(57)【要約】  本発明は、ピストンヘッド（１２）及びピストンスカート（１４）を有する内燃機関用のピストンに関する。ピストンヘッド（１２）は、閉じた周方向に延びる冷却チャネル（２２）を有する。金属である第１冷却剤（２４）は、冷却チャネル（２２）に配置される。第１冷却剤（２４）は、２５０℃未満の融点を有する金属又は金属合金を含む。無害で好ましい金属の使用を可能にするために、非金属である第２冷却剤（２６）は、冷却チャネル（２２）に配置されること、及び、第２冷却剤（２６）は、４０℃未満の融点を有し、第１冷却剤（２４）の密度より低い密度を有することが提案される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンクラウン（１２）及びピストンスカート（１４）を有する内燃機関用のピストンであって、
−  前記ピストンクラウン（１２）は、閉じた周方向の冷却チャネル（２２）を有し、
−  金属である第１冷却剤（２４）は、前記冷却チャネル（２２）に配置され、及び、
−  前記第１冷却剤（２４）は、２５０℃未満の融点を有する金属又は金属合金を含み、
−  非金属である第２冷却剤（２６）は、前記冷却チャネル（２２）に配置され、及び、
−  前記第２冷却剤（２６）は、４０℃未満の融点及び前記第１冷却剤（２４）の密度より低い密度を有する
ことを特徴とするピストン。
【請求項２】
前記第１冷却剤（２４）は、健康に有害な、環境を危険にさらす、又は自然発火する金属を含まない
ことを特徴とする請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記第１冷却剤（２４）は、アルカリ金属又は重金属を含まない
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のピストン。
【請求項４】
前記第１冷却剤（２４）は、スズ及び／又はビスマス及び／又はガリウム及び／又は銀を含む
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のピストン。
【請求項５】
−  前記第１冷却剤（２４）は、スズ−ビスマス合金を含む、及び／又は、
−  前記第１冷却剤（２４）は、スズ−銀合金を含む
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のピストン。
【請求項６】
前記第２冷却剤（２６）は、３００℃以下、好ましくは４００℃以下、特に好ましくは５００℃以下で熱的に安定である
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のピストン。
【請求項７】
前記第２冷却剤（２６）は、ビフェニル及びジフェニルエーテル、好ましくはビフェニル及びジフェニルエーテルの共晶混合物を含む
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のピストン。
【請求項８】
前記第２冷却剤（２６）は、シリコーンオイルを含む
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のピストン。
【請求項９】
前記第２冷却剤（２６）は、シリコーンオイル、ビフェニル及びジフェニルエーテルを含む
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のピストン。
【請求項１０】
前記第２冷却剤（２６）は、水、特に塩を含む水を含む
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のピストン。
【請求項１１】
前記第１冷却剤（２４）の密度は、前記第２冷却剤（２６）の密度の少なくとも５倍、好ましくは少なくとも７倍である
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のピストン。
【請求項１２】
前記第１冷却剤（２４）の量及び前記第２冷却剤（２６）の量は、あわせて、前記冷却チャネルの容積の少なくとも１０体積％を占める
ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のピストン。
【請求項１３】
前記第１冷却剤（２４）の量及び前記第２冷却剤（２６）の量は、前記冷却チャネルの容積の２０〜４０体積％を占める
ことを特徴とする請求項１２に記載のピストン。
【請求項１４】
前記第２冷却剤（２６）の量は、前記第１冷却剤（２４）の量よりも少なく、前記第１冷却剤（２４）の量の半分よりも多い
ことを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のピストン。
【請求項１５】
前記第２冷却剤（２６）の量は、前記第１冷却剤（２４）の量よりも多く、前記第１冷却剤（２４）の量の３倍よりも少ない
ことを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はピストンクラウン及びピストンスカートを有する内燃機関用のピストンに関する。ここで、ピストンクラウンは請求項１の前文に記載されるように、閉じた周方向の冷却チャネルを有する。
【背景技術】
【０００２】
液体金属の冷却剤を有するピストンの効果は、ピストンの動作の間、液体冷剤剤が、冷却チャネル内を移動することにより、熱が高温部位から非常によく除去され得ることである。特に液体金属が有する効果は、液体金属が高い熱伝導率及び高い熱容量を有することにより、エンジンオイルよりも著しく高い温度にさらされても熱伝達が極めて良好ということである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、室温で液体である金属又は金属合金の選択肢は、例えばアルカリ金属等の高反応性あるいは自然発火性の金属、健康に悪影響を及ぼすとともに、ピストンの製造及び廃棄において相当な追加経費に繋がり得る鉛、カドミウム及び水銀等の金属、又は、インジウム及びガリウム等の非常に高価な金属に制限される。また、より高い温度においてのみ液体になる金属の使用も、同様に問題がある。冷却剤が溶融する前に、ピストンクラウンが、特にピストンボウルの領域において、高温により損傷を受けることが起こり得る。
【０００４】
本発明の目的は、特に、発火の危険性又は毒性を有する金属が除去され得ることを特徴とする、液体金属の冷却剤を有するピストンのための改良された又は少なくとも異なるデザインを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的は、独立請求項の主題による本発明により達成される。有利な実施形態は、従属請求項の主題である。
【０００６】
本発明は、金属である第１冷却剤及び非金属である第２冷却剤を冷却チャネルに配置するという概略的なアイデアに基づく。第１冷却剤は、低融点の金属合金を含む。第２冷却剤は、第１冷却剤の融点未満の融点、好ましくは室温未満の融点を有する。第２冷却剤は、開始又は補助冷却剤として機能する。それは、内燃機関の始動段階でさえ、熱が、熱伝導だけでなく対流によって、高温のピストンクラウンから、まだ固体状態の金属である第１冷却剤へ移動され、その結果、主要な第１冷却剤の溶融がより速く起こるという効果を有する。従って、第２冷却剤は、第１冷却剤がまだ液体ではなく、それゆえ対流による冷却にまだ寄与できない段階を短くするのに役立つ。従って、本発明は、冷却チャネル内に配置される非金属の第２冷却剤を提供する。第２冷却剤は、４０℃未満の融点及び第１冷却剤の密度より低い密度を有する。結果として、内燃機関のスイッチがオフになった場合でも、第２冷却剤は第１冷却剤の上に浮いた状態となり、固化した第１冷却剤の内部に閉じ込められることはない。従って、冷却剤は、エンジンの始動時から冷却チャネル内を移動でき、延いては十分に冷却に寄与することができ、金属の第１冷却剤がまだ溶融していない最初の始動段階を補うことができる。
【０００７】
本発明によれば、第１冷却剤は２５０℃未満の融点を有する。しかしながら、好ましい可能性により、第１冷却剤の融点は、２００℃未満、好ましくは１５０℃未満であることがもたらされる。これにより、低エンジン出力における動作中においても、第１冷却剤が再固化することを抑制できる。融点がより低いほど、第１冷却剤が冷却にまだ寄与できない始動段階は、より短くなる。結果として、最初のコールドスタート段階においても、内燃機関のより高い出力が許容され得る。
【０００８】
さらに好ましい可能性により、第２冷却剤の融点は、３０℃未満、特に好ましくは２０℃未満であることがもたらされる。これにより、第２冷却剤は、コールドスタート段階においても、液体であり、冷却に寄与するから、延いては第１冷却剤の液化を加速できる。
【０００９】
さらに特に好ましい可能性により、第１冷却剤は、健康に有害な、環境を危険にさらす、又は自然発火する金属を含まないことがもたらされる。特に、このことは、アルカリ金属が第１冷却剤として用いられないことを意味する。また、水銀、カドミウム又は鉛のような有毒な重金属も、必要ではない。これにより、ピストンの製造及びピストンの廃棄の双方において取り扱い性が向上する。
【００１０】
好ましい解決手段では、第１冷却剤は、スズ、ビスマス、ガリウム、インジウム及び／又は銀を含む。これらの金属は無毒性であり、比較的不活性であるから、自然発火の危険性は非常に低い。また、これらの金属は、単独で、又は、合金で、低融点を提供する。
【００１１】
さらに好ましい解決手段では、第１冷却剤は、スズ−ビスマス合金を含む。このような合金は、低い融点を有する。混合比率に応じて、融点は、１３８℃まで低下させることができる。従って、このようなスズ−ビスマス合金は、非常に好適である。
【００１２】
さらに特に好ましい解決手段では、第１冷却剤は、スズ−銀合金を含む。スズ自体は、２３２℃の低い融点を有する。この融点は、銀の添加によりさらに低下する。従って、このようなスズ−銀合金は、同様に好ましい。他の低融点合金、特にスズ又はビスマスを主成分とする合金であって、市販のソフトハンダを含み、追加成分としてＧａ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ａｇ又はＣｕ又はこれらの組合せ等の元素を一部として含む合金も好ましい。融点をさらに低下させるために、本来は望ましくない金属を少量加えてもよい。
【００１３】
好ましい一変形例では、第１冷却剤は、合金成分の共晶混合物を含む合金を含む。合金は、共晶混合比において最も低い融点を有し、例えばＳｎ４２Ｂｉ５８では１３８℃又はＳｎ９６Ａｇ４では２２１℃である。この理由により、２つよりも多い元素を含む共晶混合物を含む、少なくともおおよその共晶混合物は、第１冷却剤として特に好ましい。
【００１４】
さらに好ましい変形例では、第２冷却剤は、３００℃以下、好ましくは４００℃以下、特に好ましくは５００℃以下で熱的に安定である。このことは、内燃機関における高温の観点から好ましい。
【００１５】
さらに特に好ましい変形例では、第２冷却剤は、ビフェニル及びジフェニルエーテルの混合物、好ましくはビフェニル及びジフェニルエーテルの共晶混合物を含む。ベンゼン環により、ビフェニル及びジフェニルエーテルは極めて熱的に安定である。特に、このような混合物は４００℃においても依然として化学的に安定である。また、この混合物は１５℃の融点を有するから、第２冷却剤は、しばしばエンジンの始動直後においても、極めて早い段階から使用できる。
【００１６】
好ましい１つの可能性により、第２冷却剤は、シリコーンオイルを含むことがもたらされる。シリコーンオイルは、同様に熱的に安定である。また、所望の融点を具体的に設定できる。
【００１７】
さらに好ましい可能性により、第２冷却剤は、シリコーンオイル、ビフェニル及びジフェニルエーテルを含むことがもたらされる。これらの材料を混合することにより、第２冷却剤の特性をより精度よく調整することが可能になる。例えばテルフェニル類等の、他の十分に耐熱性のある有機材料も第２冷却剤として使用できることは言うまでもない。
【００１８】
好ましい１つの解決手段において、第２冷却剤は、水を含む。水は高い熱安定性、高い熱容量及び低い融点を有するから、水は第２冷却剤として極めて好適である。融点をさらに低下させるために、第２冷却剤が水及び塩を含むように、水に塩を加えてもよい。第１冷却剤又は例えば鋼等のピストン材料と水との間で起こり得る反応を回避又はそのような反応にほとんど影響を及ぼさない塩を用いることが望ましい。化学反応を回避するために、可能であればｐＨ中性の塩類又は少なくとも弱酸性又は弱塩基性の反応しか起こさない塩類を使用することが望ましい。硫酸ナトリウムは、特に好適な塩であることが判っている。塩化ナトリウム、硝酸ナトリウム又はリン酸水素二ナトリウム（Ｎａ２ＨＰＯ４）又は上述した塩類の混合物の使用は、同様に望ましい。
【００１９】
好ましい変形例では、第１冷却剤の密度は、第２冷却剤の密度の少なくとも５倍、好ましくは第２冷却剤の密度の少なくとも７倍である。第２冷却剤は、第１冷却剤が溶融するまでの間、第１冷却剤に熱を伝えるためだけに必要である。第１冷却剤が液体状態で存在する場合、第２冷却剤は金属である第１冷却剤よりも一般に低い熱伝導性を有するから、第２冷却剤は冷却の妨げになりがちである。第２冷却剤に比べて第１冷却剤の密度が極めて高いから、第１冷却剤はピストンの上下運動の間第２冷却剤に先駆けて移動し得る。そうして、第１冷却剤は、慣性力の影響下において、冷却チャネルの上端又は下端領域から第２冷却剤と大きく入れ替わる。そうして、第１冷却剤は、液体状態において、第２冷却剤よりも、冷却チャネルの表面と集中的に相互作用する。このようにして、動作中の高温状態の第１冷却剤は、所望の熱伝達にさらにより大きく寄与する。
【００２０】
好ましい解決手段において、第１冷却剤の量及び第２冷却剤の量は、あわせて、冷却チャネルの容積の少なくとも１０体積％を占める。冷却チャネルを１０％まで冷却剤で満たせば所望の熱伝達を十分な度合いでもたらすのに十分であることが判っている。冷却チャネル内における冷却剤の量が冷却チャネルの容量の２０〜４０体積％である場合に特に好ましいことが判っている。
【００２１】
さらに好ましい解決手段において、第１冷却剤の量及び第２冷却剤の量の比率は、２：１から１：３までの範囲である。
【００２２】
本発明のさらに重要な特徴及び効果は、従属請求項から、図面から、そして、図面を参照する図面の関連記載からもたらされ得る。
【００２３】
上述の特徴及び以下において説明される特徴は、それぞれの場合において示される組合せにおいてのみならず、単独で又は他の混み合わせにおいても、本発明の範囲を逸脱することなく実施され得ることは言うまでもない。
【００２４】
本発明の好ましい実施例は、図面に記載され、以下の説明においてより詳細に説明されるが、同一の参照符号は同一又は類似又は機能的に等価な構成を示している。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明に係るピストンを模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、図１のピストンを模式的に示す部分断面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１及び図２に示すように、ピストン１０の第１実施形態は、ピストンクラウン１２及びピストンスカート１４を有する。ピストンクラウン１２は、ピストントップ１５を有しており、そのピストントップ１５にピストンボウル１６が形成される。また、周方向のリングベルト１８があり、このリングベルト１８にピストンリングが嵌入され得る。リングベルト１８及びピストントップ１５間の移行部には、トップランド２０がある。また、ピストンクラウン１２は、閉じた周方向の冷却チャネル２２を有しており、その冷却チャネル２２内に第１冷却剤２４及び第２冷却剤２６が配置される。
【００２７】
ピストンスカート１４は、軸方向においてピストンクラウン１２に隣接する。ピストンスカート１４は、２つのリストピン孔３０を有するボス２８を有しており、リストピン孔３０には、ピストン１０を内燃機関のコネクティングロッドに接続するためのリストピンが挿入され得る。また、ピストンスカート１４は、２つの滑走面３２及び３４を有しており、２つの滑走面３２及び３４は、各々円柱面の部分的な周面を占める。２つの滑走面３２及び３４は、２つのボス２８を接続する。
【００２８】
ピストン１０は、実質的に軸方向に延び、冷却チャネル２２に連通する複数のホール３６を有する。その結果、冷却チャネル２２に存在する冷却剤は、ピストン１０の上下運動により、軸方向においてより大きな距離をカバーでき、その結果、軸方向の熱伝達は向上する。
【００２９】
また、放射方向外側に冷却チャネル２２を区画するとともに、リングベルト１８に当接する壁３８は、傾斜している。特に、壁３８は、ピストンスカート１４により近い領域よりも、ピストントップ１５の近傍において、より厚い。その結果、ピストントップ１５で加熱された冷却剤は、下方へ移動する過程において壁３８と接触しないから、壁３８及び延いてはリングベルト１８の加熱が抑制される。冷却剤が底から上方へ移動、すなわちホール３６から出る場合にのみ、冷却剤は、壁３８と接触し得る。しかしながら、底から上方へホール３６から出て移動する冷却剤は冷却されているから、壁３８及びリングベルト１８は冷却され得る。
【００３０】
第１冷却剤２４は、２５０℃未満、好ましくは２００℃未満、特に好ましくは１５０℃未満の融点を有する金属又は金属合金を含む。冷却剤が固体の場合、冷却剤は冷却にほとんど寄与しない。一方、第１冷却剤２４が液体の場合、ピストン１０の上下運動の結果として、冷却剤は軸方向に移動する。その結果、ピストントップ１５の冷却剤はピストントップ１５から熱を取り、上下運動により熱を下方へ移動させ得る。そうして、第１冷却剤２４は、ピストンスカート１４のホール３６の領域へその熱を移動させ得る。ピストントップ１５からピストンスカート１４への熱伝達は、第１冷却剤２４の対流動作によって、大きく増加する。第１冷却剤２４が高い熱伝導率及び高い熱容量を有する金属を含むから、対流による熱伝達は極めて高い。
【００３１】
１５０℃を超える融点を有する金属である第１冷却剤２４を用いた場合には、対流による冷却の開始が非常に遅くなることが判っている。このことは、コールドスタートの場合には、ピストントップ１５は、最初は熱の伝導により僅かに冷却されるだけであるから、第１冷却剤２４が溶融して対流による冷却に寄与し得る前に、それが損傷を受ける程度にまで加熱され得ることを意味する。
【００３２】
１００℃未満の融点を有する金属及び金属合金がある。しかしながら、これらの合金は、含まれる金属が、自然発火するか、有毒であるか、又は、非常に高価であるという課題に悩まされる。従って、この種のピストンの生産コストは増加する。自然発火することなく、有毒ではなく、許容される購入価格を有する金属を使用すれば、ピストン１０のコストは低減され得る。
【００３３】
第２冷却剤２６は、補助冷却剤として冷却チャネル２２に配置される。第２冷却剤２６は、４０℃未満、好ましくは３０℃未満、特に好ましくは２０℃未満の融点を有する。好ましくは、第２冷却剤２６は非金属である。これにより、第２冷却剤２６は、第１冷却剤２４と金属合金を形成せず、延いては第１冷却剤２４とともに凝固し得ない。
【００３４】
より低い融点により、第２冷却剤２６は、内燃機関のコールドスタートの直後でさえ、ピストントップ１５の対流による冷却に寄与できる。しかしながら、第２冷却剤２６の主な役割は、適切な時点における第１冷却剤２４の溶融を確実にすることである。第２冷却剤２６は、最初の段階においてすでに液体であるから、熱エネルギーはピストントップ１５から第１冷却剤２４へ移動され得る。そうして、熱エネルギーにより第１冷却剤２４は十分急速に加熱され、第１冷却剤２４はピストン１０の充分な冷却を確実に行うことができる。
【００３５】
第２冷却剤２６として好適な材料は、例えば、ビフェニル及びジフェニルエーテルの混合物、好ましくは共晶混合物である。代替として、又は、加えて、シリコーンオイルを使用することも可能である。これらの化合物は、少なくとも４００℃において十分な熱安定性を有する。
【００３６】
ピストン１０の動作中に、極めて低いガス圧を得るために、冷却チャネル２２は真空又は乾燥空気で満たされ得る。そして、空気圧を低減させるために、例えばナトリウム、カリウム及び／又はリチウム等のアルカリ金属を、合金成分として少量、第１冷却剤２４に加えてもよい。アルカリ金属は空気中の酸素と反応し、リチウムも空気中の窒素と反応して窒化リチウムを形成する。その結果、酸素及び窒素は化学的に強く結合され、冷却チャネル２２のガスの量は低減される。
【００３７】
第１冷却剤２４として用いられる可能な金属又は金属合金は、例えば、スズ、ビスマス及び銀である。例えば、スズ及びビスマスの共晶混合物は１３８℃の融点を有する。スズ及び銀の共晶混合物は２２１℃の融点を有する。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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