JP2015522138A - 内燃機関用のピストン - Google Patents

Abstract

本発明は、ピストンヘッド（１３）とピストンスカート（１４）とを備えた、内燃機関用のピストン（１０，１１０，２１０，３１０）であって、当該ピストン（１０，１１０，２１０，３１０）が、ピストンベースボディ（１１，１１１，２１１，３１１）とピストンリングエレメント（１２，１１２，２１２，３１２）とを有し、前記ピストンヘッド（１３）が、燃焼キャビティ（２１，１２１，２２１）を有する、内燃機関用のピストン（１０，１１０，２１０，３１０）に関する。本発明の構成では、前記ピストンリングエレメント（１２，１１２，２１２，３１２）が、ピストン頂面の一部分（１９ｂ）と、環状のトップランド（２２）と、リング溝を備えた環状のリング部（２３）とを有し、前記ピストンベースボディ（１１，１１１，２１１，３１１）と前記ピストンリングエレメント（１２，１１２，２１２，３１２）とが、１つの環状のクーリングチャンネル（２４，１２４，２２４，３２４）を形成しており、該クーリングチャンネル（２４，１２４，２２４，３２４）が、前記燃焼キャビティ（２１，１２１，２２１）の領域に位置する内側の周面（２５，１２５，２２５）と、前記リング部（２３）の領域に位置する外側の周面（２６，１２６，２２６，３２６）との間に形成されており、前記クーリングチャンネル（２４，１２４，２２４，３２４）内で、前記外側の周面（２６，３２６）に少なくとも１つの導流エレメント（３１，３３１）が設けられており、かつ／または前記内側の周面（１２５，２２５）に少なくとも１つの導熱エレメント（１３２，２３２）が設けられており、前記ピストンベースボディ（１１，１１１，２１１，３１１）と前記ピストンリングエレメント（１２，１１２，２１２，３１２）とが、前記ピストン頂面（１９ａ，１９ｂ）の領域に１つの環状の接合シーム（２８）を有しており、該接合シーム（２８）を介して、前記ピストンベースボディ（１１，１１１，２１１，３１１）と前記ピストンリングエレメント（１２，１１２，２１２，３１２）とが、解離不能に互いに結合されている。

Description

本発明は、ピストンヘッドとピストンスカートとを備えた、内燃機関用のピストンであって、該ピストンが、ピストンベースボディとピストンリングエレメントとを有し、ピストンヘッドが、燃焼キャビティを有する、内燃機関用のピストンに関する。

ドイツ連邦共和国特許出願第１０２０１１１１１３１９．７号明細書には、減じられた構成高さを有するピストンが開示されている。このピストンは、ピストンベースボディとピストンリングエレメントとから構成されていて、燃焼キャビティを有している。ピストンベースボディおよびピストンリングエレメントは、燃焼キャビティの領域において環状の接合シームを有し、この接合シームを介してピストンベースボディとピストンリングエレメントとは、解離不能に互いに結合されている。

この場合に問題となるのは、クーリングチャンネルにおける冷却能力を改良する別の構造体を導入することが、極めて困難ないし不可能であることである。

本発明の課題は、冒頭で述べた形式のピストンを改良して、可能な限り簡単な手段を用いて、ピストンヘッドの領域において改善された冷却能力を有するピストンを製造することができるようにすることにある。

この課題の解決手段は、
ピストンリングエレメントが、ピストン頂面の一部と、環状のトップランドと、リング溝を備えた環状のリング部とを有しており、
ピストンベースボディとピストンリングエレメントとが、１つの環状のクーリングチャンネルを形成しており、このクーリングチャンネルが、燃焼キャビティの領域における内側の周面と、リング部の領域における外側の周面との間に形成されており、
クーリングチャンネル内で、外側の周面に少なくとも１つの導流エレメントが設けられており、かつ／または内側の周面に少なくとも１つの導熱エレメントを設けられており、
ピストンベースボディとピストンリングエレメントとが、ピストン頂面の領域に１つの環状の接合シームを有しており、その接合シームを介して、ピストンベースボディとピストンリングエレメントとが、解離不能に互いに結合されていることにある。

本発明の思想は、ピストンに、別個の構成部分として形成されたピストンリングエレメントを備えることにある。この場合、環状のクーリングチャンネルは、一部がピストンベースボディによって、かつ一部がピストンリングエレメントによって形成され、接合シームが、ピストン頂面の領域に配置されている。このような構造によって、ピストンベースボディとピストンリングエレメントとを、あとでクーリングチャンネルを形成する領域において、クーリングチャンネルの内側の構造、ひいてはクーリングチャンネルの冷却能力が、最近の内燃機関の種々様々な要求に対して適合され得るように別個に加工することが可能になる。

本発明によれば、狭溢部を形成する少なくとも１つの導流エレメントが設けられており、この狭溢部によって、冷却オイルの渦流形成が生ぜしめられ、かつ／または冷却オイル流の加速が生ぜしめられるので、クーリングチャンネルの冷却能力は、さらに高められる。

その代わりに、またはそれに加えて、本発明によれば、少なくとも１つの導熱エレメントが設けられており、この導熱エレメントは、燃焼キャビティもしくはピストン頂面において特に高くなる熱負荷を、クーリングチャンネル内の冷却オイルに的確に放出する。それによって、本発明によるピストンの特に著しく熱負荷された領域が冷却されるので有利である。

別の有利な改良形は、従属形式の請求項から明らかである。

生産プロセスを簡単にするために、ピストン頂面の領域に配置された接合シームが、ピストンの中心軸線に対して平行に延在していると有利である。

クーリングチャンネルは、閉じられたクーリングチャンネルとして形成されていてよいので、ピストンベースボディとピストンリングエレメントとは、ボス結合部の領域において、第２の環状の接合シームを介して解離不能に互いに結合されている。この第２の接合シームも、生産プロセスを簡単にするために、ピストンの中心軸線に対して平行に延在していてよい。

しかし、クーリングチャンネルは、ピストンスカートの方向に開いて形成されていて、別個の閉鎖エレメントによって閉鎖されていてもよい。閉鎖エレメントは、有利にはリング部の領域でピストンリングエレメントに保持されており、ピストンリングエレメントのリング部の領域では、閉鎖エレメントが特に簡単に取り付けられ得る。

１つの有利な改良形では、ピストンヘッドとピストンスカートとの間に環状の凹部が形成されている。熱的に分離されたピストンスカートを備えたこのようなピストンは、高い耐負荷性によりすぐれている。特にこのようなタイプのピストンにおいては、クーリングチャンネルが、自体公知の形式でピストンスカートの方向に開いて形成されていて、別個の閉鎖エレメントによって閉じられていてよい。ピストン頂面の領域に接合シームを位置決めすることは、熱的に分離されたピストンスカートと、ピストン頂面の方向に開いて形成されたクーリングチャンネルとを備えたピストンでは、さらに、ピストンベースボディとピストンリングエレメントとを接合する際に生じ得る溶接残滓（たとえばレーザ溶接法の過程で生じる溶接ビード）が、あとでクーリングチャンネルを形成する部分に付着したままにならず、クーリングチャンネルの、まだ閉じられていない開口から流出し得るという利点を有している。

さらにピストンの本発明における構成によって、ピストンの中心軸線に対して半径方向にずらされ、かつ／または傾倒された燃焼キャビティを備えたピストンを問題なく製造することが可能になる。なぜならば、この燃焼キャビティが、完全にピストンベースボディによってのみ形成されるからである。したがって、このように非対称に形成されたピストンベースボディを、回転対称に形成されたピストンリングエレメントに結合することが可能である。

本発明によれば、燃焼キャビティを、ピストンの中心軸線に対して最大で３ｍｍずらして配置することが可能である。このことは、慣用のピストンにおいては不可能である。

燃焼キャビティが、ピストンの中心軸線に対して傾倒されて配置されている場合、燃焼キャビティの中心軸線は、ピストンの中心軸線に対して最大で１０°の鋭角の角度αを成していてよい。

クーリングチャンネルの内側の壁は、ピストンの中心軸線に対して平行に延在していてよい。燃焼キャビティが、ピストンの中心軸線に対して傾倒されて配置されている場合、クーリングチャンネルの内側の壁は、燃焼キャビティの中心軸線に対して平行に延在していてもよい。それによって、クーリングチャンネルの冷却能力は最適化される。

以下に、本発明の実施形態を添付の図面につき詳細に説明する。図面は、縮尺通りには図示されていない。

本発明によるピストンの第１実施形態を示す断面図である。 本発明によるピストンの第２実施形態を示す拡大された部分断面図である。 本発明によるピストンの第３実施形態を示す拡大された部分断面図である。 本発明によるピストンの第４実施形態を示す拡大された部分断面図である。

図１には、本発明によるピストン１０の特に好適な第１実施形態が図示されている。ピストン１０は、ピストンベースボディ１１とピストンリングエレメント１２とを有する。これら両構成部分は、両構成部分の接合のために適したあらゆる任意の金属材料から成っていてよい。ピストンベースボディ１１とピストンリングエレメント１２とは、一緒になってピストン１０のピストンヘッド１３とピストンスカート１４とを形成している。本実施形態において、ピストン１０は、熱的に分離されたピストンスカートを有するピストンである。つまり、ピストンヘッド１３とピストンスカート１４との間に環状の凹部１５が設けられている。しかし本発明は、熱的に分離されたピストンスカートを有しないピストンのためにも適用可能である（図３および図４参照）。

ピストンスカート１４は、自体公知の形式で、ピストンピン（図示せず）を収容するためのボス孔１７を設けたボス１６と、これらのボス１６を互いに結合する摺動面１８とを有する。

ピストンベースボディ１１はさらに、ピストンヘッド１３の領域で、ピストン頂面の内側の部分１９ａと、燃焼キャビティ２１とを形成している。本実施形態において、燃焼キャビティ２１は、ピストン１０の中心軸線Ｍに対して半径方向にずらされている。この構成を分かり易くするために、図面には、破線により、ピストンヘッド１３におけるずらされていない燃焼キャビティの配置が示されている。半径方向のずれｄは、最大で３ｍｍあってよい。付加的に、燃焼キャビティ２１は、ピストン１０の中心軸線Ｍに対して傾倒されている。その結果、ピストン１０の中心軸線Ｍと燃焼キャビティ２１の中心軸線Ａとは、有利には最大で１０°の鋭角の角度αを成している。さらに、半径方向のずれｄによって、ピストン頂面の内側の部分１９ａの半径方向の幅が周方向で変化することが生ぜしめられる。さらに、燃焼キャビティ２１の垂直の壁２１ａの半径方向の厚さも、周方向で変化し得る。当然のことながら、ピストン１０は、ピストン１０の中心軸線Ｍに対して単に半径方向にずらされただけの燃焼キャビティ、またはピストン１０の中心軸線Ｍを中心にして傾倒されただけの燃焼キャビティを有していてもよい。

ピストンリングエレメント１２は、ピストンヘッド１３の領域でピストン頂面の外側の部分１９ｂを形成していて、さらに環状のトップランド２２と、ピストンリング（図示せず）を収容するための環状のリング部２３とを有する。

ピストンベースボディ１１とピストンリングエレメント１２とは、一緒になって１つの環状のクーリングチャンネル２４を形成している。このクーリングチャンネル２４は、燃焼キャビティ２１の領域における内側の周面２５と、リング部２３の領域における外側の周面２６との間に形成されている。図示の実施形態は、熱的に分離されたピストンスカートを有するピストンであるので、クーリングチャンネル２４は、自体公知の形式で、閉鎖エレメント２７によって閉鎖されている。この閉鎖エレメント２７は、本実施形態においては、リング部２３の領域でピストンリングエレメント１２に保持されている。

燃焼キャビティ２１の半径方向のずれｄに基づいて、クーリングチャンネル２４の横断面の大きさは、周方向で変化している。クーリングチャンネル２４の外側の周面２６は、有利にはピストン１０の中心軸線Ｍに対して平行に延在している。しかし、クーリングチャンネル２４の内側の周面２５および外側の周面２６のうちの少なくともいずれか一方の周面が、燃焼キャビティ２１の中心軸線Ａに対して平行に延在していてもよい。

図１に示されている実施形態では、ピストンリングエレメント１２が、完全に対称に、つまり回転対称に形成されている。ピストン頂面の外側の部分１９ｂの半径方向の幅は、周方向において一定である。このことは、このようなピストンリングエレメント１２を、種々異なる度合いで非対称に形成された種々のピストンベースボディと組み合わせることができることを意味する。

ピストンベースボディ１１とピストンリングエレメント１２とは、接合によって互いに結合されており、本実施形態においては、有利にはレーザ溶接によって互いに結合されている。それによって、ピストン頂面の内側の部分１９ａと外側の部分１９ｂとの間には、接合シーム２８が形成され、この接合シーム２８は、特に有利な本実施形態においては、ピストン１０の中心軸線Ｍに対して平行に延在している。

ピストン１０の本発明における構成によって、最適の冷却オイルの流れを生ぜしめ、かつ冷却能力を改善するために、ピストンベースボディ１１とピストンリングエレメント１２との接合の前に、あとでクーリングチャンネル２４を形成する内側の部分を変化させることが可能になる。

図１に図示された実施形態では、クーリングチャンネル２４内に導流エレメント３１が収容されている。この導流エレメント３１によって、クーリングチャンネル２４の横断面の中央に狭溢部が生ぜしめられる。この導流エレメント３１は、ピストンベースボディ１１とピストンリングエレメント１２との接合の前に、たとえば鋳造または鍛造によって、外側の周面２６に一体に、つまりピストンリングエレメント１２に一体に成形される。クーリングチャンネル２４の横断面の中央の狭溢部によって、冷却オイルの流れの加速ならびにクーリングチャンネル２４の狭められていない領域における冷却オイルの渦流形成が生ぜしめられるので、ピストンヘッド１３からピストンスカート１４の方向への改良された熱導出が行われる。

図２には、ピストンベースボディ１１１とピストンリングエレメント１１２とから成るピストン１１０の第２実施形態における拡大された部分断面図が図示されている。ピストン１１０は、図１に図示されたピストン１０にほぼ相当しているので、同一の構成要素には、同じ符号が付されており、これらの構成要素については、図１についての図面の説明を参照するものとする。

図１に図示されたピストン１０に対する大きな相違点は、燃焼キャビティ１２１が、ピストン１１０の中心軸線Ｍに対して半径方向にずらされずに配置されているか、または傾倒されずに配置されていることにある。さらに、クーリングチャンネル１２４内には導熱エレメント１３２が形成されている。導熱エレメント１３２は、横断面で見てほぼ先細りになるように形成されており、この場合、先端１３２ａは、斜め下方に向かってクーリングチャンネル１２４内に突入している。導熱エレメント１３２は、ピストンベースボディ１１１とピストンリングエレメント１１２との接合の前に、たとえば鋳造または鍛造および／または機械的な加工によって、内側の周面１２５に、つまりピストンベースボディ１１１に、一体に加工成形される。導熱エレメント１３２は、有利には燃焼キャビティ１２１のキャビティ縁部１２１ａの下方に配置されており、導熱エレメント１３２によって、キャビティ縁部１２１ａからクーリングチャンネル１２４に収容されている冷却媒体の方向に、ひいてはピストンスカートの方向に、有利な熱導出が生ぜしめられる。外側の周面１２６は、本実施形態において、ピストン１１０の中心軸線Ｍに対して平行に延在している。

図３には、ピストンベースボディ２１１とピストンリングエレメント２１２とから成るピストン２１０の第３実施形態における拡大された部分断面図が図示されている。ピストン２１０は、図１に図示されたピストン１０にほぼ相当しているので、同一の構成要素には、同じ符号が付されており、これらの構成要素に関しては、図１についての図面の説明を参照するものとする。

図１に図示されたピストン１０に対する大きな相違点は、クーリングチャンネル２２４が閉じられて形成されていることにある。ピストンベースボディ２１１とピストンリングエレメント２１２とは、接合シーム２８、２３３を介して互いに結合されており、たとえば互いに溶接されている。一方の接合シーム２８は、ピストン頂面の内側の部分１９ａと外側の部分１９ｂとの間に形成されており、有利な本実施形態においては、ピストン２１０の中心軸線Ｍに対して平行に延在している。他方の接合シーム２３３は、ピストンベースボディ２１１のボス結合部２３４とピストン２１０のリング部２３との間に形成されており、やはりピストン２１０の中心軸線Ｍに対して平行に延在している。

図１に図示されたピストン１０に対する別の相違点は、燃焼キャビティ２２１が、ピストン２１０の中心軸線Ｍに対して半径方向にずらされず配置されているか、または傾倒されずに配置されていることにある。さらに、クーリングチャンネル２２４内には導熱エレメント２３２が形成されている。導熱エレメント２３２は、横断面で見てほぼ先細りするように形成されており、この場合、先端２３２ａは、斜め下方に向かってクーリングチャンネル２２４内に突入している。導熱エレメント２３２は、ピストンベースボディ２１１とピストンリングエレメント２１２との接合の前に、たとえば鋳造または鍛造および／または機械的な加工によって、内側の周面２２５に、つまりピストンベースボディ２１１に一体に加工成形される。導熱エレメント２３２は、有利には燃焼キャビティ２２１のキャビティ縁部２２１ａの下方に配置されており、導熱エレメント２３２によって、キャビティ縁部２２１ａからクーリングチャンネル２２４に収容されている冷却媒体の方向、ひいてはピストンスカートの方向への有利な熱放出が生ぜしめられる。外側の周面２２６は、本実施形態においては、ピストン２１０の中心軸線Ｍに対して平行に延在している。

図４には、本発明によるピストン３１０の第４実施形態が図示されている。ピストン３１０は、図３に図示されたピストン２１０にほぼ相当しているので、図３についての図面の説明を参照するものとする。

図３に図示されたピストン２１０に対する唯一の相違点は、図４に図示されたピストン３１０においては、クーリングチャンネル３２４の横断面の中央で狭溢部を生ぜしめる導流エレメント３３１がクーリングチャンネル３２４内に収容されていることにある。この導流エレメント３３１は、ピストンベースボディ３１１とピストンリングエレメント３１２との接合の前に、たとえば鋳造または鍛造および／または機械的な加工によって、外側の周面３２６に一体に、つまりピストンリングエレメント３１２に一体に成形される。クーリングチャンネル３２４の横断面の中央の狭溢部によって、冷却オイルの流れの加速ならびにクーリングチャンネル３２４の狭められていない領域における冷却オイルの渦流形成が生ぜしめられるので、ピストンヘッドからピストンスカートの方向への改善された熱導出が行われる。

Claims (12)

1. ピストンヘッド（１３）とピストンスカート（１４）とを備えた、内燃機関用のピストン（１０，１１０，２１０，３１０）であって、
   当該ピストン（１０，１１０，２１０，３１０）が、ピストンベースボディ（１１，１１１，２１１，３１１）とピストンリングエレメント（１２，１１２，２１２，３１２）とを有し、
   前記ピストンヘッド（１３）が、燃焼キャビティ（２１，１２１，２２１）を有する、
   内燃機関用のピストン（１０，１１０，２１０，３１０）において、
   前記ピストンリングエレメント（１２，１１２，２１２，３１２）が、ピストン頂面の一部分（１９ｂ）と、環状のトップランド（２２）と、リング溝を備えた環状のリング部（２３）とを有し、
   前記ピストンベースボディ（１１，１１１，２１１，３１１）と前記ピストンリングエレメント（１２，１１２，２１２，３１２）とが、１つの環状のクーリングチャンネル（２４，１２４，２２４，３２４）を形成しており、該クーリングチャンネル（２４，１２４，２２４，３２４）が、前記燃焼キャビティ（２１，１２１，２２１）の領域に位置する内側の周面（２５，１２５，２２５）と、前記リング部（２３）の領域に位置する外側の周面（２６，１２６，２２６，３２６）との間に形成されており、
   前記クーリングチャンネル（２４，１２４，２２４，３２４）内で、前記外側の周面（２６，３２６）に少なくとも１つの導流エレメント（３１，３３１）が設けられており、かつ／または前記内側の周面（１２５，２２５）に少なくとも１つの導熱エレメント（１３２，２３２）が設けられており、
   前記ピストンベースボディ（１１，１１１，２１１，３１１）と前記ピストンリングエレメント（１２，１１２，２１２，３１２）とが、前記ピストン頂面（１９ａ，１９ｂ）の領域に１つの環状の接合シーム（２８）を有しており、該接合シーム（２８）を介して、前記ピストンベースボディ（１１，１１１，２１１，３１１）と前記ピストンリングエレメント（１２，１１２，２１２，３１２）とが、解離不能に互いに結合されていることを特徴とする、内燃機関用のピストン（１０，１１０，２１０，３１０）。
2. 前記接合シーム（２８）が、当該ピストン（１０，１１０，２１０，３１０）の中心軸線（Ｍ）に対して平行に延在している、請求項１記載のピストン。
3. 前記クーリングチャンネル（２２４，３２４）が、閉じられたクーリングチャンネルとして形成されており、前記ピストンベースボディ（２１１，３１１）と前記ピストンリングエレメント（２１２，３１２）とが、当該ピストン（２１０，３１０）のボス結合部（２３４）の領域で第２の環状の接合シーム（２３３）を介して解離不能に互いに結合されている、請求項１記載のピストン。
4. 前記第２の環状の接合シーム（２３３）が、当該ピストン（２１０，３１０）の前記中心軸線（Ｍ）に対して平行に延在している、請求項３記載のピストン。
5. 前記クーリングチャンネル（２４，１２４）が、前記ピストンスカート（１４）の方向に開いて形成されていて、閉鎖エレメント（２７）によって閉鎖されている、請求項１記載のピストン。
6. 前記閉鎖エレメント（２７）が、前記リング部（２３）の領域で前記ピストンリングエレメント（１２，１１２）に保持されている、請求項５記載のピストン。
7. 前記ピストンヘッド（１３）と前記ピストンスカート（１４）との間に１つの環状の凹部（１５）が形成されている、請求項１記載のピストン。
8. 前記ピストンベースボディ（１１）が、当該ピストン（１０）の前記中心軸線（Ｍ）に対して半径方向にずらされ、かつ／または傾倒された燃焼キャビティ（２１）と、前記ピストン頂面の一部分（１９ａ）と、前記ピストンスカート（１４）とを有する、請求項１記載のピストン。
9. 当該ピストン（１０）の前記中心軸線（Ｍ）に対する前記燃焼キャビティ（２１）の半径方向のずれ（ｄ）が、最大で３ｍｍである、請求項８記載のピストン。
10. 前記燃焼キャビティ（２１）の中心軸線（Ａ）が、当該ピストン（１０，１１０）の前記中心軸線（Ｍ）に対して最大で１０°の鋭角の角度（α）を成している、請求項８記載のピストン。
11. 前記クーリングチャンネル（２４）の前記内側の周面（２５）および／または前記外側の周面（２６）が、前記燃焼キャビティ（２１）の前記中心軸線（Ａ）に対して平行に延在している、請求項１０記載のピストン。
12. 前記クーリングチャンネル（２４，１２４，２２４，３２４）の前記外側の周面（２６，１２６，２２６，３２６）が、当該ピストン（１０，１１０，２１０，３１０）の前記中心軸線（Ｍ）に対して平行に延在している、請求項１記載のピストン。

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