(57)【要約】  本発明は、内燃機関用のピストン（１０，１１０，２１０）であって、該ピストン（１０，１１０，２１０）が、ピストンクラウン（１３）と、環状のリング部（１５）と、該リング部（１５）の範囲で全周にわたって延びる環状のクーリングチャンネル（２８）と、ピストンクラウン（１３）の下方に結合されたボス支持部（１９）と、該ボス支持部（１９）に結合されたピストンボス（１７）と、ピストンスカート（１６）とを有し、ピストンクラウン（１３）の下方に、全ての側で閉じられた中空室（２９）が設けられている、内燃機関用のピストン（１０，１１０，２１０）に関する。本発明によるピストンは、前記中空室（２９）内に、低融点金属または低融点金属合金の冷却剤（３２）が収容されていることにより特徴付けられている。
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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（１０，１１０，２１０）であって、該ピストン（１０，１１０，２１０）が、ピストンクラウン（１３）と、環状のリング部（１５）と、該リング部（１５）の範囲で全周にわたって延びる環状のクーリングチャンネル（２８）と、ピストンクラウン（１３）の下方に結合されたボス支持部（１９）と、該ボス支持部（１９）に結合されたピストンボス（１７）と、ピストンスカート（１６）とを有し、ピストンクラウン（１３）の下方に、全ての側で閉じられた中空室（２９）が設けられている、内燃機関用のピストン（１０，１１０，２１０）において、前記中空室（２９）内に、低融点金属または低融点金属合金の冷却剤（３２）が収容され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】
低融点金属として、ナトリウムまたはカリウムが収容されている、請求項１記載のピストン。
【請求項３】
低融点金属合金が、ガリンスタン（登録商標）合金、低融点を有するビスマス合金およびナトリウムカリウム合金を包含する群から選択されている、請求項１記載のピストン。
【請求項４】
前記中空室（２９）内に収容された前記冷却剤（３２）の容量は、前記中空室（２９）の容量の最大１０％である、請求項１記載のピストン。
【請求項５】
ピストンクラウン（１３）に、耐熱性の鋼またはニッケル主体合金から成る燃焼キャビティ（２１）が設けられている、請求項１記載のピストン。
【請求項６】
ピストンクラウン（１３）が、耐熱性の鋼またはニッケル主体合金から成っている、請求項１記載のピストン。
【請求項７】
ピストンクラウン（１３）と、前記環状のリング部（１５）の少なくとも一部とが、耐熱性の鋼またはニッケル主体合金から成っている、請求項１記載のピストン。
【請求項８】
当該ピストンが、単一部分または複数部分から成るピストン（１０，１１０，２１０）として形成されている、請求項１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、該ピストンが、ピストンクラウンと、環状のリング部と、該リング部の範囲で全周にわたって延びる環状のクーリングチャンネルと、ピストンクラウンの下方に結合された複数のボス支持部と、該ボス支持部に結合されたピストンボスと、ピストンスカートとを有し、ピストンクラウンの下方に、全ての側で閉じられた中空室が設けられている形式の内燃機関用のピストンに関する。
【０００２】
このような形式のピストンは、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１０００９８９１．４号明細書に基づき公知である。この場合、環状のクーリングチャンネルはエンジン運転時に、ピストンクラウンの外側の範囲における温度、たとえば燃焼キャビティの縁部に沿った温度を制御するために働く。燃焼キャビティの縁部では、ピストンの構成部分強度を損なわないようにするために、温度が５５０℃を超えて上昇しないことが望ましい。他方において、できるだけ高い燃焼温度および排ガス温度を得て、これによって内燃機関の良好な効率を得るためには、この温度は著しく低くないことが望ましい。
【０００３】
ピストンクラウンの下方に設けられた、全ての側で閉じられた中空室は、エンジン運転時に、ピストンクラウンの中央の範囲における温度、たとえば燃焼キャビティの内側の範囲における温度を制御するために働く。この範囲では、エンジン運転時に温度が約２３０〜３３０℃となることが目標とされる。
【０００４】
冒頭で述べた形式のピストンにおいて、全ての側で閉じられた中空室内には、空気が封入されているに過ぎないので、ピストンクラウンの中央の範囲における温度に影響を与えることは不可能である。
【０００５】
したがって、本発明の課題は、冒頭で述べた形式のピストンを簡単な手段によって改良して、エンジン運転時にピストンクラウンの中央の範囲における温度に影響を与えることが可能となるようなピストンを提供することである。
【０００６】
この課題を解決するための手段は、前記中空室内に、低融点金属または低融点金属合金の形の冷却剤が収容されていることにある。
【０００７】
本発明の根底を成す原理は、エンジン運転中に、ピストンクラウンの中央の範囲における温度に、エンジン運転時に液状となる、良好な熱伝導率を有する金属の冷却剤によって影響を与えることにある。冷却剤の熱伝導率が高くなればなるほど、そして中空室内に封入された冷却剤量の容量が大きくなればなるほど、ますます多くの熱がピストンクラウンからピストン内部の方向に導出される。したがって、使用される冷却剤の量および／またはその熱伝導率に応じて、すなわち冷却剤材料の選択により、ピストンクラウンの中央の範囲における温度に影響を与えることができる。
【０００８】
本発明は、あらゆるタイプのピストンのために適しており、すなわち単一部分から成るピストンおよび複数部分から成るピストンのためにも、低い構成高さを有するピストンのためにも適している。本発明によるピストンは、高い安定性の点ですぐれている。なぜならば、外側のクーリングチャンネルと内側の中空室との間に、最大応力集中の個所として不安定化作用を有する冷却オイルチャンネルが設けられていないからである。
【０００９】
本発明の有利な改良形は、従属形式の請求項に記載されている。
【００１０】
冷却剤としての使用のために適している低融点金属は、特にナトリウムまたはカリウムである。低融点金属合金としては、特にガリンスタン（Galinstan；登録商標）合金、低融点を有するビスマス合金およびナトリウムカリウム合金が使用され得る。
【００１１】
「ガリンスタン合金」とは、ガリウムとインジウムとスズとから成る、室温で液状となる合金系である。この合金は、ガリウム６５質量％〜９５質量％、インジウム５質量％〜２６質量％およびスズ０質量％〜１６質量％から成っている。有利な合金は、たとえばガリウム６８質量％〜６９質量％、インジウム２１質量％〜２２質量％およびスズ９．５質量％〜１０．５質量％を有する合金（融点−１９℃）、ガリウム６２質量％、インジウム２２質量％およびスズ１６質量％を有する合金（融点１０．７℃）ならびにガリウム５９．６質量％、インジウム２６質量％およびスズ１４．４質量％を有する合金（三元系の共晶合金、融点１１℃）である。
【００１２】
低融点を有するビスマス合金は多数知られている。低融点を有するビスマス合金には、たとえばＬＢＥ（鉛ビスマス共晶合金、融点１２４℃）、ローズメタル（Roses Metall）（ビスマス５０質量％、鉛２８質量％およびスズ２２質量％、融点９８℃）、オリオンメタル（Orionmetall）（ビスマス４２質量％、鉛重４２量％およびスズ１６質量％、融点１０８℃）；クイックはんだ（Schnelllot）（ビスマス５２質量％、鉛３２質量％およびスズ１６質量％、融点９６℃）、ダルセメタル（d'Arcets-Metall）（ビスマス５０質量％、鉛２５質量％およびスズ２５質量％）、ウッドメタル（Woodsches Metall）（ビスマス５０質量％、鉛２５質量％およびスズ１２．５質量％、カドミウム１２．５質量％、融点７１℃）、リポヴィッツメタル（Lipowitzmetall）（ビスマス５０質量％、鉛２７質量％およびスズ１３質量％、カドミウム１０質量％、融点７０℃）、ハーパースメタル（Harpers Metall）（ビスマス４４質量％、鉛２５質量％およびスズ２５質量％、カドミウム６質量％、融点７５℃）、セロロー（Cerrolow）１１７（ビスマス４４．７質量％、鉛２２．６質量％、インジウム１９．１質量％、スズ８．３質量％およびカドミウム５．３質量％、融点４７℃）、セロロー（Cerrolow）１７４（ビスマス５７質量％、インジウム２６質量％、スズ１７質量％、融点７８．９℃）、フィールドメタル（Fields Metall）（ビスマス３２質量％、インジウム５１質量％、スズ１７質量％、融点６２℃）ならびにウォーカ合金（Walkerlegierung）（ビスマス４５質量％、鉛２８質量％、スズ２２質量％、アンチモン５質量％）が属している。
【００１３】
適当なナトリウムカリウム合金は、カリウム４０質量％〜９０質量％を含有していてよい。特に適しているのは、カリウム７８質量％およびナトリウム２２質量％を有する共晶合金ナック（Nak）である（融点−１２．６℃）。
【００１４】
中空室内に収容された冷却剤の量は、その熱伝導率および所望の温度制御の度合いに関連している。中空室内に収容された冷却剤の容量は、中空室の容量の最大１０％であることが好ましい。このことには、冷却剤がエンジン運転中に「シェーカ効果」を受けるという別の利点がある。この場合、冷却剤は中空室内でピストンのストローク方向に対して逆向きに運動させられる。ピストンの下降ストロークの間、冷却剤はピストンクラウンの方向に運動させられて、熱を吸収することができる。ピストンの上昇ストロークの間、冷却剤はピストンスカートの方向に運動させられ、したがって、吸収された熱をピストンスカートの方向に放出することができる。これにより、冷却作用は一層改善される。
【００１５】
有利な改良形では、ピストンクラウンに、耐熱性の鋼またはニッケル主体合金から成る燃焼キャビティが設けられていてよく、これにより本発明によるピストンの耐熱性が高められる。ニッケル主体合金の使用には、付加的に本発明によるピストンの耐食性が高められるという別の利点がある。
【００１６】
相応して、ピストンクラウン全体が、耐熱性の鋼またはニッケル主体合金から成っていてよい。付加的に、環状のリング部の少なくとも一部が、耐熱性の鋼またはニッケル主体合金から成っていてよい。
【００１７】
本発明によるピストンは、単一部分から成る、たとえば鋳造されたピストンとして形成されていてよい。本発明によるピストンはさらに、複数部分から成るピストンとして形成されていてよく、たとえばピストン上側部分とピストン下側部分とから構成されていてよい。これらの構成部分は、たとえば鋳造部品または鍛造部品であってよく、たとえば鋼材料またはニッケル主体合金から製造されていて、特に鍛造されていてよい。これらの構成部分の間の結合は任意に行われ、たとえば溶接、ねじ締結またはろう接により行われ得る。特に適した接合方法としては、溶接法、特に摩擦溶接法およびレーザ溶接法が挙げられる。
【００１８】
以下に、本発明の実施形態を図面につき詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明によるピストンの第１実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明によるピストンの第２実施形態を示す断面図である。
【図３】本発明によるピストンの第３実施形態を示す断面図である。
【００２０】
以下に、本発明を、２つの部分から成るピストンにつき詳しく説明する。当然ながら、本発明は別の適当なピストンタイプによっても実現され得る。
【００２１】
図１には、「ボックス型ピストン」もしくは「スリッパピストン」とも呼ばれる軽量化ピストンの形の本発明によるピストン１０の第１実施形態が図示されている。本発明によるピストン１０は、ピストンベースボディ１１とピストンクラウンエレメント１２とから構成されている。ピストンベースボディ１１は本実施形態では鋼材料から鍛造されており、ピストンクラウンエレメント１２は高耐熱性の鋼材料またはニッケル主体合金から製造されている。
【００２２】
ピストンベースボディ１１は、ピストンクラウン１３の一部と、環状のトップランド１４と、環状のリング部１５とを有する。ピストンベースボディ１１はさらに、ピストンスカート１６とピストンボス１７とを有しており、ピストンボス１７はそれぞれピストンピン（図示しない）を収容するためのボス孔１８を備えている。ピストンボス１７はボス支持部１９を介してピストンクラウン１３の下側１３′に結合されている。
【００２３】
ピストンクラウンエレメント１２は、燃焼キャビティ２１を備えたピストンクラウン１３の一部を有している。燃焼キャビティ２１はキャビティ底部２２と、環状のキャビティ縁部２３とを有している。
【００２４】
ピストンベースボディ１１は、内側の環状の支持エレメント２４を有しており、ピストンクラウンエレメント１２は、対応する内側の環状の支持エレメント２５を有している。両支持エレメント２４，２５は接合面を介して互いに接触している。ピストンベースボディ１１はトップランド１４の範囲にさらに別の接合面を有しており、この接合面は、ピストンクラウンエレメント１２のキャビティ縁部２３の範囲に設けられた対応する接合面と接触している。
【００２５】
ピストンベースボディ１１とピストンクラウンエレメント１２とは、任意の手段で互いに接合されていてよい。この場合、ピストンベースボディ１１とピストンクラウンエレメント１２とにそれぞれ設けられた対応し合う接合面が互いに結合されている。本実施形態では、溶接法が選択されているので、ピストンベースボディ１１とピストンクラウンエレメント１２とは、接合シーム２６，２７を介して互いに結合されている。
【００２６】
図１から判るように、ピストンベースボディ１１とピストンクラウンエレメント１２とは、環状のクーリングチャンネル２８を形成しており、このクーリングチャンネル２８には、自体公知の形式で冷却オイルが供給される。ピストンベースボディ１１とピストンクラウンエレメント１２とは、さらに中空室２９を形成しており、この中空室２９は本実施形態では、ほぼキャビティ底部２２の下方に配置されている。
【００２７】
中空室２９は、上下前後左右の全ての側で閉じられている。すなわち、ピストンベースボディ１１もピストンクラウンエレメント１２も、外側のクーリングチャンネル２８を中空室２９に接続する、たとえば冷却オイルチャンネルのような開口を有していない。中空室２９をピストンスカート１６およびピストンボス１７の方向で閉じるためには、閉鎖エレメント３１が設けられている。本実施形態では、閉鎖エレメント３１が、ピストンベースボディ１１と一体に形成された閉鎖壁である。この閉鎖壁はボス支持部１９の範囲でピストンベースボディ１１と一体に結合されているので、クランクケースから中空室２９内に潤滑オイルが侵入したり、クーリングチャンネル２８から中空室２９内に冷却オイルが侵入したりすることはない。
【００２８】
中空室２９内には、たとえば上で記載したような低融点金属または低融点金属合金の形の冷却剤３２が収容されている。液状の冷却剤３２の容量は、本実施形態では中空室２９の容量の約５〜１０％である。
【００２９】
図２および図３には、本発明によるピストン１１０；２１０の第２実施形態および第３実施形態が図示されている。第２実施形態および第３実施形態は、ピストンベースボディ１１１；２１１およびピストンクラウンエレメント１１２；２１２の構成の点でのみ互いに異なっている。
【００３０】
図２に示したピストン１１０は、高耐熱性の鋼またはニッケル主体合金から成るピストンクラウンエレメント１１２を有している。このピストンクラウンエレメント１１２はピストンクラウン１３全体を含んでいる。したがって、ピストンベースボディ１１１とピストンクラウンエレメント１１２とは、ピストンクラウン１３の範囲において、リング部１５の上方で水平にトップランド１４を貫いて延びる接合シーム１２７を介して互いに結合されている。ピストン１１０のその他の構造および機能に関しては、図１の説明を参照するものとする。
【００３１】
図３に示したピストン２１０は、高耐熱性の鋼またはニッケル主体合金から成るピストンクラウンエレメント２１２を有している。このピストンクラウンエレメント２１２はピストンクラウン１３全体と、トップランド１４と、リング部１５の一部とを含んでいる。したがって、ピストンベースボディ２１１とピストンクラウンエレメント２１２とは、リング部１５の範囲において、リング部１５の上方で水平にトップランド１４を貫いて延びる接合シーム２２７を介して互いに結合されている。ピストン２１０のその他の構造および機能に関しては、図１の説明を参照するものとする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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