JP2009520902A - 内燃機関用のピストン及び該ピストンのための製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関用のピストン（１０）であって、鋳造成形されたピストンヘッド（１１）、ピストンヘッド内に鋳包まれた少なくとも１つのリング支持体（１７）、及びリング支持体の高さでピストンヘッド内に設けられた環状の冷却通路（１８）を有している形式のものに関する。本発明に基づき、冷却通路（１８）の半径方向外側に向けられた壁領域（１９）は、リング支持体（１７）によって画成され、かつ冷却通路（１８）の残りの壁領域（２２，２３，２４）は、ピストンヘッド（１１）によって画成されている。さらに本発明の対象は上記形式のピストンのための製造方法にもあり、この場合に環状のソルトコア（３３）は、環状のリング支持体（１７）若しくはリング支持体素材（２６）の半径方向内側の内周面（２１）に沿って少なくとも部分的に接触させられ、かつ環状のリング支持体（１７）若しくはリング支持体素材（２６）とソルトコア（３３）とは、一緒に加熱され、これによって互いに結合され、その結果リング支持体（１７）若しくはリング支持体素材（２６）とソルトコア（３３）とから成る構成部分は、金型内に装着されて、該金型内で鋳包まれるようになっている。

Description

本発明は、内燃機関用のピストンであって、鋳造成形されたピストンヘッド、該ピストンヘッド内に鋳包まれた少なくとも１つのリング支持体、及び該リング支持体の高さで前記ピストンヘッド内に設けられた環状の冷却通路を有している形式のものに関する。

殊に高負荷を受ける内燃機関、例えばディーゼルエンジンにおいて、燃焼室に最も近い、つまり最上段の環状溝（リング溝）内にはめ込まれたピストンリング若しくはコンプレッションリングは、特に高い温度負荷にさらされる。したがって少なくとも最上段の環状溝は、補強部材としてのリング支持体によって形成されている。リング支持体は一般的に耐摩耗性の材料、若しくは鋳鉄、有利にはニレジスト鋳鉄或いはオーステナイト鋳鉄から製造されている。さらにリング支持体の高さに、シリンダーの全周にわたって延びる環状の冷却通路を設けてあり、冷却通路は、環状溝及び該環状溝内にはめ込まれたピストンリングの良好な冷却を保証するために、環状溝のできるだけ近くに配置されている。例伽気宇通路は、リング支持体に一体結合された冷却通路構成部分によって形成されている。ピストンの製造のために、リング支持体は該リング支持体に結合された冷却通路構成部分と一緒に金型（若しくは鋳型）内に装着されて、ピストン若しくはピストンヘッドの鋳造に際して鋳包まれて、ピストンヘッド内に保持されるようになっている。

鋳造成形のピストンの製造に際して金型内にソルトコアを挿入することによって環状の冷却通路を形成することも、公知である。ソルトコアはピストン若しくはピストンヘッドの鋳造の後に、冷却通路の形成のために冷却媒体用の流入通路若しくは流出通路を介して水で洗い流され、つまり溶かし出しされるようになっている。

リング支持体を鋳造することと、ソルトコア（塩中子とも称する）によって冷却通路を形成することを組み合わせて、別個の冷却通路構成部分を省略することは公知である、特開平０１−２２４１５８号明細書に記載の方法においては、繊維成形体とこれに組み込まれた塩中子（ソルトコア）とを用いるようになっている。ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９７０１０８５Ａ１号明細書及びドイツ連邦共和国実用新案出願公開第２９８２３５５２Ｕ１号明細書に記載の方法においては、リング支持体は保持部材によってソルトコアに結合されている。ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０３２５９１６Ａ１号明細書に記載の方法においては、リング支持体は背面側に下方へ向かって開いた切欠き部を有しており、切欠き部にソルトコアを受容するようになっている。

前記すべての手段は、ソルトコアとリング支持体との間に保持部材を取り付けること、若しくはリング支持体に切欠き部を形成することに基づき煩雑で手間を必要としている。

本発明の課題は、ピストンを改良して、少なくとも１つのリング支持体及び該リング支持体の高さに環状の冷却通路を有するピストンを簡単かつ安価に製造することである。

前記課題を解決するために本発明に基づくピストンにおいては、冷却通路の半径方向外側に位置する壁領域は、リング支持体によって画成されており、かつ冷却通路の残りの壁領域は、ピストンヘッドによって画成されている。本発明に基づく製造方法においては、環状のソルトコアを、環状のリング支持体若しくはリング支持体素材の半径方向内側の内周面に沿って、つまり該内周面と全周にわたって接触させ、前記環状のリング支持体若しくはリング支持体素材及び前記ソルトコアを、該ソルトコアと該リング支持体若しくはリング支持体素材との相互の結合のために、一緒に加熱し、前記リング支持体若しくはリング支持体素材と前記ソルトコアとを互いに結合して成る構成部分（構成ユニット）を、金型内に装着して、ピストン若しくはピストンヘッドの鋳造に際して鋳包むようになっている。

本発明に基づくピストンは、簡単な構造によって特徴付けられる。特にソルトコアとリング支持体との間の保持部材、並びにリング支持体によって完全に取り囲まれるべきソルトコアは省略されている。冷却通路をその全周にわたって直接に鋳造部分によってピストンヘッドに隣接させてある、つまりピストンヘッドの鋳造部分によって画成してあることに基づき、熱排出を改善して、効果的な冷却を可能にしている。これによってリング部分の負荷、特に冷却通路に対応して配置されたピストンリングの負荷は減少され、その結果、運転中における本発明に基づくピストンの機能の確実性並びに耐用年数を増大している。本発明に基づく製造方法は、公知の手段に比べて極めて簡単であり、かつ経済的に、つまり安価に実施され得るものである。

本発明の有利な実施態様を従属請求項に記載してある。一般的にリング支持体は最上段の環状溝を画成し、つまり最上段の環状溝を含んでおり、それというのは最上段のピストンリング（コンプレッションリング）、ひいては最上段の環状溝は高い熱的及び機械的な負荷にさらされるからである。少なくとも１つのリング支持体は、最上段の環状溝に隣接の環状溝、例えばオイルリングのための環状溝を画成している。

本発明の有利な実施態様では、少なくとも１つのリング支持体は例えばオーステナイト鋳鉄若しくはニレジスト鋳鉄から成っており、ニレジスト鋳鉄は、特に耐食性に優れていて、ピストンヘッドの材料に匹敵する熱特性若しくは膨張係数を有している。

本発明の製造方法の実施態様では、リング支持体素材を用いて、該リング支持体素材に、該リング支持体素材の鋳包み成形の後に、つまりピストン若しくはピストンヘッドの鋳造成形の後に、ピストンヘッド製造加工工程中に環状溝を加工成形している。ソルトコアを、有利にはリング支持体若しくはリング支持体素材の内周面の上側の縁（稜若しくはエッジ）及び下側の縁（稜若しくはエッジ）と接触させるようになっている。その結果、リング支持体若しくはリング支持体素材とソルトコアとを互いに締まり嵌めで結合してある。このようにしてリング支持体若しくはリング支持体素材とソルトコアとから簡単に形成された構成部分（１つの構成ユニット）は、前処理の後に、例えばアルフィン処理の後に容易に金型内に装着される。

リング支持体若しくはリング支持体素材のために使用された材料に応じて、リング支持体若しくはリング支持体素材及びソルトコアは４００乃至７５０℃の温度に、有利には７００℃の温度に加熱される。

ソルトコアを所定の位置でリング支持体若しくはリング支持体素材と極めて簡単に接触させるために、リング支持体若しくはリング支持体素材及びソルトコアは、加熱の前に位置決め装置内に配置されて、該位置決め装置と所定の箇所で全周にわたって接触させられる。このために位置決め装置は、リング支持体若しくはリング支持体素材及びソルトコアのための支持面を有していて、リング支持体若しくはリング支持体素材とソルトコアとを互いに正確に位置決めするようになっている。本発明の方法により、鋳造されたピストン若しくはピストンヘッドは完全に成形される。

次に本発明を図示の実施例に基づき詳細に説明する。図面において、
図１は、本発明に基づくピストンの実施例の断面図であり、
図２は、位置決めされたリング支持体及び位置決めされたソルトコアを含む位置決め装置の半分の斜視図であり、
図３は、図２の位置決め装置の半分の別の状態の斜視図である。

図１は、本発明に基づくピストンの実施例の断面図であり、図２は位置決め装置の半分を、該位置決め装置内に挿入されたリング支持体及びソルトコアと一緒に断面して斜視図で示す図であり、図３は、図２に示す位置決め装置の半分を、該位置決め装置内に挿入されたリング支持体とソルトコアとを互いに結合した状態で断面して斜視図で示す図である。

図１には本発明に基づくピストン１０の実施例を示してある。ピストン１０は、ピストンヘッド１１及び、該ピストンヘッドに軸線方向で接続するピストンスカート部１２を含んでいる。ピストンヘッド１１はピストン燃焼室（深皿型燃焼室）１３並びに、外周に設けられたリング部１４を有しており、リング部１４は、ピストンリング（図示省略）の受容のための環状溝を備えている。ピストンスカート部１２の領域には、ピストンピン（図示省略）の受容のための孔１５を設けてある。ピストン１０は図示の実施例では金属材料、例えばアルミニウム合金から鋳造成形されている。

リング部１４の最上段の環状溝１６、つまりコンプレッションリング溝は、例えば耐食性及び耐熱性のねずみ鋳鉄、例えばニレジスト鋳鉄から成るリング支持体１７に形成（画成）されている。ピストンヘッド１１はさらに、環状溝１６若しくはリング支持体１７の高さに、環状に延びる、つまりピストンヘッドの全周にわたって延びる冷却通路１８を有している。この場合に、冷却通路１８の半径方向外側に向けられた、つまり半径方向外側に位置する壁領域１９はもっぱらリング支持体１７自体によって、すなわちリング支持体１７の半径方向内側の内周面２１によって画成されている。冷却通路１８の残りの壁領域、つまり半径方向内側に向けられた壁領域２２、軸線方向上側に向けられた壁領域２３、並びに軸線方向下側に向けられた壁領域２４は、ピストンヘッド１１自体によって画成されている。図示の実施例では冷却通路１８の軸線方向下側に向けられた壁領域２４に、冷却媒体のための流入通路若しくは流出通路２５を設けてある。

ピストン１０の製造のための本発明に基づく方法の第１の工程は、図２及び図３に示してある。まず、まだ環状溝（リング溝）を備えていないリング支持体素材２６は、位置決め装置２７内に装着される。もちろん完成したリング支持体１７を用いることも可能である。図示の実施例でほぼシャーレ状若しくは深皿形の位置決め装置２７は、中央の支持面２８、及び段部として形成されていて環状に延びる外側の支持面２９を有しており、外側の支持面は環状の縁部３１によって画定されている。位置決め装置２７は熱伝導性の低い材料、例えばセラミック材料から成っている。図示の実施例では、後続の加熱は別個の加熱装置、例えば加熱炉で行われるようになっている。別の実施例（図示省略）において位置決め装置内に加熱装置を組み込むことも可能であり、この場合には後続の加熱（加熱工程）は位置決め装置によって行われ、該位置決め装置は熱伝導性の材料から成っていてよい。

リング支持体素材２６は位置決め装置２７内に次のように装着され、つまりリング支持体素材は該素材の外側の縁部３２でもって、位置決め装置の外側の環状の支持面２９上に載せられている。位置決め装置の環状の縁部３１とリング支持体素材２６との間、並びに位置決め装置の中央の支持面２８とリング支持体素材２６との間にはそれぞれ間隔を生ぜしめてある。つまり、リング支持体素材２６は、位置決め装置の環状の縁部３１に対しても、中央の支持面２８に対しても所定の遊びでもって位置決めされている。

次いで環状のソルトコア３３を位置決め装置２７内に次のように挿入し、つまりソルトコアは、リング支持体素材２６の半径方向内側の内周面２１と少なくとも部分的に接触させられている。この場合にソルトコアは中央の支持面２８上に載せられている。つまりソルトコアは中央の支持面に接触している。リング支持体素材２６を支持するために外側の段部として形成された環状の支持面２９の高さ寸法は、ソルトコア３３がリング支持体素材２６に対して所定の位置を占め、つまり所定の位置でリング支持体素材２６と接触するように規定されている。図示の実施例では、環状の支持面２９の高さ寸法（所定の位置）は、ソルトコア３３がリング支持体素材２６の半径方向内側の内周面２１の上側の環状の縁３４と下側の環状の縁３５とにそれぞれ接触するように設定されている。この場合に半径方向内側の内周面２１は凹状に湾曲されており、その結果、該内周面とソルトコア３３の隣接の側面との間には所定の間隙３６を形成してある。

続く工程でリング支持体素材２６及びソルトコア３３は一緒に加熱される。温度は、特にリング支持体素材２６のために使用される材料に依存していて、ニレジスト鋳鉄から成るリング支持体素材２６にとって約７００℃である。ソルトコア３３は大きな熱膨張係数に基づきリング支持体素材２６に向かって膨張する。リング支持体素材及びソルトコアの加熱過程のために、環状の縁部３１及び中央の支持面２８に対する前述の所定の遊び、並びにソルトコア３３に対する所定の間隙３６は設けられている。図３に明瞭に示してあるように、間隙３６若しくは所定の遊びは図２に比べて減少されている。

加熱の結果として、ソルトコア３３の膨張に際して、半径方向内側の内周面２１の上側の環状の縁３４及び下側の環状の縁３５は、ソルトコア３３内に食い込み若しくは押し入ることになる。結果的に、ソルトコア３３とリング支持体素材２６とは互いに収縮嵌め若しくは締まり嵌めの形式で結合されて、一体的な１つの構成部分（構成ユニット）を成している。ソルトコアとリング支持体素材との間の結合は冷却の後にも緩むことなく保たれている。これにより、ソルトコアとリング支持体素材とから一体成形された構成部分は、位置決め装置２７から問題なく取り出される。一体成形された構成部分は、必要に応じて前処理され、例えばアルフィン処理され、次いで金型内に移されて、つまり金型内に装着されて、図示の実施例ではアルミニウム材料によって鋳包まれる。このようにして、リング支持体素材２６を鋳包みした状態で成形されて成るピストン１０が得られ、つまり鋳包み成形される。リング支持体素材２６は、環状溝１６を加工成形されて、リング支持体１７として完成される。ソルトコア３３は公知の手段によって、つまり流入通路若しくは流出通路２５を介して水で洗い流される。

本発明に基づくピストンの実施例の断面図 位置決め装置の半分の斜視図 図２の位置決め装置の半分の別の状態の斜視図

符号の説明

１０ ピストン、 １１ ピストンヘッド、 １２ ピストンスカート部、 １３ ピストン燃焼室、 １４ リング部、 １６ 環状溝、 １７ リング支持体、 １８ 冷却通路、 １９ 壁領域、 ２１ 内周面、 ２２，２３，２４ 壁領域、 ２５ 流入通路若しくは流出通路、 ２６ リング支持体素材、 ２７ 位置決め装置、 ２８，２９ 支持面、 ３１，３２ 縁部、 ３３ ソルトコア、 ３４，３５ 縁、 ３６ 間隙

Claims (13)

1. 内燃機関用のピストン（１０）であって、鋳造成形されたピストンヘッド（１１）、該ピストンヘッド（１１）内に鋳包まれた少なくとも１つのリング支持体（１７）、及び該リング支持体（１７）の高さで前記ピストンヘッド（１１）内に設けられた環状の冷却通路（１８）を有している形式のものにおいて、前記冷却通路（１８）の半径方向外側に向けられた壁領域（１９）は、前記リング支持体（１７）によって画成されており、かつ前記冷却通路（１８）の残りの壁領域（２２，２３，２４）は、前記ピストンヘッド（１１）によって画成されていることを特徴とする、内燃機関用のピストン。
2. リング支持体（１７）は最上段の環状溝（１６）を画成している請求項１に記載のピストン。
3. リング支持体（１７）は、最上段の環状溝（１６）に隣接の環状溝を画成している請求項１又は２に記載のピストン。
4. 少なくとも１つのリング支持体（１７）はニレジスト鋳鉄から成っている請求項１から３のいずれか１項に記載のピストン。
5. 内燃機関用のピストン（１０）のための製造方法であって、該ピストンは鋳造成形されたピストンヘッド（１１）、該ピストンヘッド（１１）内に鋳包まれた少なくとも１つの環状のリング支持体（１７）、及び前記リング支持体（１７）の高さで前記ピストンヘッド（１１）内に設けられた環状の冷却通路（１８）を有している形式のものにおいて、次の工程を含んでおり、つまり、
   ａ） 環状のソルトコア（３３）は、前記環状のリング支持体（１７）若しくはリング支持体素材（２６）の半径方向内側の内周面（２１）に沿って少なくとも部分的に接触させられ、
   ｂ） 前記環状のリング支持体（１７）若しくはリング支持体素材（２６）及び前記ソルトコア（３３）は、該ソルトコア（３３）と該リング支持体（１７）若しくはリング支持体素材（２６）とを互いに結合するために、一緒に加熱され、
   ｃ） 前記リング支持体（１７）若しくはリング支持体素材（２６）と前記ソルトコア（３３）とを互いに結合して成る構成部分は、金型内に装着され、
   ｄ）前記構成部分は前記金型内で鋳包まれるようになっていることを特徴とする、内燃機関用のピストンのための製造方法。
6. ソルトコア（３３）は、リング支持体（１７）若しくはリング支持体素材（２６）の内周面の上側の縁（３４）及び下側の縁（３５）と接触させられる請求項５に記載の製造方法。
7. リング支持体（１７）若しくはリング支持体素材（２６）とソルトコア（３３）とは互いに締まり嵌めで結合される請求項５又は６に記載の製造方法。
8. リング支持体（１７）若しくはリング支持体素材（２６）及びソルトコア（３３）は６００乃至７５０℃の温度に加熱される請求項５から７のいずれか１項に記載の製造方法。
9. リング支持体（１７）若しくはリング支持体素材（２６）及びソルトコア（３３）は、加熱の前に位置決め装置（２７）内に配置されて、該位置決め装置と少なくとも部分的に接触させられる請求項５から８のいずれか１項に記載の製造方法。
10. リング支持体（１７）若しくはリング支持体素材（２６）はニレジスト鋳鉄から製造される請求項５から９のいずれか１項に記載の製造方法。
11. リング支持体若しくはリング支持体素材とソルトコアとから成る構成部分は、金型内への装着の前に前処理され若しくはアルフィン処理される請求項１０に記載の製造方法。
12. リング支持体素材（２６）を用いて、該リング支持体素材（２６）に、鋳包み成形の後に環状溝（１６）を加工成形する請求項５から１１のいずれか１項に記載の製造方法。
13. ピストン（１０）若しくはピストンヘッド（１１）を成形する請求項５から１２のいずれか１項に記載の製造方法。

Images