(57)【要約】  内燃機関における増加したブレーキ熱効率を実現する鋼鉄のピストンが提供される。ピストンは、燃焼面を有するクラウンと、燃焼面から垂下する外部側壁と、外側冷却空洞と、下方クラウン冷却空洞とを含む。外側冷却空洞は、燃焼面の下で外部側壁に沿って周方向に延在する。１つの実施形態によれば、外側冷却空洞は、冷媒として空気、アルゴン、ヘリウム、キセノン、または二酸化炭素で封止され満たされる。この実施形態では、下方クラウン冷却空洞は、冷媒として空気で満たされ、ピストンの外径の２％〜４％である直径を有する開いた入口穴を含む。代替的には、下方クラウン冷却空洞は、冷媒として、空気、アルゴン、ヘリウム、キセノン、または二酸化炭素で満たされ、入口穴は開いている。
2018534477.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であって、
金属材料で形成された本体を備え、
前記本体は、燃焼面を有するクラウンを含み、
前記クラウンは、前記燃焼面から垂下する外部側壁を含み、前記外部側壁は前記本体の外径を提示し、
前記クラウンは、外側冷却空洞と、下方クラウン冷却空洞とを含み、
前記外側冷却空洞は、前記燃焼面の下で前記外部側壁に沿って周方向に延在し、前記外側冷却空洞は封止され第１の冷媒を含み、
前記下方クラウン冷却空洞は、第１の下方クラウン面の下で前記外側冷却空洞によって取り囲まれ、前記外側冷却空洞は第２の冷媒を含み、
前記クラウンは、前記下方クラウン冷却空洞に沿って延在する下壁を含み、前記下壁は前記下方クラウン冷却空洞への入口穴を含む、ピストン。
【請求項２】
前記下方クラウン冷却空洞への前記入口穴は、前記本体の前記外径の１％〜２５％である直径を有する、請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記下方クラウン冷却空洞への前記入口穴は、前記本体の前記外径の２％〜４％である直径を有する、請求項１に記載のピストン。
【請求項４】
前記下方クラウン冷却空洞への前記入口穴は、開いている、請求項１に記載のピストン。
【請求項５】
前記下方クラウン冷却空洞への前記入口穴は、前記入口穴の直径が前記燃焼面から離れる方向に増加または減少するようなテーパ状である、請求項４に記載のピストン。
【請求項６】
前記下方クラウン冷却空洞への前記入口穴は、封止されている、請求項１に記載のピストン。
【請求項７】
前記第１の冷媒および前記第２の冷媒の各々は、固体、液体、気体、空気または部分真空からなる群から選択される、請求項１に記載のピストン。
【請求項８】
前記外側冷却空洞は封止されており、前記第１の冷媒は固体、液体、気体、および空気のうちの少なくとも１つであり、前記下方クラウン冷却空洞への前記入口穴は開かれており、前記第２の冷媒は空気である、請求項７に記載のピストン。
【請求項９】
前記外側冷却空洞は封止されており、前記第１の冷媒は固体、液体、気体、空気、および部分真空からなり、前記下方クラウン冷却空洞への前記入口穴は開かれており、前記第２の冷媒は空気であり、前記空気は前記冷却空洞の体積の１００％を占める、請求項７に記載のピストン。
【請求項１０】
前記燃焼面、前記第１の下方クラウン面、および前記下方クラウン冷却空洞の下に位置する第２の下方クラウン面のうちの少なくとも１つに塗布される熱障壁コーティングをさらに含み、前記熱障壁コーティングは、前記本体の前記金属材料の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する、請求項１に記載のピストン。
【請求項１１】
前記熱障壁コーティングは、断熱材料で形成される、請求項１に記載のピストン。
【請求項１２】
前記本体は、鋼鉄で形成され、中心軸の周りに周方向に、かつ、上端から下端まで長手方向に延在し、
前記クラウンは、前記燃焼面を有する上壁と、内部側壁とを含み、
前記上壁、前記下壁、前記外部側壁、および前記内部側壁は、ともに前記外側冷却空洞を規定し、
前記外側冷却空洞は、前記中心軸から径方向に離間されており、
前記外部側壁および前記内部側壁は、ともに結合されるリブによって形成され、
前記外部側壁、前記内部側壁、および前記下壁のうちの少なくとも１つは、冷媒が前記外側冷却空洞に入ることを可能にするための開口部を含み、前記開口部は封止されており、
前記下壁は、前記下方クラウン冷却空洞の下に第２の下方クラウン面を有し、
前記燃焼面は、前記中心軸に頂点を有し、ボウル形状が前記頂点を取り囲み、ボウルリムが前記ボウル形状を取り囲み、
前記外部側壁は、前記中心軸から離れて面し、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、前記リング溝はランドによって互いに離間されており、前記ランドは前記本体の前記外径を提示し、
前記本体は、前記クラウンから各々垂下する１対のピンボスを含み、前記ピンボスの各々は前記中心軸に垂直に延在するピンボアを有し、
前記本体は、前記クラウンから垂下し、前記ピンボスによって互いに離間される１対のスカートセクションを含み、
前記第１の冷媒は、前記外側冷却空洞の体積の１００％を占め、前記第１の冷媒は空気からなり、
前記上壁、前記下壁、および前記内部側壁は、ともに前記下方クラウン冷却空洞を規定し、
前記下方クラウン冷却空洞は、前記中心軸に配置され、前記外側冷却空洞に向かって径方向外側に延在し、
前記第２の冷媒は、前記下方クラウン冷却空洞の堆積の１００％を占め、前記第２の冷媒は空気からなり、
前記下方クラウン冷却空洞への前記入口穴は、前記スカートセクションに沿った前記本体の最大外径の２％〜４％である直径を有し、前記入口穴はテーパ状であり、
前記燃焼面、前記第１の下方クラウン面、および前記第２の下方クラウン面のうちの少なくとも１つに塗布される熱障壁コーティングをさらに含み、
前記熱障壁コーティングは、断熱材料で形成されており、前記断熱材料は部分安定化ジルコニアを含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項１３】
内燃機関のためのピストンを製造するための方法であって、
金属材料で形成された本体を提供するステップを備え、前記本体は燃焼面を有するクラウンを含み、前記クラウンは前記燃焼面から垂下する外部側壁を含み、前記外部側壁は前記本体の外径を提示し、前記クラウンは封止されている外側冷却空洞と、下方クラウン冷却空洞とを含み、前記外側冷却空洞は前記燃焼面の下で前記外部側壁に沿って周方向に延在し、前記下方クラウン冷却空洞は第１の下方クラウン面の下に前記外側冷却空洞によって取り囲まれ、前記クラウンは前記下方クラウン冷却空洞に沿って延在する下壁を含み、前記下壁は前記下方クラウン冷却空洞への入口穴を含み、前記方法はさらに、
前記外側冷却空洞の第１の冷媒および前記下方クラウン冷却空洞の第２の冷媒を提供するステップを備える、方法。
【請求項１４】
前記第１の冷媒は空気からなり、前記外側冷却空洞の前記第１の冷媒を提供するステップは、前記外側冷却空洞を前記空気で満たすことを含み、前記外側冷却空洞を封止することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記外側冷却空洞の前記第１の冷媒を提供するステップは、前記外側冷却空洞をアルゴン、ヘリウム、キセノン、および二酸化炭素のうちの少なくとも１つで満たすことを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の冷媒は液体と気体との多相混合物を含み、前記外側冷却空洞の前記第１の冷媒を提供するステップは前記外側冷却空洞に液体を配置することを含み、前記外側冷却空洞を封止することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記第２の冷媒は空気からなり、前記下方クラウン冷却空洞の前記第２の冷媒を提供するステップは前記下方クラウン冷却空洞を前記空気で満たすことを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記下方クラウン冷却空洞への前記入口穴は開いており、前記入口穴は前記本体の前記外径の２％〜４％である直径を有する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
熱障壁コーティングを前記燃焼面、前記第１の下方クラウン面、および前記下方クラウン冷却空洞の下に位置する第２の下方クラウン面のうちの少なくとも１つに塗布することを含み、前記熱障壁コーティングは前記本体の前記金属材料の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記下方クラウン冷却空洞への前記入口穴を封止することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２１】
前記封止ステップは、以下のステップ、前記入口穴に栓を配置するステップ、前記入口穴に接着剤を配置するステップ、前記入口穴へ溶接するステップ、および前記入口穴を蝋付けするステップ、のうち少なくとも１つを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記本体を提供するステップは、中心軸の周りに周方向に延在する上側リブを、前記中心軸の周りに周方向に延在する下側リブに接合することによって、前記外側冷却空洞と前記内側冷却空洞とを形成することを含む、請求項１３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１１月１８日に提出された米国仮特許出願第６２／２５６，９８６号、および２０１６年１月２０日に提出された米国仮特許出願第６２／２８０，９７１号、および２０１６年１１月１５日に提出された米国特許出願第１５／３５２，４１８号の利益を主張し、参照によりその内容全体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、概して、内燃機関のためのピストン、およびピストンを製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．関連技術
重機ディーゼルピストンなどの内燃機関において用いられるピストンは、特にピストンのクラウンに沿って、動作の間、著しく高い温度に曝される。したがって、適温にするために、いくつかのピストンはクラウンの下に開いた冷却空洞を有して設計され、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、冷却オイルが冷却空洞の中へスプレーされる。オイルはクラウンの内面に沿って流れ、クラウンから離れるように熱を放散させる。しかしながら、動作中にピストン温度を制御するために、高流量のオイルが一定に維持されなければならない。加えて、オイルは、内燃機関が高温であるために時間と共に減少し、オイルは、エンジン寿命を維持するために定期的に交換されなければならない。さらに、冷却空洞の温度が３５０℃を超えたとき、オイルは、より高い割合で燃焼する傾向にあり（オイルコーキングとよばれる）、空洞の表面に付着する。
【０００４】
別のオプションは、ピストン温度を制御するために、冷却オイルまたは別の冷却剤を含む封止された冷却空洞を有するピストンを設計することである。米国特許第９，１２７，６１９号は、高い熱伝導率を有する金属粒子を含む液体で部分的に満たされる封止された冷却空洞を含むピストンの例を開示している。ピストンが内燃機関の中で往復するとき、液体は冷却空洞中に金属粒子を運び、金属粒子はクラウンから熱を除去する。金属粒子は熱流を再拡散し得るため、炭素堆積物、コーキングおよびクラウンに沿ったオイルの劣化を低減する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃焼室で高温を維持し、より高いエンジンブレーキの熱効率を実現するために、燃焼室からピストンクラウンへの熱損失を低減することも望ましい。このため、熱障壁コーティングが追加の断熱のためにピストンクラウンに塗布され得る。しかしながら、エンジン製造者らは、燃焼室の熱をよりよく維持し、ピストンの動作温度を低減し、さらにエンジンブレーキの熱効率の向上するための新たな改良された方法を開発するために、絶えず努力している。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の概要
本発明の１つの局面は、改良されたブレーキ熱効率（brake thermal efficiency；ＢＴＥ）を有するエンジンを提供する内燃機関のためのピストンを備える。ピストンは、金属材料で形成された本体を含む。本体は、燃焼面を有するクラウンを含む。クラウンは、燃焼面から垂下する外部側壁を含み、外部壁部は本体の外径を提示する。クラウンはまた、外側冷却空洞と、下方クラウン冷却空洞とを含む。外側冷却空洞は、燃焼面の下で外部側壁に沿って周方向に延在し、外側冷却空洞は第１の冷媒を封止し含む。下方クラウン冷却空洞は、第１の下方クラウン面の下で外側冷却空洞によって取り囲まれており、下方クラウン冷却空洞は第２の冷媒を含む。クラウンは、下方クラウン冷却空洞に沿って延在する下壁を含み、下壁は下方クラウン冷却空洞への入口穴を含む。
【０００７】
本発明の別の局面は、内燃機関のためのピストンを製造する方法を提供する。当該方法は、金属材料で形成された本体を提供することを含み、本体は燃焼面を有するクラウンを含み、クラウンは燃焼面から垂下する外部側壁を含み、外部側壁は本体の外径を提示し、クラウンは封止されている外側冷却空洞と、下方クラウン冷却空洞とを含み、外側冷却空洞は燃焼面の下で外部側壁に沿って周方向に延在し、下方クラウン冷却空洞は第１の下方クラウン面の下で外側冷却空洞によって取り囲まれており、クラウンは下方クラウン冷却空洞に沿って延在する下壁を含み、下壁は下方クラウン冷却空洞への入口穴を含む。当該方法は、外側冷却空洞の第１の冷媒と下方クラウン冷却空洞の第２の冷媒とを提供することをさらに含む。
【０００８】
添付の図面と結び付けて考慮されたとき、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のと同様に、本発明の他の利点が容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ピストンの周りに周方向に延在し第１の冷媒を含む封止された外側冷却空洞を有する１つの例示の実施形態に従うピストンの側面断面図である。
【図２】封止された外側冷却空洞に加えて、第２の冷媒で満たされる封止された下方クラウン冷却空洞を含む、別の例示の実施形態に従うピストンの側面断面図である。
【図３】封止された外側冷却空洞と下方クラウン冷却空洞を含む、さらに別の例示の実施形態に従うピストンの側面断面図であって、下方クラウン冷却空洞は開いた入口穴を含み、第２の冷媒を含む。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
例示の実施形態の説明
例示の実施形態に従う内燃機関のためのピストン２０が、図１〜図３に概して示される。ピストン２０を通した燃焼室からの熱損失を低減し、したがってピストン２０が内燃機関に用いられるときにブレーキ熱効率（ＢＴＥ）を向上させるために、ピストン２０は、第１の冷媒２８を含む封止された外側冷却空洞２６および／または第２の冷媒２８’を含む下方クラウン冷却空洞２６’を含む。ブレーキ熱効率は、当業者にとって、エンジンの熱出力で割ったエンジンのブレーキ出力として知られている。ブレーキ熱効率は、典型的には、エンジンがいかによく燃料からの熱を機械的エネルギへ変換するかを決定するのに用いられる。
【００１１】
図に示されるように、ピストン２０は、鋼鉄などの金属材料で形成され、中心軸Ａの周りに周方向に、かつ上端３０から下端３２まで中心軸Ａに沿って長手方向に延在する本体２２を備える。本体２２は、内燃機関の中で使用中に燃焼室に曝される燃焼面３４を有するクラウン２４を含む。クラウン２４は、燃焼面３４の反対側に面する第１の下方クラウン面３６も有する。
【００１２】
クラウン２４は、クラウン２４の少なくとも一部に沿って延在する外側冷却空洞２６を含む。クラウン２４は、外側冷却空洞２６をともに規定する、上壁３８と、下壁４０と、外部側壁４２と、内部側壁４４とを含む。この外側冷却空洞２６は、第１の下方クラウン面３６の外側の部分に沿って配置され、中心軸Ａの周りに周方向に延在する。外側冷却空洞２６は、クラウン２４の上壁３８の一部のみに沿って配置され、中心軸Ａから径方向に離間される。外部側壁４２および内部側壁４４は、ともに接合されるリブによって形成されて外側冷却空洞２６を規定する。この実施形態では、外側リブは、溶接部５０によって接続されて外部側壁４２を形成し、内側リブは、溶接部５０によって接続されて内部側壁４４を形成する。別の方法では、リブは、結合溶接または機械的取付など別の結合方法を用いて互いに取り付けられてもよい。壁３８，４０，４２，４４のうちの少なくとも１つ、典型的には下壁４０は、第１の冷媒２８が外側冷却空洞２６に入ることを可能にするための開口部５２を含む。外側冷却空洞２６への開口部５２は、その後、たとえば図に示されるように栓によって封止される。別の方法では、開口部５２は、開口部５２に接着剤を配置すること、開口部５２に材料を溶接すること、または開口部５２を蝋付けすることによって封止されてもよい。別の方法では、ピストン２０は、封止された外側冷却空洞２６を含む単一片として鋳造されてもよい。
【００１３】
別の例示の実施形態によれば、図２および図３に示されるように、ピストン２０は、ピストン２０の中心軸Ａに第１の下方クラウン面３６に沿った下方クラウン冷却空洞２６’を含む。この下方クラウン冷却空洞２６’は、クラウン２４の上壁３８の一部に沿って配置されるのみであり、周方向の外側冷却空洞２６によって取り囲まれる。上壁３８、下壁４０および内部側壁４４は、ともに、下方クラウン冷却空洞２６’を規定する。この実施形態では、下壁４０は、燃焼面３４の反対側に面する第２の下方クラウン面３６’を含む。下方クラウン冷却空洞２６’は、好ましくは、周方向の外側冷却空洞２６との組合せで用いられるが、周方向の外側冷却空洞２６と独立して用いられてもよい。下方クラウン冷却空洞２６’はまた、第２の冷媒２８’で少なくとも部分的に満たされてピストン２０を通した熱の流れをさらに低減し、および／または、オイルの劣化を低減する。下方クラウン冷却空洞２６’において用いられる第２の冷媒２８’は、外側冷却空洞２６において用いられる第１の冷媒２８と同一であってもよく、または異なっていてもよい。
【００１４】
図２の実施形態では、下方クラウン冷却空洞２６’は、第２の冷媒２８’を含むために、および他の物質が冷却空洞２６’に出入りできないように、封止される。別の実施形態によれば、図３に示されるように、下方クラウン冷却空洞２６’は封止されない。空気が下方クラウン冷却空洞２６’に入ることを可能にするために、小さな開いた入口穴４６がピストン２０の中心軸Ａに沿って下壁４０に位置する。入口穴４６はまた、しぶきまたは霧の形態のクランク室からの少量のオイルが下方クラウン冷却空洞２６’に入ることを可能にし得る。しかしながら、図２の実施形態では、下方クラウン冷却空洞２６’への入口穴４６は、栓５２で封止される。入口穴４６の直径は、ピストン２０の外径の１％〜２５％である。典型的には、入口穴４６の直径は、ピストン２０の外径の４％未満、または、ピストン２０の外径の２％〜４％である。たとえば、入口穴４６の直径は、約５ｍｍ以下であってもよい。任意で、入口穴４６は、入口穴４６の直径が下方クラウン冷却空洞２６’の内側から外側へ、燃焼面３４から離れるにつれて増加するように、テーパ状であってもよい。テーパ状の穴４６は、下方クラウン冷却空洞２６’の中へ入るオイルの進入を容易にし得、および／または、下方クラウン冷却空洞２６’の内部の第２の冷媒２８’を保持し得る。入口穴４６の直径が下方クラウン冷却空洞２６’の内側から外側へ、燃焼面３４から離れるにつれて減少する、逆テーパ状の穴４６も、下方クラウン冷却空洞２６’の側部から穴を開ける製造工程を容易にするために用いられ得る。
【００１５】
例示の実施形態のピストン２０では、本体２２の燃焼面３４は、中心軸Ａに頂点を有し、ボウル形状が頂点を取り囲み、ボウルリムがボウル形状を取り囲む。外部側壁４２はまた、中心軸Ａから離れて面し、中心軸Ａの周りに周方向に延在する複数のリング溝５６を含む。リング溝５６は、ランド４８によって互いに離間され、ランド４８は本体２２の外径を提示する。例示の実施形態のピストン２０は、少なくとも１つのピンボス５８、典型的にはクラウン２４から各々垂下し中心軸Ａの周りに周方向に延在する１対のピンボス５８をさらに含む。少なくとも１つのピンボス５８は、リストピン（図示せず）を収容するための中心軸Ａに垂直に延在するピンボア６０を有する。本体２２は、クラウン２４から垂下し中心軸Ａの周りに周方向に延在する、少なくとも１つのスカートセクション、典型的には１対のスカートセクションも含む。少なくとも１つのスカートセクション６２は、少なくとも１つのピンボス５８と結合される。典型的には、スカートセクション６２は、ピンボス５８によって中心軸Ａの周りに周方向に互いに離間される。ピストン２０の本体２２は、冷媒２８および／または冷媒２８’を含むための外側冷却空洞２６および／または下方クラウン冷却空洞２６’を依然として含むが、図１および図２に開示された設計以外の様々な他の設計を備えてもよいことに注意されたい。
【００１６】
外側冷却空洞２６に位置する第１の冷媒２８および／または下方クラウン冷却空洞２６’に位置する第２の冷媒２８’は、気体、液体、固体、および／または、混合物の形態であってもよい。典型的には、冷媒２８または冷媒２８’が気体の形態であるとき、気体は冷却空洞２６，２６’の１００体積パーセント（ｖｏｌ．％）を占める。たとえば、空気、ヘリウム、アルゴン、ヘリウム、キセノン、二酸化炭素、他の気体、または部分真空など、様々な異なるタイプの気体が冷媒２８または冷媒２８’のために用いられてもよい。気体の冷媒２８または冷媒２８’は、固体材料、多相の液体／気体混合物、および従来の冷却オイルなどの液体よりも低い熱伝導率を有する。たとえば、２５℃で、空気は約０．０２４Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有し、ヘリウムは約０．１４２Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有し、アルゴンは約０．０１６Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有する。１つの例示の実施形態によれば、下方クラウン冷却空洞２６’を満たす第２の冷媒２８’は、アルゴン、部分真空、または空気よりも熱流を低減することにおいてより効率的である他の気体である。そして、アルゴン、空気、または別のタイプの第１の冷媒２８のいずれかが外側冷却空洞２６を満たす。
【００１７】
別の例示の実施形態によれば、外側冷却空洞２６を満たすもしくは部分的に満たす第１の冷媒２８、および／または、下方クラウン冷却空洞２６’を満たすもしくは部分的に満たす第２の冷媒２８’は、液体、固体、または固体と液体との混合物である。冷媒２８または冷媒２８’として用いられ得る組成の例は、米国特許第９１２７６１９号、第８９５５４８６号、第８６６２０２６号、および米国仮特許出願第６２／２６２，７０４号に開示されている。１つの例示の実施形態によれば、商品名エンビオクール（EnvioKool）（商標登録）を有する冷媒が、下方クラウン冷却空洞２６’を部分的に満たす第２の冷媒２８’として用いられる。この場合、空気または別のタイプの第１の冷媒２８は、外側冷却空洞２６を満たすまたは部分的に満たす。別の例示の実施形態によれば、第１の冷媒２８は、空気からなり外側冷却空洞２６の体積の１００％を占め、第２の冷媒２８’は、空気からなり下方クラウン冷却空洞２６’の体積の１００％を占める。
【００１８】
さらに別の実施形態によれば、標準的なエンジンオイルが外側冷却空洞２６を部分的に満たす第１の冷媒２８および／または下方クラウン冷却空洞２６’を部分的に満たす第２の冷媒２８’である。冷却空洞２６，２６’の１つのみがエンジンオイルを含む場合、空気または別のタイプの冷媒２８，２８’が他の冷却空洞２６，２６’を満たすまたは部分的に満たす。外側冷却空洞２６および／または下方クラウン冷却空洞２６’を部分的に満たすためにエンジンオイルが用いられる場合、エンジンオイルは、高い表面温度領域で冷却空洞２６，２６’の内面に沿ってコークス化されたオイル層を作り得る。このため、コークス化されたオイル層は、追加の断熱を作り得、ピストン２０を通した熱損失をさらに低減する。
【００１９】
冷媒２８，２８’の低い熱伝導率は、燃焼室の熱を維持し、ピストン２０を通した熱損失の量を低減する。言い換えれば、低い熱伝導率は、ピストン２０を通した燃焼室からの熱損失を低減し、燃焼室の温度を上昇させる。このため、冷媒２８，２８’は、断熱媒体またはピストン熱管理と呼ばれ得る。燃焼室における追加のエネルギは、この廃熱回収（waste heat recovery；ＷＨＲ）システムで回収され得る。加えて、オイルコーキングは冷却空洞２６の表面に沿って堆積し、第２の下方クラウン面３６’は最小化または省略され得る。ピストン２０と接触する冷却オイルおよび潤滑油の変質が低減され得る。冷媒２８，２８’は、また、ピストン２０の下部の温度を最低化し得る。
【００２０】
追加の断熱を提供するために、図１、図２および図３に示されるように、熱障壁コーティング５４がクラウン２４の上壁３８の燃焼面３４に塗布され得る。熱障壁コーティング５４は、下方クラウン冷却室２６’を含まない図１のピストンの第１の下方クラウン面３６に塗布され得る。代替的には、熱障壁コーティング５４は、下方クラウン冷却空洞２６’を含む図２および図３のピストン２０の第２の下方クラウン面３６’に塗布され得る。たとえば、図２および図３のピストン２０は、第１の下方クラウン面３６および第２の下方クラウン面３６’の両方、またはそれらの面のただ１つの上に、熱障壁コーティング５４を含み得る。熱障壁コーティング５４は、ピストン本体２２を形成するために用いられる金属の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する。熱障壁コーティング５４は、たとえば、イットリア安定化ジルコニア、セリア安定化ジルコニア、または別のタイプの部分安定化ジルコニアなどの、セラミック系材料などの断熱材料で形成される。熱障壁コーティング５４は、ピストン２０を通した熱損失をさらに低減し、燃焼室温度を上昇させる。
【００２１】
本発明の別の局面は、外側冷却空洞２６の第１の冷媒２８および／または下方クラウン冷却空洞２６’の第２の冷媒２８’を含むピストン２０を製造する方法を提供する。当該方法は、概して、鋼鉄材料で形成された本体２２を提供するステップと、外側冷却空洞２６および／または下方クラウン冷却空洞２６’の少なくとも一部を冷媒２８，２８’で少なくとも部分的に満たすこととを含む。当該方法は、典型的には、外側冷却空洞２６および／または下方クラウン冷却空洞２６’を封止することも含む。
【００２２】
図１〜図３で示される例示のピストン２０を形成するとき、本体２２を提供するステップは、上側リブを下側リブに結合して、その間に外側冷却空洞２６を規定する内部側壁４４および外部側壁４２を形成することを含む。結合ステップは、溶接、結合溶接、機械的取付、またはリブを結合するための別の技術を用いることを含み得る。
【００２３】
外側冷却空洞２６を第１の冷媒２８で満たすステップは、典型的には、クラウン２４の壁３８，４０，４２，４４の１つ、典型的には下壁４０に開口部５２を形成することと、次いで開口部５２を通して第１の冷媒２８を送り込むこととを含む。この実施形態では、開口部５２は結合ステップの前または後で形成されてもよく、冷却空洞２６を満たすステップは結合ステップの後に起こる。最終的に、この方法は、栓で冷却空洞２６への開口部５２を封止することと、たとえば溶接、蝋付け、ねじ、または接着剤によって栓を固定することとを含む。参照によりここに組み込まれる米国仮特許出願第６２／１１０，１９１は、冷却空洞２６を封止するために用いられる例示の方法を開示している。代替的には、外側冷却空洞２６は、オイル冷却噴射と位置合わせされない場合は、封止されないままであり得る開口部５２を含んでいてもよい。開口部５２に関して議論された同様のステップが、下方クラウン冷却空洞２６’への入口穴４６を満たし、封止するために行なわれてもよい。代替的には、下方クラウン冷却空洞２６’は、小さい穴４６を含んでもよく、封止されないままであってもよい。
【００２４】
別の実施形態によれば、ピストン２０は、封止された冷却空洞２６を含む単一片として鋳造されてもよく、この場合、空気が封止された外側冷却空洞２６を満たす第１の冷媒２８である。他の実施形態では、部分真空、アルゴン、ヘリウム、キセノン、二酸化炭素、または、低い熱伝導率を有する別のガス、たとえば空気よりも熱流を低減させるのに効率的な気体が、冷却空洞２６を封止する前に外側冷却空洞２６および／または下方クラウン冷却空洞２６’に配置される。ピストン２０を製造するために用いられるプロセスは、従前の方法と比較してはるかに単純であり、より低いコストをもたらす。
【００２５】
明らかに、本発明の多くの改良および変形が上記の教示に照らせば可能であり、以下の請求項の範囲内で特定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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【国際調査報告】
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