(57)【要約】  本発明は、ピストン冠（１１）とピストンスカート（２１）とを備えた内燃エンジン用ピストン（１０、１１０、２１０）に関し、ピストン冠（１１）は、ピストンヘッド（１２）と、周囲上端ランド（１４）と、環状溝（１６、１７、１８）を含む周囲環状ゾーン（１５）と、該周囲環状ゾーン（１５）領域に冷却チャネル底部（２６）及び冷却チャネルカバー（２７）を含む周囲閉鎖冷却チャネル（１９）とを有している。本発明によると、周囲凹部（２８）は、冷却チャネル底部（２６）が最低位置の環状溝（１８）の上方に配置されるように、ピストン冠（１１）における冷却チャネル底部（２６）の下方に穿たれている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン冠（１１）と、ピストンスカート（２１）とを備えた内燃エンジン用ピストン（１０、１１０、２１０）であって、
前記ピストン冠（１１）は、ピストンヘッド（１２）と、周囲上端ランド（１４）と、環状溝（１６、１７、１８）を含む周囲環状ゾーン（１５）と、該周囲環状ゾーン（１５）領域に冷却チャネル底部（２６）及び冷却チャネルカバー（２７）を含む周囲閉鎖冷却チャネル（１９）とを有し、
前記冷却チャネル底部（２６）は、最低位置の環状溝（１８）の上方に配置されていることを特徴とする内燃エンジン用ピストン。
【請求項２】
請求項１に記載のピストンにおいて、
前記冷却チャネル底部（２６）は、１番目の前記環状溝（１６）と２番目の前記環状溝（１７）との間に配置されていることを特徴とする内燃エンジン用ピストン。
【請求項３】
請求項１に記載のピストンにおいて、
少なくとも一部の周囲凹部（２８）は、前記ピストン冠（１１）における前記冷却チャネル底部（２６）の下方に導入されていることを特徴とする内燃エンジン用ピストン。
【請求項４】
請求項１に記載のピストンにおいて、
前記周囲上端ランド（１４）の高さ（ｈ）は、前記ピストン冠（１１）の名目上の直径（ＤＮ）の最大で９％であることを特徴とする内燃エンジン用ピストン。
【請求項５】
請求項３に記載のピストンにおいて、
前記ピストンヘッド（１２）と前記冷却チャネル底部（２６）との距離（ａ）は、前記ピストン冠（１１）の名目上の直径（ＤＮ）の１１％と１７％との間であることを特徴とする内燃エンジン用ピストン。
【請求項６】
請求項３に記載のピストンにおいて、
前記周囲閉鎖冷却チャネル（１９）の高さ（ｃ）は、その幅（ｄ）の０．８倍から１．７倍までであることを特徴とする内燃エンジン用ピストン。
【請求項７】
請求項３に記載のピストンにおいて、
前記ピストンヘッド（１２）と前記冷却チャネルカバー（２７）との距離（ｂ）は、前記ピストン冠（１１）の名目上の直径（ＤＮ）の３％と７％との間であることを特徴とする内燃エンジン用ピストン。
【請求項８】
請求項３に記載のピストンにおいて、
コンプレッションハイト（ＫＨ）は、前記ピストン冠（１１）の名目上の直径（ＤＮ）の３８％と４５％との間であることを特徴とする内燃エンジン用ピストン。
【請求項９】
請求項３に記載のピストンにおいて、
燃焼リセス（１３）が前記ピストン冠（１１）に設けられており、
前記燃焼リセス（１３）と前記周囲閉鎖冷却チャネル（１９）との間の径方向における最小の壁の厚さ（ｗ）は、前記ピストン冠（１１）の名目上の直径（ＤＮ）の２．５％と４．５％との間であることを特徴とする内燃エンジン用ピストン。
【請求項１０】
請求項８に記載のピストンにおいて、
前記燃焼リセス（１３）は、くり抜き（２９）によって設けられていることを特徴とする内燃エンジン用ピストン。
【請求項１１】
請求項１に記載のピストンにおいて、
前記周囲凹部（２８）は、断面Ｕ字状又は断面楕円状を有していることを特徴とする内燃エンジン用ピストン。
【請求項１２】
請求項１に記載のピストンにおいて、
前記ピストンは、単体型のピストンとして設計されていることを特徴とする内燃エンジン用ピストン。
【請求項１３】
請求項１に記載のピストンにおいて、
前記ピストン（１１０、２１０）は、互いに外せないように接続された少なくとも２つの部品（１３１、１３２；２３１、２３２）により構成されていることを特徴とする内燃エンジン用ピストン。
【請求項１４】
請求項１２に記載のピストンにおいて、
前記ピストンは、ピストン基体（１３１）と、周囲凹部端補強材（１３２）とを有していることを特徴とする内燃エンジン用ピストン。
【請求項１５】
請求項１２に記載のピストンにおいて、
前記ピストンは、ピストン基体（２３１）と、周囲ピストンヘッドエレメント（２３２）とを有していることを特徴とする内燃エンジン用ピストン。
【請求項１６】
請求項１に記載のピストンにおいて、
前記ピストンは、少なくとも１つの鋼材により構成されていることを特徴とする内燃エンジン用ピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストン冠とピストンスカートとを有する内燃エンジン用ピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ピストン冠は、ピストンヘッド、周囲上端ランド（land）、環状溝を含む周囲環状ゾーン、及び該環状ゾーン領域に冷却チャネル底部及び冷却チャネルカバーを含む周囲閉鎖冷却チャネルを有している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
近年の内燃エンジンにおいて、ピストンは、ピストンヘッド及び燃焼リセスの部位において、より高い温度負荷に常に曝されている。ピストン冠からの不十分な熱の放散は、エンジンの作動中に、特にコーキング又はカーボンがピストン上に堆積して、ピストンの機能的な損傷をもたらす。これは、鋼は熱伝導係数が小さく熱伝導が悪いことから、特に鋼材により構成されたピストンに当てはまる。
【０００４】
本発明の目的は、問題の型のピストンにおいて、エンジンの作動中にピストン冠からの熱の放散が最適化されるようなピストンを創出することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
その解決策は、冷却チャネル底部が最低位置の環状溝の上方に配置されることにある。
【０００６】
従来例において、周囲閉鎖冷却チャネル（以下、冷却チャネルと称す。）は、通例、最低位置の環状溝及びそれ以下と同じ高さまで、できる限り大きい冷却チャネルを採用して軸方向に延びる。これにより、エンジンの作動中の、特に鋼製のピストンに十分な冷却を実現する。シェーカ効果のために、冷却オイルは、冷却チャネルカバー、すなわち極めて高温の領域と、冷却チャネル底部、すなわち比較的に低温の領域との間を上下に移動する。冷却チャネル底部の領域における極めて低い温度により、ピストン冠から冷却オイルへの熱の吸収は、もはや実質的にはない。その上、環状ゾーン及びピストンスカートの方向における小さい熱勾配により、冷却オイルからの比較的に小さい熱放散が生じるに過ぎない。
【０００７】
これに対し、本発明に係るピストンは、冷却チャネルが、従来と比べて軸方向に短くされていることで区別される。これは、冷却オイルが、特に冷却チャネル底部の領域において高い熱負荷を受けた冷却チャネル底部と極めて近接し、従って、従来の場合よりも、より高温の領域の全体で移動するという結果をもたらす。これにより、ピストンの動きのあらゆる位相において、ピストン冠の高温の領域から冷却オイルに熱が吸収される。特に、もし、従来から知られる冷却オイルの量が維持され、冷却オイルの供給がエンジンの作動中に速やかに入れ替わるように設計されているのであれば、従来と比べてピストン冠の冷却が大きく向上する。
【０００８】
有利な成果は、従属請求項で明らかとなる。
【０００９】
冷却チャネル底部は、１番目の環状溝と２番目の環状溝との間に配置されるのが好ましい。これにより、さらに、エンジンの作動中に、冷却オイルが高温のピストンヘッドに極めて近接してさえも、冷却オイルの動きによって冷却容量が増大する。
【００１０】
少なくとも一部の周囲凹部は、好都合にも冷却チャネル底部の下方のピストン冠に導入される。結果として、ピストンの質量が大きく減少する。
【００１１】
さらなる好ましい成果において、上端ランドの高さは、ピストン冠の名目上の直径の最大で９％である。このため、冷却チャネルは、ピストンヘッド及び環状ゾーンに関して、特に熱放散に有利な方法で配置される。
【００１２】
この場合、ピストンヘッドと冷却チャネル底部との間の距離は、ピストン冠の名目上の直径の１１％と１７％との間であり得る。加えて又はこれに代えて、冷却チャネルの高さは、その幅の０．８倍から１．７倍までであり得る。さらに、これに関して、交替又は累加的に、ピストンヘッドと冷却チャネルカバーとの間の距離は、ピストン冠の名目上の直径の３％と７％との間であり得る。これらの寸法規則は、全てのピストンサイズに対する冷却チャネルの最適化された構成及び位置を可能にする。
【００１３】
コンプレッションハイトは、例えば、ピストン冠の名目上の直径の３８％と４５％との間であり得る。
【００１４】
より顕著に好ましい実施形態は、燃焼リセスがピストンヘッドに形成されること、及び燃焼リセスと冷却チャネルとの間の径方向における最小の壁の厚さがピストン冠の名目上の直径の２．５％と４．５％との間であることにある。これにより、燃焼リセスと冷却チャネルとの間の熱移動の向上が実現される。
【００１５】
燃焼リセスは、例えば、該燃焼リセスと冷却チャネルとの間の壁の厚さを決定するように、ピストン冠のくり抜きによって設けられ得る。
【００１６】
冷却チャネル底部の下方の凹部（周囲凹部）は、断面Ｕ字状又は断面楕円状を有することが好ましい。これにより、鋭い端部の形成を避けると共に、材料に機械的ストレスを与えるリスクを最小とする。
【００１７】
本発明に係るピストンは、単体ピストンとして設計され得る。または、該ピストンは、例えば、互いに外せないように接続された少なくとも２つの部品により構成され得る。特に、本発明に係るピストンは、ピストン基体と周囲凹部端補強材とを有し得る。また、本発明に係るピストンは、例えば、ピストン基体と周囲ピストンヘッドエレメントとを有し得る。
【００１８】
本発明は、特に、少なくとも１つの鋼材から構成されるピストンに適合する。
【００１９】
本発明の例示的な実施形態は、添付された図面を参照してより詳細に説明される。模式的な図示において、その縮尺は真実ではない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は本発明に係るピストンの第１の例示的な実施形態を示す断面図である。
【図２】図２は本発明に係るピストンのさらに２つの例示的な実施形態の全体を示す断面図である。
【図３】図３は図１及び図２に示す冷却チャネルと環状ゾーンとを示す拡大部分断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは本発明に係るピストンにおける冷却オイルの動きを模式的に示した部分断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは本発明に係るピストンにおける冷却オイルの動きを模式的に示した部分断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは従来例に係るピストンにおける冷却オイルの動きを模式的に示した部分断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは従来例に係るピストンにおける冷却オイルの動きを模式的に示した部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は本発明に係るピストン１０の第１の例示的な実施形態を示している。本例示的実施形態において、ピストン１０は、塩中子の採用による、それ自体知られた方法で鋳造された単体ピストンである。本例示的実施形態において、ピストン１０は、鋼材により製造される。
【００２２】
ピストン１０は、燃焼リセス１３を有するピストンヘッド１２を含むピストン冠１１と、周囲上端ランド１４と、ピストンリング（図示せず）を支持する環状溝１６、１７、１８を含む環状ゾーン１５とを有している。周囲閉鎖冷却チャネル１９は、環状ゾーン１５の高さに配置される。
【００２３】
ピストン１０は、さらに、ピストンピン（図示せず）を支持するピストンボス２２及びボス孔２３を含むピストンスカート２１を有している。ピストンボス２２は、ボス接続部２４を介してピストン冠１１の下面と接続されている。ピストンボス２２は、滑り面２５を介して互いに接続されている。
【００２４】
冷却チャネル１９は、冷却チャネル底部２６と、冷却チャネルカバー２７とを有している。本例示的実施形態において、冷却チャネル底部２６は、ほぼ１番目の環状溝１６と２番目の環状溝１７との間に配置されている。本例示的実施形態においては、少なくとも一部の周囲凹部２８は、ピストン冠１１における冷却チャネル底部２６の下方に導入されている。本例示的実施形態において、周囲凹部２８は、ほぼ断面Ｕ字状を有している。
【００２５】
周囲凹部２８は、鍛造法によってピストン冠１１に組み込まれ得る。この場合、周囲凹部２８は、ピストン１０の滑り面２５の上方にのみ設けられる。なぜなら、鍛造ツールは、ピストンボス２２の上方では、移動する隙間が小さすぎるからである。もちろん、チップ除去法によって、ピストンボス２２の上方の領域を完成させることは可能である。これにより、全周の周囲凹部２８を得られる（図１の破線に示す。）。
【００２６】
本例示的実施形態において、コンプレッションハイトＫＨは、ピストン冠１１の名目上の直径ＤＮの３８％と４５％との間である。
【００２７】
図２は、図１に対して９０°回転させた図であって、本発明に係るピストン１１０、２１０のさらに２つの例示的な実施形態の全体を示している。個々の例示的実施形態における図は、中心線Ｍによって分割されている。
【００２８】
ピストン１１０、２１０は、図１によるピストン１０と同様に構成されている。従って、同一の構成要素には同一の参照符号を付し、参照符号は図１の記述に関連して作成される。
【００２９】
両者の本質的な差異は、ピストン１１０、２１０が、それぞれ、互いに外せないように接続された２つの部品から構成されていることにある。ピストン１１０（中心線Ｍの左側の図）は、ピストン基体１３１と周囲凹部端補強材１３２とから構成される。本例示的実施形態において、周囲凹部端補強材１３２は、燃焼リセス１３のリセス端とピストンヘッド１２の一部とを含む。周囲凹部端補強材１３２は、特に、溶接法により、例えば電子線溶接又はレーザ溶接により、ピストン基体１３１と接続され得る。
【００３０】
ピストン２１０（中心線Ｍの右側の図）は、ピストン基体２３１と周囲ピストンヘッドエレメント２３２とから構成される。本例示的実施形態において、周囲ピストンヘッドエレメント２３２は、燃焼リセス１３のリセス端と、ピストンヘッド１２と、上端ランド１４と、最高位置の環状溝１６とを含む。周囲ピストンヘッドエレメント２３２は、特に、溶接法により、例えば、摩擦圧接、電子線溶接又はレーザ溶接により、ピストン基体２３１と接続され得る。
【００３１】
図３は、本発明に係るピストンの冷却チャネル１９、ピストンヘッド１２、燃焼リセス１３の一部、上端ランド１４、及び環状溝１６、１７、１８を含む環状ゾーン１５と、図１及び図２による周囲凹部２８との部分拡大図である。
【００３２】
燃焼リセス１３は、該燃焼リセス１３と冷却チャネル１９との間の壁の厚さを決定するために、くり抜き２９によって設けられる（これに関しては、以下を参照。）。
【００３３】
上端ランド１４の高さｈは、ピストン冠１１の名目上の直径の最大で９％であることが好ましい（図１及び図２を参照。）。このため、冷却チャネル１９は、特に熱の放散に有利な方法で、ピストンヘッド１２と環状ゾーン１５とに関して配置される。
【００３４】
上端ランド１４のための上記の寸法規則に基づいて、ピストンヘッド１２と冷却チャネル底部２６との間の距離は、ピストン冠１１の名目上の直径の１１％と１７％との間であることが好ましい（図１及び図２を参照。）。このため、冷却チャネル１９は、高温のピストンヘッド１２と最適に近接して配置され、且つ、より低温の環状溝１６、１７、１８に関して最適な位置に配置される。
【００３５】
さらに、冷却チャネル１９の高さｃは、その幅ｄの０．８倍から１．７倍までであることが好ましい。この寸法規則は、冷却チャネル１９の最適な容積をもたらし、高温の燃焼リセス１３に関して、特に、該リセス端、高温のピストンヘッド１２、及びより低温の環状溝１６、１７、１８に関して、最適な配置をもたらす。
【００３６】
最後に、ピストンヘッド１２と冷却チャネルカバー２７との間の距離は、ピストン冠１１の名目上の直径ＤＮの３％と７％との間であることが好ましい（図１及び図２と比較。）。この寸法規則は、また、高温のピストンヘッド１２に関して、冷却チャネル１９の最適な位置をもたらす。
【００３７】
結論として、燃焼リセス１３と冷却チャネル１９との間の径方向における最小の壁の厚さｗは、ピストン冠１１の名目上の直径ＤＮの２．５％と４．５％との間であることが好ましい。これにより、燃焼リセス１３と冷却チャネル１９との間の熱伝導の向上が実現される。
【００３８】
図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ及び図５Ｂは、エンジンの作動中の冷却オイルの動きと、燃焼リセス、ピストンヘッド、冷却チャネル、及び環状溝の領域における温度ゾーンとを模式的に示している。ここで、図４Ａ及び図４Ｂは、本発明に係るピストンを示し、図５Ａ及び図５Ｂは、従来例に係るピストンを示している。
【００３９】
図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ及び図５Ｂには、３つの温度ゾーン、ずなわち、「熱い」、「暖かい」及び「冷たい」が概念的に示されている。個々のピストン領域における相対的な温度差は、このように図示される。
【００４０】
本発明（図４Ａ及び図４Ｂ）によると、冷却チャネルは、従来例と比べて軸方向に短くされている。これは、冷却オイルが、実質的にピストンヘッドと燃焼リセスとの「熱い」領域でのみそれに沿って移動するという結果をもたらす。従って、ピストンの動きのあらゆる位相において、ピストン冠の「熱い」領域から冷却オイルに熱が吸収される。従来から知られる冷却オイルの量は維持されるように意図され、エンジン管理はエンジンの作動中に冷却オイルが速やかに交換されるように設計される。
【００４１】
従来例（図５Ａ及び図５Ｂ）によると、冷却チャネルは、エンジンの作動中に十分な冷却を実現できるように、できる限り大きい冷却チャネルの採用によって、通例、最低位置の環状溝又はこれより下方の高さまで軸方向に延びている。カクテルシェーカ効果のために、冷却オイルは、「熱い」領域、すなわちピストンヘッド及び燃焼リセスのリセス端と、「冷たい」領域、すなわち冷却チャネル底部との間を移動する。該冷却チャネル底部の領域においてはかなりの低温であるため、ピストン冠から冷却オイルへの熱吸収は、そこではもはや実質的に生じない。
【００４２】
結果として、本発明に係るピストンにおいては、従来例と比べて大きく向上した冷却がピストン冠にもたらされる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【国際調査報告】
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