KR102074774B1

KR102074774B1 - 감소된 압축 높이를 가진 피스톤과 이 피스톤을 가진 피스톤 조립체 및 이 피스톤 조립체의 제작 방법

Info

Publication number: KR102074774B1
Application number: KR1020157008894A
Authority: KR
Inventors: 미구엘 아제베도; 마이클 베이넨거
Original assignee: 테네코 인코퍼레이티드
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2020-02-07
Also published as: US20150336223A1; CN104797803A; WO2014052779A2; US10065276B2; JP2015535905A; JP6224111B2; EP2900993A2; EP3382187A1; BR112015006712A2; US20180369970A1; EP2900993B1; WO2014052779A3; US9127618B2; CN104797803B; US20140083390A1; KR20150058279A

Abstract

내연기관용 피스톤 조립체 및 이 내연기관용 피스톤 조립체의 제작 방법이 제공되어 있다. 상기 피스톤 조립체는 언더크라운 표면과 링 벨트 구역을 가진 상부 연소벽을 가지고 있는 피스톤 헤드를 포함하고 있다. 상기 피스톤 헤드는 상부 표면과 하부 표면을 가진 플로어를 가지고 있다. 상기 플로어는 상기 링 벨트 구역과 반경방향으로 정렬된 상태로 상부 연소벽 아래에 이격되어 있다. 실질적으로 폐쇄되어 있는, 환형 냉각 통로가 상기 언더크라운 표면과 상기 플로어에 의해 둘러싸여 있다. 한 쌍의 핀 보어가 상기 냉각 통로의 플로어로부터 바로 뻗어 있다. 상기 피스톤 조립체는 상기 핀 보어에 수용된 채로 진동하도록 구성된 단부를 가진 핀을 더 포함하고 있다. 핀 베어링면이 핀 보어 내에서 뻗어 있으며 플로어의 하부 표면에서 핀 보어들 사이에 뻗어 있다. 상기 피스톤 조립체는 핀과 함께 진동하도록 상기 핀에 고정된 단부를 가진 커넥팅 로드를 포함하고 있다.

Description

감소된 압축 높이를 가진 피스톤과 이 피스톤을 가진 피스톤 조립체 및 이 피스톤 조립체의 제작 방법{REDUCED COMPRESSION HEIGHT PISTON AND PISTON ASSEMBLY THEREWITH AND METHODS OF CONSTRUCTION THEREOF}

본 발명은 대체로 내연기관에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 피스톤 및 피스톤의 제작 방법에 관한 것이다.

엔진 제작업자는, 비제한적인 예로서, 연비를 향상시키는 것, 연료 연소를 향상시키는 것, 오일 소비를 감소시키는 것, 차량 내에서 열의 추후 사용을 위해 배기 온도를 증가시키는 것, 실린더 보어 내의 압축 하중 및 온도를 증가시키는 것, 무게를 감소시키는 것 및 엔진을 보다 소형으로 만드는 것을 포함하여, 엔진 효율성 및 성능을 향상시키라는 요구가 증가하는 것에 직면하고 있다. 이러한 목표를 달성하기 위해서, 피스톤의 크기와 압축 높이를 감소시킬 필요가 있지만, 연소실 내의 증가된 온도와 압축 하중은 피스톤을 실행가능한 열적 한계와 하중 한계 내로 유지시킬 것을 요한다. 상기와 같이, 연소실 내의 온도와 압축 하중을 증가시키는 것이 바람직하지만, 이러한 증가는 압축 높이, 결과적으로, 전반적인 엔진 크기가 감소될 수 있는 정도를 제한한다는 점에서 트레이드오프(tradeoff)가 존재한다. 또한, 증가된 온도와 하중은 피스톤이 강(steel)으로 만들어질 것을 요한다는 점에서 엔진의 무게가 감소될 수 있는 정도가 제한된다.

당업자가 본 개시내용을 판독하고 첨부된 도면을 보면 명확하게 알게 되겠지만, 본 발명에 따라 구성된 피스톤은 기존의 피스톤 구성의 상기한 단점을 극복한다.

본 발명에 따라 제작된 피스톤은 강으로 만들어져 있어서, 현대의 고성능 엔진에서 볼 수 있는 것과 같이, 실린더 보어 내의 증가된 압축 하중을 견디기 위해서 향상된 강도와 내구성을 가진 피스톤을 제공한다. 또한, 피스톤의 새로운 구성으로 인해, 피스톤의 압축 높이(CH)와 무게는 최소화될 수 있고, 이로 인해 피스톤이 배치되는 엔진이 보다 콤팩트하고 가볍게 만들어질 수 있다.

본 발명의 한 실시형태에 따르면, 내연기관용 피스톤 조립체가 제공되어 있다. 상기 내연기관용 피스톤 조립체는 언더크라운 표면을 가진 상부 연소벽과 상기 상부 연소벽으로부터 아래로 뻗어 있는 링 벨트 구역을 가지고 있는 피스톤 헤드를 포함하고 있다. 상기 피스톤 헤드는 상부 표면과 하부 표면을 가진 플로어를 가지고 있다. 상기 플로어는 상기 링 벨트 구역과 반경방향으로 정렬되어 상기 상부 연소벽 아래에 이격되어 있다. 실질적으로 폐쇄된 환형 냉각 통로가 상기 언더크라운 표면과 상기 플로어에 의해 둘러싸여 있고, 상기 냉각 통로는 상기 링 벨트 구역으로부터 반경방향으로 안쪽으로 뻗어 있다. 한 쌍의 핀 보어가 상기 냉각 통로의 상기 플로어로부터 바로 아래로 뻗어 있다. 상기 내연기관용 피스톤 조립체는 상기 핀 보어에 수용되어 진동하도록 구성된 단부를 가진 핀을 더 포함하고 있다. 핀 베어링면이 상기 플로어의 상기 하부 표면에서 상기 핀 보어 내에 그리고 상기 핀 보어 사이에 뻗어 있다. 상기 내연기관용 피스톤 조립체는 상기 핀과 함께 진동하도록 상기 핀에 고정된 단부를 가진 커넥팅 로드를 더 포함하고 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 적어도 하나의 지지 부재가 상기 언더크라운 표면과 상기 플로어의 상기 상부 표면 사이에 뻗어 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 적어도 하나의 지지 부재가 상기 피스톤 헤드의 길이방향의 중심축을 따라서 뻗어 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 적어도 하나의 지지 부재가 상기 피스톤 헤드의 길이방향의 중심축으로부터 반경방향으로 바깥쪽으로 뻗어 있는 복수의 지지 부재를 포함하고 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 개구가 상기 플로어를 관통하여 뻗어 있고, 상기 개구는 상기 피스톤 헤드의 길이방향의 중심축을 따라 중심에 배치되어 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 피스톤 헤드가 상부 부품과 하부 부품을 포함하고 있고, 상기 상부 부품은 상기 상부 연소 표면으로부터 아래로 뻗어 있는 환형의 제1 상부 접합 표면과 피스톤의 길이방향의 중심축을 따라서 상기 상부 연소 표면으로부터 아래로 뻗어 있는 제2 접합 표면을 가지고 있다. 상기 하부 부품은 상기 플로어로부터 위로 뻗어 있는 환형의 하부 접합 표면을 포함하고 있고, 상기 하부 접합 표면은 제1 결합 이음부에서 상기 제1 상부 접합 표면에 결합되어 있고 상기 플로어의 상부 표면은 제2 결합 이음부에서 상기 제2 접합 표면에 결합되어 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 유입구 급유 포트(inlet lubrication feed port)는 상기 냉각 통로로 뻗어 있고 유출구 급유 포트(outlet lubrication feed port)는 상기 핀과 접선 관계로 상기 냉각 통로로부터 뻗어나와 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 오일이 상기 커넥팅 로드를 통하여 리스트 핀으로 유입되어 상기 핀 베어링면과 접촉되도록 하기 위해 상기 핀은 관통 구멍을 가지고 있고 상기 커넥팅 로드는 상기 관통 구멍과 정렬된 오일 통로를 가지고 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 냉각 통로는 완전히 폐쇄되어 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 냉각 통로는 냉매를 수용하고 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 폐쇄된 냉각 통로 내의 상기 냉매는 높은 열전도성의 금속 함유 조성물(high thermal conductivity metal-containing composition)이다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 내연기관용 피스톤이 제공되어 있다. 상기 내연기관용 피스톤은 언더크라운 표면을 가진 상부 연소벽과 상기 상부 연소벽으로부터 아래로 뻗어 있는 링 벨트 구역을 가지고 있는 피스톤 헤드를 포함하고 있다. 상기 내연기관용 피스톤은 상부 표면과 하부 표면을 가지고 있는 플로어를 더 포함하고 있다. 상기 플로어는 상기 링 벨트 구역과 반경방향으로 정렬되어 상기 상부 연소벽 아래에 이격되어 있다. 실질적으로 폐쇄된 환형 냉각 통로가 상기 언더크라운 표면과 상기 플로어에 의해 둘러싸여 있다. 상기 냉각 통로는 상기 링 벨트 구역으로부터 반경방향으로 안쪽으로 뻗어 있다. 한 쌍의 핀 보어가 상기 냉각 통로의 상기 플로어로부터 바로 아래로 뻗어 있다. 핀 베어링면이 상기 플로어의 상기 하부 표면에서 상기 핀 보어 내에 그리고 상기 핀 보어 사이에 뻗어 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 내연기관용 피스톤이 상기 언더크라운 표면과 상기 플로어의 상기 상부 표면 사이에 뻗어 있는 적어도 하나의 지지 부재를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 적어도 하나의 지지 부재는 상기 피스톤 헤드의 길이방향의 중심축을 따라서 뻗을 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 적어도 하나의 지지 부재는 상기 피스톤 헤드의 길이방향의 중심축으로부터 반경방향으로 바깥쪽으로 뻗어 있는 복수의 지지 부재로 제공될 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 내연기관용 피스톤이 상기 플로어를 관통하여 뻗어 있는 개구를 더 포함할 수 있고, 상기 개구는 상기 피스톤 헤드의 길이방향의 중심축을 따라 중심에 배치되어 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 피스톤 헤드는 상부 부품과 하부 부품을 포함할 수 있고, 상기 상부 부품은 상기 상부 연소 표면으로부터 아래로 뻗어 있는 환형의 제1 상부 접합 표면과 피스톤의 길이방향의 중심축을 따라서 상기 상부 연소 표면으로부터 아래로 뻗어 있는 제2 접합 표면을 가지고 있다. 상기 하부 부품은 상기 플로어로부터 위로 뻗어 있는 환형의 하부 접합 표면을 가지고 있다. 상기 하부 접합 표면은 제1 결합 이음부에서 상기 제1 상부 접합 표면에 결합되어 있고 상기 플로어의 상부 표면은 제2 결합 이음부에서 상기 제2 접합 표면에 결합되어 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 냉각 통로는 완전히 폐쇄될 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 폐쇄된 냉각 통로는 냉매를 수용할 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 내연기관용 피스톤 조립체의 제작 방법이 제공되어 있다. 상기 방법은 언더크라운 표면을 가진 상부 연소벽과 상기 상부 연소벽으로부터 아래로 뻗어 있는 링 벨트 구역을 가지고 있고 상기 링 벨트 구역과 반경방향으로 정렬되어 상기 상부 연소벽 아래에 이격되어 있는 플로어를 가지고 있으며, 실질적으로 폐쇄된 환형 냉각 통로가 상기 언더크라운 표면과 상기 플로어에 의해 둘러싸여 있는, 피스톤 헤드를 형성하는 단계를 포함하고 있다. 또한, 상기 방법은 상기 냉각 통로의 상기 플로어로부터 바로 아래로 뻗어 있는 한 쌍의 핀 보어를 형성하는 단계와, 상기 플로어의 하부 표면 내에서 상기 핀 보어 내에 그리고 상기 핀 보어 사이에 뻗어 있는 핀 베어링면을 형성하는 단계를 포함하고 있다. 또한, 상기 방법은 상기 핀 보어에 수용되어 진동하도록 핀을 삽입하는 단계와, 상기 핀과 함께 진동하도록 커넥팅 로드의 단부를 상기 핀에 직접 고정시키는 단계를 포함하고 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 방법이 상기 언더크라운 표면과 상기 플로어의 상부 표면 사이에 뻗어 있는 적어도 하나의 지지 부재를 형성하는 단계를 더 포함하고 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 방법이 상기 적어도 하나의 지지 부재를 상기 피스톤 헤드의 길이방향의 중심축을 따라서 형성하는 단계를 더 포함하고 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 방법이 상기 적어도 하나의 지지 부재를 상기 피스톤 헤드의 길이방향의 중심축으로부터 반경방향으로 바깥쪽으로 뻗어 있는 복수의 지지 부재로 형성하는 단계를 더 포함하고 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 방법이 상기 플로어를 관통하여 뻗어 있는 개구를 형성하는 단계를 더 포함하고 있고, 상기 개구는 상기 피스톤 헤드의 길이방향의 중심축을 따라 중심에 배치되어 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 방법이 상부 부품과 하부 부품을 가지고 있는 피스톤 헤드를 형성하고 상기 상부 부품를 상기 하부 부품에 결합시키는 단계를 더 포함하고 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 방법이 상기 핀과 접선 관계로 상기 냉각 통로로부터 뻗어 나온 유출구 급유 포트를 형성하는 단계를 더 포함하고 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 방법이, 오일이 커넥팅 로드를 통하고 리스트 핀을 통하여 상기 핀 베어링면과 접촉되도록 유동할 수 있게 하기 위해 상기 핀에 관통 구멍을 형성하고 커넥팅 로드에 오일 통로를 형성하고 상기 오일 통로를 상기 관통 구멍과 정렬시키는 단계를 더 포함하고 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 방법이 상기 냉각 통로를 완전히 폐쇄된 냉각 통로로 형성하는 단계를 더 포함하고 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 방법이 상기 완전히 폐쇄된 냉각 통로 내에 냉매를 제공하는 단계를 더 포함하고 있다.

바람직한 실시예와 최적 유형의 아래의 상세한 설명, 첨부된 청구항 및 도면과 관련하여 고려하면 본 발명의 상기 실시형태, 특징 그리고 장점 및 다른 실시형태, 특징 그리고 장점을 보다 용이하게 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시형태에 따라 구성된 피스톤과 커넥팅 로드 조립체의 부분 단면 사시도이고;
도 2는 도 1의 피스톤과 커넥팅 로드 조립체의 피스톤의 부분 단면 사시도이고;
도 2a는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 피스톤의 한 실시례를 나타내는 도 2와 유사한 부분 단면 사시도이고;
도 3은 도 2의 피스톤의 저면도이고;
도 4는 도 1의 피스톤과 커넥팅 로드 조립체의 부분 단면 측면 사시도이고;
도 5는 도 1의 피스톤과 커넥팅 로드 조립체의 하부 사시도이고;
도 6은 도 1의 피스톤과 커넥팅 로드 조립체의 리스트 핀(wrist pin)에 볼트결합된 상태로 도시된 커넥팅 로드의 스몰 엔드(small end)의 부분 단면 사시도이고;
도 7은 도 1의 피스톤과 커넥팅 로드 조립체의 커넥팅 로드의 스몰 엔드의 사시도이고;
도 8은 도 1의 피스톤과 커넥팅 로드 조립체의 리스트 핀의 단면 측면도이고;
도 9는 본 발명의 다른 실시형태에 따라 구성된 피스톤의 부분 단면 사시도이고;
도 10은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따라 구성된 피스톤의 부분 단면 사시도이고;
도 10a는 대체로 도 10의 피스톤의 핀 보어 축을 따라서 도시한 단면 측면도이고;
도 11은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따라 구성된 피스톤의 부분 단면 사시도이고;
도 11a는 대체로 도 11의 피스톤의 핀 보어 축을 따라서 도시한 단면 측면도이고;
도 11b는 도 11의 피스톤의 핀 보어 축에 대해 비스듬하게 도시된 단면 사시도이고;
도 11c는 도 11의 피스톤의 저면도이고;
도 11d는 도 11의 피스톤의 대체 실시례를 나타내는 도 11c와 유사한 저면도이고;
도 12는 대체로 본 발명의 또 다른 실시형태에 따라 구성된 피스톤의 핀 보어 축을 따라서 도시한 단면도이고;
도 12a는 대체로 도 12의 피스톤의 상부 부품의 핀 보어 축을 따라서 도시한 단면도이고;
도 12b는 대체로 도 12의 피스톤의 하부 부품의 중심축을 따라서 도시한 단면도이고;
도 12c는 상부 부품을 하부 부품에 고정시킨 후이고 핀 보어 축을 따라서 하부 부품에 개구를 형성하기 전의 대체로 도 12의 피스톤의 핀 보어 축을 따라서 도시한 단면도이고;
도 13은 피스톤의 상부 부품을 하부 부품에 고정시키는 대체 형태의 기구를 나타내는 도 4의 피스톤과 유사한 피스톤의 대체로 핀 보어 축을 따라서 도시한 단면도이고;
도 13a는 대체로 도 13의 피스톤의 하부 부품의 핀 보어 축을 따라서 도시한 단면도이고;
도 13b는 대체로 도 13의 피스톤의 상부 부품의 핀 보어 축을 따라서 도시한 단면도이고;
도 14는 본 발명의 다른 실시형태에 따라 구성된 상부 부품의 단면도이고;
도 15는 본 발명의 한 실시형태에 따라 구성된 피스톤 링의 단면도이고;
도 15a는 본 발명의 다른 실시형태에 따라 구성된 피스톤 링의 단면도이고;
도 16은 도 15 및 도 15a의 피스톤 링의 평면도이고;
도 17은 도 16의 피스톤 링의 단부 캡의 사시도이고;
도 18은 본 발명의 다른 실시형태에 따라 구성된 피스톤 링의 단면도이고; 그리고
도 18a는 형성되기 전의 도 18의 피스톤 링의 단면도이다.

도면을 보다 상세하게 참고하면, 도 1은, 예를 들면, 가스 또는 디젤 엔진과 같은 최신 소형 고성능 자동차 엔진과 같은, 내연기관의 실린더 보어 또는 챔버(도시되어 있지 않음)에서 왕복운동하는, 본 발명의 바람직한 한 실시례에 따라 구성된, 이하에서 조립체(10)라고 칭하는, 피스톤과 커넥팅 로드의 조립체의 부분 단면 사시도를 나타내고 있다.

상기 조립체(10)는 피스톤(12), 커넥팅 로드(14) 그리고 리스트 핀(16)을 포함하고 있다. 상기 커넥팅 로드(14)는 리스트 핀(16)과 함께 진동(oscillation)하기 위해 리스트 핀(16)에 고정된 어태치먼트(attachment)를 통하여 피스톤(12)에 작동가능하게 연결되어 있다. 상기 피스톤(12)은, 처음에 별개의 부품으로 제작되어 나중에 몇몇 형태의 용접(다시 말해서, 유도 용접, 마찰 용접, 납땜 접합, 전하 운반 광선(charge carrier ray), 레이저, 저항 등) 연결부를 가로질러서 헤드 구역 내에서 서로 결합되는 적어도 두 개의 별개의 부품으로 만들어진 몸체(18)를 가지고 있다. 상기 두 개의 별개의 부품은, 도 2 및 도 4에 표시되어 있는 것과 같이, 하부 부품(20)과 상부 부품(22)으로 이루어져 있다. 본 명세서에서 "정상부(top)", "바닥부(bottom)", "상부(upper)" 그리고 "하부(lower)" 라는 표현은, 사용시에 피스톤(12)이 왕복운동하는데 있어서 중심축이 되는 수직방향의 길이방향의 피스톤 중심축(A)을 따라서 배향되어 있는 피스톤(12)에 대해 상대적인 표현이다. 이러한 표현은 편의를 위한 것이며 피스톤(12)이 완전히 수직방향이 아니라 일정 각도로 경사지게 설치되고 작동할 수 있기 때문에 이러한 표현으로 제한되는 것은 아니다. 피스톤의 하부 부품(20)과 상부 부품(22)의 개방 구조(open construction)로 인해, 하부 부품(20)과 상부 부품(22)이 근사정형(near net shape)으로 강이 주조되거나, 기계가공되거나 단조될 수 있다. 의도하는 엔진 사용처의 피스톤(12)의 요건에 따라, 하부 부품(20)과 상부 부품(22)을 제작하는데 사용되는 재료(다시 말해서, 강 합금)는 동일하게(예를 들면, SAE 1040 grade)되거나 상이하게 될 수 있다. 상부 부품(22)은 주조되거나, 금속편(stock)으로부터 기계가공되거나, 소결되거나, 단조되거나 또는 다수의 공정에 의해 만들어질 수 있다. 강으로 제작된 하부 부품(20)과 상부 부품(22)은 실린더 보어 내의 증가된 온도와 압축 하중을 견디기 위해서 향상된 강도와 내구성을 가진 피스톤(12)을 제공하고, 그리고 리스트 핀(16) 및 커넥팅 로드(14)와 함께, 하부 부품(20)과 상부 부품(22)의 새로운 구성으로 인해, 피스톤(12)의 무게와 압축 높이(CH)(도 2에서 확인됨)를 최소화하고, 이로 인해 상기 피스톤(12)이 배치되는 엔진이 향상된 성능을 달성할 수 있고 무게를 가볍게 할 수 있으며 보다 콤팩트하게 만들어질 수 있다.

도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 피스톤(12)의 헤드 구역은 환형 정상부 벽(24)을 가지고 있고, 이 환형 정상부 벽(24)은 환형 정상부 벽(24)의 최상부 연소 표면 아래에 오목하게 형성되어 있는 환형 연소 보울(combustion bowl)(26)을 둘러싸고 있다. 상기 연소 보울(26)은 두께 t를 가지는 벽(28)에 의해 경계가 정해져 있고, 상기 두께는 벽(28)의 상부 표면(30)과 하부 표면(31) 사이에 뻗어 있다. 연소 보울(26)의 외형은 상기 벽(28)의 상부 표면(30)에 의해 형성되어 있고, 이 상부 표면(30)은 피스톤(12)의 중심축(A)을 따라 동축으로 놓이거나 피스톤 중심축(A)에 대해 반경방향으로 벗어날 수 있는 상부 정점 또는 중심 돌출부(peak)(32)를 제공하는 외형으로 형성되어 있는 것으로 도시되어 있다. 연소 보울 벽(28)의 외형은 또한 상기 돌출부(32)를 둘러싸고 있는 환형 오목부(valley)(34)를 제공하고, 이 환형 오목부는 상기 돌출부(32)에 대해 동심으로 놓여 있으며 연소 보울(26)의 가장 낮은 부위를 형성하는 것으로 도시되어 있다. 연소 보울(26)의 벽(28)은 상기 오목부(34)로부터 위쪽으로 뻗어서, 통상적으로 사용하는 동안 가장 많은 열이 발생되는, 연소 보울 림(33)을 형성한다.

피스톤(10)의 상부 부품(22)은 정상부 벽(24)으로부터 환형의 반경방향으로 최외측의 제1 상부 접합 표면(37)으로 아래쪽으로 뻗어 있는 환형 외측 벽(36)의 상부 부분(35)을 더 포함하고 있다. 링 벨트(38)가 상기 외측 벽(36)의 상부 부분(35)에 적어도 부분적으로 형성되어 있는 것으로 도시되어 있다. 링 벨트(38)는, 비제한적인 예로서, 피스톤 링(44)이 수용되는 한 쌍의 링 홈(40, 42)으로 도시되어 있는, 복수의 외측 환형 링 홈을 가지고 있다. 상기 한 쌍의 링 홈(40, 42)은, 비제한적인 예로서, L자 형상의 제방형 링(dyke-type ring)으로 도시되어 있는, 최상부 압축 피스톤 링(44)을 수용하기 위해 피스톤 헤드 구역의 정상부 벽(24)에 바로 인접해 있는 상부 부품(22) 내에 전체가 형성된 최상부 링 홈(40)을 포함하는 것으로 도시되어 있고, 상기 피스톤 링(44)의 상부 자유 단부는 정상부 벽(24)과 같은 높이 또는 실질적으로 같은 높이로 되어 있다. 최하부 링 홈(42)은 상부 부품(22)에 의해 부분적으로 형성되고 하부 부품(20)에 의해 부분적으로 형성되어 있는 것으로 도시되어 있다.

도 15에 도시되어 있는 바와 같이, L자 형상의 제방형 링(44)은 불활성 기체, 예를 들면 아르곤 및/또는 액체 냉매와 같은 냉매(49)를 수용하기 위해 중공의 환형 냉각 챔버(45)를 가지는 것으로 제공될 수 있다. 상기 L자 형상의 제방형 링(44)은 L자 형상 구성의 직립 또는 수직방향으로 뻗은 다리부(leg)를 제공하는 제1 부분(51)과 L자 형상 구성의 횡방향 또는 수평방향으로 뻗은 다리부를 제공하는 제2 부분(53)을 가지고 있다. 직립의 제1 부분(51)은 상부 평탄부(upper land)와 실린더 라이너 사이의 환형 공간에 수용되고 제2 부분(53)은 링 홈(40)에 수용된다. L자 형상의 피스톤 링(44)은 피스톤 상부 평탄부 구역과 실린더 라이너의 사이에 원하는 밀봉상태를 제공하기 위해서 실린더 라이너와 긴밀한 활주 운동(close sliding movement)을 할 수 있는 크기로 된 원통형 외측 표면을 가지고 있다. 횡방향으로 뻗은 제2 부분(53)은 링 홈(40) 내에서 헐거운 끼워맞춤(loose fit)을 제공하는 치수로 된 외측 표면을 가지고 있고, 이로 인해 사용하는 동안 피스톤 링(44)이 링 홈(40) 내에서 자유롭게 움직일 수 있게 된다. 원한다면 의도한 사용처에 대해, 일반적인(standard) 피스톤 링이 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다.

폐쇄된 피스톤 링 냉각 챔버(45)는 직립의 제1 부분(51)과 횡방향으로 뻗은 제2 부분(53)의 내측 표면에 의해 둘러싸여 있다. 상기 내측 표면은, 사용하는 동안, 둘러싸고 있는 상부 평탄부 구역에 최적화된 냉각을 제공하기 위해서 냉매(49)가 냉각 챔버(45)의 도처에서 칵테일 셰이커(cocktail-shaker)에서처럼 출렁거리며 움직이도록 구성되어 있다. 도 15에 도시되어 있는 바와 같이, 직립 부분(51)의 내측 표면들은 서로 평행하거나 실질적으로 서로 평행할 수 있고, 횡방향으로 뻗은 부분(53)의 내측 표면들은 서로 평행하거나 실질적으로 서로 평행할 수 있고, 피스톤 링(44)의 벽 두께는, 단면도로 도시되어 있는 바와 같이, 전체에 걸쳐서 일정하게 될 수 있다.

이에 대하여, 본 발명의 다른 실시형태에 따라 도 15a에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 다른 실시형태에 따라 구성된 피스톤 링(44')의 벽 두께는, 단면도로 도시되어 있는 바와 같이, 전체에 걸쳐서 일정하지 않다. 특히, 직립 외측 다리부(55)는, 직립 외측 다리부(55)의 최상부 단부에는 가장 얇은 구역이 배치되어 있고 직립 외측 다리부(55)의 최하부 단부에는 가장 두꺼운 구역이 배치되어 있는 형태로 직립 외측 다리부(55)의 전체 길이에 걸쳐서 두께가 연속적으로 또는 실질적으로 연속적으로 변하도록, 직립 외측 다리부(55)의 길이를 따라 일정하지 않은 두께를 가지고 있다. 상기 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 외측 다리부(55)의 내측 표면은 상부 연소 표면(24)쪽으로 위쪽방향으로 뻗어나감에 따라 반경방향 바깥쪽으로 벌어진다. 이 경사진 내측 표면은 피스톤 링(44')의 폐쇄된 냉각 챔버(45) 내에서의 냉매(49)의 유체 유동 역학관계를 변경시킴으로써 상부 평탄부 구역의 냉각을 촉진시키고, 이로 인해, 실린더 라이너쪽으로 바깥쪽으로의 열전달을 향상시킨다. 냉매(49)가 경사진 내측 표면에 대해 아래쪽으로 유동하거나 아래쪽으로 이동하기 때문에, 냉매(49)는 반경방향으로 안쪽으로 유동하게 되고, 이로 인해 전체 냉각 챔버(45)에 걸쳐서 냉매(49)의 교반(agitation)이 촉진된다.

도 16에 도시되어 있는 바와 같이, L자 형상의 피스톤 링(44, 44')이 냉각 챔버(45)의 양쪽 자유 단부를 막도록 작용하는 한 쌍의 단부 캡(96)을 가지고 있는 것으로 형성되어 있다. 따라서, 냉매(49)가 냉각 챔버(45) 내에 유지되고 냉각 챔버(45)로부터 바깥쪽으로 누출되지 않는다. 단부 플러그(96)는, 예를 들면, 접착제 및/또는 용접 연결을 포함하여, 임의의 적절한 메카니즘을 통하여 상기 자유 단부에 고정될 수 있다.

제작시에, 상기 피스톤 링(44, 44')은 복수의 별개 조각의 편평한 금속 박판 재료로 만들어질 수 있는데, 이 경우 각각의 상대적으로 길고 폭이 좁은 금속 박판 재료 조각은, 예를 들면, 순차 이송 다이 스탬핑 작업(progressive die stamping operation)으로, 원통 형태를 취하도록 냉간 성형된 다음 각각의 비연삭 최종 형상(unground finished shape)을 얻기 위해 냉간 성형되거나 스탬핑가공된다. 그 다음에, 각각의 재료 조각을 성형하는 즉시, 단부 플러그를 포함하여, 상기 재료 조각들을 용접 또는 납땜 연결에 의하거나, 단부 플러그에 대해서는 적절한 접착제를 통하여 서로 고정시킨 다음, 피스톤 링의 제작을 완료하기 위해, 예를 들면, 연삭 및 코팅과 같은 최종 공정이 수행될 수 있다. 냉각 챔버를 완전히 밀봉하기 전에, 주위 온도와 압력하에서 고체 물질로 제공될 수 있는 냉매(49), 또는 불활성 기체, 예를 들면 아르곤을 냉각 챔버(45) 내에 배치해야 한다는 것을 알아야 한다.

도 18에는, 본 발명의 다른 실시형태에 따라 구성된 피스톤 링(44")이 도시되어 있다. 이 피스톤 링(44")은, 서로 고정된 복수의 별개 조각의 금속 스트립으로 형성되어 있는 것이 아니라, 한 개의 관형상 금속(98)(도 18a)으로 형성되어 있다. 상기 피스톤 링(44")은 종국적으로 동일한 단부 형상을 가지도록 형성되므로, 형상은 여기서 더 상세하게 논의하지 않는다. 단부 플러그는, 상기한 바와 같이, 관의 개방 단부에 설치된다.

상부 부품(22)은 필러(pillar)(47)라고도 칭하는 지지 부재를 더 포함하고 있다. 비제한적인 예로서, 상부 부품(22)과 일체로 형성되어 있는 것으로 도시되어 있는 필러(47)는 연소 보울 벽(28)의 하부 표면(31)으로부터 제2 상부 접합 표면(48)으로 아래로 뻗어 있다. 상기 필러(47)는 길이방향의 중심축(A)을 따라 동축으로 뻗어 있는 것으로 도시되어 있어서, 연소 보울 벽(28)에 대해 중심 지지부로서 작용하고, 따라서, 사용시에 맞딱뜨리게 되는 극심한 폭발력을 견디는 연소 보울 벽(28)의 능력을 향상시킨다. 따라서, 상기 피스톤(12)은 극도의 연소 압력을 발생시키는 최신 디젤 엔진에 매우 적합하다. 그 외에, 필러(47)와 외측 벽(36) 사이에 뻗어 있는 연소 보울 벽(28)의 부분은 지지되지 않은 상태로 있다.

하부 부품(20)은 적어도 부분적으로 외측 환형 하부 접합 표면(50)을 통하여 상부 부품(22)에 고정되어 있다. 상기 하부 접합 표면(50)은 하부 링 홈(42)의 하부 표면을 형성하는 것으로 도시되어 있다. 실린더 라이너의 벽으로부터 오일을 긁어내는 것을 용이하게 하기 위해서 오목한 환형 포켓(52)이 상기 하부 접합 표면(50)의 바로 아래에 형성되어 있다. 상기 포켓(52)은 긁어내어진 오일이 적어도 일시적으로 수집될 수 있는 구역으로서의 역할을 하고, 이것에 의해 피스톤(12)과 실린더 라이너 사이의 윤활작용과 마찰의 감소를 촉진시킨다. 한 쌍의 스커트 패널(54)이 환형 포켓(52)으로부터 아래로 뻗어 있는데, 상기 스커트 패널(54)은 실린더 보어 벽을 따라서 저충격 저마찰 미끄럼이동이 가능하도록 면적이 감소되어 있다.

하부 부품(20)은 환형 포켓(52)의 바로 아래로 뻗어 있는 한 쌍의 핀 보스(56)를 더 포함하고 있다. 상기 한 쌍의 핀 보스(56)는 각각 핀 보어(58)를 가지고 있고, 바람직하게는 강 구조를 고려해 볼 때 부시가 없는(bushless) 핀 보어를 가지고 있고, 상기 핀 보어(58)는 길이방향의 중심축(A)을 가로질러서 뻗어 있는 핀 보어 축(B)을 따라서 동축으로 서로 이격되어 있다. 상기 핀 보어(58)는 각각 최상부 리스트 핀 베어링면(57)과 최하부 표면(59)을 가지고 있는데, 상기 리스트 핀 베어링면(57)은 하부 부품(20)의 플로어(60)의 하부 표면(61)과 접선방향으로 뻗어 있거나 약간 하부 부품(20)의 플로어(60)의 하부 표면(61)으로 향하는 방향으로 뻗어 있고, 상기 리스트 핀 베어링면(57)은 핀 보스(56)의 내(핀 보스의 내부)와 핀 보스(56)의 사이(핀 보스의 외부)에 뻗어 있다. 따라서, 상기 리스트 핀 베어링면(57)은 핀 보스(56)의 사이에서 연속적으로 중단되지 않고 뻗어 있다.

상기 플로어(60)는 하부 부품(20)의 전체 상부 구역 또는 실질적으로 전체 상부 구역에 걸쳐서 뻗어 있는 평면 또는 실질적으로 평면을 제공한다. 하부 접합 표면(50)은 직립 환형 림(62)에 의해서 플로어(60)의 상부 표면(63)으로부터 약간 상승되어 있고, 하부 접합 표면(50)은 직립 환형 림(62)의 자유 단부에 형성되어 있다. 원한다면, 피스톤(12)의 냉각과 리스트 핀(16)의 윤활작용을 촉진시키기 위해서, 플로어(60)는 적어도 하나의 개구를 포함할 수 있는데, 도면에는 복수의 개구로 도시되어 있으며, 적어도 하나의 유입구(64)(도 3)와 유출구(66)라고도 칭하는 적어도 하나의 배출 개구를 가지는 것으로 도시되어 있다. 유입구(64)는 핀 보어(58)와 한 쌍의 스커트 패널(54) 중의 하나의 스커트 패널 사이에 이격되어 있는 것으로 도시되어 있다. 유출구(66)는 리스트 핀(16)과 접선방향으로 또는 실질적으로 접선방향으로 뻗어 있는 것으로 도시되어 있다. 따라서, 유출구(66)를 통하여 유동하는 오일이 리스트 핀(16)을 냉각시키고 리스트 핀(16)에 공급되어 윤활작용을 한다. 핀 보스(56)는 하부 부품(20)과 일체로 형성되어 있고 결과적으로 핀 보스(56)과 일체로 형성되어 있는 스커트 패널(54)에 연결되어 있다. 한 쌍의 스커트 패널(54)은, 한 쌍의 스커트 패널(54)이 핀 보스(56)의 양 측면을 가로질러서 서로 정반대로 배치되도록, 지주 부분(68)을 통하여 스커트 패널의 세로방향으로 뻗어 있는 측면을 따라서 핀 보스(56)에 직접 연결되어 있다. 스커트 패널(54)은 피스톤이 실린더 보어를 통하여 왕복운동할 때 피스톤(10)을 원하는 방향으로 유지시키기 위해서 실린더 보어의 벽과 협력하도록 형성된 볼록한 외측 표면을 가지고 있다. 한 쌍의 스커트 패널(54)은 자신의 상부 단부에 각각 연결되어 있으며 링 벨트(44)의 하부 부분과 일체로(예를 들면, 주조물로) 형성되어 있다, 환형 포켓(52)이 스커트 상부 단부와 최하부 링 홈(42) 사이에 뻗어 있다. 스커트 패널(60)은 링 벨트(38)로부터 핀 보어(58)의 최하부 표면(59)과 접선 또는 실질적으로 접선인 바닥부 또는 하부 단부(70)(최하부 표면(59)의 약간 아래쪽에 뻗어 있는 것으로 도시되어 있음)로 아래쪽으로 중심축(A)과 대체로 평행하게 세로방향으로 뻗어 있다.

별개로 만들어진 피스톤(12)의 상부 부품(22)과 하부 부품(20)을 결합시키는 제1 용접 연결부(72)는 하부 부품(20)의 환형 하부 접합 표면(50)과 상부 부품(22)의 제1 상부 접합 표면(37)의 사이에 형성되어 있다. 또한, 제2 용접 연결부(74)는 바람직하게는 제2 상부 접합 표면(48)과 플로어(60)의 상부 표면(63)의 사이에 형성되어 있다. 외측 벽(36)과 림(62)의 각각의 길이를 변경시키는 것에 의해서 제1 용접 연결부(72)가 링 벨트(38) 내의 다른 위치에 형성될 수 있다는 것을 알아야 한다.

하부 부품(20)과 상부 부품(22)을 서로 고정시키는 즉시, 폐쇄되거나(플로어(60)에 어떠한 개구도 없어서 완전히 밀봉되는 경우) 또는 실질적으로 폐쇄된 냉각 통로(76)(플로어(60)에 하나 이상의 개구가 있는 경우)가 형성된다. 도 2a에 도시되어 있는 바와 같이, 완전히 밀봉된 냉각 통로(76)로 형성되면, 비제한적인 예로서, 금속 함유 냉매 조성물(75)의 형태로 된 냉매(75)가 냉각 통로(76) 내에 밀봉될 수 있다. 냉각 통로(76)가 완전히 밀봉되어 있지 않으면, 오일과 같은, 통상적인 냉매(75)가 사용된다는 것을 알아야 한다. 상기 금속 함유 조성물(75)은 바람직하게는 불활성의 건조한 대기, 통상적으로 질소 또는 아르곤이 존재하는 상태에서 냉각 통로(76)로 공급된다. 여하튼, 냉매(75)가 금속 함유 조성물로 제공되면, 고체, 액체, 또는 고체 입자와 액체의 혼합물의 형태로 냉각 통로(76)에 배치될 수 있다. 한 가지 실시례에서, 금속 함유 조성물(75)은 알칼리 금속, 또는 알칼리 금속의 혼합물; 그리고 분말 구리 또는 분말 알루미늄, 또는 금속 분말의 혼합물로 이루어진다. 대체 실시형태로서, 금속 함유 조성물(75)은 콜로이드 조성물(colloid composition) 또는 실리콘유(silicone oil) 내의 구리 입자와 같은, 캐리어 내의 금속 입자의 현탁액으로 이루어질 수 있다. 내연기관이 작동하는 동안 피스톤(12)의 크라운으로부터 열을 없애기 위해서 금속 함유 조성물(75)은 높은 열전도성을 가지며 냉각 통로(76) 내부에 밀봉되어 있다. 밀폐된 냉각 통로(76)에 밀봉되어 있는 금속 함유 조성물(75)은 냉각 오일보다 5배 1000배 높은 열전도율(0.13 W/m·K)을 가지고 있고, 이것은 상부 크라운으로부터 빼앗는 열의 양을, 냉각 오일에 의해서 전달되는 열의 양에 비해서 상당히 증가시킨다. 금속 함유 조성물(75)은 바람직하게는, 금속 함유 조성물(75)이 고체 형태로 냉각 통로로 공급되거나 유입된 다음, 내연기관이 작동하는 동안 액체로 변환될 수 있도록, 63℃ 이상의 융점을 가지고 있다.

다른 실시례에 따르면, 냉각 통로(76)에 밀봉된 금속 함유 조성물(75)은 금속 입자와 캐리어 유체(carrier fluid)의 혼합물과 같은 콜로이드 조성물이다. 예를 들면, 콜로이드 조성물은 실리콘유에 떠 있는 구리 입자를 포함할 수 있다. 상기 금속 입자는 통상적으로 149 미크론 미만 내지 25 미크론 미만(-100 내지 -550 메시(mesh)), 보다 바람직하게는 44 미크론 미만(-325 메시(mesh))의 입자 크기를 가지고 있다. 모든 금속 입자가 동일한 입자 크기를 가질 수 있지만, 통상적으로 금속 입자는 일정 분포의 입자 크기를 가지고 있다. 예를 들면, 50부피 퍼센트의 금속 입자는 -100 메시(mesh) 내지 +400 메시(mesh)의 입자 크기를 가질 수 있고, 50부피 퍼센트의 금속 입자는 -400 메시(mesh)의 입자 크기를 가질 수 있다. 상기 금속 입자는 또한 다양한 상이한 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 입자는 수분사법(water atomization) 또는 가스분사법(gas atomization)에 의해 형성된 것과 같은 분무 입자(atomized particle)로 될 수 있다. 대체 실시형태로서, 상기 금속 입자는 스트랜드(strand), 스펀지(sponge), 또는 폼(foam)의 형태로 될 수 있다. 상기 금속 입자는 또한 브레이크 부품과 같은 다른 물건의 생산 공정 도중에 폐기물 흐름(waste stream)으로부터 회수될 수도 있다.

금속 함유 조성물(75)의 제형(formulation)은 사용처와 피스톤을 형성하는데 사용되는 재료의 종류에 따라 달라질 수 있다. 그러나, 금속 함유 조성물(75)은 통상적으로 약 100 W/(m·K) 이상의 통상적인 열전도율을 제공하는 몇 가지 상이한 금속 성분의 혼합물로 이루어진다. 하나의 실시례에 따르면, 금속 함유 조성물(75)은 적어도 하나의 알칼리 금속을 포함하지만, 바람직하게는 알칼리 금속의 혼합물을 포함한다. 알칼리 금속은 원소 주기율표의 1 족(Group 1)에 있으며, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐, 세슘, 프란슘, 그리고 우누넨늄(ununennium)을 포함한다. 알칼리 금속은 개별 원소로나 나트륨과 칼륨의 합금인 나크(NaK)와 같은 합금으로 제공될 수 있다. 알칼리 금속은 통상적으로 약 85 내지 141 W/(m·K)의 높은 열전도율과 약 63 내지 181℃의 낮은 융점을 가진다. 예를 들면, 나트륨은 약 141 W/(m·K)의 열전도율과 약 98℃의 융점을 가지고; 칼륨은 약 102 W/(m·K)의 열전도율과 약 63℃의 융점을 가지며; 리튬은 약 85 W/(m·K)의 열전도율과 약 181℃의 융점을 가진다. 따라서, 알칼리 금속은 상온에서 고체의 형태로 제공되지만, 내연기관이 작동하는 동안 알칼리 금속의 융점보다 높은 온도에 노출되면 액체로 변환된다. 불활성 분위기(inert atmosphere)하에서의 처리는 금속이 융해되어 액체 상태로 외측 냉각 통로로 유입될 수 있게 하는 잇점을 가진다. 알칼리 금속의 이러한 높은 열전도성은 알칼리 금속이 상부 크라운으로부터 효과적으로 열전달을 할 수 있게 해 준다. 알칼리 금속은 매우 반응성이 높을 수 있으므로 알칼리 금속을 수용하고 있는 외측 냉각 통로는 견고하게 밀봉되어야 한다. 리튬, 나트륨 및 칼륨은 매우 반응성이 높고, 이들 금속의 혼합물도 매우 반응성이 높다.

알칼리 금속에 더하여, 금속 함유 조성물(75)은 통상적으로 현탁액(suspension)이므로 다른 종류의 금속을 포함하고 있다. 구리, 알루미늄 또는 알칼리 금속의 열전도율보다 높는 열전도율을 가지는 다른 원소 또는 합금과 같은 제2 유형의 금속은 바람직하게는 알칼리 금속의 열전도율보다 높은 열전도율(237 W/m·K)을 가지고 있다. 예를 들면, 금속 함유 조성물(75)은 통상적으로 알칼리 금속과 같은, 85 내지 141 W/(m·K)의 열전도율을 가지는 제1 성분과, 구리(Cu) 또는 알루미늄 입자와 같은, 200 W/(m·K)보다 큰 열전도율을 가지는 제2 성분을 포함하고 있다. 제2 성분으로 사용될 수 있는 높은 열전도성 금속의 다른 예는 베릴륨(Be), 텅스텐(W), 금(Au), 은(Ag), 그리고 마그네슘(Mg)을 포함한다. 내연기관이 작동하는 동안, 제1 성분은 녹아서 제2 성분에 대한 액체 캐리어로서의 역할을 하고, 제2 성분은 내연기관의 높은 작동 온도에서도 고체로 유지되며 액체 캐리어에 떠있다. 이 실시례에서, 액상 금속은 우수한 열접촉(thermal contact)을 제공하고, 떠있는 제2 성분은 열방산(heat dissipation)을 향상시킨다.

다른 실시례에서는, 금속 함유 조성물(75)이, 두 개 이상의 알칼리 금속과 같은, 제1 성분 중의 두 개 이상의 성분만 포함하고, 제2 성분 중에는 아무것도 포함하지 않을 수 있다. 또 다른 실시례에서는, 금속 함유 조성물(75)이, 두 개 이상의 높은 열전도성 금속과 같은, 제2 성분 중의 두 개 이상의 성분만 포함하고, 제1 성분 중에는 아무것도 포함하지 않을 수 있다. 그러나, 금속 성분의 몇 가지 결합은 고용체(solid solution) 또는 금속간화합물(intermetallic)을 형성하는 경향이 있으므로 통상적으로 바람직하지 않다. 금속 함유 조성물을 형성하는데 사용되는 바람직한 이원 결합(binary combination)은 Cu-Li; Cu-Ag; Al-Na; Al-K; Al-Be; Li-Na; Li-K; Na-Mg; K-Mg; Be-Ag; 그리고 W-Ag를 포함할 수 있다. 부가적으로, Na-K가 금속 냉매로 사용될 수 있다.

금속 함유 조성물(75)에서 제1 성분의 양에 대한 높은 열전도성의 제2 성분의 양은 상기 금속 함유 조성물에 사용되는 금속의 종류, 피스톤을 형성하기 위해서 사용된 재료의 종류와 사용처에 따라 변경될 수도 있다. 제1 성분의 양에 대한 제2 성분의 양은 통상적으로 부피로 0:100 내지 50:50의 범위에 있고, 바람직하게는 25:75이다. 한 가지 실시례에서, 금속 함유 조성물은 금속 함유 조성물의 전체 부피에 기초하여 0 부피 퍼센트(vol. %)의 제2 성분과 100 부피 퍼센트(vol. %)의 제1 성분을 포함하고 있다. 다른 실시례에서는, 금속 함유 조성물(75)이 1 내지 50 부피 퍼센트(vol. %)의 제2 성분과 50 내지 99 부피 퍼센트(vol. %)의 제1 성분을 포함하고 있다. 또 다른 실시례에서는, 금속 함유 조성물(75)이 10 내지 30 부피 퍼센트(vol. %)의 제2 성분과 70 내지 90 부피 퍼센트(vol. %)의 제1 성분을 포함하고 있다. 또 다른 실시례에서는, 금속 함유 조성물(75)이 25 부피 퍼센트(vol. %)의 제2 성분과 75 부피 퍼센트(vol. %)의 제1 성분을 포함하고 있다.

외측 냉각 통로에 배치된 금속 함유 조성물(75)의 총량은 사용된 금속의 종류, 피스톤(12)을 형성하기 위해서 사용된 재료의 종류와 사용처에 따라 변경될 수도 있다. 금속 함유 조성물(75)이 바람직하게는 외측 냉각 통로의 50 부피 퍼센트(vol. %)까지 채우고, 더욱 바람직하게는 외측 냉각 통로의 20 내지 30 부피 퍼센트(vol. %)를 채운다.

한 가지 특히 바람직한 실시례에서, 외측 냉각 통로에 배치된 금속 함유 조성물(75)은 75 부피 퍼센트(vol. %)의 알칼리 금속과 25 부피 퍼센트(vol. %)의 구리 입자로 이루어져 있다. 상기 구리 입자는 44 미크론 미만(-325 메시(mesh))의 입자 크기를 가지고 있다. 알칼리 금속 입자는 나트륨과 칼륨의 혼합물을 포함하고 있다. 이 바람직한 실시례에서, 금속 함유 조성물(75)은 외측 냉각 통로의 전체 부피의 20 내지 25 부피 퍼센트(vol. %)를 채운다. 금속 함유 조성물(75)을 외측 냉각 통로로 보내는데 사용된 개구는 나사가 형성된 플러그와 접착제로 밀봉될 수 있거나, 상부 부품과 하부 부품이 서로 결합되기 전에 금속 함유 조성물이 유입될 수 있다. 내연기관이 작동하는 동안에는, 내연기관의 온도가 알칼리 금속의 융점보다 높기 때문에 알칼리 금속 입자는 용융된 상태로 있다. 하지만 구리 입자는 고체상태로 남아서 액상 알칼리 금속에 떠 있다. 이 액상 알칼리 금속은 상부 크라운과 하부 크라운의 내측 표면을 따라, 외측 냉각 통로의 전역에 걸쳐서, 구리 입자를 운반하고 이렇게 하여 상부 크라운으로부터 열을 제거한다.

밀폐된 외측 냉각 통로(76) 내에 높은 열전도성 금속 함유 조성물(75)을 포함하는 피스톤(12)은 향상된 열전달에 더하여 여러 가지 장점을 제공한다. 금속 함유 조성물(75)은 엔진의 유효 수명 동안 고온으로 인해 질이 저하되지 않고, 오일은 매우 뜨거운 피스톤 통로 벽과 접촉하지 않으므로 빨리 질이 저하되지 않으며, 외측 냉각 통로(76)의 코킹(coking)이 발생하지 않는다. 금속 함유 조성물(75)에 의해 제공된 피스톤 정상부(top)와 연소 보울 림(33)의 감소된 온도는 연소 보울 림(33)의 산화와 그에 따른 부식을 방지한다. 링 벨트(38) 쪽으로의 열흐름의 재분배도 피스톤 평탄부(land) 상의 탄소 침전물을 감소시키고 피스톤(12)의 외측 표면을 따라 분포된 윤활유의 열화(degradation)을 감소시키므로 엔진의 정비 간격 시간을 연장시킬 수 있다. 피스톤 평탄부에 축적된 탄소가 없으면 라이너 보어 폴리싱(liner bore polishing)을 하지 않게 되고 따라서 오일 소비량을 제어할 수 있다. 물론, 의도한 사용처의 요건에 따라 임의의 저온 융해 합금(low temperature fuse alloy)이 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다. 또한, 크게 감소된 냉각 챔버 높이를 가지고 있고, 이로 인해 크게 감소된 압축 높이(CH)를 가지는, 본 발명의 피스톤(12)의 구성을 고려해 볼 때, 밀폐된 냉각 통로(76) 내의 냉매(75)의 높은 열전도율은 피스톤(12)의 전반적인 냉각 효과를 크게 향상시킨다. 이것은 열제거량이 피스톤(12)이 왕복운동하는 동안 냉각 유체(75)에 의해서 획득된 수직방향의 운동에너지에 정비례하기 때문이다.

상기 냉각 통로(76)는, 필러(47)가 차지하고 있는 구역만 제외하고, 편평하거나 실질적으로 편평한 플로어(60) 전체를 가로질러서 연속적으로 뻗어 있다. 상기와 같이, 냉각 통로(76)는 오일이 유동할 수 있는 개방된 토로이드 형상 구역으로 형성되어 있어서, 사용하는 동안 냉각 통로(76)의 전역에 걸쳐서 그리고 연소 보울 벽(28)의 하부 표면(31)에 대하여 유동하는 오일의 냉각 효과를 향상시킨다. 이것은 피스톤(12), 특히 피스톤(12)에서 가장 온도가 높은 구역, 다시 말해서, 종종 연소 보울(26)의 블릿-노우즈(bullet-nose) 구역이라고 칭하는, 연소 보울 림(33)과 돌출부(32)을 냉각시키는데 특히 유리하다. 결과적으로, 진정한 또는 실질적으로 진정한 등온 연소 챔버가 만들어지고, 이로 인해 사용시에 발생되는 산화질소(nitro-oxide)를 감소시킨다.

냉각 통로(76)는 연소 보울 벽(28)의 두께(t)가 변하는 결과로 냉각 통로(76)의 둘레 도처에 일정하지 않은 형태를 가지고 있는 것으로 도시되어 있다. 도 2에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, 상기 연소 보울 벽(28)은, 비제한적인 예로서, 핀 보어 축(B)의 방향을 따라서, 일정하지 않은 두께(t)를 가지고 있고, 이로 인해 연소 보울 림(33)에 인접한 구역으로부터 돌출부(32)쪽으로 이동함에 따라 연소 보울 벽(28)의 두께가 점차적으로 두꺼워진다. 리브(rib)(77)라고도 칭하는, 하나 이상의 반경방향으로 뻗어 있는 지지 부재에 의해 제공될 수 있는, 이 구역에 걸친 연소 보울 벽(28)의 증가된 두께(t)는 핀 보어 축(B)의 방향을 따라 연소 보울 벽(28)에 대해 증가된 강도를 제공한다. 이와 달리, 스커트 패널(54)로부터 반경방향으로 안쪽으로 이격된 연소 보울 벽(28)의 정반대의 구역은 일정한 또는 실질적으로 일정한 두께(t), 예를 들면, 약 2mm의 두께를 가지고 있고, 이로 인해 피스톤(12)의 무게가 감소된다. 리브(77)를 상부 부품(22)의 적절한 장소에 형성시킴으로써 증가된 두께를 가진 구역이 원하는 장소에 배치될 수 있다는 것을 알아야 한다.

도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 리스트 핀(16)은 커넥팅 로드(14)를 리스트 핀(16)에 고정시키는 파스너(79)의 수용을 위한 적어도 하나의 나사가 형성된 개구(78)를 포함하고 있는데, 도면에는 한 쌍의 나사가 형성된 개구(78)가 도시되어 있다. 따라서, 리스트 핀(16)과 커넥팅 로드(14)은 서로 상대 이동하지 못하도록 고정되어 있다. 리스트 핀(16)은 오목부(84)가 형성되어 있는 양 단부를 더 포함하고 있으므로, 사용시에 피스톤 조립체(10)의 무게와 관성 모멘트를 더욱 감소시킨다. 무게 감소에 추가적으로 기여하는 것은 나사가 형성된 개구(78)들 사이에 뻗어 있는 관통 구멍(85)이다. 상기 관통 구멍(85)은 오일이 상기 관통 구멍(85)을 통하여 유동할 수 있게 하므로, 사용시에 리스트 핀(16)의 냉각과 윤활작용을 향상시킨다. 또한, 리스트 핀(16)의 전체 길이가 (냉각 통로(76)의 플로어(60)로 뻗어 있는) 핀 보어(58)의 최상부 표면(57)에 기댄 상태로, 리스트 핀이 켄틸레버(cantilever) 방식이 아니라 리스트 핀의 전체 길이에 걸쳐서 지지되어 있기 때문에, 리스트 핀(16)의 직경은 상당히 감소될 수 있다. 따라서, 종래의 캔틸레버식 리스트 핀 형태에 비하여 증가된 연소 압력을 견딜 수 있으면서, 리스트 핀(16)의 직경의 감소가 상기 조립체(10)의 무게를 추가적으로 감소시킨다.

커넥팅 로드(14)는 크랭크축(도시되어 있지 않음)의 저널(journal)에 결합되도록 구성되어 있는 보어(87)를 가진 큰 단부(86)와 리스트 핀(16)에 고정되게 부착되도록 구성되어 있는 반대쪽 단부(88) 사이의 길이(L, 도 1에 표시되어 있음)에 걸쳐서 뻗어 있다. 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 반대쪽 단부(88)는 리스트 핀(16)의 나사가 형성된 개구(78)와 정렬되도록 구성된 한 쌍의 관통 개구(92)를 가진 대칭형 플랜지(90)를 가지고 있다. 상기 관통 개구(92)가 상기 나사가 형성된 개구(78)와 정렬된 상태에서, 파스너(79)가 상기 관통 개구(92)를 통하여 삽입되고 상기 나사가 형성된 개구(78)에 나사결합되어 커넥팅 로드(14)를 리스트 핀(16)에 고정시킨다. 커넥팅 로드(14)는 큰 단부(86)의 보어(87)로부터 반대쪽 단부(88)의 플랜지(90)를 관통하여 커넥팅 로드의 길이(L)에 걸쳐서 뻗어 있는 오일 통로(94)를 가지고 있다. 상기 오일 통로(94)는 리스트 핀(16)의 관통 구멍(84)과 정렬되어 있으므로, 오일이 자유롭게 커넥팅 로드(14)를 통하여 리스트 핀(16)으로 유동할 수 있게 되어 핀 보어(58)의 최상부 표면(57)에 윤활작용을 제공하여 리스트 핀(16)과 핀 베어링면 사이에 건조한 구역을 없애면서, 피스톤(12)의 플로어(60)와 리스트 핀(16)의 구역에서 발생된 열을 제거하는 것을 촉진시킨다.

상기 피스톤(10)은 경량의 현대식 고성능 자동차 디젤 엔진에 사용하기에 적합하다. 강으로 만들어져 있지만, 얇은 벽을 가진 설계형태와 개방된 냉각 통로(76)에 의해 피스톤(10)은, 알루미늄 피스톤 조립체에 사용되는 알루미늄 피스톤과 해당 삽입 핀 보어 부싱 등의 큰 규모를 고려해볼 때, 알루미늄 대응 부품(counterpart)보다 더 가볍거나, 그렇지 않다면 알루미늄 대응 부품만큼 가볍다. 강 피스톤(10)은 또한 대응하는 알루미늄 피스톤보다 상당히 작은, 중심 핀 보어 축(B)과 정상부 벽(20)의 사이에 뻗어 있는 거리로 정의되는, 압축 높이(CH)를 가지고 있다. 비슷한 무게와 작은 압축 높이(CH)로 인해 엔진이 보다 작고 보다 콤팩트하게 만들어질 수 있다. 크게 감소된 압축 높이(CH)는, 리스트 핀(16)의 감소된 직경, 리스트 핀(16)이 진동하는데 있어서 대응되는 면인 안장 형상의 최상부 리스트 핀 베어링면(57)의 상승된 위치, 냉각 통로(76)의 비교적 낮은 외형 형태(low profile configuration) 그리고 커넥팅 로드 단부(88)를 리스트 핀(16)에 직접 고정시킨 것을 포함하는, 상조적인 구조(synergistic feature)에 의해 가능하게 된다. 압축 높이(CH)가 상당히 감소되어 있는 상태에서는, 피스톤 스커트 패널(54)이 감소된 표면적을 가지고, 그 결과, 피스톤 스커트 패널(54)와 실린더 라이너 사이에서 발생하는 마찰이 감소되게 만들어질 수 있고, 이는 실린더 라이너 캐비테이션 내의 떨림(vibration), 측면 추력 하중(side thrust loading) 및 캐비테이션(cavitation)의 감소에 기여한다. 감소된 마찰과 감소된 측면 추력 하중에 기여하는 다른 요인은, 비제한적인 예로서, 나노다이아몬드(nanodiamond)로 전기도금된 크롬계 물질(chromium-based material); 다른 다이아몬드류(diamond-like) 코팅 또는 인산망간(manganese phosphate)의 얇은 층(예를 들면 3-12㎛)과 같은, 개선된 마찰 코팅(tribological coating)을 사용하면서 부싱을 제거한 것이다. 상기 코팅은 최상부 안장 형상의 리스트 핀 베어링면(57) 및/또는 리스트 핀(16)의 상부 베어링면에 부착될 수 있다. 상기 코팅이 리스트 핀(16)에 부착되면, 리스트 핀이 단독 마찰 요소로서의 역할을 할 수 있고, 이로 인해 제조 효율성을 향상시키고 비용을 절감할 수 있다. 마찰의 감소는 또한 디젤 사이클의 열역학적 효율(thermodynamic efficiency)의 증가와 낮은 러빙 마찰 손실(rubbing friction loss)을 통하여 제동연료소비율(brake specific fuel consumption)(BSFC-G/KWH)의 감소에 기여한다.

압축 높이(CH)와 피스톤(12)의 전체적인 엔벨로프(envelope)의 감소의 결과로, 커넥팅 로드(14)의 길이(L)가 압축 높이(CH)의 감소된 길이와 동일하거나 대략 동일한 길이만큼 연장될 수 있다. 그러나, 원한다면, 크랭크 대 데크 면 높이(crank-to-deck face height)를 감소시킴으로써, 엔진 블록 무게와 엔진의 엔벨로프를 감소시키는 것에 의해서 통상의 커넥팅 로드의 동일한 중심 대 중심 관계(center-to-center relation)를 얻을 수 있다. 그 외에는, 커넥팅 로드(14)의 길이(L)가 연장될 수 있고, 이에 따라, 전 행정(full stroke)에 걸쳐서 진동의 향사도(angularity)가 감소되고, 그 결과, 스커트 패널(54)에 전해지는 추력 하중을 감소시킨다. 이것은 또한 라이너의 한 측면으로부터 다른 측면으로의 피스톤의 이동으로부터 기인하는 충격 손실의 감소를 가져오고, 이로 인해 라이너 캐비테이션이 감소된다. 또한, 커넥팅 로드(14)의 길이(L)가 증가되어 있는 상태에서는, 연소 과정에서 상사점(TDC)에 근접해 있는 피스톤(12)에 의해 소비된 크랭크 각도당 추가된 체류 시간으로 인해 열효율의 증가가 얻어지고, 이로 인해 제동 출력(brake power)으로의 전환 효율이 증가된다.

도 9에는, 본 발명의 다른 실시형태에 따라 구성된 피스톤(112)이 도시되어 있는데, 유사한 구조를 식별하기 위해 상기 실시형태에서 사용한 것과 동일한 참고 번호에 100을 더한 참고 번호가 사용되어 있다.

피스톤(112)은, 비제한적인 예로서, 마찰 용접되어 있는 것으로 도시된, 상부 부품(122)에 고정된 하부 부품(120)을 가지고 있다. 하부 부품(120)과 상부 부품(122)은, 피스톤(12)에 관하여 상기한 바와 같이, 제1 용접 연결부(172)와 제2 용접 연결부(174)를 통하여 결합되어 있다. 피스톤(112)이 가진 중요한 차이는 상부 부품(122)이 두꺼운 리브 구역을 가지지 않고 중심 지지 부재 또는 필러(147)와 연소 보울(126)의 림(133) 사이에 뻗어 있는 일정한 두께(t)를 가진 연소 보울 벽(128)을 가지고 있다는 것이다. 따라서, 대칭형의 환형으로 일정한 형상을 가진 냉각 통로(176)가 연소 보울 벽(128)과 하부 부품(120)의 플로어(160) 사이에 형성되어 있다. 그 외에는, 피스톤(112)이 도 1의 피스톤(10)에 관하여 상기한 것과 동일하다.

도 10 및 도 10a에는, 본 발명의 다른 실시형태에 따라 구성된 피스톤(212)이 도시되어 있는데, 유사한 구조를 식별하기 위해 상기 실시형태에서 사용한 것과 동일한 참고 번호에 200을 더한 참고 번호가 사용되어 있다.

피스톤(212)은, 비제한적인 예로서, 마찰 용접되어 있는 것으로 도시된, 상부 부품(222)에 고정된 하부 부품(220)을 가지고 있다. 하부 부품(220)과 상부 부품(222)은 제1 용접 연결부(272)와 제2 용접 연결부(274)를 통하여 결합되어 있고, 제1 용접 연결부는 피스톤(12, 112)에 관하여 상기한 바와 같이 형성되어 있다. 또한, 피스톤(212)은 두꺼운 리브 구역을 가지지 않고 중심 필러(247)와 연소 보울(226)의 림(233) 사이에 뻗어 있는 일정한 두께(t)를 가진 연소 보울 벽(228)을 가지고 있는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 피스톤(212)이 가진 중요한 차이는, 제2 용접 연결부(274)가 중심 필러(247)의 자유 단부와 연소 보울 벽(228)의 하부 표면(231) 사이에 형성되도록, 중심 필러(247)가 하부 부품(220)과 일체로 형성되어 있는 것으로 도시되어 있다는 것이다. 그 외에는, 피스톤(212)이 도 9의 피스톤(110)에 관하여 상기한 것과 동일하다.

도 11 내지 도 11c에는, 본 발명의 다른 실시형태에 따라 구성된 피스톤(312)이 도시되어 있는데, 유사한 구조를 식별하기 위해 상기 실시형태에서 사용한 것과 동일한 참고 번호에 300을 더한 참고 번호가 사용되어 있다.

피스톤(312)은, 별개로 만들어진 하부 부품과 상부 부품을 서로 고정시킴으로써 만들어지는 것이 아니라, 예를 들면, 주조 작업으로 일체로 구성되어 있다. 피스톤(312)을 주조하는 것을 용이하게 하기 위해서, 냉각 통로(376)의 하부 표면의 경계를 이루는 플로어(360)가 플로어(360)의 중심에 배치되어 있는 것으로 도시된 개구(96)를 가지고 있다. 이 개구(96)는, 도 11c에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, 비제한적인 예로서, 개구(96)의 길이가 핀 보어 축(B)을 따라 대체로 중심으로 뻗어 있는, 대체로 직사각형이다. 피스톤(312)은, 중심 필러를 제외하고, 피스톤(12)에 대해서 상세히 설명한 구성요소의 거의 모두를 포함하고 있다. 따라서, 피스톤(312)은 일정하거나 실질적으로 일정한 두께(t)을 가지고 있는 연소 보울 벽(328)을 가진 연소 보울(326)을 가지고 있고, 강도를 배가시키기 위해 반경방향으로 뻗은 지지 부재 또는 리브(377)가 연소 보울 벽(328)과 플로어(360) 사이에 뻗어 있다. 또한, 피스톤(312)은 스커트 패널(354); 핀 보스(356); 그리고 핀 보어(358) 내에 그리고 핀 보어(358)들 사이에 뻗어 있는 최상부 리스트 핀 베어링면(357)을 가진 핀 보어(358)를 포함하고 있다.

도 11d에는, 본 발명의 다른 실시형태에 따라 구성된 피스톤(312')이 도시되어 있는데, 유사한 구조를 식별하기 위해 상기 실시형태에서 사용한 것과 동일한 참고 번호에 300'을 더한 참고 번호가 사용되어 있다.

피스톤(312')은 도 11 내지 도 11c의 피스톤(312)과 유사하지만, 플로어(360')에 확대된 직사각형 개구를 가지고 있는 것이 아니고, 피스톤(312')은 축소된 크기의 원형 개구(96')를 가지고 있고, 이로 인해 최상부 리스트 핀 베어링면(357')의 표면적이 증가된다.

도 12에는, 본 발명의 다른 실시형태에 따라 구성된 피스톤(112)이 도시되어 있는데, 유사한 구조를 식별하기 위해 상기 실시형태에서 사용한 것과 동일한 참고 번호에 400을 더한 참고 번호가 사용되어 있다.

피스톤(412)은 도 11의 피스톤(312)과 유사하지만, 일체로 주조되는 것이 아니고, 피스톤(412)은, 비제한적인 예로서, 마찰 용접 작업과 같은 작업으로 피스톤(412)의 나머지 주조된 크라운 부분에 용접된 스커트 패널(454)을 가지고 있다. 도 12a에 도시되어 있는 바와 같이, 피스톤(412)의 크라운 부분은 반경방향으로 뻗은 지지 부재 또는 리브(477)를 가진 개방된 환상체(toroid) 형상의 냉각 통로(476)를 포함하여 피스톤(312)에 관하여 도시되고 논의된 것과 대체로 동일한 특징을 가지고 있는 것으로 구성되어 있다. 또한, 상기 크라운 부분은 한 쌍의 환형 용접 표면(98)(도 12a)을 가지고 있는 것으로 도시되어 있다. 그리고, 도 12b에 도시되어 있는 바와 같이, 스커트 패널(454)은 처음에 크라운 부분의 용접 표면(98)과 결합되도록 구성된 한 쌍의 환형 용접 표면(99)을 가진 원통형 부재로 제공된다. 도 12c는 스커트 패널(454)의 여러 부분을 기계가공하기 전에 처음에 서로 용접된 크라운 부분과 스커트 패널(454)을 나타내고 있고, 도 12는 완성된 피스톤(412)을 나타내고 있다.

도 13에는, 본 발명의 다른 실시형태에 따라 구성된 피스톤(512)이 도시되어 있는데, 유사한 구조를 식별하기 위해 상기 실시형태에서 사용한 것과 동일한 참고 번호에 500을 더한 참고 번호가 사용되어 있다.

피스톤(512)은 하부 부품(520)을 상부 부품(522)에 고정시키는 제1 용접 연결부(572)와 제2 용접 연결부(574)를 가지고 있는 것을 포함하여 피스톤(12)과 유사하게 구성되어 있다. 제1 용접 연결부(572)는 피스톤(12)의 용접 연결부(72)와 유사하지만, 제2 용접 연결부(574)는 다르다. 피스톤(12)과 마찬가지로, 지지 부재 또는 필러(547)를 하부 부품(520)의 플로어(560)의 편평한 표면에 마찰 용접하는 것이 아니라, 상기 필러(547)가 피스톤(512)의 길이방향의 중심축(A)을 따라서 하부 부품(520)의 플로어(560)에 형성된 오목부 또는 개구(97) 내의 중심에 위치되어 용접되어 있다. 상기 개구(97)는 상기 필러(547)의 원뿔형 표면과 결합되도록 구성된 원뿔형 벽을 가지고 있는 관통 개구로 도시되어 있다. 따라서, 용접 연결부(574)는 원뿔대 형상을 가지도록 형성되어 있다. 그 외에는, 피스톤(512)이 도 1의 피스톤(12)과 동일하다.

도 14에는, 본 발명의 다른 실시형태에 따라 구성된 상부 부품(622)이 도시되어 있는데, 유사한 구조를 식별하기 위해 상기 실시형태에서 사용한 것과 동일한 참고 번호에 600을 더한 참고 번호가 사용되어 있다.

상부 부품(622)은 피스톤(12)에 대해서 도시된 것과 유사하지만, 상부 부품(622)의 중심 지지 부재 또는 필러(647)는 제2 상부 접합 표면(648)을 제공하는 테이퍼형 단부(tapered end)를 가지고 있다. 상기 테이퍼형 단부는 용접되는 표면들 사이에 증가된 압력을 제공하여, 용접 공정 동안 열을 증가시키고 재료의 용융을 촉진시킴으로써 하부 부품과의 견고한 용접 연결부를 형성하는 것을 용이하게 하고, 또한, 반경방향으로 외측에 있는 결합 표면보다 먼저 하부 부품과 접촉되어, 반경방향으로 외측에 있는 표면보다 느린 상대 속도로 회전하는 중심 필러(647)를 반경방향으로 외측에 있는 결합 표면보다 먼저 용융되기 시작하게 할 수 있다.

명백히, 상기의 개시내용에 기초하여 본 발명의 다양한 변형 및 수정이 가능하다. 별개의 여러 실시례에 대해서 상기한 특징들 중의 일부가 다른 실시례에 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다. 따라서, 첨부된 청구항의 범위내에서, 본 발명은 상기한 것과 달리 실시될 수 있다는 것을 알아야 한다.

Claims

내연기관용 피스톤 조립체로서,
언더크라운 표면을 가진 상부 연소벽과 상기 상부 연소벽으로부터 아래로 뻗어 있는 링 벨트 구역, 상부 표면과 하부 표면을 가진 플로어, 그리고 상기 언더크라운 표면과 상기 플로어에 의해 둘러싸인 실질적으로 폐쇄된 환형 냉각 통로를 가지고 있는 피스톤 헤드를 포함하고 있고, 상기 플로어는 상기 링 벨트 구역과 반경방향으로 정렬되어 상기 상부 연소벽 아래에 이격되어 있고, 상기 냉각 통로는 상기 링 벨트 구역으로부터 반경방향으로 안쪽으로 뻗어 있고;
상기 냉각 통로의 상기 플로어로부터 바로 아래로 뻗어 있는 한 쌍의 핀 보어;
상기 핀 보어에 수용되어 진동하도록 구성된 단부를 가진 핀;
상기 플로어의 상기 하부 표면에서 상기 핀 보어 내에 그리고 연속적으로 중단되지 않고 상기 핀 보어 사이에 뻗어 있는 핀 베어링면; 그리고
상기 핀과 함께 진동하도록 상기 핀에 고정된 단부를 가진 커넥팅 로드;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 조립체.
제1항에 있어서, 상기 언더크라운 표면과 상기 플로어의 상기 상부 표면 사이에 뻗어 있는 적어도 하나의 지지 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 조립체.
제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 지지 부재는 상기 피스톤 헤드의 길이방향의 중심축을 따라서 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 조립체.
제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 지지 부재는 상기 피스톤 헤드의 길이방향의 중심축으로부터 반경방향으로 바깥쪽으로 뻗어 있는 복수의 지지 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 조립체.
제4항에 있어서, 상기 플로어를 관통하여 뻗어 있는 개구를 더 포함하고 있고, 상기 개구는 상기 피스톤 헤드의 길이방향의 중심축을 따라 중심에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 조립체.
제1항에 있어서, 상기 피스톤 헤드는 상부 부품과 하부 부품을 포함하고 있고, 상기 상부 부품은 상기 상부 연소벽으로부터 아래로 뻗어 있는 환형의 제1 상부 접합 표면과 피스톤의 길이방향의 중심축을 따라서 상기 상부 연소벽으로부터 아래로 뻗어 있는 제2 접합 표면을 가지고 있고, 상기 하부 부품은 상기 플로어로부터 위로 뻗어 있는 환형의 하부 접합 표면을 포함하고 있고, 상기 하부 접합 표면은 제1 결합 이음부에서 상기 제1 상부 접합 표면에 결합되어 있고 상기 플로어의 상부 표면은 제2 결합 이음부에서 상기 제2 접합 표면에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 조립체.
제1항에 있어서, 상기 냉각 통로로 뻗어 있는 유입구 급유 포트 및 상기 핀과 접선 관계로 상기 냉각 통로로부터 뻗어 나온 유출구 급유 포트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 조립체.
제1항에 있어서, 오일이 상기 커넥팅 로드를 통하여 리스트 핀으로 유입되어 상기 핀 베어링면과 접촉되도록 하기 위해 상기 핀은 관통 구멍을 가지고 있고 상기 커넥팅 로드는 상기 관통 구멍과 정렬된 오일 통로를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 조립체.
제8항에 있어서, 상기 관통 구멍은 상기 핀의 직경에 걸쳐서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 조립체.
제9항에 있어서, 상기 오일 통로는 상기 커넥팅 로드의 길이에 걸쳐서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 조립체.
제1항에 있어서, 상기 냉각 통로는 폐쇄되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 조립체.
제11항에 있어서, 상기 냉각 통로는 냉매를 수용하고 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 조립체.
제12항에 있어서, 상기 냉매는 열전도성의 금속 함유 조성물인 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 조립체.
제13항에 있어서, 상기 금속 함유 조성물은 냉각 오일(0.13 W/m·K) 보다 5배 내지 1000배의 열전도율을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 조립체.
내연기관용 피스톤으로서,
언더크라운 표면을 가진 상부 연소벽과 상기 상부 연소벽으로부터 아래로 뻗어 있는 링 벨트 구역, 상부 표면과 하부 표면을 가진 플로어, 그리고 상기 언더크라운 표면과 상기 플로어에 의해 둘러싸인 실질적으로 폐쇄된 환형 냉각 통로를 가지고 있는 피스톤 헤드를 포함하고 있고, 상기 플로어는 상기 링 벨트 구역과 반경방향으로 정렬되어 상기 상부 연소벽 아래에 이격되어 있고, 상기 냉각 통로는 상기 링 벨트 구역으로부터 반경방향으로 안쪽으로 뻗어 있고;
상기 냉각 통로의 상기 플로어로부터 바로 아래로 뻗어 있는 한 쌍의 핀 보어; 그리고
상기 플로어의 상기 하부 표면에서 상기 핀 보어 내에 그리고 연속적으로 중단되지 않고 상기 핀 보어 사이에 뻗어 있는 핀 베어링면;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
제15항에 있어서, 상기 언더크라운 표면과 상기 플로어의 상기 상부 표면 사이에 뻗어 있는 적어도 하나의 지지 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
제16항에 있어서, 상기 적어도 하나의 지지 부재는 상기 피스톤 헤드의 길이방향의 중심축을 따라서 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
제16항에 있어서, 상기 적어도 하나의 지지 부재는 상기 피스톤 헤드의 길이방향의 중심축으로부터 반경방향으로 바깥쪽으로 뻗어 있는 복수의 지지 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
제18항에 있어서, 상기 플로어를 관통하여 뻗어 있는 개구를 더 포함하고 있고, 상기 개구는 상기 피스톤 헤드의 길이방향의 중심축을 따라 중심에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
제15항에 있어서, 상기 피스톤 헤드는 상부 부품과 하부 부품을 포함하고 있고, 상기 상부 부품은 상기 상부 연소벽으로부터 아래로 뻗어 있는 환형의 제1 상부 접합 표면과 피스톤의 길이방향의 중심축을 따라서 상기 상부 연소벽으로부터 아래로 뻗어 있는 제2 접합 표면을 가지고 있고, 상기 하부 부품은 상기 플로어로부터 위로 뻗어 있는 환형의 하부 접합 표면을 포함하고 있고, 상기 하부 접합 표면은 제1 결합 이음부에서 상기 제1 상부 접합 표면에 결합되어 있고 상기 플로어의 상부 표면은 제2 결합 이음부에서 상기 제2 접합 표면에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
제15항에 있어서, 상기 냉각 통로는 폐쇄되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
제21항에 있어서, 상기 냉각 통로는 냉매를 수용하고 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
제22항에 있어서, 상기 냉매는 열전도성의 금속 함유 조성물인 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
제23항에 있어서, 상기 금속 함유 조성물은 냉각 오일(0.13 W/m·K) 보다 5배 내지 1000배의 열전도율을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
내연기관용 피스톤 조립체의 제작 방법으로서,
언더크라운 표면을 가진 상부 연소벽과 상기 상부 연소벽으로부터 아래로 뻗어 있는 링 벨트 구역을 가지고 있고 상기 링 벨트 구역과 반경방향으로 정렬되어 상기 상부 연소벽 아래에 이격되어 있는 플로어를 가지고 있으며, 실질적으로 폐쇄된 환형 냉각 통로가 상기 언더크라운 표면과 상기 플로어에 의해 둘러싸여 있는, 피스톤 헤드를 형성하는 단계;
상기 냉각 통로의 상기 플로어로부터 바로 아래로 뻗어 있는 한 쌍의 핀 보어를 형성하는 단계;
상기 플로어의 하부 표면 내에서 상기 핀 보어 내에 그리고 연속적으로 중단되지 않고 상기 핀 보어 사이에 뻗어 있는 핀 베어링면을 형성하는 단계;
상기 핀 보어에 수용되어 진동하도록 핀을 삽입하는 단계; 그리고
상기 핀과 함께 진동하도록 커넥팅 로드의 단부를 상기 핀에 직접 고정시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 조립체의 제작 방법.
제25항에 있어서, 상기 언더크라운 표면과 상기 플로어의 상부 표면 사이에 뻗어 있는 적어도 하나의 지지 부재를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 조립체의 제작 방법.
제26항에 있어서, 상기 적어도 하나의 지지 부재를 상기 피스톤 헤드의 길이방향의 중심축을 따라서 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 조립체의 제작 방법.
제26항에 있어서, 상기 적어도 하나의 지지 부재를 상기 피스톤 헤드의 길이방향의 중심축으로부터 반경방향으로 바깥쪽으로 뻗어 있는 복수의 지지 부재로 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 조립체의 제작 방법.
제28항에 있어서, 상기 플로어를 관통하여 뻗어 있는 개구를 형성하는 단계를 더 포함하고 있고, 상기 개구는 상기 피스톤 헤드의 길이방향의 중심축을 따라 중심에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 조립체의 제작 방법.
제25항에 있어서, 상부 부품과 하부 부품을 가지고 있는 피스톤 헤드를 형성하고 상기 상부 부품를 상기 하부 부품에 결합시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 조립체의 제작 방법.
제25항에 있어서, 상기 핀과 접선 관계로 상기 냉각 통로로부터 뻗어 나온 유출구 급유 포트를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 조립체의 제작 방법.
제25항에 있어서, 오일이 커넥팅 로드를 통하고 리스트 핀을 통하여 상기 핀 베어링면과 접촉되도록 유동할 수 있게 하기 위해 상기 핀에 관통 구멍을 형성하고 커넥팅 로드에 오일 통로를 형성하고 상기 오일 통로를 상기 관통 구멍과 정렬시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 조립체의 제작 방법.
제25항에 있어서, 상기 냉각 통로를 완전히 폐쇄된 냉각 통로로 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 조립체의 제작 방법.
제33항에 있어서, 상기 완전히 폐쇄된 냉각 통로 내에 냉매를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 조립체의 제작 방법.