JPS5853185B2 - 内燃機関用ピストン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明の第１の発明は燃焼室凹部が形成されたピストン
ヘッドを備え、このピストンヘッドの部分が陽極処理被
膜で被覆されている内燃機関用軽合金ピストンに関し、
第２の発明は燃焼室凹部とこの燃焼室凹部に通じる燃料
導溝とが形成されたピストンヘッドを備え、このピスト
ンヘッドの部分が陽極処理被膜で被覆されている内燃機
関用軽合金ピストンに関する。

特に、高速用ディーゼルエンジンには、軽合金製ピスト
ンが広く用いられているが、それは軽合金製ピストンが
中圧範囲の高域で熱伝導性がより良好であるので、ねず
み鋳鉄製ピストンと比較して温度が非常に低く抑えられ
るからである。

軽合金ピストンは、また材料である軽合金の特性の改良
により、熱分布が比較的均一に行なわれ、従って内部応
力が減少し、熱膨張による亀裂の可能性が減少する。

さらに重さがねずみ鋳鉄ピストンと較べて半分でしかな
いことも軽合金ピストンの利点であるが、これにより、
エンジンの町動部重量をより少なくしかつ質量の均衡化
（Ｍａｓｓｅｎａｕｓ−ｇｌｅｉｃｈ）を容易にする。

それ故、ピストン速度を高めることができる。

ディーゼルエンジンに高い負荷がかかると、軽合金ピス
トンは比較的高いガス圧を受け、結果として相当する機
械的応力の上昇を伴い、並びに増加する熱の浸入のため
温度の上昇と、温度匂配からくる応力に曝される。

温度は、特にピストン・ヘッドにおいては約３００℃ま
たはそれ以上になるので、従来の軽合金ピストン材料の
耐熱性は不十分で、それがために熱ひずみによる亀裂を
生じ得る。

特に、局所的に、例えば燃焼室下にひどい過熱が起ると
、ピストン・ヘッドは柔かくなり、さらに溶融へと進む
。

熱に因る亀裂や溶融に対する対策として次のものが知ら
れている： ａ）ピストン・ヘッドをスプレー冷却するか、或いはピ
ストン・ヘッド中に埋込まれた冷却コイル中に冷媒を流
すことによってピストン・ヘッドの温度をその材料の最
大許容限界内の低温度に保つ。

ｂ）耐熱性、耐久性および高融点を合せもつ材料でピス
トン・ヘッド表面に被覆層を形成する。

Ｃ）直接噴射型ディーゼル・エンジン用ピストンの燃焼
室縁に、或いはピストン・ヘッドにおける強い過熱を受
ける危険性のある場所に、例えば鉄含有材料の補強部材
を流し込み接合 （Ｅｉｎｇｉｅｓｓｅｎ ）により取付ける。

ｄ）ピストン・ヘッドに設けられた通し孔に弁様の挿入
体（複数個）をねじ込みにより組込む。

但しこの場合は、挿入体と孔との間のシールが不良な場
合、燃焼ガスの一部がクランク・ケースに吹き込むとい
う欠点がある。

以上の対策により、軽合金ピストンが熱の過負荷を受け
ることに原因する亀裂、軟化或いは溶融の問題が十分に
解決される。

しかしながら、ディーゼル・エンジン、特ニ直接噴射を
行なうもののピストンの場合に、熱のため燃焼室くぼみ
もしくは凹部の縁部から発する疲労亀裂の起るのを防止
するには、上述の諸対策では十分ではない。

即ち燃焼室凹部内では、６００℃以下であるが、従来の
軽合金ピストン材料の許容温度負荷を遥かに越える高温
に達するため、特に燃焼室凹部の縁部が、なかんずく燃
焼室凹部が非常に深いか、或いはアンダーカット（ｈｉ
ｎｔｅｒｓｃ−ｈｎｉ ｔｔｅｎ ）されている場合、
限界応力状態下に置かれる。

この帯域における熱の移動は加速されたガス流により増
大するが、しかしなかんずく燃焼室凹部の開き角が小さ
い場合は熱の分散は抑制されて、これにより燃焼室凹部
の縁部の温度が上昇する。

結果として温度分布に原因する大きい接線応力とともに
、弾性限界を越える応力が生じる。

ディーゼル・エンジンの負荷の変化ないし運転停止によ
る冷却によって、引張り応力が生じる。

このような過程がしばしば繰返される一乗物用のエンジ
ンの場合はまさにこれに当るーと、温度変化による疲労
亀裂が生じる。

この亀裂は必常に深くまで延び、冷却室を設けたピスト
ンの場合には、キャビティにまで達し、その結果燃焼ガ
スの吹出しが生じる。

くぼみ縁に対する荷重は、ガス力や温度分布に原因する
応力を低下するための設計の最適化、並びに縁部や弁ポ
ケットもしくは弁リセスを丸味化することにより成る程
度までは除くことが可能である。

材質上からは、耐熱性とともに、なかんずく熱膨張や最
大そ性歪（ｐｌａｓｔ １ｓｃｈｅ Ｄｅｈｎｖｅｒ
ｍ’ｏ−ｇｅｎ ）が重要である。

比較実験によれば、共晶合金は過共晶合金より利点を有
し、錬合金 ｇｅｐｒｅｓｓｔｅｎ Ｌｅｇｉｅｒｕｎｇ）は鋳造合
金と較べて秀れている。

上述の熱疲労に対する抵抗性を改善するため、局部的な
熱処理や、例えばショットプラスチングによる表面変形
加工が試みられたが、確実な成果を得るに至っていない
。

燃焼室凹部の縁部を強化するために、ニッケル合金化鋳
鉄リングが流し込み接合（Ｅｉｎｇｕｓｓ ）され、こ
れがリング・キャリア付ピストンの場合は、ウェブを介
してリング・キャリアと一体的に結合され得るものがあ
る（西ドイツ実用新案第１８９００２１号）。

これにより運転寿命をある程度長くし得るが、しかし３
００〜４０００００ｈ走行の後にはやはり、鋳鉄リング
の一部破損による障害が観察される。

なお、オーステナイト鋼材はアルミニウム合金より熱膨
張率が低いが、著しく高熱になる。

長時間運転後では、残存する変形のため、挿入体とピス
トン・ヘッドとの間にギャップが認められる。

燃焼室凹部のこのような補強の他の欠点は、ピストン冷
却のためのキャビティを効果的な位置に設けることが難
しいこと、並びにピストンの重量や製造費が増大するこ
とである。

このような諸欠点を無くするための代りの解決策を求め
て、ピストン・ヘッド表面に金属またはサーメットをプ
ラズマ・スプレー法によって被覆することが研究された
。

しかしこの場合、特に燃焼室凹部の縁部の形状が鋭くて
、従って危険にさらされているような場合には被覆層の
形成が縁辺において面倒であり、接着力が不十分である
。

また重量の面から見て明白なように、鋼やねずみ鋳鉄の
ような耐高温性の鉄材はピストン・ヘッドの材料として
適さない。

最近、ピストン・ヘッドに陽極処理により硬被膜を形成
することによって著しい成果が得られた。

このような被膜により、補強されていないピストン・ヘ
ッドと比較して、亀裂の生じ始めるまでの運転延時間が
係数約４だけ（即ち約４倍に）増大した。

例えば、アルミニウムプレス合金（Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ
ｐｒｅｓｓｌｅｇｉｅｒｕｎｇ ）から成る補強されて
いないピストンでは約９００００７１７′ｆｔ走行後に
すでにかなりの間隙を有する割れ目が燃焼室凹部の縁部
に認められたのに対して、同材質のピストンでピストン
・ヘッド全体を特別な方法の陽極処理で硬被膜を施した
場合、４０００００／１１７７１走行後でなお亀裂は全
く見られない。

陽極処理による硬被膜の保護作用は粒子境界の破損に対
して有効であるが、特に微細なベース組織（Ｇｒｕｎｄ
ｇｅｆＭｇｅ）の場合に顕著である。

陽極処理による硬被膜は塗布により形成する被覆層では
なくてベース材料の処理により形成されるものであるの
で、接着の良否といった問題は起らない。

陽極処理による硬被膜はピストン・ヘッドをシールする
もので、腐食や酸化に対する保護作用並びにすぐれた断
熱効果を示し、しかもピストン材料の強さに影響しない
。

陽極処理による硬被膜は、ピストン・ヘラトノ若干の領
域、特に本質的に熱的に高い負荷を受ける領域において
亀裂の発生を抑制したり発生時期を遅らせるという利点
の認められる反面、本質的にガスや慣性抵抗（Ｍａｓｓ
ｅｎｋｒｏｎｆ ｔｅ）により高い負荷を受ける領域で
は亀裂の発生が促進されることがわかっている。

以上から、本発明の目的は、軽合金製ピストンの、燃焼
室凹部を設けたヘッドに、亀裂の発生が本質的に熱的に
高い負荷を受ける領域においても、本質的にガスや慣性
抵抗により高負荷を受ける領域においても、抑制される
か、ないしはその発生の時期が遅らされるように、陽極
処理による硬被膜を施すことである。

以上の目的は本発明によれば、燃焼室凹部が形成された
ピストンヘッドを備え、このピストンヘッドの部分がア
ルミナから成る硬い陽極処理被膜で被覆されている第１
の発明においても、又燃焼室凹部とこの燃焼室凹部に通
じる燃料導溝とが形成されたピストンヘッドを備え、こ
のピストンヘッドの部分がアルミナから成る硬い陽極処
理被膜で被覆されている第２の発明においても、上記燃
焼室凹部の縁部のうちピストンピン方向にある互いに対
向する縁部の近傍においては、上記陽極処理被膜が施さ
れていないことを特徴とする内燃機関用軽合金ピストン
によって遠戚される。

以上の内燃機関は好ましくはディーゼル・エンジンであ
る、またピストンは軽合金製である。

陽極処理による硬被膜は、特に燃焼室凹部の縁部のうち
ピストン・ピンの方向にある部分付近で施さないことで
ある。

なお、弁ポケットもしくは弁リセス（複数個）をピスト
ン・ヘッド中に設けた軽合金ピストンでは、これら付近
にも陽極処理による硬被膜を形成しないことが好ましい
。

本発明による好ましい構成においてはまた、直接噴射型
ディーゼル・エンジン用の軽合金ピストンで、そのピス
トン・ヘッドに設けた燃焼室凹部に燃料導溝を備えてい
る場合、陽極処理による硬被膜が燃料導溝の付近にのみ
形成される。

陽極処理による被膜は純粋のアルミナからなり、厚さが
３５〜８０μの比較的薄い殆んど孔のない誘電性阻止層
（５ｐｅｒｒｓｃｈｉｃｈｔ ）と、アルミナ及び水酸
化アルミナからなる細胞状構造の表層とからなっている
。

陽極処理による被膜の硬さは４５０〜５５０ＨＶである
。

このような硬被膜の生成法は幾つかある （ Ｈ’ｕｂｎｅｒ Ｗ、とＡ、 ５ｃｈｉｌｄｋｎｅ
ｃｈｔ著１ジ・プラキシス・デア・アノディラセン・オ
キシダチオン“（「陽極酸化の実際」アルミニウム出版
社、デュツセルドルフ（１９６１））。

これらの方法は、通常の陽極処理被膜の形成法とは、電
解質の組成と、電解質温度の低いこと、および電流密度
の高いこととで区別される。

一定の低い温度によって、陽極処理により発生する熱は
速かに逃散し、被覆層の再溶解（ＲＭｃｋＶ６ｓｕｎｇ
）は著しく減するので、従って硬度の高い厚被膜が形
成される。

次に本発明を実施例につき図によって説明する。

第１図および第２図はそれぞれピストン合金Ａｓｓ ｉ
１２ ＣｕＮｉＭｇ製の直接噴射型のディーゼル・エ
ンジン用ピストン１の縦断面図および平面図を示す。

ピストン１のピストン・ヘッド２には、燃料導溝３を有
する燃焼室凹部４が設けられている。

ピストン１には、陽極処理により厚さ４０μの硬被膜５
が燃料導溝３の領域にのみ形成されている。

本発明によりピストン・ヘッドに陽極処理による硬被膜
を部分的に施したピストンは、同被膜が全面に形成され
た軽合金ピストンと比較して、熱に原因する亀裂の生じ
るまでのピストンの運転延時間が著しく改善されること
が実験によりわかっている。

【図面の簡単な説明】 図面は本発明の実施例を示すもので、第１図および第２
図はそれぞれピストン合金ＡｌＳｉ１２ＯｕＮｉＭｇ製
のディーゼル・エンジン用ピストンの縦断面図および平
面図である。 なお図面に用いられている符号において、２はピストン
・ヘッド、５は陽極処理による硬被膜である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃焼室凹部が形成されたピストンヘッドを備え、こ
   のピストンヘッドの部分がアルミナから成る硬い陽極処
   理被膜で被覆されており、上記燃焼室凹部の縁部のうち
   ピストンピン方向にある互いに対向する縁部の近傍にお
   いては、上記陽極処理被膜が施されていないことを特徴
   とする内燃機関用軽合金ピストン。 ２ 上記陽極処理被膜の厚さが３５〜８０μである特許
   請求の範囲第１項記載の内燃機関用軽合金ピストン。 ３ 上記陽極処理被膜の硬度が４５０〜５５０ＨＶであ
   る特許請求の範囲第１項又は第２項記載の内燃機関用軽
   合金ピストン。 ４ 燃焼室凹部とこの燃焼室凹部に通じる燃料導溝とが
   形成されたピストンヘッドを備え、このピストンヘッド
   の部分がアルミナから威る硬い陽極処理被膜で被覆され
   ており、上記燃焼室凹部の縁部のうちピストンピン方向
   にある互いに対向する縁部の近傍においては、上記陽極
   処理被膜が施されていないことを特徴とする内燃機関用
   軽合金ピストン。 ５ 上記陽極処理被膜の厚さが３５〜８０μである特許
   請求の範囲第４項記載の内燃機関用軽合金ピストン。 ６ 上記陽極処理被膜の硬度が４５０〜５５０ＨＶであ
   る特許請求の範囲第４項又は第５項記載の内燃機関用軽
   合金ピストン。