JPH068744U - セラミック鋳ぐるみピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 セラミック鋳ぐるみピストンにおいて、セラ
ミック体の耐久性を向上させると共に、ピストン本体と
セラミック体との結合面にガタが生じることを抑制す
る。 【構成】 燃焼室に臨むセラミック体２を、アルミニウ
ム合金からなるピストン本体３にて取り巻くよう鋳ぐる
んでなるピストン１において、セラミック体２外周を取
り巻くアルミニウム合金３′中に、自由状態において所
定の合口間隙ｔを有する鉄製環状部材９を、セラミック
体２から離して一体的に鋳ぐるんだ。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は、内然機関のセラミック鋳ぐるみピストンの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】

図７に示したのは、燃焼室に臨むセラミック体２０をピストン本体２１をなす アルミニウム合金にて一体的に鋳ぐるんでなるセラミック鋳ぐるみピストン２２ で、アルミニウム合金より熱膨張率が小さい材料からなる鉄製完全円環部材２３ が、図示の如く、セラミック体２０を取り巻くアルミニウム合金中に鋳ぐるまれ ている（実開昭５３−７９９１０号公報等参照）。

【０００３】 セラミック体２０の外周を取り巻くアルミニウム合金中に完全円環部材２３が 鋳ぐるまれているのは、セラミックの熱膨張率がアルミニウム合金の熱膨張率に 比して極端に小さいため、セラミック体２０をアルミニウム合金にて鋳ぐるむ過 程において、溶融状態から室温に冷却されるまでのアルミニウム合金の収縮がセ ラミック体２０に対して過大な圧縮応力を与え、ついにはき裂を生じさせてしま う、ということを防ぐ目的からであり、つまり、完全円環部材２３はアルミニウ ム合金より熱膨張率が小さい材料から成るゆえ、ピストン本体の収縮を阻止する のである。

【０００４】 なお、セラミックの引張強さは圧縮強さに比して極端に小さい（２分の１から ３分の１程度）ため、燃焼に伴う強い爆発力を直接受けるセラミック体は常に圧 縮応力状態におかれることが望ましく、すなわち、セラミック体をアルミニウム 合金にて鋳ぐるむ過程において、溶融状態から室温に冷却されるまでのアルミニ ウム合金の収縮が、セラミック体に対して適度な圧縮応力状態を与えることが必 要である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】 しかしながら、従来の完全円環部材２３にあっては、アルミニウム合金の収縮 を強固に阻むためセラミック体２０は十分な圧縮応力状態を得ることができず、 また、セラミック体２０の熱膨張率はピストン本体２１に比してかなり小さいた めに、燃焼に伴う熱を受けてピストン本体２１がわずかに熱膨脹しただけで前記 圧縮応力状態は微小なものとなるか、又は、圧縮応力状態ではなくなってピスト ン本体２１とセラミック体２０との結合面２４にガタを生じるという問題点があ った。

【０００６】 つまり、このような状態において燃焼に伴う強い爆発力を受けると、セラミッ ク体外周側面２５には引張応力状態が発生して引張応力状態に弱いセラミック体 ２０はその強さに問題を生じるばかりか、結合面２４に生じたガタにはカーボン などの燃焼生成物が入り込み、この燃焼成生物を噛みこんだ状態でピストン本体 ２１が冷えて収縮すると、セラミック体２０には無理な荷重が加わることとなり 、セラミック体２０はき裂を生じる場合がある。

【０００７】 なお、セラミック体に鉄系円環を焼ばめて、上記従来例と同様の作用を狙った 従来例も開示されているが、鉄系円環を焼ばめるセラミック体外周壁面には精度 の高い加工が要求され製作コストが増大するばかりか、この完全円環部材は４方 をアルミニウム合金に囲まれるよう鋳込まれないために、ピストン本体の熱膨脹 を確実に阻むことができず、ピストン本体とセラミック体との結合面にガタを生 じやすい。

【０００８】 この考案は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、セラミック 体に十分な圧縮応力状態を与え、ピストン本体とセラミック体との結合面にガタ を生じることのない、すなわち長時間の運転に耐え得る内然機関のセラミック鋳 ぐるみピストンを提供しようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

本考案は、上記問題点を解決するために、燃焼室に臨むセラミック体を軽合金 材料からなるピストン本体にて取り巻くよう一体的に鋳ぐるんでなるセラミック 鋳ぐるみピストンにおいて、前記セラミック体の外周を取り巻く軽合金材料中に 、前記ピストン本体と前記セラミック体との中間の熱膨張率を有する材料からな り、自由状態において所定の合口間隙を有する環状部材を、前記セラミック体か ら離れて一体的に鋳ぐるんだ。

【００１０】

【作用】

セラミック体を軽合金材料にて鋳ぐるむ過程において、環状部材は、合口間隙 が狭まることにより、溶融状態から室温に冷却されるまでの軽合金材料の収縮に 適度に追従し、セラミック体は破損に至るような過大な締め付けを受けることな く十分な圧縮応力状態を得る。

【００１１】

【実施例】

以下、この考案の第１実施例を図面に基づいて説明する。

【００１２】 図１に示したのは、窒化ケイ素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）からなるセラミック体２を、ピ ストン本体３をなす軽合金材料すなわち強化アルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）にて 鋳ぐるんでなるピストン１であり、セラミック体２はピストン１の頂部４に配設 されると共に、カップ状を呈して燃焼室に臨むキャビティ５を形成している。セ ラミック体２の外側壁６には金属化処理すなわちメタライズ層７が形成されてお り、ピストン本体３との結合が促されている。

【００１３】 図２に示したのは、ピストン本体３とセラミック体２との中間の熱膨張率を有 する鉄（Ｆｅ）製環状部材であり、自由状態において合口面８、８間で所定の合 口間隙ｔを形成している。

【００１４】 この環状部材９はセラミック体２の外側壁６を取り巻く強化アルミニウム合金 ３′中にセラミック体２から離れて鋳込まれており、この環状部材９の表面全体 には合口面８、８をも含めてアルミナイズ層１０が形成され、ピストン本体３と の結合が促されている。

【００１５】 ここで、図３は図１のＩ−Ｉ矢視断面図であり、ピストン本体３に鋳ぐるまれ た状態における合口間隙ｔ₁ は、自由状態における合口間隙ｔに比して狭まって いる。なお、図３においては、メタライズ層、アルミナイズ層の図示は省略する 。

【００１６】 さて、溶融状態にある強化アルミニウム合金が室温に冷却されるまでの過程に おいて、環状部材９は、合口間隙がｔからｔ₁ に狭まることにより強化アルミニ ウム合金すなわちピストン本体３の収縮に適度に追従するが、この過程において 、合口面８、８が互いに接するようではセラミック体１に十分な圧縮応力状態を 与えることができない。このようなことを鑑みて規定しているのが前記の所定の 合口間隙ｔであり、ピストン本体３の収縮が完了するまで合口面８、８が互いに 接することがない最小限度の間隙である。具体的には、ピストン本体の熱膨張率 をα、自由状態における環状部材の外周面の直径をＤ、溶融状態にある強化アル ミニウム合金が冷えて収縮を始める温度をＫ１、室温をＫ２とすると、所定の合 口間隙ｔは、 π・α（Ｋ１−Ｋ２）Ｄ＜ｔ の関係で表される。

【００１７】 なお、セラミック体、ピストン本体、環状部材をなす材料の熱膨張率（℃-1） は、以下に示す通りである。

【００１８】 Ｓｉ₃ Ｎ₄ ３ ×１０^-6 Ｆｅ １２ ×１０^-6 ＡＣ８Ａ ２０〜２３×１０^-6 次に作用を説明する。

【００１９】 溶融状態にある強化アルミニウム合金が室温に冷却されるまでの過程において 、セラミック体２を取り巻く強化アルミニウム合金中に構成された環状部材９は 、合口間隙がｔからｔ₁ に狭まることにより強化アルミニウム合金の収縮に適度 に追従する。このため、セラミック体２は破損に至るような過大な締め付けを受 けることなく十分な圧縮応力状態を得ることができる。

【００２０】 そして、強化アルミニウム合金が固体化した後においては、強化アルミニウム 合金よりも熱膨脹率の小さい環状部材１１はアルミナイズ層１０のためにピスト ン本体３と一体的且つ強固に結合するので、実際に内然機関の運転に供しても前 記圧縮応力状態が減退することは防止される。

【００２１】 また、前記環状部材９は固体化した強化アルミニウム合金にて結合された言わ ば完全円環として作用し、且つ、この完全円環のうち熱膨張率の大きい強化アル ミニウム合金が占めているのは微小な合口間隙ｔ₁ であるから、実際に内然機関 の運転に供され燃焼室からの熱を受けても、この環状部材９は、鉄のみからなる 完全円環部材と同程度にピストン本体の膨脹を阻むことが可能である。

【００２２】 一方、ピストン本体３を成す強化アルミニウム合金は、一般に、熱サイクルに 基づく膨脹・収縮が繰り返されることにより、初期にセラミック体２に与えた圧 縮応力状態を次第に減衰させてしまう性質を有するが、環状部材９をなす鉄は疲 れ限度内にあってこのような性質を持たないため、鉄からなる環状部材９が強化 アルミニウム合金中に鋳込まれていることにより、このような経時的な圧縮応力 状態の減衰をも防ぐことができる。

【００２３】 つまり、ピストン本体３とセラミック体２との結合面にガタを生じることがな くなり、セラミック体の耐久性向上、すなわち、長時間の運転に耐え得るセラミ ック鋳ぐるみピストンが実現する。

【００２４】 なお、前記ピストン本体３の収縮に伴い前記合口間隙が閉じることにより、セ ラミック体２が破損する圧縮応力状態の上限を規定するようにすることもできる 。

【００２５】 また、前記環状部材をチタン（Ｔｉ、熱膨張率…８×１０^-6（℃^-1））にて形 成することにより、環状部材とピストン本体との結合はより促され、前記圧縮応 力状態の減退をより効果的に抑えることができる。

【００２６】 次に、図４、図５に基づいて第２実施例を説明する。

【００２７】 図５に示したのは、第１実施例における環状部材９に代わる環状部材１１で、 合口部１２に１対のほぞ１３、１３が形成され、自由状態において合口面１９、 １９′間で所定の合口間隙ｔを形成する。

【００２８】 この環状部材１１がピストン本体３にて鋳ぐるまれたしかる後、図４に示した 如く、ピストン１の裏面から両ほぞ１３、１３に跨がる孔１４が形成され、この 孔１４に締結部材であるピン１５が圧入されている。さらに、前記孔１４の延長 線上にはボルト孔１６が形成され、このボルト孔１６にボルト１７を挿すことに より前記ピン１５の脱落防止を図っている。他の構成は第１実施例に準じ、同じ 番号を付してその説明を省略する。

【００２９】 このような構成に基づき、上記実施例と同様に、セラミック体２は破損に至る ような過大な締め付けを受けることなく十分な圧縮応力状態を得ることができ、 さらに、上記環状部材１１は、ピストン本体３が収縮した状態、すなわち合口間 隙が狭まった状態で完全に固定されるので、ピストン本体３の膨脹をより強固に 阻むことが可能となり、セラミック体２に与えられた圧縮応力状態の減退するこ とをより効果的に阻むことができる。

【００３０】 次に、図６に基づいて第３実施例を説明する。

【００３１】 第２実施例における環状部材１１の合口部１２に形成された合口間隙ｔにセラ ミックファイバー等比較的柔軟性に富む緩衝部材１８を配設した後、これを上記 実施例同様にセラミック体２の外側壁６を取り巻く強化アルミニウム合金中に鋳 ぐるんだもので、他の構成は第２実施例に準ずる。

【００３２】 溶融状態にある強化アルミニウム合金が室温に冷却されるまでの過程において 、前記緩衝部材１８は合口間隙に強化アルミニウム合金が入り込むことを阻みつ つ、合口間隙が狭まることに追従するため、環状部材１１は強化アルミニウム合 金の収縮により追従しやすくなり、セラミック体２に対してより適度な圧縮応力 状態を与えることが可能である。そして、環状部材１１は前実施例同様にピン１ ４にて結合されているので、完全円環として上記実施例同様に作用し得る。

【００３３】

【考案の効果】

以上説明してきたように、この考案によれば、セラミック体は破損に至るよう な過大な締め付けを受けることなく十分な圧縮応力状態を得ることがでるため、 ピストン本体とセラミック体との結合面にガタを生じることがなくなり、長時間 の運転に耐え得るセラミック鋳ぐるみピストンが実現する。

【００３４】 また、この環状部材はセラミック体に４方囲まれて鋳こまれていることから、 ピストン本体の膨脹を確実に阻むことを助長し、従来セラミック体と環状部材と の焼ばめ面に要求されていた精度の高い加工を施す必要もなくなり、製作コスト 低減が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の第１実施例に係るピストンの断面図で
ある。

【図２】本考案の第１実施例に係る環状部材の拡大斜視
図である。

【図３】本考案の第１実施例に係るピストンの断面図で
ある。

【図４】本考案の第２実施例に係るピストンの断面図で
ある。

【図５】本考案の第２実施例に係る環状部材の拡大斜視
図である。

【図６】本考案の第３実施例に係る環状部材の部分拡大
斜視図である。

【図７】従来のピストンの断面図である。

【符号の説明】

１ ピストン ２ セラミック体 ３ ピストン本体 ９ 環状部材 １２ 合口部 ｔ 所定の合口間隙

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】燃焼室に臨むセラミック体を軽合金材料か
   らなるピストン本体にて取り巻くよう一体的に鋳ぐるん
   でなるセラミック鋳ぐるみピストンにおいて、前記セラ
   ミック体の外周を取り巻く軽合金材料中に、前記ピスト
   ン本体と前記セラミック体との中間の熱膨張率を有する
   材料からなり、自由状態において所定の合口間隙を有す
   る環状部材を、前記セラミック体から離れて一体的に鋳
   ぐるんだことを特徴とするセラミック鋳ぐるみピスト
   ン。