JP2016530446A - 完全なスカートを伴う二重溶接された鋼ピストン - Google Patents

Abstract

２ストロークエンジンのための３セクション鋼ピストンが提供される。ピストンは上側セクションと中間セクションと下側セクションとを設けられる。ピストンリング溝が上側セクションと下側セクションとに形成され、開口部を伴うピンボスおよびスカートが中間セクションに形成される。中間セクションは上側セクションおよび下側セクションのピストンリング溝における部分と比較して相対的により薄い壁部を有して、ピストンの質量を低減する。閉じた冷却空洞が、ピストンの上側燃焼面に近接して形成されてもよく、冷却空洞は少なくとも部分的に上側セクションによって規定される。

Description

関連出願への相互参照
本願は、２０１３年８月２９日に提出された米国出願連続番号６１／８７１，６３５、および２０１４年８月２８日に提出された米国出願連続番号１４／４７１，０６９の恩恵を主張する。

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に関し、より特定的には２ストロークエンジンのためのピストンに関する。

２．関連技術
２ストロークまたは２サイクルエンジンは、出力サイクルをわずか１回のクランクシャフト回転で完結するタイプの内燃機関である。典型的には、２ストロークエンジンは、相対的に高い出力対重量比を有し、４ストロークエンジンよりもコンパクトであり軽量である。２ストロークエンジンは、さらに、典型的には、４ストロークエンジンよりも少ない可動部を有する。２ストロークエンジンは、船外機、チェーンソー、モータサイクルおよび芝刈り機などのような小さなエンジンの適用例においてそれらの使用の故に一般的に知られているが、それらは、船舶、機関車およびトラックなどのような高負荷ディーゼルエンジン適用例においても大きく使用される。

２ストロークエンジンにおいて用いられるピストンにもさまざまなタイプがあり、これらのピストンの設計に影響する数多くの要素がある。これらの特徴の一部は、サイズ、重量、材料、強度および耐久性を含む。非常に高圧および高温を有するエンジンでは、使用中におけるピストンの冷却も１つの要素である。

この発明の目的は、２ストロークエンジンのための改善されたピストンを提供することである。さらなる目的は、相対的に軽量（つまり質量がより小さく）、過熱を防ぐよう十分に冷却されることができる鋼ピストンを提供することである。

この発明の別の目的は、２ストロークエンジンのために改善された燃費を与えることを助け、有害な排気を低減することを助けもするピストンを提供することである。

低減された重量を有し、過熱を防ぐよう改善された冷却のために構成される、２ストロークエンジンのための改良されたピストンが提供される。これらの特徴は、改善された燃費および低減された有毒排気を可能にする。

本発明の１つの局面は、強度および耐久性を与え、非鋼製ピストンよりも高い温度および高い圧力に耐えることができる、鋼材料から形成されるピストンを与える。ピストンリングのための２つの組の溝が、ピストンの頂部表面および底部表面近くに設けられる。ピストンは、上側（またはクラウン）セクション、中間セクションおよび下側セクションを含む３つのセクションで形成される。下側セクションは下側のピストンリング溝の組を含み、上側セクションまたは中間セクションのどちらかは上側のピストンリング溝の組を含む。中間セクションは、下側のリング溝の組の位置における下側セクションよりも薄い壁部を伴って形成され、それによって、ピストンの重量および質量を低減する。３つのセクションは、摩擦溶接によってのように、永久的に接合されて、一体的な１ピースのピストンを形成する。過熱を防ぐよう上側セクションを冷却するために、上側セクションと中間セクションとの間に冷却空洞が形成される。

本発明の別の局面は、２ストロークエンジンのためのピストンを形成する方法を提供する。この方法は、第１のクラウンセクションを設けるステップを含み、第１のクラウンセクションは第１の側壁厚みを有する第１の側壁部分を有する。この方法は、続いて、第２の中央セクションを設けるステップを含み、第２の中央セクションは第２の側壁厚みを有する第２の側壁部分を有し、第２の中央セクションはピンボスの対を有する。この方法は、続いて、第３の下側セクションを設けるステップを含み、第３の下側セクションは、第３の側壁厚みを有する第３の側壁部分を有し、少なくとも１つのピストンリング溝の形成のために適合される。第２の側壁の厚みは、少なくとも、少なくとも１つのピストンリング溝が形成され得る場所における第３の側壁厚みよりも小さい。この方法は、続いて、第１のクラウンセクションを第２の中央セクションに接合するステップと、第３の下側セクションを第２の中央セクションに接合するステップとを含む。

この方法は、さらに、少なくとも１つのピストンリング溝を第１のクラウンセクションの第１の側壁部分に形成するステップと、少なくとも１つのピストンリング溝を第３の下側セクションの第３の側壁部分に形成するステップとを含んでもよい。

この方法は、さらに、第１のクラウンセクションと第２の中央セクションとの間に冷却空洞を形成するステップを含んでもよい。

この方法は、加えて、第１のクラウンセクションと第２の中央セクションとの間に閉じた冷却空洞を形成するステップを含んでもよい。

この方法は、さらに、冷却空洞にオイルが出入りする開口部を形成するステップを含んでもよい。

図面の詳細な説明
本発明のこれらならびに他の特徴および利点は、添付の図面との関連において考慮されるとき、以下の詳細な記載を参照することによってよりよく理解され、容易に理解されることとなる。

本発明の好ましい実施の形態の断面図である。 本発明の好ましい実施の形態の別の断面図である。 本発明の好ましい実施の形態を形成する３つのセクションの破断図である。 本発明の好ましい実施の形態を形成する３つのセクションの別の破断図である。

可能な実施の形態の説明
同様の参照番号はいくつかの図面にわたって対応の部分を示す図を参照して、図１〜図４は、２ストローク出力サイクル内燃機関において用いるための改善されたピストン１０の例示的実施の形態を示す。図１および図２は、ピストン１０の断面図を示し、２つの断面図は互いに関して９０度で取られている。図３は、ピストン１０を形成するよう接合し合わせられる３つのセクション２０、３０、４０を示すピストン１０の破断図である。図４は図３と同様の破断図であるが、セクションの各々の部分は本発明を容易に見て理解するために取除かれている。

３つのセクション２０、３０、４０は各々別々に形成され、各々は鋼材料からなる。１つの好ましい鋼材料はＳＡＥ４１４０であるが、他のタイプの鋼も利用され得る。３つのセクション２０、３０、４０の各々は、好ましくは、鍛造プロセスを介して少なくとも粗型に形成されるが、他のプロセスも利用され得る。セクション２０、３０、４０は粗型に形成され、次いで、初期機械加工を受けてから一体的にともに取付けられる。具体的には、３つのセクション２０、３０、４０をともに係合するための概ね平坦な環状表面２２、３２、３４、４２が、鍛造の後に、３つのセクション２０、３０、４０に機械加工される。例示の実施の形態にあるように概ね平坦ではなく、環状表面２２、３２、３４および４２は、代替的に、セクションがより容易に位置決めされ、係合されおよび接合し合わされるように、係合凹部、凸部、溝、隆起部などとともに彫られるかまたは形成されもし得る。

３つのセクションは、摩擦溶接または誘導溶接によってのように、接合し合わされて、図１および図２に示されるように、１ピースのピストン構造１０を形成する。従来の溶接または蝋接のような、３つのセクションを永久的にともに取付けるための他の方式も利用され得る。

３つのセクション２０、３０、４０は、同じときに、つまり同時に接合し合わせられてもよい。しかしながら、好ましくは、頂部セクション２０または底部セクション４０が最初に中間セクション３０に取付けられ、次いで、結果として得られた２ピースの構造が残りのセクションに取付けられる。頂部セクションおよび底部セクション２０、４０を中間セクション３０に別々に（同時でなく）合わせることが特に好まれるのは、摩擦溶接が接合プロセスとして用いられる場合である。結果として生じた鋳バリまたは製錬カスは、除去が所望される場合には、機械加工によって除去されてもよい。

一旦３つのセクション２０、３０、４０がともに固定されると、２つのピストンリング溝の組がピストン１０に形成され、それらの組のうちの１つ（以下においては「上側リング溝２６」と称される）はピストン１０の頂部端部に近接して位置し、それらの組の他方（以下「下側リング溝４６」と称される）はピストン１０の底部に近接して位置する。示されるように、例示的な実施の形態では、上側リング溝２６は上側セクション２０の外部環状側面２８に形成され、下側リング溝４６は下側セクション４０の外部側面４８に形成され、中間セクション３０にはリング溝はない。例示的実施の形態では、中間セクション３０にはリング溝がない。ピストンセクションの各々におけるリング溝の数は、最終的なピストンの使用、およびそれが位置決めされることになる環境に依存し得る設計選択である。好ましくは、少なくとも２つのピストンリング溝が２つのピストンリング溝の組の各々に設けられる。ピストンリング溝は、たとえば、機械加工を介してピストン１０に形成されてもよい。

ピストンリング溝２６、４６に対応するために、上側セクション２０および下側セクション４０の側壁は、中間セクション３０の相対的により薄い壁部と比較して、増大された厚みを有する。これは、ピストン１０における低減された全体的な質量、ならびに低減された製造コストおよび材料コストを可能にする。図４に示されるように、例示的な実施の形態では、上側セクションおよび下側セクション２０、４０は、さらに、それらが中間セクション３０に接合される領域において、相対的により薄い壁部厚みを伴う部分を有する。

例示的な実施の形態では、ピストン１０の上側セクション２０またはクラウンは概ね平坦な上側燃焼面２４を有する。代替的に、燃焼面は、上側セクション２０の鍛造中に形成されてもよい燃焼ボウルとともに形成されてもよい。

中間セクション３０は、さらに、互いから直径を横切って位置決めされるピンボス３６、３７の対を有する。開口部３８および３９が２つのピンボス３６、３７に形成される。開口部３８および３９は、コンロッド（図示せず）上にピストン１０を保持するためのリストピン（図示せず）を受けるためのリストピン軸に沿って互いと軸方向に整列される。例示的な実施の形態では、スナップリング溝７０が、リストピンを適所に保持することを支援するようスナップリングのためにピンボス３６、３７に設けられる。

例示的な実施の形態では、冷却空洞６０が、ピストン１０の上側セクション２０を冷却するために、ピストン１０に形成される。冷却空洞６０は、図面においては、一体的な下側表面６２を伴う閉じた空洞として示されているが、空洞は開いた空洞でもあり得る。閉じた空洞が利用される場合には、複数の開口部６４を下側表面６２に設けて、オイルが空洞内に導入され、排出することが可能であるようにされる。任意の数の開口部６４を所望のように設けることができる。開口部６４は、上側セクションおよび中間セクション２０、３０が接合し合わされる前もしくは後、または３つのセクション２０、３０、４０がすべて接合し合わされた後に、下側表面６２を通して穿孔されてもよい。冷却空洞６０は、冷却オイル（図示せず）がピストン１０の上側表面および縁に対して循環されることにより、それらを、ピストンの時期尚早の故障に至り得る過熱から保護することを可能にする。

完全なピストン構造１０の強度および一体性のために、上側セクション２０のさらなる表面２５を中間セクション３０の隆起された表面３５と接合することも可能である。この目的のために、環状表面２５、３５は好ましくは表面２２、３２、３４および４２と同じ態様で機械加工される。

別の実施の形態では、環状表面２５と３５との間に隙間（図示せず）を残し、隙間の幅は、オイルを保持および／または空洞６０から排出するその効果によって判断されることも考えられ得る。代替的に、表面２５および３５に垂直な垂直面に孔を形成することも考えられる。

明らかに、本発明の多くの修正例および変形例が上記の教示に照らして可能であり、特許請求の範囲内にありながら、具体的に記載されたものとは異なる態様で実施されてもよい。

Claims (15)

1. ２ストロークエンジンのためのピストンであって、
   第１のクラウンセクションを含み、前記クラウンセクションは第１の側壁厚みを有する第１の側壁部分を有し、前記ピストンはさらに、
   前記第１のクラウンセクションに接合され、第２の側壁部分とピストンボスの対とを有する第２の中央セクションを含み、前記中央セクションの第２の側壁部分は第２の側壁厚みを有し、前記ピストンはさらに、
   前記第２の中央セクションに接合される第３の下側セクションを含み、前記第３の下側セクションは、少なくとも１つのピストンリング溝の形成のために適合される第３の側壁厚みを有する第３の側壁部分を有し、
   前記第２の側壁厚みは前記少なくとも１つのピストンリングが形成される前記第３の側壁厚みよりも小さい、２ストロークエンジンのためのピストン。
2. 前記第１のクラウンセクションは前記第２の中央セクションに摩擦溶接され、前記第２の中央セクションは前記第３の下側セクションに摩擦溶接される、請求項１に記載のピストン。
3. 前記第１のクラウンセクションは前記第２の中央セクションに摩擦溶接される、請求項１に記載のピストン。
4. 前記第３の下側セクションは前記第２の中央セクションに摩擦溶接される、請求項１に記載のピストン。
5. 第１のピストンリング溝の第１の組が前記第１の側壁部分に設けられ、第２のピストンリングの第２の組が前記第３の側壁部分に設けられる、請求項１に記載のピストン。
6. 前記第１のクラウンセクションは前記第２の中央セクションに誘導溶接され、前記第２の中央セクションは前記第３の下側セクションに摩擦溶接される、請求項１に記載のピストン。
7. 前記第１のクラウンセクションは前記第２の中央セクションに誘導溶接される、請求項１に記載のピストン。
8. 前記第１のクラウンセクションと前記第２の中央セクションとの間に閉じた冷却空洞をさらに含む、請求項１に記載のピストン。
9. 前記第１のクラウンセクションと前記第２の中央セクションとの間に冷却空洞をさらに含む、請求項１に記載のピストン。
10. 前記冷却空洞は閉じており、冷却オイルが前記冷却空洞に出入りすることを可能にするよう複数の開口部をさらに含む、請求項９に記載のピストン。
11. ２ストロークエンジンのためのピストンを形成するための方法であって、
    第１のクラウンセクションを設けるステップを含み、前記クラウンセクションは第１の側壁厚みを有する第１の側壁部分を有し、前記方法はさらに、
    第２の中央セクションを設けるステップを含み、前記中央セクションは第２の側壁厚みを有する第２の側壁部分を有し、前記第２の中央セクションはピンボスの対を有し、前記方法はさらに、
    第３の下側セクションを設けるステップを含み、前記第３の下側セクションは少なくとも１つのピストンリング溝の形成のために適合される第３の側壁厚みを有する第３の側壁部分を有し、前記方法はさらに、
    前記第２の側壁の厚みを、前記少なくとも１つのピストンリング溝が形成され得る前記第３の側壁厚みよりも小さく設けるステップと、
    前記第１のクラウンセクションを前記第２の中央セクションに接合するステップと、
    前記第３の下側セクションを前記第２の中央セクションに接合するステップとを含む、２ストロークエンジンのためのピストンを形成するための方法。
12. 少なくとも１つのピストンリング溝を、前記第１のクラウンセクションの前記第１の側壁部分に形成するステップと、
    少なくとも１つのピストンリング溝を、前記第３の下側セクションの前記第３の側壁部分に形成するステップとをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１のクラウンセクションと前記第２の中央セクションとの間に冷却空洞を形成するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記第１のクラウンセクションと前記第２の中央セクションとの間に閉じた冷却空洞を形成するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
15. 前記冷却空洞にオイルが出入りする開口部を形成するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。

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