JP2016502025A - 内燃機関のピストン - Google Patents

Abstract

内燃機関のためのピストンは実質的に円形状の頂上部２とその外周部から突き出た側部３とを備えており、この側部３は、より大きな径方向の圧縮応力ＴＳを受ける部分に配置された少なくとも１つの第１側部区分３’と、ピストンの反対側の部分でより小さな径方向の圧縮応力ＡＴＳを受ける少なくとも１つの第２側部区分３”とを備えており、ピストンは更に、ピストン又はロッドピンを配置するために頂上部よりも低い部分にそれと実質的に平行に配置されたラジアルボア４を規定する実質的に円柱状の部分と、第１側部区分３’とラジアルボア４を規定する部分とを連結する少なくとも２つの第１構造壁５’と、第２側部区分３”とラジアルボア４を規定する部分とを連結する少なくとも２つの第２構造壁５”とを備え、第１構造壁５’はラジアルボア４を規定する実質的に円柱状の部分に向かって実質的に広がっており、第２構造壁５”はラジアルボア４を規定する実質的に円柱状の部分に向かって実質的に狭まっている。

Description

本発明は、内燃機関（内部燃焼エンジン）のピストンに関するものであり、特にオットーサイクル又はディーゼルサイクルを行う内燃機関のために設計され、その構造形状は強度を高め、質量を減らし、摩擦を減少するという有利な点を持っており、それゆえ備え付けられた内燃機関の作動を最適化する。

オットーサイクル又はディーゼルサイクルによって作動している内燃機関のピストンは、一般的に円柱形であり、シリンダーヘッドとエンジンブロックと共に燃焼室を規定する上部又はヘッドを備えており、円柱形の側壁又はスカートが（圧縮リング、中間リング、スクレーパーリングなどの）ピストンリングを配置するための少なくとも２つの環状の凹部と、ピストンピンを配置するための径方向のボスとを備え、このボスによって、ピストンピンがロッドに中枢的に固定される。

古いエンジンでは、ピストンの特徴はほぼ完璧に円柱形状であるが、技術の改善、終始増え続けてきた高出力の要求、低燃費と汚染物質放出の削減がますます制限的にこの部品の形状を相当改善することを導いた。

それゆえ、最新のエンジンが備えるピストンの幾何学的形状は、シリンダー内部で何百万回と作動すれば明らかに円柱形状となるものの、ラジアルボアやスカート、ヘッド、溝、そして他の補強要素においてかなり異なる形状となっている。

本質的には、設計者は部品の構造的強度を維持する一方で、質量と摩擦を低減するために側部スカートの大きさを減らそうとする。近年、多くの解決方法が提案されており、最も関連のあるいくつかの解決方法が、以下において簡潔に述べられている。

特許文献１は、壁部の特徴的な構造に改良があるピストンに関し、その壁部は側部スカート（応力がかかる側をスラストサイド−ＴＳといい、応力がかからない側をアンチスラストサイド−ＡＴＳという）の区分をピストンの中心部で連結しており、そこにピンを配置するためのボアが設置されている。この発明によると、ＴＳにおける側部スカートをボアと連結している壁部はアーチ形状となっており、その一方でＡＴＳにおいて側部スカートの連結に寄与している壁部は実質的に直線で互いに平行となっている。この幾何学的形状の結果、ＡＴＳにおけるアーチ状の側壁は高い弾性を備え、それは高いせん断力を受けないということと、ピストンの往復運動を決定するということで重要な意味を持つ。

特許文献２は、内燃機関のピストンに関し、その革新的な点もピストン中心領域と共にスカート部分の連結壁部にあり、そこにおいてピストンピンを配置するためのボアが設置されている。連結壁は、ちょうどリング溝の下において、下部周端が凸状であり、上部が凹状又は直線状となっている。ピストンピンを配置するためのボアの壁部は、一定の又は変化する厚さを備えている。

特許文献３は、負荷側に力を効率良く分配する能力を備えるピストンに関する。この目的のために、負荷側のスカート部はより厚くなっており、その厚さはリング溝近傍でより大きくなっており、徐々に減少している。

特許文献４は、内燃機関のピストンに関しており、スカート部の自由端における半径方向への変形応力に耐久性を備える。この目的のために、内部壁がプレート状に形成され、それはピンを配置するためのボアと２つのスカート部を繋げる両壁部とをしっかりと固定し、それゆえにその部分の構造強度を保証する。

最後に、特許文献５はピストンリングに関しており、溝とリングとの装着率が低くなっている。この目的のために、挿入物を受け取るリングの近傍に空洞が設けられており、それによってこれらの要素の装着が削減される。

それゆえ、これまでのものは、詳細な研究やシミュレーションの後に出願人によってなされた革新的な幾何学的変化がもたらす低装着率、耐久性、軽量化などの目的を達成するためのピストン自体の改良がされているわけではない。

米国特許出願公開第２０１１／０１６８１２４号明細書 独国特許第１０１４５５８９号明細書 特開平１１−０３６９７８号公報 特開２００８−２８６０３０号公報 特開２００８−３０９１１８号公報

本発明は内燃機関のピストンに関し、構造の幾何学的形状が強度の増大、質量減少、摩擦低減といった有利な点をもたらし、それゆえ実装された内燃機関の作動を最適化する。

本発明の目的を達成するための内燃機関のためのピストンは、実質的に円形状の頂上部と、その外周部から突き出た側部とを備えており、この側部は、より大きな径方向の圧縮応力を受ける部分に配置された少なくとも１つの第１側部区分と、ピストンの部分でより小さな径方向の圧縮応力を受ける少なくとも１つの第２側部区分とを備える。ピストンは更に、ピストン又はロッドピンを配置するために前記頂上部よりも低い部分とそれに実質的に平行に配置されたラジアルボアを規定する実質的に円柱状の部分と、第１側部区分とラジアルボアを規定する部分とを連結する少なくとも２つの第１構造壁と、第２側部区分とラジアルボアを規定する部分とを連結する少なくとも２つの第２構造壁とを備える。第１構造壁はラジアルボアを規定する実質的に円柱状の部分に向かって実質的に広がっており、第２構造壁はラジアルボアを規定する実質的に円柱状の部分に向かって実質的に狭まっている。

本発明の実施形態に係るピストンエンジンの第１側面図である。 図１を９０°回転させた第２側面図である。 図１の断面図である。 図２の断面図である。 図１〜図４のピストンの底面斜視図である。 図１〜図５のピストンの底面図である。 質量（重量）の低減量の比較グラフである。

本発明は図面によって示される実施形態の一例に基づいて説明される。

好ましい実施形態によると、図１に示されるように、本発明は内燃機関のためのピストンに係り、特にオットーサイクル又はディーゼルサイクルに従って作動するエンジンで使用するために設計されている。好ましい実施形態では、ピストンはディーゼルエンジンで使用されており、それが図面において示されている。しかし、概念的にはオットーサイクルエンジンで使用されることを妨げるものではなく、また、２ストロークエンジンや流体コンプレッサーのような他の使用を妨げるものでもない。

現在知られている大半のピストンのように、この発明の対象であるピストン１は頂上部２（通常は上部と呼ばれ、空気と燃料との混合物を接触させる）を備え、この頂上部２は、外周から側部３を突き出して実質的に円形状となっており、少なくとも２つ（実際には３つ又は４つ）の環状の凹部を備えており、その凹部によってコンプレッションリング、中間リング、又はセカンドグルーブリング、オイル膜制御リング、又はスクレーパーリングなどのピストンリングが配置される。既存のピストンの保護の範囲を規定するのに関連がないため、環状凹部の形や数、配置については任意となる。

ピストン１の側部は連続的になっているか、又は区分けされており、好ましいが強制的ではない手法では、ピストン部分において半径方向に最大の圧縮応力がかかる少なくとも１つの第１側部区分３’を備えており、スラストサイドと呼ばれている（燃料と空気との混合物の爆発が発生することが、ジャケット（図示せず）の内面に向かってピストンをクランクシャフト（図示せず）の方向に移動させ、コネクティングロッドの角度変化を引き起こすことが、最終的には半径方向の力の無視できない分力を発生させている）。更に、少なくとも１つの第２側部区分３”がピストンの反対側領域に１８０°ずれて配置され、先ほどの大きさでの半径方向の圧縮応力を受けることはなく、ＡＴＳ（アンチスラストサイド）と呼ばれている。

それぞれが受ける半径方向の力の違いを原因として、第１側部区分３’は第２側部区分３”よりも平均の厚さが大きい。それぞれの区分の対応する点を測定すると、第１側部区分３’の厚さは第２側部区分３”よりも常に大きくなる。

一方で、第２側部区分３”は、特に圧縮工程及び排気工程において、シリンダー内のピストンの動きを案内することを担っており、その円弧幅が第１側部区分３’よりも大きい。言い換えると、第１側部区分３’の幅は第２側部区分３”よりも小さい。

好ましいが強制ではない手法では、第１側部区分３’及び第２側部区分３”それぞれは自由端３０を備え、それは各々が突き出している頂上部２の反対側であり、第１及び第２側部区分３’，３”の幅は頂上部２から自由端３０に向かうにつれて減少している。

ピストン１は更に、頂上部２から見て相対的に下の部分でかつそれと実質的に平行にピストンピンやロッドを配置するためのラジアルボア４を規定する実質的に円柱状の部分を有しており、それによってロッドがピストンに対して角度を有した動きをすることを可能としている。

第１及び第２側部区分３’，３”を、ラジアルボア４を規定する実質的に円柱形の部分に結合する第１及び第２構造壁（側壁）５’，５”が更に設けられており、それは、ピストン１に形状構造と機械的強度とを提供する主要な機能を備えている。構造壁は近年のピストンのほとんどに存在しているが、ピストン１で想定した構造壁の配置は、この発明の目的のため、完全に新規で革新的なものであり、ピストンに強度と軽さを与える。

本質的に、特別な構成がどのようなものであれ、ピストン１は、この発明の目的のために、第１側部区分３’とラジアルボアを決定する部分との間を連結する少なくとも２つの第１構造壁５’と、第２側部区分３”とラジアルボア４を決定する部分とを結ぶ少なくとも２つの第２構造壁５”とを備える。

第１構造壁５’は、ラジアルボア４を決定する実質的に円柱状の部分に向かって実質的に広がっており、第２構造壁５”は、ラジアルボア４を決定する実質的に円柱状の部分に向かって実質的に狭まっている。第１及び第２構造壁５’，５”は特に図５及び図６において確認できる。

ラジアルボア４を決定する実質的に円柱状の部分に向かって、２つの第１構造壁５’は広がり、第２構造壁５”は狭まることに加えて、それらは本質的そして実質的に自由端３０において真っ直ぐとなっている。第１構造壁５’は第１側部区分３’に向かうにつれて増加するように変化する厚さを有している。第１構造壁５’の外側表面はラジアルボア４に対して平行、又は広がっており、第１構造壁５’の内側表面は必ずラジアルボア４に対して広がっている。第２構造壁５”は一定の厚さを有している。頂上部２に関して第１及び第２構造壁５’，５”は狭まっている。

傾向として、構造壁が実質的に真っ直ぐで、それぞれが狭まっている又は広がっているという事実と組み合わされて、第１及び第２構造壁５’，５”は、既知のピストンを通しての本発明の目的のために、ピストン１の改良された構造上の振る舞いにおいてとても重要である。

選択的に、第１及び第２構造壁５’，５”と頂上部２との間の接続領域の強度を増すために、ピストンは少なくとも１つの補強部６を備える。好ましい手法では、４つの補強部（それらは異なる向き及び大きさで構成される）が設けられ、それによってピストンの剛性が増し、特にディーゼルエンジンのために設計されたピストンのように、ピストン１が装備されたエンジンが高い熱機械的負荷を持つ場合に、前述のラジアルボアにおいて周囲部が横にねじれるのを防ぐこととなる。補強部は、図１に示すとおりである。

更に選択的に、ラジアルボア４を規定する部分と頂上部２との間の接続領域に近接して空洞７が設けられ、空洞７には少なくとも１つの出入り口７’が備えられる。この空洞はピストン内部にオイルが流れるために用いられ、頂上部とその近傍の温度を下げるのに重要である。

空洞７が設けられることで、エンジン潤滑経路においてオイルの流れを作り出す支流を期待することができ、それによって熱が逃がされる。

いずれにせよ、また選択的な特徴によって、空洞の形とそれぞれの出入り口７’の形及び数とは自由に変えることができる。

最後に別の選択として、ピストン１の限定的な特徴ではないが、本発明の目的のために、ピストンがシリンダー内に配置された際にエンジン燃焼室を規定する、頂上部２における凹部２０の提供がある。

上記特徴のおかげで、本ピストン１は強度の増大（特に第１又は第２構造壁５’，５”に関しての最適化された幾何学構造のため）や質量の低減（サイズの減少とピストン１の様々な厚さのため）、摩擦の低減など、現行のピストンを越えた有利な点を数多く備える。

本発明は、修正された幾何学的構造にもかかわらず、従来の幾何学的構造が許容しなかった厚さの最適化を通して大幅な質量低減を達成しており、それは製造工程の決定や変化領域の決定によって達成される。本発明は、使用時の性能を悪化させることなく、１２％以上の質量低減の達成を可能とする。

明らかに、ピストン１はどのような必須の、又は、望ましい金属もしくは非金属で構成される。

好ましい実施形態の一例が説明された後に、本発明の範囲は他の可能な実施形態を含み、かつ、従属項の内容及びそれと可能な同等なものによってのみ制限されると理解されるべきである。

Claims (7)

1. 内燃機関のためのピストンであって、
   実質的に円形状の頂上部（２）と、その外周部から突き出た側部（３）とを備えており、
   前記側部（３）は、ピストンのより大きな径方向の圧縮応力（ＴＳ）を受ける部分に配置された少なくとも１つの第１側部区分（３’）と、
   前記ピストンの部分でより小さな径方向の圧縮応力（ＡＴＳ）を受ける少なくとも１つの第２側部区分（３”）とを備えており、
   前記ピストンは更に、
   ピストン又はロッドピンを配置するために前記頂上部よりも低い部分にそれと実質的に平行に配置されたラジアルボア（４）を規定する実質的に円柱状の部分と、
   前記第１側部区分（３’）と前記ラジアルボア（４）を規定する部分とを連結する少なくとも２つの第１構造壁（５’）と、
   前記第２側部区分（３”）と前記ラジアルボア（４）を規定する部分とを連結する少なくとも２つの第２構造壁（５”）とを備え
   前記第１構造壁（５’）は前記ラジアルボア（４）を規定する実質的に円柱状の部分に向かって実質的に広がっており、
   前記第２構造壁（５”）は前記ラジアルボア（４）を規定する実質的に円柱状の部分に向かって実質的に狭まっている
   ことを特徴とするピストン。
2. 請求項１において、
   前記第１及び第２側部区分（３’，３”）は、自身が突き出している前記頂上部（２）の反対側に自由端（３０）を備え、
   少なくとも第１及び第２側部区分（３’，３”）の厚さは前記頂上部（２）から前記自由端（３０）に向かうにつれて減少している
   ことを特徴とするピストン。
3. 請求項１又は２において、
   前記第１側部区分（３’）の平均の厚さが前記第２側部区分（３”）の平均の厚さよりも大きい
   ことを特徴とするピストン。
4. 請求項１〜３のいずれか１つにおいて、
   前記第１側部区分（３’）の幅は、前記第２側部区分（３”）の幅よりも狭い
   ことを特徴とするピストン。
5. 請求項１〜４のいずれか１つにおいて、
   前記第１及び第２構造壁（５’，５”）と前記頂上部（２）との間の接続領域の強度を増すための少なくとも１つの補強部（６）を備える
   ことを特徴とするピストン。
6. 請求項１〜５のいずれか１つにおいて、
   前記ラジアルボア（４）を規定する部分と前記頂上部（２）との間の接続領域の近傍に少なくとも１つの空洞（７）を備え、前記空洞（７）が少なくとも１つの出入り口（７’）を備える
   ことを特徴とするピストン。
7. 請求項１〜６のいずれか１つにおいて、
   前記ピストンがシリンダー内に配置された際にエンジン燃焼室を規定する少なくとも１つの凹部（２０）を前記頂上部（２）に備える
   ことを特徴とするピストン。

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