JP2017089469A

JP2017089469A - スチールピストン、スチールピストンの冷却方法、及びスチールピストンの製造方法

Info

Publication number: JP2017089469A
Application number: JP2015219399A
Authority: JP
Inventors: 耕二蛭川; Koji Hirukawa
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2015-11-09
Filing date: 2015-11-09
Publication date: 2017-05-25

Abstract

【課題】内燃機関で使用される、内部に冷却媒体を循環させる冷却用空洞を有するスチールピストンにおいて、冷却媒体による優れた冷却性能を維持しつつ、容易に製造することができるスチールピストン、スチールピストンの冷却方法、及びスチールピストンの製造方法を提供する。
【解決手段】スチールピストン１の頂上の燃焼室を形成する頂上壁１１と、ピストンリング溝１５が設けられる外壁１２と、ピン孔１３とコンロッド挿入孔１６の上部の天井壁１４ａ、１４ｂとで区画された、一つの空間のみを冷却用空洞１０として備えると共に、頂上壁１１と外壁１２の上側部分とからなるピストン用上部材１Ａの下面と、外壁１２の下側部分と天井壁１４ａ、１４ｂを有するピストン用下部材１Ｂの上面との接合面が外壁１２部分のみに設けて構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の気筒内等に収納されるスチールピストンの内部に設けられ、冷却媒体を循環させる空洞を有するスチールピストン、スチールピストンの冷却方法、及びスチールピストンの製造方法に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関は、気筒（シリンダ）内に収納されて往復動するピストンを有している。このピストンは、燃焼室での燃料の燃焼過程において、高温の熱に晒されるため、その内部に冷却用空洞を設けて、この冷却用空洞内にオイル等の冷却媒体を循環させることで、ピストンを冷却している。この冷却用空洞は、通常は、特に熱発生量が大きく、十分に冷却する必要のある、燃焼室の裏側部分やピストンの外壁のピストンリング溝の周辺部分に効率良く冷却媒体を循環できるように配設される。

一方、ピストンの種類の一つとして、スチールを原材料とするスチールピストンがある。このスチールピストンは、アルミ鋳造品等のピストンと比較して、比較的、強度に優れており、軽量で、小型化が容易であるという特徴がある。

従来では、このスチールピストンの冷却用空洞は、図２に示すように、冷却用空洞第１室１０Ｘａと冷却用空洞第２室１０Ｘｂの２室を構成する構造が提案されている。この冷却用空洞第１室１０Ｘａは、ピストンリング溝１５の周辺部分の冷却を主に行うために、頂上壁１１と、ピストンリング溝１５のある外壁１２と、ピン孔１３の上部の壁１４ａと、隔壁１７とで区画され、スチールピストン１Ｘの外周全体に亘って設けられる。一方、冷却用空洞第２室１０Ｘｂは、燃焼室の裏側部分の冷却を主に行うために、頂上壁１１と、隔壁１７と、スチールピストン１Ｘの略中央のコンロッド挿入用の孔１６の上部に設けた天井壁１４ｂとで区画され、スチールピストン１Ｘの内周全体に亘って設けられる。そして、この冷却用空洞第１室１０Ｘａと冷却用空洞第２室１０Ｘｂは、冷却オイルなどの冷却媒体Ｏの通路となる冷却穴（給油穴）１８を有する隔壁１７で仕切られている。

スチールピストンでは、中子や鋳型を用いた鋳造ではなく、切削加工により冷却用空洞を切り出すために、ピストン用上部材１ＸＡとピストン用下部材１ＸＢに分割して、冷却用空洞１０Ｘ（１０Ｘａ，１０Ｘｂ）を切削加工により形成した後に、ピストン１Ｘの外壁に相当する箇所Ｗと隔壁１７に相当する箇所Ｗｘの２箇所で、摩擦溶接（摩擦圧接）により接合している。この摩擦溶接を用いるのは、レーザー溶接やアーク溶接等のその他の溶接工法に用いる工具（ツール）を隔壁１７の溶接部分Ｗｘに接近させることができないからである。

しかしながら、この製造方法では、図３に示すように隔壁１７の溶接箇所ＷｘでカールＫが発生してしまう。このカールＫを除去するために、カールＫの周辺に除去作業を行うための空間が必要となるが、小型のスチールピストンでは、この除去作業を行うために外側からツールを挿入できる空間を確保することができず、この従来の製造方法を採用できないという問題があった。

これに関連して、ピストンを、スカート、頂上部、支柱の３つのピストン部材で構成して、スカートを頂上部に最初に摩擦溶接し、次に、支柱の茶わんの形をした部分の内部に冷却剤を入れた後に、頂上部と支柱を摩擦溶接によって接合して冷却剤を封じ込める、摩擦溶接によるピストン冷却剤封込方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、この摩擦溶接で例示されているピストンの空洞では、ピストンの冷却において、重要な役割の一つである、ピストンの外壁のピストンリング溝の周辺部分の冷却をすることができないという問題がある。

特公昭４８−４５０２号公報

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関で使用されるスチールピストンにおいて、冷却媒体による優れた冷却性能を維持しつつ、容易に製造することができるスチールピストン、スチールピストンの冷却方法、及びスチールピストンの製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明のスチールピストンは、スチールピストンの内部に設けられ、冷却媒体を循環させる冷却用空洞を有するスチールピストンにおいて、前記スチールピストンの頂上の燃焼室を形成する頂上壁と、ピストンリング溝が設けられる外壁と、ピン孔とコンロッド挿入孔の上部の天井壁とで区画された、一つの空間のみを冷却用空洞として備えると共に、前記頂上壁と前記外壁の上側部分とからなるピストン用上部材の下面と、前記外壁の下側部分と前記天井壁を有するピストン用下部材の上面の接合面が前記外壁部分のみに設けられるように構成される。

この構成によれば、燃焼室の裏側部分やピストンリング溝の周辺部分を一つの冷却用空洞で冷却媒体により効率良く冷却することができるので、優れた冷却性能を維持することができる。また、冷却用空洞内に摩擦溶接によるカールが発生する隔壁を設ける従来技術の構造を採用していないので、スチールピストンの製造時に、ピストンの内部空間の部分に、摩擦溶接によるカールが発生する部分がなくなるので、カールの除去作業を行うための空間が不要となり、小型のスチールピストンであっても、容易に製造できるようになる。

また、上記の目的を達成するための本発明のスチールピストンの冷却方法は、スチールピストンの内部に設けられた冷却用空洞に、冷却媒体を循環させるスチールピストンの冷却方法において、前記スチールピストンの頂上の燃焼室を形成する頂上壁と、ピストンリング溝が設けられる外壁と、ピン孔とコンロッド挿入孔の上部の天井壁とで区画された、一つの空間のみで形成された冷却用空洞に冷却媒体を循環させて、前記頂上壁と前記外壁の両方を同時に冷却することを特徴とする方法であり、上記のスチールピストンと同様の効果を奏することができる。

また、上記の目的を達成するための本発明のスチールピストンの製造方法は、上記のスチールピストンを製造するためのスチールピストンの製造方法において、前記ピストン用上部材と前記ピストン用下部材を別々に製造して、前記ピストン用上部材に前記燃焼室と前記冷却用空洞の上部部分と前記ピストンリング溝を形成し、前記ピストン用下部材に前記冷却用空洞の上部部分に対向する前記冷却用空洞の下部部分を形成し、その後、前記ピストン用上部材の前記下面と前記ピストン用下部材の前記上面を前記外壁の前記接合面の部分のみで接合することを特徴とする方法である。

この方法によれば、他の溶接工法に用いる工具（ツール）が接近することができる、外壁の接合面のみで接合するので、容易に接合作業を行うことができると共に、摩擦溶接による接合のみではなく、例えば、レーザー溶接やアーク溶接等の他の溶接工法も用いることができるようになる。従って、スチールピストンを容易に製造することができるようになる。

本発明のスチールピストン、スチールピストンの冷却方法によれば、燃焼室の裏側部分やピストンリング溝の周辺部分を一つの冷却用空洞で冷却媒体により効率良く冷却することができるので、優れた冷却性能を維持することができる。また、冷却用空洞内に摩擦溶接によるカールが発生する隔壁を設ける従来技術の構造を採用していないので、スチールピストンの製造時に、ピストンの内部空間の部分に、摩擦溶接によるカールが発生する部分がなくなるので、カールの除去作業を行うための空間が不要となり、小型のスチールピストンであっても、容易に製造できるようになる。従って、冷却媒体による優れた冷却性能を維持しつつ、容易に製造することができる。

また、本発明のスチールピストンの製造方法によれば、他の溶接工法に用いる工具（ツール）が接近することができる、外壁の接合面のみで接合するので、容易に接合作業を行うことができると共に、摩擦溶接による接合のみではなく、例えば、レーザー溶接やアーク溶接等の他の溶接工法も用いることができるようになる。従って、スチールピストンを容易に製造することができるようになる。

本発明に係る実施の形態のスチールピストンの構成を模式的に示す図である。従来技術に係るスチールピストンの構成を模式的に示す図である。図２のＷｘ部分を拡大した図であり、従来技術の冷却用空洞内の隔壁の摩擦溶接に伴う、カールの発生状況を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態のスチールピストン、スチールピストンの冷却方法、及びスチールピストンの製造方法について、図面を参照しながら説明する。

本発明に係る実施の形態のスチールピストン１は、図１に示すように、スチールピストン１の内部に設けられ、冷却媒体Ｏを循環させる冷却用空洞１０を有するスチールピストンである。このスチールピストン１において、スチールピストン１の頂上の燃焼室を形成する頂上壁１１と、ピストンリング溝１５が設けられる外壁１２と、ピン孔１３とコンロッド挿入孔１６の上部の天井壁１４ａ、１４ｂとで区画された、一つの空間のみを冷却用空洞１０として備える。それと共に、頂上壁１１と外壁１２の上側部分とからなるピストン用上部材１Ａの下面と、外壁１２の下側部分と天井壁１４ａ、１４ｂを有するピストン用下部材１Ｂの上面の接合面が外壁１２部分のみに設けられる。

また、本発明の実施の形態のスチールピストンの冷却方法は、スチールピストン１の内部に設けられた冷却用空洞１０に、冷却オイルＯを循環させるスチールピストンの冷却方法であり、この冷却方法において、スチールピストン１の頂上の燃焼室を形成する頂上壁１１と、ピストンリング溝１５が設けられる外壁１２と、ピン孔１３とコンロッド挿入孔１６の上部の天井壁１４ａ、１４ｂとで区画された、一つの空間のみで形成された冷却用空洞１０に冷却オイルＯを循環させて、頂上壁１１と外壁１２の両方を同時に冷却する方法である。

ここで、この一つの空間のみで形成される一体型の冷却用空洞１０は、言い換えれば、図２に示す従来技術では、冷却用オイル（冷却媒体）Ｏの通路となる冷却穴（給油穴）１８を有する隔壁１７で仕切ることで、複数の空間１０Ｘａ、１０Ｘｂで構成され、ピストンリング溝１５の周辺部分の冷却を主に行うために、スチールピストン１の外周全体に亘って設けられる冷却用空洞第１室１０Ｘａと、燃焼室の裏側部分の冷却を主に行うために、スチールピストン１の内周全体に亘って設けられる冷却用空洞第２室１０Ｘｂの２室を、隔壁１７で仕切ることなく、一つの空間、即ち、１室として構成した冷却用空洞である。

上記の構成のスチールピストン１及びスチールピストンの冷却方法によれば、燃焼室の裏側部分やピストンリング溝１５の周辺部分を一つの冷却用空洞１０で冷却オイルＯにより効率良く冷却することができるので、優れた冷却性能を維持することができる。

また、冷却用空洞１０内に摩擦溶接によるカールが発生する隔壁１７を設ける従来技術の構造を採用していないので、スチールピストン１の製造時に、ピストンの内部空間の部分に、摩擦溶接によるカールが発生する部分がなくなるので、カールの除去作業を行うための空間が不要となり、小型のスチールピストン１であっても、容易に製造できるようになる。

そして、上記の目的を達成するための本発明のスチールピストンの製造方法は、上記のスチールピストン１を製造するためのスチールピストンの製造方法であり、この製造方法において、ピストン用上部材１Ａとピストン用下部材１Ｂを別々に製造して、ピストン用上部材１Ａに燃焼室と冷却用空洞１０の上部部分とピストンリング溝１５を形成し、ピストン用下部材１Ｂに冷却用空洞１０の上部部分に対向する冷却用空洞１０の下部部分を形成し、その後、ピストン用上部材１Ａの下面とピストン用下部材１Ｂの上面を外壁１２の接合面の部分のみで接合する方法である
上記のスチールピストンの製造方法によれば、他の溶接工法に用いる工具（ツール）が接近することができる、外壁１５の接合面のみで接合するので、容易に接合作業を行うことができると共に、摩擦溶接による接合のみではなく、例えば、レーザー溶接やアーク溶接等の他の溶接工法も用いることができるようになる。従って、スチールピストンを容易に製造することができるようになる。

１、１Ｘスチールピストン
１Ａ、１ＸＡピストン用上部材
１Ｂ、１ＸＢピストン用下部材
１０、１０Ｘ冷却用空洞
１０Ｘａ冷却用空洞第１室
１０Ｘｂ冷却用空洞第２室
１１頂上壁
１２外壁
１３ピン孔
１４天井壁
１５ピストンリング溝
１６コンロッド挿入孔
１７隔壁
１８給油穴（冷却穴）
Ｏ冷却用オイル（冷却媒体）
Ｗ外壁の接合箇所
Ｗｘ隔壁の接合箇所
Ｋカール

Claims

スチールピストンの内部に設けられ、冷却媒体を循環させる冷却用空洞を有するスチールピストンにおいて、
前記スチールピストンの頂上の燃焼室を形成する頂上壁と、ピストンリング溝が設けられる外壁と、ピン孔とコンロッド挿入孔の上部の天井壁とで区画された、一つの空間のみを冷却用空洞として備えると共に、
前記頂上壁と前記外壁の上側部分とからなるピストン用上部材の下面と、前記外壁の下側部分と前記天井壁を有するピストン用下部材の上面との接合面が前記外壁部分のみに設けられることを特徴とするスチールピストン。
スチールピストンの内部に設けられた冷却用空洞に、冷却媒体を循環させるスチールピストンの冷却方法において、
前記スチールピストンの頂上の燃焼室を形成する頂上壁と、ピストンリング溝が設けられる外壁と、ピン孔とコンロッド挿入孔の上部の天井壁とで区画された、一つの空間のみで形成された冷却用空洞に冷却媒体を循環させて、前記頂上壁と前記外壁の両方を同時に冷却することを特徴とするスチールピストンの冷却方法。
請求項１に記載のスチールピストンを製造するためのスチールピストンの製造方法において、
前記ピストン用上部材と前記ピストン用下部材を別々に製造して、前記ピストン用上部材に前記燃焼室と前記冷却用空洞の上部部分と前記ピストンリング溝を形成し、前記ピストン用下部材に前記冷却用空洞の上部部分に対向する前記冷却用空洞の下部部分を形成し、その後、前記ピストン用上部材の前記下面と前記ピストン用下部材の前記上面を前記外壁の前記接合面の部分のみで接合することを特徴とするスチールピストンの製造方法。