JPS61272452A - 内燃機関用ピストン - 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】 （産業上の利用分野） 本発明はピストンの頂部にセラミック部材が埋め込まれ
ている内燃機関用ピストン関する。

（従来の技術） 鋳鉄やアルミニウム合金からなる内燃機関用ピストンの
頂部にセラミック等の異種部材を鋳込んで一体の鋳造ピ
ストンを得ることは、セラミックは熱伝導率が小さく、
断熱効果も高く、従ってピストン母材への燃焼温度の伝
達を抑制し、熱効率を向上させることができるという利
点を有する。

（発明が解決しようとする問題点） このような金属材料からなるピストン本体にセラミック
を一体化したものは従来でも一部には提案されているが
、金属材料に対してセラミックの熱膨脹係数が大幅に小
さく、セラミックに対して母材の冷却時の収縮量が極め
て大きく、このため鋳造後セラミックと母材との間に隙
間が生じたりし、実際の使用においては両材料間にガタ
を生じたり、ピストンの如き往復運動を行うものではセ
ラミックが抜脱したりし、実用性の点で難点がある。

従来技術では、例えば実開昭５６−４５１３４号公報に
示すように、金属製ピストン本体の頂部にセラミンクを
鋳込み成形することに対する難点とその改善手段が提案
されている。

第５図はこのような従来技術のものを示し、鋳鉄やアル
ミニウム合金等からなるピストン本体１のヘッドｌａ上
に下方に拡開する雌テーパー状の凹部１ｂ、を設、け、
ヘッドｌａ上に鋳込まれるセラミック製のヘッド部材２
の下面２ａに末拡がりの雄テーパー状の係合突部２ｂを
垂下突設し、夫々外側下方に傾斜した斜面１ｃ、２ｃで
両材料は係合する如くヘッド部材２を本体１のヘッド部
上に鋳込んだ。これによる本体ｌとセラミック製ヘッド
部材は模の如く結合し、抜脱は阻止される。

ところで本体１とヘッド部材２とは、一方が金属材料で
あるのに対し他方がセラミックであるため両者の熱膨脹
係数は大きく異なる。従って両材料は溶融状態にある母
材（金属材料）の温度と略々同一温度から冷却され、常
温状態に到る過程で熱膨脹係数差による収縮差、収縮応
力を受ける。

ところで金属材料よりなるピストン本体１の収縮は図示
収縮中心０方向に冷却時には収縮し、収縮中心Ｏと本体
１の抜脱阻止用の凹状保合部１ｃは、これと中心Ｏとを
結ぶ線Ｎ上に存在し、従ってヘッド部材２の抜脱阻止用
の楔部２Ｃは線Ｎ上に存在し、凹状係合部の楔部１ｄは
楔部２ｄと斜面でテーパーに喰い込み、楔部１ｄは２ｄ
の外にあってこれと干渉している。

以上において本体１の金属材料が収縮中心０に向かって
収縮した場合、楔部１ｄがセラミックの楔部２ｄと干渉
する方向に収縮し、セラミックに対して金属材料の収縮
量が極めて大きいため、収縮時にセラミックの楔部２ｄ
は収縮差により収縮応力を受け、楔部１ｄの収縮で楔部
２ｄは破損し、抜脱狙止用機能を喪失する欠点がある。

この欠点を改善するために、従来技術（実開昭５６−４
５１３４号）では第６図に示すようにピストン本体の冷
却収縮時の収縮中心と、ピストン本体の抜脱防止部１１
ｃとを結んだ線ＯＮ上にピストンヘット部材１１の抜脱
防止部１１ｃを介在、させないようにセラミックピスト
ンヘッド部材１５の抜脱防止部１５ｃとピストン本体の
抜脱防止部１１ｃとの模合面を前記ＯＮ線と合致させる
ことが提案された。

しかしながら、このような従来技術はピストン本体の抜
脱防止部１１ｃを外方よりセラミックピストンヘッド部
材の抜脱防止部１５ｃが（るんでいる関係にあり、金属
とセラミックの熱膨張差に基づいて鋳込過程中に生ずる
過大な応力を回避しながら、ピストンを鋳造で遺りあげ
るりに理想的と考えられる形状を追求した解と考えられ
る。

しかし、これは同公報第９頁第９行ないし第１１行間に
述べるように、ピストンは熱源が上方にあり、このため
楔部１１ｃ、１５ｃは使用状態で第７図（Ａ）に示すよ
うにガタ３０が発生する構成となっている。そして、こ
のガタ３０を防止する手段として第７図（Ｂ）に示すよ
うに収縮中心０４−０７に補正する旨の記載がある（同
公報第９頁第１１〜１８行間参照）。

このように収縮中心００位置０′に補正する操作により
鋳込後のピストンヘッドには熱膨張差に基づく力ｆが第
７図ＣＢ）に示すように梗合面に作用していてガタが発
生しても「ある程度の力」で押えつけることが可能とな
る。

ここで述べられた「ある程度の力」とはどのような程度
かについて考察すると、エンジン使用中は明らかに上記
の力ｆよりも小さい反力ｆ′で押さえることになる。し
かし、ピストン部材を鋳込んだ温度近くにピストンの温
度が達するとｆ’！−，０すなわちこの抑止力ｆ′は殆
んど零となる。

この理由はピストンの開放端面にセラミック部材を用い
ているために、その断熱性により蓄熱してピストンヘッ
ド附近の温度は鋳込み温度（例えばアルミニウム合金の
場合約８００℃）近くになり上記の抑止力ｆ′は殆んど
零となるからである。

この関係を図示すると第７図（Ｃ）の如くなり、使用時
のピストン温度が鋳込み温度近くに達した場合には抑え
力ｆ′は殆んど零となり、抑え力が殆んど働かなくなり
、信頼性が乏しくなる欠点がある。

この発明は、鋳込んだ時、あるいは押圧リングで押えつ
けた時に逆テーパー面に、印加された力をエンジン使用
中でも一定の力で印加しつづけることが出来る構造を提
供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明の目的はセラミック部材の組み込み又は鋳造時お
よび内燃機関が始動時にセラミック部材が離脱もしくは
セラミック部材と金属部材との間にギャップが生じない
ようにしたもので、本発明は金属部材よりなるピストン
本体の頂部に、該ピストン本体より熱膨脹係数の小さい
セラミックピストンヘッド部材が埋め込まれている内燃
機関用ピストンにおいて、該セラミックピストンヘッド
部材は該ヘッドの両側に楔状突出部を有し、かつ外方に
末拡がりに拡開する逆テーパーの形状である内燃機関用
ピストンである。

（作用）および（実施例） 以下図面について本発明の内燃機関用ピストンの構成の
実施の一例態様について述べる。第１図は本発明にかか
る内燃機関用ピストンの縦断面図を示す。第１図に示す
ものはピストン本体２１の頂部端面を外方に末拡りに拡
開する逆テーパ一部２２Ａとピストン中心軸と平行な円
筒部２２Ｂとで形成した凹欠部２２に、別体に焼成した
セラミックピストンヘッド部材２３を上方より嵌合し、
押圧リング２４をピストン本体２１の頂部凹欠部２５の
ねぢ部２６に螺合し、前記セラミックピストンヘッド部
材２３の周縁切欠部２３Ａと嵌合して押圧合体させるよ
うに構成したものである。第１図において、２７はピス
トンリング溝、２８はピストンピン穴を示す。

第２図は第１図に示すセラミックピストンヘッド部材２
３の詳細縦断面を示すもので、セラミックピストンヘッ
ド部材２３の周縁切欠部２３Ａの段部平面は前記押圧リ
ング２４と衝合する基準面２３Ｂであり、セラミックピ
ストンヘッド部材２３の中心ｆｉＮと前記基準面２３Ｂ
との交点Ａにおいて、角度θをなすよう逆テーパー面２
３Ｃを作るのが好ましい。

第１図および第２同に示す本発明の実施例においてはセ
ラミックピストンヘッド部材２３は組立てによりピスト
ン本体２１と合体されるので、鋳込み成形時に発生する
ピストン本体２１とセラミックピストンヘッド部材２３
との間の膨張収縮率の差に基づくヘッドの抜脱又は破損
は押圧リング２４がピストン本体２１と同材質（金属）
とすることにより回避できる。従って本発明によるピス
トン本体２１の頂部端面の大部分はセラミックピストン
ヘッド部材２３により覆われているので、内燃機関のピ
ストンに対して高温燃焼ガスの熱衝撃を受けた場合にお
いても、半径方向の膨張に際しては前記基準面２３Ｂと
逆テーパー面２３Ｃとで滑動があるだけでセラミックピ
ストンヘッド部材２３の楔状突出部２３Ｄには一定の抑
え力が加えられた状態で滑動が生ずるのが特徴である。

第３図（＾）　、　（Ｂ）は本発明のセラミックピスト
ン縦断面図およびセラミックピストンヘッド部材の平面
図を示すもので、セラミックピストンヘッド部材２３は
、周縁切欠部２３Ａと、その頂部端面と平行な基準面２
３Ｂと、この基準面２３Ｂとピストンの中心線Ｎ−Ｎと
の交差点Ａを通る逆テーパー面２３Ｃとをもったセラミ
ックピストンヘッド部材２３を別体に作成しておき、こ
のセラミックピストンヘッド部材２３を鋳くるみにより
合体するようピストン本体２１を鋳造成形し、ピストン
本体２１の金属部分が、セラミックピストンヘッド部材
２３の楔状突出部２３Ｄを基準面２３Ｂと逆テーパー面
２３Ｃとで外側より挾みつけるように成形し、鋳込み時
に逆テーパー面２３Ｃに印加された力Ｆがエンジン使用
中でも変化せず、一定の抑止力Ｆを保持しつづけられる
構造としたものである。

この理由は、ピストン使用時に金属部材が膨張した場合
、すべりがセラミックピストンヘッド部材２３の頂部端
面と平行な基準面２３Ｂと、逆テーパー面２３Ｃとで生
ずるが、ピストンの中心軸方向の膨張は前記基準面２３
Ｂで支承けられるので、ピストン本体２１の金属部材は
基準面２３Ｂに゛そって円周方向に膨張することになる
。この場合、セラミックピストンヘッド部材２３の逆テ
ーパー面２３Ｃはセラミックピストンヘッド部材の基準
面２３Ｂと中心軸線Ｎとの交差点Ａを通るようになって
いるので、Ａを基準点としてＡＣ方向すなわち逆テーパ
ー面２３Ｃにそってすべることになり、このすべり面す
なわち逆テーパー面２３Ｃにピストンの鋳造時の収縮時
に加えられた初期抑止力Ｆは逆テーパー面２３Ｂと直角
方向に加えられいる。従って、この逆テーパー面２３Ｂ
にそつてすべりが生じても、この膨張は前記のすべり基
準面と反対の外側方向に生ずるだけで、ピストンが使用
時にその温度がかりに鋳造時の温度まで上昇しても、円
周方向に膨張が生ずるだけで抑止力Ｆは変らない。

従ってセラミックピストンの横状突出部が破損する惧も
生ぜす、また第４図（Ｂ）に示すように円周方向の間隙
２９が生じても中心軸方向のガタは生じない。これはピ
ストンのセラミックヘッド部材と金属部材とは基準面２
３Ｂで衝合しているため軸方向の相対的変位が生じない
ためである。

本発明のセラミックピストンヘッド部材の材質は熱伝導
率、熱膨脹係数、高温強度の点からシリコンナイトライ
ド（ＳｉｓＮ、）　、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）　
、ジルコニア（ＺｒＯｔ）、ムライト（３＾１ｚＯｓ　
　・２ＳｉＯ□）、ガラースセラミックス（リチェーム
アルミニウムシリケート、マグネジニームアルミニウム
シリケート等）である。

本発明にあって横状突出部はセラミックピストンヘッド
部材に要求される所定形状を満足させながら、セラミッ
クピストンヘッド部材が金属部材に固着される際に破損
あるいはセラミックピストンヘッド部材と金属部材との
間に空隙（ギャップ）がなく、また固着された状態で使
用されているとき、すなわち内燃機関の始動時あるいは
作動中においてセラミックピストンヘッド部材と金属部
材との間に熱膨張量の差が生じたときに、セラミック部
材と金属部材との間にピストンの軸方向の空隙（ギャッ
プ）がな（またはセラミック部材が金属部材との固着面
から離脱しない状態を達成するために突出部が設けられ
ていることを特徴とし、該突出部は後記する逆テーパー
をもって構成される。

突出部の設けられる位置はつぎの通りである。

（１）　　セラミック部材の外周部全体にカーラ状に設
けられているもの（第１図） （２）　　セラミック部材の外周部の一部に設けられて
いるもの（第３図（Ｂ）） （３）　　突出部が設けられている位置は、第１図およ
び第３図のようにピストンスカート側（下側）に設けら
れるものに限られるものではなく、例えば、ピストンの
頂部側（上側）とピストンスカート側（下側）の中間に
あってもよい。

本発明のセラミックピストンの逆テーパー角度の決定要
因は次の通りである。

ｉ）セラミック部材の寸法形状 ｉｉ）セラミック部材と金属部材の熱膨脹係数ｉｉｉ　
）金属部材のセラミック部材への圧縮応力ｉｖ）その他
；ピストンの使用温度（曝される温度）。

セラミック部材および金属部材の高温強度。

これらの因子の内、本発明では突出部に逆テーパーを設
けることを構成要件としている。その理由は次の通りで
ある。

常温でセラミック部材が金属部材に固着されているピス
トンは、内燃機関を始動あるいは作動された状態では、
高温に曝される。例えばジーゼル機関では約８００℃で
ある。このような高温に曝されると、セラミック部材の
熱膨脹係数は金属部材のそれより小さいためセラミック
部材と金属部材との固着面に空隙ができるようになる。

この空隙を生じさせないようにするため、セラミック部
材の突出部に逆テーパーを設けてこの逆テーパーの固着
面で金属部材の熱膨張に基づく圧縮力で固定するように
したものである。

従って、逆テーパーの角度は金属部材の熱膨張を阻止し
固定するようにする条件に選択すればよいが、熱膨張差
が小さいときは逆テーパーの角度は小さくてもよく、一
方セラミック部材の高温強度（特に引張り強さ）が大き
い場合には逆テーパーの角度は大きくすることができる
。好ましい角度は、セラミック部材の熱膨脹係数および
機械的強度に関係なく、セラミック部材と金属部材との
固着面との間に空隙が生じないようにすることである。

第２図に示すように、突出部のピストンスカート側の逆
テーパー面の接平面がセラミック部材の外径の中心線と
突出部の押圧リング側面の接平面との交点を含むように
することにより達成される。

逆テーパー面が設けられる位置は次の通りである。

ｉ）ピストン本体の頂部側（上側）は平坦で、ピストン
スカート側（下側）が逆テーパーの場合（第１図） ｉｉ）ヒストン本体の頂部側（上側）は逆テーパーで、
ピストンスカート側（下側）が平坦の場合（第２図） ｉｉｉ　）逆テーパーは上下両側にあってもよい。

セラミック部材の埋め込み方法は次のようである。

（１）　　締めつけ手段（押圧リング等）でセラミック
部材の突出部を押圧して固着する。

（２）鋳造によりセラミック部材を鋳込む。（第３図（
Ａ）） （発明の効果） 本発明のセラミックピストンは第１図示の組立て式のも
のも、第３図（Ａ）に示すような鋳込み合体式のものも
、その基準面２３Ｂで衝合せとなっているので、円周方
向の膨張に対しては、セラミック部材と金属部材との衝
合せとなった基準面２３Ｂト逆テ一パー面２３Ｃとで滑
りが生ずるので、セラミンク部材と金属部材とは基準面
で隙間（ガタ）が生ぜず、単に逆テーパー面２３Ｃの方
向にすべるので、逆テーパー面２３Ｃが、ピストンの中
心線Ｎと基準面２３Ｂとの交点Ａを通るようにし、Ａ点
がその収縮中心となるようにしておくと、第４図（Ａ）
に示す如く、その抑止力Ｆは逆テーパー面２３Ｃと直角
ですべりに関係なく一定である。

従って、第１図における押圧リング２４の押圧力Ｆは第
４図（Ｂ）に示す如く一定となる。

従って、本発明のセラミックピストンによると従来法の
如＜、樹状突出部の抑止圧力がピストンの使用時、特に
その温度が鋳込み温度近くなると殆んど零となる原因を
なくすることができるのでピストンの使用温度が高めら
れる工業工大なる利点がある。

本発明のセラミックピストンの更に他の効果を列挙する
と次の通りである。

（１）　　本発明のセラミックピストンではセラミック
の梗状突出部が金属部材で鋳くるまれているのでセラミ
ックの樹状突出部に内部より押し拡げる力の作用により
破損する惧れがない。

（２）　　本発明によると、ピストンの中心軸線と基準
面との交差点Ａに膨張収縮の中心点があるので、円周方
向のすべりはこの基準面で生じ、中心軸線方向の膨張は
逆テーパー面にそって生ずるので、軸線方向にはセラミ
ック部材と金属部材との隙間が生ぜず、ピストンが使用
時に高温に加熱されても軸線方向のガタが生じない。ま
たかりに円周方向に隙間２９が生じてもガタの原因とな
らない。

（３）本発明では、金属部材がセラミック部材を外側よ
り鋳くるんでいるので、鋳造に際して金属部材の収縮に
より加えられる押圧力は逆テーパー面に直角に加えられ
、その円周方向の膨張に際しても押圧力Ｆはすべりによ
り変化しないので、セラミック部材と金属部材とが掛止
される喫状突出部の破損が生じない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図は本発
明の好ましい実施例を説明するためのセラミック部材の
断面図、 第３図は本発明の一実施例を示す断面図、第４図（Ａ）
　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）は本発明の詳細な説明するた
めの説明図、 第５図および第６図は従来のセラミックピストンの構成
の一例を示す断面図、 第７図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）は同説明図であ
る。 １・・・ピストン本体　　　１ａ・・・ヘッド１ｂ・・
・凹部　　　　　　　１ｃ・・・凹状係合部１ｄ・・・
横部　　　　　　　２・・・ヘッド部材２ａ・・・下面
　　　　　　　２ｂ・・・係合突部２ｃ、２ｄ・・・模
部　　　　　１ｏ・・・ピストン本体１１・・・ピスト
ンヘッド部 １５・・・セラミックピストンヘッド部材１１ｃ、　１
５ｃ・・・抜脱阻止部（横部）２１・・・ピストン本体
　　　２２・・・凹欠部２２Ａ・・・逆テーパ一部　　
２２Ｂ・・・円筒部２３・・・セラミックピストンヘッ
ド部材２３Ａ・・・周縁切欠部　　　２３Ｂ・・・基準
面２３Ｃ・・・逆テーパー面　　２３Ｄ・・・喫状突出
部２４・・・押圧リング　　　　２５・・・頂部凹欠部
２６・・・ねぢ部　　　　　　２７・・・ピストンリン
グ溝２８・・・ピストンピン穴 特許出願人　　日本碍子株式会社 代理人弁理士　　杉　　村　　暁　　秀同　　弁理士　
　　杉　　　村　　　輿　　　作第４図 （Ａ）　　　　　　　　　（ｆ３） （Ｙ１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属部材よりなるピストン本体の頂部に、該ピスト
   ンの本体より熱膨脹係数の小さいセラミックピストンヘ
   ッド部材が埋め込まれている内燃機関用ピストンにおい
   て、該セラミックピストンヘッド部材はその両側に楔状
   突出部を有し、該楔状突出部は外方に末拡りに拡開する
   逆テーパの形状であることを特徴とする内燃機関用ピス
   トン。 ２、前記逆テーパー面はピストンの中心軸線とセラミッ
   クピストンヘッドの基準面との交点をとおる角度に設定
   する特許請求の範囲第１項記載の内燃機関用ピストン。