JP4237576B2

JP4237576B2 - 内燃機関のピストン

Info

Publication number: JP4237576B2
Application number: JP2003291728A
Authority: JP
Inventors: 泰小野; 立福田; 剛花川
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2003-08-11
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2023-08-11
Also published as: EP1512862B1; US20050034597A1; EP1512862A1; JP2005061306A; DE602004002818T2; US7066078B2; DE602004002818D1

Description

本発明は、繊維強化材からなるプリフォーム部材を鋳込むことで補強された内燃機関のピストンに関する。

従来より、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関のピストンにおいては、ガス流動最適化による燃焼改善や軽量化やストロークの確保による燃費向上や加速性能向上等の実現を目的として、クラウン部の薄肉化が検討されている。

その一方で、クラウン部は混合気の燃焼を直接受ける部位であるため、その薄肉化を行う際には、クラックや貫通（吹き抜け）等の発生を防止するための強度面での対策や、熱変形による歪みから真円度を維持するための対策等が強く要求される。

このため、例えば特許文献１には、円形のヘッド部芯部、一対のピンボス部芯部、スカートリブ、スカート部、及びトップリング嵌合部が一体的に結合された鋼板製の骨格部材を軽合金製の母材（補強材）に鋳込むことで、クラウン部（ヘッド部）の強度の向上を図るとともに、骨格部材を通じたシリンダ等への熱伝導によって放熱性の向上を図る技術が開示されている。

また、例えば特許文献２には、繊維強化材等からなるプリフォーム部材を鋳込むことで、ピストンの部分強化を行う技術が開示されている。
特公平７−８６３３６号公報特開平１１−２８５８０９号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示された技術のように、ピストンの母材に鋼板製の骨格部材を鋳込んだ場合、これら異材間での十分な接合強度を確保することが困難となる虞がある。

これに対し処し、例えば、上述の骨格部材をプリフォーム部材で構成することで異材間の接合強度を向上させることも考えられる。しかし、上述の特許文献１に開示された骨格部材は剛性の確保や熱膨張の抑制を実現するための形状が複雑であり、このように複雑な形状のプリフォームを鋳込む際には溶湯の流れが複雑化する。そして、鋳造時の湯流れが複雑化するとプリフォーム部材内部への溶湯の含浸性が低下するため、プリフォーム部材で繊維強化金属化される部位自体の強度が十分に得られなくなる虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、クラウン部の薄肉化を行うに際し、簡単な構成で、ピストン強度の確保とクラウン部の歪みの抑制とを両立することのできる内燃機関のピストンを提供することを目的とする。

本発明は、一対のピンボス部の上方でクラウン部に配設される一対のクラウン補強部と、上記クラウン補強部をピストンピン軸方向に沿って連結する連結部と、上記ピンボス部を補強するためにピン孔を囲繞する円環状のボス補強部と、を一体の繊維強化材からなるプリフォーム部材をピストン母材に鋳込んで形成したことを特徴とする。

本発明の内燃機関のピストンは、クラウン部の薄肉化を行うに際し、簡単な構成で、ピストン強度の確保とクラウン部の歪みの抑制とを両立することができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。図面は本発明の一形態に係わり、図１はピストンの平面図、図２は図１のＩ−Ｉ断面図、図３は図１のII−II断面図、図４はプリフォームの３面図であり（ａ）が平面図、（ｂ）が正面図、（ｃ）が右側面図、図５はピストンの変形例を示す平面図、図６はピストンの他の変形例を示す平面図である。

図１〜図３において符号１は、内燃機関のピストンを示す。本形態におけるピストン１は、例えば、水平対向型ガソリンエンジンのピストンであり、アルミニウム合金（例えば、熱膨張率が２１．０×１０^-6／℃）を母材（ピストン母材）とする鋳造品で構成されている。

ピストン１は、薄型の略円盤形状をなすクラウン部２と、このクラウン部２の背面側（下方）から延出するスカート部３とを有して構成されている。

クラウン部２の外周面には、上方から順に、トップリング溝５、セカンドリング溝６、オイルリング溝７が設けられている。そして、トップリング溝５及びセカンドリング溝６には図示しないコンプレッションリングがそれぞれ装着され、これらコンプレッションリングによって燃焼室の密閉性が確保される。また、オイルリング溝７には図示しないオイルリングが装着され、このオイルリングによってシリンダ壁面の余剰な潤滑油膜が掻き落とされるようになっている。

また、クラウン部２の冠面には燃焼室を構成するキャビティ８が凹設され、さらに、キャビティ８上には、エンジンの各吸排気バルブ（図示せず）に対応するバルブリセス９が凹設されている。

スカート部３は、一対の円弧状部１０と、これら円弧状部１０間の互いに対向する端部をそれぞれ連結する一対のボス支持壁部１１とを有して構成されている。

各円弧状部１０は、クラウン部２の中心軸に対して対称な位置に互いに対向して配設されるもので、これらの外壁面はクラウン部２の外周面に略沿った部分円弧状の曲面で構成されている。

各ボス支持壁部１１は、クラウン部２の背面を互いに平行に横切って立設する略平板状の部材で構成され、これらボス支持壁部１１にはピンボス部１５が一体的に形成されている。各ピンボス部１５にはピン孔１６がそれぞれ穿設されており、ピストン１は、これらピン孔１６に嵌入されたピストンピン（図示せず）を介してコンロッド（図示せず）に連結される。

このような構成のピストン１の要部には、繊維強化金属部２０が設けられている。繊維強化金属部２０は、高強度の繊維強化材を含んでおり、この繊維強化材がアルミニウム合金と一体的に複合して繊維強化金属化（ＦＲＭ化）された領域である。

図示のように、繊維強化金属部２０は、各ピンボス部１５の上方でクラウン部２に配設された一対のクラウン補強部２１と、これらクラウン補強部２１を一体的に連結する連結部２２と、各ピンボス部１５に配設されたボス補強部２３と、各ボス補強部２３を各クラウン補強部２１に連結する連結部２４とを有して構成されている。

各クラウン補強部２１は、例えば、クラウン部２の冠面に加わる燃焼圧力及び排気時の慣性力等によって各部に発生する応力を有限要素法等を用いて予測し、この予測した応力に応じて、各ピンボス部１５に対応する箇所を中心とした所定部位（例えば、材料疲労強度に対し所定の安全率以下の強度の部位）に設定されるものである。本形態において、クラウン補強部２１は、例えば、冠面側から見た平面形状がピンボス部１５を覆う矩形形状に設定され（図１参照）、その厚さ（深さ）が約５〜１０ｍｍの範囲内に設定されている（図２参照）。

連結部２２は、両クラウン補強部２１間をピストンピン軸Ｏ方向に沿って一体的に連結する。本形態において、連結部２２は、クラウン部２の冠面上でピストンピン軸Ｏに直交する方向の幅がクラウン補強部２１よりも小さく設定され（図１参照）、その厚さ（深さ）が約５〜１０ｍｍの範囲内に設定されている（図２，３参照）。

ここで、図１からも明らかなように、両クラウン補強部２１及び連結部２２はピストンピン軸Ｏに対して対称な形状をなし、また、これらを合算したピストンピン軸Ｏ方向の長さは、例えば、クラウン部２の直径の９０％以上に設定されている。

各ボス補強部２３は、ピン孔１６を囲繞する環状の部材で構成され、連結部２４を介して各クラウン補強部２１にそれぞれ連結されている。

このような繊維強化金属部２０は、ピストン１の鋳造時に、繊維強化材からなるプリフォーム部材３０を母材に鋳込むことによって形成される。

本形態において、繊維強化材は、ピストン１の母材（アルミニウム合金）よりも熱膨張率が小さい金属細線を用いて構成される。具体的には、繊維強化材は、例えば、熱膨張率が１１．６×１０^-6／℃のＦｅ−Ｃｒ系耐熱鋼材（例えば、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ）からなる線径０．１ｍｍ程度の金属細線を、所定の体積率（例えば、金属細線の体積率２０〜２５％）で織り込むことによって構成されている。

そして、この繊維強化材を加工することにより、上述のクラウン補強部２１、連結部２２、ボス補強部２３、及び連結部２４にそれぞれ対応するクラウン補強部形成部１２１、連結部形成部１２２、ボス補強部形成部１２３、及び連結部形成部１２４を一体的に具備したプリフォーム部材３０が形成される（図３参照）。

そして、このプリフォーム部材３０を鋳型内にセットし、湯流れ方向を所定に制御しながらアルミニウム溶湯を注湯、加圧することにより、繊維強化金属部２０を備えたピストン１が鋳造される。なお、プリフォーム部材３０において、クラウン補強部形成部１２１は余剰の厚さを有して形成されており、この余剰分は、鋳造後にキャビティ８を形成する際に、切削加工等によって除去される。

このような形態によれば、プリフォーム部材３０を鋳込むことによって、一対のクラウン補強部２１及び一対のボス補強部２３を形成するとともに、一対のクラウン補強部２１を連結部２２でピストンピン軸Ｏ方向に沿って連結することにより、クラウン部２の薄肉化を行うに際し、簡単な構成で、ピストン強度の確保とクラウン部２の歪みの抑制とを両立することができる。

すなわち、クラウン部２の薄肉化を行うに際し、応力が最も集中する領域（ピンボス部１５に対応したクラウン部２の所定領域、及び、ピンボス部１５）に対して限定的に補強部を形成することにより、繊維強化金属部２０の構成を簡素化して効果的なピストン強度の確保を実現することができる。ここで、クラウン部２の応力とピンボス部１５の応力との間には相関関係があることが知られており、クラウン部２の強度が高くなる程、ピンボス部１５の応力は軽減される。従って、クラウン部２の薄肉化に際し、クラウン補強部２１によってクラウン部２の強度が十分に確保できる場合には、各ボス補強部２３及びその連結部２４を省略することも可能である。そして、このようにボス補強部２３及びその連結部２４を省略することにより、より簡単な構成でクラウン部２の薄肉化を実現することができる。

また、連結部２２を用いて両クラウン補強部２１をピストンピン軸Ｏ方向に沿って一体的に連結することにより、クラウン部２の熱変形による歪みを抑制して真円度を維持することができる。すなわち、一般に、クラウン部は、ピストン各部位の熱変形等によって、特に、高負荷燃焼時には、ピストンピン軸に直交する方向に拡がろうとする内部応力（換言すれば、ピストンピン軸に沿う方向に縮もうとする内部応力）が発生して楕円形に歪められることが知られている。そこで、両クラウン補強部２１を連結部２２で連結し、これらをピストンピン軸Ｏ方向に沿って連続した一体の剛性部材として機能させることにより、クラウン部２の内部応力に起因する歪みを抑制することができ、クラウン部２の真円度を高いレベルで維持することができる。換言すれば、クラウン部２が熱変形で歪められる際にはピストンピン軸Ｏ方向に沿う内部応力が発生することに着目し、ピストンピン軸Ｏ上に配設したクラウン補強部２１を連結部２２で連結して内部応力に対する剛性部材として機能させることにより、簡単な構成でクラウン部２の歪み対策を実現することができる。なお、両クラウン補強部２１及び連結部２２を合算したピストンピン軸Ｏ方向の長さを所定長さ以上（例えば、クラウン部２の直径の９０％以上）に設定することにより、クラウン部２の歪みを効果的に抑制することができる。

そして、以上のような単純な構造によってピストン強度の確保とクラウン部２の歪みの抑制との両立を実現することにより、鋳造時に鋳込まれるプリフォーム部材３０の形状を簡素化することができる。従って、鋳造時の溶湯の流れを単純化して精度よく制御することができ、繊維強化材を高い含浸率で高強度にＦＲＭ化することができる。

その際、図１に示すように、連結部２２を剛性部材としての機能を確保可能な必要最小限の幅に設定することにより、プリフォーム３０の容積を小さくすることができ、鋳造時の湯流れ制御をより簡素化することができる。

ここで、本形態においては、例えば図５に示すように、連結部２２に代えて、クラウン部２の冠面上でピストンピン軸Ｏに直交する方向の幅がクラウン補強部２１と等しく設定された連結部２５を介して両クラウン補強部２１間を連結してもよい。このようにクラウン補強部２１の幅と連結部２５の幅とを等しく設定することにより、プリフォーム部材３０の形状をより簡素化することができる。

また、例えば、図６に示すように、連結部２２に代えて、クラウン部２の冠面上でピストンピン軸Ｏに直交する方向の幅がクラウン補強部２１よりも大きく設定された連結部２６を介して両クラウン補強部２１間を連結してもよい。この場合、例えば図示のように連結部２６を円弧状に突出させることにより、ピストン１が径方向に熱膨張する量を均一化させることができる。また、連結部２２のピストンピン軸Ｏに直交する方向の幅を大きく設定することにより、当該方向への剛性も向上させることができる。

ピストンの平面図図１のＩ−Ｉ断面図図１のII−II断面図プリフォームの３面図であり（ａ）が平面図、（ｂ）が正面図、（ｃ）が右側面図ピストンの変形例を示す平面図ピストンの他の変形例を示す平面図

符号の説明

１ … ピストン
２ … クラウン部
１５ … ピンボス部
２０ … 繊維強化金属部
２１ … クラウン補強部
２２ … 連結部
２３ … ボス補強部
２５ … 連結部
２６ … 連結部
３０ … プリフォーム部材
Ｏ … ピストンピン軸
代理人弁理士伊藤進

Claims

一対のピンボス部の上方でクラウン部に配設される一対のクラウン補強部と、
上記クラウン補強部をピストンピン軸方向に沿って連結する連結部と、
上記ピンボス部を補強するためにピン孔を囲繞する円環状のボス補強部と、を一体の繊維強化材からなるプリフォーム部材をピストン母材に鋳込んで形成したことを特徴とする内燃機関のピストン。
上記連結部は、上記クラウン部で上記ピストンピン軸に直交する方向の幅が上記クラウン補強部の幅よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関のピストン。
上記連結部は、上記クラウン部で上記ピストンピン軸に直交する方向の幅が上記クラウン補強部の幅と等しく設定されていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関のピストン。
上記連結部は、上記クラウン部で上記ピストンピン軸に直交する方向の幅が上記クラウン補強部の幅よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関のピストン。
上記クラウン補強部を形成するために上記プリフォーム部材に形成されたクラウン補強部形成部は、余剰の厚さを有して形成され、
上記クラウン補強部は、鋳造後に上記余剰分が除去されて形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の内燃機関のピストン。