JP6574990B2 - 小さくされたトップランド高さおよび密接トップランドピストン形状を有するピストン - Google Patents

Description

本明細書に開示される主題は、概して、内燃機関のピストンに関し、さらに詳しくは、小さくされたトップランド高さを有するピストンに関する。

内燃機関は、典型的には、シリンダ（シリンダライナが設けられてよい）の内側に配置されたピストンを備える。ピストンの外径に位置する溝に装着されるピストンリングが、典型的に設けられる。ピストンの主たる仕事は、熱エネルギを機械的な仕事に変換することである。ピストンは、ピストンヘッド、トップランド、ピン支持部、およびスカートを備えることができる。ピストンリングが、燃焼室をクランクケースから封じるとともに、油を分配および制御する。さらに、ピストンリングは、ピストンを安定させる。

内燃機関の動作において、未燃焼の燃料がトップランドとシリンダライナ（あるいは、シリンダライナが存在しない場合のシリンダボア）との間に形成されるすき間によってトップランド高さに捕捉されることに起因する出力の低下が、一般的に見られる。ここで、未燃焼の燃料が捕捉されるこのすき間の体積を表す目的で、用語「クレビス体積」を使用することができる。この未燃焼の燃料は、エンジンの効率を低下させ、全体としての炭化水素の排出を増加させる。

トップランドのクレビス体積を小さくするための１つの手法は、小さくされたトップランド高さを実現することである。しかしながら、トップランド高さを小さくすると、トップリングの溝の温度が高くなり、リング溝のデポジットが生じる。

内燃機関の動作において、燃焼室のデポジットの蓄積に起因する出力の低下が、一般的に見られる。これらのデポジットは、燃料および油の燃焼に起因する。デポジットは、主としてカーボンで構成される。

ピストンのトップランドへのカーボンデポジットの蓄積は、シリンダライナの摩耗（研磨）およびカーボンの引っ掻き痕（ライナにおいてカーボンが掻き落とされることによって生じるライナ壁面に形成される鉛直線）を生じさせる。そのような摩耗により、シリンダライナの交換が必要になるかもしれない。また、摩耗により、保守およびスペアパーツのコストが上昇する可能性もある。さらに、カーボンの蓄積は、出力および効率の低下ならびに油の消費の増加など、内燃機関の性能にも悪影響を及ぼす。

カーボンデポジットに対処するための１つの手法は、密接トップランド（ＴＴＬ：Ｔｉｇｈｔ Ｔｏｐ Ｌａｎｄ）形状の実現である。ＴＴＬ形状においては、トップランドとシリンダライナとの間のすき間が小さくされる。ＴＴＬ形状は、デポジットを促進する基本的な要因、すなわち温度および滞留時間を制御する。ＴＴＬ形状においては、ピストンからシリンダボアへの熱伝導が可能になるという理由、およびトップランドへの熱流束が少なくなるという理由で、ピストンの温度が低くなる。温度が低くなると、デポジットが形成されにくくなる。ＴＴＬ形状の清浄さの別の理由は、トップランドおよびトップリングの溝に位置する油が、狭いすき間に起因するランドとライナとの間の新鮮な油の供給で常に補充されるからである。この補充により、トップランドおよびトップリングの溝における油の滞留時間が短くなり、滞留時間が短くなることで、デポジットも少なくなる。

本発明は、トップランド高さの小さいピストンのトップリング溝におけるデポジットの蓄積の問題に対する解決策を提供する。

１つの典型的な実施形態（ただし、これに限られるわけではない）によれば、本発明は、内燃機関において使用するためのアセンブリに関する。本アセンブリは、ボア径を有するシリンダと、シリンダ内に配置されるピストンとを備える。ピストンは、トップランド高さを有するトップランドと、トップリング溝とを備える。トップランドおよびシリンダが、密接トップランドすき間を備え、ボア径に対するトップランド高さの比が、０．０７５以下である。

別の実施形態においては、ボア径を有するシリンダを有している内燃機関において使用するためのピストンが提供される。本ピストンは、トップランド高さと、シリンダとの密接トップランドすき間とを有するトップランドを備え、ボア径に対するトップランド高さの比が、０．０７５以下である。

別の実施形態においては、内燃機関が提供される。本内燃機関は、ボア径を有するシリンダと、シリンダ内に配置されるピストンとを備え、ピストンは、トップランド高さを有するトップランドを有している。トップランドおよびシリンダが、密接トップランドすき間を備え、ボア径に対するトップランド高さの比が、０．０７５以下である。

本発明の他の特徴および利点が、以下の好ましい実施形態についてのさらに詳細な説明を、本発明の特定の態様の原理をあくまでも例として示している添付の図面と併せて検討することによって、明らかになるであろう。

一実施形態によるピストンアセンブリの断面概略図である。 一実施形態によるピストンアセンブリの一部分の断面図である。

図１に、内燃機関（図示されていない）において使用するためのピストンアセンブリ１００の実施形態が示されている。ピストンアセンブリ１００は、ピストン１０５およびシリンダボア１１０を備え、シリンダライナ１１５を備えることができる。シリンダボア１１０およびシリンダライナ１１５が、ピストン１０５が往復運動の様相で移動する軸を定めている。ピストン１０５は、トップリング溝１３０を定めるトップランド１２０および第２ランド１２５を備えている。トップリング１３５が、トップリング溝１３０に配置されている。トップリング１３５は、ピストン１０５をシリンダライナ１１５内で安定させる役に立つとともに、燃焼室１３１への油の進入も防止する。ピストン１０５は、さらに第２のリング１４０も備えることができる。

ピストン１０５およびシリンダライナ１１５が、密接トップランド形状（ＴＴＬ形状）を形成している。シリンダライナ１１５が存在しない場合、ピストン１０５およびシリンダボア１１０が、ＴＴＬ形状を形成する。本明細書の目的において、用語「シリンダ」は、シリンダボア１１０またはシリンダライナ１１５を指すことができる。ＴＴＬ形状は、トップランド１２０とシリンダライナ１１５（あるいは、シリンダライナ１１５が存在しない場合にはシリンダボア１１０）との間のすき間が、燃焼室１３１において生じる未燃焼の炭化水素排出物の量を減らすために小さくされている構成である。ＴＴＬのピストン形状は、希薄燃焼エンジンのアルミニウム製ピストンにおいて、トップランドの直径における冷間時（すなわち、室温）すき間が、公称ボア径の０．４６％未満であると定義される。化学量論比での燃焼のエンジンにおけるアルミニウム製ピストンについてのＴＴＬピストン形状は、直径における冷間時すき間が、公称ボア径の０．５３％未満であると考えられる。鋼製のピストンについては、これらのすき間を、鋼とアルミニウムとの間の熱膨張係数の比（約０．４８〜０．５７の間）にもとづいて拡大／縮小することができる。結果として、鋼製のピストンのトップランドの直径における冷間時すき間は、希薄燃焼のエンジンにおいて公称のボア径の０．２９％未満になり、化学量論比での燃焼のエンジンにおいて公称のボア径の０．３３％未満になると考えられる。これらの冷間時すき間は、エンジンが定格の温度で動作するときに径方向について好ましくは０ミクロン〜３５ミクロンの間であり、より好ましくは５ミクロン〜２５ミクロンの間である最小すき間「ｔ」（本明細書において、「密接トップランドすき間」または「ＴＴＬすき間」という）をもたらすために充分に小さくなければならない。すき間は、エンジンの動作の最中に、ピストンの二次的運動およびライナの軸方向におけるボアのひずみの変化に起因して変化すると考えられる。

一実施形態においては、トップランド１２０が、小さくされたトップランド高さｈを有する。好ましくは、シリンダボア１１０またはシリンダライナ１１５のボア径に対するトップランド高さｈの比が、０．０７５以下である。より好ましくは、シリンダボア１１０またはシリンダライナ１１５のボア径に対するトップランド高さｈの比が、０．０５以下であり、さらにより好ましくは０．０２５以下である。ＴＴＬ形状は、通常であればトップランド高さを小さくすることによって生じるトップリング１３５の温度の上昇の結果として形成されると考えられるカーボンデポジットを少なくする。したがって、ピストン１０５の長持ちかつ信頼できる動作が、小さくされたトップランド高さｈを有するトップランド１２０とＴＴＬ形状との組み合わせにおいてもたらされる。小さくされたトップランド高さｈを有するトップランド１２０は、クレビス体積も小さくする。小さくされたトップランド高さｈを有するトップランド１２０とＴＴＬ形状との組み合わせの実現は、クレビス体積の大幅な低減をもたらす。この実施形態の技術的および商業的な利点は、トップランドのクレビス体積の減少により、全体としての炭化水素排出物が少なくなり、エンジンの燃料効率が改善されることにある。他の商業的な利点は、エンジンの耐久性および信頼性が、パワーシリンダの初期コストを基本的に変化させることなく改善される点にある。

用語の定義が、その用語について一般的に用いられる意味から外れる場合、出願人は、特に示されない限りは、下記に提示される定義を利用するように意図している。

本明細書において使用される用語は、あくまでも特定の実施形態を説明する目的のためのものにすぎず、本発明を限定しようとするものではない。用語の定義が、その用語について一般的に用いられる意味から外れる場合、出願人は、特に示されない限りは、本明細書において提示される定義を利用するように意図している。単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈からそのようでないことが明らかでない限り、複数形も含むように意図されている。用語「第１」、「第２」、などが種々の構成要素を説明して使用されるかもしれないが、これらの用語は、決してそれらの構成要素を限定するものではない。これらの用語は、あくまでも或る構成要素を別の構成要素から区別するために使用されているにすぎない。用語「および／または」は、そこに挙げられた項目のうちの１つ以上からなる任意かつすべての組み合わせを含む。「・・・に接続され」および「・・・と接続され」という表現は、直接的または間接的な接続を想定している。

本明細書においては、本発明を最良の態様を含めて開示するとともに、あらゆる装置またはシステムの製作および使用ならびにあらゆる関連の方法の実行を含む本発明の実施を当業者にとって可能にするために、いくつかの実施例を使用している。本発明の特許可能な技術的範囲は、特許請求の範囲によって定められ、当業者にとって想到される他の実施例も含むことができる。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言から相違しない構造要素を有し、あるいは同等の構造要素を含むならば、特許請求の範囲の技術的範囲に包含される。

１００ ピストンアセンブリ
１０５ ピストン
１１０ シリンダボア
１１５ シリンダライナ
１２０ トップランド
１２５ 第２のランド
１３０ トップリング溝
１３１ 燃焼室
１３５ トップリング
１４０ 第２のリング

Claims (6)

1. 内燃機関において使用するためのアセンブリ（１００）であって、
   ボア径を有するシリンダ（１１０、１１５）と、
   トップランド高さを有するアルミニウム製のトップランド（１２０）を有し、前記シリンダ（１１０）内に配置さるピストン（１０５）と、
   を含み、
   前記トップランド（１２０）および前記シリンダ（１１０）が、前記シリンダの内面に面する前記トップランドのアルミニウム表面との間に密接トップランドすき間を有し、
   前記ボア径に対する前記トップランド高さの比が、０．０２５以下であり、
   前記密接トップランドすき間が、内燃機関が定格の温度で動作するときに定格の温度において２５ミクロン未満である、
   アセンブリ（１００）。
2. 前記密接トップランドすき間が、内燃機関が定格の温度で動作するときに０ミクロン〜３５ミクロンの間である請求項１に記載のアセンブリ（１００）。
3. 前記ピストン（１０５）が、アルミニウムで作られており、前記密接トップランドすき間が、希薄燃焼のエンジンにおいて室温で前記ボア径の０．４６％未満であり、化学量論比での燃焼のエンジンにおいて室温で前記ボア径の０．５３％未満である、請求項１または２に記載のアセンブリ（１００）。
4. ボア径を持つシリンダ（１１０）を有している内燃機関において使用するためのピストン（１０５）であって、
   トップランド高さと、前記シリンダの内面に面する前記トップランドの金属表面との間の密接トップランドすき間とを有する金属製のトップランド（１２０）を備え、
   前記ボア径に対する前記トップランド高さの比が、０．０２５以下であり、
   前記密接トップランドすき間が、内燃機関が定格の温度で動作するときに定格の温度において２５ミクロン未満である、
   ピストン（１０５）。
5. アルミニウムで作られており、前記密接トップランドすき間が、希薄燃焼のエンジンにおいて室温で前記ボア径の０．４６％未満であり、化学量論比での燃焼のエンジンにおいて室温で前記ボア径の０．５３％未満である、請求項４に記載のピストン（１０５）。
6. 鋼で作られており、前記密接トップランドすき間が、希薄燃焼のエンジンにおいて室温で前記ボア径の０．２９％未満であり、化学量論比での燃焼のエンジンにおいて室温で前記ボア径の０．３３％未満である、請求項４に記載のピストン（１０５）。