(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンの縦軸線の方向に順に設置されて互いに連結された少なくとも三つの主部分を有する内燃機関用ピストンユニットにして、該ピストンユニットは、機関のシリンダ内に設置されたとき、ピストン側から燃焼室を画定する均一な上方部分（３）を含み、この上方部分は、その中央区域を、ピストンの内側でねじ（４）によって、ピストンユニットの中間部分（２）に固定され、ピストンリング溝（７）の少なくとも主要部分が中間部分（２）に設置され、上方部分（３）は中間部分（２）と下方部分（１）の材料よりも熱抵抗が大きい材料であるように設定され、多数のキャビティ（９）が上方部分（３）と中間部分（２）の間に形成されて、これら上方部分（３）と中間部分（２）の間の接続面（１０）を減らしている、内燃機関用ピストンユニット。
【請求項２】
ピストンユニットの中間部分（２）が４個以上のねじによって下方部分（１）に連結される、請求項１に記載の内燃機関用ピストンユニット。
【請求項３】
中間部分（２）と下方部分（１）は、潤滑および冷却媒体或いは潤滑媒体か冷却媒体を循環させるため通路（８）か孔或いはそれら双方を設けられている、請求項１に記載の内燃機関用ピストンユニット。
【請求項４】
多数の溝（１１）が上方部分（３）と中間部分（２）の間の接続面（１０）に設置される、請求項１に記載の内燃機関用ピストンユニット。
【請求項５】
上方部分（３）と中間部分（２）の間の接続面（１０）が、ピストンの半径方向に制限されて該ピストンの周囲とほぼ同心状に延びる、請求項１に記載の内燃機関用ピストンユニット。
【請求項６】
上方部分（３）が耐熱鋼で作られる、請求項１に記載の内燃機関用ピストンユニット。
【請求項７】
上方部分（３）が耐熱合金材料で作られ、その熱膨張係数が５〜８・１０-6・１／Ｋの範囲である、請求項１に記載の内燃機関用ピストンユニット。
【請求項８】
中間部分（２）が表面焼入鋼で作られる、請求項１に記載の内燃機関用ピストンユニット。
【請求項９】
下方部分（１）がノジュラ鋳鉄またはアルミニウムから公知の方法で作られる、請求項１に記載の内燃機関用ピストンユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピストンの縦軸線の方向に順に設置されて互いに連結された少なくとも三つの主部分を有する、特許請求の範囲請求項１前段に記載の、内燃機関用とくに大型ディーゼル機関用ピストンユニットに関する。
本文で言う大型ディーゼル機関とは、たとえば船舶用ないし電力や熱エネルギ或いはそれら双方を作るための動力設備用の主推進機関若しくは補助エンジンに適用し得るような機関である。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関のピストンは、燃料の燃焼によって放出されたエネルギをピストンピンを介して連結杆に、さらにはクランク機構へ伝達する。ピストンは、エネルギの伝達が本質的に損失なしに実現するように、ピストンリングにより機関のシリンダに対して密封される。ピストンの上方部分はその部分によってシリンダ内に燃焼室を画定し、かなりの熱応力をうける。シリンダの縦方向に延在してピストンリング下方に位置するピストンの壁は、ピストンの運動を案内し、潤滑面として作用する。過給式機関では、ピストンが例外なしにオイル冷却用通路を設けられている。
【０００３】
現代の重負荷ディーゼル機関において、いわゆる組立式または複合ピストンがしばしば使用され、下方部分ないしピストンスカートはノジュラ鋳鉄またはアルミニウムの鋳造によって製造される。ついで、ピストンの上方部分が鍛造により鋼で製造され、それによって該ピストンの負荷特性は完全鋳造ピストンと比較して改善される。複合ピストンは、ねじ継手を介して下方部分と上方部分を相互に取付けることによって組立てられる。ねじの数は製造業者によって異なり、１個から６個である。
【０００４】
重負荷ディーゼル機関のピストンは、大きな機械的および熱的応力をうける。ピストンの最大許容負荷容量は、実際、しばしばエンジンの燃焼工程の効率や温度或いはそれら双方の増加を束縛する。燃焼反応温度（temperature of burning process）の上昇は、たとえば排気ガスの熱エネルギを利用できるディーゼル動力設備において、また触媒変換器の作用を始動や部分負荷運転に関連して改善すべく努力したエンジンにおいて、その目的に適うものである。
【０００５】
焼入れ焼戻し鋼が、製造技術の理由から、ピストン上方部分の材料として用いられる。高温における焼入れ焼戻し鋼の強度はむしろ限定される。さらに、材料の熱膨張はピストンの接続面に関連して別の問題を招来するが、その理由は変形が接触面の張力分布を変化させ、したがって張力の場（tension field ）が形成されるからである。ピストン構造は各自に許容される変形の場をもち、それが温度の一層の上昇を許さないのである。低温時の半径方向の間隙を増加することにより熱膨張に配慮できるが、これはそれ自体限界があり、その理由は大きい間隙が冷間始動に関連してピストンクラウンのランドへのカーボン沈澱物の過大な蓄積と、引続く運転における摩耗を生ずるからである。熱膨脹はまた固定ねじを湾曲させて、接続部の信頼性を低下する。しかしながら、上方部分が中心に設置したねじだけで下方部分に固定される構造においては、前述の現象は考慮する必要がない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ピストンの温度上昇はまた、ピストン内面にて潤滑オイルを焼失させ、冷却効果の低下や、潤滑オイルの劣化を生ずる。さらに、重油運転エンジンにおいて、温度上昇は高温腐蝕の危険を増大する。
ピストンの上方部分における熱応力を減少する一つの方法は、例えば酸化ジルコンのような或る種の断熱コーテイングを燃焼室側でピストンに施すことであるが、この場合コーテイングの信頼性に問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、特にディーゼル機関において利用されるべき燃焼反応温度をさらに高くする上で従来より一層多くの可能性を備え、しかも上述した公知の解決策の欠点が本質的に排除された、ピストンユニットの新規な構造を達成することである。本発明の目的は、製造技術の観点から有利であり且つその構造に信頼性がある解決策を提供することである。別の目的は、ピストン上部から生ずる熱損失を減少することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、特許請求の範囲請求項１に記載の構成および他の項に記載の構成によって達成される。
本発明によるピストンユニットは、エンジンのシリンダ内に設置されたときピストン側から燃焼室を画定する均一（uniform ）な上方部分を含んでいる。この上方部分は、その中央区域を、ピストンの内側でねじによって、ピストンユニットの中間部分へ固定される。ピストンリング溝の少なくとも主要部分、好ましくは全部が中間部分に設置される。上方部分の材料は、中間部分および下方部分の材料より熱抵抗が大きい材料であるように設定される。かくして、本発明は、各部分がそのピストン部分の作動要求と作動条件に出来るだけ適うように、ピストンを別々の部分から組立てる構想に基づいている。
さらに、多数のキャビティが上方部分と中間部分の間に形成され、これら上方部分と中間部分の間の接続面を減らして、熱損失を減少する。
【０００９】
上方部分の重量は比較的小さいため、一般に上方部分をその中央部分にて固定するだけで十分である。そこで、複数の固定ねじの使用による変形を回避することができる。しかしながら、材料の選択によっては、ピストンユニットの上方部分を下部構造へしっかりと固定し続けることを確実にするために、必要あれば多数の補助ねじを利用できる。しかしながら、この場合、補助ねじについては、中央区域の固定ねじよりも著しく小さい予応力を用いる。一方、中間部分は、それぞれ上方部分および中間部分の合計重量がかなり大きいため、４本以上のねじによってピストンユニットの下方部分に連結するのが有利である。
【００１０】
中間部分と下方部分は、潤滑剤および冷却媒体のいずれか一方または双方を循環させるための通路や孔或いはそれら双方を備えている。上方部分は材料に耐熱性のものを選択されているため、燃焼反応温度を上昇させ熱損失を減少するためには、冷却されないか或いはピストン下方部分の冷却システムに僅かしか接触しないのが好ましい。
熱損失をさらに減少するため、上記キャビティに加えて、多数の溝を上方部分と下方部分との間の接続面に設けてもよい。
実際上、上方部分と中間部分の間の接続面は、ピストンの半径方向に限定されてその周方向に延びる接触面であるのが有利である。
【００１１】
本文に提案しているピストン構造は、燃焼室側に位置するピストンの表面温度をかなり上昇させ、そのため上方部分は耐熱鋼で作るのが有利である。温度上昇が通常のピストンよりかなり大きい場合、上方部分は耐熱合金材料から作られるが、その熱膨張係数は比較的小さく（いわゆる低膨脹合金）、たとえば５〜８×１０-6・１／Ｋで、焼入れ焼鈍し鋼より３０〜５０％小さい。前述の材料自体は公知であって市販されている。上方部分に適した材料は、典型的にはニッケルを約２０〜３０％含む複合材料である。材料に従って、上方部分は鍛造、鋳造または粉末冶金で作ることができる。
中間部分は、ピストンリング溝が中程度の耐久性であることを望む場合には、表面焼入れ鋼で作るのが好ましい。下方部分はノジュラ鋳鉄またはアルミニウムから公知の方法で作ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図面に示されたピストンユニットは、下方部分１、中間部分２および上方部分３を備えている。中間部分２と上方部分３は、ピストンの中心区域に設置したねじボルト４により、互いに固定される。中間部分２は、ねじボルト５によって下方部分１に固定される。この種の構造は、各部分の材料を、その目的に出来るだけ適うように、該部分の作用および条件に一致させて互いに無関係に選択する可能性を提供する。上方部分３をピストンユニットの下方構造にしっかりと押付けておくために、必要あれば、ピストン周囲に一層近く設置するある種の補助ねじを用いることができる。しかしながら、これらの補助ねじの予圧力はねじボルト４の予圧力より本質的に小さい。
【００１３】
下方部分１は連結杆ボス６を備えている。さらに、下方部分１と中間部分２は一緒になって、冷却システムの一部である通路８を画定する。この冷却システムは、必要な場合には、下方部分１と中間部分２のいずれか一方或いは双方に公知の方法で設置される多数の通路および孔を含むことができるが、それらは図面を明瞭にするために図示していない。下方部分はノジュラ鋳鉄またはアルミニウムで作るのが有利である。
【００１４】
中間部分はピストンリング溝７を備えており、それら溝を形成している故に、表面焼入鋼であることが好ましい。エンジン（図示せず）のシリンダ内に設置されると、ピストンユニットの上方部分３は上面によってピストン側から燃焼室を制限し、すなわち画定し、そのため上方部分は耐熱鋼材料などで作るのが有利である。上方部分３はキャビティ９を備え、キャビティ９は熱損失を低減するために上方部分３と中間部分２の間の接続面１０の面積を最小限に制限する。これは、シリンダ燃焼室における燃焼反応温度の上昇を可能にし、従って、エンジン燃焼工程の効率を高め、エンジン排気ガスからの熱エネルギの回収を可能にする。この効果は直接接触面をさらに減少する溝１１によって一層増大する。参照符号１２および１３は、独立した部分を互いに正確な位置へ案内する案内ピンを示す。
本発明は図示の実施例に限定されるものでなく、特許請求の範囲の記載内で変更が可能である。
【００１５】
【発明の効果】
ピストンを該ピストンの長手軸線の方向に順に設置されて互いに連結された少なくとも三つの主部分から構成し、上方部分の材料を中間部分と下方部分の材料よりも熱抵抗が大きい材料であるように選択することにより、燃焼温度を従来よりも一層高くして全体的な熱エネルギの利用を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるピストンユニットの実施例を縦断面で示す。
【図２】上方から見た図１のピストンユニットを示す。
【符号の説明】
１  下方部分
２  中間部分
３  上方部分
４  ねじ
５  ねじ
６  連結杆ボス
７  ピストンリング溝
８  通路
９  キャビティ
１０  接続面
１１  溝
【図１】
0003940447.tif 000002
【図２】
0003940447.tif 000003