JP2010096022A - ピストン耐摩環、そのピストン耐摩環を備えたピストンおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】エンジンのピストン15を鋳造する際にピストン15に鋳込まれるピストン耐摩環32であって、円環状の耐摩環41と、耐摩環41の放射内方側で耐摩環41に当接して収容され、この当接部分が全周囲に亘り溶接されるクーリングチャンネル42とを有し、クーリングチャンネル42が、内方側壁面部と、上側壁面部と、下側壁面部とを有するとともに、内部にディーゼルエンジン10のオイルを流通させる環状オイル通路42mを有し、環状オイル通路42mと外部空間とを連通する連通孔43が、内方側壁面部、上側壁面部および前記下側壁面部のうち少なくともいずれかの壁面部に形成されたことを特徴とする。
【選択図】図2
Description
このピストン耐摩環1においては、クーリングチャンネル3のコの字状の開口部側を耐摩環2の内周部に2点鎖線Yで示すように全周に亘って、プラズマ溶接機などの溶接機で溶接することにより、クーリングチャンネル3の内部に環状オイル通路4を形成している。すなわち、耐摩環2の内周部に溶接されたクーリングチャンネル3の環状オイル通路4内にオイルを流通させることにより、耐摩環2を冷却し、耐摩耗性を向上させるようにしている。
したがって、溶接不良部分が残るピストン耐摩環がピストンに鋳込まれることはなく、ピストン耐摩環とピストンの界面とが確実に密着し、ピストン耐摩環がピストンから剥離することはない。
また、オイル通路形成工程により、オイル通路がピストンに形成されるので、連通孔から亀裂が生ずることはない。また、従来技術のように、ピストン耐摩環の溶接不良部分が、オイル通路以外の部分に位置してしまい、ピストンに加わる衝撃により溶接不良部分から生ずる亀裂もなく、ピストン耐摩環がピストンから脱落してしまうという弊害が起きないので、優れた耐久性を有するピストンが得られる。
したがって、溶接不良部分が残るピストン耐摩環がピストンに鋳込まれることはなく、ピストン耐摩環とピストンの界面とが確実に密着し、ピストン耐摩環の冷却機能および機械的強度が向上し、耐摩耗性が著しく改善され、優れた耐摩耗性を有するピストン耐摩環を備えたピストンが得られる。
図1は、本発明の実施の形態に係るピストン耐摩環が鋳込まれたピストンを含むディーゼルエンジンの部分断面図である。図2(a)は、ピストン耐摩環が鋳込まれたピストンの一部を破断した分解斜視図であり、図2(b)は、図2(a)の部分拡大斜視図であり、図3(a)は、ピストン耐摩環の平面図であり、図3(b)は、図3(a)のC−C断面を示す断面図であり、図3(c)は、図3(b)の一部を拡大した部分拡大断面図である。
図4(a)は、耐摩環の平面図であり、図4(b)は、図4(a)のD−D断面を示す断面図であり、図5(a)は、クーリングチャンネルの平面図であり、図5(b)は、図5(a)のE−E断面を示す断面図である。
図1に示すように、ディーゼルエンジン10は、シリンダ11を備えたシリンダブロック12と、シリンダブロック12に固定されたシリンダヘッド13と、シリンダヘッド13に固定されたシリンダヘッドカバー14と、シリンダ11内に収容されたピストン15と、ピストン15と図示しないクランクシャフトとを連結するコネクティングロッド16と、ピストン15とコネクティングロッド16とを回転可能に連結するピストンピン17と、シリンダヘッド13内に収容された吸気バルブ18および吸気バルブ18を駆動する吸気カムシャフト19と、排気バルブ21および排気バルブ21を駆動する排気カムシャフト22と、インジェクタ23とを含んで構成されている。シリンダブロック12とシリンダヘッド13との間には、シリンダヘッドガスケット24が介装されており、シリンダ11の気密性が確保されている。
また、シリンダヘッドカバー14の内壁面部には、図示しないオイルシャワーパイプが装着されており、このオイルシャワーパイプから吸気カムシャフト19および排気カムシャフト22に向けてオイルが放出され、吸気カムシャフト19および排気カムシャフト22のカム部やジャーナル部が潤滑されるようになっている。
頂部31tには、凹部31toが形成されており、この凹部31toにより燃焼室11nの一部が画成されている。
ピンボス部31pには、貫通孔31mkがピストン本体31の軸線方向と直交する方向、すなわちピンボス部31pの軸線と同軸上に形成されており、ピストンピン17が挿入されるようになっている。
クーリングチャンネル42は、耐摩環41の内径Dtiよりも僅かに小さな外径Dcoを有しており、耐摩環41の放射内方側に嵌め込まれるようになっている。また、クーリングチャンネル42は、所定の内径Dciと、耐摩環41の高さHtとほぼ同一の高さHcと、均一に形成された所定の厚みtとを有しており、高さHc、内径Dciおよび厚みtは、環状オイル通路42m内を流通するオイルの流量、すなわちクーリングチャンネル42に要求される冷却能力に応じて適宜決定される。
環状オイル通路42mと外部空間とが連通しているので、図3(a)、(b)、(c)に示すように、耐摩環41とクーリングチャンネル42とが溶接される際に、内部の空気が連通孔43、44から外部空間に排出され、クーリングチャンネル42の内圧の上昇が抑制され良好な溶接が行われる。
また、環状部33kの外周面には、窒化クロムからなる硬質皮膜を形成するコーティングや硬質クロムメッキなどの表面処理が施されており、耐摩耗性の向上が図られている。
これ以外の各工程は、S1ないしS8の順に行ってもよく、他の順序で行ってもよい。例えば、耐摩環形成工程S2の前にクーリングチャンネル形成工程S3を行ってもよい。また、一の工程に他の工程の内容を含めて一の工程に統合して行ってもよい。例えば、クーリングチャンネル形成工程S3に連通孔形成工程S4の内容を含めてクーリングチャンネル形成工程S3に統合してもよく、ピストン本体形成工程S6にオイル通路形成工程S7の内容を含めてピストン本体形成工程S6に統合してもよい。
このフランジ形成ステップにより得られたクーリングチャンネル42に対して、適宜、絞り加工などにより生じたバリを除去する仕上げが行われ、次の工程に移される。
例えば、図5(a)に示すように、連通孔43および連通孔44を、上側壁面部42jwに形成してもよく、図示しないが下側壁面部42kwに形成してもよく、内方側壁面部42nwに形成してもよい。また、連通孔43を上側壁面部42jwに形成するとともに、連通孔44を下側壁面部42kwまたは内方側壁面部42nwのいずれか一方に形成してもよい。また、連通孔44を上側壁面部42jwに形成するとともに、連通孔43を下側壁面部42kwまたは内方側壁面部42nwのいずれか一方に形成してもよい。
この連通孔43または連通孔44は、例えば、ボール盤やパンチプレスなどの穿孔機により加工される。なお、この連通孔形成工程は、クーリングチャンネル形成工程の円板形成ステップにおいて、プレス加工による円板形成と同時にプレス加工により円板に連通孔となる貫通孔を形成するようにしてもよい。
電極部52は、図示しないタングステン電極と、このタングステン電極と同軸状に配置され、タングステン電極を所定の間隔で囲む筒状部と、この筒状部の先端に形成されたノズルとを含んで構成されている。このタングステン電極と筒状部との間で発生し、イオン化されたガスが、ノズルから被加工物の溶接部に向けて、プラズマジェットとなって噴出される。このプラズマジェットは、ノズルを通過する際に緊縮され高密度となり高温のアーク放電となる。
パイロットガス供給部54は、電極部52内でタングステン電極と拘束ノズルとの間に低電流のパイロットアークを生じさせるよう、拘束ノズル内にアルゴンなどの不活性ガスからなるパイロットガスを供給するよう構成されている。
アーク制御部56は、これらの各部の動作および実行タイミングなど、プラズマ溶接に必要な制御処理を、例えば、メモリなどの記憶手段に格納されているプログラムに基づいて実行するよう構成されている。
この位置決めは、位置決治具を使用してもよく、鋳型に位置決めのための係合部を設け、この係合部にピストン耐摩環32を係合させることにより行ってもよい。
なお、前述のように、オイル通路形成工程S7は、ピストン本体形成工程S6におけるピストンリング溝形成ステップの内容に含めて行うようにしてもよい。
図9(d)に示すように、順次、ピストン本体加工品31kのトップリング溝31stにトップリング33が組付けられ、セカンドリング溝31ssにセカンドリング34が組付けられ、オイルリング溝31soにオイルリング35が組付けられる。
図1に示すディーゼルエンジン10が始動すると、吸気行程、圧縮行程、爆発行程および排気行程のサイクルで、停止するまでピストン15が往復運動し、コネクティングロッド16を介して図示しないクランクシャフトに動力が伝達される。
続く圧縮行程においては、ピストン15が上昇し、吸入空気と燃料との混合気が燃焼室11n内で圧縮され、温度、圧力共に上昇し高温、高圧の状態になる。爆発行程においては、高温、高圧の混合気が発火して燃焼を開始し、急激に燃焼ガスが膨張する。このとき吸気バルブ18および排気バルブ21が閉じているので、燃焼ガスはピストン15を押し下げつつ、さらに膨張し、ピストン15が下降しクランクシャフトに動力が伝達される。
このような1サイクルが行われる間にクランクシャフトは2回転していることになる。
また、このピストン耐摩環形成工程S5には、耐摩環41の内周面部41nとクーリングチャンネル42の開口面部42kmとが当接する当接部分を溶接する溶接工程が含まれ、連通孔形成工程S4が、この溶接工程よりも先に行われることを特徴としている。
図10は、本実施の形態の変形例に係る耐摩環141とクーリングチャンネル142とで構成されたピストン耐摩環132の製造工程を示す説明図である。
本実施の形態の変形例に係る耐摩環141は、本実施の形態の係る耐摩環41と比較して、図4に示すように、耐摩環41の高さがHtであるのに対して、図10に示すように、耐摩環141の高さがHsである点が異なっている。本実施の形態の変形例に係る耐摩環141の形状、大きさなどの他の部分は、耐摩環41と同様に構成されている。
本実施の形態の他の変形例に係る耐摩環241は、本実施の形態の係る耐摩環41と異なっている。すなわち、本実施の形態の係る耐摩環41が、図4に示すように、耐摩環41の断面形状が方形であるのに対して、図11に示すように、耐摩環241の断面形状が上方に開口する環状オイル通路241mを有する点が異なっている。本実施の形態の他の変形例に係る耐摩環241の形状、大きさなどの他の部分は、耐摩環41と同様に構成されている。
本実施の形態の他の変形例に係る耐摩環341は、本実施の形態の係る耐摩環41と異なっている。すなわち、本実施の形態の係る耐摩環41が、図4に示すように、耐摩環41の断面形状が方形であり環状オイル通路が形成されていないのに対して、図12に示すように、耐摩環341の断面形状が放射内方に開口する環状オイル通路341mを有する点が異なっている。本実施の形態の他の変形例に係る耐摩環241の形状、大きさなどの他の部分は、耐摩環41と同様に構成されている。
したがって、内燃機関のピストン耐摩環、ピストン耐摩環を備えたピストンおよびその製造方法全般に有用である。
11 シリンダ
12 シリンダブロック
13 シリンダヘッド
14 シリンダヘッドカバー
15 ピストン
31 ピストン本体
31o オイル通路
31s、41g 外周面部
31so オイルリング溝
31ss セカンドリング溝
31st トップリング溝
32、132、232、332 ピストン耐摩環
41、141、241、341 耐摩環
41n 内周面部
42、142、242、342 クーリングチャンネル
42jw 上側壁面部
42km 開口面部
42kw 下側壁面部
42m 環状オイル通路
42nw 内方側壁面部
43、44 連通孔
50 プラズマ溶接機
Claims (6)
- エンジンのピストンを鋳造する際に前記ピストンに鋳込まれるピストン耐摩環であって、
外周面部にピストンリング溝が形成される円環状の耐摩環と、
前記耐摩環の放射内方側で前記耐摩環に当接して収容されるとともに、前記当接した当接部分の全周囲に亘り、溶接手段により溶接されるクーリングチャンネルとを有し、
前記クーリングチャンネルが、放射内方側に位置する内方側壁面部と、軸線方向に直交する上側壁面部と、前記上側壁面部と反対側の下側壁面部とを有するとともに、内部に前記エンジンのオイルを流通させる環状オイル通路を有し、前記環状オイル通路と外部空間とを連通する連通孔が、前記内方側壁面部、前記上側壁面部および前記下側壁面部のうち少なくともいずれかの壁面部に形成されたことを特徴とするピストン耐摩環。 - 前記連通孔の近傍の前記クーリングチャンネルの厚みをtとすると、前記連通孔の直径が、0.5t(mm)〜1.5t(mm)の大きさを有することを特徴とする請求項1に記載のピストン耐摩環。
- 前記クーリングチャンネルが、放射外方側に開口する環状オイル通路が形成された開口面部を有し、前記耐摩環が前記外周面部から離隔した内周面部を有し、前記開口面部と前記内周面部とが当接する当接部分を前記溶接手段により溶接することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のピストン耐摩環。
- 前記請求項1ないし請求項3の少なくともいずれか1の請求項に記載のピストン耐摩環が鋳込まれたピストンであって、前記連通孔と前記ピストンの外部空間とを連通させ、前記外部空間に開口する開口部から前記クーリングチャンネルの前記環状オイル通路内に前記オイルを流通させるオイル通路が形成されたことを特徴とするピストン。
- 請求項1に記載の耐摩環を形成する耐摩環形成工程と、請求項1ないし請求項3の少なくともいずれか1の請求項に記載のクーリングチャンネルを形成するクーリングチャンネル形成工程と、前記クーリングチャンネルに請求項1または請求項2に記載の連通孔を形成する連通孔形成工程と、請求項3に記載の当接部分を溶接により接合しピストン耐摩環を形成するピストン耐摩環形成工程と、前記ピストン耐摩環を鋳込んでピストンを形成するピストン本体形成工程と、前記ピストンに、請求項4に記載のオイル通路を形成するオイル通路形成工程と、を含むことを特徴とするピストンの製造方法。
- 前記ピストン耐摩環形成工程が、前記耐摩環の内周面部と前記クーリングチャンネルの開口面部とが当接する前記当接部分を溶接する溶接工程を含み、前記連通孔形成工程が、前記溶接工程よりも先に行われることを特徴とする請求項5に記載のピストンの製造方法。
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