JP2020504272A - 銅−ベリリウム合金のピストン圧縮リング - Google Patents

Abstract

ピストンリングが、銅−ベリリウム合金から作製される。本材料は、ピストンのトップ圧縮リングがピストンクラウンにより近接して移動されることを可能にし、クレバス容積を低減させ、早期点火の傾向を低減させる。点火タイミング進角は、リングを配設し、センサが可能にする際にＥＣＵにそのタイミングを進角させることによって実現され、効率を増加させることができる。また、より短いピストンおよびより長い接続ロッドが、可能である。より短いピストンは、機関内の往復質量を低減させ、より長い接続ロッドは、ライナに対してピストンを押動する半径方向力によって引き起こされる摩擦損失を低減させる。容積および早期点火の傾向の両方を低減させることは、機関効率を増加させる。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１７年１月６日に出願された米国仮特許出願第６２／４４３，４４８号に対する優先権を主張するものであり、該米国仮特許出願の全体は、参照により本明細書中に援用される。

本開示は、銅合金から作製される圧縮リングに関する。圧縮リングは、（例えば、内燃機関のための）ピストンにおいて使用され得る。リングは、高熱伝導率、良好な耐摩耗性、および熱安定性を呈し得る。

機関効率（消費される燃料の量あたりの進行される距離または１ガロンあたりのマイルとしておおよそで換算される）を増加させることが、多くの機関メーカーおよび自動車ＯＥＭにとっての目標である。自動車レースでは、これは、馬力を最大限にすることである。乗用車では、今後のＥＵ温室効果ガス排出基準は、機関効率を欧州相手先商標製造会社（ＯＥＭ）の最優先事項にしている。しかしながら、市場は、いかなる性能低下も望んでおらず、したがって、より小型の機関が、より大型の機関と全く同じだけの馬力およびトルクを生じることが期待される。出力密度（１リットルあたりの馬力）および正味平均有効圧力（ＢＭＥＰ）を増加させることは、ターボ過給または過給を要求し、これは、機関内の圧力および温度を増加させる。

機関シリンダ内のクレバス容積は、トップ圧縮リングからピストンクラウンまでのピストンとシリンダライナとの間の間隙の環状容積である。クレバス内の燃料は、燃焼を受けないため、クレバス溶液を最小限にすることは、機関効率を増加させる。クレバス容積を低減させる１つの方法は、トップ圧縮リングをピストンクラウンにより近接して移動させることである。しかしながら、トップ圧縮リングがピストンクラウンにより近接して移動されるにつれて、燃焼が起こる場合、トップ圧縮リング溝の温度は、増加し、これは、ピストン材料の降伏強度および疲労強度を低減させる。トップ圧縮リング溝が、使用されるピストン合金に依存する所与の温度に到達すると、ピストンの熱で低減された強度は、溝における摩耗につながるであろう。過剰な溝の摩耗は、ブローバイ等の他の非効率性をもたらし得る。これらの非効率性は、トップ圧縮リングをピストンクラウンにより近接して移動させる利点を無効にし、最悪の場合、機関故障をもたらし得る。

現在使用されているピストン圧縮リング材料は、トップ圧縮リングの位置を移動させることによって効率を増加させる設計者の能力を限定している。ピストンリングにおいて一般的に使用される鋳鉄および鋼材料のような良好な耐摩耗性および熱安定性を伴う合金は、典型的には、低熱伝導率を有する。高熱伝導率、良好な耐摩耗性、および熱安定性を伴う圧縮リングを提供することが、望ましいであろう。

本開示は、銅と、ベリリウムとを含む銅含有合金から作製される、ピストンリングに関する。ピストンリングは、（例えば、内燃機関のための）ピストンにおいて使用され得る。ピストンリングは、高熱伝導率、良好な耐摩耗性、および熱安定性を呈する。リングを含有するピストンアセンブリを作製する方法もまた、開示される。

種々の実施形態において開示されるものは、銅と、ベリリウムとを含む銅含有合金から形成される、ピストンリングである。

いくつかの実施形態では、銅−ベリリウム含有合金はさらに、コバルトを含む。いくつかの付加的コバルト含有銅−ベリリウム含有合金はまた、ジルコニウムを含む。いくつかの付加的コバルト含有銅−ベリリウム含有合金はまた、ニッケルを含み、また、鉄を含有することができる。

他の実施形態では、銅−ベリリウム含有合金はさらに、ニッケルを含む。いくつかの付加的ニッケル含有銅−ベリリウム含有合金はまた、コバルトを含む。

いくつかの特定の実施形態では、銅含有合金は、約０．２重量％〜約１．０重量％のベリリウムと、約１．５重量％〜約３．０重量％のコバルトと、約０．１重量％〜約１．０重量％のジルコニウムと、残部の銅とを含有する、銅−ベリリウム−コバルト−ジルコニウム合金である。

他の実施形態では、銅含有合金は、約０．２重量％〜約１．０重量％のベリリウムと、約０．５重量％〜約１．５重量％のコバルトと、約０．５重量％〜約１．５重量％のニッケルと、残部の銅とを含有する、銅−ベリリウム−コバルト−ニッケル合金である。

付加的実施形態では、銅含有合金は、約０．１重量％〜約１．０重量％のベリリウムと、約１．１重量％〜約２．５重量％のニッケルと、残部の銅とを含有する、銅−ベリリウム−ニッケル合金である。

他の異なる実施形態では、銅含有合金は、約０．２重量％〜約１．０重量％のベリリウムと、約２．０重量％〜約３．０重量％のコバルトと、残部の銅とを含有する、銅−ベリリウム−コバルト合金である。

さらに他の実施形態では、銅含有合金は、約１．１重量％〜約２．５重量％のベリリウムと、約０．１重量％〜約０．５重量％のコバルトと、残部の銅とを含有する、銅−ベリリウム−コバルト合金である。

さらなる実施形態では、銅含有合金は、約１．５重量％〜約２．５重量％のベリリウムと、（ニッケル＋コバルト）の和が約０．２重量％以上であり、（ニッケル＋コバルト＋鉄）の和が約０．６重量％以下であるような量のニッケル、コバルト、および鉄と、残部の銅とを含有する、銅−ベリリウム含有合金である。これらの合金は、ニッケルまたはコバルトのうちの少なくとも１つを含有するであろうが、潜在的に、ニッケルまたはコバルトのみを含有し得る。鉄の存在は、要求されないが、いくつかの特定の実施形態では、鉄は、約０．１重量％以上（記載される限界まで）の量において存在する。

ピストンリングは、本質的に、銅含有合金から成ってもよい。ピストンリングは、コーティングされなくてもよい。

ピストンリングは、長方形または台形断面を有してもよい。ピストンリングは、バットカット、アングルカット、重複カット、またはフックカットを有してもよい。

また、種々の実施形態において本明細書に開示されるものは、トップリング溝を備える、ピストン本体と、トップリング溝内のピストンリングであって、本明細書に説明されるように、銅と、ベリリウムとを含む銅含有合金から形成される、ピストンリングとを備える、ピストンアセンブリである。

また、開示されるものは、機関内のピストンアセンブリを使用することを含み、ピストンアセンブリは、本明細書に説明されるように、銅−ベリリウム含有合金から形成されるピストンリングとともに作製される、機関効率を改良する方法である。

本開示のこれらおよび他の非限定的特性が、下記により具体的に開示される。

以下は、本明細書に開示される例示的実施形態を図示する目的のために提示され、それを限定する目的のためではない、図面の簡単な説明である。

図１は、本開示のいくつかの実施形態による、ピストンアセンブリの斜視図である。

図２は、本開示のピストン圧縮リングがともに作製され得る、異なる断面の図示のセットである。

図３は、本開示のピストン圧縮リングがともに作製され得る、異なる継手端部の図示のセットである。

本明細書に開示される物品／デバイス、プロセス、および構成要素のより完全な理解が、付随の図面を参照することによって得られることができる。これらの図は、単に、便宜および本開示の容易な実証に基づく概略表現であり、したがって、デバイスまたはその構成要素の相対的サイズおよび寸法を示すこと、および／または例示的実施形態の範囲を定義または限定することは意図されない。

具体的用語が明確にするために以下の説明において使用されるが、これらの用語は、図面における図示のために選択された実施形態の特定の構造のみを指すことが意図され、本開示の範囲を定義または限定することは意図されない。図面および以下に続く説明では、同様の数字指定は、同様の機能の構成要素を指すことを理解されたい。

単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が別様に明確に示さない限り、複数指示物を含む。

本明細書および請求項において使用されるように、用語「〜を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、実施形態「〜から成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」および「本質的に〜から成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」を含み得る。本明細書で使用されるような用語「〜を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「〜を含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「〜を有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「〜を有する（ｈａｓ）」、「〜できる（ｃａｎ）」、「〜を含有する（ｃｏｎｔａｉｎ）」、およびそれらの変形は、挙げられた原料／ステップの存在を要求し、他の原料／ステップの存在を可能にする、非限定的移行語句、用語、または単語であることが意図される。しかしながら、そのような説明は、それからもたらされ得る任意の不可避の不純物とともに、挙げられた原料／ステップのみの存在を可能にし、他の原料／ステップを排除する、列挙された原料／ステップ「から成る」および「本質的にそれから成る」ような組成物またはプロセスも同様に説明するように解釈されるべきである。

本明細書および本願の請求項における数値は、同数の有効数字まで丸められたときに同一である数値と、値を決定するために本願に説明されるタイプの従来の測定技法の実験誤差未満だけ記載される値と異なる数値とを含むように理解されるべきである。

本明細書に開示される全ての範囲は、列挙される端点を含み、独立して組み合わせ可能である（例えば、「２グラム〜１０グラム」の範囲は、端点２グラムおよび１０グラムおよび全ての中間値を含む）。

用語「約」および「およそ」は、その値の基本的機能を変化させることなく変動し得る任意の数値を含むために使用されることができる。ある範囲と併用されるとき、「約」および「およそ」はまた、２つの端点の絶対値によって定義される範囲を開示し、例えば、「約２〜約４」はまた、範囲「２〜４」を開示する。概して、用語「約」および「およそ」は、示される数の±１０％を指し得る。

本開示は、少なくとも５０重量％の量における銅を含有する、銅合金を指す。付加的元素もまた、これらの銅含有合金中に存在する。合金が形式「Ａ−Ｂ−Ｃ合金」において説明されるとき、合金は、本質的に、元素Ａ、Ｂ、Ｃ等から成り、任意の他の元素が、不可避な不純物として存在する。当業者によって理解されるように、例えば、語句「銅−ベリリウム−ニッケル合金」は、銅と、ベリリウムと、ニッケルとを含有する、合金を説明し、列挙されていない不可避の不純物を除いて、他の元素を含有しない。合金が形式「Ａ含有合金」において説明されるとき、合金は、元素Ａを含有し、他の元素も同様に含有し得る。例えば、語句「銅−ベリリウム含有合金」は、銅と、ベリリウムとを含有する、合金を説明し、他の元素も同様に含有し得る。

ピストンは、燃焼プロセスの間にボア（典型的には、円筒形ボア）内で前後に往復運動する機関構成要素（典型的には、円筒形構成要素）である。燃焼チャンバの静止端部は、シリンダヘッドであり、燃焼チャンバの可動端部は、ピストンによって画定される。

ピストンは、所望の重量および熱伝導率を達成するために、鋳造アルミニウム合金から作製されてもよい。熱伝導率は、特定の材料が熱を伝導する程度の測度であり、ワット／（メートル・ケルビン）のＳＩ単位を有する。

アルミニウムおよび他のピストン本体材料は、加熱されると膨張する。適切な量のクリアランスが、ボア内の自由移動を維持するために含まれなければならない。過剰に小さいクリアランスは、ピストンをシリンダ内に膠着させ得る。過剰に大きいクリアランスは、圧縮損失および騒音増加につながり得る。

図１は、ピストンアセンブリ１００の斜視図である。ピストンアセンブリ１００は、ピストンロッド１１０と、ピストンヘッド１２０とから形成される。ピストンクラウン１２２は、ピストンヘッドの上面であり、機関使用の間に最も多くの力および熱を受ける。ピストンヘッドは、ここでは、トップリング溝１２４と、中間リング溝１２６と、下側リング溝１２８とを含む、３つのリング溝とともに図示される。異なるタイプのピストンリングが、これらの溝の中に挿入される。ピストンヘッド内のピンボア１３０が、ピストンヘッドの側を通して垂直に延在する。ピン（不可視）が、ピストンヘッドをピストンロッドに接続するためにピンボアを通過する。

リング溝は、ピストン本体を中心として円周方向に延在する陥凹である。リング溝は、ピストンリングを受容するように定寸および構成される。リング溝は、ピストンリングのためのシール面として機能するリングランドの２つの平行面を画定する。

ピストンリングは、燃焼チャンバをシールし、熱をピストンからシリンダ壁に伝達し、油をクラウンクケースに戻す。ピストンリングのタイプは、圧縮リング、ワイパリング、および油リングを含む。

圧縮リングは、典型的には、ピストンクラウンに最も近接する溝内に位置し、本開示の主題である。圧縮リングは、漏出を防止するために燃焼チャンバをシールする。空気−燃料混合物の点火に応じて、燃焼ガス圧力が、ピストンをクランクシャフトに向かって押進させる。加圧されたガスは、シリンダ壁とピストンとの間の間隙を通してリング溝の中に進行する。燃焼ガスからの圧力は、シールを形成するようにシリンダ壁に対して圧縮リングを押進させる。

ワイパリング（スクレーパリングまたはバックアップ圧縮リングとしても公知である）は、典型的には、圧縮リングおよび油リングの中間のリング溝内に位置するテーパ状面を有する。ワイパリングはさらに、燃焼チャンバをシールし、シリンダ壁からの過剰な油を払拭する。言い換えると、圧縮リングを通過する燃焼ガスは、ワイパリングによって停止され得る。ワイパリングは、圧縮リングの擦過面を潤滑化するために、シリンダ壁上に一貫した油膜厚さを提供し得る。ワイパリングは、油リザーバに向かってテーパ状であり得、ピストンがクラウンクシャフトの方向に移動する際に払拭を提供し得る。ワイパリングは、全ての機関において使用されるわけではない。

油リングは、クラウンクケースの最も近傍の溝内に位置する。油リングは、ピストンの移動の間にシリンダ壁からの過剰な量の油を払拭する。過剰な油は、油リング内の開口部を通して油リザーバに（すなわち、機関ブロック内に）戻され得る。いくつかの実施形態では、油リングは、２ストロークサイクル機関から省略される。

油リングは、２つの比較的に薄い滑り面またはレールを含んでもよい。孔またはスロットが、過剰な油が戻るように流動することを可能にするために、リング（例えば、その半径方向中心）に切り込まれてもよい。油リングは、一体部品または複数部品油リングであってもよい。いくつかの油リングは、付加的圧力をリングに対して半径方向に印加するために、エキスパンダばねを使用する。

図２は、本開示のピストン圧縮リングの異なる断面の図示のセットである。圧縮リングは、（シリンダに接触する）外面が滑り面として公知である環状リングである。これらの図示の全てでは、滑り面は、右側上にある。ピストン圧縮リングは、長方形断面、テーパ面断面、内部斜角付き断面、樽形面断面、またはネイピア断面を有することができる。長方形断面では、断面は、長方形である。内部斜角付き断面は、長方形断面と類似するが、（シリンダに接触しない、リング溝内の）ピストンリングの内面の上部側上に縁レリーフを有する。テーパ面断面では、滑り面は、約０．５〜約１．５度（例えば、約１度）のテーパ角を有する。テーパは、過剰な油が燃焼チャンバに進入しないようにするために、払拭作用を提供し得る。樽形面断面では、滑り面は、湾曲し、これは、一貫した潤滑を提供する。樽形面リングはまた、各ピストンストローク全体を通した油の分配を強化するために、くさび効果を生成し得る。湾曲滑り面はまた、動作の間に縁における過剰な圧力または過剰な傾斜によって引き起こされる油膜破壊の可能性を低減させ得る。ネイピア断面は、滑り面上のテーパおよび滑り面の底部側上のフック形状を有する。

図３は、本開示のピストン圧縮リングの異なるカット／端部の図示のセットである。ある場合では、リング溝内にピストンリングを固着させるために、ピストンリングは、円周を通して分割され、分割部の近傍に２つの遊離端を伴うリングを作成してもよい。ここで図示されるものは、バットカット、重複カット、およびフックカットである。バットカットでは、端部は、リングの底面に対して垂直であるように切断される。アングルカットでは、端部は、バットカットのように垂直にではなく、約４５°の角度において切断される。重複カットでは、端部は、それらが相互に重複（「相互はぎ」）するように切断される。フックカットでは、端部は、フックを形成するように切断され、フックは、相互に係合する。カットは、必ずしも、相互に取り付けられる遊離端を有するわけではないことに留意されたい。そのようなカットは、必ずしも、ピストン圧縮リングにおいて存在するわけではない。例えば、自動車ピストン圧縮リングは、真円であり得る、または分割部に開放偏向部を伴って設計されることができる。低温の機関内のシリンダの内側にあるとき、間隙は、（数マイクロインチ以内で）ほぼ閉鎖され、開放偏向部からのばね力は、シリンダとの接触を強化する。機関が高温になるにつれて、シリンダは、リングよりも速く膨張し、開放間隙は、増大するシリンダ内径との接触を維持するであろう。

本開示では、ピストン圧縮リングは、銅と、ベリリウムとを含む銅含有合金から作製される。これらの銅合金は、圧縮リングを作製するために使用される従来の鉄系材料と比較して数倍の熱伝導率を有し得る。銅−ベリリウム含有合金は、他の高伝導率合金が有するものよりも高い強度をピストン動作温度において有する。これらの合金はまた、圧縮リングにおいて要求される耐応力緩和性および耐摩耗性を保有する。また、ワイパリングまたは油リングが、本明細書に説明される銅−ベリリウム含有合金から作製され得ることも考慮される。いくつかの例示的実施形態では、リングは、約０．１０ポンド〜約０．２５ポンド、および約０．１５ポンドを含む、最大約０．２５ポンドの重量を有してもよい。他の例示的実施形態では、リングは、約０．２５ポンド〜約１．０ポンドの重量を有してもよい。リングのサイズは、機関サイズに依存するであろう。リングは、１，０００ミリメートルもの、またはさらにそれを上回る内径（すなわち、ボア）を有し得ることが考慮される。

より高い熱伝導率を伴うピストンリング材料を使用することによって、熱は、リング溝から離れて、ピストンリングを通して、シリンダライナにより迅速に伝導されるであろう。リング溝内のより低い温度は、溝内のピストン材料の降伏強度を増加させ、また、疲労強度を増加させる。より高い熱伝導率のリング材料は、過剰な溝摩耗のリスクを伴わずにトップリング溝がピストンクラウンにより近接して設置されることを可能にする。

本開示の銅−ベリリウム含有合金から作製されるより高い熱伝導率のリングはまた、ピストン溝に対するより低い摩擦係数を有し得、これは、摩耗を低減させるはずである。また、高性能鋼圧縮リング上で要求されるダイヤモンド様炭素等のコーティングの使用を回避することが、可能であり得る。また、典型的には、鉄系リング上で実施される、窒化等の表面硬化のようなコーティングの代替物を回避することが、可能であるはずである。

概して、本開示の銅−ベリリウム含有合金は、約９６重量％以上の銅を含有する。特定の実施形態では、合金は、約９６．２重量％〜約９８．４重量％の銅を含有する。本開示の銅−ベリリウム含有合金は、約０．２重量％〜約２．５重量％のベリリウムを含有する。いくつかの特定の実施形態では、合金は、約０．２重量％〜約１．０重量％のベリリウム、または約１．１重量％〜約２．５重量％のベリリウム、または約０．４重量％〜約０．７重量％のベリリウム、または約１．５重量％〜約２．５重量％のベリリウムを含有する。

特定の実施形態では、銅−ベリリウム含有合金は、コバルト、ニッケル、および／またはジルコニウムのうちの１つ以上のものを含有してもよい。

銅−ベリリウム含有合金中のコバルトの量は、合金の約０．１重量％〜約３．０重量％であってもよい。より具体的な実施形態では、コバルトの量は、約０．１重量％〜約０．５重量％、または約１．５重量％〜約３．０重量％、または約２．０重量％〜約３．０重量％、または約２．０重量％〜約２．７重量％、または約０．８重量％〜約１．３重量％、または約０．２重量％〜約０．３重量％であってもよい。

銅−ベリリウム含有合金中のニッケルの量は、合金の約０．５重量％〜約２．５重量％であってもよい。より具体的な実施形態では、ニッケルの量は、約０．５重量％〜約１．５重量％、または約１．１重量％〜約２．５重量％、または約０．８重量％〜約１．３重量％、または約１．４重量％〜約２．２重量％であってもよい。

銅−ベリリウム含有合金中のジルコニウムの量は、合金の約０．１重量％〜約１．０重量％であってもよい。より具体的な実施形態では、ジルコニウムの量は、約０．１重量％〜約０．５重量％または約０．１２重量％〜約０．４重量％であってもよい。

銅、ベリリウム、コバルト、ニッケル、およびジルコニウムのこれらの列挙される量は、任意の組み合わせで相互に組み合わせられてもよい。

いくつかの特定の実施形態では、銅含有合金は、約０．２重量％〜約１．０重量％のベリリウムと、約１．５重量％〜約３．０重量％のコバルトと、約０．１重量％〜約１．０重量％のジルコニウムと、残部の銅とを含有する、銅−ベリリウム−コバルト−ジルコニウム合金である。より具体的な実施形態では、銅−ベリリウム−コバルト−ジルコニウム合金は、約０．４重量％〜約０．７重量％のベリリウムと、約２．０重量％〜約２．７重量％のコバルトと、約０．１２重量％〜約０．４重量％のジルコニウムと、残部の銅とを含有する。合金は、Ａｌｌｏｙ １０ＸとしてＭａｔｅｒｉｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから商業的に入手可能である。Ａｌｌｏｙ １０Ｘは、約１３８ＧＰａの弾性率、約８．８３ｇ／ｃｃの密度、および２５℃において約２２５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率、２０℃において約５８５ＭＰａの０．２％オフセット降伏強度、２０℃において約６９０ＭＰａの最小極限引張強度、および４２７℃において約５１５ＭＰａの典型的な極限引張強度（ＵＴＳ）を有する。

他の実施形態では、銅含有合金は、約０．２重量％〜約１．０重量％のベリリウムと、約０．５重量％〜約１．５重量％のコバルトと、約０．５重量％〜約１．５重量％のニッケルと、残部の銅とを含有する、銅−ベリリウム−コバルト−ニッケル合金である。より具体的な実施形態では、銅−ベリリウム−コバルト−ニッケル合金は、約０．４重量％〜約０．７重量％のベリリウムと、約０．８重量％〜約１．３重量％のコバルトと、約０．８重量％〜約１．３重量％のニッケルと、残部の銅とを含有する。本合金は、Ａｌｌｏｙ ３１０としてＭａｔｅｒｉｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから商業的に入手可能である。Ａｌｌｏｙ ３１０は、約１３５ＧＰａの弾性率、約８．８１ｇ／ｃｃの密度、および約２３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率、約６６０ＭＰａ〜約７４０ＭＰａの０．２％オフセット降伏強度、および約７２０ＭＰａ〜約８２０ＭＰａの公称ＵＴＳを有する。

付加的実施形態では、銅含有合金は、約０．１重量％〜約１．０重量％のベリリウムと、約１．１重量％〜約２．５重量％のニッケルと、残部の銅とを含有する、銅−ベリリウム−ニッケル合金である。より具体的な実施形態では、銅−ベリリウム−ニッケル合金は、約０．２重量％〜約０．６重量％のベリリウムと、約１．４重量％〜約２．２重量％のニッケルと、残部の銅とを含有する。そのような合金は、Ａｌｌｏｙ ３またはＰｒｏｔｈｅｒｍとしてＭａｔｅｒｉｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから商業的に入手可能である。Ａｌｌｏｙ ３は、約１３８ＧＰａの弾性率、約８．８３ｇ／ｃｃの密度、および約２４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有する。熱処理後、Ａｌｌｏｙ ３は、約５５０ＭＰａ〜約８７０ＭＰａの０．２％オフセット降伏強度および約６８０ＭＰａ〜約９７０ＭＰａの公称ＵＴＳを有することができる。

他の異なる実施形態では、銅含有合金は、約０．２重量％〜約１．０重量％のベリリウムと、約２．０重量％〜約３．０重量％のコバルトと、残部の銅とを含有する、銅−ベリリウム−コバルト合金である。より具体的な実施形態では、銅−ベリリウム−コバルト合金は、約０．４重量％〜約０．７重量％のベリリウムと、約２．４重量％〜約２．７重量％のコバルトと、残部の銅とを含有する。本合金は、Ａｌｌｏｙ １０としてＭａｔｅｒｉｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから商業的に入手可能である。Ａｌｌｏｙ １０は、約１３８ＧＰａの弾性率、約８．８３ｇ／ｃｃの密度、および約２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有する。熱処理後、Ａｌｌｏｙ １０は、約５５０ＭＰａ〜約８７０ＭＰａの０．２％オフセット降伏強度および約６８０ＭＰａ〜約９７０ＭＰａの公称ＵＴＳを有することができる。

さらに他の実施形態では、銅含有合金は、約１．１重量％〜約２．５重量％のベリリウムと、約０．１重量％〜約０．５重量％のコバルトと、残部の銅とを含有する、銅−ベリリウム−コバルト合金である。より具体的な実施形態では、銅−ベリリウム−コバルト合金は、約１．６重量％〜約２．０重量％のベリリウムと、約０．２重量％〜約０．３重量％のコバルトと、残部の銅とを含有する。そのような合金は、ＭｏｌｄＭａｘ ＨＨ（登録商標）またはＭｏｌｄＭａｘ ＬＨ（登録商標）としてＭａｔｅｒｉｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから商業的に入手可能である。

ＭｏｌｄＭａｘ ＬＨ（登録商標）は、約１３１ＧＰａの弾性率、約８．３６ｇ／ｃｃの密度、約１５５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率、約７６０ＭＰａの０．２％オフセット降伏強度、および約９６５ＭＰａの公称ＵＴＳを有する。

ＭｏｌｄＭａｘ ＨＨ（登録商標）は、約１３１ＧＰａの弾性率、約８．３６ｇ／ｃｃの密度、約１３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率、約１，０００ＭＰａの０．２％オフセット降伏強度、および約１，１７０ＭＰａの公称ＵＴＳを有する。

さらなる実施形態では、銅含有合金は、約１．５重量％〜約２．５重量％のベリリウムと、（ニッケル＋コバルト）の和が約０．２重量％以上であり、（ニッケル＋コバルト＋鉄）の和が約０．６重量％以下であるような量のニッケル、コバルト、および鉄と、残部の銅とを含有する、銅−ベリリウム含有合金である。これらの合金は、ニッケルまたはコバルトのうちの少なくとも１つを含有するであろうが、潜在的に、ニッケルまたはコバルトのみを含有し得る。鉄の存在は、要求されないが、いくつかの特定の実施形態では、鉄は、約０．１重量％以上（記載される限界まで）の量において存在する。したがって、そのような合金は、銅−ベリリウム−ニッケル合金、または銅−ベリリウム−コバルト合金、または銅−ベリリウム−ニッケル−コバルト合金、または銅−ベリリウム−ニッケル−コバルト−鉄合金であり得る。いくつかのそのような合金は、銅と、ベリリウムとを含み、最低でも約０．１重量％のニッケル、コバルト、および鉄を含み、（ニッケル＋コバルト＋鉄）の和は、約０．６重量％以下であることが特に考慮される。

本合金は、Ａｌｌｏｙ ２５としてＭａｔｅｒｉｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから商業的に入手可能である。Ａｌｌｏｙ ２５は、約１３１ＧＰａの弾性率、約８．３６ｇ／ｃｃの密度、および約１０５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有する。熱処理後、Ａｌｌｏｙ ２５は、約８９０ＭＰａ〜約１，５２０ＭＰａの０．２％オフセット降伏強度および約１，１００ＭＰａ〜約１，５９０ＭＰａの公称ＵＴＳを有することができる。

概して言えば、本開示の銅−ベリリウム含有合金は、約２００〜約２４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）を含む、約１００〜約２５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有してもよい。比較すると、従来の鋼は、約３８〜約５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有する。

これらの合金の使用は、ピストンからシリンダ壁および機関ブロックへの増加された熱伝達に起因してピストンクラウンの最大温度を低減させる。低減された最大クラウン温度は、早期点火の確率を低下させ、ピストンがより高い圧力に耐える能力を増加させる。ピストン高さもまた、低減され、ピストン上の横力に起因する摩擦力を低減させ、機関内の往復質量を低減させることによって効率を改良することができる。圧縮リングもまた、ピストンリング溝に対する低減された摩擦を有し、溝摩耗およびブローバイを低減させる。これらの合金はまた、ピストンヘッドのために典型的に使用されるアルミニウムのものにより近接する熱膨張係数を有し、熱膨張と関連付けられるクレバス容積の増加を限定する。点火タイミング進角もまた、これらのリングを使用し、機関制御ユニット（ＥＣＵ）にそのタイミングを進角させることによって実現されることができる。また、より長い接続ロッドが、使用されることができ、これは、ライナに対してピストンを押動する半径方向力によって引き起こされる摩擦損失を低減させる。容積および早期点火の傾向の両方を低減させることは、機関効率を増加させる。

本開示は、例示的実施形態を参照して説明された。修正および改変が、前述の詳細な説明の熟読および理解に応じて他者に想起されるであろう。本開示は、添付の請求項またはその均等物の範囲内に該当する限りにおいて、全てのそのような修正および改変を含むものとして解釈されることが意図される。

Claims (20)

1. 銅と、ベリリウムとを含む銅含有合金から形成される、ピストンリング。
2. 前記銅含有合金はさらに、コバルトを含む、請求項１に記載のピストンリング。
3. 前記銅含有合金はさらに、ジルコニウムを含む、請求項２に記載のピストンリング。
4. 前記銅含有合金はさらに、ニッケルを含む、請求項１に記載のピストンリング。
5. 前記銅含有合金はさらに、コバルトを含む、請求項４に記載のピストンリング。
6. 前記銅含有合金はさらに、鉄を含む、請求項５に記載のピストンリング。
7. 前記銅含有合金は、
   約０．２重量％〜約１．０重量％のベリリウムと、
   約１．５重量％〜約３．０重量％のコバルトと、
   約０．１重量％〜約１．０重量％のジルコニウムと、
   残部の銅と
   を含有する銅−ベリリウム−コバルト−ジルコニウム合金である、請求項１に記載のピストンリング。
8. 前記銅含有合金は、
   約０．２重量％〜約１．０重量％のベリリウムと、
   約０．５重量％〜約１．５重量％のコバルトと、
   約０．５重量％〜約１．５重量％のニッケルと、
   残部の銅と
   を含有する銅−ベリリウム−コバルト−ニッケル合金である、請求項１に記載のピストンリング。
9. 前記銅含有合金は、
   約０．１重量％〜約１．０重量％のベリリウムと、
   約１．１重量％〜約２．５重量％のニッケルと、
   残部の銅と
   を含有する銅−ベリリウム−ニッケル合金である、請求項１に記載のピストンリング。
10. 前記銅含有合金は、
    約０．２重量％〜約１．０重量％のベリリウムと、
    約２．０重量％〜約３．０重量％のコバルトと、
    残部の銅と
    を含有する銅−ベリリウム−コバルト合金である、請求項１に記載のピストンリング。
11. 前記銅含有合金は、
    約１．１重量％〜約２．５重量％のベリリウムと、
    約０．１重量％〜約０．５重量％のコバルトと、
    残部の銅と
    を含有する銅−ベリリウム−コバルト合金である、請求項１に記載のピストンリング。
12. 前記銅含有合金は、
    約１．５重量％〜約２．５重量％のベリリウムと、
    （ニッケル＋コバルト）の和が約０．２重量％以上であり、（ニッケル＋コバルト＋鉄）の和が約０．６重量％以下であるような量のニッケル、コバルト、および鉄と、
    残部の銅と
    を含有する銅−ベリリウム含有合金である、請求項１に記載のピストンリング。
13. 前記ピストンリングは、コーティングされていない、請求項１に記載のピストンリング。
14. 長方形または台形断面を有する、請求項１に記載のピストンリング。
15. バットカット、アングルカット、重複カット、またはフックカットを有する、請求項１に記載のピストンリング。
16. 前記ピストンリングは、最大約０．２５ポンドの重量である、請求項１に記載のピストンリング。
17. 前記ピストンリングは、約０．２５ポンド〜約１．０ポンドの重量である、請求項１に記載のピストンリング。
18. ピストンアセンブリであって、
    トップリング溝を備えるピストン本体と、
    前記トップリング溝内のピストンリングであって、前記ピストンリングは、銅と、ベリリウムとを含む銅含有合金から形成される、ピストンリングと
    を備える、ピストンアセンブリ。
19. 機関内のピストンアセンブリを使用することを含む機関効率を改良する方法であって、前記ピストンアセンブリは、
    トップリング溝を備えるピストン本体と、
    前記トップリング溝内のピストンリングであって、前記ピストンリングは、銅と、ベリリウムとを含む銅含有合金から形成される、ピストンリングと
    を備える、方法。
20. ピストンリングを作製する方法であって、銅と、ベリリウムとを含む銅含有合金から前記ピストンリングを形成することを含む、方法。