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

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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
Application number
JP19573984A
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English (en)
Inventor
Hiroichi Yamamoto
博一 山本
Takashi Oguro
大黒 貴
Kunihiko Shimoda
下田 邦彦
Toyoaki Ono
小野 豊明
Nobuhiko Yasuda
保田 順彦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Heavy Industries Ltd filed Critical Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority to JP19573984A priority Critical patent/JPS6176745A/ja
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00Pistons 
    • F02F3/0015Multi-part pistons
    • F02F3/003Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00Casings, e.g. crankcases or frames
    • F02F7/0085Materials for constructing engines or their parts
    • F02F7/0087Ceramic materials
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00Metals
    • F05C2201/02Light metals
    • F05C2201/021Aluminium
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    • F05C2201/0448Steel
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    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
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    • F05C2203/08Ceramics; Oxides
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    • F05C2203/0895Zirconium oxide

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • 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。

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。
〔従来技術の概要及びその欠点〕
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
〔本発明の目的〕
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。
〔本発明の構成〕
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
〔本発明の効果〕
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。
【図面の簡単な説明】
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)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  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。
JP19573984A 1984-09-20 1984-09-20 セラミツクス組込型ピストン Pending JPS6176745A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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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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
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