JPH01170745A - Piston for internal combustion engine - Google Patents

Piston for internal combustion engine

Info

Publication number
JPH01170745A
JPH01170745A JP32688787A JP32688787A JPH01170745A JP H01170745 A JPH01170745 A JP H01170745A JP 32688787 A JP32688787 A JP 32688787A JP 32688787 A JP32688787 A JP 32688787A JP H01170745 A JPH01170745 A JP H01170745A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piston
internal combustion
surface layer
heat insulating
combustion engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP32688787A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiroyoshi Terada
寺田 博義
Yoshiaki Hara
義明 原
Kazutoshi Iwami
和俊 岩見
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Steel Corp filed Critical Nippon Steel Corp
Priority to JP32688787A priority Critical patent/JPH01170745A/en
Publication of JPH01170745A publication Critical patent/JPH01170745A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00Pistons 
    • F02F3/28Other pistons with specially-shaped head
    • F02F3/285Other pistons with specially-shaped head the head being provided with an insert located in or on the combustion-gas-swept surface
    • 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
    • F05C2251/00Material properties
    • F05C2251/04Thermal properties
    • F05C2251/042Expansivity

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)

Abstract

PURPOSE:To make the wall temperature of a combustion chamber higher so as to prevent an ignition lag by providing a surface layer which consists of ceramics sintered body and a heat insulating elastic layer which surrounds the outer peripheral surface side of the surface layer to form a recessed part, in a piston head in which the recessed part is provided. CONSTITUTION:A recessed part 2 is provided in the piston head of a piston 1 for an internal combustion engine. The recessed part 2 has a three layer structure which comprises a surface layer 3 that consists of ceramics sintered body, a heat insulating elastic layer 4 that consists of non-metallic inorganic porous body and surrounds the outer peripheral surface side of the surface layer 3, and a metal cast body 5 for forming the piston main body that is cast around the heat insulating elastic layer 4. The non-metallic inorganic porous body, which composes the heat insulating elastic layer 4, has low thermal conductivity and sufficient elasticity which can ease thermal stress that is generated by the difference of the coefficient of thermal expansion between the surface layer 3 and the metal cast body 5. Porous ceramics compact is preferably a non-metallic inorganic porous body. The surface layer 3 has divided structure which consists of two members 3a, 3b.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は内燃機関用ピストンに関するものである。詳し
く述べると本発明は、ピストンヘッドに凹部を有するデ
ィーゼルエンジン用ピストンとして好適な内燃機関用ピ
ストンに関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to a piston for an internal combustion engine. Specifically, the present invention relates to a piston for an internal combustion engine that is suitable as a piston for a diesel engine and has a recessed portion in the piston head.

(従来の技術) 内燃機関において、ピストンの頂部、すなわちピストン
ヘッド(ピストンクラウン〉は、シリンダーヘッド内面
と共に燃焼室を形成するものであり、燃焼ガスの高温に
直接さらされると同時に混合気の爆発に伴なう高い圧力
を直接受けるものである。このためピストンヘッドには
、高い耐熱性と高い強度が要求され、特に、ディーゼル
機関におけるように高圧縮により高い圧力と高い熱負荷
を生じる機関において用いられるピストンにおいては顕
著である。例えば、直噴式ディーゼル機関におけるもの
のように、ピストンヘッドに凹部を有し、この四部が直
接燃焼室を形成するピストンにおいては、該凹部に爆発
圧力および熱負荷が集中するなめにこの部位に対する高
い配慮が必要とされる。
(Prior Art) In an internal combustion engine, the top of the piston, that is, the piston head (piston crown), forms a combustion chamber together with the inner surface of the cylinder head, and is directly exposed to the high temperature of combustion gas and at the same time is exposed to the explosion of the air-fuel mixture. Therefore, piston heads are required to have high heat resistance and high strength, especially when used in engines that generate high pressure and high heat load due to high compression, such as diesel engines. For example, in a piston that has a recess in the piston head and these four parts directly form the combustion chamber, such as those in direct injection diesel engines, the explosion pressure and heat load are concentrated in the recess. Therefore, a high level of consideration is required for this area.

従来、内燃機関用ピストンとしては、鋳鉄製および耐熱
アルミニウム合金製のものなどが知られている。このう
ち、耐熱アルミニウム合金製のピストンは、軽量で慣性
力が小さくかつ良好な熱転 。
Conventionally, pistons made of cast iron and heat-resistant aluminum alloys are known as pistons for internal combustion engines. Among these, pistons made of heat-resistant aluminum alloy are lightweight, have low inertia, and have good heat transfer.

導率を有するために、高速回転においても安定した往復
動を行ない、また燃焼室内の温度過昇による問題の生じ
る虞れも少ないため、現在多くの内燃機関用ピストンと
して用いられている。
Because of its conductivity, it can perform stable reciprocating motion even at high speed rotation, and there is little risk of problems caused by excessive temperature rise in the combustion chamber, so it is currently used as pistons for many internal combustion engines.

しかしながら、アルミニウム合金製ピストンは耐熱性が
十分なものではなく、高温強度等の点において問題があ
り、上記したように高い爆発圧力および熱負荷のかかる
ディーゼル機関用としてはあまり適当なものとはいえな
いものであった。殊に、直噴式ディーゼル機関における
もののように、ピストンヘッドに凹部を有するピストン
においては、該凹部に著しい損傷がみられ改良が望まれ
るものであった。
However, aluminum alloy pistons do not have sufficient heat resistance and have problems with high-temperature strength, so they are not suitable for use in diesel engines that are subject to high explosion pressure and heat loads as described above. It was something that didn't exist. Particularly, in pistons having a recessed portion in the piston head, such as those in direct injection diesel engines, the recessed portion has been found to be severely damaged, and improvements have been desired.

このために、例えば、ピストンヘッドを強度の大きい鋳
鉄などにより構成することが考えられるが、鋳鉄を用い
るとピストンの重量が増大し、摩擦性の増大および騒音
や振動の発生の増加などが見られるために小型で高速型
の内燃機関用としては不適当なものとなってしまう。さ
らにこのようにピストンヘッドを鋳鉄により構成しても
耐熱性および高温時における強度は十分なものとはなら
ず、最も高い負荷の加わる上記凹部においては損傷の生
じる虞れの残るものであった。
For this reason, for example, it is possible to construct the piston head from strong cast iron, but using cast iron increases the weight of the piston, which increases friction and increases the generation of noise and vibration. This makes it unsuitable for use in small, high-speed internal combustion engines. Further, even if the piston head is constructed of cast iron in this manner, the heat resistance and strength at high temperatures are not sufficient, and there remains a risk of damage occurring in the recesses to which the highest loads are applied.

さらに、例えば、ピストンヘッド等にジルコニア、アル
ミナ等の熱伝導率の低いセラミックスを溶射するもの(
特公昭60−27820号、特開昭58−164775
号等)さらにはセラミックス焼結体を鋳込む方法(特公
昭56−616号)なども提唱されている。このように
ピストンヘッドにセラミックス等の断熱材を設けること
は、その断熱作用によってピストン母材に対する熱負荷
の低減を図ること以外にも、これにより燃焼室の室壁温
度を上げることができるようになるためにディーゼル機
関において燃焼騒音の主因となっている着火遅れが改善
され、さらにピストン本体を通しての熱損失が低減され
るようになるので、燃焼効率も向上することからも望ま
しいことである。
Furthermore, for example, those that spray ceramics with low thermal conductivity such as zirconia and alumina on piston heads, etc.
JP 60-27820, JP 58-164775
Furthermore, a method of casting a ceramic sintered body (Japanese Patent Publication No. 56-616) has also been proposed. Providing a heat insulating material such as ceramics on the piston head in this way not only reduces the heat load on the piston base material through its heat insulating effect, but also increases the temperature of the combustion chamber wall. This is desirable because it improves ignition delay, which is the main cause of combustion noise in diesel engines, and further reduces heat loss through the piston body, improving combustion efficiency.

しかしながら、上記のごとくピストン母材を形成する金
属にセラミックス溶射層あるいはセラミックス焼結体層
を直接設けた場合、内燃機関の作動に伴なう高温に至る
までの熱履歴の繰返し、あるいはさらにセラミックス焼
結体をピストン母材に鋳込む場合においては該ピストン
母材鋳造時における鋳造熱により、ピストン母材を構成
する金属とセラミックスとの間における熱膨張係数の差
による熱応力が発生し、セラミックス溶射層の剥離ない
しはセラミックス焼結体層の破損が生じることとなる。
However, when a ceramic sprayed layer or a ceramic sintered layer is directly provided on the metal forming the piston base material as described above, the thermal history up to the high temperatures associated with the operation of an internal combustion engine is repeated, or the ceramic sintering process is repeated. When the body is cast into a piston base material, the heat generated during casting of the piston base material generates thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the metal and ceramics that make up the piston base material, resulting in ceramic spraying. This may cause layer separation or damage to the ceramic sintered body layer.

さらにはピストンヘッドの凹部にセラミックス溶射ある
いはセラミックス系接着剤塗布により形成された断熱層
を設け、さらに該凹部を囲むピストンヘッド頂面の周縁
円環部に耐熱性金属ファイバー層を設け、これらの断熱
層および耐熱性金属ファイバー層の表面を耐熱性金属層
により覆った断熱ピストン(特開昭60−240855
号)も提唱されている。このように断熱層を金属表面層
により覆ってしまうと、断熱層に内燃機関の作動に伴な
う高温までの熱履歴の繰返しにより金属表面層および金
属製ピストン母材との熱膨脹率の差によりクラック等が
生じても、溶射あるいは接着剤塗布によって形成された
断熱層が脱落する虞れはなくなるものの、例えばステン
レス鋼などの耐熱性金属による表面層の高温時における
強度は十分なものではなく、最も高い負荷の加わる上記
凹部においては損傷の生じる虞れの残るものであった。
Furthermore, a heat insulating layer formed by ceramic spraying or ceramic adhesive coating is provided in the concave portion of the piston head, and a heat-resistant metal fiber layer is provided on the circumferential annular portion of the top surface of the piston head surrounding the concave portion. A heat-insulating piston in which the surfaces of the heat-resistant metal fiber layer and the heat-resistant metal fiber layer are covered with a heat-resistant metal layer (Japanese Patent Application Laid-open No. 60-240855
) has also been proposed. When the heat insulating layer is covered with a metal surface layer in this way, the heat insulating layer undergoes repeated thermal history up to high temperatures associated with the operation of the internal combustion engine, and due to the difference in coefficient of thermal expansion between the metal surface layer and the metal piston base material. Even if cracks occur, there is no risk that the heat-insulating layer formed by thermal spraying or adhesive coating will fall off, but the surface layer made of heat-resistant metal such as stainless steel does not have sufficient strength at high temperatures. There remained a risk of damage occurring in the recesses to which the highest loads were applied.

さらにこのような金属表面層の形成は、ピストンの重量
増加の上からも問題のあるものであった。
Furthermore, the formation of such a metal surface layer is problematic because it increases the weight of the piston.

(発明が解決しようとする問題点) 従って、本発明は新規な内燃機関用ピストンを提供する
ことを目的とする。本発明はさらにピストンヘッドに凹
部を有するディーゼルエンジン用ピストンとして好適な
内燃機関用ピストンを提供することを目的とする。本発
明はさらに、耐熱性および高温強度に優れた内燃機関用
ピストンを提供することを目的とする。本発明はまた、
燃焼効率の向上が図れる内燃機関用ピストンを提供する
ことを目的とする。
(Problems to be Solved by the Invention) Therefore, an object of the present invention is to provide a novel piston for an internal combustion engine. A further object of the present invention is to provide a piston for an internal combustion engine that is suitable as a piston for a diesel engine and has a recessed portion in the piston head. A further object of the present invention is to provide a piston for an internal combustion engine that has excellent heat resistance and high temperature strength. The present invention also provides
An object of the present invention is to provide a piston for an internal combustion engine that can improve combustion efficiency.

(問題点を解決するための手段) 上記諸口的は、ピストンヘッドに凹部を有する内燃機関
用ピストンにおいて、該凹部は、セラミックス焼結体よ
りなる表面層と、該表面層の外周面側を囲繞する非金属
無機多孔体よりなる断熱弾性層と、該断熱弾性層を鋳ぐ
るむピストン本体を形成する金属鋳造体とによる三層構
造とされている特徴とする内燃機関用ピストンにより達
成される。
(Means for Solving the Problems) The above-mentioned features include a piston for an internal combustion engine having a recessed portion in the piston head, in which the recessed portion surrounds a surface layer made of a ceramic sintered body and an outer peripheral surface side of the surface layer. This is achieved by a piston for an internal combustion engine characterized by having a three-layer structure consisting of a heat insulating elastic layer made of a non-metallic inorganic porous material and a metal casting body forming a piston body surrounding the heat insulating elastic layer.

(作用) このように本発明の内燃機関用ピストンにおいてはj最
も高い負荷の加わるピストンヘッドの凹部を、セラミッ
クス焼結体よりなる表面層と、該表面層の外周面側を囲
繞する非金属無機多孔体よりなる断熱弾性層と、該断熱
弾性層を鋳ぐるむピストン本体を形成する金属鋳造体と
による三層構造としたことを特徴とするものであって、
その表面層が耐熱性および高温時における強度に優れた
セラミックス焼結体により構成されているために、強い
爆発圧力および熱負荷を受けたとしても表面層は破損を
生じることがなく、さらに、該表面層および極めて熱伝
導率の低い非金属無機多孔体からなる断熱弾性層により
内燃機関作動時における熱負荷は大きく低減されピスト
ン本体を構成する金属鋳造体が十分に保護されることと
なる。また該表面層を形成するセラミックス焼結体とピ
ストン本体を形成する金属鋳造体とは熱膨張率にかなり
の相違があり、両者が直接接合されているとするとピス
トン本体鋳造時における熱履歴あるいは内燃機関の作動
による熱履歴の繰返しにより両者の間には熱応力が発生
するが、前記したように本発明のピストンにおいてはセ
ラミックス焼結体より形成される表面層の外周は非金属
無機多孔体よりなる断熱弾性層に囲繞されており、該断
熱弾性層がこのような熱応力を十分に吸収することがで
きるゆえに、熱応力の発生による表面層の破損の虞れが
ないものである。
(Function) As described above, in the internal combustion engine piston of the present invention, the concave portion of the piston head, where the highest load is applied, is formed by a surface layer made of a ceramic sintered body and a non-metallic inorganic material surrounding the outer peripheral surface of the surface layer. It is characterized by having a three-layer structure consisting of a heat insulating elastic layer made of a porous body and a metal casting body forming a piston body surrounding the heat insulating elastic layer,
Since the surface layer is composed of a ceramic sintered body with excellent heat resistance and strength at high temperatures, the surface layer will not be damaged even if subjected to strong explosion pressure and heat load. The surface layer and the heat-insulating elastic layer made of a non-metallic inorganic porous material with extremely low thermal conductivity greatly reduce the thermal load during operation of the internal combustion engine, and the metal casting forming the piston body is sufficiently protected. In addition, there is a considerable difference in thermal expansion coefficient between the ceramic sintered body that forms the surface layer and the metal cast body that forms the piston body. Thermal stress is generated between the two due to repeated thermal history due to engine operation, but as mentioned above, in the piston of the present invention, the outer periphery of the surface layer formed of a ceramic sintered body is made of a non-metallic inorganic porous body. Since the heat insulating elastic layer can sufficiently absorb such thermal stress, there is no risk of damage to the surface layer due to generation of thermal stress.

(実施例) 以下本発明を実施例に基づき詳細に説明する。(Example) The present invention will be described in detail below based on examples.

第1図〜第7図はそれぞれ本発明の内燃機関用ピストン
の実施例の構造を示す概略断面図である。
1 to 7 are schematic cross-sectional views showing the structure of an embodiment of a piston for an internal combustion engine according to the present invention.

第1図〜第7図に示すように本発明の内燃機関用ピスト
ン1はピストンヘッドに凹部2を有するものである。な
おこの凹部2形状は特に限定されるものではなく、例え
ば平皿状型、半球状型、トロイダル型、M型、楕円状型
、四角型、リエントラント型などのような任意の形態を
取り得る。
As shown in FIGS. 1 to 7, a piston 1 for an internal combustion engine according to the present invention has a recess 2 in the piston head. Note that the shape of the recess 2 is not particularly limited, and may take any form such as a flat plate type, a hemispherical type, a toroidal type, an M type, an elliptical type, a square type, a reentrant type, and the like.

しかして、該凹部2は、セラミックス焼結体よりなる表
面層3と、該表面層3の外周面側を囲繞する非金属無機
多孔体よりなる断熱弾性層4と、該断熱弾性層4を鋳ぐ
るむピストン本体を形成する金属鋳造体5とによる三層
構造とされている。
Accordingly, the recess 2 includes a surface layer 3 made of a ceramic sintered body, a heat insulating elastic layer 4 made of a non-metallic inorganic porous material surrounding the outer peripheral surface of the surface layer 3, and a heat insulating elastic layer 4 formed by casting. It has a three-layer structure with a metal casting body 5 forming the surrounding piston body.

なお、該凹部2は、第1〜2図および第5〜7図におけ
るようにその全面にわたり上記のごとき三層構造とされ
ることも当然に可能であるが、第3図および第4図に示
すようにその一部のみが上記のごとき三層構造とされる
ことも可能である。この第3図に示す態様は、凹部2が
浅い平皿状などの形状とされた場合、後述のごとく表面
層3の脱落を考慮して凹部2の主要面のみを三層構造と
したものであり、また第4図に示す態様は、凹部2がそ
の開口部において狭まるような形状を有しており、かつ
ピストン本体ないしはピストンヘッドが鋳鋼などのよう
な比較的耐熱性の高い材質により構成された場合におい
て、最も爆発応力の集中する凹部2のオーバーハングし
た開口部のみをこのような三層構造としたものである。
Note that it is naturally possible for the recess 2 to have the above three-layer structure over its entire surface as shown in FIGS. 1 to 2 and 5 to 7; As shown, it is also possible that only a portion thereof has a three-layer structure as described above. In the embodiment shown in FIG. 3, only the main surface of the recess 2 has a three-layer structure in consideration of the possibility of the surface layer 3 falling off as described later when the recess 2 has a shallow flat plate shape or the like. In the embodiment shown in FIG. 4, the recess 2 has a shape that narrows at its opening, and the piston body or the piston head is made of a relatively heat-resistant material such as cast steel. In this case, only the overhanging opening of the recess 2, where the explosion stress is most concentrated, has such a three-layer structure.

本発明の内燃機関用ピストン1において、凹部2におけ
る表面層3を構成するセラミックス焼結体としては、十
分な耐熱性、耐熱衝撃性、高温時における機械的強度、
靭性等を有するものであればよく、各種のセラミックス
焼結体が用いられ得るが、SiAlON、Al2O3 
、SiC,Mg−ZrO2,3A1203 ・2Si0
2およびSi3N4などが好ましく用いられ得る。
In the internal combustion engine piston 1 of the present invention, the ceramic sintered body constituting the surface layer 3 in the recess 2 has sufficient heat resistance, thermal shock resistance, mechanical strength at high temperatures,
Any ceramic sintered body can be used as long as it has toughness, etc., but SiAlON, Al2O3
, SiC, Mg-ZrO2, 3A1203 ・2Si0
2 and Si3N4 can be preferably used.

さらにこのようなセラミックス焼結体においては、3点
曲げ強度30kg/mm2以上、より好ましくは60k
g/mm2以上であることが高圧縮化における爆発圧力
にも十分に耐え得ることができるために望まれる特性で
ある。また本発明の内燃機関用ピストン1において、該
表面層3を構成するセラミックス焼結体には、上記した
ように十分な耐熱性と強度を有するものであれば、その
断熱性は特に要求されないが、望ましくは0〜1000
℃における熱伝導率が50Kcal/m・hr・℃以下
程度であることが好ましい。
Furthermore, such a ceramic sintered body has a three-point bending strength of 30 kg/mm2 or more, more preferably 60 k
g/mm2 or more is a desirable characteristic since it can sufficiently withstand explosion pressure at high compression. Further, in the internal combustion engine piston 1 of the present invention, the ceramic sintered body constituting the surface layer 3 is not particularly required to have heat insulation properties as long as it has sufficient heat resistance and strength as described above. , preferably 0 to 1000
It is preferable that the thermal conductivity at °C is about 50 Kcal/m·hr·°C or less.

このようなセラミックス焼結体より表面層3を構成する
には、得ようとするピストンヘッドの凹部2の形状に応
じて、例えば常圧泥漿鋳込み、加圧泥漿鋳込み、射出成
形などにより所定の形状に成形し、セラミックスの材質
に応じて常圧焼結、加圧焼結、反応焼結により焼成する
ことにより行なわれ得る。なお、第1図、第2図および
第6図に示す実施例におけるように、凹部3がその開口
部において狭まるような形状のものとして設計される場
合、該表面層3は、例えばこれらの図面に示されるよう
に、凹部3の底面側を構成する第1部材3aと、これに
対してオーバーハングする面を構成する第2部材3bと
を成形し、これらを嵌合などの機械接合、あるいは接着
剤法、溶着法等の適当な手段により接合することで構成
することも可能である。またこのように第1部材3aと
第2部材3bにより表面層3を構成する場合、それぞれ
の部材は別の種類のセラミックス焼結体により構成され
ることも可能である。
In order to construct the surface layer 3 from such a ceramic sintered body, depending on the shape of the concave portion 2 of the piston head to be obtained, a predetermined shape is formed by, for example, atmospheric slurry casting, pressurized slurry casting, injection molding, etc. This can be carried out by molding the ceramic into a shape and firing it by normal pressure sintering, pressure sintering, or reaction sintering depending on the material of the ceramic. Note that when the recess 3 is designed to have a shape that narrows at its opening, as in the embodiments shown in FIGS. 1, 2, and 6, the surface layer 3 is, for example, As shown in FIG. 2, a first member 3a forming the bottom side of the recess 3 and a second member 3b forming an overhanging surface with respect to the first member 3a are formed, and then mechanically joined such as by fitting, or It is also possible to construct the structure by joining by appropriate means such as an adhesive method or a welding method. Further, when the surface layer 3 is constituted by the first member 3a and the second member 3b in this manner, each member may be constituted by a different type of ceramic sintered body.

本発明の内燃機関用ピストン1において、上記のごとき
表面層3の外周面側を囲繞する断熱弾性層4を構成する
非金属無機多孔体は、熱伝導率が低く、かつ表面層3を
構成するセラミックス焼結体とピストン本体を構成する
鋳造金属体5との間の熱膨張係数の差により発生する熱
応力を緩和し得るだけの弾性と表面層3を支持し得るだ
けの剛性とを備えたものであり、より具体的にはセラミ
ックスあるいはガラス蜜の多孔質成形体などが挙げられ
るが、好ましくは多孔質セラミックス成形体である。さ
らに多孔質セラミックス成形体としては、例えばAlO
25i02系、A l 02系、5i02系などのよう
なセラミックスからなるファイバーもしくは微粒子、あ
るいは多孔質ファイバーもしくは多孔質微粒子を集合さ
せてなる成形体などが好ましく挙げられる。なお、この
ようなファイバー状のものとしては、通常、直径1〜5
μm、長さ5〜10cm程度のものが用いられ成形体に
おける嵩密度は0.1〜0.3g/cm3程度となされ
る。また微粒子状のものとしては、通常、粒径0.1μ
m〜1mm程度のものが用いられ成形体における嵩密度
は0.2〜Ig/cm3程度となされる。また断熱弾性
層4をこのようなファイバーないしは微粒子を集合させ
た成形体により構成する場合、施工時にファイバーない
し微粒子を積層して成形体とすることも、あるいはまた
、例えばセラミックスペーパーとしてあらかじめ成形さ
れたファイバーなどを用いることも可能である。
In the piston 1 for an internal combustion engine of the present invention, the nonmetallic inorganic porous body constituting the heat insulating elastic layer 4 surrounding the outer peripheral surface side of the surface layer 3 as described above has a low thermal conductivity and constitutes the surface layer 3. It has elasticity sufficient to relieve thermal stress caused by the difference in coefficient of thermal expansion between the ceramic sintered body and the cast metal body 5 constituting the piston body, and rigidity sufficient to support the surface layer 3. More specifically, porous molded bodies of ceramics or vitreous honey may be mentioned, but preferably porous ceramic molded bodies. Furthermore, as a porous ceramic molded body, for example, AlO
Preferred examples include fibers or fine particles made of ceramics such as 25i02 series, A l 02 series, 5i02 series, etc., or molded bodies made of aggregation of porous fibers or porous fine particles. Note that such fiber-like materials usually have a diameter of 1 to 5.
The molded product has a bulk density of about 0.1 to 0.3 g/cm3. In addition, as fine particles, the particle size is usually 0.1 μm.
A molded product having a bulk density of about 0.2 to Ig/cm3 is used. In addition, when the heat insulating elastic layer 4 is constituted by a molded body made by gathering such fibers or fine particles, the fibers or fine particles may be laminated to form a molded body at the time of construction. It is also possible to use fibers and the like.

さらにこのような非金属無機多孔体により構成される断
熱弾性層においては、0〜1000℃における熱伝導率
が0.5Kcal/m−hr ・℃以下、より好ましく
はQ、IKcaL/m・hr・℃であることがピストン
本体を構成する鋳造金属体への熱負荷を十分に低減させ
るために望まれる。
Furthermore, in the heat insulating elastic layer composed of such a nonmetallic inorganic porous material, the thermal conductivity at 0 to 1000°C is 0.5 Kcal/m-hr ·°C or less, more preferably Q, IKcal/m·hr · ℃ is desirable in order to sufficiently reduce the thermal load on the cast metal body constituting the piston body.

このような非金属多孔体により断熱弾性層4を構成する
には、前記のごとく成形された表面層3の外周面側、す
なわちピストン本体を構成する鋳造金属体5に鋳込まれ
る面に非金属多孔体を配置することによりなされ得るが
、このような断熱弾性層4は、表面層3と鋳造金属体5
とが直接接することがないように鋳造金属体5により鋳
込まれる面を完全に覆うように形成することが必要であ
る。
In order to construct the heat insulating elastic layer 4 using such a non-metallic porous body, a non-metallic porous body must be formed on the outer peripheral surface side of the surface layer 3 formed as described above, that is, the surface that will be cast into the cast metal body 5 constituting the piston body. This can be done by arranging a porous body, but such a heat insulating elastic layer 4 is formed by forming a surface layer 3 and a cast metal body 5.
It is necessary to form the cast metal body 5 so that it completely covers the surface to be cast so that it does not come into direct contact with the cast metal body 5.

さらに本発明の内燃機関用ピストン1においては、表面
層3の外周面側を囲繞して形成される上記のごとき非金
属多孔体よりなる断熱弾性層4は、ピストン本体を構成
する鋳造金属体5により鋳込まれている。従って、非金
属多孔体よりなる断熱弾性N4と鋳造金属体5との接合
界面においては、非金属無機多孔体に鋳造金属が浸透し
ており強固な機械的結合がなされる。なお、前記したよ
うに断熱弾性N4は十分な剛性を有するために、このよ
うな断熱弾性層4を介して一表面層3を保持しても、表
面N3が作動時に脱落する虞れは極めて少ないが、好ま
しくは、第2図、第3図、第4図および第6図に示す実
施例におけるように、ピストン本体を構成する鋳造金属
体5が、ピストン1の頂面側からも断熱弾性層4および
表面層3を把持するような構造とすることが望ましい。
Furthermore, in the piston 1 for an internal combustion engine of the present invention, the heat insulating elastic layer 4 made of a non-metallic porous body as described above and formed to surround the outer circumferential side of the surface layer 3 is a cast metal body 5 constituting the piston body. It is instilled by. Therefore, at the bonding interface between the adiabatic elastic N4 made of a nonmetallic porous body and the cast metal body 5, the cast metal penetrates into the nonmetallic inorganic porous body and a strong mechanical bond is formed. Note that, as described above, since the heat insulating elastic layer N4 has sufficient rigidity, even if one surface layer 3 is held through such a heat insulating elastic layer 4, there is extremely little risk that the surface layer N3 will fall off during operation. However, preferably, as in the embodiments shown in FIGS. 2, 3, 4, and 6, the cast metal body 5 constituting the piston body is provided with a heat insulating elastic layer from the top side of the piston 1. 4 and the surface layer 3 is preferably structured.

あるいはまた、第7図に示すように表面層3を構成する
セラミックス焼結体を凹部2の底面側が広がったような
形状として脱落を防止することも考えられる。
Alternatively, as shown in FIG. 7, the ceramic sintered body constituting the surface layer 3 may be shaped so that the bottom side of the recess 2 is widened to prevent it from falling off.

このピストン本体を構成する鋳造金属体5としては、普
通鋳鉄、特殊合金鋳鉄などの鋳鉄、鋳鋼およびアルミニ
ウム合金などが用いられ得るが、ピストンの軽量化およ
び鋳造時における熱衝撃および熱応力の軽減などの面か
ら特にアルミニウム合金であることが望ましい。なおこ
のようにアルミニウム合金によってピストン本体を構成
しなとしても、その凹部2においては前記表面層3およ
び断熱弾性層4により十分な断熱が行なわれるため、ア
ルミニウム合金が熱負荷により損傷を生じることはない
As the cast metal body 5 constituting the piston body, cast iron such as ordinary cast iron and special alloy cast iron, cast steel, and aluminum alloy can be used. From this point of view, it is particularly desirable to use an aluminum alloy. Even if the piston body is not made of aluminum alloy in this way, the surface layer 3 and the heat insulating elastic layer 4 provide sufficient heat insulation in the recess 2, so the aluminum alloy will not be damaged by heat load. do not have.

(発明の効果) 以上述べたように本発明の内燃機関用ピストンは、ピス
トンヘッドに凹部を有する内燃機関用ピストンであって
、該凹部は、セラミックス焼結体よりなる表面層と、該
表面層の外周面側を囲繞する非金属無機多孔体よりなる
断熱弾性層と、該断熱弾性層を鋳ぐるむピストン本体を
形成する金属鋳造体とによる三層構造とされている特徴
とするものであるので、例えば直噴式ディーゼル機関に
おいて燃焼室を形成する該凹部は、高圧縮により高い爆
発圧力および高い熱負荷が加わったとしても損傷を生じ
ることがなく、かつ優れた断熱効果により燃焼室の室壁
温度を上げることができるようになるなめにディーゼル
機関において燃焼騒音の主因となっている着火遅れが改
善され、さらにピストン本体を通しての熱損失が低減さ
れるようになるので、燃焼効率も向上するものである。
(Effects of the Invention) As described above, the piston for an internal combustion engine of the present invention is a piston for an internal combustion engine having a recessed portion in the piston head, and the recessed portion includes a surface layer made of a ceramic sintered body, and a surface layer formed of a ceramic sintered body. It is characterized by a three-layer structure consisting of a heat insulating elastic layer made of a non-metallic inorganic porous material surrounding the outer peripheral surface of the piston, and a metal casting body forming a piston body surrounding the heat insulating elastic layer. Therefore, for example, in a direct injection diesel engine, the recess that forms the combustion chamber will not be damaged even if high explosion pressure and high heat load are applied due to high compression, and the recessed part that forms the combustion chamber will not be damaged due to its excellent heat insulation effect. In addition to being able to raise the temperature, the ignition delay, which is the main cause of combustion noise in diesel engines, is improved, and heat loss through the piston body is reduced, which improves combustion efficiency. It is.

さらに本発明の内燃機関用ピストンは上記のような優れ
た特性を極めて軽量な構成により発揮できるものである
なめに、小型で高速回転を行なう内燃機関においても騒
音、振動等の不具合を生じることなく好適に用いられる
ものである。
Furthermore, since the piston for internal combustion engines of the present invention can exhibit the above-mentioned excellent characteristics with an extremely lightweight structure, it can be used even in small, high-speed internal combustion engines without causing problems such as noise and vibration. It is preferably used.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図〜第7図はそれぞれ本発明の内燃機関用ピストン
の実施例の構造を示す概略断面図である。 1・・・内燃機関用ピストン、2・・・凹部、3・・・
表面層、3a・・・表面層第1部材、3b・・・表面層
第2部材、4・・・断熱弾性層、5・・・鋳造金属体。 特許出願人       新日本製鐵株式會社代理人 
  弁理士    八 1) 幹 雄(イg)十ン 第1図   第2図 第3図   第4図 第5図   第6図 第7図
1 to 7 are schematic cross-sectional views showing the structure of an embodiment of a piston for an internal combustion engine according to the present invention. 1... Piston for internal combustion engine, 2... Recessed part, 3...
Surface layer, 3a... Surface layer first member, 3b... Surface layer second member, 4... Heat insulating elastic layer, 5... Cast metal body. Patent applicant Nippon Steel Corporation representative
Patent Attorney 8 1) Mikio (Ig) Figure 1 Figure 2 Figure 3 Figure 4 Figure 5 Figure 6 Figure 7

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)ピストンヘッドに凹部を有する内燃機関用ピスト
ンにおいて、該凹部は、セラミックス焼結体よりなる表
面層と、該表面層の外周面側を囲繞する非金属無機多孔
体よりなる断熱弾性層と、該断熱弾性層を鋳ぐるむピス
トン本体を形成する金属鋳造体とによる三層構造とされ
ている特徴とする内燃機関用ピストン。
(1) In a piston for an internal combustion engine having a recessed portion in the piston head, the recessed portion includes a surface layer made of a ceramic sintered body, and a heat insulating elastic layer made of a nonmetallic inorganic porous material surrounding the outer peripheral surface side of the surface layer. A piston for an internal combustion engine characterized by having a three-layer structure including a metal casting body forming a piston body surrounding the heat insulating elastic layer.
(2)表面層を構成するセラミックス焼結体が3点曲げ
強度30kg/mm^2以上のセラミックス焼結体であ
る特許請求の範囲第1項に記載の内燃機関用ピストン。
(2) The piston for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the ceramic sintered body constituting the surface layer is a ceramic sintered body having a three-point bending strength of 30 kg/mm^2 or more.
(3)表面層を構成するセラミックス焼結体がSiAl
ON、Al_2O_3、SiC、Mg−ZrO_2、3
Al_2O_3・ 2SiO_2およびSi_3N_4
からなる群から得らばれたいずれかのものである特許請
求の範囲第1項または第2項に記載の内燃機関用ピスト
ン。
(3) The ceramic sintered body constituting the surface layer is SiAl
ON, Al_2O_3, SiC, Mg-ZrO_2,3
Al_2O_3・2SiO_2 and Si_3N_4
The piston for an internal combustion engine according to claim 1 or 2, which is any one obtained from the group consisting of.
(4)断熱弾性層を形成する非金属無機多孔体が多孔質
セラミックス成形体である特許請求の範囲第1項に記載
の内燃機関用ピストン。
(4) The piston for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the nonmetallic inorganic porous body forming the heat insulating elastic layer is a porous ceramic molded body.
(5)断熱弾性層を形成する非金属無機多孔体がセラミ
ックスファイバー成形体あるいはセラミックス微粒子成
形体である特許請求の範囲第1項に記載の内燃機関用ピ
ストン。
(5) The piston for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the nonmetallic inorganic porous body forming the heat insulating elastic layer is a ceramic fiber molded body or a ceramic fine particle molded body.
(6)断熱弾性層の0〜1000℃における熱伝導率が
0.5Kcal/m・hr・℃以下である特許請求の範
囲第1項または第2項に記載の内燃機関用ピストン。
(6) The piston for an internal combustion engine according to claim 1 or 2, wherein the heat insulating elastic layer has a thermal conductivity of 0.5 Kcal/m·hr·°C or less at 0 to 1000°C.
JP32688787A 1987-12-25 1987-12-25 Piston for internal combustion engine Pending JPH01170745A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP32688787A JPH01170745A (en) 1987-12-25 1987-12-25 Piston for internal combustion engine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP32688787A JPH01170745A (en) 1987-12-25 1987-12-25 Piston for internal combustion engine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH01170745A true JPH01170745A (en) 1989-07-05

Family

ID=18192852

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP32688787A Pending JPH01170745A (en) 1987-12-25 1987-12-25 Piston for internal combustion engine

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH01170745A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0598605A1 (en) * 1992-11-19 1994-05-25 Isuzu Ceramics Research Institute Co., Ltd. Pre-chamber type engine
KR100680532B1 (en) * 2004-12-17 2007-02-08 현대자동차주식회사 Mounting apparatus for the heat activator in a combustion chamber
US20140290617A1 (en) * 2011-12-02 2014-10-02 Ngk Insulators, Ltd. Engine Combustion Chamber Structure, and Inner Wall Structure of Through Channel
WO2015029117A1 (en) * 2013-08-26 2015-03-05 日本碍子株式会社 Internal combustion engine

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0598605A1 (en) * 1992-11-19 1994-05-25 Isuzu Ceramics Research Institute Co., Ltd. Pre-chamber type engine
KR100680532B1 (en) * 2004-12-17 2007-02-08 현대자동차주식회사 Mounting apparatus for the heat activator in a combustion chamber
US20140290617A1 (en) * 2011-12-02 2014-10-02 Ngk Insulators, Ltd. Engine Combustion Chamber Structure, and Inner Wall Structure of Through Channel
US9284911B2 (en) * 2011-12-02 2016-03-15 Ngk Insulators, Ltd. Engine combustion chamber structure, and inner wall structure of through channel
WO2015029117A1 (en) * 2013-08-26 2015-03-05 日本碍子株式会社 Internal combustion engine
WO2015029985A1 (en) * 2013-08-26 2015-03-05 日本碍子株式会社 Internal combustion engine
JPWO2015029985A1 (en) * 2013-08-26 2017-03-02 日本碍子株式会社 Internal combustion engine
US9951740B2 (en) 2013-08-26 2018-04-24 Ngk Insulators, Ltd. Internal combustion engine

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4242948A (en) Insulated composite piston
US9683480B2 (en) Spark ignition type internal combustion engine
JPS60175750A (en) Ceramic chilled piston
JPH01170745A (en) Piston for internal combustion engine
JPH0375744B2 (en)
EP0430419B1 (en) Heat-insulating engine with swirl chamber
GB1577685A (en) Insulated composite piston
CA1078274A (en) Insulated composite piston
JPH02104950A (en) Piston for internal combustion engine
JP2906418B2 (en) Secondary combustion chamber structure
JP3074721B2 (en) Manufacturing method of adiabatic combustion chamber
JPS6245964A (en) Heat insulating piston and manufacture thereof
JP2560422B2 (en) Structure of adiabatic piston
JPS60113021A (en) Nozzle part for auxiliary chamber of internal-combustion engine
JPH03179153A (en) Structure of insulated engine
JPH03141850A (en) Insulated piston and manufacture thereof
JPS60135653A (en) Manufacture of piston
JPH0510556B2 (en)
JPH01208552A (en) Piston for diesel engine and manufacture thereof
JP2586039B2 (en) Insulated piston structure
JPH0218299Y2 (en)
JPH068273Y2 (en) Secondary combustion chamber of internal combustion engine
FI80765B (en) Piston for internal combustion engine
JPH01134022A (en) Exhaust manifold
JPH0118821Y2 (en)