(57)【要約】  車両用内燃機関ピストンおよびその製造方法が提供される。ピストンは、中心長手方向軸に沿って延在し、上側燃焼面と上側燃焼面と反対側のアンダークラウン面とを形成する上側燃焼壁部を有するピストン本体を含む。環状リングベルト領域が、上側燃焼面から垂れ下がり、スカートパネルの対がリングベルト領域から垂れ下がり、ピンボスの対がアンダークラウン面から垂れ下がって、リストピンを収容するためにピンボア軸に沿って配列された、横方向に間隔をおいて配置されたピンボアを設ける。アンダークラウン面は、中心アンダークラウン面と、開口した外側冷却空洞、封止された外側冷却空洞、または外側非空洞領域のうちのいずれかの一部分とを形成し、絶縁被覆層がアンダークラウン面のこれらの部分のうちの少なくとも１つに設けられている。
2019516901.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のためのピストンであって、
前記ピストンが内燃機関のシリンダボアにおいて往復運動を行なう中心長手方向軸に沿って延在し、前記シリンダボア内の燃焼ガスに直接曝されるように構成された上側燃焼面と前記上側燃焼面と反対側のアンダークラウン面とを形成する上側燃焼壁部を有し、少なくとも１つのピストンリングを収容するために環状リングベルト領域が前記上側燃焼面から垂れ下がっている金属ピストン本体と、
前記リングベルト領域から垂れ下がって前記シリンダボアにおいて前記ピストンの案内を容易にするスカートパネルの対と、
前記アンダークラウン面から垂れ下がり、リストピンを収容するためにピンボア軸に沿って配列された、横方向に間隔をおいて配置されたピンボアの対を設けるピンボスの対と、
前記アンダークラウン面の一部分を形成する開口した外側冷却空洞と、前記アンダークラウン面の一部分を形成する封止された外側冷却空洞と、または前記アンダークラウン面の一部分を形成する外側非空洞領域とのうちの１つと、前記アンダークラウン面の一部分を形成する中心アンダークラウン面の一部分と、
前記アンダークラウン面の前記部分のうちの少なくとも１つに設けられる絶縁被覆層とを備える、ピストン。
【請求項２】
前記絶縁被覆層は、前記ピストン本体の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する、請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記絶縁被覆層は、セラミック系材料またはポリマー系材料のうちの１つによって形成されている、請求項１に記載のピストン。
【請求項４】
前記絶縁被覆層は、セリア、セリア安定化ジルコニア、およびセリア／イットリア安定化ジルコニアのうちの少なくとも１つを含むセラミック系材料で形成されている、請求項３に記載のピストン。
【請求項５】
前記絶縁被覆層は、前記セラミック系材料の全重量に基づき９０〜１００ｗｔ．％の量のセリアを含む、請求項４に記載のピストン。
【請求項６】
前記絶縁被覆層は、前記セラミック系材料の全重量に基づき９０〜１００ｗｔ．％の量のセリア安定化ジルコニアを含む、請求項４に記載のピストン。
【請求項７】
前記絶縁被覆層は、前記セラミック系材料の全重量に基づき９０〜１００ｗｔ．％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４に記載のピストン。
【請求項８】
前記セラミック系材料の全重量に基づき、約５０ｗｔ．％の前記ジルコニアはセリアによって安定化され、約５０ｗｔ．％の前記ジルコニアはイットリアによって安定化される、請求項７に記載のピストン。
【請求項９】
前記金属ピストン本体と前記絶縁材料との間に挟まれて前記絶縁材料の前記金属ピストン本体への接合を容易にする金属系接合材料をさらに備える、請求項４に記載のピストン。
【請求項１０】
前記金属系接合材料は前記金属ピストン本体と同じ種類の金属で形成されている、請求項９に記載のピストン。
【請求項１１】
前記金属系接合材料は超合金で形成されている、請求項９に記載のピストン。
【請求項１２】
前記金属系接合材料は１００％金属系接合材料から１００％セラミック系材料まで遷移する勾配を形成する、請求項９に記載のピストン。
【請求項１３】
前記絶縁被覆層は、エポキシ、フェノール、フッ素重合体、およびシロキサン材料のうちの少なくとも１つを含むポリマー系材料で形成されている、請求項３に記載のピストン。
【請求項１４】
前記絶縁被覆層は１Ｗ／ｍ・Ｋよりも低い熱伝導率を有する、請求項１に記載のピストン。
【請求項１５】
前記ピストンは、オイルがその中で噴射されるように構成された入口と前記オイルがそこから流出するように構成された出口とを有する開口した冷却空洞を有し、前記絶縁被覆層は、前記開口した冷却空洞の少なくとも一部分に設けられている、請求項１に記載のピストン。
【請求項１６】
前記ピストンは閉鎖された冷却空洞を有し、前記絶縁被覆層は前記閉鎖された冷却空洞の少なくとも一部分に設けられている、請求項１に記載のピストン。
【請求項１７】
前記ピストンは外側非空洞領域を有し、前記絶縁被覆層は前記外側非空洞領域の少なくとも一部分に設けられている、請求項１に記載のピストン。
【請求項１８】
内燃機関のためのピストンの製造方法であって、
内燃機関のシリンダボアにおいて前記ピストンが往復運動を行なう中心長手方向軸に沿って延在する金属ピストン本体を形成することと、
前記シリンダボア内の燃焼ガスに直接曝されるように構成された上側燃焼面を設け、前記上側燃焼面と反対側のアンダークラウン面を設け、さらに少なくとも１つのピストンリングを収容するために前記上側燃焼面から垂れ下がっている環状リングベルト領域を設ける上側燃焼室壁部を有する前記ピストン本体を形成することと、
前記リングベルト領域から垂れ下がって前記シリンダボア内の前記ピストンの案内を容易にするスカートパネルの対を形成することと、
前記アンダークラウン面から垂れ下がり、リストピンを収容するためにピンボア軸に沿って整列された、横方向に間隔をおいて配置されたピンボアの対を設けるピンボスの対を形成することと、
前記アンダークラウン面の一部分を設ける開口した外側冷却空洞と、前記アンダークラウン面の一部分を設ける封止された外側冷却空洞と、または前記アンダークラウン面の一部分を設ける外側非空洞領域とのうちの１つと、前記アンダークラウン面の一部分を設ける中心アンダークラウン面とを形成することと、
絶縁被覆層を前記アンダークラウン面のこれらの部分のうちの少なくとも１つに設けることとを備える、方法。
【請求項１９】
前記ピストン本体の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する前記絶縁被覆層を設けることをさらに備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
セラミック系材料またはポリマー系材料のうちの１つによって形成されている前記絶縁被覆層を設けることをさらに備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
セリア、セリア安定化ジルコニア、およびセリア／イットリア安定化ジルコニアのうちの少なくとも１つを含むセラミック系材料で形成されている前記絶縁被覆層を設けることをさらに備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記セラミック系材料の全重量に基づき９０〜１００ｗｔ．％の量のセリアを含む前記絶縁被覆層を設けることをさらに備える、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記セラミック系材料の全重量に基づき９０〜１００ｗｔ．％の量のセリア安定化ジルコニアを含む前記絶縁被覆層を設けることをさらに備える、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記セラミック系材料の全重量に基づき９０〜１００ｗｔ．％の量のセリア／イットリア安定化ジルコニアを含む前記絶縁被覆層を設けることをさらに備える、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記セラミック系材料の全重量に基づき、セリアによって安定化される約５０ｗｔ．％の前記ジルコニアと、イットリアによって安定化される約５０ｗｔ．％の前記ジルコニアとを設けることをさらに備える、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記金属ピストン本体と前記絶縁材料との間に挟まれて前記絶縁材料の前記金属ピストン本体への接合を容易にする金属系接合材料を設けることをさらに備える、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記金属ピストン本体と同じ種類の金属で形成されている前記金属系接合材料を設けることをさらに備える、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
超合金で形成されている前記金属系接合材料を設けることをさらに備える、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記金属系接合材料を設けて１００％金属系接合材料から１００％セラミック系材料まで遷移する勾配を形成することをさらに備える、請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
エポキシ、フェノール、フッ素重合体、およびシロキサン材料のうちの少なくとも１つを含むポリマー系材料で形成されている前記絶縁被覆層を設けることをさらに備える、請求項２２に記載の方法。
【請求項３１】
１Ｗ／ｍ・Ｋよりも低い熱伝導率を有する前記絶縁被覆層を設けることをさらに備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項３２】
オイルがその中で噴射されるように構成された入口と前記オイルがそこから流出するように構成された出口とを有する開口した冷却空洞を有する前記ピストンを形成することと、前記絶縁被覆層を前記開口した冷却空洞の少なくとも一部分に設けることとをさらに備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項３３】
閉鎖された冷却空洞を有する前記ピストンを形成することと、前記絶縁被覆層を前記閉鎖された冷却空洞の少なくとも一部分に設けることとをさらに備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項３４】
外側非空洞領域を有する前記ピストンを形成することと、前記絶縁被覆層を前記外側非空洞領域の少なくとも一部分に設けることとをさらに備える、請求項１８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
本特許出願は、２０１６年５月１９日に出願された米国仮特許出願第６２／３３９，０５３号、および２０１７年５月１８日に出願された米国実用出願連続番号第１５／５９８，５６４号の利益を主張し、ここにその全体が引用により援用される。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
１．技術分野
本発明は、概して内燃機関のためのピストンおよびピストンの製造方法に関する。
【０００３】
２．関連技術
頑丈なディーゼルピストンなど、内燃機関で使用されるピストンは、特にピストンのクラウンに沿って、動作中にきわめて高温にさらされる。エンジンおよびピストンの製造業者は、燃焼室内の使用可能な燃料エネルギーおよび高いガス温度を維持し、より高いエンジンブレーキ熱効率（ＢＴＥ）を得るために、クラウンの温度を制御し燃焼室からクラウンへの熱損失を低減しようとすることが典型的である。
【０００４】
クラウンの温度を下げるために、クラウンの真下に冷却空洞が設計されたピストンもあり、ピストンがエンジンのシリンダボアに沿って往復運動を行なうと、冷却オイルが冷却空洞内へおよびアンダークラウン面上へ噴射される。オイルは空洞冷却の内面に沿って流れ、クラウンから熱を放出する。しかしながら、動作中のピストン温度を制御するためには、大流量のオイルを常に維持しなければならず、これによって寄生損が増加して、エンジン燃焼効率が低下する。また、内燃機関の温度が高いためにオイルが時間とともに劣化するため、十分なエンジンの寿命を維持するためにオイルを定期的に変更しなければならない。さらに、ピストン冷却空洞および／またはアンダークラウン温度が長期間にわたって高温にさらされると、オイルがコークスになる割合が高くなる傾向にあり、それによって生じたコークスオイルの堆積物が冷却空洞の内面上におよび／またはアンダークラウン上に蓄積する場合がある。
【０００５】
クラウンの温度を制御する別の方法では、高温にさらされた場合にオイルよりも耐熱性を有するクーラント媒体を含む、封止された冷却空洞を備えるピストンが設計される。米国特許第９，１２７，６１９号では、高熱伝導率を有する金属粒子を含む液が部分的に充填された、封止された冷却空洞を備えるピストンの例が開示されている。液は、ピストンが内燃機関内で往復運動を行なうと冷却空洞全体にわたって金属粒子を運び、金属粒子はクラウンから熱を取り除く。金属粒子は熱の流れを再分配可能であるため、冷却空洞の堆積物およびオイルの劣化も抑制される。
【０００６】
しかしながら、エンジンおよびピストンの製造業者は、アンダークラウンおよび／または冷却空洞の表面の温度を低下させ、冷却空洞および／またはアンダークラウンの表面上のコークスオイル堆積物および炭素の蓄積を減少させ、エンジンオイルの劣化を抑制し、必要とされるエンジンオイル交換の間隔の時間を長くするために、新しい改良された方法を開発しようと常に努めている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明の概要
本発明の一局面は、内燃機関のためのピストンを提供する。このピストンでは、表面温度が低下し、冷却空洞の内面とピストンのアンダークラウンとの少なくとも１つに沿った表面の堆積が減少し、冷却オイルが劣化する傾向が低減している。
【０００８】
内燃機関のためのピストンが提供される。ピストンは、内燃機関のシリンダボアにおいて往復運動を行なう中心長手方向軸に沿って延在する金属ピストン本体を備える。ピストン本体は、シリンダボア内の燃焼ガスに直接曝されるように構成された上側燃焼面と上側燃焼面と反対側のアンダークラウン面とを形成する上側燃焼壁部を有する。環状リングベルトが、少なくとも１つのピストンリングを収容するために上側燃焼面から垂れ下がり、スカートパネルの対が、リングベルト領域から垂れ下がってシリンダボアにおいてピストンの案内を容易にする。ピンボスの対がアンダークラウン面から垂れ下がり、リストピンを収容するためにピンボア軸に沿って整列された、横方向に間隔をおいて配置されたピンボアの対を設けている。ピストン本体のアンダークラウン面は、中心アンダークラウン面と、開放された外側冷却空洞、封止された外側冷却空洞、または外側冷却領域のうちのいずれかの一部分とを形成し、絶縁被覆層がアンダークラウン面のこれらの部分のうちの少なくとも１つに設けられている。
【０００９】
本発明の別の局面によると、絶縁被覆層は、ピストン本体の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する。
【００１０】
本発明の別の局面によると、絶縁被覆層は、セラミック系材料またはポリマー系材料のうちの１つによって形成されている。
【００１１】
本発明の別の局面によると、絶縁被覆層は、セリア、セリア安定化ジルコニア、およびセリア／イットリア安定化ジルコニアのうちの少なくとも１つを含むセラミック系材料で形成され得る。
【００１２】
本発明の別の局面によると、絶縁被覆層は、セラミック系材料の全重量に基づき９０〜１００ｗｔ．％の量のセリアを含み得る。
【００１３】
本発明の別の局面によると、絶縁被覆層は、セラミック系材料の全重量に基づき９０〜１００ｗｔ．％の量のセリア安定化ジルコニアを含み得る。
【００１４】
本発明の別の局面によると、絶縁被覆層は、セラミック系材料の全重量に基づき９０〜１００ｗｔ．％の量のセリア／イットリア安定化ジルコニアを含み得る。
【００１５】
本発明の別の局面によると、セラミック系材料の全重量に基づき、約５０ｗｔ．％のジルコニアはセリアによって安定化され得、約５０ｗｔ．％のジルコニアのはイットリアによって安定化され得る。
【００１６】
本発明の別の局面によると、金属系接合材料を金属ピストン本体と絶縁材料との間に挟んで絶縁材料の金属ピストン本体への接合を容易にし得る。
【００１７】
本発明の別の局面によると、金属系接合材料は金属ピストン本体と同じ種類の金属で形成され得る。
【００１８】
本発明の別の局面によると、金属系接合材料は超合金で形成され得る。
本発明の別の局面によると、金属系接合材料は１００％金属系接合材料から１００％セラミック系材料まで遷移する勾配を形成し得る。
【００１９】
本発明の別の局面によると、絶縁被覆層は１Ｗ／ｍ・Ｋよりも低い熱伝導率を有し得る。
【００２０】
本発明の別の局面によると、ピストンは、オイルがその中で噴射されるように構成された入口とオイルがそこから流出するように構成された出口とを有する開口した冷却空洞を有して形成され得、絶縁被覆層は、開口した冷却空洞の少なくとも一部分に設けられている。
【００２１】
本発明の別の局面によると、ピストンは閉鎖された冷却空洞を有して形成され得、絶縁被覆層は閉鎖された冷却空洞の少なくとも一部分に設けられている。
【００２２】
本発明の別の局面によると、ピストンは外側非空洞領域を有して形成され得、絶縁被覆層は外側非空洞領域の少なくとも一部分に設けられている。
【００２３】
本発明の別の局面によると、内燃機関のためのピストンの製造方法が提供される。この方法は、内燃機関のシリンダボアにおいてピストンが往復運動を行なう中心長手方向軸に沿って延在する金属ピストン本体を形成することと、シリンダボア内の燃焼ガスに直接曝されるように構成された上側燃焼面を設け、上側燃焼面と反対側のアンダークラウン面を設ける上側燃焼壁部を有するピストン本体を形成することとを備える。この方法はさらに、少なくとも１つのピストンリングを収容するために上側燃焼面から垂れ下がる環状リングベルトを有するピストン本体を設けることを備える。この方法はさらに、リングベルト領域から垂れ下がってシリンダボア内のピストンの案内を容易にするスカートパネルの対を設けることを備える。この方法はさらに、アンダークラウン面から垂れ下がってリストピンを収容するためにピンボア軸に沿って整列された、横方向に間隔をおいて配置されたピンボアの対を有するピストン本体を設けることを備える。この方法はさらに、アンダークラウン面を形成して、中心アンダークラウン面と、開口した外側冷却空洞の一部分、閉鎖された外側冷却空洞の一部分、または外側非空洞領域の一部分のうちのいずれかとを設けることを備える。
【００２４】
本発明の別の局面によると、この方法は、ピストン本体の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する絶縁被覆層を設けることを備える。
【００２５】
本発明の別の局面によると、この方法は、セラミック系材料またはポリマー系材料のうちの１つで形成された絶縁被覆層を設けることを備え得る。
【００２６】
本発明の別の局面によると、この方法は、セリア、セリア安定化ジルコニア、およびセリア／イットリア安定化ジルコニアのうちの少なくとも１つを含むセラミック系材料で形成された絶縁被覆層を設けることを備え得る。
【００２７】
本発明の別の局面によると、この方法は、セラミック系材料の全重量に基づき９０〜１００ｗｔ．％の量のセリアを含む絶縁被覆層を設けることを備え得る。
【００２８】
本発明の別の局面によると、この方法は、セラミック系材料の全重量に基づき９０〜１００ｗｔ．％の量のセリア安定化ジルコニアを含む絶縁被覆層を設けることを含み得る。
【００２９】
本発明の別の局面によると、この方法は、セラミック系材料の全重量に基づき９０〜１００ｗｔ．％の量のセリア／イットリア安定化ジルコニアを含む絶縁被覆層を設けることを備え得る。
【００３０】
本発明の別の局面によると、この方法は、セラミック系材料の全重量に基づき、約５０ｗｔ．％のセリアによって安定化されるジルコニアと、約５０ｗｔ．％のイットリアによって安定化されるジルコニアとを設けることを備え得る。
【００３１】
本発明の別の局面によると、この方法は、金属ピストン本体と絶縁材料との間に挟まれた金属系接合材料を設けて絶縁材料の金属ピストン本体への接合を容易にする金属系接合材料を設けることを備え得る。
【００３２】
本発明の別の局面によると、この方法は、金属ピストン本体と同じ種類の金属で形成された金属系接合材料を設けることを備え得る。
【００３３】
本発明の別の局面によると、この方法は、超合金で形成された金属系接合材料を設けることを備え得る。
【００３４】
本発明の別の局面によると、この方法は、金属系接合材料を設けて１００％金属系接合材料から１００％セラミック系材料まで遷移する勾配を形成することを備え得る。
【００３５】
本発明の別の局面によると、この方法は、１Ｗ／ｍ・Ｋよりも低い熱伝導率を有する絶縁被覆層を設けることを備え得る。
【００３６】
本発明の別の局面によると、この方法は、オイルがその中で噴射されるように構成された入口とオイルがそこから流出するように構成された出口とを有する開口した冷却空洞を有するピストンを形成することと、絶縁被覆層を開口した冷却空洞の少なくとも一部分に設けることとを備え得る。
【００３７】
本発明の別の局面によると、この方法は、閉鎖された冷却空洞を有するピストンを形成することと、絶縁被覆層を閉鎖された冷却空洞の少なくとも一部分に設けることとを備え得る。
【００３８】
本発明の別の局面によると、この方法は、外側非空洞領域を有するピストンを形成することと、絶縁被覆層を外側非空洞領域の少なくとも一部分に設けることとを備え得る。
【００３９】
本発明のこれらならびに他の局面、特徴および利点は、以下の詳細な説明、添付の特許請求の範囲および添付の図面に関連付けて考慮されると、より容易に認識されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】軸Ａの左側でピンボア軸に対して略横方向に沿ってとられた、かつ、軸Ａの右側でピンボア軸に概ね沿ってとられた、発明のある局面に従って組み立てられたピストンの断面および側面図である。
【図１Ａ】本発明の別の局面に従って組み立てられたピストンを示す、図１に類似した図である。
【図２】本発明の別の局面に従って組み立てられたピストンを示す、図１に類似した図である。
【図３】本発明のさらに他の局面に従って組み立てられたピストンを示す、図１に類似した図である。
【図４Ａ】実施形態例の冷却空洞およびアンダークラウン面上の絶縁被覆層によって得られる表面温度の例を示すグラフである。
【図４Ｂ】実施形態例の冷却空洞およびアンダークラウン面上の絶縁被覆層によって得られる表面温度の例を示すグラフである。
【図４Ｃ】実施形態例の冷却空洞およびアンダークラウン面上の絶縁被覆層によって得られる表面温度の例を示すグラフである。
【図４Ｄ】実施形態例の冷却空洞およびアンダークラウン面上の絶縁被覆層によって得られる表面温度の例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
現在好ましい実施形態の詳細な説明
図面をより詳細に参照すると、図１、図１Ａ〜図３はそれぞれ、本発明の異なる実施形態例に係る内燃機関のためのピストン２０、２０’、２０’’，２０’’’を示す。以降で、ピストン２０、２０’、２０’’，２０’’’は、同様の特徴を特定するために同様の参照番号を用いて説明される。ピストン２０、２０’、２０’’，２０’’’は各々、中心軸Ａに沿って延在する鋼鉄などの金属材料で形成された本体２２を有し、中心軸Ａに沿って、ピストン２０、２０’、２０’’，２０’’’は使用の際に上側端部２４から下側端部２６まで往復運動を行なう。ピストン２０、２０’、２０’’，２０’’’の本体２２は、上側燃焼壁部２９の上側端部２４においてクラウン２８を含み、クラウン２８は、使用されている間は燃焼室および燃焼室内の高温ガスに直接曝され、燃焼ボウル３０がその中で垂れ下がっている。
【００４２】
実施形態例では、本体２２の燃焼ボウル３０は、中心軸Ａの周囲の先端領域３１、中心軸Ａを取り囲むドーナツ形のボウル形状谷領域３３、および谷領域３３を取り囲むボウルリム３５を呈する。環状リングベルト３２は、クラウン２８から垂れ下がって、中心軸Ａから離れ中心軸Ａの周囲で周方向に延在する複数のリング溝３７を呈する。
【００４３】
ピストン２０、２０’、２０’’，２０’’’はさらに、ピンボス３４の対を呈する下側部分を含む。ピンボス３４の対の各々は、クラウン２８から垂れ下がり、リストピン（図示せず）を収容するために中心軸Ａに対して垂直に延在するピンボア軸３８に沿って互いに整列されたピンボア３６を有する。本体２２はまた、正反対側に位置するスカートパネル４０の対を含み、スカートパネル４０は、クラウン２８から垂れ下がり、ピンボア軸３８の両側に沿って部分的に中心軸Ａを中心にして円周方向に沿って延在する。スカートパネル４０は、支柱部４２を介してピンボス３４に接合されている。なお、ピストン２０、２０’、２０’’，２０’’’の本体２２は、図１、図１Ａ〜図３に示すものとは異なる様々な他のデザインおよび特徴を備えていてもよい。
【００４４】
ピストン２０の本体２２の下側部分も、上側燃焼壁部２９を挟んでクラウン２８と反対側に、燃焼ボウル３０と反対側に面するアンダークラウン面４４を呈する。ピストン２０は図１、図１Ａに示すように、アンダークラウン面４４に加えて外側冷却空洞４６を任意に備え得る。これらの実施形態では、外側冷却空洞４６は、リングベルト３２に隣接してこれと径方向に並んでまたは実質的に径方向に並んで配置され（「実質的に」は、冷却空洞４６の少なくとも一部分がリングベルト３２と径方向に並んでいるものの、一部分がリングベルト３２と径方向に並んでいない場合があることを示すように意図されている）、冷却空洞４６は、中心軸Ａの周囲で周方向に延在する。図１に示すように、外側冷却空洞４６は、固体、液体、および／または気体であり得る冷却媒体をその内部に含むように封止可能である。一実施形態によると、封止された外側冷却空洞４６に空気を充填可能である。他の場合は、図１Ａに示すように、外側冷却空洞４６は開口していてもよく、それによって、入口開口部４８および出口開口部４９を含んでいる。このため、クランクケースからの冷却オイルが、たとえば入口開口部４８内へと噴射され外側開口部４９から流出することによって、外側冷却空洞４６に入り、そこから出ることができる。必要であれば、入口開口部４８および出口開口部４９を封止可能であり、たとえば、所望の冷却媒体をその内部に配設してプラグ、接着剤、溶接部、または蝋付け合金で封止可能であり、図１の封止された冷却空洞を形成する。
【００４５】
図１および図１Ａの例では、ピストン２０、２０’は、中心軸Ａに沿って設けられ、封止されたまたは開口した外側冷却空洞４６によって取り囲まれているアンダークラウン面４４の中心部分を含む。アンダークラウン面４４の中心部分は、開口され、クランクケースからの冷却オイルがアンダークラウン面４４の中心部分上に噴射または飛散可能になるように燃焼ボウル３０の先端領域３１のちょうど反対側に位置して示されている。しかしながら、アンダークラウン面４４の中心部分を、クランクシャフト領域に直接曝されないように閉鎖または封止することも可能である。アンダークラウン面４４の他の部分は、谷領域３３と反対側の、開口したまたは封止された外側冷却空洞４６の最上面によって形成されている。
【００４６】
図２の実施形態例では、ピストン２０’’は閉鎖または封止された外側冷却空洞を含まないが、その代わりに、開口した外側非空洞領域４６’およびアンダークラウン面４４の中心部分を含む。これらは双方とも、ピストン２０’’の下側部分に沿って隠されることなく露出している。開口した冷却空洞４６’はピストン２０’’の正反対側の領域の対に沿ってのみ延在するように示されている。これらの領域のうちの一方は、ピンボア軸３８の一方の側に沿ってこれに対して略平行におよびスラスト軸３８’に対して略横方向に延在し、これらの領域のうちの他方はピンボア軸３８の別の側面に沿ってこれに対して略平行におよびスラスト軸３８’に対して略横方向に延在する。したがって、開口した外側非空洞領域４６’は、ピンボア軸３８の両側の側面に沿ってスカートパネル４０から径方向内側におよびリングベルト３２と径方向に並んでまたは実質的に径方向に並んで延在するように形成されている。図２の実施形態では、アンダークラウン面４４の別の外側部分が外側非空洞領域４６’の最上面によって形成され、ピンボア３６の上方に設けられリングベルト３２まで延在するピンボス３４の部分が、堅固なピストン本体材料である。アンダークラウン面４４の中心部分およびアンダークラウン面４４の外側部分は、中心軸Ａからスカートパネル４０と軸方向に並んで位置するリングベルト３２の領域まで延在する。
【００４７】
図３の実施形態では、ピストン２０’’’はピストン２０’’に類似しているが、ピンボス３４の上方でこれに径方向に並び、リングベルト３２まで延在する全体的に堅固なピストン本体を有しているのではなく、ポケットまたは第２の開口した外側非空洞領域４６’’が、リングベルト３２に隣接しこれと径方向に並んだピンボス３４の径方向外側に位置している。そのため、第２の開口した外側非空洞領域４６’’によって、リングベルト領域３２の全体または実質的に全体が冷却され、第１の非空洞領域４６’および第２の非空洞領域４６’’によってもたらされる周方向に連続した構成の組合せを介して強化される。図３の実施形態では、アンダークラウン面４４は、燃焼ボウル３０の谷領域３３と略反対側の開口した非空洞領域４６’、４６’’の最上面／部分と、燃焼ボウル３０の先端領域３１と反対側のアンダークラウン面４４の中心部分との組合せによって設けられる。
【００４８】
絶縁被覆層５０が、アンダークラウン面４４の少なくとも一部分に、それゆえ、外側冷却空洞４６、および／または外側非空洞領域４６’、４６’’、および／またはアンダークラウン面４４の中心部分によって設けられたアンダークラウン外側部分の少なくとも一つに設けられて、それによって覆われている表面の温度を低下させて、炭素の堆積物およびオイルコーキングを抑制する。絶縁被覆層５０の少なくとも１つの層が設けられるが、複数の層を設けて表面粗さを減少させ、孔を埋め、粘着防止性能をもたらして炭素の堆積物およびオイルコーキングを抑制可能である。絶縁被覆層５０は、ピストン２０、２０’２０’’、２０’’’の形成に使用される金属材料の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する。絶縁被覆層５０を形成するために様々な異なる組成を使用可能である。絶縁被覆層５０はポリマー系、セラミック系、または他の低熱伝導率材料で形成されていることが典型的である。
【００４９】
一実施形態例では、絶縁被覆層５０は、エポキシ、フェノール系、フッ素重合体、およびシロキサン材料のうちの少なくとも１つを含むポリマー系材料を含む。ポリマー系材料一般は、ピストン材料よりも低い熱伝導率を有する。２つ以上の上述のポリマー系材料の望ましい組合せを互いに組み合わせて使用可能であることを認識するべきである。
【００５０】
他の実施形態例では、絶縁被覆層５０は、セラミック材料、詳細にはセリア、セリア安定化ジルコニア、およびセリア／イットリア安定化ジルコニアのうちの少なくとも１つを含む。セラミック材料の熱伝導率は低く、たとえば、１Ｗ／ｍ・Ｋよりも低い。セラミック材料で用いられるセリアによって、絶縁被覆層５０は高温下、高圧下、および他のエンジンの過酷な条件下でより安定するようになる。セラミック材料の組成によって、使用可能な、イットリア安定化ジルコニアで形成された被覆層などの他のセラミック被覆層と比べて強い化学耐性を有するが、ディーゼル燃焼機関における熱効果および薬品浸食によって剥離および不安定化の影響をより受けやすくなる。セリアおよびセリア安定化ジルコニアは、そのような熱条件および化学条件下でさらに安定する。セリアは、ピストン本体２２の形成に使用される鋼材の熱膨張係数と同じような熱膨張係数を有する。セリアの室温での熱膨張係数は１０Ｅ‐６〜１１Ｅ‐６までの範囲であり、鋼鉄の室温での熱膨張係数は１１Ｅ‐６〜１４Ｅ‐６までの範囲である。同じような熱膨張係数は、応力亀裂を生じる熱不整合を避けるのに役立つ。
【００５１】
一実施形態では、絶縁被覆層５０の形成に使用されるセラミック材料は、セラミック材料の全重量に基づき９０〜１００ｗｔ．％の量のセリアを含む。他の実施形態例では、セラミック材料は、セラミック材料の全重量に基づき９０〜１００ｗｔ．％の量のセリア安定化ジルコニアを含む。さらに他の実施形態例では、セラミック材料は、セラミック材料の全重量に基づき９０〜１００ｗｔ．％の量のセリア／イットリア安定化ジルコニアを含む。本実施形態では、セラミック材料の全重量に基づき、約５０ｗｔ．％のジルコニアがセリアによって安定化され、約５０ｗｔ．％のジルコニアがイットリアによって安定化される。
【００５２】
絶縁被覆層５０は、金属／セラミック界面の分離を避けるために勾配構造で設けられ得る。勾配構造によって熱不整合による応力の蓄積が軽減され、接合材料／セラミック界面において弱い酸化膜境界層が連続して形成される傾向が抑制される。換言すると、勾配構造によって急峻な界面が避けられる。そのため、絶縁被覆層５０は使用中に剥離しにくくなる。
【００５３】
絶縁被覆層５０の勾配構造は、まず、アンダークラウン面４４もしくは上記中心部分によって設けられたアンダークラウン面４４、および／または外側冷却空洞４６、および／または他の非空洞領域４６’、４６’’の少なくとも一部分に金属接合材料を設けることによって形成される。金属接合材料の組成は、ピストン２０、２０’、２０’’、２０’’’の本体２２の形成に使用される材料、たとえば鋼粉の組成と同じであり得る。代替的に、金属接合材料は、ジェットタービンの被覆層で使用されるもののような、高性能超合金を含み得る。勾配構造は、１００％金属接合材料から１００％セラミック材料まで徐々に遷移させることによって形成される。絶縁被覆層５０は、アンダークラウン面４４の（単数または複数の）所望の部分に設けられた金属接合材料を含み、その後、セラミック材料の量が増やされ、金属接合材料の量が減らされる。絶縁被覆層５０の最上部分は全体的にセラミック材料で形成されている。
【００５４】
絶縁被覆層５０は、鋼鉄のピストン本体２２に良好に付着することが分かっている。しかしながら、さらに機械的に固定させるために、ポケット、凹部、曲線状の端部、および／または面取りした箇所などの損傷した縁部を、アンダークラウン面４４に沿って機械加工可能である。これらの特徴は、絶縁被覆層５０における応力集中を避け、絶縁被覆層５０の故障を招きうる鋭利な角部または縁部を避けるのに役立つ。機械加工されたポケットまたは凹部は、絶縁被覆層５０を所定の位置に機械的に係止し、これによって、離層故障が再度抑制される。
【００５５】
絶縁被覆層５０はアンダークラウン面４４の温度を低下させ、それによって、ピストン２０、２０’、２０’’、２０’’’の本体２２の下側部分の温度を低下させることができる。絶縁被覆層５０は堆積物を最小限にし、エンジンのオイル劣化を最小限にし、および／または、ピストン２０、２０’、２０’’、２０’’’の熱の流れを低減させることもできる。絶縁被覆層５０が燃焼ボウル表面３０ではなくアンダークラウン面４４に設けられると、高温および高温度の変動によって生じる離層のリスクが低下する。図４Ａ〜図４Ｄは、絶縁被覆層５０によってピストン２０、２０’、２０’’、２０’’’において熱伝導および温度が低下する例を示すグラフである。
【００５６】
本発明の他の局面は、絶縁被覆層５０を備えるピストン２０、２０’、２０’’、２０’’’の製造方法を提供する。鋼鉄で形成されていることが一般的である、ピストン２０、２０’、２０’’、２０’’’の本体２２は、鍛造または鋳造などの様々な異なる方法によって製造可能である。ピストン２０、２０’、２０’’、２０’’’の本体２２は様々な他のデザインを備えることも可能であり、それらのデザインの例を図１、図１Ａ〜図３に示す。
【００５７】
本方法はさらに、アンダークラウン面４４の中心部分の少なくとも一部分、および／または外側冷却空洞４６の少なくとも一部分、および／または第１のおよび／または第２の開口した非空洞領域４６、４６’’の少なくとも一部分を含む、アンダークラウン面４４の少なくとも一部分に絶縁被覆層５０を設けることを備える。様々な異なる方法を使用して絶縁被覆層５０を設けることが可能である。たとえば、絶縁被覆層５０を、スプレーコート、めっき、もしくは鋳造可能であり、または、他の方法でピストン２０、２０’、２０’’、２０’’’の鋼鉄の本体２２に永久的に取付けることができる。
【００５８】
一実施形態例では、絶縁被覆層５０は溶射によって設けられる。たとえば、この方法は、プラズマ溶射などの溶射技術によって金属接合材料およびセラミック材料を設ける工程を備え得る。高速フレーム溶射法（ＨＶＯＦ）は被覆層をより厚くする代替的な技術であるが、より高価なプロセスである。絶縁被覆層５０をピストン２０、２０’、２０’’、２０’’’に設ける他の方法も使用可能である。
【００５９】
方法例は、絶縁被覆層５０の全重量に基づき、１００ｗｔ．％の量の金属接合材料および０ｗｔ．％の量のセラミック材料を噴射することから始まる。噴射プロセスを通じて、組成に対して追加されるセラミック材料の量が増加される一方で、金属接合材料の量は減少される。したがって、絶縁被覆層５０の組成は、ピストン本体２２における１００％金属接合材料から、絶縁被覆層５０の最も外側の表面における１００％セラミック材料に次第に変化する。絶縁被覆層５０を設けるために複数の粉末供給装置が用いられることが典型的であり、それらの供給量は、勾配構造を得るために調節される。好ましくは、絶縁被覆層５０は５００ミクロンよりも小さな厚さに設けられる。絶縁被覆層５０の勾配構造は、溶射プロセスの間に得られる。
【００６０】
絶縁被覆層５０を設ける前に、機械係止を容易にし応力の上昇を減少させる損傷した縁部または特徴を、たとえば旋削、粉砕、または他の任意の適切な手段で絶縁被覆層５０を設けることが可能なピストン２０、２０’、２０’’、２０’’’のアンダークラウン面４４へと機械加工可能である。アンダークラウン面４４はその後溶剤で洗浄されて、汚染を取り除く。この方法は、表面にグリットブラストを行ない絶縁被覆層５０の接着を改善することも可能である。
【００６１】
上述の教示に鑑みると本発明の多くの修正例および変形例が実現可能であり、特許請求の範囲内である限り、詳細に説明されていない態様で実施され得る。したがって、矛盾が生じない限り、請求項の全ておよび実施形態の全ての特徴を組み合わせることができると考えられる。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【国際調査報告】
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