内燃機関ピストンの鋳造 – FM Gorzyceの事例研究

このブログ記事は、論文「[Casting of Combustion Engine Pistons Before and Now on the Example of FM Gorzyce]」の要約です。

1. 概要：

タイトル: FM Gorzyceの事例にみる内燃機関ピストンの鋳造：過去と現在
著者: M. Czerepak, J. Piątkowski
発表年: 2023年
雑誌/出版社: Archives of Foundry Engineering
キーワード: 鋳造、シルミン、ピストン、パーマネント金型鋳造機、表面処理

Fig. 1. Old method of casting pistons: a) manual casting; b) single permanent mould casting machine [7]

2. 研究背景：

社会的/学術的背景:

内燃機関ピストンは、熱機械的負荷の増大、排気ガス規制の強化、燃費効率の向上などの要求の高まりに直面しています。自動車産業界は、車両の軽量化とエンジン回転数の高速化を推進しており、その結果、シリンダー内の平均および最大作動圧力と慣性力が増大し、ピストン設計に大きな負担がかかっています。

既存研究の限界:

従来のピストン鋳造方法と設計は、最新エンジンの高性能および高効率の要求を満たすには不十分でした。初期の鋳造は、手作業、単一の永久金型、および基本的な冷却システムに依存しており、結晶化のばらつきや生産効率の低下を招いていました。1970年代から1980年代のピストンは「かなり大型」であり、冷却チャンネルや高度な表面処理などの先進的な機能が欠如していました。

研究の必要性:

本研究は、現代の内燃機関のますます厳しくなる基準を満たすために、永久金型鋳造機とピストン設計の進化を理解するために不可欠です。エンジン効率の向上、燃料消費量と排出量の削減、および極限状態におけるピストンの耐久性向上が急務となる中、FM Gorzyceにおける50年間の変革を分析することは、貴重な実例研究となります。

3. 研究目的と研究課題：

研究目的:

本研究の目的は、Federal-Mogul Gorzyceにおける過去50年間の永久金型鋳造機とシルミンピストン鋳造技術における主要な変化を明らかにすることです。

主な研究課題:

本論文では、以下の主要な変化領域を取り上げています。

シルミン製エンジンピストン鋳造のための鋳造機および永久金型の構造における変革。
主要な永久金型部品の冷却システムの近代化。
ディーゼルエンジンとガソリンエンジンの両方におけるピストン設計の進化。

研究仮説:

明示的には述べられていませんが、本論文では、FM Gorzyceにおける鋳造機技術（自動化、冷却システム）とピストン設計（材料、機能、表面処理）の進歩が、生産効率、ピストン性能、および全体的なエンジン効率を大幅に向上させたという仮説を暗黙のうちに探求しています。

4. 研究方法：

研究デザイン:

本研究では、Federal-Mogul Gorzyceにおける過去50年間の鋳造技術とピストン設計の歴史的進化を調査する事例研究アプローチを採用しています。技術的進歩を示すために、ピストン鋳造と設計の「ビフォーアフター」の状態を示す記述的かつ比較研究です。

データ収集方法:

データは、Federal-Mogul Gorzyceの操業履歴と技術文書から収集されました。これには、企業独自の資料や製造プロセスの観察が含まれます。図には、さまざまな時代の鋳造機、金型、ピストン設計を示す視覚的な例が示されています。

分析方法:

分析は主に定性的であり、鋳造機、金型設計、冷却システム、およびピストン構造の変化を経時的に記述および比較しています。技術的進歩とその影響を説明するために、歴史的および記述的アプローチを使用しています。生産データ（図13）は、これらの変化がピストン生産量に与える影響を定量化しています。

研究対象と範囲:

研究は、Federal-Mogul Gorzyceにおける永久金型鋳造機とシルミンピストン鋳造の進化に焦点を当てています。範囲は50年間の生産期間をカバーし、ガソリンエンジンとディーゼルエンジンの両方に関連する変化を調査しています。

5. 主な研究結果：

主な研究結果:

鋳造機の進化: 手動鋳造と単一永久金型から、二重永久金型とロボットハンドリングを備えた全自動鋳造ステーションへの移行。最新の機械は、高度な油圧システムと数値制御された高度な冷却システムを備えています。
冷却システムの改善: 最新の永久金型鋳造機は、複数の回路と電磁弁アセンブリを備えた複雑な冷却システムを利用しており、ピストン鋳物の均一な冷却と制御された結晶化を保証します。これにより、冷却時間が大幅に短縮され、プロセス効率が向上しました。
ピストン設計の変革: ピストン設計は、現代エンジンの要求を満たすために「直径方向の変革」を遂げました。主な変更点は次のとおりです。
- 直噴エンジンまたは間接噴射エンジン用に最適化されたさまざまな形状のクラウン。
- 質量を削減し、冷却を改善するためのスリム化された内部構造。
- 冷却チャンネル（ソルトコア）やリングインサート（「アルフィン」インサート）などの部品の組み込み。
- ピストンスカートとリング溝の高度な表面処理手順。
材料の進歩: ピストン鋳造には、詳細な化学組成（表1）を持つ準共晶Al-Si合金が継続して使用されています。リングインサートにはオーステナイト鋳鉄が使用されています（表2）。
生産効率の向上: 自動化と技術の向上により、生産量が劇的に増加しました。自動化前（1990〜2005年）の年間生産量は約400万個でした。ラインを近代化（2006〜2021年）した後、生産量は年間2500万個以上に急増しました（図13）。
エンジン効率への貢献: これらの進歩は、エンジン効率の向上（現在約52％、以前は約40％から向上）、燃料消費量の削減、および排出量の削減に貢献しています。

統計的/定性的な分析結果:

図13は、Federal-Mogul Gorzyceにおける2006年から2021年までのピストン生産量の著しい増加を示しており、近代化された鋳造ラインの影響を強調しています。
冷却時間は、古い機械の約60秒から、最新の自動システムの13秒以下に短縮されました。
最新設計のピストンクラウン温度は、1980〜1990年代の設計と比較して25〜30℃低下しました。
リングインサートにより、上部リング温度が250℃未満に低下しました。
エンジン効率は約40％から52％に向上しました。

データ解釈:

データは、FM Gorzyceにおける鋳造技術とピストン設計の明確な進歩を示しています。自動化、高度な冷却、および設計革新は、生産効率、ピストン性能特性（強度、冷却、摩擦低減）、そして最終的にはエンジン効率と耐久性の大幅な向上を総合的に推進してきました。

図一覧:

図1. 旧式のピストン鋳造方法
図2. 単一ピストン鋳造用永久金型鋳造機
図3. 旧式のガソリンエンジンピストンの鋳物（直径Ø90mm）
図4. 旧式のディーゼルエンジンピストンの鋳物（直径Ø110mm）
図5. ピストンMFGD（多機能ガソリンディーゼル）鋳造用自動ステーション
図6. ピストン鋳造用最新型二重永久金型のモデル（ガソリン）
図7. 直噴エンジン用ピストンの例
図8. 小型車用ピストンの例
図9. 最新ピストンの内部構造
図10. リングインサートとソルトコアを備えた最新ピストン
図11. ディーゼルエンジン用ピストン
図12. グラファイトコーティング後のピストンスカート
図13. Federal-Mogulにおける2006〜2021年のピストン生産量

Fig. 6. Model of a modern double permanent mould for piston casting (Gasoline) [7]

Fig. 5. Automatized station for casting piston MFGD (Multi Functional Gasoline Diesel) [7]

Fig. 10. Modern pistons with a ring insert and a salt core for: a) a Diesel engine, b) a gasoline engine [7]

6. 結論と考察：

主な結果の要約:

本研究は、FM Gorzyceにおける過去50年間の内燃機関ピストンの鋳造と設計における実質的な進化を実証しています。主な進歩には、高度な冷却を備えた自動化された高効率鋳造機への移行、および冷却チャンネル、リングインサート、高度な表面処理などの機能を組み込んだピストン設計の変革が含まれます。これらの変更により、生産量、ピストン性能、およびエンジン効率が大幅に向上しました。

学術的意義:

本論文は、実際の製造環境におけるダイカスト技術とピストン設計の進歩に関する貴重な歴史的および技術的概要を提供します。自動車産業における製造プロセスと製品性能の向上に対する技術革新の影響を強調しています。ますます要求の厳しくなるエンジン要件を満たすための鋳造技術の進化を示す事例研究として役立ちます。

実用的な意義:

実用的な意義は、ダイカスト産業と自動車産業にとって重要です。本論文では、自動化と高度な冷却システムを通じて鋳造効率を高めるための実績のある戦略を紹介しています。また、エンジン性能、耐久性を向上させ、燃料消費量と排出量を削減する効果的なピストン設計機能と表面処理に関する洞察も提供します。FM Gorzyceの事例は、ピストン製造および設計プロセスを近代化しようとしている他のメーカーにとってベンチマークとして役立ちます。

研究の限界:

研究は主に単一企業であるFederal-Mogul Gorzyceに焦点を当てています。特定の進化に関する詳細な洞察を提供していますが、調査結果は、世界中のすべてのダイカスト施設またはピストンメーカーに完全に一般化できるとは限りません。本論文は記述的であり、全体的な生産量と効率の指標を超えて、特定の設計またはプロセス変更の定量的な性能向上については深く掘り下げていません。

7. 今後のフォローアップ研究：

今後のフォローアップ研究の方向性:

今後の研究では、次の分野を調査できます。

特定の設計機能（冷却チャンネル、リングインサート、表面処理など）が、ピストンの温度分布、摩擦、摩耗などの性能指標に与える影響の定量分析。
一般的な傾向とベストプラクティスを特定するための、複数のメーカーおよび地域にわたるピストン鋳造と設計の進化の比較研究。
ピストン生産におけるエネルギー消費量と材料効率を含む、これらの技術的進歩の環境への影響の調査。
次世代内燃機関および代替燃料エンジン向けの高度な材料と鋳造技術に関するさらなる研究。

さらなる探求が必要な分野:

さまざまなエンジンタイプと運転条件に対する冷却チャンネル設計と冷却戦略の最適化。
ピストンシステムの摩擦と摩耗をさらに低減するための、より高度な表面処理の開発。
将来のエンジン性能と排出ガス要件を満たすための、従来のAl-Si合金を超えた新しいピストン材料の探求。

8. 参考文献：

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9. 著作権：

*この資料は、M. CzerepakおよびJ. Piątkowskiの論文「FM Gorzyceの事例にみる内燃機関ピストンの鋳造：過去と現在」に基づいています。
*論文ソース: 10.24425/afe.2023.144296

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Tags: Al-Si alloy; ,CAD; ,Casting Technique; ,Die casting; ,Efficiency; ,Microstructure; ,Permanent mold casting; ,Salt Core; ,금형; ,자동차 산업