(57)【要約】  内燃機関のためのピストンアセンブリおよびその構成方法が提供される。アセンブリは、下側冠面およびリングベルト領域を有する上側燃焼壁を有するピストンヘッドを備える。ピストンヘッドは、上面および底面を有する床を有する。床は、リングベルト領域と径方向に整列されて上側燃焼壁の下方に離間される。実質的に囲まれた環状の冷却空洞が、下側冠面および床と境界を接する。一対のピンボアが冷却空洞の床から直接垂下する。アセンブリはさらに、ピンボア内に振動収容されるように構成された端部を有するピンを含む。ピン軸受面が床の下面内のピンボア内およびピンボア間に延在する。アセンブリは、ピンと連帯振動するようにピンに固定された端部を有する接続ロッドを含む。
2015535905.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アセンブリであって、
上側燃焼壁を有するピストンヘッドを備え、下側冠面およびリングベルト領域が前記上側燃焼壁から垂下し、前記ピストンヘッドはさらに、上面および底面を有する床を有し、前記床は、前記リングベルト領域と径方向に整列されて前記上側燃焼壁の下方に離間され、実質的に囲まれた環状の冷却空洞が前記下側冠面および前記床と境界を接し、前記冷却空洞は、前記リングベルト領域から径方向内側に延在し、前記ピストンアセンブリはさらに、
前記冷却空洞の前記床から直接垂下する一対のピンボアと、
前記ピンボア内に振動収容されるように構成された端部を有するピンと、
前記床の前記下面内の前記ピンボア内および前記ピンボア間に延在するピン軸受面と、
前記ピンと連帯振動するように前記ピンに固定された端部を有する接続ロッドとを備える、ピストンアセンブリ。
【請求項２】
前記床の前記下側冠面と前記上面との間に延在する少なくとも１つの支持部をさらに備える、請求項１に記載のピストンアセンブリ。
【請求項３】
前記少なくとも１つの支持部材は、前記ピストンヘッドの中心長手軸に沿って延在する、請求項２に記載のピストンアセンブリ。
【請求項４】
前記少なくとも１つの支持部材は、前記ピストンヘッドの中心長手軸から径方向外側に延在する複数の支持部材を含む、請求項２に記載のピストンアセンブリ。
【請求項５】
前記床を通って延在する開口部をさらに含み、前記開口部は、前記ピストンヘッドの中心長手軸に沿って中心に位置する、請求項４に記載のピストンアセンブリ。
【請求項６】
前記ピストンヘッドは頂部および底部を含み、前記頂部は、前記上側燃焼面から垂下する環状の第１の上接合面と、前記ピストンの中心長手軸に沿って前記上側燃焼面から垂下する第２の接合面とを有し、前記底部は、前記床から上方に延在する環状下接合面を含み、前記下接合面は、第１の接合継手において前記第１の上接合面に結合され、前記床の上面は、第２の接合継手において前記第２の接合面に結合される、請求項１に記載のピストンアセンブリ。
【請求項７】
前記冷却空洞に延在する入口潤滑剤供給ポートと、前記ピンと正接した関係で前記冷却空洞から延在する出口潤滑剤供給ポートとをさらに含む、請求項１に記載のピストンアセンブリ。
【請求項８】
前記ピンは貫通孔を有し、前記接続ロッドは、油が前記接続ロッドを通って前記リストピンを通って流れ、前記ピン軸受面に接触するように前記貫通孔と整列された油路を有する、請求項１に記載のピストンアセンブリ。
【請求項９】
前記貫通孔は前記ピンの直径を通って延在する、請求項８に記載のピストンアセンブリ。
【請求項１０】
前記油路は前記接続ロッドの長さにわたって延在する、請求項９に記載のピストンアセンブリ。
【請求項１１】
前記冷却空洞は閉じられている、請求項１に記載のピストンアセンブリ。
【請求項１２】
前記冷却空洞は冷却液を含む、請求項１１に記載のピストンアセンブリ。
【請求項１３】
前記冷却液は、高熱伝導性の金属含有組成物である、請求項１２に記載のピストンアセンブリ。
【請求項１４】
内燃機関のためのピストンであって、
側燃焼壁を有するピストンヘッドを備え、下側冠面およびリングベルト領域が前記上側燃焼壁から垂下し、前記ピストンはさらに、上面および底面を有する床を有し、前記床は、前記リングベルト領域と径方向に整列されて前記上側燃焼壁の下方に離間され、実質的に囲まれた環状の冷却空洞が前記下側冠面および前記床と境界を接し、前記冷却空洞は、前記リングベルト領域から径方向内側に延在し、前記ピストンはさらに、
前記冷却空洞の前記床から直接垂下する一対のピンボアと、
前記床の前記下面内の前記ピンボア内および前記ピンボア間に延在するピン軸受面とを備える、ピストン。
【請求項１５】
前記床の前記下側冠面と前記上面との間に延在する少なくとも１つの支持部をさらに備える、請求項１４に記載のピストン。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの支持部材は、前記ピストンヘッドの中心長手軸に沿って延在する、請求項１５に記載のピストン。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの支持部材は、前記ピストンヘッドの中心長手軸から径方向外側に延在する複数の支持部材を含む、請求項１５に記載のピストン。
【請求項１８】
前記床を通って延在する開口部をさらに含み、前記開口部は、前記ピストンヘッドの中心長手軸に沿って中心に位置する、請求項１７に記載のピストン。
【請求項１９】
前記ピストンヘッドは頂部および底部を含み、前記頂部は、前記上側燃焼面から垂下する環状の第１の上接合面と、前記ピストンの中心長手軸に沿って前記上側燃焼面から垂下する第２の接合面とを有し、前記底部は、前記床から上方に延在する環状下接合面を含み、前記下接合面は、第１の接合継手において前記第１の上接合面に結合され、前記床の上面は、第２の接合継手において前記第２の接合面に結合される、請求項１４に記載のピストン。
【請求項２０】
前記冷却空洞は閉じられている、請求項１４に記載のピストン。
【請求項２１】
前記冷却空洞は冷却液を含む、請求項２０に記載のピストン。
【請求項２２】
前記冷却液は、高熱伝導性の金属含有組成物である、請求項２１に記載のピストン。
【請求項２３】
内燃機関のためのピストンアセンブリを構成する方法であって、
上側燃焼壁を有するピストンヘッドを形成することを含み、下側冠面およびリングベルト領域が前記上側燃焼壁から垂下し、前記ピストンヘッドはさらに、前記リングベルト領域と径方向に整列されて前記上側燃焼壁の下方に離間された床を有し、実質的に囲まれた環状の冷却空洞が前記下側冠面および前記床と境界を接し、前記方法はさらに、
前記冷却空洞の前記床から直接垂下する一対のピンボアを形成することと、
前記床の前記下面内の前記ピンボア内および前記ピンボア間に延在するピン軸受面を形成することと、
前記ピンボア内に振動収容されるようにピンを挿入することと、
接続ロッドの端部を、前記ピンと連帯振動するように前記ピンに直接固定することとを含む、方法。
【請求項２４】
前記床の前記下側冠面と前記上面との間に延在する少なくとも１つの支持部を形成することをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記少なくとも１つの支持部材を、前記ピストンヘッドの中心長手軸に沿って形成することをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記少なくとも１つの支持部材を、前記ピストンヘッドの中心長手軸から径方向外側に延在する複数の支持部材として形成することをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記床を通って延在する開口部を形成することをさらに含み、前記開口部は、前記ピストンヘッドの中心長手軸に沿って中心に位置する、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
頂部および底部を有する前記ピストンヘッドを形成することと、前記頂部を前記底部に結合することとをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２９】
ピンと正接した関係で前記冷却空洞から延在する出口潤滑剤ポートを形成することをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３０】
前記ピン内に貫通孔を形成し、前記接続ロッド内に油路を形成し、前記油路を前記貫通孔と整列させて、油を前記接続ロッドを通ってかつ前記リストピンを通って流し、前記ピン軸受面に接触させることをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３１】
前記冷却空洞を、完全に閉じられた冷却空洞として形成することをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３２】
前記完全に閉じられた冷却空洞内に冷却液を供給することをさらに含む、請求項３１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、２０１２年９月２７日に出願された米国仮出願連続番号第６１／７０６，６２１号および２０１３年３月１５日に出願された米国仮出願連続番号第６１／７９４，２１６号の利益を主張し、それら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
この発明は一般的に内燃機関に関し、より特定的にはピストンおよびその構成方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．背景技術
エンジン製造者は、燃費の改善、燃料燃焼の改善、オイル消費量の削減、車両内で熱を継続使用するための排気の高温化、シリンダボア内の圧縮荷重および温度の上昇、軽量化およびエンジンの小型化を含むがこれらに限定されないエンジン効率および性能を改善すべきとの要求の高まりに直面している。これらの目標を達成するため、ピストンの大きさおよび圧縮高さを低減する必要がある。しかしながら、燃焼室内の温度および圧縮荷重の上昇により、ピストンを作動可能な熱的限界および荷重限界内に維持することが必要とされる。したがって、燃焼室内で温度および圧縮荷重を上昇させることが望ましいものの、これらの増大によって、圧縮高さおよびしたがって全体的なエンジンの大きさを低減できる度合が限定されてしまうという兼ね合いが存在する。さらに、ピストンに加わる温度および荷重需要の増大がそれらがスチール製であることを要件とするために、エンジン重量を低減できる度合が損なわれてしまう。
【０００４】
この発明に従って構成されるピストンは、開示を読み、本明細書中の図面を見れば当業者には明らかとなるように、公知のピストン構成の上記の欠点および他の欠点を解消する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明の概要
この発明に従って構成されるピストンはスチールから構成され、これにより、ピストンに、近代的な高性能エンジンで見られるものなどのシリンダボア内の増大した圧縮荷重に耐える向上した強度および耐久性を与える。さらに、ピストンの新規の構成により、ピストンの圧縮高さ（ＣＨ）および重量を最小化することができ、これによりピストンが配備されるエンジンをより小型化および軽量化することができる。
【０００６】
本発明の一局面によれば、内燃機関のためのピストンアセンブリが提供される。ピストンアセンブリは、上側燃焼壁を有するピストンヘッドを含み、下側冠面およびリングベルト領域が上側燃焼壁から垂下する。ピストンヘッドは、上面および底面を有する床を有する。床は、リングベルト領域と径方向に整列されて上側燃焼壁の下方に離間される。実質的に囲まれた環状の冷却空洞が下側冠面および床と境界を接し、冷却空洞は、リングベルト領域から径方向内側に延在する。一対のピンボアが冷却空洞の床から直接垂下する。アセンブリはさらに、ピンボア内に振動収容されるように構成された端部を有するピンを含む。ピン軸受面が、床の下面内のピンボア内およびピンボア間に延在する。アセンブリはさらに、ピンと連帯振動するようにピンに固定された端部を有する接続ロッドを含む。
【０００７】
本発明の別の局面によれば、少なくとも１つの支持部が床の下側冠面と上面との間に延在する。
【０００８】
本発明の別の局面によれば、少なくとも１つの支持部材は、ピストンヘッドの中心長手軸に沿って延在する。
【０００９】
本発明の別の局面によれば、少なくとも１つの支持部材は、ピストンヘッドの中心長手軸から径方向外側に延在する複数の支持部材を含む。
【００１０】
本発明の別の局面によれば、開口部が床を通って延在し、開口部は、ピストンヘッドの中心長手軸に沿って中心に位置する。
【００１１】
本発明の別の局面によれば、ピストンヘッドは頂部および底部を含み、頂部は、上側燃焼面から垂下する環状の第１の上接合面と、ピストンの中心長手軸に沿って上側燃焼面から垂下する第２の接合面とを有する。底部は、床から上方に延在する環状下接合面を含み、下接合面は、第１の接合継手において第１の上接合面に結合され、床の上面は、第２の接合継手において第２の接合面に結合される。
【００１２】
本発明の別の局面によれば、入口潤滑剤供給ポートが冷却空洞に延在し、出口潤滑剤供給ポートがピンと正接した関係で冷却空洞から延在する。
【００１３】
本発明の別の局面によれば、ピンは貫通孔を有し、接続ロッドは、油が接続ロッドを通ってリストピンを通って流れ、ピン軸受面に接触するように貫通孔と整列された油路を有する。
【００１４】
本発明の別の局面によれば、冷却空洞は完全に閉じられている。
本発明の別の局面によれば、閉じられた冷却空洞は冷却液を含む。
【００１５】
本発明の別の局面によれば、閉じられた冷却空洞内の冷却液は、高熱伝導性の金属含有組成物である。
【００１６】
本発明の別の局面によれば、内燃機関のためのピストンが提供される。ピストンは、側燃焼壁を有するピストンヘッドを含み、下側冠面およびリングベルト領域が上側燃焼壁から垂下する。ピストンはさらに、上面および底面を有する床を有する。床は、リングベルト領域と径方向に整列されて上側燃焼壁の下方に離間される。実質的に囲まれた環状の冷却空洞が下側冠面および床と境界を接する。冷却空洞は、リングベルト領域から径方向内側に延在する。一対のピンボアが冷却空洞の床から直接垂下する。ピン軸受面が、床の下面内のピンボア内およびピンボア間に延在する。
【００１７】
本発明の別の局面によれば、ピストンは、床の下側冠面と上面との間に延在する少なくとも１つの支持部をさらに含むことができる。
【００１８】
本発明の別の局面によれば、少なくとも１つの支持部材は、ピストンヘッドの中心長手軸に沿って延在することができる。
【００１９】
本発明の別の局面によれば、少なくとも１つの支持部材は、ピストンヘッドの中心長手軸から径方向外側に延在する複数の支持部材として提供されることができる。
【００２０】
本発明の別の局面によれば、ピストンは、床を通って延在する開口部をさらに含むことができ、開口部は、ピストンヘッドの中心長手軸に沿って中心に位置する。
【００２１】
本発明の別の局面によれば、ピストンヘッドは頂部および底部を含むことができ、頂部は、上側燃焼面から垂下する環状の第１の上接合面と、ピストンの中心長手軸に沿って上側燃焼面から垂下する第２の接合面とを有する。底部は、床から上方に延在する環状下接合面を含む。下接合面は、第１の接合継手において第１の上接合面に結合され、床の上面は、第２の接合継手において第２の接合面に結合される。
【００２２】
本発明の別の局面によれば、冷却空洞を完全に囲むことができる。
本発明の別の局面によれば、囲まれた冷却空洞は冷却液を含むことができる。
【００２３】
本発明の別の局面によれば、内燃機関のためのピストンアセンブリを構成する方法が提供される。当該方法は、上側燃焼壁を有するピストンヘッドを形成することを含み、下側冠面およびリングベルト領域が上側燃焼壁から垂下し、ピストンヘッドはさらに、リングベルト領域と径方向に整列されて上側燃焼壁の下方に離間された床を有し、実質的に囲まれた環状の冷却空洞が下側冠面および床と境界を接する。さらに、冷却空洞の床から直接垂下する一対のピンボアを形成する。床の下面内のピンボア内およびピンボア間に延在するピン軸受面を形成する。さらに、ピンボア内に振動収容されるようにピンを挿入し、接続ロッドの端部を、ピンと連帯振動するようにピンに直接固定する。
【００２４】
本発明の別の局面によれば、当該方法は、床の下側冠面と上面との間に延在する少なくとも１つの支持部を形成することをさらに含む。
【００２５】
本発明の別の局面によれば、当該方法は、少なくとも１つの支持部材を、ピストンヘッドの中心長手軸に沿って形成することをさらに含む。
【００２６】
本発明の別の局面によれば、当該方法は、少なくとも１つの支持部材を、ピストンヘッドの中心長手軸から径方向外側に延在する複数の支持部材として形成することをさらに含む。
【００２７】
本発明の別の局面によれば、当該方法は、床を通って延在する開口部を形成することをさらに含み、開口部は、ピストンヘッドの中心長手軸に沿って中心に位置する。
【００２８】
本発明の別の局面によれば、当該方法は、頂部および底部を有するピストンヘッドを形成することと、頂部を底部に結合することとをさらに含む。
【００２９】
本発明の別の局面によれば、当該方法は、ピンと正接した関係で冷却空洞から延在する出口潤滑剤ポートを形成することをさらに含む。
【００３０】
本発明の別の局面によれば、当該方法は、ピン内に貫通孔を形成し、接続ロッド内に油路を形成し、油路を貫通孔と整列させて、油を接続ロッドを通ってかつリストピンを通って流し、ピン軸受面に接触させることをさらに含む。
【００３１】
本発明の別の局面によれば、当該方法は、冷却空洞を、完全に閉じられた冷却空洞として形成することをさらに含む。
【００３２】
本発明の別の局面によれば、当該方法は、完全に閉じられた冷却空洞内に冷却液を供給することをさらに含む。
【００３３】
図面の簡単な説明
発明のこれらおよび他の局面、特徴、および利点は、現在好ましい実施形態のおよび最良モードの以下の詳細な説明、添付の請求項、および添付の図面と関連して考慮されるとより容易に認められるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】発明の１つの局面に従って構成されるピストンおよび接続ロッドアセンブリの部分断面斜視図である。
【図２】図１のアセンブリのピストンの部分断面斜視図である。
【図２Ａ】発明の別の局面に従うピストンの実施形態を例示する、図２と同様の図である。
【図３】図２のピストンの底面図である。
【図４】図１のアセンブリの部分断面側面斜視図である。
【図５】図１のアセンブリの底部の斜視図である。
【図６】図１のアセンブリのリストピンにボルト留めされて示される、接続ロッドのスモールエンドの部分断面斜視図である。
【図７】図１のアセンブリの接続ロッドのスモールエンドの斜視図である。
【図８】図１のアセンブリのリストピンの断面側面図である。
【図９】発明の別の局面に従って構成されたピストンの部分断面斜視図である。
【図１０】発明のさらに別の局面に従って構成されたピストンの部分断面斜視図である。
【図１０Ａ】図１０のピストンのピンボア軸にほぼ沿ってとられた断面側面図である。
【図１１】発明のさらに別の局面に従って構成されたピストンの部分断面斜視図である。
【図１１Ａ】図１１のピストンのピンボア軸にほぼ沿ってとられた断面側面図である。
【図１１Ｂ】図１１のピストンのピンボア軸に対して斜めの関係でとられた断面斜視図である。
【図１１Ｃ】図１１のピストンの底面図である。
【図１１Ｄ】図１１のピストンの代替的な実施形態を示す、図１１Ｃと同様の図である。
【図１２】発明のさらに別の局面に従って構成されたピストンのピンボア軸にほぼ沿ってとられた断面図である。
【図１２Ａ】図１２のピストンの頂部のピンボア軸にほぼ沿ってとられた断面図である。
【図１２Ｂ】図１２のピストンの底部の中心軸にほぼ沿ってとられた断面図である。
【図１２Ｃ】頂部を底部に固定した後、かつピンボア軸に沿って底部内に開口部を形成する前に図１２のピストンのピンボア軸にほぼ沿ってとられた断面図である。
【図１３】ピストンの底部に頂部を固定するための代替的な機構を示す、図４のピストンと同様のピストンのピンボア軸にほぼ沿ってとられた断面図である。
【図１３Ａ】図１３のピストンの底部のピンボア軸にほぼ沿ってとられた断面図である。
【図１３Ｂ】図１３のピストンの頂部のピンボア軸にほぼ沿ってとられた断面図である。
【図１４】発明の別の局面に従って構成された頂部の断面図である。
【図１５】発明の１つの局面に従って構成されたピストンリングの断面図である。
【図１５Ａ】発明の別の局面に従って構成されたピストンリングの断面図である。
【図１６】図１５および図１５Ａのピストンリングの平面図である。
【図１７】図１６のピストンリングのエンドキャップの斜視図である。
【図１８】発明の別の局面に従って構成されたピストンリングの断面図である。
【図１８Ａ】形成される前の図１８のピストンリングの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
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して、図１は、たとえばガスまたはディーゼルエンジンなどの近代的な小型高性能車両エンジンなどの内燃機関のシリンダボアまたはチャンバ（図示せず）中の往復運動のための、発明の１つの現在好ましい実施形態に従って構成される、ピストンおよびアセンブリ１０と称される接続ロッドアセンブリの部分断面斜視図を図示する。アセンブリ１０は、ピストン１２、接続ロッド１４、およびリストピン１６を含む。接続ロッド１４は、リストピン１６と連帯振動するようにリストピン１６に固定して取付けられることによって、ピストン１２に動作可能に接続される。ピストン１２は、まず別個の部品として作製され、その後何らかの形態の溶接接合（すなわち、誘導溶接、摩擦溶接、ろう付け接合、電荷担体光線、レーザ、抵抗など）にわたってヘッド領域内で互いに接合される少なくとも２つの別個の片からなる本体１８を有する。２つの部品は、図２および図４において識別されるように、底部２０および頂部２２を備える。本明細書中での「頂」、「底」、「上」、および「下」の参照は、使用の際にピストン１２が往復する鉛直長手方向中心ピストン軸Ａに沿って向けられるピストンに対するものである。これは便宜上のものであり、限定するものではない。なぜなら、ピストン１２は純粋に鉛直方向以外の傾斜で設置されて動作し得ることが可能だからである。ピストンの底部および頂部２０，２２の開いた構造により、底部および頂部２０，２２をスチールからニアネットシェイプに鋳造、機械加工、または鍛造することができる。底部および頂部２０，２２を構成するのに用いられる材料（すなわちスチール合金）は、意図されるエンジン適用例でのピストン１２の要件に依存して、同じ（たとえばＳＡＥ１０４０グレード）であってもまたは異なってもよい。頂部２２は鋳造されてもよく、原料から機械加工されてもよく、任意の数のプロセスで焼結され、鍛造され、または作られてもよい。スチールから構成される底部および頂部２０，２２は、ピストン１２に、シリンダボア内の増大する温度および圧縮荷重に耐える改良された強度および耐久性を与え、それらの新規の構成により、リストピン１６および接続ロッド１４とともに、ピストン１２の重量および圧縮高さＣＨ（図２に識別される）を最小限にし、これによりピストン１２が配備されるエンジンは、性能が向上し、より低重量を達成しより小型化され得る。
【００３６】
図２に示されるように、ピストン１２のヘッド領域は、頂部壁２０の最上燃焼面下に引込められる環状燃焼皿２２を取囲む環状頂部壁２４を有する。燃焼皿２６は厚さ（ｔ）を有する壁２８によって境界確定され、当該厚さは、壁２８の上面３０と底面３１との間に延在する。燃焼皿２６の輪郭は壁２８の上面３０によって形成され、上面３０は、ピストン１２の中心軸Ａに沿って同軸に位置し得るかまたはピストン中心軸Ａに対して径方向にオフセットされ得る上側頂点または中心ピーク３２を設けるように輪郭付けされて示される。燃焼皿壁２８の輪郭は、ピーク３２に関連して同心であるようにかつ燃焼皿２６の最も低い部分を形成するように示される、ピーク３２を取囲む環状の谷部３４も設ける。燃焼皿２６の壁２８は、谷部３４から上方に延在して燃焼皿リム３３を形成する。燃焼皿リム３３は、典型的に、使用中に最大の熱が生成される場所である。
【００３７】
ピストン１０の頂部２２は、頂部壁２４から、環状で径方向に最も外側の第１の上接合面３７へと下方に延在する環状外壁３６の上側部分３５をさらに含む。リングベルト３８は、外壁３６の上側部分３５において少なくとも部分的に形成されるものとして示される。リングベルト３８は、限定はしないが例として、ピストンリング４４がその中に収容される一対のリング溝４０，４２として示される複数の外側環状リング溝を有する。図示されるリング溝４０，４２は、限定はしないが例としてＬ字形状の堤防型（ｄｙｋｅｓ−ｔｙｐｅ）リングとして示される最上圧縮ピストンリング４４を受けるために、ピストンヘッド領域の頂部壁２４に直接隣接してその全体が頂部２２内に形成される最上リング溝４０を含む。ピストンリング４４の上側自由端は、頂部壁２４と同じ高さにあるか、または実質的に同じ高さにある。最下方リング溝４２は、部分的に頂部２２によって、かつ部分的に底部２０によって形成されるものとして示される。
【００３８】
図１５に示すように、Ｌ字形状の堤防型リング４４は、たとえばアルゴンなどの不活性ガスおよび／または液状の冷却材のような、冷却媒体４９を受けるための中空かつ環状の冷却チャンバ４５を有して設けることができる。堤防型リング４４は、Ｌ字形状構成の直立した脚部または垂直に延在した脚部を提供する第１の部分５１と、Ｌ字形状構成の横方向または水平方向に延在した脚部を提供する第２の部分５３とを有する。直立した第１の部分５１は、上方ランドとシリンダーライナーとの間の環状空間に受けられ、第２の部分５３は、リング溝４０に受けられる。Ｌ字形状のピストンリング４４は、シリンダーライナーと近接して摺動移動してピストンの上方ランド領域とシリンダーライナーとの間に所望の封止を提供するように大きさが設定された筒状の外面５０を有する。横方向に延在する第２の部分５３は、リング溝４０内で動き嵌めされるように寸法設定された外面を有し、これによってピストンリング４４は使用時においてリング溝４０内で自由に浮動することができる。なお、意図される用途のために望ましい場合は、標準的なピストンリングを使用することができる。
【００３９】
囲われたピストンリング冷却チャンバ４５は、直立した部分および横方向に延在する部分５１，５３によって囲まれる。内面は、使用時において冷却媒体４９が「カクテルシェイカー」のような態様で冷却チャンバ４５内でかき回されるように構成され、囲う上方ランド領域を最適に冷却する。図１５に示されるように、直立した部分５１の内面は、互いに平行または実質的に平行であり、横方向に延在する部分５３の内面は、互いに平行または実質的に平行であり、断面で示されるようにピストンリング４４の壁厚は全体を通して均一である。
【００４０】
対照的に、本発明のさらなる局面に従う図１５Ａに示されるように、本発明の他の局面に従って構成されたピストンリング４４′の壁厚は、断面で示されるように、全体を通して均一ではない。特に、直立外脚部５５は、その長さに沿って延在する厚さが均一ではなく、厚さは連続的または実質的に連続的にその全長に沿って異なり、最も薄い領域が外脚部５５の最上端部に位置し、最も厚い領域が外脚部５５の最下端部に位置する。示されるように、外脚部５５の内面は、上部燃焼面２４に向けて上方へ延在するにつれて、径方向外側へ逸れる。傾斜した内面は、冷却チャンバ４５内の冷却媒体４９の流体流動力学を変化させることによって上方ランド領域２６の冷却を促し、それにより外側へのシリンダーライナーへの熱の伝達を向上させる。冷却媒体４９が傾斜した内面に対して下方へ流れる、または下方へ移動するにつれ、冷却媒体４９は径方向内側へ流れることとなり、冷却チャンバ４５全体にわたる冷却媒体４９の撹拌が促される。
【００４１】
図１６に示されるように、Ｌ字形状のピストンリング４４，４４′は、冷却チャンバ４５の対向する自由端を接続するように作用する一対の端部キャップ９６を有して形成される。このため、冷却媒体４９は、冷却チャンバ４５内に維持され、そこから外側へ漏れ出すことがない。端部プラグ９６は、たとえば接着剤および／または溶接継手を含む任意の適切な手法で自由端に固定することができる。
【００４２】
製造時において、ピストンリング４４，４４′は、平坦なシート状の金属材料からなる複数の別個のピースから構成され得て、シート状の材料からなる個別の比較的長く狭いピースは、順送り型スタンピング作業などにおいて冷間成形され、たとえば、筒状の構成にして、その後に冷間成形またはスタンピングが行われ、それぞれの研削されていない完成形状が得られる。そして、個別のピースを形成すると、溶接またはろう付け継手、または端部プラグに適した接着剤によって、端部プラグを含んでピースが互いに固定され、たとえば研削およびコーティングなどの仕上げ処理が行われ得て、ピストンリング１９の製造が完了する。冷却チャンバを完全に封止する前には、大気温度および大気圧において固体である材料またはアルゴンなどの不活性ガスとして提供され得る冷却媒体４９が冷却チャンバ４５内に配置されることを認識すべきである。
【００４３】
図１８において、本発明のさらなる局面に従って構成されたピストンリング４４″が示される。ピストンリング４４″は、互いに固定されたストリップ金属の複数の別個のピースから形成されるのではなく、管状の金属９８の固体ピースから形成される（図１８Ａ）。ピストンリング４４″は、最終的には同じ端部形状を有して形成されることから、ここでは形状についてさらに詳細には記載しない。端部プラグは、上述の通り、管のオープンエンドに設置される。
【００４４】
頂部２２は、ピラー４７とも称される支持部材をさらに含む。限定はしないが例として頂部２２と一体の材料片として形成されるものとして示されるピラー４７は、燃焼皿壁２８の下面３１から第２の上接合面４８に垂下する。ピラー４７は、長手方向中心軸Ａに沿って同軸に延在し、それにより燃焼皿壁２８に対する中心支持部として機能し、したがって、燃焼皿壁２８が使用の際に直面する極度の燃焼力に耐える能力を高めるものとして示される。したがって、ピストン１２は、極度の燃焼圧力を生成する最新のディーゼルエンジンに十分に適する。そうでなければ、ピラー４７と外壁３６との間に延在する燃焼皿壁２８の部分は、支持されない状態となる。
【００４５】
底部２０は、少なくとも部分的に外側環状下接合面５０を介して、頂部２２に固定される。下接合面５０は、下側リング溝４２の底面を形成するものとして示される。引込められた環状ポケット５２が下接合面５０の真下に形成され、シリンダーライナーの壁からオイルをこすり取ることを促す。ポケット５２は、こすり取られたオイルが少なくとも一時的に集まることができる領域として機能し、それによってピストン１２とシリンダーライナーとの間の潤滑と摩擦の減少とを促す。一対のスカートパネル５４が環状ポケット５２から垂下し、シリンダボア壁に沿って、低衝撃かつ低摩擦の摺動動作のために、スカートパネル５４の面積を減少させる。
【００４６】
底部２０は、環状ポケット５２の真下に垂下する一対のピンボス５６をさらに含む。ピンボス５６は各々、スチール構成を考慮すると好ましくはブッシュのないピンボア５８を有し、ピンボア５８は中心長手方向軸Ａを横断して延在するピンボア軸Ｂに沿って同軸に互いから間隔を空けられる。ピンボア５８は各々、最上リストピン軸受面５７および最下方面５９を有し、リストピン軸受面５７は、底部２０の床６０の底面６１と正接して延在するかまたは若干底面６１の中に延在し、リストピン軸受面５７はピンボス５６内（の内部）に、かつピンボス５６同士の間（外部）に延在する。したがって、リストピン軸受面５７はピンボス５６同士の間に連続して途切れずに延在する。
【００４７】
床６０は、底部２０の上側領域の全体または実質的に全体を横切って延在する平坦または実質的に平坦な表面をもたらす。下接合面５０は、直立した環状リム６２により床６０の上面６３から若干高くなっており、下接合面５０はリム６２の自由端に形成されている。所望であれば、ピストン１２の冷却とリストピン１６の潤滑を促すために、床６０は、少なくとも１つの入口６４（図３）を有するものとして示される少なくとも１つ、図示では複数の開口部と、出口６６とも称される少なくとも１つの排液開口部とを含むことができる。入口６４は、ピンボア５８とスカートパネル５４の一つとの間に離間されるものとして示される。出口６６は、リストピン１６に正接してまたは実質的に正接して延在するものとして示される。したがって、出口６６を流れる油がリストピン１６を冷却し、潤滑する。ピンボス５６はスカートパネル５４に接合され、底部２０と一体の材料片として形成され、したがってピンボス５６と一体の材料片として一体に形成される。スカートパネル５４は、ピンボス５６の対向側面を横切ってスカートパネル５４が互いと正反対に配置されるように、支柱部分６８を介して直接ピンボス５６に長手方向に延在するそれらの側面に沿って接合される。スカートパネル５４は凸状の外側面を有し、外側面はピストン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にシリンダボアの壁と協働するように輪郭付けされる。スカートパネル５４は各々、それらの上側端で接合され、リングベルト４４の下側部分と一体として形成（たとえば鋳造）され、スカート上側端と最下方リング溝４２との間に環状の凹部５２が延在する。スカートパネル５４は、リングベルト３８から下向きに、ピンボア５８の最下方面５９に正接するかまたは実質的に正接する底部または下方端７０へ中心軸Ａと長手方向にほぼ平行に延在する（下方面５９の若干下方を延在するものとして示される）。
【００４８】
ピストン１２の別個に作られた頂部および底部２２，２０を一体化させる第１の溶接継手７２は、底部２０の環状下接合面５０と頂部２２の第１の上接合面３７との間に形成される。さらに、第２の溶接継手７４が第２の上接合面４８と床６０の上面６３との間に形成されることが好ましい。外壁３６およびリム６２のそれぞれの長さを変化させることにより、リングベルト３８内の他の場所に第１の溶接継手７２を形成することができることが認識されるべきである。
【００４９】
底部および頂部２０，２２を互いに固定した後、囲い込まれた（床６０には開口部がなく、それにより完全に封止される）かまたは、実質的に囲い込まれた冷却空洞７６（床６０における１つ以上の開口部）が形成される。図２Ａに示されるように完全に封止された冷却空洞７６として形成された場合、限定はしないが例として金属含有冷却液組成物７５の形態などの冷却液７５を冷却空洞７６内に密閉することができる。冷却空洞７６が完全に密閉されない場合、オイルなどの標準的な冷却液７５が用いられることが認識されるべきである。金属含有組成物７５は、好ましくは、不活性の乾燥した大気、典型的には窒素またはアルゴン下で冷却空洞７６に供給される。それとは関係なく、金属含有組成物として提供される場合、冷却液７５を、固体、液体または固形粒子と液体との混合物の形態で冷却空洞７６に配置してもよい。一実施形態では、金属含有組成物７５は、アルカリ金属、またはアルカリ金属の混合物と、粉末状の銅もしくは粉末状のアルミニウム、または金属粉末の混合物とを含む。金属含有組成物７５は代替的に、コロイド組成またはシリコーンオイル中の銅粒子などの、担体中の金属粒子の懸濁液を含むことができる。金属含有組成物７５は高い熱伝導度を有し、冷却空洞７６内に密閉されて、内燃機関の動作中にピストン１２の冠から離れて熱を放散する。冷却空洞７６に密閉された金属含有組成物７５は、冷却油（０．１３Ｗ／ｍ．Ｋ）より５〜１０００倍高い範囲の熱伝導度を有し、これにより冷却油によって伝達される熱の量と比較して、上側冠から離れて伝達される熱の量が大幅に向上される。金属含有組成物７５は、好ましくは、金属含有組成物７５を固体の形態で冷却空洞に供給または導入し、次いで内燃機関の動作中に液体に移行させることができるように、６３℃以上の融解温度を有する。
【００５０】
別の実施形態によれば、冷却空洞７６に密閉された金属含有組成物７５は、金属粒子と分散媒との混合物といったコロイド組成物である。たとえば、コロイド組成物は、シリコーンオイルに懸濁された銅粒子を含むことができる。金属粒子は典型的に、１４９ミクロン未満から２５ミクロン未満（−１００〜−５５０メッシュ）、より好ましくは４４ミクロン未満（−３２５メッシュ）の粒径を有する。金属粒子はすべて同じ大きさの粒子を有してもよいが、典型的に、金属粒子は粒径の分布を有する。たとえば、５０容積％の金属粒子は、−１００メッシュ〜＋４００メッシュの粒径を有してもよく、５０容積％の金属粒子は−４００メッシュの粒径を有してもよい。金属粒子は、様々な異なる構造を有することもできる。たとえば、金属粒子は、水噴霧化またはガス噴霧化によって形成されたもののような霧状の粒子であり得る。代替的に、金属粒子は、より線、スポンジ、または泡の形態であり得る。金属粒子は、ブレーキ部品などの他の物体の生産プロセス中に廃棄物流から回収されてもよい。
【００５１】
金属含有組成物７５の配合は、用途およびにピストンを形成するのに用いられる材料の種類とに応じて変動し得る。しかしながら、金属含有組成物７５は、典型的に、約１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の典型的な熱伝導度を合わせて提供するいくつかの異なる金属部品の混合物を含む。一実施形態によれば、金属含有組成物７５は、少なくとも１つのアルカリ金属、好ましくはアルカリ金属の混合物を含む。アルカリ金属は、元素周期表の第１族に見られ、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム、セシウム、フランシウムおよびウンウンエンニウムを含む。アルカリ金属は、個別の元素、またはナトリウムとカリウムとの合金であるＮａＫといった合金として供給され得る。アルカリ金属は典型的に、約８５〜１４１Ｗ／（ｍ・Ｋ）の高い熱伝導度および約６３〜１８１℃の低い融解温度を有する。たとえば、ナトリウムは約１４１Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導度および約９８℃の融解温度を有し、カリウムは、約１０２Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導度および約６３℃の融解温度を有し、リチウムは、約８５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導度および約１８１℃の融解温度を有する。したがって、アルカリ金属は、室温では固体の形態で供給されるが、内燃機関の動作中にそれらの融解温度より高い温度にさらされると、液体に変わる。不活性雰囲気下での処理は、金属を熔解させ、外側冷却空洞に液体として投入することが可能となる利点を有する。アルカリ金属は、熱伝導度が高いことにより、上側冠から離れるように熱を効果的に伝えることが可能となる。アルカリ金属は高反応性であってもよく、したがってアルカリ金属を含む外側冷却空洞は確実に封止されなければならない。リチウム、ナトリウムおよびカリウムは非常に反応性であり、したがってこれらの金属の混合物も同じである。
【００５２】
アルカリ金属に加えて、金属含有組成物７５は典型的に懸濁液であり、したがって別の種類の金属を含む。第２の種類の金属は、銅、アルミニウム（２３７Ｗ／ｍ・Ｋ）といったアルカリ金属、またはアルカリ金属の熱伝導度より熱伝導度が大きい別の元素もしくは合金よりも熱伝導度が高いことが好ましい。たとえば、金属含有組成物７５は典型的に、アルカリ金属といった８５〜１４１Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導度を有する第１の成分と、銅（Ｃｕ）またはアルミニウム粒子といった熱伝導度が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）より大きい第２の成分とを含む。第２の成分として用いることができる高伝導性金属の他の例は、ベリリウム（Ｂｅ）、タングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、およびマグネシウム（Ｍｇ）を含む。内燃機関の動作中に、第１の成分が溶解し、第２の成分のための液体キャリアとして作用する。第２の成分は、内燃機関の高い動作温度でも固体であり、液体キャリア中に懸濁されたままである。この実施形態では、液体金属は優れた熱接触を提供し、懸濁されている第２の成分は熱放散を向上させる。
【００５３】
別の実施形態では、金属含有組成物７５は、２つ以上のアルカリ金属といった２つ以上の第１の成分を含み、第２の成分は含まなくてもよい。さらに別の実施形態では、金属含有組成物７５は、２つ以上の高い熱伝導性の金属といった２つ以上の第２の成分を含み、第１の成分は含まなくてもよい。しかしながら、金属部品のいくつかの組合せは固溶体または金属間化合物を形成する傾向があり、したがって典型的には望ましくない。金属含有組成物を形成するために用いられる好ましい二成分の組合せはＣｕ−Ｌｉ、Ｃｕ−Ａｇ、Ａｌ−Ｎａ、Ａｌ−Ｋ，Ａｌ−Ｂｅ、Ｌｉ−Ｎａ、Ｌｉ−Ｋ、Ｎａ−Ｍｇ、Ｋ−Ｍｇ、Ｂｅ−Ａｇ、およびＷ−Ａｇを含んでもよい。その上、Ｎａ−Ｋを金属冷却液として用いてもよい。
【００５４】
金属含有組成物７５中の第１の成分の量に対する、伝導性がより高い第２の成分の量は、金属含有組成物中で用いられる金属の種類、ピストンを形成するのに用いられる金属の種類、および用途に応じて変動する場合もある。第１の成分の量に対する第２の成分の量は、典型的に容積で０：１００〜５０：５０の範囲であり、好ましくは２５：７５である。一実施形態では、金属含有組成物は、金属含有組成物の全容積に基づいて、０体積百分率（体積％）の第２の成分と、１００体積％の第１の成分とを含む。別の実施形態では、金属含有組成物７５は、１〜５０体積％の第２の成分と、５０〜９９体積％の第１の成分とを含む。さらに別の実施形態では、金属含有組成物７５は、１０〜３０体積％の第２の成分と、７０〜９０体積％の第１の成分とを含む。さらに別の実施形態では、金属含有組成物７５は、２５体積％の第２の成分と、７５体積％の第１の成分とを含む。
【００５５】
外側冷却空洞に配置される金属含有組成物７５の合計量は、用いられる金属の種類、ピストン１２を形成するために用いられる材料の種類、および用途に応じて変動する場合もある。金属含有組成物７５は好ましくは、外側冷却空洞の５０体積％まで、より好ましくは外側冷却空洞の２０〜３０体積％を充填する。
【００５６】
特に好ましい一実施形態では、外側冷却空洞に配置された金属含有組成物７５は、７５体積％のアルカリ金属と２５体積％の銅粒子とを含む。銅粒子は、４４ミクロン未満（−３２５メッシュ）の粒径を有する。アルカリ金属粒子は、ナトリウムとカリウムとの混合物を含む。この好ましい実施形態では、金属含有組成物７５は、外側冷却空洞の全容積の２０〜２５体積％を充填する。金属含有組成物７５を外側冷却空洞に供給するために用いられる開口部は、ねじが切られたプラグと接着剤とで封止することができるか、または上部および底部を互いに接合する前に金属含有組成物を導入し得る。内燃機関の動作中に、エンジン内の温度がアルカリ金属の融解温度を上回ると、アルカリ金属粒子は溶融状態となる。しかしながら、銅粒子は固体のままであり、液状アルカリ金属中に懸濁したままである。液状アルカリ金属は、外側冷却空洞の全体にわたって、上側および下側冠の内面に沿って銅粒子を担持し、したがって上側冠から熱を取り去る。
【００５７】
密封された外側冷却空洞７６内に高い熱伝導性の金属含有組成物７５を含むピストン１２は、熱伝達の向上に加えて、多数の利点をもたらすことができる。金属含有組成物７５はエンジンの寿命中に高温によって劣化しない。オイルは非常に熱いピストン空洞壁に接触せず、したがって速く劣化せず、外側冷却空洞７６のコークス化が生じない。金属含有組成物７５によってもたらされるピストン頂面および皿リム３３の温度低下により、皿リム３３の酸化および結果として生ずる腐食が妨げられる。リングベルト３８に向かう熱流の再流通により、ピストンランド上のカーボン付着も減少し、ピストン１２の外面に沿った潤滑油の劣化が低減し、したがってエンジンのサービスインターバル間の時間を延ばすことができる。ランド上のカーボン堆積がないことにより、ライナーボア研磨が妨げられ、結果的に油消費が制御下に維持される。もちろん、意図される用途の要件に応じて、任意の低温ヒューズ用合金を用いることができることが認識されるべきである。さらに、冷却チャンバの高さが大幅に減少し、それによって圧縮高さＣＨの大幅な減少に寄与する発明によるピストン１２の構成であれば、封止された冷却空洞７６における冷却液媒体７５の熱伝導度の上昇により、ピストン１２の全体的な冷却効果が大幅に高まる。これは、熱除去がピストン１２の往復運動中に冷却液７５によって得られる鉛直方向の運動エネルギに正比例するからである。
【００５８】
冷却空洞７６は、ピラー４７によって占められる領域のみを除いて、完全に平坦な、または実質的に平坦な床６０全体にわたって途切れずに延在する。そのため、冷却空洞７６は、オイルが流れることができる「開いた」トロイド形状の領域として形成され、それによって使用中に冷却空洞７６の全体にわたって、かつ燃焼皿壁２８の下面３１を流れるオイルの冷却効果が高まる。これは、ピストン１２、特にピストン１２の最高温度領域、すなわち燃焼皿２６の、弾頭領域と称されることもある燃焼皿リム３３およびピーク３２を冷却する際に特に有利である。その結果、真に、または実質的に真に等温の燃焼室が確立され、それによって使用中に生成されるニトロオキシドが減少する。
【００５９】
冷却空洞７６は、燃焼皿壁２８の厚さ（ｔ）が変化する結果として、その外周のまわりに均一でない構成を有するものとして表わされる。図２に最もよく示されるように、壁２８は、限定はしないが例としてピンボア軸Ｂの方向に沿って延在する厚さ（ｔ）が増大し均一でなく、それによって燃焼皿リム３３に隣接する領域からピーク３２に向かって壁２８が徐々に厚くなる。リブ７７とも称される１つ以上の径方向に延在する支持部材によってもたらすことができる、この領域にわたる壁２８の厚さ（ｔ）の増大により、ピンボア軸Ｂの方向に沿って壁２８の強度が増大する。他の点では、スカートパネル５４から径方向内側に離間された壁２８の正反対の領域は、たとえば約２ｍｍといった均一なまたは実質的に均一な厚さ（ｔ）を有し、それによってピストン１２の重量の減少につながる。リブ７７を頂部２２の適切な場所に形成することによって、厚さが増大した領域を所望の場所に配置することができることが認識されるべきである。
【００６０】
図８に示されるように、リストピン１６は、留め具７９を受けるための少なくとも１つ、図示では一対のねじ切りされた開口部７８を有し、接続ロッド１４をリストピン１６に固定する。したがって、リストピン１６および接続ロッド１４は互いに相対的に移動するように固定される。リストピン１６は、凹部８４がその中に延在する対向端８０，８２をさらに含み、したがってピストンアセンブリ１０の重量および使用中のその慣性モーメントをさらに減少させる。重量の減少にさらに寄与するのは、ねじ切りされた開口部７８の間に延在する貫通孔８５である。貫通孔８５は、オイルをその中に流すことを可能にし、したがって使用中のリストピン１６の冷却および潤滑を向上させる。またさらに、リストピン１６の全長が（冷却空洞７６の床６０に延在する）ピンボア５８の最上面５７に載っている状態では、リストピンがその全長にわたって支持されており、片持ち状態ではないため、リストピン１６の直径を実質的に減少させることができる。したがって、リストピン１６の直径の減少はアセンブリ１０の重量をさらに減少させ、同時に、従来の片持ちリストピン設計に関連する燃焼圧の上昇に耐えることができる。
【００６１】
接続ロッド１４は、クランクシャフト（図示せず）のジャーナルに連結するように構成されるボア８７を有するラージエンド８６と、リストピン１６への固定された取付けのために構成される対向端８８との間で、ある長さ（図１に示されるＬ）にわたって延在する。図７に示されるように、対向端８８は、リストピン１６内のねじ切りされた開口部７８と整列されるように構成される一対の貫通開口部９２を有する対称的なフランジ９０を有する。貫通開口部９２がねじ切りされた開口部７８と整列された状態で、留め具７９が貫通開口部９２を通って挿入され、ねじ切りされた開口部７８へと通されて、接続ロッド１４をリストピン１６に固定する。接続ロッド１４は、ラージエンド８６のボア８７から対向端８８のフランジ９０を介してその長さＬにわたって延在する油路９４を有する。油路９４はリストピン１６内の貫通孔８４と整列され、そのため、接続ロッド１４を通ってリストピン１６へとオイルが自由に流れることを可能にし、リストピン１６の領域およびピストン１２の床６０において生じた熱を除去することを促しつつ、ピンボア５８の最上面５７に潤滑ももたらし、それによってリストピン１６とピン軸受面との間の乾燥した領域をなくす。
【００６２】
ピストン１０は、軽量で近代的な高性能車両ディーゼルエンジン適用例で用いられるように適合される。スチール製であるが、ピストン１０は、その薄壁設計により、アルミニウムピストンおよびアルミニウムピストンアセンブリで用いられる関連の挿入ピンボアブッシングなどの質量を考慮すると、そのアルミニウム対応物よりも軽くないとしても同程度の軽さである。スチールピストン１０は、そのアルミニウム対応ピストンよりも、中心ピンボア軸Ｂと頂部壁２０との間に延在する距離として規定される圧縮高さＣＨも大幅に小さくなっている。重量が同等でありＣＨがより小さいことにより、エンジンをより小さくよりコンパクトにすることが可能となる。ＣＨの大幅な減少は、リストピン１６の直径を減少させることと、リストピン１６が発振するサドル形状の最上リストピン軸受面５７の場所を高くすることと、冷却空洞７６の比較的薄型の構造と、接続ロッド端部８８をリストピン１６に直接固定することとを含む相乗的な特徴によって可能となる。ＣＨを実質的に小さくすることで、ピストンスカートパネル５４を表面積を減少させて作製することが可能であり、したがって結果として生じるスカートパネル５４とシリンダーライナーとの間の摩擦が減少し、シリンダーライナーの空洞内の振動とサイドスラスト荷重と空洞との減少にさらに寄与する。摩擦の減少とサイドスラスト荷重の減少とにさらに貢献するのは、限定はしないが例として、ナノダイヤモンドを有する電気メッキしたクロニウムベースの材料の薄い層（たとえば３〜１２μｍ）、他のダイヤモンド状のコーティングまたはリン酸マンガンといった高度な減摩コーティングを優先して、ブッシングをなくすことである。当該コーティングは、サドル形状の最上リストピン軸受面５７および／またはリストピン１６の上側軸受面に塗布することができる。リストピン１６に塗布されると、リストピンは唯一の減摩要素として作用することができ、それによって製造効率が向上し、コストが低下する。摩擦の減少は、ディーゼルサイクルの熱力学的効率の上昇と研磨摩擦損失の低下とによる正味燃料消費率（ＢＳＦＣ−Ｇ／ＫＷＨ）の低下にも貢献する。
【００６３】
ＣＨが減少し、ピストン１２が全体的に囲い込まれる結果、接続ロッド１４の長さＬを、ＣＨの減少と同じかまたはおよそ同じ長さだけ伸ばすことができる。しかしながら、所望であれば、クランクからデッキ面への高さを減少させることによって、標準的な接続ロッドの同じ中心間関係を得ることができ、それによってエンジンブロック重量およびエンジンの囲い込みを減少させることができる。その他の場合は、接続ロッド１４の長さＬを伸ばすことができ、ひいてはフルストロークに対する振動の直角度の減少につながり、したがってスカートパネル５４に与えられるスラスト荷重を減少させる。これは、ライナーの一方側から他方側へのピストンの並進運動から生じる衝突損失の減少にもつながり、それによってライナーキャビテーションを減少させる。さらに、長さＬを増大させた状態で、燃焼中に上死点（ＴＤＣ）付近のピストン１２によって費やされるクランク角ごとの滞留時間の追加によって熱効率の上昇が実現され、それによってブレーキパワーへの変換の効率が高まる。
【００６４】
図９では、発明の別の局面に従って構成されたピストン１１２が示され、同様の特徴を同定するのに、以上で用いたものと１００だけ異なる同じ参照番号を用いる。
【００６５】
ピストン１１２は、限定はしないが例として摩擦溶接されるものとして示される、頂部１２２に固定された底部１２０を有する。ピストン１２に関して上述したように、底部１２０と頂部１２２とは、第１および第２の溶接継手１７２，１７４を介して接合される。ピストン１１２による顕著な相違点は、頂部１２２が、燃焼皿１２６の中心支持部材またはピラー１４７とリム１３３との間に延在する均一な厚さ（ｔ）を有する燃焼皿壁１２８を有し、厚くなったリブ領域を有さない点である。そのため、対称的で、環状に均一な形状を有する冷却空洞１７６が燃焼皿壁１２８と底部１２０の床１６０との間に形成される。他の点では、ピストン１１２は図１のピストン１０に関して上述したのと同じである。
【００６６】
図１０および図１０Ａでは、発明の別の局面に従って構成されたピストン２１２が示され、同様の特徴を同定するのに、以上で用いたものと２００だけ異なる同じ参照番号を用いる。
【００６７】
ピストン２１２は、限定はしないが例として摩擦溶接されるものとして示される、頂部２２２に固定された底部２２０を有する。底部２２０と頂部２２２とは、第１および第２の溶接継手２７２，２７４を介して接合され、第１の溶接継手は、ピストン１２，１１２に関して上述したように形成される。さらに、ピストン２１２は、中心ピラー２４７と燃焼皿２２６のリム２３３との間に延在する均一な厚さ（ｔ）を有する燃焼皿壁２２８を有し、厚くなったリブ領域を有さないものとして示される。しかしながら、ピストン２１２による顕著な相違点は、第２の溶接継手２７４が燃焼皿壁２２８のピラー２４７の自由端と下面２３１との間に形成されるように、ピラー２４７が底部２２０と一体の材料片として形成されるものとして示される点である。他の点では、ピストン２１２は、図９のピストン１１０に関して上述したのと同じである。
【００６８】
図１１〜図１１Ｃでは、発明の別の局面に従って構成されるピストン３１２を示し、同様の特徴を同定するのに、以上で用いたものと３００だけ異なる同じ参照番号を用いる。
【００６９】
ピストン３１２は、互いに別個に構成された底部と頂部とを固定することによって構成されるのではなく、鋳造作業などで一体の材料片として構成される。ピストン３１２の鋳造を容易にするために、冷却空洞３７６の下面の境界を定める床３６０は、床３６０の中心に位置するものとして示される開口部９６を有する。図１１Ｃに最もよく見られるように、開口部９６は、限定はしないが例として概して矩形であり、開口部９６の長さは、ピンボア軸Ｂに沿って概ね中心的に延在する。ピストン３１２は、中心ピラーを除いて、ピストン１２について詳述した構成要素のすべてを本質的に含む。したがって、ピストン３１２は、一定のまたは実質的に一定の厚さ（ｔ）を有する燃焼皿壁３２８を有する燃焼皿３２６を有し、径方向に延在する支持部材またはリブ３７７が、付加的な強度のために燃焼皿壁３２８と床３６０との間に延在する。さらに、ピストン３１２はスカートパネル３５４と、ピンボス３５６と、ピンボア３５８内およびピンボア３５８間に延在する最上リストピン軸受面３５７を有するピンボア３５８とを含む。
【００７０】
図１１Ｄでは、発明の別の局面に従って構成されるピストン３１２′が示され、同様の特徴を同定するのに、以上で用いたものと３００′だけ異なる同じ参照番号を用いる。
【００７１】
ピストン３１２′は図１１〜図１１Ｃのピストン３１２と同様であるが、拡大した矩形の開口を床３６０′に有するのではなく、ピストン３１２′は寸法が減少した円形の開口９６′を有し、それにより最上リストピン軸受面３５７′の表面積が増大する。
【００７２】
図１２では、発明の別の局面に従って構成されたピストン４１２が示され、同様の特徴を同定するのに、以上で用いたものと４００だけ異なる同じ参照番号を用いる。
【００７３】
ピストン４１２は図１１のピストン３１２と同様であるが、単一部品として鋳造されるのではなく、ピストン４１２は、限定はしないが例として摩擦溶接作業などでピストン４１２の残存する鋳造冠部分に溶接されたスカートパネル４５４を有する。図１２Ａに示されるように、ピストン４１２の冠部分は、ピストン３１２に関して例示し述べたのと概して同じ特徴を有して構成され、径方向に延在する支持部材またはリブ４７７を有する開いたトロイド形状の冷却空洞４７６を含む。さらに、冠部分は一対の環状溶接面９８（図１２Ａ）を有して示される。次いで図１２Ｂに示されるように、スカートパネル４５４は、冠部分の溶接面９８と噛合うように構成された一対の環状溶接面９９を有する筒状部材として初めに設けられる。図１２は完成したピストン４１２を例示しているが、図１２Ｃは、スカートパネル４５４の部分を機械加工する前に初めに互いに溶接される冠部分およびスカートパネル４５４を示す。
【００７４】
図１３では、発明の別の局面に従って構成されたピストン５１２が示され、同様の特徴を同定するのに、以上で用いたものと５００だけ異なる同じ参照番号を用いる。
【００７５】
ピストン５１２は、ピストン１２と同様に構成され、第１の溶接継手５７２と、底部５２０を頂部５２２に固定する第２の溶接継手５７４とを有することを含む。第１の溶接継手５７２はピストン１２の溶接継手７２と同様であるが、第２の溶接継手５７４は異なる。ピストン１２のように支持部材またはピラー５４７を底部５２０の床５６０の平坦面に摩擦溶接するのではなく、ピラー５４７は、ピストン５１２の中心長手軸Ａに沿って底部５２０の床５６０に形成された凹部または開口部９７内に中心決めされ、溶接される。開口部９７は、ピラー５４７の円錐面と噛合うように構成された円錐形の壁を有する貫通開口部として示される。したがって、溶接継手５７４は截頭円錐形状を有して形成される。他の点では、ピストン５１２は図１のピストン１２と同じである。
【００７６】
図１４では、発明の別の局面に従って構成された頂部６２２が示され、同様の特徴を同定するのに、以上で用いたものと６００だけ異なる同じ参照番号を用いる。
【００７７】
頂部６２２はピストン１２について表わされたのと同様であるが、頂部６２２の中心支持部材またはピラー６４７は、第２の上接合面６４８を提供するテーパエンドを有する。テーパエンドは、溶接されている表面間に増大した圧力を与えることによって、底部との確実な溶接継手を形成することを容易にし、それによって溶接プロセス中の熱の上昇と材料の溶融の向上とを引起し、さらに、径方向外側の結合面に先立って下側部分と接触させることができ、それによって、径方向外面より遅い相対速度で回転する中心ピラー６４７が径方向外面より先に溶融し始めることを可能にする。
【００７８】
上記教示に照らして本発明の多数の修正例および変形例が可能であることが明らかである。別々の実施形態について上述した特徴のいくつかを他の実施形態において使用することができることが認識されるべきである。したがって、添付の請求項の範囲内で、具体的に記載されたもの以外の態様で発明が実践されてもよいことが理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１０Ａ】
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【図１１】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１５Ａ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１８Ａ】
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【国際調査報告】
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