JPS6158915A - 内燃機関の燃焼室壁面構造 - Google Patents

内燃機関の燃焼室壁面構造

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JPS6158915A
JPS6158915A JP59180013A JP18001384A JPS6158915A JP S6158915 A JPS6158915 A JP S6158915A JP 59180013 A JP59180013 A JP 59180013A JP 18001384 A JP18001384 A JP 18001384A JP S6158915 A JPS6158915 A JP S6158915A
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JP
Japan
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layer
zro2
wall surface
combustion chamber
coated
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JP59180013A
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English (en)
Inventor
Ryoji Nakajima
良二 中島
Tetsuhiko Yoneshige
米重 哲彦
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B51/00Other methods of operating engines involving pretreating of, or adding substances to, combustion air, fuel, or fuel-air mixture of the engines
    • F02B51/02Other methods of operating engines involving pretreating of, or adding substances to, combustion air, fuel, or fuel-air mixture of the engines involving catalysts
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B19/00Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/16Chamber shapes or constructions not specific to sub-groups F02B19/02 - F02B19/10
    • F02B19/165The shape or construction of the pre-combustion chambers is specially adapted to be formed, at least in part, of ceramic material
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00Casings, e.g. crankcases or frames
    • F02F7/0085Materials for constructing engines or their parts
    • F02F7/0087Ceramic materials
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00Metals
    • F05C2201/04Heavy metals
    • F05C2201/0433Iron group; Ferrous alloys, e.g. steel
    • F05C2201/0466Nickel
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は、内燃へ関の燃焼!を構成するピストン、シ
リングヘッド、吸排気弁等の一部に酸化触媒の触媒床と
なるセラミクスtWi層を形成した燃焼室壁面構造に関
する。
(従来の技術) ディーゼル成関の排気対策として、燃焼過程で発生する
煤や未燃燃料を燃焼室内で浄化するようにしたものが提
案されている(例えば、特開昭59−41624号公報
参照)。
これは、第4図に示したように、機関a焼室1を構成す
るピストン2のクラフン部や、シリングへラド3の底面
及び副室4の壁面等に酸化触媒の被覆層5を形成したも
ので、m現時に生じた不完全燃焼物が触媒被覆層5との
接触により酸化するようになっている。
触媒被覆層5は、2r属C5分への熱伝達により反応温
度及び転化効率が低下しないように、i5図のように金
属製部品(ピストン2)の表面に形成された断熱触媒床
としてのセラミクスの溶射被覆層6を介して被着されて
いる。
(発明が解決しようとする問題点) ところで、ディーゼル成閃では低速〜中速高負荷運転時
に多ヱの煤を発生するため触媒被覆Jr!I5の表面に
付着した煤が十分に酸化しされなくなって触媒反応面に
煤の層が形成され、これにより酸系供給が不十分になっ
て較化効率が急激に悪化するという問題が生じる。また
、渦流室式ディーゼル疲関では噴射燃料の全量が渦流室
内に噴射供給されるため、全体としての空燃比がおよそ
30よりも小さいリッチ側では渦流室内は過濃つまり空
気不足の状態にな1)がちであり、このため渦流室壁面
に触媒層を設けても煤等を確実に低減するのは因難であ
る。特に、高負荷運転時には渦流室での煤発生量が着増
し、主燃焼宣佃1の触媒が有効にホ丁(ヒしてもこれを
酸化しきれな(なるので、3!I]待したほどにはスモ
ーク濃度が低下しない。
この問題を解決するものとして、触媒床としてCeO2
の被覆層を設け、CeO2の酸化雰囲気中での酸素1入
収、還元雰囲気中での酸素放出という性質を利用して触
媒の背面側からら酸素を供給しうるようにしたものが提
案されているが(実開昭58−186126号公報参照
)、Ce O2は金属や他のセラミクス材料との結合力
が弱いため、触媒床として十分な断熱性及び酸素供給量
を確保するために厚い被覆層を形成すると温度変化に伴
う膨張収縮の繰返しにより剥離や亀裂を起こしやすいと
いう問題が生じる。
この発明はこのような従来の問題を解決することを目的
としてなされたものである。
(問題1県を解決するための手段) この発明では、tfi関燃焼室をh’17成する金属壁
面に断熱触媒床となるセラミクスの被覆層を溶射形成す
る内燃機関において、前記セラミクス被覆層を、前記金
属壁面上にN1とA’lの混合粉末を7ヒ射被覆して形
成したNi  Al層と、その上層側にZrO2粉末を
溶射被覆して形成したZrO2層と、さらにその上層側
にZ r O2とCc、2の混合粉末を溶射被覆して形
成したZ ro 2  Ceo 2層とを有する複数の
層で構成した。
(作用) Ni−AIの混合物からなる溶射被覆はアルミ合金等の
全屈とセラミクス材料、特にZrO2の双方に対してよ
(!il+染み、それぞれの結合強度を高める1乍用が
ある。このため燃規呈壁を構成する金属面上でのZr0
=IViの耐久性が向上する。
一方、ZrO2とCe O2はそAぞれの線膨張係数に
比較的大きな差があるが、この発明ではZ r O2石
の上M側にZrO2を含むZ ro 2  Ceo x
Nを設けることから各層間の線膨張係数の差が減少し、
またZr0zという各層に共通の材質同士で強ν・結合
力が究理されるので、Z r O2層とZrO2Ce○
、居とに関する耐久性も向上する。
なお、上記被覆層を構成する各層の厚さを大さくするほ
ど断熱効果が大さくなり、従ってその表面から被着する
触媒の祉化効不をより高めることができる等の利点を生
じるが、二の場合各2の厚さをある程度以上にすると各
J表裏の温度差及び内部応力の増加により耐久性が損な
われる恐れがあるので、N i−A I/UとZ ro
 、ljとの間にN:、AI、Z r O2の混合粉末
の溶射層を設け、あるいはZrO2−Ce O2層を、
Zr0z/Iに面する比佼的Z r O2の含有率が大
きい層とその上層l1111の比較的Ce○、の含有率
が大きい層とで構成するとよい。
(実施例) 第1図に二の発明を渦流室式ディーゼルは開に適用した
実施例を示す。
図において、10はシリング、11は主燃焼室、12は
アルミ合金製のピストン、13はシリングヘッド、14
は渦流室、15は主燃焼室11と渦流室14とを連通す
る噴孔、16はインノニクタ、17はグロープラグであ
る。18はピストン12、シリングへラッド13.2尚
iズこ室14等の燃焼室を(1η成する壁面上;二vf
t熱性のあるセラミクス材料で形成した被覆層で、その
詳細は′::tS2図に示した通りである。
:52図において、18Aはビスセンクラワン部12 
A上にN1とAlの;混合粉末を溶射被覆しで形成した
Ni−AIM、18BはZrO7粉末を= it岐覆し
て形成したZr0z/M、18CはZ r O2とCe
C2の混合粉末を溶射被覆したZrO2−CeC2WI
である。また、19は前a己3つの層からなる被覆層1
8の表面にtULだ酸化触媒層である。
このような断熱触媒床となる被覆層18の形成過程をさ
らに詳しく説明すると、まずピストンクラウン部12A
の被覆対象面を洗浄脱脂したのちサンドブラストにより
適度な表面粗度を付与する。
これは被覆材料との結合力をより強化するのに有効な処
理である。
次に、上記被覆NyA面にNiとAlの混合粉末を溶射
、さらにその表面にZrO2の粉末を溶射してNi−A
l、lff118AとZr○J1BBを形成する。
なお、NiとAlの混合比率C′M1R比、以下同様)
はNi95%、Al5%程度である。
そして、上記Z r O2ノ218Bの表面にZ r 
O2とCeO,の混合粉末を溶射する。CeC)2の混
合比率は、Z r O2層18Bに対する密着性及び溶
射速度を考慮すると最大でも80%前後が適正であるが
、さらにCeC2の比率が大きい層を形成するとさ、も
しくは厚い層を形成するとさは、既述したようにCeC
,の比率を抑えた層(例えば20〜50%)を開に設け
るのが好ましい、。
なお、この被vL/?1llBは、断熱性を確保するた
めには少なくとも100μ程度のI!7さを付与するの
が菫ましく、剥離を防止するためには最大でも11程度
が適当である。
また、酸化触媒層1゛9は、PL、Pd、Rh等を真空
蒸着により上記被覆Jrj18に被着するか、あるいは
前記触媒材料の化合!!I(例元ば硝酸酸性ノニトロジ
アミ/白金)の水溶液を被覆p!118に2−浸させ、
乾燥後加熱分解して形成する。第2図では図示の便宜上
触媒層19が被覆層18の上面を覆うように描いである
が、実際にはセラミクスをlδ射して形成した被覆層1
8は多孔貿栂造であり、その表IVi部に触媒材質が含
浸付着した!!!任になる。
このようにしてピストンクラウンe12A等に形成した
被覆層18及びMII’&層19は層撚9時に噴孔15
を介して渦流室14から主燃焼室11へと噴出する燃焼
ガス中の煤粒子や未燃燃料に接触してこれらを酸化する
が、このときZ r O2−Ce○2層18Cから酸素
が放出されるため伝化効率が着しく高められる。
つまり、Ce O2が吸気中の@索がM、富な吸入〜圧
縮行程にかけて酸素を吸収し、これを酸素が不足気味に
なる燃焼過程で放圧するため触媒の活性が極めて高くな
るのである。
ところで、ディーゼル(茂関では高負荷運転時に空気不
足気味になるといってもそのときの空気過剰率は1.3
−1.4程度で、残留ガス中には燃焼に使用しきれない
酸素が幾らか余っているので、実際には渦流室14にお
いても排気行程から酸素の吸収が始まり、触媒の活性化
に十分な量の酸素が被?118に保持される。一方、主
燃焼室11は燃焼過程での酸素量に関しては渦流室14
よりも有利であり、必ずしもCeO2による酸素の供給
を行なう必要がない、このことから、ZrO2Ceo 
2N 18 Cを渦流室14の装面のみに設けるように
してもよく、これによりある程度の煤及び未燃燃料等の
低減効果を確保しつつ、コストヲ抑乏られる。
第3図にこの発明の他の実施例を示す。
これは直接噴射式ディーゼル弐関のピストンボウル部2
0の表面に上記と同様のZ「02−Ce02層(18C
)を有する触媒床としての被覆層18を、その他の燃焼
窟壁面清成部の表面にはA I−N i層(18A)と
Zr0z/ff1(18B)からなる被覆層21を形成
し、燃料が集中して酸素が不足がちになるピストンボウ
ル部20での効率のよいP!l!媒作用全作用するよう
にしたものである。
(発明の効果) この発明によれば、Ce O2を含有するセラミクスM
覆層の金属質に対する結合強度及び耐久−が高められる
。従って、比較的厚い被覆層を介して触媒床に要yPc
される十分な!!17熱性を確保したうえで、内m機関
の燃焼過程で生じる煤等の有害生成物及び未燃燃料成分
を確実に低減でさるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
:jS1図は二の発明の一実施例のξ℃断面図、第2図
はその要部拡大図である。第3図は同じく他の実施例の
縦断面図である。f54図は従来例の縦断面図、第5図
はその要部拡大図である。 11・・・主燃焼室、12・・・ピストン、13・・・
シリングヘッド、14・・・渦流室、18・・・セラミ
クスの被m/M、18A−Ni−Δ1層、18B−Zr
02層、】8 C=Zr02−Ce02層、19 ・・
・酸化触媒層。 特許出願人 日産自動車株式会社 代理人 弁理士 後 藤 政 喜・、・、:第3図 第4図     第5図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1、機関燃焼室を構成する金属壁面に断熱触媒床となる
    セラミクスの被覆層を溶射形成する内燃機関において、
    前記セラミクス被覆層を、前記金属壁面上にNiとAl
    の混合粉末を溶射被覆して形成したNi−Al層と、そ
    の上層側にZrO_2粉末を溶射被覆して形成したZr
    O_2層と、さらにその上層側にZrO_2とCeO_
    2の混合粉末を溶射被覆して形成したZrO_2−Ce
    O_2層とを有する複数の層で構成したことを特徴とす
    る内燃機関の燃焼室壁面構造。
JP59180013A 1984-08-29 1984-08-29 内燃機関の燃焼室壁面構造 Pending JPS6158915A (ja)

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