JP6246187B2 - ピストンとクランクケースとから成る内燃機関用のアッセンブリ - Google Patents
ピストンとクランクケースとから成る内燃機関用のアッセンブリ Download PDFInfo
- Publication number
- JP6246187B2 JP6246187B2 JP2015510639A JP2015510639A JP6246187B2 JP 6246187 B2 JP6246187 B2 JP 6246187B2 JP 2015510639 A JP2015510639 A JP 2015510639A JP 2015510639 A JP2015510639 A JP 2015510639A JP 6246187 B2 JP6246187 B2 JP 6246187B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piston
- assembly
- crankcase
- refrigerant
- hole
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 title claims description 12
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 claims description 34
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 33
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 31
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 24
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 24
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 14
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 14
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 9
- CSDREXVUYHZDNP-UHFFFAOYSA-N alumanylidynesilicon Chemical compound [Al].[Si] CSDREXVUYHZDNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 claims description 6
- 229910000676 Si alloy Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims description 6
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000011591 potassium Substances 0.000 claims description 5
- 229910001152 Bi alloy Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 4
- IDBFBDSKYCUNPW-UHFFFAOYSA-N lithium nitride Chemical compound [Li]N([Li])[Li] IDBFBDSKYCUNPW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910000799 K alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910001084 galinstan Inorganic materials 0.000 claims description 3
- BITYAPCSNKJESK-UHFFFAOYSA-N potassiosodium Chemical compound [Na].[K] BITYAPCSNKJESK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000005266 casting Methods 0.000 claims description 2
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 2
- CHWRSCGUEQEHOH-UHFFFAOYSA-N potassium oxide Chemical compound [O-2].[K+].[K+] CHWRSCGUEQEHOH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910001950 potassium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 claims description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 2
- KKCBUQHMOMHUOY-UHFFFAOYSA-N sodium oxide Chemical compound [O-2].[Na+].[Na+] KKCBUQHMOMHUOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910001948 sodium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N Fe2+ Chemical compound [Fe+2] CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910001562 pearlite Inorganic materials 0.000 claims 1
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 15
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 11
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 8
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 6
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 5
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 4
- BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N cadmium atom Chemical compound [Cd] BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 239000006023 eutectic alloy Substances 0.000 description 3
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 3
- 101100465000 Mus musculus Prag1 gene Proteins 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 101100537266 Caenorhabditis elegans tin-13 gene Proteins 0.000 description 1
- 229910000760 Hardened steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000909 Lead-bismuth eutectic Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 description 1
- 230000002079 cooperative effect Effects 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 150000002829 nitrogen Chemical class 0.000 description 1
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 1
- 229910001261 rose's metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical group 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
- 229910000634 wood's metal Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
- F02F3/00—Pistons
- F02F3/16—Pistons having cooling means
- F02F3/18—Pistons having cooling means the means being a liquid or solid coolant, e.g. sodium, in a closed chamber in piston
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
- F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
- F05C2201/00—Metals
- F05C2201/02—Light metals
- F05C2201/021—Aluminium
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
- F05C2201/00—Metals
- F05C2201/04—Heavy metals
- F05C2201/0433—Iron group; Ferrous alloys, e.g. steel
- F05C2201/0448—Steel
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
- F05C2251/00—Material properties
- F05C2251/04—Thermal properties
- F05C2251/042—Expansivity
- F05C2251/046—Expansivity dissimilar
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
- Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)
Description
本発明は、鋼を主体とする材料から成るピストンと、アルミニウムを主体とする材料から成るクランクケースとから成る、内燃機関用のアッセンブリであって、前記ピストンは、ピストンヘッドとピストンスカートとを有しており、前記ピストンヘッドは、環状のリング部と、該リング部の範囲に環状のクーリングチャンネルとを有しており、前記ピストンスカートは、ボス孔を備えたピストンボスを有しており、該ピストンボスは、ボス結合部を介して、ピストンヘッドの下側に配置されており、前記ピストンボスは、摺動面を介して互いに結合されている、内燃機関用のアッセンブリに関する。
最近の内燃機関では、ピストンのピストン頂面の範囲がさらされる機械的および熱的な負荷がますます高くなりつつある。アルミニウムを主体とする材料から成るピストンは、これらの負荷にもはや耐えられない。より高い負荷がかけられると、アルミニウムピストンでは特に早期に、ピストン頂面またはボス天頂の範囲における高温の箇所を起点とした亀裂が観察される。このような亀裂はエンジンの故障を招く恐れがある。したがって、鋼材料を主体とするピストンを使用することが目標とされる。このような材料の比重が、アルミニウムを主体とする材料と比べて比較的高いにもかかわらず、著しく高い負荷耐性を有する、ほぼ等重量のピストンを製造することができる。しかし、冒頭に述べたようなアッセンブリでは、アルミニウムを主体とする材料に比べて、鋼を主体とする材料の膨張率が小さいことが不都合であることが判っている。このことは、エンジン運転時にピストンとクランクケースとの間に、より大きな摺動クリアランスが生じる結果を招く。この効果は、内燃機関の種々の運転状態下に観察される。このことは、公害となるエンジンノイズや、高められたオイル消費量およびブローバイ効果を招く恐れがある。
独国特許出願公開第１０２００９０１８９８１号明細書には、鋼を主体とする材料から成るピストンが記載されている。このピストンは、アルミニウムを主体とする材料から成るクランクケース内で使用するために適している。このピストンでは、ピストンボスが摺動面から間隔を置いて配置されており、すなわち摺動面へのピストンボスの機械的な結合が中断されているので、ピストンスカートは、より高温のピストンヘッドと共に著しく膨張し、その結果、エンジン運転時の摺動クリアランスの増大が減じられる。この場合に欠点となるのは、このようなピストンが、サイドフォースを、制限された規模でしか受け止めることができないことである。なぜならば、ピストンボスに対する摺動面の機械的な支持が存在していないか、または不十分にしか存在していないからである。さらに、リング溝の範囲で変形が増幅されて発生する恐れがあり、これらの変形は、ピストンヘッド側の燃焼室からの燃焼圧と燃焼ガスとに対するシールのためのピストンリングの機能を損なう。
本発明の課題は、冒頭に述べた形式のアッセンブリを改良して、該アッセンブリが、運転時にできるだけ少ないエンジンノイズしか発生させず、かつオイル消費量ならびにブローバイ効果が過剰に高められないようなアッセンブリを提供することである。
この課題を解決するための手段は、ピストンが、鋼を主体とする材料から製造されており、クランクケースが、アルミニウムを主体とする材料から製造されており、ピストンに外部に対して閉鎖された少なくとも１つの孔が設けられており、この孔が、１つの摺動面と１つのボス孔との間に配置されており、前記少なくとも１つの孔がクーリングチャンネルに開口しており、該クーリングチャンネルと前記少なくとも１つの孔とが、低融点の金属または低融点の合金である冷媒を含んでいることにある。
本発明によるアッセンブリは、ピストン頂面の範囲に発生させられた熱が、ピストンヘッドを介して前記少なくとも１つの孔の周囲に的確に導かれる点で優れている。これによって、ピストンボスとピストンスカートとの間の範囲が集中的に、比較的強力に加熱される。また摺動面も、少なくとも部分的に、公知先行技術におけるピストンの場合よりも強力に加熱される。この増幅された加熱は、エンジン運転時にピストンスカートの範囲におけるピストンの付加的な熱膨張を生ぜしめ、この熱膨張はクランクケースの通常の熱膨張にほぼ相当している。これによって、ピストンとシリンダとの間の暖機時クリアランスが減じられる。ピストンとクランクケースとの間の負荷範囲全体にわたって許容し得る摺動クリアランスが生じることが判った。本発明によるアッセンブリは、完成したエンジンにおいてピストンが、−３０℃までの低い温度であってもまだ自由に運動し得ることを確保する。運転暖機状態では、ピストンとクランクケースとの間の摺動クリアランスは僅かしか増大しないので、ピストンの増幅された二次運動が回避され、ひいては高められたエンジンノイズも回避される。さらに、ピストンヘッド側の燃焼室に対するシールも改善されるので、オイル消費量およびブローバイ効果が減じられる。
本発明の枠内では、「クリアランス（取付けクリアランス、暖機時クリアランス、摺動クリアランス、冷機時クリアランス）」とは、シリンダ孔またはシリンダライナの直径と、ピストンの直径との間の差を意味する。この場合、ピストンの直径はその最大箇所で測定される。
各従属請求項から、有利な改良形が明らかである。
ピストンの材料の熱膨張率ＷＫｏとクランクケースの材料の有効な熱膨張率ＷＫｕとが、ＷＫｏ／ＷＫｕ＝０．４〜０．７の比を形成していると特に有利である。これによって、本発明によるアッセンブリにおけるピストンとクランクケースとの熱膨張率差の特に良好な補償が可能となる。このことは、選択的にクランクケースに鋳込まれたシリンダライナとの協働作用においても云える。
ピストンが、析出硬化型フェライト・パーライト鋼（いわゆるＡＦＰ鋼）ならびに０．３〜０．８質量％の炭素含量を有するマルテンサイト硬化性の鋼を含むグループから選択された材料から成ると有利である。これらの材料は、主としてその硬度、強度および製造可能性の点で互いに異なっているが、１１〜１３Ｅ−６ １／Ｋのほぼ等しい熱膨張率を有している。
クランクケースは、有利にはアルミニウム−ケイ素鋳造用材料から成る。２２〜２４Ｅ−６ １／Ｋの熱膨張率を有する、亜共晶アルミニウム−ケイ素合金（ＡｌＳｉ７〜ＡｌＳｉ９）ならびにＡｌＳｉ１７までのケイ素含量と、１９〜２２Ｅ−６ １／Ｋの熱膨張率とを有するアルミニウム−ケイ素合金を含むグループから選択された材料が特に有利である。
クランクケースは、たとえば鋳鉄材料から成る少なくとも１つのシリンダライナを備えていてよい。シリンダライナはシリンダ内の摩耗低減のために役立ち、自体公知の形式でクランクケース内に鋳込まれる。シリンダの得られた有効な熱膨張率ＷＺｙは、この場合、典型的に１７〜２０Ｅ−６ １／Ｋである。このことは、自体公知の形式で、シリンダ壁の全体の厚さに対するシリンダライナの壁厚の比と、それぞれ使用されたクランクケースの材料とに関連する。
しかし、クランクケースは、鉄材料を主体とするコーティングを備えている少なくとも１つのシリンダ孔を備えていてもよい。
ピストン内で冷媒としての使用のために適している低融点の金属は、特にナトリウムまたはカリウムである。低融点の合金としては、特にガリンスタン合金（登録商標）、低融点のビスマス合金およびナトリウムカリウム合金が使用され得る。
いわゆるガリンスタン合金（登録商標）とは、ガリウムとインジウムとスズとから成る、室温で液状となる合金系である。この合金は、ガリウム６５質量％〜９５質量％、インジウム５質量％〜２６質量％およびスズ０質量％〜１６質量％から成っている。有利な合金は、たとえばガリウム６８質量％〜６９質量％、インジウム２１質量％〜２２質量％およびスズ９．５質量％〜１０．５質量％を有する合金（融点−１９℃）、ガリウム６２質量％、インジウム２２質量％およびスズ１６質量％を有する合金（融点１０．７℃）ならびにガリウム５９．６質量％、インジウム２６質量％およびスズ１４．４質量％を有する合金（三元系の共晶合金、融点１１℃）である。
低融点を有するビスマス合金は多数知られている。低融点を有するビスマス合金には、たとえばＬＢＥ（鉛ビスマス共晶合金、融点１２４℃）、ローズメタル（Ｒｏｓｅｓ Ｍｅｔａｌｌ）（ビスマス５０質量％、鉛２８質量％およびスズ２２質量％、融点９８℃）、オリオンメタル（Ｏｒｉｏｎ Ｍｅｔａｌｌ）（ビスマス４２質量％、鉛４２質量％およびスズ１６質量％、融点１０８℃）、クイックはんだ（Ｓｃｈｎｅｌｌｌｏｔ）（ビスマス５２質量％、鉛３２質量％およびスズ１６質量％、融点９６℃）、ダルセメタル（ｄ’Ａｒｃｅｔｓ−Ｍｅｔａｌｌ）（ビスマス５０質量％、鉛２５質量％およびスズ２５質量％）、ウッドメタル（Ｗｏｏｄｓｃｈｅｓ Ｍｅｔａｌｌ）（ビスマス５０質量％、鉛２５質量％およびスズ１２．５質量％、カドミウム１２．５質量％、融点７１℃）、リポウィツメタル（Ｌｉｐｏｗｉｔｚｍｅｔａｌｌ）（ビスマス５０質量％、鉛２７質量％およびスズ１３質量％、カドミウム１０質量％、融点７０℃）、ハーパースメタル（Ｈａｒｐｅｒｓ Ｍｅｔａｌｌ）（ビスマス４４質量％、鉛２５質量％およびスズ２５質量％、カドミウム６質量％、融点７５℃）、セロロー（Ｃｅｒｒｏｌｏｗ）１１７（ビスマス４４．７質量％、鉛２２．６質量％、インジウム１９．１質量％、スズ８．３質量％およびカドミウム５．３質量％、融点４７℃）、セロロー（Ｃｅｒｒｏｌｏｗ）１７４（ビスマス５７質量％、インジウム２６質量％およびスズ１７質量％、融点７８．９℃）、フィールドメタル（Ｆｉｅｌｄｓ Ｍｅｔａｌｌ）（ビスマス３２質量％、インジウム５１質量％およびスズ１７質量％、融点６２℃）ならびにウォーカー合金（Ｗａｌｋｅｒｌｅｇｉｅｒｕｎｇ）（ビスマス４５質量％、鉛２８質量％、スズ２２質量％およびアンチモン５質量％）が属している。
適当なナトリウムカリウム合金は、カリウム４０〜９０質量％を含有していてよい。特に適しているのは、カリウム７８質量％およびナトリウム２２質量％を有する共晶合金ナック（ＮａＫ）である（融点−１２．６℃）。
冷媒は付加的にリチウムおよび／または窒化リチウムを含有していてよい。充填時に窒素が保護ガスとして使用される場合、この窒素はリチウムと反応して窒化リチウムを生成し、こうしてクーリングチャンネルから除去され得る。
さらに、充填の間に、場合によって存在する乾燥した空気が冷媒と反応した場合、冷媒は酸化ナトリウムおよび／または酸化カリウムを含有することができる。
４つの孔が設けられていて、これらの孔が、ピストン内の特に均一な温度分配を達成するために、それぞれ１つの摺動面と１つのボス孔との間に配置されていると有利である。
クーリングチャンネル内もしくは前記少なくとも１つの孔内に収容されている冷媒の量は、冷媒の熱伝導率と、所望の温度制御の程度とに関係している。冷媒が、シェーカ効果を得るために、ひいてはピストン内の特に有効な熱分配を得るために、クーリングチャンネルの高さの１／２までの充填高さを有していると有利である。
ピストンの加熱、ひいてはピストンの熱膨張は、充填された冷媒の量によっても制御され得る。本発明により規定されたピストンの機能、本発明により規定されたクランクケースとの協働を確保するためには、時としてクーリングチャンネル容積の３〜１０％を冷媒で充填するだけで十分であることが判っている。
以下に、本発明の実施態様を図面につき詳しく説明する。図は概略的に示されており、縮尺どおりには示されていない。
図１および図２には、本発明によるアッセンブリに用いられるピストン１０の実施形態が示されている。ピストン１０は、一体型のピストンまたは複数の部分から成るピストンであってよい。ピストン１０は、鋼を主体とする材料から製造されている。図１および図２には、例示的に、単一部分から成る一体型のスリッパスカートピストンの形のピストン１０が示されている。ピストン１０は、燃焼キャビティ１３を有するピストン頂面１２と、環状のトップランド１４と、ピストンリング（図示しない）を収容するためのリング部１５とを備えたピストンヘッド１１を有している。リング部１５の高さには、環状のクーリングチャンネル２３が設けられている。さらに、ピストン１０は、ピストンボス１７と、ピストンピン（図示しない）を収容するためのボス孔１８とを備えたピストンスカート１６を有している。ピストンボス１７は、ボス結合部１９を介して、ピストンヘッド１１の下側１１ａに結合されている。ピストンボス１７は、摺動面２１，２２を介して互いに結合されている（特に図２参照）。本実施形態において摺動面２１，２２の輪郭は、軸方向で真っ直ぐに形成されている。ただし、湾曲させられて形成された輪郭も考えられる。クリアランスを規定するためのピストン直径は、常に、その最大箇所で測定される。
ピストンスカート１６は、本実施形態では、４つの孔２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを有している。孔２４ａ〜２４ｄは、本実施形態では、ほぼ軸方向にかつピストン中心軸線Ｍに対して平行に延びている。しかし、孔２４ａ〜２４ｄは、ピストン中心軸線Ｍに対して角度を成して傾けられて延びていてもよい。孔２４ａ〜２４ｄは、それぞれ１つの摺動面２１，２２と１つのボス孔１８との間に配置されている。孔２４ａ〜２４ｄは、クーリングチャンネル２３に開口している。
本実施形態では、ピストン１０が、たとえば自体公知の形式で鋳造されていてよい。この場合、クーリングチャンネル２３および孔２４ａ〜２４ｄは、自体公知の形式で、塩中子を用いて設けられ得る。
クーリングチャンネル２３と孔２４ａ〜２４ｄとは、冷媒で充填されている。図１および図２では、図面を見やすくするために冷媒は図示されていない。冷媒については、図３〜図５を参照するものとする。
図３は、１２Ｅ−６ １／Ｋの熱膨張率を有する、「４２ＣｒＭｏ４」の名称を持つマルテンサイト硬化性の鋼から成るピストン１１０を備えた、本発明によるアッセンブリ１００の第１の実施形態を示している。ピストン１１０は、本実施形態では、シリンダライナ１３０内に収容されており、このシリンダライナ１３０は、クランクケース１４０内に収容されている。シリンダライナ１３０は、自体公知の形式で、鋳鉄材料から成っていてよい。クランクケース１４０は、本実施形態では、２３Ｅ−６ １／Ｋの熱膨張率を持つタイプＡｌＳｉ９のアルミニウムケイ素合金から成っている。
ピストン１１０の構造は、図１および図２に示したピストン１０の構造にほぼ等しいので、同じ構造要素には同じ参照符号が付されており、これらの構成要素については、図１および図２に関する説明を参照するものとする。さらに、図３に示したピストン１１０のクーリングチャンネル２３内および孔２４ａ〜２４ｄ内には、冷媒１２７が収容されている。
図４は、図３を部分的に拡大した図を示している。図４につき、孔２４ａを例にとって、ピストンボス１７の下部分の範囲のおける孔２４ａ〜２４ｄの詳細を説明する。孔２４ａ〜２４ｄのうち少なくとも１つの孔、本実施形態では孔２４ａは、外部に向かって開口した開口２５を有している。冷媒１２７、すなわち上で例示的に挙げたような低融点の金属または低融点の合金は、開口２５を通じて孔２４ａ内に充填される。孔２４ａから冷媒１２７は、クーリングチャンネル２３および別の孔２４ｂ〜２４ｄ内に分配される。引き続き開口２５は密に閉鎖され、本実施形態では、圧入された鋼球２６を用いて閉鎖される。開口２５は、たとえば蓋の溶接またはキャップの圧入によって閉鎖されてもよい（図示しない）。
孔２４ａ〜２４ｄの大きさおよび冷媒１２７の充填量は、主としてピストン１１０の大きさと、所望の冷却出力とに左右される。平均的には、ピストン１つ当たり約１０〜４０ｇの冷媒１２７が必要とされる。冷却出力は、添加された冷媒１２７の量により、その熱伝導係数を考慮して制御され得る。たとえば、クーリングチャンネル２３の高さのほぼ１／２に相当する、クーリングチャンネル２３内の充填レベルが適している。この場合には運転中に、特に有利な熱分配のための自体公知のシェーカ効果が、摺動面２１，２２のために付加的に利用され得る。運転時に２２０℃の温度を有する冷媒１２７としてのナトリウムに関しては、３５０ｋＷ／ｍ２の冷却出力で、約２６０℃のピストン１１０の最大の表面温度が生ぜしめられる。
付加的に、ピストンヘッド１１の下側１１ａは、冷却オイルの吹きかけによって冷却され得る。
孔２４ａの充填のためには、開口２５を通じてランスが導入され、窒素または別の適当な不活性ガスまたは乾燥した空気を用いてパージが行われる。冷媒１２７の導入のためには、この冷媒１２７が、保護ガス（たとえば窒素、不活性ガスまたは乾燥した空気）と共に開口２５を通じて導かれるので、冷媒１２７は孔２４ａ内もしくはクーリングチャンネル２３内に収容される。
孔２４ａを充填するための別の方法は、窒素、不活性ガスまたは乾燥した空気によるパージの後に、孔２４ａ〜２４ｄおよびクーリングチャンネル２３が排気され、冷媒１２７が真空中に導入されることにより特徴付けられている。これによって、冷媒１２７は一層容易にクーリングチャンネル２３内を往復運動し、かつ孔２４ａ〜２４ｄ内に出入り運動することができる。なぜならば、冷媒１２７は、存在する保護ガスによって妨害されないからである。
保護ガスをクーリングチャンネル２３もしくは孔２４ａ〜２４ｄから除去するための別の手段は、窒素または乾燥した空気（すなわち、主として窒素と酸素とから成る混合物）を保護ガスとして使用して、冷媒１２７に少量のリチウム、経験によればガス室（すなわち、クーリングチャンネル２３の容積＋孔２４ａ〜２４ｄの容積）の１立方センチメートル当たり約１．８〜２．０ｍｇのリチウムを添加することにある。たとえばナトリウムおよびカリウムは酸素と反応して酸化物を生成するのに対して、リチウムは窒素と反応して窒化リチウムを生成する。したがって、保護ガスは実質的には完全に固体として冷媒１２７内に結合される。
図５は、１２Ｅ−６ １／Ｋの熱膨張率を有する、「４２ＣｒＭｏ４」の名称を持つマルテンサイト硬化性の鋼から成るピストン２１０を備えた、本発明によるアッセンブリ２００の別の実施形態を示している。ピストン２１０は、本実施形態では、クランクケース２４０に設けられたシリンダ孔２４１内に収容されている。シリンダ孔２４１は、自体公知の形式で、２０Ｅ−６ １／Ｋの熱膨張率を有する鉄材料を主体としたコーティング２４２を備えている。コーティング２４２は、典型的に１００〜２００μｍの厚さを有している。クランクケース２４０は、本実施形態では、２３Ｅ−６ １／Ｋの熱膨張率を有するタイプＡｌＳｉ９のアルミニウムケイ素合金から成っている。
ピストン２１０の構造は、図１および図２に示したピストン１０の構造にほぼ等しいので、同じ構造要素には同じ参照符号が付されており、これらの構成要素については、図１および図２に関する説明を参照するものとする。さらに、図５に示したピストン２１０のクーリングチャンネル２３内および孔２４ａ〜２４ｄ内には、冷媒２２７が収容されている。
表１は、例示的に図３ないし図５に示した本発明によるアッセンブリの両実施形態（番号１，２）を、従来技術の実施形態（図３〜８）と比較して示している。本発明のアッセンブリでは、使用されたピストンが１４０Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導率を有する純粋なナトリウムで充填されている。充填量はクーリングチャンネル２３と孔２４ａ〜２４ｄとの合算された容積の５％であった。本発明によるアッセンブリでは、その都度のピストンクリアランス、すなわち低い温度においても、極めて高い負荷（温度）においても、５０μｍの、あらゆる場合において同じ取付けクリアランスの変化が極めて僅かであることが判る。
Claims (13)
- 鋼を主体とする材料から成るピストン（１０，１１０，２１０）と、アルミニウムを主体とする材料から成るクランクケース（１４０，２４０）とから成る、内燃機関用のアッセンブリ（１００，２００）であって、前記ピストン（１０，１１０，２１０）は、ピストンヘッド（１１）とピストンスカート（１６）とを有しており、前記ピストンヘッド（１１）は環状のリング部（１５）と、該リング部（１５）の範囲に環状のクーリングチャンネル（２３）とを有しており、前記ピストンスカート（１６）は、ボス孔（１８）を備えたピストンボス（１７）を有しており、該ピストンボス（１７）は、ボス結合部（１９）を介して、前記ピストンヘッド（１１）の下側（１１ａ）に配置されており、前記ピストンボス（１７）は、摺動面（２１，２２）を介して互いに結合されている、内燃機関用のアッセンブリ（１００，２００）において、
前記ピストン（１０，１１０，２１０）に、外部に対して閉鎖された少なくとも１つの孔（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ）が設けられており、該孔（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ）が、１つの摺動面（２１，２２）と１つのボス孔（１８）との間に配置されており、前記少なくとも１つの孔（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ）が、前記クーリングチャンネル（２３）に開口しており、該クーリングチャンネル（２３）と前記少なくとも１つの孔（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ）とが、低融点の金属または低融点の合金である冷媒（１２７，２２７）を含んでおり、
前記ピストン（１０，１１０，２１０）が、４つの孔（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ）を有しており、該孔（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ）が、それぞれ１つの前記摺動面（２１，２２）と１つの前記ボス孔（１８）との間に配置されている
ことを特徴とする、内燃機関用のアッセンブリ（１００，２００）。 - 前記ピストン（１０，１１０，２１０）の材料の熱膨張率ＷＫｏと、前記クランクケース（１４０，２４０）の材料の熱膨張率ＷＫｕとが、ＷＫｏ／ＷＫｕ＝０．４〜０．７の比をなす、請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記ピストン（１０，１１０，２１０）が、析出硬化型フェライト・パーライト鋼ならびに０．３質量％〜０．８質量％の炭素含量を有するマルテンサイト硬化性の鋼を含むグループから選択された材料から成る、請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記クランクケース（１４０，２４０）が、アルミニウム−ケイ素鋳造用材料から成る、請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記クランクケース（１４０，２４０）が、亜共晶アルミニウム−ケイ素合金（ＡｌＳｉ７〜ＡｌＳｉ９）ならびにＡｌＳｉ１７までのケイ素含量を有するアルミニウム−ケイ素合金を含むグループから選択された材料から成る、請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記クランクケース（１４０）が、鋳鉄材料から成る少なくとも１つのシリンダライナ（１３０）を備えている、請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記クランクケース（２４０）が、鉄材料を主体とするコーティング（２４２）を備えている少なくとも１つのシリンダ孔（２４１）を備えている、請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記ピストン（１０，１１０，２１０）が、前記冷媒（２７，１２７，２２７）として、ナトリウムまたはカリウムを含んでいる、請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記ピストン（１０，１１０，２１０）が、前記冷媒（１２７，２２７）として、ガリンスタン合金（登録商標）、低融点のビスマス合金およびナトリウムカリウム合金を含むグループから選択された、１つの低融点の合金を含有している、請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記ピストン（１０，１１０，２１０）内の前記冷媒（１２７，２２７）が、リチウムおよび／または窒化リチウムを含んでいる、請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記ピストン（１０，１１０，２１０）内の前記冷媒（１２７，２２７）が、酸化ナトリウムおよび／または酸化カリウムを含有している、請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記ピストン（１０，１１０，２１０）が、前記クーリングチャンネル（２３）の高さの１／２までの、前記冷媒（１２７，２２７）の充填高さを有している、請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記ピストン（１０，１１０，２１０）が、前記クーリングチャンネル（２３）の容積の３〜１０％の、前記冷媒（１２７，２２７）の充填量を有している、請求項１記載のアッセンブリ。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102012009030A DE102012009030A1 (de) | 2012-05-05 | 2012-05-05 | Anordnung aus einem Kolben und einem Kurbelgehäuse für einen Verbrennungsmotor |
| DE102012009030.7 | 2012-05-05 | ||
| PCT/DE2013/000238 WO2013167102A2 (de) | 2012-05-05 | 2013-05-03 | Anordnung aus einem kolben und einem kurbelgehäuse für einen verbrennungsmotor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2015522738A JP2015522738A (ja) | 2015-08-06 |
| JP6246187B2 true JP6246187B2 (ja) | 2017-12-13 |
Family
ID=48914020
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2015510639A Expired - Fee Related JP6246187B2 (ja) | 2012-05-05 | 2013-05-03 | ピストンとクランクケースとから成る内燃機関用のアッセンブリ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP2864617B1 (ja) |
| JP (1) | JP6246187B2 (ja) |
| DE (1) | DE102012009030A1 (ja) |
| WO (1) | WO2013167102A2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10202936B2 (en) * | 2015-04-09 | 2019-02-12 | Tenneco Inc. | Zero oil cooled (ZOC) piston incorporating heat pipe technology |
| US11022065B2 (en) | 2015-12-03 | 2021-06-01 | Tenneco Inc. | Piston with sealed cooling gallery containing a thermally conductive composition |
Family Cites Families (24)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US1841796A (en) * | 1929-02-04 | 1932-01-19 | Packard Motor Car Co | Internal combustion engine |
| US1953109A (en) * | 1931-11-07 | 1934-04-03 | Sam D Heron | Piston |
| GB517713A (en) * | 1939-03-17 | 1940-02-07 | Arthur Villeneuve Nicolle | Improvements in or relating to the cylinders and pistons of internal combustion engines |
| DE726685C (de) * | 1939-09-01 | 1942-10-19 | Versuchsanstalt Fuer Luftfahrt | Kolben fuer Brennkraftmaschinen |
| DE762820C (de) * | 1943-04-25 | 1952-11-04 | Richard Holzaepfel Fa | Verfahren zur Herstellung von Kolben mit einer die Temperatur ausgleichenden Fuellung |
| DE2613059A1 (de) * | 1975-12-01 | 1977-06-08 | Kioritz Corp | Kolben fuer verbrennungsmotoren |
| JPS5266126A (en) * | 1975-12-01 | 1977-06-01 | Kyoritsu Kk | Piston for engine |
| DE3205173A1 (de) * | 1982-02-13 | 1983-08-25 | Karl Schmidt Gmbh, 7107 Neckarsulm | Kolben fuer mit schweroel betriebene brennkraftmaschinen |
| DE4024381C2 (de) * | 1990-08-01 | 1999-01-28 | Mahle Gmbh | Kolben für Verbrennungsmotoren mit geschmiedeten Bereichen aus Stahl |
| JPH04265451A (ja) * | 1991-02-19 | 1992-09-21 | Suzuki Motor Corp | 二サイクルエンジンのピストン |
| EP0704613A1 (de) * | 1994-09-28 | 1996-04-03 | KS Aluminium Technologie Aktiengesellschaft | Verbundgusszylinder oder -zylinderblock |
| DE10244513A1 (de) * | 2002-09-25 | 2004-04-08 | Mahle Gmbh | Mehrteiliger gekühlter Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zu dessen Herstellung |
| KR101087562B1 (ko) * | 2003-03-31 | 2011-11-28 | 히노 지도샤 가부시키가이샤 | 내연기관용 피스톤 및 그 제조 방법 |
| KR20050039320A (ko) * | 2003-10-24 | 2005-04-29 | 현대자동차주식회사 | 내연기관 엔진용 피스톤 |
| JP4381341B2 (ja) * | 2005-04-21 | 2009-12-09 | 三菱重工業株式会社 | ピストンの冷却装置 |
| JP4823750B2 (ja) * | 2006-04-19 | 2011-11-24 | パナソニック株式会社 | 気体吸着性物質の製造方法 |
| FR2901577A3 (fr) * | 2006-05-29 | 2007-11-30 | Renault Sas | Piston de moteur a combustion interne pourvu de moyens specifiques de refroidissement et moteur a combustion interne comprenant un tel piston |
| DE102008038325A1 (de) * | 2007-12-20 | 2009-06-25 | Mahle International Gmbh | Verfahren zum Befestigen eines Ringelementes auf einem Kolben für einen Verbrennungsmotor |
| DE102007061601A1 (de) * | 2007-12-20 | 2009-06-25 | Mahle International Gmbh | Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie Verfahren zu seiner Herstellung |
| DE102009018981A1 (de) | 2009-04-25 | 2010-10-28 | Daimler Ag | Kolben für eine Hubkolbenmaschine |
| DE102009048124A1 (de) * | 2009-10-02 | 2011-04-07 | Daimler Ag | Stahlkolben für Verbrennungsmotoren |
| DE102009049323B4 (de) * | 2009-10-14 | 2011-11-10 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Verbrennungsmotor mit einem Kurbelgehäuse sowie Verfahren zur Herstellung eines Kurbelgehäuses |
| JP2010133424A (ja) * | 2010-02-22 | 2010-06-17 | Toyota Motor Corp | シリンダライナの製造方法 |
| DE102010045221B4 (de) * | 2010-09-13 | 2017-10-05 | Daimler Ag | Stahlkolben für Verbrennungsmotoren |
-
2012
- 2012-05-05 DE DE102012009030A patent/DE102012009030A1/de not_active Withdrawn
-
2013
- 2013-05-03 EP EP13744418.8A patent/EP2864617B1/de not_active Not-in-force
- 2013-05-03 JP JP2015510639A patent/JP6246187B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 2013-05-03 WO PCT/DE2013/000238 patent/WO2013167102A2/de active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2013167102A3 (de) | 2014-01-16 |
| EP2864617B1 (de) | 2017-01-04 |
| JP2015522738A (ja) | 2015-08-06 |
| DE102012009030A1 (de) | 2013-11-07 |
| EP2864617A2 (de) | 2015-04-29 |
| WO2013167102A2 (de) | 2013-11-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6095666B2 (ja) | 内燃機関に用いられるピストンおよび該ピストンを製造する方法 | |
| JP6113075B2 (ja) | 内燃機関用のピストンおよび該ピストンの製造方法 | |
| US9765728B2 (en) | Piston for an internal combustion engine | |
| KR101709624B1 (ko) | 낮은 열전도성을 가진 피스톤 및 이 피스톤의 제작 방법 | |
| JP5669392B2 (ja) | ピストンリングおよびシリンダライナの製造のための高珪素成分を含む鋼材 | |
| US9494106B2 (en) | Piston for an internal combustion engine | |
| US9051896B2 (en) | Steel piston for internal combustion engines | |
| JP6316588B2 (ja) | 内燃機関用バルブとバルブシートの組合せ体 | |
| CN103827472A (zh) | 内燃机活塞 | |
| JP6246187B2 (ja) | ピストンとクランクケースとから成る内燃機関用のアッセンブリ | |
| US20170292470A1 (en) | Internal combustion engine | |
| EP3032053B1 (en) | System and method of cooling valve with material in cavity | |
| JP4840026B2 (ja) | 耐焼付き性鋳鉄 | |
| JP2005069219A (ja) | 内燃機関用ピストン | |
| WO2018190167A1 (ja) | 内燃機関のピストン及び内燃機関のピストンの製造方法 | |
| JP2006132416A (ja) | 内燃機関及びその燃焼室構成部品の製造方法 | |
| CN106715880A (zh) | 活塞、具有活塞的活塞机和具有活塞机的汽车 | |
| RU153939U1 (ru) | Поршень двигателей внутреннего сгорания | |
| JPH0476257A (ja) | 内燃機関のピストン | |
| JP2000080451A (ja) | 耐摩環用焼結体および耐摩環 | |
| CN101676424A (zh) | 蠕墨铸铁气缸套及成分配比 | |
| RU62431U1 (ru) | Поршень двигателя внутреннего сгорания | |
| KR100590941B1 (ko) | 실린더 블록의 용사코팅용 분말합금 조성물 | |
| MAHLE GmbH | Piston function, requirements, and types | |
| JPH0544574A (ja) | 内燃機関用ピストン |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20160408 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20170228 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20170327 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20170627 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20171030 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20171114 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6246187 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |