JP6618467B2 - 一体型のギャラリなしピストンおよびその構築方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１３年１１月７日に提出された米国仮出願連続番号第６１／９０１，２８７号の利点と、２０１４年６月１３日に提出された米国仮出願連続番号第６２／０１１，８７６号の利点と、２０１４年１１月７日に提出された米国実用新案連続番号第１４／５３５，８３９号の利点とを主張するものであり、それら全体が引用によりこの明細書中に援用されている。

発明の背景
１．技術分野
この発明は概して内燃機関に関し、より特定的には、そのためのピストンに関する。

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せよとの要求の高まりに直面している。エンジン効率および性能の向上は、製造に関する費用の削減と同時に、燃費向上、オイル消費の削減、燃料系統の向上、シリンダボア内の圧縮負荷および動作温度の上昇、ピストンによる熱損失の低減、構成部品同士の潤滑の向上、エンジン軽量化、ならびにエンジン小型化を含むが、これらに限定されない。燃焼室内の圧縮負荷および動作温度を上昇させることが所望されている一方で、実行可能な限度内でピストンの温度を維持することが依然として必要とされている。したがって、燃焼室内の圧縮負荷および動作温度を上昇させることが所望されているが、この目的を達成するには何らかの妥協が付随してくる。すなわち、これらの望ましい「上昇」によって、ピストンの圧縮高さと、これにより全体的なピストンの大きさおよび質量とを低減させることのできる度合いが制限されてしまう。このような制限は、ピストンの動作温度を下げるのに必要と見なされる閉鎖型または部分閉鎖型の冷却ギャラリを有する典型的なピストン構造の場合に特に問題となる。さらに、閉鎖型または部分的閉鎖型の冷却ギャラリを形成するのに上方部分と下方部分とが接合継手に沿って接合されているピストンを製造するためのコストは、一般に、上方部分と下方部分とを接着するのに用いられる接合プロセスのせいで、高くなってしまう。さらに、ピストンに加えられる機械的負荷および熱負荷の増大に耐えることができるようにするために、上述の「冷却ギャラリ付きの」ピストンを鋼から製造する必要があるので、エンジンを軽量化することのできる度合いが影響を受けることとなる。

この発明に従って構築されるピストンは、この明細書中における開示を理解し、添付の図面を観察することで当業者にとって明らかになるように、公知のピストン構造が持つ上述の不利点および他の不利点を克服するものである。

発明の概要
この発明に従って構築されるピストンは一塊りの鋼から構成され、これにより、現代の高性能エンジンにおいて見られるような負荷および温度などの、シリンダボア内における圧縮負荷および温度の上昇に耐えるように、強度および耐久性の高いピストンが提供される。さらに、ピストンが新しい単一部品構成であることにより、ピストンの製造に伴う費用が低減される。なぜなら、ピストンの上方部分と下方部分とを接合するのに用いられてきた典型的なプロセスが採用されていないからである。さらに、本発明に従って構築されるピストンにおいては、閉鎖型または部分的閉鎖型の冷却ギャラリを含むピストンと比べて、ピストンのコンプレッションハイト（ＣＨ：compression height）および重量を著しく小さくすることができる。これは特に、冷却ギャラリを形成するために一般に用いられる床の存在がピストンから省かれており、これにより、ピストンが内部に配置されているエンジンをより小型、より軽量かつより低燃費に構成することが可能になるからである。

本発明の一態様に従うと、内燃機関のためのギャラリなしピストンが提供される。ピストンは一体型のピストン本体を有する。この一体型のピストン本体は中心の長手方向軸に沿って延在する。この中心の長手方向軸に沿って、ピストンが内燃機関のシリンダボア内で往復運動する。ピストン本体は、上部燃焼面を形成する上方壁を有し、環状リングベルト領域が、少なくとも１つのピストンリングを収容するために上部燃焼面から垂下している。ピストン本体はさらに、リングベルト領域から垂下してシリンダボア内においてピストンを案内し易くするための１対のスカート部分と、横方向に間隔を空けて配置された１対のピンボアを備える１対のピンボスとを含む。１対のピンボアは、ピンボア軸に沿って位置合わせされてリストピンを収容するためのものである。上部燃焼面は第１の部分および第２の部分を有する。第１の部分は、上方壁の外周に沿って環状に延在する。第２の部分は、第１の部分から径方向内側に垂下する燃焼ボウルを形成する。上方壁は、上部燃焼面の第２の部分の正反対側において燃焼ボウルの下側に形成された下クラウン面を有する。下クラウン面は、中心の長手方向軸に沿って見たときに、開放的に露出された突出型の２次元表面積を有し、突出型の２次元表面積は、ピストン本体の最大外径によって規定される面積の約３５パーセント〜約６０パーセントであり、これにより、跳ねかかってくるオイルまたは吹きかけられるオイルが自由に接触できる面積を広くして、使用中のピストンの冷却を向上させる。

本発明の別の態様に従うと、下クラウン面は、ピストン本体の面積の４０パーセントよりも広い総３次元表面積を有する。

本発明の別の態様に従うと、下クラウン面は、ピストン本体の面積の約４０パーセント〜約９０パーセントであり得る総３次元表面積を有する。

本発明の別の態様に従うと、下クラウン面は、ピストン本体の最大外径の約７５パーセント〜約９０パーセントの直径を有する。

本発明の別の態様に従うと、燃焼ボウルは最大燃焼ボウル直径を有し、下クラウン面は、最大燃焼ボウル直径の少なくとも８５パーセントの直径を有する。

本発明の別の態様に従うと、下クラウン面は、最大燃焼ボウル直径の１００パーセント〜１４０パーセントの直径を有し得る。

本発明の別の態様に従うと、ピストン本体は、ピンボスからピンボア軸に沿ってリングベルト領域にまで径方向外側に延在する１対のポケットを有する。１対のポケットは、少なくとも下クラウン面の一部、第１の部分の下側の一部、および環状リングベルト領域の内面の一部を規定する。ポケットは、ピストン本体の最大２次元面積の約４５パーセント〜約８５パーセントの総３次元表面積を有し得る。

本発明の別の態様に従うと、ポケットは、ピストン本体の最大２次元面積の６０パーセントよりも広い総３次元表面積を有し得る。

本発明の別の態様に従うと、ポケットは、ピストン本体の最大２次元面積の７０パーセントよりも広い総３次元表面積を有し得る。

本発明の別の態様に従うと、ピンボスは、ピストン本体の最大外径の６０パーセント未満である第１の距離だけ、ピンボア軸に沿って互いから間隔を空けて配置された径方向最外面を有し得る。

本発明の別の態様に従うと、内燃機関のためのギャラリなしピストンを構築する方法が提供される。当該方法は、機械加工プロセス、鍛造プロセスまたは鋳造プロセスのうちの１つのプロセスにおいて一体型のピストン本体を形成するステップを含む。ピストン本体は、上部燃焼面を備えた上方壁と、上部燃焼面から垂下する環状リングベルト領域とを有する。第１の部分および第２の部分を有する上部燃焼面が形成される。第１の部分は、上方壁の外周に沿って環状に延在する。第２の部分は、第１の部分から径方向内側に垂下する燃焼ボウルを形成する。第２の部分の正反対側において燃焼ボウルの下側に下クラウン面を有する上方壁が形成される。環状リングベルト領域から垂下する１対のスカート部分と、横方向に間隔を空けて配置された１対のピンボアとを有するピストン本体がさらに形成される。横方向に間隔を空けて配置された１対のピンボアは、ピンボア軸に沿って位置合わせされてリストピンを収容するためのものである。中心の長手方向軸に沿って見たときに、開放的に視認可能な突出型の２次元表面積を有する下クラウン面が形成される。突出型の２次元表面積は、ピストン本体の最大外径によって規定される面積の約３５パーセント〜約６０パーセントである。

本発明の別の態様に従うと、当該方法は、ピストン本体の面積の４０パーセントよりも広い総３次元表面積を有する下クラウン面を形成するステップを含む。

本発明の別の態様に従うと、当該方法は、ピストン本体の面積の約４０パーセント〜約９０パーセントである総３次元表面積を有する下クラウン面を形成するステップを含む。

本発明の別の態様に従うと、当該方法はさらに、ピストン本体の面積の５０パーセントよりも広い総３次元表面積を有する下クラウン面を形成するステップを含み得る。

本発明の別の態様に従うと、当該方法は、ピストン本体の最大外径の約７５パーセント〜約９０パーセントの直径を有する下クラウン面を形成するステップを含む。

本発明の別の態様に従うと、当該方法はさらに、燃焼ボウルの最大径の少なくとも８５パーセントである直径を有する下クラウン面を形成するステップを含み得る。

本発明の別の態様に従うと、当該方法はさらに、最大燃焼ボウル直径の１００パーセント〜１４０パーセントである直径を有する下クラウン面を形成するステップを含み得る。

本発明の別の態様に従うと、当該方法は、機械加工プロセス、鍛造プロセスまたは鋳造プロセスにおいて１対のポケットを形成するステップをさらに含み得る。ポケットは、ピンボスからピンボア軸に沿ってリングベルト領域にまで径方向外側に延在する。ポケットは、少なくとも下クラウン面の一部、第１の部分の下側の一部、および環状リングベルト領域の内面の一部を規定する。ポケットは、ピストン本体の最大２次元面積の約４５パーセント〜約８５パーセントの総３次元表面積を有する。

本発明の別の態様に従うと、当該方法はさらに、ピストン本体の最大外径の６０パーセント未満である第１の距離だけ、ピンボア軸に沿って互いから間隔を空けて配置された径方向最外面を有するピンボスを形成するステップを含み得る。

図面の簡単な説明
本発明のこれらおよび他の局面、特徴および利点は、現在好ましい実施例および最良モードについての以下の詳細な説明、添付の特許請求の範囲および添付の図面に関連付けて検討されると、より容易に認識されるだろう。

本発明の一態様に従って構築されたピストンのピンボア軸に沿って概略的に示される断面図である。 図１のピストンのピンボア軸に対してほぼ交差する方向から示される断面図である。 図１のピストンの中心ピンボア軸に沿って概略的に示される底断面図である。 図１のピストンを示す部分断面斜視図である。 本発明の別の実施例に従って構築されたピストンのピンボア軸に沿って概略的に示される断面図である。 図５のピストンのピンボア軸に対してほぼ交差する方向から示される断面図である。 図５のピストンの中心ピンボア軸に沿って概略的に示される底断面図である。 図５のピストンを示す部分断面斜視図である。 本発明のさらに別の実施例に従って構築されたピストンのピンボア軸に沿って概略的に示される断面図である。 図９のピストンのピンボア軸に対してほぼ交差する方向から示される断面図である。 図９のピストンの中心ピンボア軸に沿って概略的に示される底断面図である。 図９のピストンを示す部分断面斜視図である。 本発明のさらに別の実施例に従って構築されたピストンを示す斜視図である。 図１３のピストンのピンボア軸に対してほぼ交差する方向から示される断面図である。 本発明のさらに別の実施例に従って構築されたピストンを示す斜視図である。 図１５のピストンのピンボア軸に対してほぼ交差する方向から示される断面図である。 本発明のさらに別の実施例に従って構築されたピストンの中心ピンボア軸に対してほぼ交差する方向から示される断面図である。 ピストンの中心ピンボア軸に沿って概略的に示される図１７のピストンを示す断面図である。 冷却ギャラリを含む先行技術のピストンの経験的データを示すチャートである。 冷却ギャラリを含む先行技術のピストンの経験的データを示すチャートである。 図１〜図１２および図１５〜図１８のギャラリなしピストンの経験的データを示すチャートである。

現在好ましい実施例の詳細な説明
図面をより詳細に参照すると、図１〜図４は、本発明の現在好ましい一実施例に従って構築されたピストン１０を示しており、このピストン１０は、たとえば、最新のコンパクトで高性能な車両エンジンなどの内燃機関のシリンダボアまたはチャンバ（図示せず）において往復運動させられる。機械加工、鍛造または鋳造などによって一体型材料から形成される一体型本体１２を有するピストン１０が構築される。その後、場合によっては、必要に応じて仕上げ加工が実行されて、構築を完了させる。したがって、冷却ギャラリ床によって囲まれているかまたは部分的に囲まれている密閉型または部分的密閉型の冷却ギャラリを備えたピストンの場合には一般的である、互いに連結された上方部分および下方部分などの複数の連結された部品が、ピストン１０には備わっていない。逆に、ピストン１０は、冷却ギャラリを囲むかもしくは部分的に囲む冷却ギャラリ床または他の特徴を持たない点で「ギャラリなし（galleryless）」である。鋼でできたピストン本体１２は、現在の高性能な内燃機関の高性能要求（すなわち高い温度および高い圧縮負荷）を満たすために強固で耐久性がある。本体を構築するのに用いられる鋼（すなわち鋼合金）は、特定のエンジン応用例におけるピストン１０の要件に応じて、ＳＡＥ４１４０等級などであってもよい。本体１２の新しい構成は、ピストン１０にギャラリがないせいで、以下に記載する特徴の中でも特に、ピストン１０の重量およびコンプレッションハイト（ＣＨ）を最小限にし、これにより、ピストン１０が内部に配置されているエンジンを軽量化し、より小型化することを可能にする。さらに、ギャラリなしであっても、以下において説明され、図面に示される新しい構成により、ピストン１０が、最も厳密な動作温度に耐えるように使用中に十分に冷却されることが可能となる。

ピストン本体１２は、上部ヘッドまたは頂部区域１３を有する。頂部区域１３は、上方壁１４とも称される上壁を提供する。上方壁１４は、内燃機関のシリンダボア内の燃焼ガスに直接晒される上部燃焼面１６を提供する。上部燃焼面１６は、上方壁１４の外周に沿って延在する実質的に平坦面として形成される環状の第１の部分１８と、上方壁１４の燃焼ボウル壁部分２１によって規定される第２の部分２０とを含む。第２の部分２０は非平面の波形面２２を有する。非平面の波形面２２は、平坦な第１の部分１８から垂下し、燃焼ボウル壁部分２１の最上面に沿って延在する。下クラウン面２４は、上部燃焼面１６の第２の部分２０の反対側において燃焼ボウル壁部分２１の下側に形成される。下クラウン２４は、ここでは、底部からピストンを真っすぐに見たときに、ピンボア４０を除いて、視認可能な表面となるように規定される。下クラウン面２４は、上部燃焼面１６の第２の部分２０から、燃焼ボウル壁部分２１の最小厚さ（ｔ）の２倍以下の距離だけ遠ざかるように延在する。したがって、下クラウン面２４は、概して、燃焼ボウル２６までの距離が最小となるように燃焼ボウル２６の第２の部分２０にぴったりとフィットした形状であり、実質的には、燃焼ボウル壁部分２１の波形面２２とは反対側の表面をなす。下クラウン面２４、２４′、２４′′、２４′′′、２４′′′′、２４′′′′′は、ピストン１０（図１〜図４）、１０′（図５〜図８）、１０′′（図９〜図１２）、１０′′′（図１３および図１４）、１０′′′′（図１５および図１６）、１０′′′′′（図１７および図１８）の下側から見ると開放的に露出されており、密閉型もしくは部分的密閉型の冷却ギャラリによって囲まれておらず、または、下クラウン面２４、２４′、２４′′、２４′′′、２４′′′′、２４′′′′′付近でオイルまたは冷却流体を保持する傾向のある他の如何なる特徴によっても囲まれていない。

上方壁１４の環状の第１の部分１８は、上方壁１４の外周を形成し、そこから垂下する環状の燃焼ボウル２６を囲んでいる。このため、燃焼ボウル２６は、上部燃焼面１６の最上部にある第１の部分１８よりも下方に窪んでいる。中心ピーク２８とも称される上方頂部をもたらすような輪郭をした燃焼ボウル２６が図示される。中心ピーク２８は、ピストン１０の中心軸３０に沿って同軸に位置してもよく、または、ピストン中心軸３０に対して径方向にオフセットされていてもよい。頂部区域１３はさらに、１つ以上の対応するピストンリング（図示せず）を収容するための１つ以上のリング溝３４をもたらすために上部燃焼面１６から垂下するリングベルト領域３２を形成する。

ピストン本体１２はさらに底部区域３６を含む。底部区域３６は、上方区域１３から、および概して上方壁１４から垂下する１対のピンボス３８を含む。ピンボス３８は各々、ピンボア４０を有し、鉄骨構造の場合には好ましくはギャラリなしである。ピンボア４０は、中心の長手方向軸３０に対して概して交差して延びるピンボア軸４２に沿って同軸に、互いから横方向に間隔を空けて配置される。ピンボス３８は、外面４３と称されるほぼ平坦な径方向に最も外側の面を有しており、これら外面４３は、ピンボア軸４０に沿って互いから距離ＰＢを空けて配置され、互いに対してほぼ平行となるように示されている。この場合、ＰＢ寸法は最小限にされ、これにより、以下ポケット５０と称される概してカップ状の窪んだ領域の露出面積が最大限にされる。これらポケット５０は、概してピンボア軸４０に沿ってピンボス３８の径方向外側に延在し、かつ下位クラウン２４に沿って上方向に延在する。ポケット５０は、下位クラウン２４の一部を形成し、上部燃焼面１６の環状の第１の部分１８の裏面に沿って下位クラウン２４を越えて径方向外側に延在し、リングベルト領域３２の内面に沿って上方壁１４から垂下する。このため、ポケット５０の２次元表面積および３次元表面積が最大にされた状態では、少なくとも部分的に距離ＰＢが最小限にされていることにより、ポケット５０の露出面に対してクランク室から上方に向かって跳ねかけられるかまたは吹付けられるオイルによってもたらされる冷却が向上する。これにより、上部燃焼面１６、下位クラウン２４、さらにはリングベルト領域３４の一部がさらに冷却されることとなる。

ピンボア４０は各々、以下において最上面４４と称される、最上部にある凹状の耐荷重面を有する。この最上面４４は、リングベルト領域３２の最下面４６と平坦または実質的に平坦に延在する。そのため、コンプレッションハイトＣＨが最小限にされる（圧縮高さは、ピンボア軸４２から上部燃焼面１６にまで延びる寸法である）。ピンボス３８は、支柱４６とも称される外側パネルによって、底部区域３６のスカートパネル４８とも称され互いに正反対の位置にあるスカート部分に連結される。スカートパネル４８および支柱４６は開路４９を囲んでいる。開路４９は、支柱４６の最下面または底面５１およびスカートパネル４８から下クラウン面２４にまで延在している。開路４９は、クランク室内から下クラウン面２４に対して直接跳ねかけられるかまたは吹付けられるオイルに直接接触できるようにするものであって、これにより、オイルがクランク室内から下クラウン面２４全体に直接はねかかることを可能にし、同時に、オイルがリストピン（図示せず）のまわりで自由に飛び散ることを可能にし、さらには、ピストン１０の重量を著しく減らすことも可能にする。したがって、典型的な閉鎖型または部分的閉鎖型の冷却ギャラリを備えていないにもかかわらず、ギャラリなしピストン１０の概して開放型の構成は、下クラウン面２４の最適な冷却と、ピンボア４０内におけるリストピン接合部への潤滑とを可能にし、同時に、燃焼ボウル付近の表面上におけるオイル滞留時間（大量のオイルが表面上に残留している時間）を短縮することを可能にする。これにより、閉鎖型または実質的に閉鎖型の冷却ギャラリを有するピストンに発生し得るようなコークス化されたオイルが不所望に蓄積されるのを抑制することができる。そのため、ピストン１０は、長期間の使用にわたって「クリーン」なままであり、これにより、破片が実質的に蓄積しない状態を維持することが可能となる。

上部燃焼面１６の真下に位置する下クラウン面２４のうち、クランク室から飛び散って吹付けられるオイルに直接晒される割合は、下クラウン面２４の最適な冷却に起因している。ピストン１０、１０′、１０′′、１０′′′′、１０′′′′′についての図１９Ｃにおいて図表化された経験的データは、さらに以下に述べるように、閉鎖型または部分的閉鎖型の冷却ギャラリを有する「先行技術」ピストンについての図１９Ａおよび図１９Ｂにおいて図表化されたデータと共に、クランク室から直接跳ねかかってくるオイルに対して下クラウン面２４、２４′、２４′′、２４′′′′、２４′′′′′がさらにより直接的に晒されることを示している。いくつかのデータを以下においてより詳細に説明する。図５〜図８、図９〜図１２、図１３、図１４、図１５、図１６、図１７、および図１８にそれぞれ示されるピストン１０′、１０′′、１０′′′、１０′′′′、１０′′′′′がピストン１０について上述したのと同様の特徴を含むことが認識されるべきであり、このため、それについてのさらなる詳細は不要とみなされる。それぞれの燃焼ボウル壁部分２１′、２１′′、２１′′′、２１′′′′、２１′′′′′の構成をわずかに変更することにより、総表面積（表面の外形に追従する３次元面積）および突出表面積（平面図で見た２次元面積）の両方についての、ピストン１０′、１０′′、１０′′′、１０′′′′、１０′′′′′の露出された下クラウン面２４′、２４′′、２４′′′、２４′′′′、２４′′′′′に関連付けられるデータに実質的に大幅な相違がもたらされることが理解される。ピストン１０、１０′、１０′′、１０′′′、１０′′′′、１０′′′′′の下クラウン面２４、２４′、２４′′、２４′′′、２４′′′′、２４′′′′′は、下クラウン面２４、２４′、２４′′、２４′′′、２４′′′′、２４′′′′′の外形に追従する３次元面積として規定される総露出表面積を有する。総露出表面積は、シリンダボアの面積の４０パーセントよりも大きく、かつシリンダボアの面積の約４０パーセント〜約９０パーセントであり、このため、ピストン１０、１０′、１０′′、１０′′′′、１０′′′′′の最大外径ＯＤによって規定される２次元面積のうち約４０パーセント〜約９０パーセントである（図３、図５、図９、図１３、図１５、図１７）。一例として、但しそれに限定されることなく、図１〜図４のピストン１０は、１０７ｍｍのシリンダボアにおいて約６７７３ｍｍ^２の総下クラウン面面積を有し、かつ、シリンダボア面積の約７５パーセント〜約８０パーセントの総表面積を有し得る。図５〜図８のピストン１０′は、１０６．５ｍｍのシリンダボアにおいて約４６１３ｍｍ^２の総下クラウン面面積を有し、かつ、シリンダボア面積の約５０パーセント〜約５５パーセントの総表面積を有し得る。図９〜図１２のピストン１０′′は、１０３ｍｍのシリンダボアにおいて約７０６０ｍｍ^２の総下クラウン面面積を有し、かつ、シリンダボア面積の約８０パーセント〜約８５パーセントの総表面積を有し得る。図１５および図１６のピストン１０′′′′は、１１０ｍｍのシリンダボアにおいて約３９７８ｍｍ^２の総下クラウン面面積を有し、かつ、シリンダボア面積の約４０パーセント〜約４５パーセントの総表面積を有し得る。図１７および図１８のピストン１０′′′′′は、９９ｍｍのシリンダボアにおいて約５６３０ｍｍ^２の総下クラウン面面積を有し、かつ、シリンダボア面積の約７０パーセント〜約７５パーセントの総表面積を有し得る。

さらにまた、下クラウン面２４、２４′、２４′′、２４′′′′、２４′′′′′は、突出表面積を有する。突出表面積は、ピストン１０、１０′、１０′′、１０′′′′、１０′′′′′の底部から、概ね、中心の長手方向軸３０、３０′、３０′′、３０′′′′、３０′′′′′に沿って見られる２次元面積として規定されるものであって、シリンダボアの面積の約３５パーセント〜約６０パーセントであり、かつ、ピストン１０、１０′、１０′′、１０′′′′、１０′′′′′の最大外径ＯＤによって規定される面積の約３５パーセント〜約６０パーセントである。一例として、但しそれに限定されることなく、図１〜図４のピストン１０は、１０７ｍｍのシリンダボアにおいて約３８７５ｍｍ^２の突出下クラウン面面積を有し、かつ、シリンダボア面積の約４０パーセント〜約４５パーセントの突出下クラウン面面積を有し得る。図５〜図８のピストン１０′は、１０７ｍｍのシリンダボアにおいて約３６２１ｍｍ^２の突出下クラウン面面積を有し、かつ、シリンダボア面積の約４０パーセント〜約４５パーセントの突出下クラウン面面積を有し得る。図９〜図１２のピストン１０′′は、１０３ｍｍのシリンダボアにおいて約３８１４ｍｍ^２の突出下クラウン面面積を有し、かつ、シリンダボア面積の約４５パーセント〜約６０パーセントの突出下クラウン面面積を有し得る。図１５および図１６のピストン１０′′′′は、１１０ｍｍのシリンダボアにおいて約３６１９ｍｍ^２の突出下クラウン面面積を有し、かつ、シリンダボア面積の約３５パーセント〜約４０パーセントの突出下クラウン面面積を有し得る。図１７および図１８のピストン１０′′′′′は、９９ｍｍのシリンダボアにおいて約３４３６ｍｍ^２の突出下クラウン面面積を有し、かつ、シリンダボア面積の約４０パーセント〜約４５パーセントの突出下クラウン面面積を有し得る。

さらにまた、本発明に従って構築された下クラウン面２４、２４′、２４′′、２４′′′′、２４′′′′′の露出面積が有する直径Ｄは、シリンダボアの直径の約７５パーセント〜約９０パーセントであり、このため、ピストン１０、１０′、１０′′、１０′′′′、１０′′′′′の最大外径ＯＤの約７５パーセント〜約９０パーセントである。一例として、但しそれに限定されることなく、図１〜図４のピストン１０のうち露出された下クラウン面２４は、１０７ｍｍのシリンダボアにおいて約８８ｍｍの直径Ｄ（図２）を有する。図５〜図８のピストン１０′のうち露出された下クラウン面２４′は、１０７ｍｍのシリンダボアにおいて約８８ｍｍの直径Ｄ（図６）を有する。図９〜図１２のピストン１０′′のうち露出された下クラウン面２４′′は、１０３ｍｍのシリンダボアにおいて約８６ｍｍの直径Ｄ（図９）を有する。図１５および図１６のピストン１０′′′′のうち露出された下クラウン面２４′′′′は、１１０ｍｍのシリンダボアにおいて約８９ｍｍの直径Ｄを有する。図１７および図１８のピストン１０′′′′′のうち露出された下クラウン面２４′′′′′は、９９ｍｍのシリンダボアにおいて約８３ｍｍの直径Ｄを有する。

さらにまた、本発明に従って構築された下クラウン面２４、２４′、２４′′、２４′′′′、２４′′′′′の露出面積が有する直径Ｄは、燃焼ボウル２６、２６′、２６′′、２６′′′′、２６′′′′′の直径ＣＤの約８５パーセント〜約１４０パーセントであり、これは、閉鎖型または実質的に閉鎖型の冷却ギャラリを有するピストンの場合には最大で１００パーセントになるのとは対照的である。一例として、但しそれに限定されることなく、図１〜図４のピストン１０の露出された下クラウン面２４は、燃焼ボウル直径が約７３ｍｍであれば約８８ｍｍの直径Ｄを有する。図５〜図８のピストン１０′の露出された下クラウン面２４′は、燃焼ボウル直径が約８０ｍｍであれば約８８ｍｍの直径Ｄを有する。図９〜図１２のピストン１０′′の露出された下クラウン面２４′′は、燃焼ボウル直径が約６５ｍｍであれば約８６ｍｍの直径Ｄを有する。図１５および図１６のピストン１０′′′′の露出された下クラウン面２４′′′′は、燃焼ボウル直径が約１００ｍｍであれば約８９ｍｍの直径Ｄを有する。図１７および図１８のピストン１０′′′′′の露出された下クラウン面２４′′′′′は、燃焼ボウル直径が約７２ｍｍであれば約８３ｍｍの直径Ｄを有する。露出された下クラウン面２４、２４′、２４′′、２４′′′′、２４′′′′′の相対的な表面積および相対的な直径についてのこれらの割合は、公知のピストンをはるかに上回っており、場合によっては３倍以上になる。そのため、上部燃焼面１６、１６′、１６′′、１６′′′′、１６′′′′′は、必要に応じて、オイルジェットの助けを借りて連結され得るクランク室から上方向に跳ねかかってくるオイルによって直接冷却することができる。

加えて、ピストン１０、１０′、１０′′、１０′′′′、１０′′′′′は、上述のとおり、それぞれのポケット５０、５０′、５０′′、５０′′′′、５０′′′′′を有する。ポケット５０は、１０７ｍｍのシリンダボア区域の面積の約７４パーセントである約６６９３ｍｍ^２の表面積を有しており、このため、ポケット５０は、上部燃焼面１６の最大外径ＯＤによって規定される２次元面積の約７０パーセント〜約８０パーセントとなるように構成することができる。ポケット５０′は、１０６．５ｍｍのシリンダボア区域の面積の約８０パーセントである約４７７７ｍｍ^２の表面積を有しており、このため、ポケット５０′は、上部燃焼面１６′の最大外径ＯＤによって規定される２次元面積の約７５パーセント〜約８５パーセントとなるように構成することができる。ポケット５０′′は、１０３ｍｍのシリンダボア区域の面積の約６５パーセントである約５４００ｍｍ^２の表面積を有しており、このため、ポケット５０′′は、上部燃焼面１６′′の最大外径ＯＤによって規定される２次元面積の約６０パーセント〜約７０パーセントとなるように構成することができる。ポケット５０′′′′は、１１０ｍｍのシリンダボア区域の面積の約５７パーセントである約５３９２ｍｍ^２の表面積を有しており、このため、ポケット５０′′′′は、上部燃焼面１６′′′′の最大外径ＯＤによって規定される２次元面積の約５０パーセント〜約６０パーセントとなるように構成することができる。ポケット５０′′′′′は、９９ｍｍのシリンダボア区域の面積の約４９パーセントである約３７５７ｍｍ^２の表面積を有しており、このため、ポケット５０′′′′′は、上部燃焼面１６′′′′′の最大外径ＯＤによって規定される２次元面積の約４５パーセント〜約５５パーセントとなるように構成することができる。このため、ポケット５０、５０′、５０′′、５０′′′′、５０′′′′′の表面積は、上部燃焼面１６、１６′、１６′′、１６′′′′、１６′′′′′の領域のうちポケット５０、５０′、５０′′、５０′′′′、５０′′′′′の真上に位置する領域を冷却することに著しく寄与することができる。

本発明の別の態様に従うと、中心のピンボア軸に対して交差するように、両端のスカート部分同士の間と、ピンボス同士の間とに延在するピストン１０′′′の下クラウン面２４′′′の形状は凹状である。そのため、オイルはピストン１０′′′の往復運動中に路に沿ってピストンの一方側からピストンの他方側にまで流れ、これにより、ピストンの冷却をさらに高めるように作用する。

本発明の多くの変更例および変形例が上述の教示を考慮すると実現可能である。したがって、本発明が具体的に記載された以外のやり方で実施され得ること、および、最終的に許可可能とされる請求項によって本発明の範囲が規定されることが理解されるはずである。

Claims (20)

1. 内燃機関のためのギャラリなしピストンであって、
   中心の長手方向軸に沿って延在する一体型のピストン本体を備え、前記ピストンが、前記中心の長手方向軸に沿って、内燃機関のシリンダボアにおいて往復運動し、前記ピストン本体は、上部燃焼面を形成する上方壁を有し、環状リングベルト領域が、少なくとも１つのピストンリングを収容するために前記上部燃焼面から垂下し、前記ピストン本体は、前記リングベルト領域から垂下してシリンダボア内において前記ピストンを案内し易くするための１対のスカート部分と、１対のピンボスとをさらに含み、前記１対のピンボスは、横方向に間隔を空けて配置された１対のピンボアを備え、前記１対のピンボアは、ピンボア軸に沿って位置合わせされてリストピンを収容するためのものであり、前記上部燃焼面は第１の部分および第２の部分を有し、前記第１の部分は、前記上方壁の外周に沿って環状に延在し、前記第２の部分は、前記第１の部分から径方向内側に垂下する燃焼ボウルを形成し、前記上方壁は、前記上部燃焼面の前記第２の部分の正反対側において前記燃焼ボウルの下側に形成された下クラウン面を有し、前記下クラウン面は、前記下側から前記ピストンを前記中心の長手方向軸に沿ってまっすぐに見たときに、前記１対のピンボスおよび前記１対のピンボアを除いて、視認可能な表面となるように規定され、前記下クラウン面は、前記中心の長手方向軸に沿って見たときに、開放的に露出された突出型の２次元表面積を有し、前記中心の長手方向軸に沿って、前記下クラウン面を前記中心の長手方向軸に対して直交する平面に投影することにより、前記下クラウン面の投影像が前記平面内に形成され、前記突出型の２次元表面積とは、前記平面内に形成された前記下クラウン面の前記投影像の２次元面積であり、前記突出型の２次元表面積は、前記ピストン本体の最大外径によって規定される面積の３５パーセント〜６０パーセントである、ギャラリなしピストン。
2. 前記下クラウン面は、前記ピストン本体の前記面積の４０パーセントよりも広い総３次元表面積を有し、前記下クラウン面の前記総３次元表面積とは、前記下クラウン面の表面の外形に追従する３次元面積である、請求項１に記載のギャラリなしピストン。
3. 前記下クラウン面は、前記ピストン本体の前記面積の６０パーセントよりも広い前記総３次元表面積を有する、請求項２に記載のギャラリなしピストン。
4. 前記下クラウン面は、前記ピストン本体の前記面積の７０パーセントよりも広い前記総３次元表面積を有する、請求項２に記載のギャラリなしピストン。
5. 前記下クラウン面は、前記ピストン本体の前記最大外径の７５パーセント〜９０パーセントの直径を有し、前記下クラウン面の前記直径とは、前記下クラウン面の最大外径である、請求項１に記載のギャラリなしピストン。
6. 前記燃焼ボウルは最大燃焼ボウル直径を有し、前記燃焼ボウルの前記最大燃焼ボウル直径とは、前記第２の部分の最大外径であり、前記下クラウン面は、前記最大燃焼ボウル直径の少なくとも８５パーセントの直径を有する、請求項１に記載のギャラリなしピストン。
7. 前記下クラウン面は、前記最大燃焼ボウル直径の１００パーセント〜１４０パーセントの前記直径を有する、請求項６に記載のギャラリなしピストン。
8. １対のポケットは、前記ピンボスから前記ピンボア軸に沿って前記リングベルト領域にまで径方向外側に延在し、前記ポケットは、前記下側から前記ピストンを前記中心の長手方向軸に沿ってまっすぐに見たときに、前記ピンボスの径方向外側で視認可能な表面となるように規定され、前記ポケットは、少なくとも前記下クラウン面の一部、前記第１の部分の下側の一部、および前記環状リングベルト領域の内面の一部を規定し、前記ポケットは、前記ピストン本体の最大２次元面積の４５パーセント〜８５パーセントの総３次元表面積を有し、前記ポケットの前記総３次元表面積とは、前記ポケットの表面の外形に追従する３次元面積であり、前記ピストン本体の前記最大２次元面積とは、前記上部燃焼面の最大外径によって規定される２次元面積である、請求項１に記載のギャラリなしピストン。
9. 前記ポケットは、前記ピストン本体の前記最大２次元面積の６０パーセントよりも広い前記総３次元表面積を有する、請求項８に記載のギャラリなしピストン。
10. 前記ポケットは、前記ピストン本体の前記最大２次元面積の７０パーセントよりも広い前記総３次元表面積を有する、請求項９に記載のギャラリなしピストン。
11. 前記ピンボスは、前記ピストン本体の前記最大外径の６０パーセント未満である第１の距離だけ、前記ピンボア軸に沿って互いから間隔を空けて配置された径方向最外面を有する、請求項１に記載のギャラリなしピストン。
12. 内燃機関のためのギャラリなしピストンを構築する方法であって、
    機械加工プロセス、鍛造プロセスまたは鋳造プロセスのうちの１つのプロセスにおいて中心の長手方向軸に沿って延在する一体型のピストン本体を形成するステップを含み、前記一体型のピストン本体は、上部燃焼面を備えた上方壁と、前記上部燃焼面から垂下する環状リングベルト領域とを有し、前記上部燃焼面は第１の部分および第２の部分を有し、前記第１の部分は、前記上方壁の外周に沿って環状に延在し、前記第２の部分は、前記第１の部分から径方向内側に垂下する燃焼ボウルを形成し、前記上方壁は、前記第２の部分の正反対側において前記燃焼ボウルの下側に形成された下クラウン面を有し、前記ピストン本体は、前記環状リングベルト領域から垂下する１対のスカート部分と、１対のピンボスとをさらに含み、前記１対のピンボスは、横方向に間隔を空けて配置された１対のピンボアを有し、前記１対のピンボアは、ピンボア軸に沿って位置合わせされてリストピンを収容するためのものであり、前記下クラウン面は、前記下側から前記ピストンを前記中心の長手方向軸に沿ってまっすぐに見たときに、前記１対のピンボスおよび前記１対のピンボアを除いて、視認可能な表面となるように規定され、前記下クラウン面は、前記中心の長手方向軸に沿って見たときに開放的に視認可能な突出型の２次元表面積を有し、前記中心の長手方向軸に沿って、前記下クラウン面を前記中心の長手方向軸に対して直交する平面に投影することにより、前記下クラウン面の投影像が前記平面内に形成され、前記突出型の２次元表面積とは、前記平面内に形成された前記下クラウン面の前記投影像の２次元面積であり、前記突出型の２次元表面積は、前記ピストン本体の最大外径によって規定される面積の３５パーセント〜６０パーセントである、方法。
13. 前記ピストン本体の前記面積の４０パーセントよりも広い総３次元表面積を有する前記下クラウン面が形成され、前記下クラウン面の前記総３次元表面積とは、前記下クラウン面の表面の外形に追従する３次元面積である、請求項１２に記載の方法。
14. 前記燃焼ボウルの最大外径の少なくとも８５パーセントである直径を有する前記下クラウン面が形成され、前記燃焼ボウルの前記最大外径とは、前記第２の部分の最大外径である、請求項１２に記載の方法。
15. 機械加工プロセス、鍛造プロセスまたは鋳造プロセスにおいて１対のポケットを形成するステップをさらに含み、前記ポケットは、前記ピンボスから前記ピンボア軸に沿って前記リングベルト領域にまで径方向外側に延在し、前記ポケットは、前記下側から前記ピストンを前記中心の長手方向軸に沿ってまっすぐに見たときに、前記ピンボスの径方向外側で視認可能な表面となるように規定され、前記ポケットは、少なくとも前記下クラウン面の一部、前記第１の部分の下側の一部、および前記環状リングベルト領域の内面の一部を規定し、前記ポケットは、前記ピストン本体の最大２次元面積の４５パーセント〜８５パーセントの総３次元表面積を有し、前記ポケットの前記総３次元表面積とは、前記ポケットの表面の外形に追従する３次元面積であり、前記ピストン本体の前記最大２次元面積とは、前記上部燃焼面の最大外径によって規定される２次元面積である、請求項１２に記載の方法。
16. 前記ピストン本体の前記最大外径の６０パーセント未満である第１の距離だけ、前記ピンボア軸に沿って互いから間隔を空けて配置された径方向最外面を有する前記ピンボスを形成するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
17. 前記下クラウン面は、前記中心の長手方向軸に沿って位置する凹状の中心部分を含む、請求項１に記載のピストン。
18. 前記凹状の中心部分は、前記スカート部分間に長手方向に延在する長さと、前記ピンボス間に延在する幅とを有し、前記凹状の中心部分の前記長さは、前記幅よりも長い、請求項１７に記載のピストン。
19. 前記下クラウン面の前記凹状の中心部分は、前記スカート部分間に長手方向に延在する長さと、前記ピンボス間に延在する幅とを有し、前記凹状の中心部分の前記長さは、前記幅よりも長く、
    前記凹状の中心部分は、前記下クラウン面の周辺区域からピンボア軸の方向にオフセットされており、
    前記凹状の中心部分は、前記周辺区域よりも前記ピンボスの近くに配置され、
    前記ピストン本体は、前記下クラウン面に隣接して前記スカート部分の各々の最上端縁に沿って階段状領域を含み、前記階段状領域は前記下クラウン面の一部を形成せず、
    前記ピストン本体は、前記ピンボスの各々の径方向外側に配置された下クラウンポケットを含み、前記下クラウンポケットは前記下クラウン面の一部を形成し、
    前記ピストン本体は前記下クラウン面、前記スカート部分および前記ピンボスにそってリブを備えず、
    前記ピストン本体は、前記上部燃焼面から前記上方壁の下側にまで延在する厚さを呈し、
    前記上方壁は、前記上部燃焼面のうちの前記第２の部分に沿う範囲内で厚さが最小となる箇所を有しており、
    前記上部燃焼面の前記第２の部分から、前記箇所の前記厚さを２倍した値に相当する距離だけ離れた位置に基準面を規定したとすると、前記下クラウン面は、前記上方壁の前記下側の一部分であって、かつ、前記基準面に対して上方側に設けられており、
    前記ピストン本体は鋼から形成される、請求項１７に記載のピストン。
20. 前記下クラウン面は、前記ピンボス間に位置する凹状の中心部分を含む、請求項１に記載のピストン。

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