JPH10169505A - 直噴式ディーゼルエンジン用ピストン - Google Patents

直噴式ディーゼルエンジン用ピストン

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JPH10169505A
JPH10169505A JP8333627A JP33362796A JPH10169505A JP H10169505 A JPH10169505 A JP H10169505A JP 8333627 A JP8333627 A JP 8333627A JP 33362796 A JP33362796 A JP 33362796A JP H10169505 A JPH10169505 A JP H10169505A
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JP
Japan
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piston
lip edge
combustion chamber
diesel engine
direct injection
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Pending
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JP8333627A
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English (en)
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Tomohito Itou
友仁 伊藤
Motoharu Tanizawa
元治 谷沢
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Toyota Industries Corp
Original Assignee
Toyoda Automatic Loom Works Ltd
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/02Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
    • F02B23/06Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F02B23/0603Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston at least part of the interior volume or the wall of the combustion space being made of material different from the surrounding piston part, e.g. combustion space formed within a ceramic part fixed to a metal piston head
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
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Abstract

(57)【要約】 【課題】直噴式ディーゼルエンジン用ピストンの強度の
向上を図る。 【解決手段】ヘッド部2の少なくとも燃焼室21のリッ
プ縁21aを含む界域がマトリックス金属の浸透した繊
維集積体5によって複合強化されるとともに、強化繊維
がリップ縁21aの円周接線方向に配向されていること
により、とくにヘッド部2の強度が飛躍的に向上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、直噴式ディーゼル
エンジン用ピストンの改良に関する。
【0002】
【従来の技術】一般にエンジン用ピストンは、高速往復
運動を繰返しながら燃焼の高温、高圧にさらされるとい
う過酷な条件下で、燃料の発生エネルギを最初に受け継
ぐという重要な役割を果しており、そのためには軽量、
かつ堅牢なうえ熱膨張率が小さく、さらに熱伝導性が良
好であるという材料特性が要求される。
【0003】その点アルミ合金は鉄系金属より極端に軽
く、しかも、熱伝導率が大きいためにピストン材料とし
てきわめて有用であるが、鉄の2倍ほどもある熱膨張率
を緩和する必要から、実用面でのさまざまな工夫、改良
が試みられている。例えば特開昭63ー53226号公
報や特開平2ー298652号公報所載の発明には、ピ
ストンの一部を強化繊維によって複合化する技術が開示
されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ガソリンエンジンに比
してさらに過酷な燃焼機構を有するディーゼルエンジ
ン、とりわけ直噴式のそれに使用されるピストンでは、
このような力学的負荷によって燃焼室のリップ縁に円周
接線成分の引張り力が作用し、これがピストンの動きに
応じて反復継続されるため、上記リップ縁を含むヘッド
部はとくに強大なダメージを受けることになる。
【0005】上述した既知の技術手段は、エンジン用ピ
ストンの受けるダメージを強化繊維の複合化によって緩
和せんと試みたものであり、熱膨張率の低減や強度など
の向上に一応の効果は認められるものの、これらの強化
繊維がピストンの軸線と直交する面内でいずれもランダ
ムに配向されているため、直噴式ディーゼルエンジン用
ピストンの期待強度を満足するに足る補強効果は得られ
ていない。
【0006】本発明は、物理的、機械的のいずれの性質
にも優れ、過酷な使用条件にも十分耐えうる直噴式ディ
ーゼルエンジン用ピストンを提供することを解決すべき
技術課題とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の直噴式デ
ィーゼルエンジン用ピストンは、頂面に燃焼室が凹設さ
れたヘッド部と、リング溝が刻設されたリングランド部
と、突出ボスにピン穴が貫設されたスカート部とを備
え、上記ヘッド部の少なくとも燃焼室のリップ縁を含む
界域がマトリックス金属の浸透した繊維集積体によって
複合強化されるとともに、該強化繊維が該リップ縁の円
周方向に配向されていることを特徴としている。
【0008】強化繊維としては、アルミナ短繊維、カー
ボン繊維、炭化珪素繊維、アルミナーシリカ繊維、ガラ
ス繊維、炭化珪素ウィスカ、透過性セラミックス繊維等
を採用することができる。このピストンでは、アルミ合
金等のマトリックス金属に懸念される熱膨張率が、強化
繊維の選択によって改善されることは勿論、繰返し作用
する高負荷によりヘッド部頂面が軸心方向に揺振変形し
た際、とくに燃焼室のリップ縁近傍の界域ほど大きな円
周接線成分の引張り力を生じることになるが、円周方向
に配向された強化繊維がよくこれに抵抗して強度不足を
十分に補完する。
【0009】請求項2記載のピストンは、請求項1記載
のピストンにおいて、上記繊維集積体による複合強化界
域が、上記ヘッド部の全域から少なくともトップランド
及びトップリング溝を含む上記リングランド部界域まで
拡延されていることを特徴としている。このピストンで
は、ヘッド部に加えてリングランド部をサポートする界
域まで単一の繊維集積体により強化されているので、円
周方向に配向した強化繊維の効能をさらにリングランド
部まで及ばせることができる。
【0010】請求項3記載のピストンは、請求項1又は
2記載のピストンにおいて、上記ピン穴の内壁部が独立
した繊維集積体によって複合強化されていることを特徴
としている。このピストンでは、独立した繊維集積体に
よってピン穴も強化され、とくに請求項4記載のピスト
ンのように、該強化繊維がピン穴の円周方向に配向され
たものでは、補強効果の一層の向上に加えてピン穴の真
円度を良好に保つことができる。
【0011】請求項5記載のピストンは、請求項1、
2、3又は4記載のピストンにおいて、上記マトリック
ス金属がアルミニウムー珪素合金であることを特徴とし
ている。このピストンでは、マトリックス金属にアルミ
ニウムー珪素合金を採用することにより、該マトリック
ス金属の固有特性を生かしつつ、直噴式ディーゼルエン
ジンに十分適応した複合強化ピストンを得ることができ
る。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した第1の
実施形態を図に基づいて説明する。図1において、13
〜30重量%の珪素を含有するアルミニウムー珪素合金
(例えばA390)をマトリックスとした直噴式ディー
ゼルエンジン用ピストン(以下、ピストンという)1
は、ヘッド部2と、該ヘッド部2の外周縁から下方に延
びるリングランド部3と、さらに該リングランド部3の
下部に連なるスカート部4とを備えている。ヘッド部2
の頂面20中央には軸心方向の投影形状が円形をなす燃
焼室21が凹設され、一方、リングランド部3の外周面
には3条のリング溝31が刻設されており、該リング溝
31及びこれと交互に位置するランド30は、共に上位
からトップ、2nd、3rdの順に配列されている。
【0013】そしてピストン1のマトリックス10中に
は、燃焼室21のリップ縁21aを含む所要の界域にお
いて、環状の繊維集積体5が例えば高圧凝固鋳造法によ
り充填複合されている。該繊維集積体5を構成する強化
繊維にはアルミナーシリカ繊維が用いられ、同強化繊維
は一方向、具体的にはリップ縁21aの円周方向に配向
されている。
【0014】このような繊維集積体5の製造には、誘電
液体中に分散された繊維を静電配向させると同時に橋絡
させ、同繊維を順次沈降させて集積するという手法、と
りわけ同心的な内外筒間に直立円筒状空間が形成された
有底容器を用い、外筒の内周壁には交互に正負の電極を
埋設し、直立円筒状空間下部には濾過体を配設して、こ
れら外筒及び濾過体をその軸心回りに緩速回転させると
いう既知の配向方法が適用される。
【0015】しかして上記ピストン1を高圧凝固鋳造法
により鋳造する際には、該ピストン1の外形に対応した
鋳型内に該繊維集積体5をセットしたのち注湯し、その
溶湯に例えば750kgf/cm2 の圧力を加えて凝固
させ、これにより図1に示すピストン1が得られる。な
お、図2は、繊維集積体5Aによってリップ縁21aを
含むヘッド部2の全域が複合化されたピストン1Aを例
示している。
【0016】このようにして得られたピストン1、1A
は、アルミニウムー珪素合金固有の機械的性質を加え
て、複合化域の熱膨張率が低下するといった物理的性質
の改善や単なる強度向上にとどまらず、ディーゼルエン
ジン特有の高負荷の反復によってヘッド部頂面20が軸
心方向に揺振変形した際、とくに燃焼室21のリップ縁
21a近傍の界域にはきわめて大きな円周接線成分の引
張り力が生じることになるが、円周方向に配向された強
化繊維がこれに抵抗して強度不足を十分に補完する。
【0017】さて、上述したトップ、2nd位置のリン
グ溝31に嵌装されるピストンリングは漏れ防止用のコ
ンプレッションリングであり、とくに該ピストンリング
を介して強大な負荷が作用するトップリング溝31の周
域は、既に独自の強化繊維によって複合化することも行
われているが、図3に示す本発明の第2の実施形態は、
繊維集積体5Bによってリップ縁21aを含むヘッド部
2の全域から、さらにトップランド30及びトップリン
グ溝31を含む界域までが全て複合強化されたピストン
1Bを示している。なお、この、複合強化域は図4に繊
維集積体5Cとして示すように、リングランド部3の全
域に拡延させることも当然に可能である。
【0018】このようにして得られたピストン1Bは、
ヘッド部2とリングランド部3とが単一の繊維集積体5
B又は5Cにより強化されているので、鋳造過程での生
産性を損なうことなく、円周方向に配向した強化繊維の
効能を、さらにリング溝31を含むリングランド部3に
まで及ばせることができる。また、図4に示す本発明の
第3の実施形態は、スカート部4の突出ボス41に貫設
されたピストンピン支承用のピン穴42に対しても、そ
の内壁部を独立した繊維集積体6によって複合強化した
ピストン1Cを示している。
【0019】このピストン1C、とりわけ強化繊維がピ
ン穴42の円周方向に配向したものでは、ピストンピン
を介してピン穴42に強大な負荷が加わった場合も、か
かる配向繊維による補強作用が十分これに抵抗し、しか
もピン穴42には方向性熱膨張差が生じないので、ピン
穴42の真円度を良好に保つことができる。
【0020】
【発明の効果】以上、詳述したように、本発明に係る直
噴式ディーゼルエンジン用ピストンは、各請求項記載の
構成を採用しているため、とくに燃焼室のリップ縁に対
して高温高負荷にも十分耐えうる強度を付与しうる結
果、該リップ縁形状の尖鋭化が可能となって出力、スモ
ーク等の性能向上が期待でき、さらには空気と燃料との
混合状態を一層良化させる改良設計も具現することがで
きる。しかもヘッド部の全域が複合強化されるもので
は、より過酷なエンジン条件の実現をも十分可能としう
る効果を付随する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係るピストンを示す
切欠斜視図。
【図2】同ピストンを示す断面図。
【図3】本発明の第2の実施形態に係るピストンを示す
断面図。
【図4】本発明の第3の実施形態に係るピストンを示す
断面図。
【符号の説明】 1はピストン、2はヘッド部、21は燃焼室、21aは
リップ縁、3はリングランド部、30はランド、31は
リング溝、4はスカート部、42はピン穴、5、6は繊
維集積体

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】頂面に燃焼室が凹設されたヘッド部と、リ
    ング溝が刻設されたリングランド部と、突出ボスにピン
    穴が貫設されたスカート部とを備え、上記ヘッド部の少
    なくとも燃焼室のリップ縁を含む界域がマトリックス金
    属の浸透した繊維集積体によって複合強化されるととも
    に、該強化繊維が該リップ縁の円周方向に配向されてい
    ることを特徴とする直噴式ディーゼルエンジン用ピスト
    ン。
  2. 【請求項2】上記繊維集積体による複合強化界域が、上
    記ヘッド部の全域から少なくともトップランド及びトッ
    プリング溝を含む上記リングランド部界域まで拡延され
    ていることを特徴とする請求項1記載のピストン。
  3. 【請求項3】上記ピン穴の内壁部が独立した繊維集積体
    によって複合強化されていることを特徴とする請求項1
    又は2記載のピストン。
  4. 【請求項4】上記ピン穴の強化繊維がピン穴の円周方向
    に配向されていることを特徴とする請求項3記載のピス
    トン。
  5. 【請求項5】上記マトリックス金属がアルミニウムー珪
    素合金であることを特徴とする請求項1、2、3又は4
    記載のピストン。
JP8333627A 1996-12-13 1996-12-13 直噴式ディーゼルエンジン用ピストン Pending JPH10169505A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105195715A (zh) * 2015-10-28 2015-12-30 山东理工大学 一种增强销孔的内燃机铝活塞及其制备方法

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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