JP2017089471A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】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と共に、高い燃焼圧力を必要とするエンジンにも適用することができる、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１４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１４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部分に設け、さらに、頂上壁１１の中央に天井壁１４側に突出する凸形状部２０を設けるとともに、天井壁１４の中央に凸形状部２０が挿入されて接合される孔部２１を設ける。
【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冷却用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３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、冷却用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４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。

一方、本発明者は、上記に鑑みて、冷却媒体によるスチールピストンの冷却性能を維持しつつ、小型のエンジンに搭載される小型のスチールピストンにも適用することができるスチールピストンとして、図２に示すような構成を考えた。すなわち、スチールピストン１Ｙの内部に設けられ、冷却媒体Ｏを循環させる冷却用空洞１０Ｙを有するスチールピストン１Ｙで、スチールピストン１Ｙ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洞１０Ｙ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１ＹＡの下面と、外壁１１の下側部分と天井壁１４ａ、１４ｂを有するピストン用下部材１ＹＢの上面の接合面が外壁１２部分のみに設けられる構成を考えた。つまり、空洞１０Ｙ内に図３に示すような隔壁１７を有しない、一つの冷却空洞として構成される冷却空洞１０Ｙを有するスチールピストン１Ｙを考えた。

しかしながら、このスチールピストン１Ｙは、外壁１２の溶接部分Ｗａのみで、ピストン１Ｙの燃焼室を形成する頂上壁１１を支持する構成となるため、燃焼室での燃焼圧力による応力が燃焼室のキャビティを形成する頂上壁１１に作用し、燃料圧力による力が、この頂上壁１１を支持する外縁部である外壁１２の部分に集中して、この外壁１２の部分に応力の集中による高応力が発生することとなり、高い燃焼圧力を必要とするエンジンには適さ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と共に、高い燃焼圧力を必要とするエンジンにも適用することができる、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との接合面が前記外壁部分に設け、さらに、前記頂上壁の中央に前記天井壁側に突出する凸形状部を設けるとともに、前記天井壁の中央に前記凸形状部が挿入されて前記凸形状部と接合される孔部を設けて構成される。

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。

さらに、スチールピストンの頂上壁の中央に凸形状部を、天井壁の中央に孔部を設けて、この凸形状部を孔部に挿入して接合した中央とピストンの外壁の２箇所で、スチールピストンの燃焼室を形成する頂上壁を支持するため、燃焼室での燃焼圧力による力が外壁部分に集中することを防止して、すなわち、力を分散して応力集中を回避することができ、高い燃焼圧力を必要とするエンジンにも適用することができるようになる。

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ると共に、前記頂上壁の中央と前記天井壁の中央とを凸形状部で接続して構成された、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前記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、前記凸形状部を前記孔部に挿入して、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を接合し、その接合後に前記凸形状部と前記孔部を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、外壁の接合面と、コンロッド挿入孔に面している凸形状部と孔部の接合箇所を接合するので、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。

また、上記のスチールピストンの製造方法において、前記凸形状部と前記孔部の接合に際して、前記コンロッド挿入孔の下方より溶接用の工具を挿入して、該溶接用の工具による溶接で、前記凸形状部と前記孔部を接合すると、作業者が、コンロッド挿入孔の下方より、凸形状部と孔部の溶接箇所を視認しながら、凸形状部と孔部を溶接して接合することができるので、凸形状部と孔部の接合を確実に行うことができる。なお、この溶接用の工具とは、例えば、レーザー溶接に用いる出射ユニットや、アーク溶接に用いる溶接棒である。

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。

その上、スチールピストンの頂上壁の中央に凸形状部を、天井壁の中央に孔部を設けて、この凸形状部を孔部に挿入して接合した中央とピストンの外壁の２箇所で、スチールピストンの燃焼室を形成する頂上壁を支持するため、燃焼室での燃焼圧力による力が外壁部分に集中することを防止して、すなわち、力を分散して応力集中を回避することができ、高い燃焼圧力を必要とするエンジンにも適用することができるようになる。

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、外壁の接合面と、コンロッド挿入孔に面している凸形状部と孔部の接合箇所を接合するので、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。 本発明者が考えた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３のＷｘ部分を拡大した図であり、従来技術の冷却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１４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部分に設けられる。さらに、頂上壁１１の中央に天井壁１４側に突出する凸形状部２０を設けるとともに、天井壁１４の中央に凸形状部２０が挿入されて、この凸形状部２０と接合される孔部２１を設けられる。

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、冷却用オイル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１４とで区画されると共に、頂上壁１１の中央と天井壁１４の中央とを凸形状部２０で接続して構成された、一つの空間のみで形成された冷却用空洞１０に冷却用オイル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３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。

そして、凸形状部２０と孔部２１との接合により、冷却空洞１０は円環状の空間となると共に、孔部２１と接合された凸形状部２０により、燃焼室に面する頂上壁１１の中央を支持することができるようになる。

なお、本実施形態では、凸形状部２０を円柱形状部として構成し、孔部２１を円柱形状部２０を挿入できるように円形孔部として構成しているが、凸形状部２０を孔部２１に挿入して、凸形状部２０と孔部２１を後述する溶接等で接合して一体化することができればよく、これらの形状に限定されない。

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１５の周辺部分を一つの冷却用空洞１０で冷却用オイル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１０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。

さらに、スチールピストン１の頂上壁１１の中央に凸形状部２０を、天井壁１４の中央に孔部２１を設けて、この凸形状部２０を孔部２１に挿入して接合した中央とスチールピストン１の外壁１２の２箇所で、スチールピストン１の燃焼室を形成する頂上壁１１を支持するため、燃焼室での燃焼圧力による力が外壁１２部分に集中することを防止して、すなわち、力を分散して応力集中を回避することができ、高い燃焼圧力を必要とするエンジンにも適用することができるようになる。

次に、本発明のスチールピストン１の製造方法について説明する。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、凸形状部２０を孔部２１に挿入して、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の接合面の部分を接合し、その接合後に凸形状部２０と孔部２１を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１２の接合面と、コンロッド挿入孔１６に面している凸形状部２０と孔部２１の接合箇所を接合するので、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１を容易に製造することができるようになる。

また、上記のスチールピストンの製造方法において、凸形状部２０と孔部２１の接合に際して、コンロッド挿入孔１６の下方より溶接用の工具を挿入して、この溶接用の工具による溶接で、凸形状部２０と孔部２１を接合すると、作業者が、コンロッド挿入孔１６の下方より、凸形状部２０と孔部２１の溶接箇所を視認しながら、凸形状部２０と孔部２１を溶接して接合することができるので、凸形状部２０と孔部２１の接合を確実に行うことができる。なお、この溶接用の工具とは、例えば、レーザー溶接に用いる出射ユニットや、アーク溶接に用いる溶接棒である。

１、１Ｘ、１Ｙ スチールピストン
１Ａ、１ＸＡ、１ＹＡ スチールピストン用上部材
１Ｂ、１ＸＢ、１ＹＢ スチールピストン用下部材
１０、１０Ｘ、１０Ｙ 冷却空洞
１０Ｘａ 冷却空洞第１室
１０Ｘｂ 冷却空洞第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 冷却空洞内の隔壁
１８ 給油穴（冷却穴）
２０ 円柱形状部（凸形状部）
２１ 孔部
Ｏ 冷却用オイル（冷却媒体）
Ｗ 凸形状部と孔部の接合箇所
Ｗａ 外壁の接合箇所
Ｗｘ 隔壁の接合箇所
Ｋ カール

Claims (4)

1. 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に設け、
   さらに、前記頂上壁の中央に前記天井壁側に突出する凸形状部を設けるとともに、前記天井壁の中央に前記凸形状部が挿入されて前記凸形状部と接合される孔部を設けて構成されたことを特徴とするスチールピストン。
2. 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ると共に、前記頂上壁の中央と前記天井壁の中央とを凸形状部で接続して構成された、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。
3. 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前記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、前記凸形状部を前記孔部に挿入して、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を接合し、その接合後に前記凸形状部と前記孔部を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。
4. 前記凸形状部と前記孔部の接合に際して、前記コンロッド挿入孔の下方より溶接用の工具を挿入して、該溶接用の工具による溶接で、前記凸形状部と前記孔部を接合する請求項３に記載のスチールピストンの製造方法。

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