(57)【要約】【課題】コネクティングロッドとピストン本体との安定した結合を維持しつつ、全体を軽量化した、より頑丈な軽量パワーセルユニットを提供する。【解決手段】パワーセルユニットは、燃焼ボウルの周囲に円周方向に延在するリングベルト部及び燃焼ボウルから下方に延在するボス部を有するピストンクラウンと、ピストンスカートとを有するピストンアセンブリを備える。パワーセルユニットは、ファンネル部を有するコネクティングロッドと、コネクティングロッドをピストンアセンブリと結合させるピストンピンとをさらに備える。ボス部の底面が、ファンネル部の対応する面と係合することで、ピストンアセンブリが下降する間は、ガス荷重をピストンクラウンからコネクティングロッドに直接伝達し、ピストンアセンブリが上昇する間は、慣性荷重のみをピストンクラウン及び／又はピストンスカートからピストンピンに伝達する。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼ボウルの周囲に円周方向に延在するリングベルト部及び上記燃焼ボウルから下方に延在する少なくとも１つのボス部を有するピストンクラウンと、ピストンスカートとを有するピストンアセンブリと、
縦長部、及び、上記縦長部の一端にあるファンネル部を有するコネクティングロッドと、
上記コネクティングロッドを上記ピストンアセンブリに結合させるように構成された少なくとも１つのピストンピンとを備えたパワーセルユニットであって、
上記ピストンクラウンの上記少なくとも１つのボス部の底面が、上記コネクティングロッドの上記ファンネル部における対応する面と係合することにより、上記ピストンアセンブリが下降している間に、実質的に、ガス荷重を上記ピストンクラウンから上記コネクティングロッドに直接伝達することを特徴とするパワーセルユニット。
【請求項２】
請求項１に記載のパワーセルユニットにおいて、
上記ピストンアセンブリが下降している間に、上記ガス荷重の１００％を、上記ピストンクラウンから上記コネクティングロッドに直接伝達することを特徴とするパワーセルユニット。
【請求項３】
請求項１に記載のパワーセルユニットにおいて、
上記ピストンスカートは、上記ピストンクラウンと組み合わせることにより、上記リングベルト部と上記燃焼ボウルとの間に、冷却空洞が区画されることを特徴とするパワーセルユニット。
【請求項４】
請求項１に記載のパワーセルユニットにおいて、
上記ピストンスカート及び上記ピストンクラウンは、別々の材料で構成されることを特徴とするパワーセルユニット。
【請求項５】
請求項１に記載のパワーセルユニットにおいて、
上記ピストンクラウン及び上記コネクティングロッドのうち一方により、上記ピストンクラウン及び上記コネクティングロッドのうち他方の一部を収容するキャビティが区画され、
上記コネクティングロッドの上記ファンネル部は、上記キャビティを区画する２つの分岐部を含み、上記ピストンクラウンの上記少なくとも１つのボス部は、上記キャビティに収容されるか、又は、上記コネクティングロッドの上記ファンネル部は、上方に延在するボス部と、上記上方に延在するボス部を挟んで両側にある肩部とを含み、上記ピストンクラウンは２つのボス部を有し、該２つのボス部は、対応する肩部と係合する底面をそれぞれ有することを特徴とするパワーセルユニット。
【請求項６】
請求項１に記載のパワーセルユニットにおいて、
上記コネクティングロッドの上記ファンネル部は、間にキャビティが区画される２つの分岐部を備え、上記キャビティは、上記ピストンクラウンの上記少なくとも１つのボス部を収容することを特徴とするパワーセルユニット。
【請求項７】
請求項６に記載のパワーセルユニットにおいて、
上記ピストンピンを２つ備え、上記ピストンクラウンの上記少なくとも１つのボス部により、上記少なくとも１つのボス部を挟んで両側に２つの切り欠きが区画され、上記２つのピストンピンは、上記２つの切り欠きにそれぞれ圧入され、上記２つのピストンピンは、共通の回転軸を有することを特徴とするパワーセルユニット。
【請求項８】
請求項１に記載のパワーセルユニットにおいて、
上記ピストンアセンブリの直径に対する、上記パワーセルユニットの圧縮高さ比が、２０％乃至３７％の範囲であることを特徴とするパワーセルユニット。
【請求項９】
請求項８に記載のパワーセルユニットにおいて、
上記圧縮高さ比は、２０％乃至３０％の範囲であることを特徴とするパワーセルユニット。
【請求項１０】
請求項８に記載のパワーセルユニットにおいて、
上記圧縮高さ比は、２５％乃至３５％の範囲であることを特徴とするパワーセルユニット。
【請求項１１】
請求項１に記載のパワーセルユニットにおいて、
上記ピストンアセンブリの直径に対する、上記ピストンピンの直径の比は、２０％未満であることを特徴とするパワーセルユニット。
【請求項１２】
請求項１に記載のパワーセルユニットにおいて、
上記ピストンクラウンの上記ボス部を２つ備え、上記２つのボス部は、上記ピストンアセンブリの軸心から径方向に等しく間隔を空けて配置されることにより、間にキャビティが区画され、上記コネクティングロッドの上記ファンネル部は、上方に延在するボス部と、上記上方に延在するボス部を挟んで両側にある肩部とを備え、上記キャビティは、上記上方に延在するボス部を収容することにより、上記２つのボス部の底面が、対応する上記肩部と接触するようにすることを特徴とするパワーセルユニット。
【請求項１３】
燃焼ボウルの周囲に円周方向に延在するリングベルト部及び上記燃焼ボウルから下方に延在する少なくとも１つのボス部を有するピストンクラウンと、ピストンスカートとを有するパワーセルユニットのピストンアセンブリを往復運動させる工程と、
上記少なくとも１つのボス部の底面と、上記パワーセルユニットのコネクティングロッドのファンネル部の表面とを接触させることにより、上記ピストンアセンブリの往復運動により発生したガス荷重を、上記ピストンクラウンから上記コネクティングロッドに直接伝達する工程と、
上記ピストンクラウン及び上記ピストンスカートのうちの少なくとも一方から、上記ピストンアセンブリを上記コネクティングロッドに回転可能に固定する少なくとも１つのピストンピンに、慣性荷重を伝達する工程とを含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法において、
上記コネクティングロッドの上記ファンネル部は、間にキャビティが区画される２つの分岐部を備え、上記キャビティは、上記ピストンクラウンの上記少なくとも１つのボス部を収容することを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法において、
上記ピストンピンを２つ備え、上記ピストンクラウンの上記少なくとも１つのボス部により、上記少なくとも１つのボス部を挟んで両側に２つの切り欠きが区画され、上記２つのピストンピンは、２つの切り欠きにそれぞれ圧入され、上記２つのピストンピンは、共通の回転軸を有することを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１３に記載の方法において、
上記ピストンクラウンの上記ボス部を２つ備え、上記２つのボス部は、上記ピストンアセンブリの軸心から径方向に等しく間隔を空けて配置されることにより、間にキャビティが区画され、上記コネクティングロッドの上記ファンネル部は、上方に延在するボス部と、上記上方に延在するボス部を挟んで両側にある肩部とを備え、上記キャビティは、上記上方に延在するボス部を収容することにより、上記２つのボス部の底面が、対応する上記肩部と接触するようにすることを特徴とする方法。
【請求項１７】
ピストンアセンブリと、
コネクティングロッドと、
上記コネクティングロッドを上記ピストンアセンブリと結合させるように構成された少なくとも１つのピストンピンとを備えたパワーセルユニットであって、
上記ピストンアセンブリの往復運動の間に、上記ピストンアセンブリは、上記コネクティングロッドと係合することにより、上記ピストンアセンブリの下降により発生したガス荷重を、実質的に、上記ピストンアセンブリから上記コネクティングロッドに直接伝達し、上記ピストンアセンブリの上昇により発生した慣性荷重程度の荷重が上記少なくとも１つのピストンピンに伝達され、
上記ピストンアセンブリの直径に対する、上記パワーセルユニットの圧縮高さ比が、２０％乃至３７％の範囲であることを特徴とするパワーセルユニット。
【請求項１８】
請求項１７に記載のパワーセルユニットにおいて、
上記コネクティングロッドは、間にキャビティが区画される２つの分岐部を有するファンネル部を備え、上記ピストンアセンブリは、ピストンクラウンを備え、該ピストンクラウンは、燃焼ボウルから下方に延在するボス部を有し、上記キャビティは、上記ボス部を収容することを特徴とするパワーセルユニット。
【請求項１９】
請求項１８に記載のパワーセルユニットにおいて、
上記ピストンピンを２つ備え、上記ピストンクラウンの上記ボス部により、上記ボス部を挟んで両側に２つの切り欠きが区画され、上記２つのピストンピンは、上記２つの切り欠きにそれぞれ圧入され、上記２つのピストンピンは、共通の回転軸を有することを特徴とするパワーセルユニット。
【請求項２０】
請求項１７に記載のパワーセルユニットにおいて、
上記ピストンアセンブリは、ピストンクラウンとピストンスカートとを備え、
上記ピストンクラウンと上記ピストンスカートとは、別々の材料で構成されることを特徴とするパワーセルユニット。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、パワーセルユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関のパワーセルユニットは、一般的に、エンジンブロックのシリンダ内に配置された往復ピストンと、このピストンの下部をクランクシャフトに結合するコネクティングロッドとを備える。このシリンダは、一端が閉塞され、他端が開口し得る。シリンダの閉塞端及びピストンの上部又はピストンクラウンにより、燃焼室が区画される。シリンダの開口端により、コネクティングロッドが揺動運動できる。このコネクティングロッドは、典型的には、ピストンに形成されるピンボア内に収容されるピストンピンによって、ピストンに結合される。
【０００３】
一般的には、エンジンブロックのシリンダ内で燃料を燃焼することにより、ピストンが往復運動する。ピストンはコネクティングロッドを駆動させ、コネクティングロッドはクランクシャフトを駆動させることにより、クランクシャフトをエンジンブロック内で回転させる。具体的には、シリンダ内の燃焼圧により、ピストンを下方にほぼ直線的であるが若干回転するように動作させ、ひいては、コネクティングロッドの端部にあるピストンピンを介して、コネクティングロッドも同様に動作させる。コネクティングロッドの直線運動と回転運動とが組み合わされることによって、コネクティングロッドの端部（特に、ピストンに対応する端部）には高レベルの応力が印加される。なぜなら、コネクティングロッドの端部は、上記往復運動の間におけるピストンピン及びピストンに応じたコネクティングロッドの角運動（具体的には、下方向の運動）を容易にするように構成されているからである。上記のような高レベルの応力は、ピストンピンを介してコネクティングロッドに伝達される。このため、ピストンピンは、かなりの回数の往復サイクルに亘る上記のような応力に対して、耐久性を有することができる強度になるだけの大きいサイズでなければならない。尚、ピストンピンは、パワーセルユニットが使用可能な期間の間、十分に機能するように、鋼材から形成されなければならないとされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、長期的な性能を犠牲にせずに内燃機関の全体効率を向上させることが望ましい。１つのアプローチとしては、例えば、ピストンピンを軽量化することにより、パワーセルユニットを軽量化することが挙げられる。しかしながら、小型化又は別の材料の使用により軽量化すれば、このようなピストンピンは、長期間に亘る耐久性を備えるだけの強度が得られなくなると考えられている。
【０００５】
従って、コネクティングロッドとピストン本体との安定した効率的な結合を内燃機関が使用可能な期間に亘って維持しながら、例えば、ピストンピンを軽量化することにより全体を軽量化した、より頑丈な軽量パワーセルユニットが求められる。 
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ここに開示された技術では、パワーセルユニットは、燃焼ボウルの周囲に円周方向に延在するリングベルト部及び燃焼ボウルから下方に延在する少なくとも１つのボス部を有するピストンクラウンと、ピストンスカートと、を有するピストンアセンブリと、縦長部、及び、上記縦長部の一端にあるファンネル部を有するコネクティングロッドと、上記コネクティングロッドを上記ピストンアセンブリに結合させるように構成された少なくとも１つのピストンピンとを備える。上記ピストンクラウンの上記少なくとも１つのボス部の底面が、上記コネクティングロッドの上記ファンネル部の対応する面と係合することにより、上記ピストンアセンブリが下降している間に、実質的に、ガス荷重を上記ピストンクラウンから上記コネクティングロッドに直接伝達する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】本発明の実施形態に係るパワーセルユニットの斜視断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの例示的なパワーセルユニットの部分断面図である。
【図２】別の実施例に係るパワーセルユニットの部分断面図である。
【図３】また別の実施例に係るパワーセルユニットの部分断面図である。
【図４】図１Ａ〜３の例示的なパワーセルユニットのいずれかに使用された例示的なピストンリングの斜視図である。
【図５】内燃機関のシリンダ内のパワーセルアセンブリの部分側面図である。
【図６】図１Ａ〜３の例示的なパワーセルユニットのいずれか一つを動作させるプロセスの例を示すフロー図である。
【図７】図４の例示的なピストンリングを動作させるプロセスの例を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
請求の範囲は示された例に限定されるわけではないが、様々な態様は、示された様々な例を検討することによって最適に認識される。ここで各図面を参照すると、例示的な実施形態が詳細に示されている。各図面は代表的な例を示しているが、各図面は、必ずしも原寸に比例しておらず、何らかの特徴は、実施形態の革新的な態様を分かりやすく例示及び説明するために誇張される場合がある。さらに、本明細書に記載された例示的な実施形態は、網羅的であること、又は、図面に示されかつ以下の詳細な説明に開示された厳密な形態及び構成に限定又は制限されることは、意図されていない。例示的な実施形態は、以下のように図面を参照しながら、詳細に記載される。
【０００９】
本明細書において、「例示的な実施形態」、「実施例」、又は同様な言い回しについての言及は、例示的なアプローチと関連して記載された特定の構成、構造又は特性が少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。「一実施形態では」のような表現が本明細書において様々な場所で用いられているが、必ずしも同じ実施形態又は実施例を指すものではない。
【００１０】
本明細書において、パワーセルユニット及びパワーセルユニットを動作させる方法についての様々な例示的実施形態が説明される。例示的なパワーセルユニットは、ピストンクラウン及びピストンスカートを有するピストンアセンブリを備えてもよい。ピストンクラウンは、燃焼ボウルの周囲に円周方向に延在するリングベルト部と、燃焼ボウルから下方に延在する少なくとも１つのボス部とを備えてもよい。例示的なパワーセルユニットは、コネクティングロッドと、少なくとも１つのピストンピンとをさらに備えてもよい。コネクティングロッドは、縦長部と該縦長部の一端にあるファンネル部とを有する。少なくとも１つのピストンピンは、コネクティングロッドをピストンアセンブリと結合するように構成されている。少なくとも１つのボス部の底面がファンネル部の対応する面と係合することにより、ピストンアセンブリが下降している間には、ガス荷重を、実質的に、ピストンクラウンからコネクティングロッドに直接伝達し、ピストンアセンブリが上昇している間には、慣性荷重のみをピストンクラウン及びピストンスカートのうち少なくとも一方からピストンピンに伝達するようにしてもよい。
【００１１】
パワーセルユニットを動作させる例示的方法は、上述のようなパワーセルユニットのピストンアセンブリを往復運動させることを含んでもよい。この方法は、この後に、少なくとも１つのボス部の底面と、コネクティングロッドのファンネル部の表面とを接触させることにより、ピストンアセンブリの往復運動によって発生したガス荷重をピストンクラウンからパワーセルユニットのコネクティングロッドに直接伝達することを含んでもよい。この方法は、この後に、ピストンクラウン及びピストンスカートのうち少なくとも一方から少なくとも１つのピストンピンに慣性荷重を伝達することを含んでもよい。この例示的方法によれば、ピストンピンは、ガス荷重に対する耐久性ではなく、慣性荷重に対する耐久性を備えるだけでよい。
【００１２】
ここで図面を参照すると、図１Ａ及び１Ｂは、例示的なパワーセルユニット１００を示す。パワーセルユニット１００は、ピストンアセンブリ１０１と、コネクティングロッド１０６と、ピストンピン１０８とを備えてもよい。ピストンピン１０８は、通常は、コネクティングロッド１０６が、例えば、パワーセルユニット１００を搭載したエンジンの動作中に、必要に応じて、ピストンアセンブリ１０１に対して旋回するように、コネクティングロッド１０６をピストンアセンブリ１０１に固定している。ピストンアセンブリ１０１は、ピストンクラウン１０２と、ピストンスカート１０４とを備えてもよい。
【００１３】
ピストンクラウン１０２は、燃焼ボウル１１２の周囲に円周方向に延在するリングベルト部１１０を備えてもよい。リングベルト部１１０には、円周方向に延在する１つ以上のリング溝１１１が形成されてもよい。リング溝１１１は、それぞれ、ピストンリング（不図示）を設けることにより、パワーセルユニット１００を採用するエンジンの対応するボア表面に対してシールしてもよい。ピストンクラウン１０２は、燃焼ボウル１１２から軸方向下方に延在するボス部１１４をさらに備えてもよい。ボス部１１４は、ピストンアセンブリ１０１の軸心に沿って延伸し、以下により詳細に記載されるように、ピストンピン１０８を収容するように構成されたボア１１６が形成されてもよい。
【００１４】
ピストンスカート１０４は、フランジ１１８を備えてもよい。フランジ１１８とピストンクラウン１０２とを組み合わせることにより、リングベルト部１１０と、燃焼ボウル１１２との間に、冷却空洞１２０を形成してもよい。冷却空洞１２０は、１つ以上の開口（不図示）を介して冷媒又は潤滑油を収容してもよい。詳しくは、エンジンクランクケースからオイルが流通されるように構成された冷媒噴射口（不図示）からの冷媒又は潤滑油が収容されてもよい。冷却空洞１２０により、冷媒又は潤滑油は、１つ以上の開口（不図示）を介してクランクケースに戻されてもよい。フランジ１１８は、リングベルト部１１０の下端と接触することにより、概ね冷却空洞１２０を閉鎖するものとして示されるが、いくつかの例示的な実施形態では、フランジ１１８の径方向外側の端部と、リングベルト部１１０の下端との間に間隙が設けられることにより、冷却空洞１２０に対する冷媒の出入りができるようになっていてもよい。ピストンスカート１０４は、フランジ１１８から軸方向下方に延在する壁１２２ａ，１２２ｂをさらに備えてもよい。壁１２２ａにボア１２４ａが形成され、壁１２２ｂにボア１２４ｂが形成されてもよい。ボア１２４ａ，１２４ｂは、ピストンピン１０８を収容するように構成される。
【００１５】
コネクティングロッド１０６は、縦長部１２６と、ピストンクラウン１０２及びピストンスカート１０４に対応する縦長部１２６の端部にあるファンネル部１２８とを備えてもよい。ファンネル部１２８は、一対の分岐部１３０ａ，１３０ｂに分岐していてもよい。一対の分岐部１３０ａ，１３０ｂの間には、キャビティ１３４が形成される。キャビティ１３４は、ピストンクラウン１０２のボス部１１４を収容することにより、ボス部１１４の底面が、キャビティ１３４の底面と接触するように構成されてもよい。分岐部１３０ａ，１３０ｂに、それぞれ、ピストンピン１０８を収容するよう構成されたボア１３２ａ，１３２ｂが形成されることにより、コネクティングロッド１０６を、ピストンクラウン１０２及びピストンスカート１０４に回転可能に固定することができるようになる。ボア１３２ａ，１３２ｂは、通常は、共通軸心に沿ってボア１１６，１３２ａ，１３２ｂと一直線になるように構成される。
【００１６】
ピストンアセンブリ１０１が、例えば、上死点（ＴＤＣ）から下死点（ＢＤＣ）まで下降する際、下向きの大きい力又はガス荷重（図１Ｂにおいて矢印１４０で表す）が発生する。しかしながら、ガス荷重１４０は、従来のパワーセルユニットのようにピストンピン１０８を介してコネクティングロッド１０６に伝達されるのではなく、ピストンクラウン１０２のボス部１１４の底面と、コネクティングロッド１０６のキャビティ１３４の底面とを接触させることにより、実質的に又は完全に、コネクティングロッド１０６に直接伝達され得る。さらに、ボス部１１４は、コネクティングロッド１０６の軸心と一直線になるように構成されてもよい。このため、ガス荷重１４０は、コネクティングロッド１０６の縦長部１２６に直接伝達され得る。従って、ピストンピン１０８の主な機能は、ピストンアセンブリ１０１及びコネクティングロッド１０６を固定することである。このため、ピストンアセンブリ１０１が、例えば、ＢＤＣからＴＤＣまで上昇している間に、ピストンピン１０８は、ピストンクラウン１０２及びピストンスカート１０４からのかなり小さい慣性荷重（小さい方の矢印１４２で表す）に対する耐久性を備えるだけでよい。ピストンピン１０８が耐えなければならない可能性のあるガス荷重１４０と慣性荷重１４２との差の例としては、２リットルガスエンジンの場合、ガス荷重は、７５，０００Ｎであり得る一方、慣性荷重は、１５，０００Ｎ前後であり得ることが挙げられる。図５に詳細に説明するように、ピストンピン１０８は、それ自体が、従来のパワーセルユニットのピストンピンと比べて、実質的に小型化され、かつ／又は、慣性荷重１４２に対する耐久性を備えるだけの軽量の材料からなり得る。その結果、ピストンピン１０８及びパワーセルユニット１００全体が軽量化され得る。
【００１７】
ピストンアセンブリ１０１は、直径ｄｐｉｓｔｏｎを有し、パワーセルユニット１００は、ピストンアセンブリ１０１の上部からピストンピン１０８の軸心までの圧縮高さｈｃも有してもよい。この構成により、パワーセルユニット１００は、従来のパワーセルユニットよりも小さい圧縮高さ比（すなわち、ピストン直径に対する圧縮高さの比）を有してもよい。例えば、圧縮高さ比は、パワーセルユニットの具体的な用途によるが、２０％乃至３７％の範囲でもよい。ディーゼルエンジンの場合、圧縮高さ比は、３７％以下であってもよい。ガスエンジンの場合、圧縮高さ比は、異なる用途において、２０％乃至３５％、２０％乃至２８％、又は、２５％乃至３５％の範囲でもよい。例えば、２リットルガソリンエンジンの場合、圧縮高さ比は、約２８．５％となり得る。
【００１８】
ピストンピン１０８もまた、直径ｄｐｉｎを有してもよい。パワーセルユニット１００の構成により、ピストン直径に対するピン直径の比は、同様に、従来のパワーセルユニットよりも小さくてもよい。例えば、この比は、２０％未満であってもよい。
【００１９】
図２は、別の例示的アプローチに係るパワーセルユニット２００を示す。パワーセルユニット１００と同様に、パワーセルユニット２００は、ピストンアセンブリ２０１と、コネクティングロッド２０６と、ピストンピン２０８ａ，２０８ｂとを備えてもよい。ピストンピン２０８ａ，２０８ｂは、通常は、コネクティングロッド２０６が、例えば、パワーセルユニット２００を搭載したエンジンの動作中に、必要に応じて、ピストンアセンブリ２０１に対して旋回するように、コネクティングロッド２０６をピストンアセンブリ２０１に固定している。ピストンアセンブリ２０１は、ピストンクラウン２０２と、ピストンスカート２０４とを備えてもよい。
【００２０】
ピストンクラウン２０２は、燃焼ボウル２１２の周囲に円周方向に延在するリングベルト部２１０を備えてもよい。リングベルト部２１０には、円周方向に延在する１つ以上のリング溝２１１が形成されてもよい。リング溝２１１は、それぞれ、ピストンリング（不図示）を設けることにより、パワーセルユニット２００を採用するエンジンの対応するボア表面に対してシールしてもよい。ピストンクラウン２０２は、燃焼ボウル２１２から軸方向下方に延在するボス部２１４をさらに備えてもよい。ボス部２１４は、ピストンアセンブリ２０１の軸心に沿って延伸してもよい。ボス部２１４を挟んで両側に、それぞれ、切り欠き２１６ａ，２１６ｂが形成されてもよい。切り欠き２１６ａ，２１６ｂは、それぞれ、ピストンピン２０８ａ，２０８ｂを収容するように構成される。ピストンピン２０８ａ，２０８ｂは、対応する切り欠き２１６ａ，２１６ｂに圧入されてもよい。
【００２１】
ピストンスカート２０４は、フランジ２１８を備えてもよい。フランジ２１８とピストンクラウン２０２とを組み合わせることにより、リングベルト部２１０と、燃焼ボウル２１２との間に、冷却空洞２２０を形成してもよい。冷却空洞２２０は、１つ以上の開口（不図示）を介して冷媒又は潤滑油を収容してもよい。詳しくは、エンジンクランクケースからオイルが流通されるように構成された冷媒噴射口（不図示）からの冷媒又は潤滑油が収容されてもよい。冷却空洞２２０により、冷媒又は潤滑油は、１つ以上の開口（不図示）を介してクランクケースに戻されてもよい。フランジ２１８は、リングベルト部２１０の下端と接触することにより、概ね冷却空洞２２０を閉鎖するものとして示されるが、いくつかの例示的な実施形態では、フランジ２１８の径方向外側の端部と、リングベルト部２１０の下端との間に間隙が設けられることにより、冷却空洞２２０に対する冷媒の出入りができるようになっていてもよい。ピストンスカート２０４は、フランジ２１８から軸方向下方に延在する壁２２２ａ，２２２ｂをさらに備えてもよい。壁２２２ａにボア２２４ａが形成され、壁２２２ｂにボア２２４ｂが形成されてもよい。ボア２２４ａ，２２４ｂは、それぞれ、ピストンピン２０８ａ，２０８ｂを収容するように構成される。
【００２２】
コネクティングロッド２０６は、縦長部２２６と、ピストンクラウン２０２及びピストンスカート２０４に対応する縦長部２２６の端部にあるファンネル部２２８とを備えてもよい。ファンネル部２２８は、一対の分岐部２３０ａ，２３０ｂに分岐していてもよい。一対の分岐部２３０ａ，２３０ｂの間には、キャビティ２３４が形成される。キャビティ２３４は、ピストンクラウン２０２のボス部２１４を収容することにより、ボス部２１４の底面が、キャビティ２３４の底面と接触するように構成されてもよい。分岐部２３０ａ，２３０ｂには、それぞれ、ピストンピン２０８ａ，２０８ｂを収容するよう構成されたボア２３２ａ，２３２ｂが形成されることにより、コネクティングロッド２０６を、ピストンクラウン２０２及びピストンスカート２０４に回転可能に固定することができるようになる。ボア２３２ａ，２３２ｂは、通常は、ボア２１６，２３２ａ，２３２ｂと一直線になるように構成される。
【００２３】
パワーセルユニット１００の場合と同様に、パワーセルユニット２００のピストンアセンブリ２０１が、例えば、上死点から下死点まで往復運動する際、下向きの大きい力又はガス荷重（矢印２４０で表す）が発生する。しかしながら、ガス荷重２４０は、従来のパワーセルユニットのように１つのピストンピンを介してコネクティングロッド２０６に伝達されるのではなく、ピストンクラウン２０２のボス部２１４の底面と、コネクティングロッド２０６のキャビティ２３４の底面とを接触させることにより、実質的に、コネクティングロッド２０６に直接伝達され得る。さらに、ボス部２１４は、コネクティングロッド２０６の軸心と一直線になるように構成されてもよい。このため、ガス荷重２４０は、コネクティングロッド２０６の縦長部２２６に直接伝達され得る。従って、主にピストンアセンブリ２０１及びコネクティングロッド２０６を固定するために、２つの小さめのピストンピン２０８ａ，２０８ｂを用い得る。そのため、ピストンピン２０８ａ，２０８ｂは、ピストンクラウン２０２及びピストンスカート２０４からのかなり小さい慣性荷重（小さい方の矢印２４２で表す）に対する耐久性を備えるだけでよい。ピストンピン２０８ａ，２０８ｂは、それ自体が、従来のパワーセルユニットのピストンピンと比べて、実質的に小型化及び軽量化され、かつ／又は、慣性荷重２４２に対する耐久性を備えるだけの軽量の材料からなり得る。その結果、パワーセルユニット２００全体が軽量化され得る。
【００２４】
ピストンアセンブリ２０１は、直径ｄｐｉｓｔｏｎを有し、パワーセルユニット２００は、ピストンアセンブリ２０１の上部からピストンピン２０８ａ，２０８ｂの軸心までの圧縮高さｈｃも有してもよい。この構成により、パワーセルユニット２００は、従来のパワーセルユニットよりも小さい圧縮高さ比（すなわち、ピストン直径に対する圧縮高さの比）を有してもよい。例えば、圧縮高さ比は、パワーセルユニットの具体的な用途によるが、２０％乃至３７％の範囲でもよい。ディーゼルエンジンの場合、圧縮高さ比は、３７％以下であってもよい。ガスエンジンの場合、圧縮高さ比は、異なる用途において、２０％乃至３５％、２０％乃至２８％、又は、２５％乃至３５％の範囲でもよい。例えば、２リットルガソリンエンジンの場合、圧縮高さ比は、約２８．５％となり得る。
【００２５】
ピストンピン２０８もまた、直径ｄｐｉｎを有してもよい。パワーセルユニット２００の構成により、ピストン直径に対するピン直径の比は、同様に、従来のパワーセルユニットよりも小さくてもよい。例えば、この比は、２０％未満であってもよい。
【００２６】
図３は、別の例示的アプローチに係るパワーセルユニット３００を示す。パワーセルユニット１００及び２００と同様に、パワーセルユニット３００は、ピストンアセンブリ３０１と、コネクティングロッド３０６と、ピストンピン３０８とを備えてもよい。ピストンピン３０８は、通常は、コネクティングロッド３０６が、例えば、パワーセルユニット３００を搭載したエンジンの動作中に、必要に応じて、ピストンアセンブリ３０１に対して旋回するように、コネクティングロッド３０６をピストンアセンブリ３０１に固定している。ピストンアセンブリ３０１は、ピストンクラウン３０２と、ピストンスカート３０４とを備えてもよい。
【００２７】
ピストンクラウン３０２は、燃焼ボウル３１２の周囲に円周方向に延在するリングベルト部３１０を備えてもよい。リングベルト部３１０には、円周方向に延在する１つ以上のリング溝３１１が形成されてもよい。リング溝３１１は、それぞれ、ピストンリング（不図示）を設けることにより、パワーセルユニット３００を採用するエンジンの対応するボア表面に対してシールしてもよい。ピストンクラウン３０２は、燃焼ボウル３１２から軸方向下方に延在する一対のボス部３１４ａ，３１４ｂをさらに備えてもよい。ボス部３１４ａ，３１４ｂは、ピストンアセンブリ３０１の軸心から径方向に等しく間隔を空けて配置されてもよく、これらのボス部３１４ａ，３１４ｂの間には、キャビティ３３４が区画されてもよい。ボス部３１４ａ，３１４ｂには、以下により詳細に説明されるように、それぞれ、ボア３１６ａ，３１６ｂが形成されてもよい。ボア３１６ａ，３１６ｂは、ピストンピン３０８を収容するように構成される。
【００２８】
ピストンスカート３０４は、フランジ３１８を備えてもよい。フランジ３１８とピストンクラウン３０２とを組み合わせることにより、リングベルト部３１０と、燃焼ボウル３１２との間に、冷却空洞３２０を形成してもよい。冷却空洞３２０は、１つ以上の開口（不図示）を介して冷媒又は潤滑油を収容してもよい。詳しくは、エンジンクランクケースからオイルが流通されるように構成された冷媒噴射口（不図示）からの冷媒又は潤滑油が収容されてもよい。冷却空洞３２０により、冷媒又は潤滑油は、１つ以上の開口（不図示）を介してクランクケースに戻されてもよい。フランジ３１８は、リングベルト部３１０の下端と接触することにより、概ね冷却空洞３２０を閉鎖するものとして示されるが、いくつかの例示的な実施形態では、フランジ３１８の径方向外側の端部と、リングベルト部３１０の下端との間に間隙が設けられることにより、冷却空洞３２０に対する冷媒の出入りができるようになっていてもよい。ピストンスカート３０４は、フランジ３１８から軸方向下方に延在する壁３２２ａ，３２２ｂをさらに備えてもよい。壁３２２ａにボア３２４ａが形成され、壁３２２ｂにボア３２４ｂが形成されてもよい。ボア３２４ａ，３２４ｂは、ピストンピン３０８を収容するように構成される。
【００２９】
コネクティングロッド３０６は、縦長部３２６と、ピストンクラウン３０２及びピストンスカート３０４に対応する縦長部３２６の端部にあるファンネル部３２８とを備えてもよい。ファンネル部３２８は、軸方向上方に延在するとともにキャビティ３３４に収容されるボス部３３０を備えてもよい。ファンネル部３２８は、ボス部３３０を挟んで両側に肩部３３６ａ，３３６ｂをさらに備えてもよい。ここでは、肩部３３６ａ，３３６ｂの表面は、それぞれ、ピストンクラウン３０２のボス部３１４ａ，３１４ｂの底面と接触する。ボス部３３０に、ピストンピン３０８を収容するように構成されたボア３３２が形成されることにより、コネクティングロッド３０６を、ピストンクラウン３０２及びピストンスカート３０４に回転可能に固定することができるようになる。ボア３３２は、通常は、ボア３１６ａ，３１６ｂ，３３２と一直線になるように構成される。
【００３０】
パワーセルユニット１００及び２００の場合と同様に、パワーセルユニット３００のピストンアセンブリ３０１が、例えば、上死点から下死点まで往復運動する際、下向きの大きい力又はガス荷重（矢印３４０で表す）が発生する。しかしながら、ガス荷重３４０は、従来のパワーセルユニットのようにピストンピン３０８を介してコネクティングロッド３０６に伝達されるのではなく、ピストンクラウン３０２のボス部３１４ａ，３１４ｂの底面と、コネクティングロッド３０６の肩部３３６ａ，３３６ｂとを接触させることにより、実質的に、コネクティングロッド３０６に直接伝達され得る。従って、ピストンピン３０８の主な機能は、ピストンアセンブリ３０１及びコネクティングロッド３０６を固定することである。そのため、ピストンピン３０８は、ピストンクラウン３０２及びピストンスカート３０４からのかなり小さい慣性荷重（小さい方の矢印３４２で表す）に対する耐久性を備えるだけでよい。ピストンピン３０８は、それ自体が、従来のパワーセルユニットのピストンピンと比べて、実質的に小型化され、かつ／又は、慣性荷重３４２に対する耐久性を備えるだけの軽量の材料からなり得る。その結果、ピストンピン３０８及びパワーセルユニット３００全体が軽量化され得る。
【００３１】
ピストンアセンブリ３０１は、直径ｄｐｉｓｔｏｎを有し、パワーセルユニット３００は、ピストンアセンブリ３０１の上部からピストンピン３０８の軸心までの圧縮高さｈｃも有してもよい。この構成により、パワーセルユニット３００は、従来のパワーセルユニットよりも小さい圧縮高さ比（すなわち、ピストン直径に対する圧縮高さの比）を有してもよい。例えば、圧縮高さ比は、パワーセルユニットの具体的な用途によるが、２０％乃至３７％の範囲でもよい。ディーゼルエンジンの場合、圧縮高さ比は、３７％以下であってもよい。ガスエンジンの場合、圧縮高さ比は、異なる用途において、２０％乃至３５％、２０％乃至２８％、又は、２５％乃至３５％の範囲でもよい。例えば、２リットルガソリンエンジンの場合、圧縮高さ比は、約２８．５％となり得る。
【００３２】
ピストンピン３０８もまた、直径ｄｐｉｎを有してもよい。パワーセルユニット３００の構成により、ピストン直径に対するピン直径の比は、同様に、従来のパワーセルユニットよりも小さくてもよい。例えば、この比は、２０％未満であってもよい。
【００３３】
当然のことながら、ガス荷重を、図示しないピストンピンに対向するように、コネクティングロッドに直接伝達するパワーセルユニットを実現するための他の例示的アプローチがあってもよい。例えば、パワーセルユニット３００は、パワーセルユニット２００と同様に、２つのピストンピンを実装してもよい。この場合、コネクティングロッド３０６のボス部３３０は、１つのボアに対向するように、ボス部３３０の両側に切り欠きを設けてもよい。各切り欠きは、ピストンピンのうち１つを収容するように構成される。
【００３４】
上述のパワーセルユニット１００，２００，３００のいずれにおいても、ピストンクラウン１０２，２０２，３０２及びピストンスカート１０４，２０４，３０４は、同じ材料で構成されてもよいし、構成されなくてもよい。例えば、ピストンクラウン１０２，２０２，３０２の材料としては、限定されないが、鋼材、アルミニウム、チタン、マグネシウム、炭素、セラミックス、又はこれらの組み合わせが挙げられる。ピストンスカート１０４，２０４，３０４の材料としては、限定されないが、アルミニウム、チタン、マグネシウム、炭素繊維、プラスチック、重合体、鋼材、又はこれらの組み合わせ、例えば、鋳造された金属又は重合体を含む金属又は鋼材の骨組が挙げられる。以下により詳細に説明するように、ピストンピン１０８，２０８ａ，２０８ｂ，３０８に対する負荷が低減されることにより、ピストンクラウン１０２，２０２，３０２及びピストンスカート１０４，２０４，３０４を別々の材料で構成し得る。材料を別々にすることにより、パワーセルユニット１００，２００，３００のモジュラー設計ができるようになる。この場合、材料の異なる組み合わせを用いて、重量、負荷、及びコストの最適化が行われるだけでなく、異なるエンジン及び設計の制約に適合させ得る。
【００３５】
コネクティングロッド１０６，２０６，３０６の材料は、ピストンクラウン１０２，２０２，３０２及びピストンスカート１０４，２０４，３０４のうち少なくとも一方と同じでもよいし、同じでなくてもよい。これにより、パワーセルユニット１００，２００，３００のモジュラー構成が推進される。例えば、コネクティングロッド１０６，２０６，３０６の材料としては、限定されないが、チタン、アルミニウム、 鋼材、及び、炭素繊維複合材が挙げられる。
【００３６】
図４は、例示的なピストンピン４００を示す。ピストンピン４００は、ピストンピン１０８、２０８ａ、２０８ｂ、及び３０８として、パワーセルユニット１００、２００、及び３００のうちのいずれかに実装されてもよい。ピストンピン４００は、通常は、ほぼ円形の断面を有する細長い本体を有してもよい。ピストンピン４００の一端又は両端における内側の角は、面取りされてもよい。当然のことながら、図４では、ピストンピン４００を中空の芯材を有するものとして示しているが、ピストンピン４００は、中空でなくてもよい。上述のように、ピストンピン４００は、主に、ピストンアセンブリ１０１，２０１，３０１をコネクティングロッド１０６，２０６，３０６に固定する働きをする。このため、上記細長い本体は、ほぼ慣性荷重程度の荷重にしか耐えられない場合がある。上記細長い本体が耐えるように構成され得る全負荷には、例えば、動作条件が異なることが原因で起こり得る慣性荷重のわずかなばらつきに対する耐性が反映されていてもよい。このため、上記細長い本体は、ピストンアセンブリ１０１，２０１，３０１の往復運動により発生するガス荷重１４０，２４０，３４０に耐えられるようなサイズに調整されたり、これらの負荷に耐えられるような材料で構成されたりしなくてもよい。従って、ピストンピン４００のサイズ（例えば、長さ及び直径のうち少なくとも一方）は、パワーセルユニット１００，２００，３００とサイズが同等な従来のパワーセルユニットのピストンピンのサイズよりも小さく、ピストンピン４００の材料は、上記従来のパワーセルユニットのピストンピンの材料よりも軽量であってもよい。その結果、ピストンピンの重量が、５０％以上削減し得る。例えば、少なくとも８０ｍｍの直径を有するピストンアセンブリの場合、ピストンピン４００は、アルミニウムで構成され、かつ／又は、１５ｍｍ以下の直径を有してもよい。このサイズのピストンアセンブリを有する従来のパワーセルユニットでは、このような直径のアルミニウムピストンピンは、ガス荷重に対する耐性がなかった。ピストンピン４００の他の材料としては、限定されないが、鋼材、アルミニウム、セラミックス、及び、これらの材料の混成物のうち少なくとも１つ、又は、これらの材料の組み合わせが挙げられる。例えば、上記の材料の混成物又は上記の材料の組み合わせを用いる場合、ピストンピンの芯材はアルミニウムであり、ケースは鋼材である。
【００３７】
ここで図５を参照すると、パワーセルユニット１００，２００，３００は、通常は、シリンダ５００内で上下動する。シリンダ５００内での往復運動の間に、パワーセルユニットは、一般的に下降中には「スラスト側」、上昇中には「反スラスト側」と呼ばれるシリンダ５００の壁から側面荷重５０２を受け得る。側面荷重５０２は、図５に示されるように、ピストンスカートを介してピストンピン４００に伝達されてもよい。
【００３８】
ここで図６を参照すると、パワーセルユニット１００を動作させるための例示的プロセス６００が示されている。プロセス６００をパワーセルユニット１００について説明するが、当然のことながら、プロセス６００は、パワーセルユニット１００、２００、及び３００のいずれか、並びに、上述されていない他の例示的なアプローチに適用可能である。プロセス６００は、ブロック６０２から開始し得る。ブロック６０２では、ピストンアセンブリ１０１を往復運動させる。ブロック６０４では、ピストンアセンブリ１０１の往復運動により発生するガス荷重１４０を、実質的に、ピストンクラウン１０２のボス部１１４からコネクティングロッド１０６に直接伝達し得る。ブロック６０６では、ピストンクラウン１０２及びピストンスカート１０４のうち少なくとも一方からの慣性荷重をピストンピン１０８に伝達し得る。ブロック６０４及び６０６は、ほぼ同時に実施されてもよく、ピストンアセンブリ１０１が往復運動をしている間は、反復されてもよい。プロセス６００は、ブロック６０４及び６０６の後に終了し得る。
【００３９】
図７は、ピストンピン４００を用いるための例示的プロセス７００を示す。プロセス７００は、ブロック７０２から開始し得る。ブロック７０２では、少なくとも１つのピストンピン４００を、ピストンクラウン、ピストンスカート、及びコネクティングロッドのボア並びに切り欠きのうち少なくとも一つに挿入することにより、ピストンアセンブリとコネクティングロッドとを回転可能に固定する。ブロック７０４では、ピストンピン４００は、ピストンアセンブリの往復運動の間、ピストンクラウン及びピストンスカートのうち少なくとも一方からの慣性荷重のみを吸収し得る。ブロック７０４は、ピストンアセンブリが往復運動をしている間は、反復されてもよい。プロセス７００は、ブロック７０４の後に終了し得る。
【００４０】
ここで説明されたプロセス、システム、方法、発見法等に関しては、これらのプロセスなどのステップが特定の順で行われるとして説明してきたが、このようなプロセスを、ここで説明した順番以外の順番で行われる上記ステップによって実施できると理解されるものとする。さらに、特定のステップを同時に行うことができ、その他のステップを追加することができ、又は、ここで説明した特定のステップを省略することができると理解されるものとする。言い換えると、本願のプロセスの説明は，特定の実施形態を説明するためのものであり、クレームされた発明を限定するものではない。
【００４１】
したがって、上記の記載は、例示的なものであり限定的ではないと理解される。上記説明を読むことにより、上記例以外の多くの実施形態及び適用例が提供されるであろう。本発明の範囲は、上記説明を参照して決定されるべきではなく、代わりに、添付の特許請求の範囲を参照して、そのような特許請求の範囲に与えられる均等物の全範囲と共に決定されるべきである。ここに述べた技術において将来的な発展があり、開示したシステム及び方法はそのような将来的な実施形態に組み込まれるであろうことが予期され且つ意図されている。つまり、本発明は、変更及び変形可能であり、以下の特許請求の範囲によってのみ限定されることは理解すべきである。
【００４２】
特許請求の範囲で使用される全ての用語は、明細書に相反する明確な指示のない限り、それらの最も広い妥当な構成と当事者が理解するような通常の意味が与えられることを意図するものである。特に、「一つの（ａ）」、「上記（ｔｈｅ）」、「この（ｓａｉｄ）」等の単数の冠詞の使用は、各請求項が相反する明確な指示をしない限り、一つ以上の指示した要素を指すものとする。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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【図７】
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