JP5162655B2 - 内燃機関用のピストン - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用のピストンであって、ピストン頂部と、環状の火炎ウェブと、リング溝を備えた環状のリング部分とを有するピストンヘッドが設けられており、少なくとも１つのリング溝がリング保持体を備えている形式のものに関する。

内燃機関用のピストンは、運転中に大きな負荷にさらされる。特に、ピストン頂部、火炎ウェブ、及び火炎ウェブに直に隣接したピストンリング並びにピストンリングを受容するリング溝は、特別の機械的及び熱的な負荷にさらされる。

このような理由から有利には、火炎ウェブに隣接したリング溝にはしばしばリング保持体が設けられる。リング保持体は通常、オーステナイト系のねずみ鋳鉄から成っている。これらの材料は、ニレジスト材料という名前でも知られている。このようなリング保持体は、内燃機関用のピストンの鋳造前に、鋳型に挿入され、鋳造材料によって取り囲まれる。アルミニウム合金製のピストンの製造時には、リング保持体材料とピストン材料との間における結合層を生ぜしめるために、リング保持体は前もって処理が施されねばならない。そのためにリング保持体は通常アルフィン化（alfiniert）され、例えばアルミニウム-ケイ素溶融体内に浸漬され、この際に鉄アルミナイドから成るいわゆるアルフィン層が形成される。このアルフィン層は、ピストン材料とリング保持体層との間における所望の結合層を形成する。

この結合層は比較的剛性である。従って、ガス状の燃料・空気混合体の点火時に生じる燃焼ガスに起因する特別な機械的及び熱的な負荷によって、ピストンヘッド内部における機械的な運動に基づいてピストン材料とリング保持体材料との間における前記結合層が高負荷を受けることがあり、それによる結合層内部における引張り応力によって、亀裂もしくは裂断の生じるおそれがある。このような亀裂や断裂により、リング保持体はリング溝内において弛んでしまい、ひいては機関損傷を引き起こす。

ドイツ連邦共和国特許出願公開ＤＥ３９０８８１０Ａ１に記載された、内燃機関用のピストンでは、そのピストンヘッドがリング部分の下に、ピストンスカートの周壁から内方に向かってピストン軸線方向に対して平行に延びる２つの盲孔を備えている。これによって、両盲孔の左右の領域へ力の流れが導かれるようになっている。

この公知の構成には、盲孔を形成することによってピストンヘッドが機械的に弱化してしまうという事実に問題がある。

本発明の課題は、冒頭に述べた形式の内燃機関用のピストンを改良して、リング保持体とピストン材料との間における結合層の亀裂もしくは断裂のおそれを減じることができ、しかもピストンヘッドを機械的に弱化させるおそれのない、ピストンを提供することである。

この課題を解決するために本発明では、請求項１の特徴部記載のようにした。すなわち本発明による内燃機関用のピストンでは、リング部分の上において火炎ウェブに環状の凹設部が設けられている。

本発明のように構成されたピストンでは、凹設部が燃焼ガスによる負荷を受けて圧縮される。これによって、点火過程時に生じる力はほぼピストンヘッドによって吸収され、もはやまったく又は弱められた形でしかリング保持体に達せず、これにより結合層に対する負荷は著しく減じられる。つまり本発明のように設けられた凹設部は、応力もしくは緊張を減じるための一種の負荷軽減溝として働く。この負荷軽減溝は、ピストンヘッドの内部における運動を減少させ、その結果、リング保持体とピストン材料との間における結合層において生じる引張り応力は、著しく小さくなる。本発明のように設けられた凹設部は、さらに簡単かつ安価に製造することができ、ピストンヘッドの仕上げ旋削時に問題なく加工することができる。

本発明の別の有利な構成は、請求項２以下に記載されている。

本発明による凹設部の深さは、望まれている応力減少とピストンヘッドのある程度の弱化との間における妥協策である。従ってその深さは、使用されるピストン材料、その都度のピストンの寸法及び使用条件に応じて変化可能である。有利な妥協策の一例としては、環状の凹設部の平均的な深さが、１ｍｍまでである。

同じ理由から、本発明による凹設部の形状もピストンの使用条件、寸法及び個々の負荷に応じて変化可能である。横断面で見てＶ字形（場合によっては丸く成形された底部を備えて）又は放物線形状又は双曲線形状に形成された凹設部が、本発明の目的にとって特に有利に適している。

凹設部が横断面で見てＶ字形又は放物線形状又は双曲線形状に形成されている場合、この凹設部の開放角（α）も同様に上に述べた条件によって規定される。この開放角（α）が２０°までであると、有利なことが分かっている。

火炎ウェブに直に隣接したリング溝が、リング保持体を備えていると、本発明による凹設部をリング保持体に対して可能な限り小さな間隔をおいて、しかもリング保持体に接触することなく、設けることができ、有利である。凹設部とリング保持体との間の間隔（ｄ）が、少なくとも１ｍｍであると、有利である。

また有利には、少なくともピストンヘッドが、軽金属合金から、有利には通常のアルミニウム合金から製造されている。少なくともピストンヘッドが、ＭＡＨＬＥ Ｍ１７２又はＭＡＨＬＥ Ｍ１７４の型式のアルミニウム合金から製造されていると、特に有利である。

リング保持体がニレジスト材料から製造されていると、有利である。

リング保持体が、リング保持体部分と冷却通路部分とを有しているような構成も有利である。

次に図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。

本発明によるピストンの第１実施例を示す断面図である。 本発明によるピストンの別の実施例を示す断面図である。

図１にはピストン１０の第１実施例が示されている。ピストン１０は、任意の構造形式を有することができ、一体的に構成されていても、二部分から成っていても、例えば組み立てられたピストン又は揺動スカートピストン（Pendelschaftkolben）であってもよい。ピストン１０は自体公知の形式で、燃焼凹部１２ａを備えたピストン頂部１２と、環状の火炎ウェブ（Feuersteg）１３と、リング溝１５ａ，１５ｂ，１５ｃを備えた環状のリング部分１４とを有するピストンヘッド１１を有している。ピストンヘッド１１はさらに自体公知の形式でボス取付け部１６を介してボス（図示せず）と結合されており、これらのボスは、図示されていないピストンピンを受容するためのボス孔１７を有している。ピストン１０はさらに自体公知の形式で、接触面を備えたピストンスカート（図示せず）を有している。少なくともピストンヘッド１１は、実施例では、汎用のアルミニウム合金、例えばＭＡＨＬＥ Ｍ１７２又はＭＡＨＬＥ Ｍ１７４の型式のアルミニウム-ケイ素合金から製造されている。

実施例では、火炎ウェブ１３の直ぐ下にリング保持体２１が設けられており、このリング保持体２１は実施例ではニレジスト材料から、つまりオーステナイト系のねずみ銑鉄から成っている。リング保持体２１はアルフィン化されており、つまりピストンヘッド１１に向けられた表面に沿って、いわゆる鉄アルミナイドから成るアルフィン層（Alfinschicht）を備えている。このアルフィン層は、リング保持体２１とピストンヘッド１１との間において結合層２２として働く。

比較的剛性の結合層２２は内燃機関の運転中に、主として結合層２２自体において生じる強い引張り応力に起因する高負荷にさらされている。結合層２２の負荷を軽減するために火炎ウェブ１３には、環状の凹設部２３が加工されている。この環状の凹設部２３は横断面で見てほぼＶ字形に形成されていて、丸く成形された底部を有している。環状の凹設部２３はしかしながらまた放物線形状又は双曲線形状に形成されていてもよい。環状の凹設部２３は実施例では、約１ｍｍの深さ（ｔ）と約２０°の開放角（α）を有している。環状の凹設部２３とリング保持体２１との間の間隔（ｄ）は、実施例では約１ｍｍである。

内燃機関の各点火過程時に、環状の凹設部２３は、ピストン頂部１２と火炎ウェブ１３との作用する負荷を受けて圧縮される。これによって、点火過程時に生じる力はほぼピストンヘッド１１によって吸収され、リング保持体２１にはもはやまったく又は弱められてしか到達せず、これにより結合層２２は著しく負荷軽減される。つまり環状の凹設部２３は、リング保持体２１の領域における緊張もしくは応力を排除するための負荷軽減溝として働く。環状の凹設部２３はピストンヘッド１１の内部における運動を減じるので、リング保持体２１とピストン材料との間における結合層２２において生じる引張り応力は、著しく減じられる。環状の凹設部２３は、ピストンヘッド１１の自体公知の仕上げ旋削時に、ピストンヘッド１１と一緒に簡単に加工される。

図２には、ピストン１１０の別の実施例が示されている。このピストンヘッド１１０は、図１に示されたピストン１０にほぼ相当している。ピストン１１０は同様に、燃料凹部１１２ａを備えたピストン頂部１１２と、環状の火炎ウェブ１１３と、リング溝１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃを備えた環状のリング部分１１４とを有するピストンヘッド１１１を有している。ピストンヘッド１１１はさらに自体公知の形式でボス取付け部１１６を介してボス（図示せず）と結合されており、これらのボスは、図示されていないピストンピンを受容するためのボス孔１７を有している。ピストン１１０はさらに自体公知の形式で、接触面を備えたピストンスカート（図示せず）を有している。この実施例においてもピストンヘッド１１１は、汎用のアルミニウム合金、例えばＭＡＨＬＥ Ｍ１７２又はＭＡＨＬＥ Ｍ１７４の型式のアルミニウム-ケイ素合金から製造されている。

実施例では、火炎ウェブ１１３の直ぐ下にリング保持体１２１が設けられている。このリング保持体１２１は、この実施例ではリング保持体部分１２４と冷却通路部分１２５とから成っている。リング保持体部分１２４は、火炎ウェブ１１３に直に隣接したリング溝１１５ａが加工されている。リング保持体部分１２４と冷却通路部分１２５とは自体公知の型式で互いに溶接されている（ＤＥ１９７５００１２Ａ１参照）。リング保持体部分１２４の、半径方向で冷却通路部分１２５に向いた面１２６と、冷却通路部分１２５とは、冷却通路１２７を取り囲んでいる。

冷却通路部分１２５は通常、薄鋼板、例えばＶ２Ａ-薄鋼板から成っている。リング保持体部分１２４は通常、ニレジスト材料から、つまりオーステナイト系のねずみ銑鉄から成っている。リング保持体部分１２４はアルフィン化されており、つまりピストンヘッド１１１に向けられた表面に沿って、鉄アルミナイドから成るいわゆるアルフィン層（Alfinschicht）を備えている。このアルフィン層は、リング保持体部分１２４とピストンヘッド１１１との間において結合層１２２として働く。

結合層１２２の負荷を軽減するために火炎ウェブ１１３には、環状の凹設部１２３が加工されている。この環状の凹設部１２３は横断面で見てほぼＶ字形に形成されていて、丸く成形された底部を有している。環状の凹設部１２３はしかしながらまた放物線形状又は双曲線形状に形成されていてもよい。

環状の凹設部１２３はこの実施例では、約１ｍｍの深さ（ｔ）と約２０°の開放角（α）を有している。環状の凹設部１２３とリング保持体１２１のリング保持体部分１２４との間の間隔（ｄ）は、実施例では約１ｍｍである。

本発明によって、簡単に製造することができ、ゆえに大量生産に適しているピストン１０，１１０が提案され、このピストン１０，１１０では、リング保持体２１，１２１とピストンヘッド１１，１１１との間における結合層２２，２２２が引張り応力から負荷を減じられており、その結果結合層２２，１２２の剥離もしくは断裂のおそれが著しく減じられている。

Claims (10)

1. 内燃機関用のピストン（１０，１１０）であって、ピストン頂部（１２，１１２）と、環状の火炎ウェブ（１３，１１３）と、リング溝（１５ａ，１５ｂ，１５ｃ；１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ）を備えた環状のリング部分（１４，１１４）とを有するピストンヘッド（１１，１１１）が設けられており、少なくとも１つのリング溝（１５ａ，１１５ａ）がリング保持体（２１，１２１）を備えている形式のものにおいて、リング部分（１４，１１４）の上において火炎ウェブ（１３，１１３）に、圧縮可能な環状の凹設部（２３，１２３）が設けられており、環状の凹設部（２３，１２３）が、１ｍｍまでの深さ（ｔ）を有していることを特徴とする、内燃機関用のピストン。
2. 環状の凹設部（２３，１２３）が横断面で見てＶ字形又は放物線形状又は双曲線形状に形成されている、請求項１記載のピストン。
3. 横断面で見てＶ字形又は放物線形状又は双曲線形状に形成された凹設部（２３，１２３）の開放角（α）が２０°までである、請求項２記載のピストン。
4. 環状の凹設部（２３，１２３）が横断面で見てＶ字形であり、丸く成形された底部を有している、請求項２又は３記載のピストン。
5. 火炎ウェブ（１３，１１３）に直に隣接したリング溝（１５ａ，１１５ａ）が、リング保持体（２１，１２１）を備えている、請求項１から４までのいずれか１項記載のピストン。
6. 環状の凹設部（２３，１２３）とリング保持体（２１，１２１）との間の間隔（ｄ）が、少なくとも１ｍｍである、請求項５記載のピストン。
7. 少なくともピストンヘッド（１１，１１）が、軽金属合金から製造されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のピストン。
8. 少なくともピストンヘッド（１１，１１）が、アルミニウム合金から製造されている、請求項７記載のピストン。
9. リング保持体（２１）がアルフィン化されたニレジスト材料から製造されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のピストン。
10. リング保持体（１２１）が、リング保持体部分（１２４）と冷却通路部分（１２５）とを有している、請求項１から９までのいずれか１項記載のピストン。

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