JPS6160973B2 - - Google Patents

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JPS6160973B2
JPS6160973B2 JP55000971A JP97180A JPS6160973B2 JP S6160973 B2 JPS6160973 B2 JP S6160973B2 JP 55000971 A JP55000971 A JP 55000971A JP 97180 A JP97180 A JP 97180A JP S6160973 B2 JPS6160973 B2 JP S6160973B2
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piston
oil
air gap
wall
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JP55000971A
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Efu Gaataa Robaato
Hanparian Nushan
Teii Rii Riton
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Motors Liquidation Co
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General Motors Corp
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Publication date
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Publication of JPS6160973B2 publication Critical patent/JPS6160973B2/ja
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    • F02B23/02—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
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    • F02B23/0696—W-piston bowl, i.e. the combustion space having a central projection pointing towards the cylinder head and the surrounding wall being inclined towards the cylinder wall
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F02F3/00—Pistons 
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関、特にデイーゼル機関用のピ
ストンに関し、更に詳細にはデイーゼル型内燃機
関用の油冷却される絶縁されたピストン組立体に
関するものである。
従来より、デイーゼル機関のためのピストンの
設計及び開発努力のかなりの部分が、例えば臨界
温度域内にキヤスト冷却通路を組入れ、またはピ
ストン・アンダクラウン（ピストン頭部下方域）
にジエツト・スプレ及びスプラツシユ冷却を与
え、或いは所謂「カクテル・シエーカー」空洞内
に冷却媒体を閉じ込めてピストン内側面に周期的
に衝突させる等の種々の冷却構成によりピストン
金属温度を最少とするための方法に注がれてい
る。このような構成は、ピストン金属の臨界域か
らの伝熱を向上させることによりピストン温度を
最少とすると共に熱応力レベルを材料降伏強度
（yield strength）と調和する値まで低下させる
ことを目的とするものである。
また、燃焼室域から機関の他の部分への熱損失
を制限するための絶縁手段をピストンに設けるこ
とも提案されている。このような構成は、熱損失
を減少させることにより機関作動効率を高めると
共に、或る場合には燃焼を向上させ望ましからざ
る排気物を減少させるために提案されたものであ
る。
本発明に従つた絶縁された油冷却されるピスト
ン組立体はピストン・リング域内の本体の油冷却
される部分と高温燃焼室劃定挿入部材とを有し、
該挿入部材は、燃焼室の中央部分下側に設けられ
た、油で冷却されない囲まれた中央室と、燃焼室
挿入部材壁外側部分とピストン本体の冷却される
壁との間に設けられた制御された厚みの絶縁空気
空隙とによつて、ピストンの冷却される部分から
部分的に絶縁される。
この新規なピストン構造の種々の特徴として
は、例えばピストン本体及び対応する挿入部材の
特定の形状、安全留め輪を含め燃焼ボウル挿入部
材のための保持手段、絶縁空気空隙をシールする
ための燃焼ボウル挿入部材の膨張間隙部分のため
のシール手段、燃焼ボウル挿入部材に対する高温
材料選択、及び絶縁空気空隙に対する好ましい厚
さの選択等があげられる。
以下に図面を参照しつつ本発明の好ましい実施
例を例示的に説明する。
図面に示すピストン及び連接ロツド組立体１０
は連接ロツド１２、ピストン・ピン１４及びピス
トン組立体１６を含む。ピストン組立体１６は二
個の主要な要素、すなわちヘツド組立体１８及び
スカートまたはクロスヘツド部材２０を含む。
ピストン組立体１６は、スカートとヘツド組立
体とがピストン・ピンに別個に連結され該ピスト
ン・ピンの軸線のまわりで互いに独立した制限さ
れた量の揺動が自由なクロスヘツド型のものであ
る。これら基本的な要素の構成と作動は公知のク
ロスヘツド・ピストン構造（例えば米国特許第
3555972号）のものとほぼ同様である。
本発明のピストンと従来構成のものとの主な差
異はヘツド組立体１８の構造にある。このヘツド
組立体は二個の主要な要素、すなわち本体部材２
２と燃焼室または燃焼ボウル挿入部材２４とから
形成される。
本体部材２２は外側略円筒形リング・ベルト区
部２６を含み、これは圧縮ピストン・リングのた
めの溝２８，２９と、その下縁の縮少径部分にシ
ールリング溝３２とを有する。溝３２内に受容さ
れるシールリング３４はピストン・スカート上縁
の内側に係合して、ピストン内部からの冷却用油
の漏れを公知の如く（例えば上記米国特許）シー
ルする。
本体部材のリング・ベルト区部２６はその上縁
に外側リム３６を形成し、また該リムの直下にお
いて垂下カツプ形支持壁３８に接続する。支持壁
３８はその下方のピストン・ピン連結区部４０と
一体的に形成されている。ピン連結区部４０はピ
ン受容サドル部分４２を含み、その両側縁は外方
に延びてピストン・スカートの環状リブ４４との
間に近接した空隙を形成することにより、リン
グ・ベルト区部２６とカツプ形壁３８との間にお
いてピストン本体部材内に部分的に劃定され且つ
壁３８の下側部分とサドル部分４２とピストン・
スカート２０との間に部分的に劃定される環状冷
却油空洞４６を実質的に閉鎖する。
冷却油空洞４６への冷却油の供給は連接ロツド
１２の潤滑剤通路４８を介して行なわれる。通路
４８はピストン・ピン内の環状導通路５０に接続
し、供給される油をピストン・サドル部分４２に
受容された軸受挿入部材５４の弧状凹所５２へ向
ける。該凹所は次に開口５６を介して、軸受挿入
部材からサドル部分を貫通して冷却剤空洞４６へ
斜め外方に延びる通路５８へ接続する。
冷却油空洞４６へ供給された冷却剤は本体部材
リング・ベルト区部２６とピストン・スカート２
０の上側部分とを含むピストン外壁を冷却すべく
公知の態様で用いられる。余剰の油は冷却油空洞
４６から一個またはそれ以上の戻り通路６０を経
て機関溜へ戻る。通路６０はサドル部分４２の外
部を通つて延び、空洞４６をサドル部分４２の下
方のピストン組立体１６の開放部分に接続する。
環状冷却油空洞４６の内方において、ピストン
本体部材２２の壁３８はカツプ形の凹所６２を劃
定しており、その底部はピストン・サドル部分４
２の頂部となつている。凹所６２には下側円筒部
６４が部分的に機械加工されており、これは軸方
向に対称の挿入部材を受容すべく平担な環状着座
部すなわち当接部６６と接合する。円筒面６４に
は後述する目的のために内方を向いた留め輪溝６
８が形成されている。
壁３８の上方において、ピストン・リムの内側
部分には後に明らかとなる目的のために内方を向
いた円筒状表面７０とこれに接合する平担環状面
７２とが機械加工されている。
凹所６２内には別個の燃焼ボウル挿入部材２４
が挿入される。挿入部材２４は開放底部を備えた
垂下柱状区部７６を有し、該柱状区部の下側部分
には、本体部材２２の平坦で環状の着座部すなわ
ち当接部６６に着座する平担環状面７８と、燃焼
ボウル部材２４を適正位置に保持すべく円筒面部
分６４内に締りばめまたは圧嵌される外方を向い
た円筒面８０が形成されている。二次的な確実保
持手段として柱状区部７６には外方を向いた輪溝
８２が形成され、これに留め輪８４が装着され
る。留め輪８４は本体部材２２内への燃焼ボウル
挿入部材２４の装着時に、本体部材の協働する内
方を向いた留め輪溝６８と係合すべく外方へ広が
つて、本体部材２２からの挿入部材２４の離脱を
確実に阻止する。
柱状区部７６の上方において燃焼ボウル部材２
４は中央ボウル区部８６を劃定する。これは柱状
区部の上縁から内方に延びてその頂部を閉鎖し、
冷却油空洞４６内の冷却剤によつて直接には冷却
されない中央室８８を囲む。中央室８８は、ピス
トン本体部材２２のサドル部分４２の外側部分を
貫通して延びる一個またはそれ以上の通路８９に
よつてピストンの開放下部に通気されている。こ
の構成によつて、中央室８８には空洞内のガスの
膨張及び収縮による軽度の冷却が与えられる。こ
の吸入排出作用は、これがなければ冷却されない
挿入部材中央壁の過熱を制御する補助を与える。
燃焼ボウル挿入部材２４は更に周囲ボウル区部
９０を含む。該区部９０は柱状区部７６から外方
及び上方に延びて凹形熱焼ボウル９２の外縁を形
成し、側縁部分９４まで延びる。側縁部分９４は
機械加工された円筒外面９６（第２図）と機械加
工された下方を向く平担環状面９８とを含み、こ
れらはピストン本体リムの円筒面７０と平担環状
面７２とに対してそれぞれわずかに離隔した対向
関係で延びている。このようにして形成された間
隙は、側縁部分９４の外面の略中央に形成された
外方を向く輪溝１０２内に配置される環状シール
リング１００によつてシールされる。好ましくは
リング拡張器１０４を設け、ピストン・リング１
００を本体部材の円筒面７０と係合せしめるべく
押圧して空隙を確実にシールするようにする。
周囲ボウル区部９０と柱状区部７６とは協働し
て、本体部材支持壁３８に略並行に延びる外方及
び内方に向うフレアとなつた連続する内壁を形成
する。この内壁と支持壁３８とは下端において係
合するが、上端においては互いに対し狭い間隙を
備えて延びており、この上端において該間隙はシ
ールリングによつてシールされる。この上端と下
端の中間部分は互いに離隔して、燃焼ボウル部材
２４からの本体部材２２の油冷却される壁３８へ
の熱損失を制限すべく設けられた絶縁空気空隙１
０６を劃定する。この空気空隙の厚さは、称呼寸
法（nominal dimension）で約0.50インチ（約
1.27mm）に保たれ或いは空気空隙範囲の大部分に
おいて約0.40乃至0.60インチ（約1.01乃至1.53
mm）の好適範囲内に保たれることが好ましい。
後述する計算は、この範囲の空隙厚が最も効果
的な絶縁値を与え、ピストン作動の予想される条
件のもとでの結合した伝導性及び対流性伝熱を最
少とすることを示している。
第３図は別のピストン実施例のリム区部を示す
拡大図であり、他の点に関しては第１図及び第２
図の実施例と同様のものである。第３図の実施例
の構成と第２図に示す第１の実施例の類似部分と
の構成上の差異は、ピストン本体部材１１０の外
縁１１２が第１の輪溝１１４の中央付近までしか
延びないようにした点を含む。この上に燃焼ボウ
ル挿入部材１１６が延びて外側リム部分１１８を
与え、これに輪溝の上側部分が機械加工される。
このリムの内方及び下方において、ボウル挿入
部材には長手方向に沿つて互いに離隔した平担環
状面１２０，１２２が形成され、これらは本体部
材１１０の対応する対向平担環状面１２４，１２
６に着座する。これら二組の対向面の中間におい
て挿入部材と本体部材とのそれぞれの円筒面１２
８，１３０が対向している。これらの面は、第１
実施例と同様に挿入部材１１６の溝１３４内に受
容され且つ拡張器１３６により拡張されるシール
リング１３２によつて閉鎖される空隙を劃定す
る。
第３図の実施例において、シールリング１３２
は第１図及び第２図の実施例のものと同様に作用
して円筒面１２８，１３０間の間隙をシールし、
互いにわずかに離隔した本体部材リム部分とボウ
ル挿入部材の下方に形成される絶縁空気空隙内へ
のまたは該空隙からのガスの実質的な移動を阻止
する。通常は、組付け時に、第１の実施例の対応
する面における如く対向平担面１２０，１２４及
び１２２，１２６間に小さな間隙が形成される。
しかしながら、好ましくはこの間隙は、作動時に
おける挿入部材上のガス荷重によりリム部分内に
過剰の応力が生ずることを避けるために、ピスト
ンの中央部分（不図示）内に本体部材に対するボ
ウル挿入部材の着座を与えるための要求に一致す
べく実際的な程度まで小さくなされている。
滞留空気はその低い伝導性の故にほぼ理想的な
熱隔壁を与え、各種の絶縁適用例において広汎に
用いられている。機関ピストンへの適用として
は、空気空隙の適正な使用は、これまでにかなり
の開発努力が注がれてきたセラミツク被膜及び挿
入部材の使用によつて得ることのできるよりも、
著しく大きな絶縁値をより少ない実際の作業困難
性でもつて与えることができると考えられる。
空気空隙の厚さの適正範囲の選択には、後述す
る或る特定の特性を決定すべく適切なモデリング
手続または実際的仮定と共に用いられる機関作動
性及びピストン設計の評価（evaluation）を必要
とする。次いで自由対流ポテンシヤルの容認され
た尺度であるグラスホツフ数の使用が可能とな
る。グラスホツフ数は以下の式により規定され
る。
Gr＝βｇｂ３ΔＴ／ν２ ここで： Gr＝グラスホツフ数 β＝空隙内の空気の熱膨張率 ｇ＝重力加速度 ｂ＝空気空隙厚 ΔＴ＝空気空隙両側の差温度 ν＝空隙内の空気の動粘度 静止取付具内での試験により、グラスホツフ数
が約1500を超えると空気空隙内に対流加熱が生じ
始めてその絶縁特性の有効性を弱めることが理論
化され確認された。従つて最大絶縁値を得るに
は、空隙は約1500のグラスホツフ数を超えること
なく可能な限り厚いものでなければならない。し
かしながら、運動するピストンの周囲における伝
熱特性は静的な場合のものとはかなり異なつたも
のであるので、上記の式の重力加速度ｇを最高ピ
ストン加速度ｒω２と置きかえることが適切であ
ると考えられ、従つて上記の式は Gr＝βｒω２ｂ３ΔＴ／ν２ となる。ここで、ｒはクランク半径すなわち1/2
ピストン行程、ωは秒当りのラジアン（radian）
での機関クランク速度である。所望の空気空隙厚
を計算すべく上記の式を書き直すと ｂ＝（Ｇｒν２／βｒω２ΔＴ）1/3 上述のピストン実施例に対する所望の空気空隙
厚を確定すべく上記の式を用いるにあたり、予備
的モデリング及び次後の機関試験が空気空隙の決
定に対する以下の条件を確定した。見積もられた
平均空気空隙温度650℃により、熱膨張率βは〓
当り．90×10-3、動粘度νは秒当り58×10-3f2、
空気空隙両側の差温度ΔＴは約700〓、機関速度
は約2100rpmすなわち秒当り２π×2100／60ラジ
アン、機関半行程ｒは2.5インチ（約63.5mm）で
ある。グラスホツフ数が約1500のとき理想的な空
気空隙厚が得られると仮定する。
これらの値を上述の式に挿入すると、称呼空隙
厚b.052インチ（約1.32mm）を得る。従つて予想
作動条件に対する理想的な空気空隙厚は称呼値の
約20パーセント内、または約．040乃至．060イン
チ（約1.01乃至1.53mm）の範囲内となると考えら
れる。要求される構造強度または材料応力の制限
等の他の理由の故に構造物上の若干の部位におい
ては空隙厚を変えねばならない場合も生ずること
は理解されよう。しかしながら所望の目的を達成
するには、空気空隙の大部分が計算された所望の
厚さ範囲内になるように設計されていれば十分で
あり、好ましいピストン実施例にはこの設計概念
が用いられる。
言うまでもなく、機関速度または作動温度等の
ピストン作動条件が異なつたり、或いはピストン
設計自体が空気空隙内に相当異なつた温度条件を
生ぜしめる場合には、空気空隙の最適厚の値は上
記の式に従つて変化する。しかしながら、種々の
設計及び作動環境のピストンに上記式によつて決
定される称呼厚の約20％内に確立された厚さ範囲
を有する絶縁空気空隙を適用することは本発明に
従うものである。
本発明に従つたピストンの構成には何如なる適
切な材料を用いてもよいが、満足なる作動を得る
には或る一定の必要条件が満たされねばならな
い。ピストンの主要な構造はその上に課される荷
重に対して十分な強度を有する材料より形成せね
ばならないことは当然である。従つて本発明の好
ましい実施例においては、ピストンの本体部材２
２はアーマスチール（ArmaSteel）GM85Mとし
て知られる中強度鋳鉄材料より形成される。燃焼
室劃定ボウル挿入部材２４が到達する相当に高い
温度の故に、その材料は本体部材の膨張率よりも
低い膨張率を呈するものを選択する。これによ
り、挿入部材が相当高温度に達しても、これと隣
接の本体部材との間の半径方向間隙を閉鎖するの
に十分な挿入部材の過剰膨張を避けることができ
る。従つて、過早失敗を生ぜしめる虞れのある挿
入部材縁部の過剰応力の発生を避けることができ
る。本発明の好適実施例に用いるべく選択された
挿入部材材料はエヌアイ・レジスト性を有する延
性鉄D5b型（Ni−Resist ductile iron type
D5b）である。
絶縁空気空隙をシールすべくボウル部材外縁と
ピストン本体リム部分との間に用いられるシール
リング構成についても適切な材料選択を行なわね
ばならない。到達する温度を考慮して、作動条件
のもとでのリングの適切な機能遂行を可能ならし
める材料を用いる必要がある。例えばSAE9254
工具鋼、H13工具鋼、またはインコネル・エツク
ス（Inconel−Ｘ）等の何如なる適切な高温材料
を用いてもよい。しかしながら本発明の好ましい
実施例においては、使用したリング構成はインコ
ネル・エツクスまたは同等の高温材料から形成さ
れたハンプ型のリング拡張器によつて半径方向外
方へ拡張される、半径方向に裂け目の入つた普通
の延性を有する鉄リングを含む。
このように特有の構成を有しているので、本願
発明によれば、部材間の熱伝達を減少することが
でき、ピストンの冷却効率が高まり、その結果、
機関作動効率が向上し、更に使用材料選択及び設
計等の自由度も高くなるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に従つて形成された、関連する
ピストン・ピン及び連接ロツドを備えたデイーゼ
ル機関クロスヘツド型ピストン組立体を示す縦断
面図、第２図は燃焼ボウル挿入部材間隙及びシー
ル構成を示すため第１図のピストンのリム区部の
一部分を拡大した拡大図、第３図は第２図と同様
の図であるが、ピストン・リム形状の変形例を示
す拡大図である。 〔主要部分の符号の説明〕、２２…本体部材、
２４…燃焼室部材、３８…支持壁、４０…ピスト
ン・ピン連結区部、４６…環状冷却油空洞、７６
…垂下柱状区部、８６…中央ボウル区部、８８…
中央室、９０…壁、９２…周囲ボウル区部、１０
６…絶縁空気空隙。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ ピストン・ピン連結区部４０と一体的な支持
    壁に上縁近傍が接続して外側略円筒形リングベル
    ト区部２６を有する本体部材２２を含み、前記支
    持壁３８と前記リングベルト区部とが該支持壁及
    びリングベルト区部を冷却すべく冷却油を受容す
    る冷却油空間を劃定する、デイーゼル機関用の油
    冷却されるピストン組立体において： 前記本体部材２２に固定された別個の燃焼室部
    材２４を含み、該燃焼室部材は、一側が機関内の
    燃焼室内の機関燃焼ガスに曝され且つ他の一側が
    前記本体部材の支持壁３８に対向して略平行に延
    びる壁を有し；該壁と前記支持壁とは協働し且つ
    それぞれの端部の中間において互いに離隔するこ
    とにより、燃焼室部材からの本体部材の油冷却さ
    れる壁への熱流を制限する囲まれた絶縁空気空隙
    １０６を劃定しており；該空気空隙の厚さは該空
    隙範囲の大部分において約1.01乃至1.53mmの範囲
    内にあることを特徴とする油冷却されるピストン
    組立体。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の油冷却される
    ピストン組立体において： 前記空気空隙１０６の厚さは該空隙範囲の大部
    分において ｂ＝（１５００ν２／βｒω２ΔＴ）1/3 ここで、ν＝空隙内の空気の動粘度 β＝空隙内の空気の熱膨張率 ｒ＝クランク半径すなわち1/2ピスト
    ン行程 ω＝秒当りのラジアンでの機関クラン
    ク速度 ΔＴ＝空気空隙両側での差温度 の式により決定される値ｂの前後20％の範囲内に
    あることを特徴とする油冷却されるピストン組立
    体。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項に記載の
    油冷却されるピストン組立体において： 前記支持壁３８は該支持壁の下方の前記ピスト
    ン・ピン連結区部４０と一体的なカツプ形支持壁
    であり；該支持壁は前記支持壁の内側にカツプ形
    凹所６２を劃定し、該カツプ形凹所は前記ピスト
    ン・ピン連結区部により底部が閉鎖され；前記燃
    焼室部材２４は前記凹所内に受容された別個の燃
    焼ボウル挿入部材であり；該ボウル挿入部材は、
    前記カツプ形凹所の閉鎖底部に対して受容された
    開放底部を備えた垂下柱状区部７６と、該柱状区
    部の上縁から内方に延びて該柱状区部の頂部を閉
    鎖することにより前記冷却油空洞４６内の冷却剤
    によつて直接冷却されることのない中央室を囲む
    中央ボウル区部８６と、前記柱状区部の上縁から
    外方及び上方に延びる周囲ボウル区部とを有し；
    該周囲ボウル区部と前記柱状区部とは協働して、
    燃焼室部材の壁を劃定することを特徴とする油冷
    却されるピストン組立体。
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