(57)【要約】  ピストンおよびその構成方法を提供する。ピストンは、上部燃焼表面を有する上部クラウンと、上部クラウンから垂下する下部クラウンとを備える。下部クラウンは、リストピンを嵌めるように構成された、横方向に間隔をあけて軸方向に一直線上に並ぶ一対のピンボアを備える。上部クラウンと下部クラウンとの間には、実質的に密閉された環状の外側冷却空洞が形成され、冷却空洞の下面が下部クラウンの床によって形成される。オイル注入口およびオイル排出口は、床を貫いて延在する。オイル注入口は、床から上方向に冷却空洞内へ延在する直立した環状体の突出部を含み、突出部は、モノリシックな押出し品として下部クラウン床の素材から形成される。
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【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、
上部燃焼表面を有し、リングベルト領域を含む略円筒状の上部ランドが上部燃焼表面から垂下する上部クラウンと、
横方向に間隔をあけて軸方向に一直線上に並び、リストピンを嵌めるように構成された一対のピンボアを含み、前記上部クラウンから垂下する下部クラウンと、
前記上部クラウンと前記下部クラウンとの間に形成され、前記下部クラウンの床によって形成された下面を有する、実質的に密閉された環状の外側オイルギャラリと、
前記床を貫いて延在するオイル注入口およびオイル排出口とを備え、
前記オイル注入口は、前記床から上方向に冷却空洞内へ延在する、直立した環状体の突出部を含み、前記突出部は、モノリシックな押出し品として前記床の素材から形成される、ピストン。
【請求項２】
前記オイル注入口の素材は、前記床の残りの素材と比べて硬化されている、請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記床は、前記突出部のすぐ隣に厚さを有し、前記突出部は、前記厚さの約１／２〜３倍の間の高さを有する、請求項１に記載のピストン。
【請求項４】
前記突出部は、前記床から自由端まで延在する突出部であって、前記床のすぐ隣に第一壁厚を、前記自由端のすぐ隣に第二壁厚を有し、前記第一壁厚は前記第二壁厚より大きい、請求項１に記載のピストン。
【請求項５】
前記壁厚は、前記床から前記自由端まで連続的に減少する、請求項４に記載のピストン。
【請求項６】
内燃機関用のピストンを構成する方法であって、
上部燃焼表面を有し、リングベルト領域を含む略円筒状の上部ランドが上部燃焼表面から垂下する上部クラウンを形成するステップと、
軸方向に一直線上に並ぶピンボアを有する横方向に間隔をあけて配置された一対のピンボスを有する下部クラウンであって、前記上部クラウンから垂下する前記下部クラウンを形成するステップと、
前記上部クラウンと前記下部クラウンとの間に、実質的に密閉された環状の外側オイルギャラリを形成するステップとを含み、前記冷却空洞の下面は、前記下部クラウンの床によって形成され、
方法は、さらに、
前記床を貫くオイル注入口およびオイル排出口を形成するステップを含み、
前記オイル注入口を形成するステップにおいて、同時に、開口部を形成するステップと、前記床の素材を前記床から上方向に変位させるステップとを含み、
前記変位させられた素材は、直立した環状体の突出部を形成する、方法。
【請求項７】
さらに、前記オイル注入口を形成するステップにおいて、前記突出部の素材を硬化させるステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
さらに、前記突出部のすぐ隣の前記床の厚さの約１／２〜３倍の間の高さを有するように、前記突出部を形成するステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
さらに、前記床から自由端まで延在する前記突出部を形成するステップと、
前記床のすぐ隣に第一壁厚を、前記自由端のすぐ隣に第二壁厚を有する前記突出部を形成するステップと、前記第二壁厚より大きい前記第一壁厚を形成するステップ、とを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
さらに、前記床から前記自由端まで連続的に減少するように前記壁厚を形成するステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
さらに、ドリル形成加工において前記突出部を形成するステップを含む、請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１４年１２月１９日に出願された米国仮出願第６２／０９４，２５８号および２０１５年１２月１８に出願された米国実用特許出願第１４／９７５，４５１号の権利を主張するものであり、そのすべての記載内容は、参照することによって組み込まれるものとする。
【０００２】
発明の背景
１．技術分野
本発明は、全体として、内燃機関に関し、より具体的には、ピストンおよびその構成方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．従来技術
内燃機関用のピストンは、動作温度制限内でピストンを維持することを容易にするために、環状の冷却空洞を備えていることが知られている。通常ピストンの片側に位置するオイル注入口を介してオイルが冷却空洞に送出されると、オイルがピストンの反対側まで循環してオイル排出口から排出されることが好ましい。そうすると、オイルは、通常、クランクケースに戻る。オイルがオイル注入口から排出されてしまうと、ピストンの冷却が十分に行われなくなり、ピストンの耐用年数が減少する可能性がある。
【０００４】
オイルがオイル注入口から排出されることを防ぐためにいくつかの試みがなされた。周知の機構として、別個の環状部品をピストンのオイル注入口の周りに固定することがあり、オイル注入口の周りに直立した障壁を形成してオイルが出ていくことを抑制する。これは、効を奏し得るが、ピストンに部品を取り付けるために、溶接を使用するなどの二次的な取り付け工程を行う必要があり、追加の部品および製造工程コストが伴う。別の周知の試みとして、鋳造において障壁を形成することがあり、これは、効を奏し得るが、やはり、ピストン部品を鋳造する必要がある。このことは、ピストンの製造工程はもちろんだがピストンの用途によっても、常に好ましいわけではない。さらに、障壁を鋳るには、製造されるピストンのそれぞれ異なる形ごとに複数の特殊な鋳型が必要となり、固有のコストが伴う。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明の概要
本発明の一態様によれば、ピストンは、上部燃焼表面を有し、リングベルト領域を含む略円筒状の上部ランドが上部燃焼表面から垂下する上部クラウンと、上部クラウンから垂下する下部クラウンとを備える。下部クラウンは、横方向に間隔をあけて軸方向に一直線上に並び、ピストンのコンロッドへの接続を容易にするためにリストピンを嵌めるように構成された一対のピンボアを含む。上部クラウンと下部クラウンとの間には、実質的に密閉された環状の外側冷却空洞が形成され、冷却空洞の下面は、下部クラウンの床によって形成される。オイル注入口およびオイル排出口は、床を貫いて延在し、オイル注入口は冷却空洞内へオイルを流入させるよう作用し、オイル排出口は冷却空洞から外に向かってオイルを流出させるよう作用し、これによって、オイルの流れの巡回路を形成する。オイル注入口から冷却空洞に流れ込み、オイル排出口を通って冷却空洞から外に向かって流れ出るオイルの一方向の流れの形成を容易にすることで、冷却空洞およびそこを流れるオイルの冷却効果を向上させ、オイル注入口は、床から上方向に冷却空洞内へ延在する直立した環状体の突出部を含み、突出部は、モノリシックな硬化押出し品として下部クラウン床の素材から形成される。突出部は、オイルがオイル注入口を通って冷却空洞から外に向かって逆流することを抑制し、このように、オイルは、冷却空洞を通ってオイル排出口から出るよう、意図した通りに必ず循環されるようになる。
【０００６】
本発明の別の態様によれば、オイル注入口の素材は、床の残りの素材と比べて硬化されている。
【０００７】
本発明の別の態様によれば、床は突出部のすぐ隣に厚さを有し、突出部は当該厚さの約１／２〜３倍の間の高さを有する。
【０００８】
本発明の別の態様によれば、突出部は、床から自由端まで延在する突出部であって、床のすぐ隣に第一壁厚を有し、自由端のすぐ隣に第二壁厚を有し、当該第一の厚さは当該第二の厚さより大きい。
【０００９】
本発明の別の態様によれば、突出部の壁厚は、床から自由端まで連続的に減少する。
本発明の別の態様によれば、内燃機関用のピストンを構成する方法が提供される。方法は、上部燃焼表面を有し、リングベルト領域を含む略円筒状の上部ランドが上部燃焼表面から垂下する上部クラウンを形成するステップと、上部クラウンから垂下する下部クラウンを形成するステップとを含む。方法は、さらに、横方向に間隔をあけて軸方向に一直線上に並び、ピストンのコンロッドへの接続を容易にするためにリストピンを嵌めるように構成された一対のピンボアを有する下部クラウンを形成するステップを含む。方法は、さらに、上部クラウンと下部クラウンとの間に、実質的に密閉された環状の外側オイルギャラリを形成するステップを含み、冷却空洞の下面は、下部クラウンの床によって形成される。さらに、方法は、床を貫いて延在するオイル注入口およびオイル排出口を形成するステップを含む。方法は、オイル注入口を形成するステップにおいて、同時に、開口部を床に形成するステップと、床の素材を床から上方向に変位させるステップとを含み、変位させられた素材は、直立した環状体の突出部を形成し、突出部は、オイルがオイル注入口を通って冷却空洞から外に向かって逆方向に流れることを抑制するように作用する。注入口を形成することによって形成された突出部によって、有意な製造効率が実現され、突出部の形成に伴うコストを最小限にする。
【００１０】
本発明の別の態様によれば、方法は、さらに、ドリル形成加工において直立した環状体の突出部を形成するステップを含み得る。
【００１１】
本発明の別の態様によれば、方法は、さらに、オイル注入口を形成するステップにおいて、突出部の素材を硬化するステップを含み得る。
【００１２】
本発明の別の態様によれば、方法は、さらに、突出部のすぐ隣の床の厚さの約１／２〜３倍の間の高さを有するように、突出部を形成するステップを含み得る。
【００１３】
本発明の別の態様によれば、方法は、さらに、床から自由端まで延在する突出部を形成するステップと、床のすぐ隣に第一壁厚を、自由端のすぐ隣に第二壁厚を有する突出部を形成するステップと、第二の厚さより大きい第一の厚さを形成するステップとを含み得る。
【００１４】
本発明の別の態様によれば、方法は、さらに、床から自由端まで連続的に減少するように突出部の壁厚を形成するステップを含み得る。
【００１５】
本発明のこれらのおよびその他の態様、特徴、および利点は、現在好ましい実施形態およびベストモードの以下の詳細な説明、請求の範囲、ならびに添付図面を踏まえて考慮するとより容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一態様にしたがって構成されるピストンの一部断面斜視図である。
【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２Ａ】図１のピストンのオイル注入口を貫通した拡大部分断面図である。
【図３】図１のピストンの底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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、一例として、しかしこれに限定されず、ヘビーデューティディーゼル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内での往復運動のための、本発明の現在好ましい一実施形態にしたがって構成されるピストン１０を示す。ピストン１０は、シリンダボアにおいてピストン１０が往復する長手方向の中心軸１４に沿って延在する本体１２を有する。本体１２は、上部クラウン１６と下部クラウン１８とを有する。下部クラウン１８は、一対のピンボス２０を有する。一対のピンボス２０は、上部クラウン１６から垂下して、長手方向の中心軸１４をほぼ横切る方向に延びるピンボア軸２４に沿って横方向に間隔をあけて一直線上に並ぶピンボア２２を提供する。ピンボス２０は、横方向に間隔をあけて配置され、ストラット部２８を挟んでスカート部２６と正反対に位置するように接合されている。上部クラウン１６と下部クラウン１８との間には、実質的に密閉された環状の外側オイル冷却空洞３０が形成され、冷却空洞３０の下面（床３２とも称する）は、下部クラウン１８の壁３４によって形成されている。オイル注入口３６およびオイル排出口３８（図１および図３）は、床３２を貫いて延在しており、オイル注入口３６は、冷却空洞３０内にオイルを流入させるよう作用し、オイル排出口３８は、冷却空洞３０から外に向かってオイルを流出させるよう作用する。オイル注入口３６から冷却空洞３０内へのオイルの一方向の流れを容易にするために、オイル注入口３６は、床３２から上方向に冷却空洞３０内へ延在する、直立した環状体の壁（突出部４０とも称する）を含み、突出部４０は、モノリシックな硬化押出し品として下部クラウン壁３４の素材から形成される。床３２から上方向に延在する突出部４０によって、オイルが逆流方向に注入口３６に流れることが抑制されるため、いったん注入口３６から冷却空洞３０に流入したオイルが、意図した通りに冷却空洞３０内を通って、概ねまたは実質的に注入口３６の正反対の位置まで循環するよう促される。そうすると、排出口３８が直立した突出部を有しない場合、オイルは、オイル排出口３８を通って冷却空洞３０から外に向かって流れるようになる。このように、オイルが一方向の流れの巡回路で冷却空洞３０を流れる。これによって、新鮮なオイルを冷却空洞３０に連続的に出入りさせることによりピストン１０の最適な冷却を促し、排出される前にオイルを冷却空洞３０全体に確実に流しながらも、冷却空洞３０内でオイルがコークス化するのを抑制し、ピストン１０が均一に冷却されることを促す。
【００１８】
ピストン１０の上部クラウン１６は、ここでは、シリンダボア内に所望の気体流を与えるために燃焼ボウル４４が埋め込まれた上部燃焼表面４２を有するものとして表されている。上部ランド４８およびリングベルト５０を含む略円筒状の外壁４６は、上部燃焼表面４２から下方向に環状の外側自由端５２まで延在し、ピストンリング（図示せず）を浮かせて嵌めるためのリングベルト５０に形成された、少なくとも一つの環状のリング溝５４を有する。環状の内側リブ５６が燃焼ボウル４４のクラウン下面から内側自由端５８まで垂下している。
【００１９】
下部クラウン１８は、一例として、しかしこれに限定されず、鍛造加工などによって、上部クラウン１６とは別体で構成することができ、直立した環状の外側リブ自由端６０および直立した環状の内側リブ自由端６２を挟んで、上部クラウン１６に接合できる。上部クラウン１６と下部クラウン１８とは、ここでは、たとえば、摩擦圧接、誘導圧接、または外側自由端５２、６０および内側自由端５８、６２のそれぞれに跨って形成されるその他の適切な種類の溶接継手６４よって接合されているものとして表されている。このように、燃焼ボウル４４の中央部の下に、開口した内側ギャラリ６６がピンボア２２から上方向に形成されつつ、実質的に密閉された環状の外側オイルギャラリ３０が上部クラウン１６と下部クラウン１８との間に形成される。本発明にしたがって構成されるピストン１０は、たとえば、単一のモノリシックな素材片として形成され、それぞれ異なる構成のオイルギャラリを有するなど、別の方法で形成された上部および下部クラウン部を有し得たことがわかるであろう。
【００２０】
オイル注入口３６および突出部４０はフォームドリル加工（フローまたは摩擦ドリル加工とも称す）で形成され、上部クラウン１６と下部クラウン１８とが、個々の部品であった場合に、互いに接合された後であっても、ピストン製造の任意の段階で下部クラウン１８に形成することができる。これは、オイル注入口３６の開口部を形成するために使用されるフォームドリル加工において突出部４０を同時に形成する場合において可能である。ピストン１０の製造に自由度が与えられているので、突出部４０を構成するのに必要な製造工程の低減とは別に、コスト削減をもたらし得る。床３２は、突出部４０のすぐ隣に厚さ（Ｔ）を有し、突出部４０は、厚さＴの約１／２〜３倍の間、好ましくは、厚さＴの約１倍以上の高さ（Ｈ）を有するように形成される。管状の突出部４０は、床３２から上方向に自由端６８まで延在する。突出部４０は、床３２のすぐ隣に第一壁厚（ｔ１）を有し、自由端６８のすぐ隣に第二壁厚（ｔ２）を有し、第一の厚さ（ｔ１）は、第二の厚さ（ｔ２）よりも大きい。突出部４０の壁厚は、床３２の隣の厚さｔ１から自由端６８まで、連続的に、または実質的に連続的に減少する。突出部４０の構成および床３２の硬度と比べて増強された硬度は、ドリル形成加工の直接の結果であり、突出部４０の高められた強度および構成上の恩恵を与える。
【００２１】
上記教示に鑑みて、本発明の多くの変更例および変形例が可能であることは明らかである。そのため、本発明は、請求の範囲内であれば、具体的に記載されている以外の態様で実施されてもよい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２Ａ】
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【図３】
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【国際調査報告】
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