JPS6013955A - 内燃機関用ピストンおよびその製造方法 - 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】 本発明は内燃機関用ピストンおＪ、びその製造方法に係
り、とくに無機繊維集合体あるいは多孔質金属成形体に
よって少なくともトップリング溝を複合強化するととも
に、頂部側の内部に冷却用空洞を設けるようにしたピス
トンおよびその製造方法に関する。

内燃機関を高出力化すると、ピストンの温度が上昇し、
リングの膠着やピストンの破損、あるいは焼付が発生ず
る。そこでピストンの頂部の内側に冷却用空洞を形成し
、この空洞に冷却油を通して冷却を行なうようにしたピ
ストンが使用に供されるようになっている。また内燃機
関から成る■ンジンの高出力化に伴ない、トップリング
溝の摩耗も増大し、ビスｊ・ンの寿命が短縮されること
になる。そこで特殊鋳鉄、例えばニレジスト製の耐ｆＦ
Ｊ、環をトップリング溝の部分に鋳込むようにしたピス
トンが広く使われるようになっている。さらにこの耐摩
環と上記の冷１９用空洞とをともに有するピストンも広
く実用化されている。

しかしながら耐摩環を備えるとともに、冷却用空洞が形
成されたピストンにおいては、両者間の距離を一定の値
以上にしないと、鋳造時に湯のまわりが悪くなり、また
冷却用空洞と頂部の燃焼室との間の距離を一定の値以上
にしないと、冷却用空洞の部分にかかる応力が高くなり
、ピストンが破損する可能性が生ずる。そこで耐摩環と
冷却用空洞との間の距離および冷却用空洞と燃焼室の間
の距離とをそれぞれ所定の値以上にすると、頂部の燃焼
室の大きざが制約され、エンジンが十分な性能を発揮す
るために必要な大きさが得られなくなり、また燃焼室の
偏心の量が制限されることになる。従って従来の耐摩環
と冷却用空洞とを備えたピストンは、エンジンの性能に
必要な燃焼室を自由に設計することができないという不
都合があった。

またピストンの外周部のトップリング溝の位置を高くす
れば、トップランドの外周部とシリンダライナとの間に
形成される空間のデッドポリコームを小さくすることが
可能となり、これによって燃費を低減することができ、
また排気ガス対策の上で効果的である。しかしトップリ
ング溝を上方に位置させると、トップリング溝の部分の
温度が上昇する。そこでこの部分の温度を低くするため
に、冷却用空洞をピストンの頂部側に設（づ、トップリ
ング溝の近傍の温度を下げるようにする試みがなされて
いる。しかし鉄とアルミニウム合金との冶金学的な結合
、すなわちアルフィン結合されている耐摩環とピストン
本体との結合層が強くないために、トップリング溝の位
置を高くすることによって耐摩環に生ずる高い熱的およ
び機械的負荷により、アルフィン結合が破壊され易くな
る。

そしてこれに伴なってピストンの焼付や、あるいはラン
ド欠損のような問題が発生し、このためにトップリング
溝の位置を上げることは実用上困難であるとされている
。

一方ピストンの頂部には局部的な熱負荷が加わり、とく
に直接噴銅型エンジンのピストンにおいては、その頂部
の燃焼室のエッチの部分に高い負荷が加わり、このエッ
チの部分に亀裂が発生ずる問題がある。このような亀裂
は、冷」用空洞をピストンの頂部にＲＱ　ｃｌでピスト
ンの温度を下げても、十分に解決されない。

ところでピストンを局部的に無機繊組集合体あるいは多
孔質金属成形体で強化する方法は既に公知である。この
ような対策によれば、ピストンを部分的に補強して上記
の耐摩環に関する不具合を解消し、あるいはリング溝の
摩耗を減少させ、またピストンの頂部を強化することが
可能である。

しかしこの複合強化に利用される加圧鋳造法により、冷
１９用空洞をも有するピストンを従来の方法で製造しよ
うどすると、次のような種々の製造上の問題が生じ、こ
のために実用化されていないのが現状である。

すなわち可溶性の中子により冷去１用空洞をピストンの
頂部に形成しようとすれば、上記の中子を鋳型内の空間
の所定の位置に保持しなければイ＾らない。この保持の
方法は２通りある。第１の方法は中子を成形するとぎに
ビンを中子に埋込み、ピストンを鋳造するためのパンチ
型の穴にこのビンを差込む方法である。第２の方法はパ
ンチ型にビンを予め固定しておき、中子に穴を開けてこ
の穴の中へ上記のビンを差込み固定ターる方法である。

しかしながら加圧鋳造にこのような方法を採用すると、
第１の方法を用いた場合にはパンチ型の穴に溶湯が侵入
し、ビンが入難くなる欠点を生ずる。これに対して第２
の方法によれば、中子に穴を開ける際に中子が割れたり
、あるいはビンに溶湯が密着した状態で凝固するために
、溶湯が凝固した後にこのビンを引テ［＜なり、ビンの
損傷が多くなる。さらには無機繊維集合体あるいは多孔
質金属成形体を金型にセットし、さらにこの後に中子を
セットしなければならないために、これらに時間がかか
つて金型の温度が降下し、湯まわりが悲くなる等の不都
合を生ずることになる。

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、燃焼室の大きさおよび偏心量をエンジンの性能に対
応して自由に設計することができ、トップリング渦が効
宋的に冷却され、しかも冷却用空洞を形成するための中
子が確実かつ容易に保持されるようにした内燃機関用ピ
ストンおよびその製造方法を提供することを目的とする
ものである。

とくに本発明に係るピストンの製造方法の著しい特徴は
、無機繊維集合体あるいは多孔質金属成形体と可溶性中
子とを互に連結した状態で鋳型にセットし、加圧鋳造あ
るいは重力鋳造を行なうことによって、部分的に複合強
化されしかも冷却用空洞が形成されたピストンを容易に
製造することができることにある。さらに本発明によれ
ば、耐摩環を構成する補強材を備え、冷却用空洞の形成
されたピストンにおける諸問題を解決できる優れた方法
を提供するものである。

本発明の方法の要旨は次の通りである。すなわちまずピ
ストンを補強するのに適切な無機繊維あるいは多孔質金
属を選定し、これらを補強個所に応じた形状に成形する
。この成形の際に上記冷去１１用空洞を形成するために
可溶性中子を保持する保持部を形成するようにする。無
機繊維集合体あるいは多孔質金属成形体と可溶性中子と
はそれぞれ別々に製造され、両者は接着剤によって連結
されるか、ワイヤ、繊維等の結束手段により結束され、
あるいは中子を繊維集合体または金属成形体に係合させ
、これによって中子を補強材に固定する。

そしてこの後に中子を保持した無ＢＩ　ＩＩ　ｉｆｆ集
合体あるいは多孔質金属成形体を鋳型内にセットして固
定した後に、ピストンを構成する金属の溶湯を注入し、
加圧鋳造あるいは重力鋳造を行なうものである。

無機ｍ紐束合体あるいは多孔質金属成形体は、その製造
の際に可溶性中子を保持できるような強度が得られるよ
うに、また適切な複合材が製造できるように、複合材中
の成形体の体積率はほぼつぎのような範囲に設定される
ことが好ましい。

セラミック短繊維・・・・　３〜２５％セラミックウィ
スカ・・・１２〜２５％セラミック長繊維・・・・４０
〜８０％多孔質金１ぶ体・・・・・・　２〜４０％金属
繊組金属体・・・・・１５〜５５％これらの集合体ある
い成形体に適当するそれぞれの最少の体積率の値は、集
合体あるいは成形体自身が形を保持し得られ、かつ溶湯
の圧力に耐えるとともに、中子と組合せることのできる
剛性を持つこと等の要因により決定される。またそれぞ
れの集合体あるいは成形体の最大の体積率の値は、溶湯
が容易に成形体の空隙に浸透できること、およびピスト
ンの切削仕上げが行なえること等により決定されること
になる。

本発明ににるピストンによれば、リング溝を保護する複
合体に密着するように隣接して冷却用空洞が形成される
ために、従来のニレジスト鋳鉄の耐摩環の場合に必要と
されていた耐摩環と冷却用空洞との間の距離が必要なく
なる。従って燃焼室の直径を大きくすることができ、ま
たその偏心量をも大きくすることが可能となり、設計の
自由葭が非常に大きくなる。また冷却用空洞はトップリ
ング溝の温度を低下する目的で設けられることになるが
、本発明によればこの空洞が１へツブリング溝に極めて
近くなるために、トップリング）１１７の冷却が非常に
効果的に行なわれることになる。

さらに補強用の複合体の中にアルミニウム合金等の金属
が完全に浸透するために、ピストン本体と複合部との密
着が非常に良好になって、ニレジスト製の耐摩環のよう
に応力が高いときに生ずる境界部の剥離の心配がなくな
る。ざらにトップリング溝のみならず燃焼室のエッチを
も複合材によって複合強化することにより、亀裂が発生
【ノ易い燃焼室のエッチの部分を複合することが可能と
なり、冷却用空洞によりピストンのトップリング渦の温
度を下げるとともに、燃焼室のエッチの亀裂対策をも同
時に行なうことが可能となる。

以下本発明を実施例につぎ説明する。

実施例１ ピストン・のトップリング溝を保護するための無機繊維
集合体１を第１図に示すように形成した。

なおここでは、アルミナ（Ａｊ２２０３＞９５％、二酸
化珪素（ＳｉＯｚ）５％から成る結晶化セラミック短繊
維が用いられており、その繊維の直径は２〜４μである
。そしてこのｍ維を珪酸系の無機バインダで結合して成
形し、その体積率は約１０％となるようにした。ここで
無機ｕ＆維集合体１の上面には第１図に示ずように四部
から成る保持部２を形成している。

この無機繊維集合体１とは別に、食塩をプレスして焼結
した可溶性中子３を上記保持部２に保持させるとともに
、この中子３を無機バインダによって繊維集合体１と結
合するようにした。このような結合体を第３図に示すＪ
：うに上下逆様にして、底部が下型４によって閉塞され
た金型５の段部６にセラｌ−した。そしてこの金型５内
にアルミニウム合金の溶湯７を注入し、パンチ型８によ
って１０、　ＯＯｋｇ　／　ｃｄの圧力を加えてピスト
ンを加圧鋳造した。そしてこのピストンに第４図に示す
ように、そのボス側にドリル穴９を形成し、この穴９を
通して水を供給して可溶性中子３を溶解し、冷却用空洞
１０を形成した。さらにこのピストンの外周面であって
、上記繊維集合体１によって強化された部分を切削加工
してトップリング溝１１を形成した。なおこのピストン
の頂部には必要に応じて燃焼室１２が形成された。

このような第４図に示すピストンによれば、その冷却用
空洞１０がトップリング溝１１を補強する無機繊維集合
体１に隣接して形成されるようになっているために、ト
ップリング溝１１と空洞１０との間の距離が非常に短く
なり、これに伴なって燃焼室１２の直径を大きくしたり
、あるいはその偏心曾を大きく設定することができ、設
泪の自由度が非常に大ぎくなる。さらにこのようなピス
トンは、その近傍に設けられた冷却用空洞１０を通過す
るオイルによってトップリング溝１１が効果的に冷却さ
れることになり、このためにリング　′溝１１の保護が
より確実に行なわれる。しがもこのリング溝１１を補強
している無機繊維集合体１の空隙内にはアルミニウム合
金が充填されているために、この集合体１がピストン本
体から分離されることがなく、両者が極めて大きな結合
強度で結合されることになる。

さらにこのようなピストンを製造する場合において、可
溶性中子３が上述の如く無機繊維集合体１にバインダを
介して保持されているために、この中子３をビンを用い
てパンチ型８と結合する必要がなく、このためにパンチ
型８に穴を設ける必要がなくなる。従ってこの穴の中へ
アルミニウム合金の溶湯が入ることがなくなる。あるい
はまた中子３にドリルで穴を開けてビンを挿入する必要
かなくなるために、中子３が割れる心配もない。

また中子３をＩＢＭ集合体１と別々に金型５内にセラ１
〜する必要がないために、準備の時間が短くなって金型
５の温度低下を防止することができる。

従って湯まわりが良好になるという効果をもたらす。

実施例２ 第５図に示すような多孔質金属成形体１３を形成した。

この金属成形体１３はニッケル１５％、銅５％、鉄８０
％の焼結体から構成されており、その気孔率は８０％に
なっている。そしてこの成形体１３の上面の内周側には
、四部から成る保持部２が形成されるとともに、さらに
燃焼室のエッチの部分を保護するための補強リング１５
をアーム１４を介して金属焼結体によって一体に形成し
た。そしてこの成形体１３の凹部２に可溶性中子３を配
するとともに、この中子３を直径が０．５關のステンレ
スワイヤ１６によって成形体１３に連結した。

このような中子３を保持した金属成形体１３を上記第１
の実施例と同様の金型内に配し、第７図に示すようなピ
ストンを鋳造した。この場合においても上記中子３をド
リル穴９を通して供給される水によって溶解することに
より、冷入り用空洞１０を形成するとともに、成形体１
３の鋳込まれた部分を切削加工してトップリング溝１１
を形成するようにした。このようなピストンにおいても
、冷却用空洞１０がトップリング溝１１を補強する成形
体１３に隣接して形成されており、従って上。

記第１の実施例と同様の作用効果が得られることは明ら
かである。さらにこの実施例においては、成形体１３に
一体に連設された補強リング１５によって、燃焼室１２
のエッチの部分が補強されるために、このエッチに高い
熱負荷が加わっても亀裂を防止゛することが可能となる
。

実施例３ 第８図に示すようなアルミナ繊維から成る無機繊維集合
体１を形成した。この成形体１の上面には上記実施例と
同様に保持部２を形成している。

そしてこの集合体２とは別に、リング状をなす補強リン
グ１５を形成した。なおこの補強リング１５は炭化珪素
のウィスカから構成されている。そして繊維集合体１と
補強リング１５とをバインダによって結合するとともに
、第８図および第９図に示すように集合体１の上面に形
成された保持部２に中子３を載置した。なおここで中子
３は、無機バインダによって無機繊維集合体１に結合さ
れている。第１０図はこのような無機繊維集合体１と補
強リング１５とによって複合されたピストンを示すもの
であって、中子３を溶かすことによって冷却用空洞１０
が形成されるとともに、無敗繊維集合体１によって補強
された部分を切削することにより、トップリング溝１１
が形成されている。

この実施例の特徴は、耐摩耗性が要求される１〜ツブリ
ング溝１１の部分と、そして耐熱亀裂士１１が要求され
る燃焼室１２の補強リング１５とをそれぞれ別の材料に
よって形成するようにしているために、両者にそれぞれ
最も好ましい材料を利用することができ、トップリング
溝１１と燃焼室１２の補強とをそれぞれ効果的に行２ｆ
うことが可能となる。さらにトップリング溝１１はその
近傍に形成された冷却用空洞１０によって効果的に冷却
されることになる。

実施例４ 無機繊維集合体によってリング状をなす補強材を用意し
、この無機繊維集合体のみを金型内に設置し、アルミニ
ウム合金の溶湯を注入して加圧下において、上記無機繊
維集合体の空隙内にアルミニウム合金を注入した。そし
てこのように予めアルミニウム合金と複合化された無機
繊維集合体に可溶性の中子を保持させた状態で金型内に
設置し、この金型内にアルミニウム合金を注入して重力
鋳造によりピストンを製造するようにした。そしてこの
ピストンの上記無機繊維集合体によって強化されている
部分を切削加工してトップリング溝を形成した。このピ
ストンにおいてもトップリング溝の近傍に、上記可溶性
の中子によって冷却用の空洞が形成された。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の実施例に係る無機繊維集合体の縦断面図
、第２図は可溶性中子を保持した無機繊維集合体の縦′
断面図、第３図はこの無機繊維集合体によって補強され
たピストンを製造する金型の縦断面図、第４図はこの金
型で鋳造されたピストンの縦断面図、第５図は第２の実
ｍｂ例に係る多孔質金属成形体の縦断面図、第６図は中
子を保持した金属成形体の縦断面図、第７図はこの成形
体によって強化されたピストンの縦断面図、第８図は第
３の実施例に係る無機繊維集合体の縦断面図、第９図は
同斜視図、第１０図はこの無機繊維集合体によって強化
されたピストンの縦断面図である。 なお図面に用いた符号において、 １・・・無機繊維集合体 ２・・・保持部（凹部） ３・・・可溶性中子 １０・・・冷却用空洞 １１・・・トップリング溝 １２・・・燃焼室 １３・・・多孔質金属成形体 で必る。 代理人　松　村　修 −Ｎ　Ｃつ 法　法　法 区 ＼ｊ 瞭 ｔＯａＤ 像　法

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、無機ｇｉＮ集合体あるいは多孔質金属成形体によっ
   て少なくともトップリング溝を複合強化するとともに、
   頂部側の内部に冷却用空洞を設けるようにしたピストン
   において、前記冷却用空洞が前記無機繊維集合体あるい
   は前記多孔質金属成形体に隣接して形成されていること
   を特徴とする内燃機関用ピストン。 ２、無機繊維集合体あるいは多孔質金属成形体によって
   少なくども１〜ツブリング溝を複合強化するとともに、
   頂部側の内部に冷厨用空洞を設けるようにしたピストン
   の製造方法において、前記冷却用空洞を形成するための
   可溶性中子を前記無機！Ｉｌｉ紺集合体あるいは多孔質
   金属成形体に保持させた状態で鋳造するようにしたこと
   を特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法。 ３、前記鋳造が加圧下で行なわれるようにしたことを特
   徴とする特許請求の範囲第２項に記載の内燃機関用ピス
   トンの製造方法。 ４、前記無機繊維集合体あるいは多孔質金属成形体の気
   孔部に予め溶融金属を充填固化し、この状態で可溶性中
   子を保持させて重力鋳造により製造するようにしたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の内燃機関用
   ビスＩ・ンの製造方法。