JP2016509160A - Piston with anti-deposit coating and method of construction - Google Patents

Piston with anti-deposit coating and method of construction Download PDF

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Abstract

ピストンおよび構築方法が提供される。ピストンはピストン本体を含み、ピストン本体は、シリンダボア内における燃焼ガスへの直接的曝露のために構成された上側燃焼面を有し、上側燃焼面の下にアンダークラウン面を備える。ピストンはさらに、上側燃焼面に近接し、少なくとも1つのピストンリングを受けるために構成されたリングベルト領域を含み、径方向に内方向に、かつリングベルト領域と実質的に径方向に整列して構成された冷却空洞を備える。ピストンはさらに、アンダークラウン面および冷却空洞の少なくとも一部の少なくとも一方に含有または接着された非固着材料を含み、非固着材料は、その上におけるカーボンデポジットの堆積を阻止する。Pistons and construction methods are provided. The piston includes a piston body, the piston body having an upper combustion surface configured for direct exposure to combustion gas within the cylinder bore and having an under crown surface below the upper combustion surface. The piston further includes a ring belt region adjacent to the upper combustion surface and configured to receive at least one piston ring, radially inwardly and substantially radially aligned with the ring belt region. A configured cooling cavity is provided. The piston further includes a non-stick material contained or adhered to at least one of the undercrown surface and at least a portion of the cooling cavity, the non-stick material preventing deposition of carbon deposits thereon.

Description

関連出願に対する相互参照
この出願は、2013年3月5日に提出された、米国出願第13/786,156号に対する優先権を主張し、その全体をここに引用により援用する。
This application claims priority to US application Ser. No. 13 / 786,156, filed Mar. 5, 2013, which is hereby incorporated by reference in its entirety.

発明の背景
1.技術分野
この発明は、一般的に内燃機関に関し、特にピストンおよびそれらの構築方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION TECHNICAL FIELD This invention relates generally to internal combustion engines, and more particularly to pistons and methods for their construction.

2.関連技術
エンジン製造業者は、燃費を向上させること、燃料燃焼を向上させること、オイル消費を低減すること、および車両内における熱を後で使用するために排気温度を上げることを含むが、それらに限定されない、エンジン効率および性能の改善に対する増大する要求に直面している。これらの目的を達成するために、燃焼室におけるエンジン動作温度を上げる必要がある。しかしながら、燃焼室内における温度を上昇させることが望ましい一方で、ピストンを動作可能な温度で維持することが必要であることが残る。したがって、ピストンヘッドの動作温度を低減するために、ピストンヘッド内において、エンジンオイルが循環する外側冷却空洞および内側空洞(開いている、および閉じているの両方)を組み込むことが公知である。外側冷却空洞は、典型的には、リング溝領域を含むピストンの上側ランド部のまわりを循環し、一方、内側冷却空洞は、典型的には、一般にアンダークラウンと呼ばれ、一般に窪んだ燃焼ボウルを含む、ピストンヘッドの上側燃焼面の下にある。したがって、リングベルト領域および燃焼面の両方が、循環されるオイルの冷却作用から恩恵を受ける。しかしながら、時間とともに、循環されるオイルは、高温表面との接触の結果、劣化および酸化し始め、したがって、カーボンデポジットが上側ランド部およびアンダークラウンの内側表面上に形成される。カーボン堆積が継続すると、断熱層がそれぞれの表面上に形成される。したがって、循環されるオイルの冷却効果は減じられ、それは次いで同様に表面の酸化および腐食、ならびに上側ランド部領域および燃焼面領域の過度焼き戻しに至る。したがって、ピストン材料の機械的特性が減じられ、それは特に燃焼ボウルリムなどのような高く応力をかけられた領域として亀裂形成に至り得る。
2. Related Art Engine manufacturers include, but are not limited to, improving fuel economy, improving fuel combustion, reducing oil consumption, and raising exhaust temperatures for later use in the vehicle. Faced with an increasing demand for improved engine efficiency and performance without limitation. In order to achieve these objectives, it is necessary to raise the engine operating temperature in the combustion chamber. However, while it is desirable to increase the temperature in the combustion chamber, it remains necessary to maintain the piston at an operable temperature. Accordingly, it is known to incorporate an outer cooling cavity and an inner cavity (both open and closed) through which engine oil circulates in the piston head to reduce the operating temperature of the piston head. The outer cooling cavity typically circulates around the upper land portion of the piston that includes the ring groove region, while the inner cooling cavity is typically referred to as an undercrown and is generally a recessed combustion bowl. And below the upper combustion surface of the piston head. Thus, both the ring belt region and the combustion surface benefit from the cooling action of the circulating oil. However, over time, the circulated oil begins to deteriorate and oxidize as a result of contact with the hot surface, and thus carbon deposits are formed on the upper land and the inner surface of the under crown. As carbon deposition continues, an insulating layer is formed on each surface. Thus, the cooling effect of the circulated oil is reduced, which in turn leads to surface oxidation and corrosion as well as over-tempering of the upper land area and the combustion surface area. Thus, the mechanical properties of the piston material are reduced, which can lead to crack formation, especially as a highly stressed area such as a combustion bowl rim.

この発明に従って構築されたピストンは、オイルデポジットが冷却オイルによって接触される表面を蓄積する傾向を低減することによって、カーボン堆積の形成によってもたらされる前述の欠点を克服する。したがって、この発明に従って構築されたピストンは改善された動作効率を実現し、使用を通してベース材料の強度および耐久性を維持し、改善された有用な動作寿命を与える。   Pistons constructed in accordance with the present invention overcome the aforementioned drawbacks caused by the formation of carbon deposits by reducing the tendency of oil deposits to accumulate surfaces that are contacted by cooling oil. Thus, a piston constructed in accordance with the present invention achieves improved operating efficiency, maintains the strength and durability of the base material through use, and provides an improved useful operating life.

発明の概要
この発明の1つの局面に従って、内燃機関のためのピストンが提供される。ピストンはピストン本体を含み、ピストン本体は、シリンダボア内における燃焼ガスへの直接的曝露のために構成される上側燃焼面を有し、上側燃焼面の下にアンダークラウン面を備えている。ピストン本体は、さらに、上側燃焼面に近接し、少なくとも1つのピストンリングを受けるために構成されたリングベルト領域を含み、径方向に内方向に、かつリングベルト領域と実質的に径方向に整列して構成された冷却空洞を備えている。ピストンはさらに、アンダークラウン面および冷却空洞の少なくとも一部の少なくとも一方に含有または接着される非固着材料を含み、非固着材料は、その上におけるカーボンデポジットの堆積を阻止する。
SUMMARY OF THE INVENTION In accordance with one aspect of the present invention, a piston for an internal combustion engine is provided. The piston includes a piston body, the piston body having an upper combustion surface configured for direct exposure to combustion gases within the cylinder bore and having an under crown surface below the upper combustion surface. The piston body further includes a ring belt region proximate to the upper combustion surface and configured to receive at least one piston ring, radially inwardly and substantially radially aligned with the ring belt region. A cooling cavity configured as described above. The piston further includes a non-stick material contained or adhered to at least one of the undercrown surface and at least a portion of the cooling cavity, the non-stick material preventing deposition of carbon deposits thereon.

この発明の他の局面によれば、ピストン本体は、第1の材料片から構築された上側クラウンと、上側クラウンと分離している第2の材料片から構築された下側クラウンとを含む。上側クラウンは下側クラウンに固定され、非固着材料は上側クラウンおよび下側クラウンの少なくとも一方に接着される。   According to another aspect of the invention, the piston body includes an upper crown constructed from a first piece of material and a lower crown constructed from a second piece of material that is separate from the upper crown. The upper crown is secured to the lower crown and the non-stick material is bonded to at least one of the upper crown and the lower crown.

この発明の他の局面によれば、非固着材料は上側クラウンに接着され、下側クラウンには非固着材料がない。   According to another aspect of the invention, the non-stick material is bonded to the upper crown and the lower crown has no non-stick material.

この発明の他の局面によれば、冷却空洞およびアンダークラウン面の両方は非固着材料がそれらに接着される。   According to another aspect of the invention, both the cooling cavity and the undercrown surface have non-stick material adhered thereto.

この発明の他の局面によれば、ピストン本体は、非固着材料を鋼合金の構成要素として含む鋼合金から構築される。   According to another aspect of the invention, the piston body is constructed from a steel alloy that includes a non-stick material as a component of the steel alloy.

この発明のさらに別の局面に従って、内燃機関のためのピストンを構築する方法が提供される。この方法は、ピストン本体を形成することを含み、ピストン本体は、シリンダボア内における燃焼ガスへの直接的曝露のために構成される上側燃焼面と、上側燃焼面の下にあるアンダークラウン面とを有し、方法はさらに、上側燃焼面に近接し、少なくとも1つのピストンリングを受けるために構成されるリングベルト領域を形成することと、径方向に内方向に、かつリングベルト領域と実質的に径方向に整列する冷却空洞を形成することと、アンダークラウン面および少なくとも一部の冷却空洞の少なくとも一方を、純コバルト、WC−17Co、Co−18Cr−30Mo、またはコバルトを含有する任意の他の合金からなる群から選択される非固着材料から形成することとを含み、非固着材料は、その上におけるカーボンデポジットの堆積に抗する。   In accordance with yet another aspect of the invention, a method for constructing a piston for an internal combustion engine is provided. The method includes forming a piston body, the piston body having an upper combustion surface configured for direct exposure to combustion gas in the cylinder bore and an under crown surface below the upper combustion surface. And the method further includes forming a ring belt region proximate to the upper combustion surface and configured to receive at least one piston ring; radially inwardly and substantially with the ring belt region. Forming radially aligned cooling cavities and at least one of the undercrown surface and at least some of the cooling cavities is pure cobalt, WC-17Co, Co-18Cr-30Mo, or any other containing cobalt Forming from a non-stick material selected from the group consisting of alloys, wherein the non-stick material is a carbon deposit thereon. Against the product.

この発明の他の局面によれば、この方法は、下側クラウンを非固着材料がない状態で保持することを含む。   According to another aspect of the invention, the method includes holding the lower crown free of non-stick material.

この発明の他の局面によれば、この方法は、非固着コーティング材料をアンダークラウン面および冷却空洞の少なくとも一部に接着することを含む。   According to another aspect of the invention, the method includes adhering a non-stick coating material to the undercrown surface and at least a portion of the cooling cavity.

この発明の他の局面によれば、この方法は、ピストン本体を、非固着材料を鋼合金の構成要素として含む鋼合金から形成することを含む。   According to another aspect of the invention, the method includes forming the piston body from a steel alloy that includes a non-stick material as a component of the steel alloy.

図面の簡単な説明
この発明のこれらのおよび他の局面、特徴、および利点は、以下の現在好ましい実施の形態および最良のモードの詳細な説明、特許請求の範囲、ならびに添付の図面との関連において考慮すると、当業者には、より容易に明らかとなるであろう。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS These and other aspects, features, and advantages of the present invention will be apparent from the following detailed description of the presently preferred embodiments and best modes, the appended claims, and the accompanying drawings. In view, it will be more readily apparent to those skilled in the art.

この発明の1つの局面に従って構築されたピストンのピンボア軸に概ね沿ってとられた断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken generally along the pin bore axis of a piston constructed in accordance with one aspect of the invention. 図1のピストンのピンボアを概ね横断するようにとられた断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken generally across the pin bore of the piston of FIG. 1. この発明の他の局面に従って構築されたピストンのピンボアを概ね横断するようにとられた断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view taken generally across a pin bore of a piston constructed in accordance with another aspect of the invention. この発明のさらに他の局面に従って構築されたピストンのピンボアを概ね横断するようにとられた断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view taken generally across a pin bore of a piston constructed in accordance with yet another aspect of the present invention. この発明のさらに他の局面に従って構築されたピストンのピンボアを概ね横断するようにとられた断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view taken generally across a pin bore of a piston constructed in accordance with yet another aspect of the present invention. この発明の他の局面に従って構築されたピストンのピンボア軸に概ね沿ってとられた断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view taken generally along a pin bore axis of a piston constructed in accordance with another aspect of the invention.

現在好ましい実施の形態の詳細な説明
図面をより詳細に参照して、図1および図2は、たとえば軽車両ディーゼル機関、標準的なディーゼル機関、高負荷および大きなボアのディーゼル機関、ならびにガス機関のような、内燃機関(図示せず)のシリンダボアまたはチャンバにおける往復運動のための、この発明の1つの現在好ましい実施の形態に従って構築された、以下単にピストン10と呼ばれるピストンアセンブリを示す。ピストン10は、例として、鋳造材料からなる一個の単一片として示されるかまたは鍛造材料もしくはビレット材料から形成されるピストン本体12を有し、中央の長手方向軸14に沿って延在し、この軸に沿ってピストン10はシリンダボア中を往復運動する。本体12は、一方側に、シリンダボア内における燃焼ガスへの直接的曝露のために構成される上側燃焼面16を有する上側燃焼壁部と、反対側に、上側燃焼面16の下に直接かつ軸方向に位置するアンダークラウン面18とを有する。ピストン本体12は、さらに、上側燃焼面16に近接するリングベルト領域20を有して形成され、リングベルト領域20は少なくとも1つのピストンリング(図示せず)を受けるために構成される。さらに、ピストン本体12は、例として、閉じられているかまたは実質的に閉じられている冷却空洞22として示される、冷却空洞を含んで形成される。冷却空洞22は、径方向に内方向に、かつリングベルト領域20と実質的に径方向に整列して構成される。ピストン10は、さらに、中央空洞内のアンダークラウン面18および冷却空洞22の少なくとも一部の少なくとも一方に含有または接着される非固着コーティング材料24を含み、非固着コーティング材料24は、その上におけるカーボンデポジットの堆積に抗する。非固着コーティング24は、適所に接着される場合、例として、および限定なく、めっき、溶射、PVD、レーザクラッディングのプロセスを介して適用することができる。他の態様では、ピストンまたはその一部が鋼合金から形成される場合、非固着材料は、鋼合金の組成物の構成要素として添加することができる(図6)。したがって、循環するオイルからのカーボンデポジットを含む断熱層の堆積が、非固着コーティング材料24を有する表面上に形成されることから防がれ、および、したがって、冷却空洞22を通り、アンダークラウン面18に対して循環されるオイルは、その冷却機能を実行することができ、それによって、ピストン10の性能を高め、その耐用寿命を延長する。
Detailed Description of Presently Preferred Embodiments Referring to the drawings in more detail, FIGS. 1 and 2 illustrate, for example, light vehicle diesel engines, standard diesel engines, high load and large bore diesel engines, and gas engines. FIG. 1 shows a piston assembly, hereinafter simply referred to as piston 10, constructed in accordance with one presently preferred embodiment of the present invention for reciprocating motion in a cylinder bore or chamber of an internal combustion engine (not shown). Piston 10 has, as an example, a piston body 12 that is shown as a single piece of cast material or formed from a forged or billet material, and extends along a central longitudinal axis 14. Along the axis, the piston 10 reciprocates in the cylinder bore. The body 12 has on one side an upper combustion wall having an upper combustion surface 16 configured for direct exposure to combustion gases in the cylinder bore and on the opposite side directly below the upper combustion surface 16 and shaft. And an under crown surface 18 located in the direction. The piston body 12 is further formed with a ring belt region 20 proximate to the upper combustion surface 16 that is configured to receive at least one piston ring (not shown). Further, the piston body 12 is formed to include a cooling cavity, shown by way of example as a cooling cavity 22 that is closed or substantially closed. The cooling cavity 22 is configured to be radially inward and substantially radially aligned with the ring belt region 20. The piston 10 further includes a non-stick coating material 24 contained or adhered to at least one of the under crown surface 18 and the cooling cavity 22 in the central cavity, the non-stick coating material 24 comprising carbon thereon Resist deposits. The non-stick coating 24 can be applied via plating, thermal spraying, PVD, laser cladding processes, by way of example and without limitation, when adhered in place. In other embodiments, when the piston or part thereof is formed from a steel alloy, the non-stick material can be added as a component of the steel alloy composition (FIG. 6). Accordingly, the deposition of a thermal insulation layer comprising carbon deposits from circulating oil is prevented from being formed on the surface with the non-stick coating material 24 and, therefore, passes through the cooling cavity 22 and the undercrown surface 18. The oil circulated against can perform its cooling function, thereby enhancing the performance of the piston 10 and extending its useful life.

ピストン本体12は上側クラウン領域26および下側クラウン領域28を有する。下側クラウン領域28は、上側クラウン領域26から懸架するピンボス30の対を与えて、中央の長手方向軸14を概ね横断して延在するピンボア軸34に沿って同軸で整列した、横方向に離間されたピンボア32を与える。ピンボス30は、支材部分38を介して、横方向に離間されたスカート部分36に接合される。スカート部分36は、ピンボア軸34の両側にわたって互いに直径方向に間隔をあけて配置されており、シリンダボア内での協働のために輪郭成形された凸状の外側面を有して、ピストン10がシリンダボアを通って往復運動するときにピストン10を所望の配向に維持する。   The piston body 12 has an upper crown region 26 and a lower crown region 28. The lower crown region 28 provides a pair of pin bosses 30 suspended from the upper crown region 26, and is laterally aligned coaxially along a pin bore axis 34 that extends generally transverse to the central longitudinal axis 14. A spaced pin bore 32 is provided. The pin bosses 30 are joined to the skirt portions 36 spaced apart in the lateral direction via the support member portions 38. The skirt portion 36 is diametrically spaced from each other on both sides of the pin bore shaft 34 and has a convex outer surface contoured for cooperation within the cylinder bore so that the piston 10 The piston 10 is maintained in the desired orientation as it reciprocates through the cylinder bore.

上側燃焼面16は、窪んだ燃焼ボウル40を有して、シリンダボアと所望の気体流を与えるように表わされている。少なくとも部分的に、燃焼ボウル40のため、ピストン本体材料の相対的に薄い領域が、燃焼ボウル40と冷却空洞22とアンダークラウン面18との間に形成される。したがって、使用においては、これらの領域を、冷却空洞22を通って、および中央の空洞領域がピンボス30間にある状態でアンダークラウン面18に対して流れるオイルを介してのように、適切に冷却する必要がある。オイル跳ね、方向付けられた冷却オイル噴射によって、または中央の空洞領域内におけるオイルを介して、アンダークラウン冷却を与えることができるであろう。さらに、上側クラウン領域26の外側壁42は、上側燃焼面16から下方に延在する。外側壁42は、対応するピストンリング(図示せず)を受けるためのリングベルト領域20において、複数個の環状リング溝44として示される少なくとも1つの環状リング溝44を有して形成され、リングは、典型的にはそれらのそれぞれのリング溝44内において自由に浮動する。前述の相対的に薄い領域でのように、冷却空洞22とリングベルト領域20との間において延在する環状壁は、相対的に薄く、したがって、それも、使用中に適切に冷却される必要がある。   The upper combustion surface 16 has a recessed combustion bowl 40 and is represented to provide the cylinder bore and the desired gas flow. At least partially due to the combustion bowl 40, a relatively thin region of piston body material is formed between the combustion bowl 40, the cooling cavity 22, and the undercrown surface 18. Thus, in use, these areas are properly cooled, such as through oil flowing through the cooling cavity 22 and against the under crown surface 18 with the central cavity area between the pin bosses 30. There is a need to. Undercrown cooling could be provided by oil splashing, directed cooling oil injection, or through oil in the central cavity region. Further, the outer wall 42 of the upper crown region 26 extends downward from the upper combustion surface 16. The outer wall 42 is formed with at least one annular ring groove 44, shown as a plurality of annular ring grooves 44, in the ring belt region 20 for receiving a corresponding piston ring (not shown). , Typically floating freely in their respective ring grooves 44. As in the relatively thin area described above, the annular wall extending between the cooling cavity 22 and the ring belt area 20 is relatively thin and therefore it also needs to be properly cooled during use. There is.

ピストン10の延長された耐用寿命にわたって使用中の、燃焼ボウル40を含む上側燃焼面16およびリングベルト領域20の適切な冷却を容易にするために、非固着コーティング材料24は、図6におけるピストン10’に存在するか、冷却空洞22に境界をつける表面の少なくとも一部およびアンダークラウン面18にも接着される。非固着コーティング材料24は、その上におけるカーボンの堆積に抗する、クロム、クロムダイヤモンド、ニッケル、ダイヤモンド状コーティング、クロム窒化物、AlCrN、AlTiN、セラミック、コバルト(例として、および限定ではなく、純コバルト、またはWC−17CoもしくはCo−18Cr−30Moのようなコバルトの合金を含む)およびポリマー材料からなる群からを含む材料から選択される。図1および図2において示される実施の形態においては、非固着コーティング材料24は、環状の冷却空洞22に境界をつける表面全体について、または冷却空洞22の上側パーツに沿ってのみ接着され、コーティング材料24は、リングベルト領域20の長さに実質的に沿って、および燃焼ボウル40の上方向に延在する部分に沿っても延在する。したがって、カーボンデポジットがこれらの領域において堆積することが防止され、それによって、そうでなければ冷却空洞22を通って循環するオイルの冷却効果を阻害するカーボンデポジットを含む断熱層が形成されるのを防止する。したがって、適切な冷却が循環されるオイルを介して起こることを可能にすることによって、冷却された領域の全体にわたるピストン本体12の材料は、意図しない焼き戻しを介して弱められるようになることが防止される。これにより、ピストン本体12の材料はその高い強度と亀裂伝播に対する抵抗とを保持する。さらに、ピストンリングおよびリング溝44はその上でのカーボン堆積を防止するために適切に冷却され、それによってリングがそれらのそれぞれのリング溝44において動かなくなるようになることなく浮動し、意図されるように機能することを可能にする。   In order to facilitate proper cooling of the upper combustion surface 16 and the ring belt region 20 including the combustion bowl 40 during use over the extended service life of the piston 10, the non-stick coating material 24 is provided with a piston 10 in FIG. Also adhered to at least a portion of the surface that is present in or bounds the cooling cavity 22 and the undercrown surface 18. Non-stick coating material 24 can resist chromium deposition thereon, chromium, chromium diamond, nickel, diamond-like coating, chromium nitride, AlCrN, AlTiN, ceramic, cobalt (for example and without limitation, pure cobalt Or an alloy of cobalt such as WC-17Co or Co-18Cr-30Mo) and a polymer material. In the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the non-stick coating material 24 is adhered to the entire surface that borders the annular cooling cavity 22 or only along the upper part of the cooling cavity 22. 24 extends substantially along the length of the ring belt region 20 and also along a portion extending upwardly of the combustion bowl 40. Thus, carbon deposits are prevented from depositing in these areas, thereby forming a thermal insulation layer containing carbon deposits that would otherwise inhibit the cooling effect of the oil circulating through the cooling cavity 22. To prevent. Thus, by allowing proper cooling to occur through the circulated oil, the material of the piston body 12 throughout the cooled area can become weakened through unintentional tempering. Is prevented. Thereby, the material of the piston body 12 retains its high strength and resistance to crack propagation. Further, the piston rings and ring grooves 44 are properly cooled to prevent carbon deposition thereon, thereby allowing the rings to float and become unmoved in their respective ring grooves 44. To be able to function.

冷却空洞22に非固着コーティング材料24の層が存在するかまたは接着されるのに加えて、アンダークラウン面18には、非固着コーティング材料24の層が図6のピストン10’に存在するかそれに接着され、完全にそれに沿って延在するように示されている。したがって、カーボンデポジットがアンダークラウン面18上に堆積することが防止され、それによって、そうでなければアンダークラウン面18に対して跳ねるオイルの冷却効果を阻害するであろうカーボンデポジットの断熱層が形成されるのを防止する。したがって、燃焼ボウル40全体を含む上側燃焼面16の適切な冷却を可能にすることによって、この領域におけるピストン本体12の材料も、意図しない焼き戻しを介して弱められるようになることを防止される。したがって、上側燃焼面16の材料はその高い強度および亀裂伝播に対する抵抗を保持する。   In addition to the presence or adhesion of a non-stick coating material 24 layer in the cooling cavity 22, the undercrown surface 18 has a layer of non-stick coating material 24 present on the piston 10 ′ of FIG. It is shown glued and extending completely along it. Thus, carbon deposits are prevented from depositing on the under crown surface 18, thereby forming a carbon deposit insulation layer that would otherwise impede the cooling effect of the oil splashing against the under crown surface 18. To be prevented. Thus, by allowing proper cooling of the upper combustion surface 16 including the entire combustion bowl 40, the material of the piston body 12 in this region is also prevented from becoming weakened through unintentional tempering. . Thus, the material of the upper combustion surface 16 retains its high strength and resistance to crack propagation.

この発明の別の局面に従って構築されたピストン110が図3に示され、そこでは、同じ参照番号が、100の係数だけずらして、上で論じた同様の特徴を特定するために用いられている。ピストン110は、燃焼ボウル140がそこに窪まされるとして表わされる上側燃焼面116と、上側燃焼面116の下のアンダークラウン面118とを含むピストン本体112を有する。ピストン本体112はまた上側燃焼面116に近接するリングベルト領域120を含み、閉じられているかまたは実質的に閉じられている冷却空洞122が、径方向に内方向に、かつリングベルト領域120と実質的に径方向に整列して構成される。非固着コーティング材料124が、アンダークラウン面118および冷却空洞122の少なくとも一部の少なくとも一方に接着されるとして示され、非固着コーティング材料124は、上述のように、その上におけるカーボンデポジットの堆積を阻害する。   A piston 110 constructed in accordance with another aspect of the present invention is shown in FIG. 3, where the same reference numbers are used to identify similar features discussed above, offset by a factor of 100. . The piston 110 has a piston body 112 that includes an upper combustion surface 116 that is represented as having a combustion bowl 140 recessed therein and an under crown surface 118 below the upper combustion surface 116. The piston body 112 also includes a ring belt region 120 proximate to the upper combustion surface 116 so that a closed or substantially closed cooling cavity 122 is substantially radially inward and substantially with the ring belt region 120. In general, they are arranged in the radial direction. Non-stick coating material 124 is shown as being adhered to at least one of the undercrown surface 118 and at least a portion of the cooling cavity 122, and the non-stick coating material 124 has deposited carbon deposits thereon as described above. Inhibit.

ピストン本体112は、上側クラウン領域126と呼ばれる上側パーツと、下側クラウン領域128と呼ばれ、横方向に離間したピンボア132を有するピンボス130の対に延在する下側パーツとを有する。上に論じられたピストン10とは異なり、上側および下側クラウン領域126、128は、別個の材料片から構築され、続いて、溶接または他の接合プロセスを介してのように、互いに固定される。   The piston body 112 has an upper part, referred to as an upper crown region 126, and a lower part, referred to as a lower crown region 128, that extends into a pair of pin bosses 130 having laterally spaced pin bores 132. Unlike the piston 10 discussed above, the upper and lower crown regions 126, 128 are constructed from separate pieces of material and subsequently secured to each other, such as via welding or other joining processes. .

第1の溶接継手50は、ピストン110の別々に形成された上側および下側クラウン領域126、128の一部を一体にする。第1の溶接継手50は、燃焼ボウル140の環状の谷部52より上において燃焼ボウル140の直立壁部を通って延在する。したがって、第1の溶接継手50は谷部52より上において燃焼ボウル140に対して開いている。燃焼ボウル140の壁部を通って延在する第1の溶接継手50に加えて、第2の溶接継手54がリングベルト領域120において外側壁142を通って延在する。上側クラウン領域126は、したがって、径方向に内側の、下方に面する接合面56と、リングベルト領域120の、径方向に外側の、下方に面する上側接合面57とを含む、上側接合面の対を含んでもよい。一方、下側クラウン領域128は、したがって、径方向に内側の、上方向に面する下側接合面58と、径方向に外側の、上方向に面する下側接合面59とを含む、下側接合面の対を含んでもよい。関連付けられた、下側および上側接合面56、57;58、59は、誘導溶接、摩擦溶接、抵抗溶接、荷電キャリア光線、電子ビーム溶接、レーザ溶接、撹拌溶接、鑞付け、はんだ付け、熱拡散または冷却拡散などのような、選択された接合プロセスによって一体にされてもよい。   The first weld joint 50 integrates a portion of the separately formed upper and lower crown regions 126, 128 of the piston 110. The first weld joint 50 extends through the upstanding wall of the combustion bowl 140 above the annular valley 52 of the combustion bowl 140. Accordingly, the first welded joint 50 is open to the combustion bowl 140 above the valley 52. In addition to the first weld joint 50 extending through the wall of the combustion bowl 140, a second weld joint 54 extends through the outer wall 142 in the ring belt region 120. Upper crown region 126 thus includes an upper joint surface that includes a radially inner, downwardly facing joint surface 56 and a radially outer, downwardly facing upper joint surface 57 of ring belt region 120. May include pairs. On the other hand, the lower crown region 128 thus includes a lower joint surface 58 that faces radially upward and faces upward, and a lower joint face 59 that faces radially upward and faces upward. A pair of side joining surfaces may be included. The associated lower and upper joint surfaces 56, 57; 58, 59 are induction welding, friction welding, resistance welding, charge carrier beam, electron beam welding, laser welding, stir welding, brazing, soldering, thermal diffusion. Or it may be integrated by a selected bonding process, such as cooling diffusion.

上側クラウン領域126は、ピストン110の中央の長手方向軸114に沿ってとられた断面において概ねU字形を有する、冷却空洞122の上側部分を与える。下側クラウン領域128は、中央の長手方向軸114に沿ってとられた断面図において概ねU字形を有する冷却空洞122の下側部分、ならびに上側燃焼面116およびアンダークラウン面118の壁部も与える。したがって上側クラウン領域126を下側クラウン領域128に接合する前に、非固着コーティング材料124は、アンダークラウン面118、および/または図3において両方の概ねU字形の表面として示される、冷却空洞122に境界をつける概ねU字形の表面の一方もしくは両方を含む、別個の上側および下側パーツ126、128の所望の表面に接着することができる。したがって、非固着コーティング材料124が両方の概ねU字形の表面に接着された状態で、冷却空洞122の全体または上側パーツがコーティングされ、したがって、上側燃焼面およびリングベルト領域120の両方に沿って走る直立表面全体がコーティングされる。したがって、カーボンデポジットがこれらの領域において断熱層を形成することが防止され、したがってこれらの領域が冷却空洞122においてオイルを循環させることにより適切に冷却されることを可能にする。   The upper crown region 126 provides an upper portion of the cooling cavity 122 that has a generally U-shaped in cross section taken along the central longitudinal axis 114 of the piston 110. The lower crown region 128 also provides a lower portion of the cooling cavity 122 that has a generally U shape in a cross-sectional view taken along the central longitudinal axis 114, as well as the walls of the upper combustion surface 116 and the under crown surface 118. . Thus, prior to joining the upper crown region 126 to the lower crown region 128, the non-stick coating material 124 is applied to the under crown surface 118 and / or to the cooling cavity 122, shown as both generally U-shaped surfaces in FIG. It can be adhered to the desired surface of the separate upper and lower parts 126, 128, including one or both of the generally U-shaped surfaces that bound. Thus, with the non-stick coating material 124 adhered to both generally U-shaped surfaces, the entire or upper part of the cooling cavity 122 is coated and therefore runs along both the upper combustion surface and the ring belt region 120. The entire upright surface is coated. Thus, the carbon deposit is prevented from forming a thermal insulation layer in these areas, thus allowing these areas to be properly cooled by circulating oil in the cooling cavity 122.

この発明の別の局面に従って構築されたピストン210が図4に示され、そこでは、同じ参照番号が、200の係数だけずらして、上で論じた同様の特徴を特定するために用いられている。ピストン210は、燃焼ボウル240がそこに窪まされるとして表わされる上側燃焼面216と、上側燃焼面216の下のアンダークラウン面218とを含むピストン本体212を有する。ピストン本体212は、また、上側燃焼面216に近接するリングベルト領域220を含む。全体として、ピストン本体212は図3において示されたピストン本体112と同様に構成されるが、別個の材料片から構築されるというよりはむしろ、それは1つの単一体の材料片として構築される。また、閉じられているかまたは実質的に閉じられている冷却空洞を有するというよりはむしろ、ピストン本体212は、径方向に内方向に、かつリングベルト領域220と実質的に径方向に整列して構成される「開いている」冷却空洞222を有する。「開いている」と称されることによって、冷却空洞222がその下側部分に沿って開いていることを意味し、したがって、先の実施の形態におけるように床部を含まない。非固着コーティング材料224は、両方として示される、アンダークラウン面218および冷却空洞222の少なくとも一方に接着されるとして示され、非固着コーティング材料224は、上述のように、その上におけるカーボンデポジットの堆積を阻害する。図示されるように、非固着コーティング材料224は、アンダークラウン面218、および冷却空洞222に境界をつける表面に沿って、連続的な中断されないコーティング層として延在する。コーティングは、溶射法を介して適用される場合、コーティングは、噴射方向に垂直な空洞領域に沿って優先的に接着される。   A piston 210 constructed in accordance with another aspect of the present invention is shown in FIG. 4 where the same reference numbers are used to identify similar features discussed above, offset by a factor of 200. . The piston 210 has a piston body 212 that includes an upper combustion surface 216 represented as having a combustion bowl 240 recessed therein and an under crown surface 218 below the upper combustion surface 216. The piston body 212 also includes a ring belt region 220 proximate the upper combustion surface 216. Overall, the piston body 212 is configured similarly to the piston body 112 shown in FIG. 3, but rather than being constructed from a separate piece of material, it is constructed as a single piece of material. Also, rather than having a cooling cavity that is closed or substantially closed, the piston body 212 is radially inward and substantially radially aligned with the ring belt region 220. It has a configured “open” cooling cavity 222. By being referred to as “open” it is meant that the cooling cavity 222 is open along its lower portion and therefore does not include a floor as in the previous embodiment. Non-stick coating material 224 is shown as adhered to at least one of under crown surface 218 and cooling cavity 222, shown as both, and non-stick coating material 224 is deposited with carbon deposits thereon as described above. Inhibits. As shown, the non-stick coating material 224 extends as a continuous, uninterrupted coating layer along the under crown surface 218 and the surface that borders the cooling cavity 222. When the coating is applied via a thermal spray process, the coating is preferentially adhered along the cavity region perpendicular to the spray direction.

この発明の別の局面に従って構築されたピストン310が図5に示され、そこでは、同じ参照番号が、300の係数だけずらして、上で論じた同様の特徴を特定するために用いられている。ピストン310は、燃焼ボウル340がそこに窪まされるとして表わされる上側燃焼面316と、上側燃焼面316の下のアンダークラウン面318とを含むピストン本体312を有する。ピストン本体312はまた上側燃焼面316に近接するリングベルト領域320を含み、閉じられているか実質的に閉じられている冷却空洞322が、径方向に内方向に、かつリングベルト領域320と実質的に径方向に整列して構成される。非固着コーティング材料324が、アンダークラウン面318および冷却空洞322の少なくとも一部の少なくとも一方に接着されるとして示され、非固着コーティング材料324は、上述のように、その上におけるカーボンデポジットの堆積を阻害する。   A piston 310 constructed in accordance with another aspect of the present invention is shown in FIG. 5, where the same reference numbers are used to identify similar features discussed above, offset by a factor of 300. . The piston 310 has a piston body 312 that includes an upper combustion surface 316 that is represented as a combustion bowl 340 recessed therein and an under crown surface 318 below the upper combustion surface 316. The piston body 312 also includes a ring belt region 320 proximate to the upper combustion surface 316 so that a closed or substantially closed cooling cavity 322 is substantially radially inward and substantially with the ring belt region 320. Arranged in the radial direction. Non-stick coating material 324 is shown as being adhered to at least one of the undercrown surface 318 and at least a portion of the cooling cavity 322, and the non-stick coating material 324 has a carbon deposit deposition thereon as described above. Inhibit.

ピストン本体312は、図3のピストン本体112について論じられたように、上側クラウン領域326と呼ばれる上側パーツと、横方向に離間したピンボア332を有するピンボス330の対に延在する下側クラウン領域328と呼ばれる下側パーツとを有する。上側および下側クラウン領域326、328は、別個の材料片から構築され、続いて、互いに固定される。   The piston body 312 has a lower crown region 328 that extends into a pair of pin bosses 330 having an upper part, referred to as an upper crown region 326, and a laterally spaced pin bore 332, as discussed for the piston body 112 of FIG. And has a lower part called. The upper and lower crown regions 326, 328 are constructed from separate pieces of material and subsequently secured to one another.

第1の溶接継手350は、ピストン310の別々に形成された上側および下側クラウン領域326、328の一部を一体にする。しかしながら、ピストン110とは異なり、第1の溶接継手350は、燃焼ボウル340の環状の谷部352より上で燃焼ボウル340の直立壁部を通って延在せず、第1の溶接継手350は燃焼ボウル340の下に形成される。燃焼ボウル340は、完全に、燃焼ボウルの直立壁部を含む上側クラウン領域326の材料から形成される。第1の溶接継手350に加えて、第2の溶接継手354はリングベルト領域320において外側壁342を通って延在する。上側クラウン領域326は、したがって、燃焼ボウル340より下を延在する、径方向に内側の、下方に面する接合面356と、リングベルト領域320内の、径方向に外側の、下方に面する上側接合面357とを含む、上側接合面の対を含んでもよい。一方、下側クラウン領域328は、したがって、径方向に内側の、上方向に面する下側接合面358と、径方向に外側の、上方向に面する下側接合面359とを含む、下側接合面の対を含んでもよい。関連付けられた、下側および上側接合面356、357;358、359は、誘導加熱溶接、摩擦溶接、抵抗溶接、荷電キャリア光線、電子ビーム溶接、レーザ溶接、撹拌溶接、鑞付け、はんだ付け、熱拡散または冷却拡散などのような、選択された接合プロセスによって一体にされてもよい。   The first weld joint 350 integrates a portion of the separately formed upper and lower crown regions 326, 328 of the piston 310. However, unlike the piston 110, the first weld joint 350 does not extend through the upstanding wall of the combustion bowl 340 above the annular valley 352 of the combustion bowl 340, and the first weld joint 350 Formed under the combustion bowl 340. The combustion bowl 340 is completely formed from the material of the upper crown region 326 including the upstanding wall of the combustion bowl. In addition to the first weld joint 350, the second weld joint 354 extends through the outer wall 342 in the ring belt region 320. The upper crown region 326 thus faces the radially inner, downwardly facing joint surface 356 extending below the combustion bowl 340 and the radially outer, downwardly facing surface within the ring belt region 320. A pair of upper bonding surfaces including an upper bonding surface 357 may be included. On the other hand, the lower crown region 328 therefore includes a lower joint surface 358 that is radially inward and facing upward, and a lower joint surface 359 that is radially outward and faces upward. A pair of side joining surfaces may be included. The associated lower and upper joint surfaces 356, 357; 358, 359 are for induction heating welding, friction welding, resistance welding, charge carrier beam, electron beam welding, laser welding, stir welding, brazing, soldering, heat It may be integrated by a selected bonding process, such as diffusion or cooling diffusion.

上側クラウン領域326は、ピストン310の中央の長手方向軸314に沿ってとられた断面において概ねU字形を有する、冷却空洞322の上側部分を与える。下側クラウン領域328は、中央の長手方向軸314に沿ってとられた断面において概ねU字形を有する、冷却空洞322の下側部分を与える。したがって上側クラウン領域326を下側クラウン領域328に接合する前に、非固着コーティング材料324は、アンダークラウン面318、および/または図5において冷却空洞322の上側部分に境界をつける概ねU字形の表面のみとして示される、冷却空洞322に境界をつける概ねU字形の表面の一方もしくは両方を含む、別個の上側および下側パーツ326、328の所望の表面に接着することができる。したがって冷却空洞322の上側部分のみが、燃焼ボウル340に沿って延在する部分を含み、下側パーツ328によって与えられる、冷却空洞322の下側部分は、コーティング材料324がないまま残る。したがって、製造においては、非固着コーティング材料324は上側パーツ326上で所望の表面に接着することができ、一方で下側パーツ328はコーティングされないまま残り得る。したがって、非固着コーティング材料324は、必要とされるように、無駄なく、所望の領域に適用される。   Upper crown region 326 provides an upper portion of cooling cavity 322 that has a generally U shape in cross section taken along the central longitudinal axis 314 of piston 310. The lower crown region 328 provides a lower portion of the cooling cavity 322 that has a generally U shape in cross section taken along the central longitudinal axis 314. Thus, prior to joining the upper crown region 326 to the lower crown region 328, the non-stick coating material 324 may have a generally U-shaped surface that bounds the under crown surface 318 and / or the upper portion of the cooling cavity 322 in FIG. Can be adhered to the desired surfaces of the separate upper and lower parts 326, 328, including one or both of the generally U-shaped surfaces that bound the cooling cavity 322, shown as only. Thus, only the upper portion of the cooling cavity 322 includes a portion that extends along the combustion bowl 340, and the lower portion of the cooling cavity 322 provided by the lower part 328 remains free of coating material 324. Thus, in manufacturing, the non-stick coating material 324 can adhere to the desired surface on the upper part 326 while the lower part 328 can remain uncoated. Thus, the non-stick coating material 324 is applied to the desired area without waste as needed.

明らかに、この発明の多くの修正例および変形例が上記の教示に鑑みて可能である。したがって、特許請求の範囲内で、この発明は、具体的に説明されたのとは異なる態様で実施されてもよいことが理解されるべきである。   Obviously, many modifications and variations of the present invention are possible in light of the above teachings. It is therefore to be understood that within the scope of the appended claims, the invention may be practiced otherwise than as specifically described.

Claims (18)

内燃機関のためのピストンであって、
ピストン本体を備え、前記ピストン本体は、シリンダボア内における燃焼ガスへの直接的曝露のために構成された上側燃焼面を有し、前記上側燃焼面の下にアンダークラウン面を備え、前記ピストン本体はさらに、前記上側燃焼面に近接し、少なくとも1つのピストンリングを受けるために構成されたリングベルト領域を有し、前記リングベルト領域から径方向に内方向に、かつ前記リングベルト領域と実質的に径方向に整列して構成された冷却空洞を備え、前記ピストンはさらに、
前記アンダークラウン面および前記冷却空洞の少なくとも一部の前記少なくとも一方を形成する材料に含有または接着された非固着材料を備え、前記非固着材料はコバルトを含む、内燃機関のためのピストン。
A piston for an internal combustion engine,
A piston body, the piston body having an upper combustion surface configured for direct exposure to combustion gas in a cylinder bore, and comprising an under crown surface below the upper combustion surface, the piston body comprising: And a ring belt region proximate to the upper combustion surface and configured to receive at least one piston ring, radially inwardly from the ring belt region and substantially with the ring belt region. A cooling cavity configured in radial alignment, the piston further comprising:
A piston for an internal combustion engine, comprising a non-stick material contained in or adhered to a material forming the at least one of the under crown surface and at least a portion of the cooling cavity, wherein the non-stick material comprises cobalt.
前記非固着材料は前記アンダークラウン面および前記冷却空洞の少なくとも一部に接着されている、請求項1のピストン。   The piston of claim 1, wherein the non-stick material is adhered to at least a portion of the undercrown surface and the cooling cavity. 前記ピストン本体は単一体の材料片として構築されている、請求項1のピストン。   The piston of claim 1, wherein the piston body is constructed as a single piece of material. 前記冷却空洞は閉じた空洞である、請求項3のピストン。   The piston of claim 3, wherein the cooling cavity is a closed cavity. 前記非固着材料は、純コバルト、WC−17Co、Co−18Cr−30Mo、およびCo含有合金からなる群から選択される、請求項1のピストン。   The piston of claim 1, wherein the non-stick material is selected from the group consisting of pure cobalt, WC-17Co, Co-18Cr-30Mo, and a Co-containing alloy. 前記ピストン本体は、第1の材料片から構築された上側クラウンと、前記上側クラウンと分離している第2の材料片から構築された下側クラウンとを含み、前記上側クラウンは前記下側クラウンに固定され、前記非固着材料は前記上側クラウンおよび前記下側クラウンの少なくとも一方に接着される、請求項1のピストン。   The piston body includes an upper crown constructed from a first piece of material and a lower crown constructed from a second piece of material that is separate from the upper crown, the upper crown being the lower crown. The piston of claim 1, wherein the non-stick material is bonded to at least one of the upper crown and the lower crown. 前記下側クラウンには前記非固着材料がない、請求項6のピストン。   The piston of claim 6, wherein the lower crown is free of the non-stick material. 前記非固着材料は、前記アンダークラウン面および前記冷却空洞の少なくとも一部に接着されている、請求項7のピストン。   The piston of claim 7, wherein the non-stick material is bonded to at least a portion of the under crown surface and the cooling cavity. 前記冷却空洞は閉じた空洞である、請求項8のピストン。   The piston of claim 8, wherein the cooling cavity is a closed cavity. 前記非固着材料は前記上側クラウンおよび前記下側クラウンに接着されている、請求項6のピストン。   The piston of claim 6, wherein the non-stick material is adhered to the upper crown and the lower crown. 前記ピストン本体は、前記非固着材料を鋼合金の構成要素として含む鋼合金から構築されている、請求項1のピストン。   The piston of claim 1, wherein the piston body is constructed from a steel alloy that includes the non-stick material as a component of a steel alloy. 内燃機関のためのピストンを構築する方法であって、
ピストン本体を形成することを含み、前記ピストン本体は、シリンダボア内における燃焼ガスへの直接的曝露のために構成される上側燃焼面と、前記上側燃焼面の下にあるアンダークラウン面とを有し、前記方法はさらに、
前記上側燃焼面に近接し、少なくとも1つのピストンリングを受けるために構成されるリングベルト領域を形成することと、
径方向に内方向に、かつ前記リングベルト領域と実質的に径方向に整列する冷却空洞を形成することと、
前記アンダークラウン面および前記冷却空洞の少なくとも一部の少なくとも一方を、純コバルト、WC−17Co、Co−18Cr−30Mo、およびCo含有合金からなる群から選択される非固着材料から形成することとを含む、内燃機関のためのピストンを構築する方法。
A method of building a piston for an internal combustion engine, comprising:
Forming a piston body, the piston body having an upper combustion surface configured for direct exposure to combustion gas in a cylinder bore and an under crown surface below the upper combustion surface The method further comprises:
Forming a ring belt region proximate to the upper combustion surface and configured to receive at least one piston ring;
Forming a cooling cavity radially inward and substantially radially aligned with the ring belt region;
Forming at least one of the under crown surface and at least a part of the cooling cavity from a non-sticking material selected from the group consisting of pure cobalt, WC-17Co, Co-18Cr-30Mo, and a Co-containing alloy. A method of building a piston for an internal combustion engine.
前記ピストン本体を単一体の材料片として形成することをさらに含む、請求項12の方法。   The method of claim 12, further comprising forming the piston body as a single piece of material. 前記冷却空洞を閉じた空洞として形成すること、および前記非固着材料を前記冷却空洞において接着することをさらに含む、請求項13の方法。   14. The method of claim 13, further comprising forming the cooling cavity as a closed cavity and bonding the non-stick material in the cooling cavity. 別個の材料片から構築される上側クラウンと下側クラウンとを分離した状態で前記ピストン本体を形成することと、前記上側クラウンを前記下側クラウンに固定することとをさらに含む、請求項12の方法。   13. The method of claim 12, further comprising: forming the piston body with an upper crown and a lower crown constructed from separate pieces of material separated, and securing the upper crown to the lower crown. Method. 前記下側クラウンを前記非固着材料なしで保持することをさらに含む、請求項15の方法。   The method of claim 15, further comprising holding the lower crown without the non-stick material. 前記非固着材料を前記アンダークラウン面および少なくとも一部の前記冷却空洞に接着することをさらに含む、請求項16の方法。   The method of claim 16, further comprising adhering the non-stick material to the undercrown surface and at least a portion of the cooling cavity. 前記非固着材料を鋼合金の構成要素として含む鋼合金から前記ピストン本体を形成することをさらに含む、請求項12の方法。   13. The method of claim 12, further comprising forming the piston body from a steel alloy that includes the non-stick material as a component of the steel alloy.
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