JP2015532378A - ピストン - Google Patents

Abstract

ピストン１は、ピストンのクラウンと、関連するコネクティングロッド４との間において、使用時に、コネクティングロッドをピストンのクラウンから離れるように付勢するように作動する、一対の涙滴形状のバネ６を組み込んでいる。複数のバネ６は、支持部材７、８によって支持され、バネは、ピストンのクラウン２の領域内に実質的に配置されている。キャリア５が、ピストン内に配置されており、キャリアは、ピストンに対する軸線方向の動きのために、ピストン内に摺動可能に搭載され、キャリアは、バネ６が、キャリア５を、ピストンのクラウン２に対して軸線方向に移動させるような状態で、コネクティングロッド４に接続されている。バネは、ゴムメタル等のベータチタン合金で作られている。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関用のピストンに関する。

従来の内燃機関は、ピストンの往復運動を出力トルクに変換して車両を推進するか又は任意の別の負荷に作用するために、クランクシャフトを使用する。クランクシャフトは、燃料の燃焼から利用可能な動力を使用可能な出力トルクに変換する、その能力において非効率的である。これは、燃料／空気混合物の燃焼が、エンジン速度及び負荷に依存して、ピストンの上死点（ＴＤＣ）位置の前に、かなりの角度で生じるためである。ＴＤＣの前にコネクティングロッド及びクランクピンが逆トルクを生成しており更にＴＤＣにおいて実際には一直線上にあるような、ＴＤＣの前及びＴＤＣにおいての何れかにピストンが位置する場合に、点火された燃料／空気の圧力は、出力トルクを生成できないので、クランク円に対して接線方向の力の成分は存在しない。これは、利用可能なエネルギのほとんどが、熱として失われる結果になる。もし点火が早過ぎて発生する場合には、生成された圧力のほとんどが、エンジンを停止する試みのために浪費され（この圧力は、圧縮行程中にピストンが移動している方向と反対方向にピストンを強制しようとするように）、更にもし遅過ぎる状態のままである場合には、ピストンが動力行程中にその下降を開始するので、ピストン上の体積を増加することにより、圧力は減少する。最適な最大圧力点は、エンジンによって変化するが、しかし平均的には、ＴＤＣの後で１２度程度である。

内燃機関用のピストン及びコネクティングロッドアセンブリに関する特許文献がある（例えば、特許文献１参照。）。アセンブリは、ピストンとコネクティングロッドとバネとを具備しており、コネクティングロッドは、一緒の運動に関してピストンに作動的に関連する第１端部と、回転出力軸に接続可能な第２の端部とを有する。バネは、コネクティングロッドをピストンクラウンから離れるように付勢するように、ピストンとコネクティングロッドとの間で作動する。ピストンは、シリンダ隙間容積の高さに実質的に等しい距離で、コネクティングロッドの第２（小さな）端部に向かって移動可能である。バネを使用する１つの成果は、アセンブリが共振周波数を有することであり、共振周波数を有することの利点は、ある特許文献に記載される（例えば、特許文献２参照。）。このアセンブリは、エネルギ蓄積ピストンとして、本明細書を通して以下で説明する。

使用において、点火は、ＴＤＣ前の所定の時間に実施されるように、従来の時期調整手段により時期調整されるので、点火燃焼により形成された膨張ガスは、動力工程中にシリンダ内でピストンを強制的に急速に下降させる。ＴＤＣに到達する前にはしかし、シリンダ内の圧力が高い値まで達しており、ピストンは、バネの力に抗して、クランクピンに向かって押される。これは、バネを圧縮し、ピストンの上の容積を増加させて、シリンダ内の圧力及び温度の低下を引き起こす。低下した温度は、放射損失及び冷却水への熱損失を減少し、その後、圧力がシリンダ間隙容積とバネとの間で均等に分配される状態で排気を減少させる。バネに蓄積されたこのエネルギは、ピストンがＴＤＣを通過した時に解放されて、増大した出力トルクの生成に繋がる。これは、バネ圧力がＴＤＣ後にシリンダ圧力にここで組み合わされるので、実現される。この蓄積されたエネルギの大部分はそうでなければ、燃料／空気混合物がＴＤＣ前に点火されなければならないという事実に起因して、熱として失われていたであろうし、そのことは、点火された燃料／空気が最適な性能のためには、ＴＤＣ後の約１２度で最大圧力に到達するという要件の結果である。

上記特許文献１及び２の明細書に開示されたエネルギ蓄積ピストンのタイプの１つの問題は、コネクティングロッドの小さな端部とピストンクラウンの間に設置された、バネ装置にエネルギを蓄積するために、コネクティングロッドの小さな端部とピストンクラウンとの間において相対的運動を有することが必要であることである。この問題自体は、バネ装置及び／又は隣接部分の摩耗において現れており、この摩耗は、可動部品間における剛性の軸線方向整列を保持するという、アセンブリの不具合に起因する。この整列不良は、酷い摩耗を引き起こし得るので、特にピストンが全負荷である場合に、隣接する部品間の焼付きに繋がる場合がある。

また、整列特性が改善された、エネルギ蓄積ピストンを開示する特許文献がある（例えば、特許文献３参照。）。このピストンは、ピストンと一体に形成される、バネを内蔵し、ベローズバネとして構成されており、チタンから製作される。

このベローズバネピストンの欠点は、製造が困難であることであり、過負荷の場合に、過度の応力を受け得ることである。従って、もしベローズバネが、内側及び外側のスロットを機械加工することにより、チタンの環状ブロックから製造される場合には、これらは、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）なしで実施は可能ではなく、更に、機能的なピストンを実現するためにベローズの正しい断面を生成するためにかなりの時間入力を必要とするので、これは高価な作業である。また、スロットの機械加工は、高価なチタンのかなりの浪費をもたらし、各バネは、指定されたピストン及びその用途のために、特別に設計されなければならない。更に、ベローズバネの湾曲した内側及び外側部分により、及びバネの隣接するリーフの対向する面は、応力集中を分散するために、輪郭形成されなければならないという要求により、隣接するリーフとの間の隙間は、３mm程度で比較的大きく、これは、過負荷された場合に、過度の応力の問題につながる。従って、単位長さ当たりの比較的少数のリーフを有する、ベローズバネが生成され、これらは、ピストンが使用中に受ける、大きな応力を吸収しなければならない。従って、リーフ当りの応力は、比較的高く、これは、バネの早期故障につながる可能性がある。このタイプのベローズバネの別の欠点は、必要な応力及び撓みの形態を実現するように試みるためには、ベローズバネは、比較的大きな空間を占有し、ピストンの設計を困難にすることである。このように、別のピストン構成要素のために必要とされる、空間は、ベローズバネが占める、空間と競合しなければならない。本明細書を通して、用語「リーフ」は、バネの波形を形成する、ベローズバネのこれらの一部分を意味すると解釈されるべきである。

これとは別に、もしバネの個別のリーフが、スタンピングにより形成されており、更にリーフが、ベローズバネを形成するように、共に拡散結合されるならば、より費用対効果の良いベローズバネが形成可能であるが、しかしこれは、湾曲した内側及び外側の端部と非平行なリーフ壁とを有する、ベローズバネにおいて固有である、リーフ間の比較的大きい隙間のために、過度の応力の問題がやはり存在する。空間の問題はまた、上記で概説したのと同じ理由で生じる。

また、ピストンのクラウンから離れるようにコネクティングロッドを付勢するように、ピストンと、関連するコネクティングロッドとの間において、使用中に作動する、バネを組み込む、エネルギ蓄積ピストンを開示する特許文献がある（例えば、特許文献４参照。）。バネは、ベローズバネの波形を形成する、実質的に平行な複数のリーフを有する、ベローズバネとして構成される。リーフを接続する、バネの内側及び外側の端部は、矩形形状であり、隣接するリーフ間の隙間は、実質的に平行な表面により形成される。

このバネは、ベローズバネのより早期のタイプに比べて、製造がより容易であるという利点を有しており、それは、過剰応力から同じ程度には影響を受けない。しかし、それは依然として、ピストン内に多くの空間を占有しており、そのことは、ピストン設計を結果的に困難にする。

また、ピストンのクラウンから離れるようにコネクティングロッドを付勢するように、ピストンと、関連するコネクティングロッドとの間において、使用中に作動する、バネを組み込む、ピストンを開示する特許文献がある（例えば、特許文献５参照。）。バネ手段は、実質的にピストンクラウンの領域に設置され更にピストンの実質的に横断面部全体に亘って伸長する、実質的に円形クッションバネとして形成されており、バネ手段は、ピストンのクラウンをコネクティングロッドに対して軸線方向に移動可能にするようなものである。

このクッションバネの欠点は、２つの同一の部材から製作される必要があることであり、その縁部は、一緒に結合されなければならない。電子ビーム溶接は、好適な接合方法であるが、しかしこの方法は、溶接領域内の材料を、材料が脆くなることに繋がる、そのベータトランザス（Beta Transus）温度より高くする結果をもたらし、それにより、その有効稼動寿命を短くする。

また、ピストン内に２つの皿バネを組み込んだピストンであって、皿バネは、ピストンと関連するコネクティングロッドとの間において、使用中に作動する、ピストンを開示している特許文献がある（例えば、特許文献６参照。）。皿バネの周縁部は、実質的に環状の支持部材により支持され且つ分離されており、バネは、実質的にピストンクラウンの領域に設置されており、ピストンの実質的に横断面部全体にわたって伸長する。バネは、ピストンのクラウンを、コネクティングロッドに対して軸線方向に移動させる。支持部材は、皿バネの周縁部に固定された、それぞれのリングにより、及びリングとの転がり係合のための湾曲した支持面で形成された、環状バンドにより構成される。

このピストンの皿バネは、チタン１０V −２Fe−３Alから作成される。この材料の欠点は、それが、所望の撓みを達成するために、少なくとも２つの皿を必要とし、更に、その場合でさえも、全負荷応力が疲労限度に近いことである。これは、バネの比較的短い稼動寿命に繋がる。

また、ニチノール等の超弾性材料から製作される、皿バネを組み込む、ピストンを開示する特許文献がある（例えば、特許文献７参照。）。このバネは、それがピストンクラウンとキャリアの頂部との間の空間に適合可能であるように、矩形のベローズバネに比べてはるかにより小さい。また、より小さいほど、それは、かなりより少ない金属を使用し、従って、低コストのピストンを実現する。また、バネは、ピストンのクラウン端部に完全に設置可能であり、従って、キャリアを、改善された矩形のベローズバネ設計の場合であった、チタンよりむしろアルミニウムから作成可能にし、それにより、より以上の材料コストの低減に繋がる。

このバネはまた、矩形のベローズバネに比べてはるかにより軽量であり、その設計の単純さにより、その製造工程は、より経済的で、より速く、より簡単である。更に別の利点は、既存のピストンの設計が、このタイプのバネを受け入れるように容易に変更可能であり、それにより、エネルギ蓄積ピストンの改善された効率及び燃料節約特性の利点を得るように、既存の内燃機関を改造可能にすることである。

残念ながら、内燃機関におけるニチノールバネのテストは、それらが、それらの早期故障の原因となる運転時に、内部的に加熱することを明らかにした。

英国特許第2318151号明細書 国際公開公報第00/77367号 欧州特許出願第1274927号明細書 英国特許出願第0216830.0号明細書 英国特許出願第0218893.6号明細書 欧州特許出願第1616090号明細書 英国特許出願第2431451号明細書

本発明は、54.3％のチタン、２３％のニオブ、0.7％のタンタル、２１％のジルコニウム及び１％の酸素の組成で当初開発された、高い弾性、延性及び降伏強度の比類のない合金であり更に、バナジウム及びハフニウムもまた含む、組成の範囲にわたって存在可能である、ゴムメタル（また、TNTZとしても知られる）と呼ばれるベータチタン合金の発見に基づく。ゴムメタルは、一般的な金属材料に比べて弾性変形（2.5％）において一桁より高い超弾性の性質を示し、高強度を有する極低弾性率を有し、室温における加工硬化なしで、９９％以上までの冷間塑性加工を可能にする、超可塑性の性質を有し、加熱処理を施すことにより、2000MPaより大きい極高強度を有し、更に広い温度範囲にわたってほぼゼロの線膨張係数（インバー特性）及び一定の弾性率（エリンバー特性）を有する。

本発明は、バネ手段を組み込む、ピストンを提供しており、該ピストンは、ピストンと、関連するコネクティングロッドとの間において、使用時に、コネクティングロッドをピストンのクラウンから離れるように付勢するように作動しており、バネ手段は、実質的にピストンのクラウンの領域に設置されており、バネ手段は、ピストンのクラウンをコネクティングロッドに対して軸線方向に移動させるようなものである、ピストンにおいて、バネ手段は、７５GPaの以下のヤング率及び700MPa以上の引張弾性限界強度を有する材料から製作される。

バネの材料が、ベータチタン合金であることが好ましく、ベータチタン合金が、ゴムメタルであることはより好ましい。

好適な実施の形態において、バネ手段は、２つの涙滴形状の環状のバネにより構成されており、各バネは、平坦面を介して内側の略半球縁部に向かって先細りする、外側の略半球縁部を有する。

２つのバネの外側の略半球縁部は、互いに転がり係合しており、内側の略半球縁部は、ピストンのクラウン内に設けられる、それぞれの第１の支持部材及び第２の支持部材と転がり係合することが好ましい。

ピストンは、ピストン内に配置される、キャリアを更に具備してもよく、キャリアは、ピストンに対する軸線方向の動きのために、ピストン内に摺動可能に搭載され、そしてバネ手段がキャリアを、ピストンのクラウンに対して軸線方向に移動させるような状態で、コネクティングロッドに接続される。

第１の支持部材が、ピストンのクラウンに圧入されており、第２の支持部材が、キャリアの一部を形成することが有利である。

キャリアは、アルミニウム製であることが有利であり、キャリアは、ケロライト等の減摩材料で被覆されることが好ましい。

キャリアは、実質的にその全長に亘って、ピストンの円筒壁内に摺動自在に搭載されることが好都合である。

バネの材料は、稼動条件の温度範囲内に維持されるようなものであってもよい。所定の温度範囲は、実質的に−２５℃から少なくとも300℃までであってもよい。このことは、バネ材料が、柔らか過ぎず、又は硬過ぎないことを確保する。

ベータチタン合金は、実質的に、チタン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム及び酸素の混合物であることが好ましい。

好適な実施の形態において、ピストンは、キャリアの外周部に形成された、垂直方向に離間する一対の油室を更に具備しており、各油室は、キャリアの一部及びピストンの内側円筒壁により形成されており、油室は、キャリア内に形成された複数の孔により相互接続されており、油室の一方は、バネが圧縮された時に最大容積を有し、バネが除圧された時に最小容積を有しており、油室のもう一方は、バネが圧縮された時に最小容積を有し、バネが除圧された時に、最大容積を有しており、それにより、キャリアがピストンのクラウンに対して上下に移動する際に、オイルは、一対の油室の間において圧送されて、ピストンの内部を潤滑する。

好適には、各バネは、以下の方法により形成されており、以下の方法は、
（ａ）ベータチタン合金を粉末に変換する段階と、
（ｂ）その粉末形態のベータチタン合金を、涙滴形状の金型に注ぐ段階と、
（ｃ）粉末状のベータチタン合金を、所要の形状に熱間等方圧プレス加工する段階と、
（ｄ）プレス加工されたベータチタン合金を、冷間加工する段階と、
（ｅ）所望の形状に旋削加工する段階と、を具備する。

各バネは、冷間加工に続いて、熱処理されてもよい。

本発明はまた、バネ手段を組み込む、ピストンを提供しており、ピストンが、ピストンと、関連するコネクティングロッドとの間において、使用時に、コネクティングロッドをピストンのクラウンから離れるように付勢するように作動しており、バネ手段は、実質的にピストンのクラウンの領域に設置されており、バネ手段は、ピストンのクラウンをコネクティングロッドに対して軸線方向に移動させるようなものである、ピストンにおいて、バネ手段は、ベータチタン合金から製作される、２つの涙滴形状の環状のバネにより構成される。

本発明は更に、上記で定義されたピストンのためのバネを製造する方法を提供しており、該方法は、
（ａ）ベータチタン合金を粉末に変換する段階と、
（ｂ）その粉末形態のベータチタン合金を、涙滴形状の金型に注ぐ段階と、
（ｃ）粉末状のベータチタン合金を、所要の形状に熱間等方圧プレス加工する段階と、
（ｄ）プレス加工されたベータチタン合金を、冷間加工する段階と、
（ｅ）所望の形状に旋削加工する段階と、を具備する。

この方法は、冷間加工に続いて、バネの各々を熱処理する段階を更に具備してもよい。

本出願の範囲内において、前の段落、特許請求の範囲及び／又は以下の説明と図面、及び特にはそれらの個々の特徴において記載される、種々の形態、実施の形態、実施例及び代替例は、個別に又は任意の組み合わせで採用されてもよいことが、明示的に想定される。一実施の形態に関連して説明された特徴は、そのような特徴に矛盾がない限り、全ての実施の形態に適用可能である。

本発明は、図面を参照して実施例により、より詳細に以下で説明されるであろう。

図１は、本発明に従って構成されたエネルギ蓄積ピストンの断面図であり、第１の運転条件におけるピストンを示す。 図２は、図１のエネルギ蓄積ピストンの別の断面図であり、第１の運転状態におけるピストンを示す。 図３は、図１と同様の断面図であり、第２の運転状態におけるピストンを示す。 図４は、図１から３のピストンと従来のピストンの圧力、トルク等を比較する図解的表示である。

図面を参照すると、図１は、内燃機関の中空ピストン１を示しており、ピストンは、従来の方法で、鋳鉄、鋼又は任意の別の適切な材料で被覆されたシリンダ（図示せず）内において往復動可能である。ピストン１は、アルミニウム製であり、ピストンの外周円筒面を形成する、下方支持型環状スリーブ部２ａを有する、クラウン２を有する。使用時において、ピストン１は、ガジオン(gudeon)ピン３と、コネクティングロッド４と、クランクピン（図示せず）とによりクランクシャフト（図示せず）を回動させており、それらの全ては、チタン、アルミニウム、鋼、マグネシウム合金、プラスチック材料又は任意の別の適切な材料から製作可能である。ガジオンピン３は、アルミニウム製で且つケロライト又は任意の別の適切な減摩材料で被覆された、円筒状キャリア５内に形成された、円筒状の孔５ａ内に嵌合される。ガジオンピン３は、その端部の各端部において嵌合される回転防止ペグ３ｂにより又は任意の別の適切な手段により、所定の位置に軸線方向に保持される。これは、キャリア５内のガジオンピン３の横方向の動きを防止する。キャリア５は、ガジオンピン３により所定の位置に保持される。

図２を参照すると、コネクティングロッド４は、キャリア５内に形成される、略矩形状孔５ｂを通過して、ガジオンピン３に接続される。矩形状孔５ｂは、円筒状孔５ａに対して直角位置にある。一対の環状バネ６は、下方を向く鋼製支持リング７と、キャリア５の一部を形成し上方を向く支持リング８との間においてピストン１内に配置されており、鋼製支持リング７は、ピストンクラウン２に隣接した状態でピストン１内に圧入される。これとは別に、支持リング８は、鋼から製作可能であり、キャリア５内に圧入可能であった。

各バネ６は、ゴムメタル製の環状皿バネであり、涙滴形状の断面を有しており、即ち、それは、平坦面６ｃを介して内側の略半球縁部６ｂに向かって先細りする、外側の略半球縁部６ａを有する。バネ６の内側縁部６ｂは、リング７と８の下面と上面にそれぞれ形成された、湾曲部７ａと８ａに転がり係合する。バネ６の外側縁部６ａは、もう一方と転がり係合する。ゴムメタルは、７５GPa以下のヤング率を有し、700MPa以上の引張弾性限強度を有する。実際には、ヤング率は、室温での約７５GPaと、ピストン１の作動温度（通常は、2000℃）での約３５GPaとの間で変化可能である。同様に、引張弾性限強度は、室温での約700MPaと、ピストン１の作動温度での1200MPaとの間で変化可能である。

各バネ６を製造するために、ゴムメタルは、粉末に変換され、涙滴形状の金型に、その粉末形態で注入され、その後、所要の形状に熱間等方圧プレス加工される。冷間加工は、その後各バネ６に適用されて、報告されたせん断弾性率を有するその弾性率を、２０GPa程の低さに減少させる。冷間加工はまた、各バネ６の降伏強度を増大する。もしより大きな降伏強度が要求される場合には、バネ６は、ある程度の弾性がその後犠牲になるであろうが、冷間加工後に熱処理可能である。このように、２GPa程の高さの範囲にある降伏強度は、達成可能であり、それは、最強の幾つかの鋼と同等である。熱間及び冷間加工の組み合わせは、超弾性バネに、その所望の特性を与える。

キャリア５の下端部は、ガジオンピン３によりコネクティングロッド４に固定されており、更にピストン１は、キャリアに対して軸線方向に可動であり、従って、ガジオンピン３とクランクピンに対して相対的に移動可能である。配置は、ピストンクラウン２がシリンダ隙間容積の高さ（ピストンクラウン２の平均高さと、燃焼室の頂部の平均高さとの間の距離）にほぼ等しい、最大距離でクランクピンに向かって移動可能であるようなものである。バネ６は従って、ピストンクラウン２から離れるようにガジオンピン３を付勢する。

使用において、点火は、ＴＤＣ前の所定の時間に実施されるように、従来の時期調整手段（図示されない）により時期を調整されるので、点火燃焼により形成された膨張ガスは、動力工程中にシリンダ内でピストン１を強制的に急速に下降させる。ＴＤＣに到達する前にはしかし、シリンダ内の圧力が高い値まで達しており、ピストン１は、キャリア５に対して、バネ６の力に抗して、クランクピンに向かって押される。これは、バネ６を圧縮し、ピストン１の上の容積を増大させて、シリンダ内の圧力及び温度の低下を引き起こす。

ピストンは、隙間容積高さが、それが標準的なピストンが有するであろうものの、半分であるように、即ち、圧縮比が二倍になるように、一対のバネ６を有して設計されている。 （標準的なエンジンの圧縮比を倍にすると、エンジンの性能を損傷する又は有害な効果を有するであろう）。しかし、点火が行われる時に、膨張ガスは、当初の圧縮比に復元するように、ピストンクラウン２を下向きに動かす。これは、バネが搭載されていない場合にそれがそうであったであろうものに、ガス圧を復元するようにバネ６に負荷を与える。これは、バネ力とガス力との和がピストンクラウン２に作用するという結果を生じる。明らかに、これは、ピストンクラウン２に適用可能な力の約２倍を結果的に生じ、利用可能な動力の２倍を結果的に生じる。スロットルは従って、合理的な「チックオーバー（ゆっくり動く）」速度を得るために、当初の開度の約半分に設定する必要がある。

上記に加えて、バネ６は、点火ガスエネルギの半分を蓄えており、このエネルギは、バネに蓄えられたエネルギが完全に放出されるまで、ピストンが圧力調整器として作用する、ＴＤＣ後に、唯一放出可能である。この作用は、それがＴＤＣ後に行われるので、この作用及びバネ６がそれらのエネルギを放出するのに要する、時間は、トルクが従来のエンジンに比べてバネ付きピストンエンジンにおいてはるかにより大きくなることを確保する。

圧力が燃焼時に適用されると、バネの隣接する平坦面が接触するまで（図３参照）、縁部６ａが互いにおいて回動するので、バネ６の縁部６ｂは、互いに向かって移動する（図１及び２に示す位置から）。バネ６の変位は、ピストンクラウン２を、コネクティングロッド４及びキャリア５に対して下降可能にするので、ピストン１上のシリンダ容積が最大圧力において倍増されて、それにより、そうでなければシリンダ壁を介して熱として失われるであろう、エネルギをバネ６内に蓄積する。クランクが追加のトルクを発生するために、より有利な角度にある時に、蓄積されたエネルギはその時、放出される。

燃焼の最大圧力において、バネ６が完全に圧縮されて（図３参照）、それらの隣接する平坦面６ｃが接触し、それにより、バネの過剰な応力を防止し、更に従って可能性のある早過ぎる故障を防止するように、バネ６とリング７，８は構成される。最大圧縮は、着火後の圧力及びクランクシャフトの動きに依存しており、バネ６は、過剰応力が発生する前に、必要な最大撓みに達するように、適切に構成される。

バネ６が圧縮されると、それらは、それらの剛性により適用される力に対抗し、この剛性は、ニュートン／メートルの変位で計測される。バネ６の圧縮から結果的に生じる、低下された温度は、圧力がシリンダ間隙容積とバネとの間で均等に分け合う状態で、放射損失、及び冷却水とその後の排気への熱損失を減少させる。バネ６に蓄積されたこのエネルギは、ピストン１がＴＤＣ（上死点）を通過した時に放出されて、増大した出力トルクの生成に繋がる。これは、エネルギがバネ６により放出される際に達成され、クランクアームがトルクを生成するために、より有利な角度にある時に、ＴＤＣ後にシリンダ圧力と組み合わされる。この蓄積されたエネルギの大部分は、そうでなければ、ＴＤＣ前に燃料／空気混合物は点火されなければならないという事実に起因して、熱として失われていたであろうし、そのことは、点火された燃料／空気が、最適な性能のためにＴＤＣ後に約１２度で最大圧力に到達するという要求の結果である。ゴムメタル（最適には、上記のように処理された）は、その機械的な特性並びに超弾性的特性により、バネ６製作するための好適な材料である。

この構成の作用は、エンジンが正常に始動された時に、全ての動力工程においてコネクティングロッド４（及び従って、そのクランクピン）に対してピストン１の動きが存在することを意味する。エンジンの点火時期は、点火が、エンジンの負荷及び速度に応じて、ＴＤＣ前に、約１０度と４０度との間に発生するようなものである。

ゴムメタルの汎用性により、本発明は可能になった。また、バネの設計は、それらの内側の半径が支持リング７と８に作用する状態で、２つの涙滴形状のバネ６が、それらの外側半径において共に接触するように設計されるという事実において比類のないものである。摩擦は、バネの外側縁部６ａにおいてバネ６の回動作用により除去されており、それらの内側縁部６ｂにおいて制限された摩擦に限定される。更に、バネ６の設計は、平坦面６ｃ上に最大応力を均等に分散するようなものである。バネ６は、バネの動きが全負荷において隙間容積高さの半分を移動するものであるように、全負荷において隙間容積高さを二倍にするように設計される。これは、以前と同じような結果を得るためにスロットル位置を半分にすることを可能にするように、ピストン１上の力が二倍に増すことを意味する。ピストン１を装備するオートバイにおける最近の走行路上テストは、試験中における燃料流量の２５％〜４０％削減を結果的に生じる。

エネルギ蓄積バネ６を提供する主な効果は、その動力出力を低下させることなく、エンジン燃料消費量を大幅に低減することである。改良されたエンジンの効率だけではなく、排気の排出量もまた減少させる。亜酸化窒素の排出量が大幅に低減され、エンジンの効率を増大させることにより、未燃焼炭化水素の排出量も減少される。

標準的な内燃機関において、排気弁は、関連するピストンが下死点（ＢＤＣ）に達する前に、通常開いて、連続する膨張ガスが排気部から噴出することを可能にし、それにより、排気ガスが燃焼室から効果的に掃気されるように、弁オーバーラップ中に（即ち、入口及び出口弁の両方が開いている時に）シリンダへの燃料と空気の新鮮な供給の開始を支援する。排気弁を早期に開く行為は、未燃焼炭化水素の排出を促進し、更にこれらのガスが大気中に放出されるので、連続する膨張ガスが、クランクシャフトを機械的に回転させることを防止する。

バネ６の使用は、燃料／空気混合物のより効率的な使用を可能にする。また、増大された圧縮比を使用することにより、バネは、ほとんどＢＤＣまで排気弁が閉じられたままであり、それにより、排気バルブを早く開くことによりシリンダ内の圧力を逃がす必要なしで、燃焼室からの排気ガスの大部分を効果的に一掃するように設計された、カムシャフトの使用を可能にする。排気弁のこの遅い開放のカム設計は、バネ６を利用する、任意のエンジンに有利に適用可能である。

エンジンのフライホイールのマス（質体）に連結された、バネ６の使用は、アセンブリ全体に、共振となる周波数（rpm）を与える。これは、一定速度で作動するように設計された、エンジンにおいて用いられる場合に、ほとんどのエンジンが現在そのように設計されているので、有利に使用されるであろう。

エンジン効率を高め更に排気の排出量を低減する原理は、私の英国特許第2318151号明細書に記載されており、従って、上述のピストン１は、そのピストンの全ての利点を有する。

上述のピストン１は、私の欧州特許出願第1274927号明細書に記載されるピストンの全ての利点を有する。このピストンはまた、私の英国特許出願第0216830.0号明細書に記載の改良された矩形のベローズバネと比較した時に利点を有する。具体的には、バネ６は、矩形のベローズバネに比べてはるかにより小さいので、それらは、ピストンクラウン２とキャリア５の頂部との間の空間に嵌合可能である。また、より小さいので、それらは、かなりより少量の金属を使用しており、従って、低減された費用のピストンをもたらす。更に、ピストンのクラウン端部に完全に設置される、バネ６の使用は、改善された矩形のベローズバネ設計を有する場合のチタンよりもむしろ、アルミニウムから製作されることを、キャリア５に対して可能にしており、それにより、更なる材料費用の削減をもたらす。

バネ６はまた、矩形ベローズのピストンに比べてはるかにより軽く、設計の単純さにより、その製造工程は、より経済的で、より速く更により単純である。更に別の利点は、既存のピストンの設計が、バネ６を受容するように容易に変更可能であり、それにより、既存の内燃機関を、エネルギ蓄積ピストンの改善された効率及び燃料節約特性の利点を獲得するように改造可能にすることである。

ピストン１内のキャリア５の潤滑は、一対の室９と室１０内のオイルにより提供されており、室９（図３参照）は、キャリア５の基部に形成されており、室１０（図２参照）は、キャリアの上端部に形成される。２つの室９と室１０は、キャリア５に穿孔された１２個の孔１１（図１参照）により相互接続される。室１０は、１２個の通路１２により、シリンダの内部に存在するオイルと流体連絡しており、１２個の通路１２の各々は、それぞれの孔１１に関連する。室９は、１２個の通路１３により、ピストン１の内部に接続しており、１２個の通路１３の各々は、それぞれの孔１１に関連する。バネ６が圧縮されると、キャリア５は、ピストンクラウン２に対して上方に移動するので、オイルは、１２個の孔１１及び１２個の通路１３を介して室１０からピストン１の内部に圧送されており、このオイルは、通路１２を介してシリンダの内部から供給される。これは、油圧力を減少させ、ピストン１内においてキャリア５の油圧ロック（固着）を防止する。バネ６が除圧されると、キャリア５は、ピストンクラウン２に対して下方に移動するので、オイルは、室９から室１０に圧送され、その後、上方に移動してバネ６を潤滑する。室９の容積は、バネ６が除圧されると最小になり、キャリア５はその最低位置にあり、そして室１０の容積はその時、最大になる。室９の容積は、バネ６が圧縮されると最大になり、キャリア５はその最高位置にあり、そして室１０の容積はその時、最小になる。ピストン１の作動中に、キャリア５は常に、図１及び２に示される、「弛緩」位置に移動させらされるが、しかし、キャリア５が、雑音を吸収するように設けられる、バイトン（Viton）又はカルレッツ（Kalrez）リング１４に載る状態に達する時に、金属と金属の接触から発せられる雑音を回避する。更に、バイトンは、燃焼すると、健康に有害であり得る、有毒ガスを放出するので、バッファ（緩衝物）として作動する場合に、カルレッツは好適な材料である。

前に述べられた、ピストン１の別の利点は、キャリアが実質的な横推力を受ける場合に、キャリア５が、ピストン１本体内に、軸線方向に整列してしっかりと保持されることである。従って、非軸線方向荷重が、コネクティングロッド４の動き出しにより、キャリア５に付与された時に、キャリア５は、ピストン本体内に、軸線方向に整列してしっかりと保持される。結果的に、キャリア５は、実質的に改善された耐摩耗性を有し、更にかじりを防止するために適切な材料で被覆可能である。キャリア５及びバイトン／カルレッツリング１４の全ては、固定リング１５により所定の位置にしっかりと固定された、ピストン１内に保持される。

上述のピストンの本質は、バネ６が、バネ定数を進歩的なものにしており、それにより、比例的に、より軽い負荷に関してより大きく撓むことを可能にすることである。結局、経済的利点が、高負荷よりむしろ、より低い負荷及び中程度の負荷において、より顕著になるように、バネは、従来の自動車の内燃機関のピストンへの通常の荷重に、より適合する。これとは別に、バネ６は、必要に応じて、高負荷の用途を優先するように設計可能である。

バネ６に接触する、支持リング７の別の利点は、より多くの垂直方向の空間が、ピストン１の本体内で利用可能であり、それにより、強度又は信頼性を犠牲にすることなく、全ての必要な構成要素を効率的に包含することを可能にすることである。

バネ６の製作のために、ゴムメタル等のベータチタン合金を使用することの別の利点は、バネが以下であることである：
１）腐食耐性がある。
２）低ヤング率を有する。
３）高降伏強度を有する。
４）超弾性特性を有する。及び
５）約４％の最大歪みを有する。
上記の要素の全ては、この材料を、エネルギ蓄積ピストンのバネ要素としての使用のために理想的に適したものにしており、ピストンが効率的に作動可能であるように、その改善された撓み品質のためのより大きな場所を提供可能にする。

ピストン１の現在の設計において、圧縮比は倍になる。圧縮比を倍にする効果は、シリンダ内の圧力を倍増することである。それ自体においてこれは、燃料の厳しい爆発を引き起こし、更におそらく、ピストン１を損傷する。しかし、バネ６を含むことにより、バネ６がピーク値の半分に圧縮され更に、バネ力が別の半分を加える場合に、圧力が低下することを可能にする。それ自体においてこれは、スロットルの５０％の閉鎖を必要とするが、しかしエンジンのチックオーバー（ゆっくり動く）rpm（回転数）を保持しており、５０％の閉鎖は、新しいスロットルストップであり、従って、チックオーバー位置である。更に、バネ６は、圧力調整器として作動しており、圧力調整器は、上昇する回転アームによりトルクを大幅に増加させるようなクランク位置に、ピストンが移動するまで、ピストンの上の圧力を実質的に一定に保持するように、バネのエネルギを放出する。これは、合成的なトルクを、従来のエンジンに比べてより高い状態にする。

標識ＡからＦの図（図４）に示された曲線は、上記のピストン１及び従来のピストンにおける圧力及びトルクを示す。曲線Ｃ及びＦは、ピストン１についてであり、曲線Ａ、Ｂ及びＥは、従来のピストンについてである。曲線は、以下の通りである：
Ａ．従来のピストンの圧力曲線であるが、しかし通常の圧縮比の２倍を有する。増大した圧縮比は、ピストンに作用する圧力を、従って、トルク及び動力出力増大させるので望ましい。実際には、それが「ノッキング起こす（ピンキング）」結果としてなるので、二倍の圧縮比は、実行不可能である。圧力曲線Ｃとの比較を提供するように、曲線が示される。
Ｂ．通常の圧縮比を有する従来のピストンの半スロットルにおける圧力曲線。
Ｃ．バネ調節式圧縮比を有する、ピストン１の半スロットルにおける圧力曲線。
Ｄ．クランク回転アーム。
Ｅ．通常の圧縮比を有する従来のピストンの半スロットルにおけるトルクを示す曲線。
Ｆ．バネ調節式圧縮比を有する、ピストン１の半スロットルにおけるトルクを示す曲線。

曲線ＢとＣを比較することにより、ピストン１は、ＴＤＣ後に約４０度までについて、増大する圧力を有し、従って、実質的により大きなトルクが結果的に生じることが分かる。これは、より大きいトルクを生成するように、クランクアームが、より有利な（即ち）より大きな角度に位置するためである。また、曲線ＥとＦを比較することにより、ピストン１が実際には、従来のピストンに比べてより大きなトルクを生成することが分かる。

燃料節約のほとんどが、半スロットルにおいてピストン１を駆動可能にすることにより達成可能であることが、やはり図から見ることができ、更にこれは、始めに「スロットル停止」ネジ又はＥＣＵの調整により設定されなければならない。

上記のエネルギ蓄積ピストンは、内燃機関の一部を形成しているが、しかしそれは、冷蔵庫（又は、冷凍機）用圧縮機又はポンプ等の別の装置に、有利に使用可能であることは明らかであろう。往復動式圧縮機の作動は、圧縮行程が作業行程であり且つエネルギ入力が一般的に電動モータによるものである。空気圧縮機において、例えば、クランクアームがコネクティングロッドに対して実質的に垂直である場合に、最大の仕事は、ＴＤＣの前の約８０度から１００度までの間において実施される。この位置において、圧縮室の容積が依然として比較的高いため、圧縮ガスの圧力は、比較的低い（最大値の５０％未満）。ピストンがＴＤＣ（上死点）に近づいている時に、しかし、仕事をするその能力は、大幅に低下されるが、しかし圧力及び温度は共に最大である。圧縮機の出口弁は、ＴＤＣの前に開いているであろうが、しかしエネルギは、この時点において、シリンダ壁への熱として失われているであろう。

もし上述のタイプのバネを有する、適切に設計されたエネルギ蓄積ピストンが、この圧縮機に取り付けられるならば、しかしながら、エネルギは、ＴＤＣの前の約８０度から１００度において、バネに蓄積され、それにより、ガスの温度及び圧力を低下させており、従って、シリンダ壁及び容器への熱として失われる、エネルギを減少させる。クランクアームの圧縮の動きが最小である時に、バネは、ＴＤＣ付近において容器内にガスを送り込むことにより、それらのエネルギを放出する。

また、回転慣性質量（フライホイール、クランク等の）に関連して作動する、これらのバネは、それらが共振する、rpm（回転数）を有することが分かる。駆動モータのrpm（回転数）を共振rpm（回転数）に合わせることにより、アセンブリは、標準的な圧縮機の効率より、少なくとも３０％高いその最適な効率で動作する。

修正が、ピストン１に実施可能であることは明らかであろう。例えば、必要なヤング率及び引張弾性限界強度を有する、任意の別の適切なベータチタン合金が使用可能であるので、ゴムメタルの使用は必須ではない。ピストンクラウンにおける空間が、２対以上のバネ６を使用可能にする場合もまた可能である。任意の適切な方法により、バネ６を製作することも可能である。

Claims (23)

1. バネ手段を組み込む、ピストンにおいて、
   該ピストンが、前記ピストンと、関連するコネクティングロッドとの間において、使用時に、前記コネクティングロッドを前記ピストンのクラウンから離れるように付勢するように作動しており、
   前記バネ手段は、実質的に前記ピストンのクラウンの領域に設置されており、
   前記バネ手段は、前記ピストンのクラウンを前記コネクティングロッドに対して軸線方向に移動させるようなものである、ピストンにおいて、
   前記バネ手段は、７５GPaの以下のヤング率及び７００MPa以上の引張弾性限界強度を有する材料から形成される、ことを特徴とするピストン。
2. 前記バネの材料はベータチタン合金である、ことを特徴とする請求項１に記載のピストン。
3. 前記ベータチタン合金はゴムメタルである、ことを特徴とする請求項２に記載のピストン。
4. 前記バネ手段は、超弾性材料から製作される、２つの涙滴形状の環状のバネにより構成される、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のピストン。
5. 前記バネの各々は、平坦面を介して内側の略半球縁部に向かって先細りする、外側の略半球縁部を有する、ことを特徴とする請求項４に記載のピストン。
6. 前記２つのバネの前記外側の略半球縁部は、互いに転がり係合しており、
   前記内側の略半球縁部は、前記ピストンのクラウン内に設けられる、それぞれの第１の支持部材及び第２の支持部材と転がり係合する、ことを特徴とする請求項５に記載のピストン。
7. 前記ピストン内に配置される、キャリアを更に具備しており、
   前記キャリアは、前記ピストンに対する軸線方向の動きのために、前記ピストン内に摺動可能に搭載され、そして前記バネ手段が、前記キャリアを、前記ピストンのクラウンに対して軸線方向に移動させるような状態で、前記コネクティングロッドに接続される、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のピストン。
8. 前記第１の支持部材は、前記ピストンのクラウンに圧入されており、前記第２の支持部材は、前記キャリアの一部を形成する、ことを特徴とする請求項６に従属する請求項７に記載のピストン。
9. 前記キャリアは、アルミニウム製である、ことを特徴とする請求項７又は８に記載のピストン。
10. 前記キャリアは、減摩材料で被覆される、ことを特徴とする請求項９に記載のピストン。
11. 前記減摩材料は、ケロライトであることを特徴とする請求項１０に記載のピストン。
12. 前記キャリアは、実質的にその全長に亘って、前記ピストンの円筒壁内に摺動自在に搭載される、ことを特徴とする請求項７〜１１のいずれか一項に記載のピストン。
13. 前記バネの材料は、所定の稼動条件の温度範囲内に維持されるようなものである、ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載のピストン。
14. 前記所定の温度範囲は、実質的に−２５℃から少なくとも300℃までである、ことを特徴とする請求項１３に記載のピストン。
15. 前記ベータチタン合金は、実質的に、チタン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム及び酸素の混合物である、ことを特徴とする請求項２又は請求項２に従属する請求項３〜１６のいずれか一項に記載のピストン。
16. 前記キャリアの外周部に形成された、垂直方向に離間する一対の油室を更に具備しており、
    各油室は、前記キャリアの一部及び前記ピストンの内側円筒壁により形成されており、
    前記油室は、前記キャリア内に形成された複数の孔により相互接続されており、
    前記油室の一方は、前記バネが圧縮された時に最大容積を有し、前記バネが除圧された時に最小容積を有しており、
    前記油室のもう一方は、前記バネ手段が圧縮された時に最小容積を有し、前記バネが除圧された時に最大容積を有しており、それにより、前記キャリアが前記ピストンのクラウンに対して上下に移動する際に、オイルは、前記一対の油室の間において圧送されて、前記ピストンの内部を潤滑する、ことを特徴とする請求項７又は請求項７に従属する請求項８〜１５のいずれか一項に記載のピストン。
17. 前記各バネは、
    （ａ）前記ベータチタン合金を粉末に変換する段階と、
    （ｂ）その粉末形態の前記ベータチタン合金を、涙滴形状の金型に注ぐ段階と、
    （ｃ）粉末状のベータチタン合金を、所要の形状に熱間等方圧プレス加工する段階と、
    （ｄ）前記熱間等方圧プレス加工されたベータチタン合金を、冷間加工する段階と、
    （ｅ）所望の形状に旋削加工する段階と、を具備する、方法により形成されている、ことを特徴とする請求項２又は請求項２に従属する請求項３〜１６のいずれか一項に記載のピストン。
18. 冷間加工に続いて、前記各バネを熱処理する段階を更に具備する、ことを特徴とする請求項１７に記載のピストン。
19. バネ手段を組み込む、ピストンにおいて、
    該ピストンが、前記ピストンと、関連するコネクティングロッドとの間において、使用時に、前記コネクティングロッドを前記ピストンのクラウンから離れるように付勢するように作動しており、
    前記バネ手段は、実質的に前記ピストンのクラウンの領域に設置されており、
    前記バネ手段は、前記ピストンのクラウンを前記コネクティングロッドに対して軸線方向に移動させるようなものである、ピストンにおいて、
    前記バネ手段は、ベータチタン合金から製作される、２つの涙滴形状の環状のバネにより構成される、ことを特徴とするピストン。
20. 実質的に、図面を参照して本明細書中において説明され、且つ図面により示されるようなものである、ことを特徴とするピストン。
21. 請求項１〜２０のいずれか一項に記載の複数のピストンを有する、ことを特徴とする内燃機関。
22. 請求項２又は請求項２に従属する請求項３〜２０のいずれか一項に記載のピストンのためのバネを製造する方法において、
    （ａ）前記ベータチタン合金を粉末に変換する段階と、
    （ｂ）その粉末形態の前記ベータチタン合金を、涙滴形状の金型に注ぐ段階と、
    （ｃ）粉末状のベータチタン合金を、所要の形状に熱間等方圧プレス加工する段階と、
    （ｄ）前記熱間等方圧プレス加工されたベータチタン合金を、冷間加工する段階と、
    （ｅ）所望の形状に旋削加工する段階と、を具備することを特徴とする方法。
23. 冷間加工に続いて、前記バネを熱処理する段階を更に具備する、ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。

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