JP2014528040A - 内燃機関に用いられるピストンおよび該ピストンを製造する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関に用いられるピストン（１０）であって、該ピストン（１０）が、ピストンヘッド（１１）とピストンスカート（１６）とを備えており、ピストンヘッド（１１）が、環状に延びるリング部分（１５）と、該リング部分（１５）の領域に、環状に延びるクーリングチャンネル（２３）とを有しており、ピストンスカート（１６）が、それぞれボス孔（１８）を備えた複数のピストンボス（１７）を有しており、該ピストンボス（１７）が、ボス結合部（１９）を介してピストンヘッド（１１）の下面（１１ａ）に配置されており、ピストンボス（１７）が、摺動面（２１，２２）を介して互いに結合されている、内燃機関に用いられるピストンにおいて、１つの摺動面（２１，２２）と１つのボス孔（１８）との間に配置された、外部に対して閉鎖された少なくとも１つの孔（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ）が設けられており、該少なくとも１つの孔（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ）が、クーリングチャンネル（２３）に開口しており、該クーリングチャンネル（２３）と少なくとも１つの孔（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ）とが、低融点の金属または低融点の金属合金の形態の冷媒（２７）を含んでいることを特徴とする、内燃機関に用いられるピストンに関する。

Description

本発明は、内燃機関に用いられるピストンであって、該ピストンが、ピストンヘッドとピストンスカートとを備えており、ピストンヘッドが、環状に延びるリング部分と、該リング部分の領域に、環状に延びるクーリングチャンネルとを有しており、ピストンスカートが、それぞれボス孔を備えた複数のピストンボスを有しており、該ピストンボスが、ボス結合部を介してピストンヘッドの下面に配置されており、ピストンボスが、摺動面を介して互いに結合されている、内燃機関に用いられるピストンに関する。

現代の内燃機関では、ピストンがピストン頂面の領域でますます高い熱負荷にさらされている。これによって、運転中に、ピストンヘッドとピストンスカートとの間に、著しい温度差が生じてしまう。また、これによって、冷間時の機関内のピストンの組込みクリアランスと、暖機時の機関内のピストンの組込みクリアランスとの間にも、差が生じてしまう。

本発明の課題は、冒頭に記載のピストンを改良して、運転中に、ピストンヘッドとピストンスカートとの間に、より均一な温度分配が生じるようにすることである。

解決手段は、１つの摺動面と１つのボス孔との間に配置された、外部に対して閉鎖された少なくとも１つの孔が設けられており、該少なくとも１つの孔が、クーリングチャンネルに開口しており、該クーリングチャンネルと少なくとも１つの孔とが、低融点の金属または低融点の金属合金の形態の冷媒を含んでいることにある。

本発明に係るピストンは、ピストン頂面の領域に発生させられた熱が、ピストンヘッドを介してピストン内に導かれ、比較的大きな面積の摺動面を介して放出される点で優れている。これによって、運転中に、ピストン全体にわたって、より均一な熱分配が達成される。さらに、ピストン全体のより効果的な冷却が達成される。

ピストンヘッドの下面が冷却オイルで付加的に冷却されると、オイルカーボンの形成が回避される。全体として、さらに、冷却オイル消費量が減じられている。

ピストンボスとピストンスカートとの間の領域の付加的な加熱によって、ピストンスカートの付加的な熱膨張が生じ、これによって、ピストンとシリンダとの間の暖機クリアランスが減じられる。これは、特にピストン材料の熱膨張率よりも高い熱膨張率を有する軽金属材料、たとえばアルミニウムベースの材料から成るクランクケーシングが使用される場合に有利である。

有利な改良態様は、従属請求項から明らかである。

冷媒として使用するために適した低融点の金属は、特にナトリウムまたはカリウムである。低融点の金属合金として、特にガリンスタン（登録商標）合金、低融点のビスマス合金およびナトリウム−カリウム合金を使用することができる。

ガリウム、インジウムおよびスズから成る、室温で液状である合金系が、いわゆる「ガリンスタン（登録商標）合金」と呼ばれる。この合金は、６５質量％〜９５質量％のガリウムと、５質量％〜２６質量％のインジウムと、０質量％〜１６質量％のスズとから成っている。好適な合金は、たとえば、６８質量％〜６９質量％のガリウムと、２１質量％〜２２質量％のインジウムと、９．５質量％〜１０．５質量％のスズとを含んだ合金（融点−１９℃）、６２質量％のガリウムと、２２質量％のインジウムと、１６質量％のスズとを含んだ合金（融点１０．７℃）ならびに５９．６質量％のガリウムと、２６質量％のインジウムと、１４．４質量％のスズとを含んだ合金（三元共晶、融点１１℃）である。

低融点のビスマス合金は数多く知られている。これらのビスマス合金には、たとえば、ＬＢＥ（鉛ビスマス共晶合金、融点１２４℃）、ローズメタル（５０質量％のビスマス、２８質量％の鉛および２２質量％のスズ、融点９８℃）、オリオンメタル（４２質量％のビスマス、４２質量％の鉛および１６質量％のスズ、融点１０８℃）；簡易はんだ（５２質量％のビスマス、３２質量％の鉛および１６質量％のスズ、融点９６℃）、ダルセーメタル（５０質量％のビスマス、２５質量％の鉛および２５質量％のスズ）、ウッドメタル（５０質量％のビスマス、２５質量％の鉛、１２．５質量％のスズおよび１２．５質量％のカドミウム、融点７１℃）、リポウィッツメタル（５０質量％のビスマス、２７質量％の鉛、１３質量％のスズおよび１０質量％のカドミウム、融点７０℃）、ハーパーメタル（４４質量％のビスマス、２５質量％の鉛、２５質量％のスズおよび６質量％のカドミウム、融点７５℃）、セロロー１１７（４４．７質量％のビスマス、２２．６質量％の鉛、１９．１質量％のインジウム、８．３質量％のスズおよび５．３質量％のカドミウム、融点４７℃）；セロロー１７４（５７質量％のビスマス、２６質量％のインジウム、１７質量％のスズ、融点７８．９℃）、フィールドメタル（３２質量％のビスマス、５１質量％のインジウム、１７質量％のスズ、融点６２℃）ならびにウォーカー合金（４５質量％のビスマス、２８質量％の鉛、２２質量％のスズおよび５質量％のアンチモン）が属している。

適切なナトリウム−カリウム合金は４０質量％〜９０質量％のカリウムを含有していてよい。７８質量％のカリウムと２２質量％のナトリウムとを含んだ共晶合金ＮａＫ（融点−１２．６℃）が特に適している。

冷媒は付加的にリチウムおよび／または窒化リチウムを含有していてよい。充填時に保護ガスとして窒素が利用される場合には、この窒素がリチウムと反応して、窒化リチウムを生成し、こうして、クーリングチャンネルから窒素を除去することができる。

さらに、充填の間に場合により存在する乾燥した空気が冷媒と反応する場合には、冷媒が酸化ナトリウムおよび／または酸化カリウムを含有していてよい。

好ましくは、摺動面とボス孔との間にそれぞれ１つずつ配置された４つの孔が設けられており、これによって、ピストン内での特に均一な温度分配が達成される。

少なくとも１つの孔が、好適には、たとえば孔内に圧入されたかまたはピストンに溶接された閉鎖エレメントによって閉鎖されており、これによって、冷媒が流出することが回避される。

クーリングチャンネル内もしくは少なくとも１つの孔内に収容される冷媒の量は、この冷媒の熱伝導率と、所望される温度制御の程度とに関連している。好ましくは、冷媒が、クーリングチャンネルの高さの半分までの充填高さを有しており、これによって、シェーカ効果ひいてはピストン内での特に有効な熱分配が達成される。

特に機関運転の間にピストン内に流れ込む燃焼熱の割合を制限したい場合、このことは、注入される冷媒の量によって制御することができる。ピストンの機能を確保するためには、時として、冷媒によるクーリングチャンネル容積の３％〜５％の充填ですでに十分であることが判った。

本発明に係るピストンは、好ましくは、主として、鉄ベースの材料、たとえば析出硬化型の鋼、調質鋼、高強度の鋳鉄および片状黒鉛を含んだ鋳鉄を含むグループから選択された材料から成っている。

本発明に係るピストンの実施の形態の部分的な断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図である。 図３の一部の拡大図である。

以下に、本発明の実施の形態を添付の図面に基づき詳しく説明する。図面は、本実施の形態を概略的に示したものであり、正確な縮尺で示したものではない。

図１〜図４には、本発明に係るピストン１０の実施の形態が示してある。このピストン１０は、一体型のピストンであってもよいし、複数の部分から成る組立型のピストンであってもよい。ピストン１０は、鉄ベースの材料および／または軽金属材料から製造することができる。本実施の形態では、鉄ベースの材料が好適である。

図１〜図３には、一体型のスリッパスカートピストン１０が例示してある。このピストン１０はピストンヘッド１１を有している。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（図示せず）を収容するためのリング部分１５とを備えている。このリング部分１５の高さには、環状に延びるクーリングチャンネル２３が設けられている。さらに、ピストン１０はピストンスカート１６を有している。このピストンスカート１６は、複数のピストンボス１７と、それぞれピストンピン（図示せず）を収容するためのボス孔１８とを備えている。ピストンボス１７はボス結合部１９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１７は、摺動面２１，２２を介して互いに結合されている（特に図２参照）。

ピストンスカート１６は、本実施の形態では、４つの孔２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを有している。これらの孔２４ａ〜２４ｄは、本実施の形態では、ほぼ軸方向にかつピストン中心軸線Ｍに対して平行に延びている。しかし、孔２４ａ〜２４ｄは、ピストン中心軸線Ｍに対して所定の角度を成して傾けられて延びていてもよい。孔２４ａ〜２４ｄは、１つの摺動面２１，２２と１つのボス孔１８との間に配置されている、つまり、摺動面２１，２２とボス孔１８との間にそれぞれ１つずつ配置されている。孔２４ａ〜２４ｄはクーリングチャンネル２３に開口している。

本実施の形態では、ピストン１０を、たとえば自体公知の形式で鋳造することができる。その際、クーリングチャンネル２３と孔２４ａ〜２４ｄとを自体公知の形式で塩中子によって加工することができる。少なくとも１つの孔２４ａが外部に向かって開口２５を有していることが重要である。本発明によれば、この開口２５を通して孔２４ａ内に冷媒２７、つまり、すでに列挙して上記したような低融点の金属または低融点の金属合金が充填される。そこから、冷媒２７がクーリングチャンネル２３内ならびに別の孔２４ｂ〜２４ｄ内に分配される。次いで、開口２５が、本実施の形態では、鋼球２６の圧入によって密に閉鎖される。開口２５は、たとえばカバーの溶接またはキャップの圧入によって閉鎖されてもよい（図示せず）。

孔２４ａ〜２４ｄのサイズと冷媒２７の充填量とは、ピストン１０のサイズおよび材料に左右される。平均すると、ピストン１０あたり約１０ｇ〜４０ｇの冷媒２７が必要になる。冷却能力は、追加される冷媒２７の熱伝導率を考慮して、冷媒２７の量に基づいて制御することができる。たとえば、クーリングチャンネル２３の高さの半分にほぼ相当するクーリングチャンネル２３内の充填レベルが適している。この場合、運転中に、ピストン１０内での特に有効な熱分配のために、自体公知のシェーカ効果を付加的に利用することができる。運転中に２２０℃の温度を伴う冷媒２７としてのナトリウムでは、３５０ｋＷ／ｍ^２の冷却能力で約２６０℃のピストン１０の最大の表面温度が生じる。

付加的には、ピストンヘッド１１の下面１１ａが冷却オイルの吹きかけによって冷却されてよい。

孔２４ａへの冷媒２７の充填のためには、開口２５を通してランスが導入され、窒素、別の適切な不活性ガスまたは乾燥した空気によってパージが行われる。冷媒２７を導入するためには、この冷媒２７が保護ガス（たとえば窒素、不活性ガスまたは乾燥した空気）下で開口２５を通して案内され、これによって、冷媒２７が孔２４ａ内もしくはクーリングチャンネル２３内に収容される。

孔２４ａに冷媒２７を充填するための別の方法は、窒素、不活性ガスまたは乾燥した空気によるパージ後、孔２４ａ〜２４ｄとクーリングチャンネル２３とが排気され、冷媒２７が真空内で供給される点で優れている。これによって、冷媒２７をより容易に、クーリングチャンネル２３内では周方向に流通させることができ、孔２４ａ〜２４ｄ内では上下動させることができる。なぜならば、冷媒２７が既存の保護ガスによって邪魔されないからである。

クーリングチャンネル２３もしくは孔２４ａ〜２４ｄから保護ガスを除去するための別の可能性は、窒素または乾燥した空気（すなわち、主として、窒素と酸素とから成る混合物）を保護ガスとして利用し、冷媒２７に少量のリチウム、経験により、ガス室（すなわち、クーリングチャンネル２３の容積＋孔２４ａ〜２４ｄの容積）１ｃｍ^３あたり約１．８ｍｇ〜２．０ｍｇのリチウムを添加することにある。たとえば、ナトリウムおよびカリウムが酸素と反応して、酸化物を生成するのに対して、リチウムは窒素と反応して、窒化リチウムを生成する。したがって、保護ガスが実際には完全に固形物として冷媒２７内で合成される。

Claims (12)

1. 内燃機関に用いられるピストン（１０）であって、該ピストン（１０）が、ピストンヘッド（１１）とピストンスカート（１６）とを備えており、ピストンヘッド（１１）が、環状に延びるリング部分（１５）と、該リング部分（１５）の領域に、環状に延びるクーリングチャンネル（２３）とを有しており、ピストンスカート（１６）が、それぞれボス孔（１８）を備えた複数のピストンボス（１７）を有しており、該ピストンボス（１７）が、ボス結合部（１９）を介してピストンヘッド（１１）の下面（１１ａ）に配置されており、ピストンボス（１７）が、摺動面（２１，２２）を介して互いに結合されている、内燃機関に用いられるピストンにおいて、１つの摺動面（２１，２２）と１つのボス孔（１８）との間に配置された、外部に対して閉鎖された少なくとも１つの孔（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ）が設けられており、該少なくとも１つの孔（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ）が、クーリングチャンネル（２３）に開口しており、該クーリングチャンネル（２３）と少なくとも１つの孔（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ）とが、低融点の金属または低融点の金属合金の形態の冷媒（２７）を含んでいることを特徴とする、内燃機関に用いられるピストン。
2. 低融点の金属として、ナトリウムまたはカリウムが含まれている、請求項１記載のピストン。
3. 低融点の金属合金が、ガリンスタン（登録商標）合金、低融点のビスマス合金およびナトリウム−カリウム合金を含むグループから選択されている、請求項１記載のピストン。
4. 冷媒（２７）が、リチウムおよび／または窒化リチウムを含んでいる、請求項１記載のピストン。
5. 冷媒（２７）が、酸化ナトリウムおよび／または酸化カリウムを含んでいる、請求項１記載のピストン。
6. ４つの孔（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ）が設けられており、該孔（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ）が、摺動面（２１，２２）とボス孔（１８）との間にそれぞれ１つずつ配置されている、請求項１記載のピストン。
7. 少なくとも１つの孔（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ）が、閉鎖エレメント（２６）によって閉鎖されている、請求項１記載のピストン。
8. 閉鎖エレメント（２６）が、孔内に圧入されているかまたはピストンに溶接されている、請求項７記載のピストン。
9. 冷媒（２７）が、クーリングチャンネル（２３）の高さの半分までの充填高さを有している、請求項１記載のピストン。
10. 冷媒（２７）が、クーリングチャンネル（２３）の容積の３％〜５％の充填量を有している、請求項１記載のピストン。
11. ピストン（１０）が、主として、鉄ベースの材料から成っている、請求項１記載のピストン。
12. 鉄ベースの材料が、析出硬化型の鋼、調質鋼、高強度の鋳鉄および片状黒鉛を含んだ鋳鉄を含むグループから選択されている、請求項１１記載のピストン。

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