JPH0322535Y2

JPH0322535Y2 -

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Publication number: JPH0322535Y2
Application number: JP1983175816U
Authority: JP
Priority date: 1983-11-14
Filing date: 1983-11-14
Publication date: 1991-05-16
Also published as: JPS6082550U

Description

【考案の詳細な説明】（技術分野）この考案は、内燃機関に使用されるピストン、
特に機関の出力の向上とともにピストンクラウン
部の耐久性の向上を図つたピストンに関する。

（従来技術）従来の内燃機関用ピストンとしては、例えば第
１図に示すようなものが知られている（SAE
paper第830067号参照）。同図において、１はピ
ストン本体を示し、このピストン本体１はピスト
ンクラウン部２と、スカート部３と、から構成さ
れている。このクラウン部２の側壁には環状のト
ツプリング溝４Ａ、セカンドリング溝Ｂ及びオイ
ルリンざグ溝４Ｃが形成され、これらリング溝４
Ａ，４Ｂ，４Ｃによつて上方からトツプランド部
５、セカンドランド部６およびサードランド部７
がクラウン部２側壁に設けられている。このトツ
プリング溝４Ａは断面コの字形の耐摩環８によつ
て形成され、この耐摩環８はリング溝４Ａの摩耗
を低減する。ここで、上記構成のピストンを機関
に装着した場合、アルミニウム合金（JISAC8A）
で形成されたピストン本体１と、鋳鉄で形成され
たシリンダライナと、の間には下記のようなクリ
アランスが設定されている。すなわち、直経100
mmのシリンダに対し、トツプランド部５との間隙
（クリアランス）が略0.8mm、セカンドランド部６
およびサードランド部７との間隙が略0.6mm、ス
カート部３上端部との間隙が略0.4〜0.6mm、同部
下端部との間隙が略0.2〜0.3mmとなるようにそれ
ぞれ設定されている。これらの間隙は、ピストン
本体１およびシリンダライナを形成する材料の熱
膨張率、運転時におけるピストン本体１の温度分
布を配慮して設定されたものである。これは、運
転中シリンダライナとピストン本体１の熱膨張率
に差があることから常温で最小限の間隙（通常略
0.03mm）保持して、この間隙が大きいと運転中ピ
ストン本体１がぐらつき騒音を発する、いわゆる
ピストンスラツプの発生を防止し、静粛な運転の
実現を図つているのである。

しかしながら、このよな従来の内燃機関用ピス
トンにあつては、ピストン本体がアルミニウム合
金等の単一合金で形成されているため、内燃機関
の高性能化に伴う燃焼温度の上昇により、ピスト
ンクラウン部、特にトツプランド部は高温とな
り、高負荷運転時に適正なクリアランスを確保す
るには、冷態時における該クリアランスを大きく
設定しなければならないことになる。一方このク
リアランスを大きく設定すると、低回転時におい
ては、次のような問題点が生ずる。すなわち、第
１に、シリンダとピストン本体との気密保持が不
完全で圧縮ガスや燃焼ガスがクラウン室へ吹き抜
けるいわゆるプローバイガスが増加し、十分な機
関の高出力が得られなくなる。第２のブローバイ
ガス量の増加により、トツプリング溝が高温とな
りリング溝とリングとの間に焼付や摩耗げ生じや
すくなる。第３に、トツプランド部が高温となる
ため、該ランド部の容損、焼付が生じやすくな
る。

（考案の目的）そこで、この考案は、ピストンクラウン部の側
壁部を、熱膨張率がクラウン部を形成する合金の
それよりも小さな繊維状材料を体積比で10〜25％
となるように該合金と複合した複合材料で形成
し、該繊維状材料を合金に複合する際に、該材料
の繊維長軸をピストン中心軸に対して垂直に分布
させることにより、前記問題点を解決することを
目的としている。

（考案の構成）この考案に係るピストンは、ピストンクラウン
部の側壁部を、熱膨脹率がクラウン部を形成する
合金のそれよりも小さな繊維状材料を体積比で10
〜25％となるようにクラウン部を形成する合金と
複合した複合材料で形成し、ピストン中心軸に対
するクラウン部の半径方向の熱膨張を低減させる
構成である。

（実施例）以下、この考案の実施例を図面に基づいて説明
する。

第２図、第３図はこの考案の一実施例を示すも
のである。なお、従来例と同一構成部分には同一
符号を付して説明する。まず、構成を説明する
と、第２図において、１はピストン本体を示し、
このピストン本体１はピストンクラウン部２と、
スカート部３と、から構成されている。このクラ
ウン部２の側壁には環状のトツプリング溝４Ａ、
セカンドリング溝４Ｂ、およびオイルリング溝４
Ｃが形成され、これらのリング溝４Ａ，４Ｂ，４
Ｃによつて上方からトツプランド部５、セカンド
ランド部６、およびサードランド部７が、クラウ
ン部２の側壁に設けられている。このトツプリン
グ溝４Ａは例えばニレジスト鋳鉄製の断面コの字
形の耐摩環８によつて形成され、この耐摩環８は
リング溝４Ａの摩耗を低減する。

ここで、この耐摩環８より図中上方に形成され
たクラウン部２は複合材料からなる円盤状部材２
Ａにより構成されており、この円盤状部材２Ａは
クラウン部２に固着、接合され、かつ、クラウン
部２の一部（頂部）を形成している。この円盤状
部材２Ａは熱膨張率がピストン本体１（すなわち
クラウン部２の残部及びスカート部３）を形成す
るアルミニウム合金のそれより小さな繊維状材料
を体積比で10〜25％となるようにこのアルミニウ
ム合金と一体形成（すなわち、２つの材料を複合
して一つの成形体とする）したものである。この
複合化される繊維状材料としては、例えばアルミ
ナ質繊維（組成はAl₂O₃96〔wt％〕、SiO₂〔4wt
％〕、繊維径〔3μｍ〕、繊維長〔500μｍ〕）また
は、結晶化ガラス繊維（組成SiO₂〔60〜64wt％〕、
Al₂O₃〔18〜22wt％〕、Li₂O₃〔４〜5wt％〕、Cu₂O
〔６〜7wt％〕、繊維径〔2μｍ〕、繊維長〔600μ
ｍ〕）が使用される。これら繊維状材料をアルミ
ニウム合金に複合化する場合、ピストン中心軸
Coに垂直な面上に前記繊維長軸がランダムに存
在するように分布させている。なお、ここで、こ
の実施例におけるピストン本体１の製造方法を概
略説明すると、まず、クラウン部２合金に繊維状
材料を複合化させて一体成形した成形体（すなわ
ち、前記円盤状部材２Ａ）をピストン成形金型内
に配設する。次いで、金型内にJISAC8Aの溶湯
を注入し、500〜1500Kg／cm²の高圧で加圧しつつ
凝固させる。いわゆる高圧鋳造法により製造して
いる。

したがつて、このピストンにあつては、ピスト
ンクラウン部２を熱膨張率がクラウン部２を形成
する合金のそれよりも小さな繊維状材料を体積比
で10〜25％となるように該合金と複合した複合材
料で形成し、該繊維状材料を合金に複合する際
に、該材料の繊維長軸をピストン中心軸Ｃ。に対
して垂直に分布させるようにしたため、ピストン
中心軸Coに対するクラウン部２の半径方向の熱
膨張は従来例よりも低減されることになる。その
結果、ピストン本体１とシリンダライナとのクリ
アランスを従来例よりも小さく設定することがで
き、ブローバイガス量は減少し、機関の出力は向
上する。また、繊維状材料を複合することによ
り、耐熱強度は増大し、その耐久性も向上する。

第３図はピストンクラウン部２の半径方向の熱
膨張量（伸び）（縦軸）と加熱温度（横軸）との
関係を示したものである。図中、一点線Ｘは第１
図に示す従来ピストンによるものを、実線Y₁は
アルミナ質繊維を体積比で10％複合化させた場合
の本実施例によるものを、実線Y₂はアルミナ質
繊維を14％複合化させた場合の本実施例によるも
のを、実線Y₃は結晶化ガラス質繊維を20％複合
化させた場合の本実施例によるものを、実線Y₄
はアルミナ質繊維を20％複合化させた場合の本実
施例によるものを、さらに、実線Y₅はピストン
中心軸Coに対して平行な面上にアルミナ質繊維
の繊維長軸（繊維長方向）がランダムに存在する
よう分布させた場合の本実施例によるものを、そ
れぞれ示している。この図からも明らかなよう
に、繊維状材料をその繊維長軸がピストン中心軸
Coと平行よう複合化した場合は（実線Y₅）従来
のピストンと同様にクラウン部２の伸びは大きい
が、ピストン中心軸Coに対して垂直な面上に繊
維長軸を分布させ、かつ、繊維体積比で10％以上
複合させると（実線Y₂，Y₃，Y₄の場合）ピスト
ンクラウン部２の熱膨張量（伸び）は著しく低減
される。

第４図、第５図は、この考案の第２実施例を示
すものである。この実施例は、前記トツプランド
部５と、熱膨張率がピストンクラウン部２を形成
するJISAC8A合金のそれより小さなアルミナ質
繊維を例えば体積比で20％となるように該合金と
複合した環状部材１２で構成したものである。こ
の実施例にあつても、前記実施例と同様に、ピス
トン中心軸Coに対するクラウン部２の半径方向
の熱膨張量は低減される。

第５図は、ピストンクラウン部２の半径方向の
伸び（縦軸）と各温度（横軸）との関係を示した
ものでである。図中、一点鎖線Ｘは従来のピスト
ンによるものを、実線Y₁はこの実施例によるも
のを、実線Y₂、Y₃は次記実施例（第６図）によ
るものを、それぞれ示している。これから明らか
なように、本実施例によるクラウン部２の伸びは
従来例（第１図に示すピストン）に比較して著し
く低減される。その他の構成および作用は前記実
施例を同様である。

第６図〜第８図は、この考案の第３実施例を示
すものである。この実施例は、トツプランド部５
およびトツプリング溝４Ａ周縁部を例えばアルミ
ナ質繊維を体積比で20％複合化した環状部材２２
により構成した例である。１は、ピストン本体を
示し、このピストン本体１は、JISAC8A合金、
または、JISMC2合金（Mg−Al−Zn系）により
形成されている。この場合、クラウン部２の半径
方向の伸びと温度との関係は第５図中実線Y₂，
Y₃で示されている。Y₂は環状部材２２を
JISMC2合金にアルミ質繊維を体積比で20％複合
化したものを、Y₃はJISAC8A合金にアルミナ質
繊維を体積比で20％複合化したものをそれぞれ示
す。この図からも明らかなように、本実施例にあ
つても前述の実施例と同様の効果を得ることがで
きる。さらに、本実施例にあつては繊維状材料と
して耐摩耗性の高いAl₂O₃、SiC₂、SiO₂等を使用
すれば、従来のニレジスト鋳鉄製耐摩環と同様の
効果（トツプリング溝の摩耗防止）が得られる。

第７図は、エンジン回転数（横軸）とトツプラ
ンド温度（縦軸）との関係を示したものである。
図中、実線Ｘは従来のピストンによるものを、実
線Ｙはこの実施例によるもの（ピストン本体１は
JISAC8A合金で形成し、アルミナ質繊維を体積
比20％複合化したもの）を、さらに、実線Ｚは比
較例によるもの（ピストン本体１はJISAC8A合
金により形成し、環状部材２２を該合金にアルミ
ナ質繊維を体積比で25％複合化したもの）を、そ
れぞれ示している。なお、これは、小型2.0４
気筒デイーゼルエンジンにこの発明に係るピスト
ンを使用し、シリンダライナの内径は85mmとし、
冷態時におけるトツプランド部５とシリンダライ
ナとの最大クリアランスを0.28mmに設定してい
る。従来例にあつては、その最大クリアランスは
0.54mmに設定されている。この第７図から明らか
なように、トツプランド部５に複合させた繊維状
材料（アルミナ質繊維）が体積比で25％を超える
とＺ、トツプランド温度は従来例よりも若干高く
なり、また、シリンダライナおよびピストンリン
グの摩耗も大きくなるのである。したがつて、繊
維状材料の複合化率は体積比で25％以下であるこ
とが好ましい。図中明らかなようにアルミナ質繊
維を20％複合化した本実施例にあつてはＹ、従来
例Ｘに比較して、トツプランド温度は効果的に低
減され、したがつて、クラウン部２の耐久性を向
上させることができる。

第８図はエンジン回転数（横軸）と軸トルク
（縦軸）の関係を示したもので、実線Ｘは従来の
ピストンによるものを、実線Ｙはこの実施例によ
るものを、それぞれ示している。同図からわかる
ように、この実施例のピストンを使用した機関
は、従来例に比べて軸トルクが大巾に向上し、高
出力が得られる。また、この機関をエンジン回転
数4800rpmで500時間全負荷運転した後も、トツ
プランド部５の耐久性は何ら異常が認められなか
つた。

（効果）以上説明してきたように、この考案によれば、
クラウン部の熱膨張量を低減できるため、冷態時
のピストンとシリンダライナ間のクリアランスを
小さく設定できる。その結果、ブローバイガス量
が減少して高出力が得られる。また、トツプリン
グ溝とトツプリングとの焼付、摩耗を防止できる
とともにトツプランド部溶損等も防止でき、クラ
ウン部の耐久性も向上する。特に、本考案では、
繊維状材料を合金に複合する際に、該材料の繊維
長軸をピストン中心軸に対して垂直に分布するよ
うにしているので、繊維状材料をそろ繊維長軸が
ピストン中心軸に対して平行に分布するようにし
たものに比べて、ピストンクラウン部の熱膨脹量
（伸び）を著しく低減させることができ、耐熱強
度を増大させてその耐久性を向上させることがで
きる。

さらに、第３実施例にあつては、前記実施例と
同様な効果が得られる以外に、ニレジスト鋳鉄等
により形成される耐摩環が不要になるという附加
的効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のピストンを示す縦断面図であ
る。第２図、第３図はこの考案に係るピストンの
第１実施例を示す図であり、第２図はその縦断面
図、第３図は温度とクラウン部の伸びとの関係を
示す図である。第４図、第５図はこの考案に係る
ピストンの第２実施例を示す図であり、第４図は
その縦断面図、第５図は温度とクラウン部の伸び
との関係を示す図である。第６図〜第８図はこの
考案に係るピストンの第３実施例を示す図であ
り、第６図はその縦断面図、第７図はエンジン回
転数とトツプランド温度との関係を示す図、第８
図はエンジン回転数と軸トルクとの関係を示す図
である。２……ピストンクラウン部、２Ａ……円盤状部
材（複合材料）、１２，２２……環状部材（複合
材料）、Co……ピストン中心軸。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

ピストンクラウン部の側壁部を、熱膨脹率がピ
ストンクラウン部を形成する合金のそれよりも小
さな繊維状材料を体積比で10〜25％となるように
該合金と複合した複合材料で形成し、該繊維状材
料を合金に複合する際に、該材料の繊維長軸をピ
ストン中心軸に対して垂直に分布するようにした
ことを特徴とするピストン。