JP6226866B2 - 下方クラウン支持特徴を備えたピストン - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１１年６月２９日に提出された米国仮出願連続番号第６１／５０２，６０２号の利益を主張する。

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に関する。

２．関連技術
多くのエンジン製造業者は、電力生産および燃料効率を向上させることを目的として、直接噴射、ターボチャージャおよびスーパーチャージャなどの先進技術を彼らのガソリン供給型エンジンに組込んでいる。これらおよび他の先進技術では、しばしば、エンジンのシリンダボア内で燃焼の圧力および温度を高めることによってエンジンの性能を向上させる。しかしながら、圧力および温度が高められると、エンジンのピストンの上側クラウン部分に不要な屈曲または他の破損がもたらされるおそれがある。このような破損により、結果として、エンジンの性能が低下してしまうか、またはさらには、エンジンが完全に故障してしまう可能性がある。

高い燃焼圧力および燃焼温度に耐えるようピストンを強化するために、いくつかのピストン製造業者は、燃焼壁の厚みを増したピストンを製造し始めた。このようなピストンは高い圧力および温度下では曲がりにくくなる可能性があるが、厚みを増したためにピストンの質量も増加してしまい、先進技術から得られる出力および燃料の改善益が損なわれる可能性がある。

発明の概要
本発明の一局面に従うと、長手方向の中心軸に沿って延在するピストン本体を有するピストンが提供される。ピストン本体は、燃焼壁を備えたクラウン部分と、クラウン部分から垂下する１対のピンボスとを有する。クラウン部分は、当該クラウン部分と一体的に形成される少なくとも２つのリブを含み、各々のリブは燃焼壁から垂下している。リブのうち一方のリブは、長手方向の中心軸に沿って他方のリブよりも低く垂下する（または延在する）。リブは、ピストンの質量を実質的に増やすことなく、ピンボア軸のまわりの屈曲に耐えるよう、上側クラウンの強度を高める。加えて、リブは、熱を燃焼壁から抜取ってピストンを冷却するようヒートシンクとして作用する。

本発明の別の局面に従うと、リブは、ピンボス間に延在してピンボア軸から外側に向かって湾曲する。こうして、ピストンの質量を実質的に増やすことなく、リブの長さが延ばされる。

本発明のさらに別の局面に従うと、長手方向の中心軸に沿って延在するピストン本体を含むピストンが提供される。ピストン本体は、燃焼壁を備えたクラウン部分と、大部分がクラウン部分から垂下する１対のピンボスとを有する。燃焼壁は、その内部に形成された少なくとも１つの燃焼ボウルを含む。クラウン部分は、当該クラウン部分と一体的に形成された少なくとも１つのリブを含む。少なくとも１つのリブは、少なくとも１つの燃焼ボウルの直下において燃焼ボウルから垂下する。こうして、少なくとも１つのリブは、燃焼ボウルのうち、しばしばシリンダボアにおける燃焼の中心に位置する箇所において上側クラウンの強度を高める。

図面の簡単な説明
本発明のこれらおよび他の局面、特徴および利点は、現在好ましい実施例およびベストモードについての以下の詳細な説明、添付の特許請求の範囲および添付の図面に関連付けて考慮されると、より容易に認識されるだろう。

本発明の一局面に従って構成されるピストンを示す斜視図である。 図１のピストンの側面図である。 図１のピストンの底面図である。 概して図３の線４−４に沿った断面図である。 概して図３の線５−５に沿った断面図である。

実現可能な実施例の説明
図面を参照すると、同様の数字がいくつかの図全体にわたって対応する部分を示しており、本発明の現在好ましい一局面に従って構成されるピストン２０が、図１〜図５に概略的に示される。具体的な実施例のピストン２０は１つの一体型部品から構成されている。この一体型部品は、好ましくはほぼ最終の形状に鋳造され、次いで、その最終寸法にまで機械加工されたものである。しかしながら、ピストン２０が、代替的には、任意の所望のプロセスによって形作られて互いに接合され得る複数の部品からなり得ることが認識されるべきである。ピストン２０は好ましくはアルミニウム合金から形成されるが、代替的には、鋼または任意の所望の金属またはその合金から形成されてもよい。

図１に図示のとおり、例示的な一体型ピストン２０は、長手方向の中心軸Ａ_１に沿って延在するピストン本体２２を有する。ピストン本体２２は、上側クラウン部分２４と、１対のピンボス２６と、１対のスカート部分２８とを有する。上側クラウン部分２４は、燃焼壁３０と、燃焼壁３０から軸方向に間隔を空けて配置されてピストン２０のリング（図示せず）を受けるための複数のリング溝３２とを含む。ピンボス２６は、上側クラウン部分２４から長手方向の中心軸Ａ_１に沿って下方向に延在する。ピンボス２６の各々はピンボア３４を有し、これらピンボア３４は、リストピン（図示せず）を受けてピストン２０を連接棒（図示せず）の小端と相互に接続させるために、（図３に示される）ピンボア軸Ａ_２に沿って互いに位置合わせされる。図３に最もよく示されるように、スカート部分２８は互いに正反対の位置に配置されており、各々のスカート部分２８は、ピンボス２６の間に延在し、これらピンボス２６を相互に接続する。エンジンの動作中、ピストン本体２２は、連接棒（図示せず）を介してクランク軸（図示せず）を回転させるために、エンジンブロック（図示せず）のシリンダボア（図示せず）内において長手方向の中心軸Ａ_１に沿って往復運動する。

図１を再び参照すると、燃焼壁３０は、概して平面の部分と、隆起部分（ポップアップ）と、その内部に形成された燃焼ボウル３６とを含む。燃焼ボウル３６は、長手方向の中心軸Ａ_１に対して非対称的に構成される。すなわち、燃焼ボウル３６の中心は長手方向の中心軸Ａ_１に沿っては配置されない。しかしながら、燃焼ボウル３６が代替的には中心軸Ａ_１を中心として対称的に配置され得ることが認識されるべきである。直接噴射技術を用いたエンジンにおいてピストン２０が使用されると、シリンダボアにおける燃料およびガスの燃焼がしばしば燃焼ボウル３６のまわりに集中し、これにより、この位置において圧力および熱が上昇する。結果として、燃焼ボウル３６は、典型的には、クラウン部分２４上において最も高い応力を受ける区域となる。例示的なピストン２０は、これらの力に抵抗するよう上側クラウン部分２４を補強するための下方クラウン支持構造を有する。

ここで図３を参照すると、ピストン２０は、互いとは正反対の位置に間隔を空けて配置された１対のリブ３８および４０を含む。これら１対のリブ３８および４０は、概してピンボス２６間に延在して、上側クラウン部分２４を補強し、これにより、直接噴射エンジン、ターボチャージャ付きエンジンおよび／またはスーパーチャージャ付きエンジンの高い圧力および温度に燃焼壁３０が晒されたときに、ピンボア軸Ａ_２のまわりでの屈曲に対する上側クラウン部分２４の抵抗を高める。このような屈曲に対する高い抵抗は、ピストン２０の質量を実質的に増やすことなく達成される。具体的な実施例においては、リブ３８および４０の各々が概して湾曲しているかまたは円弧状であることで、燃焼壁３０の下における支持区域を増やし、これにより、ピンボア軸Ａ_２のまわりの屈曲に対する上側クラウンの抵抗をさらに高める。リブ３８および４０の円弧形状はまた、リブ３８および４０が、反対側のピンボス２６と概して滑らかに噛合うかまたは反対側のピンボス２６と相互に接続されることを可能にし、これにより、これらの要素の相互接続部において不所望な応力がもたらされるのを回避する。ここで図５を参照すると、リブ３８および４０の各々は上側クラウン部分２４から垂下し、この上側クラウン部分２４と一体的に形成されている。このため、リブ３８および４０は、追加費用をほとんどまたは全くかけることなく、上側クラウンと「鋳造されるように」形成され得る。しかしながら、リブ３８および４０が、如何なる好適なプロセスによっても上側クラウンに形成され得ることが認識されるべきである。屈曲に対する上側クラウンの抵抗を高めることに加えて、リブ３８および４０はまた、上側クラウンの燃焼壁３０から熱を抜取って燃焼壁３０を冷却するようにヒートシンクとして機能してもよい。このヒートシンク効果により、上昇した燃焼温度に対するピストン２０の抵抗がさらに高められる。リブが、代替的には、特定のピストン設計の要求に応じて、直線形状にされ得るかまたは内側に向かって円弧状にされ得ることが認識されるべきである。

図５をさらに参照すると、リブ３８、４０とは別に、例示的なピストン２０の燃焼壁３０が、燃焼ボウル３６の位置と、燃焼ボウル３６を囲む区域との両方において、概して均一な厚さで形成される。リブ３８、４０のうち以下において「第１のリブ３８」と称される一方のリブは、燃焼ボウル３６の直下において燃焼壁３０から垂下している。このため、第１のリブ３８は、応力が最も高くなる位置において上側クラウン部分２４に対して最適な支持をもたらすよう位置決めされる。以下において「第２のリブ４０」と称される他方のリブは、第１のリブ３８とは正反対の位置において燃焼壁３０から垂下し、燃焼ボウル３６から間隔を空けて配置される。燃焼壁３０の下面は燃焼ボウル３６の区域において窪んでいるので、（燃焼ボウル３６の直下にある）第１のリブ３８は第２のリブ４０と比べて引っ込んだ位置にある。すなわち、第１のリブ３８は第２のリブ４０よりも低い位置まで延びている。このため、第１のリブ３８および第２のリブ４０が概して同様の長さを有しているにもかかわらず、燃焼壁３０の下面は、断面図に見られるような非対称的な外観を有する。加えて、例示的な燃焼ボウル３６は概して半球形状を有しているので、第１のリブ３８は、ピンボア軸Ａ_２から離れるように外側に向かってだけではなく、ピストン本体２２のピンボス２６に向かって垂直方向にも円弧をなす。

ここで図３を参照すると、スカート部分２８は、リブ３８および４０と概して同心円状に延在する。このため、スカート部分２８は、リブ３８および４０と同じまたはほぼ同じ曲率半径を有する。しかしながら、スカート部分２８がリブ３８および４０と同心円状でなくてもよいことが認識されるはずである。

上述の教示に鑑みると本発明の多くの変更例および変形例が実現可能であることが明らかである。したがって、この明細書から得られる最終的に許可される特許請求の範囲内であれば、本発明が具体的に記載された以外の態様でも実施され得ることが理解されるはずである。

Claims (13)

1. ピストンであって、
   長手方向の中心軸に沿って延在するピストン本体を備え、前記ピストン本体は、燃焼壁を備えたクラウン部分と、前記クラウン部分から垂下する１対のピンボスと、前記燃焼壁に形成される燃焼ボウルとを有し、
   前記クラウン部分は、前記クラウン部分と一体的に形成された、第１および第２のリブを含む少なくとも２つのリブを含み、前記第１のリブは、前記燃焼ボウルの下において前記燃焼壁から垂下し、前記第２のリブは燃焼ボウルの下以外において前記燃焼壁から垂下し、前記第１のリブは、前記長手方向の中心軸に沿って前記第２のリブよりも低く垂下する、ピストン。
2. 前記リブの各々は前記ピンボス間に延在する、請求項１に記載のピストン。
3. 前記リブの各々は、ピンボア軸から外側に向かって湾曲する、請求項２に記載のピストン。
4. 前記リブの各々は、前記長手方向の中心軸に対して湾曲する、請求項２に記載のピストン。
5. 前記リブのうち一方のリブは前記燃焼ボウルから径方向に間隔を空けて配置される、請求項１に記載のピストン。
6. 前記燃焼ボウルは概して半球形状である、請求項５に記載のピストン。
7. 前記第１のリブは、前記ピンボスに向かって下方に湾曲する、請求項６に記載のピストン。
8. 前記少なくとも２つのリブは、互いに正反対の位置に配置される、請求項１に記載のピストン。
9. ピストンであって、
   長手方向の中心軸に沿って延在するピストン本体を備え、前記ピストン本体は、燃焼壁を備えたクラウン部分と、大部分が前記クラウン部分から垂下する１対のピンボスとを有し、
   前記クラウン部分の前記燃焼壁は、内部に形成された少なくとも１つの燃焼ボウルを含み、前記燃焼ボウルは、前記長手方向の中心軸に対して非対称的に配置され、
   前記クラウン部分は、前記クラウン部分と一体的に形成された少なくとも１つのリブを含み、前記少なくとも１つのリブは、前記少なくとも１つの燃焼ボウルの直下において前記燃焼ボウルから垂下し、前記クラウン部分はさらに、前記燃焼ボウルから離間された少なくとも１つのリブを含む、ピストン。
10. 前記少なくとも１つのリブは前記ピンボス間に延在する、請求項９に記載のピストン。
11. 前記少なくとも１つのリブはピンボア軸から外側に向かって湾曲する、請求項１０に記載のピストン。
12. 前記少なくとも１つのリブは前記ピンボスに向かって下方に湾曲する、請求項１１に記載のピストン。
13. 前記燃焼ボウルは概して半球形状である、請求項９に記載のピストン。

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