過共晶ピストン

過共晶ピストンは、シリコン含有量が共晶点の12重量パーセントを超える過共晶アルミニウム合金を使用して鋳造された内燃機関の ピストンです。 ^[1]ほとんどのアルミニウムシリコン鋳造合金は亜共晶、つまりシリコン含有量が共晶点よりも低く、凝固中の共晶反応によって形成された比較的微細な元素シリコン結晶を含みます。微細なシリコン結晶に加えて、過共晶合金には共晶反応前に形成される大きな一次シリコン結晶も含まれています。その結果、シリコンの相分率がはるかに高くなります。その結果、過共晶アルミニウムは熱膨張係数が低くなり、エンジン設計者ははるかに厳しい許容範囲を指定できます。これらの合金のシリコン含有量は通常16〜19重量パーセントで、この含有量を超えると機械的特性と鋳造性が大幅に低下します。ピストン材料全体に一次シリコン粒子を均一に分散させるには、特殊な金型、鋳造、および冷却技術が必要です。

ほとんどの自動車エンジンでは、鉄製のシリンダー内で動くアルミニウム製のピストンが使用されています。ガソリン エンジンのピストン クラウンの通常動作時の平均温度は、通常約 300 °C (570 °F) で、エンジン ブロック内を流れる冷却液は通常約 90 °C (190 °F) に調整されています。この温度範囲ではアルミニウムは鉄よりも膨張するため、通常の動作温度でピストンがシリンダーに適切にフィットするには、冷間時にピストンがゆるくフィットしている必要があります。

1970年、排気ガス汚染に対する懸念の高まりから、米国政府は環境保護庁（EPA）を設立し、自動車メーカーにエンジンをよりクリーンに動作させるための変更を導入することを要求する規則の作成と施行を開始しました。1980年代後半までには、自動車の排気ガス汚染は著しく改善されました。より厳しい規制により、自動車メーカーは電子制御燃料噴射と過共晶ピストンの使用を採用することを余儀なくされました。ピストンに関しては、始動時にエンジンが冷えていると、少量の燃料がピストンリングの間に閉じ込められることが判明しました。^[要出典]エンジンが温まると、ピストンが膨張してこの少量の燃料を排出し、排気ガス中の未燃焼炭化水素の量が増加しました。

ピストン合金にシリコンを加えることで、ピストンの膨張が劇的に減少しました。これにより、エンジニアはピストンとシリンダー ライナー間のクリアランスを小さく指定できるようになりました。シリコン自体はアルミニウムよりも膨張しません。シリコンを追加するもう 1 つの利点は、ピストンが硬くなり、始動時に比較的乾燥したシリンダー内で柔らかいアルミニウム ピストンを冷間回転させる場合や異常に高い動作温度のときに発生する可能性のあるスカッフィングの影響を受けにくくなることです。

ピストンにシリコンを追加することの最大の欠点は、シリコンとアルミニウムの比率が増加するとピストンが脆くなることです。これにより、エンジンが早発着火やデトネーションを経験すると、ピストンが割れやすくなります。

自動車愛好家がエンジンのパワーを上げたい場合、何らかの強制吸気を追加することがあります。吸気サイクルごとにより多くの空気と燃料を圧縮することで、エンジンのパワーを劇的に上げることができます。これにより、シリンダー内の熱と圧力も増加します。

ガソリン エンジンの排気ガスの通常の温度は、約 650 °C (1,200 °F) です。これは、ほとんどのアルミニウム合金の融点とほぼ同じで、ピストンの変形や故障を防ぐのは、周囲の空気の継続的な流入だけです。強制誘導により、「ブースト中」の動作温度が上昇し、エンジンが放出できるよりも速く余分な熱が加えられると、シリンダーの温度が上昇して、圧縮ストロークで空気と燃料の混合物が点火イベントの前に自動発火します。これは、突然の衝撃波と圧力スパイクを引き起こすエンジン ノッキングの一種で、衝撃によって引き起こされる表面疲労が原因でピストンが故障する可能性があります。これにより、ピストンの表面が侵食されます。

「4032」高性能ピストン合金には、約 11% のシリコンが含まれています。つまり、シリコンを含まないピストンよりも膨張率が低くなりますが、シリコンは分子レベルで完全に合金化されているため (共晶)、合金はストックの過共晶「スモッグ」(低圧縮) ピストンよりも脆くなく、柔軟性があります。これらのピストンは、ストックのピストンよりも損傷が少なく、軽度のデトネーションに耐えることができます。4032 および過共晶合金は熱膨張率が低いです。これにより、組み立て温度でピストンとシリンダー ボアのフィットがより緊密になります。

「2618」高性能ピストン合金はシリコン含有量が 2% 未満で、低共晶合金とも言えます。この合金は、最も多くのデトネーションと酷使に耐えながら、最小限の損傷しか受けません。この合金で作られたピストンは、商用ディーゼル エンジンで最も一般的に使用されているため、通常より厚く重く作られています。これは、これらのピストンが通常の用途で通常よりも高い温度にさらされることと、シリコン含有量が少ないために熱膨張率が高く、熱膨張が大きいためです。これらのピストンは、組み立て温度でピストンとシリンダー ボアのクリアランスを大きくする必要があります。これにより、「ピストン スラップ」と呼ばれる状態が発生します。これは、ピストンがシリンダー内で揺れ、エンジンが動作温度まで温まるまで続く、聞こえるタッピング音が発生する状態です。

ピストンを鋳造する場合、合金は溶融するまで加熱されます。次に、基本形状を作成するために鋳型に流し込まれます。合金が冷却されて固まった後、鋳型から取り出され、粗鋳物は最終形状に機械加工されます。より強力なピストンを必要とする用途では、鍛造プロセスが使用されます。

鍛造工程では、鋳物がまだ熱く半固体の状態でダイセットに入れられます。油圧プレスを使用して、鋳物が大きな圧力で押し付けられます。これにより、潜在的な多孔性が除去され、合金粒子が単純な鋳造のみで達成できるよりも密に押し付けられます。その結果、はるかに強度の高い材料が完成します。

最も一般的な 4032 および 2618 合金から作られたアフターマーケットのパフォーマンスピストンは、通常、鍛造されています。^{[引用が必要]}

4032 合金と 2618 合金の両方の鍛造ピストンと比較すると、過共晶ピストンは強度が低くなります。したがって、ブースト、亜酸化窒素、および/または高 RPM を使用するパフォーマンス アプリケーションでは、鍛造ピストン (いずれかの合金製) が好まれます。ただし、過共晶ピストンは鍛造ピストンよりも熱膨張が少なくなります。このため、過共晶ピストンは鍛造ピストンよりも狭いピストンとシリンダーのクリアランスで動作できます。このため、究極のパフォーマンスよりも寿命が重要なストック エンジンには、過共晶ピストンの方が適しています。一部の車両では、工場出荷時に鍛造ピストンが使用されています。ダッジ バイパーは、1992 年から 1999 年のモデルまで鍛造ピストンを使用し、その後、過共晶に切り替えました。最後の世代のバイパー(2013 年から 2017 年) は鍛造ピストンを使用していました。すべてのホンダ S2000 は鍛造ピストンを使用しています。

• Y合金
• ヒドゥミニウム