JPH04292486A - 断熱ピストンとその製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、断熱エンジン等に使用
される断熱ピストンとその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】新セラミックス素材は、機械的強度が金
属のそれと同等あるいはこれより優れている点もあるこ
とから、最近では内燃機関のシリンダライナ、シリンダ
ヘッド、ピストン、コンロッド等の部品材料として使用
されるようになった。

【０００３】また、セラミックス素材は、金属よりも断
熱効果が大きいことと、高温下にさらされても機械強度
が余り低下しないという性質を利用して、冷却装置をほ
とんど必要としない、いわゆる断熱エンジンの部品に多
用されている。初期の断熱エンジンのピストンには、窒
化珪素素材が使用されていてかなりの断熱効果を得たが
、なおいっそうの断熱効果を高めて、断熱エンジンの熱
効率の向上を図る試みが多くなされている。例えば、特
開昭６３−３０２１６４号公報に記載されている断熱エ
ンジンのピストンはこのような試みのひとつである。

【０００４】図３は上記公報に記載されているピストン
の構造を示す断面図であり、この図面を用いて従来の断
熱エンジンのピストンの構造を説明する。図３から明ら
かなように、このピストンは、ピストンヘッド部１と金
属製のピストンスカート部２とからなる。

【０００５】ピストンヘッド部１は、中心部分に皿状の
基体１ａを有する。基体１ａの下面中央には、ピストン
スカート部２に取りつけるためのボス部１ｂが基体１ａ
と一体的に形成されている。該ボス部１ｂの側面には、
ピストンヘッド部１をピストンスカート部２に組み込む
時に使用される窪み１ｃが形成されいる。なお、基体１
ａは窒化珪素の焼結体からなる。１ｄは平たい円筒状を
したピストンシリンダで、同じく窒化珪素の焼結体より
なり、内側には、前記基体１ａの周縁を受け止めるため
の段部１ｅが設けられている。１ｆは断熱層で、チタン
酸カリウムウィスカー、ジルコニアファイバ等の材料か
らなる。１ｇは窒化珪素の焼結体薄板からなる天井板で
あり、その周囲１ｈ部分においてピストンシリンダ１ｄ
の上部内側とＣＶＤ法により接着されている。

【０００６】ピストンスカート部２は、アルミニウムに
より構成されており、コップを逆さまにしたような形状
を有し、側面外側上端には、ピストンリングを嵌合させ
る数条の溝２ａが設けられている。ピストンスカート部
２の上板部分２ｂの中央には、ピストンヘッド部１の下
側に設けられたボス部１ｂが貫通する穴２ｃが設けられ
ている。ピストンスカート部２の内部には、コンロッド
を軸承するベアリング部２ｄが設けられている。

【０００７】ピストンヘッド部１とピストンスカート部
２との組合せは、まずピストンヘッド部１のボス部１ｂ
頸部に板状の耐熱性緩衝板３を嵌め込み、ピストンシリ
ンダ１ｄの下面とピストンスカート部２の上部周縁との
間にカーボンからなるシール材４を配設すると同時に基
体１ａのボス部１ｂをピストンスカート部２の穴２ｃに
挿通し、ピストンヘッド部１をピストンスカート部２方
向に押圧しながらボス部１ｂの窪み１ｃにリティナーリ
ング５を嵌め込んで、ピストンヘッド部１とピストンス
カート部２とを組立てる。なお、６はピストンヘッド部
１とピストンスカート部２との間に形成された断熱空間
層である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このような従来のピス
トンヘッド部の構造では、セラミックス焼結体の薄板か
らなる天井板１ｇがエンジンの燃焼室側にあってその耐
熱性、耐変形性、耐腐食性を向上させていたが、上記天
井板１ｇ、ピストンシリンダ１ｄの熱伝導率が比較的高
いために、燃焼室で発生した熱は、ピストンヘッド部１
の外周部を通してシリンダライナあるいはクランクシャ
フト方向に逃げ去る。そのために、十分な断熱性が確保
できなかった。

【０００９】又、強度を十分なものとするためにピスト
ンヘッド部１の上面の天井板１ｇを厚く形成すれば、こ
の熱容量が大きくなって、断熱性は更に低下することに
なった。

【００１０】しかも、ピストンヘッド部を構成する個々
の部品を作成し、それらを組み立てる工程には、高い精
度が要求されるため、そのコストや手間も大変であった
。

【００１１】更に、断熱層１ｆとセラミックスの天井板
１ｇとの接合箇所は、これらの熱膨張係数が互いに異な
るために、加熱、冷却が短時間のうちに多く繰り返され
ると、ピストンヘッド部が破壊されるおそれがあった。

【００１２】本発明の目的は、このような従来技術の持
つ問題点を解消し、低コストで断熱性や機械的強度の高
い断熱ピストンとその製造方法を提供しようとするもの
である。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、金属製
のピストンスカート部の上部に断熱材にて形成されたピ
ストンヘッド部を設けた断熱ピストンにおいて、前記ピ
ストンヘッド部は、カップ状を呈し緻密質セラミックス
からなるクラウン部を有し、このクラウン部内は多孔質
セラミックスで充填され、かつ金属製のピストンスカー
ト部の上部に断熱材にて形成されたピストンヘッド部を
設けた断熱ピストンにおいて、前記ピストンヘッド部は
、カップ状を呈し緻密質セラミックスからなるクラウン
部を有し、このクラウン部内は多孔質セラミックスで充
填され、かつ該充填部分の上層が気孔を１５ｖｏｌ％以
上含みかつ、Ｓｉ、Ｎ、Ｏ、Ａｌのすべてかあるいはこ
れにＴｉを加えた元素群よりなる多孔質層であり、充填
部分の下層がシリコンナイトライドかシリコンナイトラ
イドとシリコンカ−バイドの複合セラミックスであり、
かつこの充填部分はクラウン部と密接接着されているこ
とを特徴とする断熱ピストンを提供できる。又、本発明
では、緻密なセラミックス焼結体からなるカップ状のク
ラウン部の内部に金属シリコン粉末、セラミックス粉末
及びバインダ材からなる第１の組成物を充填して加圧す
るステップと、前記第１の組成物とは粒子の種類及びそ
の配合量を異にする第２の組成物を前記クラウン部の内
部の上記第１の組成物上に積層充填して加圧するステッ
プと、前記第１、第２の組成物に含有されているバイン
ダ材を除去するステップと、前記第１、第２の組成物を
窒素雰囲気中で焼成するステップとによりピストンヘッ
ド部を製造することを特徴とする断熱ピストンの製造方
法を提供できる。

【００１４】

【作用】本発明では、まずたとえばＳｉ３Ｎ４　の焼結
体で形成された浅いカップ状を呈したクラウン部にＳｉ
粉末、Ｓｉ３Ｎ４　粉末をオイル等の有機バインダと混
練した第１の組成物を加圧充填する。

【００１５】次に、Ｓｉ、ムライトあるいはチタン酸ア
ルミをオイル等の有機バインダと混練した第２の組成物
をその上に加圧充填し、燃焼室となるその上面を所望の
形状に形成する。

【００１６】次に、これら第１、第２の組成物を脱脂し
て、Ｎ２雰囲気中で焼成すると、これら組成物がそれぞ
れ強化層、断熱層として外周部材の内面で強固に結合し
たピストンヘッドを得ることができる。さらに、上記外
周部材に予め形成されている断熱ピストンヘッドの取付
けボス部をピストンスカート部材の中央取り付け用の孔
に嵌合係止して、断熱ピストンが完成する。

【００１７】

【実施例】以下、図面に示されている本発明の一実施例
について詳細に説明する。

【００１８】図１は、本発明にかかる断熱ピストンの断
面図である。この断熱ピストンは、ピストンヘッド部１
０と金属製のピストンスカート部２０とから構成される
。ピストンヘッド部１０は、浅いカップ状を呈した断熱
材保持部１１ａと該断熱材保持部１１ａの下面中央にボ
ス部１１ｂを形成したクラウン部１１を有する。クラウ
ン部１１の断熱材保持部１１ａの外径はピストンスカー
ト部２０の外径と同じである。断熱材保持部１１ａの内
側には、全周にわたって浅い数条の溝１１ｃが形成され
ている。また、ボス部１１ｂの中央には、貫通穴１１ｄ
が設けられている。クラウン部１１は、緻密質セラミッ
クス例えば、Ｓｉ３Ｎ４　微粉末を圧縮成形して焼結し
たセラミックス焼結体により一体的に構成されている。

【００１９】断熱材保持部１１ａの内側には、多孔質の
セラミックス強化層１２と、同じく多孔質のセラミック
ス断熱層１３と、緻密なセラミックス薄層１４とが積層
された積層体が配置されている。セラミックス強化層１
２は、Ｓｉ３Ｎ４　をマトリックスとしてセラミックス
に転化された多孔質の強化層であって、上記複数の溝１
１ｃの中にまで十分に入り込み、かつ溝１１ｃを含む断
熱材保持部１１ａの内面と密着接合している。セラミッ
クス断熱層１３は、多孔質の複合セラミックスであって
、その側部は断熱材保持部１１ａの内面と密着接合して
いることは勿論のことである。そして、セラミックス強
化層１２とセラミックス断熱層１３との境界面は、はっ
きりとセパレートされているわけではなく、両者が混然
一体となった極めて薄い層部分が存在するが、この薄層
は焼結によってセラミックス強化層１２とセラミックス
断熱層１３を形成するときに生じるもので、この薄層の
ために両層は強固に接合される。セラミックス断熱層１
３の上面には緻密なセラミックス薄層１４が密着してい
る。緻密なセラミックス薄層１４は、例えば非晶質のシ
リコンナイトライド膜により形成されている。緻密なセ
ラミックス薄層１４とセラミックス断熱層１３との間の
境界面にも、両者が混然一体となった極めて薄い層部分
が存在しており、この薄層は焼結によってセラミックス
薄層１４とセラミックス断熱層１３を形成するときに生
じるもので、この薄層のために両層は強固に接合される
。

【００２０】なお、緻密なセラミックス薄層１４の上面
には燃焼室となる窪み１５が形成されている。

【００２１】ピストンスカ−ト部２０は、前述の如き従
来のものと同様、アルミニウムにより構成され、コップ
を逆さまにしたような形状を有し、側面外側上端には、
ピストンリングを嵌合させる数条の溝２１が設けられて
いる。ピストンスカート部２０の上板部分２２の中央に
は穴２３が設けられている。ピストンスカート部２０の
内部には、コンロッドを軸承するためのベアリング部２
４が設けられている。

【００２２】なお、上述のように構成されたピストンヘ
ッド部１０は次のようにしてピストンスカート部２０と
組合されて、断熱ピストンを構成する。すなわち、ピス
トンヘッド部１０の下面に設けられた取付け用のボス部
１１ｂをピストンスカート部２０の穴２３に挿通し、こ
のピストンヘッド部１０をたとえばメタルフロー法によ
ってピストンスカート部２０の上面に強固に接合して、
断熱ピストンを構成する。なお、ピストンヘッド部１０
とピストンスカート部２０との間には空気層８が形成さ
れる。この空気層８は、ピストンヘッド部１０からピス
トンスカ−ト部２０方向へ逃げ去る熱を遮断する断熱層
の役割を果すものである。

【００２３】次に、上記に示すようなピストンヘッド部
の製造方法について詳細に説明する。

【００２４】図２は、本発明にかかる断熱ピストンに使
用されるピストンヘッド部の製造の途中過程を、その製
造装置とともに示した断面図である。

【００２５】図２において、１２１は円筒状をした外型
であり、内部に段部１２１ａが形成されている。外型１
２１の下方の内径は、前記クラウン部１１の断熱材保持
部１１ａの外径と同じであり、その上方の内径は、前記
クラウン部１１の断熱材保持部１１ａの上端の内径と同
じである。

【００２６】そして、円筒形状の外型１２１の下方から
、その内径と一致する大きさのクラウン部１１が嵌め込
まれ、外型１２１の内面に形成されている約１ｍｍの段
部１２１ａまで押し込まれる。しかる後、外型１２１の
下面からクラウン部材１１を下方から支持する支持治具
１２２を挿入する。この支持治具１２２の挿入によって
、クラウン部１１の貫通穴１１ｄは閉塞される。

【００２７】次に、外型１２１の中に保持されたクラウ
ン部１１の断熱材保持部１１ａの中にＳｉ粉末、Ｓｉ３
Ｎ４　粉末及びオイルを十分に混練した第１の組成物１
２’が流し込まれ、これを上からプランジャ１２３によ
り軽く加圧する。次に、Ｓｉ粉末、チタン酸アルミ粉末
をオイル等の有機バインダと混練した第２の組成物１３
’を第１の組成物１２’のうえに流し込み、今度はプラ
ンジャ１２３により第１及び第２の組成物に十分な圧力
を加える。 この時、プランジャ１２３の下面の凸部１２３ａの形状
によって、ピストン上面の燃焼室となる窪みが形成され
るとともに、クラウン部材１１の断熱材保持部１１ａの
内側に設けられた溝１１ｃの隅々まで第１の組成物１２
’が行きわたる。

【００２８】このように形成されたピストンヘッド部１
０を外型１２１から取りはずし、これを脱脂炉内に挿入
した後、最高　５００℃まで加熱し、オイルを揮発除去
する。その後、９．５ｋｇ／ｃｍ２　の圧力に設定され
たＮ２　雰囲気中で焼成すると、充填されている各組成
物が反応焼結Ｓｉ３Ｎ４　をマトリックスとした多孔の
セラミックス強化層１２及びセラミックス断熱層１３に
転化する。

【００２９】最後に、トルエンで希釈したポリシラザン
溶液中に、ピストンヘッド部１０の上面部分を浸し、そ
れをＮＨ３　中で再度加熱し、上面部分のポリマーを非
晶質のシリコンナイトライド膜からなる緻密なセラミッ
クス薄層１４を形成する。

【００３０】こうして、第１の組成物を出発原料として
形成されるセラミックス強化層１２は、強度が高く、し
かも焼成時の収縮がほとんどないため、断熱材保持部１
１ａの内側とセラミックス強化層１２との密着性が極め
て良好である。又、第２の組成物を出発原料として形成
されるセラミックス断熱層１３は、断熱性に優れ、燃焼
室からピストンヘッド部１０を通じて外部に流出する熱
を十分に少なくできる。

【００３１】このようにして構成されたピストンヘッド
を有する断熱ピストンをディーゼルエンジンに組み込み
、約２０００時間の耐久テストを行った。その結果、ピ
ストンヘッドの破損等の異常事態は発生せず、熱効率は
従来のピストンヘッドに比較して約１７％向上した。

【００３２】

【発明の効果】以上詳細に説明した様に、本発明にかか
る断熱ピストンは、セラミックス製のピストンヘッド部
に、強度が高いセラミックス強化層と、その上に断熱性
に優れたセラミックス断熱層を積層した積層体を構成部
品として保持せしめたので、従来のものと比較して部品
数も少なく高精度の部品も少ないため、簡単かつ安価に
構成できる。また、本発明の緻密なセラミックス薄層は
従来の天井板と比較して薄く構成されているため、この
薄層を介してピストンヘッド部のクラウン部方向へ逃げ
去る熱量は従来のものより大幅に少なくなる。さらに、
前記積層体は、ピストンヘッド部のクラウン部の内側と
強固に接着しているので従来のようなセラミックス焼結
体の薄板からなる天井板をピストンヘッドの最上端部に
貼着した場合と比較して、加熱、冷却が短時間のうちに
多く繰り返された場合でも、ピストンヘッド部が破壊さ
れる様なことはない。

【００３３】このほか、本発明の製造方法では、あらか
じめ用意されたピストンヘッドのクラウン部に、順次セ
ラミックス強化層となる組成物を充填し、続いてセラミ
ックス断熱層となるセラミックス組成物を充填した後、
それらを反応焼結せしめ、その上面にセラミックス薄層
を形成するというプロセスを採用することによって、簡
単に断熱性に優れたピストンを作成することができ、ま
た外周部材との間の密着性もよく、信頼性に優れた断熱
ピストンの製造方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の断熱ピストンの構造を示す断面図であ
る。

【図２】本発明にかかる断熱ピストンに使用されるピス
トンヘッド部の製造の途中過程をその製造装置とともに
示した断面図である。

【図３】断熱ピストンの従来構造の一例を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１０・・ピストンヘッド部 １１・・クラウン部 １１ａ・・断熱材保持部 １２・・セラミックス強化層 １３・・セラミックス断熱層 １４・・緻密なセラミックス薄層 ２０・・ピストンスカ−ト部 １２１・・外型、 １２２・・支持治具、 １２３・・プランジャ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属製のピストンスカート部の上部に断熱
   材にて形成されたピストンヘッド部を設けた断熱ピスト
   ンにおいて、前記ピストンヘッド部は、カップ状を呈し
   緻密質セラミックスからなるクラウン部を有し、このク
   ラウン部内は多孔質セラミックスで充填され、かつ該充
   填部分の上層が気孔を１５ｖｏｌ％以上含みかつ、Ｓｉ
   、Ｎ、Ｏ、ＡｌのすべてかあるいはこれにＴｉを加えた
   元素群よりなる多孔質層であり、充填部分の下層がシリ
   コンナイトライドかシリコンナイトライドとシリコンカ
   −バイドの複合セラミックスであり、かつこの充填部分
   はクラウン部と密接接着されていることを特徴とする断
   熱ピストン。
2. 【請求項２】前記充填部分の上面に緻密なセラミックス
   薄層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載
   の断熱ピストン。
3. 【請求項３】前記緻密なセラミックス薄層が非晶質薄層
   であることを特徴とする請求項２に記載の断熱ピストン
   。
4. 【請求項４】前記充填部分は、前記クラウン部内面に形
   成された溝内に食い込んで密接接着されていることを特
   徴とする請求項１に記載の断熱ピストン。
5. 【請求項５】緻密なセラミックス焼結体からなるカップ
   状のクラウン部の内部に金属シリコン粉末、セラミック
   ス粉末及びバインダ材からなる第１の組成物を充填して
   加圧するステップと、前記第１の組成物とは粒子の種類
   及びその配合量を異にする第２の組成物を前記クラウン
   部の内部の上記第１の組成物上に積層充填して加圧する
   ステップと、前記第１、第２の組成物に含有されている
   バインダ材を除去するステップと、前記第１、第２の組
   成物を窒素雰囲気中で焼成するステップとによりピスト
   ンヘッド部を製造することを特徴とする請求項１に記載
   の断熱ピストンの製造方法。
6. 【請求項６】前記バインダ材は、常温においては液状を
   なしていることを特徴とする請求項６に記載の断熱ピス
   トンの製造方法。
7. 【請求項７】前記外周部材に予め断熱ピストンヘッドの
   取付けボス部を形成し、この取付けボス部をピストンス
   カート部材の中央取り付け孔に嵌合係止したことを特徴
   とする前記請求項６に記載の断熱ピストンの製造方法。