JPH04276161A - 燃焼室の構造及びその製造法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ピストンヘッド本体
に形成したキャビティ壁面にリング状リップ部を接合し
て燃焼室開口を形成した燃焼室の構造及びその製造法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、セラミック組込型ピストンとして
、実開昭６０−１４１４４６号公報に開示されたものが
ある。該公報に開示されたセラミック組込型ピストンは
、アルミニウム合金から成るピストン本体の燃焼室側の
凹部にセラミック部材を組込んだものであり、セラミッ
ク部材の外周に熱膨張係数が１０〜２３×１０−　１　
／℃の耐熱耐食性金属リングで且つ頭部に複数の締結用
孔を備えた突出部を有する金属リングを接合して該突端
をセラミック部材の上端面より突出させ、前記金属リン
グの外周に前記ピストン本体の凹部に設けられた雌ねじ
部に螺着する雄ねじ部を螺刻した組立体とし、この組立
体を前記ピストン本体に締着した後、前記締結用孔を含
む突出部を除去したものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、直噴式ディ
ーゼルエンジンの燃焼室において、ピストンヘッド本体
に形成する燃焼室としてリエントラント型燃焼室を用い
る場合、燃焼室開口を形成するリップ部の先端を先尖り
にシャープに形成することによって、シリンダ内と燃焼
室内とを出入りする空気の乱れ即ちスキッシュ流及び逆
スキッシュ流の乱れが増加し、空気と燃料との混合が促
進され、混合気生成が早くなり、燃焼状態が良好になっ
てスモークの発生を低減できる燃焼を確保することがで
きる。

【０００４】しかしながら、従来のようなアルミニウム
材或いはセラミックファイバー強化アルミニウム材から
形成したピストンでは、燃焼室を構成するリップ部の先
端を先尖りにシャープに形成すると、リップ部先端の温
度は高温になり、リップ部に加わる熱負荷即ち熱応力の
ためにリップ部の溶解現象、クラック発生等の破損が発
生し、リップ部の先端を鋭くするにも限界があった。ま
た、リップ部の先端部を耐熱性に優れた非アルミニウム
材、例えば、ニレジスト、スチール、Ｆｃ、セラミック
ス等を使用した場合には、ピストンヘッド本体を構成す
るアルミニウム材との間に、熱膨張率に大きな差が生じ
、境界面或いは接合面に剥離等が発生し、問題があった
。

【０００５】上記のような問題は、前掲実開昭６０−１
４１４４６号公報に開示されたセラミック組込型ピスト
ンにも同様な問題がある。即ち、該セラミック組込型ピ
ストンは、アルミニウム合金から成るピストン本体に金
属リングをねじで締着し、該金属リングをセラミック部
材に接合したものであるが、金属とセラミックスとは熱
膨張率が異なり、熱応力を受けるようなピストンヘッド
ではセラミック部材にクラックや亀裂が発生し、セラミ
ック部材の破損の問題がある。

【０００６】また、鉄、ニッケル系の傾斜機能金属結合
体とアルミニウム製ピストンヘッド本体とをメタルフロ
ーによって結合させる場合に、透磁率の差により、傾斜
機能金属結合体がピストンヘッド本体より発熱して高温
になり、メタルフローに必要な温度８００℃〜１１００
℃に上昇させることができる。しかしながら、この場合
に、傾斜機能金属材からの熱伝導によってピストンヘッ
ド本体自体も温度上昇する。そのため、傾斜機能金属材
をメタルフローして塑性変形させる時点で、ピストンヘ
ッド本体も変形し、両者がメタルフローするため結合す
ることができなくなるという問題がある。

【０００７】この発明の目的は、上記の課題を解決する
ことであり、頂面が半径方向内向きにに伸びて中央に燃
焼室開口を形成したリップ部を金属製ピストンヘッド本
体に形成したキャビティ壁面に配置して形成した燃焼室
において、耐熱性に富んだセラミックスから成るリップ
部を熱膨張率の異なる傾斜機能材から成るリング結合体
の内壁面に接合し、被メタルフロー部分となる前記リン
グ結合体の外周面の面精度を粗面に形成し、該粗面に対
して金属材料から成るピストンヘッド本体のキャビティ
壁部をメタルフローして前記リング結合体を前記ピスト
ンヘッド本体に接合し、前記リング結合体を粗面に形成
することで接触面積及び接触圧力即ち接触抵抗を増大さ
せ、境界面での熱伝導を良好にして前記リップ部の溶損
を防止すると共に、前記ピストンヘッド本体から前記リ
ング結合体が抜け出ることを防止した燃焼室の構造及び
その製造法を提供することである。

【０００８】

【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、キャビティを形成した金属材料から成るピ
ストンヘッド本体、該ピストンヘッド本体のキャビティ
壁面に該キャビティ壁部をメタルフローして接合し且つ
被メタルフロー部分になる外周面を粗面に形成した熱膨
張率の異なる傾斜機能材から成るリング結合体、及び該
リング結合体の内周面に接合した燃焼室開口を形成する
耐熱性に富んだセラミックスから成るリップ部、から構
成した燃焼室の構造に関する。

【０００９】また、この発明は、被メタルフロー部分に
なる外周面部分を粗面に形成したリング結合体を熱膨張
率の異なる傾斜機能材から製作する工程、前記リング結
合体の内周面に燃焼室開口を形成する耐熱性に富んだ高
強度のセラミック材から成るリップ部を接合する工程、
及び前記リング結合体の外周面を金属材料から成るピス
トンヘッド本体に形成したキャビティ壁面に対向配置し
、前記ピストンヘッド本体のキャビティ壁部をメタルフ
ローで塑性変形させて前記リング結合体の前記粗面に侵
入させ、前記ピストンヘッド本体に前記リング結合体を
接合する工程、から構成した燃焼室の製造法に関する。

【００１０】

【作用】この発明による燃焼室の構造及びその製造法は
、以上のように構成されており、次のように作用する。 即ち、この燃焼室の構造は、被メタルフロー部分になる
外周面部分を粗面に形成したリング結合体を、金属材料
から成るピストンヘッド本体に形成したキャビティ壁部
をメタルフローさせて前記ピストンヘッド本体に前記リ
ング結合体を接合した構造を有するので、前記ピストン
ヘッド本体のメタルフローで接合した前記リング結合体
と前記ピストンヘッド本体との接合面は接触面積が大き
く、接触抵抗が大きい。

【００１１】また、この発明による燃焼室の製造法にお
いて、被メタルフロー部分になる外周面部分を粗面に形
成したリング結合体の外周面を金属材料から成るピスト
ンヘッド本体に形成したキャビティ壁面に対向配置して
前記ピストンヘッド本体のキャビティ壁部をメタルフロ
ーで塑性変形させて前記ピストンヘッド本体に前記リン
グ結合体を接合したので、メタルフローした前記ピスト
ンヘッド本体のキャビティ壁部は塑性変形して前記リン
グ結合体の前記粗面に確実に密着状態に侵入し、両者は
強固に接合され、しかも接合面の接触面積が増大し、接
触抵抗が増大して熱伝導が良好になる。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明による燃焼
室の構造及びその製造法の実施例を説明する。図１はこ
の発明による燃焼室の構造の一実施例を示す概略断面図
、図２は図１の燃焼室を製作するためピストンヘッド本
体とリップ組立体との接合前の状態を示す拡大断面図、
及び図３はピストンヘッド本体とリップ組立体とを接合
した状態を示す拡大断面図である。

【００１３】この発明による燃焼室の構造を備えたピス
トンは、図１に示すように、ピストンヘッド本体２に形
成した燃焼室１を形成するキャビティ１０の上方を覆う
ようにリップ部８を有するリエントラント型ピストンで
ある。このリエントラント型ピストンは、鋳込み成形し
たピストンスカート及び該ピストンスカートに固定され
且つ燃焼室１を構成するキャビティ１０を備えたアルミ
ニウム、アルミニウム合金等の金属材料から成るピスト
ンヘッド本体２から成り、燃焼室１はキャビティ１０の
上面に燃焼室開口３及び該燃焼室開口３より面積の大き
いキャビティ１０の底面４を有しているものである。ピ
ストンヘッド本体２に形成されたキャビティ１０の壁面
５は、下部が半径方向内向きに伸びるテーパ面５Ｔに形
成され、上部がストレートに伸びる円筒面５Ｓに形成さ
れ、テーパ面５Ｔと円筒面５Ｓとの境界には段部５Ｄが
形成されている。リップ部８の形状は、半径方向内向き
に先尖り形状で伸びて燃焼室開口３を形成したループ状
リングであり、下側をテーパ面１１に且つ上側をピスト
ンヘッド上面となる平面に形成されている。また、リッ
プ部８の外周面２１は、上下部が半径方向内向きに伸び
るテーパ面に形成されている。

【００１４】この燃焼室は、ピストンヘッド本体２に形
成したキャビティ１０に形成したキャビティ壁面５に外
周面をメタルフローで接合し且つ内周面にリップ部８を
メタルフロー等で接合した傾斜機能材から成るリング結
合体６を有している。このリング結合体６は、熱膨張率
の異なる複数のリング１２，１３，１４，１５を接合し
て形成した傾斜機能材から製作されている。リング結合
体６の上下面は、下側をテーパ面に且つ上側をピストン
ヘッド上面となる平面に形成されている。リング結合体
６の内周面２２は、例えば、メタルフローで接合されて
リップ部８の外周面２１に対応する形状に形成されてい
る。

【００１５】また、図２に示すように、リング結合体６
の外周面は上下が半径方向内向きに伸びるテーパ面７，
９に形成されている。リング結合体６の上下のテーパ面
７，９の境界部には、ピストンヘッド本体２の段部５Ｄ
に係合するアンダカット段部７Ｓが形成されている。特
に、ピストンヘッド本体２に対して被メタルフロー部分
になるリング結合体６の外周面部分即ちリング１５の上
部外周面のテーパ面７は、凹凸状に粗面に加工されてい
る。そして、リング結合体６の外周面を金属材料から成
るピストンヘッド本体２に形成したキャビティ壁面５に
対向配置することによって、ピストンヘッド本体２の円
筒面５Ｓとリング結合体６の外周面のテーパ面７との間
に隙間２０が形成される。そこで、ピストンヘッド本体
２のキャビティ壁部の肉盛り即ち突出部１８をメタルフ
ローさせ、金属材料を塑性変形させて上記隙間２０に流
動させ、リング結合体６の上記粗面に確実に侵入させて
ピストンヘッド本体２にリング結合体６を接合したもの
である。

【００１６】この燃焼室の構造において、リップ部８は
、耐熱性に富み且つ高温強度に富んだ材料、例えば、窒
化珪素（Ｓｉ３　Ｎ４　）、炭化珪素（ＳｉＣ）等のセ
ラミック材料から製作されている。このリップ部８は、
燃焼室開口３を形成する先端は極めて鋭角に先尖りのア
ール状態に形成され、外周面を中央を境に上下を半径方
向内向きに傾斜したテーパ面１１を備える形状に製作さ
れている。

【００１７】リング結合体６は、図２に示すように、半
径方向に順次に配置し且つ隣接周面を互いに接合した複
数個（図では４個）のリング１２，１３，１４，１５か
ら成り、内側のリングの熱膨張率が外側のリングの熱膨
張率より小さい傾斜機能材から製作されている。例えば
、リング結合体６の傾斜機能材は、リップ部８とピスト
ンヘッド本体２との両者の熱膨張率の中間の熱膨張率を
有する金属材料、例えば、ニッケル系、コバルト系、鉄
系の合金から製作されている。具体的には、最内周側リ
ング１２をコバール（Ｋｏｖｅｒ）、４２アロイ等で製
作し、最外周側リング１５をインコロイ（Ｉｎｃｏｌｌ
ｏｙ）で製作し、中間のリング１３，１４をコバールと
インコロイとの中間の熱膨張率を有する材料で製作し、
各リング１２，１３，１４，１５をろう付け等で接合し
て一体構造に構成されている。各リングを上記のような
材料で製作することによって、リップ部８側に位置する
リング１２はリップ部８の熱膨張率に近い熱膨張率の材
料から構成でき、また、ピストンヘッド本体２側に位置
するリング１５はピストンヘッド本体２の熱膨張率に近
い熱膨張率の材料から構成できることになる。従って、
リング結合体６は、内周側から外周側に向かって段階的
に熱膨張率が変化するように構成され、窒化ケイ素、炭
化ケイ素等のセラミック材料に近い熱膨張率からアルミ
ニウム、アルミニウム合金等の金属材料の熱膨張率に近
い状態に構成される。

【００１８】この発明による燃焼室の製造法において、
図２に示すように、リング結合体６は熱膨張率の異なる
傾斜機能材から成る複数個のリング１２，１３，１４，
１５を半径方向に順次に配置し且つ隣接する周面を互い
に接合して製作されている。リング結合体６の形状は、
内側のリング１２の高さより外側のリング１５の高さが
高くなるように全体として上面が水平で且つ下面がテー
パ状になるように成形されている。特に、リング結合体
６の外周面は、上下部分が半径方向内向きに伸びるテー
パ面７，９に形成されている。また、内側のリング１２
の内周面２２は下側周面が半径方向内向きに突出するテ
ーパ面に形成してリップ部８の受け部を構成することが
好ましい。そして、リング結合体６を製作した後に、該
リング結合体６の内周面２２にリップ部８の外周面２１
をメタルフロー等で接合してリップ組立体を製作する。

【００１９】リップ組立体を製作した後に、該リップ組
立体の外壁面をピストンヘッド本体２に形成したキャビ
ティ１０の上部壁面５に配置して設定する。この場合、
ピストンヘッド本体２の壁面５は、下半分には半径方向
内向きに伸びるテーパ面５Ｔが形成され且つ上半分はス
トレートに伸びる円筒面５Ｓに形成されている。更に、
ピストンヘッド本体２には、キャビティ１０を形成する
壁面にリップ組立体に隣接するキャビティ壁部分にピス
トンヘッド本体２の上面２３より突出する肉盛り部即ち
突出部１８が形成されている。

【００２０】そこで、リップ組立体をピストンヘッド本
体２の壁面に配置した状態では、ピストンヘッド本体２
のテーパ面５Ｔ及び段部５Ｄにリップ組立体の外周面の
テーパ面９及びアンダカット段部７Ｓが位置して支持さ
れる。この状態で、ピストンヘッド本体２の上部壁面と
リップ組立体の上部のテーパ面７との間には、メタルフ
ローにより金属が侵入するための隙間２０が形成される
。

【００２１】次いで、該突出部１８にプレス治具１７を
当接させ、該プレス治具１７に近接して高周波コイル１
９を配置する。プレス治具１７は、Ｓ５０Ｃ等で製作さ
れており、高周波コイル１９に電流を流すことによって
、プレス治具１７を通じてピストンヘッド本体２の突出
部１８及びその近傍部分のみが高周波加熱されることに
なる。突出部１８及びその近傍部分のみが局部的に加熱
されると、プレス治具１７で突出部１８を押圧し、突出
部１８及びその近傍部分がメタルフローして塑性変形し
、ピストンヘッド本体２の上部壁面５とリップ組立体の
上部の外周面のテーパ面７との間の空間部２０に侵入し
、特に、リング結合体６のテーパ面７の粗面に対して密
着してメタルフローが侵入して接合面の接触面積を増大
させて、ピストンヘッド本体２とリップ組立体とは接合
状態になる。しかも、ピストンヘッド本体２の金属材料
が空間部２０に侵入することによって、リップ組立体６
はピストンヘッド本体２の上下壁体で包み込まれた状態
になるので、機械的にも強固に結合される。ピストンヘ
ッド本体２とリップ組立体とを接合した後、ピストンヘ
ッド本体２のキャビティ壁面を切削加工して滑らかな面
に仕上げる。

【００２２】この発明による燃焼室の構造は、上記のよ
うに構成されているので、次のように作用する。即ち、
エンジンが運転された場合に温度差によってリップ部８
とピストンヘッド本体２との間で熱膨張差によって大き
な熱応力が生じても、傾斜機能材から成るリング結合体
６が緩衝材として機能し、リップ部８とピストンヘッド
本体２との間で温度差による熱膨張差を吸収する。それ
故に、燃焼室１に温度変化が発生してリップ部８とピス
トンヘッド本体２との間に熱膨張差が発生しても、リッ
プ部８にクラック、亀裂等が発生せず燃焼室１が破壊さ
れるようなことがない。しかも、リップ部８は先尖りで
鋭角形状であって燃焼ガスからの熱の流入が大きいが、
リップ部８に流入した熱はリング結合体６を通じてピス
トンヘッド本体２方向へ妨げられずに流れ、ピストンス
カート、ピストンリング等を通じてシリンダライナ側へ
流出する。従って、リップ部８の温度を高温に維持する
ことなく、温度上昇を抑えるので、リップ部８のエッジ
を鋭角な先尖りの形状に構成しても、耐熱性で製作され
ているので、該エッジが溶損したり、割れたりすること
がない。

【００２３】また、リップ部８は、熱膨張率が小さく耐
熱性に富んだセラミックス等の材料で製作するので、燃
焼室開口３を形成するリップ部８のエッジを極めて鋭角
に形成し且つ該形状を高温状態でも維持できる。従って
、ピストンの上昇の圧縮行程で発生するスキッシュ流及
びピストン下降の爆発行程で発生する逆スキッシュ流を
増大することができ、空気と燃料との混合を促進してカ
ーボン発生量を抑制し且つ燃料消費量を低減する燃焼を
行わせ、燃焼状態を改善することができる。

【００２４】

【発明の効果】この発明による燃焼室の構造及びその製
造法は、以上のように構成したので、次のような効果を
有する。即ち、この燃焼室の構造は、被メタルフロー部
分になる外周面部分を粗面に形成した熱膨張率の異なる
傾斜機能材から成るリング結合体の外周面を、金属材料
から成るピストンヘッド本体に形成したキャビティ壁面
に対向配置してキャビティ壁部をメタルフローさせて前
記ピストンヘッド本体に前記リング結合体を接合した構
造を有するので、前記ピストンヘッド本体のメタルフロ
ーで接合した前記リング結合体と前記ピストンヘッド本
体との接合面は、接触面積が大きくなり、接触圧力を大
きくすることができ、接触抵抗が大きくなる。従って、
メタルフロー結合では接触抵抗が熱伝導に影響するが、
この構造では極めて良好な熱伝導を確保することができ
る。

【００２５】従って、前記リップ部の先端から外周部の
前記ピストンヘッド本体まで各境界での熱流が妨げられ
ることがなく良好に熱は伝導されて前記リップ部の先端
部の熱をピストンヘッド外周部、ピストンリング、シリ
ンダライナ等を通じて外部へ移動させ、前記リップ部が
高温になるのを回避して高温による前記リップ部の溶損
を防止できると共に、前記リング結合体で前記リップ部
と前記ピストンヘッドとの熱膨張差を吸収でき、温度差
で熱応力がかかっても前記リップ部の割れ等を回避でき
る。それ故、前記リップ部の先端部を鋭角に先尖り状態
に形成しても、燃焼ガスによって該先端部が高温になっ
ても直ちに熱を移動させて高温状態に維持されるのを回
避し、高温による前記リップ部の先端部の溶損を防止す
ることができる。

【００２６】そこで、前記リップ部を耐熱性に富んだ材
料で構成することで鋭角に先尖りに形成しても該リップ
部のエッジが溶損することを防止し、該鋭角な先尖り状
態のエッジ形状を維持できる。従って、前記リップ部を
鋭角に先尖りに形成でき、前記リップ部のエッジを鋭角
に形成することによって、ピストンの上昇の圧縮行程で
発生する燃焼室内へ流入するスキッシュ流、及びピスト
ン下降の爆発行程で発生する燃焼室内から流出する逆ス
キッシュ流を増大することができ、該スキッシュ流及び
該逆スキッシュ流による噴霧燃料と空気との混合を一層
良好に達成でき、従来のリエントラント型ピストンに比
較して、カーボン発生量を抑制し且つ燃料消費量を低減
して燃焼を改善することができる。

【００２７】また、この燃焼室の製造法は、被メタルフ
ロー部分になる外周面部分を粗面に形成したリング結合
体を熱膨張率の異なる傾斜機能材から製作する工程、前
記リング結合体の内周面に燃焼室開口を形成する耐熱性
に富んだ高強度のセラミック材から成るリップ部を接合
する工程、及び前記リング結合体の外周面を金属材料か
ら成るピストンヘッド本体に形成したキャビティ壁面に
対向配置し、前記ピストンヘッド本体のキャビティ壁部
をメタルフローで塑性変形させて前記リング結合体の前
記粗面に侵入させ、前記ピストンヘッド本体に前記リン
グ結合体を接合する工程から構成したので、メタルフロ
ーした前記ピストンヘッド本体のキャビティ壁部は塑性
変形して前記リング結合体の前記粗面に確実に密着状態
に侵入し、両者は強固に接合され、しかも接合面の接触
面積が増大し、接触抵抗が増大して熱伝導が良好になる
。また、プレス治具を高周波加熱することによって前記
ピストンヘッド本体のキャビティ壁部に形成した突出部
及びその近傍のみが熱伝導で局部的に加熱され、前記突
出部及びその近傍部分がメタルフローして塑性変形する
ことになり、前記リップ組立体との間に形成された空間
部へ前記突出部及びその近傍部分が塑性流動し、互いに
接合すると共に機械的にも結合されることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による燃焼室の構造の一実施例を示す
概略断面図である。

【図２】図１の燃焼室を製作するためピストンヘッド本
体とリップ組立体との接合前の状態を示す拡大断面図で
ある。

【図３】図１の燃焼室において、ピストンヘッド本体と
リップ組立体とを接合した状態を示す拡大断面図である
。

【符号の説明】

１　　　　燃焼室 ２　　　　ピストンヘッド本体 ３　　　　燃焼室開口 ５　　　　キャビティ壁面 ６　　　　リング結合体 ７　　　　テーパ面（粗面） ８　　　　リップ部 ２０　　空間部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　キャビティを形成した金属材料から成
   るピストンヘッド本体、該ピストンヘッド本体のキャビ
   ティ壁面に該キャビティ壁部をメタルフローして接合し
   且つ被メタルフロー部分になる外周面を粗面に形成した
   熱膨張率の異なる傾斜機能材から成るリング結合体、及
   び該リング結合体の内周面に接合した燃焼室開口を形成
   する耐熱性に富んだセラミックスから成るリップ部、か
   ら構成した燃焼室の構造。
2. 【請求項２】　　被メタルフロー部分になる外周面を粗
   面に形成したリング結合体を熱膨張率の異なる傾斜機能
   材から製作する工程、前記リング結合体の内周面に燃焼
   室開口を形成する耐熱性に富んだ高強度のセラミック材
   から成るリップ部を接合する工程、及び前記リング結合
   体の外周面を金属材料から成るピストンヘッド本体に形
   成したキャビティ壁面に対向配置し、前記ピストンヘッ
   ド本体のキャビティ壁部をメタルフローで塑性変形させ
   て前記リング結合体の前記粗面に侵入させ、前記ピスト
   ンヘッド本体に前記リング結合体を接合する工程、から
   構成した燃焼室の製造法。