JPH04272457A - Structure of combustion chamber and its manufacture - Google Patents

Structure of combustion chamber and its manufacture

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JPH04272457A
JPH04272457A JP5549291A JP5549291A JPH04272457A JP H04272457 A JPH04272457 A JP H04272457A JP 5549291 A JP5549291 A JP 5549291A JP 5549291 A JP5549291 A JP 5549291A JP H04272457 A JPH04272457 A JP H04272457A
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outer ring
ring
combustion chamber
lip
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Hiroshi Matsuoka
寛 松岡
Akira Tono
東野 晃
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Isuzu Motors Ltd
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Abstract

PURPOSE:To provide a structure of combustion chamber, in which a lip assembly made of a gradient functional material by metal flow process with an outer ring made of FRM(fiber-reinforced metal) rigidly and certainly. CONSTITUTION:A lip 8 made of a ceramic material with good high-temp. strength and heat resistance is joined with a ring coupling 7 made of a gradient functional material having different coefficients of thermal expansion, and an outer ring 6 made of FRM, in which metal wiskers having excellent magnetic characteristics are included, is subjected to high frequency heating and joined with a metal piston head body 2 by means of metal flow, and thus the outer ring 6 is plastically deformed locally by high frequency induction, and with this ring 6 the ring coupling 7 is joined.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】この発明は、ピストンヘッド本体
に形成したキャビティにリップ部を組み込んで燃焼室開
口を形成した燃焼室の構造及びその製造法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a combustion chamber structure in which a lip is incorporated into a cavity formed in a piston head body to form a combustion chamber opening, and a method for manufacturing the same.

【0002】0002

【従来の技術】従来、セラミック組込型ピストンとして
、実開昭60−141446号公報に開示されたものが
ある。該公報に開示されたセラミック組込型ピストンは
、アルミニウム合金から成るピストン本体の燃焼室側の
凹部にセラミック部材を組込んだものであり、セラミッ
ク部材の外周に熱膨張係数が10〜23×10− 1 
/℃の耐熱耐食性金属リングで且つ頭部に複数の締結用
孔を備えた突出部を有する金属リングを接合して該突端
をセラミック部材の上端面より突出させ、前記金属リン
グの外周に前記ピストン本体の凹部に設けられた雌ねじ
部に螺着する雄ねじ部を螺刻した組立体とし、この組立
体を前記ピストン本体に締着した後、前記締結用孔を含
む突出部を除去したものである。
2. Description of the Related Art Conventionally, there is a ceramic-integrated piston disclosed in Japanese Utility Model Application Publication No. 141446/1983. The ceramic-integrated piston disclosed in this publication has a ceramic member incorporated into a recess on the combustion chamber side of a piston body made of an aluminum alloy, and the outer periphery of the ceramic member has a thermal expansion coefficient of 10 to 23 x 10. -1
/°C heat-resistant and corrosion-resistant metal ring having a protruding part with a plurality of fastening holes on the head part, the protruding end is made to protrude from the upper end surface of the ceramic member, and the piston is attached to the outer periphery of the metal ring. This is an assembly in which a male threaded part is screwed into a female threaded part provided in a recessed part of the main body, and after this assembly is fastened to the piston main body, the protruding part including the fastening hole is removed. .

【0003】0003

【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、
リップ部の先端を鋭くするにも限界があった。
[Problems to be Solved by the Invention] In the combustion chamber of a reentrant piston, if the tip of the lip of the combustion chamber inlet, that is, the opening of the combustion chamber, is formed to have a sharp point,
The turbulence of the squish flow and the reverse squish flow increases, the mixture of fuel and air becomes more uniform, and the combustion condition improves. However, with conventional aluminum pistons, problems such as melting of the lip and cracking occur due to the heat load applied to the lip that makes up the combustion chamber.
There was also a limit to how sharp the tip of the lip could be.

【0004】また、前掲実開昭60−141446号公
報に開示されたセラミック組込型ピストンは、アルミニ
ウム合金から成るピストン本体に金属リングをねじで締
着し、該金属リングをセラミック部材に接合したもので
あるが、金属とセラミックスとは熱膨張率が異なり、熱
応力を受けるようなピストンヘッドではセラミック部材
にクラックや亀裂が発生し、セラミック部材の破損の問
題がある。
[0004] Furthermore, the ceramic built-in piston disclosed in the above-mentioned Japanese Utility Model Publication No. 1983-141446 has a metal ring fastened to a piston body made of an aluminum alloy with screws, and the metal ring is bonded to a ceramic member. However, metals and ceramics have different coefficients of thermal expansion, and in piston heads that are subjected to thermal stress, cracks and cracks occur in the ceramic members, causing the problem of damage to the ceramic members.

【0005】ところで、従来、リエントラント型ピスト
ンにおいて、リップ部を耐熱性に富んだセラミックスで
製作することが開発されている。しかしながら、リップ
部をセラミックスで製作した場合に、ピストンヘッド本
体を構成する金属材料との接合問題がある。セラミック
スと金属とは熱膨張率が異なり、熱負荷をうけた場合に
熱膨張率の差によって剥離状態が発生する。そこで、リ
ップ部とピストンヘッド本体との間に熱膨張率が漸次異
なる傾斜機能材を配置することが考えられるが、単に金
属とセラミックスとの間に傾斜機能材を配置しただけで
は、同様に金属材料と傾斜機能材との接合が確実に且つ
強固に達成できるとは限らない。
[0005] Conventionally, it has been developed to manufacture the lip portion of a reentrant piston from ceramics having high heat resistance. However, when the lip portion is made of ceramics, there is a problem in bonding it to the metal material that constitutes the piston head body. Ceramics and metals have different coefficients of thermal expansion, and when subjected to thermal load, a peeling state occurs due to the difference in coefficient of thermal expansion. Therefore, it is conceivable to place a functionally gradient material with a gradually different coefficient of thermal expansion between the lip part and the piston head body, but simply placing a functionally gradient material between the metal and the ceramic will not result in the same effect as the metal. It is not always possible to achieve reliable and strong bonding between the material and the functionally graded material.

【0006】この発明の目的は、上記の課題を解決する
ことであり、アルミニウム製ピストンヘッド本体に形成
し且つ頂面が半径方向内向きに先尖りのリング状に伸び
るリップ部で中央に燃焼室開口を形成した燃焼室におい
て、高温強度と耐熱性に富んだセラミック材料から成る
リップ部の外周面を熱膨張率の異なる傾斜機能材から成
るリング結合体の内周面にメタルフロー等で接合してリ
ップ組立体を製作し、ピストンヘッド本体に形成したキ
ャビティのアルミニウム壁面にステンレススチール等の
ウィスカーを混合した繊維強化金属(FRM)から成る
外側リングを接合し、該繊維強化金属から成る壁面を高
周波加熱で前記リップ組立体より高温に加熱し、前記外
側リングに前記リップ組立体をメタルフローで確実に且
つ強固に接合した燃焼室の構造及びその製造法を提供す
ることである。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and the purpose of the present invention is to provide a combustion chamber in the center with a lip portion formed on an aluminum piston head body and whose top surface extends radially inward in the shape of a pointed ring. In the combustion chamber with an opening, the outer circumferential surface of the lip made of a ceramic material with high high-temperature strength and heat resistance is joined to the inner circumferential surface of a ring assembly made of a functionally graded material with a different coefficient of thermal expansion using metal flow, etc. Then, an outer ring made of fiber-reinforced metal (FRM) mixed with whiskers such as stainless steel is bonded to the aluminum wall of the cavity formed in the piston head body, and the wall made of fiber-reinforced metal is heated with high frequency. To provide a structure of a combustion chamber in which the lip assembly is heated to a higher temperature than the lip assembly, and the lip assembly is reliably and firmly joined to the outer ring by metal flow, and a method for manufacturing the same.

【0007】[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、キャビティを形成した金属製ピストンヘッ
ド本体、該ピストンヘッド本体のキャビティ壁面に接合
した磁性特性に優れ且つ強度を補強する金属ウィスカー
を混合した繊維補強金属から成る外側リング、該外側リ
ングの内周面にメタルフローで接合した熱膨張率の異な
る傾斜機能材から成るリング結合体、及び該リング結合
体の内周面に接合し且つ燃焼室開口を形成する耐熱性に
富んだ高強度のセラミック材から成るリップ部、から構
成した燃焼室の構造に関する。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the present invention is constructed as follows. That is,
The present invention relates to a metal piston head body forming a cavity, an outer ring made of a fiber-reinforced metal mixed with metal whiskers having excellent magnetic properties and reinforcing strength, and bonded to the cavity wall surface of the piston head body; A ring assembly made of functionally graded materials with different coefficients of thermal expansion bonded to the inner peripheral surface by metal flow, and a highly heat-resistant and high-strength material bonded to the inner peripheral surface of the ring assembly and forming the combustion chamber opening. The present invention relates to a structure of a combustion chamber including a lip portion made of a ceramic material.

【0008】また、この発明は、熱膨張率の異なる傾斜
機能材から成るリング結合体の内周面に燃焼室開口を形
成する耐熱性に富んだ高強度のセラミック材から成るリ
ップ部を接合してリップ組立体を製作する工程、金属製
ピストンヘッド本体に形成したキャビティ壁体に磁性特
性に優れ且つ強度を補強する金属ウィスカーを混合した
繊維補強金属から成る外側リングを接合する工程、及び
前記外側リングの内周面に前記リング結合体の外周面を
接触状態に配置し、前記外側リング体を高周波加熱して
前記リップ組立体より高温に加熱し、前記外側リング体
に前記リング結合体をメタルフローで接合した工程、か
ら成る燃焼室の製造法に関する。
[0008] Furthermore, the present invention has a lip part made of a highly heat-resistant and high-strength ceramic material, which forms a combustion chamber opening, bonded to the inner peripheral surface of a ring assembly made of functionally graded materials having different coefficients of thermal expansion. a step of manufacturing a lip assembly using a metal piston head body, a step of bonding an outer ring made of a fiber-reinforced metal mixed with metal whiskers having excellent magnetic properties and reinforcing strength to a cavity wall formed in a metal piston head body; The outer circumferential surface of the ring assembly is placed in contact with the inner circumferential surface of the ring, the outer ring body is heated to a higher temperature than the lip assembly by high frequency heating, and the ring assembly is attached to the outer ring body with metal. The present invention relates to a method for manufacturing a combustion chamber comprising a flow joining process.

【0009】[0009]

【作用】この発明による燃焼室の構造及びその製造法は
、以上のように構成されており、次のように作用する。 即ち、この燃焼室の構造は、熱膨張率の異なる傾斜機能
材から成るリップ組立体を、金属製ピストンヘッド本体
に接合した磁性特性に優れ且つ強度を補強する金属ウィ
スカーを混合した繊維補強金属から成る外側リングを介
してメタルフローで接合したので、前記外側リングは前
記リップ組立体に強固に且つ確実に接合される。
[Operation] The structure of the combustion chamber and the method for manufacturing the same according to the present invention are constructed as described above, and operate as follows. That is, the structure of this combustion chamber consists of a lip assembly made of functionally graded materials with different coefficients of thermal expansion, which is made of fiber-reinforced metal mixed with metal whiskers that have excellent magnetic properties and reinforce strength, bonded to a metal piston head body. Since the outer ring is joined by metal flow through the outer ring, the outer ring is firmly and reliably joined to the lip assembly.

【0010】また、この燃焼室の製造法は、熱膨張率の
異なる傾斜機能材から成るリップ組立体を、金属製ピス
トンヘッド本体に接合した磁性特性に優れ且つ強度を補
強する金属ウィスカーを混合した繊維補強金属から成る
外側リングを介してメタルフローで接合するので、前記
外側リングを高周波加熱すれば、アルミニウム或いはア
ルミニウム合金中に含まれる磁性特性に優れ且つ強度を
補強する金属ウィスカーが熱伝導媒体になって前記外側
リングが前記リップ組立体に比較して早く高温になって
メタルフローに十分な温度に直ちになる。従って、前記
外側リングのみが直ちにメタルフローで塑性変形し、前
記リップ組立体が前記外側リングに確実に且つ強固に接
合される。
[0010] In addition, this combustion chamber manufacturing method involves mixing a lip assembly made of functionally graded materials with different coefficients of thermal expansion with metal whiskers that have excellent magnetic properties and reinforce strength, bonded to a metal piston head body. Since they are joined by metal flow through an outer ring made of fiber-reinforced metal, by high-frequency heating of the outer ring, the metal whiskers, which have excellent magnetic properties and reinforce strength and are contained in aluminum or aluminum alloy, become heat conductive media. As a result, the outer ring heats up faster than the lip assembly and quickly reaches a temperature sufficient for metal flow. Therefore, only the outer ring is immediately plastically deformed by metal flow, and the lip assembly is reliably and firmly joined to the outer ring.

【0011】[0011]

【実施例】以下、図面を参照して、この発明による燃焼
室の構造及びその製造法の実施例を説明する。図1はこ
の発明による燃焼室の構造の一実施例を示す概略図であ
る。この燃焼室は、金属材料から成るピストンヘッドに
形成されたものであり、図1に示すように、ピストンヘ
ッド本体2に形成した燃焼室1を形成するキャビティ1
0の上方を覆うように半径方向内向きに先尖り形状で伸
び且つ燃焼室開口3を備えたループ状リップ部8を有す
るリエントラント型ピストンに形成されたものである。 このピストンは、鋳込み成形したピストンスカート及び
該ピストンスカートに固定され且つ燃焼室1を構成する
キャビティ10を備えたアルミニウム、アルミニウム合
金等の金属材から成るピストンヘッド本体2から成り、
燃焼室1はキャビティ10の上面に開口3及び該開口3
より面積の大きいキャビティ10の底面4を有している
ものである。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the structure of a combustion chamber and its manufacturing method according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of the structure of a combustion chamber according to the present invention. This combustion chamber is formed in a piston head made of a metal material, and as shown in FIG.
The piston is formed in a reentrant type piston having a loop-shaped lip portion 8 extending radially inward in a pointed shape so as to cover the upper part of the combustion chamber 0 and having a combustion chamber opening 3. This piston consists of a piston head body 2 made of a metal material such as aluminum or aluminum alloy, which has a cast-molded piston skirt and a cavity 10 that is fixed to the piston skirt and constitutes a combustion chamber 1.
The combustion chamber 1 has an opening 3 on the upper surface of the cavity 10 and the opening 3
The bottom surface 4 of the cavity 10 has a larger area.

【0012】この燃焼室は、特に、アルミニウム製ピス
トンヘッド本体2に形成したキャビティ壁体に接合した
磁性特性に優れ且つ強度を補強する金属ウィスカーを混
合した繊維補強金属(FRM)から成る外側リング6、
該外側リング6の内周面22に外周面19をメタルフロ
ーで接合した熱膨張率の異なる傾斜機能材から成るリン
グ結合体7、該リング結合体7の内周面20に接合し且
つ燃焼室開口3を形成する耐熱性に富んだ高強度のセラ
ミックスから成るリップ部8から構成したものである。
In particular, this combustion chamber has an outer ring 6 made of fiber-reinforced metal (FRM) mixed with metal whiskers that have excellent magnetic properties and reinforce strength, which is bonded to the cavity wall formed in the aluminum piston head body 2. ,
A ring assembly 7 made of functionally graded materials having different coefficients of thermal expansion in which the outer circumferential surface 19 is joined to the inner circumferential surface 22 of the outer ring 6 by metal flow; The opening 3 is formed by a lip portion 8 made of high-strength ceramics with excellent heat resistance.

【0013】この燃焼室を備えたリエントラント型ピス
トンにおいて、リップ部8は、耐熱性に富み且つ高温強
度に富んだ材料、例えば、窒化珪素(Si3N4 )、
炭化珪素(SiC)等のセラミック材料から製作されて
いる。このリップ部8は、燃焼室開口3を形成する先端
は極めて鋭角に先尖りのアール状態に形成され、外周面
21を中央を境に上下を半径方向内向きに傾斜したテー
パ面11を備える形状に製作されている。
In this reentrant type piston equipped with a combustion chamber, the lip portion 8 is made of a material having high heat resistance and high temperature strength, such as silicon nitride (Si3N4),
It is manufactured from a ceramic material such as silicon carbide (SiC). This lip portion 8 has a shape in which the tip forming the combustion chamber opening 3 is formed in a rounded shape with an extremely acute angle, and has a tapered surface 11 that slopes upward and downward in the radial direction with the outer circumferential surface 21 as a boundary at the center. It is manufactured in.

【0014】リング結合体7は、図2に示すように、半
径方向に順次に配置し且つ隣接周面を互いに接合した複
数個(図では4個)のリング12,13,14,15か
ら成り、内側のリングの熱膨張率が外側のリングの熱膨
張率より小さい傾斜機能材から製作されている。例えば
、リング結合体7の傾斜機能材は、リップ部8とピスト
ンヘッド2との両者の熱膨張率の中間の熱膨張率を有す
る材料、例えば、ニッケル系、コバルト系、鉄系の材料
から製作されている。具体的には、最内周側リング12
をコバール(Kover)、42アロイ等で製作し、最
外周側リング15をインコロイ(Incolloy)で
製作し、中間のリング13,14をコバールとインコロ
イとの中間の熱膨張率を有する材料で製作し、各リング
12,13,14,15をろう付け等で接合して一体構
造に構成されている。各リングを上記のような材料で製
作することによって、リップ部8側に位置するリング1
2はリップ部8の熱膨張率に近い熱膨張率の材料から構
成でき、また、ピストンヘッド本体2側に位置するリン
グ15はピストンヘッド本体2の熱膨張率に近い熱膨張
率の材料から構成できることになる。従って、リング結
合体7は、内周側から外周側に向かって段階的に熱膨張
率が変化するように構成され、窒化ケイ素、炭化ケイ素
等のセラミック材料に近い熱膨張率からアルミニウム、
アルミニウム合金等の金属材料の熱膨張率に近い状態に
構成される。
As shown in FIG. 2, the ring assembly 7 is composed of a plurality of (four in the figure) rings 12, 13, 14, and 15 that are sequentially arranged in the radial direction and whose adjacent peripheral surfaces are joined to each other. , is made from a functionally graded material in which the coefficient of thermal expansion of the inner ring is smaller than that of the outer ring. For example, the functionally graded material of the ring assembly 7 is made of a material having a coefficient of thermal expansion intermediate between the coefficients of thermal expansion of both the lip portion 8 and the piston head 2, such as a nickel-based, cobalt-based, or iron-based material. has been done. Specifically, the innermost ring 12
is made of Kover, 42 alloy, etc., the outermost ring 15 is made of Incoloy, and the middle rings 13 and 14 are made of a material with a coefficient of thermal expansion between Kovar and Incolloy. , each ring 12, 13, 14, 15 is joined by brazing or the like to form an integral structure. By manufacturing each ring with the above-mentioned material, the ring 1 located on the lip portion 8 side
2 can be made of a material with a coefficient of thermal expansion close to that of the lip portion 8, and the ring 15 located on the side of the piston head body 2 can be made of a material with a coefficient of thermal expansion close to that of the piston head body 2. It will be possible. Therefore, the ring assembly 7 is configured such that the coefficient of thermal expansion changes stepwise from the inner circumferential side to the outer circumferential side, ranging from a thermal expansion coefficient close to that of ceramic materials such as silicon nitride and silicon carbide to aluminum
It is configured to have a coefficient of thermal expansion close to that of metal materials such as aluminum alloys.

【0015】更に、外側リング6は、ピストンヘッド本
体2を構成するアルミニウム或いはアルミニウム合金等
の金属材料と同等の金属材料中に、磁性特性に優れ且つ
強度を補強するステンレススチールSUS等の金属ウィ
スカーを混合した繊維補強金属材料から製作されている
。また、ピストンヘッド本体2は、アルミニウム或いは
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、アルミニウム合金等の金属材料を鋳込み成
形して形成されている。
Furthermore, the outer ring 6 is made of a metal material equivalent to the metal material such as aluminum or aluminum alloy constituting the piston head body 2, and metal whiskers such as stainless steel SUS which have excellent magnetic properties and reinforce strength. Manufactured from blended fiber reinforced metal materials. The piston head body 2 is made of a metal material such as aluminum or an aluminum alloy, and is formed by casting the metal material such as aluminum or an aluminum alloy.

【0016】次に、この発明による燃焼室の製造法を、
特に、図2及び図3を参照して説明する。図2に示すよ
うに、熱膨張率の異なる傾斜機能材から成る複数個のリ
ング12,13,14,15を半径方向に順次に配置し
且つ隣接する周面を互いに接合してリング結合体7を製
作する。この時、リング結合体7の形状は、内側のリン
グ12の高さより外側のリング15の高さが高くなるよ
うに全体として上面が水平で且つ下面がテーパ面になる
ように形成する。このリング結合体7の内周面20に耐
熱性に富んだ高強度のセラミック材から成るリップ部8
の外周面21を配置してメタルフロー等で両者を接合し
てリップ組立体5を製作する。
Next, the method for manufacturing a combustion chamber according to the present invention is as follows.
In particular, this will be explained with reference to FIGS. 2 and 3. As shown in FIG. 2, a ring assembly 7 is constructed by arranging a plurality of rings 12, 13, 14, 15 made of functionally graded materials having different coefficients of thermal expansion in sequence in the radial direction and joining adjacent peripheral surfaces to each other. Manufacture. At this time, the shape of the ring assembly 7 is formed such that the upper surface as a whole is horizontal and the lower surface is tapered so that the height of the outer ring 15 is higher than the height of the inner ring 12. A lip portion 8 made of a high-strength ceramic material with excellent heat resistance is provided on the inner circumferential surface 20 of the ring assembly 7.
The lip assembly 5 is manufactured by arranging the outer circumferential surface 21 of the lip assembly 5 and joining them together using metal flow or the like.

【0017】一方、アルミニウム製ピストンヘッド本体
2のキャビティ10の壁面には、アルミニウム金属材料
中に磁性特性に優れ且つ強度を補強するステンレススチ
ールSUS等の金属ウィスカーを混合した繊維強化金属
FRMから製作した外側リング6が接合されている。こ
の外側リング6は、ピストンヘッド本体2にビーム溶接
或いはレーザ溶接等で接合してもよく、或いはピストン
ヘッド本体2の金属材料を鋳込み成形中に一体構造に接
合してもよいものである。この外側リング6の上部壁面
部には、該部分を高周波加熱でメタルフローして塑性流
動させるため、突出部16が形成されている。
On the other hand, the wall surface of the cavity 10 of the aluminum piston head body 2 is made of fiber-reinforced metal FRM, which is made of an aluminum metal material mixed with metal whiskers such as stainless steel SUS that has excellent magnetic properties and reinforces strength. An outer ring 6 is joined. This outer ring 6 may be joined to the piston head main body 2 by beam welding, laser welding, etc., or may be joined into an integral structure during casting of the metal material of the piston head main body 2. A protruding portion 16 is formed on the upper wall surface of the outer ring 6 in order to cause the portion to undergo metal flow and plastic flow by high-frequency heating.

【0018】次いで、外側リング6の内周面22にリッ
プ組立体5のリング結合体7の外周面19を配置し、そ
の状態で高周波コイル17で突出部16及びその近傍部
分を高周波加熱し、プレス治具18で突出部16を押圧
する。外側リング6には、磁性特性に優れた金属ウィス
カーが含まれているので、高周波加熱すれば、高周波誘
導によって外側リング6はリング結合体7に比較して急
速に加熱されて高温状態になり、メタルフローに十分な
温度にまで直ちに昇温される。従って、外側リング6の
みがメタルフロー状態になって塑性変形し、該塑性流動
した金属材料はリップ組立体5の外周面19と外側リン
グ6の内周面22との間に形成された空隙部9に侵入す
る。従って、外側リング6にリップ組立体5が強固に且
つ確実に接合される。
Next, the outer circumferential surface 19 of the ring combination 7 of the lip assembly 5 is placed on the inner circumferential surface 22 of the outer ring 6, and in this state, the protrusion 16 and its vicinity are subjected to high frequency heating using the high frequency coil 17. The protrusion 16 is pressed with a press jig 18. Since the outer ring 6 contains metal whiskers with excellent magnetic properties, when high-frequency heating is performed, the outer ring 6 is rapidly heated to a high temperature state compared to the ring combination 7 due to high-frequency induction. The temperature is immediately raised to a temperature sufficient for metal flow. Therefore, only the outer ring 6 is in a metal flow state and plastically deformed, and the plastically flowed metal material fills the gap formed between the outer circumferential surface 19 of the lip assembly 5 and the inner circumferential surface 22 of the outer ring 6. Invade 9. Therefore, the lip assembly 5 is firmly and reliably joined to the outer ring 6.

【0019】この発明による燃焼室の構造及びその製造
法は、上記のように構成されているので、次のように作
用する。即ち、エンジンが運転された場合に温度差によ
ってリップ部8とピストンヘッド本体2との間で熱膨張
差によって大きな熱応力が生じても、熱膨張率が異なる
傾斜機能材から成るリング結合体7が緩衝材として機能
し、リップ部8と外側リング6及びピストンヘッド本体
2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8とピストン
ヘッド本体2との間に熱膨張差が発生しても、リップ部
8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8は先尖りで鋭角
形状であって燃焼ガスからの熱の流入が大きいが、リッ
プ部8に流入した熱はリング結合体7及び外側リング6
を通じてピストンヘッド本体2方向へ妨げられずに流れ
、ピストンスカート、ピストンリング等を通じてシリン
ダライナ側へ流出する。従って、リップ部8の温度を高
温に維持することなく、温度上昇を抑えるので、リップ
部8のエッジ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。
Since the structure of the combustion chamber and the method for manufacturing the same according to the present invention are constructed as described above, they function as follows. That is, even if a large thermal stress is generated due to a difference in thermal expansion between the lip portion 8 and the piston head body 2 due to a temperature difference when the engine is operated, the ring assembly 7 made of functionally graded materials with different coefficients of thermal expansion acts as a buffer material and absorbs the difference in thermal expansion caused by the temperature difference between the lip portion 8, the outer ring 6, and the piston head body 2. Therefore, even if a temperature change occurs in the combustion chamber 1 and a difference in thermal expansion occurs between the lip portion 8 and the piston head body 2, cracks or cracks will not occur in the lip portion 8, and the combustion chamber 1 will remain stable. It will never be destroyed. In addition, the lip portion 8 has a pointed, acute-angled shape and allows a large amount of heat to flow from the combustion gas.
It flows unhindered in the two directions of the piston head body through the piston head body, and flows out to the cylinder liner side through the piston skirt, piston ring, etc. Therefore, the temperature rise is suppressed without maintaining the temperature of the lip portion 8 at a high temperature, so even if the edge of the lip portion 8 is configured to have an acute pointed shape, the edge is made with heat resistance. will not melt or break.

【0020】また、リップ部8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3を形成するリップ部8のエッジを極めて鋭角
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。
Furthermore, since the lip portion 8 is made of a material such as ceramics which has a low coefficient of thermal expansion and is highly heat resistant, the edge of the lip portion 8 that forms the combustion chamber opening 3 is formed at an extremely acute angle and the shape is can be maintained even at high temperatures. Therefore, it is possible to increase the squish flow that occurs during the compression stroke of the piston's upward movement and the reverse squish flow that occurs during the piston's downward explosion stroke, promoting the mixing of air and fuel, suppressing the amount of carbon generated, and reducing the amount of fuel. It is possible to perform combustion that reduces consumption and improve combustion conditions.

【0021】[0021]

【発明の効果】この発明による燃焼室の構造及びその製
造法は、以上のように構成したので、次のような効果を
有する。即ち、この燃焼室の構造は、アルミニウム製ピ
ストンヘッド本体に形成したキャビティ壁面に接合した
磁性特性に優れ且つ強度を補強する金属ウィスカーを混
合した繊維補強金属から成る外側リング、該外側リング
の内周面にメタルフローで接合した熱膨張率の異なる傾
斜機能材から成るリング結合体、該リング結合体の内周
面に接合し且つ燃焼室開口を形成する耐熱性に富んだ高
強度のセラミック材から成るリップ部から構成したので
、前記外側リングは前記リップ組立体に強固に且つ確実
に接合されている。そして、前記リップ部に先端から外
周部の前記ピストンヘッドまで各境界での熱流が妨げら
れることがなく良好に熱は伝導されて前記リップ部の先
端部の熱をピストンヘッド外周部、ピストンリング、シ
リンダライナ等を通じて外部へ移動させ、前記リップ部
が高温になるのを回避して高温によるリップ部の溶損を
防止できると共に、前記リング結合体で前記リップ部と
前記金属リング体及び前記ピストンヘッドとの熱膨張差
を吸収でき、温度差で熱応力がかかっても前記リップ部
の割れ等を回避できる。それ故、前記リップ部の先端部
を鋭角に先尖り状態に形成しても、燃焼ガスによって前
記先端部が高温になっても直ちに熱を移動させて高温状
態に維持されるのを回避し、高温による前記先端部の溶
損を防止することができる。
[Effects of the Invention] The structure of the combustion chamber and the method of manufacturing the same according to the present invention, constructed as described above, have the following effects. That is, the structure of this combustion chamber consists of an outer ring made of a fiber-reinforced metal mixed with metal whiskers that have excellent magnetic properties and reinforce strength, bonded to the wall surface of a cavity formed in an aluminum piston head body, and an inner periphery of the outer ring. A ring assembly made of functionally graded materials with different coefficients of thermal expansion bonded to the surface by metal flow, and made of a high-strength ceramic material with high heat resistance that is bonded to the inner peripheral surface of the ring assembly and forms the combustion chamber opening. The outer ring is firmly and reliably joined to the lip assembly. Heat flow from the tip to the piston head at the outer periphery of the lip portion at each boundary is unobstructed and is well conducted, so that the heat at the tip of the lip portion is transferred to the outer periphery of the piston head, the piston ring, It is possible to move the lip part to the outside through a cylinder liner or the like to avoid the lip part from becoming high temperature and prevent the lip part from being melted due to high temperature. It is possible to absorb the difference in thermal expansion and avoid cracking of the lip portion even if thermal stress is applied due to the temperature difference. Therefore, even if the tip of the lip portion is formed to be pointed at an acute angle, even if the tip becomes hot due to combustion gas, the heat is immediately transferred to avoid being maintained at a high temperature, It is possible to prevent the distal end portion from melting due to high temperatures.

【0022】また、この燃焼室において、リング結合体
は、熱膨張率の異なる傾斜機能材で製作されているので
、前記リップ部と前記外側リング及び前記ピストンヘッ
ド本体との熱膨張差を傾斜状に吸収でき、温度差で発生
する熱応力を傾斜状にして漸次に熱応力の影響を小さく
し、前記リップ部の割れ等を良好に回避できる。
Further, in this combustion chamber, the ring assembly is made of functionally graded materials having different coefficients of thermal expansion, so that the difference in thermal expansion between the lip portion, the outer ring, and the piston head body can be reduced in a sloped manner. The thermal stress generated due to the temperature difference is gradually reduced in an inclined manner, and cracks in the lip portion can be effectively avoided.

【0023】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
の先端部即ち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、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
リエントラント型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。
Furthermore, by forming the lip portion from a material with high heat resistance, even if the lip portion is formed to have an acute point, the tip portion, that is, the edge of the lip portion can be prevented from being melted and damaged, and the sharp point can be prevented from melting. The edge shape of the state can be maintained. Therefore, the lip portion can be formed to have an acute angle, and by forming the edges of the lip portion at an acute angle, the squish flow flowing into the combustion chamber that occurs during the compression stroke of the upward movement of the piston, and the explosion stroke of the downward movement of the piston, can be prevented. It is possible to increase the reverse squish flow flowing out from the combustion chamber generated in , it is possible to improve combustion by suppressing the amount of carbon generated and reducing fuel consumption. In particular, when this reentrant piston is used in a direct injection diesel engine, the combustion state of the engine can be improved.

【0024】或いは、この発明による燃焼室の製造法は
、熱膨張率の異なる傾斜機能材から成るリング結合体の
内周面に燃焼室開口を形成する耐熱性に富んだ高強度の
セラミック材から成るリップ部を接合してリップ組立体
を製作する工程、アルミニウム製ピストンヘッド本体に
形成したキャビティ壁体に磁性特性に優れ且つ強度を補
強する金属ウィスカーを混合した繊維補強金属から成る
外側リングを接合する工程、及び前記外側リングの内周
面に前記リング結合体の外周面を配置し、前記外側リン
グ体を高周波加熱して前記リップ組立体より高温に加熱
し、前記外側リング体に前記リング結合体をメタルフロ
ーで接合した工程から成るので、熱膨張率の異なる傾斜
機能材から成るリップ組立体を、アルミニウム製ピスト
ンヘッド本体に接合した磁性特性に優れ且つ強度を補強
する金属ウィスカーを混合した繊維補強金属から成る外
側リングを介してメタルフローで接合するので、前記外
側リングを高周波加熱すれば、アルミニウム或いはアル
ミニウム合金中に含まれる磁性特性に優れ且つ強度を補
強する金属ウィスカーが熱伝導媒体になって前記外側リ
ングが前記リップ組立体に比較して早く高温になってメ
タルフローに十分な温度に直ちになる。
Alternatively, the method for manufacturing a combustion chamber according to the present invention is to form a combustion chamber opening on the inner circumferential surface of a ring assembly made of functionally graded materials having different coefficients of thermal expansion. The process of manufacturing a lip assembly by joining the lip parts made of aluminum piston head body, and joining the outer ring made of fiber-reinforced metal mixed with metal whiskers that have excellent magnetic properties and strengthen strength to the cavity wall formed in the aluminum piston head body. arranging the outer peripheral surface of the ring assembly on the inner peripheral surface of the outer ring, heating the outer ring body to a higher temperature than the lip assembly by high frequency heating, and placing the ring assembly on the outer ring body. The lip assembly is made of functionally graded materials with different coefficients of thermal expansion and is bonded to the aluminum piston head body using a process in which the body is joined using metal flow.The lip assembly is made of fibers mixed with metal whiskers that have excellent magnetic properties and reinforce strength. Since they are joined by metal flow through an outer ring made of reinforcing metal, when the outer ring is heated with high frequency, the metal whiskers contained in aluminum or aluminum alloy, which have excellent magnetic properties and reinforce strength, become a heat conductive medium. The outer ring heats up faster than the lip assembly and quickly reaches a temperature sufficient for metal flow.

【0025】即ち、一般に、アルミニウム材料の温度は
上昇し難いが、繊維強化金属材料は磁性特性に優れる金
属ウィスカーを含んでいるので、高周波加熱することで
、前記外側リングは高周波誘導によって直ちに高温にな
る。また、傾斜機能材から成る前記リング結合体も前記
外側リングに比較して昇温し難い材料である。そこで、
前記外側リングと前記リップ組立体との間の温度差が大
きくなり、前記外側リングの所定部分のみが局部的に直
ちに温度上昇し、メタルフローして塑性変形可能な状態
になるが、前記リップ組立体はメタルフロー状態になら
ず、両者が同時にメタルフロー状態にならないから、前
記外側リングが前記リップ組立体に対して塑性変形して
両者は確実に且つ強固に接合される。
That is, in general, the temperature of aluminum materials is difficult to rise, but since fiber-reinforced metal materials contain metal whiskers with excellent magnetic properties, by high-frequency heating, the outer ring can be heated to a high temperature immediately by high-frequency induction. Become. Further, the ring assembly made of a functionally graded material is also made of a material whose temperature does not easily rise compared to the outer ring. Therefore,
The temperature difference between the outer ring and the lip assembly increases, and only a predetermined portion of the outer ring immediately locally increases in temperature, causing metal flow and becoming plastically deformable. Since the solid body is not in the metal flow state and both are not in the metal flow state at the same time, the outer ring is plastically deformed with respect to the lip assembly, and the two are reliably and firmly joined.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】この発明による燃焼室の構造を組み込んだピス
トンの一実施例を示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of a piston incorporating a combustion chamber structure according to the present invention.

【図2】この発明による燃焼室の製造法において、リッ
プ組立体と外側リングとを接合する前の工程を説明する
説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating a step before joining the lip assembly and the outer ring in the combustion chamber manufacturing method according to the present invention.

【図3】この発明による燃焼室の製造法において、リッ
プ組立体と外側リングとを接合した状態を示す説明図で
ある。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a state in which the lip assembly and the outer ring are joined in the method for manufacturing a combustion chamber according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1    燃焼室 2    ピストンヘッド本体 5    リップ組立体 6    外側リング 7    リング結合体 8    リップ部 9    空隙部 10  キャビティ 19  外周面 20  内周面 22  内周面 1 Combustion chamber 2 Piston head body 5 Lip assembly 6 Outer ring 7 Ring combination 8 Lip part 9 Vacancy 10 Cavity 19 Outer peripheral surface 20 Inner peripheral surface 22 Inner peripheral surface

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  キャビティを形成した金属製ピストン
ヘッド本体、該ピストンヘッド本体のキャビティ壁面に
接合した磁性特性に優れ且つ強度を補強する金属ウィス
カーを混合した繊維補強金属から成る外側リング、該外
側リングの内周面にメタルフローで接合した熱膨張率の
異なる傾斜機能材から成るリング結合体、及び該リング
結合体の内周面に接合し且つ燃焼室開口を形成する耐熱
性に富んだ高強度のセラミック材から成るリップ部、か
ら構成した燃焼室の構造。
1. A metal piston head body forming a cavity, an outer ring made of a fiber-reinforced metal mixed with metal whiskers having excellent magnetic properties and reinforcing strength and bonded to the cavity wall surface of the piston head body, the outer ring. A ring assembly made of functionally graded materials with different coefficients of thermal expansion joined by metal flow to the inner peripheral surface of the ring assembly, and a high-strength, heat-resistant material joined to the inner peripheral surface of the ring assembly and forming a combustion chamber opening. The structure of the combustion chamber consists of a lip part made of ceramic material.
【請求項2】  熱膨張率の異なる傾斜機能材から成る
リング結合体の内周面に燃焼室開口を形成する耐熱性に
富んだ高強度のセラミック材から成るリップ部を接合し
てリップ組立体を製作する工程、金属製ピストンヘッド
本体に形成したキャビティ壁面に磁性特性に優れ且つ強
度を補強する金属ウィスカーを混合した繊維補強金属か
ら成る外側リングを接合する工程、及び前記外側リング
の内周面に前記リング結合体の外周面を接触状態に配置
し、前記外側リング体を高周波加熱して前記リップ組立
体より高温に加熱し、前記外側リング体に前記リング結
合体をメタルフローで接合した工程、から成る燃焼室の
製造法。
2. A lip assembly is obtained by bonding a lip portion made of a highly heat-resistant and high-strength ceramic material that forms a combustion chamber opening to the inner peripheral surface of a ring assembly made of functionally graded materials having different coefficients of thermal expansion. a step of bonding an outer ring made of fiber-reinforced metal mixed with metal whiskers having excellent magnetic properties and reinforcing strength to a cavity wall surface formed in a metal piston head body; and an inner circumferential surface of the outer ring. , the outer peripheral surfaces of the ring assembly are placed in contact with each other, the outer ring body is heated to a higher temperature than the lip assembly by high frequency heating, and the ring assembly is joined to the outer ring body by metal flow. A method of manufacturing a combustion chamber consisting of .
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2492029A1 (en) * 2011-02-22 2012-08-29 General Electric Company Constrained metal flanges and methods for making the same

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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