JP6527203B2 - 冷却空洞が改善されたピストン - Google Patents

Description

発明の背景
１．技術分野
本発明は、概して内燃機関に関し、より特定的には内燃機関のためのピストンに関する。

２．関連技術
エンジン製造者は、燃費の改善、燃料燃焼の改善、オイル消費量の削減、車両内で熱を継続使用するための排気の高温化、シリンダボア内の圧縮負荷の上昇、軽量化およびエンジンの小型化を含むがこれらに限定されないエンジン効率および性能を改善すべきとの要求の高まりに直面している。したがって、エンジンの燃焼室内で温度および圧縮負荷を上昇させることが望ましい。しかしながら、燃焼室内で温度および圧縮負荷を上昇させることにより、ピストンに対する摩耗および物理的負荷が大きくなり、これにより、その潜在的な耐用年数が短くなってしまう。特に懸念される分野として、上部燃焼面領域およびピストンのピストンリング領域内での過度な発熱およびそれに付随する摩耗が挙げられる。

本発明に従って構成されたピストンは、本開示を読み、添付の図面を参照すると当業者に明らかになるように、現代の高性能エンジンにおいて生じる過度の熱に良好に耐えることができる。

発明の概要
内燃機関のためのピストンが提供される。ピストンは、筒状の外面を有する本体を含み、外面内に延在する環状の最上リング溝と下方リング溝とを有する。トップランドは、最上リング溝から上部燃焼面へ延在する。本体は、ピンボア軸に沿って互いに並んだピンボアを有する一対のピンボスを有する。第１のピストンリングが最上リング溝内に配置され、第２のピストンリングが下方リング溝内に配置される。本体は、環状の封止冷却空洞を有し、そこに冷却媒体が収容される。封止冷却空洞は、第１のピストンリングと第２のピストンリングとの間に実質的に径方向に並んで構成される。このようなことから、封止冷却チャンバは、そこに収容される冷却媒体による上部燃焼面およびリングベルト領域に対する冷却効果を最適化するように構成される。このため、ピストンの耐用年数を改善することができる。

本発明のこれらおよび他の局面、特徴および利点は、現在好ましい実施形態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ならびに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のピンボア軸に概ね交差する線に沿った断面図である。 ピンボア軸に概ね沿った図１のピストンを示す断面図である。 本発明の一局面に従って構成されるピストンのピンボア軸に概ね交差する線に沿った断面図である。

現在好ましい実施形態の詳細な説明
図面をより詳細に参照すると、図１および図２は、たとえば、コンパクトで高性能な現代の車両エンジンなどの内燃機関のシリンダボアにおいて往復運動させる、本発明の現在好ましい一局面に従って構成されたピストン１０の断面図を示す。ピストン１０は本体１２を有する。この本体１２は、単一の一体型の鋳込材料などでできたものであるかまたは鍛造材料もしくはビレット材料から形成されているが、これは一例であって、これに限定されるものではない。この本体１２は、中心の長手方向軸１３に沿って延在し、この中心の長手方向軸１３に沿って、ピストン１０がシリンダボアにおいて往復運動する。本体１２は上部燃焼壁１４を有する。この上部燃焼壁１４は、その一方側に、シリンダボア内で燃焼ガスに直接晒されるように構成された上部燃焼面１６と、その反対側に、上部燃焼面１６の一部の軸方向下方に位置する下クラウン面１８とを有する。ピストン本体１２はまた、概して筒状の外壁２０を含む。この筒状の外壁２０は、上部燃焼面１６から、この上部燃焼面１６に直接隣接するリングベルト領域２２上にわたって垂下する筒状の外面２１を有する。リングベルト領域２２は、最上リング溝２３と、最下リング溝２４として示される下方リング溝とを含む。リング溝２３，２４の各々は、それぞれ第１および第２のピストンリング２６，２７を受けるように構成される。さらに、ピストン本体１２は、内部に冷却媒体３０を配置および収容する閉じられた冷却空洞２８を有するよう形成される。冷却空洞２８は、径方向内側に構成され、リングベルト領域２２と実質的に径方向に並んでいる。冷却空洞２８は、本発明に従って構成され、上部燃焼面１６およびリングベルト領域２２からシリンダーライナーおよびエンジンブロックへの熱の伝達を改善する。このため、上部燃焼壁１４およびリングベルト領域２２で生じる熱は、最終的にシリンダーライナーおよびエンジンブロックへ伝達され、これによって、ピストン１０の動作温度の低下が促され、ピストン１０の耐用年数が改善される。

冷却媒体３０は、もっぱら、ピストン１０の動作温度では液体となる金属冷却材として提供することができる。所望される伝熱係数を考慮に入れて如何なる好適な軽量金属材料が用いられてもよい。さらに、冷却媒体３０は、銅またはアルミニウムなどの粉末金属と混ぜ合わされた液体金属として提供することができる。特に冷却媒体３０の熱伝達特性を高めることが望ましい場合、金属粉末を添加することができる。さらには、典型的には工業用途で熱交換のために用いられるような熱伝達液を用いることができる。

図２に最もよく示されるように、ピストン本体１２は一対のピンボス３２を有する。これら一対のピンボス３２は下クラウン面１８から垂下して、横方向に間隔を空けて配置されたピンボア３４を形成する。これらピンボア３４は、中心の長手方向軸１３に概ね交差するよう延在するピンボア軸３６に沿って同軸に並んでいる。これらピンボス３２は、横方向に間隔を空けて配置されたスカート部分３８に接合される。これらスカート部分３８は、互いから直径方向に間隔を空けてピンボア軸３６の両側に配置されており、シリンダボア内でピストン１０が往復運動する際にこのピストン１０をその所望の向きで維持し易くするために当該シリンダボア内で摺動運動させるための輪郭を有する凸状外面４０を有する。

上部燃焼面１６は、凹んだ燃焼ボウル４２を有するものとして示される。この燃焼ボウル４２は、上昇した中心頂部４５まわりを延在する最下環状谷部４３へ上部燃焼面１６の平坦な最上部分から垂下し、シリンダボア内に所望のガス流をもたらす。少なくとも一部が燃焼ボウル４２に起因して、ピストン本体の材料の比較的薄い領域が燃焼ボウル４２と冷却空洞２８と下クラウン面１８との間に形成される。

外壁２０は、リングベルト領域２２の最大直径Ｄ２よりも減少した直径Ｄ１を有する上部燃焼面１６から下方向に延在し、上部ランド領域４４から垂下するものとして示されるが、これは一例であって限定ではない。このようなことから、環状の間隙または空間４６
は、外面２１とシリンダーライナーとの間の概してＬ字形状の第１のピストンリング２６の第１の部分４８を受けるために設けられる。直径Ｄ１は、ピストンリング２６の第１の部分４８が上部ランド領域４４とシリンダ―ライナーとの間を自由に浮動して、その所望の摺動の向きを自動的に見出すことができるように、大きさが設定される。さらに第１のピストンリング２６を収容および配置するために、環状のリング溝２３は、直径が減少した上部ランド領域４４の外壁２０へ径方向内側に延在し、リング溝２３は、概してＬ字形状の第１のピストンリング２６の横方向に延在する第２の部分５０を受けるために大きさが設定される。リング溝２３は、第１のピストンリング２６の第２の部分５０がその中で自由に浮動してピストン１０の往復動作時にさらにピストンリング２６がその所望の摺動の向きを自動的に見出すことができるように、大きさが設定される。

概してＬ字形状の第１のピストンリング２６において、第１の部分４８は、Ｌ字形状構成の直立した脚部または垂直に延在した脚部を提供し、第２の部分５０は、Ｌ字形状構成の横方向に延在した脚部または水平方向に延在した脚部を提供する。上述のように、第１の部分４８は、環状空間４６内に受けられ、第２の部分５０は、リング溝２３内に受けられる。

第２のピストンリング２７は、第１のピストンリング２６から軸方向の下方へ間隔が空けられ、ライナーからクランク室へのオイルの拭き取りを容易にするワイパーリングとして示される。第１および第２のピストンリング２６，２７の間に延在する外面２１は、連続的で途切れておらず、このため、最上リング溝２３と最下リング溝２４であるとして示されている下方リング溝との間にリング溝が無い状態となる。このため、ピストン１０は、２つのリング溝２３，２４および対応するピストンリング２６，２７のみを有する。ここに記載される概念は、従来の３つのリングのピストンパッケージも含み、２つのリングは好ましい実施形態であることが理解される。

冷却空洞２８は、リング溝２３，２４の間に延在し、これによってリングベルト領域２２の全体ならびに燃焼ボウル４２の谷部領域４３および上部燃焼面１６の最上平坦領域の冷却が容易となる。特に、冷却空洞２８は、最上頂部または面５２へ向けて上方に延在するとともに、最下谷部または面５４へ向けて下方に延在する。最上面５２は、最上リング溝２３の平坦最下面５５と径方向に並んで示され、最下面５４は、下方リング溝２４の最上平坦面５６と径方向に並んで示される。

図３は、現在好ましい本発明の一局面に従って構成されたピストン１１０の断面図を示し、上記と同様の特徴を識別するために、１００を加えた上記と同じ参照符号が使用される。ピストン１１０は、上述のように、本体１１２と、上部燃焼面１１６を有する上部燃焼壁１１４と、下クラウン面１１８とを有する。ピストン本体１１２はまた、リングベルト領域１２２にわたって上部燃焼面１１６から垂下する、筒状の外面１２１を有する概して筒状の外壁１２０を含む。リングベルト領域１２２は、最上リング溝１２３と、最下リング溝１２４として示される下方リング溝とを含む。リング溝１２３，１２４の各々は、それぞれ第１および第２のピストンリング１２６，１２７を受けるように構成される。さらに、ピストン本体１２は、閉じられた冷却空洞１２８を有し、冷却媒体１３０が冷却空洞１２８内に配置および収容される。冷却空洞１２８は、径方向内側へ向けて、リングベルト領域１２２と実質的に径方向に並んで構成される。

最上リング溝１２３は、上記のように構成されるが、最下リング溝１２３は、軸方向を上方に移動し、ほぼ第２のピストンリング１２７の厚さである厚さを有するピストン本体材料の比較的薄い環状フランジ６０が、リング溝１２３，１２４の間に形成される。これにより、リングベルト領域１２２は、リングベルト領域２２と比較して減少した軸方向の長さを有する。

さらにピストン１０とは対照的に、燃焼ボウル１４２は、完全に凹状の面を有し、このため中心頂部を有さない。さらにまた、冷却空洞１２８は、第１の実施形態と同様に、最上頂部または面１５２に向けて上方に延在し、最下面１５４に向けて下方に延在する。最上面１５２は、最上リング溝１２３の平坦な最下面１５５と径方向に並んで示される。しかしながら、第１の実施形態とは対照的に、最下面１５４は、下方リング溝１２４の最下平坦面６２の下方を延在するように示される。このため、冷却空洞１２８は、最下リング溝１２４の軸方向の全幅にわたって延在する。

上述の現在好ましい実施形態の詳細な説明を考慮すると、本発明の多くの変更例および変形例が上述の教示に照らして実現可能であることは明らかである。したがって、添付の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実施され得ることが理解されるはずである。

Claims (18)

1. 内燃機関のためのピストンであって、
   筒状の外面を有する本体を備え、前記外面内に延在する環状の最上リング溝と最下リング溝とを有し、前記外面は、前記最上リング溝と前記最下リング溝との間にいかなるリング溝も有しておらず、トップランドが前記最上リング溝から燃焼ボウルが中に凹んだ上部燃焼面へ延在し、前記本体は、ピンボア軸に沿って互いに並んだピンボアを有する一対のピンボスを有し、前記ピンボスは、前記本体の前記筒状の外面と軸方向に概して並んだ、径方向外方向に反対に向いた面を有し、前記ピストンはさらに、
   前記最上リング溝内に配置される第１のピストンリングと、
   前記最下リング溝内に配置される第２のピストンリングとを備え、
   前記本体は、環状の封止冷却空洞を有し、そこに冷却媒体が配置および封止され、前記封止冷却空洞は、前記第１のピストンリングと第２のピストンリングとの間に延在し、前記ピンボア軸に沿って見る断面、および前記ピンボア軸を概ね交差して見る断面の両方において見て、概ね同じ形状を有し、
   前記環状の封止冷却空洞は、前記燃焼ボウルの一部分の直下を径方向内側に延在している、ピストン。
2. 前記トップランドは、前記外面から径方向内側に凹んでいる、請求項１に記載のピストン。
3. 前記第１のピストンリングは、概してＬ字形状であり、前記最上リング溝に受けられるように構成される第１の部分と、前記トップランドに沿って前記最上リング溝から上方に延在するように構成される第２の部分とを有する、請求項２に記載のピストン。
4. 内燃機関のためのピストンであって、
   筒状の外面を有する本体を備え、前記外面内に延在する環状の最上リング溝と最下リング溝とを有し、前記外面は、前記最上リング溝と前記最下リング溝との間にいかなるリング溝も有しておらず、トップランドが前記最上リング溝から燃焼ボウルが中に凹んだ上部燃焼面へ延在し、前記本体は、ピンボア軸に沿って互いに並んだピンボアを有する一対のピンボスを有し、前記ピンボスは、前記本体の前記筒状の外面と軸方向に概して並んだ、径方向外方向に反対に向いた面を有し、前記ピストンはさらに、
   前記最上リング溝内に配置される第１のピストンリングと、
   前記最下リング溝内に配置される第２のピストンリングとを備え、
   前記本体は、環状の封止冷却空洞を有し、そこに冷却媒体が配置および封止され、前記封止冷却空洞は、前記第１のピストンリングと前記第２のピストンリングとの間に延在し、
   前記最上リング溝は最下面を有し、前記最下リング溝は最上面を有し、前記封止冷却空洞は、最上面と最下面とを有し、前記封止冷却空洞の前記最上面は、前記最上リング溝の前記最下面と実質的に径方向に並び、前記封止冷却空洞の前記最下面は、前記最下リング溝の前記最上面と実質的に径方向に並び、
   前記環状の封止冷却空洞は、前記燃焼ボウルの一部分の直下を径方向内側に延在している、ピストン。
5. 前記最上リング溝は最下面を有し、前記封止冷却空洞は、最上面と最下面とを有し、前記最上面は、前記最上リング溝の前記最下面と実質的に径方向に並び、前記封止冷却空洞の前記最下面は、前記最下リング溝より下を延在する、請求項１に記載のピストン。
6. 前記最上リング溝と前記最下リング溝との間を延在する前記筒状の外面は軸方向に延びる第１の厚みを有し、前記第２のピストンリングは軸方向に延びる第２の厚みを有し、前記第１の厚みは前記第２の厚みとほぼ同じである、請求項１に記載のピストン。
7. 内燃機関のためのピストンであって、
   筒状の外面を有する本体を備え、環状の最上リング溝と環状の最下リング溝とを有し、トップランドが前記最上リング溝から燃焼ボウルが中に凹んだ上部燃焼面へ延在し、前記本体は、ピンボア軸に沿って互いに並んだピンボアを有する一対のピンボスを有し、前記ピストンはさらに、
   前記最上リング溝内に配置される第１のピストンリングと、
   前記最下リング溝内に配置される第２のピストンリングとを備え、
   前記本体は、環状の封止冷却空洞を有し、そこに冷却媒体が配置および封止され、前記封止冷却空洞は、前記最上リング溝と径方向に並んで延在し、前記最下リング溝より下を延在し、前記ピンボア軸に沿って見る断面、および前記ピンボア軸を概ね交差して見る断面の両方において見て、概ね同じ形状を有し、
   前記環状の封止冷却空洞は、前記燃焼ボウルの一部分の直下を径方向内側に延在している、ピストン。
8. 前記筒状の外面は、前記最上リング溝と前記最下リング溝との間にいかなるリング溝も有していない、請求項７に記載のピストン。
9. 前記最上リング溝と前記最下リング溝との間を延在する前記筒状の外面は軸方向に延びる第１の厚みを有し、前記第２のピストンリングは軸方向に延びる第２の厚みを有し、前記第１の厚みは前記第２の厚みとほぼ同じである、請求項８に記載のピストン。
10. 前記冷却空洞は、前記ピンボア軸に沿って見る断面、および前記ピンボア軸を概ね交差して見る断面の両方において見て、概ね同じ形状を有する、請求項４に記載のピストン。
11. 前記ピンボスは、前記本体の前記筒状の外面と軸方向に概して並んだ、径方向外方向に反対に向いた面を有する、請求項７に記載のピストン。
12. 内燃機関のためのピストンであって、
    筒状の外面を有する本体を備え、前記外面内に延在する環状の最上リング溝と環状の最下リング溝とを有し、前記筒状の外面は、前記最上リング溝と前記最下リング溝との間にいかなるリング溝も有しておらず、トップランドが前記最上リング溝から上部燃焼面へ延在し、前記トップランドは、前記筒状の外面から径方向内側に凹んでおり、前記本体は、ピンボア軸に沿って互いに並んだピンボアを有する一対のピンボスを有し、前記ピストンはさらに、
    前記最上リング溝に受けられるように構成される第１の部分と、前記トップランドに沿って前記最上リング溝から上方に延在するように構成される第２の部分とを有する、概してＬ字形状である第１のピストンリングと、
    前記最下リング溝内に配置される第２のピストンリングとを備え、
    前記上部燃焼面は燃焼ボウルがその中に垂下し、前記燃焼ボウルは環状の最下谷部と上昇した頂部とを有し、前記環状の最下谷部は前記環状の最上リング溝より下を延在し、
    前記本体は、環状の封止冷却空洞を有し、そこに冷却媒体が配置および封止され、前記封止冷却空洞は、前記燃焼ボウルの前記環状の最下谷部より上を延在する最上面と、前記環状の最下谷部より下を延在する最下面を有し、
    前記環状の封止冷却空洞は、前記燃焼ボウルの一部分の直下を径方向内側に延在している、ピストン。
13. 前記環状の封止冷却空洞は、前記ピンボア軸に沿って見る断面、および前記ピンボア軸を概ね交差して見る断面の両方において見て、概ね同じ形状を有する、請求項１２に記載のピストン。
14. 前記ピンボスは、前記本体の前記筒状の外面と軸方向に概して並んだ、径方向外方向に反対に向いた面を有する、請求項１２に記載のピストン。
15. 前記第１のピストンリングの前記第２の部分は、前記上部燃焼面とほぼ面一関係になるように延在している、請求項１２に記載のピストン。
16. 前記第１のピストンリングの前記第２の部分は、シリンダーライナーと摺動係合するように構成されたほぼ真っ直ぐな筒状の外面を有する、請求項１５に記載のピストン。
17. 前記燃焼ボウルの前記上昇した頂部は前記上部燃焼面より下にある、請求項１２に記載のピストン。
18. 前記最上リング溝は最下面を有し、前記最下リング溝は最上面を有し、前記封止冷却空洞の前記最上面は、前記最上リング溝の前記最下面と実質的に径方向に並び、前記封止冷却空洞の前記最下面は、前記最下リング溝の前記最上面と実質的に径方向に並んでいる、請求項１２に記載のピストン。