JP3182263U - 内燃機関に用いられるピストン - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑オイル劣化が少なくとも遅延され、かつオイルミストセパレータにおける潤滑オイル粒子の分離度が改善されるようなピストンを提供する。
【解決手段】ピストン頭部１３と、環状のリング部１６と、該リング部１６の範囲に環状の延びるクーリングチャンネル２７と、ピストン頭部１３の下方に配置されたボス支持部２１と、該ボス支持部２１に結合されたピストンボス１８と、ピストンスカート１７とを備えて、内燃機関に用いられるピストン１０を構成する。さらに、ピストン頭部１３の下方に、ピストンスカート１７の方向に配置された閉鎖エレメント２９を備えた、全ての側で閉じられた中空室２８を設ける。
【選択図】図１

Description

本考案は、ピストン頭部と、環状に延びるリング部と、該リング部の範囲に環状に延びるクーリングチャンネルと、ピストン頭部の下方に結合されたボス支持部と、該ボス支持部に結合されたピストンボスと、ピストンスカートとを備えた、内燃機関に用いられるピストンに関する。

内燃機関の運転時では、クランクケースからの潤滑オイル滴がピストン頭部の高温の下面に接触する。このときに、潤滑オイルは蒸発し、蒸発した潤滑オイル粒子は、ピストン頭部の下面が高温であればあるほど、ますます微細となる。さらに、潤滑オイルは劣化し、その結果、炭化堆積およびピストン頭部の下面におけるオイルカーボン層の形成が生ぜしめられる。さらに、この過程に基づき、オイル交換インターバルは潤滑オイルの劣化に対して比例して短くなるという結果を招く。

クランクケースから到来した潤滑オイル粒子は、自体公知の手段で、ピストンの傍らを通ってクランクケースに流入する漏れ流（「ブローバイガス」）と共にオイルミストセパレータ内に流入する。このオイルミストセパレータ内で潤滑オイル粒子は少なくとも部分的に分離されるので、清浄化されたブローバイガスを再びエンジン内の燃焼空気に供給することができる。オイルミストセパレータの分離度は、潤滑オイル粒子のサイズに著しく関連している。粒子サイズが小さくなればなるほど、すなわちピストン頭部の下面が高温になればなるほど、オイルミストセパレータはますます手間をかけて設計されなければならない。

本考案の課題は、潤滑オイル劣化が少なくとも遅延され、かつオイルミストセパレータにおける潤滑オイル粒子の分離度が改善されるようなピストンを提供することにある。

この課題の解決手段は、ピストン頭部の下方に、ピストンスカートの方向に配置された閉鎖エレメントを備えた、全ての側もしくは前後左右上下の全ての方向で閉じられた中空室が設けられていることにある。

本考案の根底を成す原理は、クランクケースから到来する潤滑オイルが接触するピストン構成部分の表面温度を減少させることにある。この目的のために、本考案によれば、ピストン頭部の下方に、全ての側で閉じられた中空室が設けられている。このことは特に、環状のクーリングチャンネルと前記中空室との間に冷却オイル通路は設けられておらず、本考案によるピストンの冷却が、供給・排出される冷却オイルによって、環状のクーリングチャンネルを介してのみ行われることを意味する。本考案において設けられた中空室は、この中空室内に封入された空気に基づき、ピストン頭部の高温の下面に対する断熱を生ぜしめる。この理由から、閉鎖エレメントは、ピストン頭部の下面よりも著しく低い表面温度を有する。

クランクケースから到来する潤滑オイルは、ピストン頭部の高温の下面に直接接触するのではなく、ピストン頭部の下面よりも著しく低温の閉鎖エレメントの下面に衝突する。この過程において生じる潤滑オイル粒子は、ピストン頭部の下面よりも低い閉鎖エレメント下面の温度に基づき著しく大きくなるので、オイルミストセパレータにおける分離速度が著しく改善されるか、もしくはオイルミストセパレータの手間のかかる設計が回避される。潤滑オイルの劣化は、低い温度に基づき著しく遅延されており、オイルカーボンの形成は回避される。

本考案は、あらゆるタイプのピストンのために適しており、すなわち単一部分から成るピストンおよび複数の部分から成るピストンならびに低い構成高さを有するピストンのために適している。本考案によるピストンは、高い安定性によりすぐれている。なぜならば、最大応力集中の個所として不安定化作用をもたらす冷却オイル通路が設けられていないからである。閉鎖エレメント自体はさらに、付加的な補剛によってピストン構造の強度を改善する。

請求項２以下には、有利な改良形が記載されている。

本考案により設けられた閉鎖エレメントは、ピストンと一体に形成されていてよい。ピストンのボス支持部と一体に形成された閉鎖壁が有利である。しかし、本考案により設けられた閉鎖エレメントは、別個の構成部分、特に一重壁または二重壁の閉鎖体として形成されていてもよい。閉鎖エレメントの選択は、主として使用されるピストンタイプに関連しているので、本考案を実現する際の広いバリエーション可能性が与えられている。

二重壁の閉鎖体は好ましくは、ピストン頭部の下面に対する付加的な断熱部として働く室を取り囲んでいる。二重壁の閉鎖体はそれ自体単一部分または２つの部分から形成されていてよい。

閉鎖壁もしくは閉鎖体は好ましくはピストンのボス支持部の範囲でこのピストンに結合されているので、特に大きな、全ての側で閉じられた中空室が形成される。この中空室はピストン頭部の下面に対する特に有効な断熱部を形成する。

別個の構成部分の形の閉鎖エレメントは、有利にはばね弾性的なプリロードもしくは予荷重をかけられてピストンに保持されている。特にこの場合には、閉鎖エレメントが、少なくとも部分的にばね弾性的である構成部分として形成されていてよい。

別個の構成部分の形の閉鎖エレメントは、好ましくはピストンに設けられた収容手段に保持されており、したがってエンジン運転中に特に確実に固定されている。

別個の構成部分の形の閉鎖エレメントは、任意の材料から製造されていてよく、この場合、ばね鋼薄板が好適であることが判った。

本考案によるピストンは、単一部分から成る、たとえば鋳造されたピストンとして形成されていてよい。本考案によるピストンはさらに、複数部分から成るピストンとして形成されていてよく、たとえばピストン上側部分とピストン下側部分とから構成されていてよい。これらの構成部分は、たとえば鋳造部分または鍛造部分であってよく、たとえば鋼材料から製造され、特に鍛造されていてよい。構成部分間の結合は任意の手段で行うことができる。特に適当な接合方法としては、溶接、特に摩擦溶接（摩擦圧接）が挙げられる。

以下に、本考案の実施形態を図面につき詳しく説明する。図示の実施形態は縮尺通りには図示されていない。

本考案によるピストンの第１実施形態を示す断面図である。 図１に示したピストンを、図１に示した状態に対して９０°回転させた状態で示す断面図である。 本考案によるピストンの第２実施形態を示す断面図である。 図３に示したピストンを、図３に示した状態に対して９０°回転させた状態で示す断面図である。 本考案によるピストンの第３実施形態を示す断面図である。 図５に示したピストンを、図５に示した状態に対して９０°回転させた状態で示す断面図である。

以下に、本考案を実施する形態を、２つの部分から成るピストン、すなわち上側部分と下側部分とから成るピストンにつき詳しく説明する。当然ながら、別のピストンタイプ、たとえば単一部分から成るピストンまたは振り子スカートピストン（Pendelschaftkolben）もしくはアーティキュレートタイプピストン（２分割ピストン）を用いても、本考案を実現することができる。

図１および図２には、「ボックス型ピストン」もしくは「スリッパピストン」とも呼ばれる軽量化ピストン（Kastenkolben）の形の本考案によるピストン１０の第１実施形態が図示されている。本考案によるピストン１０は、ピストン上側部分１１とピストン下側部分１２とから構成されており、ピストン上側部分１１とピストン下側部分１２とは、本実施形態では鋼材料から鍛造されている。ピストン上側部分１１は燃焼凹みもしくは燃焼キャビティ１４を備えたピストン頭部１３と、環状のトップランド１５と、環状のリング部１６とを有する。ピストン下側部分１２はピストンスカート１７と、ピストンピン（図示しない）を収容するためのボス孔１９を備えたピストンボス１８とを有する。ピストンボス１８はボス支持部２１を介してピストン頭部１３の下面１３′に結合されている。

ピストン上側部分１１は環状の内側の支持エレメント２２と、環状の外側の支持エレメント２３とを有する。内側の支持エレメント２２はピストン頭部１３の下側に、全周にわたって環状に延びるように配置されている。外側の支持エレメント２３は本実施形態では、リング部１６の下方に配置されている。

ピストン下側部分１２は、同じく環状の内側の支持エレメント２４と、環状の外側の支持エレメント２５とを有する。内側の支持エレメント２４はピストン下側部分１２の上側に、全周にわたって環状に延びるように配置されている。外側の支持エレメント２５は本実施形態では、ピストンスカート１７の延長部として形成されている。ボス支持部２１は本実施形態では、内側の支持エレメント２５の下方に形成されている。

ピストン上側部分１１とピストン下側部分１２とは、任意の手段で接合されていてよい。この場合、ピストン上側部分１１およびピストン下側部分１２の対応する外側もしくは内側の支持エレメントが互いに結合されている。本実施形態では、自体公知の摩擦溶接法もしくは摩擦圧接法が選択されている。このことは図１および図２において摩擦溶接ビード２６が図示されていることから判る。

ピストン上側部分１１とピストン下側部分１２とは、１つの環状のクーリングチャンネル２７を形成している。この場合、ピストン上側部分１１のリング部１６および外側の支持エレメント２３ならびにピストン下側部分１２の外側の支持エレメント２５は、クーリングチャンネル２７を外部に対して仕切っている。ピストン上側部分１１の内側の支持エレメント２２ならびにピストン下側部分１２の内側の支持エレメント２４は、クーリングチャンネル２７をピストン内部に対して仕切っている。ピストン上側部分１１の内側の支持エレメント２２ならびにピストン下側部分１２の内側の支持エレメント２４は、さらに中空室２８を仕切っており、この中空室２８は、ほぼピストン頭部１３の下方に配置されている。

中空室２８は全ての側で閉じられている。すなわち、ピストン上側部分１１もしくはピストン下側部分１２の内側の支持エレメント２２，２４は、たとえば冷却オイル通路のような開口を有しない。中空室２８をピストンスカート１７およびピストンボス１８の方向で閉鎖するためには、閉鎖エレメント２９が設けられている。本実施形態では、閉鎖エレメント２９が、ピストン下側部分１２と一体に形成された閉鎖壁である。この閉鎖壁は、ボス支持部２１が位置する範囲でピストン下側部分１２に一体に結合されているので、クランクケースからの潤滑オイルもしくはクーリングチャンネル２７からの冷却オイルが中空室２８内に侵入することはない。全ての側で閉じられた中空室２８は、燃焼キャビティ１４が位置する範囲におけるピストン頭部１３の、運転時に高温となる下面１３′に対する断熱部として働く。エンジン運転時にクランクケースから到来する潤滑オイルは、閉鎖エレメント２９の下面２９′に衝突する。この下面２９′はピストン頭部１３の下面１３′よりも著しく低温である。この過程で生じる潤滑オイル粒子は、ピストン頭部１３の下面１３′よりも低い温度に基づき、著しく大きくなるので、オイルミストセパレータにおける分離速度が著しく改善されるか、もしくはオイルミストセパレータの手間のかかる設計が回避される。潤滑オイルの劣化は、低い温度に基づき著しく遅延されており、オイルカーボンの形成は回避される。

図３および図４には、本考案によるピストン１１０の別の実施形態が図示されている。ピストン１１０の構造は、図１および図２に示したピストン１０にほぼ完全に一致している。したがって、図１および図２の実施形態の場合と同じ構成要素に対しては、分かり易くするために図１および図２と同じ符号を使用する。これらの構成要素については、図１および図２に関する説明を参照するものとする。

図１および図２に示したピストン１０に対する大きな相違点は、ピストン１１０では閉鎖エレメント１２９が、閉鎖体の形の別個の構成部分として形成されていることにある。この閉鎖エレメント１２９は本実施形態では、ばね鋼薄板から製造されていて、約０．８ｍｍの厚さを有し、かつピストン頭部１３の方向に僅かな湾曲を付与されている。これにより、プリロードもしくは予荷重が形成される。閉鎖エレメント１２９は本実施形態では、ピストン下側部分１２に設けられたボス支持部２１の範囲に、ばね弾性的なプリロードもしくは予荷重をかけられて保持されている。この目的のために本実施形態では、ボス支持部２１の範囲に収容手段１３１が加工成形されている。この収容手段１３１は、約０．５ｍｍの深さの環状の凹部として形成されており、この収容手段１３１内に閉鎖エレメント１２９が収容されかつ保持されている。

図３および図４に示したピストン１１０のピストン上側部分１１とピストン下側部分１２とは、本実施形態では摩擦溶接によって互いに結合されている。本考案によるピストン１１０を組み立てるためには、まずピストン上側部分１１とピストン下側部分１２と閉鎖エレメント１２９とが、それぞれ別個の構成部分として製造される。本実施形態では、ピストン下側部分１２のボス支持部２１の範囲に、約０．５ｍｍの深さの環状の凹部の形の収容手段１３１が、たとえば切削加工によって加工成形される。閉鎖エレメント１２９は本実施形態ではボス支持部２１が位置する範囲でピストン下側部分１２に挿入されて、収容手段１３１内に、ばね弾性的なプリロードもしくは予荷重をかけられて保持される。引き続き、ピストン上側部分１１とピストン下側部分１２とが摩擦溶接によって互いに結合される。このときに生じた摩擦溶接ビード２６は、軸方向における閉鎖エレメント１２９の付加的な保持部として働く。

閉鎖エレメント１２９はピストン下側部分１２に液密に保持されている。これにより、ピストン頭部１３の下方に形成された中空室２８は全ての側で閉じられているので、クランクケースからの潤滑オイルもしくはクーリングチャンネル２７からの冷却オイルが中空室２８に侵入し得なくなる。全ての側で閉じられた中空室２８は、燃焼キャビティ１４の位置する範囲におけるピストン頭部１３の、運転時に高温となる下面１３′に対する断熱部として働く。エンジン運転時にクランクケースから到来した潤滑オイルは、閉鎖エレメント１２９の下面１２９′に衝突する。この下面１２９′はピストン頭部１３の下面１３′よりも著しく低温である。この過程において生じる潤滑オイル粒子は低い温度に基づき著しく大きくなるので、オイルミストセパレータにおける分離速度が著しく改善されるか、もしくはオイルミストセパレータの手間のかかる設計が回避される。潤滑オイルの劣化は低い温度に基づき著しく遅延されており、オイルカーボンの形成は回避される。

図５および図６には、本考案によるピストン２１０のさらに別の実施形態が図示されている。ピストン２１０の構造は、図１および図２に示したピストン１０にほぼ完全に一致している。したがって、図１および図２の実施形態の場合と同じ構成要素に対しては、分かり易くするために図１および図２と同じ符号を使用する。これらの構成要素については、図１および図２に関する説明を参照するものとする。

図１および図２に示したピストン１０もしくは図３および図４に示したピストン１１０に対する大きな相違点は、ピストン２１０では閉鎖エレメント２２９が、二重壁の閉鎖体の形の別個の構成部分として形成されていることにある。この閉鎖エレメント２２９は本実施形態では、２つの部分から形成されている。当然ながら、単一部分から形成することも考えられる。閉鎖エレメント２２９の両構成部分は本実施形態では、ばね鋼薄板から製造されていて、溶接によって互いに結合されており、かつピストン頭部１３の方向に僅かな湾曲を付与されている。これによりプリロードもしくは予荷重が形成される。閉鎖エレメント２２９の両構成部分は、本実施形態では空気充填されている室２３２を取り囲んでいる。この室２３２は付加的な断熱部として働く。閉鎖エレメント２２９は本実施形態では、やはりピストン下側部分１２に設けられたボス支持部２１が位置する範囲に、ばね弾性的なプリロードもしくは予荷重をかけられて保持されている。この目的のために本実施形態では、ボス支持部２１の範囲に、約０．５ｍｍの深さの環状の凹部の形の収容手段２３１が加工成形されており、この収容手段２３１内に閉鎖エレメント２２９が収容されかつ保持されている。

図５および図６に示したピストン２１０のピストン上側部分１１とピストン下側部分１２とは、本実施形態では摩擦溶接によって互いに結合されている。本考案によるピストン２１０を組み立てるためには、まずピストン上側部分１１とピストン下側部分１２と閉鎖エレメント２２９とが、それぞれ別個の構成部分として製造される。本実施形態では、ピストン下側部分１２のボス支持部２１の範囲に、約０．５ｍｍの深さの環状の凹部の形の収容手段２３１が、たとえば切削加工によって加工成形される。閉鎖エレメント２２９は本実施形態ではボス支持部２１の範囲でピストン下側部分１２に挿入されて、収容手段２３１内に、ばね弾性的なプリロードもしくは予荷重をかけられて保持される。引き続き、ピストン上側部分１１とピストン下側部分１２とが摩擦溶接によって互いに結合される。このときに生じた摩擦溶接ビード２６は軸方向における閉鎖エレメント２２９の付加的な保持部として働く。

閉鎖エレメント２２９はピストン下側部分１２に液密に保持されている。これにより、ピストン頭部１３の下方に形成された中空室２８は全ての側で閉じられているので、クランクケースからの潤滑オイルもしくはクーリングチャンネル２７からの冷却オイルが中空室２８に侵入し得なくなる。全ての側で閉じられた中空室２８は、燃焼キャビティ１４の位置する範囲におけるピストン頭部１３の、運転時に高温となる下面１３′に対する断熱部として働く。エンジン運転時にクランクケースから到来した潤滑オイルは閉鎖エレメント２２９の下面２２９′に衝突する。この下面２２９′はピストン頭部１３の下面１３′よりも著しく低温である。この過程において生じる潤滑オイル粒子は、低い温度に基づき著しく大きくなるので、オイルミストセパレータにおける分離速度が著しく改善されるか、もしくはオイルミストセパレータの手間のかかる設計が回避される。潤滑オイルの劣化は低い温度に基づき著しく遅延されており、オイルカーボンの形成は回避される。

Claims (14)

1. ピストン頭部（１３）と、環状のリング部（１６）と、該リング部（１６）の範囲に環状に延びるクーリングチャンネル（２７）と、ピストン頭部（１３）の下方に配置されたボス支持部（２１）と、該ボス支持部（２１）に結合されたピストンボス（１８）と、ピストンスカート（１７）とを有する、内燃機関に用いられるピストン（１０，１１０，２１０）であって、ピストン頭部（１３）の下方に、ピストンスカート（１７）の方向に配置された閉鎖エレメント（２９，１２９，２２９）を備えた、全ての側で閉じられた中空室（２８）が設けられていることを特徴とする、内燃機関に用いられるピストン。
2. 前記中空室（２８）は、ピストンスカート（１７）の方向で、前記ピストン（１０）と一体に形成された閉鎖エレメント（２９）によって仕切られている、請求項１記載のピストン。
3. 前記閉鎖エレメント（２９）は、前記ピストン（１０）のボス支持部（２１）と一体に形成された閉鎖壁として形成されている、請求項２記載のピストン。
4. 前記中空室（２８）は、ピストンスカート（１７）の方向で、別個の構成部分として形成された閉鎖エレメント（１２９，２２９）によって仕切られている、請求項１記載のピストン。
5. 前記閉鎖エレメント（１２９，２２９）は、一重壁または二重壁の閉鎖体として形成されている、請求項４記載のピストン。
6. 前記二重壁の閉鎖体（２２９）が室（２３２）を取り囲んでいる、請求項５記載のピストン。
7. 前記二重壁の閉鎖体（２２９）は単一部分または２つの部分から形成されている、請求項５記載のピストン。
8. 前記閉鎖エレメント（１２９，２２９）は、前記ピストン（１１０，２１０）のボス支持部（２１）の範囲に保持された閉鎖体として形成されている、請求項４記載のピストン。
9. 前記閉鎖エレメント（１２９，２２９）は、ばね弾性的なプリロードもしくは予荷重をかけられて前記ピストン（１１０，２１０）に保持されている、請求項４記載のピストン。
10. 前記閉鎖エレメント（１２９，２２９）は、少なくとも部分的にばね弾性的である構成部分として形成されている、請求項４記載のピストン。
11. 前記閉鎖エレメント（１２９，２２９）は、前記ピストン（１１０，２１０）に設けられた収容手段（１３１，２３１）に保持されている、請求項４記載のピストン。
12. 前記閉鎖エレメント（１２９，２２９）は、ばね鋼薄板から製造されている、請求項４記載のピストン。
13. 前記ピストンは、単一部分から成るピストンとして形成されている、請求項１記載のピストン。
14. 前記ピストンは、複数部分から成るピストンとして形成されている、請求項１記載のピストン。

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