(57)【要約】【課題】ピストンの鋳造時における溶湯の合流箇所の湯回り不良による空洞の発生を抑制し得る内燃機関のピストンとこの製造方法及び製造装置を提供する。【解決手段】冠部２の内部に冷却用オイルを通流させるクーリングチャンネル６を有する内燃機関のピストン製造装置であって、ピストン母材１の内側形状を成形する金属製中子１２と、金属製中子の上部に配置され、ピストン母材の冠面２ａ側に位置する上端面の中間位置に円環状の凹溝２０が形成されてなる可溶性中子１３と、前記凹溝の下側から支持孔１３ａに支持部１８ａが挿通されて、可溶性中子を支持する一対の支持ピン１８と、金属製中子と可溶性中子を内部に収容配置した金型１０と、を備え、可溶性中子の下側から上方へ回り込んだ溶湯１４を、前記凹溝内に流入させて湯回り性を確保して空洞の発生を抑制する。【選択図】図６
2015024412.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冠部の内部に冷却用オイルを通流させるクーリングチャンネルを備えた内燃機関のピストンであって、
前記クーリングチャンネルは、前記冠部の冠面側の上壁内面の径方向中間位置に突起部が設けられていることを特徴とする内燃機関のピストン。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記クーリングチャンネルは、冠部の円周方向に沿って円環状に形成されていることを特徴とする内燃機関のピストン。
【請求項３】
請求項２に記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記突起部は、前記クーリングチャンネルの全周に渡って連続して形成されていることを特徴とする内燃機関のピストン。
【請求項４】
冠部の内部に冷却用オイルを通流させるクーリングチャンネルを、可溶性中子を用いて成形する内燃機関のピストン製造方法であって、
前記冠部の冠面側に位置する上部の径方向中間位置に凹部が形成された前記可溶性中子を金型のキャビティ内に設置した後、溶湯金属を金型内に注入して鋳造し、その後、前記可溶性中子を液体の噴流によって溶解して前記クーリングチャンネルを成形したことを特徴とする内燃機関のピストン製造方法。
【請求項５】
冠部の内部に冷却用オイルを通流させるクーリングチャンネルを有する内燃機関のピストン製造装置であって、
前記ピストンの内側形状を成形する金属製中子と、
前記金属製中子の上部に配置され、前記ピストンの冠面側に位置する上部の径方向中間位置に凹部が形成されてなる可溶性中子と、
前記凹部の下側から挿通されて、前記可溶性中子を支持する支持ピンと、
前記金属製中子と可溶性中子を内部に収容配置した金型と、
を備えたことを特徴とする内燃機関のピストン製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のピストンとピストン製造方法及び製造装置に関し、とりわけ、ピストンの冠部の内部に形成されるクーリングチャンネルの製造技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の例えば自動車用内燃機関のピストンとしては、以下の特許文献１に記載されているものが知られている。
【０００３】
概略を説明すると、特許文献１に記載のアルミニウム合金からなるピストンは、冠部内に冷却用オイルを通流させる円環状のクーリングチャンネルが形成されている。
【０００４】
このクーリングチャンネルを成形するには、ピストンの成形金型の内部に予めほぼ円環状の塩による可溶性中子を冠部形成位置に配置し、その後、アルミニウム合金の溶湯を、湯口からキャビティ内に注入し、その後、ピストン母材を冷却した後に、前記可溶性中子をお湯などの流体を噴射して溶解することによって中空状に形成するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２２１９００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記クーリングチャンネルは、例えば前記冠部などからの吸熱効果を高めるために該冠部の冠面に近接して形成されるようになっている。したがって、鋳造時には、前記冠部を成形する上金型のキャビティ内面と前記可溶性中子との間を比較的狭く設定していることから、前記キャビティ内に溶湯を注入した際に、前記可溶性中子の外周部側から上端部側へ回り込んだ溶湯と、可溶性中子の下側を通って内周部側から上端部側へ回り込んだ溶湯との合流箇所での湯回りが悪化し易くなる。
【０００７】
この結果、鋳造後における前記クーリングチャンネル上壁部を構成する冠部内に、クレーター状や円錐状あるいは気泡状の空洞が発生してしまうおそれがある。
【０００８】
本発明は、前記ピストンの鋳造時における溶湯の合流箇所の湯回り不良による空洞の発生を抑制し得る内燃機関のピストンとこの製造方法及び製造装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、冠部の内部に冷却用オイルを通流させるクーリングチャンネルを備えた内燃機関のピストンであって、前記クーリングチャンネルは、前記冠部の冠面側の上壁内面の中間位置に突起部が設けられていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ピストンの鋳造時において、前記突起部を形成する凹部によって冠面とクーリングチャンネル上部との間の溶湯の合流箇所での湯回り性が良好になる。この結果、湯回り不良による空洞の発生を抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る内燃機関のピストンの第１実施形態に供されるピストン母材を示す縦断面図である。
【図２】本実施形態のピストン製造装置と製造方法を示し、Ａは金型の型締め状態を示す金型の縦断面図、Ｂはキャビティ内に金属溶湯を注入する状態を示す金型の縦断面図、Ｃはキャビティ内に金属溶湯が充填された状態を示す金型の縦断面図である。
【図３】本実施形態に供される支持ピンと可溶性中子を示す縦断面図である。
【図４】本実施形態に供される支持ピンと可溶性中子を示す斜視図である。
【図５】本実施形態に供される可溶性中子の成形金型を示し、Ａは各金型を分解して示す断面斜視図、Ｂは型締め状態を示す断面図である。
【図６】Ａ〜Ｆは本実施形態に供される金型内に注入された溶湯が可溶性中子の周囲に流れ込む状態を順次示す要部拡大断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態を示す金型の断面図であって、Ａは型締め状態、Ｂはキャビティ内に溶湯を充填している状態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る内燃機関のピストンと該ピストン製造方法及びピストン製造装置の実施形態を図面に基づいて詳述する。なお、本実施形態に供されるピストンは、例えば直列４気筒のレシプロ・ガソリンエンジンに適用したものである。
〔内燃機関のピストン〕
前記ピストンは、母材としてＡＣ８Ａ  Ａｌ−Ｓｉ系のアルミニウム合金を鋳造によって有蓋円筒状に一体成形され、図１に示すように、機械加工前のピストン母材１（粗材）は、冠面２ａ上に燃焼室を隔成する冠部２と、該冠部２の下端外周縁に一体に設けられた円弧状の一対のスラスト側及び反スラスト側のスカート部３、３と、該各スカート部３、３の円周方向の両側端に連結された一対のエプロン部４、４と、前記各冠部２や各スカート部３，３、エプロン部４，４によって隔成された内部空間Ｓと、から構成されている。
【００１３】
前記各エプロン部４、４は、図外のピストンピンの両端部を支持する一対のピンボス部が一体に形成されていると共に、該各ピンボス部の中央位置にピストンピンが挿通されるピン孔が貫通形成されている。
【００１４】
前記冠部２は、比較的肉厚に形成された円盤状を呈し、後述するピストン母材１の鋳造後には、切削や研磨などの機械加工によっての冠面２ａ上には燃焼室を構成する断面ほぼ逆Ｍ状の凹部が形成されるようになっていると共に、外周面には２本のプレッシャリングと１本のオイルリングの３つのピストンリングを保持する上下三段のプレッシャリング溝及びオイルリング溝が円周方向に沿って形成されるようになっている。
【００１５】
また、前記冠部２の下端内部には、前記各リング溝が位置する内周側には肉盛り状の環状厚肉部５が一体に形成されていると共に、前記厚肉部５の内部には、潤滑油などの冷却用オイルを通流循環させて冠部２全体を冷却する冷却通路としてのクーリングチャンネル６が形成されている。
【００１６】
前記クーリングチャンネル６は、図１に示すように、前記厚肉部５の内部に円環状に形成され、該厚肉部５の所定下部に形成されたオイル導入口７を介して図外のオイルジェットから噴射された冷却用オイルが内部に導入されると共に、円周方向の所定箇所に形成された排出孔８から内部を循環したオイルを前記内部空間Ｓの下方へ排出するようになっている。
【００１７】
前記クーリングチャンネル６は、横断面形状が上下方向に長いほぼ矩形状に形成されて、ピストン母材１の軸線Ｐと平行な上下方向の軸線Ｐ１を中心として対称的な形状に形成されている。
【００１８】
また、前記クーリングチャンネル６の冠面２ａ側の上壁面６ａの径方向の中間位置には、下方へ突出した突起部９が一体に形成されている。この突起部９は、ピストン鋳造時において前記冠部２と一体に成形されたもので、クーリングチャンネル６の円周方向に沿って円環状に形成されていると共に、その上下方向の高さＨが後述する鋳造時における溶湯の良好な湯回りが確保できる高さに設定されている。
〔ピストン母材の鋳造方法と鋳造装置〕
以下、前記ピストン母材１の鋳造方法と鋳造装置について説明する。まず、鋳造装置は、図２Ａ〜Ｃに示すように、上下左右に分割可能な金型１０と、該金型１０の内部に形成されたピストン母材１の製品成形部であるキャビティ１１と、該キャビティ１１内に配置されて、ピストン母材１の内部を成形する段差円柱状の金属中子１２と、該金属中子１２の上側部の外周側に配置されて、前記クーリングチャンネル６を成形する可溶性中子１３と、から主として構成されている。
【００１９】
前記金型１０には、前記キャビティ１１内にアルミニウム合金溶湯１４を柄杓１５によって注湯する湯口１６が形成されていると共に、前記キャビティ１１の上方位置に上下方向に貫通形成されて、注湯された溶湯１４内のガスなどを排出するガス抜き孔１７が形成されている。
【００２０】
前記金型１０のキャビティ１１は、金属中子１２を介してピストン母材１、つまり前記冠部２や各スカート部３，３及びエプロン部４，４などの基本部位を成形するようになっている。
【００２１】
前記金属中子１２は、ピストン母材１の前記内部空間Ｓを成形するもので、横断面ほぼ凸状に形成されており、キャビティ１１の底面に固定されて、下側の大径円柱部１２ａと、該大径円柱部１２ａの上端に一体に形成された小径円柱部１２ｂとから構成されている。また、前記大径円柱部１２ａの径方向の両側対称位置には、前記可溶性中子１３を支持する一対の支持ピン１８、１８を挿通するピン挿通孔１９，１９が上下方向に沿って貫通形成されている。
【００２２】
前記各支持ピン１８は、図３に示すように、細長い円柱状に形成されて、上端部に小径な支持部１８ａを一体に有していると共に、該支持部１８ａを含む内部軸方向に空気抜き孔１８ｂが上下方向に沿って貫通形成されている。また、この各支持ピン１８は、金型１０内に取り付けられる際には、図２Ａに示すように各下端部が前記金型１０の下部に形成された固定用孔１０ａ、１０ａに予め圧入固定されるようになっている。
【００２３】
前記可溶性中子１３は、図３及び図４に示すように、後述のダイセット２１によって圧縮された塩によって円環状に形成されていると共に、横断面ほぼ上下方向に長い長方形状に形成されていると共に、円周方向の約１８０°位置、つまりほぼ直径方向の位置には、前記各支持ピン１８の支持部１８ａが下方から挿通される一対の支持孔１３ａ、１３ｂが上下に貫通形成されている。この各支持孔１３ａ、１３ｂ以外の部位は、中実に形成されている。
【００２４】
そして、この可溶性中子１３の上面中間位置には、成形後の前記突起部９となる凹部である凹溝２０が形成されている。この凹溝２０は、図４に示すように、可溶性中子１３の全周に渡って円環状に形成され、また、図３や図６に示すように、横断面ほぼＵ字形状に形成されて、底面２０ａがほぼ円弧状に形成されていると共に、対向する両側面２０ｂ、２０ｂが底面２０ａから上端開口に向かって拡径テーパ状に形成されている。底面２０ａまでの深さは、鋳造時における溶湯が容易に入り込んで確実に充填し得る深さに設定されている。
【００２５】
また、この可溶性中子１３は、図５Ａ，Ｂに示す金属製の下型２２と上型２３及び中間型２４の上下３段からなるダイセット２１によって成形されるようになっている。前記下型２２は、所定厚さの金属の上面外周側に可溶性中子１３の環状下部を成形する円環状の凹状型部２２ａが形成されていると共に、円周方向の約１８０°の位置には、前記各支持ピン１８の支持部１８ａが挿通する支持孔１３ａ、１３ｂを形成するために図外の孔形成ピンが突設されている。
【００２６】
前記上型２３は、前記凹状型部２２ａと対応する下面外周側に、可溶性中子１３の環状上部を成形する円環状の凹状型部２３ａが形成され、該凹状型部２３ａのほぼ中央にと前記凹溝２０を成形する円環状の凸部２３ｂが形成されている。
【００２７】
前記中間型２４は、可溶性中子１３の外周面を成形する枠状の外型２４ａと、可溶性中子１３の内周面を成形する円盤状の内型２４ｂとから構成され、この両型２４ａ、２４ｂの間の環状隙間内に所定幅の可溶性中子１３を成形するようになっている。
【００２８】
前記可溶性中子１３を成形するには、前記下型２２の上面に中間型２４を載置保持した状態で、前記凹状型部２２ａと中間型２４との間に形成された環状空間部（キャビティ）内に塩２６を充填した後、上型２３を中間型２４の上面に載置しつつ例えばシリンダなどによって下方へ圧力を掛けることによって、前記圧粉状の可溶性中子１３が成形されるようになっている。
【００２９】
次に、このように成形された前記可溶性中子１３を用いたピストン母材１の製造方法について説明する。
【００３０】
まず、金型１０を型開きし、前記可溶性中子１３を、図４に示すように、大径円柱部１２ａのピン挿通孔１９，１９内に下方から予め挿通保持された各支持ピン１８の支持部１８ａに前記各支持孔１３ａ、１３ｂを介して各支持ピン１８の上方から挿通して、全体を両支持ピン１８で支持させる。この状態では、可溶性中子１３が金属中子１２の小径円柱部１２ｂの外周側に所定の径方向の距離をもって配置されている。この状態では、前記可溶性中子１３の外面と前記大径円柱部１２ａ及び小径円柱部１２ｂの各外面との間の、前記各支持ピン１８箇所を除いた位置には溶湯が通流可能な隙間Ｃが形成されている。
【００３１】
次に、図２Ａに示すように、金型１０の型締めが行われ、その後、図２Ｂに示すように、アルミニウム合金溶湯１４を柄杓１５によって湯口１６から注湯し、そのまま湯道１６ａを介してキャビティ１１内に充填する。該キャビティ１１に充填された溶湯１４は、図２Ｃに示すように、前記金属中子１２の周りを回り込みながら上昇して、前記金型１０の湯口１６からガス抜き孔１７内まで充填されてピストン母材１の粗材を成形する。その後、ピストン母材１を冷却、凝固後に、型開きしてピストン母材１を取り出すことによって鋳造による成形作業が完了する。
【００３２】
その後、前記可溶性中子１３の成形粗材の一方の支持孔１３ａから内部へお湯などの流体を噴射して溶解し、この溶解された塩水を他方の支持孔１３ｂから排出することによって、前記厚肉部５の内部に、前記突起部９を有するクーリングチャンネル６が形成される。なお、ピストンを機関内に組み付けた後は、前記一方の支持孔１３ａが、オイルジェットから噴射された冷却オイルのオイル導入口となり、他方の支持孔１３ｂが排出口として構成される。
【００３３】
そして、前述のように、前記鋳造工程中において、湯口１６から湯道１６ａを通ってキャビティ１１内に徐々に供給された溶湯１４は、図６Ａ〜Ｆに示すように、前記可溶性中子１３の周りを囲むように通流しつつキャビティ１１内全体に湯回りされる。すなわち、キャビティ１１内に供給されて漸次上昇した溶湯１４は、図６Ａ〜Ｃに示すように、可溶性中子１３の外周側を回り込む流れＸと、前記隙間Ｃを介して内周側に回り込んでそのまま上昇する流れＹに分流した状態になる。
【００３４】
次に、前記両方の流れＸ，Ｙは、図６Ｄに示すように、可溶性中子１３の上端部方向、つまり冠部２を形成する方向へ回り込んで、さらに、図６Ｅに示すように、そのまま、可溶性中子１３の上端部の凹溝２０上方で合流する形となり、この合流箇所にクレーター状や円錐状または気泡状の空洞２５が一時的に形成される。
【００３５】
しかし、ここで、合流箇所の溶湯１４は、図６Ｆに示すように、前記凹溝２０内にそのまま入り込む流れとなることから、前記空洞２５を消失させながら凹溝２０内に充填される。
【００３６】
このように、本実施形態では、吸熱効率を高めるために、たとえ前記冠部２を成形する上金型のキャビティ１１内面と前記可溶性中子１３との間を比較的狭く設定したとしても、前記凹溝２０を形成することよって可溶性中子１３の上端部側での溶湯１４の湯回り性が良好になることから、前記空洞２５の発生を抑制することが可能になる。この結果、ピストンの不良製品を十分に抑制することができるので、製品の品質の向上とコストの低減化を図ることができる。
【００３７】
特に、前記凹溝２０は、両側面２０ｂ、２０ｂが拡径テーパ状に形成されていると共に、底面２０ａが円弧面状に形成されていることから、凹溝２０内に入り込んだ溶湯１４が両側面２０ｂ、２０ｂに沿って底面２０ａ方向へスムーズに流れ込み、さらに円弧状の底面２０ａで良好な流れが得られることから、溶湯１４の凹溝２０内での流動性が向上する。よって、凹溝２０周囲での湯回り性がさらに良好になる。
【００３８】
しかも、完成したピストンのクーリングチャンネル６には、冠面２ａ側の上壁面６ａに前記円環状の突起部９が全周に渡って連続して設けられていることから、オイルジェットからオイル導入口７を介してクーリングチャンネル６内を通流したオイルが突起部９に干渉して攪拌されることから、このオイルによるピストンの冷却効果が大きくなる。
【００３９】
また、前記突起部９によってクーリングチャンネル６内でのオイルの接触面積が大きくなることから、冷却用オイルの熱交換作用が活発化して、この点でも放熱効率が高くなって、ピストンの冷却性能が向上する。
【００４０】
前記凹溝２０（突起部）は、軸線Ｐ１を中心に対称的な形状としたことから、製造作業が容易になる。
【００４１】
さらに、前記各支持ピン１８の内部軸方向に空気抜き孔１８ｂをそれぞれ形成したことによって、前記溶湯１４が凹溝２０内に流れ込むと、該凹溝２０内の空気が前記空気抜き孔１８ｂを介して外部に速やかに排出されることから、溶湯１４の凹溝２０内への流れ込み性が良好になる。これによって、空洞２５の発生をさらに抑制することができる。
〔第２実施形態〕
図７Ａ，Ｂは第２実施形態を示し、前記各支持ピン１８，１８の空気抜き孔１８ｂ、１８ｂの下端部を減圧機構３０に連通させて、凹溝２０内の空気を強制的に排出させるようにしたものである。
【００４２】
すなわち、前記減圧機構３０は、電動モータとシリンダなどを用いた一般的なバキューム機構であって、前記製造工程において、図７Ａに示す金型１０の型閉じ時を行った後に、電動モータを駆動させて凹溝２０内の減圧作業を開始し、図７Ｂに示す前記キャビティ１１内への溶湯１４を注湯して凹溝２０内やキャビティ１１内に溶湯１４の湯回りが完了した後に減圧作業を停止させるようにした。他の製造装置の構成や製造工程は第１実施形態と同様である。
【００４３】
したがって、この実施形態によれば、前記合流箇所に流れ込んだ溶湯１４は、前記減圧機構３０の減圧作用によって強制的に凹溝２０全体に吸引されることから、空洞２５の発生をさらに効果的に抑制することができる。
【００４４】
本発明は、前記実施形態の構成に限定されるものではなく、例えば、凹溝２０の底面２０ａまでの深さは、ピストンの仕様や大きさなどによって任意に変更することが可能であり、また凹溝２０の横断面形状も、例えば逆台形状に形成して両側面２０ｂ、２０ｂのテーパ角度を大きくすると共に、円弧状の底面２０ａの曲率半径を大きくして、溶湯１４の流れをさらに良好にすることも可能である。
【００４５】
さらに、前記実施形態では、前記突起部９は、前記クーリングチャンネル６の全周に渡って連続して形成されているが、断続的に前記突起部９を設けたとしても、同時に、湯回り不良による空洞の発生を抑制することができる。
【００４６】
また、前記実施形態では、前記支持ピンの内部に空気抜き孔を形成しているが、この空気抜き孔は必ずしも必要ではなく、前記凹溝のみによっても溶湯の合流箇所の良好な湯回り性を得ることが可能である。
【００４７】
さらに、溶湯金属として、アルミニウム合金以外に鋳鉄などの金属材料を用いることも可能である。
【００４８】
また、適用される内燃機関としては、直列以外にＶ型や水平対向型のものなど種々の内燃機関に適用することが可能である。
【００４９】
前記実施形態から把握される前記請求項以外の発明の技術的思想について以下に説明する。
〔請求項a〕請求項３に記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記クーリングチャンネルの横断面形状は、ピストンの軸線方向と平行な前記クーリングチャンネルの軸線を中心として、対称的な形状に形成されていることを特徴とする内燃機関のピストン。
【００５０】
この発明によれば、対称的な形状であるため、製造作業が容易になる。
〔請求項ｂ〕請求項aに記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記クーリングチャンネルの横断面形状は、上下方向に長いほぼ矩形状に形成されていると共に、上辺部の径方向中間位置に形成された前記突起部によって上辺部が部分的に凹状に形成されていることを特徴とする内燃機関のピストン。
【００５１】
この発明によれば、突起部による凹形状によってオイルの攪拌効果が得られ、この攪拌効果によって、冷却用オイルの熱交換作用がさらに活発化する。
〔請求項ｃ〕請求項４に記載の内燃機関のピストン製造方法において、
鋳造中に、溶湯の押し込み力によって前記凹部内に流入した空気を、該凹部の下側から排出しながら湯回りさせることを特徴とする内燃機関のピストン製造方法。
〔請求項ｄ〕請求項４に記載の内燃機関のピストン製造方法において、
前記可溶性中子は、２つ以上の成形型を用いて成形されることを特徴とする内燃機関のピストン製造方法。
〔請求項e〕請求項４に記載の内燃機関のピストン製造方法において、
前記可溶性中子は、冠部の円周方向に沿って円環状に形成されていると共に、該可溶性中子の横断面形状は、ピストンの軸線方向と平行な前記可溶性中子の軸線を中心として、対称的な形状であることを特徴とする内燃機関のピストン製造方法。
〔請求項f〕請求項５に記載の内燃機関のピストン製造装置において、
前記支持ピンの一端部が前記凹部と連通していると共に、他端部が大気開放または減圧機構に連通していることを特徴とする内燃機関のピストン製造装置。
〔請求項g〕請求項５に記載の内燃機関のピストン製造装置において、
前記金型の上部に湯だまりを設けたことを特徴とする内燃機関のピストン製造装置。
【符号の説明】
【００５２】
１…ピストン
２…冠部
２ａ…冠面
３…スカート部
４…エプロン部
５…厚肉部
６…クーリングチャンネル
７…オイル導入孔
８…排出孔
９…突起部
１０…金型
１１…キャビティ
１２…金属製中子
１２ａ…大径円柱部
１２ｂ…小径円柱部
１３…可溶性中子
１３ａ…支持孔
１４…アルミニウム合金溶湯
１６…湯口
１８…支持ピン
１８ａ…支持部
１８ｂ…空気抜き孔
２０…凹溝
２０ａ…底面
２０ｂ…両側面
３０…減圧機構
Ｓ…内部空間
【図１】
2015024412.tif 000003
【図２】
2015024412.tif 000004
【図３】
2015024412.tif 000005
【図４】
2015024412.tif 000006
【図５】
2015024412.tif 000007
【図６】
2015024412.tif 000008
【図７】
2015024412.tif 000009