(57)【要約】内燃対向ピストンエンジンのためのピストンは、クラウン部、スカート部、および外側部分を含む。クラウン部は、圧縮リングを支持するための第１のリングベルト領域と、対向するピストンの端面で燃焼室を形成するように形作られる端面とを含む。スカート部は、側壁と、側壁に形成される第１の開口部および第２の開口部を持つリストピンボアとを含む。外側部分は、オイル制御リングを支持するための第２のリングベルト領域を含む。クラウン部は、１つまたは複数の溶接シームで側壁の上端部に接合される。外側部分は、溶接シームで側壁の下端部に接合される。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２ストロークサイクル、内燃機関のマルチパートピストンであって、
第１の円周方向リングベルト領域を持つクラウン部と、
第１の端部および第２の端部を含む側壁を持つスカート部と、
第２の円周方向リングベルト領域を持つ外側部分と、
を備え、
前記クラウン部が、１つまたは複数の第１の溶接シームによって前記スカート部の前記第１の端部に接合され、前記外側部分が、第２溶接シームによって前記スカート部の前記第２の端部に接合される、マルチパートピストン。
【請求項２】
前記クラウン部が第１の材料で作られ、前記スカート部が第２の材料で作られる、請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記第１の材料が、高温で高強度を持つ金属または金属合金を含み、前記第２の材料が、４１４０鋼、ステンレス鋼、１０ｘｘ炭素鋼、ダクタイル鋳鉄、オーステンパ球状黒鉛鋳鉄、コンパクト黒鉛鋳鉄、ねずみ鋳鉄、任意の種類のＳＡＥグレード鋼、チタン、オーステナイトニッケルクロム基超合金、およびニッケル基合金鋼、のうちの１つまたは複数を含む、請求項２に記載のピストン。
【請求項４】
前記クラウン部が鍛造金属部を備え、前記スカート部が鍛造金属部を備える、請求項１に記載のピストン。
【請求項５】
前記クラウン部が鍛造金属部を備え、前記下部が鍛造金属部を備える、請求項１に記載のピストン。
【請求項６】
前記スカート部が鍛造金属部を備え、前記下部が鍛造金属部を備える、請求項１に記載のピストン。
【請求項７】
対向ピストンエンジンのピストンであって、
対向ピストンエンジンのシリンダ内の対向するピストンの端面で燃焼室を形成する手段を含む端面、および、１つまたは複数のリング溝を持つ円周方向に延在する圧縮リングベルト領域を備える、クラウン部と、
第１の端部、第２の端部、およびスカート部の側壁に形成されるリストピンボア軸線を持つリストピンボアを備える、スカート部と、
１つまたは複数のリング溝を持つ円周方向に延在するオイルリングベルト領域を備える、外側部分と、
前記クラウン部を前記スカート部の前記第１の端部と接合する１つまたは複数の第１の溶接シームと、
前記スカート部の前記第２の端部を前記外側部分と接合する第２の溶接シームと、
を備え、
前記圧縮リングベルト領域が、前記ピストンの長手方向軸線に沿って前記オイルリングベルト領域と同軸に整列される、対向ピストンエンジンのピストン。
【請求項８】
前記クラウン部が第１の材料で作られ、前記スカート部が第２の材料で作られる、請求項７に記載のピストン。
【請求項９】
前記第１の材料が、高温で高い強度を持つ金属または金属合金を含み、前記第２の材料が、４１４０鋼、ステンレス鋼、１０ｘｘ炭素鋼、ダクタイル鋳鉄、オーステンパ球状黒鉛鋳鉄、コンパクト黒鉛鋳鉄、ねずみ鋳鉄、任意の種類のＳＡＥグレード鋼、チタン、オーステナイトニッケルクロム基超合金、およびニッケル基合金鋼、のうちの１つまたは複数を含む、請求項８に記載のピストン。
【請求項１０】
前記クラウン部が鍛造金属部を備え、前記スカート部が鍛造金属部を備える、請求項７に記載のピストン。
【請求項１１】
前記クラウン部が鍛造金属部を備え、前記外側部分が鍛造金属部を備える、請求項７に記載のピストン。
【請求項１２】
前記スカート部が鍛造金属部を備え、前記外側部分が鍛造金属部を備える、請求項７に記載のピストン。
【請求項１３】
前記クラウン部が、４１４０鋼を含む鍛造金属ベースのクラウンを備え、前記スカート部が、鋼合金またはアルミニウム合金を含む鍛造金属ベースのスカートを備える、請求項７に記載のピストン。
【請求項１４】
燃焼室を形成するための前記手段が、前記２つの軸線の間の所定の角度で前記長手方向リストピンボア軸線に位置合わせされる軸線を含む、請求項７から１３のいずれか一項に記載のピストン。
【請求項１５】
対向ピストンエンジンのピストンを製造する方法であって、
第１のリングベルト領域を持つ側壁を備えるクラウン部を提供するステップと、
スカート部を提供するステップであり、前記スカート部が長手方向リストピンボア軸線を有するピストンピンボアを備えるステップと、
第２のリングベルト領域を備える外側部分を提供するステップと、
前記クラウン部およびスカート部を一緒に溶接するステップと、
前記外側部分および前記スカート部を一緒に溶接するステップと、
を含む、方法。
【請求項１６】
前記ピストンの前記クラウン部、前記スカート部、および／または前記外側部分を作るように、鍛造を用いて金属片を変形させるステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記クラウン部および前記スカート部を一緒に溶接するステップが、摩擦溶接、シールドアクティブガス溶接、シールドメタルアーク溶接、ガスタングステンアーク溶接、ガスメタルアーク溶接、フラックス入りワイヤアーク溶接、サブマージドアーク溶接、エレクトロスラグ溶接、および電気抵抗溶接のうちの１つまたは複数を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記クラウン部および前記外側部分を一緒に溶接するステップが、摩擦溶接、シールドアクティブガス溶接、シールドメタルアーク溶接、ガスタングステンアーク溶接、ガスメタルアーク溶接、フラックス入りワイヤアーク溶接、サブマージドアーク溶接、エレクトロスラグ溶接、および電気抵抗溶接のうちの１つまたは複数を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記クラウン部および前記スカート部を一緒に溶接するステップが、前記クラウン部および前記スカート部の誘導加熱を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記スカート部分および前記外側部分を一緒に溶接するステップが、前記スカート部分および前記外側部分の誘導加熱を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１および第２のベルト領域にリング溝を形成するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記クラウン部が、対向ピストンエンジンのシリンダ内の対向するピストンの端面で燃焼室を形成するための手段を持つ端面をさらに備え、前記燃焼室が、軸線を含み、さらに、前記クラウン部および前記スカート部を一緒に溶接するステップが、前記燃焼室形成手段の軸線を前記２つの軸線の間の所定の角度で前記長手方向リストピンボア軸線に向けるステップを含む、請求項１５から２１のいずれか一項に記載のピストン。
【請求項２３】
対向ピストンエンジンのピストンであって、
対向ピストンエンジンのシリンダ内の対向するピストンの端面で燃焼室を形成する手段を含む端面、および、１つまたは複数のリング溝を持つ円周方向に延在する圧縮リングベルト領域を備える、クラウン部と、
側壁、第１の端部、第２の端部、および前記側壁に形成されるリストピンを備える、スカート部と、
１つまたは複数のリング溝を持つ円周方向に延在するオイルリングベルト領域を備える、外側部分と、
前記クラウン部を前記スカート部の前記第１の端部と接続する第１の溶接シームと、
前記スカート部の前記第２の端部を前記外側部分と接続する第２の溶接シームと、
を備え、
前記圧縮リングベルト領域が、前記ピストンの長手方向軸線に沿って前記オイルリングベルト領域と同軸に整列される、対向ピストンエンジンのピストン。
【請求項２４】
前記クラウン部が、アンダークラウンをさらに備え、前記スカート部が、前記第１端部付近の前記側壁内に位置している内壁をさらに備え、
前記第１の溶接シームが、
前記内壁の半径方向内側円周面と前記アンダークラウンの対応する内側円周面との間の内側溶接シームと、
前記内壁の半径方向外側円周面と前記アンダークラウンの対応する外側円周面との間の内側溶接シームと、を備える、請求項２３に記載のピストン。
【請求項２５】
前記側壁が、ピストンの長手方向軸線を画定し、前記第１の溶接シームが、前記ピストンの長手方向軸線に直交する前記ピストンの平面切断部に整列される、請求項２４に記載のピストン。
【請求項２６】
前記クラウン部および前記スカート部が、前記リストピンボアの軸線に対して位置合わせされる、請求項２３に記載のピストン。
【請求項２７】
対向ピストンエンジンのピストンであって、
対向ピストンエンジンのシリンダ内の対向するピストンの端面で燃焼室を形成する手段を含む端面、および、１つまたは複数のリング溝を持つ円周方向に延在する圧縮リングベルト領域を備える、クラウン部と、
側壁、第１の端部、第２の端部、および前記側壁に形成されるリストピンボアを備える、スカート部と、
１つまたは複数のリング溝を持つ円周方向に延在するオイルリングベルト領域を備える、外側部分と、
を備え、
前記クラウン部が、溶接、ねじ切り、および圧入のうちの１つによって前記スカート部の前記第１の端部に接続され、
前記スカート部の前記第２の端部が、溶接、ねじ切り、圧入のうちの１つによって前記外側部分に接続される、対向ピストンエンジンのピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
この出願は、次の特許出願、すなわち「対向ピストンエンジン用のピストン構造（Ｐｉｓｔｏｎ  Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ  ｆｏｒ  Ｏｐｐｏｓｅｄ−Ｐｉｓｔｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅｓ）」について２０１１年８月１５日に出願された米国特許出願第１３／１３６，９５５号、現在は２０１５年１０月２０日に発行された米国特許第９，１６３，５０５号、「２ストロークサイクルエンジン用ロッキングジャーナルベアリング（Ｒｏｃｋｉｎｇ  Ｊｏｕｒｎａｌ  Ｂｅａｒｉｎｇｓ  ｆｏｒ  Ｔｗｏ−Ｓｔｒｏｋｅ  Ｃｙｃｌｅ  Ｅｎｇｉｎｅｓ）」について２０１３年２月２５日に出願された米国特許出願第１３／７７６，６５６号、現在は２０１５年１１月３日に発行された米国特許第９，１７５，７２５号、「２ストロークサイクルの対向ピストンエンジンでリストピンの油圧を維持するための潤滑構成（Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ  Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ  Ｆｏｒ  Ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ  Ｗｒｉｓｔｐｉｎ  Ｏｉｌ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｉｎ  Ａ  Ｔｗｏ−Ｓｔｒｏｋｅ  Ｃｙｃｌｅ，  Ｏｐｐｏｓｅｄ−Ｐｉｓｔｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅ）」について２０１３年１１月８日に出願された米国特許出願第１４／０７５，９２６号、現在は２０１５年５月２６日に発行された米国特許第９，０３８，５９３号、「対向ピストンエンジンのベアリングリザーバからの潤滑油を使用したピストン冷却構成（Ｐｉｓｔｏｎ  Ｃｏｏｌｉｎｇ  Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ  Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ  Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ  Ｏｉｌ  Ｆｒｏｍ  ａ  Ｂｅａｒｉｎｇ  Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ  ｉｎ  ａｎ  Ｏｐｐｏｓｅｄ−Ｐｉｓｔｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅ）」について２０１４年３月６日に出願された米国特許出願第１４／１９９，８７７号、現在は２０１６年１０月１８日に発行された米国特許第９，４７０，１３６号、米国特許出願公開第２０１６／０２０１５４４号として公開された「対向ピストンエンジンのピストン冷却（Ｐｉｓｔｏｎ  Ｃｏｏｌｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｏｐｐｏｓｅｄ−Ｐｉｓｔｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅｓ）」について２０１５年１月１４日に出願された米国特許出願第１４／５９６，８５５号、現在は２０１７年９月１２発行された米国特許第９，７５９，１１９号、および、２０１７年１２月２８日に米国特許出願公開第２０１７／０３７０２７３号として公開された「対向ピストンエンジンのピストン冷却（Ｐｉｓｔｏｎ  Ｃｏｏｌｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｏｐｐｏｓｅｄ−Ｐｉｓｔｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅｓ）」について２０１７年８月２５日に出願された米国特許出願第１５／６８７，３６８号、の主題に関連する主題を含んでいる。
【０００２】
分野は、内燃機関用のピストン構造である。より詳細には、本発明は、対向ピストンエンジンのピストンの構造に関し、これは、２つのリングベルト領域を有するマルチパートピストン構成を実施する。
【背景技術】
【０００３】
対向ピストン内燃機関のピストンは、シリンダヘッドに対して燃焼室を形成する従来のピストンとは異なって構成される。これは、特に対向ピストンエンジンに当てはまり、その場合、ピストンの移動は、給気および排気がエンジンのシリンダに出入りすることができるポートの開閉を制御する。先に挙げた関連出願のいくつかで詳細に説明されているように、排出物質の低減および動力性能の目標を目指しながら、ピストンの冷却、潤滑、および耐久性を考慮する対向ピストンエンジンのピストンの変更が行われ得る。
【０００４】
２ストロークサイクルの対向ピストンエンジンにおいては、シリンダのボア内での対向移動操作のために配置される一対のピストンを持つ、少なくとも１つのポート付きシリンダがある。シリンダ内のピストンの前後の摺動運動は、ボア表面によって案内される。圧縮行程においては、ピストンは、ボアの中間領域でそれらの端面の間に燃焼室を形成するように互いに近づく。動力行程においては、ピストンは、燃焼イベントに応じて離れて行く。ピストンが一緒に離れて摺動すると、ピストンのクラウンに取り付けられた内側ピストンリングのセットは、燃焼室をシールするようにボア表面に接触し、スカートの外側端部近くでピストンスカートに取り付けられた外側ピストンリングのセットは、シリンダの中へおよび外への潤滑油の移送を制御するようにボア表面に接触する。ピストンの移動により、リングは、一方ではボア表面と他方ではピストンのリングおよびスカートとの間の摩擦を低減する目的でボアの表面の上におよびその全域に潤滑油を広げることができるようになる。さらに、圧縮行程中に、ピストンがシリンダ内の上部中央（ＴＣ）位置近くにあるとき、外側リングは、吸気ポートおよび排気ポートとシリンダの開口端との間に配置され、吸気および排気ガスとの混合からクランクケースのガス、オイルミスト、および蒸気を保護するシールを提供する。
【０００５】
場合によっては、ピストンには、シリンダボア表面との最小化された接触面積をもたらすスカート構成が設けられ、それにより、エンジン性能および耐久性のためにピストン／ボアの摩擦およびピストン質量が低減される。この構成は、内側ピストンリングと外側ピストンリングのセットの間で、リストピン軸線に沿ってスカートのウエストを狭くすることで構成される。この構成は、溝が内側および外側リングセットをそれぞれ支持するように形成されるクラウンおよびスカートの基部において円周方向に配置されるリングベルト部分まで広くなる。他の場合には、スカートがシリンダのボア表面に形状がより完全に一致する外面を提供するように、ピストンスカートとシリンダボア表面との間の接触面積を増加することが有益であり得る。そのような場合は、スカートの外面の形状は、内側リングセットと外側リングセットとの間で、円筒面に沿ってスカートのウエストを狭くすることなく、円筒面の形状を有することができる。
【０００６】
各ピストンは、従来の技術を用いて接合されるクラウンおよびスカートを含む別々の部品から製造され得る。通常、クラウンおよびスカートの部品は、鋳造、鍛造、または、さまざまな内部および外部構造が形成される同等のプロセスによって製造される鋼などの溶接可能な材料を含む。内部構造は、部品が溶接によって接続されるクラウンおよびスカートで円周方向に延在する接合面を含む。
【０００７】
最小化された接触面積を持つスカート構成を含むいくつかの態様においては、鍛造によるスカート部の製造は、外側ピストンリングのための第２のリングベルトの形成に関して問題を提示する場合がある。第２のリングベルトが鍛造部品に含まれる場合は、スカートの壁厚は、リングベルトの半径方向の幅の要件を満たすのに相当大きくなければならない。しかし、他のすべての条件が同じなら、厚いスカート壁を持つピストンは、薄いスカート壁を持つピストンよりもずっしりと重く、それにより、エンジンの性能および効率に悪影響を及ぼす場合もある。壁厚を低減するための鍛造スカート部の追加の機械加工は、大量生産では正当化され得ないピストン構造のためにコストおよび時間を追加する。したがって、外側リングベルト領域を支持しながら薄いスカート壁を提供する２ストローク対向ピストンエンジンのピストン構造の必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
他方では、ピストンスカートとシリンダボアとの間の接触面積を最大化することが有益である場合は、製造可能性は、第２のリングベルトとスカートとの間の壁厚の変形の除去により改善され得る。したがって、外側リングベルト領域を支持しながら、より厚いスカート壁を提供する２ストローク対向ピストンエンジンのピストン構造の必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
いずれにしても、クラウン部が、第１の円周方向リングベルト領域を有し、スカート部が、第１および第２の端部を持つ側壁を有し、外側部分が、第２の円周方向リングベルト領域を有し、クラウン部が、２つ以上の第１の溶接シームによってスカート部の第１の端部に接合され、外側部分が、第２溶接シームによってスカート部の第２の端部に接合される、２ストロークサイクル、内燃機関のマルチパートピストンの独特の構成が実現される。
【００１０】
いくつかの実装においては、ピストンがクラウン部と外側スカート部分を持つスカート部とを含む、２ストロークサイクル対向ピストンエンジンのピストンが提供される。クラウン部は、対向するピストンの端面で燃焼室を形成するように形作られるボウル手段を持つ端面と、環状圧縮リングベルト領域とを含む。スカート部は、ピストンの長手方向軸線を画定する側壁と、側壁に形成され、ピストン軸線と交差する長手方向リストピンボア軸線に沿って整列される間隔を置いて設けられるボア開口部を持つリストピンボアとを含む。２つ以上の内側溶接シームが、クラウン部およびスカート部の第１の端部を接合する。外側スカート部分は、環状オイルリングベルト領域を含む。外側溶接シームは、外側スカート部分を側壁の第２の開口端に接合する。
【００１１】
いくつかの実装においては、ピストンがクラウン部と外側スカート部分を持つスカート部とを含む、２ストロークサイクル対向ピストンエンジンのピストンが提供される。クラウン部は、対向するピストンの端面で燃焼室を形成するように形作られるボウル手段を持つ端面と、環状圧縮リングベルト領域とを含む。スカート部は、ピストンの長手方向軸線を画定する側壁と、側壁に形成され、ピストン軸線と交差する長手方向リストピンボア軸線に沿って整列される間隔を置いて設けられるボア開口部を持つリストピンボアとを含む。２つ以上の内側溶接シームが、クラウン部およびスカート部の第１の端部を接合する。外側スカート部分は、環状オイルリングベルト領域を含む。外側の溶接シームは、外側スカート部分を側壁の第２の開口端に接合する。
【００１２】
いくつかの態様においては、クラウン部は、円周方向冷却ギャラリの上面を画定するための第１の内壁手段を含み、スカート部の内側部分は、円周方向冷却ギャラリの下面を画定するための第２の内壁手段を含む。
【００１３】
いくつかの他の態様においては、ボウル手段は、２つの軸線の間の所定の角度で長手方向リストピンボア軸線に向けられ得る端面の周囲に一対の直径方向に対向する形状の開口部の間に延在する軸線を有する。
【００１４】
さらに、もう１つの関連する態様においては、対向ピストンエンジン用のピストンを製造する方法が提供され、この方法は、クラウン部を提供するステップ、スカート部を提供するステップ、外側部分を提供するステップ、クラウン部およびスカート部を一緒に溶接するステップ、ならびに外側部分およびスカート部を一緒に溶接するステップを含む。設けられたピストンのクラウン部は、第１のリングベルト領域を持つ側壁を含む。スカート部は、長手方向リストピンボア軸線を持つリストピンボアを含む。次に述べることは、任意の適切な組み合わせでこの方法に存在することができる。クラウン部およびスカート部を一緒に溶接するステップは、燃焼室形成手段の軸線を２つの軸線の間の所定の角度で長手方向リストピンボア軸線に向けるステップを含むことができる。この方法は、ピストンのクラウン部、スカート部、および／または外側部分を作るように、鍛造を用いて金属片を変形させるステップを含むことができる。クラウン部およびスカート部を一緒に溶接するステップは、摩擦溶接、シールドアクティブガス溶接、シールドメタルアーク溶接、ガスタングステンアーク溶接、ガスメタルアーク溶接、フラックス入りワイヤアーク溶接、サブマージドアーク溶接、エレクトロスラグ溶接、電気抵抗溶接、磁気パルス溶接、および他の同等の溶接プロセスのうちの１つまたは複数を含むことができる。スカート部および外側部分を一緒に溶接するステップは、摩擦溶接、シールドアクティブガス溶接、シールドメタルアーク溶接、ガスタングステンアーク溶接、ガスメタルアーク溶接、フラックス入りワイヤアーク溶接、サブマージドアーク溶接、エレクトロスラグ溶接、電気抵抗溶接、レーザビーム溶接、および電子ビーム溶接のうちの１つまたは複数を含むことができる。クラウン部およびスカート部を一緒に溶接するステップは、クラウン部およびスカート部の誘導加熱を含むことができる。スカート部分および外側部分を一緒に溶接するステップは、スカート部分および外側部分の誘導加熱を含むことができる。この方法においては、クラウン部は、対向ピストンエンジンのシリンダ内の対向するピストンの端面で燃焼室を形成するために形作られるボウル手段を持つ端面を含むことができ、燃焼室は、噴射軸線を含むことができる。そのような方法においては、クラウン部およびスカート部を一緒に溶接するステップは、燃焼室形成手段の噴射軸線を２つの軸線の間の所定の角度で長手方向リストピンボア軸線に向けるステップを含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来技術の対向ピストンエンジンの概略図である。
【００１６】
【図２Ａ】溶接によって一緒に接合されることになる別々のクラウン、スカート、および外側部分を示す例示的なマルチパートピストンの組立分解等角図である。
【図２Ｂ】対向ピストンエンジンで使用するために組み立てられた例示的なマルチパートピストンを示す等角図である。
【００１７】
【図３】ピストンのリストピンボア軸線に沿った図２Ｂの組み立てられたピストンの側断面図である。
【００１８】
【図４】リストピンボア軸線を横切る図２Ｂの組み立てられたピストンの側断面図である。
【００１９】
【図５】リストピンボア軸線に対する燃焼室噴射軸線の向きを示すピストンクラウンの平面図である。
【００２０】
【図６】本明細書において説明される対向ピストンエンジンで使用するためのマルチパートピストンを製造する方法を示す図である。
【００２１】
【図７Ａ】溶接によって一緒に接合されることになる別々のクラウン、スカート、および外側部分を示す、もう１つの例示的なマルチパートピストンの組立分解等角図である。
【図７Ｂ】対向ピストンエンジンで使用するために組み立てられた例示的なマルチパートピストンを示す等角図である。
【００２２】
【図８】ピストンのリストピンボア軸線に沿った図７Ｂの組み立てられたピストンの側断面図である。
【００２３】
【図９】リストピンボア軸線を横切る図７Ｂの組み立てられたピストンの側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本明細書において説明され図示されているマルチパートピストンの実施形態は、例えば２ストロークサイクルエンジン、対向ピストンエンジン用のピストン設計の改良および変更である。また、変更されたピストン構成の製造および使用の方法も説明される。
【００２５】
２ストロークサイクルエンジンは、クランクシャフトのただ１回の完全な回転、およびクランクシャフトに連結されたピストンの２つの行程によって動作サイクルを完了する内燃機関である。２ストロークサイクルエンジンの１つの実施例は、２つのピストンがシリンダボア内で対向して配置される対向ピストンエンジンである。エンジンの動作中、燃焼は、ピストンがボア内のそれぞれの上部中央位置を通って移動する場合に、２つのピストンの端面の間のボア内に形成される燃焼室で行われる。本明細書において使用される場合、用語「燃焼室（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  ｃｈａｍｂｅｒ）」は、エンジン動作の各サイクルでエンジンの動作中に、ピストンの端面と、端面の間のボアの環状部分とによって限られるシリンダ内の最小容積を指す。
【００２６】
図１に見られるように、対向ピストンエンジン１は、少なくとも１つのポート付きシリンダ２を有する。例えば、エンジンは、１つのポート付きシリンダ、２つのポート付きシリンダ、３つのポート付きシリンダ、または４つ以上のポート付きシリンダを有することができる。説明のために、エンジン１は、複数のポート付きシリンダを有すると仮定される。各シリンダ２は、ボア１２を有する。排気ポート１４および吸気ポート１６は、排気ポート１４が吸気ポート１６から長手方向に分離されるようにシリンダのそれぞれの端部に形成される。排気ポート１４および吸気ポート１６の各々は、開口部の１つまたは複数の周方向配列を含む。排気ピストン１８および吸気ピストン２０は、それらの端面２２および２４を互いに向かい合わせてボア１２内に摺動自在に配置される。排気ピストン１８は、クランクシャフト３０に連結され、吸気ピストン２０は、クランクシャフト３２に連結される。ピストンの各々は、軸受アセンブリ２６およびコネクティングロッド２８によってその関連するクランクシャフトに連結される。この開示のために、シリンダは、エンジンブロックの穿孔もしくは形成された空間、またはエンジンブロックのトンネルに保持されるライナー（またはスリーブ）を備えることができる。
【００２７】
図１に示されるエンジンにおいては、エンジン１の可動部分を潤滑するオイルを供給する潤滑システムは、そこから加圧オイルがポンプ４２によってメインギャラリ４０に圧送されるオイルリザーバ４４を含む。ギャラリ４０は、一般的には主軸受（図示せず）へのドリリング３６を介してクランクシャフト３０および３２へ加圧オイルを供給する。主軸受の溝から、加圧オイルが、コネクティングロッド２８の大きな端部軸受の溝に供給される。そこから、加圧オイルは、コネクティングロッドのドリリング３４を通して軸受２６に流れる。この種の潤滑システムは、エンジン１に存在し得るが、対向ピストンエンジンまたはそのコンポーネントのいずれかの説明について限定していると見なされるべきではない。
【００２８】
対向ピストンエンジンの動作サイクルは、よく理解されている。それらの端面２２と端面２４との間で生じる燃焼に応じて、対向ピストン１８および２０は、シリンダ内のそれぞれの上部中央（ＴＣ）位置から遠ざかるように移動する。ＴＣから移動している間、ピストンは、それぞれの底部中央（ＢＣ）位置に近づくまで、それらの関連するポートを閉じたままにしておく。ピストンは、排気ポート１４および吸気ポート１６が一致して開閉するように同調して移動することができ、あるいは、一方のピストンは、同調して他方のピストンに先行することができ、その場合には、吸気ポートおよび排気ポートは、異なる開閉時間を有する。ピストンがＢＣ位置を経て移動すると、排気ポート１４から流出する排気生成物は、吸気ポート１６を通してシリンダに流入する給気に置き換えられる。ＢＣに到達した後、ピストンは、方向を反転し、ポートは、再びピストンによって閉じられる。ピストンがＴＣに向かって移動し続ける間、シリンダ２の給気は、端面２２と端面２４との間で圧縮される。各端面は、対向するピストンの隣接する端面で燃焼室を形成するように形作られる。ピストンがシリンダボアのそれらのそれぞれのＴＣ位置に進むと、燃料は、ノズル３８によってシリンダ側壁を通して圧縮された給気に直接噴射される。給気および燃料の混合気は、ピストン１８の端面２２とピストン２０の端面２４との間に形成される燃焼室で圧縮される。混合気が着火温度に達すると、燃料が着火する。燃焼が生じ、それらのそれぞれのＢＣ位置に向かって別々にピストンを駆動する。
【００２９】
ピストン構造：図２Ａおよび図２Ｂは、この開示に従って構成された対向ピストンエンジン用のピストン２００を示している。図２Ａは、図２Ｂに示される組み立てられたピストンをもたらすように溶接または同等のプロセスによって接合される、３つの別々の部品を示している。リストピンが、ピストンのある特定の構造上の特徴をより明確に理解するためにこれらの図面のいくつかに示されているが、この開示の範囲を限定することを意図するものではない。長手方向軸線２０１を持つピストン２００は、クラウン部２１０、ピストン側壁２２２を持つスカート部２２０、および外側部分２２３を備える。ピストン２００は、スカート部２２０がピストンの長手方向軸線２０１に沿ってクラウン部２１０と外側部分２２３との間にあるように構成される。クラウン部２１０およびスカート部２２０は、クラウン部およびスカート部の円周方向に延在する接合面を側壁２２２の１つの端部で溶接することによって接合される。外側部分２２３およびスカート部は、スカート部および外側部分の円周方向に延在する接合面を側壁２２２の反対の端部で溶接することによって接合される。
【００３０】
クラウン部２１０は、エンジン内の対向するピストンの端面で燃焼室を画定するように形作られる端面２１２を有する。端面２１２においては、ボウル２１９と、クラウン部の周縁部２１３を通してボウルに開口するノッチ２１７がある。ノッチ２１７は、燃焼室への燃料の流入を案内するように形作られる。ボウル２１９は、長軸または長手方向軸線２１４を有する。この実施例においては、ノッチ２１７は、周縁部２１３上の直径方向に対向する位置にあるように、ボウルの長手方向軸線２１４に沿って間隔を置いて設けられる。ボウルの軸線２１４は、それを基準にして燃料が噴射される燃焼室噴射軸線と同一直線上にある。図２Ａおよび２Ｂに示される端面２１２の形状は、この開示の範囲を、少なくとも２つの噴射器による側方直接噴射で対向ピストンエンジンの燃焼室の形状を画定するように対向するピストンの端面と協働する範囲にのみ限定している。多くの他のこの種の端面形状が可能であり、例えば、米国特許第８，８００，５２８号、米国特許出願公開第２０１３／０２１３３４２号、国際公開第２０１２／１５８７５６号パンフレット、米国特許出願公開第２０１４／００１４０６３号、米国特許出願公開第２０１５／０１２２２２７号、米国特許出願公開第２０１６／０２９０２２４号、および米国特許出願公開第２０１７／００３０２６２号、に説明され図示されている対向ピストンエンジンのピストンのための端面形状を参照されたいが、これらに限定されるものではない。
【００３１】
図２Ａ、図２Ｂ、図３、および図４を参照すると、クラウン部２１０の外周側面を占めるランド２２１は、周縁部２１３で端面２１２と出会う。第１の円周方向リングベルト領域２２４は、ランドに隣接する。いくつかの好ましい場合においては、図２Ａによって示唆されるように、ピストン２００は、リング溝がベルト領域２２４に形成される前に組み立てられる。他の場合には、ベルト領域２２４は、ピストンの組み立て前に溝を付けられ得る。いずれの場合でも、ピストン２００が完全に組み立てられる場合に、リングベルト領域２２４は、圧縮リング（図示せず）が着座される複数のリング溝を含む。場合によっては、リング溝はまた、オイル制御リング用のリングベルト領域２２４に設けられ得る。この明細書において、リングベルト領域２２４は、それが支持するピストンリングが典型的な対向ピストン使用時にシリンダボアの最も内側の領域に乗るので、「内側リングベルト領域」と呼ばれる。リングベルト領域２２４は燃焼室が形成されるシリンダボア表面の領域に対してシールする圧縮リングを支持するので、このリングベルト領域２２４は「圧縮リングベルト領域」とも呼ばれ得る。クラウン部２１０の内部は、アンダークラウン２２５を含む。いくつかの態様においては、アンダークラウン２２５は、冷却室を画定するための構造を含む。
【００３２】
ピストン側壁２２２は、少なくとも部分的に円筒形であり、スカート部２２０の第１の端部２２６から第２の端部２２７まで長手方向軸線２０１に沿って延在する。第２の端部２２７は開いている。長手方向軸線２０１を中心とするスカートの内壁２２８は、第１の端部２２６の近くの側壁２２２内に位置している。いくつかの態様においては、内壁２２８は、リストピン用の支持構造、および冷却室を画定するための他の構造を含む。必ずしもそうではないが、好ましくは、一方の側の内壁２２８は、リストピン２３１が受け入れられ保持されるリストピンボア２３０の一部を画定する。リストピンボア２３０は、側壁のボス２３３に形成されるボア開口部２３２を含む。ボア開口部２３２は、共通のリストピン軸線２４１に沿って同軸に整列される。ボス２３３は、側壁２２２の外面上の凹部２３４に形成される。図３に最もよく見られるように、凹部２３４は、リストピンボア軸線２４１に沿った側壁２２２の鼓状の狭まりをもたらし、それにより、ピストンがエンジン動作中に移動する際に側壁とシリンダボア表面との間の摩擦が低減される。
【００３３】
クラウン部２１０およびスカート部２２０が一緒に溶接されると、円周方向冷却ギャラリ２４３および中央冷却室２４５が、スカート部２２０の内壁２２８とアンダークラウン２２５との間に画定される。ここで、クラウンおよびスカートを別々の部品として提供することは、ピストン構造の特に有用な技術であるということが理解できる。これは、リストピンボア２３０、冷却ギャラリ２４３、および冷却室２４５などのピストンの複雑な内部構造を、別々のアンダークラウン２２５および内壁２２８の構造の一部の比較的簡単な鍛造または鋳造によって実現できるようにし、次いで、これらは、クラウン部２１０およびスカート部２２０が接合される場合に、内部構造を画定するように一緒にされる。
【００３４】
外側部分２２３は、第２の円周方向リングベルト２４０領域に隣接する外側部分２２３の外周側面を占めるランド２３９を含む本質的に環状部品である。いくつかの好ましい場合においては、ピストン２００は、図２Ａによって示唆されるようにリング溝がリングベルト領域２４０に形成される前に組み立てられる。他の場合には、リングベルト領域２４０は、ピストンの組み立て前に溝を付けられ得る。いずれの場合でも、リングベルト領域２４０は、ピストン２００が完全に組み立てられる場合にオイル制御リング（図示せず）が着座される複数のリング溝を有する。この明細書において、リングベルト領域２４０は、それが支持するピストンリングが典型的な対向ピストン使用時にシリンダボアの最も外側の領域に乗るので、「外側リングベルト領域」と呼ばれる。リングベルト領域２４０はシリンダの外側端部の外側シリンダボア表面からオイルを払拭するオイルリングを支持するので、このリングベルト領域２４０は、「オイルリングベルト領域」とも呼ばれ場合がある。
【００３５】
図２Ｂ、図３、および図４に示されるように、外側部分２２３およびスカート部２２０が一緒に溶接される場合に、外側リングベルト領域２４０は、スカート部２２０、したがってピストン２００の開いた外側端部を画定する。クラウン部２１０、スカート部２２０、および外側部分２２３を一緒に溶接することによって組み立てられるピストン２００の場合は、リングベルト領域２２４および２４０は、ピストン軸線２０１と同軸に整列され、これに沿って分離されるピストン２００のそれぞれの円周方向端部を占める。
【００３６】
図３および図４においては、線２５０は、クラウン部２１０とスカート部２２０との間の第１の溶接シームの好ましい位置に近い。クラウン部２１０およびスカート部２２０は、線２５０の付近にある円周方向に延在する接合面で１つまたは複数の円周方向溶接シームによって接合（または「結合」）され得る。示されている実施例においては、内壁２２８から延在する円形リブの半径方向内側円周面２５１（図２Ａで最もよく見られる）とアンダークラウン２２５の対応する内側円周面２５２との間に内側溶接シーム２５０ａがある。示されている実施例においては、内壁２２８から延在する円形リブ上の半径方向外側円周面２５３（図２Ａで最もよく見られる）とアンダークラウン２２５上の対応する外側円周面２５４との間にもう１つの内側溶接シーム２５０ｂがある。必ずしもそうではないが、好ましくは、第１の溶接シーム２５０ａおよび２５０ｂは、ピストン長手方向軸線２０１に直交する線２５０を含む切断平面に整列され、同じ溶接ステップで形成される。しかしながら、他の溶接シームの整合および向きが考えられる。内部冷却ギャラリおよび冷却室を形成するように円周方向溶接シームを用いてクラウン部およびスカート部を溶接する多くの技術が知られている。これに関しては、例えば、米国特許第８，３２７，５３７号明細書を参照されたい。
【００３７】
図３に見られるように、スカート部２２０の第２の端部２２７の近くで、側壁２２２の内面に、側壁２２２の狭窄部２３４におけるボス２３３の形成に起因するアンダーカット２６０がある。狭窄部２３４は、溝がそれぞれ内側リングベルト領域２２４および外側リングベルト領域２４０に形成されるクラウン部２１０および外側部分２２３の環状セクションまで広くなる。アンダーカット２６０は、スカート部２２０および外側部分２２３を単一の鍛造部品として製造することを困難にするであろう。しかし、アンダーカット２６０は、例えばアンダーカット２６０の一部を２つの部分２２０および２２３に形成して鍛造し、次いで対応する円周方向に延在する接合面に沿って２つの部分２２０および２２３を一緒に溶接することによって、スカート部２２０および外側部分２２３を別々に製造することによって形成され得る。リストピンボアおよび狭くなったスカート部分２３４を持つスカート部の製造を簡単化することに加えて、他の利点が得られる。
【００３８】
第１の利点について、外側部分２２３は、円周方向に均一な対称性を持つ環状部品として製造することができ、それにより、溶接によって接合される場合にスカート部２２０と外側部分２２３との間の位置合わせのステップが排除される。
【００３９】
第２の利点は、図４において見られることができ、そこでは、側壁２２２は、ピストン２００の質量を低減するように、例えば鍛造ステップによってスカート２２２の非狭窄部分に比較的薄い半径方向幅Ｗ１で作られ得る。この関連で、非狭窄部分の側壁２２２の半径方向幅Ｗ１は、第２のリングベルト領域２４０の半径方向幅Ｗ２よりも小さい。
【００４０】
図３および図４を参照すると、スカート部２２０および外側部分２２３は、第２の溶接シーム２７０によって接合（または「結合」）される。溶接シーム２７０は、スカート部２２０の円周方向に延在する自由端２７２と外側部分２２３の円周方向に延在する自由端２７４との間に形成される（図２Ｂに最もよく見られる）。自由端２７２および２７４は、整列して配置され、好ましくは摩擦溶接プロセスによって一緒に溶接されるそれぞれの円周方向に延在する接合面を有するが、これは、限定することを意図するものではない。
【００４１】
いくつかの態様においては、図２Ａおよび２Ｂに関して理解され得るが、クラウン部２１０は、第１の溶接シームを作るのに備えて、スカート部２２０に対して位置合わせされ（または「クロックされ（ｃｌｏｃｋｅｄ）」）なければならない場合がある。例えば、クラウン部２１０は、２つの部分が溶接されるときに燃焼室軸線２１４とリストピンボア軸線２４１との間に所定の向きが存在するように、スカート部２２０に対して配置されなければならない場合がある。この場合には、直径方向に対向するノッチ２１７は、軸線２１４に沿って整列されるが、リストピンボア２３０に対して、したがってスカート部２２０に対して特定の向きを有することになり、これは、サイズおよび重量の要件に応じて、対向ピストンエンジンのシリンダブロック内の燃料噴射器の配置にとって重要であり得る。図５を参照すると、燃焼室噴射軸線２１４とリストピンボア軸線２４１との間の角度Φは、３０度と９０度との間であり得る。いくつかの実装においては、軸線間の角度Φは、３０度と３５度との間であることができ、ボウル軸線２１４と長手方向リストピンボア軸線２４１との間の角度Φは、３２度であり得る。あるいは、エンジン内の他のコンポーネントの構成に応じて、軸線間の角度Φは、４５度と５５度との間であることができ、角度Φは、５８度であり得る。
【００４２】
図２Ａ、図２Ｂ、図３、および図４に示されるピストン２００は、図３および図４により、仕上げられ、または部分的に仕上げられ、次いで接合される（例えば、溶接される）３つ以上の鍛造部品から製造され得る。ピストン２００の材料および構成の方法は、中間および／またはヘビーデューティー使用、あるいは大口径用途について従来のものであり得る。例えば、クラウン部２１０およびスカート部２２０は、適合材料（例えば、鍛造鋼クラウン、鋳鉄スカート部）から別々に形成され、溶接またはろう付けによって接合され得る。他の材料には、遮熱コーティング、セラミック金属複合体（例えば、サーメット）、高温金属合金、レーザアブレーションした／構造化表面などを含む、積層構造、ハイブリッド構造、複合構造などがあり得る。
【００４３】
対向ピストンエンジンで使用するためのピストンにおいては、クラウン部は、ボウル、アンダークラウン、および寸法がほぼ仕上げられ得る他の機能を含む形状を持つ鍛造金属ベースクラウンを含むことができる。コーティングは、鍛造ベース部品（すなわち、ベースクラウン部、ベーススカート部、ベース外側部分）の表面に施され得る。コーティングは、遮熱コーティング、酸化防止コーティング、油保持コーティングなどであり得る。鍛造ベース部品は、鍛造プロセスを促進し、鍛造後の機械加工および仕上げをほとんどもしくは全く（すなわち、最小限しか）必要としないように設計され得る。前述のコーティングは、これらの部品を一緒に溶接する前または後のいずれかに、クラウン部、スカート部、および外側部分に施され得る。
【００４４】
金属部品、特に鋼の鍛造は、金属加工技術で知られている設計上の考慮事項を必要とする。これらの設計上の考慮事項の中には、側壁および内部フィレットの抜き勾配、またはテーパがある。また、鍛造部品は、金属の粒状組織または結晶組織に明確な変化を有することになり、しばしば、鍛造は、切削片または鋳片に存在し得ない鍛造片に強度特性を与えるように使用される。
【００４５】
本明細書において上述したピストン構造は、たとえあったとしてもピストン性能を大幅に犠牲にすることなく、より容易な製造、コスト低減、および／または重量低減を可能にする材料の選択と組み合わされ得る。いくつかの実装においては、ピストンのクラウン部は、高温で高い強度を有する金属または金属合金を含むことができる。追加的にまたは代替的に、ピストンのスカート部および外側部分は、従来のピストン材料を含むことができる。ピストンの製造に使用され得る材料は、インベストメント鋳造４１４０鋼、ステンレス鋼、インベストメント鋳造１０ｘｘ炭素鋼、砂型鋳造鋼、砂型鋳造ダクタイル鋳鉄、オーステンパ球状黒鉛鋳鉄、砂型鋳造コンパクト黒鉛鋳鉄、砂型鋳造ねずみ鋳鉄、あらゆる種類のＳＡＥグレード鋼、チタン、インコネル合金、ハステロイ（登録商標）合金、またはそれらの組み合わせ、を含むピストンの製造に使用され得る。
【００４６】
ピストンのクラウン部がスカート部および外側部分とは異なる材料で作られており、または製造がピストンを複数のセグメントに製造することによって簡単化され得る実装においては、１つまたは複数の接合技術が、ピストンを組み立てるために使用され得る。図３および図４に従ってピストンの部品を一緒に結合するために使用される溶接技術は、摩擦溶接、シールドアクティブガス溶接、シールドメタルアーク溶接、ガスタングステンアーク溶接、ガスメタルアーク溶接、フラックス入りワイヤアーク溶接、サブマージドアーク溶接、エレクトロスラグ溶接、および／または電気抵抗溶接のいずれかを含むことができる。追加的にまたは代替的に、ピストンの端面に非対称の特徴を有する場合など、特に正確な相対的位置決めが対向ピストンエンジンの機能に有害な影響を与える場合、接合されるべき２つの部品の誘導加熱が、２つの部品の正確な位置決めといっしょに使用され得る。
【００４７】
材料例１：３部構成のピストンが、端面が２００ｂａｒを超えるピーク筒内圧を経験することになる対向ピストンエンジン用に設計されると仮定しよう。耐久性のある高強度の構造を実現するために、クラウン部は、４１４０鋼を含む鍛造片であることができ、スカート部は、４１４０鋼を含む鍛造片であることができ、外側部分は、溶接可能な耐摩耗鋼を含み、所望の特徴を得るために機械加工される素管から切断され得る。場合によっては、溶接可能な耐摩耗鋼材料を含む部片から外側部分を鍛造することが望ましい場合もある。
【００４８】
材料例２：３部構成のピストンが、端面が２００ｂａｒよりも小さいかまたはそれに等しいピーク筒内圧を経験することになる対向ピストンエンジン用に設計されると仮定しよう。適切な強度の耐久性のある構造を実現するために、クラウン部は、非調質鋼を含む鍛造片であることができ、スカート部は、非調質鋼を含む鍛造片であることができ、外側部分は、溶接可能な耐摩耗鋼を含み、所望の特徴を得るために機械加工される素管から切断され得る。場合によっては、溶接可能な耐摩耗鋼材料を含む部片から外側部分を鍛造することが望ましい場合もある。
【００４９】
製造：図６は、本明細書において説明した対向ピストンエンジンに使用するためのピストンを製造する方法６００を示している。この方法は、６０５に示すように、ピストンのクラウン部を提供するステップを含む。上述のように、クラウン部は、第１の材料から成ることができるが、ピストンの残部は、第２の材料、または２つ以上の異なる材料から成り得る。設けられたクラウン部は、（例えば、圧縮リング溝を収容するための）第１のリングベルト領域と、燃焼形成手段（例えば、ボウル）を持つ端面とを含む。好ましくは、クラウン部は、鍛造され、これに続いて必要に応じてアンダークラウンの溶接面に機械加工する。
【００５０】
６１０に示すように、リストピンボアを含むスカート部が、この方法で提供される。クラウン部を製造するために使用される材料は、スカート部を製造するために使用される材料と同じでも異なっていてもよい。好ましくは、スカート部は、鍛造され、これに続いてアンダークラウンの溶接面に接合されることになる内壁の溶接面に、および外側部分の溶接面に接合されることになる開口端の溶接面に必要に応じて機械加工する。
【００５１】
さらに、この方法は、６１５に示すように、（例えば、オイル制御リング溝を収容するための）第２のリングベルト領域を含む外側部分を提供するステップを含む。外側部分は、スカート部および／またはクラウン部と同じ材料から成ることができる。あるいは、外側部分は、異なる材料、ピストンのいかなる他の部分にも使用されない材料を含むことができる。好ましくは、外側部分は、溶接可能な耐摩耗鋼を含み、スカート部の開口端で溶接面に接合されることになる溶接面を得るために機械加工される素管から切断される。
【００５２】
この方法は、６２０に示すように、クラウン部をスカート部に溶接するステップを含む。場合によっては、クラウン部およびスカート部は、互いに位置合わせされ、次いで、クラウン部は、スカート部に溶接される。好ましくは、内側および外側溶接シームは、１つのハイブリッド誘導溶接操作によって図３および図４に見られるように、クラウン部およびスカート部を接合するように作られる。
【００５３】
次に、６２５に示すように、スカート部が外側部分に接合される溶接ステップが一部になり得る。溶接ステップには、誘導加熱および物理的接合、ならびに摩擦溶接または電子ビーム溶接があり得る。さらに、溶接プロセス（すなわち、物理的接合プロセス）は、ピストンを一緒に物理的に接合する部分によって生じる応力を緩和しかつ／または亀裂を修復するために溶接後に熱処理を含むことができる。好ましくは、単一の溶接シームは、慣性摩擦溶接操作によって、図３および図４に見られるように、スカート部および外側部分を接合するように作られる。
【００５４】
好ましくは、最終処理ステップ６３０は、特に溶接シームに沿って、所望の材料相および混合物の形成を可能にするように物理的接合プロセスのあとの熱処理を含み得る。好ましくは、処理ステップ６３０は、設計考慮事項によって必要に応じてリング溝を形成するように内側および外側リングバンドを機械加工するステップを含む。加えて、最終処理ステップは、リストピンボア開口部を形成するようにスカートを機械加工するステップを含むことができる。
【００５５】
第２のピストン構造：ピストン２００のある特定の態様（図２Ａおよび図２Ｂ）がその適用性を制限する場合があり得る。例えば、ボス２３３が配置される側壁２２２の凹部２３４は、ヘビーデューティー用途におけるピストンの製造可能性、耐久性、および動作に関する課題を提起する場合がある。これらのおよび他の用途においては、ピストン２００よりも質量および対称性が幾分大きく、側壁とのシリンダボア接触面積がより大きいピストンを有することが望ましい場合がある。そのような場合について、図７Ａおよび図７Ｂは、本開示に従って構成される対向ピストンエンジンのためのもう１つのピストン７００を示している。図７Ａは、図７Ｂに示される組み立てられたピストンをもたらすように溶接によって接合される、３つの別々の部品を示している。リストピンが、ピストンのある特定の構造上の特徴をより明確に理解するためにこれらの図面のいくつかに示されているが、この開示の範囲を限定することを意図するものではない。ピストン７００は、長手方向軸線７０１、クラウン部７１０、ピストン側壁７２２を持つスカート部７２０、および外側部分７２３を有する。ピストン７００は、スカート部７２０がピストンの長手方向軸線７０１に沿ってクラウン部７１０と外側７２３部分との間にあるように構成される。クラウン部７１０およびスカート部７２０は、側壁７２２の一端でクラウン部およびスカート部の円周方向に延在する接合面を溶接することによって接合される。外側部分７２３およびスカート部７２０は、側壁７２２の反対側端部でスカート部および外側部分の円周方向に延在する接合面を溶接することによって接合される。
【００５６】
クラウン部７１０は、エンジン内の対向するピストンの端面で燃焼室を画定するように形作られる端面７１２を有する。端面７１２には、ボウル７１９と、クラウン部の周縁部７１３を通してボウルに開口するノッチ７１７とがある。ノッチ７１７は、燃焼室への燃料の流入を案内するように形作られる。ボウル７１９は、長軸または長手方向軸線７１４を有する。この実施例においては、ノッチ７１７は、周縁部７１３の直径方向に対向する位置にあるように、ボウルの長手方向軸線７１４に沿って間隔を置いて配置される。ボウルの軸線７１４は、それを基準にして燃料が噴射される燃焼室噴射軸線と同一直線上にある。図７Ａおよび図７Ｂに示される端面７１２の形状は、この開示の範囲を、少なくとも２つの噴射器による側方直接噴射で対向ピストンエンジンの燃焼室の形状を画定するように対向するピストンの端面と協働する範囲にのみ限定している。多くの他のこの種の端面形状が可能であり、例えば、上述の米国特許および出願公開に説明され図示されている対向ピストンエンジンのピストンのための端面形状を参照されたいが、これらに限定されるものではない。
【００５７】
図７Ａ、図７Ｂ、図８、および図９を参照すると、クラウン部７１０の外周側面を占めるランド７２１は、周縁部７１３で端面７１２と出会う。クラウン部の側面に形成される第１の円周方向リングベルト領域７２４は、ランドに隣接している。いくつかの好ましい場合には、図７Ａによって示唆されるように、ピストン７００は、リング溝がベルト領域７２４に形成される前に組み立てられる。他の場合には、ベルト領域７２４は、ピストンの組み立て前に溝を付けられ得る。いずれの場合でも、ピストン７００が完全に組み立てられる場合に、リングベルト領域７２４は、圧縮リング（図示せず）が着座される複数のリング溝を有する。場合によっては、リング溝はまた、オイル制御リングのためのリングベルト領域７２４に設けられ得る。この明細書においては、リングベルト領域７２４は、それが支持するピストンリングが典型的な対向ピストン使用時にシリンダボアの最も内側の領域に乗るので、「内側リングベルト領域」と呼ばれる。リングベルト領域７２４は燃焼室が形成されるシリンダボア表面の領域に対してシールする圧縮リングを支持するので、このリングベルト領域７２４は、「圧縮リングベルト領域」とも呼ばれ得る。クラウン部７１０の内部は、アンダークラウン７２５を含む。いくつかの態様においては、アンダークラウン７２５は、冷却室を画定するための構造を含む。
【００５８】
ピストン側壁７２２は、実質的に円筒形であり、スカート部７２０の第１の端部７２６から第２の端部７２７まで長手方向軸線７０１に沿って延在する。第２の端部７２７は、開いている。長手方向軸線７０１を中心とするスカートの内壁７２８は、第１の端部７２６の近くの側壁７２２内に位置している。いくつかの態様においては、内壁７２８は、リストピン用の支持構造、および冷却室を画定するための他の構造を含む。必ずしもそうではないが、好ましくは、一方の側の内壁７２８は、リストピン７３１が受け入れられ保持されるリストピンボア７３０の一部を画定する。リストピンボア７３０は、側壁７２２に画定されたボス７３３に形成されるボア開口部７３２を含む。ボス７３３およびボア開口部７３２は、共通のリストピン軸線７４１に沿って同軸に整列される。開口部７３２は、側壁７２２を通して開口し、リストピン７３１を受け入れるように構成される。図７Ａ、図７Ｂ、図８、および図９に示されるように、側壁７２２は、ピストン２００の狭くなったウエスト部分２２３なしで、実質的に円筒形の表面を示す。これに関して、「実質的に円筒形の表面」とは、円筒形の表面に近いことを意味するが、必ずしも正確に円筒形であるとは限らない。例えば、ある程度のオーバリティが、側壁の全体形状および／またはピストンの他の部分に与えられ得る。
【００５９】
クラウン部７１０およびスカート部７２０が一緒に溶接されると、円周方向冷却ギャラリ７４３および中央冷却室７４５が、スカート部７２０の内壁７２８とアンダークラウン７２５との間に画定される。ここで、クラウンおよびスカートを別々の部品として提供することは、ピストン構造の特に有用な技術であるということが理解できる。これは、リストピンボア７３０、冷却ギャラリ７４３、および冷却室７４５などのピストンの複雑な内部構造を、別々のアンダークラウン７２５および内壁７２８の構造の一部の比較的簡単な鍛造または鋳造によって実現できるようにし、次いで、これらは、クラウン部７１０およびスカート部７２０が接合される場合に内部構造を画定するように一緒にされる。
【００６０】
外側部分７２３は、第２の円周方向リングベルト７４０領域に隣接する外側部分７２３の外周側面を占めるランド７３９を含む環状部品である。いくつかの好ましい場合においては、ピストン７００は、図７Ａによって示唆されるように、リング溝がリングベルト領域７４０に形成される前に組み立てられる。他の場合には、リングベルト領域７４０は、ピストンの組み立て前に溝を付けられ得る。いずれの場合でも、リングベルト領域７４０は、ピストン７００が完全に組み立てられる場合にオイル制御リング（図示せず）が着座される複数のリング溝を有する。この明細書において、リングベルト領域７４０は、それが支持するピストンリングが典型的な対向ピストン使用時にシリンダボアの最も外側の領域に乗るので、「外側リングベルト領域」と呼ばれる。リングベルト領域７４０はシリンダの外側端部の外側シリンダボア表面からオイルを拭くオイルリングを支持するので、このリングベルト領域７４０は、「オイルリングベルト領域」と呼ばれることもある。
【００６１】
図７Ｂ、図８、および図９に示されるように、外側部分７２３およびスカート部７２０が一緒に溶接される場合、外側リングベルト領域７４０は、スカート部７２０の、したがってピストン７００の開いた外側端部を画定する。クラウン部７１０、スカート部７２０、および外側部分７２３を一緒に溶接することによって組み立てられるピストン７００の場合、リングベルト領域７２４および７４０は、ピストン軸線７０１に沿って同軸に整列されるピストン７００のそれぞれの円周方向端部を占める。
【００６２】
図８および図９においては、線７５０は、クラウン部７１０とスカート部７２０との間の第１の溶接シームの好ましい位置に近い。クラウン部７１０およびスカート部７２０は、線７５０の付近にある円周方向に延在する接合面で１つまたは複数の円周方向溶接シームによって接合（または「結合」）され得る。示されている実施例においては、内壁７２８から延在する円形リブの半径方向内側円周面７５１（図７Ａに最もよく見られる）とアンダークラウン７２５の対応する半径方向内側円周面７５２との間に内側溶接シーム７５０ａがある。示されている実施例においては、内壁７２８から延在する円形リブの半径方向外側円周面７５３（図７Ａで最もよく見える）とアンダークラウン７２５の対応する半径方向外側円周面７５４との間にもう１つの内側溶接シーム７５０ｂがある。必ずしもそうではないが、好ましくは、第１の溶接シーム７５０ａおよび７５０ｂは、ピストン長手方向軸線７０１に直交する線７５０を含む切断平面に整列され、同じ溶接ステップで形成される。しかしながら、他の溶接シームの整合および向きが考えられる。内部冷却ギャラリおよび冷却室を形成するように円周方向溶接シームを用いてクラウン部およびスカート部を溶接する多くの技術が知られている。これに関しては、例えば、米国特許第８，３２７，５３７号明細書を参照されたい。
【００６３】
図８に見られるように、スカート部７２０の第２の端部７２７の近くで、側壁７２２の内面に、側壁７２２におけるボス７３３の形成に起因するアンダーカット７６０がある。アンダーカット７６０は、例えばアンダーカット７６０を開口端７２７の近くのスカート部７２０に形成して鍛造し、次いで第２の溶接シームによって２つの部分７２０および７２３を一緒に溶接することによって、スカート部７２０および外側部分７２３を別々に製造することによって形成され得る。例えば、スカート部７２０および外側部分７２３は、線７７０の近くの円周方向に延在する接合面で第２の溶接シーム７７０ａによって接合され得る。示されている実施例においては、溶接シーム７７０ａは、外側部分７２３の円周面７７１（図７Ａで最もよく見られる）と、開口端７２７でのスカート部７２０の対応する円周面７７２との間に形成される。
【００６４】
いくつかの態様においては、クラウン部７１０およびスカート部７２０は、図５に関して上記で説明されたように、第１の溶接シームによって接合されるのに備えて位置合わせされなければならない場合がある。他の態様においては、部品７１０、７２０、および７２３は、ピストン２００に関して上記で説明されたように、溶接によって製作され、一緒に接合され得る。
【００６５】
代替の接合特徴：前述の実施形態においては、クラウン部、スカート部、および外側部分は、溶接によって接合されまたは結合されるものとして説明されている。ねじ切り、圧入などを含む、純粋に機械的な方法および手段によって部品を結合しまたは接合することが合理的で有用であり得る場合があり得る。また、３つの部品が溶接、ねじ切り、および圧入のうちの何らかの組み合わせによって接合されまたは結合される場合もあり得る。
【００６６】
当業者は、この明細書に記述された特定の実施形態が単に例示に過ぎず、さまざまな変更が可能であり、対向ピストンエンジンの主題のマルチパートピストン構造の範囲から逸脱することなく、そこで行われ得ることを理解するであろう。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年8月27日(2018.8.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
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【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
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【国際調査報告】
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