JP2014507588A - 内燃機関用のピストン - Google Patents

Abstract

内燃機関用のピストンは、スカート壁（１２）とボックス壁（１６）とを含むピストンスカートを有し、これらの壁が凹部（２０）を取り囲んでおり、少なくとも１つのスカート壁（１２）が、組み付け状態でピストン（１０）のスラスト側で用いられるように設けられている。このピストンは、特に、ピストン（１０）のスラスト側で用いられるように設けられた少なくとも１つのスカート壁（１２）の少なくとも１つの部分領域（２２）で、凹部（２０）が実質的に放物線、楕円の一部、または懸垂線の形状であり、この放物線、この楕円の一部、またはこの懸垂線はピストン頂部に実質的に平行な面に位置していることを特徴とする。

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルによる内燃機関用のピストンに関する。プリアンブルは特許文献１のピストンから構成されている。

内燃機関では、燃料と空気の混合物が、周期的に発火させられ、圧縮工程の最後と膨張行程の最初に燃焼させられる。これは、往復ピストンエンジンにおいて、シリンダ内を上下動するピストンによってクランクケースから区切られた燃焼室中で行われる。ピストンは、コネクティングロッドを介してクランクシャフトと連結されている。そして、ピストンピンが、ピストンをコネクティングロッドに連結する役割を果たし、このピストンピンはピストンに形成されたピンボス内に収容されている。

近年、エンジンには、ターボ過給と結びついた直接燃料噴射に向かう傾向が強まっている。この開発は、特に、点火圧力を、常に燃焼の、その後の重心位置と共に安定して上昇させるという観点から、ピストンスカートに対する高い横荷重として現れる、ピストンの開発についての新たな課題を伴うものである。増大する荷重のために、従来のピストンの概念は、特に必要とされる耐久性の観点から、ますます要件を満たすには適さなくなっている。

増大する荷重に対処するために、特許文献２には、ボックス壁の間隔が、ピンボスの領域において、スラスト側のスカート壁の領域におけるよりも大きくなるように直線的にかつ斜めに延びているスラスト側のボックス壁を有するピストンが開示されている。これは、スカート壁とボックス壁との結合を向上させるものと考えられる。

特許文献３には、ピストン内に冷却路が形成されており、入り口点がピストンスカートの外側に位置していることを特徴とする、内燃機関用の冷却ピストンが開示されている。このようにして、向上した冷却性が達成される。

プリアンブルに関して既に引用した特許文献１には、スラスト側の大部分が真っ直ぐの連結壁および反スラスト側の湾曲した壁を特徴とするピストンが記載されている。これは、異音の発生を低減し、耐荷重性の向上に寄与する。

特許文献４には、いわゆるスカート部が、外側の、少なくとも一部の領域で楕円形状であるピストンが開示されている。

また、スカート壁とボックス壁とを有するピストンは、「スリッパピストン」や「スリッパスカート」の名称でも知られており、軽量で高い耐荷重性を保証するものと考えられる。

独国特許出願公開第１０２００８００２５３６号明細書 独国特許出願公開第１０２００９０３２３７９号明細書 欧州特許出願公開第０９１３５６６号明細書 独国特許第４０１９９６８号明細書

ピストンが高い荷重を受けると、ボックス壁には、ボックス壁のピストンスカートとの結合領域で、ボックス壁に亀裂が生じる傾向がある。これらの亀裂は、点火圧力下でのピストンスカートの変形時に生じ、ピストンスカートとボックス壁とが交わる領域に作用する曲げモーメントによって生じさせられる。従来の方法、特にボックス壁と側壁との間の交差部の半径の増減の試みでは、満足のいくようにこの問題を解決することができなかった。

本発明の目的は、ピストンスカートの、ボックス壁との連結領域におけるボックス壁の亀裂の形成が少ないピストンを提供することである。

この目的に対する解決策は、請求項１に記載のピストンによって達成される。

請求項１によると、ピストンは内燃機関用に提供され、このピストンは、スカート壁とボックス壁とを含むピストンスカートを有し、スカート壁とボックス壁は凹部を形成しており、少なくとも１つのスカート壁が、組み付け状態におけるピストンのスラスト側で用いられるように設けられており、このピストンは、このスカート壁の領域において、凹部が実質的に放物線、楕円の一部、または懸垂線の形状に形成され、この放物線、楕円の一部、またはこの懸垂線がピストン頂部に実質的に平行な面内に位置していることを特徴としている。すなわち、凹部の上記の形状は、ピストン軸と直交する少なくとも１つの断面に当てはまる。

特に、懸垂線の形状、すなわち重力の影響下で自由に吊り下がっている鎖または自由に吊り下がっているケーブルのとる形状には、圧力線として用いられると、横荷重が理想的に法線方向の力のみに分散され、すなわち曲げモーメントが発生しないという利点がある。しかし、懸垂線よりも製造しやすい形状でも、様々な荷重状態で均衡をとることができる。この理由は、法線方向の力を加えることにより、水平方向の成分を発生させないのが得策であることが、これまでに証明されているからである。実際には、このことは、楕円の一部または放物線を用いることによって、近似的に実現される。この形状の利点は、ピストンの横方向の大きな荷重の伝達性を、度を越さずに重量を増加させるだけで実現できることである。

懸垂線または放物線の対称軸あるいは楕円の主軸は、対応するスカート壁、好ましくは周長に沿ったスカート壁の中心から延びる直線に沿って位置しているのが好ましい。すなわち、懸垂線または放物線の頂点あるいは楕円の主頂点の１つは、それぞれの対応するスカート壁に、好ましくはスカート壁の、周方向の中心に位置している。

さらに、対称軸または主軸が、２つのボックス壁の間を通っていることが好ましい。その方向は、ボックス壁に実質的に平行であり、および／またはいずれかのピストンボスの中心点を通る直線に垂直であることが好ましい。特に楕円の場合、副軸が、ボックス壁の間、かつ両ピストンボスの中心点を結ぶ線とスカート壁部分との間の領域内で延びていることが好ましい。したがって、前述の楕円は、例えば、スカート壁部分から両ピストンボス間の領域まで広げることができる。このため、楕円の副軸の長さは実質的に両ボックス壁の間の距離に相当し、また楕円の主軸の長さは実質的にピストンの直径の半分に相当する。楕円の副軸は、ピン軸、すなわち両ピストンボスの中心点の間を結ぶ線に平行に延びていることが好ましい。

ここで、および、本出願の残り部分において、スカート壁は、使用中に内燃機関のシリンダ壁に当接し、このため実質的に円筒形であるピストンの外周の一部分であると理解される。ボックス壁は、ピストンの外周の、これに対して裏側に設けられた部分である。

好適な実施態様が、従属請求項２から１３に記載されている。

さらに、前述の領域が、ピストンスカートの、ピストン頂部の反対側の端部を含む部分にわたってピストン頂部に垂直な方向に延びていることが好ましい。これには、最大の荷重が掛かる部分の１つであるピストンの端部において、本発明による構成による利がえられ、したがって、特に、ここでの材料の亀裂や脆弱化が避けられるという利点がある。

さらに、少なくとも１つの前述の領域が、ピストン頂部と同一平面上にある部分にわたってピストン頂部に垂直な方向に延びていることが好ましい。このようにして、本発明による形状を有する凹部とこの形状を有していない他の部分とが交差することが避けられ、これにより、これらの領域間の、考えられる歪みが避けられる。これには、ピストンの、より広い範囲が強化されるので、ピストンの安定性がさらに向上するという利点もある。

さらに、上記の幾何形状を有する凹部の領域は、少なくともスカート壁の全幅にわたって延びていることが好ましい。これには、同様にスカート壁の剛性がさらに高められるという利点がある。さらに、前述の幾何形状を有する凹部の壁部とこの形状を持たない壁部とが交差することも避けられ、これが、材料の脆弱化を助長し得る歪みがここでも同様に避けられる理由となる。

また、上記の幾何形状を有する凹部の部分領域が、ピストンのボックス壁の１つまたは全てにわたって延びていることが好ましい。ここでの利点も、スカート壁の剛性および安定性が、前の好適な実施態様の場合よりもさらに向上することである。そのような領域は、それぞれのボックス壁の周囲の範囲の、例えば、少なくとも１０％、２０％、５０％、または１００％にすることができる。

さらに、この形状により、ボックス壁を、ピストンの中心から見てピンボスの所で半径方向の「内側」に配置することが可能となる。他のピストンでは、多くはピンボスがボックス壁の内側に位置するが、これが、本発明によるピストンでは異なることが好適である。これには、本発明による圧力線が遮られることがないという利点がある。したがって、ピストンはさらに高い安定性によって特徴付けられる。これはブロック支持部の補強にもつながる。

さらに好適な実施態様は、全てのピンボスが上記のような形状を有することである。これには、ピストンの両側が対称に作用し、したがって、荷重が両側でほぼ同じ程度に支えられ、それによって、摩耗が減少するという利点がある。

さらに好適な実施態様では、外壁に最も近い凹部の幾何形状の頂点線の向かい側に位置する直線のスラスト側のスカート壁の厚みがが、少なくとも一方の周方向に増している。これには、ピストンの側面に掛かる比較的大きな荷重が、より多くの材料で支えられるという利点がある。このため、ピストンの耐久性が高まる。

さらに好適な実施態様では、外壁に最も近い凹部の幾何形状の頂点線の向かい側に位置する直線のスラスト側のスカート壁の厚みが、両方の周方向に増している。これには、スカート壁の両側面が同様に振舞い、したがって、強くない面の歪みと摩耗が避けられるという利点がある。

また、最後に記載した２つの構成形状が、反スラスト側にも存在することが好ましい。この反スラスト側には比較的弱い圧力しか掛からないとしても、それでもなお同様に、これは、ここでの摩耗と歪みを避けるのに好都合であり、これが、これらの実施態様が摩耗の低減につながる理由である。

さらに、ピストンにおいて、ボックス壁との交差部の所のスカート壁は、ボックス壁よりも厚いことが好ましい。これには、ボックス壁には比較的低い荷重が掛かる一方で、スカート壁はピストンの、高い荷重が掛かる部分であるため、材料を節約しながら適切な機能が得られるという利点がある。

さらに、ピストンにおいて、ボックス壁の１つの、好ましくは全ての厚みが、凹部表面に位置し、ピストンの中心軸に最も近い線からスカート壁に向かうに従い、増していることが好ましい。これには、このようにすることで非常に異なる厚みの壁が交差することが避けられるため、スカート壁との交差部を連続的に形成することができるという利点がある。

本発明によるピストンの底面図である。

以下に図１を参照して、本発明によるピストンの好適な実施形態を説明する。

図１に示すピストン１０は、ピストンピン（図示せず）を受けるピストンスカート２４に形成されたピストンボス１８を有する。ピストンスカート２４は、凹部２０を取り囲む２つのスカート壁１２，１４および２つのボックス壁１６を有する。組み付け状態において、ピストンピン（図示せず）は、ボックス壁１６に形成されたピストンボス１８と凹部２０とを貫通する。

スカート壁１２，１４は、スラスト側ＰＳ用、または反スラスト側ＣＰＳ用のいずれに設けられているかに応じて、互いに異なる構成にされている。すなわち、スラスト側のスカート壁１２の内面２２は放物線として形成され、この放物線はスカート壁の端部からピストン頂部まで連続的に形成されており、一方、反スラスト側のスカート壁１４の内面はこのようには形成されていない。

ここでは、この放物線は、その頂点が、周方向沿いに、対応するスカート壁１４の中心に位置するように、配置されている。さらに、放物線の対称軸は、ピストンボス１８の中心点の間を結ぶ線に垂直に延びている。

さらに、ボックス壁１６はピンボス１８の所で「内側」に位置し、すなわちピストンの中心から見て、ピンボス１８は対応するボックス壁１６の外面を越えて外側に延びている。さらに、図に示すピストンにおいて、スカート壁１２，１４は、それらとボックス壁１６との交点の所でこれらのボックス壁よりも幅が広く、この交点は、ボックス壁とスカート壁との交差部であって、この交差部の所で外面が外側への突出部を有している交差部としても特徴付けられる。この突出部は、スカート壁が実質的にピストンの形状をしており、一方、ボックス壁が少なくともボックス壁とスカート壁との交点においてピストンの表面とほぼ直角になっている結果として生じている。さらに、スカート壁１２，１４は、直線から離れ、すなわち、スラスト側の場合は幾何形状の頂点から離れるに従い、また反スラスト側の場合は反対側の線ＣＰＳから離れるに従い、厚くなっている。

Claims (13)

1. 内燃機関用のピストン（１０）であって、
   前記ピストンは、スカート壁（１２）とボックス壁（１６）とを含むピストンスカートを有し、
   前記スカート壁（１２）と前記ボックス壁（１６）は凹部（２０）を形成しており、
   少なくとも１つのスカート壁（１２）が、組み付け状態で前記ピストン（１０）のスラスト側で用いられるように設けられている、ピストンにおいて
   このスカート壁（１２）の領域（２２）で、前記凹部（２０）は実質的に放物線、楕円の一部、または懸垂線の形状に形成されており、この放物線、この楕円の一部、またはこの懸垂線は、ピストン頂部に実質的に平行な面に位置していることを特徴とするピストン。
2. 少なくとも１つの前記領域（２２）は、前記ピストンスカートの、前記ピストン頂部の反対側の端部を含む部分にわたって前記ピストン頂部に垂直な方向に延びていることを特徴とする、請求項１に記載のピストン。
3. 少なくとも１つの前記領域（２２）は、前記ピストン頂部と同一平面上にある部分にわたって前記ピストン頂部に垂直な方向に延びていることを特徴とする、請求項１または２に記載のピストン。
4. 前記凹部（２０）の、少なくとも１つの前記領域（２２）は、前記スカート壁（１２）の全幅にわたって延びていることを特徴とする、請求項１から３の１つに記載のピストン。
5. 前記凹部（２０）の、少なくとも１つの前記領域（２２）は、前記ボックス壁（１６）の１つの少なくとも１つの領域にわたって延びていることを特徴とする、請求項１から４の１つに記載のピストン。
6. 前記凹部（２０）の、少なくとも１つの前記領域（２２）は、前記ピストンの全ての前記ボックス壁の領域にわたって延びていることを特徴とする、請求項５に記載のピストン。
7. ピストンボス（１８）が、前記ボックス壁（１６）にピンを受けるために形成さており、
   前記ピストンボス（１８）の少なくとも１つが、前記ピストンの中心軸から見て、対応する前記ボックス壁（１６）の外面を越えて外側に延びていることを特徴とする、請求項１から６の１つに記載のピストン。
8. 前記ボックス壁（１６）にピンを受けるために形成された前記ピストンボス（１８）の全てが、前記ピストンの中心軸から見て、対応する前記ボックス壁（１６）の外面を越えて外側に延びていることを特徴とする、請求項７に記載のピストン。
9. 外壁に最も近い前記凹部（２０）の幾何形状の頂点線の向かい側に位置する直線のスラスト側（ＰＳ）の前記スカート壁（１２）の厚みが、少なくとも一方の周方向に増していることを特徴とする、請求項１から８の１つに記載のピストン。
10. 外壁に最も近い前記凹部（２０）の幾何形状の頂点線の向かい側に位置する直線のスラスト側（ＰＳ）の前記スカート壁（９）の厚みが、両方の周方向に増していることを特徴とする、請求項９に記載のピストン。
11. 前記ピストンの中心軸を基準にして前記凹部（２０）の幾何形状の頂点線の正反対側に位置する、前記ピストンの外壁における直線の反スラスト側（ＣＰＳ）の前記スカート壁（１４）の厚みが、少なくとも１つの周方向に、好ましくは両方向に増していることを特徴とする、請求項１から１０の１つに記載のピストン。
12. 前記ボックス壁（１６）との交差部の所の前記スカート壁（１２、１４）の１つ以上、好ましくは全てが、前記ボックス壁よりも厚いことを特徴とする、請求項１から１１の１つに記載のピストン。
13. 前記ボックス壁（１６）の１つの、好ましくは全ての厚みが、前記凹部表面に位置し前記ピストンの中心軸に最も近い線から前記スカート壁（１２、１４）に向かうにしたがって増していることを特徴とする、請求項１から１２の１つに記載のピストン。

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