JP2586039B2 - 断熱ピストンの構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、セラミックエンジン等の断熱エンジンに
おける断熱ピストンの構造に関する。

〔従来の技術〕 従来、セラミック材を断熱材又は耐熱材として利用し
た断熱ピストン等のエンジン部材は、例えば、特開昭60
−93161号公報、特開昭61−66848号公報等に開示されて
いる。

まず、特開昭60−93161号公報に開示された断熱ピス
トンの構造について、第３図を参照して概説する。断熱
ピストンの構造30は、ピストンスカート部を含むピスト
ン本体32の上端部に嵌合孔33を設け、その嵌合孔33にク
ラウン31に形成した突部34を嵌合し、ピストン本体32の
嵌合孔33の周囲を加熱加圧し、ピストン本体32とクラウ
ン31とを接合したものである。ピストン本体32はアルミ
ニウム、可鍛鋳鉄等によって構成され、またクラウン31
は窒化珪素等のセラミックスから構成されている。クラ
ウン31の突部34には燃焼室37が形成され、またクラウン
31の外周部には突条35が形成されている。更に、突部34
と突条35との間に形成された空部38に配置されたセラミ
ックスファイバー又はステンレスメッシュから成る断熱
材36は、クラウン31とピストン本体32とによって挟持状
態に固定されている。

次に、特開昭61−66848号公報に開示された断熱ピス
トンについて、第４図を参照して概説する。断熱ピスト
ン40は、セラミックス製のピストン冠部41及び金属製の
スカート部42から構成され、互いにボルト43及びナット
44によって皿ばね48を介して固定されている。ピストン
冠部41とスカート部42との間には、セラミックスから成
るコーティング層47及び断熱ガスケット46が介在され、
しかも断熱空気層49が形成されている。図中、符号45は
シールリングを示す。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、セラミック材は曲げ荷重が作用すると
破損され易いことからその強度を確保するために、セラ
ミック材から成るピストンクラウンの肉厚は取付け荷重
の反力による応力集中を考慮して相当の厚さに構成され
ている。従って、ピストンクラウンの熱容量が大きくエ
ンジンの吸入効率を低下させる原因となっている。

また、上記のようなセラミックスを断熱材又は耐熱材
として利用するピストン等の断熱エンジン部材において
断熱特性を十分に得ることは、極めて困難である。例え
ば、ジルコニア系セラミック材等を断熱材として利用し
た場合に、その熱伝導率は組成によって相違するが、一
般材料である窒化珪素系セラミック材等の熱伝導率と比
較して余り大きな差はないものである。一般に、ピスト
ン等のエンジン部材についての断熱材の特性は、空気程
度の熱伝導率があることが好ましく、物性材料として適
しているのは、チタン酸カリウムの熱伝導率程度を有す
るものである。

ところで、前掲特開昭60−93161号公報に開示された
断熱ピストンの構造については、クラウン31とピストン
本体32との結合部、言い換えれば、両者間に介在した断
熱材36の結合部のシール機能が十分でなく、また燃焼室
側の断熱についてもその機能は十分とは言えず、しかも
クラウン31の熱容量を出来る限り小さく構成するという
技術的思想を有するものではなく、問題点を有してい
る。

また、前掲特開昭61−66848号公報に開示された断熱
ピストンについても、上記と同様な問題点を有してい
る。

この発明の目的は、上記の問題点を解決することであ
り、セラミック材料の強度的欠点である引張応力の反力
を分散し、応力集中を防ぐことにより、ピストンヘッド
を可及的に薄肉に構成することができ、且つシール機能
及び断熱機能に優れた断熱ピストンの構造を提供するこ
とである。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、上記の目的を達成するために、次のよう
に構成されている。即ち、この発明は、中心部に下方に
突出する取付ボス部を備え且つ外周部に向かって上方に
傾斜した傾斜部に構成したセラミック製のピストンヘッ
ドと、中央部に前記取付ボス部を嵌合する取付孔を備え
たピストンスカートとを有し、前記ピストンヘッドと前
記ピストンスカートとの間には断熱シール材が介在さ
れ、前記シリンダヘッドの前記ピストンスカートへの取
付け時に前記取付ボス部にピストン軸方向の引張力が付
加された状態で前記取付ボス部が前記ピストンスカート
に固定され、前記ピストンヘッドの前記外周部にかかる
前記引張力の反力が前記傾斜部に分散されていることを
特徴とする断熱ピストンの構造に関する。

また、前記断熱シール材の外周部と内周部は少なくと
もチタン酸カリウム製シートとステンレススチール製シ
ートから構成され、前記外周部と前記内周部とが金属製
部材によって連結されている。また、前記ピストンヘッ
ドと前記ピストンスカートとの間の空隙にはセラミック
ファイバーが充填されている。更に、、前記断熱シール
材はその内周面が前記取付ボス部に当接して位置決めさ
れている。

〔作用〕

この発明による断熱ピストンの構造は、以上のように
構成されており、次のように作用する。即ち、この断熱
ピストンの構造は、ピストンヘッドは取付ボス部から外
周部に向かって上方に傾斜して構成されているので、取
付ボス部にピストン軸方向の引張力を与えて該取付ボス
部を前記ピストンスカートに固定した状態で、前記断熱
シール材と接触するピストンヘッドの外周部に作用する
前記引張力の反力が前記傾斜部に分散され、前記傾斜部
と前記取付ボス部との接続部に応力集中が発生するのを
防止できる。

従って、ピストンヘッドの肉厚を可及的に薄くするこ
とができ、ピストンヘッドの熱容量が小さく構成するこ
とができるため、エンジンの吸入効率を向上させること
ができる。しかも、前記断熱シール材は前記ピストンヘ
ッドと前記ピストンスカートとの間の結合部のガスシー
ルを行うと共に高性能の断熱機能を果たすことができ
る。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明による断熱ピストン
の構造の一実施例を詳述する。

第１図において、この発明による断熱ピストンの構造
10は、窒化珪素系等のセラミック製ピストンクラウン即
ちピストンヘッド１と金属製ピストンスカート２とから
成る。

ピストンヘッド１の中央部には、取付ボス部４が設け
られており、ピストンヘッド１の外周部は、ほぼ平板状
に形成されている。更に、ピストンヘッド１の熱容量を
小さくするため、燃焼室５に面するピストンヘッド１の
肉厚は可及的に薄く形成されている。

この断熱ピストンの構造10は、上記のように、セラミ
ック材料の強度的欠点である変断面を取り除いてスムー
スにすると共に、取り付け時に発生する力の分散を考
え、セラミック製のピストンヘッド１を作用力に沿った
形状、言い換えれば、外周部に向かって上方に傾斜した
傾斜部に構成することであり、ピストンヘッド１の中心
部付近に取付ボス部４が位置し、取付ボス部４によっ
て、断熱シール材８の外周部のシール性を高め、更にピ
ストンヘッド１の慣性力を抑止するという効果を有して
いる。

図において、ピストンヘッド１の取付ボス部４をピス
トンスカート２の取付孔９に挿入して取り付ける時に、
取付ボス部４にピストン軸方向の引張力Ｆが付加された
状態で取付ボス部４がピストンスカート２に固定される
場合、その引張力Ｆとその反力Ｆ′が断熱シール材８の
外周部のシール部18に作用し、また、取付ボス部４で見
ると、引張力Ｆの作用力に対し、傾斜部即ち壁面Ｇ部で
その反力を負担することになり、引張力Ｆの反力Ｆ′が
傾斜部に分散されることになる。

従って、Ｇ部の壁面は傾斜している方がよく、傾斜角
度は約10°以上必要である。セラミック製のピストンヘ
ッド２自体が傾斜角を持た傾斜部に構成していれば、取
付ボス部４の周囲には曲げ力は作用せず、引張力F₁とな
り且つ応力は分散されることになる。

また、ピストンヘッド１の燃焼室５側の面を外周部か
ら中央部に向う緩やかな凹状面３に形成すると共に、反
対側の面を外周部６から中央部の取付ボス部４に向う緩
やかな曲面19に形成し、取付ボス部４をピストンスカー
ト２の取付孔９に嵌合し且つリング15によって互いに係
止し、ピストンヘッド１とピストンスカート２とを断熱
シール材８を介して結合している。

ピストンヘッド１に設けられた取付ボス部４の先端部
には、係止用のリング15が嵌合する嵌合溝16が形成され
ている。また、金属製ピストンスカート２には、ピスト
ンリング溝13が形成されている。これらのピストンリン
グ溝13には、圧力リング、オイルリング等のピストンリ
ング（図示省略）が嵌込まれるように構成されている。
また、ピストンスカート２の中央部には、取付ボス部４
を取り付けるための取付孔９が形成されている。取付孔
９にはリング15が嵌合する嵌合溝17が形成されている。

このような構成において、ピストンヘッド１とピスト
ンスカート２との中央部を嵌合状態に結合し、ピストン
ヘッド１とピストンスカート２との対向面のシール部18
をシールするため断熱シール材８を介在させる。ピスト
ンヘッド１の中央部の取付ボス部４をピストンスカート
２の中央部の取付孔９に嵌合し、次いで、取付ボス部４
に形成した嵌合溝16と取付孔９に形成した嵌合溝17とに
跨がってリング15を嵌合し、ピストンヘッド１とピスト
ンスカート２とを係止状態に結合する。しかも、ピスト
ンヘッド１とピストンスカート２との間には断熱シール
材８が介在され、ピストンヘッド１からピストンスカー
ト２への熱の伝導を防止即ち断熱している。

断熱シール材８の構造は、次のように構成されてい
る。断熱シール材８は、第２図に示すように、外周部
６、内周部14、及び外周部６と内周部14とを連結するス
テンレススチール等の金属製ディスク20から構成されて
いる。

断熱シール材８の外周部６の構造は、少なくともチタ
ン酸カリウム製シート22とステンレススチール製シート
23とを交互に配置し、しかもこれらのシートの重合体の
外周面はステンレススチール等の金属製ケース24によっ
て被覆した構造に構成されている。

また、断熱シール材８の内周部14の構造については、
外周部６と同様に、少なくともチタン酸カリウム製シー
トとステンレススチール製シートとが交互に配置され、
しかもこれらのシートの重合体の外面はステンレススチ
ール製の金属製ケースによって被覆した構造に構成され
ている。

更に、ピストンヘッド１とピストンスカート２とによ
って形成された空隙７には、アルミナファイバー21が充
填されている。

また、断熱シール材８の内周部14には、中央孔25が形
成されている。中央孔25の内周面が取付ボス部４の曲面
19に当接することによって、断熱シール材８はピストン
ヘッド１に対して位置決めされている。

断熱シール材８の外周部６は、ピストンヘッド１とピ
ストンスカート２との間のシール部18において締付状態
に挟持される。また、ピストンヘッド１の取付ボス部４
とピストンスカート２の取付孔９の近傍即ち嵌合部付近
において締付状態に挟持される。

断熱シール材８を構成するチタン酸カリウムについて
は、例えば、ウィスカー状チタン酸カリウム（K₂ Ti₆O
₁₃、融点1370℃、比重3.2、熱伝導率0.00012cal/cm sec
℃）をステンレススチール製シートの間に配置するよう
に構成することもできる。更に、断熱シール材８には、
場合によっては、カーボンをシール部のみに少量混合
し、シール機能を向上させることもできる。

この断熱ピストンの構造10は、上記のような構成であ
り、ピストンスカート２にピストンクラウン１を結合す
るには、例えば、次のようにして行うことができる。

まず、ピストンヘッド１の取付ボス部４に断熱シール
材８を嵌合するか、又はピストンスカート２の上面に断
熱シール材８を載置すると共に、ピストンスカート２の
嵌合溝17にリング15を嵌合する。次いで、ピストンヘッ
ド１の取付ボス部４をピストンスカート２の取付孔９に
嵌合すると共に、断熱シール材８の外周部を介してピス
トンヘッド１の外周部をピストンスカート２の外周部と
重ね合わせ状態に配置する。

次いで、ピストンヘッド１の取付ボス部４をピストン
スカート２の取付孔９に対して矢印Ｆ方向に更に押し込
み、取付ボス部４に形成した嵌合溝16にリング15を嵌合
させる。この取付工程において、リング15を高周波によ
って金属硬度を低下させておき、しかもリング15をピス
トンスカート２に押圧した状態に支持し、次いでプレス
によってピストンヘッド１の取付ボス部４をピストンス
カート２の取付孔９に押し込むことによって達成するこ
とができる。従って、リング15は、取付ボス部４の嵌合
溝16と取付孔９の嵌合溝17とに跨がって設置され、ピス
トンヘッド１とピストンスカート２とを係止状態に結合
する。

〔発明の効果〕

この発明による断熱ピストンの構造は、以上のように
構成されているので、次のような特有の効果を有する。
即ち、この断熱ピストンの構造は、ピストンヘッドは取
付ボス部から外周部に向かって上方に傾斜して構成され
ているので、ピストンヘッドのピストンスカートへの取
付け時に、取付ボス部に引張力を付加して該取付ボス部
を前記ピストンスカートに固定した状態で、前記断熱シ
ール材と接触するピストンヘッドの外周部に作用する反
力は、前記傾斜部に分散され、取付ボス部の周囲には曲
げ力は作用せず、接続部即ち取付部に応力集中が発生す
るのを防止できる。

従って、ピストンヘッドの肉厚を可及的に薄くするこ
とができ、ピストンヘッドの熱容量が小さく構成するこ
とができるため、エンジンの吸入効率を向上させること
ができる。

しかも、前記断熱シール材は前記ピストンヘッドと前
記ピストンスカートとの間の結合部のガスシールを行う
と共に高性能の断熱機能を果たすことができる。

即ち、断熱エンジンにおいて、高温ガスが接触する部
分即ちピストンヘッドの熱容量が小さく、且つピストン
スカートとの間の結合部のガスシール及び断熱が図られ
ているので、前記エンジンの爆発行程及び排気行程にお
いては燃焼室内に熱エネルギーが残存することなく、ほ
とんどの熱エネルギーを排気ポートを経て下流に設けら
れているエネルギー回収装置に送り込むことができ、ま
た前記エンジンの吸入行程においては高温ガスが接触す
る部分即ち前記ピストンヘッドは所望な程度の温度まで
直ちに冷却され、吸入効率が低下するような現象が生じ
ることがない。

更に、前記断熱シール材の外周部と内周部は少なくと
もチタン酸カリウム製シートとステンレススチール製シ
ートから構成し、前記外周部と前記内周部とを金属製デ
ィスクによって連結し、しかも前記ピストンヘッドと前
記ピストンスカートとによって形成された空隙にセラミ
ックファイバーを充填したので、前記エンジンの前記燃
焼室に対して高性能の断熱機能を果たし、前記燃焼室か
らピストンを通じての熱エネルギーの流出はなく、熱エ
ネルギーを前記燃焼室に閉じ込めることができ、上記エ
ネルギー回収装置によって、熱エネルギーを有効に最大
限に回収することができる。

また、一般的に、肉厚が非常に薄く且つ剛性の弱いピ
ストンヘッドについては、十分な軸方向のシール圧力を
得ることは困難であるが、この発明による断熱ピストン
の構造は、前記ピストンヘッドを凹状面即ち傘状に形成
し、前記ピストンヘッドと前記ピストンスカートとの外
周部即ちシール部において、前記ピストンヘッドは前記
ピストンスカートに対して軸方向に押圧状態に設定さ
れ、それによって前記断熱シール材の外周部及び内周部
は前記ピストンヘッドと前記ピストンスカートとの間に
おいて締付状態に挟持され、しかも前記断熱シール材は
円周方向にシール機能を発生させることができる。

更に、前記断熱シール材はその内周面が前記取付ボス
部に当接状態に位置決めされるので、前記断熱シール材
は前記ピストンヘッド及び前記ピストンスカートに対し
て確実に且つ堅固に、しかも所定の位置に固定される。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による断熱ピストンの構造の一実施例
を示す断面図、第２図は第１図の符号Ａにおける部分を
示す詳細な断面図、第３図は従来の断熱ピストンの構造
の一例を示す断面図、及び第４図は従来の断熱ピストン
の別の例を示す断面図である。 １……ピストンヘッド、２……ピストンスカート、４…
…取付ボス部、５……燃焼室、６……外周部、７……空
隙、８……断熱シール材、９……取付孔、10……断熱ピ
ストンの構造、14……内周部、20……金属製ディスク、
21……アルミナファイバー、22……チタン酸カリウム製
シート、23……ステンレススチール製シート。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中心部に下方に突出する取付ボス部を備え
   且つ外周部に向かって上方に傾斜した傾斜部に構成した
   セラミック製のピストンヘッドと、中央部に前記取付ボ
   ス部を嵌合する取付孔を備えたピストンスカートとを有
   し、前記ピストンヘッドと前記ピストンスカートとの間
   には断熱シール材が介在され、前記シリンダヘッドの前
   記ピストンスカートへの取付け時に前記取付ボス部にピ
   ストン軸方向の引張力が付加される状態で前記取付ボス
   部が前記ピストンスカートに固定され、前記ピストンヘ
   ッドの前記外周部にかかる前記引張力の反力が前記傾斜
   部に分散されていることを特徴とする断熱ピストンの構
   造。
2. 【請求項２】前記断熱シール材の外周部と内周部は少な
   くともチタン酸カリウム製シートとステンレススチール
   製シートから構成され、前記外周部と前記内周部とが金
   属製部材によって連結されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の断熱ピストンの構造。
3. 【請求項３】前記ピストンヘッドと前記ピストンスカー
   トとの間の空隙にはセラミックファイバーが充填されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の断
   熱ピストンの構造。
4. 【請求項４】前記断熱シール材はその内周面が前記取付
   ボス部に当接して位置決めされていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の断熱ピストンの構造。