JP4305195B2 - 遮熱ピストン - Google Patents

Description

本発明は、遮熱型エンジンに適用される遮熱ピストンに関する。

遮熱ピストンは、燃焼室を形成し高温となるピストンヘッドと、潤滑油による摺動が可能で低温となるピストンスカートとを備えている。一般に、ピストンヘッドは、セラミック材からなり、ピストンスカートは、金属材料からなる。ピストンヘッドとピストンスカートとの間には、遮熱空気層が形成されていると共に、遮熱機能及びガスシール機能を有する遮熱材又はガスケットが設けられている。ピストンヘッドとピストンスカートとは、ピストンヘッドの中央ボス部に設けられた外周溝部にかしめ嵌入された金属製リングによって固定されている（例えば、特許文献１及び２等参照）。

特開２０００−１６１１３６号公報 特開平５−２６１０９号公報

ところで、ピストンヘッドとピストンスカートとの間は、遮熱性を保つと共に、筒内圧、慣性力、組立荷重、及び熱膨張等の作用に対して十分なガスシール性を保つ必要がある。しかしながら、従来の遮熱ピストンにおいては、ピストンヘッドとピストンスカートとの間に大きな変位が生じる場合に関しては、十分な配慮が図られていなかった。具体的には、ピストンヘッドとピストンスカートとの熱膨張量の違いにより、ピストンヘッドとピストンスカートとの間に隙間が生じることがあった。

そこで、本発明の目的は、ピストンヘッドとピストンスカートとの間に設けられる遮熱材を改良して、ガスシール性を向上できる遮熱ピストンを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、ピストンヘッドとピストンスカートとの間に遮熱空気層を形成した遮熱ピストンにおいて、上記遮熱空気層の内外周に配置された遮熱リングと、外周側の上記遮熱リングと上記遮熱空気層との間に配置された皿ばねリング部材とを備え、上記遮熱リングが、上記ピストンヘッドに接する、高温強度に優れた材料からなる上部リングと、上記ピストンスカートに接する、低熱伝導性材料からなる下部リングとを有することを特徴とする遮熱ピストンである。
請求項２の発明は、ピストンヘッドとピストンスカートとの間に遮熱空気層を形成した遮熱ピストンにおいて、上記遮熱空気層の内外周に配置された遮熱リングと、外周側の上記遮熱リングと上記遮熱空気層との間に配置された皿ばねリング部材とを備え、上記遮熱リング及び上記皿ばねリング部材における、上記ピストンヘッドとの接触面が、断面円弧形状に形成されたことを特徴とする遮熱ピストンである。

請求項３の発明は、上記皿ばねリング部材が、皿ばねを直列に複数重ねて形成される請求項１又は２記載の遮熱ピストンである。

請求項４の発明は、上記皿ばね間における接触面が、断面円弧形状に形成された請求項３記載の遮熱ピストンである。

請求項５の発明は、上記遮熱リング及び上記皿ばねリング部材が、高温強度に優れた材料からなる請求項１〜４いずれか記載の遮熱ピストンである。

本発明によれば、ピストンヘッドとピストンスカートとの間のガスシール性を向上させることができるという優れた効果を奏する。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る遮熱ピストンの断面図である。図２は、図１のII部拡大図である。図３は、図１のIII部拡大図である。

図１に示すように、遮熱ピストンは、ピストンヘッド１と、ピストンヘッド１に固定されたピストンスカート２とを備えている。ピストンヘッド１は、熱膨張係数が極めて低いセラミック材からなる。ピストンスカート２は、金属材料（例えば、アルミニウム合金等）からなる。

ピストンヘッド１は、燃焼室３を有するクラウン部４と、クラウン部４の下部外周側に設けられ、遮熱空気層５を形成するキャビティ６と、クラウン部４の下部中央に設けられた中央ボス部７とを備えている。中央ボス部７は、環状に形成され、その外周面には、外周溝部８が設けられている。

ピストンスカート２は、筒状に形成されている。ピストンスカート２の外周面には、ピストンリング溝９が設けられている。ピストンスカート２の上部外周側には、遮熱空気層５を形成するキャビティ１０が設けられている。ピストンスカート２の上部中央には、中央取付孔１１が設けられている。また、ピストンスカート２は、キャビティ１０の内外周に設けられた溝１２、１３と、中央取付孔１１の内周端部に設けられ、ピストンヘッド１の中央ボス部７に設けられた外周溝部８に対応する溝１４とを備えている。本実施の形態のキャビティ１０の外周側に設けられた溝１３は、二段構造となっている。

ピストンスカート２の中央取付孔１１には、ピストンヘッド１の中央ボス部７が挿入されている。この状態で、ピストンヘッド１とピストンスカート２とは、ピストンヘッド１の中央ボス部７に設けられた外周溝部８とピストンヘッド２の中央取付孔１１の溝１４との間に、遮熱リング１５、１５を介して、金属製リング１６をかしめ嵌入することによって固定されている。ピストンヘッド１とピストンスカート２との間には、ピストンヘッド１のキャビティ６とピストンスカート２のキャビティ１０とにより、遮熱空気層５が形成される。

図２に示すように、遮熱空気層５の内周側に設けられた、ピストンスカート２の溝１２には、遮熱リング１７が配置されている。詳しくは、遮熱リング１７は、ピストンヘッド１に接する、高温強度に優れた材料（例えば、耐熱合金、インコロイ等、以下同じ）からなる上部リング１８と、ピストンスカート２に接する、低熱伝導性材料（例えば、炭化珪素繊維、チラノ繊維等）からなる下部リング１９とを備えている。上部リング１８における、ピストンヘッド１との接触面は、断面円弧形状に形成されている。

図３に示すように、遮熱空気層５の外周側に設けられた、ピストンスカート２の溝１３には、遮熱リング２０が配置されている。詳しくは、遮熱リング２０は、高温強度に優れた材料からなる。遮熱リング２０における、ピストンヘッド１との接触面は、断面円弧形状（図例では、半円弧形状）に形成されている。

外周側の遮熱リング２０と遮熱空気層５との間であって、遮熱空気層５の外周側に設けられた、ピストンスカート２の溝１３には、遮熱リング１７、２０に比べて弾性限の大きい皿ばねリング部材２１が配置されている。詳しくは、皿ばねリング部材２１は、高温強度に優れた材料からなる。皿ばねリング部材２１における、ピストンヘッド１との接触面（端部）は、断面円弧形状に形成されている。

本実施の形態の皿ばねリング部材２１は、皿ばね２２、２２の腹同士を直列に複数重ねて形成されている。上側の皿ばね２２の端部２２ａは、他の端部に比べて湾曲率が大きいＲ形状（断面円弧形状）に形成されており、この端部２２ａが、下側の皿ばね２２の腹２２ｂに当接する。このように、皿ばね２２、２２を配置することで、上側及び下側の皿ばね２２の両方が変形した場合にも、安定した接触を得ることができる。

次に、本実施の形態の作用について説明する。

本実施の形態の遮熱ピストンにおいては、遮熱リング２０は、爆発荷重等の衝撃に対する耐衝撃性を有すると共に、ピストンヘッド１とピストンスカート２との間の熱抵抗を大きくすることで得られる遮熱性を有している。また遮熱リング２０は、一次のガスシール機能を有しているため、遮熱ピストンの遮熱空気層５の筒内圧が減圧される。そのため、遮熱ピストンの上下方向（摺動方向）に作用し、ガスシール性を低下させる荷重を低減させることが可能となる。そして、本実施の形態においては、皿ばねリング部材２１が、二次のガスシール機能として、確実に遮熱空気層５と遮熱リング２０との間を確実にシールする。このように、遮熱リング２０及び皿ばねリング部材２１を配置することで、本実施の形態の遮熱ピストンは、ピストンヘッド１とピストンスカート２との間に大きな変位（隙間）が生じた場合にも、良好なガスシール性を得ることができる。

また、本実施の形態においては、皿ばねリング部材２１は、皿ばね２２、２２を直列に複数重ねて形成されている。このようにすることで、耐変位性を高めることが可能となり、本実施の形態の遮熱ピストンは、より大きな変位が作用してもガスシール性を高く維持することができる。

また、本実施の形態においては、内周側の遮熱リング１７は、ピストンヘッド１に接する、高温強度に優れた材料からなる上部リング１８と、ピストンスカート２に接する、低熱伝導性材料からなる下部リング１９とからなる。このようにすることで、爆発荷重等に対しての耐衝撃性を維持しつつ、熱伝導性を低くすることが可能となり、本実施の形態の遮熱ピストンは、遮熱性を向上させることができる。

また、本実施の形態においては、遮熱リング１７、２０及び皿ばねリング部材２１における、ピストンヘッド１との接触面、及び複数の皿ばね２２同士の接触面は、断面円弧形状に形成されている。このようにすることで、ピストンヘッド１との接触面積が小さくなり、本実施の形態の遮熱ピストンは、爆発荷重等に対しての耐衝撃性を維持しつつ、遮熱性を向上させることができる。

以上、本実施の形態の遮熱ピストンは、遮熱空気層５の内外周に配置された遮熱リング１７、２０と、外周側の遮熱リング２０と遮熱空気層５との間に配置された皿ばねリング部材２１とを備えている。このように、遮熱材を改良することで、本実施の形態の遮熱ピストンは、遮熱性を維持すると共に、ガスシール性を高めることが可能となる。

本発明の一実施の形態に係る遮熱ピストンの断面図である。 図１のII部拡大図である。 図１のIII部拡大図である。

符号の説明

１ ピストンヘッド
２ ピストンスカート
５ 遮熱空気層
１７ 遮熱リング
１８ 上部リング
１９ 下部リング
２０ 遮熱リング
２１ 皿ばねリング部材
２２ 皿ばね

Claims (5)

1. ピストンヘッドとピストンスカートとの間に遮熱空気層を形成した遮熱ピストンにおいて、上記遮熱空気層の内外周に配置された遮熱リングと、外周側の上記遮熱リングと上記遮熱空気層との間に配置された皿ばねリング部材とを備え、上記遮熱リングが、上記ピストンヘッドに接する、高温強度に優れた材料からなる上部リングと、上記ピストンスカートに接する、低熱伝導性材料からなる下部リングとを有することを特徴とする遮熱ピストン。
2. ピストンヘッドとピストンスカートとの間に遮熱空気層を形成した遮熱ピストンにおいて、上記遮熱空気層の内外周に配置された遮熱リングと、外周側の上記遮熱リングと上記遮熱空気層との間に配置された皿ばねリング部材とを備え、上記遮熱リング及び上記皿ばねリング部材における、上記ピストンヘッドとの接触面が、断面円弧形状に形成されたことを特徴とする遮熱ピストン。
3. 上記皿ばねリング部材が、皿ばねを直列に複数重ねて形成される請求項１又は２記載の遮熱ピストン。
4. 上記皿ばね間における接触面が、断面円弧形状に形成された請求項３記載の遮熱ピストン。
5. 上記遮熱リング及び上記皿ばねリング部材が、高温強度に優れた材料からなる請求項１〜４いずれか記載の遮熱ピストン。

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