JP2014525536A - 内燃機関用のピストン - Google Patents
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Abstract
本発明は、内燃機関用のピストン(10,110,210)であって、該ピストン(10,110,210)が、ピストンクラウン(13)と、環状のリング部(15)と、該リング部(15)の範囲で全周にわたって延びる環状のクーリングチャンネル(28)と、ピストンクラウン(13)の下方に結合されたボス支持部(19)と、該ボス支持部(19)に結合されたピストンボス(17)と、ピストンスカート(16)とを有し、ピストンクラウン(13)の下方に、全ての側で閉じられた中空室(29)が設けられている、内燃機関用のピストン(10,110,210)に関する。本発明によるピストンは、前記中空室(29)内に、低融点金属または低融点金属合金の冷却剤(32)が収容されていることにより特徴付けられている。
Description
本発明は、内燃機関用のピストンであって、該ピストンが、ピストンクラウンと、環状のリング部と、該リング部の範囲で全周にわたって延びる環状のクーリングチャンネルと、ピストンクラウンの下方に結合された複数のボス支持部と、該ボス支持部に結合されたピストンボスと、ピストンスカートとを有し、ピストンクラウンの下方に、全ての側で閉じられた中空室が設けられている形式の内燃機関用のピストンに関する。
このような形式のピストンは、ドイツ連邦共和国特許出願公開第102010009891.4号明細書に基づき公知である。この場合、環状のクーリングチャンネルはエンジン運転時に、ピストンクラウンの外側の範囲における温度、たとえば燃焼キャビティの縁部に沿った温度を制御するために働く。燃焼キャビティの縁部では、ピストンの構成部分強度を損なわないようにするために、温度が550℃を超えて上昇しないことが望ましい。他方において、できるだけ高い燃焼温度および排ガス温度を得て、これによって内燃機関の良好な効率を得るためには、この温度は著しく低くないことが望ましい。
ピストンクラウンの下方に設けられた、全ての側で閉じられた中空室は、エンジン運転時に、ピストンクラウンの中央の範囲における温度、たとえば燃焼キャビティの内側の範囲における温度を制御するために働く。この範囲では、エンジン運転時に温度が約230〜330℃となることが目標とされる。
冒頭で述べた形式のピストンにおいて、全ての側で閉じられた中空室内には、空気が封入されているに過ぎないので、ピストンクラウンの中央の範囲における温度に影響を与えることは不可能である。
したがって、本発明の課題は、冒頭で述べた形式のピストンを簡単な手段によって改良して、エンジン運転時にピストンクラウンの中央の範囲における温度に影響を与えることが可能となるような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の手段は、前記中空室内に、低融点金属または低融点金属合金の形の冷却剤が収容されていることにある。
本発明の根底を成す原理は、エンジン運転中に、ピストンクラウンの中央の範囲における温度に、エンジン運転時に液状となる、良好な熱伝導率を有する金属の冷却剤によって影響を与えることにある。冷却剤の熱伝導率が高くなればなるほど、そして中空室内に封入された冷却剤量の容量が大きくなればなるほど、ますます多くの熱がピストンクラウンからピストン内部の方向に導出される。したがって、使用される冷却剤の量および/またはその熱伝導率に応じて、すなわち冷却剤材料の選択により、ピストンクラウンの中央の範囲における温度に影響を与えることができる。
本発明は、あらゆるタイプのピストンのために適しており、すなわち単一部分から成るピストンおよび複数部分から成るピストンのためにも、低い構成高さを有するピストンのためにも適している。本発明によるピストンは、高い安定性の点ですぐれている。なぜならば、外側のクーリングチャンネルと内側の中空室との間に、最大応力集中の個所として不安定化作用を有する冷却オイルチャンネルが設けられていないからである。
本発明の有利な改良形は、従属形式の請求項に記載されている。
冷却剤としての使用のために適している低融点金属は、特にナトリウムまたはカリウムである。低融点金属合金としては、特にガリンスタン(Galinstan;登録商標)合金、低融点を有するビスマス合金およびナトリウムカリウム合金が使用され得る。
「ガリンスタン合金」とは、ガリウムとインジウムとスズとから成る、室温で液状となる合金系である。この合金は、ガリウム65質量%〜95質量%、インジウム5質量%〜26質量%およびスズ0質量%〜16質量%から成っている。有利な合金は、たとえばガリウム68質量%〜69質量%、インジウム21質量%〜22質量%およびスズ9.5質量%〜10.5質量%を有する合金(融点−19℃)、ガリウム62質量%、インジウム22質量%およびスズ16質量%を有する合金(融点10.7℃)ならびにガリウム59.6質量%、インジウム26質量%およびスズ14.4質量%を有する合金(三元系の共晶合金、融点11℃)である。
低融点を有するビスマス合金は多数知られている。低融点を有するビスマス合金には、たとえばLBE(鉛ビスマス共晶合金、融点124℃)、ローズメタル(Roses Metall)(ビスマス50質量%、鉛28質量%およびスズ22質量%、融点98℃)、オリオンメタル(Orionmetall)(ビスマス42質量%、鉛重42量%およびスズ16質量%、融点108℃);クイックはんだ(Schnelllot)(ビスマス52質量%、鉛32質量%およびスズ16質量%、融点96℃)、ダルセメタル(d'Arcets-Metall)(ビスマス50質量%、鉛25質量%およびスズ25質量%)、ウッドメタル(Woodsches Metall)(ビスマス50質量%、鉛25質量%およびスズ12.5質量%、カドミウム12.5質量%、融点71℃)、リポヴィッツメタル(Lipowitzmetall)(ビスマス50質量%、鉛27質量%およびスズ13質量%、カドミウム10質量%、融点70℃)、ハーパースメタル(Harpers Metall)(ビスマス44質量%、鉛25質量%およびスズ25質量%、カドミウム6質量%、融点75℃)、セロロー(Cerrolow)117(ビスマス44.7質量%、鉛22.6質量%、インジウム19.1質量%、スズ8.3質量%およびカドミウム5.3質量%、融点47℃)、セロロー(Cerrolow)174(ビスマス57質量%、インジウム26質量%、スズ17質量%、融点78.9℃)、フィールドメタル(Fields Metall)(ビスマス32質量%、インジウム51質量%、スズ17質量%、融点62℃)ならびにウォーカ合金(Walkerlegierung)(ビスマス45質量%、鉛28質量%、スズ22質量%、アンチモン5質量%)が属している。
適当なナトリウムカリウム合金は、カリウム40質量%〜90質量%を含有していてよい。特に適しているのは、カリウム78質量%およびナトリウム22質量%を有する共晶合金ナック(Nak)である(融点−12.6℃)。
中空室内に収容された冷却剤の量は、その熱伝導率および所望の温度制御の度合いに関連している。中空室内に収容された冷却剤の容量は、中空室の容量の最大10%であることが好ましい。このことには、冷却剤がエンジン運転中に「シェーカ効果」を受けるという別の利点がある。この場合、冷却剤は中空室内でピストンのストローク方向に対して逆向きに運動させられる。ピストンの下降ストロークの間、冷却剤はピストンクラウンの方向に運動させられて、熱を吸収することができる。ピストンの上昇ストロークの間、冷却剤はピストンスカートの方向に運動させられ、したがって、吸収された熱をピストンスカートの方向に放出することができる。これにより、冷却作用は一層改善される。
有利な改良形では、ピストンクラウンに、耐熱性の鋼またはニッケル主体合金から成る燃焼キャビティが設けられていてよく、これにより本発明によるピストンの耐熱性が高められる。ニッケル主体合金の使用には、付加的に本発明によるピストンの耐食性が高められるという別の利点がある。
相応して、ピストンクラウン全体が、耐熱性の鋼またはニッケル主体合金から成っていてよい。付加的に、環状のリング部の少なくとも一部が、耐熱性の鋼またはニッケル主体合金から成っていてよい。
本発明によるピストンは、単一部分から成る、たとえば鋳造されたピストンとして形成されていてよい。本発明によるピストンはさらに、複数部分から成るピストンとして形成されていてよく、たとえばピストン上側部分とピストン下側部分とから構成されていてよい。これらの構成部分は、たとえば鋳造部品または鍛造部品であってよく、たとえば鋼材料またはニッケル主体合金から製造されていて、特に鍛造されていてよい。これらの構成部分の間の結合は任意に行われ、たとえば溶接、ねじ締結またはろう接により行われ得る。特に適した接合方法としては、溶接法、特に摩擦溶接法およびレーザ溶接法が挙げられる。
以下に、本発明の実施形態を図面につき詳しく説明する。
以下に、本発明を、2つの部分から成るピストンにつき詳しく説明する。当然ながら、本発明は別の適当なピストンタイプによっても実現され得る。
図1には、「ボックス型ピストン」もしくは「スリッパピストン」とも呼ばれる軽量化ピストンの形の本発明によるピストン10の第1実施形態が図示されている。本発明によるピストン10は、ピストンベースボディ11とピストンクラウンエレメント12とから構成されている。ピストンベースボディ11は本実施形態では鋼材料から鍛造されており、ピストンクラウンエレメント12は高耐熱性の鋼材料またはニッケル主体合金から製造されている。
ピストンベースボディ11は、ピストンクラウン13の一部と、環状のトップランド14と、環状のリング部15とを有する。ピストンベースボディ11はさらに、ピストンスカート16とピストンボス17とを有しており、ピストンボス17はそれぞれピストンピン(図示しない)を収容するためのボス孔18を備えている。ピストンボス17はボス支持部19を介してピストンクラウン13の下側13′に結合されている。
ピストンクラウンエレメント12は、燃焼キャビティ21を備えたピストンクラウン13の一部を有している。燃焼キャビティ21はキャビティ底部22と、環状のキャビティ縁部23とを有している。
ピストンベースボディ11は、内側の環状の支持エレメント24を有しており、ピストンクラウンエレメント12は、対応する内側の環状の支持エレメント25を有している。両支持エレメント24,25は接合面を介して互いに接触している。ピストンベースボディ11はトップランド14の範囲にさらに別の接合面を有しており、この接合面は、ピストンクラウンエレメント12のキャビティ縁部23の範囲に設けられた対応する接合面と接触している。
ピストンベースボディ11とピストンクラウンエレメント12とは、任意の手段で互いに接合されていてよい。この場合、ピストンベースボディ11とピストンクラウンエレメント12とにそれぞれ設けられた対応し合う接合面が互いに結合されている。本実施形態では、溶接法が選択されているので、ピストンベースボディ11とピストンクラウンエレメント12とは、接合シーム26,27を介して互いに結合されている。
図1から判るように、ピストンベースボディ11とピストンクラウンエレメント12とは、環状のクーリングチャンネル28を形成しており、このクーリングチャンネル28には、自体公知の形式で冷却オイルが供給される。ピストンベースボディ11とピストンクラウンエレメント12とは、さらに中空室29を形成しており、この中空室29は本実施形態では、ほぼキャビティ底部22の下方に配置されている。
中空室29は、上下前後左右の全ての側で閉じられている。すなわち、ピストンベースボディ11もピストンクラウンエレメント12も、外側のクーリングチャンネル28を中空室29に接続する、たとえば冷却オイルチャンネルのような開口を有していない。中空室29をピストンスカート16およびピストンボス17の方向で閉じるためには、閉鎖エレメント31が設けられている。本実施形態では、閉鎖エレメント31が、ピストンベースボディ11と一体に形成された閉鎖壁である。この閉鎖壁はボス支持部19の範囲でピストンベースボディ11と一体に結合されているので、クランクケースから中空室29内に潤滑オイルが侵入したり、クーリングチャンネル28から中空室29内に冷却オイルが侵入したりすることはない。
中空室29内には、たとえば上で記載したような低融点金属または低融点金属合金の形の冷却剤32が収容されている。液状の冷却剤32の容量は、本実施形態では中空室29の容量の約5〜10%である。
図2および図3には、本発明によるピストン110;210の第2実施形態および第3実施形態が図示されている。第2実施形態および第3実施形態は、ピストンベースボディ111;211およびピストンクラウンエレメント112;212の構成の点でのみ互いに異なっている。
図2に示したピストン110は、高耐熱性の鋼またはニッケル主体合金から成るピストンクラウンエレメント112を有している。このピストンクラウンエレメント112はピストンクラウン13全体を含んでいる。したがって、ピストンベースボディ111とピストンクラウンエレメント112とは、ピストンクラウン13の範囲において、リング部15の上方で水平にトップランド14を貫いて延びる接合シーム127を介して互いに結合されている。ピストン110のその他の構造および機能に関しては、図1の説明を参照するものとする。
図3に示したピストン210は、高耐熱性の鋼またはニッケル主体合金から成るピストンクラウンエレメント212を有している。このピストンクラウンエレメント212はピストンクラウン13全体と、トップランド14と、リング部15の一部とを含んでいる。したがって、ピストンベースボディ211とピストンクラウンエレメント212とは、リング部15の範囲において、リング部15の上方で水平にトップランド14を貫いて延びる接合シーム227を介して互いに結合されている。ピストン210のその他の構造および機能に関しては、図1の説明を参照するものとする。
Claims (8)
- 内燃機関用のピストン(10,110,210)であって、該ピストン(10,110,210)が、ピストンクラウン(13)と、環状のリング部(15)と、該リング部(15)の範囲で全周にわたって延びる環状のクーリングチャンネル(28)と、ピストンクラウン(13)の下方に結合されたボス支持部(19)と、該ボス支持部(19)に結合されたピストンボス(17)と、ピストンスカート(16)とを有し、ピストンクラウン(13)の下方に、全ての側で閉じられた中空室(29)が設けられている、内燃機関用のピストン(10,110,210)において、前記中空室(29)内に、低融点金属または低融点金属合金の冷却剤(32)が収容されていることを特徴とする、内燃機関用のピストン。
- 低融点金属として、ナトリウムまたはカリウムが収容されている、請求項1記載のピストン。
- 低融点金属合金が、ガリンスタン(登録商標)合金、低融点を有するビスマス合金およびナトリウムカリウム合金を包含する群から選択されている、請求項1記載のピストン。
- 前記中空室(29)内に収容された前記冷却剤(32)の容量は、前記中空室(29)の容量の最大10%である、請求項1記載のピストン。
- ピストンクラウン(13)に、耐熱性の鋼またはニッケル主体合金から成る燃焼キャビティ(21)が設けられている、請求項1記載のピストン。
- ピストンクラウン(13)が、耐熱性の鋼またはニッケル主体合金から成っている、請求項1記載のピストン。
- ピストンクラウン(13)と、前記環状のリング部(15)の少なくとも一部とが、耐熱性の鋼またはニッケル主体合金から成っている、請求項1記載のピストン。
- 当該ピストンが、単一部分または複数部分から成るピストン(10,110,210)として形成されている、請求項1記載のピストン。
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