JP2012524856A - 内燃機関のピストンおよびその製造の方法と装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関のピストンの製造のための方法に関する。冷却ダクト（１４）およびピストンリング溝を有する完成したピストン内の区画はまず凹み、それから冷却ダクトが覆われ、最後にピストンリングに適合する材料が取り付けられる。冷却ダクトは、シングルピストンに必要な長さよりも長いワイヤー材料に覆われる。冷却ダクト（１４）およびピストンリング溝を有する完成したピストン内の第１凹部区画を備える内燃機関のピストンの製造のための装置は、冷却ダクトに覆いを取り付けるための装置、およびシングルピストンに必要な長さよりも長いワイヤー材料を提供するための装置を有する。内燃機関のピストンは、冷却ダクト（１４）、ピストンリングに適合するための補強材料、および冷却ダクトと補強材料との間の被覆材料を有し、被覆材料はロールから連続的に巻き戻されるワイヤー材料からなる。

Description

本発明は、内燃機関のピストンの製造のための方法および装置、および内燃機関のピストンに関する。

ディーゼルエンジンにおいては、内燃機関のピストンのほぼ１００パーセントは重力ダイキャストによって製造される。これはまた、電気点火機関の大部分にも適用される。より小さい発達の枠組みの中で、しかし同時により効率的なエンジンにおいて、より大きな圧縮応力が生じる。これは、第１ピストンリングおよびピストンを収容する第１リング溝に大きな応力が加わることを意味する。特に、未来の高い応力を受ける電気点火機関のピストンには耐摩耗補強を設け、ピストンおよびピストンリングの寿命および作動特性を向上する必要がある。

電気点火機関のピストンの分野においては、既に用いられている部材が既知であり、それは高い応力を受ける第１ピストンリングを、電気的に塗布される酸化アルミニウム層によって局所的に補強することで、第１ピストンリングにおける高い表面圧および摩耗応力に耐えるものである。

技術的視点から、リングキャリアを一体的に鋳造することが、ディーゼルエンジンのピストンにおいて既に標準であるとともに、電気点火機関のピストンにおいてもますます求められるであろう。しかしそれは非常に複雑である。当該領域においては、さらに、特に冷却ダクトを有するディーゼルエンジンのピストンにおいて、冷却ダクトと組み合わされたリングキャリアを手動で型に挿入することが既知である。型に入れる前に、いわゆるアルフィン法を用い、該リングキャリアを液体アルミニウムに浸すことで、再鋳造の際に部分的に凝固したアルミニウムで全体を濡らすことができる。これは特に、リングキャリアと周囲のピストン材料との良好な金属結合を意味する。冷却ダクトは、例えば塩で作られピストンブランクの凝固の後で洗い流すことができる型コアを有しうる。

内燃機関のピストンの製造についての特許文献１の請求項１の前文より、最上部のリング溝および冷却ダクトの区画を第１のくぼみに配し、それから放射状に内側に延伸される被覆リングで覆うことで、リング溝を切断した後の残りの溝を、例えば熱注入によって充填することができる方法が知られている。

特許文献２においては、当該区画を後で除去される外側のリングの溶解コアで形成することで、該区画を補強材料で充填する。その後、溶解コアの内側の区画を除去することで、冷却ダクトが形成される。

特許文献３において、ピストンの上部に少なくとも１箇所で被覆要素によって覆われるくぼみを設けることで冷却ダクトを形成するピストンが述べられている。

特許文献４における鍛鋼製のピストンの閉鎖された冷却ダクトの製造のための方法においては、最初に放射状に外側に円周に面する開口部を内側に曲げ、それから２つの半円状要素によって閉じるものとする。

特許文献５はピストンの製造方法に関し、ピストンリング溝の区画を最初に切断し、それから電子またはレーザービームによって加工することで合金区画を形成するものである。その後、このように処理された区画からピストンリング溝を切断する。

最後に、特許文献６において内燃機関のピストンの製造のための方法について述べられ、冷却ダクトを除去可能な素材で充填するとともに、後に第１リング溝が切断される外側の放射状の溝を補強材料で充填するものとする。次に、除去可能な素材を除去することで、リング形状の冷却ダクトが残る。

ドイツ特許ＤＥ １９８ ０７ １７６ Ｃ２ ドイツ特許ＤＥ １９６ ４９ ３６３ Ｃ２ 欧州特許ＥＰ １ ５３６ １２５ Ａ１ ドイツ特許ＤＥ １０ ２００４ ００３ ９８０ Ａ１ 国際特許ＷＯ ８２／０３８１４ Ａ１ ドイツ特許ＤＥ １０ ２００５ ０４７ ０３５ Ｂ３

本発明の基礎をなす目的は、内燃機関のピストンの製造のための方法および装置であって、ピストンを特に効果的に製造することができるとともに、さらにピストンについての要求を満たすものを提供することである。加えて、該ピストンも呈示されるべきである。

この目的の一方は、請求項１で述べる方法によって達成される。

つまり、内燃機関のピストンの製造の際に、完成したピストン内の冷却ダクトおよびピストンリング溝からなる区画を最初にへこませ、それから冷却ダクトを塞ぐかまたは覆うものである。ピストンリングに適応する材料を“締切り”に取り付ける。本発明にかかる方法は、シングルピストンに必要な長さよりも長い冷却ダクトワイヤー材料を覆うことで、その特別な効果をもたらす。換言すれば、その寸法に関して、個々に適合したリング等は設けられず、例えばワイヤー材料を巻物から連続して伸ばして冷却ダクトを覆う凹部に導入するとともに、必要な長さに達した際にワイヤー材料を切断することができる。上記および後述のうちの多くの好ましい手順を自動化することにより、本発明に係るピストンの製造を特に容易にすることができる。

完成したピストンにおいて冷却ダクトおよびピストンリング溝を含む区画は、鋳造の際または加工前に既に適当な方式で凹ませておくことができる。さらに、補強材料およびリングキャリアの役割を果たす材料に設けられる冷却ダクトおよび溝の配置への要求はほとんど無い。冷却ダクトがピストン軸に対し垂直であるとともにピストン軸に対し対称でありうる平面に関して、主に前記平面の下に配置することができるとともに、その上縁部をカバー部材の上縁部の水準に配置することができる。さらに、ピストン軸および存在しうる燃焼ボウルに向かって配置されるこの区画の冷却ダクトは、その形状大きさが燃焼ボウルに適合されると考えられる。例えば、ピストン軸に沿った均一な厚さの材料が燃焼ボウルと冷却ダクトとの間に存在しうる。

いずれにせよ、長く冷却ダクトを覆うワイヤー材料を設けることで、好ましくは、シングルピストンに必要な長さに関して、連続的な“無限の”供給によって、より高い度合いの自動化を達成することができる。特に、既に要求されたように、リングキャリアの前処理やアルフィン処理、該リングキャリアおよび型コアの型への配置、型からの型コアの洗浄および除去といった手動作業手順の手数を省くことができる。

本発明に係る方法の好ましいさらなる改良は、さらなる請求項で述べられる。

前述のように、本発明に係る方法は、巻物から連続して巻き戻されて冷却ダクトを覆うワイヤー材料によって、特に効果的に実行することができる。

冷却ダクトを覆うことや、例えば締付けによる形状適合等のワイヤー材料の適用が、特に有利であることが示されている。

さらに、これに関して、例えば塊材料として材料費について利点をもたらす、ワイヤーの最初に選択された形状は、取り付けの間に変形させることで冷却ダクトを覆うことができる。

ワイヤー断面の形状に関して、現在、長円、矩形または台形の断面が考えられている。これは、このような形状は、冷却ダクトと外側の放射状の溝との間の狭い点への取り付けに際して有利であると見込まれているためである。しかし、ワイヤーの他の形状大きさも考えられる。

特に、後でリング溝を切断するために、被覆ワイヤー材料とピストン材料および／または好ましくは被覆ワイヤー材料に適合される補強材料の間に結合される材料について、ワイヤー材料を、好ましくは局所的に制限するとともに、好ましくは誘導的に、加熱することが有利であることが示されている。

この場合、特に好ましくは、ワイヤー材料またはピストン母材の融点のすぐ下で加熱することによって、一方では融解した材料の必要な取り扱いによる製造方法の複雑化を防ぐとともに、同時に前述の材料の間での特に良好な結合の要求を冶金的に満たすものである。

既に示されたように、本発明に係る方法の枠組みの中で、材料の補強は射出法によって被覆ワイヤー材料に適用される。

これに関して、好ましくは連続的にワイヤーとして設けられる少なくとも２つの異なる材料が同時にまたは交互に適用される際に、その混合比を例えば異なるワイヤー直径および／または異なる送り速度によって設定することが特に有利である。

特に、アルミシリコン合金および非合金鋼が材料として組み合わされるとともに／または２つの異なる材料の混合比が６０〜７０：３０〜４０の場合、特に良好な性質が見込まれる。最後の２つの段落で特定される手段はこの適用のさらなる特徴に対し独立であるとともに有利であり、組み合わせることができない。

前述の目的はさらに、内燃機関のピストンを製造する装置によって達成され、該装置は、シングルピストンの冷却ダクトを覆うのに必要な長さよりも長いワイヤー材料を提供する装置を有する。これは例えばワイヤー巻戻し装置でありうる。

ワイヤー材料を取り付けて冷却ダクトを覆うためには、最初の考察の後で、例えばローラーの形状であって取り付けられるワイヤーを変形させることができるローレットが特に有利であることが示されている。

前述の手順の実行のために必要とされるものに、さらなる装置が事実上対応する。可能な最も大規模な自動化のために、例えばワイヤー材料を取り付け、加熱するとともに、補強材料を熱的に噴射するための装置を単一の機械に組み合わせることができる。

最後に、前述の目的は請求項１７で述べるピストンによって達成され、該ピストンは冷却ダクトと補強材料との間にカバー材料を有し、ピストンリングをロールから連続的に巻き戻されるワイヤー材料に適合し、取り付けのために変形されるとともに／または続けて前述の方式で加熱されることを特徴とする。

図１は、ピストン底部（図１上部）およびピストン外側部の近くに位置するピストンブランクの領域の断面を示す。以下により詳細に述べるように、溝１０は外側（図１左側）に開かれるとともに、典型的な実施例では台形状であり、補強材料で充填され、それから最上部のピストンリングを収容するためのリング溝を設けられる。溝１０は、ピストン軸（図１）へと広がり、本実施例では台形状のさらなる溝１４から延伸する狭窄部１２へと延伸する。以下により詳細に述べるように、溝１４は本発明に係る処理の過程において閉じられているとともに、完成したピストンにおいて冷却ダクトを形成する。示される例において、溝１０・１４は、ピストン軸に対し垂直である平面に関して、およそ狭窄部１２の中心を経て対称である。しかし、後述の別実施例においてはそうではない。

図２に示すように、本発明に係る方法の枠組みの中で、ワイヤー材料１６は溝１０に導入され、例えば形状適合によって狭窄部１２に取り付けられる。図２の例において、ワイヤー材料１６は略長円状の断面を有し、断面の長主軸は狭窄部１２の寸法よりいくらか長いものとすることで、前述の取り付けを可能としている。これは特に、矢印Ａの方向に押圧するとともに、例えば適当なローレット２６を用いることで実行することができる。例に示されるローレット２６は略円柱状であるとともに、わずかに凹状の溝つきの外面を有する。同様に、ローレット２６は略円柱状であるか、または外側へ凹状、換言すれば円形でありうる。あるいは、ローレット２６は平頭の円錐形状でありうる。図８・９に示すように、幅広の側が外側を向いた略矩形状の断面または台形状の断面を、さらなるワイヤーの形状大きさとして用いることができる。

図３から明らかなように、冷却ダクト溝１４を覆うために設けられるワイヤー材料は、その外側部への押圧によっていくらか扁平にすることができる。図３において、さらに、例えば誘導的に設計することができる加熱装置１８によってワイヤーを加熱することができることが示される。

図４に示すように、続けて補強材料を、例えば熱射出によってワイヤー材料１６に取り付けることができ、これによって、この区画で最上部のピストンリングを永続的かつ確実に適用するという要求が満たされる。この目的のために、図５の結果として示すように、好ましくは、外側の溝を補強材料で完全に充填し、それからピストンの円柱外面において完成させ、該外面と略平らにする。さらに、ピストンリング溝２０を切断する。

図６に示される冷却ダクトの溝１４の別の寸法大きさにおいては、溝１４は狭窄部１２の上縁から、すなわちワイヤー材料１６の上縁から、完成したピストンの底部へと延伸され、特にこの実施例においては外側の溝１０の下縁部に達する。示される例においては、冷却ダクト溝１４はその上側が略平らであるとともに下側が湾曲している。

図７に冷却ダクト溝１４のさらなる別実施例が示され、それは狭窄部１２の中心点の上方の断面において図１〜５の実施例と同様であるが、その下部はある角度でピストン軸２２の方向へ下方へと延伸し、燃焼ボウル２４の寸法大きさに適合する。特に、ピストン軸２２に向けられる冷却ダクト溝１４の区画は、例えば曲がって形成され、それによって冷却ダクト溝１４と燃焼ボウル２４との間に略ばらつきのない厚さの“橋”が残存するとともに／または、ピストン軸に最も近い冷却ダクトの区画とピストン軸２２との距離は、燃焼ボウルから最も遠い燃焼ボウルの点との距離とほぼ等しいか小さい。

ピストンブランクの上部の断面図。 図１に挿入されるワイヤー材料およびツールを加えた断面図。 図２に変形されるワイヤー材料および加熱装置を加えた断面図。 図３に補強材料を取り付けた断面図。 完成状態の図１から４の断面図。 図５の別実施例の断面図。 図５の別実施例の断面図。 図２に別の形状大きさのワイヤーを加えた状態。 図２に別の形状大きさのワイヤーを加えた状態。

１０ 溝
１２ 狭窄部
１４ 溝

Claims (17)

1. 完成したピストンの冷却ダクト（１４）およびピストンリング溝（２０）からなる区画はまず凹まされ、それから冷却ダクトが覆われ、最後にピストンリングに適合する材料が取り付けられるものとする内燃機関のピストンの製造方法であって、
   シングルピストンに必要な長さよりも長いワイヤー材料（１６）で冷却ダクトが覆われることを特徴とする方法。
2. ワイヤー材料（１６）がロールから連続的に巻き戻されるものとする、請求項１に記載の方法。
3. ワイヤー材料（１６）が形状適合によって取り付けられるものとする、請求項１または２に記載の方法。
4. ワイヤー材料（１６）が取り付けの間またはその後に変形されるものとする、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. ワイヤー材料（１６）は略長円状、矩形状または台形状の断面形状を有するものとする、前記請求項のいずれかに記載の方法。
6. ワイヤー材料（１６）を取り付けの後で、好ましくは局所的限界で、好ましくは誘導的に加熱するものとする、前記請求項のいずれかに記載の方法。
7. ワイヤー材料（１６）またはピストン材料の融点のすぐ下でワイヤー材料（１６）を加熱するものとする、請求項６に記載の方法。
8. 冷却ダクト（１４）を覆った後で、ワイヤー材料（１６）に材料を射出法によって取り付けるものとする、前記請求項のいずれかに記載の方法。
9. 射出法の枠組みの中で、少なくとも２つの異なる材料を同時または交互に、好ましくはワイヤーとして取り付けるとともに、該２つの材料の混合比をこれらのワイヤー直径および／または送り速度によって設定するものとする、請求項８に記載の方法。
10. 材料としてアルミシリコン合金および非合金鋼を用いるとともに／または材料の混合比が６０〜７０：３０〜４０であるものとする、請求項９に記載の方法。
11. まず凹みを有するとともに冷却ダクト（１４）およびピストンリング溝（２０）を有する完成したピストンである区画からなる内燃機関のピストンを製造するための装置であって、
    覆いを冷却ダクトに取り付ける装置、およびシングルピストンに必要な長さよりも長いワイヤー材料（１６）を提供するための装置からなる装置。
12. 前記ワイヤー材料を提供するための装置はワイヤー巻戻し装置であるものとする、請求項１１に記載の内燃機関のピストンを製造するための装置。
13. ワイヤー材料（１６）を押圧するための装置、好ましくはローレットをさらに有する、請求項１１または１２に記載の内燃機関のピストンを製造するための装置。
14. 加熱装置（１８）をさらに有する、請求項１１から１３のいずれかに記載の内燃機関のピストンを製造するための装置。
15. 材料を熱的に噴射するための装置をさらに有する、請求項１１から１４のいずれかに記載の内燃機関のピストンを製造するための装置。
16. ワイヤー直径および／または送り速度が相違する少なくとも２つの異なる材料を熱的噴射装置によって供給可能な、請求項１５に記載の内燃機関のピストンを製造するための装置。
17. 冷却ダクト（１４）およびピストンリングに適合するための補強材料、および
    冷却ダクト（１４）と補強材料との間の被覆材料であって、ロールから連続的に巻き戻されるワイヤー材料（１６）からなる被覆材料、
    からなる内燃機関のピストン。

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