JP4468392B2 - エンジン用ピストンの設計方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ピストン中心と外周円環部との間の冷却面側に、ピストンの天板に加わるガス圧等の外力を支持する中支え部が形成されたエンジン用ピストンの設計方法に関する。
エンジン用ピストンは、天板に加わるガス圧等の外力による応力と燃焼ガスからの加熱による熱応力とによって、主要部である天板の厚さを設定している。前記外力による応力を減ずるために天板の厚さを厚くすると熱応力が大きくなる、というように、外力による応力と熱応力とは背反する関係にある。
また、天板の厚さを薄くしてピストンから冷却液への放出熱量を増加すると冷却損失が増加する。
また、天板の厚さを薄くしてピストンから冷却液への放出熱量を増加すると冷却損失が増加する。
特に、高い熱負荷を受ける高過給、高出力エンジン用のピストンにおいては、以上のような課題を解決する手段として、たとえば特許文献１（特開昭６０−２４０８５５号公報）、特許文献２（特開昭６０−２４０８５６号公報）、特許文献３（特開昭６０−２４０８５７号公報）等において、ピストンにおける天板の触火面をセラミックス等の断熱材で被覆する手段が提供されている。
前述のように、エンジン用ピストンの天板の厚さは、ガス圧等の外力による応力と熱応力と冷却液へ冷却損失とによって決まるが、天板の温度分布に着目すると、通常、燃焼火炎が当たる外周円環部近傍の温度が最も高く、ピストン中心寄りの部位の温度は外周側よりも低くなっている。
従って、ピストン外周側の温度を基準にすると、ピストン中心寄りの温度は低くなり過ぎて、その分冷却損失が増加することになる。
従って、ピストン外周側の温度を基準にすると、ピストン中心寄りの温度は低くなり過ぎて、その分冷却損失が増加することになる。
また、前記特許文献１〜３のように、天板の触火面をセラミックス等の断熱材で被覆する手段では、触火面から天板への入熱を抑制することにより、熱応力を低減し冷却液への冷却損失を低減する効果を有するが、広く知られているように、セラミックス等の断熱材での被覆は、ピストンの母材である耐熱鋼材と被覆材のセラミックス等との熱膨張率の差による被覆部の剥離や割れの発生の可能性、被覆工程によるピストンの製作コストの上昇等の解決すべき課題を抱えている。
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、ピストンの製作コストの上昇を招くことなく、ガス圧等の外力による応力及び熱応力及び冷却液へ冷却損失をバランス良く低減し得る、エンジン用ピストンの設計方法を提供することを目的とする。
本発明はかかる課題を解決するもので、本発明の第１の方法は、ピストン中心と外周円環部との間の冷却面側に、ピストンの天板に加わるガス圧等の外力を支持する中支え部が形成されたエンジン用ピストンの設計方法であって、過去のエンジンにおけるピストン形状の実績をもとに初期形状を設定し、該初期形状を基に、ピストンの天板に加わるガス圧を含む外力を盛り込んだ強度計算に基づいてピストン冠の目標強度を満足する肉厚の第１次設定をしておき、次いで前記天板の肉厚を、ピストン使用時における前記天板の触火面の最高温度が、該触火面の全面に亘って均一に、当該ピストン材料の熱疲労強度対応温度とほぼ同一温度になるように、少なくとも前記中支え部よりもピストン中心側の肉厚を前記第１次設定よりも増加修正し、次いでピストンの天板に加わるガス圧を含む外力を盛り込んだ強度計算を再度行い、目標強度を満足しない場合には、肉厚の修正操作を繰り返して、強度を満足するとともに均一な温度分布とすることを特徴とする。
また、本発明の第２の方法は、ピストン中心と外周円環部との間の冷却面側に、ピストンの天板に加わるガス圧等の外力を支持する中支え部が形成されたエンジン用ピストンの設計方法であって、過去のエンジンにおけるピストン形状の実績をもとに初期形状を設定し、該初期形状を基に、ピストンの天板に加わるガス圧を含む外力を盛り込んだ強度計算に基づいてピストン冠の目標強度を満足する肉厚の第１次設定をしておき、次いで前記天板の肉厚を、ピストン使用時における前記天板の触火面の最高温度が、該触火面の全面に亘って均一に、当該ピストン材料の熱疲労強度対応温度よりも低い一定温度になるように、前記第１次設定の肉厚を増減し、次いでピストンの天板に加わるガス圧を含む外力を盛り込んだ強度計算を再度行い、目標強度を満足しない場合には、肉厚の修正操作を繰り返して、強度を満足するとともに均一な温度分布とすることを特徴とする。
かかる第１の方法および第２の方法において、好ましくは、前記熱疲労強度対応温度を５００℃に設定する。
かかる第１の方法および第２の方法において、好ましくは、前記熱疲労強度対応温度を５００℃に設定する。
前述のように、エンジン用ピストンの天板の厚さは、ガス圧等の外力による応力と熱応力と冷却液へ冷却損失とによって決まるが、従来のピストンは、ピストン中心寄りの温度が外周側よりも低くなり過ぎている。
然るに本発明によれば、過去のエンジンにおけるピストン形状の実績をもとに初期形状を設定し、該初期形状を基に、ピストンの天板に加わるガス圧を含む外力を盛り込んだ強度計算に基づいてピストン冠の目標強度を満足する肉厚の第１次設定をしておき、次いで前記天板の肉厚を、ピストン使用時における前記天板の触火面の最高温度が、該触火面の全面に亘って均一に、当該ピストン材料の熱疲労強度対応温度とほぼ同一温度、好ましくは５００℃近傍になるように、少なくとも前記中支え部よりもピストン中心側の肉厚を前記第１次設定よりも増加修正し、次いでピストンの天板に加わるガス圧を含む外力を盛り込んだ強度計算を再度行い、目標強度を満足しない場合には、肉厚の修正操作を繰り返して、強度を満足するとともに均一な温度分布になるようにしたので、天板の触火面の温度を該触火面の全面に亘って、熱疲労強度対応温度に近いほぼ同一温度レベルに設定できて、従来のピストンに比べてピストン中心側の肉厚を熱疲労強度を保持可能な範囲で厚くすることができて、中支え部よりもピストン中心側からの冷却損失を従来のピストンよりも大幅に低減できる。
然るに本発明によれば、過去のエンジンにおけるピストン形状の実績をもとに初期形状を設定し、該初期形状を基に、ピストンの天板に加わるガス圧を含む外力を盛り込んだ強度計算に基づいてピストン冠の目標強度を満足する肉厚の第１次設定をしておき、次いで前記天板の肉厚を、ピストン使用時における前記天板の触火面の最高温度が、該触火面の全面に亘って均一に、当該ピストン材料の熱疲労強度対応温度とほぼ同一温度、好ましくは５００℃近傍になるように、少なくとも前記中支え部よりもピストン中心側の肉厚を前記第１次設定よりも増加修正し、次いでピストンの天板に加わるガス圧を含む外力を盛り込んだ強度計算を再度行い、目標強度を満足しない場合には、肉厚の修正操作を繰り返して、強度を満足するとともに均一な温度分布になるようにしたので、天板の触火面の温度を該触火面の全面に亘って、熱疲労強度対応温度に近いほぼ同一温度レベルに設定できて、従来のピストンに比べてピストン中心側の肉厚を熱疲労強度を保持可能な範囲で厚くすることができて、中支え部よりもピストン中心側からの冷却損失を従来のピストンよりも大幅に低減できる。
従って本発明によれば、ガス圧等の外力による応力及び熱応力及び冷却液への冷却損失をバランス良く低減したピストンが得られる。
また本発明によれば、ピストンの設計段階で天板の厚さ及び該厚さの設定方法を工夫するのみで、従来の断熱材を被覆したピストンのような、格別な材料の追加や製作工数の増加等の製造コストの増加を一切伴うことなく前記効果を有するピストンが得られる。
また本発明によれば、ピストンの設計段階で天板の厚さ及び該厚さの設定方法を工夫するのみで、従来の断熱材を被覆したピストンのような、格別な材料の追加や製作工数の増加等の製造コストの増加を一切伴うことなく前記効果を有するピストンが得られる。
また、過去のエンジンにおけるピストン形状の実績をもとに初期形状を設定し、該初期形状を基に、ピストンの天板に加わるガス圧を含む外力を盛り込んだ強度計算に基づいてピストン冠の目標強度を満足する肉厚の第１次設定をしておき、次いで前記天板の肉厚を、ピストン使用時における前記天板の触火面の最高温度が、該触火面の全面に亘って均一に、当該ピストン材料の熱疲労強度対応温度（好ましくは５００℃）よりも低い一定温度（たとえば３５０℃）になるように、前記第１次設定の肉厚を増減し、次いでピストンの天板に加わるガス圧を含む外力を盛り込んだ強度計算を再度行い、目標強度を満足しない場合には、肉厚の修正操作を繰り返して、強度を満足するとともに均一な温度分布とすることによっても、前記方法と同様な効果が得られる。
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図１は、本発明の実施例に係る中支え型ピストン冠の右半分の縦断面図、図２は前記ピストン冠の設計手順を示すフローチャートである。
図１において、中支え型のピストン冠１は、上面が触火面１０に形成された天板１ｚをそなえ、該天板１ｚの冷却面７側には、前記天板１ｚに加わるガス圧等の外力を支持する環状の中支え部４が形成されている。前記天板１ｚは該中支え部４よりもピストン中心１ａ側の中央部２と該中支え部４よりも外周側の外周円環部３を滑らかに結合して形成されている。また、該外周円環部３の下部に連設された外周円筒部５にはピストンリングが嵌装される複数のリング溝６が刻設されている。
図１において、中支え型のピストン冠１は、上面が触火面１０に形成された天板１ｚをそなえ、該天板１ｚの冷却面７側には、前記天板１ｚに加わるガス圧等の外力を支持する環状の中支え部４が形成されている。前記天板１ｚは該中支え部４よりもピストン中心１ａ側の中央部２と該中支え部４よりも外周側の外周円環部３を滑らかに結合して形成されている。また、該外周円環部３の下部に連設された外周円筒部５にはピストンリングが嵌装される複数のリング溝６が刻設されている。
この実施例に係る中支え型のピストン冠１においては、前記天板１ｚは、前記中支え部４よりもピストン中心１ａ側の中央部２の肉厚ｔ１を、該中支え部４よりも前記外周円環部３の肉厚、具体的には該外周円環部３の最小肉厚ｔ２よりも厚く形成している。
そして、前記天板１ｚの肉厚は、このエンジン用ピストンの使用時、つまりエンジンの運転時における前記天板１ｚの触火面１０の最高温度が、該触火面１０の全面に亘って、当該ピストン冠１の材料の熱疲労強度対応温度即ち当該ピストン冠１材料の熱疲労限度に対応する温度と、該熱疲労強度対応温度の８０％との間になるような肉厚に設定されている。
前記熱疲労強度対応温度、つまり前記触火面１０の最高温度は、かかる中支え型のピストン冠１では５００℃程度に設定し、前記天板１ｚの肉厚を熱疲労強度対応温度範囲が５００℃〜４００℃なるような肉厚に設定するのが好ましい。
そして、前記天板１ｚの肉厚は、このエンジン用ピストンの使用時、つまりエンジンの運転時における前記天板１ｚの触火面１０の最高温度が、該触火面１０の全面に亘って、当該ピストン冠１の材料の熱疲労強度対応温度即ち当該ピストン冠１材料の熱疲労限度に対応する温度と、該熱疲労強度対応温度の８０％との間になるような肉厚に設定されている。
前記熱疲労強度対応温度、つまり前記触火面１０の最高温度は、かかる中支え型のピストン冠１では５００℃程度に設定し、前記天板１ｚの肉厚を熱疲労強度対応温度範囲が５００℃〜４００℃なるような肉厚に設定するのが好ましい。
次に、図２に基づき前記のように構成されたピストン冠１の設計方法を説明する。
先ず、過去のエンジンにおけるピストン冠１の実績に基づきピストン冠１の初期形状を作成する（ステップ（１））。
次いで、ガス圧、ボルトの締付力（該ガス圧、ボルトの締付力を盛り込んだ天板１ｚの厚さの初期設定値をｔ１０とする）、熱負荷を盛り込んだ強度計算を、ＦＥＭ（有限要素法）を用いて行い、強度を検討する（ステップ（２））。
前記強度計算によるピストン冠１の強度が目標強度を満足しているか否かを判断する（ステップ（３））
満足していれば、天板１ｚの基準肉厚を決定する（ステップ（５））。満足していない場合は前記目標強度を満足するような形状を再検討して、ステップ（２）に戻る（ステップ（４））。
先ず、過去のエンジンにおけるピストン冠１の実績に基づきピストン冠１の初期形状を作成する（ステップ（１））。
次いで、ガス圧、ボルトの締付力（該ガス圧、ボルトの締付力を盛り込んだ天板１ｚの厚さの初期設定値をｔ１０とする）、熱負荷を盛り込んだ強度計算を、ＦＥＭ（有限要素法）を用いて行い、強度を検討する（ステップ（２））。
前記強度計算によるピストン冠１の強度が目標強度を満足しているか否かを判断する（ステップ（３））
満足していれば、天板１ｚの基準肉厚を決定する（ステップ（５））。満足していない場合は前記目標強度を満足するような形状を再検討して、ステップ（２）に戻る（ステップ（４））。
ステップ（２）での強度計算に用いた触火面１０の温度が５００℃未満の、天板１ｚの箇所については、天板１ｚの肉厚増加として、形状を設定する。また、触火面１０の温度を低い側に合わせる場合は、触火面１０の温度が３５０℃になるように、天板１ｚの肉厚を合わせる（ステップ（６））。
かかる形状に基づいて、ガス圧、ボルトの締付力、熱負荷を盛り込んだ強度計算を、ＦＥＭ（有限要素法）を用いて再度行い、強度を再検討する（ステップ（７））。
ステップ（７）の前記強度計算によるピストン冠１の強度が目標強度を満足しているか否かを判断する（ステップ（８））。満足していない場合は前記目標強度を満足するような形状を再検討して、ステップ（７）に戻る（ステップ（９））。
かかる形状に基づいて、ガス圧、ボルトの締付力、熱負荷を盛り込んだ強度計算を、ＦＥＭ（有限要素法）を用いて再度行い、強度を再検討する（ステップ（７））。
ステップ（７）の前記強度計算によるピストン冠１の強度が目標強度を満足しているか否かを判断する（ステップ（８））。満足していない場合は前記目標強度を満足するような形状を再検討して、ステップ（７）に戻る（ステップ（９））。
満足していれば、ステップ（７）での強度計算に用いた温度分布より、触火面１０の温度が５００℃に均一となっているか否かを判断する。また、触火面１０の温度を低い側に合わせる場合は、触火面１０の温度が３５０℃になるように、天板１ｚの肉厚を合わせる（ステップ（１０））。
触火面１０の温度が５００℃に均一、あるいは３５０℃に均一となった場合は、この天板１ｚ厚さに形状を設定する（ステップ（１２））。
満足していない場合は、前記ステップ（６）〜ステップ（１０）の動作を繰り返し、ピストン冠１の強度と温度分布が両立しない場合は、強度を優先して形状を設定する（ステップ（１３））。
触火面１０の温度が５００℃に均一、あるいは３５０℃に均一となった場合は、この天板１ｚ厚さに形状を設定する（ステップ（１２））。
満足していない場合は、前記ステップ（６）〜ステップ（１０）の動作を繰り返し、ピストン冠１の強度と温度分布が両立しない場合は、強度を優先して形状を設定する（ステップ（１３））。
以上の実施例によれば、中支え部４を有するピストン冠１の天板１ｚの肉厚を、該中支え部４よりもピストン中心１ａ側の肉厚ｔ１を前記外周円環部３側の肉厚ｔ２よりも厚く形成し、且つ天板１ｚの触火面１０の温度が、該触火面１０の全面に亘って、当該ピストン材料の熱疲労強度対応温度と該熱疲労強度対応温度の８０％との間、好ましくは５００℃近傍になるようにしたので、天板１ｚの触火面１０の温度を該触火面１０の全面に亘って、熱疲労強度対応温度（好ましくは５００℃）に近いほぼ同一温度レベルに設定できて、従来のピストンに比べてピストン中心１ａ側の肉厚ｔ１を熱疲労強度を保持可能な範囲で厚くすることができて、中支え部４よりもピストン中心１ａ側からの冷却損失を従来のピストンよいも大幅に低減できる。
また、ピストンの設計にあたっては、ガス圧を含む外力に基づき天板の肉厚の第１次設定ｔ１０をしておいて、天板１ｚ全体について外力に対する強度を確保しておき、次いで天板１ｚの触火面１０の温度が該触火面１０の全面に亘って、好ましくは５００℃近傍の、熱疲労強度対応温度に近いほぼ同一温度レベルになるように、天板１ｚの前記中支え部４よりもピストン中心１ａ側の肉厚ｔ１を前記第１次設定ｔ１０から厚くして行くので、ガス圧を含む外力に対する強度を確保したうえで、ピストン中心１ａ側の天板１ｚ肉厚を熱疲労強度の範囲で厚くして触火面１０の温度を好ましくは５００℃近傍に上昇させて、冷却損失を抑制することが可能となる。
従ってかかる実施例によれば、ガス圧等の外力による応力及び熱応力及び冷却液への冷却損失をバランス良く低減したピストンが得られる。
また、かかる実施例によれば、ピストン冠１の設計段階で天板１ｚの厚さ及び該厚さの設定方法を工夫するのみで、従来の断熱材を被覆したピストンのような、格別な材料の追加や製作工数の増加等の製造コストの増加を一切伴うことなく前記効果を有するピストン冠１が得られる。
また、かかる実施例によれば、ピストン冠１の設計段階で天板１ｚの厚さ及び該厚さの設定方法を工夫するのみで、従来の断熱材を被覆したピストンのような、格別な材料の追加や製作工数の増加等の製造コストの増加を一切伴うことなく前記効果を有するピストン冠１が得られる。
尚、前記実施例のほかに、前記天板１ｚの肉厚の第１次設定をした後、前記天板１ｚの肉厚を、ピストン冠１における天板１ｚの触火面１０の温度が、該触火面１０の全面に亘って、前記のような、当該ピストン材料の熱疲労強度対応温度（好ましくは５００℃）よりも低い一定温度（たとえば３５０℃）になるように、前記第１次設定の肉厚を増減するという、簡便な設計方法を用いることもできる。
本発明によれば、ピストンの製作コストの上昇を招くことなく、ガス圧等の外力による応力及び熱応力及び冷却液へ冷却損失をバランス良く低減し得る、エンジン用ピストン及び該ピストンの設計方法を提供できる。
１ ピストン冠
１ａ ピストン中心
１ｚ 天板
２ 中央部
３ 外周円環部
４ 中支え部
５ 外周円筒部
６ リング溝
７ 冷却面
１０ 触火面
１ａ ピストン中心
１ｚ 天板
２ 中央部
３ 外周円環部
４ 中支え部
５ 外周円筒部
６ リング溝
７ 冷却面
１０ 触火面
Claims (3)
- ピストン中心と外周円環部との間の冷却面側に、ピストンの天板に加わるガス圧等の外力を支持する中支え部が形成されたエンジン用ピストンの設計方法であって、
過去のエンジンにおけるピストン形状の実績をもとに初期形状を設定し、
該初期形状を基に、ピストンの天板に加わるガス圧を含む外力を盛り込んだ強度計算に基づいてピストン冠の目標強度を満足する肉厚の第１次設定をしておき、
次いで前記天板の肉厚を、ピストン使用時における前記天板の触火面の最高温度が、該触火面の全面に亘って均一に、当該ピストン材料の熱疲労強度対応温度とほぼ同一温度になるように、少なくとも前記中支え部よりもピストン中心側の肉厚を前記第１次設定よりも増加修正し、
次いでピストンの天板に加わるガス圧を含む外力を盛り込んだ強度計算を再度行い、目標強度を満足しない場合には、肉厚の修正操作を繰り返して、強度を満足するとともに均一な温度分布とすることを特徴とするエンジン用ピストンの設計方法。 - ピストン中心と外周円環部との間の冷却面側に、ピストンの天板に加わるガス圧等の外力を支持する中支え部が形成されたエンジン用ピストンの設計方法であって、
過去のエンジンにおけるピストン形状の実績をもとに初期形状を設定し、
該初期形状を基に、ピストンの天板に加わるガス圧を含む外力を盛り込んだ強度計算に基づいてピストン冠の目標強度を満足する肉厚の第１次設定をしておき、
次いで前記天板の肉厚を、ピストン使用時における前記天板の触火面の最高温度が、該触火面の全面に亘って均一に、当該ピストン材料の熱疲労強度対応温度よりも低い一定温度になるように、前記第１次設定の肉厚を増減し、
次いでピストンの天板に加わるガス圧を含む外力を盛り込んだ強度計算を再度行い、目標強度を満足しない場合には、肉厚の修正操作を繰り返して、強度を満足するとともに均一な温度分布とすることを特徴とするエンジン用ピストンの設計方法。 - 前記熱疲労強度対応温度を５００℃に設定したことを特徴とする請求項１または２に記載のエンジン用ピストンの設計方法。
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