JP2023039250A - ピストン、内燃機関、及びピストンの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩環の摩耗に対する強度を維持しながら、重量を減らすことができる耐摩環を備えたピストン、及びこのピストンを使用した内燃機関を提供する。【解決手段】ピストンヘッドが形成されたピストン本体部と、ピストンの移動方向と直交する方向でピストンヘッドの外周面に沿って配置され、ピストンリングが収納されるリング溝が形成された環状の耐摩環とを備え、耐摩環は少なくとも、リング溝を挟むように対向して配置された、ピストンヘッドの冠面に近い側の第１の環状耐摩環部と、冠面から遠い側の第２の環状耐摩環部を有し、第１の環状耐摩環部と第２の環状耐摩環部のどちらか一方が、リング溝の開口端であるピストンの外周面に近づくにつれて、ピストンの移動方向における厚さが厚くなるように形成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関に使用されるピストンに係り、特にレシプロ式の内燃機関に使用されるピストンに関するものである。

近年の内燃機関（以下エンジンと表記する）においては、軽量化及び放熱性を高める目的から、アルミニウム合金製が一般化しつつあり、ピストンもアルミニウム合金製となっている。一方、エンジンは低燃費化、及び高出力化の傾向にあり、より高温の燃焼環境となっている。このため、ピストンリングは高い耐摩耗性が要求されるため、高硬度のピストンリングが使用されるようになっている。

したがって、ピストンリング溝は高硬度のピストンリングが激しく当接するため、アルミニウム合金ではピストンリング溝が摩耗したり、変形したりしてしまう恐れがある。特に、ディーゼルエンジン等の燃焼温度の高いエンジンのトップリング（圧力リング）は、燃焼圧が直接作用するので、トップリング溝にはトップリングによる衝撃が繰り返し作用し、摩耗や変形が生じ易い。トップリング溝が摩耗すると、ブローバイガスの増加やオイル消費に繋がり、エンジン機能の低下をきたすこととなる。

このような現象を回避するため、アルミニウム合金製のピストンのトップリング溝に、ピストン本体のアルミニウム合金よりも高硬度の高温での耐摩耗性のあるニレジスト鋳鉄からなる耐摩環を鋳込んだ、耐摩環付ピストンが種々提案されている。このような内燃機関のピストンは、例えば、特開２０１９－５６３４０号公報（特許文献１）に示されている。

特許文献１に記載されたピストンにおいては、ピストン本体部と耐摩環を有している。ピストン本体部はアルミニウム合金等で作られており、ピストン本体部は、有底筒状であり、ピストンヘッド、ピストンエプロン、及びピストンスカートが一体的に形成されている。そして、ニレジスト鋳鉄からなる耐摩環は、ピストンヘッドの上部側の周面に設けられており、耐摩環に形成された環状のトップリング溝にトップリングが収納されている。このように、耐摩環を使用することにより、ピストン本体部のトップリング溝の摩耗や変形を回避することが可能となる。

特開２０１９－５６３４０公報

ところで、エンジンは高回転化の傾向にもあり、ピストンはできる限り軽量化されることが必要である。このため、ピストンと一体化される耐摩環においても軽量化が望まれている。特許文献１にある耐摩環においては、ピストンの移動方向で見た断面形状が、カタカナの「コ」字形状に形成されているが、更なる軽量化へのアプローチのためには、耐摩環の摩耗に対する強度を維持しながら、重量を減らすための適切な断面形状を探索することが必要である。

また、耐摩環は重力鋳造法でピストンに鋳込まれて一体化されるが、金型に耐摩環をセットして、アルミ合金の溶湯を下側から注湯すると、断面形状が「コ」字形状に形成されているため、耐摩環の下側の面が溶湯の流れを阻害して鋳造品質を低下させることがある。このため、鋳造品質の低下を抑制できるピストンの製造方法が要請されている。

本発明の第１の目的は、耐摩環の摩耗に対する強度を維持しながら、重量を減らすことができる耐摩環を備えたピストン、及びこのピストンを使用した内燃機関を提供することにある。

本発明の第２の目的は、耐摩環による鋳造品質の低下を抑制できるピストンの製造方法を提供することにある。

本発明の第１の特徴は、
ピストンヘッドが形成されたピストン本体部と、ピストンの移動方向と直交する方向でピストンヘッドの外周面に沿って配置され、ピストンリングが収納されるリング溝が形成された環状の耐摩環とを備えたピストンであって、耐摩環は少なくとも、
リング溝を挟むように対向して配置された、ピストンヘッドの冠面に近い側の第１の環状耐摩環部と、冠面から遠い側の第２の環状耐摩環部を有し、
第１の環状耐摩環部と第２の環状耐摩環部のどちらか一方が、リング溝の開口端であるピストンの外周面に近づくにつれて、ピストンの移動方向における厚さが厚くなるように形成されている
ところにある。

本発明の第２の特徴は、
ピストンヘッドが形成されたピストン本体部と、ピストン本体の移動方向と直交する方向でピストンヘッドの外周面に沿って配置され、ピストンリングが収納されるリング溝が形成された環状の耐摩環とを備えたピストンの製造方法であって、
ピストンヘッドが重力方向で上側に位置する形態で設置された金型に、ピストンヘッドの外周面から内側に向けて上側方向に傾斜した外側面を備える耐摩環をセットするセット工程を実施し、
重力方向で耐摩環より下側から溶湯を注湯してピストン本体部と耐摩環を一体化する鋳込み工程を実施し、
ピストン本体部と一体化された耐摩環を径方向から切削してリング溝を形成することで、耐摩環に、リング溝を挟むように対向して配置された、ピストンヘッドの冠面に近い側の第１の環状耐摩環部と、冠面から遠い側の第２の環状耐摩環部を形成し、更に第２の環状耐摩環部が、リング溝の開口端であるピストンの外周面に近づくにつれて、ピストン本体部の移動方向における厚さが厚くなるように形成される切削工程とを実施する
ところにある。

本発明によれば、耐摩環の摩耗に対する強度を維持しながら、重量を減らすことができる耐摩環を得ることができる。また、耐摩環による鋳造品質の低下を抑制できるピストンの製造方法を得ることができる。

本発明が適用される内燃機関の簡単な構成を示す構成図である。 本発明の第１の実施形態になるピストンの断面を示す断面図である。 図２のＺ部の部分を拡大した拡大断面図である。 図３の耐摩環が配置されている領域を更に拡大した拡大断面図である。 本発明の第２の実施形態になるピストンの耐摩環が配置されている領域を拡大した拡大断面図である。 本発明の第３の実施形態になるピストンの耐摩環が配置されている領域を拡大した拡大断面図である。 本発明の第４の実施形態になるピストンの耐摩環が配置されている領域を拡大した拡大断面図である。 本発明の第５の実施形態になるピストンの耐摩環が配置されている領域を拡大した拡大断面図である。 本発明の第６の実施形態になるピストンの耐摩環が配置されている領域を拡大した拡大断面図である。 本発明の第７の実施形態になるピストンの耐摩環が配置されている領域を拡大した拡大断面図である。 本発明の第８の実施形態になるピストンの耐摩環が配置されている領域を拡大した拡大断面図である。 本発明の第９の実施形態になるピストンの耐摩環が配置されている領域を拡大した拡大断面図である。 従来のピストンの断面を示す断面図である。 （Ａ）はストンの耐摩環が配置されている領域を拡大した拡大断面図であり、（Ｂ）はトップリング溝の摩耗を説明する説明図である。 従来のピストンの製造方法を説明するための説明図である。 本発明のピストンの製造方法を説明するための説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。

まず、本発明が適用されるピストン及び耐摩環の構成を、図１３、及び図１４を用いて説明する。尚、図１３、及び図１４は、本発明の課題を説明するために、従来の構成を示しているが、耐摩環以外の構成は、本発明でも同様の構成である。

ピストンは、自動車等の車両に搭載されるエンジンに用いられる。エンジンは、例えば４ストローク・ガソリンエンジンである。ピストンは、エンジンのシリンダの内部に、往復移動が可能なように収容されている。

図１３、及び図１４に示すように、ピストン５０は、有底筒状であり、ピストンヘッド５１、ピストンエプロン５２、ピストンピンボス５３、及びピストンスカート５４、５５を一体的に形成している。ここで、ピストンエプロン５２、及びピストンピンボス５３は、図示を省略しているが、一対で構成されている。

ピストンヘッド５１は、冠部５６とランド部５７を有する。シリンダの内部における、ピストン５０の移動方向に対し直交する平面で切ったピストンヘッド５１（冠部５６）の断面は略円形である。この円の中心を通り、かつピストンの移動方向と平行な線をピストン５０の軸線といい、軸線が延びる方向を軸線方向という。

冠部５６は、ピストンヘッド５１における軸線方向の一方側に形成されている。また、冠部５６の軸線方向の一方側にはピストン冠面（頂面）５８が形成されている。ピストン冠面５８は、エンジンのシリンダヘッドと共に燃焼室を形成し、燃焼室に対面している。冠部５６の軸線方向の他方側には、ピストン冠面５８の裏側の面（ピストン裏面）５９が形成されている。

ランド部５７は、冠部５６の外周側から軸線方向の他方側に延びている。ランド部５７の外周には、３つの環状のリング溝６０、６１、６２が形成されている。各リング溝６０、６１、６２は、ピストン５０の軸線の周り方向（周方向）に延びてランド部５８の全周を取り囲むように形成されている。リング溝６０、６１、６２は、軸線方向の一方側から他方側にこの順に並んでいる。各リング溝６０、６１、６２には、図示しないピストンリングが設置される。

リング溝６０はトップリング溝であり、第１圧力リング（コンプレッションリング）としてのトップリングが設置される。リング溝６１はセカンドリング溝であり、第２圧力リングとしてのセカンドリングが設置される。リング溝６２はオイルリング溝であり、オイルコントロールリングとしてのオイルリングが設置される。

ピストンエプロン５２、ピストンピンボス５３、及びピストンスカート５４、５５は、ピストンヘッド５１から軸線方向の他方側に延びている。これらピストンエプロン５２、ピストンピンボス５３、及びピストンスカート５４、５５の内周側は中空である。ピストンピンボス５３は、軸線に対する径方向の両側に形成されている。ピストンピンボス５３は、筒状のボス部内にピストンピン孔６３を有している。ピストンピン孔６３は、ピストンピンボス５３を貫通して径方向に延びている。同様に、図示しないピストンピンボスは、筒状のボス部内にピストンピン孔を有している。ピストンピン孔６３は径方向で対向し、ピストンピン孔６３には、それぞれピストンピンの端部が挿入される。

ピストン５０は、ピストンピンを介してコンロッドの小端部に連結される。コンロッドの大端部はクランクシャフトに連結される。ピストンスカート５４、５５は、上記径方向の両側に形成されている。ピストンスカート５４、５５の外周は、シリンダの内壁に摺接するものである。ピストンエプロン５２は、ピストンピンボス５３を包含しており、周方向の両端でピストンスカート５４、５５に接続されている。ピストンピンボス５３は、ピストンエプロン５２を介してピストンスカート５４、５５に接続されている。

トップリング溝６０は、ピストン５０に鋳込まれた耐摩環６４により形成されている。耐摩環６４は、ニレジスト鋳鉄を含む円環状の部材であり、ピストンヘッド５１の内部に固定され、ピストンヘッド５１の外周を取り囲んでいる。耐摩環６４の少なくとも一部６５は、ピストンヘッド５１の肉で包まれ、ピストンヘッド５１と一体的に接合されている。

図１４の（Ａ）は、ピストンヘッド５１の耐摩環６４が形成されている部分を拡大したものである。耐摩環６４の断面（細かい斜め実線で示した領域）は、カタカナの「コ」字状に形成されている。尚、耐摩環６４のリング溝６０は、鋳込み後に切削工具による切削によって形成されるものである。

耐摩環６４は、図示の状態で、上端部６４Ｕと下端部６４Ｂ、及び上端部６４Ｕと下端部６４Ｂを接続する側端部６４Ｓからなる環状に形成されている。そして耐摩環６４を金型にセットして、アルミ合金の溶湯を金型に注湯することで、耐摩環６４が一体化されたピストンが得られる。この状態で、耐摩環６４の外周から切削工具で切削してリング溝６０が形成され、断面が「コ」字状の耐摩環６４が得られることになる。

上述したように、ピストンの軽量化のために、この「コ」字状の断面を有する耐摩環６４の重量を如何に軽減するかが大きな課題である。そして、発明者等による耐摩環６４の軽量化のための多くの試行錯誤の結果、以下の知見が得られた。

図１４の（Ｂ）にあるように、耐摩環６４を設けないでアルミ合金製のピストンに直接的に形成したトップリング溝６０に、トップリング６６を収容して疑似的にピストンを動作させた場合、トップリング溝６０の摩耗は、実線（ＡＬ）で示すように、トップリング溝６０の根元（ＲＴ）側からピストンヘッド５１の外周の開口端（ＯＳ）の側に近づくにつれて、トップリング溝６０の上面６０Ｕと下面６０Ｂとの間の長さ（Ｄ）が拡大することが判明した。

したがって、この摩耗に沿った形状に耐摩環６４を形成すれば、耐摩環６４の強度を維持しながら、耐摩環６４の無駄な肉を削減して軽量化できることが理解される。このような知見に基づいて、本発明は以下の具体的な実施形態を提案するものである。

次に本発明の第１の実施形態の詳細について、図１～図４に基づき説明する。図１はピストンと、このピストンが配置されたシリンダの構成を示し、図２は本実施形態のピストンの断面を示し、図３は図２のＺ部の拡大断面を示し、図４は耐摩環の配置された領域の断面を示している。

先ず、図１において、シリンダブロック１０には、エンジンの出力軸であるクランクシャフト（図示せず）が回転可能に設置されている。シリンダブロック１０は、円筒状のシリンダライナ（図示せず）を備え、シリンダライナの内周側はシリンダの内壁として機能する。ピストン１１は、シリンダの内部に、往復移動が可能なように収容されている。シリンダヘッド（図示せず）は、シリンダの開口を塞ぐようにシリンダブロック１０に設置されている。

図１に示すように、ピストン１１が上死点にあるとき、ピストン１１とシリンダヘッドとの間に、燃焼室１２が区画、形成される。シリンダヘッドには、吸気/排気バルブ（図示せず）と、燃料噴射ノズル（図示せず）と、点火プラグ（図示せず）とが設置されている。ピストン１１とクランクシャフトは、コンロッド１３によって連結されており、ピストン１１の往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換している。ピストン１１とコンロッド１３はピストンピン１４によって連結されている。これらの構成は、よく知られているエンジンの構成であるので、これ以上の説明は省略する。

図２、図３はピストンの構成を示しており、基本的には図１３に示す構成と同じであるが、以下の説明では図１３に付した参照番号とは異なった参照番号を用いて説明を進める。ただ、耐摩環を除いて実質的に同じ構成である。

図２、図３に示すように、ピストン１１は、ピストン本体部１５と耐摩環１６を備えている。ピストン本体部１５はアルミニウム合金をからなり、このアルミニウム合金は、例えばAC8A（JIS H 5202に規定される）である。ピストン本体部１５は、有底筒状であり、ピストンヘッド１７、ピストンエプロン１８、ピストンボス１９，及びピストンスカート２０が一体的に形成されている。

ピストンヘッド１７には、冠部２１とランド部２２が、一体的に形成されている。シリンダの内部におけるピストン１１の移動方向に対し、直交する平面で切ったピストンヘッド１７の断面は略円形である。この円の中心を通り、かつピストンの移動方向と平行な線をピストン１１の軸線という。軸線が延びる方向を軸線方向という。冠部２１は、ピストンヘッド１７における軸線方向の一方側にある。冠部２１の軸線方向の一方側には冠面２３が形成されている。

ランド部２２は、冠部２１の外周側から軸線方向の他方側に延びており、ランド部２２の外周には、３つの環状のリング溝２４、２５、２６が形成されている。各リング溝２４、２５、２６は、ピストン１１の周方向に延びてランド部２２の全周を取り囲むように形成されている。リング溝２４、２５、２６は、軸線方向の一方側から他方側に、この順番で並んで形成されている。各リング溝２４、２５、２６には図示しないピストンリングが収納される。

リング溝２４はトップリング溝であり、第１圧力リング（コンプレッションリング）としてのトップリングが設置される。このリング溝２４は、耐摩環１６に形成されており、耐摩環１６のリング溝２４は、鋳込み後に切削によって形成されるものである。リング溝２５はセカンドリング溝であり、第２圧力リングとしてのセカンドリングが設置される。リング溝２６はオイルリング溝であり、オイルコントロールリングとしてのオイルリングが設置される。尚、リング溝２６の底部にはオイル逃がし穴（図示せず）が開口されている。オイル逃がし穴はランド部２２の内周面に開口されている。

トップリング、及びセカンドリングは、例えば高炭素鋼やマルテンサイト系ステンレス鋼等により形成され、周方向の一箇所に合い口が形成された平面視で略「Ｃ」形の平板状部材である。また、オイルリングは、周方向の一箇所に合い口が形成された平面視で略「Ｃ」形の平板状部材を２つ備え、これらの間にセンターリングが挟まれた３ピース構造とされている。

図３に示すように、トップリング溝２４は、ピストン１１に鋳込まれた耐摩環１６に形成されている。耐摩環１６は、ニレジスト鋳鉄からなる円環状の部材であり、冠部２１の内部に鋳込みによって固定され、冠部２１の外周を取り囲んでいる。図３の状態で見て、耐摩環１６の上端部１６Ｕは、冠部２１の内側から外側に向けて上側に傾斜し、同様に耐摩環１６の下端部１６Ｂは、冠部２１の内側から外側に向けて下側に傾斜している。つまり、耐摩環１６の上端部１６Ｕ、下端部１６Ｂは、トップリング溝６０の根元側からピストンヘッド１７の外周側に向かって、厚さが連続的に厚くなるような形状（傾斜形状）とされている。この厚さが厚くなる形状は、図１４の（Ｂ）に示した摩耗の形状に基づいている。

図４は耐摩環１６を更に詳細に示したものである。尚、四角形の破線は、比較のために図１４の（Ａ）で示した従来の耐摩環６４の断面形状を仮想的に示している。

図４において、ピストンヘッド１７を形成する冠部２１には、耐摩環１６が鋳込まれて固定されている。尚、トップリング溝２４は、耐摩環１６を鋳込んだ後の「後加工」によって形成される。耐摩環１６は円環状であり、円環の円の中心を通り、かつ円環を含む平面に直交する線を、耐摩環１６の軸線とすると、耐摩環１６の軸線はピストン１１の軸線に略一致している。耐摩環１６の軸線に直交する方向（径方向）に、トップリング溝２４が形成されており、トップリンク溝２４の軸線に沿った断面形状（空間形状）は、矩形の形状に加工されている。したがって、トップリング溝２４の上面２４Ｕと下面２４Ｂとは平行の関係となっている。尚、トップリング溝２４は、冠部２１の内部側の根元（ＲＴ）の部分から、半径方向に延びて冠部２１の外周に開口された開口端（ＯＳ）を備えている。

図示の状態（ピストンヘッドが上側に位置する）で、耐摩環１６は、上端部（請求項でいう第１の環状耐摩環部に相当する）１６Ｕと、下端部（請求項でいう第２の環状耐摩環部に相当する）１６Ｂと、上端部１６Ｕと下端部１６Ｂとを接続する側端部（請求項でいう第３の環状耐摩環部に相当する）１６Ｓとからなる円環状に形成されている。上端部１６Ｕはピストンヘッド１７の冠面２３に近い側であり、下端部１６Ｂはピストンヘッド１７の冠面２３から遠い側である。これらは、トップリング溝２４を挟み込むように対向して配置されている。

そして、上端部１６Ｕの傾斜状外側面１６ＳＬＰは、トップリング溝２４の根元（ＲＴ）の側（冠部２１の内側）から冠部２１の外周の開口端（ＯＳ）の側に向けて上側に徐々に厚くなる形状に形成されている。同様に、下端部１６Ｂの傾斜状外側面１６ＳＬＰは、トップリング溝２４の根元（ＲＴ）の側（冠部２１の内側）から冠部２１の外周の開口端（ＯＳ）の側に向けて下側に徐々に厚くなる傾斜形状に形成されている。

このような傾斜状外側面１６ＳＬＰの傾斜形状は、図１４の（Ｂ）に示すように、トップリング溝が摩耗する形状に合致するような形状とされている。ただ、この傾斜形状はトップリング溝の摩耗の形状に完全に一致している必要はない。あくまでも、耐摩環１６の摩耗に対する強度確保と、耐摩環１６の重量の軽減を満足すれば良いものである。これは、後述する他の実施形態からも窺い知ることができる。

このように、耐摩環１６を、トップリング溝２４の根元（ＲＴ）の側から冠部２１の外周の開口端（ＯＳ）の側に向けて徐々に厚くなる傾斜状外側面１６ＳＬＰに形成することによって、必要な耐摩耗性を付与することができる。更に、破線で示す従来の耐摩環６４の断面形状に比べて、本実施形態の耐摩環１６では、上端部１６Ｕ、下端部１６Ｂの上下に存在する三角形の領域（ＴＲＡ）だけ重量を軽減することができる。このような耐摩環１６とすることによって、耐摩環１６の摩耗に対する強度を維持しながら、重量を減らすことができる。よって、結果的にピストン全体を軽量化することができる。

次に本発明の第２の実施形態について、図５に基づき説明する。図５は耐摩環の配置された領域の断面を示している。尚、図４と同じ参照番号は同じ部品や要素を示しているので、必要ない場合は説明を省略する。

図５において、本実施形態では、第１の実施形態に比べて、耐摩環１６の側端部１６Ｓの厚さを薄くした点で異なっている。図５に示しているように、本実施形態の側端部１６Ｓ-ｄは、第１の実施形態の側端部１６Ｓに比べて、厚さが約１/２程度に設定されている。したがって、破線で示す従来の耐摩環６４の断面形状に比べて、本実施形態の耐摩環１６では、上端部１６Ｕ、下端部１６Ｂの上下に存在する三角形の領域（ＴＲＡ）、及び側端部１６S-ｄの隣に存在する矩形の領域（ＲＣＡ）だけ重量を軽減することができる。

本実施形態では、第１の実施形態（図４参照）に比べて、更に耐摩環１６の重量を軽減することができる。このような耐摩環１６とすることによって、耐摩環１６の摩耗に対する強度を維持しながら、重量を減らすことができる。よって、結果的にピストン全体を軽量化することができる。

次に本発明の第３の実施形態について、図６に基づき説明する。図６は耐摩環の配置された領域の断面を示している。尚、図４と同じ参照番号は同じ部品や要素を示しているので、必要ない場合は説明を省略する。

図６において、本実施形態では、第１の実施形態に比べて、耐摩環１６の側端部１６Ｓを省略した点で異なっている。図６に示しているように、本実施形態では、図４に示す側端部１６Ｓは省略されている。図６では、鋳込む前の耐摩環１６は、上端部１６Ｕと下端部１６Ｂは側端部１６Ｓによって接続されているが、鋳込んだ後の「後加工」によって側端部１６Ｓを取り除くことで、図６のような耐摩環１６が形成されることになる。つまり、上端部１６Ｕと下端部１６Ｂは、トップリング溝２４の開口端（ＯＳ）とは反対側で分離されている構成となっている。

したがって、破線で示す従来の耐摩環６４の断面形状に比べて、本実施形態の耐摩環１６では、上端部１６Ｕ、下端部１６Ｂの上下に存在する三角形の領域（ＴＲＡ）、及びトップリング溝２４の根元（ＲＴ）の隣に存在する矩形の領域（ＲＣＡ）だけ重量を軽減することができる。

本実施形態では、第１の実施形態（図４参照）、及び第２の実施形態（図５参照）に比べて、更に重量を軽減することができる。このような耐摩環１６とすることによって、耐摩環１６の摩耗に対する強度を維持しながら、重量を減らすことができる。よって、結果的にピストン全体を軽量化することができる。

次に本発明の第４の実施形態について、図７に基づき説明する。図７は耐摩環の配置された領域の断面を示している。尚、図４と同じ参照番号は同じ部品や要素を示しているので、必要ない場合は説明を省略する。

図７において、本実施形態では、第１の実施形態に比べて、耐摩環１６の上端部１６Ｕ－ｃが従来の上端部と同じ形状である点で異なっている。図７に示しているように、本実施形態では、上端部１６Ｕ－ｃは図１４の（Ａ）に示す上端部６４Ｕと同じ形状である。つまり、上端部１６Ｕ－ｃは、ピストンヘッド１７の外周面までピストン１１の移動方向における厚さが一定に形成されている。

したがって、図４に示す実施形態に比べてこの分だけ耐摩環１６の重量の軽減が抑制されている。ただ、この上端部１６Ｕ－ｃとすることで、耐摩環１６の剛性を高めることができるという長所を得ることができる。加えて、図１４の（Ａ）に示す耐摩環６４に比べて、下端部１６Ｂの下側に存在する三角形の領域（ＴＲＡ）だけ重量を軽減できる。

本実施形態では、第１の実施形態（図４参照）に比べて、耐摩環１６の剛性を維持し、更に重量を軽減することができる。このような耐摩環１６とすることによって、耐摩環１６の摩耗に対する強度を維持しながら、重量を減らすことができる。よって、結果的にピストン全体を軽量化することができる。。

次に本発明の第５の実施形態について、図８に基づき説明する。図８は耐摩環の配置された領域の断面を示している。尚、図４と同じ参照番号は同じ部品や要素を示しているので、必要ない場合は説明を省略する。

図８において、本実施形態では、第１の実施形態に比べて、耐摩環１６の下端部１６Ｂ－ｃが従来の下端部と同じ形状である点で異なっている。図８に示しているように、本実施形態では、下端部１６Ｂ－ｃは図１４の（Ａ）に示す下端部６４Ｂと同じ形状である。つまり、上端部１６Ｂ－ｃは、ピストンヘッド１７の外周面までピストン１１の移動方向における厚さが一定に形成されている。

したがって、図４に示す実施形態に比べてこの分だけ耐摩環１６の重量の軽減が抑制されている。ただ、この下端部１６Ｂ－ｃとすることで、耐摩環１６の剛性を高めることができるという長所を得ることができる。加えて、図１４の（Ａ）に示す耐摩環６４に比べて、上端部１６Ｕの上側に存在する三角形の領域（ＴＲＡ）だけ重量を軽減できる。

本実施形態では、第１の実施形態（図４参照）に比べて、耐摩環１６の剛性を維持し、更に重量を軽減することができる。このような耐摩環１６とすることによって、耐摩環１６の摩耗に対する強度を維持しながら、重量を減らすことができる。よって、結果的にピストン全体を軽量化することができる。

次に本発明の第６の実施形態について、図９に基づき説明する。図９は耐摩環の配置された領域の断面を示している。尚、図４と同じ参照番号は同じ部品や要素を示しているので、必要ない場合は説明を省略する。

図９において、本実施形態では、第４の実施形態（図７参照）に比べて、耐摩環１６の下端部１６Ｂが連続した傾斜でなく、段差を有した傾斜となっている点で異なっている。図９に示しているように、本実施形態では、上端部１６Ｕ－ｃは図１４の（Ａ）に示す上端部６４Ｕと同じ形状である。つまり、上端部１６Ｕ－ｃは、ピストンヘッド１７の外周面までピストン１１の移動方向における厚さが一定に形成されている。

したがって、図４に示す実施形態に比べてこの分だけ耐摩環１６の重量の軽減が抑制されている。ただ、この上端部１６Ｕ－ｃとすることで、耐摩環１６の剛性を高めることができるという長所を得ることができる。

加えて、本実施形態では、下端部１６Ｂは、第１段部１６Ｂ－ｓ１と、第２段部１６Ｂ－ｓ２からなる段状外側面１６ＳＴＰに形成されている。段状外側面１６ＳＴＰは、先に述べた傾斜状外側面１６ＳＬＰと同様に、トップリング溝２４の根元（ＲＴ）の側（冠部２１の内側）から冠部２１の外周の開口端（ＯＳ）の側に向けて下側に段階的に厚くなる形状に形成されている。このため、図１４の（Ａ）に示す耐摩環６４に比べて、下端部１６Ｂの下側に存在する２つの矩形の領域（ＲＣＡ）だけ重量を軽減できる。

本実施形態では、第１の実施形態（図４参照）に比べて、耐摩環１６の剛性を維持し、更に重量を軽減することができる。このような耐摩環１６とすることによって、耐摩環１６の摩耗に対する強度を維持しながら、重量を減らすことができる。よって、結果的にピストン全体を軽量化することができる。尚、本実施形態では、段状外側面１６ＳＴＰは、図１４の（Ｂ）トップリング溝の摩耗の形状に一致していないが、このような形状であっても、耐摩環１６の摩耗に対する強度確保と、耐摩環１６の重量の軽減を満足すれば良いものである。

次に本発明の第７の実施形態について、図１０に基づき説明する。図９は耐摩環の配置された領域の断面を示している。尚、図４と同じ参照番号は同じ部品や要素を示しているので、必要ない場合は説明を省略する。

図１０において、本実施形態では、第５の実施形態（図８参照）に比べて、耐摩環１６の上端部１６Ｂが連続した傾斜でなく、段差を有した傾斜となっている点で異なっている。図１０に示しているように、本実施形態では、下端部１６Ｂ－ｃは図１４の（Ａ）に示す下上端部６４Ｂと同じ形状である。つまり、下端部１６Ｂ－ｃは、ピストンヘッド１７の外周面までピストン１１の移動方向における厚さが一定に形成されている。

したがって、図４に示す実施形態に比べてこの分だけ耐摩環１６の重量の軽減が抑制されている。ただ、この下端部１６Ｂ－ｃとすることで、耐摩環１６の剛性を高めることができるという長所を得ることができる。

加えて、本実施形態では、上端部１６Ｕは、第１段部１６Ｕ－ｓ１と、第２段部１６Ｕ－ｓ２からなる段状外側面１６ＳＴＰに形成されている。段状外側面１６ＳＴＰは、先に述べた傾斜状外側面１６ＳＬＰと同様に、トップリング溝２４の根元（ＲＴ）の側（冠部２１の内側）から冠部２１の外周の開口端（ＯＳ）の側に向けて上側に段階的に厚くなる形状に形成されている。このため、図１４の（Ａ）に示す耐摩環６４に比べて、上端部１６Ｕの上側に存在する２つの矩形の領域（ＲＣＡ）だけ重量を軽減できる。

本実施形態では、第１の実施形態（図４参照）に比べて、耐摩環１６の剛性を維持し、更に重量を軽減することができる。このような耐摩環１６とすることによって、耐摩環１６の摩耗に対する強度を維持しながら、重量を減らすことができる。よって、結果的にピストン全体を軽量化することができる。尚、本実施形態では、段状外側面１６ＳＴＰは、図１４の（Ｂ）トップリング溝の摩耗の形状に一致していないが、このような形状であっても、耐摩環１６の摩耗に対する強度確保と、耐摩環１６の重量の軽減を満足すれば良いものである。

次に本発明の第８の実施形態について、図１１に基づき説明する。図１１は耐摩環の配置された領域の断面を示している。尚、図４と同じ参照番号は同じ部品や要素を示しているので、必要ない場合は説明を省略する。図１１において、本実施形態では、第６の実施形態（図９参照）と第７の実施形態（図１０参照）を組み合わせた実施形態である。

図１１に示しているように、本実施形態では、下端部１６Ｂは、第１段部１６Ｂ－ｓ１と、第２段部１６Ｂ－ｓ２からなる段状外側面１６ＳＴＰに形成されている。段状外側面１６ＳＴＰは、先に述べた傾斜状外側面１６ＳＬＰと同様に、トップリング溝２４の根元（ＲＴ）の側（冠部２１の内側）から冠部２１の外周の開口端（ＯＳ）の側に向けて下側に段階的に厚くなる形状に形成されている。このため、図１４の（Ａ）に示す耐摩環６４に比べて、下端部１６Ｂの下側に存在する２つの矩形の領域（ＲＣＡ）だけ重量を軽減できる。

また、上端部１６Ｕは、第１段部１６Ｕ－ｓ１と、第２段部１６Ｕ－ｓ２からなる段状外側面１６ＳＴＰに形成されている。段状外側面１６ＳＴＰは、先に述べた傾斜状外側面１６ＳＬＰと同様に、トップリング溝２４の根元（ＲＴ）の側（冠部２１の内側）から冠部２１の外周の開口端（ＯＳ）の側に向けて上側に段階的に厚くなる形状に形成されている。このため、図１４の（Ａ）に示す耐摩環６４に比べて、上端部１６Ｕの上側に存在する２つの矩形の領域（ＲＣＡ）だけ重量を軽減できる。

このように、耐摩環１６を、トップリング溝２４の根元（ＲＴ）の側から冠部２１の外周の開口端（ＯＳ）の側に向けて段階的に厚くなる段状外側面１６ＳＴＰに形成することによって、必要な耐摩耗性を付与することができる。更に、破線で示す従来の耐摩環６４の断面形状に比べて、本実施形態の耐摩環１６では、上端部１６Ｕ、下端部１６Ｂの上下に存在する矩形の領域（ＲＣＡ）だけ重量を軽減することができる。このような耐摩環１６とすることによって、耐摩環１６の摩耗に対する強度を維持しながら、重量を減らすことができる。よって、結果的にピストン全体を軽量化することができる。尚、本実施形態では、段状外側面１６ＳＴＰは、図１４の（Ｂ）トップリング溝の摩耗の形状に一致していないが、このような形状であっても、耐摩環１６の摩耗に対する強度確保と、耐摩環１６の重量の軽減を満足すれば良いものである。

次に本発明の第９の実施形態について、図１２に基づき説明する。図１２は耐摩環の配置された領域の断面を示している。尚、図４と同じ参照番号は同じ部品や要素を示しているので、必要ない場合は説明を省略する。

図９において、本実施形態では、第１の実施形態（図４参照）に比べて、耐摩環１６の下端部１６Ｂが、異なった傾斜角を有する２つの連続した傾斜で形成されている点で異なっている。図１２に示しているように、本実施形態では、上端部１６Ｕは図４に示す上端部１６Ｕと同じ形状である。したがって、図４に示す実施形態と同様に耐摩環１６の重量が軽減されている。

一方、本実施形態では、下端部１６Ｂは、第１傾斜部１６ＳＬＰ-１と、第２傾斜部１６ＳＬＰ－２からなる傾斜状外側面１６ＳＬＰに形成されている。この傾斜状外側面１６ＳＬＰは、先に述べた傾斜状外側面１６ＳＬＰと同様に、トップリング溝２４の根元（ＲＴ）の側（冠部２１の内側）から冠部２１の外周の開口端（ＯＳ）の側に向けて下側に２段の傾斜によって段階的に厚くなる形状に形成されている。このため、図１４の（Ａ）に示す耐摩環６４に比べて、下端部１６Ｂの下側に存在する変形三角形の領域（ＴＲＡ）だけ重量を軽減できる。

本実施形態では、第１の実施形態（図４参照）に比べて、下端部１６Ｂが厚く形成されているので、耐摩環１６の剛性を維持し、更に重量を軽減することができる。このような耐摩環１６とすることによって、耐摩環１６の摩耗に対する強度を維持しながら、重量を減らすことができる。よって、結果的にピストン全体を軽量化することができる。尚、本実施形態では、下端部１６Ｂの傾斜形状は、図１４の（Ｂ）トップリング溝の摩耗の形状に一致していないが、このような形状であっても、耐摩環１６の摩耗に対する強度確保と、耐摩環１６の重量の軽減を満足すれば良いものである。

次に、ピストンの製造方法について説明する。先ず、本発明のピストンの製造方法を説明する前に、従来のピストンの製造方法について説明する。

図１５は、図１４の（Ａ)に示す耐摩環６４を金型にセットしてアルミ合金の溶湯を注湯する状態を示している。斜めの斜線で示す領域が、溶湯が充填される領域である。そして、破線で囲まれた領域Ｐがピストン（５０）の外形形状である。したがって、注湯が完了した後に破線で示す外形形状に切削工具によって「後加工」が実施されることになる。

ここで、従来の耐摩環６４は予め金型にセットされ、この状態で溶湯が下側（ピストンスカート部分）から注湯される。尚、トップリング溝はまだ形成されていない状態である。そして、注湯された溶湯は、矢印（ＡＬＷ）に沿った流れとなって、耐摩環６４の部分に到達する。

ところが、耐摩環６４の下端部６４Ｂはピストン５０の軸線（Ｃ）と直交する平面となっているので、溶湯は下端部６４Ｂに沿うように、その流れを横方向に大きく変えて下端部６４Ｂの平面に沿って流れることになる。このため、耐摩環６４の下端部６４Ｂと側端部６４Ｓの領域付近に円滑な溶湯の流れが生じ難くなり、鋳造欠陥（引け巣）を引き起こす恐れがある。

一方、本実施形態になるピストンの製造方法は次の通りである。図１６にあるように、ピストンヘッド１７が上側に位置するように金型を設置し、更に図７に示すような耐摩環１６をセットしてアルミ合金の溶湯を注湯する。図１５と同様に、斜めの斜線で示す領域が、溶湯が充填される領域である。そして、破線で囲まれた領域Ｐがピストン（１１）の外形形状である。したがって、注湯が完了した後に破線で示す外形形状に切削工具によって「後加工」が実施されることになる。

ここで、本実施形態の耐摩環１６（図７参照）は予め金型にセットされ、この状態で溶湯が下側（ピストンスカート部分）から注湯される。尚、トップリング溝はまだ形成されていない状態である。そして、注湯された溶湯は、矢印（ＡＬＷ）に沿った流れとなって、耐摩環１６の部分に到達する。

本実施形態の耐摩環１６の下端部１６Ｂはピストン１１の軸線（Ｃ）と斜め上方で交叉する面となっているので、溶湯は下端部１６Ｂに沿うように、その流れを斜め上方向に変えて下端部１６Ｂの外側面に沿って流れることになる。このため、耐摩環１６の下端部１６Ｂと側端部１６Ｓの領域付近に円滑な溶湯の流れが生じ、鋳造欠陥（引け巣）を引き起こす恐れが少なくなる。尚、溶湯の流れを円滑にできる耐摩環１６は、図４～図７、図９、図１１～図１２に示す実施形態である。そして、以上に説明した製造方法は、具体的は以下のような方法となる。

≪工程１≫
ピストンヘッドが重力方向で上側に位置する形態で設置された金型に、ピストンヘッド１７の外周面から内側に向けて上側方向に傾斜した外側面（図７の下端部１６Ｂに相当する部分）を備える耐摩環１６をセットする「セット工程」が実施される。この時、耐摩環１６にはトップリング溝２４は形成されていない。工程１が完了すると工程２が実施される。

≪工程２≫
重力方向で耐摩環１６より下側に位置するピストンスカート２０の部分から溶湯を注湯してピストン本体部１５と耐摩環１６を一体化する「鋳込み工程」が実施される。溶湯はアルミニウム、或いはアルミ合金が使用される。工程２が完了すると工程３が実施される。

≪工程３≫
ピストン本体部１５と一体化された耐摩環１６を径方向から切削してトップリング溝２４を形成する「切削工程」を実行する。このトップリング溝２４を形成することで、耐摩環１６が、トップリング溝２４を挟み込むように対向して配置された、ピストンヘッド１７の冠面２３に近い側の上端部１６Ｕと、冠面２３から遠い側の下端部１６Ｂが形成される。更に、下端部１６Ｂが、トップリング溝２４の開口端（ＯＳ）であるピストンの外周面に近づくにつれて、ピストンの移動方向における厚さが厚くなるように形成されることになる。

以上述べたように、本発明によれば、耐摩環は少なくとも、リング溝を挟むように対向して形成された第１の環状端部と第２の環状端部を有し、第１の環状端部と第２の環状端部のどちらか一方が、リング溝の開口端であるピストンの外周面に近づくにつれて、ピストンの移動方向における厚さが厚くなるように形成されていることを特徴としている。これによれば、耐摩環の摩耗に対する強度を維持しながら、重量を減らすことができる。

尚、本発明は上記したいくつかの実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。各実施例の構成について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

１０…シリンダブロック、１１…ピストン、１２…燃焼室、１３…コンロッド、１４…ピストンピン、１５…ピストン本体部、１６…耐摩環、１６Ｕ…上端部、１６Ｂ…下端部、１６Ｓ…側端部、１７…ピストンヘッド、１８…ピストンエプロン、１９…ピストンボス、２０…ピストンカート、２１…冠部、２２…ランド部、２３…冠面、２４…トップリング溝、２４Ｕ…上面、２４Ｂ…下面、２５…セカンドリング溝、２６…オイルリング溝、ＲＴ…トップリング溝の根元、ＯＳ…トップリングの開口端。

Claims (15)

1. 内燃機関のシリンダ内を往復動するピストンであって、
   前記ピストンは、ピストンヘッドが形成されたピストン本体部と、前記ピストンの移動方向と直交する方向の前記ピストンヘッドの外周面に沿って配置され、ピストンリングが収納されるリング溝が形成された環状の耐摩環とを備え、
   前記耐摩環は少なくとも、前記リング溝を挟むように対向して配置された、前記ピストンヘッドの冠面に近い側の第１の環状耐摩環部と、前記冠面から遠い側の第２の環状耐摩環部を有し、
   前記第１の環状耐摩環部と前記第２の環状耐摩環部のどちらか一方が、前記リング溝の開口端である前記ピストンの外周面に近づくにつれて、前記ピストンの移動方向における厚さが厚くなるように形成されている
   ことを特徴とするピストン。
2. 請求項１に記載のピストンであって、
   前記第１の環状耐摩環部、及び前記第２の環状耐摩環部の両方が、前記ピストンの外周面に近づくにつれて、前記ピストンの移動方向における厚さが厚くなるように形成されている
   ことを特徴とするピストン。
3. 請求項１に記載のピストンであって、
   前記第２の環状耐摩環部は、前記ピストンの外周面に近づくにつれて、前記ピストンの移動方向における厚さが厚くなるように形成されている
   ことを特徴とするピストン。
4. 請求項３に記載のピストンであって、
   前記第１の環状耐摩環部は、前記ピストンの外周面まで前記ピストンの移動方向における厚さが一定に形成されている
   ことを特徴とするピストン。
5. 請求項３に記載のピストンであって、
   前記第２の環状耐摩環部は、前記ピストンの外周面に近づくにつれて、前記ピストンの移動方向における厚さが、連続して厚くなる傾斜状に形成されている
   ことを特徴とするピストン。
6. 請求項３に記載のピストンであって、
   前記第２の環状耐摩環部は、前記ピストンの外周面に近づくにつれて、前記ピストンの移動方向における厚さが、段状に厚くなる階段状に形成されている
   ことを特徴とするピストン。
7. 請求項１に記載のピストンであって、
   前記第１の環状耐摩環部は、前記ピストンの外周面に近づくにつれて、前記ピストンの移動方向における厚さが厚くなるように形成されている
   ことを特徴とするピストン。
8. 請求項７に記載のピストンであって、
   前記第２の環状耐摩環部は、前記ピストンの外周面まで前記ピストンの移動方向における厚さが一定に形成されている
   ことを特徴とするピストン。
9. 請求項７に記載のピストンであって、
   前記第１の環状耐摩環部は、前記ピストンの外周面に近づくにつれて、前記ピストンの移動方向における厚さが、連続して厚くなる傾斜状に形成されている
   ことを特徴とするピストン。
10. 請求項７に記載のピストンであって、
    前記第１の環状耐摩環部は、前記ピストンの外周面に近づくにつれて、前記ピストンの移動方向における厚さが、段状に厚くなる階段状に形成されている
    ことを特徴とするピストン。
11. 請求項１に記載のピストンであって、
    前記第１の環状耐摩環部と前記第２の環状耐摩環部は、前記リング溝の前記開口端とは反対側で第３の環状耐摩環部で接続されている
    ことを特徴とするピストン。
12. 請求項１に記載のピストンであって、
    前記第１の環状耐摩環部と前記第２の環状耐摩環部は、前記リング溝の前記開口端とは反対側で分離されている
    ことを特徴とするピストン。
13. 請求項１に記載のピストンであって、
    前記耐摩環は、ニレジスト鋳鉄で形成され、
    前記ピストン本体部は、アルミニウム、或いはアルミ合金で形成されている
    ことを特徴とするピストン。
14. シリンダブロック、及び前記シリンダブロックに組み合わされ燃焼室を形成するシリンダヘッドを備えたシリンダと、前記シリンダブロックに形成されたシリンダ内に配置されたピストンと、前記ピストンとクランクシャフトを連結するコンロッドを備え、前記燃焼室の混合気の燃焼ガスによって前記ピストンを往復動させて前記クランクシャフトを回転させる内燃機関であって、
    前記ピストンは、請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の前記ピストンである
    ことを特徴とする内燃機関。
15. ピストンヘッドが形成されたピストン本体部と、前記ピストン本体部の移動方向と直交する方向で前記ピストンヘッドの外周面に沿って配置され、ピストンリングが収納されるリング溝が形成された環状の耐摩環とを備えたピストンの製造方法であって、
    前記ピストンヘッドが重力方向で上側に位置する形態で設置された金型に、前記ピストンヘッドの外周面から内側に向けて上側方向に傾斜した外側面を備える前記耐摩環をセットするセット工程を実施し、
    重力方向で前記耐摩環より下側から溶湯を注湯して前記ピストン本体部と前記耐摩環を一体化する鋳込み工程を実施し、
    前記ピストン本体部と一体化された前記耐摩環を径方向から切削して前記リング溝を形成することで、前記耐摩環に、前記リング溝を挟むように対向して配置された、前記ピストンヘッドの冠面に近い側の第１の環状耐摩環部と、冠面から遠い側の第２の環状耐摩環部を形成し、更に前記第２の環状耐摩環部が、前記リング溝の開口端であるピストンの外周面に近づくにつれて、前記ピストン本体部の移動方向における厚さが厚くなるように形成される切削工程とを実施する
    ことを特徴とするピストンの製造方法。

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