KR102576066B1

KR102576066B1 - 구리-니켈-주석 합금의 피스톤 압축 링

Info

Publication number: KR102576066B1
Application number: KR1020197019868A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 제이. 크러스; 스테펜 맥; 앤드류 제이. 휘터커
Original assignee: 마테리온 코포레이션
Priority date: 2017-01-06
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2023-09-07
Also published as: EP3565913A1; PL3565913T3; MX2019008187A; JP6991223B2; US20180195612A1; KR20190104537A; JP2020507038A; PT3565913T; US10837554B2; CN110366600A; WO2018128775A1; EP3565913B1

Abstract

피스톤 링은 구리-함유 합금으로 제조된다. 이 물질은 피스톤의 상부 압축 링이 피스톤 크라운에 더 가깝게 이동시키는 것을 가능하게 하여, 틈새 체적을 줄이고, 조기-점화 경향을 감소시킨다. 점화 타이밍 진각은, 상기 링을 설치하고, 센서가 허용하는 대로 ECU가 타이밍을 앞당겨 효율성을 높여, 실현될 수 있다. 또한, 더 짧은 피스톤 및 더 긴 커넥팅 로드는 가능하다. 더 짧은 피스톤은 엔진에서 왕복운동 질량을 줄이고, 더 긴 커넥팅 로드는, 피스톤을 라이너에 밀착시키는 방사상 방향 힘에 의해 유발된 마찰 손실을 감소시킨다. 조기-점화 경향 및 부피 감소 모두는 엔진 효율을 높인다.

Description

구리-니켈-주석 합금의 피스톤 압축 링

본 출원은 2017년 1월 6일자로 출원된 미국 가 특허출원 제62/443,475호의 우선권을 주장하며, 이 출원의 전체적인 내용은 본 명세서에 참조로서 병합된다.

본 개시는, 구리 합금으로 제조된 압축 링 (compression rings)에 관한 것이다. 상기 압축 링은, (예를 들어, 내연 기관용) 피스톤 (pistons)에 사용될 수 있다. 상기 링은 높은 열전도율 (thermal conductivity), 우수한 내마모성 및 열안정성을 나타낼 수 있다.

(대략적으로 연료 소비량에 대한 이동 거리, 또는 갤런 당 마일로 해석되는) 엔진 효율의 증가는, 많은 엔진 제조사 및 자동차 OEMs의 목표이다. 자동차 경주에서, 이것은 마력을 극대화하는 문제이다. 승용차에 있어서, 이번 EU 온실 가스 배출 기준은, 엔진 효율이 유럽의 주문자 상표 부착 제조업체 (OEMs)에게 우선 순위가 되었다. 그러나, 업계는 성능 저하가 없을 것으로 에상하므로, 더 작은 엔진이 더 큰 엔진만큼의 마력과 토크 (torque)를 생산할 것으로 예상된다. 출력 밀도 (power density) (리터당 마력) 및 제동 평균 유효 압력 (BMEP)을 높이는 것은, 터보차징 (turbocharging) 또는 슈퍼차징 (supercharging)을 필요로 하며, 이는 엔진 내에 압력 및 온도를 증가시킨다.

엔진 실린더에서 틈새 체적 (Crevice volume)은, 상부 압축 링 (top compression ring)으로부터 피스톤 크라운 (piston crown)까지, 피스톤과 실린더 라이너 (cylinder liner) 사이의 갭의 환형 체적 (annular volume)이다. 상기 틈새에서 연료가 연소되지 않기 때문에, 틈새 체적을 최소화하면 엔진 효율은 증가한다. 틈새 체적을 줄이는 하나의 방법은, 상부 압축 링을 피스톤 크라운에 더 가깝게 이동시키는 것이다. 그러나, 상부 압축 링이, 연소가 일어나는, 피스톤 크라운에 가깝게 이동됨에 따라, 상부 압축 링 그루브 (groove)의 온도는 증가하는데, 이는 피스톤 물질의 항복 강도 및 피로 강도를 감소시킨다. 상부 압축 링 그루브가, 사용된 피스톤 합금에 의존하는, 주어진 온도에 도달하는 경우, 피스톤의 열-감소된 강도 (heat-reduced strength)는 그루브에서 마모로 이어질 것이다. 과도한 그루브 마모는, 블로바이 (blowby)와 같은 다른 비효율을 결과할 수 있다. 이러한 비효율은 상부 압축 링을 피스톤 크라운에 더 가깝게 이동시키는 장점을 없앨 수 있고, 최악의 경우, 엔진 고장을 결과할 수 있다.

현재 사용중인 피스톤 압축 링 물질은, 상부 압축 링의 위치를 이동시켜 효율을 증가시키는 설계자의 능력을 제한한다. 피스톤 링에서 흔히 사용되는 주철 (cast iron) 및 강재 (steel materials)와 같이, 내마모성 및 열안정성이 우수한 합금은, 통상적으로 낮은 열전도율을 갖는다. 높은 열전도율, 우수한 내마모성, 및 열안정성을 갖는 압축 링을 제공하는 것이 바람직할 것이다.

본 개시는 구리, 니켈, 및 주석을 포함하는 구리-함유 합금으로 제조된 피스톤 링에 관한 것이다. 상기 피스톤 링은, (예를 들어, 내연 기관용) 피스톤에 사용될 수 있다. 상기 피스톤 링은, 우수한 내마모성 및 열안정성을 나타낸다. 상기 링을 포함하는 피스톤 어셈블리 (piston assemblies)를 제조하는 방법은 또한 개시된다.

구리, 니켈, 및 주석을 포함하는 구리-함유 합금으로 형성된 피스톤 링은, 다양한 구체 예에 개시된다.

몇몇 구체 예에서, 상기 구리-함유 합금은 오직 구리, 니켈 및 주석을 함유한다. 다른 구체 예에서, 상기 구리-함유 합금은 하나 이상의 부가적인 원소를 포함한다.

몇몇 구체 예에서, 상기 구리-함유 합금은: 약 8.0 wt% 내지 약 22 wt%의 니켈; 약 4.0 wt% 내지 약 10 wt%의 주석; 및 나머지로 구리를 함유한다. 특정 구체 예에서, 상기 구리-니켈-주석 합금은: 약 14.5 wt% 내지 약 15.5 wt%의 니켈; 약 7.5 wt% 내지 약 8.5 wt%의 주석; 및 나머지로 구리를 함유한다. 더 특정한 구체 예에서, 상기 구리-니켈-주석 합금은: 약 15 wt%의 니켈; 약 8 wt%의 주석; 및 나머지로 구리를 함유한다.

몇몇 구체 예에서, 상기 구리-함유 합금은: 약 6.0 wt% 내지 약 12 wt%의 니켈; 약 4.0 wt% 내지 약 8.0 wt%의 주석; 및 나머지로 구리를 함유하는, 구리-니켈-주석 합금이다. 특정 구체 예에서, 상기 구리-니켈-주석 합금은: 약 8.0 wt% 내지 약 10 wt%의 니켈; 약 5.5 wt% 내지 약 6.5 wt%의 주석; 및 나머지로 구리를 함유한다. 더 특정한 구체 예에서, 상기 구리-니켈-주석 합금은: 약 9 wt%의 니켈; 약 6 wt%의 주석; 및 나머지로 구리를 함유한다.

상기 피스톤 링은 구리-함유 합금으로 필수적으로 이루어질 수 있다. 상기 피스톤 링은 코팅되지 않을 수 있다.

상기 피스톤 링은 직사각형 또는 사다리꼴 단면을 가질 수 있다. 상기 피스톤 링은 버트 컷 (butt cut), 앵글 컷 (angle cut), 오버랩 컷 (overlapped cut) 또는 후크 컷 (hook cut)을 가질 수 있다.

또한, 다양한 구체 예들에서, 상부 링 그루브를 포함하는 피스톤 몸체 (piston body); 및 상기 상부 링 그루브 내에 피스톤 링을 포함하고, 상기 피스톤 링은, 여기에 기재된 바와 같은 구리, 니켈, 및 주석을 포함하는 구리-함유 합금으로 형성되는, 피스톤 어셈블리는, 여기에 개시된다.

또한, 엔진에 피스톤 어셈블리를 사용하는 단계를 포함하며, 상기 피스톤 어셈블리는 여기에 기재된 바와 같은 구리-함유 합금으로 형성된 피스톤 링으로 제조되는, 엔진 효율을 개선하는 방법은 개시된다.

이하 본 개시의 이들 및 다른 비-제한적인 특징은, 좀 더 구체적으로 개시된다.

이하 도면의 간단한 설명은, 여기에 개시된 대표적인 구체 예를 예시할 목적으로 제공되며, 이를 제한할 목적은 아니다.
도 1은, 본 개시의 몇몇 구체 예에 따른 피스톤 어셈블리의 사시도이다.
도 2는, 본 개시의 피스톤 압축 링이 제조될 수 있는 다른 단면의 예시적인 세트이다.
도 3은, 본 개시의 피스톤 압축 링이 제조될 수 있는 다른 조인트 단부의 예시적인 세트이다.

여기에 개시된 구성요소, 공정 및 물품/장치에 대한 좀 더 완전한 이해는, 수반되는 도면을 참조하여 얻어질 수 있다. 이들 도들은 단지 본 개시를 설명하는 편리성 및 용이성에 기초한 개략적인 표현이고, 따라서, 장치 또는 이의 구성요소의 상대적인 크기 및 치수를 나타내는 것으로 의도되지 않으며, 및/또는 대표적인 구체 예의 범주를 한정 또는 제한하는 것으로 의도되지 않는다.

비록 특정 용어가 명료성을 위해 하기 상세한 설명에서 사용될지라도, 이들 용어는, 도면에서 예시를 위해 선택된 구체 예의 특정 구조만을 지칭하도록 의도된 것이지, 본 개시의 범주를 한정하거나 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 이하 도면 및 하기 상세한 설명에서, 동일한 번호는 동일한 기능의 구성요소를 지칭하는 것으로 이해되어야 한다.

용어의 단수 형태는, 문맥이 명확하게 달리 지시하지 않는 한, 복수 대상을 포함한다.

본 명세서 및 청구 범위에서 사용된 바와 같은, 용어 "포함하는"은, "이루어진" 및 "필수적으로 이루어진" 구체 예를 포함할 수 있다. 여기에 사용된 바와 같은, 용어 "포함한다", "포함하다", "갖는", "갖는다", "할 수 있다", "함유하는", 및 이의 변형은, 지명된 성분들/단계들의 존재를 필요로 하고, 다른 성분들/단계들의 존재를 허용하는, 개방형-종결 전환 문구, 용어, 또는 단어인 것으로 의도된다. 그러나, 이러한 기재는, 지명된 성분들/단계들과 함께, 이로부터 결과될 수 있는 임의의 불가피한 불순물의 존재를 허용하고, 다른 성분들/단계들을 배제하는, 열거된 성분들/단계들로 "이루어지는" 및 "필수적으로 이루어지는" 조성물 또는 공정을 또한 설명하는 것으로서 해석되어야 한다.

본 출원의 명세서 및 청구 범위에서 수치 값은, 값을 결정하기 위해 본 출원서에 기재된 타입의 종래의 측정 기술의 실험 오차 미만만큼 명시된 값과 다른 수치 값 및 동일한 유효 숫자로 감소된 경우 동일한 수치 값을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

여기에 개시된 모든 범위는, 언급된 말단점을 포함하며, 독립적으로 조합될 수 있다 (예를 들어, "2 grams 내지 10 grams"의 범위는 말단점인, 2 grams 및 10 grams, 및 모든 중간 값을 포함한다).

용어 "약"은, 그 값의 기본 기능을 변화시키지 않고 변할 수 있는 임의의 수치 값을 포함하는 것으로 사용될 수 있다. 범위에서 사용된 경우, "약" 및 "대략"은 또한 두 말단점의 절대 값에 의해 한정된 범위를 개시하는데, 예를 들어, "약 2 내지 약 4"는 또한 범위 "2로부터 4까지"를 개시한다. 일반적으로, 용어 "약"은, 표시된 숫자의 ±10%인 것으로 지칭될 수 있다.

본 개시는 구리를 적어도 50 wt%의 양으로 함유하는 구리 합금에 관한 것이다. 부가적인 원소 (elements)는 이러한 구리-함유 합금에 또한 존재한다. 합금이 "A-B-C 합금" 형식으로 기재되는 경우, 합금은 원소 A, B, C, 등으로 필수적으로 이루어지며, 임의의 다른 원소는 불가피한 불순물로서 존재한다. 예를 들어, 문구 "구리-니켈-주석 합금"은, 구리, 니켈, 및 주석을 함유하고, 기술분야의 당업자에 의해 이해되는 바와 같은, 열거되지 않은 불가피한 불순물을 제외한 기타 원소를 함유하지 않는, 합금을 묘사한다. 합금이 "A-함유 합금"의 형식으로 기재되는 경우, 합금은 원소 A를 함유하고, 기타 원소를 또한 함유할 수 있다. 예를 들어, 문구 "구리-함유 합금"는, 구리를 함유하고, 기타 원소도 함유할 수 있는, 합금을 묘사한다.

피스톤은 연소 과정 동안 보어 (bore) (통상적으로 실린더형 보어)에서 전후로 왕복운동하는 엔진 부품 (통상적으로 실린더형 부품)이다. 연소실의 고정 단부는 실린더 헤드 (cylinder head)이고, 연소실의 가동 단부 (movable end)는 피스톤에 의해 형성된다.

피스톤은 원하는 중량 및 열전도율을 달성하기 위해 주조 알루미늄 합금으로 제조될 수 있다. 열전도율은 특정 물질이 열을 잘 전도하는 정도의 척도이며, Watts/(meter·Kelvin)의 SI 단위를 갖는다.

알루미늄 및 다른 피스톤 몸체 물질은 가열되는 경우 팽창한다. 적절한 양의 클리어런스 (clearance)는 보어에서 자유로운 움직임을 유지하기 위해 포함되어야 한다. 클리어런스가 너무 작으면 피스톤이 실린더에 달라 붙을 수 있다. 클리어런스가 너무 크면 압축 손실 및 소음이 증가할 수 있다.

도 1은 피스톤 어셈블리 (100)의 사시도이다. 피스톤 어셈블리 (100)는, 피스톤 로드 (110) 및 피스톤 헤드 (120)로 형성된다. 피스톤 크라운 (122)은 피스톤 헤드의 상부 표면이고, 엔진 사용 동안 대부분 힘 및 열이 가해진다. 피스톤 헤드는, 상부 링 그루브 (124), 중간 링 그루브 (126) 및 하부 링 그루브 (128)를 포함하는, 3개의 링 그루브로 예시된다. 다른 타입의 피스톤 링은 이들 그루브에 삽입된다. 피스톤 헤드에서 핀 보어 (130)는, 피스톤 헤드의 측면을 통해 수직으로 연장된다. 핀 (도시되지 않음)은 핀 보어를 통해 통과하여 피스톤 헤드를 피스톤 로드에 연결한다.

링 그루브는 피스톤 몸체에 대하여 주변을 둘러싸 연장되는 리세스 (recesses)이다. 링 그루브는 피스톤 링을 수용하도록 어떤 치수로 만들어지고, 구성된다. 링 그루브는 피스톤 링에 대한 밀봉 표면 (sealing surfaces)으로서 기능하는 링 랜드 (ring lands)의 2개의 평행한 표면을 한정한다.

피스톤 링은 연소실을 밀봉하고, 피스톤으로부터 실린더 벽으로 열을 전달하며, 오일을 크랭크케이스 (crankcase)로 되돌려 보낸다. 피스톤 링의 타입은, 압축 링, 와이퍼 링 (wiper rings) 및 오일 링 (oil rings)을 포함한다.

압축 링은, 통상적으로 피스톤 크라운에 가장 가까운 그루브에 위치되며, 본 개시의 주제이다. 압축 링은 누출을 방지하기 위해 연소실을 밀봉한다. 공기-연료 혼합물의 점화시, 연소 가스 압력은, 피스톤을 크랭크샤프트 (crankshaft) 쪽으로 힘을 가한다. 가압 가스는 실린더 벽과 피스톤 사이의 갭을 통해 링 그루브로 이동한다. 연소 가스로부터의 압력은, 실린더 벽에 대하여 압축 링에 힘을 가하여 밀봉을 형성한다.

와이퍼 링 (또한, 스크래퍼 링 (scraper rings) 또는 백-업 (back-up) 압축 링으로 알려짐)은 통상적으로 중간 압축 링 및 오일 링의 링 그루브에 위치된 테이퍼진 면을 갖는다. 와이퍼 링은 연소실을 더욱 밀봉하고, 실린더 벽으로부터 과도한 오일을 닦아낸다. 다시 말하면, 압축 링을 통과한 연소 가스는, 와이퍼 링에 의해 저지될 수 있다. 와이퍼 링은 압축 링의 접찰면 (rubbing surface)을 윤활하기 위해 실린더 벽에 일정한 유막 (oil film) 두께를 제공할 수 있다. 와이퍼 링은 오일 저장소를 향하여 테이퍼될 수 있으며, 피스톤이 크랭크샤프트의 방향으로 움직임에 따라 와이핑 (wiping)을 제공할 수 있다. 와이퍼 링은 모든 엔진에 사용되지 않는다.

오일 링은 크랭크케이스에 가장 가까운 그루브에 위치된다. 오일 링은 피스톤의 움직임 동안 실린더 벽으로부터 과도한 양의 오일을 닦아낸다. 과도한 오일은 오일 링 내에 개구를 통해 오일 저장조 (즉, 엔진 블록)로 되돌려 보내질 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 오일 링은 2-행정 사이클 (stroke cycle) 엔진에서 생략된다.

오일 링은 2개의 비교적 얇은 주행 표면 (running surfaces) 또는 레일 (rails)을 포함할 수 있다. 홀 (Holes) 또는 슬롯 (slots)은, 과잉의 오일이 역류할 수 있도록 링 (예를 들어, 이의 방사상 중심 (radial centers)) 내로 절단될 수 있다. 오일 링은 원-피스 (one-piece) 또는 멀티-피스 오일 링일 수 있다. 몇몇 오일 링은, 확장 스프링을 사용하여 링에 방사상으로 부가적인 압력을 적용한다.

도 2는 본 개시의 피스톤 압축 링의 다른 단면을 예시하는 세트이다. 압축 링은, 주행 면 (running face)으로 알려진 (실린더와 접촉하는) 외부 표면을 갖는, 환형 링이다. 이 모든 예시에서, 주행 면은 우-측 상에 있다. 피스톤 압축 링은 직사각형 단면, 테이퍼진 단면, 내부적으로 비스듬한 (internally beveled) 단면, 배럴-면 (barrel-faced) 단면, 또는 네이피어 (Napier) 단면을 가질 수 있다. 직사각형 단면에서, 단면은 직사각형이다. 내부적으로 비스듬한 단면은 직사각형 단면과 유사하지만, (실린더와 접촉하지 않는, 링 그루브 내에) 피스톤 링의 내부 표면의 상부측 (top side) 상에 에지 릴리프 (edge relief)를 갖는다. 테이퍼진-면의 단면에서, 주행 면은, 약 0.5 내지 약 1.5도 (예를 들어, 약 1도)의 테이퍼진 각을 갖는다. 테이퍼는, 와이핑 작용 (wiping action)을 제공하여 과도한 오일이 연소실로 진입하는 것을 방지할 수 있다. 배럴-면의 단면에서, 주행 면은 만곡되어, 일정한 윤활을 제공한다. 배럴-면 링은 또한 각 피스톤 행정 내내 오일의 분포를 향상시키는 웨지 효과 (wedge effect)를 생성할 수 있다. 만곡된 주행 표면은 또한 에지에서 과도한 압력 또는 작동 동안 과도한 기울기 (excessive tilt)에 의해 유발된 유막 파손의 가능성을 감소시킬 수 있다. 네이피어 단면은, 주행 면에 테이퍼가 있을 뿐만 아니라, 주행 면의 바닥면에 후크 형상 (hook shape)을 갖는다.

도 3은 본 개시의 피스톤 압축 링의 다른 컷/말단의 예시의 세트이다. 몇몇 경우에서, 피스톤 링을 링 그루브 내에 고정하기 위해, 피스톤 링은 원주를 통해 쪼개질 수 있어, 스플릿 (split) 근처에 2개의 자유 말단 (free ends)을 갖는 링을 생성한다. 여기에서, 버트 컷, 오버랩 컷, 및 후크 컷은 예시된다. 버트 컷에서, 단부는 링의 바닥면에 대해 수직이도록 절단된다. 앵글 컷에서, 말단은 버트 컷에서와 같이 수직이 아니라, 대략 45°의 각도로 절단된다. 오버랩 컷에서, 말단은 서로 중첩되도록 절단된다 ("반턱쪽매 이음" (shiplap)). 후크 컷에서, 단부는 서로 맞물리는 후크로, 후크를 형성하도록 절단된다. 컷은 서로 부착되는 자유 말단이 항상 갖는 것이 아니라는 점에 유의해야 한다. 이러한 컷은 피스톤 압축 링에 항상 존재하는 것은 아니다. 예를 들어, 자동차 피스톤 압축 링은, 완전한 원일 수 있거나, 또는 스플릿에서 열린 바이어스 (open bias)로 설계될 수도 있다. 저온 엔진의 실린더 내부인 경우, 갭은 거의 닫히고 (몇 마이크로 인치 이내), 및 열린 바이어스로부터의 스프링 력 (spring force)은 실린더와의 접촉을 향상시킨다. 엔진이 데워지면, 실린더는 링보다 더 빨리 팽창할 것이고, 열린 갭은 직경 내에서 커지는 실린더와 접촉을 유지한다.

본 개시에서, 피스톤 압축 링은, 다른 고 전도율 합금보다 피스톤 작동 온도에서 더 높은 강도를 갖는 구리-함유 합금으로 제조된다. 이들 합금은 또한 압축 링에 요구된 응력 완화 저항성 및 내마모성을 보유한다. 와이퍼 링 또는 오일 링은 여기에 기재된 구리-함유 합금으로 제조될 수 있는 것으로 또한 고려된다. 몇몇 대표적인 구체 예에서, 링은 약 0.10 lbs 내지 약 0.25 lbs를 포함하는, 및 약 0.15 lbs를 포함하는, 약 0.25 lbs 까지의 중량을 가질 수 있다. 다른 대표적인 구체 예에서, 링은 약 0.25 lbs 내지 약 1.0 lbs의 중량을 가질 수 있다. 링의 크기는 엔진 크기에 의존할 것이다. 링은 1000 millimeters, 또는 심지어 그 이상의 내경 (즉, 보어)을 가질 수 있는 것으로 고려된다.

구리-함유 합금은, 구리, 니켈 및 주석을 포함하거나, 구리, 니켈 및 주석으로 필수적으로 이루어지거나, 또는 구리, 니켈 및 주석으로 이루어질 수 있다.

몇몇 특정 구체 예에서, 상기 구리-함유 합금은: 약 8.0 wt% 내지 약 22 wt%의 니켈; 약 4.0 wt% 내지 약 10 wt%의 주석; 및 나머지로 구리를 함유하는, 구리-니켈-주석 합금이다. 더 특별한 구체 예에서, 상기 구리-니켈-주석 합금은: 약 14.5 wt% 내지 약 15.5 wt%의 니켈; 약 7.5 wt% 내지 약 8.5 wt%의 주석; 및 나머지로 구리를 함유한다. 더욱 더 특별한 구체 예에서, 상기 구리-니켈-주석 합금은: 약 15 wt%의 니켈; 약 8 wt%의 주석; 및 나머지로 구리를 함유한다. 이 합금은 Materion Corporation에서 ToughMet® 3으로 시판 중이다. ToughMet® 3 합금은 "CX" (주조 (cast) 및 스피노달 강화 (spinodally hardened)), "AT" (단조 (wrought) 및 스피노달 강화), 또는 "TS" (단조, 냉간 가공, 및 스피노달 강화)로 지명될 수 있다. ToughMet® 3은, 약 21 x 10⁶ psi의 탄성 계수; 약 9.00 g/㎤의 밀도; 약 38 W/m·K 내지 약 40 W/m·K의 열전도율; 약 620MPa 내지 약 1035MPa의 0.2% 오프셋 항복 강도; 및 약 760 MPa 내지 약 1140 MPa의 극한 인장 강도 (ultimate tensile strength)를 갖는다.

다른 특정 구체 예에서, 상기 구리-함유 합금은: 약 6.0 wt% 내지 약 12 wt%의 니켈; 약 4.0 wt% 내지 약 8.0 wt%의 주석; 및 나머지로 구리를 함유하는 구리-니켈-주석 합금이다. 더 특별한 구체 예에서, 상기 구리-니켈-주석 합금은: 약 8.0 wt% 내지 약 10 wt%의 니켈; 약 5.5 wt% 내지 약 6.5 wt%의 주석; 및 나머지로 구리를 함유한다. 더욱 더 특별한 구체 예에서, 상기 구리-니켈-주석 합금은: 약 9 wt%의 니켈; 약 6 wt%의 주석; 및 나머지로 구리를 함유한다. 이 합금은 Materion Corporation에서 ToughMet® 2로 시판 중이다. ToughMet® 2 합금은 "CX" (주조 및 스피노달 강화)로 지명될 수 있다. ToughMet® 2는, 약 57 W/m·K의 열전도율; 약 620MPa 내지 약 760MPa의 0.2% 오프셋 항복 강도; 약 725 MPa 내지 약 760 MPa의 인장 강도; 및 약 10% 내지 약 5%의 인장 신율 (tensile elongation)을 갖는다.

이들 합금의 사용은, 피스톤으로부터 실린더 벽 및 엔진 블록으로 열 전달의 증가에 기인하여 피스톤 크라운의 최대 온도를 감소시킨다. 감소된 최대 크라운 온도는, 조기점화의 가능성을 낮추고, 더 높은 압력을 견디는 피스톤의 능력을 증가시킨다. 피스톤 높이는 또한 감소될 수 있어, 피스톤에 대한 횡력 (side forces)에 기인한 마찰 손실을 줄이고, 엔진의 왕복운동 질량 (reciprocated mass)을 감소시켜 효율을 개선시킨다. 압축 링은 또한 피스톤 링 그루브에 대한 마찰을 감소시켜, 그루브 마모 및 블로바이를 감소시킨다. 이 합금은 또한 피스톤 헤드에 통상적으로 사용된 알루미늄의 열팽창계수에 가까운 열팽창계수를 가지므로, 열팽창과 연관된 틈새 체적의 증가를 제한한다. 점화 타이밍 진각 (Ignition timing advance)은 또한 이들 링을 사용하고, 엔진 제어 유닛 (ECU)이 타이밍을 앞당겨 실현될 수 있다. 또한, 더 긴 커넥팅 로드 (connecting rods)를 사용할 수 있어, 피스톤을 라이너에 밀어 붙이는 반경 방향 힘 (radial forces)에 의한 마찰 손실을 감소시킨다. 조기-점화에 대한 경향 및 체적을 감소시키는 모든 것은 엔진 효율을 증가시킨다.

본 개시는 대표적인 구체 예를 참조하여 기재된다. 전술한 상세한 설명을 읽고, 이해할 때 다른 사람들에게서 변경 및 개조는 일어날 것이다. 모든 이러한 변경 및 개조가 첨부된 청구 범위 또는 이의 균등물의 범주 내에 있는 한, 본 개시는 이들을 포함하는 것으로 해석되는 것으로 의도된다.

Claims

구리, 니켈, 및 주석을 포함하는 구리-함유 합금으로 형성되며, 여기서 상기 구리-함유 합금은:
8.0 wt% 내지 22 wt%의 니켈;
4.0 wt% 내지 10 wt%의 주석; 및
나머지로 구리를 함유하는, 피스톤 압축 링.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 구리-함유 합금은:
14.5 wt% 내지 15.5 wt%의 니켈;
7.5 wt% 내지 8.5 wt%의 주석; 및
나머지로 구리를 함유하는, 피스톤 압축 링.
청구항 1에 있어서,
상기 구리-함유 합금은:
15 wt%의 니켈;
8 wt%의 주석; 및
나머지로 구리를 함유하는, 피스톤 압축 링.
구리, 니켈, 및 주석을 포함하는 구리-함유 합금으로 형성되며, 여기서 상기 구리-함유 합금은:
6.0 wt% 내지 12 wt%의 니켈;
4.0 wt% 내지 8.0 wt%의 주석; 및
나머지로 구리를 함유하는, 피스톤 압축 링.
청구항 1에 있어서,
상기 구리-함유 합금은:
8.0 wt% 내지 10 wt%의 니켈;
5.5 wt% 내지 6.5 wt%의 주석; 및
나머지로 구리를 함유하는, 피스톤 압축 링.
청구항 1에 있어서,
상기 구리-함유 합금은:
9 wt%의 니켈;
6 wt%의 주석; 및
나머지로 구리를 함유하는, 피스톤 압축 링.
청구항 1에 있어서,
상기 피스톤 압축 링은 코팅되지 않은, 피스톤 압축 링.
청구항 1에 있어서,
직사각형 또는 사다리꼴 단면을 갖는, 피스톤 압축 링.
청구항 1에 있어서,
버트 컷, 앵글 컷, 오버랩 컷, 또는 후크 컷을 갖는, 피스톤 압축 링.
청구항 1에 있어서,
상기 피스톤 압축 링은, 0.25 파운드까지의 중량을 갖는, 피스톤 압축 링.
청구항 1에 있어서,
상기 피스톤 압축 링은, 0.25 파운드 내지 1.0 파운드의 중량을 갖는, 피스톤 압축 링.
상부 링 그루브를 포함하는 피스톤 몸체; 및
상기 상부 링 그루브 내에 피스톤 압축 링을 포함하며, 상기 피스톤 압축 링은, 구리, 니켈, 및 주석을 포함하는 구리-함유 합금으로 형성되며, 여기서 상기 구리-함유 합금은:
8.0 wt% 내지 22 wt%의 니켈;
4.0 wt% 내지 10 wt%의 주석; 및
나머지로 구리를 함유하는, 피스톤 어셈블리.
삭제
청구항 13에 있어서,
상기 구리-함유 합금은:
14.5 wt% 내지 15.5 wt%의 니켈;
7.5 wt% 내지 8.5 wt%의 주석; 및
나머지로 구리를 함유하는, 피스톤 어셈블리.
엔진에서 피스톤 어셈블리를 사용하는 단계를 포함하는, 엔진 효율을 개선하는 방법에 있어서, 상기 피스톤 어셈블리는:
상부 링 그루브를 포함하는 피스톤 몸체; 및
상기 상부 링 그루브 내에 피스톤 압축 링을 포함하며, 상기 피스톤 압축 링은, 구리, 니켈, 및 주석을 포함하는 구리-함유 합금으로 형성되며, 여기서 상기 구리-함유 합금은:
8.0 wt% 내지 22 wt%의 니켈;
4.0 wt% 내지 10 wt%의 주석; 및
나머지로 구리를 함유하는, 엔진 효율을 개선하는 방법.
삭제
청구항 16에 있어서,
상기 구리-함유 합금은:
14.5 wt% 내지 15.5 wt%의 니켈;
7.5 wt% 내지 8.5 wt%의 주석; 및
나머지로 구리를 함유하는, 엔진 효율을 개선하는 방법.
구리, 니켈, 및 주석을 포함하는 구리-함유 합금으로부터 피스톤 압축 링을 형성하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 구리-함유 합금은:
8.0 wt% 내지 22 wt%의 니켈;
4.0 wt% 내지 10 wt%의 주석; 및
나머지로 구리를 함유하는, 피스톤 압축 링의 제조방법.
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