KR102582339B1

KR102582339B1 - 갤러리없는 모놀리식 피스톤, 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR102582339B1
Application number: KR1020187021189A
Authority: KR
Inventors: 제프 리프; 미하엘 바인엥거
Original assignee: 페더럴-모걸 엘엘씨
Priority date: 2016-01-06
Filing date: 2017-01-04
Publication date: 2023-09-25
Also published as: CN108699997A; EP3400381A1; JP2019502856A; BR112018013210A2; EP3400381B1; KR20180100345A; WO2017120179A1; CN108699997B

Abstract

내연기관용 갤러리없는 스틸 피스톤이 제공되어 있다. 피스톤은 제 1 부분과 제 2 부분이 있는 상부 연소 표면을 형성하는 상부 벽을 포함하는 모놀리식 피스톤 바디를 가진다. 제 1 부분은 상부 벽의 외주를 따라 환형으로 뻗어 있고, 제 2 부분은 연소 보울을 정의한다. 피스톤은 냉각 오일의 접촉이 고려되어 있는 노출된 2차원 표면 영역이 있는 연소 보울의 바로 반대쪽에 위치되어 있는 언더크라운 표면을 더 포함한다. 노출된 2차원 표면 영역은 피스톤 바디의 최대 외경에 의해 정의되는 단면적의 25 퍼센트 내지 60 퍼센트의 범위를 가진다. 냉각을 더 강화하기 위하여, 언더크라운 표면의 일 부분은 오목하거나 볼록하여서, 오일은 피스톤의 왕복운동 동안 피스톤의 한쪽 측면으로부터 반대쪽 측면으로 흘려보내진다.

Description

갤러리없는 모놀리식 피스톤, 및 그 제조 방법

본 출원은 그 전체로 참조사항으로 본 명세서에 통합되어 있는 미국 특허출원 제14/988,885호의 이익을 주장한다.

본 발명은 대체로 내연기관에 관한 것이고, 보다 상세하게는 내연기관용 피스톤에 관한 것이다.

엔진 제조업체는 엔진의 효율과 성능을 향상시키는 것에 대한 증가하는 요구들을 마주하게 되는데, 여기에는 연비를 향상시키는 것, 오일 소모를 줄이는 것, 연료 시스템을 개선하는 것, 실린더 보어 내부에서의 작동 온도 및 압축 하중을 증가시키는 것, 피스톤을 통한 열 손실을 줄이는 것, 구성요소 부품들의 윤활을 향상시키는 것, 엔진 중량을 줄이는 것, 및 제조와 관련된 비용을 줄이면서도 이와 동시에 엔진을 컴팩트하게 만드는 것이 포함되지만 이에 제한되는 것은 아니다.

연소실 내부에서의 작동 온도와 압축 하중을 증가시는 것이 바람직하면서도, 작업가능한 한계 내에서 피스톤의 온도를 유지하는 것도 필수적이다. 따라서, 연소실 내부에서의 작동 온도와 압축 하중을 증가시키는 것이 바람직하지만, 이러한 바람직한 "증가"가 피스톤 압축 높이, 결과적으로는 전체적인 피스톤 크기와 질량이 감소되는 정도를 제한한다는 점에서 이러한 목적을 달성하는 것은 반대급부(tradeoff)를 동반하게 된다. 이는 피스톤의 작동 온도를 낮추기 위해서 통상적인 피스톤 구성이 닫힌 또는 부분적으로 닫힌 냉각 갤러리를 가진다는 점에서 특히 번거롭다. 닫힌 또는 부분적으로 닫힌 냉각 갤러리를 형성하기 위해서 접착 조인트를 따라 접합되어 있는 상부 부분과 하부 부분을 가지고 있는 피스톤을 제조하는 비용은 상부 부분과 하부 부분을 함께 접착하는데 사용되는 접합 공정 때문에 대체로 증가된다. 더욱이, 엔진 중량이 줄어들 수 있는 정도는 전술된 "냉각 갤러리있는(cooling gallery-containing)" 피스톤을 스틸(steel)로 만들 필요에 의해 영향을 받아서, 피스톤 상에 부과되는 기계적 부하와 열적 부하의 증가를 견딜 수 있다.

본 발명의 일 양태는 엔진 효율과 성능을 향상시키도록 설계된 내연기관용 피스톤을 제공한다. 피스톤은 언더크라운 표면을 따라 냉각 갤러리가 없으므로, 공지의 피스톤 구성에 비해 중량이 감소되고 이와 관련된 비용이 줄어들지만, 작업가능한 한계 내에서 피스톤의 온도를 유지하도록 뛰어난 냉각을 여전히 제공한다. 피스톤은 길이방향 중심 축을 따라 뻗어 있는 피스톤 바디를 구비한다. 피스톤 바디는 상부 연소 표면을 형성하는 상부 벽, 및 상부 연소 표면으로부터 늘어져 있는 환형의 링 벨트를 가진다. 상부 연소 표면은 제 1 부분과 제 2 부분을 가지는데, 제 1 부분은 상부 벽의 외주를 따라 환형으로 뻗어 있고, 제 2 부분은 제 1 부분으로부터 반경방향으로 안쪽을 향하여 늘어져 있는 연소 보울을 형성한다. 피스톤 바디는 링 벨트로부터 늘어져 있는 한 쌍의 스커트 패널, 및 스커트 패널들에 의해 서로로부터 이격되어 있되 측면방향으로 이격되어 있는 한 쌍의 핀 보어를 제공하는 한 쌍의 핀 보스를 더 포함한다. 언더크라운 표면은 상부 벽의 밑면에 형성되어 있고, 링 벨트의 반경방향으로 안쪽을 향하여 있되 상부 연소 표면의 제 2 부분 반대쪽에 위치되어 있다. 언더크라운 표면은, 길이방향 중심 축을 따라 바라보아 보이는 바와 같이 피스톤 바디의 최대 외경에 의해 정의되는 단면적의 25 퍼센트 내지 60 퍼센트의 범위를 가지는 노출된 2차원 표면 영역을 가진다.

본 발명의 다른 양태는 언더크라운 표면을 따라 냉각 갤러리가 없는 피스톤을 제조하는 방법을 제공한다. 방법은, 기계가공, 단조가공 및 주조가공 중 적어도 하나에 의해 길이방향 중심 축을 따라 뻗어 있는 피스톤 바디를 성형하는 단계를 구비한다. 피스톤 바디는 상부 연소 표면을 형성하는 상부 벽, 및 상부 연소 표면으로부터 늘어져 있는 환형의 링 벨트를 가진다. 상부 연소 표면은 제 1 부분과 제 2 부분을 가지는데, 제 1 부분은 상부 벽의 외주를 따라 환형으로 뻗어 있고, 제 2 부분은 제 1 부분으로부터 반경방향으로 안쪽을 향하여 늘어져 있는 연소 보울을 형성한다. 피스톤 바디는 링 벨트로부터 늘어져 있는 한 쌍의 스커트 패널, 및 스커트 패널들에 의해 서로로부터 이격되어 있되 측면방향으로 이격되어 있는 한 쌍의 핀 보어를 제공하는 한 쌍의 핀 보스를 더 포함한다. 언더크라운 표면은 상부 벽의 밑면에 형성되어 있고, 링 벨트의 반경방향으로 안쪽을 향하여 있되 상부 연소 표면의 제 2 부분의 반대쪽에 위치되어 있다. 언더크라운 표면은, 길이방향 중심 축을 따라 바라보아 보이는 바와 같이 피스톤 바디의 최대 외경에 의해 정의되는 단면적의 25 퍼센트 내지 60 퍼센트의 범위를 가지는 노출된 2차원 표면 영역을 가진다.

본 발명의 여러 가지 양태, 특징 및 이점은 본 발명의 바람직한 실시예들과 최적의 방식에 관한 다음에 오는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 첨부된 청구범위 및 첨부의 도면과 관련하여 고려해보면 더욱 용이하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 구성된 피스톤의 저면 사시도이고, 여기에서 피스톤은 언더크라운 표면을 따라 오목한 부분을 포함한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따르는 피스톤의 핀 보어 축에 대해 대체로 횡단방향으로 절단된 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따라 구성된 피스톤의 저면 사시도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따라 구성된 피스톤의 측면도이다.
도 5는 도 4에 있는 피스톤의 저면도이다.
도 6은 다른 예시적인 실시예에 따르는 도 4에 있는 피스톤의 저면도이다.
도 7에는 도 6에 나타나 있는 피스톤의 2차원 언더크라운 표면 영역이 도시되어 있다.
도 8에는 도 6에 나타나 있는 피스톤의 3차원 언더크라운 표면 영역이 도시되어 있다.
도 9에는 도 6에 나타나 있는 피스톤의 연소 보울의 2차원 표면 영역이 도시되어 있다.
도 10에는 상사점에서의 도 6에 나타나 있는 피스톤의 언더크라운 표면 위쪽에 분무되고 있는 오일이 도시되어 있다.
도 11은 하사점에서의 도 6에 나타나 있는 피스톤의 언더크라운 표면 위쪽에 분무되고 있는 오일이 도시되어 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따라 구성된 피스톤의 저면 사시도이고, 여기에서 피스톤은 피스톤의 중심 축으로부터 축방향으로 오프셋되어 있는 오목한 부분을 포함한다.
도 13은 볼록한 부분을 포함하는 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따라 구성된 피스톤의 측단면도이다.

도면에 대해 더욱 상세하게 살펴보면, 도 1 내지 도 13에는, 예컨대 오늘날의 컴팩트한 고성능 차량 엔진과 같은 내연기관의 실린더 보어나 챔버(미도시) 안에서의 왕복 운동을 위하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 구성된 피스톤(10)에 관한 도면이 도시되어 있다. 피스톤(10)은, 예컨대 기계가공, 단조가공 또는 주조가공을 통해서 단편(single piece)의 재료로부터 형성되는 모놀리식 바디를 가지도록 제조되는데, 요구되는 경우라면 제조를 완성하기 위해서 그 이후에 실행되는 가능성 있는 마무리 기계가공이 있다. 따라서, 피스톤(10)은 서로 접합되는 상부 부분과 하부 부분과 같이 함께 접합되는 복수의 부분들을 가지지 않는데, 이는 냉각 갤러리 바닥부에 의해 구획되거나 부분적으로 구획되는, 포위되어 있거나 부분적으로 포위되어 있는 냉각 갤러리를 가지는 피스톤에서는 일반적이다. 이와 대조적으로, 피스톤(10)은, 냉각 갤러리 바닥부, 또는 냉각 갤러리를 구획하거나 부분적으로 구획하는 다른 부재들을 가지지 않는다는 점에서 "갤러리없는(galleryless)" 상태이다. 스틸로 만들어지는 피스톤 바디는 오늘날의 고성능 내연기관에 있어서의 고성능 요구, 즉 증가된 온도와 압축 하중을 만족시키도록 튼튼하고 내구성있다. 바디를 제조하는데 사용되는 스틸(즉 강합금(steel alloy))은 특정 엔진 적용처에서의 피스톤(10)의 요건에 따라 SAE 4141 등급일 수 있고, 또는 이와 다른 것일 수 있다. 피스톤(10)이 갤러리없는 상태이기 때문에, 아래에서 설명되는 다른 것들 중에서 바디의 새로운 구성은 피스톤의 중량과 압축 높이(compression height; CH)를 최소화하고, 이로써 피스톤(10)이 줄어든 중량을 달성하도록 그 안에 배치되어 있는 엔진이 더욱 컴팩트하게 되는 것을 허용할 수 있다. 또한, 갤러리없는 상태일지라도, 아래에서 설명되어 도면에 나타나 있는 새로운 구성은, 피스톤(10)이 가장 가혹한 작동 온도를 견디도록 사용 동안 충분히 냉각되는 것을 허용한다.

피스톤 바디는, 내연기관의 실린더 보어 내부에서 연소 가스에 직접 노출되는 상부 연소 표면(16)을 제공하는 상부 벽(14)을 제공하고 있는 상부 헤드 또는 정상 구간을 가진다. 상부 연소 표면(16)은 상부 벽(14)의 외주를 따라 뻗어 있는 실질적으로 평평한 표면으로 형성되어 있는 환형의 제 1 부분(18), 및 연소 보울을 형성하는 제 2 부분(20)을 포함한다. 연소 보울을 형성하는 상부 연소 표면(16)의 제 2 부분(20)은 평평한 제 1 부분(18)으로부터 늘어져 있는 통상적으로 평평하지 않은 오목한 또는 파형의 표면을 가진다.

피스톤(10)은 또한, 상부 벽(14)의 밑면에 형성되어 있되 링 벨트(32)의 반경방향으로 안쪽을 항하고 있으면서 상부 연소 표면(16)의 제 2 부분(20) 바로 반대쪽에 있는 언더크라운 표면(24)을 포함한다. 언더크라운 표면(14)은 바람직하게는 연소 보울로부터 최소 거리에 위치되어 있고, 실질적으로 연소 보울로부터 바로 반대쪽 측면 상에 있는 표면이다. 언더크라운 표면(24)은 바닥으로부터 직선방향으로 피스톤(10)을 바라볼 때 핀 보어(40)를 제외하고 보이는 표면인 것으로 본 명세서에 정의되어 있다.

언더크라운 표면(24)은 또한 상부 벽(14)의 두께(t)의 관점에서 정의될 수 있다. 상부 벽(14)의 두께(t)는 상부 연소 표면(16)으로부터 상부 벽(14)의 밑면까지 뻗어 있다. 언더크라운 표면(24)인 것으로 여겨지는 상부 벽(14)의 밑면의 부분은 통상적으로 상부 연소 표면(16)의 제 2 부분(20)으로부터 떨어져 일정한 거리에 위치되어 있는 부분이고, 그 거리는 제 2 부분(20)을 따라 상부 벽(14)의 최소 두께(t)의 2배 정도이다. 언더크라운 표면(24)은 또한 상부 연소 표면(16)으로부터 떨어져 10 mm 이하의 거리에 위치되어 있는 상부 벽(14)의 밑면 중 일 부분으로 정의될 수 있다. 따라서, 언더크라운 표면(24)은 대체로 상부 연소 표면(16)의 연소 보울에 들어맞도록 형성되어 있다. 언더크라운 표면(24)은 또한 피스톤(10)의 밑면에서 보이는 바와 같이 개방적으로 노출되어 있고, 포위되어 있거나 부분적으로 포위되어 있는 냉각 갤러리, 또는 언더크라운 표면(24) 근처에 오일이나 냉각 유체를 유지하기에 용이한 임의의 다른 부재들에 의해 구획되어 있지 않다.

상부 벽(14)의 환형의 제 1 부분(18)은 상부 벽(14)의 외주를 형성하고, 제 1 부분으로부터 늘어져 있는 연소 보울을 형성하는 제 2 부분을 둘러싼다. 그러므로, 연소 보울을 포함하는 제 2 부분(20)은 상부 연소 표면(16)의 최상부 제 1 부분(18) 아래쪽으로 함몰되어 있다. 제 2 부분(20)의 연소 보울은 또한 환형의 제 1 부분(18)의 양쪽 측면들 사이에서 피스톤(10)의 전체 직경을 가로지르면서 중심 축(30)을 통해 연속적으로 뻗어 있다. 연소 보울은 통상적으로 환형의 제 1 부분(18)의 양쪽 측면들 사이에서 연속적으로 뻗어 있는 오목한 표면을 구비한다. 이와 달리, 연소 보울 벽은, 예컨대 센터 피크(center peak)(미도시)로도 지칭되는 상부 정점부를 제공하도록 윤곽형성될 수 있는데, 상부 정점부는 피스톤(10)의 중심 축(30)을 따라 동축방향으로 놓여있을 수 있고, 또는 피스톤 중심 축(30)에 대하여 축방향으로 오프셋되어 있을 수 있다. 피스톤(10)의 정상 구간은, 하나 이상의 대응하는 피스톤 링들(미도시)의 수용을 위한 하나 이상의 링 그루브(34)를 제공하도록 상부 연소 표면(16)으로부터 늘어져 있는 링 벨트(32)를 더 포함한다. 예시적인 실시예에서, 곡선형 프로파일을 가지는 적어도 하나의 밸브 포켓(29)은 상부 벽(14)의 환형의 제 1 부분(18) 안에 형성되어 있다. 연소 보울은 밸브 포켓(29)을 포함하지 않는다.

피스톤 바디는 대체로 상부 벽(14)으로부터 늘어져 있는 한 쌍의 핀 보스(38)를 포함하는 바닥 구간을 더 포함한다. 핀 보스(38)들은 각각 핀 보어(40), 바람직하게는 부싱없이(bushingless) 주어진 스틸 구성을 가지고, 여기에서 핀 보어(40)들은 길이방향 중심 축(30)에 대해 대체로 횡단방향으로 뻗어 있는 핀 보어 축(42)을 따라 동축방향으로 서로로부터 측면방향으로 이격되어 있다. 핀 보스(38)들은, 대체로 서로 평행한 것으로 나타나 있는 거리(PB)로 핀 보어 축(40)을 따라 서로로부터 이격되어 있고 외측면(43)으로도 지칭되는, 대체로 편평한 반경방향으로 최외측 표면을 가진다. PB 치수는 최소화되고, 이로써 이하에서 언더크라운 포켓(50)으로 지칭되는, 대체로 컵 형상의 함몰된 구역 중 노출된 영역을 최소화할 수 있다.

언더크라운 포켓(50)은 핀 보스(38)들의 반경방향으로 바깥쪽을 향하여 위치되어 있고, 각각의 포켓(50)의 적어도 일 부분은 언더크라운 표면(24)의 일 부분을 형성한다. 예시적인 실시예에서, 언더크라운 표면(24)의 부분을 형성하는 언더크라운 포켓(50)들의 부분들은, 상부 벽(14)의 최소 두께의 2배 정도의 거리로, 그리고 상부 연소 표면(16)으로부터 10 mm 이하의 거리로, 링 벨트(32)의 반경방향으로 안쪽을 향하고 있으면서 상부 연소 표면(16)의 제 2 부분(20)의 반대쪽에 위치되어 있다.

언더크라운 포켓(50)들은 또한 상부 연소 표면(16)의 환형의 제 1 부분(18)의 밑면 표면을 따라 언더크라운 표면(24)을 넘어 반경방향으로 바깥쪽을 향하여 뻗어 있고, 링 벨트(32)의 내측 표면을 따라 상부 벽(14)으로부터 늘어져 있다. 언더크라운 포켓(50)들의 이러한 부분들은 상부 벽(14)의 최소 두께의 2배보다 큰 거리로 그리고/또는 상부 연소 표면(16)으로부터 10 mm보다 큰 거리로 상부 연소 표면(16)의 제 2 부분(20)의 바깥쪽을 향하여 위치되어 있으므로, 언더크라운 표면(24)의 일 부분을 형성하지 않는다.

적어도 부분적으로는 최소화된 거리(PB) 때문에 포켓(50)들의 2차원 및 3차원 표면 영역이 최대화되어 있는 상태에서, 언더크라운 포켓(50)들의 노출된 표면에 대하여 크랭크케이스로부터 위쪽을 향하여 분무되거나 튀는 오일에 의해 유발되는 냉각은 강화되고, 이로써 상부 연소 표면(16), 언더크라운 표면(24) 뿐만 아니라 링 벨트(34)의 일 부분의 추가 냉각에 도움이 될 수 있다.

핀 보어(40)들은, 링 벨트(32) 근처에 배치되어 있되 이하에서 최상부 표면(44)으로 지칭되는 오목한 최상부 하중 지지 표면을 각각 가진다. 그러므로, 압축 높이(CH)는 최소화된다(압축 높이는 핀 보어 축(42)으로부터 상부 연소 표면(16)까지 뻗어 있는 치수임). 핀 보스(38)들은 스트럿(strut)(46)으로도 지칭되는 외측 패널들을 통해서 스커트 패널(skirt panel)(48)로도 지칭되는 양쪽 스커트 패널들에 직경방향으로 접합된다.

핀 보스(38)들, 스커트 패널(48)들 및 스트럿(46)들은 스트럿(46)들과 스커트 패널(48)들의 최하부 또는 바닥 표면(51)으로부터 언더크라운 표면(24)까지 뻗어 있는 열린 구역을 구획한다. 도 1, 도 2 및 도 4 내지 도 13의 실시예들에서, 리브(rib)들은 열린 구역에서 언더크라운 표면(24)을 따라, 핀 보스(38)들을 따라, 스커트 패널(48)들을 따라, 또는 스트럿(46)을 따라 위치되어 있지 않다. 추가로, 닫힌 또는 부분적으로 닫힌 냉각 갤러리는 열린 구역에 형성되지 않는다. 그러나, 피스톤(10)은 도 1과 도 2에서 확인되는 바와 같이 언더크라운 표면(24)에 인접한 각각의 스커트 패널(48)의 최상부 에지를 따라 단차 구역(stepped region)(54)을 포함한다. 도 1과 도 2의 예시적인 실시예들에서, 단차 영역(54)은 언더크라운 표면(24)의 일부로 여겨지지 않는다. 다른 실시예, 예컨대 도 3에 나타나 있는 실시예에서, 피스톤(10)은 냉각을 강화하기 위해서 언더크라운 표면(24)을 따라 한 쌍의 리브(58)를 포함하지 않는다. 이러한 리브(58)들은 양쪽 스커트 패널(38)들 사이에서 언더크라운 표면(24)을 따라 연속적으로 뻗어 있다.

피스톤(10)의 밑면을 따라 존재하는 열린 구역은 크랭크케이스 내부로부터 언더크라운 표면(24) 바로 위쪽으로 분무되고 있거나 튀는 오일에 대한 직접적인 접근을 제공하고, 이로써 크랭크케이스 내부로부터의 오일이 전체 언더크라운 표면(24)에 직접 튀게 되는 것을 허용할 수 있는 한편, 오일이 리스트 핀(미도시) 주위에서 자유롭게 튀는 것도 허용할 수 있고, 나아가 피스톤(10)의 중량을 상당히 줄일 수 있다. 따라서, 통상적인 닫힌 또는 부분적으로 닫힌 냉각 갤러리를 가지고 있지는 않더라도, 갤러리없는 피스톤(10)의 대체로 열린 구성은 언더크라운 표면(24)의 최적의 냉각 및 핀 보어(40) 내부에서의 리스트 핀에 대한 윤활을 허용하는 한편, 이와 동시에 일정량의 오일이 표면에 남아있는 시간인, 연소 보울 근처의 표면에서의 오일 잔류 시간을 줄일 수 있다. 줄어든 잔류 시간은, 예컨대 닫힌 또는 실질적으로 닫힌 냉각 갤러리를 가지는 피스톤들에서 일어날 수 있는 코킹된 오일(coked oil)의 원치않는 누적물을 줄일 수 있다. 그러므로, 피스톤(10)은 연장된 사용 내내 "청정상태(clean)"로 남아있고, 이로써 피스톤이 실질적으로 누적물이 없는 상태로 남아있는 것을 허용할 수 있다.

크랭크케이스로부터 튀거나 분무되는 오일에 직접 노출되는 상부 연소 표면(16) 바로 밑에 있는 언더크라운 표면(24)의 퍼센티지(percentage)는 언더크라운 표면(24)의 최적의 냉각에 기인한다. 피스톤(10)의 언더크라운 표면(24)은 닫힌 또는 부분적으로 닫힌 냉각 갤러리를 가지는 비교대상 피스톤들보다 더 큰 총 표면 영역(표면의 윤곽을 따라가는 3차원 영역)과 더 큰 돌출된 표면 영역(평면도에서 보이는 바와 같이 평평한 2차원 영역)을 가진다.

언더크라운 표면(24)의 윤곽을 따라가는 3차원 영역(A_u3D)으로 정의되는 총 노출된 표면 영역은 피스톤(10)이 사용중인 동안 냉각 오일에 의한 접촉을 위한 광범위한 영역이다. 예시적인 실시예들에서, 언더크라운 표면(24)의 3차원 영역(A_u3D)은 피스톤(10)의 최대 외경(OD)에 의해 정의되는 단면적(A_OD)의 30 퍼센트보다 크고, 통상적으로 그 단면적(A_OD)의 40 퍼센트 내지 90 퍼센트의 범위를 가진다.

언더크라운 표면(24)은 또한, 피스톤(10)의 최대 외경(OD)에 의해 정의되는 단면적의 25 퍼센트보다 큰 피스톤(10)의 바닥으로부터 대체로 길이방향 중심 축(30)을 따라 바라보아 보이는 2차원 표면 영역(A_u2D)으로 정의되되 통상적으로 그 단면적의 30 퍼센트 내지 60 퍼센트의 범위를 가지는, 돌출된 표면 영역을 가질 수 있다. 더욱 바람직하게는, 2차원 표면 영역(A_u2D)은 피스톤(10)의 최대 외경(OD)에 의해 정의되는 단면적의 30 퍼센트 내지 55 퍼센트의 범위를 가진다. 위에서 지시된 바와 같이, 언더크라운 표면(24)의 2차원 표면 영역(A_u2D)의 일 부분은 포켓(50) 내부에 위치되어 있다. 언더크라운 표면(24)의 2차원 표면 영역(A_u2D)은 또한 상부 연소 표면(16)을 따라 연소 보울의 2차원 표면 영역(A_c2D)에 대하여 측정될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 언더크라운 표면(24)의 2차원 표면 영역(A_u2D)은 연소 보울의 2차원 표면 영역(A_c2D)의 50 퍼센트 내지 125 퍼센트의 범위를 가진다. 추가로, 밸브 포켓(29)은 연소 보울의 2차원 표면 영역(A_c2D) 안에 포함되어 있지 않다.

언더크라운 표면(24)의 3차원 표면 영역(A_u3D)은 또한 상부 연소 표면(16)을 따라 연소 보울의 3차원 표면 영역(A_c3D)에 대하여 측정될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 언더크라운 표면(24)의 3차원 표면 영역(A_u3D)은 연소 보울의 3차원 표면 영역(A_c3D)의 50 퍼센트 내지 120 퍼센트의 범위를 가진다. 위에서 지시된 바와 같이, 언더크라운 표면(24)의 3차원 표면 영역(A_u3D)의 일 부분은 포켓(50) 내부에 위치되어 있다.

일 예시로서, 도 7에서는 도 6에 있는 피스톤(10)의 언더크라운 표면(24)의 2차원 표면 영역(A_u2D)과 외경(OD)이 확인되고, 도 8에는 도 6에 나타나 있는 피스톤(10)의 3차원 언더크라운 표면 영역(A_u3D)이 도시되어 있고, 도 9에는 도 6에 나타나 있는 피스톤(10)의 연소 보울의 2차원 표면 영역(A_c2D)이 도시되어 있다.

또한, 언더크라운 표면(24)의 노출된 영역은 통상적으로 도 7에 나타나 있는 바와 같이 피스톤(10)의 최대 외경(OD)의 75 퍼센트 내지 90 퍼센트의 범위를 가지는 직경(D_u)을 가진다. 언더크라운 표면(24)의 노출된 영역은 연소 보울의 직경(D_c)의 85 퍼센트 내지 140 퍼센트의 범위를 가지는 직경(D_u)을 가지고, 이는 대조적으로 닫힌 또는 실질적으로 닫힌 냉각 갤러리를 가지는 피스톤을 위하여 최대 100 퍼센트까지 이다.

그러나, 상대적인 직경과 상대적인 표면 영역의 퍼센티지는 강화된 냉각을 제공하면서도 위에 개시된 범위와 다를 수 있다. 피스톤(10)의 노출된 언더크라운 표면(24)의 상대적인 직경과 상대적인 표면 영역의 퍼센티지는 종래의 피스톤을 훨씬 초과하고, 일부 경우에는 3배 또는 그 이상이다. 그러므로, 상부 연소 표면(16)은 원한다면 오일 제트로부터의 도움으로 결합될 수 있는 크랭크케이스로부터 위쪽을 향하여 튀는 오일을 통해서 직접 냉각될 수 있다.

위에서 언급된 바와 같이, 피스톤(10)의 언더크라운 포켓(50)의 적어도 일 부분은 언더크라운 표면(24)의 적어도 일 부분 뿐만 아니라, 제 1 부분(18)의 밑면의 일 부분과 환형의 링 벨트(32)의 내측 표면의 일 부분을 정의한다. 예시적인 실시예들에서, 언더크라운 포켓(50)은 피스톤(10)의 최대 외경에 의해 정의되는 단면적(A_OD)의 18 퍼센트 내지 35 퍼센트의 범위를 가지는 총 2차원 표면 영역(A_p2D)을 함께 가진다. 언더크라운 포켓(50)은 또한 피스톤(10)의 최대 외경에 의해 정의되는 단면적(A_OD)의 50 퍼센트 내지 85 퍼센트의 범위를 가지는 총 3차원 영역(A_p3D)을 가진다. 언더크라운 포켓(50)의 3차원 영역(A_p3D)의 일 예시는 도 8에도 나타나 있다.

그러나, 언더크라운 포켓(50)의 2차원 표면 영역과 3차원 표면 영역이 위에 개시되어 있는 범위들과 다를 수 있는 한편, 포켓(50) 바로 위에 위치되어 있는 상부 연소 표면(16)의 구역들의 냉각에 상당히 기여할 수도 있다는 점을 유의한다.

도 1 내지 도 11에 나타나 있는 예시적인 피스톤(10)의 다른 상당한 양태는, 양쪽 스커트 패널(38)들과 양쪽 핀 보스(38)들 사이에 배치되어 있는 피스톤(10)의 언더크라운 표면(24)의 적어도 중심 부분(52)이 피스톤(10)의 바닥에서 바라보는 경우 형태가 오목한 것으로 되어 있다. 그러므로, 오일은 피스톤(10)의 왕복운동 동안 피스톤(10)의 한쪽 측면으로부터 피스톤(10)의 반대쪽 측면으로 흘려보내지고, 이로써 피스톤(10)의 냉각을 더욱 강화하는 역할을 할 수 있다. 오목 부분(52)은 스커트 패널(38)들 사이에서 길이방향으로 뻗어 있는 길이, 및 핀 보스(38)들 사이에 뻗어 있는 폭을 가진다. 오목한 부분(52)의 길이는 통상적으로 폭보다 크다. 예시적인 실시예들에서, 오목한 부분(52)의 곡률 반경은 30 mm 내지 500 mm의 범위를 가진다. 또한, 도 2 및 도 5 내지 도 9에 나타나 있는 예시적인 실시예들에서, 오목한 부분(52)은 포켓(50), 또는 언더크라운 표면(24)의 둘러싸는 다른 영역으로부터 축방향으로 오프셋되어 있다. 예를 들어, 오목한 부분(52)은 둘러싸는 영역보다 핀 보스(38)에 더 가까이 배치될 수 있다.

도 12에는 다른 예시적인 실시예에 따라 강화된 언더크라운 표면(24')이 있는 피스톤(10')이 도시되어 있다. 이 실시예에서, 피스톤(10')은 피스톤(10')의 길이방향 중심 축(30')으로부터 축방향으로 오프셋되어 있는 오목한 부분(52')을 포함한다. 이러한 오프셋되어 있는 오목한 부분(52')은 오목한 부분(52)을 대신하여 사용되거나 이에 추가하여 사용될 수 있다.

도 13에는 강화된 언더크라운 표면 영역(24")이 있는 또 다른 예시적인 피스톤(10")이 도시되어 있다. 이 실시예에서, 언더크라운 표면(24")은 피스톤(10")의 왕복운동 동안 오일을 흘려보내도록 피스톤(10")의 길이방향 중심 축(30")을 따라 배치되어 있는 볼록한 부분(56")을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 볼록한 부분(56")은 양쪽 스커트 패널(38")들 사이에서 전체 언더크라운 표면(24")을 따라 연속적으로 뻗어 있다. 그러나, 볼록한 부분(56")은 길이방향 중심 축에서 언더크라운 표면(24")의 일 부분만을 따라 위치될 수 있고, 또는 길이방향 중심 축(30")으로부터 축방향으로 오프셋될 수 있다. 볼록한 부분(56")의 곡률 반경은 통상적으로 80 mm 내지 300 mm의 범위를 가진다.

본 발명의 여러 가지 수정과 변형은 위 교시사항의 관점에서 가능성이 있다. 따라서, 본 발명이 특별히 기술되어 있는 바와 다른 방법으로 실시될 수 있다는 점, 및 본 발명의 범위가 궁극적으로는 허용되는 임의의 청구범위에 의해 한정된다는 점은 이해되어야 한다.

Claims

내연기관용 피스톤으로서, 상기 피스톤은:
길이방향 중심 축을 따라 뻗어 있는 피스톤 바디;
를 구비하고;
상기 피스톤 바디는 상부 연소 표면을 형성하는 상부 벽, 및 상기 상부 연소 표면으로부터 늘어져 있는 환형의 링 벨트를 가지고;
상기 상부 연소 표면은 제 1 부분과 제 2 부분을 가지는데, 상기 제 1 부분은 상기 상부 벽의 외주를 따라 환형으로 뻗어 있고, 상기 제 2 부분은 상기 제 1 부분으로부터 반경방향으로 안쪽을 향하여 늘어져 있는 연소 보울을 형성하고;
상기 상부 벽은 그 밑면에 형성되어 있는 언더크라운 표면을 가지고, 상기 언더크라운 표면은, 상기 링 벨트의 반경방향으로 안쪽을 향하고 있으면서 상기 상부 연소 표면의 상기 제 2 부분의 반대쪽에 위치되어 있고;
상기 피스톤 바디는 상기 링 벨트로부터 늘어져 있는 한 쌍의 스커트 패널을 포함하고;
상기 피스톤 바디는, 상기 스커트 패널들에 의해 서로로부터 이격되어 있되 측면방향으로 이격되어 있는 한 쌍의 핀 보어를 제공하는 한 쌍의 핀 보스를 포함하고;
상기 피스톤 바디는 상기 언더크라운 표면을 따라 냉각 갤러리가 없고; 그리고
상기 언더크라운 표면은, 상기 길이방향 중심 축을 따라 바라보아 보이는 바와 같이 상기 피스톤 바디의 최대 외경에 의해 정의되는 단면적의 25 퍼센트 내지 60 퍼센트의 범위를 가지는 노출된 2차원 표면 영역을 가지는;
것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서,
상기 언더크라운 표면의 상기 2차원 표면 영역은 상기 피스톤 바디의 상기 최대 외경에 의해 정의되는 상기 단면적의 30 퍼센트 내지 55 퍼센트의 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서,
상기 언더크라운 표면의 상기 2차원 표면 영역은 상기 연소 보울의 2차원 표면 영역의 50 퍼센트 내지 125 퍼센트의 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서,
상기 언더크라운 표면의 3차원 표면 영역은 상기 연소 보울의 3차원 표면 영역의 50 퍼센트 내지 120 퍼센트의 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서,
상기 언더크라운 표면은 상기 연소 보울의 직경의 85 퍼센트 내지 140 퍼센트의 범위를 가지는 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서,
상기 언더크라운 표면은 상기 피스톤 바디의 상기 최대 외경의 75 퍼센트 내지 90 퍼센트의 범위를 가지는 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서,
상기 언더크라운 표면은 상기 피스톤 바디의 상기 최대 외경에 의해 정의되는 상기 단면적의 30 퍼센트 내지 90 퍼센트의 범위를 가지는 3차원 표면 영역을 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서,
상기 피스톤 바디는 상기 핀 보스들의 반경방향으로 바깥쪽을 향하여 위치되어 있는 언더크라운 포켓들을 포함하고,
상기 언더크라운 포켓들의 적어도 일 부분은 상기 언더크라운 표면의 적어도 일 부분을 형성하고,
상기 언더크라운 포켓들은 상기 피스톤 바디의 상기 최대 외경에 의해 정의되는 상기 단면적의 18 퍼센트 내지 35 퍼센트의 범위를 가지는 총 2차원 표면 영역을 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 8 항에 있어서,
상기 언더크라운 포켓들은 상기 피스톤 바디의 상기 최대 외경에 의해 정의되는 상기 단면적의 50 퍼센트 내지 85 퍼센트의 범위를 가지는 총 3차원 영역을 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 8 항에 있어서,
상기 언더크라운 표면의 상기 부분을 형성하는 상기 언더크라운 포켓들의 상기 부분들은, 상기 상부 연소 표면으로부터 10 mm 이하의 거리로, 상기 링 벨트의 반경방향으로 안쪽을 향하고 있으면서 상기 상부 연소 표면의 상기 제 2 부분의 반대쪽에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서,
상기 언더크라운 표면은 상기 길이방향 중심 축을 따라 위치되어 있는 오목한 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 11 항에 있어서,
상기 오목한 부분의 길이는 상기 오목한 부분의 폭보다 더 큰 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 11 항에 있어서,
상기 오목한 부분은 30 mm 내지 500 mm의 범위를 가지는 곡률 반경을 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서,
상기 언더크라운 표면은 상기 길이방향 중심 축으로부터 축방향으로 오프셋되어 있는 오목한 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 14 항에 있어서,
상기 오목한 부분은 30 mm 내지 500 mm의 범위를 가지는 곡률 반경을 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서,
상기 언더크라운 표면은 상기 길이방향 중심 축을 따라 위치되어 있는 볼록한 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 16 항에 있어서,
상기 볼록한 부분은 80 mm 내지 300 mm의 범위를 가지는 곡률 반경을 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서,
상기 상부 벽은 상기 연소 표면으로부터 상기 상부 벽의 상기 밑면까지 뻗어 있는 두께를 가지고,
상기 언더크라운 표면은 상기 연소 표면으로부터 떨어져 거리를 두어 상기 밑면을 따라 위치되어 있고,
상기 거리는 상기 상부 벽의 최소 두께의 2배 정도인 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서,
상기 언더크라운 표면은 상기 상부 연소 표면으로부터 떨어져 거리를 두어 상기 상부 벽의 상기 밑면을 따라 위치되어 있고, 상기 거리는 10 mm 이하인 것을 특징으로 하는 피스톤.
피스톤을 제조하는 방법으로서, 상기 방법은:
기계가공, 단조가공 및 주조가공 중 적어도 하나에 의해 길이방향 중심 축을 따라 뻗어 있는 피스톤 바디를 성형하는 단계;
를 구비하고;
피스톤 바디는 상부 연소 표면을 형성하는 상부 벽, 및 상부 연소 표면으로부터 늘어져 있는 환형의 링 벨트를 가지고;
상부 연소 표면은 제 1 부분과 제 2 부분을 가지는데, 제 1 부분은 상부 벽의 외주를 따라 환형으로 뻗어 있고, 제 2 부분은 제 1 부분으로부터 반경방향으로 안쪽을 향하여 늘어져 있는 연소 보울을 형성하고;
상부 벽은 그 밑면에 형성되어 있는 언더크라운 표면을 가지고, 언더크라운 표면은, 링 벨트의 반경방향으로 안쪽을 향하고 있으면서 상부 연소 표면의 제 2 부분의 반대쪽에 위치되어 있고;
피스톤 바디는 상기 링 벨트로부터 늘어져 있는 한 쌍의 스커트 패널을 포함하고;
피스톤 바디는, 스커트 패널들에 의해 서로로부터 이격되어 있되 측면방향으로 이격되어 있는 한 쌍의 핀 보어를 제공하는 한 쌍의 핀 보스를 포함하고;
피스톤 바디는 언더크라운 표면을 따라 냉각 갤러리가 없고; 그리고
언더크라운 표면은, 길이방향 중심 축을 따라 바라보아 보이는 바와 같이 피스톤 바디의 최대 외경에 의해 정의되는 단면적의 25 퍼센트 내지 60 퍼센트의 범위를 가지는 노출된 2차원 표면 영역을 가지는;
것을 특징으로 하는 방법.