(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関用のピストン（１０，１１０）であって、ピストンヘッド（１１）とピストンスカート（１７）とを備え、ピストンヘッド（１１）は、環状に延びるリング部（１５）と、該リング部（１５）の範囲に環状に延びるクーリングチャンネル（１６）とを有し、ピストンスカート（１７）は、それぞれそのスラスト側（ＤＳ）と反スラスト側（ＧＤＳ）とに対応する摺動面（２２，２３）を有する、内燃機関用のピストンにおいて、クーリングチャンネル（１６）を起点として延びる１つの孔（２４）が設けられており、該孔（２４）が、孔出口部（２７）に移行しており、該孔出口部（２７）は、スラスト側（ＤＳ）に対応する摺動面（２２）に開口していて、該孔出口部（２７）がピストン中心軸線（Ｍ）に対して鋭角の角度（α）を成すように傾けられて配置されており、これによりスラスト側（ＤＳ）に対応する摺動面（２２）に開口（２９）が形成されており、前記孔（２４）と前記孔出口部（２７）との間に、スラスト側（ＤＳ）に対応する摺動面（２２）に対して傾けられてかつ該摺動面（２２）に移行する変向面（２８）が設けられており、該変向面（２８）は前記孔（２４）と前記孔出口部（２７）との間の移行領域に達しており、スラスト側（ＤＳ）に対応する摺動面（２２）が、前記開口（２９）の範囲に凹部（３１）を有しており、該凹部（３１）が、前記開口（２９）の上方に少なくとも１つのオイル捕捉範囲（３３）を形成していることを特徴とする、内燃機関用のピストン。
【請求項２】
前記オイル捕捉範囲（３３）が、前記開口（２９）に対して直交する横方向に延びている、請求項１記載のピストン。
【請求項３】
前記オイル捕捉範囲（３３）が、両側にそれぞれ１つのオイル捕集溜め（３４）を形成している、請求項２記載のピストン。
【請求項４】
前記孔（２４）が、当該ピストン（１０，１１０）の内室（２６）に形成された材料厚肉化部（２５）に延びている、請求項１記載のピストン。
【請求項５】
前記開口（２９）が、ボス中心（Ｎ）の下方で、スラスト側（ＤＳ）に対応する摺動面（２２）に形成されている、請求項１記載のピストン。
【請求項６】
前記凹部（３１）が、１０〜３０μｍの深さを有する、請求項１記載のピストン。
【請求項７】
前記凹部（３１）が、当該ピストン（１０，１１０）の材料に形成されている、請求項１記載のピストン。
【請求項８】
スラスト側（ＤＳ）に対応する摺動面（２２）が、コーティング（２２ａ）を有し、該コーティング（２２ａ）に前記凹部（３１）が形成されている、請求項１記載のピストン。
【請求項９】
クーリングチャンネル（１６）を起点として延びる少なくとも１つの別の孔（１３６）が設けられており、該孔（１３６）は、孔開口（１３７）の形で、反スラスト側（ＧＤＳ）に対応する摺動面（２３）に開口していて、該孔（１３６）がピストン中心軸線（Ｍ）に対して鋭角の角度（β）を成すように傾けられて配置されており、反スラスト側（ＧＤＳ）に対応する摺動面（２３）が、前記少なくとも１つの孔開口（１３７）の範囲に別の凹部（１３８）を有する、請求項１記載のピストン。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの孔開口（１３７）は、前記リング部（１５）のすぐ下で、反スラスト側（ＧＤＳ）に対応する摺動面（２３）に開口している、請求項９記載のピストン。
【請求項１１】
前記別の孔（１３６）が少なくとも２つ設けられている、請求項９記載のピストン。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの別の凹部（１３８）が、円形または半円形に形成されている、請求項９記載のピストン。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの別の凹部（１３８）が、１０〜３０μｍの深さを有する、請求項９記載のピストン。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの別の凹部（１３８）が、当該ピストン（１１０）の材料に形成されている、請求項９記載のピストン。
【請求項１５】
反スラスト側（ＧＤＳ）に対応する摺動面（２３）がコーティング（２３ａ）を有し、該コーティング（２３ａ）に前記少なくとも１つの別の凹部（１３８）が形成されている、請求項９記載のピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用のピストンであって、ピストンヘッドとピストンスカートとを備え、ピストンヘッドは、環状に延びるリング部と、該リング部の範囲に環状に延びるクーリングチャンネルとを有し、ピストンスカートは、それぞれそのスラスト側と反スラスト側とに対応する摺動面を有する、内燃機関用のピストンに関する。
【０００２】
最近の内燃機関では、摺動面への最適な潤滑オイル供給を保証することが困難である。このことは、ピストンの反スラスト側に対応する摺動面が、対応するシリンダ摺動面に接触する上昇行程についても、ピストンのスラスト側に対応する摺動面が、対応するシリンダ摺動面に接触する下降行程についても云える。上昇行程の際には、このときにピストンの摺動面と対応するシリンダ摺動面との間に最大の摩擦力が得られるという理由から、十分な潤滑オイル供給が極めて重要となる。たしかに、ピストンスカートの下縁にはクランクシャフトハウジングからの潤滑オイルが供給されるが、しかしこれによって、スラスト側に対応する摺動面の、あまり高度に負荷されない下側の範囲にしか潤滑オイルが供給され得ない。さらに、たしかにオイル掻取りリングは下降行程時に、存在するオイルをクランクシャフトハウジングの方向に運ぶが、しかしこのオイル量は、スラスト側に対応する摺動面の高度に負荷される上側の範囲に潤滑オイルを十分に供給するためには不十分である。
【０００３】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第３５０６３９９号明細書に開示されているピストンでは、スラスト側に対応する摺動面の上方に配置されている潤滑溝が、孔を介してクーリングチャンネルに接続されている。この潤滑溝には、ピストンの下降行程のほぼ第２の１／２部分においてクーリングチャンネルから潤滑オイルが供給される。しかし、この潤滑溝により、流体動力学的なオイル膜が形成され得なくなる。なぜならば、オイルが、比較的大きな開口から直ちに流出してしまうので、オイル圧が形成され得ないからである。生ぜしめられる最大摩擦力の観点から望ましいとされる、潤滑オイル膜上でのピストンの流体動力学な浮揚が行われ得なくなる。
【０００４】
本発明の課題は、冒頭で述べたピストンを改良して、エンジン運転中に、ピストンの、スラスト側に対応する摺動面への改善された潤滑オイル供給が可能になるようなピストンを提供することである。
【０００５】
この課題の解決手段は、クーリングチャンネルを起点として延びる１つの孔が設けられており、該孔が、孔出口部に移行しており、該孔出口部は、スラスト側に対応する摺動面に開口していて、該孔出口部がピストン中心軸線に対して鋭角の角度を成すように傾けられて配置されており、これによりスラスト側に対応する摺動面に開口が形成されており、前記孔と前記孔出口部との間に、スラスト側に対応する摺動面に対して傾けられてかつ該摺動面に移行する変向面が設けられており、スラスト側に対応する摺動面が、前記開口の範囲に凹部を有しており、該凹部が、前記開口の上方に少なくとも１つのオイル捕捉範囲を形成していることにある。
【０００６】
本発明によるピストンは、スラスト側に対応する摺動面にクーリングチャンネルから的確に潤滑オイルが供給されるので、潤滑オイル膜上でのピストンの流体動力学的な浮揚が可能になることによりすぐれている。このことは、一方では孔出口部の設計により、他方では孔出口部を取り囲む凹部により可能となる。上昇行程時では、潤滑オイルがクーリングチャンネルから前記孔内に押し込まれて、孔出口部を通じて流出する。引き続き下降行程が行われると、潤滑オイルの一部が変向面によって捕捉され、残りの潤滑オイルはクーリングチャンネル内へ戻る。下降行程の経過中に捕捉された潤滑オイルは、前記開口を取り囲む凹部内で分配されるので、オイル圧が形成される。引き続き、潤滑オイルは前記凹部から前記摺動面に溢れ出て、前記摺動面の信頼性の良い潤滑を生ぜしめることができるので、下降行程時に生じる摩擦力は著しく減じられる。
【０００７】
有利な改良形は、従属形式の請求項に記載されている。
【０００８】
前記オイル捕捉範囲が、前記開口に対して直交する横方向に延びていると有利である。これにより、スラスト側に対応する摺動面のできるだけ大きな範囲に潤滑オイルが供給される。
【０００９】
前記オイル捕捉範囲が、両側にそれぞれ１つのオイル捕集溜めを形成していると特に有利である。これにより、潤滑オイルは有利には、スラスト側に対応する摺動面の上側の範囲に集められ、前記摺動面のこの範囲へ溢れ出ることができる。これによって、スラスト側に対応する摺動面の最大に負荷される範囲に潤滑オイルが特に信頼性良く供給される。
【００１０】
前記孔は、有利には当該ピストンの内部に形成された材料厚肉成形部もしくは材料厚肉化部に延びていてよい。この材料厚肉化部は、既にピストンブランクの製造時、たとえば鍛造時または鋳造時に、導入され得る。
【００１１】
前記孔出口部により形成された開口は、たとえばボス中心の下方で、スラスト側に対応する摺動面に形成されていてよく、これにより前記摺動面のできるだけ大きな範囲に潤滑オイルが供給される。
【００１２】
前記凹部は、１０〜３０μｍの深さを有していてよい。これによって、一方では十分な潤滑オイルが捕捉され、他方では十分に高いオイル圧が形成される。
【００１３】
ピストン構造に応じて、前記凹部は当該ピストン自体の材料に形成されていてよいが、しかしスラスト側に対応する摺動面に被着されているコーティングに形成されていてもよい。
【００１４】
本発明の特に有利な改良形では、クーリングチャンネルを起点として延びる少なくとも１つの別の孔が設けられており、該孔は、孔開口の形で、反スラスト側に対応する摺動面に開口していて、該孔がピストン中心軸線に対して鋭角の角度を成すように傾けられて配置されており、反スラスト側に対応する摺動面が、前記少なくとも１つの孔開口の範囲に凹部を有する。上昇行程時では、潤滑オイルがクーリングチャンネルから前記孔内に押し込まれて、前記少なくとも１つの孔開口を通じて流出し、そして前記少なくとも１つの凹部内に捕捉される。捕捉された潤滑オイルは、前記少なくとも１つの凹部内に分配される。クーリングチャンネルからは常時、潤滑オイルが後供給されるので、この場合にもオイル圧が形成され得る。潤滑オイルは前記少なくとも１つの凹部から前記摺動面に溢れ出て、前記摺動面の信頼性の良い潤滑を生ぜしめることができるので、上昇行程時に生じる摩擦力はやはり著しく低減される。
【００１５】
前記少なくとも１つの孔開口は、前記リング部のすぐ下で前記摺動面に開口していると有利である。これにより、特に前記摺動面の上側の範囲に潤滑オイルが供給される。
【００１６】
前記摺動面への潤滑オイルの供給を保証するために、前記孔が少なくとも２つ設けられていてよい。
【００１７】
前記少なくとも１つの凹部は、円形または半円形に形成されていると有利である。なぜならば、このようなジオメトリ（幾何学的形状）は特に簡単に製作され得るからである。
【００１８】
前記少なくとも１つの凹部は、１０〜３０μｍの深さを有していてよい。これによって、一方では十分な潤滑オイルが捕捉され、他方では十分に高いオイル圧が形成される。
【００１９】
ピストン構造に応じて、前記凹部は、当該ピストン自体の材料に形成されていてよいが、しかし前記摺動面に被着されているコーティング内に形成されていてもよい。
【００２０】
本発明は、あらゆるタイプのピストンおよびあらゆる構造のピストンのために適している。
【００２１】
以下に、本発明の実施形態を図面につき詳しく説明する。図面には、本発明の実施形態が概略的に図示されており、ただし縮尺通りには図示されていない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明によるピストンの１実施形態の一部を示す断面図である。
【図２】図１に示したピストンを、９０°回転させた状態で示す側面図である。
【図３】図１に示したピストンの一部の拡大図である。
【図４】本発明によるピストンの別の実施形態の一部を示す拡大図である。
【図５】本発明によるピストンのさらに別の実施形態の一部を示す拡大図である。
【図６】図５に示したピストンを、９０°回転させた状態で示す側面図である。
【００２３】
図１〜図３には、本発明によるピストン１０の第１実施形態が示されている。ピストン１０は、単一部分から成るピストンまたは複数部分から成るピストンであってよい。ピストン１０は鋼材料および／または軽金属材料から製造されていてよい。図１〜図３には、単一部分から成る一体型のスリッパスカートピストンもしくはボックス型ピストン（Kastenkolben）１０が例示的に図示されている。このピストン１０は、ピストンヘッド１１を有し、このピストンヘッド１１は、燃焼キャビティ１３を有するピストン頂面１２と、環状に延びるトップランド１４と、ピストンリング（図示しない）を収容するリング部１５とを備えている。リング部１５の高さには、環状に延びるクーリングチャンネル１６が設けられている。ピストン１０はさらに、ピストンスカート１７を有し、このピストンスカート１７はピストンボス１８と、ピストンピン（図示しない）を収容するボス孔１９とを備えている。ピストンボス１８はボス結合部２１を介してピストンヘッド１１の下面１１ａに結合されている。ピストンボス１８は摺動面２２，２３を介して互いに結合されている。この場合、第１の摺動面２２はピストン１０のスラスト側ＤＳに対応しており、第２の摺動面２３はピストン１０の反スラスト側ＧＤＳに対応している。
【００２４】
本発明によるピストン１０は、クーリングチャンネル１６を起点として延びる１つの孔２４を有する。この孔２４は、材料厚肉化部２５内に形成されており、この材料厚肉化部２５はピストン１０の内室２６に形成されている。材料厚肉化部２５は、たとえばピストンブランクの製造時、たとえば鋳造時または鍛造時に導入され得る。孔２４は、スラスト側ＤＳに対応する第１の摺動面２２の方向に延びていて、孔出口部２７へ移行している。孔出口部２７は、スラスト側ＤＳに対応する第１の摺動面２２に開口している。孔出口部２７は傾けられて配置されており、この場合、孔出口部２７はピストン中心軸線Ｍと共に鋭角の角度αを成している（図３参照）。本実施形態では、孔２４が孔出口部２７と同じ傾斜を有するので、孔２４は孔出口部２７と同じく、ピストン中心軸線Ｍと共に鋭角の角度αを成している。しかし、ピストン１０の構造およびクーリングチャンネル１６の位置に応じて、孔２４は上記構成とは異なって延びていてもよい。
【００２５】
孔２４と孔出口部２７との間では、摺動面側に変向面２８が形成されている。この変向面２８は第１の摺動面２２に対して傾けられている。すなわち、変向面２８の、断面で見て得られる頂線（Scheitellinie）２８ａは、第１の摺動面２２と共に鋭角の角度βを成している（図３参照）。
【００２６】
孔出口部２７は第１の摺動面２２に開口していて、この場合、第１の摺動面２２には開口２９が形成されている（図２参照）。本実施形態では、開口２９がほぼスリット状に形成されているが、ピストン１０の構造およびサイズに関連して別の形状も考えられる。開口２９は本実施形態では、第１の摺動面２２のボス中心Ｎよりも下方に形成されている（図１参照）。
【００２７】
スラスト側ＤＳに対応する第１の摺動面２２は、開口２９の範囲に凹部３１を有する。本実施形態では、第１の摺動面２２がコーティング２２ａ、たとえばグラファル（Grafal；登録商標）を備えており、凹部３１はこのコーティング２２ａに導入されているか、またはこのコーティング２２ａを貫いてピストンスカート表面にまで導入されている。本実施形態では、凹部３１が約２０μｍの深さを有する。凹部３１は、この凹部３１の深さがコーティングの厚さを上回るという理由であれ、コーティングが存在しないという理由であれ、直接に第１の摺動面２２の材料に導入されていてもよい。コーティングが存在しない構成は図４に図示されている。
【００２８】
凹部３１は開口２９を完全に取り囲んでいて、原理的には任意に成形されていてよい。第１の摺動面２２の特に高負荷される範囲３２への十分な潤滑オイル供給を保証するためには、開口２９の上方にオイル捕捉範囲３３が形成されている。本実施形態では、オイル捕捉範囲３３が開口２９に対してほぼ直交する横方向に延びていて、２つのオイル捕集溜め３４を備えている。オイル捕集溜め３４はそれぞれ開口２９の左右に形成されている（図２参照）。図２には、補足的に、第１の摺動面２２の、エンジン運転中にピストンスカート１７の下縁１７ａから潤滑オイルを供給される範囲３５が示されている。
【００２９】
本発明によるピストン１０の、スラスト側ＤＳに対応する第１の摺動面２２には、エンジン運転中に、以下のように的確に潤滑オイルが供給される。上昇行程の際に、潤滑オイルはクーリングチャンネル１６から孔２４内に押し込まれて、孔出口部２７を通じて凹部３１内へ流出する。引き続き下降行程が行われると、潤滑オイルの一部が変向面２８によって捕捉されるので、潤滑オイルのこの一部は凹部３１内に留まる。残りの潤滑オイルはクーリングチャンネル１６内へ戻る。下降行程の経過中に凹部３１内に捕捉された潤滑オイルは凹部３１内で分配されるので、オイル圧が形成され、ピストン１０の摺動面２２は、対応するシリンダ摺動面に対して流体動力学的に浮揚することができる。潤滑オイルは下降行程の間、オイル捕捉範囲３３のオイル捕集溜め３４内へ押し込まれて、凹部３１から矢印Ｐの方向で第１の摺動面２２へ溢れ出る。したがって、第１の摺動面２２の特に高負荷される範囲３２の信頼性の良い潤滑が保証され、下降行程時に生じる摩擦力は著しく減じられる。
【００３０】
図５および図６には、ピストン１１０の別の有利な実施形態が示されている。ピストン１１０の構造は、図１〜図４に示したピストン１０に相当しているので、同一の構造体には同じ符号が付与されており、これらに関しては、図１〜図４に関する上記説明を参照するものとする。
【００３１】
本発明によるピストン１１０は、以下の付加的な特徴によりすぐれている。
【００３２】
本発明によるピストン１１０は、本実施形態では、クーリングチャンネル１６を起点として延びる２つの別の孔１３６を有する。これらの孔１３６は、反スラスト側ＧＤＳに対応する第２の摺動面２３の方向に延びていて、傾けられて配置されており、この場合、孔１３６はピストン中心軸線Ｍと共に鋭角の角度γを成している（図５参照）。
【００３３】
孔１３６は孔開口１３７の形で第２の摺動面２３に開口している。本実施形態では、両孔開口１３７がピストンヘッド１１のリング部１５のすぐ下で、ピストンスカート１７のボス結合部２１の範囲において第２の摺動面２３に開口している。孔開口１３７は本実施形態では、第２の摺動面２３の上側の縁範囲に配置されている（図６参照）。当然ながら、単に１つの孔開口しか設けられていなくてもよいし、３つまたはそれ以上の孔開口が設けられていてもよい。その場合、これらの孔開口は有利には第２の摺動面２３の幅にわたって分配されていると望ましい。
【００３４】
反スラスト側ＧＤＳに対応する第２の摺動面２３は、孔開口１３７の範囲にそれぞれ１つの凹部１３８を有する。本実施形態では、第２の摺動面２３が、コーティング２３ａ、たとえばグラファル（Grafal；登録商標）を備えており、凹部１３８はこのコーティング２３ａに導入されている。本実施形態では、凹部１３８が、約２０μｍの深さを有する。凹部１３８は、凹部１３８の深さがコーティングの厚さを上回るという理由であれ、コーティングが存在しないという理由であれ、直接に第２の摺動面２３の材料に導入されていてもよい。
【００３５】
凹部１３８は、本実施形態では孔開口１３７をほぼ半円形に取り囲んでいる。また、孔開口１３７がリング部１５に対して、より大きな間隔を置いて配置されていて、凹部１３８が孔開口１３７を円形に取り囲んでいることも考えられる。
【００３６】
本発明によるピストン１１０の、反スラスト側ＧＤＳに対応する摺動面２３には、エンジン運転中に以下に説明するように的確に潤滑オイルが供給される。上昇行程の際に、潤滑オイルはクーリングチャンネル１６から孔１３６内に押し込まれて、孔開口１３７を通じて流出し、そして凹部１３８内に捕捉される。捕捉された潤滑オイルは凹部１３８内に分配される。クーリングチャンネル１６からは常時、潤滑オイルが後供給（補給）されるので、この場合にもオイル圧が形成され得る。これにより、ピストン１１０の第２の摺動面２３は、対応するシリンダ摺動面に対して流体動力学的に浮揚することができる。潤滑オイルは凹部１３８から摺動面２３へ溢れ出て、この摺動面２３の信頼性の良い潤滑を生ぜしめることができるので、摩擦力の発生は同じく著しく減じられる。孔開口１３７がリング部１５のすぐ下に有利に配置されることにより、特に第２の摺動面２３の高度に負荷される上側の範囲、つまり高負荷にさらされる上側の範囲に、潤滑オイルが供給される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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