストン本体部と冷却空洞部との間の部分に高熱伝導率素材からなるメッキ層を設けることは、特許文献１の技術に比較して容易であるので、ピストンの製造コストの大幅な上昇も抑制することができる。
【００１１】
上記構成において、前記ピストン本体部の材質の主成分は鉄またはアルミニウムであり、前記高熱伝導率素材の主成分は銅、銀、または金である構成とすることができる。
【００１２】
また上記構成において、前記ピストン本体部の材質の主成分は鉄であり、前記高熱伝導率素材の主成分はアルミニウムである構成とすることができる。
【００１３】
また上記構成において、前記冷却空洞部は、アルミニウムを主成分とする材質からなる前記ピストン本体部の内部に配置された鉄を主成分とする材質からなるパイプ部材によって構成され、前記メッキ層は、前記パイプ部材の外面及び内面の少なくとも一方に配置されている構成とすることができる。
【００１４】
なお、室温付近における鉄、アルミニウムの熱伝導率はそれぞれ８４、２３６（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）であり、銅、銀、金の熱伝導率はそれぞれ、３９８、４２０、３２０（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る内燃機関のピストンによれば、製造コストの大幅な上昇を抑制しつつ冷却用オイルによる高い冷却効率を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１（ａ）は実施形態に係る内燃機関のピストンを模式的に示す断面図である。図１（ｂ）はピストン本体部の冷却空洞部の周辺を拡大して模式的に示す拡大断面図である。
【図２】図２（ａ）は、実施形態の変形例１に係る内燃機関のピストンについて、ピストン本体部の冷却空洞部の周辺を拡大して模式的に示す拡大断面図である。図２（ｂ）は、実施形態の変形例２に係る内燃機関のピストンについて、ピストン本体部の冷却空洞部の周辺を拡大して模式的に示す拡大断面図である。
【図３】図３（ａ）〜図３（ｃ）は実施形態の変形例１に係るピストンの製造方法の一例を説明するための模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関１のピストン１０について図面を参照しつつ説明する。なお、図面に関しては、構成が分かり易いように実際の製品から寸法を変化させており、各部材、各部品の板厚や幅や長さなどの比率も必ずしも実際の製品の比率と一致しているとは限らない。
【００１８】
図１（ａ）は、本実施形態に係る内燃機関１のピストン１０を模式的に示す断面図である。本実施形態に係る内燃機関１は、車両に搭載されている。車両の具体的な種類は特に限定されるものではないが、本実施形態においてはバスやトラック等の大型車両を用いる。内燃機関１の種類は特に限定されるものではないが、本実施形態においては一例としてディーゼルエンジンを用いる。
【００１９】
ピストン１０は、内燃機関１のシリンダブロックに形成されたシリンダ（気筒）内に配置されて使用される。ピストン１０のピストン本体部１１の頂面（シリンダヘッドの側の面）には、キャビティ１２が形成されている。またピストン本体部１１の断面視で略中央部には、ピン孔１３（これはピストンピンが挿入される孔である）が形成されている。またピストン本体部１１の側面には、ピストンリングが嵌るためのリング溝１４が形成されている。リング溝１４の個数は特に限定されるものではないが、本実施形態では３個である。
【００２０】
またピストン１０のピストン本体部１１は、ピストン１０を冷却するための冷却用オイルが通過可能な空洞部である冷却空洞部１５を有している。本実施形態に係る冷却空洞部１５は、一例として、ピストン本体部１１のリング溝１４（本実施形態では最上段のリング溝１４）の内側部分に、環状に形成されている。また、本実施形態に係る冷却空洞部１５の断面形状は、一例として、四角形である。但し、冷却空洞部１５の具体的な形状はこれに限定されるものではない。
【００２１】
またピストン本体部１１は、冷却用オイルが冷却空洞部１５の内部と冷却空洞部１５の外部との間を流動するための通路であるオイル通路１６を有している。
【００２２】
続いて冷却空洞部１５の構成について詳細に説明する。図１（ｂ）はピストン本体部１１の冷却空洞部１５の周辺を拡大して模式的に示す拡大断面図である。具体的には図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ部分における冷却空洞部１５周辺を拡大して模式的に断面図示している。
【００２３】
ここで、本実施形態に係るピストン本体部１１の材質の主成分は鉄である。より具体的には本実施形態に係るピストン本体部１１の材質は、鉄を主成分としつつ他の成分を含有する鉄系合金である。
【００２４】
なお、本実施形態において主成分とは、ある物質を構成する成分のうち比率（モル％や質量％）が最も多いものをいう。
【００２５】
ピストン１０は、ピストン本体部１１と冷却空洞部１５との間の部分に、ピストン本体部１１の材質の主成分（本実施形態では鉄）よりも熱伝導率の高い材質である高熱伝導率素材を主成分とするメッキ層１７を有している。具体的には本実施形態に係るピストン１０は、冷却空洞部１５の内面部分にメッキ層１７を有している。
【００２６】
なお、このメッキ層１７は、鉄系合金からなるピストン本体部１１の冷却空洞部１５の内面に、高熱伝導率素材を主成分とするメッキ素材がメッキ処理によって配置されることで製造されたものである。
【００２７】
本実施形態では、上記高熱伝導率素材の主成分の一例として、銅を用いている。この場合、高熱伝導率素材として、銅そのものや、銅を主成分としつつ他の成分を含有する銅系合金等を用いることができる。
【００２８】
ピストン１０において、ピストン本体部１１の熱は、メッキ層１７を伝導して、冷却空洞部１５の冷却用オイルに伝導する。このようにして冷却用オイルがピストン１０の熱を奪うことで、ピストン１０は冷却される。
【００２９】
以上説明した本実施形態に係るピストン１０によれば、ピストン本体部１１と冷却空洞部１５との間の部分に高熱伝導率素材を主成分とするメッキ層１７を有するので、このようなメッキ層１７を備えていない場合に比較して、冷却用オイルとピストン本体部１１と
の間の熱伝導率を向上させることができる。これにより、冷却用オイルによる高い冷却効率を発揮することができる。この結果、燃焼室の温度上昇を効果的に抑制することができるとともに、ピストン本体部１１の熱応力の低減を効果的に図ることができ、また、温度上昇に伴うピストン本体部１１の材料強度低下を効果的に抑制することもできる。また、ピストン本体部１１と冷却空洞部１５との間の部分に高熱伝導率素材からなるメッキ層１７を設けることは、前述した特許文献１の技術に比較して容易であるので、ピストン１０の製造コストの大幅な上昇も抑制することができる。
【００３０】
なお、上記実施形態において、ピストン本体部１１の材質の主成分として鉄を用いているが、ピストン本体部１１の材質の主成分としてアルミニウムを用いることもできる。この具体例を挙げると、ピストン本体部１１の材質として、アルミニウムを主成分としつつ他の成分を含有するアルミニウム系合金を用いることができる。
【００３１】
また、ピストン本体部１１の材質の主成分が鉄またはアルミニウムの場合、メッキ層１７を構成する高熱伝導率素材の他の例として、銀または金を用いることもできる。この構成においても、製造コストの大幅な上昇を抑制しつつ冷却用オイルによる高い冷却効率を発揮することができる。
【００３２】
あるいは、ピストン本体部１１の材質の主成分が鉄の場合、メッキ層１７を構成する高熱伝導率素材としてアルミニウムを用いることもできる。この構成においても、製造コストの大幅な上昇を抑制しつつ冷却用オイルによる高い冷却効率を発揮することができる。
【００３３】
（実施形態の変形例１）
図２（ａ）は、本実施形態の変形例１に係る内燃機関１のピストン１０ａについて、ピストン本体部１１の冷却空洞部１５の周辺を拡大して模式的に示す拡大断面図である。なお図２（ａ）は、本変形例に係るピストン１０ａについて、図１（ｂ）と同じ箇所を拡大して模式的に断面図示している。
【００３４】
本変形例に係るピストン１０ａは、外面（外周面）にメッキ層１７を有するパイプ部材１８が冷却空洞部１５内に配置された構成を有している点において、図１（ｂ）に示すピストン１０と異なっている。なお、このように外面にメッキ層１７を有するパイプ部材１８が冷却空洞部１５内に配置されることで、本変形例に係るピストン１０ａも、ピストン本体部１１と冷却空洞部１５との間の部分に、高熱伝導率素材を主成分とするメッキ層１７を有する構成となっている。
【００３５】
ここで、本変形例に係るピストン本体部１１の材質の主成分は一例としてアルミニウムである。具体的には本変形例に係るピストン本体部１１の材質はアルミニウム合金である。
【００３６】
また本変形例に係るパイプ部材１８は、リング状のパイプ部材によって構成されている。またパイプ部材１８の材質の主成分の一例として鉄を用いている。具体的には本変形例に係るパイプ部材１８の材質はステンレスである。但し、パイプ部材１８の材質の主成分はこれに限定されるものではなく、他の例を挙げると、パイプ部材１８の材質の主成分としてアルミニウムを用いることもできる。
【００３７】
図３（ａ）〜図３（ｃ）は本変形例に係るピストン１０ａの製造方法の一例を説明するための模式的断面図である。まず、図３（ａ）に示すように、外面にメッキ層１７がメッキ処理によって配置されたパイプ部材１８を準備する。このパイプ部材１８としては、例えばステンレス等の薄板にメッキ層１７をメッキ処理によって形成したものをパイプ状に加工したものを用いてもよく、あるいは、ステンレス等からなるパイプ部材をパイプ状に
加工した後に、このパイプ部材の外面にメッキ層１７をメッキ処理で形成したものを用いてもよい。なお、本変形例ではメッキ層１７を構成する高熱伝導率素材の一例として銅を用いている。但し、メッキ層１７の高熱伝導率素材の具体例は銅に限定されるものではなく、例えば銀や金等を用いることもできる。
【００３８】
次いで、図３（ｂ）に示すように、メッキ層１７を有するパイプ部材１８を、ピストン１０ａを鋳造する際のピストン素材２０内に鋳込む。
【００３９】
次いで、図３（ｃ）に示すように、パイプ部材１８が内部に鋳込まれたピストン素材２０を加工して、リング溝１４等を形成することで、ピストン１０ａを製造する。以上の工程で本変形例に係るピストン１０ａ、すなわち、アルミニウムを主成分とする材質からなるピストン本体部１１内に、冷却空洞部１５を構成するパイプ部材１８（本変形例では鉄を主成分としている）が配置されており、このパイプ部材１８の外面にメッキ層１７が配置されたピストン１０ａは製造されている。但し、上述した製造方法はピストン１０ａの製造方法の一例を示したものに過ぎず、ピストン１０ａの製造方法はこれに限定されるものではない。
【００４０】
本変形例に係るピストン１０ａにおいても、前述したピストン１０と同様の効果を奏することができる。すなわち、ピストン１０ａにおいても、ピストン本体部１１と冷却空洞部１５との間の部分に高熱伝導率素材を主成分とするメッキ層１７を有するので、このメッキ層１７を備えていない場合に比較して、冷却用オイルとピストン本体部１１との間の熱伝導率を向上させることができる。これにより、冷却用オイルによる高い冷却効率を発揮することができる。また、本変形例のように、パイプ部材１８の外面にメッキ層１７を備えるものを鋳込むことでピストン本体部１１と冷却空洞部１５との間の部分にメッキ層１７を配置することは、特許文献１の技術に比較して容易であるので、ピストン１０ａの製造コストの大幅な上昇も抑制することができる。
【００４１】
なお、本変形例において、メッキ層１７はパイプ部材１８の外面に配置されているが、この構成に限定されるものではない。メッキ層１７は、パイプ部材１８の外面には配置されておらず、パイプ部材１８の内面に配置されていてもよい。この構成においても、上記と同様の効果を奏することができる。
【００４２】
（実施形態の変形例２）
図２（ｂ）は、本実施形態の変形例２に係る内燃機関１のピストン１０ｂについて、ピストン本体部１１の冷却空洞部１５の周辺を拡大して模式的に示す拡大断面図である。なお図２（ｂ）は、本変形例に係るピストン１０ｂについて、図１（ｂ）と同じ箇所を拡大して模式的に断面図示している。
【００４３】
本変形例に係るピストン１０ｂの冷却空洞部１５内に配置されたパイプ部材１８は、外面にメッキ層１７を備えるとともに、内面にも、ピストン本体部１１の材質の主成分よりも熱伝導率の高い高熱伝導率素材を主成分とする第２メッキ層１９をさらに備えている点において、図２（ａ）に示すピストン１０ａのパイプ部材１８と異なっている。この結果、本変形例に係るピストン１０ｂは、ピストン本体部１１と冷却空洞部１５との間の部分に、メッキ層１７のみならず、第２メッキ層１９も備える構成となっている。
【００４４】
第２メッキ層１９の高熱伝導率素材の材質の主成分としては、銅、銀、金、あるいはアルミニウム等を用いることができる。本変形例では、第２メッキ層１９の高熱伝導率素材の主成分の一例として、銅を用いている。
【００４５】
なお、ピストン１０ｂの製造方法は特に限定されるものではないが、例えば、前述した
図３（ａ）の工程において、パイプ部材１８の内面に第２メッキ層１９がメッキ処理によってさらに配置されたものを用いて図３（ｂ）及び図３（ｃ）の工程を実行すればよい。
【００４６】
本変形例に係るピストン１０ｂにおいても、前述したピストン１０やピストン１０ａと同様の効果を奏することができる。すなわち、ピストン１０ｂにおいても、ピストン本体部１１と冷却空洞部１５との間の部分に高熱伝導率素材を主成分とするメッキ層１７及び第２メッキ層１９を備えているので、このメッキ層１７及び第２メッキ層１９を備えていない場合に比較して、冷却用オイルとピストン本体部１１との間の熱伝導率を向上させることができる。これにより、冷却用オイルによる高い冷却効率を発揮することができる。また、本変形例のように、外面にメッキ層１７を備えるとともに内面に第２メッキ層１９を備えるパイプ部材１８を鋳込むことでピストン本体部１１と冷却空洞部１５との間の部分にメッキ層１７及び第２メッキ層１９を配置することは、特許文献１の技術に比較して容易であるので、ピストン１０ｂの製造コストの大幅な上昇も抑制することができる。
【００４７】
以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１  内燃機関
１０，１０ａ，１０ｂ  ピストン
１１  ピストン本体部
１５  冷却空洞部
１７  メッキ層
１８  パイプ部材
１９  第２メッキ層
【図１】
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【図２】
2017115588.tif 000004
【図３】
2017115588.tif 000005