JP2009536712A - スチールピストンのための熱酸化保護表面 - Google Patents
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Abstract
Description
発明の分野
本主題発明は、ディーゼルエンジン用のピストン、および、このようなピストンであって、熱酸化による劣化に対する耐性をもつように特別に処理されたクラウンを有するピストンの製造方法に関する。さらに、本主題発明は、特に、上記のようなピストンであって、燃料噴射方式のディーゼルエンジンの用途に使用されるスチール製のピストンに関連する。
ディーゼルエンジンは、よく知られている熱力学サイクルによって動作する往復ピストンエンジンである。この熱力学サイクルでは、空気を圧縮し、圧縮チャージに燃料を噴射し、自動燃焼混合物を膨張させてピストンを駆動し、サイクルの終了時に生成物を排出するようになっている。ディーゼルトラック用途に使用されるような大型のスチールピストンでは、一般的に、燃焼プロセス中に燃料を噴出するために多孔ノズルが使用されている。このような多数の孔を有するノズルは、ピストンクラウンの上部におけるできるだけ中央に位置するように配され、放射状のスプレーパターンによって燃料を放出するものである。ピストンクラウンにおける凹状のボウルは、最適な性能を発揮できるように、噴射スプレーおよび噴射中に循環している空気からなる空気燃料混合物によって、燃焼空間を完全に満たせるように設計されている。ピストンクラウンのボウルを空気燃料混合物よって完全に満たせなかった場合、空気利用率および出力の双方が悪化する。その結果、公害対策排気特性が実質的に低下してしまう。同様に、個々の噴射工程の間においてオーバーラップが生じて、混合物が上記の空間を越えて漏れ出してしまった場合、派生的な局所的燃料濃縮によって、空気が欠乏し煤が発生してしまう。さらに、エンジンの公害対策排気特性も低下する。
をする者もいる。しかしながら、トラック用途に用いられる大口径のピストンでは、そのピストンクラウンのために相当に大量の材料が必要になる。上記のような特製の合金を用いるのでは、ディーゼルピストンのコストを著しく増加させることになる。
本主題発明によれば、内燃エンジンに使用されるピストンクラウンの耐酸化性および耐腐食性を改善するための方法を提供できる。
の密度を増加させるとともに、その微細構造を改質し、被覆材とリップとの間における物質的結合を形成するために、高エネルギーレーザービームによって付着した被覆材を照射する工程と、を含んでいる。
図面を参照すると、燃料噴射方式のディーゼルエンジンのためのスチールピストンは、概して図1において番号20によって示されている。なお、複数の図面において同じ番号によって示されている部材は、同じ部材あるいは対応する部材である。このピストン20は、燃料噴射方式のディーゼルエンジンにおいての使用に適応されたタイプのものである。このピストン20は、ほぼ円柱型のスカート部分22を有している。このスカート部分22は、その内部に横向きに設けられている一対の対向するピン孔24を備えている。スカート22は、ピストン20がディーゼルエンジンのシリンダ(図示せず)内で往復運動できるように、ピストン20を案内し支持するものである。一方、ピン孔24は、リストピンあるいはガジオンピンを支持し、連接棒(図示せず)の上端部、および、究極的にはエンジンのクランクシャフトに結合するものである。クラウンは、多くの場合に番号26で示されるが、スカート22の最上部に設けられている。本発明の好ましい実施形態では、スカート22およびクラウン26は、単一のスチール材料で一体形成されている。材料の組成としては、既知の種類のいずれを選択してもよい。比較的に低コストの「SAE4140H」を用いることも可能であるが、これに限られるわけではない。図示した一体成形の設計に代えて、ピストン20を、いわゆる「連結」型としてもよい。この場合、クラウン26は、スカート20に対して、共通の接続部分を介して上記のリストピンを軸に僅かに旋回できるようになる。
、ピストン20がその上死点(TDC;top dead center)に位置したときに、バルブヘッド25(図3に仮想線で示す)を排出する、および/または取り込むための隙間空間を形成するためである。
ロム、クロムあるいはこれらの組成物の混合物を挙げられる。耐腐食性を有する組成物については、ペーストのようなスラリーとして塗布することも可能である。しかしながら、この被覆プロセスについては、燃焼タイプあるいは電気アークタイプのいずれかの溶射プロセスによって実行することが好ましい。このようなプロセスは、「金属化」という記述用語によって知られているものである。上記した燃焼タイプの熱スプレープロセスは、粉末式フレーム溶射、溶線式/溶棒式フレーム溶射、爆発溶射、高速酸素式(HVOF;high velocity oxygen fuel)溶射を含むが、これらに限られるわけではない。
ー150の位置を変えてもよい。さらに、リム130の表面の全体を効果的に覆うことができるように、ピストン120および/またはレーザー150を回転させるようにしてもよい。レーザー150からのビームが第2マスク152を叩いたときにはいつでも、図10に示すように、ビームはクラウン126から離れる方向にむけて害を及ぼすことなく反射される。そして、吸収された熱は、常にすぐに分散される。この方法によれば、バルブポケット132を、理想的な状態に設定されていないレーザー150による照射から保護することが可能となる。第2マスク152は、また、バルブポケット132の片隅、およびバルブポケット132の端部に沿う部分を余分に溶融してしまうことの回避にも役立つ。さらに、窪み部分142をレーザー150による後続する攻撃から保護することも可能となる。このような保護がなければ、既に照射した表面における意図しない金属的構造変異の生じる可能性もある。
Claims (21)
- 内燃エンジンに使用されるピストンクラウンの耐腐食性を改善するための方法であって、
クラウンの外表面を露出させているクラウンを有するピストンを用意する工程と、
基本的に耐腐食性および耐酸化性を有する組成物からなる被覆材を準備する工程と、
クラウン表面に吸着した被覆材が、付着されたままの状態の微細構造および100%詰まった材料密度よりも低い付着されたままの状態の気孔率を有するように、被覆材をピストンクラウンに付着する工程と、
被覆材の密度を増加させるとともに、微細構造を改質し、被覆材とクラウン表面との間における物質的結合を形成するために、高エネルギーレーザービームによって被覆材を照射する工程と、を含んでいる前記方法。 - レーザービームからの照射を防ぐために、被覆材の一部をマスクする工程をさらに含んでいる、請求項1に記載の方法。
- 前記したマスク工程が、反射性を有する金属シールドを用いてクラウンの一部を一時的に覆う工程を含んでいる、請求項2に記載の方法。
- ピストンクラウンが、ほぼ環状のリムと、このリムの下方に配された凹型の燃焼ボウルとを有しており、前記したクラウンの一部を一時的に覆う工程が、リムおよびボウルの一方を覆うけれども、リムおよびボウルの他方を覆わない工程を含んでいる、請求項3に記載の方法。
- ピストンクラウンが、リム内に形成された少なくとも1つのバルブポケットを有しており、前記したクラウンの一部を一時的に覆う工程が、リムおよびバルブポケットの一方を覆うけれども、リムおよびバルブポケットの他方を覆わない工程を含んでいる、請求項4に記載の方法。
- 前記した被覆材を付着する工程が、スプレー材料を、ピストンクラウンに向けて、燃焼プロセスによって発生する気体流内に強制的に導く工程を含んでいる、請求項1に記載の方法。
- 前記したスプレー材料を気体流内に配する工程が、加速ノズルを介して気体流を強制的に送る工程を含んでいる、請求項6に記載の方法。
- 前記したスプレー材料を強制的に導く工程が、直流の電気アークを生成する工程を含んでいる、請求項1に記載の方法。
- 前記した直流の電気アークを生成する工程が、高温のプラズマジェットを生成するために、不活性ガスをイオン化する工程を含んでいる、請求項8に記載の方法。
- 前記した被覆材を照射する工程が、高出力ダイレクトダイオードレーザーを用いる工程を含んでいる、請求項1に記載の方法。
- 前記したスプレー材料を強制的に導く工程が、クラウンの外表面の全てよりも少ない領域にスプレー材料を付着する工程を含んでいる、請求項1に記載の方法。
- 前記したピストンを用意する工程が、スチール合金を含む組成の材料からピストンを形成する工程を含んでいる、請求項1に記載の方法。
- クラウンの外表面が噴煙接触区域を有しており、この噴煙接触区域が、シリンダ内でピストンが約5°BTDCから約10°ATDCまで移動する間に燃料噴射噴煙の後続のターゲットとなるクラウンの外表面の一部を含んでおり、前記したスプレー材料を強制的に導く工程が、クラウンの外表面の全体ではなく、クラウンの外表面における噴煙接触区域を被覆する工程を含んでいる、請求項1に記載の方法。
- 燃料噴射方式のディーゼルエンジンにおけるスチールピストンを操作する方法であって、
シリンダヘッドを有するエンジンシリンダを用意する工程と、
ほぼ環状のリム、および、このリムの下方に配された凹型のボウルを含み、リムとボウルとの接合部がほぼ環状のリップを形成しているようなクラウンを有するピストンを用意する工程と、
シリンダ内で、シリンダヘッドに向かう方向とシリンダヘッドから離れる方向との間でピストンを往復運動させる工程と、
液体燃料を、シリンダ内に、および、ピストンクラウンのリップに向けて強制的に放出する工程と、
ピストンクラウンのリップの近傍において燃料を燃焼する工程と、を含んでおり、
前記したピストンを用意する工程が、
付着されたままの状態の微細構造および100%詰まった材料密度よりも低い付着されたままの状態の気孔率を有するように、基本的に耐腐食性および耐酸化性を有する組成物からなる被覆材をリップに付着することによって、ピストンクラウンのリップにおける表面の組成を変える工程と、
被覆材の密度を増加させるとともに、微細構造を改質し、被覆材とリップとの間における物質的結合を形成するために、高エネルギーレーザービームによって被覆材を照射する工程と、を含んでいる方法。 - 前記したピストンを用意する工程が、基本的に耐腐食性および耐酸化性を有する組成物からなるスプレー材料の粒子がリムに衝突したときに塑性的に変形するように、スプレー材料を強制的にリムに導き、これによってピストンクラウンのリムの表面組成を変える工程と、リムに吸着したスプレー材料が、スプレーされたままの状態の微細構造および100%詰まった材料密度よりも低いスプレーされたままの状態の気孔率を有する耐久性被覆材であり、被覆材の密度を増加させるとともに、微細構造を改質し、被覆材とリムとの間における物質的結合を形成するために、高エネルギーレーザービームによって被覆材を照射する工程とをさらに含んでいる、請求項14に記載の方法。
- 前記したピストンを用意する工程が、基本的に耐腐食性および耐酸化性を有する組成物からなるスプレー材料の粒子がボウルに衝突したときに塑性的に変形するように、スプレー材料を強制的にボウルに導き、これによってピストンクラウンにおけるボウルの少なくとも一部の表面組成を変える工程と、リムに吸着したスプレー材料が、スプレーされたままの状態の微細構造および100%詰まった材料密度よりも低いスプレーされたままの状態の気孔率を有する耐久性被覆材であり、被覆材の密度を増加させるとともに、微細構造を改質し、被覆材とボウルとの間における物質的結合を形成するために、高エネルギーレーザービームによって被覆材を照射する工程とをさらに含んでいる、請求項15に記載の方法。
- 燃料噴射方式のディーゼルエンジンのためのピストンであって、
ほぼ円柱型のスカートであって、その内部に横向きに設けられた一対の対向するピン孔を有するスカートと、
前記スカートの最上部に設けられ、ほぼ環状のリム、前記リムの下方に設けられた凹型
のボウル、および、前記リムと前記ボウルとの接合部に沿うほぼ環状のリップを有するクラウンとを備え、
前記リップが、耐腐食性および耐酸化性を有し高エネルギーレーザービームの照射を受けた組成物を付着することを基本とする接合面処理を施されている、ピストン。 - 前記ピストンクラウンが、基本的にスチールからなる組成の原材料から形成されている、請求項17に記載のピストン。
- 前記リムが、耐腐食性および耐酸化性を有し高エネルギーレーザービームの照射を受けた組成物をスプレーすることを基本とする接合面処理を施されている、請求項17に記載のピストン。
- 前記ボウルの少なくとも一部が、耐腐食性および耐酸化性を有し高エネルギーレーザービームの照射を受けた組成物をスプレーすることを基本とする接合面処理を施されている、請求項19に記載のピストン。
- 前記接合面処理においてスプレーされる耐腐食性および耐酸化性を有する前記組成物が、アムドライ995C、インコネル718、ステライト6、ニッケルクロム、クロムおよびこれらの合金からなるグループから選択されるものである、請求項17に記載のピストン。
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