JP6335781B2 - 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、ピストンヘッドとピストンスカートとを備え、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、ピストンスカートはそれぞれ１つの、スラスト側に対応する摺動面と、反スラスト側に対応する摺動面とを有する、内燃機関用のピストンに関する。

このような形式のピストンは、最近の内燃機関においては高い機械的な負荷および特に熱的な負荷にさらされている。したがって、特にピストンクラウンの範囲においてクーリングチャンネル内への冷却剤の供給によってピストンの冷却を常時最適化するという根本的な要求が存在する。

本発明の課題は、冒頭で述べた形式のピストンを改良して、ピストンクラウンの範囲における冷却が一層改善されるようなピストンを提供することである。

この課題を解決するための解決手段は、クーリングチャンネルが、横断面を狭められた狭隘部を有することにある。

本発明は、流動する流体において流れの横断面を狭くすると流速は増加する、という流体力学の連続の方程式に基づいている。本発明によるピストンにおいては、本発明における横断面の狭隘と、シェーカ効果（Shaker-Effekt）とが協働して、クーリングチャンネル内を循環する冷却剤が十分に混合されるだけでなく、狭隘部により意図的に加速されて、ピストンクラウンの方向に案内されることが生ぜしめられる。このことは、十分に混合され、ひいては十分に冷却された冷却剤が、従来公知のピストンにおけるよりも著しく効率良くかつピストンストローク１回当たり、従来公知のピストンにおけるよりも頻繁に、ピストンクラウンの範囲におけるクーリングチャンネルの特に高温の壁区分の傍らを通って案内されることを生ぜしめる。したがって、クーリングチャンネル壁と冷却剤との間での熱伝達係数は高められ、ひいては本発明によるピストンの冷却が著しく改善される。

従属項形式の請求項２以下には有利な改良形が記載されている。

本発明により設けられた狭隘部はクーリングチャンネル底部から、クーリングチャンネルの軸方向の高さの少なくとも１／３に相当し、かつ／またはクーリングチャンネルの軸方向の高さの最大でも２／３に相当する間隔を有することが有利である。これによって、クーリングチャンネル天井部の方向における冷却剤流の特に有効な加速を得ることができる。加速を最適化するためには、狭隘部が、クーリングチャンネル底部とクーリングチャンネル天井部とからほぼ等しい間隔を有することが好ましい。

クーリングチャンネル全体に沿った加速効果を生ぜしめるために、狭隘部は、全周にわたって延びる環状の狭隘部として形成されていると有利である。

さらに別の有利な改良形では、狭隘部が、１つのクーリングチャンネル壁に設けられた正確に１つの材料隆起部により形成されており、クーリングチャンネル天井部が、ほぼ半球天井形もしくはドーム形に形成されている。これによって、冷却剤にはクーリングチャンネル天井部の範囲において、円を描くように回転する流れが付与されるので、冷却剤が、ピストンストローク１回当たり複数回、クーリングチャンネルの壁と相互作用することが達成される。この場合、低い温度の冷却剤は絶え間なく狭隘部により加速され、かつ後供給される。この効果は、ほぼドーム形のクーリングチャンネル天井部の最も広幅の個所における半径方向寸法が、少なくとも狭隘部の半径方向寸法の２倍に等しい場合に特に有効となる。この場合には、高温の冷却剤はほとんど下方へ流れることができないので、狭隘部を通ってクーリングチャンネル天井部の方向に向かう低い温度の冷却剤の流れが著しく妨げられることはない。

本発明のさらに別の有利な構成では、狭隘部が、２つのクーリングチャンネル壁に設けられた、互いに向かい合って位置する正確に２つの材料隆起部により形成されている。この構成は、特に複数部分から成る摩擦溶接されたピストンにおいて、溶接シームがクーリングチャンネルを通って延びていて、溶接ビードが、互いに向かい合って位置する２つの材料隆起部を形成し、両材料隆起部により狭隘部を生ぜしめられる場合に適している。

この構成では、クーリングチャンネル天井部の天頂部が、流れ分割器もしくは分流器を有し、該分流器が狭隘部に対して真ん中に配置されていると、特に有利である。この場合には、加速されて狭隘部を通って流れる冷却剤に、クーリングチャンネル天井部の範囲において、互いに逆向きに回転する２つの流れが付与され、これらの流れは、ピストンストローク１回当たり複数回、クーリングチャンネルの壁と相互作用することができる。この場合、低い温度の冷却剤が常時、狭隘部によって加速されかつ後供給される。この効果は特に、クーリングチャンネル天井部の最も広幅の個所における半径方向寸法が、少なくとも狭隘部の半径方向寸法の２倍に等しい場合に特に有効となる。この場合には、高温の冷却剤はほとんど下方へ流れることができないので、狭隘部を通る低い温度の冷却剤の流れが著しく妨げられることはない。

この効果を最適にするためには、付加的に、クーリングチャンネル天井部の、前記分流器に続いている範囲の横断面が、円弧形または円形に形成されていてよい。さらに、分流器の横断面が、Ｖ字形または円錐形に形成されていることが特に有利である。

クーリングチャンネル内の流れ特性をさらに最適化するためには、リング部に隣接したクーリングチャンネル壁が、垂直にまたは斜め内側に向かって傾けられて形成されていてよい。

本発明のさらに別の有利な構成では、狭隘部が、２つのクーリングチャンネル壁に形成された、軸方向で互いにずらされて配置された正確に２つの材料隆起部により形成されている。この構成により、クーリングチャンネル天井部の範囲には、リング部および／またはトップランドに隣接した外側の拡張部が形成され、クーリングチャンネル底部の範囲には、ピストンクラウン中心部に向けられた、特に場合によっては存在する燃焼キャビティに隣接した内側の拡張部が形成される。これによって、ピストンヘッドの、これらの熱的に特に高度に負荷された範囲が極めて有効に冷却される。

この構成では、たとえば両材料隆起部が、互いに異なる厚さを有することにより、冷却作用に影響を与えることができる。これにより、前記両拡張部は大小異なる大きさの半径を持って形成される。その場合、大きい半径を有する方の拡張部はピストンヘッドの、最大熱負荷の範囲に配置されていてよい。

本発明は、あらゆるピストンタイプおよびあらゆるピストン構造のために適していて、かついかなるピストン材料を用いても実現可能である。

以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。

本発明によるピストンの第１実施形態を示す部分断面図である。 本発明によるピストンの第２の実施形態の断面を示す斜視図である。 本発明によるピストンの第３の実施形態を示す部分断面図である。

図１には、本発明によるピストン１０の第１実施形態が示されている。ピストン１０は、単一部分から成る一体型のピストンであるか、または複数部分から成るピストンであってよい。ピストン１０は鋼材料および／または軽金属材料から製造されていてよい。図１には、例示的に本発明によるピストン１０の単一部分から成るピストンヘッド１１が図示されている。ピストンヘッド１１は、燃焼キャビティ１３を有するピストンクラウン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（冷却空洞）１６が設けられており、このクーリングチャンネル１６はクーリングチャンネル底部１７とクーリングチャンネル天井部１８とを備えている。ピストン１０はさらに自体公知の形式でピストンスカートを有する。ピストンスカートはピストンヘッド１１とワンピースに（一体に）形成されているか、または別個の構成部分として形成されていてよい。その場合、この別個のピストンスカートはピストンヘッド１１に自体公知の形式で固く結合されているか、またはたとえばアーティキュレートピストンの形式で結合されている（図示しない）。

本発明の図示の実施形態では、クーリングチャンネル１６が、横断面を狭められた環状の狭隘部２０を有する。狭隘部２０は本実施形態では、燃焼キャビティ１３に隣接したクーリングチャンネル壁に設けられた、正確に１つの材料隆起部２１によって形成されている。リング部１５に隣接した方のクーリングチャンネル壁２２は、本実施形態ではほぼ垂直に形成されている。このクーリングチャンネル壁２２は、軽度に斜め内側に向かって傾けられて、つまり燃焼キャビティ１３の方向に傾けられて形成されていてもよい。

クーリングチャンネル１６のクーリングチャンネル天井部１８は、ほぼ半球天井形もしくはドーム形に形成されている。狭隘部２０は本実施形態ではその最も狭い個所において、クーリングチャンネル底部１７とクーリングチャンネル天井部１８とからほぼ等しい間隔Ａを有している。その結果、冷却剤にはクーリングチャンネル天井部１８の範囲において、円形の矢印により示したように円を描くように回転する流れが付与されるので、冷却剤はピストンストローク１回当たり複数回、ピストンクラウン１２および燃焼キャビティ１３の範囲においてクーリングチャンネルの壁と相互作用することができる。この場合、低い温度の冷却剤が絶え間なく狭隘部２０によって加速されて後供給される。この効果を最適化するために、本実施形態では、ほぼドーム形のクーリングチャンネル天井部１８の最も広幅の個所における半径方向の寸法Ｂが、少なくとも狭隘部２０の半径方向の寸法ｂの２倍の寸法に等しくなるように、つまりＢ≧２×ｂとなるように設定されている。この場合には、高温の冷却剤はほとんど下方へ向かって流れることができないので、狭隘部２０を通ってクーリングチャンネル天井部１８の方向に向かう低温の冷却剤の流れが著しく妨げられることはない。

本発明によるピストン１０もしくはピストン上側部分であるピストンヘッド１１は、自体公知の形式で鋳造、鍛造、焼結等により製造されていてよい。図１に図示されているような一体型のピストン上側部分もしくはピストンヘッド１１においては、本発明により形成されたクーリングチャンネルを自体公知の形式で、塩中子を用いた鋳造により製造することができる。

図２には、本発明によるピストン１１０の第２実施形態が示されている。ピストン１１０は単一部分から成る一体型のピストンであるか、または複数部分から成るピストンであってよい。ピストン１１０は鋼材料および／または軽金属材料から製造されていてよい。図２には、例示的に本発明によるピストン１１０の単一部分から成るピストンヘッド１１１が図示されている。ピストンヘッド１１１は、燃焼キャビティ１１３を有するピストンクラウン１１２と、環状のトップランド１１４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１１５とを有している。リング部１１５の高さには、環状のクーリングチャンネル１１６が設けられており、このクーリングチャンネル１１６はクーリングチャンネル底部１１７とクーリングチャンネル天井部１１８とを備えている。ピストン１１０はさらに自体公知の形式でピストンスカートを有する。ピストンスカートはピストンヘッド１１１とワンピースに（一体に）形成されているか、または別個の構成部分として形成されていてよい。その場合、この別個のピストンスカートはピストンヘッド１１１に自体公知の形式で固く結合されているか、またはたとえばアーティキュレートピストンの形式で結合されている（図示しない）。

本発明の図示の実施形態では、クーリングチャンネル１１６が、横断面を狭められた環状の狭隘部１２０を有する。狭隘部１２０は本実施形態では、燃焼キャビティ１１３もしくはリング部１１５に隣接した両クーリングチャンネル壁に設けられた、正確に２つの、互いに向かい合って位置する材料隆起部１２１によって形成されている。

クーリングチャンネル１１６のクーリングチャンネル天井部１１８は、本実施形態では、その天頂部に、流れを分割する分流器１２３を有する。この分流器１２３は狭隘部１２０に対して真ん中に配置されている。クーリングチャンネル底部１１７に対する狭隘部１２０の間隔は、本実施形態では、クーリングチャンネル天井部１１８に対する狭隘部１２０の間隔とほぼ同じ大きさを有している。その結果、狭隘部１２０によって加速されて流れる冷却剤には、クーリングチャンネル天井部１１８の範囲において、互いに逆向きに円を描いた矢印により示されているように互いに逆向きに回転する２つの流れが付与されるので、冷却剤はピストンストローク１回当たり複数回、ピストンクラウン１１２および燃焼キャビティ１１３の範囲においてクーリングチャンネル１１６の壁と相互作用することができる。この場合、低い温度の冷却剤が絶えず狭隘部１２０によって加速されて後供給される。この効果を最適化するために、本実施形態では、クーリングチャンネル天井部１１８の最も広幅の個所における半径方向の寸法Ｂが、少なくとも狭隘部１２０の半径方向の寸法ｂの２倍の寸法に等しくなるように、つまりＢ≧２×ｂとなるように設定されている。この場合には、高温の冷却剤はほとんど下方へ向かって流れることができないので、狭隘部１２０を通ってクーリングチャンネル天井部１１８の方向に向かう低温の冷却剤の流れが著しく妨げられることはない。

この効果を最適化するために、本実施形態では、クーリングチャンネル天井部１１８の、前記分流器１２３に続いている範囲１１８ａ，１１８ｂの横断面が、円弧形または円形に形成されており、分流器１２３の横断面はＶ字形に形成されている。

本発明によるピストン１１０もしくはピストンヘッド１１１は、自体公知の形式で鋳造、鍛造、焼結等により製造されていてよい。図２に図示されているような一体型のピストンヘッド１１１においては、本発明により形成されたクーリングチャンネル１１６を自体公知の形式で、塩中子を用いた鋳造により製造することができる。ピストン上側部分もしくはピストンヘッド１１１が２つの部分から形成されていて、両部分が摩擦溶接により互いに結合されている場合には、摩擦溶接シームがクーリングチャンネル１１６を通って設置され得るので、狭隘部１２０を生ぜしめる、互いに向かい合って位置する材料隆起部１２１は、自体公知の形式で摩擦溶接過程中に発生するような摩擦溶接ビードにより形成され得る。

図３には、本発明によるピストン２１０の第３実施形態が示されている。ピストン２１０は単一部分から成る一体型のピストンであるか、または複数部分から成るピストンであってよい。ピストン２１０は鋼材料および／または軽金属材料から製造されていてよい。図３には、例示的に本発明によるピストン２１０の単一部分から成るピストンヘッド２１１が図示されている。ピストンヘッド２１１は、燃焼キャビティ２１３を有するピストンクラウン２１２と、環状のトップランド２１４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２１５とを有している。リング部２１５の高さには、環状のクーリングチャンネル２１６が設けられており、このクーリングチャンネル２１６はクーリングチャンネル底部２１７とクーリングチャンネル天井部２１８とを備えている。ピストン２１０はさらに自体公知の形式でピストンスカートを有する。ピストンスカートはピストンヘッド２１１とワンピースに（一体に）形成されているか、または別個の構成部分として形成されていてよい。その場合、この別個のピストンスカートはピストンヘッド２１１に自体公知の形式で固く結合されているか、またはたとえばアーティキュレートピストンの形式で結合されている（図示しない）。

本発明の図示の実施形態では、クーリングチャンネル２１６が、横断面を狭められた環状の狭隘部２２０を有する。この狭隘部２２０は本実施形態では、燃焼キャビティ２１３もしくはリング部２１５に隣接した両クーリングチャンネル壁に設けられた、正確に２つの、軸方向で互いにずらされて配置された材料隆起部２２１ａ，２２１ｂにより形成されている。これにより、クーリングチャンネル底部２１７の範囲には、燃焼キャビティ２１３に向かって延びる内側の拡張部２２４が形成される。さらに、クーリングチャンネル天井部２１８の範囲には、リング部２１５の最上位のリング溝とトップランド２１４とに向かって延びる外側の拡張部２２５が形成される。このことは、エンジン運転中に、ピストンヘッド２１１の、熱的に特に高度に負荷されたこれらの範囲、つまりピストンクラウン２１２が、燃焼キャビティ２１３およびトップランド２１４の範囲において極めて有効に冷却されることをもたらす。この冷却作用には、本実施形態では、材料隆起部２２１ａが、材料隆起部２２１ｂの厚さＤ２よりも大きく形成された厚さＤ１を有することによっても影響が与えられる。したがって、内側の拡張部２２４は、外側の拡張部２２５よりも大きな半径を有する。これにより、本実施形態では、エンジン運転中に燃焼キャビティの範囲が特に有効に冷却される。当然ながら、材料隆起部２２１ｂが材料隆起部２２１ａよりも大きな厚さを有していてもよい。その場合には、外側の拡張部２２５が、内側の拡張部２２４よりも大きな半径を有し、したがってピストンクラウン２１２およびトップランド２１４の範囲が特に有効に冷却される（図示しない）。

両拡張部２２４，２２５は、構造的な手段の枠内において、図３に一点鎖線で示したように、半径方向内側もしくは半径方向外側に向かって任意の距離に延びていてよい。

クーリングチャンネル天井部２１６のクーリングチャンネル底部２１７とクーリングチャンネル天井部２１８とは、ほぼドーム形に形成されている。狭隘部２２０は本実施形態では、その最も狭い個所において、クーリングチャンネル底部２１７とクーリングチャンネル天井部２１８とからほぼ等しい間隔Ａを有する。その結果、冷却剤にはクーリングチャンネル底部２１７の範囲と、クーリングチャンネル天井部２１８の範囲とにおいて、逆時計回りの方向で円を描くように回転する流れが付与される（円形の矢印参照）。したがって、冷却剤はピストンストローク１回当たり複数回、ピストンクラウン２１２および燃焼キャビティ２１３の範囲においてクーリングチャンネルの壁と相互作用することができる。このときに、低い温度の冷却剤は常時、狭隘部２２０によって加速されかつ後供給される。この効果を最適化するために本実施形態では、内側の拡張部２２４もしくは外側の拡張部２２５のそれぞれ最も広幅の個所における半径方向の寸法Ｂが、少なくとも狭隘部２２０の半径方向の寸法ｂの２倍に等しくなるように、つまりＢ≧２×ｂとなるように形成されている（図３に外側の拡張部２２５の例につき示す）。この場合には、高温の冷却剤はほとんど下方へ向かって流れることができないので、狭隘部２２０を通ってクーリングチャンネル天井部２１８の方向に向かう低い温度の冷却剤の流れが著しく妨げられることはない。ピストンクラウン２１２の範囲は有効に冷却される。それと同時に、低い温度の新しい冷却剤の一部が、狭隘部２２０を通って上方へ向かって流れる代わりに、クーリングチャンネル底部の範囲において円形の流れを成して循環し、この場合、この冷却剤は、クーリングチャンネル天井部２１８の範囲からの逆流する高温の冷却剤によって過剰に加熱されることはないので、燃焼キャビティ２１８の範囲も有効に冷却される。

本発明によるピストン２１０もしくはピストンヘッド２１１は、自体公知の形式で鋳造、鍛造、焼結等によって製造されていてよい。図３に図示されているような一体型のピストンヘッド２１１には、本発明において形成されたクーリングチャンネル２１６を、自体公知の形式で塩中子を用いて鋳造により製造することができる。

Claims (8)

1. 内燃機関用のピストン（１１０）であって、
   ピストンヘッド（１１１）とピストンスカートとを備え、
   ピストンヘッド（１１１）は、燃焼キャビティ（１１３）を有するピストンクラウン（１１２）と、環状のリング部（１１５）と、該リング部（１１５）の範囲に、環状のクーリングチャンネル（１１６）と、を有し、
   該クーリングチャンネル（１１６）は、クーリングチャンネル底部（１１７）とクーリングチャンネル天井部（１１８）とを備えている、内燃機関用のピストン（１１０）において、
   前記クーリングチャンネル（１１６）が、
   横断面を狭められたチャンネル部分である狭隘部（１２０）と、
   前記クーリングチャンネル底部（１１７）を有する、前記狭隘部（１２０）に連通して設けられた第１の拡張部であって、該第１の拡張部の最も広幅の個所において、前記狭隘部（１２０）の半径方向寸法（ｂ）よりも大きな半径方向寸法を有する第１の拡張部と、
   前記クーリングチャンネル天井部（１１８）を有する、前記狭隘部（１２０）に連通して設けられた第２の拡張部であって、該第２の拡張部の最も広幅の個所において、前記狭隘部（１２０）の半径方向寸法（ｂ）よりも大きな半径方向寸法（Ｂ）を有する第２の拡張部と、を有しており、
   前記狭隘部（１２０）は、２つのクーリングチャンネル壁に設けられた、互いに向かい合って位置する２つの材料隆起部（１２１）により形成されており、前記クーリングチャンネル天井部（１１８）の天頂部が分流器（１２３）を有し、該分流器（１２３）は前記狭隘部（１２０）に対して真ん中に配置されていることを特徴とする、内燃機関用のピストン。
2. 前記クーリングチャンネル天井部（１１８）の、前記分流器（１２３）に続いている範囲（１１８ａ，１１８ｂ）の横断面が、円弧形に形成されている、請求項１記載のピストン。
3. 前記分流器（１２３）の横断面が、Ｖ字形に形成されている、請求項１又は２記載のピストン。
4. 前記第１の拡張部及び／又は前記第２の拡張部の最も広幅の個所における半径方向寸法（Ｂ）が、少なくとも前記狭隘部（１２０）の半径方向寸法（ｂ）の２倍に等しい、請求項１から３までのいずれか１項記載のピストン。
5. 前記狭隘部（２０，１２０，２２０）は、前記クーリングチャンネル底部（１７，１１７，２１７）から、ピストンの軸方向で見て、前記クーリングチャンネル（１６，１１６，２１６）の高さの少なくとも１／３に相当する間隔を有する、請求項１から４までのいずれか１項記載のピストン。
6. 前記狭隘部（２０，１２０，２２０）は、前記クーリングチャンネル底部（１７，１１７，２１７）から、ピストンの軸方向で見て、前記クーリングチャンネル（１６，１１６，２１６）の高さの最大でも２／３に相当する間隔を有する、請求項１から５までのいずれか１項記載のピストン。
7. 前記狭隘部（２０，１２０，２２０）は、前記クーリングチャンネル底部（１７，１１７，２１７）と前記クーリングチャンネル天井部（１８，１１８，２１８）とからほぼ等しい間隔（Ａ）を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載のピストン。
8. 前記狭隘部（２０，１２０，２２０）は、環状の狭隘部（２０，１２０，２２０）として形成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のピストン。

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