JP2010537103A - オイル流スロットを有するスカートを備えたピストン - Google Patents

Abstract

ピストンは、１対の直径方向に対向するスカート部を有し、各スカート部は、スカート部の外側面と内部空洞との間の流体連通を提供する開口部を有する。開口部は、スカート部の外側面に、ピン穴軸を通って延在する水平平面より上に円周方向に延在する上側バンド部と、この水平平面より下に円周方向に延在する下側バンド部とを提供する。

Description

関連出願の相互参照
この出願は、２００７年８月１３日に出願されその全体がこの明細書中に引用により援用される米国仮特許出願連続番号第６０／９５５，４２３号の利益を主張する。

発明の背景
１． 技術分野
この発明は、概して内燃機関に関し、より具体的には、重負荷ディーゼルエンジンのためのピストンに関する。

２． 関連技術
内燃機関、特にディーゼルエンジンは、オイル消費が多く、これは望ましくない排気物質を招くことが知られている。加えて、オイル消費とともに、ピストンの表面上に、特に、環状リング溝の中も含めてトップランド領域にカーボン蓄積が起こる。したがって、カーボン蓄積によってリング移動が制約されることによって、適正に燃焼ガスを封止し、オイル消費を制御するリングの効果が次第に落ちることによって、オイルブローバイの増加と、エンジン性能の低下と、エンジン構成部品寿命の短縮と、排出物質の増加とがもたらされる。

上述の問題に加えて、追加の既知の問題が、シリンダ内のピストン往復運動の経路に亘るオイルの不均一な乱流から起こる惧れがある。こういった追加の問題の中には、線形キャビテーションの開始およびピストンとシリンダライナとの間の摩擦の増大が含まれるものもある。線形キャビテーションは、ピストンの構成に影響されやすく、特にピストンがピストンと一体に形成された固定スカートを有するモノブロック構造からなる場合、影響されやすい。摩擦の増大は、誘導がないためピストン往復運動がシリンダライナ内で傾くピストンの二次運動に影響されやすい。オイル制御不能は、高速度のピストン運動に起因され、オイルの定在波を発生させる。スカートの上側部分においてそのようである場合、「オイル溢れ（oil flooding）」と称される現象が起こる。したがって、オイルの大部分はピストンの上側クラウンに向けて維持され、オイルはリングベルト領域に少しずつ流れ込む。リングベルトの端から端までのガス圧勾配がはっきりと規定されていないときなど、場合によっては、第１のリング溝が溢れると、オイル消費制御特性が失われる。オイルの二次定在波が、第１のリング溝の上側端縁で発生する。このオイルを火炎前面にさらすことにより、定在波中のオイルが分解および炭化されて、煤煙およびカーボンデポジット形成が発生する。したがって、ピストンのリング領域において、オイルの絶え間ない供給の維持は望ましいものの、過多はエンジン寿命に有害である惧れがあり、エンジン性能を低下させる惧れもある。

この発明に従って製造されたピストンおよびそれを備えたエンジンは、少なくとも上記で述べた問題から生じる欠点を克服または大幅に最小化することによって、ディーゼルエンジンが向上された性能レベルで動作することを可能にし、その一方で、ディーゼルエンジンの有用寿命を延ばす上に、ディーゼルエンジンの燃料消費、オイル消費および排気物質を削減する。

発明の概要
この発明の１つの局面に従って構築された内燃機関のためのエンジンは、上側クラウン部を有し、１対のピンボスが、上側クラウン部から垂下しており、横方向に間隔を置いて配置された１対のスカート部と一体に接合されている。スカート部の各々は、スカート部を貫通して、スカート部の外側面とスカート部と部分的に境を接する内側空洞との間に流体連通を提供するスロットを有する。スロットは、ピストン往復運動の方向を概ね横断して延在する上側端縁および下側端縁と、上側端縁と下側端縁との間に延在する側部とを有する。上側端縁および下側端縁は、輪郭成形され、独自開発形状を有して、層状かつ概ね均一なオイルの流れおよび分布をピストンの外側面に亘ってピストンの１サイクルに亘って促進する。輪郭成形された形状は、それによってオイル流を少なくともいくらかピストンの空洞の中に向け、その一方でピストンの外部の所望の流体力学的オイル膜を維持もする。

この発明の１つの局面に従って、スロットの各々の長さおよび幅は、それぞれのスカート面積の約２０〜８０パーセントを占める。

この発明の別の局面に従って、上側端縁と下側端縁とは、概ね同じに輪郭成形されている。

この発明の別の局面に従って、上側端縁と下側端縁とは、異なって輪郭成形されている。

この発明の別の局面に従って、上側端縁および下側端縁は、輪郭成形されて、スカートの外側面からスロットの内側面まで延在する線形面取り面を有する。

この発明の別の局面に従って、上側端縁および下側端縁は、輪郭成形されて、スカートの外側面からスロットの内側面まで延在する非線形面取り面を有する。非線形面取り部は、放物線形状または他の所望の多項式形状構成を含めて、任意の適切な輪郭から形成され得る。

この発明に従って製造されたピストンは、ピストンの１サイクル全体に亘るオイル流を改良し、ピストンのこのサイクルに亘る動的粘性摩擦を減少させ、ピストンのこのサイクル全体を通してピストンの誘導を向上させ、シリンダ線形キャビテーションを減少させ、ピストン粘性摩擦損失を減少させ、ピストンのリング溝の中およびこの溝を備えたピストンリング上のカーボン蓄積を減少させ、ピストンリングの動きを向上させ、オイル消費およびトップランドに接着する形成されたカーボンを減少させ、したがってカーボン蓄積によって典型的に引き起こされるボアの研磨を減少させ、排気物質を減少させ、概してエンジンの運転性能および寿命を向上させる。これらの有益な効果の総和により、エンジンの燃料消費が削減され、１ガロン当りのマイル数増が促進される。

この発明のこれらのおよび他の局面、特徴、および利点は、以下の現在好ましい実施例および最良の形態の詳細な説明、添付の特許請求の範囲、ならびに添付の図面を考慮すると、当業者には容易に明らかとなるであろう。

この発明の現在好ましい実施例に従ったピストン構造の部分斜視図である。 図１の２−２線に概ね沿って取った断面図である。 ３−３線に概ね沿って取った、この発明の１つの現在好ましい実施例に従ったピストンのスカートにあるスロットを示す概略部分断面図であり。 この発明の別の現在好ましい実施例に従ったピストンのスカートにあるスロットを示す図３と同様の図である。 この発明のさらに別の現在好ましい実施例に従ったピストンのスカートにあるスロットを示す図３と同様の図である。 この発明の１つの現在好ましい実施例に従って構築されたスロットを覗き込む、スカートの概略部分側面図である。 この発明の別の現在好ましい実施例に従って構築されたスロットを示す図６と同様の図である。 この発明の別の現在好ましい実施例に従って構築されたスロットを示す図６と同様の図である。

現在好ましい実施例の詳細な説明
図面をより詳細に参照して、図１および図２には、ディーゼルエンジンなどの内燃機関のシリンダボア（図示せず）における往復運動のための、この発明の１つの現在好ましい実施例に従って構築されたピストン１０が示されている。ピストン１０は鋳造か鍛造かのいずれかまたは任意の他の製造プロセスによる本体１２を有し、中心軸１４に沿って延在し、この中心軸に沿ってピストン１０はシリンダボア中を往復運動する。本体１２は、例として、下側クラウン１８に接合された上側クラウン１６を有し、下側クラウンが１対のピンボス２０を有し、ピンボスが上側クラウンから垂下して、中心軸１４を概ね横断して延在するピン穴軸２４に沿って位置合せされ横方向に間隔を置いて配置されたピン穴２２を提供しているとして表わされているが、これに限定されない。例として、ピンボス２０は、横方向に間隔を置いて配置されたスカート部２６に支柱部２８を介して接合されることによって、スカート部２６がピンボス２０と一体材料として形成されたいわゆる「モノブロック」ピストンを形成するが、これに限定されない。スカート部２６は、ピン穴軸２４に沿って互いから直径方向に間隔を置いて配置されており、シリンダボアとの協働のために輪郭成形された凸状の外側面３０を有して、ピストンがシリンダボアを通って往復運動するときピストン１０を所望の配向に維持する。往復運動中、流体力学的オイル膜がスカート部２６の外側面３０とシリンダボアの壁との間に形成され、維持されて、その間の動摩擦を最小化する。所望の流体力学的オイル膜厚およびオイルの分布をスカート部３０の外側面３０の端から端まで維持しやすくするために、貫通スロットまたは開口部３２がスカート部２６に形成されている。開口部３２は、機械加工、打ち抜き、鍛造もしくは鋳造工程、または任意の他のプロセスなどにおいて、意図される用途に所望されるようにさまざまな形状および大きさに形成されて、スカート部２６の外側面３０とスカート部２６間に形成された空洞３４との間のオイルの所望の流体連通を提供することができる。

ピストン１０の上側クラウン１６は、この明細書では、上側面３６を有し、燃焼ボウル３８がこの上側面に窪ませてあって、シリンダボアと共に所望のガス流を提供するように表わされている。外壁またはリングベルト４０は、上側面３６から下方へ延在し、少なくとも１つの環状リング溝４２がリングベルト４０にピストンリング４４の浮動式収容のために形成されている。ピストンリング４４は、その自由浮動状態で適正に機能しているとき、シリンダボア内での往復運動中にピストン１０を誘導しやすくし、その一方で燃焼ガスを封止し、上方への、それによってピストン本体１２より下からのオイルの通過を抑制もする。

下側クラウン１８は、この明細書では、鍛造プロセスにおいてなど、上側クラウン１６とは別個に形成されてから、上側クラウンに接合されるように表わされており、上側および下側クラウン１６、１８は、たとえば溶接継手４６で接合することができる。この発明に従って構築されたピストン１０は、たとえば鋳造プロセスなどの他のやり方で形成された上側および下側クラウン部を有し得、溶接継手以外の機構を用いて接合され得ることが認識されるべきである。

図１および図３に示されるように、スカート部２６にある開口部３２は、ピン穴軸２４を通って延在する水平面に概ね平行にかつ中心軸１４を概ね横断して延在する上側端縁４８および下側端縁５０と、この水平面を概ね横断して上側および下側端縁４８、５０間に延在する側部５２、５４とを有する。上側および下側端縁４８、５０は、開口部３２の長さに概ね対応し、側部５２、５４は、開口部３２の幅に概ね対応するが、最大幅は、側部５２、５４から延在または外方へ湾曲することができる。開口部３２の長さの幅に対する関係は、長さが幅より大きい関係だが、長さ対幅のアスペクト比は、比較的低い。したがって、開口部３２は、一般的に幅が広い。開口部３２の各々は、それぞれのスカート部２６のそれぞれの総面積の約２０〜８０パーセントを占める解放空間５６を提供し、個別スカート部総面積は、概ねスカート外側面３０の外周５８（図１）に縁取られている。したがって、シリンダボアと摩擦係合させることができるスカート外側面３０の面積は、スカート部２６の総面積の約２０〜８０パーセントまで減少され、スロット３２のスカート部２６の総面積に対する相対的な大きさに応じる。したがって、ピストンの重量を僅かに減少させることに加えて、スカート部２６とシリンダ壁との間の潜在的な動摩擦損失が減少される。スカート外側面面積を約４０パーセント減少させる開口部は、摩擦を実際的に実現可能な最大値から約８０パーセント削減する結果になることが発見された。

開口部３２は、上側バンド部６０および下側バンド部６２を形成するのに十分にスカート部２６の端から端まで延在する。上側および下側バンド部６０、６２は、概ね対称的な形状に設けることができるが、意図される用途に応じて、非対称的な形状も企図される。不連続な軸受「パッド」、すなわち不連続な個別に分離された荷重軸受領域を提供するような方法で開口部を構成することができるという局面が、この明細書中に含まれる。スカートバンド部に対するアプローチアングルおよびトレイリングアングルに関する現在の議論の多くは、厳密に、恐らくは一層厳密にこれらの不連続なパッドにも適用される。この後者の構成は、図面には描かれていないがこの発明の範囲内にあると考えられる局面である。

図３に最もよく示されるように、上側および下側端縁４８、５０は、それぞれ、スカート部２６の外側面３０から開口部３２の内側面６８まで延在する、滑らかな丸みの付いた、以下で面取り面６４、６６と称される面を有する。上側および下側面取り面６４、６６は、この明細書では、例として互いに概ね対称的で尖った角のないコーナ半径（ｒ）を有するとして示されている。方程式ｙ＝ａｘ²に対応する放物線状半径が望ましいと考えられている。この方程式は、流体膜の一定の加速度を与えるｄ²ｙ／ｄｘ²＝２ａの二次導関数を有するからである。したがって、一定の加速度を有することによって、オイルの層流が促進されることによって、乱流の減少、よってキャビテーションの減少がもたらされる。しかしながら、たとえばより高次の多項式も含めて、他の多項式形状面取り面構成がこの明細書中に企図されることが認識されるべきである。

往復運動中、滑らかな面取り面６４、６６は、オイルを半径方向に内方に開口部３２の中へと空洞３４の中へとの両方へ向け、その一方で十分な量のオイルを上側および下側バンド部６０、６２の外側面３０とシリンダボアとの間に維持もする。下降行程中、上側面取り面６４は、オイルが開口部３２を通って空洞３４の中へ進入することを促進し、逆に上昇行程中、下側面取り面６６は、オイルが開口部３２を通って空洞３４の中へ進入することを促進する。したがって、オイルを開口部３２の中へ内方へ向けることによって、流体圧勾配は、完全に両バンド６０、６２に亘って決定される。よって下降行程と上昇行程との間にリングベルト４０に隣接するオイルの定在波を形成する現象が防がれることによって、リングベルト４０の領域におけるオイル溢れ現象がなくなる。したがって、リングベルト４０の領域における、特にピストンリング４４上およびピストンリング溝４２中へのカーボンデポジットが回避される。したがって、ピストンリング４４は、リング溝４２内で自由浮動運動を維持して、シリンダボア内でのピストンリングの封止機能を促進し、その一方でトップランドへのオイル移行状態を防ぐこともできる。

軸受面がバンドまたは不連続なパッドとして成形されているこの発明の別の局面は、従来の湾曲した連続スカート外形によって可能とされたスラスト／非スラスト平面におけるピストンの二次揺動運動は、もはや当てはまらないことである。実際、この発明のスカート設計は、接触している親ライナに対して、２つまたは３つ以上の焦点軸受場所を示すように成形することができる。議論のためのみに２つまたは３つの焦点に制限すると、よって線または三角形支持が提供されることを思い浮かべることができるが、これに限定されない。結果として、ピストンは、シリンダボアの範囲内でよりうまく誘導されて、同心状に往復運動する。この構成は、より少ないクーロン摩擦ならびにより多くの完全に流体力学的な潤滑および安定した往復運動体制との助けになる。明らかにされたことの当然の帰結として、よって衝撃が回避され、ライナの機械的励振が最小化される。よってライナの冷却液側のキャビテーションが大きく防止される。

図４に示されるように、開口部３２は、互いに非対称な滑らかな面取り面を有して形成することができる。この実施例において、上側面取り面６４は、下側面取り面６６の曲率半径（ｒ）に対して、より大きな曲率半径（Ｒ）またはより緩やかな多項式曲線を有する。逆に、図５に示されるように、上側面取り面６４は、下側面取り面６６の曲率半径（Ｒ）に対して、減少された曲率半径（ｒ）またはより緩やかでない多項式曲線を有する。したがって、開口部３２の構成は、ピストン用途に最もよく適するように異なって構築することができる。

加えて、図６に示されるように、開口部３２は、上側および下側端縁４８、５０の長さに沿って概ね対称的な形状を有して構築することができる。さもなくば、図７および図８に示されるように、上側および下側端縁４８、５０は、異なる非対称形状を有して構築することができる。たとえば、図７には、下側端縁５０の曲率半径（ｒ）に対して、増大された曲率半径（Ｒ）をその長さに沿って備えた上側端縁４８を有する開口部３２の実施例が示されている。逆に、図８には、下側端縁５０の曲率半径（Ｒ）に対して減少された曲率半径（ｒ）をその長さに沿って備えた上側端縁４８を有する開口部３２の実施例が示されている。したがって、開口部３２を、所望の半径方向に内方へのオイル流をスロット３２を通して空洞３４の中へ得る数多くの構成を有し、かつその一方で上側および下側バンド部６０、６２とシリンダボア壁との間に所望の厚さの流体力学的オイル層を維持して構築することできることが認識されるべきである。不連続な軸受パッドがバンドに代えて用いられる場合、同じ考えが適用される。上側および下側端縁４８、５０の面取り面６４、６６の半径ならびに上側および下側端縁４８、５０のその長さに沿った曲率半径（ｒ、Ｒ）を必要に応じて調節し、組合せることができるよう、論じられた実施例のさまざまな置換えが構成されてもよいことも認識されるべきである。

明らかに、この発明の多くの変形例および変更例が上記の教示に鑑みて可能である。したがって、添付の特許請求の範囲の範囲内で、この発明は、具体的に説明されたのとは違うやり方で実施されてもよいことが理解されるべきである。

Claims (14)

1. 上側クラウン部を有するピストン本体と、
   前記上側クラウンから垂下しており、ピン穴軸に沿って互いに位置合せされたピン穴を有する１対のピンボスと、
   前記ピン穴軸の対向する側に配置された１対のスカート部とを備え、前記スカート部の各々は、凸状外側面と、空洞に面した内側面とを有し、開口部が前記外側面と前記空洞との間の流体連通を提供しており、前記開口部は、前記スカート部の前記凸状外側面に、前記ピン穴軸を通って延在する水平平面より上に円周方向に延在する上側バンド部と、前記水平平面より下に円周方向に延在する凸状下側バンド部とを提供している、ピストン。
2. 前記開口部の各々は、そのそれぞれの前記スカート部の前記外側面の面積の約２０から８０パーセントを占める、請求項１に記載のピストン。
3. 前記上側バンド部および前記下側バンド部は、そのそれぞれ前記スカート部の前記外側面の総面積の約２０から８０パーセントを占める、請求項１に記載のピストン。
4. 前記開口部は、前記水平平面に概ね平行に延在する周辺上側端縁および周辺下側端縁と、前記水平平面を概ね横断して前記上側端縁と前記下側端縁との間に延在する周辺側方端縁とを有する、請求項１に記載のピストン。
5. 前記上側端縁と前記下側端縁とは、前記スカート部の前記凸状外側面から前記空洞に向かって内方へ延在する実質的に同じ曲率半径を有する、請求項４に記載のピストン。
6. 前記曲率半径は、放物線状である、請求項５に記載のピストン。
7. 前記上側端縁と前記下側端縁とは、前記側方端縁間に延在する実質的に同じ曲率半径を有する、請求項５に記載のピストン。
8. 前記上側端縁と前記下側端縁とは、前記側方端縁間に延在する異なる曲率半径を有する、請求項５に記載のピストン。
9. 前記上側端縁と前記下側端縁とは、前記スカート部の前記凸状外側面から前記空洞に向かって内方へ延在する異なる曲率半径を有する、請求項４に記載のピストン。
10. 前記曲率半径のうち少なくとも１つは、放物線状である、請求項９に記載のピストン。
11. 前記上側端縁と前記下側端縁とは、前記側方端縁間に延在する実質的に同じ曲率半径を有する、請求項９に記載のピストン。
12. 前記上側端縁と前記下側端縁とは、前記側方端縁間に延在する異なる曲率半径を有する、請求項９に記載のピストン。
13. 前記スカート部は、前記ピンボスと一体型の材料として構築されている、請求項１に記載のピストン。
14. 前記ピストンは、モノブロックピストンである、請求項１３に記載のピストン。

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