JP3019529B2 - 燃焼室を有するピストン - Google Patents

燃焼室を有するピストン

Info

Publication number
JP3019529B2
JP3019529B2 JP3244346A JP24434691A JP3019529B2 JP 3019529 B2 JP3019529 B2 JP 3019529B2 JP 3244346 A JP3244346 A JP 3244346A JP 24434691 A JP24434691 A JP 24434691A JP 3019529 B2 JP3019529 B2 JP 3019529B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
combustion chamber
lip
thermal expansion
piston
coefficient
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
Application number
JP3244346A
Other languages
English (en)
Other versions
JPH0510209A (ja
Inventor
寛 松岡
晃 東野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Isuzu Motors Ltd
Original Assignee
Isuzu Motors Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Isuzu Motors Ltd filed Critical Isuzu Motors Ltd
Priority to JP3244346A priority Critical patent/JP3019529B2/ja
Publication of JPH0510209A publication Critical patent/JPH0510209A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP3019529B2 publication Critical patent/JP3019529B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/02—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
    • F02B23/06—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F02B23/0675—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston the combustion space being substantially spherical, hemispherical, ellipsoid or parabolic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/02—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
    • F02B23/06—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F02B23/0603—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston at least part of the interior volume or the wall of the combustion space being made of material different from the surrounding piston part, e.g. combustion space formed within a ceramic part fixed to a metal piston head
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/02—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
    • F02B23/06—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F02B23/0636—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston the combustion space having a substantially flat and horizontal bottom
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/02—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
    • F02B23/06—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F02B23/0603—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston at least part of the interior volume or the wall of the combustion space being made of material different from the surrounding piston part, e.g. combustion space formed within a ceramic part fixed to a metal piston head
    • F02B2023/0612—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston at least part of the interior volume or the wall of the combustion space being made of material different from the surrounding piston part, e.g. combustion space formed within a ceramic part fixed to a metal piston head the material having a high temperature and pressure resistance, e.g. ceramic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B2275/00—Other engines, components or details, not provided for in other groups of this subclass
    • F02B2275/14—Direct injection into combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2251/00—Material properties
    • F05C2251/04—Thermal properties
    • F05C2251/042—Expansivity
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は，半径方向内向き
に先尖りに伸びるループ状燃焼室開口部を形成するリッ
プ部を備えた燃焼室を有するピストンに関する。
【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，金属とセラミックスの接合技術とし
て，実開昭６２−９３３４４号公報に開示されたものが
ある。該公報に開示された金属とセラミックスの接合用
治具は，金属とセラミックスとの間隙に塑性流動材を介
在し，塑性流動材装着部の金属及びセラミックスの少な
くとも一方側にフロー溝を刻設し，この塑性流動材を加
熱加圧して変形させてフロー溝内に流動させ，金属とセ
ラミックスとを接合するものであり，塑性流動材を加圧
変形させる加圧媒体の先端を押圧面と逃げ面で形成した
ものである。
【０００４】また，燃焼室の製造方法として，特開昭６
３−１７０５２１号公報に開示されたものがある。該公
報に開示されたディーゼルエンジン用燃焼室の製造方法
は，燃焼室を形成するキャビティ側壁面の一部をリエン
トラント形状に形成し，他の一部をオープン形状に形成
し，該キャビティを機械加工したものである。
【０００５】また，セラミック部品の製造方法として，
特開昭６１−２５９８６５号公報に開示されたものがあ
る。該セラミック部品の製造方法は，他金属との接合を
目的とする構造用セラミック部品の成形時に接合面に粒
状のワックス，樹脂等有機物を埋め込み，成形後これを
熱処理によって除去することにより，他金属との混合が
容易，堅固に行える形状を得るものである。
【０００６】更に，セラミック焼結体を固着したレシプ
ロエンジンのピストンとして，実開昭５９−１３００４
６号公報に開示されたものがある。該ピストンは，所定
の形状をしたセラミック焼結体の外周を鋳鉄で鋳ぐるん
でなるセラミック焼結体と鋳鉄との結合体を，該結合体
の鋳鉄部外周に形成したねじとアルミニウム合金製ピス
トン本体の頭部に形成したねじとの螺合によりピストン
本体に固着したものである。
【０００７】
【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尖りに鋭く形成すると，
スキッシュ流及び逆スキッシュ流の乱れが増大し，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限界があった。
【０００８】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。
【０００９】また，前掲特開昭６１−２５９８６５号公
報に開示されたセラミック部品の製造方法は，粒状有機
物を分散させた面に対し垂直方向に加圧して成形体を作
製し，焼成後，多孔とした部分に金属を鋳込んで一体化
させるものであるが，この方法では，リング状セラミッ
ク部品の外周部とその周囲に配した金属部品とを結合さ
せることは困難なことである。例えば，セラミック部分
として窒化ケイ素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）又は炭化ケイ素（Ｓｉ
Ｃ）を用いた場合，このセラミック材料とアルミニウム
合金とのぬれ性が良くなく，また，セラミックスとアル
ミニウム合金との互いの熱膨張係数の差が大きいことに
より，両者の界面に割れが生じ易いという問題がある。
【００１０】この発明の目的は，上記の課題を解決する
ことであり，金属製ピストンヘッド部に形成したキャビ
ティに高温高強度材又は熱膨張率が小さく耐熱性に富ん
だ材料から成る燃焼室ブロックを配置し，該燃焼室ブロ
ックに半径方向内向きに先尖りに伸びるループ状燃焼室
開口部を備えたリップ部を形成し，ピストンヘッド部と
燃焼室ブロックとを傾斜機能材料の塑性変形即ちメタル
フローで結合し，それによって燃焼室壁面を高温化する
ことによってハイドロカーボンＨＣ，スモークの発生を
低減し，リップ部をシャープなエッジで燃焼室開口部を
絞った構造に形成することができ，燃焼室での混合エネ
ルギーを増大させて高当量比で燃焼させてＮＯX の生成
を抑制し，メタルフロー結合によって耐久性を向上さ
せ，前記キャビティと前記燃焼室ブロックとの間に断熱
層が形成されているので，両者間の熱膨張差を吸収でき
る燃焼室を有するピストンを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】この発明は，金属製ピス
トンヘッド部に形成したキャビティ，該キャビティ内に
配置した高温高強度材から成る燃焼室ブロック，該燃焼
室ブロック外面と前記キャビティ壁面との間に形成した
断熱層，前記燃焼室ブロックに備えた半径方向内向きに
先尖りに伸びるループ状燃焼室開口部を形成するリップ
部，及び前記燃焼室ブロックと前記キャビティとの間に
形成される上部環状溝に塑性変形で嵌入した両者の熱膨
張率の中間の熱膨張率を有する結合リングを具備し，前
記結合リングは半径方向に熱膨張率が異なる互いに固定
された複数個の部材から構成された傾斜機能材料で製作
され，該傾斜機能材料は前記リップ部側の前記部材は前
記リップ部の熱膨張率に近い材料から成り且つ前記キャ
ビティ側の前記部材は前記ピストンヘッド部の熱膨張率
に近い材料から構成されていることから成る燃焼室を有
するピストンに関する。
【００１２】又は，この発明は，金属製ピストンヘッド
部に形成したキャビティの周囲頂部に位置する金属材料
から成るリップ外周部，該リップ外周部から半径方向内
向きに先尖りに伸びるループ状燃焼室開口部を形成する
熱膨張率が小さく耐熱性に富んだ材料から成るリップ
部，及び該リップ部と前記リップ外周部との間で塑性流
動で固定され且つ両者の熱膨張率の中間の熱膨張率を有
する金属材料から成る結合リングを具備し，前記結合リ
ングは半径方向に熱膨張率が異なり且つ互いに固定した
複数個の部材から成る傾斜機能材料で製作され，該傾斜
機能材料は前記リップ部側の前記部材は前記リップ部の
熱膨張率に近い材料から成り且つ前記リップ外周部側の
前記部材は前記リップ外周部の熱膨張率に近い熱膨張率
の材料から構成されていることから成る燃焼室を有する
ピストンに関する。
【００１３】また，この燃焼室を有するピストンでは，
前記リップ部は，窒化ケイ素等のセラミックス又はイン
コロイ９０３等の金属材料で製作されている。
【００１４】この燃焼室を有するピストンは，以上のよ
うに構成されているので，燃焼室壁面を高温化すること
によってハイドロカーボンＨＣ，スモークの発生を低減
し，リップ部をシャープなエッジで燃焼室開口部を絞っ
た構造に形成することで，燃焼室での混合エネルギーを
増大させて高当量比で燃焼させてＮＯX の生成を抑制で
きる。また，前記結合リングの塑性変形即ちメタルフロ
ー結合によって強固に結合でき，燃焼室の耐久性を向上
させることができる。
【００１５】更に，前記ピストンヘッド部には前記キャ
ビティの外周に形成された凹部から成る別の燃焼室が形
成されているので，逆スキッシュ流でシリンダ側に噴出
した混合気及び燃焼ガスは該別の燃焼室に存在する新気
と混合して二次燃焼を良好に行い，カーボンの発生を抑
制できる。この場合に，前記燃焼室ブロックで形成され
る一次燃焼室の容積を９０〜６５％に形成し，前記別の
燃焼室の容積を１０〜３５％に形成することが最も好ま
しい容積比率であり，一次燃焼と二次燃焼が良好に行わ
れる。
【００１６】又は，この燃焼室を有するピストンは，金
属製ピストンヘッド部に形成したキャビティ内に高温高
強度材から成る燃焼室ブロックを配置したので，燃焼室
壁面を高温化することによってハイドロカーボンＨＣ，
スモークの発生を低減し，リップ部をシャープなエッジ
で燃焼室開口部を絞った構造に形成することができ，燃
焼室での混合エネルギーを増大させて高当量比で燃焼さ
せてＮＯX の生成を抑制できる。また，前記燃焼室ブロ
ックと前記キャビティとの間に形成される上部環状溝に
両者の熱膨張率の中間の熱膨張率を有する結合リングを
塑性変形で嵌入したので，塑性変形即ちメタルフロー結
合によって結合部の耐久性を向上できる。更に，前記キ
ャビティと前記燃焼室ブロックとの間に断熱層が形成さ
れているので，両者間の熱膨張差を吸収することができ
る。
【００１７】又は，この燃焼室を有するピストンは，金
属製リップ外周部と熱膨張率が小さく耐熱性に富んだ材
料から成るリップ部とを，両者の熱膨張率の中間の熱膨
張率を有する傾斜機能材料から成る結合リングの塑性変
形で固定したので，該傾斜機能材料の結合リングで両者
の熱膨張差を吸収することができ，温度差で熱応力がか
かってもリップ部の割れ，溶損を防止することができ
る。
【００１８】また，前記傾斜機能材料は，鉄系或いはニ
ッケル系の金属材料であるので，融点が高いので，鋳込
み等では配置できないが，塑性流動即ちメタルフローで
は両者間に嵌入でき，両者間に凹凸を形成しておけば，
両者を前記傾斜機能材料で堅固に固定することができ
る。
【００１９】更に，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でき，スキッシュ流及
び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。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下，図面を参照して，この発明
による燃焼室を有するピストンの実施例を説明する。こ
の発明の説明に先立って図１を参照して，ピストンにつ
いて説明する。図１に示すピストンは，リエントラント
型ピストンであり，金属製ピストンヘッド部２に形成し
たキャビティ４，キャビティ４内に配置して燃焼室１を
形成する高熱膨張金属材料から成る燃焼室ブロック３，
燃焼室ブロック３の外面とキャビティ４の壁面との間に
形成した断熱層５，燃焼室ブロック３に形成されたリッ
プ部７，及びキャビティ４と燃焼室ブロック３との間に
形成した環状溝９に塑性変形で嵌入した結合リング８か
ら構成したものである。リップ部７は，ピストンヘッド
部２に形成する燃焼室１の上方を覆うように半径方向内
向きに先尖りに伸びるループ状燃焼室開口部６を形成し
ている。従って，燃焼室１については，燃焼室開口部６
はキャビティ４の上面に絞り込まれた噴口を形成したリ
エントラント型であり，キャビティ４の底面は該開口部
６より面積の大きい構造に形成されている。更に，ピス
トンヘッド部２のキャビティ４に嵌合した燃焼室ブロッ
ク３の外周部には，別の燃焼室即ち二次燃焼室１１が形
成されている。従って，燃焼室ブロック３によって形成
される燃焼室１は，一次燃焼室を形成している。この場
合に，燃焼室ブロック３で形成される一次燃焼室１の容
積を９０〜６５％に形成し，別の燃焼室１１の容積を１
０〜３５％に形成することが最も好ましい容積比率であ
り，一次燃焼と二次燃焼が良好に行われる。
【００２１】また，燃焼室ブロック３をピストンヘッド
部２に結合リング８のメタルフローで結合する場合に
は，燃焼室ブロック３の上部外周面とピストンヘッド部
２のキャビティ４の上部内周面との間に形成されている
環状溝９に結合リング８を配置し，次いで，結合リング
８の近傍に設置された高周波コイルを通電して結合リン
グ８を加熱し，結合リング８をプレス等で押圧すること
で塑性変形させ，環状溝９に押し込んでピストンヘッド
部２と燃焼室ブロック３とを結合する。
【００２２】ピストンは，ピストンヘッド部２はアルミ
ニウム合金等の金属材料の鋳込みによってキャビティ４
を有する形状に成形されている。リップ部７を有してい
る燃焼室ブロック３は，ニッケルを含むニレジスト，非
磁性のマンガン鋼等の高熱膨張金属からカップ状に形成
されている。アルミニウム合金は熱膨張率αが２１〜２
２×１０- 6 ／℃であり，ニレジストは熱膨張率αが１
７〜１８×１０- 6 ／℃であり，また，マンガン鋼は熱
膨張率αが２２〜２３×１０- 6 ／℃である。燃焼室ブ
ロック３は，ピストンヘッド部２に対してアルミニウム
合金等のメタルフロー金属から成る結合リング８の塑性
変形で固定されている。また，燃焼室ブロック３の外面
とキャビティ４の壁面との間に形成した断熱層５は，空
気層或いは空間に充填された断熱材によって構成されて
いる。従って，燃焼室１と金属材料から成るピストンヘ
ッド部２及びピストンスカート部１６は，断熱層５によ
って断熱されることになる。
【００２３】燃焼室１は高熱膨張金属から成る燃焼室ブ
ロック３で形成されているので，燃焼室壁面を高温化で
き，燃焼室１での一次燃焼においてハイドロカーボンＨ
Ｃ，スモークの発生を低減できる燃焼を行わせることが
できる。また，燃焼室１での燃焼において，燃料リッチ
な高当量比で燃焼させることができ，燃焼室１でのＮＯ
X の生成を抑制できる。更に，ピストンヘッド部２，結
合リング８及び燃焼室ブロック３は，ほぼ同一の熱膨張
率を有する材料から製作されているので，燃焼室ブロッ
ク３をピストンヘッド部２に結合リング８の塑性変形に
よって結合すると，熱負荷を受けても三者間に熱膨張差
はほとんど発生せず，三者は強固に結合することがで
き，耐久性に富んだ燃焼室１を提供できる。また，この
燃焼室を有するピストンは，熱損失を低減でき，低圧縮
比化が可能になり，無駄容積の割合を減少できるので，
スモークの発生を低減できる。更に，この燃焼室を有す
るピストンは，耐焼付き性を向上させることもできる。
【００２４】次に，図２を参照して，この発明による燃
焼室を有するピストンの実施例を説明する。図２に示す
ピストンでは，図１に示すピストンの構成部分に付した
部分と同一のものには同一の符号を付し，重複する説明
は省略する。この実施例は，図１のピストンと比較し
て，燃焼室ブロックの材料が異なり且つ結合リングの材
料が異なる以外は，同一の構成を有するものである。
【００２５】図２に示す燃焼室を有するピストンは，金
属製ピストンヘッド部２に形成したキャビティ４，キャ
ビティ４内に配置した高温高強度材から成る燃焼室ブロ
ック２０，燃焼室ブロック２０の外面とキャビティ４の
壁面との間に形成した断熱層５，燃焼室ブロック２０の
半径方向内向きに先尖りに伸びるループ状燃焼室開口部
６を形成するリップ部１７，及び燃焼室ブロック２０と
キャビティ４との間に形成される上部環状溝１９に塑性
変形で嵌入した結合リング１８から構成されている。燃
焼室ブロック２０は，高温高強度材で且つ低熱膨張率で
ある窒化ケイ素，炭化ケイ素等のセラミックスから製作
されている。窒化ケイ素については，熱膨張率αが３．
２×１０- 6 ／℃である。ピストンヘッド部２及びピス
トンスカート部１６は，アルミニウム合金Ａｌ，ＦＣ等
の金属材料から製作されている。燃焼室ブロック２０
は，高温高強度材であるから，リップ部１７も一体構造
に形成されている。
【００２６】結合リング１８は，半径方向に熱膨張率が
異なる互いに固定された複数個の部材２１，２２，２３
から構成された傾斜機能材料で製作され，該傾斜機能材
料はリップ部１７側の部材２１がリップ部１７の熱膨張
率に近い材料から成り，ピストンヘッド部２側の部材２
３はピストンヘッド部２の金属材料の熱膨張率に近い材
料から成り，中間の部材２２は部材２１と部材２３との
間の熱膨張率を有する材料から成るもので，互いにメタ
ルフロー等で固定されている。結合リング１８は，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。結合リング１８のメタルフロー即ち塑性変形による
両者の固定は，後述のメタルフローと同様に行うもので
あり，メタルフロー金属と非メタルフロー金属間に係止
するための段部，凹部等を形成することで確実に且つ強
固に固定することができる。
【００２７】図２に示すピストンは，上記のように構成
されており，燃焼室ブロック２０は傾斜機能材料から成
る結合リング１８によってピストンヘッド部２に強固に
固定され，熱負荷を受けても両者間にがたが発生するこ
となく，十分に耐久性に富んだ燃焼室１を提供できる。
また，燃焼室ブロック２０とピストンスカート部１６と
の間には，断熱層５の隙間が形成されているので，燃焼
室ブロック２０とピストンスカート部１６との間に発生
する熱膨張差を吸収するための傾斜機能材料等を配置す
る必要がなく，燃焼室ブロック２０とピストンヘッド部
２との上部のみを傾斜機能材料の結合リング１８で固定
すれば，燃焼室ブロック２０とピストンヘッド部２との
結合力を十分に確保でき，例えば，１〜２ｔｏｎに耐え
ることができ，十分に実用性を有するピストンを提供で
きる。
【００２８】次に，図３及び図４を参照して，この発明
による燃焼室を有するピストンの別の実施例を説明す
る。図３に示すピストンでは，図１に示すピストンの構
成部分に付した部分と同一のものには同一の符号を付
し，重複する説明は省略する。
【００２９】図示のように，この発明による燃焼室を有
するピストンは，リエントラント型ピストンであり，ピ
ストンヘッド部２に形成した燃焼室１を形成するキャビ
ティ４の上方を覆うように半径方向内向きに先尖り形状
で伸びるループ状燃焼室開口部６を備えたリップ部２４
を有し，燃焼室１はキャビティ４の上面に開口部６及び
該開口部６より面積の大きいキャビティの底面を有して
いるものである。特に，このピストンは，鋳込み成形し
た金属製ピストンヘッド部２に形成したキャビティ４の
周囲頂部に位置する金属材料から成るリップ外周部２
６，該リップ外周部２６から半径方向内向きに先尖りに
伸びるループ状燃焼室開口部６を形成するリップ部２４
のリップ先端部２７，及び該リップ先端部２７とリップ
外周部２６との間で塑性流動で固定された熱膨張率調整
結合体である結合リング２５を有している。更に，リッ
プ先端部２７とリップ外周部２６との配置状態は，リッ
プ部２４にアンダカット３１を形成し且つリップ外周部
２６にアンダカット３０を形成し，リップ部２４のアン
ダカット３１をリップ外周部２６のアンダカット３０の
一部に当接させて組み込まれている。従って，リップ部
２４とリップ外周部２６との対向面には，間隙が形成さ
れるが，該間隙に熱膨張率調整結合体である結合リング
２５が配置されるように，結合リング２５をリップ部２
４とリップ外周部２６とに対して互いに固定する。
【００３０】リップ部２４は，熱膨張率が小さく耐熱性
に富んだ材料，例えば，窒化ケイ素，炭化ケイ素等のセ
ラミック材料，或いはインコロイ９０３等の金属材料か
ら製作されている。また，リップ外周部２６は，リップ
部２４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構成
されており，アルミニウム，アルミニウム合金，鋳鉄等
の金属材料から成るピストンヘッド部２に対して鋳込み
成形して形成することができる。更に，熱膨張率調整結
合体である結合リング２５は，リップ部２４とリップ外
周部２６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。この結合リング２５は，リ
ップ部２４とリップ外周部２６との間に形成された間隙
部と，リップ部２４とリップ外周部２６との各対向面に
形成された凹み部２８とにメタルフロー即ち塑性流動に
よって固定されている。従って，結合リング２５は，凹
み部２８に加熱圧入されて凸部２９となって侵入し，リ
ップ部２４とリップ外周部２６とを強固に固定すること
ができる。
【００３１】この発明による燃焼室を有するピストン
は，上記のように構成されているので，エンジンが運転
された場合に温度差によってリップ部２４とリップ外周
部２６との間で熱膨張差によって大きな熱応力が生じて
も，結合リング２５が緩衝材として機能し，リップ部２
４とリップ外周部２６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２４とリップ外周部２６との間に熱膨張差が発生
しても，リップ部２４とリップ外周部２６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２４のエッジ即ち先端部２７を
鋭角な先尖りの形状に構成しても，耐熱性で製作されて
いるので，該エッジが溶損したり，割れたりすることが
ない。
【００３２】また，リップ部２４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，
燃焼室開口部６を形成するリップ部２４のエッジ２７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
ッシュ流を増大することができ，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。
【００３３】更に，この燃焼室を有するピストンを組み
立てるには，まず，金属材料のリップ外周部２６を鋳込
み成形即ち鋳込み後に機械加工して所定の形状に形成
し，次いで，セラミックス等のリップ部２４を嵌合して
組み立てる。更に，リップ部２４とリップ外周部２６と
の間に形成された間隙に，金属材料から成る結合リング
２５を加熱して塑性流動によって嵌入し，リップ部２４
の凹み部２８とリップ外周部２６の凹み部２８にも結合
リング２５を侵入させ，結合リング２５によってリップ
部２４とリップ外周部２６とを強固に固定する。
【００３４】次に，この発明による燃焼室を有するピス
トンの他の実施例を，図５を参照して説明する。図５に
示すピストンは，第４図に示すものと比較して熱膨張率
調整結合体である結合リングの構造が相違する以外は同
一の構成であるので，図５に示す部品については図４に
示す部品と同一の部品には同一の符号を付す。
【００３５】図５に示すように，結合リングは，熱膨張
率の異なる且つ互いに半径方向に並列して固定された複
数個（図では２個）の部材３２，３３から構成されてい
る。しかも，リップ部２４側に位置する部材３３はリッ
プ部２４の熱膨張率に近い熱膨張率の材料から成り，ま
た，リップ外周部２６側に位置する部材３２はリップ外
周部２６の熱膨張率に近い熱膨張率の材料から製作され
ている。従って，部材３３の熱膨張率は部材３２の熱膨
張率より小さい材料で製作されている。更に，部材３２
と部材３３との対向面には，互いにアンダカット３７が
形成され，該アンダカット３７が互いに組み合わせにな
って部材３２と部材３３とは強固に固定されている。
【００３６】次に，この発明による燃焼室を有するピス
トンの別の実施例を，図６を参照して説明する。図６に
示すピストンは，図５に示すものと比較して熱膨張率調
整結合体である結合リングの構造が相違する以外は同一
の構成であるので，図６に示す部品については図５に示
す部品と同一の部品には同一の符号を付す。
【００３７】図６に示すように，熱膨張率調整結合体で
ある結合リングは，熱膨張率の異なる且つ互いに半径方
向に並列して固定された複数個（図では３個）の部材３
４，３５，３６から構成されている。しかも，リップ部
２４側に位置する部材３６はリップ部２４の熱膨張率に
近い熱膨張率の材料から成り，また，リップ外周部２６
側に位置する部材３４はリップ外周部２６の熱膨張率に
近い熱膨張率の材料から製作され，且つ部材３５は部材
３４の熱膨張率と部材３６の熱膨張率との中間の熱膨張
率を有する材料で製作されている。従って，部材３６の
熱膨張率は部材３４の熱膨張率より小さい材料で製作さ
れている。更に，部材３４と部材３５との対向面及び部
材３５と部材３６との対向面には，互いにアンダカット
３８が形成され，該アンダカット３８が互いに組み合わ
せになって部材３４，部材３５及び部材３６は互いに強
固に固定されている。
【００３８】
【発明の効果】この発明による燃焼室を有するピストン
は，以上のように構成したので，燃焼室壁面を高温化す
ることによってハイドロカーボンＨＣ，スモークの発生
を低減できる。また，結合リングの塑性変形即ちメタル
フロー結合によって強固に結合でき，燃焼室の耐久性を
向上させることができる。特に，前記結合リングは，半
径方向に熱膨張率が異なり且つ互いに固定された複数個
の部材から構成され，前記リップ部側に位置する前記部
材は前記リップ部の熱膨張率に近い熱膨張率の材料から
成り，前記リップ外周部側に位置する前記部材は前記リ
ップ外周部の熱膨張率に近い熱膨張率の材料から成るの
で，前記リップ部と前記リップ外周部との間に配置した
前記結合リングは，熱膨張率を段階的に変化させて構成
でき，熱膨張差による熱応力を良好に吸収でき，燃焼室
を構成する前記リップ部の割れ，溶損の発生を防止する
ことができる。
【００３９】前記燃焼室ブロックに設けた前記リップ部
はある程度シャープなエッジに形成できるので，良好な
スキッシュ流及び逆スキッシュ流が発生し，燃料と空気
との混合を一層良好に達成してカーボン発生量を抑制し
且つ燃費を低減して燃焼を改善できる。更に，前記ピス
トンヘッド部には前記キャビティの外周に形成された凹
部から成る別の燃焼室が形成されているので，逆スキッ
シュ流でシリンダ側に噴出した混合気及び燃焼ガスは該
別の燃焼室に存在する新気と混合して二次燃焼を良好に
行い，カーボンの発生を抑制できる。
【００４０】又は，この燃焼室を有するピストンは，燃
焼室壁面を高温化することによってハイドロカーボンＨ
Ｃ，スモークの発生を低減し，リップ部をシャープなエ
ッジで燃焼室開口部を絞って構造に形成することがで
き，燃焼室での混合エネルギーを増大させて高当量比で
燃焼させてＮＯX の生成を抑制できる。また，前記燃焼
室ブロックと前記ピストンヘッド部とは前記結合リング
を塑性変形で固定され，塑性変形即ちメタルフロー結合
によって結合部の耐久性を向上できる。更に，前記キャ
ビティと前記燃焼室ブロックとの間に断熱層が形成され
ているので，両者間の熱膨張差を吸収することができ
る。
【００４１】或いは，この燃焼室を有するピストンは，
金属製ピストンヘッド部に形成したキャビティの周囲頂
部に位置する金属材料から成るリップ外周部，該リップ
外周部から半径方向内向きに先尖りに伸びるループ状燃
焼室開口部を形成する熱膨張率が小さく耐熱性に富んだ
材料，例えば，窒化ケイ素等のセラミック材料又はイン
コロイ９０３等の金属材料から成るリップ部，及び該リ
ップ部と前記リップ外周部との間で塑性流動で固定され
且つ両者の熱膨張率の中間の熱膨張率を有する金属材料
から成る結合リングを有するので，前記結合リングが前
記リップ部と前記リップ外周部とに対して緩衝材として
機能し，エンジン運転時に，温度差による熱膨張差で熱
応力が発生しても，該熱応力を前記結合リングで吸収す
ることができ，燃焼室に温度差で熱応力がかかっても前
記リップ部の割れ，クラック等の発生を防止することが
できる。
【００４２】また，前記結合リングは，鉄系或いはニッ
ケル系の金属材料であり，融点が高いので，鋳込み等で
は配置できないが，塑性流動即ちメタルフローでは両者
間に配置でき，しかも両者間に凹凸を形成しておけば，
堅固に固定することができる。
【００４３】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。従って，前記リップ部を鋭
角に先尖りに形成でき，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
生する前記ピストンヘッド部に形成した燃焼室内へ流入
するスキッシュ流，及びピストン下降の爆発行程で発生
するピストンヘッド部に形成した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，ハイドロカーボン，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，この燃焼室を有する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】燃焼室を有するピストンを示す断面図である。
【図２】この発明による燃焼室を有するピストンの一実
施例を示す断面図である。
【図３】この発明による燃焼室を有するピストンの別の
実施例を示す断面図である。
【図４】図４のピストンの要部を示す拡大断面図であ
る。
【図５】この発明による燃焼室を有するピストンの他の
実施例を示す断面図である。
【図６】この発明による燃焼室を有するピストンの別の
実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 燃焼室 ２ ピストンヘッド部 ３，２０ 燃焼室ブロック ４ キャビティ ５ 断熱層 ６ 燃焼室開口部 １１ 二次燃焼室 １６ ピストンスカート部 １７，２４ リップ部 １８，２５ 結合リング ２１，２２，２３ ３２，３３，３４，３５，３６ 部
材 ２６ リップ外周部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｆ 3/00 ３０２ Ｆ０２Ｆ 3/00 ３０２Ａ Ｆ１６Ｊ 1/01 Ｆ１６Ｊ 1/01 (56)参考文献 特開 昭59−85448（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−141446（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭60−141448（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−144241（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02F 3/26 F02B 23/06 F02F 3/00 F02F 3/00 301 F02F 3/00 302

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 金属製ピストンヘッド部に形成したキャ
    ビティ，該キャビティ内に配置した高温高強度材から成
    る燃焼室ブロック，該燃焼室ブロック外面と前記キャビ
    ティ壁面との間に形成した断熱層，前記燃焼室ブロック
    に備えた半径方向内向きに先尖りに伸びるループ状燃焼
    室開口部を形成するリップ部，及び前記キャビティと前
    記燃焼室ブロックとの間に形成される上部環状溝に塑性
    変形で嵌入した両者の熱膨張率の中間の熱膨張率を有す
    る結合リングを具備し，前記結合リングは半径方向に熱
    膨張率が異なる互いに固定された複数個の部材から構成
    された傾斜機能材料で製作され，該傾斜機能材料は前記
    リップ部側の前記部材は前記リップ部の熱膨張率に近い
    材料から成り且つ前記キャビティ側の前記部材は前記ピ
    ストンヘッド部の熱膨張率に近い材料から構成されてい
    ることから成る燃焼室を有するピストン。
  2. 【請求項２】 金属製ピストンヘッド部に形成したキャ
    ビティの周囲頂部に位置する金属材料から成るリップ外
    周部，該リップ外周部から半径方向内向きに先尖りに伸
    びるループ状燃焼室開口部を形成する熱膨張率が小さく
    耐熱性に富んだ材料から成るリップ部，及び該リップ部
    と前記リップ外周部との間で塑性流動で固定され且つ両
    者の熱膨張率の中間の熱膨張率を有する金属材料から成
    る結合リングを具備し，前記結合リングは半径方向に熱
    膨張率が異なり且つ互いに固定した複数個の部材から成
    る傾斜機能材料で製作され，該傾斜機能材料は前記リッ
    プ部側の前記部材は前記リップ部の熱膨張率に近い材料
    から成り且つ前記リップ外周部側の前記部材は前記リッ
    プ外周部の熱膨張率に近い熱膨張率の材料から構成され
    ていることから成る燃焼室を有するピストン。
  3. 【請求項３】 前記リップ部を窒化ケイ素等のセラミッ
    クス又はインコロイ９０３等の金属材料で製作したこと
    から成る請求項１又は２に記載の燃焼室を有するピスト
    ン。
JP3244346A 1990-10-19 1991-08-31 燃焼室を有するピストン Expired - Fee Related JP3019529B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP3244346A JP3019529B2 (ja) 1990-10-19 1991-08-31 燃焼室を有するピストン

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP10906990 1990-10-19
JP2-109069 1990-10-19
JP3244346A JP3019529B2 (ja) 1990-10-19 1991-08-31 燃焼室を有するピストン

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH0510209A JPH0510209A (ja) 1993-01-19
JP3019529B2 true JP3019529B2 (ja) 2000-03-13

Family

ID=26448860

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP3244346A Expired - Fee Related JP3019529B2 (ja) 1990-10-19 1991-08-31 燃焼室を有するピストン

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3019529B2 (ja)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2814346B2 (ja) * 1994-03-28 1998-10-22 株式会社いすゞセラミックス研究所 ディーゼルエンジンの燃焼室構造
JP3409553B2 (ja) * 1995-12-20 2003-05-26 いすゞ自動車株式会社 遮熱燃焼室付きピストンの構造
JP2000008948A (ja) * 1998-04-21 2000-01-11 Nissan Motor Co Ltd 内燃機関のピストン
CN104033235B (zh) * 2014-06-23 2016-08-24 天津大学 一种新型天然气发动机快速燃烧室
JP2016125468A (ja) * 2015-01-08 2016-07-11 トヨタ自動車株式会社 断熱部を内部に有する構造体
CN109915277A (zh) * 2019-03-15 2019-06-21 滨州东海龙活塞有限公司 一种隔热活塞及其加工方法

Also Published As

Publication number Publication date
JPH0510209A (ja) 1993-01-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5033427A (en) Heat-insulating engine structure
US20030136372A1 (en) Combustion chamber
US4709621A (en) Internal combustion engine piston and a method of producing the same
JP3019529B2 (ja) 燃焼室を有するピストン
GB1577685A (en) Insulated composite piston
JP2001082247A (ja) 内燃機関ピストンの製造方法
JPS58180751A (ja) 内燃機関用ピストンおよびその製造方法
JPH0521148U (ja) 燃焼室を有するピストン
JP2949882B2 (ja) 燃焼室の製造法
JP2924163B2 (ja) ピストン及びその製造方法
JP2517590Y2 (ja) 燃焼室の構造
CA1331119C (en) Heat-insulating engine structure
JP2903742B2 (ja) 燃焼室の製造法
JP2932699B2 (ja) ピストンの構造及びその製造方法
JP3409553B2 (ja) 遮熱燃焼室付きピストンの構造
JPS6235842Y2 (ja)
JP2949881B2 (ja) 燃焼室の構造及びその製造法
JP2917566B2 (ja) 燃焼室の構造及びその製造法
JPH04276161A (ja) 燃焼室の構造及びその製造法
JP3254827B2 (ja) 遮熱ピストン
JP2903743B2 (ja) 燃焼室の構造及びその製造法
JPH0115861Y2 (ja)
JP2517599Y2 (ja) 副室式エンジン用ピストン
JP2903740B2 (ja) 傾斜機能材から成るリング結合体及びその製造法
JPH04292478A (ja) 傾斜機能材から成るリング結合体の製造法

Legal Events

Date Code Title Description
FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090107

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100107

Year of fee payment: 10

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees