JP6356704B2 - デポジット防止コーティングを伴うピストンおよびその構築方法 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (17)
- 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、WC−17CoおよびCo−18Cr−30Moからなる群から選択される、内燃機関のためのピストン。 - 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に記載のピストン。
- 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に記載のピストン。
- 前記冷却空洞は閉じた空洞である、請求項3に記載のピストン。
- 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に記載のピストン。
- 前記下側クラウンには前記非固着材料がない、請求項5に記載のピストン。
- 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6に記載のピストン。
- 前記冷却空洞は閉じた空洞である、請求項7に記載のピストン。
- 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5に記載のピストン。
- 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に記載のピストン。
- 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、WC−17CoおよびCo−18Cr−30Mo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。 - 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11に記載の方法。
- 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12に記載の方法。
- 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11に記載の方法。
- 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14に記載の方法。
- 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15に記載の方法。
- 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11に記載の方法。
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