JPS63255551A - 断熱ピストンの構造 - 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〕 この発明は、セラミックエンジン等における断熱ピスト
ンの構造に関する。

〔従来の技術〕

従来、セラミック材を断熱材又は耐熱材として利用した
断熱ピストン等のエンジン部材は、例えば、特開昭６０
−９３１６１号公報、特開昭６１−６６８４８号公報等
に開示されている。

まず、特開昭６０−９３１６１号公報に開示された断熱
ピストンの構造について、第３図を参照して概説する。

第３図において、断熱ピストンの構造が符号３０によっ
て全体的に示されている。

この断熱ピストンの構造３０については、ピストンスカ
ート部を含むピストン本体３２の上端部に嵌合孔３３を
設け、その嵌合孔３３にクラウン３１に形成した突部３
４を嵌合し、ピストン本体３２の嵌合孔３３の周囲を加
熱加圧し、ピストン本体３２とクラウン３１とを接合し
たものである。

ピストン本体３２はアルミニウム、可鍛鋳鉄等によって
構成され、またクラウン３１は窒化珪素等のセラミック
スから構成されている。クラウン３１の突部３４には燃
焼室３７が形成され、またクラウン３１の外周部には突
条３５が形成されている。更に、突部３４と突条３５と
の間に形成された空部３８に配置されたセラミックスフ
ァイバ又はステンレスメツシュから成る断熱材３６は、
クラウン３１とピストン本体３２とによって挟持状態に
固定されている。

次に、特開昭６１−６６８４８号公報に開示された断熱
ピストンについて、第４図を参照して概説する。第４図
において、断熱ピストンが符号４０によって全体的に示
されている。この断熱ピストン４０は、セラミックス製
のピストン冠部４１及び金属製のスカート部４２から構
成され、互いにボルト４３及びナツト４４によって皿ば
ね４８を介して固定されている。ピストン冠部４１とス
カート部４２との間には、セラミックスから成るコーテ
ィング層４７及び断熱ガスケット４６が介在され、しか
も断熱空気層４９が形成されている。

図中、符号４５はシールリングを示す。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記のようなセラミックスを断熱材又は
耐熱材として利用するピストン等の断熱エンジン部材に
おいて断熱特性を十分に得ることは、極めて困難である
。例えば、ジルコニア系セラミック材等を断熱材として
利用した場合に、その熱伝導率は組成によって相違する
が、一般材料である窒化珪素系セラミック材等の熱伝導
率と比較して余り大きな差はないものである。一般に、
ピストン等のエンジン部材についての断熱材の特性は、
空気程度の熱伝導率があることが好ましく、物性材料と
して適しているのは、チタン酸カリウムの熱伝導率程度
を有するものである。

ところで、前掲特開昭６０−９３１６１号公報に開示さ
れた断熱ピストンの構造については、クラウン３１とピ
ストン本体３２との結合部、言い換えれば、両者間に介
在した断熱材３６の結合部のシール機能が十分でなく、
また燃焼室３７例の断熱についてもその機能は十分とは
言えず、しかもクラウン３１の熱容量を出来る限り小さ
く構成するという技術的思想を有するものではなく、問
題点を有している。また、前掲特開昭６１−６６８４８
号公報に開示された断熱ピストンについても、上記と同
様な問題点を有している。

この発明の目的は、上記の問題点を解消することであり
、ピストンクラウンとピストンスカートとの間のシール
機能及び断熱機能を向上させると共に、高温になる前記
ピストンクラウンの熱容量を可及的に小さく構成し、そ
れによってエンジンの吸入効率を向上させることのでき
る断熱エンジン等における断熱ピストンの構造を提供す
ることである。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、上記の問題点を解消し、上記の目的を達成
するために、次のように構成されている。

即ち、この発明は、セラミック製ピストンクラウンと金
属製ピストンスカートとの中央部及び外周部をそれぞれ
嵌合状態に結合し、前記ピストンクラウンと前記ピスト
ンスカートとの対向面に断熱シール材を介在させ、前記
ピストンクラウンが圧力を受けた時、前記ピストンクラ
うンの外周部が外側に変形するように構成したことを特
徴とする断熱ピストンの構造に関し、更に具体的に詳述
すると、前記ピストンクラウンの熱容量を可及的に小さ
くするため、前記ピストンクラウンの肉厚を薄く構成し
、また前記断熱シール材が少なくともチタン酸カリウム
とグラスファイバとの混合材で構成され、場合によって
は前記嵌合部に位置する前記断熱シール材にはカーボン
を混合し、更に前記ピストンクラウンの中央部のシャフ
トを前記ピストンスカートの中央部の取付孔に嵌合して
リングによって互いに係止し、しかも前記ピストンクラ
ウンの外周部が半径方向外向きに変形できるように前記
ピストンクラウンを傘状に形成し、また前記ピストンク
ラウンと前記ピストンスカートとの間には空隙が形成さ
れており、更に前記空隙にファイバ等の断熱材を充填し
たことを特徴とする断熱ピストンの構造に関する。

〔作用〕

この発明による断熱ピストンの構造は、以上のように構
成されており、次のように作用する。即ち、この発明は
、セラミック製ピストンクラウンと金属製ピストンスカ
ートとの中央部及び外周部をそれぞれ嵌合状態に結合し
、前記ピストンクラウンと前記ピストンスカートとの対
向面に断熱シール材を介在させ、前記ピストンクラウン
が圧力を受けた時、前記ピストンクラウンの外周部が外
側に変形するように構成したので、高温になる前記ピス
トンクラウンの熱容量を可及的に小さく構成することが
でき、エンジンの吸入効率を向上させ、しかも前記断熱
シール材は前記ピストンクラウンと前記ピストンスカー
トとの間の結合部のガスシールを行うと共に高性能の断
熱機能を果たす。

また、前記ピストンクラウンの外周部が半径方向外向き
に変形できるように、前記ピストンクラウンを傘状に形
成し、前記ピストンクラウンと前記ピストンスカートと
の嵌合部即ちシール部において、前記ピストンクラウン
は前記ピストンスカートに対して半径方向に押圧状態に
設定され、円周方向にシール機能を発生させることがで
き、従ってセラミック製の前記ピストンクラウンに圧縮
力が作用し、前記シャフトの引張力を比較的に低く抑え
ることができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明による断熱ピストンの
構造の実施例を詳述する。

第１図において、この発明の一実施例である断熱ピスト
ンの構造が符号ＩＯによって全体的に示されている。断
熱ピストンの構造１０については、セラミック製ピスト
ンクラウンｌと金属製ピストンスカート２とから成る。

ピストンクラウン１の中央部にはシャフト４が設けられ
ており、またピストンクラウン１の外周面より僅か内側
の外周部には、突出部６が形成されている。更に、ピス
トンクラウン１の熱容量を可及的に小さくするため、燃
焼室５に面するピストンクラウン１の肉厚は薄く形成さ
れている。しかも、ピストンクラウンＩの中央部が突出
するように、ピストンクラウン１は傘状部分３から成る
ように形成されている。ピストンクラウン１に設けられ
たシャフト４の先端部には、係止用のリング１５が嵌合
する嵌合溝１６が形成されている。また、金属製ピスト
ンスカート２にはピストンリングａ１３が形成されてい
る。これらのピストンリング溝１３には、圧力リング、
オイルリング等のピストンリング（図示省略）が嵌め込
まれるように構成されている。ピストンスカート２の最
外周部には突出部１１が形成され、またピストンスカー
ト２の中央部には取付孔９が形成されている。この取付
孔９にはリング１５が嵌合する嵌合溝１７が形成されて
いる。このような構成において、ピストンクラウン１と
ピストンスカート２との中央部及び外周部をそれぞれ嵌
合状態に結合し、ピストンクラウン１とピストンスカー
ト２との対向面に断熱シール材８を介在させる。即ち、
ピストンクラウン１の中央部のシャフト４をピストンス
カート２の中央部の取付孔９に嵌合すると共に、ピスト
ンクラウン１の突出部６をピストンスカート２の突出部
ＩＩの内側に嵌合し、次いで、シャフト４に形成した嵌
合溝１６と取付孔９に形成した嵌合溝１７とに跨がって
リング１５を嵌合し、ピストンクラウンｌとピストンス
カート２とを係止状態に結合する。この場合に、ピスト
ンクラウン１の突出部６とピストンスカート２の突出部
１１との半径方向の間隔、及びピストンクラウン１のシ
ャフト４とピストンスカート２の取付孔９との半径方向
の間隔は、断熱シール材８を挟持できるだけのスペース
が空けられている。それ故に、断熱シール材８の内周部
と外周部とは、ピストンクラウンｌの突出部６とピスト
ンスカート２の突出部１１とのシール部即ち嵌合部１８
及びピストンクラウン１のシャフト４とピストンスカー
ト２の取付孔９との嵌合部１４において締付状態に挟持
される。断熱シール材８については、例えば、少なくと
もチタン酸カリウムとグラスファイバとの混合材から構
成されているものが好ましい。チタン酸カリウムについ
ては、例えば、ウィスカー状チタン酸カリウム（Ｋ２Ｔ
ｉ６Ｏ１３、融点１３７０℃、壮重３．２、熱伝導率０
゜０００１２　ｃａｌ／ｃｍ　ｓｅｃ”Ｃ）である。更
に、断熱シール材８には、場合によっては、カーボンを
シール部のみに少量混合し、シール機能を向上させるこ
ともできる。また、ピストンクラウン１とピストンスカ
ート２との間には、空隙７が形成されている。

図中、１２はピストンピンを貫通させるピン孔を示す。

この発明による断熱エンジン等における断熱ピストンの
構造１０は、上記のような構成であり、ピストンスカー
ト２にピストンクラウン１を結合するには、例えば、次
のようにして行うことができる。まず、ピストンスカー
ト２にリング１５を嵌合すると共に、ピストンスカート
２の上面に断熱シール材８を嵌め込む。次いで、断熱シ
ール材８の内周部を介してピストンクラウン１のシャフ
ト４をピストンスカート２の取付孔９に嵌合すると共に
、断熱シール材８の外周部を介してピストンクラウン１
の突出部６をピストンスカート２の突出部１１の内側に
嵌合する。次いで、ピストンクラウン１のシャフト４を
ピストンスカート２の取付孔９に対して矢印入方向に更
に押し込み、シャフト４に形成した嵌合溝１６にリング
１５を嵌合させる。この場合に、リング１５を高周波に
よって金属硬度を低下させておき、しかもリング１５を
矢印Ｃ方向に押圧した状態に支持し、次いでプレスによ
ってピストンクラウン１のシャフト４に設けられた溝１
６に金属リング１５が変形収納することによって達成す
ることができる。従って、リング１５は、シャフト４の
嵌合溝１６と取付孔９の嵌合溝１７とに跨がって設置さ
れ、ピストンクラウン１とピストンスカート２とを係止
状態に結合する。この状態において、ピストンクラウン
１は傘状に形成されており且つ可及的に肉厚を薄く構成
されているので、ピストンクラウン１の外周部、特にピ
ストンクラウン１の外周部に形成された突出部６は、矢
印Ｂで示すように、半径方向外向きに径が拡大するよう
に変形する。このことによりピストンクラウン１のシャ
フト４に軸力が発生し、それ故に、ピストンクラウン１
には圧縮力が作用し、シャフト４には引張力が作用する
ように設定される。従って、断熱シール材８の少なくと
も外周部は、ピストンクラウン１の突出部６とピストン
スカート２の突出部１１との間の嵌合部１８に締付状態
に挟持される。ピストンクラウン１とピストンスカート
２の突出部１１とは直接接触することがなくクリアラン
ス１９が存在するので、熱伝導性は悪く断熱性に優れて
いることになる。

次に、第２図を参照して、この発明の別の実施例である
断熱ピストンの構造２０について説明する。この実施例
の断熱ピストンの構造２０は、上記実施例における断熱
ピストンの構造１０とほぼ同一の構造を有するものであ
り、従って同一の部品には同一の符号を付し、それらの
説明については省略する。この断熱ピストンの構造２０
において、ピストンクラウン１とピストンスカート２と
の間に形成された空隙７には、ファイバ等の断熱材２１
が充填されている。また、ピストンクラウン１とピスト
ンスカート２との結合についても、断熱材２１を介在さ
せること以外については上記実施例の断熱ピストンの構
造１０と全く同一であるので、その説明も省略する。

〔発明の効果〕

この発明による断熱ピストンの構造は、以上のように構
成されているので、次のような特有の効果を奏する。即
ち、この発明は、セラミック製ピストンクラウンと金属
製ピストンスカートとの中央部及び外周部をそれぞれ嵌
合状態に結合し、前記ピストンクラウンと前記ピストン
スカートとの対向面に断熱シール材を介在させ、前記ピ
ストンクラウンが圧力を受けた時、前記ピストンクラウ
ンの外周部が外側に変形するように構成したので、高温
ガスが接触して高温になる前記ピストンクラウンの熱容
量を可及的に小さく構成することができ、エンジンの吸
入効率を向上させることができる。例えば、断熱エンジ
ンにおいて、高温ガスが接触する部分即ちピストンクラ
ウンの熱容量が小さいので、前記エンジンの爆発工程及
び排気工程においては燃焼室内に熱エネルギーが残存す
ることなく、はとんどの熱エネルギーを排気ボートを経
て下流に設けられているエネルギー回収装置に送り込む
ことができ、また前記エンジンの吸入工程においては高
温ガスが接触する部分即ち前記ピストンクラウンは所望
な程度の温度まで直ちに冷却され、吸入効率が低下する
ような現象が生じることがない。しかも、前記断熱シー
ル材は例えばチタン酸カリウムとグラスファイバとの混
合材で構成され、更に場合によっては前記嵌合部に位置
する前記断熱シール材にはカーボンが混合されているの
で、前記ピストンクラウンと前記ピストンスカートとの
間の結合部に対して、極めて良好なガスシールを達成で
きると共に、前記エンジンの前記燃焼室に対して高性能
の断熱機能を果たし、前記燃焼室からピストンを通じて
の熱エネルギーの流出はなく、熱エネルギーを前記燃焼
室に閉じ込めることができる。従って、上記エネルギー
回収装置によって、熱エネルギーを有効に回収すること
ができる。また、一般的に、肉厚が非常に薄く且つ剛性
の弱いピストンクラウンについては、十分な軸方向のシ
ール圧力を得ることは困難であるが、この発明による断
熱ピストンの構造については、前記ピストンクラウンの
外周部が半径方向外向きに変形できるように、前記ピス
トンクラウンを傘状に形成し、前記ピストンクラウンと
前記ピストンスカートとの嵌合部即ちシール部において
、前記ピストンクラウンは前記ピストンスカートに対し
て半径方向に押圧状態に設定され、それによって前記断
熱シール材の外周部は前記ピストンクラウンと前記ピス
トンスカートとの間の嵌合部において締付状態に挟持さ
れ、前記断熱シール材は円周方向にシール機能を発生さ
せることができる。この場合に、セラミック製の前記ピ
ストンクラウンに圧縮力が作用し、前記シャフトの引張
力を比較的に低く抑えることができるが、この状態はセ
ラミンクスの材料特性からみても極めて好ましい状態で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による断熱ピストンの構造の一実施例
を示す断面図、第２図はこの発明による断熱ピストンの
構造の別の実施例を示す断面図、第３図は従来の断熱ピ
ストンの構造を示す断面図、及び第４図は従来の別の断
熱ピストンを示す断面図である。 １−−−−−−−ピストンクラウン、２−一−−−−−
ピストンスカート、３−−−一傘状部分、４−−−−−
−シャフト、５−−−−−燃焼室、６．　　Ｉ　Ｌ−−
−−一突出部、７−−−−−−−空隙、８−一断熱シー
ル材、９−−−−−−一取付孔、１０．２０〜・・−断
熱ピストンの構造、１４．　１８−−−−一嵌合部、１
５−−−−−リング、１６　、　１７−−−−−−−嵌
合溝、１９−−−−−クリアランス、２１−−−−−−
−断熱材。 特許出願人　　　いす＼自動車株式会社代理人　弁理士
　　　　尾　仲　−宗 第　　１　　図 第　　２　　図 第　　３　図 第　　４　　図

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミック製ピストンクラウンと金属製ピストン
   スカートとの中央部及び外周部をそれぞれ嵌合状態に結
   合し、前記ピストンクラウンと前記ピストンスカートと
   の対向面に断熱シール材を介在させ、前記ピストンクラ
   ウンが圧力を受けた時、前記ピストンクラウンの外周部
   が外側に変形するように構成したことを特徴とする断熱
   ピストンの構造。
2. （２）前記ピストンクラウンの熱容量を可及的に小さく
   するため、前記ピストンクラウンの肉厚を薄く構成した
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の断熱ピ
   ストンの構造。
3. （３）前記断熱シール材はチタン酸カリウムとグラスフ
   ァイバとの混合材で構成したことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の断熱ピストンの構造。
4. （４）前記嵌合部に位置する前記断熱シール材にカーボ
   ンを混合したことを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の断熱ピストンの構造。
5. （５）前記ピストンクラウンの中央部のシャフトを前記
   ピストンスカートの中央部の取付孔に嵌合してリングに
   よって互いに係止し、しかも前記ピストンクラウンの外
   周部が半径方向外向きに変形できるように前記ピストン
   クラウンを傘状に形成したことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載の断熱ピストンの構造。
6. （６）前記ピストンクラウンには圧縮力が作用し、前記
   シャフトには引張力が作用していることを特徴とする特
   許請求の範囲第５項に記載の断熱ピストンの構造。
7. （７）前記ピストンクラウンと前記ピストンスカートと
   の間には空隙が形成されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載の断熱ピストンの構造。
8. （８）前記空隙にファイバ等の断熱材を充填したことを
   特徴とする特許請求の範囲第７項に記載の断熱ピストン
   の構造。