JP5648062B2 - ブローバイ構成を有するピストン、および内燃機関への壊滅的故障を防止する方法 - Google Patents

Description

関連出願との相互参照
本願は、２０９年１１月１０日に出願された米国仮出願連続番号第６１／２５９，８１４号の利益を主張する。当該仮出願は、その全体がここに引用により援用される。

発明の背景
１．技術分野
この発明は一般に内燃機関に関し、より特定的には内燃機関用のピストンに関する。

２．関連技術
動作中、バルブが落下してピストンと接触すると、内燃機関の公知の起こり得る故障モードが生じ、それはエンジンの壊滅的故障をもたらすおそれがある。エンジンに生じる損傷は、パワーシリンダシステム全体（ピストン、リング、ライナー、リストピン、接続ロッド）、バルブトレイン、シリンダヘッド、クランクシャフト、そして多くの場合エンジンブロックの交換を含む場合がある。したがって、修理は可能ではあるが、この種の故障モードを修理するコストは非常に高くつくおそれがある。

発明の概要
内燃機関への起こり得る壊滅的故障を阻止し、それによりエンジンへの高くつく損傷の危険を減少させるピストンが提供される。このピストンは、壁によって内部冷却チャンバから隔てられた上面を有するピストン本体を含む。上面は、壁の閉鎖底面まで延在するポケットを有する。ポケット内に管状部材が配置される。管状部材は、上面から上向きに延在している。

この発明の別の局面によれば、内燃機関への壊滅的故障を防止する方法が提供される。この方法は、壁によって内部冷却チャンバから隔てられた上面を有するピストン本体を設けるステップと、使用中の内部冷却チャンバ内へと壁を通って形成される貫通開口部用に、予め定められた場所をバルブヘッドの下の壁に設けるステップとを含む。

この方法の別の局面によれば、この方法は、壁の閉鎖底面まで上面内へと延在するポケットを形成するステップと、管状部材が上面から上向きに延在する状態で管状部材をポケット内に配置するステップとをさらに含む。

この発明の別の局面によれば、バルブヘッドが衝突して、ピストンの内部冷却チャンバ内へと延在するブローバイ通路を形成するために、予め定められた場所をピストンの上壁に設けることにより、内燃機関への壊滅的故障を防止する方法が提供される。ブローバイ通路はブローバイの急増を提供し、それにより、問題の即時の表示を提供する。この表示は、さらなる損傷がエンジンに生じることを防止するために利用される。

図面の簡単な説明
この発明のこれらのならびに他の局面、特徴、および利点は、以下の現在好ましい実施例および最良の形態の詳細な説明、付加された請求項、ならびに添付図面に関連して検討されると、より容易に理解されるであろう。

内燃機関における、この発明の一局面に従って構成されたピストンの断面図である。 ピストンの上部燃焼面の上方に位置づけられたバルブヘッドの場所を示す、図１のピストンの平面図である。 図１のピストンの丸で囲んだ部分２の拡大図である。 ピストンのポケット内に管状部材を固定するための代替的な機構を示す、図２に似た図である。 ピストンに形成されたブローバイ通路を示す、図２および図２Ａに似た図である。

現在好ましい実施例の詳細な説明
図面をより詳細に参照すると、図１は、この発明の現在好ましい一局面に従って構成されたピストン１０を示す。ピストン１０は、シリンダボア（図示せず）内でピストン１０が往復運動する際に沿う中心軸１４に沿って延在するピストン本体１２を有する。ピストン本体１２は、非限定的な一例として、上部燃焼面１８を有する上方クラウン部１６を含んでおり、上部燃焼面１８はここでは、非限定的な一例として、環状で平面状の径方向外側部分２０と、外側部分２０から径方向内側にある窪んだ燃焼ボウル２２とを有して表わされている。外側部分２０は、複数のバルブヘッド２３（図１Ａ）の下に整列されるよう構成されている。ピストン１０は、非限定的な一例として、環状の内側リブ２８によって互いに隔てられた、内部の外側冷却ギャラリまたはチャンバ２４と中心冷却ギャラリまたはチャンバ２６とを有して示されており、外側部分２０から環状の外側リブ２９が垂下している。上部燃焼面１８は、上壁３０によって、外側冷却ギャラリ２４および内側冷却ギャラリ２６から隔てられている。非限定的な一例として、少なくとも１つのポケット、好ましくは図１Ａに４個として図示されたバルブヘッドの数に対応する数のポケット３２が、壁３０の閉鎖底面３４までの深さ（Ｄ）にわたり、壁３０の上部燃焼面１８内へと延在している。ポケット３２の１つ１つには、管状部材３６が、閉鎖底面３４と当接するよう配置されている。底面３４と当接するよう、または底面３４に非常に接近するよう配置されると、管状部材３６は、上部燃焼面１８から上向きに延在する。したがって、バルブヘッド２３のいずれかが緩んだり、その通常機能位置から落下すると、それぞれのバルブヘッド２３は、下に位置する管状部材３６と衝突し、それにより、管状部材３６が壊れやすい閉鎖底面３４と十分な力で衝突して、図３に示すように壊れやすい閉鎖底面３４を突き破るようになる。そのため、貫通通路またはブローバイ通路３８とも呼ばれる意図されたオリフィスが、予め定められた場所に上壁３０を貫通して形成される。ブローバイ通路３８は気体／燃焼混合物ブローバイの急増を提供し、それにより、たとえばシリンダボア内の圧力を感知する圧力センサによって検出可能であるような、問題の即時の表示を提供する。この急激な圧力変化の表示は、オペレータまたはエンジン制御システムに信号で伝えることが可能であり、それにより、オペレータまたはエンジン制御システムは、エンジンへのさらなる損傷を回避するよう、エンジンを停止することができる。

図１に示すように、ピストン１０は、非限定的な一例として、外側および内側冷却ギャラリ２４，２６を形成するために上方の内側および外側リブ２８、２９と軸方向に整列されて固定取付けされるよう配置された下方の内側リブ４２および下方の外側リブ４４を有する下方クラウン部４０を有して構成可能である。１対のピンボス４６が上方クラウン部１６から垂下して、リストピン（図示せず）を受けるためにピン軸５０に沿って整列された１対のリストピン穴４８を提供している。接続ロッド（図示せず）の小さい端部を受けるために、空間５１がピンボス４６間に設けられている。冷却ギャラリ２４，２６は説明し図示したもの以外の態様で形成されてもよいこと、および２つのギャラリを有するのではなく、単一の冷却ギャラリを提供してもよいことが認識されるべきである。

各ポケット３２は、上部燃焼面１８から閉鎖底面３４へと延在する深さ（Ｄ）にわたって延在している。ポケット３２は滑らかな内壁５２を有して形成されてもよく、もしくはそれらは、管状部材３６を内部に固定するために使用される所望の機構に依存して、織り目加工された、刻みの付いた、またはねじ山の付いた部分５３を有して形成されてもよい。ねじ山の付いた部分５３は、ポケット３２のほぼ上半分にわたって延在するよう図示されており、下半分はたとえばねじ山が付けられないままである。そのため、ねじ山５３は、通常動作条件のための管状部材３２の十分な保持を提供する一方、管状部材３２が上に位置するバルブヘッド２３の衝突を受けて下向きに追いやられることを可能にする。したがって、ポケット３２の一部のみにねじ山が付いているため、バルブヘッド２３がその通常機能位置から落下すると、管状部材が上に位置するバルブヘッド２３によって衝突され、下に位置する冷却ギャラリ２４内へと追い込まれることが保証される。内壁５２は好ましくは、製造しやすくするために、真っ直ぐで円筒状の形を有して形成されるが、必要であれば他の形状を使用してもよい。ポケット３２は、壁３０の厚さ減少部分５４を提供しており、厚さ減少部分５４は、ポケット３２の底面３４と下側５５との間に延在する予め定められた厚さ（ｔ）を有する。

管状部材３６は、ポケット３２内に固定して受けられるよう構成された、たとえば真っ直ぐで円筒状の表面として図示された外面５６を有する。したがって、ポケット３２の内壁５２が滑らかまたはほぼ滑らかである場合、外面５６は、ポケット３２内での、圧入とも呼ばれる締まり嵌め用に、サイズが決められてもよい。その他の場合、バルブヘッド２３が管状部材３６と衝突すると接着または機械的取付機構が選択的に破壊されるという前提で、管状部材３６をポケット３２内に固定するために接着または機械的取付機構を使用してもよい。また、内壁５２がねじ山の付いた部分を有する場合（図２Ａ）、管状部材３６の外面５６も同様に、ポケット３２内にねじ込んで取付けるための嵌合するねじ山部分を有していてもよい。たとえば押込まれた締まり嵌め、接着、ねじ山など、手段は何であれ、ポケット３２内に固定されると、管状部材３６の底端５８は、ポケット３２の底面３４と当接するかまたは非常に接近するようになり、管状部材３６の上端６０は、上面１８から上向きに、ここでは平面の外側部分２０から上向きに延在して図示されている。そのため、管状部材３６は、底面５８がポケット３２の底面３４と当接すると、上端６０が外側部分２０の上部燃焼面１８から予め定められた距離（ｄ）上向きに延在することが保証されるよう、ポケット３２の深さＤよりも大きい予め定められた長さ（ｌ）を有して構成されている。距離ｄは、壁３０の厚さ減少部分５４の厚さｔと少なくとも同じであるか、またはそれより若干大きくなるよう、設けられる。上端６０は、上に位置する、軸方向に整列されたバルブヘッド２３に干渉しない、ということが理解されるべきである。さもなければ、通常動作条件時にエンジンの性能に悪影響をもたらすであろう。

上に位置するバルブヘッド２３が、下に位置する管状部材３６の上端６０に当接するよう、その通常動作位置からシリンダボア燃焼チャンバ内へと下降した場合（バルブヘッド２３の不具合状態）、生成された力が管状部材３６をポケット３２内へと下向きに追いやり、壁３０の壊れやすい厚さ減少部分５４が、管状部材３６の押込まれる力を受けて破砕されるようになる。そのため、管状部材３６は、上部燃焼面１８と内部の外側冷却ギャラリ２４との間を完全に延在して、ブローバイ通路３８（図３）を形成する。ブローバイ通路３８は、壁厚さｔと、管状部材３６が上面２０の上方に延在する距離ｄとの寸法関係の結果、形成されることが保証される。最低でも、管状部材３６の上端６０が、バルブヘッド２３によって下向きに追いやられた結果、外面２０と同一平面またはほぼ同一平面になると、管状部材３６の底端５８は、外側冷却ギャラリ２４と同一平面になるか、または外側冷却ギャラリ２４内へと追いやられる。したがって、管状部材３６を通って延在する貫通通路が、上部燃焼面１８から外側冷却ギャラリ２４内へと完全に延在し、それにより、開いたブローバイ通路３８を提供する。そのため、これが起こると、気体／燃料混合物が自由に貫通通路３８を通って冷却ギャラリ２４内へと流れる場合は、気体／燃焼混合物ブローバイの量が増加し、それにより、オペレータおよび／または制御部に送信される圧力信号の損失または低下を促進し、次に、エンジンへのさらなる損傷が始まる前にオペレータおよび／または制御部がエンジンを停止できるようにする。

明らかに、この発明の多くの変更および修正が、上述の教示に鑑みて可能である。したがって、付加された請求項の範囲内で、この発明が具体的に記載されたもの以外の態様で実践されてもよい、ということが理解されるべきである。

Claims (14)

1. ピストンであって、
   壁によって内部冷却チャンバから間隔をおかれた上部燃焼面を有するピストン本体を含み、前記壁は、閉鎖底面までの深さにわたり、前記内部冷却チャンバに向かって、前記上部燃焼面内へと延在する少なくとも１つのポケットを有し、前記閉鎖底面は、前記壁の他の部分と比較して減少した厚さを有する前記壁の一部によって前記内部冷却チャンバから間隔をおかれ、前記ピストンはさらに、
   前記少なくとも１つのポケット内に配置され、前記上部燃焼面から上向きに延在している管状部材を含み、
   前記ピストン本体は、前記ピストン本体の上に位置するバルブヘッドの数に対応する数の前記ポケットを有し、
   前記ポケットは、前記バルブヘッドの下に配置されており、
   前記管状部材は、前記閉鎖底面に当接しており、
   前記管状部材が前記上部燃焼面から上向きに延在している距離は、前記減少した厚さ以上である、ピストン。
2. 前記管状部材の長さは、前記深さよりも大きい、請求項１に記載のピストン。
3. 前記管状部材は、真っ直ぐで円筒状の外面を有する、請求項１または請求項２に記載のピストン。
4. 前記管状部材は、前記少なくとも１つのポケット内で締まり嵌めを有する、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のピストン。
5. 前記管状部材は、前記少なくとも１つのポケット内でねじ込まれている、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のピストン。
6. 前記少なくとも１つのポケットは、その深さの一部にわたり、ねじ山が付けられている、請求項５に記載のピストン。
7. 前記ピストン本体は、前記ピストン本体の上に位置する前記バルブヘッドの数に対応する複数の前記ポケットを有する、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のピストン。
8. 前記ポケットの１つ１つは、バルブヘッドの別個の１つ１つの下に配置されている、請求項７に記載のピストン。
9. 内燃機関への故障を防止する方法であって、
   壁によって内部冷却チャンバから間隔をおかれた上部燃焼面を有するピストン本体を設けるステップと、
   前記壁の閉鎖底面までの深さにわたり前記内部冷却チャンバに向かって前記上部燃焼面内へと延在するポケットを形成するステップと、
   前記閉鎖底面と前記内部冷却チャンバとの間に延在し、前記壁の他の部分と比較して減少した厚さを有する前記壁の一部を形成するステップと、
   前記減少した厚さ以上の距離だけ前記上部燃焼面から上方に延在し、前記閉鎖底面に当接する管状部材を前記ポケットに配置するステップと、
   前記ピストン本体の上に位置するバルブヘッドの数に相当する数の前記ポケットが設けられており、
   前記ポケットは、前記バルブヘッドの下に配置されるように設けられている、方法。
10. ポケットの深さよりも大きい長さを有する管状部材を設けるステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 真っ直ぐで円筒状の外面を有する管状部材を設けるステップをさらに含む、請求項９または請求項１０に記載の方法。
12. 管状部材とポケットとの間に締まり嵌めを形成するステップをさらに含む、請求項９〜請求項１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 管状部材をポケット内にねじ込むステップをさらに含む、請求項９〜請求項１１のいずれか１項に記載の方法。
14. ポケットの全深さより小さい領域にわたり、管状部材およびポケットのねじ山を係合させるステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。

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