(57)【要約】  断熱性を向上し、重量を低減し、出力密度の低下なくパッシブ冷却を向上させる構成を有して設計される、高荷重用ディーゼルエンジンのための鋼鉄ピストンが提供される。ピストンは、クラウンから下端まで長手方向に延在する一対のスカート壁を含む。スカート壁は、クラウンからスカートの下端まで軸方向に延在する複数のヒートシンクウェルを含む。それぞれのヒートシンクウェルは、少なくとも部分的に冷媒で満たされ、封止される。ピストンは、それぞれヒートシンクウェルの１つと位置合わせされ、スカート壁の内面の第１リブ端部からクラウンの内面の第２リブ端部まで内側かつ上方向に延在する複数のリブも含む。
2018516329.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上端から下端まで中心軸に沿って延在する金属材料で形成される本体を含み、前記本体は外面と内面とを有し、
前記本体は、前記上端に上壁を有するクラウンを含み、
前記本体は、前記クラウンから前記下端まで長手方向に延在するスカート壁を含み、前記スカート壁および前記クラウンの前記上壁は、前記上壁から前記スカート壁の前記下端まで軸方向に延在する複数のヒートシンクウェルを規定し、前記ヒートシンクウェルのそれぞれは、少なくとも部分的に冷媒で満たされ、前記スカート壁と前記クラウンの前記上壁と前記スカート壁の前記下端の下壁とによって封止され、
前記本体は、それぞれ前記スカート壁の前記内面の第１リブ端部から前記上壁の前記内面の第２リブ端部まで径方向内側に延在する、複数のリブを含む、ピストン。
【請求項２】
前記ヒートシンクウェルは、前記スカート壁の一部によって周方向に互いから離間されており、それぞれのリブは、前記ヒートシンクウェルの１つと径方向に位置合わせされ、前記径方向に位置合わせされたヒートシンクウェルに隣接する前記内面から径方向内側に延在する、請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
それぞれのリブは、前記上壁の前記内面に沿った前記ヒートシンクウェルの拡大された部分を設け、空間によって前記隣接するリブから離間される、請求項２に記載のピストン。
【請求項４】
それぞれのヒートシンクウェルは、前記中心軸に垂直方向のウェル幅を有し、それぞれのリブは、前記隣接するヒートシンクウェルの前記ウェル幅の０．５〜１．５倍である前記中心軸に平行な方向のリブ幅を有する、請求項２に記載のピストン。
【請求項５】
前記スカート壁の前記ヒートシンクウェルを少なくとも部分的に満たす前記冷媒は、オイル、液体冷却剤、ナトリウム（Ｎａ）、ナトリウムとカリウムの合金（ＮａＫ）、および銅（Ｃｕ）で形成された管から選択される、請求項１に記載のピストン。
【請求項６】
前記本体は、前記上端から前記下端まで延在するピストン高さを有し、前記スカート壁に沿った前記外面は、前記中心軸を通りかつ前記中心軸に垂直に延在するピストン直径を設け、前記ピストン長さおよび前記ピストン直径は、前記ピストン高さを前記ピストン直径で割ったものに等しいＫ係数を規定し、前記Ｋ係数は１．１〜１．６の範囲内である、請求項１に記載のピストン。
【請求項７】
前記中心軸から離れて外方に向く前記クラウンの前記外面は、複数のピストンリングを保持するための、前記中心軸の周りに周方向に延在する複数のリング溝を含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項８】
前記リング溝の１つに配置されるＬ字型断面を有するピストンリングを含み、前記ピストンリングは、前記上端における前記上壁の前記外面と位置合わせされる最上表面と、前記中心軸から離れて外方に向く前記クラウンの前記外面に平行に配置される最外面とを有する、請求項７に記載のピストン。
【請求項９】
前記クラウンおよび前記スカート壁の少なくとも１つは、前記リング溝の少なくとも１つに沿ってまたは隣接して配置される、少なくとも１つのオイル開口部を有し、前記少なくとも１つのオイル開口部は、前記内面に向かってオイルを伝えるために、前記外面から前記内面まで径方向に延在する、請求項７に記載のピストン。
【請求項１０】
前記本体は、前記少なくとも１つのオイル開口部の軸方向下側の前記内面の第１トレイ端部から第２トレイ端部まで径方向内側に延在し、前記第２トレイ端部は、前記中心軸から径方向に離間される遠位端である、請求項９に記載のピストン。
【請求項１１】
前記上端における前記上壁の前記上面に施される熱障壁コーティングを含み、前記熱障壁コーティングは、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの厚さを有し、前記熱障壁コーティングは、部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）を含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項１２】
前記本体の前記金属材料は鋼鉄である、請求項１に記載のピストン。
【請求項１３】
鋼鉄材料から形成され、中心軸の周りに周方向に、かつ前記中心軸に沿って上端から下端まで長手方向に延在する本体を備え、前記本体は、前記上端から前記下端まで延在するピストン高さを規定し、
前記本体は、外面と反対側に面する内面とを有し、前記外面は、前記中心軸を通りかつ前記中心軸に垂直に延在するピストン直径を設け、
前記ピストン長さおよび前記ピストン直径は、Ｋ係数を規定し、前記Ｋ係数は、前記ピストン高さを前記ピストン直径で割ったものに等しく、前記Ｋ係数は１．１〜１．６の範囲内であり、
前記本体は、前記上端にクラウンを含み、
前記クラウンは、燃焼室に面する前記上端の上壁を含み、前記上端の前記外面は、前記中心軸の頂点と、前記頂点の周囲のボウル形状構造とを含み、
前記上壁の前記外面に施された熱障壁コーティングを備え、前記熱障壁コーティングは、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの厚さを有し、前記熱障壁コーティングは、部分安定ジルコニア（ＰＳＺ）を含み、
前記クラウンの前記外面は、前記中心軸から外方に面し、複数のピストンリングを保持するための前記中心軸の周りに周方向に延在する複数のリング溝を含み、
前記リング溝は、頂部リング溝と底部リング溝とを含み、前記頂部リング溝は前記上壁の前記頂点の上方に配置され、前記底部リング溝は前記上壁の前記頂点の下方に配置され、
前記本体は、前記クラウンから前記下端まで長手方向に延在する一対のピンボスを含み、前記ピンボスは、互いから離間され、前記中心軸の周りに周方向に延在し、
前記ピンボスのそれぞれは、リストピンを受容するためのピンボアを規定し、前記ピンボアは、それぞれ前記本体の前記中心軸に垂直に延在するボア軸を取り囲み、
前記本体は、前記クラウンから前記下端まで長手方向に延在する一対のスカート壁を含み、前記スカート壁は、前記ピンボスによって互いから離間され、前記中心軸の周りに周方向に延在し、
前記スカート壁および前記クラウンの前記上壁は、前記クラウンの前記上壁から前記スカート壁の前記下端まで軸方向かつ周方向に延在する複数のヒートシンクウェルを設け、前記ヒートシンクのそれぞれは、少なくとも部分的に冷媒で満たされ、前記ヒートシンクは、前記周囲のスカート壁と前記クラウンの前記上壁と前記スカートの前記下端の下壁とによって封止され、前記ヒートシンクウェルの少なくとも一部は、前記中心軸に平行であり、前記鋼鉄材料から形成される前記スカート壁の一部によって前記中心軸の周りに周方向に互いから離間され、前記ヒートシンクウェルのそれぞれは、前記中心軸に垂直に延在する幅を有し、前記ヒートシンクウェルのそれぞれは円周形状を有し、
前記本体は、それぞれ前記スカート壁の前記内面の第１リブ端部から前記上壁のボスに沿った前記内面の第２リブ端部まである角度で径方向内側かつ上方向に延在する複数のリブを含み、前記リブのそれぞれは、前記上壁の前記内面に沿った前記ヒートシンクウェルの拡大部分を規定し、それぞれのリブは、前記ヒートシンクウェルの１つと径方向に位置合わせされており、前記径方向に位置合わせされたヒートシンクウェルに隣接する前記スカート壁の前記内面から径方向内側に延在し、前記リブは、前記中心軸の周りに周方向に互いから離間され、前記リブのそれぞれは、前記隣接するヒートシンクウェルから前記ヒートシンクウェルを離間する前記スカート壁の前記一部によって前記第１リブの前記隣接するリブから離間され、前記第２リブは、前記第１リブよりも互いの近くに配置され、前記リブのそれぞれは、固体または液体材料のない空間によって前記第１リブと前記第２リブとの間で前記隣接するリブから離間され、前記リブのそれぞれは、前記中心軸に平行に延在する幅を有し、前記幅は、前記隣接する中心軸に平行に延在する前記幅の０．５〜１．５倍であり、
前記スカート壁の前記ヒートシンクウェルを少なくとも部分的に満たす前記冷媒は、オイル、液体冷却剤、ナトリウム（Ｎａ）、ナトリウムとカリウムの合金（ＮａＫ）、および銅（Ｃｕ）で形成された管である、ピストン。
【請求項１４】
ピストンを製造する方法であって、
上端から下端まで中心軸に沿って延在する金属材料で形成された本体を提供するステップを備え、前記本体は、外面と内面とを有し、前記本体は、前記上端に上壁を有するクラウンを含み、前記本体は、前記クラウンから前記下端まで長手方向に延在するスカート壁を含み、前記スカート壁および前記クラウンの前記上壁は、前記上壁から前記スカート壁の前記下端に向かって軸方向に延在する複数のヒートシンクウェルを規定し、前記ヒートシンクウェルのそれぞれは、中空で、前記スカート壁と前記クラウンの前記上壁と前記スカート壁の前記下端の下壁とによって封止され、前記本体は、それぞれ前記スカート壁の前記内面の第１リブ端部から前記上壁の前記内面の第２リブ端部まで径方向内側に延在する複数のリブを含む、方法。
【請求項１５】
前記ピストン本体を提供する前記ステップは、金属材料を鋳造することまたは鍛造して前記クラウンと、前記スカート壁と、前記ヒートシンクウェルと、前記リブとを形成することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記ピストン本体を提供する前記ステップは、鋳造することと、前記スカート壁の前記ヒートシンクウェルに複数の銅管を鋳造することとを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記ピストン本体を提供する前記ステップは、金属材料を鋳造または鍛造して前記クラウンおよび前記スカート壁を形成することと、前記スカート壁の中へ前記ヒートシンクウェルに穴を開けることとを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記ピストン本体を提供する前記ステップは、前記クラウンを含む前記ピストン本体の上部を、前記スカート部を含む前記ピストン本体の下部に溶接することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記上壁の前記外面の上に熱障壁コーティングを０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの厚さまで溶射することを含み、前記熱障壁コーティングは、部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記ヒートシンクウェルは、前記スカート壁の一部によって周方向に互いから離間され、それぞれのリブは、前記ヒートシンクウェルの１つと径方向に位置合わせされ、前記径方向に位置合わせされたヒートシンクウェルに隣接する前記内面から径方向内側に延在し、それぞれのリブは、前記上壁の前記内面に沿った前記ヒートシンクウェルの拡大部分を有し、空間によって前記隣接するリブから離間され、それぞれのヒートシンクウェルは、前記中心軸に垂直に延在するウェル幅を有し、それぞれのリブは、前記隣接するヒートシンクウェルの前記ウェル幅の０．５〜１．５倍である前記中心軸に平行に延在するリブ幅を有し、前記本体は、前記上端から前記下端まで延在するピストン高さを有し、前記スカート壁に沿った前記外面は、前記中心軸を通りかつ前記中心軸に垂直に延在するピストン直径を設け、前記ピストン長さおよび前記ピストン直径は、前記ピストン高さを前記ピストン直径で割ったものに等しいＫ係数を規定し、前記Ｋ係数は１．１〜１．６の範囲内である、請求項１４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
この米国特許出願は、２０１５年４月９日に提出された米国特許出願第１４／６８２，６４９号の利益を主張し、参照によりその内容がここに組み込まれる。
【０００２】
本発明の背景
１．本発明の分野
この発明は、一般に内燃機関のためのピストンおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．関連技術
高荷重用鋼鉄ディーゼルピストンなどの内燃機関で用いられるピストンは、動作中に極度の高温に曝され、たとえば表面は４００℃に面する。適温にするために、ピストンは通常はクラウンの下に冷却ギャラリを有して設計され、ピストンがエンジンのシリンダボアに沿って往復するときに冷却オイルが冷却ギャラリの中へ吹きかけられる。ピストンが往復するとき、オイルはクラウンの内面に沿って飛び散り、クラウンからピストンの冷却部分に向かって、最終的にはオイル溜まで熱を分散する。しかしながら、動作中のピストン温度を効果的に制御するためには、高流量のオイルが潤滑油ポンプを用いて絶えず維持されなければならず、しばしば過大であり寄生損失をもたらす。
【０００４】
発生されたエネルギーの約４０％がエンジンを不使用状態にし、２０％が冷却システムに受け入れられず、約４０％のみがクランクシャフト端部で有効な動力を発生させるために残されるので、高荷重用ディーゼルエンジンのエネルギー効率は向上され得る。燃費を向上し、最終的に化石燃料の使用に関連する二酸化炭素排出量を低減させるために多くの努力がなされてきたが、このような努力はエンジンおよび他の要素の形状によって制限される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の概要
本発明の１つの局面は、断熱性を向上させ、重量を低減し、出力密度の低下なくパッシブ冷却を向上させるという構成を有して設計される、内燃機関のためのピストンを提供する。その設計は、エンジンの形状によって制限されず、過寸法の潤滑油ポンプの形態での寄生損失がなく冷却性能を最適化する。ピストン設計を改良することによって、最終的には、エネルギー効率を向上させること、ならびに燃料消費および化石燃料の使用に関連する二酸化炭素排出量を低減させることが可能となる。
【０００６】
ピストンは、上端から下端まで中心軸に沿って延在し外面および内面を有する金属材料で形成される本体を含む。本体は、上端に上壁を有するクラウンと、クラウンから下端まで長手方向に延在するスカート壁とを含む。ピストンは、クラウンから下端に向かってスカート壁にわたって軸方向に延在する複数のヒートシンクウェルを含む。それぞれのヒートシンクウェルは、少なくとも部分的に冷媒で満たされて封止される。ピストンは、スカート壁の内面の第１リブ端部からクラウンの上壁の内面の第２リブ端部まで径方向内側にそれぞれ延在する複数のリブも含む。
【０００７】
本発明の別の局面は、断熱性を向上させ、重量を低減し、出力密度の低下なくパッシブ冷却を向上させる構成を有する内燃機関のためのピストンを製造する方法を提供する。
【０００８】
本発明の他の利点は、添付の図面と関連して考慮されるとき、以下の詳細な説明を参照することによってよりよく理解されるように、容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一例の実施形態に従って構成されたピストンの部分断面図である。
【図２】図１のピストンの側面断面図である。
【図３】図１のピストンの上面断面図である。
【図４】オイル開口部およびオイルを集めるためのトレイを示す、図１のピストンの別の側面断面図である。
【図５】別の例の実施形態に従う、オイル開口部を有するピストンの側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
可能な実施形態の説明
図面を参照すると、いくつかの図面にわたって同様の符号が対応する部分を示しており、図１〜５に例示的な内燃機関のための高荷重用ディーゼルピストン２０が示される。ピストン２０は、金属材料、通常は鋼鉄材料のような金属材料から鋳造または鍛造される本体２２を含む。本体２２は、一般的に、クラウン２４と、クラウン２４から長手方向に延在し一対のピンボス２８によって中心軸Ａｃの周りに周方向に互いから離間される一対のスカート壁２６とを含む。ピストン２０の本体２２は、断熱性を向上させ、重量を低減し、出力密度の低下なくパッシブ冷却性能を向上させるといった、いくつかの構成を有して設計される。例示の実施形態では、過寸法（over-dimensioned）の潤滑油ポンプの形態での寄生損失を低減することによって、０．６５ｋＷ／ｃｍ2より大きな出力密度が達成される。これらの工学的構成は、現在の技術水準のピストン設計に適応し、エネルギー効率を向上させ燃料消費を推定１．５〜２．０％低減させることが可能である。同様に、燃料消費を低減させることによって、最終的にディーゼルエンジンに関連する二酸化炭素排出量を低減させる。
【００１１】
本体２２は、鋼鉄材料から形成され、中心軸Ａｃの周りに周方向にかつ上端３０から下端３２まで中心軸Ａｃに沿って長手方向に延在する。上端３０および下端３２は、それらの間に高さｈを規定する。本体２２はまた、外面３４と、反対方向に面する内面３６とを含む。外面３４は、中心軸Ａｃを通りかつ中心軸Ａｃに垂直に延在する直径Ｄを示す。高さｈおよび直径Ｄは、細長係数とも呼ばれるＫ係数を規定し、Ｋ係数は、高さｈを直径Ｄで割ったものと等しい。例示の実施形態において、Ｋ係数は１．１〜１．６の範囲内である。通常は０．５〜１．０のＫ係数を有する現在使用される高荷重用ディーゼルピストンと比較して、例示のピストン２０のＫ係数は一般的により大きく、このことはより細長い設計を意味する。より長くより細長いスカート壁２６は、優れたガイダンスを提供し、ヒートシンクとして作用し、スラップ音を緩和するのに十分な可撓性を有する。しかしながら、ピストン２０は、スカッフィングおよび早期の焼き付きを避けるために、特に径方向の寸法において、全周囲に相当量のクリアランスを有して設計されるべきでもある。
【００１２】
ピストン２０のクラウン２４は、上端３０に配置される。一実施形態では、クラウン２４、スカート壁２６およびピンボス２８は、鋳造または鍛造されて単一の一体材料片にされる。別の方法では、クラウン２４の上部はクラウン２４の下部から分離して形成されてもよく、２つの部分はたとえば溶接によって共に接合されてもよい。この場合、クラウン２４の下部は通常スカート壁２６およびピンボス２８と一体となる。
【００１３】
クラウン２４は、ピストン２０がエンジンに配置されるときに燃焼室に面する上端３０の上壁３８を含む。上壁３８は、中心軸Ａｃの頂点と、頂点の周囲のボウル形状構造とを有する。例示の実施形態では、上壁３８の外面３４に断熱性コーティングとも呼ばれる熱障壁コーティング４０が施されて、ピストン２０の中への熱の流れを最小化することで、ピストン２０の冷却性能をさらに最適化する。熱障壁コーティング４０は、一般的に、プラズマ溶射または高速酸素燃料溶射（high velocity oxygen fuel spraying、ＨＶＯＦ）などの溶射技術によって、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの厚さに施される。所望の断熱性を備えるために十分な厚さは、通常０．５ｍｍである。熱障壁コーティング４０は、好ましくは部分安定化ジルコニア（partially stabilized zirconia、ＰＳＺ）で形成されるが、別の方法ではニッケル、セラミック、または商品名ＲｏＣ（商標登録）（ロバストコーティング（Robust Coating））を有する独自のコーティングであってもよい。熱障壁コーティング４０は、高温で作動するときに起こるオイルコーキングを引き起こすオイル熱ストレスレベルも低減する。
【００１４】
中心軸Ａｃから外方に向くクラウン２４の外面３４は、複数のピストンリング４４を保持するために、互いに平行に配置され中心軸Ａｃの周りに周方向に延在する複数のリング溝４２を有するリングベルトを含む。頂部リング溝４２ａと底部リング溝４２ｃとを含むリング溝４２は、１つ以上の中間リング溝４２ｂを含んでもよい。頂部リング溝４２ａは一般的に燃焼ボウルの基部の上方に配置され、底部リング溝４２ｃは燃焼ボウルの基部の下方に配置される。シリンダライナの内面に沿ってオイルを廃棄するために、様々な異なるタイプのピストンリング４４がピストン２０で用いられ得る。
【００１５】
図に示される例示の実施形態では、Ｌ字型断面を有するダイクス（Dykes）ピストンリング４４ａが頂部リング溝４２ａに配置される。ダイクスピストンリング４４ａは、上端３０における上壁３８の外面３４に位置合わせされる最上面と、中心軸Ａｃから外方に向くクラウン２４の外面３４に平行に、かつ外面３４の内側でなく配置される最外面とを含む。この用途のためのダイクスピストンリング４４ａは、接線力が非常に低いまたは無視できるほどであるという特有の特徴を有する。好ましいタイプのダイクスピストンリング４４ａはゼロ接線力リングであり、これは、薄く、低粘度で煤を帯びた油膜に対する耐性、炭素廃棄能力、および熱放散に起因する。矩形または非対称の断面を有する従来のリング設計も、ピストン２０で用いられ得る。さらに、引掻き効果および低減された接線力などのピストンリング設計の最近の進歩によって、ピストン２０は、２つだけのピストンリング４４で設計されて、リングベルトの高さ、摩擦損失、および重量を低減する。
【００１６】
本体２２のピンボス２８は、クラウン２４から下端３２まで長手方向に、かつ中心軸Ａｃの周りに周方向に延在する。ピンボス２８は、スカート壁２６によって中心軸Ａｃの周りに互いに離間される。ピンボス２８のそれぞれは、リストピンを受容するためのピンボアを規定する。ピンボアはそれぞれ、ピストン２０の中心軸Ａｃに垂直に延在するボア軸Ａｂを取り囲む。一実施形態では、ピンボアはスラップ音を低減するようにずらされる。
【００１７】
冷却の改良を達成するために、ピストン２０は、スカート壁２６に複数のヒートシンクウェル４６を有して設計される。ヒートシンクウェル４６は、クラウン２４の上壁３８からスカート壁２６の下端３２に向かって、軸方向に連続的に延在する。ヒートシンクウェル４６は、好ましくはスカート壁２６の下端３２まで延在するが、スカート壁２６の一部のみに沿って延在してもよい。例示の実施形態では、ヒートシンクウェル４６は中心軸Ａｃに平行であり、鋼鉄材料で形成されるスカート壁２６の一部によって中心軸Ａｃの周りに周方向に互いから離間される。それぞれのヒートシンクウェル４６は、一般的に、円周形状と、中心軸Ａｃに垂直に延在する幅ｗｗまたは直径とを有する。
【００１８】
それぞれのヒートシンクウェル４６は、少なくとも部分的に、液体または固体であり得る冷媒４８で満たされる。一実施形態では、冷媒４８は、オイル、または室温で液体の冷却剤、たとえばナトリウムカリウム合金（ＮａＫ）である。あるいは、商品名エンビロクール（EnviroKool）（商法登録）を有する冷却剤が冷媒４８として用いられてもよい。別の実施形態では、冷媒４８は、銅（Ｃｕ）で形成される管など、室温で固体である。さらに別の実施形態では、冷媒４８は、低温ヒューズ金属、または室温では固体だが６０℃〜２００℃で液化する金属であり、たとえばナトリウム（Ｎａ）である。冷媒４８として用いられることができる他の材料は、ウッドメタルまたはＭＣＰ１５８として知られ、これは約７０℃の融点を有する、ビスマス、鉛、錫、およびカドミウムの合金である。室温では固体だが高温で液体となる材料が、一般的に理想的であり放射に優れている。作動中、ピストン２０は、急速に熱くなって冷媒４８を液化し、その冷却作用を開始する。
【００１９】
冷媒４８が液体状であるとき、ピストン動力学は、一般的にピストン２０の最も熱い部分でありクラウン２４からピストン２０の低温部分へ熱を伝えるクラウン２４の内面３６に沿ってオイルを飛び散らす「カクテルシェーカー」効果を引き起こす。吸収され放出された熱は、ヒートシンクウェルの深さ、ピストンの速さ、および／または、エンジン回転の関数である冷媒４８への運動エネルギーに直接比例する。したがって、熱伝導を自然に調整する機構が確立される。
【００２０】
ヒートシンクウェル４６は、クラウン２４の上壁３８およびスカート壁２６を、下端３２にウェル開口を規定する形状に鋳造または鍛造することによって形成され得る。その後、開いているウェルは、冷媒４８で満たされ、スカート壁２６の下端３２に下壁５０を形成することによって永続的に封止される。別の方法では、ヒートシンクウェル４６は、クラウン２４およびスカート壁２６を鋳造または鍛造した後、スカート壁２６の中へ穴を開けられてもよい。他の実施形態では、満たされたヒートシンクウェル４６は、鋼鉄のスカート壁２６の中へ銅管を鋳造することによって形成され、追加の加工は要求されない。
【００２１】
ピストン２０の熱的性能は、広範囲にわたってリブが設けられた下方クラウンによってさらに改善される。本体２２は、スカート壁２６の内面３６における第１リブ端部５４から内壁３８のボスに沿った内面３６における第２リブ端部５６まで、ある角度または約２０〜５０度で径方向内側かつ上方向にそれぞれ延在する、複数のリブ５２を含む。それぞれのリブ５２は、ヒートシンクウェル４６の１つと径方向に位置合わせされ、径方向に位置合わせされたヒートシンクウェル４６に隣接するスカート壁２６の内面３６から径方向内側に延在する。リブ５２は、中心軸Ａｃの周りに周方向に配置され、それぞれのリブ５２は、ヒートシンクウェル４６を隣接するヒートシンクウェル４６から離間するスカート壁２６の一部によって、第１リブ端部５４において隣接するリブ５２から離間される。クラウン２４のボスに取り付けられる第２リブ端部５６は、第１リブ端部５４よりも互いの近くに配置される。図３に示されるように、それぞれのリブ５２は、固体または液体材料のない空間５８によって、第１リブ端部５４と第２リブ端部５６との間で、隣接するリブ５２から離間される。それぞれのリブ５２は、中心軸Ａｃに向かって平行に延びる幅ｗｒを有し、リブ５２の幅ｗｒは、一般的に隣接するヒートシンクウェル４６の幅ｗｗの０．５〜１．５倍である。図に示されるように、それぞれのリブ５２は、上壁３８の内面３６に沿って、ヒートシンクウェル４６の円筒部分と一体となっているヒートシンクウェル４６の拡大部分を規定する。離間された離れたリブ５２は、クランク室に向かって熱を放散することに加えて、多くの重量を加えることなく機械的完全性を提供する。リブ５２は、構造的な支持を提供するため、従来の下方クラウン冷却ギャラリを形成するために用いられる、より重い固体壁に取って代わり得る。
【００２２】
例示のピストン２０の設計はまた、リング溝４２に隣接してもしくはリング溝４２に沿ってクラウン２４を径方向に貫通して延在する、および／または、スカート壁２６を径方向に貫通して延在する、少なくとも１つのオイル開口部６０またはオイル排出口を含む。オイル開口部６０は、ピストンリング４４によって廃棄されたオイルをピストン２０の内面３６の方向に伝えるためのものである。オイル開口部６０はまた、ピンボス２８に沿って配置されてもよい。オイル開口部６０は、潤滑油がピストンリング４４の前に溜まることを防ぐ。オイル開口部６０はまた、生じたオイル噴射速度がピストン２０の速さとの複合であることを保証するように設計されており、結果として生じたオイルのベクトルはクラウン２４、ピンボス２８、および／またはリストピンに向いている。この機構は、エネルギーの追加の支出なく、不足した領域に追加の潤滑および冷却を提供する。
【００２３】
図４および図５は、オイル開口部６０の例示の配置を示す。図４には、オイル開口部６０の１つがピンボス２８の上方の領域の底部リング溝４２においてクラウン２４を貫通して延在するように示されている。この場合、オイル開口部６０は中心軸Ａｃに垂直である。図５では、オイル開口部６０は、オイルの噴射がオイル開口部６０を通って伝えられるように、底部リング溝４２においてクラウン２４を貫通してある角度で下方向に延在する。この実施形態においては、オイル排出口は垂直速度Ｖｊによって活性化されるオイル噴射を提供し、ピストン２０それ自体は方向性の速度Ｖｐによって活性化される。ＶｊとＶｐとの結合は図５に示される方向性のオイル噴射速度Ｖｊｒとなるように実施され得る。この実施形態では、Ｖｊｒは、上死点および下死点の両方でゼロである。なぜなら、ＶｊおよびＶｐはこれらの点で同時にゼロとなるからである。しかしながら、ピストン２０がそのストロークにおいて上死点から下に動くとき、シリンダライナから廃棄されるオイルはピストンリング４４の前で溜まろうとするが、オイル排出口６０によってそうなることが防がれる。２．０バールまでの動的なオイル圧力が計算され測定されており、これがＶｊを生む。同時に、ピストン２０のスピードＶｐは増加し、Ｖｊとの結合でＶｊｒを生成する。水平面に対するオイル排出口６０の傾きおよび排出口６０の直径は、オイルの推定厚さ、ピストン直径、ピストンストローク、エンジン速度および目標から推測される。４５未満の傾きが一般的に目標を達成する。
【００２４】
ピストン２０は、オイル開口部６０を通って伝えられるオイルを集めるための、オイル開口部６０の１つの下方にそれぞれ配置される複数のトレイ６２を有して設計され得る。それぞれのトレイ６２は、第１トレイ端部６４から第２トレイ端部６６まで、径方向内側かつ中心軸Ａｃに垂直に延在する。第２トレイ端部６６は、中心軸Ａｃから径方向に離間される遠位末端である。図４は、トレイ６２の１つの例を示す。別の方法では、ピストン２０は、多数のオイル開口部６０からオイルを集めるために、中心軸Ａｃの周りに周方向に延在する単一のトレイ６２を含んでいてもよい。その後、冷却を向上させるために、ピストン２０が内燃機関の中を往復するときに、トレイ６２に集められたオイルはピストン２０の内面３６に対して飛び散る。トレイ６２に集められたオイルはオイル溜に熱を伝えることができ、追加のオイルポンプまたはエネルギーの支出は不要である。
【００２５】
本発明の別の局面は、内燃機関のためのピストン２０を製造するための方法を提供する。本方法は、一般に、金属材料、好ましくは鋼鉄から形成され、上記に説明された工学的構成を有する本体２２を提供することを含む。一実施形態では、ピストン２０を提供するステップは、一般的には金属材料を鋳造または鍛造してピストン２０を形成することを含む。一実施形態では、金属は、一体設計へ鋳造または鍛造され、ここで、クラウン２４およびスカート壁２６は単一の一体材料片である。別の方法では、クラウン２４の上部は、たとえば摩擦溶接、レーザー溶接、および／または電子ビーム溶接によって、クラウン２４の下部に溶接され得る。
【００２６】
ピストン２０のスカート壁２６に設けられるヒートシンクウェル４６は、ピストン２０に鋳造されるか穴を開けられるかのいずれかをされることができる。一実施形態では、鋼鉄材料が適切な形状に鋳造されると同時に、銅管がスカート壁２６の中へ鋳造される。別の実施形態では、ウェルは鋳造ステップまたは鍛造ステップの後にスカート壁２６の中へ穴を開けられ、ウェルは冷媒４８で満たされ、その後、下壁５０がスカート壁２６の下端３２に沿って配置されて冷媒４８をヒートシンクウェル４６内部に封止する。さらに別の実施形態では、開かれたウェルは、鍛造ステップまたは鋳造ステップの間に形成され、冷媒４８で満たされ、その後封止される。
【００２７】
例示の実施形態では、本方法は、熱障壁コーティング４０をクラウン２４の上端の外面３４上へ０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの厚さまで施すことも含む。熱障壁コーティング４０は、好ましくは、溶射、たとえば高速酸素燃料溶射（ＨＶＯＦ）によって施されるが、代替的には他の方法によっても施され得る。
【００２８】
明らかに、本発明の多くの改良および変更が上記の教示に照らして可能であり、添付された請求項の範囲内に具多的に説明された以外の方法で実施され得る。
【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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【国際調査報告】
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