JPS643797Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案はピストンの頂面に凹部から成る燃焼室
を形成するようにした内燃機関用ピストンに係
り、とくに小型の直噴式デイーゼルエンジンに用
いて好適なピストンに関する。

直噴型デイーゼルエンジンは、燃料噴射ノズル
からシリンダ内に直接燃料を噴射する構造を採用
している。このようなエンジンは、吸入空気のス
ワールとピストンの頂部の燃焼室の形状を工夫し
て空気との混合を良くすることにより、比較的簡
単な構造でありながら熱効率が高くなるという特
徴を有している。従つて一般には大型エンジンに
広く用いられている。このような直噴型の構造を
小型デイーゼルエンジンに適用する場合の問題点
として、ピストンが小型になるためにその燃焼室
も小さくなり、この結果燃料噴射ノズルから噴射
された燃料が完全に霧化しないうちに燃焼室に到
達し、この燃焼室の表面によつて冷却されて完全
燃焼されにくくなるという問題を生ずる。従つて
小型デイーゼルエンジンに直噴形式を採用した場
合には、十分な出力が確保されにくく、白煙を生
じ、HC等の不完全燃焼生成物が排ガスに多く含
まれることになる。またエンジンが暖まつていな
い始動時においては、さらにピストンの温度も低
くなつているために、上記不完全燃焼が助長され
ることになり、このために始動時においても好ま
しくない問題を生ずることになる。

このような小型デイーゼル機関の直噴化に伴な
う問題点を解決するために、ピストンを断熱化し
て燃焼室の温度を高めるようにしたり、スワール
比と燃焼室の構造とをマツチングさせるようにし
たり、あるいはスキツプリツシユ式の燃焼室にし
て、マイクロスワールを有効に生じさせ、燃焼を
良好に行なう等の対策がそれぞれ試みられてい
る。しかしスキツシユリツプを形成して燃焼室に
マイクロスワールを生じさせるようにすると、こ
のスキツシユリツプの部分が局部的に加熱され、
この結果高い熱応力による亀裂が発生することに
なる。従つて燃焼の点から最善と考えられる形状
を採りにくいという問題点がある。すなわち小型
デイーゼルエンジンの直噴化において、その燃焼
をより完全なものにするためにスキツシユリツプ
タイプの燃焼室を採用するようにすると、燃焼室
開口縁部のスキツシユリツプの部分が熱応力によ
つて亀裂を生じ、このためにやがてはピストンが
破壊に至るという問題点を生じている。

本考案はこのような問題点に鑑みてなされたも
のであつて、燃焼室内においてマイクロスワール
が良好に形成され、これによつて理想的な燃焼が
行なわれるとともに、スキツシユリツプの部分が
熱応力によつて亀裂しないようにした内燃機関用
ピストンを提供することを目的とするものであ
る。

以下本考案を図示の一実施例につき図面を参照
して説明する。第１図は本実施例に係るピストン
１を示しており、このピストン１はアルミニウム
合金（JIS−AC8A、AC8B、18％Si材等）によ
つて鋳造されたものである。そしてこのピストン
１の頂部側には燃焼室２が凹部によつて形成され
ている。またこの燃焼室２の上部側には、この燃
焼室２よりも一回り大きな円形の段部３が形成さ
れるようになつている。これらの燃焼室２および
段部３はそれぞれ上記ピストン１を鋳造する際に
一緒に形成してよい。なお段部３については必要
に応じて後から機械加工して形成してもよい。

このピストン１の上記燃焼室２の表面には、ま
ず硬質アルマイト層８が形成されるようになつて
いる。このアルマイト層８は、ピストン１を例え
ば硫酸、あるいは硫酸と蓚酸の混合液からなる電
解液中に浸漬するとともに、このピストン１を電
源の陽極側に接続して所定の電流密度で直流電流
を通ずることにより、ピストン１の燃焼室２の表
面を陽極酸化することによつて形成される。なお
アルマイト層８を形成する必要のない部分には、
予めマスキングを施しておくようにする。またこ
のアルマイト層８の厚さは、例えば10〜250μｍ
の範囲内でつてもよく、さらに好ましくは20〜
90μｍ程度であつてよい。なおこアルマイト層の
厚さは、後述するセラミツク層の厚さに応じて適
宜変更可能であつて、セラミツク層の厚さを厚く
したい場合には、これに応じてアルマイト層８の
厚さをも厚くすることが好ましい。またピストン
１の燃焼室２の断熱性をより高めたい場合には、
アルマイト層８の厚さをより厚くするようにすれ
ばよい。また上記アルマイト層８の硬度は、例え
ばHv400前後であつてよい。

アルマイト層８は、ピストン１の一部、すなわ
ち燃焼室の表面を形成する部分を陽極酸化するこ
とによつて形成されているために、このアルマイ
ト層８がピストン１から剥離することはなく、ア
ルマイト層８とピストン１との結合強度は極めて
高くなつている。またこのアルマイト層８の表面
には、ミクロな活性化された無数の凹凸が形成さ
れるために、この凹凸によつて後述するセラミツ
ク層を強固に結合することが可能にある。またこ
のアルマイト層８もピストン１の燃焼室２の断熱
化に寄与することができる。

つぎにこのアルマイト層８の表面にセラミツク
層９を形成する。そのセラミツク層９は、プラズ
マ溶射の方法によつて形成されてよい。またこの
アルマイト層８の上に形成されるセラミツクの材
料は、アルミナ、ジルコニア等の酸化物系のセラ
ミツクばかりでなく、非酸化物系セラミツクであ
つてもよく、溶射可能なセラミツク層であればそ
の材料は問わない。ただしセラミツクとしてアル
ミ系のセラミツクを用いると、セラミツク溶射層
９とアルマイト層８との化学的な組成が同じ
Al₂O₃となるために、両者間の親和性が高くなる
とともに、セラミツク層９とアルマイト層８との
間の熱応力によるひずみがなくなつて、極めて高
い接合強度が得られることになる。またセラミツ
ク層９の厚みは、要求される断熱性に応じて適宜
変更可能であつて、10μｍ〜数mmの範囲で選択で
きる。一般には20μｍ〜３mmの範囲内であること
が好ましい。

このようにして形成されたセラミツク層９は、
上述の如くアルマイト層８の表面の微細な活性化
された凹凸によつてアルマイト層８に強固に結合
されているために、セラミツク層９が剥離したり
あるいは脱落したりすることがなく、セラミツク
層９がピストン１に強固に結合した状態で形成さ
れることになる。しかもセラミツク層９は高い断
熱性を有しているために、このセラミツク層９の
断熱性が、上記アルマイト層８の断熱性ととも
に、ピストン１の燃焼室２を高度に断熱化するこ
とになる。従つてピストン１の燃焼室２の保温性
が著しく高まり、この結果燃焼室２内における燃
焼をより完全なものとすることが可能となる。

さらにこのピストン１の燃焼室２の上部の段部
３には、耐熱金属板１０が取付けられるようにな
つている。この金属板１０は、耐熱性に優れた銅
ベリウム合金（ベリウム１・９％、コバルトまた
はニツケル0.9％を含む銅合金）あるいはニモニ
ツク等の耐熱亀裂性に優れた金属から構成されて
いる。そしてこの金属板１０は、サラビス１１に
よつてピストン１の頂部にねじ止めされるように
なつている。さらにこの耐熱金属板１０の中心部
には、比較的大きな開口１２が形成されている。
そしてこの開口１２の周縁部がスキツシユリツプ
１３を形成するようになつている。

従つてこのようなピストン１によれば、燃焼室
２内に燃料が噴射される際に、第２図に示すよう
に矢印１４で示すようなスワールが燃焼室２内に
生ずるとともに、金属板１０によつて形成される
スキツシユリツプ１３の存在によつて、矢印１５
で示すようなマイクロスワールが生ずることにな
り、このためにマイクロスワールによつてより理
想的な燃焼を起させることができる。しかも上記
スキツシユリツプ１３は金属板１０の開口１２の
周縁部によつて形成されており、この金属板１０
が高い耐熱亀裂性を有しているために、このスキ
ツシユリツプ１３が熱応力によつて亀裂を生ずる
ことはなくなる。

以上に述べたように本実施例に係るピストン１
によれば、その燃焼室２は硬質アルマイト層８と
セラミツク層９とによつて断熱化されているため
に、熱が下方へ逃げにくくなつてその保温性が非
常に高くなる。従つて噴射ノズルから直接噴射さ
れた燃料が完全に霧化して完全燃焼することにな
る。また燃料の完全燃焼が行なわれるために、
HC等の不完全燃焼生成物を生ずることがなく、
このために排気ガスに問題を生ずることもなくな
る。またスキツシユリツプ１３を備えた耐熱金属
板１０が燃焼室２の上部に取付けられるようにな
つているために、この金属板１０よつて燃焼室２
内においてスワール１４とマイクロスワール１５
とがそれぞれ生じ、このために燃焼を良好にする
ことが可能になる。またスキツシユリツプ１３が
耐熱金属板１０から形成されているために、スキ
ツシユリツプ１３の亀裂も防止することができ
る。従つて小型デイーゼルエンジンの直噴化が容
易に行なえるようになる。

また本実施例のピストン１においては、燃焼室
２を断熱化するためにセラミツク層９を形成して
いるが、このセラミツク層９は燃焼室２の表面を
陽極酸化することによつて形成された硬質アルマ
イト層８を介してピストン１に結合されるように
なつているために、燃焼室２の表面を予めサンド
ブラストにより粗面とする必要がなくなる。すな
わち従来はセラミツク層９を形成する場合には、
このセラミツク層９とピストン１と結合強度を高
めるために、サンドブラストによる前処理を行な
うとともに、この上にニツケル−アルミニウム化
合物等の中間層を形成するようにしていたが、こ
のような燃焼室２の表面の粗面化および中間層の
形成等の工程が不要になるという利点をもたらす
ことになる。

つぎに第３図によつて上記実施例の変形例につ
き説明する。なおこの変形例において、上記実施
例と対応する部分には同一の符号を付すととも
に、同一の構造の部分についてはその説明を省略
する。この変形例においては、サラビス１１を用
いることなく耐熱金属板１０をピストン１に結合
するために、耐熱金属板１０の外周面に雄ねじ１
６を形成し、この雄ねじ１６を段部３の内周面に
形成された雌ねじと係合させることによつて、耐
熱金属板１０をピストン１に固着するようにして
いる。なお耐熱金属板１０のピストン１への固着
の方法は、上記サラビス１１やねじ１６を用いる
ものの他に、電子ビーム溶接の方法によつてもよ
く、あるいはこれらの内の２つ以上を適宜組合せ
るようにしてもよい。

以上に述べたように本考案は、ピストンをアル
ミニウム合金から構成するとともに、その頂面の
凹部から成る燃焼室の表面にアルマイト層を形成
し、さらにこのアルマイト層の表面にセラミツク
層を形成し、この燃焼室の頂部側に開口を有する
耐熱金属板を固着し、この耐熱金属板の上記開口
の周縁部によつてスキツシユリツプを形成するよ
うにしたものである。従つて上記アルマイト層と
セラミツク層とによつて燃焼室が断熱化されるこ
とになる。この結果燃焼室の保温性が高まつて燃
料の完全燃焼が行なわれることになり、これによ
つてエンジンの効率が向上するばかりでなく、高
い出力を得ることが可能となる。また完全燃焼が
行なわれるために、不完全燃焼に伴なう有害生成
物を無くすことが可能となり、このために排ガス
対策が容易になる。さらに上記スキツシユリツプ
が耐熱金属板によつて構成されているために、こ
のスキツシユリツプの亀裂の発生を防止すること
が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例に係る内燃機関用ピ
ストンの縦断面図、第２図は同要部拡大断面図、
第３図は変形例に係るピストンの要部拡大断面図
である。 なお図面に用いた符号において、１……ピスト
ン、２……燃焼室、８……アルマイト層、９……
セラミツク層、１０……耐熱金属板、１２……開
口、１３……スキツシユリツプである。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. ピストンの頂面に凹部から成る燃焼室を形成す
   るようにしたピストンにおいて、前記ピストンを
   アルミニウム合金から構成するとともに、前記燃
   焼室の表面にアルマイト層を形成し、さらにこの
   アルマイト層の表面にセラミツク層を形成し、こ
   の燃焼室の頂部側に開口を有する耐熱金属板を固
   着し、この耐熱金属板の前記開口の周縁部によつ
   てスキツシユリツプを形成するようにしたことを
   特徴とする内燃機関用ピストン。