JP2005527725A

JP2005527725A - 内燃機関に用いられる、複数の部分から成る冷却されるピストン

Info

Publication number: JP2005527725A
Application number: JP2003574975A
Authority: JP
Inventors: ケムニッツペーター; メスマーディーター
Original assignee: Mahle GmbH
Current assignee: Mahle GmbH
Priority date: 2002-03-09
Filing date: 2002-08-13
Publication date: 2005-09-15
Also published as: BR0215633B1; KR100893015B1; WO2003076786A1; EP1483493B1; DE50203435D1; KR20040088582A; DE10210570A1; BR0215633A; EP1483493A1; US20030167918A1; US6763758B2

Abstract

本発明は、内燃機関に用いられる、複数の部分から成る冷却されるピストンであって、当該ピストンが、一体に形成されたピストン上側部分と、一体に形成されたピストン下側部分とから成っており、ピストン上側部分が、燃焼キャビティと、リング部分を備えたリング壁とを有しており、ピストン下側部分が、箱状のピストンスカートと、ピストンをコネクティングロッドに結合するピストンピンを収容するためのボスと、ピストンスカートに結合されたボス支持部とを有しており、冷却通路が、ピストン上側部分とピストン下側部分とによって形成されていて、その横断面においてピストン上側部分とピストン下側部分とによって仕切られている形式のものに関する。エンジン出力の上昇時に圧縮高さの減少および熱負荷の増加が得られ、ピストンの組立てが継ぎ目変化なしに可能となるようにしたい。このことは、本発明によれば、ピストン上側部分（１）とピストン下側部分（２）とが、載着面（１０ａ，１０ｂ，１２ａ，１２ｂ）を備えた支持手段（４，５，８，１３，１４）を有しており、載着面（１０ａ，１０ｂ，１２ａ，１２ｂ）が、第１および第２の載着部（１０，１２）を形成しており、ピストン上側部分（１）とピストン下側部分（２）との、第１の載着部（１０）を有する支持手段（５，８，１３）が、両ピストン部分を螺合するためのねじ山（８）を有しており、ピストン上側部分（１）とピストン下側部分（１）との螺合された状態で両ピストン部分が、専ら第１および第２の載着部（１０，１２）を介して支持されていることによって達成される。

Description

本発明は、内燃機関に用いられる、複数の部分から成る冷却されるピストンであって、当該ピストンが、一体に形成されたピストン上側部分と、一体に形成されたピストン下側部分とから成っており、ピストン上側部分が、燃焼キャビティと、リング部分を備えたリング壁とを有しており、ピストン下側部分が、箱状のピストンスカートと、ピストンをコネクティングロッドに結合するピストンピンを収容するためのボスと、ピストンスカートに結合されたボス支持部とを有しており、冷却通路が、ピストン上側部分とピストン下側部分とによって形成されていて、その横断面においてピストン上側部分とピストン下側部分とによって仕切られている形式のものに関する。

冒頭で述べた形式のピストンは、たとえばドイツ連邦共和国特許第８００３５０号明細書、ドイツ連邦共和国特許出願公開第２２１２９２２号明細書、ヨーロッパ特許出願公開第０６０４２２３号明細書、特開昭６０−１４３１４８号公報、特開昭６０−１７８３４５号公報に基づき公知である。この公知のピストンは、ほぼ中心の螺合部を有していて、これによって、いわゆる「組立形ピストン」の既知の欠点を有している。この組立形ピストンでは、ピストン上側部分とピストン下側部分との点状の結合によって、燃焼圧下で、摩耗を招く相対運動が両ピストン構成部分の間に生ぜしめられる。特に耐摩耗性のピストン上側部分と、軽金属から成るピストン下側部分との結合によって形成されたこのピストンの利点を、前述した欠点なしに甘受するために、過去に、たとえばフランス国特許出願公開第７５３６１５号明細書またはアメリカ合衆国特許第２１５９９８９号明細書に基づき公知であるように、螺合部が外側のピストン縁領域に敷設された。一般的に、１９３０年代から知られているこの構造は、現代のピストンのコンセプトと比較することはできない。なぜならば、この構造は、著しく僅かな燃焼室圧に対して構想されていたからである。さらに、燃焼キャビティは、このような形式の構造では可能となり得ない。

さらに、ドイツ民主共和国特許出願公開第１２３９６２号明細書に基づき、ピストンベースボディが、トップランドと、リング範囲またはリング範囲の一部を形成する、任意の適切な材料から成る円環エレメントに機械的に結合（ここでは螺合）されていて、解離に対して防護されていることによって、耐摩耗性のピストンリング範囲が形成されるピストンが公知である。しかし、リング範囲しか耐摩耗性の材料から成っておらず、高い圧縮圧と同時に僅かなピストン構造高さを実現することができないという欠点がある。

異なる材料から成るピストン部分の結合部としての中心のもしくは中心からずれた螺合部のほかに、溶接法、たとえば摩擦溶接法も国際公開第００／０６８８２号パンフレットに基づき公知である。これによって、ピストン上側部分とピストン下側部分とを比較的簡単に溶接することができる。しかし、溶接によって生ぜしめられる、材料継ぎ目における変化が欠点となる。この変化は応力亀裂を生ぜしめるものの、結合したい部分のための材料選択における制限によって一層欠点となる。

したがって、本発明の課題は、エンジン出力の上昇時に圧縮高さの減少および熱負荷の増加を許容していて、ピストンの組立てを継ぎ目変化なしに可能にする、内燃機関に用いられる、複数の部分から成る冷却されるピストンのためのピストンコンセプトを見い出すことである。

この課題は、冒頭で述べた形式のピストンにおいて、請求項１の特徴によって解決される。この解決手段によれば、ピストン上側部分とピストン下側部分とが、載着面を備えた支持手段を有しており、載着面が、第１および第２の載着部を形成しており、ピストン上側部分とピストン下側部分との、第１の載着部を有する支持手段が、両ピストン部分を螺合するためのねじ山を有している。ピストン上側部分とピストン下側部分との螺合された状態で両ピストン部分が、専ら第１および第２の載着部を介して支持されている。これにより得られる機械的な安定性は、溶接されたピストン部分結合部よりも内部応力の回避に基づき優れている。特にこの安定性は、ピストン直径に関する載着部の配置形式によって、第１の載着部が半径方向内側に配置されており、第２の載着部が半径方向外側に配置されており、両載着部が、ピストン高さに関して異なる平面に配置されていることによって達成され、これによって、効果的な内側のかつ外側の支持が得られる。本発明によれば、環状リブおよび環状の支持リブとして形成された支持手段の一部が、ピストン部分を螺合するためのねじ山を有している。この場合、環状リブはその壁構造において、この環状リブによって、螺合結合部の安定性を減少させることなしに、ピストンヘッドに加えられる燃焼室圧に基づく弾性変形が可能となるようにように形成されている。特に有利には、ピストン長手方向軸線から半径方向でピストン周壁面に向かって延びる半径に関して規定された支持手段の位置配置形式によって、力伝達経路がピストンヘッドから支持手段を介してボス支持部もしくはピストンピンに有効にピストン材料の過負荷なしに導出される。したがって、機械的な負荷、たとえば応力亀裂に基づく損傷が効果的に回避可能となる。さらに、本発明による構造は、ピストン下側部分に対するピストン上側部分のセンタリングが螺合によって行われず、第２の載着部、すなわち、外側の載着部を形成する支持手段の段状の構成の壁領域によって行われるという利点を有している。本発明による解決手段によって、耐熱性の鋼から成るピストン上側部分と、鍛造されたＡＦＰ鋼（析出硬化型のフェライト系〜パーライト系の鋼）から成るピストン下側部分とが、特に簡単にかつ廉価に結合可能となる。

有利な改良形は従属請求項の対象である。

以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

複数の部分から成る冷却されるピストン２０、つまり、冷却式の組立形ピストンは、図１から明らかであるように、ピストン上側部分１とピストン下側部分２とから成っている。ピストン上側部分１は、燃焼キャビティ３と、リング部分１１を備えたリング壁４とを有しており、ピストン下側部分２は、箱状のピストンスカート９と、ピストンをコネクティングロッドに結合するピストンピン（図示せず）を収容するためのボスと、ピストンスカート９に結合されたボス支持部６とを有している。冷却通路７はピストン上側部分１とピストン下側部分２とによって形成されていて、その横断面においてピストン上側部分１とピストン下側部分２とによって仕切られている。

ピストン上側部分１は支持手段を有している。この支持手段は、燃焼キャビティ３と反対の底側に配置された環状の載着面１０ａと、リング壁４の水平な横断面１２ａの一部と、環状リブ５とから成っている。ピストン下側部分２にも同じく支持手段が設けられている。この支持手段は、環状の支持リブ１３と、この支持リブ１３の横断面１０ｂと、環状の支持ウェブ１４とから成っている。両ピストン部分１，２のための平らなかつ水平な第１の載着部１０を形成するためには、環状の載着面１０ａと、環状の支持リブ１３の横断面１０ｂとが働く。この場合、載着部１０はピストン直径Ｄに関して半径方向内側に配置されていて、内側の支持部を形成している。両ピストン部分のための、平らにかつ水平に配置された第２の載着部１２は、リング壁４の横断面１２ａの水平な部分と、環状の支持ウェブ１４の横断面１２ｂとから成っており、これによって、支持ウェブ１４の段状の構成が形成されている。この構成によって、ピストン上側部分がセンタリングされている。主として、このセンタリングのためには、リング壁４の壁領域４ａ（図２参照）が働く。この壁領域４ａは、図１および図２から明らかであるように、その横断面でピストンスカート９に対して軸方向にエアギャップを形成している。第１および第２の載着部は、ピストン高さに関して、それぞれ異なる水平な平面Ｅ１，Ｅ２に配置されている。両平面Ｅ１，Ｅ２は高さＨによって特徴付けられている。

ピストン上側部分１とピストン下側部分２とを螺合するためのねじ山８は、環状リブ５の、ピストン直径に対して半径方向外向きに位置する周面に雄ねじ山として形成されていて、環状の支持リブ１３の、半径方向内向きに位置する周面に雌ねじ山として形成されている。図３から明らかであるように、ピンボスに向けられた環状リブ５は軸方向のピストン方向で、少なくとも部分的に円筒状にまたは円錐状に成形された区分１３ａを示している。この区分１３ａはねじ山を有していて、ピストン軸線（Ｋ）に対して平行に延びている。この場合、環状リブの、円筒状にまたは円錐形に成形された区分には、区分１３ｂが燃焼キャビティ３の方向で、減少させられた肉厚を備えて続いている。これによって、弾性的な領域が形成される。この領域は、燃焼室圧によって形成された機械的な応力を吸収することができ、ピストンピンに導出することができる。

環状リブ５の、ねじ山を有する周面は半径Ｒ_周壁（Ｒ_Ｍ）を有している。この半径Ｒ_周壁（Ｒ_Ｍ）は範囲Ｒ_周壁＜Ｒ_{ボス支持部の中心}（Ｒ_ＭＮ）およびＲ_周壁＞Ｒ_{ボス支持部の内側の端部}（Ｒ_ＩＥＭ）に配置されている。この場合、全ての半径は、ピストン長手方向軸線（Ｋ）から出発して半径方向でピストン周壁面に向かって規定されており、半径「ボス支持部の中心」および「ボス支持部の内側の端部」は、図１および図２に示したように、ボス孔の頂点（Ｎ_Ｚ）に関連している。

両ピストン部分の組立ては、支持リブ１３に対して張り出した壁領域４ａによって、ピストン上側部分１がピストン下側部分２に対してセンタリングされ、次いで、このピストン下側部分２に螺合されることによって行われる。第２の載着部１２に対する第１の載着部１０の高さ（両平面Ｅ１，Ｅ２の間隔）は、約５０μｍの高さ差によって、まず、外側の載着面１２ａ、１２ｂが接触し、高さ差を克服するためのさらなるねじり運動後に内側の載着面１０ａ，１０ｂが接触するように形成されているので、ピストン上側部分１とピストン下側部分２との完全に螺合された状態で形成された冷却通路７は載着面１０ａ，１０ｂ，１２ａ，１２ｂによってしかシールされていない。大きな直径に基づき、ねじ山は自縛式である。しかし、付加的には、半径方向に設けられた第３の溝の下方に締付けスリーブが設けられていてよい。

ピストン上側部分１は、耐酸化性のかつ／または耐熱性の材料から成っていていよい。一般的には、４％以上クロムを含有した鋼が使用される。この鋼は、ＤＩＮＥＮ１００２７−２（鋼グループ−番号１．４ｘｘｘ）による化学的に安定した鋼の材料グループ、たとえば耐熱性のステンレス鋼と、合金化された工具鋼の材料グループ、たとえば合金化された熱間加工鋼とから成っている。

ピストン下側部分は、析出硬化型のフェライト系〜パーライト系の鋼または熱処理鋼から成っている。この場合、一般的には、（ドイツの鋼−鉄材料シート１０１による）鋼品質３８ＭｎＶＳ６または４２ＣｒＭｏ４が使用される。

ピン方向で断面した本発明によるピストンの横断面図である。

側圧−反側圧方向で断面した本発明によるピストンの横断面図である。

図１に示した、円によって特徴付けた部分の拡大図である。

符号の説明

１ピストン上側部分、２ピストン下側部分、３燃焼キャビティ、４リング壁、４ａ壁領域、５環状リブ、６ボス支持部、７冷却通路、８ねじ山、９ピストンスカート、１０載着部、１０ａ，１０ｂ載着面、１１リング部分、１１ａリング溝、１２載着部、１２ａ，１２ｂ載着面、１３支持リブ、１３ａ，１３ｂ区分、１４支持ウェブ、２０ピストン、Ｅ１，Ｅ２平面、Ｈ高さ、Ｋピストン長手方向軸線、Ｎ_Ｚ頂点

Claims

内燃機関に用いられる、複数の部分から成る冷却されるピストンであって、当該ピストンが、ピストン上側部分とピストン下側部分とから成っており、ピストン上側部分が、燃焼キャビティと、リング部分を備えたリング壁とを有しており、ピストン下側部分が、箱状のピストンスカートと、ピストンをコネクティングロッドに結合するピストンピンを収容するためのボスと、ピストンスカートに結合されたボス支持部とを有しており、冷却通路が、ピストン上側部分とピストン下側部分とによって形成されていて、その横断面においてピストン上側部分とピストン下側部分とによって仕切られている形式のものにおいて、
−ピストン上側部分（１）とピストン下側部分（２）とが、載着面（１０ａ，１０ｂ，１２ａ，１２ｂ）を備えた支持手段（４，５，８，１３，１４）を有しており、載着面（１０ａ，１０ｂ，１２ａ，１２ｂ）が、第１および第２の載着部（１０，１２）を形成しており、
−ピストン上側部分（１）とピストン下側部分（２）との、第１の載着部（１０）を有する支持手段（５，８，１３）が、両ピストン部分を螺合するためのねじ山（８）を有しており、
−ピストン上側部分（１）とピストン下側部分（１）との螺合された状態で両ピストン部分が、専ら第１および第２の載着部（１０，１２）を介して支持されている
ことを特徴とする、内燃機関に用いられる、複数の部分から成る冷却されるピストン。
第１および第２の載着部（１０，１２）が、ピストン高さに関して、それぞれ異なる水平な平面（Ｅ１，Ｅ２）に配置されている、請求項１記載のピストン。
第１の載着部（１０）が、ピストン直径に関して半径方向内側に配置されていて、ピストン上側部分のための内側の支持部を形成しており、第２の載着部（１２）が、ピストン直径に関して半径方向外側に配置されていて、ピストン上側部分のための外側の支持部を形成している、請求項１または２記載のピストン。
ピストン上側部分（１）の支持手段が、燃焼キャビティと反対の底側の載着面（１０ａ）と、リング壁（４）の水平な横断面（１２ａ）の一部と、環状リブ（５）とを有しており、ピストン下側部分（２）の支持手段が、環状の支持リブ（１３）と、該支持リブ（１３）の横断面（１０ｂ）と、横断面（１２ｂ）を備えた環状の支持ウェブ（１４）とを有している、請求項１記載のピストン。
ピストン上側部分とピストン下側部分とを螺合するためのねじ山（８）が、環状リブ（５）の、ピストン直径に関して半径方向外向きに位置する周面に雄ねじ山として形成されていて、環状の支持リブ（１３）の、半径方向内向きに位置する周面に雌ねじ山として形成されている、請求項１または４記載のピストン。
ピンボスに向けられた環状リブ（５）が、軸方向のピストン方向で、少なくとも部分的に円筒状にまたは円錐形に成形された区分（１３ａ）を有しており、該区分（１３ａ）が、ねじ山を有していて、ピストン軸線（Ｋ）に対して平行に延びている、請求項４記載のピストン。
環状リブ（５）の、円筒状にまたは円錐形に成形された区分（１３ａ）に区分（１３ｂ）が、燃焼キャビティ（３）の方向で、減少させられた肉厚を備えて続いている、請求項６記載のピストン。
環状リブ（５）の半径Ｒ_周壁（Ｒ_Ｍ）が、範囲Ｒ_周壁＜Ｒ_{ボス支持部の中心}（Ｒ_ＭＮ）およびＲ_周壁＞Ｒ_{ボス支持部の内側の端部}（Ｒ_ＩＥＭ）に配置されており、全ての半径が、ピストン長手方向軸線（Ｋ）から出発して半径方向でピストン周壁面に向かって規定されており、半径「ボス支持部の中心」および「ボス支持部の内側の端部」が、ボス孔の頂点（Ｎ_Ｚ）に関連している、請求項４記載のピストン。
第１の載着部（１０）の載着面が、燃焼キャビティ（３）と反対の底側に配置された載着面（１０ａ）と、環状の支持リブの横断面（１０ｂ）とから成っている、請求項４記載のピストン。
第１の載着部（１０）が、リング部分（１１）に対してほぼ中心に配置されている、請求項９記載のピストン。
第２の載着部（１２）が、リング壁（４）の全横断面の一部と、環状の支持ウェブ（１４）の横断面（１２ｂ）とから成っており、これによって、支持ウェブ（１４）の段状の構成が形成されており、該構成によって、ピストン上側部分（１）がセンタリングされている、請求項１記載のピストン。
第２の載着部（１２）が、一番下側のリング溝（１１ａ）の下方に所定の間隔（ａ）を置いて配置されている、請求項１１記載のピストン。
ピストン上側部分（１）とピストン下側部分（２）との螺合された状態で形成される冷却通路（７）が、載着面（１０ａ，１０ｂ，１２ａ，１２ｂ）によってしかシールされていない、請求項１記載のピストン。
ピストン上側部分（１）が、耐酸化性のかつ／または耐熱性の材料から成っており、ピストン下側部分（２）が、析出硬化型のフェライト系〜パーライト系の鋼または熱処理鋼から成っている、請求項１記載のピストン。