KR101999569B1

KR101999569B1 - 개선된 연소 보울 림 영역을 가진 원피스형 피스톤 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101999569B1
Application number: KR1020147018732A
Authority: KR
Inventors: 플로린 무스카스; 마이클 와인엥거
Original assignee: 테네코 인코퍼레이티드
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2019-07-15
Also published as: US9068531B2; WO2013086297A1; CN104105866B; EP2788608B1; JP2015507714A; CN104105866A; EP2788608A1; JP6324902B2; US20130146017A1; KR20140096173A

Abstract

내연 기관용 피스톤 및 그 구성 방법이 제공된다. 피스톤은 상부 연소 표면과 상부 연소 표면으로부터 늘어져 있는 연소 보울을 가지고 있는 피스톤 바디를 포함한다. 피스톤 바디는 상부 연소 표면에 인접한 적어도 하나의 피스톤 링을 수용하도록 구성되어 있는 링 벨트 영역을 가진다. 냉각 갤러리는 링 벨트 영역과 반경방향으로 정렬되도록 구성된다. 환형 연소 보울 림 영역은 상부 연소 표면과 연소 보울 사이에 뻗어 있고, 접착 시임은 연소 보울 림 영역으로부터 냉각 갤러리 쪽으로 반경방향 바깥쪽으로 뻗어 있다. 접착 시임은 피스톤 바디의 주위 재료에 대해 연소 가스의 극심한 온도, 압력, 응력, 강한 부식 및 침식 작용을 견디는 강화된 능력을 나타내는 물성을 가진다.

Description

개선된 연소 보울 림 영역을 가진 원피스형 피스톤 및 그 제조 방법{ONEPIECE PISTON WITH IMPROVED COMBUSTION BOWL RIM REGION AND METHOD OF MANUFACTURE}

본 출원은 2011년 12월 8일자로 출원된 미국 가출원 제61/568,213호의 이익을 주장하고, 이는 그 전체로 참조사항으로 본 명세서에 통합되어 있다.

본 발명은 전체적으로 내연 기관용 피스톤, 특히 원피스형으로 제조되는 피스톤 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

피스톤 블랭크를 제작함(주조가공, 단조가공, 기계가공, 분말 금속 기술 또는 이들 공정들의 조합에 의함)으로써 내연 기관용 피스톤을 제조하는 것과, 적어도 하나의 냉각 갤러리를 이러한 피스톤 내에 형성하는 것은 당해 기술분야에 알려져 있는데, 냉각 갤러리는, 양쪽이 폐쇄되어서 나트륨과 같은 열 방출 물질(heat-extracting material)을 포함할 수 있고, 또는 적어도 부분적으로 개방되어 있어 갤러리에 인접한 피스톤의 냉각 영역을 위한 냉각 오일의 유동을 수용한다.

이러한 피스톤 내부에 갤러리를 형성하는 한가지 기술은, 피스톤 내부에 초기에 개방되어 있는 채널을 형성하고나서, 단조가공(forging) 또는 압연가공(rolling) 기술에 의해 피스톤의 플랜지를 피스톤 바디의 최외측 표면에 대하여 반경방향 바깥쪽으로 변위시켜서 갤러리를 둘러싸는 것인데, 여기에 생성된 조인트(resulting joint)는, 피스톤의 연소 보울 림(combustion bowl rim)으로부터 떨어져 위치되어 있되, 융접(soldering), 브레이징(brazing) 또는 용접(welding)에 의하여 폐쇄될 수 있다. 이러한 기술은 대체로 선행의 참고문헌 DE 1103698, DE 1210302, DE 102005021428, US 2009/0241769, US 2008/0273936, US 7,104,183, US 7,421,782 및 US 7,761,987에 나타나 있다.

고성능 엔진 및 디젤 엔진과 같은 몇몇 엔진 적용처에 있어서, 피스톤은 극심한 온도 사이클과 강한 침식성 및 가스에 영향을 받기 쉽다. 이들 엔진에서, 연소 보울 영역, 특히 연소 보울의 상부 림 영역은 극심한 온도, 압력, 응력, 강한 침식성 가스 및 부식성 가스에 특히 영향을 받기 쉽다. 따라서, 연소 보울 림 영역은 통상적으로 사용시 손상되기 쉬운 영역으로 여겨진다.

본 발명에 따라 구성된 피스톤은 폐쇄형 또는 실질적인 폐쇄형 냉각 갤러리와 함께, 극심한 온도, 압력, 응력, 침식성 및 부식성 가스를 견딜수 있는 연소 보울 림 영역을 가지고 있는 연소 보울을 최신의 고성능 디젤 엔진 내부에 제공하고, 이로써 작동가능한 증대된 유효 수명을 가진 피스톤을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 내연 기관용 피스톤이 제공된다. 피스톤은 상부 연소 표면과 상부 연소 표면으로부터 늘어져 있는(depending) 연소 보울을 가지는 피스톤 바디를 포함한다. 피스톤 바디는 상부 연소 표면과 인접한 적어도 하나의 피스톤 링을 수용하도록 구성되는 링 벨트 영역을 가진다. 냉각 갤러리는 링 벨트 영역과 반경방향으로 정렬되도록 구성된다. 환형 연소 보울 림 영역은 상부 연소 표면과 연소 보울 사이에 뻗어 있고, 접착 시임은 연소 보울 림 영역으로부터 냉각 갤러리 쪽으로 반경방향 바깥쪽으로 뻗어 있다. 접착 시임은 피스톤 바디의 주위 재료(surrounding material)에 대해 극심한 온도, 압력, 응력, 강한 침식 및 부식 작용을 견디는 강화된 능력을 나타내는 물성을 가지고 있다.

본 발명의 다른 양태에 다르면, 접착 시임은 제 1 부분과 제 2 부분을 가지는데, 제 1 부분은 제 2 부분에 대하여 경사져 있고, 이로써 연소 가스의 극심한 온도,압력, 응력, 강한 침식 및 부식 작용을 견디도록 제 1 부분과 제 2 부분을 효과적으로(strategically) 위치시킬 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 제 1 부분은 절두원추형(frustroconical)이고, 제 2 부분은 평평하고, 이로써 연소 가스의 극심한 온도, 압력, 응력, 강한 침식 및 부식 작용을 견디는 연소 보울 림 영역의 능력을 강화하도록 제 1 부분과 제 2 부분을 효과적으로 위치시킬 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 제 1 부분은 상부 연소 표면으로부터 냉각 갤러리를 향하여 반경방향 바깥쪽으로 분기하고, 이로써 연소 가스의 극심한 온도, 압력, 응력, 강한 침식 및 부식 작용을 견디는 연소 보울 림 영역의 능력을 강화하도록 제 1 부분과 제 2 부분을 효과적으로 위치시킬수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 제 2 부분은 제 1 부분으로부터 냉각 갤러리를 향하여 반경방향 바깥쪽으로 뻗어 있고, 이로써 연소 가스의 극심한 온도, 압력, 응력, 강한 침식 및 부식 작용을 견디는 연소 보울 림 영역의 능력을 강화시키도록 제 1 부분과 제 2 부분을 효과적으로 위치시킬 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 제 1 부분은 연소 보울 림 영역으로부터 상부 연소 표면을 향하여 반경방향 바깥쪽으로 분기하고, 이로써 연소 가스의 극심한 온도, 압력, 응력, 강한 침식 및 부식 작용을 견디는 연소 보울 림 영역의 능력을 강화하도록 제 1 부분과 제 2 부분을 효과적으로 위치시킬 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 제 2 부분은 제 1 부분으로부터 냉각 갤러리 쪽으로 반경방향 바깥쪽으로 뻗어 있고, 이로써 연소 가스의 극심한 온도, 압력, 응력, 강한 침식 및 부식 작용을 견디는 연소 보울 림 영역의 능력을 강화하도록 제 1 부분과 제 2 부분을 효과적으로 위치시킬 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 피스톤 바디는 길이방향 중심 축을 따라 뻗어 있고, 제 2 부분은 길이방향 중심 축에 대해 횡단방향으로 뻗어 있고, 이로써 연소 가스의 극심한 온도, 압력, 응력, 강한 침식 및 부식 작용을 견디는 연소 보울 림 영역의 능력을 강화하도록 제 2 부분을 효과적으로 위치시킬 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 냉각 갤러리는 상부 표면을 가지고, 제 2 부분은 상부 표면의 동일 평면상의 연장부로서 뻗어 있고, 이로써 연소 가스의 극심한 온도, 압력, 응력, 강한 침식 및 부식 작용을 견디는 연소 보울 림 영역의 능력을 강화하도록 제 2 부분을 효과적으로 위치시킬 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 제 1 부분은 길이방향 중심 축에 대해 경사지게 뻗어 있고, 이로써 연소 가스의 극심한 온도, 압력, 응력, 강한 침식 및 부식 작용을 견디는 연소 보울 림 영역의 능력을 강화하도록 제 1 부분을 효과적으로 위치시킬 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 브레이징 재료는 접착 시임 내에 배치되고, 여기에서 브레이징 재료는 피스톤 바디를 형성하고 있는 재료에 대해 극심한 온도, 압력, 응력, 강한 침식성 및 부식성 가스를 견디는 증대된 능력을 가진다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 내연 기관용 피스톤을 구성하는 방법이 제공된다. 이 방법은 다음의 단계: 각각의 자유 단부들 쪽으로 공통의 길이방향 중심 축을 따라 서로에 대해 동일한 중심을 가지면서 뻗어 있는 환형 내측 벽과 환형 외측 벽을 가지고 있는 피스톤 바디를 제공하는 단계; 환형 외측 벽의 일 부분이 환형 내측 벽의 자유 단부 상에 가로놓이는 관계에 있도록, 환형 외측 벽의 환형부를 반경방향 안쪽으로 변위시키는 단계; 및 접착 시임이 연소 보울 림 영역으로부터 냉각 갤러리 쪽으로 반경방향 바깥쪽으로 뻗어 있도록, 환형 내측 벽의 자유 단부와 환형 외측 벽의 가로놓이는 환형부 사이에 접착 시임을 형성하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 이 방법은, 제 1 부분과 제 2 부분을 따라 뻗어 있는 접착 시임을 형성하는 단계를 포함할 수 있되 제 1 부분이 제 2 부분에 대하여 경사져 있고, 이로써 연소 가스의 극심한 온도, 압력, 응력, 강한 침식 및 부식 작용을 견디는 연소 보울 림 영역의 능력을 강화하도록 제 1 부분과 제 2 부분을 효과적으로 위치시킬 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 다르면, 이 방법은 절두원추형인 제 1 부분과 평평한 제 2 부분을 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 이로써 연소 가스의 극심한 온도, 압력, 응력, 강한 침식 및 부식 작용을 견디는 연소 보울 림 영역의 능력을 강화하도록 제 1 부분과 제 2 부분을 효과적으로 위치시킬 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 이 방법은 상부 연소 표면으로부터 냉각 갤러리를 향하여 반경방향 바깥쪽으로 분기하는 제 1 부분을 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 이로서 연소 가스의 극심한 온도, 압력, 응력, 강한 침식 및 부식 작용을 견디는 연소 보울 림 영역의 능력을 강화하도록 제 1 부분을 효과적으로 위치시킬 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 이 방법은 제 1 부분으로부터 냉각 갤러리 쪽으로 반경방향 바깥쪽으로 뻗어 있는 제 2 부분을 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 이로써 연소 가스의 극심한 온도, 압력, 응력, 강한 침식 및 부식 작용을 견디는 연소 보울 림 영역의 능력을 강화하도록 제 1 부분과 제 2 부분을 효과적으로 위치시킬 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 이 방법은 연소 보울 림 영역으로부터 상부 연소 표면을 향하여 반경방향 바깥쪽으로 분기하는 제 1 부분을 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 이로써 연소 가스의 극심한 온도, 압력, 응력, 강한 침식 및 부식 작용을 견디는 연소 보울 림 영역의 능력을 강화하도록 제 1 부분을 효과적으로 위치시킬 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 이 방법은 길이방향 중심 축에 대해 횡단방향으로 뻗어 있는 제 2 부분을 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 이로써 연소 가스의 극심한 온도, 압력, 응력, 강한 침식 및 부식 작용을 견디는 연소 보울 림 영역의 능력을 강화하도록 제 2 부분을 효과적으로 위치시킬 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 이 방법은 상부 표면과 상부 표면의 동일 평면상의 연장부로서 뻗어 있는 제 2 부분을 가지고 있는 냉각 갤러리를 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 이로써 연소 가스의 극심한 온도, 압력, 응력, 강한 침식 및 부식 작용을 견디는 연소 보울 림 영역의 능력을 강화하도록 제 2 부분을 효과적으로 위치시킬 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 이 방법은 길이방향 중심 축에 대해 경사지게 뻗어 있는 제 1 부분을 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 이로써 연소 가스의 극심한 온도, 압력, 응력, 강한 침식 및 부식 작용을 견디는 연소 보울 림 영역의 능력을 강화하도록 제 1 부분을 효과적으로 위치시킬 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 이 방법은 피스톤 바디에 대해 고온을 견디는 강화된 물성을 가지고 있는 브레이징 재료를 이용하는 브레이징 공정으로 접착 시임을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명은 개선된 연소 보울 림 영역을 가진 원피스형으로 제조되는 피스톤 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의하면 극심한 온도 사이클과 강한 침식성 및 부식성 가스를 견딜 수 있는 피스톤을 제공하는 것이 가능하다.

본 발명의 여러 가지 양태, 특징 및 이점은 현재의 바람직한 실시예와 최선의 모드에 관한 다음에 오는 발명의 상세한 설명, 첨부된 특허청구범위 및 첨부의 도면에 관하여 참작할 때 더 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 양태에 따라 구성된 피스톤의 핀 보어 축을 따라 전체적으로 절단된 단면도이다.
도 2는 부분적으로 구성된 상태의 피스톤이 나타나 있는, 도 1의 피스톤의 핀 보어 축을 따라 전체적으로 절단된 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 양태에 따라 구성된 도 1의 피스톤과 유사한 도면이다.
도 4는 부분적으로 구성된 상태의 피스톤이 나타나 있는, 도 2의 피스톤의 핀 보어 축을 따라 전체적으로 절단된 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 양태에 따라 구성된 도 1의 피스톤과 유사한 도면이다.
도 6은 부분적으로 구성된 상태의 피스톤이 나타나 있는, 도 5의 피스톤의 핀 보어 축을 따라 전체적으로 절단된 단면도이다.

보다 상세하게 도면을 참조하면, 도 1에는 본 발명의 일 양태에 따라 구성된 피스톤(10)이 도시되어 있다. 피스톤(10)은, 예컨대 소형 디젤 엔진, 중형 디젤 엔진, 대형 및 초대형 디젤 엔진 및 최신의 고성능 가스 엔진과 같은 내연 기관(미도시)의 챔버 또는 실린더 보어 내에서 왕복 운동하도록 구성되어 있다. 피스톤(10)은 길이방향 중심 축(14)을 따라 뻗어 있는, 단일의 모놀리식 재료로 구성된 피스톤 바디(12)를 가지고, 이 피스톤 바디를 따라 피스톤(10)이 실린더 보어 내에서 왕복운동한다. 피스톤 바디(12)는 상부 벽부(15)를 가지고 있는 상부 연소 벽(13)을 포함하도록 형성되어 있는데, 이 상부 벽부는 평평하거나 실질적으로 평평한 상부 연소 표면(16)과 함께, 상부 연소 표면(16)에 인접한 환형 연소 보울 림 영역(19)으로부터 늘어져 있으면서 상부 연소 표면에 인접한 환형 연소 보울 림 영역에 의해 구획되는 연소 보울(18)을 제공하고, 여기에서 연소 보울 림 영역(19)은 상부 연소 표면(16)과 연소 보울(18) 사이에 뻗어 있다. 상부 연소 표면(16), 연소 보울(18) 및 연소 보울 림 영역(19)은 실린더 보어 내부의 극심한 온도, 압력, 응력을 띠는 연소 가스에 직접 노출되도록 구성되어 있고, 여기에서 연소 보울 림 영역(19)은 통상적으로 최대 온도를 겪는다. 피스톤 바디(12)는 상부 연소 표면(16)에 인접한 적어도 하나의 피스톤 링(미도시)을 수용하도록 구성되어 있는 외측 링 벨트 영역(20)을 가지도록 구성되고, 폐쇄형 또는 실질적인 폐쇄형 토로이드 형상(toroid-shaped)의 냉각 갤러리(22)가 반경방향 안쪽을 향하면서 링 벨트 영역(20)과 반경방향으로 정렬되도록 구성된 상태이다. 접착 시임(24)으로도 지칭되는 접착 조인트는 연소 보울 림 영역(19)로부터 냉각 갤러리(22) 쪽으로 반경방향 바깥쪽으로 뻗어 있다. 접착 시임(24)은 가장 극심한 온도를 띠는 연소 가스에 노출되는 연소 보울 림 영역(19)의 적어도 일 부분을 형성하는 재료에 증대된 능력을 가지는 물성을 제공하는데, 이 증대된 능력은, 열을 전도하는 능력, 및 피스톤 바디(12)의 인접한 재료에 대해 연소 가스에 의해 전달되는 극심한 온도, 압력, 응력, 부식/침식 작용을 견디는 능력을 말한다. 따라서, 연소 보울 림 영역(19)은 가장 가혹한 작동 조건, 즉 온도, 압력 및 화학적 침식을 견딜 수 있고, 이로써 강화된 물성을 가진 연소 보울 림 영역을 가지지 않는 피스톤과 비교하여 연장된 유효 수명을 달성할 수 있는 능력을 피스톤(10)에 제공한다.

피스톤 바디(12)는 한 쌍의 핀 보스부(26)를 가지는데, 이 핀 보스부는 연소 보울(15)의 벽으로부터 전체적으로 늘어져서 전체적으로 길이방향 중심 축(14)에 대해 횡단방향으로 뻗어 있는 핀 보어 축(30)을 따라 동축방향으로 정렬되어 있는 측면방향으로 이격된 핀 보어(28)를 제공한다. 핀 보어(28)는 피스톤(10)을 커넥팅 로드(미도시)에 결합하는 것을 보조하는 리스트 핀(wrist pin)(미도시)을 그 내부에서 수용하도록 구성된다.

연소 보울(18)은 상부 연소 표면(16)으로부터 오목하게 형성되어 있다. 연소 보울(18)은 원하는 가스 유동을 실린더 보어에 제공하는 원하는 기하학적 형상을 가지도록 구성된다. 연소 보울(18)은 직립상태의 환형 내측 벽부(32)와, 하부 연소 벽 또는 바닥부(34)로도 지칭되는 기저부에 의하여 부분적으로 형성된다. 환형 내측 벽부(32)는 연소 보울 림 영역(19)으로부터 바닥부(34) 쪽으로 뻗어 있다. 그 마무리 단계에서, 환형 내측 벽부(32)는 오목한 환형 채널(36)을 가지도록 형성될 수 있는데, 오목한 환형 채널은 상부 연소 표면(16)의 일 부분 밑으로 그리고 연소 보울 림 영역(19) 밑으로 반경방향 바깥쪽으로 뻗어 있다. 바닥부(34)의 상부 표면은 연소 가스에 직접 노출되는 볼록한 돔 형상의 구성을 가지도록 형성될 수 있고, 바닥부의 상부 표면의 양쪽은 연소 가스의 원하는 유체 유동 역학을 실린더 보어 내부에 제공하도록 구성된다. 이들 표면들(32, 34)이 원하는 유체 유동 역학에 좌우되는 임의의 적합한 기하학적 형상을 가지도록 형성될 수 있다는 것은 인식할 수 있을 것이다.

연소 보울(18)의 환형 내측 벽부(32)는 접착 시임(24)에 의하여 상부 연소 벽(13)의 상부 벽부(15)에 고정된다. 접착 시임(24)은 바람직하게는, 예컨대 레이저 용접과 같은 원하는 용접 공정, 원하는 브레이징 공정에 의하여 형성되거나 적합한 접착제/글루에 의하여 형성된다. 만약 브레이징되는 경우라면, 브레이징 재료는 증대된 능력을 가진 물성을 가지고 있는 재료에서 선택되는데, 이 증대된 능력은 피스톤 바디(12)의 재료에 대해 연소 가스의 극심한 온도, 압력, 응력, 강한 부식 및 침식 작용을 견디는 능력을 말한다. 이와 달리, 만약 용접되는 경우라면, 용접 공정은 접착 시임(24)으로부터 바깥쪽을 향하여 뻗어 있는, 열로 경화되는 물질(heat-hardened material)로 된 열 작용 영역(heat affected region)을 전체 연소 보울 림 영역(19) 전체에 걸쳐 또는 실질적으로 전체에 걸쳐 제공한다. 접착 시임(24)을 형성하는데 사용되는 공정으로부터 생기는 열로 경화되는 물질은, 피스톤 바디(12)의 주위 재료에 대해 연소 가스의 극심한 온도, 압력, 응력과, 강한 부식 및 침식 작용을 견디는 증대된 능력을 가진 물성을 달성한다. 강화된 물성을 접착 시임(24)에 바로 인접한 영역에 제공하는 것에 더하여, 접착 시임(24)은 유밀 내지 기밀(fluid and gas-tight) 접착 시임을 환형 내측 벽부(32)와 상부 연소 벽(13)의 상부 벽부(15) 사이에 제공한다.

본 발명의 일 양태에 따르는 접착 시임(24)은 예로써 제한없이 환형 내측 벽(42)의 제 1 부분(38)과 제 2 부분(40)을 따라 뻗어 있다. 제 1 부분(38)과 제 2 부분(40)은 서로에 대하여 경사져 있다. 제 1 부분(38)은 길이방향 중심 축(14)에 대하여 경사져 있는 절두원추형 구성을 가지도록 형성된다. 절두원추형 제 1 부분(38)은, 상부 연소 표면(16)으로부터 또는 연소 보울 림 영역(19)의 최상부 코너(39)로부터 냉각 갤러리(22)를 향하여 반경방향 바깥쪽을 향하면서 아래쪽을 향하여 분기한다(diverge). 이 실시예는 연소 보울 림 영역(19)의 최고온인 지점이 최상부 코너(39)의 영역 내에서 상부 연소 표면(16)에 바로 인접해 있는 경우에 특히 적합하다. 제 2 부분(40)은 평평한 상태로 나타나 있다. 평평한 제 2 부분(40)은, 길이방향 중심 축(14)에 대해서는 횡단방향에 있으면서 핀 보어 축(30)에 대해서는 대체로 평행하게 있는 절두원추형 제 1 부분(38)으로부터 냉각 갤러리(22) 쪽으로 반경방향 바깥쪽으로 뻗어 있다. 제 2 부분(40)은 냉각 갤러리(22)의 상부 벽의 상부 표면(41)의 동일 평면상의 연장부로서 형성된다. 접착 시임(24)이 연소 보울 림 영역(19)의 최상부 코너(39) 쪽으로 뻗어 있는 상태에서, 극심한 온도, 압력으로부터 가장 빨리 손상되기 쉬운 구역으로 여겨지는 것이 보통이고 연소 가스로부터 영향을 받는 연소 보울 림 영역(19)은 손상에 대해 견디는 능력과 강도가 증대된다. 손상에 대해 견디는 능력은 접착 시임(24)을 형성하면서 주위 재료의 강화된 물성으로부터 생기는데, 이는, 예컨대 레이저 용접과 같은 용접가공에 의한 열처리 공정(heat treatment)에 기인하거나 브레이징 공정이나 다른 부착 공정에서 사용되는 재료에 기인한다.

도 3에는 본 발명의 다른 양태에 따라 구성된 피스톤(10)이 나타나 있고, 여기에서 100이라는 숫자가 더해져 오프셋되어 있는 동일한 참조번호는 상술된 바와 같이 유사한 부재를 지시하는데 사용된다. 피스톤(110)은 상술된 피스톤(10)과 마찬가지로 대체로 동일하게 구성되지만, 접착 시임(124)은 상술된 접착 시임과 상이하게 구성되어, 연소 보울 림 영역(119) 내부의 최고온인 지점으로의 축방향 이동의 원인이 된다. 최고온 지점은, 연소 보울 림 영역(119)의 최상부 코너(139)에 위치되는 것이 아니고, 이전 실시예에서와 마찬가지로, 연소 보울 림 영역(119)의 최하부 코너(43) 쪽으로 축방향으로 아래쪽을 향하여 이동된다. 따라서, 접착 시임(124)은 특정 위치와 구성을 취하여 최고온 영역의 이 축방향 이동의 원인이 된다.

접착 시임(124)은 환형 내측 벽(142)의 절두원추형 제 1 부분(138)을 따라 뻗어 있는 것으로 나타나 있다. 제 1 부분(138)은 길이방향 축(114)과 평평하거나 실질적으로 평평한 제 2 부분(140)에 대해 경사져 있는데, 제 2 부분은 제 1 부분(138)으로부터 폐쇄형 또는 실질적인 폐쇄형 냉각 갤러리(122) 쪽으로 반경방향 바깥쪽으로 뻗어 있고 핀 보어 축(130)에 대해 대체로 평행하다. 따라서, 제 1 부분(138)과 제 2 부분(140)은 서로에 대하여 경사져 있다. 그러나, 접착 시임(124)의 제 1 부분에 상응하는 제 1 부분(138)은, 연소 보울 림 영역(119)의 최상부 코너(139)로부터 반경방향 바깥쪽을 향하면서 아래쪽을 향하여 분기하지 않고, 연소 보울 림 영역(119)의 최하부 코너(43)로부터 상부 연소 표면(116)을 향하여 반경방향 바깥쪽을 향하면서 위쪽을 향하여 분기한다. 제 2 부분(140)은 냉각 갤러리(122)의 상부 벽의 상부 표면(141)의 동일 평면상의 연장부로서 뻗어 있다. 이 실시예는 연소 보울 림 영역(119)의 최고온인 지점이 상부 연소 표면(116)으로부터 오목한 환형 채널(136)에 바로 인접한 위치 쪽으로 축방향으로 아래쪽을 향하여 이동되는 경우에 특히 적합하다.

도 5에는 본 발명의 다른 양태에 따라 구성된 피스톤(210)이 나타나 있고, 여기에서 200이라는 숫자가 더해져 오프셋되어 있는 동일한 참조번호는 상술된 바와 같이 유사한 부재를 지시하는데 사용된다. 피스톤(210)은 상술된 피스톤(10)과 대체로 동일하게 구성된 피스톤 바디(212)를 포함하지만, 접착 시임(224)은 상이하게 구성되어 연소 보울 림 영역(219) 내부의 최고온인 지점으로의 축방향 이동의 원인이 된다.

접착 시임(224)은, 상술된 실시예에서와 같이 절두원추형 제 1 부분을 따라 뻗어 있지 않고, 연소 보울 림 영역(219)으로부터 폐쇄형 또는 실질적인 폐쇄형 냉각 갤러리(222) 쪽으로 뻗어 있는 전체적으로 평평한 부분(240)을 따라 뻗어 있다. 따라서, 접착 시임(224)은, 연소 보울 림 영역(219)의 최상부 코너(239)나 최하부 코너(243) 중 하나로부터 반경방향 바깥쪽으로 분기하고 있는 일 부분을 가지지 않고, 피스톤(210)의 길이방향 축(214)에 대해 대체로 횡단방향으로 측면방향으로 뻗어 있다. 접착 시임(224)은 최상부 코너(239)와 최하부 코너(243) 사이에서 등거리로 이격되어 있거나 실질적인 등거리로 이격되어 있는 것으로 나타나 있다. 따라서, 접착 시임(224)을 형성하는데 사용되는 공정으로부터 생기는 강화된 물성은 연소 보울 림 영역(219)의 전체 폭에 걸처 제공되어 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 도 1, 도 3 및 도 5에 도시되어 상술된 바와 같이 피스톤(10, 110, 210)을 구성하는 방법이 제공된다. 이 방법은 피스톤 바디(12, 112, 212)를 스틸과 같은 단일의 재료로 형성하거나 제공하는 단계를 포함한다. 형성하는 공정은 예로써 제한없이 도 2, 도 4 및 도 6에 나타나 있는 바와 같이 부분적으로 구성된 바디를 제공하는 단조 공정이나 기계가공 공정을 이용하여 실행될 수 있다. 예를 들자면, 연소 보울(18, 118, 218)은 외측 냉각 갤러리(22, 122, 222)와 함께 부분적으로 형성된다. 바디(12, 112, 212)를 형성할 때, 환형 내측 벽(42, 142, 242)과 환형 외측 벽(44, 144, 244)은 직립상태를 유지하여, 길이방향 중심 축(14, 114, 214)을 따라 축방향으로 뻗어 있으면서 각각의 내측 자유 단부(46, 146, 246)와 각각의 외측 자유 단부(48, 148, 248)에 대해 길이방향 축(14, 114, 214)을 중심으로 서로 동일한 중심을 가지면서 뻗어 있다. 내측 벽(44, 144)의 자유 단부(46, 146)는 도 2와 도 4에 나타나 있는 바와 같이 절두원추형 제 1 부분(38, 138)과 평평한 제 2 부분(40, 140)을 가지고 있도록 구성될 수 있는데, 절두원추형 제 1 부분(38, 138)은 길이방향 축(14, 114)에 대해 경사져 있고 평평한 제 2 부분(40, 140)은 제 1 부분(38, 138)으로부터 반경방향 바깥쪽을 향하면서 핀 보어 축(30, 130)에 대해 대체로 평행하게 뻗어 있다. 이와 달리, 도 6에 나타나 있는 바와 같이, 내측 벽(242)의 자유 단부(246)는, 절두원추형 부분을 포함하지 않는 상태로 자유 단부(246)의 전체를 가로질러 뻗어 있는 평평한 부분(240)을 가지고 있도록 형성될 수 있다.

부분적으로 구성된 바디(12, 112, 212)를 제공하거나 형성할 때, 추가 가공공정은 반경방향 안쪽으로 뻗어 있는 외측 벽(44, 144, 244)의 일 부분(50, 150, 250)을 변위시키는 단계를 포함하고, 그 결과 외측 벽(44, 144, 244)의 자유 단부(48, 148, 248)는 반경방향 안쪽을 향하고 외측 벽(44, 144, 244)의 말단 부분은 축방향으로 정렬되어 내측 벽(42, 142)의 자유 단부(46, 146, 246) 상에 가로놓이는 관계에 있고, 그 결과 외측 벽(44, 144, 244)의 가로놓이는 부분은 내측 벽(42, 142, 242)의 자유 단부(46, 146, 246)와 접하거나 거의 근접하게 된다. 변위 공정은 예로써 제한없이 크림핑(crimping) 공정/벤딩(bending) 공정 또는 압연 공정을 포함하는 적합한 변위 공정에 의하여 실행될 수 있다. 만약 냉각 갤러리(22, 122, 222)가 변위 공정을 실행하기 전에 완전히 밀봉된 냉각 갤러리가 되도록 의도된다면, 냉각 매체(coolant medium)(51, 151, 251)는 내측 벽(42, 142, 242)과 외측 벽(44, 144, 244) 사이에서 채널 내에 배치될 수 있고, 그 결과 변위 공정을 완료하자마자 이어서 아래에 설명되는 접착 공정에서 냉각 매체(51, 151, 251)는 냉각 갤러리(22, 122, 222) 내부에서 밀봉된다. 냉각 매체(51, 151, 251)는 고체, 액체, 또는 고체 입자 및 액체로 된 혼합물을 포함하는 금속 함유 냉각제 조성물과 같은 적합한 냉각 매체로서 제공될 수 있다.

외측 벽(44, 144, 244)의 일 부분을 변위시킬 때, 제 1 부분(38, 138) 및 제 2 부분(40, 140)을 따라 뻗어 있는 시임(24, 124, 224)과 외측 벽(44, 144, 244)은 접착되고 밀봉된다. 접착가공은 바람직하게는, 시임(24, 124, 224)을 접착하면서도 밀봉하는 브레이징 재료(52, 152, 252)를 사용하는 적합한 브레이징 공정에 의해 실행되고, 이와 동시에 브레이징 재료로 된 외측 표면 층을 제공하는데, 브레이징 재료는 피스톤 바디(12, 112, 212)의 주 재료(base material)이외의 부분에 대해 연소 가스에 의해 전달되는 극심한 온도, 압력, 응력 및 부식/침식 작용을 견디는 강화된 능력을 가진 물성을 가진다. 따라서, 연소 보울 림 영역(19, 119, 219)의 접착 시임(24, 124, 224)은 브레이징 재료(50, 150, 250)로 된 외측 층을 포함하고, 이와 동시에 접착 시임(24, 124, 224)에 바로 인접한 열 작용 지대를 전달함으로써 사용시 연소 보울 림 영역(19, 119, 219)의 마모 특성 및 성능 특성을 향상시킨다. 물론 상술한 바와 같이, 예컨대 접착제/글루 또는 전술한 열 작용 지대를 제공하는 용접가공과 같은 다른 공정이 접착 시임(24, 124, 224)을 형성하는데 이용될 수 있다. 실시예에 따르면, 연소 보울 림(19, 119, 219)은 환형 내측 벽(42)에 의해 전체적으로 또는 실질적으로 형성될 수 있고(도 1); 환형 외측 벽(144)에 의해 전체적으로 또는 실질적으로 형성될 수 있고(도 3); 또는 환형 내측 벽(242)과 환형 외측 벽(244)의 조합에 의해 전체적으로 또는 실질적으로 형성될 수 있다(도 5).

접착 시임(24, 124, 224)을 형성하자마자, 피스톤 바디(12, 112, 212)의 추가 가공공정은, 예로써 제한없이, 오목한 환형 채널(36, 136, 236)과 함께 연소 보울 림 영역(19, 119, 219)의 마무리된 표면을 형성하기 위해서 내측 벽(42, 142, 242)을 기계가공하는 단계, 및 원하는 링 그루브를 형성하기 위해서 특별히 외측 링 벨트 영역(20, 120, 220)을 가진 외측 벽(44, 144, 244)을 기계가공하는 단계를 포함하여 실행될 수 있다.

명백하게도, 본 발명의 다수의 수정과 변경은 위 교시의 관점에서 가능하다. 따라서, 첨부된 특허청구범위의 범위 내에서 본 발명이 특별히 설명된 바와 달리 실시될 수 있다는 것은 이해되어야 한다.

Claims

내연 기관용 피스톤은, 상부 연소 표면과 상부 연소 표면으로부터 늘어져 있는 연소 보울을 가지고 단일의 모놀리식(monolithic) 재료로 구성된 피스톤 바디를 포함하고;
상기 피스톤 바디는 상기 상부 연소 표면에 인접한 적어도 하나의 피스톤 링을 수용하도록 구성되는 링 벨트 영역을 포함하고;
상기 피스톤 바디는 링 벨트 영역과 반경방향으로 정렬되도록 구성되는 냉각 갤러리를 포함하고;
상기 피스톤 바디는 상기 상부 연소 표면과 상기 연소 보울 사이에 뻗은 환형 연소 보울 림 영역을 포함하고;
상기 연소 보울 림 영역으로부터 상기 냉각 갤러리 쪽으로 반경방향 바깥쪽으로 뻗은 접착 시임이 구비되며, 상기 접착 시임은 상기 피스톤 바디의 주위 재료에 대해 연소 가스의 극심한 온도, 압력, 응력, 강한 부식 및 침식 작용을 견디는 강화된 능력을 가진 물성을 가지는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 피스톤.
제 1 항에 있어서,
상기 접착 시임은 제 1 부분과 제 2 부분을 따라 뻗어 있고,
상기 제 1 부분은 상기 제 2 부분에 대하여 경사져 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 피스톤.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 부분은 절두원추형이고,
상기 제 2 부분은 평평한 것을 특징으로 하는 내연 기관용 피스톤.
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 부분은 상기 상부 연소 표면으로부터 상기 냉각 갤러리를 향하여 반경방향 바깥쪽으로 분기하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 피스톤.
제 4 항에 있어서,
상기 제 2 부분은 상기 제 1 부분으로부터 상기 냉각 갤러리 쪽으로 반경방향 바깥쪽으로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 피스톤.
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 부분은 상기 연소 보울 림 영역으로부터 상기 상부 연소 표면을 향하여 반경방향 바깥쪽으로 분기하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 피스톤.
제 6 항에 있어서,
상기 제 2 부분은 상기 제 1 부분으로부터 상기 냉각 갤러리 쪽으로 반경방향 바깥쪽으로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 피스톤.
제 2 항에 있어서,
상기 피스톤 바디는 길이방향 중심 축을 따라 뻗어 있고,
상기 제 2 부분은 상기 길이방향 중심 축에 대해 횡단방향으로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 피스톤.
제 8 항에 있어서,
상기 냉각 갤러리는 상부 표면을 가지고 있고,
상기 제 2 부분은 상기 상부 표면의 동일 평면상의 연장부로서 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 피스톤.
제 8 항에 있어서,
상기 제 1 부분은 상기 길이방향 중심 축에 대해 경사지게 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 피스톤.
제 1 항에 있어서,
상기 접착 시임 내에 배치되어 있는 브레이징 재료를 더 포함하고,
상기 브레이징 재료는 상기 피스톤 바디에 대해 고온을 견디는 강화된 물성을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 피스톤.
내연 기관용 피스톤을 구성하는 방법으로서,
상기 방법은:
각각의 자유 단부들 쪽으로 공통의 길이방향 중심 축을 따라 서로에 대하여 동일한 중심을 가지면서 뻗어 있는 환형 내측 벽과 환형 외측 벽을 가지고 단일의 모놀리식(monolithic) 재료로 구성된 피스톤 바디를 제공하는 단계;
환형 외측 벽의 일 부분이 환형 내측 벽의 자유 단부 상에 가로놓이는 관계에 있도록, 환형 외측 벽의 환형부를 반경방향 안쪽으로 변위시키는 단계; 및
접착 시임이 연소 보울 림 영역으로부터 냉각 갤러리 쪽으로 반경방향 바깥쪽으로 뻗어 있도록, 환형 내측 벽의 자유 단부와 환형 외측 벽의 가로놓이는 환형부 사이에 접착 시임을 형성하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 12 항에 있어서,
제 1 부분과 제 2 부분을 따라 뻗어 있는 접착 시임을 형성하는 단계를 더 포함하고, 제 1 부분이 제 2 부분에 대하여 경사져 있는 것을 특징으로 하는 방법.
제 13 항에 있어서,
절두원추형인 제 1 부분과 평평한 제 2 부분을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 14 항에 있어서,
상부 연소 표면으로부터 냉각 갤러리를 향하여 반경방향 바깥쪽으로 분기하는 제 1 부분을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 15 항에 있어서,
제 1 부분으로부터 냉각 갤러리 쪽으로 반경방향 바깥쪽으로 뻗어 있는 제 2 부분을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 연소 보울 림 영역으로부터 상부 연소 표면을 향하여 반경방향 바깥쪽으로 분기하는 제 1 부분을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 17 항에 있어서,
제 1 부분으로부터 냉각 갤러리 쪽으로 반경방향 바깥쪽으로 뻗어 있는 제 2 부분을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 13 항에 있어서,
길이방향 중심 축에 대해 횡단방향으로 뻗어 있는 제 2 부분을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 19 항에 있어서,
상부 표면과, 상부 표면의 동일평면상의 연장부로서 뻗어 있는 제 2 부분을 가지고 있는 냉각 갤러리를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 19 항에 있어서,
길이방향 중심 축에 대해 경사지게 뻗어 있는 제 1 부분을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 12 항에 있어서,
피스톤 바디에 대해 고온을 견디는 강화된 물성을 가지고 있는 브레이징 재료를 이용하는 브레이징 공정으로 접착 시임을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.