JPH09170437A - 遮熱燃焼室付きピストンの構造 - Google Patents

遮熱燃焼室付きピストンの構造

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JPH09170437A JP7348571A JP34857195A JPH09170437A JP H09170437 A JPH09170437 A JP H09170437A JP 7348571 A JP7348571 A JP 7348571A JP 34857195 A JP34857195 A JP 34857195A JP H09170437 A JPH09170437 A JP H09170437A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、燃焼室構造体をピストン本体に残
留圧縮応力を付与した押さえ部材によって安定して強固
に固定した遮熱燃焼室付きピストンの構造を提供する。 【解決手段】 この遮熱燃焼室付きピストンの構造は、
下部外周につば部６を一体に設けた燃焼室２を構成する
耐熱材から成る燃焼室構造体３をピストン本体１に溶着
した押さえ部材１０によって固定する。押さえ部材１０
には、ピストン本体１と押さえ部材１０とに溶接後に押
さえ部材１０にプレスで残留圧縮応力を付与してエンジ
ン運転時の燃焼室構造体３のピストン本体１への固定を
安定させる。燃焼室構造体３は、上部中央に位置するノ
ズル挿入孔７とノズル挿入孔７の周囲に隔置して放射状
に延びる連絡孔９を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、ピストン本体に遮熱
構造の燃焼室を設けた遮熱燃焼室付きピストンの構造に
関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、ディーゼルエンジンのピストンと
して、実開昭５０−７３７０４号公報に開示されたもの
がある。該ディーゼルエンジンのピストンは、上面に燃
焼室を形成した焼金をピストンとの接触面を少なくして
ピストンの頂部に埋め込み嵌合したものである。
【０００３】また、本出願人に係る出願である特願平６
−２２４００９号には、燃焼室を持つピストンの構造が
開示されている。該燃焼室を持つピストンの構造は、燃
焼室構造体に形成される燃焼室の遮熱度をアップし、金
属製のピストン本体と耐熱材製の燃焼室構造体との熱膨
張差をピストン本体とほぼ同種材の取付リングによって
吸収して燃焼室構造体とピストン本体とをガタ付きなく
固定するものである。上記ピストンの構造は、キャビテ
ィを有する金属材から成るピストン本体、キャビティに
遮熱空気層を介して耐熱高温高強度材から成る燃焼室構
造体が配置され、燃焼室構造体には、ピストンのほぼ中
央に副室が形成され、ノズル挿入孔と連絡孔とが形成さ
れている。ピストン本体とほぼ同種材から成る取付リン
グがピストン本体に溶着して取付リングによって燃焼室
構造体がピストン本体のキャビティに押圧して固定され
ている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】一般に、副室での燃焼
温度は高温であるため、ＮＯX の生成を低減する対策と
しては、燃料リッチで燃焼させることが効果的である。
また、燃焼温度が高温である時、燃料リッチで燃焼させ
るには、エンジン構造のタイプとしては副室式エンジン
で対応することが有効である。エンジンを副室式燃焼室
に構成した場合に、副室式燃焼室の燃焼スピードを直接
噴射式燃焼室の燃焼スピードと同程度まで速くするに
は、副室と主室とを連通する連通孔の通路断面積を拡大
することが必要である。また、渦流室式エンジンは、渦
流室内に形成される渦流の方向と噴射ノズルからの噴霧
の方向及び噴射ノズルからの燃料の噴射時期が適合しな
いと、ＮＯX 、スモーク等の発生が増大するという問題
がある。渦流室式エンジンでは、副室と主室とを連通す
る連絡口が小さいので、該連絡口による絞り損失が発生
し、エンジン出力を低減する原因になる。一般に、主室
と副室とを連通する連絡口は、シリンダの外周部に設け
られているので、噴流の到達しなければならない距離が
長くなり、主室での空気との混合が不十分になり、Ｈ
Ｃ、スモークの発生原因になる。
【０００５】上記の問題点を解決するため、副室式エン
ジンにおいて、副室をシリンダ中心に設け、シリンダ側
の主室と副室とを連通する連絡孔を複数個設け、副室か
ら連絡孔を通じて主室へ噴出するエネルギーを低減する
ことなく、連絡孔の全体の通路断面積を大きくして連絡
孔による絞り損失を低減することが考えられる。しかし
ながら、副室をシリンダヘッドのシリンダのほぼ中央部
に形成すると、吸排気ポートの形成する領域が小さくな
るという問題がある。この点を解決するため、副室式エ
ンジンにおいて、ピストンに副室を構成することが考え
られる。
【０００６】そこで、ピストンに副室を形成した場合に
は、副室からの熱エネルギーの放熱が問題になるから、
遮熱型副室式エンジンが考えられる。ピストン本体に燃
焼室構造体を如何に強固に且つ燃焼室構造体に形成した
燃焼室からの熱エネルギーの熱放散を低減させる状態で
固定するかの問題がある。また、エンジン運転時には、
燃焼室構造体とピストン本体との温度差に伴って熱膨張
差が発生し、その熱膨張差によって燃焼室構造体のピス
トン本体に対するガタが発生する。従って、エンジン運
転時に燃焼室構造体とピストン本体との間のガタの発生
を如何にして低減するかの課題がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この発明の目的は、上記
の課題を解決することであり、燃焼室をピストン側に形
成してシリンダヘッドをシンプルな構造にし、吸排気ポ
ートを大きく形成することや吸排気ポートをそれぞれ複
数個形成することを可能にし、特に、エンジン運転時に
燃焼室を構成する燃焼室構造体をピストン本体にガタ付
きなく固定した遮熱燃焼室付きピストンの構造を提供す
ることである。
【０００８】この発明は、ピストン頂部にキャビティを
形成した金属材から成るピストン本体、前記キャビティ
内に配置された底部外周につば部を一体に設けた燃焼室
を構成する耐熱材から成る燃焼室構造体、及び前記つば
部を前記ピストン本体の前記キャビティの底面に押圧す
るように前記燃焼室構造体の外周の前記キャビティ内に
配置され且つ前記ピストン本体に固着された押さえ部
材、から成る遮熱燃焼室付きピストンの構造に関する。
【０００９】また、前記押さえ部材は、前記燃焼室構造
体の外周面との間に遮熱層を形成して同心円上に配置さ
れ、前記ピストン本体との接触部が溶接によって前記ピ
ストン本体に固着されている。
【００１０】また、前記つば部の付近における前記押さ
え部材と前記ピストン本体の前記キャビティとの間には
前記つば部の外周からピストン頂面に向かって延びる遮
熱層が形成されている。
【００１１】また、前記つば部の上面と前記押さえ部材
との間及び前記つば部の下面と前記ピストン本体との間
には、遮熱部材が介在されている。
【００１２】また、前記燃焼室構造体の下面と前記ピス
トン本体との間には遮熱層が形成されている。
【００１３】また、前記燃焼室構造体の外周面と前記押
さえ部材の内周面との間にはガスケットが配置されてい
る。
【００１４】また、前記燃焼室構造体における前記つば
部は上下に二分割された上部つば部と下部つば部から形
成されている。
【００１５】また、前記上部つば部と前記下部つば部と
の間には、遮熱ガスケットが介在されている。
【００１６】この遮熱燃焼室付きピストンの構造は、前
記押さえ部材を前記ピストン本体に固着した状態で、前
記押さえ部材をプレスによって塑性変形させ、前記押さ
え部材に圧縮残留応力を付与したものである。或いは、
前記押さえ部材を前記ピストン本体に固着した状態で、
前記押さえ部材と前記ピストン本体とにわたってプレス
によって部分的に塑性変形させて前記押さえ部材と前記
ピストン本体とに部分的に圧縮残留応力を付与したもの
である。
【００１７】この遮熱燃焼室付きピストンの構造は、上
記のように構成されているので、エンジン運転時に前記
ピストン本体と前記燃焼室構造体との間に温度差によっ
て熱膨張差が生じても、前記燃焼室構造体の前記つば部
と前記ピストン本体との間のがた、隙間等の発生を防止
でき、前記燃焼室構造体を前記ピストン本体に強固に固
定することができる。
【００１８】更に、この遮熱燃焼室付きピストンの構造
は、前記燃焼室構造体と前記ピストン本体との境界面に
前記遮熱空気層が存在するので、前記燃焼室から前記ピ
ストン本体への熱放散が防止され、熱効率を向上でき
る。また、前記燃焼室がピストンのほぼ中央に位置する
ため、連絡孔からの噴流の到達距離が短く、燃焼時間が
短くなって性能が向上し、前記燃焼室からの噴流の到達
距離が短くて済み、前記連絡孔の通路面積を大きく形成
でき、絞り損失を低減でき効率を向上できる。
【００１９】この遮熱燃焼室付きピストンの構造は、上
記のように、前記燃焼室構造体を前記ピストン本体に遮
熱層を形成した状態で押さえ部材で固定し、しかも前記
押さえ部材と前記ピストン本体との間に遮熱空気層が形
成されているので、前記遮熱層と前記遮熱空気層によっ
て高い遮熱度を得ることができると共に、前記遮熱空気
層と前記燃焼室構造体との間に位置する前記押さえ部材
は高温度に維持される。従って、前記押さえ部材、前記
ピストン本体及び前記つば部との間の温度差による熱膨
張差で前記押さえ部材が前記つば部を押圧し、しかも前
記押さえ部材には残留圧縮応力が付与されているので、
前記つば部にはガタが発生することがなく、前記燃焼室
構造体が前記ピストン本体に強固に固定される。
【００２０】また、前記ピストン本体に前記押さえ部材
を溶接で固着した場合には、前記ピストン本体に前記押
さえ部材を溶接した後に、前記押さえ部材は前記ピスト
ン本体に比較して高温になり、それらの冷却後に、前記
押さえ部材が前記ピストン本体より収縮程度が大きくな
り、前記つば部と前記押さえ部材との間にガタが発生す
る可能性があるが、両者の溶接後に、前記押さえ部材を
温間プレスや冷間プレスで塑性変形させることによっ
て、前記押さえ部材に残留圧縮応力を付与させ、前記燃
焼室構造体の前記つば部を安定した固定力で前記ピスト
ン本体に固定することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
による遮熱燃焼室付きピストンの構造の実施例を説明す
る。図１はこの発明による遮熱燃焼室付きピストンの構
造の一実施例を示す断面図、及び図２は図１の遮熱燃焼
室付きピストンの構造の組立工程を示す説明図である。
以下、各図における部品に付した符号は、同一部品には
同一符号を付している。
【００２２】この遮熱燃焼室付きピストンの構造は、図
示していないが、例えば、鋳鉄、アルミニウム合金等の
金属材料から成るシリンダを構成するシリンダブロッ
ク、該シリンダブロックにガスケットを介在して固定さ
れたアルミニウム合金等の金属材料から成るシリンダヘ
ッドを有する副室式エンジンに組み込むことができる。
シリンダブロックに形成されたシリンダには、ピストン
が往復運動するように組み込まれている。
【００２３】この遮熱燃焼室付きピストンの構造は、ピ
ストンヘッド部４とピストンスカート部５とから成るピ
ストン本体１、及びピストン本体１に形成されたキャビ
ティ８内に遮熱層１１，１２，１３を介在してピストン
ヘッド部４のほぼ中央部に配置された副室即ち燃焼室２
を構成する燃焼室構造体３から構成されている。ピスト
ン本体１は、アルミニウム合金等の金属材によって構成
され、ピストンヘッド部４のほぼ中央にキャビティ８が
形成されている。燃焼室構造体３は、窒化ケイ素やサイ
アロンのセラミックス等の耐熱材から構成され、その頂
部２５にはほぼ中央に位置するノズル挿入孔７とノズル
挿入孔７の周囲に隔置して放射状に延びる複数の連絡孔
９が形成されている。また、燃焼室構造体３の底部外周
には、外側方向に延びるつば部６が一体構造に形成され
ている。つば部６は、燃焼室構造体３をピストン本体１
に固定する機能を有している。
【００２４】この遮熱燃焼室付きピストンの構造は、特
に、つば部６をピストン本体１のキャビティ８の底面に
押圧するように燃焼室構造体３の外周のキャビティ８内
に配置され且つピストン本体１に固着された押さえ部材
１０を有している。押さえ部材１０は、燃焼室構造体３
の外周面１４との間に遮熱層１１を形成して同心円上に
配置されている。押さえ部材１０の外周面とピストン本
体１のキャビティ８の壁面との接触部１５はレーザ溶接
等の溶着によって互いに固着され、押さえ部材１０がピ
ストン本体１に固着されている。この遮熱燃焼室付きピ
ストンの構造では、ピストン本体１と押さえ部材１０の
ピストン頂面１９は、連絡孔９のガスの噴き出しに対応
させて中央は凹んだ状態に延びるテーパ面に形成されて
いる。
【００２５】また、この遮熱燃焼室付きピストンの構造
では、つば部６の付近における押さえ部材１０とピスト
ン本体１のキャビティ８との間には、つば部６の外周か
らピストン頂面１９に向かって延びる遮熱層１２が形成
されている。遮熱層１２をピストン本体１のキャビティ
壁面と押さえ部材１０の外周面との間に形成するには、
ピストン本体１のキャビティ８の側面に対応する押さえ
部材１０の外周面をアンダカットすることによって形成
できる。また、燃焼室構造体３の下面とピストン本体１
のキャビティ８の底面との間には遮熱層１３が形成され
ている。遮熱層１３を形成するには、ピストン本体１の
キャビティ８の底面に遮熱材１７を配置し、遮熱材１７
の上に燃焼室構造体３を配置することによって形成され
る。遮熱層１１，１２，１３は、密封された遮熱空気層
で構成することができるが、これらの遮熱空気層にセラ
ミックス等の遮熱材を充填してもよいものである。
【００２６】また、つば部６の上面と押さえ部材１０と
の間には、遮熱部材１６が介在されている。また、つば
部６の下面とピストン本体１との間には、遮熱部材１７
が介在されている。遮熱部材１６，１７は、例えば、部
分安定化ジルコニアＰＳＺ等のセラミックス材料から作
製されている。また、燃焼室構造体３の下面とピストン
本体１との間には遮熱層１３が形成されている。
【００２７】また、燃焼室構造体３の外周面１４と押さ
え部材１０の内周面２２との間の隙間には遮熱ガスケッ
ト１８が配置されている。遮熱ガスケット１８は、隙間
から飛び出すことがないように、押さえ部材１０の内周
面に形成した段部２４で係止されている。遮熱ガスケッ
ト１８は、ＳＵＳ、ＳｉＣ等の材料で作製されている。
遮熱ガスケット１８を燃焼室構造体３の外周面１４と押
さえ部材１０の内周面１９との間に介在させることによ
って、ガス流動を低減でき、遮熱度をアップすることが
できる。
【００２８】この遮熱燃焼室付きピストンの構造では、
図２に示すように、燃焼室構造体３をピストン本体１の
キャビティ８に固定することができる。まず、ピストン
本体１に形成されたキャビティ８内に燃焼室構造体３を
配置する。次いで、図２の（イ）に示すように、押さえ
部材１０をピストン本体１に接触部１５でビーム溶接等
で固着する。この時、押さえ部材１０の下面と遮熱材１
６の上面との間には隙間２６が発生する。次に、図２の
（ロ）に示すように、押圧部材２０によって押さえ部材
１０を部分的又は全周的に冷間又は温間でプレスするこ
とによって、押さえ部材１０の点線の領域Ａが部分的又
は全周的に塑性変形し、隙間２６をなくすと共に、更に
押さえ部材１０を押圧することによって押さえ部材１０
に圧縮残留応力が付与される。
【００２９】或いは、ピストン本体１に形成されたキャ
ビティ８内に燃焼室構造体３を配置する。次いで、図２
の（イ）に示すように、押さえ部材１０をピストン本体
１に接触部１５でビーム溶接等で固着する。この時、押
さえ部材１０の下面と遮熱材１６の上面との間には隙間
２６が発生する。そこで、図２の（ハ）に示すように、
押圧部材２１によって押さえ部材１０を部分的に冷間又
は温間でプレスすることによって、押さえ部材１０及び
ピストン本体１の頂部における点線の領域Ｂが部分的に
塑性変形し、その部分の隙間２６をなくすと共に、更に
押さえ部材１０を押圧することによって押さえ部材１０
に圧縮残留応力が付与される。塑性変形した領域Ｂは、
周方向に隔置して複数箇所に放射方向に延びるように形
成されている。押さえ部材１０を部分的に押圧すること
によって、隙間２６が部分的に閉塞され、他の部分には
隙間２６が点在して残存する構造になるが、点在する隙
間２６も遮熱度をアップさせる機能を果たす。
【００３０】次に、図３を参照して、この発明による遮
熱燃焼室付きピストンの構造の別の実施例を説明する。
図３はこの発明による遮熱燃焼室付きピストンの構造の
別の実施例を示す断面図である。この実施例の燃焼室構
造体３は、頂部２５を含む周側部を構成する上部構造体
３Ａと底部を構成する下部構造体３Ｂとから構成されて
いる。燃焼室構造体３におけるつば部６は、上下に二分
割された上部つば部６Ａと下部つば部６Ｂから形成され
ている。上部つば部６Ａは、上部構造体３Ａの下部外周
から外方に突出している。また、下部つば部６Ｂは、下
部構造体３Ｂの周辺部によって構成されている。燃焼室
構造体３は、上記のように二分割することによって製作
が容易になり、しかも、押さえ部材１０によって上部つ
ば部６Ａと下部つば部６Ｂとは互いに押し付けられ、両
者の境界面は良好に密封され境界面からガスが漏洩する
ことがない。
【００３１】次に、図４を参照して、この発明による遮
熱燃焼室付きピストンの構造の更に別の実施例を説明す
る。図４はこの発明による遮熱燃焼室付きピストンの構
造の更に別の実施例を示す断面図である。この実施例の
燃焼室構造体は、図３に示す燃焼室構造体３に比較し
て、上部つば部６Ａと下部つば部６Ｂとの間に遮熱ガス
ケット２３を介在させたものである。この実施例の燃焼
室構造体３は、上記のように二分割して遮熱ガスケット
２３を介在させることによって、両者間の境界面の不整
を遮熱ガスケット２３で吸収して密封状態を良好にする
ことができる。
【００３２】
【発明の効果】この発明による遮熱燃焼室付きピストン
の構造は、上記のように、ピストン本体に形成したキャ
ビティ内に燃焼室構造体を配置し、前記燃焼室構造体の
外周で前記ピストン本体の前記キャビティ内に配置した
押さえ部材を前記ピストン本体に固着し、次いで、燃焼
室構造体に設けたつば部を前記ピストン本体のキャビテ
ィの底面に押圧するように、前記押さえ部材をプレスし
て塑性変形させ、前記押さえ部材に残留圧縮応力を付与
したので、エンジン運転時に発生する温度差による熱膨
張差が発生しても、前記燃焼室構造体の前記つば部と前
記ピストン本体との間でのガタの発生を抑制することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による遮熱燃焼室付きピストンの構造
の一実施例を示す断面図である。
【図２】図１の遮熱燃焼室付きピストンの構造の組立工
程を示す説明図である。
【図３】この発明による遮熱燃焼室付きピストンの構造
の別の実施例を示す断面図である。
【図４】この発明による遮熱燃焼室付きピストンの構造
の更に別の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ ピストン本体 ２ 燃焼室 ３ 燃焼室構造体 ６ つば部 ６Ａ 上部つば部 ６Ｂ 下部つば部 ７ ノズル挿入孔 ８ キャビティ ９ 連絡孔 １０ 押さえ部材 １１，１２，１３ 遮熱層 １４ 外周面 １５ 接触部 １６，１７ 遮熱部材 １８，２３ 遮熱ガスケット １９ ピストン頂面 ２２ 内周面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｆ 3/26 Ｆ０２Ｆ 3/26 Ｄ

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ピストン頂部にキャビティを形成した金
    属材から成るピストン本体、前記キャビティ内に配置さ
    れた底部外周につば部を一体に設けた燃焼室を構成する
    耐熱材から成る燃焼室構造体、及び前記つば部を前記ピ
    ストン本体の前記キャビティの底面に押圧するように前
    記燃焼室構造体の外周の前記キャビティ内に配置され且
    つ前記ピストン本体に固着された押さえ部材、から成る
    遮熱燃焼室付きピストンの構造。
  2. 【請求項２】 前記押さえ部材は、前記燃焼室構造体の
    外周面との間に遮熱層を形成して同心円上に配置され、
    前記ピストン本体との接触部が溶接によって前記ピスト
    ン本体に固着されている請求項１に記載の遮熱燃焼室付
    きピストンの構造。
  3. 【請求項３】 前記つば部の付近における前記押さえ部
    材と前記ピストン本体の前記キャビティとの間には前記
    つば部の外周からピストン頂面に向かって延びる遮熱層
    が形成されている請求項１又は２に記載の遮熱燃焼室付
    きピストンの構造。
  4. 【請求項４】 前記つば部の上面と前記押さえ部材との
    間及び前記つば部の下面と前記ピストン本体との間に
    は、遮熱部材が介在されている請求項１〜３のいずれか
    １項に記載の遮熱燃焼室付きピストンの構造。
  5. 【請求項５】 前記燃焼室構造体の下面と前記ピストン
    本体との間には遮熱層が形成されている請求項１〜４の
    いずれか１項に記載の遮熱燃焼室付きピストンの構造。
  6. 【請求項６】 前記燃焼室構造体の外周面と前記押さえ
    部材の内周面との間にはガスケットが配置されている請
    求項１〜５のいずれか１項に記載の遮熱燃焼室付きピス
    トンの構造。
  7. 【請求項７】 前記燃焼室構造体における前記つば部は
    上下に二分割された上部つば部と下部つば部から形成さ
    れている請求項１〜６のいずれか１項に記載の遮熱燃焼
    室付きピストンの構造。
  8. 【請求項８】 前記上部つば部と前記下部つば部との間
    には、遮熱ガスケットが介在されている請求項７に記載
    の遮熱燃焼室付きピストンの構造。
  9. 【請求項９】 前記押さえ部材を前記ピストン本体に固
    着した状態で、前記押さえ部材をプレスによって塑性変
    形させて前記押さえ部材に圧縮残留応力を付与した請求
    項１〜８のいずれか１項に記載の遮熱燃焼室付きピスト
    ンの構造。
  10. 【請求項１０】 前記押さえ部材を前記ピストン本体に
    固着した状態で、前記押さえ部材と前記ピストン本体と
    にわたってプレスによって部分的に塑性変形させて前記
    押さえ部材と前記ピストン本体とに部分的に圧縮残留応
    力を付与した請求項１〜８のいずれか１項に記載の遮熱
    燃焼室付きピストンの構造。
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