JP2011506830A - 内燃機関に用いられるピストンならびに該ピストンを製造するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関に用いられるピストン（１０，１１０）であって、ピストン下側部分（１１，１１１）と、該ピストン下側部分（１１，１１１）に載設配置されたピストン上側部分（１２，１１２）とが設けられていて、該ピストン上側部分（１２，１１２）が、該ピストン上側部分（１２，１１２）の周面にわたって環状に延びるトップランド（２５，１２５）と、該ピストン上側部分（１２，１１２）の周面にわたって環状に延びるリング部分（２６，１２６）とを有している形式のものに関する。本発明の構成では、少なくともピストン上側部分（１２，１１２）が、焼結材料から成っている。さらに本発明は、このようなピストン（１０，１１０）を製造するための方法に関する。

Description

本発明は、内燃機関に用いられるピストンであって、ピストン下側部分と、該ピストン下側部分に載設配置されたピストン上側部分とが設けられていて、該ピストン上側部分が、該ピストン上側部分の周面にわたって環状に延びるトップランドと、該ピストン上側部分の周面にわたって環状に延びるリング部分とを有している形式のものに関する。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０３４０２９２号明細書に基づき公知のピストンは、ほぼ円筒状のベースボディを有している。このベースボディはピストンクラウンの半径方向外側の範囲に環状エレメントを有しており、この環状エレメントはベースボディと共にクーリングチャンネルを形成している。この環状エレメントは、圧縮リングのためのリングキャリヤを収容している。

最近の内燃機関に用いられるピストンに課せられた多様な要求に基づき、できるだけ僅かな手間をかけるだけで、内燃機関運転におけるその都度の要求にできるだけ良好に適合されている、可変の構造を備えたピストンを得ることができるような新規の製造方法が目標とされる。

この課題を解決するための手段は、請求項１の特徴部に記載の特徴を有するピストンならびに請求項１４の特徴部に記載の特徴を有する方法にある。本発明のピストンの構成では、少なくともピストン上側部分が焼結材料から成っている。本発明による方法は、少なくともピストン上側部分をプレスおよび焼結により製造し、ピストン下側部分をプレスおよび焼結または鋳造または変形加工により製造し、引き続きピストン下側部分とピストン上側部分とを互いに接合することにより特徴付けられる。

すなわち、本発明による方法では、ピストン上側部分とピストン下側部分との間のねじ結合が不要となるだけではない。少なくともピストン上側部分を、焼結された構成部分として形成することにより、本発明によるピストンの構造および性質、たとえば重量、構成高さ、冷却等を、従来よりも著しく可変に形成することが可能となる。特に、任意に選択可能な組成を有する粉末状の焼結材料を使用することができる。この粉末状の焼結材料はプレス成形されて成形部分を形成し、次いで焼結されて完成したピストン上側部分もしくは完成したピストン上側部分およびピストン下側部分を形成する。こうして、特に多種多様の組織構造、たとえばフェライト系ないしオーステナイト系の状態およびその混合物（Duplex；二相）を特に簡単に実現することができる。本発明による方法はさらに、特別な経済性によりすぐれている。

請求項２以下には、有利な改良形が記載されている。

本発明の有利な実施態様では、ピストン下側部分が、鍛造または鋳造された材料、特に鍛造または鋳造された鋼材料から製造されており、ピストン上側部分が、有利には焼結された鋼材料から製造されている。このような材料は、特に大きな熱的な耐性によりすぐれている。このことは特にディーゼルエンジンにおいて使用されると有利である。ピストン上側部分および場合によっては焼結されたピストン下側部分の焼結材料はその熱伝導率を高めるために金属材料によって溶浸されていてよい。これにより、ピストンからの熱導出は改善され、構成部分温度は低下される。

本発明の特に有利な改良形では、ピストン下側部分とピストン上側部分とが、ろう材料によって互いに結合されている。この場合、ろう材料は毛管作用によりピストン下側部分とピストン上側部分との間の間隙内にも、少なくとも焼結されたピストン上側部分の気孔内にも侵入する。これによって、ピストン下側部分とピストン上側部分との間の特に強固な、機械的な高負荷耐性を有する結合が形成される。ろう材料としては、たとえば銅、銅合金、ニッケルまたはニッケル合金が適している。ピストン下側部分とピストン上側部分との間の結合を最適化するためには、内側および外側の互いに対応する接合面が設けられていると有利である。この場合、ろう材料は前記接合面の範囲に設けられていると有利である。

特に有利には、個別事例において使用された焼結材料をろう材料によって溶浸することができる。この場合、焼結材料の焼結およびピストン下側部分とピストン上側部分との接合を、唯１回の製作ステップで行うことができる。特に焼結材料の気孔の毛管作用およびピストン下側部分とピストン上側部分との間の間隙の毛管作用とが互いに異なっている場合には、焼結材料の溶浸のために、ろう材料の溶融温度よりも低い溶融温度を有する金属材料を使用することが有利になり得る。これにより、焼結材料の信頼性の良い完全な溶浸が確保される。その場合、焼結材料の溶浸およびピストン上側部分とピストン下側部分との接合は、加熱中に互いに異なる温度で行われる。

ピストンクラウンは自体公知の形式で、エンジン構造に応じて任意に形成された燃焼キャビティを備えていてよい。この燃焼キャビティは個別事例の要求に応じて、ピストン上側部分によってのみ形成されているか、またはピストン上側部分によってもピストン下側部分によっても形成されていてよい。

冷却作用を改善するためには、ピストン上側部分とピストン下側部分とが、１つの外側の環状のクーリングチャンネルを取り囲んでいてよい。付加的に１つの内側の室形のクーリングルームまたは内側の環状の通路形のクーリングチャンネルが設けられていてよい。その場合、熱導出はピストン、特にピストンクラウン範囲から前記クーリングチャンネルの方向へ行われる。

以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。

本発明によるピストンの第１実施形態を示す断面図である。 本発明によるピストンの第２実施形態を示す断面図である。

図１には、本発明によるピストン１０の第１実施形態が示されている。ピストン１０はピストン下側部分１１を有しており、このピストン下側部分１１は本実施形態では、鍛造または鋳造された金属材料から製造されている。たとえばＡＦＰ鋼、つまり析出硬化型のフェライト−パーライト系鋼のような鍛造鋼、たとえば３８ＭｎＶＳ６または熱調質鋼、たとえば４２ＣｒＭｏ４が適している。ピストン１０はさらにピストン上側部分１２を有している。このピストン上側部分１２は焼結材料、特に焼結された鋼材料から製造されている。たとえば鉄と炭素とから成る合金または鉄と炭素とモリブデンとから成る合金が適している。これらの合金を用いて、特にフェライト系の組織構造を得ることができる。炭素含量は有利には０.４〜０.８％であり、モリブデン含量は有利には０.０〜２.０％、特に０.８〜１.６％である。

ピストン下側部分１１はピストンスカート２０と、ピストンクラウン１４の中央または内側の範囲１３とを有している。ピストンクラウン１４は自体公知の形式で燃焼キャビティ１５を備えている。ピストンクラウン１４の下方にはボス１６が設けられており、このボス１６はピストンピン（図示しない）を通過させるためのボス孔１７を備えている。

ピストン上側部分１２は、環状に延びるほぼ円筒状の環状エレメント２４を有している。この環状エレメント２４の外周面は自体公知の形式でトップランド２５と、ピストンリング（図示しない）を収容するための複数のリング溝を備えたリング部分２６とを備えている。環状エレメント２４の下側の自由端部は外側の接合面２７を形成しており、この接合面２７はピストン下側部分１１に設けられた対応する接合面２８に支持されている。

環状エレメント２４はさらに、半径方向内側に向かって延びる環状の縁部２９を有している。この縁部２９はピストンクラウン１４の外側の環状の範囲を形成している。縁部２９の下側の自由端部は内側の接合面３１を形成しており、この内側の接合面３１はピストン下側部分１１に設けられた対応する接合面３２に支持されている。

ピストン下側部分１１とピストン上側部分１２とは、前記接合面２７，２８；３１，３２に沿って設けられたろう材料によって互いに接合されている。たとえば銅または銅合金もしくはニッケルまたはニッケル合金が適している。ろう材料の融点はピストン下側部分１１の材料の融点よりも低く、かつピストン上側部分１２の材料の融点よりも低く形成されている。それと同時に、ろう材料の融点はピストン１０において生じる最大作動温度よりも高く設定されている。

環状エレメント２４ならびにピストン上側部分１２の環状の縁部２９もしくはピストン下側部分１１に設けられた環状の切欠き３３は、外側の環状のクーリングチャンネル３４を形成している。

図２には、本発明によるピストン１１０の別の実施形態が示されている。ピストン１１０はピストン下側部分１１１を有している。ピストン下側部分１１１は本実施形態では、図１に示したピストン１０のピストン下側部分１１と同じ材料から成っている。ピストン１１０はさらにピストン上側部分１１２を有しており、このピストン上側部分１１２は本実施形態では、やはり図１に示したピストン１０のピストン上側部分１２と同じ材料から成っている。ピストン下側部分１１１はさらに、同じくピストンスカート１２０と、ボス孔１１７を備えたボス１１６とを有している。

ピストン上側部分１１２はピストンクラウン１１４を有している。このピストンクラウン１１は自体公知の形式で燃焼キャビティ１１５を備えている。燃焼キャビティ１１５は本実施形態では、ピストン上側部分１２にのみ形成されている。ピストンクラウン１１４は環状に延びる、ほぼ円筒状の環状エレメント１２４によって画定される。この環状エレメント１２４の外周面は自体公知の形式でトップランド１２５と、ピストンリング（図示しない）を収容するための複数のリング溝を備えたリング部分１２６とを備えている。環状エレメント１２４の下側の自由端部は接合面１２７を形成しており、この接合面１２７はピストン下側部分１１１に設けられた対応する接合面１２８に支持されている。

ピストン上側部分１１２は燃焼キャビティ１１５の下方に２つの別の接合面を有している。第１に、内側の環状の接合面１３１が設けられている。この接合面１３１はピストン下側部分１１１に設けられた対応する内側の環状の接合面１３２に支持されている。さらに、中央の接合面１３５が設けられており、この接合面１３５はピストン下側部分１１１に設けられた対応する接合面１３６に支持されている。

ピストン下側部分１１１とピストン上側部分１１２とは、前記接合面１２７，１２８；１３１，１３２；１３５，１３６に沿って設けられたろう材料によって互いに接合されている。たとえば銅または銅合金もしくはニッケルまたはニッケル合金が適している。ろう材料の融点はピストン下側部分１１１の材料の融点よりも低く、かつピストン上側部分１１２の材料の融点よりも低く形成されている。それと同時に、ろう材料の融点は、ピストン１１０に生じる最大作動温度よりも高く形成されている。

ピストン上側部分１１２に環状エレメント１２４と燃焼キャビティ１１５との間で設けられた環状の切欠き１３３ａもしくはピストン下側部分１１１に設けられた、対応する環状の切欠き１３３ｂは、外側の環状のクーリングチャンネル１３４を形成する。内側の環状の接合面１３１，１３２と中央の接合面１３５，１３６との間には、さらに内側の環状のクーリングチャンネル１３７が形成されている。接合面１３５，１３６が放棄されると、内側の環状の通路形のクーリングチャンネルの代わりに、中央の１つの室形のクーリングルーム（図示しない）が形成される。

本発明によるピストン１０，１１０を組み立てるためには、ピストン下側部分１１，１１１とピストン上側部分１２，１１２とが、ろう材料によって自体公知の形式で互いに接合される。このためには、ろう材料が接合面と接触させられて、ピストン下側部分１１，１１１およびピストン上側部分１２，１１２と一緒に、ろう材料が溶融するまで加熱される。ろう材料はこのとき、毛管作用に基づいて、接合面の間の間隙内へも、ピストン上側部分１２，１１２の焼結材料もしくはピストン１０，１１０の両部分の焼結材料の気孔内へも侵入する。この場合、有利には少なくともピストン上側部分１２，１１２の焼結およびピストン下側部分１１，１１１とピストン上側部分１２，１１２との接合を同一の製造ステップにおいて、たとえば同一の炉通過で行うことができる。粉末状の材料を、まだ低い強度の成形部品（この成形部品から最終的にピストン上側部分１２，１１２もしくはピストン１０，１１０の両構成部分が得られる）に成形する自体公知のプレスは、組み合わされた前記焼結・接合プロセスに前置されている。このことから、本発明によるピストン１０，１１０のための特に廉価な製造方法が得られる。

冷却後に、ピストン下側部分１１，１１１とピストン上側部分１２，１１２との間の機械的に高負荷耐性の固い結合が得られる。

Claims (21)

1. 内燃機関に用いられるピストン（１０，１１０）であって、ピストン下側部分（１１，１１１）と、該ピストン下側部分（１１，１１１）に載設配置されたピストン上側部分（１２，１１２）とが設けられていて、該ピストン上側部分（１２，１１２）が、該ピストン上側部分（１２，１１２）の周面にわたって環状に延びるトップランド（２５，１２５）と、該ピストン上側部分（１２，１１２）の周面にわたって環状に延びるリング部分（２６，１２６）とを有している形式のものにおいて、少なくともピストン上側部分（１２，１１２）が、焼結材料から成っていることを特徴とする、内燃機関に用いられるピストン。
2. ピストン下側部分（１１，１１１）が、鍛造または鋳造された材料から成っている、請求項１記載のピストン。
3. ピストン下側部分（１１，１１１）が、鍛造または鋳造された鋼材料から成っており、ピストン上側部分（１２，１１２）が、焼結された鋼材料から成っている、請求項２記載のピストン。
4. 焼結材料が、金属材料によって溶浸されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のピストン。
5. ピストン下側部分（１１，１１１）とピストン上側部分（１２，１１２）とが、ろう材料によって互いに結合されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のピストン。
6. ろう材料として、銅または銅合金もしくはニッケルまたはニッケル合金が設けられている、請求項５記載のピストン。
7. ピストン下側部分（１１，１１１）とピストン上側部分（１２，１１２）とが、内側および外側の互いに対応する接合面（２７，２８；１２７，１２８；３１，３２；１３１，１３２；１３５，１３６）を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載のピストン。
8. ピストン下側部分（１１，１１１）とピストン上側部分（１２，１１２）とが、前記接合面（２７，２８；１２７，１２８；３１，３２；１３１，１３２；１３５，１３６）の範囲に配置されたろう材料によって互いに結合されている、請求項７記載のピストン。
9. 当該ピストンが燃焼キャビティ（１５，１１５）を有している、請求項１から８までのいずれか１項記載のピストン。
10. 燃焼キャビティ（１５）が、ピストン下側部分（１１）によっても、ピストン上側部分（１２）によっても形成されている、請求項９記載のピストン。
11. 燃焼キャビティ（１１５）が、ピストン上側部分（１１２）に形成されている、請求項９記載のピストン。
12. ピストン下側部分（１１，１１１）とピストン上側部分（１２，１１２）とが、１つの外側の環状のクーリングチャンネル（３５，１３５）を取り囲んでいる、請求項１から１１までのいずれか１項記載のピストン。
13. ピストン下側部分（１１１）とピストン上側部分（１１２）とが、１つの内側のクーリングルームまたは内側の環状のクーリングチャンネル（１３７）を取り囲んでいる、請求項１から１２までのいずれか１項記載のピストン。
14. 内燃機関に用いられるピストン（１０，１１０）であって、ピストン下側部分（１１，１１１）と、該ピストン下側部分（１１，１１１）に載設配置されたピストン上側部分（１２，１１２）とが設けられていて、該ピストン上側部分（１２，１１２）が、該ピストン上側部分（１２，１１２）の周面にわたって環状に延びるトップランド（２５，１２５）と、該ピストン上側部分（１２，１１２）の周面にわたって環状に延びるリング部分（２６，１２６）とを有している形式のピストン（１０，１１０）を製造するための方法において、少なくともピストン上側部分（１２，１１２）をプレスおよび焼結により製造し、ピストン下側部分（１１，１１１）をプレスおよび焼結または鋳造または変形加工により製造し、引き続きピストン下側部分（１１，１１１）とピストン上側部分（１２，１１２）とを互いに接合することを特徴とする、内燃機関に用いられるピストンを製造するための方法。
15. ピストン下側部分（１１，１１１）を、鍛造または鋳造された鋼材料から製造し、ピストン上側部分（１２，１１２）を、焼結された鋼材料から製造する、請求項１４記載の方法。
16. ピストン下側部分（１１，１１１）とピストン上側部分（１２，１１２）とを、ろう材料によって互いに接合する、請求項１４または１５記載の方法。
17. ろう材料として、銅または銅合金もしくはニッケルまたはニッケル合金を使用する、請求項１６記載の方法。
18. 焼結材料を金属材料によって溶浸する、請求項１４から１７までのいずれか１項記載の方法。
19. 焼結材料をろう材料によって溶浸する、請求項１８記載の方法。
20. 焼結材料を、ろう材料の融点よりも低い融点を有する金属材料によって溶浸する、請求項１８記載の方法。
21. ピストン下側部分（１１，１１１）とピストン上側部分（１２，１１２）との焼結および接合を同じ製作ステップで行う、請求項１４から２０までのいずれか１項記載の方法。

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