JP2964102B2 - Adiabatic piston and its manufacturing method - Google Patents
Adiabatic piston and its manufacturing methodInfo
- Publication number
- JP2964102B2 JP2964102B2 JP8187791A JP8187791A JP2964102B2 JP 2964102 B2 JP2964102 B2 JP 2964102B2 JP 8187791 A JP8187791 A JP 8187791A JP 8187791 A JP8187791 A JP 8187791A JP 2964102 B2 JP2964102 B2 JP 2964102B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piston
- ceramic
- heat
- piston head
- composition
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 13
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 54
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 27
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims description 13
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 10
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 8
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 6
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 6
- 239000011863 silicon-based powder Substances 0.000 claims description 6
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000010304 firing Methods 0.000 claims description 4
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 4
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 claims description 4
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 7
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 5
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 5
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 4
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000004898 kneading Methods 0.000 description 3
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 3
- 229910000505 Al2TiO5 Inorganic materials 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- AABBHSMFGKYLKE-SNAWJCMRSA-N propan-2-yl (e)-but-2-enoate Chemical compound C\C=C\C(=O)OC(C)C AABBHSMFGKYLKE-SNAWJCMRSA-N 0.000 description 2
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005238 degreasing Methods 0.000 description 1
- KZHJGOXRZJKJNY-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O KZHJGOXRZJKJNY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NJLLQSBAHIKGKF-UHFFFAOYSA-N dipotassium dioxido(oxo)titanium Chemical compound [K+].[K+].[O-][Ti]([O-])=O NJLLQSBAHIKGKF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000012774 insulation material Substances 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 229910052863 mullite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920001709 polysilazane Polymers 0.000 description 1
- 239000003566 sealing material Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
Landscapes
- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、断熱エンジン等に使用
される断熱ピストンとその製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an insulated piston used for an insulated engine or the like and a method for manufacturing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】新セラミックス素材は、機械的強度が金
属のそれと同等あるいはこれより優れている点もあるこ
とから、最近では内燃機関のシリンダライナ、シリンダ
ヘッド、ピストン、コンロッド等の部品材料として使用
されるようになった。2. Description of the Related Art New ceramic materials have recently been used as component materials for cylinder liners, cylinder heads, pistons, connecting rods, etc. of internal combustion engines because of their mechanical strength being equal to or superior to that of metals. It was started.
【０００３】また、セラミックス素材は、金属よりも断
熱効果が大きいことと、高温下にさらされても機械強度
が余り低下しないという性質を利用して、冷却装置をほ
とんど必要としない、いわゆる断熱エンジンの部品に多
用されている。初期の断熱エンジンのピストンには、窒
化珪素素材が使用されていてかなりの断熱効果を得た
が、なおいっそうの断熱効果を高めて、断熱エンジンの
熱効率の向上を図る試みが多くなされている。例えば、
特開昭６３−３０２１６４号公報に記載されている断熱
エンジンのピストンはこのような試みのひとつである。[0003] Further, a ceramic material has a heat insulating effect larger than that of a metal and a property that its mechanical strength does not decrease so much even when exposed to high temperatures. It is frequently used for parts. Although silicon nitride materials were used in pistons of early heat-insulating engines to obtain a considerable heat-insulating effect, many attempts have been made to further enhance the heat-insulating effect to improve the thermal efficiency of the heat-insulating engine. For example,
The piston of an insulated engine described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-302164 is one such attempt.
【０００４】図３は上記公報に記載されているピストン
の構造を示す断面図であり、この図面を用いて従来の断
熱エンジンのピストンの構造を説明する。図３から明ら
かなように、このピストンは、ピストンヘッド部１と金
属製のピストンスカート部２とからなる。FIG. 3 is a sectional view showing the structure of a piston described in the above-mentioned publication, and the structure of a piston of a conventional heat insulating engine will be described with reference to this drawing. As is apparent from FIG. 3, the piston comprises a piston head 1 and a metal piston skirt 2.
【０００５】ピストンヘッド部１は、中心部分に皿状の
基体１ａを有する。基体１ａの下面中央には、ピストン
スカート部２に取りつけるためのボス部１ｂが基体１ａ
と一体的に形成されている。該ボス部１ｂの側面には、
ピストンヘッド部１をピストンスカート部２に組み込む
時に使用される窪み１ｃが形成されいる。なお、基体１
ａは窒化珪素の焼結体からなる。１ｄは平たい円筒状を
したピストンシリンダで、同じく窒化珪素の焼結体より
なり、内側には、前記基体１ａの周縁を受け止めるため
の段部１ｅが設けられている。１ｆは断熱層で、チタン
酸カリウムウィスカー、ジルコニアファイバ等の材料か
らなる。１ｇは窒化珪素の焼結体薄板からなる天井板で
あり、その周囲１ｈ部分においてピストンシリンダ１ｄ
の上部内側とＣＶＤ法により接着されている。The piston head 1 has a dish-shaped base 1a at the center. At the center of the lower surface of the base 1a, a boss 1b for attaching to the piston skirt 2 is provided.
And are formed integrally with it. On the side of the boss 1b,
A depression 1c used when the piston head 1 is incorporated into the piston skirt 2 is formed. The base 1
a is made of a sintered body of silicon nitride. Reference numeral 1d denotes a piston cylinder having a flat cylindrical shape, which is also made of a sintered body of silicon nitride, and has a step portion 1e for receiving the peripheral edge of the base 1a inside. 1f is a heat insulating layer made of a material such as potassium titanate whisker and zirconia fiber. 1 g is a ceiling plate made of a thin silicon nitride sintered body.
Is bonded to the inner side of the upper portion by a CVD method.
【０００６】ピストンスカート部２は、アルミニウムに
より構成されており、コップを逆さまにしたような形状
を有し、側面外側上端には、ピストンリングを嵌合させ
る数条の溝２ａが設けられている。ピストンスカート部
２の上板部分２ｂの中央には、ピストンヘッド部１の下
側に設けられたボス部１ｂが貫通する穴２ｃが設けられ
ている。ピストンスカート部２の内部には、コンロッド
を軸承するベアリング部２ｄが設けられている。The piston skirt portion 2 is made of aluminum, has a shape like an inverted cup, and is provided with a plurality of grooves 2a for fitting a piston ring at an upper end on a lateral side. . In the center of the upper plate portion 2b of the piston skirt portion 2, there is provided a hole 2c through which a boss portion 1b provided below the piston head portion 1 passes. A bearing portion 2d for bearing the connecting rod is provided inside the piston skirt portion 2.
【０００７】ピストンヘッド部１とピストンスカート部
２との組合せは、まずピストンヘッド部１のボス部１ｂ
頸部に板状の耐熱性緩衝板３を嵌め込み、ピストンシリ
ンダ１ｄの下面とピストンスカート部２の上部周縁との
間にカーボンからなるシール材４を配設すると同時に基
体１ａのボス部１ｂをピストンスカート部２の穴２ｃに
挿通し、ピストンヘッド部１をピストンスカート部２方
向に押圧しながらボス部１ｂの窪み１ｃにリティナーリ
ング５を嵌め込んで、ピストンヘッド部１とピストンス
カート部２とを組立てる。なお、６はピストンヘッド部
１とピストンスカート部２との間に形成された断熱空間
層である。[0007] The combination of the piston head 1 and the piston skirt 2 is performed first by the boss 1b of the piston head 1.
A plate-shaped heat-resistant buffer plate 3 is fitted into the neck, and a sealing material 4 made of carbon is disposed between the lower surface of the piston cylinder 1d and the upper peripheral edge of the piston skirt portion 2. At the same time, the boss portion 1b of the base 1a is The retainer ring 5 is inserted into the recess 1c of the boss 1b while pressing the piston head 1 in the direction of the piston skirt 2 by inserting the piston head 1 into the hole 2c of the skirt 2 so that the piston head 1 and the piston skirt 2 are joined together. Assemble. Reference numeral 6 denotes a heat insulating space layer formed between the piston head 1 and the piston skirt 2.
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとする課題】このような従来のピス
トンヘッド部の構造では、セラミックス焼結体の薄板か
らなる天井板１ｇがエンジンの燃焼室側にあってその耐
熱性、耐変形性、耐腐食性を向上させていたが、上記天
井板１ｇ、ピストンシリンダ１ｄの熱伝導率が比較的高
いために、燃焼室で発生した熱は、ピストンヘッド部１
の外周部を通してシリンダライナあるいはクランクシャ
フト方向に逃げ去る。そのために、十分な断熱性が確保
できなかった。In such a conventional piston head structure, a ceiling plate 1g made of a thin ceramic sintered body is located on the combustion chamber side of the engine, and has heat resistance, deformation resistance, and resistance to heat. Although the corrosiveness was improved, the heat generated in the combustion chamber was reduced by the piston head 1 due to the relatively high thermal conductivity of the ceiling plate 1g and the piston cylinder 1d.
Escapes in the direction of the cylinder liner or crankshaft through the outer periphery of the cylinder. Therefore, sufficient heat insulation could not be secured.
【０００９】又、強度を十分なものとするためにピスト
ンヘッド部１の上面の天井板１ｇを厚く形成すれば、こ
の熱容量が大きくなって、断熱性は更に低下することに
なった。Further, if the ceiling plate 1g on the upper surface of the piston head 1 is formed thick to provide sufficient strength, the heat capacity is increased and the heat insulation is further reduced.
【００１０】しかも、ピストンヘッド部を構成する個々
の部品を作成し、それらを組み立てる工程には、高い精
度が要求されるため、そのコストや手間も大変であっ
た。[0010] In addition, since high accuracy is required in the process of producing individual parts constituting the piston head portion and assembling them, the cost and labor are also great.
【００１１】更に、断熱層１ｆとセラミックスの天井板
１ｇとの接合箇所は、これらの熱膨張係数が互いに異な
るために、加熱、冷却が短時間のうちに多く繰り返され
ると、ピストンヘッド部が破壊されるおそれがあった。Further, since the joints between the heat insulating layer 1f and the ceramic ceiling plate 1g have different coefficients of thermal expansion, if the heating and cooling are repeated many times in a short time, the piston head is destroyed. Could be done.
【００１２】本発明の目的は、このような従来技術の持
つ問題点を解消し、低コストで断熱性や機械的強度の高
い断熱ピストンとその製造方法を提供しようとするもの
である。An object of the present invention is to solve such problems of the prior art and to provide a low-cost, heat-insulating piston having high heat-insulating properties and high mechanical strength, and a method of manufacturing the same.
【００１３】[0013]
【課題を解決するための手段】本発明によれば、金属製
のピストンスカート部の上部に断熱材にて形成されたピ
ストンヘッド部を設けた断熱ピストンにおいて、前記ピ
ストンヘッド部は、カップ状を呈し緻密質セラミックス
からなるクラウン部を有し、このクラウン部内は多孔質
セラミックスで充填され、かつ金属製のピストンスカー
ト部の上部に断熱材にて形成されたピストンヘッド部を
設けた断熱ピストンにおいて、前記ピストンヘッド部
は、カップ状を呈し緻密質セラミックスからなるクラウ
ン部を有し、このクラウン部内は多孔質セラミックスで
充填され、かつ該充填部分の上層が気孔を１５ｖｏｌ％
以上含みかつ、Ｓｉ、Ｎ、Ｏ、Ａｌのすべてかあるいは
これにＴｉを加えた元素群よりなる多孔質層であり、充
填部分の下層がシリコンナイトライドかシリコンナイト
ライドとシリコンカ−バイドの複合セラミックスであ
り、かつこの充填部分はクラウン部と密接接着されてい
ることを特徴とする断熱ピストンを提供できる。又、本
発明では、緻密なセラミックス焼結体からなるカップ状
のクラウン部の内部に金属シリコン粉末、セラミックス
粉末及びバインダ材からなる第１の組成物を充填して加
圧するステップと、前記第１の組成物とは粒子の種類及
びその配合量を異にする第２の組成物を前記クラウン部
の内部の上記第１の組成物上に積層充填して加圧するス
テップと、前記第１、第２の組成物に含有されているバ
インダ材を除去するステップと、前記第１、第２の組成
物を窒素雰囲気中で焼成するステップとによりピストン
ヘッド部を製造することを特徴とする断熱ピストンの製
造方法を提供できる。According to the present invention, in a heat insulating piston provided with a piston head portion formed of a heat insulating material on an upper portion of a metal piston skirt portion, the piston head portion has a cup shape. In the adiabatic piston having a crown portion made of dense ceramics, the inside of the crown portion is filled with porous ceramics, and a piston head portion made of a heat insulating material is provided on an upper portion of a metal piston skirt portion, The piston head portion has a cup-shaped crown portion made of dense ceramic, and the inside of the crown portion is filled with porous ceramic, and the upper layer of the filled portion has pores of 15 vol%.
A porous layer containing the above and including all of Si, N, O, and Al or an element group obtained by adding Ti to the porous layer, wherein the lower layer of the filled portion is silicon nitride or a composite ceramic of silicon nitride and silicon carbide. And the filling portion is closely adhered to the crown portion, thereby providing a heat insulating piston. Also, in the present invention, a step of filling a first composition comprising metal silicon powder, ceramic powder and a binder material into a cup-shaped crown portion made of a dense ceramic sintered body and applying pressure thereto, A step of laminating and filling a second composition having a different kind and a different blending amount of the particles onto the first composition inside the crown portion; Removing the binder material contained in the second composition, and firing the first and second compositions in a nitrogen atmosphere to produce a piston head portion. A manufacturing method can be provided.
【００１４】[0014]
【作用】本発明では、まずたとえばSi3N4 の焼結体で形
成された浅いカップ状を呈したクラウン部にSi粉末、Si
3N4 粉末をオイル等の有機バインダと混練した第１の組
成物を加圧充填する。According to the present invention, first, for example, Si powder and Si powder are added to a shallow cup-shaped crown portion formed of a sintered body of Si3N4.
A first composition obtained by kneading 3N4 powder with an organic binder such as oil is filled under pressure.
【００１５】次に、Si、ムライトあるいはチタン酸アル
ミをオイル等の有機バインダと混練した第２の組成物を
その上に加圧充填し、燃焼室となるその上面を所望の形
状に形成する。Next, a second composition obtained by kneading Si, mullite or aluminum titanate with an organic binder such as oil is filled therein under pressure, and the upper surface serving as a combustion chamber is formed in a desired shape.
【００１６】次に、これら第１、第２の組成物を脱脂し
て、N2雰囲気中で焼成すると、これら組成物がそれぞれ
強化層、断熱層として外周部材の内面で強固に結合した
ピストンヘッドを得ることができる。さらに、上記外周
部材に予め形成されている断熱ピストンヘッドの取付け
ボス部をピストンスカート部材の中央取り付け用の孔に
嵌合係止して、断熱ピストンが完成する。Next, the first and second compositions are degreased and fired in an N2 atmosphere, whereby a piston head in which these compositions are firmly bonded on the inner surface of the outer peripheral member as a reinforcing layer and a heat insulating layer, respectively. Obtainable. Further, the mounting boss portion of the heat-insulating piston head formed in advance on the outer peripheral member is fitted and locked in the hole for mounting the center of the piston skirt member to complete the heat-insulating piston.
【００１７】[0017]
【実施例】以下、図面に示されている本発明の一実施例
について詳細に説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention shown in the drawings will be described below in detail.
【００１８】図１は、本発明にかかる断熱ピストンの断
面図である。この断熱ピストンは、ピストンヘッド部１
０と金属製のピストンスカート部２０とから構成され
る。ピストンヘッド部１０は、浅いカップ状を呈した断
熱材保持部１１ａと該断熱材保持部１１ａの下面中央に
ボス部１１ｂを形成したクラウン部１１を有する。クラ
ウン部１１の断熱材保持部１１ａの外径はピストンスカ
ート部２０の外径と同じである。断熱材保持部１１ａの
内側には、全周にわたって浅い数条の溝１１ｃが形成さ
れている。また、ボス部１１ｂの中央には、貫通穴１１
ｄが設けられている。クラウン部１１は、緻密質セラミ
ックス例えば、Si3N4 微粉末を圧縮成形して焼結したセ
ラミックス焼結体により一体的に構成されている。FIG. 1 is a sectional view of a heat insulating piston according to the present invention. This insulated piston has a piston head 1
And a piston skirt 20 made of metal. The piston head 10 has a heat insulating material holding portion 11a having a shallow cup shape and a crown portion 11 having a boss 11b formed at the center of the lower surface of the heat insulating material holding portion 11a. The outer diameter of the heat insulating material holding portion 11 a of the crown portion 11 is the same as the outer diameter of the piston skirt portion 20. Inside the heat insulator holding portion 11a, several shallow grooves 11c are formed all around. In the center of the boss 11b, a through hole 11 is provided.
d is provided. The crown portion 11 is integrally formed of a dense ceramic, for example, a ceramic sintered body obtained by compressing and sintering Si3N4 fine powder.
【００１９】断熱材保持部１１ａの内側には、多孔質の
セラミックス強化層１２と、同じく多孔質のセラミック
ス断熱層１３と、緻密なセラミックス薄層１４とが積層
された積層体が配置されている。セラミックス強化層１
２は、Si3N4 をマトリックスとしてセラミックスに転化
された多孔質の強化層であって、上記複数の溝１１ｃの
中にまで十分に入り込み、かつ溝１１ｃを含む断熱材保
持部１１ａの内面と密着接合している。セラミックス断
熱層１３は、多孔質の複合セラミックスであって、その
側部は断熱材保持部１１ａの内面と密着接合しているこ
とは勿論のことである。そして、セラミックス強化層１
２とセラミックス断熱層１３との境界面は、はっきりと
セパレートされているわけではなく、両者が混然一体と
なった極めて薄い層部分が存在するが、この薄層は焼結
によってセラミックス強化層１２とセラミックス断熱層
１３を形成するときに生じるもので、この薄層のために
両層は強固に接合される。セラミックス断熱層１３の上
面には緻密なセラミックス薄層１４が密着している。緻
密なセラミックス薄層１４は、例えば非晶質のシリコン
ナイトライド膜により形成されている。緻密なセラミッ
クス薄層１４とセラミックス断熱層１３との間の境界面
にも、両者が混然一体となった極めて薄い層部分が存在
しており、この薄層は焼結によってセラミックス薄層１
４とセラミックス断熱層１３を形成するときに生じるも
ので、この薄層のために両層は強固に接合される。A laminated body in which a porous ceramic reinforcing layer 12, a similarly porous ceramic heat insulating layer 13, and a dense ceramic thin layer 14 are laminated inside the heat insulating material holding portion 11a. . Ceramic reinforcement layer 1
Reference numeral 2 denotes a porous reinforcing layer converted into ceramics using Si3N4 as a matrix, which penetrates sufficiently into the plurality of grooves 11c and closely adheres to the inner surface of the heat insulating material holding portion 11a including the grooves 11c. ing. The ceramic heat-insulating layer 13 is a porous composite ceramic, and of course, its side is in close contact with the inner surface of the heat-insulating material holding portion 11a. And the ceramic reinforcement layer 1
The boundary surface between the ceramic insulating layer 2 and the ceramic heat-insulating layer 13 is not clearly separated, and there is an extremely thin layer portion in which the two are mixed together, but this thin layer is formed by sintering. This occurs when the ceramic heat insulating layer 13 is formed. Because of this thin layer, the two layers are firmly joined. A dense ceramic thin layer 14 is in close contact with the upper surface of the ceramic heat insulating layer 13. The dense ceramic thin layer 14 is formed of, for example, an amorphous silicon nitride film. At the interface between the dense ceramic thin layer 14 and the ceramic heat insulating layer 13, there is also an extremely thin layer part in which both are mixed together, and this thin layer is formed by sintering.
This occurs when the ceramic heat-insulating layer 4 and the ceramic heat-insulating layer 13 are formed. Because of this thin layer, the two layers are firmly joined.
【００２０】なお、緻密なセラミックス薄層１４の上面
には燃焼室となる窪み１５が形成されている。A hollow 15 serving as a combustion chamber is formed on the upper surface of the dense ceramic thin layer 14.
【００２１】ピストンスカ−ト部２０は、前述の如き従
来のものと同様、アルミニウムにより構成され、コップ
を逆さまにしたような形状を有し、側面外側上端には、
ピストンリングを嵌合させる数条の溝２１が設けられて
いる。ピストンスカート部２０の上板部分２２の中央に
は穴２３が設けられている。ピストンスカート部２０の
内部には、コンロッドを軸承するためのベアリング部２
４が設けられている。The piston skirt portion 20 is made of aluminum and has a shape like an inverted cup like the conventional one as described above.
Several grooves 21 are provided for fitting the piston ring. A hole 23 is provided in the center of the upper plate portion 22 of the piston skirt portion 20. A bearing part 2 for bearing the connecting rod is provided inside the piston skirt part 20.
4 are provided.
【００２２】なお、上述のように構成されたピストンヘ
ッド部１０は次のようにしてピストンスカート部２０と
組合されて、断熱ピストンを構成する。すなわち、ピス
トンヘッド部１０の下面に設けられた取付け用のボス部
１１ｂをピストンスカート部２０の穴２３に挿通し、こ
のピストンヘッド部１０をたとえばメタルフロー法によ
ってピストンスカート部２０の上面に強固に接合して、
断熱ピストンを構成する。なお、ピストンヘッド部１０
とピストンスカート部２０との間には空気層８が形成さ
れる。この空気層８は、ピストンヘッド部１０からピス
トンスカ−ト部２０方向へ逃げ去る熱を遮断する断熱層
の役割を果すものである。The piston head 10 constructed as described above is combined with the piston skirt 20 as follows to form an adiabatic piston. That is, the mounting boss 11b provided on the lower surface of the piston head 10 is inserted into the hole 23 of the piston skirt 20, and the piston head 10 is firmly attached to the upper surface of the piston skirt 20 by, for example, a metal flow method. Join,
Construct an adiabatic piston. The piston head 10
An air space 8 is formed between the piston skirt 20 and the piston skirt 20. The air layer 8 functions as a heat insulating layer that blocks heat escaping from the piston head 10 toward the piston skirt 20.
【００２３】次に、上記に示すようなピストンヘッド部
の製造方法について詳細に説明する。Next, a method of manufacturing the piston head as described above will be described in detail.
【００２４】図２は、本発明にかかる断熱ピストンに使
用されるピストンヘッド部の製造の途中過程を、その製
造装置とともに示した断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a process of manufacturing a piston head used in the heat-insulating piston according to the present invention, together with a manufacturing apparatus thereof.
【００２５】図２において、１２１は円筒状をした外型
であり、内部に段部１２１ａが形成されている。外型１
２１の下方の内径は、前記クラウン部１１の断熱材保持
部１１ａの外径と同じであり、その上方の内径は、前記
クラウン部１１の断熱材保持部１１ａの上端の内径と同
じである。In FIG. 2, reference numeral 121 denotes a cylindrical outer die, in which a step portion 121a is formed. Outer die 1
The inner diameter below 21 is the same as the outer diameter of the heat insulating material holding portion 11a of the crown portion 11, and the inner diameter above it is the same as the inner diameter of the upper end of the heat insulating material holding portion 11a of the crown portion 11.
【００２６】そして、円筒形状の外型１２１の下方か
ら、その内径と一致する大きさのクラウン部１１が嵌め
込まれ、外型１２１の内面に形成されている約１mmの段
部１２１ａまで押し込まれる。しかる後、外型１２１の
下面からクラウン部材１１を下方から支持する支持治具
１２２を挿入する。この支持治具１２２の挿入によっ
て、クラウン部１１の貫通穴１１ｄは閉塞される。Then, from below the cylindrical outer mold 121, the crown 11 having a size corresponding to the inner diameter thereof is fitted, and is pushed down to a step portion 121a of about 1 mm formed on the inner surface of the outer mold 121. Thereafter, a support jig 122 for supporting the crown member 11 from below is inserted from the lower surface of the outer die 121. By inserting the support jig 122, the through hole 11d of the crown portion 11 is closed.
【００２７】次に、外型１２１の中に保持されたクラウ
ン部１１の断熱材保持部１１ａの中にSi粉末、Si3N4 粉
末及びオイルを十分に混練した第１の組成物１２’が流
し込まれ、これを上からプランジャ１２３により軽く加
圧する。次に、Si粉末、チタン酸アルミ粉末をオイル等
の有機バインダと混練した第２の組成物１３’を第１の
組成物１２’のうえに流し込み、今度はプランジャ１２
３により第１及び第２の組成物に十分な圧力を加える。
この時、プランジャ１２３の下面の凸部１２３ａの形状
によって、ピストン上面の燃焼室となる窪みが形成され
るとともに、クラウン部材１１の断熱材保持部１１ａの
内側に設けられた溝１１ｃの隅々まで第１の組成物１
２’が行きわたる。Next, the first composition 12 'sufficiently kneaded with Si powder, Si3N4 powder and oil is poured into the heat insulating material holding portion 11a of the crown portion 11 held in the outer mold 121, This is lightly pressed by the plunger 123 from above. Next, a second composition 13 ′ obtained by kneading Si powder and aluminum titanate powder with an organic binder such as oil is poured onto the first composition 12 ′.
Step 3 applies sufficient pressure to the first and second compositions.
At this time, a depression serving as a combustion chamber on the upper surface of the piston is formed by the shape of the convex portion 123a on the lower surface of the plunger 123, and every corner of the groove 11c provided inside the heat insulating material holding portion 11a of the crown member 11 is formed. First composition 1
2 'spreads.
【００２８】このように形成されたピストンヘッド部１
０を外型１２１から取りはずし、これを脱脂炉内に挿入
した後、最高 500℃まで加熱し、オイルを揮発除去す
る。その後、9.5kg/cm2 の圧力に設定されたＮ2 雰囲気
中で焼成すると、充填されている各組成物が反応焼結Si
3N4 をマトリックスとした多孔のセラミックス強化層１
２及びセラミックス断熱層１３に転化する。The piston head 1 thus formed
After removing 0 from the outer mold 121 and inserting it into the degreasing furnace, it is heated up to 500 ° C. to volatilize and remove the oil. Thereafter, firing in an N 2 atmosphere set at a pressure of 9.5 kg / cm 2 causes each of the filled compositions to react with sintered Si.
Porous ceramic reinforced layer 1 with 3N4 matrix
2 and a ceramic heat insulating layer 13.
【００２９】最後に、トルエンで希釈したポリシラザン
溶液中に、ピストンヘッド部１０の上面部分を浸し、そ
れをＮＨ3 中で再度加熱し、上面部分のポリマーを非晶
質のシリコンナイトライド膜からなる緻密なセラミック
ス薄層１４を形成する。Finally, the upper surface of the piston head 10 is immersed in a polysilazane solution diluted with toluene and heated again in NH 3 to convert the polymer on the upper surface into a dense silicon nitride film. The ceramic thin layer 14 is formed.
【００３０】こうして、第１の組成物を出発原料として
形成されるセラミックス強化層１２は、強度が高く、し
かも焼成時の収縮がほとんどないため、断熱材保持部１
１ａの内側とセラミックス強化層１２との密着性が極め
て良好である。又、第２の組成物を出発原料として形成
されるセラミックス断熱層１３は、断熱性に優れ、燃焼
室からピストンヘッド部１０を通じて外部に流出する熱
を十分に少なくできる。The ceramic reinforced layer 12 formed from the first composition as a starting material has high strength and hardly shrinks during firing.
The adhesion between the inside of 1a and the ceramic reinforcing layer 12 is extremely good. Moreover, the ceramic heat insulating layer 13 formed using the second composition as a starting material has excellent heat insulating properties, and can sufficiently reduce heat flowing out from the combustion chamber to the outside through the piston head portion 10.
【００３１】このようにして構成されたピストンヘッド
を有する断熱ピストンをディーゼルエンジンに組み込
み、約２０００時間の耐久テストを行った。その結果、
ピストンヘッドの破損等の異常事態は発生せず、熱効率
は従来のピストンヘッドに比較して約１７％向上した。The insulated piston having the piston head constructed as described above was assembled in a diesel engine and subjected to a durability test for about 2,000 hours. as a result,
No abnormal situation such as breakage of the piston head occurred, and the thermal efficiency was improved by about 17% as compared with the conventional piston head.
【００３２】[0032]
【発明の効果】以上詳細に説明した様に、本発明にかか
る断熱ピストンは、セラミックス製のピストンヘッド部
に、強度が高いセラミックス強化層と、その上に断熱性
に優れたセラミックス断熱層を積層した積層体を構成部
品として保持せしめたので、従来のものと比較して部品
数も少なく高精度の部品も少ないため、簡単かつ安価に
構成できる。また、本発明の緻密なセラミックス薄層は
従来の天井板と比較して薄く構成されているため、この
薄層を介してピストンヘッド部のクラウン部方向へ逃げ
去る熱量は従来のものより大幅に少なくなる。さらに、
前記積層体は、ピストンヘッド部のクラウン部の内側と
強固に接着しているので従来のようなセラミックス焼結
体の薄板からなる天井板をピストンヘッドの最上端部に
貼着した場合と比較して、加熱、冷却が短時間のうちに
多く繰り返された場合でも、ピストンヘッド部が破壊さ
れる様なことはない。As described in detail above, the heat-insulating piston according to the present invention comprises a ceramic-reinforced piston head, a high-strength ceramic reinforced layer, and a ceramic heat-insulating layer having excellent heat insulating properties. Since the laminated body thus obtained is held as a component, the number of components is small and the number of high-precision components is small as compared with the conventional one, so that the configuration can be simplified and inexpensively. In addition, since the dense ceramic thin layer of the present invention is configured to be thinner than the conventional ceiling plate, the amount of heat escaping toward the crown portion of the piston head through this thin layer is significantly larger than that of the conventional one. Less. further,
Since the laminate is firmly adhered to the inside of the crown portion of the piston head, it is compared with a conventional case in which a ceiling plate made of a thin plate of a ceramic sintered body is adhered to the uppermost end of the piston head. Therefore, even if heating and cooling are repeated many times within a short time, the piston head is not broken.
【００３３】このほか、本発明の製造方法では、あらか
じめ用意されたピストンヘッドのクラウン部に、順次セ
ラミックス強化層となる組成物を充填し、続いてセラミ
ックス断熱層となるセラミックス組成物を充填した後、
それらを反応焼結せしめ、その上面にセラミックス薄層
を形成するというプロセスを採用することによって、簡
単に断熱性に優れたピストンを作成することができ、ま
た外周部材との間の密着性もよく、信頼性に優れた断熱
ピストンの製造方法を提供できる。In addition, in the manufacturing method of the present invention, the crown portion of the piston head prepared in advance is sequentially filled with a composition to be a ceramic reinforcing layer, and then filled with a ceramic composition to be a ceramic heat insulating layer. ,
By adopting the process of sintering them and forming a ceramic thin layer on the upper surface, it is possible to easily produce a piston with excellent heat insulating properties, and also to have good adhesion with the outer peripheral member. And a method of manufacturing a highly reliable heat insulating piston.
【図１】本発明の断熱ピストンの構造を示す断面図であ
る。FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a heat insulating piston of the present invention.
【図２】本発明にかかる断熱ピストンに使用されるピス
トンヘッド部の製造の途中過程をその製造装置とともに
示した断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a process of manufacturing a piston head used for the heat-insulating piston according to the present invention together with a manufacturing apparatus thereof.
【図３】断熱ピストンの従来構造の一例を示す断面図で
ある。FIG. 3 is a sectional view showing an example of a conventional structure of a heat insulating piston.
１０・・ピストンヘッド部 １１・・クラウン部 １１ａ・・断熱材保持部 １２・・セラミックス強化層 １３・・セラミックス断熱層 １４・・緻密なセラミックス薄層 ２０・・ピストンスカ−ト部 １２１・・外型、 １２２・・支持治具、 １２３・・プランジャ 10. Piston head part 11 Crown part 11a Heat insulation material holding part 12 Ceramic reinforcement layer 13 Ceramic heat insulation layer 14 Dense ceramic thin layer 20 Piston skirt part 121 Outside Mold, 122 ・ ・ Support jig, 123 ・ Plunger
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｆ１６Ｊ 1/01 Ｂ２２Ｆ 5/00 Ｚ (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C04B 38/00 C04B 37/00 F02F 3/00 302 F16J 1/01 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 identification code FIF16J 1/01 B22F 5/00 Z (58) Fields investigated (Int.Cl. 6 , DB name) C04B 38/00 C04B 37 / 00 F02F 3/00 302 F16J 1/01
Claims (7)
材にて形成されたピストンヘッド部を設けた断熱ピスト
ンにおいて、前記ピストンヘッド部は、カップ状を呈し
緻密質セラミックスからなるクラウン部を有し、このク
ラウン部内は多孔質セラミックスで充填され、かつ該充
填部分の上層が気孔を１５ｖｏｌ％以上含みかつ、Ｓ
ｉ、Ｎ、Ｏ、ＡｌのすべてかあるいはこれにＴｉを加え
た元素群よりなる多孔質層であり、充填部分の下層がシ
リコンナイトライドかシリコンナイトライドとシリコン
カ−バイドの複合セラミックスであり、かつこの充填部
分はクラウン部と密接接着されていることを特徴とする
断熱ピストン。1. A heat-insulating piston in which a piston head portion made of a heat insulating material is provided above a metal piston skirt portion, wherein the piston head portion has a cup-shaped crown portion made of dense ceramics. The inside of the crown portion is filled with porous ceramic, and the upper layer of the filled portion contains pores of 15 vol% or more, and S
a porous layer composed of all of i, N, O, and Al or an element group obtained by adding Ti thereto, and a lower layer of a filled portion is made of silicon nitride or a composite ceramic of silicon nitride and silicon carbide; and The heat-insulating piston, wherein the filling portion is closely adhered to the crown portion.
薄層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載
の断熱ピストン。2. The heat insulating piston according to claim 1, wherein a dense ceramic thin layer is formed on an upper surface of the filling portion.
であることを特徴とする請求項２に記載の断熱ピスト
ン。3. The adiabatic piston according to claim 2, wherein the dense ceramic thin layer is an amorphous thin layer.
成された溝内に食い込んで密接接着されていることを特
徴とする請求項１に記載の断熱ピストン。4. The heat-insulating piston according to claim 1, wherein the filling portion bites into a groove formed in the inner surface of the crown portion and is closely adhered.
状のクラウン部の内部に金属シリコン粉末、セラミック
ス粉末及びバインダ材からなる第１の組成物を充填して
加圧するステップと、前記第１の組成物とは粒子の種類
及びその配合量を異にする第２の組成物を前記クラウン
部の内部の上記第１の組成物上に積層充填して加圧する
ステップと、前記第１、第２の組成物に含有されている
バインダ材を除去するステップと、前記第１、第２の組
成物を窒素雰囲気中で焼成するステップとによりピスト
ンヘッド部を製造することを特徴とする請求項１に記載
の断熱ピストンの製造方法。5. A step of filling a cup-shaped crown portion made of a dense ceramic sintered body with a first composition comprising a metal silicon powder, a ceramic powder, and a binder material and pressing the first composition, A step of laminating and filling a second composition having a different kind and a different amount of particles from the composition onto the first composition inside the crown portion, and pressing the first and second compositions. 2. The method according to claim 1, wherein the step of removing the binder material contained in the composition and the step of firing the first and second compositions in a nitrogen atmosphere produce the piston head. A method for producing the insulated piston according to the above.
なしていることを特徴とする請求項６に記載の断熱ピス
トンの製造方法。6. The method according to claim 6, wherein the binder material is in a liquid state at room temperature.
取付けボス部を形成し、この取付けボス部をピストンス
カート部材の中央取り付け孔に嵌合係止したことを特徴
とする前記請求項６に記載の断熱ピストンの製造方法。7. A boss portion for mounting an adiabatic piston head on the outer peripheral member in advance, and the boss portion is fitted and locked in a central mounting hole of a piston skirt member. Manufacturing method of thermal insulation piston.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8187791A JP2964102B2 (en) | 1991-03-20 | 1991-03-20 | Adiabatic piston and its manufacturing method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8187791A JP2964102B2 (en) | 1991-03-20 | 1991-03-20 | Adiabatic piston and its manufacturing method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04292486A JPH04292486A (en) | 1992-10-16 |
| JP2964102B2 true JP2964102B2 (en) | 1999-10-18 |
Family
ID=13758688
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8187791A Expired - Fee Related JP2964102B2 (en) | 1991-03-20 | 1991-03-20 | Adiabatic piston and its manufacturing method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2964102B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110756806A (en) * | 2019-11-13 | 2020-02-07 | 北京工业大学 | Ti/Al dissimilar alloy forming method based on selective laser melting technology |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100680532B1 (en) * | 2004-12-17 | 2007-02-08 | 현대자동차주식회사 | Mounting apparatus for the heat activator in a combustion chamber |
| JP2017089471A (en) * | 2015-11-09 | 2017-05-25 | いすゞ自動車株式会社 | Steel piston, cooling method of steel piston, and manufacturing method of steel piston |
-
1991
- 1991-03-20 JP JP8187791A patent/JP2964102B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110756806A (en) * | 2019-11-13 | 2020-02-07 | 北京工业大学 | Ti/Al dissimilar alloy forming method based on selective laser melting technology |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04292486A (en) | 1992-10-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4242948A (en) | Insulated composite piston | |
| JP2964102B2 (en) | Adiabatic piston and its manufacturing method | |
| US5014604A (en) | Piston for internal combustion engine | |
| JP2964101B2 (en) | Adiabatic piston head and method of manufacturing the same | |
| JPS60182340A (en) | Internal-combustion engine covering combustion chamber wall surface with porous heat insulating meterial | |
| JPS60182341A (en) | Internal-combustion engine covering combustion chamber wall surface with porous heat insulating material | |
| WO2017122564A1 (en) | Piston for internal combustion engines and method for producing piston for internal combustion engines | |
| JP2811840B2 (en) | Manufacturing method of ceramic parts such as pistons | |
| JP2709738B2 (en) | Adiabatic piston and method of manufacturing the same | |
| JPH1171186A (en) | Bound structure of ceramic to metal and its binding | |
| JPS6343348B2 (en) | ||
| JP2967243B2 (en) | Ceramic intake / exhaust port liner and method of manufacturing the same | |
| JP4666791B2 (en) | CONNECTED BODY AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME | |
| JPS60113021A (en) | Nozzle part for auxiliary chamber of internal-combustion engine | |
| JPS60135651A (en) | Manufacture of ceramics-incorporating piston | |
| JP2940084B2 (en) | Method for producing ceramic composite | |
| JPH03124944A (en) | Heat insulating engine component, manufacture thereof and heat insulating piston | |
| JPH04342478A (en) | Ceramic piston head and its production | |
| US5018489A (en) | Heat-insulating piston | |
| JPH03141850A (en) | Insulated piston and manufacture thereof | |
| JP2595946B2 (en) | Composite piston and method of manufacturing the same | |
| JPH0118810Y2 (en) | ||
| JPS6143163B2 (en) | ||
| JPH05157004A (en) | Piston crown | |
| JPS6179071A (en) | Piston and manufacture thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Year of fee payment: 9 Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080813 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Year of fee payment: 10 Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090813 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Year of fee payment: 10 Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090813 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Year of fee payment: 11 Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100813 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |