JP2970098B2 - 断熱ピストン - Google Patents

断熱ピストン

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JP2970098B2
JP2970098B2 JP3204656A JP20465691A JP2970098B2 JP 2970098 B2 JP2970098 B2 JP 2970098B2 JP 3204656 A JP3204656 A JP 3204656A JP 20465691 A JP20465691 A JP 20465691A JP 2970098 B2 JP2970098 B2 JP 2970098B2
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、セラミック製のピス
トンヘッドと外周面ピストンヘッドの固定した金属製の
ピストンスカートから成る断熱ピストンに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、断熱ピストンの構造として、特開
昭６３−２５５５５１号公報に開示されたものがある。
該断熱ピストンの構造は、セラミック製ピストンクラウ
ンと金属製ピストンスカートとの中央部及び外周部を嵌
合状態に結合し、前記ピストンクラウンと前記ピストン
スカートとの対向面に断熱シール材を介在させ、前記ピ
ストンクラウンが圧力を受けた時、前記ピストンクラウ
ンの外周部が外側に変形するように構成したものであ
る。また、前記断熱シール材はチタン酸カリウムとグラ
スファイバとの混合材で構成されている。更に、前記断
熱シール材には、嵌合状態の部分にカーボンが混合され
ている。
【０００３】ところで、断熱ピストンについては、ピス
トンヘッドをピストンスカートに取付け、ピストンヘッ
ドのクラウン部下面とピストンスカートの上端壁部上面
との間にリング状の断熱部材を介在させると共に、ピス
トンスカートの取付孔の内周面とピストンヘッドの取付
部の外周面との間の空間部に結合リングを塑性変形で配
置し、前記取付孔の内周面と前記取付部の外周面の間に
形成した環状空間部に低熱伝導材から成る複数の断熱部
材を配置した場合に、該断熱ピストンに加わる力は大き
く分けて二種類ある。その１つは、ピストンヘッドをピ
ストンスカートに取付ける場合に行うメタルフロー結合
時にかかる荷重によるものである。他はピストンの実働
即ち往復運動中に加わる力即ち筒内圧である。これらの
力は、リング状の各断熱部材に対して軸方向に加わる力
である。従って、断熱部材に加わる応力を低減するに
は、断熱部材の半径方向の厚さを小さくする必要があ
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、金属製
のピストンスカートにジルコニア等の低熱膨張のセラミ
ックス材料の断熱部材を介在して窒化ケイ素、サーメッ
ト等のセラミック製のピストンヘッドを取付ける場合
に、断熱部材にピストンヘッドを接触させて負荷させる
と、或いはピストンが熱負荷を受けた状態で往復運動を
行うと、ピストンヘッドとピストンスカートとの間に介
在しているセラミックスから成る断熱部材が大きな接触
応力を受け、断熱部材にクラック、亀裂等が発生した
り、或いは断熱部材が割れ、破損等が起こり、場合によ
っては飛散するという問題が発生する。
【０００５】また、ピストンスカートの上端壁部の上面
とピストンヘッドのクラウン部の下面との間にセラミッ
ク材から成る断熱リング等の断熱部材を配置した場合
に、クラウン部のセラミック材と断熱リングのセラミッ
ク材とが直接接触することになって、断熱リング及びク
ラウン部の下面の摩耗、損傷が発生し好ましくない状態
が発生する。
【０００６】そこで、この発明の目的は、上記の課題を
解決することであり、ピストンヘッドとピストンスカー
トとを連結する場合に、両者間に部分安定化ジルコニア
等の低熱伝導材から成る断熱リングを介在させ、セラミ
ック材とセラミック材との直接接触を避け、断熱リング
及びピストンヘッドのクラウン部の異常摩耗、クラッ
ク、割れ等の損傷の発生を防止し、更に、取付部と取付
孔との間に配置したセラミック材から成る断熱部材が接
触応力を受けてクラック、亀裂、割れ、破損等が発生し
てもメタルフロー金属部材即ち結合リングが前記断熱部
材を係止していることで破片等が飛散するのを防止でき
る断熱ピストン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、上端壁部に取付孔を形成した金属製ピスト
ンスカート、前記取付孔に嵌合した取付部を有するセラ
ミック製ピストンヘッド、前記取付孔と前記取付部との
間の空間部に塑性変形で配置した結合リング、及び前記
ピストンヘッドのクラウン部と前記上端壁部との間に配
置した低熱伝導材から成る断熱リングを有する断熱ピス
トンにおいて、前記断熱リングと前記クラウン部の下面
との間に金属製シートが配置され、前記取付孔の上部内
周面と前記取付部の上部外周面の間に環状隙間が形成さ
れていることを特徴とする断熱ピストンに関する。
【０００８】また、この断熱ピストンにおいて、前記取
付孔の上部内周面と前記取付部の上部外周面の間に形成
された前記環状隙間には、チタン酸カリウム繊維等の低
熱伝導材から成る断熱シートが介在しているものであ
る。
【０００９】或いは、この発明は、上端壁部に取付孔を
形成した金属製ピストンスカート、前記取付孔に嵌合し
た取付部を有するセラミック製ピストンヘッド、及び前
記取付孔と前記取付部との間の空間部に塑性変形で配置
した結合リングを有する断熱ピストンにおいて、前記取
付孔の内周面と前記取付部の外周面の間に形成した環状
空間部に低熱伝導材から成る複数の断熱部材が配置され
ていること、及び前記結合リングは前記断熱部材の下端
面に係止するように塑性変形して係止部が形成されてい
ることを特徴とする断熱ピストンに関する。
【００１０】
【作用】この発明による断熱ピストンは、以上のように
構成されており、次のように作用する。この断熱ピスト
ンは、ピストンスカートの上端壁部の上面に配置した低
熱伝導材から成る断熱リングとピストンヘッドのクラウ
ン部の下面との間には金属製シートが配置され、前記取
付孔の上部内周面と前記取付部の上部外周面の間に環状
隙間即ちエアギャップ又はチタン酸カリウム繊維等の低
熱伝導材から成る断熱シートが介在しているので、セラ
ミック材とセラミック材との直接接触を避けると共に、
前記断熱リングにかかる応力はそれぞれに均一に分散さ
れ、前記断熱リングが受ける接触応力が低減され、前記
断熱リング及び前記クラウン部の異常摩耗、クラック、
割れ等の損傷の発生を防止できる。しかも、前記エアギ
ャップ又は前記断熱シートによって前記ピストンヘッド
と前記ピストンスカートとの間の断熱性は大幅に向上さ
せることができる。
【００１１】或いは、この断熱ピストンは、ピストンス
カートの取付孔の内周面とピストンヘッドの取付部の外
周面の間に形成した環状空間部に低熱伝導材から成る複
数の断熱部材が配置され、該断熱部材の下端面は結合リ
ングの塑性変形によって係止部が形成されているので、
セラミック材から成る前記断熱部材が接触応力を受けて
クラック、亀裂、割れ、破損等が発生してもメタルフロ
ー金属部材即ち前記結合リングの前記係止部が前記断熱
部材を係止することで、前記断熱部材の破片等が飛散す
ることは防止される。
【００１２】
【実施例】以下、図面を参照して、この発明による断熱
ピストンの実施例を説明する。図１はこの発明による断
熱ピストンの実施例を全体的に示す断面図、及び図２は
図１の断熱ピストンの一実施例を示す要部の一部拡大断
面図である。図１に示すように、この発明による断熱ピ
ストンは、主として、シリンダ内を往復運動するピスト
ンヘッド１と該ピストンヘッド１に固定したピストンス
カート２を有している。ピストンヘッド１は窒化ケイ
素、炭化ケイ素、サーメット等のセラミック材料或いは
複合材料で製作され、また、ピストンスカート２はアル
ミニウム合金等の金属材料から製作されている。
【００１３】ピストンヘッド１は、燃焼室１０を備えた
クラウン部１８、該クラウン部１８の周囲から下方に伸
びる外周リング部２０及びクラウン部１８の中央付近か
ら下方に伸びる取付部３を有している。ピストンスカー
ト２は、中央に取付孔１９を形成した上端壁部９を有し
ている。また、ピストンヘッド１の取付部３の外周に
は、メタルフロー金属が嵌入するための僅かな周方向溝
部２２が形成されている。ピストンヘッド１とピストン
スカート２とは、セラミックスから成る断熱部材１３，
１４を介在してメタルフロー金属の塑性変形によって周
方向溝部２２に嵌入される結合リング１２によって固定
されている。
【００１４】この断熱ピストンは、特に、ピストンスカ
ート２の取付孔１９の上部内周面とピストンヘッド１の
取付部３の上部外周面２４の間に環状隙間２３が形成さ
れていることである。ピストンヘッド１とピストンスカ
ート２の取付嵌合部分に環状隙間２３が形成されること
で、環状隙間２３によるエアギャップが存在することに
よって、両者間の断熱性を大幅に向上させることができ
る。
【００１５】更に、この断熱ピストンは、ピストンヘッ
ド１のクラウン部１８の下面７とピストンスカート２の
上端壁部９の上面８との間に形成される空間部１１に、
部分安定化ジルコニア（マグネシア系ジルコニア）、ム
ライトとチタン酸アルミニウムの複合材等のセラミック
スの低熱伝導材料から製作された複数個の断熱リング
４，５，６が介在している。これらの断熱リング４，
５，６は、ピストンヘッド１のクラウン部１８とシリン
ダ内を摺動運動するピストンスカート２の上端壁部９と
の間を断熱するために配置されている。しかも、これら
の断熱リング４，５，６は、クラウン部１８と上端壁部
９とから受ける接触応力を緩和するため、半径方向の長
さを短く形成し、複数の断熱リングから成る多重構造に
構成されている。更に、ピストンスカート２の上端壁部
９の上面８は、半径方向に内向きに向かって低くなる段
部３５，３４に形成され、また、クラウン部１８の下面
７は半径方向に内向きに向かって下方に伸びる曲面に形
成され、段部３５，３４と曲面との間に各断熱リング
６，５，４が配置されているものである。
【００１６】この断熱ピストンは、特に、断熱リング
４，５，６とピストンヘッド１のクラウン部１８との間
に金属製シート３０を介在させている。金属製シート３
０は、断熱リング４，５，６の上面とピストンヘッド１
のクラウン部１８の下面７との間に配置されるプレート
部３１と、該プレート部３１の最外周に位置するプレー
ト部３１と一体構造のガード部３２とから構成されてい
る。即ち、断熱リング４，５，６のジルコニア等のセラ
ミックスとクラウン部１８の窒化ケイ素等のセラミック
スの直接的な接触を避けるため、両者間にステンレスス
チール等から成る金属製シート３０を介在させたもので
ある。両者間に金属製シート３０を配置することで、接
触応力即ちヘルツ応力を低減すると共に、金属製シート
３０が介在することによって接触面の熱伝導に対する接
触抵抗によって断熱性を一層向上できる。
【００１７】また、ガード部３２は、断熱リング６の外
周面に係止するように形成されており、万一接触応力等
の外力の作用で断熱リング４，５，６が割れた場合に
は、該ガード部３２が断熱リング４，５，６の破片を係
止し、破片の飛散を防止する機能を果たす。更に、ピス
トンスカート２の上端壁部９の上面８に段部３５，３４
を形成することによって、万一接触応力等の外力の作用
で断熱リング４，５，６が割れた場合には、該ガード部
３２が断熱リング６の破片を係止し、段部３５，３４に
よって断熱リング４，５の破片を係止し、これらの破片
の飛散を防止することもできる。
【００１８】この断熱ピストンについて、ピストンヘッ
ド１とピストンスカート２とは、次のようにして固定す
ることができる。先ず、ピストンヘッド１のクラウン部
１８の下面７とピストンスカート２の上端壁部９の上面
８との間に金属製シート３０と断熱リング４，５，６を
介在させると共に、ピストンヘッド１の外周リング部２
０の下端面１６とピストンスカート２の上端壁部９の周
囲上端面１７との間にガスケット１５を介在させる。次
いで、ピストンヘッド１の取付部３をピストンスカート
２の上端壁部９に形成した取付孔１９に隙間２３を形成
する状態に遊嵌すると共に、ピストンヘッド１のクラウ
ン部１８の周囲から下方に伸びる外周リング部２０の下
端面１６を、ピストンスカート２の上端壁部９の周囲上
端面１７にガスケット１５を介在して対向させる。
【００１９】この状態で、ピストンヘッド１とピストン
スカート２とを、メタルフローによって互いに固定す
る。即ち、ピストンヘッド１の取付部３の外周面２５と
ピストンスカート２の上端壁部９に形成した大径孔２１
との間に形成された穴部に、部分安定化ジルコニア等の
低熱膨張材から成る断熱部材１３，１４を介在させ、次
いで、メタルフロー金属即ち結合リング１２を高周波コ
イル等で加熱し、該結合リング１２を塑性変形させて穴
部に嵌入すると共に、取付部３の周方向溝部２２に結合
リング１２を塑性変形で嵌入させて硬化させ、ピストン
ヘッド１とピストンスカート２とを互いに固定する。
【００２０】次に、この発明による断熱ピストンの別の
実施例を、図３を参照して説明する。図３はこの発明に
よる断熱ピストンの別の実施例を示す要部の一部拡大断
面図である。図３に示した断熱ピストンは、断熱シート
を介在させたことをを除いて図２に示した断熱ピストン
と同一の構成を有するので、同一の部品には同一の符号
を付し、重複する説明は省略する。この実施例では、ピ
ストンスカート２の取付孔１９の上部内周面とピストン
ヘッド１の取付部３の上部外周面２４の間に形成された
環状隙間２３に、チタン酸カリウム繊維等の低熱伝導材
から成る断熱シート２６を介在させている。従って、上
記実施例と同様に、ピストンヘッド１とピストンスカー
ト２との間の断熱性を向上させることができる。
【００２１】次に、この発明による断熱ピストンの更に
別の実施例を、図４及び図５を参照して説明する。図４
はこの発明による断熱ピストンの更に別の実施例の要部
を示し且つ結合リングの塑性変形前の状態を示す一部拡
大断面図、及び図５は図４の断熱ピストンを示し且つ結
合リングの塑性変形後の状態を示す一部拡大断面図であ
る。図４に示した断熱ピストンは、結合リング１２の形
状が相違することを除いて図１に示した断熱ピストンと
同一の構成を有するので、同一の部品には同一の符号を
付し、重複する説明は省略する。
【００２２】この実施例の断熱ピストンは、金属製ピス
トンスカート２の上端壁部９に取付孔１９、該取付孔１
９に嵌合した取付部３を有するセラミック製ピストンヘ
ッド１、及び取付孔１９における大径孔２１の内周面と
取付部３の外周面２５との間の空間部３３に塑性変形で
配置した結合リング１２を有している。また、ピストン
ヘッド１の取付部３からピストンスカート２の上端壁部
９への熱流を阻止する断熱性を向上させるため、取付孔
１９と取付部３の外周面２５の間の環状空間部３３内で
且つ取付孔１９の大径孔２１の内周面及び環状空間部３
３の底面２９に接触した状態で、部分安定化ジルコニア
等の低熱伝導材から成る複数の断熱部材１３，１４が配
置されている。特に、断熱部材１３，１４を環状空間部
３３に係止するために、結合リング１２の半径方向外周
部２７が断熱部材１３，１４の下端面に係止するよう
に、結合リング１２の下端部が半径方向外向きに塑性変
形されて係止部２８を形成している。従って、セラミッ
ク材から成る断熱部材１３，１４が接触応力を受けてク
ラック、亀裂、割れ、破損等が発生しても、結合リング
１２即ちメタルフロー金属部材の係止部２８が断熱部材
１３，１４を係止していることでその破片等が飛散する
のを防止できる。
【００２３】
【発明の効果】この発明による断熱ピストンは、以上の
ように構成したので、次のような効果を有する。この断
熱ピストンは、ピストンスカートの上端壁部の上面に配
置した低熱伝導材から成る断熱リングとピストンヘッド
のクラウン部の下面との間には金属製シートが配置さ
れ、前記ピストンスカートの取付孔の上部内周面と前記
ピストンヘッドの取付部の上部外周面の間に環状隙間即
ちエアギャップ又はチタン酸カリウム繊維等の低熱伝導
材から成る断熱シートが介在しているので、前記金属製
シートによってセラミック材とセラミック材との直接接
触を避け、前記断熱リング或いは前記クラウン部の異常
摩耗、クラック、割れ等の損傷の発生を防止できる。し
かも、上記エアギャップ又は前記断熱シートによって前
記ピストンヘッドと前記ピストンスカートとの間の熱流
を遮断し、断熱性を向上することができる。
【００２４】また、前記断熱リングを複数個に分割する
ことで、該各断熱リングにかかる接触応力、繰り返し応
力が低減され、安定した耐久性と断熱性を確保すること
ができる。即ち、前記断熱リングにかかる応力はそれぞ
れに分散され、接触応力が低減される。従って、前記断
熱リングに亀裂、割れ等の発生を避けることができ、前
記断熱リングの耐久性を確保し、良好な断熱性を維持で
きる。
【００２５】また、この断熱ピストンは、ピストンスカ
ートの取付孔の内周面とピストンヘッドの取付部の外周
面の間に形成した環状空間部に低熱伝導材から成る複数
の断熱部材が配置され、該断熱部材の下端面は結合リン
グの塑性変形によって形成した係止部で係止されている
ので、セラミック材から成る前記断熱部材が接触応力を
受けてクラック、亀裂、割れ、破損等が発生してもメタ
ルフロー金属部材即ち前記結合リングの前記係止部で前
記断熱部材を係止することで、前記断熱部材の破片等が
飛散するのを防止でき、前記断熱部材は所定に位置に留
まっているので、前記ピストンヘッドと前記ピストンス
カートとの間の断熱機能を果たすことができる。
【００２６】また、この断熱ピストンは、前記ピストン
スカートの前記上端壁部の前記上面は、半径方向に内向
きに向かって低くなる各段部に形成し、前記各段部に前
記断熱リングをそれぞれ配置すると、万一前記断熱リン
グが割れて破片になった場合にも、前記各段部がそれら
の破片を係止し、前記破片が飛散することが防止され、
断熱機能を果たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による断熱ピストンの実施例を全体的
に示す断面図である。
【図２】図１の断熱ピストンの一実施例を示す要部の一
部拡大断面図である。
【図３】この断熱ピストンの別の実施例を示す要部の一
部拡大断面図である。
【図４】この断熱ピストンの更に別の実施例の要部を示
し且つ結合リングの塑性変形前の状態を示す一部拡大断
面図である。
【図５】図４の断熱ピストンの結合リングの塑性変形後
の状態を示す一部拡大断面図である。
【符号の説明】 １ ピストンヘッド ２ ピストンスカート ３ 取付部 ４，５，６ 断熱リング ７ 下面 ８ 上面 ９ 上端壁部 １２ 結合リング １８ クラウン部 １９ 取付孔 ２１ 大径孔 ２３ 環状隙間 ２４ 上部外周部 ２５ 外周面 ２６ 断熱シート ２８ 係止部 ３０ 金属製シート ３１ プレート部 ３２ ガード部 ３３ 空間部
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F02F 3/00 302 F02F 3/00 301

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 上端壁部に取付孔を形成した金属製ピス
    トンスカート、前記取付孔に嵌合した取付部を有するセ
    ラミック製ピストンヘッド、前記取付孔と前記取付部と
    の間の空間部に塑性変形で配置した結合リング、及び前
    記ピストンヘッドのクラウン部と前記上端壁部との間に
    配置した低熱伝導材から成る断熱リングを有する断熱ピ
    ストンにおいて、前記断熱リングと前記クラウン部の下
    面との間に金属製シートが配置され、前記取付孔の上部
    内周面と前記取付部の上部外周面の間に環状隙間が形成
    されていることを特徴とする断熱ピストン。
  2. 【請求項２】 前記取付孔の上部内周面と前記取付部の
    上部外周面の間に形成された前記環状隙間には、チタン
    酸カリウム繊維等の低熱伝導材から成る断熱シートが介
    在し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。
  3. 【請求項３】 上端壁部に取付孔を形成した金属製ピス
    トンスカート、前記取付孔に嵌合した取付部を有するセ
    ラミック製ピストンヘッド、及び前記取付孔と前記取付
    部との間の空間部に塑性変形で配置した結合リングを有
    する断熱ピストンにおいて、前記取付孔の内周面と前記
    取付部の外周面の間に形成した環状空間部に低熱伝導材
    から成る複数の断熱部材が配置されていること、及び前
    記結合リングは前記断熱部材の下端面に係止するように
    塑性変形して係止部が形成されていることを特徴とする
    断熱ピストン。
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