JP6293121B2 - 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、ピストンヘッドおよびピストンスカートを備え、ピストンヘッドが、環状のリング部と、このリング部の領域に環状のクーリングチャンネルとを有し、ピストンスカートが、ボス孔を備えた複数のピストンボスを有し、該ピストンボスが、ボス結合部を介してそれぞれピストンヘッドの下側に配置されており、ピストンボスが、摺動面を介して互いに結合されている、内燃機関用のピストンに関する。

最近の内燃機関では、ピストンのピストン頂面の領域がさらされる温度負荷がますます高くなっている。その結果、運転時にピストンヘッドとピストンスカートとの間に著しい温度差が生ぜしめられる。それによって、冷機時のエンジンにおけるピストンの組込みクリアランスも、暖機時のエンジンにおける組込みクリアランスとは異なってしまう。

本発明の課題は、このような形式のピストンを改良して、運転時にピストンヘッドとピストンスカートとの間で、より均一な温度分配が生じるようなピストンを提供することである。

この課題の解決手段は、クーリングチャンネルの、リング部の領域に延在する壁が傾きを有していて、ピストン中心軸線に対して鋭角の角度を成しており、摺動面とボス孔との間に配置された、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、クーリングチャンネルおよび前記少なくとも１つの孔が、低融点の金属または低融点の金属合金の形の冷却媒体を含んでいることにある。

本発明によるピストンは、ピストン頂面の領域で形成された熱が、ピストンヘッドを介してピストンに導かれ、かつ比較的大面積の摺動面を介して放出されることによりすぐれている。これによって、運転時にはピストン全体にわたって一層均一な熱分配が達成される。さらに、ピストン全体の一層効果的な冷却が得られる。

本発明において設定された、クーリングチャンネルの、リング部の領域に延在する壁の傾きにより、エンジン運転中に冷却媒体が下降運動時ではこの領域にほとんど接触しなくなり、上昇運動時に小規模でのみ接触するようになる。冷却媒体は、それどころかほぼ線状に上方もしくは下方に向かって運動させられる。すなわち、本発明において設定された傾きは、エンジン運転中に運動させられる冷却媒体と、クーリングチャンネルの、リング部の領域に延在する壁との間に死角を形成しているので、ピストン頂面の領域で熱を吸収した、運動している冷却媒体は、この死角に位置する壁領域とは接触しないか、または僅かにしか接触しない。これによって、リング部の過熱が回避され、ひいてはこれに伴うリング溝およびリングランドの領域におけるオイルカーボン形成の危険が回避される。

付加的にピストンヘッドの下側が冷却オイルによって冷却されると、オイルカーボンの形成が回避される。さらに、全体的には冷却オイル消費量が減じられる。

ピストンボスとピストンスカートの間の領域の付加的な加熱によって、ピストンスカートの付加的な熱膨張が生ぜしめられ、それによってピストンとシリンダとの間の暖機クリアランスが減じられる。このことは特に、ピストン材料の熱膨張率よりも高い熱膨張率を有する軽金属材料、たとえばアルミニウムを主体とした材料からなるクランクケースが使用される場合に有利である。

別の有利な改良形は、従属形式の請求項から明らかである。

クーリングチャンネルの、リング部の領域に延在する壁とピストン中心軸線とが成す角度は、有利には１０°より大きくない。これにより、クーリングチャンネルが過剰に狭められたり、それに伴って冷却能力が低下することが回避される。同じ理由により、この壁の傾きは、リング部の最下位のリング溝の上縁部の高さを起点としていると有利である。

燃焼キャビティが設けられている場合、燃焼キャビティと、クーリングチャンネルに収容された冷却媒体との熱伝達を最適化するために、クーリングチャンネルの、燃焼キャビティの領域に延在する壁が、燃焼キャビティの壁の輪郭に対して平行に延びていると有利である。

冷却媒体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。低融点の金属合金としては、特にガリンスタン（登録商標）合金、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（登録商標）合金」と呼ばれる合金は、ガリウムとインジウムとスズとから成る、室温で液状の合金系である。これらの合金は、ガリウム６５質量％〜９５質量％と、インジウム５質量％〜２６質量％と、スズ０質量％〜１６質量％とから成る。有利な合金は、たとえばガリウム６８質量％〜６９質量％と、インジウム２１質量％〜２２質量％と、スズ９．５質量％〜１０．５質量％とを含有する合金（融点−１９℃）、ガリウム６２質量％と、インジウム２２質量％と、スズ１６質量％とを含有する合金（融点１０．７℃）、ならびにガリウム５９．６質量％と、インジウム２６質量％と、スズ１４．４質量％とを含有する合金（三元共晶、融点１１℃）である。

低融点のビスマス合金としては数多くのものが知られている。低融点のビスマス合金には、たとえば以下のような合金が属している：
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（Orionmetall）（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％、スズ１２．５質量％およびカドミウム１２．５質量％、融点７１℃）、リポヴィッツメタル（Lipowitzmetall）（ビスマス５０質量％、鉛２７質量％、スズ１３質量％およびカドミウム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％、スズ２５質量％およびカドミウム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％、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％、スズ１７質量％、融点６２℃）ならびにウォーカ合金（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％）。

適当なナトリウムカリウム合金は、カリウム４０質量％〜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℃）。

冷却媒体は、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。充填の際に窒素が保護ガスとして使用される場合、この保護ガスはリチウムと反応して窒化リチウムを生成することができ、こうしてクーリングチャンネルから除去され得る。

充填中に場合によっては存在する乾燥した空気が冷却媒体と反応した場合には、冷却媒体がさらに、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てよい。

有利には、１つの摺動面と１つのボス孔との間にそれぞれ配置された４つの孔が設けられている。これにより、ピストンにおける特に均一な温度分配が達成される。

クーリングチャンネルもしくは前記少なくとも１つの孔に収容された冷却媒体の量は、冷却媒体の熱伝導率および所望の温度制御の度合いに関連している。有利には、冷却媒体が、クーリングチャンネルの高さの１／２までの高さの充填レベルを有しており、これによって、所望のシェーカ効果、ひいてはピストンにおける特に効果的な熱分配が得られる。

特に、エンジン運転時にピストン内に流出する燃焼熱の割合を制限したい場合、このことは、装入される冷却媒体の量によって制御され得る。ピストンの機能を確保するために、時には冷却媒体によるクーリングチャンネル容積の３％〜１０％の充填で既に十分であることが判明した。

以下に、本発明の実施形態を添付の図面につき詳細に説明する。図面は、縮尺通りには図示されていない。

本発明によるピストンの１実施形態を示す部分断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 図３に示した孔を拡大して示す部分断面図である。 図３に示したクーリングチャンネルを拡大して示す部分断面図である。

図１〜図５には、本発明によるピストン１０の実施形態が図示されている。ピストン１０は、単一の部分または複数部分から成るピストンであってよい。またピストン１０は、鉄主体の材料および／または軽金属材料から製造されていてよいが、鉄主体の材料が好ましい。

図１〜図３には、一体型のスリッパスカートピストン１０が例示的に図示されている。ピストン１０は、ピストンヘッド１１を有する。このピストンヘッド１１は、燃焼キャビティ１３を備えたピストン頂面１２と、環状のトップランド１４と、ピストンリング（図示せず）を収容するためのリング部１５とを有している。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、複数のピストンボス１７と、ピストンピン（図示せず）を収容するための複数のボス孔１８とを備えたピストンスカート１６を有する。ピストンボス１７は、ボス結合部１９を介してそれぞれピストンヘッド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）。

クーリングチャンネル２３の、リング部１５の領域に延びる壁２３ａは、傾きを有し、ピストン中心軸線Ｍに対して最大１０°までの鋭角の角度αを成している。この傾きは、リング部１５の一番下のリング溝１５ａの上縁部の領域辺りを起点として、クーリングチャンネル２３の上端部にまで続く。クーリングチャンネル２３の、燃焼キャビティ１３の領域に延在する壁２３ｂは、燃焼キャビティ１３の壁１３ａの輪郭に対して平行に延びている。

ピストンスカート１６は、本実施形態においては、４つの孔２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄを有している。これらの孔２４ａ〜２４ｄは、本実施形態では、ほぼ軸線方向に、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に対して特定の角度で傾けられて延在していてもよい。孔２４ａ〜２４ｄは、１つの摺動面２１，２２と１つのボス孔１８との間にそれぞれ配置されている。孔２４ａ〜２４ｄは、それぞれクーリングチャンネル２３に開口している。

本実施形態において、ピストン１０は、たとえば自体公知の形式で鋳造されていてよく、その際、クーリングチャンネル２３および孔２４ａ〜２４ｄは、自体公知の手段で塩中子を用いて成形され得る。重要となるのは、少なくとも１つの孔２４ａが、外部に通じた開口２５を有することである。本発明よれば、冷却媒体２７、つまり、さらに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金属合金が、開口２５を通じて孔２４ａ内に充填される。冷却媒体２７はこの孔２４ａからクーリングチャンネル２３ならびにその他の孔２４ｂ〜２４ｄ内に分配される。開口２５は、引き続き密に閉鎖され、本実施形態においては、圧入された鋼球２６を用いて閉鎖される。また開口２５は、たとえばカバーの溶接またはキャップのプレス嵌めによっても閉鎖され得る（図示せず）。

孔２４ａ〜２４ｄのサイズおよび冷却媒体２７の充填量は、ピストン１０のサイズおよび材料に左右される。平均的には、ピストン１つ当たり約１０ｇ〜４０ｇの冷却媒体２７が必要とされる。冷却能力は、加えられる冷却媒体２７の量により、熱伝導率を考慮して調整され得る。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、運転時に、ピストンにおける特に有効な熱分配のための、自体公知のシェーカ効果が付加的に利用され得る。運転時に２２０℃の温度を有する冷却媒体２７としてのナトリウムに関しては、３５０ｋＷ／ｍ^２の冷却出力において、約２６０℃のピストン１０の最大表面温度が生ぜしめられる。

それに加えて、ピストンヘッド１１の下側１１ａは、冷却オイルを吹き付けることによって冷却され得る。

孔２４ａを充填するためには、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によって孔２４がパージされる。冷却媒体２７を導入するためには、冷却媒体２７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）下に開口２５を通って案内されるので、冷却媒体２７は、孔２４ａもしくはクーリングチャンネル２３内へ収容される。

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を用いたパージの後に、孔２４ａ〜２４ｄおよびクーリングチャンネル２３が排気され、冷却媒体２７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、冷却媒体２７は、一層容易にクーリングチャンネル２３内で往復運動することができると共に孔２４ａ〜２４ｄに対して出入り運動することができる。なぜならば、冷却媒体が保護ガスの存在によって妨げられないからである。

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（つまり、実質的には窒素と酸素とから成る混合物）を保護ガスとして使用し、そして冷却媒体２７に少量のリチウムを添加することにあり、経験によれば、ガス空間（つまり、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１．８ｍｇ〜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、ほぼ完全に冷却媒体２７内に固体として結合される。

Claims (10)

1. 内燃機関用のピストン（１０）であって、
   ピストンヘッド（１１）およびピストンスカート（１６）を備え、
   該ピストンヘッド（１１）が、燃焼キャビティ（１３）を有するピストン頂面（１２）と、前記ピストンヘッド（１１）の外周面に設けられた環状のリング部（１５）と、ピストン中心軸線（Ｍ）に対し垂直な方向で、前記燃焼キャビティ（１３）及び前記リング部（１５）の間の領域に設けられた環状のクーリングチャンネル（２３）とを有し、
   前記ピストンスカート（１６）が、ボス孔（１８）を備えた複数のピストンボス（１７）を有し、該ピストンボス（１７）が、ボス結合部（１９）を介してそれぞれ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）が、摺動面（２１，２２）を介して互いに結合されている、内燃機関用のピストン（１０）において、
   前記クーリングチャンネル（２３）は、前記リング部（１５）の側に位置する第１の壁（２３ａ）と、前記燃焼キャビティ（１３）の側に位置する第２の壁（２３ｂ）と、前記第１の壁（２３ａ）及び前記第２の壁（２３ｂ）を繋ぐ前記ピストン頂面（１２）の側に位置する第３の壁とを有しており、
   前記クーリングチャンネル（２３）の前記第１の壁（２３ａ）が、前記リング部（１５）の最下位のリング溝（１５ａ）の上縁部の高さを起点として、前記ピストン頂面（１２）且つ前記ピストン中心軸線（Ｍ）に向かう方向で、前記第３の壁にまで、前記起点を通り前記ピストン中心軸線（Ｍ）に平行な直線に対して鋭角の角度（α）を成して延在しており、
   １つの摺動面（２１，２２）と１つのボス孔（１８）との間に配置された、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、
   前記クーリングチャンネル（２３）および前記少なくとも１つの孔（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ）が、低融点の金属または低融点の金属合金の冷却媒体（２７）を含んでいることを特徴とする、内燃機関用のピストン（１０）。
2. 前記角度（α）が、最大で１０°である、請求項１記載のピストン。
3. 前記クーリングチャンネル（２３）の第２の壁（２３ｂ）が、前記燃焼キャビティ（１３）の壁（１３ａ）の輪郭に対して平行に延びている、請求項１又は２記載のピストン。
4. 前記低融点の金属として、ナトリウムまたはカリウムが含まれている、請求項１から３までのいずれか１項記載のピストン。
5. 前記低融点の金属合金が、ガリンスタン（登録商標）合金、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ている、請求項１から３までのいずれか１項記載のピストン。
6. 前記冷却媒体（２７）が、リチウムおよび／または窒化リチウムを含有している、請求項１から３までのいずれか１項記載のピストン。
7. 前記冷却媒体（２７）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から３までのいずれか１項記載のピストン。
8. 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、４つの孔（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ）が設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載のピストン。
9. 前記冷却媒体（２７）が、前記クーリングチャンネル（２３）の高さの１／２までの高さの充填レベルを有している、請求項１から８までのいずれか１項記載のピストン。
10. 前記冷却媒体（２７）が、前記クーリングチャンネル（２３）の容積の３％〜１０％の充填量を有している、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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