JP2017089409A - 内燃機関用ピストン - Google Patents

Abstract

【課題】上部ピストン部材と下部ピストン部材の接合面の位置を最適化し、加工性悪化およびコスト増加を抑制する。【解決手段】本発明の一態様によれば、ピストン軸Ｃ方向に予め分割された上部ピストン部材２０と下部ピストン部材３０を摩擦溶接により一体的に接合して形成される内燃機関用ピストン１であって、ピストンの内部に形成された冷却空洞７と、上部ピストン部材と下部ピストン部材の接合面４０であって、冷却空洞の半径方向外側に位置される外側接合面４１と、冷却空洞の半径方向内側に位置される内側接合面４２とを含む接合面とを備え、外側接合面と内側接合面が、ピストン軸方向におけるトップランド１３の位置であって且つ同一位置に位置されていることを特徴とする内燃機関用ピストンが提供される。【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関用ピストンに関する。

内燃機関用ピストンにおいて、冷却空洞をピストン内部に形成し、冷却空洞内に潤滑油を循環させることで冷却促進を図るものがある。そして冷却空洞の位置や形状等を最適化するため、ピストン軸方向における冷却空洞の位置においてピストンを上部ピストン部材と下部ピストン部材に予め分割し、これらピストン部材同士を摩擦溶接により一体的に接合することが知られている。

特開２００１−１０７８０３号公報

ところで、ディーゼルエンジンでは一般的にスチール（鉄）製ピストンが採用され、ピストン頂面にはキャビティが凹設され、キャビティ側面とピストン頂面の交差部にはリップ部が形成されている。

スチール製ピストンはアルミ製ピストンに比べて熱伝導率が低いため、ピストン上部、特にリップ部が高温になり、リップ部に酸化腐食およびこれに起因する亀裂が発生する不具合が生じることがある。

この不具合を解消するため、上記摩擦溶接により接合するタイプのピストンにおいて、リップ部を含む上部ピストン部材を下部ピストン部材より耐熱性の高い材料、例えばステンレスで形成することが考えられる。

しかしこの場合、ピストン部材同士の接合面の位置を不適切に選択すると、機械加工が困難でかつ高価なステンレス材料を、温度がそれ程高くない部位にも使用してしまい、徒に加工性を悪化させ、コストを増加させてしまう。

そこで本発明は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、上部ピストン部材と下部ピストン部材の接合面の位置を最適化し、加工性悪化およびコスト増加を抑制することができる内燃機関用ピストンを提供することにある。

本発明の一の態様によれば、
ピストン軸方向に予め分割された上部ピストン部材と下部ピストン部材を摩擦溶接により一体的に接合して形成される内燃機関用ピストンであって、
前記ピストンの内部に形成された冷却空洞と、
前記上部ピストン部材と前記下部ピストン部材の接合面であって、前記冷却空洞の半径方向外側に位置される外側接合面と、前記冷却空洞の半径方向内側に位置される内側接合面とを含む接合面と、
を備え、
前記外側接合面と前記内側接合面が、ピストン軸方向におけるトップランドの位置であって且つ同一位置に位置されている
ことを特徴とする内燃機関用ピストンが提供される。

好ましくは、前記外側接合面と前記内側接合面が、ピストン軸方向に垂直な同一の仮想平面上に位置される。

好ましくは、前記ピストンは、ピストン頂面と、前記ピストン頂面に凹設されたキャビティと、前記キャビティの側面および前記ピストン頂面の交差部に形成されたリップ部とをさらに備え、
前記ピストン頂面と前記リップ部が前記上部ピストン部材に含まれ、
前記上部ピストン部材が前記下部ピストン部材より耐熱性の高い材料で形成される。

好ましくは、前記上部ピストン部材がステンレス製である。

好ましくは、前記外側接合面と前記内側接合面が、ピストン軸方向における前記冷却空洞の位置に位置されている。

本発明によれば、上部ピストン部材と下部ピストン部材の接合面の位置を最適化し、加工性悪化およびコスト増加を抑制することができるという、優れた効果が発揮される。

本発明の実施形態の構成を示す側面断面図である。 比較例の構成を示す側面断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１に本実施形態に係る内燃機関用ピストンを示す。ピストン１は、ディーゼルエンジン用であり、ピストン１の中心線をなすピストン軸Ｃを有する。以下、ピストン軸Ｃの方向を単に「軸方向」といい、ピストン軸Ｃを基準とした半径方向および周方向を単に「半径方向」および「周方向」という。またピストン軸Ｃの方向における上死点側（図中上側）を「上」、下死点側（図中下側）を「下」とする。

ピストン１は、ピストン頂面２と、ピストン頂面２に凹設されたキャビティ３と、キャビティ３の側面４およびピストン頂面２の交差部に形成されたリップ部５とを備える。図示例のピストン１は深皿（トロイダル）型とされ、軸方向に平行で且つ所定半径を有する円環状のキャビティ側面４を有する。ピストン頂面２は、軸方向に垂直な円環状の平面で形成される。こうしたキャビティ側面４とピストン頂面２の交差部に円環状のリップ部５が形成される。リップ部５は、図示するような断面視において所定の曲率半径を有する湾曲（アール）形状とされている。

キャビティ３の底面６は、半径方向外側部分６Ａと半径方向内側部分６Ｂとを有する。半径方向外側部分６Ａは、滑らかに湾曲して下方に凹んだ凹状に形成され、半径方向内側部分６Ｂは、滑らかに湾曲して上方に突出した凸状に形成される。

なお、ピストンの形状は深皿（トロイダル）型に限定されず、例えば浅皿型、リエントラント型であってもよい。リエントラント型の場合、リップ部は、キャビティ側面の最大半径位置よりも半径方向内側に突出される。いずれの場合も、キャビティ側面とピストン頂面との交差部がリップ部をなす。

ピストン１の内部でかつキャビティ３の半径方向外側には冷却空洞７が形成される。冷却空洞７は、軸方向の所定長さＬと半径方向の所定幅Ｗとを有する。長さＬは幅Ｗより大きく、冷却空洞７は縦長に形成される。また冷却空洞７は、周方向に延びて１周する円環状に形成される。

図外の位置において、冷却空洞７の底部（下端部）から下方に延びて外部に連通するオイルジェット穴が設けられる。このオイルジェット穴を通じて外部のオイルジェットから冷却空洞７内にオイルが噴射供給され、オイルが冷却空洞７内を循環されることで、ピストン１が油冷される。

冷却空洞７の下方にはピストンピン穴８が形成される。Ｘはピストンピン穴８の中心線である。

ピストン１の半径方向外側の外周面９には複数のランドとリング溝が設けられる。図示例では、ピストンリングを嵌合挿入するための三つのリング溝、すなわち上方から順に、トップリング溝１０、セカンドリング溝１１およびサードリング溝１２が設けられる。そしてトップリング溝１０の上方の外周面９、すなわち外周面９のうちトップリング溝１０の上端縁からピストン頂面２までの部分が、トップランド１３となっている。

同様に、トップリング溝１０とセカンドリング溝１１の間の外周面９、すなわち外周面９のうちトップリング溝１０の下端縁からセカンドリング溝１１の上端縁までの部分が、セカンドランド１４となっている。セカンドリング溝１１とサードリング溝１２の間の外周面９、すなわち外周面９のうちセカンドリング溝１１の下端縁からサードリング溝１２の上端縁までの部分が、サードランド１５となっている。なお最も下側のサードリング溝１２は、オイルリングが挿入されるオイルリング溝となっている。

さて、本実施形態のピストン１は、軸方向に予め分割された上部ピストン部材２０と下部ピストン部材３０を摩擦溶接により一体的に接合して形成される。またピストン１は、上部ピストン部材２０と下部ピストン部材３０の接合面４０を備える。接合面４０は、冷却空洞７の半径方向外側に位置される外側接合面４１と、冷却空洞７の半径方向内側に位置される内側接合面４２とを含む。

特に本実施形態において、外側接合面４１と内側接合面４２は、軸方向におけるトップランド１３の位置であって且つ同一位置Ｈに位置されている。ここで軸方向におけるトップランド１３の位置とは、トップランド１３の下端の軸方向位置をＨ１、トップランド１３の上端の軸方向位置をＨ２とした場合、Ｈ１より上方で且つＨ２より下方の任意の位置をいう。従って、外側接合面４１と内側接合面４２は、軸方向に垂直な同一の仮想平面Ｐ上に位置されることとなる。

また、こうした一体接合構造を採用する主な理由の一つは、冷却空洞７の位置や形状等を最適化するためである。そのため、冷却空洞７の上端部が上部ピストン部材２０に、残部が下部ピストン部材３０に画成され、両ピストン部材２０，３０が互いに接合されたときに両部が組み合わされるようになっている。つまり冷却空洞７も予め上下に分割された構造となっている。ピストン部材同士を接合する前に開いた冷却空洞７の各部において、比較的自由に位置形状等を設定し、また加工できるので、冷却空洞７を最適化し、ピストンの冷却性を高めることができる。

このように、外側接合面４１と内側接合面４２の軸方向位置ないし仮想平面Ｐは、軸方向における冷却空洞７の位置、すなわち冷却空洞７の下端の軸方向位置Ｌ１より上方で且つ冷却空洞７の上端の軸方向位置Ｌ２より下方の任意の位置に位置されている。

図中、５０で示されるのは、摩擦溶接の際に形成されたバリである。冷却空洞７内に形成されたバリ５０は、除去不能であるが、ピストン１に蓄積された熱を冷却空洞７内の空間およびオイルに放散するのに役立つ。ピストン外周面９と、キャビティ側面４（またはキャビティ側面４およびキャビティ底面６の接続部）とに形成されたバリ５０は、後の機械加工により除去される。

前述のピストン頂面２とキャビティ側面４とリップ部５は上部ピストン部材２０に含まれる。これに対しキャビティ底面６は上部ピストン部材２０に含まれず、下部ピストン部材３０に含まれる。

下部ピストン部材３０は一般的なスチール製である。これに対し上部ピストン部材２０は、下部ピストン部材３０より耐熱性の高い材料で形成され、本実施形態ではステンレス製とされている。これにより、運転中に高温となるピストン上部、特にリップ部５において、酸化腐食およびこれに起因する亀裂が発生する不具合を抑制することができる。

上部ピストン部材２０と下部ピストン部材３０は、鋳造製であっても鍛造製であってもよい。

次に、本実施形態の作用効果を説明する。

図２に、本発明の着想に至る前の比較例の構成を示す。なお本実施形態と同一のまたは対応する部分には同一の符号を付す。

図示するように比較例においては、外側接合面４１と内側接合面４２の軸方向位置が、トップランド１３より下方のサードランド１５の位置とされている。しかしこれだと、機械加工が困難なステンレス製の上部ピストン部材２０に、トップリング溝１０とセカンドリング溝１１を機械加工しなければならず、加工性が悪化する。そして加工時間が長期化する結果、加工コストも増加する。

また、トップリング溝１０とセカンドリング溝１１周辺のランド部（セカンドランド１４およびサードランド１５を含む）は、それ程高温とならないが、こうした部位にも高価なステンレス材料を使用しなければならず、材料コストが増加する。またキャビティ底面６もそれ程高温となる部位ではないけれども、この部位にも高価なステンレス材料を使用するので材料コストが増加する。

これに対し本実施形態においては、図１に示すように、外側接合面４１と内側接合面４２を、軸方向におけるトップランド１３の位置であって且つ同一位置Ｈに位置させたので、ステンレス製上部ピストン部材２０に如何なるリング溝も機械加工しないで済み、加工性の悪化を抑制し、加工コストの増加を抑制することができる。また、それ程高温とならない部位（トップリング溝１０とセカンドリング溝１１周辺のランド部およびキャビティ底面６）をステンレス製上部ピストン部材２０に含めずに済み、高価なステンレス材料の使用量を大幅に削減して材料コストの増加を抑制することができる。要は、高温となる必要な部位にのみ高価なステンレス材料を用いてコスト増加を抑制できる。

さらに、外側接合面４１と内側接合面４２を軸方向の同一位置Ｈに位置させたので、両ピストン部材２０，３０の接合面となる分割面の加工が大変容易になると共に、摩擦溶接時に両ピストン部材２０，３０の接合面に均等に荷重を加えることができ、溶接の精度および信頼性を向上することができる。

この点に関し、特許文献１は、冷却用環状空間を分割する分割面のうち、外側分割面をトップランドの位置に位置させ、内側分割面をセカンドランドの位置に位置させ、上下に段差を有する構成を開示している（図１）。また変形例として、上下に段差を有しない同一線で分割しても良いことを開示している（段落００１２）。

しかし、特許文献１は、同一線で分割する場合に外側分割面および内側分割面をトップランドの位置に位置させるのか、セカンドランドの位置に位置させるのか、何等特定していない。セカンドランドの位置に位置させた場合には当然に本実施形態の構成と相違し、本実施形態の作用効果を奏し得ない。他方、特許文献１は本実施形態の課題を全く想定していないため、本実施形態の課題を解決するようにトップランドの位置に位置させることは、特許文献１の記載事項から決して容易に想到できない。従って本実施形態における「外側接合面４１と内側接合面４２を軸方向におけるトップランド１３の位置であって且つ同一位置Ｈに位置させる」という特徴は、特許文献１の記載事項から決して容易に想到できない。本実施形態の作用効果も、特許文献１の記載事項から当然に導き得るものではない。

このように本実施形態によれば、上部ピストン部材２０と下部ピストン部材３０の接合面４０の位置を最適化し、加工性悪化およびコスト増加を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態を詳細に述べたが、本発明は他の実施形態も可能である。例えば内燃機関はディーゼルエンジンに限らずガソリンエンジン等であってもよい。前記実施形態では上部ピストン部材２０と下部ピストン部材３０からなる２ピース構造のピストン１を示したが、さらにピース数を増やし３ピース、４ピース構造等としてもよい。例えば下部ピストン部材３０を上下に分割して２ピース構造とすることができる。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ ピストン
２ ピストン頂面
３ キャビティ
４ キャビティ側面
５ リップ部
７ 冷却空洞
１３ トップランド
２０ 上部ピストン部材
３０ 下部ピストン部材
４０ 接合面
４１ 外側接合面
４２ 内側接合面
Ｃ ピストン軸
Ｐ 仮想平面

Claims (5)

1. ピストン軸方向に予め分割された上部ピストン部材と下部ピストン部材を摩擦溶接により一体的に接合して形成される内燃機関用ピストンであって、
   前記ピストンの内部に形成された冷却空洞と、
   前記上部ピストン部材と前記下部ピストン部材の接合面であって、前記冷却空洞の半径方向外側に位置される外側接合面と、前記冷却空洞の半径方向内側に位置される内側接合面とを含む接合面と、
   を備え、
   前記外側接合面と前記内側接合面が、ピストン軸方向におけるトップランドの位置であって且つ同一位置に位置されている
   ことを特徴とする内燃機関用ピストン。
2. 前記外側接合面と前記内側接合面が、ピストン軸方向に垂直な同一の仮想平面上に位置される
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用ピストン。
3. ピストン頂面と、前記ピストン頂面に凹設されたキャビティと、前記キャビティの側面および前記ピストン頂面の交差部に形成されたリップ部とをさらに備え、
   前記ピストン頂面と前記リップ部が前記上部ピストン部材に含まれ、
   前記上部ピストン部材が前記下部ピストン部材より耐熱性の高い材料で形成される
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関用ピストン。
4. 前記上部ピストン部材がステンレス製である
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の内燃機関用ピストン。
5. 前記外側接合面と前記内側接合面が、ピストン軸方向における前記冷却空洞の位置に位置されている
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の内燃機関用ピストン。

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