(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面から中心軸に沿うように垂れ下がる円柱形の外周表面を有する上部クラウンを有し、前記外周表面に設けられた少なくとも１つの環状のリング溝が、前記リング溝から前記上面に延びる頂上のランドを規定する、ピストン本体を備え、
前記頂上のランドの前記外周表面に設けられ、前記上面から前記リング溝に向けて延びている谷部を有する複数の波形が前記頂上のランドの外周部に形成され、前記波形は、前記上面から前記リング溝までを、前記軸と平行でない関係となるように横切り、前記軸と平行な方向に関して、前記上面から前記リング溝までの間において前記谷部の中心線が互いに重ならないように設計され、
前記波形と、前記頂上のランドの前記外周表面とが、前記頂上のランドの周辺部に滑らかな正弦曲線を形成する、内燃エンジン用のピストン。
【請求項２】
前記波形は前記上面に位置する上部端から、前記リング溝に位置する下部端まで延び、前記波形の１つの上部端は、前記波形の１つに隣接する波形の下部端と重ならない関係を有する、請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記ピストンは、ピン穴軸に沿って互いに位置合わせされた１対のピン穴を備える、請求項２に記載のピストン。
【請求項４】
前記谷部の１つが、前記ピン穴軸上に配置される、請求項３に記載のピストン。
【請求項５】
前記波形が、前記中心軸に対して非直線状のヘリカル状の関係となるように延びる、請求項１に記載のピストン。
【請求項６】
前記波形が、前記中心軸に対して直線状のスパイラル状の関係となるように延びる、請求項１に記載のピストン。
【請求項７】
シリンダー穴を有するシリンダーブロックと、
前記シリンダー穴の中へ、あらかじめ決められたパターンを描くように燃料スプレーストリームを注入するよう設計された燃料注入部と、
前記シリンダー穴の中に収納されるピストンとを備え、前記ピストンは、上面と、中心軸に沿って垂れ下がり、外周表面に設けられた少なくとも１つの環状のリング溝を含み、前記リング溝から前記上面に向けて延びる頂上のランドを規定する外周表面とを有し、前記頂上のランドは複数の波形を有し、それぞれの波形は前記頂上のランドの前記外周表面に放射状に設けられた谷部と、前記谷部から前記ピストンの径方向に外側に延びる山部とを有し、前記谷部および山部は、前記上面から前記リング溝にまで延び、前記ピストンは、さらにピン穴軸に沿って互いに位置決めされた１組のピン穴を含み、さらに前記山部と谷部との少なくとも一方が、前記燃料スプレーストリームと、前記ピン穴軸と、前記ピン穴軸に垂直な方向に延びるスラスト方向との少なくとも１つに沿う、あらかじめ決められた方向に形成され、
前記波形と、前記頂上のランドの前記外周表面とが、前記頂上のランドの周辺部に滑らかな正弦曲線を形成する、エンジン。
【請求項８】
前記谷部は、前記燃料スプレーストリームを直接的に受ける方向を向いている、請求項７に記載のエンジン。
【請求項９】
前記山部の１つは、前記上面において前記スラスト方向に沿った方向を向いている、請求項７に記載のエンジン。
【請求項１０】
１対の直径方向に関して逆方向を向く谷部が、前記ピン穴軸に沿った方向に配置されている、請求項７に記載のエンジン。
【請求項１１】
前記波形が前記上面の上部端から、リング溝の下部端にまで延び、前記波形は、前記上面から前記リング溝までを、前記軸と平行でない関係となるように横切り、前記軸と平行な方向に関して、前記上面から前記リング溝までの間において前記谷部の中心線が互いに重ならないように設計されている、請求項７に記載のエンジン。
【請求項１２】
前記波形が、前記中心軸に対して非直線状のヘリカル状の関係となるように延びる、請求項１１に記載のエンジン。
【請求項１３】
前記波形が、前記中心軸に対して直線状のスパイラル状の関係となるように延びる、請求項１１に記載のエンジン。
【請求項１４】
前記波形が、前記中心軸と平行な方向に延びる、請求項７に記載のエンジン。
【請求項１５】
前記波形が、前記頂上のランドの周囲に、滑らかで段差のない表面を形成する、請求項７に記載のエンジン。
【請求項１６】
前記波形は、前記中心軸と平行でない方向に延びる、請求項７に記載のエンジン。
【請求項１７】
前記山部からみた前記谷部の径方向の深さが、前記上面と前記リング溝との間で変動する、請求項７に記載のエンジン。
【請求項１８】
燃料スプレーストリームを、シリンダー穴の内部へ注入するための燃料注入部を有する内燃エンジンのシリンダー穴の内部における往復運動を行なう設計となったピストンを形成する方法であり、
上面と、中心軸に沿って、前記上面から垂れ下がる外周表面とを有するピストン本体を供給し、
外周表面に設けられ、リング溝から上面まで延びる頂上のランドを規定する環状のリング溝を形成し、
ピン穴軸に沿って一列に並ぶ、横方向に間隔を隔てた１対のピン穴を形成し、ピン穴軸に垂直なスラスト軸が形成され、
頂上のランドには複数の波形を形成し、前記波形は、頂上のランドの外周表面に設けられた谷部と、谷部から前記ピストンの径方向に外側に延びる山部とを有し、燃料スプレーストリーム、ピン穴軸、スラスト軸の少なくとも１つに沿う、あらかじめ定められた方向に山部と谷部とが形成され、
前記波形と、前記頂上のランドの前記外周表面とが、前記頂上のランドの周辺部に滑らかな正弦曲線を形成する、ピストンの製造方法。
【請求項１９】
燃料注入部から燃料スプレーストリームを直接受けるように谷部を設計することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
スラスト軸に沿って上面にて山部の１つを形成することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
ピン穴軸に沿う方向に、直径方向に関して反対方向の谷部を形成することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
上面に上部端と、リング溝に下部端とを有する前記波形を形成することをさらに備え、隣接する下部端と重ならないような関係となるように上部端を配置する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
中心軸に対して非直線状のヘリカル状の関係となるように、波形を形成することをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
中心軸に対して平行に延びる波形を形成することをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記頂上のランドの周囲に、滑らかで段差のない表面を形成することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２６】
中心軸に対して平行でない方向に延びる波形を形成することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２７】
上面とリング溝との間に、前記山部からみた径方向の深さが変動する谷部を形成することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００７年６月１５日に出願された、米国仮出願番号６０/９４４，２４４の利益を要求し、ここに全てが参照により引用される。
【０００２】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は一般的に、内燃エンジンに関するものであり、より特定的には、そのためのピストン構成やその内部の配置に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．関連技術
内燃エンジンや、特にディーゼルエンジンは、比較的大量のオイルを消費し、その使用過程で、余分な排出物を産出することが知られている。その上、オイルの消費により炭素が析出され、その炭素がピストンのたとえば環状のリング溝を含む頂上のランド領域のようなピストンの表面上に堆積する。そうして、炭素の堆積により輪の動きが制限される可能性があり、それによってオイルの噴出や、エンジンの動きの低下、エンジンの部品の寿命の短縮、またオイルの消費量や排出量の増加が起こりうる。そこで、炭素がシリンダー穴の内部や、シリンダー穴の中のピストン上へ堆積するという問題点を克服するためにさまざまな改善努力がなされてきた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明によって製造されたピストンや、それを用いたエンジンは、上述したような炭素の堆積による問題を克服し、または上述したような問題が起こる可能性を非常に低くする。そしてディーゼルエンジンをより高い出力レベルで駆動しながら、オイルの消費量や排出量を減少し、実用寿命を長くする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明の概要
本発明に従って製造された内燃エンジン用のピストンは、ピストンの頂上のランド上の炭素の堆積を低減し、リング溝内や、溝を有するピストンリング上への炭素の堆積を低減し、ピストンリングの動きを改善し、オイルの噴出や消費を減少し、炭素の堆積によって典型的に起こる穴の研磨を減じ、廃棄物を減少し、全体としてエンジンの駆動機能を向上する。
【０００６】
本発明の一の局面に係る、内燃エンジン用のピストンは、中心軸に沿って上面から垂れ下がる、実質的に円柱形である外部表面を有する上部クラウンを含む、ピストン本体を備える。少なくとも１つの環状のリング溝が、リング溝から上面に延びる頂上のランドを設けるために、外部表面に向けて径方向に延びている。複数の波形が、頂上のランドのほぼ外周部に形成される。各々の波形は、頂上のランドの外部表面に向けて径方向に延びており、上面からリング溝に向けて延びている谷部を有する。その波形は、上面からリング溝までを、中心軸と平行でない関係となるように横切り、その波形は中心軸と平行な方向に関して、互いに実質的に重ならないように構成されている。
【０００７】
本発明の他の局面においては、エンジンにはシリンダー穴を有するシリンダーブロックと、シリンダー穴の中へ、注入される燃料スプレーストリームがあらかじめ決められたパターンを描くように設計された燃料注入部とを備えている。当該エンジンはさらにシリンダー穴の中に収納されるピストンを含む。ピストンは、上面と、リング溝から上面に向けて延びる頂上のランドを供給する外部表面に向けて径方向に延びる環状のリング溝を少なくとも１つ含み、中心軸に沿って上面から垂れ下がる周辺外部表面とを備える。頂上のランドは、そこに形成された複数の波形を備える。それぞれの波形には、頂上のランドの外部表面を径方向に内部へ延びる谷部と、谷部から径方向に外側へ延びる山部とを有する。当該谷部や山部は、上面からリング溝にまで延びるものである。当該ピストンはさらに、１対のピン穴を備えており、これらはピン穴軸と、当該ピン穴軸と実質的に垂直の方向に延びるスラスト方向に沿うように配置される。当該山部と谷部とは、燃料スプレーストリームと、ピン穴軸とスラスト方向との少なくとも１つと関連する、あらかじめ決められた方向に形成される。
【０００８】
さらに本発明の他の局面は、燃料スプレーストリームを、シリンダー穴の内部へ注入するための燃料注入部を有する内燃エンジンのシリンダー穴の内部における往復運動を行なう設計となったピストンを形成する方法である。当該方法は、上面と、中心軸に沿って上面から垂れ下がる外部表面とを有するピストン本体を供給する工程を含んでいる。そして、径方向に外部表面の方へ延びており、リング溝から上面まで延びる頂上のランドを提供する、環状のリング溝を形成する。さらに、ピン穴軸と、ピン穴軸に対して実質的に垂直な方向に形成されるスラスト軸に沿って、互いに位置を合わせ、横方向に間隔を隔てた１対のピン穴を形成する。さらに、頂上のランドには複数の波形を形成し、当該波形は、頂上のランドの外部表面に向かい径方向に延びる谷部と、谷部から径方向に外側に延びる山部とを有する。さらに、燃料スプレーストリーム、ピン穴軸、スラスト軸の少なくとも１つと関係し、あらかじめ定められた方向に山部と谷部とが形成される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
これらのまたは他の局面の技術に関する特徴や効果は、以下の現在の好ましい形態や最良のモードの詳細な説明や、添付された請求の範囲、そして添付の図面によって、明らかにされるよう解読される。
【図１Ａ】３つの異なるピストンの構成要素がそれぞれ分離した、本発明のエンジンシリンダーブロックの好ましい形態を示す概略側面図である。
【図１Ｂ】３つの異なるピストンの構成要素がそれぞれ分離した、本発明のエンジンシリンダーブロックの好ましい形態を示す概略側面図である。
【図１Ｃ】３つの異なるピストンの構成要素がそれぞれ分離した、本発明のエンジンシリンダーブロックの好ましい形態を示す概略側面図である。
【図２】図１から図３の、１つの好ましい形態に係る、ピストンの頂上のランドの中に形成される、複数の軸方向に延びる溝を有するピストンの周囲の角度を１８０度の範囲で分割したものを示す領域の、部分的な概略上面図である。
【図３】図１Ａから図１Ｃのピストンの頂上のランドの周囲の部分における溝の外郭や深さを描写したグラフである。
【図４】他の好ましい形態に係る、ピストンの頂上のランドの中に形成される、複数の軸方向に延びる溝を有するピストンの周囲の角度を１８０度の範囲で分割したものを示す領域の、部分的な概略上面図である。
【図５】図６のピストンの頂上のランド部の周囲の部分における溝の外郭や深さを描写したグラフである。
【図６】他の好ましい形態における、ピストンの構成を示す側面図である。
【図７】追加の好ましい形態における、頂上のランドの周囲の部分における９０度以上の角度でのピストンの相対的な溝の深さを示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
発明の最良の形態の詳細な説明
詳細は図面を参照して、図１Ａから図１Ｃは本発明の１の最良の形態にしたがって形成されたピストン１０を示す。当該ピストン１０は、たとえば一般的に１４で代表されるディーゼルエンジンのような、内燃エンジンのシリンダー穴１２の中に配置されている。ピストン１０は鋳造または鍛造されたピストン本体１６を備えており、中心軸２０に沿って延びる、実質的に円柱形の上部クラウン１８を備える。上部クラウン２０は、ピストンリングを浮動的に受け入れる、少なくとも１つの環状のリング溝２２とともに形成されており、その中では最上部ピストンリング２４（図中では明確化のため一部のみ表示されている）が、ピストン１０を容易に往復運動させるとともに、ピストン本体１６の下部から上部へのオイルの流れを抑制する役割を有する。上部クラウン１８は、最上部のリング溝２２から、ピストン本体１６の圧縮または上面２８へと上方へ延びる頂上のランド２６を備えている。頂上のランド２６は、基本的に中心軸２０の方向に沿って延びる複数の波形３０を備えている。当該波形３０は、後に詳述するように、形や大きさ、深さを、たとえばエンジンの駆動出力や、エンジンオイルの消費量や排出量、実用寿命、を向上するため、意図に応じて様々な態様とすることができる。
【００１１】
波形３０は、頂上のランド２６の外部表面３２の近辺に、一様で対称な分布となるように形成されていることが好ましい。ただし一様でない配列も本発明の範囲内として考えられる。図２に示すように、波形３０は、たとえば谷部３６の間に等間隔に６つ配置される山部３４を提供するように形成されるが、この例に限られない態様をとることができる。たとえば外部表面３２の周りに正弦曲線を描くように形成されてもよいし、他の任意の態様をとってもよい。このようにして、当該波形３０は滑らかな波形を描くように形成され得るが、このため頂上のランド２６の外表面は、尖ったエッジや段差になった表面がない、連続する滑らかな表面とすることができる。波形３０の山部３４は、たとえば頂上のランドの外部表面３２の外側の最大の直径を表わすものとして一般的に認識されるものであり、これに対して波形３０の谷部３６は、外部表面３２から一定の深さ分だけ、径方向に内側に延びるものである。その深さは所望のように変更し得る。たとえば、図２に示すように、谷部の深さは約０．５ｍｍから２．０ｍｍの値をとりうる、そして山部３４や谷部３６の範囲は、頂上のランド２６の外部表面３２における深さである約０．０ｍｍから、谷部３６の深さである約０．５ｍｍから２．０ｍｍまでの範囲を取り得る。
【００１２】
外郭の任意の位置における波形３０の深さは、もし外郭が正弦曲線を描いていれば、図３に示すように、次の数式： 深さ＝(最大深さ/２)x[(１−Cos x 山部の数 x 角度)]によって表わされる。そこでこの数式を用いて、まず頂上のランド２６の外周部の角度が０度から３６０度である場合の基準値が決定される必要がある。このとき、正弦曲線の波形３０の、外部表面３２の近辺における任意の位置における深さを求めるために、あらかじめ決められた最大の深さ（たとえば０．０５ｍｍ）を代入する必要がある。そして角度を所望の山部の数（たとえば６）倍した角度の余弦の値を数式に代入する必要がある。このようにして、選ばれた位置における正弦曲線の深さが求められる。
【００１３】
図４に示すように、ピストン１０は上記とは波形の数が異なる構成とすることもできる。たとえば５つの波形３０を有する場合である。当該波形３０は上述した波形と基本的に同様に、たとえば図５に示すように、頂上のランド２６の外部表面３２の近辺に、山部３４と谷部３６とが一様で対称な分布となるように形成される。したがって、応用に応じて、波形３０の数は変更し得るものであり、これは、図７の表で明示される。図７では、山部の数が７つまたは８つ存在するピストンが意図される。
【００１４】
図１Ａに示すように、波形３０は中心軸２０に対して非直線状でヘリカル状の関係となるように形成しうる、そして、それぞれの波形の上端：以下上部４３と呼ぶ：は、波形３０の下方部：以下底部４５と呼ぶ：に対して、径方向または上下方向へとシフトする。他には、図１Ｂに示すように、溝３０が中心軸２０に対して直線状でスパイラル状の関係となるように形成され得る。更には、図１Ｃに示すように、溝３０は中心軸２０に対して直線状であり中心軸２０と平行になるように形成され得る。このため山部３４と谷部３６とは互いに平行に、一般的に垂直な方向に延びる。頂上のランド２６を横切る、それぞれ上部および底部４３、４５の間の、径方向または上下方向への波形３０の移動は、たとえば５度から３０度の間であり、その中で当該ピストン１０は、６つの燃料スプレースチーム３９と協調するように、６つの波形を有するように構成される。それゆえに、この場合、各波形３０の山部３４は、上部４３から底部４５まで延びるように容易にシフトされる。このようにして、溝３０は様々な形態の設計がなされうるというべきである。たとえば、溝３０の深さは、必要であれば、頂上のランド２６の軸の長さ（Ｌ）（図１）上の溝３０の長さに沿った、可変の深さとなるように形成することができる。たとえば、溝３０は、頂上のランド２６の上面２８にて最大の深さをとり得るものであり、溝３０がリング溝２２に向けて延びるにつれて徐々に深さが小さくなるように徐々に減るようにもなり得る。
【００１５】
図６に、本発明に係る別の形態のピストン１０が示されている。滑らかで連続的に変位する形状の波形３０が外部表面３２近辺に形成される代わりに、波形３０は、頂上のランド２６の外部表面３２から、互いに中心に向かう方向において間隔を保ちながら、径方向で中心に向かう方向に延びる、チャネル溝または溝を形成する構成となっている。これらの波形は、溝３０とも言うが、一般的には上述のように、垂直方向に形成されるか、あるいは非直線状でらせん状の形状か、直線状でらせん状の関係となるように形成される。溝３０が形成されない頂上のランド２６の外部表面３２の部分が、中心軸２０から一定の半径（ｒ）を有する円柱形の湾曲形状をほぼ維持している。その中で溝３０は、互いに中心に向かう方向において間隔を保ちながら、径方向の中心に向かう方向に延びる。このようにして、基本的にとがっている角部またはエッジ３７は、溝３０と外部表面３２との間で変化する位置に規定される。
【００１６】
ピストン１０の波形３０は、山部３４と谷部３６とが、それが配置されるシリンダー穴１２の内部において、あらかじめ決められた径方向の位置に配置されるように構成される。それに従い、山部３４と谷部３６とはシリンダー穴１２の内部において、あらかじめ決められた方向に配置され得、それによって燃料スプレーストリーム３９と所望の関係となる位置になるよう配置される。たとえば、山部３４の位置は、燃料注入部ジェットノズルまたはノズル３８からの燃料スプレーストリーム３９の位置が、実質的に谷部３６の上部または内部に燃料スプレーが向かうように、またそのようにして、隣接する山部３４の間に向かうように、設計されている。もちろん、他の例として燃料スプレーストリーム３９は、意図に応じて、山部３４、または山部３４と谷部３６との両方の上に影響を与える方向を向くように形成されうる。図２に示すように、これに限られないが、偶数の山部３４と谷部３６とが形成される場合は、当該山部３４または谷部３６は、ピン穴軸４０に相当するリストピン軸と位置が合うように配置され。実施の形態では、直径方向に関して向かい合う谷部３６が、リストピンやピン穴軸４０に中心で位置が合うように配置され、この結果軸４０により二分されている。これによって、本形態の山部３４は、一般的にリストピン軸４０と垂直に設置されるスラスト軸４２に沿うように、位置決めされる。他の例として、図４に示すように、奇数の山部３４と谷部３６とが形成される場合は、１つの山部３４が、スラスト軸４２と沿うように配置され、するとスラスト軸４２上にて、山部３４と位置が一致する方向と反対方向については、直径方向に関して山部３４とは反対方向である谷部３６が配置されている。このようにして、谷部３６はスラスト軸４２により二等分される。一方、リストピン軸４０に沿って、直径方向に関して互いに反対方向の山部３４と谷部３６とが軸４０に対してオフセット配置される。
【００１７】
上述した図面や記載以外の、上記と同様の機能を奏する本発明の別の形態についても、本発明の請求の範囲としてここでは考慮すべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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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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【図７】
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