JP2013506086A - 粗い表面を有するピストン - Google Patents

Abstract

内燃機関のためのピストンは、上面及び下面を有するピストンクラウンと、ピストンスカートと、ピストンクラウンの下面に形成されかつピストンスカートの向き合った側壁の上側部分と一体の概してカップ状のアンダークラウンとを有し、少なくともアンダークラウンの表面の一部が粗く、少なくとも１つの増大した表面積の領域を形成しており、少なくとも１つの増大した表面積の領域におけるアンダークラウンの表面の最も高い点と最も低い点との間の距離が、約０．１ｍｍ〜１．０ｍｍである。

Description

関連する出願とのクロスリファレンス
本願は、引用したことにより全体が本明細書に記載されたものとする、２００９年９月２８日に出願された米国特許仮出願第６１／２４６２５０号明細書及び２０１０年９月１０日に出願された米国特許出願第１２／８７９４４４号明細書の優先権を主張する。

技術分野
本発明は、粗い内面を有する内燃機関のためのピストンに関する。

背景
内燃機関のためのピストンアセンブリは一般的に使用時に極めて高温となり、特に、ピストンによって部分的に形成された燃焼室内のガスの熱に直接に曝されるピストンの上壁若しくはクラウン部分において、他のエンジン構成部材と比較して比較的過酷な熱応力に曝される。ピストンアセンブリクラウン温度の問題は、エンジンパワー出力の増大により生じる熱負荷の増大により、現代の内燃機関に関してはより一層問題となっている。

ピストンスカート及びピストンクラウンを有するピストンの部分的な断面図である。 図１のピストンの内部の底面図である。 増大した表面積の領域を有する図１のピストンのアンダークラウンの一部の断面図である。 図３のアンダークラウンを形成する場合に使用される鋳造ツールの上面図である。 増大した表面積の複数の領域を有する図１のピストンのアンダークラウンの上面図である。 図５の増大した表面積の複数の領域を形成する場合に使用される択一的な鋳造ツールの上面図である。 典型的なピストン鋳造プロセスのプロセスフローチャートである。 図４の鋳造ツールの択一的な上面図である。 増大した表面積の択一的な領域を有する図１のピストンのアンダークラウンの上面図である。 図９Ａの交差平行線の拡大図である。 増大した表面積の択一的な領域を有する、図９Ａのアンダークラウンを有するピストンの内部の上面図である。 図９Ａの増大した表面積の領域を形成する場合に使用される鋳造ツールの上面図である。

詳細な説明
ここで以下の説明及び図面も参照して、開示されたシステム及び方法への例示的なアプローチが詳細に示される。図面は幾つかの可能なアプローチを示しているが、図面は必ずしも実寸ではなく、幾つかの特徴は、本発明をよりよく例示及び説明するために、誇張、省略、又は部分的に断面されている場合がある。さらに、以下に示す説明は、排他的ではなく、請求の範囲を、図面に示されかつ以下の詳細な説明に開示されたまさにその形態及び構成に制限又は限定しようとするものではない。

さらに、以下の説明では、多くの定数が紹介される場合がある。幾つかの場合には、定数の例示的な値が提供される。他の場合には、特定の値は提供されない。定数の値は、関連するハードウェアの特性、及びこのような特性の互いの関係と、開示されたシステムに関連する環境的条件及び運転条件とに依存する。

ここで図面、特に図１を参照すると、内燃機関のための典型的なピストン２０が開示されている。ピストン２０は、ピストンクラウン３０及びピストンスカート３２を有する。ピストンクラウン３０は、燃焼ボウル４０及びリングベルト部分４２を有する。リングベルト部分４２は、複数のピストンリング（図示せず）を収容するための複数のリング溝５０，５２，５４を有する。特に、リングベルト部分４２は、ピストンクラウン３０に最も近い第１のリング溝５０と、第２のリング溝５２と、第３のリング溝５４とを有しており、第３のリング溝はピストンクラウンから最も離れている。第１のリング溝５０及び第２のリング溝５２は、そこに配置された圧縮リング（図示せず）を有していてよく、第３のリング溝５４は、そこに配置されたオイルコントロールリング（図示せず）を有していてよい。

冷却ギャラリ４４は、ピストン２０内に配置されていてよく、冷却ギャラリ面６０を有しており、冷却ギャラリ面６０は少なくとも部分的にピストンクラウン３０の内壁６２とピストンスカート３２の内壁６４とによって形成されている。冷却ギャラリ４４は、ギャラリ４４を通る流体の流れを促進するために、１つ以上の流体入口開口７０と、１つ以上の流体出口開口７２とを有していてよい。しかしながら、特定の用途に応じて冷却ギャラリ４４は設けられていても設けられていなくてもよいことが知られているべきである。

図１及び図２に示したように、ピストンスカート３２は、内面７６，７８を有するピストン壁部７５，７７を貫通した一対の向き合ったリストボア７４を有しており、このリストボア７４は、ピストン２０をコネクティングロッド（図示せず）に回転可能に結合するためのリストピン（図示せず）を受容するためのものである。ピストンスカート３２は、概してカップ状の内部空間７９を形成している。ピストンスカート３２はさらに一対の向き合った側壁８２，８４を有し、これらの側壁は、内面８３，８５と、アンダークラウン８０と一体の上側部分８６，８７とを有する。アンダークラウン８０は、ピストンクラウン３０の下面に形成されており、概してカップ状である。アンダークラウン８０は、ピストン２０の最も高い部分よりも低く配置されていてよい。

図３に示したように、アンダークラウン８０は、少なくとも１つの増大した表面積の領域８８を有しており、この領域において、アンダークラウン８０の表面は粗くなっている。増大した表面積の領域８８における粗さは、複数の凹所９０によって形成されている。凹所９０は、ピストン２０の鋳造中にアンダークラウン８０に形成されてよいが、単に鋳造を行うことによってある程度の粗さが存在するような従来の鋳造技術と比較して意図的に粗さが高められた形式で形成される。より具体的には、凹所９０は、アンダークラウン８０の表面よりも低く約０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲の深さまで延びていてよい。幾つかの状況においては、より小さな公差が望ましい場合がある。つまり、それぞれの凹所９０は、アンダークラウン８０の表面積を増大させる。

この形式において、凹所９０は、アンダークラウン８０における増大した表面積の領域８８を形成する。幾つかの典型的なアプローチにおいて、領域は隣接しており、他のアプローチにおいて、領域は、より大きな熱放散が必要なところだけに位置決めされる。アンダークラウン８０の増大した表面積の領域８８はピストン２０の熱放散を高める。なぜならば、より大きな表面積はより大きな熱を放散させるからである。ピストンが、運転中に過酷な熱応力及び温度に繰り返し曝されるので、ピストン２０の熱放散に対するこのような改良は、ピストン２０の性能を高める。増大した表面積の少なくとも１つの領域８８をアンダークラウン８０に形成することは概して効果的である。なぜならば、アンダークラウン８０は、ピストン２０の運転中のピストン２０の最も高温の領域でもあるピストン２０の最も高い部分よりも低く配置されているからである。つまり、アンダークラウン８０に増大した表面積の少なくとも１つの領域を形成することは、潜在的にピストン２０の熱放散に最も顕著な影響を与える。

増大した表面積の領域８８の寸法を増大することは、ピストン２０によって放散することができる熱の量も増大する。増大した表面積の領域８８は、ピストン２０のアンダークラウン８０のあらゆる部分を含んでよい。好適には、増大した表面積の領域８８は、鋳造技術が許す限り多くの、アンダークラウン８０の表面を含む。さらに、図２に示したように、増大した表面積の領域８８は、アンダークラウン８０を超えて、ピストンスカート３２の側壁８２，８４の内面８３，８５の一方又は両方を含む、ピストン２０の内部における付加的な表面へ延びていてよい。

上述のように、増大した表面積の領域８８は、ピストン２０の鋳造中にアンダークラウン８０に形成されてよい。ピストン２０は、砂型鋳造、ロストフォーム鋳造、インベストメント鋳造又はダイカスト法のような従来の鋳造法によって形成されてよいが、これらに限定されない。鋳造法は、凹所９０の数及び増大された深さを促進するように変更されてよい。単に例として、ピストン２０は、第１の上側型部材（上型、図示せず）及び第２の型部材（下型、図示せず）を含む型におけるダイカストによって形成されてよい。型部材は複数のコア又は鋳造ツール９２を有していてよく、これらのコア又は鋳造ツールは、図４に示したように、ピストン２０のニアネットシェイプ及び増大した表面積の領域８８を形成する。鋳造ツール９２は、アンダークラウン８０と、ピストンスカート３２によって形成された概してカップ状の内部空間７９とを形成するために、鋳造プロセス中に使用される湾曲した上側部分９４を有する。

鋳造ツール９２の湾曲した上側部分９４の外面は、表面粗さ形成部９６を有する。図４に示したように、表面粗さ形成部６４は、鋳造ツール９２の湾曲した上側部分９４に形成された複数の鋳造凹所９０を有する。鋳造凹所９０は、放電加工又は研削を含むがこれに限定されないあらゆる適切な手段によって鋳造ツール９２に刻まれてよい。複数の鋳造凹所９０は、鋳造プロセス中に鋳造凹所９０に対応する凹所９０をアンダークラウン８０に形成することによって、ピストン２０のアンダークラウン８０に山と谷とを有する粗くなった表面（図３に示されている）を形成する。アンダークラウン８０におけるこれらの凹所９０は、増大した表面積の領域８８を形成する。鋳造ツール９２に刻まれた鋳造凹所９０は様々な深さを有してよいので、アンダークラウン８０に形成される凹所９０は、対応する様々な深さを有してよい。つまり、図３に示したように、様々な深さの凹所９０のパターンが、アンダークラウン８０における増大された表面積の領域８８に形成されてよい。

アンダークラウン８０に形成された増大された表面積の領域８８の寸法は、鋳造凹所９０が刻まれた鋳造ツール９２の湾曲した上側部分９４の表面積の大きさによって決定される。鋳造凹所９０が形成された鋳造ツール９２の湾曲した上側部分９４の表面積が大きいほど、鋳造中にピストン２０に形成される増大した表面積の領域８８の寸法も大きくなる。実際に、鋳造凹所９０が刻まれた鋳造ツール９２の湾曲した上側部分９４の表面積を増大することは、図２及び図３に示したように、アンダークラウン８０に加えて、ピストンスカート３２の側壁８２，８４の内面８３，８５を含む他の面にも形成された増大した表面積の領域８８を生じることができる。

付加的に、図５に示されかつ上記で説明したように、鋳造中にアンダークラウン８０に２つ以上の増大した表面積の領域８８が形成されてよい。これは、図６に境界線９９によって示されているように互いに分離された別個の表面粗さ形成部セグメント９７において鋳造ツール９２の湾曲した上側部分９４に鋳造凹所９０を刻むことによって達成されてよい。別個の表面粗さ形成部セグメント９７のそれぞれは、鋳造中にピストン２０のアンダークラウン８０における増大した表面積の領域８８を形成する。

ここで図７を参照すると、ピストン２０を形成するためのプロセス１００が示されている。プロセス１００はステップ１０２において開始し、このステップ１０２において、複数の鋳造凹所９０の形態の表面粗さ形成部９６が鋳造ツール９２に刻まれる。鋳造凹所９０は、湾曲した上側部分９４のような、しかしながらこれに限定されない、変更を許容する鋳造ツール９２のあらゆる部分に刻まれてよい。

ステップ１０４において、鋳造ツール９２を含む、ピストン２０を鋳造するための型が組み立てられる。型は、複数の鋳造ツール（コア）９２を有してよく、様々な形式で位置決めされてよい。単に例として、５片鋳造ツール９２が使用されてよく、この場合、最初に挿入及び除去される少なくとも１つの中間セクションが設けられており、外部コアは中間セクションを包囲している。鋳造ツール９２の間の空所はピストン２０の最終形状を形成する。ステップ１０６において、溶融した金属をゲーティングシステムを通じて、鋳造ツール９２を包囲する空所内へ噴射又は注入することによって型にピストン２０が鋳造される。鋳造ツール９２の湾曲した上側部分９４に形成された表面粗さ形成部９６は、鋳造プロセス中にピストン２０のアンダークラウン８０に対応する粗い表面を形成する。この粗い表面は、ピストンの熱放散特性を高める増大した表面積の少なくとも１つの領域８８を形成する。次いで、ステップ１０８において、まず中間鋳造ツールを除去し、次いで外部鋳造ツール９２を除去することによって、鋳造ツール９２は型から分離される。次いで、ステップ１１０において、ピストン２０は型から取り出され、冷却させられる。型から取り出されると、ピストンは、自然に冷却させられるか、又は焼きなまし、表面硬化、析出強化、焼戻し、及び急冷のような、しかしながらこれらに限定されない熱処理プロセスに曝されてよい。熱処理は、使用される材料の物理的又は化学的な特性を変化させ、ピストン２０に特定の硬さを付与する。

択一的に、図８に示したように、アンダークラウン８０に凹所９０を形成するために使用される表面粗さ形成部９６は、鋳造ツール９２の湾曲した上側部分９４に提供されたセラミック又はその他の耐熱性コーティングのような、しかしながらこれらに限定されないコーティング（図示せず）であってよい。ピストン２０のアンダークラウン８０に提供された場合、コーティングは、鋳造プロセス中にアンダークラウン８０に凹所を形成することによってアンダークラウン８０に粗い表面の少なくとも一部分を形成してよい。アンダークラウン８０におけるこれらの凹所９０は、増大した表面積の領域８８を形成する。鋳造ツール９２に提供されたコーティングの性質により、アンダークラウン８０に形成される凹所９０は様々な深さを有してよい。つまり、様々な深さの凹所９０のランダムなパターンが、増大した表面積の領域８８に形成されてよい。

上記のとおり、鋳造ツール９２の湾曲した上側部分９４に提供された表面粗さ形成部コーティング（図示せず）は、アンダークラウン８０に凹所９０の粗くなった表面を形成することによってアンダークラウン８０の表面特性に影響する。アンダークラウン８０に粗い表面を形成するために、粗い金属コーティング、セラミックコーティング及び黒味コーティングを含むが、これらに限定されない様々なコーティングが鋳造ツール９２に提供されてよい。凹所９０の深さを、鋳造ツール９２の湾曲した上側部分９４に提供される特定のコーティングと、鋳造ツール９２の湾曲した上側部分９４に提供されるコーティングの厚さとの選択によって制御することができる。

さらに、増大した表面積の領域８８の寸法は、鋳造ツール９２の湾曲した上側部分９４に提供されるコーティングの量によって決定されてよい。湾曲した上側部分９４に提供されるコーティングの表面積が大きいほど、鋳造中にアンダークラウン８０に形成される増大した表面積の領域８８の寸法が大きくなる。実際、湾曲した上側部分９４に提供されるコーティングの表面積を増大することにより、アンダークラウン８０に加えて、ピストンスカート３２の側壁８２，８４の内面８３，８５を含む他の表面に増大した表面積の領域８８が形成されてもよい。

ここで図９Ａを参照すると、ピストン２０のアンダークラウン８０の表面に形成された増大した表面積の領域１８８の択一的な図が示されている。ピストン２０は、ピストン２０の鋳造中にピストンのアンダークラウン８０の表面に一体化された交差平行線１９０によって形成された増大した表面積の典型的な領域１８８を有する。交差平行線１９０の拡大図が図９Ｂに示されている。交差平行線パターン１９０は、アンダークラウン８０の表面に形成された概して均一な平行な隆起部分１９２，１９４の２つのグループを有してよい。複数の隆起部分１９２，１９４のそれぞれのグループは互いに交差し、隆起部分１９２，１９４の間に複数の凹み１９５を形成している。隆起部分１９２，１９４は、ピストン２０の水平軸線Ａに関して角度αに形成されていてよい。好適には、隆起部分１９２，１９４の角度αは約４５度である。水平軸線Ａに関するこのような角度αで隆起部分１９２，１９４を提供することは、概して菱形の複数の凹み１９５を含むアンダークラウン８０の表面上の均一な正方形のワッフル状のパターンを形成する。水平軸線Ａに関して隆起部分１９２，１９４を整合させることにより、隆起部分１９２，１９４の長さは交差平行線１９０の幅よりも長くなることができる。交差平行線１９０のエッジにおける隆起部分１９２，１９４の端部は、アンダークラウン８０の表面に向かってテーパしていてよい。

隣接する隆起部分１９２と隣接する隆起部分１９４との間の距離は約０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲であってよく、隆起部分１９２，１９４は、約０．４ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲の、アンダークラウン８０の表面からの高さを有していてよい。幾つかの状況においてはより厳しい公差が望ましい。隣接する隆起部分１９２，１９４の間の距離を減じることにより、アンダークラウン８０により多くの隆起部分１９２，１９４を形成することができる。アンダークラウン８０の表面における隆起部分１９２，１９４の数、及び隆起部分１９２，１９４の高さ及び幅を最大化することにより、アンダークラウン８０における増大した表面積の領域１８８に形成される表面積の大きさが最大化される。使用の環境に応じて、リストピンとその係合するピストン面との間の耐荷重表面の動的及び静的な力要求を依然として考慮しながら、表面積をできるだけ増大することが望ましい。なぜならば、より大きな表面積はピストン２０によるより大きな熱放散を提供するからである。

交差平行線１９０によって形成された増大した表面積の典型的な領域１８８は、アンダークラウン８０の表面の実質的な部分に形成されていてよい。好適には、交差平行線１９０は、アンダークラウン８０の表面の最低でも約４０％に形成されている。さらに、図１０に示したように、交差平行線１９０は、アンダークラウン８０を超えてピストン２０の内部における付加的な表面へ延びていてよく、これによって、ピストンスカート３２の側壁８２，８４の内面８３，８５のうちの一方又は両方及び／又はピストンスカート３２のピストン壁部７５，７７の内面７６，７８のうちの一方又は両方を含む、増大した表面積の付加的な領域１８８を形成する。

ここで図１１を参照すると、鋳造プロセス中にピストン２０のアンダークラウン８０の表面に交差平行線１９０を形成する鋳造ツール２００の図が示されている。択一的に、鋳造が完了すると機械加工作業が行われてよい。しかしながら、鋳造の場合、鋳造ツール２００の表面粗さ形成部９６は、鋳造ツール２００の湾曲した上側部分２０１の表面に形成された複数の溝２０２，２０４を有する。溝２０２，２０４は、放電加工又はフライス削り作業を含むが、これらに限定されないあらゆる適切な手段によって鋳造ツール２００の湾曲した上側部分２０１の表面に形成されてよい。複数の溝２０２，２０４は、鋳造プロセス中に溝２０２，２４０に対応する隆起部１９２，１９４をアンダークラウン８０の表面に形成することによってアンダークラウン８０の表面に粗い面を形成する。アンダークラウン８０の表面における隆起部分１９２，１９４は、増大した表面積の領域１８８を形成する交差平行線１９０を形成する。

択一的に、アンダークラウンの表面に形成された交差平行線は、アンダークラウンの表面に形成された複数の概して均一な平行な溝であってもよい。アンダークラウンの表面にこのような溝を形成するために、鋳造ツールは、鋳造ツールの湾曲した上側部分に形成された複数の概して均一な平行な隆起部を有する。

本発明は、発明を実施するための最良の形態を単に例示的でしかない前記説明に関して具体的に図示及び説明された。以下の請求の範囲に規定された発明の支承及び範囲から逸脱することなく発明を実施する際にここで説明された発明の例示に対する様々な代替が使用されてよいことが当業者によって理解されるべきである。以下の請求の範囲は発明の範囲を規定し、これらの請求の範囲及びそれらの均等物に含まれる方法及び装置はこれによってカバーされることが意図されている。発明のこの説明は、ここに記載された要素の全ての新規の非自明な組合せを含むと理解される理解されるべきであり、請求の範囲は、本願又はその後の出願において、これらの要素の新規で非自明な組合せに対して提供されている。さらに、前記例示は例示的であり、本願又はその後の出願において請求される全ての可能な組合せにとって、１つの特徴又は要素は必須ではない。

Claims (16)

1. 内燃機関のためのピストンにおいて、
   上面及び下面を有するピストンクラウンと、
   上側部分及び内面を有する一対の向き合った側壁を含むピストンスカートとを有し、該ピストンスカートがピストンクラウンの下面に形成されており、
   ピストンクラウンの下面に形成されかつピストンスカートの向き合った側壁の上側部分と一体の概してカップ状のアンダークラウンを有し、該アンダークラウンの表面の少なくとも一部が粗くなっており、これにより、少なくとも１つの増大した表面積の領域を形成しており、該少なくとも１つの増大した表面積の領域におけるアンダークラウンの表面の最も高い点と最も低い点との間の距離が約０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲であることを特徴とする、内燃機関のためのピストン。
2. 前記増大した表面積の領域が、アンダークラウンの表面に形成された複数の凹所を有する、請求項１記載のピストン。
3. 前記複数の凹所が、約０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲でアンダークラウンの表面よりも低い深さまで延びている、請求項２記載のピストン。
4. ピストンが鋳造プロセスによって形成され、アンダークラウンの表面における複数の凹所が、鋳造プロセス中に、アンダークラウンに係合しかつアンダークラウンを形成するのを助けるように形成された少なくとも部分的に湾曲した上側部分を有する鋳造ツールによって形成され、鋳造ツールの上側部分が表面粗さ形成部を有する、請求項１記載のピストン。
5. 前記表面粗さ形成部が、鋳造ツールの湾曲した上側部分に形成された複数の鋳造凹所を有する、請求項４記載のピストン。
6. 前記表面粗さ形成部が、鋳造ツールの湾曲した上側部分に提供されたコーティングを有する、請求項４記載のピストン。
7. 前記少なくとも１つの増大した表面積の領域が、側壁のうちの少なくとも１つの内面にも形成されている、請求項１記載のピストン。
8. 前記増大した表面積の領域が、アンダークラウンの表面から延びた概して平行な複数の隆起部分を有し、該複数の隆起部分が、交差平行線パターンを形成している、請求項１記載のピストン。
9. アンダークラウンの表面における交差平行線における隣接する隆起部が、約０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲の距離だけ互いに分離されている、請求項８記載のピストン。
10. 複数の隆起部が、約０．４ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲のアンダークラウンの表面からの高さを有する、請求項８記載のピストン。
11. 前記複数の隆起部が、ピストンの水平軸線に対して角度αでアンダークラウンの表面に形成されている、請求項８記載のピストン。
12. 前記角度αが約４５゜である、請求項１１記載のピストン。
13. 前記少なくとも１つの増大した表面積の領域が、側壁のうちの少なくとも１つの内面にも形成されている、請求項１記載のピストン。
14. 前記ピストンが鋳造プロセスによって形成されており、アンダークラウンの表面における複数の凹所が、鋳造プロセス中に、少なくとも部分的に湾曲した上側部分を有する鋳造ツールによって形成され、鋳造ツールの上側部分が表面粗さ形成部を有する、請求項１記載のピストン。
15. 前記表面粗さ形成部が、鋳造ツールの湾曲した上側部分に形成された複数の溝を有する、請求項１４記載のピストン。
16. 前記表面粗さ形成部が、放電加工、研削、フライス削り及び鋳造のうちの少なくとも１つを用いて鋳造ツールに形成されている、請求項１４記載のピストン。

Images