JP2015511676A - エンジンピストン - Google Patents

Abstract

内燃機関のためのピストンが提供される。ピストンは、鋼から製造され、冠部分と、スカート部分の対と、ピンボスパネルの対とを含むピストン本体を含む。冠部分は、上側燃焼面と、下冠面領域を有する下側表面と、少なくとも１つのリング溝を伴う外側環状リングベルトとを有する。ピンボスパネルは冠部分から懸架し、スカート部分間において互いと離間された関係で延在する。各ピンボスパネルは、ピンボアを有するピンボスを含み、ピンボアは、リストピンを受けるために互いと整列される。各ピンボスパネルは、さらに、冠部分の改善された冷却のために下冠面領域を増大させるよう、ピンボアのうちの対応するピンボアと冠部分との間に鉛直方向に位置する少なくとも１つの凹部を有する。

Description

関連出願への相互参照
この出願は、２０１２年３月１２日に提出された出願連続番号第６１／６０９，５９４号の恩恵を主張する。

発明の背景
１．発明の分野
この発明は、一般に内燃機関のためのピストンに関し、特に、鋼から形成されたピストンに関する。

２．関連技術
多くのエンジン製造業者は、動力生成および燃料効率を改善する努力を継続することにおいて、直接噴射、ターボチャージャおよびスーパーチャージャのような先進技術を、ガソリンを燃料とするエンジンに組込みつつある。しばしば、これらおよび他の先進技術は、エンジンのシリンダボア内において燃焼の圧力および温度を上昇させることによって、エンジンの性能を改善する。しかしながら、従来のアルミニウムピストンは、これらの上昇した温度および圧力においては機能することができないかもしれない。上昇した燃焼温度および圧力に耐えて機能するために、いくつかのピストン製造業者は、それらのピストンを形成するために鋼を用いることを採用している。鋼ピストンを冷却するために、多くのピストン製造業者は、ピストン本体に１つ以上の油孔を組込むことにより、ピストン本体の上側冠部分またはその近くに冷却油を保持する。

発明の概要
この発明のある局面は、内燃機関のためのピストンを提供する。ピストンは、鋼から製造され、冠部分と、冠部分から懸架する正反対のスカート部分の対と、ピンボスパネルの対とを含む一体型ピストン本体を含む。冠部分は、上側燃焼面と、下冠面領域を伴う下側表面と、少なくとも１つのリング溝を伴う外側環状リングベルトとを有する。ピンボスパネルは冠部分から懸架し、スカート部分間において互いと離間された関係で延在する。各ピンボスパネルは、ピンボアを伴うピンボスを含み、ピンボアは、ピストン本体をコンロッドと接続するためにリストピンを受けて支持するために、互いと整列される。各ピンボスパネルは、さらに、下冠面領域を増大させるよう、垂直方向において、ピンボアのうちの対応するピンボアと冠部分との間に位置する、少なくとも１つの凹部を有する。エンジンの動作中において、増大された下冠面領域は、冠部分から熱を抽出する冷却油の噴射を受けるために、より大きな表面を与えることによって、冠部分の改善された冷却を可能にする。

この発明の別の局面によれば、ピンボスと冠部分との間の凹部は窓であり、下冠面領域をさらに増大させ、エンジンの動作中において冠部分のさらに改善された冷却を与える。

この発明のさらに別の局面によれば、各ピンボスパネルは、窓に近接して配置され、下冠面領域をさらに一層増大させ、エンジンの動作中において冠部分のさらに一層改善された冷却を与える側窓の対を含む。

この発明のさらに別の局面によれば、スカート部分の各々は形状において概ね台形であり、台形の、狭い寸法が、冠部分のリングベルトと一体的に接続される。これは、リングベルトの下側表面の、より大きな長さを、冷却油に晒すことによって、下冠面領域のさらなる増大を与え、エンジンの動作中において冠部分のさらに一層改善された冷却を与える。

この発明のさらなる局面によれば、スカート部分の各々は、増大された厚みを有し、実質的にピンボスパネル間において延在し、鉛直方向において、整列させられたピンボアを通って延在するピンボア軸線またはそれより下に位置する補強用リブを有する。補強用リブにより、スカート部分は、非常に薄い壁部を有し、さらに、十分な剛性を有して、高燃焼負荷に耐え、スカート荷重を分散することができる。

図面の簡単な記載
この発明は、添付の図面と関連して考慮されたときに以下の詳細な記載への言及によって一層よく理解されるようになり、この発明のこれらならびに他の特徴および利点は容易に十分に理解される。

ピストン本体の第１の例示的な実施の形態の上側斜視図である。 ピストン本体の第１の例示的な実施の形態の側面立面図である。 ピストン本体の第１の例示的な実施の形態の下側斜視図である。 図３とは異なる角度からとられたピストン本体の第１の例示的な実施の形態の別の下側斜視図である。 図３および図４とは異なる角度からとられたピストン本体の第１の例示的な実施の形態のさらに別の下側斜視図である。 図４の線６−６を通ってとられたピストン本体の第１の例示的な実施の形態の断面図である。 ピストン本体の第２の例示的な実施の形態の斜視断片断面図である。 ピストン本体の第３の例示的な実施の形態の斜視断片断面図である。 ピストン本体の第３の例示的な実施の形態の別の斜視断片断面図である。 ピストン本体の第４の例示的な実施の形態の下側斜視図である。 図１０の線１１−１１を通ってとられたピストン本体の第４の例示的な実施の形態の断面図である。

実施可能な実施の形態の説明
同様の番号がいくつかの図の全体にわたって対応する部分を示す図を参照して、内燃機関のためのピストンの第１の例示的な実施の形態が、図１において概ね示される。ピストンは、鋼から形成され、非常に低い重量を有するよう寸法的にコンパクトな一体型ピストン本体２０を有する。加えて、ピストン本体２０は、ピストン本体２０を下からの冷却油の流れで最適に冷却するために、下冠面領域を最大限にするよう設計される。これは、ピストン本体２０が現今の内燃機関の上昇した燃焼温度および圧力において動作することを可能にする。ピストン本体２０は、好ましくはガソリンを燃料とする火花点火４行程内燃機関における使用に対して構成されるが、代替的に、ディーゼル燃料を燃料とするエンジン、２行程エンジン、および／または圧縮点火エンジンにおいて用いられることがある。

図１をさらに参照して、一体型ピストン本体２０は冠部分２４を有し、冠部分２４は、上側燃焼面２６および外側環状リングベルト２８を有し、外側環状リングベルト２８は、ピストンリング（図示せず）を受けてピストン本体２０とシリンダ壁（図示せず）との間の封止を確立するための複数個のリング溝３０（この例示的な実施の形態では３つが示される）を有する。図３に最もよく示されるように、リング溝３０はランド３２によって互いから鉛直方向に離間される。冠部分２４の下側表面は下冠面３３であり、エンジンの動作中において、ピストン本体２０を冷却するために冷却油の噴射を受ける。エンジンの動作中、冠部分２４の上側燃焼面２６は、エンジンの燃焼シリンダ内において、燃料および空気の燃焼に直接晒される部分であり、したがって、冷却油に向かって、および冠部分２４から遠ざかるように、熱の移転を最大限にするよう、下冠面３３の面積を最大限にすることが望ましい。図１に最もよく示されるように、第１の例示的な実施の形態においては、上側燃焼面２６は概ね平坦である。しかしながら、上側燃焼面２６は代替的に燃焼ボウルまたは任意の望ましい特徴を設けられ得ることが十分に理解されるべきである。

ピストン本体２０は、さらに、冠部分２４のリングベルト２８から下方に延在する、正反対のスカート部分３４の対を含む。例示的な実施の形態のスカート部分３４は、形状において概ね台形であり、上側端部において、リングベルト２８と一体的に接続される、より狭い寸法を有し、下側端部において、より広い寸法を有する。エンジンの動作中において、上側端部に狭い寸法を有することは、リングベルト２８の底部の、より大きな長さを、冷却油の噴射に晒すことによって、冠部分２４の下冠面領域を増大させ、それによって、冠部分２４から冷却油への熱の移転を増大させる。ピストン本体２０の第１の例示的な実施の形態では、各スカート部分３４の、より狭い上側端部は、冠部分２４のリングベルト２８の外側壁面と概ね滑らかに融合する。

ピストン本体２０は、さらに、冠部分２４から懸架し、それから下方に延在するピンボスパネル３６の対を含む。ピンボスパネル３６は互いから離間され、スカート部分３４の近接する端部または縁部間において概ね線形態様で延在する。ピンボス３８はピンボスパネル３６の各々を通って延在し、各ピンボス３８はピンボア４０を有する。ピンボア４０は、ピストン本体２０を内燃機関においてコンロッド（図示せず）と結合するようリストピン（図示せず）を受けて支持するために、ピンボア軸線Ａに沿って互いに整列される。図５に示されるように、各ピンボア４０は、ピンボア軸線Ａに沿って、ピンボスパネル３６の近接する部分２４、３４の幅より大きい幅だけ延在する。各ピンボスパネル３６はさらに支持構造部４２を含み、それは、ピンボス３８から冠部分２４の下冠面３３に鉛直方向に上方向に延在して、ピンボス３８に対してさらなる支持を与える。ピンボス３８の厚みは、好ましくはピストン本体２０の外径Ｄの約２〜４％である。

コンプレッションハイトＨｃとして一般に知られている測定値である、冠部分２４上の上側燃焼面２６とピンボア軸線Ａとの間の鉛直距離は、好ましくはピストン本体２０の外径Ｄの２５〜３５％の範囲にある。したがって、多くの従来のピストンと比較して、ピストン本体２０は非常に低側面である。多くの従来の鋼ピストン上に見出される冷却空洞がないことは、第１の例示的な実施の形態のピストン本体２０の低側面に寄与する。加えて、冠部分２４の厚みは好ましくはコンプレッションハイトＨｃの５〜１０％の範囲にあり、スカート部分３４の下側長さ（スカートの底部からピンボア軸線Ａまでの距離）は、好ましくはコンプレッションハイトＨｃの５０〜６０％の範囲にあり、リングベルト２８におけるランド３２の少なくとも１つは、好ましくはコンプレッションハイトＨｃの２〜５％の範囲における高さを有する。

図５をさらに参照して、ピンボスパネル３６をくり抜くことにより、ピンボス３８ボアより上および冠部分２４より下に凹部４４を設けて、下冠面２２面積を増大させ、それによってエンジンの動作中において冠部分２４から冷却油への熱の移転を増大させる。下冠面領域を増大させることに加えて、凹部４４は、ピストン本体２０の総重量も低減し、それは、他の性能利点に至り、ピストン本体２０の材料費を低減する。好ましくは、下冠面領域は０．５*Ｄ^２*π／４以上であり、Ｄは、ピストン本体２０の外径Ｄ（図６に示される）である。ピストン本体２０の第１の例示的な実施の形態では、下冠面領域をさらに増大させるために、各ピンボスパネル３６はその内側表面および外側表面の両方に凹部４４を有する。

図４に最もよく示されるように、スカート部分３４は壁が薄く、好ましくはピストン本体２０の外径Ｄの１．５〜５％の範囲に厚みを有する。これは、ピストン本体２０における重量の低減、およびピストン本体２０を形成するときの材料費の低減を可能にする。加えて、スカート部分３４の各々は、スカート部分３４を構造上補強するために増大された厚みを有する補強用リブ４６を有する。補強用リブ４６は、好ましくはピンボア軸線Ａと概ね平面であるかまたはピンボア軸線Ａより鉛直方向に下にあって、ピストン本体２０の、より低い領域において、構造上の補強を与える。したがって、補強用リブ４６により、スカート部分３４は、非常に薄い壁部を、しかしながら、高燃焼負荷を支持し、スカート荷重を分散するよう、十分な剛性を伴って、有することができる。好ましくは、補強用リブ４６の中間領域はピンボア軸線Ａより約０〜１０ｍｍ下に位置決めされる。補強用リブ４６は、周方向に、スカート部分３４の長さに沿って、およびピンボスパネル３６間において、延在する。

ここで図７を参照して、ピストン本体１２０の第２の例示的な実施の形態が、１００の係数だけ分離された同様の数字が、上に記載された第１の例示的な実施の形態と対応する部分を示す状態で、概ね示される。この例示的な実施の形態では、ピンボスパネル１３６は各々凹部１４４を１つだけ有し、各凹部１４４は対応するピンボス１３８の全幅を延在し、リングベルト１２８によってその外側で閉ざされる。

ここで図８および図９を参照して、ピストン本体２２０の第３の例示的な実施の形態が、２００の係数だけ分離された同様の数字が、上に記載された第１の例示的な実施の形態と対応する部分を示す状態で、概ね示される。この例示的な実施の形態では、ピンボスパネル２３６上の凹部２４４は、全体的にピンボスパネル２３６を通って延在する中央窓２４４である。この実施の形態は、さらに、中央窓２４４の対向する側部において離間された側窓の対２４８を含む。中央窓２４４のように、側窓２４８は鉛直方向に冠部分２４の下冠面２３３に延在し、それによって、第１および第２の例示的な実施の形態と比較して、下冠面領域を増大させる。示されるように、中央窓２４４および側窓２４８は実質的に全体的に鉛直方向においてピンボア２４０より上に配置される。加えて、この例示的な実施の形態の上側燃焼面２２６は燃焼ボウル２５０と共に形成される。

ここで図１０および図１１を参照して、ピストン本体３２０の第４の例示的な実施の形態が、３００の係数だけ分離された同様の数字が、上に記載された第１の例示的な実施の形態と対応する部分を示す状態で、概ね示される。第４の例示的な実施の形態は第３の例示的な実施の形態と同様であるが、側窓３４８はサイズが大幅に増大され、それらは鉛直方向においてピンボア３４０の頂部より下にまで延在する。これは、第１の例示的な実施の形態、第２の実施の形態および第３の実施の形態と比較して、下冠面領域をさらに増大させる。上に論じられた第３の例示的な実施の形態のように、第４の例示的な実施の形態も、上側燃焼面３２６において燃焼ボウル３５０を含む。

鋼の使用は、上に論じられた実施の形態のピストン本体２０、１２０、２２０、３２０が、アルミニウムピストン本体と比較して、より高い燃焼圧力および温度で、ならびにさらに、より高いピンボス荷重およびより小さなリストピンに対して、機能することを可能にする。鋼の使用は、さらに、より薄い壁部を可能にし、したがって、例示的な鋼ピストン本体２０、１２０、２２０、３２０の質量は、アルミニウムピストンに匹敵する。従来の鋼ピストンとは異なり、例示的な実施の形態の鋼ピストン本体２０、１２０、２２０、３２０にはいかなる油孔もない。冷却空洞でではなく、必要とされる冷却は、冷却油の噴射を受けるよう、大きな下冠面領域によって達成される。冷却空洞がないことは、さらに、ピストン本体に２０、１２０、２２０、３２０が、従来の鋼ピストンと比較して、はるかにより小さなコンプレッションハイトＨｃを有することを可能にする。

ピストン本体２０、１２０、２２０、３２０は、たとえば鋳造、鍛造、ビレットなどからの機械加工を含む、任意の好適な成形工程または成形工程の組合せを介して形成されてもよい。所望の場合には、ピストン本体２０、１２０、２２０、３２０は、さらに、１つ以上の熱処理動作を経てもよい。

前述の記載は本質的に例示的であり、限定的ではない。開示された実施の形態に対する変形および修正は当業者には明らかになり得、ここにおいてこの発明の範囲内に組込まれる。

Claims (14)

1. 内燃機関のためのピストンであって、
   鋼から製造され、冠部分と、前記冠部分から懸架する正反対のスカート部分の対と、ピンボスパネルの対とを含む一体型ピストン本体を含み、
   前記冠部分は、上側燃焼面と、下冠面領域を有する下側表面と、少なくとも１つのリング溝を伴う外側環状リングベルトとを有し、
   前記ピンボスパネルは前記冠部分から懸架し、前記スカート部分間において互いと離間された関係で延在し、各ピンボスパネルは、ピンボアを有するピンボスを含み、前記ピンボアは、リストピンを受けるために互いと整列され、各ピンボスパネルは、前記冠部分の改善された冷却のために、前記下冠面領域を増大させるよう、前記ピンボスボアのうちの対応するピンボスボアと前記冠部分との間に位置する少なくとも１つの凹部を呈する、内燃機関のためのピストン。
2. 各ピンボスパネル上の前記少なくとも１つの凹部は、単一の凹部であり、内側表面上にあり、近接するピンボスの実質的に全長を延在する、請求項１に記載のピストン。
3. 各ピンボスパネル上の前記少なくとも１つの凹部は、さらに、凹部の対として規定され、前記凹部の一方は前記ピンボスパネルの内側表面上にあり、前記凹部の他方は前記ピンボスパネルの外側表面上にあって、前記下冠面領域をさらに増大させる、請求項１に記載のピストン。
4. 各ピンボスパネル上の前記少なくとも１つの凹部は、前記ピンボスパネルの内側表面と外側表面との間に延在して前記下冠面領域をさらに増大させる中央窓である、請求項１に記載のピストン。
5. 前記ピンボスパネルの各々は、前記中央窓のいずれの側にも配置されて前記下冠面領域をさらに増大させる側窓の対をさらに含む、請求項４に記載のピストン。
6. 前記側窓は鉛直方向において前記ピンボアの頂部部分より下まで延在する、請求項５に記載のピストン。
7. 前記冠部分は外径を有し、前記下冠面領域は少なくとも０．５*Ｄ^２*π／４であり、Ｄは前記冠部分の前記外径である、請求項１に記載のピストン。
8. 前記冠部分は外径を有し、前記ピストン本体は、前記冠部分の前記外径の２５〜３５％の範囲にあるコンプレッションハイトを有する、請求項１に記載のピストン。
9. 前記スカート部分の各々は、前記ピンボスパネル間において延在する、増大された厚みを伴う補強用リブを有する、請求項１に記載のピストン。
10. 前記ピンボアはピンボア軸線によって互いと整列し、前記補強用リブは前記ピンボア軸線またはそれより下にある、請求項１に記載のピストン。
11. 前記補強用リブは前記ピンボア軸線より０〜１０ｍｍ下にある、請求項１０に記載のピストン。
12. 前記スカート部分は形状において概ね台形であり、狭い寸法が前記リングベルトと一体的に接続される、請求項１に記載のピストン。
13. 前記ピンボスパネルは前記スカート部分の近接する端部間において延在する、請求項１に記載のピストン。
14. 前記ピストン本体はいかなる油孔もない、請求項１に記載のピストン。

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