JP2656640B2

JP2656640B2 - ピストン組立体および所定の圧縮高さ対半径比を有するピストン部材

Info

Publication number: JP2656640B2
Application number: JP50161388A
Authority: JP
Inventors: ベニーバールハイマー; スティーヴンジーシュープ
Original assignee: KYATAPIRAA Inc
Current assignee: KYATAPIRAA Inc
Priority date: 1988-10-21
Filing date: 1988-12-27
Publication date: 1997-09-24
Anticipated expiration: 2012-09-24
Also published as: JPH03502719A; DE3887344T2; WO1990004711A1; BR8807836A; DE3887344D1; EP0393142B1; EP0393142A1

Description

【発明の詳細な説明】〔技術分野〕本発明は、一般的には、高出力内燃機関用のコンパク
トなピストン組立体に関し、より詳細には、燃焼室内の
高圧力および高温度に耐え得る鋼鉄ピストンを備えたピ
ストン組立体に関する。

〔背景技術〕

ここ数年間においては、自動車の経済性、排気ガスの
減少、エンジン出力の増加に重点が増しつつある。この
重点はまた自動車やエンジンの大きさを減少させること
にも向けられてきた。

現在では、最大で約12,410KPa（1800psi）の燃焼室圧
力の下で作動するエンジンは高出力型のエンジンに改め
られているので、ピストンにはより大きな燃焼室圧力お
よび温度が作用する。1986年４月15日にホルスト・モー
バス（Horst Moebus）に付与された米国特許第4,581,98
3号に開示された冷却ピストンはそのような増加した圧
力および温度に耐え得るピストンを提供しようとするも
のである。しかしながら、この米国特許のピストンの上
部と下部とは溶接により結合されている。これは高コス
トの方法であり、避けることが好ましいものである。

燃焼室の高温度および高圧力に耐え得るより好ましい
機構として、1977年11月１日付けでケネス・R.カムマン
（Kenneth R.Kamman）に付与された米国特許第4,056,04
4号がある。この米国特許においては、二つの部品を連
結した複雑なピストン組立体が示されている。しかしな
がら、実験によって判明したことであるが、現在の技術
で鋳造されたピストンは高強度、安全要素、現在の高燃
焼室圧力エンジンに過度の品質管理を行うことなく要求
される長寿命を備えていない。広範囲に行ったテストに
よれば、鋳造技術に関する実務レベルでは約13,790KPa
（2000psi）以上の燃焼室圧力には耐えられないことが
示された。より詳しく言えば、鋳造鋼鉄ピストンの上部
分の大多数が極度の多孔質であったので実験は早期のう
ちに失敗した。一方、鋳造鋼鉄ピストンのうちの少数は
比較的低度の多孔質として製造されていたので、それら
は厳格なテストにも通過した。鋳造部品の多孔性のレベ
ルを最小にするため種々の試験も行われたが、実務的な
観点から見れば多孔性のレベルは高いままとなってい
る。したがって、品質管理のためにはＸ線で各鋳造ピス
トンを検査することが必要であることがわかったが、こ
れは高コストである。

第二に、鋳造ピストンのグレン（grain）流れによる
利点は無視できる程度のものであり、ピストンの強度が
増すとしても極めてわずかである。燃焼室の圧力および
温度の増加によって、この型式のピストンはエンジンに
損傷を与えたり、自動車の停止を起こしたりすることは
ない。

1987年５月５日付けでラトガー・バーチェム（Rutger
Berchem）に付与された米国特許第4,662,047号には一
部品からなるピストンが開示されている。このピストン
は鋳造ブランクをダイでプレスすることによって曲げ加
工し、環状円筒形カラーを形成することにより製造され
る。しかしながら、この米国特許はピストン直径に対す
る圧縮高さの比を小さくすること、結合比への適応性お
よび高燃焼室圧力型のエンジンについては開示または示
唆していない。

1987年11月10日付けでエミール・リップバーガー（Em
il Ripberger）他に付与された米国特許第4,704,950号
が開示するピストンは単一部品からなり、極めて軽量か
つ低摩擦の非連結式ピストンであり、ピストン直径に対
する圧縮高さの比は0.20〜0.35である。しかしながら、
この米国特許が示す比の範囲では、このピストンを高燃
焼室圧力型エンジンに使用した場合、構造上の結合度が
十分ではないため不適当である。例えば、分析データに
よれば、リングを支持している部分は荷重に耐えきれ
ず、破壊されることがある。

多孔性の程度を考慮することに加えて、連結式ピスト
ンの各部品の形状および強度も、高圧縮荷重および熱応
力に対する耐久性を高め、またコストを低下させるた
め、引き続き考慮すべき必要がある。例えば、M.D.ルー
エル（Roehle）が著した自動車技術者の世界社（Societ
y of Automotive Engineers,Inc.）の770031号の「高出
力ディーゼルエンジン用ピストン」（1977年２月28日発
行）には、それぞれの部品について世界中で行われた多
数の実験が示されている。また、同著では、主に熱応力
を原因として生じる軽量合金やアルミニウムのピストン
のひび割れを最小に抑えるための多くの考察がなされて
いる。その考察の一つとして、リストピンボアの上縁か
らクラウンの下辺までの長さを大きくしてピンボア部分
の応力を減少させようとするものがある。しかしなが
ら、この場合には、エンジンの大きさを小さくしてコン
パクトにし、かつコストを下げるためにピストンのいわ
ゆる臨界高さCH（ピストンの最上面とリストピンの中心
軸との間の垂直距離）を小さくすることがより重要にな
ってくる。

このように、現在求められているものは高出力エンジ
ン用ピストン組立体およびそれに用いるピストンであ
り、約13,790KPa（2000psi）以上、好ましくは約15,170
KPa（2200psi）の範囲の燃焼室圧力において連続的にか
つ効率的に作動し得るピストン組立体およびピストンで
ある。さらに、ピストンは複雑な形状を有さず、比較的
容易に製造し得るものであることが必要である。そのう
え、ピストンの上部分は可能な限り滑らか、かつ対称形
であることが好ましく、これによって応力上昇および／
または熱ひずみを回避することができる。さらに、ピス
トンの圧縮高さCHは、コンパクト性を最大にするため、
可能な限り小さくすることが好ましい。

本発明は以上述べた問題の一または二以上を解決する
ことを目的とする。

〔発明の開示〕

本発明は、高燃焼室圧力エンジンに用いる往復運動を
行う連結式ピストン組立体を提供するもので、このピス
トン組立体は、上部分と下部分を有する鋼鉄ピストン部
材を備え、該上部分はほぼ円筒形状をなし、所定の最大
直径“D"と、頂面と、該頂面から連続している管状壁
と、外方向を向いている環状壁面と、下方を向いている
冷却用環状凹部とを備える。また、下部分は、前述の外
方向を向いている環状壁面と連続している一対の下向き
に伸びるピンボスを備えており、該ピンボスはそれぞれ
同一軸上に並んだリストピン受けボアを形成している。
該同一軸と頂面との間の垂直距離として圧縮高さ“CH"
を定めたとき該圧縮高さ“CH"と最大直径“D"との比が6
0％から45％の範囲内の所定の値であり、全体として、
またはわずかに、最大直径と最小直径とを有する楕円形
状をなし、一対のリストピン受けボアを備えたスカート
が下部分の回りに、リストピン受けボアが最小直径の方
向に向いて該同一軸と整列するように配置される。下部
分のリストピン受けボアとスカートのリストピン受けボ
ア内に摺動自在にリストピンが配置される。さらに、ス
カートは、上部分の下端面と接触していないが、極めて
接近している頂面を有しており、該スカートはこの頂面
に位置するほぼ環状の凹部と、該スカートに冷却流体を
連通させる一対の通路とを有している。

本発明が提供する構造のピストンは、現在および将来
のエンジンにおける燃焼圧力および燃焼温度の増加に耐
え得るための簡単で、低コストで、軽量の解決策を与え
るものである。

〔図面の簡単な説明〕

第１図は本発明に係るエンジンピストン組立体の垂直
方向における断面図、第２図は第１図のII−II線におけるピストン組立体の
部分的断面図、第３図は第１図および第２図に示したピストンの頂面
部分を示す部分的拡大図、第４図は第２図のIV−IV線から見た場合のピストンの
平面図、第５図は第２図のＶ−Ｖ線で切断した場合のピストン
スカートの平面図であり、第６図は第１図および第２図に示したピストンの頂面
部分の部分的拡大断面図であって、鋳造によりつくられ
た部分的な冷却用凹部のみを有する鋳造ピストンの流れ
すじを示しており、第７図は第１図および第２図に示したピストンの頂面
部分の部分的拡大断面図であって、鋳造により深くつく
られた冷却用凹部を有する鋳造ピストンの流れすじを示
している。

〔実施例〕

第１図および第２図には、多気筒型の内燃機関10が示
されている。内燃機関10は、底部ブロック12と、頂部ブ
ロックまたはスペーサー部材14と、シリンダー・ヘッド
16とを備えている。シリンダー・ヘッド16は、複数のフ
ァスナーまたはボルト18がシリンダー・ヘッド16および
頂部ブロック14を通り、底部ブロック12に螺合されてい
ることにより、通常の方法で強固に結合されている。中
間部で支持されているシリンダー・ライナー48は頂部ブ
ロック14に位置する上部分52を有しており、またシリン
ダー・ライナー48の周囲には冷却用流体路が形成されて
いる。内燃機関10は従来型式のものでよい。

内燃機関10は、さらに、冷却オイル発射ノズル74を備
えている。オイル発射ノズル74は底部ブロック12と強固
に結合しており、また加圧オイル供給源（図示せず）と
作動的に連結しており、連結式ピストン組立体76に冷却
用オイルその他を供給する。

内燃機関10のピストン組立体は上部鋼鉄ピストン部材
78と下部アルミニウムピストンスカート80とを備えてお
り、上部ピストン部材78と下部ピストンスカート80は中
心軸84を有する共通のリストピン82に揺動自在に取り付
けられている。リストピン82もまた鋼鉄製であり外部円
筒表面86と、その内部を貫通する円筒ボア88とを有す
る。円筒ボア88は重量減少のために設けられたものであ
る。円錐形状のコネクティング・ロッド90は上部眼状端
部92を備えており、上部眼状端部92の内部にある鋼鉄で
裏打ちされたブロンズスリーブベアリング94はリストピ
ン82と結合しており、リストピン82によって駆動され
る。

第２図に示すように、上部鋼鉄ピストン部材78はほぼ
円筒形状をなしている上部分96を備えており、また所定
の最大直径Ｄを有する。上部分96は頂面98とクラウン表
面100とを有する。頂面98は平坦で、中心軸66に垂直な
平面内に位置している。クラウン表面100は、本実施例
においては、中心軸66の回りに十分に機械加工された回
転表面である。クラウン表面100は、中央部に位置し、
頂面98よりも下方に位置する頂部102と、半径方向外方
にあるほぼ円筒形状のランド部分104と、頂部102とラン
ド部分104とを滑らかに結合している環状トラフ106とを
有している。この頂部102と、環状トラフ106と、ランド
部分104との組み合わせによって燃焼効率が大幅に改善
される。

第３図に最も良く示されているように、上部鋼鉄ピス
トン部材78は、頂面98の外縁部から延びる管状壁108を
備えている。この管状壁108は、その周囲に形成されて
いる頂部ランド100、断面が楔形の頂部リング溝112、上
部中間ランド114、断面が矩形の中間リング溝116、下部
中間ランド118、断面が矩形の底部リング溝120、下端面
124で終わっている底部ランド122を備えている。半径方
向内方に向いている環状の壁面126も管状壁108の一部を
なしており、下端面124から上方に延びている。上部分9
6は、さらに、半径方向外方に向いている環状の壁面128
および下方に向いている連結部130により形成されてい
る。連結部130は壁面126と壁面128とを結合させ、正確
な断面形状を有する環状冷却用凹部132を形成している
ものである。実際には、壁面128は上部円錐部分134と、
その下方に続いている円筒部分136とから形成されてい
る。このうち上部円錐部分134は中心軸66に対して傾斜
角Ａを有しており、これは第３図に示すように約12゜で
ある。一方、壁面126は円錐形であり、約1.7゜の傾斜角
Ｂを有している。環状冷却用凹部132はいかなる形状に
鍛造してもよい。例えば、第６図のように、浅い凹部と
しても良いし、あるいは第７図のように深い凹部として
も良い。さらに第６図および第７図に示すように、鍛造
により得られるグレン流れは想像線に示す通りである。

鋼鉄ピストン部材78はさらに下部分158を備えてい
る。下部分158は一対の従属ピンボス160を備えており、
この従属ピンボス160は上部分96の壁面128と結合し、ま
た上部分96により形成される下方を向いている凹部ポケ
ット162と結合している。凹部ポケット162はクラウン表
面100の頂部102からほぼ均一に隔置されており、第２図
および第３図に示すように、約4mmまたは5mmのほぼ均一
な厚さのクラウン164を形成している。さらに、これら
の形状により比較的薄く、ほぼ円錐形の方向をなしてい
るウェブ166がクラウン表面の環状トラフ106及びそれと
並んでいるランド部分104と、壁面128との間に形成され
ている。ウェブ166は約４〜7mmの最小厚さＷを有する。
ピンボス160にはそれぞれピンボス160を貫通するボア16
8が形成されており、ボア168はそれぞれ鋼鉄で裏打ちさ
れたブロンズベアリングスリーブ170が嵌めこまれるよ
うになっている。これらのベアリングスリーブ170は軸
方向に整列されてリストピン82を枢動自在に受け入れ
る。

ピストンスカート80は、ピストン部材78の上部分96の
下端面124と接触はしていないが、極めて近接している
頂面172を有しており、頂面172には上方を向いている環
状のオイルトラフ174が形成されている。頂面172の周囲
からはわずかに楕円形をなす外周面176が延びている。
ピストンスカート80は最大直径177および最小直径177b
を有している。ピストンスカート80を貫通して一対のリ
ストピン受けボア178が整列して形成されており、リス
トピン受けボア178は軸方向において最小直径177bと整
列している。さらに、各ボア178にはスナップリング受
け溝180が形成されている。ピストンスカート80は、こ
のように、双方のリストピン受けボア178内を摺動自在
に挿入できるように設けられているリストピン82に枢動
自在に取り付けられている。リストピン82は、スナップ
リング受け溝180にそれぞれ配置されている一対のスプ
リット保持リング182によって軸84の方向にリング182を
越えて動かないようにされている。

軸方向を向いている一対のボス184がピストンスカー
ト80内に設けられており、このボス184を貫通して軸方
向に延びる一対の潤滑剤通路186が設けられている。第
５図に示すように、潤滑剤通路186は対角線方向に向か
い合って設けられており、これによって、ピストンスカ
ート80は二通りの位置においてリストピン82に取り付け
ることができるので、少なくとも一方の潤滑剤通路186
はオイル発射ノズル74と軸方向に整列する。ピストンス
カート80には、その底部において下方を向いて開口して
いる半円筒形凹部188が対角線方向に向かい合って設け
られており、ピストンスカート80がその最下端位置まで
下降したときにオイル発射ノズル74との間にクリアラン
スが生じるようにしている。

〔産業上の利用可能性〕

本発明における鋼鉄ピストン部材78は連結式ピストン
組立体76に用いられる。連結式ピストン組立体は燃焼室
の圧力が15,170KPa（2200psi）になるような高燃焼室圧
力エンジン10に用いられる。この連結式ピストン組立体
76によって出力を増大させることができ、またエンジン
の大きさを小さくすることが可能になる。第１図に示す
ように、連結式ピストン組立体76が用いられるエンジン
10は中間支持式シリンダー・ライナー48を有し、二つの
シリンダー・ブロック12、14を備えているものである。
液体冷却剤は二つのブロックのうちの頂部ブロック14の
内部のみを流れ、ピストン組立体に対して優れた冷却効
果すなわち熱消散効果を発揮する。

作動においては、連結式ピストン組立体76は下死点ま
で下方に運動する。この下死点においては、オイル発射
ノズル74が該ノズル74と整列しているスカート通路186
を介して潤滑剤オイルを発射する。オイルは上方に噴射
を続け、ピストン部材78の冷却用凹部132の表面と接触
し、その表面周囲に反対方向にはねかかる。潤滑剤オイ
ルの大部分はピストン組立体76が往復運動する際にスカ
ートトラフ174に溜まり、次いでピストン部材内部に均
等に分散する。

第３図を参照すると、冷却用凹部132の頂部はピスト
ン部材の頂面98の直下にあり、頂面98からの垂直距離Ｅ
は約5mmである。結論としては、ピストン直径Ｄに対す
る垂直距離Ｅの比は約0.10以下とすべきであり、好まし
くは約0.04〜0.06である。ある実施例においては、直径
Ｄは124mm、垂直距離Ｅは5.5mmであり、上記のピストン
直径−垂直距離の比は約0.044であった。

同じ実施例において頂面98とリストピン中心軸84との
間の垂直距離CHは70mmであった。したがって、直径Ｄに
対する垂直距離CHの比は約0.56であった。したがって、
このことから結論されることは、直径Ｄに対する垂直距
離CHの比は約0.60以下であるべきであり、好ましくは約
0.60〜0.45の範囲である。

以上述べた数値的な制限に加えて、連結式ピストン組
立体76は特定の方法によって、ある材質を用いて製造さ
れることが好ましい。例えば、上部鋼鉄ピストン部材78
は、基本的には4140改良鋼である合金鋼から鍛造するこ
とが好ましい。

同様に、下部アルミニウムピストンスカート80は、基
本的にはSAE321−T6改良アルミニウムである改良アルミ
ニウムから鍛造することが好ましい。

以上述べた合金鋼はクラスII鍛造に特に向いており、
高燃焼室圧力エンジンにおける高燃焼圧力に対して耐え
得ることが望まれているオーステナイト粒度５、または
より微細な粒子を提供することができる。このように、
第６図および第７図に示すように、主にウェブ166にお
けるグレン流れ、および粒度によって、圧力その他の力
に対して抵抗でき、またはその力を他に伝達でき、今日
の高燃焼室圧力エンジンに望まれている高強度、安全性
の要素、長寿命が達成できる。

以上述べた鍛造アルミニウム合金は大きい硬度、優れ
た耐摩耗特性、比較的小さい熱膨張係数を有している。

フロントページの続き (56)参考文献特開昭59−58137（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−58956（ＪＰ，Ａ) 米国特許4180027（ＵＳ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】上部分（96）と下部分（158）を有する鋼
鉄ピストン部材（78）を備え、前記上部分（96）は、ほぼ円筒形状をなし、所定の最大
直径“D"と、頂面（98）と、該頂面（98）から連続して
いる管状壁（108）と、外方向を向いている環状壁面（1
28）と、下方を向いている冷却用環状凹部（132）とを
備え、前記下部分（158）は、前記外方向を向いている環状壁
面（128）と連続している一対の下向きに延びるピンボ
ス（160）を備えており、該ピンボス（160）はそれぞれ
同一軸（84）上に並んだリストピン受けボア（168）を
形成しており、前記同一軸（84）と前記頂面（98）との間の垂直距離と
して圧縮高さ“CH"を定めたとき該圧縮高さ“CH"と前記
最大直径“D"との比が60％から45％の範囲内の所定の値
であり、全体として、またはわずかに、最大直径と最小直径とを
有する楕円形状をなし、一対のリストピン受けボア（17
8）を備えたスカート（80）が前記下部分（158）の回り
に、前記リストピン受けボア（178）が前記最小直径の
方向に向いて前記同一軸（84）と整列するように配置さ
れ、前記下部分（158）の前記リストピン受けボア（168）と
前記スカート（80）の前記一対のリストピン受けボア
（178）内に摺動自在にリストピン（82）が配置されて
おり、前記スカート（80）は、前記上部分（96）の下端面（12
4）と接触していないが、極めて接近している頂面（17
2）有しており、前記スカート（80）は、前記頂面（172）に位置するほ
ぼ環状の凹部（174）と、該スカート（80）に冷却流体
を連通させる一対の通路（186）とを有している、こと
を特徴とする、高燃焼室圧力エンジン（10）に用いる往
復運動を行う連結式ピストン組立体（76）。
【請求項２】前記上部分（96）及び前記下部分（158）
は、一体的に鋼鉄により鍛造成形されていることを特徴
とする請求項（１）に記載の連結式ピストン組立体（7
6）。
【請求項３】前記冷却用環状凹部（132）は、前記頂面
（98）の下方に位置していることを特徴とする請求項
（１）に記載の連結式ピストン組立体（76）。
【請求項４】前記上部分（96）は、クランク表面（10
0）を有していることを特徴とする請求項（３）に記載
の連結式ピストン組立体（76）。
【請求項５】前記クラウン表面（100）は、中央に位置
する頂部（102）と、該クラウン表面（100）と連続して
いる環状トラフ（106）とを有していることを特徴とす
る請求項（４）に記載の連結式ピストン組立体（76）。
【請求項６】前記凹部（174）は、前記冷却流体を貯
え、前記ピストン組立体（76）が往復運動している間
に、その冷却流体を前記凹部（174）に対して跳ねかけ
ることを特徴とする請求項（１）に記載の連結式ピスト
ン組立体（76）。
【請求項７】前記一対のリストピン受けボア（178）の
それぞれは内面を有し、この各内面には環状リング溝
（180）が形成されていることを特徴とする請求項
（６）に記載の連結式ピストン組立体（76）。
【請求項８】前記リストピン（82）を保持するためのス
ナップリング（182）が前記溝（180）のそれぞれに配置
されていることを特徴とする請求項（７）に記載の連結
式ピストン組立体（76）。