JP2015507133A - 補助的な冷却空洞を備えたピストンおよびそれを備えた内燃機関 - Google Patents

Abstract

内燃機関およびそのためのピストンが提供される。ピストンは本体を含む。本体は、上部燃焼壁と、上部燃焼壁から垂下するリングベルト領域を含む円筒形の外壁と、軸方向に並んだピンボアを有する１対のピンボスとを含む。ピストンは、リングベルト領域と径方向に並んだ第１の冷却空洞を有し、この第１の冷却空洞に冷却媒体が収容されている。インサート部材は、第１の冷却空洞の下方壁の下方において、軸方向に間隔を空けて本体に固定される。インサート部材は、第１の冷却空洞の下方壁の下方において第２の冷却空洞との境界をなす。インサート部材は、オイルが第２の冷却空洞に流れ込んで第１の冷却空洞の下方壁に接することを可能にするように構成された入口開口部と、オイルが第２の冷却空洞から外側に向かって流れることを可能にするように構成された別個の出口開口部とを有する。

Description

発明の背景
１．技術分野
この発明は、概して内燃機関に関し、より特定的には内燃機関のためのピストンに関する。

２．関連技術
エンジン製造業者は、燃費の改善、燃料燃焼の改善、オイル消費量の削減、車両内で熱を継続使用するための排気の高温化、シリンダボアの燃焼室内の圧縮負荷の上昇、軽量化およびエンジンの小型化を含むがこれらに限定されないエンジン効率および性能を改善すべきとの要求の高まりに直面している。したがって、エンジンの燃焼室内で温度および圧縮負荷を上昇させることが望ましい。しかしながら、燃焼室内で温度および圧縮負荷を上昇させることにより、ピストンに対する摩耗および物理的負荷が大きくなり、これにより、その潜在的な耐用年数が短くなってしまう。特に懸念される分野として、ピストンの上部燃焼面領域およびピストンリング領域内での過度な発熱およびそれに付随する摩耗が挙げられる。

この発明に従って構成されたピストンは、本開示を読み、添付の図面を参照すると当業者に明らかとなるように、現代の高性能エンジンにおいて生じる過度の熱によりよく耐えることができる。

本発明の一局面に従うと、内燃機関のためのピストンが提供される。ピストンは、長手方向の中心軸に沿って延在する本体を有する。この長手方向の中心軸に沿ってピストンが往復運動する。本体は、燃焼力が作用する上部燃焼面を備えた上部燃焼壁と、上部燃焼面から垂下するリングベルト領域を含む円筒形の外壁と、上部燃焼壁の下方にあり軸方向に並んだピンボアを有する１対のピンボスとを含む。ピストンはさらに、リングベルト領域と径方向に並んだ第１の冷却空洞を含む。第１の冷却空洞は、上部燃焼面に隣接した上方壁と、下方壁とを有する。冷却媒体は第１の冷却空洞に収容されている。インサート部材は、下方壁の下方において軸方向に間隔を空けて本体に固定される。インサート部材は、インサート部材と第１の冷却空洞の下方壁との間において第２の冷却空洞との境界をなす。インサート部材は、オイルが第２の冷却空洞に流れ込んで第１の冷却空洞の下方壁に接することを可能にするように構成された入口開口部と、オイルが第２の冷却空洞から外側に向かって流れることを可能にするように構成された出口開口部とを有する。

本発明の別の局面に従うと、内燃機関が提供される。エンジンは、シリンダボアを有するエンジンブロックと、シリンダボア内にオイルを注入するように構成されたオイル噴出口とを含む。エンジンはさらに、長手方向の中心軸に沿って往復運動させるためにシリンダボアに収容されたピストンを含む。ピストンは、長手方向の中心軸に沿って延在する本体を有する。本体は、上部燃焼面を備える上部燃焼壁と、上部燃焼面から垂下するリングベルト領域を有する円筒形の外壁とを有する。ピストンはまた、リングベルト領域と径方向に並んだ第１の冷却空洞を備えた上部燃焼壁の下方において１対のピンボスを含む。第１の冷却空洞は、上部燃焼面に隣接した上方壁と、下方壁とを有し、第１の冷却空洞には冷却媒体が収容されている。インサート部材は本体に固定される。インサート部材は、第１の冷却空洞の下方壁の下方において軸方向に間隔を空けて配置され、インサート部材と第１の冷却空洞の下方壁との間において第２の冷却空洞との境界をなす。インサート部材は入口開口部および出口開口部を有する。入口開口部は、オイル噴出口から注入されるオイルが第２の冷却空洞に流れ込んで第１の冷却空洞の下方壁に接することを可能にするように、オイル噴出口と位置を合わせて構成される。出口開口部は、オイルが第２の冷却空洞から外側に向かって流れることを可能にするように構成される。

したがって、第２の冷却空洞は、第１の冷却空洞に対する有効なヒートシンクを設けることにより、使用中にピストンの冷却を促進する。こうして、第１の冷却空洞に吸収された熱を第２の冷却空洞へと伝え、これにより、上部燃焼壁およびリングベルト領域で発生した熱を容易に放散させる。したがって、ピストンの往復運動中に上部燃焼壁およびリングベルト領域の動作温度を積極的に下げ、これにより、エンジンの性能を向上させて、その耐用年数を長くする。

図面の簡単な説明
本発明のこれらおよび他の局面、特徴および利点は、現在好ましい実施形態およびベストモードについての以下の詳細な説明、添付の特許請求の範囲ならびに添付の図面に関連付けて考慮されると、より容易に認識されるだろう。

本発明の一局面に従って構成されるピストンのピンボア軸に交差するように延在する線に概ね沿った断面図である。 図１のピストンのピンボア軸に概ね沿った断面図である。 図１および図２のピストンを示す底面図である。

現在好ましい実施形態の詳細な説明
図面をより詳細に参照すると、図１〜図３は、たとえば、コンパクトで高性能な現代の車両エンジンなどの内燃機関１３のシリンダボア１１において往復運動させる、本発明の現在好ましい一局面に従って構成されたピストン１０についてのさまざまな図を示す。ピストン１０は本体１２を有する。この本体１２は、単一の一体型の鋳込材料などでできたものであるかまたは鍛造材料もしくはビレット材料から形成されているが、これは一例であってこれに限定されるものではない。この本体１２は、中心の長手方向軸１４に沿って延在し、この中心の長手方向軸１４に沿って、ピストン１０がシリンダボア１１において往復運動する。本体１２は上部燃焼壁１６を有する。この上部燃焼壁１６は、その一方側に、シリンダボア１１内で燃焼ガスに直接晒されるように構成された上部燃焼面１８と、その反対側に、上部燃焼面１８の一部の真下にあり軸方向に位置する下面２０とを有する。ピストン本体１２はまた、概して円筒形の外壁２１を含む。この円筒形の外壁２１は、上部燃焼面１８から、この上部燃焼面１８に直接隣接するリングベルト領域２２上にわたって垂下する円筒形の外面２３を有する。リングベルト領域２２は、対応するピストンリング２５を収容するように構成された１つ以上のピストンリング溝２４を含む。さらに、ピストン本体１２は、内部に冷却媒体２８を収容している閉じられたかまたは封止された第１の冷却空洞２６を有するよう形成される。第１の冷却空洞２６は、径方向内側に構成され、リングベルト領域２２と径方向に並んでまたは実質的に径方向に並んで構成される。インサート部材３０は、第１の冷却空洞２６の下方において軸方向に間隔を空けて本体１２に固定されて、インサート部材３０と第１の冷却空洞２６との間において補助的な冷却空洞の範囲を定める。補助的な冷却空洞を、以下、第２の冷却空洞３１と称する。インサート部材３０は、オイル３７の噴出流が第２の冷却空洞３１に流れ込むことを可能にするように構成された入口開口部３３と、オイルが第２の冷却空洞３３から外側に向かって流れることを可能にするように構成された出口開口部３５とを有する。

第１の冷却空洞２６内の冷却媒体２８は、もっぱら、ピストン１０の動作温度では液体となる金属冷却材として提供することができる。所望される熱伝達特性を考慮に入れて如何なる好適な金属材料が用いられてもよい。さらに、冷却媒体２８は、銅またはアルミニウムなどの粉末金属と混ぜ合わされた液体金属として提供することができる。特に冷却媒体２８の熱特性を変更することが望まれる場合、金属粉末を添加することができる。さらには、典型的には工業用途での熱交換のために用いられるような熱伝達液を用いることができる。

図２に最もよく示されるように、ピストン本体１２は１対のピンボス３２を有する。これら１対のピンボス３２は下面２０から垂下して、横方向に間隔を空けて配置されたピンボア３４を形成する。これらピンボア３４は、中心の長手方向軸１４に概ね交差するよう延在するピンボア軸３６に沿って同軸に並んでいる。これらピンボス３２は、横方向に間隔を空けて配置されたスカート部分３８に接合される。これらスカート部分３８は、互いから直径方向に間隔を空けてピンボア軸３６の両側に配置されており、シリンダボア１１内でピストン１０が往復運動する際にこのピストン１０をその所望の向きで維持し易くするために当該シリンダボア内で摺動運動させるための輪郭を有する凸状外面４０を有する。

上部燃焼面１６は、内部に窪んだ燃焼ボウル４２を有するものとして表されており、この燃焼ボウル４２により、シリンダボア１１内において所望の気体流がもたらされる。燃焼ボウル４２が上部燃焼面１６に窪んで設けられているため、燃焼壁１６は、軸方向の断面に見られるように、その厚さ（ｔ）が全体にわたって比較的薄くなっている。特に、燃焼壁１６は第１の領域４４、第２の領域４６および第３の領域４８を含む。第２の領域４６および第３の領域４８は、窪んだ燃焼ボウル４２があるせいで薄くなっている。

第１の冷却空洞２６は、上部燃焼面１８に隣接する上方壁５２と、下方壁５４と、１対の側壁５５、５６とによって囲まれた内面５０を有する。上方壁５２および側壁５５は上部燃焼壁１６との共有の壁であり、側壁５５は燃焼ボウル４２の一部に沿って延在し、他方の側壁５６はリングベルト領域２２に沿って延在する。下方壁５４は、燃焼ボウル４２とリングベルト領域２２の下方部分との間に延在するウェブを形成し、円筒形の外壁２１から上部燃焼壁１６にまで径方向上向きかつ内向きに延在するものとして示されている。

第２の冷却空洞３１は、オイルが入口開口部３３を通って自由にそこに流れ込み、出口開口部３５を通ってそこから流れ出る点で、開いた冷却空洞とみなされる。オイルが入口開口部３３を通って第２の冷却空洞３１に流れ込むことを容易にするために、エンジン１３のシリンダボア１１にオイル噴出口５８が設けられる。オイル噴出口５８は、少なくともピストンストロークのうち一部の期間中に、オイル３７の流れを噴出させて入口開口部３３を通じて直接第２の冷却空洞３１に流し込み、第１の冷却空洞２６の下方壁５４に当てるように、入口開口部３３と位置を合わせて構成される。

インサート部材３０は、スタンピング工程などにおいて、ピストン本体１２とは別個の１片の材料として構成されるが、これは一例であって、これに限定されることはない。インサート部材３０は、その後、本体１２に固定される。インサート部材３０は、第１の冷却空洞２６の下方壁５４の下方において軸方向に並べた状態で間隔を空けて配置され、第２の冷却空洞３１の一方側に沿って第２の冷却空洞３１との境界をなす。第２の冷却空洞３１の他方側は、第１の冷却空洞２６の下方壁５４によって境界が定められるかまたは実質的に境界が定められる。したがって、第２の冷却空洞３１内の冷却媒体２８は、第１の冷却空洞２６の下方壁５４と接触し、これにより、第２の冷却空洞３１への熱伝導によってこの熱を第１の冷却空洞２６から除去し易くする。

図示されるインサート部材３０は、環状の径方向外周６０と、フリーの環状の径方向内周６２とを備え、これら外周と内周との間に入口開口部３３が形成されている。インサート部材３０は壁を有する。この壁は、第１の冷却空洞２６の下方壁５４と概ね平行な関係で、外周６０から上部燃焼壁１６に向かって軸方向上向きかつ径方向内向きに延在する。これにより、インサート部材３０がほぼカップ形状および円錐形状になる。外周６０は、圧入、高温接着剤による接合、機械的機構、溶接継手またはこれらのいずれかの組合せなどによって、ピストン本体１２に固定されており、これは、スカート部分３８の内面６４に固定されるものとして示されている。内周６２は、ピンボス３２と上部燃焼壁１６との間に間隔を空けた状態で延在し、これにより、インサート部材３０と上部燃焼壁１６の下面２０との間に延在する環状の出口隙間を形成するものとして示されている。この環状の出口隙間は開口部３５とも称される。環状の隙間３５の大きさまたは幅は、所望の流量のオイルをこの環状の隙間３５から外側に向かって流出させるように、インサート部材３０の製造時に制御することができる。したがって、インサート部材３０を構成するのに用いられる比較的単純な構成プロセスは、第２の冷却空洞３１によって提供される冷却能力を、内周６２の構成を形成するのに用いられる比較的単純な製造工程ステップにより、容易かつ正確に制御することを可能にする。

したがって、第２の冷却空洞３１は、第１の冷却空洞２６と第２の冷却空洞３１との間に熱伝導流路を設けることにより、シリンダボア１１内でのピストン１０の往復運動時にこのピストン１０を冷却することを容易にする。このため、第１の冷却空洞２６に吸収された熱を第２の冷却空洞３１に送り込むことにより、上部燃焼壁１６およびリングベルト領域２２において発生した熱をエンジンブロック１３と、最終的には周囲環境とに容易に放散させることが可能となる。したがって、ピストン１０、特に上部燃焼壁１６およびリングベルト領域２２の動作温度が、ピストン１０の往復運動中に積極的に下げられ、これにより、エンジン１３の性能を向上させ、その耐用年数を長くする。

上述の現在好ましい実施形態の詳細な説明を考慮すると、本発明の多くの変更例および変形例が上述の教示に照らして実現可能であることは明らかである。したがって、添付の特許請求の範囲内であれば、本発明が具体的に記載された以外の態様で実施され得ることが理解されるはずである。

Claims (22)

1. 内燃機関のためのピストンであって、
   長手方向の中心軸に沿って延在する本体を備え、前記本体は、上部燃焼面を備える上部燃焼壁と、前記上部燃焼面から垂下するリングベルト領域を備えた円筒形の外壁と、前記上部燃焼壁の下方にある１対のピンボスとを含み、前記ピストンはさらに、
   前記リングベルト領域と径方向に並んだ第１の冷却空洞を備え、前記第１の冷却空洞は、前記上部燃焼面に隣接する上方壁と、下方壁とを有し、前記ピストンはさらに、
   前記第１の冷却空洞に収容されている冷却媒体と、
   前記本体に固定されたインサート部材とを備え、前記インサート部材は、前記下方壁の下方において軸方向に間隔を空けて配置され、前記インサート部材と前記第１の冷却空洞の前記下方壁との間において第２の冷却空洞との境界をなし、前記インサート部材は、オイルが前記第２の冷却空洞に流れ込んで前記第１の冷却空洞の前記下方壁に接することを可能にするように構成された入口開口部と、オイルが前記第２の冷却空洞から外側に向かって流れることを可能にするように構成された出口開口部とを有する、ピストン。
2. 前記インサート部材は、前記本体に固定された外周を有する、請求項１に記載のピストン。
3. 前記インサート部材は、前記外周からフリーの内周にまで延在する壁を有する、請求項２に記載のピストン。
4. 前記入口開口部は、前記壁において前記内周と前記外周との間に形成される、請求項３に記載のピストン。
5. 前記フリーの内周は前記出口開口部を形成する、請求項３に記載のピストン。
6. 前記フリーの内周は、前記上部燃焼壁から間隔を空けて配置される、請求項５に記載のピストン。
7. 前記フリーの内周は環状の隙間である、請求項６に記載のピストン。
8. 前記フリーの内周は、前記ピンボスと前記上部燃焼壁との間において間隔を空けた状態で延在する、請求項７に記載のピストン。
9. 前記インサート部材の前記壁は、前記外周から前記上部燃焼壁に向かって径方向内向きに延在する、請求項３に記載のピストン。
10. 前記入口開口部は、オイルをオイル噴出口から前記第２の冷却空洞に注入することを可能にするように、前記オイル噴出口と位置を合わせて構成される、請求項１に記載のピストン。
11. 前記本体は、直径方向に間隔を空けて配置された１対のスカート部分を有し、前記インサート部材は前記スカート部分の内面に固定される、請求項１に記載のピストン。
12. 内燃機関であって、
    シリンダボアを有するエンジンブロックと、
    前記シリンダボアにオイルを注入するためのオイル噴出口と、
    長手方向の中心軸に沿って往復運動させるために前記シリンダボアに収容されているピストンとを備え、前記ピストンは、前記長手方向の中心軸に沿って延在する本体を有し、前記本体は、上部燃焼面を備える上部燃焼壁と、前記上部燃焼面から垂下するリングベルト領域を備えた円筒形の外壁と、前記上部燃焼壁の下方にある１対のピンボスと、前記リングベルト領域と径方向に並んだ第１の冷却空洞とを含み、前記第１の冷却空洞は、前記上部燃焼面に隣接する上方壁と、下方壁とを有し、前記第１の冷却空洞に冷却媒体が収容されており、インサート部材が前記本体に固定され、前記インサート部材は、前記下方壁の下方において軸方向に間隔を空けて配置され、前記インサート部材と前記第１の冷却空洞の前記下方壁との間において第２の冷却空洞との境界をなし、前記インサート部材は、前記オイル噴出口から注入されるオイルが前記第２の冷却空洞に流れ込んで前記第１の冷却空洞の前記下方壁に接することを可能にするように、前記オイル噴出口と位置を合わせて構成された入口開口部と、オイルが前記第２の冷却空洞から外側に向かって流れることを可能にするように構成された出口開口部とを有する、内燃機関。
13. 前記インサート部材は、前記本体に固定された外周を有する、請求項１２に記載の内燃機関。
14. 前記インサート部材は、前記外周からフリーの内周にまで延在する壁を有する、請求項１３に記載の内燃機関。
15. 前記入口開口部は、前記壁において前記内周と前記外周との間に形成される、請求項１４に記載の内燃機関。
16. 前記フリーの内周は前記出口開口部を形成する、請求項１４に記載の内燃機関。
17. 前記フリーの内周は、前記上部燃焼壁から間隔を空けて配置される、請求項１６に記載の内燃機関。
18. 前記フリーの内周は環状の隙間である、請求項１７に記載の内燃機関。
19. 前記フリーの内周は、前記ピンボスと前記上部燃焼壁との間において間隔を空けた状態で延在する、請求項１８に記載の内燃機関。
20. 前記インサート部材の前記壁は、前記外周から前記上部燃焼壁に向かって径方向内向きに延在する、請求項１４に記載の内燃機関。
21. 前記入口開口部は、オイルをオイル噴出口から前記第２の冷却空洞に注入することを可能にするように、前記オイル噴出口と位置を合わせて構成される、請求項１２に記載の内燃機関。
22. 前記本体は、直径方向に間隔を空けて配置された１対のスカート部分を有し、前記インサート部材は前記スカート部分の内面に固定される、請求項１２に記載の内燃機関。

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