JP6784705B2 - 内燃エンジン用ピストン - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部に係る、ピストンクラウンおよびピストンクラウン内に形成された燃焼室くぼみを備えた内燃エンジン用ピストンに関する。

特許文献１には、内燃エンジン用の一般的なタイプのピストンが開示されている。このピストンは、ピストンクラウンと、このピストンクラウン内に形成された燃焼室くぼみと、ピストンリングを収容するための少なくとも１つのリング溝とを備える。また、ピストンを冷却するための冷却ダクトが設けられている。

特許文献２には、内燃エンジン用の別のピストンが開示されている。このピストンは、ピストン軸に沿った高さに関して、および／または径方向において異なる高さに位置する２つの区分を有する少なくとも１つの冷却ダクトを備える。ここで、２つまたはそれ以上の冷却ダクトが設けられていてもよく、その中の少なくとも２つは、ピストン軸に沿った高さに関して、および／または径方向において異なる高さに配置される。

特許文献３には、内燃エンジン用の別のピストンが開示されている。このピストンは、もっぱら少なくとも１つの流入部および少なくとも１つの流出部の領域においてピストンクラウンから比較的離れた低い位置に設けられ、それ以外では一貫してピストンクラウンに近い高い位置に設けられた少なくとも１つの冷却ダクトを備える。その結果、特に、ピストンの冷却が改善され得る。

独国特許第２８２８２３７号明細書 独国特許出願公開第１０２００４０５６７６９号明細書 独国特許出願公開第１０２００８００２５７１号明細書

従来技術から公知の燃焼室くぼみを備えたピストンの場合、特にくぼみ縁部の領域において、長期的なネガティブな影響を及ぼし得る比較的高い熱負荷が生じる。

したがって、本発明の課題は、一般的なタイプのピストンのための改良されたまたは少なくとも従来のものに代わる実施形態であって、特に長い耐用年数によって特徴付けられる実施形態を提示することである。

本発明によると、この課題は、独立請求項１の主題にしたがって解決される。有利な実施形態は、従属請求項の主題である。

本発明は、内燃エンジンのピストン内の冷却ダクトに、ピストンクラウンおよび燃焼室くぼみに対して比較的大きな半径を伴って丸みを帯びさせることによって当該領域で改善されたノッチ効果を実現するという基本思想に基づく。当該ノッチ効果は、特に、改善された態様で、当該領域で生じる高い熱負荷に耐えるのに役立つ。

ここで、本発明に係るピストンは、上述したピストンクラウンと、このピストンクラウンに形成された燃焼室くぼみと、ピストンリングを収容するための少なくとも１つのリング溝と、ピストンを冷却するための冷却ダクトとを備える。そして、ピストンの耐用年数および耐熱性能を改善することができるように、冷却ダクトは、少なくとも１つのリング溝よりもピストンクラウンに近くなるように設けられている。これは、冷却ダクトの全体が、１つのリング溝または複数（往々にして、３つ）のリング溝のうち最上部のリング溝の下側フランクよりも上側に設けられていることを意味する。本願では、複数のリング溝のうちピストンクラウンに最も近い最上部のリング溝のみを考慮する。ある好ましい実施形態では、冷却ダクトの全体が、ピストンクラウンに最も近いリング溝の上側フランクよりも上側に設けられている。記載中の「上側」および「下側」の方向は、ピストンのピストン軸に沿ったエンジンの通常の設置および動作位置に関連し、したがってピストンクラウンに近くて燃焼室に面する側、およびピストンクラウンから遠くて燃焼室とは反対側を向く側をそれぞれ表す。冷却ダクトをピストンクラウンの近くに配置することによって、まず、ピストンクラウンへの熱入力箇所に対して冷却ダクトが近くなることの結果として、燃焼室からの改善された熱伝導がもたらされる。しかしながら、その実質的な利点は、従来技術に係る最上部のリング溝の内側におけるピストンクラウンから径方向に離れた配置によって、リング溝と燃焼室くぼみとの間で応力集中が生じるのに対して、冷却ダクトが、ピストンクラウンと、燃焼室くぼみと、リング溝またはリング担持部との間で、機械的応力が比較的小さい領域である中心部に実質的に配置されることにある。

また、冷却ダクトは、第１位置においてピストンクラウンからの最小距離を、第２位置において燃焼室くぼみからの最小距離を有し、加えて第１位置と第２位置との間において丸みを帯びて構成されている。ピストンクラウンから燃焼室くぼみへの移行部を形成するくぼみ縁部からの最大距離を伴う第３位置が、第１および第２位置の間に位置している。ここで、くぼみ縁部から第３位置までの距離は、当該第３位置において放射状に、すなわち冷却ダクト面に対して垂直に測定される。本発明によると、冷却ダクトは、そのくぼみ縁部に対向する表面の領域において特に大きな丸み部を有し、少なくとも第３位置における丸み半径は、ピストン径の４％以上、特に好ましくは５％以上である。大きな丸み部は、好ましくは、冷却ダクト面の比較的広い領域にわたって延びており、当該領域は、第２位置から第３位置まで、ピストン径の４％以上の丸み半径を連続的に有する。

ある特に好ましい実施形態では、丸み部は、第２位置よりも下側から始まっていて、すなわち燃焼室くぼみからの最小距離よりもピストンクラウンから離れた位置から始まっていて、互いに隣接しかつ各々がピストン径の４％以上である少なくとも３つの半径Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を介して第３位置を越えて延びている。当該３つの半径Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は、結果として、燃焼室くぼみとピストンクラウンとの間の領域に、比較的大きな冷却ダクトの丸み部を実現可能にする。本発明に係る丸み部は、上述した最小半径が全体を通して維持される限りにおいて、互いに隣接する１つもしくはそれ以上の円弧Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３によって構成されていてもよく、または凸状の連続的に湾曲した形状を有していてもよい。大きな丸み部は、第１位置までもしくは当該第１位置を越えて延びていてもよく、または好ましくは第３位置と第１位置との間の領域で終わっていてもよい。概して、特に、比較的大きな丸み部によってくぼみ縁部に対向する冷却ダクト面の当該部分においてノッチ効果を低減することができ、したがって本発明に係るピストンの耐熱性能を改善することができる。

本発明に係る解決策のある有利な態様では、第１半径Ｒ１は、第２半径Ｒ２よりも大きく、および／または第３半径Ｒ３よりも小さい。その結果、冷却ダクトの丸み部が、比較的大きな半径を伴う第３位置にわたって案内され得、それにより当該領域においてノッチ効果が特にポジティブな影響を受け得る。加えてまたは代えて、第２半径が第３半径よりも小さくてもよく、それにより既に比較的大きい第１および第２半径Ｒ１，Ｒ２がより一層大きくなり、結果として、冷却ダクトの丸み部が、当該領域においておよび第３位置に向かって特に有利なものになる。

本発明に係る解決策の別の有利な実施形態では、丸み部を記述し、第３半径Ｒ３に隣接し、第１位置まで到達し、しかし半径Ｒ１，Ｒ２よりも小さく、また特に第３半径Ｒ３よりも小さい第４半径Ｒ４が設けられる。その結果、冷却ダクトは、第１位置の領域において楕円形状に丸みを帯び得、また例えば１．３ｍｍであってもよい比較的小さな第４半径を介して、隣接する直線部に、すなわち冷却ダクトの丸みを帯びていない領域に徐々に変化し得る。冷却ダクトの当該丸みを帯びていない領域は、特にソルトコアまたはサンドコアの製造のために必要とされる。

好適には、第１半径Ｒ１は約３．７ｍｍであり、第２半径Ｒ２は約３．６ｍｍであり、第３半径Ｒ３は約４．４ｍｍであり、かつ第４半径Ｒ４は約１．３ｍｍである一方、ピストン径ｄは約８３ｍｍである。実験では、当該寸法が本発明に係るピストンの特に高い耐熱性能をもたらした。各半径および直径の比率は、より大きなまたはより小さなピストンに対応して推定されてもよく、したがって様々なサイズのピストンに適合され得ることは言うまでもない。当該領域における当該比率は、したがって、比較的大きな半径Ｒ３のために、実質的に全てのピストンに対して、くぼみ縁部の領域において最適なノッチ効果をもたらす。

本発明に係る解決策の別の有利な実施形態では、ピストンクラウンからの最小距離は約３．０ｍｍであり、加えてまたは代えて、燃焼室くぼみからの最小距離は少なくとも２．６ｍｍ、好ましくは約３．３ｍｍである一方、くぼみ縁部からの最大距離は約７．１ｍｍであってもよい。このことから、冷却ダクトとピストンクラウンとの間、および冷却ダクトと燃焼室くぼみとの間には、特に８３ｍｍのピストン径ｄの場合に、ほんの小さな距離しか存在しないことがわかる。そして、当該小さな距離によると、第１位置および第２位置の領域におけるピストンの最適な冷却が実現可能になる。

一方、本発明によると、燃焼室くぼみ、くぼみ縁部、およびピストンクラウンに対向する冷却ダクト面の領域が考慮に入れられ、ファイアランドに対向する径方向外側領域の、およびピストンクラウンから最も遠い冷却ダクト面の当該部分の形状設計は、強度状態にほとんど影響しないことが見出された。そのため、ここでは任意の所望の表面プロファイルが実現可能であり、当該表面プロファイルは、強度を損なうことなく、より小さな半径、縁部、または突出部を含む凸状の冷却ダクト断面を有し得る。

本発明に係る解決策の別の有利な実施形態では、第３位置における半径Ｒ３に対する冷却ダクトの高さｈの比率は、ｈ／Ｒ３≧０．６にしたがって規定される。特に好ましくは、ｈ／Ｒ３≧０．６５である。その結果、円形に比べて大幅に改善された卵形の冷却ダクトが実現され得、それにより耐用年数および耐熱負荷性能に関して改善されたピストンが製造され得る。

本発明の別の重要な特徴および利点は、従属請求項から、図面から、および図面を参照した関連する図の説明から明らかになるだろう。

上述したあるいは後述する特徴が、それぞれに示す組合せにおいてのみでなく、本発明の範囲を逸脱することなく、その他の組合せにおいてまたは単独でも利用可能であることは言うまでもない。

図１は、本発明に係るピストンの細部断面図である。 図２は、図１に係るピストンの冷却ダクトの各半径を示す細部図である。

以下、本発明の好ましい例示的な実施形態について、図示すると共に詳細に説明する。同一の符号は、同一のもしくは類似のまたは機能的に同一の構成要素を示す。

図１および図２によると、内燃エンジン（図示せず）の本発明に係るピストン１は、ピストンクラウン２と、このピストンクラウン２に形成されると共に当該ピストンクラウン２への移行領域にくぼみ縁部１６を形成する燃焼室くぼみ３とを備える。ピストンリング（図示せず）を収容するための少なくとも１つのリング溝４（ここでは、ピストンクラウンに最も近いリング溝４）が、ピストン１の外面に設けられている。リング溝４は、ピストンクラウンに近いフランク２１と、ピストンクラウンから離れたフランク２２とを有する。これらのフランク２１，２２は、環状に構成されかつピストン軸１１に対して実質的に垂直である。実質的に円柱状の溝底部２３が、フランク２１とフランク２２との間に位置している。ピストン１を冷却するための冷却ダクト５が、また設けられている。

ピストン１の耐熱負荷性能、したがって間接的にその耐用年数を向上させることができるように、冷却ダクト５は、少なくとも１つのリング溝４よりもピストンクラウン２に近い。これは、冷却ダクト５の全体が、あるリング溝４またはピストンクラウンに最も近いリング溝４の少なくともピストンクラウンから遠いフランク２２よりもピストンクラウン２の近くに設けられていることを意味する。好ましい例示的な実施形態では、冷却ダクト全体の断面が、最上部のリング溝４のピストンクラウンに近いフランク２１よりもピストンクラウン２に近い。原則として、ピストン１は、また、ピストンクラウンからより離れた別のリング溝（図示せず）を有する。さらに、冷却ダクト５は、第１位置８においてピストンクラウン２からの最小距離６を有し（図２を参照）、かつ第２位置９において燃焼室くぼみ３からの最小距離７を有する。また、第１位置８と第２位置９との間においてくぼみ縁部１６に対向する第３位置１８において、冷却ダクト５は、くぼみ縁部１６の領域における燃焼室側ピストン面と冷却ダクト面との間の最大距離１７を有しており、当該距離１７は、冷却ダクト面に対して垂直に測定される。ここで、冷却ダクト５は、第３位置８と第２位置９との間において丸みを帯びて構成されており、当該丸み部は、第３位置１８においてピストン径の５％以上の半径Ｒ３を有する。第２位置９から第３位置１８までの領域には、ピストン径の４％以上の丸み半径Ｒ３と、急な曲がりを伴わずにＲ３に隣接するピストン径ｄの４％以上の半径Ｒ２とが連続的に存在している。

第２位置９から第３位置１８を越えて第１位置８の直前までにおいて、冷却ダクト断面は、互いに隣接しかつ各々がピストン径ｄの４％以上である少なくとも３つの半径Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３によって記述される。

ここで、第１半径Ｒ１は、例えば３．７ｍｍであって、例えば３．６ｍｍである第２半径Ｒ２よりも大きい。それに加えてあるいは代えて、第１半径Ｒ１は、例えば４．４ｍｍであってもよい第３半径Ｒ３よりも小さくてもよい。

図２を考慮すると、冷却ダクト５の丸み部を記述し、第３半径Ｒ３に隣接し、第１位置８まで到達し、かつ半径Ｒ１，Ｒ２よりも小さく、また半径Ｒ３よりも小さい半径Ｒ４が設けられていることがわかる。第４半径Ｒ４は、例えば１．３ｍｍであってもよい。ピストン径ｄは、例えば、乗用車用ピストンに慣例的な８３ｍｍの値を有していてもよい。ここで、上述した各寸法は、特に互いに比例して守られるべきであり、その結果、それに応じて拡大または縮小された半径Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４およびピストン径ｄを有するピストン１が、正負の推定を介して本発明に含まれ得る。

再び図２を考慮すると、同図から、第１位置８とピストンクラウン２との間の最小距離６は、例えば３ｍｍであってもよく、第２位置９と燃焼室くぼみ３との間の最小距離７は、例えば３．３ｍｍ、特に３．３７４ｍｍであってもよい一方、第３位置１８とくぼみ縁部１６との間の最大距離１７は、例えば７．１ｍｍであってもよいことがわかる。当該距離６，７が、ピストン径ｄの変化に応じて推定されまたは適合および変換されてもよいことは言うまでもない。

図１を考慮すると、冷却ダクト５が高さｈを有することがわかる。ここで、第３位置における半径Ｒ３に対する冷却ダクト５の高さｈの比率は、可能な限り低いノッチ効果を、したがって高い耐熱負荷性能および長い耐用年数を実現できるように、ｈ／Ｒ３≧０．６、特に好ましくはｈ／Ｒ３≧０．６５であってもよく、またはあるべきである。ここで、冷却ダクト５の高さｈは、例えば６．６ｍｍであってもよい。

図１および図２からわかるように、冷却ダクト５は、直線部１０を有しており、当該直線部１０は、ピストン軸１１に対して約８°の角度αをもって傾斜している（図１および図２を参照）。このタイプの部分１０によって、ピストン１の製造が改善され得る。

ピストン１の耐熱負荷性能および長期の耐用年数に関連する特に有利な実施形態が、ピストンクラウン２および燃焼室くぼみ３に関連した、特にリング溝４の構成および半径Ｒ１〜Ｒ４の選択に関連した冷却ダクト５の本発明に係る構成によって実現され得る。

Claims (12)

1. 内燃エンジン用のピストン（１）であって、
   ピストンクラウン（２）と、
   上記ピストンクラウン（２）に形成され、くぼみ縁部（１６）を有する燃焼室くぼみ（３）と、
   ピストンリングを収容するための上記ピストンクラウンに最も近いリング溝（４）と、
   上記ピストン（１）を冷却するための冷却ダクト（５）とを備え、
   上記冷却ダクト（５）は、上記ピストンクラウンに最も近いリング溝（４）の上記ピストンクラウンから遠いフランク（２２）よりも全体が上記ピストンクラウン（２）に近く、
   上記冷却ダクト（５）は、第１位置（８）において上記ピストンクラウン（２）からの最小距離（６）を有し、かつ第２位置（９）において上記燃焼室くぼみ（３）からの最小距離（７）を有し、
   上記冷却ダクト（５）は、上記第１位置（８）と上記第２位置（９）との間において丸みを帯びて構成されていて、上記冷却ダクトの表面に対して垂直に測定して、上記くぼみ縁部（１６）に対向する第３位置（１８）において上記くぼみ縁部（１６）からの最大距離（１７）を有し、
   上記第２位置（９）から始まって上記第１位置（８）までにおいて、上記丸み部は、互いに隣接しかつ各々が上記ピストン径ｄの４％以上である少なくとも３つの半径Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３によって記述され、
   上記半径Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は互いに異なる
   ことを特徴とするピストン。
2. 請求項１において、
   上記第３位置（１８）における上記丸み半径は、上記ピストン径ｄの５％以上である
   ことを特徴とするピストン。
3. 請求項１において、
   上記第１半径Ｒ１は、上記第２半径Ｒ２よりも大きく、
   および／または、
   上記第１半径Ｒ１は、上記第３半径Ｒ３よりも小さく、
   および／または、
   上記第２半径Ｒ２は、上記第３半径Ｒ３よりも小さい
   ことを特徴とするピストン。
4. 請求項１において、
   上記第１半径Ｒ１は、約３．７ｍｍであり、
   上記半径Ｒ２は、約３．６ｍｍである
   ことを特徴とするピストン。
5. 請求項１又は４において、
   上記第３半径Ｒ３は、約４．４ｍｍである
   ことを特徴とするピストン。
6. 請求項１〜５のいずれか１項において、
   上記丸み部を記述し、上記第３半径Ｒ３に隣接し、上記第１位置（８）まで到達し、かつ上記半径Ｒ１およびＲ２よりも小さい第４半径Ｒ４が設けられている
   ことを特徴とするピストン。
7. 請求項６において、
   上記第４半径Ｒ４は、約１．３ｍｍである
   ことを特徴とするピストン。
8. 請求項１〜７のいずれか１項において、
   上記ピストン径ｄは、約８３ｍｍである
   ことを特徴とするピストン。
9. 請求項１〜８のいずれか１項において、
   上記ピストンクラウン（２）からの上記最小距離（６）は、約３．０ｍｍであり、
   および／または、
   上記燃焼室くぼみ（３）からの上記最小距離（７）は、少なくとも２．６ｍｍ、好ましくは約３．３ｍｍであり、
   および／または、
   上記くぼみ縁部からの上記最大距離（１７）は、約７．１ｍｍである
   ことを特徴とするピストン。
10. 請求項１〜９のいずれか１項において、
    上記半径Ｒ３に対する上記冷却ダクト（５）の高さｈの比率は、ｈ／Ｒ３≧０．６、特にｈ／Ｒ３≧０．６５である
    ことを特徴とするピストン。
11. 請求項１０において、
    上記冷却ダクト（５）の上記高さｈは、約６．６ｍｍである
    ことを特徴とするピストン。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項において、
    上記冷却ダクト（５）は、上記ピストンクラウンに最も近いリング溝（４）の上記ピストンクラウンに近いフランク（２１）よりも全体が上記ピストンクラウン（２）に近い
    ことを特徴とするピストン。