JP2012122445A - 内燃機関のピストン構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンの断熱性を向上し、しかも表面に付着する煤等を除去できる内燃機関のピストン構造を提供する。
【解決手段】アルミニウムやアルミニウム合金で形成されたピストン２０の表面にアルマイト皮膜１１を形成し、そのアルマイト皮膜１１で形成された多孔質層に触媒金属１３を担持させたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のピストン構造に関するものである。

近年は、車両の燃費向上のためにエンジンの燃費改善はもとより、シリンダーから排出された排ガスの排気エネルギーをターボチャージャーで回収して、吸気を過給することで、投入エネルギーの最大効率化を図っている。

一方、燃焼時の熱エネルギーがピストン、シリンダーを介して冷却水に伝播する分は、エネルギーの回収が不可で、最終的にはラジエターを介して大気に放出される。

エネルギーの効率化を図るには、冷却水損出分のエネルギーを減少させ、排気エネルギーの増加を図り、ターボチャージャーでエネルギーを回収する考えは、従来より提案されている。

このために、過去にはピストン表面にセラミックなどの断熱材を貼り付けた仕様のものが試みられたが、断熱材の強度、製造などの問題から熱容量の大きいものしか作製できなかった。結果として燃焼時には、燃料の熱エネルギーが断熱材等に蓄熱され、排気行程中に蓄熱エネルギーを完全に放出することが出来ず、吸気行程にても熱を放出することになり、吸気された空気がシリンダー内で温度を高められ、吸入空気密度が低下し、効率の悪化を招くことになる。

そこで、特許文献１、２に示されるようにピストンに陽極酸化処理にてアルマイト皮膜を施して耐熱性や耐摩耗性を高めることが提案されている。

実開昭６２−１３７３６１号公報 特開平１１−２６７９２９号公報

しかしながら、ピストンの強度の向上は望めるものの、陽極酸化処理しただけのアルマイト皮膜は多孔質状態であり、多孔質の状態では、酸化、腐蝕されるために、封止処理を実施しており、微細孔の空気層が封止材で塞がれて断熱性能は保持されていない問題がある。

一方、燃焼室内には燃料の二次生成物である煤も多く存在する。煤のサイズは１００μｍ以上と、アルマイト皮膜に形成される５０〜５００ｎｍの径の微細孔おりも大きく、煤が多孔質層に侵入する可能性は少ないものの、煤が表面に堆積してケーキ層を形成することとなり好ましくない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ピストンの断熱性を向上し、しかも表面に付着する煤等を除去できる内燃機関のピストン構造を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、アルミニウムやアルミニウム合金で形成されたピストンの表面にアルマイト皮膜を形成し、そのアルマイト皮膜で形成された多孔質層に触媒金属を担持させたことを特徴とする内燃機関のピストン構造である。

請求項２の発明は、アルマイト皮膜は、ピストン頂面とその頂面に形成された燃焼室及びピストンの全周面に形成される請求項１記載の内燃機関のピストン構造である。

請求項３の発明は、アルマイト皮膜は、ピストン頂面とその頂面に形成された燃焼室及びリング溝上部のピストン周面に形成される請求項１記載の内燃機関のピストン構造である。

請求項４の発明は、ピストンの表面を、陽極酸化処理を行って細孔径が５０〜５００ｎｍ、深さが５００ｎｍ〜１０００ｎｍの多孔質層からなるアルマイト皮膜を形成し、その多孔層の細孔内に白金からなる触媒金属を担持させた請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関のピストン構造である。

本発明は、ピストンの表面にアルマイト皮膜を形成し、そのアルマイト皮膜で形成された多孔質層に触媒金属を担持させることで、断熱性能が良好で、しかも煤が堆積しても焼却除去できるという優れた効果を発揮する。

本発明の内燃機関のピストン構造において、アルマイト皮膜の構造を示す拡大図である。 本発明の内燃機関のピストン構造の全体構成を示す図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

先ず、本発明が適用されるピストン２０の全体構成を図２により説明する。

図２において、ピストン２０の頂面中央には、凹状に形成された燃焼室２１が形成され、上部周面には、ピストンリングのリング溝２２が形成され、さらにコンロッドに連結するピストン孔２３が形成される。

本発明においては、図２（ａ）に示すようにピストン２０の頂面とその頂面に形成された燃焼室２１及びピストン２０のトップランド２４及びリング溝２２を含めた全周面に、細孔内にプラチナからなる触媒金属を担持させたアルマイト皮膜１１を形成、あるいは図２（ｂ）に示すように、ピストン２０の頂面とその頂面に形成された燃焼室２１及びリング溝２２上部のピストン２０のトップランド２４の周面に、細孔内にプラチナからなる触媒金属を担持させたアルマイト皮膜１１を形成したものである。

図１は、ピストン２０の表面であるアルミニウム又はアルミニウム合金層１０上に多孔質層を形成するアルマイト皮膜１１を形成し、そのアルマイト皮膜１１で形成される多孔質層の微細孔１２に触媒金属１３を担持させた状態を拡大して示したものである。

アルマイト皮膜１１の形成は、陽極酸化処理によって形成されるが、この形成過程で、アルミニウム又はアルミニウム合金層１０の表面のアルミニウムが酸化されながら酸化アルミニウムとなり、アルミニウム又はアルミニウム合金層１０の表面にバリヤー層１４を形成し、そのバリヤー層１４から径が数μｍの被膜セル１５が集合した状態で形成されていくが、アルミニウム以外の金属元素の存在や電気の流れなどにより、被膜セル１５の厚み方向に細長い微細孔１２を多数有する多孔質構造となる。この微細孔１２の径は、５０ｎｍ〜５００ｎｍで、深さは５００〜１０００ｎｍ前後のものである。

通常、この微細孔１２は、硬度や耐食性を劣化させる原因となるが、本発明においては、この微細孔１２内に白金などのナノサイズの触媒金属１３を担持させるようにしたものである。

ここで、アルマイト皮膜１１の厚さは、１μｍ〜５μｍ程度となるように陽極酸化を行う。

また微細孔１２に担持する触媒金属１３は、白金であれば、塩化白金酸を用いて微細孔１２内に浸漬させて担持させる。

次に本発明の作用を説明する。

ピストン２０の燃焼室２１を含む頂面とその上部周面あるいは全周面が触媒金属１３を担持させたアルマイト皮膜１１で形成されることで、アルマイト皮膜１１が十分に薄くても多孔質層内の空気が断熱材としての機能を果たすことになる。また主たる断熱機能材料が空気でもあり燃焼ガスで高温化すると膨張し微細孔１２から一部は流出し、吸気行程でピストンが冷却されると、新気を自動的に取り込むことになり、次のサイクルに余分な熱を持ち込まない利点がある。

この表面処理したアルマイト皮膜１１は、冷却水への熱エネルギーの伝播を減少させ、排気エネルギーの増加が可能となり、従来の断熱材と比較して熱容量が少ないため、次のサイクルへの熱的な影響が少ない効果的な断熱の働きをする。

一方、燃焼室２１内及びトップランド２４には燃料の二次生成物である煤も多く存在する。煤のサイズは１００μｍ以上と、５０〜５００ｎｍの微細孔より大きく、多孔質層内に侵入することはなく、また燃焼時の熱と微細孔１２内に担持した触媒金属１３の触媒作用により煤が焼却されてアルマイト皮膜１１の表面部分が清掃されることとなる。また二次的な効果としては、微細孔１２内に担持した触媒金属１３が燃焼時に発生するＨＣ（ハイドロカーボン）などを触媒効果により酸化することで排気ガスの浄化も図れる。

１０ アルミニウム又はアルミニウム合金層
１１ アルマイト皮膜
１２ 微細孔
１３ 触媒金属
２０ ピストン

Claims (4)

1. アルミニウムやアルミニウム合金で形成されたピストンの表面にアルマイト皮膜を形成し、そのアルマイト皮膜で形成された多孔質層に触媒金属を担持させたことを特徴とする内燃機関のピストン構造。
2. アルマイト皮膜は、ピストン頂面とその頂面に形成された燃焼室及びピストンの全周面に形成される請求項１記載の内燃機関のピストン構造。
3. アルマイト皮膜は、ピストン頂面とその頂面に形成された燃焼室及びリング溝上部のピストン周面に形成される請求項１記載の内燃機関のピストン構造。
4. ピストンの表面を、陽極酸化処理を行って細孔径が５０〜５００ｎｍ、深さが５００ｎｍ〜１０００ｎｍの多孔質層からなるアルマイト皮膜を形成し、その多孔層の細孔内に白金からなる触媒金属を担持させた請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関のピストン構造。