(57)【要約】  本発明は、少なくとも１つのクーリングチャネル（１８，２０）を備える、内燃装置用のピストン（１０）であって、クーリングチャネルは、上から見た場合にピストン軸に沿って及び／又は半径方向で異なるレベルに位置する少なくとも２つの部分を備え、及び／又は２つ以上のクーリングチャンネル（１８、２０）が設けられ、且つ／又は上記少なくとも２つのクーリングチャネル（１８，２０）がピストン軸に沿って及び／又は半径方向で異なるレベルに位置し、また少なくとも１つの供給要素（３２、３６）及び／又は排出要素（３８、３４）が、ピストン軸上で、少なくとも平行に延びることを特徴とする、内燃装置用のピストンに関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関用のピストン（１０）であって、ピストン軸に沿った高さ方向及び／又は半径方向で異なるレベルに位置する少なくとも２つの部分を備える少なくとも１つのクーリングチャンネル（１８、２０）を備え、且つ／又は少なくとも２つがピストン軸に沿った高さ方向及び／又は半径方向で異なるレベルに位置する２つ以上のクーリングチャンネル（１８、２０）が設けられ、
少なくとも１つの供給要素（３２、３６）及び／又は排出要素（３８、３４）が、ピストン軸とほぼ平行に延びることを特徴とする、内燃機関用のピストン。
【請求項２】
個々の前記クーリングチャンネル（１８、２０）は、流体的に別個の供給要素（３２、３６）及び／又は排出要素（３８、３４）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関用のピストン。
【請求項３】
２つの供給要素が、前記ピストン（１０）の反スラスト面に設けられることを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関用のピストン。
【請求項４】
前記供給要素（３２、３６）及び／又は前記排出要素（３８、３４）は、軸方向及び／又は半径方向及び／又は円周方向で異なる位置に位置することを特徴とする、請求項２又は３に記載の内燃機関用のピストン。
【請求項５】
燃焼ボウル（１２）を備え、前記少なくとも１つのクーリングチャンネル（１８）又はクーリングチャンネル部分は、前記燃焼ボウル（１２）の半径方向隣に設けられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関用のピストン。
【請求項６】
燃焼ボウル（１２）を備え、前記少なくとも１つのクーリングチャンネル（２０）又はクーリングチャンネル部分は、前記燃焼ボウル（１２）の軸方向下方に位置することを特徴とする、請求項の１〜５いずれか１項に記載の内燃機関用のピストン。
【請求項７】
冷媒噴射装置と組み合わせた、請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関用のピストン。
【請求項８】
前記冷媒噴射装置は、少なくとも２つのノズル（２４、２６）を備えることを特徴とする、請求項７に記載の内燃機関用のピストン。
【請求項９】
前記ノズル（２４、２６）は、両側に設けられることを特徴とする、請求項８に記載の内燃機関用のピストン。
【請求項１０】
前記燃焼ボウル（１２）の半径方向隣に設けられるクーリングチャンネル（１８）への冷媒の噴射用に設けられる前記ノズル（２６）は、他のノズルよりも高い油圧を発生させることを特徴とする、請求項８又は９に記載の内燃機関用のピストン。
【請求項１１】
前記冷媒噴射装置は、１つのノズルを備えることを特徴とする、請求項７に記載の内燃機関用のピストン。
【請求項１２】
前記ノズルは、少なくとも２つの排出チャンネルを備えることを特徴とする、請求項１１に記載の内燃機関用のノズル。
【請求項１３】
前記ノズルは、前記ピストン（１０）の位置に応じて１つ又は複数の異なるクーリングチャンネルに入る冷媒の斜めのジェットを発生させるように、斜めに配置されることを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の内燃機関用のピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［発明の分野］
本発明は、請求項１のプリアンブルに記載の内燃機関用のピストン、及びこのようなピストンとオイル噴射装置との組み合わせに関する。
【背景技術】
【０００２】
特にディーゼル機関の分野において、近年の開発は、出力密度を高めることにより一層向けられてきた。このために、特に高速過給のディーゼル機関が提供されている。出力増加の結果として、ピストンの温度が高くなり、点火圧力の上昇により機械的応力が増大する。これらの応力の増大を考慮して、これまで、何よりもまず最初に提供されるのは、ピストンライニング（piston lining、Kolbenlegierungen：ピストン合金）の耐熱性の向上であった。しかしながら、耐熱性を高めるために加えられる要素、特にニッケル及び銅は、溶融温度の低下をもたらすため、特にアルミニウムの使用は熱的に制限される。アルミニウムピストンの耐熱性を高めるためのさらなる措置は、例えば、金属若しくはセラミック繊維材料又は分散材料の再溶融、合金化、又は導入による、補強材の導入にある。複合材料からピストンを作製することも原理上可能である。これまで知られていた解決手段には、製造費が高いという欠点がある。
【０００３】
［従来技術］
本発明は、従来技術の物品として知られているクーリングチャンネルを有するピストンの形態の従来技術に基づいている。既知のクーリングチャンネルは、例えば波形経路等の種々の断面形状及び特殊な実施形態を有し得る。
【０００４】
燃焼ボウルを有さないピストンが、米国特許第５，０８１，９５９号から既知である。このピストンは、斜めに配置されたノズルを通して充填される２つ以上の別個のクーリングチャンネルとともに具現され、クーリングチャンネルにオイルを供給するための孔が、ジェットの方向に対して斜めに配置されている。
【０００５】
特願昭６１−１４４２４２号にも、２つの別個のクーリングチャンネルを有するピストンが開示されており、オイルを供給するための２つの斜めに配置されたノズルが設けられ、クーリングチャンネルにオイルを供給するための孔が、ジェットの方向に対して斜めに配置されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
［発明の説明］
本発明は、単純な手段を用いて、冷却効果の高いピストンとクーリングチャンネルを有するこのような装置とを提供するという目的に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、請求項１に記載のピストンによって達成される。
【０００８】
これによると、第１の実施の形態によれば、本発明によるピストンは、ピストン軸に沿った高さ方向及び／又は半径方向で異なるレベルに位置する少なくとも２つの部分を有するクーリングチャンネルを備える。上記第１の実施の形態と組み合わせてもよいが、第１の実施の形態と同じく単独で提供することもできる第２の実施の形態によれば、本発明によるピストンは、２つ以上のクーリングチャンネルを備え、そのうちの少なくとも２つが、ピストン軸に沿った高さ方向及び／又は半径方向で異なるレベルに位置する。
【０００９】
本発明の基本概念は、実質的に、ピストンの異なる区域に延びる複数のクーリングチャンネル又は相互接続されたクーリングチャンネル部分を提供し、それにより効率的な冷却を達成することにある。特に、これにより、これまで選択されていた複雑な実施の形態を必要とすることなく、ピストン全体の温度を低下させることが可能である。「異なるレベル」での配置に関して、これは、密閉されたクーリングチャンネル又はクーリングチャンネル部分を互いに上下に配置すること及び／又は並べて配置することを意味すると言える。この点で、本明細書に記載の教示は、波形経路を有し得るためそれに対応して個々の比較的短い部分が異なるレベルに位置する既知のクーリングチャンネルとは異なる。さらに、本明細書に記載の教示は、環状部分及びそこから分岐する傾斜部分を有し得るクーリングチャンネルとも異なる。このような部分は、互いに直接接続される限りにおいては異なるレベルに位置しない。特に、クーリングチャンネルには、軸を含む断面図において別個の開口として識別され得るという意味での別個の部分は設けられていない。その代わりに、異なる部分間の接続部を、上記断面図で識別することができる。
【００１０】
他方、本発明によれば、例えば、ピストン軸に沿って異なる（軸方向）レベルに位置するクーリングチャンネル又はクーリングチャンネル部分は、このような２つのチャンネル又は部分間の最も短い接続部の領域がピストン材料によって互いに区切られると規定されている。しかしながら、これらは、適当な、最も広義には螺旋状の接続部によって、互いに流体接続されることもできる。さらに、このような２つのクーリングチャンネル部分間の接続部は、ピストン軸と概ね平行に延びる接続開口又は孔によって形成することもできる。これは特に、２つのクーリングチャンネル部分が半径方向ではなくピストン軸の方向でのみ異なるレベルに位置する場合に当てはまる。
【００１１】
半径方向で異なるレベルに位置する、すなわち、ピストン軸からピストンスカートに向かって延びる半径方向でさらに外側又はさらに内側にある２つのクーリングチャンネル又はクーリングチャンネル部分は、概ね螺旋状の接続部又は概ね直線状の接続開口又は孔によって接続されることもできる。クーリングチャンネル部分は、半径方向に異なるレベルに位置するため、このような接続開口又は孔は、ピストン軸に対して適当に傾斜させられる。クーリングチャンネルが、上述のように異なるレベルに位置する少なくとも２つの部分を備える場合、オイルが例えばノズルによって上側チャンネルに導入され、そこから下側チャンネルに流入して最終的に排出されるように充填を行うことができる。
【００１２】
本発明による実施の形態は、１つ又は複数のクーリングチャンネルの適切ではあるが比較的単純な構造によって、最適な冷却効果を達成させることが可能である。クーリングチャンネル又はクーリングチャンネル部分は、特に温度の危険に曝される各区域に移動させられることができる。この場合、クーリングチャンネルは、ピストンの温度の有利な低下を確実にすることができる。
【００１３】
言及すべき別の利点は、複数のクーリングチャンネル又はクーリングチャンネル部分を有する実施の形態が必要とするピストンの変更が、既存の鋳造装置を有利に用いることができるほどわずかであることである。例えば、強化繊維を組み込むのに必要な特殊な鋳造装置を用いることも可能である。これは、本発明によるピストンが特に費用効果的であることも意味する。
【００１４】
少なくとも１つの供給要素及び／又は排出要素が、ピストン軸とほぼ平行に延びる。好ましくは、全ての供給要素及び／又は全ての排出要素が、ピストン軸と平行に配置される。このような供給要素及び／又は排出要素は、従来の鋳造技法を用いた鋳造コア又は同様の方法を用いて製造することができる。これにより、費用効果的な製造が促進される。しかしながら、その後で孔又は同様の製造措置を用いて供給要素及び／又は排出要素を製造することも考えられる。
【００１５】
ピストンは、アルミニウ又はアルミニウム合金製であることが好ましく、ディーゼル機関、好ましくは直接噴射機関に取り付けられることが好ましい。例えば、金属繊維若しくはセラミック繊維又は分散材料の再溶融、合金化、又は導入によって、補強材をピストンに導入することも可能である。
【００１６】
本発明によるピストンの有利なさらなる実施の形態は、他の請求項に記載されている。
【００１７】
供給要素及び／又は排出要素に関して個々のクーリングチャンネルを互いに接続させることもできるが、個々のクーリングチャンネルが流体的に別個の供給要素及び／又は排出要素を備えることが有利であることが分かっている。供給要素の領域では、これには、より詳細に後述するように、各クーリングチャンネル用の油圧を別個に又は斜めに配置されたノズルによって設定することができ、１つのノズルで充填を行うことができ、同時に各クーリングチャンネルに冷媒を別個に且つ確実に供給できるという利点がある。排出要素の領域では、この流体的な分離には、冷媒を妨げられずに排出することができ、この冷媒が後続のより低温の冷媒の流れを妨げることがないという利点がある。
【００１８】
別個に設けられる場合、供給要素の配置は、全ての供給要素、特に２つの別個のクーリングチャンネルを設ける場合には２つの供給要素が、ピストンの反スラスト面に位置するようなものであることが目下好ましい。第２のクーリングノズルを設けるには、ピストンシャフトに付加的な凹部があることが必要であるか、又は既存の凹部を広げる必要がある。これらの状況下では、両方の供給要素を反スラスト面に配置することが有利であることが分かっている。しかしながら、両方の供給要素をスラスト面に配置するか、又は一方の供給要素をスラスト面に配置してもう一方の供給要素を反スラスト面に配置することで「十字形配置」をもたらすことも考えられ、特定の用途では好ましい場合がある。「十字形」配置は、例えば製造の観点から有利であり得る。
【００１９】
別個の供給要素及び／又は別個の排出要素の場合、軸方向及び／又は半径方向及び／又は円周方向で異なる位置にこれらを配置することが有利であることが分かっている。このような軸方向のずれは、「高い方にある」クーリングチャンネル又はクーリングチャンネル部分の入口開口が、それに対応して高いレベルに位置することを意味する。これにより、常に望ましいとは限らない管状供給を高い方の領域で回避することが可能になる。供給要素及び／又は排出要素を半径方向で別個に配置することで、利用可能なピストン材料を供給要素及び／又は排出要素を形成するのに好ましい方法で用いることが可能になる。供給要素及び／又は排出要素が円周方向にずれて、上述の実施の形態の代わりに又は上述の実施の形態と相補的に配置される場合も、同じことが当てはまる。
【００２０】
燃焼ボウルを有するピストンの場合、少なくとも１つのクーリングチャンネルが燃焼ボウルに対して半径方向の領域に設けられるような実施の形態によって、特に優れた冷却効果を達成できることが、試験で分かっている。換言すれば、これは、ピストンヘッドの周辺のピストン軸に関して「上側の」領域にクーリングチャンネルを伴う。
【００２１】
場合によっては、これと相補的に、少なくとも１つのクーリングチャンネルを燃焼ボウルの軸方向下方の領域に設けることが有利であることが分かっている。このクーリングチャンネルは、例えば、燃焼ボウルの外縁の下の領域に配置することができる。
【００２２】
本発明によるピストンは、冷却効果が高いというだけで有利であるとみなすことができる。しかしながら、有利なオイル噴射装置と組み合わせる特に有利な実施の形態もある。したがって、このような組み合わせも、本発明の主題とみなすことができる。
【００２３】
ここで、オイル噴射装置は少なくとも２つのノズルを備えることが好ましい。このように、当該ノズルは、各クーリングチャンネルへの冷媒、特にオイルの噴射用にすることができる。
【００２４】
製造の観点からの利点は、ノズルが両側に設けられている場合に得られる。
【００２５】
これに関して、ピストンヘッドの領域にあるクーリングチャンネルへの冷媒の噴射用に設けられるノズルは、他のノズルよりも高い油圧を発生させることが目下好ましい。これにより、冷媒、特にオイルの量を有利に減らすことが可能である。
【００２６】
しかしながら、上述の実施の形態の代替形態として、ピストンを１つのノズルを有するオイル噴射装置と組み合わせることが考えられる。この結果として、特に単純な構造が得られる。
【００２７】
しかしながら、２つ以上のクーリングチャンネルを別個に充填するために、好適な一実施の形態は、設けられる１つのノズルが２つ以上の排出チャンネルを備えることにある。
【００２８】
この代替形態として、冷媒のジェットが斜めに出るように１つのノズルが斜めに配置されることで、ピストンの位置に応じて上記ジェットが１つ又は複数の異なるクーリングチャンネルに入るような、より単純な構造を達成することができる。冷媒のジェットが斜めに出ることで、例えば上側及び下側の死点間で、すなわちピストン軸の方向でピストンの異なる位置にある冷媒が、半径方向及び／又は円周方向で異なる位置に位置する異なる供給開口に入ることが可能になる。換言すれば、ピストンの異なる位置で異なるクーリングチャンネルを充填することができる。この代替形態として、冷媒のジェットが１つの位置でのみ、例えば下側の死点でクーリングチャンネルに入り、別の位置、例えば上側の死点では、冷媒のジェットがピストンヘッドに到達してこれを冷却することが考えられる。第２のクーリングチャンネルは、それ自体のノズルによって充填されることができる。
【００２９】
図に示す本発明の一実施形態を以下で説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
［発明の好適な実施形態の詳細な説明］
図１に示すように、アルミニウム又はアルミニウム合金製、特に鋳造であり得る本発明によるピストン１０は、概して、ω形であり得る燃焼ボウル１２、複数の環状溝１４、及び２つの（一方のみが見える）ピストンピンボス１６を備える。図示の本発明によるピストンの実施形態は、図１において垂直方向に延びるピストン軸（図示せず）に沿って、２つのクーリングチャンネル１８、２０を備える。図１に示すように、クーリングチャンネルは、概ね円形の断面を有し得る。第１のクーリングチャンネル１８は、燃焼ボウルの「隣の」領域に、軸方向で比較的高いレベルに、特にピストンヘッド２２よりもわずかに下に位置する。その点で、これを以下でヘッドクーリングチャンネル１８と呼ぶ。
【００３１】
本発明によれば、第２のクーリングチャンネル２０が、燃焼ボウル１２及びヘッドクーリングチャンネル１８よりも下のレベルに設けられる。このクーリングチャンネルをボウルクーリングチャンネル２０と呼ぶ。上述のように、ボウルクーリングチャンネル２０の方が、ピストン軸の方向で高さが低いレベルに位置するだけでなく、半径方向でさらに内側の位置にも配置される。この位置で、このボウルクーリングチャンネル２０は、燃焼ボウル１２とピストンピンボス１６との間の高温区域の特に効率的な冷却を確保することができる。
【００３２】
クーリングチャンネル１８、２０は、冷媒を供給する供給する供給要素３２、３６とともに具現される。供給要素３２、３６は、ピストン１０の軸とほぼ平行に延びる。
【００３３】
図１に示すように、図示の実施形態では、冷媒、特に冷却オイルの供給は、２つの別個のノズル２４、２６を通して行われる。図示の実施形態では、２つのノズルは、ピストンピンボス１６に装着されるピストンピン（図示せず）の両側に配置される。したがって、これらは、スラスト面及び反スラスト面に配置されるが、他の用途では、２つのノズルが反スラスト面に配置されることが目下好ましい。図示のように、２つのノズルは、ほぼ垂直な方向で冷媒２８又は３０のジェットを発生させ、これはクーリングチャンネル１８又は２０の各供給要素３２、３６に入る。より詳細に図示及び後述するように、排出開口が、ほぼ対向する位置にそれぞれ設けられる。
【００３４】
図２も、図１に示すピストン１０の内部を示す。図示の実施形態では、２つのクーリングチャンネル１８又は２０は、環状であり、一定のレベルに位置する。ここでは、断面も変わっていない。しかしながら、これは、可変の、特に波形の構造を有することができる。図２は、ボウルクーリングチャンネル２０の方が低いレベルに設けられるだけでなくヘッドクーリングチャンネル１８の半径方向内側に設けられることを、特に明確に示している。これにより、ヘッドクーリングチャンネル１８の供給要素３２に十分な空間が提供されることが確実になる。図２に明確に示すように、供給要素３２、３６及び排出要素３４、３８はいずれも、ピストン軸とほぼ平行な向きにある。
【００３５】
上で示した詳細を補足して、図３は、両方の排出開口を示す。図示の実施形態では、半径方向内側のボウルクーリングチャンネルの排出要素３４の開口は、供給要素３６の反対側に位置する。ヘッドクーリングチャンネル１８の供給要素３２の反対側に位置する排出要素３８にも、同じことが当てはまる。
【００３６】
図４は、本発明によるピストン１０の第２の実施形態の断面図であり、ピストン軸に沿った高さ方向で異なるレベルに位置する２つのクーリングチャンネル部分４０、４２が設けられる。他方、図示の実施形態では、これらは半径方向で同じレベルにある。第１の実施形態に示すもの等の別個のクーリングチャンネルの場合とは異なり、これらがクーリングチャンネル部分４０、４２である理由は、第２の実施形態では接続部４４が設けられるからである。この接続部は、ピストン軸とほぼ平行に延びる接続チャンネルから実質的に成り、これは孔とも呼ぶことができる。図４の右側に示すように、上側のクーリングチャンネル部分４２の領域に冷媒３０のジェットを供給するノズル２４が設けられる。冷媒３０のジェットが、下側のクーリングチャンネル部分４０をいわば「通過して」上側のクーリングチャンネル部分４２に入ることを確実にするために、ピストン軸とほぼ平行に延びる孔すなわち接続部５２がこれらの部分間に設けられる。接続部５２及び供給要素５４は、ピストン軸とほぼ平行に延びる。噴射されたオイルは、上側のクーリングチャンネル４２を通って流れて、図示の実施形態では供給要素開口のほぼ反対側に設けられる接続部４４を通過し、下側のクーリングチャンネルに入る。下側のクーリングチャンネル４０とその下側との接続部は、ストッパ４６によって塞がれるため、冷媒は下側のクーリングチャンネル部分４０を通って流れてピストンの周囲領域を冷却する。冷媒出口は、入口の付近にある。
【００３７】
これは、図５にも示される。図５は、図４のピストン１０の、冷媒入口の領域の断面を示す。図示のように、冷媒３０のジェットは、上側のクーリングチャンネル部分４２の領域まで進む。図示の実施形態では、冷媒３０のジェットがクーリングチャンネル部分４２の上限に達する場所には、一種の突起又はリブ４８が設けられて、冷媒３０のジェットを図５に示すクーリングチャンネル部分４２の左側半分及び右側半分に分ける。反対側で、冷媒は、図４に示すように、開口４４を通過して下側のクーリングチャンネル部分４０に入り、図５に示すように、冷媒入口の周辺で、冷媒部分４０の下側に設けられ接続部５２よりも広い開口５０を通して出ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】オイル噴射装置を有する本発明によるピストンの断面図である。
【図２】本発明によるピストンの内部の実施形態を表わす図である。
【図３】下から見た図１に示す組み合わせである。
【図４】オイル噴射ノズルを有する本発明によるピストンの第２の実施形態の断面図である。
【図５】図４に示すピストンのさらなる断面図である。
【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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【国際調査報告】
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