JP2014511454A - 内燃機関用のピストン - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関用のピストン（１０，１１０）であって、ピストンヘッド（１１）とピストンスカート（１７）とを備え、ピストンヘッド（１１）は、環状に延びるリング部（１５）と、該リング部（１５）の範囲に環状に延びるクーリングチャンネル（１６）とを有し、ピストンスカート（１７）は、それぞれそのスラスト側（ＤＳ）と反スラスト側（ＧＤＳ）とに対応する摺動面（２２，２３）を有する、内燃機関用のピストンに関する。本発明の構成では、クーリングチャンネル（１６）を起点として延びる少なくとも１つの孔（２４）が設けられており、該孔（２４）は、孔開口（２５）の形で、反スラスト側（ＧＤＳ）に対応する摺動面（２３）に開口していて、該孔（２４）がピストン中心軸線（Ｍ）に対して鋭角の角度（α）を成すように傾けられて配置されており、反スラスト側（ＧＤＳ）に対応する摺動面（２３）が、前記少なくとも１つの孔開口（２５）の範囲に凹部（２６）を有する。

Description

本発明は、内燃機関用のピストンであって、ピストンヘッドとピストンスカートとを備え、ピストンヘッドは、環状に延びるリング部と、該リング部の範囲に環状に延びるクーリングチャンネルとを有し、ピストンスカートは、それぞれそのスラスト側と反スラスト側とに対応する摺動面を有する、内燃機関用のピストンに関する。

最近の内燃機関では、摺動面への最適な潤滑オイル供給を保証することが困難である。このことは、ピストンの反スラスト側に対応する摺動面が、対応するシリンダ摺動面に接触する上昇行程についても、ピストンのスラスト側に対応する摺動面が、対応するシリンダ摺動面に接触する下降行程についても云える。上昇行程の際には、ピストンが、一般にオイルがほとんど、または全く提供されない範囲を運動する。なぜならば、先行した下降行程において、オイル掻取りリングが、存在するオイルをクランクシャフトハウジングの方向に運んでしまうからである。

本発明の課題は、冒頭で述べたピストンを改良して、エンジン運転中に、ピストンの、反スラスト側に対応する摺動面への改善された潤滑オイル供給が可能になるようなピストンを提供することである。

この課題の解決手段は、クーリングチャンネルを起点として延びる少なくとも１つの孔が設けられており、該孔は、孔開口の形で、反スラスト側に対応する摺動面に開口していて、該孔がピストン中心軸線に対して鋭角の角度を成すように傾けられて配置されており、反スラスト側に対応する摺動面が、前記少なくとも１つの孔開口の範囲に凹部を有することにある。

本発明によるピストンは、反スラスト側に対応する摺動面にクーリングチャンネルから的確に潤滑オイルが供給されるので、潤滑オイル膜上でのピストンの流体動力学的な浮揚が可能になることによりすぐれている。このことは、前記少なくとも１つの孔開口を取り囲む凹部により可能となる。上昇行程時では、潤滑オイルがクーリングチャンネルから前記孔内に押し込まれて、前記少なくとも１つの孔開口を通じて流出し、そして前記少なくとも１つの凹部内に捕捉される。捕捉された潤滑オイルは、前記少なくとも１つの凹部内に分配される。クーリングチャンネルからは常時、潤滑オイルが後供給されるので、オイル圧が形成され得る。潤滑オイルは前記少なくとも１つの凹部から前記摺動面に溢れ出て、前記摺動面の信頼性の良い潤滑を生ぜしめることができるので、上昇行程時に生じる摩擦力は著しく低減される。

有利な改良形は、従属形式の請求項に記載されている。

前記少なくとも１つの孔開口は、前記リング部のすぐ下で前記摺動面に開口していると有利である。これにより、特に前記摺動面の上側の範囲に潤滑オイルが供給される。

前記摺動面への潤滑オイルの供給を保証するために、前記孔が少なくとも２つ設けられていてよい。

前記少なくとも１つの凹部は、円形または半円形に形成されていると有利である。なぜならば、このようなジオメトリ（幾何学的形状）は特に簡単に製作され得るからである。

前記少なくとも１つの凹部は、１０〜３０μｍの深さを有していてよい。これによって、一方では十分な潤滑オイルが捕捉され、他方では十分に高いオイル圧が形成される。

ピストン構造に応じて、前記凹部は、当該ピストン自体の材料に形成されていてよいが、しかし前記摺動面に被着されているコーティング内または該コーティングを貫いて形成されていてもよい。

特に有利な改良形では、クーリングチャンネルを起点として延びる１つの孔が設けられており、該孔は、孔出口部に移行しており、該孔出口部は、スラスト側に対応する摺動面に開口していて、該孔出口部がピストン中心軸線に対して鋭角の角度を成すように傾けられて配置されており、これによりスラスト側に対応する摺動面に開口が形成されており、前記孔と前記孔出口部との間に、スラスト側に対応する摺動面に対して傾けられかつこの摺動面に移行する変向面が設けられており、スラスト側に対応する摺動面が、前記開口の範囲に凹部を有しており、該凹部が、前記開口の上方に少なくとも１つのオイル捕捉範囲を形成している。

この場合、上昇行程時に潤滑オイルがクーリングチャンネルから前記孔内に押し込まれて、前記孔出口部を通じて流出する。引き続き下降行程が行われると、潤滑オイルの一部が前記変向面によって捕捉され、残りはクーリングチャンネルへ戻る。下降行程の経過中に捕捉された潤滑オイルは、前記開口を取り囲む凹部内に分配されるので、この場合にもオイル圧が形成される。引き続き、潤滑オイルは、前記凹部からスラスト側に対応する摺動面に溢れ出て、この摺動面の信頼性の良い潤滑を生ぜしめることができるので、下降行程時に生じる摩擦力は同じく著しく低減される。

前記オイル捕捉範囲は、前記開口に対して直交する横方向に延びていると有利である。これにより、スラスト側に対応する摺動面のできるだけ大きな範囲に潤滑オイルが供給される。

前記オイル捕捉範囲が、前記開口の両側にそれぞれ１つのオイル捕集溜めを形成していると特に有利である。これにより、潤滑オイルは有利には、スラスト側に対応する摺動面の上側の範囲で捕集され、前記摺動面のこの範囲へ溢れ出ることができる。これによって、スラスト側に対応する摺動面の最大に負荷される範囲に潤滑オイルが特に信頼性良く供給される。

前記孔は、有利には当該ピストンの内部に形成された材料厚肉化部に延びていてよい。この材料厚肉化部は、既にピストンブランクの製造時、たとえば鍛造時または鋳造時に、導入され得る。

前記孔出口部により形成された開口は、たとえばボス中心の下方で、スラスト側に対応する摺動面に形成されていてよく、これにより前記摺動面のできるだけ大きな範囲に潤滑オイルが供給される。

前記凹部は、１０〜３０μｍの深さを有していてよい。これによって、一方では十分な潤滑オイルが捕捉され、他方では十分に高いオイル圧が形成される。

ピストン構造に応じて、前記凹部は当該ピストン自体の材料に形成されていてよいが、しかしスラスト側に対応する摺動面に被着されているコーティングに形成されていてもよい。

本発明は、あらゆるタイプのピストンおよびあらゆる構造のピストンのために適している。

以下に、本発明の実施形態を図面につき詳しく説明する。図面には、本発明の実施形態が概略的に図示されており、ただし縮尺通りには図示されていない。

本発明によるピストンの１実施形態の一部を示す断面図である。 図１に示したピストンを、９０°回転させた状態で示す側面図である。 本発明によるピストンの別の実施形態を示す断面図である。 図３に示したピストンを、９０°回転させた状態で示す側面図である。 図３に示したピストンの一部の拡大図である。 本発明によるピストンのさらに別の実施形態の一部を示す拡大図である。

図１および図２には、本発明によるピストン１０の第１実施形態が示されている。ピストン１０は、単一部分から成るピストンまたは複数部分から成るピストンであってよい。ピストン１０は鋼材料および／または軽金属材料から製造されていてよい。図１および図２には、単一部分から成る一体型のスリッパスカートピストンもしくはボックス型ピストン（Kastenkolben）１０が例示的に図示されている。このピストン１０は、ピストンヘッド１１を有し、このピストンヘッド１１は、燃焼キャビティ１３を有するピストン頂面１２と、環状に延びるトップランド１４と、ピストンリング（図示しない）を収容するリング部１５とを備えている。リング部１５の高さには、環状に延びるクーリングチャンネル１６が設けられている。ピストン１０はさらに、ピストンスカート１７を有し、このピストンスカート１７はピストンボス１８と、ピストンピン（図示しない）を収容するボス孔１９とを備えている。ピストンボス１８はボス結合部２１を介してピストンヘッド１１の下面１１ａに結合されている。ピストンボス１８は摺動面２２，２３を介して互いに結合されている。この場合、第１の摺動面２２はピストン１０のスラスト側ＤＳに対応しており、第２の摺動面２３はピストン１０の反スラスト側ＧＤＳに対応している。

本発明によるピストン１０は、本実施形態では、クーリングチャンネル１６を起点として延びる２つの孔２４を有する。これらの孔２４は、反スラスト側ＧＤＳに対応する第２の摺動面２３の方向に延びていて、傾けられて配置されており、この場合、孔２４はピストン中心軸線Ｍと共に鋭角の角度αを成している（図１参照）。

孔２４は孔開口２５の形で第２の摺動面２３に開口している。本実施形態では、両孔開口２５がピストンヘッド１１のリング部１５のすぐ下で、ピストンスカート１７のボス結合部２１の範囲において第２の摺動面２３に開口している。孔開口２５は本実施形態では、第２の摺動面２３の上側の縁範囲に配置されている（図２参照）。当然ながら、単に１つの孔開口しか設けられていなくてもよいし、３つまたはそれ以上の孔開口が設けられていてもよい。その場合、これらの孔開口は有利には第２の摺動面２３の幅にわたって分配されていると望ましい。

反スラスト側ＧＤＳに対応する第２の摺動面２３は、孔開口２５の範囲にそれぞれ１つの凹部２６を有する。本実施形態では、第２の摺動面２３が、コーティング２３ａ、たとえばグラファル（Grafal；登録商標）を備えており、凹部２６はこのコーティング２３ａに導入されているか、またはこのコーティング２３ａを貫いてピストンスカート表面にまで導入されている。本実施形態では、凹部２６が、約２０μｍの深さを有する。凹部２６は、凹部２６の深さがコーティングの厚さを上回るという理由であれ、コーティングが存在しないという理由であれ、直接に第２の摺動面２３の材料に導入されていてもよい。

凹部２６は、本実施形態では孔開口２５をほぼ半円形に取り囲んでいる。また、孔開口２５がリング部１５に対して、より大きな間隔を置いて配置されていて、凹部２６が孔開口２５を円形に取り囲んでいることも考えられる。

本発明によるピストン１０の、反スラスト側ＧＤＳに対応する摺動面２３には、エンジン運転中に以下に説明するように的確に潤滑オイルが供給される。上昇行程の際に、潤滑オイルはクーリングチャンネル１６から孔２４内に押し込まれて、孔開口２５を通じて流出し、そして凹部２６内に捕捉される。捕捉された潤滑オイルは凹部２６内に分配される。クーリングチャンネル１６からは常時、潤滑オイルが後供給（補給）されるので、オイル圧が形成され得る。これにより、ピストン１０の第２の摺動面２３は、対応するシリンダ摺動面に対して流体動力学的に浮揚することができる。潤滑オイルは凹部２６から摺動面２３へ溢れ出て、この摺動面２３の信頼性の良い潤滑を生ぜしめることができるので、摩擦力の発生は著しく減じられる。孔開口２５がリング部１５のすぐ下に有利に配置されることにより、特に第２の摺動面２３の高度に負荷される上側の範囲、つまり高負荷にさらされる上側の範囲に、潤滑オイルが供給される。

図３〜図６には、ピストン１１０の別の有利な実施形態が示されている。ピストン１１０の構造は、図１および図２に示したピストン１０に相当しているので、同一の構造体には同じ符号が付与されており、これらに関しては、図１および図２に関する上記説明を参照するものとする。

本発明によるピストン１１０は、以下の付加的な特徴によりすぐれている。

ピストン１１０は、クーリングチャンネル１６を起点として延びる別の１つの孔１２７を有する。この孔１２７は材料厚肉化部１２８内に形成されており、この材料厚肉化部１２８はピストン１１０の内室１２９に形成されている。材料厚肉化部１２８は、たとえばピストンブランクの製造時、たとえば鋳造時または鍛造時に導入され得る。孔１２７は、スラスト側ＤＳに対応する第１の摺動面２２の方向に延びていて、孔出口部１３１へ移行している。孔出口部１３１は、スラスト側ＤＳに対応する第１の摺動面２２に開口している。孔出口部１３１は傾けられて配置されており、この場合、孔出口部１３１はピストン中心軸線Ｍと共に鋭角の角度βを成している（図３参照）。本実施形態では、孔１２７が孔出口部１３１と同じ傾斜を有するので、孔１２７は孔出口部１３１と同じく、ピストン中心軸線Ｍと共に鋭角の角度βを成している。しかし、ピストン１１０の構造およびクーリングチャンネル１６の位置に応じて、孔１２７は上記構成とは異なって延びていてもよい。

孔１２７と孔出口部１３１との間では、摺動面側に変向面１３２が形成されている。この変向面１３２は第１の摺動面２２に対して傾けられている。すなわち、変向面１３２の、断面で見て得られる頂線（Scheitellinie）１３２ａは、第１の摺動面２２と共に鋭角の角度γを成している（図５参照）。

孔出口部１３１は第１の摺動面２２に開口していて、この場合、第１の摺動面２２には開口１３３が形成されている（図４参照）。本実施形態では、開口１３３がほぼスリット状に形成されているが、ピストン１１０の構造およびサイズに関連して別の形状も考えられる。開口１３３は本実施形態では、第１の摺動面２２のボス中心Ｎよりも下方に形成されている（図３）。

スラスト側ＤＳに対応する第１の摺動面２２は、開口１３３の範囲に凹部１３４を有する。本実施形態では、第１の摺動面２２がコーティング２２ａ、たとえばグラファル（Grafal；登録商標）を備えており、凹部１３４はこのコーティング２２ａに導入されている。本実施形態では、凹部１３４が約２０μｍの深さを有する。凹部１３４は、この凹部１３４の深さがコーティングの厚さを上回るという理由であれ、コーティングが存在しないという理由であれ、直接に第１の摺動面２２の材料に導入されていてもよい。コーティングが存在しない構成は図６に図示されている。

凹部１３４は開口１３３を完全に取り囲んでいて、原理的には任意に成形されていてよい。第１の摺動面２２の特に高負荷される範囲１３５への十分な潤滑オイル供給を保証するためには、開口１３３の上方にオイル捕捉範囲１３６が形成されている。本実施形態では、オイル捕捉範囲１３６が開口１３３に対してほぼ直交する横方向に延びていて、２つのオイル捕集溜め１３７を備えている。オイル捕集溜め１３７はそれぞれ開口１３３の左右に形成されている（図４参照）。図４には、補足的に、第１の摺動面２２の、エンジン運転中にピストンスカート１７の下縁１７ａから潤滑オイルを供給される範囲１３８が示されている。

本発明によるピストン１１０の、スラスト側ＤＳに対応する第１の摺動面２２には、エンジン運転中に、以下のように的確に潤滑オイルが供給される。上昇行程の際に、潤滑オイルはクーリングチャンネル１６から孔１２７内に押し込まれて、孔出口部１３１を通じて凹部１３４内へ流出する。引き続き下降行程が行われると、潤滑オイルの一部が変向面１３２によって捕捉されるので、潤滑オイルのこの一部は凹部１３４内に留まる。残りの潤滑オイルはクーリングチャンネル１６内へ戻る。下降行程の経過中に凹部１３４内に捕捉された潤滑オイルは凹部１３４内で分配されるので、この場合、やはりオイル圧が形成され、ピストン１１０の摺動面２２は、対応するシリンダ摺動面に対して流体動力学的に浮揚することができる。潤滑オイルは下降行程の間、オイル捕捉範囲１３６のオイル捕集溜め１３７内へ押し込まれて、凹部１３４から矢印Ｐの方向で第１の摺動面２２へ溢れ出る。したがって、この場合にも、第１の摺動面２２の特に高負荷される範囲１３５の信頼性の良い潤滑が保証され、下降行程時に生じる摩擦力は著しく減じられる。

Claims (15)

1. 内燃機関用のピストン（１０，１１０）であって、ピストンヘッド（１１）とピストンスカート（１７）とを備え、ピストンヘッド（１１）は、環状に延びるリング部（１５）と、該リング部（１５）の範囲に環状に延びるクーリングチャンネル（１６）とを有し、ピストンスカート（１７）は、それぞれそのスラスト側（ＤＳ）と反スラスト側（ＧＤＳ）とに対応する摺動面（２２，２３）を有する、内燃機関用のピストンにおいて、クーリングチャンネル（１６）を起点として延びる少なくとも１つの孔（２４）が設けられており、該孔（２４）は、孔開口（２５）の形で、反スラスト側（ＧＤＳ）に対応する摺動面（２３）に開口していて、該孔（２４）がピストン中心軸線（Ｍ）に対して鋭角の角度（α）を成すように傾けられて配置されており、反スラスト側（ＧＤＳ）に対応する摺動面（２３）が、前記少なくとも１つの孔開口（２５）の範囲に凹部（２６）を有することを特徴とする、内燃機関用のピストン。
2. 前記少なくとも１つの孔開口（２５）は、前記リング部（１５）のすぐ下で、反スラスト側（ＧＤＳ）に対応する摺動面（２３）に開口している、請求項１記載のピストン。
3. 前記孔（２４）が少なくとも２つ設けられている、請求項１記載のピストン。
4. 前記少なくとも１つの凹部（２６）が、円形または半円形に形成されている、請求項１記載のピストン。
5. 前記少なくとも１つの凹部（２６）が、１０〜３０μｍの深さを有する、請求項１記載のピストン。
6. 前記少なくとも１つの凹部（２６）が、当該ピストン（１０）の材料に形成されている、請求項１記載のピストン。
7. 反スラスト側（ＧＤＳ）に対応する摺動面（２３）がコーティング（２３ａ）を有し、該コーティング（２３ａ）に前記少なくとも１つの凹部（２６）が形成されている、請求項１記載のピストン。
8. クーリングチャンネル（１６）を起点として延びる１つの孔（１２７）が設けられており、該孔（１２７）が、孔出口部（１３１）に移行しており、該孔出口部（１３１）は、スラスト側（ＤＳ）に対応する摺動面（２２）に開口していて、該孔出口部（１３１）がピストン中心軸線（Ｍ）に対して鋭角の角度（β）を成すように傾けられて配置されており、これによりスラスト側（ＤＳ）に対応する摺動面（２２）に開口（１３３）が形成されており、前記孔（１２７）と前記孔出口部（１３１）との間に、スラスト側（ＤＳ）に対応する摺動面（２２）に対して傾けられた変向面（１３２）が設けられており、スラスト側（ＤＳ）に対応する摺動面（２２）が、前記開口（１３３）の範囲に凹部（１３４）を有しており、該凹部（１３４）が、前記開口（１３３）の上方に少なくとも１つのオイル捕捉範囲（１３６）を形成している、請求項１記載のピストン。
9. 前記オイル捕捉範囲（１３６）が、前記開口（１３３）に対して直交する横方向に延びている、請求項８記載のピストン。
10. 前記オイル捕捉範囲（１３６）が、前記開口（１３３）の両側にそれぞれ１つのオイル捕集溜め（１３７）を形成している、請求項９記載のピストン。
11. 前記孔（１２７）が、当該ピストン（１１０）の内室（１２９）に形成された材料厚肉化部（１２８）に延びている、請求項８記載のピストン。
12. 前記開口（１３３）が、ボス中心（Ｎ）の下方で、スラスト側（ＤＳ）に対応する摺動面（２２）に形成されている、請求項８記載のピストン。
13. 前記凹部（１３４）が、１０〜３０μｍの深さを有する、請求項８記載のピストン。
14. 前記凹部（１３４）が、当該ピストン（１１０）の材料に形成されている、請求項８記載のピストン。
15. スラスト側（ＤＳ）に対応する摺動面（２２）が、コーティング（２２ａ）を有し、該コーティング（２２ａ）に前記凹部（１３４）が形成されている、請求項８記載のピストン。

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