JPS5825553A - 断熱ピストンアセンブリ及びその製造方法 - 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】 本発明は内燃エンジンのための改良された断熱ピストン
アセンブリ及びその組立゛のための方法に関する。

内燃エンジンの製作にお村る最近の傾向は、はとんどま
たは全く冷却することなしに非常な高温・／ 高圧下で作動するエンジン全設計・製蛮する方向にある
。このようなエンジンを作る従来の方法では断熱性又は
耐熱性材料でエンジンをコーティングしていた。そのよ
うな方法を示すものとしては米国特許第１，４９０，８
４９号、第３，９１１，８９１号、第４，０１８，１９
４号及び第４，２４５，６１１弓等がある。これら従来
技術におけるピストンは、全スチール製や全アルミニウ
ム製のピストンより改善されたものであるが、使用され
る断熱材が高い引張応力によジ壊れやすいという窄ハを
有しているっ更に、上記米国特許第４，２４５，６１１
号に示されたようなセラミック製挿入キャップを用いる
ピストンはそれらの断熱容量に限界があり、また、通常
非対称的ストレスを少くし且つ分散するためにピストン
本体とキャップとの間にクッション層を設けることが必
要とされる。

本発明は斜上の点に鑑み、内燃エンジンに使用される断
熱ピストンアセンブリ及びその組立の方法の改良を行う
ものである。本発明に係るピストンは、一端近くの内周
の一部に形成されたらせんねじを有する円筒形スリーブ
を含む。このスリーブ内には、断熱コアがその一端面が
スリーブの頂部端と一致するように干渉ばめ（シ捷りば
め）される。コアの他端には半球状凹所が設けられてお
り、該凹所はスリーブによって完全に囲まれ且つらせん
ねじに隣接して位置決めされる。該凹所はコネクティン
グロッドの球状端部と一致する。球状端部の径は半球状
凹所の径よりわずかに小さく、該凹所内に入れられ、保
持リングによって所定位置に保持される。保持リングは
正確に形状付けされた内周面及びねじ骨外周面とを有し
ている。保持リングはスリーブ内にねじ込まれてコネク
ティングロッドの球状端部がコアの半球状凹所に設定さ
れ、エンジン作動の間に生じる応力がコアからコネクテ
ィングロッドの球状端部の大きな面積に伝達されるよう
にする。この応力の伝達は球状端部の全表面にわたって
本質的に対称となり、コアとコネクティングロッドとの
間の低いユニット接触圧力、従って低い面圧力のために
準備する。また、断熱コアは追加の支持手段を用いるこ
となくロッドと直接に接触ができるため、ピストンの高
さを大きくすることなしにより厚い断熱材を用いること
ができる。

この断熱ピストンアセンブリを組立てる方法では、先ず
スリーブ全加熱して膨張し、次いでコアを該スリーブに
挿入し、それからスリーブを室温に戻してコアをスリー
ブに対して干渉はめする。

コネクティングロッドの球状端部はそれからコアの半球
状Ｌ）所内に挿入される。そして、保持リング全コネク
ティングロッドのまわりに通しスリーブにねじ込む。

本発明の目的は、改良された断熱ピストンアセンブリ及
び該ピストンアセンブリをエンジン作動中に生じる応カ
バターンが対称的になるようにしてコネクティングロッ
ドに取り付ける方法を提供することを目的としている。

より具体的目的は、熱損失が少なく且つ改良されたエン
ジン効率で高い温度で作動する改良された断熱ピストン
アセンブリを提供することにある。

本発明の他の目的は、断熱ピストンの断熱部材に生じる
引張応力が小さくなる改良された断熱ピストンアセンブ
リを提供することにある。

更に他の目的は、現在市販のピストンより寿命の長い改
良された断熱ピストンアセンブリを提供することにある
。

更に別の目的は、製造コストが安く、組立の容易な改良
された断熱ピストンアセンブリを提供することにある。

以下、本発明を添付図面に示した実施例に基づき詳細に
説明する。

本発明に係る断熱ピストンアセンブリ１ｏは図示の如く
、ピストン１１と、コネクティングロッド１２と保持リ
ング１６とを有している。ピストン１１・は好ましくは
スチール製の円筒状スリーブ１４を有しており、該スリ
ーブにはその第１の端部１８近くの外周面に少くとも１
つのピストンリング溝１６が設けられている。第２端部
２ｏ近くの内面には取付手段２２が設けられている。該
取付手段２２ばらせんねじとして示されているが他の型
式のものでも良い。取付手段は保持リング１６をピスト
ン１１に取付、取外しするためのものである。断熱コア
２４がスリーブ２４内に干渉ばめされている。干渉ばめ
は、スリーブ１４の中心軸線のまわりで対称的な圧縮応
力をコア２４にかける。干渉ばめはまたスリーブ１４を
ピストンの正常な作動中にコアから外れないようにする
。

コア２４とスリーブ１４との間の干渉ばめの望ましい範
囲は、エンジン作動中にピストン１１に生じるガス圧に
よる引張応力がコア２４内の当初の圧縮応力以上になら
ないようなものにされる。このことは、コア２４に生じ
る引張応力を減らし実際上無くすために重要である。好
ましい干渉ばめを作る一つの方法では、スリーブ１４を
該スリーブの材料の溶融点の約６０％に加熱膨張し、該
スリーブをコア２４のまわりに嵌め、それから同スリー
ブを室温に戻す。結果として生じる干渉ばめはスリーブ
１４の降伏強度または耐力の約８０乃至１００％になる
。−好ましくはスリーブ１４の降伏点強度の９５係とさ
れる。

コア２４ば、比較的高い断熱値を持つセラミック、好ま
しくは高密度セラミックのような断熱又は耐熱材料で作
られる。使用できる断熱又は耐熱材料としては、ジルコ
ニア、シリコンニトライド、シリコンカーバイド及びそ
れらの混合物がある。

構造、熱、摩耗の特性を改良するために安定剤を加える
こともできる。安定剤の１つの例としては酸化マグネシ
ウムがある。

コア２４はスリーブ１４に、当該コア２４の第１の端部
がスリーブ１４の第１の端部にほぼ一致するように設定
される。これにより、ピストン１１（Ｄ頂ｇがエンジン
のシリンダヘッドの内面近くに動けるようになる。コア
２４の第１端部２６内には燃焼室２８が形成されている
。燃焼室２８は種々の形状とすることができるが、鋭い
隅部分を有しないようにする。それは一般的にセラミッ
ク材はそのような隅部分があるところで割れやすいから
である。他の燃焼室２８、例えばそれがシリンダヘッド
内に完全に配置されたもの、部分的に配置されたもの、
またコア２４内に部分的に配置されたもの等を用ること
かできる。これらは当業界で周知のものである。

コア２４の第２咋部６０は隣接したスリーブ１４内の取
付手段２２に隣接した位置にある。該第２端部は好１し
くは半球状でスリーブの第２端部に開口した凹所３２を
有している。該凹所ろ２内にはコネクティングロッド１
２の球状端部ろ４が収容されるようになっている。球状
端部は重量軽減のために内部が空所とされており、凹所
６２よりわずかに小さい径を有している。好ましくは、
１０１．６ミリ　（４インチ）直径のピストンに対して
０．０２５４ミリ乃至０．２５４ミリ　（０，００１乃
至０．０１０インチ）小さくされる。凹所６２と球状端
部３４との間のこのわずかの直径差は、一定量の動きや
すさを与えながら大きな接触面を与え、接面を通して力
の伝達ができるようにする。大部分のセラミック材は良
好な断熱特性を示し且つ太きな圧縮力に耐えることがで
きるが、引張力には非常に弱い。球状端部６４と半球状
凹所６２との上記の如き配置は、燃焼室２８内の燃焼ガ
スの燃焼によってピストン１１に生じるガス圧力の下で
コア２４を軸対称的応力状態に置く。ピストンアセンブ
リ１１に生じる最大の力はピストン１１がガス燃焼によ
って下方へ押し下げられるときでろる０この改良された
ピストンアセンブリー０ではコア２４上に発生した応力
を球状端部６４の全表面上に対称的に分散することによ
り、従来のセラミックピストンより長い寿命を得る。

コネクティングロッド１２０球状端部６４°は保持手段
１６によってピストン１１に接続される。

保持手段１６は環状のリングで、該リングには球） 状端部′５４の外表面にほぼ一致する正確に形状付けら
れた内面３６を有している中心開口３５が設けられてい
る。開口ろ５の最小径はコネクティングロッド１２のス
テムを囲むに十分に大きいが球状端部がそこを通ること
ができないようなものとされる。面６６の最大径は球状
端部３４の径よりわずかに大きく凹所３２の最大径に・
はぼ等しい。

この径の差は、半球状凹所３２と保持手段の面ろ６とに
よって形成された領域内での球状端部３４の制限された
動きを可能としている。保持手段の外周にはねじとして
示された取付手段６８が設けられておジ、該取付手段は
スリーブ１４上の取付手段２２と係合する。保持リング
１６にはそれが部分的に分けられてコネクティングロッ
ド１２のステムに嵌められるようにするためその外周面
に１つのスリットヲ設けることもできる。この保持手段
１６は吸入工程でピストンが下方へ動くときに、コネク
ティングロッド１２からスリーブ１４全通してコア２４
に力を伝達するように設計されている。この工程に間は
、低いシリンダ圧力のみが存在する。爆発工程において
は、爆発力がコアからコネクティングロッド１２に伝達
され、保持リング１６はほとんど力を受けない。同様に
、ピストンの両上昇工程においては保持リング１６はコ
ネクティングロッド１２とスリーブ１４との間でほとん
ど力の伝達は行わない。

断熱ピストンアセンブリ１０は、約−４０℃乃至１００
０℃のエンジン温度で約２５００ｐｓｉまでのエンジン
燃焼圧力において用いることができるＯ 断熱ピストン１１をコネクティングロッド１２に接続す
る１つの方法では、第１に断熱コア２４を図示のものと
逆にして（第１端部２６を下にして）平坦面の上に置き
、第２にスリーブ１４全当該スリーブの材料の溶融温度
の約６０％に加熱して膨張し第６に膨張したスリーブ１
４を逆にしてコア２４のまわりに置き該スリーブの第１
端部をコア２４の第１端部２６と一致させ、第４にスリ
ーブを室温に戻してコア２４とスリーブ１４とを干渉ば
めする。この干渉はめは、コアをブレストレス状態、す
なわちコア２４の中心軸線のまわりで軸対称的圧縮応力
が生じる状態にする。それから保持手段１ろをコネクテ
ィングロッド１２のまわりに配置してそのステムに沿っ
てコネクティングロッドの球状端部６４に向けて動かす
。必要に応じ、保持手段１ろにスリン）ｋ設け、該手段
を開いてコネクティングロッドのステムの囲ジに設足す
ることもできる。コアとスリーブとのアセンブリはそれ
からコネクティングロッド１２の球状端部ろ４上に、コ
ア２４の半球状凹所が球状端部を収容するようにして配
置される。それから保持手段１３が取付手段　（ねじ）
２２．３８によってスリーブ１４に取り付けられる。保
持手段１６はコア２４の第２端部に当接して締め付けら
れる。

以上、本発明の実施例につき述べたが、本発明はこれに
限定されるものではない０

【図面の簡単な説明】

添付図面は、本発明に係る改良された断熱ピストンアセ
ンブリの断面図である。 １０・・・・・・断熱ピストンアセンブリ；１１−−−
−　ｅ　ｙ、　）べ１２°°−°−＝ｙネ久ティ７グ穴
ツド；１６・・・保持手段；１４・・・・・・スリーブ
；２４・・・・・・コア；６２・・・・・・凹状部。 特許出願人　　ディー７・アンド・カンパニー（外２名
）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１スリーブと該スリーブ内に設定された断熱コアと
   から形成され、コアの第１の端部がスリーブの一端と同
   一平面に配置され、第２の端部が凹状部を有してなるピ
   ストンと； ピストンの上記凹状部四に収容される球状端部を有する
   コネクティングロッドと； コネクティングロッドの球状端部をピストンの上記凹状
   部内に保持するための保持手段と：を有する内燃エンジ
   ンのための改良された断熱ピストンアセンブリ。 （２）　　コアがスリーブ内にしまりばめされた特許請
   求の範囲第１項記載のピストンアセンブリ。 （３）　　上記しまりばめが、スリーブの降伏強度の約
   ８０乃至１００パーセｙ’トで行われる特許請求の範囲
   第２項記載のピストンアセンブリ。 （４）上記コアがしまりばめにより予応力がかけられて
   、上記スリーブの中心軸線の甘わＶ）ｔτおける軸対称
   応力を受けるよう（・てした特許請求の範囲第２項記載
   のピストンアセンブリ。 （５）上記コアを高密度セラミックで形Ｆ＆　した特許
   請求の範囲第１項記駅のピストンアセンブリ。 （６）上記スリーブが円筒形でその外周面に少くとも１
   つの円形溝？有し且つ円周面の一部にねじが形成されて
   おり、上記コアの凹状部が半球状凹所とされ、上記コネ
   クティングロッドの球状端部の径が上記半球状凹所の径
   よりわずかに小さくされ、上記保持手段が上記スリーブ
   内のねじと係合するねじ付き外周面及びコネクティング
   ロッドをピストンに取り付けるために上記球状端部の外
   周面と合う正確に形状付けられた内周面を持つ特許請求
   の範囲第１項乃至第５項のいずれかに′記載のピストン
   アセンブリ。 （７）一端に半球状凹所全有する断熱コア及びそれを囲
   むスリニブ？含むピストンと、ピストンに接続された球
   状端部を備えるコネクティングロッドとを含む断熱ぎス
   トンアセンブリの製清方法において、 半球状凹所を上に向けた逆さにしたコアを平坦な面上に
   置き、 スリーブを、当該スリーブを作っている材料の溶融点の
   約６０係の温度まで加熱して熱膨張させ； 加熱膨張したスリーブを逆さにして上記コアの捷わりに
   配置するようにして上記平坦な面上に置き； スリーブ全室温に戻して同スリーブをコアのまわりに干
   渉ばめして上記ピストンを作り；保持リングをコネクテ
   ィングロッドの１わりに配置し； コネクティングロッドの球状端部を上記半球状凹所に収
   容するように上記ピストン本体置し；保持リングをスリ
   ーブに接続して上記球状端部をコアと保持リングとの間
   ｒ（保持する工程；を含む断熱ピストンアセンブリ製造
   方法。 （８）上記し１りばめをスリーブの降伏強さの約８０乃
   至１００％の強さにした特許請求の範囲第７項記載の方
   法。 （９）上記し丑ジばめ全スリーブの降伏強きの約９５ｑ
   ６の強さとした特許請求の範囲第７珀記載の方法。