(57)【要約】  ピストンおよび構築の方法が提供される。ピストンは、上側ランド部がそこから懸架する燃焼面を有する上側クラウンと、横方向に間隔を置かれた、軸方向に整列したピンボアの対を与えるよう懸架するピンボスの対を有する下側クラウンとを含む。上側クラウンは、約７−２５Ｗ／ｍ−Ｋの範囲内において熱伝導度を有する第１の材料からなる単一体の１片として構築される。下側クラウンは、上側クラウンより高い熱伝導度を有する低グレード鋼材料から構築される。上側クラウンは、下側クラウンに直接接合され、上側クラウンは熱伝導度に対してバリアとして作用し、したがって、中における往復運動のためにピストンを収容する燃焼室内の熱は維持され最大限にされる。
2013501193.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、
約７−２５Ｗ／ｍ−Ｋの範囲内において熱伝導度を有する第１の材料からなる単一体の１片として構築された上側クラウンを含み、前記上側クラウンは、上側ランド部がそこから懸架する上側燃焼面を有し、前記上側ランド部は、ピストンリングを受けるために構成された少なくとも環状の１つのリング溝を有し、前記ピストンはさらに、
前記上側クラウンに直接溶接された下側クラウンを含み、前記下側クラウンは、前記上側クラウンより高い熱伝導度を有する低グレード鋼合金材料から構築され、前記下側クラウンは、横方向に間隔を置かれた、軸方向に整列したピンボアの対をあたえるピンボスの対を有する、ピストン。
【請求項２】
上側クラウンは、約１１．５−１３．５ｗｔ％間のクロムおよび約２３Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導度を有する４００シリーズステンレス鋼から構築される、請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
上側クラウンは、約１５−１８ｗｔ％間のクロムおよび約１３Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導度を有する６００シリーズステンレス鋼から構築される、請求項１に記載のピストン。
【請求項４】
上側クラウンは、約７．８Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導度を有するチタンから構築される、請求項１に記載のピストン。
【請求項５】
下側クラウンは約１ｗｔ％のクロムおよび約４３Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導度を含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項６】
内燃機関のためのピストンを構築する方法であって、
約７−２５Ｗ／ｍ−Ｋの範囲内において熱伝導度を有する第１の材料からなる単一体の１片として上側クラウンを形成するステップを含み、上側クラウンは、上側ランド部がそこから懸架する上側燃焼面を有して形成され、上側ランド部は、ピストンリングを受けるために構成された少なくとも環状の１つのリング溝を有し、前記方法はさらに、
上側クラウンより高い熱伝導度を有する低グレード鋼合金材料から下側クラウンを形成するステップを含み、下側クラウンは、横方向に間隔を置かれた、軸方向に整列したピンボアの対をあたえるピンボスの対を有し、前記方法はさらに、
下側クラウンを上側クラウンに直接溶接するステップを含む、方法。
【請求項７】
約１１．５−１３．５ｗｔ％間のクロムおよび約２３Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導度を有するハイグレードステンレス鋼から上側クラウン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】
約１ｗｔ％のクロムおよび約４３Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導度を有する下側クラウンを形成するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
約１５−１８ｗｔ％間のクロムおよび約１３Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導度を有するハイグレードステンレス鋼から上側クラウン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１０】
約７．８Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導度を有するチタンから上側クラウン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１１】
約１ｗｔ％のクロムおよび約４３Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導度を有する下側クラウン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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
この出願は２００９年８月６日に提出された米国仮出願連続番号第６１／２３１，７８３号の恩恵を主張し、その全体をここに引用により援用する。
【０００２】
発明の背景
１．  技術分野
この発明は、一般に内燃機関、ならびに特にピストンおよびそれらの構築の方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．  関連技術
エンジン製造業者は、燃費向上、燃料燃焼向上、オイル消費低減、および車両内の熱を後で使用するための排気温度上昇を含むが、それらには限定されない、エンジン効率および性能を改善するよう増加する要求に遭遇している。これらの目的を達成するために、燃焼室におけるエンジン運転温度を上昇させる必要がある。しかしながら、燃焼室内の温度を上昇させることは望ましいが、ピストンを動作可能な温度に維持することは必要なままである。燃焼室においてピストンを動作可能な温度に保持することによって、ピストンの上側ランド部上のカーボン蓄積の開始が制御され、それは次いでエンジンの運転効率を改善する。したがって、燃焼室において温度を上昇させることは望ましいと考えられているが、特に上側ランド部領域では、燃焼室温度を上昇させる結果、ピストンの全体的な温度が上昇するという点で、トレードオフがある。
【０００４】
燃焼室運転温度を上昇させる能力を有するピストンを構築するいくつかの試みがなされてきた。公知の１つの試みは、下にある金属ピストン上にセラミックコーティングを用いる。しかしながら、これらのピストンは、典型的には、それらを使用に適さなくするような、強さ、耐久性および処理問題を経験する。他の試みは４％〜６％の間のクロム含有量および約３３Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導度を有する適度なステンレス鋼を用いることを含み、これらの努力は、ある程度有用ではあるが、所望の上昇した運転温度を達成し保持するように熱伝導度における必要な低減をあたえてはいない。
【０００５】
この発明に従って構築されたピストンは、セラミックコーティングされるピストンに関連したものを含む公知のピストン構築の欠点を克服する。したがって、この発明に従って構築されたピストンは、燃焼室温度を上昇させ、それによって、高められた運転効率をあたえ、その一方で、大きな強さおよび耐久性を有し、さらに、カーボン蓄積の可能性を防止することを容易にする。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の１つの局面に従って、ピストンは、上側ランド部がそこから懸架する燃焼面を有する上側クラウンと、上側クラウンに直接溶接される下側クラウンとを含む。下側クラウンは、上側クラウンから、横方向に間隔を置かれ軸方向に整列したピンボアの対まで懸架する、ピンボスの対を有する。上側クラウンは、約７−２５Ｗ／ｍ−Ｋの範囲内において熱伝導度を有する第１の材料からなる単一体の１片として構築される。下側クラウンは、上側クラウンより高い熱伝導度を有する低グレード鋼材料から構築される。したがって、上側クラウンは熱伝導度に対してバリアとして作用し、したがって、中における往復運動のためにピストンを収容する燃焼室内の熱は維持され最大限にされる。したがって、エンジンの運転効率および全体的性能は、下流エンジン適用例で使用される排気ガス温度を上昇させること、燃費を向上させること、完全な燃料燃焼を容易にすること、およびピストン上側ランド部上でのカーボン蓄積の形成を防止することによって、高められる。
【０００７】
この発明の別の局面に従って、燃焼室内の温度は、使用において、カーボン蓄積が止まる近似の上限温度であると判断される摂氏約３００度より上に維持される。
【０００８】
この発明の別の局面に従って、ハイグレードステンレス鋼材の熱伝導度は、約７−２５Ｗ／ｍ−Ｋの範囲内にある。
【０００９】
この発明の別の局面に従って、約１１．５−１３．５ｗｔ％間のクロムおよび約２３Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導度を有する４００シリーズステンレス鋼から上側クラウンが構築される。
【００１０】
この発明の別の局面に従って、約１５−１８ｗｔ％間のクロムおよび約１３Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導度を有する６００シリーズステンレス鋼から上側クラウンが構築される。
【００１１】
この発明の別の局面に従って、約７．８Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導度を有するチタンから上側クラウンが構築される。
【００１２】
この発明のさらに別の局面に従って、内燃機関のためのピストンを構築する方法が提供される。この方法は、約７−２５Ｗ／ｍ−Ｋの範囲内において熱伝導度を有する第１の材料からなる単一体の１片として上側クラウンを形成するステップを含み、上側クラウンは、上側ランド部がそこから懸架する上側燃焼面を有して形成され、上側ランド部は、ピストンリングを受けるために構成された少なくとも環状の１つのリング溝を有する。加えて、この方法は、上側クラウンより高い熱伝導度を有する低グレード鋼合金材料から下側クラウンを形成するステップを含み、下側クラウンは、横方向に間隔を置かれた、軸方向に整列したピンボアの対をあたえる、ピンボスの対を有する。そしてさらに、下側クラウンを上側クラウンに直接溶接する。
【００１３】
この発明のこれらならびに他の局面、特徴および利点は、現在好ましい実施例およびベストモードの以下の詳細な記載、特許請求の範囲ならびに添付の図面に関して考慮されると、より容易に十分に理解されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の１つの局面に従って構築されたピストンの部分的に切断された斜視図である。
【図２】図１のピストンのピンボア軸線に概ね沿ってとられた断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
現在好ましい実施例の詳細な記載
図面をより詳細に参照して、図１および図２は、以下、単にピストン１０と称される、例えば酷使に耐えるディーゼルエンジンのような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にこの発明の１つの現在好ましい実施例に従って構築されたピストンアセンブリを示す。ピストン１０は、鋳造もしくは鍛造、または任意の他の製造プロセスによって形成され、ピストン１０がシリンダボアにおいて往復運動する中央の長手方向軸１４に沿って延在する本体１２を有する。本体１２は、上側クラウン１６が下側クラウン１８に接合される。下側クラウン１８は、中央の長手方向軸１４に対して概ね横断するよう延在するピンボア軸線２４に沿って整列した、横方向に間隔を置かれたピンボア２２をあたえるよう、上側クラウン１６から懸架されるピンボス２０の対を有する。ピンボス２０は、支柱部分２８を介して、横方向に間隔を置かれたスカート部分２６に対して接合される。スカート部分２６は、ピンボア軸線２４を横切る互いに対向する両側に、正反対に間隔を置かれ、ピストン１０がシリンダボアを通って往復運動する際にピストン１０を所望の向きに維持するようシリンダボア内での協働のために輪郭がとられた凸面の外側表面を有する。上側クラウン１６は、第１の材料から、単一体の１片として構築される一方、下側クラウン１８は、第１の材料とは異なる第２の材料から、上側クラウン１６とは別個の１片から構築されている。第１の材料は第２の材料より低い熱伝導度を有し、第１の材料は、以下、「低い」熱伝導度を有するとして言及され、「低い」は、約７−２５Ｗ／ｍ−Ｋの範囲内である。したがって、上側クラウンは、上側クラウン１６から下側クラウン１８に向かう熱伝達に対する熱伝導度に対するバリアとして作用し、したがって、上側クラウン１６の上のシリンダボア内に生じた熱は、シリンダボアにおいて実質的に維持され、それによって、燃料燃焼を改善し、カーボン蓄積の形成を低減し、排気ガス温度を上昇させ、または他の態様でエンジン運転性能を高める。
【００１６】
ピストン１０の上側クラウン１６は、ここでは、所望のガス流れをシリンダボアにあたえるように燃焼ボウル３２が中に窪んだ上側燃焼面３０を有するように表される。外側壁部３３は、上側ランド部３４およびリングベルト３６を含み、上側表面３０から外側自由端４０へ下方に延在し、少なくとも１つの環状リング溝３８は、ピストンリング（図示せず）を浮動状態で受けるためにリングベルト３６に形成される。環状の内側リブ４１は、燃焼ボウル３２の下表面から内側の自由端４２に懸架し、内側リブは外側自由端４０の下に延在する。したがって、外側壁部３３および内側リブ４１は環状の上側外側ギャラリー部分４３を形成する。１つの現在好ましい実施例に従って、上側クラウン１６は、ハイグレードステンレス鋼材、すなわち約１１．５−１３．５ｗｔ％のクロム含有量および約２３Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導度を有する４００シリーズステンレス鋼から構築される。１つの別の現在好ましい実施例に従って、上側クラウン１６は、別のハイグレードステンレス鋼材、すなわち約１５−１７．５ｗｔ％のクロム含有量および約１３Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導度を有する６００シリーズステンレス鋼から構築される。さらに別の実施例に従って、上側クラウン１６は約７．８Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導度を有するチタンから構築される。
【００１７】
下側クラウン１８は、例として、および限定なく、鍛造工程におけるように、上側クラウン１６とは別々に構築され、次いで、直立の環状の外側リブ自由端４４および直立の環状の内側リブ自由端４６を介して上側クラウン１６に接合され、環状の下側外側ギャラリー部分４７を形成する。例えば、上側および下側クラウン１６、１８は、それぞれの外側自由端４０、４４、および内側自由端４２、４６を横切って形成された摩擦溶接または任意の他の好適な種類の溶接継手４５によってともに接合されるとしてここに表される。したがって、実質的に閉じた外側オイルギャラリー４８が、対向して面するギャラリー部分４３および４７によって上側および下側クラウン１６、１８間に形成され、一方、開いた内側ギャラリー５０が燃焼ボウル３２の中央の部分の下でピンボア２２の上方に形成される。例えば、この発明に従って構築されたピストン１０は、異なるオイルギャラリーの構成を有して、他の態様で形成された上側および下側クラウン部分を有することがあることが認識されるべきである。下側クラウン１８は、任意の好適な経済的材料、およびより好ましくは例えば低グレード鋼合金、例えば４１４０Ｈ、またはミクロ合金鋼のような経済的金属材料から構築される。
【００１８】
動作では、「低」熱伝導度鋼から構築されている上側クラウン１６は、上側燃焼面３０の上のシリンダボア内の熱に対する熱伝達に対してバリアとして作用する。したがって、上側クラウン１６、および、特に、上側ランド部３４の領域は、断熱性のヒートシンクとして作用し、それによって、上側ランド部３４の温度を使用中に摂氏約３００度を超えて上昇させる。したがって、カーボン蓄積は上側ランド部３４において最小限にされ、したがって、リング溝３８に配置されたリング（複数可）（図示せず）はシリンダ壁に対する封止を妨げられない。カーボン蓄積は概ね摂氏約２００−３００度間において生じる傾向があり、摂氏３００度より上で、カーボンは燃え尽き、したがって、上側ランド部３４上に蓄積しない、と判断された。したがって、上側ランド部が摂氏３００度またはそれより上に留まることを確実にすることによって、カーボンの蓄積は防止される。加えて、上側クラウン１６を通っての下方への熱の伝導性の伝達を防止することによって、排気ガスは温度が上昇させられ、それによって、例えばターボコンパウンドのような他のエンジン運転で使用される追加のエネルギー源をあたえる。
【００１９】
この発明の別の局面に従って、内燃機関のためのピストン１０を構築する方法が提供される。この方法は約７−２５Ｗ／ｍ−Ｋの範囲内において熱伝導度を有する第１の材料からなる単一体の１片として上側クラウン１６を形成するステップを含み、上側クラウン１６は、上側ランド部３４がそこから懸架する上側燃焼面３０を有して形成され、上側ランド部３４は、ピストンリング（図示せず）を受けるために構成された少なくとも環状の１つのリング溝３８を有して形成される。この方法は、約１１．５−１３．５ｗｔ％間のクロムおよび約２３Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導度を有するハイグレードステンレス鋼、約１５−１８ｗｔ％間のクロムおよび約１３Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導度を有するハイグレードステンレス鋼、または約７．８Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導度を有するチタンの１つから上側クラウン１６を形成するステップをさらに含む。この方法は、下側クラウン１８が上側クラウン１６より高い熱伝導度を有して形成されるように、約１ｗｔ％のクロムおよび約４３Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導度を有するような低グレード鋼合金材料から下側クラウン１８を形成するステップをさらに含む。さらに、この方法は、横方向に間隔を置かれ、軸方向に整列したピンボア２２の対をあたえるピンボス２０の対を有する下側クラウン１８を形成するステップを含む。次いで、例えば摩擦溶接プロセスにおけるように下側クラウン１８を上側クラウン１６に直接溶接し、そこでは上側クラウン１６の懸架する外側壁部３３および懸架する内側リブ４１は、下側クラウン１８の直立の環状の外側リブ自由端４４および直立の環状の内側リブ自由端４６にそれぞれ溶接されて、実質的に閉じた外側ギャラリー４８を形成する。
【００２０】
明らかに、この発明の多くの修正および変形が上記の教示に照らして可能である。したがって、特許請求の範囲内において、この発明は、特定的に記載された通り以外に実施されてもよいことが理解される。
【図１】
2013501193.tif 000003
【図２】
2013501193.tif 000004
【国際調査報告】
2013501193.tif 000005
2013501193.tif 000006