JP2000034951A - Optimal outline deciding method for piston - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明に属する技術分野】本発明は、内燃機関のピスト
ンの最適輪郭決定方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for determining an optimum contour of a piston of an internal combustion engine.
【０００２】[0002]
【従来の技術】内燃機関のピストンの輪郭（プロフィ
ル）の形状は、内燃機関の騒音、オイル消費、ブローバ
イガス量、排出ガス量及びピストンとシリンダボアとの
耐焼き付き性に大きな影響を及ぼす。従って、エンジン
を開発する際には、用いられるピストンの輪郭を最適な
ものとしなければならないが、現在のところ、ピストン
の輪郭を定量的に決定する方法が適切な方法がない。2. Description of the Related Art The shape of a piston profile of an internal combustion engine has a great influence on noise, oil consumption, blow-by gas amount, exhaust gas amount, and seizure resistance between the piston and the cylinder bore of the internal combustion engine. Therefore, when developing an engine, the profile of the piston used must be optimized, but at present, there is no suitable method for quantitatively determining the profile of the piston.
【０００３】このため、従来、エンジンを開発する際に
は、様々な輪郭を有するピストンを用意し、これらのピ
ストンを実際にエンジンに組み込んで運転し、ピストン
の外周面の擦り減り具合（当たり）を観察し、その結果
からそれらのピストンからより適当と思われる輪郭のも
のを選定したり、ピストンの当たりを見ながら、その輪
郭を修正し、最適と思われるピストンの輪郭を探し出す
などして、ピストンの輪郭を決定していた。For this reason, conventionally, when developing an engine, pistons having various contours are prepared, these pistons are actually installed in the engine and operated, and the outer peripheral surface of the piston is worn down (hit). Observing the results, selecting the ones that seem more appropriate from those pistons based on the results, and correcting the outlines while looking at the pistons, finding the optimal piston outlines, etc. The contour of the piston was determined.
【０００４】しかしながら、エンジンを開発するたび
に、試行錯誤を繰り返すといったこのような従来のピス
トンの輪郭決定方法では、開発に長期間を要するため、
開発コストが嵩むという問題があった。また、輪郭の選
定は、当たりの観察者の目視によって主観的に判断され
るものであるため、観察者の能力によって、又は、同じ
観察者でも体調や経験などによって選定結果が異なる場
合がある。However, such a conventional method for determining the contour of a piston, which repeats trial and error every time an engine is developed, requires a long time for development.
There was a problem that the development cost increased. In addition, since the selection of the contour is subjectively determined by visual observation of the observer, the selection result may be different depending on the ability of the observer or the physical condition or experience of the same observer.
【０００５】さらに、従来の輪郭決定方法におけるピス
トンの外周面には、その円周に沿って、図４に示したよ
うな接線直角方向断面が波状の凸条が設けられているた
め、凸条の摩耗の進行に応じて、ボアとの接触面積が大
きくなって、接触面圧が低くなり、摩耗速度が遅くな
る。このため、接触面圧に応じて摩耗しなくなるので、
この状態で当たりを観察しても最適な輪郭を得られなく
なり、このようにして選ばれた輪郭が最適でない場合に
は、製品使用中に焼き付き（スカッフ）が発生する原因
となるという問題があった。[0005] Further, since the outer peripheral surface of the piston in the conventional contour determination method is provided with a wavy ridge along a circumference thereof in a direction perpendicular to a tangent line as shown in FIG. As the wear progresses, the contact area with the bore increases, the contact surface pressure decreases, and the wear rate decreases. For this reason, it does not wear according to the contact surface pressure,
Observation of a hit in this state makes it impossible to obtain an optimal contour, and if the contour selected in this way is not optimal, there is a problem that burn-in (scuff) occurs during use of the product. Was.
【０００６】このため、エンジン運転中のピストンの挙
動を計算し、ピストンと、ボアとの接触面圧を最適にす
るような試みがなされているが、ピストンに作用する要
素は極めて複雑であり、総ての要素を考慮した計算は難
しく、実用化されていない。また、特公平１−３１０２
６号には、ピストンの外周に耐熱性樹脂、鱗片状アルミ
ニウム及びフッ素樹脂からなるコーティングを施してエ
ンジン運転し、短時間で最適輪郭を形成する方法が開示
されている。For this reason, attempts have been made to calculate the behavior of the piston during operation of the engine and to optimize the contact pressure between the piston and the bore. However, the elements acting on the piston are extremely complicated. Calculations that take into account all factors are difficult and have not been put to practical use. In addition, Japanese Patent Publication 1-3102
No. 6 discloses a method in which a coating made of a heat-resistant resin, flaky aluminum, and a fluororesin is applied to the outer periphery of a piston and an engine is operated to form an optimum contour in a short time.
【０００７】しかしながら、この方法では、ピストンに
施すコーティングが高価であると共に、開発にリードタ
イムがかかるため、開発コストが高くなるという問題が
あった。また、この方法の場合、コーティングの厚さが
一定限度を超えるとコーティングが剥離し、最適な輪郭
が得られなくなるという問題があった。また、この方法
ではコーティング層を一定限度以上に厚くできないの
で、ディーゼルエンジン用のピストンのようにピストン
の上下でその径が大きく変化するピストンの輪郭の形成
にこの方法を使用すると、部分的にコーティングの厚み
以上に摩耗が進み、ピストンの地肌が露出してしまい、
摩耗度合いが変化して、最適な輪郭を得られなくなって
しまう。[0007] However, this method has a problem that the coating applied to the piston is expensive and the development takes a long time, so that the development cost is increased. In addition, in the case of this method, when the thickness of the coating exceeds a certain limit, the coating is peeled off, so that an optimum contour cannot be obtained. Also, since this method does not allow the coating layer to be thicker than a certain limit, using this method to form a piston profile whose diameter changes greatly above and below the piston, such as a piston for a diesel engine, may result in partial coating. Wear progresses more than the thickness of the piston, the surface of the piston is exposed,
The degree of wear changes, so that an optimal contour cannot be obtained.
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の問題を
解決するためになされたものであり、その目的とすると
ころは、どのような形状、用途のピストンでも低コスト
で短期間に最適な輪郭を決定できるようにすることにあ
る。DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a piston of any shape and use which is low in cost and optimal in a short time. The purpose is to be able to determine the contour.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】上記の目的は、ピストン
の外周面全体に渡って、円周に沿って接線断面が矩形
で、高さが０．０３ｍｍ以上、０．１３ｍｍ以下、ピス
トン中心軸方向寸法が０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下、
間隔比が０．５以上、１．５以下で、頂面が円筒面状の
凸条を設け、その頂面の運転時の面圧が８ＭＰａ以上、
２０ＭＰａ以下、望ましくは１０ＭＰａ以上、１８ＭＰ
ａ以下となるように調整して、所与のエンジン運転条件
で運転して、凸条の外周面を摩耗させ、摩耗後の凸条の
外周面の形状に基づいて、ピストンの輪郭を構成するこ
とによって達成される。SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to provide a piston having a rectangular tangential section along the entire circumference and a height of 0.03 mm or more and 0.13 mm or less over the entire outer peripheral surface of the piston. Directional dimension is 0.5mm or more and 1.5mm or less,
The interval ratio is 0.5 or more, 1.5 or less, the top surface is provided with a cylindrical ridge, the surface pressure during operation of the top surface is 8 MPa or more,
20MPa or less, desirably 10MPa or more, 18MP
a is adjusted so as to be less than or equal to, and is operated under a given engine operating condition to wear the outer peripheral surface of the ridge and form the contour of the piston on the basis of the shape of the outer peripheral surface of the worn ridge. Achieved by:
【００１０】このとき、ピストンとボアの平均最大面圧
は、８以上、２０ＭＰａ以下であればよいが、１０以
上、１８Ｍｐａ以下であることが好ましい。平均最大面
圧が、２０ＭＰａを超えると、ピストンの凸条の頂面と
ボアとの間で部分的に焼き付きが生じ易くなって最適な
輪郭形状にならなくなり、反対に、８ＭＰａ未満である
と、凸条の摩耗が進行しにくくなって最適な輪郭になる
まで長時間を要するようになる。At this time, the average maximum surface pressure of the piston and the bore may be 8 or more and 20 MPa or less, but is preferably 10 or more and 18 Mpa or less. When the average maximum surface pressure exceeds 20 MPa, partial seizure is likely to occur between the top surface of the ridge of the piston and the bore, and the optimum contour shape is not obtained. Conversely, when the average maximum surface pressure is less than 8 MPa, It becomes difficult for the ridge to wear, and it takes a long time until an optimum contour is obtained.
【００１１】また、凸条の高さは、０．０３ｍｍ以上、
０．１３ｍｍ以下であればよい。凸条の高さが０．１３
ｍｍを超えると、凸条を形成する際に使用するバイトが
折れやすくなり、反対に、０．０３ｍｍ未満であると各
凸条とボアの接触面圧のバラツキが大きいときに、局部
的に凸条の高さ以上に摩耗が進行して最適な輪郭を得ら
れなくなる。また、凸条のピストン中心軸方向寸法は、
０．５ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下であればよい。The height of the ridge is 0.03 mm or more,
What is necessary is just 0.13 mm or less. The height of the ridge is 0.13
If it is more than 0.03 mm, the cutting tool used to form the ridge will be easily broken. Conversely, if it is less than 0.03 mm, when the variation in the contact surface pressure between each ridge and the bore is large, it will be locally convex. The wear proceeds more than the height of the strip, and the optimum contour cannot be obtained. In addition, the dimension of the ridge in the axial direction of the piston is
It may be 0.5 mm or more and 1.5 mm or less.
【００１２】この長さが１．５ｍｍを超えると、焼き付
きが起こりやすくなり、反対に、０．５ｍｍ未満である
と、凸条を形成する加工中やエンジン運転中に凸条が割
れやすくなる。また、凸条の間隔比（凹部の幅／凸部の
幅）は、０．５以上、１．５以下であればよい。この間
隔比が、１．５を超えると、局部的な接触面圧の差が大
きくなりすぎ、最適な輪郭を得にくくなり、反対に、
０．５未満であると、凸条の形状加工が難しくなる。If the length is more than 1.5 mm, seizure is likely to occur, while if it is less than 0.5 mm, the ridges are liable to crack during processing for forming the ridges or during engine operation. Further, the interval ratio of the ridges (the width of the concave portion / the width of the convex portion) may be 0.5 or more and 1.5 or less. If this interval ratio exceeds 1.5, the difference in local contact surface pressure becomes too large, making it difficult to obtain an optimum contour.
If it is less than 0.5, it becomes difficult to shape the ridge.
【００１３】[0013]
【発明の実施の形態】以下、図面により本発明の詳細を
説明する。図１は本発明に係るピストンの最適輪郭決定
方法に使用されるピストンの一実施例を示す側面図、図
２は図１に示したピストンの外周面の状態を示す接線直
角方向の一部拡大断面図、図３は図１に示したピストン
を用いて本発明に係る最適輪郭決定方法を実施した場合
のピストンの呼称径からの寸法変化量を示すグラフ、図
４は従来の輪郭決定方法に用いられるピストンの外周面
の状態を示す接線直角方向の一部断面図である。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The details of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a side view showing an embodiment of a piston used in a method for determining an optimum contour of a piston according to the present invention, and FIG. 2 is a partially enlarged view in a direction perpendicular to a tangent line showing a state of an outer peripheral surface of the piston shown in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view, FIG. 3 is a graph showing the amount of dimensional change from the nominal diameter of the piston when the optimum contour determining method according to the present invention is performed using the piston shown in FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is a partial cross-sectional view in a direction perpendicular to a tangent line showing a state of an outer peripheral surface of a piston used.
【００１４】図１に示したピストン１は、エンジン直列
６気筒直噴ディーゼルエンジン、最大出力２００ＰＳ／
２９００ｒｐｍ、ボア１０５ｍｍ、ストローク１２５ｍ
ｍのエンジン用ピストンである。このピストン１を組み
込んだエンジンにおいて、ピストンの最大出力点におけ
るシリンダボアとピストンスカートの間で、ピストンス
カートが受ける横方向の力（サイドフォース）は、計算
によると最大８ＫＮとなる。A piston 1 shown in FIG. 1 is an in-line six-cylinder direct-injection diesel engine having a maximum output of 200 PS /
2900 rpm, bore 105 mm, stroke 125 m
m engine piston. In an engine incorporating the piston 1, a lateral force (side force) applied to the piston skirt between the cylinder bore and the piston skirt at the maximum output point of the piston is calculated to be 8 KN at the maximum.
【００１５】また、このピストン１の外周面全体には、
図２に示したように、その円周方向に沿って、断面矩形
状で、頂面が円筒面状の凸条が複数設けられる。この凸
条は、本実施例においては、高さが０．１ｍｍ、ピスト
ン中心軸方向寸法が０．６ｍｍ、凸条同士の間隔が０．
４ｍｍであり、凸条の頂面が受ける平均最大面圧は１８
ＭＰａとなる。ここでいう平均最大面圧とは、ピストン
がボアに接触したときの最大荷重／凸条頂面とボアとの
総接触面積である。Further, the entire outer peripheral surface of the piston 1
As shown in FIG. 2, a plurality of ridges having a rectangular cross section and a cylindrical top surface are provided along the circumferential direction. In the present embodiment, the ridges have a height of 0.1 mm, a dimension in the center axis direction of the piston of 0.6 mm, and a distance between the ridges of 0.
4 mm, and the average maximum surface pressure applied to the top surface of the ridge is 18
MPa. The average maximum surface pressure here is the maximum load when the piston comes into contact with the bore / the total contact area between the convex top surface and the bore.
【００１６】これを上記のエンジンに組み込み、そのエ
ンジンを出力２００ＰＳ、回転数２９００ｒｐｍで運転
させ、そのピストンの頂面から所定距離離れた複数地点
で、エンジン始動から２時間、４時間、１０時間後にピ
ストンの称呼径からの寸法変化量を計測し、その結果を
図３に示した。この結果から、始動から２時間の間に面
圧が高い部分が摩耗し、その後はピストンの径はほとん
ど変化せず、総ての凸条が一様に少しずつ摩耗していく
ことが明らかになった。The engine was incorporated into the above-mentioned engine, and the engine was operated at an output of 200 PS and a rotation speed of 2900 rpm. At a plurality of points separated from the top surface of the piston by a predetermined distance, 2 hours, 4 hours, and 10 hours after the engine was started The amount of dimensional change from the nominal diameter of the piston was measured, and the results are shown in FIG. From this result, it is clear that the part where the surface pressure is high wears during the two hours from the start, the diameter of the piston hardly changes after that, and all the ridges wear little by little evenly. became.
【００１７】これは、始動から２時間経過したときには
各凸条頂面に作用する面圧にばらつきがなくなったこと
を示すものである。そこで、始動から２時間経過したと
きの上記ピストンの輪郭を再現してピストンを製造し、
これを組み込んだエンジンを上記と同様の出力及び回転
数で１００時間運転した後、ピストンを取り出し、当た
りを観察したところ、外周面全面で平均的な当たりにな
っており、当たりが強い部分などの当たりのバラツキは
認められなかった。This indicates that the surface pressure acting on the top surface of each ridge no longer fluctuates when two hours have elapsed since the start. Therefore, a piston was manufactured by reproducing the contour of the piston when two hours had passed since the start,
After operating the engine incorporating this at the same output and rotation speed for 100 hours as described above, the piston was taken out and the hit was observed. No variation was found.
【００１８】また、このピストンを再びエンジンに組み
込み、アイドリングと最大出力点でそれぞれ３０秒ずつ
運転するサイクルを６回繰り返し、さらに、水温を１２
０℃として最大出力点で運転するというスカッフテスト
を実施した後、ピストンを取り出し、観察したが、当た
りは均一で、スカッフは全く認められなかった。従っ
て、上記のようにしてピストンの輪郭を決定するように
すれば、エンジン運転中に当たりの強い（接触面圧が高
い）部分が速く摩耗し、また、摩耗が進んでも凸条外周
面の接触面積がほとんど変化しないので、完全に接触面
圧に応じて摩耗が進行し、短時間でピストンの最適な輪
郭を決定できるようになる。Further, the piston is incorporated into the engine again, and a cycle in which the engine is operated for 30 seconds each at idling and the maximum output point is repeated six times.
After performing a scuff test at 0 ° C. and operating at the maximum output point, the piston was taken out and observed, but the hit was uniform and no scuff was observed. Therefore, if the contour of the piston is determined as described above, a portion having a strong contact (high contact surface pressure) wears quickly during operation of the engine. Is hardly changed, the wear progresses completely according to the contact surface pressure, and the optimum contour of the piston can be determined in a short time.
【００１９】なお、本発明は上記の実施例に限定される
ものではなく、例えば、凸条は完全な矩形状でなくて
も、摩耗する部分が等幅であればよく、その高さも最初
から均一でなくてもよい。また、ピストンや、ピストン
が組み込まれるエンジンの大きさや種類、形状、輪郭を
決定するために要する運転時間等は本発明の目的の範囲
内で自由に設計変更できるものであり、本発明は上記の
説明から当業者が容易に想到し得る総ての変更実施例を
包摂するものである。The present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, the ridges need not be completely rectangular, but may have a uniform width at the part to be worn, and the height of the ridge can be increased from the beginning. It need not be uniform. In addition, the operation time required for determining the size, type, shape, and contour of the piston and the engine in which the piston is incorporated can be freely changed within the scope of the object of the present invention. It is intended to cover all alternative embodiments readily apparent to one skilled in the art from the description.
【００２０】[0020]
【本発明の効果】本発明に係るピストンの最適輪郭決定
方法は上記のように構成されるので、本発明によるとき
は、極めて短時間かつ低コストで過酷な使用条件下でも
スカッフを生じない最適なピストン輪郭を容易に決定で
きる。The method for determining the optimum contour of a piston according to the present invention is constructed as described above. Therefore, according to the present invention, an optimum method which does not cause scuffing even under severe operating conditions in a very short time at low cost. Easy piston contour can be easily determined.
【図１】本発明に係るピストンの最適輪郭決定方法に使
用されるピストンの一実施例を示す側面図である。FIG. 1 is a side view showing one embodiment of a piston used in a method for determining an optimum contour of a piston according to the present invention.
【図２】図１に示したピストンの外周面の状態を示す接
線直角方向の一部拡大断面図である。FIG. 2 is a partially enlarged sectional view in a direction perpendicular to a tangent line showing a state of an outer peripheral surface of the piston shown in FIG. 1;
【図３】図１に示したピストンを用いて本発明に係る最
適輪郭決定方法を実施した場合のピストンの呼称径から
の寸法変化量を示すグラフである。3 is a graph showing a dimensional change from a nominal diameter of the piston when the method for determining an optimum contour according to the present invention is performed using the piston shown in FIG.
【図４】従来の輪郭決定方法に用いられるピストンの外
周面の状態を示す接線直角方向の一部断面図である。FIG. 4 is a partial cross-sectional view in a direction perpendicular to a tangent line showing a state of an outer peripheral surface of a piston used in a conventional contour determination method.
１・・・・・ピストン 1 ... Piston
Claims (1)
って、接線直角断面が矩形で、高さが０．０３ｍｍ以
上、０．１３ｍｍ以下、ピストン中心軸方向寸法が０．
５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下、間隔比が０．５以上、１．
５以下で、頂面が円筒面状の凸条を設け、その頂面の運
転時の面圧が８ＭＰａ以上、２０ＭＰａ以下となるよう
に調整して、所与のエンジン運転条件で運転して、凸条
の外周面を摩耗させ、摩耗後の凸条の外周面形状に基づ
いて、ピストンの輪郭を構成することを特徴とするピス
トンの最適輪郭決定方法。1. A tangential section perpendicular to the entire circumference of the outer peripheral surface of the piston is rectangular, the height is 0.03 mm or more and 0.13 mm or less, and the dimension of the piston in the axial direction of the piston is 0.3 mm.
5 mm or more and 1.5 mm or less, an interval ratio of 0.5 or more,
5 or less, the top surface is provided with a convex ridge having a cylindrical surface, the surface pressure during operation of the top surface is adjusted to be 8 MPa or more and 20 MPa or less, and operation is performed under given engine operating conditions. A method for determining an optimum contour of a piston, comprising: abrading an outer peripheral surface of a ridge and forming a contour of the piston based on an outer peripheral surface shape of the ridge after the wear.
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|---|---|---|---|
| JP10138304A JP2000034951A (en) | 1998-05-14 | 1998-05-20 | Optimal outline deciding method for piston |
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| JP13244898 | 1998-05-14 | ||
| JP10138304A JP2000034951A (en) | 1998-05-14 | 1998-05-20 | Optimal outline deciding method for piston |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110761988A (en) * | 2019-10-28 | 2020-02-07 | 吉林大学 | Piston with bionic tile-covered structure |
-
1998
- 1998-05-20 JP JP10138304A patent/JP2000034951A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110761988A (en) * | 2019-10-28 | 2020-02-07 | 吉林大学 | Piston with bionic tile-covered structure |
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