JP2011528764A

JP2011528764A - 最適化された冷却通路を有する、摩擦溶接された鋼製のピストン

Info

Publication number: JP2011528764A
Application number: JP2011519046A
Authority: JP
Inventors: グニースマーフォルカー
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2009-04-07
Publication date: 2011-11-24
Also published as: EP2304210A1; CN102149916A; WO2010009779A1; EP2304210B1; DE102008034430A1; PL2304210T3; DE102008034430B4

Abstract

本発明は、鋼製の上部３と下部２とを有する、内燃機関のピストン１であって、該ピストン）の少なくとも１つの接合ウエブ特に複数の接合ウエブ１０ａ，１０ｂ；１１ａ，１１ｂが接触部４の領域で摩擦溶接を介して素材結合式に結合され、１つの構成ユニットを形成しており、前記ピストン内に、冷却材によって負荷された少なくとも１つの冷却通路７が組み込まれていて、冷却材としての内燃機関の潤滑油が噴射ノズルの自由噴流を介して入口開口１４内に達し、冷却通路７を貫流して出口開口１５から流出するようになっている形式のものに関する。冷却材を冷却通路７内に導入するために、前記入口開口１４が、下部２内に嵌め込まれたフローパイプ１３，２３，３３，４３，５３を含有しており、該フローパイプの突出部が冷却通路底部１９から突き出していて、前記突出部の開口１７が、摩擦溶接部の少なくとも１つの溶接隆起部１２ａ，１２ｂの上に配置されている。

Description

本発明は、鋼製の上部と下部とを有する、内燃機関のピストンであって、該ピストンの少なくとも１つの接合ウエブ特に接合ウエブが接触部の領域で摩擦溶接を介して素材結合式に結合され、１つの構成ユニットを形成している形式のものに関する。冷却のために、前記ピストン内に、冷却材によって負荷された少なくとも１つの冷却通路が組み込まれている。冷却材として内燃機関の潤滑油が、噴射ノズルの自由噴流を介して入口開口内に達し、冷却通路を貫流して出口開口から流出するようになっている。

内燃機関のためのピストンの、強い熱負荷にさらされるゾーン、例えばピストンヘッドの燃焼室窪み又は第１の溝の領域は、効果的に冷却する必要がある。このために公知の構造では、ピストンに冷却通路が組み込まれている。有利には中空室として構成された冷却通路を通って冷却材（有利には内燃機関の潤滑油）が循環する。ピストン冷却の有効性は、特に冷却通路内の冷却材の交換容積によって決定される。

ＵＳ６１５５１５７号明細書によれば、摩擦溶接法によって素材結合式の接合された、互いに別個に製作可能な２つの構成部分を有する冷却通路型ピストンについて開示されている。冷却通路として、ピストンのピストンリング領域に対して半径方向で間隔を保って環状に延びる、回転対称的に構成された環状通路が設けられており、該環状通路は、定置に位置決めされた噴射ノズルを介して、冷却材特に内燃機関の潤滑油によって負荷される。

ドイツ連邦共和国特許第３９０６５８２号明細書によれば、複数部分より成るピストンが公知であり、該ピストンの各構成部材は、素材結合式に結合され、摩擦溶接によって１つの構成ユニットを形成する。この方法においては、各構成部材が圧力負荷下で、有利には回転運動によって、接触部若しくは接合ゾーンが、２つの構成部分を溶接するために適した温度に達するまで、互いに摩擦される。摩擦による加熱に続いて、押し潰し過程が行われる。この押し潰し過程において、構成部分の柔軟な又は溶融された領域が引き裂かれ、塑性変形され、互いに押し付けられる。この際に、接合ウエブの両側に、接触部から流れ出す溶接隆起部が形成される。

また、ピストンの構造高さに基づいて、ピストンの上部と下部との間に比較的短い接合ウエブが形成されている、小さい圧縮高さを有するピストンが提供される。これにより、接触部の領域における狭くなった構造スペースに基づいて、冷却通路の、孔として構成された入口開口及び出口開口が、摩擦溶接法による接合プロセス時に、溶接隆起部によって狭められる。これによって、冷却材交換は縮小し、ピストン冷却に不都合な影響を及ぼすことになる。

本発明の課題は、冷却通路内における冷却材の滞留時間を延長することができるような、改善された冷却作用を有する冷却通路型ピストンを提供することである。

この課題は、請求項１に記載の特徴及び、請求項１１に記載の方法によって解決された。

請求項１に記載した本発明によれば、冷却材を冷却通路内に導入するために、入口開口が、下部に嵌め込まれたフローパイプを含有している。冷却通路底部から突き出す突出部を有するフローパイプの開口は、接触部及び、摩擦溶接部の所属の溶接隆起部の上に配置されている。

フローパイプは、上部と下部との間に形成された接触部に配置されていて、該フローパイプの突出部が、冷却通路底部から突き出している。突出部の寸法は、本発明によれば、フローパイプの開口は、特に摩擦溶接によって形成された溶接隆起部の上に配置されている。これによって、ピストン冷却の有効性を決定する冷却材交換は、制限されることなく維持される。何故ならば、ピストンの冷却作用に不都合な影響を及ぼす、冷却通路の入口開口の領域内における溶接隆起部による横断面狭窄部が存在することはないからである。

ピストンの上昇ストローク中に、冷却通路内に存在する冷却材が、加速によって冷却通路底部に押し付けられる。この場合、フローパイプの本発明による組み込み位置は、冷却通路の入口開口を介して冷却材が流出するか又は逆流するのを阻止し、しかも３６０゜以上のクランク角度に亘って、冷却通路の充填を保証することができる。それと同時に、入口開口において溢れ出る冷却材によって発生する不都合なオイル泡立ちは避けられる。

冷却通路底部に配置された冷却材又は潤滑剤は、ピストン上死点において迅速に行われる、ピストンの運動逆転による慣性作用に基づいて、特にピストンヘッドの下側に形成された、冷却通路のカバー面に大きくぶつけられる。すべての冷却通路を負荷する冷却材は、ピストン・交換運動と相俟って、最適な冷却材流、並びに効果的なシェーカー（振動）作用を提供する。

冷却通路内での冷却材（冷却油）の滞留時間が長くなり、またシェーカー作用が強くなることによって、熱的に強く負荷された、冷却しようとするピストン領域の改善された所望の熱導出が得られる。

全冷却通路に亘って移動せしめられる冷却材は、冷却材の燃焼の危険性なしに、熱的に強く負荷されたピストンゾーンを効果的に冷却することができる。

本発明のその他の有利な実施態様は、従属請求項２〜１０に記載されている。

本発明の有利な実施態様によれば、フローパイプの開口と冷却通路底部との間の間隔「ｘ」は、冷却通路内におけるピストンの上方運動中の冷却材の充填レベルを規定する寸法「ｙ」よりも大きい。この間隔「ｘ」と寸法「ｙ」との間の調節された寸法差若しくは間隔差は、ピストン運動方向とは無関係に、不都合な逆流を生ぜしめることがないように、及びひいては入口開口の領域内における冷却材の噴射流に影響を及ぼすことはないように、保証される。頑丈なフローパイプは、摩擦溶接の前に、ピストン下部の収容孔内に次のように配置される、つまりピストン上部と接合された後で、間隔寸法「ｘ」が得られるように、配置される。フローパイプの堅牢な固定は、摩擦溶接中に形成される溶接隆起部を介して行われる。この溶接隆起部に、ピストン上部及びピストン下部が互いに素材結合式に結合される。本発明によれば、溶接隆起部とフローパイプとの間の形状結合式の結合によって、改善された固定が行われる。このために本発明によれば、フローパイプの外側輪郭が、溶接継ぎ目を収容するために規定された切欠を有している。安価に実現可能な切欠を形成するために、有利には、環状溝又は部分的に凹状に形成された外側輪郭が設けられている。

ピストン内に別個のフローパイプを軸方向で固定し、かつ最適に適合させるために、有利には鋼製のパイプが使用される。フローパイプのためには、特に熱膨張率がピストン材料と同じ程度である材料が選択されるので、内燃機関の運転中においても、信頼できる、遊びのない固定形式を選択することができる。

本発明によれば、かつピストン下部内に挿入され、かつ少なくとも１つの溶接隆起部を介して固定された、入口開口を形成するフローパイプは、有利にはピストンシャフト端部の方向に延長されている。これによって、有利な形式で噴射ノズルとフローパイプとの間の間隔は減少され、それによって、噴射ノズルを介してフローパイプ内に噴射される冷却材負荷の有効性及び効果は改善される。

別の有利な実施態様によれば、フローパイプは冷却通路側に、湾曲して構成された出口開口を備えている。有利には、フローパイプは、互いに逆向きの２つの出口を有しており、これらの出口は互いにＹ字形に配置されている。このような手段によって、下死点及び上死点において迅速に行われるピストン運動逆転が考慮され、また冷却通路底部と冷却通路の上面との間における冷却材の移動が考慮される。冷却通路底部と冷却通路の上面との間で冷却材が移動すると、ピストン外周面に対して垂直若しくは平行に配置されたフローパイプにおいて、シェーカー運動時に冷却材の部分量がフローパイプを負荷することになる。有利な形式で、ピストン運動方向若しくはピストンの長手方向軸線に対して傾斜した出口を有する、端部側が湾曲されたフローパイプは、ピストン運動方向とは無関係に、不都合な冷却材侵入を阻止する。また、互いに逆向きの２つの開口を備えたフローパイプは、環状に延在する冷却通路を均一に負荷するために、冷却材流を２つの方向に分割する分流器としての機能を有している。

本発明に従って構成された入口開口は、分割された冷却通路を有するピストンに転用することができる。このためには、各冷却通路半部又は各通路セグメントに、入口開口及び出口開口が配設されており、有利には各入口開口に、それぞれ１つの別個の噴射ノズルが配設されている。このような構成によって、冷却通路をより多くの冷却材流によって負荷することができる。このような開口の位置に関連して、冷却材は、並流又は向流で冷却通路セグメントを貫流する。

請求項１１に記載した本発明の、ピストンを製造するための方法は、次のようなステップを有している。まず、フローパイプをピストンの下部の収容孔内に嵌め込み、この際に、フローパイプの開口又は出口が接触部の上に配置されるように、組み込み位置が配慮される。次いでピストンの上部及び下部が摩擦溶接によって素材結合（素材同士の結合）式に接合される前に、ピストンの上部と下部とが組み立てられる。この際に、接触部の領域に形成される溶接隆起部が、フローパイプを少なくとも局所的に摩擦結合（摩擦による束縛）式に及び形状結合（形状による束縛）式に固定するようになっている。

次に本発明を図示の実施例を用いて詳しく説明する。

冷却通路の入口開口に配設されたフローパイプを備えた、本発明に従って構成されたピストンの部分断面図である。選択的に配置されたフローパイプを備えた、図１に示したピストンと同じ部分断面図である。フローパイプの詳細を示す拡大図である。端部側がアーチ形に構成された２つの出口を備えたフローパイプの拡大図である。溶接隆起部を収容する外側の環状溝を備えたフローパイプ区分の拡大図である。湾曲した外側輪郭を有するフローパイプの拡大図である。

図１は、下部２と上部３とから成るピストン１の半断面図を示す。下部２と上部３とは、接触部４の領域において摩擦溶接によって素材結合（材料同士の結合）式に結合され、１つの構成ユニットを形成している。ピストン１の上部３は、ピストンヘッド５の領域で燃焼室窪み６を形成している。ピストン１内に組み込まれた、環状に形成された冷却通路７が、上部３を基点として下部２内に延在しており、この冷却通路７は、外側輪郭部９に形成されたピストンリング領域８に対して半径方向で間隔を保っている。上部３は、半径方向で互いにずらされた、回転対称的な接合ウエブ１０ａ，１０ｂを形成している。これらの接合ウエブ１０ａ，１０ｂは、下部２の対応する接合ウエブ１１ａ，１１ｂと共に接触部４を形成している。溶接隆起部１２ａ，１２ｂ，１２ｃによって示された摩擦溶接部によって、接合ウエブ１０ａ，１０ｂ；１１ａ，１１ｂは接触部４の領域において素材結合式に結合されて、一体的な構成ユニットを形成している。

冷却通路７の冷却材負荷は、図１に示されていない、内燃機関内に定置に配置された噴射ノズルを介して行われる。冷却材は噴射ノズルから、フローパイプ１３を包囲する、冷却通路７の入口開口１４内に導入される。冷却材は、冷却通路７を貫流した後で出口開口１５を介して導出される。フローパイプ１３は、下部２の収容孔１６内に嵌め込まれていて、接触部４を越えて冷却通路側まで延びており、フローパイプ１３の開口１７は、溶接隆起部１２ａ，１２ｂの上側に位置している。この組み込み状態で、フローパイプ１３は、接触部４の領域において両側が部分的に溶接隆起部１２ａ，１２ｂによって位置固定されている。冷却材をフローパイプ１３内に良好に導入させるための手段として、フローパイプ１３はピン孔１８の方向に延長されている。

図２に示した実施例は、フローパイプの組み込み位置以外は、図１に示したピストン１とほぼ同じである。同じ構成部分には同じ符号が付けられている。従って、図２に関しては、図１の実施例とは異なるフローパイプの配置についてだけ説明する。ピストン１の接触部４は、内側の接合ウエブ１０ｂ、１１ｂに限定されている。ピストンリング領域８と下部２との間の切欠２４は、外側から別個のカバー２５によって閉鎖されており、それと同時にこのカバー２５は冷却通路７を仕切っている。フローパイプ２３は、冷却通路７に対して整列された端部の一方側が溶接隆起部１２ｂによって限定的に固定されている。

図３は、冷却通路７内に突入している、フローパイプ１３の端部領域を示す。この端部領域は、符号「ｘ」で示された突出部が冷却通路底部１９に対して延長されている。この突出部ｘは、符号「ｙ」で示された冷却材レベルを著しく越えている。フローパイプ１３の端部の突出部ｘと冷却材レベルｙとの間の、調節された寸法差は、ピストン１の上昇ストロークにおける冷却材の逆流を効果的に阻止する。

図４に示したフローパイプ３３の、冷却通路７に向いた側の端部に、アーチ状に湾曲した２つの出口３４，３５が続いている。冷却通路７の延在形状に合わせて配置された、互いに逆向きの出口３４，３５は、シェーカー（振動）作用によって冷却材がフローパイプ３３内に侵入するのを阻止する。また出口３４，３５は、冷却材流を分割する分流器を形成しており、それによって、環状に構成された冷却通路７が均一に負荷される。組み込み位置でフローパイプ３３は少なくとも部分的に、接触部４の領域内に形成された溶接隆起部１２ａ，１２ｂによって固定されている。
図５及び図６に示したフローパイプ４３及び５３は、その外側に少なくとも１つの溶接隆起部１２ａ，１２ｂを収容するために外側に切欠を有している。図５に示した環状溝４４は、接触部４の領域内に位置していて、フローパイプ４３を形状結合式の固定するために、溶接隆起部１２ａ，１２ｂによって十分に満たされている。図６に示したフローパイプ５３は、環状溝４４の代わりに、外側が凹状に延びる切欠５４を有しており、この切欠５４は、フローパイプ５３を組み込んだ状態で溶接隆起部１２ａ，１２ｂを収容するために設けられている。

１ピストン、２下部、３上部、４接触部、５ピストンヘッド、６燃焼室窪み、７冷却通路、８ピストンリング領域、９外側輪郭部、１０ａ，１０ｂ接合ウエブ、１２ａ，１２ｂ溶接隆起部、１４入口開口、１５出口開口、１６収容孔、１７開口、１８ピン孔、１９冷却通路底部、２５カバー、３４，３５出口、４４環状溝、５３フローパイプ、５４切欠

Claims

鋼製の上部（３）と下部（２）とを有する、内燃機関のピストン（１）であって、該ピストン（１）の少なくとも１つの接合ウエブ特に複数の接合ウエブ（１０ａ，１０ｂ；１１ａ，１１ｂ）が接触部（４）の領域で摩擦溶接を介して素材結合式に結合され、１つの構成ユニットを形成しており、前記ピストン（１）内に、冷却材によって負荷された少なくとも１つの冷却通路（７）が組み込まれていて、冷却材としての内燃機関の潤滑油が噴射ノズルの自由噴流を介して入口開口（１４）内に達し、冷却通路（７）を貫流して出口開口（１５）から流出するようになっている形式のものにおいて、
冷却材を冷却通路（７）内に導入するために、前記入口開口（１４）が、下部（２）内に嵌め込まれたフローパイプ（１３，２３，３３，４３，５３）を含有しており、該フローパイプの突出部が冷却通路底部（１９）から突き出していて、前記フローパイプの開口（１７）が、摩擦溶接部の少なくとも１つの溶接隆起部（１２ａ，１２ｂ）の上に配置されていることを特徴とする、内燃機関のピストン。
フローパイプ（１３）の開口（１７）と冷却通路底部（１９）との間の間隔「ｘ」が、冷却通路（７）内におけるピストン（１）の上方運動中の冷却材の充填レベルを規定する寸法「ｙ」よりも大きい、請求項１記載のピストン。
フローパイプ（１３，２３，３３，４３，５３）の固定が、少なくとも一方側で溶接隆起部（１２ａ，１２ｂ）を介して行われる、請求項１又は２記載のピストン。
組み込み状態において、フローパイプ（４３，５３）が、少なくとも１つの溶接隆起部（１２ａ，１２ｂ）によって形状結合式に固定されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のピストン。
フローパイプ（４３）の外側輪郭が、少なくとも１つの溶接隆起部（１２ａ，１２ｂ）を収容するための環状溝（４４）を有している、請求項４記載のピストン。
フローパイプ（５３）の外側輪郭が、少なくとも１つの溶接隆起部（１２ａ，１２ｂ）を収容するための、部分的に凹状に形成された切欠（５４）を有している、請求項４又は５記載のピストン。
鋼製のフローパイプ（１３，２３，３３，４３，５３）が嵌め込まれている、請求項１から６までのいずれか１項記載のピストン。
フローパイプ（１３，２３）が、下部（２）の収容孔（１６）から、ピストン（１）のピン孔（１８）の方向に延長されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のピストン。
フローパイプ（３３）が、湾曲して構成された、特にＹ字形に構成された２つの出口（３４，３５）を、冷却通路側に有している、請求項１から８までのいずれか１項記載のピストン。
冷却通路（７）が、互いに分離された２つの半部又は２つの冷却通路セグメントに分割されており、これらの半部又は冷却通路セグメントに、それぞれ１つの、フローパイプ（１３，２３，３３，４３，５３）を有する入口開口（１４）及び出口開口（１５）が配設されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のピストン。
請求項１から１０までのいずれか１項記載のピストンを製造するための方法において、
フローパイプ（１３，２３，３３，４３，５３）をピストン（１）の下部（２）の収容孔（１６）内に嵌め込み、
フローパイプ（１３，２３，３３，４３，５３）の組み込み位置を固定し、フローパイプ（１３，２３，３３，４３，５３）の開口（１７）又は出口（３４，３５）を、接触部（４）の上の組み込み位置に配置し、
上部（３）と下部（２）とを組み立て、
上部（３）と下部（２）とを摩擦溶接によって素材結合式に接合し、形成された少なくとも１つの溶接隆起部特に複数の溶接隆起部（１２ａ，１２ｂ）が、フローパイプ（１３，２３，３３，４３，５３）を少なくとも局所的に摩擦結合式又は素材結合式に固定するようにする、
ステップを有していることを特徴とする、ピストンを製造するための方法。