JP2949882B2

JP2949882B2 - 燃焼室の製造法

Info

Publication number: JP2949882B2
Application number: JP3055490A
Authority: JP
Inventors: 寛松岡
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1991-02-28
Filing date: 1991-02-28
Publication date: 1999-09-20
Anticipated expiration: 2014-09-20
Also published as: JPH04272455A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ピストンヘッド本体
に形成したキャビティに燃焼室開口を形成する半径方向
内向きに伸びるリップ部を備えた燃焼室の製造法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、セラミック組込型ピストンとし
て、実開昭６０−１４１４４６号公報に開示されたもの
がある。該公報に開示されたセラミック組込型ピストン
は、アルミニウム合金から成るピストン本体の燃焼室側
の凹部にセラミック部材を組込んだものであり、セラミ
ック部材の外周に熱膨張係数が１０〜２３×１０^{- 1}／
℃の耐熱耐食性金属リングで且つ頭部に複数の締結用孔
を備えた突出部を有する金属リングを接合して該突端を
セラミック部材の上端面より突出させ、前記金属リング
の外周に前記ピストン本体の凹部に設けられた雌ねじ部
に螺着する雄ねじ部を螺刻した組立体とし、この組立体
を前記ピストン本体に締着した後、前記締結用孔を含む
突出部を除去したものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、直噴式ディ
ーゼルエンジンの燃焼室において、ピストンヘッド本体
に形成する燃焼室としてリエントラント型燃焼室を用い
る場合、燃焼室開口を形成するリップ部の先端を先尖り
にシャープに形成することによって、シリンダ内と燃焼
室内とを出入りする空気の乱れ即ちスキッシュ流及び逆
スキッシュ流の乱れが増加し、空気と燃料との混合が促
進され、混合気生成が早くなり、燃焼状態が良好になっ
てスモークの発生を低減できる燃焼を確保することがで
きる。

【０００４】しかしながら、従来のようなアルミニウム
材或いはセラミックファイバー強化アルミニウム材から
形成したピストンでは、燃焼室を構成するリップ部の先
端を先尖りにシャープに形成すると、リップ部先端の温
度は高温になり、リップ部に加わる熱負荷即ち熱応力の
ためにリップ部の溶解現象、クラック発生等の破損が発
生し、リップ部の先端を鋭くするにも限界があった。ま
た、リップ部の先端部を耐熱性に優れた非アルミニウム
材、例えば、ニレジスト、スチール、Ｆｃ、セラミック
ス等を使用した場合には、ピストンヘッド本体を構成す
るアルミニウム材との間に、熱膨張率に大きな差が生
じ、境界面或いは接合面に剥離等が発生し、問題があっ
た。

【０００５】上記のような問題は、前掲実開昭６０−１
４１４４６号公報に開示されたセラミック組込型ピスト
ンにも同様な問題がある。即ち、該セラミック組込型ピ
ストンは、アルミニウム合金から成るピストン本体に金
属リングをねじで締着し、該金属リングをセラミック部
材に接合したものであるが、金属とセラミックスとは熱
膨張率が異なり、熱応力を受けるようなピストンヘッド
ではセラミック部材にクラックや亀裂が発生し、セラミ
ック部材の破損の問題がある。

【０００６】この発明の目的は、上記の課題を解決する
ことであり、頂面が半径方向内向きに先尖りのリング状
に伸びて中央に開口を形成した金属製ピストンヘッド本
体に形成した燃焼室において、高温強度と耐熱性に富ん
だセラミック材料から成るリップ部を熱膨張率の異なる
傾斜機能材から成るリング結合体の内壁面にメタルフロ
ーで接合し、リング結合体の外壁面にピストンヘッド本
体と同等の金属材料で形成した外側リングをメタルフロ
ーで接合し、更に、該外側リングをピストンヘッド本体
にレーザ溶接又はビーム溶接で接合し、それによって、
リップ組立体自体の精度寸法を余り要求されることな
く、ピストンヘッド本体とリップ組立体との結合を容易
に達成して且つ強固な接合状態を確保し、更に、リップ
部のセラミック材料から外周部のピストンヘッド本体の
金属材料まで熱膨張率が漸次に変化する構造に構成し、
前記リング結合体でリップ部とピストンヘッド本体との
熱膨張差を吸収して熱膨張差によるリップ部の割れ、ク
ラック等の損傷の発生を防止できる燃焼室の製造法を提
供することである。

【０００７】

【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、熱膨張率の異なる傾斜機能材から成るリン
グ結合体の内壁面に低熱膨張率のセラミック材から成る
リップ部をメタルフローで接合すると共に、前記リング
結合体の外壁面に金属材料から成る外側リングをメタル
フローで接合してリップ組立体を製作し、次いで、該リ
ップ組立体の前記外側リングを金属材料から成るピスト
ンヘッド本体に形成したキャビティの壁面に位置決め
し、前記外側リングと前記ピストンヘッド本体とを電子
ビーム又はレーザによる溶接で接合したことから構成し
た燃焼室の製造法に関する。

【０００８】

【作用】この発明による燃焼室の製造法は、以上のよう
に構成されており、次のように作用する。即ち、この燃
焼室の製造法は、低熱膨張率のセラミックス製リップ部
を接合した熱膨張率の異なる傾斜機能材から成るリング
結合体の外壁面に金属製外側リングを接合してリップ組
立体を製作し、次いで、該リップ組立体の前記外側リン
グを金属材料から成るピストンヘッド本体に形成したキ
ャビティの壁面に電子ビーム又はレーザによる溶接で接
合したので、前記リップ組立体の前記キャビティの壁面
に対する位置決めが極めて容易であり、アルミニウム、
アルミニウム合金等の金属製ピストンヘッド本体に対す
る前記リップ組立体の接合が短時間に且つ容易に達成で
きる。しかも、接合状態を強固にすることができる。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明による燃焼
室の製造法の実施例を説明する。図１はこの発明による
燃焼室の製造法によって製作したピストンの一実施例を
示す概略断面図である。このピストンは、図１に示すよ
うに、ピストンヘッド本体２に形成した燃焼室１を形成
するキャビティ１０の上方を覆うように半径方向内向き
に先尖り形状で伸び且つ燃焼室開口１３を備えたループ
状リップ部８を有するリエントラント型ピストンに関す
るものである。このリエントラント型ピストンは、鋳込
み成形したピストンスカート及び該ピストンスカートに
固定され且つ燃焼室１を構成するキャビティ１０を備え
たアルミニウム、アルミニウム合金等の金属材から成る
ピストンヘッド本体２から成り、燃焼室１はキャビティ
１０の上面に開口１３及び該開口１３より面積の大きい
キャビティ１０の底面１９を有しているものである。更
に、このピストンは、燃焼室１を構成する上部壁体構造
に特徴を有しており、ピストンヘッド本体２に形成した
キャビティ１０に形成したキャビティ段部１７、該キャ
ビティ段部１７に接合したピストンヘッド本体２と同一
の金属材料から成る外側リング６、該外側リング６に接
合した熱膨張率の異なる傾斜機能材から成るリング結合
体５、及び該リング結合体５に接合し且つピストンヘッ
ド本体２から半径方向内向きに先尖りにループ状に伸び
て中央部に開口１３を形成するリップ部８を有してい
る。

【００１０】このリエントラント型ピストンにおいて、
リップ部８は、耐熱性に富み且つ高温強度に富んだ材
料、例えば、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、炭化珪素（Ｓｉ
Ｃ）等のセラミック材料から製作されている。このリッ
プ部８は、開口１３を形成する先端は極めて鋭角に先尖
りのアール状態に形成され、外周面を中央を境に上下を
半径方向内向きに傾斜したテーパ面３を備える形状に製
作されている。

【００１１】リング結合体５は、図２に示すように、半
径方向に順次に配置し且つ隣接周面を互いに接合した複
数個（図では４個）のリング５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄか
ら成り、内側のリングの熱膨張率が外側のリングの熱膨
張率より小さい傾斜機能材から製作されている。例え
ば、リング結合体５の傾斜機能材は、リップ部８とピス
トンヘッド本体２との両者の熱膨張率の中間の熱膨張率
を有する金属材料、例えば、ニッケル系、コバルト系、
鉄系の金属材料から製作されている。具体的には、最内
周側リング５Ａをコバール（Ｋｏｖｅｒ）、４２アロイ
等で製作し、最外周側リング５Ｄをインコロイ（Ｉｎｃ
ｏｌｌｏｙ）で製作し、中間のリング５Ｂ，５Ｃをコバ
ールとインコロイとの中間の熱膨張率を有する材料で製
作し、各リング５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄをろう付け等で
接合して一体構造に構成されている。各リングを上記の
ような材料で製作することによって、リップ部８側に位
置するリング５Ａはリップ部８の熱膨張率に近い熱膨張
率の材料から構成でき、また、ピストンヘッド本体２側
に位置するリング５Ｄはピストンヘッド２の熱膨張率に
近い熱膨張率の材料から構成できることになる。従っ
て、リング結合体５は、内周側から外周側に向かって段
階的に熱膨張率が変化するように構成され、窒化ケイ
素、炭化ケイ素等のセラミック材料に近い熱膨張率から
アルミニウム、アルミニウム合金等の金属材料の熱膨張
率に近い状態に構成される。

【００１２】更に、外側リング６は、ピストンヘッド本
体２を構成するアルミニウム合金等の金属材料から製作
されている。また、ピストンヘッド本体２は、リップ部
８を形成する材料の熱膨張率より大きい金属材料、例え
ば、鋳鉄、アルミニウム合金等の金属材料から製作され
ている。

【００１３】この発明による燃焼室の製造法は、まず、
第１工程として、図２に示すように、熱膨張率の異なる
金属材料から成る複数個のリング５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５
Ｄを半径方向に順次に配置し且つ隣接する周面をろう付
け等で互いに接合してリング結合体５を製作する。この
時、リング結合体５は、内側のリング５Ａの上部にはメ
タルフローのための突出部１４が形成され、また内側の
リング５Ａの内壁面４には下部が半径方向内向きに伸び
るテーパ面が形成され、外側のリング５Ｄの外壁面９に
は上下部が半径方向内向きに伸びるテーパ面が形成され
ている。そこで、内側のリング５Ａの内壁面に形成され
たテーパ面に、リップ部８の外壁部を受けるように配置
する。

【００１４】次いで、図３に示すように、リング結合体
５の内側のリング５Ａの上部に形成した突出部１４を加
熱し、メタルフローで塑性変形させてリング結合体５に
リップ部８を接合する。ここで、リング結合体５の外周
面に対して、アルフィン処理を施し、該外周面に金属結
合層してもよい。

【００１５】更に、図４に示すように、リング結合体５
の内壁面４にリップ部８を接合した後に、該リング結合
体５の外壁面９を金属材料から成る外側リング６の内壁
面７に配置する。外側リング６の上部には、メタルフロ
ーのための突出部１５が形成され、また外側リング６の
内壁面７には下部が半径方向内向きに伸びるテーパ面が
形成されている。そこで、外側リング６の内壁面に形成
されたテーパ面に、リング結合体５の外壁部を配置し、
その状態で図５に示すように、外側リング６の内側上部
に形成した突出部１５を加熱し、メタルフローで塑性変
形させて外側リング６にリング結合体５を接合してリッ
プ組立体を製作する。

【００１６】更に、外側リング６にリング結合体５を結
合してリップ組立体を製作した後に、図６に示すよう
に、リップ組立体２０の表面を切削加工して所定の形状
に形成する。この時、リップ組立体２０の外壁面１２に
アンダカットの段部１８を形成する。例えば、図６に示
すように、リップ組立体２０の上面を水平面に加工し、
また、リップ組立体２０の下面１６をリップ部８に向か
って先尖りになるようにテーパ面に形成されている。

【００１７】この燃焼室の製造法において、リング結合
体５に外側リング６を接合してリップ組立体２０を形成
し、該リップ組立体２０を機械加工して所定の形状に形
成した後に、図７に示すように、該リップ組立体２０の
外側リング６の外壁面１２に形成したアンダカットの段
部１８を、金属材料から成るピストンヘッド本体２に形
成したキャビティ１０の壁面１１の段部１７に載置状態
に位置決めする。次いで、外側リング６の外壁面１２と
ピストンヘッド本体２とを電子ビーム又はレーザによる
溶接で接合する。従って、段部１７，１８、場合によっ
てはテーパ面を形成しておけば、外側リング６の外壁面
１２をキャビティ１０の壁面１１に対して極めて容易に
位置決めでき、また、電子ビームで溶接すれば、２０〜
３０秒の短時間で簡単に接合が達成できる。

【００１８】更に、図７に示すように、リップ組立体２
０をピストンヘッド本体２に接合した後に、該一体構造
体のピストンヘッド部の上面及びキャビティ１０壁面を
加工して平滑な面に仕上げ、ピストンヘッドを完成させ
る。

【００１９】この発明による燃焼室の製造法は、上記の
ようにピストンを製作するので、燃焼室１を構成するリ
ップ組立体２０の外側リング６は、ピストンヘッド本体
２を構成する金属材料と同一の金属材料であるので、リ
ップ組立体２０のピストンヘッド本体２への接合が極め
て容易に達成でき、しかも強固に接合することができ
る。

【００２０】この発明による燃焼室の製造法で製作した
ピストンは、上記のように構成されているので、次のよ
うに作用する。即ち、エンジンが運転された場合に温度
差によってリップ部８とピストンヘッド２との間で熱膨
張差によって大きな熱応力が生じても、熱膨張率の異な
る傾斜機能材から成るリング結合体５が緩衝材として機
能し、リップ部８とピストンヘッド本体２との間で温度
差による熱膨張差を吸収する。それ故に、燃焼室１に温
度変化が発生してリップ部８とピストンヘッド本体２と
の間に熱膨張差が発生しても、リップ部８にクラック、
亀裂等が発生せず燃焼室１が破壊されるようなことがな
い。しかも、リップ部８は先尖りで鋭角形状であって燃
焼ガスからの熱の流入が大きいが、リップ部８に流入し
た熱はリング結合体５及び金属製外側リング６を通じて
ピストンヘッド本体２方向へ妨げられずに流れ、ピスト
ンスカート、ピストンリング等を通じてシリンダライナ
側へ流出する。従って、リップ部８の温度を高温に維持
することなく、温度上昇を抑えるので、リップ部８のエ
ッジを鋭角な先尖りの形状に構成しても、耐熱性で製作
され、該エッジが溶損したり、割れたりすることがな
い。

【００２１】また、リップ部８は、熱膨張率が小さく耐
熱性に富んだセラミックス等の材料で製作するので、開
口１３を形成するリップ部８のエッジを極めて鋭角に形
成し且つ該形状を高温状態でも維持できる。従って、ピ
ストンの上昇の圧縮行程で発生するスキッシュ流及びピ
ストン下降の爆発行程で発生する逆スキッシュ流を増強
することができ、空気と燃料との混合を促進してカーボ
ン発生量を抑制し且つ燃料消費量を低減する燃焼を行わ
せ、燃焼状態を改善することができる。

【００２２】

【発明の効果】この発明による燃焼室の製造法は、以上
のように構成したので、次のような効果を有する。即
ち、この燃焼室の製造法は、リップ組立体の外側リング
を金属材料から成るピストンヘッド本体に形成したキャ
ビティの壁面に位置決めし、前記外側リングと前記ピス
トンヘッド本体とを電子ビーム又はレーザによる溶接で
接合したことから構成したので、位置決めが容易であ
り、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属製ピスト
ンヘッド本体に対する前記リップ組立体の接合が容易に
且つ短時間で達成できる。しかも、接合状態を強固にす
ることができる。しかも、前記リップ組立体を前記ピス
トンヘッド本体にメタルフローで接合するので、前記リ
ップ組立体の外壁面は勿論のこと、前記ピストンヘッド
本体のキャビティ壁面の寸法精度も荒くて済み、製造コ
ストを低減できる。

【００２３】また、この燃焼室の製造法は、熱膨張率の
異なる傾斜機能材から成るリング結合体の内壁面に低熱
膨張率のセラミック材から成るリップ部をメタルフロー
で接合すると共に、前記リング結合体の外壁面に金属材
料から成る外側リングをメタルフローで接合してリップ
組立体を製作したので、前記リップ部のセラミック材料
から外周部の前記ピストンヘッド本体の金属材料まで熱
膨張率が漸次に変化する構造に構成し、前記リップ組立
体の前記リップ部と前記ピストンヘッド本体との熱膨張
差を傾斜機能材から前記リング結合体で吸収して熱膨張
差による前記リップ部の割れ、クラック等の損傷の発生
を防止できる。

【００２４】更に、前記リップ部の先端から外周部の前
記ピストンヘッド本体まで各境界での熱流が妨げられる
ことがなく良好に熱は伝導されて前記リップ部の先端部
の熱を前記ピストンヘッド本体、ピストンリング、シリ
ンダライナ等を通じて外部へ移動させ、前記リップ部が
高温になるのを回避することができる。それ故、前記リ
ップ先端部を鋭角に先尖り状態に形成しても、燃焼ガス
によって前記リップ部の先端部が高温になっても直ちに
熱を移動させて高温状態に維持されるのを回避し、高温
による前記リップ先端部の溶損を防止することができ
る。

【００２５】更に、前記リップ部を耐熱性に富んだ材料
で構成することで鋭角に先尖りに形成しても該リップ部
のエッジが溶損することを防止し、該鋭角な先尖り状態
のエッジ形状を維持できるので、前記リップ部のエッジ
を鋭角に形成することによって、ピストンの上昇の圧縮
行程で発生する燃焼室内へ流入するスキッシュ流、及び
ピストン下降の爆発行程で発生する燃焼室内から流出す
る逆スキッシュ流を増大することができ、該スキッシュ
流及び該逆スキッシュ流による噴霧燃料と空気との混合
を一層良好に達成でき、従来のリエントラント型ピスト
ンに比較して、カーボン発生量を抑制し且つ燃料消費量
を低減して燃焼を改善することができる。特に、このリ
エントラント型ピストンを直噴式ディーゼルエンジンに
用いた場合に、該エンジンの燃焼状態を改善できるもの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による燃焼室の製造法で製作したピス
トンの一実施例を示す概略断面図である。

【図２】この発明による燃焼室の製造法において、リッ
プ部をリング結合体に設置した状態を示す断面図であ
る。

【図３】この発明による燃焼室の製造法において、リッ
プ部とリング結合体とをメタルフローで接合した状態を
示す断面図である。

【図４】この発明による燃焼室の製造法において、リン
グ結合体を外側リングに配置した状態を示す断面図であ
る。

【図５】この発明による燃焼室の製造法において、リン
グ結合体と外側リングとをメタルフローで接合した状態
を示す断面図である。

【図６】この発明による燃焼室の製造法において、リッ
プ組立体を加工した状態を示す断面図である。

【図７】この発明による燃焼室の製造法において、リッ
プ組立体をピストンヘッド本体に接合した状態を示す断
面図である。

【符号の説明】

１燃焼室２ピストンヘッド本体４内壁面５リング結合体６外側リング８リップ部９外壁面１０キャビティ１１壁面２０リップ組立体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＦ０２Ｆ 3/00 ３０２Ｆ０２Ｆ 3/00 ３０２Ａ 3/02 3/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】熱膨張率の異なる傾斜機能材から成るリ
ング結合体の内壁面に低熱膨張率のセラミック材から成
るリップ部をメタルフローで接合すると共に、前記リン
グ結合体の外壁面に金属材料から成る外側リングをメタ
ルフローで接合してリップ組立体を製作し、次いで、該
リップ組立体の前記外側リングを金属材料から成るピス
トンヘッド本体に形成したキャビティの壁面に対して位
置決めし、前記外側リングと前記ピストンヘッド本体と
を電子ビーム又はレーザによる溶接で接合したことから
構成した燃焼室の製造法。