JP6005071B2 - 冷却されたピストンと、該ピストンの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ピストン頂部とクーリングチャンネルを備えた、内燃機関のピストンであって、クーリングチャンネル内に少なくとも１つの開口を備えた仕切りエレメントが位置決めされており、これにより、クーリングチャンネルの壁の一部と仕切りエレメントとの間に圧力室が生じ、該圧力室には、圧力をかけられたオイルが少なくとも１つのオイル流入部を介して充填されており、オイルが、開口から流出し、少なくともクーリングチャンネルの領域に衝突し、これによりピストンが冷却可能であるピストンに関する。

本発明はさらに、製造後に噴射されるオイルによって冷却される内燃機関のピストンを製造する方法であって、仕切りエレメントであって、ピストンのクーリングチャンネル内に位置決めされ、これによりクーリングチャンネル内で前記クーリングチャンネルの壁の一部と前記仕切りエレメントとの間に、少なくとも１つのオイル流入部を介してオイルを充填される圧力室を形成している仕切りエレメントに設けられた少なくとも１つの開口を通じて、オイルが圧力室から意図的に少なくともクーリングチャンネルの領域に、オイルで充填された圧力室の圧力によって噴射される、内燃機関のピストンを製造する方法に関する。

国際公開２００７／１１００５６号から、２つの部分から成るピストンが公知である。このピストンのクーリングチャンネル内には、ピストン頂部に対して平行に配置された環状の仕切り壁が設けられている。この仕切り壁は１つまたは複数のノズル状の開口を有している。これらの開口は、それぞれの流出する噴出流がピストン頂部の下面に対して位置調整されているように、配置されている。この場合、仕切り壁の下側に位置する室は、有利には完全に冷却オイルで満たされているので、少なくとも１つのノズル状の開口には特に高い冷却圧力がかけられ、冷却オイル噴出流は開口からの噴射により最適に加速される。国際公開第２００７／１１００５６号によれば、２つの部分から成るピストンの内側または外側の載置面と、これらの載置面に対応配置された支持面との間に仕切り壁が配置されている。これにより、仕切り壁は特に簡単に組み付けられ、固定され得る。択一的には、国際公開第２００７／１１００５６号によれば、仕切り壁をピストンヘッド内にまたはピストンスカート内に統合された壁部分として形成することも可能である。この壁部分はピストンの製造時に一緒に鋳造される。国際公開第２００７／１１００５６号による別の択一的な態様では、仕切り壁が、クーリングチャンネルの、ピストンスカートにより形成された領域に配置されている。

公知先行技術から公知のピストンにおいて不都合なのは、ピストンのための仕切り壁が、別個の構成部材として形成されており、したがってピストン製造とは関係なく製造されることである。ピストン内に既に鋳込まれた仕切り壁は、この他にも、仕切り壁とピストンのクーリングチャンネルとが、鋳造工程後には制限を受けてしか加工され得ないという欠点を有している。

したがって、本発明の根底を成す課題は、簡単かつ廉価に製造可能であり、公知先行技術の上述の欠点を有しない、良好に冷却可能なピストンを提供することである。

この課題を解決した本発明による構成では、未加工の仕切りエレメントが後のクーリングチャンネルの壁に位置決め可能であり、これにより仕切りエレメントは、ピストンの製造工程の枠内で一緒に加工可能であり、これにより仕切りエレメントの、ピストンの加工とは別個の加工が省略される。

有利には、仕切りエレメントが未加工の状態でピストンの後のクーリングチャンネルの壁に位置決め可能であるので、仕切りエレメントの、ピストン製造とは別個の製造が省略される。なぜならば、仕切りエレメントがピストンの製造工程の枠内で一緒に加工されるからである。これによって、仕切りエレメントは、ピストンと同じように、簡単かつ廉価に製造可能である。さらに、未加工の仕切りエレメントをピストンの後のクーリングチャンネルの壁に位置決めすることにより、仕切りエレメントと一緒にピストンを自動的に加工することが可能であるので、これにより製造コストが減じられ、その他にも製造時間が減じられる。さらに有利には、本発明による仕切りエレメントにより、ピストンの運転確実性が高められる。なぜならばピストンは仕切りエレメントにより良好に冷却されるからである。

本発明の有利な態様では、ピストンは上側部分と下側部分とから成っている。上側部分と下側部分をそれぞれ別個に、例えば一次成形加工、たとえば鋳造により、たとえば変形加工、たとえば鍛造により、かつ／または切削加工、たとえば旋盤、フライスおよび／または研削により製造することができる。

有利な別の態様では、ピストンの上側部分および下側部分は、たとえばアルミニウム、マグネシウムまたはアルミニウムおよびマグネシウムの合金のような同一の軽金属材料から、またはたとえば鋼材料または鋳造のための材料のような同一の金属材料から成っている。択一的には、上側部分と下側部分とが、互いに異なる上記材料からそれぞれ成っていることも可能である。

別の有利な態様では、上側部分は下側部分に組み立てられた状態で少なくとも上側部分および下側部分の対応する共通の載置面において隣接するので、下側部分と上側部分とは簡単に位置決め可能である。

別の有利な態様では、上側部分は、下側部分に、ピストンの組み立てられた状態で、たとえば少なくとも１つのねじ締結部、溶接結合部、プレス結合部、クランプ結合部等により結合されている。

別の有利な態様では、未加工の仕切りエレメントは、上側部分に取り付けられているので、仕切りエレメントは、上側部分の加工工程の枠内で一緒に加工可能である。択一的には、未加工の仕切りエレメントが下側部分に取り付けられていることも可能であり、これにより、仕切りエレメントは下側部分の加工工程の枠内で一緒に加工可能である。この場合、未加工の仕切りエレメントは、上側部分または下側部分に、少なくとも１つのねじ締結部、溶接結合部、プレス結合部、クランプ結合部等により取り付けられていることも可能である。

別の有利な態様では、未加工の仕切りエレメントが環状に形成されている。この場合、未加工の仕切りエレメントが複数の個別の部材から組み立てられていることも可能であり、この場合、これらの個別の部材はたとえば組み立てられて１つの環状に延びるリング形状を生ぜしめる。択一的には、ピストンが未加工の複数の仕切りエレメントを個別部分として有している。これらの個別の部分はそれぞれ、断続的に形成されたクーリングチャンネル内に装入されている。特に有利な態様では、未加工の仕切りエレメントが一体的な、つまり一部分から成るリングとして形成されているので、一体的なリングは環状に延びるクーリングチャンネル内に位置決め可能である。未加工の仕切りエレメントは、たとえばたとえばアルミニウム、マグネシウムまたはアルミニウムおよびマグネシウムの合金のような軽金属材料から、またはたとえば鋼材料または鋳造のための材料のような金属製の材料から成っていてよい。

別の有利な態様では、仕切りエレメントの開口は、仕切りエレメントの加工後に、ノズル状に形成されている。未加工の仕切りエレメントが既に部分的に予備形成された開口を有していることも可能であり、該開口は加工工程の枠内でノズル状に形成される。択一的には、未加工の仕切りエレメントは、開口を有していないので、開口は、加工工程の枠内で初めて仕切りエレメントに成形される。

ノズル状の開口により、仕切りエレメントの開口から流出したオイルは、意図的にクーリングチャンネルの壁の少なくとも１つの領域に、特にピストン頂部の下面の少なくとも１つの領域に、かつ／またはリング溝部分とは反対の側にある壁の少なくとも１つの領域に向けることができる。この場合、仕切りエレメントのノズル状に形成された開口は、円錐台、ホッパ、管の形状またはベンチュリ管等の形状を有していてよい。

別の有利な態様では、仕切りエレメントにおける開口の個数および／または開口の直径は変化する。これにより、第１には開口の数の変化により意図的にクーリングチャンネルの壁の少なくとも１つの領域、特に燃料の燃焼中に特に高い温度にさらされているピストン頂部の下面の少なくとも１つの領域および／またはリング溝部分とは反対の側の壁の少なくとも１つの領域にオイルが噴射される。仕切りエレメントにおける開口の直径の変化により、他方では、開口から流出するオイル放射の噴射幅および／または噴射速度がピストンのそれぞれの温度負荷に適合されることが可能である。

別の有利な態様では、仕切りエレメントがクーリングチャンネルの壁に少なくとも１つのシールエレメント、有利にはＯリングを介して密着されている。未加工の仕切りエレメントが上側の部分に取り付けられていて、上側の部分が、上側部分と仕切りエレメントの共通の加工後に、別個に加工された下側部分に結合される場合、仕切りエレメントと下側部分との間に形成された間隙がシールエレメントによりシールされていることが可能である。有利には、下側部分の、シールエレメントに直接に接触する面が、特に正確に製造されている。シールエレメント、たとえばＯリングを収容する仕切りエレメントの領域も特に正確に製造されている。仕切りエレメントは、たとえばＯリングを収容するために溝等を備えている。正確な製造とは、たとえば特に良好な表面品質および特に高い嵌合性を達成する製造であると理解される。

択一的には、有利な択一的な態様において、仕切りエレメントが下側部分に取り付けられ、ピストンの組立て後に上側部分と仕切りエレメントとの間に形成される隙間が、たとえばＯリングのようなシールエレメントでシールされることが可能である。上側部分の、シールエレメントに接触する面は、この場合特に正確に製造されている。仕切りエレメントもこの択一的な態様では、たとえばＯリングの収容のために溝等を有している。

別の有利な態様では、ピストンは少なくとも１つのピン孔を有している。このピン孔は、ピンの収容の機能を満たす他にも、オイル流入部にオイルを充填する。択一的または補足的には、ピストンのオイル流入部が別のオイル供給部を介して充填可能であってもよい。

さらに本発明は、内燃機関のピストンの製造方法を請求する。本発明に係る方法では、未加工の仕切りエレメントをピストンの加工前に、ピストンの後のクーリングチャンネルの壁に位置決めし、これにより仕切りエレメントをピストンと共にピストンの製造工程の枠内で加工し、これにより仕切りエレメントの、ピストンの加工とは別個の加工を省略する。

有利にはピストンを上側部分と下側部分とから製造する。

有利には、未加工の仕切りエレメントを、上側部分に取り付ける。これにより、引き続き仕切りエレメントを上側部分と共に加工する。択一的には、未加工の仕切りエレメントを下側部分に取り付ける。これにより、引き続き仕切りエレメントを下側部分と一緒に加工する。

有利には仕切りエレメントをクーリングチャンネルの壁に、少なくとも１つのシールリング、有利にはＯリングにより密着させる。

ピストンのオイル流入部には、有利にはピストンの少なくとも１つのピン孔によりオイルが充填される。択一的にまたは補足的には、ピストンのオイル流入部は別個のオイル供給部を介して充填されてもよい。

図面に本発明の有利な態様を示す。

本発明に係るピストンの断面を横から示す図である。

図１は、内燃機関の、最後まで製造された（完成した）ピストン１を示している。このピストン１は、上側部分２と下側部分３とから成っている。上側部分２は、ピストンリング（図示せず）を収容するための３つのリング溝を備えた、ピストンの全周にわたって環状に延びるリング溝部分４と、ピストン頂部１４の領域の燃焼室キャビティ５と、切欠きの形状のクーリングチャンネル９の一部とを有している。この切欠き内で、図１によれば、ピストン頂部１４の下面が認識可能である。下側部分３は、たとえば複数のオイル流入部１５を有している。これらのオイル流入部１５は、クーリングチャンネル９の一部を形成する別の切欠きに開口している。さらに、下側部分３は、図１によれば、ピンを収容する２つのピン孔６を有している。ピンによって、コンロッド７が下側部分３もしくはピストン１に結合されている。両ピン孔６は、オイル流入部１５を連続的にオイルで充填する。

図１に示した実施の形態では、上側部分２は下側部分３の上に、互いに対応する複数の載置面の領域において位置決めされている。この場合、上側部分２は下側部分３に複数のねじ締結部８によって固く結合されている。

図１に示したピストン１の組立ての前には、未加工の下側部分３のクーリングチャンネル９の壁に未加工の仕切りエレメント１０が位置決めされている。この仕切りエレメント１０は加工後には複数の開口１３を有する。未加工の仕切りエレメント１０を未加工の下側部分３に取り付けることによって、仕切りエレメント１０は、下側部分３の加工工程の枠内で一緒に加工可能であり、これにより、ピストン１の加工とは別個に行われる仕切りエレメント１０の加工は省略される。下側部分３に取り付けられた仕切りエレメント１０は、本実施の形態では一体的な、つまり一部分から成るリングとして形成されているので、仕切りエレメント１０はクーリングチャンネル９をその全周にわたって２つの領域、つまり縮小されたクーリングチャンネル９’と、圧力室１１とに分けている。図１は、最終的に加工された仕切りエレメント１０を示している。

クーリングチャンネル９の壁の一部と、仕切りエレメント１０との間に形成された圧力室１１には、圧力をかけられたオイルがオイル流入部１５により充填されている。圧力室１１のシールのためには、仕切りエレメント１０が、上側部分２のクーリングチャンネル９の壁にＯリング１２により密着されている。Ｏリング１２は、仕切りエレメント１０と同様にクーリングチャンネル９全体を巡って延びている。これによって、シールされた圧力室１１が形成され、この圧力室１１は、開口１３を介して縮小されたクーリングチャンネル９’に接続されている。Ｏリング１２は、図１によれば、加工された仕切りエレメント１０が備える溝内に位置決めされている。

加工された仕切りエレメント１０の開口１３は、図１によればノズル状であり、たとえば管状に形成されている。この場合、本実施の形態では、加工された仕切りエレメント１０に設けられた開口１３の個数と、開口１３の直径とは、クーリングチャンネル９の全周にわたって変化する。これによって、クーリングチャンネル９’の、開口１３の個数が極めて多く、開口１３の直径が良好な冷却に合わせて適合されている領域が、特に良好に冷却されている。

以下に、図１に示したピストン１の製造をより詳しく説明する。ピストン１は、特に上側部分２と下側部分３とから製造される。

ピストン１の製造前に、一方では未加工の仕切り部分１０と未加工の下側部分３とが製造される。

ピストン１の製造のためには、リングとして形成された未加工の仕切りエレメント１０が下側部分３の後のクーリングチャンネル９の壁に、当該未加工の下側部分３の後続の加工の前に位置決めされる。したがって、未加工の仕切りエレメント１０は、未加工の下側部分３への取付け後に、未加工の下側部分３の輪郭と見なすことができる。次いで、未加工の下側部分３に取り付けられた未加工の仕切りエレメント１０は、未加工の下側部分３と一緒に当該下側部分３の製造工程の枠内で加工される。これによって、未加工の仕切りエレメント１０と未加工の下側部分３との別々の加工は省略される。未加工の仕切りエレメント１０は、開口１３を有していない。したがって仕切りエレメント１０内には加工中に開口１３が形成され、一緒に加工される。下側部分３の加工工程の枠内での仕切りエレメント１０の加工の他に、下側部分３にはたとえばピン孔６、オイル流入部１５およびピストン１のスカートエレメント（図示せず）が形成され、一緒に加工される。オイル流入部１５は、本実施の形態では孔である。

仕切りエレメント１０と共に行われる下側部分３の製造とは別に、他方では上側部分２が製造され、加工される。図１によれば、上側部分２の加工工程の枠内でたとえば燃焼室キャビティ５とリング溝部分４とが一緒に形成される。

上側部分２の加工時にも、仕切りエレメント１０と共に行われる下側部分３の加工時にも、それぞれ１つの切欠きの形状の後のクーリングチャンネル９の領域と、上側部分２および下側部分３のための対応する載置面とがそれぞれ形成され、かつ一緒に加工される。特に上側部分２の領域は、後のクーリングチャンネル９の壁において正確に加工され、この壁に後の圧力室１１をシールするためのＯリング１２が載置する。

ピストン１の製造工程の枠内でかつ組立て後に、仕切りエレメント１０は、クーリングチャンネル９の壁と共に、少なくともＯリング１２により図１に示すようにシールされる。Ｏリング１２は、仕切りエレメント１０と同様に、クーリングチャンネル９全周にわたって延びている。この場合、正確な加工とは、特に表面品質と正確な嵌合に関する特に良好な加工であると理解され得る。

ピストン１の製造および組立て後に、かつ内燃機関におけるピストン１の運転中には、供給部によって圧力をかけられて圧力室１１内に存在するオイルが連続的に開口１３から進出する。このためには、オイルが所定の圧力かつ所定の流量で連続的にオイル流入部１５を介して圧力室１１内に流入するので、圧力室１１内で圧力が生じる。この圧力は、開口１３を介した連続的なオイルの噴出によって低下する。この場合、圧力室１１内で連続的に形成される圧力により、オイルは圧力室１１の全周にわたってピストン１内で分散する。

オイルが開口１３から進出し、少なくとも減少されたクーリングチャンネル９’の壁の領域に、特にピストン頂部１４の下面の少なくとも１つの領域に、かつリング溝４とは反対の側に位置する壁の少なくとも１つの領域に衝突することにより、ピストン１は連続的にかつ良好に冷却される。開口１３から連続的に流出するオイル噴射によるピストン１の意図的な冷却により、この場合、特に燃焼室キャビティ５の領域の表面温度およびリング溝部分４の領域の表面温度が減じられる。オイル噴射により、一般的に内燃機関内でのピストン１の運転中のピストン１の温度が減じられる。

運転中のピストン１の最適な冷却を達成するために、ノズルの個数およびノズルの直径は互いに調整されている。この場合、この調整は、オイルを圧力室１１から開口１３を介して流出させる圧力が、クーリングチャンネル９の領域におけるオイルカーボン形成を阻止するように行われる必要がある。

圧力室１１内で圧力を加えられた状態のオイルを圧力室１１から噴射することは、内燃機関内でのピストン１の運動および運転中のいわゆるシェイカー効果（Shaker-Effekt）により付加的に増強される。シェイカー効果によりオイルは圧力室１１から、内燃機関内でのピストン１の昇降運動に基づいて、特にコンロッド７の方向へのピストン１の下方運動において慣性に基づき開口１３から噴出される。

開口１３から縮小されたクーリングチャンネル９’内に噴出されたオイルは、次いでシェイカー効果を受ける。噴出されたオイルは、次いで貫通開口（図１には示さない）を介して縮小されたクーリングチャンネル９’から導出され、かつピストン１から導出される。

１ ピストン
２ 上側部分
３ 下側部分
４ リング溝部分
５ 燃焼室キャビティ
６ ピン孔
７ コンロッド
８ ねじ締結部
９ クーリングチャンネル
９’ （縮小された）クーリングチャンネル
１０ 仕切りエレメント
１１ 圧力室
１２ Ｏリング
１３ 開口
１４ ピストン頂部
１５ オイル流入部

Claims (9)

1. ピストン（１）の製造後に噴射されるオイルにより冷却される、内燃機関のピストン（１）を製造する方法であって、
   仕切りエレメント（１０）を、前記ピストン（１）のクーリングチャンネル（９）内に位置決めし、これにより前記クーリングチャンネル（９）内で前記クーリングチャンネル（９）の壁の一部と前記仕切りエレメント（１０）との間に、少なくとも１つのオイル流入部（１５）を介してオイルを充填される圧力室（１１）を形成して、仕切りエレメント（１０）に設けられた少なくとも１つの開口（１３）を通じて、オイルが圧力室（１１）から少なくともクーリングチャンネル（９）の領域に、オイルで充填された圧力室（１１）の圧力によってオイルが噴射される、内燃機関のピストン（１）を製造する方法において、
   未加工の前記仕切りエレメント（１０）を、前記ピストン（１）の加工前に、前記ピストン（１）の、加工後にクーリングチャンネル（９）となる壁に取り付け、引き続き前記仕切りエレメント（１０）を前記ピストン（１）と一緒に加工し、これにより仕切りエレメント（１０）の、前記ピストン（１）の製造とは別個の加工を省略する、内燃機関のピストン（１）を製造する方法。
2. 前記ピストン（１）を前記上側部分（２）と、前記下側部分（３）とから製造する、請求項１記載の方法。
3. 未加工の前記仕切りエレメント（１０）を前記上側部分（２）に取り付け、これにより引き続き前記仕切りエレメント（１０）を前記上側部分（２）と一緒に加工する、請求項２記載の方法。
4. 未加工の前記仕切りエレメント（１０）を前記下側部分（３）に取り付け、これにより引き続き前記仕切りエレメント（１０）を前記下側部分（３）と一緒に加工する、請求項２記載の方法。
5. 前記仕切りエレメント（１０）を前記クーリングチャンネル（９）の壁に少なくとも１つのシールエレメントにより密着させる、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記ピストン（１）の前記オイル流入部（１５）に、前記ピストン（１）の少なくとも１つのピン孔（６）によってオイルを充填する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 未加工の前記仕切りエレメント（１０）は、環状の一体的なリングとして形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記仕切りエレメント（１０）の前記開口（１３）を、前記仕切りエレメント（１０）の加工後にノズル状に形成する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 前記仕切りエレメント（１０）に設けられる前記開口（１３）の個数および／または前記開口（１３）の直径は、前記クーリングチャネル（９）の全周にわたって変化する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。

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