JPH05157004A - ピストンクラウン - Google Patents

ピストンクラウン

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JPH05157004A
JPH05157004A JP3320762A JP32076291A JPH05157004A JP H05157004 A JPH05157004 A JP H05157004A JP 3320762 A JP3320762 A JP 3320762A JP 32076291 A JP32076291 A JP 32076291A JP H05157004 A JPH05157004 A JP H05157004A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
heat insulating
insulating material
piston crown
silicon nitride
plate member
Prior art date
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Pending
Application number
JP3320762A
Other languages
English (en)
Inventor
Katsunori Hirai
克典 平井
Mamoru Kosakai
守 小坂井
Makoto Mabuchi
真 馬渕
Hiroshi Suzuki
弘 鈴木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Cement Co Ltd
Isuzu Motors Ltd
Original Assignee
Sumitomo Cement Co Ltd
Isuzu Motors Ltd
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Publication date
Application filed by Sumitomo Cement Co Ltd, Isuzu Motors Ltd filed Critical Sumitomo Cement Co Ltd
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Pending legal-status Critical Current

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 窒化けい素質セラミックス材により構成され
たピストンクラウンにおいて、ピストンクラウンの内部
に多孔質の断熱材を封じ込めることで、ピストンクラウ
ン自体の断熱性を向上させる。 【構成】 下部フランジ2を有するリング部材3と、こ
のリング部材3内に収納され下部フランジ2上に載置さ
れたベース部材4と、このベース部材4上に載置された
多孔質体からなる断熱材5と、この断熱材5の上面に配
置されベース部材4との間で断熱材5を挟み込むととも
にリング部材3の上面に接合層7を介したプレート部材
6とからなり、上記リング部材3、ベース部材4、プレ
ート部材6および断熱材5をいずれも窒化けい素質セラ
ミックス材により構成した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、自動車用エンジン等の
ピストンクラウンに係り、特に窒化けい素系のセラミッ
クスにより構成されてなるピストンクラウンに関する。
【0002】
【従来の技術】従来から自動車のエンジンなどをセラミ
ックスによって作製する研究が盛んに行われている。こ
の場合、各種セラミックスの優れた特質を十分に発揮で
きるように、エンジンの部位によってセラミックスの種
類も変えている。例えばピストン、シリンダーライナ、
排気バルブ、ターボチャージャなどのように、高温強度
の他に耐熱衝撃性が要求される部位では窒化けい素系の
セラミックスが用いられ、また排気マニホールド、ポー
トライナなどのように耐熱衝撃性の他に断熱性が要求さ
れる部位ではコーデュエライトやチタン酸アルミが用い
られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
なセラミックエンジンの場合、エンジン効率を向上させ
るためには熱の流出が最も大きいピストン部分の断熱性
を上げる必要がある。しかし、これらピストンなどを構
成している窒化けい素の焼結体は熱伝導率が大きく、ま
た従来におけるピストンは一般に窒化けい素の一体焼結
物で構成されていたために、ピストン全体の熱伝逹がよ
く断熱性の点で十分であるとはいえなかった。一方、他
のコーデュエライト、チタン酸アルミなどのセラミック
スは、断熱性の点では窒化けい素より優れているものの
高温での機械強度に問題を有しており、ピストンなどに
用いることはできなかった。
【0004】そこで、本発明の技術的課題は、高温強度
を保ちつつ断熱性能により優れたピストンクラウンを提
供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記技術的課
題を解決するために、下部フランジを有するリング部材
と、このリング部材内に収納され下部フランジ上に載置
されたベース部材と、このベース部材上に載置された多
孔質体からなる断熱材と、断熱材の上面に配置されベー
ス部材との間で断熱材を挟み込むとともにリング部材の
上面に接合層を介したプレート部材とからなり、これら
上記部材および断熱材がいずれも窒化けい素質セラミッ
クス材により構成されてなるピストンクラウンを手段と
する。
【0006】
【作用】上述の手段によれば、窒化けい素質セラミック
ス材により構成された多孔質の断熱材をピストンクラウ
ンの内部に設けたため、プレート部材に発生する熱がピ
ストンクラウン全体に伝達されるのが妨げられ、ピスト
ンクラウン自体の断熱性能が上がることになる。
【0007】
【実施例】以下添付図面に基づいて本発明の実施例を詳
細に説明する。図1は、本発明に係るピストンクラウン
の縦断面図である。このピストンクラウン1は、下部フ
ランジ2を有する円筒状のリング部材3と、このリング
部材3内に嵌め入れて下部フランジ2上に載置した円柱
状のベース部材4と、このベース部材4の上面に載置さ
れた断熱材5と、この断熱材5の上に載置された円板状
のプレート部材6とで基本的に構成されている。プレー
ト部材6は、リング部材3の上面全周に塗布された酸窒
化系のCaO-SiO2-Si3N4ガラスからなる接合層7によって
接合されており、リング部材3との間で断熱材5を挟み
込んだ構造となっている。
【0008】ピストンクラウン1を組付けるに際して
は、まずリング部材3とベース部材4との間およびベー
ス部材4と断熱材5との間をCaO-SiO2-Si3N4系ガラスか
らなる接合剤8によりそれぞれ接合し、リング部材3に
対してベース部材4および断熱材5を固定する。なお、
この接合は必ずしも行わなくても良い。次に、リング部
材3の上面より少し突出させた断熱材5に対して、それ
よりも多少高くなるようにリング部材3の上面全周に接
合層7を塗布形成し、その上からプレート部材6を載置
する。そして、加熱下でプレート部材6の上に所定の圧
力を加える。そうすることによって、接合層7が次第に
軟化してプレート部材6は下がるが、断熱材5の上面に
当接したところで止まり、接合層7によるリング部材3
とプレート部材6との接合が行われる。本発明では上記
接合層7として、IIa属、III b属およびイットリウム
を含む希土類元素と、けい素、酸素および窒素とからな
る接合層を用いており、またその重量比としてはIIa属
が4〜15重量%、III b属が1〜10重量%、イット
リウムを含む希土類元素が2〜20重量%、けい素が1
8〜52重量%、窒素が2〜35重量%で、残りが酸素
である。
【0009】このように、本実施例では接合層7の厚さ
を、断熱材5の上面にプレート部材6を当接させること
により調整していることから、断熱材5の上面を平滑に
加工しておくことにより、加圧したときにはプレート部
材6の全面に均一な力がかかってリング部材3の全周に
亘って均一な接合力が得られると共に、断熱材5の上面
の突出高さを適宜設定することにより、接合層7の厚さ
を微調整することができ、更には断熱材5とプレート部
材6との間には隙間が生じないので、プレート部材6の
上に大荷重が加わってもプレート部材6が破損するよう
なことはない。
【0010】なお、上記ピストンクラウン1において、
リング部材3、ベース部材4およびプレート部材6は、
いずれも緻密構造からなる窒化けい素構造物により構成
されている。これらは従来のセラミックエンジン等のピ
ストンクラウンに用いられていたものとほぼ同じであ
り、例えば所定形状の枠体の中で窒化けい素の粉末体ま
たは粒状体を高温で焼結することにより得られる。
【0011】また、断熱材5は、上記リング部材3など
と同じ窒化けい素により構成されている。このように、
断熱材5を他の部材と同一の材料により構成したのは、
ピストンクラウン1全体の熱膨張率を均一に保つためで
ある。即ち、リング部材3とプレート部材6との間に断
熱材5を密に封じ込めて接合するときに、例えばムライ
トのように熱膨張率が窒化けい素のそれに比べて大きい
断熱材では、接合時の昇温過程において断熱材の方が大
きく膨張してしまってリング部材3やプレート部材6が
破損したり、また接合昇温時で位置調整してある場合に
は冷却時に断熱材にクラックが生じたり、プレート部材
6との間に隙間を生じるからである。一方、断熱材とし
て、リング部材3やプレート部材6より熱膨張率の小さ
いコーデュエライト材やチタン酸アルミを使用した場合
には、高温での使用時において断熱材に比べてプレート
部材6などの膨張が相対的に大きく、両者の間に隙間を
生じてしまうからである。そして、上述したように断熱
材5とプレート部材6との間に隙間が生じている状態で
使用すると、プレート部材6に外力が加わった時に断熱
材5に荷重を十分に伝達できず、プレート部材6の破損
の原因となるので好ましくない。この点、断熱材5とし
て窒化けい素を用いた場合には、熱膨張率がプレート部
材6等と等しく、また窒素ガス雰囲気では1800℃ま
で安定であることから、リング部材3とプレート部材6
とを接合する際の制約が少なくて済む。この点でも、コ
ーデュエライト材は、1300℃以上の非酸化雰囲気で
は窒化けい素材と反応溶解し、またチタン酸アルミでは
1000℃以上において還元分解してしまうといった問
題がある。
【0012】また、上述の断熱材5は、相対密度が10
〜70%の範囲に調整された多孔質構造体である。これ
は相対密度が10%より小さくなると十分な強度が得ら
れないため、ピストンクラウン1に使用する断熱材5と
しての実用性に乏しくなり、また70%より大きくなる
と十分な断熱性能が得られなくなるからである。したが
って、断熱材5を構成する窒化けい素は、他の部材とは
異なって、その一つ一つが針状もしくは繊維状になって
いるものがよい。これは、これら針状もしくは繊維状の
多数の細片を互いに絡ませて結合させ、所定形状に形成
したときに、内装部材の内部に多くの気孔を作り易くし
て断熱効果を高めるためであり、また粒状または粉末状
の窒化けい素材に比べて、得られる多孔質構造体の機械
的強度を高く保ちつつ低密度化することが可能となるか
らである。上記断熱材5において、相対密度を10〜7
0%の範囲に調整するためには、気孔率を90〜10%
の間に設定するのが望ましい。
【0013】上述のような針状もしくは繊維状の窒化け
い素としては、線径が0.05〜10μm程度、長さが
0.01〜10mm程度のものが好ましい。そして、そ
の種類として、例えばα−窒化けい素ウイスカー、β−
窒化けい素ウイスカー、窒化けい素繊維などを良好に用
いることができる。また、本発明では断熱材5の強度を
高めるために、結合剤を用いている。この結合剤は、例
えば酸化カルシウムなどのIIa属酸化物、酸化アルミニ
ウムなどのIII b属酸化物、希土類酸化物の中から選ば
れた少なくとも1種類と、酸化けい素とからなるものが
好ましいが、少なくとも酸化けい素だけでもよい。
【0014】断熱材5を作る場合には、断熱材5を成形
する前に予め結合剤を窒化けい素ウイスカーや窒化けい
素繊維に所定量配合し、よく混合してから所定形状に合
わせて吸引濾過したのちこれを焼結する。そうすること
により、結合剤が窒化けい素のウイスカーや繊維と反応
して酸窒化物を形成し、この酸窒化物がウイスカー同
士、又は繊維同士の結合を助け、所定の強度を確保する
ことになる。また、添加したアルミニウムや酸素原子な
どが窒化けい素に固溶することにより窒化けい素の熱伝
導率が減少する。上記α−窒化けい素ウイスカーとβ−
窒化けい素ウイスカーとを比較したときに、断熱性の点
ではα−窒化けい素ウイスカーの方が好ましいが、この
場合、断熱材5を成形するときの焼結温度を1600℃
以下とする必要がある。なお、結合剤を30wt%以上
添加することは、窒化けい素との間に熱膨張率の差を生
じて好ましくない。
【0015】次に、上記ピストンクラウン1を用いた実
験例について説明する。断熱材5は、80wt%のβ−窒
化けい素ウイスカーと20wt%のシリカゲルを十分に混
合したのち、成形・焼成した気孔率70%のものであ
り、曲げ強度が5kg/mm2、圧縮強度が5kg/mm2、熱伝導
率が2w/mkの特性を有している。図1に示した構造のピ
ストンクラウン1を作製し、リング部材3とプレート部
材6との間を約25μm厚さに塗布した接合層7により
接合した。
【0016】このような構造からなるピストンクラウン
1において、接合時におけるリング部材3およびプレー
ト部材6の破壊変形は認められず、また断熱材5とプレ
ート部材6との間で剥離や隙間が生ずるなどの問題はな
かった。更に、プレート部材6の上から5トンの荷重を
加え、繰り返し疲労試験を行ったが、断熱材5の破損お
よびプレート部材6の破損などの問題はなかった。
【0017】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るピス
トンクラウンによれば、高温での機械的強度および耐熱
衝撃性など窒化けい素の本来の特性を保持させつつ、断
熱性能を大幅に向上させることができたため、結果的に
セラミックエンジンの性能を飛躍的にアップさせること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るピストンクラウンの縦断面図であ
る。
【符号の説明】
1 ピストンクラウン 2 下部フランジ 3 リング部材 4 ベース部材 5 断熱材 6 プレート部材 7 接合層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 馬渕 真 千葉県船橋市豊富町585番地 住友セメン ト株式会社中央研究所内 (72)発明者 鈴木 弘 千葉県船橋市豊富町585番地 住友セメン ト株式会社中央研究所内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下部フランジを有するリング部材と、こ
    のリング部材内に収納され下部フランジ上に載置された
    ベース部材と、このベース部材上に載置された多孔質体
    からなる断熱材と、断熱材の上面に配置されベース部材
    との間で断熱材を挟み込むとともにリング部材の上面に
    接合層を介したプレート部材とからなり、これら上記部
    材および断熱材がいずれも窒化けい素質セラミックス材
    により構成されていることを特徴とするピストンクラウ
    ン。
  2. 【請求項2】 上記断熱材は、相対密度が10〜70%
    で、70wt%以上の針状もしくは繊維状の窒化けい素
    と、酸化けい素、IIa属酸化物、III b属酸化物、希土
    類酸化物の中から選ばれた少なくとも1種類とで構成さ
    れたことを特徴とする請求項1記載のピストンクラウ
    ン。
  3. 【請求項3】 上記接合層は、IIa属、III b属、イッ
    トリウムを含む希土類元素と、けい素、酸素、窒素から
    なることを特徴とする請求項1記載のピストンクラウ
    ン。
  4. 【請求項4】 上記接合層は、IIa属が4〜15重量
    %、III b属が1〜10重量%、イットリウムを含む希
    土類元素が2〜20重量%、けい素が18〜52重量
    %、窒素が2〜35重量%で、残りが酸素であることを
    特徴とする請求項1記載のピストンクラウン。
JP3320762A 1991-12-04 1991-12-04 ピストンクラウン Pending JPH05157004A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1138368A3 (en) * 2000-03-30 2002-07-24 Nichias Corporation Rotor and sealing device for rotary adsorber

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1138368A3 (en) * 2000-03-30 2002-07-24 Nichias Corporation Rotor and sealing device for rotary adsorber
EP1547666A1 (en) * 2000-03-30 2005-06-29 Nichias Corporation A rotor for a rotary adsorber

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