JPH05215011A

JPH05215011A - 断熱ピストン

Info

Publication number: JPH05215011A
Application number: JP4048892A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Kita; 英紀北; Hideo Kawamura; 英男河村
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1992-01-31
Filing date: 1992-01-31
Publication date: 1993-08-24
Anticipated expiration: 2015-04-17
Also published as: JP3033324B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、ピストンスカートを熱膨張傾斜機
能材で製作し、ピストンヘッドとの接合を良好にし、変
形等が起こらず、隙間等が生じ難く、断熱性に富み且つ
安定で軽量な断熱ピストンを提供する。【構成】本発明は、ピストンヘッド１を緻密質のセラ
ミックスから製作し、ピストンヘッド１側に面するピス
トンスカート２をアルミニウム合金と少なくとも２種類
以上のセラミックスから成る複合材で製作し、セラミッ
クスの組織がピストンスカートの上部９から中間部６，
５を経て下部４へ熱膨張係数が傾斜変化しており、セラ
ミックスの組織に存在する間隙がアルミニウム合金で置
換されているものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、セラミック製のピス
トンヘッドとピストンスカートを有する断熱ピストンに
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、断熱ピストンとして、ピストンヘ
ッドの頂面をセラミックスで製作し、ピストンスカート
をアルミニウム合金、鋳鉄等で製作し、ピストンヘッド
とピストンスカートとを結合して構成しているものがあ
る。

【０００３】従来、内燃機関用ピストンとして、実開昭
５８−９８４５５号公報に開示されたものがある。該内
燃機関用ピストンは、アルミニウム、鋳鉄等の金属より
なるピストン基部に、コバール、４２アロイ等の熱膨張
率が３〜９×１０^{- 6}／℃の金属体を介してセラミック
スを結合したものである。

【０００４】また、断熱ピストンの構造として、特開昭
６３−２５５５５２号公報に開示されたものがある。該
断熱ピストンの構造は、燃焼室側にジルコニアコーティ
ング層を施し且つ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に被覆し
てピストンヘッドを構成し、該ピストンヘッドがピスト
ンスカートに空気層を形成し且つ断熱シール材を介在し
て取付けられている。更に、サーメットホルダの中央突
出部をピストンスカートの中央孔に嵌合し、リングによ
って互いに係止している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、断熱ピ
ストンでピストンヘッドをセラミックスで且つピストン
スカートを金属で製作したものは、ピストンスカートの
金属として鋳鉄を用いると重量が重く、また、アルミニ
ウム合金を用いると重量は軽くなるが、アルミニウム合
金の熱膨張係数が大きいため、アルミニウム合金とセラ
ミックスとの間に細かく緩衝材を介在させる必要があ
る。更に、アルミニウム合金は耐熱温度が低いために、
高温下でアルミニウム合金のピストンスカートが変形を
起こし、ピストンヘッドとピストンスカートとの境界部
の間のシール性が下がり、ガス抜け等の問題が発生す
る。

【０００６】そこで、この発明の目的は、上記の課題を
解決することであり、シリンダ内を往復運動するピスト
ンヘッドと該ピストンヘッドに取り付けたピストンスカ
ートを有する断熱ピストンにおいて、前記ピストンヘッ
ドを緻密質のセラミックスから製作し、前記ピストンス
カートをアルミニウム合金とセラミックスの複合材料で
製作し、前記ピストンスカートを前記ピストンヘッド側
の部分を低熱膨張のセラミックスで且つ下部になるに従
って高熱膨張のセラミックスになるように熱膨張傾斜組
織に形成し、高温下での変形、隙間の発生を防止する断
熱ピストンを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、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、シリンダ内を往復運動するピストンスカー
ト及び該ピストンスカートに取り付けたピストンヘッド
を有する断熱ピストンにおいて、前記ピストンヘッドを
緻密質のセラミックスから製作し、前記ピストンヘッド
側に面するピストンスカートをアルミニウム合金と少な
くとも２種類以上のセラミックスから構成した複合材で
製作し、前記セラミックスの組織が前記ピストンスカー
トの上部から下部へ熱膨張係数が傾斜変化しており、前
記セラミックスの組織に存在する間隙がアルミニウム合
金で置換されていることを特徴とする断熱ピストンに関
する。

【０００８】また、この断熱ピストンにおいて、前記セ
ラミックスの熱膨張係数の傾斜変化が熱膨張係数差で４
×１０^{- 6}以上である。

【０００９】また、この断熱ピストンにおいて、前記セ
ラミックスのうち、一方のセラミックスがチタン酸アル
ミニウムであり、他方のセラミックスがジルコニア、酸
化マグネシウム、酸化アルミニウムの中の何れか１つ或
いはそれらの複合物から構成されている。

【００１０】また、この断熱ピストンにおいて、前記ピ
ストンスカートを前記ピストンヘッド側に面する上部を
チタン酸アルミニウムとアルミニウムとの複合材料で製
作し、前記ピストンスカートの下部をアルミニウム合金
で製作し、前記上部と前記下部との中間部を、上部側が
チタン酸アルミニウムとジルコニアから成り且つ下部側
がジルコニアから成るようにセラミックスの組織が傾斜
変化している。

【００１１】或いは、この断熱ピストンにおいて、前記
ピストンヘッドの燃焼室側上面とピストンスカート側下
面に多孔質セラミックスを結合したものである。

【００１２】また、この断熱ピストンにおいて、前記多
孔質セラミックスの表面に緻密なセラミックス薄膜が形
成されているものである。

【００１３】更に、この断熱ピストンにおいて、前記多
孔質セラミックスは反応焼結材をベースに酸化物を含む
複合材である。

【００１４】

【作用】この発明による断熱ピストンは、以上のように
構成されており、次のように作用する。この断熱ピスト
ンは、ピストンヘッドを緻密質のセラミックスから製作
し、前記ピストンヘッド側に面するピストンスカートを
アルミニウム合金と少なくとも２種類以上のセラミック
スから成る複合材料で製作し、セラミックスの組織が前
記ピストンスカートの上部から下部へ熱膨張係数が傾斜
変化しており、前記セラミックスの組織に存在する間隙
がアルミニウム合金で置換されているので、セラミック
スがアルミニウム合金の内部に編み目状に内包され、特
に、高温下においてアルミニウム合金中の転位の動きが
阻害され、従来発生していたような変形等は起こらず、
ピストンヘッドのセラミックスとの近傍の熱膨張係数差
を小さくすることができる。

【００１５】また、この断熱ピストンにおいて、前記ピ
ストンヘッドの燃焼室側上面とピストンスカート側下面
に多孔質セラミックスを結合したので、ピストンヘッド
が断熱性に優れた構造となり、燃焼室が高温になっても
熱がピストンスカートに伝導し難くなり、ピストンスカ
ートの変形等が起こり難い。

【００１６】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明による断熱
ピストンの実施例を説明する。図１はこの発明による断
熱ピストンの一実施例を示す断面図である。図１に示す
ように、この発明による断熱ピストンは、主として、シ
リンダ内を往復運動するピストンヘッド１と該ピストン
ヘッド１に固定したピストンスカート２を有している。
ピストンヘッド１は窒化ケイ素、炭化ケイ素等の耐熱性
に優れたセラミック材料で構成され、また、ピストンス
カート２はアルミニウム合金等の金属材料と少なくとも
２種類以上のセラミックスから成る複合材料で構成され
ている。

【００１７】ピストンヘッド１は、燃焼室１０を備えた
クラウン部１８及びクラウン部１８の中央付近から下方
に環状に伸びる取付部３を有している。ピストンスカー
ト２は、中央に取付孔部１９を形成した上部９を有して
いる。また、ピストンヘッド１の取付部３の外周には、
メタルフロー金属が嵌入するための僅かな凹部２２が形
成されている。ピストンヘッド１とピストンスカート２
とは、セラミックスから成る断熱部材１３，１４を介在
してメタルフローによって凹部２２に嵌入される結合リ
ング１２によって固定されている。また、ピストンヘッ
ド１のクラウン部１８の下面７とピストンスカート２の
上部９の上面８との間には断熱空気層１１が形成されて
いる。ピストンスカート２に形成された燃焼室側に形成
されたピストンリング溝は、ニレジスト等の耐摩環２０
がピストンスカート２の上部９に埋め込まれて構成され
ている。

【００１８】ピストンヘッド１とピストンスカート２と
は、次のようにして固定することができる。ピストンヘ
ッド１のクラウン部１８の下面７とピストンスカート２
の上部９の上面８との間に断熱材１５と断熱シール部材
１６を介在させる。次いで、ピストンヘッド１の取付部
３をピストンスカート２の上部９に形成した取付孔部１
９に嵌合する。この状態で、ピストンヘッド１とピスト
ンスカート２とを、メタルフローによって互いに固定す
る。即ち、ピストンヘッド１の取付部３の外周とピスト
ンスカート２の上部９に形成した大径の取付孔部２１と
の間に形成された穴部に、断熱材で且つ緩衝材となる部
分安定化ジルコニア等のセラミックスから成る断熱部材
１３，１４を介在させ、次いで、メタルフロー金属即ち
結合リング１２を高周波コイル等で加熱し、該結合リン
グ１２を塑性変形させて穴部に嵌入すると共に、取付部
３の凹部２２に結合リング１２を塑性流動で進入させて
硬化させ、ピストンヘッド１とピストンスカート２とを
固定する。このメタルフロー時に、ピストンヘッド１の
取付部３をピストンスカート２の上部９に形成した取付
孔部１９に嵌入してメタルフロー荷重即ち押圧荷重がか
かるが、ピストンスカート２の上部９の取付孔部１９近
傍が若干塑性変形を起こし、加工精度上の問題を吸収す
ることができる。

【００１９】この発明による断熱ピストンは、特に、ピ
ストンスカート２の構成に特徴を有するものである。即
ち、この断熱ピストンは、特に、ピストンヘッド１を緻
密質のセラミックスから製作し、ピストンヘッド１側に
面するピストンスカート２をアルミニウム合金と少なく
とも２種類以上のセラミックスから成る複合材で製作
し、セラミックスの組織がピストンスカート２の上部９
から下部４へ熱膨張係数が傾斜変化しており、セラミッ
クスの組織に存在する間隙がアルミニウムで置換されて
いることを特徴とするものである。

【００２０】この断熱ピストンは、言い換えれば、ピス
トンスカート２のうち、セラミックスのピストンヘッド
１との結合部材近傍即ち上部９を低熱膨張のチタン酸ア
ルミニウムとアルミニウム合金との複合材で構成し、ピ
ストンスカート２の中間部６，５を下部４になるに従っ
て傾斜状にセラミック成分を変化させた熱膨張係数傾斜
機能材で構成し、特に、低熱膨張のチタン酸アルミニウ
ムから高熱膨張のジルコニアに変化させ、中間部をジル
コニアとアルミニウム合金との複合材に構成し、該複合
材が下部のアルミニウム合金に連続して結合されるよう
に構成したものである。

【００２１】詳しくは、ピストンスカート２は、ピスト
ンヘッド１に接する上部９、上方中間部６、下方中間部
５及び下部４を連続して接合されており、上部９をチタ
ン酸アルミニウムＡｌ₂ＴｉＯ₅とアルミニウム合金と
の複合材で構成し、該上部９に接合した上方中間部６を
チタン酸アルミニウムとジルコニアＺｒＯ₂との傾斜組
成のセラミックスとアルミニウム合金との複合材で構成
し、上方中間部６に接合した下方中間部５をジルコニア
ＺｒＯ₂とアルミニウム合金との複合材で構成し、更
に、下方中間部５に接合した下部４をアルミニウム合金
で構成したものである。即ち、このピストンスカート２
については、上部９と下部４との中間部６，５につい
て、上部側がチタン酸アルミニウムとジルコニアから構
成し、下部側がジルコニアから構成するようにセラミッ
クスの組織が傾斜変化しているものである。

【００２２】この断熱ピストンにおけるピストンスカー
ト２については、セラミックスの熱膨張係数の傾斜変化
が熱膨張係数差で４×１０^{- 6}以上にコントロールされ
ており、また、セラミックスのうち、一方のセラミック
スがチタン酸アルミニウムであり且つ他方のセラミック
スがジルコニア、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム
の中の何れか１つ或いはそれらの複合物で構成すること
ができる。

【００２３】この断熱ピストンは、上記のような構造を
有しており、ピストンスカート２を次のようにして製作
できる。この断熱ピストンの製造方法において、まず、
平均粒径４０μｍのチタン酸アルミニウムＡｌ₂ＴｉＯ
₅の粉末と２μｍのジルコニアＺｒＯ₂の粉末との混合
粉末に蒸留水を加え、ボールミルにて約２４時間混合
し、スラリーを作製した。この時、チタン酸アルミニウ
ムとジルコニアとの混合比を０〜１００％の範囲で異な
る混合粉末を１０種類作製し、１０種類のスラリーを作
製した。得られたスラリーを、チタン酸アルミニウムの
濃度の高いものから順に、径９０ｍｍのキャビティを有
する石膏型内に注入し、スラリーを石膏型に吸水固化さ
せた。

【００２４】次いで、吸水固化したセラミック成形体を
石膏型から取り出して乾燥し、セラミック成形体の乾燥
後、乾燥セラミック成形体を所定の温度で焼成してセラ
ミック焼成体を得た。セラミック焼成体の気孔率は約５
０％であり、外形８５ｍｍの多孔体を得ることができ
た。この多孔体を機械加工し、真空炉内で８００℃に加
熱されて溶湯になっているＡｌ−Ｓｉ合金溶湯に多孔体
を加圧浸漬し、多孔体の気孔内部へＡｌ−Ｓｉ合金溶湯
を含浸させた後、炉冷して多孔体を炉から取り出し、チ
タン酸アルミニウム、ジルコニア及びアルミニウム合金
から成る複合体を得ることができた。

【００２５】更に、上記複合体を機械加工して所望の形
状のピストンスカート２に成形した後、該ピストンスカ
ート２を窒化ケイ素Ｓｉ₃Ｎ₄から成るピストンヘッド
１に、高周波加熱によって結合リング１２をメタルフロ
ーして嵌合結合し、図１に示すような断熱ピストンを得
ることができた。

【００２６】上記のようにして製作した断熱ピストン
を、ベンチ試験で試験したところ、約１０００サイクル
後にも、各部に亀裂等は見られず、安定していることが
確認された。即ち、この発明による断熱ピストンは、安
定した軽量で断熱性に優れたピストンを提供できる。

【００２７】次に、この発明による断熱ピストンの別の
実施例を図２を参照して説明する。図２はこの発明によ
る断熱ピストンの別の実施例を示す断面図である。この
実施例の断熱ピストンは、上記実施例の断熱ピストンと
比較してピストンヘッドの構造が相違する以外は、同一
の構成及び機能を有するので、同一の部品には同一の符
号を付して重複する説明は省略する。

【００２８】図２に示すように、この断熱ピストンのピ
ストンヘッド１には、燃焼室側上面２５に多孔質セラミ
ックス１７とピストンスカート側下面２６に多孔質セラ
ミックス２３とが結合されている。また、多孔質セラミ
ックス１７の表面には、緻密なセラミックス薄膜２４が
形成されている。この多孔質セラミックス１７，２３
は、反応焼結材をベースに酸化物を含む複合材で構成さ
れているものである。従って、この断熱ピストンは、多
孔質セラミックス１７，２３を備えた構成により、断熱
性に優れた構造になり、従来のものよりも燃焼室が高温
になってもピストンスカート２へは熱が伝導し難くなっ
ている。

【００２９】この断熱ピストンは、上記のような構造を
有しており、ピストンヘッド１を次のようにして製作で
きる。この断熱ピストンの製造方法において、まず、平
均粒径０．３μｍのケイ素Ｓｉの粉末、チタン酸アルミ
ニウムＡｌ₂ＴｉＯ₅の粉末及び酸化ランタンＬａ₂Ｏ
₃の粉末をそれぞれ重量比で６５：３０：５の割合で配
合し、これにメタノール、解膠剤、有機バインダを加
え、ボールミルにて約２４時間混合した。これをスプレ
ードライヤにて造粒粉に作製し、更にこれを成形原料と
して、ＣＩＰ（冷間等方加工プレス）により、直径約８
０ｍｍ厚さ、１０ｍｍの円板状の成形体を得た。

【００３０】この成形体を最高５００℃まで加熱するこ
とにより、脱脂後、窒素ガス中で最高１４００℃まで加
熱して多孔質セラミックスであるセラミック焼結体即ち
反応焼結材を得た。更に、この焼結体を１０００℃の大
気中での熱処理をした後、機械加工を施して所望の形状
に形成した。加工した焼結体の表面に、ポリシラザンを
塗布して所定の熱処理を行い、焼結体の表面のポリシラ
ザンを緻密な酸化物複合材即ちセラミックス薄膜２４に
転化させた。上記の工程で製作したセラミック焼結体１
７，２３を試験したところ、低熱伝導で、低熱膨張で且
つ高強度を有することが確認された。

【００３１】更に、上記工程で製作したセラミック焼結
体１７，２３を、相対密度９９％以上の窒化ケイ素から
成るピストンヘッド１の凹部２７を形成した上面２５と
凹部２８を形成した下面２６に、酸化物ソルダー剤を塗
布し、上記の凹部２７と凹部２８とに嵌め込み、これを
加熱してセラミック焼結体１７，２３とピストンヘッド
１とを接合して一体化し、図２に示すようなピストンヘ
ッド１を得た。なお、ピストンスカート２の製造方法及
びピストンヘッド１とピストンスカート２との結合方法
は、図１に示す断熱ピストンと同様である。

【００３２】上記のようにして製作した断熱ピストンを
ベンチ試験で試験したところ、上記断熱ピストンと同様
に、約１０００サイクル後にも、各部に亀裂等は見られ
ず、安定しており、しかも、断熱性に極めて優れている
ことが確認された。即ち、この発明による断熱ピストン
は、安定した軽量で且つ断熱性に優れたピストンを提供
できる。

【００３３】

【発明の効果】この発明による断熱ピストンは、以上の
ように構成したので、次のような効果を有する。この断
熱ピストンは、ピストンヘッドを緻密質のセラミックス
から製作し、前記ピストンヘッド側に面するピストンス
カートをアルミニウム合金と少なくとも２種類以上のセ
ラミックスから成る複合材で製作し、前記セラミックス
の組織が前記ピストンスカートの上部から下部へ熱膨張
係数が傾斜変化しており、前記セラミックスの組織に存
在する間隙がアルミニウム合金で置換されているので、
セラミックスがアルミニウム合金の内部に編み目状に内
包され、特に、高温下においてアルミニウム合金中の転
位の挙動が阻害され、従来発生していたような変形等は
起こらず、ピストンスカートの複合材とピストンヘッド
のセラミックスとの近傍の熱膨張係数差も小さく緩和さ
れ、両者間に隙間等も発生し難く、ガス抜け等の現象は
発生しないものである。

【００３４】また、この断熱ピストンにおいて、ピスト
ンヘッドの燃焼室側上面とピストンスカート側下面に多
孔質セラミックスを結合したので、ピストンヘッドの断
熱性が極めて優れた構造となり、燃焼室が高温になって
も熱がピストンヘッドからピストンスカートに伝導し難
くなり、ピストンスカートの変形等が起こり難く、両者
間に隙間等も発生し難く、ガス抜け等の現象は発生しな
いものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による断熱ピストンの一実施例を示す
断面図である。

【図２】この発明による断熱ピストンの別の実施例を示
す断面図である。

【符号の説明】

１ピストンヘッド２ピストンスカート３取付部４下部５，６中間部９上部１７，２３セラミック焼結体（多孔質セラミックス）２４セラミックス薄膜２５燃焼室側の上面２６ピストンスカート側の下面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダ内を往復運動するピストンスカ
ート及び該ピストンスカートに取り付けたピストンヘッ
ドを有する断熱ピストンにおいて、前記ピストンヘッド
を緻密質のセラミックスから製作し、前記ピストンヘッ
ド側に面するピストンスカートをアルミニウム合金と少
なくとも２種類以上のセラミックスから成る複合材で製
作し、前記セラミックスの組織が前記ピストンスカート
の上部から下部へ熱膨張係数が傾斜変化しており、前記
セラミックスの組織に存在する間隙がアルミニウム合金
で置換されていることを特徴とする断熱ピストン。
【請求項２】前記セラミックスの熱膨張係数の傾斜変
化が熱膨張係数差で４×１０^{- 6}以上であることを特徴
とする請求項１に記載の断熱ピストン。
【請求項３】前記セラミックスのうち、一方のセラミ
ックスがチタン酸アルミニウムであり、他方のセラミッ
クスがジルコニア、酸化マグネシウム、酸化アルミニウ
ムの中の何れか１つ或いはそれらの複合物であることを
特徴とする請求項１に記載の断熱ピストン。
【請求項４】前記ピストンスカートを前記ピストンヘ
ッド側に面する上部をチタン酸アルミニウムとアルミニ
ウムとの複合材で製作し、前記ピストンスカートの下部
をアルミニウム合金で製作し、前記上部と前記下部との
中間部を、上部側がチタン酸アルミニウムとジルコニア
から成り且つ下部側がジルコニアから成るようにセラミ
ックスの組織が傾斜変化し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。
【請求項５】前記ピストンヘッドの燃焼室側上面とピ
ストンスカート側下面に多孔質セラミックスを結合した
ことを特徴とする請求項１に記載の断熱ピストン。
【請求項６】前記多孔質セラミックスの表面に緻密な
セラミックス薄膜が形成されていることを特徴とする請
求項５に記載の断熱ピストン。
【請求項７】前記多孔質セラミックスは反応焼結材を
ベースに酸化物を含む複合材であることを特徴とする請
求項５に記載の断熱ピストン。