JPS63277843A

JPS63277843A - 断熱ピストン

Info

Publication number: JPS63277843A
Application number: JP8202087A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Murakami; 広幸村上
Original assignee: Yanmar Diesel Engine Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 1987-04-01
Filing date: 1987-04-01
Publication date: 1988-11-15

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）本発明は断熱機関に採用される断熱ピストンに関する。

（従来技術）従来断熱機関の開発研究においては、冷却１１失の低減
を図ること、高温燃焼による燃焼改１９を図ること等が
目的とされる。（してそのような目的達成のために、従
来断熱機関の燃焼室が形成されるクラウン及びクラウン
近傍の部材を断熱化することが開発（Ａ究の対蒙となっ
ている。そして断熱化される部材はピストン、シリンダ
ヘッド（ヘッドプレート及び抽気ボート）、シリンダラ
イナであり、断熱部材として金属からｌＺラミックスを
用いることが検討されている。

ところがしラミックスは高価な材料Ｃあり、しかもυ１
れ易い材質であるから、Ｔンジン部品として【よ信頼ｆ
↓、及び品質の点て・−考を要する部材である。

このため従来断熱機関に採用される断熱ピストンにおい
Ｕｆま、クラウンとリングランド部とを分割し、異なっ
た材質を用いてピストンを形成すると共に両との間に空
気断熱層を形成することが考えられている。

しかしながらクラウンとリングランド部との接合形状及
び接合構造によっては、ピストンの耐久性、耐熱性等に
署しい差が生じることが後述する本件出願人のＦ、　Ｆ
、　Ｍ、　　（Ｆｉｎｉｔｅ　［ＩｍｅｎｔＨｃｔｈｏ
ｄ、有限要素法の略）解析ににり明らかになった。例え
ば、第１７図に示寸ようにクラウン１とリングランド部
２との接合構造が中央部のポルｈ　３により締結される
構造では、クラウン１とリングランド部２の外周嵌合部
分４に熱応力がかかつて熱歪みが生じ、機械損が生じる
。そこでこれを防止りるため、従来外周嵌合部分４は電
子ビーム溶接等により溶着されていた。ところがその構
造Ｃは、熱応力に対づる耐性に問題が生じることがわか
った。

（１！明の目的）本発明はクラウンとリングランド部との接合形状及び接
合構造の改良により、冷却損失の低減及び高温燃焼によ
る燃焼改善を図ること等を目的とし【いる。

（発明の構成）本発明は、円筒状の金属製スカート部と、メカ−１一部
上端に一体的に形成されかつ頂部に同心の小径部を右ザ
るリングランド部と、上記小径部が嵌合する嵌合部を下
面に有しかつ上面に深皿形の燃焼室を０１６耐熱材製ク
ラウンとを備えた断熱ビス１−ンにＪ３いて、上記クラ
ウンの燃焼室底壁下面にリング状の脚部を形成し、上記
脚部とリングランド部上面どの接合部分をボルトにより
締結させてクラウンＦ面とリングランド部上面との間に
空気断熱層を形成し、上記小径部の周面に切り渦を設け
、上記切り溝にシール機構を嵌合させ、Ｆ記すングラン
ド部の外周壁にリング溝を設け、上記リング満背（Ｑの
リングランド部内に冷却空洞を形成したことを１５徴と
する断熱ピストンである。

（作用）クラウンの燃焼全底面下部に形成したリング状の脚部に
より、空気断熱層が形成される。又Ｆ記脚部とリングラ
ンド部上面との接合部分をボルトにより締結しているの
で、リングランド部とクラウン嵌合部分は底台状態でシ
ールされる。さらにリングランド部の外周壁にリング溝
を設け、そのリング溝に嵌合づるシール機構により完全
なシールが図られる。

（実施例）本発明を採用した断熱ピストンの縦断面図である第１図
において、１０は金属製スカー１〜部で、円筒状に形成
される。スカート部１０の上端にはリングランド部１１
が一体的に形成されている。

スカート部１０、リングランド部１１の材質としては例
えば熱伝導率の低い球状黒鉛鋳鉄が用いられる。リング
ランド部１１の外周面には、例えば４本のリング溝１３
．１４．１５．１６が形成される。リングランド部１１
のリング溝１３．１４．１５．１６背後には、環状の冷
却空洞１７が形成されている。

リングランド部１１の上面は概ね深皿形で、中火部１Ｂ
が上方に脹らんでいる。中央部１８の周辺部分は平坦に
なって、後述するクラウン３０の脚部３７と接合する（
＆合部１９が形成される。搗合部１９の所定の円周り向
一定間隔へだてたところには、複数個（例えば４本）の
ポルｌ一孔２０が穿設される。

リングランド部１１の頂部には、同心の小径部２１が形
成され、後述するクラウン３０の嵌合部３５に嵌合づる
。小径部２１の周面には、切り満２３が設【ノられ、切
りｆへ２３にはシールリング（シール機構）２４．２５
が密着状態で２虫に重ね合わされて配置されている。こ
こでシール機構をシールリング２４．２５のように２重
に重ね合せた構造としたのは以下の理由による。一般に
シール機構は第２図又は第３図に示すように、切り溝２
３　ａに１木のシールリング２４ａを嵌合させる構造が
一般的であるが（例えば実開昭６１−１０８８６５号）
、その構造を本発明のようにクラウン３０と小径部２１
とを溶着しない構造に採用すると、シールリング２４ａ
の合い口２６ａから燃焼ガスが漏れてしまう恐れがある
。イこ−（・本発明においては、第４図に示すようにシ
ールリング２４．２５を密着さけた２重構造にして、シ
ール機能の万全を図っているのである。

第１図に示すように、クラウン３０は上面に深皿形の燃
焼室３１を右しており、底壁３２を周壁３３が囲んだ状
態で形成される。クラ−クン３０の外周下端部には、小
径部２１が嵌合Ｊる１ダ合部３５を一体的に備えている
。従来小径部２１と嵌合部３５との嵌合部分は電子ビー
ム溶接等により溶着されているが、本発明においては単
に圧入嵌合しているだｌ−（”ある。これにより後述す
るＦ、Ｅ。

Ｍ、解析によって明らかにされたように、断熱ビス］・
ンの熱応力、及び機械的荷重に対する特性を向上さける
ことができる。

クラウン３０の底壁３２下面にｔよ、リング状の脚部３
７が一体的に形成されている。脚部３７の内周壁面３８
は新面が半月状の曲線を１清くように形成されている。

これにより空気断熱層４３の中心部分が広くなるように
形成されている。なお脚部３７は必ずしもクラウン３０
と−・体内に形成する必要はない。

脚部３７には、リングランド部１１の接合部１９に穿設
されたボルト孔２０と対向４６位置に孔３９が形成され
ている（第５図）。孔３９の燃焼室３１側Ｌｔ孔径が大
きく形成されてボルト頭部４０が埋め込まれるようにな
っている。又ボルト４１が燃焼室３１側から螺合する場
合には、燃焼室３１の輻射熱からボルト４１を保護する
ために、ボルト頭部４０にキャップ４２が冠着される。

これらボルト４１或いはＣｔツブ４２又はその両方は耐
熱材で形成されることが望ましい。耐熱材としては、例
えばステンレス５Ｎ（ＳＵＳ３０４）等が用いられる。

又ポル１へ４１とキャップ４２の間に隙間４４を設ける
ことにより、輻射熱からボルト４１をさらに有効に保護
ツることができる。リングランド部１１の小径部２１を
クラウン３０の嵌合部３５に嵌合させてクラウン３０と
リングランド部１１とを組立てた際、ボルト４１により
両者は接合される。この場合において、リングランド部
１１上面とクラウン３０下面との間には、脚部３７の厚
さによって隙間が生じることにより、空気断熱層４３が
形成される。これにより断熱素材として優良な性質を有
する空気（熱伝導率０゜０２２にｃａｌ／ｍｈ　”Ｃ）
を面熱材料とし゛（採用ぐきるので、断熱ピストンの断
熱効率を向上さけることができる。ここでポル１〜４１
が配置される位置は、なるべく半径方向外方すなわち冷
却空洞１７近傍が望ましい。

第６図は本発明を採用した断熱ピストンの組立状態を示
す縦面面図である。ここで５０はシリンダヘッドで、下
端５１には、ヘッドプレート５２が設けられている。一
般にヘッドプレート５２は熱変形による反り返りが生じ
て燃焼悪化の原因となったり、脱落が生じたりすること
があったので一般に断熱機関に用いる場合には留意を要
する（第７図参照）。

ところがシリンダヘッド下端５１の縦断面部分略図であ
る第８図に示１実施例では、脱落防止を図ると共に熱変
形による反り返りが生じないように外周部にツバ部５３
を設けている。ツバ部５３はヘッドプレート５２の平面
図である第９図に示すように、環状のヘッドプレート５
２外周に互いに対向する位置に形成される。他り第１０
図に示Ｊようにシリンダヘッド下端５１には、ツバ部５
３が嵌入する溝５４と、上記ツバ部５３に対向ツる位置
に切欠部５５が形成されている。従ってへラドプレート
５２をシリンダヘッド５０に組込む際、まず切欠部５５
にツバ部５３が嵌入さぜ、さらにヘッドプレー１・５２
を回動させることにより、ヘッドプレーｌ〜５２はシリ
ンダヘッド５０に固定され、しかし熱変形による反り返
りを防止することができ、ざらにツバ部５３によってヘ
ッドプレーｔ”　５２の脱落を防止することができる。

なお第８図右ヒに示すようにヘッドプレート５２外周縁
とシリンダヘッドｌ；端５１の切欠部５５との間に充填
材５７を圧入ザる構造を採用してもよい。

なお第６図中、７０．７１は排気弁、７２はブツシュ［
１ツド、７３は排気弁シート、７４はシイナスリーブ、
７５はシリンダライナ、７６４よ連接棒、７７はシリン
ダブロック、７８はクランク軸である。

次に木骨出願人が本発明の効果を明らかにするために実
施したＦ、Ｅ、Ｍ、解析の結果を説明づる。

第１１図は、本解析に採用した５種類の解析モデルを示
す一覧図である。第１１図中ｒＥＪで示されている解析
モｆル（よ本発明を採用した構）青ぐある。表１は各解
析モデルの比較を示す比較衣である。

表　　　　１（ａ）温度分布解析：第１２図は本発明を採用した断熱ピストンの温度分布予
測を示している断面部分略図である。第１２図に示され
るように、＠高温度は燃焼室３１外縁部で約５６０〜５
７０℃、リング溝１３底部温度は約２５０℃前後と予測
した。

（ｂ）熱変形解析：表２〜表４は上記温度分布を用いてクラウン３０の熱変
形解析を実施した結果を示している。

表　　　　２［熱変形量］（単位＝μｍ）人　　　３［熱応力値］（単位：Ｋｃｔ／ｍｍ２＞表　　　　４［熱応力値］（中位：Ｋｇ／ｍｍ２＞第１３図は表２中半径方向１（１と上下方向Ｐ１を示し
ている断熱ピストンの断面部分略図であり、第１４図は
表３中の解析モデルを示を断熱ピストンの断面部分略図
である。この解析結果からら明らかなように、クラウン
３０の熱変形を外周部分で拘束する構造（解析モデルＡ
、Ｃ）Ｃは、熱応力が使用耐熱金属の降伏応力を越えた
値（約５０〜６０　Ｋ９／　ｍｔｓ２）どなる。従って
熱応力に対しては解析モデルＥ（本発明）のように、ク
ラウン３０外周部の熱変形を拘束しない構造が有効であ
ることが確認された。

（Ｃ）ガス圧荷重解析：表５は燃焼ガスの機械的荷重による変形を示しており、
表６、表７は、燃焼ガスの機械的Ｍｌによる応力の解析
結果を示している。各表の変形１ノ向、解析モデルは、
第１５図、第１６図と対応している。

表　　　　５［機械荷重による変形量］（単位二μｍ）表　　　　６［機械的荷ｍによる応力値］（単位：Ｋｇ／ｍｍ２）表　　　　７［機械的荷重による応力値］（単位：に９／１ｒｖｎ”）表４〜表７から明らかなように、外周部を単独で支持す
る構造（解析モデルＢ、Ｄ）では、本発明の、」：うむ
燃焼室３１底部支持並設構造（解析モデルＥ）に比べて
剛性が約１１５〜１／６低下すると共に応力値が２〜４
倍となった。

（発明の効果）以上説明したように本発明によると、クラウン３０の燃
焼室３１底壁３２下面にリング状の脚部３７を形成して
いるので、脚部３７とリングランド部１１１面とを接合
させた際、クラウン３０下面とリングランド部１１土面
との間に空気断熱層４３が形成される。従って断熱素材
として優良な性質を右する空気（熱伝導率０．０２２に
ｃａｌ／ｍｈ℃）を断熱材料として採用できるので、断
熱ピストンの断熱効率が向上し、冷却損失の低減及び高
温燃焼による燃焼改善を図ることができる。なお本件出
願人の断熱層解析によると、本発明を採用した断熱ピス
トンによる所熟度は３５％であった。

なお断熱層の定義は（（ＱＳｔ、。−〇ａｄ）／Ｑ、ｔａｌ）×１００（式
中Ｑ　　−従来のピストンの壁面流入熱量、ｔａｎＱａｄ＝本発明の断熱ピストンの壁面流入熱量）とした
。

さらに脚部３７とリングランド部１１上面に形成８れた
接合部１９とをボルト４１により締結りることにより、
小径部２１とクラウン３０との嵌合部分を溶着しない構
造を採用Ｊることができる。

従って熱応力による断熱ピストンの耐久性を向上させる
ことができる。

さらに小径部２１に切りｖ４２３を設【ノ、切り溝２３
にシールリング２４．２′５（シール機構）を装着した
ので、小径部２１とクラウン３０との嵌合部分を溶着し
ない構造を採用しても、燃焼ガスの漏れが生じる恐れは
なく、確実なシールを図ることができる。なおこの場合
においでシールリング２４．２５の構造を２＠に重ね合
せることにより、シールリング２４、°２５の合い口２
６からの燃焼ガスが漏れることはなくなり、より−・層
確実なシールを行うことができる。

ボルト４１が冷団空洞１７近傍に配置される場合には、
小径部２１とクラウン３０との嵌合部分の固着状態が安
定し、クラウン３０の熱歪みによる機械損をより確実に
防止することができる。

又ボルト４１が燃焼室３１側から螺合り−る構造を採用
する場合、ボルト頭部４０にキャップ４２を冠着りるこ
とにより、燃焼室３１の輻射熱からボルト４１を保護す
ることができる。この場合にＪ′３いてボルト４１或い
はキャップ４２又はその両方を耐熱材で形成することに
より、断熱ピストンの耐久性を向上させることができる
。

キャップ４２がボルト頭部４０に冠着する場合にボルト
４１とキャップ４２の間に隙間４４を設けることにより
、空気断熱層４４が形成され、より一層輻射熱からボル
ト４１を有効に保護することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図左側は本発明を採用した断熱ピストンの縦断面正
面図、第１図右側は本発明を採用した断熱ピストンの縦
断面側面図、第２図左側は１重のシールリングの構造を
示す縦断面斜視略図、第２図右側はその縦面面図、第３
図左側は間隔をへだてて１重のシールリングを２個採用
した構造を示づ縦断面斜視略図、第３図右側はそのｐ！
１所面図、第４図左側は本発明の１実施例を示−リ゛縦
断面斜視略図、第４図右側はそのｌ断面図、第５図はク
ラウンを下面から見た平面図、第６図は本発明を採用し
た面熱ビスｉ−ンの組立状態を承りｌ断面図、第７図シ
リンダヘッド下端の縦断面部分略図、第８図はシリンダ
ヘッドＦ喘の別の構造を示す縦断面部分略図、第９図は
第８図のシリンダヘッド下端に採用されたヘッドプレー
１・の平面図、第１０図はシリンダヘッドに第９図のヘ
ッドプレー１〜を組込／νだ状態を承り平面図、第１１
図はＦ、Ｅ。Ｍ、解析に用いた解析モデルの一覧図、第１２図は解析
モデルの温度分布予測を示づ゛縦面面略図、第１３図は
熱変形、熱応力による解析モデルの変形方向を示す縦断
面略図、第１４図は熱変形、熱応力による解析モデルの
応力値の解析箇所を示す縦断面略図、第１５図は機械的
荷重による解析モデルの変形方向を示す縦面面略図、第
１６図は機械的荷重による解析モデルの応力値の解析箇
所を示１縦断面略図、第１７図左側は従来の断熱ピスト
ンの縦断面正面図、第１７図右側は従来の断熱ピストン
の縦断面側面図である。１ｏ・・・スカート部、１１・
・・リングランド部、２１・・・小径部、２３・・・切
り溝、２４．２５・・・シールリング（シール機構）、
３０・・・クラウン、３１・・・燃焼室、３５・・・嵌
合部、３７・・・脚部、４１・・・ボルト、４３．４４
・・・空気断熱層特許出願人　ヤンマーディーゼル株式会社１０・・・ス
カート部　　　　３０・・・クラウン１１・・・リング
ランドＩ！５　　　　　　３１・・・燃　　ｇＬ　　１
２７・・・小　径　部　　　　　　３５・・・嵌　　合
　　部２３・・・切　　　つ　　　ａ　　　　　　　　
　　　３７・・・脚　　　　　　　　部２４．２５・・
・シールリング　　　　　４１・・・ボ　ル　　ト（シ
ール機構）　　　　　　　４３・・・空気１１１ｉ船屡
第５図第Ｇ図第１Ｏ図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）円筒状の金属製スカート部と、スカート部上端に
一体的に形成されかつ頂部に同心の小径部を有するリン
グランド部と、上記小径部が嵌合する嵌合部を下面に有
しかつ上面に深皿形の燃焼室を右する耐熱材製クラウン
とを備えた断熱ピストンにおいて、上記クラウンの燃焼
室底壁下面にリング状の脚部を形成し、上記脚部とリン
グランド部上面との接合部分をボルトにより締結させて
クラウン下面とリングランド部上面との間に空気断熱層
を形成し、上記小径部の周面に切り溝を設け、上記切り
溝にシール機構を嵌合させ、上記リングランド部の外周
壁にリング溝を設け、上記リング溝背後のリングランド
部内に冷却空洞を形成したことを特徴とする断熱ピスト
ン。
（２）上記シール機構が密着状態で２重に重ね合わされ
たリングにより形成される特許請求の範囲第１項記載の
断熱ピストン。
（３）上記ボルトが上記冷却空洞近傍に配置される特許
請求の範囲第１項又は第２項記載の断熱ピストン。
（４）上記ボルトが燃焼室側から螺合し、ボルト頭部に
キャップが冠着される特許請求の範囲第１項〜第３項記
載の断熱ピストン。
（５）上記ボルト或いはキャップ又はその両方が耐熱材
で形成される特許請求の範囲第４項記載の断熱ピストン
。
（６）上記ボルトとキャップの間に隙間を設けた特許請
求の範囲第４項又は第５項記載の断熱ピストン。