JPH0510209A - 燃焼室を有するピストン - Google Patents

燃焼室を有するピストン

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JPH0510209A
JPH0510209A JP3244346A JP24434691A JPH0510209A JP H0510209 A JPH0510209 A JP H0510209A JP 3244346 A JP3244346 A JP 3244346A JP 24434691 A JP24434691 A JP 24434691A JP H0510209 A JPH0510209 A JP H0510209A
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lip
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cavity
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寛 松岡
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、燃焼室壁面を高温化してＨＣ、ス
モークの発生を低減し、メタルフロー結合で耐久性を向
上させた燃焼室を有するピストンを提供する。 【構成】 このピストンは、金属製ピストンヘッド部２
に形成したキャビティ４内に高熱膨張金属材料から成る
燃焼室ブロック３を配置し、該燃焼室ブロック外面とキ
ャビティ壁面との間に断熱層５を形成し、燃焼室ブロッ
ク３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を形成するリップ部７を設け、キャビティ４と
燃焼室ブロック３とを結合リング８を塑性変形で嵌入す
る。従って、燃焼室壁面を高温化でき、ＨＣ、スモーク
の発生を低減できると共に、燃焼室１で燃料リッチで良
好に燃焼させてＮＯX の発生を抑制できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】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(Si3N4) 又は炭化ケイ素(SiC) 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】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、金属製ピストンヘッド部に形成し
たキャビティに高熱膨張金属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
て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
し、メタルフロー結合によって耐久性を向上させ、更に
耐焼付き性を向上させた燃焼室を有するピストンを提供
することである。
【００１１】又は、この発明の目的は、金属製ピストン
ヘッド部に形成したキャビティに窒化ケイ素等の高温高
強度材から成る燃焼室ブロックを断熱層を形成して配置
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から
成る結合リングの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て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、前記キャビティト前記燃焼室ブロ
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。
【００１２】或いは、この発明の目的は、ピストンヘッ
ド部にキャビティを形成し、該キャビティに半径方向内
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を
有するリエントラント型燃焼室を形成し、前記リップ部
と前記ピストンヘッド部とを熱膨張率調整結合体即ち傾
斜機能材料のメタルフローで結合し、前記リップ部と前
記ピストンヘッド部との熱膨張差を前記傾斜機能材料で
吸収して前記リップ部の割れ、溶損を防止すると共に、
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、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、そ
れによって、カーボン発生量を抑制し且つ燃費を低減し
た燃焼室を有するピストンを提供することである。
【００１３】
【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、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熱膨張金属材料から
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した環状溝に塑性変形
で嵌入した結合リングから構成した燃焼室を有するピス
トンに関する。
【００１４】更に、この燃焼室を有するピストンにおい
て、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も
のである。
【００１５】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、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から構成した燃焼室を有
するピストンに関する。
【００１６】更に、この燃焼室を有するピストンにおい
て、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したものである。
【００１７】或いは、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から構成した燃焼室を
有するピストンに関する。
【００１８】また、この燃焼室を有するピストンにおい
て、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ものである。
【００１９】更に、この燃焼室を有するピストンにおい
て、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したものである。
【００２０】
【作用】この発明による燃焼室を有するピストンは、以
上のように構成されており、次のように作用する。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配置した高熱膨張金属材料から
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
クに設け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した環状溝に塑性変形で
嵌入した結合リングから構成したので、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。
【００２１】更に、この燃焼室を有するピストンにおい
て、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。
【００２２】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。
【００２３】更に、この燃焼室を有するピストンにおい
て、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したものである。
【００２４】或いは、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。
【００２５】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。
【００２６】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。
【００２７】
【実施例】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。図１はこの発
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。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、金属製ピストンヘッ
ド部２に形成したキャビティ４、該キャビティ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、該燃焼室ブロック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。
【００２８】また、この燃焼室を有するピストンにおい
て、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、該
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。
【００２９】この燃焼室を有するピストンは、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２１〜２２×１０- 6 ／℃であり、ニレジス
トは熱膨張率αが１７〜１８×１０- 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１
６は、断熱層５によって断熱されることになる。
【００３０】この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、次のような効果を有してい
る。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ＨＣ、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ＮＯX 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。
【００３１】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更に別の実施例を説明する。図
２はこの発明による燃焼室を有するピストンの更に別の
実施例を示す断面図である。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。
【００３２】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、該キ
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、該燃焼室ブロック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２
０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２
０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。
【００３３】この燃焼室を有するピストンにおいて、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１
７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２３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。
【００３４】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。
【００３５】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他の実施例を説明す
る。図３はこの発明による燃焼室を有するピストンの更
に別の実施例を示す概略図、及び図４は図３の符号Ａの
部分の拡大図である。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。
【００３６】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。
【００３７】この燃焼室を有するピストンにおいて、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。
【００３８】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、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２４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２
４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。
【００３９】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。
【００４０】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。
【００４１】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。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３
３とは強固に固定されている。
【００４２】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。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３４，３５，３６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３
６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３
６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３
４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。
【００４３】
【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、次のような効果を有す
る。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熱膨張金属材料から
成る燃焼室ブロックを配置し、該燃焼室ブロック外面と
前記キャビティ壁面との間に断熱層を形成し、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を設け、前記キ
ャビティと前記燃焼室ブロックとの間に形成した環状溝
に結合リングを塑性変形で嵌入したので、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、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。
【００４４】また、この燃焼室を有するピストンにおい
て、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。
【００４５】更に、この燃焼室を有するピストンにおい
て、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。
【００４６】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、該燃焼室ブロ
ック外面と前記キャビティ壁面との間に断熱層を形成
し、前記燃焼室ブロックに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リップ部で形成し、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、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。
【００４７】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。
【００４８】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。
【００４９】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。
【００５０】また、この燃焼室を有するピストンにおい
て、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】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２】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３】この発明による燃焼室を有するピストンの更に
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更に
他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 燃焼室ブロック ４ キャビティ ５ 断熱層 ６ 燃焼室開口部 ７ リップ部 ８ 結合リング ９ 環状溝 １１ 二次燃焼室 １６ ピストンスカート部 １７ リップ部 １８ 結合リング ２０ 燃焼室ブロック ２１，２２，２３ 部材 ２４ リップ部 ２５ 結合リング ２６ リップ外周部 ３２，３３ 部材 ３４，３５，３６ 部材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｆ 3/00 ３０２ Ａ 8503−3Ｇ Ｆ１６Ｊ 1/01 7366−3Ｊ

Claims (7)

    【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熱膨張金属材料か
    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した環状溝に塑性変
    形で嵌入した結合リングから構成した燃焼室を有するピ
    ストン。
  2. 【請求項２】 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
    れている請求項１に記載の燃焼室を有するピストン。
  3. 【請求項３】 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
    る結合リングから構成した燃焼室を有するピストン。
  4. 【請求項４】 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成る請求項３に記載の
    燃焼室を有するピストン。
  5. 【請求項５】 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
    る結合リングから構成した燃焼室を有するピストン。
  6. 【請求項６】 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請求
    項５に記載の燃焼室を有するピストン。
  7. 【請求項７】 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した請求項５
    に記載の燃焼室を有するピストン。
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