JP5039044B2 - 改良された冷却特性を有するピストン - Google Patents

Description

発明の背景
１．発明の分野
本発明は、概して内燃機関のためのピストン、特に改良された冷却特性を有するピストンに関する。さらに、改良された冷媒流れ特性を有するピストン及びコネクティングロッドアセンブリも開示される。

２．関連技術の説明
関連技術において知られる内燃機関は概して、その他の基本的な構成部材の中で、１つ又は２つ以上のシリンダを有するエンジンブロックと、エンジンブロックに関連したシリンダヘッドと、各シリンダにおいて往復運動するように支持されたピストンとを有する。ピストンは概して、クラウンと、クラウンから垂下したスカートとを有するボディを含む。コネクティングロッドはピストンをクランクシャフトに作用的に結合している。ピンボアは、ボディに形成されており、コネクティングロッドにおける同様のボアに対応する。ピンは、ピストンをコネクティングロッドに取り付けるために対応するボアに貫通される。

概して、ピストンを往復運動させるためにシリンダ内で燃料が燃焼される。ピストンはコネクティングロッドを駆動し、コネクティングロッドはクランクシャフトを駆動し、クランクシャフトをエンジンブロック内で回転させる。この形式において、自動車又はあらゆる数のその他の装置を駆動するために、動力がクランクシャフトから伝達される。特に、シリンダ内の燃焼圧力はピストンを下方へ実質的に直線的な動作で駆動する。

ピストンクラウンの上面は、シリンダ内の燃焼室のフロアを形成している。特に、ピストンクラウンは、一般的に"燃焼ボウル"と呼ばれる凹んだ領域を有し、この凹んだ領域は、内燃機関の運転中に燃料が燃焼されると解放されるエネルギの威力を受ける。したがって、ピストンクラウンは、ピストンボディの他の部分に対して不釣合いな大きさの熱負荷及び機械的負荷を受ける。

これらの比較的過酷な条件を考慮して、ピストンにおける表面温度を減じるために使用されるピストンクラウンの下側に沿って形成された冷却ギャラリを提供することが知られている。概して、冷却ギャラリは、ピストンがシリンダ内でサイクルを行うときにオイルを受け取るように適合された、ピストンボディ内に形成された空所である。シリンダ内でピストの移動はオイルを冷却ギャラリを通じて送り、これにより、オイルがこれらのギャラリの壁部にぶつかって飛散すると"カクテルシェーカー"効果を生ずる。これによって、ピストンの包囲する領域が冷却される。

関連技術において概して知られるタイプのピストンは、クラウンの下方においてピストンのボディに概して形成された内側冷却ギャラリと、内側冷却ギャラリから半径方向に間隔を置いて形成された、スカートとピストンのボディとの間のピストンの外壁のより近くに配置された外側冷却ギャラリとを含む場合がある。通常スカートとボディとの間に延びている壁部は外側冷却ギャラリの底部を形成している。通常、内側冷却ギャラリは、外側冷却ギャラリから長手方向に間隔を置いて配置されており、比較的外側冷却ギャラリの下方に配置されている。しばしば、内側冷却ギャラリと外側冷却ギャラリとの間には通路が形成されており、内側冷却ギャラリと外側冷却ギャラリとの間の冷媒の流れを促進している。

しかしながら、内側冷却ギャラリと外側冷却ギャラリとの相対的な位置と、外側冷却ギャラリの底部を規定する壁部の位置とにより、内側冷却ギャラリと外側冷却ギャラリとの間に延びた通路は、通常、内側冷却ギャラリの面に対して斜めにピストンのボディに穿孔される。しばしば、通路は、内側冷却ギャラリの内部から外方へ外側冷却ギャラリに向かって穿孔されなければならない。傾斜した通路は実際には形成することが困難である。なぜならば、通路は、ピストンのボディに適切な通路が有効に穿孔されるように、特別なドリルと、機器と、作業とを必要とするからである。重要なことに、これらの特別な考慮はピストンを製造するためのコストを増大させる。さらに、斜めの通路を形成することに伴われる困難により、内側冷却ギャラリと外側冷却ギャラリとの間に形成された通路を備えないものに対し、ピストンのスクラップ率がより高くなる可能性がある。したがって、関連技術において、内側冷却ギャラリ及び外側冷却ギャラリを採用しているが、より低いコストで内部通路が製造されることができるピストンが必要とされている。さらに、アセンブリの関連する構成部材の効率的な冷却を促進するピストン及びコネクティングロッドアセンブリが技術上必要とされている。

発明の概要
本発明は、内燃機関のシリンダ内で往復運動するように適合されたピストンにおける関連技術における欠点を克服する。ピストンはクラウンと、クラウンから垂下したスカートとを有する。ボディはクラウンの下方に延びており、スカートはボディの少なくとも部分の周囲に環状に配置されている。内側冷却ギャラリはクラウンの下方にボディにおいて形成されている。外側冷却ギャラリは、スカートとボディとの間に形成されており、クラウンの下方に配置されている。さらに、少なくとも１つのボアが、内側冷却ギャラリと外側冷却ギャラリとの間に半径方向に、内側冷却ギャラリと外側冷却ギャラリとの間に流体流通を提供するために延びている。ボアは冷却ギャラリの間に、斜めではなく半径方向に延びているので、ボアを形成するために慣用的なドリル、機器及び手順が採用されることができる。重要なことに、ボアは、ボディの外側から内方へ内側冷却ギャラリに向かって穿孔することによって形成されることができる。このことは、製造プロセスを単純化し、関連する構成部材の十分な又は改良された冷却を維持しながらより低いコストを生じる。

本発明は、内燃機関において使用するためのピストン及びコネクティングロッドアセンブリにも関する。ピストンは、エンジンのシリンダ内で往復運動するように適合されており、クラウンと、クラウンから垂下したスカートとを有する。ボディはクラウンの下方に延びており、スカートはボディの少なくとも部分の周囲に環状に配置されている。内側冷却ギャラリはクラウンの下方にボディにおいて形成されている。同様に、外側冷却ギャラリはスカートとボディとの間に、クラウンの下方に形成されている。ピンボアがボディを貫通している。コネクティングロッドは、ピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換するためにピストンとクランクシャフトとを結合するように適合されている。コネクティングロッドは少なくとも１つの端部を有しており、この端部をボアが貫通しており、このボアは、ピストンにおけるピンボアと整合するように適合されている。コネクティングロッドの少なくとも一方の端部は、ピストンの内側冷却ギャラリと流体接続しており、この端部に形成された貯蔵部を有している。貯蔵部は、この貯蔵部に冷媒を収集するように適合されており、内側冷却ギャラリ内に冷媒の付加的な容積を維持するために働く。この場合、ピストン及びコネクティングロッドアセンブリの効率的かつ有効な冷却が促進される。

本発明のその他の目的、特徴及び利点は、添付の図面に関連した以下の説明を読んだ後によりよく理解されるので、容易に認められるであろう。

図面の簡単な説明
図１は、内燃機関のシリンダ内に作用的に配置されたピストン及びコネクティングロッドアセンブリの断面環境図である。

図２は、内側冷却ギャラリと外側冷却ギャラリとの間に半径方向に延びたボアを示す、本発明のピストンの１つの実施形態の断面側面図である。

図３は、コネクティングロッドの端部に形成された貯蔵部を示す、本発明のピストン及びコネクティングロッドアセンブリの別の実施形態の断面側面図である。

好適な実施形態の詳細な説明
本発明は、図面に概して１０で示された改良された冷却特性を有するピストンにおける関連する技術における欠点を克服し、図面において同じ参照符号は同じ構造を示すために使用されている。図１は本発明の環境図である。特に、ピストン１０，１１０は、概略的に１４で示された内燃機関のシリンダ１２内で往復運動するように適合されている。当業者は、以下の説明から、本発明のピストン１０，１１０は、火花点火又は圧縮点火エンジンを含むがこれらに限定されない多数の種々異なるタイプの内燃機関において採用されることができることを認めるであろう。これに加えて、本発明のピストン１０，１１０は、単気筒エンジンから、直線又は直列気筒、Ｖ型、半径方向シリンダ配列等のあらゆる構成におけるシリンダのマルチバンクを有するエンジンを通る全範囲に亘るあらゆる構成において採用されることがさらに認められるであろう。好適な実施形態において、本発明のピストン１０，１１０は、一体型のスチールピストンである。しかしながら、当業者は、ピストンが複数の部品から形成され、あらゆる適切な材料から形成されることができることを認めるであろう。シリンダは、技術上一般的に知られているように、シリンダ壁部を形成するライナ１７を有することができる。ピストン１０は、概して１６，１１６で示されたクラウンと、クラウン１６から垂下した、概して１８，１１８で示されたスカートとを有する。概して２０，１２０で示されたボディはクラウン１６，１１６の下方に延びており、スカート１８，１１８がボディ２０，１２０の少なくとも部分の周囲に環状に配置されている。ボディ２０，１２０は、ピストン１０，１１０の往復運動の方向に延びた長手方向軸線Ａを規定している。ピンボア２２，１２２は、ボディ２０，１２０に形成されており、ピン２３，１２３を収容するように適合されている。

概して２４，１２４で示されたコネクティングロッドは、ピストン１０，１１０の往復運動をクランクシャフト２６，１２６の回転運動に変換するためにピストン１０，１１０とクランクシャフト２６，１２６とを結合するように適合されている。コネクティングロッド２４，１２４は概して２８，１２８で示された少なくとも１つの端部を有しており、この端部をボア３０，１３０が貫通しており、ボアは、後でより詳しく説明されるようにピストン１０，１１０におけるピンボア２２，１２２と整合させられるように適合されている。コネクティングロッド２４，１２４の他方の端部は概して３２，１３２で示されており、ボルト３４，１３４、又は技術上一般的に知られているあらゆるその他の適切な手段を用いてクランクシャフト２６，１２６に結合されるように適合されている。

ピストンのクラウン１６，１１６は、ピストン１０とシリンダ１２とによって形成されたチャンバ内の効率的な燃焼を促進するように成形された燃焼ボウル３６，１３６（図２及び図３）を形成することができる。スカート１８，１１８は、ピストンリング（図示せず）を保持するように適合された、スカートの円周の周囲に環状に延びた複数のリングランド３８，１３８を有することができる。ピストンリングは、シリンダ１２のライナ１７に滑り接触するように適合されている。

上述のように、ピストン１０，１１０を往復運動させるために燃料がシリンダ１２内で燃焼させられる。ピストンはコネクティングロッド２４，１２４を駆動し、コネクティングロッドはクランクシャフト３６，１３６を駆動し、クランクシャフトをエンジンブロック内で回転させる。シリンダ内の燃焼圧力はピストンを下方へ実質的に直線運動で駆動する。これらの状況において、燃焼ボウル３６，１３６は、内燃機関の運転中に燃料が燃焼された時に解放されるエネルギの威力を受け取る。これにより、ピストンクラウンは、ピストンボディ２０，１２０の他の部分に関して不釣合いな大きさの熱的及び機械的負荷を受ける。この熱的負荷は放散されなければならない。

このために、ここで図２を参照すると、本発明のピストン１０はさらに、クラウン１６の下方にボディ２０に形成された内側冷却ギャラリ４０と、クラウン１６の下方にスカート１８とボディ２０との間に形成された外側冷却ギャラリ４８とを有する。外側冷却ギャラリ４８は内側冷却ギャラリ４０の周囲に環状に配置されており、内側冷却ギャラリ４０及び外側冷却ギャラリ４８は、ピストン１０の表面温度を減じるために働くオイル等の冷媒を保持及び循環させるように適応されている。カバープレート４２は、外側冷却ギャラリ４８の底壁を形成するように、スカート１８とボディ２０との間に延びている。カバープレート４２は、カバープレート４２がボディ２０に取り付けられている位置から長手方向に間隔が置かれた位置においてスカート１８に作用的に取り付けられている。特に、図示したように、カバープレート４２は、プレート４２の一方の端部４４がカバープレート４２の他方の端部４６から長手方向に間隔を置かれるように、断面で蛇行形状を規定している。

これに加え、本発明のピストン１０は少なくとも１つのボア５０を有しており、このボアは、内側冷却ギャラリ４０と外側冷却ギャラリ４８との間に半径方向に延びておりかつ、内側冷却ギャラリと外側冷却ギャラリとの間に冷媒の流体連通を提供する。特に、ボア５０は、ピストン１０の長手方向軸線Ａに関して半径方向及び直交するように延びている。さらに、好適な実施形態において、複数のボアが内側冷却ギャラリ４０と外側冷却ギャラリ４８との間に半径方向に延びている。複数のボア５０のそれぞれは、スカート１８の下端部５１から長手方向に間隔を置かれた位置においてボア２０に形成されている。半径方向に延びた、直交するボア５０はさらに、より多くのボアが、ピストン１０のボディ２０の周囲に、内側冷却ギャラリ４０と外側冷却ギャラリ４８との間に配置されることを許容する。さらに、この設計は、より小さなボア直径の使用を可能にし、このことは、よりよいオイル分配及び排出を提供し、内側冷却ギャラリと外側冷却ギャラリとの間における圧力降下を回避する。

複数のボア５０のそれぞれは、ボディ２０の壁部を水平に穿孔することによってボディ２０に形成されることができる。その後、カバープレート４２が装着されることができる。スカート１８の下端部５１と、カバープレート４２の蛇行形状との空間的な関係は、複数のボア５０のそれぞれのための概して水平方向の穿孔作業を容易にする。このことは、製造プロセスを著しく単純化し、ピストン１０のコストを低減する。

さらに、あらゆるピストンの設計において、冷却ギャラリは、ピストンの十分な冷却を容易にするために十分な容積を有していなければならない。カバープレート４２の蛇行形状は、設計者が、高さと幅の比を最適化し、冷却ギャラリの容積を最大化することを許容する。このことは、より短い圧縮高さが要求される場合にも当てはまる。当業者は、"圧縮高さ"という用語が、ピン２３の中心線からピストンの上部又はクラウン１６までの距離を指すことを認めるであろう。

内側冷却ギャラリ４０は、ピンボア２２と流体連通している。このために、コネクティングロッドは、コネクティングロッドのスモールエンド２８の上部からピンボア２２まで延びたブリード通路５２を有することができる。ブリード通路５２は、内側冷却ギャラリ４０とピンボア２２との間の流体連通を提供する。これに加え、コネクティングロッド２４のスモールエンド２８と内側冷却ギャラリ４０の底壁５６との間に、間隙５４が形成されていることができる。これにより、外側冷却ギャラリ４８も、ブリード通路５２及び間隙５４を介して、内側冷却ギャラリ４０と外側冷却ギャラリ４８との間に半径方向に延びたボア５０を通ってピンボア２２とも流体連通している。このように、ギャラリ４０，４８からの冷媒は、ピンジョイントを潤滑及び冷却するために使用されることができる。

ここで図３を参照すると、本発明の択一的な実施形態がこの図において概して１１０で示されており、この図において、１００だけ増加された同じ参照符号は、図２に示された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同じ構造を示すために使用されている。特に、図３に示されたピストン１１０は、図２に示されたピストン１０と実質的に同じであることができる。したがって、ピストン１１０は、クラウン１１６と、クラウン１１６から垂下したスカート１１８と、クラウン１１６の下方に延びたボディ１２０とを有することができる。これに加え、ピストン１１０はさらに、クラウン１１６の下方にボディ１２０内に形成された内側冷却ギャラリ１４０と、スカート１１８とボディ１２０との間に形成された外側冷却ギャラリ１４８とを有することができる。外側冷却ギャラリ１４８の底壁を形成するために、蛇行状のカバープレート１４２が採用されることができる。ピストン１１０はさらに、内側冷却ギャラリ１４０と外側冷却ギャラリ１４８との間に半径方向に延びた少なくとも１つ又は２つ以上のボア１５０を有することができる。ボア１５０は、図２に示された実施形態に関して上に説明されたのと同じ形式で、内側冷却ギャラリ１４０と外側冷却ギャラリ１４８との間に流体連通を提供している。

図３に示されたアセンブリはさらに、ピストン１１０の往復運動をクランクシャフト１２６の回転運動に変換するためにピストン１１０とクランクシャフト１２６とを結合するように適合されたコネクティングロッド１２４を有している。したがって、コネクティングロッド１２４は、概して１２８で示された少なくとも１つの端部を有しており、この端部は、この端部を貫通したボア１３０を有しており、このボアは、ピストン１１０におけるピンボア１２２と整合させられるように適合されている。コネクティングロッド１２４の端部１２８は、ピストン１１０の内側冷却ギャラリ１４０と流体連通しており、この端部１２８に形成された貯蔵部１６０を有している。貯蔵部１６０は、貯蔵部に冷媒を収集及び保持するように適合されている。

このために、コネクティングロッド１２４の端部１２８は内側冷却ギャラリ１４０の底壁の実質的な部分を形成することができる。コネクティングロッド１２４のスモールエンド１２８はさらに、貯蔵部１６０とピンボア１２２との間に延びたブリード通路１５２を有することができる。ブリード通路１５２は、内側冷却ギャラリ１４０とピンボア１２２との間の冷媒の流体連通を提供する。これに加え、コネクティングロッド１２４のスモールエンド１２８と内側冷却ギャラリ１４０の底壁との間に間隙１５４が形成されることができる。これにより、外側冷却ギャラリ１４８も、それぞれブリード通路１５２及び間隙１５４を介して、内側冷却ギャラリ１４０と外側冷却ギャラリ１４８との間に半径方向に延びたボア１５０を通ってピンボア１２２と流体連通している。

貯蔵部１６０は、貯蔵部に冷媒を収集するように適合されており、内側冷却ギャラリ１４０内に冷媒の付加的な容積を維持するために働く。ギャラリ１４０，１４８からの冷媒は、ピンジョイントを潤滑及び冷却するために採用されることもできる。このように、ピストン及びコネクティングロッドアセンブリ１１０，１２４の効率的及び有効な冷却が促進されることができる。

したがって、本発明のピストン１０，１１０及びコネクティングロッド２４，１２４アセンブリは、製造コストを減じると同時に、アセンブリ全体に亘って優れた冷却特性を促進する。

本発明は、例示形式で説明されている。使用された用語は、限定ではなく説明の言葉の性質にあることが意図されていると理解されるべきである。本発明の多くの変更態様及び変更が、上の開示を考慮して可能である。したがって、添付の請求項の範囲で、本発明は、具体的に説明されたのとは異なって実施されることができる。

内燃機関のシリンダ内に作用的に配置されたピストン及びコネクティングロッドアセンブリの断面環境図である。 内側冷却ギャラリと外側冷却ギャラリとの間に半径方向に延びたボアを示す、本発明のピストンの１つの実施形態の断面側面図である。 コネクティングロッドの端部に形成された貯蔵部を示す、本発明のピストン及びコネクティングロッドアセンブリの別の実施形態の断面側面図である。

符号の説明

１０，１１０ ピストン、 １２ シリンダ、 １４ 内燃機関、 １６，１１６ クラウン、 １７ ライナ、 １８，１１８ スカート、 ２０，１２０ ボディ、 ２２，１２２ ピンボア、 ２３，１２３ ピン、 ２４，１２４ コネクティングロッド、 ２６，１２６ クランクシャフト、 ２８，１２８ 端部、 ３０，１３０ ボア、 ３２，１３２ 端部、 ３４，１３４ ボルト、 ３６，１３６ 燃焼ボウル、 ３８，１３８ リングランド、 ４０ 内側冷却ギャラリ、 ４２ カバープレート、 ４８，１４８ 外側冷却ギャラリ、 ５０，１５０ ボア、 ５１ 下端部、 ５２，１５２ ブリード通路、 ５４，１５４ 間隙、 １６０ 貯蔵部

Claims (9)

1. 内燃機関のシリンダ内で往復運動するように適合されたピストンにおいて、該ピストンに、
   クラウンと、該クラウンから垂下したスカートとが設けられており、
   前記クラウンの下方に延びたボディが設けられており、前記スカートが、前記ボディの少なくとも部分の周囲に環状に配置されており、
   前記クラウンの下方において前記ボディに形成された内側冷却ギャラリが設けられており、
   前記クラウンの下方において前記スカートと前記ボディとの間に形成された外側冷却ギャラリが設けられており、
   前記内側冷却ギャラリと前記外側冷却ギャラリとの間に流体連通を提供するために内側冷却ギャラリと外側冷却ギャラリの間に半径方向に延びた少なくとも１つのボアが設けられ、
   前記ボディが、前記ピストンの往復運動の方向に延びた長手方向軸線を規定しており、前記少なくとも１つのボアが、前記内側冷却ギャラリと前記外側冷却ギャラリとの間において、前記長手方向軸線に関して半径方向にかつ直交方向に延びており、
   前記少なくとも１つのボアが、前記ボディの外側から内方へ前記内側冷却ギャラリに向かって穿孔することによって形成され、
   さらに、前記外側冷却ギャラリの底壁を形成するように前記スカートと前記ボディとの間に延びたカバープレートが設けられており、該カバープレートが前記ボディに取り付けられた位置から長手方向に間隔を置かれた位置において、前記カバープレートが前記スカートに作用的に取り付けられており、これにより、前記少なくとも１つの半径方向のボアが、前記内側冷却ギャラリと前記外側冷却ギャラリとの間に配置されていることを特徴とする、内燃機関のシリンダ内で往復運動するように適合されたピストン。
2. さらに、前記ギャラリの底壁を形成するように前記スカートと前記ボディとの間に延びたカバープレートが設けられており、前記カバープレートが蛇行状の断面を形成しており、これにより、内側冷却ギャラリと外側冷却ギャラリとの間に延びた少なくとも１つの半径方向のボアを提供するために、前記プレートの一方の端部が、カバープレートの他方の端部から長手方向に間隔を置かれている、請求項１記載のピストン。
3. さらに、前記内側冷却ギャラリと前記外側冷却ギャラリとの間に半径方向に延びた複数のボアが設けられている、請求項１記載のピストン。
4. 前記外側冷却ギャラリが、前記内側冷却ギャラリの周囲に環状に配置されている、請求項１記載のピストン。
5. 前記ボディが、該ボディを貫通して形成された、前記ピストンをコネクティングロッドに作用的に結合するためにピンを収容するように適応された、ピンボアを有しており、前記内側冷却ギャラリが前記ピンボアと流体連通している、請求項１記載のピストン。
6. 前記外側冷却ギャラリが、前記内側冷却ギャラリと前記外側冷却ギャラリとの間に半径方向に延びた少なくとも１つのボアを介して、前記ピンボアと流体連通している、請求項５記載のピストン。
7. 内燃機関において使用するためのピストン及びコネクティングロッドアセンブリにおいて、
   請求項１から６までのいずれか１項記載のピストンが設けられており、
   ピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換するように前記ピストンとクランクシャフトとを結合するように適合されたコネクティングロッドが設けられており、該コネクティングロッドが少なくとも１つの端部を有しており、該端部が、該端部を貫通した、前記ピストンにおける前記ピンボアと整合されるように適合されたボアを備えており、
   前記コネクティングロッドの前記少なくとも１つの端部が、前記ピストンの前記内側冷却ギャラリと流体連通しておりかつ、前記端部に形成された貯蔵部を有しており、該貯蔵部が該貯蔵部に冷媒を収集するように適合されていることを特徴とする、内燃機関において使用するためのピストン及びコネクティングロッドアセンブリ。
8. 前記コネクティングロッドがさらに、前記貯蔵部と前記ピンボアとの間に延びた通路を有する、請求項７記載のピストン及びコネクティングロッドアセンブリ。
9. 前記コネクティングロッドの前記少なくとも１つの端部が、前記内側冷却ギャラリの底壁の実質的な部分を形成している、請求項７記載のピストン及びコネクティングロッドアセンブリ。

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