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

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。

本発明に係るクーリングチャンネル付きピストンの縦断面図である。 本発明に係るクーリングチャンネル付きピストンの図１と異なる縦断面図である。 図１に示したＡ−Ｂ線に沿った本発明に係るクーリングチャンネル付きピストンの横断面図である。 本発明に係るクーリングチャンネル付きピストンのクーリングチャンネルを加工するための方法を示す図である。 仕上げ加工された本発明に係るクーリングチャンネル付きピストンを示す図である。

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

Claims (7)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。

Images