JP2012246802A

JP2012246802A - 内燃機関用ピストン及びこれを備えた内燃機関

Info

Publication number: JP2012246802A
Application number: JP2011117811A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Fujiwara; 信幸藤原
Original assignee: Art Metal Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Art Metal Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2012-12-13

Abstract

【課題】内燃機関用ピストンにおいて、頂面部（噴射燃料衝突部）がより短時間に通常運転時の安定温度まで達するようにして、初期稼働時からより早く正常な燃焼となるようにする。
【解決手段】ピストン１の頂面部（噴射燃料衝突部）を構成する材料に対して、熱伝導率の低い低熱伝導率層３をピストンの本体側に配置し、低熱伝導率層よりも熱伝導率の高い高熱伝導率層４を、ピストンの頂面側に配置したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、筒内噴射エンジン（ガソリン・ディーゼル）等の内燃機関用ピストンにおいて、運転初期時に発生する排気ガスの浄化を目的として、短時間に温度を安定させる性能を有した燃焼室（頂面）により、噴射燃料が早期に安定的に気化するよう促進することが可能な内燃機関用ピストン及びこれを備えた内燃機関に関する。

近年、ＢＲＩＣｓ（ブリックス）に代表される途上国が目覚ましい経済発展を遂げている一方、環境への影響も懸念されている。
特に経済発展の象徴ともいえる自動車の保有台数は確実に増加しており、低コストでの環境に配慮できる技術が求められ、自動車の環境への配慮技術として燃費改善（ＣＯ_２削減）・排気ガス削減技術は各社ともしのぎを削って開発を行っている。
その様な中、内燃機関においては、燃焼効率が高い筒内噴射式エンジンが増えている。
しかし、筒内噴射式エンジンはインジェクターより噴射した燃料が燃焼室内に配置されたピストン頂面に衝突気化して燃焼するという構造上、始動初期、特にピストン頂面の温度が低い間は噴射した燃料の気化が十分に行われず、結果として燃焼が悪く排気ガスが汚いとの問題がある。
この問題は、従来の燃費測定方法である「１０・１５」の場合、エンジンの暖気運転が終わってからのホットスタートのみで測定の場合には特に問題とはならなかったが、今後導入が予定されている２０１５年度基準の測定方法である「ＪＣ０８」はホットスタートと暖気運転前のコールドスタートの両方で測定される。その結果、エンジンが冷えた状態での性能も要求されることになる。
筒内噴射式エンジンは、それを解決する為に、筒内噴射とポート噴射の２つのインジェクターを設置して、状況にあわせて噴射を変更させ最適化を図る等の工夫がなされている。しかし、種類の異なる２つのインジェクターを設置するとエンジン機構等が複雑になり、コストアップに繋がる問題がある。

このような問題を解決するため、ピストン頂面に低熱伝導率シートを設けることにより、燃焼による熱がピストン本体側へ逃げるのを防ぎ、燃焼室内の温度を高くする提案が特許文献１においてなされている。
しかしながら、特許文献１に開示される構造では、排気の工程で燃焼室内の熱が排出され、ピストン頂面に設けた低熱伝導率シートによりピストン自体の温度も上がりづらい
うえ、低温の燃料がインジェクターより噴射されるため、燃料が気化しづらく安定温度に達するまで時間がかかるという問題があった。

特開２００８−２６７５９９号公報

そこで、本発明は、内燃機関用ピストンにおいて、頂面部（噴射燃料衝突部）がより短時間に通常運転時の安定温度まで達するようにして、初期稼働時からより早く正常な燃焼となるようにすることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明者等は鋭意検討の結果、以下の通り解決手段を見出した。
本発明の内燃機関用ピストンは、請求項１に記載の通り、ピストンを構成する材料に対して熱伝導率の低い低熱伝導率層を前記ピストンの本体側に配置し、前記低熱伝導率層よりも熱伝導率の高い高熱伝導率層を、前記ピストンの頂面側に配置したことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記ピストンの頂面において凹部を設け、前記高熱伝導率層及び前記低熱伝導率層を前記凹部内に形成したことを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記高熱伝導率層の熱伝導率を１５０Ｗ／ｍ・Ｋ〜４００Ｗ／ｍ・Ｋ、前記低熱伝導率層の熱伝導率を０．１Ｗ／ｍ・Ｋ〜１００Ｗ／ｍ・Ｋ、前記ピストンの熱伝導率を１００Ｗ／ｍ・Ｋ〜１５０Ｗ／ｍ・Ｋとしたことを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３の何れか１項に記載の発明において、前記低熱伝導率層を、ジルコニア、アルミナ及びステンレスの少なくとも何れかから構成し、前記低熱伝導率層において、前記ピストンの本体側の気孔率を前記ピストンの頂面側の気孔率よりも大きくしたことを特徴とする。
また、本発明の内燃機関は、請求項５に記載の通り、請求項１乃至４の何れか１項に記載の内燃機関用ピストンを備えたことを特徴とする。

本発明の内燃機関用ピストンによれば、ピストン頂面におけるインジェクターより噴射された燃料が衝突する部分の最表面は熱伝導率が高い材料で構成されているため、短時間で燃焼の熱を吸収する。また、高熱伝導率層からピストン内部への熱伝達は、高熱伝導率層の下の低熱伝導率層により妨げられる。その結果、最表面の高熱伝導率層に熱が籠もるため短時間で高熱伝導率層が高温となり、高熱伝導率層が蓄熱層として機能する。この蓄熱層によりピストン頂面が温められるため噴射された燃料の気化を短時間で安定させることができ、燃焼室の温度が従来よりも短時間に上がることができる。

本発明の内燃機関用ピストンの断面図図１の変更例の内燃機関用ピストンの断面図実施例１及び比較例の内燃機関用ピストンの表面温度変化を示すグラフ実施例２及び比較例の内燃機関用ピストンの表面温度変化を示すグラフ

以下、本発明の内燃機関用ピストンについて、図面を参照しつつ具体的に説明する。
図１の断面図に示される本発明の内燃機関用ピストン１は、シリンダとともに筒内噴射式エンジンを構成する。

ピストン１は、例えば、アルミニウム−珪素合金やアルミ−銅合金等の母材を鋳鍛造等により公知の形状に形成したものである。インジェクターから噴射される燃料が直接衝突するピストン１の頂面の中央部に、ピストン１の軸と直交する方向において断面円形状の凹部２が設けられている。凹部２の底面は、低熱伝導率層３と高熱伝導率層４とが下側から順に積層されている。
尚、凹部２の形状は、噴射された燃料が直接衝突する位置であれば特に限定されず、凹部２の深さも２つの層３，４が形成できる程度の深さであれば特に限定されない。
また、ピストン１の頂面に凹部２を設けずに、ピストン１の頂面全体を低熱伝導率層３と高熱伝導率層４とで被覆することも可能であるが、ピストン１の頂面全体の温度が上がってしまい異常燃焼を起こす可能性があるので望ましくない。

また、図１で説明した実施の形態は、凹部２の底面において低熱伝導率層３及び高熱伝導率層４とを形成したものであるが、図２に示すように、凹部２の内周面に対して、ピストン１側から低熱伝導率層３を介して高熱伝導率層４を積層するようにしてもよい。

上記ピストン１を構成する材料の熱伝導率としては特に制限はないが、通常は１００Ｗ／ｍ・Ｋ〜１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度のものとなる。
高熱伝導率層４は、短時間で燃焼による熱を吸収できるものとするため、ピストン１を構成する材料よりも熱伝導率が高い材料で構成する必要がある。例えば、ピストン１を構成する材料がアルミニウム−珪素合金であれば、高熱伝導率層４としては、ピストン１と同じアルミニウム−珪素合金に銅を加えて熱伝導率を高めたものや、ピストン１と同じアルミニウム−珪素合金の組成から珪素やニッケルの量を減らして純アルミニウムに近づけることで熱伝導率を高めたもの、銅、アルミ−銅合金、銅−アルミ合金等を用いることができる。また、ピストン１がアルミ−銅合金であれば、高熱伝導率層４としては、ピストン１を構成する材料よりも銅の含有量を上げた合金を用いることができる。
高熱伝導率層４の好ましい熱伝導率は１５０Ｗ／ｍ・Ｋ〜４００Ｗ／ｍ・Ｋである。この数値よりも低いと昇温に時間がかかるためである。

低熱伝導率層３は、高熱伝導率層４から伝わる熱がピストン１側に伝わるのを妨げる役割を果たすものなので、ピストン１よりも熱伝導率の低い材料で構成する必要がある。例えば、低熱伝導率層３としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）等のセラミックやステンレス鋼、チタン合金、ニッケル合金等を用いることができる。
低熱伝導率層３の好ましい熱伝導率は０．１Ｗ／ｍ・Ｋ〜１００Ｗ／ｍ・Ｋである。この数値よりも高いと断熱効果が低くなるからである。
また、更に、低熱伝導率層３においてピストン１側への熱伝導を抑えるために、低熱伝導率層３を多孔状に形成してもよい。具体的に、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）やステンレスを材料として選択して、その気孔率を５％〜３０％とすればよい。また、低熱伝導率層３において、ピストン１の本体側の気孔率をピストン１の頂面側の気孔率よりも大きくするというように、低熱伝導率層３内において、ピストン１の頂面側には、比較的高い熱伝導率の層を配置し、ピストン１の本体側には比較的低い熱伝導率の層を配置するようにしてもよい。

上記した低熱伝導率層３及び高熱伝導率層４の厚みは０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ程度とすることが好ましい。高熱伝導率層４の厚みが０．５ｍｍより厚いと剥離し易くなり、０．０１ｍｍより薄いと昇温効果が得られないからである。低熱伝導率層３の厚みが０．５ｍｍより厚いと剥離し易くなり、０．０１ｍｍより薄いと断熱効果が得られないからである。

次に、低熱伝導率層３及び高熱伝導率層４の形成方法について説明する。
低熱伝導率層３及び高熱伝導率層４を構成することになる材料を固相状態のまま不活性ガスと共に超音速流で基材に衝突させ、超音速で衝突した材料が臨界速度に達して粒子自体が塑性変型することで皮膜を形成させるコールドスプレー法により形成することができる。
このコールドスプレー法を用いて、低熱伝導率層３及び高熱伝導率層４を形成するには、例えば、不活性ガスとして窒素ガスを用い、低熱伝導材料であるステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）、高熱伝導率材料である銅（純金属）を順に超音速流で凹部２に衝突させることにより形成することができる。

また、コールドスプレー法以外にも、作動ガス中で、アノード陽極とカソード陰極間に直流アーク放電により１００００℃を超える高温高速のプラズマジェットを発生させ、この中に金属やサーメット、セラミックスなどの粉末を投入し、溶融、加速させることで成膜するプラズマ溶射処理によって形成することも可能である。
このプラズマ溶射処理を用いて、低熱伝導率層３及び高熱伝導率層４を形成するには、例えば、作動ガスとしてアルゴンを用い、まず鋳鍛造により形成されたピストン１の凹部２の内表面をショットブラストを用いて粗くした後、プラズマ溶射でニッケルアルミ（Ｈ５２０１）を成膜して下地処理を行い、次にニッケルアルミの膜の上にプラズマ溶射でジルコニア（ＤＴＳ−Ｚ７２）又はＨ３１６（ＳＵＳ３１６）と銅（Ｍｅｔｃｏ５５、）の膜を順に成膜することにより製造することができる。

また、低熱伝導率層３及び高熱伝導率層４との間、或いは、ピストン１と低熱伝導率層３との間には、他の目的で別の材料からなる層を設けてもよい。
具体的には、ピストン１と低熱伝導率層３の間にボンド層を形成すれば、低熱伝導率層３のピストン１への密着性を高めることができるので望ましい。また、低熱伝導率層３と高熱伝導率層４の間にボンド層を形成すれば、低熱伝導率層３及び高熱伝導率層４の熱膨張の差を緩和させることができる。
ボンド層は、例えば、低熱伝導率層３又は高熱伝導率層４の形成前にボンド層の材料となる、例えば、ＭＣｒＡｌＹ、ニッケル９５％−アルミ５％合金等を凹部内に形成することができる。ピストン１と低熱伝導率層３との間のボンド層としては、低熱伝導率層３のピストン１への密着性を高めるために、ＭＣｒＡｌＹを用いることが望ましい。また、低熱伝導率層３と高熱伝導率層４の間のボンド層としては、熱膨張の差を緩和させるために、ＭＣｒＡｌＹを用いるのが好ましい。ボンド層の厚みとしては薄い方がよいため、０．００１ｍｍ〜０．１ｍｍ程度とすることが好ましい。

尚、コールドスプレーを用いて１層を形成し、プラズマ溶射を用いて１層を形成することも可能である。また、ステンレス材料を使用する場合には、コールドスプレーのみで２層形成することも可能である。

以下、本発明の実施例を比較例とともに検討する。
（実施例１）
ピストン本体の頂面の中央部に、ピストン軸と垂直な断面が円形状で半径１５ｍｍ、深さ５ｍｍの凹部を備えた半径４５ｍｍのピストンをアルミ−珪素合金（ＡＣ８Ａ）から鋳鍛造で形成し、凹部の底面に、厚み０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍの安定化酸化ジルコニアＺｒＯ_２＋８％Ｙ_２Ｏ_３からなる低熱伝導率層と、厚み０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍの銅からなる高熱伝導率層とをプラズマ溶射で順に積層させて内燃機関用ピストンを作製した。

（実施例２）
実施例１で用いたピストンの凹部の内周面に対して、厚みが０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍのステンレスからなる低熱伝導率層（ステンレス）と、厚み０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍの銅からなる高熱伝導率層とをプラズマ溶射で順に積層させて内燃機関用ピストンを作製した。

（比較例）
実施例１のピストンに低熱伝導率層及び高熱伝導率層が形成されていないものを比較例の内燃機関用ピストンとした。

実施例１及び２並びに比較例の内燃機関用ピストンを筒内噴射式エンジン（内燃機関）のシリンダ内に設置してインジェクターより燃料をピストンに向けて噴射させた場合の表面温度変化を測定したグラフを図３及び図４に示す。
このグラフから比較例と比べて実施例１及び２の内燃機関用ピストンの方が初期段階から表面温度が上がり、より早く正常な燃焼となることがわかった。

実施例２のプラズマ溶射処理に代えて、各層をコールドスプレーで形成した結果、また、１層とコールドスプレーにより形成して残りの１層をプラズマ溶射処理により形成しても同様の結果が得られることがわかった。

本発明は、以上説明したように、筒内噴射エンジン用ピストン頂面（燃焼室）に熱伝導率の異なる性質を持つ２層を設けることで、短時間で安定した温度に達し、エンジン始動初期時の排ガス浄化に効果があるので、産業上の利用可能性を有するものである。

１ピストン
２凹部
３低熱伝導率層
４高熱伝導率層

Claims

ピストン頂面ピストンを構成する材料に対して熱伝導率の低い低熱伝導率層を前記ピストンの本体側に配置し、前記低熱伝導率層よりも熱伝導率の高い高熱伝導率層を、前記ピストンの頂面側に配置したことを特徴とする内燃機関用ピストン。
前記ピストンの頂面において凹部を設け、前記高熱伝導率層及び前記低熱伝導率層を前記凹部内に形成したことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用ピストン。
前記高熱伝導率層の熱伝導率を１５０Ｗ／ｍ・Ｋ〜４００Ｗ／ｍ・Ｋ、前記低熱伝導率層の熱伝導率を０．１Ｗ／ｍ・Ｋ〜１００Ｗ／ｍ・Ｋ、前記ピストンの熱伝導率を１００Ｗ／ｍ・Ｋ〜１５０Ｗ／ｍ・Ｋとしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用ピストン。
前記低熱伝導率層を、ジルコニア、アルミナ及びステンレスの少なくとも何れかから構成し、前記低熱伝導率層において、前記ピストンの本体側の気孔率を前記ピストンの頂面側の気孔率よりも大きくしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関用ピストン。
請求項１乃至４の何れか１項に記載の内燃機関用ピストンを備えたことを特徴とする内燃機関。