JP2017507277A - シリンダ毎に少なくとも１つの冷却オイルノズルを有する内燃機関用の、閉じられたクーリングチャンバなしのピストン、及び当該ピストンを冷却する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、リング領域（３）と、スカート（４）と、ピンボス孔（５）と、クーリングチャンバ（８）とを備える内燃機関用のピストン（１，１００）であって、クーリングチャンバ（８）が、ピンボス孔（５）方向で開いて構成されているピストン（１，１００）と、ピストン（１，１００）を冷却する方法とに関する。

Description

本発明は、独立請求項のそれぞれの上位概念部の特徴に則した、シリンダ毎に少なくとも１つの冷却オイルノズルを有する内燃機関用の、閉じられたクーリングチャンバなしのピストンと、このピストンを運転状態において冷却する方法とに関する。

ピストンを製造する方法は、公知である。ピストンは、例えば鍛造法、鋳造法又はその他相応の方法で製造される。

独国特許出願公開第１０１０６４３５号明細書は、内燃機関用のピストンに関する。このピストンは、ピストンヘッドと、ピストンスカートとを備え、ピストンスカートは、一対のピストンピンボスを有し、ピストンピンボスの領域においてセットバックされて形成されており、その結果、ピストンヘッドは、セットバックされたピストンスカートからピストンピンボスの領域において半径方向で張り出しており、ピストンスカートとピストンヘッドとにより画定されるピストン内室内には、オイルジェット衝突域を取り囲むオイル案内壁が設けられている。少なくとも１つの通路が設けられており、この通路は、ピストン内室から、ピストンヘッドにより半径方向で張り出されたピストン外側領域へ延在し、通路を通して供給されるオイルがピストンヘッド突出部の領域においてピストンヘッドにより変向されるように方向付けられている。これにより、ピストンの、ピストンリング近傍の周縁領域を、略オープンなオイル流により冷却することが可能となる。オイル案内面は、ピストンヘッドの下面と協働してピストンスカートの内壁により形成され、好ましくは、ジェット衝突域から通路へと延在する溝域を有している。

独国特許出願公開第１０１０６４３５号明細書では、ピストン内室へのオイルジェットの衝突がなされ、ピストン内室は、オイル衝突域を形成するオイル案内壁を有している。この場合、内室内における重点は、本形態の場合、冷却媒体へのできる限り最適な熱伝達ではなく、内部領域からのオイル流の最適化に置かれている。しかし、ピストントップ間のピストンの内室の領域又はしかしピストンピンの領域において、最大の発熱あるいは導出すべき最大の熱量が予測され得るので、この従来技術では、内部形状部内への冷却媒体の供給と、内部形状部の領域内での最適化された熱伝達とが重要視される。

従来、閉じられた又は少なくとも略閉じられたクーリングチャンバの製造は、高い材料使用量と切削加工手間とを伴ってフラップ技術（Ｋｌａｐｐｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅ）により実施されていた。

本発明の課題は、ピストンの製造を簡単にし、ラジアルクーリングチャンバを備えるピストンにおける変形加工度あるいは接合度を下げ、冷却媒体への熱伝達を改善するとともに、ピストンを冷却する方法を提供することである。

上記課題は、独立請求項の特徴を有するピストン及び方法により解決される。

本発明により、クーリングチャンバがピンボス孔方向で開いて構成されており、つまり概してピストントップの下側で下向きに（スカート下縁方向で）開いている。

この構成により、閉じられたクーリングチャンネル及び／又はクーリングチャンバを形成する変形加工ステップは節減される。クーリングチャンバ全体の壁を冷却媒体、好ましくは冷却オイルで濡らすことで、熱は、ピストントップの領域、とりわけ燃焼室くぼみから逃がされる。クーリングチャンバは、燃焼室くぼみとはピンボス孔方向で反対側の面全体により形成される。この領域において、燃焼室くぼみをクーリングチャンバから仕切っている壁間で、冷却媒体への熱交換が実施される。この冷却媒体は、開いたクーリングチャンバから略障害なしにピストン下の領域内にピンボス孔方向で流出する。冷却オイルノズルあるいはオイル吹き付けノズルにより、内燃機関の運転中、連続的に冷却媒体、好ましくは冷却オイルの形態の冷却媒体が圧送され、クーリングチャンバの壁と接触させられる。この供給された冷却媒体は、クーリングチャンバの壁上をかすめるように流れた後の流出する冷却媒体と比較して明らかに低い温度を有しているので、燃焼プロセスからの熱を逃がすのに好適である。

さらに本発明により、クーリングチャンバは、１つの内部形状部と、少なくとも１つのクーリングポケットとを有する。内部形状部は、ピストン行程軸線に関して中央に、燃焼室くぼみとはピンボス孔方向で反対側に構成されている。さらに内部形状部は、スカートの、ピストン下面に象られた輪郭により画定されている。このスカートは、ピストンをシリンダ内で案内するためと、ピンボス孔を受容するためとに用いられる。燃焼室くぼみとはピンボス孔方向で反対側の、スカートにより形成されるこの輪郭内と、スカートにより形成されるこの輪郭外とには、少なくとも１つのクーリングポケットが設けられている。この輪郭内では、少なくとも１つのクーリングポケットが、内部形状部と接触している。この輪郭外では、少なくとも１つのクーリングポケットが、スカートと、リング領域とは反対側の壁との間に存在する。スカートは、円筒状に構成されていても、セットバックされた結合壁（ピストンの外径に対してセットバックされた結合壁）により互いに結合されている（ボックス形）支持スカート壁区分を有していてもよい。

さらに本発明により、スカートの壁を通して冷却媒体を通過させる少なくとも１つの移送孔が設けられている。移送孔を設けたことで、燃焼室くぼみとはピンボス孔方向で反対側の面上で冷却媒体を均等に分配することが保証される。これにより、最大の熱交換をこの面と、この面を濡らす冷却媒体との間で達成するに至る。

さらに本発明により、少なくとも１つの移送孔は、少なくとも１つのクーリングポケットと内部形状部との間の接続を形成する、かつ／又は少なくとも１つの移送孔は、少なくとも１つのクーリングポケットと少なくとも１つの別のクーリングポケットとの間の接続を形成する。これにより移送孔は、内部形状部及び少なくとも１つのクーリングポケットへの冷却媒体の供給を可能にする。移送孔は、内燃機関あるいはエンジンの運転中、冷却媒体体積流量を均等に分配するのに用いられる。

さらに本発明により、移送孔及び／又はボス領域に少なくとも１つの冷却オイルノズルが向けられている。

冷却オイルの形態の冷却媒体を移送孔及び／又はボス領域内に狙いを定めて供給することにより、冷却性能に関して高い効率が達成される。

さらに本発明により、少なくとも１つの冷却オイルノズルは、ピストンの下死点（ＢＤＣ）において少なくとも１つの移送孔に向けられている。これにより下死点において、略すべての冷却媒体体積流量が、少なくとも１つの移送孔内、ひいては、ピストンの、スカートにより画定される内側の領域内に到達する。

さらに本発明により、少なくとも１つの冷却オイルノズルは、ピストンの上死点（ＴＤＣ）においてボス領域に向けられている。これにより上死点において、略すべての冷却媒体体積流量がボス領域内、ひいてはピストンの、スカートにより画定される外側の領域内に到達する。

開いたクーリングチャンバを有するピストンを冷却する方法に関して、本発明により以下のステップ：
‐冷却オイルを少なくとも１つの冷却オイルノズルを介してピストンの下側へ供給するステップと、
‐冷却オイルを少なくとも１つの移送孔内にピストンの上死点（ＴＤＣ）において噴射するステップと、
‐冷却オイルを、ピストンの上死点における少なくとも１つの移送孔と、ピストンの下死点（ＢＤＣ）における少なくとも１つのボス領域との間の領域に噴射するステップと、
‐冷却オイルを、ピストンのボス領域にある少なくとも１つのクーリングポケット内に噴射するステップと、
が予定されている。

上述の冷却法により、燃焼プロセスから最大で生じ得る熱量が、冷却オイルの形態の冷却媒体に伝えられ、逃がされる。

さらに本発明により、少なくとも１つの移送孔を通して冷却オイルを内部形状部及び／又はクーリングポケット内に導入する。少なくとも１つの移送孔に冷却オイルを送給することで、運転中、ピストンの、スカートの輪郭により画定される内側の領域への供給が保証される。

さらに本発明により、冷却オイルは、クーリングチャンバ全体からピストン下の領域に自由流出可能である。これにより、最大で可能な熱交換が、燃焼室くぼみ下の熱交換面と冷却オイルとの間で可能となる。冷却オイルは、初めて、例えばクーリングチャンネル内の規定された開口へ導かれる必要がなくなる。熱交換の直後、冷却オイルは、自由排出され、上述の方法に則して、低温の冷却オイルを熱交換面に寄せることを可能にする。

換言すれば、本発明により、閉じられたクーリングチャンネル（例えば、供給開口あるいは排出開口を除いて閉じられた環状のクーリングチャンネル）なしのピストンが設けられている。これにより、有利には一体型のピストンが、鍛造、焼結又は鋳造されたブランク部材から製造される。

移送穴は、穿孔可能であり、これに加えて、必要であれば、例えばＥＣＭ（Ｅｌｅｋｔｒｏｃｈｅｍｉｓｃｈｅ Ｍｅｔａｌｌｂｅａｒｂｅｉｔｕｎｇ：電気化学的作用を利用した金属加工）法が、穿孔時に生じたエッジのバリ取りあるいは丸み付けに使用可能である。

ＥＣＭ（英：Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）は、電気化学的作用を利用した様々な加工法を包含する概念である。ＥＣＭの使用時、ワークピース、例えばピストンは、金属の電気分解により加工される。略すべての金属、高合金の素材、例えばニッケルベースの合金、チタン合金、又は焼き入れされた素材も、加工される。従来型の金属加工の欠点、例えば工具の摩耗、機械的な負荷、入熱による微細亀裂の形成、酸化層又は事後的なバリ取りの手間といった欠点は、この方法の場合、入熱なしの非接触式の加工法であるため、存在しない。すべての電気化学的作用を利用した加工法は、内部応力フリーの材料除去、滑らかな移行、バリ形成のない平滑な表面の点で優れている。それゆえ、この加工法は、理想的にピストンにおける孔の加工に適している。

本発明に係るピストンは、鋼、アルミニウム、その合金、合金又はこれに類するものから製造可能である。

本発明に係るピストンは、マルチピースに、つまり複数のパーツから構成されていてもよい。重要であるのは、ピストンが閉じられたクーリングチャンネルあるいはクーリングチャンバを有しないことである。

本発明の一実施の形態を図面に示し、以下に説明する。

図１Ａ及び１Ｂは、閉じられたクーリングチャンバなしの本発明に係る一体型のピストンを示す図である。 図２Ａ及び２Ｂは、図１Ａ及び１Ｂに示した閉じられたクーリングチャンバなしの本発明に係る一体型のピストンを示す別の図である。 図３は、閉じられたクーリングチャンバなしの一体型のピストンを、斜めに噴射する冷却オイルノズルとともに示す図である。 図４Ａ及び４Ｂは、閉じられたクーリングチャンバなしの一体型のピストンを、噴射している冷却オイルノズルとともに示す２つの図である。 図５Ａ及び５Ｂは、閉じられたクーリングチャンバなしの本発明に係る一体型のピストンの別の実施の形態を示す図である。 図６は、図５Ａ及び５Ｂに示した閉じられたクーリングチャンバなしの一体型のピストンを、斜めに噴射する冷却オイルノズルとともに示す図である。 図７Ａ及び７Ｂは、図５Ａ及び５Ｂに示した閉じられたクーリングチャンバなしの一体型のピストンを、噴射している冷却オイルノズルとともに示す２つの図である。

図１Ａ、１Ｂ、２Ａ、２Ｂ、３、４Ａ及び４Ｂは、閉じられたクーリングチャンバなしの、つまり、図面で見て後向きに開いたクーリングチャンバを有する、本発明に係る一体型のピストン１の第１の実施の形態を示している。閉じられたクーリングチャンバなしの本発明に係る一体型のピストン１００の第２の実施の形態は、図５Ａ、５Ｂ、６、７Ａ及び７Ｂに示してある。

同じ要素には、全図において同じ符号を付した。

以下の図面の説明中、上、下、左、右、前、後等の概念は、専ら、装置その他要素の、それぞれの図面において選択された例示的な図示及び位置に関する。これらの概念は、限定的に解すべきではない。すなわち、異なる位置及び／又は鏡面対称の設計等により、この関係は変化し得る。

図１Ａ、１Ｂ、２Ａ、２Ｂ、３、４Ａ及び４Ｂは、一体型のピストン１を示している。このピストン１は、例えば鋼から製造されている。このピストン１は、開いたクーリングチャンネルを備えて構成されている。ピストン１は、クーリングチャンバ８を備えている。クーリングチャンバ８は、ピストン１の以下の領域あるいは要素：
‐リング領域３とは反対側の、ピストン１の内周に形成されるクーリングポケット７、
‐ピンボス孔５方向で燃焼室くぼみ８とは反対側の内部形状部、
から形成される。

クーリングポケット７は、スカート４により２つの領域に分割される。外側に位置する領域は、ボス領域１２という。内側に位置する領域は、リング領域３方向で内部形状部６に接続する。冷却媒体、例えば冷却オイル１１が、スカート４を通過することができるように、これらの領域間には、移送孔９が配置されている。冷却オイルノズル１０を介して交互に、図示しないシリンダ内でのピストン１の位置に応じて、冷却オイル１１が、移送孔９の流入開口内と、ボス領域１２内とに噴射される。図４Ａは、下死点（ＢＤＣ）、つまりピストンの下降運動が上昇運動に転じる点において、内部形状部６に通じる移送孔９内に冷却オイル１１が噴射されている最中のピストン１を示している。図４Ｂは、上死点（ＴＤＣ）、つまりピストン１の上昇運動が下降運動に転じる点において、ボス領域１２にあるクーリングポケット７内に冷却オイル１１が噴射されている最中のピストン１を示している。ピストン１の下降運動中、ますます多くの冷却オイル体積流量が、移送孔９に流入する。これにより、ますます多くの冷却媒体が、内部形状部６内と、この内部形状部６に配設されたクーリングポケット７内とに到達する。ピストン１の上昇運動時は、ますます多くの冷却オイル体積流量が、ボス領域１２内に、ひいては、ボス領域１２に存在するクーリングポケット７内に到達する。ピストン１の図２Ａ及び２Ｂには、明りょうに移送孔９が看取可能である。図３は、特に明りょうに、斜めに噴射する冷却オイルノズル１０を示している。

図５Ａ、５Ｂ、６、７Ａ及び７Ｂは、本発明に係る一体型のピストン１００の第２の実施の形態を示している。明りょうに看取可能であるのは、本実施の形態では、スカート４の幾何学的構成に変更が加えられていることである。ピストン１の第１の実施の形態では、下から見たときの形状は、ボックス形となっている。第２の実施の形態では、ピストン１００を下から見たとき、スカート４の弧状の区分が看取可能である。図５Ａ及び５Ｂは、ピストン１００における移送孔９の配置を示している。図６は、ピストン１００において斜めに噴射する冷却オイルノズル１０を示している。図７Ａは、下死点（ＢＤＣ）において、内部形状部６に通じる移送孔９内に冷却オイル１１が噴射されている際のピストン１００を示している。図７Ｂは、他方、上死点（ＴＤＣ）において、ボス領域１２にあるクーリングポケット７内に冷却オイル１１が噴射されている際のピストン１００を示している。

上述の、特許請求の範囲にも記載のピストン（全般的なピストン又は第１あるいは第２の実施の形態に係るピストン）は、自体公知の形式で内燃機関において使用される。内燃機関は、少なくとも１つのシリンダ室を有している。ピストンは、シリンダ室内に配置されており、公知の形式で昇降（往復動）可能である。内燃機関のクランクケース内には、少なくとも１つのオイル吹き付けノズル（冷却オイルノズルともいう）が存在しており、オイル吹き付けノズルを介して、オイルジェットが、ピストントップ方向で、つまり、下向きに開いたクーリングチャンバ方向で流出し、これにより、下向きに開いたクーリングチャンバに冷却媒体を供給することができる。冷却媒体は、下向きに開いたクーリングチャンバの壁に沿って、ひいては壁上をかすめ流れ、そこから熱を奪い、その後、再びピストンの内部領域内、ひいてはクランクケースの内部領域内にも戻され、これにより、燃焼に基づいてピストントップの領域において生じた熱を逃がすことができる。その後、クランクケース内に戻された冷却媒体は、冷却回路に戻され、改めて吹き付けノズルによりオイルジェットとして放出され得る。

１ ピストン
１００ ピストン
２ 燃焼室くぼみ
３ リング領域
４ スカート
５ ピンボス孔
６ 内部形状部
７ クーリングポケット
８ クーリングチャンバ
９ 移送孔
１０ 冷却オイルノズル
１１ 冷却オイル
１２ ボス領域

Claims (10)

1. リング領域（３）と、スカート（４）と、ピンボス孔（５）と、クーリングチャンバ（８）とを備える内燃機関用のピストン（１，１００）であって、前記クーリングチャンバ（８）は、前記ピンボス孔（５）方向で開いて構成されていることを特徴とするピストン（１，１００）。
2. 前記クーリングチャンバ（８）は、１つの内部形状部（６）と、少なくとも１つのクーリングポケット（７）とを有する、請求項１に記載のピストン（１，１００）。
3. 前記スカート（４）の壁を通して冷却媒体を通過させる少なくとも１つの移送孔（９）を備える、請求項１又は２に記載のピストン（１，１００）。
4. 前記少なくとも１つの移送孔（９）は、少なくとも１つのクーリングポケット（７）と前記内部形状部（６）との間の接続を形成する、かつ／又は前記少なくとも１つの移送孔（９）は、少なくとも１つのクーリングポケット（７）と少なくとも１つの別のクーリングポケット（７）との間の接続を形成する、請求項１から３までのいずれか１項に記載のピストン（１，１００）。
5. 前記移送孔（９）及び／又はボス領域（１２）に少なくとも１つの冷却オイルノズル（１０）が向けられている、請求項１から４までのいずれか１項に記載のピストン（１，１００）。
6. 前記少なくとも１つの冷却オイルノズル（１０）は、前記ピストン（１，１００）の下死点（ＢＤＣ）において前記少なくとも１つの移送孔（９）に向けられている、請求項１から５までのいずれか１項に記載のピストン（１，１００）。
7. 前記少なくとも１つの冷却オイルノズル（１１）は、前記ピストン（１，１００）の上死点（ＴＤＣ）において前記ボス領域（１２）に向けられている、請求項１から６までのいずれか１項に記載のピストン（１，１００）。
8. 開いたクーリングチャンバ（８）を有するピストン（１，１００）を冷却する方法であって、
   ８ａ）冷却オイル（１１）を少なくとも１つの冷却オイルノズル（１０）を介して前記ピストン（１，１００）の下側へ供給するステップと、
   ８ｂ）前記冷却オイル（１１）を少なくとも１つの移送孔（９）内に前記ピストン（１，１００）の上死点（ＴＤＣ）において噴射するステップと、
   ８ｃ）前記冷却オイル（１１）を、前記ピストン（１，１００）の上死点における前記少なくとも１つの移送孔（９）と、前記ピストン（１，１００）の下死点（ＢＤＣ）における前記少なくとも１つのボス領域（１２）との間の領域に噴射するステップと、
   ８ｄ）前記冷却オイル（１１）を、前記ピストン（１，１００）の前記ボス領域（１２）にある少なくとも１つのクーリングポケット（７）内に噴射するステップと、
   ８ｅ）内燃機関の運転中、前記ステップ８ａ）乃至８ｄ）を繰り返すステップと、
   を備えることを特徴とする方法。
9. 前記少なくとも１つの移送孔（９）を通して冷却オイル（１１）を前記内部形状部（６）及び／又はクーリングポケット（７）内に導入する、請求項８に記載の方法。
10. 前記冷却オイル（１１）は、前記クーリングチャンバ（８）全体から前記ピストン（１，１００）下の領域に自由流出可能である、請求項８又は９に記載の方法。

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