JP6184977B2 - 放熱用ピストンピン - Google Patents

Description

関連出願との相互参照
無し
発明の背景
発明の分野
本発明は、内燃機関のためのピストンに関し、特に、ピストン本体をコネクティングロッドに相互接続させるためにピストンアセンブリにおいて使用されるリストピンに関する。

関連する技術
内燃機関において使用されるピストンアセンブリは、使用の際、極めて高い温度、力および慣性に晒される。そのようなエンジンの最適な動作は、強い軽金属合金から典型的に製造されるピストンアセンブリの構成要素の温度を入念に管理することを必要とする。

ディーゼルエンジン用途において長く守られている慣行は、様々なジョイントのための潤滑剤およびピストンクラウンから熱を取出す冷媒の両方として機能するようにピストンアセンブリの通路を通って潤滑油を循環させることである。１９５６年４月２４日付でＳｍｉｔｈに対して発行された米国特許番号第２，７４２，８８３号は、冷却油が中空のリストピンを通って運ばれ、次にピストンヘッドのクラウンの真下に形成された上側孔に移動されるピストンアセンブリを開示している。

別の例では、１９７２年１１月７日付でＺｏｌｌｎｅｒに対して発行された米国特許番号第３，７０２，０９２号は、完全に貫通して延在する複数の開いた風洞または通路が形成された軽量のリストピンアセンブリを開示している。通路は円形であってもよいし、他の形状および２〜６の数の範囲を有していてもよい。ある例では、通路は完全に貫通して延在せず、内部で止められ、リストピンの一端においてのみ開いている。リストピン内の止まり穴または通路は、この場合は減量化の目的で作成される。

さらに別の例では、１９９７年２月１日付でＷｉｚｅｍａｎｎ他に対して発行された米国特許番号第４，００５，６８６号は、加圧された冷却液（つまり潤滑油）をコネクティングロッドから受取るように開いている中空の通路を有するリストピンを含むピストンアセンブリを開示している。油は、リストピンを通って、ピストンヘッドまたはクラウン領域に引回される。

少なくともディーゼル機関用途においては、０．４ｋＷ／ｃｍ^２以上の熱負荷の下で作動するピストンは一般に、２７０℃未満の温度を維持するために、強制的なピストン冷却を必要とすると言われている。したがって６気筒の大型トラックエンジンでは少なくとも２ｋＷが必要とされ、エンジンの寸法および／または比出力（ｋＷ／リットル）が増大するにつれて、さらにより多くが必要とされる。この強制的なピストン冷却は、寄生損失を意味する。すなわち、いずれかの対応する有用なパワーが生じることなくこの冷却液を移動させるために、燃料が燃焼される。

したがって当該分野には、強制冷却に伴う損失を低減するかまたは完全に排除する目的で、吸収された熱をピストンのクラウンから除去するためのより効果的かつ効率的な手段を提供する必要がある。したがって、先行技術のエンジンシステムに固有の寄生損失を回復する目的で、向上した方法が要求される。

内燃機関において使用される種類のピストンアセンブリのためのリストピンが提供される。リストピンは、閉鎖端を有する概ね円筒状の外面を備える。密封されたキャビティが、閉鎖端において外面の内部に形成される。固定量の熱伝達媒体がキャビティ内部に貯留される。

リストピンの密封されたキャビティ内部に貯留された伝熱媒体は、付加的なヒートシンクとして機能して、ピストンアセンブリ内の熱負荷を管理するのを助け、それにより、他の場合ならばピストンアセンブリ中を強制的に冷却液を通らせることが必要とされる寄生損失を減少させる。換言すると、リストピン内の密封されたキャビティは、連結されるピストン本体のピンボス構造から直接熱を吸収する熱交換器として機能し、それゆえピストンクラウンからの伝導熱移動を可能にする。

本発明の別の局面によれば、内燃機関において使用するためのピストンアセンブリが提供される。ピストンアセンブリは、一対のピンボスを含むピストン本体を備える。各ピンボスはピン孔を有する。ピン孔は共通のピン孔軸に沿って位置し、周方向に延在するピン孔面を各々が有する。２つのピン孔面は、介在する間隙または空間によって互いから離間される。コネクティングロッドは、ピンボス間の介在する空間に配置された上端部を有する。リストピンがピストン本体のピン孔内に配置され、コネクティングロッドの上端部に動作可能に接続されて、ピストン本体とコネクティングロッドとを旋回可能に相互接続する。リストピンは、密封されたキャビティをその中に含む。固定量の熱伝達媒体が密封されたキャビティ内部に貯留される。

本発明は、付加的なヒートシンクとしてリストピンを使用するという独特かつ比較的安価な解決策を提供し、それによって、しきい値温度下限未満の温度を維持するために強制的なピストン冷却を必要とする先行技術システムに固有の寄生損失を回復させることに、エンジン技術を一歩近付かせる。

図面の簡単な説明
本発明のこれらおよび他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および添付の図面に関連して考慮されると、より容易に理解されるようになるであろう。

例示的なピストン本体を部分断面図で示すピストンアセンブリの分解斜視図である。 発明の一実施形態に係る別の例示的なピストンアセンブリの横断面図である。 概ね図１の線３−３に沿ったリストピンの横断面図である。 図３のような横断面図であるが、密封されたキャビティの代替的な実施形態を示す図である。 リストピンおよびコネクティングロッドが一体型ユニットとして形成される別の代替的な実施形態に係るピストンアセンブリの分解図である。 概ね図５の線６−６に沿った横断面図である。

好ましい実施形態の詳細な説明
図を参照して、同じ数字はいくつかの図にわたって同じかまたは対応する部品を示し、発明の好ましい実施形態に従って構成されたピストンアセンブリが図１および図２において概ね１０に示される。ピストンアセンブリ１０は、概ね１２に示されるピストン本体を含む。ピストン本体は単一片または複片型であっても、開いたもしくは閉じた孔または他の構造が形成されていてもよい。図１および図２に示されるそれらの設計は、本発明の好ましい実装例であるディーゼルエンジンでの使用が意図されているが、本発明の新規な概念が実施され得る排他的な手段ではない。結果として、本発明は、図示されているディーゼル機関型に加えて、ガソリン、天然ガスおよび他の種類の内燃機関に適用可能である。ピストン本体１２は、これらの例では燃焼クレーターまたはボウル１６をその上端に有するクラウン１４が形成されている。概ね円筒状のスカート１８がクラウン１４から下方に延在する。従来のやり方でピストンリングを含むように意図された１本以上のリング溝２０を含むように、クラウン１４とスカート１８との間にリングベルトを形成してもよい。一対のピンボス２２がクラウン１４の下側から下方に延在し、概ねスカート１８の境界内に配置される。各ピンボス２２には、ピン孔２４が形成されている。ピン孔２４は、共通のピン孔軸Ａに沿って配置され、介在する空間または間隙によって互いから離間された周方向に延在するピン孔面を各々が有する。典型的に、ピン孔２４はスカート１８を通って延在する。

コネクティングロッドは、概ね２６に示される。コネクティングロッド２６は、回転クランクシャフト（図示せず）を往復動ピストン本体１２に動作可能に相互接続させるために内燃機関において使用されるいずれかの好適な種類であり得る。特に、図示された例におけるコネクティングロッド２６は、一般に小端部とも称される上端部２８を有する。コネクティングロッド２６は、下端部３０、および上端部２８と下端部３０との間に延在するシャンク３２も含む。典型的に、コネクティングロッド２６全体は、鋳造もしくは鍛造作業、または他の好適な製造プロセスで作製された一体構造として形成される。コネクティングロッド２６の下端部３０は、従来のやり方のいずれかでクランクシャフトに連結されるように設計される。

ピストンアセンブリ１０内では、コネクティングロッド２６の上端部２８は、ピストンアセンブリ１２のピンボス２２間の介在空間に配置される。最も典型的でありかつ好ましい実施形態では、上端部２８に、ピン孔２４の直径と等しい直径の大きさであり得る小端孔３４が形成される。小端孔３４は、ピン孔２４と共に中心決めされるように、ピン孔軸Ａに沿っても位置合わせされる。

本発明に係るリストピンは、概ね３６に示される。リストピンは、閉鎖端３８を有する概ね円筒状の構造であることが好ましい。リストピン３６は、直径および長さ双方の点から、ピン孔２４および小端孔３４内にぴったり嵌合し、かつそれぞれのピン孔２４においてクリップ溝４０に据え付けられたばねクリップによって所定の位置に保持されるように寸法決めされる。このように、リストピン３６は、ピストン本体１２がシリンダボア（図示せず）において直線的に往復運動することができ、コネクティングロッド２６がその下端部３０の、回転クランクシャフト（図示せず）との接続によって概ね平面動作を受けるように、ピストン本体１２とコネクティングロッド２６とを旋回可能に相互接続する。

おそらく図３に最良に示されるように、リストピン３６は、概ね４２に示される密封されたキャビティを含む。固定量の熱伝達媒体４４が密封されたキャビティ４２内部に貯留される。伝熱媒体４４は、ピストン本体１２の往復運動中の「カクテルシェーカ」動作によってキャビティ４２の内壁からの熱抽出を行うことができるように、密封されたキャビティ４２内部の利用可能な空間を部分的にのみ充填することが好ましい。液体、ペレット状の固形材料、ならびに低温可融金属および合金を含むいずれかの好適な材料が伝熱媒体４４に使用され得る。可融合金は、容易に融解することができる、つまり比較的低温で容易に溶融可能な合金である。可融合金は、一般に、しかし必ずではないが、共融合金である。溶融した可融合金は、加熱下で安定しており、かつ多くの他の冷却液よりはるかに高い熱伝導度を与えることができるため、冷却液として使用することができることが知られている。特に、これは、インジウムまたはナトリウムなどの高い熱伝導度を有して作製された合金の場合であり得る。他の好適な可融金属合金は、リチウム系材料、およびナトリウム‐カリウムなどの液体を含む。他の好適な冷却材料は、銅またはアルミニウムを添加したシリコーンオイルを含んでもよい。密封されたキャビティ４２内部の冷却液の容積は変動することがある。いわゆる「カクテルシェーカ」効果を促進するために、密封されたキャビティ４２の容量が１０〜５０％充填されることが好ましい。図３に示されるように、密封されたキャビティ４２は、リストピン３６にライフルドリル加工（rifle-drilled）され、閉鎖端３８によって封止される複数の別個の区画４６で構成されてもよい。この例では、１つの区画４６内の伝熱媒体４４が別の区画４６に移動することができないように、区画４６は互いに分離される。

図４は、図３のような横断面図であるが、鋳造、焼結、またはブランクからの機械加工を含むいずれかの好適な方法によって形成されたカルトゥーシュ（cartouche）として密封されたキャビティ４２′を形成することができる代替的な実施形態を表す。この例では、同じかまたは対応する部品を先の実施形態で導入された同じ参照符号で示すためにダッシュ記号を用いる。密封されたキャビティ４２′は、選択された冷却液４４′で部分的に充填され、容積範囲はすでに特定されている。キャビティ４２′の内部輪郭は区画４６′を形成する。区画４６′は互いに分離されてないものの、実際には互いに開放されているため、１つの区画４６′の伝熱媒体４４′は別の区画４６′に移動することができる。密封されたキャビティ４２′の内部輪郭は一例としてここに示されるにすぎず、当業者は、処理に適合するように形状および輪郭を変化させることができると認識する。本実施形態は、カルトゥーシュが薄いスチールシェル４８′に圧入または締まり嵌めされ、さらにはコネクティングロッドとピストン本体とを相互接続させるための耐久性のある外面またはスリーブをもたらす概念も実証する。換言すると、シェル４８′は、ピン孔に対抗する軸受要素として作用することになる。カルトゥーシュは、負荷に耐えるのに必要な構造的剛性をスチールシェル４８′に与えることになる。

図５および図６を参照して、ピストンアンダークラウンに機械加工されたサドル１２４に支えられるようにリストピン１３６が設計される本発明の一層さらなる実施形態が示される。図５および図６の実施形態では、上で採用されたものと同じかまたは対応する参照符号に１００が付される。この場合、コネクティングロッド１２６およびリストピン１３６は、一体構造として互いに一体的に接続される。２つの構成要素間は、ボルト締め、溶接等を含むいずれかの好適な技術によって取付けることができる。キャップ軸受１５０がピンボス１２２に依存するスタッド１５４にナット１５２によって取付けられている。キャップおよび上部軸受表面は、マンガンリン酸塩のような減摩コーティング、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクコーティング）、ＰＶＤ処理に由来したコーティング、およびクロムマトリックスおよびナノダイヤモンドによって含まれるＲｏＣ（ロバストコーティング）で覆われてもよい。このように、リストピン１３６は、周知の方法での機能的な接合のためにピン孔軸に沿って取込まれる。

図６に示されるように、リストピン１３６およびコネクティングロッド１２６は、リストピン１３６およびコネクティングロッドシャンク１３２の長さにある程度食い込む、一致したライフルドリル加工で形成されてもよい。シャンク１３２内の密封されたキャビティは、参照符号１５６によって示される。このキャビティ１５６も、選択された冷却液で、かつ先に特定されたのと同じ容積範囲で充填される。この構成の特別な利点は、ピストン本体１１２からの熱負荷が、リストピン１３６／コネクティングロッド１２６の対に放散され、伝熱媒体１４４を介してコネクティングロッドシャンク１３２に効果的に伝達されるという点である。コネクティングロッド１２６は次いで、クランクピン（図示せず）を流れる油膜（図示せず）と、アセンブリ１１０が配置される内燃機関のクランクケース（図示せず）内部のオイルミストおよび空気とに、この熱を伝達する。当業者には理解されるように、記載した熱伝達経路は、このアセンブリ１１０内の構成要素の典型的な原動力、およびクランクケース環境に関連する非常に速い相対速度により、非常に効果的である。

前述の発明は関連する法的基準に従って記載されており、ゆえに記載は本質的に限定ではなく例示である。開示した実施形態に対する変更および修正が当業者にとって明白となり、発明の範囲内にあり得る。

Claims (14)

1. 内燃機関において使用される種類のピストンアセンブリのためのリストピンであって、
   前記リストピンは、
   閉鎖端を有する概ね円筒状の外面と、
   前記外面および閉鎖端の内部の密封されたキャビティと、
   前記キャビティ内部に貯留された固定量の熱伝達媒体とを備え、
   前記密封されたキャビティは、複数の別個の区画を含み、
   前記複数の別個の区画は互いに開放されており、１つの前記区画における前記熱伝達媒体は別の前記区画に移動し、
   スチールシェルが、前記概ね円筒状の外面の周りに配置される、リストピン。
2. 前記密封されたキャビティはある容積を有し、前記熱伝達媒体は、前記容積を部分的にのみ充填する、請求項１に記載のリストピン。
3. 前記熱伝達媒体は、前記密封されたキャビティの容積を約１０〜５０％の範囲で充填する、請求項２に記載のリストピン。
4. 前記熱伝達媒体は、低温可融組成を含む、請求項１に記載のリストピン。
5. 内燃機関において使用される種類のピストンアセンブリのためのリストピンであって、
   前記リストピンは、
   閉鎖端を有する概ね円筒状の外面と、
   前記外面および閉鎖端の内部の密封されたキャビティと、
   前記キャビティ内部に貯留された固定量の熱伝達媒体とを備え、
   コネクティングロッドをさらに含み、前記コネクティングロッドは、一体構造として前記リストピンに直接接続された上端部を有し、前記コネクティングロッドは、その前記上端部から延在するシャンクを含み、前記シャンクは、ある量の前記熱伝達媒体を含む密封されたキャビティをその中に含む、リストピン。
6. 前記シャンク内の前記密封されたキャビティは、前記リストピンの前記密封された通路と流体連通している、請求項５に記載のリストピン。
7. 内燃機関において使用するためのピストンアセンブリであって、前記ピストンアセンブリは、
   ピストン本体を備え、前記ピストン本体は一対のピンボスを含み、前記ピンボスの各々はその中にピン孔を有し、前記ピン孔は共通のピン孔軸の周りに配置され、介在する空間によって互いから離間された周方向に延在するピン孔面を各々が有し、さらに、
   コネクティングロッドを備え、前記コネクティングロッドは、前記ピンボス間の前記介在する空間に配置された上端部を有し、さらに、
   リストピンを備え、前記リストピンは、前記ピストン本体の前記ピン孔内に配置され、
   前記コネクティングロッドの前記上端部に動作可能に接続されて、前記ピストン本体と前記コネクティングロッドとを旋回可能に相互接続し、前記リストピンは、密封されたキャビティをその中に含み、固定量の熱伝達媒体が前記密封されたキャビティ内部に貯留され、
   前記密封されたキャビティは、複数の別個の区画を含み、
   前記複数の別個の区画は互いに開放されており、１つの前記区画における前記熱伝達媒体は別の前記区画に移動し、
   スチールシェルが、前記リストピンの外面の周りに配置される、ピストンアセンブリ。
8. 前記密封されたキャビティはある容積を有し、前記熱伝達媒体は、前記容積を部分的にのみ充填する、請求項７に記載のアセンブリ。
9. 前記熱伝達媒体は、前記密封されたキャビティの容積を約１０〜５０％の範囲で充填する、請求項８に記載のアセンブリ。
10. 前記熱伝達媒体は、低温可融組成を含む、請求項７に記載のアセンブリ。
11. 前記低温可融組成は、本質的に金属、合金、ＮａＫ、およびシリコーンオイルからなる群から選択される、請求項１０に記載のアセンブリ。
12. 内燃機関において使用するためのピストンアセンブリであって、前記ピストンアセンブリは、
    ピストン本体を備え、前記ピストン本体は一対のピンボスを含み、前記ピンボスの各々はその中にピン孔を有し、前記ピン孔は共通のピン孔軸の周りに配置され、介在する空間によって互いから離間された周方向に延在するピン孔面を各々が有し、さらに、
    コネクティングロッドを備え、前記コネクティングロッドは、前記ピンボス間の前記介在する空間に配置された上端部を有し、さらに、
    リストピンを備え、前記リストピンは、前記ピストン本体の前記ピン孔内に配置され、
    前記コネクティングロッドの前記上端部に動作可能に接続されて、前記ピストン本体と前記コネクティングロッドとを旋回可能に相互接続し、前記リストピンは、密封されたキャビティをその中に含み、固定量の熱伝達媒体が前記密封されたキャビティ内部に貯留され、
    前記コネクティングロッドは、その前記上端部から延在するシャンクを含み、前記シャンクは、ある量の前記熱伝達媒体を含む密封されたキャビティをその中に含む、アセンブリ。
13. 前記シャンク内の前記密封されたキャビティは、前記リストピンの前記密封された通路と流体連通している、請求項１２に記載のアセンブリ。
14. 内燃機関において使用するためのピストンアセンブリであって、前記ピストンアセンブリは、
    ピストン本体を備え、前記ピストン本体はクラウンと、前記クラウンから下方に延在する概ね円筒状のスカートと、前記クラウンに隣接して前記スカートに形成された少なくとも１本のリング溝と、前記クラウンから下方に延在し、概ね前記スカート内に配置された一対のピンボスとを有し、前記ピンボスの各々は、ピン孔をその中に有し、前記ピン孔は共通のピン孔軸の周りに配置され、介在する空間によって互いから離間された周方向に延在するピン孔面を各々が有し、さらに、
    コネクティングロッドを備え、前記コネクティングロッドは、上端部、下端部、および前記上端部と下端部との間に延在するシャンクを有し、前記上端部は、前記ピンボス間の前記介在する空間に配置され、前記コネクティングロッドの前記下端部は、回転クランクシャフトにジャーナル連結するように適合化されたクランク孔を含み、さらに、
    リストピンを備え、前記リストピンは、前記ピストン本体の前記ピン孔内に配置され、前記コネクティングロッドの前記上端部に動作可能に接続されて、前記ピストン本体と前記コネクティングロッドとを旋回可能に相互接続し、前記リストピンは、密封されたキャビティをその中に含み、固定量の熱伝達媒体が前記密封されたキャビティ内部に貯留され、前記熱伝達媒体は、低温可融組成を含み、
    前記密封されたキャビティは、複数の別個の区画を含み、
    前記複数の別個の区画は互いに開放されており、１つの前記区画における前記熱伝達媒体は別の前記区画に移動し、
    スチールシェルが、前記リストピンの外面の周りに配置される、ピストンアセンブリ。

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