JP2013503300A - 低摩擦スカートを有するモノブロックピストン - Google Patents

Abstract

内燃機関のピストンは、一対のピンボスが延在する上側クラウン部を有し、前記ピンボスは、ピンボア中心軸に沿って軸方向に整列したピンボアを有する。横方向に間隔を置いた一対のスカート部は、前記ピンボスに固着され、最下自由縁に延びる。スカート部の少なくとも１つは前記最下自由縁から前記ピンボア中心軸を越えて上方向に延びる凹部を有する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００９年８月２７日に出願された米国特許仮出願第６１／２３７，４７２号の利益を主張するものであり、該仮出願は、その全体が引用によりここに援用される。

本発明の背景
本発明は一般に内燃機関に関し、より特定的にはモノブロックピストンに関する。

内燃機関、より特定的にはディーゼルエンジンに、ピストンと一体的に形成された固定スカートを有する一体型構造のピストンを利用することが知られている。通常、スカートは四角形状を有し、対向するピンボスの間を連続して略直線の底辺まで下方向に延びる。一般的にスカートはシリンダ穴内でピストンを案内する効果があるが、特有の難点を有している。第１に、部材の連続した四角形状の壁として構成していることから、スカートによってピストン全体の重量が増加する。この重量の増加が、関連する部品に加わる慣性力を増加させ、部品の耐用年数が短くなるとともに、エンジンの燃費が低下する。また、スカートの面積の増加によってシリンダライナに対する摩擦が起こり、さらにエンジンの耐用年数が短くなり、燃費が低下する。これらの難点に加え、連続した四角形状のスカート壁を有することで、ピンボスの柔軟性が低下する。これによりピストンのストローク時にピンボスがリストピンに対して柔軟でなくなり、リストピンの継ぎ手とピンボアにおける摩擦が増加する。さらにまた、スカートの形成過程ではスカートの全領域における輪郭と厚みを正確に形成しなければならないことから、スカートの製造は難しいことがわかる。

たとえば、スカートの下面からピンボア軸まで上方向に延びる凹部を形成するなどスカートの面積と重量を減らす試みがいくつか行なわれた。しかし、これらの試みはいずれもスカートの面積や重量を最大限に減らすには不十分であり、スカート壁とシリンダ穴の間の大部分、およびリストピンの継ぎ手とピンボアにおいて上記の摩擦に関する問題点が残った。

本発明により製造されるモノブロックピストンは、少なくとも上述した問題点の結果として起こる難点を克服または大幅に最小化するものであり、エンジン性能を向上させた状態で稼働させ、燃料消費、オイル消費、排気物質を減らし、その上、耐用年数を引き延ばすことができる。

本発明の一局面により構成された内燃機関のピストンは上側クラウン部を有し、上側クラウン部は、延在する一対のピンボスと、ピンボア中心軸に沿って軸方向に並んだピンボアを有する。横方向に間隔をおいた一対のスカート部は、ピンボスに固着され、最下自由縁に結合する。スカート部のうち少なくとも１つは、最下自由縁からピンボアの中心軸を越えて上方に延びる凹部を有する。

本発明の他の局面によれば、凹部は最下自由縁から上方に延び、ピンボアの最小部と略接線となる。

本発明の他の局面によれば、凹部は略Ｕ字型である。
本発明の他の局面によれば、ピストンのスラスト側のスカート部は凹部を有し、ピストンの反スラスト側のスカート部は凹部を有さない。

本発明の他の局面によれば、スカート部の両方は凹部を有する。
本発明により製造されたピストンは、ピストンの全サイクルにおいてオイルの流れを向上させ、ピストンのサイクルにおいて動的な粘性摩擦を減らし、ピストンの全サイクルを通してピストンの案内を向上させシリンダライナのキャビテーションを減らし、ピストンの粘性摩擦損失を減らし、ピストンのリング溝および溝内のピストンリングにおける炭素の蓄積を減らし、ピンボスの柔軟性を高め、リストピンの継ぎ手とピンボアの摩擦を減らし、ピストンリングの動きを向上させ、オイル消費とトップランドに粘着した炭素を減らすことにより、通常炭素の蓄積によって生じるボアの研磨を減らし、排気を減らし、エンジンの運転性能と寿命を全体的に改善する。これらの有益な効果を合わせることによって、エンジンの燃料消費が減り、ガロン当たりのマイル数が増進する。

本発明のこれらの局面および他の局面、特徴、利点は、以下の好ましい実施例ならびに最良モードの詳細な記載、請求項、および添付の図面から当該技術の当業者に対して明らかになる。

本発明の好ましい実施例の１つにより構成されたピストン部分の断面図である。 図１の２−２線に沿った断面図である。 図１の３−３線に沿った断面図である。 図１のピストンの底面斜視図である。 図４のピストンに類似の本発明の他の好適な実施例により構成されたピストンを示す図である。

好ましい実施例の詳細な説明
図面をより詳細に参照すると、図１−図４は、内燃機関、たとえば大型車両用ディーゼルエンジンのシリンダ穴（図示せず）内で往復運動をする、本発明の好適な実施例の１つにより構成されたピストン１０を示す。ピストン１０は、鋳造もしくは鍛造、または他の方法により製造された本体１２を有し、本体１２は、ピストン１０がシリンダボア内で往復運動する際に沿う長手中心軸１４に沿って延びる。本体１２は、例示として、この形態に限定されることなく、下側クラウン部１８に結合された上側クラウン部１６を有するよう示される。下側クラウン部１８は、下に延在する一対のピンボス２０を有し、長手中心軸１４に対して略直角に延びるピンボア軸２４に沿って横方向に間隔を空けて整列するピンボア２２を形成する。ピンボス２０は横方向に間隔を空けたスカート部２６にストラット部２８を介して結合される。スカート部２６は互いに直径方向に間隔を空けてピンボア軸２４を横断して設けられ、シリンダ穴と協働するよう形成された凸外面３０を有し、ピストン１０がシリンダ穴内を往復運動する際にピストン１０を所望の配向に維持する。往復運動の際、スカート部２６の外面３０とシリンダ穴の壁との間に流体油膜が供給および維持され、これらの間の運動摩擦が最小化される。エンジンの性能を向上させ、また耐用年数を最大化するために、例示であって制限されるものではないが、図５において単一のスカート部２６として示される少なくとも１つのスカート部および図１−図４において両方のスカート部２６として示されるより好ましくは少なくともピストン１０のスラスト側のスカート部の双方はスカート２６の最下端３４から上方に延びそしてスカート外面３０の中央部に形成された略Ｕ字状の凹部３２を備えている。凹部３２はピストン１０の全重量を減らし、シリンダ壁に対して発生する潜在的な摩擦を減らし、使用時に発生する慣性力を減らし、ピストン１０の製造可能性を向上させる。

ピストン１０の上側クラウン１６は、シリンダ穴に対して所望のガス流を提供するために、ここで上面３６と、この上面３６内で凹む燃焼室３８を有するよう示されている。外壁またはリングベルト４０は上面３６から下方向に延在し、少なくとも１つの環状リング溝４２がリングベルト４０に形成され、ピストンリング（図示せず）の遊動を受け止める。

下側クラウン１８は、ここではたとえば鍛造プロセスおよび接合などにより、上側クラウン１６とは別個で形成されるよう示されている。たとえば、上側および下側クラウン１６、１８は溶接継ぎ手４４により接合することが可能である。留意すべきは、本発明により構成されたピストン１０は別の方法、たとえば鋳造法で形成された上側および下側クラウンを有することができ、それらは溶接継ぎ手以外の機構を使用して接合することができる。

例示であって限定されることはないが、図１に最もよく示されるように、重量および摩擦を最大限に減らすため、凹部３２は最下縁３４からピンボア中心軸２４を越えて上方向に延びている。凹部３２は、ピンボア２２の最上面と略接線の状態で示される弓状上面４６に向けて上方向に延在する。このように、凹部３２の高さはピンボア中心軸２４により略二分割されており、円錐台形部４８はピンボア中心軸２４より下方にあり、略Ｕ字型部５０はピンボア中心軸２４よりも上方にある。こうして、凹部３２の最広部は最下縁３４と隣接し、凹部３２の最狭部は上面４６と隣接している。凹部３２は、図示のものとは別の形、たとえば凹部３２の側片が互いに平行であって、丸みまたは面取りにより上面４６と融合して形成することが考えられる。また、凹部３２の高さは所望の用途に応じて調整することができ、ピンボア中心軸２４より上方または下方に調整することができる。

凹部３２が最下縁３４に対して開放していることにより、スリットが周囲に形成されたスカートよりもスカート部２６の製造が大幅に簡易化される。凹部３２が開放していることにより、たとえば穴開けおよび／または切削のような二次作業が不要になり、二次作業を削減または排除することができる。さらに、スカート部２６の中央領域を占める凹部３２を設けることで、鍛造のような処理が必要な素材の量を大幅に減らすことができる。さらにまた、凹部３２を大きく形成することによってピンボス２０の柔軟性が向上し、凹部３２が設けられない場合に比してスカート部２６がよりピンボス２０に対して柔軟になる。これによりピンボス２２と接続棒（図示せず）の小端部との間のリストピン継ぎ手がピストン１０の全ストロークに対して必要なだけ柔軟になり、リストピン継ぎ手における摩擦が最小化され、リストピンとピンボス２０との間の擦り減りのリスクが最小化される。さらにまた、凹部３２はスカート部外面３０とシリンダ穴の面の接触面積を最小化するため、スカート部２６とシリンダ穴の面との間に発生する摩擦を減らすことができる。

明らかに、上記の教示に鑑みて本発明のさまざまな変更や変形が可能である。したがって、添付の特許請求の範囲内において、本発明は上記の詳細な説明以外の形で実施することができる。

Claims (6)

1. モノブロックピストンであって、
   上側クラウンを有するピストン本体と、
   前記上側クラウンから延びる一対のピンボスであって、ピンボア軸に沿って互いに整列するピンボアを有する一対のピンボスと、
   前記ピンボスに固着され、横方向に間隔をおいた一対のスカート部であって、前記上側クラウンから最下自由縁まで延び、前記スカート部の少なくとも１つが前記最下自由縁から前記ピンボア軸を越えて上方向に延びる凹部を有するスカート部とを備える、モノブロックピストン。
2. 前記凹部は前記最下自由縁から上方に延び、前記ピンボアの最上部と略接線の関係にある、請求項１に記載のモノブロックピストン。
3. 前記スカート部の両方は前記凹部を有する、請求項２に記載のモノブロックピストン。
4. 前記凹部は略Ｕ字型である、請求項２に記載のモノブロックピストン。
5. 前記ピストン本体は前記凹部を１つのみ有する、請求項１に記載のモノブロックピストン。
6. 前記ピストン本体はスラスト側と反スラスト側とを有し、前記スラスト側の前記スカート部は前記凹部を有し、前記反スラスト側の前記スカート部は前記凹部を有さない、請求項５に記載のモノブロックピストン。

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