JPS62223445A - シール装置 - 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】 し産業上の利用分野］ 本発明は内燃機関の断熱ピストンに関するものである。

［従来の技術］ 本出願人は既に実願昭６０−２６７０６号により燃焼室
を取り囲む壁部にセラミックスを用いた断熱エンジンの
ための断熱ピストンとして、金属からなるスカート部の
上側にセラミックスからなるピストン冠部を重ね合せ、
ボルトにより結合したものを出願している。

この種の断熱ピストンでは、単に平面的にスカート部に
ピストン冠部を重ね合せるよりも、ほぼ中心で両者を結
合するボルトの外周側に中空の空気断熱層を形成するこ
とがスカート部の熱負荷の軽減に役立つ。しかし、この
空気断熱層を設ける場合には、スカート部の上面外周側
にシールリング装着用の環状溝を設け、これにインコネ
ルなどの耐熱性合金からなる中空の金属シールリングま
たは軟質のカーボンシールリングを装着し、ピストン冠
部との重合せ面を完全にシールする必要がある。

ところが、ピストンは比較的剛性の弱い構造物であるの
で、振動によりシール部の寸法が変化しやすく、中空の
金属シールリングの場合はその振動に追従することがで
きず、シール性を維持できなくなる。そこで、撮動に対
するピストンの剛性を高めると、重量増加を来すことに
なり好ましくない。また、金属の中空シールリングでは
、シール性を確保するためにヌカ−１一部とピストン冠
部の重合せ面に強く挟持しようとすれば、スカート部と
ピストン冠部を結合するボルトの締付力（軸荷重）を高
く採らなければならない。

一般的なＵ形の環状溝にこれとほぼ同じ断面形状を有す
るカーボンシールリングを装舊する場合には、環状溝の
表面粗さを平滑に仕上げることが重要であり、またカー
ボンシールリングが重合せ面の間に強く挟持されるよう
に、スカート部とビス］・ン冠部とを結合するボルトの
締付力を大きくする必要があり、燃焼室からシリンダと
ピストンの嵌合部の隙間および重合せ面を経てカーボン
シールリングへ到達する燃焼ガスが５００℃を超えると
、カーボンシールリングが酸化されてその耐久性が損わ
れるという問題がある。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明の目的は上述の問題に鑑み、比較的小さな締付力
ないし軸荷重でスカート部とピストン冠部の重合せ面を
シールできる断熱ピストンを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明の構成は互いに重ね
合されるセラミックスからなるピストン冠部と金属から
なるスカート部とを締結手段により結合される中央部の
周囲に断熱空気層を形成するとともに、外周側合せ面の
少なくとも一方に断面ほぼ■形の環状溝を設け、該環状
溝とは異なる断面形状に成形したカーボンシールリング
を前記環状溝に圧接したものである。

［作用］ ピストン冠部６とスカート部２の重合せ面にそれぞれほ
ぼＶ形の環状溝２１．２２が形成され、これらの空間に
断面長方形に成形された軟質のカーボンシールリング４
．４Ａ、４Ｂを挟んで押圧することにより、カーボンシ
ールリングは断面ほぼ８角形に再成形され、これにより
重合せ面のシールが達せられる。カーボンシールリング
の体積はｖ形の環状溝で仕切られる空間の体積よりも僅
かに小さくなっているので、カーボンシールリングを強
く締付けるための荷重は僅かなものとなる。

カーボンシールリングの外側に耐熱性金属からなる筒形
の金属シールリング３６を装着すれば、重合せ面の隙間
へ浸入するブローバイガスの火炎や熱が遮蔽され、カー
ボンシールリングが保護される。

〔発明の実施例］ まず、断熱ピストンの概要について説明すると、第９因
に示すように、通常の金属例えばアルミニウム合金など
からなるスカート部２はこの外周面にピストンリングを
装着するリング溝３が形成されるとともに、コネクティ
ングロッドを連結するピストンピンのピン穴１６が備え
られる。そして、上面１５のほぼ中心部分に上方へ突出
する突部１３が設けられ、この突部１３の上に平坦な頂
面７が形成される。また、上面１５の外周側部分にカー
ボンシールリング４を装着する環状溝が設けられる。

セラミックスからなるピストン冠部６はこの上面１５に
燃焼室を兼ねかつボルト８の頭部が上方へ突出するのを
防ぐ円筒形のくぼみ９が形成されるとともに、下面１０
にも円筒形のくぼみ１２が形成される。そして、下面１
０の外周側部分にはカーボンシールリング４を装着する
環状溝が形成される。

スカート部２の頂面７にピストン冠部６のくぼみ１２の
内端面が重ね合され、これらの重合せ部を貫通するボル
ト８にナツト１４を螺合して互いに結合される。同時に
、スカート部２の上面１５とピストン冠部６の下面１０
との間に軟質のカーボンシールリング４が挟持され、こ
れにより上面１５とくぼみ１２との間に形成される断熱
空気層５が密閉され、この断熱空気層５により燃焼室の
熱を受けるピストン冠部６からスカート部２へ伝達され
る熱負荷が軽減される。

上述のようなピストンの構成については従来例とほぼ同
様であるが、本発明ではスカート部２とピストン冠部６
との重合せ面である上面１５と下面１０の間に介装され
るカーボンシールリング４およびこれを支持する環状溝
について構成を異にし、スカート部２とピストン冠部６
とを結合するポル］−８およびナツト１４の締付力が小
さくて、断熱空気層５をシールするカーボンシールリン
グ４の性能が向上される。この締付力はスカート部２の
頂面７にピストン冠部６のくぼみ１２の内端面を密着す
るように重ね合せた状態で、スカーを一部２の上面１５
とピストン冠部６の下面１ｏとの間に備えられる隙間に
より決定される。換言すれば、上面１５と下面１０との
間に隙間を設け、この間に装着されるカーボンシールリ
ング４の変形により、環状溝の内壁面にカーボンシール
リング４がよく密着し、上面１５と下面１０との闇の隙
間がカーボンシールリング４により密封されるものであ
る。

第１図（ａ）、（ｂ）に示す実施例では、スカート部２
の上面１５に断面Ｖ形の環状溝２２が形成されるととも
に、これと面対称にピストン冠部６の下面１０にも環状
溝２１が設けられる。そして、これらの環状溝２１．２
２に断面長方形をなす軟質のカーボンシールリング４が
嵌合される。

第９図において説明したボルト８にナツト１４を螺合す
ることにより上面１５に下面１０が押し付けられると、
カーボンシールリング４はほぼ断面８角形に変形し、第
１図（ｂ）に示すように、カーボンシールリング４の角
隅部が強く環状溝２２゜２１の傾斜壁面に係合し、重合
せ面を密封する。

すなわち、燃焼室からのブローバイガスが上面１５と下
面１０との重合せ面の隙間を経て環状溝２１．２２へ浸
入しても、カーボンシールリング４は環状溝２１．２２
の傾斜壁面にそれぞれ２個所で係合されるので、断熱空
気Ｉ！！１５（第９図参照）へのブローバイガスの浸入
を完全に防止することができる。しかも、カーボンシー
ルリング４の変形量はこの角隅部が押し潰されるだけで
あるから、第１０図（ａ）、（ｂ）に示す従来例のよう
に圧縮変形させるものに比べて、小さな軸荷重で変形さ
れてカーボンシールリング４が環状溝２１．２２と密着
され、また、各環状溝２１．２２に対して２つの部分で
圧着されるので、シール性が一層向上されるとともに、
環状溝２１．２２の傾斜壁面の面粗さのシール性に及ぼ
す影響度も少ないと言える。

第２図（ａ）、（ｂ）に示す実施例では、環状１ｉ１２
１．２２の断面がほぼＶ形ではあるが、底の部分に丸み
が設けられている点で異なる。このように形成すれば、
第２図（１））に示すように、カーボンシールリング４
は環状溝２１．２２の内奥にまで密着される。しかし、
カーボンシールリング４の断面積が加工誤差により環状
溝２１．２２の断面積よりも大きくなると、締付力ない
し軸荷重が非常に大きくなる。

そこで、第３図に示す実施例では、一方の環状溝２１に
ついてこの内外周側に拡幅部２１ｂを設けて、この部分
にカーボンシールリング４が変形されてはみ出すような
形状とすれば、カーボンシールリング４の断面形状につ
いての寸法誤差を吸収することができる。

第４図（ａ）、（ｂ）に示す実施例では、重合せ面であ
るスカート部２の上面１５とピストン冠部６の下面１０
の一方側にのみ環状溝を設け、これに対応してシールリ
ング４Ｂの断面形状を変更したものである。すなわち、
ピストン冠部６の下面１０に断面ｖ形の環状溝２１を設
ける一方、カーボンシールリング４Ｂについてはほぼ断
面長方形ではあるが、この下面１０がスカート部２の上
面１５と平行ではなく傾斜される。換言すれば、カーボ
ンシールリング４Ｂの厚さが内周側で厚く、外周側に至
るにつれて次第に薄くされる。これは、カーボンシール
リング４Ｂの厚さについてボルト８（第９図参照）に近
い方の縁部を厚くすることにより、上面１５とカーボン
シールリング４Ｂの下面との面圧分布（ピストンの径方
向についての面圧分布）が第４図（ｂ）に示すボルト８
の締付は状態においてほぼ均等にされる。

第５図（ａ）、（ｂ）に示す実施例では、スカート部２
の上面１５とピストン冠部６の下面１゜とにそれぞれ対
称に設けられる環状溝２２．２１の断面形状を直角３角
形とし、これに対応してカーボンシールリング４Ａの断
面形状を分厚い長方形としたものである。すなわち、各
環状溝２２゜２１の外周側壁面２２ａ、２１ａをそれぞ
れ上面１５と下面１０に直角にしたものである。これに
よりカーボンシールリング４Ａはブローバイガスに晒さ
れる外周側で壁面２１ａ、２２ａに広い面積で密接し、
内周側で各環状溝２１．２２の傾斜壁面で別れて密接さ
れる。

第６図に示す実施例では、スカート部２とピストン冠部
６の重合せ面である上面１５と下面１０にそれぞれ断面
ほぼ半円形の環状溝３２．３１を形成し、これに断面ほ
ぼ長方形のカーボンシールリング４を挟み、ボルト８に
より挟持するようにしたものである。これは環状溝３２
．３１の加工ないし成形が比較的容易であり、かつ両者
に径方向の加工ずれがあっても、カーボンシールリング
４の角隅部がほぼ均等に変形される点で優れる。

上述した各実施例では、上面１５と下面１０との間に隙
間が存在する限り、ブローバイガスないし火炎が隙間か
らカーボンシールリング４の外周側へ浸入し、カーボン
シールリング４に接するので、熱によりカーボンシール
リング４が局部的に劣化するのを免れない。

第７図に示す実施例によれば、このようなブローバイガ
スがカーボンシールリング４に直接接するのを抑えるこ
とができる。すなわち、スカート部２の上面１５の環状
溝２２よりも外周側に凹形の環状溝３５を設け、この内
部に円筒形をなす金属シールリング３６を密着し、環状
溝３５と下面１０との間に強く係合させたものであるか
ら、金属シールリング３６により上面１５と下面１０の
重合せ面の隙間へ浸入するブローバイガスがせき止めら
れ、カーボンシールリング４が保護される。

第８図（ａ）、（ｂ）に示す実施例では、カーボンシー
ルリング４の外周側に円筒形の金属シールリング３７を
並設して、重合せ面の隙間から浸入するブローバイガス
からカーボンシールリング４を保護するものである。こ
のため、環状溝２１゜２２の断面形状はＶ形ではなく、
外周側に重合せ面に対して直角な壁面が部分的に設けら
れ、この垂直な壁面に金属シールリング３７が密接され
、カーボンシールリング４は第８図（ｂ）に示すように
、金属シールリング３７の上縁部および下縁部に幾分食
い込むように変形される。

［発明の効果］ 本発明は上述のように、基本的にはスカート部の上面と
ピストン冠部の下面にそれぞれほぼＶ形の環状溝を設け
、これに断面がほぼ長方形のカーボンシールリングを挟
持することにより、カーボンシールリングが環状溝の内
部へ円滑に流れ込むとともに変形されて環状溝の傾斜壁
面に密接されるので、スカート部にピストン冠部を重合
せ結合するボルトの締付荷重が小ざくても、シールリン
グが環状溝に良く密着され、これにより重合せ面へ浸入
したブローバイガスが断熱空気層へ浸入するのを完全に
防止することができる。

カーボンシールリングの外周側に耐熱金属からなる円筒
形の金属シールリングを装着するようにすれば、重合せ
面の隙間へ浸入したブローバイガスは金属シールリング
により遮られ、カーボンシールリングがブローバイガス
の熱から保護される。

カーボンシールリングの耐熱性は５００℃を超えると急
激に酸化により劣化するが、金属シールリングを外周側
に装着すれば、燃焼ガスの温度が５００℃を超えてもシ
ールリングの劣化を阻止することができる。

カーボンシールリングは断面ほぼ長方形のものであるか
ら、この製造が非常に容易であり、スカート部とピスト
ン冠部の重合せ面に形成される環状溝がＶ形のものであ
るから、凹形ないし凹形のものに比べて強度を損う度合
が軽減される。また、環状溝に沿ってカーボンシールリ
ングが再成形されるため、環状溝の壁面粗さの１８度は
凹形環状溝の場合よりも低くても十分である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る断熱ビストンにおけ
るシールリングのｇ着前後の状態を示す正面断面図、第
２図（ａ）、（ｂ）は本発明の第２実施例に係るシール
リングの装＠前後の状態を示す正面断面図、第３図は第
２図に示す環状溝の一部変更実繍例を示す正面断面図、
第４図（ａ）。 （ｂ）および第５図（ａ）、（ｂ）は本発明の第３、第
４実施例に係るシールリングの装着前後の状態を示す正
面断面図、第６図は本発明の第５実施例に係るシールリ
ングの装着前の状態を示す正面断面図、第７図は本発明
の第６大施例に係るシールリングの装着後の状態を示す
正面断面図、第８図（ａ）、（ｂ）は本発明の第７実施
例に係るシールリングの装着前後の状態を示す正面断面
図、第９図は本発明が適用される断熱ピストンの概略構
成を示す正面断面図、第１０図（ａ）、（ｂ）は従来の
シールリングの装着前後の状態を示す正面断面図である
。 ２ニス力−ト部　４．４Ａ、４８：カーボンシールリン
グ　６：ピストン冠部　１０：下面　１５：上面　２１
，２２：環状溝 特許出願人　いすず自動車株式会社 石川ガスケット株式会社

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）互いに重ね合されるセラミックスからなるピスト
   ン冠部と金属からなるスカート部とを締結手段により結
   合される中央部の周囲に断熱空気層を形成するとともに
   、外周側合せ面の少なくとも一方に断面ほぼＶ形の環状
   溝を設け、該環状溝とは異なる断面形状に成形したカー
   ボンシールリングを前記環状溝に圧接したことを特徴と
   する断熱ピストン。
2. （２）前記カーボンシールリングの外周側に耐熱性の金
   属シールリングを配設した特許請求の範囲（１）に記載
   の断熱ピストン。
3. （３）前記金属シールリングを前記カーボンシールリン
   グの外周側に接触させて前記環状溝に圧接した特許請求
   の範囲（１）に記載の断熱ピストン。