JPS6025621B2 - 内燃機関用ピストン - Google Patents

内燃機関用ピストン

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JPS6025621B2
JPS6025621B2 JP52036915A JP3691577A JPS6025621B2 JP S6025621 B2 JPS6025621 B2 JP S6025621B2 JP 52036915 A JP52036915 A JP 52036915A JP 3691577 A JP3691577 A JP 3691577A JP S6025621 B2 JPS6025621 B2 JP S6025621B2
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rim
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combustion engine
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ステイヴン・ジヨン・ダン
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、内燃エンジン用ピストンに関し、特にその
燃焼室に関するものである。
内燃エンジン特にディーゼルエンジンで使用するピスト
ンは、熱サイクルとガス圧およびガス流の組合せめにさ
らされ、燃焼室が通常はアルミニウムーシリコン合金製
であるピストンのクラウン内に形成される場合には、苛
酷な条件の下では燃焼室の口部付近の合金にクラックが
発出することが判明している。
燃焼室の口部のまわりに銅または銅合金インサートを配
置することによってこのようなクラツク発生を防止する
ことが提案されており、このインサートはリップまたは
くびれを形成するような形状を持つ。上誌インサ−トは
、そのまれりにピストンの合金と鋳込むことによって、
そこに埋め込まれ、機械的にキー止めされ、ピストンの
クラウンの中に固着される。
インサートはまた、ピストンの周縁に配慮され、トップ
ピストンリングを受け入れる溝が形成された環状部材と
一体的に形成することも知られている。これらのインサ
ートと環状部材とは、ピストンの回りで角度的に離間さ
れた点で短い脚によって結合される。これら公知のピス
トンにおけるインサートは、正常な動作条件に比較的短
い期間さらされても、緩みが生じることが知られている
。
本発明は、上述したような公知のピストンにおけるイン
サートの緩みは、インサートが埋め込まれているピスト
ン材の熱的膨張の影響とクＩＪープとによるものである
という事実の認識に基づいてなされた。
ピストンのクラウンに印加される動作力、慣性の影響、
および熱的周期の影響はすべてインサートとピストン合
金との界面に応力を生じ、この応力がインサートが埋め
込まれている合金のクリープ力を越えると、合金は降状
し、インサートと合金の間に空隙が生じて緩みが発生す
るのである。しかしながらクラウンのところで２５０Ｚ
℃乃至３５０００あるピストン本体内の温度は、クラウ
ンから下の方に下がるに従って漸減し、それに対応して
ピストン合金にクリープ力が増加する。されにまた、よ
り低い温度ではインサートとピストン合金との間により
低温熱膨張差を生じる。従って本発明の目的は、公知の
ピストンにおいて経験されたようなインサートの緩みを
避けるために、クラウンはら離れて温度が十分に低いピ
ストン本体の一部にインサートをアンカーした内燃機関
用ピストンを提供するである。本発明による内燃機関用
ピストンは、第一の金属ででき、ピンボスを有し、該ピ
ンボスの上方で圧力リングを収容するよう一つあるいは
複数個の溝が外周に形成されたピストンボディと、該ピ
ストンボディのクラウン内に形成された燃焼室と、第二
の金属ででき燃焼室のりップ部分を形成するインサート
および該インサートに固定されそこからピストンボディ
内へ延じる少なくとも一つの部村を有するアンカー装置
とを具備した内燃機関のピストンであって、上記少くと
も一つの部村が自由端を持ち、該自由端を前記圧力リン
グ溝より下方でピストンボディの部分に軸方向い固着し
たことを特徴とする。
好ましくは、上記アンカー装置はインサートに取付けら
れまたはそれと一体的に形成された脚または他の付加物
を具備し、好ましい構造は、第三の金属ででき、一端が
通常の方法でインサートに固定され、かつアンカーを遂
行する自由端を有するリムを配置することである。
リムの自由端をアンカーする好適な方法は第一の金属と
リム間または第一の金属とリムに取付けられた適当な形
状の部品との間に金属結合を形成することがあるが、あ
る条件では純粋に機械的なキー効果が適切なこともある
。
この発明の一特徴に従って、一端がインサートに固着か
れたリムの自由端には、ピストン ボディ内に機械的キ
ー効果を与えるのに適応した外部形状を有する部分が設
けられ、前記形状を有する部分とピストン材料との間に
金属結合効果が得れらる。前記形状を有する部分はリム
の拡大部分でありうるが、好適には波形の断面形状を有
する周辺リブを備えたカラーであり、カラーはリムの自
由端に固着される。
カラーはインサートまたはリムの金属と異なった金属か
ら作りうるが、第一の金属と金属結合を形成しうるもの
であるべきであり、または適当な結合金属または結合剤
で被覆されたときに金属結合を形成しうるものであるべ
きである。ピストンボディを構成する第一の金属とリム
またはカラーを構成する金属との間の界面にギャップを
生じないようにすることが重要である。リムはピストン
スカートの曲線に適応した種々の形状たとえば円弧状
にすることができ、円筒形よりは平板状のものが好まし
い。外形は波形以外のものでもよい。良好な結合を与え
るための好適な方法は、少なくとも結合と必要とするリ
ムまたはカラーの部分を、第一の金属とリムまたはカラ
ーの金属とに適応した結合金属で被覆し、インサートが
配置される鋳型内に第一の金属を鋳込む作業時に結合を
達成することである。
この発明は、クラウン内に燃焼室が形成され、その口部
にリップが設けられるディーゼルエンジンのピストンに
応用するのに特に適している。
このようなピストンは通常アルミニウムーシリコン合金
鋳物であり、機械的結合により銅合金のインサートを組
込むことは、クラウンの区域で発生むる高い応力および
温度における熱膨張効果およびアルミニウムーシリコン
合金のクリープによてインサートがゆるむために、不満
足であるこが見出されている。さらに、銅合金インサー
トとアルミニウム合金ピストン間に直接の金属結合を形
成しようとする場合には、長期間に望ましくない拡散効
果を生じ、結合が形成されるピストンの区域が高温度た
とえば３００ｑｏに加熱される場には、結合の著しく弱
化が起こる。リムの材料は交番する引張荷重と圧縮荷重
に耐え、引競降状または圧縮座屈を生じえないものでな
ければならない。
また、リムはリップの望ましくない上下移動を生ずる程
度に弾性的に伸びまたは縮むものであってはならない。
リムは支柱として機能するが、円柱形状である必要はな
く、有効な支柱となるように成形または折り重ねられた
シートでよく、たとえば、ピストンを部分的に包囲しか
つ鋳造時にアルミニウム合金の流れを容易にする関口に
備えたスリ−プである。この発明に従って構成されるデ
ィーゼルエンジンピストンにおいては、リップを形成す
るインサートは好適には高熱伝導性合金、たとえば、０
．５％ベリリウムと２．５％コバルトを含む銅合金また
は２％ニッケルを含む銅合金または８％アルミニウムを
含む銅合金であり、このような合金は周知である。
リムおよびカラーは好適には同一材料、たとえば、３％
炭素、１４％ニッケル、７％鋼および３％コバルトを含
む鋳鉄−ＮＩＲＥＳＩＳＴ（登録商標）として市販され
ているもの−から作られ、あるいはこれらの部品はオー
ステナント鋼たてえばステンレス鋼などから作ることも
できる。このような材料は、熱膨２張特性が適合してい
るからアルミニウムーシリコン合金に結合するのに適し
てり、もちろん、ピストン合金よりかなり高い融点を有
する。リムとカラーは環状インサートと一体にすること
ができ、たとえば、ワンピースとして鋳造され、したが
ってインサートと同一材料で作ることができる。作動温
度におけるピストンボディ内の温度勾配は周知であり、
特定温度を有する区域は当業者が正確に決定しうる。
さらにピストンの耐用寿命に関して有意量のアルミニウ
ムーシリコン合金のクリ−プが起こる温度は、合金のク
リープ特性の知識から決定することができ、一般に、ピ
ストン合金の場合には約１５０ｑｏである。ニッケル鋳
鉄またはステンレス鋼とピストン合金の界面に使用する
好適な結合材料は、″Ｎｆｉｎ″法（商標）で使用され
るようなアルミニウムーシリコン合金、亜鉛およびニッ
ケルである。
これらの金属は電着法またはスプレィ法によって施すこ
とができ、亜鉛とアルミニウム合金はまた、周知の浸薄
亜鉛めつき法および″母ｆｉｎ″結合法により、部品と
溶融金属に浸潰することによって施すこともできる。銅
合金に使用されるニッケルと亜鉛は、ピストンの鋳造時
に接合される表面の界面層内へ高温拡散することによっ
て結合と形成し、望ましくない金属間化合物または他の
金属相を最初にまたは使用温度に長期間されされる結果
として形成するようなことはない。好適には、リム、カ
ラーおよびインサートは、金属結合の形成のためにカラ
ー上にのみ亜鉛被覆を有する１種の材料から作られる。
被覆工程時にリムのアンカー部分と結合金属との間に金
属結合を生成するこが有利であり、これは溶融被覆金属
中に所定時間浸糟することによつ０て達成できる。
沈着被膜たとえばプラズマスプレィ被膜の熱処理もまた
この目的に利用されうる。したがって、この発明は、下
記の工程からなる、燃焼室の少なくとも一部分が金属イ
ンサートであるようにして構成された燃焼室を有するピ
ストンを製造する方法を提供するものである。すなわち
、前述したようなアンカー部分を有するリムを備えたイ
ンサートを設けてインサートアセンブリを形成し、少な
くともアンカー部分を結合金属で被覆し、インサートア
セブリンをピストンボディ鋳型に導入し、鋳型内にイン
サートアセブリンのまわりに金属を鋳込み、結合金属を
銭込金属内へ拡散させることによってリムのアンカー部
分間に金属結合を形成する。この方法の変法においては
、被覆インサートアセプリンは鋳造作業の代りｌこ鍛造
作業によってピストン内に導入される。
つぎに第１図を参照してこの発明の一実施態様を記載す
る。
アルミニウム−シリコン製ピストンボディ１は公知のよ
うピンボスと、その上方で圧力リングを収容する一つ乃
至数個のりング簿を有するとともにクラン２内に形成さ
れた燃焼室３を有し、その関端のまわりにはリップ４が
配置され、凹状輪郭を形成している。リップ４は０．５
％ベリリウムと２．５％コバルトを含む銅合金の環状イ
ンサート５で構成され、インサートはアルミニウムーシ
リコン合金に当援する後面６を有する。後面６には通常
の接合法たとえばろう付けにより３％炭素、１４％ニッ
ケル、７％鋼および３％コバルトを含むニッケル鋳鉄か
らなる３個の対称的に離間したりリム７が固着され、リ
ム７にはヘッド９により同一材料のカラー８が固着され
ている。カラー８の周辺にはなめらかなリプが付けられ
、ピストン合金の鋳造時にその表面上に金属が一様に流
れかつ結合用ならびに機械的キー結合用の延長表面を与
えるようになっている。図示の種類のピストンにおいて
は、クラウン２の使用温度はほぼ３５０午○であり、温
度分布は既知のように、ピストンリング溝の区域におい
て温度がほぼ２３０００であり、カラー８が配置されて
いる区域において温度が約１５０℃である。
合金クリープ特性から、使用アルミニウムーシリコン合
金のクリープ特性は１５０午○では無視できることが知
られている。カラー８の位置は設計段階においてピスト
ンの断面上に温度ををプロットすることによって決定さ
れる。インサート５は、最初はディスク状のものであり
、ピストンボディ１を通常の方法で鋳型に銭込す前にリ
ム７およびカラー８の接合される。
カラー８は通常の電解液中で電着によって亜鉛で被覆さ
れ、インサート５とリム７のアセンブリが加熱状態真で
ピストンボディ鋳型内の適正位置に置かれる。溶融アル
ミニウムーシリコン合金が鋳型に鋳込まれてリム７と後
面６を包囲する。溶融した、ついで凝固した熱い銭込金
属と接触している間に、カラー８は亜鉛がアルミニウム
ーシリコン合金とニッケル鋳鉄の表面層内へ拡散するこ
とによって金属結合を形成する。空隙３とりップは後で
機械加工によって形成される。分離したカラー８の代り
に、リム７と一体の拡大部分１０をインサート５のねじ
付ボス１５と係合するねじ付シャンク１４と共に使用す
ることもできる。
リムおよびアンカー部分の別形実施態様が第２，３，４
図に示されている。
第２図において、リム７はインサート５と一体であり、
スペード端１１の形態の一体アンカー部分で終わり、ス
ペード端はピストンボディに機械的にキー結合するため
に波形端緑および組表面１２を備えている。第３図に示
す形態においては、リム７とスペード端１３は同様に一
体に形成されているが、リム７の上端にねじ付シャンク
１４で終わり、このシャンクはインサート５の内ねじ付
ボス１５と係合している。第４図に示す構成は、第３図
に示すねじ結合、すなわち、シヤンク１４とボス１５の
係合を含むが、スペード端１６に接合部１７において溶
接またはろう付けによりリム７に取付れている。
第２図においては、インサート、リムおよびスペード端
は同一材料から作られ、第３図においては、インサート
とリムおよびそれと一体のスペード端は同一材料または
２種の異なった材料から作ることができ、第４図におい
ては、同一または２種または３種の材料を使用すること
ができる。さらに、シヤンク１４とねじ付ボス１５は別
の固定方法によって置換することができる。第５図に示
すように、リム７の端部分は、ピストンの材料との機械
的キー結合を改良するために設計された多種類の形態で
作ることができる。
端部分２０は多孔を有するディスクであり、側面図２１
として示されている。平板状の端部分２２は波状である
。別の形態２３は多孔と粗区域を有する平板部分である
。らせん形状２４を使用することもできる。２種の形態
のフック２５，２６アップセット部分２７および二また
の部分２９は他の可館性である。
スプーンまたは半スプーン形状２８はショルダ３１とシ
ャンク３２と有する部材３０を与えるように変更するこ
とができ、シャンク３２はインサート５の一部に形成す
るラグ３４のタ開□内に配置することができ、シャソク
３２の突出部分はリベットヘッド３３に形成することが
できる。
【図面の簡単な説明】
第１図にこの発明に係るピストンの軸と平行な０垂直平
面による断面図である。 第２，３，４，５図はピストンボディ内にインサートを
アンカーするための端部分の種々の形態を示す。１……
ピストンボデイ、２……クラウン、３…・・・燃焼室、
４・・・・・・リップ、４・・・・・・インサート、６
５……後面、７……リム、８……カラー、９……ヘッド
、１０・・・・・・拡大部分、１１・・・・・・スベー
ト端、１３……スベート端、１６……スベート端、１２
・…・・粗表面、１４・・・・・・シャンク、１５・・
．・・・ボス・２０〜２９・・…・アンカー部分形状。 Ｆ′Ｇ７ ＦソＧ・２ （ソＧ・３ Ｆ′Ｇ．々 Ｆ′６．５

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 第一の金属ででき、ピンボスを有し、該ピンボスの
    上方で圧力シリングを収容するよう１つあるいは複数個
    の溝が外周に形成されたピストンボデイと、該ピストン
    ボデイのクラウン内に形成された燃焼室と、第二の金属
    ででき燃焼室のリツプ部分を形成するインサートおよじ
    該インサートに固定されそこからピストンボデイ内へ延
    びる少なくとも１つの部材を有するアンカー装置とを具
    備した内燃機関のピストンにおいて、上記少なくとも一
    つの部材７は自由端を持ち、該自由端を前記圧力リンダ
    溝より下方でピストンボデイ１の部分に軸方向に固着し
    たことを特徴とする内燃機関用ピストン。 ２ 特許請求の範囲第１項の記載において、前記一つの
    部材７は前記ピンボスの穴の頂部よりも下方で前記ピス
    トンボデイ１の部分に軸方向に固着したことを特徴とす
    る内燃機関用ピストン。 ３ 特許請求の範囲第２項の記載において、前記アンカ
    ー装置が、環状の前記インサート５に取付けられ、また
    はそれと一体の少なくとも一つの部材であるリム７から
    なることを特徴とする内燃機関用ピストン。 ４ 特許請求の範囲第３項の記載において、前記リム７
    は第三の金属でできており、一端で前記環状インサート
    ５に固着されているこを特徴とする内燃機関用ピストン
    。 ５ 特許請求の範囲第１項から第４項記載での何れか１
    つの項の記載において、前記少なくとも一つの部材であ
    るリム７が、前記第一の金属と該リムとの間の金属結合
    によつてアンカーされた自由端を具備していることを特
    徴とする内燃機関用ピストン。 ６ 特許請求の範囲第５項の記載において、前記リム７
    の自由端が、前記第一の金属と該リムに取付けられた適
    当な形状の部品１１，１３，１６との間の金属結合によ
    つてアンカーされていることを特徴とする内燃機関用ピ
    ストン。 ７ 特許請求の範囲第１項から第６項までの何れか１つ
    の項の記載において、前記前記少なくとも一つの部材で
    あるリム７が、その自由端に、ピストンボデイ内に機械
    的キー結合を与えることができる外形を有する部分２０
    ，２９を有していることを特徴とする内燃機関用ピスト
    ン。 ８ 特許請求の範囲第７項の記載において、前記金属結
    合が前記外形の有する部分の表面と前記第一の金属との
    間に達成されていることを特徴とする内燃機関用ピスト
    ン。 ９ 特許請求の範囲第７項の記載において、前記外形を
    有する部分が前記リム７の拡大部分１０であることを特
    徴とする内燃機関用ピストン。 １０ 特許請求の範囲第７項の記載において、前記外形
    を有する部分が周辺リブを有するカラー８であることを
    特徴ととする内燃機関用ピストン。 １１ 特許請求の範囲第１０項の記載において、前記カ
    ラーが、環状インサート５またはリム７の金属とは異な
    る金属であつて前記第一の金属と金属結合を形成するこ
    とができ、または、結合金属あるいは結合済で被覆され
    たときに前記第一の金属と金属結合を形成することがで
    きる金属でできていることを特徴とする内燃機関用ピス
    トン。 １２ 特許請求の範囲第１項から第１１項までの何れか
    １つの項の記載において、前記インサート５が、不純物
    を除いて０．５％ベリリウムと、２．５％コバルトを含
    む銅合金から作られていることを特徴とする内燃機関用
    ピストン。 １３ 特許請求の範囲第１項から第１１項までの何れか
    １つの項の記載において、前記インサート５が、不純物
    を除いて８％アルミニウムを含む銅合金から作られてい
    ることを特徴とする内燃機関用ピストン。 １４ 特許請求の範囲第１項から第１１項までの何れか
    １つの項の記載において、前記インサート５が、不純物
    を除いて２％ニツケルを含む銅合金から作られているこ
    とを特徴とする内燃機関用ピストン。 １５ 特許請求の範囲第１項はら第１４項までの何れか
    １つの項の記載において、前記少なくとも一つの部材で
    あるリム７と該リムの自由端に設けられてピストンボデ
    イ内に機械的キー結合と与えることができる外形を有す
    る部分２０〜２９であるカラー８の何れか一方またはそ
    の両方が、不純物を除いて３％炭素、１４％ニツケル、
    ７％銅、および３％コバルトをむ鋳鉄から作られている
    ことを特徴とする内燃機関用ピストン。 １６ 特許請求の範囲第１項はら第１４項までの何れか
    一つの項の記載において、、前記少なくとも一つの部材
    であるリム７と該ルムの自由端に設けられてピストンボ
    デイ内に機械的キー結合を与えることができる外形を有
    する部分２０〜２９であるカラー８の何れか一方または
    その両方が、オーステナイト鋼から作られていることを
    特徴とする内燃機関用ピストン。 １７ 特許請求の範囲第１項から第１４項までの何れか
    １つの項の記載において、前記少なくとも一つの部材で
    あるリム７が、前記インサートと一体に作らていること
    を特徴する内燃機関用ピストン。 １８ 特許請求の範囲第１５項または第１６項の記載に
    おいて、前記リム７または前記カラー８が、アルミニウ
    ムシリコン合金亜鉛およびニツケルからなるグループか
    ら選択された結合金属で被覆されていることを特徴とす
    る内燃機関用ピストン。 １９ 特許請求の範囲第１７項の記載において、前記リ
    ム７、または前記カラー８が、亜鉛をニツケルからなる
    グループから選択された結合金属で被覆されていること
    を特徴とする内燃機関用ピストン。
JP52036915A 1976-03-31 1977-03-31 内燃機関用ピストン Expired JPS6025621B2 (ja)

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