JPS62203967A - Piston made of ceramic - Google Patents

Piston made of ceramic

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JPS62203967A
JPS62203967A JP4475586A JP4475586A JPS62203967A JP S62203967 A JPS62203967 A JP S62203967A JP 4475586 A JP4475586 A JP 4475586A JP 4475586 A JP4475586 A JP 4475586A JP S62203967 A JPS62203967 A JP S62203967A
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JP
Japan
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piston
boss
piston head
bosses
skirt
Prior art date
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Pending
Application number
JP4475586A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takio Kojima
多喜男 小島
Mitsuyoshi Kawamura
川村 光義
Masahito Taniguchi
雅人 谷口
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.)
Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
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Publication date
Application filed by NGK Spark Plug Co Ltd filed Critical NGK Spark Plug Co Ltd
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Publication of JPS62203967A publication Critical patent/JPS62203967A/en
Pending legal-status Critical Current

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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 
    • 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

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Abstract

PURPOSE:To make it possible to form a piston with ceramic and reduce weight of the piston by making a boss independent of a skirt portion and that arranged on the reverse side of a piston head and integral with the piston head, thereby reducing thermal stresses exerted on the boss. CONSTITUTION:A skirt portion 14 is formed on the side surface of a piston 11 below a ring portion 13 with a uniform wall thickness. And bosses 15 and 15' are arranged integrally with and extending from the reverse side of a piston head 12. With this configuration, heat during a combustion stroke is dissipated as shown with arrows from the piston head 12 via a ring portion 13 and the skirt position 14 to a cylinder liner. Here, since the bosses 15 and 15' are independent of the skirt portion 14, heat is prevented from dissipated via the bosses 15 and 15' to the cylinder liner. Accordingly, temperature gradient in the vertical direction of the bosses 15 and 15' is reduced to reduce thermal stresses.

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、ディーゼル機関、ガソリン機関等の内燃機関
用のセラミックス製ピストンニ好適に利用され得る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION "Field of Industrial Application" The present invention can be suitably used for ceramic pistons for internal combustion engines such as diesel engines and gasoline engines.

「従来の技術」 第2図(4)及び同図の)にそれぞれ従来のピストンの
ピストンピン軸方向断面図及びこれと直角方向の断面図
を示す。第2図囚及び(J3)に示されるように一般に
ピストン21は、円筒形状であって、シリンダの燃焼室
(図示省略)側を閉口してピストンヘッド22とし、側
面上方部にピストンリング(図示省略)を取り付けるみ
そを設けてリング部2Bとし、リング部28より下方の
側面をピストンスラップを防止するためのスカート部2
4とし、スカート部24の一部を肉厚にするとともにそ
の肉厚部分に径方向に穴を設けてボス25.25’とす
る構造を有している。
``Prior Art'' FIG. 2 (4) and FIG. 2) respectively show a sectional view of a conventional piston in the axial direction of the piston pin and a sectional view in the direction perpendicular to this. As shown in FIGS. 2 and 2, the piston 21 is generally cylindrical in shape. The combustion chamber (not shown) side of the cylinder is closed to form a piston head 22, and the upper side of the piston ring (not shown) is provided with a piston ring (not shown). (omitted) is provided to form a ring part 2B, and the side surface below the ring part 28 is provided with a skirt part 2 for preventing piston slap.
4, and has a structure in which a part of the skirt portion 24 is made thick, and holes are provided in the thick portion in the radial direction to form bosses 25 and 25'.

ピストン21は周知の如く、ボス25.25’の穴とコ
ンロッド小端(図示省略)の穴とにピストンピン(図示
省略)を嵌合することによりコンロッドに連結され、使
用時に上下往復運動をする。而してピストン21の材質
としてはアルミ合金、鋳鉄などが一般である。
As is well known, the piston 21 is connected to the connecting rod by fitting a piston pin (not shown) into a hole in the boss 25, 25' and a hole in the small end of the connecting rod (not shown), and reciprocates up and down during use. . The material of the piston 21 is generally aluminum alloy, cast iron, or the like.

ところで爆発燃焼時には、第2図(4)の矢印で示すよ
うに熱がピストンヘッド22からリング部23及びスカ
ート部24を経由してシリンダライナーに伝わり放散す
るから、ピストン21の上下方向には相当な温度勾配が
生じ、これに起因して熱応力が発生する。ピストンには
このような熱応力に加えて爆発時の圧力や慣性力により
ピストンピンからの交番荷重などが作用し就中ボス25
.25’には最も大きな荷重が作用するため、他部に比
して変形が生じ易い。
By the way, during explosive combustion, heat is transmitted from the piston head 22 to the cylinder liner via the ring part 23 and skirt part 24 and dissipated as shown by the arrow in FIG. A temperature gradient occurs, which causes thermal stress. In addition to such thermal stress, the piston is subjected to alternating loads from the piston pin due to pressure and inertia during the explosion.
.. Since the largest load acts on 25', it is more likely to deform than other parts.

一方、セラミックスは耐熱性、耐摩耗性に優れ、熱膨張
係数が小さいことから、ピストンに適用すればピストン
ヘッドの厚みを薄くできるほか、シリンダライナーとの
間隙を極めて小さくすることができ、したがってスカー
トの長さを金属製ピストンに比して大幅に短くして軽量
化を図ることが期待できる。
On the other hand, ceramics has excellent heat resistance and wear resistance, and has a small coefficient of thermal expansion, so if it is applied to pistons, it is possible to reduce the thickness of the piston head, and the gap between the cylinder liner and the cylinder liner can be made extremely small. It is expected that the length of the piston will be significantly shorter than that of a metal piston, resulting in weight reduction.

「発明が解決しようとする問題点」 しかしながら、セラミックス製ピストンの場合はピスト
ンピンからの荷重に耐え得るように金属製ピストンの場
合以上にボスに対して設計上の配慮が必要であるにもか
かわらず、従来の′ようにスカートの一部を肉厚にして
ボスを構成する限り、たとえボス端面をピストンヘッド
外周より内側にくぼませることにより、ボスから直接シ
リンダライナーに熱が伝わるのを避けたとしても、ボス
の上下方向の温度勾配の緩和にはほとんど役に立たず、
機械的強度保持のため従来以上にボスを肉厚にせざるを
得す、軽量化に反する結果となっていた。
``Problem to be solved by the invention'' However, in the case of a ceramic piston, more consideration is required in the design of the boss than in the case of a metal piston in order to withstand the load from the piston pin. First, as long as the boss is constructed by making part of the skirt thicker, as in the conventional case, by recessing the end face of the boss inward from the outer periphery of the piston head, it is possible to avoid heat being transferred directly from the boss to the cylinder liner. However, it is of little use in alleviating the temperature gradient in the vertical direction of the boss.
In order to maintain mechanical strength, the boss had to be made thicker than before, which was contrary to the goal of reducing weight.

本発明は上記の問題点を解決し、軽量のセラミックス製
ピストンを提供することを目的とする。
The present invention aims to solve the above problems and provide a lightweight ceramic piston.

「問題点を解決するための手段」 その手段は、ボス端面をピストンヘッド外周より内側に
くぼませてなるセラミックス製ピストンにおいて、ボス
をスカートとは独立させるとともに、該ボスをピストン
ヘッドの裏面に該ピストンヘッドと一体的に設けたとこ
ろにある。
"Means for solving the problem" The means is to make the boss independent of the skirt in a ceramic piston in which the end face of the boss is recessed inward from the outer periphery of the piston head, and to attach the boss to the back surface of the piston head. It is located integrally with the piston head.

使用されるセラミックスとしては窒化ケイ素、サイアロ
ン、炭化ケイ素が望ましい。
The ceramics used are preferably silicon nitride, sialon, and silicon carbide.

「作用」 本発明の作用を第1図に基づいて説明する。"action" The operation of the present invention will be explained based on FIG.

第1図囚及び(B)はそれぞれ本発明セラミックス製ピ
ストンの一般例を示すピストンピン方向断面図及びこれ
と直角方向の断面図である。
1B and 1B are a sectional view in the direction of the piston pin and a sectional view in the direction perpendicular thereto, respectively, showing a general example of the ceramic piston of the present invention.

ピストン11の外形、ピストンヘッド12及びリング部
13については第1図(4)及びCB)中の対応する番
号で付した部分と本質的に異なるところがないので説明
を省略する。
The outer shape of the piston 11, the piston head 12, and the ring portion 13 are essentially the same as the parts labeled with corresponding numbers in FIG.

14はスカート部を示し、ピストン11の側面であって
リング部13より下方に設けられ、従来と異なりその肉
厚が均一となっている。
Reference numeral 14 denotes a skirt portion, which is provided on the side surface of the piston 11 and below the ring portion 13, and has a uniform wall thickness unlike the conventional structure.

15 、15’はボスを示し、ピストンヘッド12の裏
面に下方に延長してピストンヘッド12と一体的に設け
られ、径方向にピストンピン(図示省略)を嵌合する穴
が設けられている。かがる構造によっても爆発時に熱が
矢印で示すようにピストンヘッド12からリング部13
及びスカート部14を経由してシリンダライナーに放散
する点では従来と相違ないが、ボス15 、15’がス
カート部14と独立していることから、熱がボス15.
15’を経由してシリンダライナーに放散することがな
く、ボス15 、15’の上下方向の温度勾配が一層緩
和される点で従来と大きく相違する。したがって熱応力
も小さくなる。
Bosses 15 and 15' are provided on the back surface of the piston head 12, extending downward and integrally with the piston head 12, and are provided with holes into which piston pins (not shown) are fitted in the radial direction. Due to the bending structure, heat is transferred from the piston head 12 to the ring part 13 as shown by the arrow at the time of explosion.
It is different from the conventional technology in that heat is dissipated to the cylinder liner via the skirt portion 14, but since the bosses 15 and 15' are independent of the skirt portion 14, heat is dissipated to the cylinder liner via the skirt portion 14.
This is largely different from the conventional method in that the temperature gradient in the vertical direction of the bosses 15 and 15' is further alleviated without dissipating into the cylinder liner via the bosses 15'. Therefore, thermal stress is also reduced.

また、この構造とすることによシ、ピストンヘッド部の
熱変形によるビンボス部に働く曲げの力を小さくできる
のでビンボス間の長さを短くでき、ピストンピンからの
力に対しても強度を上げることができ、重量減にもなる
In addition, by adopting this structure, the bending force acting on the bottle boss due to thermal deformation of the piston head can be reduced, so the length between the bottle bosses can be shortened, and the strength against the force from the piston pin can be increased. It can also reduce weight.

なお、セラミックス製ピストンにおいてはスカートの長
さを金属製ピストンに比して大幅に短くすることができ
るが、本発明と従来技術との相異を明確にするため、上
記本発明一般例ではスカートの長さを敢えて従来の金属
製ピストンのスカート長さとほぼ同一にしたものである
Note that the skirt length of ceramic pistons can be significantly shorter than that of metal pistons, but in order to clarify the difference between the present invention and the prior art, in the general example of the present invention, the skirt length is The length of the skirt is intentionally made to be almost the same as the skirt length of a conventional metal piston.

「実施例」 実施例1 第3図(2)及びω)にそれぞれ本発明の第一の実施例
に係るセラミックス製ピストンのビストレビン軸方向断
面図及びこれと直角方向の断面図を示す。
"Example" Example 1 FIGS. 3(2) and ω) respectively show a sectional view of a ceramic piston according to a first embodiment of the present invention in the bislevin axial direction and a sectional view in a direction perpendicular thereto.

第3図(2)及び(B)において、ピストン81はスカ
ート部34をスラスト面34aにだけ設けて、ボス35
 、85’端側には設けていないこととピストンヘッド
31の厚みが従来の半分であることを除くほかは第1図
囚、ω)におけるピストン11と構造的に異なるところ
はない。
3(2) and (B), the piston 81 has the skirt portion 34 provided only on the thrust surface 34a, and the boss 35
, 85' end side, and the thickness of the piston head 31 is half that of the conventional piston head 31. There is no structural difference from the piston 11 in FIG.

ピストン31は、セラミックス調合粉末を射出成形後、
焼成することによって製造され、その材質は主としてサ
イアロンよシなシ、第2図囚、CB)で示した従来の金
属製ピストン21に対して約20%軽量化を図ることの
できたものである。このピストン31をガソリンエンジ
ンに組み込み、6000rpmX%で200時間作動さ
せたところ、何ら異常はなく、また低温運転時のエンジ
ン激音が約4デンベル低下した。
The piston 31 is made by injection molding ceramic blended powder.
It is manufactured by firing, and its material is mainly Sialon, which is approximately 20% lighter than the conventional metal piston 21 shown in Figure 2 (CB). When this piston 31 was installed in a gasoline engine and operated at 6000 rpmX% for 200 hours, no abnormalities were found, and the engine noise during low-temperature operation was reduced by about 4 denbels.

実施例2 第4図囚及びCB)にそれぞれ本発明の第二の実施例に
係るセラミックス製ピストンのピストンピン方向断面図
及びこれと直角方向の断面図を示す。
Embodiment 2 Figures 4 and CB) show a sectional view in the direction of the piston pin and a sectional view in the direction perpendicular to this, respectively, of a ceramic piston according to a second embodiment of the present invention.

第4図囚及び(B)において、ピストン41はボス45
.45’とピストンヘッド42との連結部46の径方向
A−A′断面が第4図(0に示すように惰円となってい
ることを除くほかは第31囚及び(B)におけるピスト
ン31と構造的にほとんど異なるところはない。このよ
うに連結部46を惰円形にすることにより方形に比して
この部分の熱変形を一層効果的に防止できる。A−A′
断面が円であっても同様である。
In FIG. 4 and (B), the piston 41 is connected to the boss 45.
.. The radial direction A-A' cross section of the connecting portion 46 between the piston head 45' and the piston head 42 is similar to that of the piston 31 in the 31st case and (B) except that it is an inertia circle as shown in FIG. 4 (0). There is almost no structural difference between the connecting part 46 and the connecting part 46. By making the connecting part 46 circular, thermal deformation of this part can be more effectively prevented than if it were a rectangular shape.A-A'
The same applies even if the cross section is circular.

実施例8 第5図(2)及びω)にそれぞれ本発明の第三の実施例
に係るセラミックス製ピストンのピストンピン方向断面
図及びこれと直角方向の断面図を示す。
Embodiment 8 FIGS. 5(2) and ω) respectively show a sectional view in the direction of the piston pin and a sectional view in the direction perpendicular thereto, of a ceramic piston according to the third embodiment of the present invention.

第5図(4)及びQ3)において、ピストン51は連結
部56にピストンピン方向にくぼみ57が設けられてい
て連結部56が2本のリフ・56a 、 56bで構成
されていることとスカート部54の長さをスカート部5
4下端の上下方向位置がボス55 、55’のピストン
ピン穴上端と同程度になるぐらい短くしたことを除くほ
かは、構造的に第1図囚及び(I3)におけるピストン
11と異なるところはなく、これによりて従来のアルミ
合金製ピストンに対して30%軽量化を図ることのでき
たものである。
In FIG. 5 (4) and Q3), the piston 51 has a recess 57 in the connecting portion 56 in the direction of the piston pin, the connecting portion 56 is composed of two riffs 56a and 56b, and a skirt portion. The length of 54 is the skirt part 5
There is no structural difference from the piston 11 in Figure 1 and (I3), except that the vertical position of the lower end of 4 is shortened to the same extent as the upper end of the piston pin hole of the bosses 55 and 55'. As a result, the weight can be reduced by 30% compared to conventional aluminum alloy pistons.

ピストン51をガソリンエンジンに組み込み6000r
pmXy4で200時間作動させたところ、何ら異常は
なく、また燃料消費率が10%向上し、エンジン騒音も
約3デンベル低下した。
Incorporate piston 51 into gasoline engine 6000r
When operated at pmXy4 for 200 hours, there were no abnormalities, fuel consumption improved by 10%, and engine noise decreased by about 3 denbels.

「発明の効果」 ボスに作用する熱応力が軽減されることから従来以上に
ボスを厚肉としなくともピストンをセラミックスで構成
しうる。而して、ピストンヘッドを薄くすることができ
、スカート長さを短くすることもできるので、軽量とな
り燃料消費率が下がり、加速性能が向上する。また、ピ
ストンとシリンダライナーのすきまを小さくできるので
エンジン騒音が低下する。
"Effects of the Invention" Since the thermal stress acting on the boss is reduced, the piston can be made of ceramics without making the boss thicker than before. As a result, the piston head can be made thinner and the skirt length can be shortened, resulting in lighter weight, lower fuel consumption, and improved acceleration performance. Additionally, the gap between the piston and cylinder liner can be reduced, resulting in lower engine noise.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図囚及びCB)、第31囚及びCB)、第4図(ト
)及びCB)並びに第5図囚及びの)はそれぞれ順に本
発明の一般例、第一の実施例、第二の実施例並びに第三
の実施例に係るセラミックス製ピストンのピストンピン
軸方向断面図及びこれと直角方向の断面図を示し、第4
図Cは第4図Bの線A−A′に沿う断面図である。第2
図囚及びの)は従来の金属製ピストンのピストンピン軸
方向断面図及びこれと直角方向の断面図を示す。 11.21,81.41.51 ・・・ピストン、12
゜22.32,42.52・・・ピストンヘッド、13
゜28.83,43.58・・・リング部、14 、2
4 。 34.44.54・・・スカート部、15 、15’、
25゜25′、3・5 、85’、45.45’、55
.55’・・・ボス特許出願人 日本特殊陶業株式会社
−−−代表者 鈴 木 亭 −ノ 第5 (A) 9フ・・       な人
Figures 1 and CB), 31 and CB), Figure 4 (g) and CB), and Figure 5 and CB) are a general example, a first embodiment, and a second embodiment of the present invention, respectively. A piston pin axial cross-sectional view and a cross-sectional view perpendicular to this of a ceramic piston according to an example and a third example are shown, and a fourth
Figure C is a sectional view taken along line AA' in Figure 4B. Second
Figures 1 and 2) show a sectional view of a conventional metal piston in the axial direction of the piston pin and a sectional view in the direction perpendicular to this. 11.21, 81.41.51 ... Piston, 12
゜22.32, 42.52...Piston head, 13
゜28.83, 43.58...Ring part, 14, 2
4. 34.44.54...Skirt part, 15, 15',
25°25', 3.5, 85', 45.45', 55
.. 55'...Boss Patent Applicant NGK Spark Plug Co., Ltd.---Representative Tei Suzuki -No. 5 (A) 9F... Person

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)ボス端面をピストンヘッド外周より内側にくぼま
せてなるピストンにおいて、ボスをスカートとは独立さ
せるとともに、該ボスをピストンヘッドの裏面に該ピス
トンヘッドと一体的に設けたことを特徴とするセラミッ
ク製ピストン。
(1) A piston in which the end face of the boss is recessed inward from the outer periphery of the piston head, characterized in that the boss is independent of the skirt, and the boss is provided integrally with the piston head on the back surface of the piston head. Ceramic piston.
(2)ボスとピストンヘッドとの連結部の径方向断面が
円又は惰円であることを特徴とする特許請求の範囲第1
項記載のセラミック製ピストン。
(2) Claim 1, characterized in that the radial cross section of the connecting portion between the boss and the piston head is a circle or an inertia circle.
Ceramic piston as described in section.
JP4475586A 1986-02-28 1986-02-28 Piston made of ceramic Pending JPS62203967A (en)

Priority Applications (1)

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JP4475586A JPS62203967A (en) 1986-02-28 1986-02-28 Piston made of ceramic

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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5936099A (en) * 1982-08-24 1984-02-28 片平 典夫 Confirming device for nose of fork in forklift truck

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS5936099A (en) * 1982-08-24 1984-02-28 片平 典夫 Confirming device for nose of fork in forklift truck

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