JP6092071B2 - 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、ピストン頂部と火炎ウェブと、リング溝を有する環状のリング部分と、ピストンスカートとが設けられており、該ピストンスカートが、ピストンのスラスト側と反スラスト側とに配置された２つのスカート壁と、リング部分に対して後退させられていてスカート壁を結合する２つのボックス壁とを有しており、該ボックス壁が、ボス孔を有するピンボスを備えている形式のものに関する。

このような形式のピストンは、「MAHLE Ecoform」（登録商標）という名前で公知である。このような構造のピストンはボックス型ピストン（Kastenkolben）とも呼ばれる。典型的なボックス型ピストンでは、ピストンスカートの２つの壁がピストンの外輪郭に対して後退させられている。後退させられた幾分長い壁はボックス壁と呼ばれ、後退させられていない幾分狭幅の他の２つの壁は、スカート壁であり、ピストンスカートの本来の滑動面を有している。ボックス壁には、ボス孔を備えたピンボスが組み込まれている。ボックス壁及びピンボスは、ピストン頂部の下面において該ピストン頂部と結合されている。

このような形式のピストンでは、しばしば次のような問題が生じる。すなわち、運転時に作用する応力が、ピストン頂部とボックス壁と結合領域とピンボス領域とにおいて、極めて大きくなり、その結果ピンボス領域及びピストン頂部下面において亀裂の発生することがあり、このような亀裂は極端な場合には、ピストン頂部全体にわたって延在し、さらにスカート壁にも発生することがある。

本発明の課題は、このような応力を減じることである。本発明ではまた、ピストンを軽量にすることが望まれており、つまりピストン重量、ひいては運動させられる質量を減じることが望まれている。

この課題を解決するために本発明の構成では、冒頭に述べた形式のピストンにおいて、スラスト側（Druckseite）に配置されたスカート壁が、ピストンの周方向において、反スラスト側に配置されたスカート壁に比べて短くなっている。

スラスト側と反スラスト側とが区別されるのは、点火時に燃焼室内においてガス圧がピストン頂部に作用し、ピストンは斜めに位置しているコンロッドによって側方に押圧されるか又は傾動させられ、その結果２つのスカート壁のうちの一方のスカート壁の滑動面が、シリンダ孔の内壁に向かって押圧されるからである。そしてこのスカート壁が、スラスト側に配置されたスカート壁と呼ばれる。

当業者にとって驚くべきことであるが、本発明のように構成されていると、ピンボスの領域、もしくはピストン頂部の下面におけるボックス壁の支持部の領域において、ほとんど亀裂が発生しない、ということが経験的に確認された。

本発明の有利な実施形態は請求項２以下に記載されている。

本発明の有利な実施形態では、ピンボスを反スラスト側に配置されたスカート壁と結合するボックス壁区分の間隔が、ピンボスの領域において、反スラスト側におけるスカート壁の領域におけるよりも小さい。この場合反スラスト側に配置されたスカート壁へのボックス壁区分の結合部は、円弧状、直線、Ｓ字形、Ｕ字形、凸面状又は凹面状に形成されていることができる。このような有利な実施形態によって、ボックス壁及び場合によってはスカート壁における亀裂形成のおそれは、さらに減じられる。

さらに別の有利な構成では、スラスト側に配置されたスカート壁とピンボスとを結合するボックス壁区分の間隔が、ピンボスの領域において、スラスト側におけるスカート壁の領域におけると同じか又はそれよりも大きい。つまり当該ボックス壁区分は、ピンボスからスカート壁に向かって互いに平行に延びているか又は互いに接近するように延びている。このように構成されていることによっても、ボックス壁及び場合によってはスカート壁における亀裂形成のおそれは、さらに減じられる。

本発明の別の実施形態では、スラスト側に配置されたスカート壁がその中央領域において、ボックス壁に対応配置された縁部領域におけるよりも、薄く形成されている。この場合例えば、スラスト側に配置されたスカート壁はその中央領域において、ボックス壁に対応配置された縁部領域におけるよりも５０％まで薄く形成されている。このように構成されていると、著しい重量軽減が可能になり、これによって本発明によるピストンの運動させられる質量は著しく減じられる。

この場合また、スラスト側に配置されたスカート壁の厚さが、該スカート壁の中央領域からその外側領域に向かって連続的に増大していると、有利である。このように構成されていると、応力負荷はスカート壁に対して均一に分配される。

本発明の別の実施形態では、少なくともスラスト側に配置されたスカート壁が、少なくともその外周面の領域において、リング部分よりも強い湾曲を有している。つまりこの場合、スラスト側に配置されたスカート壁は、リング部分に比べて大きな楕円率を有している。このように構成されていることによっても、本発明によるピストンの弾性を、ピストンスカートの領域において高めることができる。

本発明の別の有利な構成では、ボックス壁が、ピストン頂部の下面との結合部の領域において、互いに間隔をおいて延びており、該間隔が、ボス天頂における内側のピンボス縁部の間隔にほぼ相当している。これに関した実験によれば、これによって、本発明によるピストンの構造上の強度がさらに改善されることが判明した。

本発明のさらに別の構成では、ボックス壁が、ピストン頂部の下面との結合部の方向で、つまり該結合部に向かって、鋭角を成している。この場合有利な実施形態では、各ボックス壁がピストンの長手方向軸線との間に、５°〜３０°の角度を成している。このように構成されていると、より良好な鋳型充填もしくは鋳造を得ることができ、つまり本発明によるピストンのための鋳型に、ピストン頂部の下面に向かって特に大きく延びている、従来よりも大きな中子を挿入することができる。これによって、本発明によるピストンのピストン頂部は従来に比べて著しく形成されることができる。ひいては、著しい重量低減、例えば従来技術に比べて１０％〜１５％までの重量低減を達成することができる。結局はボックス壁の厚さを、従来技術において公知のピストンに比べて、付加的に１００％も減じることができ、これによってさらに、著しい重量節減が得られる。

本発明によるピストンの特に有利な構成では、ボックス壁がその下側領域においてその自由な下縁部に向かって、均一な壁厚を有しているか又は、ボックス壁の壁厚が、その下方に向かってつまりオイル室に向かって、連続的に増大している。さらにボックス壁はスカート壁に向かって連続的に増大していてもよい。つまり、従来汎用のカラーをもしくは、ボックス壁の下側における従来汎用の肉厚部を、省くことができる。この場合運転中に負荷が加えられた場合に、均一でかつ調和のとれた応力分布が、ボックス壁においてもスカート壁においても観察される。従ってこのような有利な構成によって、ボックス壁もしくはスカート壁における亀裂形成のおそれは、さらに減じられることができる。

本発明によるピストンのさらに有利な構成では、ボス孔の側部を画成するリブが設けられていて、該リブが、リング部分の下側領域から少なくともボス孔の上縁部にまで延びている。これによって、本発明によって得られた高い弾性もしくは大きな重量減少にもかかわらず、ボス領域における本発明によるピストンの構造を特に有利に補強することができる。リブはこの場合、ボス孔の水平な中心軸線にまで延びていることができる。リブは有利には直線的に又は円弧状に延びており、その結果、不均一な応力分布を促進する可能性がある段部の形成は、回避される。

本発明によるピストンは、軽金属合金から、有利にはアルミニウム合金から製造されていることができる。例えば、アルミニウムをベースとするＭＡＨＬＥ社の合金、Ｔｙｐ Ｍ１２４、Ｍ１３８、Ｍ１４２、Ｍ１４５〜Ｍ１７４⁺（登録商標）が、特に適している。

本発明によるピストンは特に、高負荷されるオット機関における使用のために適している。

次に図面を参照しながら本発明の１実施例を説明する。

本発明によるピストンを、図２のＩ−Ｉ線に沿って断面して示す図である。 図１に示されたピストンを、数度だけ傾けて、図１における矢印Ｐの方向で見た図である。 図１に示されたピストンのスカート壁を示す側面図である。 図１に示されたピストンを、図２のＩＶ−ＩＶ線に沿って断面して、略示されたシリンダ孔の内壁と共に示す図である。

図１及び図２には、有利にはオット機関のために適している本発明によるピストン１０の１実施例が示されている。ピストン１０は自体公知の形式で、燃焼凹部１１ａを備えたピストン頂部１１と、環状の火炎ウェブ１２と、リング溝１４を備えた環状のリング部分とを有している。

ピストン１０はさらにピストンスカート１５を有しており、このピストンスカート１５はピストン頂部１１の下側１１ｂに結合されている。ピストンスカート１５はさらに、ピストン１０のスラスト側（ＤＳ）と反スラスト側（ＧＤＳ）に配置された２つのスカート壁１６，１７と、リング部分１３に対して後退していてスカート壁１６，１７を結合している２つのボックス壁（Kastenwand）１８，１９とを有している。各スカート壁１６，１７の外周面は、ピストンスカート１５の滑動面である。各ボックス壁１８，１９は、ボス孔２２を備えたピンボス２１を有している。これによって各ボックス壁１８，１９はそれぞれ２つのボックス壁区分１８ａ，１８ｂ；１９ａ，１９ｂに分割される。ピストン１０は図示の実施例では、アルミニウムをベースとするＭＡＨＬＥ社の合金、Ｔｙｐ Ｍ１２４、Ｍ１３８、Ｍ１４２、Ｍ１４５〜Ｍ１７４⁺（登録商標）から製造されている。

本発明によれば、スラスト側（ＤＳ）に配置されたスカート壁１６はピストン１０の周方向において、反スラスト側（ＧＤＳ）に配置されたスカート壁１７に比べて短い。つまりスカート壁１６，１７は本発明では非対称的に形成されている。これによって、当業者にとって驚きであるが、従来確認することができた、特にピンボス２１の領域及びピストン頂部１１の領域における亀裂形成が減じられる。

図示の実施例では、ピンボス２１を、スラスト側（ＤＳ）に配置されたスカート壁１６と結合しているボックス壁区分１８ａ，１９ａは、互いに平行に延びている。しかしながらまた、ボックス壁区分１８ａ，１９ａは互いに向かって延びていてもよく、つまりボックス壁区分１８ａ，１９ａの間隔はピンボス２１の領域において、スカート壁１６の領域におけるよりも大きくてよい（図示せず）。

スカート壁１６は鎌形に形成されていてもよい（図２の一点鎖線参照）。すなわち、側壁１６はその中央領域において横断面が、ボックス壁区分１８ａ，１９ａに移行する縁部領域におけるよりも、薄く形成されている。この横断面減少は、縁部領域の横断面に対して５０％にまでなることができる。図示の実施例では、スカート壁１６の厚さの変化はその中央領域から縁部領域に向かって連続的に行われ、つまり、場合によっては不均一な応力分布をスカート壁１６において生ぜしめ得るような段部は存在していない。

図示の実施例では、ピンボス２１を反スラスト側（ＧＤＳ）に配置されたスカート壁１７と結合しているボックス壁区分１８ｂ，１９ｂは、ピンボス２１からスカート壁１７に向かってほぼ台形状に外側に向かって延びている。反スラスト側（ＧＤＳ）に配置されたスカート壁１７へのボックス壁区分１８ｂ，１９ｂの結合部は、図２に示されているように、円弧状に形成されていることができる。しかしながらまた、この結合部が真っ直ぐに、Ｓ字形に、Ｕ字形に、凸面状に又は凹面状に形成されているような構成も可能である。

図２にさらに示されているように、図示の実施例ではボックス壁１８，１９はピストン頂部１１の下面１１ｂにおける結合部の領域において、互いに間隔をおいて延びており、この間隔は、ボス天頂における内側のピンボス縁部の間隔にほぼ相当している。これによって本発明によるピストン１０の構造上の強度が高められ、ひいては亀裂形成のおそれがさらに減じられる。

さらに図１に示されているように、ボックス壁１８，１９はピストン頂部１１の下面１１ｂにおける結合部に向かって鋭角（α）を成している。この場合各ボックス壁１８，１９は図１に示されているように、ピストン１０の長手方向軸線（Ａ）との間に５°〜３０°の角度（β）を成している。これによって、より良好な鋳型充填（Hochgiessung）を得ることができるのみならず、ボックス壁１８，１９の厚さを、従来技術において公知のピストンに対して１００％に到るまでさらに減じることも可能である。

さらにまた図１から分かるように、図示の実施例ではボックス壁１８，１９はその下側領域において、その自由な下縁部において均一な壁厚（ｄ）を有している。言い換えれば従来ボックス型ピストン（Kastenkolben）において通常ボックス壁１８，１９の下縁部に必要なカラーもしくは相応な肉厚部を省くことができる。これによって、さらに重量を減じることができるのみならず、本発明によるピストン１０の傾倒モーメントもさらに減じられる。図１に一点鎖線で示された別の実施例によれば、ボックス壁１８，１９はその壁厚をほぼボス孔中心からその下端部に到るまで、つまりその自由な下縁部に向かって、直線的に連続的に増大されていてもよい。

同様に本発明の枠内において、ピストンボス２１を起点としてスカート壁１６，１７に到るボックス壁１８，１９は、直線的に連続的に増大する壁厚を有していてもよい。

図３から分かるように、本発明によるピストン１０はリブ２３が設けられており、これらのリブ２３はボス孔２２を側部において画成していて、リブ部分１３の下側領域から有利にはボス孔２２の水平な中心軸線Ｂにまで延びている。図３に示された別の実施例（破線参照）から分かるように、リブ２３はボス孔２２の天底まで延在していることができる。これによってピストンは付加的に補強される。リブ２３は、図３から分かるように、円弧状に延びているが、しかしながらまた直線的に延びていてもよい。

図３からさらに分かるように、スカート壁１６，１７は種々様々な形式で構成されていることができ、破線で示されているように例えば平行な輪郭をもって、かつ円弧を成して下方に向かって終わるように、又は台形状に、構成されていることができる
図４には、本発明によるピストン１０がシリンダ孔３１の壁３２と共働する様子が示されている。点火時に燃焼室内においてピストン頂部１１の上で生ぜしめられるガス圧が、ピストン１０を傾倒させた場合に、ピストン１０に対して作用する横方向力が、矢印Ｋで象徴的に示されている。この場合本発明によるピストン１０に対しては次のことが確認された。すなわち本発明によるピストン１０では、その負荷に合わせられた構造によって著しく薄いボックス壁厚さが実現可能であり、特にピンボス２１の領域及びボックス壁１８，１９の領域並びにスカート壁１６，１７の領域における亀裂形成のおそれが、著しく減じられている。さらにピストン１０の重量、ひいてはピストン１０の運動させられる質量を、従来技術に比べて著しく減じることができる。

［１］本発明は、内燃機関用のピストン（１０）であって、ピストン頂部（１１）と火炎ウェブ（１２）と、リング溝（１４）を有する環状のリング部分（１３）と、ピストンスカート（１５）とが設けられており、該ピストンスカート（１５）が、ピストン（１０）のスラスト側（ＤＳ）と反スラスト側（ＧＤＳ）とに配置された２つのスカート壁（１６，１７）と、リング部分（１３）に対して後退させられていてスカート壁（１６，１７）を結合する２つのボックス壁（１８，１９）とを有しており、該ボックス壁（１８，１９）が、ボス孔（２２）を有するピンボス（２１）を備えている形式のものにおいて、スラスト側（ＤＳ）に配置されたスカート壁（１６）が、ピストン（１０）の周方向において、反スラスト側（ＧＤＳ）に配置されたスカート壁（１７）に比べて短いことを特徴とする、内燃機関用のピストンである。
［２］また、本発明は、ピンボス（２１）を反スラスト側（ＧＤＳ）に配置されたスカート壁（１７）と結合するボックス壁区分（１８ｂ，１９ｂ）の間隔が、ピンボス（２１）の領域において、反スラスト側（ＧＤＳ）におけるスカート壁（１７）の領域におけるよりも小さい、上記［１］記載のピストンである。
［３］さらに、本発明は、反スラスト側（ＧＤＳ）に配置されたスカート壁（１７）へのボックス壁区分（１８ｂ，１９ｂ）の結合部が、円弧状、直線、Ｓ字形、Ｕ字形、凸面状又は凹面状に形成されている、上記［１］又は［２］記載のピストンである。
［４］さらに、本発明は、スラスト側（ＤＳ）に配置されたスカート壁（１６）とピンボス（２１）とを結合するボックス壁区分（１８ａ，１９ａ）の間隔が、ピンボス（２１）の領域において、スラスト側（ＤＳ）におけるスカート壁（１６）の領域におけると同じか又はそれよりも大きい、上記［１］から［３］までのいずれか記載のピストンである。
［５］さらに、本発明は、スラスト側（ＤＳ）に配置されたスカート壁（１６）がその中央領域において、ボックス壁（１８，１９）に対応配置された縁部領域におけるよりも、薄く形成されている、上記［１］から［４］までのいずれか記載のピストンである。
［６］さらに、本発明は、スラスト側（ＤＳ）に配置されたスカート壁（１６）がその中央領域において、ボックス壁（１８，１９）に対応配置された縁部領域におけるよりも５０％まで薄く形成されている、上記［５］記載のピストンである。
［７］さらに、本発明は、スラスト側（ＤＳ）に配置されたスカート壁（１６）の厚さが、該スカート壁（１６）の中央領域から縁部領域に向かって連続的に増大している、上記［５］又は［６］記載のピストンである。
［８］さらに、本発明は、少なくともスラスト側（ＤＳ）に配置されたスカート壁（１６）が、少なくともその外周面の領域において、リング部分（１３）よりも強い湾曲を有している、上記［１］から［７］までのいずれか記載のピストンである。
［９］さらに、本発明は、ボックス壁（１８，１９）が、ピストン頂部（１１）の下面（１１ｂ）との結合部の領域において、互いに間隔をおいて延びており、該間隔が、ボス天頂における内側のピンボス縁部の間隔にほぼ相当している、上記［１］から［８］までのいずれか記載のピストンである。
［１０］さらに、本発明は、ボックス壁（１８，１９）が、ピストン頂部（１１）の下面（１１ｂ）との結合部の方向で、鋭角（α）を成している、上記［１］から［９］までのいずれか記載のピストンである。
［１１］さらに、本発明は、各ボックス壁（１８，１９）がピストン（１０）の長手方向軸線（Ａ）との間に、５°〜３０°の角度（β）を成している、上記［１０］記載のピストンである。
［１２］さらに、本発明は、ボックス壁（１８，１９）がその下側領域においてその自由な下縁部に向かって、均一な壁厚（ｄ）を有しているか又は、ボックス壁（１８ｃ）の壁厚が、その自由な下縁部に向かって直線的に連続的に増大している、上記［１］から［１１］までのいずれか記載のピストンである。
［１３］さらに、本発明は、ピストンボス（２１）を起点としてスカート壁（１６，１７）に向かって延びるボックス壁（１８，１９）が、増大する壁厚を有している、上記［１］から［１２］までのいずれか記載のピストンである。
［１４］さらに、本発明は、ボス孔（２２）の側部を画成するリブ（２３）が設けられていて、該リブ（２３）が、リング部分（１３）の下側領域から有利にはボス孔（２２）の水平な中心軸線（Ｂ）にまで延びている、上記［１］から［１３］までのいずれか記載のピストンである。
［１５］さらに、本発明は、リブ（２３）がボス孔（２２）の天底まで延びている、上記［１４］記載のピストンである。
［１６］さらに、本発明は、リブ（２３）が直線的に又は円弧状に延びている、上記［１４］又は［１５］記載のピストンである。
［１７］さらに、本発明は、ピストン（１０）が軽金属合金から、有利にはアルミニウム合金から製造されている、上記［１］から［１６］までのいずれか記載のピストンである。
［１８］さらに、本発明は、ピストン（１０）がオット機関用のピストンである、上記［１］から［１７］までのいずれか記載のピストンである。

Claims (10)

1. 内燃機関用のピストン（１０）であって、ピストン頂部（１１）と環状の火炎ウェブ（１２）と、リング溝（１４）を有する環状のリング部分（１３）と、ピストンスカート（１５）とが設けられており、該ピストンスカート（１５）が、ピストン（１０）のスラスト側（ＤＳ）と反スラスト側（ＧＤＳ）とに配置された２つのスカート壁（１６，１７）と、リング部分（１３）に対して後退させられていてスカート壁（１６，１７）を結合する２つのボックス壁（１８，１９）とを有しており、該ボックス壁（１８，１９）が、ボス孔（２２）を有するピンボス（２１）を備えており、スラスト側（ＤＳ）に配置されたスカート壁（１６）が、ピストン（１０）の周方向において、反スラスト側（ＧＤＳ）に配置されたスカート壁（１７）に比べて短い形式のものにおいて、
   直線的に又は円弧状に延びるリブ（２３）が設けられており、該リブ（２３）が、ボス孔（２２）の側部を画成していて、該リブ（２３）が、リング部分（１３）の下側領域からボス孔（２２）の水平な中心軸線（Ｂ）にまで延びているか、又はボス孔（２２）の天底まで延びており、
   ピンボス（２１）を反スラスト側（ＧＤＳ）に配置されたスカート壁（１７）と結合するボックス壁区分（１８ｂ，１９ｂ）の間隔が、ピンボス（２１）の領域において、反スラスト側（ＧＤＳ）におけるスカート壁（１７）の領域における間隔よりも小さく、
   スラスト側（ＤＳ）に配置されたスカート壁（１６）とピンボス（２１）とを結合するボックス壁区分（１８ａ，１９ａ）の間隔が、ピンボス（２１）の領域において、スラスト側（ＤＳ）におけるスカート壁（１６）の領域における間隔よりも大きく、
   ボックス壁（１８，１９）が、ピストン頂部（１１）の下面（１１ｂ）との結合部の領域において、互いに間隔をおいて延びており、該間隔が、ボス天頂における内側のピンボス縁部の間隔にほぼ相当しており、
   ボックス壁（１８，１９）が、ピストン頂部（１１）の下面（１１ｂ）との結合部の方向で、鋭角（α）を成しており、
   ボックス壁（１８，１９）の壁厚が、その自由な下縁部に向かって直線的に連続的に増大していることを特徴とする、内燃機関用のピストン。
2. 反スラスト側（ＧＤＳ）に配置されたスカート壁（１７）へのボックス壁区分（１８ｂ，１９ｂ）の結合部が、円弧状、直線、Ｓ字形、Ｕ字形、凸面状又は凹面状に形成されている、請求項１記載のピストン。
3. スラスト側（ＤＳ）に配置されたスカート壁（１６）がその中央領域において、ボックス壁（１８，１９）に対応配置された縁部領域における厚みよりも、薄く形成されている、請求項１又は２記載のピストン。
4. スラスト側（ＤＳ）に配置されたスカート壁（１６）がその中央領域において、ボックス壁（１８，１９）に対応配置された縁部領域における厚みよりも５０％まで薄く形成されている、請求項３記載のピストン。
5. スラスト側（ＤＳ）に配置されたスカート壁（１６）の厚さが、該スカート壁（１６）の中央領域から縁部領域に向かって連続的に増大している、請求項３又は４記載のピストン。
6. 少なくともスラスト側（ＤＳ）に配置されたスカート壁（１６）が、少なくともその外周面の領域において、リング部分（１３）よりも強い湾曲を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載のピストン。
7. 各ボックス壁（１８，１９）がピストン（１０）の長手方向軸線（Ａ）との間に、５°〜３０°の角度（β）を成している、請求項１記載のピストン。
8. ピストンボス（２１）を起点としてスカート壁（１６，１７）に向かって延びるボックス壁（１８，１９）が、増大する壁厚を有している、請求項１から７までのいずれか１項記載のピストン。
9. ピストン（１０）がアルミニウム合金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. ピストン（１０）がオット機関用のピストンである、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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