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図面 (9)

課題

オイルギャラリを有する鋼鉄ピストン、およびピストンクラウンにおける燃焼ボウルの複雑な形状に対応する鋼鉄製ピストンのオイルギャラリ通路を形成するためのプロセスである。

解決手段

最初に、オイルギャラリ通路105を、燃焼ボウルの壁の形状に対応する基本的な形状に鍛造する。オイルギャラリ通路における機械旋削面が、所望のごとく機械加工仕上げされ得る。通路の凹部および突出部などの、従来の旋削作業機械加工できないオイルギャラリにおける面は、元の鍛造状態のままにされる。

概要

背景

背景
特にディーゼルエンジンに関する内燃機関の用途では、冷却オイルのための閉鎖したギャラリを備えた本体を有するピストンを設けることが公知である。オイルは、ギャラリの中を循環して、燃焼熱からの損傷を受けやすいピストンの部品を冷却する。特に、燃焼ボウルの周囲の上部縁は、過熱された際に損傷を受けやすい。

概要

オイルギャラリを有する鋼鉄製ピストン、およびピストンクラウンにおける燃焼ボウルの複雑な形状に対応する鋼鉄製ピストンのオイルギャラリ通路を形成するためのプロセスである。最初に、オイルギャラリ通路105を、燃焼ボウルの壁の形状に対応する基本的な形状に鍛造する。オイルギャラリ通路における機械旋削面が、所望のごとく機械加工仕上げされ得る。通路の凹部および突出部などの、従来の旋削作業機械加工できないオイルギャラリにおける面は、元の鍛造状態のままにされる。

目的

旋削作業による従来の機械加工は、複雑な形状の燃焼ボウルと同様のまたは対応する複雑な形状を有するオイルギャラリを提供する

効果

実績

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請求項1

ピストンであって、下部部材を備え、前記下部部材は、側壁部と、ピンボアとを備え、前記ピストンはさらに、前記下部部材に接合された上部クラウン部材を備え、前記上部クラウン部材は、鍛鋼で作製され、その上方側に燃焼ボウルを有し、その下方側にオイルギャラリ通路を有し、前記オイルギャラリ通路は、少なくとも1つの機械旋削された壁面部と、少なくとも1つの鍛造された状態のままの機械加工されていないポケット部とを含み、前記ポケット部は、前記ピストンの長手方向軸の方に径方向内向きに窪んでいる、ピストン。

請求項2

前記窪んだ機械加工されていないポケット部が複数個設けられ、前記ポケット部は、前記オイルギャラリ通路内周方向に均一に間隔があけられている、請求項1に記載のピストン。

請求項3

前記ポケット部が複数個設けられ、前記ポケット部は、機械旋削された壁面部の介在セクションによって周方向に互いから分離されている、請求項1に記載のピストン。

請求項4

前記機械旋削された壁面部のうちの少なくとも1つは、前記上方側に向かって前記少なくとも1つのポケット部の上方に軸方向に延びている、請求項1に記載のピストン。

請求項5

前記オイルギャラリ通路は、もっぱら機械旋削された壁面部からなる外壁部を含む、請求項1に記載のピストン。

請求項6

前記外壁部は、機械旋削される前記オイルギャラリ通路における唯一の壁面部である、請求項5に記載のピストン。

請求項7

前記機械旋削された外壁部は、前記上方側に向かって前記少なくとも1つのポケット部の上方に軸方向に延びている、請求項5に記載のピストン。

請求項8

前記オイルギャラリ通路は、もっぱら機械旋削された壁面部からなる最上部領域を含む、請求項1に記載のピストン。

請求項9

前記オイルギャラリ通路は、前記ピストンにおける閉鎖したオイルギャラリの一部である、請求項1に記載のピストン。

請求項10

ピストンであって、下部クラウンと、前記下部クラウンに接合された上部クラウンとを備え、前記上部クラウンは、鍛鋼で作製され、その上方側に燃焼ボウルを有し、その下方側にオイルギャラリ通路を有し、前記オイルギャラリ通路は、少なくとも1つの鍛造された状態のままの機械加工されていないポケット部と組み合わせて、機械旋削された壁面部を含み、前記ポケット部は、前記機械旋削された面に対して窪んでいる、ピストン。

請求項11

前記機械旋削された壁面部の介在セクションによって周方向に互いから分離された複数のポケット部を備える、請求項10に記載のピストン。

請求項12

前記少なくとも1つのポケット部の上方に延びる前記機械旋削された壁面部のセクションがある、請求項10に記載のピストン。

請求項13

全ての前記複数のポケット部の上方に延びる前記機械旋削された壁面部のセクションがある、請求項11に記載のピストン。

請求項14

前記オイルギャラリ通路は、もっぱら前記機械旋削された壁面部の対応するセクションからなる径方向外壁部を含む、請求項10に記載のピストン。

請求項15

前記オイルギャラリ通路は、もっぱら前記機械旋削された全面部の対応するセクションからなる最上部領域を含む、請求項10に記載のピストン。

請求項16

内燃機関のためのピストンであって、複雑な形状の燃焼ボウルを有する鋼鉄ピストンクラウン部材と、前記燃焼ボウルの前記複雑な形状に対応する形状を有する前記ピストンクラウン部材におけるオイルギャラリ通路とを備え、前記オイルギャラリ通路の前記形状は、鍛造によって形成され、前記ピストンはさらに、前記ピストンクラウン部材に取付けられた下部ピストン部材を備え、前記下部ピストン部材は、側壁部材と、ピンボアとを有する、ピストン。

請求項17

従来の機械旋削作業によって機械加工できる前記鍛造されたオイルギャラリ通路における面は、機械加工される、請求項16に記載のピストン。

請求項18

従来の機械旋削作業によって機械加工できない鍛造面は、機械加工されず、鍛造状態のままにされる、請求項47に記載のピストン。

請求項19

鋼鉄製ピストンクラウン部材にオイルギャラリ通路を形成するための方法であって、鋼鉄材料でできたピストンクラウン部材を設けるステップと、鍛造作業によって前記ピストンクラウン部材の上面に複雑な形状の燃焼ボウルを形成するステップと、鍛造作業によって前記ピストンクラウン部材の下面に複雑な形状のオイルギャラリ通路を形成するステップとを備え、前記オイルギャラリ通路の形状は、前記燃焼ボウルの前記複雑な形状に対応する、方法。

請求項20

機械旋削作業によって前記オイルギャラリ通路の少なくとも1つの面を仕上げ処理するステップをさらに備える、請求項19に記載のピストン。

請求項21

従来の機械旋削作業によって仕上げ処理することができない前記オイルギャラリ通路における面は、鍛造状態のままにされる、請求項20に記載のピストン。

請求項22

前記少なくとも1つの機械旋削された面は、前記鍛造されたオイルギャラリ通路の上方に軸方向に延びている、請求項20に記載のピストン。

技術分野

0001

技術分野
本発明は、概して内燃機関、特にディーゼルエンジンのためのピストンに関し、より特定的にはオイルギャラリを有するピストンに関する。

背景技術

0002

背景
特にディーゼルエンジンに関する内燃機関の用途では、冷却オイルのための閉鎖したギャラリを備えた本体を有するピストンを設けることが公知である。オイルは、ギャラリの中を循環して、燃焼熱からの損傷を受けやすいピストンの部品を冷却する。特に、燃焼ボウルの周囲の上部縁は、過熱された際に損傷を受けやすい。

発明が解決しようとする課題

0003

冷却ギャラリは、一定の断面を有する概して環状またはリング状であって、ピストン本体の最上部壁および縁に隣接して、ピストンリングベルト内に設けられる。ギャラリは、燃焼ボウルに隣接する内壁によって境界されている。オイルギャラリは、開放していてもよく、または閉鎖していてもよい。閉鎖している場合には、ギャラリ通路は、底部壁によって底部が閉鎖される。閉鎖したギャラリでは、冷却オイルをギャラリに受けるための流入口が底部壁に設けられる場合もあれば、他の手段によって冷却オイルがギャラリに供給される場合もある。

0004

従来から、ディーゼルエンジンの燃焼ボウルは、円形対称形状を有し、外縁から陥凹中央部まで平滑な連続した面を有している。しかし、今日では、従来とは異なるまたは複雑な形状を有する新たなボウルが設計されている。これらの従来とは異なる形状は、望ましくない排出物がより少ない状態で燃料をより効果的に燃やすために利用される。しかし、複雑なボウルの形状は、従来のピストンギャラリでのボウルおよび縁の冷却をより困難にする。旋削作業による従来の機械加工は、複雑な形状の燃焼ボウルと同様のまたは対応する複雑な形状を有するオイルギャラリを提供することはないであろう。

0005

燃焼ボウルとオイルギャラリとの間の構造の違いにより、著しく異なる厚みを有する壁またはオイルギャラリ内を循環されているオイルによって十分に冷却できないほどに厚い壁が形成される場合には、材料が過熱する可能性がある「ホットスポット」がピストンに生じる恐れがある。ホットスポット領域は、材料に亀裂が入ったり材料が機能しなくなる可能性がある弱い箇所をピストンに生じさせる恐れがある。ピストンが機能しなくなると、これはエンジン故障を生じさせ、多額の出費引起し、恐らく新たな車両用エンジンが必要になる。

0006

本発明の目的は、従来とは異なる複雑な形状の燃焼ボウルを収容し、過熱の問題を回避するために薄くかつ均一な壁厚を維持する、鋼鉄製の鍛造オイルギャラリおよび鋼鉄製の鍛造オイルギャラリを形成する方法を提供することである。

課題を解決するための手段

0007

発明の概要
本発明は、複雑な形状の燃焼ボウルを有する鋼鉄製の鍛造ピストンのためのオイルギャラリおよびこのようなオイルギャラリを形成するための方法を提供し、燃焼ボウルとオイルギャラリとの間に実質的に均一な壁厚を提供する。本発明は、ホットスポットを最小化
または排除し、ギャラリ内のオイルがピストンおよび燃焼ボウルの縁および他の領域を許容可能な温度範囲内に維持することを可能にする。

0008

ギャラリは、燃焼ボウルと同一または実質的に同様の複雑な形状で形成される。ギャラリは、鍛造によって形成され、次いで、ギャラリを拡張して特定の面を仕上げ処理するために、可能であれば従来の旋削作業によって機械加工される。凹部および隆起部などの、従来の機械旋削作業によって仕上げ処理することができないギャラリ内の領域および面は、当初の鍛造状態のままにされる。機械旋削中に、オイルギャラリの形状をボウルの縁の方向に延ばして環状の溝が形成される。

0009

本明細書における「複雑な」という用語は、外周もしくは外周内、またはそれらの両方における、従来は成形されなかったピストンクラウンにおける燃焼ボウルの形状を指す。「複雑な」形状は、従来のもの以外の燃焼ボウルの全ての形状を指し、例えば直線的なセクション湾曲したセクションもしくは円弧状のセクションを含む端縁を有し得るか、または、ボウルもしくはその外周、もしくはそれらの両方に凸部、突出部、リブ、凹部などを有する。一般に、複雑な形状は、従来の機械旋削作業によって機械加工できない任意の形状である。

0010

本発明は、好ましくはディーゼルエンジンのためのピストンで利用されるが、本発明は、任意の内燃機関および液体または気体燃料を使用するエンジンのためのピストンでも利用可能である。

0011

ピストンのクラウンが形成されると、クラウンは、ピストン全体を完成させるためにピストンの第2の部分に取付けられる。第2の部分は、典型的には、側壁の残りの部分と、ピンボアとを含んでいる。クラウンおよび第2の部分は、任意の公知の態様であるが、好ましくは摩擦溶接によって接続される。このタイプの接続プロセスは、例えば米国特許第6,260,472号に開示されている。

0012

本発明のこれらのおよび他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および添付の図面に関連付けて検討するとより容易に理解されるであろう。

図面の簡単な説明

0013

閉鎖したオイルギャラリを有するピストンを示す。
一般的なタイプの複雑な燃焼ボウルを概略的に示す。
一般的なタイプの複雑な燃焼ボウルを概略的に示す。
一般的なタイプの複雑な燃焼ボウルを概略的に示す。
燃焼ボウルの代表的な複雑な形状を示すピストンクラウンの概略平面図である。
矢印の方向に線4−4に沿って取った、図1に示されるピストンクラウンの断面図である。
オイルギャラリの少なくとも1つの面の機械旋削後の図4と同様のピストンクラウンの別の断面図である。
本発明に係るシステムおよび方法の実施形態のフローチャートである。

実施例

0014

好ましい実施形態の説明
燃焼ボウルが複雑な形状を有する場合に本発明が利用可能である代表的なピストン100が図1に示されている。ピストン100は、ピストンクラウン部材10と、下部部材102とを含み、下部部材102は、側壁104と、ピンボス106とを含んでいる。ピストンクラウン10および下部部材102は、好ましくは摩擦溶接によって固定的に留めら
れ、完全なピストン100を形成している。

0015

ピストン100は、ピストン、特に上面、燃焼ボウルおよび外縁の温度を許容可能な温度範囲内に維持するためにオイルが循環されるオイルギャラリを有している。オイルギャラリは、クラウン部材10に位置決めされたオイルギャラリ通路105を含んでいる。オイルギャラリは、当該技術分野において周知であるように、開放していてもよく、または閉鎖していてもよい。閉鎖している場合には、オイルギャラリの底部壁は、典型的には下部部材102の一部として含まれる。

0016

代表的な複雑な燃焼ボウル12を有するピストンクラウン部材10が図3に示されている。ボウル12の形状は、基本的には4つの辺15,16,17および18を有する正方形である。示されている形状では、辺は直線的であり、丸みを帯びた角21,22,23および24を有している。

0017

燃焼ボウルの形状および辺15〜18の直線性は、複雑な燃焼ボウルの一例に過ぎないということが理解されるべきである。本発明によれば、燃焼ボウルは、任意の数の辺または辺部分を備えた任意の周長または内部形状を有していてもよい。辺および内面も、示されているような直線的な形状、もしくは湾曲した形状、もしくは円弧状の形状などの任意の形状を有していてもよく、直線的であるか、湾曲しているか、もしくは円弧状であるセクションもしくは部分を有していてもよく、または、凸部、突出部、凹部、リブなどを有していてもよい。また、角21〜24または辺部分間の交点もしくは接合部も、任意の形状を有していてもよく、ボウルに突き出ているか、またはボウルから窪んでいてもよい。

0018

ピストンボウルの形状は、図2Aに示されるようにその外周において複雑であってもよく、図2Bに示されるようにボウルの径方向内側の領域において複雑であってもよく、または、図2Cに示されるように外周および内側領域の両方に関して複雑であってもよい。図2A図2Bおよび図2Cは、これら3つの一般的なタイプの複雑な形状の燃焼ボウルを表わしている。本発明は、このような複雑な形状を有する燃焼ボウルを収容することができるオイルギャラリおよびオイルギャラリ通路を提供する。

0019

ピストンクラウンおよびピストン全体は、鋼鉄材料でできている。ピストンクラウン10の形状は、鍛造プロセスによって形成される。

0020

本発明の好ましい実施形態によれば、ピストンクラウンにおけるオイルギャラリ通路は、燃焼ボウルまたはその一部と同一のプロセスによって作られる。示されている実施形態では、オイルギャラリ通路は、鍛造プロセスおよびそれに続く機械加工プロセスによって作られる。

0021

好ましい実施形態によれば、燃焼ボウルを形成するための鍛造型およびオイルギャラリ通路を形成するための鍛造型は、対応する形状を有している。当該2つの型は、互いに対応する同様の直線的なセクションおよび同様の湾曲したセクションを有している。

0022

鍛造プロセス後のピストンクラウン10の断面図が図4に示されている。鍛造プロセスは、周方向の均一な幅「W」または均一な深さ「D」を必ずしも有していない環状の溝30を形成する。溝30の幅は、燃焼ボウルの辺がピストンクラウンの外面から最も遠くにある部分では広くなっている。これらの領域は、図3では数字40によって示されている。同様に、溝30が最も狭くなっている領域は、辺部分間の角または交点である。

0023

鍛造によって作られる溝30の深さDは、鍛造プロセスにおいて使用される型に左右される。鍛造型が鋼鉄製のクラウン部材を貫通でき、交換または修繕が必要になる前に繰返
し使用できる深さには実際的な限界がある。

0024

本発明の好ましい実施形態に従ってオイルギャラリを形成する際の後続のステップとして、オイルギャラリの形状が、図5に示される形状に機械加工される。機械加工処理における1つのステップでは、部材50によって示される機械加工ツールが、鍛造プロセスによって形成されたオイルギャラリ30に(矢印52の方向に)挿入され、使用されて、オイルギャラリ通路の外面を仕上げ処理し、もっぱらボウルの周囲に環状の溝60を形成する。この機械旋削は、オイルギャラリ通路を(ピストンの最上面または縁80に隣接する、最上部リング溝付近の)ピストンクラウンの上部の領域に延ばす。完全に機械加工された溝60は、鍛造プロセスで作られた当初の通路30の上方に延びる。

0025

「機械旋削」または単に「旋削」は、旋盤上などでワークピースが回転している間に切削工具、典型的には非回転式ツールビット線形に移動する機械加工プロセスである。「機械旋削」は、ワークピースの内面または外面のいずれかに対するこのような切削または仕上げ作業を指し得る。オイルギャラリ通路の面のうちのいくつかを機械加工する際に、機械旋削が内面を仕上げ処理するか、または形成する。

0026

機械旋削処理は、面31などのオイルギャラリ通路30の内面のうちのいくつかを機械加工して仕上げ処理するためにも使用可能である。燃焼ボウルの複雑な形状に追従するためにオイルギャラリの形状が複雑であることに起因して、鍛造プロセスにおいて鍛造型によってギャラリ内面に複数の凸部または凹部が形成され得る。機械加工プロセスにおいて使用される旋削手順により、凹部および凸部間の領域は、このステップでは仕上げ処理されない(すなわち機械加工されない)ままにされる。図5におけるギャラリ通路内面32および33は、仕上げ処理されておらず、鍛造後の元の状態のままである。

0027

図3では、仕上げ処理された環状の溝60の外周は、隠線60′によって示されている。また、(面31などの)複雑な形状のオイルギャラリの仕上げ処理された内面は、隠線30′によって示されている。仕上げ処理されないままの領域(例えば凹部)は、図5では参照数字32および33によって示されている。図4に示される形状を有するオイルギャラリ通路30は、鍛造型によって形成されることができる。

0028

典型的な鍛造作業では、ピストンクラウン部材10の下面におけるオイルギャラリ通路は、別の鍛造型がピストンクラウン部材の上面または上方側に複雑な形状の燃焼ボウルを形成しているのと同時に形成されるであろう。

0029

本発明のプロセスは、複雑な形状の燃焼ボウルの外周形状と同様または実質的に同一の内周形状を有するピストンのための環状のオイルギャラリを提供する。これは、オイルギャラリと燃焼ボウル12との間の壁領域70の厚みを最小化し、燃焼ボウルの外側の周囲の壁厚を均一にする。鍛造および機械加工プロセスの実際的な限界により、全ての壁の厚みは、燃焼ボウルの円周にわたって全く同じではないであろう。しかし、本発明は、壁厚70をオイルギャラリ全体にわたってできるだけ薄く、均一にする。これにより、ピストンが完成したときにオイルギャラリに導入されたオイルが、ボウル壁面および縁80の温度を適切な範囲内に維持することが可能になり、有害なホットスポットが回避される。

0030

本発明により、ホットスポットを生じさせる恐れがある厚い壁セクションが、最小化または排除される。過熱するピストンの領域(「ホットスポット」とも呼ばれる)は、亀裂が入ったり機能しなくなる可能性がある弱い箇所を生じさせる恐れがある。このようなピストンの故障は、高価な修理を招き、恐らくエンジンの交換を招く可能性がある。

0031

ピストンのための好ましい冷却は、壁が均一な厚みを有し、比較的薄い場合に行われる
ことができる。薄い壁を有するピストンは、重量も軽く、エンジンに対する歪みも小さい。この結果、燃費効率がよくなり、有害な排出物が少なくなる。

0032

図6は、ピストンクラウンにおける複雑な燃焼ボウルの形状に形状の点で対応するピストンクラウンにおけるオイルギャラリ通路を形成する好ましい方法のフローチャート108を示す。最初に、ピストンクラウン部材を鋼鉄材料で作る(110)。これは、任意の従来の製造手順によってなされることができる。

0033

次いで、ピストンクラウン部材の最上面または上面に複雑な形状の燃焼ボウルを形成する(112)。このステップは、鋼鉄鍛造プロセスによって形成される。

0034

同時にまたはその後、燃焼ボウルの形状と同様の、または燃焼ボウルの形状に対応する形状を有するピストンクラウン部材の下面または下方側に、オイルギャラリ通路30を形成する。これは、ボックス114に示されている。このステップも、鍛造プロセスによって、好ましくはボウルの鍛造と同時に実行される。

0035

最後に、ピストンクラウン部材におけるオイルギャラリ通路を機械加工仕上げして(116)、そのサイズを拡張し、ピストンクラウン部材および燃焼ボウルの上部縁に近付ける。このステップにおいて、切削工具によって環状の溝60が形成され、機械旋削作業によって仕上げ処理されることができる(すなわち凹部および凸部間の領域以外の)ギャラリ通路の他の面が、所望のごとく仕上げ処理されることができる。

0036

好ましい実施形態に関して本発明を説明してきたが、以下の特許請求の範囲によって詳述される本発明の全範囲内の変更および変形を行うことができるので、本発明はそのように限定されるべきではないということも理解されるべきである。

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