JP2010096022A - ピストン耐摩環、そのピストン耐摩環を備えたピストンおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】クーリングチャンネルと耐摩環との良好な溶接が得られ、優れた耐摩耗性を有するピストン耐摩環、そのピストン耐摩環を備えたピストンおよびその製造方法を提供すること。
【解決手段】エンジンのピストン１５を鋳造する際にピストン１５に鋳込まれるピストン耐摩環３２であって、円環状の耐摩環４１と、耐摩環４１の放射内方側で耐摩環４１に当接して収容され、この当接部分が全周囲に亘り溶接されるクーリングチャンネル４２とを有し、クーリングチャンネル４２が、内方側壁面部と、上側壁面部と、下側壁面部とを有するとともに、内部にディーゼルエンジン１０のオイルを流通させる環状オイル通路４２ｍを有し、環状オイル通路４２ｍと外部空間とを連通する連通孔４３が、内方側壁面部、上側壁面部および前記下側壁面部のうち少なくともいずれかの壁面部に形成されたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ピストン耐摩環、そのピストン耐摩環を備えたピストンおよびその製造方法に関し、特に、溶接されたクーリングチャンネルを備えたピストン耐摩環、そのピストン耐摩環にオイルを供給するオイル通路を有するピストンおよびその製造方法に関する。

一般にエンジンのピストンは、高速で往復運動するので、慣性質量を小さくする必要があり、より軽量なアルミニウム合金で製造されている。このようなピストンに装着されるピストンリングは、より高い耐摩耗性が要求されるため、より高硬度のピストンリングが使用されている。この高硬度のピストンリングがピストンとともに高速で往復運動すると、ピストンに形成されたピストンリング溝部が、繰り返し衝撃を受けピストンリング溝部が摩耗し変形してしまうおそれがある。特に、アルミニウム合金製のピストンでは、摩耗や変形が生じ易い。また、燃焼温度および燃焼圧が高いディーゼルエンジンのピストンでは、ピストンの頂面近傍に形成されたトップリング溝部が受ける衝撃も大きく、摩耗や変形が生じ易い。このようなトップリング溝部の摩耗や変形により、ピストンの外周面とピストンを収容するシリンダブロックの内壁面との間の隙間からガス漏れが生じたり、この隙間に供給されるオイルの量が不足したりして、エンジンの出力が低下してしまうという問題がある。

このようなトップリング溝部の摩耗や変形を抑制するため、このトップリング溝部をピストンよりも耐摩耗性の高いものにしている。例えば、このトップリング溝部に、ピストンを形成するアルミニウム合金よりも高硬度、かつアルミニウム合金とほぼ同じ熱膨張係数を有するとともに、高温時にも耐摩耗性を発揮するニレジスト鋳鉄からなるピストン耐摩環が予め作製されている。次いで、このピストン耐摩環をピストンの鋳造の際に鋳込み、鋳込まれたピストン耐摩環にトップリング溝を形成するようにしている。

従来、この種のピストン耐摩環として、図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、ニレジスト鋳鉄からなる耐摩環２と、ステンレス鋼からなり、半径方向に切断した断面がコの字状のクーリングチャンネル３とを含んで構成されたピストン耐摩環１が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このピストン耐摩環１においては、クーリングチャンネル３のコの字状の開口部側を耐摩環２の内周部に２点鎖線Ｙで示すように全周に亘って、プラズマ溶接機などの溶接機で溶接することにより、クーリングチャンネル３の内部に環状オイル通路４を形成している。すなわち、耐摩環２の内周部に溶接されたクーリングチャンネル３の環状オイル通路４内にオイルを流通させることにより、耐摩環２を冷却し、耐摩耗性を向上させるようにしている。
特開平４−３００４６６号公報

しかしながら、従来のピストン耐摩環の場合には、図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、耐摩環２とクーリングチャンネル３との当接部分を、矢印Ａで示す方向に順次溶接し、元の溶接の開始位置まで全周に亘って溶接しているので、最後に溶接する位置、すなわち溶接開始位置５の近傍を溶接する際には、環状オイル通路４内の空気は著しく高温になっている。内部空気の温度が高くなる程、内部空気は大きく膨張し、Ｙで示す溶接ビード部における溶接直後の未凝固箇所６または溶接開始位置５の近傍の未溶接部分７から矢印で示すように内部空気が外部空間に噴き出して溶接されない貫通孔が形成されてしまう。この貫通孔の周辺部位では適正な溶接がなされず溶接不良となってしまうという問題があった。

このような溶接不良部分が残るピストン耐摩環１を鋳込んでピストンを製造した場合、ピストン耐摩環１とピストンの界面の溶接不良部分で両者の密着性が欠け、両者が溶接不良部分で剥離してしまうという問題があった。ピストン内部でこのような剥離が生ずると、クーリングチャンネル３の冷却機能や耐摩環２の機械的強度が低下して耐摩環２の耐摩耗性が低下してしまうという問題があった。さらに、ピストンに加わる衝撃により、ピストン耐摩環１とピストンの界面の剥離が進行すると、ピストンに亀裂が生じピストン耐摩環１がピストンから脱落してしまうおそれがあるという問題があった。

本発明は、前述の従来の問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。すなわち、本発明は、クーリングチャンネルと耐摩環との良好な溶接が得られ、優れた耐摩耗性を有するピストン耐摩環、そのピストン耐摩環を備えたピストンおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るピストン耐摩環は、目的を達成するため、（１）エンジンのピストンを鋳造する際に前記ピストンに鋳込まれるピストン耐摩環であって、外周面部にピストンリング溝が形成される円環状の耐摩環と、前記耐摩環の放射内方側で前記耐摩環に当接して収容されるとともに、前記当接した当接部分の全周囲に亘り、溶接手段により溶接されるクーリングチャンネルとを有し、前記クーリングチャンネルが、放射内方側に位置する内方側壁面部と、軸線方向に直交する上側壁面部と、前記上側壁面部と反対側の下側壁面部とを有するとともに、内部に前記エンジンのオイルを流通させる環状オイル通路を有し、前記環状オイル通路と外部空間とを連通する連通孔が、前記内方側壁面部、前記上側壁面部および前記下側壁面部のうち少なくともいずれかの壁面部に形成されたことを特徴とする。

この構成により、耐摩環とクーリングチャンネルとの当接部分が、順次溶接され、元の溶接の開始位置まで全周に亘って溶接が行われる際、最後に溶接する位置で、従来生じていた溶接不良部分の発生が解消される。すなわち、溶接の際に生ずる熱の影響により、環状オイル通路内の空気が著しく高温になっても、連通孔が形成されているので、従来の溶接の際に起きた内部空気の膨張が起きることはない。内部空気が膨張しないので、従来の溶接のように溶接開始位置の近傍の未溶接部分から内部空気が外部空間に噴き出して溶接されない貫通孔が形成されてしまうようなことはなく、溶接不良となってしまうということはない。
したがって、溶接不良部分が残るピストン耐摩環がピストンに鋳込まれることはなく、ピストン耐摩環とピストンの界面とが確実に密着し、ピストン耐摩環がピストンから剥離することはない。

上記（１）に記載のピストン耐摩環において、（２）前記連通孔の近傍の前記クーリングチャンネルの厚みをｔとすると、前記連通孔の直径が、０．５ｔ（ｍｍ）〜１．５ｔ（ｍｍ）の大きさを有することが好ましい。

この構成により、連通孔の直径が適正な値で形成されているので、内部の空気が連通孔から外部空間に排出され易く、ピストン耐摩環がピストンに鋳込まれる際に、溶融金属が連通孔から内部に流入することが抑制される。したがって、流入した金属により環状オイル通路が狭くなってしまうようなこともなく、良好な環状オイル通路を有するクーリングチャンネルが得られる。

上記（１）または（２）に記載のピストン耐摩環において、（３）前記クーリングチャンネルが、放射外方側に開口する環状オイル通路が形成された開口面部を有し、前記耐摩環が前記外周面部から離隔した内周面部を有し、前記開口面部と前記内周面部とが当接する当接部分を前記溶接手段により溶接されるもので構成される。

この構成により、クーリングチャンネルが容易に形成されるとともに、クーリングチャンネルが耐摩環に容易に溶接され、さらに、耐摩環の内周面部が環状オイル通路の一部を構成しているので、環状オイル通路内を流通するオイルにより耐摩環が直接冷却される。

本発明に係るピストンは、目的を達成するため、（４）前記請求項１ないし請求項３の少なくともいずれか１の請求項に記載のピストン耐摩環が鋳込まれたピストンであって、前記連通孔と前記ピストンの外部空間とを連通させ、前記外部空間に開口する開口部から前記クーリングチャンネルの前記環状オイル通路内に前記オイルを流通させるオイル通路が形成されたことを特徴とする。

この構成により、ピストン耐摩環に形成された連通孔が、オイル通路の一端と連通し、オイル通路の開口として機能することになる。この場合、従来技術のように、ピストン耐摩環の溶接不良部分が、クーリングチャンネルと外部空間とを結ぶオイル通路以外の部分に位置してしまい、ピストンに加わる衝撃により、溶接不良部分に亀裂が生じ、さらに衝撃の繰り返しにより亀裂が進行してピストン耐摩環がピストンから脱落するおそれは生じない。したがって、優れた耐久性を有するピストンが得られる。

本発明に係るピストンの製造方法は、目的を達成するため、（５）請求項１に記載の耐摩環を形成する耐摩環形成工程と、請求項１ないし請求項３の少なくともいずれか１の請求項に記載のクーリングチャンネルを形成するクーリングチャンネル形成工程と、前記クーリングチャンネルに請求項１または請求項２に記載の連通孔を形成する連通孔形成工程と、請求項３に記載の当接部分を溶接により接合しピストン耐摩環を形成するピストン耐摩環形成工程と、前記ピストン耐摩環を鋳込んでピストンを形成するピストン本体形成工程と、前記ピストンに、請求項４に記載のオイル通路を形成するオイル通路形成工程と、を含むことを特徴とする。

この構成により、耐摩環形成工程、クーリングチャンネル形成工程およびピストン耐摩環形成工程を経てピストン耐摩環が形成されるので、溶接不良部分が残るピストン耐摩環がピストンに鋳込まれることはなく、ピストン耐摩環とピストンの界面とを確実に密着させることができる。また、良好な環状オイル通路を有するピストン耐摩環が適正にピストンに鋳込まれているので、ピストン耐摩環の冷却機能および機械的強度が向上し、耐摩耗性が著しく改善され、優れた耐摩耗性を有するピストン耐摩環を備えたピストンが得られる。
また、オイル通路形成工程により、オイル通路がピストンに形成されるので、連通孔から亀裂が生ずることはない。また、従来技術のように、ピストン耐摩環の溶接不良部分が、オイル通路以外の部分に位置してしまい、ピストンに加わる衝撃により溶接不良部分から生ずる亀裂もなく、ピストン耐摩環がピストンから脱落してしまうという弊害が起きないので、優れた耐久性を有するピストンが得られる。

上記（５）に記載のピストンの製造方法において、（６）前記ピストン耐摩環形成工程が、前記耐摩環の内周面部と前記クーリングチャンネルの開口面部とが当接する前記当接部分を溶接する溶接工程を含み、前記連通孔形成工程が、前記溶接工程よりも先に行われるよう構成する。

この構成により、連通孔形成工程が、溶接工程よりも先に行われるので、耐摩環とクーリングチャンネルとの当接部分が溶接される際、クーリングチャンネルに既に連通孔が形成されており、従来生じていた溶接不良部分の発生が解消される。すなわち、溶接の際に生ずる熱の影響により、環状オイル通路内の空気が著しく高温になっても、連通孔が形成されているので、従来の溶接の際に起きた内部空気の膨張が起きることはない。内部空気が膨張しないので、従来の溶接のように溶接開始位置の近傍の未溶接部分から内部空気が外部空間に噴き出して溶接されない貫通孔が形成されてしまうようなことはなく、溶接不良となってしまうということはない。
したがって、溶接不良部分が残るピストン耐摩環がピストンに鋳込まれることはなく、ピストン耐摩環とピストンの界面とが確実に密着し、ピストン耐摩環の冷却機能および機械的強度が向上し、耐摩耗性が著しく改善され、優れた耐摩耗性を有するピストン耐摩環を備えたピストンが得られる。

本発明によれば、クーリングチャンネルと耐摩環との良好な溶接が得られ、優れた耐摩耗性を有するピストン耐摩環、そのピストン耐摩環を備えたピストンおよびその製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態に係るピストン耐摩環およびこのピストン耐摩環が鋳込まれたピストンについて、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るピストン耐摩環が鋳込まれたピストンを含むディーゼルエンジンの部分断面図である。図２（ａ）は、ピストン耐摩環が鋳込まれたピストンの一部を破断した分解斜視図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の部分拡大斜視図であり、図３（ａ）は、ピストン耐摩環の平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＣ−Ｃ断面を示す断面図であり、図３（ｃ）は、図３（ｂ）の一部を拡大した部分拡大断面図である。
図４（ａ）は、耐摩環の平面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＤ−Ｄ断面を示す断面図であり、図５（ａ）は、クーリングチャンネルの平面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＥ−Ｅ断面を示す断面図である。

まず、構成を説明する。
図１に示すように、ディーゼルエンジン１０は、シリンダ１１を備えたシリンダブロック１２と、シリンダブロック１２に固定されたシリンダヘッド１３と、シリンダヘッド１３に固定されたシリンダヘッドカバー１４と、シリンダ１１内に収容されたピストン１５と、ピストン１５と図示しないクランクシャフトとを連結するコネクティングロッド１６と、ピストン１５とコネクティングロッド１６とを回転可能に連結するピストンピン１７と、シリンダヘッド１３内に収容された吸気バルブ１８および吸気バルブ１８を駆動する吸気カムシャフト１９と、排気バルブ２１および排気バルブ２１を駆動する排気カムシャフト２２と、インジェクタ２３とを含んで構成されている。シリンダブロック１２とシリンダヘッド１３との間には、シリンダヘッドガスケット２４が介装されており、シリンダ１１の気密性が確保されている。

シリンダブロック１２は、図示しない他の３個のシリンダを含めて直列４気筒のディーゼルエンジン１０を構成している。なお、ディーゼルエンジン１０は、直列４気筒のものに限られず、Ｖ型などのように任意に気筒配列された多気筒や単気筒であってもよく、ガソリンエンジンなどの公知のエンジンであってもよい。

このシリンダブロック１２は、例えば、鋳鉄やアルミ合金などの金属からなり、シリンダ１１を囲むシリンダブロック１２の内壁面部１２ｎには、耐摩耗性の高い高硬度の金属からなるシリンダライナ１２ｓが設けられており、内壁面部１２ｎの耐久性を高めている。また、シリンダ１１の周囲には、ウォータージャケット１２ｗが設けられており、ウォータージャケット１２ｗ内に冷却水が流通し、シリンダ１１の内壁面部１２ｎおよびピストン１５を冷却するようになっている。また、シリンダブロック１２の図示しない側面部で、エンジンマウントを介して車体にマウントされている。

シリンダヘッド１３は、シリンダブロック１２と同様、鋳鉄やアルミ合金など金属からなり、一端が図示しない吸気マニホールドの吸気通路に連通し他端がシリンダ１１に連通する吸気ポート１３ｋｐと、一端が図示しない排気マニホールドの排気通路に連通し他端がシリンダ１１に連通する排気ポート１３ｈｐとを有している。

吸気ポート１３ｋｐ内には、吸気バルブ１８が収容されており、排気ポート１３ｈｐ内には、排気バルブ２１が収容されている。また、吸気ポート１３ｋｐとシリンダ１１との連通部分には、吸気バルブ１８が着座するバルブシート部１３ｋｓが形成されており、吸気バルブ１８の昇降によりバルブシート部１３ｋｓが開閉されるようになっている。また、排気ポート１３ｈｐとシリンダ１１との連通部分には、排気バルブ２１が着座するバルブシート部１３ｈｓが形成されており、バルブシート部１３ｈｓが開閉されるようになっている。

このシリンダヘッド１３の下面、シリンダ１１およびピストン１５の頂面により燃焼室１１ｎが画成されており、この燃焼室１１ｎ内には吸気ポート１３ｋｐから吸入空気が流入するようになっている。また、シリンダヘッド１３には、インジェクタ２３が収容されており、このインジェクタ２３から燃料が燃焼室１１ｎ内に噴射され、吸入空気と混合し混合気が生成されるようになっている。吸気バルブ１８および排気バルブ２１により密閉された燃焼室１１ｎ内の混合気は、ピストン１５の上昇により高圧縮されて爆発、膨張し、このエネルギーによりピストン１５が下降し、コネクティングロッド１６を介してクランクシャフトに動力が出力される。

シリンダヘッドカバー１４は、例えば、アルミ合金やマグネシウムなどの軽量な金属、プラスチックなどの軽量な材料からなり、シリンダヘッド１３を覆って密封しシリンダブロック１２およびシリンダヘッド１３の内部の潤滑油が外部に漏れないようになっている。
また、シリンダヘッドカバー１４の内壁面部には、図示しないオイルシャワーパイプが装着されており、このオイルシャワーパイプから吸気カムシャフト１９および排気カムシャフト２２に向けてオイルが放出され、吸気カムシャフト１９および排気カムシャフト２２のカム部やジャーナル部が潤滑されるようになっている。

図２（ａ）に示すように、ピストン１５は、ピストン本体３１と、ピストン本体３１の鋳造時にピストン本体３１に鋳込まれるピストン耐摩環３２と、トップリング３３と、セカンドリング３４と、オイルリング３５とを含んで構成されている。

ピストン本体３１は、例えば、アルミ合金などの軽量な金属で円筒状に鋳造され、頂部３１ｔと、外周面部３１ｓと、頂部３１ｔと反対側に位置する底面部３１ｍと、ピストン本体３１の軸線方向と直交する方向に形成されたピンボス部３１ｐとを含んで構成されている。
頂部３１ｔには、凹部３１ｔｏが形成されており、この凹部３１ｔｏにより燃焼室１１ｎの一部が画成されている。

外周面部３１ｓには、頂部３１ｔと近接する側に鋳込まれているピストン耐摩環３２にトップリング溝３１ｓｔが形成されており、このトップリング溝３１ｓｔにトップリング３３が装着されるようになっている。また、外周面部３１ｓの頂部３１ｔと離隔する側には、オイルリング溝３１ｓｏが形成されており、このオイルリング溝３１ｓｏにオイルリング３５が装着されるようになっている。

また、外周面部３１ｓのトップリング溝３１ｓｔとオイルリング溝３１ｓｏとの間には、セカンドリング溝３１ｓｓが形成されており、このセカンドリング溝３１ｓｓにセカンドリング３４が装着されるようになっている。
ピンボス部３１ｐには、貫通孔３１ｍｋがピストン本体３１の軸線方向と直交する方向、すなわちピンボス部３１ｐの軸線と同軸上に形成されており、ピストンピン１７が挿入されるようになっている。

また、ピストン本体３１には、図２（ｂ）に示すように、一端がピストン耐摩環３２と接続され、他端が底面部３１ｍで開口するオイル通路３１ｏが複数箇所に形成されており、底面部３１ｍの開口からオイルが供給され、オイル通路３１ｏを通ってピストン耐摩環３２内に流入し、ピストン耐摩環３２内を流通して、ピストン耐摩環３２を冷却した後、図示しない他のオイル通路３１ｏを通って底面部３１ｍの開口から排出されるようになっている。

図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、ピストン耐摩環３２は、耐摩環４１と、クーリングチャンネル４２とを含んで構成されており、耐摩環４１とクーリングチャンネル４２とが溶接により結合し一体構造となっている。

耐摩環４１は、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および図４（ａ）、（ｂ）に示すように、例えば、ニレジスト鋳鉄などの優れた耐摩耗性を有する金属からなり、円環状に形成されている。耐摩環４１は、ピストン本体３１の外周面部３１ｓの外径とほぼ同じ外径Ｄｔｏと、所定の内径Ｄｔｉと、所定の高さＨｔとを有している。

耐摩環４１は、外周面部４１ｇと、この外周面部４１ｇの反対側の内周面部４１ｎとを有しており、外周面部４１ｇには、トップリング溝３１ｓｔが形成されるようになっている。また、内周面部４１ｎは、クーリングチャンネル４２が嵌め込まれるようになっている。

耐摩環４１の所定の外径Ｄｔｏ、所定の内径Ｄｔｉおよび所定の高さＨｔは、このトップリング溝３１ｓｔの深さおよび幅に対応して決定される。この耐摩環４１の外周面部４１ｇは、ディーゼルエンジン１０が始動して適温となり、耐摩環４１が熱膨張した状態で、真円に近づくよう略楕円形に形成されており、ピストン１５がシリンダ１１内に収容され、ディーゼルエンジン１０の適温時には、耐摩環４１の外周面部４１ｇと、シリンダ１１を囲むシリンダブロック１２の真円に形成された内壁面部１２ｎのシリンダライナ１２ｓとの間に均一な隙間が画成されるようになっている。

図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および図５（ａ）、（ｂ）に示すように、クーリングチャンネル４２は、例えば、ＳＵＳ３０４などのステンレス鋼からなり、円環状に形成され、放射内方側に位置する内方側壁面部４２ｎｗと、軸線方向に直交する上側壁面部４２ｊｗと、上側壁面部４２ｊｗと反対側の下側壁面部４２ｋｗとを有し、放射外方に開口するコの字状の断面を有する溝が全周囲に形成されている。この溝は、本発明に係るピストン耐摩環の環状オイル通路４２ｍを構成しており、環状オイル通路４２ｍ内には、オイルが流通するようになっている。

また、クーリングチャンネル４２は、開口側に位置する開口面部４２ｋｍを有し、この開口面部４２ｋｍが耐摩環４１の内周面部４１ｎと当接するようになっている。
クーリングチャンネル４２は、耐摩環４１の内径Ｄｔｉよりも僅かに小さな外径Ｄｃｏを有しており、耐摩環４１の放射内方側に嵌め込まれるようになっている。また、クーリングチャンネル４２は、所定の内径Ｄｃｉと、耐摩環４１の高さＨｔとほぼ同一の高さＨｃと、均一に形成された所定の厚みｔとを有しており、高さＨｃ、内径Ｄｃｉおよび厚みｔは、環状オイル通路４２ｍ内を流通するオイルの流量、すなわちクーリングチャンネル４２に要求される冷却能力に応じて適宜決定される。

また、クーリングチャンネル４２の上側壁面部４２ｊｗには、連通孔４３、４４が形成されており、連通孔４３、４４により、環状オイル通路４２ｍと外部空間とが連通している。
環状オイル通路４２ｍと外部空間とが連通しているので、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、耐摩環４１とクーリングチャンネル４２とが溶接される際に、内部の空気が連通孔４３、４４から外部空間に排出され、クーリングチャンネル４２の内圧の上昇が抑制され良好な溶接が行われる。

なお、この連通孔４３、４４は、上側壁面部４２ｊｗと、下側壁面部４２ｋｗと、内方側壁面部４２ｎｗのいずれか一方の一箇所のみに形成してもよく、３以上の複数箇所に形成されていてもよい。また、この連通孔４３、４４は、一方が上側壁面部４２ｊｗに形成され、他方が下側壁面部４２ｋｗまたは内方側壁面部４２ｎｗに形成されていてもよい。

また、この連通孔４３の直径は、厚みｔの０．５倍ないし１．５倍、すなわち０．５ｔないし１．５ｔであることが好ましい。連通孔４３の直径が、０．５ｔ未満であると、耐摩環４１とクーリングチャンネル４２とが溶接される際に、内部の空気が連通孔４３、４４から外部空間に排出され難くなり、良好な溶接が得られないことがある。他方、連通孔４３の直径が、１．５ｔを超えると、ピストン耐摩環３２がピストン１５に鋳込まれる際に、溶融金属が連通孔４３から内部に流入し、流入した金属により環状オイル通路４２ｍを狭くしてしまうことがある。連通孔４４も連通孔４３と同様に形成されている。

本実施の形態の耐摩環４１の外径Ｄｔｏ、内径Ｄｔｉ、高さＨｔ、クーリングチャンネル４２の外径Ｄｃｏ、内径Ｄｃｉ、高さＨｃ、厚みｔなどの寸法は、ピストン耐摩環３２により構成されるピストン１５の構造、形状、大きさ、材料およびピストン１５により構成されるディーゼルエンジン１０の仕様などの設計諸元により適宜決定される。

図２（ａ）に示すように、トップリング３３は、鋳鉄や鋼鉄などの金属で、円環状に形成された環状部３３ｋと、この環状部３３ｋの一部を切断した合い口部３３ａとを含んで構成されており、薄幅・軽量化に耐える高強度や高靱性と、熱ヘタリに強い耐熱性と、摩擦抵抗を減らす低フリクションで、かつ長寿命の皮膜の形成し易い特性を有している。

トップリング３３は、トップリング溝３１ｓｔに装着された際、ピストン１５の外周面部３１ｓとシリンダブロック１２の内壁面部１２ｎのシリンダライナ１２ｓとの間のすき間を無くし、燃焼室１１ｎから図示しないクランクケース側に圧縮ガス、すなわちブローバイガスが抜けるのを防ぐようにしている。

また、合い口部３３ａが閉じた状態でトップリング３３が装着されるため、放射外方へ開こうとする張力、すなわち元の形状に復帰しようとする復元力により、トップリング３３とシリンダブロック１２の内壁面部１２ｎのシリンダライナ１２ｓとが密着し、ピストン１５の熱をシリンダブロック１２に伝達するようにしている。
また、環状部３３ｋの外周面には、窒化クロムからなる硬質皮膜を形成するコーティングや硬質クロムメッキなどの表面処理が施されており、耐摩耗性の向上が図られている。

セカンドリング３４は、トップリング３３と同様に、鋳鉄や鋼鉄などの金属で、円環状に形成された環状部３４ｋと、この環状部３４ｋの一部を切断した合い口部３４ａとを含んで構成されており、トップリング３３の機能を補いながら、ピストン１５の外周面部３１ｓとシリンダブロック１２の内壁面部１２ｎのシリンダライナ１２ｓとの間の余分なオイルを掻き下げるオイルコントロール機能も有している。

オイルリング３５は、トップリング３３と同様に、鋳鉄や鋼鉄などの金属で、円環状に形成された環状部３５ｋと、この環状部３５ｋの一部を切断した合い口部３５ａと、環状部３５ｋの放射内方側に配置され、環状部３５ｋを放射外方に拡径する押圧力が作用するよう環状に形成したコイルスプリングからなるエキスパンダ３５ｅとを含んで構成されている。このエキスパンダ３５ｅにより、トップリング３３およびセカンドリング３４の張力よりも高い張力がオイルリング３５に付与されるとともに、環状部３５ｋの外周に溝部３５ｋｍを形成し、オイルリング３５とシリンダブロック１２の内壁面部１２ｎのシリンダライナ１２ｓとの接触部分を二重にして、前述のオイルコントロール機能を向上させている。

コネクティングロッド１６は、軽量かつ機械的強度の高い金属からなり、一端がピストンピン１７と回動可能に連結され、他端が図示しないクランクピンと連結されており、ピストン１５の往復直線運動をクランクシャフトの回転運動へ変換するよう構成されている。

ピストンピン１７は、ピストン本体３１の貫通孔３１ｍｋに挿入され、コネクティングロッド１６にピストン１５の往復直線運動を伝達するようになっている。

吸気バルブ１８は、例えば、マルテンサイト系の耐熱鋼からなり、吸気カムシャフト１９により開閉されるようになっている。排気バルブ２１も、吸気バルブ１８と同様に形成され、排気カムシャフト２２により開閉されるようになっている。

インジェクタ２３は、コモンレール型燃料噴射装置の一部を構成しており、燃焼室１１ｎ内に供給されて圧縮および昇温された吸入空気中に軽油を高圧で噴射し、自動着火させて燃焼、膨張させるようになっている。

このコモンレール型燃料噴射装置においては、図示しない電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）の制御により、例えば、インジェクタ２３からの主噴射の直前に少量の燃料を噴射するパイロット噴射を行うことで騒音やＮＯｘの発生を抑制するようにしている。また、インジェクタ２３からの噴射の終了後には、再度少量の燃料を噴射するポスト噴射を行うことで排気温度を上昇させ、排気ガスに含まれる粒子状物質を減少させるＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）の強制再生を行うようにしている。

このＥＣＵは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、コモンレール型燃料噴射装置などのディーゼルエンジン１０の各部の動作を実行させるプログラムなどが記憶されたＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、一時的にデータを記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、バッテリを電源として作動し書換え可能な不揮発性のメモリからなるＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ ａｎｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、Ａ／Ｄ変換器やバッファなどの入力インターフェース回路および駆動回路などの出力インターフェース回路を含んで構成されている。

次いで、本発明の実施の形態に係るピストン耐摩環３２を備えたピストン１５の製造方法を構成する各製造工程について説明する。

図６は、本発明の実施の形態に係るピストン耐摩環３２を備えたピストン１５の製造工程を示す説明図である。図７（ａ）〜（ｄ）は、ピストン耐摩環３２のクーリングチャンネル４２の製造工程を示す説明図であり、図８は、ピストン耐摩環３２の製造工程を示す説明図である。図９（ａ）〜（ｄ）は、ピストン本体３１の製造工程を示す説明図である。

図６に示すように、ピストン耐摩環３２を備えたピストン１５の製造工程は、準備工程Ｓ１と、耐摩環形成工程Ｓ２と、クーリングチャンネル形成工程Ｓ３と、連通孔形成工程Ｓ４と、溶接工程を含むピストン耐摩環形成工程Ｓ５と、ピストン本体形成工程Ｓ６と、オイル通路形成工程Ｓ７と、ピストンリング組付工程Ｓ８とを含んで構成されている。

本実施の形態に係るピストン耐摩環３２を備えたピストン１５の製造工程においては、連通孔形成工程Ｓ４は、ピストン耐摩環形成工程Ｓ５の溶接工程よりも先に行われる。
これ以外の各工程は、Ｓ１ないしＳ８の順に行ってもよく、他の順序で行ってもよい。例えば、耐摩環形成工程Ｓ２の前にクーリングチャンネル形成工程Ｓ３を行ってもよい。また、一の工程に他の工程の内容を含めて一の工程に統合して行ってもよい。例えば、クーリングチャンネル形成工程Ｓ３に連通孔形成工程Ｓ４の内容を含めてクーリングチャンネル形成工程Ｓ３に統合してもよく、ピストン本体形成工程Ｓ６にオイル通路形成工程Ｓ７の内容を含めてピストン本体形成工程Ｓ６に統合してもよい。

準備工程Ｓ１は、ピストン耐摩環３２およびピストン１５を製造するために事前に準備すべき装置、工具、材料および治具などの製造器具や検査器具を取り揃え確認するなどの製造に関わるすべての準備作業が含まれる。この準備工程においては、例えば、鋳造装置、プレス加工装置、溶接装置、切削加工装置、鋳造型、プレス型、溶接治具、切削工具などの製造器具を使用して各工程を実行する前段階までのセッティングや加工材料のセッティングなどの準備作業が行われる。

耐摩環形成工程Ｓ２は、ニレジスト鋳鉄などの高い耐摩耗性を有する金属から耐摩環４１を形成する工程である。例えば、素材となるニレジスト鋳鉄を溶融させ、鋳型の湯口から鋳型内に溶融ニレジスト鋳鉄からなる湯を流し込み、次いで、流し込んだ湯を凝固させ収縮させ、さらに冷却させた後、鋳造品を鋳型から取り出すことにより行われる。取り出した鋳造品に対して、バリ除去などの後処理を行い、図４（ａ）、（ｂ）に示される耐摩環４１が得られる。この耐摩環４１は、他の形成方法で作製してもよく、例えば、金属の丸棒から切削加工により形成してもよく、金属の板材から、切削またはプレス加工により形成してもよい。

クーリングチャンネル形成工程Ｓ３は、図７（ａ）に示す円板形成ステップ、図７（ｂ）に示す絞り加工ステップ、図７（ｃ）に示すサイドカットステップ、図７（ｄ）に示すフランジ形成ステップの各ステップを含んで構成されており、図７（ａ）ないし図７（ｄ）の順に行われるが、これらのステップ以外の加工方法によりクーリングチャンネル４２を形成するようにしてもよい。例えば、旋盤などの切削装置によりクーリングチャンネル４２を形成してもよい。

円板形成ステップは、図７（ａ）に示すように、例えば、ＳＵＳ３０４などのステンレス鋼板から、図５（ａ）、（ｂ）に示すクーリングチャンネル４２の外径Ｄｃｏよりも絞り加工の加工代分だけ大きい外径を有する円板４２ｅを形成するステップである。円板形成ステップにおいては、例えば、プレス加工装置によるプレス加工により円板４２ｅが形成される。

絞り加工ステップは、図７（ｂ）に示すように、円板形成ステップで得られた円板４２ｅに対して絞り加工を行い有低の円形穴を有するキャップ４２ｃを形成するステップである。絞り加工ステップにおいては、例えば、プレス絞り加工装置やへら絞り加工装置による絞り加工によりキャップ４２ｃが形成される。

サイドカットステップは、図７（ｃ）に示すように、絞り加工ステップで得られた有低のキャップ４２ｃに対して、底部をカットして円筒部４２ｔとフランジ部４２ｆとを有するリング４２ｒを得るステップである。サイドカットステップにおいては、例えば、プレス加工装置により底部がプレス加工される。なお、プレス加工装置のほか、旋盤加工により底部を直接切削加工してもよい。

フランジ形成ステップは、図７（ｄ）に示すように、サイドカットステップで得られたリング４２ｒの円筒部４２ｔに対して絞り加工を行い、リング４２ｒのフランジ部４２ｆと同様のフランジ部４２ｄを形成し、クーリングチャンネル４２を得るステップである。フランジ形成ステップにおいては、絞り加工ステップと同様、プレス絞り加工装置やへら絞り加工装置による絞り加工によりフランジ部４２ｄが形成される。
このフランジ形成ステップにより得られたクーリングチャンネル４２に対して、適宜、絞り加工などにより生じたバリを除去する仕上げが行われ、次の工程に移される。

連通孔形成工程Ｓ４は、連通孔４３および連通孔４４を、上側壁面部４２ｊｗと、下側壁面部４２ｋｗと、内方側壁面部４２ｎｗの少なくともいずれかに形成する工程である。
例えば、図５（ａ）に示すように、連通孔４３および連通孔４４を、上側壁面部４２ｊｗに形成してもよく、図示しないが下側壁面部４２ｋｗに形成してもよく、内方側壁面部４２ｎｗに形成してもよい。また、連通孔４３を上側壁面部４２ｊｗに形成するとともに、連通孔４４を下側壁面部４２ｋｗまたは内方側壁面部４２ｎｗのいずれか一方に形成してもよい。また、連通孔４４を上側壁面部４２ｊｗに形成するとともに、連通孔４３を下側壁面部４２ｋｗまたは内方側壁面部４２ｎｗのいずれか一方に形成してもよい。

連通孔４３または連通孔４４の直径の大きさは、連通孔４３または連通孔４４の近傍におけるクーリングチャンネル４２の厚みｔの０．５倍ないし１．５倍で形成される。
この連通孔４３または連通孔４４は、例えば、ボール盤やパンチプレスなどの穿孔機により加工される。なお、この連通孔形成工程は、クーリングチャンネル形成工程の円板形成ステップにおいて、プレス加工による円板形成と同時にプレス加工により円板に連通孔となる貫通孔を形成するようにしてもよい。

ピストン耐摩環形成工程Ｓ５は、図３および図８に示すように、連通孔形成工程Ｓ４で連通孔４３、４４が加工されたクーリングチャンネル４２の開口面部４２ｋｍを、耐摩環４１の内周面部４１ｎに接合してピストン耐摩環３２を形成する工程であり、ピストン耐摩環形成工程Ｓ５においては、例えば、プラズマ溶接機５０などの溶接機により突合せ溶接が行われる溶接工程が含まれる。このプラズマ溶接機５０は、例えば、高周波電源部５１と、電極部５２と、出力整合部５３と、パイロットガス供給部５４と、被加工物支持部５５と、アーク制御部５６とを含んで構成されている。

高周波電源部５１は、図示しない外部の電源装置と接続され電源装置から供給された電力を高周波にしてプラズマ溶接機を稼動させるよう構成されている。
電極部５２は、図示しないタングステン電極と、このタングステン電極と同軸状に配置され、タングステン電極を所定の間隔で囲む筒状部と、この筒状部の先端に形成されたノズルとを含んで構成されている。このタングステン電極と筒状部との間で発生し、イオン化されたガスが、ノズルから被加工物の溶接部に向けて、プラズマジェットとなって噴出される。このプラズマジェットは、ノズルを通過する際に緊縮され高密度となり高温のアーク放電となる。

出力整合部５３は、高周波電源部５１で発生した高周波エネルギーを、負荷となる被加工物に必要な電圧および電流に合わせる出力の整合を行うよう構成されており、電極部５２側にマイナスの電力を供給し、被加工物側にプラスの電力を供給することにより、電極部５２側と被加工物側との間に最適なアーク放電を行わせるようになっている。
パイロットガス供給部５４は、電極部５２内でタングステン電極と拘束ノズルとの間に低電流のパイロットアークを生じさせるよう、拘束ノズル内にアルゴンなどの不活性ガスからなるパイロットガスを供給するよう構成されている。

被加工物支持部５５は、被加工物となる耐摩環４１およびクーリングチャンネル４２を支持するよう図示しない支持盤やクランプ機構などにより構成されている。
アーク制御部５６は、これらの各部の動作および実行タイミングなど、プラズマ溶接に必要な制御処理を、例えば、メモリなどの記憶手段に格納されているプログラムに基づいて実行するよう構成されている。

なお、このピストン耐摩環形成工程Ｓ５においては、プラズマ溶接機５０以外の溶接機により被加工物を溶接してもよい。例えば、プラズマ溶接と同様の構成で、タングステン電極からノズルを通さないで直接被加工物の接合部にアーク放電させるティグ溶接で溶接してもよく、燃焼ガスと酸素あるいは空気との混合ガスを溶接吹き管より噴射し、高温の火炎を接合部に照射し溶融させて接合するガス溶接で溶接してもよい。

ピストン耐摩環形成工程Ｓ５においては、図８に示すように、電極部５２の先端が耐摩環４１とクーリングチャンネル４２が当接する当接部分にセットされ、さらに溶接棒などの溶接材５０ｙが当接部分にセットされ、電極部５２のアーク放電により当接部分が高温になる。このとき、当接部分の耐摩環４１とクーリングチャンネル４２が溶解するとともに溶接材５０ｙが溶解し、図３に示すように、当接部分に溶接ビード部Ｙが形成されて当接部分が一体化され耐摩環４１とクーリングチャンネル４２が接合される。この当接部分は、図８に示す矢印Ｆ方向に順次溶接され、全周に亘って溶接される。このとき、クーリングチャンネル４２に連通孔４３、４４が形成されているので、従来技術のような、最後に溶接する位置近傍で、内部空気が外部空間に噴き出して溶接されない貫通孔が形成され、この貫通孔の周辺部が溶接不良となってしまうという弊害がなく、全周に亘って適正に溶接される。

ピストン本体形成工程Ｓ６は、ピストン耐摩環表面処理ステップと、ピストン耐摩環位置決ステップと、図９（ａ）に示すピストン本体鋳造ステップと、図９（ｂ）に示すピストンリング溝形成ステップとを含んで構成されている。

ピストン耐摩環表面処理ステップは、ピストン耐摩環形成工程Ｓ５により形成されたピストン耐摩環３２に対して表面処理を施すステップであり、この表面処理により、ピストン耐摩環３２がピストン本体３１に鋳込まれる際、ピストン本体３１とピストン耐摩環３２との密着性を向上させるようにしている。

具体的には、ピストン耐摩環３２を溶融アルミニウムに浸漬させるステップを含むアルフィン処理が施され、ピストン耐摩環３２を形成しているステンレスやニレジスト鋳鉄と、ピストン本体３１を形成するアルミ合金との密着性が高められる。また、ピストン耐摩環３２をアルカリ脱脂処理、溶剤脱脂処理、マスキング処理などの準備工程を経て、ピストン耐摩環３２の表面にアルミニウムと鉄との化学結合層を形成させてピストン耐摩環３２のステンレスやニレジスト鋳鉄と、ピストン本体３１のアルミ合金とが馴染むようにしてもよい。また、ピストン耐摩環３２の表面に酸化皮膜が形成されるのを防止するフラックスを、ピストン耐摩環３２の表面に塗布するようにしてもよい。

ピストン耐摩環位置決ステップは、図２（ａ）、（ｂ）に示すピストン本体３１に対して、図３に示すピストン耐摩環３２の連通孔４３、４４の位置を決める工程であり、ピストン耐摩環３２をピストン本体３１を鋳造する鋳型にセットする際に行われる。
この位置決めは、位置決治具を使用してもよく、鋳型に位置決めのための係合部を設け、この係合部にピストン耐摩環３２を係合させることにより行ってもよい。

この位置決めにより、図２（ｂ）に示すように、オイル通路３１ｏの一端の開口と、ピストン耐摩環３２の連通孔４３とが連通し、オイル通路３１ｏから連通孔４３を介してクーリングチャンネルの環状オイル通路内に流入することができる。連通孔４４についても、連通孔４３と同様に、他のオイル通路３１ｏの一端の開口と、ピストン耐摩環３２の連通孔４４とが連通し、環状オイル通路内のオイルを他のオイル通路３１ｏから排出させることができる。この位置決めにおいては、連通孔４３、４４のいずれか一方の位置が決まれば、他方の位置も決まるので、いずれか一方の位置決めをすればよい。

ピストン本体鋳造ステップは、ピストン耐摩環表面処理ステップにより表面処理が施されたピストン耐摩環３２を鋳込んで、図９（ａ）に示すピストン本体３１の鋳造品３１ｃを取得するステップである。この鋳造品３１ｃを取得する鋳造方法は、例えば、アルミ合金の溶湯に高い圧力を加えアルミ合金を鋳型に打ち込む高圧ダイキャスト鋳造であってもよく、アルミ合金の溶湯に圧力を加えずアルミ合金を鋳型に流し込むグラビティ鋳造であってもよく、ピストン本体３１を鋳造する際に使用するピストン本体３１の模型を鋳造過程で消失させるフルモールド鋳造であってもよい。

ピストンリング溝形成ステップは、ピストン本体形成工程Ｓ６のピストン本体鋳造ステップで得られた鋳造品３１ｃに対して、切削装置などにより切削加工を施し、ピストンリング溝が形成されたピストン本体加工品３１ｋを取得するステップである。

このピストンリング溝形成ステップにおいては、ピストン耐摩環３２の図３（ｂ）に示す高さＨｔにおける高さ方向の中央部分に、トップリング溝３１ｓｔが形成され、トップリング溝３１ｓｔの下部に位置するピストン本体３１の外周面部３１ｓにセカンドリング溝３１ｓｓが形成され、さらにセカンドリング溝３１ｓｓの下部に位置するピストン本体３１の外周面部３１ｓにオイルリング溝３１ｓｏが形成される。

オイル通路形成工程Ｓ７は、図２（ｂ）および図９（ｃ）に示すように、ピストン耐摩環位置決ステップにより得られたピストン本体加工品３１ｋに対して、位置決めされているピストン耐摩環３２の連通孔４３、４４と、ピストン本体３１の外部空間とを貫通させることによりオイル通路３１ｏを形成する工程である。

具体的には、オイル通路３１ｏは円形の断面を有し、このオイル通路３１ｏの直径は、連通孔４３、４４の直径よりも大きく形成され、オイル通路３１ｏの加工により、連通孔４３、４４の直径が拡大され、オイル通路３１ｏの直径と連通孔４３、４４の直径とが同じ大きさで連通するようになる。このオイル通路３１ｏの直径は、例えば、数ｍｍで形成される。
なお、前述のように、オイル通路形成工程Ｓ７は、ピストン本体形成工程Ｓ６におけるピストンリング溝形成ステップの内容に含めて行うようにしてもよい。

ピストンリング組付工程Ｓ８は、オイル通路形成工程Ｓ７により得られたピストン本体加工品３１ｋにピストンリングを組付る工程であり、組付前のピストン本体加工品３１ｋに生じたバリを除去するバリ除去工程などの組付準備工程も含まれる。
図９（ｄ）に示すように、順次、ピストン本体加工品３１ｋのトップリング溝３１ｓｔにトップリング３３が組付けられ、セカンドリング溝３１ｓｓにセカンドリング３４が組付けられ、オイルリング溝３１ｓｏにオイルリング３５が組付けられる。

次いで、ディーゼルエンジン１０の動作について簡単に説明する。
図１に示すディーゼルエンジン１０が始動すると、吸気行程、圧縮行程、爆発行程および排気行程のサイクルで、停止するまでピストン１５が往復運動し、コネクティングロッド１６を介して図示しないクランクシャフトに動力が伝達される。

吸入行程においては、排気行程に続いてピストン１５が下降し、吸気バルブ１８が開いて吸入空気が吸気ポート１３ｋｐから燃焼室１１ｎ内に吸入され、ＥＣＵの制御によりインジェクタ２３から燃焼室１１ｎ内に燃料が噴射され、燃焼室１１ｎ内で混合される。
続く圧縮行程においては、ピストン１５が上昇し、吸入空気と燃料との混合気が燃焼室１１ｎ内で圧縮され、温度、圧力共に上昇し高温、高圧の状態になる。爆発行程においては、高温、高圧の混合気が発火して燃焼を開始し、急激に燃焼ガスが膨張する。このとき吸気バルブ１８および排気バルブ２１が閉じているので、燃焼ガスはピストン１５を押し下げつつ、さらに膨張し、ピストン１５が下降しクランクシャフトに動力が伝達される。

排気行程においては、爆発行程を終ったピストン１５がその慣性力で上昇し、排気バルブ２１が開かれ、膨張した燃焼ガスを排気ポート１３ｈｐから大気へ排出する。
このような１サイクルが行われる間にクランクシャフトは２回転していることになる。

また、１サイクルが行われる間に、シリンダブロック１２の下部に設けられた図示しないオイル噴射口から、図１の矢印で示すように、ＥＣＵにより制御された適量のオイルが上方のピストン１５に向けて噴射される。このとき、ピストン１５のトップリング３３、セカンドリング３４およびオイルリング３５にオイルが供給され、各リングとシリンダブロック１２のシリンダライナ１２ｓが潤滑される。また、シリンダブロック１２内のウォータージャケット１２ｗ内を流通する冷却液により、シリンダライナ１２ｓおよび各リングおよびピストン１５が冷却される。さらに、オイル噴射口から噴射されたオイルが、ピストン１５のオイル通路３１ｏに流入し、ピストン耐摩環３２のクーリングチャンネル４２内の環状オイル通路４２ｍに流入する。環状オイル通路４２ｍ内を流通するオイルにより、ピストン耐摩環３２が冷却され、ピストン耐摩環３２に装着され、高温になったトップリング３３が冷却される。特に、高温、高圧になるディーゼルエンジン１０においては、ピストン耐摩環３２のクーリングチャンネル４２の冷却機能が発揮され、ピストン耐摩環３２の耐久性が向上する。

本実施の形態に係るピストン耐摩環３２は、以上説明したように構成されているので、下記の効果が得られる。

すなわち、外周面部４１ｇにトップリング溝３１ｓｔが形成される円環状の耐摩環４１と、耐摩環４１の放射内方側で耐摩環４１に当接して収容されるとともに、当接した当接部分の全周囲に亘り、プラズマ溶接機５０により溶接されるクーリングチャンネル４２とを有し、クーリングチャンネル４２が、放射内方側に位置する内方側壁面部４２ｎｗと、軸線方向に直交する上側壁面部４２ｊｗと、下側壁面部４２ｋｗとを有するとともに、内部にディーゼルエンジン１０のオイルを流通させる環状オイル通路４２ｍを有し、環状オイル通路４２ｍと外部空間とを連通する連通孔４３、４４が、内方側壁面部４２ｎｗ、上側壁面部４２ｊｗおよび下側壁面部４２ｋｗのうち少なくともいずれかの壁面部に形成されたことを特徴としている。

その結果、耐摩環４１とクーリングチャンネル４２との当接部分を、順次溶接し、元の溶接の開始位置まで全周に亘って溶接する際、最後に溶接する位置で、従来生じていた溶接不良部分の発生が解消される。すなわち、溶接する際に生ずる熱の影響により、環状オイル通路４２ｍ内の空気が著しく高温になっても、連通孔４３、４４が形成されているので、従来の溶接の際に起きた内部空気の膨張が起きることはない。内部空気が膨張しないので、従来の溶接のように溶接開始位置の近傍の未溶接部分から内部空気が外部空間に噴き出して溶接されない貫通孔が形成されてしまうようなことはなく、溶接不良となってしまうという問題が解消されるという効果がある。また、連通孔４３の直径は、クーリングチャンネル４２の厚ｔの０．５倍ないし１．５倍で形成されているので、内部の空気が連通孔４３、４４から外部空間に排出され易く、ピストン耐摩環３２がピストン本体３１に鋳込まれる際に、溶融金属が連通孔４３、４４から内部に流入し、流入した金属により環状オイル通路４２ｍを狭くしてしまうようなこともない。

したがって、溶接不良部分が残るピストン耐摩環３２が鋳込まれることはなく、ピストン耐摩環３２とピストン本体３１の界面とが確実に密着し、ピストン耐摩環３２がピストン本体３１から剥離してしまうという問題が解消されるという効果がある。

このように、良好な環状オイル通路４２ｍを有するピストン耐摩環３２が適正にピストン本体３１に鋳込まれているので、ピストン耐摩環３２の冷却機能および機械的強度が向上し、耐摩耗性が著しく改善され、優れた耐摩耗性を有するピストン耐摩環が得られるという効果がある。

また、本実施の形態に係るピストン１５は、以上説明したように構成されているので、下記の効果が得られる。

すなわち、本実施の形態に係るピストン耐摩環３２が鋳込まれたピストン１５であって、連通孔４３、４４とピストン１５の外部空間とを連通させ、外部空間に開口する開口部からクーリングチャンネル４２の環状オイル通路４２ｍ内にオイルを流通させるオイル通路３１ｏが形成されたことを特徴としている。

その結果、ピストン耐摩環３２に形成された連通孔４３、４４が、オイル通路３１ｏの一端と連通し、オイル通路３１ｏの開口として機能することになる。この場合、従来技術のように、ピストン耐摩環の溶接不良部分が、クーリングチャンネルと外部空間とを結ぶオイル通路以外の部分に位置してしまい、ピストンに加わる衝撃により、溶接不良部分に亀裂が生じ、さらに衝撃の繰り返しにより亀裂が進行してピストン耐摩環がピストンから脱落してしまうという弊害が起きない。したがって、優れた耐久性を有するピストンが得られるという効果がある。

また、本実施の形態に係るピストン１５の製造方法は、以上説明したように構成されているので、下記の効果が得られる。

すなわち、本実施の形態に係る耐摩環４１を形成する耐摩環形成工程Ｓ２と、クーリングチャンネル４２を形成するクーリングチャンネル形成工程Ｓ３と、クーリングチャンネル４２に連通孔４３、４４を形成する連通孔形成工程Ｓ４と、耐摩環４１とクーリングチャンネル４２との当接部分をプラズマ溶接機５０により溶接しピストン耐摩環３２を形成するピストン耐摩環形成工程Ｓ５と、ピストン耐摩環３２を鋳込んでピストン本体３１を形成するピストン本体形成工程Ｓ６と、ピストン本体３１に、オイル通路３１ｏを形成するオイル通路形成工程Ｓ７とを含むことを特徴としている。
また、このピストン耐摩環形成工程Ｓ５には、耐摩環４１の内周面部４１ｎとクーリングチャンネル４２の開口面部４２ｋｍとが当接する当接部分を溶接する溶接工程が含まれ、連通孔形成工程Ｓ４が、この溶接工程よりも先に行われることを特徴としている。

その結果、連通孔形成工程Ｓ４が、溶接工程よりも先に行われるので、耐摩環４１とクーリングチャンネル４２との当接部分が溶接される際、クーリングチャンネル４２に既に連通孔４３、４４が形成されており、従来生じていた溶接不良部分の発生が解消されるという効果がある。すなわち、溶接の際に生ずる熱の影響により、環状オイル通路４２ｍ内の空気が著しく高温になっても、連通孔４３、４４が形成されているので、従来の溶接の際に起きた内部空気の膨張が起きることはない。内部空気が膨張しないので、従来の溶接のように溶接開始位置の近傍の未溶接部分から内部空気が外部空間に噴き出して溶接されない貫通孔が形成されてしまうようなことはなく、溶接不良となってしまうということはないという効果がある。

したがって、本実施の形態に係るピストン１５の製造方法においては、溶接不良部分が残るピストン耐摩環３２がピストン本体３１に鋳込まれることはなく、ピストン耐摩環３２とピストン本体３１の界面とを確実に密着させることができる。また、良好な環状オイル通路４２ｍを有するピストン耐摩環３２が適正にピストン本体３１に鋳込まれているので、ピストン耐摩環３２の冷却機能および機械的強度が向上し、耐摩耗性が著しく改善され、優れた耐摩耗性を有するピストン耐摩環３２を備えたピストン１５が得られる。

また、従来技術のように、ピストン耐摩環の溶接不良部分が、オイル通路以外の部分に位置してしまい、ピストンに加わる衝撃により、溶接不良部分から生ずる亀裂もなく、ピストン耐摩環３２がピストン１５から脱落してしまうという弊害が起きないので、優れた耐久性を有するピストン１５が得られるという効果がある。

本実施の形態に係るピストン耐摩環３２においては、図３に示すように、耐摩環４１の高さとクーリングチャンネル４２の高さがほぼ等しく形成される構造の場合について説明した。しかしながら、本発明に係るピストン耐摩環においては、耐摩環およびクーリングチャンネルを、本実施の形態に係る耐摩環４１とクーリングチャンネル４２以外の形状で構成してもよい。

以下、本実施の形態に係る耐摩環４１とクーリングチャンネル４２以外の形状で構成したピストン耐摩環の変形例について説明する。
図１０は、本実施の形態の変形例に係る耐摩環１４１とクーリングチャンネル１４２とで構成されたピストン耐摩環１３２の製造工程を示す説明図である。
本実施の形態の変形例に係る耐摩環１４１は、本実施の形態の係る耐摩環４１と比較して、図４に示すように、耐摩環４１の高さがＨｔであるのに対して、図１０に示すように、耐摩環１４１の高さがＨｓである点が異なっている。本実施の形態の変形例に係る耐摩環１４１の形状、大きさなどの他の部分は、耐摩環４１と同様に構成されている。

また、本実施の形態の変形例に係るクーリングチャンネル１４２は、本実施の形態の係るクーリングチャンネル４２と異なっている。すなわち、本実施の形態の係るクーリングチャンネル４２が、図３ないし図５に示すように、クーリングチャンネル４２の高さＨｃは、耐摩環４１の高さＨｔとほぼ同一であるのに対して、図１０に示すように、クーリングチャンネル１４２の高さはＨｕで、耐摩環１４１の高さがＨｓであり、Ｈｕ＜Ｈｓとなっている点が異なっている。本実施の形態の変形例に係るクーリングチャンネル１４２の形状、大きさなどの他の部分は、クーリングチャンネル４２と同様に構成されている。

このように、クーリングチャンネル１４２を耐摩環１４１に嵌め込んだ際に、高さ方向にＨｓ−Ｈｕの段差が生ずるよう構成し、図１０に示すよう、本実施の形態に係るピストン耐摩環３２と同様の製造工程により、クーリングチャンネル１４２を耐摩環１４１に溶接するよう構成してもよい。

図１１は、本実施の形態の他の変形例に係る耐摩環２４１とクーリングチャンネル２４２とで構成されたピストン耐摩環２３２の製造工程を示す説明図である。
本実施の形態の他の変形例に係る耐摩環２４１は、本実施の形態の係る耐摩環４１と異なっている。すなわち、本実施の形態の係る耐摩環４１が、図４に示すように、耐摩環４１の断面形状が方形であるのに対して、図１１に示すように、耐摩環２４１の断面形状が上方に開口する環状オイル通路２４１ｍを有する点が異なっている。本実施の形態の他の変形例に係る耐摩環２４１の形状、大きさなどの他の部分は、耐摩環４１と同様に構成されている。

また、本実施の形態の他の変形例に係るクーリングチャンネル２４２は、本実施の形態の係るクーリングチャンネル４２と異なっている。すなわち、本実施の形態の係るクーリングチャンネル４２が、図５に示すように、クーリングチャンネル４２の環状オイル通路４２ｍが形成されているのに対して、図１１に示すように、クーリングチャンネル２４２は円盤状に形成されている点が異なっている。このクーリングチャンネル２４２は、耐摩環２４１の環状オイル通路２４１ｍの開口端にクーリングチャンネル２４２を嵌め込むように構成されている。本実施の形態の他の変形例に係るクーリングチャンネル１４２の大きさなどの他の部分は、クーリングチャンネル４２と同様に構成されている。

このように、クーリングチャンネル２４２を耐摩環２４１に嵌め込んだ際に、外形状がピストン耐摩環３２と同一になるよう構成し、図１１に示すよう、本実施の形態に係るピストン耐摩環３２と同様の製造工程により、クーリングチャンネル２４２を耐摩環２４１に溶接するよう構成してもよい。

図１２は、本実施の形態の他の変形例に係る耐摩環３４１とクーリングチャンネル３４２とで構成されたピストン耐摩環３３２の製造工程を示す説明図である。
本実施の形態の他の変形例に係る耐摩環３４１は、本実施の形態の係る耐摩環４１と異なっている。すなわち、本実施の形態の係る耐摩環４１が、図４に示すように、耐摩環４１の断面形状が方形であり環状オイル通路が形成されていないのに対して、図１２に示すように、耐摩環３４１の断面形状が放射内方に開口する環状オイル通路３４１ｍを有する点が異なっている。本実施の形態の他の変形例に係る耐摩環２４１の形状、大きさなどの他の部分は、耐摩環４１と同様に構成されている。

また、本実施の形態の他の変形例に係るクーリングチャンネル３４２は、本実施の形態の係るクーリングチャンネル４２と異なっている。すなわち、本実施の形態の係るクーリングチャンネル４２が、図５に示すように、クーリングチャンネル４２の環状オイル通路４２ｍが形成されているのに対して、図１２に示すように、クーリングチャンネル３４２はリング状に形成されている点が異なっている。また、連通孔４３、４４が耐摩環３４１に形成されている点も異なっている。本実施の形態の他の変形例に係るクーリングチャンネル３４２の大きさなどの他の部分は、クーリングチャンネル４２と同様に構成されている。

このように、クーリングチャンネル３４２を耐摩環３４１に嵌め込んだ際に、外形状がピストン耐摩環３２と同一になるよう構成し、図１２に示すよう、本実施の形態に係るピストン耐摩環３２と同様の製造工程により、クーリングチャンネル３４２を耐摩環３４１に溶接するよう構成してもよい。

以上のように、本発明に係るピストン耐摩環は、連通孔が形成されており、最後に溶接する位置で従来生じていた溶接不良部分の発生が解消されるので、溶接不良部分が残るピストン耐摩環がピストンに鋳込まれることはなく、ピストン耐摩環とピストンの界面とを確実に密着させることができる。また、本発明に係るピストンは、ピストン耐摩環に形成された連通孔が、オイル通路の一端と連通し、オイル通路の開口として機能するので、連通孔から亀裂が生じることはなく、優れた耐久性を有するピストンが得られる。また、本発明に係るピストンの製造方法は、耐摩環形成工程、クーリングチャンネル形成工程およびピストン耐摩環形成工程を経てピストン耐摩環が形成されるので、溶接不良部分が残るピストン耐摩環がピストンに鋳込まれることはなく、ピストン耐摩環とピストンの界面とを確実に密着させることができる。また、良好な環状オイル通路を有するピストン耐摩環が適正にピストンに鋳込まれているので、ピストン耐摩環の冷却機能および機械的強度が向上し、耐摩耗性が著しく改善され、優れた耐摩耗性を有するピストン耐摩環を備えたピストンが得られる。
したがって、内燃機関のピストン耐摩環、ピストン耐摩環を備えたピストンおよびその製造方法全般に有用である。

本発明の実施の形態に係るピストン耐摩環が鋳込まれたピストンを含むディーゼルエンジンの部分断面図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態に係るピストン耐摩環が鋳込まれたピストンの一部を破断した分解斜視図であり、（ｂ）は、図２（ａ）の部分拡大斜視図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態に係るピストン耐摩環の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＣ−Ｃ断面を示す断面図であり、（ｃ）は、（ｂ）の一部を拡大した部分拡大断面図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態に係るピストン耐摩環の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＤ−Ｄ断面を示す断面図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態に係るピストン耐摩環のクーリングチャンネルの平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＥ−Ｅ断面を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係るピストン耐摩環を備えたピストンの製造工程を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係るピストン耐摩環のクーリングチャンネルの製造工程を示す説明図であり、（ａ）は、円板形成ステップを示し、（ｂ）は、絞り加工ステップを示し、（ｃ）は、サイドカットステップを示し、（ｄ）は、ブランジ形成ステップを示す。 本発明の実施の形態に係るピストン耐摩環の製造工程を示す説明図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態に係るピストンの製造方法におけるピストン本体形成工程のピストン本体鋳造ステップを示す説明図であり、（ｂ）は、ピストンの製造方法におけるピストン本体形成工程のピストンリング溝形成ステップを示す説明図であり、（ｃ）は、ピストンの製造方法におけるオイル通路形成工程を示す説明図であり、（ｄ）は、ピストンの製造方法におけるピストンリング組付工程を示す説明図である。 本発明の実施の形態の変形例に係る耐摩環とクーリングチャンネルとで構成されたピストン耐摩環の製造工程を示す説明図である。 本発明の実施の形態の他の変形例に係る耐摩環とクーリングチャンネルとで構成されたピストン耐摩環の製造工程を示す説明図である。 本発明の実施の形態の他の変形例に係る耐摩環とクーリングチャンネルとで構成されたピストン耐摩環の製造工程を示す説明図である。 （ａ）は、従来のピストン耐摩環の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す断面図である。

符号の説明

１０ ディーゼルエンジン
１１ シリンダ
１２ シリンダブロック
１３ シリンダヘッド
１４ シリンダヘッドカバー
１５ ピストン
３１ ピストン本体
３１ｏ オイル通路
３１ｓ、４１ｇ 外周面部
３１ｓｏ オイルリング溝
３１ｓｓ セカンドリング溝
３１ｓｔ トップリング溝
３２、１３２、２３２、３３２ ピストン耐摩環
４１、１４１、２４１、３４１ 耐摩環
４１ｎ 内周面部
４２、１４２、２４２、３４２ クーリングチャンネル
４２ｊｗ 上側壁面部
４２ｋｍ 開口面部
４２ｋｗ 下側壁面部
４２ｍ 環状オイル通路
４２ｎｗ 内方側壁面部
４３、４４ 連通孔
５０ プラズマ溶接機

Claims (6)

1. エンジンのピストンを鋳造する際に前記ピストンに鋳込まれるピストン耐摩環であって、
   外周面部にピストンリング溝が形成される円環状の耐摩環と、
   前記耐摩環の放射内方側で前記耐摩環に当接して収容されるとともに、前記当接した当接部分の全周囲に亘り、溶接手段により溶接されるクーリングチャンネルとを有し、
   前記クーリングチャンネルが、放射内方側に位置する内方側壁面部と、軸線方向に直交する上側壁面部と、前記上側壁面部と反対側の下側壁面部とを有するとともに、内部に前記エンジンのオイルを流通させる環状オイル通路を有し、前記環状オイル通路と外部空間とを連通する連通孔が、前記内方側壁面部、前記上側壁面部および前記下側壁面部のうち少なくともいずれかの壁面部に形成されたことを特徴とするピストン耐摩環。
2. 前記連通孔の近傍の前記クーリングチャンネルの厚みをｔとすると、前記連通孔の直径が、０．５ｔ（ｍｍ）〜１．５ｔ（ｍｍ）の大きさを有することを特徴とする請求項１に記載のピストン耐摩環。
3. 前記クーリングチャンネルが、放射外方側に開口する環状オイル通路が形成された開口面部を有し、前記耐摩環が前記外周面部から離隔した内周面部を有し、前記開口面部と前記内周面部とが当接する当接部分を前記溶接手段により溶接することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のピストン耐摩環。
4. 前記請求項１ないし請求項３の少なくともいずれか１の請求項に記載のピストン耐摩環が鋳込まれたピストンであって、前記連通孔と前記ピストンの外部空間とを連通させ、前記外部空間に開口する開口部から前記クーリングチャンネルの前記環状オイル通路内に前記オイルを流通させるオイル通路が形成されたことを特徴とするピストン。
5. 請求項１に記載の耐摩環を形成する耐摩環形成工程と、請求項１ないし請求項３の少なくともいずれか１の請求項に記載のクーリングチャンネルを形成するクーリングチャンネル形成工程と、前記クーリングチャンネルに請求項１または請求項２に記載の連通孔を形成する連通孔形成工程と、請求項３に記載の当接部分を溶接により接合しピストン耐摩環を形成するピストン耐摩環形成工程と、前記ピストン耐摩環を鋳込んでピストンを形成するピストン本体形成工程と、前記ピストンに、請求項４に記載のオイル通路を形成するオイル通路形成工程と、を含むことを特徴とするピストンの製造方法。
6. 前記ピストン耐摩環形成工程が、前記耐摩環の内周面部と前記クーリングチャンネルの開口面部とが当接する前記当接部分を溶接する溶接工程を含み、前記連通孔形成工程が、前記溶接工程よりも先に行われることを特徴とする請求項５に記載のピストンの製造方法。

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