JP2017515036A - 充填されたギャラリーを有するスチールピストン - Google Patents
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Abstract
Description
本米国特許出願は、2014年4月30日に出願された米国仮特許出願第61/986,310号および2015年4月30日に出願された米国実用特許出願第14/700,654号に基づく利益を主張し、これらの出願の内容全体を本明細書に引用により援用する。
1.発明の分野
本発明は、概して内燃機関のピストンおよび当該ピストンの製造方法に関する。
大型車両用ディーゼルピストン等の、内燃機関で使用されるピストンは、運転中、特にピストンの上部クラウンに沿って非常に高い温度に晒される。したがって、温度緩和のために、ピストンは一般的に上部クラウンの下に冷却ギャラリーを備えるように設計され、ピストンがエンジンのシリンダボアに沿って往復運動する間に冷却オイルが冷却ギャラリー内に吹付けられる。このオイルは、上部クラウンの内面に沿って流れ、上部クラウンから熱を放散させる。しかしながら、運転中のピストン温度を制御するには、高流量のオイルを常に持続しなければならない。加えて、オイルは内燃機関の高温が原因で経年劣化するので、オイルを定期的に交換することによってエンジン寿命を維持しなければならない。さらに、冷却ギャラリーの温度が350℃を超えると、オイルは、燃焼してギャラリーの表面に付着する傾向がある。このオイルの燃焼はオイルコーキングと呼ばれている。
本発明のある局面は、内燃機関のピストンを含む。このピストンは、スチール材料で形成された本体を含み、本体は、クラウンと、クラウンの少なくとも一部に沿って延在する冷却ギャラリーとを含む。スチール材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する固体冷却材が、冷却ギャラリーの少なくとも15体積パーセント(vol%)を満たす。固体冷却材は、クラウンに沿って優れた冷却をもたらし、したがってクラウンに沿う腐食および浸食は減少する。加えて、一般的に、従来のギャラリーオイル冷却は、固体冷却材を使用する場合は不要なので、オイルコーキングの問題を回避できる。しかしながら、オイル冷却を利用する場合でも、固体冷却材は、オイルが導入される領域の熱を拡散して温度を低下させることによってこの領域をコーキング温度未満に保つ温度緩衝材の機能を果たすことができる。
図面を参照して、いくつかの図面において同様の数字は対応する部分を示し、本発明の代表的な実施形態に従う、内燃機関において使用されるときに優れた性能を示すピストン20が、図1〜図5において全体的に示されている。ピストン20は、スチール材料で形成された本体22を含む。本体22は、クラウン24と、クラウン24の少なくとも一部に沿って延在する冷却ギャラリー26とを含む。冷却材28が、冷却ギャラリー26の少なくとも15体積パーセント(vol%)を満たしている。冷却材28の熱伝導率は、本体22のスチール材料の熱伝導率よりも高い。また、冷却材28は、固体であり、一般的にはアルミニウム系材料等の金属材料である。冷却ギャラリー26の少なくとも15vol%を固体冷却材28で満たすことにより、クラウン24に沿う冷却が優れたものになるとともにクラウン24に沿う腐食および浸食が減少する。一般的に、従来のギャラリーオイル冷却は、固体冷却材28を使用する場合は不要になるので、オイルコーキングの問題は回避される。
Claims (22)
- 内燃機関のピストンであって、
前記ピストンは、熱伝導率を有するスチール材料で形成された本体を含み、
前記本体は、クラウンと、前記クラウンの少なくとも一部に沿って延在する冷却ギャラリーとを含み、
前記ピストンは、前記冷却ギャラリーの少なくとも15体積パーセント(vol%)を満たす冷却材を含み、
前記冷却材は、前記本体の前記スチール材料の前記熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、
前記冷却材は固体材料である、ピストン。 - 前記冷却材は、200℃よりも高い温度で固体のままである、請求項1に記載のピストン。
- 前記固体はアルミニウム系材料である、請求項2に記載のピストン。
- 前記冷却材は前記冷却ギャラリーの少なくとも90vol%を満たす、請求項1に記載のピストン。
- 前記クラウンは、前記冷却ギャラリーを画定する、上壁と、下壁と、少なくとも1つの側壁とを含み、前記冷却材は前記上壁に沿って連続して延在し、前記冷却材は、前記冷却ギャラリーの100vol%未満を満たし、空気で満たされたポケットを画定し、前記ポケットと前記上壁との間は前記冷却材によって間隔が空けられている、請求項1に記載のピストン。
- 前記クラウンは前記冷却ギャラリーを画定する複数の壁を含み、前記冷却材は前記壁各々に沿って連続して延在し、前記冷却材は、前記冷却ギャラリーの100vol%未満を満たし、空気で満たされたポケットを画定し、前記ポケットと前記壁各々との間は前記冷却材によって間隔が空けられている、請求項1に記載のピストン。
- 前記クラウンはクラウン上部とクラウン下部とを含み、前記クラウン上部は第1の外側リブと第1の内側リブとを含み、前記クラウン下部は第2の外側リブと第2の内側リブとを含み、前記外側リブは接合されて外側の側壁を形成し、前記内側リブは接合されて内側の側壁を形成し、前記側壁は前記冷却ギャラリーを画定する、請求項1に記載のピストン。
- 前記クラウンは、前記冷却ギャラリーを画定する複数の壁を含み、前記壁のうちの少なくとも1つは、前記冷却ギャラリーへの入口穴を含む、請求項1に記載のピストン。
- 前記入口穴は、前記固体冷却材、プラグ、接着剤、溶接、および蝋付けのうちの少なくとも1つによって封止される、請求項8に記載のピストン。
- 前記クラウンは、前記冷却ギャラリーをともに画定する、上壁と下壁と外側の側壁とを含み、前記冷却ギャラリーは、前記クラウンの前記上壁に沿い前記ピストンの中心軸を通って連続して延在する、請求項1に記載のピストン。
- 前記クラウンは、前記冷却ギャラリーをともに画定する、上壁と下壁と外側の側壁とを含み、前記冷却ギャラリーは開放されている、請求項1に記載のピストン。
- 前記本体は、中心軸を中心として周方向に延在するとともに前記中心軸に沿って長手方向に上端から下端まで延在し、
前記本体は外面と内面とを含み、
前記クラウンは上壁と下壁と少なくとも1つの側壁とを含み、
前記クラウンの前記上壁、前記下壁、および前記少なくとも1つの側壁それぞれの前記内面は、前記冷却ギャラリーを画定し、
前記クラウンの前記外面は、前記中心軸において頂点を示し、前記中心軸の周囲においてボウル形状を示し、前記ボウル形状の周囲においてボウルの縁を示し、
前記少なくとも1つの側壁は外側の側壁を含み、
前記外側の側壁の前記外面は、前記中心軸と反対側の方向に向いており前記中心軸を中心として周方向に延在する複数のリング溝を示し、
前記冷却ギャラリーは前記中心軸を中心として周方向に延在し、
前記冷却材は前記冷却ギャラリーの少なくとも50vol%を満たし、
前記冷却材は200℃よりも高い温度で固体のままであり、
前記本体は、前記クラウンから下方向にかつ前記中心軸を中心として周方向に延在する少なくとも1つのピンボスを含み、
前記少なくとも1つのピンボスは、前記中心軸に対して垂直に延在するピンボアを示し、
前記本体は、前記クラウンから下方向に延在しかつ前記中心軸を中心として周方向に延在する少なくとも1つの裾部を含み、前記少なくとも1つの裾部は前記少なくとも1つのピンボスに接合される、請求項1に記載のピストン。 - 内燃機関のピストンを製造する方法であって、
熱伝導率を有するスチール材料で形成された本体を提供するステップを含み、前記本体はクラウンを冷却ギャラリーとともに含み、前記冷却ギャラリーは前記クラウンの少なくとも一部に沿って延在し、
前記冷却ギャラリーの少なくとも15体積パーセント(vol%)を冷却材で充填するステップを含み、前記冷却材は、前記本体の前記スチール材料の前記熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、前記冷却材は固体材料である、方法。 - 前記冷却ギャラリーを充填するステップは、前記冷却ギャラリーの少なくとも90vol%を前記冷却材で充填することを含む、請求項13に記載の方法。
- 前記本体を提供するステップは、上壁と前記上壁から下方向に延在する一対の上側リブとを含むクラウン上部を提供することと、下壁と前記下壁から上方向に延在する一対の下側リブとを含むクラウン下部を提供することと、前記上側リブを前記下側リブに接合して前記冷却ギャラリーをその間において画定する内壁と外壁とを形成することとを含む、請求項13に記載の方法。
- 前記冷却ギャラリーを冷却材で充填するステップは、前記上側リブを前記下側リブに接合する前に、前記リブの間において前記上壁および前記下壁のうちの少なくとも一方に沿って前記冷却材を配置することを含む、請求項15に記載の方法。
- 前記本体を提供するステップは、前記冷却ギャラリーを前記冷却材で充填する前に、前記壁のうちの1つに入口穴を形成することを含み、
前記冷却ギャラリーを冷却材で充填するステップは、前記上側リブを前記下側リブに接合した後に、液状の前記冷却材を前記入口穴を通して前記冷却ギャラリーの中に流し込むことを含む、請求項15に記載の方法。 - 前記冷却ギャラリーへの前記入口穴を、前記固体冷却材、プラグ、接着剤、溶接、および蝋付けのうちの少なくとも1つによって封止するステップを含む、請求項17に記載の方法。
- 前記本体を提供するステップは、冷却ギャラリーを画定する複数の壁を有する前記クラウンを形成するように前記スチール材料を鋳造することと、前記冷却ギャラリーを前記冷却材で充填する前に、前記冷却ギャラリーへの入口穴を前記壁のうちの1つに形成することとを含み、
前記冷却ギャラリーを冷却材で充填するステップは、液状の前記冷却材を前記入口穴を通して前記冷却ギャラリーの中に流し込むことを含む、請求項13に記載の方法。 - 前記本体を提供するステップは、前記冷却ギャラリーを画定する上壁と下壁と少なくとも1つの側壁とをクラウンに与えることを含み
前記本体を提供するステップはさらに、前記冷却ギャラリーへの入口穴を前記壁のうちの1つに形成し前記下壁から下向きに延在する少なくとも1つのピンボスおよび/または裾部を提供することをさらに含み、
前記冷却ギャラリーを充填するステップは、前記上壁が前記下壁よりも下方になるように配置し、前記冷却材が前記上壁に沿って連続して延在するように液状の前記冷却材を前記入口穴を通して前記冷却ギャラリーの中に流し込むことを含む、請求項13に記載の方法。 - 前記本体を提供するステップは、前記冷却ギャラリーが開放されるように前記冷却ギャラリーをともに画定する上壁と内側の側壁と外側の側壁とをクラウンに与えることを含み、
前記本体を提供するステップは、前記クラウンから下向きに延在する少なくとも1つのピンボスおよび/または裾部を提供することを含み、前記開放された冷却ギャラリーを充填するステップは、前記上壁が前記少なくとも1つのピンボスおよび/または裾部よりも下に位置するように配置し液状の前記冷却材を前記冷却ギャラリーの中に流し込むことを含む、請求項13に記載の方法。 - 前記本体を提供するステップは、前記スチール材料の三次元印刷を含む、請求項13に記載の方法。
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