JP2015511674A - 軽金属鋳造ピストン - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関用の軽金属鋳造ピストン（１）、特にアルミニウムピストンに関するものであり、このピストン（１）は、ピストン冠（２）と、ピストン冠（２）に隣接するピストンスカート（３）であって、押圧側及び反押圧側に配置された２つのスカート壁（４，５）、及び、上記スカート壁（４，５）を連結する２つのボックス壁（６，７）を有するピストンスカート（３）と、を備えている。ボックス壁（６，７）は、ピストン冠（２）の方向に向かって互いに接近するように円錐状に形成されている。ピストン（１）は、環状の冷却流路（９）を備えること、及び、ピストン冠（２）の厚み（ｄ）が４．５ｍｍ以下であることが本発明の特徴である。

Description

本発明は、内燃機関用の軽金属鋳造ピストン、特にアルミニウムピストンに関するものであって、ピストン冠と該ピストン冠に隣接するピストンスカートとを備えるものである。また、本発明は、そのような軽金属鋳造ピストンを備えている内燃機関に関するものである。

特許文献１より、内燃機関用の一般的なピストンが知られている。そのピストンでは、押圧側に配置されたスカート壁が、反押圧側に配置されたスカート壁よりも、ピストンの円周方向において短くされている。その目的は、２つのボックス壁と押圧側のスカート壁との間の結合領域で、クラックが殆ど生じなくなるという効果を得るためである。

特許文献２からは、ピストン冠、円周リング領域を有するトップランド、及びピストンスカートを備えたピストンが知られている。このピストンは、押圧側と反押圧側に配置された２つのスカート壁と、これらのスカート壁を連結する２つのボックス壁とを備えている。押圧側に配置された上記スカート壁は、反押圧側に配置された上記スカート壁よりも、ピストンの円周方向において短くされている。ピストンの負荷を低減するために、ボックス壁は、押圧側で、直線的かつ斜め方向に延びており、ピンハブの領域におけるボックス壁のスペースは、押圧側のスカート壁の領域よりも大きくなっている。

独国特許出願公開第１０２００７０２０４４７号明細書 独国特許出願公開第１０２００７０３２３７９号明細書

現代におけるエンジン開発の一般的な傾向として、ＣＯ_２の削減があり、これは、いわゆる小型化という形を通して実行される。この場合、内燃機関のピストンの振動質量も低減するため、軽量化されたピストンがますます採用されるようになる。また、それらのピストンは高い熱的機械負荷に耐えることができる。軽量化されたピストンの場合、主な目標は、例えばピストン冠や高負荷がかかる押圧側でのボックス壁のような高負荷部分で、クラックの発生を回避するための負荷最適化のデザインを具体化し、同時に大幅な軽量化及び該軽量化によるＣＯ_２放出の減少という要求に十分に応えることにある。そのような軽量化されたピストンは、同時に、例えば耐焼付性、低スカート摩擦、スムーズな動作等といった他の重要な機能特性をさらに有する必要がある。

本発明は、一般的なタイプの軽量構造ピストンに対して改良された形態を提供することを目的とするものであり、それは、特に重量の低減及び負荷容量の増加により特徴付けられる。

本発明によると、上記の問題は独立の請求項１の主題を通して解決される。有利な形態は従属請求項の主題である。

本発明は、より良く冷却することができるようにするという概念に基づいており、これにより、ピストンの動作に要求される仕事を減らすために追加した冷却流路によって、現在に至るまでに知られている従来のアルミニウム鋳造ピストンよりも軽い内燃機関用の軽金属鋳造ピストン、特にアルミニウムピストンを構成する。この軽金属鋳造ピストン、特にアルミニウムピストンは、燃焼室に面するピストン冠と、このピストン冠に隣接するピストンスカートとを備え、このピストンスカートは、押圧側及びその反対側の反押圧側に配置された案内用の２つのスカート壁と、これら２つのスカート壁を連結する２つのボックス壁とを有する。ここでは、ボックス壁は互いに斜めに配置されていて、ピストン冠の方向に向かって互いに接近するように円錐状（先細り状）に形成されている。このような軽金属鋳造ピストンは、例えばＭａｈｌｅ Ｅｖｏｔｅｃ（登録商標）の名の下で、上記特許文献１から既に知られている。本発明は、このような軽金属鋳造ピストンにおいて、初めて、環状の冷却流路を追加したものである。この環状の冷却流路は、ピストン（特に、ピストン冠とリング領域との間の移行領域）の効果的な冷却を可能にする。そして、ピストン冠の厚みは、最大４．５ｍｍに制限されている（４．５ｍｍ以下にされている）。上記環状の冷却流路及び上記ピストン冠の厚みの減少によって、本発明に係る軽金属鋳造ピストンは、冷却流路を有する既知のピストンと比べ、その重量を著しく減らすことができる。厚みが減少された上記ピストン冠は、より良く熱を分散させることができ、これにより既知の噴射冷却法によるより良好な冷却も可能になる。上記環状の冷却流路は、上記リング領域に要求される冷却を確保する。このことは、既知の軽金属鋳造ピストンの場合には、そのリング領域が環状の冷却流路を有していないため、不可能であった。斜めに配設されたボックス壁により、ピストン冠をより薄くしたにも拘わらず、要求されている強度を問題なく達成することができる。ピストン冠の厚みの限界は、一般的には、採用する鋳造プロセスによって決定される。以後、単なる「ピストン」という用語は、軽金属鋳造ピストン、特にアルミニウムピストンの総称的な用語として使用する。

本発明による解決策をさらに有利に発展させた形態では、上記ピストン冠の厚みの最大値は、３．５ｍｍ、好ましくは２ｍｍ又は３ｍｍである。このような薄いピストン冠は、現在に至るまでに知られている従来のピストン冠と比べて重量が著しく減少される。そして、より薄い厚みにより、下側から行っている噴射冷却が、迅速な熱分散とこれによるピストン冠の効果的な冷却とを確保する。

実用的には、冷却流路は塩中子によって形成される。このような塩中子は、既に軽金属鋳造ピストン／アルミニウムピストンの鋳造において長年採用されて、実験されかつ証明されてきた中空冷却流路構造を形成するための手段である。或いは、冷却流路は、例えば砂中子により形成されるということも明らかに想定できる。このような塩中子や砂中子により、比較的優れた冷却流路構造を創出することができ、これにより、本発明に係る冷却流路は、例えば様々な直径を有するように形成することができる。

本発明による解決策のさらに有利な形態では、上記２つのボックス壁は、上記押圧側で上記スカート壁の方向に向かって互いに接近するように延びている。特に、燃焼室内で点火燃焼する間に生じたガス圧がピストン冠上に作用したとき、斜めになっているコネクティングロッドにより、ピストンが横に又は傾いて押される結果、２つのスカート壁のうちの１つのスカート壁の表面がシリンダボアの内壁に押圧されるという理由から、本発明に係るピストンでは、シリンダボアの内壁に押圧される押圧側とその反対側の反押圧側とを区別している。このシリンダボアの内壁に押圧されるスカート壁が、押圧側に配置されたスカート壁として表現されている。本発明に係る２つのボックス壁により、クラック形成のリスクが、ボックス壁だけでなく、適切であるならば、隣接するスカート壁でも減少する。この場合、押圧側に配置されたスカート壁は、ボックス壁に隣接する端部領域よりも中間領域の方が薄くなるように設計される。例えば、押圧側に配置されたスカート壁において、ボックス壁に隣接する端部領域に対して中間領域で５０％にまで薄く設計されることすら可能となる。この結果、本発明に基づくピストンの移動質量の大幅な減少が達成される。ここで、上記中間領域からその外側の端部領域までのスカート壁の厚みの増加が連続的になっている場合には、シャンク壁内の応力負荷が均一に分散されるという点で有利になる。

さらに本発明は、上記のようなピストンを少なくとも１つ備える内燃機関を具備し、各ピストンを冷却するための少なくとも２つの噴射ノズルを備えるという概念を基本としていて、上記２つの噴射ノズルのうちの一方の噴射ノズルは、ピストンの冷却流路の入口／流入口の方に向けられ、他方の噴射ノズルはピストン冠の方に向けられる。上記一方の噴射ノズルは、冷却液、すなわちエンジンオイルを、軽金属鋳造ピストン／アルミニウムピストンのリング領域の冷却に寄与する冷却流路内に運ぶ。上記他方の噴射ノズルは、ピストン冠の方に優先的に向けられていて、これにより、下側からオイルを直接噴射して同じ部分を冷却する。ピストン冠の薄い厚みにより、燃焼室で発生した熱が比較的速くピストン冠を貫通して、スプレーされたオイルによって放散されるため、上記同じ部分が効果的に冷却される。特にクランクシャフトがクランクケースのオイル溜まりに浸漬されて、その回転するクランクシャフトにより跳ねかけられるオイルによって、ピストン冠が、底部から追加的に冷却されるということも、明らかに想定できる。したがって、比較的軽い上に効率的なピストンを備えて、軽量化によるピストンの往復運動のためのエネルギーを大幅に削減する内燃機関を製造することができる。

本発明のさらに重要な特徴や有利な点は、従属項、図面、及び図面に関連した説明から得られる。

上記特徴及び以下で説明する事項は、述べられた組み合わせで使用できるだけでなく、他の組み合わせ又は本発明の範囲を逸脱しない組み合わせにより使用できることは、理解されよう。

本発明に係るピストンの側面図である。 本発明に係るピストンを下から見た図である。 Ａ−Ａ線に沿って切断した断面図である。 Ｂ−Ｂ線に沿って切断した、本発明に係るピストンの断面図である。

本発明の好ましい実施形態は図面に概略的に示され、以下の説明で詳細に説明される。同一の符号は、同一の、又は類似の、或いは機能的に同一の要素と関係している。

図１〜図４によると、本発明に係る、内燃機関１６（図３参照）用の軽金属鋳造ピストン１、特にアルミニウムピストン１’は、燃焼室１７に面したピストン冠２と、該ピストン冠２に隣接するピストンスカート３とを備えている。このピストンスカート３は、押圧側ＤＳ及び反押圧側ＧＤＳに配置された２つのスカート壁４，５と、これら２つのスカート壁４，５を連結する２つのボックス壁６，７とを有する。上記ボックス壁６，７は、図４に明示するように、ピストン冠２の方向に向かって互いに接近するように円錐状に配置されている。このことは、ボックス壁６，７が、ピストン冠２の方向に向かって互いに接近するように先細り状になっているということを意味している。これら２つのボックス壁６，７の斜め配置により、ピストン冠２の厚みｄを削減したにも拘わらず、軽金属鋳造ピストン１の十分な強度が得られる。ボックス壁６，７の領域にはそれぞれ、ピストン１を不図示のコネクティングロッドに結合するためのピンハブ８が設けられている。本発明によると、ピストン１は、少なくともその一部分に、環状の冷却流路９を備えている。冷却流路９は、図３及び図４によると、特に、ピストン冠２とリング領域１０との間の移行領域を追加的に冷却する。上記リング領域１０の領域には、不図示のピストンリングを受け止めるための各リング溝１２と共に、例えば、環状のトップランド１１が設けられている。本発明のさらに実質的な特徴として、ピストン冠２の厚みが４．５ｍｍ以下であるということである。ピストン冠２の厚みｄの最大値は、３．５ｍｍであることが望ましく、３ｍｍ又は２ｍｍであることがさらに望ましい。本発明による、追加的に配置された冷却流路と比較的薄いピストン冠２との組み合わせにより、特に軽い、つまり重量が低減されたピストン１が創出される。そして、その低い移動質量により、そのピストン１は、エネルギー効率のより高い運転が可能となる。

図２を見ると、押圧側ＤＳに配置されたスカート壁４は、反押圧側ＧＤＳに配置されたスカート壁５よりも、ピストン１の円周方向において短く設計されていることが明らかである。そして、２つのボックス壁６，７は、押圧側でスカート壁４の方向に向かって互いに接近するように先細り状に形成されている。このことは特に、ボックス壁６，７の領域及びスカート壁４，５の領域でのクラック形成のリスクを最小化する。この例での２つのボックス壁６，７は、反押圧側でスカート壁５の方向に向かって互いに離れるように延びている。一方、２つのボックス壁６，７が、反押圧側でスカート壁５の方向に向かって互いに接近するように先細り状に形成されることも考えられる。この場合、ボックス壁６，７は、両側凸状になるように配置されることになる。

冷却流路９は、軽金属鋳造ピストン１、特にアルミニウムピストン１’の鋳造時に、一般的な手法である塩中子又は砂中子により形成されたものである。冷却オイルを冷却流路９内に供給したり冷却流路９から排出したりすることができるように、冷却流路９は、図２に示すように、流入口１３と流出口１４とを有している。ここでは、流入口１３と流出口１４とは、互いに逆側に配置されている。上記ピストン１を冷却するために冷却流路９内に供給されるクーラント（例えばエンジンオイル）は、例えば、噴射ノズル１５，１５’によって放出される。噴射ノズル１５は、例えば冷却流路９の流入口１３に向けられている。一方、噴射ノズル１５’は、ピストン冠２の底部に直に向けられていて、これにより、同じ部分を直接冷却する。ピストン冠２の小さい厚みｄにより、燃焼室１７から伝わる熱が比較的早く分散され、これにより、ピストン１，１’が効果的に冷却される。ここで、ピストン１，１’の下側で回転しているクランシャフトが、ピストン冠２の底部にオイルを跳ねかけるということも想定することができ、この結果、同じ部分がさらに冷却される。

要約すると、本発明に係るピストン１，１’の実質的な特徴は、次のように述べることができる。追加的に配置された冷却流路９と極めて薄いピストン冠２との組み合わせにより、本発明に係るピストン１，１’は、低重量であるにも拘わらず高強度に製造することができる。斜めに配設されたボックス壁６，７は、ピストン冠２の長寿命のために要求される剛性及び強度をもたらし、これにより、冠壁の厚みを出来る限り薄くすることができる。

Claims (8)

1. ピストン冠（２）と、該ピストン冠（２）に隣接するピストンスカート（３）とを備え、該ピストンスカート（３）が、押圧側（ＤＳ）及び反押圧側（ＧＤＳ）に配置された２つのスカート壁（４，５）と、該２つのスカート壁（４，５）を連結する２つのボックス壁（６，７）とを有し、該２つのボックス壁（６，７）が、ピストン冠（２）の方向に向かって互いに接近するように円錐状に形成されている、内燃機関（１６）用の軽金属鋳造ピストン（１）であって、
   環状の冷却流路（９）を更に備え、
   上記ピストン冠（２）の厚み（ｄ）が、４．５ｍｍ以下であることを特徴とする軽金属鋳造ピストン。
2. 請求項１記載の軽金属鋳造ピストンにおいて、
   上記ピストン冠（２）の厚み（ｄ）が、３．５ｍｍ以下であることを特徴とする軽金属鋳造ピストン。
3. 請求項１又は２記載の軽金属鋳造ピストンにおいて、
   上記押圧側（ＤＳ）に配置された上記スカート壁（４）が、上記反押圧側（ＧＤＳ）に配置された上記スカート壁（５）よりも、上記ピストン（１）の円周方向において短く設計されていることを特徴とする軽金属鋳造ピストン。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の軽金属鋳造ピストンにおいて、
   上記２つのボックス壁（６，７）は、上記押圧側で上記スカート壁（４）の方向に向かって互いに接近するように形成されていることを特徴とする軽金属鋳造ピストン。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の軽金属鋳造ピストンにおいて、
   上記２つのボックス壁（６，７）は、上記反押圧側で上記スカート壁（５）の方向に向かって互いに離れるように形成されているか、又は、上記反押圧側で上記スカート壁（５）の方向に向かって互いに接近するように形成されていることを特徴とする軽金属鋳造ピストン。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の軽金属鋳造ピストンにおいて、
   上記冷却流路（９）は、塩中子又は砂中子によって形成されたものであることを特徴とする軽金属鋳造ピストン。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の軽金属鋳造ピストン（１）を少なくとも１つ備えていることを特徴とする内燃機関。
8. 請求項７記載の内燃機関において、
   上記軽金属鋳造ピストンを冷却するための２つの噴射ノズル（１５，１５’）が設けられており、
   上記２つの噴射ノズルのうちの一方の噴射ノズル（１５）は、上記冷却流路（９）の流入口（１３）に向けられ、他方の噴射ノズル（１５’）は、上記ピストン冠（２）に向けられていることを特徴とする内燃機関。

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