JPS63255552A - 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ソ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、互いにポルト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り
、セラミックスが燃焼室側の高温に晒される状態であり
、そのため熱ショックを受け、強度上の問題がある。

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、
また燃焼室側の断熱性についてもその機能は十分とは言
えず、しかもセラミックスから成るクラウン３１はエン
ジンの燃焼室側に直接晒される状態に構成されているの
で、熱ショックを受けることになり、強度上の問題が生
じる。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
、燃焼室側の高温になる前記ピストンヘッドが熱ショッ
クを受けても強度上の問題が生じることがなく、耐熱性
を向上させ、しかも安定した取付状態を得ることができ
、更にピストンヘッドの剛性を高くして高圧でも変形し
難い構造に構成し、ピストンヘッド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、燃焼室側にジルコニアコーティング
層を施し且つ前記ジルコニアコーティング層と線膨張係
数がほぼ等しい金属製薄板をサーメットホルダーに被覆
して構成したピストンヘッドを、ピストンスカートに結
合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、前記ピストンヘッドを前記ピス
トンスカートに断熱シール材を介して結合し、前記金属
製薄板の中央部に設けた取付ボスを前記サーメットホル
ダーの中央孔に貫通して結合し、また前記サーメットホ
ルダーの中央突出部を前記ピストンスカートの中央孔に
嵌合して結合してリングによって互いに係止し、前記ピ
ストンヘッドと前記ピストンスカートとの間には空気層
が形成されており、場合によっては前記空気層にファイ
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
、燃焼室側にジルコニアコーティング層を施し且つ前記
ジルコニアコーチインク層と線膨張係数がほぼ等しい金
属製薄板をサーメットホルダーに被覆して構成したピス
トンヘッドを、ピストンスカートに結合したので、エン
ジンの燃焼室側の高温になる前記ピストンヘッドについ
てセラミックスが直接晒される状態に構成されておらず
、熱ショックを受けても破壊されるようなことはない。

また、前記サーメットホルダーは剛性が高く、高圧が掛
かったとしても変形し難く、前記ピストンヘッドと前記
ピストンスカートとの間の結合部のガスシールを安定し
て達成することができると共に高性能の断熱機能を果た
す。

〔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１０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、主としてピストンへ
ソド１と金属製ピストンスカート２とから成る。ピスト
ンヘッドｌは、第２図に示すように、３つの層から構成
されている。これらの層は、高温ガスに晒されるエンジ
ンの燃焼室５側に施されたジルコニアコーティング層３
、ジルコニアコーティング層３と線膨張係数がほぼ等し
く且つ耐熱性に冨んだステンレススチール等の金属から
作られた金属製薄板】１、及びサーメットホルダー１２
から成る。サーメツトについては、一般的に、硬さ、耐
熱性、耐摩耗性等の性質を有するセラミックスと強靭性
、可塑性等を有する金属とを組合せ、加圧成形し、焼結
して作った複合材料であり、剛性が高く、高圧でも変形
し難い性質を有している。第１図から明らかなように、
エンジンの燃焼室５側の金属製薄板１１に対してジルコ
ニアコーティング層３がコーティングされており、この
金属製薄板１１がサーメットホルダー１２を被覆するよ
うに結合されている。金属製薄板１１とサーメットホル
ダー１２との取付状態を一層堅固にするために、金属製
薄板１１の中央部には取付ボス４が固着されており、こ
の取付ボス４をサーメットホルダー１２の中央部に形成
された嵌合孔１４に貫通し、断熱シール材８を介してナ
ンド１８によって固着している。ジルコニアコーティン
グ層３は、特に第２図に示すように、ピストンへソド１
の上面のみに施されても良く、この場合はサーメットホ
ルダー１２に金属製薄板１１を取付けた後、ピストンヘ
ッド１の上面にジルコニアコーティング層３を被覆溶射
しても良い。

また、ピストンヘッド１におけるサーメットホルダー１
２の中央部には、突出部２０が形成されており、この突
出部２０をピストンスカート２の取付孔９に嵌合し、ピ
ストンへソド１とピストンスカート２との外周部及び内
周部の間に断熱シール材８を介在させて両者を結合して
いる。ピストンヘッド１とピストンスカート２との間に
は空気層７が形成されている。また、場合によっては、
空気層７にファイバ等の断熱材を充填することもできる
ことは勿論である。更に、サーメットホルダー１２の中
央突出部２０をピストンスカート２の中央孔９に嵌合し
て結合し、リング１５によって互いに係止している。ピ
ストンヘッド１の外周部には、突出部６が形成されてい
る。ピストンヘッド１の中央部が突出するように、ピス
トンヘッド１は傘状に形成されている。ピストンヘッド
ｌにおけるサーメットホルダー１２に形成された中央突
出部２０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溝１３が形成されている。

これらのピストンリングａ１３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、ピストンヘッド１の突出部６が嵌合する環状切欠
段部２１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、ピストンヘッド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
、ピストンヘッド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、ピストンヘッドＩ
の中央部の突出部２０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、ピストンヘッド１の突出部
６をピストンスカート２の環状切欠段部２１に嵌合し、
次いで、突出部２０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、
ピストンヘッド１とピストンスカート２とを係止状態に
結合する。

ピストンスカート２の取付孔９の付近において、断熱シ
ール材８は、ピストンヘッド１とピストンスカート２と
のシール部即ち嵌合部において締付状態に挟持される。

また、断熱シール材８は、ピストンヘッド１の取付ボス
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６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。図中、１９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にピストンヘッドＩ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、ピストンヘッド１
を組立て、次いで組立てられたピストンヘッド１をピス
トンスカート２に結合する。詳しく説明すると、ジルコ
ニアコーティング層３がコーティングされた金属製薄板
１１に固定された取付ボス４を、サーメットホルダー１
２の中央孔１４に貫通し、次いで断熱シール材８を取付
ボス４に嵌合してナツト１日を取付ボス４に螺合してピ
ストンヘッドｌを組立てる。

一方、ピストンスカート２の嵌合溝１７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を配置する。次いで、断熱シール材８の中央孔に
ピストンへソド１を貫通させ、ピストンヘッド１の突出
部２０をピストンスカート２の取付孔９に嵌合すると共
に、外周部に位置する断熱シール材８を介してピストン
ヘッド１の突出部６をピストンスカート２の環状切欠段
部２１に嵌合する。突出部２０に形成した嵌合溝１６に
リング１５を嵌合させる場合には、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
を上方向に押圧した状態に支持し、次いで、プレスによ
ってピストンヘッド１の突出部２０をピストンスカート
２の取付孔９に押し込むことによって達成することがで
きる。従って、リング１５は、突出部２０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
ンヘッド１とピストンスカート２とを係止状態に結合す
る。ピストンヘッドｌの突出部２０には軸力が発生する
。従って、断熱シール材８は、ピストンヘッド１の突出
部６とピストンスカート２の環状切欠段部との間の嵌合
部即ちシール部により強固に締付状態に挟持される。更
に、場合によっては、この断熱ピストンの構造１０にお
いて、ピストンヘッド１とピストンスカート２との間に
形成された空気層７にファイバ等の断熱材を充填するこ
ともできる。

〔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、燃焼室側にジルコニアコーティング層
を施し且つ前記ジルコニアコーティング層と線膨張係数
がほぼ等しい金属製薄板をサーメットホルダーに被覆し
て構成したピストンヘッドを、ピストンスカートに結合
したので、エンジンの燃焼室側の高温になる前記ピスト
ンヘッドについてセラミックスが直接晒される状態に構
成されておらず、前記ジルコニアコーティング層によっ
て耐熱性を向上させることができ、熱ショックを受けて
も強度上の問題が生じることがなく、しかもステンレス
スチール等から成る前記金属製薄板は耐熱性に富み且つ
線膨張係数がサーメットホルダーにほぼ等しいので、両
者の結合状態に問題が生じるようなことはない。また前
記サーメットホルダーは剛性が高く、高圧が掛かったと
しても変形し難く、前記ピストンヘッドと前記ピストン
スカートとの間の結合状態は安定しており、しかも境界
部のガスシールを安定して達成することができると共に
、高性能の耐熱性を向上させ、更にピストンヘッドの剛
性を高くして高圧でも変形し難い構造に構成し、ピスト
ンヘッドとピストンスカートとの間の前記断熱シール材
の挟持状態に変形が生じることがなく、シール機能及び
断熱機能を向上させ、しかも安定した取付状態を得るこ
とができる。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
ンヘッド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。

【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図は第１図の符号Ａにおける部分を
示す詳細な断面図、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−−−−−−−ピストンヘッド、２−−−−−−−ピ
ストンスカート、３−−−−−ジルコニアコーティング
層、４−−−−−一取付ボス、５−−−−一燃焼室、６
−−−−−−−突出部、７−−−−−−空気層、８−−
一一一一−断熱シール材、９−−−−一取付孔、１０−
−−一一−−断熱ピストンの構造、１１−−−−−一金
属製薄板、１２−−−−−−−サーメットホルダー、Ｉ
　４−−−−−−嵌合孔、１５−〜−−−−−リング、
１６　、　１７−−−−−−嵌合溝、２０−−突出部、
２１−−−一環状切欠段部。 特許出願人　　　いすソ自動車株式会社代理人　弁理士
　　　　尾　仲　−宗 第　　】Ｉ！！！１ 第　　３　図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃焼室側にジルコニアコーティング層を施し且つ
   前記ジルコニアコーティング層と線膨張係数がほぼ等し
   い金属製薄板をサーメットホルダーに被覆して構成した
   ピストンヘッドを、ピストンスカートに結合したことを
   特徴とする断熱ピストンの構造。
2. （２）前記ピストンヘッドは前記ピストンスカートに断
   熱シール材を介して結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。
3. （３）前記金属製薄板の中央部に設けた取付ボスを前記
   サーメットホルダーの中央孔に貫通して結合したことを
   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。
4. （４）前記サーメットホルダーの中央突出部を前記ピス
   トンスカートの中央孔に嵌合して結合してリングによっ
   て互いに係止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）前記ピストンヘッドと前記ピストンスカートとの
   間には空気層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。
6. （６）前記空気層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５項に記載の断熱ピスト
   ンの構造。