JP6388839B2 - 冷却通路を有するスチールピストンおよびその構成方法 - Google Patents
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Description
この出願は、2009年11月6日に出願された米国仮出願連続番号第61/258,956号の利益を主張し、その全体がここに引用により援用される。
1.技術分野
この発明は一般的に内燃機関に関し、より特定的にはピストンおよびその構成方法に関する。
エンジン製造者は、燃費の改良、オイル消費の低減、燃料系の改良、シリンダボア内の圧縮荷重の増大、ピストンを通して失われる熱の低減、摩擦損失の低減、エンジン重量の低減、およびエンジンのさらなる小型化を含むがそれらに限定されない、エンジンの効率および性能を改良するという増大する要求に遭遇している。これらの目標を達成するため、ピストンの大きさおよびそれらの圧縮高さを低減する必要がある。しかしながら、燃焼室内の圧縮荷重を増大させることが望ましい一方で、ピストンを作動可能限界前に維持することが依然として必要である。したがって、燃焼室内で圧縮荷重を増大することが望ましいものの、これらの「増大」によって、圧縮高さおよびしたがって全体的なエンジンの大きさを低減できる度合が限定されてしまうという兼ね合いが存在する。さらに、ピストンに加わる機械的および熱的荷重の増大がそれらがスチール製であることを要件とするために、エンジン重量を低減できる度合が損なわれてしまう。
図面をより詳細に参照して、図1は、たとえば近代的な小型高性能車両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(図示せず)中の往復運動のための、発明の1つの現在好ましい実施形態に従って構成されるピストン10の部分断面斜視図を図示する。ピストン10はまず別個の部品として作製され、その後何らかの形態の溶接接合(すなわち、誘導溶接、摩擦溶接、ろう付け接合、電荷担体光線、レーザ、抵抗など)にわたってヘッド領域14内で互いに接合される少なくとも2つの別個の片からなる本体12を有する。2つの部品は底部16および頂部18を備える。本明細書中での「頂」、「底」、「上」、および「下」の参照は、使用の際にピストン10が往復する鉛直長手方向中心ピストン軸Aに沿って向けられるピストンに対するものである。これは便宜上のものであり、限定するものではない。なぜなら、ピストンはある角度または純粋に鉛直方向以外に設置されて動作し得ることが可能だからである。ピストン10の少なくとも底部16はインベストメント鋳造プロセスなどでスチールからニアネットシェイプに鋳造される。ピストン10の頂部18も底部16とは別個の片としてスチールから作製されてもよい。底部および頂部16、18を構成するのに用いられる材料(すなわちスチール合金)は、特定のエンジン適用例でのピストン10の要件に依存して、同じ(たとえばSAE4140グレード)であってもまたは異なってもよい。頂部は鋳造されてもよく、原料から機械加工されてもよく、任意の数のプロセスで焼結され、鍛造され、または作られてもよい。スチールから構成される底部および頂部16、18は、ピストン10に、シリンダボア内の増大する圧縮荷重に耐える改良された強度および耐久性を与え、それらの新規の構成により、ピストン10の重量および圧縮高さ(CH)を最小限にし、これによりピストン10が配備されるエンジンはより低重量を達成しより小型化され得る。
Claims (26)
- 内燃機関のためのピストンであって、
最上面と、上側端接合面を有する上側環状側壁部分と、上接合面を有する上側環状外側壁とを有する頂部を備え、前記最上面は外径を有し、前記上側環状側壁部分と前記上側環状外側壁とは前記最上面から垂下し、さらに、
ピンボア軸に沿って互いに整列される1対の横方向に間隔を空けられたピンボアを設ける1対のピンボスと、下側端接合面を有する下側環状側壁部分と、下接合面を有する下側環状外側壁と、前記最上面の下に引込められた燃焼皿壁とを有する底部を備え、
前記下側端接合面は前記上側端接合面に内側溶接接合部において接合され、
前記上接合面は前記下接合面に外側溶接接合部において接合され、
環状冷却通路は、前記内側溶接接合部と前記外側溶接接合部との間に形成され、
前記燃焼皿壁は上側頂点と前記上側頂点の下にある下側頂点との間に延在する第1の床を含み、環状の谷部は前記上側頂点および前記下側頂点を取囲み、
前記第1の床の厚みは実質的に一定であり、
前記頂部及び前記底部は、前記ピストンの長手方向中心軸に沿って延在し、
前記頂部及び前記底部の少なくとも1つは、複数のリング溝を有するリングベルトを含み、
前記底部は、前記複数のリング溝の最下部の下方に追加の環状溝を含み、
前記1対のピンボアの各々の最上部は、前記追加の環状溝の最下部の上方にあり、
前記内側溶接接合部及び前記外側溶接接合部は、前記ピストンの前記長手方向中心軸を横断するように延在する1つの平面上にあり、
前記下側頂点は、実質的に前記1つの平面上にある、ピストン。 - 前記底部は、前記1対のピンボスの両側に亘って互いに対向するように配置される1対のスカートパネルを有し、
前記追加の環状溝は、前記スカートパネルの上方にある、請求項1に記載のピストン。 - 前記追加の環状溝は、前記スカートパネルに向けて径方向及び軸方向に傾斜する傾斜面を有する、請求項2に記載のピストン。
- 前記スカートパネルは、前記外径の約2.0%から3.0%の間の範囲に亘る径方向に延在する壁厚みを有する、請求項2または請求項3に記載のピストン。
- 前記スカートパネルの各々は、前記長手方向中心軸にほぼ平行に延在しかつ前記ピンボスに接合される両側部を有し、前記壁厚みは前記両側部の間において連続的に変化する、請求項4に記載のピストン。
- 前記スカートパネルの各々は前記両側部の間に中央領域を有し、前記中央領域は、前記両側部における前記スカートパネルの前記壁厚みよりも約5%小さな前記壁厚みを有する、請求項5に記載のピストン。
- 前記第1の床の前記厚みは、前記外径の約2.5%から4.0%である、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のピストン。
- 圧縮高さは前記ピンボア軸と前記最上面との間に延在し、前記圧縮高さの前記外径に対する比は約38%から45%の間である、請求項1から請求項7のいずれか一項に記載のピストン。
- 前記環状冷却通路は前記長手方向中心軸と非同心である、請求項1から請求項8のいずれか一項に記載のピストン。
- 前記環状冷却通路は前記長手方向中心軸の周りで非対称である、請求項1から請求項9のいずれか一項に記載のピストン。
- 前記環状冷却通路はオイル入口を有し、オイル偏向板は前記底部と一体として鋳造され、前記オイル偏向板は前記オイル入口を径方向に横切って延在して前記オイル入口を実質的に二股にする、請求項1から請求項10のいずれか一項に記載のピストン。
- 前記環状冷却通路は前記長手方向中心軸に対して起伏している、請求項1から請求項11のいずれか一項に記載のピストン。
- 前記環状冷却通路は第2の床を有し、前記第2の床は前記ピンボアの上方を滑らかに起伏する態様で高くなる、請求項1から請求項12のいずれか一項に記載のピストン。
- 内燃機関のためのピストンであって、
最上面と、上側端接合面を有する上側環状側壁部分と、上接合面を有する上側環状外側壁とを有する頂部を備え、前記上側環状側壁部分と前記上側環状外側壁とは前記最上面から垂下し、さらに、
ピンボア軸に沿って軸方向に整列される1対の横方向に間隔を空けられたピンボアを設ける1対のピンボスと、下側端接合面を有する下側環状側壁部分と、下接合面を有する下側環状外側壁とを有する底部を備え、
前記下側端接合面は前記上側端接合面に内側溶接接合部において接合され、
前記上接合面は前記下接合面に外側溶接接合部において接合され、
環状冷却通路は、前記内側溶接接合部と前記外側溶接接合部との間に形成され、
前記頂部及び前記底部は、前記ピストンの長手方向中心軸に沿って延在し、
前記頂部および前記底部は、外径を有するピストンヘッド領域を形成し、
前記内側溶接接合部及び前記外側溶接接合部は、前記ピストンの前記長手方向中心軸を横断するように延在する1つの平面上にあり、
前記ピストンは、前記頂部の前記最上面と前記ピンボア軸との間に延在する圧縮高さを備え、前記圧縮高さは前記外径の約38%から45%の間の範囲に亘る、ピストン。 - 前記頂部及び前記底部の少なくとも1つは、複数のリング溝を有するリングベルトを含み、
前記底部は、前記複数のリング溝の最下部の下方に追加の環状溝を含み、
前記1対のピンボアの各々の最上部は、前記追加の環状溝の最下部の上方にある、請求項14に記載のピストン。 - 前記底部は、前記1対のピンボスの両側に亘って互いに対向するように配置される1対のスカートパネルを有し、
前記追加の環状溝は、前記スカートパネルの上方にある、請求項15に記載のピストン。 - 前記追加の環状溝は、前記スカートパネルに向けて径方向及び軸方向に傾斜する傾斜面を有する、請求項16に記載のピストン。
- 前記スカートパネルは、前記外径の約2.0%から3.0%の間の範囲に亘る径方向に延在する壁厚みを有する、請求項16または請求項17に記載のピストン。
- 前記スカートパネルの各々は、前記長手方向中心軸にほぼ平行に延在しかつ前記ピンボスに接合される両側部を有し、前記壁厚みは前記両側部の間において連続的に変化する、請求項18に記載のピストン。
- 前記スカートパネルの各々は前記両側部の間に中央領域を有し、前記中央領域は、前記両側部における前記スカートパネルの前記壁厚みよりも約5%小さい前記壁厚みを有する、請求項19に記載のピストン。
- 前記底部は燃焼皿壁を含み、
前記燃焼皿壁の第1の床は均一な厚みを有する、請求項14から請求項20のいずれか一項に記載のピストン。 - 前記環状冷却通路は前記長手方向中心軸と非同心である、請求項14から請求項21に記載のピストン。
- 前記環状冷却通路は前記長手方向中心軸の周りで非対称である、請求項14から請求項22のいずれか一項に記載のピストン。
- 前記環状冷却通路はオイル入口を有し、オイル偏向板は前記底部と一体として鋳造され、前記オイル偏向板は前記オイル入口を径方向に横切って延在して前記オイル入口を実質的に二股にする、請求項14から請求項23のいずれか一項に記載のピストン。
- 前記環状冷却通路は前記長手方向中心軸に対して起伏している、請求項14から請求項24のいずれか一項に記載のピストン。
- 前記環状冷却通路は前記底部によって設けられる第2の床を有し、前記第2の床は前記ピンボアの上方を滑らかに起伏する態様で高くなる、請求項14から請求項25のいずれか一項に記載のピストン。
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