JP2016519738A - 付加的な製造技術を使用して作製されるピストン - Google Patents

Abstract

内燃機関のためのモノブロックピストン体が提供される。ピストン体は、スカート部分の対およびピンボスの対を含む第１のピースと、上部燃焼表面および少なくとも部分的に封入されたオイルギャラリを有するクラウン部分を含む第２のピースとを含む。第１および第２のピースは、上部燃焼表面とは反対のオイルギャラリの側上に位置する接合部で一緒に接合される。第１のピースは鋳造または鍛造によって作製され、第２のピースは直接金属レーザ焼結のような付加的な製造プロセスによって作製される。

Description

関連出願への相互参照
この出願は、２０１３年４月５日に出願された米国出願連続番号第６１／８０８，９７６号の利益を請求しており、その開示は本願明細書において参照により援用される。

発明の背景
１．発明の分野
本発明は一般に、内燃機関のためのピストンと、内燃機関のためのピストンを作製する方法とに関する。

２．関連技術
エンジン製造業者は、エンジン効率および性能を向上させる要求の増加に直面しており、これらの要求の増加は、燃費を向上すること、燃料の燃焼を向上すること、オイル消費を低減すること、および、車両の車室を暖めるようその後の使用のための排気温度を増加することを含むがこれらに限定されない。直接噴射、スーパーチャージャおよび／またはターボチャージャのような先進技術がこれらの目的の１つ以上を達成するために使用されている。このような先進技術の一般的な効果は燃焼圧力および温度の増加である。いくつかのピストン製造業者は、鋼のピストン体を作製し、かつ、エンジンの動作の間の冷却のためにそれらの鋼のピストン体に１つ以上のオイルギャラリを設けることに向いている。さらに増加した燃焼圧力および温度においてピストンが動作することを可能にするよう、オイルギャラリの性能を向上させる持続的な必要性が存在する。

発明の概要および利点
本発明の局面は、内燃機関のためのモノブロックピストン体を作製する方法を提供する。上記方法は、ピストン体の第１のピースを鋳造または鍛造するステップを含む。上記方法は、付加的な製造プロセスによってピストン体の第２のピースを作製するステップを継続する。その後、上記方法は、第１および第２のピースを一緒に接合するステップに進む。

付加的な製造プロセスによって部分的にピストン体を作製することは、従来のプロセスと比較して多くの利点を提供する。たとえば、ある複雑な形状を有するオイルギャラリまたは燃焼ボウルのようなある機構は、従来の製造プロセスによっては、コスト効率よく作製することができない。これらの機構を作製する付加的な製造プロセスの使用はそれらの問題を克服する。

本発明の別の局面に従うと、鋳造または鍛造された第１のピースはスカート部分の対およびピンボスの対を含んでおり、付加的な製造プロセスによって作製された第２のピースは上部燃焼表面および少なくとも部分的に封入されたオイルギャラリを含む。これは、上部燃焼表面を有する第２のピースが、スカート部分およびピンボスを有する第１のピースの材料より耐酸化性を有する材料で形成されることが可能になるので、特に有利であり得る。

本発明のさらに別の局面に従うと、ピストン体の第１および第２のピースは、たとえば摩擦溶接といった溶接によって一緒に接合される。

本発明の別の局面は、内燃機関のためのピストン体を作製する異なる方法を提供する。この方法は、ピストン体の部分を鋳造または鍛造するステップを含む。この方法は、ピストン体の鋳造または鍛造された部分上にピストン体の残りを構築するよう付加的な製造プロセスによって金属粉を溶融するステップを継続する。

本発明の別の局面では、内燃機関のためのモノブロックピストン体が提供される。ピストン体は、スカート部分の対およびピンボスの対を有する第１のピースと、上部燃焼表面および少なくとも部分的に封入されたオイルギャラリを有するクラウン部分を有する第２のピースとを含む。第１および第２のピースは、上部燃焼表面とは反対のオイルギャラリの側に位置する接合部で一緒に接合される。

本発明の別の局面に従うと、第２のピースは、第１のピースと比較して増加した耐酸化性を有する材料から形成される。

本発明のこれらの特徴および利点ならびに他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を参照して添付の図面に関連して考慮するとよりよく理解されるので、当該特徴および利点は容易に理解されるであろう。

ピストン体の例示的な実施形態の正面立面図である。 図１のピストン体の底面立面図である。 図１のピストン体の斜視立面図である。 図１のピストン体の上面立面図である。 内部の冷却ギャラリを示す、図１のピストン体のＸ線投影図である。 直接金属レーザ焼結動作によって部分的に形成されるピストン体の部分を示す斜視図である。 図１の例示的なピストン体の断面図である。 直接金属レーザ焼結動作によって形成されるピストン体の別の部分を示す斜視図である。

実施可能な実施形態の説明
いくつかの図にわたって同様の数字が対応する部分を示す図を参照して、図１〜図４は、本発明の１つの局面に従って構築されるピストン体２０を示す。より特定的には、その最終形態において、モノブロック設計の図１〜図４の例示的なピストン体２０は、一体のピストン体２０を提供するようすべて互いに一体で接続されるクラウン部分２２と、スカート部分２４の対と、ピンボス２６の対とを含んでおり、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ：direct metal laser sintering）のような付加的な製造プロセスにより部分的に形成される。例示的な実施形態のピストン体２０は、ディーゼル燃料の圧縮点火内燃機関との使用のために構成される。しかしながら、代替的にピストン体は、たとえば火花点火または圧縮点火の２または４ストロークの内燃機関を含むある範囲の異なるタイプの内燃機関との使用のために構成され得るということが認識されるべきである。

図１〜図４を引き続き参照して、クラウン部分２２は、半径方向外方に面するとともに概して円筒状に形状決めされたリングベルト領域を有しており、当該リングベルト領域は、内燃機関のシリンダ壁（図示せず）に対してピストン２０を封止するよう１つ以上のピストンリング（図示せず）を収容するための複数のリング溝２８を有する。例示的なピストン２０のクラウン部分２２はさらに、「メキシカンハット（Mexican hat）」形状の燃焼ボウル３０が形成された上部燃焼表面を有する。燃焼ボウル３０は任意の好適な形状または構成を有し得、かつ、ピストン体が設計される特定の用途に依存してクラウン部分は代替的に燃焼ボウルなしで形成され得るということが認識されるべきである。

図１〜図３を参照して、スカート部分２４およびピンボス２６は、クラウン部分２２に従属しており、そこから軸方向下方に延在する。図１および図３に最もよく示されるように、ピンボス２６はピン孔３０を提供しており、ピン孔３０はガジオンピン（リストピンとしても既知）を受け入れるためにピン穴軸に沿って互いに整列して、ピストン２０を接続ロッド（図示せず）に接続し最終的に内燃機関のクランクシャフト（図示せず）に接続する。

ここで図７の断面図を参照して、ピストン体２０のクラウン部分２２には、内燃機関の動作の間にクラウン部分２２を冷却するよう冷却オイル（または任意の他の冷却流体）を受け入れかつ担持するために、封入されたオイルギャラリ３２が形成される。例示的な実施形態において、オイルギャラリ３２は一般にリング状または環状に形状決めされており、軸のまわりを３６０度（３６０°）延在する。図５に示されるように、ピストン体２０はさらに、エンジンの動作の間に、１つ以上のオイルジェット（図示せず）からオイルギャラリ３２へ冷却オイルを受け取るために、かつ、オイルギャラリ３２からの冷却オイルをさらに供給し、内燃機関のクランクケースに戻すために、少なくとも１つの開口部３４（例示的な実施形態においては２つの開口部３４が示される）を有する。オイルギャラリ３２へのこのオイルの連続的な循環は、クラウン部分２２を冷却してクラウン部分２２が増加した燃焼圧力および温度で動作することを可能にするようクラウン部分２２から熱を抽出する効果を有する。

図７を参照して、本発明のこの局面に従うと、モノブロックピストン体２０は、別々に形成されて一緒に接合される２つのピースから形成される。具体的には、スカート部分２４およびピンボス２６は、鋳造または鍛造といった非付加的な製造プロセスによって形状決めされる一体のピース（以下「第１のピース」と称される）として形成される。クラウン部分２２を含む他方のピース（以下「第２のピース」と称される）は、ＤＭＬＳのような付加的な製造プロセスまたは技術によって形成される。第１および第２のピースは、別々に形成されるので、異なる材料で形成され得る。たとえば、クラウン部分２２を有する第２のピースは高い燃焼圧力および温度に耐えるために鋼から形成され得る一方、第１のピースはピストン体の総重量を低減するためにアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成され得る。代替的には、第１および第２のピースは、ピストン体２０の重量および性能の最適化を提供するよう、異なる等級の鋼から形成され得る。第２のピースはさらに、第１のピースの材料より耐酸化性の材料から形成され得る。第１および第２のピースは、たとえば摩擦溶接、誘導溶接、ろう付け、メカニカルファスナまたは任意の好適な技術を通じて一緒に接合され得る。

示されるように、オイルギャラリ３２は、クラウン部分２２を有する第１のピース内に完全に形成される。そのため、第１および第２のピース同士の間の接合部は、上部燃焼表面とは反対のオイルギャラリ３２の側上に位置する。オイルギャラリ３２は完全に、たとえばＤＭＬＳといった付加的な製造プロセスまたは技術によって形成される。そのため、オイルギャラリを有する他のピストンにおいて典型的に分かるように、オイルギャラリ３２は概して平滑な壁を有しており、そこに形成される溶接バリを含んでいない。これにより、性能の向上が可能になり得る。なぜならば、オイルギャラリ３２に入るオイルの動き、オイルギャラリ３２から出るオイルの動き、さらにオイルギャラリ３２内でのオイルの動きに干渉する溶接バリが存在しないからである。さらに、付加的な製造プロセスまたは技術によってクラウン部分２２を形成することによって、別の態様で可能であろうよりも複雑な形状が可能になり得、これにより、クラウン部分２２の冷却をさらに強化する。またさらに、リングベルトの溝２８は、付加的な形成プロセスの間に直接的にクラウン部分２２になるように形成され得、これにより、溝２８を形状決めするのに必要な機械加工を除去または少なくとも低減する。これにより、生産効率の増加およびコストの低減が可能になり得る。

図６は、ＤＭＬＳによって形成されるクラウン部分２２を示す。ＤＭＬＳプロセスの間に、構造プラットホーム上の金属粉３６が所定パターンに沿って高電力のレーザ３８によって選択的に溶融され、これによりクラウン部分２４のレイヤーまたはスライスが作り出される。このプロセスは、スライスの異なる形状に従って溶解パターンを変更しながら、スライスのすべてが完了してクラウン部分２２を作製するまで、所定の回数繰り返される。

ここで図８を参照して、本発明の別の局面に従うと、スカート部分２４およびピンボス２６を有する第１のピースが鋳造または鍛造によって形成され、ＤＭＬＳマシンに搭載される。その後、所定パターンに沿って金属粉３６を溶融するようＤＭＬＳプロセスが開始され、これにより、第２のピースの作製中に、直接的に第２のピースをクラウン部分２２（図１に示される）に接合して第１のピースと係合状態にする。第１のピースへの第２のピースの接合が第２のピースの作製と同時に行なわれるので、別個の接合プロセス（たとえば溶接）は必要とされない。

本発明の別の局面は、内燃機関のためのモノブロックピストン体２０を作製する方法である。上記方法は、スカート部分２４の対およびピンボス２６の対を含むようピストン体２０の第１のピースを鋳造または鍛造するステップを含む。当該方法は、ＤＭＬＳによってピストン体２０の第２のピースを作製するステップを継続する。第２のピースを作製するステップと、第１および第２のピースを一緒に接合するステップとは、（直接的に第１のピース上に第２のピースを作製することによって）同時に行なわれ得るか、または、第２のピースが第１のピースとは別々に形成された後、たとえば溶接によって２つのピースが一緒に接合され得るかのいずれかである。

上記の教示に鑑みて、添付の特許請求の範囲内で、本発明の多くの修正例および変形例が可能であり、具体的に記載されたのとは異なる態様で実施されてもよいことは明らかである。

Claims (15)

1. 内燃機関のためのピストン体を作製する方法であって、
   ピストン体の部分を鋳造または鍛造するステップと、
   前記ピストン体の鋳造または鍛造された部分上に前記ピストン体の残りを構築するよう付加的な製造プロセスによって金属粉を溶融するステップとを含む、方法。
2. 当該付加的なプロセスは直接金属レーザ焼結である、請求項１に記載の方法。
3. 前記ピストン体の鋳造または鍛造された部分は、スカート部分の対とピンボスの対とを含んでおり、前記付加的な製造プロセスによって構築された前記ピストンの部分は、上部燃焼表面と少なくとも部分的に封入されたオイルギャラリとを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記金属粉は、前記ピストン体の鋳造または鍛造された部分とは異なる材料のものである、請求項１に記載の方法。
5. 内燃機関のためのモノブロックピストン体を作製する方法であって、
   前記ピストン体の第１のピースを鋳造または鍛造するステップと、
   付加的な製造プロセスによって前記ピストン体の第２のピースを作製するステップと、
   前記第１および第２のピースを一緒に接合するステップとを含む、方法。
6. 鋳造または鍛造された前記第１のピースは、スカート部分の対とピンボスの対とを含んでおり、前記付加的な製造プロセスによって作製された前記第２のピースは、上部燃焼表面と少なくとも部分的に封入されたオイルギャラリとを含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記ピストン体の前記第２のピースを作製するために使用される前記付加的な製造プロセスは直接金属レーザ焼結である、請求項５に記載の方法。
8. 直接金属レーザ焼結によって前記ピストン体の前記第２のピースを作製するステップと、前記第１および第２のピースを一緒に接合するステップとは、前記第２のピースの材料が前記第１のピース上に直接的に形成される状態で、互いに同時に行われる、請求項７に記載の方法。
9. 直接金属レーザ焼結によって前記ピストン体の前記第２のピースを作製するステップは、前記第１のピースの表面上に金属粉を溶融することを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記ピストン体の前記第１および第２のピースは溶接によって一緒に接合される、請求項７に記載の方法。
11. 前記第１および第２のピースを一緒に接合するステップは、前記第１および第２のピースを一緒に溶接することとしてさらに規定される、請求項５に記載の方法。
12. 前記第１および第２のピースを一緒に接合する溶接は摩擦溶接である、請求項１１に記載の方法。
13. 内燃機関のためのモノブロックピストン体であって、
    スカート部分の対およびピンボスの対を含む第１のピースと、上部燃焼表面および少なくとも部分的に封入されたオイルギャラリを有するクラウン部分を含む第２のピースとを含み、
    前記第１および第２のピースは、前記上部燃焼表面とは反対の前記オイルギャラリの側上に存在する接合部にて一緒に接合される、モノブロックピストン体。
14. 前記第１および第２のピースは異なる材料から形成される、請求項１３に記載のモノブロックピストン体。
15. 前記第２のピースの材料は、前記第１のピースの材料と比較して、増加した耐酸化性を有する、請求項１４に記載のモノブロックピストン体。

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