JP2018537613A - 内燃エンジン用ピストン - Google Patents

Abstract

内燃エンジン用ピストンは、下側部に接続された上側部から形成されている。上側部は、燃焼ボウル、トップランド、およびピストン上側部の外周を延びるリングベルトを有する。下側部は、ピンボスおよびピストンスカートを有する。上側および下側部の接合によって、環状クーリングチャンネルが形成される。ピストン下側部には、油入口が一体形成されている。当該入口は、下端部と、クーリングチャンネルの底部において終端する上端部とを有する。ボアは、下端部からクーリングチャンネルの底部まで油入口を通って延びている。ボアの周長は、上端部から下端部に向かって増大しており、それにより油入口がじょうご状になっている。【選択図】図１

Description

本発明は、一体型ピストンを形成するべく互いに溶接された下側部および上側部を備えた内燃エンジン用ピストンに関する。下側部は、少なくとも１つのピストンスカートを有し、上側部は、少なくとも１つのピストンクラウンと、外周トップランドと、リング溝が形成された外周リングベルトとを有する。下側部と上側部とは、互いに溶接され、それらの間に環状のクーリングチャンネルを形成している。クーリングチャンネル内へ効率的に油が噴射され得るように、下側部には、じょうご状の油入口が鍛造されている。

環状のクーリングチャンネルを備えたピストンでは、冷却油が噴射されて通過する入口を設ける必要がある。この入口は、通常、クーリングチャンネルの底部を貫通して設けられていて、ピンボスの少し外側の領域においてピストンの下側と連通している。油は、動作中のピストンを冷却するべく、ノズルを経由して当該入口を通って噴射される。油がクーリングチャンネルに入る際の角度が広いほど良好な冷却が達成されるため、噴射角度は極めて重要である。

油の冷却効率を最大化する油入口を構築しようとするいくつかの試みがなされてきた。例えば、特許文献１には、細長い油入口と、油スプレーが当該入口に入るのを助ける湾曲スカート壁とを備えたピストンが開示されている。特許文献２には、クーリングチャンネルカバー内に挿入物を有するピストンが示されている。当該挿入物は、クーリングチャンネルに入る油を集められるように底部が広がった形状になっていて、当該チャネルの全体にわたって効率的に油を分散させるように形成されている。

特許文献３には、クーリングチャンネルへの出入口よりも底部の方が広くなった油入口を備えたピストンが開示されている。油入口の壁部は、クーリングチャンネルの内部へ油が流れるようにテーパ状になっている。油入口は、ピストン基部を通るチャネルとして形成されている。この解決策は効果的であり得る一方、それによって得られるピストンは過度に重たいものになる。なぜなら、細長い油入口を作るために必要な材料が、ピストンの全周にわたって延びているためである。

米国特許出願公開第５７３００９０号明細書 米国特許第７０５１６８４号明細書 国際公開第１９９７／０４８８９６号パンフレット

したがって、本発明の目的は、環状のクーリングチャンネルと、ピストン基体に鍛造されたじょうご状の油入口とを備えた内燃エンジン用ピストンを、当該ピストンの重量を大きく増大させることなく提供することである。

この目的は、下側部に接続された上側部から形成された内燃エンジン用ピストンによって達成される。上側部は、ピストンクラウンと、燃焼ボウルと、ピストン上側部の外周を延びるリングベルトとを有する。下側部は、ピンボスと、ピストンスカートとを有する。環状のクーリングチャンネルが、上側部および下側部を接合することで形成されていて、下側部によって形成される底部を有する。上側部および下側部の各々は、接合面で終端する内周壁および外周壁を有する。上側部の外周壁の接合面は、下側部の外周壁の接合面に接合され、上側および下側部の内周壁の接合面もロウ付けまたは溶接、例えば摩擦溶接によって接合されている。よって、環状のクーリングチャンネルは、接合された内周壁および外周壁の間に形成されている。

ピストン下側部には、好ましくは鍛造によって、少なくとも１つの油入口が一体形成されている。当該入口は、下端部と、クーリングチャンネルの底部で終端する上端部とを有する。ボアが、下端部からクーリングチャンネルの底部まで、油入口を通って延びている。ボアの周長は、下端部から上端部に向かって減少しており、そのため油入口はじょうご状になっている。油入口は、一方ではピストンスカートの内側壁によって、他方ではピストンスカートに接続された周縁カラーによって形成されている。

ある実施形態では、油入口は、一方のピンボスに隣り合って配置されており、カラーは、一端部がピストンスカートに接続され、他端部が各ピンボスの内側壁に接続されている。

油入口のじょうご形状によると、クーリングチャンネルに入ることのできる冷却油の量が最大化される。なぜなら、当該入口内に噴射された油が、傾斜壁によって向きを変えられ、様々な角度をもってクーリングチャンネルに入ることができるためである。最適には、ボアの上端部における面積と、ボアの下端部における面積との比率は、１：２〜１：８の範囲内にある。

ボアは、下端部において非円形であってもよく、すなわち細長くてもまたは長円形であってもよく、上端部において円形または非円形であってもよい。下端部における細長形状によると、非円形スプレーを発する分割油ジェットを使用することができる。当該ジェットを下端部の形状に位置合わせすることにより、油入口を介して、多量のはね返りを伴うことなく、できる限りの最大量の油を集めると共にそれをクーリングチャンネルに供給することができる。

ある実施形態では、油入口を形成するピストンスカートの内側壁の領域は、ボアの側面の１つを規定する軸方向溝を内部に有する。

カラーおよび油入口それ自体は、好ましくは、５〜１２ｍｍの軸方向高さを有する。ただし、カラーの高さは、ピストンの大きさやピストンとコネクティングロッドとの間の利用可能なクリアランスに関連するものである。ある形態では、カラーの高さは、クーリングチャンネルに対する油の捕集をさらに増大させるべく、２０ｍｍ以上であってもよい。カラーは、湾曲底部によって接続された内壁および外壁を有する。湾曲底部は、好ましくは、４〜１５ｍｍの曲率半径を有する。好ましい実施形態では、油入口は、互いに対して約１８０°隔てて２つ設けられている。この場合、一方の入口は、油出口として利用され、油がクーリングチャンネルから排出されるのを許容する。

本発明の他の目的および特徴は、添付の図面を参照した以下の詳細な説明から明らかになるだろう。しかしながら、図面は、説明のみのためのものであって、本発明の範囲を規定するためのものではないことを理解されたい。

図面において、同様の参照符号は、複数図にわたって同様の要素を示している。

図１は、本発明に係るピストンの断面図である。 図２は、ピストンを下側から見た斜視図である。 図３は、ピストンの底面図である。 図４は、油入口を介した油噴射パターンを断面視で示す図である。

図面について詳しく見ると、特に、図１〜図３は、本発明に係るピストン１０を示しており、図１の断面図は、図３のＩ−Ｉ線に沿ったものである。ピストン１０は、ピストンクラウン２１、リングベルト２２、および燃焼ボウル２３を有する上側部２０を備える。下側部３０は、２つのピンポス３１およびスカート３２を有する。上側部１０と下側部２０との間には、環状のクーリングチャンネル４０が、当該クーリングチャンネル４０を囲む上側部２０の内周および外周壁２４，２５と、下側部３０の内周および外周壁３４，３５とを、ロウ付けまたは溶接で接合することによって形成されている。

クーリングチャンネル４０に冷却油が入ることができるように、クーリングチャンネル４０の底部を貫通する少なくとも１つの油入口５０が設けられている。油入口５０は、スカート３２とピンボス３１との間を延びるカラー５２に囲まれたボア５１を有する。カラー５２は、下側部３０と一体的に鍛造されている。ボア５１は、領域５３においてスカート３２の内側壁へ延びている。カラー５２と内側スカート壁３６とは、図１に示すように、じょうご形状を有する油入口５０を形成している。ボア５１は、入口５０の下端部の直径ｄ₁が、クーリングチャンネル４０へ延びる上端部の直径ｄ₂よりも大きい。例えば、ｄ₁は、１６ｍｍであってもよく、ｄ₂は、好ましくは２０〜４５ｍｍである。特に、ボア５１は、油入口５０の下端部における面積が、クーリングチャンネル４０の底部にある上端部におけるボア５１の面積の２〜８倍である。

カラー５２は、湾曲底部５６によって接続された内壁５４および外壁５５を有する。湾曲底部５６は、好ましくは、４〜１５ｍｍの曲率半径を有する。内壁５４は、油入口５０のじょうご形状を作り出すように傾斜している。

図３に示すように、ピストン１０の対向する部分に配置された２つの油入口５０が存在していてもよい。ボア５１は、各入口５０において、入口５０の下端部における直径ｄ₂を伴う細長形状または長円形状６０を有する。このような形状は、図４に示す分割油ノズル７０を使用する場合に有益である。なぜなら、ノズル７０を出る細長い形状のスプレー７１が、ボア５１によって完全に捕らえられ、当該ボア５１を通って、最小限のはね返りを伴ってクーリングチャンネル４０内に入るためである。

カラー５２を介して油入口５０を構成することにより、じょうご状の油入口を構成するために必要となる追加的な材料を非常に少なくできる。これにより、ピストンの重量が最小化され、性能の向上につながる。底部における細長い入口として油入口５０を構成することにより、特に分割油ノズルを用いる場合に、油の捕捉が最大化される。また、じょうご状の油入口を鍛造することにより、典型的には入口ボアの周囲にじょうごを形成するために必要とされる二次作業が低減される。例えば、鍛造された入口は、ボアに固定するための圧入またはねじ止めの作業を伴う挿入物を少なくまたは除去し得、それによりピストンの製造コストが低減される。

以上、本発明のわずかな実施形態について図示および説明してきたが、本発明の思想および範囲を逸脱することなく、それに多くの変更および改変を施すことが可能であることは言うまでもない。

Claims (11)

1. 内燃エンジン用のピストンであって、
   燃焼ボウル、トップランド、および外周を延びるリングベルトを有する上側部と、
   上記上側部に接続され、ピンボスおよびピストンスカートを有する下側部と、
   上記上側部と上記下側部とによって形成され、上記下側部によって形成される底部を有する環状のクーリングチャンネルと、
   上記ピストン下側部に一体形成され、下端部および上端部を有する少なくとも１つの油入口とを備え、
   上記上端部は、上記クーリングチャンネルの上記底部において終端しており、
   上記油入口は、上記下端部から上記クーリングチャンネルの上記底部まで延びるボアを有し、
   上記ボアの周長は、上記上端部から上記下端部に向かって増大し、
   上記油入口は、一方では上記ピストンスカートの内側壁によって、他方では上記ピストンスカートに接続された周縁カラーによって形成されている
   ことを特徴とするピストン。
2. 請求項１において、
   上記カラーは、一端部が上記ピストンスカートに接続され、他端部が上記ピンボスの内側壁に接続されている
   ことを特徴とするピストン。
3. 請求項１において、
   上記上端部における上記ボアの面積と、上記下端部における上記ボアの面積との比は、１：２〜１：８の範囲内にある
   ことを特徴とするピストン。
4. 請求項１において、
   上記ボアは、上記下端部において非円形である
   ことを特徴とするピストン。
5. 請求項１において、
   上記油入口を形成する上記ピストンスカートの上記内側壁の領域には、上記ボアの側面を規定する軸方向溝が設けられている
   ことを特徴とするピストン。
6. 請求項１において、
   上記油入口は、鍛造によって形成されている
   ことを特徴とするピストン。
7. 請求項１において、
   上記カラーは、５〜１２ｍｍの軸方向高さを有する
   ことを特徴とするピストン。
8. 請求項１において、
   上記カラーは、湾曲底部によって接続された内壁および外壁を有する
   ことを特徴とするピストン。
9. 請求項８において、
   上記湾曲底部は、４〜１５ｍｍの曲率半径を有する
   ことを特徴とするピストン。
10. 請求項１において、
    上記上側部は、上記下側部に溶接されている
    ことを特徴とするピストン。
11. 請求項１において、
    上記油入口は、互いに対して約１８０°隔てて２つ設けられている
    ことを特徴とするピストン。