JPH01211658A - 内燃機関用ピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 に産業上の利用分野）１ 本発明は内燃機関用ピストンに係り、とくにトツブリン
ク渦がｊ″ニス１ンの側面から頂面にわたって開放され
た形状を有するとともに、し型ピストンリングをこの１
ヘツプリング満に装着するようにした所謂ヘットランド
型のピストンに関する。

］（従来の技術］ デイ−ピルエンジン用ピストン、とくに高速で高負荷の
ディーゼル−［ンジン用のアルミニウム合金製ピストン
を、ｌ＼ラッドン１〜化することは、デ゛ットボリｌ−
ムの減少によってエンジンの性能向上を図る手段どして
有効であることから、種々検討が１−ｊなわれ−（いる
１、このよ゛うなｌ＼ラッドランドヒス１〜ンは、第７
図に示すように、燃焼室１が設りられている伯面から側
面にか（］で開放されたトップリング）（η３を形成す
るとともに、このリング溝３にＬ型リンク４を装着する
ようにしたものである。また１〜ツゾリング溝３が設【
）られている部分を、第８図に示すようにニレジスト鋳
鉄で補強し、補強部分５に設（）られているリング溝３
にリング４を装着するようにしている。

しかるにアルミニウム含金製のヘラ１〜ランドハ１１ピ
ストンを設泪する上で問題になるのは、ビス（ヘンへの
入熱に伴うヘッドラン１へ部の温度１！／ｉ′と、この
結果によって生ずるピストンリング溝の強電低下と摩耗
の増大である。とくにｌ＼ツ１−ラントハ１ピストンに
おいては、第９図に示すように、トップリング満３が１
−型リング４によって叩かれて摩耗を生ずることである
。リング溝３の補強に第８図に示づようなニレジス１−
鋳１久５をアルフィン結合した所謂ニレジス１〜１−レ
ーカが広く用いられている。ニレジスト１〜レーカはニ
ーｌス１〜や耐気性に優れ、高い信頼性を有している。

「発明が解決しようとりる問題点Σ このようなニレジス１へ１ヘレーガをトツプリング溝に
適用づる揚台におい−（は、ニレジスト鋳鉄とピストン
本体を構成するアルミニウム合金とのアルフィン結合層
がピストンの頂面の燃焼カスに直接触れる部分に露出す
ることになる。従って結合層の強ぽ３か不安定になった
り、低質燃お１使用１．冒こは腐蝕を受（Ｊてイδ頼竹
が低下することになる。

ヒストン全体をダクタイル鋳鉄等の強靭鋳鉄で製作する
方法も検１．うされているが、鋳鉄を用いるどビスＩ〜
ン全体の手早が増加し、エンジンの性能の低下を４（−
ｊ　＜。」た高強度のｖｇ鉄でピストンを薄肉化構造ど
じ−Ｃ軽足化を図ると、鋳鉄自身のヤンク・（・かさ（
：■、と向コーシないために、運転中の変形が人きくな
−）で、エンジンの性能を十分発揮し得なく　％ろどい
−）問題がある。

そこで１ｌｉ４熱強ｌαおよび耐摩耗性１＝　＋優れる
セラミックファイバによってリング溝３を補強すること
も考えられる。レラミツクファイバによって局部１１勺
にリング）品をン市強するようにしＩＣピストンにｄ３
いて（，１、ビスｌ−シリングに焼入れ、軟窒化、ガス
η化等の熱処理をイ゛１′う表面硬化を施さなければピ
ストンリング１１４、ビス１ヘンリングがともに著しく
摩耗しでしまう欠点かある。しかるにヘッドランドＪ５
１．ｊピストンに組合わｌるピストンリングの断面はし
一型をして、）３す、ピストンリングの上下面が茗しく
非３Ｊ称であるために、熱処理を伴う表面硬化ｊｌ　− 手段を用いると、大きな歪を生じてしまい、実用上使用
不能になるという問題がある。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであっ
て、ピストン本体をアルミニウム合金で製作覆るととも
に、１〜ツフ′リング溝を耐熱強電、耐摩耗性、熱伝導
性に優れる炭化珪素ウィスカ省のセラミックファイバに
よって強化するようにしたヘッドランド型ピストンを提
案するもの（゛ある。

炭化■４素ウィスカ等のセラミックファイバににる複合
部分とピストン本体を構成するアルミニウム合金との界
面を連続しで接合させることにより、強度の支足化を図
るとともに、炭化珪素ウィスカににる複合強化部分の熱
膨張係数が僅かに小さくなるようにすることによって、
ピストンの頂面側の界面には常に締付（ツカが働くよう
にして界面強度の低下を防止することを目的としている
。なおこの場合においてピストンの外周側界面では、温
度が低くかつ熱膨張係数差も僅少のために、有害な熱応
力は発生せず、信頼性が高いという利点をもたらず。ま
ｌζ１〜レ一ガ部にアルミニウム合金よりも重い鋳鉄を
用いる必曽性をなくして、軽量化に白献することを目的
とづるものである。

ｌ（問題点を解決り−るｌこめの手段）エンジンに組込
：１［れたｌ＼ラッドランドピストンとピストンリング
の絹合わせにおいて、ピストンの頂面とビス１〜シリン
グの」一端は同一平面にあるので、］リングの燃焼工程
ではピストンだりでなくビス１〜シリングら燃焼圧力を
百１８受りることになる１、従つ（ビス（−・ンリング
の下面はリング溝の下面に強く押（＝−ｔ　Ｇｊられる
１、さらに高負荷のデイ−げルー【ンジンにおいでは、
過給が行なわれることが多く、この場合には給気工程で
も燃焼工程と同様に４ｊる。また圧縮工程においても圧
縮比が非常に大きいために、同様の現象になって、ＦＲ
Ｍで強化したリング溝の下面と、窒化等の硬化を施さな
いビス１−ンリンク（例えはクロムメツキやダクタイル
Ｍ鉄、あるいは耐摩耗性鋳鉄）の下面では箸しい凝着摩
耗と、これに続く研削摩耗のために、ピストンリング満
ヤピス１〜ンリングの双方が激しく摩耗する。

こねに対してｉ〜ツブリング渦の上面とピストンリング
の上面は、上記の現象とは反対になるために、ピストン
とピストンリングの相対連動による接触は極めて弱いも
のになる。ビス［−ンのトップリング溝上面とピストン
リング上面の摩耗の１原因は、ピストンリングがシリン
ダライナど接触して相対連動を行なうとぎに、摩擦力に
上ってピストンリンク断面にねじれ力ｌＪ１発生するた
めに、ピストンリング上面がビス１〜シリングの渦の上
１ｍに局部的に押付（〕られることによる。しがしヘッ
ドラン１へ型ピストンにおいて（Ｊ、ピストンリングの
シリンダライナへの接触には燃焼圧をうまく利用できる
ために、ピストンリングの張力が小さくできるので、ピ
ストンリングとシリンダライナとの間の摩擦力か小さく
なり、ピストンリングのねじれ力によるピストンリング
溝と一ピストンリングの摩耗に対する影響は少なくなる
。

ざらにヘッドランド型ピストンにおいては、ピストンリ
ングとシリンダライブのシールに必要な押イ・１（す斤
の大部分は燃焼圧を利用することになるために、ビス［
〜シリンダ溝上面とピストンリング上面の隙間に（４１
燃焼ガスの侵入と煤の付着が生ずる。、」、−）でピス
トンリング溝上面とピストンリング−１−面の材料は直
接接触が少なく、摩耗は減少Ｊ゛る、 央するに／＼ソ［−ランド型ピストンにおいて、炭化珪
素ウィスカ等のセラミックファイバで強化したリング満
とｉ　ｉｙリングの組合わせによると、Ｌ型リング上面
側では、リング満とＬ型リングがともに摩＃ｆ：　ｊｒ
Ｎ少／３くなり、Ｌ型リングの下面側は凝着１″Ｆ耗に
よって惹起される一連の摩耗が非常に大きくなる。従−
〕でヘッドランド型ビ・スｌ〜ンにおいてトツプリング
溝をセラミックファイバで強化する場合（Ｊ、１型すン
グ上面側は摩耗の点において問題がなく、下面側のみ強
化すればよいことになる１゜ そこ″（本弁明においては、レラミックファイバ、例え
ば炭化珪素ウィスカを５〜２５％含むＦＲＭて強化した
）′ルミニラ１１合金製ピストンと、ビストンリンクの
組合わせにおい−（、ピストンのトップリング溝をセラ
ミックファイバ１−レーガで補強したｌ＼ラッドランド
ピストンど、これに組合わけるビス１〜シリングをＬ型
リングと矩形リングの組として、ビス１−ンの頂面側に
例えば耐摩耗性鋳鉄やダクタイル＠鉄、あるいはスヂー
ル、またはこれらに溶射や鍍金による表面硬化等の強化
手段を施したＬ　ｆｉｔピストンリングを、またピスト
ンのスカート側には少なくともビス［〜シリンダの上下
面に窒化処理、軟窒化や焼入れ硬化処理を施した矩形リ
ングラ設【プるようにしたピストンとピストン１　　　
　リングの組合わせに関するものである。

具体的にはヘッドランド型ピストンにおいて、トツプリ
ング溝を、例えば炭化珪素ウィスカを５〜２５％、好ま
しくは１０〜２０％の体積率とし、ピストン母材に、ア
ルミニウム合金ＡＣ８Ａ、ＡＣ８Ｂ、ＡＣ８Ｃ，ＡＣｂ
Ａ、ＡＣ９Ａ、ＡＣ９Ｂ等を用いて部分的に複合強化し
、これにダクタイル鋳鉄、耐摩耗鋳鉄、ステンレス鋼、
Ｓｉ　−Ｃｒ鋼等で製作したＬ型リングを上側に、ステ
ンレス鋼に軟゛仝化、カス窒化、焼入れ硬化を施した矩
形リングを下側になるように組合わせた１組のリングを
装着覆るようにする。このような方法によつ−（程耗の
ＥしいＬ型リングの下面は直接炭化珪素ウィスカの補・
］ｎ）部分と接触することがなくなる。

従つ−（Ｌ　ｓｓ′ｒリングの摩耗が極少となる。また
矩形リンクは少４−Ｋ　くとも下面に、炭化珪素ウィス
カ等のセラミックフフ７−イバと相性がよい硬化層を有
するために、ｊｑ耗（」実用域にとどめられることにな
る。

本発明においてトップリング溝の強化に用いる炭化■１
素ウィスカの体積りの下限を、好ましくは１０％として
いるが、これは耐摩耗性だけを考えた場合に、５％でも
１分に実用性があるが、ヘッドランド型ピストンにおけ
るトップリング溝は、温度か２５０’Ｃを越えることが
多く、体積率が１０％未満−（ば複合強化による高温強
度が不足する可能性があり、ｌ−型リングの支持機能が
十分でない町ロｌ：性を４１−することによる。また炭
化珪素ウィスカ等のしラミックファイバの体積率を上限
を、好ましくは２５％とすることは、生産技術上、製品
の品質の安定性に欠ける部分が生ずる可能性があるから
である１、また炭化珪素ウィスカの］ストが高く、必要
以上の強度の白土は無駄である等の叩出にＪ、る。従っ
て上限を２５％以下とすることが好ましい。

本発明にお（プる１−型リングは、公知のピストンリン
グ材石て゛よく、とくに材料に関する制限１１＜　’／
’にくなる。たたし望ましくは、ステンレス鋼の軟窒化
、カス窒化、焼入硬化どの相性がよく、燃焼ガスから発
生するカーボン粒子の厚擦に耐える程庶の耐摩耗性を倫
えた（ゆ質り１］ムメツキ、ダクタイル鋳ｑス、耐摩耗
鋳鉄等がりｒましい。またライナとの摺動画には、クロ
ムメツキ、モリブデン溶射、リーーメット溶財等を必要
に応じて施せばよい。これによって摺動特性の向］二手
段をとることが望まれる。本絹合わけにおいては、上述
のようにシリンダライナとピストンリングのＩ習動特性
を自由にコン１〜［」〜ルてさる特徴す並置えている。

下側の矩形リングは、少なくともその上下面に軟窒化や
カス゛窒化、焼入れ等の熱処理硬化を行なう必要は十）
小の通りであるか、ピストンリング溝の到達湿ｔｘ　Ａ
゛ンｙ＋−形リングのｑ−産性を考慮して、最適なｉａ
　ｉ′ｑど熱処理を選択Ｊるのがよい。最も汎用１（Ｉ
の高い絹合わけは、ステンレス鋼と軟窒化もしく　ｔａ
ガス窒化である３、 また矩形リングの形状は、その高さ方向の寸法を０５〜
．３．０ｍｍの範囲内に設定するのが好ましい。この理
由（，１，０−５１１１１１よりＶざが薄いと、熱処理
硬化層がリングの中心まで達するために、リングの強！
ンか１１（下する可１ｊシ性があるからで・ある□。

：Ｊニアｊビス］・ンに組付（プたとぎに、エンジンの
運転時に４つじれ」（メ象が発生し、機能低下や破壊を
招くことになる。にた同寸法が厚くなると慣性質量の増
加によって、リングの満面に対する追従性の低下を１？
イぎ、Ｉ！１「耗を：椋起することになる等の好ましく
ない現象か牛４る。Ｊ−・）−Ｃピストンの直径に応じ
て−（゛ぎるｌ−は薄く設定するようにする。一般に１
１″ｉ径がε３〇−・１５０Ｉｌ１１１程庶のボ）ノを
もつエンジンでは、矩形リンクの厚さは０．８〜２．０
鮨の範−じ− 回内に設定するのがにい。

本発明にお（するし型リングｄ３　Ｊ：び矩形リングと
ヘッドランド型ピストンのリング溝どの組付（プクリア
ランスは、通常り型リングとヘッドランドＴ県ピストン
のリング溝のクリアランスに矩形リングの高さ方向の別
法を加えた値から、ざらに３０μｌｌｌ１ｌのクリアラ
ンスを追加した値の範囲に設定するのが好ましい。具体
例としては、Ｌ型リングの高さ方向の用法に矩形リング
の高さ方向の寸法を加えた数値【こ、隙間として′１０
０〜１７０ｕ…の寸法を与えることになる。

Ｋ実施例Ｉ ピストン ピストンリング溝強化用に東海カーボン株式会社製の炭
化珪素ウィスカ、すなわちトー７Ｊイウイス力で体積率
１５％のリング状の成形体から成るプリフォームを製作
した。こめプリフオームを金型内にＩＺツ１〜し、高圧
録−１ｌＸ法によって直径が１２５Ｉｎ１１のピストン
を成形するとともに、その上端部にピストン母拐を偶成
するアルミニウム合金Ａ　Ｃ８Ａと複合一体止した炭化
珪素ウィスカ補強トレー力付ピストン用鋳物を作成した
。この鋳物をＪＩ　Ｓ　Ｔ　６熱処理を施すとともに、
切削加工することにＪ：つ−〇、第２図に示１ｊような
ｌ＼ラッドランドピストン１０を得た。

このピストン１０は、その頂面１１に臨んで凹部から成
る燃焼室１２を備えている。そしてこのピストン１０の
外周面に切削加工によってトップリング！Ｍ　１３、セ
カンドリング溝１４　、ｊ’）よび→ノーートリング尚
１５）を形成した。トップリング溝゛１３は、上記セラ
ミックファイバによって補強された補強部分２２に形成
されることになる。そしてトツプリング溝１３３はその
偵面と側面とに開口され、Ｌ型すング′１（５が装着さ
れるｊ、うになっており、そのＦ側にはざらに矩形リン
グ１７が装着されるようにしている。またセカンドリン
グ溝１／ＩＪｊＪ、びり−−ドリンク漏］５にはそれぞ
れセカンドリング１８とＡイルリング１９どが装着され
るようになっているー ビスｌ＝ン″１０のトップリング溝１３が形成されてい
る補強部分２２の炭化珪素ウィスカの体積率は１７．３
％になっており、プリフォーム時に比べ−（僅かに高く
なつ（いた。またこのカーボンノアイパ（こよる補強部
分２２とピストン本体のアルミニウム合金との境界層の
結合強度は、３０〜３５　ｋｇ　ｆ　／”　ｍ＋ｌの値
を示しており、アルフィン接合の結合強度８〜１２詰ｆ
　、／−と比べて優れた埴を示している。また補強部分
２２の高温強度は、２５０℃において２３．５眩ｆ　／
　ｍＴｌ、３００℃において１８．Ｏｋｇｆ／−という
非常に優れた値を示している。

ピストンリング １−ツブリング溝１３に組込まれるＬ型リング１６は、
ダクタイル鋳鉄から構成されるとともに、その上面の形
状は、第１図に＞Ｊ＼づよ・）に１０１αの傾斜角を有
するセミキーストンタイプを採用した。

またライナどの店動＋Ｄｉには、へ４０．Ｎｉ、Ｏｒを
主成分とづるフラズマ浴用を７１鈍し、溶用層２３を形
成した。この溶用層２３の外表面はバレル形状に仕上げ
た。またこのリング１６の半径方向の寸法は４．３ｕど
しＬこ。口れに対してその下側の矩形リング１７は、１
３　％　Ｃｒのマルテンサイト系スデンレス鋼線’ｔＡ
　ｈ’ら成形加工した高さが１．２　　　　能、半径方
向の寸法が４龍の薄形断面とし、リング１７の全面にガ
ス窒化によって平均の厚さが０゜０７　ａの窒化層を形
成した。そしてこのリング１７のリーイドクリアランス
を１００＃ｍとした。またＬ型リング１６ｄ５よひ矩形
リング１７の張力をそれぞれ０．６ｋｇＪ−３よひ０．
３ｋｇとした。

実機試験 このようｌＪ−ピストンリング１６、］７をトップリン
グ溝１３に備えるビスｉ〜ン１０を、直列６気筒のυＦ
気ｍ１１０Ｊ２のターボチャージャおよびインタクーラ
を備える直接噌用式ディーゼルエンジンに組込むととし
に、３００時間の実機試験を行なった。そしてここでは
、本実施例（こよる第３図に示すようへピストンと、ニ
レジス１〜トレーガによって補強されたリング溝を備え
る第４図に示すようなビスＩ〜ンどを比較のために組込
むようにして＝１５− いる。ここでこのエンジンの各シリンダに組込まれたピ
ストンとリングの形式を示すとつぎの通ゆである。

気筒Ｎｏ、　　　　補強　　　　　　リング１　　　　
　ニレジスト　　　　　し型２　　　　　　　ＦＲＭ　
　　　　　　　　Ｌ型３　　　　　　ＦＲＭ　　　　　
　　実施例４　　　　　ニレジスト　　　　　Ｌ型５　
　　　　　１−ＲＭ　　　　　　　　　Ｌ型６　　　　
　　ＦＲＭ　　　　　　　実施例この試験の運転条件は
、出力３２０馬力、回転数２２００１’ｉ１ｍ、水温９
０°Ｃ１油温９０°Ｃで連続運転を冥加した。またこの
ときの使用オイルは、１５Ｗ−３０ＣＤを用いた。また
）Ｊ転後のピストンの硬度測定によるピストンリング溝
到達温度は、２５０−２７０℃と推定ひれ、エンジンオ
イルの使用限界に達していたと思われる状況であった。

ｔｉ　ｋ　Ｍ　’ｌ！、− この試験の結果は第５図に示される通りであって、本実
施例の組合わせと、ニレジストトレーガを用いたピスト
ンとはほぼ同等であってかつ十分に実用に耐える１楚耗
１君を示している。しかし炭化珪素ウィスカによつ（補
強されたリング溝にし型リングのみを使用したピストン
においては、ビス１〜シリングの下面およびリング溝の
下面が大ぎく摩耗していることが判明した。また第４図
に示す如く、ニレシス１〜＆ｈ鉄によつ−（トップリン
グ溝の部分を補強したピストンにおいては、その頂面側
であつ″（トレーガとの結合平面に僅かに亀裂を生じ、
界浸探傷の反応か現われている。これに対しで炭化珪素
ウィスカによって補強された本実施例に係るピストンは
第３′Ｉ図に示すように、このような亀裂が全く規ねれ
ておらず、実用上支障がないことが証明された。またシ
リンダライナおよびビスｌ−ン１０のレカンドリング１
８およびオイルリング１０の組合わせは全く健全てあっ
た。

Ｋ応用ＩＩＡ）］ 以上本発明を図示の一実施例（こつき述べたが、本発明
は上記実施例によって限定されることなく、本発明の技
１４・］的思想に基いて各種の変更が可能で＋　　　　
ｕ　’□　′ｌ″１′″゛“ｌ　Ｍｄ　＊　Ｍ　１″１
６°゛２“′”°８１ストンリング１６．１７の組合わ
せにおいて、１−型リング１Ｇと矩形リング１７の合口
の一致を避けることにより、ブローバイガスの吊を減ら
すことが可能である。これはピストンのリング溝の下面
外周縁部とシリンダボアとの間の間隔にす、矩形リング
の上面縁部とシリングボアの間隔を小さくできるん冒ろ
で゛ある。

Ｌ型リング１Ｇと矩形リング１７の合口２５．２Ｇの一
致を避けるための具体的な構造は、例えば第６図に示す
ようなものであってよい。矩形リング１７の上面にレー
ザ溶接等の方法に」：って銅製ビン２７を植設づる。イ
ｆおこのピン２７の位置は、矩形リング１７の合口２６
から円周方向にずれた位置に設りる。そしてＬ型リング
１６の合口２５に設（プた切欠き２８内に−Ｆ、記ピン
２７を受入れるようにする。これによって上下のピスト
ンリング１（３，１７０合口２５）、２６が（イ「実に
円周方向にずれることになり、ブローバイガスの徂を低
減することが可能になる１゜ Ｋ発明の効果ｙ 双子のＪ、う（Ｊ本発明は、トップリング溝の部分をレ
ラミツクノノＩイバによって補強することによっ７、補
強部分とピストン川４オとの間の結合強度を十分高い値
にすることが可能になる。また１へツブリング満に配さ
れた１−型リングの下側の矩形リングによって、ｌ　ｆ
ｌｌｊリングの下面とトツプリング！Ｍの」−面の厚１
［を’Ａｊ果的に防止することが可能になる。従って耐
久１４および信頼性に優れたヘッドランド型ピストンを
成立させることができ、エンジンの性能の向上と耐久性
の確保に大きな貢献を覆ることか−Ｊ能（こなる。

４　図面の筒！１−１む説明 第１図（。１木フト明の一実加１タリに係る内燃機関用
ピストンのトツノリング）ＩＩ−の部分を示す拡大縦断
面し１、第２図はビス１〜ノの全体の構造を示す縦断面
図、第３図はＩｉｊ］ピストンの補強部分の金属組織を
−　１９＝ 示す写真、第４図はニレジス１〜Ｍ鉄によってトップリ
ング晶の部分が補強された比較例のピストンの補強部分
の金属組織を示す写真、第５図は本実施例に係るピスト
ンと従来のピストンの摩耗■の比較を示すグラフ、第６
図は応用例のピストンリングの組合わせの要部分解斜視
図、第７図は従来のヘッドランド型ピストンの要部縦断
面図、第８図は別の従来のヘッドランド型ピストンの要
部縦断面図、第５）図は同要部拡大断面図である。

なお図面に用いた符号において、 ′１０・・・内燃機関用ピストン １１・・・頂面 １３・・・トップリング溝 １６・・・Ｌ型リング １７・・・ゾ５形リング ２２・・・Ｆ　ＲＭ補強部分 ２３・・・溶用層 である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. トツプリング溝がピストンの側面から頂面にわたって開
   放された形状を有するとともに、Ｌ型ピストンリングを
   前記トツプリング溝に装着するようにしたピストンにお
   いて、前記トップリング溝の部分をセラミックファイバ
   によつて複合強化するとともに、耐摩耗性を有する前記
   Ｌ型ピストンリングの下側に少なくとも上下面が硬化処
   理された矩形リングを配し、該矩形リングが前記トップ
   リング溝の下面に当接するようにしたことを特徴とする
   内燃機関用ピストン。