JP2014518979A - 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

Abstract

ピストンおよび構成方法が提供される。ピストンは、底部に固定される頂部を含む。頂部は最上面を有し、環状の内側および外側上接合面がそこから垂下している。底部は、ピンボア軸に沿って互いと整列されるピンボアを有する１対のピンボスと、１対の上向きに延在する環状の内側および外側下接合面と、燃焼皿壁とを有する。内側および外側溶接接合部は、内側および外側上接合面と下接合面とを互いに固定する。環状冷却通路が上接合面と下接合面との間に横方向に形成される。頂部を底部に接合する内側溶接接合部が燃焼皿壁内に位置し、ピストンの圧縮高さを最小限にするように構成される。

Description

発明の背景
１．技術分野
本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。

２．関連技術
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、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内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。

本発明に従って構成されるピストンは、以下の開示内容を読んで添付の図面を参照すると当業者に明らかになるように、上述の公知のピストン構成の不利点および他の不利点を克服する。

発明の要約
この発明に従って構成されるピストンはスチールから構成され、これにより、ピストンに、近代的な高性能エンジンで見られるものなどのシリンダボア内の増大した圧縮荷重に耐える向上した強度および耐久性を与える。さらに、ピストンの新規の構成により、ピストンの圧縮高さ（ＣＨ）および重量を最小化することができ、これによりピストンが配備されるエンジンをより小型化および軽量化することができる。

発明の１つの局面に従うと、内燃機関のためのピストンは、ピストン上部と、ピストン下部とを含み、少なくともピストン下部は鉄系材料で作製され、ピストン下部は、ピンボア軸に沿って整列される関連付けられたピンボアで形成される１対のピンボスを有し、ピストン下部は、ピンボスと一体として、かつ同一材料で形成される１対のピストンスカート部をさらに含み、ピストン上部および下部は各々、環状外側壁および環状内側壁を含み、環状外側壁および内側壁は、径方向に互いに間隔を空けられており、各内側壁と外側壁との間の流路部を提供し、ピストン上部の内側壁および外側壁は、内側および外側溶接接合部に亘ってピストン下部のそれぞれの内側壁および外側壁に恒久的に接合されており、互いに接合された内側壁および外側壁によって与えられる２つの側壁と、ピストン上部によって形成される環状頂部壁と、ピストン下部によって形成される底部壁とを有する環状冷却通路を自身同士の間に規定し、互いに接合されたピストン上部および下部は、互いに接合された内側壁の内側面によって一部を規定される燃焼皿を含み、ピストン下部の内側壁の径方向内側に延在する燃焼皿のほぼドーム形状の底部壁をさらに含み、内側溶接接合部は燃焼皿に露出しており、互いに接合されたピストンの部分は、ピンボスの底縁から頂部壁の頂面まで測定されるピストン高さ寸法ＰＨを含み、互いに接合されたピストンの部分は、ピンボア軸から頂部壁の頂面まで測定される圧縮高さ寸法ＣＨを含み、互いに接合されたピストンの部分は、頂部壁の外径として測定されるピストン直径ＰＤを含み、Ｄは約１０３ｍｍに等しく、ＣＨは約４０ｍｍに等しく、ＣＨ／ＰＨの比は約２／３に等しい。

発明の別の局面に従うと、最上面を有する頂部を含むピストンが構成され、環状の内側および外側上接合面が最上面から垂下している。ピストンはさらに、ピンボア軸に沿って互いと整列される１対の横方向に間隔を空けられたピンボアを設ける１対のピンボスを有し、かつ別個のそれぞれの内側および外側溶接接合部によって内側および外側上接合面に接合される１対の上向きに延在する環状の内側および外側下接合面を有する底部をさらに含み、環状冷却通路が上接合面と下接合面との間に横方向に延在している。底部は最上面の下に引込められた燃焼皿壁を有し、燃焼皿壁は、上側頂点と上側頂点の下にある下側頂点との間に延在する厚みを有し、環状の谷部が上側頂点および下側頂点を取囲み、燃焼皿壁の厚みは実質的に一定である。

発明の別の局面に従うと、最上面を有する頂部を含むピストンが構成され、環状の内側および外側上接合面が最上面から垂下している。ピストンは、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対のピンボスを有し、かつ別個のそれぞれの内側および外側溶接接合部によって内側および外側上接合面に接合される１対の上向きに延在する環状の内側および外側下接合面を有する底部をさらに含み、環状冷却通路が上接合面と下接合面との間に形成される。頂部および底部が外径を有するピストンヘッド領域を形成し、ピストンの圧縮高さは頂部の最上面とピンボア軸との間に延在する。圧縮高さはピストン外径の約３８％から４５％の間の範囲に亘る。

発明の別の局面に従うと、内燃機関のためのピストンは、径方向に間隔を空けられた内側および外側接合面を有するピストン上部と、径方向に間隔を空けられた接合面を有し、鉄系材料で作製されるピストン下部と、内側および外側溶接接合部とを含み、内側および外側溶接接合部は、ピストン上部および下部の内側および外側接合面をそれぞれ恒久的に接合しており、自身同士の間に冷却通路と、冷却通路の内側の、ピストンの頂部に開口する燃焼皿とを規定し、内側溶接接合部は、冷却通路と燃焼皿との間に延在し、ピストン下部は、１対のピンボスおよび共通のピンボア軸に沿って整列される関連付けられたピンボアと、ピンボスと一体として同一材料で形成される１対のスカート部とを含み、ピストンは、ピストン外径ＰＤを有する頂面と、ピンボア軸からピストンの頂面までの距離として測定される圧縮高さＣＨとを有し、ＣＨはＰＤの３８％から４５％である。

このようなピストンの利点は、非常に頑丈であるが小型のピストンを、通常は高耐久性のピストン適用例に関連付けられるより大型の冷却ピストンの性能利点のすべてを有するがより小さなエンジンで使用するために小さなパッケージサイズで製造可できることである。

本発明のこれらおよび他の局面、特徴および利点は、現在の好ましい実施形態および最良の態様の以下の詳細な説明、添付の請求項ならびに添付図面に関連して考慮されるとより容易に認識されるであろう。

発明の１つの局面に従って構成されるピストンの部分断面斜視図である。 図１のピストンの側面図である。 ピストンの長手方向中心軸をほぼ通りかつそのピンボア軸を横断するようにとられた、図１のピストンの断面側面図である 図３と同じ軸にほぼ沿ってとられた、図１のピストンの底部の断面側面図である。 ピンボア軸にほぼ沿ってとられた図１のピストンの断面側面図である。 図４と同じ軸にほぼ沿ってとられた、図１のピストンの底部の断面側面図である。 図１のピストンの底面図である。 発明の別の局面に従って構成されるピストンの図１と同様の図である。 ピストンの長手方向中心軸をほぼ通りかつそのピンボア軸を横断するようにとられた、図６のピストンの断面側面図である。 図７と同じ軸にほぼ沿ってとられた、図６のピストンの底部の断面側面図である。 ピンボア軸にほぼ沿ってとられた、図６のピストンの断面側面図である。 図８と同じ軸にほぼ沿ってとられた、図６のピストンの底部の断面側面図である。 図６のピストンの底部の上面図である。 ピストンの長手方向中心軸をほぼ通りかつそのピンボア軸を横断するようにとられた、発明の別の局面に従って構成されるピストンの断面側面図である。 ピンボア軸にほぼ沿ってとられた図１０のピストンの断面側面図である。 図１０のピストンの底面図である。 図１０のピストンの上面図である。 発明の代替実施形態の上面図である。 図１４の線１５−１５にほぼ沿ってとられた断面図である。 図１４の線１６−１６にほぼ沿ってとられた断面図である。 図１４のピストンの底面図である。

現在好ましい実施形態の詳細な説明
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の部分断面斜視図である。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を含む。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１８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軽量化を達成しより小型化され得る。

図１、図３、および図４に示されるように、ピストン１０のヘッド領域１４は、頂部壁２０の最上燃焼面下に引込められる環状燃焼皿２２を取囲む環状頂部壁２０を有する。燃焼皿２２は壁２４によって境界確定され、壁２４は、底面３０とも称される下にあるクラウン下面と上面２８との間に延在する均一または一定の厚みを有する中心に位置する薄い壁の底部または床２６を含む。燃焼皿２２の輪郭は上面２８によって形成され、上面２８は、ピストン１０の中心軸Ａに沿って同軸に位置し得るかまたは図６〜図９に関連して以下にさらに論じるものなどのようなピストン中心軸Ａに対して径方向にオフセットされ得る上側頂点または中心ピーク３２を設けるように輪郭付けされて示される。燃焼皿壁２４の輪郭は、ピーク３２に関連して同心であるようにかつ燃焼皿２４の最も低い部分を形成するように示される、ピーク３２を取囲む環状の谷部３４も設ける。床２６の厚みはピストンヘッド外径の約２．５％から４．０％の範囲に亘って一定または実質的に一定であるので、底面３０は燃焼皿上面２８の輪郭に従うかまたは実質的に従う。このように、盛り上がった下側頂点またはピーク３６は上側頂点３２の直下にあるように形成されて、接続ロッド（図示せず）の、スモールエンドとも称されるリストピン端を収容する最大限利用可能な空間を設ける。これにより、接続ロッドのスモールエンドの大きさが増大して、往復の際にピストンに向上した誘導および安定性を与えることができる。

図３Ａおよび図４Ａに最もよく示されるように、ピストン１０の底部１６は、燃焼皿２２の床２６およびしたがってピーク３２と谷部３４との両者を含むように作製される。再び図１、図３、および図４を参照して、燃焼皿２２はさらに、谷部３４に近い燃焼皿２２の床２６からヘッド領域１４の頂部壁２０へ上向きに延在しこれらを取囲む周囲の環状の直立した側壁３８を含む。燃焼皿側壁３８は一部をピストン１０の底部１６によっておよび一部を頂部１８によって形成される。これにより、側壁３８は、底部１６によって設けられる下側側壁部分３７（図３Ａおよび図４Ａ）と、頂部１８によって設けられる上側側壁部分３９（図１、図３、および図４）とを含む。燃焼皿上側側壁部分３９の最上領域は全体が頂部１８によって形成される燃焼皿２２の環状の径方向内向きに突出する縁またはリム４０を設け、これにより燃焼皿２２の側壁３８は下部が切られて、ピストン１０の頂部１８に環状の内曲空洞４２を設ける。環状の下側および上側側壁部分３７，３９は各々、ピストン１０の構成において互いに溶接される下側および上側端接合面４１，４３をそれぞれ有する。下側端接合面４１は、一例としておよび限定されずに、燃焼皿床２６の下にあるピーク３６と同一平面にまたは実質的に同一平面にあるものとして示され、これにより中心ピーク３２は下側端接合面４１の平面上方に延在する。

ピストン１０のヘッド領域１４は、ピストン１０の環状外側壁４６中に形成される環状リングベルト４４をさらに含む。外側壁４６は頂部壁２０から下向きに延在し、外側壁４６の上側部分はピストン１０の頂部１８によって設けられ、外側壁の残余の底部分は底部１６によって設けられる。外側壁４６の上側部分は頂部壁２０から環状の外側上接合面４７へ垂下する一方で、外側壁４６の下側部分は環状の外側下接合面４９へ上向きに延在する。リングベルト４４の上側部分はピストン１０の頂部１８内の外側壁４６の上側部分の中に形成されるものとして示され、リングベルト４４の下側部分はピストン１０の底部１６内の外側壁４６の底部分の中に形成されるものとして示される。リングベルト４０は、ピストンリング（図示せず）を通常の態様で受ける複数の外側環状リング溝４５を有する。示されるリング溝４５はピストンヘッド領域１４の頂部壁２０に隣接する最上リング溝を含み、最上リング溝は、頂部１８と底部１６との間で、その全体が頂部１８内に形成可能であるかまたはその全体が底部１６内に形成可能であり、最上リング溝４５はコンプレッションリング（図示せず）を受けるように設けられる。さらに、最上リング溝４５下の１対の下側リング溝４５が示され、１対の下側リング溝４５は、中間ワイパーリングおよび最下オイルリング（いずれも図示せず）を受けるなど、好ましくは底部１６中に形成される。またさらに、底部（第４の）環状溝または凹部４５′が最下オイルリング溝４５の下に形成され、環状凹部４５′は主に軽量化特徴として「鋳放し」で形成される。

ピストン１０のヘッド領域１４は、リングベルト４４の下方端から中心軸Ａに向けて径方向内向きに延在する環状底部壁４８をさらに含む。底部壁４８は全体が底部１６の材料から形成される。底部壁４８は、燃焼皿２２の側壁３８の径方向内向きに、燃焼皿２２の床２６の中へと遷移領域５１に亘って径方向内向きに遷移する。

ヘッド領域１４の環状底部壁４８は頂部壁２０から中心軸Ａに沿って軸方向に整列して間隔を空けられ、リングベルト４４の外側壁４６は内側燃焼皿側壁３８から径方向外向きに間隔を空けられる。これにより、長手方向断面に示されるように、これらの壁４８，２０，４６，３８はピストンヘッド領域１４内の実質的に囲い込まれた、周方向に連続したオイル通路５０を結合する環状のトロイド形状の箱構造を形成する。オイル通路５０の上側領域はピストン１０の頂部１８によって形成され、オイル通路５０の下側領域はピストン１０の底部１６によって形成される。オイル通路５０の、床４８とも称される底部壁は、ピストン１０の底に向けて開いている少なくとも１つの給油口または入口５２で形成され、ピストン１０が設置されるべきディーゼルエンジンの動作の際にオイルジェットからなどの供給源（図示せず）から冷却オイルの流れを導入するためのオイル通路５０と直接に流体連通している。ピストンの底部１２が鋳造（たとえばインベストメント鋳造）によって作製される場合、オイル入口５２は、後で機械加工作業によって形成されるよりもむしろ「鋳込」特徴として形成されてもよい。底部壁４８は、ピストン１０の底部へ開いており、かつ動作の際に通路５０からエンジンのクランク室の中に戻るようにオイルを排出するためにオイル通路５０と開放流体連通している少なくとも１つのオイル排出孔または出口５４も含んでもよい。少なくとも１つのオイル排出孔５４は同様に底部ピストン部１６の「鋳込」特徴であってもよい。入口および出口４８，５０を底部１６に直接に鋳造することによって、これらを形成する二次または下流プロセスを避けることが好ましいが、所望により機械加工または他のやり方でそれらを加工することもできる。さらに、底部壁４８は、側壁３８の少なくとも一部の下に径方向内向きに延在して燃焼皿２２に対する冷却通路５０内のオイルの冷却効果を最大限にするオイル通路５０の環状内曲部分５５を設ける環状下側切取り領域を設けるように、「鋳放し」で形成することができる。

底部１６はさらに、頂部１８から垂下するように構成される１対のピンボス５６を含む。ピンボス５６は各々、スチール構成を考慮すると好ましくはブッシュのないピンボア５８を有し、ピンボア５８は中心長手方向軸Ａを横断して延在するピンボア軸Ｂに沿って同軸に互いから間隔を空けられる。ピンボア５８は各々、最上正接平面５７と正接して延在する最上面と、最下正接平面５９と正接して延在する最下面とを有し、正接平面５７，５９は互いに平行にかつ中心軸Ａを横断するように延在する。ピンボス５６は、底部１６と一体の材料片として形成され、およびしたがってピンボス５６と一体の材料片として一体的に形成されるスカートパネル６０とも称されるスカート部分に接合される。

スカートパネル６０は、それらの長手方向に延在する側面６１に沿って、窓を介して、支柱部分６２とも称されるピンボス５６に直接に接合され、これによりスカートパネル６０はピンボス５６の対向側面に亘って互いと正反対に配置される。開口部６３を有する支柱部分６２のうち１つ以上を形成することができ、開口部６３は中心軸Ａに沿ってほぼ長さ方向に延在する細長い弧状の楕円またはほぼピーナッツ形状の開口部として示される。開口部６３は好ましくは底部１６によって「鋳放し」で形成されるが、さらなる軽量化のために、所望により、鋳造後にそれらを機械加工または加工することができる。

スカートパネル６０は中央領域６５に亘ってそれぞれの側面６１同士の間に延在する凸状の外側面を有し、外側面は、ピストンがシリンダボアを通って往復運動する際にピストン１０を所望の向きに維持するようにシリンダボアの壁と滑らかに嵌り合って協働するように輪郭付けされる。ピストンヘッド外径の約２．０％から３．０％の間の範囲に亘る厚みを有するスカートパネル６０が構成される。図５に最もよく示されるように、シリンダライナに対するスカート接触圧の向上したスカート剛性および均一性を与えるため、かつシリンダライナ内の往復の際のピストンの向上した誘導を与えるため、スカートパネル６０の外側端縁６１は中央領域６５よりも僅かに分厚く、これによりスカートパネル６０はそれぞれのスカートパネル６０の一方側面６１から反対側面６１に延在する連続した壁厚み変化を有する。側面６１は同じまたは実質的に同じ厚みである一方で、中央領域６５は側面６１に対して約５％減少した厚みを有する。このように、スカートパネルの外側面は一定のまたは実質的に一定の曲率半径を有する一方で、スカートパネル６０の内側面は異なる曲率半径を有する。

スカートパネル６０は各々、それらの上側端で接合され、リングベルト４４の下側部分と一体として形成され（たとえば鋳造）、スカート上側端と最下リング溝４５との間に環状の凹部４５′が延在する。スカートパネル６０は、リングベルト４４から下向きにピンボア５８の最下正接平面５９の下に間隔を空けられる底部または下方端６４へ中心軸Ａと長手方向にほぼ平行に延在する。ピンボス５６のうち少なくとも１つは、製造の際に用いられる平らな基準面６８を設けるように、ピンボス５６の底部から下向きに突出する基準点パッド６６で形成される。基準面６０はスカートパネル６０の下方端６４と同一平面にある。

ピストン１０の別個に作られた頂部および底部１８，１６を統合する溶接接合部７０は、底部１６の径方向内側の環状下接合面４１を頂部１８の径方向内側の環状上接合面４３に溶接すると、燃焼皿２２の少なくとも側壁３８を通って延在する。このように、溶接接合部７０は、谷部３４の上方ならびに燃焼皿２２の中心ピーク３２およびリム４０の下方で、燃焼皿２２に向けて開いている。溶接接合部７０は、それ自体が燃焼皿２２の谷部３４の下に間隔を空けられる下方壁４８によって形成されるオイル通路の最下方部分の上方に軸方向にも間隔を空けられる。

燃焼皿側壁３８を通って延在する溶接接合部７０に加えて、溶接接合部７２がヘッド領域１４中の少なくとも１つの他の壁を通って延在する。図示されるように、溶接接合部７２はピストン１０の外側リングベルト４４を通って延在してもよい。リングベルト溶接接合部７２の場所は、リングベルト４４の長さに沿ったいずれの点であってもよい。図示されるように、リングベルト溶接接合部７２は、燃焼室側壁３８中の溶接接合部７０と同じ、中心軸Ａを横断するように延在する平面に存在してもよい。ピストン１０の底部１６はこのように、リングベルト４４の径方向外側の上向きに面する予め接合された下接合面７４を含んでもよく、頂部１８はこのように、リングベルト４０の径方向外側の下向きに面する予め接合された上接合面７６を含んでもよい。関連付けられた下接合面および上接合面４１，４３；７４，７６は誘導溶接、摩擦溶接、抵抗溶接、電荷担体光線、電子ビーム溶接、ろう付け、はんだ付け、高温または低温拡散などの選択された接合プロセスによって統合されてもよい。

ピストン１０は、ピストンヘッド外径が約７５ｍｍから１０５ｍｍの範囲に亘る、軽量で近代的な高性能車両ディーゼルエンジン適用例で用いられるように適合される。スチール製であるが、ピストン１０は、その薄壁設計により、アルミニウムピストンおよびアルミニウムピストンアセンブリで用いられる関連付けられた挿入ピンボアブッシングなどの質量を考慮すると、そのアルミニウム対応物よりも軽くないとしても同程度の軽さである。スチールピストン１０は、そのアルミニウム対応ピストン（すなわち２０〜３０％より小さい）よりも、中心ピンボア軸Ｂと頂部壁２０との間に延在する距離として規定される圧縮高さＣＨも大幅に小さくなっている。匹敵する重量およびより小さいＣＨにより、エンジンは、燃焼皿壁２４のピンボア軸Ｂと下にあるピーク３６との間に設けられる増大した利用可能な空間を考慮すると、より小さくされより小型化される、または接続ロッドがより長くなるとともにより拡大されたスモールエンドを有することができ、これにより動作の際ピストンに対する側面荷重を低減することができる。

言及したように、スチールピストン１０の圧縮高さＣＨは非常に短い。大型車両用ディーゼルエンジン適用例に典型的なオイル冷却通路を有する先行技術の２個組のピストンと比較して、ピンボス５６およびしたがってそれらの関連付けられたピンボア５８はピストン本体１２中でより高くなる（ピストンは軸方向により小型である）ことが認められるであろう。図示されるピストン１０は、圧縮高さＣＨ対ピストンヘッド領域外径の比が約４０．９％である。さらに、ピンボア軸Ｂから燃焼皿側壁溶接接合部７０までの距離が約２７ｍｍである。比較すると、同様の適用例用のアルミニウムピストンは、ＣＨ対ピストンヘッド領域外径比が約２０〜３０％だけより大きくなるであろう。

発明の別の局面に従って構成されるピストン１１０を図６に示し、同様の特徴を同定するのに、以上で用いたものと１００だけ異なる同じ参照番号を用いる。

頂部１１８に溶接された底部１１６を有するピストン１１０は以上で論じたピストン１０と同様であるが、底部１１６と頂部１１８との間に形成されるオイル通路の底部分５０′の構成の相違により、圧縮高さＣＨをさらに小さくすることができる。特に、底部１１６内のオイル通路の底部分５０′の構成が変更されるが、頂部１１８中のオイル通路の部分は同じままである。対称に連続した環状構成を有するオイル通路が形成されるよりもむしろ、底部１１６内のオイル通路の底部分５０′は、起伏する床１４８（図９）を有して作製される。床１４８は、図７および図７Ａに示されるようにスカートパネル１６０から径方向内向きに中心ピンボア軸Ｂを横切って正反対の領域に亘って同じまたは同様の深さを保持するが、床１４８は、図８および図８Ａに示されるように横方向に間隔を空けられたピンボス１５６に亘って延在する領域では中心長手方向軸Ａに対して滑らかに起伏する態様で高くなっている。このように、ピンボス１５６中に形成されるピンボア１５８は底部１１６内で軸方向に上向きに移動可能であり、これにより中心ピンボア軸Ｂを軸方向にピストン１１０の頂部壁１２０に近付けられる。したがって、中心ピンボア軸Ｂから頂部壁１２０に向けて測定されるＣＨがさらに低減されて、これによりエンジンをさらにより小型化することができる。

図１０〜図１３に示されるように、発明の別の局面に従って構成されるピストン２１０が示され、同様の特徴を同定するのに、以上で用いたものと２００だけ異なる同じ参照番号を用いる。

頂部２１８に溶接された底部２１６を有するピストン２１０は以上で論じたピストン１０と同様であるが、長手方向中心軸Ａの周りに同心に構成された燃焼皿を有するよりもむしろ、燃焼皿２２２はピストン２１０の長手方向中心軸Ａに対して径方向にオフセットされるため、燃焼皿２２２は長手方向中心軸Ａに対して非同心である。このように、径方向にオフセットされた燃焼皿２２２に均一な冷却を与えるため、冷却通路２５０はピストン１０の冷却通路５０と比較して変更されている。ピストン１０の頂部１８と同様に、頂部２１８は、長手方向中心軸Ａの周りで同心でありかつ環状に対称である冷却通路２５０の上側部分を含むが、底部２１６は長手方向中心軸Ａに対して非同心に径方向にオフセットされかつ環状に非対称でもある冷却通路２５０の下方部を含む。非対称構成の理由は、ピストン２１０を軽量化するためであり、非同心構成の理由は燃焼皿２２２の壁２２４に対称に均一な一定の周方向厚みを与えるためである。このように、冷却は燃焼皿２２２の周りで均一にされる。

冷却通路２５０に関して論じた相違点に加えて、図１０および図１２に示されるように、拡大された弧状のピーナッツ形状の構成を有する「鋳放し」オイル入口２５２が形作られる。これは面積が増大した標的を設け、これを通して、傾斜したオイルジェット（図示せず）がオイルを冷却通路２５０中に噴射することができる。拡大された大きさの開口部を有する入口２５２に加えて、底部２１６中にオイル偏向板７８が「鋳放し」で設けられて、偏向板７８の両側に噴射されたオイルを冷却通路２５０の両側を通って流れるように均一に偏向する。偏向板７８は、オイル入口２５２のほぼ中間点を径方向に横切って延在してオイル入口２５２を実質的に二股に分ける。偏向板７８は形状がほぼ三角形であり、偏向板７８の頂点７９は入口２５２に隣接して下向きに面し、偏向板７８の対向側面８０は冷却通路２５０の中へ上向きに分かれている。このように、噴射されたオイルは対向する分かれる側面に向かって偏向されて、オイル入口２５２と正反対に「鋳放し」で形成されたオイル出口２５４へほぼ等しい容積で冷却通路２５０を通って流れる。このように、均一な厚みの非同心の壁２２４が均一に冷却され、ピストン２１０には低減された全体的な重量が与えられる。

図１４〜図１７は本発明の別の実施形態を示す。ピストン上部３０２およびピストン下部３０４を有するピストン３００が示される。少なくともピストン下部３０４は鉄系材料で作製される。部分３０２，３０４の両者が鉄系材料で作製されてもよい。両部分３０２，３０４は、同一または異なるグレード（たとえばＳＡＥ４１４０）のスチールで作製されてもよい。

下部３０４は、共通のピンボア軸Ａに沿って整列される関連付けられたピンボア３０８で形成される１対のピンボス３０６を含む。下部３０４は、ピンボス３０６と一体として、かつ同一材料で形成される１対のスカート部パネル３１０をさらに含む。

上部３０２および下部３０４は各々、外側環状壁３１２，３１４および内側環状壁３１６，３１８をそれぞれ含む。上部３０２の外側壁３１２および内側壁３１６は壁同士の間の流路部３２０を提供し、下部３０４の外側壁３１４および内側壁３１８も壁同士の間の関連付けられた流路部３２２を提供する。

ピストン上部および下部３０２，３０４の内側壁３１６，３１６および外側壁３２０，３２２は、それぞれの内側溶接接合部３２４および外側溶接接合部３２６に亘って恒久的に接合されており、互いに接合された内側壁および外側壁によって提供される２つの側壁を有する環状冷却通路３２８と、ピストン上部３０２の一部として形成される環状頂部壁３３０と、ピストン下部３０４の一部として形成される底部壁３３２とを自身同士の間に規定する。

ピストン３００は燃焼皿３３４をさらに含み、燃焼皿３３４は、互いに接合された内側壁の径方向内側面によって一部を規定され、ピストン下部３０４の内側壁の径方向内向きに延在し、かつピストン下部３０４と一体として同一材料で作られるほぼドーム形状の底壁３３６によって一部を規定される。

内側溶接接合部３２４は燃焼皿３３４に露出する。換言すれば、内側溶接接合部３２４の場所は、内側溶接接合部３２４が自身の内側限界において燃焼皿面３３４で終結し、自身の外側限界において冷却通路３２８の径方向内側壁で終結するようなものである。内側溶接接合部３２４は頂部壁３３０の下方に間隔を空けられているが、外側溶接接合部３２６の上方に間隔を空けられている。溶接接合部３２４，３２６の一方または両方が摩擦溶接接合部であってもよい。

ピストン３００は、ピンボス３０６の底縁から頂部壁３３０の頂面３３８まで測定される寸法であるピストン高さＰＨを有する。ピストン３００は、頂部壁３３０の外径として測定されるピストン直径ＰＤをさらに含む。ピストン３００は、ピンボア軸Ａから頂面３３８までの距離として測定される圧縮高さＣＨをさらに有する。本実施形態によると、ＣＨが約４０ｍｍに等しく、Ｄが約１０３ｍｍに等しく、ＣＨ／ＰＨの比が約２／３である場合に、特定の小型で頑丈なピストンが達成される。ＣＨは、ＰＤの３８％から４５％である。

外側壁３１２，３１４の外側面は、リング３４６，３４８，３５０を収容する複数のリング溝３４０，３４２および３４４で形成される。図１５および図１６に最もよく示されるように、冷却通路３２８は最上リング溝３４０および最下リング溝３４４の上方および下方の両方に延在する。これにより、高度な冷却能力が非常に小型のピストンに与えられる。

冷却通路３２８の下側の径方向に最も内側の角部３５２は燃焼皿３３４の下部を切取り、これによって角部３５２は燃焼皿３３４の径方向に最も外側の領域３５４を越えて径方向内向きに延在する。これにより、皿３３４の向上した冷却が与えられる。下側角部３５２はさらに、冷却通路３２８の上側の径方向に最も内側の角部３５６の径方向内側に延在し、これにより、通路は頂部よりも底部の方が幅広である。さらに、小型設計における最適な冷却のために、最も外側の領域３５４が通路３２８の下側および上側角部３５２と３５６との間に長手方向にかつ径方向に存在する。内側および外側溶接接合部３２４，３２６も、冷却通路３２８の下側および上側角部３５２と３５６との間に長手方向に存在する。

図１４、図１６および図１７に示されるように、ピストンは中心長手方向軸Ｂを含み、ピンボアは長手方向軸Ｃを含む。軸Ｃは軸Ａを横切る。軸Ｃはさらに軸Ａに平行であるが、軸Ａから横方向にオフセットされる。本実施形態におけるこのオフセット距離は、約０．５ｍｍである。ピンボアは、反スラスト側よりもスラスト側に近づくようにオフセットされる。

図１５に最もよく示されるように、ピンボス３０６は、自身の長さに沿って（角部の丸み付けの逃げ以外）実質的に平面の内側面３５８を有する。面３５８は、固定された単一の角度で頂部から底部に向かう方向において互いに分かれる。ピンボス３０６は自身の頂部で壁３３６および床３３２内へと１つになる。ピンボス３０６は、頂部で狭窄したり細くなったりすることなく、底部から頂部に向かって一定に増大する幅を有する。ピンボス３０６同士の間の頂部の空間３６０は、冷却通路３２８の底部壁３３２の上方に、かつ燃焼皿３３４の最下領域３６２の上方に延在する。これは、ピストンの小型設計に貢献する。

底部壁３３２は、通路３２８からオイルを導入および排出するための１対の開口部３６４，３６６で形成される。

ピストンスカート部３１０はグラファイトでコーティングされ、ピンボア３０８はブッシングを有さず、リン酸マンガンでコーティングされる。

上記教示に照らして本発明の多数の修正例および変形例が可能であることが明らかである。したがって、添付の請求項の範囲内で、具体的に記載されたもの以外の態様で発明が実践されてもよいことが理解されるべきである。

Claims (18)

1. 内燃機関のためのピストンであって、
   ピストン上部と、
   ピストン下部とを備え、少なくとも前記ピストン下部は鉄系材料で作製され、前記ピストン下部は、ピンボア軸に沿って整列される関連付けられたピンボアで形成される１対のピンボスを有し、前記ピストン下部は、前記ピンボスと一体として、かつ同一材料で形成される１対のピストンスカート部をさらに含み、
   前記ピストン上部および下部は各々、環状外側壁および環状内側壁を含み、前記環状外側壁および内側壁は、径方向に互いに間隔を空けられており、各前記内側壁と外側壁との間の流路部を提供し、前記ピストン上部の前記内側壁および外側壁は、内側および外側溶接接合部に亘って前記ピストン下部のそれぞれの前記内側壁および外側壁に恒久的に接合されており、互いに接合された前記内側壁および外側壁によって与えられる２つの側壁と、前記ピストン上部によって形成される環状頂部壁と、前記ピストン下部によって形成される底部壁とを有する環状冷却通路を自身同士の間に規定し、
   互いに接合された前記ピストン上部および下部は、互いに接合された前記内側壁の内側面によって一部を規定される燃焼皿を含み、前記ピストン下部の前記内側壁の径方向内側に延在する前記燃焼皿のほぼドーム形状の底部壁をさらに含み、
   前記内側溶接接合部は前記燃焼皿に露出しており、
   互いに接合された前記ピストンの部分は、前記ピンボスの底縁から前記頂部壁の頂面まで測定されるピストン高さ寸法ＰＨを含み、
   互いに接合された前記ピストンの部分は、前記ピンボア軸から前記頂部壁の前記頂面まで測定される圧縮高さ寸法ＣＨを含み、
   互いに接合された前記ピストンの部分は、前記頂部壁の外径として測定されるピストン直径ＰＤを含み、
   Ｄは約１０３ｍｍに等しく、ＣＨは約４０ｍｍに等しく、ＣＨ／ＰＨの比は約２／３に等しい、ピストン。
2. 前記ピストン上部および下部はスチールで作製される、請求項１に記載のピストン。
3. 前記溶接接合部は摩擦溶接接合部である、請求項１に記載のピストン。
4. 前記ピストン上部および下部の前記外側壁の外側面は複数のリング溝で形成され、前記冷却通路は前記複数のリング溝の上方および下方の両方に延在する、請求項１に記載のピストン。
5. 前記内側溶接接合部は、前記外側溶接接合部の上方に間隔を空けられる、請求項１に記載のピストン。
6. 互いに接合された前記ピストン上部および下部は中心長手方向ピストン軸を含み、前記ピンボアは、前記ピストン軸に平行であるが横方向にオフセットされた長手方向ピン軸を含む、請求項１に記載のピストン。
7. 前記オフセットは約０．５ｍｍである、請求項６に記載のピストン。
8. 前記ピンボアはリン酸マンガンでコーティングされ、インサート軸受またはブッシングを有しない、請求項１に記載のピストン。
9. 前記スカート部はグラファイトでコーティングされる、請求項８に記載のピストン。
10. 前記ピンボスは、自身の長さに沿って実質的に平面であり、かつ断面で見ると頂部から底部に向かって固定された単一の角度で互いに別れる内側面を有する、請求項１に記載のピストン。
11. 前記ピンボス同士の間の間隔は、前記通路の前記底部壁の上方に、かつ前記燃焼皿の最下領域の上方に延在する、請求項１０に記載のピストン。
12. 前記冷却通路の下側の径方向に最も内側の角部は、前記燃焼皿の径方向に最も外側の領域を越えて径方向内向きに延在する、請求項１に記載のピストン。
13. 前記冷却通路の下側の前記角部は、前記冷却通路の上側の径方向に最も内側の角部を越えて径方向内向きに延在する、請求項１２に記載のピストン。
14. 前記燃焼皿の径方向に最も外側の領域は、前記冷却通路の下側および上側の前記角部同士の間に径方向に存在する、請求項１３に記載のピストン。
15. 前記内側溶接接合部は、前記冷却通路の上側および下側の前記角部同士の間に存在する、請求項１４に記載のピストン。
16. 前記外側溶接接合部は、前記内側溶接接合部の下方に存在する、請求項１５に記載のピストン。
17. 前記冷却通路に冷却オイルを導入し、かつ前記冷却通路から冷却オイルを取出すための前記冷却通路への開放通路を提供する１対の開口部を前記底部壁に備える、請求項１に記載のピストン。
18. 内燃機関のためのピストンであって、
    径方向に間隔を空けられた内側および外側接合面を有するピストン上部と、
    径方向に間隔を空けられた接合面を有し、鉄系材料で作製されるピストン下部と、
    内側および外側溶接接合部とを備え、前記内側および外側溶接接合部は、前記ピストン上部および下部の前記内側および外側接合面をそれぞれ恒久的に接合しており、自身同士の間に冷却通路と、前記冷却通路の内側の、前記ピストンの頂部に開口する燃焼皿とを規定し、
    前記内側溶接接合部は、前記冷却通路と前記燃焼皿との間に延在し、
    前記ピストン下部は、１対のピンボスおよび共通のピンボア軸に沿って整列される関連付けられたピンボアと、前記ピンボスと一体として同一材料で形成される１対のスカート部とを含み、
    前記ピストンは、ピストン外径ＰＤを有する頂面と、前記ピンボア軸から前記ピストンの前記頂面までの距離として測定される圧縮高さＣＨとを有し、ＣＨはＰＤの３８％から４５％である、ピストン。