JP2005507042A

JP2005507042A - モノブロックピストン

Info

Publication number: JP2005507042A
Application number: JP2003538529A
Authority: JP
Inventors: ランドールガイザー; シルオーズー; ロバートブエーノニグロ
Original assignee: フェデラル−モーガルコーポレイション
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2002-10-21
Publication date: 2005-03-10
Anticipated expiration: 2022-10-21
Also published as: EP1438485B1; ATE474127T1; US20030075042A1; MXPA04003703A; EP1438485B9; EP1438485A4; KR20040049308A; KR100915051B1; WO2003036045A1; EP1438485A1; JP4267453B2; US6862976B2; DE60237026D1

Abstract

【課題】ディーゼルエンジンの厳しい条件下でも満足できる性能が得られるように、従来のディーゼルエンジンピストンを改善すること。
【解決手段】内部冷却ギャラリ３２を形成すべく一体に溶接された少なくとも２つの鋼製部品１３、１５を有するモノブロックピストン。外側リングベルト１４は、内側環状支持壁３４から間隔をおいておりかつ燃焼ボウル２８および下方壁により結合されている。１対のピンボス３８は、軸線方向に整合したピンボア４４を有している。スカート４６が、ピンボアとの一体不動ピースとして形成されている。

Description

【０００１】
本願は、２００１年１０月２３日出願の米国仮特許出願第６０／３５５，６９３号に基づく優先権を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、概略的には、ディーゼルエンジンに使用するピストンに関する。
【背景技術】
【０００３】
優れた排気ガス制御を行なうディーゼルエンジンを製造しなければならないという近年の要求により、ディーゼルエンジンのシリンダ圧力は非常に高く成ってきている。このようなディーゼルエンジンでは、シリンダ圧力が３００バールもの高圧に達し、このような高圧により、エンジンを、厳格な排気ガス条件に合致させると同時に現在の出力レベルおよび燃費経済性を維持することができる。最近のディーゼルエンジンの高いシリンダ圧力により、ピストンシリンダ内で往復運動して出力を発生するディーゼルエンジンピストンの構造的一体性、冷却効率および性能に対するより厳しい条件が求められている。以前は満足できる性能を得ていた幾つかのディーゼルエンジンピストンでも、最近のディーゼルエンジンの厳しい条件を満たすことができなくなっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、最近のディーゼルエンジンの高い条件下でも満足できる性能が得られるように、従来のディーゼルエンジンピストンを改善することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の好ましい実施例に従って構成されたモノブロックピストンは、溶接接合部により結合された少なくとも２つの鋼製部品で作られたピストン本体を有している。このピストン本体は、この上面と、この上面から間隔をおいたリングベルト壁の下方領域との間に延びている外側環状リングベルト壁を備えている。このリングベルト壁には複数のリング溝が形成されており、このリング溝は、頂縁部をもつ上方リング溝を備えている。本体部分の上面には燃焼ボウルが形成されており、この燃焼ボウルの一部は燃焼ボウル壁により形成されている。外側リングベルト壁から半径方向内方に間隔をおいて内側環状支持壁が設けられており、この内側環状支持壁は、この上端部が燃焼ボウル壁によりかつ下端部が下方壁により外側リングベルト壁に結合されかつ前記壁間に内部オイルギャラリを形成している。このオイルギャラリの頂部は前記上方リング溝の頂縁部より上方に延びている。１対の懸架ピンボスが、ピンボア軸線に沿って整合したピンボアを備えている。ピストンスカートが、ピンボアとの一体不動ピースとして形成されかつ上面および下面を備えている。また、本発明のピストンは下記の寸法的関係、すなわち、
【０００６】
ＩＳＭＤ＝ＢＤの４２〜５５％（ＩＳＭＤは、内側支持壁の平均直径、ＢＤはリングベルト壁の外径）、
ＩＳＷ＝ＢＤの３〜８％（ＩＳＷは、内側支持壁の断面幅）、
ＣＨ＞ＢＤの５３％（ＣＨは、ピンボア軸線と上面との間で測定した圧縮高さ）、
ＴＬＨ＞ＢＤの４％（ＴＬＨは、上方リング溝の頂部と上面との間で測定した頂ランド高さ）、
ＳＬ＝ＢＤの３０〜８０％（ＳＬは、スカートの上端部と下端部との間で測定したスカートの長さ）、
ＳＷ＝ＢＤの２．５〜６．５％（ＳＷは、スカートの厚さ）、および
ＧＶ＝ＢＤ²の１５０〜２５０％およびＢＤ²×ＣＨの５〜２０％（ＧＶは、オイルギャラリの体積）
を有している。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に従って製造されたピストンは、３００バール程の高圧に達するシリンダ圧力をもつ最近のディーゼルエンジンで作動できる充分な構造的一体性、冷却効率および性能が得られるという長所を有している。
本発明のピストンはまた、このような高性能ピストンを、コンパクトで材料効率に優れた構造で製造できる長所を有している。
【０００８】
本発明の上記および他の特徴および長所は、以下に述べる詳細な説明および添付図面を参照することにより一層容易に理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１〜図３には、本発明の好ましい実施形態に従って構成された閉鎖ギャラリモノブロックピストン（closed gallery monobloc piston）が、全体を参照番号１０で示されている。ピストン１０は、少なくとも２つの部分１３、１５から作られたピストン本体１１を有し、２つの部分１３、１５は、ピストン本体１１の内部オイル冷却ギャラリ３２を形成するように溶接接合部７０に沿って一体に溶接されている。ピストン本体１１は上方ヘッド部分１２を有し、上方ヘッド部分１２は、この上面すなわち上表面１６とこの上面１６から間隔をおいた下方領域１８との間に延びている全体として円筒状の外側リングベルト１４を有している。リングベルト１４には、このリングベルト１４の外面２６内に機械加工された複数のリング溝２０、２２、２４が形成されている。外面２６は、図２および図３においてボア直径として示されている所定直径ＢＤを有している。図２に最も良く示すように、リングベルト１４の壁は符号ＲＢＷで示す所定厚さすなわち幅を有し、この厚さは、リング溝２０、２２、２４のベースから内方のリングベルト壁の厚さに等しい。
【００１０】
ヘッド部分１２には燃焼ボウル２８が形成されている。この燃焼ボウル２８は、リングベルト１４から半径方向内方に向かってヘッド部分１２の上面１６に機械加工されており、異形燃焼ボウル壁３０を形成している。ヘッド部分１２は、図２に示すように、上方リング溝２０の頂部および上面１６から測定した所定の頂ランド高さＴＬＨを有している。
【００１１】
ピストン１０は、環状の内部オイルギャラリ３２を有し、このオイルギャラリ３２は、リングベルト１４と、燃焼ボウル壁３０により形成された上壁とにより一部が形成された外側壁を備えている。オイルギャラリ３２は内側環状支持壁３４により更に境界が定められており、この内側環状支持壁３４は、リングベルト１４から半径方向内方に間隔をおいておりかつ燃焼ボウル壁３０と周方向に延びている下方壁３６との間に延びている。下方壁３６は更に、燃焼ボウル壁３０に対して間隔をおいて内側支持壁３４とリングベルト１４との間で延びかつオイルギャラリ３２の底を閉じている。内側支持壁３４は、図２に示すように、所定の内側支持壁厚さＩＳＷを有し、かつ所定寸法の内側支持壁平均直径ＩＳＭＤを有している。オイルギャラリ３２の頂部は、図３に示すように、上方リング溝２０の頂部から所定距離ＧＲＰだけ上方に延びている。
【００１２】
図２に最も良く示すように、１対のピンボス３８がヘッド部分１２から下方に延びており、かつコネクティングロッドの上端部を受入れるためのスペース４２を形成すべく互いに軸線方向に間隔をおいている内面４０を有している。ピンボス３８には、ピンボア軸線Ａに沿う整合ピンボア４４が形成されている。ピンボア４４は、ピストン１０をコネクティングロッド（図示せず）に連結するためのリストピン（図示せず）を受入れる。ピストン１０は、ピンボア軸線Ａとヘッド部分１２の頂面１６との間で測定した所定の圧縮高さ（図２にＣＨで示す）を有する。
【００１３】
ピストン１０には、ピンボアと一体の不動ピースとして（すなわち、ピンボアの構造的部分すなわち延長部として）形成された一体ピストンスカート４６が形成され、ピストンスカート４６は、ヘッド部分１２のリングベルト１４から下方に延び且つピストンの両側で各ピンボス３８に連結されている。ピストンスカート４６は、下面４８と上面５０との間で延びている。スカート４６は、図２に示すようにスカートの下面４８と上面５０との間で測定した所定のスカート長さＳＬを有し、また図２に示すように所定のスカート幅ＳＷを有している。リングベルト１４の下方領域１８に隣接して、リングベルト１４の外面２６にはオイル溝５２が機械加工され、このオイル溝５２は、リングベルトの外面２６とスカート４６の外面５４とを分離しかつスカート４６の上面５０を形成している。溝５２はギャラリ３２にもスカート４６の内部にも通じておらず、ギャラリ３２の底壁３６と半径方向に整列していることが好ましい。オイル溝５２はピストン１０の回りで周方向に延びているが、ピンボス３８の領域で途切れている。これにより、オイル溝５０は、図２に示すように、ピンボス３８の凹状外側平坦面５６に開口しており、オイル溝５２内に収集されたあらゆるオイルが下方に排出され、外面５６の領域を通ってクランクケースに戻ることを可能にしている。図３に示すように、リング溝２０、２２、２４内には、それぞれ、ピストンリング５８、６０、６２が収容されているが、オイル溝５２内にはピストンリングは収容されない。
【００１４】
ピンボア間のスペース４２は、燃焼ボウル壁３０に開口している。かくして、燃焼ボウル壁３０の下にはスペース６４が存在し、このスペース６４は、ピンボア間のスペース４２に開口している内側支持壁３４により半径方向の境界が定められている。オイルギャラリ３２には１つ以上のオイル入口（図３に参照番号６６で概略的に示す）が設けられており、このオイル入口６６は１つ以上のオイルジェット（図示せず）に連通している。このオイルジェットは、ピストンの作動時に冷却オイルをオイルギャラリ３２内に導き、ピストン作動時の往復運動の結果としての、オイルの既知の「カクテル・シェーカ」作用によりギャラリ３２を囲む壁を冷却する。オイルギャラリ３２に導かれたオイルは、１つ以上の排出ポート（図３に参照番号６８で概略的に示す）を通って内部スペース６４内に流出し、クランクケース（図示せず）内に戻ることができる。
【００１５】
閉鎖オイルギャラリ３２を形成するため、ピストン１０では、オイルギャラリの形状が機械加工された２つ以上の部品が最初に形成され、次いで、これらの部品は互いに結合されて、次の結合作業において閉鎖ギャラリ３２が形成される。図示の実施例では、ピストン１０は別体の上下のクラウン部品から形成され、これらのクラウン部品は、図２に示すように、溶接、好ましくは摩擦溶接により溶接接合部７０に沿って結合される。
【００１６】
ピストン１０は鋼で作られ、かつピストンが約３００バールという高いシリンダ圧力下でも上手く作動することが可能な下記の寸法的関係、すなわち、
ＩＳＭＤ＝ＢＤの４２〜５５％
を有する。
内側支持壁３４の位置は、極端な圧力を受けたとき好ましくない曲げモーメントが生じないように燃焼ボウル壁３０を支持する上で重要である。
【００１７】
ＩＳＷ＝ＢＤの３〜８％
内側支持壁３４のセクションは、高圧により伝達される座屈荷重に耐える上で重要であるが、ピンボア３８への熱伝導がなされるほどに幅広であってはならない。
【００１８】
ＣＨ＞ＢＤの５３％
この寸法的関係は、ピストンを２つの部品として形成しかつ後で摩擦溶接できるようにする上で必要である。
【００１９】
ＴＬＨ＞ＢＤの４％
４％より小さいＴＬＨ値であると、高温が頂リング溝２０に伝達され過ぎてしまう。
ＧＲＰ＞０
頂リング溝２０の充分な冷却を行うには、オイルギャラリ３２を頂リング溝２０の頂部より上方に延長する必要がある。
【００２０】
ＳＬ＝ＢＤの３０〜８０％
この寸法的関係により、ピストンスカートが、充分なガイド性、荷重支持能力および許容できるほど低い摩擦レベルを与えることが確保される。
【００２１】
ＳＷ＝ＢＤの２．５〜６．５
この寸法的関係により、スカートが、これに伝達される荷重に耐える充分な強度を有すると同時に、ピストンの作動中に充分な可撓性を維持することが確保される。
【００２２】
ＧＶ＝ＢＤ²の１５０〜２５０％およびＢＤ²×ＣＨの５〜２０％
この体積関係は、冷却ギャラリが、作動中にピストンを充分に冷却するのに充分なオイルを確保する充分な大きさにする。
【００２３】
上記教示から、本発明に種々の変更を加えることができる。従って、本発明は、特許請求の範囲内で、本願で特に説明したもの以外のものをも実施できることを理解すべきである。本発明は特許請求の範囲の記載により定められる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の好ましい実施例に従って構成されたピストンを示す斜視図である。
【図２】図１の２−２線に沿う断面図である。
【図３】図１の３−３線に沿う断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０ピストン
１２上方ヘッド部分
３２オイル冷却ギャラリ
３４内側環状支持壁
４６スカート
５２オイル溝
６６オイル入口
６８排出ポート
７０溶接接合部

Claims

溶接接合部により結合された少なくとも２つの鋼製部品で作られたピストン本体を有し、このピストン本体は、この上面と、この上面から間隔をおいたリングベルト壁の下方領域との間に延びている外側環状リングベルト壁を備え、
このリングベルト壁に形成された複数のリング溝を有し、このリング溝は、頂縁部をもつ上方リング溝を備え、
前記本体部分の上面に形成されかつ一部が燃焼ボウル壁により形成された燃焼ボウルと、
外側リングベルト壁から半径方向内方に間隔をおいた内側環状支持壁とを有し、この内側環状支持壁は、この上端部が、燃焼ボウル壁によりかつ下端部が下方壁により外側リングベルト壁に結合されかつ前記壁間に内部オイルギャラリを形成し、このオイルギャラリの頂部は前記上方リング溝の頂縁部より上方に延びており、
ピンボア軸線に沿って整合したピンボアを備えた１対の懸架ピンボスと、
ピンボアとの一体不動ピースとして形成されかつ上面および下面を備えたピストンスカートとを有し、
下記の寸法的関係、すなわち、
ＩＳＭＤ＝ＢＤの４２〜５５％（ここでＩＳＭＤは、内側支持壁の平均直径、ＢＤはリングベルト壁の外径）、
ＩＳＷ＝ＢＤの３〜８％（ここでＩＳＷは、内側支持壁の断面幅）、
ＣＨ＞ＢＤの５３％（ここでＣＨは、ピンボア軸線と上面との間で測定した圧縮高さ）、
ＴＬＨ＞ＢＤの４％（ここでＴＬＨは、上方リング溝の頂部と上面との間で測定した頂ランド高さ）、
ＳＬ＝ＢＤの３０〜８０％（ここでＳＬは、スカートの上端部と下端部との間で測定したスカートの長さ）、
ＳＷ＝ＢＤの２．５〜６．５％（ここでＳＷは、スカートの厚さ）、および
ＧＶ＝ＢＤ²の１５０〜２５０％およびＢＤ²×ＣＨの５〜２０％（ここでＧＶは、オイルギャラリの体積）を有する、
ことを特徴とするモノブロックピストン。
前記溶接接合部は摩擦溶接接合部からなり、
ここで、ＩＳＭＤは、内側支持壁の平均直径、
ＢＤは、リングベルト壁の外径、
ＩＳＷは、内側支持壁の断面幅、
ＣＨは、ピンボア軸線と上面との間で測定した圧縮高さ、
ＴＬＨは、上方リング溝の頂部と上面との間で測定した頂ランド高さ、
ＳＬは、スカートの上端部と下端部との間で測定したスカートの長さ、
ＳＷは、スカートの厚さ、および
ＧＶは、オイルギャラリの体積である、
ことを特徴とする請求項１記載のモノブロックピストン。