KR20150121239A

KR20150121239A - 카본 디포짓 방지 코팅을 지닌 피스톤 및 그 구성 방법

Info

Publication number: KR20150121239A
Application number: KR1020157027530A
Authority: KR
Inventors: 로버트 알. 아하로노브; 에두아르도 마츠오
Original assignee: 페더럴-모걸 코오포레이숀
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2015-10-28
Also published as: CN105190000A; EP2964939B1; JP2016509160A; JP6356704B2; WO2014137690A1; CN105190000B; EP2964939A1

Abstract

피스톤 및 그 구성 방법이 제공된다. 피스톤은, 실린더 보어 내부에서 연소가스에 직접 노출되게 구성된 상부 연소면과 상부 연소면 아래에 위치된 언더크라운 면을 갖는 피스톤 바디를 포함한다. 또한 피스톤 바디는, 상부 연소면에 인접한 적어도 하나의 피스톤 링을 받아들기 위해 구성된 링 벨트 영역과 방사상 안쪽에 구성되며 링 벨트 영역과 실질적으로 방사상으로 정렬되게 구성된 냉각 갤러리를 포함한다. 피스톤은, 적어도 하나의 언더크라운 면 및 냉각 갤러리의 적어도 일 부분에 접착되거나 함유된 들러붙지 않는 재료를 더 포함하는데, 여기에서 들러붙지 않는 재료는 그 위에 카본 디포짓의 증강을 억제한다.

Description

카본 디포짓 방지 코팅을 지닌 피스톤 및 그 구성 방법{PISTON WITH ANTI-CARBON DEPOSIT COATING AND METHOD OF CONSTRUCTION THEREOF}

본 출원은 2013년 3월 5일에 출원된 출원 일련번호 13/786,156 호의 우선권을 주장하는데, 여기에서 그 전체가 참조로서 본 명세서에 포함한다.

본 발명은 일반적으로 내연기관에 관한 것이며, 보다 상세하게는 피스톤 및 그 구성의 방법에 관한 것이다.

엔진 제조업체들은 향상된 엔진 효율 및 성능에 대한 요구들이 증가하는 것에 직면하는데, 연비 향상, 연료 연소 향상, 오일 소비 감소, 및 차량 내에서 열의 후속 사용을 위한 배기온도 증가를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 연소실(combustion chamber) 내의 엔진 가동 온도(running temperature)가 증가될 필요가 있다. 그러나, 연소실 내에서 온도가 증가하는 것은 바람직하지만, 사용가능한 온도로 피스톤을 유지하는 것이 필요하다. 그러하기에,피스톤 헤드의 작동 온도를 감소시키기 위해 순환되는 엔진오일이 통하는 피스톤 헤드 내부에서 개방되고 폐쇄되는 외부 및 내부 냉각 갤러리를 포함하는 것이 알려져 있다. 일반적으로 외부 냉각 갤러리는 링 홈 영역을 포함하는 피스톤의 상부 지역(upper land)의 주위의 서큘레이터이며, 한편으로 내부 냉각 갤러리는, 보통은 언더크라운(undercrown)이라 일컫는 일반적으로 피스톤 헤드의 상부 연소면(combustion surface) 아래에 있는데, 상부 연소면은 일반적으로 오목하게된 연소 보울(recessed combustion bowl)을 포함한다. 그러하기에, 링 벨트 영역 및 연소면 양자는 순환되는 오일의 냉각 작용으로부터 이익을 얻는다. 그러나, 오랫동안 순환되는 오일은 고온의 표면들에 접촉한 결과로 질이 저하되고 산화하기 시작하므로, 상부 지역 및 언더크라운의 내부 면들 상에 카본 디포짓이 형성된다. 카본 증강(build-up)이 지속됨에 따라, 단열층(insulation layer)이 각각의 표면들 상에 형성된다. 이것으로서, 순환 오일의 냉각 효과가 감소되며, 이는 차례로 표면 산화 및 부식에 이를 뿐만 아니라 상부 지역 및 연소면 영역의 오버 탬퍼링(over tempering)으로 이어진다. 이것으로서, 피스톤 재료의 기계적 특성이 감소되며, 이는 연소 보울 림(combustion bowl rim)과 같이, 특히 높은 응력을 받는 영역에서 크랙 형성(crack formation)에 이를 수 있다.

본 발명에 따라 구성된 피스톤은, 냉각 오일에 의해 접촉된 표면들에 오일 디포짓이 축적되는 경향이 줄어듬에 따라 카본 형성이 증강함으로서 이르게 되는 상술된 단점을 극복한다. 그러하기에, 본 발명에 따라 구성된 피스톤은 향상된 가동 효율을 실현하며, 사용 동안 내내 기자재(base material)의 강도 및 내구성을 유지하며 향상된 유용한 작동 수명을 제공한다.

본 발명의 목적은, 카본 형성을 방지하여 피스톤의 가동 효율을 향상시키고, 기자재의 강도 및 내구성을 향상시켜서 작동 수명을 연장시키는 카본 디포짓 방지 코팅을 지닌 피스톤 및 그 구성 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 양상에 따라서, 내연기관을 위한 피스톤이 제공된다. 피스톤은, 실린더 보어 내부에서 연소가스에 직접 노출되게 구성된 상부 연소면과 상부 연소면 아래에 위치된 언더크라운 면(undercrown surface)을 갖는 피스톤 바디를 포함한다. 또한 피스톤 바디는, 상부 연소면에 인접한 적어도 하나의 피스톤 링을 받아들기 위해 구성된 링 벨트 영역과 방사상 안쪽에 구성되며 링 벨트 영역과 실질적으로 방사상으로 정렬되게 구성된 냉각 갤러리를 포함한다. 피스톤은, 적어도 하나의 언더크라운 면 및 냉각 갤러리의 적어도 일 부분에 접착되거나 함유된 들러붙지 않는 재료(non-stick material)를 더 포함하는데, 여기에서 들러붙지 않는 재료는 그 위에 카본 디포짓(carbon deposits)의 증강을 억제한다.

본 발명의 다른 양상에 따라서, 피스톤 바디는, 제1 부품 재료로 구성된 상부 크라운 및 상부 크라운에서 분리된(별개로) 제2 부품 재료로부터 구성된 하부 크라운을 포함한다. 상부 크라운은 하부 크라운에 고정되며 들러붙지 않는 재료는 상부 크라운 및 하부 크라운 중 적어도 하나에 접착된다.

본 발명의 다른 양상에 따라서, 들러붙지 않는 재료는 상부 크라운에 접착되며 하부 크라운에는 들러붙지 않는 재료가 없다(be free of).

본 발명의 다른 양상에 따라서, 양쪽 냉각 갤러리 및 언더크라운 면은, 그 위에 접착된 들러붙지 않는 재료를 갖는다.

본 발명의 다른 양상에 따라서, 피스톤 바디는, 스틸 함금의 구성요소(constituent)로서 들러붙지 않는 재료를 포함하는 스틸 합금(steel alloy)으로 구성된다.

본 발명의 또 다른 양상에 따라서, 내연기관을 위한 피스톤 구성 방법이 제공된다. 상기 방법은 다음을 포함한다: 실린더 보어 내부의 연소가스에 직접 노출되게 구성된 상부 연소면과 상부 연소면 아래에 언더크라운 면(undercrown surface)을 갖는 피스톤 바디를 형성; 상부 연소면에 인접한 적어도 하나의 피스톤 링을 받아들기 위해 구성된 링 벨트 영역을 형성; 방사상 안쪽에 구성되며 링 벨트 영역과 실질적으로 방사상으로 정렬되게 냉각 갤러리 형성; 및 순수 코발트, WC-17Co, Co-18Cr-30Mo, 또는 코발트를 포함하는 임의의 다른 합금으로 구성된 그룹에서 선택된 들러붙지 않는 재료로부터 적어도 하나의 언더크라운 면 및 냉각 갤러리의 적어도 일 부분을 형성; 하는 것을 포함하는데, 들러붙지 않는 재료는 그 위에 카본 디포짓의 증강을 저지한다.

본 발명의 또 다른 양상에 따라서, 상기 방법은 들러붙지 않는 재료가 없이 하부 크라운을 유지(keeping)하는 것을 포함한다.

본 발명의 또 다른 양상에 따라서, 상기 방법은 들러붙지 않는 코팅 재료(non-stick material)를 언더크라운 면 및 냉각 갤러리의 적어도 일 부분에 접착하는 것을 포함한다.

본 발명의 또 다른 양상에 따라서, 상기 방법은 함금의 구성요소(constituent)로서 들러붙지 않는 재료를 포함하는 스틸 합금으로부터 피스톤 바디를 형성하는 것을 포함한다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 지닌 피스톤 및 그 구성 방법은, 카본 형성을 방지함으로서 피스톤의 가동 효율을 향상시키고, 기자재의 강도 및 내구성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 여러가지 양상들, 특징들 및 장점들은 본 발명의 바람직한 실시예의 하기 상세한 설명 및 최적 방식, 첨부 청구항들 및 첨부된 도면과 관련되어 고려되면 더 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 하나의 양상에 따라서 구성된 피스톤의 핀 보어 축을 따라 일반적으로 취해진 단면도이다.
도 2는 도 1의 피스톤의 핀 보어에 일반적으로 가로질러서(transversely) 취해진 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 양상에 따라서 구성된 피스톤의 핀 보어에 가로질러서 일반적으로 취해진 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 양상에 따라서 구성된 피스톤의 핀 보어에 가로질러서 일반적으로 취해진 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 양상에 따라서 구성된 피스톤의 핀 보어에 가로질러서 일반적으로 취해진 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 양상에 따라서 구성된 피스톤의 핀 보어 축을 따라서 일번적으로 취해진 단면도이다.

도면들을 보다 상세히 참조하는데, 도 1 및 2는, 예컨대 경자동차 디젤, 중형 디젤, 중량 및 특대형 디젤 엔진과 같은 내연기관의 실린더 보어 또는 챔버 내에서 왕복운동을 위한(미도시 됨), 이후에 단순히 피스톤(10)이라 언급되는, 본 발명의 하나의 바람직한 실시예에 따라서 구성된 피스톤 어셈블리를 도시한다. 피스톤(10)은, 실례로써, 단일체 부품(monolithic piece)의 주조 재료 또는 단조나 빌릿 재료(billet materials)로 형성되어 하나로 도시된 피스톤 바디(12,piston body)를 갖는데, 피스톤 바디는 실린더 보어 내에서 피스톤(10)이 왕복운동하는 중앙 길이방향 축(선)(14,central longitudinal axis)을 따라서 연장된다. 피스톤 바디(12)는 실린더 보어 내부에서 연소 가스에 직접 노출되게 구성되는 상부 연소면(16,upper combustion surface)을 한쪽에 갖으며 상부 연소면(16) 아래에 직접 축방향으로 위치된 언더크라운 면(18,undercrown surface)을 반대쪽에 갖는 상부 연소 벽(upper combustion wall)을 포함하여 형성된다. 또한 피스톤 바디(12)는 상부 연소면(16)에 인접하여 링 벨트 영역(20,ring belt region)을 갖게 형성되는데, 여기에서 링 벨트 영역(20)은 적어도 하나의 피스톤 링(미도시 됨)을 받아들이 위해 구성된다. 또한, 피스톤 바디(12)는 냉각 갤러리(cooling gallery)를 포함하여 구성되는데, 실례로써, 폐쇄되게 또는 실질적으로 폐쇄된 냉각 갤러리(22)로서 도시된다. 냉각 갤러리(22)는, 방사상 안쪽에 구성되는데 링 벨트 영역(20)과 실질적으로 방사상으로 정렬된다. 피스톤(10)은, 중앙 갤러리 내의 적어도 하나의 언더크라운 면(18,undercrown surface) 및 냉각 갤러리(22)의 적어도 일 부분에 접착되거나 함유된 들러붙지 않는 재료(nom-stick material)를 더 포함하는데, 여기에서 들러붙지 않는 코팅 재료(24,non-stick coating material)는 그 위에 카본 디포짓(carbon deposits)의 증강을 저지한다. 들러붙지 않는 코팅 재료(24)를 제 위치에 접착하는 경우 다음 프로세스가 적용될 수 있다: 실례로써 제한없이, 도금(plating), 열 분무(thermal spraying), PVD, 레이저 클래딩(laser cladding). 그 이외에, 만약 피스톤 또는 피스톤의 부분들이 스틸 합금으로 만들어지면, 들러붙지 않는 재료는 스틸 합금의 합성물(composition)의 구성요소로서 첨가될 수 있다.(도 6). 그러하기에, 순환 오일(circulating oil)로부터 카본 디포짓을 포함하는 단열층의 증강이, 들러붙지 않는 코팅 재료(24)를 갖는 표면상에서 형성되는 것이 방지되어, 냉각 갤러리(22)를 통해서 그리고 언더크라운 면(18)에 대하여 순환되는 오일은 냉각 기능을 수행할 수 있으며, 이로인해 피스톤(10)의 성능이 향상되며 수명은 연장된다.

피스톤 바디(12)는 상부 크라운 영역(26) 및 하부 크라운 영역(28)을 갖는다. 하부 크라운 영역(28)은, 일반적으로 중앙 길이방향 축(14)을 가로질러서 연장되는 핀 보어 축(선)(34)을 따라 동축으로 정렬되어 측면으로 이격된 핀 보어들(32,pin bores)을 제공하게끔 상부 크라운 영역(26)으로부터 늘어져 있는 한쌍의 핀 보스들(30,pin bosses)을 제공한다. 핀 보스들(30)은 스트러트 부분들(38,strut portions)을 통해 측면으로 이격된(laterally spaced) 스커트 부분들(36,skirt portions)과 연결된다. 스커트 부분들(36)은, 핀 보어 축(34)을 마주하는 쪽에 걸쳐서 서로 정반대로 이격되어 있으며 실런더 보어를 통해서 왕복운동하는 경우 원하는 방향으로 피스톤(10)을 유지하게끔 실린더 보어 내에서 협력하기 위해 볼록 외부 면(convex outer surfaces)의 윤곽을 갖는다.

상부 연소면(16,upper combustion surface)은 실린더 보어에 원하는 가스 흐름을 제공하게끔 오목하게된 연소 보울(40,recessed combustion bowl)을 갖게 표현되어 있다. 연소 보울(40)로 인해 적어도 부분적으로, 피스톤 바디 재료의 비교적 얇은 영역들이 연소 보올(40), 냉각 갤러리(22) 및 언더크라운 면(18) 사이에 형성된다. 이러하기에, 사용 중에, 예컨대 냉각 갤러리(22)를 통해서 그리고 핀 보스들(30) 사이의 중앙 갤러리 영역을 지닌 언더크라운 면(18)에 대하여 순환하는 오일을 통해 이러한 영역들은 적절하게 냉각될 필요가 있다. 언더크라운 냉각은, 중앙 갤러리 영역 내의 오일을 통해 또는 지향된 냉각 오일 분사(cooling oil jets)인 오일 스플래시(oil splashes)에 의해 제공될 수 있다. 또한, 상부 크라운 영역(26)의 외벽(42)은 상부 연소면(16)에서 하향으로(downwardly) 연장된다. 외벽(42)은, 대응하는 피스톤 링들(미도시 됨)을 받아들이기 위해 링 벨트 영역(20)의 복수개의 환형 링 홈(44)으로 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 링 홈을 갖게 형성되는데, 여기에서 링들은 일반적으로 각각의 링 홈(44) 내에서 자유롭게 유동(float freely)한다. 상술된 비교적 얇은 영역과 마찬가지로, 냉각 갤러리(22) 및 링 벨트 영역(20,ring belt region) 사이에서 연장되는 환형 벽(annular wall)은 비교적 얇아서, 또한 사용하는 동안에 적절하게 냉각될 필요가 있다.

피스톤(10)의 연장된 수명을 넘어서 사용하는 동안 링 벨트 영역(20) 및, 연소 보울(40,combustion bowl)을 포함는 상부 연소면(16)의 적절한 냉각을 촉진시키기 위해, 들러붙지 않는 코팅 재료(24,non-stick coating material)가 냉각 갤러리(22)와 경계를 이루는(bounding) 표면의 적어도 일부분에 접착되거나 존재하며(도 6의 피스톤 10'), 또한 언더크라운 면(18)에도 접착되거나 존재한다. 들러붙지 않는 코팅 재료(24)는, 크롬, 크롬-다이아몬드, 니켈, 다이아몬드-유사 코팅, 크롬-질화물(chrome-nitride), AlCrN, AlTiN, 세라믹, 코발트(실례로써 제한없이, 순수 코발트 또는 WC-17Co, 또는 Co-18Cr-30Mo와 같은 코발트의 합금을 포함), 및 폴리머 재료: 로 구성된 그룹을 포함하여, 카본 증강을 저지하는 재료로부터 선택된다. 도 1 및 2에 도시된 일 실시예에서, 들러붙지 않는 코팅 재료(24)는 환형 냉각 갤러리(22)와 경계를 이루는 전체 표면에 대하여 접착되거나, 단지 냉각 갤러리(22)의 상부 부분(upper part)을 따라서 접착되며, 코팅 재료(24)는 실질적으로 링 벨트 영역(20)의 길이를 따라 연장되며 또한 연소 보울(40)의 상향으로 연장된 부분을 따라 연장된다. 이러하기에, 카본 디포짓은 이들 영역에서 축적이 방지되며, 그로인해 카본 디포짓을 포함하는 단열층이 냉각 갤러리(22)를 통해서 순환하는 오일의 냉각 효율을 억제하기 위해 형성되는 것을 방지한다. 그러므로, 순환 오일을 통해 적절한 냉각이 이루어지도록 함에 의해, 영역이 냉각되는 동안 내내 피스톤 바디(12)의 재료는 의도하지 않은 탬퍼링을 통해 약해지는 것이 방지된다. 따라서, 피스톤 바디(12)의 재료는 고강도 및 크랙 전파에 대한 내성을 유지(보유)한다. 게다가, 피스톤 링들 및 링 홈들(44)은 카본 증강을 방지하게끔 충분히 냉각되며, 그로인해 링들이 각각의 링 홈들(44)에서 붙잡혀(seized) 있지 않고 의도된 대로 유동하며 기능한다.

냉각 갤러리(22)가 들러붙지 않는 코팅 재료(24)가 접착되거나 존재하는 층을 갖는 것에 더하여, 도시된 언더크라운 면(18)은 들러붙지 않는 코팅 재료(24)가 접착되거나 존재하는 층을 갖는데(도 6의 피스톤 10') 그곳을 따라 연장된다. 이러하기에, 카본 디포짓은 언더크라운 면(18) 상에서 축적이 방지되며, 그로인해 카본 디포짓의 단열층이 언더크라운 면(18)에 대하여 오일 스플래싱의 냉각 효율을 억제하기 위해 형성되는 것을 방지한다. 따라서, 전체 연소 보울(40)을 포함하여 상부 연소면(16)의 적절한 냉각을 함에 의해, 이 영역의 피스톤 바디(12)의 재료는 또한 의도하지 않은 탬퍼링을 통해 약해지는 것이 방지된다. 따라서, 상부 연소면(16)의 재료는 고강도 및 크랙 전파에 대한 내성을 유지한다.

본 발명의 다른 양상에 따라 구성된 피스톤(110)이 도 3에 도시되어 있는데, 여기에서 100의 인자에 의해 파생된 동일한 참조부호가 위에서 설명된 동일한 특징을 확인(식별)하는데 사용된다. 피스톤(110)은, 오목하게된 연소 보울(140)을 갖게 표현된 상부 연소면(116) 및 상부 연소면(116) 아래에 언더크라운 면(118)을 포함하는 피스톤 바디(112)를 갖는다. 또한 피스톤 바디(112)는 상부 연소면(116)에 인접한 링 벨트 영역(120)과 방사상 안쪽에 구성되어 링 벨트 영역(120)과 실질적으로 방사상으로 정렬되게 구성되는 폐쇄되거나 실질적으로 폐쇄된 냉각 갤러리(122)를 포함한다. 들러붙지 않는 코팅 재료(124)가 적어도 하나의 언더크라운 면(118) 및 냉각 갤러리(122)의 적어도 일 부분에 접착되게 도시되어 있는데, 여기에서 들러붙지 않는 코팅 재료(124)는, 위에서 설명된 바와 같이, 그 위에 카본 디포짓의 증강을 억제한다.

피스톤 바디(112)는, 상부 크라운 영역(126)으로 언급되는 상부 부분을 갖으며, 측면으로 이격된 핀 보어들(132)을 갖는 한쌍의 핀 보스들(130)로 연장되는 하부 크라운 영역(128)으로 언급되는 하부 부분을 갖는다. 위에서 설명된 피스톤(10)과 다르게, 상부 및 하부 크라운 영역(126,128)은 별개의 부품 재료(separate pieces of material)로 구성되며, 예컨대, 용접 또는 다른 연결 처리를 통해 그 후에 서로 고정된다.

제1 용접 조인트(50,first weld joint)는 별개로 만들어진 피스톤(110)의 상부 및 하부 크라운 영역(126,128)의 부분을 결합시킨다. 제1 용접 조인트(50)는 연소 보올(140)의 환형 밸리(52,annular valley) 위의 연소 보울(140)의 직립 벽(upstanding wall)을 통해서 연장된다. 따라서, 제1 용접 조인트(50)는 밸리(52) 위의 연소 보울(14)에 드러나 있다. 제1 용접 조인트(50)가 연소 보울(140)의 벽을 통해 연장되는 것에 더하여, 제2 용접 조인트(54)가 링 벨트 영역(120)의 외벽(142)을 통해서 연장된다. 따라서 상부 크라운 영역(126)은 한쌍의 상부 연결 면들을 포함할 수 있는데, 방사상 내부에서, 하향으로 향하는(facing) 연결 면(56)을 포함하며, 방사상 외부에서, 하향으로 향하는 링 벨트 영역(120)의 상부 연결 면(57)을 포함한다. 한편으로는, 따라서 하부 크라운 영역(128)은 한쌍의 하부 연결 면들을 포함할 수 있는데, 방사상 내부에서, 상향으로 향하는 하부 면(58)을 포함하며, 방사상 외부에서, 상향으로 향하는 하부 연결 면(59)을 포함한다. 연관된 하부 및 상부 연결 면들(56,57;58,59)은, 유도용접(induction welding), 마찰용접(friction welding), 저항용접(resistance welding), 전하 운반 광선(charge carrier ray), 전자 비임 용접, 레이져 용접, 교반용접(stir welding), 브레이징, 솔더링, 핫 또는 콜드 디퓨젼(hot or cold diffusion) 등과 같은 선택된 연결 처리(joining process)에 의해 결합될 수 있다.

상부 크라운 영역(126,upper crown region)은, 피스톤(10)의 중앙 길이방향 축(114)을 따라 취해진 단면에서 일반적으로 U-형상을 갖는 냉각 갤러리(122)의 상부 부분을 제공한다. 하부 크라운 영역(128)은, 중앙 길이방향 축(114)을 따라 취해진 단면에서 일반적으로 U-형상을 갖는 냉각 갤러리(122)의 하부 부분을 제공하며 또한 상부 연소면(116)의 벽 및 언더크라운 면(118)을 제공한다. 따라서, 상부 크라운 영역(126)을 하부 크라운 영역(128)에 연결하기에 앞서, 들러붙지 않는 코팅 재료(124)는, 언더크라운 면(118) 및/또는 양쪽이 일반적으로 U-형상의 표면으로서 도 3에 도시된 냉각 갤러리(122)와 경계를 이루는 일반적으로 U-형상 표면의 한쪽 또는 양쪽을 포함하는 별개의 상부 및 하부 부분(126,128)의 원하는 표면에 접착될 수 있다. 이러하기에, 들러붙지 않는 코팅 재료(24)는 일반적으로 U-형상의 표면 양쪽에 접착되며, 냉각 갤러리(122)의 전체 또는 상부 부분이 코팅되므로 상부 연소면 양쪽을 따라 이어지는 전체 직립 표면들(upstanding surfaces) 및 링 벨트 영역(120)이 코팅 된다. 따라서, 이러한 영역들에서 단열층을 형성하는 카본 디포짓이 방지되며, 이러한 영역들은 냉각 갤러리(122)에서 순환하는 오일에 의해 적절하게 냉각될 수 있다.

본 발명의 다른 양상에 따라 구성된 피스톤(210)이 도 4에 도시되어 있는데, 여기에서 200의 인자에 의해 파생된 동일한 참조부호가 위에서 설명된 동일한 특징을 확인(식별)하는데 사용된다. 피스톤(210)은, 오목하게된 연소 보울(240)을 갖게 표현된 상부 연소면(216) 및 상부 연소면(216) 아래에 언더크라운 면(218)을 포함하는 피스톤 바디(212)를 갖는다. 또한 피스톤 바디(212)는 상부 연소면(216)에 인접한 링 벨트 영역(220)을 포함한다. 전체적으로, 피스톤 바디(212)는 도 3에 도시된 피스톤 바디(112)와 유사하게 구성되는데, 그러나, 별개의 부품 재료로 구성되기 보다는 하나의 단일체 부품 재료로 구성된다. 또한, 폐쇄되거나 실질적으로 폐쇄된 냉각 갤러리를 갖기 보다는, 피스톤 바디(212)는, 방사상 안쪽에 구성되어 링 벨트 영역(220)과 실질적으로 방사상으로 정렬되게 구성되는 "개방"(open)된 냉각 갤러리(222)를 갖는다. "개방" 이라고 언급되는 것은 냉각 갤러리(222)가 그 하부 부분을 따라 개방되어 있는 것을 의미하고, 이전 실시예에서와 같은 바닥부분(floor)를 포함하지 않는다. 들러붙지 않는 코팅 재료(224)는, 양쪽에 도시된, 및 냉각 갤러리(222) 및 언더크라운 면(218) 중 적어도 하나에 접착되게 도시되어 있는데, 여기에서 들러붙지 않는 코팅 재료(224)는, 위에서 논의된 바와 같이, 그 위에 카본 디포짓의 증강을 억제한다. 도시된 바와 같이, 들러붙지 않는 코팅 재료(224)는 연속해서 끊임없는 코팅 층으로 언더크라운 면(218) 및 냉각 갤러리(22)와 경계를 이루는 표면을 따라서 연장된다. 코팅이 열 분무 방법을 통해 적용되는 경우, 코팅은 분무 방향과 수직을 이루는 갤러리 영역을 따라 우선적으로 접착될 것이다.

본 발명의 또 다른 양상에 따라 구성된 피스톤(310)이 도 5에 도시되어 있는데, 여기에서 300의 인자에 의해 파생된 동일한 참조부호가 위에서 설명된 동일한 특징을 확인(식별)하는데 사용된다. 피스톤(310)은 오목하게된 연소 보울(340)을 갖게 표현된 상부 연소면(316) 및 상부 연소면(316) 아래에 언더크라운 면(318)을 포함하는 피스톤 바디(312)를 갖는다. 또한 피스톤 바디(312)는 상부 연소면(316)에 인접한 링 벨트 영역(320)과 방사상 안쪽에 구성되어 링 벨트 영역(320)과 실질적으로 방사상으로 정렬되게 구성되는 폐쇄되거나 실질적으로 폐쇄된 냉각 갤러리(322)를 포함한다. 들러붙지 않는 코팅 재료(324)가 적어도 하나의 언더크라운 면(318) 및 냉각 갤러리(322)의 적어도 일 부분에 접착되게 도시되어 있는데, 여기에서 들러붙지 않는 코팅 재료(324)는, 위에서 설명된 바와 같이, 그 위에 카본 디포짓의 증강을 억제한다.

도 3의 피스톤 바디(112)에 대해 설명된 바와 같이, 피스톤 바디(312)는 상부 크라운 영역(326)으로 언급되는 상부 부분을 갖으며, 측면으로 이격된 핀 보어들(332)을 갖는 한쌍의 핀 보스들(330)로 연장되는 하부 크라운 영역(328)으로 언급되는 하부 부분을 갖는다. 상부 및 하부 크라운 영역(326,328)은 별개의 부품 재료로 구성되며 그 후에(나중에) 서로 고정된다.

제1 용접 조인트(350)는 별개로 만들어진 피스톤(310)의 상부 및 하부 크라운 영역(326,328)의 부분을 결합시킨다. 그러나 피스톤(110)과는 다르게, 제1 용접 조인트(350)는 연소 보올(340)의 환형 밸리(352,annular valley) 위의 연소 보울(340)의 직립 벽(upstanding wall)을 통해서 연장되지 않으며, 오히려 제1 용접 조인트(350)는 연소 보울(340)의 아래에 형성된다. 연소 보울(340)은, 연소 보울의 직립 벽을 포함하여 전적으로 상부 크라운 영역(326)의 재료로 형성된다. 제1 용접 조인트(35)에 더하여, 제2 용접 조인트(354)가 링 벨트 영역(320)의 외벽(342)을 통해서 연장된다. 따라서 상부 크라운 영역(326)은 한쌍의 상부 연결 면들(upper joining surfaces)을 포함할 수 있는데, 방사상 내부에서, 연소 보울(340) 아래에 하향으로 향하는(facing) 연결 면(356)을 포함하며, 방사상 외부에서, 링 벨트 영역(320) 내에 하향으로 향하는 상부 연결 면(357)을 포함한다. 한편으로, 하부 크라운 영역(328)은 한쌍의 하부 연결 면들(lower joining surfaces)을 포함할 수 있는데, 방사상 내부에서, 상향으로 향하는 하부 면(358)을 포함하며, 방사상 외부에서, 상향으로 향하는 하부 연결 면(359)을 포함한다. 연관된 하부 및 상부 연결 면들(356,357;358,359)은 유도용접, 마찰용접, 저항용접, 전하 운반 광선(charge carrier ray), 전자 비임 용접, 레이져 용접, 교반용접(stir welding), 브레이징, 솔더링, 핫 또는 콜드 디퓨젼(hot or cold diffusion) 등과 같은 선택된 연결 처리에 의해 결합될 수 있다.

상부 크라운 영역(326)은, 피스톤(310)의 중앙 길이방향 축(314)을 따라 취해진 단면에서 일반적으로 U-형상을 갖는 냉각 갤러리(322)의 상부 부분을 제공한다. 하부 크라운 영역(328)은, 중앙 길이방향 축(314)을 따라 취해진 단면에서 일반적으로 U-형상을 갖는 냉각 갤러리(322)의 하부 부분을 제공한다. 따라서, 상부 크라운 영역(326)을 하부 크라운 영역(328)에 연결하기에 앞서, 들러붙지 않는 코팅 재료(324)는, 언더크라운 면(318) 및/또는 단지 냉각 갤러리(322)의 상부 부분과 경계를 이루는 일반적으로 U-형상의 표면으로서 도 5에 도시된, 냉각 갤러리(322)와 경계를 이루는 일반적으로 U-형상 표면의 한쪽 또는 양쪽을 포함하는 별개의 상부 및 하부 부분(326,328)의 원하는 표면에 접착될 수 있다. 이러하기에, 단지 냉각 갤러리(322)의 상부 부분은 연소 보울(340)을 따라서 연장되는 부분을 포함하며, 한편 하부 부분(328)에 의해 제공되는 냉각 갤러리(322)의 하부 부분은 코팅 재료(324)가 없는 상태로 남아 있는다. 따라서, 제조에 있어서, 들러붙지 않는 코팅 재료(324)는 상부 부분(326)의 원하는 표면들에 접착될 수 있으며, 한편 하부 부분(328)은 코팅되지 않은 상태로 남아 있는다. 따라서, 들러붙지 않는 코팅 재료(324)는, 낭비하지 않고 필요에 따라 원하는 영역(구역)에 적용된다.

상기 지침을 고려하여 본 발명의 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 그러므로, 첨부된 청구항의 범주 내에서, 본 발명은 구체적으로 설명된 것과는 다르게 실행될 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.

Claims

내연기관을 위한 피스톤에 있어서,
상기 피스톤은, 실린더 보어 내부에서 연소가스에 직접 노출되게 구성된 상부 연소면과 상부 연소면 아래에 위치된 언더크라운 면(undercrown surface)을 갖는 피스톤 바디; 및 -피스톤 바디는 상부 연소면에 인접한 적어도 하나의 피스톤 링을 받아들기 위해 구성된 링 벨트 영역과 상기 링 벨트 영역에서 방사상 안쪽에 구성되며 링 벨트 영역과 실질적으로 방사상으로 정렬되게 구성된 냉각 갤러리를 갖음-
적어도 하나의 언더크라운 면 및 냉각 갤러리의 적어도 일 부분을 형성하는 재료에 접착되거나 함유되는 들러붙지 않는 재료; 를 포함하며, -상기 들러붙지 않는 재료는 코발트를 포함함-
을 특징으로 하는 내연기관을 위한 피스톤.
제 1항에 있어서,
들러붙지 않는 재료는 언더크라운 면 및 냉각 갤러리의 적어도 일 부분에 접착되는 것을 특징으로 하는 내연기관을 위한 피스톤.
제 1항에 있어서,
피스톤 바디는 단일체 부품 재료(monolithic piece of material)로 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관을 위한 피스톤.
제 3항에 있어서,
냉각 갤러리는 폐쇄된 갤러리(closed gallery) 인 것을 특징으로 하는 내연기관을 위한 피스톤.
제 1항에 있어서,
들러붙지 않는 재료는 순수 코발트, WC-17Co, Co-18Cr-30Mo, 및 코발트-포함 합금: 으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 내연기관을 위한 피스톤.
제 1항에 있어서,
피스톤 바디는, 제1 부품 재료로 구성된 상부 크라운 및 상부 크라운에서 분리된 제2 부품 재료로부터 구성된 하부 크라운을 포함하는데, 상부 크라운은 하부 크라운에 고정되며 들러붙지 않는 재료는 상부 크라운 및 하부 크라운 중 적어도 하나에 접착되는 것을 특징으로 내연기관을 위한 피스톤.
제 6항에 있어서,
하부 크라운에는 들러붙지 않는 재료가 없는 것을 특징으로 하는 내연기관을 위한 피스톤.
제 7항에 있어서,
들러붙지 않는 재료는 언더크라운 면 및 냉각 갤러리의 적어도 일 부분에 접착되는 것을 특징으로 하는 내연기관을 위한 피스톤.
제 8항에 있어서,
냉각 갤러리는 폐쇄된 갤러리 인 것을 특징으로 하는 내연기관을 위한 피스톤.
제 6항에 있어서,
들러붙지 않는 재료는 상부 크라운 및 하부 크라운에 접착되는 것을 특징으로 하는 내연기관을 위한 피스톤.
제 1항에 있어서,
피스톤 바디는 스틸 함금의 구성요소(constituent)로서 들러붙지 않는 재료를 포함하는 스틸 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관을 위한 피스톤.
내연기관을 위한 피스톤 구성 방법에 있어서,
상기 방법은,
실린더 보어 내부의 연소가스에 직접 노출되게 구성된 상부 연소면과 상부 연소면 아래에 언더크라운 면(undercrown surface)을 갖는 피스톤 바디를 형성;
상부 연소면에 인접한 적어도 하나의 피스톤 링을 받아들기 위해 구성된 링 벨트 영역을 형성;
방사상 안쪽에 구성되며 링 벨트 영역과 실질적으로 방사상으로 정렬되게 냉각 갤러리 형성; 및
순수 코발트, WC-17Co, Co-18Cr-30Mo, 또는 코발트-포함 합금으로 구성된 그룹에서 선택된 들러붙지 않는 재료로부터 적어도 하나의 언더크라운 면 및 냉각 갤러리의 적어도 일 부분을 형성; 하는 것을 포함하는 내연기관을 위한 피스톤 구성 방법.
제 12항에 있어서,
피스톤 바디는 단일체 부품 재료로 형성되는 것을 더 포함하는 내연기관을 위한 피스톤 구성 방법.
제 13항에 있어서,
냉각 갤러리는 폐쇄된 갤러리로 형성되며 냉각 갤러리 내에 들러붙지 않는 재료가 접착되는 것을 더 포함하는 내연기관을 위한 피스톤 구성 방법.
제 12항에 있어서,
피스톤 바디는 별개 부품 재료로 구성된 상부 크라운 및 하부 크라운을 갖게 형성되며, 상부 크라운을 하부 크라운에 고정시키는 것을 더 포함하는 내연기관을 위한 피스톤 구성 방법.
제 15항에 있어서,
들러붙지 않는 재료가 없이 하부 크라운을 유지하는 것을 더 포함하는 내연기관을 위한 피스톤 구성 방법.
제 16항에 있어서,
들러붙지 않는 재료를 언더크라운 면 및 냉각 갤러리의 적어도 일 부분에 접착하는 것을 더 포함하는 내연기관을 위한 피스톤 구성 방법.
제 12항에 있어서,
함금의 구성요소(constituent)로서 들러붙지 않는 재료를 포함하는 스틸 합금으로부터 피스톤 바디를 형성하는 것을 더 포함하는 내연기관을 위한 피스톤 구성 방법.