(57)【要約】２ストロークの対向ピストン圧縮着火式燃焼機関における一対のピストンのピストンクラウンは、バリア層と導電層とを有する。このバリア層は、ピストンクラウンと対向するピストンの端面とによって形成される燃焼室を少なくとも部分的に囲む。導電層は、クラウンをピストン本体の他の部分に接続する。バリア層と導電層は、溶接または製造処理のいずれかによって接合される。随意的に、ピストンクラウンは、バリア層と導電層との間に絶縁層を含む。【選択図】図１
2019508623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端にクラウン（５００，７００）を有するピストン本体を備え、前記クラウンが細長い形状のボウル（１２０）を含む端面を含み、前記端面が対向するピストンの端面と協働して燃焼室を画定する、２ストロークの対向ピストン式内燃機関のピストン（１００）であって、
前記クラウンは、
前記燃焼室が少なくとも部分的にバリア層で囲まれるように、前記端面に位置する１５Ｗ／ｍ・℃以下の熱伝導率を有するバリア層（１０２ａ）と、
前記バリア層に隣接して配置された２５Ｗ／ｍ・℃以上の熱伝導率を有する導電層（１０２ｂ）であって、前記クラウンをピストン本体の残りの部分に接続する前記導電層と、を備える、ピストン。
【請求項２】
前記バリア層と前記クラウンの前記導電層との間に少なくとも１つの空洞（３００）をさらに備える、請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記バリア層と前記導電層との間に、２Ｗ／ｍ・℃以下の熱伝導率を有する絶縁層（１０２ｃ）をさらに備える、請求項１または２のどちらかに記載のピストン。
【請求項４】
前記バリア層と前記導電層の各々が、ボウル（１２０Ａ、１２０Ｂ）、一対のノッチ（１１８）、および側壁部分（５０５，５１０）を有する、請求項１に記載のピストン。
【請求項５】
長手方向に分離される排気ポートおよび吸気ポートを有する少なくとも１つのシリンダと、シリンダのボア内に互いに対向して配置される一対のピストンであって、各ピストンが、請求項１〜４のいずれか１項に記載のクラウンを備えるピストン本体および一対のピストンを含む内燃機関。
【請求項６】
２ストロークの対向ピストンエンジンのピストン上にピストンのクラウン（５００，７００）を製造する方法であって、
前記ピストンクラウンと対向するピストンの端面とによって形成される燃焼室を少なくとも部分的に囲むように構成される、１５Ｗ／ｍ・℃以下の熱伝導率を有するバリア層（１０２ａ）を形成するステップと、
前記ピストンクラウンを前記ピストンの他の構成要素に接続するよう構成される、２５Ｗ／ｍ・℃以上の熱伝導率を有する導電層（１０２ｂ）を形成するステップと、
前記バリア層と前記導電層とを接合するステップと、を含む方法。
【請求項７】
前記バリア層と前記導電層との間に挿入するように構成される、２Ｗ／ｍ・℃以下の熱伝導率値を有する絶縁層（１０２ｃ）を形成するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記バリア層と前記導電層が別々に製造され、前記バリアと前記導電層の接合には、電子ビーム溶接、レーザ溶接またはインパルス溶接のうちの１つが含まれる、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記バリア層と前記導電層が別々に製造され、前記絶縁層には、３Ｄ印刷、鋳造、または成形によって前記絶縁層に形成されるセラミック粒子が含まれ、前記バリアと前記導電層が、溶接により接合される、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記バリア層が、前記クラウンの第１の層として鋳造され、前記導電層が、前記クラウンの第２の層として前記第１の層の上に鋳造される、あるいは前記導電層が、前記クラウンの第１の層として鋳造され、前記バリア層が、前記クラウンの第２の層として前記第１の層の上に鋳造される、請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記バリア層が、前記クラウンの第１の層として鋳造され、前記導電層が、前記クラウンの第２の層として前記第１の層の上に鋳造され、前記第２の層が鋳造される前に、前記絶縁層が、前記クラウンの第１の層の上に挿入される、あるいは、前記導電層が、前記クラウンの第１の層として鋳造され、前記バリア層が、前記クラウンの第２の層として前記第１の層の上に鋳造され、前記クラウンの前記第２の層が鋳造される前に、前記絶縁層が、前記クラウンの前記第１の層の上に挿入される、請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［優先権の主張］
本出願は、２０１６年２月２９日に米国特許商標庁に出願された米国特許出願第１５／０５６，９０９号明細書の優先権を主張する。
【０００２】
［関連出願の相互参照］
本出願には、２０１５年７月３１日出願の特許出願第１４／８１５，７４７号明細書、および２０１３年５月１０日出願の米国特許出願第１３／８９１，５２３号明細書の共通所有特許出願の主題に関連する主題が含まれる。
【０００３】
この分野には、シリンダのボア内に対向して配置されるピストンの端面間に燃焼室が画定される、対向ピストンエンジンで熱を管理するための構造が含まれる。より詳細には、この分野には、燃焼室からエンジンの他の部分への熱損失を最小にする燃焼室を備える対向ピストンエンジンが含まれる。
【背景技術】
【０００４】
関連特許出願では、２ストロークサイクル、圧縮点火、ユニフロー掃気を備える対向ピストンエンジンが記載され、このエンジンでは、一対のピストンが、ポート式シリンダのボア内で反対に移動する。２サイクルの対向ピストンエンジンでは、一対の対向ピストンが２ストロークを行って、エンジン動作のサイクルを完了する。圧縮ストロークの間、ピストンが互いに向かって移動し開始すると、シリンダ内のピストンの端面間に給気される。これらのピストンが、それぞれの上死点（「ＴＤＣ：Ｔｏｐ  Ｄｅａｄ  Ｃｅｎｔｅｒ」）位置に近づいて、燃焼室を形成すると、互いに接近する端面間で充填空気がますます圧縮される。圧縮行程の終了間際、端面が互いに最も接近したときに、最小燃焼室容積（「最小容積」）となる。シリンダ内に燃料が直接噴射され、圧縮空気と混合される。燃料が燃焼を始める温度および圧力レベルに圧縮空気が達すると、燃焼が始まり、これを「圧縮点火」と呼ぶ。燃焼のタイミングは、往々にして、最小量が基準とされる。いくつかの例では、最小容量、またはそれに近い量で噴射が起こり、その他の例では、最小量よりも先に、噴射が行われ得る。いずれの場合でも、ピストンは、燃焼に応じて、方向を変え、動力行程で互いに離れるように移動する。動力行程の間、ピストンはボア内の下死点（ＢＤＣ）位置に向かって移動する。上死点と下死点との間をピストンが往復運動する際、このピストンにより、シリンダへの吸気、およびシリンダからの排気の流れを制御する時系列で、シリンダの吸気位置と排気位置に形成されるポートが開閉される。
【０００５】
燃焼により放出されるエネルギーの運動への変換を最大限にするために、熱がピストンを通って燃焼室から奪われることを防ぐことが望ましい。ピストンを介した熱の損失を抑えることにより、エンジンの運転効率を高めることができる。通常、ピストン介する熱伝導は、ピストンの本体からピストンクラウンを絶縁することによって抑えられる、あるいは、遮断される。しかし、ピストンの端面に燃焼熱が留まることにより、ピストンクラウンおよびその近くのピストン要素に熱的損傷を引き起こす可能性もある。
【０００６】
ピストンの熱管理は、特に現在の内燃機関では負荷がますます増大することが予想されることを考えると、常に懸念されることの１つである。通常のピストンでは、ピストンクラウン、リング溝、ピストンアンダークラウン、およびピストン／リストピンの界面の少なくとも４つの領域が熱管理の対象となる。ピストンクラウンは、その温度がそのクラウンを作っている材料の酸化温度を超えて上昇すると、酸化によって損傷する可能性がある。ピストンの構成要素の機械的故障は、熱によって誘発される材料の変化に起因し得る。リング（リング溝、およびリング溝に隣接するランド）は、コーキング温度を超えて加熱される油によって引き起こされる炭素蓄積を被る可能性がある。リング溝と同様に、ピストンクラウンの下面もまた、オイルコーキングを被る可能性がある。
【０００７】
最近の研究では、対向ピストン型２サイクルエンジンは、従来の６気筒４サイクルエンジンに比べて熱効率が向上していることが示されている（非特許文献１）。より有利な燃焼室の面積／容積比による熱伝達の減少と、２サイクルサイクルによって可能となるよりリーンな運転条件からの比熱比の増加と、２ストロークエンジンのより低いエネルギー放出密度に起因する固定の最大圧力上昇率で達成可能な燃焼期間の減少と、の３つの効果を組み合わせることにより、対向ピストンエンジンは熱力学の恩恵を得る。シリンダ毎に２つのピストンを使用することで、対向ピストンエンジンは、ピストンの熱管理を強化して、さらなる熱力学的利点を実現することができる。
【発明の概要】
【０００８】
対向ピストンエンジンのピストンの強化された熱管理は、一対の対向ピストンの各ピストンに、異なる材料の２つ以上の層からなるピストンクラウンを設けることにより実現される。本明細書に記載されている複数の層を有するピストンにより、燃焼室とピストンクラウンからピストン本体への熱伝達を抑えるのと同時に、リングへの熱損傷を低減する、あるいは防止し、リング溝内の潤滑剤をコーキングする。
【０００９】
いくつかの実施形態では、対向ピストンエンジンの一対のピストンのうちのピストンのピストンクラウンが、ピストン端面に配置されるバリア層、およびバリア層に隣接する導電層を含み、燃焼中、バリア層は燃料と空気に接触し、導電層は、バリア層をピストンスカートおよびその他のピストン構成要素に接続する。
【００１０】
関連する態様では、ピストン端面に配置されるバリア層、およびバリア層に隣接する導電層を含む対向ピストンエンジンの一対のピストンのうちのピストンのピストンクラウンを製造する方法が提供され、燃焼中、バリア層は燃料と空気に接触し、導電層は、バリア層を、ピストンスカートおよびその他のピストン構成要素に接続する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来技術の対向ピストンエンジンの概略図である。
【００１２】
【図２】対向ピストンエンジンで使用するための例示的なピストンの等角図である。
【００１３】
【図３】図２のピストンの端面の平面図である。
【００１４】
【図４】図３のような形状の端面を有する一対のピストンの対向する端面間に形成される燃焼室の縦断面図であり、図３のＡ−Ａ線に沿って切り取った図である。
【００１５】
【図５Ａ】２つの層（バリア層および導電層）を有するピストンクラウンの分解図である。
【００１６】
【図５Ｂ】２つの層（バリア層および導電層）を有するピストンクラウンの分解断面図である。
【００１７】
【図５Ｃ】２つの層を有するスカートとピストンクラウンとを含むピストンの分解断面図である。
【００１８】
【図６Ａ】２つの層を有するスカートと、ピストンクラウンとを含むピストンの断面図である。
【００１９】
【図６Ｂ】図６Ａに詳細部Ａとして示された部分の拡大図である。
【００２０】
【図７Ａ】３つの層（バリア層、絶縁層、および導電層）を有するピストンクラウンの分解図である。
【００２１】
【図７Ｂ】３つの層（バリア層、絶縁層、および導電層）を有するピストンクラウンの分解断面図である。
【００２２】
【図８Ａ】図７Ａの多層クラウンを含むピストンの縦断面図である。
【００２３】
【図８Ｂ】図７Ａの多層クラウンを含むピストンの縦方向の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、少なくとも１つのシリンダ１０を含む対向ピストン型の２サイクルサイクル内燃機関８の概略図である。このシリンダには、ボア１２と、長手方向に移動する吸気ポート１４および排気ポート１６とが含まれ、これらの、吸気ポート１４および排気ポート１６は、シリンダ内のそれぞれの端部近くで機械加工される、すなわち形成される。吸気ポートと排気ポートは、それぞれ、１つ以上の円周状に配列される開口のアレイを含み、これらの隣接する開口部は、シリンダ壁の堅固な部分（「ブリッジ」とも呼ばれる）により分離される。説明によっては、各開口部は「ポート」と呼ぶが、このような「ポート」の円周方向アレイの構成は、図１のポート構造と変わらない。
【００２５】
燃料噴射ノズル１７は、シリンダの側面を貫通するネジ穴の中で固定される。２つのピストン２０，２２がボア１２内に、その端面２０ｅ、２２ｅが互いに対向するように配置される。便宜上、吸気ポート１４に近接しているため、ピストン２０を「吸気」ピストンと呼ぶ。同様に、排気ポート１６に近接しているため、ピストン２２を「排気」ピストンと呼ぶ。必ずしも必要ではないが、好ましくは、対向ピストンエンジンの吸気ピストン２０、およびその他の全ての吸気ピストンは、エンジン８の一方の側に沿って配置されるクランクシャフト３０に結合され、排気ピストン２２、およびその他の全ての排気ピストンは、エンジン８の反対側に沿って配置されるクランクシャフト３２に連結されている。
【００２６】
シリンダ１０などの１つ以上のポート付きシリンダ（端部の近くに形成される吸気ポートと排気ポートを有するシリンダ）を備える、エンジン８などの対向ピストンエンジンの動作はよく理解されている。これに関して、対向ピストンは、燃焼に応じて、シリンダ１０の最も内側の位置のそれぞれのＴＤＣ位置から離れるよう移動する。ＴＤＣからの移動中、シリンダの最も外側の位置のそれぞれのＢＤＣ位置に接近し、関連するポートが開放されるまで、これらのピストンは、関連するポートを閉じたままにする。これらのピストンは、吸気ポート１４と排気ポート１６とが一致して開閉するように同相で動き得る。あるいは、一方のピストンは他方のピストンを同相で導くことができ、その場合、吸気ポートと排気ポートは異なる開閉時間を有する。
【００２７】
充填空気が吸気ポート１４を介してシリンダ１０に入ると、その充填空気は、吸気ポートの開口の形状により、排気ポート１６の方向に旋回するシリンダの長手方向軸の周りを回る渦３４内に巻き込まれる。渦巻３４により、空気／燃料の混合、燃焼、および汚染物質の抑制が促進される。端面２０ｅおよび２２ｅが共に移動するにつれ、渦巻の速度が増加する。図２〜図５には、関連する米国特許出願番号第１４／８１５，７４７号明細書に詳細に記載されている対向ピストンエンジン用の例示的なピストンが示される。
【００２８】
図２は、対向ピストンエンジン用のピストン１００の等角図であり、図３は、ピストンの端面の平面図である。ここで図２と図３を参照すると、燃焼室を画定するピストン端面の構造的特徴は、同一ではないにしても、各ピストンについて本質的に同じである。したがって、これらの図に示されているピストン１００は、吸気および排気ピストンを示している。このピストン１００は、クラウン１０２を備え、このクラウン１０２は、ピストンの円筒形状の連続側壁を形成するためにスカート１０４に取り付けられ、固定される、あるいはスカート１０４と共に製造される。クラウン１０２は平坦な端面１０８を含む。側壁および端面１０８は周縁１１０で合流する。周縁１１０は、図３の平面図に示されるように、ピストンの長手方向軸線１１２を中心とする円形形状を有する。端面１０８には、一対のノッチ１１８、および凹状のボウル１２０が形成されている。これらのノッチ１１８は、ピストンの直径１２２と並び、周縁１１０で互いに対向して端面内に配置される。
【００２９】
図３を参照すると、凹状のボウル１２０は、直径１２２に沿って細長く、各ノッチ１１８と滑らかに接続する細長い形状を有する。凹状のボウル１２０は、その周縁１１０まで延びる平坦な端面部分１０８ａおよび１０８ｂによって、その開口の対向する側部に当接されている。周縁１１０、および平坦な端面部分１０８ａおよび１０８ｂは、ピストンの単一の長手方向レベルに配置され、長手方向軸線１１２に直交して端面直径１２２と交差する端面平面が画定される。
【００３０】
図４に示される燃焼室の縦断面図には、シリンダ１６０のボアに対向して配置される２つのピストン１００´、１００´´の端面間に形成される燃焼室１５０が示される。この断面図は、燃焼室１５０の中心に見られる燃焼室の中心線ＣＣを横切っている。これらの端面１０８´および１０８´´は、図２および図３に従って構成されている。ピストン１００´および１００´´は、その長手方向軸上で、端面のノッチ１１８が長手方向に対向する位置に回転し、歪曲部Ａ´および歪曲部Ａ´´が、それぞれ、急な湾曲側壁１２３´´および１２３´対向するようボウル１２０が双方で方向付される。これにより、図４の縦断面図において回転的に歪曲された形状を有する燃焼室１５０を画定する、向かい合った向きでボウルの傾斜した形状を配置する。この図は、時計回り方向の回転斜行を示しているが、反時計回りの方向に傾斜を向けるためにピストンを回転させることができることは明らかである。ボウル１２０´および１２０´´の最も深い部分が、シリンダの長手方向軸１５２を含み、ピストン１００´と１００´´の長手方向平面と一致する長手方向平面ＰＣＹＬの対向する側に配置されているので、燃焼室の形状は、回転して歪められる。さらに、この歪みは、ピストン直径１２２と並ぶ燃焼室中心線ＣＣを中心とする。燃焼室は、シリンダ側壁１７０に取り付けられた燃料噴射器１６５に向かって燃焼室の中心線ＣＣに沿って先細りになる両端部を有する細長い形状を有する。この燃料噴射器１６５は、燃焼室の中心線ＣＣと整列し、対向するノッチ１１８の間に画定される噴射ポートを介して対向する燃料噴霧を燃焼室１５０に噴射するように配置される。例えば、燃料噴射器１６５は、燃焼室の中心線ＣＣと同一直線上にある噴射軸を有する（関連する米国特許第８，８２０，２９４号明細書の図１０Ａ〜図１０Ｃに示されるように）、あるいは、燃焼室の中心線ＣＣに接線方向である、複数のプルームを含む燃料スプレーを吐出するよう構成され得る。例えば、燃料スプレーは、３つのプルーム、あるいは４つのプルームを含み得る。
【００３１】
図４の断面図では、ピストン１００´および１００´´はボア内のＴＤＣ位置近くにあり、燃焼室１５０は最小容積に近い。この図では、ピストンが最小容積で互いに接近するにつれて、ピストン端部の周辺部と燃焼室との間のスキッシュ運動がより強くなる。このスキッシュフローは、ボウルの浅い領域（Ａ´とＡ´´）に比べ、ボウルの断面がより深い場所（１２３´と１２３´´）で優先的に分離される。このように優先的にフローが分離されることにより、燃焼室の中心線ＣＣを回って回転する回転構造１７６が設定される。この図で見られるように、この回転構造は、シリンダ軸線１１２とほぼ同一線上にある渦の軸線を横切って循環するので、この構造体１７６はタンブルする。このタンブル運動の強さは、対向するボウルの最も深い部分の配置が増加するにつれて増加する。このタンブル運動が発生することにより、対向する噴射器から噴出する燃料噴霧の点火に起因する拡散プルームが、燃焼室の中央に確実に位置し、燃焼室壁に対する熱拒絶を最小限に抑えられるため都合がよい。
【００３２】
図５Ａには、２つの層（バリア層１０２Ａおよび導電層１０２Ｂ）を有するピストンクラウン５００の分解図が示される。バリア層１０２Ａには、凹状ボウル１２０Ａと一対のノッチ１１８が含まれ、これらは、導電層１０２Ｂ、具体的には導電層１０２Ｂに形成された対応するボウル１２０Ｂおよびノッチ１１８上に嵌合するように形成されている。これらのバリア層１０２Ａと導電層１０２Ｂは、異なる材料から別々に製造され、次いで、一緒に溶接され得る。このピストンクラウン５００は、溶接または任意の他の適切な取り付け方法によって、ピストンの他の部分、ピストンリング溝の上に取り付けられる。
【００３３】
バリア層１０２Ａには、端面１０８Ｃ、凹状ボウル１０２Ａ、一対のノッチ、および側壁５０５の平坦部が含まれる。このピストンクラウン５００では、バリア層１０２Ａが、燃焼室（図４の１５０）の壁の一部を形成する。このバリア層１０２Ａによって、燃焼室に向かって熱が反射され、それにより、ピストンのその他の部分、エンジンシリンダー、または環境に熱が失われることはない。バリア層１０２Ａは、熱伝導率が１５Ｗ／ｍ・℃以下の材料からなり、燃焼室の壁が受ける高温では酸化されず、燃焼温度に晒されても時間とともに著しく強度を失うことはない。バリア層１０２Ａに用いることができる材料には、例えばＨａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）、Ｗａｓｐａｌｏｙ（登録商標）、Ｒｅｎｅ（登録商標）合金、Ｈａｙｎｅｓ合金、Ｉｎｃｏｌｏｙ（登録商標）、ＭＰ９８ＴおよびＣＭＳＸ単結晶合金などの超合金が含まれる。バリア層１０２Ａを形成するために、付加加工、鍛造、鋳造、磁気パルス成形などに加えて、機械加工を使用することも可能である。燃焼室、ボウル１２０Ａを形成する、バリア層１０２Ａの部分の厚さは、バリア層１０２Ａの材料特性およびピストンの全体の大きさに依存する。例えば、直径９８ｍｍのピストンの場合、上記のバリア層の厚さは、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）製の層の場合、約３．５ｍｍである。直径１３０ｍｍのピストンの場合、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）バリア層は、上述のように約５ｍｍの厚さを有する。さらに、バリア層の厚さは、層の領域にわたって変化し得る。すなわち、バリア層の厚さは不均一であり得る。バリア層１０２Ａの製造中（例えば、鋳造中）に、あるいは、製造後で、導電層１０２Ｂに接合する前に、バリア層の裏側（例えば、導電層と接する側）に中空、トレンチ、ピットなどを生成することによって、このバリア層の厚さの不均一性は実現することができる。バリア層１０２Ａは、４００℃〜７５０℃などの燃焼温度範囲で動作させられる。いくつかの実施形態では、バリア層１０２Ａは、４５０℃〜約７２５℃の範囲の温度（例えば、約５００℃〜約７００℃）に達する燃焼室内で動作することができる。
【００３４】
導電層１０２Ｂは、平坦部１０８Ｄ、一対のノッチ１１８、凹状のボウル１２０Ｂ、および側壁５１０を含む、バリア層１０２Ａの形状と同様の形状を含む。この形状の寸法により、バリア層１０２Ａと導電層１０２Ｂとの間の緊密な嵌合が可能となる。導電層１０２Ｂにより、熱が迅速に移動し、ピストンクラウンから放散される。このバリア層１０２Ａが、導電層１０２Ｂを燃焼室の高温から保護するため、導電層およびピストンの他の部分は、酸化、強度の損失、またはピストンと接触する潤滑剤の過熱の影響を受けない。従来、エンジンのピストンに使用される材料は、導電層１０２Ｂでの使用に適している。例えば、導電層１０２Ｂは、鋼、ステンレス鋼、鋳鉄、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金などで作ることができる。導電層１０２Ｂに用いる材料は、熱伝導率が２５Ｗ／ｍ・℃以上である。
【００３５】
バリア層１０２Ａと同様に、導電層１０２Ｂも、付加加工、鍛造、鋳造、磁気パルス成形、機械加工など、あるいはこれらの方法の任意の適切な組み合わせによって作製することが可能である。燃焼室、ボウル１２０Ｂを支持する導電層１０２Ｂの部分の厚さは、導電層１０２Ｂの材料特性およびピストンの全体の大きさに依存する。例えば、直径９８ｍｍのピストンの場合、上述した導電層の厚さは約３．５ｍｍであり、直径１３０ｍｍのピストンの場合、導電層の厚さは約５ｍｍである。導電層の厚さは、層を横切って変化し得、そのため、導電層の厚さは不均一である。
【００３６】
バリア層の裏側と導電層の頂部との間の嵌合は、一般に緊密な嵌合とすることができるが、いくつかの実施形態では、２つの層が接触しない領域が存在し得る。バリア層および導電層が接触しないこれらの領域、すなわち空洞は、ガスで満たされ得るか、ガスが排気され得る。これらの空洞の位置および寸法は、バリア層および導電層に使用される材料ならびにピストンクラウンの特徴の構成によって変化する。バリア層と導電層の厚さの変動に関連して空洞を使用して、燃焼室の温度の均一性を調節することができる。空洞の位置により、燃焼室内のホットスポットと、コールドスポットまたは平均温度の領域との間の温度差を減少させることができる。空洞の可能な位置は、ボウル１２０Ａの接合部の下の領域と、ピストンクラウンの端面の平坦な部分と、ノッチ１１８の下の領域とを含む。空洞は、サイズだけでなく位置も変化し得る。高さの場合、空洞はバリア層１０２Ａの厚さの１／３以下にすることができる。あるいは、空洞は、バリア層１０２Ａの厚さの１／２以下で有り得る
【００３７】
バリア層１０２Ａと導電層１０２Ｂから単一のピストンクラウン５００を形成するために、層の材料を適合させるために、層を接合する方法を選択することができる。これらの層は、例えば、付加加工によって形成することができる。付加加工では、第１の層と、バリア層または導電層のうちの１つを鋳造し、次いで、第１の層の上に他の層を鋳造する、あるいは、第１の層を鋳造し、次に粉末金属を添加して、焼結または熱処理して第２の層を作り、単一のピストンクラウンを形成する。接着方法または接合方法を用いて、バリア層および導電層から単一のピストンクラウンを形成することができる。そのような接合方法には、電子ビーム溶接、レーザ溶接、磁気パルス成形／溶接、またはインパルス溶接技術を使用して側壁に沿って溶接するステップが含まれ得る。さらに、任意のその他の適切な接合技術を用いて、バリア層１０２Ａと導電層１０２Ｂから単一ピストンクラウン５００を作製することもできる。いくつかの実施形態では、結合技術では、クラウンの内部の層１０２Ａと１０２Ｂの間に不連続性が存在し、上述の空洞を形成され得るよう、側壁５０５，５１０に沿ってバリア層１０２Ａと導電層１０２Ｂに接合することができる。溶接、または他の接着剤接合方法を用いて層が接合される際、これらの空洞は真空になり得る、あるいは空気が存在し得る。バリア層１０２Ａと導電層１０２Ｂを形成するために、鋳造およびオーバーキャストのような付加的な製造が使用される場合、空洞は、ガスの代わりに、または真空の代わりに発泡材料で充填され得る。
【００３８】
図５Ｂは、図５Ａに示されるピストンクラウン５００の断面図である。この図では、バリア層１０２Ａと導電層１０２Ｂは、それぞれ側壁５０５および側壁５１０と、クラウンを形成するように共に嵌合する形状とを見ることができる。ノッチ１１８、ボウル１２０Ａおよび１２０Ｂ、ならびに平坦部分１０８Ｃおよび１０８Ｄは、経時的に性能を損なうことなく、あるいは、または望ましくないホットスポットを発生させることなく、燃焼室に熱を適切に保持するピストンクラウンを得るため、バリア層１０２Ａと導電層１０２Ｂのために選択された材料に基づいて形成される。図５Ｃは、ピストンスカートの上の、図５Ｂに示されたものと同様のピストンの分解断面図である。
【００３９】
図６Ａには、図５Ａに示されるピストンクラウンと同様のスカート１０４およびピストンクラウン５００を備えるピストン１００が示されている。バリア層１０２Ａおよび導電層１０２Ｂに加えて、空洞３００は、ピストンクラウン５００の２つの層の間に位置するように示されている。空洞３００は、燃焼室からピストン１００の下部への熱伝達を低減または遮断し、熱抵抗として機能する。必ずしもそうである必要はないが、空洞３００は、熱伝導率の低い材料を含むことが好ましい。低熱伝導率材料の例として、空気、セラミック、および／または発泡材料を含むグラファイトが挙げられる。いくつかの実施態様では、熱伝導率の低い材料の代わりに、空洞３００を排気することができ、その結果、空洞３００からガスが除去され、空洞３００内の圧力は大気圧よりも低い。空洞３００により、例えば、ボウルとピストンの端面の平坦部分との境界面の下に環状チャンバが形成され得る。空洞３００をセラミック、グラファイト、または他の同等の材料で覆うことにより、ピストンに構造的完全性が付与される。図６Ｂには、バリア層１０２Ａと導電層１０２Ｂとの間の空洞３００の１つの拡大図が示される。
【００４０】
図７Ａには、３つの層（バリア層１０２Ａ、導電層１０２Ｂ、および絶縁層１０２Ｃ）を有するピストンクラウン７００の分解図が示される。ピストンクラウン７００のバリア層１０２Ａと導電層１０２Ｂは、図５Ａに示される２層構造のピストンクラウン５００に関して説明したバリア層および導電層とすることができるが、バリア層１０２Ａと導電層１０２Ｂとの間に絶縁層１０２Ｃを収容するため寸法が変更されている。絶縁層１０２Ｃは、ボウル１２０Ｃと一対のノッチ１１８、および平坦部１０８Ｅを含み、これらは、バリア層１０２Ａと導電層１０２Ｂとの間に嵌合するように寸法決めされている。この絶縁層１０２Ｃには、側壁がないが、バリア層１０２Ａの側壁５０５内に嵌合する円周がある。この絶縁層１０２Ｃは、熱伝導率が２Ｗ／ｍ・℃以下の材料からなる。この絶縁層１０２Ｃの厚さは、絶縁層を形成するために使用される材料に応じて変化し得る。絶縁層１０２Ｃに用いることができる材料としては、ガス、真空、またはセラミック材料が挙げられる。適切なセラミック材料には、セラミック粒子の未焼成体が含まれる。すなわち、絶縁層１０２Ｃは、セラミック材料の一体式の本体ではなく、結合材料を用いて、あるいは、用いずに、互いに付着し、粒子の集まり、または未焼結体に課される任意の形状に適合するように操作することができるセラミック粒子の集合体でよい。セラミック材料は、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、炭化ケイ素、炭化タングステン、ダイヤモンド様材料などを含むことができる。この絶縁層１０２Ｃは、例えば、４００℃〜７５０℃の範囲内の燃焼温度を得るように作られる。いくつかの実施形態では、絶縁層１０２Ｃは、
４５０℃〜約７２５℃の範囲の温度（約５００℃〜約７００℃のような）に達する燃焼室内で動作することができる。
図７Ｂには、図７Ａに示すものと同様の３層ピストンクラウンの断面分解図が示されている。
【００４１】
上述の２層構造のピストンクラウンと同様に、ピストンクラウン７００の３つの層は、付加加工や溶接を含む任意の適切な製造技術を用いて接合することができる。これらの層は、個別の層として上述したが、付加加工を使用する場合、隣接する層の材料が混合または相互作用する界面を有してもよい。逆に、ピストンクラウン７００の層が側壁５０５および５１０に沿って溶接によって接合される実装形態では、隣接する層は、層の間に不連続性または間隙を有し得る。
【００４２】
いくつかの実施形態では、ピストンクラウンは、鋳造およびオーバーキャストによって形成される。このタイプの製造では、第１の層の鋳造物がバリア層である。絶縁層は、例えば、３Ｄ印刷またはスリップキャスティングによって別個に形成される。第２層（導電層）は、絶縁層と伴に第１層上に鋳込まれ、この絶縁層が第１層と第２層との間に挿入される。使用される材料のタイプにより要求される場合、導電層が第１の層の鋳造物であり、バリア層は第２の層の鋳造物でよく、製造中に第１と層と第２の層の間に絶縁層が挿入される。
【００４３】
図８Ａおよび図８Ｂには、図７Ａおよび図７Ｂに示される３層構造のピストンクラウン７００のピストンスカート１０４上の断面図が示される。これらの図では、クラウン７００とピストンスカート１０４が一緒になってピストン１００の外側部分のバルクを形成する。ピストン１００はリング溝なしで示されているが、スカート８０５の上部にはリング溝が形成されていてもよい。このようなピストンでは、ピストンクラウン７００の構造は、必要に応じて、溝を断熱することによってリング溝を占めることがある。
【００４４】
本明細書に記載されている多層構造のピストンクラウンは、ボウルおよび燃焼室の特定の構成を有するピストンクラウンに関して説明されているが、クラウンとバリア層および導電層との多層構造には、回転対称性を有するもの、または本明細書に示され説明されたものとは異なる非対称性のものを含む任意の構成も含まれる。さらに、各層（例えば、バリア層、導電層、絶縁層）は、１つの材料からなる別個の層として記載されているが、いくつかの実施形態では、各層は、マトリックス材料と補強材の複合材料の固溶体、または異なる材料の複数の層として形成され得る。
【００４５】
本明細書に記載された特定の実施形態は単なる例示にすぎず、対向ピストンエンジンのための本発明の多層構造のクラウンの範囲から逸脱することなく様々な変更が可能であることは、当業者であれば理解されよう。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００４６】
【非特許文献１】Ｈｅｒｏｌｄ，Ｒ．，Ｗａｈｌ，Ｍ．，Ｒｅｇｎｅｒ，Ｇ．，Ｌｅｍｋｅ，Ｊ．ｅｔ  ａｌ．による「Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ  Ｂｅｎｅｆｉｔｓ  ｏｆ  Ｏｐｐｏｓｅｄ−Ｐｉｓｔｏｎ  ｔｗｏ−Ｓｔｒｏｋｅ  Ｅｎｇｉｎｅｓ」、ＳＡＥ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒ  ２０１１−０１−２２１６、２０１１、ｄｏｉ：１０．４２７１／２０１１−０１−２２１６
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【国際調査報告】
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