JPH01262352A - 内燃機関のピストン - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明はアルミニウム製ピストンのクラウン部を熱膨
張率の低い金属で形成した内燃機関のピストンに関する
。

［従来の技術］ アルミニウム製ピストンのクラウン部の熱膨張を抑えよ
うとした提案として第２７図に示す「ピストン」　（実
開昭６（１−８２５５０号公報）の提案が知られている
。

この提案は、ピストンクラウン部ａの側壁部すを、ピス
トンクラウン部ａを形成する合金よりも熱膨張率の低い
繊維材料を、体積比が１０〜２０％でそのピストンクラ
ウン部ａを形成する合金に混合し複合化させて形成し、
「ピストン」を構成したものである。

［発明が解決しようとする課ＩＭ］ しかし提案にあっては、鋳造製造時の熱歪及びピストン
実働時の熱サイクルによって、クラウン部とスカート部
とを形成する合金との境界面に内部的なヒートクラック
が発生する確率が高く、信顆性の面で解決すべき課題と
なっていた。

［課題を解決するための手段］ この発明は、上記課題を解決することを目的とし４、こ
の発明はアルミニウム製ピストンのクラウン部を、アル
ミニウムと強化長繊維とから成る繊維強化金属で形成す
ると共に、上記長繊維の体積あたりの密度を頂面側で大
に、スカート側で小にして内燃機関のピストンを構成し
たものである。

［作　　用］ 繊維強化金属の体積あたりの強化長繊維の密度は、ピス
トンの頂面側で大に、スカート側で小にしであるから、
密度の大小に応じて熱膨張の度合が変化する。

即ち、鋳造成形直後から冷却までの熱歪及びピストンの
実働時に於けるヒートサイクルが、熱伝導の途上で緩和
されるから、強化長繊維間及び強化長繊維とアルミニウ
ム部分（スカート部側）との間で発生するヒートクラッ
クが防止される。したがって、接合された繊維強化金属
の接合強度を一定に維持すると共に、ピストンの頂面側
の熱膨張を一定値に規制できるようになり、この結果、
ピストンの実働時においてクラウン部の熱膨張を阻み、
ピストンの実働時におけるスラップ音の発生、燃焼ガス
の吹き抜け、オイルの漏洩を防止すること及び燃費を向
上させることを可能にする。

［実施例］ 以下にこの発明の好適な一実施例を添付図面に基づいて
説明する。

（第１実施例） この実施例はピストンのクラウン部を強化長繊維マット
の積層体で構成した例を示したものである。

第１図に示されるように、ピストン１は有底筒体状に形
成され、上部のクラウン部２と下部のスカート部３から
構成される。スカート部３の対向する内面には半径方向
に***させてピストンピン（図示せず）を貫通させるボ
ス部４が形成されており、それらボス部４間に位置され
たコンロッド（図示せず）のスモールエンドをピストン
ピンで回転支持するようにしている。

さて、クラウン部２を構成する強化長繊維の積層体は、
第２図に示しであるように、ピストン１の軸方向に強化
長繊維５のプリフォームマツトロを積層させて形成され
る。プリフォームマツトロは第３図乃至第５図に示すよ
うに、平面的に見て樅、横、斜口に強化長繊維５を交差
させて三角格子状に形成されると共に、その三角格子７
の単位面積８１〜Ｓ３が、第３図に示すようにピストン
１の頂面８側で小の８１となるように、第４図に示すよ
うにピストン１のスカート部３Ｉ１１！ｌで大の８３と
なるように、さらに第５図に示すように頂面８側とスカ
ート部３側との中間はそれら単位面積Ｓ＋　、’３３の
中間の８２となるように形成される。即ち、積層体を構
成する各プリフォームマツトロを、頂面８側層Ｘと中間
層Ｙとスカート３側層Ｚとに区分して、これらの体積あ
たりの強化長Ｉ維５の密度をそれぞれρ１．ρ２．ρ３
とするとき、実施例にあっては、 ρ１〉ρ２〉ρ３（１） となるように各層を形成するようにしている。

ところで、プリフォームマツトロの三角格子７の形成方
法としては、第６図に示すように強化長繊維５を同一方
向に間隔を有して（接するようにしても良い）配設し、
その間隔をアルミニウム９または焼失する樹脂材等で埋
めて形成したプリフォームマット１０を軸方向に積層さ
せる際に、強化長繊維５を縦、横、斜口の三軸方向に交
差させるように積層する方法や、第７図に示すように少
なくとも直交２軸方向に強化長繊Ｍ１５を織り込んだプ
リフォームマット１１を形成し、積層させる方法のいず
れかが採用される。但し、上記例にあって三角格子７の
大きさは上式（１）を満足するように各プリフォームマ
ット６を形成することは当然である。

このようにして形成された第２図に示す積層体１２を第
８図に示すように高圧鋳造型（加圧鋳造型）１３内にセ
ットしてアルミニウムの溶湯を注湯し、約５００ａｔｌ
の加圧鋳造を行うとクラウン部２が繊維強化金属で構成
されたピストン１の鋳造品が得られる。ピストン１の鋳
造品はこの後、第１図に示すようにピストンリング清１
４、オイルリング清１５、油かき溝１６を形成されると
共にピストンピン（図示せず）が挿入されるピン穴１７
が形成されて完成する。

ところで、実施例にあって強化長繊維５は、繊維強度が
高く耐熱性、断熱性の良いＳｉＣ，Ｍ２（ｈ等のセラミ
ック繊維、カーボンファイバが採用され、ピストン１の
スカート部２は＾Ｃ８系（ＪＩＳ規格）のアルミニウム
合金から形成される。実施例にあってはアルミニウム合
金とプリフォームマツトロとの鋳造時に於ける接合性を
さらに高めるために強化長繊維５の表面にアルミニウム
のプリコーティング（メタライズ）処理が施されている
。

尚、この実施例で積層体１２の体積あたりの強化長繊１
５の密度をピストン１の頂面８０１層Ｘ、中間層Ｙ、ス
カート部３側層２の三つに区分し、それぞれ大、中、小
に形成する説明をしたが、第９図に示すように熱膨張（
線膨張）の性能工を二次関数的な性能■に設定し、プリ
フォームマツトロの体積あたりの密度ρを軸方向に沿っ
て二次関数的に変化させて熱膨張をより緩和させること
も当然可能である。また、各層に於いて強化長繊維５の
材質を変えて、熱膨張性能を調節することも当然可能で
ある。さらに拡散接合性を高め、熱膨張による応力を熱
伝導の途上で緩和するために、スカート部２と繊維強化
金属とを、両者に対して接合の相性の良いチタン板で間
接的に接合するようにしても良い。

以上のようにピストン１を形成すると、ピストン１の鋳
造直後から冷却に至る間の熱歪及びピストン１の実働中
に於けるし−トサイクルによる熱応力が緩和され繊維強
化金属とクラウン部２の接続強度が保障され、頂面８側
の熱膨張率が一定値に制限されるからクラウン部２の熱
膨張係数をアルミ合金の１７４程度とすることができ、
クラウン部２とシリンダ（図示せず）とのクリアランス
を従来の１７４程度とすることができる。即ち、スラッ
プ音を低減し、パティキュレートの低減及び燃焼ガスの
吹き抜けやオイルの漏洩を低減し、燃費を向上させるこ
とができる。また、チタン板で間接的に接合する場合は
チタンの熱膨張係数は約８゜５Ｘ１０−”／’Ｃで、ア
ルミ合金と強化繊維の中間をとるため、接合時に於ける
熱歪がさらに緩和され実働時に於ける熱サイクルによる
クラックの発生がない。即ち、熱伝導が緩和されること
によって接合強度が実質的に向上する。またクラウン部
２を強化長繊維５の繊維強化金属で構成することによっ
てクラウン部２は、耐牽耗性に優れているから、ピスト
ンリング溝を摩耗防止用のリングで形成する必要がなく
なる。

以上は、繊維強化金属をピストン１の鋳造成形と同時に
形成する場合を説明したものであるが、強化長繊維５の
積層体１２のみをクラウン部２の外郭を型どった加圧鋳
造型（図示せず）に収容して、注湯し、クラウン部２を
別体として成形すること、成形したクラウン部２をスカ
ート部３にｆＡ造接合、ろう付け、電子ビーム等の工法
によって接合することも当然構わない。

以下に他の実施例を説明するが同一構成については同一
符号を付し説明は省略する。

（第２実施例） この実施例は強化長繊維５の積層体１２にキャビティを
形成した例を示したものである。

第１１図、第１２図に示されるようにこの実施例にあっ
て積層成形される各プリフォームマツトロには、積層体
１２の略軸芯上に円形または四角形の開口２０が形成さ
れ、これらプリフォームマツトロの開口２０は、積層状
態で第１３図、第１４図に示すようなキャビティ２１を
区画するようになっている。キャビティ２１の上部を形
成する開口２０は、他の開口と比較して半径方向に縮径
されて形成され、積層状態でキャビティ２１の上部に半
径方向内方へ突出されたリップ２２を形成するようにし
ている。

このように形成された積層体２３は、第８図に示した高
圧鋳造型１３で第１実施例同様に成形され、ピストン鋳
造品となる。但し、第１０図に示しであるように、この
後の加工にあって、鋳造成形後キャビティ２１の内面を
切削加工して、所定形状に仕上げること、キャビティ２
１の底部中央にトロイダル流を生成する***部２４を形
成することが第１実施例と異なり、接合性の向上のため
の構成は勿論、強化長繊維５の体積あたりの密度調節は
上記実施例と同様である。但し、キャビティ２１を形成
することによって第１実施例に於ける体積あたりの強化
長繊維５の密度を補正して繊維強化金属のクラウン部２
を形成する。

（第３実施例） この実施例は、ピストン１のクラウン部２をプリフォー
ムマットの巻回体で構成する例を示したものである。

まず、第１５図に示すように、ピストン１のクラウン部
２の軸方向の長さを有した強化長繊維５を配列し、配列
された強化長繊維５の隣接する相互をピストン１の形成
材料、即ち、アルミニウムで接合（メタライズ処理）し
てシート状のプリフォームマット２５を成形する。

一方、第１６図に示すようにアルミニウム合金の芯体２
６に、この芯体２６に対して、両端側の巻回密度が大で
、中央側につれて巻回密度が小であるように、且つ、ワ
イヤ状の強化長繊維２７を往路Ａと復路Ｂとで交差させ
て巻回し、基本的にその強化長繊維２７の１往復毎にプ
リフォームマット２５を巻きつける（第１７図乃至第１
９図）。

即ち、プリフォームマット２５に対して上記ワイヤ状の
強化長繊維２７はバインダとなり、ワイヤ状の強化長繊
維２７に対してプリフォームマット２５は芯体となる関
係で、上記芯体２６に強化長繊維２７及びプリフォーム
マット２５を交互に巻回し、第２０図に示すように、強
化長繊維２７の巻回体２８を形成する。実施例にあって
この巻回体２８は第２３図に示すように長手方向の中央
で二つに切断され、それぞれクラウン部２を構成する巻
回体２９となる。したがって、１個どりの場合は、第２
１図に示すように一端側のワイヤ状の強化長繊維２７の
密度が大で他端側につれて密度が小であるように巻回し
、第２２図に示すようにクラウン部２の軸長と同等の長
さを有したプリフォームマット２５を巻回する。

以上のように形成した巻回体２９を第２４図に示される
ように高圧鋳造型１３にセットし、アルミニウム合金を
注湯して高圧鋳造を行い、ピストン鋳造品を成形する。

この後上記第１、第２実施例同様に機械加工を施して、
第２５図、第２６図に示すようにピストン１を形成する
。

ところで、この実施例にあってワイヤー状の強化長繊維
２７の巻回については第９図の性能工。

■で説明したように線膨張係数を変化させ、巻回密度を
調節する。

また、実施例にあってワイヤ状の強化長繊維２７の２層
から５層（但しこの場合−往復を２層とする）に対して
上記プリフォームマット２５を巻回するようにしている
。

したがって、ピストンの１のクラウン部２を形成するこ
の実施例の繊維強化金属は、鋳造時に於いてバインダと
なるワイヤ状の強化長繊維２７によって、加圧鋳造型に
設置し易くなると共に、ピストン１の軸方向の強度を向
上させる。

［発明の効果］ 以上説明したことから明らかなようにこの発明によれば
次の如き優れた効果を発揮する。

（１）　　ピストンのクラウン部を、アルミニウムと強
化長繊維とから成る繊維強化金属で形成すると共に、上
記長繊維の体積あたりの密度を頂面側で大に、スカート
部側で小にし、密度に応じて熱膨張が変化するように構
成したから、熱伝導の途上で熱歪や熱サイクルによる熱
応力が緩和され、繊維強化金属とアルミニウム（スカー
ト部側）との間の境界面のヒートクラックを防止して接
合強度を一定に維持させることができる。

（２）　　ピストンの頂面側の体積あたりの強化長繊維
の密度を大にしたから、ピストンの頂面側の半径方向の
熱膨張を規定して、シリンダとピストン間のクリアラン
スを一定に維持できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の好適一実施例を示す斜視図、第２図
は強化長繊維のプリフォームマットを積層させて形成し
た積層体の斜視図、第３図乃至第７図はプリフォームマ
ットの形成例を示す概略図、第８図は高圧＠造型に積層
体を設置した状態を示す断面図、第９図は積層木のピス
トンの軸方向に対する巻回密度と線膨張係数との関係を
示す関係図、第１０図はこの発明の第２実施例を示す断
面図、第１１図は四角形の開口を有したプリフォームマ
ットを示す平面図、第１２図は円形の開口を有したプリ
フォームマットを示す平面図、第１３図及び第１４図は
キャビティを区画する積層体を示す概略図、第１５図は
シート状のプリフォームマットを飯す平面図、第１６図
乃至第２０図は巻回体の形成工程を示す概略図、第２１
図及び第２２図は１個どりの巻回体を示す斜視図、第２
３図は２個とりの巻回体を示す斜視図、第２４図は巻回
体を高圧鋳造型に設置した状態を示す断面図、第２５図
及び第２６図はこの発明の第３実施例を示す概略図、第
２７図は従来例を示す断面図である。 図中、２はクラウン部、３はスカート部、５は強化長繊
維である。 特許出願人　　いす７自動車株式会社 代理人弁理士　　絹　　谷　　信　　雄第９図 第１１図　　第１２図　　第１３図 第８図　　　　　第２４図 第２１図　　　　　第２２図 第２７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、アルミニウム製ピストンのクラウン部を、アルミニ
   ウムと強化長繊維とから成る繊維強化金属で形成すると
   共に、上記長繊維の体積あたりの密度を頂面側で大に、
   スカート側で小にしたことを特徴とする内燃機関のピス
   トン。