JP6392221B2 - 油冷通路を有するピストンおよびその構成方法 - Google Patents

Description

関連する出願との相互参照
本願は、２０１２年７月２０日に提出された米国仮出願連続番号第６１／６７４，１２０号の利益を主張し、その全体を引用によってここに援用する。

発明の背景
１．技術分野
本発明は、概して内燃機関に関し、特にピストンおよびそれらの構成方法に関する。

２．関連する技術
エンジンの製造業者は、限定はしないが燃費の向上、燃料燃焼の向上、油消費の削減、車両内での熱のその後の使用のための排気温度の上昇、シリンダボア内での圧縮負荷の増大、軽量化、およびエンジンの小型化を含む、エンジン効率と性能とを向上させるための要求の増大に直面している。従って、エンジンの燃焼室内の温度および圧縮負荷を増大させることが望ましい。しかしながら、燃焼室内の温度および圧縮負荷を増大させることによって、特にピストンの動作温度が２４０〜２７０℃を上回るとピストンに対する摩耗および物理的な要求が増大し、それにより、その潜在的な耐用寿命が縮まる。昇温が懸念される特定の領域は、ピストンの上側燃焼面に沿い、かつピストンの下冠領域などのピストンの内部領域内にある。

従って、油ポンプ領域からピストンの下冠領域へと圧力をかけて油を上方に強制的に導く電動油ポンプシステムを介して、下冠領域の冷却を促進することが知られている。既知の機械的なポンプまたは電動ポンプは、ピストンの動作温度を下げると効果的となり得るが、費用がかかる。典型的に、電動ポンプは、典型的な６気筒高馬力エンジンでは約２〜３ｋＷのエネルギを必要とし、より大きなエンジンではさらに多くのエネルギが必要となる。そのため、電動ポンプは、エンジンに対して寄生損失を招き、ひいてはエンジン性能の低下、エンジン効率の低下、および燃費の低下を招く。

開示を読み図面を見ると当業者にとっては明らかとなるように、本発明に従って構成されたピストンは、少なくとも既知のピストン冷却システムの前述の欠点を克服する。

発明の概要
発明の一局面に従って構成された内燃機関のためのピストンは、製造において経済的であり、長い耐用寿命を呈する。ピストンは、上側燃焼面と、下冠領域を包囲する環状の冷却空洞とを有するピストン本体を備え、外壁が上側燃焼面から懸架し、環状リングベルト領域が上側燃焼面に隣接して外壁に形成される。リングベルト領域は、その中に形成された少なくとも１本のリング溝を有する。少なくとも１本の油路が、少なくとも１本のリング溝から冷却空洞に延在する。油路は、少なくとも１本のリング溝から径方向内方に懸架する第１の部分と、第１の部分から冷却空洞に径方向内方に上昇する第２の部分とを有する。

発明のさらなる局面によれば、冷却空洞は底面を有し、油路は、底面を通って延在する。

発明のさらなる局面によれば、油路は、冷却空洞の底面から冷却空洞内に上方に延在する管状部材を含む。

発明の別の局面によれば、座ぐりが冷却空洞の底面から懸架し、管状部材が座ぐりに固定される。

発明のさらに別の局面によれば、ピストン本体は、下側部品に固定された上側部品を含み、油路は完全に下側部品に形成される。

発明のさらに別の局面によれば、ピストン本体は、単一の一体構造の材料片として構成される。

発明のさらに別の局面によれば、第１の部分は、外壁の周りに延在する環状溝として形成される。

発明のさらに別の局面によれば、第２の部分は、外壁を通って冷却空洞内へと延在し、第１の部分と交差する貫通孔として形成される。

発明の別の局面によれば、プラグが外壁に隣接して貫通孔内に配置されて、第２の部分を流れる油が冷却空洞を迂回することを防ぐ。

発明のさらに別の局面によれば、内燃機関のためのピストンを構成する方法が提供される。当該方法は、上側燃焼面と、下冠領域を包囲する環状の冷却空洞とを有するピストン本体を形成することを含み、環状リングベルト領域が上側燃焼面から懸架する。さらに、リングベルト領域に油リング溝を形成する。またさらに、油リング溝から径方向内方に懸架する油路の第１の部分と、冷却空洞の第１の部分から径方向内方に上昇する第２の部分とを形成することによって、油リング溝から冷却空洞に延在する少なくとも１本の油路を形成する。

発明の別の局面によれば、当該方法は、冷却空洞の底面を通って延在する油路を形成することをさらに含むことができる。

発明の別の局面によれば、当該方法は、冷却空洞の底面から上方に延在する管状部材を有する油路の一部分を形成することをさらに含むことができる。

発明の別の局面によれば、当該方法は、冷却空洞の底面へと延在する座ぐりに管状部材を固定することをさらに含むことができる。

発明の別の局面によれば、当該方法は、上側部品を下側部品に固定することによってピストン本体を形成することをさらに含むことができ、上側部品および下側部品は冷却空洞に接し、少なくとも１本の油路は、完全に下側部品に形成される。

発明の別の局面によれば、当該方法は、ピストン本体を一体構造の材料片として形成することをさらに含むことができる。

発明の別の局面によれば、当該方法は、外壁を通って冷却空洞へと延在する貫通孔として第２の部分を形成することと、外壁に隣接して貫通孔にプラグを配置することとをさらに含むことができる。

発明の別の局面によれば、当該方法は、外壁の外周縁の周りに延在する環状溝として第１の部分を形成することをさらに含むことができる。

図面の簡単な説明
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最良のモードについての以下の詳細な説明、添付の請求項、および添付図面に関連して考慮されると、より容易に十分に理解される。

発明の一局面に従って構成されたピストンの斜視図である。 図１のピストンの部分断面図である。 発明の別の局面に従って構成されたピストンの図１Ａと同様の図である。 発明の別の局面に従って構成されたピストンの図１Ａと同様の図である。 発明の別の局面に従って構成されたピストンの図１Ｂと同様の図である。 図１Ａの円２で囲まれた概略的な領域の拡大断面図である。

現在好ましい実施例の詳細な説明
図面をより詳細に参照して、図１は、たとえば高性能車両および大型トラックにおいて使用されるような新世代高性能ガスまたはディーゼルエンジンなどの内燃機関のシリンダボアまたはチャンバ（図示せず）における往復運動のために発明の一局面に従って構成されたピストン１０を例示する。ピストン１０は、一体構造の単一の材料片であるかもしくは互いに固定された多数の材料片であるかにかかわらず、鋳造もしくは鍛造された、またはピストンを構成する際に既知のいずれかの他の製造工程によって形成された本体１２を有し、本体１２はピストン１０がそれに沿ってシリンダボア内を往復する中心長手軸線１４に沿って延在する。本体１２は、図１Ａに最も良く例示されているように、上側冠１６とも称される頂部と、下側冠１８とも称される底部とを含む２つの部分を有し、それらは、溶接法、たとえば摩擦溶接工程などによって、たとえば摩擦溶接継手または継手１７および１９に沿って互いに固定して接合されている。本明細書における「鉛直方向」、「頂部」、「底部」、「上側」、および「下側」という言及は、ピストン１０が使用の際にそれに沿って往復する鉛直方向の長手中心ピストン軸線１４に沿って方向付けされているピストン１０を基準とする。これは、相対的な構造体位置を説明するための便宜上のものであって、ピストンは傾斜して、または純粋に鉛直方向以外で設置され、作動し得ることが可能であるため、限定するものではない。下側冠１８は、上側冠１６から離れて延在して横方向に離間されたピンボア２２をもたらす１対のピンボス２０を有する。ピンボア２２は、中心長手軸線１４を概ね横切って延在するピンボア軸線２４に沿って整列される。ピンボス２０は、支柱部分２８を介して正反対に離間されたスカート部分２６に接合される。上側冠１６は上側燃焼面３０を有し、上側燃焼面３０は、燃焼ボウル３２が窪められて所望のガス流をシリンダボアに供給するものとして示される。本体１２は、上側燃焼面３０から懸架する、円筒状または実質的に円筒状の外壁３４を有し、外壁３４は、上側燃焼面３０に直接隣接した、鉛直方向に延在する上側ランド３６と、上側燃焼面３０に隣接し、かつ上側燃焼面３０および上側ランド３６から鉛直方向に懸架する、外壁３４に形成されたリングベルト領域３８とを含む。環状のトロイド形状の冷却空洞４０がリングベルト領域３８から径方向内方に、かつリングベルト領域３８と径方向に整列して形成される。冷却空洞４０は、上側燃焼面３０の直下に配置される下冠領域４２のまわりに延在し、かつ下冠領域４２を周方向に包囲する。リングベルト領域３８には、圧縮リング溝４４、ワイパリング溝４６、および最下方の油リング溝４８を含む複数のリング溝として示される少なくとも１本のリング溝が形成されている。少なくとも１本の油路５０が油リング溝４８から冷却空洞４０に連続的に延在する。

図１Ａに最も良く示されるように、油路５０は、油リング溝４８から径方向内方に懸架する（下方に延在する）第１の部分５２と、第１の部分５２から直接冷却空洞４０に径方向内方に上昇する（上方に延在する）第２の部分５４とを含む、連続した途切れない通路として形成される。従って、油路５０は連続した直線経路に従わず、したがって、油路５０によって形成された下方および上方に延在する経路が、ピストン１０の上方および下方への往復運動に応じて発生される静水圧油圧波によって、シリンダ壁からこすり落とされた油を冷却空洞４０に流す。従って、油路５０を介して冷却空洞４０と下冠領域４２とに十分な油が供給されることが保証され、機械的または電気的に始動される油ポンプから油を供給する必要なく、ピストン１０の所望の動作温度を、所望のピストン用途と整合した温度に維持する。しかしながら、このようにこすり落とされた油は、既存のポンピング機構によって供給される、より少ない流れを補うために使用することもできる。全流量パワー吸収は、単一の機械的または電気的な冷却油供給よりも小さく、それにより、エンジンの走行効率および走行性能を最大化する。

上側冠１６は、限定はしないが例として、燃焼ボウル３２の下面から、内側自由端とも称する内側の上側接合面に懸架する環状内側リブ５６を有するものとして示される。上側冠１６は、壁面３４の一部分として形成された環状の外側リブ５８も有し、外側リブ５８は外側上方接合面まで懸架し、外側自由端とも称される。圧縮リング溝４４が上側冠１６に形成されるものとして示され、他の溝４６および４８が下側冠１８に形成されるものとして示される。

下側冠１８は、限定はしないが例として、鍛造工程などにおいて上側冠１６とは別個に構成される。下側冠１８は、直立した環状外側リブ６０とも称される少なくとも１つの直立した環状の外側下方接合面を介して上側冠１６に接合され、直立の環状内側リブ６２を介して上側冠１６にも接合されるものとしても示される。上側および下側冠１６，１８を、それぞれの外側リブ５８，６０および内側リブ５６，６２を横切って、限定はしないが例として摩擦溶接などで互いに溶接すると、実質的に閉じた外側油孔４０は、上側および下側冠１６，１８のリブ５６，５８，６０，および６２と、シーリングとも称される燃焼ボウル３２の上部壁部分６４と、さらに下側冠１８の一部として形成されるものとして示される冷却空洞４０の最下方の床面６６とに接する。さらに、上側および下側冠１６，１８を互いに接合すると、冷却空洞４０から径方向内方に位置する下冠領域４２の中心部分の下のピンボア２２から上方に、開いた内側空洞６８が形成される。発明に従って構成されたピストン１０は、たとえば、異なる構造の油孔を有する、他の方法で形成された上側および下側冠部分を有し得ることが認識されるべきである。さらに、下側冠１８は、例として、ワイパリング溝４６と、油リング７０（図２）を収容するための最下方の油リング溝４８とを含むことによって、リングベルト領域３８の下側部分を形成するものとして示される。しかしながら、所望であれば、これらのリング溝４６および４８を上側冠１８内に形成することができることが認識されるべきである。またさらに、図１Ｂに示されるように、上述したのと同様の構造体を、上記で使用したものと同じ参照符号に１００の位を付して表す。発明の別の局面に従って構成されたピストン１１０は、一体構造の材料片として形成され、それにより単一の材料片であるピストン本体１１２を形成することができる。もちろん、ピストン本体１１２は、上述したすべて同じリング溝１４４，１４６，１４８、ならびに上述した冷却空洞１４０と第１および第２の部分１５２，１５４とを含む油路１５０を含む。そのため、一体構造のピストン本体１１２に関するさらなる議論は不要である。

油路５０は、完全に下側冠１８内に形成されるものとして図１Ａに示される、交差する第１および第２の部分５２，５４を含み、したがって、第１および第２の部分５２，５４は、上側および下側冠１６，１８を互いに固定する前に形成することができる。第１の部分５２は、環状溝、チャネルまたは凹部として油リング溝４８の底面に機械加工され、したがって、第１の部分５２は、油リング溝４８と直接流体連通して油リング溝４８の下方で軸方向に延在する。そのため、第１の部分５２は、リングベルト領域３８の全外周縁の周りに延在し、ピストン１０の上方へのストローク中などに油リング７０によってこすり落とされた油は、下側冠１８の全外周縁の周りに延在する第１の部分５２へと下方に流される。第１の部分５２から、油は次いで、ピストン１０の下方へのストローク中などに、油路５０の第２の部分５４を通り冷却空洞４０へと上方に流される。第２の部分５４は、円筒壁３４の外面を通って冷却空洞４０へと上方かつ径方向内方に延在する穴として、穿孔工程などにおいて形成され、第２の部分５４は、交点７１において第１の部分５２と交差する。従って、第１および第２の部分５２，５４は、互いと流体連通する。外壁３４の外面を通って、かつ冷却空洞４０の床面６６を通って延在する貫通孔として第２の部分５４が形成されるため、プラグ７２が、円筒壁３４の外面に直接隣接する貫通孔の場所にしまり嵌め（press fit）で配置される。そのため、プラグ７２は、外壁３４の外面と、第１および第２の部分５２，５４の交点７１との間にある。そのため、油路５０内を流れる油は、円筒壁３４から外方に貫通孔の下側部分から出ることが妨げられ、したがって、一旦油が第１の部分５２に集められると、油は第２の部分５４を通って冷却空洞４０内へと上方に必ず流れ続ける。一旦冷却空洞４０に入ると、油はカクテルシェーカ状に振動され、それにより冷却空洞４０と接するすべての表面を冷却する。冷却空洞４０内で油が振動されるため、油は次いで、冷却空洞４０から油穴またはポート７４を通って内側空洞６８へと外方に流される。そのため、油は下冠領域４２を冷却し、ピンボス２０、ピンボア２２、およびコネクティングロッドの小端を含む、ピストン１０の最も内側の領域に注油することがさらに可能である。

冷却空洞４０から内側冷却空洞６８に油を流すことを容易にし、かつ冷却空洞４０から油路５０を通って油が戻るように流れるのを抑制するため、第２の部分５４から外方に延在するように、第２の部分５４内に管状部材７６が固定される。限定はしないが例として、管状部材７６は、床面６６から第２の部分５４に延在する拡大した座ぐり７８に配置されるものとして示され、それにより、管状部材７６の内径を第２の部分５４の内径と同じかまたは実質的に同じとすることができ、したがって第２の部分５４を通るチャンバ４０への油の流れを最大限にする。第１の部分５２へのこすり落としおよび油収集を最大限にすることになる油入口５０に、幾何学的な構造体を設計することができる。図１Ａの実施例では、管状部材７６は第２の部分５４の直径よりも外径が大きいことから第２の部分５４を通って延在させることが可能ではないため、管状部材７６は、上側および下側冠１６，１８を互いに固定する前に座ぐり７８内に固定される。図１Ｂの実施例では、貫通孔によって形成された第２の部分１５４と冷却空洞１４０とに管状部材１７６を押し込むことができ、したがって、管状部材１７６は、第２の部分１５４内にしまり嵌めまたは中間嵌め（line-to-line fit）を有して設けられる。管状部材７６は、底面６６から上方に、かつ第２の部分５４から外方に、中心長手軸線１４に対して傾斜した関係で、約１．０〜５．０ｍｍ、好ましくは約２．０〜４．０ｍｍの間などの所定の距離Ｘ延在する。そのため、管状部材７６が貯留された油の上を延在するため、冷却空洞４０の床面６６に沿ったいずれかの油溜まりは、油路５０を通って戻るように流れることはできない。同様の作用を実現する別の手段は、突起７６′，１７６′が床面６６と一体構造の材料片となるように、図１Ｃおよび図１Ｄにそれぞれ示されるようにピストン１０′，１１０′において局所的な突起７６′，１７６′を床面６６上に鍛造し、突起７６′，１７６′を通って穿孔し、それによりピストン１０′，１１０′のそれぞれの部品１８，１１２との一体構造の材料片として管状部材７６を設けることである。従って、油流経路は一方向であって、第２の部分５４を通って冷却チャンバ５４内に流れ、逆方向には流れず、それにより、油が油ポート７４を通って冷却空洞４０から流れ出る前に冷却空洞４０内に所望の冷却量が提供されることが保証される。

発明の別の局面によれば、内燃機関のためのピストン１０を構成する方法が提供される。当該方法は、上側燃焼面３０と下冠領域４２を包囲する環状の冷却空洞４０とを有するピストン本体１２を形成することを含み、環状リングベルト領域３８が上側燃焼面３０から懸架する。さらに、リングベルト領域３８において環状の油リング溝４８を形成する。またさらに、油リング溝４８から径方向内方に懸架する油路５０の第１の部分５２と、第１の部分５２から冷却空洞４０に径方向内方に上昇する第２の部分５４とを形成することによって、油リング溝４８から冷却空洞４０に延在する少なくとも１本の油路５０を形成する。当該方法はさらに、リングベルト領域３８の全周縁の周りに延在する環状チャネルとして第１の部分５２を形成することを含む。

方法は、発明の別の局面によれば、冷却空洞４０の底面６６を通って油路５０を形成することをさらに含むことができる。またさらに、発明のさらに別の局面によれば、当該方法は、冷却空洞４０の底面６６から冷却空洞４０内へと所定の距離上方に延在する管状部材７６を有する油路５０の一部分を形成することをさらに含むことができる。またさらに、発明のさらに別の局面によれば、当該方法は、冷却空洞４０の底面６６へと延在する座ぐり７８に管状部材７６を固定することを含むことができる。

当該方法は、上側部品１６を下側部品１８に固定することによってピストン本体１２を形成することをさらに含むことができ、上側および下側部品１６，１８は冷却空洞４０と接し、下側部品１８において油路５０を形成する。

当該方法は、発明の別の局面によれば、ピストンヘッドの周縁の周りに連続的に延在する環状溝として第１の部分５２を形成することをさらに含む。

当該方法は、発明の別の局面によれば、穿孔動作などにおいて穴として第２の部分５４を形成することをさらに含む。またさらに、当該方法は、対向する端部において開口する貫通孔として第２の部分５４を形成し、次いで、円筒壁３４の外面に隣接する端部のうち一方を、第１の部分５２の下方でプラグ７２によって塞ぐことを含む。

当該方法は、ピストン本体１１２を一体構造の材料片として形成することをさらに含むことができる。

従って、上述しかつ例示したピストン１０，１１０を含むエンジンは、含まれる場合は電動油ポンプによるエネルギの消費の必要性を大幅に低下させ、特定のピストン用途と整合する動作温度未満にピストンを効果的に冷却することが認識されるべきである。これは、油路５０の存在により、ピストン１０，１１０を冷却するために油ポンプにかかる負担の減少に起因する。さらに、いくつかのエンジンでは、電力を消費する油ポンプの必要性を完全になくすことができ、油路５０は、ピストン１０，１１０を２４０〜２７０℃未満の動作温度に維持することのみを担うことができることが認識されるべきである。

明らかに、本発明の多くの修正および変更が上記の教示に照らして可能である。したがって、添付の請求項、および最終的に許可されるいずれかのさらなる請求項の範囲内において、具体的に記載された以外のやり方で発明が実施され得ることが理解されるべきである。

Claims (19)

1. 内燃機関のためのピストンであって、
   上側燃焼面と、下冠領域を包囲する環状の冷却空洞とを有するピストン本体を備え、外壁が前記上側燃焼面から懸架し、環状リングベルト領域が前記上側燃焼面に隣接して前記外壁に形成され、前記リングベルト領域は、その中に形成された少なくとも１本のリング溝を有し、さらに、
   前記少なくとも１本のリング溝から前記冷却空洞に連続的に延在する少なくとも１本の油路を備え、前記少なくとも１本の油路は、前記少なくとも１本のリング溝から径方向内方に懸架する第１の部分と、前記第１の部分から直接前記冷却空洞に径方向内方に上昇する第２の部分とを有し、
   前記冷却空洞は底面を有し、前記少なくとも１本の油路は、前記底面を通って延在し、
   前記少なくとも１本の油路は、前記底面から上方に延在する管状部材を含む、ピストン。
2. 前記底面は、前記少なくとも１本の油路に沿ってその中を延在する座ぐりを有し、前記管状部材は、前記座ぐりに固定される、請求項１に記載のピストン。
3. 前記管状部材は、前記底面との一体構造の材料片である、請求項１に記載のピストン。
4. 前記ピストン本体は、下側部品に固定された上側部品を含み、前記少なくとも１本の油路は、前記下側部品に形成される、請求項１に記載のピストン。
5. 前記冷却空洞から前記下冠領域に延在する油ポートをさらに含む、請求項１に記載のピストン。
6. 前記ピストン本体は、一体構造の材料片である、請求項１に記載のピストン。
7. 前記第２の部分は、前記外壁を通って前記冷却空洞内へと延在する貫通孔として形成され、前記外壁に隣接して前記貫通孔に配置されたプラグをさらに含む、請求項１に記載のピストン。
8. 前記第１および第２の部分は交点において互いに交差し、前記プラグは、前記交点と前記外壁との間にある、請求項７に記載のピストン。
9. 前記第１の部分は、前記外壁の周りに延在する環状溝として形成される、請求項１に記載のピストン。
10. 前記第２の部分は、前記外壁を通って前記冷却空洞内へと延在し、前記第１の部分と交差する貫通孔として形成される、請求項９に記載のピストン。
11. ピストンを構成する方法であって、
    上側燃焼面と、下冠領域を包囲する環状の冷却空洞とを有するピストン本体を形成することを含み、外壁は、前記上側燃焼面から懸架する環状リングベルト領域を含み、さらに、
    前記リングベルト領域にリング溝を形成することと、
    前記リング溝から径方向内方に懸架する油路の第１の部分と、前記第１の部分から前記冷却空洞に径方向内方に上昇する第２の部分とを形成することによって、前記リング溝から前記冷却空洞に連続的に延在する少なくとも１本の油路を形成することと、
    前記冷却空洞の底面を通って延在する前記油路を形成することと、
    前記冷却空洞の前記底面から上方に延在する管状部材を有する前記油路の一部分を形成することとを含む、方法。
12. 前記冷却空洞の前記底面へと延在する座ぐりに前記管状部材を固定することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記底面との一体構造の材料片として形成された突起を通って延在する前記管状部材を形成することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
14. 上側部品を下側部品に固定することによって前記ピストン本体を形成することをさらに含み、前記上側部品および前記下側部品は前記冷却空洞に接し、前記少なくとも１本の油路は、完全に前記下側部品に形成される、請求項１１に記載の方法。
15. 前記ピストン本体を一体構造の材料片として形成することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
16. 前記冷却空洞から前記下冠領域に延在する油ポートを形成することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
17. 前記外壁を通って前記冷却空洞へと延在する貫通孔として前記第２の部分を形成することをさらに含み、前記外壁に隣接して前記貫通孔にプラグを配置することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
18. 前記外壁の外周縁の周りに延在する環状溝として前記第１の部分を形成することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
19. 前記外壁を通って前記冷却空洞へと延在し、前記第１の部分と交差する貫通孔として前記第２の部分を形成することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。

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