(57)【要約】  熱効率、燃料消費およびエンジンの性能を向上させるために設計される空洞なしの鋼鉄ピストン（１０，１）が提供される。ピストン（１０，１）は、鋼鉄本体部分と、燃焼室から本体部分まで伝えられる熱の量を低減するために上部燃焼表面（１６）および／またはリングベルト（３２）に適用される熱障壁層（１２，３２）とを含む。熱障壁層（１２，３２）は、鋼鉄本体部分の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する。熱障壁層（１２，３２）は、典型的には、セラミック材料の総重量に基づいて９０〜１００重量％の量で、セラミック材料、たとえば、セリア、セリア安定化ジルコニア、および／またはセリア安定化ジルコニアとイットリア安定化ジルコニアの混合物を含む。熱障壁層（１２，３２）は、１００重量％の金属結合材料から１００重量％のセラミック材料まで徐々に遷移する勾配構造も有し得る。
2019505729.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空洞なしのピストンであって、
鋼鉄で形成される本体部分を備え、
前記本体部分は、下方クラウン表面を含む上壁を含み、
前記下方クラウン表面は、前記ピストンの下側から見たときに露出しており、
前記上壁は、前記下方クラウン表面の反対側の上部燃焼表面を含み、前記空洞なしのピストンは、
前記上壁から垂下し、前記ピストンの中心長手方向軸の周りに周方向に延在するリングベルトと、
前記上壁から垂下する一対のピンボスと、
前記リングベルトから垂下し、前記ピンボスに連結される一対のスカートパネルと、
前記上部燃焼表面の少なくとも一部および／または前記リングベルトの少なくとも一部に適用される熱障壁層とを備え、前記熱障壁層は、前記本体部分の前記鋼鉄の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する、空洞なしのピストン。
【請求項２】
前記熱障壁層は、セラミック材料を含む、請求項１に記載の空洞なしのピストン。
【請求項３】
前記熱障壁層の前記セラミック材料は、セリア、セリア安定化ジルコニア、およびセリア安定化ジルコニアとイットリア安定化ジルコニアの混合物のうちの少なくとも１つを含む、請求項２に記載の空洞なしのピストン。
【請求項４】
前記熱障壁層の前記セラミック材料は、前記セラミック材料の総重量に基づいて９０〜１００重量％の量のセリアを含む、請求項３に記載の空洞なしのピストン。
【請求項５】
前記セラミック材料の前記セリアは、２１℃で１０Ｅ−６〜１１Ｅ−６の範囲にある熱膨張係数を有し、前記本体部分の前記鋼鉄は、２１℃で１１Ｅ−６〜１４Ｅ−６の範囲にある熱膨張係数を有する、請求項４に記載の空洞なしのピストン。
【請求項６】
前記熱障壁層の前記セラミック材料は、前記セラミック材料の総重量に基づいて９０〜１００重量％の量のセリア安定化ジルコニアを含む、請求項３に記載の空洞なしのピストン。
【請求項７】
前記熱障壁層の前記セラミック材料は、前記セラミック材料の総重量に基づいて９０〜１００重量％の量のセリア／イットリア安定化ジルコニアを含む、請求項３に記載の空洞なしのピストン。
【請求項８】
前記セラミック材料は、１Ｗ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導率を有する、請求項３に記載の空洞なしのピストン。
【請求項９】
前記熱障壁層は、勾配構造を有する、請求項１に記載の空洞なしのピストン。
【請求項１０】
前記熱障壁層は、前記上部燃焼表面および／または前記リングベルトに適用される金属結合材料を含み、前記熱障壁層は、前記熱障壁層の総重量に基づいて１００重量％の前記金属結合材料から１００重量％のセラミック材料まで徐々に遷移し、前記熱障壁層の最も上側の部分は、全体的に前記セラミック材料で形成されている、請求項９に記載の空洞なしのピストン。
【請求項１１】
前記セラミック材料は、セリア、セリア安定化ジルコニア、およびセリア安定化ジルコニアとイットリア安定化ジルコニアの混合物のうちの少なくとも１つを含み、前記金属結合材料は、鋼鉄または超合金を含む、請求項１０に記載の空洞なしのピストン。
【請求項１２】
前記金属結合材料は、前記金属結合材料の総重量に基づいて１００重量％の量の金属からなり、前記セラミック材料は、前記セラミック材料の総重量に基づいて１００重量％の量のセラミックからなり、前記熱障壁層は、前記金属結合材料および前記セラミック材料のみからなる、請求項１０に記載の空洞なしのピストン。
【請求項１３】
前記熱障壁層は、５００ミクロン未満の厚さを有する、請求項１に記載の空洞なしのピストン。
【請求項１４】
前記本体部分は、前記鋼鉄の単一片で形成されており、複数のストラットが前記スカートパネルを前記ピンボスに連結し、前記本体部分は、前記下方クラウン表面に沿って延在し、かつ前記スカートパネルおよび前記ストラットおよび前記ピンボスに取り囲まれる内側下方クラウン領域を提示し、一対の下方クラウンポケットが前記下方クラウン表面に沿って延在し、各下方クラウンポケットは、前記ピンボスのうちの１つおよび前記スカートパネルのうちの１つおよび１つの前記ピンボスを１つの前記スカートパネルに連結する前記ストラットに取り囲まれ、前記本体部分は、冷却空洞床、または前記下方クラウン表面に沿って冷却空洞を画定するまたは部分的に画定する他の構成を有しない、請求項１に記載の空洞なしのピストン。
【請求項１５】
前記本体部分は、前記鋼鉄の単一片で形成されており、
前記鋼鉄は、２１℃で１１Ｅ−６〜１４Ｅ−６の範囲にある熱膨張係数を有し、
複数のストラットが前記スカートパネルを前記ピンボスに連結し、
前記本体部分は、前記下方クラウン表面に沿って延在し、かつ前記スカートパネルおよび前記ストラットおよび前記ピンボスに取り囲まれる内側下方クラウン領域を提示し、
一対の下方クラウンポケットが前記下方クラウン表面に沿って延在し、
各下方クラウンポケットは、前記ピンボスのうちの１つおよび前記スカートパネルのうちの１つおよび１つの前記ピンボスを１つの前記スカートパネルに連結する前記ストラットに取り囲まれ、
前記本体部分は、冷却空洞床、または前記下方クラウン表面に沿って冷却空洞を画定するまたは部分的に画定する他の構成を有さず、
前記上部燃焼表面は、前記上壁の外周に沿って延在する実質的に平面の表面として形成される環状の第１部分と、燃焼ボウルを形成する第２部分とを含み、
前記上部燃焼表面の前記第２部分は、前記第１部分から垂下する非平面の、凹状のまたは波状の表面を有し、
前記リングベルトは、上部ランドと、１つ以上の対応するピストンリングの受容のための複数のリング溝とを含み、
前記上部ランドは、前記上部燃焼表面から前記リング溝の最も上側のものまで延在し、
前記ピンボスは各々、ピンボアを有し、
前記ピンボアは各々、凹状である最上面を有し、
前記下方クラウンポケットは、前記ピンボスの径方向外側に位置し、
各下方クラウンポケットの少なくとも一部は、前記下方クラウン表面の一部を形成し、
前記ピンボスおよび前記スカートパネルおよび前記ストラットは、前記ストラットの最も下側の表面および前記スカートパネルから前記下方クラウン表面まで延在する前記内側下方クラウン領域を画定し、
対向する前記スカートパネルと対向する前記ピンボスとの間に配置される前記下方クラウンの少なくとも中央部分は、前記ピストンの前記下側から見たときに凹状であり、
前記熱障壁層は、前記上部燃焼表面のすべて、および前記リングベルトの前記上部ランドに適用され、
前記熱障壁層は、５００ミクロン未満の厚さを有し、
前記熱障壁層は、セラミック材料を含み、
前記熱障壁層の前記セラミック材料は、前記セラミック材料の総重量に基づいて９０〜１００重量％の量で、セリア、セリア安定化ジルコニア、およびセリア安定化ジルコニアとイットリア安定化ジルコニアの混合物のうちの少なくとも１つを含み、
前記セラミック材料は、１Ｗ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導率を有し、
前記セラミック材料の前記セリアは、２１℃で１０Ｅ−６〜１１Ｅ−６の範囲にある熱膨張係数を有し、
前記熱障壁層は、勾配構造を有し、
前記熱障壁層は、前記上部燃焼表面および前記上部ランドに適用される金属結合材料を含み、
前記金属結合材料は、鋼鉄または超合金を含み、
前記熱障壁層は、前記熱障壁層の総重量に基づいて１００重量％の前記金属結合材料から１００重量％の前記セラミック材料まで徐々に遷移し、
前記熱障壁層の最も上側の部分は、全体的に前記セラミック材料で形成されている、請求項１に記載の空洞なしのピストン。
【請求項１６】
熱障壁層を上部燃焼表面の少なくとも一部および／またはピストンの本体部分のリングベルトの少なくとも一部に適用することを備え、前記ピストンの前記本体部分は、鋼鉄で形成され、前記熱障壁層は、前記本体部分の前記鋼鉄の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有し、
前記本体部分は、前記上部燃焼表面と、前記ピストンの下側から露出する下方クラウン表面とを含む上壁を含み、前記リングベルトは、前記上壁から垂下し、前記ピストンの中心長手方向軸の周りに周方向に延在し、一対のピンボスが前記上壁から垂下し、一対のスカートパネルが前記リングベルトから垂下し、前記ピンボスに連結される、空洞なしのピストンを製造する方法。
【請求項１７】
前記熱障壁層を適用するステップは、溶射、めっき、または鋳造を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記熱障壁層を適用するステップは、熱溶射を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記熱溶射のステップは、プラズマ溶射または高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）溶射を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記熱障壁層を適用するステップは、前記熱障壁層を前記上部燃焼表面のすべてに、および前記リングベルトの上部ランドに適用することを含み、
前記熱障壁層を適用するステップは、熱溶射を含み、
前記熱溶射のステップは、プラズマ溶射または高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）溶射を含み、
前記熱溶射のステップは、まず前記上部燃焼表面上の前記熱障壁層の総重量に基づいて１００重量％の量の金属結合材料および０重量％の量のセラミック材料を溶射し、次いで前記熱障壁層の組成が前記熱障壁層の総重量に基づいて１００重量％のセラミック材料になり、前記熱障壁層の最も上側の部分が全体的に前記セラミック材料で形成されるまで、前記金属結合材料に対して増加する量で前記セラミック材料を溶射することによって、勾配構造を形成することを含み、
前記熱溶射のステップは、５００ミクロン未満の厚さまで前記熱障壁層を適用することを含み、
前記方法は、前記熱障壁層を適用する前に、前記上部燃焼表面および／または前記上部ランドの少なくとも一部を加工してポケット、凹部、丸みを帯びた縁部および／または面取り部を形成することをさらに含み、
前記方法は、２１℃で１１Ｅ−６〜１４Ｅ−６の範囲にある熱膨張係数を有する前記鋼鉄の単一片で形成される前記本体部分を提供することをさらに含み、
前記本体部分は、前記スカートパネルを前記ピンボスに連結する複数のストラットを含み、前記本体部分は、前記下方クラウン表面に沿って延在し、かつ前記スカートパネルおよび前記ストラットおよび前記ピンボスに取り囲まれる内側下方クラウン領域を提示し、一対の下方クラウンポケットが前記下方クラウン表面に沿って延在し、各下方クラウンポケットは、前記ピンボスのうちの１つおよび前記スカートパネルのうちの１つおよび１つの前記ピンボスを１つの前記スカートパネルに連結する前記ストラットに取り囲まれ、前記本体部分は、冷却空洞床、または前記下方クラウン表面に沿って冷却空洞を画定するまたは部分的に画定する他の構成を有さず、前記上部燃焼表面は、前記上壁の外周に沿って延在する実質的に平面の表面として形成される環状の第１部分と、燃焼ボウルを形成する第２部分とを含み、前記上部燃焼表面の前記第２部分は、前記第１部分から垂下する非平面の、凹状のまたは波状の表面を有し、前記リングベルトは、１つ以上の対応するピストンリングの受容のための複数のリング溝を含み、前記上部ランドは、前記上部燃焼表面から前記リング溝の第１のものまで延在し、前記ピンボスは各々、ピンボアを有し、前記ピンボアは各々、凹状である最上面を有し、前記下方クラウンポケットは、前記ピンボスの径方向外側に位置し、各下方クラウンポケットの少なくとも一部は、前記下方クラウン表面の一部を形成し、前記ピンボスおよび前記スカートパネルおよび前記ストラットは、前記ストラットの最も下側の表面および前記スカートパネルから前記下方クラウン表面まで延在する前記内側下方クラウン領域を画定し、対向する前記スカートパネルと対向する前記ピンボスとの間に配置される前記下方クラウン表面の少なくとも中央部分は、前記ピストンの前記下側から見たときに凹状であり、
前記本体部分を提供するステップは、鍛造または鋳造によって材料の前記単一片を形成することを含み、
前記熱障壁層の前記セラミック材料は、前記セラミック材料の総重量に基づいて９０〜１００重量％の量で、セリア、セリア安定化ジルコニア、およびセリア安定化ジルコニアとイットリア安定化ジルコニアの混合物のうちの少なくとも１つを含み、前記セラミック材料は、１Ｗ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導率を有し、前記セラミック材料の前記セリアは、２１℃で１０Ｅ−６〜１１Ｅ−６の範囲にある熱膨張係数を有し、
前記熱障壁層の前記金属結合材料は、鋼鉄または超合金を含む、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
この出願は、２０１６年２月２２日に提出された米国仮特許出願第６２／２９８，０２４号および２０１７年２月２０日に提出された米国特許出願第１５／４３６，９６６号の利益を主張し、参照によりその内容全体がここに組み込まれる。
【０００２】
本発明の背景
１．技術分野
この発明は、概して、内燃機関のためのピストン、およびピストンを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．関連技術
エンジン製造者は、限定されないが、燃料経済を向上させること、オイル消費を低減すること、燃料システムを向上させること、圧縮負荷およびシリンダボア内の動作温度を上昇させること、ピストンを通じた熱損失を低減すること、構成部品の潤滑を向上させること、エンジン重量を減らすこと、およびエンジンをよりコンパクトにすることと同時に、製造に関わるコストを減らすことなど、エンジンの効率および性能を向上させるための増加する要求に直面している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
圧縮負荷および燃焼室内の動作温度を上昇させることが望ましい一方、運転可能な限度内でピストンの温度を維持することは重要であり続ける。したがって、圧縮負荷および燃焼室内の動作温度を上昇させることが望ましいが、この目的を達成することは、これらの望ましい「上昇」がピストンのコンプレッションハイト、ひいてはピストン全体の大きさおよび質量が減らされ得る程度を制限するという点において、トレードオフを伴う。これは、特に、ピストンの動作温度を低減するために閉じられたまたは部分的に閉じられた冷却空洞を有する典型的なピストン構成で厄介である。結合継手に沿ってともに接合されて閉じられたまたは部分的に閉じられた冷却空洞を形成する上部および下部を有するピストンを製造するためのコストは、一般に、上部と下部とをともに結合するために用いられる接合プロセスによって増加される。さらに、エンジン重量が低減され得る程度は、鋼鉄から前述の「冷却空洞を含む」ピストンを作製する必要性によって与えられ、それらはピストン上に加えられる機械的および熱的な負荷の増加に耐え得る。
【０００５】
現在では、冷却空洞を有しない単一片の鋼鉄ピストンが開発されており、「空洞なしの」ピストンとも呼ばれ得る。このようなピストンは、低減された重量、低減された製造コスト、および低減されたコンプレッションハイトを提供する。空洞なしのピストンは、冷却オイルノズルによってスプレー冷却される、潤滑のみのために軽くスプレーされる、またはいかなるオイルでもスプレーされない。冷却空洞がないことによって、このようなピストンは、典型的には、従来の冷却空洞を有するピストンよりも高い温度を経験する。高い温度は、その後連続的なピストンクラッキングを引き起こし得、エンジン不良を引き起こすことがある、鋼鉄ピストンの上部燃焼表面の酸化または過熱を引き起こし得る。高い温度は、たとえば冷却オイルまたは潤滑油がスプレーされる燃焼ボウルの下で、ピストンの下方クラウン領域に沿ったオイル変質も引き起こし得る。高い温度によって生じる別の起こり得る問題は、冷却オイルまたは潤滑油がピストン下方クラウンに接触する領域において冷却オイルが炭素の厚い層を生成し得るということである。この炭素層は、起こり得るクラッキング、ひいては可能性のあるエンジン不良を伴うピストンの過熱を引き起こし得る。しかしながら、ピストンの高い表面温度はエンジンの熱効率を増加させることができ、エンジンのより良好な燃料消費を可能にすることも認められる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の概要
本発明の１つの局面は、熱効率、燃料消費、およびエンジンの性能を向上させるために設計される内燃機関のための空洞なしの鋼鉄ピストンを提供する。ピストンは、鋼鉄で形成される本体部分を含む。本体部分は下方クラウン表面を含む上壁を含み、下方クラウン表面はピストンの下側から見たときに露出しており、上壁は下方クラウン表面の反対側の上部燃焼表面を含む。リングベルトは、上壁から垂下し、ピストンの中心長手方向軸の周りに周方向に延在し、一対のピンボスは上壁から垂下し、一対のスカートパネルは、リングベルトから垂下し、ピンボスに連結される。熱障壁層は、上部燃焼表面の少なくとも一部および／またはリングベルトの少なくとも一部に適用されて燃焼室からの熱がピストンの鋼鉄本体部分に入るのを防止し、熱障壁層は本体部分の鋼鉄の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する。
【０００７】
本発明の別の局面は、空洞なしのピストンを製造する方法を提供する。当該方法は、熱障壁層を上部燃焼表面の少なくとも一部および／またはピストンの本体部分のリングベルトの少なくとも一部に適用することを含む。ピストンの本体部分は鋼鉄で形成され、熱障壁層は本体部分の鋼鉄の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する。本体部分は、上部燃焼表面と、ピストンの下側から露出する下方クラウン表面とを含む上壁を含む。リングベルトは、上壁から垂下し、ピストンの中心長手方向軸の周りに周方向に延在し、一対のピンボスが上壁から垂下し、一対のスカートパネルが、リングベルトから垂下し、ピンボスに連結される。
【０００８】
本発明のこれらのおよび他の局面、特徴ならびに利点は、以下の詳細な説明および添付の図面と結びつけて考慮されたとき、より容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の例示の実施形態に従って構築されるピストンの底部斜視図である。
【図２】本発明の例示の実施形態に従うピストンのピンボア軸に対して概ね横方向の断面図である。
【図３】ピストンの上部燃焼表面に適用される熱障壁層を図示する図２の一部の拡大図である。
【図４】本発明の別の実施形態に従って構築されるピストンの例であって、ピストンは下方クラウンポケットを含まない。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
例示の実施形態の詳細な説明
図１および図２は、たとえば現代のコンパクトな高性能車両エンジンなどの内燃機関のシリンダボアまたはチャンバ（図示せず）における往復運動のための、本発明の例示の実施形態に従って構築されるピストン１０の図を示す。図３に示されるように、断熱層とも呼ばれる熱障壁層１２は、ピストン１０の上部燃焼表面１６に適用されて熱効率、燃料消費およびエンジンの性能を向上させる。
【００１１】
ピストン１０は、機械加工、鍛造または鋳造を介し、必要であればその後行われる可能な仕上げ加工を伴うなどして鋼鉄材料の単一片から形成される一体の本体を有して構築されて構築を完了する。したがって、ピストン１０は、冷却空洞床によって画定されるまたは部分的に画定される囲まれたまたは部分的に囲まれた冷却空洞を有するピストンでは当たり前である、互いに接合される上部および下部などの、ともに接合される複数の部品を有しない。対照的に、ピストン１０は、冷却空洞床、または冷却空洞を画定するまたは部分的に画定する他の構成を有しないという点で、「空洞なし」である。鋼鉄で作製される本体部分は、高性能要求、すなわち現代の高性能内燃機関の上昇した温度および圧縮負荷を満たすために、強固かつ丈夫ある。本体を構築するのに用いられる鋼鉄材料は、特定のエンジン用途におけるピストン１０の要求に応じて、ＳＡＥ４１４０級などの合金であってもよく、または異なってもよい。ピストン１０が空洞なしであることにより、ピストン１０の重量およびコンプレッションハイト（ＣＨ（compression height））は最小化され、これによりピストン１０が配置されるエンジンが低減された重量を達成し、よりコンパクトにされることを可能にする。さらに、ピストン１０が空洞なしであったとしても、ピストン１０は、使用の間に十分に冷却されて最も過酷な動作温度に耐え、またはそうでなければ、オイル冷却なしで用いられることができる。
【００１２】
ピストン１０の本体部分は、ピストン１０の下側からの内燃機関のシリンダボア内の燃焼ガスに直接曝される上部燃焼表面１６を提供する、上壁１４を提供する上頭部または頂部セクションを有する。例示の実施形態では、上部燃焼表面１６は、上壁１４の外周に沿って延在する実質的に平面の表面として形成される環状の第１部分１８と、燃焼ボウルを形成する第２部分２０とを含む。燃焼ボウルを形成する、上部燃焼表面１６の第２部分２０は、典型的には、平面の第１部分１８から垂下する、非平面の、凹状のまたは波状の表面を有する。
【００１３】
ピストン１０は、また、上部燃焼表面１６の第２部分２０の正反対かつリングベルト３２の径方向内側に、上壁１４の下側に形成される下方クラウン表面２４を含む。下方クラウン表面２４は、好ましくは燃焼ボウルから最小距離に位置し、実質的に燃焼ボウルから正反対側の表面である。下方クラウン表面２４は、ここで、ピストン１０を底部からまっすぐ観察したときにピンボア４０を除いて見える表面であると規定される。下方クラウン表面２４は、また、ピストン１０の下側から露出する。下方クラウン表面２４は、上部燃焼表面１６の燃焼ボウルに対して概ねぴったり合っている。下方クラウン表面２４は、また、ピストン１０の下側から見ると開かれて露出しており、囲まれたもしくは部分的に囲まれた空洞、またはオイルもしくは冷却流体を下方クラウン表面２４付近に留めやすい任意の他の構成によって画定されていない。ピストン１０は下方クラウン表面２４に沿った冷却空洞を有していないため、閉じられた冷却空洞を含むピストンに対して、ピストン１０の重量および関連するコストは低減される。
【００１４】
例示の実施形態では、ピストン１０はディーゼルエンジンのために設計され、上壁１４の環状の第１部分１８は、上壁１４の外周を形成し、そこから垂下する燃焼ボウルを形成する第２部分を取り囲む。このため、例示の実施形態では、燃焼ボウルを含む第２部分２０は、上部燃焼表面１６の最も上側の第１部分１８より下に凹んでいる。第２部分２０の燃焼ボウルは、また、環状の第１部分１８の対向する側の間で、中心軸３０を通って周方向に、かつピストン１０の直径全体にわたって延在する。例示の実施形態では、燃焼ボウルは、環状の第１部分１８の対向する側の間で周方向に延在する凹状表面を備える。代替的には、燃焼ボウル壁は、たとえばピストン１０の中心軸３０に沿って同心的に存在し得る、またはピストン中心軸３０に対して軸方向にずらされ得る中心ピーク（図示せず）とも呼ばれる上部頂点を提供するように構成されてもよい。別の実施形態によれば、第１部分１８は第２部分２０より下にあり、第２部分２０は上方向に隆起され、凸状である。この設計は、本来のガスエンジンまたは任意の他のタイプのエンジンにおいて用いられ得る。
【００１５】
ピストン１０の頂部セクションは、上部燃焼表面１６から垂下して上部ランド１７を提供するリングベルト３２と、１つ以上の対応するピストンリング（図示せず）の受容のための１つ以上のリング溝３４とをさらに含む。上部ランド１７は、上部燃焼表面１６からリング溝３４の最も上側のものまで延在する。例示の実施形態では、湾曲したプロファイルを有する少なくとも１つのバルブポケット２９が上壁１４の環状の第１部分１８に形成される。
【００１６】
ピストン１０は、概ね上壁１４から垂下する一対のピンボス３８を含む底部セクションをさらに含む。ピンボス３８は各々、鋼鉄構成の場合好ましくはブッシングレスの、ピンボア４０を有する。ピンボア４０は、中心長手方向軸３０に対して概ね横方向に延在するピンボア軸４２に沿って同心的に互いから横方向に離間される。ピンボス３８は、互いに概ね平行であるように示される、ピンボア軸４２距離ＰＢに沿って互いから離間される、外面４３とも呼ばれる概ね平らな径方向に最も外側の表面を有する。ＰＢ寸法が最小化されることにより、以下で下方クラウンポケット５０とも呼ばれる、凹んだ概ねカップ状の領域の露出するエリアを最小化する。下方クラウンポケット５０はピンボス３８の径方向外側に位置し、各ポケット５０の少なくとも一部は下方クラウン表面２４の一部を形成する。例示の実施形態では、下方クラウン表面２４の一部を形成する下方クラウンポケット５０の一部は、上部燃焼表面１６の第２部分２０の反対側かつリングベルト３２の径方向内側に位置する。下方クラウンポケット５０は、また、上部燃焼表面１６の環状の第１部分１８の下側表面に沿って下方クラウン表面２４を超えて径方向外側に延在し、リングベルト３２の内面に沿って上壁１４から垂下する。
【００１７】
ポケット５０の２次元および３次元の表面エリアが最小化されることから、少なくとも部分的に、最小化された距離ＰＢによって、下方クラウンポケット５０の露出面に対してクランク室から上方向に飛散するまたはスプレーされるオイルによって生じる冷却が強化され得、これにより上部燃焼表面１６、下方クラウン表面２４、およびリングベルト３２の一部のさらなる冷却を与える。
【００１８】
図１および図２の例示の実施形態のピストン１０は下方クラウンポケット５０を含むが、ピストン１０は、代替的には、下方クラウンポケット５０なしで設計されてもよい。下方クラウンポケット５０のないピストン１０の例は、図４に示される。
【００１９】
ピンボア４０は各々、リングベルト３２の付近に配置される、以下で最上面４４とも呼ばれる凹状の最も上側の耐荷重面を有する。このように、コンプレッションハイトＣＨは最小化される（コンプレッションハイトとは、ピンボア軸４２から上部燃焼表面１６の環状の第１部分１８まで延在する寸法である。）。ピンボス３８は、スカートパネル４８とも呼ばれるスカートパネルに直径方向に対向して、ストラット４６とも呼ばれる外側パネルを介して接合される。
【００２０】
ピンボス３８、スカートパネル４８およびストラット４６は、下方クラウン表面２４に沿って、かつストラット４６の最も下側の表面または底部面５１およびスカートパネル４８から下方クラウン表面２４まで延在する、内側下方クラウン領域を画定する。図１および図２の例示の実施形態では、リブは、下方クラウン表面２４に沿って、ピンボス３８に沿って、スカートパネル４８に沿って、または開口領域のストラット４６に沿って位置しない。加えて、閉じられたまたは部分的に閉じられた冷却空洞は開口領域に形成されない。しかしながら、ピストン１０は、図１および図２において特定されるように、下方クラウン表面２４に隣接する各スカートパネル４８の最も上側の縁部に沿って段差領域５４を含んでもよい。
【００２１】
ピストン１０の下方クラウン表面２４は、閉じられたまたは部分的に閉じられた冷却空洞を有する比較対象のピストンよりも、より大きな総表面エリア（表面の外形に従う３次元エリア）およびより大きな投影された表面エリア（平面図に示されるような、２次元エリア、平面）を有する。ピストン１０の下側に沿ったこの開口領域は、下方クラウン表面２４の真上のクランク室内から飛散するまたはスプレーされるオイルに対し直接のアクセスを提供し、これにより下方クラウン表面２４全体がクランク室内からのオイルによって直接吹きかけられることを可能にするとともに、オイルがリストピン（図示せず）の周りに自由に飛散することも可能にし、さらに、ピストン１０の重量を大幅に低減させる。したがって、空洞なしのピストン１０の概ね開かれた構成は、典型的な閉じられたまたは部分的に閉じられた冷却空洞を有しないが、下方クラウン表面２４の最適な冷却およびピンボア４０内のリストピン接合に対する潤滑を可能にすると同時に、ある体積のオイルが表面上に残る時間である燃焼ボウル付近の表面上のオイル残留時間を低減する。低減された残留時間は、閉じられたまたは実質的に閉じられた冷却空洞を有するピストンにおいて起こり得るような、コークス化されたオイルの望ましくない蓄積を低減し得る。このように、特定の用途において、ピストン１０は、延長された使用にわたって「きれい」であり続けることができ、これによりそれが実質的に蓄積しないままであることを可能にする。
【００２２】
図１および図２に示される例示のピストン１０の別の重要な局面は、ピストン１０の底部から見たときに、対向するスカートパネル４８と対向するピンボス３８との間に配置されるピストン１０の下方クラウン表面２４の少なくとも中央部分５２が凹状の形態であるということである。このように、オイルはピストン１０の片側からピストン１０の反対側までのピストン１０の往復の間に流され得、これによりピストン１０の冷却をさらに強化するようにはたらく。代替的には、ピストン１０は、冷却オイルの使用のない内燃機関において用いられるとき、許容される温度で維持されてもよい。
【００２３】
ピストン１０は、また、上部燃焼表面１６および／または上部ランド１７まで、最高で最も上側のリング溝３４の手前まで適用される熱障壁層１２を含む。熱障壁層１２が適用される上部燃焼表面１６および上部ランド１７は、いずれもエンジンの燃焼室に曝される。熱障壁層１２は、図１に示されるように、上部燃焼表面１６および上部ランド１７の全体、または上部燃焼表面１６の特定のエリアおよび／または上部ランド１７の特定のエリアのみを被覆し得る。熱障壁層１２は、上部燃焼表面１６の酸化、ならびに、下方クラウン表面２４または下方クラウンポケット５０のエリアに沿ったオイル変質および炭素の厚い層を低減し得る。熱障壁層１２は下方クラウンポケット５０のエリアの温度にも影響を及ぼすことが留意される。熱障壁層１２は、ピストン１０の熱効率も増加させ、エンジンのより良好な燃料消費を提供し得る。
【００２４】
熱障壁層１２の少なくとも一部は、ピストン１０の本体部分を形成するのに用いられる鋼鉄の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する。様々な異なる組成が熱障壁層１２を構成するために用いられてもよい。
【００２５】
１つの例示の実施形態では、熱障壁層１２は、セラミック材料、特に、セリア、セリア安定化ジルコニア、およびセリア安定化ジルコニアとイットリア安定化ジルコニアの混合物のうちの少なくとも１つを含む。セラミック材料は、１Ｗ／ｍ・Ｋ未満など、低い熱伝導率を有する。セラミック材料に用いられるセリアは、高い温度、圧力および他のエンジンの過酷な状況の下で、層１２をより安定にする。セラミック材料の組成は、また、ディーゼル燃焼エンジンにおける熱的影響および化学腐食を通した不安定化を受け得るイットリア安定化ジルコニアで形成されるコーティングなどの他のセラミックコーティングよりも、化学腐食に対して影響を受けにくくする。セリアおよびセリア安定化ジルコニアは、このような熱的および化学的な条件下ではるかにより安定である。セリアは、ピストン本体部分を形成するのに用いられる鋼鉄材料に近い熱膨張係数を有する。室温（２１℃）におけるセリアの熱膨張係数は１０Ｅ−６〜１１Ｅ−６の範囲であり、室温（２１℃）における鋼鉄の熱膨張係数は１１Ｅ−６〜１４Ｅ−６の範囲である。近い熱膨張係数は、応力亀裂を生み出す熱的不一致を回避するのを助ける。
【００２６】
１つの実施形態では、熱障壁層１２を形成するのに用いられるセラミック材料は、セラミック材料の総重量に基づいて９０〜１００重量％の量のセリアを含む。別の例示の実施形態では、セラミック材料は、セラミック材料の総重量に基づいて９０〜１００重量％の量のセリア安定化ジルコニアを含む。さらに別の例示の実施形態では、セラミック材料は、セラミック材料の総重量に基づいて９０〜１００重量％の量のセリア／イットリア安定化ジルコニアを含む。この実施形態では、セラミック材料の総重量に基づいて、約５０重量％のジルコニアがセリアによって安定化され、約５０重量％のジルコニアがイットリアによって安定化される。
【００２７】
熱障壁層１２は、別個の金属／セラミック界面を回避するために、勾配構造に適用され得る。勾配構造は、熱的不一致によって蓄積される応力を緩和するのを助け、結合材料／セラミック界面における連続的な弱い酸化物の境界層を形成する傾向を低減する。言い換えれば、勾配構造はシャープな界面を回避する。このため、熱障壁層１２は使用の間に剥離しにくい。
【００２８】
熱障壁層１２の勾配構造は、まず金属結合材料を上部燃焼表面１６および／または上部ランド１７に適用することによって形成される。金属結合材料の組成は、たとえば鋼鉄粉末などのピストン本体部分を形成するのに用いられる材料と同一であってもよい。代替的には、金属結合材料は、ジェットタービンのコーティングにおいて用いられるような高性能超合金を備えてもよい。勾配構造は、１００％金属結合材料から１００％セラミック材料まで徐々に遷移することによって形成される。熱障壁層１２は、上部燃焼表面１６および／または上部ランド１７に適用される金属結合材料、続いて増加する量のセラミック材料および低減された量の金属結合材料を含む。熱障壁層１２の最も上側の部分は、全体的にセラミック材料で形成される。金属結合材料は、典型的には、金属結合材料の総重量に基づいて１００重量％の量の金属からなり、セラミック材料は、典型的には、セラミック材料の総重量に基づいて１００重量％の量のセラミックからなる。典型的には、熱障壁層１２が勾配構造を含むとき、層１２は金属結合材料およびセラミック材料のみからなる。
【００２９】
熱障壁層１２は、鋼鉄ピストン本体部分に良好に接着するように見出された。しかしながら、追加の機械的なアンカリングのために、ポケット、凹部、丸みを帯びた縁部、および／または面取り部などの欠けた縁部が上部燃焼表面１６および／または上部ランド１７の少なくとも一部に沿って加工されてもよい。このような構成は、熱障壁層１２における応力集中を回避し、層１２の不良を引き起こすことがある鋭い角部または縁部を回避するのを助ける。加工されたポケットまたは凹部は、所定の位置で熱障壁層１２を機械的に固定し、さらに剥離不良の可能性を低減する。
【００３０】
本発明の別の局面は、内燃機関における使用のためのコーティングされた空洞なしのピストン１０を製造する方法を提供する。典型的には鋼鉄で形成されるピストン１０の本体部分は、鍛造または鋳造などの様々な異なる方法に従って製造され得る。空洞なしのピストン１０の本体部分は、様々な異なる設計を備えてもよく、設計の例は図に示される。
【００３１】
当該方法は、熱障壁層１２を上部燃焼表面１６の少なくとも一部および／またはピストン１０の上部ランド１７の少なくとも一部に適用することをさらに含む。様々な異なる方法が熱障壁層１２を適用するのに用いられてもよい。たとえば、熱障壁層１２は、スプレーコーティングされ、めっきされ、鋳造され、または任意の方法でピストン１０の鋼鉄本体部分に永続的に取り付けられ得る。
【００３２】
１つの実施形態では、熱障壁層１２は、熱溶射によって適用される。たとえば、当該方法は、金属結合材料およびセラミック材料をプラズマ溶射などの熱溶射技術によって適用することを含んでもよい。高速酸素燃料（ＨＶＯＦ（High velocity Oxy-Fuel））溶射は高密度な層１２を与える代替法であるが、より費用のかかるプロセスである。ピストン１０に熱障壁層１２を適用する他の方法も用いられてもよい。
【００３３】
例示の方法は、層１２の総重量に基づいて１００重量％の量の金属結合材料および０重量％の量のセラミック材料を溶射することによって始まる。溶射プロセスを通して、増加する量のセラミック材料は組成に加えられるが、金属結合材料の量は低減される。このため、熱障壁層１２の組成は、層１２の最も外側の表面において、熱障壁層１２の総重量に基づいてピストン本体部分における１００重量％の金属結合材料から１００重量％のセラミック材料まで徐々に変化する。典型的には、複数の電力供給部が熱障壁層１２を適用するのに用いられ、それらの供給速度は勾配構造を達成するように調節される。熱障壁層１２は、好ましくは、５００ミクロン未満の厚さまで適用される。熱障壁層１２の勾配構造は、熱溶射プロセスの間に達成される。
【００３４】
熱障壁層１２を適用する前に、欠けた縁部、または機械的なロックの助けとなり、応力上昇を低減する構成が、たとえば旋削（turning）、ミリング（milling）、または他の適切な手段によって、ピストン１０の鋼鉄本体部分の中へ加工される。上部燃焼表面１６および／または上部ランド１７は、その後、汚れを取り除くために溶媒で洗浄される。当該方法は、ピストン本体部分の表面をグリットブラストして熱障壁層１２の接着を向上させることも含んでもよい。
【００３５】
本発明の多くの修正および変更が、上記の教示に照らせば可能であり、請求項の範囲内で特定的に記載された以外の方法で実施され得る。すべての請求項のおよびすべての実施形態のすべての構成は、そのような組み合わせが互いに矛盾し得ない限り、互いに組み合わせられることができることが理解される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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