JPS62240460A - デイ−ゼルエンジンピストン - Google Patents

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］ 本発明は、ピストン本体との間に断熱層を介して耐熱性
材料により燃焼室に面す８表面部を形成したディービル
エンジンピストンに関し、詳しくは、ディーゼルエンジ
ンの始動初期の燃焼効率を改善するものである。

［従来技術］ ディーゼルエンジン用ピストンとして、近時、燃焼効率
の向上を目的として、ピストン本体との間に例えばエア
ギッ°Ｖツブからなる断熱層を介して、耐熱性材料によ
り、燃焼室に面する表面部（燃焼室壁）を形成したアル
ミニウム合金製ピストンが提案されている（実開昭５９
−１３００４８号公報）。

［発明が解決しようとする問題点１ しかし、例えばかかるピストンであってピストン頭部に
凹状の燃焼室を有する、いわゆる直噴式ディーゼルエン
ジンピストンにあっては、始動初期にいわゆるコールト
スボッ１−の発生が助長されるという欠点を有する。

つまり燃料噴射ノズルから噴射された燃料のうち、一部
は、未燃焼状態で燃焼室壁に到達し、該被噴射部分を冷
却してコールドスポットを発生する。しかるに、上記ピ
ストンにおいて、燃焼室壁を形成する耐熱材料は、その
性格上断熱性に秀れるため、冷却された部分（コールド
スポット）とそうでない部分との温度差は容易にｊＮ消
されず、燃焼室壁の温度は、部分的に不均一となる。

本発明者は、かかる温度分布の不均一さが、エンジンの
始動初期において不完全燃焼を生ぜしめ、又、異臭や目
の痛みを生ずる白煙を排出する要因となることを見出し
た。

また、エンジンの副燃焼室で燃焼させたガスを、通路を
介してピストン頭部表面に噴射する、いわゆる副燃焼室
式のディーゼルエンジンピストンにあっては、被噴射部
分にヒートスポットが発生し、温石分布の不均一さによ
る無理な応力が発生する等の欠点がある。

本発明は、上記事情に鑑みて案出されたものであり、燃
焼室壁の温度を均一化することにより、例えば直噴式デ
ィーゼルエンジンにあっては、エンジンの始動初期にお
ける不完全燃焼等を低減させることを目的とする。

［問題点を解扶するための手段］ 本発明に係るディーゼルエンジン用ピストンは、軽合金
製ピストンの本体との間に断熱層を介して、燃焼室に面
する表面部の少なくとも一部を耐熱性材料により形成し
たディーゼルエンジンピストンにおいて、前記耐熱性材
料表面の少なくとも一部に前記耐熱性材料よりら熱伝導
性の高い高熱伝導率層を形成したことを特徴とする。

以下、構成要件を説明する。

本発明に係るピストンとしては、主として直噴式ディー
ゼルエンジン用ピストンを想定し、コールドスポットの
解消を主目的としているのが、副燃焼式ディーゼルエン
ジン用ビス１−ンに本発明の概念を適用した場合は、ヒ
ートスポットの発生を抑制できるという効果がある。ピ
ストンの形状及びピストン頭部に形成される燃焼室の形
状は問わない。

本発明に係るビス１−ンでは、燃焼室に面する表面部分
を形成する耐熱性材料とピストン本体の間に断熱層が介
在し、燃焼室で発生した熱のピストン本体への伝達を小
さならのとしている。このような断熱層は、例えば空気
（エアギＶツブ）、セラミックスによるもの、セラミッ
クス等とピストン本体をなす軽金属の複合材料、セラミ
ックスの多孔質体あるいは金属の多孔質体によって形成
できる。又燃焼室に面づる表面部を形成する耐熱性材料
は例えばステンレス鋼、セラミックスを用いることがで
き、熱伝導率は低い。

ピストンの形状は、特に限定せず、例えばいわゆるカッ
トバックビスＩ・ンであってもよい。又、直噴式ディー
ゼルエンジンピストンの場合において、該ピストン頭部
に形成される燃焼室の形状も問わない。

高熱伝導率層の形成方法は、例えば、溶射、あるいはメ
ッキあるいは鋳包み等の方法によることができる。高熱
伝導率層は厚いほど冷間始動時の温度分布の不均一さを
すみやかに解消でき、燃焼特性は向上Ｊる。この厚みは
、特に限定しないが、ピストンの重量変化等を考慮して
定める。

高熱伝導率層を形成する部分は、燃焼室に面する表面部
であれば、特に限定しないが、直噴式ディーピルエンジ
ンピストンにあっては、特に未燃焼燃料が被噴射される
部分を含ませることが、コールドスポットの解消に有効
である。

高熱伝導率層形成物質としては、ピストン頭部で燃焼室
に面づる表面部を形成する耐熱性材料よりも、熱伝導率
が高い材料を用いる５、このような材料としては、例え
ば、ＡＱ（鉄）、ｌ！（アルミニウム）、ＡＬＪ（金）
、Ｍｏ（マグネシウム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タ
ングステン）、ＡλＮ（窒化アルミニウム）、Ｂｅｄ（
ＩＩ化バリリウム）を挙げることができる。尚、復１表
にこれら第１表 の物質の熱伝導率を燃焼室に面する表面部を形成する耐
熱性材料の１例の熱伝導率とともに示す。

［作用］ 本発明においては、燃焼室に面するピストン頭部表面部
に高熱伝導率層を形成している。このため、該表面部の
温度は均一かつ速やかにＲｎする。

又、特に直噴式ディーゼルエンジン用ビス１〜ンにおい
ては、燃料噴射ノズルから噴射された未燃焼燃斜による
コールドスポットは、すみやかに解消され、ピストンの
燃焼室に面する表面部の温度は、均一に、ト胃する。

［実施例］ 以下、本発明の具体的な１実施例を図を参照しつつ説明
する。

本実施例は本発明を直噴式ディーゼルエンジンのピスト
ンに適用した一例である。

第１図は、本実施例に用いるピストンを２分割した一方
を示す斜視図である。

第１図に示すビス１〜ン本体は、へｇ合金製でありＬＪ
　Ｉｓ、△Ｃ８Ａ＞中央部分に円柱形凹状の燃焼室を有
するピストンヘッド部１０と、シリング内壁面と摺動す
る側面部２０と、ピストンの作動をクランクシレフトに
伝達する図示しないコンロッドを保持する中空部３０と
を有している。該ピストンにおいて、ピストンヘッド１
０の中央には、燃焼室を形成する燃焼室壁とすべく、鋳
造した厚さ３ｍｍのステンレス鋼板１５　（Ｊ　Ｉｓ、
　５ｔＪ８３０４）をビス１−ン頂部にボルト１６で固
定して耐熱材料により燃焼室を形成している。又、該ス
テンレス鋼製燃焼室壁とピストン本体との聞には厚さ３
１Ｉｌｌのエアギャップ１８を形成して、断熱層として
いる。後述する高熱伝導率層は、上記燃焼室壁（側壁１
０１、・底壁１ｏ２）及び燃焼室上部の周縁部２００表
面全体に形成されている。次に、側面部２０には、ピス
トンリングが１収入されるリング溝２２が形成され、一
方、中空部３０には、ビン穴４０から挿入される図示し
ないピストンピンによって、前記図示しないコンロッド
が保持される。

第２図は、本実施例に係るビス！ヘンの燃焼室にディー
ゼル燃料が、燃料噴射ノズル５０により、噴射される様
子を示１説明図である。

第２図に示すように噴射ノズル５０から噴口１された燃
料の一部は未燃焼状態でピストンヘッド１０の燃焼卒倒
壁１０１の特定部分１２に噴射されて、該部分１２を冷
却する。

（高熱伝導率層の形成） 本実施例は、上記燃焼室壁１０１．１０２及び該燃焼室
上部の周縁部２００の表面全体にプラズマ溶射法により
均一に厚さ２＋１１１１のＮＣｕにＪ：る高熱伝導率層
を形成するものである。このとき、溶射によるＣｕ１ｍ
の気孔率は、１％以下であり、その熱伝導率は、０．９
ＣａＲ／ＣＩ−ｄｅｇ　−ＳｅＣであった。一方、燃焼
室壁を形成する５ＵＳ３０４の熱伝導率は、０．０４Ｃ
ａ１／Ｃｍ−ＣＪｅｇ・Ｓｅｃであった。尚、エアギャ
ップの熱伝導率はＯ，０ＯＯ０８ｃａ＊／ｃｍ＠ｄｅｇ
　−ｓｅａである。ｌ （比較試験） 実施例と同様の形状を有するエアギャップ及び５ＵＳ３
０４による燃焼室壁を有さないＡｇ合金製ピストン、及
びＣｕ溶射層を形成しない他は、実施例と全く同様のエ
アギャップピストンを用意して、同一条件下で各々１０
個のピストンに付き冷間始動時の白煙ｍ度を測定した。

測定条件を第第２表 ２表に示す。尚、白煙濃度の測定はスタックスモークメ
ータによった。

第３図は、測定結果を示したグラフである。縦軸は白煙
濃度［ＵＴＡＣ（％）］を、横軸は、エンジン始動から
の経過時間（ｓｅｃ）を示す。第３図から明らかなよう
にいずれのビス１〜ンの白煙濃度もスター１〜直後に最
高値を示し、エンジンの稼動時間の経過に応じて減少し
ている。しかし、白ｆｉ１１度が、２０％以下となるま
での時間は、本実施例のピストンで３０ＳｅＣ１ＡＲ合
金製ピストンで６０ｓｅｃ、高熱伝導率層を形成しない
従来の、５ＵＳ３０４及びエアギルノツプビス１−ンで
は１１０８ｅＣであり、明らかにエンジン始動初期の燃
焼効率（よ向上した。これは、本実施例に係るビス°１
−ンにおいては、燃料空壁表面全体にＣｕ溶射層が形成
されているため、燃焼室壁全体が均一かつ速やかに昇温
するためと考えられる。

（その他の実施例） 本実施例において、高熱伝導率層を形成する部分につい
ては、様々に改変することができる。

第４〜第７図はピストンヘッドにおける高熱伝導率層の
形成部分を示す説明図である。本実施例においては、燃
料噴射ノズルから噴射される未燃焼燃料は主に燃焼室側
壁の特定部分１２に噴射されると考えられるため、高熱
伝導率層を第４図のように、燃焼室側壁１０１全体に形
成してらよいし、第５図のように未燃焼燃料が被噴射さ
れる部分１２の周辺１２０のみに形成してもよい。又、
第５図のように未燃焼燃料被噴射周辺部分１２０及び燃
焼室底壁１０２に形成してらよ（、第６図のようにピス
トンヘッド全体に形成してもよい。

実験によれば、第４〜第７図のいずれの場合も、冷間時
始勅特性は向上した。

［発明の効果］ 以上述べたＪ：うに本発明においては、ピストン本体と
の間に断熱材を介して、耐熱性材料により形成した燃焼
室に面する表面部に高熱伝導率層を形成して、該表面部
の均一かつ速やかな昇温を可能にするものである。即ち
、該表面部の均一な昇温により、部分的な温度差（例え
ばコールトスボッ１〜の発生）により生じる不完全燃焼
が抑制され昇温が速やかに行なわれ、燃焼効率が向上す
る。

このため、冷間時のエンジン始動においても白煙の発生
量及びその濃度は、著しく低減される。

さらに本発明によってピストン重吊バランスをくずした
りすることはない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本実ＭＶＡに用いるピストンを２分ｖ１した
一方を示す斜視図である。 第２図は、本実施例に係るピストンの燃焼室にデＣ−ゼ
ル燃料が、燃料噴射ノズル５０により、噴射される様子
を示す説明図である。 第３図は、冷間始動時の白煙濃度の測定結果を示したグ
ラフである。 第４〜第７図は、ピストンヘッドにおける高熱伝導率層
の形成部分を示す説明図である。 １０・・・ピストンヘッド １５・・・ステンレス鋼板　　１６・・・ボルト１８・
・・エアギャップ　　　２２・・・リング溝５０・・・
燃料噴射ノズル １０１・・・燃焼室側壁　　　１０２・・・燃焼室底壁
特許出願人　　　トヨタ自ｉＩＪ車株式会社代理人　　
　　弁理士　大川　宏 同　　　　　弁理士　丸山明夫 経過８！ＦＪ　（ＳｅＣ）　　（データはＮ＝１０平均
）第２図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）軽合金製ピストンの本体との間に断熱層を介して
   、燃焼室に面する表面部の少なくとも一部を、耐熱性材
   料により形成したディーゼルエンジンピストンにおいて
   、前記耐熱性材料表面の少なくとも一部に前記耐熱性材
   料よりも熱伝導性の高い高熱伝導率層を形成したことを
   特徴とするディーゼルエンジンピストン。
2. （２）前記ディーゼルエンジンピストンは、直噴式ディ
   ーゼルエンジンピストンであり、前記高熱伝導率層は、
   少なくとも未燃焼のディーゼル燃料の被噴射部分表面を
   含んで形成される特許請求の範囲第１項記載のディーゼ
   ルエンジンピストン。
3. （３）前記高熱伝導率層を形成する材料は、Ｃｕ（銅）
   、Ａｇ（銀）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｇ（マグネシ
   ウム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）の少
   なくとも一種類以上を主成分とする合金、あるいは、Ａ
   ｌＮ（窒化アルミニウム）、ＢｅＯ（酸化ベリリウム）
   の一種類以上を主成分とする化合物、である特許請求の
   範囲第１項記載のディーゼルエンジンピストン。