特許 7530574 内燃機関のピストン及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-31

(45)【発行日】2024-08-08

(54)【発明の名称】内燃機関のピストン及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   F02F 3/00 20060101AFI20240801BHJP

   F02F 3/10 20060101ALI20240801BHJP

   F16J 1/04 20060101ALI20240801BHJP

【ＦＩ】

F02F3/00 M

F02F3/00 G

F02F3/10 Z

F16J1/04

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020207560

(22)【出願日】2020-12-15

(65)【公開番号】P2022094593

(43)【公開日】2022-06-27

【審査請求日】2023-09-25

(73)【特許権者】

【識別番号】000002082

【氏名又は名称】スズキ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099623

【弁理士】

【氏名又は名称】奥山 尚一

(74)【代理人】

【氏名又は名称】松島 鉄男

(74)【代理人】

【識別番号】100125380

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 綾子

(74)【代理人】

【識別番号】100142996

【弁理士】

【氏名又は名称】森本 聡二

(74)【代理人】

【識別番号】100166268

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 祐

(74)【代理人】

【識別番号】100170379

【弁理士】

【氏名又は名称】徳本 浩一

(74)【代理人】

【氏名又は名称】有原 幸一

(72)【発明者】

【氏名】増原 真也

(72)【発明者】

【氏名】藤田 昌弘

【審査官】稲本 遥

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－０５２４５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２２３６６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－０１６９８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２１１４１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－０７６０５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００４／１０５９８０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０２－１０１１８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国実用新案第２０８６６９４５３（ＣＮ，Ｕ）

【文献】国際公開第２０１３／０２２０６２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１２－０１７７４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１１３９２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｆ ３／００－ ３／２８

Ｆ１６Ｊ １／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直線状の長手軸線に沿って延びるシリンダボア内にて前記シリンダボアの内周部に対して前記長手軸線に沿った長手方向に摺動可能に構成される外周部を有するピストン本体と、
前記ピストン本体の径方向に互いに対向しており、かつ前記ピストン本体の外周部から前記シリンダボアの底に向かって延びる２つのスカートと
を備え、
前記２つのスカートが、これらを対向させた方向であるスカート対向方向にてスラスト側に位置する第１スカートと、前記スカート対向方向にて反スラスト側に位置する第２スカートとから成り、
前記シリンダボアの内周部に対向する前記第１スカートの外周部上に第１被膜層が形成され、
前記シリンダボアの内周部に対向する前記第２スカートの外周部上に第２被膜層が形成される、内燃機関のピストンであって、
前記第１スカートの外周部の凹部に倣って前記第１被膜層の凹部が形成され、
前記第２スカートの外周部の凹部に倣って前記第２被膜層の凹部が形成され、
前記第１被膜層には、前記第２被膜層よりも多くの凹部が形成され、
前記第１被膜層の中央の特定部分にて単位面積中に前記凹部により占められる領域の大きさが、前記特定部分以外の前記第１被膜層の残部分にて単位面積中に前記凹部により占められる領域の大きさよりも大きくなっており、前記特定部分が前記残部分に囲まれている、内燃機関のピストン。

【請求項2】

直線状の長手軸線に沿って延びるシリンダボア内にて前記シリンダボアの内周部に対して前記長手軸線に沿った長手方向に摺動可能に構成される外周部を有するピストン本体と、前記ピストン本体の径方向に互いに対向しており、かつ前記ピストン本体の外周部から前記シリンダボアの底に向かって延びる２つのスカートとを含む粗材を備え、前記２つのスカートが、前記スカート対向方向にてスラスト側に位置する第１スカートと、前記スカート対向方向にて反スラスト側に位置する第２スカートとから成り、かつ前記第１及び第２スカートのそれぞれの外周部上に被膜層が形成される、内燃機関のピストンの製造方法であって、
前記ピストンの粗材を形作るべく、金属溶湯を前記第１スカートの外周部の一部分に対応するように配置された金型の流出口から、前記ピストンの粗材の形状に適合するように形成された前記金型のキャビティ部に流し込む工程と、
形作られた前記ピストンの粗材を前記金型のキャビティ部から取り出す工程と、
取り出された前記ピストンの粗材の表面に露出したシリコンをウォータージェット噴射によって除去する工程と、
前記シリコンを除去した前記ピストンの粗材の表面上に前記被膜層を形成する工程と
を含む内燃機関の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、シリンダボアの内周部に対して摺動可能である外周部を有する内燃機関のピストンに関する。本発明はまた、このような内燃機関のピストンの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

自動車等の車両に設けられるエンジン等の内燃機関において、ピストンは、直線状の長手軸線に沿って延びるシリンダボア内を長手軸線に沿った方向にて往復移動する。このとき、ピストンの外周部はシリンダボアの内周部に対して摺動する。典型的に、ピストンは、シリンダボアの内周部に対して摺動可能である外周部を有するピストン本体と、このピストン本体の外周部からシリンダボアの底側に延びる２つのスカートとを含んでおり、さらに、ピストンにおいては、シリンダボアの内周部に対するピストンの外周部の摩擦抵抗を低減するために、各スカートの外周部上に被膜層が形成されている。

【0003】

しかしながら、ピストンにおいては、被膜層による摩擦抵抗の低減効果に加えて、さらなる摩擦抵抗の低減効果を得ることが望まれる。そのため、さらなる摩擦抵抗の低減効果を得るために種々のピストンが提案されている。

【0004】

このようなピストンの一例としては、鋳造により形作られたピストンにおける２つのスカートの外周部に、複数のディンプルを形成するように、硬質粒子等のショット材をショットピーニングによって均一に吹き付けて、その後、２つのスカートの外周部上に、被膜層を形成するように樹脂を被膜させたピストンが挙げられる。このピストンにおいては、２つのスカートの外周部における複数のディンプルに倣うように、これらの外周部上における被膜層の外表面から凹む複数の凹部が形成されており、これら複数の凹部の大きさは互いに等しくなっており、かつ複数の凹部は被膜層全体にて均一に分布している。（例えば、特許文献１を参照。）

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１６－１６０２９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、ピストンにおいて、２つのスカートのうちスラスト側のスカートに作用する荷重は、これらのうち反スラスト側のスカートに作用する荷重よりも大きくなる。そのため、上記ピストンの一例のように、２つのスカートの被膜層における複数の凹部の大きさを互いに等しくし、かつ複数の凹部を被膜層全体にて均一に分布させたピストンにおいては、長期間の使用後に、スラスト側のスカートの被膜層における特定の領域の摩耗、特に、中央の領域の摩耗が、他の領域の摩耗よりも早くなる。この場合、ピストンの初期状態の摺動性能を長期間に亘って維持することが困難となる。

【0007】

例えば、このようなピストンにおいては、長期間の使用後に、２つのスカートに作用する荷重のバランスが崩れて、これによって、上記特定の領域における摩耗が、他の領域の摩耗よりも早期に促進し、ピストンの往復移動時に生じる振動が増大するおそれがある。

【0008】

また、上記ピストンの一例においては、ショットピーニングによって吹き付けられたショット材が、スカートの外周部に残存するおそれがある。このようなスカートの外周部には被膜層が密着し難い。この場合、ピストンの摩擦抵抗が増大するおそれがあり、かつピストンの摺動性能が低下するおそれがある。

【0009】

さらに、アルミニウム合金製のピストンの鋳造時において、ピストンの粗材の表面にシリコンが晶出することがある。そのため、このようなピストンの製造時においては、晶出したシリコンを除去するために、混酸処理が行われる。しかしながら、混酸処理においては、シリコンのみならずピストンの粗材が溶解するおそれがある。この場合、ピストンの粗材の形状精度が低下して、ひいては、ピストンの摩擦抵抗が増大するおそれがあり、かつピストンの摺動性能が低下するおそれがある。

【0010】

このような実情を鑑みると、内燃機関のピストン及びその製造方法においては、ピストンの摺動性能を効率的に向上させることが望まれる。

【課題を解決するための手段】

【0011】

課題を解決するために、一態様に係る内燃機関のピストンは、直線状の長手軸線に沿って延びるシリンダボア内にて前記シリンダボアの内周部に対して前記長手軸線に沿った長手方向に摺動可能に構成される外周部を有するピストン本体と、前記ピストン本体の径方向に互いに対向しており、かつ前記ピストン本体の外周部から前記シリンダボアの底に向かって延びる２つのスカートとを備え、前記２つのスカートが、これらを対向させた方向であるスカート対向方向にてスラスト側に位置する第１スカートと、前記スカート対向方向にて反スラスト側に位置する第２スカートとから成り、前記シリンダボアの内周部に対向する前記第１スカートの外周部上に第１被膜層が形成され、前記シリンダボアの内周部に対向する前記第２スカートの外周部上に第２被膜層が形成される、内燃機関のピストンであって、前記第１被膜層には、前記第２被膜層よりも多くの凹部が形成され、前記第１被膜層の特定部分にて単位面積中に前記凹部により占められる領域の大きさが、前記特定部分以外の前記第１被膜層の残部分にて単位面積中に前記凹部により占められる領域の大きさよりも大きくなっている。

【0012】

課題を解決するために、一態様に係る内燃機関のピストンの製造方法は、直線状の軸線に沿って延びるシリンダボア内にて前記シリンダボアの内周部に対して前記長手軸線に沿った長手方向に摺動可能に構成される外周部を有するピストン本体と、前記ピストン本体の径方向に互いに対向しており、かつ前記ピストン本体の外周部から前記シリンダボアの底に向かって延びる２つのスカートとを含む粗材を備え、前記２つのスカートが、前記スカート対向方向にてスラスト側に位置する第１スカートと、前記スカート対向方向にて反スラスト側に位置する第２スカートとから成り、かつ前記第１及び第２スカートのそれぞれの外周部上に被膜層が形成される、内燃機関のピストンの製造方法であって、前記ピストンの粗材を形作るべく、金属溶湯を前記第１スカートの外周部の一部分に対応するように配置された金型の流出口から、前記ピストンの粗材の形状に適合するように形成された前記金型のキャビティ部に流し込む工程と、形作られた前記ピストンの粗材を前記金型のキャビティ部から取り出す工程と、取り出された前記ピストンの粗材の表面に露出したシリコンをウォータージェット噴射によって除去する工程と、前記シリコンを除去した前記ピストンの粗材の表面上に前記被膜層を形成する工程とを含む。

【発明の効果】

【0013】

一態様に係る内燃機関のピストン及びその製造方法においては、ピストンの摺動性能を効率的に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、一実施形態に係るピストンとシリンダボアの縦断面とを正面視した状態で概略的に示す一部断面正面図である。

【図2】図２は、一実施形態に係るピストンを概略的に示すスラスト側の側面図である。

【図3】図３は、一実施形態に係るピストンを概略的に示す反スラスト側の側面図である。

【図4】図４は、一実施形態に係るピストンの製造方法を説明するためのフローチャートである。

【図5】図５は、一実施形態に係るピストンの製造方法において、鋳造工程に用いられる鋳造装置の一例を模式的に示す断面図である。

【図6】図６は、一実施形態に係るピストンの製造方法において、シリコン除去工程に用いられるウォータージェット噴射装置を、ピストンの粗材と共に模式的に示す正面図である。

【図7】図７（ａ）は、一実施形態に係るピストンの製造方法において、シリコン除去工程前のピストンの粗材における第１スカートの流出口対応部分の表面を模式的に示す拡大図であり、かつ図７（ｂ）は、一実施形態に係るピストンの製造方法において、シリコン除去工程後のピストンの粗材における第１スカートの流出口対応部分の表面を模式的に示す拡大図である。

【図8】図８（ａ）は、一実施形態に係るピストンの製造方法において、表面処理工程前のピストンの粗材における第１スカートの流出口対応部分を模式的に示す断面図であり、かつ図８（ｂ）は、一実施形態に係るピストンの製造方法において、表面処理工程後のピストンの粗材における第１スカートの流出口対応部分を模式的に示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

一実施形態に係る内燃機関のピストン及びその製造方法について、以下に説明する。本実施形態に係るピストンは、自動車のエンジンに用いられるものとなっている。しかしながら、ピストンは、自動車のエンジン以外の内燃機関に用いられるものであってもよい。例えば、ピストンは、船外機のエンジン、小型芝刈り機や発電機等に搭載される汎用エンジン等に用いられるものであってもよい。

【0016】

「ピストンの概略について」
最初に、図１～図３を参照して、本実施形態に係るピストン１の概略について説明する。すなわち、ピストン１は、概略的には次のように構成される。特に図１～図３に示すように、ピストン１は、直線状の長手軸線Ｌに沿って延びるシリンダボア２内にて長手軸線Ｌ（一点鎖線により示す）に沿った長手方向（図１～図３にて、２つの片側矢印Ｐ１，Ｐ２により示す）にて往復移動可能に構成される。なお、図１～図３においては、シリンダボア２の頂上側を向く長手方向の頂上側を片側矢印Ｐ１により示し、かつシリンダボア２の底側を向く長手方向の底側を片側矢印Ｐ２により示す。

【0017】

ピストン１は、シリンダボア２内にてシリンダボア２の内周部２ａに対して長手方向に摺動可能に構成される外周部１１ａを有するピストン本体１１を有する。ピストン１は、ピストン本体１１の１つの径方向にて互いに対向する２つのスカート１２，１３を有する。２つのスカート１２，１３は、ピストン本体１１の外周部１１ａからシリンダボア２の底に向かって延びる。なお、以下においては、径方向は、ピストン本体１１の径方向を指すものとして定義する。

【0018】

２つのスカート１２，１３は、これらを対向させた方向であるスカート対向方向にてスラスト側（図１にて片側矢印Ｑ１により示す）に位置する第１スカート１２と、スカート対向方向にて反スラスト側（図１にて片側矢印Ｑ２により示す）に位置する第２スカート１３とから成る。スカート対向方向は１つの径方向である。第１及び第２スカート１２，１３のそれぞれは、シリンダボア２の内周部２ａに対向する外周部１２ａ，１３ａを有する。図１において、スカート対向方向は、２つの片側矢印Ｑ１，Ｑ２により示される。

【0019】

図１及び図２に示すように、第１スカート１２の外周部１２ａ上には第１被膜層２０が形成される。図１及び図３に示すように、第２スカート１３の外周部１３ａ上には第２被膜層３０が形成される。第１被膜層２０には、第２被膜層３０よりも多くの凹部２１が形成される。

【0020】

図２に示すように、第１被膜層２０の特定部分２０ａにて単位面積中に凹部２１により占められる領域の大きさが、特定部分２０ａ以外の第１被膜層２０の残部分２０ｂにて単位面積中に凹部２１により占められる領域の大きさよりも大きくなっている。第１被膜層２０の特定部分２０ａは、長手方向にて、第１及び第２スカート１２，１３の外周部１２ａ，１３ａ上で規定される基準径を有する基準部分１ａに配置することができる。なお、図２において、特定部分２０ａは、仮想線、すなわち、二点鎖線によって囲まれている。

【0021】

「ピストンの詳細について」
図１～図３を参照すると、本実施形態に係るピストン１は、詳細には次のように構成することができる。ピストン１は、金属製の鋳造品である粗材１０を有する。粗材１０を構成する金属は、アルミニウム合金とすることができる。特に、金属は、Ａｌ（アルミニウム）－Ｓｉ（ケイ素）系のアルミニウム合金とすることができる。しかしながら、粗材の金属はこれに限定されない。例えば、粗材の金属は、アルミニウム、鉄、鉄合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金等とすることもできる。

【0022】

ピストン１は、ピストン本体１１の周方向にて２つのスカート１２，１３を連結するように形成される２つのサイドウォール１４，１５を有する。ピストン１は、ピストンピン（図示せず）を保持するように構成される２つのピンボス１６，１７を有する。２つのピンボス１６，１７は、それぞれ２つのサイドウォール１４，１５に設けられる。なお、以下においては、周方向は、ピストン本体１１の周方向を指すものとして定義する。

【0023】

このようなピストン１において、粗材１０は、ピストン本体１１と、第１及び第２スカート１２，１３と、２つのサイドウォール１４，１５と、２つのピンボス１６，１７とを含むことができる。

【0024】

さらに、ピストン１において、ピストン本体１１の外周部１１ａは、略円柱形状に形成される。その長手方向の頂上側端に位置するクラウン部１１ｂを有する。ピストン本体１１は、クラウン部１１ｂに対して長手方向の底側に位置するリングランド部１１ｃを有する。ピストン本体１１は、その外周部１１ａから凹むようにリングランド部１１ｃに形成される複数のリング溝１１ｄを有する。複数のリング溝１１ｄは、長手方向に互いに間隔を空けている。各リング溝１１ｄには、ピストンリング（図示せず）が嵌合される。

【0025】

第１及び第２スカート１２，１３の外周部１２ａ，１３ａのそれぞれは、バレル形状の曲面に沿って形成される。基準径は、ピストン１の基準となる外径である。基準径は、ピストン１及びシリンダボア２間の嵌め合いの関係で、スカート１２，１３の外周部１２ａ，１３ａにて上記スカート対向方向に沿ってそれぞれ設けられるスラスト側端区域及び反スラスト側端区域に基づいて、スカート１２，１３の長手方向の指定高さにて規定される外径である。図１～図３においては、この指定高さに位置する基準面Ｃが示されている。

【0026】

第１スカート１２を配置したスカート対向方向のスラスト側は、エンジンの稼働時において、ピストン１が上死点を通過した直後にシリンダボア２の内周部２ａから側圧を受ける方向である。第２スカート１３を配置したスカート対向方向の反スラスト側は、スカート対向方向にてスラスト側とは反対側を向く方向である。

【0027】

第１及び第２スカート１２，１３のそれぞれは、長手方向で見て、スカート対向方向に延びるスラスト軸線Ｍ（一点鎖線により示す）を基準として周方向にて略対称に形成される。スラスト軸線Ｍは、スカート１２，１３の周方向の略中心を通るように直線状に延びる。スラスト軸線Ｍは、スカート１２，１３の長手方向の指定高さに位置する。

【0028】

２つのピンボス１６，１７は、スラスト対向方向とは別の１つの径方向であるボス対向方向（図２及び図３にて、２つの片側矢印Ｒ１，Ｒ２により示す）にて対向する。なお、図２及び図３においては、ボア対向方向の一方側を片側矢印Ｒ１により示し、かつボア対向方向の他方側を片側矢印Ｒ２により示す。ボス対向方向は、長手方向及びスラスト対向方向と略直交する。スラスト対向もまた、長手方向及びボス対向方向と略直交する。

【0029】

２つのサイドウォール１４，１５の外周部１４ａ，１５ａは、第１及び第２スカート１２，１３の外周部１２ａ，１３ａよりも径方向の中心寄りに配置される。２つのサイドウォール１４，１５のそれぞれは、長手方向で見て、ボア対向方向に延びるボア軸線Ｎ（一点鎖線により示す）を基準として周方向にて略対称に形成される。ボア軸線Ｎは、長手方向にてピストン本体１１のクラウン部１１ｂの基準位置から所定のコンプレッション高さ離れて位置する。

【0030】

２つのピンボス１６，１７は、ボア軸線Ｎに沿って延びる貫通孔１６ａ，１７ａを有する。貫通孔１６ａ，１７ａは、ピストンピン（図示せず）が嵌合可能となるように形成される。

【0031】

第１及び第２被膜層２０，３０のそれぞれは、樹脂材料を含有する。この樹脂材料は、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のような低い摩擦抵抗性及び高い耐熱性を有する樹脂材料とすることができる。しかしながら、樹脂材料は、これに限定されない。

【0032】

第１及び第２被膜層２０，３０のそれぞれは、上記樹脂材料と、グラファイト、二硫化モリブデン等のような固体潤滑剤と、酸化チタン等のような微小粒子とを含有することができる。第１及び第２被膜層２０，３０は、同様の成分によって構成することができる。しかしながら、第１及び第２被膜層は、異なる成分によって構成することもできる。

【0033】

図１及び図２を参照すると、第１被膜層２０は、複数の凹部２１を有する。第１被膜層２０の各凹部２１は、第１被膜層２０の外表面から第１スカート１２の外周部１２ａに向かって凹むように形成される。

【0034】

第１被膜層２０における特定部分２０ａの径方向の中心は、スラスト軸線Ｍと略一致させることができる。特定部分２０ａの長手方向の中心は、基準面Ｃと略一致させることができる。スラスト軸線Ｍは、基準面Ｃに沿って位置する。第１被膜層２０の凹部２１は、特定部分２０ａ及び残部分２０ｂの両方に配置されている。特定部分２０ａに位置する凹部２１は、残部分２０ｂに位置する凹部２１よりも大きくなっている。しかしながら、第１被膜層の凹部は、特定部分のみに配置することができる。特定部分に位置する凹部は、残部分に位置する凹部と実質的に同じ大きさにすることもできる。

【0035】

図１及び図３を参照すると、第２被膜層３０は、複数の凹部３１を有する。第２被膜層３０の各凹部３１は、第２被膜層３０の外表面から第２スカート１３の外周部１３ａに向かって凹むように形成される。第２被膜層３０に位置する凹部３１は、第１被膜層２０の特定部分２０ａに位置する凹部２１よりも小さくなっている。しかしながら、第１被膜層の凹部は、特定部分のみに配置することもできる。第２被膜層に位置する凹部は、第１被膜層の特定部分に位置する凹部と実質的に同じ大きさにすることもできる。

【0036】

「ピストンの製造方法の概略について」
次に、図４～図８を参照して、本実施形態に係るピストン１の製造方法の概略について説明する。すなわち、ピストン１の製造方法は、概略的には次のようになっている。図４及び図５を参照すると、ピストン１の製造方法は、ピストン１の粗材１０を形作るべく、図５にて片側矢印Ｆによって示すように、金属溶湯Ｅを金型４０の流出口４１から、金型４０のキャビティ部４２に流し込む工程（鋳造工程）Ｓ１を含む。

【0037】

図５に示されるように、鋳造工程Ｓ１にて用いられる金型４０の流出口４１は、粗材１０における第１スカート１２の外周部１２ａの一部分（以下、必要に応じて「流出口対応部分」という）１２ｂに対応するように配置される。この流出口対応部分１２ｂは、第１被膜層２０の特定部分２０ａに対応する。金型４０のキャビティ部４２は、粗材１０の形状に適合するように形作られる。

【0038】

図４に示されるように、ピストン１の製造方法は、形作られたピストン１の粗材１０を金型４０のキャビティ部４２から取り出す工程（取り出し工程）Ｓ２を含む。図４、図６、及び図７を参照すると、ピストン１の製造方法は、取り出された粗材１０の表面に露出したシリコンＧをウォータージェット噴射によって除去する工程（シリコン除去工程）Ｓ５を含む。図４及び図８を参照すると、ピストン１の製造方法は、シリコンＧを除去したピストン１の粗材１０の表面上に第１及び第２被膜層２０，３０を形成する工程（表面処理工程）Ｓ６を含む。

【0039】

「ピストンの製造方法の詳細について」
次に、図４～図８を参照すると、ピストン１の製造方法は、詳細には次のようにすることができる。図４及び図５を参照すると、鋳造工程Ｓ１にて用いられる金属溶湯Ｅは、上述した粗材１０を構成する金属と同様の金属から構成される。鋳造工程Ｓ１においては、重力鋳造法が用いられる。

【0040】

このような重力鋳造法を用いる場合、金型４０にて強制的に冷却水を循環させずに自然冷却が行われる。そのため、多くの場合において、ピストン１の粗材１０内で最終的に冷え固まる部分は、高温の金属溶湯Ｅが金型４０のキャビティ部４２に向かって流出する流出口４１に対向する部分１２ｂ、すなわち、流出口対応部分１２ｂとなる。この部分には、例えば、Ａｌ－Ｓｉ系のアルミニウム合金中の成分であるシリコンＧ、特に、初晶シリコンＧが粗大化し、かつ高密度に晶出する傾向がある。

【0041】

さあに、図４に示すように、ピストン１の製造方法は、取り出し工程Ｓ２にて金型４０から取り出された粗材１０の強度、硬さ等を調整すべく、粗材１０に対して加熱処理、冷却処理等を施す工程（熱処理工程）Ｓ３を含む。例えば、熱処理工程Ｓ３は、人工時効硬化処理のみを行うＴ５熱処理、溶体化処理、及び人工時効硬化処理を行うＴ６熱処理等とすることができる。

【0042】

ピストン１の製造方法は、熱処理工程Ｓ３を施された粗材１０の形状を整えるために粗材１０に対して切削加工を施す工程（機械加工工程）Ｓ４を含む。例えば、機械加工工程Ｓ４においては、粗材１０の内径、外径、第１及び第２スカート１２，１３の表面粗さ等の寸法精度、粗材１０のリング溝１１ｄ、第１及び第２スカート１２，１３等の形状精度等を高めるべく、粗材１０を、精密旋盤等を用いた切削加工によって仕上げることができる。機械加工工程Ｓ４の切削加工によって、第１及び第２スカート１２，１３の表面は、条痕を有するように形作られる。

【0043】

図７（ａ）に示すように、シリコン除去工程Ｓ５前のピストン１の粗材１０における第１及び第２スカート１２，１３の外周部１２ａ，１３ａの表面、特に、第１スカート１２の流出口対応部分１２ｂの表面には、点線で示すようにシリコンＧ、特に、初晶シリコンＧが晶出している。

【0044】

図６に示すように、シリコン除去工程Ｓ５のウォータージェット噴射においては、このような表面に対して、ウォータージェット噴射機のノズル５０から略垂直に水Ｗを噴射する。一例として、ウォータージェット噴射における水Ｗの噴射圧力は、約１００ＭＰａ～約２００ＭＰａとすることができる。しかしながら、噴射圧力はこれに限定されない。噴射圧力は、ノズルと粗材との距離等に応じて適宜設定することができる。

【0045】

その結果、図７（ｂ）及び図８（ａ）に示すように、シリコン除去工程Ｓ５後のピストン１の粗材１０における第１スカート１２の外周部１２ａの表面、特に、第１スカート１２の流出口対応部分１２ｂの表面には、シリコンＧを除去した部分に凹部１２ｃ（図２、図７（ａ）、図７（ｂ）、図８（ａ）、及び図８（ｂ）に示す）が形成される。凹部１２ｃは、アンカー形状に形成される。第２スカート１３の外周部１３ａの表面にもまた、シリコンＧを除去した部分に凹部１３ｂ（図３に示す）が形成される。

【0046】

図４及び図８を参照すると、表面処理工程Ｓ６においては、第１及び第２被膜層２０，３０は、バインダーである樹脂材料に固体潤滑剤及び微小粒子を分散させた薬剤を、スクリーン法、スプレー法等によって第１及び第２スカート１２，１３の外周部１２ａ，１３ａに印刷した後に、これらを焼成することによって形成することができる。しかしながら、表面処理工程においては、これ以外の工程によって、第１及び第２被膜層を形成することもできる。

【0047】

図８（ｂ）に示すように、表面処理工程Ｓ６によって、第１スカート１２の外周部１２ａの凹部１２ｃに倣って第１被膜層２０の凹部２１が形成される。特に、第１スカート１２の流出口対応部分１２ｂの凹部１２ｃに倣って第１被膜層２０の特定部分２０ａの凹部２１が形成される。第１被膜層２０は、アンカー形状の凹部１２ｃによってもたらされるアンカー効果によって第１スカート１２と密着する。

【0048】

また、表面処理工程Ｓ６によって、第２スカート１３の外周部１３ａの凹部１３ｂに倣って第２被膜層３０の凹部３１が形成される。第２被膜層３０は、アンカー形状の凹部１３ｂによってもたらされるアンカー効果によって第２スカート１３と密着する。

【0049】

以上、本実施形態に係る内燃機関のピストン１は、直線状の長手軸線Ｌに沿って延びるシリンダボア２内にて前記シリンダボア２の内周部２ａに対して前記長手軸線Ｌに沿った長手方向に摺動可能に構成される外周部１１ａを有するピストン本体１１と、前記ピストン本体１１の径方向に互いに対向しており、かつ前記ピストン本体１１の外周部１１ａから前記シリンダボア２の底に向かって延びる２つのスカート１２，１３とを備え、前記２つのスカート１２，１３が、これらを対向させた方向であるスカート対向方向にてスラスト側に位置する第１スカート１２と、前記スカート対向方向にて反スラスト側に位置する第２スカート１３とから成り、前記シリンダボア２の内周部２ａに対向する前記第１スカート１２の外周部１２ａ上に第１被膜層２０が形成され、前記シリンダボア２の内周部２ａに対向する前記第２スカート１３の外周部１３ａ上に第２被膜層３０が形成される、内燃機関のピストン１であって、前記第１被膜層２０には、前記第２被膜層３０よりも多くの凹部２１が形成され、前記第１被膜層２０の特定部分２０ａにて単位面積中に前記凹部２１により占められる領域の大きさが、前記特定部分２０ａ以外の前記第１被膜層２０の残部分２０ｂにて単位面積中に前記凹部２１により占められる領域の大きさよりも大きくなっている。

【0050】

このようなピストン１においては、第１スカート１２上の第１被膜層２０の凹部２１、特に、第１被膜層２０の特定部分２０ａの凹部２１に溜まるオイルが、第２スカート１３上の第２被膜層３０の凹部３１に溜まるオイルよりも多くなる。そのため、スラスト側の第１スカート１２に作用する荷重が、反スラスト側の第２スカート１３に作用する荷重よりも大きくなったとしても、スラスト側の第１被膜層２０の耐焼き付き性能を、反スラスト側の第２被膜層３０の耐焼き付き性能よりも高めることができる。

【0051】

そして、このようなピストン１を長期間に亘って使用したとしても、スラスト側の第１被膜層２０の摩耗量と、反スラスト側の第２被膜層３０の摩耗量とを実質的に等しくすることができる。そのため、ピストン１の初期状態の摺動性能を長期間に亘って維持することができる。よって、本実施形態に係るピストン１においては、ピストン１の摺動性能を効率的に向上させることができる。

【0052】

本実施形態に係るピストン１においては、前記第１被膜層２０の特定部分２０ａが、前記長手方向にて、前記第１及び第２スカート１２，１３の外周部１２ａ，１３ａ上で規定される基準径を有する基準部分１ａに配置されている。

【0053】

このようなピストン１においては、他の部分よりも大きな荷重を受ける基準部分１ａに配置される第１被膜層２０の特定部分２０ａに溜まるオイル溜まりを、他の部分のオイル溜まりよりも多くすることができる。そのため、スラスト側の第１被膜層２０の特定部分２０ａにおける耐焼き付き性能を、第１被膜層２０の残部分２０ｂ及び反スラスト側の第２被膜層３０における耐焼き付き性能よりも高めることができる。よって、ピストン１の初期状態の摺動性能を長期間に亘って維持することができる。すなわち、ピストン１の摺動性能を効率的に向上させることができる。

【0054】

本実施形態に係る内燃機関のピストン１の製造方法は、直線状の長手軸線Ｌに沿って延びるシリンダボア２内にて前記シリンダボア２の内周部２ａに対して前記長手軸線Ｌに沿った長手方向に摺動可能に構成される外周部１１ａを有するピストン本体１１と、前記ピストン本体１１の径方向に互いに対向しており、かつ前記ピストン本体１１の外周部１１ａから前記シリンダボア２の底に向かって延びる２つのスカート１２，１３とを含む粗材１０を備え、前記２つのスカート１２，１３が、前記スカート対向方向にてスラスト側に位置する第１スカート１２と、前記スカート対向方向にて反スラスト側に位置する第２スカート１３とから成り、かつ前記第１及び第２スカート１２のそれぞれの外周部１２ａ，１３ａ上に被膜層２０，３０が形成される、内燃機関のピストン１の製造方法であって、前記ピストン１の粗材１０を形作るべく、金属溶湯Ｅを前記第１スカート１２の外周部１２ａの一部分１２ｂに対応するように配置された金型４０の流出口４１から、前記ピストン１の粗材１０の形状に適合するように形成された前記金型４０のキャビティ部４２に流し込む工程Ｓ１と、形作られた前記ピストン１の粗材１０を前記金型４０のキャビティ部４２から取り出す工程Ｓ２と、取り出された前記ピストン１の粗材１０の表面に露出したシリコンＧをウォータージェット噴射によって除去する工程Ｓ５と、前記シリコンＧを除去した前記ピストン１の粗材１０の表面上に前記被膜層２０，３０を形成する工程Ｓ６とを含む。

【0055】

このような製造方法によって作製されるピストン１においては、第１スカート１２上の第１被膜層２０の凹部２１、特に、第１被膜層２０の特定部分２０ａの凹部２１に溜まるオイルが、第２スカート１３上の第２被膜層３０の凹部３１に溜まるオイルよりも多くなる。そのため、スラスト側の第１スカート１２に作用する荷重が、反スラスト側の第２スカート１３に作用する荷重よりも大きくなったとしても、スラスト側の第１被膜層２０の耐焼き付き性能を、反スラスト側の第２被膜層３０の耐焼き付き性能よりも高めることができる。

【0056】

そして、このようなピストン１を長期間に亘って使用したとしても、スラスト側の第１被膜層２０の摩耗量と、反スラスト側の第２被膜層３０の摩耗量とを実質的に等しくすることができる。そのため、ピストン１の初期状態の摺動性能を長期間に亘って維持することができる。よって、本実施形態に係るピストン１においては、ピストン１の摺動性能を効率的に向上させることができる。

【0057】

さらに、ピストン１の粗材１０の表面に晶出したシリコンＧを除去するために用いられるウォータージェット噴射は、ショットピーニング、混酸処理等と比較して、ピストン１の粗材１０に与えるダメージを少なくできる。そのため、ピストン１の形状精度を高くすることができる。よって、本実施形態に係るピストン１の製造方法においては、ピストン１の摺動性能を効率的に向上させることができる。

【0058】

ここまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、その技術的思想に基づいて変形及び変更可能である。

【実施例】

【0059】

「実施例」
実施例について説明する。実施例においては、上記実施形態に係る製造方法によって、Ａｌ－Ｓｉ系のアルミニウム合金製の上記実施形態に係るピストン１を製造した。さらなる条件としては、鋳造工程Ｓ１においては、金属溶湯ＥをＡｌ－Ｓｉ系のアルミニウム合金の溶湯Ｅとした。熱処理工程Ｓ３においては、Ｔ６熱処理を実施した。シリコン除去工程Ｓ５においては、第１及び第２スカート１２，１３に対してのみウォータージェット噴射を施した。なお、ウォータージェット噴射における水Ｗの噴射圧力を約１６０ＭＰａとした。

【0060】

このような実施例において、表面処理工程Ｓ６前のピストン１の粗材１０における第１及び第２スカート１２，１３の表面を、約２００倍の倍率に設定した光学顕微鏡によって観察した。さらに、第１スカート１２の流出口対応部分１２ｂに形成される複数の凹部１２ｃ及び第２スカート１３に形成される複数の凹部１３ｂのそれぞれの寸法を、その凹部１３ｂの輪郭から任意に抽出された３点の測定点から導き出される直径によって得て、さらに、これらの寸法の平均値を算出した。表面処理工程Ｓ６後のピストン１における第１及び第２スカート１２，１３上の第１及び第２被膜層２０，３０の表面を、約４０倍の倍率に設定したＳＥＭ（走査電子顕微鏡）によって観察した。

【0061】

「比較例」
比較例について説明する。比較例においては、シリコン除去工程を実施しない点を除いて実施例と同様の製造方法によって、Ａｌ－Ｓｉ系のアルミニウム合金製のピストンの粗材を製造した。このような比較例において、表面処理工程前のピストンの粗材における第１及び第２スカートの表面を、約２００倍の倍率に設定した光学顕微鏡によって観察した。表面処理工程後のピストンにおける第１及び第２スカート上の第１及び第２被膜層の表面を、約４０倍の倍率に設定したＳＥＭによって観察した。

【0062】

これら実施例及び比較例における光学顕微鏡の観察結果を対比すると、次のようなことが確認できた。実施例においては、第１スカート１２の表面上における多数の凹部１２ｃの存在と、第２スカート１３の表面上における多数の凹部１３ｂの存在とを確認できた。その一方で、比較例においては、第１及び第２スカートの表面が滑らかであることを確認した。すなわち、比較例においては、第１及び第２スカートの表面上における凹部の存在を確認できなかった。そのため、ウォータージェット噴射を行う表面処理工程によって、第１及び第２被膜層２０，３０の凹部２１，３１を形成するように、第１スカート１２の凹部１２ｃ及び第２スカート１３の凹部１３ｂを確実に形成できることが確認できた。

【0063】

実施例において、第１スカート１２の流出口対応部分１２ｂの凹部１２ｃ及び第２スカート１３の凹部１３ｂにおける寸法の平均値を対比すると、次のようなことが確認できた。第１スカート１２の流出口対応部分１２ｂの凹部１２ｃにおける寸法の平均値は、約４４μｍであった。第２スカート１３の凹部１３ｂにおける寸法の平均値は、約３３μｍであった。さらに、実施例における光学顕微鏡の観察結果によれば、第１スカート１２の流出口対応部分１２ｂに形成されるにおける複数の凹部１２ｃが、第２スカート１３における複数の凹部１３ｂよりも密集していることが確認できた。そのため、実施例においては、第１被膜層２０の特定部分２０ａに、良好なオイル溜まりをもたらす凹部２１を形成するように、第１スカート１２の流出口対応部分１２ｂに凹部１２ｃを確実に形成できることが確認できた。

【0064】

実施例及び比較例におけるＳＥＭの観察結果を対比すると、次のようなことが確認できた。実施例においては、第１被膜層２０における多数の凹部２１の存在と、第２被膜層３０における多数の凹部３１の存在とを確認できた。比較例においては、第１及び第２被膜層の表面が滑らかであることを確認した。すなわち、比較例においては、第１及び第２被膜層における凹部の存在を確認できなかった。そのため、ウォータージェット噴射を行う表面処理工程によって、第１及び第２被膜層２０，３０の凹部２１，３１を確実に形成できることが確認できた。

【符号の説明】

【0065】

１…ピストン、１ａ…基準部分
２…シリンダボア、２ａ…内周部
１０…粗材、１１…ピストン本体、１１ａ…外周部、１２…第１スカート（スカート）、１２ａ…外周部、１２ｂ…一部分（流出口対応部分）、１３…第２スカート（スカート）、１３ａ…外周部
２０…被膜層、第１被膜層、２０ａ…特定部分、２０ｂ…残部分、２１…凹部
３０…被膜層、第２被膜層
４０…金型、４１…流出口、４２…キャビティ部
Ｌ…長手軸線、Ｅ…金属溶湯、Ｇ…シリコン、初晶シリコン
Ｓ１…鋳造工程（工程）、Ｓ２…取り出し工程（工程）、Ｓ５…シリコン除去工程（工程）、Ｓ６…表面処理工程（工程）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】