(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンであって、
中心軸を取り囲み、燃焼面を提供する上壁部と、
前記上壁部からベース壁部に延在し、外面を提供する外側リブと、
前記外側リブと前記中心軸との間に配置され、前記上壁部から前記ベース壁部に延在する内側リブと、を備え、
前記上壁部と前記リブと前記ベース壁部とは、冷却チャンバをその間に提供し、
前記外側リブは、複数のリング溝を含み、
前記複数のリング溝は、前記燃焼面に最も近いリング溝である第１のリング溝と、前記燃焼面に２番目に近いリング溝である第２のリング溝とを含み、
前記リング溝の各々は、前記外面からベースフランクに内向きに延在するサイドフランクの対を含み、
前記第１のリング溝の前記サイドフランクは、前記第１のリング溝の前記ベースフランクに垂直に延在し、
少なくとも１つの前記第２のリング溝の前記サイドフランクは、前記第２のリング溝の前記ベースフランクに対して９０度よりも大きい角度を有して配置され、
前記複数のリング溝は、前記燃焼面に３番目に近いリング溝である第３のリング溝を含み、前記第３のリング溝の前記サイドフランクは、前記第３のリング溝の前記ベースフランクに垂直に延在する、ピストン。
【請求項２】
前記第２のリング溝以外のすべての前記リング溝の前記サイドフランクは、前記ベースフランクに垂直に延在する、請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記第２のリング溝の前記サイドフランクは、前記第２のリング溝の前記ベースフランクに対して、９０度よりも大きく、１３５度より小さい角度を有して配置される、請求項１に記載のピストン。
【請求項４】
前記第２のリング溝の前記サイドフランクの両方は、前記第２のリング溝の前記ベースフランクに対して、９０度よりも大きく、１３５度より小さい角度を有して配置される、請求項３に記載のピストン。
【請求項５】
前記リング溝は、軸方向に互いに整列され、軸方向に互いから前記外側リブの前記外面によって離間され、前記リング溝の各々は、径方向に内向きに前記外面から前記中心軸に向かい、周方向に前記中心軸の周りに延びる、請求項１に記載のピストン。
【請求項６】
前記リング溝の各々は、軸方向に沿って、前記冷却チャンバに対して径方向に外側に配置される、請求項１に記載のピストン。
【請求項７】
一緒に溶接され、一緒に前記外側リブを形成する上部ピストン部分および下部ピストン部分を含み、前記第２のリング溝の前記サイドフランクの１つおよび前記ベースフランクは前記上部ピストン部分によって提供され、前記第２のリング溝の他のサイドフランクは前記下部ピストン部分によって提供される、請求項１に記載のピストン。
【請求項８】
前記リング溝の前記ベースフランクは、前記中心軸に平行にかつ前記外面に平行に延在し、
前記ベースフランクは、軸方向に互いに整列され、
前記ベースフランクの各々は、前記リング溝の前記サイドフランクの１つから他のサイドフランクに前記中心軸に平行に延在する長さを有し、
前記ベースフランクの各々は、前記ベースフランクの前記長さの３倍以下の距離によって前記冷却ギャラリーから離間され、
前記外面は、前記燃焼面と前記第１のリング溝との間の第１の距離と、前記第１のリング溝と前記第２のリング溝との間の第２の距離と、前記第２のリング溝と前記第３のリング溝との間の第３の距離とを提供し、
前記第１の距離は、前記第１のリング溝の前記ベースフランクの前記長さ５倍以下であり、
前記第２の距離および前記第３の距離は各々、前記第１のリング溝の前記ベースフランクの前記長さの３倍以下である、請求項１に記載のピストン。
【請求項９】
内燃機関内の前記ピストンの動作中に、前記第１のリング溝は、２８０℃よりも大きい温度であり、前記第２のリング溝は、２００℃と２８０℃との間の温度である、請求項１に記載のピストン。
【請求項１０】
ピストンであって、
金属材料で形成され、中心軸の周りに環状に、かつ、上壁部から第１の上部接合面および第２の上部接合面に縦方向に前記中心軸に沿って延在する、上部ピストン部分を備え、
前記上部ピストン部分の前記金属材料は、鋼、鋳鉄、またはアルミニウム材料であり、
前記上部ピストン部分の前記上壁部は、前記中心軸の周りに環状に延在するボウルリムと、前記ボウルリムから前記中心軸に向かって内向きにかつ下向きに延在する燃焼ボウルとを提供する燃焼面を含み、
前記上壁部の前記燃焼面は、前記中心軸で頂点を提供し、前記燃焼ボウルによって取り囲まれ、
前記上部ピストン部分は、前記上壁部の前記ボウルリムから垂下し、前記中心軸の周りに環状にかつ前記中心軸沿って前記第１の上部接合面に縦方向に延在する上部外側リブを含み、
前記上部外側リブは、前記中心軸の周りに環状に延在し、前記中心軸とは反対を向く上部外面を提供し、
前記上部ピストン部分は、前記上部外側リブと前記中心軸との間に配置される上部内側リブを含み、
前記上部内側リブは、前記上壁部から前記燃焼ボウルの下に垂下し、前記中心軸の周りに環状にかつ前記中心軸に沿って前記第２の上部接合面に縦方向に延在し、
前記第１のおよび第２の上部接合面は平らであり、前記中心軸に垂直に延在し、前記ピストンはさらに、
金属材料で形成され、前記中心軸の周りに環状にかつ縦方向に前記中心軸沿って延在する下部ピストン部分を備え、
前記下部ピストン部分の前記金属材料は鋼、鋳鉄、またはアルミニウム材料であり、
前記下部ピストン部分は、ベース壁部から第１の下部接合面に延在する下部外側リブを含み、前記第１の下部接合面および前記第１の上部接合面は、その間に溶接部を含み、
前記ベース壁部は垂直に延在し、前記中心軸を取り囲み、
前記下部外側リブは、前記中心軸の周りに環状にかつ上向きに前記ベース壁部から前記第１の下部接合面に延在し、
前記下部外側リブは、前記中心軸の周りに環状に延在し、前記上部外面と整列される下部外面を提供し、
前記下部ピストン部分は、前記下部外側リブから前記ベース壁部によって離間され、前記下部外側リブの径方向に内向きに配置される下部内側リブを含み、
前記下部内側リブは、前記ベース壁部から第２の下部接合面に延在し、前記第２の下部接合面および前記第２の上部接合面は、その間に溶接部含み、
前記下部内側リブは前記中心軸のまわりに環状にかつ上向きに前記ベース壁部から前記第２の下部接合面に延在し、
前記第１のおよび第２の下部接合面は、平らであり、前記中心軸に垂直であり、
前記溶接された内側リブと前記溶接された外側リブと前記上壁部と前記ベース壁部とは、その間に冷却チャンバを形成し、
前記冷却チャンバは、閉じられ、前記中心軸の周りに環状に延在し、前記内側リブは前記中心軸を取り囲み、冷却ギャラリーを前記中心軸において形成し、
前記冷却ギャラリーは、前記上壁部に沿って閉じられ、前記上部壁から反対を向く方向に開かれ、
前記下部ピストン部分は、下向きに前記ベース壁部から前記上部ピストン部分とは離れて延在するピンボスの対を含み、
前記ピンボスの各々は、ピンボアを提供し、前記ピンボアは、前記中心軸に垂直な第２の軸に沿って互いに整列され、
前記下部ピストン部分は、各々が前記ベース壁部から垂下し、互いから前記ピンボスの１つによって離間されるスカート部分の対を含み、
前記外側リブは一緒に、前記中心軸の周りにピストンリングを保持するために、各々が径方向に内向きに前記外面から前記中心軸に向かって周方向に延在する３つのリング溝を含み、
前記外側リブは一緒に、３つ以下のリング溝を含み、
前記３つ以下のリング溝は、軸方向に整列され、互いから前記外側リブの前記外面によって離間される、第１のリング溝と第２のリング溝と第３のリング溝とを含み、
前記第１のリング溝は、前記燃焼面に最も近いリング溝であり、
前記第２のリング溝は、前記燃焼面に２番目に近いリング溝であり、前記第１のリング溝と前記第３のリング溝との間に配置され、
前記第３のリング溝は、前記燃焼面から最も遠いリング溝であり、前記第２のリング溝と前記ベース壁との間に配置され、
前記リング溝の各々は、軸方向に沿って、かつ前記冷却チャンバに対して径方向に外側に配置され、
前記リング溝の各々は、前記外面からベースフランクに内向きに延在するサイドフランクの対を含み、
前記第１のリング溝の前記サイドフランクは、長方形の形状を有するピストンリングを保持するために、前記第１のリング溝の前記ベースフランク垂直に延在し、
前記第３のリング溝の前記サイドフランクは、長方形の形状を有するピストンリングを保持するために、前記第３のリング溝の前記ベースフランクに垂直に延在し、
前記第２のリング溝の前記サイドフランクの少なくとも１つは、キーストーン形状を有するピストンリングを保持するために、前記第２のリング溝の前記ベースフランクに対して９０度よりも大きい角度を有して配置され、
前記第２のリング溝の前記サイドフランクの１つおよび前記ベースフランクは、前記上部ピストン部分によって提供され、前記第２のリング溝の他の前記サイドフランクの１つは、前記下部ピストン部分によって提供され、
前記リング溝の前記ベースフランクは、軸方向に互いに整列され、前記中心軸に平行にかつ前記外面に平行に延在し、
前記ベースフランクの各々は、前記中心軸に平行に前記サイドフランクの１つから前記サイドフランクの他のものに延在する長さを有し、前記第３のリング溝の前記ベースフランクの長さは、前記第２のリング溝の前記ベースフランクの長さよりも大きく、前記第１のリング溝の前記ベースフランクの前記長さよりも大きく、
前記ベースフランクの各々は、前記冷却チャンバから、前記ベースフランクの前記長さの３倍以下の距離によって離間され、
前記外面は、前記燃焼面から前記第１のリング溝に第１の距離延在する第１のランドと、前記第１のリング溝から前記第２のリング溝に第２の距離延在する第２のランドと、前記第２のリング溝から前記第３のリング溝に第３の距離延在する第３のランドとを提供し、
前記第１の距離は、前記第１のリング溝の前記ベースフランクの前記長さの５倍以下であり、
前記第２の距離および前記第３の距離は、前記第１のリング溝の前記ベースフランクの３倍前記長さ以下である、ピストン。
【請求項１１】
ピストン形成する方法であって、
中心軸を取り囲み、燃焼面を提供する上部壁部を含むピストンと、前記上壁部からベース壁部に延在し、外面を提供する外側リブと、前記上壁部から前記ベース壁部に延在し、前記外側リブと前記中心軸との間に配置される内側リブとを提供するステップを備え、前記上壁部と前記リブと前記ベース壁部とは冷却チャンバをその間に提供し、前記方法はさらに、
複数のリング溝を前記外側リブ内に形成するステップとを備え、
前記リング溝を形成する前記ステップは、前記燃焼面に最も近いリング溝である第１のリング溝と前記燃焼面に２番目に近いリング溝である第２のリング溝とを形成することを含み、
前記リング溝を形成する前記ステップは、前記外面からベースフランクに内向きに延在するサイドフランクの対を有する各リング溝を形成することを含み、前記第１のリング溝の前記サイドフランクは、前記第１のリング溝の前記ベースフランクに垂直に延在し、前記第２のリング溝の前記サイドフランクの少なくとも１つは、前記第２のリング溝の前記ベースフランクに対して９０度よりも大きい角度を有して延在し、
前記リング溝を形成する前記ステップは、燃焼面から最も遠いリング溝である第３のリング溝を形成することと、前記第３のリング溝の前記ベースフランクに垂直に延在するサイドフランクを有する前記第３のリング溝を形成することとを含む、方法。
【請求項１２】
前記リング溝を形成する前記ステップは、前記第２のリング溝の前記少なくとも１つのサイドフランク以外の前記ベースフランクに垂直に延在するすべての前記リング溝のサイドフランクを形成することを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記リング溝を形成する前記ステップは、前記第２のリング溝の前記ベースフランクに対して９０度よりも大きく１３５度以下の角度で前記燃焼面に２番目に近いリング溝の前記サイドフランクを形成することを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２のリング溝の前記サイドフランクの両方を、前記第２のリング溝の前記ベースフランクに対して９０度よりも大きく１３５度以下の角度で形成することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記リング溝を形成する前記ステップは、機械加工することまたは鋳造することを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
上部ピストン部分および下部ピストン部分を提供するステップと、前記上部ピストン部分を前記下部ピストン部分に溶接するステップとを含み、ピストン部品の各々は前記外側リブの部分および前記内側リブの部分を提供する、請求項１１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
本出願は、２０１４年３月２１に提出された米国特許出願第１４／２８６，３２８号の利益を主張し、当該出願の開示全体は、本出願の開示の一部と考えられ、ここに参照によって組み込まれる。
【０００２】
発明の背景
１．発明の分野
この発明は、一般に内燃機関のためのピストン、およびそれを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．関連技術
大型ディーゼルピストンといった内燃機関のピストンは、特にピストンの上部クラウンに沿って、動作中に極めて高い温度にさらされる。そのようなピストンは、典型的に最も外側の表面に沿って形成される複数のリング溝を含み、各々は、ピストンが往復運動するにつれてシリンダ壁部に沿って摺動するピストンリングを含む。ピストンリングは、ピストンからシリンダ壁に熱を逃がすのを助ける。ピストンリングはまた燃焼チャンバをシールでき、オイル消費を制限する。しばしば、エンジンの動作中に、第１（最も上部）のリング溝の温度は２００℃を超え、この場合、炭素堆積物は、リング溝またはピストンリングに沿って形成される傾向にある。時間がたつにつれて、炭素堆積物はピストンリングがリング溝に張り付くことをもたらし、熱転送し、燃焼チャンバをシールし、オイル消費を制限する能力を妨げる。
【０００４】
したがって、高温燃焼エンジンにおいてピストンリングがピストンの長い使用中に張り付くことを防ぐために、第１のリング溝は、従来型の長方形の断面よりもむしろ、台形断面、またキーストーン断面とも称される断面に形成されることができる。一致する台形断面を有するキーストーン形のピストンリングは、キーストーンリング溝内に配置される。キーストーンリング溝およびキーストーン形のピストンリングの角度を付けられた表面はピストンリングが張り付くのを防ぐ。ピストンがより一層高い温度負荷を有するエンジン用途内で使用するために設計される場合は、第２のリング溝はまた、キーストーン断面を有して形成される。しかし、キーストーンリング溝の使用は、従来型の長方形の溝よりもそれがかなりより高価な製造であるため限定される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明の概要
１つの発明の態様は、高温内燃機関のためのピストンを提供する。ピストンは、中心軸を取り囲み燃焼面を提供する上壁部と、上壁部からベース壁に延在する外側リブと、外側リブおよび中心軸の間に配置され、上壁部からベース壁部に延在する内側リブとを含む。上部壁、リブ、およびベース壁部は、その間に冷却チャンバを提供する。外側リブは外面を提供し、複数のリング溝を含む。リング溝の各々は、外面からベースフランクに内向きに延在するサイドフランクの対を含む。第１のリング溝は、燃焼面に最も近いリング溝であり、長方形の断面を有する。このため、第１のリング溝のサイドフランクは第１のリング溝のベースフランクに垂直に延在する。第２のリング溝は、燃焼面に２番目に近いリング溝であり、キーストーン断面を有する。このため、第２のリング溝のサイドフランクの少なくとも１つは、第２のリング溝のベースフランクに対して９０度よりも大きい角度を有して配置される。
【０００６】
長方形の第１のリング溝およびキーストーン形の第２のリング溝を有する本発明のピストンは、エンジン用途のために設計され、第１のリング溝の温度は、２８０℃を超え、このため炭素がリング溝に堆積させない、または焼払うほど高い。そのような高い温度では、リング張り付きは、問題とならず、このため第１のリング溝は、キーストーン断面を要さない。しかし、これら高い温度のエンジン用途では、第２のリング溝での温度は典型的に２００℃と２８０℃との間であり、このため炭素は第２のリング溝上に堆積することができ、ピストンリングが張り付くことをもたらす。したがって、第２のリング溝はキーストーン断面を有して形成され、ピストンリングが張り付くことを防ぐ。ピストンは、格別の性能を高い温度燃焼エンジンの動作中に提供することができ、第１のリング溝内でキーストーン断面が形成されないので、低い製造コストで形成されることができる。加えて、長方形の第１のリング溝は、キーストーン形の第１のリング溝を有して形成されるピストンと比較して、シリンダ壁に沿う燃焼ガスとオイルの改善されたシーリングを提供する。
【０００７】
本発明は、またピストンを製造する方法を提供する。方法は、その間に冷却チャンバを提供する、上部壁、ベース壁、外側リブ、および内側リブを有するピストンを提供することを含む。方法はさらに、外側リブ内に第１のリング溝および第２のリング溝を形成することを含む。このステップは、外面からベースフランクに内向きに延在するサイドフランクの対を有する各リング溝を形成することを含み、第１のリング溝のサイドフランクは、ベースフランクに垂直に延在し、第２のリング溝のサイドフランクの少なくとも１つは、ベースフランクに対して９０度よりも大きい角度を有して延在する。
【０００８】
発明の詳細な説明
添付図面と関連して考慮されるとき、本発明の他の利点が容易に理解され、同じく以下の詳細な説明を参照することによって理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の１つの例示的な実施形態に係る、下部部品に溶接される上部部品を含むピストンの側断面図である。
【図１Ａ】ピストンリングなしにリング溝内に配置される、図１のピストンのリング溝の拡大図である。
【図２】本発明の別の例示的な実施形態に係る、一体成形の鋳造ピストンの側断面図である。
【図２Ａ】図２のピストンのリング溝の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施形態の説明
図を参照して、複数の図面を通して同様の数字は対応する部品を示し、高温内燃機関ための例示的なピストン２０、１２０は、概して図１および２に示される。ピストン２０、１２０は、中心軸Ａ１のまわりに環状に延在する冷却チャンバ３０、１３０を規定する上壁部２２、１２２、ベース壁部２４、１２４、外側リブ２６、１２６、および内側リブ２８、１２８を含む。複数のリング溝３２、１３２、３４、１３４、３６、１３６は、各々がピストンリング３９、１３９、４１、１４１を保持するために、外側リブ２６、１２６の外面３８、１３８に形成され、エンジン動作中に、第１のリング溝３２、１３２でのピストン温度は、２８０℃を超えることができ、このため炭素が第１のリング溝３２、１３２上に堆積しない、または焼払われるほど十分高い。したがって、第１のリング溝３２、１３２は、キーストーン断面を要さず、従来型の長方形の断面を有して形成される。しかし第２のリング溝３４、１３４でのピストン２０、１２０の温度は、２００℃と２８０℃との間であることができ、この場合、炭素堆積物は、第２のリング溝３４、１３４上に形成されることができる。このため、第２のリング溝３４、１３４はキーストーン断面を有して形成され、ピストンリング４１、１４１が張り付くことを防ぐ。好ましくは、第２のリング溝３４、１３４のみがキーストーン断面を有して形成される。このため、本発明のピストン２０、１２０は、格別の性能を提供することができ、第１のおよび第２のキーストーン形のリング溝、時には２つより多いキーストーン形のリング溝を有して形成されるピストンと比較して、削減された製造コストで形成されることができる。
【００１１】
本発明のピストン２０、１２は、さまざまな異なる設計を備えることができる。たとえば、ピストン２０、１２０は、摩擦溶接される、レーザー溶接される、電子ビーム溶接される、または誘導溶接されるピストンといった、２つのピースが溶接されるピストンであることができる。ピストン２０、１２０はまた、鋳造ピストンといった一体成形のピストン２０、１２０であることができる。しかし、各ピストン設計は長方形の第１のリング溝３２、１３２およびキーストーン形の第２のリング溝３４、１３４を含む。
【００１２】
図１の例示的なピストン２０は、下部ピストン部分４２に摩擦溶接される上部ピストン部分４０を含む、摩擦溶接される大型ピストンである。上部ピストン部分４０は、鋼、鋳鉄、アルミニウム、または別の種類の金属材料といった金属材料で形成される。上部ピストン部分４０は中心軸Ａ１の周りに環状にかつ縦方向に中心軸Ａ１に沿って上壁部２２から第１の上部接合面および第２の上部接合面に延在する。上部ピストン部分４０の上壁部２２は、中心軸Ａ１の周りに環状に延在するボウルリムおよび内向きにかつ下向きにボウルリムから中心軸Ａ１に向かって延在する燃焼ボウルを提供する燃焼面４４を含む。上壁部２２の燃焼面４４は、中心軸Ａ１で頂点を提供し、燃焼ボウルによって取り囲まれる。動作中に、ピストン２８はエンジンのシリンダ内で往復運動し、燃焼面４４とシリンダ壁部とは一緒に、高温の燃料ガス混合物を点火のために含む燃焼チャンバを形成する。
【００１３】
上部ピストン部分４０は、上壁部２２のボウルリムから垂下し、中心軸Ａ１の周りに環状にかつ縦方向に中心軸Ａ１に沿って第１の上部接合面に延在する上部外側リブを含む。上部外側リブは中心軸Ａ１の周りに環状に延在し、中心軸Ａ１とは反対を向く上部外面を提供する。上部外側リブは、仕上げられた摩擦溶接ピストン２０の外側リブ２６の部分を形成し、上部外面は仕上げられた摩擦溶接ピストン２０の外面３８の部分を形成する。
【００１４】
上部ピストン部分４０はまた、上部外側リブと中心軸Ａ１との間に配置される上部内側リブを含む。上部内側リブは、燃焼ボウルの下の上壁部２２から中心軸Ａ１の周りに環状にかつ縦方向に中心軸Ａ１に沿って第２の上部接合面に延びる。上部内側リブは、図１の例示的な実施形態では、完成された摩擦溶接ピストン２０の内側リブ２８の部分を形成し、第１のおよび第２の上部接合面は、互いからオフセットされ、各々、中心軸Ａ１に垂直に延在する平らな表面を提供する。しかし、上部リブおよび関連する接合面は他のジオメトリを提供してもよい。
【００１５】
摩擦溶接されたピストン２０の下部ピストン部分４２はまた、金属材料で形成され、これは上部ピストン部分４０の金属材料と同じまたは異なることができる。下部ピストン部分４２はまた、中心軸Ａ１の周りに環状にかつ縦方向に中心軸Ａ１に沿って延びる。図１の例示的なピストン２０では、下部ピストン部分４２は、垂直に延び中心軸Ａ１を取り囲むベース壁部２４を提供する。下部外側リブは中心軸Ａ１の周りに環状にかつベース壁部２４から第１の下部接合面に上向きに延びる。下部ピストン部分４２の第１の下部接合面および上部ピストン部分４０の第１の上部接合面は溶接部４６をその間に含む。下部外側リブはまた中心軸Ａ１の周りに環状に延在する下部外面を提供する。下部外面は上部外面と位置合わせされ、一緒にこれらの表面は、仕上げられた摩擦溶接ピストン２０の外面３８を形成する。
【００１６】
下部ピストン部分４２はまた、下部外側リブの径方向に内向きに配置され、下部外側リブからベース壁部２４によって離間される下部内側リブを含む。下部内側リブは中心軸Ａ１の周りに環状にかつベース壁部２４から第２の下部接合面に上向きに延びる。下部ピストン部分４２の第２の下部接合面および上部ピストン部分４０の第２の上部接合面はまた、溶接部４６をその間に含む。下部内側リブおよび上部内側リブは一緒に、完成された摩擦溶接ピストン２０の内側リブ２８を形成する。図１の例示的な実施形態では、第１のおよび第２の下部接合面は、互いからオフセットされ、各々中心軸Ａ１に垂直に延在する平らな表面を提供する。しかし、下部リブおよび対応する接合面は、他のジオメトリを提供してもよい。
【００１７】
図１に示されるように、溶接される内側リブ２８、溶接される外側リブ２６、上壁部２２、およびベース壁部２４は冷却チャンバ３０をその間に形成する。冷却チャンバ３０は閉じられ、中心軸Ａ１の周りに環状に延びる。冷却チャンバ３０は、ピストン２０がエンジンのシリンダ内で往復運動するときに、熱を上壁部２２から転送するためのオイルといった冷却流体４３で充填されることができる。
【００１８】
ピストン２０の溶接される内側リブ２８は中心軸Ａ１を取り囲み、冷却ギャラリー４８を中心軸Ａ１に形成する。図１および２の例示的な実施形態では、冷却ギャラリー４８は上壁部２２に沿って閉じられ、上壁部２２とは反対を向く方向に開く。ピストン２０をさらに冷却するために、オイルは冷却ギャラリー４８を通して上壁部２２の下側に噴射されることができる。代替的に、冷却ギャラリー４８は閉じられることができ、このためいずれのオイルも冷却ギャラリー４８内へと噴射されない。
【００１９】
図１の例示的なピストン２０の下部ピストン部分４２はまた、ベース壁部２４から上部ピストン部分４０とは離れて下向きに延在するピンボス５０の対を含む。ピンボス５０の各々は、ピンボア５２を提供する。ピンボア５２は中心軸Ａ１に垂直である第２の軸Ａ２に沿って互いに整列される。下部ピストン部分４２はまた、各々がベース壁部２４から垂下し互いからピンボス５０の１つによって離間される、スカート部分５４の対を含む。
【００２０】
図１に示されるように、摩擦溶接ピストン２０の外側上部および下部リブは一緒に、そこに形成される３つのリング溝３２、３４、３６を有する外側リブ２８を提供する。好ましくは、３つ以下のリング溝３２、３４、３６は外側リブ２８内に形成される。リング溝３２、３４、３６の各々は、ピストンリング３９、４１を保持するために、外面３８から中心軸Ａ１に向かって径方向に内向きにかつ中心Ａ１の周りに周方向に延びる。３つのリング溝３２、３４、３６は、軸方向に整列され、互いから外側リブ２６の外面３８によって離間される。すべての３つのリング溝３２、３４、３６はまた望ましくは、冷却チャンバ３０の軸方向に沿ってかつ径方向に外側に配置される。図１Ａに最もよく示されるように、各リング溝３２、３４、３６は、外面３８からベースフランク５８に内向きに延在するサイドフランク５６の対を含む。
【００２１】
図１のピストン２０の外側リブ２６内に形成される３つのリング溝３２、３４、３６は、長方形の断面を有する燃焼面４４に最も近くに位置されるリング溝である第１のリング溝３２を含む。第１のリング溝３２のサイドフランク５６は、一致する長方形の断面を有するピストンリング３９を保持するために、ベースフランク５８に垂直に延在する。
【００２２】
燃焼面４４に２番目に近く位置されるリング溝である第２のリング溝３４は外側リブ２６内に形成され、第１のリング溝３２と第３のリング溝３６との間に配置され、キーストーン断面を有する。第２のリング溝３４の両サイドフランク５６は、一致するキーストーン断面を有するピストンリング４１を保持するために、ベースフランク５８に対して９０度よりも大きく、１３５度以下の角度で配置される。代替的に、第２のリング溝３４は、半キーストーン断面有することができ、ここではサイドフランク５６の１つのみがベースフランク５８に対して９０度よりも大きく１３５度以下の角度αを有して配置され、同時に他のサイドフランク５６は、ベースフランク５８に対して９０度に等しい角度αで配置される。図１および１Ａで示された実施形態では第２のリング溝３４の上部サイドフランク５６およびベースフランク５８は、上部ピストン部分４０によって提供され、下部サイドフランク５６は下部ピストン部分４２によって設けられる。
【００２３】
図１内に示された第３のリング溝３６は、燃焼面４４から最も遠いリング溝であり、第２のリング溝３４とベース壁部２４との間に配置され、また長方形の断面を有する。第３のリング溝３６のサイドフランク５６は、一致する長方形の形状を有するピストンリング３９を保持するために、ベースフランク５８に垂直に延在する。図１の例示的なピストン２０は、３つのリング溝３２、３４、３６を有して形成されるが、ピストン２０は代替的に２つのリング溝または３つより多いリング溝を含むことができ、ここでは第２のリング溝３４以外のすべてリング溝のサイドフランク５６はベースフランク５８に垂直に延在する。好ましくは、第２のリング溝３４は、キーストーン断面を有して形成される唯一のリング溝である。
【００２４】
図１および１Ａに示されるように、リング溝３２、３４、３６のベースフランク５８は望ましくは、互いに軸方向に整列され、中心軸Ａ１に平行にかつピストン２０の外面３８に平行に延在する。図１Ａに最もよく示されるように、ベースフランク５８は、中心軸Ａ１に平行に、サイドフランク５６の１つから他のサイドフランク５６に延在する長さＬを有する。この例示的な実施形態では、第３のリング溝３６のベースフランク５８の長さＬ３は第２のリング溝３４のベースフランク５８の長さＬ２よりも大きく、第１のリング溝３２のベースフランク５８の長さＬ１よりも大きい。各ベースフランク５８は、望ましくは冷却チャンバ３０からベースフランク５８の長さＬの３倍以下の距離によって離間される。
【００２５】
また図１Ａに最もよく示されるように、ピストン２０の外面３８は、燃焼面４４から第１のリング溝３２に第１の距離ｄ１延在する第１のランドと、第１のリング溝３２から第２のリング溝３４に第２の距離ｄ２延在する第２のランドと、第２のリング溝３４から第３のリング溝３６に第３の距離ｄ３延在する第３のランドと、を提供する。第１の距離ｄ１は、望ましくは第１のリング溝３２のベースフランク５８の長さＬ１の５倍以下である。第２の距離ｄ２および第３の距離ｄ３は望ましくは第１のリング溝３２のベースフランク５８の長さＬ３の３倍以下である。
【００２６】
図２は、代替的な設計を有するが依然として長方形の第１のリング溝１３２およびキーストーン形の第２のリング溝１３４を含む、本発明のピストン１２０を図示する。このピストン１２０は、金属材料を鋳造することによって形成される一体成形の本体を備える。ピストン１２０は、中心軸Ａ１の周りに環状に延在するボウルリムおよび内向きにかつ下向きにボウルリムから中心軸Ａ１に向かって延在する燃焼ボウルを有する燃焼面１４４を提供する上壁部１２２を含む。上壁部１２２の燃焼面１４４は、図１のピストン１２０と同様に中心軸Ａ１で頂点を提供し、燃焼ボウルによって取り囲まれる。
【００２７】
図２のピストン２２０はまた、上壁部１２２のボウルリムから垂下し、中心軸Ａ１の周りに環状にかつ縦方向に中心軸Ａ１に沿ってベース壁部１２４に延在する外側リブ１２６を含む。外側リブ１２６は、リング溝１３２、１３４、１３６を有するピストン１２０の外面１３８を提供する。ピストン１２０はまた外側リブ１２６と中心軸Ａ１との間に配置される内側リブ１２８を含む。内側リブ１２８は、燃焼ボウルの下の上壁部１２２から垂下し、中心軸Ａ１の周りに環状にかつ縦方向に中心軸Ａ１に沿ってベース壁部１２４に延びる。内側リブ１２８、外側リブ１２６、上壁部１２２、およびベース壁部１２４は一緒に、冷却チャンバ１３０をその間に形成する。この実施形態では、上壁部１２２は、冷却ギャラリー１４８を中心軸Ａ１に形成する。ピストン１２０はまた、ベース壁部１２４から下向きに延在し、各々がピンボア１５２を提供するピンボス１５０の対と、
各々がベース壁部１２４から垂下し、互いからピンボス１５０の１つによって離間されるスカート部分１５４とを含む。
【００２８】
図２に示されるように、一体成形の鋳造ピストン１２０の外側リブ１２６は、３つのリング溝１３２、１３４、１３６、および３つ以下のリング溝を含む。リング溝１３２、１３４、１３６の各々は、ピストンリング１３９、１４１を保持するために、径方向に内向きに外面１３８から中心軸Ａ１に向かっておよび周方向に中心軸Ａ１の周りに延びる。３つのリング溝１３２、１３４、１３６は、軸方向に整列され、外側リブ１２６の外面１３８によって互いから離間される。すべての３つのリング溝１３２、１３４、１３６は望ましくは、軸方向に沿ってかつ径方向に冷却チャンバ１３０の外側に配置される。図２Ａに示されるように、各リング溝１３２、１３４、１３６は、サイドフランク１５６を含む外面１３８からベースフランク１５８に内向きに延在する。図１のピストン１２０と同様に、第１のリング溝１３２および第３のリング溝１３６は、長方形の断面を有し、第２のリング溝１３４は、キーストーン断面を有する唯一のリング溝である。示されていないが、ピストン１２０は代替的に、第１のおよび第２のリング溝１３２、１３４のみを、または３つ以上のリング溝を含むことができ、第２のリング溝１３４はキーストーン断面を有する唯一のリング溝である。
【００２９】
他の発明の態様は、長方形の第１のリング溝３２、１３２およびキーストーン形の第２のリング溝３４、１３４を含むピストン２０５、１２０を形成する方法を提供する。方法は、第１に、中心軸Ａ１を取り囲む上壁部２２、１２２を含むピストン２０、１２０を提供することと、燃焼面４４、１４４と、上壁部２２、１２２からベース壁部２４、１２４に延在する外側リブ２６、１２６とを提供することと、外面１３８、１３８と、上壁部２２、１２２からベース壁部２４、１２４に延在し、外側リブ２６、１２６と中心軸Ａ１との間に配置される内側リブ２８、１２８とを提供することを含み、上壁部２２、１２２、リブ２６、１２６、２８、１２８およびベース壁部２４、１２４は、冷却チャンバ３０、１３０をその間に提供する。図１の２つのピースのピストン２０を形成するために、この第１のステップは、上部ピストン部分４０および下部ピストン部分４２を提供することと、そして上部ピストン部分４０を下部ピストン部分４２に溶接することとを含む。図２の一体成形のピストン１２０を形成するために、この第１のステップは、金属材料を鋳造すること含む。
【００３０】
方法はさらに、複数のリング溝３２、１３２、３４、１３４、３６、１３６を外側リブ２６、１２６に形成することを含む。このステップは、機械加工することによって、たとえば上部ピストン部分４０を下部ピストン部分４２に溶接した後にまたは、ピストン１２０の本体を鋳造した後に行われることができる。代替的に、リング溝１３２、１３４、１３６は、鋳造プロセス中に形成されることができる。
【００３１】
リング溝３２、１３２、３４、１３４、３６、１３６を形成するステップは、外面３８、１３８からベースフランク５８、１５８に内向きに延在するサイドフランク５６、１５６を有する各リング溝を形成することを含む。このステップはまた、第２のリング溝３４、１３４のサイドフランク５６、１５６の少なくとも１つを第２のリング溝３４、１３４のベースフランク５８、１５８に対して９０度よりも大きく１３５度以下の角度αで延在するように形成することを含む。好ましくは第１のリング溝３２、１３２のサイドフランク５６、１５６およびキーストーン形の第２のリング溝３４、１３４以外のすべての他のリング溝のサイドフランク５６、１５６は、ベースフランク５８、１５８に垂直に延在するように形成される。方法はまた望ましくは、３つ以下のリング溝３２、１３２、３４、１３４、３６、１３６を外側リブ２６、１２６に形成することを含む。
【００３２】
明らかに、本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り、具体的に、添付の特許請求の範囲内でありながら説明した以外の方法で実施することができる。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図２Ａ】
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