JP2932698B2 - リエントラント型ピストン及びその製造方法 - Google Patents

リエントラント型ピストン及びその製造方法

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JP2932698B2 JP2416477A JP41647790A JP2932698B2 JP 2932698 B2 JP2932698 B2 JP 2932698B2 JP 2416477 A JP2416477 A JP 2416477A JP 41647790 A JP41647790 A JP 41647790A JP 2932698 B2 JP2932698 B2 JP 2932698B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、ピストンヘッドに形
成したキャビティ上面に半径方向内向きに先細りに伸び
てループ状開口を形成したリップ部を備えたリエントラ
ント型ピストン及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、直接噴射式ディーゼル機関の燃焼
室装置としては、実開昭６０−６５３３３号公報に開示
されたものがある。該燃焼室装置は、ピストン頂部に燃
焼室を形成し、この燃焼室の上端部壁面に環状の断熱材
を鋳込んだものである。この燃焼室装置によって、圧縮
行程においては断熱材を燃焼室の他の壁面よりかなりの
高温に保持し、混合気の着火を断熱材の周囲で早期に発
生させることにより着火遅れを短くすると共に、ディー
ゼルノックを防止し、しかも、耐久性、量産性のある燃
焼室を得るようにしたものである。
【０００３】また、異なる材料の挿入体を有するアルミ
ニウムピストンとして、特公昭６０−２５６１９号公報
に開示されたものがある。該公報に開示されたアルミニ
ウムピストンは、高負荷位置に異なる材料の挿入体を有
し、該挿入体がピストン本体のアルミニウムが充填され
る開放凹部を有するものである。該アルミニウムピスト
ンは、気孔の平均孔径が３〜２００μｍであり、開放気
孔の表面から続く層が少なくとも平均孔径の２０倍の厚
さを有し、多孔層が層の全厚にわたって溶融状態で圧入
したピストン本体のアルミニウムで完全に充填されてい
るものである。また、多孔層の厚さが孔径の８０〜１０
０倍である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、リエントラ
ント型ピストンにおける燃焼室では、燃焼室入口即ち燃
焼室開口部のリップ先端部を先細りにシャープに即ち先
端の曲率半径を小さく形成することでスキッシュ流及び
逆スキッシュ流の乱れを増大させ、燃料と空気との混合
が均一化され、燃焼状態が良好になる。しかしながら、
従来のようなアルミニウム製ピストンでは、燃焼室を構
成するリップ部に加わる熱負荷のために、リップ部の溶
解現象、クラック発生等の問題が生じ、リップ先端部を
鋭くするにも先端の曲率半径は１．５Ｒ程度が限界であ
った。
【０００５】また、リエントラント型の燃焼室を有する
アルミニウム等の金属製のピストンを構成する場合、燃
焼室の開口部のリップ部をセラミックスで製作し、該エ
ッジ部の耐熱性、耐変形性を確保する場合に、アルミニ
ウムとセラミックスとのぬれ性が良くないことにより、
両者が強固に結合できず、また、熱膨張係数の差により
繰り返しの熱応力を受けた場合に両者間の境界部に割
れ、クラック等が発生するという現象が発生する。
【０００６】上記のような問題は、例えば、リップ先端
部を構成する口金としてニレジスト等の耐熱合金、或い
は前掲実開昭６０−６５３３３号公報に開示された燃焼
室装置のような断熱材のリップリングを鋳込んだ場合に
も、同様な問題があった。該燃焼室装置では、ピストン
ヘッド部にリップリングを鋳込んでいるため、エンジン
の運転時には応力が過大に発生したり又はピストンヘッ
ド部とリップリングとの間に多くのがたが発生し、リッ
プ部を強化する上で最大のネックとなっている。更に、
リップリングの熱膨張率が大きいと、燃焼室に発生する
温度差によって大きな熱応力が発生し、燃焼室を破壊す
る原因にもなる。
【０００７】また、前掲特公昭６０−２５６１９号公報
に開示された異なる材料の挿入体を有するアルミニウム
ピストンは、熱及び機械的に高く負荷される位置に多孔
質体を挿入して圧力鋳造したものである。ところで、ス
キッシュ流を強めるために燃焼室の開口を形成するリッ
プ部のエッジをシャープにすることが望まれるが、その
ためにはリップ部の耐熱性が重要な要件となる。しかし
ながら、上記公報に開示された多孔質材とアルミニウム
とから成る上記ピストンでは、リップ部に高い耐熱性を
確保することは困難と考えられる。
【０００８】この発明の目的は、上記の課題を解決する
ことであり、ピストンヘッドに形成した燃焼室開口周囲
のリップ部を網目状セラミックスで形成し、該網目状セ
ラミックスの内周側即ち先端部の気孔にアモルファスセ
ラミックスを含浸させ、外周部の気孔に金属を含浸さ
せ、前記リップ部の外周にアルミニウム合金等の金属製
ヘッド本体を位置させ、リップ部の先端部をシャープに
形成して高温化でも先端部が溶損しないようにしてＨ
Ｃ、パティキュレートの発生を抑制するリエントラント
型ピストン及びその製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題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、ピストンヘッドに形成したキャビティ上面
に半径方向内向きに先細りに伸びてループ状開口を形成
するリップ部を備えたリエントラント型ピストンにおい
て、前記リップ部を多くとも４０％の気孔が存在する耐
熱性に富む網目状セラミックスから構成し、前記リップ
部の先端部の気孔にはセラミックスが内包され、前記リ
ップ部の外周部の気孔には金属が含浸され、且つヘッド
本体に隣接する前記リップ部の金属が前記ヘッド本体を
構成する金属と結合しているリエントラント型ピストン
に関する。
【００１０】また、このリエントラント型ピストンにお
いて、前記網目状セラミックスは窒化珪素、炭化珪素等
のセラミックウィスカープリフォーム或いは窒化アルミ
ニウムの仮焼体である。
【００１１】また、このリエントラント型ピストンにお
いて、前記先端部の気孔の周囲にはアモルファスセラミ
ックスが存在しているものである。
【００１２】或いは、この発明は、セラミック粒子或い
はセラミックウィスカーを含んだスラリーによりセラミ
ック成形体に作製する工程、前記セラミック成形体をセ
ラミック粒子或いはセラミックウィスカーを焼成して多
孔質プリフォームを作製する工程、前記多孔質プリフォ
ームの内周側気孔に珪素を含む有機珪素ポリマーを含浸
させる工程、次いで前記多孔質プリフォームを焼成して
前記有機珪素ポリマーをアモルファスセラミックスに転
化させる工程、前記多孔質プリフォームの外周側気孔に
アルミニウム合金溶湯を含浸させると共にアルミニウム
合金でヘッド本体を作製する工程、から成るリエントラ
ント型ピストンの製造方法に関する。
【００１３】
【作用】この発明によるリエントラント型ピストン及び
その製造方法は、上記のように構成されており、次のよ
うに作用する。即ち、このリエントラント型ピストン
は、リップ部の先端部を多くとも４０％の気孔を有する
耐熱性に富む網目状セラミックスから構成し、前記先端
部の気孔にアモルファスセラミックスを且つ外周部の気
孔に金属を含浸し、前記外周部の金属はヘッド本体を構
成する金属と結合しているので、前記リップ部の前記先
端部をシャープに形成しても高温で前記先端部が溶損す
ることがなく、しかも前記リップ部と前記ヘッド本体と
は強力に結合される。従って、燃焼室即ちキャビティへ
のスキッシュ流及び逆スキッシュ流を増大させて燃料と
空気との混合を良好にして燃焼を改善し、ＨＣ、パティ
キュレートの発生を抑制することができる。
【００１４】また、このリエントラント型ピストンの製
造方法は、セラミック粒子或いはセラミックウィスカー
を含んだ成形体を作製し、該成形体を大気中でセラミッ
ク粒子或いはセラミックウィスカーを焼成して多孔質プ
リフォームを作製し、前記多孔質プリフォームの内周側
気孔に珪素を含む有機珪素ポリマーを含浸させて焼成
し、前記有機珪素ポリマーを熱分解させてアモルファス
セラミックスに転化させので、先端部の表面の気孔が閉
塞され、前記先端部の強度を増強すると共に、熱伝導を
向上させ、前記先端部で受けた熱エネルギーは該先端部
からヘッド本体、ピストンリング、次いでシリンダライ
ナへと外部に放出され、前記先端部のみがヒートスポッ
トになって溶損するようなことを防止できる。また、前
記焼結体の外周部の気孔にアルミニウム合金溶湯を含浸
させたので、前記外周部の金属とヘッド本体の金属が強
力に結合することができる。
【００１５】
【実施例】以下、図面を参照して、この発明によるリエ
ントラント型ピストン及びその製造方法の実施例を説明
する。図１はこの発明によるリエントラント型ピストン
の一実施例を示す概略断面図及び図２は図１の符号Ａ部
分の拡大断面図である。
【００１６】この発明は、図１に示すように、ピストン
ヘッド２に形成した燃焼室１となるキャビティの上面に
半径方向内向きに先細りに伸びてループ状開口４を形成
したリップ部３を備えたリエントラント型ピストンに関
するものであり、特に、ピストンヘッド２は、スキッシ
ュ流及び逆スキッシュ流を増強できるようにリップ部の
先端部の耐熱性を確保してシャープに形成することであ
り、リップ部３を構成するセラミックス製先端部５、該
先端部５の外周側に接合したセラミックスと金属とから
成る複合体即ちリップ部３の外周部６と該外周部６の外
周側に接合した金属から成るヘッド本体７から構成した
ものである。
【００１７】このリエントラント型ピストンにおいて、
図２に示すように、リップ部３の先端部５は耐熱性に富
み且つ高温高強度を有する多くとも４０％の気孔を有す
る網目状セラミックス８から作製されている。先端部５
の内周側の一部の気孔にはアモルファスセラミックス１
０が含浸されており、先端部５の内周側の気孔９の周囲
にはアモルファスセラミックス１０が存在する構造に作
製されている。また、リップ部３の外周部６の気孔即ち
空隙には金属１１が含浸され、しかも該金属１１がヘッ
ド本体７を構成する金属１２と結合しているものであ
る。
【００１８】この網目状セラミックス８は、窒化珪素
（Ｓｉ3 Ｎ4 ）、炭化珪素（ＳｉＣ）等のセラミックウ
ィスカープリフォーム、或いは窒化アルミニウムの仮焼
体で製作されるものである。即ち、網目状セラミックス
８は、窒化珪素、炭化珪素等のセラミックウィスカー又
は窒化珪素、炭化珪素等のセラミック粒子を含むスラリ
ーを気孔が残る程度に若干焼結したセラミック焼結体で
ある。また、リップ部３の外周部６の気孔即ち空隙に含
浸された金属１１はヘッド本体７を構成する金属１２と
同一金属であり、ここではアルミニウムをベースにした
アルミニウム合金である。そして、ヘッド本体７に隣接
する部分の外周部６の金属１１とヘッド本体７の金属１
２とは強固に結合されており、ヘッド本体７の金属１２
と外周部６の網目状セラミックス８は３次元的に絡み合
って結合されている。
【００１９】更に、このリエントラント型ピストンにお
いて、リップ部３の先端部５における網目状セラミック
ス８の内周側の一部の気孔にはアモルファスセラミック
ス１０が含浸されている。このアモルファスセラミック
ス１０は、非晶質のＳｉＣ、Ｓｉ3 Ｎ4 、ＳｉＯ2 或い
はこれらの複合物であり、珪素Ｓｉを含むポリカルボシ
ラン、ポリシラザン等の有機ポリマー液を内周側表面の
空隙に含浸させて、該有機ポリマーを９００℃の窒素ガ
ス中で熱分解させることで転化させて作製される。先端
部５の空隙にアモルファスセラミックス１０を配置する
ことで、先端部５の内周側表面の気孔９の一部が閉塞さ
れ、先端部５の強度及び熱伝導率を向上させることがで
きる。
【００２０】次に、この発明によるリエントラント型ピ
ストンの製造方法の一実施例を図面を参照して説明す
る。このリエントラント型ピストンの製造方法は、セラ
ミック粒子或いはセラミックウィスカーを含んだスラリ
ーによりセラミック成形体に作製し、前記セラミック成
形体を大気中でセラミック粒子或いはセラミックウィス
カーを大気中で焼成して多孔質プリフォームを作製し、
次いで該多孔質プリフォームの内周側即ち先端部の気孔
に珪素を含む有機珪素ポリマーを含浸させて前記多孔質
プリフォームを窒素ガス雰囲気で焼成して前記有機珪素
ポリマーを熱分解させ、アモルファスセラミックスに転
化させ、更に、前記多孔質プリフォームの外周部の気孔
にアルミニウム合金溶湯を含浸させると共にアルミニウ
ム合金でヘッド本体を作製するものである。
【００２１】上記リエントラント型ピストンの製造方法
を具体的に説明すると、炭化珪素（ＳｉＣ）ウィスカー
に対して酸化珪素（ＳｉＯ2 ）粉末を５ｗｔ％添加し、
これに水、解こう剤を加え、ボールミルによって２４時
間混合し、スラリーを得た。そこで、石膏型上の中心に
中子を配置し且つが中子の周囲に円筒型を配置して円筒
状キャビティを形成する。このような成形方法として
は、例えば、本出願人に係わる出願である特願平２−２
４６３２８号等で開示したものがある。この円筒状キャ
ビティ内へ上記スラリーを注入し、石膏型にスラリーの
水分を吸水させて固化させ、内径φ３６ｍｍ、外径φ７
０ｍｍ及び厚さ約１０ｍｍのリング状成形体を作製し
た。このリング状成形体は、内周側は半径方向内向きに
先細りに伸びてループ状開口を形成する構造を有してい
る。このリング状成形体を乾燥させた後、大気中で約１
２００℃で焼成し、セラミックウィスカーから成る多孔
質プリフォームを作製した。
【００２２】次に、上記工程で製作した多孔質プリフォ
ームの内周面に沿ってポリカルボシラン溶液を塗布して
乾燥させる工程を繰り返し、多孔質プリフォームの内周
面がポリカルボシランで飽和して吸収されなくなった状
態で塗布処理を終了する。ポリカルボシランが塗布され
た多孔質プリフォーム即ち網目状セラミックスを、窒素
ガス雰囲気で９００℃で焼成してポリカルボシランを熱
分解させてアモルファスセラミックスに転化させた。こ
の処理で、多孔質プリフォームは、内周部即ち先端部５
の気孔率が低く、外周部６の気孔率が高いセラミックス
多孔体即ち網目状セラミックス８を得ることができた。
【００２３】次に、多孔質プリフォームをピストンヘッ
ド２を作製するるつぼ内に設置し、該るつぼにアルミニ
ウム合金溶湯を鋳込み、多孔質プリフォームの外周側気
孔にアルミニウム合金溶湯を含浸させてアルミニウム合
金を入れると共に、ピストンヘッド２を鋳造成形した。
これによって、ヘッド本体に接触する多孔質プリフォー
ム８に含浸したアルミニウム合金１１はヘッド本体７の
アルミニウム合金１２と強固に結合した。
【００２４】更に、この発明によるリエントラント型ピ
ストンの製造方法の別の実施例を説明する。このリエン
トラント型ピストンの製造方法において、窒化アルミニ
ウム（ＡｌＮ）粉末に酸化イットリウム（Ｙ2 Ｏ3 ）等
の酸化物助剤を配合し、これに解こう剤、バインダ、メ
タノールを加え、ボールミルで混合してスラリーを作製
した。このスラリーの乾燥後、破砕して造粒粉を得た。
次いで、該造粒粉をプレス機によって成形体に加圧成形
した。この成形体は、外径φ８０ｍｍで内周形状がシャ
ープな先尖り即ち先細りのリング状成形体に形成した。
【００２５】次いで、このリング状成形体を、５００℃
で脱脂した後、１６００℃で焼成して相対密度が約６２
％のＡｌＮ仮焼体を作製した。更に、上記実施例と同様
に、該ＡｌＮ仮焼体の内周面に沿ってポリカルボシラン
溶液を塗布して乾燥させる工程を繰り返し、ＡｌＮ仮焼
体の内周面がポリカルボシランで飽和して吸収されなく
なった状態で塗布処理を終了する。ポリカルボシランが
塗布されたＡｌＮ仮焼体即ち網目状セラミックスを、ア
ンモニア（ＮＨ3 ）ガス雰囲気でポリカルボシランを熱
分解させてアモルファスセラミックスに転化させた。こ
の処理で、ＡｌＮ仮焼体は、内周部の気孔率が低く、外
周部の気孔率が高いセラミックス多孔体即ち網目状セラ
ミックスを得ることができた。
【００２６】次に、上記実施例と同様に、網目状セラミ
ックスを、ピストンヘッド２を形成するためのるつぼ内
に入れ、該るつぼにアルミニウム合金溶湯を鋳込み、網
目状セラミックスの外周側気孔にアルミニウム合金溶湯
を含浸させると共に、ピストンヘッド２を鋳造成形し
た。これによって、ヘッド本体７に接触する網目状セラ
ミックスに含浸したアルミニウム合金１１はヘッド本体
７のアルミニウム合金１２と強固に結合した。
【００２７】
【発明の効果】この発明によるリエントラント型ピスト
ン及びその製造方法は、上記のように構成されており、
次のような効果を有する。即ち、この発明によるリエン
トラント型ピストンは、ピストンヘッドにおけるリップ
部を多くとも４０％の気孔が存在する耐熱性に富む網目
状セラミックスから構成し、前記リップ部の先端部の気
孔にはセラミックスが内包され、前記リップ部の外周部
の気孔に金属を含浸させ、且つヘッド本体に隣接する前
記外周部の金属を前記ヘッド本体を構成する金属と結合
させたので、前記リップ部の前記先端部は耐熱性に優れ
た気孔にセラミックスが存在する網目状セラミックスで
形成され、前記先端部をシャープ即ちエッジを０．５Ｒ
程度にまで鋭く形成することができる。その結果、前記
先端部を高温下でも溶損することがなく、リップ先端部
の鋭角状態を維持してスキッシュ流及び逆スキッシュ流
の乱れを増大させ、燃料と空気との混合が均一化され、
ＮＯX 或いはＨＣ、スモーク等のパティキュレイの発生
を抑制した燃焼状態を確保できる。
【００２８】また、このリエントラント型ピストンにお
いて、網目状セラミックスは窒化珪素、炭化珪素等のセ
ラミックウィスカープリフォーム或いは窒化アルミニウ
ムであるので、耐熱性に富み、しかも高温高強度を確保
できる。
【００２９】また、このリエントラント型ピストンにお
いて、リップ部の先端部の内周側の気孔の周囲にはアモ
ルファスセラミックスが存在するので、前記先端部の表
面の気孔が閉塞され、前記先端部の強度を増強すると共
に、熱伝導を向上させ、前記先端部で受けた熱エネルギ
ーは該先端部から複合体、ヘッド本体、ピストンリング
次いでシリンダライナへと外部に放出され、前記先端部
のみがヒートスポットになって溶損するようなことを防
止できる。
【００３０】この発明によるリエントラント型ピストン
の製造方法は、セラミック粒子或いはセラミックウィス
カーを含んだスラリーによりセラミック成形体に作製
し、前記セラミック成形体をセラミック粒子或いはセラ
ミックウィスカーを焼成して多孔質プリフォームを作製
し、前記多孔質プリフォームの内周側気孔に珪素を含む
有機珪素ポリマーを含浸させ、次いで前記多孔質プリフ
ォームを焼成して前記有機珪素ポリマーをアモルファス
セラミックスに転化させるので、前記多孔質プリフォー
ムの内周部の気孔率が低く、外周部の気孔率が高いセラ
ミックス多孔体即ち網目状セラミックスを容易に得るこ
とができる。そこで、網目状セラミックスを、ピストン
ヘッドを形成するためのるつぼ内に入れてアルミニウム
合金溶湯を鋳込むと、前記網目状セラミックスの外周側
気孔にアルミニウム合金溶湯が容易に含浸すると共に、
ヘッド本体に接触する網目状セラミックスに含浸したア
ルミニウム合金はヘッド本体のアルミニウム合金と強固
に結合する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるリエントラント型ピストンの一
実施例を示す概略断面図である。
【図２】図１の符号Ａ部分の一実施例を示す拡大断面図
である。
【符号の説明】
１ 燃焼室 ２ ピストンヘッド ３ リップ部 ４ 開口 ５ リップ部の先端部 ６ リップ部の外周部 ７ ヘッド本体 ８ 網目状セラミックス ９ 気孔 １０ アモルファスセラミックス １１，１２ 金属
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B22D 19/08 B22D 19/00 C04B 38/00 304 F02F 3/00 302 F02F 3/26

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ピストンヘッドに形成したキャビティ上面
    に半径方向内向きに先細りに伸びてループ状開口を形成
    するリップ部を備えたリエントラント型ピストンにおい
    て、前記リップ部を多くとも４０％の気孔が存在する耐
    熱性に富む網目状セラミックスから構成し、前記リップ
    部の先端部の気孔にはセラミックスが内包され、前記リ
    ップ部の外周部の気孔には金属が含浸され、且つヘッド
    本体に隣接する前記リップ部の金属が前記ヘッド本体を
    構成する金属と結合しているリエントラント型ピスト
    ン。
  2. 【請求項２】前記網目状セラミックスは窒化珪素、炭化
    珪素等のセラミックウィスカープリフォーム或いは窒化
    アルミニウムである請求項１に記載のリエントラント型
    ピストン。
  3. 【請求項３】前記先端部の気孔の周囲にはアモルファス
    セラミックスが存在する請求項１に記載のリエントラン
    ト型ピストン。
  4. 【請求項４】セラミック粒子或いはセラミックウィスカ
    ーを含んだスラリーによりセラミック成形体に作製する
    工程、前記セラミック成形体をセラミック粒子或いはセ
    ラミックウィスカーを焼成して多孔質プリフォームを作
    製する工程、前記多孔質プリフォームの内周側気孔に珪
    素を含む有機珪素ポリマーを含浸させる工程、次いで前
    記多孔質プリフォームを焼成して前記有機珪素ポリマー
    をアモルファスセラミックスに転化させる工程、前記多
    孔質プリフォームの外周側気孔にアルミニウム合金溶湯
    を含浸させると共にアルミニウム合金でヘッド本体を作
    製する工程、から成るリエントラント型ピストンの製造
    方法。
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