JP2012507651A - 内燃機関の、クーリングチャンネルを閉鎖する閉鎖エレメントを備えたクーリングチャンネル付きピストン - Google Patents
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Abstract
本発明は、クーリングチャンネル付きピストン(1)であって、該クーリングチャンネル付きピストン(1)が、リング範囲(3)の背後に位置する、周方向に延びるクーリングチャンネル(6)を有しており、クーリングチャンネル付きピストン(1)が、鋼材料から鍛造されており、クーリングチャンネル(6)が、上側部分(2)においてリング範囲(3)の下方と、下側部分(7)においてピストンボス(9)およびピストンスカート(10)の上方との間に切削加工によって加工されており、クーリングチャンネル(6)が、リング範囲(3)の背後で上側部分(2)の上面の方向に延びている形式のものに関する。本発明によれば、クーリングチャンネル付きピストン(1)が、そのピストンボス(9)およびピストンスカート(10)の上方に、外方に向けられた支持領域(AB)を有しており、リング範囲(3)の下縁部と支持領域(AB)との間に、クーリングチャンネル(6)をその製作後に閉鎖する閉鎖エレメント(14)が配置されていて、固定されていることが提案されている。
Description
本発明は、クーリングチャンネル付きピストンであって、該クーリングチャンネル付きピストンが、リング範囲の背後に位置する、周方向に延びるクーリングチャンネルを有しており、クーリングチャンネル付きピストンが、鋼材料から鍛造されており、クーリングチャンネルが、上側部分においてリング範囲の下方と、下側部分においてピストンボスおよびピストンスカートの上方との間に切削加工によって加工されており、クーリングチャンネルが、リング範囲の背後で上側部分の上面の方向に延びている形式のものに関する。
冒頭で述べた形式のクーリングチャンネル付きピストンおよびクーリングチャンネル付きピストンを製作するための方法は、ドイツ連邦共和国特許第10013395号明細書に基づき公知である。この公知のクーリングチャンネル付きピストンでは、ピストン中間製品が鋼材料から鍛造される。鍛造法は、特に高い強度特性を備えた材料組織が得られるという利点を有している。このことは、最近の内燃機関へのクーリングチャンネル付きピストンの使用時の強度要求を満たすために必要である。この強度要求は、特にますます高まる燃焼圧および燃焼温度ならびに内燃機関のシリンダ室内への燃料の噴射圧に起因している。
ピストン中間製品が鍛造され、すでにピストンスカートとピストンボスとが一緒に鍛造された後、ピストンの上側部分と下側部分との間に切削加工によって複数回のステップでクーリングチャンネルが切り抜かれる。ドイツ連邦共和国特許第10013395号明細書の方法では、クーリングチャンネルが、規定された形式で切り抜かれ、これによって、クーリングチャンネルがリング範囲の背後でクーリングチャンネル付きピストンの上側部分の上面の方向に延びており、これによって、1つには、クーリングチャンネルの容積が増加させられ、もう1つには、ピストン全体の構造高さが可能な限り低く保たれることが特に有利である。クーリングチャンネルの機能、つまり、クーリングチャンネル内での冷媒、たとえばエンジンオイルの循環を実現するためには、さらに、クーリングチャンネルが閉鎖エレメントによって閉鎖されることが必要となる。ドイツ連邦共和国特許第10013395号明細書のクーリングチャンネル付きピストンの構成に基づき、閉鎖エレメントをピストンヘッドの上面のレベルに対して平行なレベルで閉鎖することしか可能ではない。しかし、これは、クーリングチャンネル付きピストンの下側部分と上側部分との間に、半径方向に切り抜かれたギャップが残され、内燃機関のシリンダ室内での運転中にピストンの弱化部を弱化させることを意味している。
したがって、本発明の課題は、公知先行技術に基づくクーリングチャンネル付きピストンに比べて改善された、特に内燃機関のシリンダ室内での運転の間の所要の強度要求を満たすクーリングチャンネル付きピストンを提供することである。
この課題を解決するために本発明に係るクーリングチャンネル付きピストンでは、クーリングチャンネル付きピストンが、そのピストンボスおよびピストンスカートの上方に、外方に向けられた支持領域を有しており、(ピストンストローク軸線の方向で見て)リング範囲の下縁部と支持領域との間に、クーリングチャンネルをその製作後に閉鎖する閉鎖エレメントが配置されていて、固定されているようにした。
本発明に係るクーリングチャンネル付きピストンの有利な態様によれば、閉鎖エレメントが、耐熱性のプラスチックから成っている。
本発明に係るクーリングチャンネル付きピストンの有利な態様によれば、閉鎖エレメントが、一体にまたは複数分割式に形成されている。
本発明に係るクーリングチャンネル付きピストンの有利な態様によれば、閉鎖エレメントが、その上縁部および/または下縁部に少なくとも1つの段付け部を有しており、支持領域が、閉鎖エレメントの少なくとも1つの段付け部に対応する段付け部を同じく有している。
本発明に係るクーリングチャンネル付きピストンの有利な態様によれば、閉鎖エレメントが、リング範囲の下縁部にかつ/または支持領域に解離可能にまたは解離不能に結合されている。
本発明に係るクーリングチャンネル付きピストンの有利な態様によれば、閉鎖エレメントが、少なくとも1つの開口、有利には複数の開口を有している。
本発明に係るクーリングチャンネル付きピストンの有利な態様によれば、クーリングチャンネルとクーリングチャンネル付きピストンのピストン内部領域との間に少なくとも1つの横方向接続部が設けられている。
本発明によって、1つには、(特にクーリングチャンネルが、ドイツ連邦共和国特許第10013395号明細書に開示された方法によって加工された場合)効果的な大きなクーリングチャンネル容積が実現され、もう1つには、閉鎖エレメントの配置態様に基づき、クーリングチャンネル付きピストンの、燃焼圧により特に負荷を受ける上側部分を閉鎖エレメントを介してピストンスカートに支持することができるので、所要の強度が得られる。この目的のためには、閉鎖エレメントがピストンストローク軸線に対して(ドイツ連邦共和国特許第10013395号明細書のように横方向ではなく)平行に方向付けられている。
本発明の改良態様では、閉鎖エレメントが、特にシリコーンベースの耐熱性のプラスチックから成っている。プラスチックベースまたは鋼材料ベースの閉鎖エレメントは、一体にまたは複数分割式に形成されていてよい。これによって、剛性が特に高くなり、組付けが簡単となる。さらに、耐熱性のプラスチックから成る閉鎖エレメントは、プラスチックの安定性に基づき、ただ1回の閉鎖しか可能とならないのではなく、クーリングチャンネルを点検するために、ピストンのある程度の運転期間後にかつ内燃機関からのピストンの取出し後にプラスチック閉鎖リングを取り外すことができるという利点を有している。その後、クーリングチャンネルを新たな閉鎖エレメントまたはすでにこれまで使用されてた閉鎖エレメントによって再度閉鎖することができる。後者の可能性は、有利にはコスト削減に繋がる。
本発明の改良態様では、閉鎖エレメントが、リング範囲の下縁部にかつ/または支持領域に解離可能にまたは解離不能に結合されている。解離可能な結合は、閉鎖エレメントを取り外すことができ、クーリングチャンネルを同一のまたは別の閉鎖エレメントによって再度閉鎖することができるという利点を有している。さらに、解離不能な結合は、負荷を受けるピストンヘッドを運転中にピストンスカートに支持することができるので、剛性が改善されるという利点を有している。解離不能な結合は、点で行われてもよいし、周方向で一部範囲において行われてもよいし、全周にわたって行われてもよい。リング範囲の方向での閉鎖エレメントの上縁部の解離不能な結合ならびに支持領域の方向での閉鎖エレメントの解離不能な結合、さらに有利には、上縁部の全周での閉鎖エレメントの解離不能な結合が特に有利である。この解離不能な結合は、金属材料から成る閉鎖エレメントでは、たとえばろう接または溶接によって行うことができる。プラスチックから成る閉鎖エレメントは接着することができる。接着は、ろう接または溶接のための金属材料から成る閉鎖エレメントの場合でも、有利な択一的な態様である。これに対して択一的には、閉鎖エレメントが緊締によってリング範囲の下縁部と支持領域とに解離可能に結合されることが可能である。特に有利には、閉鎖エレメントが、その上縁部および/または下縁部に少なくとも1つの段付け部を有しており、支持領域が、閉鎖エレメントの少なくとも1つの段付け部に対応する段付け部を同じく有している。各段付け部は多段に形成されていてもよく、これによって、閉鎖エレメントが、たとえばキー・溝結合によってリング範囲の下縁部および/または支持領域に解離可能に固定される。
本発明の改良態様では、閉鎖エレメントが、少なくとも1つの開口、特に有利には、周方向で分配されて複数の開口を有していることが提案されている。1つまたはそれ以上の開口は、循環するエンジンオイルのうち、内燃機関のシリンダ内壁でのピストンスカートに対する潤滑手段として働くある程度の割合がクーリングチャンネルから流出するように選択されている。この目的のためには、少なくとも1つの開口もしくは複数の開口が、クーリングチャンネル付きピストンのピストンスカートの上方の閉鎖エレメントにおける所定の領域に設けられている。
本発明の改良態様では、クーリングチャンネルとクーリングチャンネル付きピストンのピストン内部領域との間に少なくとも1つの横方向接続部が設けられている。この少なくとも1つの横方向接続部を介して、特に有利には、複数の横方向接続部に基づき、ピストン内部領域に噴射されたエンジンオイルが、少なくとも1つの横方向接続部を介してクーリングチャンネル内に進入し、そこで循環し、少なくとも別の横方向接続部から再び流出し、その際に熱を導出し、これによって、ピストンヘッドが冷却されることが可能となる。
本発明の実施の形態をクーリングチャンネル(冷却通路)付きピストンの種々異なる断面図につき以下に詳しく説明する。
図1〜図3には、符号1でクーリングチャンネル付きピストンが示してある。このクーリングチャンネル付きピストン1は鋼材料から一体に形成されていて、リング範囲3を備えた上側部分2を有している。この上側部分2の上面には、燃焼室キャビティ4が存在しているものの、必ずしも存在している必要はない。符号5でピストン内部領域が示してある。リング範囲3およびピストン内部領域5の背後には、周方向にクーリングチャンネル6が延びている。
さらに、クーリングチャンネル付きピストン1は下側部分7を有している。この下側部分7は、ピン孔9を備えたピストンボス8と、ピストンスカート10とを有している。図1〜図3に示したクーリングチャンネル付きピストン1では、ピストンスカート10が周方向で一部領域にしか存在していない一方、ピストンボス8はクーリングチャンネル付きピストン1の外径に対して引っ込められている。本発明は、ピストンスカート10が周方向で円筒状に形成されていて、下側部分7の外部領域を形成しているピストンの構造形態に限定されるものではない。
ピストンボス8の領域にクーリングチャンネル6の方向で、このクーリングチャンネル6内に噴射したいエンジンオイルに対する少なくとも1つの流入開口11と、流出開口12とが存在していることが可能である。両開口11,12に対して択一的または補足的には、ピストン内部領域5とクーリングチャンネル6との間に少なくとも1つの横方向接続部13、有利には2つの横方向接続部(エンジンオイルに対する流出部および流入部)が存在していてもよい。
符号ABで、閉鎖エレメント14に対する外方に向けられた支持領域が示してある。この支持領域ABはピストンボス8(図1参照)の上方にもしくはピストンスカート10(図3参照)の上方に存在している。本発明では、有利には横断面図で見て長方形のかつ細長く形成された閉鎖エレメント14が、ピストンストローク軸線に対して平行に方向付けられていて、リング範囲3の下縁部と支持領域ABの上縁部との間に配置されていて、固定されている。図1〜図3に示したクーリングチャンネル付きピストン1の実施の形態では、閉鎖エレメント14をリング範囲3と支持領域ABとの間の領域に配置しかつ固定することができるようにするために、閉鎖エレメント14が少なくとも二分割式に形成されている。
第1の択一的な実施の形態では、閉鎖エレメント14を支持領域ABおよび/またはリング範囲3の下縁部に、たとえばろう接、溶接、接着またはこれに類するものによって解離不能に結合することができるのに対して、別の択一的な実施の形態では、閉鎖エレメント14がクーリングチャンネル付きピストン1に締まり嵌めによって配置され、固定される。このためには、閉鎖エレメント14がその上縁部および下縁部に一段の段付け部を有している。支持領域ABも同じく、閉鎖エレメント14の段付け部に対応する段付け部を有している。閉鎖エレメント14とリング範囲3の下縁部もしくは支持領域ABの上縁部との間には、多段の段付け部またはキー・溝結合部も可能である。
図1〜図3に示して説明したようなクーリングチャンネル付きピストン1の構成に類似して、図4および図5には、構成上の更なる詳細もしくはクーリングチャンネル付きピストン1の上側部分2にクーリングチャンネル6を加工するための方法の実施の形態が示してある。すでに図1〜図3に示したクーリングチャンネル付きピストン1のように、のちに閉鎖エレメント14が配置され、固定される箇所に、周方向に延びる切欠きが加工される。この切欠きは、支持領域ABと、リング範囲3の、全周にわたって延びる下縁部との間に延びている。このためには、円弧状のもしくは鎌形のチゼルMを備えた工具Wが使用される。この工具WのチゼルMは切欠き内に導入され、クーリングチャンネル付きピストン1を位置固定した状態で工具Wの半径方向運動に基づき運動させられるかまたは工具Wを位置固定した状態でこの工具Wに対して相対的にクーリングチャンネル付きピストン1が運動させられる。これによって、チゼルMまたはクーリングチャンネル付きピストン1の半径方向運動に基づき、クーリングチャンネル6を徐々に加工することができる。加工されたクーリングチャンネル6の横断面は、ほぼキドニ(腎臓)形状である図4に示した横断面形状を有している。クーリングチャンネル6の、ほぼキドニ状である図示の横断面の利点は、クーリングチャンネル付きピストン1の上側部分2における一層良好な応力分配と同時にクーリングチャンネル付きピストン1全体の重量の低下である。一層良好な応力分配は、円弧状のもしくは鎌形のチゼルMに起因したクーリングチャンネル6の横断面のより大きな曲率半径に基づき得られる。
図5には、仕上げ加工されたクーリングチャンネル付きピストン1をそれぞれ異なる方向から見た図が示してある。上側部分2に仕上げ加工されたクーリングチャンネル6が閉鎖エレメント14によって閉鎖されることを認めることができる。この閉鎖エレメント14は、すでに図1〜図3に示した実施の形態のように、ピストンスカート10の上方の支持領域ABと、リング範囲3の、周方向に延びる下縁部との間に支持されている。さらに、ピストン内部領域5とクーリングチャンネル6との間には、星形にもしくは半径方向に複数の横方向接続部13が存在している。
図4および図5に示した寸法の単位は「ミリメートル」である。
1 クーリングチャンネル付きピストン
2 上側部分
3 リング範囲
4 燃焼室キャビティ
5 ピストン内部領域
6 クーリングチャンネル
7 下側部分
8 ピストンボス
9 ピン孔
10 ピストンスカート
11 流入開口
12 流出開口
13 横方向接続部
14 閉鎖エレメント
AB 支持領域
2 上側部分
3 リング範囲
4 燃焼室キャビティ
5 ピストン内部領域
6 クーリングチャンネル
7 下側部分
8 ピストンボス
9 ピン孔
10 ピストンスカート
11 流入開口
12 流出開口
13 横方向接続部
14 閉鎖エレメント
AB 支持領域
Claims (7)
- クーリングチャンネル付きピストン(1)であって、該クーリングチャンネル付きピストン(1)が、リング範囲(3)の背後に位置する、周方向に延びるクーリングチャンネル(6)を有しており、クーリングチャンネル付きピストン(1)が、鋼材料から鍛造されており、クーリングチャンネル(6)が、上側部分(2)においてリング範囲(3)の下方と、下側部分(7)においてピストンボス(9)およびピストンスカート(10)の上方との間に切削加工によって加工されており、クーリングチャンネル(6)が、リング範囲(3)の背後で上側部分(2)の上面の方向に延びている形式のものにおいて、クーリングチャンネル付きピストン(1)が、そのピストンボス(9)およびピストンスカート(10)の上方に、外方に向けられた支持領域(AB)を有しており、リング範囲(3)の下縁部と支持領域(AB)との間に、クーリングチャンネル(6)をその製作後に閉鎖する閉鎖エレメント(14)が配置されていて、固定されていることを特徴とする、クーリングチャンネル付きピストン。
- 閉鎖エレメント(14)が、耐熱性のプラスチックから成っている、請求項1記載のクーリングチャンネル付きピストン。
- 閉鎖エレメント(14)が、一体にまたは複数分割式に形成されている、請求項1または2記載のクーリングチャンネル付きピストン。
- 閉鎖エレメント(14)が、その上縁部および/または下縁部に少なくとも1つの段付け部を有しており、支持領域(AB)が、閉鎖エレメント(14)の少なくとも1つの段付け部に対応する段付け部を同じく有している、請求項1から3までのいずれか1項記載のクーリングチャンネル付きピストン。
- 閉鎖エレメント(14)が、リング範囲(3)の下縁部にかつ/または支持領域(AB)に解離可能にまたは解離不能に結合されている、請求項1から4までのいずれか1項記載のクーリングチャンネル付きピストン。
- 閉鎖エレメント(14)が、少なくとも1つの開口、有利には複数の開口を有している、請求項1から5までのいずれか1項記載のクーリングチャンネル付きピストン。
- クーリングチャンネル(6)とクーリングチャンネル付きピストン(1)のピストン内部領域(5)との間に少なくとも1つの横方向接続部(13)が設けられている、請求項1から6までのいずれか1項記載のクーリングチャンネル付きピストン。
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