JP2007270813A - 内燃機関用ピストン - Google Patents

Abstract

【課題】クーリングチャネルを容易に形成できると同時に、耐熱強度を有する材料の使用量を少なく押さえ易い内燃機関用ピストンを提供する。
【解決手段】 ヘッド部１１の頂部１１ｂにキャビティ１６及びキャビティ１６の内側に突出するリップ部１１ｆを備えると共に、ヘッド部１１の内部にクーリングチャネル１７の環状路１７ａを備えた内燃機関用ピストンｃであり、ボス１３を有するスカート部１２及びヘッド部１１の中央部１１ａを備えたピストン本体１８と、ピストンリング溝１５を有するランド部１４及びヘッド部１１の周縁部１１ｅ並びにリップ部１１ｆを備えて鍛造されたヘッド環状部１１ｃとが、接合面において接合されていて、この接合面が、クーリングチャネル１７の環状路１７ａを横切り、且つ、周縁部１１ｅ側の第１の接合面２１ａと、中央部１１ａ側の第２の接合面２２ａとを有し、第１の接合面２１ａと第２の接合面２２ａとが異なる角度で形成されている。
【選択図】図３

Description

この発明は、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等のレシプロエンジンなどの内燃機関に使用されるピストンに関し、特に、ヘッド部の内部に潤滑油等の冷却液を循環させる冷却用のクーリングチャネルを備えた内燃機関用ピストンに関する。

レシプロエンジン等の内燃機関用ピストンはヘッド部及びスカート部を有し、ヘッド部に燃焼室と対向する頂面やピストンリング溝を有してシリンダと対向するランド部が設けられ、スカート部にピストンピンが嵌入されるボスが設けられている。

このようなピストンでは、各部位毎に異なる性能が要求されており、例えば、ヘッド部の頂面は燃焼時の熱が直接に伝達されるため耐熱性が要求され、ヘッド部のランド部及びピストンリング溝はシリンダ内で摺動し、高い燃焼圧力を受けるピストンリングが接触するため高い耐磨耗性と耐面圧性が要求され、スカート部のボスは高い耐面圧性が要求されている。

従来、このような異なる性能を達成するために、各部位毎に異なる材料を使用することが行われている。例えば、ヘッド部の高温下における耐熱強度を確保するために、特許文献１に記載されているように、ヘッド部の頂面側やその一部に急冷凝固粉末アルミニウム合金、繊維強化アルミニウム合金、粒子強化アルミニウム合金等を使用して鍛造により成形したり、ピストンリング溝、特に、圧力リング溝にニレジスト環を配置することなどが行われている。

また、ヘッド部を冷却するために、例えば、下記特許文献２、３に記載されているように、ヘッド部内部に冷却用オイルの流路となるクーリングチャネルが設けられたものも提案されている。

これらの特許文献２乃至４では、内燃機関用ピストンが周縁側上部の形成体と下部の形成体とから構成され、上部の形成体と下部の形成体との間に冷却用空洞が形成されることにより、ヘッド部内に環状の冷却用空洞が設けられている。
特開平９−３１０６３９号公報 実開平６−２５５３７号公報 特開２０００−２３０４５８号公報 特開２００１−１０７８０３号公報

しかしながら、ヘッド部の上部に炭化ケイ素を含有させた急冷凝固粉末アルミニウム合金等を用いて、ヘッド部の下部と上部とで材料を異ならせた上記特許文献１等では、異なる材料を高い圧力で鍛造することにより一体的にして製造されるため、ヘッド内部に冷却用の空洞を設けることが困難で、冷却性能を向上させつつ強度を向上することができなかった。

一方、冷却用の空洞が設けられた上記特許文献２乃至４等では、冷却性能は向上できるものの、ピストン全体を同一の材料により形成するため、耐熱強度が要求される部位では十分な性能を確保し難くかった。仮に、ピストン全体或いは周縁側上部の形成体を耐熱強度を有する材料により作製するとしても、ピストンの周縁側上部の形成体と下部の形成体との接合面が、ランド部から冷却空洞までの水平面と、冷却空洞からヘッド部の頂部までの垂直面或いは冷却空洞からキャビティまでの水平面とからなるため、十分に性能を向上させるには、耐熱強度を有する材料の使用量が多くなるという問題点があった。

そこで、この発明では、クーリングチャネルを容易に形成できると同時に、耐熱強度を有する材料の使用量を少なく押さえ易い内燃機関用ピストンを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、ヘッド部の頂部にキャビティ及び該キャビティの内側に突出するリップ部を備えると共に、前記ヘッド部の内部にクーリングチャネルの環状路を備えた内燃機関用ピストンにおいて、ピストンピン孔が形成されたボスを有するスカート部及び前記ヘッド部の中央部を一体に備えたピストン本体と、ピストンリング溝を有するランド部及び前記ヘッド部の周縁部並びに前記リップ部を備えて鍛造されたヘッド環状部とが、接合面において接合されてなり、前記接合面が、前記クーリングチャネルの環状路を横切り、且つ、前記周縁部側の第１の接合面と、前記中央部側の第２の接合面とを有し、前記第１の接合面と前記第２の接合面とが異なる角度で形成されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構成に加え、前記第１の接合面がピストン軸に対して直交する平面からなることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の構成に加え、前記第１の接合面が前記ピストン軸に対して傾斜するテーパ面からなることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか一つに記載の構成に加え、前記第２の接合面がピストン軸と同心円状の円筒面からなることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか一つに記載の構成に加え、前記第２の接合面が、前記周縁部側の端部より前記中央部側の端部が頂面に近接するように傾斜するテーパ面からなることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５の何れか一つに記載の構成に加え、前記ヘッド環状部は、前記ピストン本体より耐熱強度が高い材料からなることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６の何れか一つに記載の構成に加え、前記ヘッド環状部は、前記クーリングチャネルを挟んで内側に配置される内周部と外側に配置される外周部とを備え、前記外周部は前記内周部より耐磨耗性が高い材料からなると共に、前記内周部は前記外周部より耐熱性が高い材料からなり、前記外周部と前記内周部とが接合されていることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至は７の何れか一つに記載の構成に加え、前記ヘッド環状部は、急冷凝固合金の鍛造されたものであることを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項１乃至は８の何れか一つに記載の構成に加え、前記ピストン本体は、鍛造されたものであることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至９の何れか一つに記載の構成に加え、前記クーリングチャネルは、前記接合面が横切る前記環状路の他に、ピストン軸方向に並べて前記ヘッド環状部内に形成された他の環状路を備え、２つの前記環状路がバイパス路で連通されていることを特徴とする。

請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至１０の何れか一つに記載の構成に加え、前記第２の接合面の延長面が前記リップ部の内側に配置されるように前記接合面が形成されていることを特徴とする。

この発明によれば、ピストン本体とヘッド環状部との接合面がクーリングチャネルの環状路を横切るように形成されているので、環状路を接合面に開口させることができ、環状路を接合面側から容易に形成することができる。そのため、ヘッド環状部を鍛造する際に同時に環状路を形成することも可能で、容易に製造することができる。

しかも、接合面が周縁部側の第１の接合面と、中央部側の第２の接合面とを有し、第１の接合面と第２の接合面とが異なる角度で形成されているので、耐熱強度が要求されるピストンリング溝を有するランド部、特に、圧力リング溝を含むトップランド部やリップ部を備えることにより、耐熱強度が特に要求される部位の略全体を含むヘッド環状部を、第１及び第２の接合面の角度を調整することにより最小限の体積で構成し易い。そのため、耐熱強度を有する材料の使用量を少なく押さえて、ピストンの耐久性を向上することが可能である。

［実施の形態１］
以下、この発明の実施の形態１について図を用いて説明する。

図１乃至図６はこの実施の形態１に係る直接噴射式ディーゼルエンジン用ピストンを示す。図において、符号１０はピストンであり、図示しないシリンダの燃焼室側に配置されるヘッド部１１と、図示しないクランク側に配置されるスカート部１２を有している。スカート部１２には、ピストンピン孔１３ａを有するボス１３が設けられ、ヘッド部１１の側周面側には３本のピストンリング溝１５を有するランド部１４が設けられ、ヘッド部１１の中央部１１ａの頂面１１ｂには、燃焼室の一部を構成し、燃料噴射装置から直接燃料が噴き込まれるキャビティ１６が設けられている。また、ヘッド部１１の内部にはクーリングチャネル１７が設けられている。

このピストン１０は、ボス１３を有するスカート部１２全体及びヘッド部１１の中央部１１ａが一体に形成されたピストン本体１８と、ピストンリング溝１５を有するランド部１４及びヘッド部１１の周縁部１１ｅが一体に形成されたヘッド環状部１１ｃとが接合されることにより構成されている。

ピストン本体１８は、ヘッド部１１の中央部１１ａの頂面１１ｂに設けられたキャビティ１６の底面１６ａを含んでいる。また、スカート部１２のボス１３のピストンピン孔１３ａは、スカート部１２の一対の対向部分に形成された肉厚部に、青銅ブッシュ部材等を配置することなく直接開設されており、所定の精度の貫通孔となっている。

一方、ヘッド環状部１１ｃは、ヘッド部１１の頂面１１ｂとキャビティ１６の周囲の内側に突出したリップ部１１ｆを含んでいる。

また、クーリングチャネル１７は、図２に示すように、ヘッド環状部１１ｃに沿う無端環状に連続する環状路１７ａと、図４に示すように、ヘッド部１１の底部から環状路１７ａまで貫通する２つの貫通路からなる冷却用オイルの供給路１７ｃ及び排出路１７ｄを備えている。

そして、ヘッド環状部１１ｃとピストン本体１８との接合面は、環状路１７ａから周縁部１１ｅ側に連続して形成された第１の接合面２１ａ、２１ｂと、この第１の接合面２１ａ、２１ｂから環状路１７ａを横切る位置に、環状路１７ａから中央部１１ａ側に連続して形成された第２の接合面２２ａ、２２ｂとからなる。

この第１の接合面２１ａ、２１ｂと第２の接合面２２ａ、２２ｂとは異なる角度で形成されており、この実施の形態１では、第１の接合面２１ａ、２１ｂがピストン軸に対して直交する平面から構成されており、第２の接合面２２ａ、２２ｂがピストン軸と同心円状の円筒面から構成されている。

また、ここでは、第１の接合面２１ａ、２１ｂは、環状路１７ａとは他端側の端部が複数のピストンリング溝１５間のランド部１４の中間部分に配置されるように形成され、第２の接合面２２ａ、２２ｂは、延長面がリップ部１１ｆの内側に配置されるように形成されている。

このような第１及び第２の接合面２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂは、ヘッド環状部１１ｃとピストン本体１８とをピストン軸方向に接合可能である。

なお、ヘッド環状部１１ｃとピストン本体１８には、このような第１及び第２の接合面２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂを接合することにより環状路１７ａが形成されるように、互いに対向する部位に環状の溝１１ｇ、１８ｇが設けられている。

次に、このようなピストン１０を製造する方法について図６を用いて説明する。

まず、ヘッド環状部１１ｃとピストン本体１８とを別体に作製する。ここでは、ヘッド環状部１１ｃを鍛造により作製することにより、軽量且つ引張り強度等、十分な強度を確保する。また、ピストン本体１８は、鍛造、鋳造等適宜な方法で作製することができるが、この実施の形態では、強度を確保し易いという理由で、鍛造により成形して作製する。

その際、ヘッド環状部１１ｃとピストン本体１８とを異なる材料を用いて製造するのが好ましく、ヘッド環状部１１ｃはピストン本体１８より耐熱強度が高い材料を用いるのが好適であり、ピストン本体１８はピストンピンを支持する関係から耐面圧強度が確保できる材料を用いるのが好適である。

具体的には、ヘッド環状部１１ｃの材料としては、例えば、シリコン及び／又は鉄含有アルミニウム合金を溶解した後で急冷凝固させて得られる急冷粉末アルミニウム合金、或いは更にニッケル、クロム、マンガンなどの元素を含有させた前記アルミニウム合金を溶解した後で急冷凝固させて得られる粉末や金属箔でもよい。他の金属元素が含有されていてもよく、上記粉末や箔にＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３などの粒子やウィスカを強化材として添加してもよい。また、アルミニウム合金の連続鋳造棒でもよく、その場合強化材として上記粉末や箔にＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３などの粒子やウィスカを強化材として添加してもよい。

また、ピストン本体１８の材料としては、ヘッド環状部１１ｃの材料とシリコン及び／又は鉄の含有量が異なるアルミニウム合金や、更に銅、マグネシウム等の含有量の異なるアルミニウム合金などを用いてもよい。

このような材料を用いて、ヘッド環状部１１ｃを鍛造により作製するには、急冷粉末アルミニウム合金を丸棒形状に押出し（工程ａ）、切断してヘッド環状部１１に対応する大きさのビレットとし（工程ｂ）、ピストン軸方向の一対の成形型で挟み強圧して成形することにより鍛造し（工程ｃ）、機械加工する（工程ｄ）ことにより行う。

鍛造する工程では（工程ｃ）、成形型の第１及び第２の接合面２１ａ、２２ａに対応する面にクーリングチャネル１７の環状路１７ａを構成するための環状の溝１１ｇを形成しておくのが好ましい。

得られた成形体を機械加工する工程では（工程ｄ）、第１及び第２の接合面２１ａ、２２ａを所定精度の面となるように加工する。

また、前記のような材料を用いて、ピストン本体１８を鍛造により作製するには、丸棒形状に押出し（工程ｅ）、切断してピストン本体１８に対応する大きさのビレットとし（工程ｆ）、ピストン軸方向の一対の成形型で挟み強圧して成形することにより鍛造し（工程ｇ）、機械加工する（工程ｈ）ことにより行う。

鍛造する工程では（工程ｇ）、成形型の第１及び第２の接合面２１ｂ、２２ｂにクーリングチャネル１７の環状路１７ａを構成するための環状の溝１８ｇを形成しておくのが好ましい。また、ヘッド部１１の頂面１１ｂ側には、キャビティ１６を成形型により形成するのがよい。

得られた成形体を機械加工する工程では（工程ｈ）、第１及び第２の接合面２１ｂ、２２ｂをヘッド環状部１１ｃの第１及び第２の接合面２１ａ、２２ａと同一となるように、所定精度の面に加工する。また、ヘッド部１１の底部から環状の溝１８ｇに貫通する供給路１７ｃ及び排出路１７ｄを穿設する。

ヘッド環状部１１ｃ及びピストン本体１８の機械加工を施した後、ヘッド環状部１１ｃとピストン本体１８とを、第１及び第２の接合面２１ａ、２１ｂ、及び２２ａ、２２ｂにおいて接合する（工程ｉ）。この接合方法は、例えば、電子ビーム溶接、レーザービーム溶接、ろう付け、摩擦圧接等各種の方法により行うことができる。

その際、溶融範囲を少なくするのが好ましく、例えば電子ビームにより少ない溶融範囲で接合したり、ろう付けでアルミニウム合金自体を溶融させないで接合することも好適である。

そして、接合一体化した後、必要な場合には、ピストン１０の外形やランド部１４及びピストンリング溝１５、更にはピストンピン孔１３ａの機械加工を行うと共に、必要に応じてピストンリング溝１５やピストンピン孔１３ａ等に鉄系やニッケル系の金属、或いはセラミック等を溶射する（工程ｊ）。

その後、最終的な仕上げ加工を施して（工程ｋ）、ピストン１０の製造を完了する。

以上のようなこの実施の形態１のピストン１０によれば、ピストン本体１８とヘッド環状部１１ｃとの第１及び第２の接合面２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂがクーリングチャネル１７の環状路１７ａを横切るように形成されているので、環状路１７ａを接合面側に開口させることができ、環状路１７ａを接合面２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂが形成される端部側から容易に形成することができる。そのため、ヘッド環状部１１ｃを鍛造する際に同時に環状路１７ａを形成することも可能で、ピストン１０を容易に製造することができる。

しかも、接合面として周縁部１１ｅ側の第１の接合面２１ａ、２１ｂと、中央部１１ａ側の第２の接合面２２ａ、２２ｂとを有し、第１の接合面２１ａ、２１ｂと第２の接合面２２ａ、２２ｂとが互いに異なる角度で調整し、直交する角度に形成されると共に、その位置を調整して最適な位置に配置しているので、耐熱強度が要求されるピストンリング溝１５を有するランド部１４、特に、圧力リング溝１５を含むトップランド部１４やリップ部１１ｆを備えることにより、耐熱強度が特に要求される部位の略全体を含むヘッド環状部１１ｃを、第１及び第２の接合面２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂの角度及び位置の調整により最小限の体積で構成し易い。そのため、耐熱強度を有する材料の使用量を少なく抑えて、ピストン１０の耐久性を向上することが可能である。

しかも、ヘッド環状部１１ｃの体積を少なく抑えれば、鍛造する物質量も少なくできるため、鍛造が容易になり、ヘッド環状部１１ｃの作製も容易である。

更に、このピストン１０では、ヘッド環状部１１ｃがピストン本体１８より耐熱強度が高い材料からなるので、より高温になり易い部位の耐熱強度を確保することができ、耐久性を向上することができる。

また、耐熱性や耐磨耗性が要求されるヘッド環状部１１ｃが急冷粉末アルミニウム合金の鍛造されたものであるので、耐久性を確実に向上することができる。

また、このピストン１０では、環状路１７ａを横切る接合面２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂを有するピストン本体１８及びヘッド環状部１１ｃが、それぞれ鍛造により成形されているので、クーリングチャネル１７をヘッド部１１の内部に備えていても、ピストン１０を十分な強度で形成することが可能である。

しかも、鍛造のため肉厚も薄くでき、クーリングチャネルの通路断面積の大型化とピストン全体の軽量化が可能である。

なお上記の実施の形態１はこの発明の範囲内で適宜変更可能であり、例えば、上記では環状路１７ａを完全な無端環状路として形成したが、ヘッド環状部１１ｃに沿って端部が設けられた通路として形成されていてもよい。

また、上記では、ランド部１４の一部やピストンリング溝１５の一部がピストン本体１８に形成されているが、特に限定されるものではなく、ヘッド環状部１１ｃにランド部１４と全ピストンリング溝１５とが形成されていてもよい。

更に、上記では、ディーゼルエンジン用ピストンの例について説明したが、ガソリンエンジン用ピストン等の他のピストンであっても、キャビティ１６を有するピストンであればこの発明は適用可能である。
［実施の形態２］

図７及び図８はこの実施の形態２に係るディーゼルエンジン用ピストンを示す。

この実施の形態２のピストン２０では、クーリングチャネル１７が実施の形態１と異なる構成を有している。ここでは、環状路１７ａより頂面１１ｂ側となるヘッド環状部１１ｃ内のリップ部１１ｆの側方周囲に、環状路１７ａとピストン軸方向に並べて形成された他の環状路としての環状路１７ｅが設けられてリング蓋体１９で覆われ、環状路１７ａと環状路１７ｅとの間がバイパス路１７ｆにより連通されている。また、このピストン２０では、冷却オイルの排出路１７ｄがボス３のピストンピン孔１３ａの上部に設けられている。その他は実施の形態１と同様である。

このようなクーリングチャネル１７の環状路１７ｅを形成するには、例えば、ヘッド環状部１１ｃを成形型で強圧することにより鍛造する際、頂面１１ｂ側から環状路１７ｅに対応する溝を形成し、次に、ヘッド環状部１１ｃをピストン本体１８に接合しない状態で、環状路１７ａの環状の溝１１ｇと環状路１７ｅに対応する溝との間を貫通する孔からなるバイパス路１７ｆを加工し、その後、環状路１７ｅに対応する溝の頂面１１ｂ側に、ヘッド環状部１１ｃと同一材料からなるリング蓋体１９を電子ビーム接合することにより形成することができる。

このようなピストン２０によれば、実施の形態１と同様の効果が得られる上、接合面２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂが横切る環状路１７ａの他に、ヘッド環状部１１ｃ内に他の環状路１７ｅを備えているので、複数の環状路１７ａ、１７ｅによりヘッド部１１を冷却することができ、効率のよい冷却が可能である。
［実施の形態３］

図９及び図１０はこの実施の形態３に係るディーゼルエンジン用ピストンを示す。

この実施の形態３のピストン３０では、実施の形態１に比べ、クーリングチャネル１７の環状路１７ａが細く形成されると共に、第２の接合面２２ｃ、２２ｄが周縁部１１ｅ側の端部より中央部１１ａ側の端部が頂面１１ｂに近接するように傾斜するテーパ面から形成され、この第２の接合面２２ｃ、２２ｄの延長面がリップ部１１ｆの内側に配置されるように形成されている。その他は実施の形態１と同様の構成を有している。

このようなピストン３０によれば、実施の形態１と同様の効果が得られる上に、第２の接合面２２ｃ、２２ｄをテーパ面とすることにより、ヘッド環状部１１ｃの体積をより小さくすることができ、耐熱強度を有する材料の使用量をより少なく抑えることが可能である。
［実施の形態４］

図１１及び図１２はこの実施の形態３に係るディーゼルエンジン用ピストンを示す。

この実施の形態４のピストン３５では、実施の形態１に比べ、クーリングチャネル１７の環状路１７ａが細く形成され、第１の接合面２１ｃ、２１ｄがピストン軸に対して傾斜するテーパ面からなると共に、第２の接合面２２ｅ、２２ｆが周縁部１１ｅ側の端部より中央部１１ａ側の端部が頂面１１ｂに近接するように傾斜するテーパ面からなり、第２の接合面２２ｅ、２２ｆの延長面がリップ部１１ｆの内側に配置されるように形成されている。また、第１の接合面２１ｃ、２１ｄの周縁部１１ｅ側の端部がピストンリング溝１５間の中間部、ここではセカンドランド部に配置されている。

更に第１の接合面２１ｃ、２１ｄと第２の接合面２２ｅ、２２ｆとの間の角度が、実施の形態３とは反対にヘッド環状部１１ｃ側に凹状となるように設定されている。その他は実施の形態１と同様である。

このようなピストン３５によれば、実施の形態１と同様の効果が得られ、また、第１の接合面２１ｃ、２１ｄがテーパ面からなるため、ヘッド環状部１１ｃの周縁部１１ｅ側の体積を小さくして、耐熱強度を有する材料の使用量を少なく抑え易く、また、第２の接合面２２ｅ、２２ｆもテーパ面であるため、中央部１１ａ側の体積を小さくして、耐熱強度を有する材料の使用量を少なく抑え易い。

しかも、第１の接合面２１ｃ、２１ｄと第２の接合面２２ｅ、２２ｆとの間の角度がヘッド環状部１１ｃ側に凹状となっているので、耐熱強度を有する材料の使用量を少なく抑えつつ、より広い範囲のピストン３５の表面に耐熱強度を有する材料を配置し易い。
［実施の形態５］

図１３乃至図１６は、この実施の形態５に係るピストンに用いるヘッド環状部を示している。この実施の形態５は上記実施の形態３のヘッド環状部１１ｃの変形例である。

このヘッド環状部４１ｃは、図１３（ｂ）に仮想線で示すように、ピストンリング溝１５を有するランド部１４及び周縁部１１ｅを有する外周部４２と、リップ部１１ｆを有する内周部４３とを有し、外周部４２と内周部４３とが異なる材料が内外に積層された状態で一体に形成されている。ここでは、外周部４２は内周部より耐磨耗性、耐面圧性が高い材料４２ａからなり、内周部４３は外周部４２より耐熱性が高い材料４３ａからなっている。

具体的には、外周部４２の材料４２ａとしては、例えば、上記実施の形態１のヘッド環状部１１ｃに使用される合金やこの合金にＳｉＣの含有量を増加した合金等を使用することができる。一方、内周部４３の材料４３ａとしては、上記実施の形態１のヘッド環状部１１ｃに使用される合金にＦｅの含有量を増加した合金などを使用することができる。

このようなヘッド環状部４１ｃを作製するには、図１６（ａ）に示すように、図６の工程ａ乃至工程ｄを一部変更することにより行うことができる。

ここでは、まず外周部４２を構成する材料４２ａと内周部４３を構成する材料４３ａとを、予め内外に２重環構造に積層した図１３（ａ）に示すような成形素材４０を作製する。

このような成形素材４０を作製するには、特に限定されるものではないが、例えば、前述のような異なる材料、好ましくは２種類の急冷粉末アルミニウム合金からなる材料４２ａ、４３ａを積層すると共に（工程ｐ）、２重管押出しにより中空の２重管形状に成形したり、プラズマ放電焼結或いは他の焼結により中空の２重管形状に成形して（工程ｑ）行うことができる。

２重管押出しにより成形するには、例えば図１４に示すように、外周部４２の材料４２ａから鋳造、鍛造、或いは焼結などにより容器状に形成された成形体の内部に、内周部４３の材料４３ａの粉末を充填し（ａ）、これを中空状に押出し可能な型４４を通過させることによりヘッド環状部１１ｃの外径に対応した中空の筒状に成形し（ｂ）、これをヘッド環状部１１ｃに対応した長さで切断する（ｃ）ことにより成形素材４０を得ることができる。

また、プラズマ焼結或いは他の焼結により成形素材４０を作製するには、例えば図１５に示すように、中心部に中子が配置された容器４５を筒体４６で仕切り、容器４５内の筒体４６の内側と外側にそれぞれの粉末の材料４２ａ、４３ａを充填し、筒体４６を抜き取った後、焼結させ、その後、強圧して鍛造することにより、ヘッド環状部１１ｃの外径及び長さに対応した寸法の成形素材４０を得ることができる。

次に、このような成形素材４０を用いて、実施の形態１と同様に上下の成形型により強圧して成形することにより鍛造し（工程ｃ）、環状の溝１１ｇを有するヘッド環状部１１ｃに対応した形状に成形する。

そして、機械加工により、図１３（ｂ）中に仮想線で示すように、ピストン軸に対して直交する平面からなる第１の接合面２１ａ、２１ｂと、周縁部１１ｅ側の端部より中央部１１ａ側の端部が頂面１１ｂに近接するように傾斜するテーパ面からなる第２の接合面２２ｃを所定精度で形成する（工程ｄ）ことによりヘッド環状部４１ｃとすることができる。

その後、このヘッド環状部４１ｃをピストン本体１８と接合し（工程ｉ）、頂面１１ｂ、ランド部１４及びピストンリング溝１５を機械加工や必要に応じ金属又はセラミックスの溶射を行い（工程ｊ）、最終的な仕上加工を施せば（工程ｋ）、ピストン本体１８と一体化された状態で、図１３（ｂ）中に仮想線で示されるようなヘッド環状部１１ｃを所定精度に仕上げることができ、ピストン３０を得ることができる。

このようなヘッド環状部４１ｃを用いたピストン３０では、ランド部１４を有する外周部４２が内周部４３より耐磨耗性や耐面圧性が高い材料からなると共に、リップ部１１ｆを有する内周部４３が外周部４２より耐熱性の高い材料からなるので、ヘッド環状部４１ｃの各部位において要求される異なる性質に対応した最適な材料を使用することができ、より高温になり易い部位の耐熱強度と、より摩耗が生じ易い部位の耐磨耗性とを確保することができ、ヘッド環状部４１ｃの耐久性をより一層向上することが可能である。

なお、この実施の形態５では、２種類の異なる材料を用いたヘッド環状部４１ｃについて説明したが、３種類以上の異なる材料を用いて同様に作製することも可能である。

また、製造工程も種々変更可能である。例えば図１６（ｂ）に示すように、工程ｐにおいて３種類以上のアルミニウム粉末を積層してもよい。また、アルミニウム粉末を焼結する前にピストンリング溝１５用の耐摩環を設置して焼結してもよい（工程ｒ）。その場合、ヘッド環状部４１ｃとピストン本体１８とを接合（工程ｉ）した後、金属やセラミックスの溶射を行う必要はない。更に、接合（工程ｉ）する前に各部の機械加工を十分に行い、接合（工程ｉ）後に機械加工を施すことなく仕上加工（工程ｋ）を行うことも可能である。

更に、この実施の形態４のように複数の異なる材料を内外に積層一体化した材料を用いて、他の形状を有するヘッド環状部１１ｃを作製することも可能である。例えば、実施の形態１及び２のヘッド環状物１１ｃを作製する場合には、円筒形状の成形素材４０を機械加工する際、第１の接合面２１ａ及び第２の接合面２２ｃを所定精度で作製すればよい。
［実施の形態６］

図１７及び図１８はこの実施の形態６に係るディーゼルエンジン用ピストンを示す。

この実施の形態６のピストン６０では、ヘッド環状部１１ｃが、クーリングチャネル１７の環状部１７ａを挟んで内側に配置される内周部６３と外側に配置される外周部６２とを備えており、これらの内周部６３と外周部６２とが異なる材料からなると共に、両者が接合されて構成されている。

ここでは、外周部６２はピストンリング溝１５を有するランド部１４と、周縁部１１ｅと、第１の接合面２１ａと、内周部６３と接合される第３の接合面２３ａとを有している。第１の接合面２１ａはピストン軸に対して直交する平面からなっている。また、第３の接合面２３ａはピストン軸と同心円状の円筒面からなっている。

一方、内周部６３は、リップ部１１ｆと、第２の接合面２２ｃと、外周部６３と接合される第３の接合面２３ｂとを有している。第２の接合面２２ｃは周縁部１１ｅ側の端部より中央部１１ａ側の端部が頂面に近接するように傾斜するテーパ面からなっている。

更に、外周部６２は内周部６３より耐磨耗性が高い材料から形成されている。このような材料としては、適宜選択可能であるが、例えば、急冷粉末アルミニウム合金等の急冷凝固合金粉末、急冷凝固金属箔、繊維強化アルミニウム合金、粒子強化アルミニウム合金等を用いることができる。このような金属として、例えば、実施の形態４の外周部４２の構成金属と同様の材料を使用してもよい。

一方、内周部６３は外周部６２より耐熱性が高い材料から形成されている。このような材料としては、適宜選択可能であるが、例えば、急冷粉末アルミニウム合金等の急冷凝固合金粉末、急冷凝固金属箔、繊維強化アルミニウム合金、粒子強化アルミニウム合金等を用いることができる。このような金属として、例えば、実施の形態４の内周部４３の構成金属と同様の材料を使用してもよい。

その他は、実施の形態２と同様の構成である。

このような外周部６２及び内周部６３を作製するには、実施の形態１或いは５のヘッド環状部１１ｃの作製方法と同様の方法で作製することができる。その際、この実施の形態６では、予め外周部６２の材料と内周部６３の材料とが積層一体化された素材を加工するのではなく、別々に加工して外周部６２と内周部６３とを作製してから接合を行う。

例えば、各外周部６２及び内周部６３を作製する際、急冷凝固合金粉末や急冷凝固金属箔を用いる場合には、各材料を押出し、プラズマ放電焼結、その他の焼結後に鍛造し、その後機械加工を行うことにより作製し、各接合面を所定精度にする。

また、繊維強化アルミニウム合金、粒子強化アルミニウム合金を用いる場合には、適宜のアルミニウム又はアルミニウム合金に、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３等からなる粒子やウィスカーを添加した状態で、鋳造して連続鋳造棒にしたり、プリフォームを作製後に適宜のアルミニウム又はアルミニウム合金を含浸させることにより素材を作製し、これを鍛造し、その後機械加工を行うことにより作製する。

なお、機械加工では、第１乃至第３の接合面２１ａ、２２ｃ、２３ａ、２３ｂをそれぞれ所定精度にする。また、この実施の形態６では、外周部６２の環状の溝１１ｇがピストン軸に対して放射方向に膨出した形状を有するため、鍛造では形成できない。そのため、この機械加工において、外周部６２の環状の溝１１ｇを形成する。

このようにして、所定の機械加工を完了することにより、外周部６２及び内周部６３を作製することができる。

その後、外周部６２及び内周部６３の第１及び第２の接合面２１ａ、２２ｃをそれぞれピストン本体１８の第１及び第２の接合面２１ｂ、２２ｄに接合すると共に、外周部６２及び内周部６３の第３の接合面２３ａ、２３ｂを接合すれば、ピストン６０を製造することができる。

このようなピストン６０では、ランド部１４を有する外周部６２が内周部６３より耐磨耗性が高い材料からなると共に、リップ部１１ｆを有する内周部６３が外周部６２より耐熱性の高い材料からなるので、ヘッド環状部６１ｃの各部位において要求される異なる性質に対応した最適な材料を使用することができ、より高温になり易い部位の耐熱強度と、より摩耗が生じ易い部位の耐磨耗性とを確保することができ、ヘッド環状部１１ｃの耐久性をより一層向上することが可能である。
［実施の形態７］

図１９及び図２０はこの実施の形態７に係るディーゼルエンジン用ピストンを示す。

この実施の形態７のピストン７０では、クーリングチャネル１７及びヘッド環状部１１ｃの構成が異なる他は、実施の形態１と同様の構成を有している。

クーリングチャネル１７は、ヘッド環状部１１ｃに沿う環状路１７ａと、この環状路１７ａより頂面１１ｂ側となるヘッド環状部１１ｃ内のリップ部１１ｆの側方周囲に、環状路１７ａとピストン軸方向並べて形成されて環状路１７ａより大径の環状路１７ｅと、ヘッド部１１の底部から環状路１７ａまで貫通する供給路１７ｃと、環状路１７ｅからヘッド部１１の底部まで貫通する排出路１７ｄと、環状路１７ａからヘッド部１１の底部まで貫通する排出路１７ｉと、環状路１７ａの一部からランド部方向に伸びる横方向バイパス路１７ｇと、この横方向バイパス路１７ｇと環状路１７ｅとの間を連通する縦方向バイパス路１７ｈとを有している。

ヘッド環状部１１ｃは、ピストンリング溝１５を有するランド部１４及び周縁部１１ｅを有する外周部７２と、リップ部１１ｆを有する内周部７３とを有し、外周部７２と内周部７３とが接合されている。また、外周部７２は内周部７３より耐磨耗性が高い材料からなり、内周部７３は外周部７２より耐熱性が高い材料からなっている。

このヘッド環状部１１ｃは、環状路１７ａから周縁部１１ｅ側に連続して形成された第１の接合面２１ａ、２１ｂと、この第１の接合面２１ａ、２１ｂから環状路１７ａを横切る位置に形成されて、環状路１７ａから中央部１１ａ側に連続して形成された第２の接合面２２ａ、２２ｂとにより、ピストン本体１８と接合されている。

この第１の接合面２１ａ、２１ｂと第２の接合面２２ａ、２２ｂとは異なる角度で形成されており、この実施の形態１では、第１の接合面２１ａ、２１ｂがピストン軸に対して直交する平面から構成されており、第２の接合面２２ａ、２２ｂがピストン軸と同心円状の円筒面から構成されている。

また、外周部７２と内周部７３とは、それぞれに設けられた第３の接合面２３ｃ、２３ｄとにより接合されている。この第３の接合面２３ｃ、２３ｄは、ピストン軸と同心円状の円筒面から構成されており、第１の接合面２１ａ、２１ｂとの間で形成されている。

なお、内周部７３とヘッド本体１８とには、互いにピストン軸沿って対向する位置にそれぞれ環状路１７ａを構成するための環状の溝１１ｇ、１８ｇが設けられている。また、外周部７２及び内周部７３とヘッド本体１８との互いにピストン軸沿って対向する位置の一部には、横方向バイパス路１７ｇを構成するための横方向溝１１ｈ、１８ｈが環状の溝１１ｇ、１８ｇからランド部１４側に延びて設けられている。更に、外周部７２と内周部７３の第３の接合面２３ｃ、２３ｄの互いに対向する位置には、環状路１７ｅを形成するための側周溝７２ｇ、７３ｇが設けられている。また、外周部７２と内周部７３の第３の接合面２３ｃ、２３ｄの横方向溝１１ｈに対応する位置には、縦方向バイパス路１７ｈを形成するための軸方向溝７２ｈ、７３ｈが、周方向溝７２ｇ、７３ｇと横方向溝１１ｈとの間に設けられている。

そして、第１乃至第３の接合面２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ｃ、２３ｄは、それぞれ実施の形態１と同様にして接合されている。

このような構成のピストン７０では、上記実施の形態１と同様の効果が得られると共に、２つの環状路１７ａ、１７ｅにより効率良くヘッド部１１の冷却を行うことができる。

この発明の実施の形態１に係るディーゼルエンジン用ピストンの側面図である。 同実施の形態１のピストンの平面図である。 同実施の形態１のＡ−Ａ断面図である。 同実施の形態１のＢ−Ｂ断面図である。 同実施の形態１のピストンの底面図である。 同実施の形態１のピストンの製造工程を示す図である。 この発明の実施の形態２に係るディーゼルエンジン用ピストンを示し、図２のＡ−Ａ断面に相当する断面図である。 同実施の形態２のピストンを示す図２のＢ−Ｂ断面に相当する断面図である。 この発明の実施の形態３に係るディーゼルエンジン用ピストンを示し、図２のＡ−Ａ断面に相当する断面図である。 同実施の形態３のピストンを示す図２のＢ−Ｂ断面に相当する断面図である。 この発明の実施の形態４に係るディーゼルエンジン用ピストンを示し、図２のＡ−Ａ断面に相当する断面図である。 同実施の形態４のピストンを示す図２のＢ−Ｂ断面に相当する断面図である。 この発明の実施の形態５に係るピストンのヘッド環状部を示す断面図であり、（ａ）は成形前の素材、（ｂ）は成形及び加工後の状態を示す。 図１３の成形素材を２重押出しにより作製する工程を示す図である。 図１３の成形素材を焼結により作製するための容器を示す断面図である。 （ａ）は実施の形態５のヘッド環状部及びそれを用いたピストンの製造工程を示す図、（ｂ）は製造工程の変形例を示す図である。 この発明の実施の形態６に係るディーゼルエンジン用ピストンを示し、図２のＡ−Ａ断面に相当する断面図である。 同実施の形態６のピストンを示す図２のＢ−Ｂ断面に相当する断面図である。 この発明の実施の形態７に係るディーゼルエンジン用ピストンを示し、図２のＡ−Ａ断面に相当する断面図である。 同実施の形態７のピストンを示す図２のＢ−Ｂ断面に相当する断面図である。

符号の説明

１０、２０、３０、３５、６０、７０ ピストン
１１ ヘッド部
１１ａ 中央部
１１ｂ 頂面
１１ｃ、４１ｃ ヘッド環状部
１１ｅ 周縁部
１１ｆ リップ部
１２ スカート部
１３ ボス
１４ ランド部
１５ ピストンリング溝
１６ キャビティ
１７ クーリングチャネル
１７ａ、１７ｅ 環状路
１８ ピストン本体
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ 第１の接合面
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆ 第２の接合面
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ 第３の接合面
４２、６２ 外周部
４３ 、６３ 内周部

Claims (11)

1. ヘッド部の頂部にキャビティ及び該キャビティの内側に突出するリップ部を備えると共に、前記ヘッド部の内部にクーリングチャネルの環状路を備えた内燃機関用ピストンにおいて、
   ピストンピン孔が形成されたボスを有するスカート部及び前記ヘッド部の中央部を一体に備えたピストン本体と、ピストンリング溝を有するランド部及び前記ヘッド部の周縁部並びに前記リップ部を備えて鍛造されたヘッド環状部とが、接合面において接合されてなり、
   前記接合面が、前記クーリングチャネルの環状路を横切り、且つ、前記周縁部側の第１の接合面と、前記中央部側の第２の接合面とを有し、前記第１の接合面と前記第２の接合面とが異なる角度で形成されていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
2. 前記第１の接合面がピストン軸に対して直交する平面からなることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用ピストン。
3. 前記第１の接合面が前記ピストン軸に対して傾斜するテーパ面からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用ピストン。
4. 前記第２の接合面がピストン軸と同心円状の円筒面からなることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の内燃機関用ピストン。
5. 前記第２の接合面が、前記周縁部側の端部より前記中央部側の端部が頂面に近接するように傾斜するテーパ面からなることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の内燃機関用ピストン。
6. 前記ヘッド環状部は、前記ピストン本体より耐熱強度が高い材料からなることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一つに記載の内燃機関用ピストン。
7. 前記ヘッド環状部は、前記クーリングチャネルを挟んで内側に配置される内周部と外側に配置される外周部とを備え、前記外周部は前記内周部より耐磨耗性が高い材料からなると共に、前記内周部は前記外周部より耐熱性が高い材料からなり、前記外周部と前記内周部とが接合されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一つに記載の内燃機関用ピストン。
8. 前記ヘッド環状部は、急冷凝固合金の鍛造されたものであることを特徴とする請求項１乃至は７の何れか一つに記載の内燃機関用ピストン。
9. 前記ピストン本体は、鍛造されたものであることを特徴とする請求項１乃至は８の何れか一つに記載の内燃機関用ピストン。
10. 前記クーリングチャネルは、前記接合面が横切る前記環状路の他に、ピストン軸方向に並べて前記ヘッド環状部内に形成された他の環状路を備え、２つの前記環状路がバイパス路で連通されていることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一つに記載の内燃機関用ピストン。
11. 前記第２の接合面の延長面が前記リップ部の内側に配置されるように前記接合面が形成されていることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一つに記載の内燃機関用ピストン。

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