JPH04500550A - 所定の体積を有する冷却くぼみを備えた関節ピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 所定の堆積を有する冷却くぼみを備えた関節ピストン技術の分野 本発明は、全体的には、内燃機関で用いるための関節ピストンのピストン部材に 関するものであり、一層詳しくは、冷却くぼみの熱交換率を高めることによって ピストン部材の冷却を改善することに関する。

背景の技術 ここ数年にわたって、エンジンをよりコンパクトに設計し、しかも、燃費および 効率を改良し、汚染物排出量を低減し、エンジン４６を延ばし、さらに、シリン ダあたりの出力を高めるという機運が高まってきている。今日のエンジンは改良 または高級化されているので、ピストン組立体はかなり高い燃焼室圧力および温 度を受ける。

ピストンに加えられる高い温度の影響を克服する試みはなされている。試みられ た主要な方法の１つは、ピストン側からの熱遮断効率を高めることであった。

たとえば、１９５７年１２月３日にＧｅｏｒｇｅ　Ａ、　Ｂｏｌｔに発行された 米国特許第２，８１５，０１１号では、一体型ピストンの下面にトラフ部材が取 り付けである。このトラフ部材は、冷却材を集め、ピストンの底面に向かって冷 却材をはねかけ、ピストンから冷却材へ熱を抽出するのに用いられる。トラフの 壁面はピストンに接近して位置しているが、熱伝導接触はしていない。したがっ て、ピストンの伝熱部分と良好な伝熱接触をしていなくても、トラフは熱を抽出 し、ピストンの温度を低下させるのにより効果的であり得る。

１９７７年１１月１日にＫｅｎｎｅｔｈ　Ｒ，Ｘａａ＋ｍａｎに発行された米国 特許第４．０５６．０４４号に開示されている冷却式ピストン組立体は２分割式 であり、本体部と、これにリストビンで連結されたスカートとを包含する。本体 部には外側室が設けてあり、そこに潤滑・冷却オイルが送られる。スカートは、 外側チャンバの下に設けてあってこのチャンバからオイルを集める環状の溝を包 含する。集められたオイルは、ピストン組立体の往復動でチャンバ内にはねかけ られ、チャンバ領域において本体部をさらに冷却する。冷却オイルはチャンバ内 に送られてから、チャンバの表面に沿って流れて熱の一部を吸収し、冷却オイル の一部は溝内に落下して上記の運動を繰り返す、この設計は作動可能であるが５ 本体部から冷却材への熱伝達の効率がＭ週とは言い難い。

これは、溝がスカートにあり、ピストンの伝熱部分と良好な伝熱接触をしていな いからである。

１９８３年３月２９日にｌ１ｉｎｔｏｎ　Ｊ、　Ｐｅ１ｉｚｚｏｎｉに発行され た米国特許第４．３７７、９６７号に開示された２分割式ピストン組立体は上部 と下部とからなる２分割式ピストン組立体をである。ピストンのクラウン部材の 下端の外特表千４−５００５５０　（３） 側まわりに別体のカップ状の装置が取り付けである。

このカップ状装置は、冷却材を集め、それをピストンの底にはねかけ、ピストン から冷却材に熱を抽出するのに用いられる。この装置は上部に取り付けであるが 、上部、すなわち、クラウンの最も熱い部分に対して良好な熱伝導関係になって いない下方リング・ランドの下部に取り付けである。したがって、カップ状装置 はクラウンに対して良好な熱伝導関係になく、この構造は、カップ状装置または くぼみに保持されるべき冷却材の体積を制御し、くぼみの全体積対装置の体積の 関係を決定するということを教示あるいは示唆するものではない。

Ｅ＋ｗｉＩ　ＲｉｐｂｅｒｇｅｒおよびＨａｎｓｐｅｔｅｒ　Ｗｉｅｌａｎｄに 発行され、１９８８年７月１３日に公告された英国特許出願公告筒２、１９９． ６３７号に成るピストン・ヘッドが開示されている。この英国出願は、入口、出 口を備えた環状の冷却オイル室を有する鍛造ピストン・ヘッドを開示している。

この冷却室は、個々のプロングを閉じた壁の形状に変形することによってピスト ン・ヘッドの一体部品として形成される。冷却室を形成するプロングの各々はピ ストン・ヘッドと伝熱連結状態にある。しかしながら、プロングの変形は間に密 閉結合部を作るわけではないし、くぼみの体積を制御できるわけでもない。

したがって、冷却材を保持し、冷却材の、ピストンの伝熱部分との接触時間を延 ばす溜めは示されてぃない。

したがって、必要とされるものは、連続的で能率良く作動できる高出力エンジン ・ピストン組立体およびピストン部材である。さらに、ピストン部材は比較的容 易に製作することができ、溜めに保持される所定麗の冷却材を連続的に補給して 冷却材の、ピストンの伝熱部分との接触時間を延ばすことができ、さらに、ピス トンの伝熱部分から冷却材溜めへの熱伝導路を大きくすることができなければな らない。

本発明は上記の問題のうちの１つあるいはそれ以上を克服することを目的とする 。

Ｉ肚工１ｊ 本発明の一局面によれば、関節ピストン組立体は。

エンジンで用いられるようになっているピスト：）ＮＩ材およびスカート部分を 包含する。ピストン部材の上部は、はぼ円筒形となっており、周囲頂面、この頂 面から下に延びる管状壁、外向きの壁部分および下向きの環状冷却くぼみを有す る。下部は外向きの壁部分と組み合わせた一対の垂れ下がりビン・ボスを包含す る。

これらのビン・ボスは、個別に、共通軸線と整合するりすとビン受は孔を構成す る。スカートは下部のまわりに設けてあり、共通軸線と整合する一対のりストピ ン受は孔を有する。１つのりストビンがスカートのりストピン受は孔およびピス トン部材の下部にあるリストビン受は孔内に配置され、スカートをピストン部材 に摺動可能に取り付ける。少なくとも１つのそらせ板が環状冷却くぼみ内に設置 され、これは、ピストン部材の上部に熱伝導関係で密封固定され、所定の体積お よび少なくとも１つの開口を有する冷却通路を構成す本発明の別の局面によれば 、鋼製のピストン部材は上部および下部を包含し、エンジン燃焼室内で往復動で きる。ピストン部材の上部はほぼ円筒形であり、周囲頂面、この頂面から下に延 びる管状壁、外向きの壁部分および下向きの環状冷却くぼみを有する。下部は外 向きの壁部分と組み合わせた一対の垂れ下がりビン・ボスを包含する。くぼみ内 には少なくとも１つのそらせ板が設置してあり、これはピストン部材の上部に熱 伝導関係で密封固定され、所定の体積および少なくとも１つの開口を有する冷却 通路を構成する。

一層詳しく言えば、本発明のピストン組立体は、開口と所定の密閉体積を有する 冷却通路を備えた鋼製ピストン部材を有する。

図面の簡単な説明 第１図は本発明によるエンジン・ピストン組立体の概略断片垂直断面図である。

第２図はピストン組立体の一部の、第１図の■−■線に沿った垂直断面図である 。

第３図は第１図、第２図に示すピストン部材の頂部周囲領域の詳しい構造を示す 拡大断片図である。

第４図は第２図に示すピストン部材の、ｒＶ−ｒＶ線に沿った底面図であり、ピ ストン・ボスを仮想線で示す図である。

第５図は第１図、第２図に示すピストン部材の２つのそらせ板のうちの１つを示 す拡大展開図である。

第６図は別の一体型そらせ板を持つピストン部材の底面図である。

第７図は開口内を直接見たときの一体型そらせ板の側面図であり、突出部分の高 さを示す図である。

るための　の升ン。

第１図、第２図を参照して、内燃機関（エンジン）１０は一体のブロック１２と 、複数のファスナまたはボルトによって普通の要領でブロック１２に固着された シリンダ・ヘッド１４とを包含する。ブロック１２は複数の機械加工したシリン ダ・ボア１８を有し、そのうちの１つだけが図示しである。各ボア１８はそのま わりに冷却材流路を備える。エンジン１０は交換可能なシリンダ・ライナの有無 を問わず任意の従来設計のものであり得る。

エンジン１０は、さらに、複数の冷却オイル噴出ノズル２０を包含し、その１つ が第１図の右下部に示しである。各ノズルはブロック１２に固着してあり、図示 しない普通の加圧オイル源に接続してあり、関節ピストン組立体２２にオイルな どを供給するようになっている。

エンジン１０のピストン組立体２２は、上方の鋼製ピストン部材２４と、下方の あるみ製ピストン・スカート２６とを包含し、これらは長平方向の中心軸線３０ を有する共通のリストんビン２８上に枢着しである。リストビンは鋼材料で作ら れており、円筒形の外面３２と、重量軽減の目的でリストビンな貫いて設けた円 筒形のボア３４とを有する。連接棒３６は普通のものであり、これは上部あい端 ３８付近でキーストーンまたはくさび状の形となっており、そこに鋼裏打ち青銅 製スリー・ブ軸受４０が固定しである。連接棒３６は、エンジンのサイクルに応 じて、リストビン２８によって駆動されるか、あるいは、リストビン２８を駆動 する。

鋼製ピストン部材２４は、第２図に示すように、はぼ円筒形の上部４２と軸線４ １とを有する。上部４２は平坦な、すなわち、軸線４１に対して直角な平面に位 置する周囲頂面４４と、この実施例では完全に機械加工した、軸線４１まわりの 回転面であるクラウン面４６とを有する。このクラウン面４６は本発明の利点を 変えることなく軸線４１からオフセットして設けることもできる。大まかに言え ば、クラウン面は、頂面の下方に位置する中央の頂点部４８と、はぼ円筒形の周 囲すなわち半径方向外側ランド部５０と、頂点部および外側ランド部と滑らかに つながる環状トラフ５２とを有する。頂点部４８、環状トラフ５２および外側ラ ンド部５０の組み合わせは燃料効率をかなり改善する。

第３図に最も良く示すように、ピストン部材２４は、さらに、頂面４４の外縁か ら垂れ下がる管状の！！５４を包含し、この壁５４には、その全周にわたって以 下に述べる順序で、頂部ランド５６、キーストーンまたはくさび状の横断面形状 を有する頂部リング溝５８、上部中間ランド６０、矩形横断面形状の中間リング 溝６２、下部中間ランド６４、矩形横断面形状の底部リング溝６６および下端面 ７ｏで終わる底部ランド６８が形成しである。環状の半径方向内向きの壁面７２ も壁５４によって構成されており、この壁面は下端面７０から上方に延びている 。上部４２は環状の半径方向外向きの壁面７４を提供する。下向きの円筒形壁面 ７６が壁面７２．７４の間をつなげている。

外向きの壁部７８が移行壁面８ｏによって壁面７４につながっている。これらの 壁面７２．７４．７６．８０は、それぞれつながった関係で一緒になって、精密 に定められた横断面形状および体積の環状冷却くぼみ８２を構成する。実際に、 壁面７４は円錐形であり、第３図に示すように、約４度の軸ｔ＋ｉ４１に対する 傾斜角ｒＡＪを有する。一方、壁面７２も円錐形であり、約２度の傾斜角ｒＢ」 を有する。あるいは、環状冷却くぼみ８２は、鍛造あるいは鋳造した任意の形態 であっても良いし、あるいは第３図に示すような深いくぼみを機械加工したもの であっても良い。

一対のそらせ板８４がピストン部材２４の上部４２に密封状態で固定してあり、 これらのそらせ板は一対の冷却通路またはオイル・トラフ８６を形成する。この 特定の用途においては、そらせ板８４は、外向きの壁部７８と内向き壁面７２の 間で冷却くぼみ８２内に取り付けである。あるいは、図示してないが、そらせ板 ８４は、伝熱関係となる任意の形態で、外向き壁部７８および端面７０と組み合 わせるなどして冷却くぼみ８２に取り付けても良い。この用途では、そらせ板は 溶接と接着剤を組み合わせて取り付けられる。しかしながら、そらせ板は種々の 溶接法または接着法によってピストン部材２４に取り付けても良い、第４．５． ６．７図に最も良く示すように、そらせ板８４の各々は、半径方向内面８７、半 径方向外面８８、一対の端８９および各端８９から上向きに延びる突出部９０を 有する。突出部９０は、この特殊な用途では約８ｍｍである高さｒＨｊを有し、 また、冷却くぼみ８２に緊密に嵌合する輪郭を有し、冷却通路の所定の全密閉体 積が全冷却くぼみ体積の５０％〜７５％になるようにしである。冷却材の熱吸収 効率は、主として、冷却材と接触する表面積、冷却材の量、冷却材の温度、冷却 材が熱と接触する時間および冷却材の洗浄効果に依存する。くぼみの３分の１す なわち約６７％は、密閉体積冷却くぼみ８６のような空所内におけるカクテルシ ェーカ・スクラバー作用による最良の伝熱にとって最適となるように決定される 。

対のそらせ板８４の間には一対の開口９２が設けである。これらの開口は互いに 斜め方向に対向して位置しており、したがって、ピストン部材２４は２つの可能 性のある位置のいずれかでリストビン２８にエンジン内ですえ付けることができ 、また、開口のうち少なくとも一方を充填開口あるいはボートとして作用するオ イル噴射ノズル２０と軸線方向に整合させ、他方の開口を流下、出口あるいはオ ーバーフロー開口として作用させることができる。そらせ板８４の１つを第５図 に示す、突出部９０はそらせ板と一体に形成してあり、ピストン部材２４に取り 付ける前に曲げるようになっている。あるいは、第６図に示すように、対の冷却 通路８６は１つだけの通路に組み合わせても良く、１つだけのそらせ板９６をピ ストン部材２４に密封状態で固定しても良い。そらせ板９６は充填・環流開口ま たはボートとして作用する単一の開口９８と、一対の上方に延びる部分すなわち ダム部材１００とを包含する。第７図に示すように、ダム部材１００は、この特 殊な用途では約８ｍｍである高さ「Ｈ」を有し、冷却通路の密閉体積が全通路体 積の３分の２の理想的な充填容量に設定される。

また別の変形例として、図示してないが、そらせ板９６に一対の開口９８を設け 、所定の高さを有する一対の管状のダム部材で開口９８を囲み、通ｆ８８６を連 続通路としても良い、また、上記のダム部材の１つで単一の開口９８を構成し、 連続した通路を形成するようにしても良い。

鋼製ピストン部材２４は、さらに、一対の垂れ下がりビン・ボス１０６を包含す る下部１０４を有し、これらのビン・ボスは上部４２の外向き壁部７８につなが り、そして、上部によって構成される下向きのくぼんだポケット１０８とつなが る。ビン・ボス１０６の各々を貫いてボア１１０が形成してあり、このボアは鋼 内張り青銅軸受スリーブ１１２を個別に受けるようになっている。これらの軸受 スリーブは軸線方向に整合していてリストビン２８を回動自在に受け入れる。

次に、ピストン・スカート２６に言及すると、これはピストン部材２４の上部４ ２の下端面７０と近接しているが接触していない関係にある周囲頂面１１４を有 する。さらに、スカート２６は、頂面から垂れ下がるやや楕円形の外面１１６を 有する。スカート２６は、さらに、最大直径部（図示せず）と最小直径部１２０ を有する。ピストン・スカートのこの最小直径部１２０を貫いて一対の整合した りストピン受はボア１２２が形成しである。各ボア１２２はスナップリング受は 満１２４を有する。こうして、ピストン・スカートはりストビン２８上に枢着さ れ、このリストビンは両ボア内に摺動自在に設置される。中心軸線３０に沿って リストビンが過剰に動くのを防止するために、一対の割り保持リング１２６がそ れぞれの溝１２４内に配置しである。スカートは、また、一対の斜めに対向する くぼみ１２８を備え、これらのくぼみはスカートの底に下向きに開口していて、 スカートが最下方位置まで移動したときでもノズル２０との間に間隙を与える。

の１ｐ 作動にあたって、関節ピストン組立体２２は上死点と下死点の間で往復動じ、ノ ズル２０は開口９２の１つを通して冷却材、この用途では、オイルの流れを連続 的に送るようになっている。冷却材は環状冷却（ぼみ８２に入り、壁面を洗浄し 、ピストン組立体２２から熱の一部を吸収する。壁面を洗浄したオイルは対の冷 却通路８６に集められ、余分な潤滑・冷却オイルは突出部９０を越えて流下し、 開口９２を通って流出する。冷却材は晋通の要領で集められ、冷却され、再循環 させられる。冷却通路８６に保持される所定の密閉体積（冷却くぼみ８２の全体 積の約３分の２）により、冷却くぼみ８２の全体積に関する、ピストン部材２４ からオイルへ熱を伝える効率が最良の値となる。さらに、突出部９０により、冷 却材の密閉体積が冷却通路８６内に保持され、環状冷却（ぼみ８２の表面にはね かけられる。エンジンの作動中、関節ピストン組立体２２の往復動が生じ、冷却 材が環状冷却くぼみ８２を構成する表面に向かってはねかけられる。はねかけ作 用は、特に、ピストン組立体が方向転換する位置で生じる。はねかけられた冷却 オイルは内向きの壁面７２、外向き壁面７４、下向きの円筒形壁部７６を洗浄し 、このとき、熱がピストン部材２４からオイルに伝オ〕る。

往復動中、通路８６内に保持された冷却オイルもピストン部材２４から熱を吸収 する。これは、そらせ板８４がピストン部材２４に密封固定されており、ピスト ンの伝熱部から通路８６内に保持された冷却材への伝熱経路を大きくするからで ある。関節ピストン組立体２２が往復動するにつれて、連続的に噴射するノズル ２０が通路８６に冷却材を補給する。

前述のことから明らかなように、本発明に従って構成したピストン部材２４の関 節ピストン組立体はピストン部材２４の適切な冷却を行う。また、突出部９０を 備えたそらせ板８４が密閉冷却通路８６を形成するようにピストン部材２４に密 封固定され、これらの冷却通路８６が冷却くぼみ８２の全体積の約３分の２の所 定密閉体積を持つことも明らかであろう、したがって、冷却材による洗浄作用を 介しての熱の吸収およびそらせ板８４を通してのピストン部材２４がらの伝熱を 利用して冷却材の効率が高くなる。

本発明の他の局面、目的および利点は図面、開示および請求の範囲を検討するこ とによって明らかとなろう。

国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．エンジン（１０）で用いるようになっている、ピストン部材（２４）、スカ ート部（２６）を包含する関節ピストン組立体（２２）であって、ピストン部材 （２４）が上部（４２）と下部（１０４）を有し、この上部（４２）がほぼ円筒 形であり、周囲頂面（４４）、この頂面（４４）から垂れ下がる管状壁（５４） 、外向き壁部分（７８）および下向きの環状冷却くぼみ（８２）を有し、前記下 部（１０４）が前記外向き壁部分（７８）とつながる一対の垂れ下がりピン・ボ ス（１０６）を包含しこれらのピン・ボス（１０６）が、個別に、中心軸線（３ ０）と整合するリストピン受けボア（１１０）を構成しており、 スカート部（２６）がピストン部材（２４）の下部（１０４）のまわりに位置し ており、中心軸線（３０）と整合する一対のリストピン受けボア（１１０）を有 し、 スカート部（２６）の対のリストピン受けボア（１２２）およびピストン部材（ ２４）の下部（１０４）にあるリストピン受けボア（１１０）内にリストピン（ ２８）が配置してあってスカート部（２６）をピストン部材（２４）に取り付け ており、環状冷却くぼみ（８２）内に少なくとも１つのそらせ板（９６）が設置 してあり、このそらせ板がピストン部材（２４）の上部（４２）に熱伝導関係で 密封固定してあり、所定の密閉体積および少なくとも１つの開口（９２）を有す る冷却通路（８６）を形成している ことを特徴とする関節ピストン組立体。 ２．請求の範囲第１項に記載の関節ピストン組立体において、前記所定の密閉体 積が全冷却くぼみ体積（８２）の約５０％〜約７５％の範囲にあることを特徴と する関節ピストン組立体。 ３．請求の範囲第１項に記載の関節ピストン組立体において、前記所定の密閉体 積が全冷却くぼみ体積（８２）の約６７％であることを特徴とする関節ピストン 組立体。 ４．請求の範囲第１項に記載の関節ピストン組立体において、前記そらせ板（９ ６）が一対の板（９６）を包含することを特徴とする関節ピストン組立体。 ５．請求の範囲第４項に記載の関節ピストン組立体において、前記板（９６）の 各々が各端に上向きの突出部（９０）を有することを特徴とする関節ピストン組 立体。 ６．請求の範囲第５項に記載の関節ピストン組立体において、前記突出部（９０ ）が所定の高さを持っていて、通路内の所定の密閉体積が全冷却くぼみ体積（８ ２）の約６７％であるようにしたことを特徴とする関節ピストン組立体。 ７．請求の範囲第５項に記載の関節ピストン組立体において、前記端（８９）の 間にスペース（９８）があって入口・出口開口（９８）を形成していることを特 徴とする関節ピストン組立体。 ８．請求の範囲第１項に記載の関節ピストン組立体において、前記そらせ板（９ ６）が単一の板（９６）を包含することを特徴とする関節ピストン組立体。 ９．請求の範囲第８項に記載の関節ピストン組立体において、前記単一の板（９ ６）が開口（９８）と、この開口（９８）の反対側（８９）に一対の上向き突出 部（９０）とを有することを特徴とする関節ピストン組立体。 １０．請求の範囲第９項に記載の関節ピストン組立体において、前記突出部（９ ０）が所定の高さを有し、通路内の所定の密閉体積が全冷却くぼみ体積（８２） の約６７％であるようにしたことを特徴とする関節ピストン組立体。 １１．上部（４２）と下部（１０４）を有し、内燃機関（１０）で往復動するよ うになっている鋼製ピストン部材（２４）であって、 上部（４２）がほぼ円筒形であり、周囲頂面（４４）、この頂面（４４）から垂 れ下がる管状壁（５４）、外向き壁部分（７８）および下向きの環状冷却くぼみ （８２）を有し、 下部（１０４）が前記外向き壁部分（７８）とつながる一対の垂れ下がりピン・ ボス（１０６）を包含し、 環状冷却くぼみ（８２）内に少なくとも１つのそらせ板（９６）が設置してあり 、このそらせ板がピストン部材（２４）の上部（４２）に熱伝導関係で密封固定 してあり、所定の密閉体積および少なくとも１つの開口（９２）を有する冷却通 路（８６）を形成している ことを特徴とする鋼製ピストン部材。 １２．請求の範囲第１１項に記載の鋼製ピストン部材において、前記所定の密閉 体積が全冷却くぼみ体積（８２）の約５０％〜約７５％の範囲にあることを特徴 とする鋼製ピストン部材。 １３．請求の範囲第１２項に記載の鋼製ピストン部材において、前記所定の密閉 体積が全冷却くぼみ体積（８２）の約６７％であることを特徴とする鋼製ピスト ン部材。 １４．請求の範囲第１１項に記載の鋼製ピストン部材において、前記そらせ板（ ９６）が一対の板（９６）を包含することを特徴とする鋼製ピストン部材。 １５．請求の範囲第１４項に記載の鋼製ピストン部材において、前記板（９６） の各々が各端に上向きの突出部（９０）を有することを特徴とする鋼製ピストン 部材。 １６．請求の範囲第１５項に記載の鋼製ピストン部材において、前記突出部（９ ０）が所定の高さを持っていて、通路内の所定の密閉体積が全冷却くぼみ体積（ ８２）の約６７％であるようにしたことを特徴とする鋼製ピストン部材。 １７．請求の範囲第１６項に記載の鋼製ピストン部材において、前記端（８９） の間にスペース（９８）があって入口・出口開口（９８）を形成していることを 特徴とする鋼製ピストン部材。 １８．請求の範囲第１項に記載の鋼製ピストン部材において、前記そらせ板（９ ６）が単一の板（９）を包含することを特徴とする鋼製ピストン部材。 １９．請求の範囲第１８項に記載の鋼製ピストン部材において、前記単一の板（ ９６）が開口（９８）と、この開口（９８）の反対側（８９）に一対の上向き突 出部（９０）とを有することを特徴とする鋼製ピストン部材。 ２０．請求の範囲第１９項に記載の鋼製ピストン部材において、前記突出部（９ ０）が所定の高さを有し、通路内の所定の密閉体積が全冷却くぼみ体積（８２） の約６７％であるようにしたことを特徴とする鋼製ピストン部材。