(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関用のピストンであって、
第１の熱伝導率を有する第１の材料から形成されたピストン本体を含み、ピストン本体は、ピンボアがピンボア軸に沿って互いに整列された、上方クラウンから垂下する１対のピンボスを有し、前記上方クラウンは窪みを有し、前記ピストン本体は、径方向に互いに対向する１対のスカート部を有し、該スカート部は支柱部を介して前記ピンボスに接合されており、前記ピストンはさらに、
前記第１の材料とは別の第２の材料から形成されたインサートを含み、前記第２の材料は、前記第１の熱伝導率よりも高い第２の熱伝導率を有し、前記インサートは前記窪みに固定され、上方燃焼面の少なくとも一部を形成し、前記ピストンはさらに、
前記ピストン本体とともに前記第１の材料の一体型部品として形成されるとともに、前記インサートと当接して前記窪みにわたって延在する複数のウェブを備え、
該複数のウェブは、互いに平行にかつ前記ピンボア軸の両側において前記ピンボア軸に平行に延びる第１対のウェブと、前記第１対のウェブを横切りかつ前記第１対のウェブと交差して、前記１対のピンボスのそれぞれの上方において、前記ピストンの軸方向に前記１対のピンボスとそれぞれ整列して延びる第２対のウェブとを含み、
前記インサートは前記第１対および第２対のウェブの平坦な表面に固定されている、ピストン。
【請求項２】
前記ピストン本体は、前記上方燃焼面の最外周部を形成する、請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記窪みは、前記ピストン本体を軸方向に通って延在する、実質的に開放された空洞として形成される、請求項１に記載のピストン。
【請求項４】
前記少なくとも１つのウェブを囲む環状の窪んだ肩部をさらに含み、前記窪んだ肩部および前記少なくとも１つのウェブは、前記インサートと当接する平坦面を形成している、請求項１に記載のピストン。
【請求項５】
少なくとも１つのリング溝が径方向に延在しているリングベルト領域が、前記ピストン本体に形成されている、請求項１に記載のピストン。
【請求項６】
前記第１の材料はスチールである、請求項１に記載のピストン。
【請求項７】
前記第２の材料はアルミニウムである、請求項６に記載のピストン。
【請求項８】
前記第２の材料はアルミニウムである、請求項１に記載のピストン。
【請求項９】
ピストンを作成する方法であって、
第１の熱伝導率を有する第１の材料から作成されたピストン本体を提供するステップを含み、ピストン本体は、ピンボアがピンボア軸に沿って互いに整列された、上方クラウンから垂下する１対のピンボスを有し、上方クラウンは窪みを有し、前記ピストン本体は、径方向に互いに対向する１対のスカート部を有し、該スカート部は支柱部を介して前記ピンボスに接合されており、
前記ピストンはさらに、
前記第１の材料とは別の第２の材料から形成されたインサートを含み、前記第２の材料は、前記第１の熱伝導率よりも高い第２の熱伝導率を有し、前記インサートは前記窪みに固定され、上方燃焼面の少なくとも一部を形成し、前記ピストンはさらに、
前記ピストン本体とともに前記第１の材料の一体型部品として形成されるとともに、前記インサートと当接して前記窪みにわたって延在する複数のウェブを備え、該複数のウェブは、互いに平行にかつ前記ピンボア軸の両側において前記ピンボア軸に平行に延びる第１対のウェブと、前記第１対のウェブを横切りかつ前記第１対のウェブと交差して、前記１対のピンボスのそれぞれの上方において、前記ピストンの軸方向に前記１対のピンボスとそれぞれ整列して延びる第２対のウェブとを含み、
前記方法はさらに、
前記インサートを提供するステップと、
前記インサートがピストンの上方燃焼面の少なくとも一部を形成する状態で、前記インサートを、前記第１対および第２対のウェブの平坦な表面に固定されるように、前記窪みに固定するステップとを含む、方法。
【請求項１０】
上方燃焼面の最外周部をピストン本体で形成するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
窪みを、ピストン本体を軸方向に通って延在する、実質的に開放された空洞として形成するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
ピストン本体に、少なくとも１つのウェブを囲む環状の窪んだ肩部を提供するステップと、インサートを、窪んだ肩部および少なくとも１つのウェブと当接して固定するステップとをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
ピストン本体に、少なくとも１つのリング溝が径方向に延在しているリングベルト領域を提供するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
第１の材料をスチールとして提供するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
第２の材料をアルミニウムとして提供するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
第２の材料をアルミニウムとして提供するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連技術との相互参照
本願は、２０１３年３月１３日に出願された米国仮出願連続番号第６１／７８０，６５３号の利益を主張する。当該仮出願はその全体がここに引用により援用される。
【０００２】
発明の背景
１．技術分野
この発明は一般に内燃機関に関し、より特定的にはピストンおよびそれらの作成方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．関連技術
エンジン製造業者らは、燃費の改良、燃料燃焼の改良、オイル消費の減少、および車両内で熱をその後使用するための排気温度の上昇を含むもののそれらに限定されないエンジン効率および性能の改良に対する要望の増加に遭遇している。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駆動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ことであるが、ピストンを作動可能な温度に保ち、ピストンがシリンダボア内で所望の低摩擦間隙を維持することを可能にしつつ、ピストンが特にピストンの上方クラウン領域において熱を伝え、放散する能力を促進することが、依然として必要である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
発明の概要
この発明の一局面によれば、上方燃焼面の少なくとも一部を形成するインサートを有するピストン本体を有するピストンが提供される。ピストン本体は、第１の熱伝導率を有する第１の材料から形成され、上方クラウンと、上方クラウンから垂下する１対のピンボスとを含み、ピンボスは、ピンボア軸に沿って互いに整列されたピンボアを提示している。上方クラウンは、インサートが固定される窪みを含む。インサートは、ピストン本体の第１の材料とは別の第２の材料から形成されている。第２の材料は、第１の材料の第１の熱伝導率よりも高い第２の熱伝導率を有する。
【０００５】
この発明の別の局面によれば、インサートは、上方燃焼面の約９５パーセントを形成する。
【０００６】
この発明の別の局面によれば、インサートは、実質的に平坦な上方燃焼面を形成する。
この発明の別の局面によれば、上方燃焼面の径方向最外周部は、ピストン本体の上方クラウンの外周部によって形成される。
【０００７】
この発明の別の局面によれば、窪みは、ピストン本体を長手方向軸に沿って通って延在する、実質的に開放された空洞を形成しており、ピストン本体の少なくとも１つのウェブが、インサートの下側と当接して支持するために、空洞にわたって延在している。
【０００８】
この発明の別の局面によれば、窪みは、少なくとも１つのウェブを囲む環状の窪んだ肩部を形成しており、環状の肩部および少なくとも１つのウェブは、インサートの下側と当接する平坦な支持面を形成している。
【０００９】
この発明の別の局面によれば、第１の材料はスチールとして提供され得る。
この発明の別の局面によれば、第２の材料はアルミニウムとして提供され得る。
【００１０】
この発明の別の局面によれば、内燃機関用のピストンを作成する方法が提供される。この方法は、第１の熱伝導率を有する第１の材料から作成されたピストン本体を提供するステップを含み、ピストン本体は、ピンボアがピンボア軸に沿って互いに整列された、上方クラウンから垂下する１対のピンボスを有し、上方クラウンは窪みを有している。この方法はさらに、ピストン本体の第１の熱伝導率よりも大きい第２の熱伝導率を有する第２の材料から作成されたインサートを提供するステップと、さらに、インサートがピストンの上方燃焼面の少なくとも一部を形成する状態で、インサートを窪みに固定するステップとを含む。
【００１１】
この方法はさらに、実質的に開放された空洞にわたって延在する少なくとも１つのウェブを提供するステップと、アルミニウムのインサートを、少なくとも１つのウェブと当接して固定するステップとを含み得る。
【００１２】
この方法はさらに、ピストン本体に少なくとも１つのリング溝を形成するステップを含み得る。
【００１３】
この方法はさらに、ピストン本体の外周部が上方燃焼面の径方向最外周部を形成するように、インサートを、ピストン本体の外周部と実質的に同一平面上にある平坦な関係で配置するステップを含み得る。
【００１４】
この方法はさらに、複数のウェブを提供するステップを含み得る。ウェブのうちの少なくともいくつかは、互いに交差している。
【００１５】
この方法はさらに、第１の材料をスチールとして提供するステップを含み得る。
この方法はさらに、第２の材料をアルミニウムとして提供するステップを含み得る。
【００１６】
この方法はさらに、上方燃焼面の約５０〜１００パーセントをインサートで形成するステップを含み得る。
【００１７】
図面の簡単な説明
この発明のこれらのならびに他の局面、特徴、および利点は、以下の現在好ましい実施形態および最良の形態の詳細な説明、添付された請求項、ならびに添付図面に関連して検討されると、より容易に理解されるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の一局面に従って作成されたピストンの部分断面斜視図である。
【図２】図１のピストンのピンボア軸にほぼ沿った断面図である。
【図３】この発明の別の局面に従って作成されたピストンの斜視図である。
【図４】図３のピストンの断面図である。
【図５】上方燃焼面インサートが取外された、図３のピストンのピストンヘッドの図である。
【図６】図５のピストンヘッドの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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および図２は、内燃機関のシリンダライナーのシリンダボアまたはシリンダ室（図示せず）における往復運動のために、この発明の現在好ましい一実施形態に従って作成された、以下に単にピストン１０と呼ばれるピストンアセンブリを示す。ピストン１０は、ピストン本体１２とも呼ばれるピストンヘッドを有しており、それは少なくとも部分的に、鋳造または鍛造され、もしくは任意の他の製造プロセスによって形成され、中心長手方向軸１４に沿って延在しており、ピストン１０はシリンダボア内で中心長手方向軸１４に沿って往復運動する。本体１２は、下方クラウン１８に固定された上方クラウン１６を有する。下方クラウン１８は、上方クラウン１６から垂下する１対のピンボス２０を有しており、中心長手方向軸１４をほぼ横切って延在してそれと交差するピンボア軸２４に沿って整列された、横方向に隔てられたピンボア２２を提供する。ピンボス２０は、支柱部２８を介して、横方向に隔てられたスカート部２６に接合される。スカート部２６は、ピンボア軸２４の両側にわたって互いに正反対に隔てられており、ピストンがシリンダボア内で往復運動する際にピストン１０を所望の配向に保つように、シリンダボア内でそれとの低摩擦摺動関係のために協働するように輪郭付けられた凸状外面を有する。上方クラウン１６は、第１の熱伝導率を有する第１の材料から一体型部品として作成され、一方、下方クラウン１８は、第１の熱伝導率よりも低い第２の熱伝導率を有する第２の材料からの、上方クラウン１６とは別の部品から作成される。限定のない一例として、第１の材料はアルミニウムとして提供可能であり、第２の材料はスチールとして提供可能である。そのため、第１の材料は第２の材料に比べて増加した熱伝導率を有しており、第１の材料は以下に「高い」熱伝導率を有するとして言及され、第２の材料は以下に「低い」熱伝導率を有するとして言及される。そのため、上方クラウン１６は、下に位置する、冷却室で循環するオイルに、および径方向外側のシリンダライナーに熱を伝える増加した能力を有する。一方、下方クラウン１８は、増加した強度および寸法安定性を有しており、それにより、ピストン１０の有用寿命にわたってシリンダライナー内でのピストン１０の円滑で低摩擦の摺動を容易にする。
【００２０】
ピストン１０の上方クラウン１６はここでは、シリンダボア内で所望のガス流を提供するように窪んだ燃焼ボウル３２を有する上方燃焼面３０を有するものとして表わされている。上方ランド３４とリングベルト３６とを含む外壁３３が、上方燃焼面３０から、環状自由端４０を有する環状外側リブへと下向きに延在しており、リングベルト３６には、少なくとも１つの環状リング溝３８が、ピストンリング（図示せず）を浮かせて受けるために形成されている。環状内側リブ４１が、燃焼ボウル３２の下面から環状内側自由端４２へと垂下しており、内側リブは、一例として、外側自由端４０より下に延在するとして図示されている。このように、外壁３３と内側リブ４１とは、環状上方外側回廊（gallery）部４３を形成している。
【００２１】
下方クラウン１８は、限定のない一例として鍛造プロセスなどにおいて、上方クラウン１６とは別に作成され、次に、直立する環状外側リブ自由端４４および直立する環状内側リブ自由端４６を介して上方クラウン１６に接合され、自由端４４、４６は環状下方外側回廊部４７を形成する。上方クラウン１６および下方クラウン１８はここでは、たとえばそれぞれの外側自由端４０、４４および内側自由端４２、４６にわたって形成される摩擦溶接または任意の他の好適なタイプの溶接接合４５によってともに接合されるものとして表わされている。そのため、上方クラウン１６と下方クラウン１８との間には、実質的に閉鎖された外側オイル回廊４８が、対向して面する回廊部４３、４７によって形成され、一方、燃焼ボウル３２の中央部の下には、開放された内側回廊５０が、ピンボア２２の上方に形成される。この発明に従って作成されたピストン１０は、たとえば異なる構成のオイル回廊を有して異なる態様で形成された上方および下方クラウン部を有し得る、ということが認識されるべきである。下方クラウン１８は、上方クラウン１６のアルミニウムなどの第２の材料と比べてより低い熱伝導率を有する、スチールなどの任意の好適な第１の材料から作成される。
【００２２】
動作時、「高い」熱伝導率の第２の材料から作成された上方クラウン１６は、上方クラウン１６全体を通してオイル冷却剤およびシリンダライナーといった熱吸収体に熱をたやすく伝える伝熱促進体として作用する。そのため、上方クラウン１６、特に上方ランド３４の領域は伝熱材として作用し、それにより、上方クラウン１６内の熱を放散する。熱をたやすく伝える結果、上方ランド３４上の炭素堆積が最小化され、このため、リング溝３８に配置された単数または複数のリング（図示せず）は、シリンダ壁に対する封止を阻止されていない。炭素堆積は一般に摂氏約２００〜３００度で生じる傾向があること、および、摂氏約３００度以上では炭素は燃え尽き、このため上方ランド３４上に堆積しないことがわかっている。したがって、上方ランドが、それに伝わる熱の好適な供給を有することを確実にすることにより、上方ランド３４は摂氏約３００度またはそれ以上を保ち、このため、炭素の堆積が阻止される。
【００２３】
この発明の別の局面によれば、内燃機関用のピストン１０を作成する方法が提供される。この方法は、上方クラウン１６をアルミニウム材料の一体型部品として形成するステップを含み、上方クラウン１６は上方燃焼面３０を有して形成され、上方ランド３４は上方燃焼面３０から垂下している。上方ランド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を含むリングベルト領域を有して形成される。この方法はさらに、上方クラウン１６の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有するスチール材料から下方クラウン１８を形成するステップを含む。さらに、この方法は、横方向に隔てられ、軸方向に整列された１対のピンボア２２を提供する１対のピンボス２０を有する下方クラウン１８を形成するステップと、次に、たとえば摩擦溶接プロセスなどの溶接プロセスにおいて下方クラウン１８を上方クラウン１６に固定するステップとを含み、上方クラウン１６の垂下する外壁３３および垂下する内側リブ４１はそれぞれ、下方クラウン１８の直立する環状外側リブ自由端４４および直立する環状内側リブ自由端４６に溶接されて、実質的に閉鎖された外側回廊４８を形成する。
【００２４】
図３〜５は、この発明の別の局面に従って作成されたピストン１１０を示し、因数１００ずつずらされた同じ参照符号が、同様の形状構成を識別するために使用される。
【００２５】
ピストン１１０は、上方クラウン１１６の上方燃焼面１３０から長手方向中心軸１１４に沿って１対のピンボス１２０へと垂下する、ピストン本体または本体１１２とも呼ばれるピストンヘッドを含む。ピストン本体１１２は、限定のない一例としてスチールなどから、第１の熱伝導率を有する第１の材料の一体型部品として形成される。ピンボス１２０は、ピンボア軸に沿って互いに整列されたピンボア１２２を提示する。ピストン本体１１２は、内燃機関のシリンダボア内に摺動して受けられるために構成された１対のスカート部１２６を有する。ピストン本体１１２はまた、対応するピストンリング（図示せず）を受けるための少なくとも１つのリング溝１３８を有するリングベルト１３６を有する。上方クラウン１１６には窪み５２が形成され、窪み５２にインサート５４が固定され、インサート５４は、限定のない一例として平坦または実質的に平坦であるとして図示されている上方燃焼面１３０の少なくとも一部を形成している。インサート５４は、第１の材料とは異なる第２の材料から形成されており、第２の材料は、ピストン本体１１２の第１の熱伝導率よりも大きい第２の熱伝導率を有し、第２の材料は、限定のない一例としてアルミニウムとして提供可能である。インサート５４は、上方燃焼面１３０の大半、好ましくは約５５〜１００パーセント、好ましい一実施形態では約９５パーセントを形成し、ピストン本体１１２は、上方燃焼面１３０の径方向最外領域または外周部に沿って、上方燃焼面１３０の比較的小さい環状帯５３（約５パーセント）のみを形成しているが、所望すれば、燃焼面１３０全体がインサート５４によって形成可能である、ということが予期される。
【００２６】
窪み５２は、上方クラウン１１６の上端内に延在して形成され、ピストン本体１１２を通って延在する実質的に開放された空洞５５を提供するとして図示されている。ウェブとも呼ばれ、複数のウェブ５６として図５に図示された少なくとも１つのブリッジが、インサート５４の下クラウン（undercrown）とも呼ばれる下側と当接して支持するために、実質的に開放された空洞５５にわたって延在するように、第１の材料でできた一体型部品としてピストン本体１１２に形成されている。したがって、インサート５４の下側は、ウェブ５６と当接して固定されている。ウェブ５６は格子状に延在するとして図示されており、限定のない一例として、２対のウェブ５６が形成され、対同士５６は互いをほぼ横切る関係で互いに交差している。そのため、ウェブ５６の一方の対は、ピンボア軸の両側で互いにピンボア軸にほぼ平行に延在し、一方、ウェブ５６の他方の対は、ピンボス１２０のほぼ上方で、かつピンボス１２０と軸方向に整列されて、ピンボア軸をほぼ横切って延在している。したがって、ウェブ５６のうちの少なくともいくつかは、互いに横切って延在している。ウェブによって提供される構造的支持、および環状の窪んだ座ぐりに加え、リムまたは肩部５８も、インサート５４の外周全体の周りの追加の支持のために提供される。肩部５８は、インサート５４の下側との当接のための平坦な支持面を形成するように、ウェブ５６の周りに延在し、ウェブ５６と平坦な関係になるようにウェブ５６を囲む。リム５８を形成することなく、ウェブ５６がインサート５４を支持できること、またはその逆も同様であることが認識されるべきである。
【００２７】
上述の教示に鑑みて、この発明の多くの変更および変形が明らかに可能である。したがって、添付された請求項の範囲内で、この発明が具体的に説明されたこと以外の態様で実践され得る、ということが理解されるはずである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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