JPS6176745A - セラミツクス組込型ピストン - Google Patents
セラミツクス組込型ピストンInfo
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- JPS6176745A JPS6176745A JP19573984A JP19573984A JPS6176745A JP S6176745 A JPS6176745 A JP S6176745A JP 19573984 A JP19573984 A JP 19573984A JP 19573984 A JP19573984 A JP 19573984A JP S6176745 A JPS6176745 A JP S6176745A
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- JP
- Japan
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- piston
- heat
- temperature
- ceramic
- aluminum alloy
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- Pending
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
- F02F3/00—Pistons
- F02F3/0015—Multi-part pistons
- F02F3/003—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
- F02F7/00—Casings, e.g. crankcases or frames
- F02F7/0085—Materials for constructing engines or their parts
- F02F7/0087—Ceramic materials
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
- F05C2201/00—Metals
- F05C2201/02—Light metals
- F05C2201/021—Aluminium
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
- F05C2201/00—Metals
- F05C2201/04—Heavy metals
- F05C2201/0433—Iron group; Ferrous alloys, e.g. steel
- F05C2201/0448—Steel
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
- F05C2203/00—Non-metallic inorganic materials
- F05C2203/08—Ceramics; Oxides
- F05C2203/0865—Oxide ceramics
- F05C2203/0895—Zirconium oxide
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔本発明の産業分野〕
本発明は、低コストで、高い信頼性を有し、特にエンジ
ンのピストン全般に適用できるセラミックス組込形ピス
トンに関する。
ンのピストン全般に適用できるセラミックス組込形ピス
トンに関する。
オイルショック以降、省資源、省エネルギーが叫ばれ、
エンジンの低燃費化が迫られている。
エンジンの低燃費化が迫られている。
低燃費化の手段として、断熱エンジンの研究がさかんに
行われている。断熱エンジンは、燃焼室口シを断熱化し
て燃焼温度を上昇させ、冷却損失を減らし、高温の排気
ガスからエネルギーを回収して熱効率を向上させようと
するものである。
行われている。断熱エンジンは、燃焼室口シを断熱化し
て燃焼温度を上昇させ、冷却損失を減らし、高温の排気
ガスからエネルギーを回収して熱効率を向上させようと
するものである。
従来、アルミニウム合金で製作したエンジン用ピストン
が実用化されているが、アルミニウム合金の融点は60
0〜700℃と低いため、高温にさらされるピストン頂
部までアルミニウム合金とするのは好ましくない。また
、アルミニウム合金は熱伝導率が大きいため、熱損失が
多くなる欠点があった。従って、断熱エンジンには、燃
焼室まわシに、アルミニウム合金のかわシに、高温に耐
え断熱性を有するセラミックスを利用する必要がある。
が実用化されているが、アルミニウム合金の融点は60
0〜700℃と低いため、高温にさらされるピストン頂
部までアルミニウム合金とするのは好ましくない。また
、アルミニウム合金は熱伝導率が大きいため、熱損失が
多くなる欠点があった。従って、断熱エンジンには、燃
焼室まわシに、アルミニウム合金のかわシに、高温に耐
え断熱性を有するセラミックスを利用する必要がある。
従来も、ピストン頂部の溶融を防ぎ、かつピストン頂部
から熱を逃げ難くするために、ピストンの頂部にセラミ
ックスの頂板をねじ止めしたシ、これらを鋳包みしたも
のが多く提案されている。しかし、ねじ止めしたものは
、ネジがゆるむ欠点がある。
から熱を逃げ難くするために、ピストンの頂部にセラミ
ックスの頂板をねじ止めしたシ、これらを鋳包みしたも
のが多く提案されている。しかし、ねじ止めしたものは
、ネジがゆるむ欠点がある。
まだ、このセラミックス頂板は、高温下にさらされるた
め、耐熱性、高温強度、耐熱衝撃性に優れたシリコンナ
イトライド(S’5N4)を用いるのが一般的である。
め、耐熱性、高温強度、耐熱衝撃性に優れたシリコンナ
イトライド(S’5N4)を用いるのが一般的である。
しかし、第1表に示すように、複雑形状品の成形が可能
で強度的にも優れた常圧焼結シリコンナイトライドの熱
伝導率は、α046Cat/crn・8eC・℃と8υ
5304のα039cat/cm・sec・℃ と同程
度であシ、断熱性に富むとは言えない。このため、十分
な断熱効果を得るにはピストン頂板の厚みを厚くする必
要がsb、コスト的に不利である。
で強度的にも優れた常圧焼結シリコンナイトライドの熱
伝導率は、α046Cat/crn・8eC・℃と8υ
5304のα039cat/cm・sec・℃ と同程
度であシ、断熱性に富むとは言えない。このため、十分
な断熱効果を得るにはピストン頂板の厚みを厚くする必
要がsb、コスト的に不利である。
第1表 各種セラミックスの性質
密度 掘自渡熱伝導率 熱膨張率
常圧焼結S i、N4 五15 65 C1
,046五4Zr02 (PSZ) 5.76
80 (LOO61(L3SUB 304 7.
95 0.039 1a7アルミニウム合金
2.64 [L350
2五〇これに対し、断熱性に富む酸化ジルコニウム(Z
ro、)は、熱伝導率cLO06Cat/cn1・Se
C・℃ でピストン頂板の厚みを薄くすることが可能
であるが、第5図に示すように500℃以上の2反で強
度が極端に低下するため、強度の面からピストン頂板の
厚みを厚くする等の制約を受け、十分にコスト′低下を
図れない上に、比重が6程度とアルミニウム合金の2倍
もあシ、ピスト/重量が増加するという欠点がある。
,046五4Zr02 (PSZ) 5.76
80 (LOO61(L3SUB 304 7.
95 0.039 1a7アルミニウム合金
2.64 [L350
2五〇これに対し、断熱性に富む酸化ジルコニウム(Z
ro、)は、熱伝導率cLO06Cat/cn1・Se
C・℃ でピストン頂板の厚みを薄くすることが可能
であるが、第5図に示すように500℃以上の2反で強
度が極端に低下するため、強度の面からピストン頂板の
厚みを厚くする等の制約を受け、十分にコスト′低下を
図れない上に、比重が6程度とアルミニウム合金の2倍
もあシ、ピスト/重量が増加するという欠点がある。
さらに、セラミックス全般にわたって耐熱性は優れるが
、複雑形状品を作ることが難しいこと、信頼性に劣しい
こと及びコストが高いこと等の問題があシ、セラミック
スでピストンクラウン等の強度部材を構成することは、
問題もある。
、複雑形状品を作ることが難しいこと、信頼性に劣しい
こと及びコストが高いこと等の問題があシ、セラミック
スでピストンクラウン等の強度部材を構成することは、
問題もある。
本発明は、低コストで高い信頼性を有する断熱エンジン
用のセラミックス組込み型ピストンを提供することを目
的とする。
用のセラミックス組込み型ピストンを提供することを目
的とする。
そして本発明はピストンクラウンとアルミニウム合金製
ピストン本体との間にジルコニア製断熱プレートを介在
させるものである。すなわち、本発明は耐熱鋼、耐熱合
金、セラミックス等の耐熱性に優れた材質で作られたピ
ストンクラウンと、アルミニウム合金製ピストン本体と
を断熱性に富むジルコニア製薄板を重ね合わせてなる断
熱層を介して結合することを特徴とするセラミックス組
込型ピストンである。
ピストン本体との間にジルコニア製断熱プレートを介在
させるものである。すなわち、本発明は耐熱鋼、耐熱合
金、セラミックス等の耐熱性に優れた材質で作られたピ
ストンクラウンと、アルミニウム合金製ピストン本体と
を断熱性に富むジルコニア製薄板を重ね合わせてなる断
熱層を介して結合することを特徴とするセラミックス組
込型ピストンである。
高温強度特性に優れたシリコンナイトライド等のセラミ
ックスも1. <は耐熱鋼、耐熱合金でエンジンのピス
トンクラウンを作シ、アルミニウム合金製のピストン本
体と結合して断熱エンジンピストンを形成しようとする
際に、これらのピストンクラウン用材料は、熱伝導率が
高いためアルミニウム合金ピストン本体の温度が上がシ
過ぎ、十分な耐用寿命を有さない心配がある。そこで、
ピストンクラウンとアルミニウム合金製ピストン本体の
間に断熱層を設ける方法が多く提案されている。
ックスも1. <は耐熱鋼、耐熱合金でエンジンのピス
トンクラウンを作シ、アルミニウム合金製のピストン本
体と結合して断熱エンジンピストンを形成しようとする
際に、これらのピストンクラウン用材料は、熱伝導率が
高いためアルミニウム合金ピストン本体の温度が上がシ
過ぎ、十分な耐用寿命を有さない心配がある。そこで、
ピストンクラウンとアルミニウム合金製ピストン本体の
間に断熱層を設ける方法が多く提案されている。
本発明は、耐熱鋼、#熱合金、セラミックス等の耐熱性
に優れた材質で作られたピストンクラウンとアルミニウ
ム合金製ピストン本体を結合するに際して、断熱性に富
むジルコニア製薄板を重ね合わせた断熱層をもうけるこ
とを特徴とするセラミックス組込型ピストンである。
に優れた材質で作られたピストンクラウンとアルミニウ
ム合金製ピストン本体を結合するに際して、断熱性に富
むジルコニア製薄板を重ね合わせた断熱層をもうけるこ
とを特徴とするセラミックス組込型ピストンである。
本発明者らは、先に、特願昭58−29211号として
、常圧焼結シリコンナイトライド製ピストンクラウンと
アルミニウム合金製ピスト/本体を接合するに際し、両
者の接合面の間に断熱を目的とした酸化ジルコニウム製
プレートを介在させる方法を提案した。しかしながら、
この方法においては、シリコンナイトライド製ピストン
クラウンとジルコニア製断熱プレートの接合が難しいこ
と、両者の熱膨張率に差があるため接合部に過大な応力
が発生する可能性もある。しかし、その反面、耐熱性に
優れたピストンクラウンとアルミニウム合金製ピストン
本体の間にジルコニア製断熱プレートを介して結合させ
るという方法は、基本的には優れたアイデイアである。
、常圧焼結シリコンナイトライド製ピストンクラウンと
アルミニウム合金製ピスト/本体を接合するに際し、両
者の接合面の間に断熱を目的とした酸化ジルコニウム製
プレートを介在させる方法を提案した。しかしながら、
この方法においては、シリコンナイトライド製ピストン
クラウンとジルコニア製断熱プレートの接合が難しいこ
と、両者の熱膨張率に差があるため接合部に過大な応力
が発生する可能性もある。しかし、その反面、耐熱性に
優れたピストンクラウンとアルミニウム合金製ピストン
本体の間にジルコニア製断熱プレートを介して結合させ
るという方法は、基本的には優れたアイデイアである。
この断熱プレートに要求される特性は以下の4点である
。
。
1)断熱性
2)ガス圧応力の伝達
3)断熱プレートに生じる温度勾配から派生する上下面
の熱伸び差で破壊しないこと 4)ピストンの熱及びガス圧応力の変形で破壊しないこ
と ジルコニアは熱伝導率がαOO6ca々偏・sec・℃
と断熱性にも富み、セラミックスであるので圧縮応力に
は強くガス圧応力の伝達の点では問題はない。
の熱伸び差で破壊しないこと 4)ピストンの熱及びガス圧応力の変形で破壊しないこ
と ジルコニアは熱伝導率がαOO6ca々偏・sec・℃
と断熱性にも富み、セラミックスであるので圧縮応力に
は強くガス圧応力の伝達の点では問題はない。
温度勾配から派生する上下面の熱伸び差で破壊しないこ
と及びピストンの変形で破壊しないようにするためには
、薄板とすることが有利である。薄板を重ね合わせた断
熱プレートとすれば、−板のジルコニアに発生する熱応
力は小さく、さらに、ジルコニア薄板同志が結合してい
ないため、すぺ〕が生じ、断熱プレート上下間に温度差
が生じても断熱プレート内に発生する熱応力は小さい。
と及びピストンの変形で破壊しないようにするためには
、薄板とすることが有利である。薄板を重ね合わせた断
熱プレートとすれば、−板のジルコニアに発生する熱応
力は小さく、さらに、ジルコニア薄板同志が結合してい
ないため、すぺ〕が生じ、断熱プレート上下間に温度差
が生じても断熱プレート内に発生する熱応力は小さい。
また、セラミックスはヤング率が大きく変形能が小さい
ことが知られているが、薄板とすれば、曲げ応力下でも
十分変形し、さらに薄板同志がすべることで、ピストン
の変形に追従できる。
ことが知られているが、薄板とすれば、曲げ応力下でも
十分変形し、さらに薄板同志がすべることで、ピストン
の変形に追従できる。
第1図は本発明の実施例である断熱プレート7を示すが
、ジルコニア製薄板1〜6を積ねたものである。薄板1
〜6の厚みは薄ければ薄い程よいが、製造上の問題、例
えば寸法精度を考えるとa、S〜α7■厚み程度が望ま
しい。これらの重ね合せ枚数はエンジンの運転特性、例
えばガス温度等から、アルミニウム合金製本体が使用温
度まで十分冷却されるように、熱伝導率から計算すれば
よい。
、ジルコニア製薄板1〜6を積ねたものである。薄板1
〜6の厚みは薄ければ薄い程よいが、製造上の問題、例
えば寸法精度を考えるとa、S〜α7■厚み程度が望ま
しい。これらの重ね合せ枚数はエンジンの運転特性、例
えばガス温度等から、アルミニウム合金製本体が使用温
度まで十分冷却されるように、熱伝導率から計算すれば
よい。
以上のような観点から得られたセラミックス組込型ピス
トンを第2図に示す。ジルコニア製薄板11.12から
成る断熱プレート17を介してピストンクラウン18と
アルミニウム合金製ピストン本体19が結合されている
。ピストンクラウン18の材質はエンジンの運転特性、
例えばガス温度により、きわめて一般的な耐熱鋼、例え
ば5UH13等、耐熱合金例えばWaspa−11oy
、Inco7130等、セラミックス例えばシリコンナ
イトライド等を選択すればよい。
トンを第2図に示す。ジルコニア製薄板11.12から
成る断熱プレート17を介してピストンクラウン18と
アルミニウム合金製ピストン本体19が結合されている
。ピストンクラウン18の材質はエンジンの運転特性、
例えばガス温度により、きわめて一般的な耐熱鋼、例え
ば5UH13等、耐熱合金例えばWaspa−11oy
、Inco7130等、セラミックス例えばシリコンナ
イトライド等を選択すればよい。
耐熱鋼、耐熱合金製ピストンクラウン18とアルミニウ
ム合金製ピストン本体19の結合法は、外周ネジ止め、
中央ボルト止め方法等の機械的手法を用いればよい。そ
の他セラミックス製ピストンクラウン18とアルミニウ
ム合金製ピストン本体19の結合法は、アルミニウム合
金を鋳包むか、焼嵌めすることで得られる。鋳包みは注
湯時の熱衝撃によるピストンクラウン及び断熱プレート
の割れの問題があることから、ピストンクラウン18及
び断熱プレート17を400℃程度に予熱してアルミニ
ウム合金を鋳ぐるむことか望ましい。また、焼嵌めは公
知の手法で行えばよい。
ム合金製ピストン本体19の結合法は、外周ネジ止め、
中央ボルト止め方法等の機械的手法を用いればよい。そ
の他セラミックス製ピストンクラウン18とアルミニウ
ム合金製ピストン本体19の結合法は、アルミニウム合
金を鋳包むか、焼嵌めすることで得られる。鋳包みは注
湯時の熱衝撃によるピストンクラウン及び断熱プレート
の割れの問題があることから、ピストンクラウン18及
び断熱プレート17を400℃程度に予熱してアルミニ
ウム合金を鋳ぐるむことか望ましい。また、焼嵌めは公
知の手法で行えばよい。
本発明によるセラミックス組込型ピストンは、燃焼室側
が高温になっても、ジルコニア製断熱プレートが存在し
ているため、アルミニウム合金製ピストン本体は十分に
使用温度以下に保つことができる効果が生ずるものであ
る。
が高温になっても、ジルコニア製断熱プレートが存在し
ているため、アルミニウム合金製ピストン本体は十分に
使用温度以下に保つことができる効果が生ずるものであ
る。
第1図は本発明の実施例で使用する断熱プレートの1例
であシ、第2図は本発明の実施例であるセラミックス組
込型ピストンを示す。第5図はZr+)、及び常圧焼結
81.N、の抗折強度と温度との関係図である。 復代理人 内 1) 明 復代理人 萩 原 亮 −第3図 温 度 (0C)
であシ、第2図は本発明の実施例であるセラミックス組
込型ピストンを示す。第5図はZr+)、及び常圧焼結
81.N、の抗折強度と温度との関係図である。 復代理人 内 1) 明 復代理人 萩 原 亮 −第3図 温 度 (0C)
Claims (1)
- 耐熱鋼、耐熱合金、セラミックス等の耐熱性に優れた材
質で作られたピストンクラウンと、アルミニウム合金製
ピストン本体とを断熱性に富むジルコニア製薄板を重ね
合わせてなる断熱層を介して結合することを特徴とする
セラミックス組込型ピストン。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP19573984A JPS6176745A (ja) | 1984-09-20 | 1984-09-20 | セラミツクス組込型ピストン |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP19573984A JPS6176745A (ja) | 1984-09-20 | 1984-09-20 | セラミツクス組込型ピストン |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS6176745A true JPS6176745A (ja) | 1986-04-19 |
Family
ID=16346159
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP19573984A Pending JPS6176745A (ja) | 1984-09-20 | 1984-09-20 | セラミツクス組込型ピストン |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS6176745A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102926886A (zh) * | 2011-08-10 | 2013-02-13 | 中国兵器工业第五二研究所 | 一种钢顶铝活塞及其制备方法 |
WO2017094728A1 (ja) * | 2015-11-30 | 2017-06-08 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | 内燃機関用ピストンおよび内燃機関用ピストンの製造方法 |
-
1984
- 1984-09-20 JP JP19573984A patent/JPS6176745A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102926886A (zh) * | 2011-08-10 | 2013-02-13 | 中国兵器工业第五二研究所 | 一种钢顶铝活塞及其制备方法 |
WO2017094728A1 (ja) * | 2015-11-30 | 2017-06-08 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | 内燃機関用ピストンおよび内燃機関用ピストンの製造方法 |
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