(57)【要約】  本発明は、内燃機関用のピストン（１０，１１０）であって、ピストンヘッド（１３，１１３）とピストンスカート（１４，１１４）とを備え、ピストンベースボディ（１１，１１１）とピストンリングエレメント（１２，１１２）とを有している、内燃機関用のピストン（１０，１１０）に関する。本発明の構成では、ピストンベースボディ（１１，１１１）が、ピストン（１０，１１０）の中心軸線（Ｍ）に対して半径方向にずらされ、かつ／または傾倒された燃焼キャビティ（２１，１２１）と、ピストン頂面の一部分（１９ａ）と、ピストンスカート（１４，１１４）とを有しており、ピストンリングエレメント（１２，１１２）が、ピストン頂面の一部分（１９ｂ）と、環状のトップランド（２２，１２２）と、リング溝を備えた環状のリング部（２３，１２３）とを有しており、ピストンベースボディ（１１，１１１）とピストンリングエレメント（１２，１１２）とが１つの環状のクーリングチャンネル（２４，１２４）を形成しており、このクーリングチャンネル（２４，１２４）が、燃焼キャビティ（２１，１２１）の範囲に位置する内側の周面（２５，１２５）と、リング部（２３，１２３）の範囲に位置する外側の周面（２６，１２６）との間に形成されており、ピストンベースボディ（１１，１１１）とピストンリングエレメント（１２，１１２）とが、ピストン頂面（１９ａ，１９ｂ）の範囲に環状の接合シーム（２８，１２８）を有しており、この接合シーム（２８，１２８）を介して、ピストンベースボディ（１１，１１１）とピストンリングエレメント（１２，１１２）とが解離不能に互いに結合されている。
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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）であって、ピストンヘッド（１３，１１３）とピストンスカート（１４，１１４）とを備え、前記ピストン（１０，１１０）が、ピストンベースボディ（１１，１１１）とピストンリングエレメント（１２，１１２）とを有している、内燃機関用のピストン（１０，１１０）において、
前記ピストンベースボディ（１１，１１１）が、前記ピストン（１０，１１０）の中心軸線（Ｍ）に対して半径方向にずらされ、かつ／または傾倒された燃焼キャビティ（２１，１２１）と、ピストン頂面の一部分（１９ａ）と、前記ピストンスカート（１４，１１４）とを有しており、
前記ピストンリングエレメント（１２，１１２）が、ピストン頂面の一部分（１９ｂ）と、環状のトップランド（２２，１２２）と、リング溝を備えた環状のリング部（２３，１２３）とを有しており、
前記ピストンベースボディ（１１，１１１）と前記ピストンリングエレメント（１２，１１２）とが、１つの環状のクーリングチャンネル（２４，１２４）を形成しており、該クーリングチャンネル（２４，１２４）が、前記燃焼キャビティ（２１，１２１）の範囲に位置する内側の周面（２５，１２５）と、前記リング部（２３，１２３）の範囲に位置する外側の周面（２６，１２６）との間に形成されており、
前記ピストンベースボディ（１１，１１１）と前記ピストンリングエレメント（１２，１１２）とが、前記ピストン頂面（１９ａ，１９ｂ）の範囲に環状の接合シーム（２８，１２８）を有しており、該接合シーム（２８，１２８）を介して、前記ピストンベースボディ（１１，１１１）と前記ピストンリングエレメント（１２，１１２）とが解離不能に互いに結合されていることを特徴とする、内燃機関用のピストン（１０，１１０）。
【請求項２】
前記燃焼キャビティ（２１，１２１）が、前記ピストン（１０，１１０）の中心軸線（Ｍ）に対して最大３ｍｍまでずらされて配置されている、請求項１記載のピストン。
【請求項３】
前記燃焼キャビティ（２１，１２１）の中心軸線（Ａ）が、前記ピストン（１０，１１０）の中心軸線（Ｍ）に対して、最大１０°までの鋭角の角度（α）を成している、請求項１記載のピストン。
【請求項４】
前記接合シーム（２８，１２８）が、前記ピストン（１０，１１０）の中心軸線（Ｍ）に対して平行に延びている、請求項１記載のピストン。
【請求項５】
前記クーリングチャンネル（２４，１２４）の内壁が、前記ピストン（１０，１１０）の中心軸線（Ｍ）に対して平行に延びている、請求項１記載のピストン。
【請求項６】
前記クーリングチャンネル（２４，１２４）の内壁が、前記燃焼キャビティ（２１，１２１）の中心軸線（Ａ）に対して平行に延びている、請求項１記載のピストン。
【請求項７】
前記クーリングチャンネル（２４，１２４）内に、少なくとも１つの導熱エレメント（３２）が設けられている、請求項１記載のピストン。
【請求項８】
前記ピストンヘッド（１３，１１３）と前記ピストンスカート（１４，１１４）との間に環状の空所（１５）が形成されており、前記クーリングチャンネル（２４，１２４）が、閉鎖エレメント（２７，１２７）を用いて閉鎖されている、請求項１記載のピストン。
【請求項９】
前記閉鎖エレメント（２７，１２７）が、前記リング部（１５，１１５）の範囲で前記ピストンリングエレメント（１２，１１２）に保持されている、請求項８記載のピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンヘッドとピストンスカートとを備えた内燃機関用のピストンであって、該ピストンが、ピストンベースボディとピストンリングエレメントとを有する、内燃機関用のピストンに関する。
【０００２】
独国特許出願第１０２０１１１１１３１９．７号明細書には、減じられた構成高さを有するピストンが開示されている。このピストンはピストンベースボディとピストンリングエレメントとから構成されていて、燃焼キャビティを有している。ピストンベースボディとピストンリングエレメントとは、燃焼キャビティの範囲に環状の接合シームを有し、この接合シームを介して、ピストンベースボディとピストンリングエレメントとは解離不能に互いに結合されている。
【０００３】
この場合に問題となるのは、このピストン構造が、同心でない（非対称な）燃焼キャビティを備えたピストンの製造を困難にしてしまうか、あるいはまったく不可能にしてしまうことである。このためには、ピストンベースボディもピストンリングエレメントも、完成したピストンにおいて非対称な構造を形成する構造範囲で、相互に完全に調和した形で非対称に形成されていなければならない。
【０００４】
本発明の課題は、冒頭で述べた形式のピストンを改良して、できるだけ簡単な手段によって、燃焼キャビティの非対称な構造を有するピストンが製造され得るようにすることである。
【０００５】
この課題を解決するための手段は、ピストンベースボディが、ピストンの中心軸線に対してずらされ、かつ／または傾倒された燃焼キャビティと、ピストン頂面の一部分と、ピストンスカートとを有しており、ピストンリングエレメントが、ピストン頂面の一部分と、環状のトップランドと、リング溝を備えた環状のリング部とを有しており、ピストンベースボディとピストンリングエレメントとが、１つの環状のクーリングチャンネルを形成しており、該クーリングチャンネルが、燃焼キャビティの壁範囲と、リング部の壁範囲との間に形成されており、ピストンベースボディとピストンリングエレメントとが、ピストン頂面の範囲に環状の接合シームを有しており、該接合シームを介して、ピストンベースボディとピストンリングエレメントとが互いに結合されていることにある。
【０００６】
本発明の思想は、ピストンに、別個の構成部分として形成されたピストンリングエレメントを備えることである。この場合、環状のクーリングチャンネルは、一部がピストンベースボディから、また一部がピストンリングエレメントから形成され、接合シームがピストン頂面の範囲に配置されている。この構成は、ピストン中心軸線に対して半径方向にずらされ、かつ／または傾倒された燃焼キャビティを備えたピストンを製造することを、問題なく可能にする。なぜならば燃焼キャビティが、完全にピストンベースボディから形成されるからである。したがって、このように非対称に形成されたピストンベースボディを、回転対称に形成されたピストンリングエレメントと結合することが可能である。さらに、ピストンベースボディとピストンリングエレメントとを、あとで形成されるクーリングチャンネルの範囲において、クーリングチャンネルの内側の構造、ひいてはその冷却能力が、最近の内燃機関の種々異なる要求に対して適合され得るように別個に加工することができる。
【０００７】
各従属請求項から、有利な改良形が明らかである。
【０００８】
本発明によるピストンの構成により、燃焼キャビティをピストンの中心軸線に対して最大３ｍｍまでずらして配置することが可能であり、このことはピストンの従来の構成では不可能であった。
【０００９】
燃焼キャビティがピストンの中心軸線に対して傾倒されて配置されている場合、燃焼キャビティの中心軸線はピストンの中心軸線に対して、最大１０°までの鋭角の角度αを成していてよい。
【００１０】
ピストン頂面の範囲に配置された接合シームが、ピストンの中心軸線に対して平行に延びていると有利である。
【００１１】
クーリングチャンネルの内壁は、ピストンの中心軸線に対して平行に延びていてよい。燃焼キャビティがピストンの中心軸線に対して傾倒されて配置されている場合、クーリングチャンネルの内壁は、燃焼キャビティの中心軸線に対して平行に延びていてもよい。これにより、クーリングチャンネルの冷却能力が最適化される。
【００１２】
クーリングチャンネル内には付加的に、少なくとも１つの導熱エレメントが設けられていてよく、この導熱エレメントは、燃焼キャビティもしくはピストン頂面における特に高い熱負荷を、意図的にクーリングチャンネル内の冷却オイルに放出する。これにより、本発明によるピストンの、熱により特に著しく負荷された範囲が有利に冷却される。
【００１３】
別の有利な構成では、ピストンヘッドとピストンスカートとの間に環状の空所が形成されている。熱的に分離されたスカートを備えたこのようなピストンは、高い負荷耐性の点で優れている。このピストンでは、クーリングチャンネルが自体公知の形式で閉鎖エレメントを用いて閉鎖されている。ピストン頂面の範囲における接合シームの位置決めは、熱的に分離されたスカートを備えたピストンでは、さらに、ピストンベースボディとピストンリングエレメントとの接合時に、場合によって発生する溶接残滓（たとえばレーザ溶接法の過程で生じる溶接ビード）が、あとで形成されるクーリングチャンネルに付着したままになるのではなく、まだ閉鎖されていない開口から排出され得るという利点を持つ。
【００１４】
熱的に分離されたスカートを備えたピストンの閉鎖エレメントが、リング部の範囲でピストンリングエレメントに保持されていると有利であり、リング部の範囲では閉鎖エレメントが特に簡単に固定され得る。
【００１５】
以下に、本発明の実施形態を図面につき詳しく説明する。図面は概略的に示されており、縮尺通りには示されていない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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実施形態を示す部分断面図である。
【図３】本発明によるピストンの第３実施形態を示す部分的な拡大断面図である。
【図４】従来技術によるピストンの部分的な拡大断面図である。
【００１７】
図１には、本発明によるピストン１０の特に有利な実施形態が示されている。このピストン１０は、ピストンベースボディ１１およびピストンリングエレメント１２を有している。両構成部分は、これらの構成部分の接合に適しているあらゆる任意の金属材料から成っていてよい。ピストンベースボディ１１とピストンリングエレメント１２とは一緒になって、ピストン１０のピストンヘッド１３とピストンスカート１４とを形成する。本実施形態ではピストン１０は、熱的に分離されたピストンスカートを備えたピストンであり、すなわち、ピストンヘッド１３とピストンスカート１４との間には、環状の空所１５が設けられている。しかし本発明は、熱的に分離されたピストンスカートを備えていないピストンにも適用可能である。
【００１８】
ピストンスカート１４は、自体公知の形式で、ピストンピン（図示しない）を収容するためのボス孔１７を備えたボス１６と、これらのボス１６を結合する摺動面１８とを有している。
【００１９】
ピストンベースボディ１１はさらに、ピストンヘッド１３の範囲に、ピストン頂面の内側部分１９ａと、燃焼キャビティ２１とを形成する。本発明によれば、本実施形態では、燃焼キャビティ２１はピストン１０の中心軸線Ｍに対して半径方向にずらされている。このことを分かり易くするために、ピストンヘッド１３におけるずらされていない燃焼キャビティの配置が、破線で示されている。半径方向のずれｄは、最大３ｍｍであってよい。付加的に、燃焼キャビティ２１はピストン１０の中心軸線Ｍに対して傾倒されている。その結果、ピストン１０の中心軸線Ｍと燃焼キャビティ２１の中心軸線Ａとは、有利には最大１０°までの鋭角の角度αを成している。さらに、半径方向のずれｄにより、ピストン頂面の内側部分１９ａの半径方向の幅は周方向において変化している。さらに、燃焼キャビティ２１の垂直方向の壁２１ａの半径方向の厚さも、周方向で変化していてよい。当然ながら、本発明によるピストンは、単にピストンの中心軸線Ｍに対して半径方向にずらされているだけか、またはピストンの中心軸線Ｍを中心に傾倒されているだけの燃焼キャビティを有していてもよい。
【００２０】
ピストンリングエレメント１２は、ピストンヘッド１３の範囲に、ピストン頂面の外側部分１９ｂを形成していて、さらに環状のトップランド２２と、ピストンリング（図示しない）を収容するための環状のリング部２３とを有している。
【００２１】
ピストンベースボディ１１とピストンリングエレメント１２とは一緒になって１つの環状のクーリングチャンネル２４を形成している。このクーリングチャンネル２４は、燃焼キャビティ２１の範囲に位置する内側の周面２５と、リング部２３の範囲に位置する外側の周面２６との間に形成されている。図示された本実施形態は、熱的に分離されたピストンスカートを備えたピストンであるので、クーリングチャンネル２４は自体公知の形式で、閉鎖エレメント２７を用いて閉鎖されている。閉鎖エレメント２７は、本実施形態ではリング部２３の範囲でピストンリングエレメント１２に保持されている。
【００２２】
燃焼キャビティ２１の半径方向のずれｄに基づいて、クーリングチャンネル２４の横断面の大きさは周方向で変化する。クーリングチャンネル２４の一方の内壁または両方の内壁は、図１に示したように、ピストン１０の中心軸線Ｍに対して平行に延びていてよい。しかし、クーリングチャンネル２４の少なくとも一方の内壁が、燃焼キャビティ２１の中心軸線Ａに対して平行に延びていてもよい。
【００２３】
図１に示された実施形態では、ピストンリングエレメント１２が完全に対称に、すなわち回転対称に形成されている。ピストン頂面の外側部分１９ｂの半径方向の幅は、周方向で一定である。このことは、このようなピストンリングエレメント１２を、種々異なる程度で非対称に形成された種々のピストンベースボディと組み合わせることができることを意味する。
【００２４】
ピストンベースボディ１１とピストンリングエレメント１２とは、接合によって、本実施形態では有利にはレーザ溶接を用いて互いに結合されている。これにより、ピストン頂面の内側部分１９ａと外側部分１９ｂとの間には、接合シーム２８が形成されており、この接合シーム２８は、特に有利な本実施形態においては、ピストン１０の中心軸線Ｍに対して平行に延びている。
【００２５】
図２には、部分図において、本発明によるピストン１０の第２実施形態のピストンヘッド１１３が示されている。このピストン１１０においても、ピストンベースボディ１１１はピストンヘッド１１３の範囲にピストン頂面の内側部分１１９ａと燃焼キャビティ１２１とを形成していて、この燃焼キャビティ１２１は、やはりピストン１１０の中心軸線Ｍに対して半径方向にずらされていて、かつピストン１１０の中心軸線Ｍに対して傾倒されている。半径方向のずれｄは、最大３ｍｍであってよい。ピストン１１０の中心軸線Ｍと、燃焼キャビティ１２１の中心軸線Ａとは、有利には最大１０°までの鋭角の角度αを成していてよい。このピストン１１０においても、ピストン頂面の内側部分１１９ａの半径方向の幅は周方向において変化している。さらに、燃焼キャビティ１２１の垂直方向の壁１２１ａの半径方向の厚さは、周方向で変化していてよい。
【００２６】
ピストンリングエレメント１１２は、ピストンヘッド１１３の範囲に、ピストン頂面の外側部分１１９ｂを形成していて、さらに、環状のトップランド１２２と、ピストンリング（図示しない）を収容するための環状のリング部１２３とを有している。
【００２７】
ピストンベースボディ１１１とピストンリングエレメント１１２とは一緒になって１つの環状のクーリングチャンネル１２４を形成している。このクーリングチャンネル１２４は、燃焼キャビティ１２１の範囲に位置する内側の周面１２５と、リング部１２３の範囲に位置する外側の周面１２６との間に形成されている。図示された実施形態は、熱的に分離されたピストンスカートを備えたピストンであるので、クーリングチャンネル１２４は自体公知の形式で、閉鎖エレメント１２７を用いて閉鎖されている。閉鎖エレメント１２７は、本実施形態ではリング部１２３の範囲でピストンリングエレメント１１２に保持されている。
【００２８】
燃焼キャビティ１２１の半径方向のずれｄに基づいて、クーリングチャンネル１２４の横断面の大きさは周方向で変化する。クーリングチャンネル１２４の一方の内壁または両方の内壁は、図２に示したように、ピストン１１０の中心軸線Ｍに対して平行に延びていてよい。しかし、クーリングチャンネル１２４の少なくとも一方の内壁が、燃焼キャビティ１２１の中心軸線Ａに対して平行に延びていてもよい。
【００２９】
ピストンベースボディ１１１とピストンリングエレメント１１２とは、接合によって、本実施形態では有利にはレーザ溶接を用いて互いに結合されている。これにより、ピストン頂面の内側部分１１９ａと外側部分１１９ｂとの間には、接合シーム１２８が形成されており、この接合シーム１２８は、特に有利な本実施形態においては、ピストン１１０の中心軸線Ｍに対して平行に延びている。
【００３０】
図２に図示された実施形態では、ピストンリングエレメント１１２がやはり非対称に形成されている。このことは、ピストン頂面の外側部分１１９ｂの半径方向の幅が、周方向で変化していることを意味する。
【００３１】
本発明を分かり易くするために、図４には従来技術によるピストン５０が図示されている。このピストン５０はやはり、ピストンベースボディ５１とピストンリングエレメント５２とから構成されている。このピストンでは、両構成部分の間の接合シーム５５が燃焼キャビティ５３の壁範囲５４に位置している。この構成は、図１および図２に例示的に図示したような、ずらされ、かつ／または傾倒された燃焼キャビティ２１，１２１を備えたピストン１０，１１０を製造することを少なくとも極めて著しく困難にする。
【００３２】
ピストン１０，１１０の本発明における構成は、ピストンベースボディ１１，１１１とピストンリングエレメント１２，１１２との接合の前に、あとで形成されるクーリングチャンネル２４，１２４の内部を変化させ、これにより最適な冷却オイル流を生ぜしめ、かつ冷却能力を改善することを可能にする。
【００３３】
図３はクーリングチャンネル２４，１２４の実施形態を示しており、このクーリングチャンネル２４，１２４内には、導熱エレメント３２が形成されている。この導熱エレメント３２は、トップランドの範囲でクーリングチャンネル２４，１２４の方向に、有利な熱伝導を生ぜしめる。導熱エレメント３２は、たとえばピストンベースボディをたとえば鍛造により成形する際に、一体に加工成形され得るか、またはピストンベースボディ１１，１１１とピストンリングエレメント１２，１１２とを接合する前に、ピストンベースボディ１１，１１１の外面に、たとえば溶接により固定され得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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