JP2014040819A - Method for manufacturing piston for engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ピストン本体の頂面に断熱層が形成されているエンジン用ピストンの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an engine piston in which a heat insulating layer is formed on the top surface of a piston body.
エンジンの熱効率を高める方法に関して、１９８０年代に、エンジンの燃焼室に臨む面に断熱層を設けることが提案され（例えば、特許文献１）、その後も、セラミックス焼結体からなる断熱層や、低熱伝導性を有するＺｒＯ２粒子を含む溶射層からなる断熱層が提案されている。 Regarding a method for increasing the thermal efficiency of the engine, in the 1980s, it was proposed to provide a heat insulating layer on the surface facing the combustion chamber of the engine (for example, Patent Document 1). There has been proposed a heat insulating layer comprising a thermal spray layer containing conductive ZrO 2 particles.
しかしながら、セラミックス焼結体は、熱応力や熱衝撃によるクラックや剥離の発生といった問題に直面した。このため、特に、ピストンの頂面、シリンダライナの内周面、シリンダヘッドの下面といった比較的大きな面積を有する部分へ、セラミックス焼結体からなる断熱層が適用されたものは実用に至っていない。 However, ceramic sintered bodies faced problems such as generation of cracks and peeling due to thermal stress and thermal shock. For this reason, in particular, a structure in which a heat insulating layer made of a ceramic sintered body is applied to portions having a relatively large area such as the top surface of the piston, the inner peripheral surface of the cylinder liner, and the lower surface of the cylinder head has not been put into practical use.
一方、溶射層それ自体は、シリンダライナ及びロータリーエンジンのトロコイド面へ採用された実績があるが、これは耐摩耗性の向上を目的としたものであり、断熱性の向上を目的としたものではない。溶射層を断熱層とするためには、上記のようにＺｒＯ２（ジルコニア）を主体とする低熱伝導材料を溶射することが好ましいが、ジルコニア系の層は、サーメット系の層よりも粒子間の密着性が劣り、熱応力や繰返しの応力による疲労等によってクラックが生じ易いという問題がある。 On the other hand, the sprayed layer itself has been used for trochoidal surfaces of cylinder liners and rotary engines, but this is intended to improve wear resistance and not to improve heat insulation. Absent. In order to use the thermal spray layer as a heat insulating layer, it is preferable to spray a low thermal conductive material mainly composed of ZrO 2 (zirconia) as described above. There is a problem that the adhesion is inferior, and cracks are likely to occur due to fatigue due to thermal stress or repeated stress.
これに対して、特許文献２では、粒子状の第１の断熱材と膜状の第２の断熱材とよりなる断熱用薄膜をピストン頂面に設けることが提案されている。この特許文献２には、第２の断熱材が第１の断熱材を接着する機能を担うこと、第２の断熱材として、ジルコニア（ＺｒＯ２）、シリコン、チタン、またはジルコニウム等のセラミックや、炭素・酸素を主成分とするセラミック、または高強度且つ高耐熱性のセラミック繊維等を用いること、並びに第２の断熱材は母材に対してコーティング又は接合することが記載されている。 On the other hand, Patent Document 2 proposes to provide a heat insulating thin film including a particulate first heat insulating material and a film-shaped second heat insulating material on the piston top surface. In this Patent Document 2, the second heat insulating material bears a function of bonding the first heat insulating material, and as the second heat insulating material, zirconia (ZrO 2 ), ceramics such as silicon, titanium, or zirconium, It is described that a ceramic mainly composed of carbon / oxygen or a ceramic fiber having high strength and high heat resistance is used, and that the second heat insulating material is coated or bonded to the base material.
また、特許文献３には、ピストン頂面に断熱用薄膜を形成するにあたり、ピストン本体の頂面に有機硅素化合物と多数の粒状樹脂との混合物を塗布して薄膜を形成し、この薄膜を加熱することによって、内部に多数の気泡を形成することが記載されている。すなわち、薄膜を６００〜８００℃以上の温度に加熱することによって、粒状樹脂をガス化させるとともに、前記有機化合物の熱分解により発生するガスを薄膜から抜き、ガス抜き後の薄膜をさらに高い温度（１０００〜１２００℃以上）に加熱するという方法である。よって、有機硅素化合物の上記熱分解によって生成する珪素化合物（ＳｉＯ２及びＳｉＣ）が焼結することになる。 In Patent Document 3, when forming a heat insulating thin film on the top surface of the piston, a thin film is formed by applying a mixture of an organic silicon compound and a number of granular resins to the top surface of the piston body, and this thin film is heated. By doing so, it is described that many bubbles are formed inside. That is, by heating the thin film to a temperature of 600 to 800 ° C. or more, the granular resin is gasified, gas generated by thermal decomposition of the organic compound is extracted from the thin film, and the thin film after degassing is heated to a higher temperature ( 1000 to 1200 ° C. or higher). Therefore, the silicon compound (SiO 2 and SiC) produced by the above thermal decomposition of the organic silicon compound is sintered.
特許文献２では、第２の断熱材を母材にコーティング又は接合する記載されているだけで、その断熱用薄膜を得る方法について詳細には述べられていない。第２の断熱材としてセラミック材が用いられていることに鑑みれば、その断熱用薄膜はセラミックス焼結体に類すると推測される。特許文献２は、燃焼圧等による変形やクラックの発生の対策については開示しない。特許文献３に開示された方法においても、得られる断熱用薄膜はセラミックス焼結体に類するものであり、燃焼圧等による変形やクラックの発生の対策にはならないと考えられる。 Patent Document 2 only describes the coating or joining of the second heat insulating material to the base material, but does not describe in detail the method for obtaining the heat insulating thin film. In view of the fact that a ceramic material is used as the second heat insulating material, the heat insulating thin film is presumed to be similar to a ceramic sintered body. Patent Document 2 does not disclose countermeasures against deformation or cracking due to combustion pressure or the like. Also in the method disclosed in Patent Document 3, the heat insulating thin film obtained is similar to a ceramic sintered body, and it is considered that it does not serve as a countermeasure against deformation due to combustion pressure or the occurrence of cracks.
特に、近年はアルミ合金製ピストンが主流になっており、セラミックス系の断熱用薄膜では、両者の熱膨張率差が大きいことから、上記クラックや剥離の問題が顕著になる。このクラックを生じた場合、断熱用薄膜の剥離に至らないケースでも、エンジンの燃料噴射弁から噴射された燃料の断熱用薄膜への浸み込みという問題を招く。すなわち、この燃料の浸み込みにより、燃料の損失が増大しエンジンの熱効率が低下するとともに、エンジンの空燃比が一時的に設定値からずれて燃焼性の悪化を招く懸念がある。 In particular, aluminum alloy pistons have become the mainstream in recent years, and in the case of ceramic-based heat insulating thin films, the difference in thermal expansion coefficient between the two is large, so the problems of cracks and peeling become prominent. When this crack is generated, even if the heat insulating thin film does not peel off, there is a problem that the fuel injected from the engine fuel injection valve penetrates into the heat insulating thin film. In other words, the fuel permeation increases the fuel loss and decreases the thermal efficiency of the engine, and the air-fuel ratio of the engine temporarily deviates from the set value, which may lead to deterioration of combustibility.
また、上述の如く、断熱用薄膜を焼成等のために高温度に加熱すると、同時にピストン本体が高温度に加熱されてその金属組織が変化し、その機械的強度が低下するという問題がある。特に、ピストン本体がアルミ合金製であるときは、比較的低い温度でピストン本体の金属組織が変化することから、当該機械的強度低下の問題が顕著になる。 Further, as described above, when the heat insulating thin film is heated to a high temperature for firing or the like, the piston main body is simultaneously heated to a high temperature to change its metal structure, resulting in a problem that its mechanical strength is lowered. In particular, when the piston main body is made of an aluminum alloy, the metal structure of the piston main body changes at a relatively low temperature, so that the problem of a decrease in mechanical strength becomes significant.
そこで、本発明は、上記断熱用薄膜のクラックや剥離の問題、燃料浸み込みの問題、並びにピストン本体の機械的強度低下の問題を解決する。 Therefore, the present invention solves the problem of cracking and peeling of the heat insulating thin film, the problem of fuel permeation, and the problem of lowering the mechanical strength of the piston body.
本発明は、上記課題を解決するために、シリコーン系樹脂と中空状粒子とを含む断熱材を成形型によってピストン本体の頂面に押し付けて断熱層を形成し、その成形型によって断熱層表面を加熱して表面のシリコーン樹脂の少なくとも一部を酸化させるようにした。 In order to solve the above problems, the present invention forms a heat insulating layer by pressing a heat insulating material containing a silicone-based resin and hollow particles against the top surface of a piston body with a mold, and the surface of the heat insulating layer is formed with the mold. By heating, at least a part of the surface silicone resin was oxidized.
すなわち、ここに提示するエンジン用ピストンの製造方法は、中空状粒子を含有する断熱層をピストン本体の頂面に形成する方法であって、
シリコーン系樹脂と中空状粒子とを含む断熱材を上記ピストン本体の頂面に載せる工程と、
上記断熱材を上記ピストン本体の頂面形状に倣った形状になるように成形型によって上記ピストン本体の頂面に押し付けることにより、上記断熱層を形成する工程とを備え、
上記断熱層を形成する工程において、上記断熱層をその表面側から上記成形型によって加熱し、該断熱層の表面の少なくとも一部のシリコーン系樹脂を酸化させることを特徴とする。
That is, the manufacturing method of the piston for an engine presented here is a method of forming a heat insulating layer containing hollow particles on the top surface of the piston body,
Placing a heat insulating material containing a silicone-based resin and hollow particles on the top surface of the piston body;
Forming the heat insulating layer by pressing the heat insulating material against the top surface of the piston main body with a molding die so as to follow the shape of the top surface of the piston main body,
In the step of forming the heat insulating layer, the heat insulating layer is heated from the surface side by the molding die to oxidize at least a part of the silicone resin on the surface of the heat insulating layer.
この方法によれば、成形型によってピストン本体の頂面にこの頂面形状に倣った断熱層を形成することができる。ここに、本発明とは違って、断熱材をスプレー等でピストン本体頂面に塗布する場合、重ね塗りでの断熱層厚さ制御が難しく、製品間で断熱層厚さにバラツキを生じ易い。また、ピストン本体頂面に凹凸部がある場合は、スプレー方向に対して直角でない面の断熱層厚さが薄くなる傾向にあるため、所期の厚さを得ることは難しい。溶射によって断熱材をピストン本体頂面に施工する場合も、スプレーと同様に溶射によって断熱層の厚さを制御することは難しく、所期の厚さにするには後加工が必要になる。これに対して、本発明によれば、断熱層の形成に成形型を用いるから、製品間の断熱層厚さのバラツキが小さくなり、品質が高くなる。 According to this method, it is possible to form the heat insulating layer following the shape of the top surface on the top surface of the piston body by the molding die. Here, unlike the present invention, when the heat insulating material is applied to the top surface of the piston main body by spraying or the like, it is difficult to control the thickness of the heat insulating layer by overcoating, and the heat insulating layer thickness tends to vary between products. In addition, when there is an uneven portion on the top surface of the piston body, it is difficult to obtain the desired thickness because the heat insulation layer thickness of the surface that is not perpendicular to the spray direction tends to be thin. Even when the heat insulating material is applied to the top surface of the piston body by thermal spraying, it is difficult to control the thickness of the heat insulating layer by thermal spraying as in the case of spraying, and post-processing is necessary to obtain the desired thickness. On the other hand, according to the present invention, since the mold is used to form the heat insulating layer, the variation in the thickness of the heat insulating layer between products is reduced, and the quality is improved.
そうして、本発明の重要な特徴は、成形型によって断熱層の表面を形成する断熱材の少なくとも一部のシリコーン系樹脂を酸化させる点にある。すなわち、本発明は、上記断熱層を形成する工程において、上記断熱層をその表面側から加熱することにより、この断熱層のシリコーン系樹脂の架橋を進行させ、さらに、断熱層の表面の少なくとも一部のシリコーン系樹脂を酸化させる。 Thus, an important feature of the present invention resides in that at least a portion of the silicone resin of the heat insulating material that forms the surface of the heat insulating layer is oxidized by the mold. That is, according to the present invention, in the step of forming the heat insulating layer, by heating the heat insulating layer from the surface side thereof, crosslinking of the silicone resin of the heat insulating layer proceeds, and at least one of the surfaces of the heat insulating layer is further increased. Part of the silicone resin is oxidized.
従って、断熱層の少なくとも一部のシリコーン系樹脂が酸化した表面は内部（ピストン本体側）に比べて強度が大きくなる（硬度が高くなる）とともに、耐熱性が高くなる。よって、エンジンの燃焼熱や燃焼圧等による断熱層の変形ないし損壊の防止に有利になる。一方、断熱層の内部には、表面に比べて熱伝導率が低いシリコーン系樹脂と中空状粒子とが含まれるから、当該断熱層による所期の断熱効果が得られ、エンジンの冷却損失の低減に有利になる。また、上記断熱層表面とピストン本体とに熱膨張差があっても、その熱膨張差が断熱層内部の相対的に硬度が低いシリコーン系樹脂によって吸収されるから、クラックの発生や剥離の防止に有利になる。 Accordingly, the surface of the heat insulating layer on which at least a portion of the silicone-based resin is oxidized has higher strength (higher hardness) and higher heat resistance than the inside (piston body side). Therefore, it becomes advantageous for prevention of deformation or damage of the heat insulating layer due to combustion heat or combustion pressure of the engine. On the other hand, since the inside of the heat insulation layer contains a silicone resin and hollow particles having a lower thermal conductivity than the surface, the desired heat insulation effect is obtained by the heat insulation layer, and the cooling loss of the engine is reduced. To be advantageous. In addition, even if there is a difference in thermal expansion between the surface of the heat insulation layer and the piston body, the difference in thermal expansion is absorbed by the silicone resin having a relatively low hardness inside the heat insulation layer, thus preventing cracks and peeling. To be advantageous.
しかも、成形型によって断熱層をその表面側から加熱するから、その加熱によってピストン本体が受ける熱影響は小さい。すなわち、ピストン本体の耐熱温度が高くない場合でも、ピストン本体の強度低下を招くことが避けられる。加えて、成形型を断熱層に接触させ、この成形型からの伝熱によって断熱層を加熱するから、断熱層を火炎で加熱する場合に比べて熱エネルギーの利用効率が高くなり、省エネに有利になる。 In addition, since the heat insulating layer is heated from the surface side by the mold, the heat effect on the piston main body due to the heating is small. That is, even when the heat resistant temperature of the piston body is not high, it is possible to avoid a decrease in the strength of the piston body. In addition, the mold is brought into contact with the heat insulating layer, and the heat insulating layer is heated by heat transfer from the mold, so that the heat energy utilization efficiency is higher than when the heat insulating layer is heated with a flame, which is advantageous for energy saving. become.
本発明の好ましい態様は、上記断熱層を形成する工程において、上記ピストン本体のピストンピンボスの中心位置を基準として、上記ピストン本体の頂面に向かって上記成形型を所定ストローク相対移動させることを特徴とする。 In a preferred aspect of the present invention, in the step of forming the heat insulating layer, the molding die is relatively moved by a predetermined stroke toward the top surface of the piston body with reference to the center position of the piston pin boss of the piston body. And
すなわち、エンジンの圧縮比は、ピストンのストローク長に依存し、その設定においてはピストン上死点におけるピストンピンボスの中心位置からのピストン頂面高さが重要になる。これに対して、上記態様では、ピストンピンボスの中心位置を基準として、成形型をピストン本体に向かって所定ストローク相対移動させるから、所期の圧縮比を得る上で有利になる。ピストンピンボスの中心位置を基準として断熱層の頂面高さを決めるということであり、このような成形型のストローク管理により、製品間の圧縮比のバラツキ防止に有利になる。 That is, the compression ratio of the engine depends on the stroke length of the piston, and in the setting, the height of the piston top surface from the center position of the piston pin boss at the piston top dead center becomes important. On the other hand, in the said aspect, since a shaping | molding die is relatively moved a predetermined stroke toward a piston main body on the basis of the center position of a piston pin boss | hub, it becomes advantageous when obtaining a desired compression ratio. This means that the height of the top surface of the heat insulating layer is determined based on the center position of the piston pin boss, and such a stroke management of the mold is advantageous in preventing variation in the compression ratio between products.
本発明の別の好ましい態様は、上記断熱層を形成する工程において、上記成形型と上記ピストン本体の頂面とが所定クリアランスを隔てて対峙した状態になるように、上記ピストン本体の頂面に向かって上記成形型を相対移動させることを特徴とする。 In another preferred embodiment of the present invention, in the step of forming the heat insulating layer, the top surface of the piston body is arranged so that the mold and the top surface of the piston body face each other with a predetermined clearance. The mold is relatively moved toward the front.
すなわち、この態様は、成形型とピストン本体の頂面とクリアランスを管理するということであり、所期の厚さの断熱層を得る、換言すれば、所期の断熱効果を有する断熱層を得る上で有利になる。 That is, this aspect is to manage the mold and the top surface of the piston main body and the clearance, and obtain a heat insulation layer having a desired thickness, in other words, a heat insulation layer having a desired heat insulation effect. Will be advantageous.
また、本発明の別の好ましい態様では、上記成形型の上記断熱材に接触する表面の温度を３００℃以上４００℃以下とする。これにより、断熱層表面のシリコーン系樹脂を比較的短時間に酸化させることができる一方、ピストン本体がＴ６処理やＴ７処理等を行なったアルミ合金製であっても、その軟化を抑えることができる。ピストン本体をその内側から冷却するようにしてもよい。 Moreover, in another preferable aspect of this invention, the temperature of the surface which contacts the said heat insulating material of the said shaping | molding die shall be 300 degreeC or more and 400 degrees C or less. As a result, the silicone resin on the surface of the heat insulating layer can be oxidized in a relatively short time, while softening can be suppressed even if the piston body is made of an aluminum alloy subjected to T6 treatment, T7 treatment, or the like. . You may make it cool a piston main body from the inner side.
また、本発明の別の好ましい態様は、上記断熱材を上記ピストン本体の頂面に載せる工程では、上記断熱材の量を上記断熱層の形成に必要な量よりも多目にし、
上記断熱層を形成する工程において、上記ピストン本体と上記成形型との間から上記断熱材が側方へはみ出す前に、又は側方へはみ出して垂れる前に、上記ピストン本体と上記成形型とを上記ピストン本体が上になるように反転させることを特徴とする。
In another preferred embodiment of the present invention, in the step of placing the heat insulating material on the top surface of the piston body, the amount of the heat insulating material is larger than the amount necessary for forming the heat insulating layer,
In the step of forming the heat insulating layer, before the heat insulating material protrudes laterally from between the piston main body and the mold, or before the heat insulating material protrudes laterally and hangs down, the piston main body and the mold are formed. The piston main body is inverted so that it faces up.
すなわち、成形型によって断熱材をピストン本体の頂面に押し付けて断熱層を形成するには、ピストン本体の頂面に載せる断熱材は、例えば、流動性のあるペースト状ないし半固形状であることが好ましい。その場合、ピストン本体と成形型との間から側方へはみ出した断熱材が垂れてピストン本体の側面を付着すると、その付着した断熱材の除去に手数がる。 That is, in order to form a heat insulating layer by pressing the heat insulating material against the top surface of the piston main body with a mold, the heat insulating material placed on the top surface of the piston main body is, for example, a fluid paste or semi-solid. Is preferred. In that case, if the heat insulating material that protrudes from the side between the piston main body and the mold hangs down and adheres to the side surface of the piston main body, the removal of the adhering heat insulating material is troublesome.
そこで、当該態様では、断熱材が側方へはみ出す前に、又は側方へはみ出して垂れる前に、ピストン本体と成形型とをピストン本体が上になるように反転させる。これにより、側方にはみ出した断熱材が垂れることがあっても、その断熱材は成形型の方に付着し、ピストン本体に付着することが防止される。 Therefore, in this aspect, before the heat insulating material protrudes to the side or before it protrudes to the side and hangs down, the piston main body and the mold are reversed so that the piston main body faces up. Thereby, even if the heat insulating material that protrudes to the side may hang down, the heat insulating material adheres to the mold and is prevented from adhering to the piston body.
本発明によれば、シリコーン系樹脂と中空状粒子とを含む断熱材を成形型によってピストン本体の頂面に押し付けて断熱層を形成するとともに、その成形型によって断熱層を表面側から加熱し、該断熱層表面の少なくとも一部のシリコーン系樹脂を酸化させるようにしたから、表面の強度の高く且つクラックや剥離を生じ難い低熱伝導率の断熱層を、製品間での厚さのバラツキを招くことなく得ることができ、しかも、ピストン本体の軟化を避けることが容易になり、省エネにも有利になる。 According to the present invention, a heat insulating material including a silicone-based resin and hollow particles is pressed against the top surface of the piston body by a molding die to form a heat insulating layer, and the heat insulating layer is heated from the surface side by the molding die, Since at least a part of the silicone-based resin on the surface of the heat insulating layer is oxidized, the heat insulating layer having a high surface strength and low thermal conductivity that hardly causes cracking or peeling causes a variation in thickness between products. In addition, it is easy to avoid softening of the piston body, which is advantageous for energy saving.
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. The following description of the preferred embodiments is merely exemplary in nature and is not intended to limit the invention, its application, or its use.
＜エンジンの構成＞
図１に示す直噴エンジンＥにおいて、１はピストン、３はシリンダブロック、５はシリンダヘッド、７はシリンダヘッド５の吸気ポート９を開閉する吸気バルブ、１１は排気ポート１３を開閉する排気バルブ、１５は燃料噴射弁である。ピストン１がシリンダブロック３のシリンダボア内を往復動する。
<Engine configuration>
In the direct injection engine E shown in FIG. 1, 1 is a piston, 3 is a cylinder block, 5 is a cylinder head, 7 is an intake valve that opens and closes an intake port 9 of the cylinder head 5, 11 is an exhaust valve that opens and closes an exhaust port 13, Reference numeral 15 denotes a fuel injection valve. The piston 1 reciprocates in the cylinder bore of the cylinder block 3.
エンジンの燃焼室は、ピストン１の頂面、シリンダブロック３、シリンダヘッド５、吸排気バルブ７，１１の傘部前面（燃焼室に臨む面）で形成される。ピストン１の頂面には凹陥状のキャビティ１７が形成されている。同図において、２７はピストンリングである。なお、点火プラグの図示は省略している。 The combustion chamber of the engine is formed by the top surface of the piston 1, the cylinder block 3, the cylinder head 5, and the front surface of the umbrella portion of the intake / exhaust valves 7 and 11 (surface facing the combustion chamber). A concave cavity 17 is formed on the top surface of the piston 1. In the figure, reference numeral 27 denotes a piston ring. Note that the illustration of the spark plug is omitted.
上記エンジンは、好ましくは、例えば、幾何学的圧縮比ε＝２０〜５０とされ、少なくとも部分負荷域での空気過剰率λ＝２．５〜６．０で運転されるリーンバーンエンジンである。このようなエンジンでは、圧縮比ε及び空気過剰率λに見合う所期の熱効率を得るために、冷損を大幅に低減させること、すなわち、エンジンの断熱性を高くすることが求められる。 The engine is preferably, for example, a lean burn engine that has a geometric compression ratio ε = 20 to 50 and is operated at an excess air ratio λ of 2.5 to 6.0 at least in a partial load region. In such an engine, in order to obtain the desired thermal efficiency commensurate with the compression ratio ε and excess air ratio λ, it is required to significantly reduce the cooling loss, that is, to increase the heat insulation of the engine.
図示は省略するが、上記エンジンの吸気系には吸気を冷却するインタークーラーが設けられている。これにより、圧縮開始時の筒内ガス温度が低くなり、燃焼時のガス圧及び温度の上昇が抑えられ、冷損低減（図示熱効率の改善）に有利になる。 Although not shown, an intercooler for cooling the intake air is provided in the intake system of the engine. As a result, the in-cylinder gas temperature at the start of compression is lowered, the increase in gas pressure and temperature during combustion is suppressed, and this is advantageous in reducing cold loss (improving the indicated thermal efficiency).
＜ピストン１の断熱層＞
本発明では、エンジンの断熱性向上のために、図２に示すようにピストン本体１９の頂面に断熱層２１が形成されている。ピストン本体１９の頂面１９ａの中央には上記キャビティ１７に対応する凹陥部が形成されている。断熱層２１は、ピストン本体１９の頂面１９ａの全体を覆う低熱伝導性の基層２３と、この基層２３の表面を覆う高硬度の表面層２５とを備えている。なお、説明の便宜上、図面は基層２３と表面層２５とが境界をもって接しているように描いているが、後述の説明から明らかになるように、表面層２５は、シリコーン系樹脂の酸化度合いが表面から内部に向かって連続的に小さくなって基層２３に続いており、実際には両層２３，２５に明瞭なる境界はない。この点は図３も同じである。
<Insulation layer of piston 1>
In the present invention, a heat insulating layer 21 is formed on the top surface of the piston body 19 as shown in FIG. A concave portion corresponding to the cavity 17 is formed in the center of the top surface 19 a of the piston body 19. The heat insulation layer 21 includes a low thermal conductivity base layer 23 that covers the entire top surface 19 a of the piston body 19, and a high hardness surface layer 25 that covers the surface of the base layer 23. For convenience of explanation, the drawing is drawn so that the base layer 23 and the surface layer 25 are in contact with each other with a boundary. However, as will be apparent from the following description, the surface layer 25 has a degree of oxidation of the silicone resin. The surface continuously decreases from the surface toward the inside and continues to the base layer 23, and there is actually no clear boundary between the layers 23 and 25. This also applies to FIG.
本例のピストン本体１９はＴ７処理又はＴ６処理を施してなるアルミ合金製である。断熱層２１は、図３に示すように、無機酸化物の中空状粒子３１を含む、シリコーン系樹脂を主体とする層である。 The piston body 19 in this example is made of an aluminum alloy that has been subjected to T7 treatment or T6 treatment. As shown in FIG. 3, the heat insulating layer 21 is a layer mainly composed of a silicone-based resin including hollow particles 31 of an inorganic oxide.
すなわち、基層２３は、三次元架橋構造のシリコーン系樹脂よりなる母材（マトリックス）３３に多数の中空状粒子３１が分散してなる。基層２３は、母材３３が熱伝導率の低いシリコーン系樹脂３３で構成され、且つ中空状粒子３１を含むことで熱伝導性の低い空気が多く存在することから、低熱伝導性の層になっている。 That is, the base layer 23 includes a large number of hollow particles 31 dispersed in a base material (matrix) 33 made of a silicone resin having a three-dimensional cross-linked structure. The base layer 23 is a low thermal conductivity layer because the base material 33 is composed of a silicone resin 33 having a low thermal conductivity, and the air contains a low amount of thermal conductivity due to the inclusion of the hollow particles 31. ing.
一方、表面層２５は、母材３５に同じく多数の中空状粒子３１が分散してなるが、その母材３５は、原材料はシリコーン系樹脂であるものの、その少なくとも一部が酸化してＳｉ系酸化物（例えば、ＳｉＯ２）になっている。特に母材３５の表面ではシリコーン系樹脂の酸化度が高く、基層２３に近づくほど酸化度が低くなっている。このように、表面層２５は、母材３５がＳｉ系酸化物を主体とするから、耐熱性が高く且つ高硬度の層になっており、さらに、中空状粒子３１を含むことから、熱伝導性も低い。 On the other hand, the surface layer 25 has a large number of hollow particles 31 dispersed in the base material 35. The base material 35 is made of a silicone resin, but at least part of the base material 35 is oxidized to form a Si base. It is an oxide (for example, SiO 2 ). In particular, the degree of oxidation of the silicone resin is high on the surface of the base material 35, and the degree of oxidation becomes lower as it approaches the base layer 23. Thus, the surface layer 25 is a layer having high heat resistance and high hardness because the base material 35 is mainly composed of Si-based oxide, and further includes the hollow particles 31, so that heat conduction is achieved. The nature is also low.
上述の如く、断熱層２１は、Ｓｉ系酸化物を主体とする耐熱性が高く且つ高硬度の表面層２５によって、シリコーン系樹脂を主体とする低熱伝導性の基層２３が保護された構成になっている。そのため、断熱層２１は、極めて厳しい熱と圧力環境に曝されても、硬度が増加した表面層２５により、基層２３の変形ないし損傷が防止され、優れた断熱性能を発揮する。また、表面層２５とピストン本体１９との熱膨張差が基層２３の低硬度のシリコーン系樹脂によって吸収されるため、クラックの発生や剥離が防止される。 As described above, the heat insulating layer 21 has a configuration in which the low heat conductive base layer 23 mainly composed of a silicone resin is protected by the surface layer 25 having high heat resistance and mainly having a Si based oxide. ing. Therefore, even if the heat insulation layer 21 is exposed to extremely severe heat and pressure environments, the surface layer 25 having increased hardness prevents the base layer 23 from being deformed or damaged, and exhibits excellent heat insulation performance. Further, since the difference in thermal expansion between the surface layer 25 and the piston main body 19 is absorbed by the low hardness silicone-based resin of the base layer 23, generation of cracks and peeling are prevented.
無機酸化物の中空状粒子３１としては、アルミナバブル、フライアッシュバルーン、シラスバルーン、シリカバルーン、エアロゲルバルーン等のセラミック系中空状粒子を採用することが好ましい。各々の材質及び粒径は表１の通りである。 As the inorganic oxide hollow particles 31, it is preferable to employ ceramic hollow particles such as alumina bubbles, fly ash balloons, shirasu balloons, silica balloons, airgel balloons and the like. Each material and particle size are as shown in Table 1.
例えば、フライアッシュバルーンの化学組成は、ＳｉＯ２；４０．１〜７４．４％、Ａｌ２Ｏ３；１５．７〜３５．２％、Ｆｅ２Ｏ３；１．４〜１７．５％、ＭｇＯ；０．２〜７．４％、ＣａＯ；０．３〜１０．１％（以上は質量％）である。シラスバルーンの化学組成は、ＳｉＯ２；７５〜７７％、Ａｌ２Ｏ３；１２〜１４％、Ｆｅ２Ｏ３；１〜２％、Ｎａ２Ｏ；３〜４％、Ｋ２Ｏ；２〜４％、IgLoss；２〜５％（以上は質量％）である。なお、中空状粒子３１の粒子径は平均で１０（μｍ）、最大でも５０（μｍ）以下が好ましく、その含有率は、信頼度という点から、５０％以下が好ましい。 For example, the chemical composition of the fly ash balloons, SiO 2; 40.1~74.4%, Al 2 O 3; 15.7~35.2%, Fe 2 O 3; 1.4~17.5%, MgO; 0.2 to 7.4%, CaO; 0.3 to 10.1% (the above is mass%). The chemical composition of the Shirasu balloon, SiO 2; 75~77%, Al 2 O 3; 12~14%, Fe 2 O 3; 1~2%, Na 2 O; 3~4%, K 2 O; 2~ 4%, IgLoss; 2 to 5% (the above is mass%). The average particle size of the hollow particles 31 is preferably 10 (μm) and at most 50 (μm) or less, and the content is preferably 50% or less from the viewpoint of reliability.
シリコーン系樹脂としては、例えば、メチルシリコーン樹脂、メチルフェニルシリコーン樹脂に代表される、分岐度の高い３次元ポリマーからなるシリコーン樹脂を好ましく用いることができる。シリコーン樹脂の具体例としては、例えばポリアルキルフェニルシロキサンを挙げることができる。 As the silicone-based resin, for example, a silicone resin made of a three-dimensional polymer having a high degree of branching represented by methyl silicone resin and methylphenyl silicone resin can be preferably used. Specific examples of the silicone resin include polyalkylphenylsiloxane.
＜ピストン１の製造方法＞
図４は上記ピストン１を製造する（ピストン本体１９に断熱層２１を形成する）ための装置構成を示す。同図において、４１はピストン本体１９を支持する支持台、４３ａ，４３ｂは位置検出手段としての透過型レーザセンサを構成する投光器及び受光器、４５は成形型である。
<Method of manufacturing piston 1>
FIG. 4 shows an apparatus configuration for manufacturing the piston 1 (forming a heat insulating layer 21 on the piston main body 19). In the figure, reference numeral 41 denotes a support for supporting the piston body 19, 43a and 43b light projectors and light receivers constituting a transmission type laser sensor as position detecting means, and 45 a molding die.
支持台４１は、ピストンスカートのインロー部に嵌る嵌合部４１ａを備え、ピストン本体１９をぐらつくことなく支持する。レーザセンサは、支持台４１に支持されたピストン本体１９のピストンピンボス４７の中心位置（ピストンピン孔４７ａの中心軸線Ｌの位置）を検出するものであり、投光器４３ａと受光器４３ｂとよりなる。 The support base 41 includes a fitting portion 41a that fits into the inlay portion of the piston skirt, and supports the piston body 19 without wobbling. The laser sensor detects the center position of the piston pin boss 47 of the piston body 19 supported by the support base 41 (the position of the center axis L of the piston pin hole 47a), and includes a light projector 43a and a light receiver 43b.
成形型４５は、その下面にピストン本体１９の頂面１９ａに倣った成形面４５ａを有し、支持台４１の上方の昇降するスライダ４９に取り付けられている。成形型４５には、成形面４５ａを所定温度にするための加熱手段として高周波誘導加熱装置（図示省略）が設けられている。なお、加熱手段は、高周波誘導加熱方式に限るものではない。例えば、成形型４５の内部に電気ヒータを埋設して成形型４５を加熱するようにしてもよい。 The molding die 45 has a molding surface 45 a that follows the top surface 19 a of the piston body 19 on its lower surface, and is attached to a slider 49 that moves up and down above the support base 41. The molding die 45 is provided with a high frequency induction heating device (not shown) as a heating means for bringing the molding surface 45a to a predetermined temperature. The heating means is not limited to the high frequency induction heating method. For example, an electric heater may be embedded in the mold 45 to heat the mold 45.
成形型４５は、その成形面４５ａからの伝熱でシリコーン系樹脂を酸化させることができるように、その成形面４５ａがシリコーン系樹脂の酸化温度以上の温度になるように、好ましくは３００℃以上４００℃以下になるように加熱する。また、成形型４５は、断熱材の加熱のためにある程度の熱容量が必要であるため、ステンレス鋼、その他の鋼材で製作することが好ましい。 The molding die 45 is preferably 300 ° C. or higher so that the molding surface 45a has a temperature equal to or higher than the oxidation temperature of the silicone resin so that the silicone resin can be oxidized by heat transfer from the molding surface 45a. Heat to 400 ° C or lower. In addition, since the mold 45 needs a certain heat capacity for heating the heat insulating material, it is preferable to manufacture it with stainless steel or other steel materials.
断熱層２１の形成にあたっては、図５に示すように、ピストン本体１９のインロー部を支持台４１の嵌合部４１ａに嵌めてピストン本体１９を支持台４１に支持する。シリコーン系樹脂と中空状粒子とを混合してなるペースト状の断熱材５１をピストン本体１９の頂面１９ａの中央凹陥部に載せる。レーザセンサ４３ａ，４３ｂによってピストン本体１９のピストンピンボス４７の中心位置を検出し、その位置情報をスライダ４９の駆動制御部にインプットする。図５等において、５３はレーザ光を示す。 In forming the heat insulating layer 21, the piston body 19 is supported on the support base 41 by fitting the spigot portion of the piston main body 19 into the fitting portion 41 a of the support base 41, as shown in FIG. 5. A paste-like heat insulating material 51 obtained by mixing a silicone resin and hollow particles is placed on the central recess of the top surface 19 a of the piston body 19. The center position of the piston pin boss 47 of the piston body 19 is detected by the laser sensors 43a and 43b, and the position information is input to the drive control unit of the slider 49. In FIG. 5 etc., 53 shows a laser beam.
上記位置情報に基づいて、成形型４５の下降ストロークを設定する。すなわち、成形型４５の成形面４５ａが所定のエンジン圧縮比を得ることができるピストン頂面高さに位置付けられるように、下降ストロークを設定する。この設定には、成形型４５の加熱による膨張量（成形面４５ａの変位量）を加味する。そうして、成形面４５ａが所定温度に加熱された成形型４５を、スライダ４９によって上記設定ストローク下降させる。このようなストローク管理により、所望のエンジン圧縮比となるピストンを得ることができる。 Based on the position information, the lowering stroke of the mold 45 is set. That is, the lowering stroke is set so that the molding surface 45a of the mold 45 is positioned at the height of the piston top surface at which a predetermined engine compression ratio can be obtained. In this setting, an expansion amount (displacement amount of the molding surface 45a) due to heating of the molding die 45 is taken into consideration. Then, the molding die 45 whose molding surface 45a is heated to a predetermined temperature is lowered by the slider 49 with the set stroke. By such stroke management, a piston having a desired engine compression ratio can be obtained.
図６に示すように、断熱材５１は、成形型４５の下降によってピストン本体１９の頂面１９ａに押し付けられ、頂面１９ａの全体にわたって広がる。成形型４５が加熱されているため、断熱材５１は成形型４５の熱を受けてシリコーン系樹脂が架橋していき膜状になる。すなわち、ピストン本体１９の頂面１９ａに、この頂面形状に倣った断熱層２１が形成される。 As shown in FIG. 6, the heat insulating material 51 is pressed against the top surface 19 a of the piston body 19 by the lowering of the mold 45, and spreads over the entire top surface 19 a. Since the molding die 45 is heated, the heat insulating material 51 receives the heat of the molding die 45 and the silicone resin is crosslinked to form a film. That is, the heat insulating layer 21 that follows the shape of the top surface is formed on the top surface 19 a of the piston body 19.
ここに、成形型４５の熱は断熱層２１にその表面から伝わるため、断熱層２１にはその表面から内部に向かって温度が漸次低くなる温度勾配ができる。そうして、成形型４５の成形面４５ａはシリコーン系樹脂の酸化温度以上の温度に加熱されているため、この成形面４５ａに接触している断熱層２１の表面のシリコーン系樹脂が酸化していく。これにより、断熱層２１の表面側には、図４に示す上述のＳｉ系酸化物を主体とする母材３５に中空状粒子３１が分散した表面層２５が形成される。 Here, since the heat of the mold 45 is transferred from the surface to the heat insulating layer 21, the heat insulating layer 21 has a temperature gradient in which the temperature gradually decreases from the surface toward the inside. Since the molding surface 45a of the mold 45 is heated to a temperature equal to or higher than the oxidation temperature of the silicone resin, the silicone resin on the surface of the heat insulating layer 21 in contact with the molding surface 45a is oxidized. Go. Thereby, the surface layer 25 in which the hollow particles 31 are dispersed in the base material 35 mainly composed of the Si-based oxide shown in FIG. 4 is formed on the surface side of the heat insulating layer 21.
一方、断熱層２１の内部では、シリコーン系樹脂の架橋が進むものの、上記温度勾配により、シリコーン系樹脂が酸化するほどには温度が上がらず、図３に示す上述の三次元架橋構造のシリコーン系樹脂を母材３３として中空状粒子３１が分散した基層２３が形成される。また、基層２３はシリコーン系樹脂の架橋が進む過程で当該三次元架橋構造のシリコーン系樹脂を介してピストン本体１９に結合した状態になる。 On the other hand, in the inside of the heat insulation layer 21, although the crosslinking of the silicone resin proceeds, the temperature does not rise to the extent that the silicone resin is oxidized due to the temperature gradient, and the silicone system having the above-described three-dimensional crosslinked structure shown in FIG. The base layer 23 in which the hollow particles 31 are dispersed using the resin as a base material 33 is formed. Further, the base layer 23 is in a state of being bonded to the piston body 19 through the silicone resin having the three-dimensional crosslinked structure in the course of the crosslinking of the silicone resin.
断熱層２１の表面のシリコーン系樹脂を成形型４５で酸化させつつ内部のシリコーン系樹脂の酸化を抑制するために、ピストン本体１９をピストンスカートの内側から水冷又は空冷によって冷却するようにしてもよい。 In order to suppress the oxidation of the internal silicone resin while oxidizing the silicone resin on the surface of the heat insulating layer 21 with the mold 45, the piston main body 19 may be cooled from the inside of the piston skirt by water cooling or air cooling. .
ところで、ピストン本体１９の頂面１９ａに余すことなく断熱層２１を形成するためには、ピストン本体１９の頂面１９ａに載せる断熱材５１の量を断熱層２１の形成に必要な量よりも多目にすることが好ましい。その場合、成形型４５によってピストン本体１９の頂面１９ａに押し付けられた断熱材５１の一部がピストン本体１９と成形型４５との間から側方へはみ出してピストン本体１９の側面に垂れてしまう。 By the way, in order to form the heat insulation layer 21 without leaving the top surface 19 a of the piston body 19, the amount of the heat insulating material 51 placed on the top surface 19 a of the piston body 19 is larger than the amount necessary for forming the heat insulation layer 21. It is preferable to see it. In that case, a part of the heat insulating material 51 pressed against the top surface 19 a of the piston body 19 by the molding die 45 protrudes from the side between the piston body 19 and the molding die 45 and hangs down on the side surface of the piston body 19. .
そこで、断熱材５１が側方へはみ出す前に、又は側方へはみ出して垂れる前に、図７に示すように、ピストン本体１９と成形型４５とをピストン本体１９が上になるように反転させる。これにより、側方にはみ出した断熱材５１は、成形型４５の側面に付着し、ピストン本体１９の側面に付着することが防止される。よって、ピストン本体１９の後処理に余分な工数をかける必要がなくなる。 Therefore, before the heat insulating material 51 protrudes to the side or before it protrudes to the side and hangs down, as shown in FIG. 7, the piston main body 19 and the mold 45 are reversed so that the piston main body 19 faces up. . Thereby, the heat insulating material 51 that protrudes to the side adheres to the side surface of the mold 45 and is prevented from adhering to the side surface of the piston main body 19. This eliminates the need for extra man-hours for the post-processing of the piston body 19.
図８はピストンの製造方法の別の形態を説明する図面である。この製造方法では、ピストン本体１９を支持台４１に支持した後、ピストンピンボス４７の中心位置ではなく、ピントン本体１９の頂面１９ａの位置を位置検出手段としてのレーザセンサ４３ａ，４３ｂによって検出する。その位置情報をスライダ４９の駆動制御部にインプットする。一方、成形型４５又はスライダ４９に装着した位置検出手段としての反射型レーザセンサ５５により、支持台４１からのレーザの反射を利用して成形型４５の成形面４５ａの位置を検出する。その位置情報をスライダ４９の駆動制御部にインプットする。 FIG. 8 is a drawing for explaining another embodiment of the piston manufacturing method. In this manufacturing method, after the piston main body 19 is supported on the support base 41, the position of the top surface 19a of the pinton main body 19 is detected by the laser sensors 43a and 43b as position detecting means instead of the center position of the piston pin boss 47. The position information is input to the drive control unit of the slider 49. On the other hand, the position of the molding surface 45 a of the molding die 45 is detected by using the reflection of the laser from the support base 41 by the reflection type laser sensor 55 as a position detecting means attached to the molding die 45 or the slider 49. The position information is input to the drive control unit of the slider 49.
上記ピントン本体１９の頂面１９ａの位置情報と成形型４５の成形面４５ａの位置情報とに基づいて、頂面１９ａと成形面４５とが所定クリアランスを隔てて対峙した状態になるように、加熱された成形型４５をスライダ４９によって下降させる。この場合の所定クリアランスは、断熱層２１の厚さに対応する。よって、所望厚さの（所望の断熱効果を有する）断熱層２１を形成することができる。 Based on the positional information of the top surface 19a of the pinton body 19 and the positional information of the molding surface 45a of the molding die 45, heating is performed so that the top surface 19a and the molding surface 45 are in a state of facing each other with a predetermined clearance. The formed mold 45 is lowered by the slider 49. The predetermined clearance in this case corresponds to the thickness of the heat insulating layer 21. Therefore, the heat insulation layer 21 having a desired thickness (having a desired heat insulation effect) can be formed.
＜その他の実施形態＞
本発明は、上記実施形態に限定されず、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。
<Other embodiments>
The present invention is not limited to the above embodiments, and can be implemented in various other forms without departing from the spirit or main features thereof.
上記実施形態では、シリコーン系樹脂に関して、ポリアルキルフェニルシロキサン等のシリコーン樹脂を例示したが、これに限らず、シロキサン結合の骨格を少なくとも一部に有する樹脂であればよい。 In the said embodiment, although silicone resin, such as polyalkylphenylsiloxane, was illustrated regarding silicone type resin, it is not restricted to this, What is necessary is just resin which has skeleton of a siloxane bond in at least one part.
このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。 As described above, the above-described embodiment is merely an example in all respects and should not be interpreted in a limited manner. Further, all modifications and changes belonging to the equivalent scope of the claims are within the scope of the present invention.
１ ピストン
３ シリンダブロック
５ シリンダヘッド
７ 吸気バルブ
１１ 排気バルブ
１９ ピストン本体
１９ａ 頂面
２１ 断熱層
２３ 基層
２５ 表面層
３１ 中空状粒子
３３ 基層の母材（シリコーン系樹脂）
３５ 表面層のＳｉ系酸化物を主体とする母材
４５ 成形型
４５ａ 成形面
Ｅ エンジン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piston 3 Cylinder block 5 Cylinder head 7 Intake valve 11 Exhaust valve 19 Piston main body 19a Top surface 21 Thermal insulation layer 23 Base layer 25 Surface layer 31 Hollow particle 33 Base layer base material (silicone resin)
35 Base material 45 mainly composed of Si-based oxide of surface layer Mold 45a Molding surface E Engine
Claims (5)
シリコーン系樹脂と中空状粒子とを含む断熱材を上記ピストン本体の頂面に載せる工程と、
上記断熱材を上記ピストン本体の頂面形状に倣った形状になるように成形型によって上記ピストン本体の頂面に押し付けることにより、上記断熱層を形成する工程とを備え、
上記断熱層を形成する工程において、上記断熱層をその表面側から上記成形型によって加熱し、該断熱層の表面の少なくとも一部のシリコーン系樹脂を酸化させることを特徴とするエンジン用ピストンの製造方法。 An engine piston manufacturing method in which a heat insulating layer containing hollow particles is formed on the top surface of a piston body,
Placing a heat insulating material containing a silicone-based resin and hollow particles on the top surface of the piston body;
Forming the heat insulating layer by pressing the heat insulating material against the top surface of the piston main body with a molding die so as to follow the shape of the top surface of the piston main body,
In the step of forming the heat insulating layer, the heat insulating layer is heated from the surface side by the molding die to oxidize at least a part of the silicone resin on the surface of the heat insulating layer. Method.
上記断熱層を形成する工程では、上記ピストン本体のピストンピンボスの中心位置を基準として、上記ピストン本体の頂面に向かって上記成形型を所定ストローク相対移動させることを特徴とするエンジン用ピストンの製造方法。 In claim 1,
In the step of forming the heat insulation layer, the piston for an engine is manufactured by moving the mold relative to the top surface of the piston body by a predetermined stroke relative to the center position of the piston pin boss of the piston body. Method.
上記断熱層を形成する工程では、上記成形型と上記ピストン本体の頂面とが所定クリアランスを隔てて対峙した状態になるように、上記ピストン本体の頂面に向かって上記成形型を相対移動させることを特徴とするエンジン用ピストンの製造方法。 In claim 1,
In the step of forming the heat insulating layer, the mold is relatively moved toward the top surface of the piston body so that the mold and the top surface of the piston body face each other with a predetermined clearance. An engine piston manufacturing method characterized by the above.
上記成形型の上記断熱材に接触する表面の温度は３００℃以上４００℃以下であることを特徴とするエンジン用ピストンの製造方法。 In any one of Claim 1 thru | or 3,
The method of manufacturing a piston for an engine, wherein the temperature of the surface of the mold that contacts the heat insulating material is 300 ° C or higher and 400 ° C or lower.
上記断熱材を上記ピストン本体の頂面に載せる工程では、上記断熱材の量を上記断熱層の形成に必要な量よりも多目にし、
上記断熱層を形成する工程において、上記ピストン本体と上記成形型との間から上記断熱材が側方へはみ出す前に、又は側方へはみ出して垂れる前に、上記ピストン本体と上記成形型とを上記ピストン本体が上になるように反転させることを特徴とするエンジン用ピストンの製造方法。 In any one of Claims 1 thru | or 4,
In the step of placing the heat insulating material on the top surface of the piston body, the amount of the heat insulating material is more than the amount necessary for forming the heat insulating layer,
In the step of forming the heat insulating layer, before the heat insulating material protrudes laterally from between the piston main body and the mold, or before the heat insulating material protrudes laterally and hangs down, the piston main body and the mold are formed. A method of manufacturing an engine piston, wherein the piston main body is inverted so that the piston body faces upward.
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