KR20140034244A - 냉각 갤러리를 가진 스틸 피스톤 및 그 제작 방법 - Google Patents

Abstract

피스톤 및 그 제작 방법이 제공된다. 피스톤은 바닥 부분에 고정된 정상 부분을 포함한다. 정상 부분은 최상부 표면으로부터 늘어져 있는 환형의 내측 상부 접합 표면과 외측 상부 접합 표면을 가진 최상부 표면을 가진다. 바닥 부분은, 핀 보어 축을 따라 서로 정렬되어 있는 핀 보어들을 가진 한 쌍의 보스부들; 위쪽을 향하여 뻗어있는 한 쌍의 환형의 내측 접합 표면과 외측 접합 표면; 및 연소통 벽을 가진다. 내측 용접 조인트와 외측 용접 조인트는 내측과 외측의 상부와 하부 접합 표면들을 서로에 대해 고정한다. 환형의 냉각 갤러리는 상부 접합 표면과 하부 접합 표면 사이에 측면방향으로 형성되어 있다. 정상 부분을 바닥 부분에 접합하는 내측 용접 조인트는 연소통 내부에 위치되고 피스톤의 압축 높이를 최소화하도록 구성된다.

Description

냉각 갤러리를 가진 스틸 피스톤 및 그 제작 방법{STEEL PISTON WITH COOLING GALLERY AND METHOD OF CONSTRUCTION THEREOF}

본 발명은 대체로 내연 기관에 관한 것이고, 더 상세하게는 피스톤 및 그 제작 방법에 관한 것이다.

엔진 제조업자들은 연비의 향상, 오일 소모량의 저감, 연료 시스템의 개선, 실린더 보어 내의 압축 하중의 증대, 피스톤을 통한 열손의 저감, 마찰 손실의 저감, 엔진 중량의 감소 및 엔진의 컴팩트화 등을 포함하되 이에 제한되지 않는 엔진 효율 및 성능을 향상시키는 것에 대한 증가하는 요구에 직면하고 있다. 이러한 목표들을 달성하기 위하여, 피스톤의 크기와 그 압축 높이는 감소될 필요가 있다. 그러나, 연소실 내부의 압축 하중을 증대시키는 것이 바람직하더라도, 피스톤을 작동가능한 한계 범위 내에 유지하는 것은 필수적이다. 따라서, 연소실 내부의 압축 하중을 증대시키는 것이 바람직하지만, 이러한 "증대"가 압축 높이 및 그에 따른 전체 엔진 크기가 감소될 수 있는 정도에 한계를 둔다는 점에서 절충요건(tradeoff)이 존재한다. 더욱이, 엔진 중량이 저감될 수 있는 정도로 피스톤 상에 부여되는 기계적 하중과 열적 하중의 증가로 인해 피스톤이 스틸로 제작될 것을 요한다는 점에서 절충된다.

본 발명에 따라 제작되는 피스톤은 본 명세서의 발명의 상세한 설명을

당해 기술분야에서의 통상의 기술자가 본 명세서에 개시된 것을 읽고 도면을 살펴보면 자명해지는 바와 같이, 공지된 피스톤 구성의 전술한 단점들과 다른 단점들을 극복한다.

본 발명에 따라 제작된 피스톤은 스틸로 제작되고, 이로써 피스톤에 강화된 강성과 내구성을 제공하여 최근의 고성능 엔진에서 볼 수 있는 것과 같은 실린더 보어 내부의 증가된 압축 하중을 견디게 한다. 더욱이, 피스톤의 신규한 구성 때문에, 피스톤의 중량과 압축 높이(compression height; CH)는 최소화될 수 있고, 이로써 그 내부에 피스톤이 배치되어 있는 엔진이 더 컴팩트화되고 경량화되게 한다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 내연 기관용 피스톤은: 상부 피스톤 부분; 및 하부 피스톤 부분;을 구비하고, 하부 피스톤 부분은 적어도 철계(ferrous-based) 재료로 제조되고; 하부 피스톤 부분은 핀 보어들을 따라 정렬된 결합식 핀 보어들이 형성된 한 쌍의 핀 보스부들을 가지고; 하부 피스톤은 동일한 재료의 핀 보스부들과 함께 원 피스로 형성되는 한 쌍의 피스톤 스커트부들을 더 포함하고; 상부 피스톤 부분과 하부 피스톤 부분은 각각 반경방향으로 서로 떨어져 이격되어 있는 환형의 내측 벽과 환형의 외측 벽을 포함하고 각각의 상기 내측 벽과 외측 벽 사이에 채널부를 보유하고; 상부 피스톤 부분의 내측 벽과 외측 벽은 내측 용접 조인트와 외측 용접 조인트를 가로질러 상기 하부 피스톤 부분의 각각의 상기 내측 벽과 외측 벽에 단단히 접합되어서, 함께 접합되는 내측 벽과 외측 벽에 의해 제공되는 2개의 측벽들을 가지는 환형의 냉각 갤러리를 상부 피스톤 부분에 의해 형성된 환형의 정상 벽부와, 하부 피스톤 부분에 의해 형성된 하부 벽부 사이에 형성하고; 함께 접합되는 상부 피스톤 부분과 하부 피스톤 부분은, 함께 접합되는 내측 벽들의 내측 표면에 의해 부분적으로 형성된 연소통을 포함하고, 하부 피스톤 부분의 상기 내측 벽으로부터 반경방향으로 안쪽을 향하여 뻗어있는 연소통의 대체로 돔 형상의 바닥 벽을 더 포함하고; 내측 용접 조인트는 연소통에 노출되고; 함께 접합되는 피스톤 부분들은 핀 보스부의 바닥 에지로부터 상부 벽의 정상면까지 측정되는 피스톤 높이(PH) 치수를 포함하고; 함께 접합되는 피스톤 부분들은 핀 보어 축으로부터 상부 벽의 정상면까지 측정되는 압축 높이(CH) 치수를 포함하고; 함께 접합되는 피스톤 부분들은 상부 벽의 외경으로서 측정되는 피스톤 직경(PD)을 포함하고; 그리고, 직경(D)은 약 103mm이고, 압축 높이(CH)는 약 40mm이고, 압축 높이(CH)/피스톤 높이(PH)의 비율은 약 2/3이다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 피스톤은 최상부 표면으로부터 늘어져 있는 환형의 내측 상부 접합 표면과 외측 상부 접합 표면을 가진 최상부 표면을 가지는 정상 부분을 포함하는 것으로 구성되어 있다. 피스톤은 바닥 부분을 더 포함하는데, 이 바닥 부분은, 핀 보어 축을 따라 서로 정렬되는 측면방향으로 이격되어 있는 한 쌍의 핀 보어들을 제공하는 한 쌍의 핀 보스부들을 가지고 있고, 상부 접합 표면과 하부 접합 표면 사이에 측면방향으로 뻗어있는 환형의 냉각 갤러리를 가진 내측 상부 접합 표면과 외측 상부 접합 표면 쪽으로 각각의 분리형 내측 용접 조인트와 외측 용접 조인트에 의해 접합되는 한 쌍의 위쪽을 향하여 뻗어있는 환형의 내측 하부 접합 표면과 외측 하부 접촉 표면을 가지고 있다. 바닥 부분은 최상부 표면 아래에 후퇴되어 있는 연소통 벽을 가지는데, 여기서 연소통 벽은 상부 첨단부와 하부 첨단부를 둘러싸는 환형의 골부(valley)를 가진 상부 첨단부 밑에 있는 하부 첨단부와 상부 첨단부 사이에 뻗어있는 두께를 가지고, 여기서 연소통의 두께는 실질적으로 일정하다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 피스톤은 최상부 표면으로부터 늘어져 있는 환형의 내측 상부 접합 표면과 외측 상부 접합 표면을 가진 최상부 표면을 가지고 있는 정상 부분을 포함하는 것으로 구성되어 있다. 피스톤은 바닥 부분을 더 포함하는데, 이 바닥 부분은, 핀 보어 축을 따라 축방향으로 정렬되는 한 쌍의 측면방향으로 이격된 핀 보어들을 제공하는 한 쌍의 핀 보스부들을 가지고 있고, 상부 접합 표면과 하부 접합 표면 사이에 형성된 환형의 냉각 갤러리를 가진 내측 접합 표면과 외측 접합 표면 쪽으로 각각의 분리형 내측 용접 조인트와 외측 용접 조인트를에 의해 접합되는 한 쌍의 위쪽으로 뻗어있는 환형의 내측 하부 접합 표면과 외측 접합 표면을 가지고 있다. 정상 부분과 바닥 부분은 일정한 외경을 가지는 피스톤 헤드 영역을 형성하고, 여기서 피스톤의 압축 높이는 핀 보어 축과 정상 부분의 최상부 표면 사이에 뻗어있다. 압축 높이의 범위는 피스톤 외경의 약 38% 내지 45% 사이에 있다. 본 발명의 다른 양태에 따르면, 내연 기관용 피스톤은: 반경방향으로 이격된 내측 접합 표면과 외측 접합 표면을 가지는 상부 피스톤 부분; 철계 재료로 제조되고 반경방향으로 이격된 접합 표면들을 가진 하부 피스톤 부분; 및, 상부 피스톤 부분과 하부 피스톤 부분의 내측 접합 표면과 외측 접합 표면을 단단히 접합하고, 내측 접합 표면과 외측 접합 표면 사이에는 냉각 갤러리를 형성하고 피스톤의 정상 쪽으로 개방되어 있고 냉각 갤러리의 안쪽에 있는 연소통을 형성하는 내측 용접 조인트와 외측 용접 조인트;를 구비하고, 내측 용접 조인트는 냉각 갤러리와 연소통 사이에 뻗어있고; 하부 피스톤 부분은 공통 핀 보어 축을 따라 정렬되는 결합식 핀 보어들 및 한 쌍의 핀 보스부들과, 동일한 재료의 핀 보스부들과 함께 원 피스로서 형성된 한 쌍의 스커트부를 포함하고; 피스톤은 핀 보어 축으로부터 피스톤의 정상면까지의 거리로서 측정된 압축 높이(CH)와 피스톤 외경(PD)을 가진 정상면을 가지고; 여기서 압축 높이(CH)는 피스톤 외경(PD)의 38% 내지 45% 사이이다.

이러한 피스톤의 이점은, 피스톤을 더 강하지만 컴팩트하게 제조하는 것을 가능하게 하면서, 보통은 대형 피스톤 적용처에 결합되는 더 큰 유형의 냉각 피스톤에 유리한 성능을 발휘하지만 작은 패키지 크기의 소형 엔진에도 사용되는 피스톤에도 유리한 성능을 발휘한다는 것이다.

본 발명의 여러 가지 양태들, 특징들 및 이점들은, 다음에 오는 현재의 바람직한 실시예들과 최선의 실시예에 대한 상세한 설명, 첨부된 특허청구범위 및 첨부의 도면들과 관련하여 고려되는 경우에는 더욱 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 양태에 따라 구성된 피스톤의 부분적으로 절단된 사시도이다.
도 2는 도 1에서의 피스톤의 측면도이다.
도 3은 피스톤의 핀 보어 축에 대해 가로지르면서 길이방향 중심축을 관통하여 전체적으로 절단된 도 1에서의 피스톤의 횡단면도이다.
도 3a는 도 3과 같이 동일한 축을 따라 전체적으로 절단된 도 1에서의 피스톤의 바닥 부분의 횡단면도이다.
도 4는 핀 보어 축을 따라 전체적으로 절단된 도 1에서의 피스톤의 횡단면도이다.
도 4a는 도 4와 같이 동일한 축을 따라 전체적으로 절단된 도 1에서의 피스톤의 바닥 부분의 횡단면도이다.
도 5는 도 1에서의 피스톤의 저면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 양태에 따라 구성된 피스톤에 대한 도 1에 유사한 도면이다.
도 7은 피스톤의 핀 보어 축에 대해 횡단방향이면서 길이방향 중심축을 통과하여 전체적으로 절단된 도 6에서의 피스톤의 횡단면도이다.
도 7a는 도 7과 같이 동일한 축을 따라 전체적으로 절단된 도 6에서의 피스톤의 바닥 부분의 횡단면도이다.
도 8은 핀 보어 축을 따라 전체적으로 절단된 도 6에서의 피스톤의 횡단면도이다.
도 8a는 도 8과 같이 동일한 축을 따라 전체적으로 절단된 도 6에서의 피스톤의 바닥 부분의 횡단면도이다.
도 9는 도 6에서의 피스톤의 바닥 부분의 평면도이다.
도 10은, 피스톤의 핀 보어 축에 대해 횡단방향이면서 길이방향 중심축을 통과하여 전체적으로 절단된, 본 발명의 다른 양태에 따라 구성된 피스톤의 횡단면도이다.
도 11은 핀 보어 축을 따라 전체적으로 절단된 도 10에서의 피스톤의 횡단면도이다.
도 12는 도 10에서의 피스톤의 저면도이다.
도 13은 도 10에서의 피스톤의 평면도이다.
도 14는 본 발명의 대체 실시예의 평면도이다.
도 15는 도 14에서의 15-15 라인을 따라 전체적으로 절단된 횡단면도이다.
도 16은 도 14에서의 16-16 라인을 따라 전체적으로 절단된 횡단면도이다.
도 17은 도 14에서의 피스톤의 저면도이다.

도면에 대해 더 상세히 참조하면, 도 1에는, 예컨대 컴팩트한 최근의 고성능 차량용 엔진과 같은 내연 기관의 실린더 보어 또는 챔버(미도시)에서의 왕복 운동을 위하여, 본 발명의 현재의 바람직한 일 실시예에 따라 구성된, 피스톤(10)의 부분적으로 절단된 사시도가 도시된다. 피스톤(10)은 적어도 2개의 분리형 피스로 만들어지는 바디(12)를 가지는데, 여기서 2개의 분리형 피스는 처음에는 분리형 부품들로서 제작되고 그 다음에는 용접 조인트(즉, 유도 용접, 마찰 용접, 납땜 조인트, 전하 운반체 광선, 레이저, 저항 등)의 일부 형태를 가로지르는 헤드 영역(14) 내부에서 서로 접합된다. 2개의 부품들은 바닥 부분(16)과 정상 부분(18)을 구비한다. 본 명세서에서의 "정상", "바닥", "상부" 및 "하부"라는 지칭은 수직인 길이방향 중심 피스톤 축(A)을 따라 배향되는 피스톤과 관련되어 있고, 이 축을 따라 피스톤(10)은 사용시 왕복운동한다. 이는 편의상 그러한 것이지 제한하기 위한 것은 아닌데, 왜냐하면 피스톤이 일정한 각도로 또는 이와 달리 완전히 수직방향으로 설치되어 작동할 가능성이 있기 때문이다. 적어도 피스톤(10)의 바닥 부분(16)은 주입식 주조(investment casting) 공정에서와 같이 최종 형상에 근접한 스틸로 된 주조물이다. 피스톤(10)의 정상 부분(18)은 피스톤의 바닥 부분(16)으로부터의 분리형 피스와 같이 스틸로 제조될 수 있다. 바닥 부분(16)과 정상 부분(18)을 제작하는데 사용되는 재료(즉, 스틸 알로이)는 특정 엔진 적용처에서의 피스톤(10)의 필수조건에 좌우되어 동일하거나 다를 수 있다. 정상 부분(18)은 주조물일 수도 있고, 스톡으로부터 기계가공될 수도 있으며, 소결가공, 단조가공되거나 다수의 공정에 의해 제조될 수 있다. 스틸로 제작되는 바닥 부분(16)과 정상 부분(18)은 피스톤(10)에 강화된 강도와 내구성을 제공해서, 실린더 보어 내부의 증가된 압축 하중을 견디고 그 신규한 구성 때문에 피스톤(10)의 압축 높이(CH)와 하중을 최소화하고, 이로써, 그 안에 피스톤(10)이 배치되어 있는 엔진이 감소된 중량을 달성하게 하고 더욱 컴팩트하게 한다.

도 1, 도 3 및 도 4에 나타나 있는 바와 같이, 피스톤(10)의 헤드 영역(14)은 환형의 연소통(22)을 둘러싸는 환형의 정상 벽(20)을 가지고, 이 환형의 연소통은 정상 벽(20)의 최상부 연소 표면 아래로 후퇴되어 있다. 연소통(22)은, 중심에 위치되어 있는 박벽(thin-walled) 바닥 또는 노면(26)을 포함하는, 벽부에 의해 구획되는데, 이 박벽 바닥 또는 노면은 바닥 표면(30)으로도 지칭되는 밑에 있는 언더크라운(undercrown) 표면과 상부 표면(28) 사이에 뻗어있는 균일하고 일정한 두께를 가진다. 연소통(22)의 외형은 상부 표면(28)에 의해 형성되는데, 여기서 상부 표면(28)은 상부 선단부 또는 중심 첨단부(32)를 제공하도록 외형결정되는 바와 같이 나타나 있고, 상부 선단부 또는 중심 첨단부는 피스톤(10)의 중심축(A)을 따라 동축방향으로 놓여있을 수 있고 도 6 내지 도 9와 관련하여 아래에서 더 설명되는 바와 같이 피스톤 중심축(A)에 대하여 반경방향으로 오프셋(offset) 될 수도 있다. 연소통 벽부(24)의 외형은 또한 첨단부(32)를 둘러싸는 환형의 골부(34)를 제공하는데, 이 환형 골부는 첨단부(32)에 대하여 동심에 있고 연소통(24)의 최하부를 형성하는 것으로 나타나 있다. 노면(26)이 피스톤 헤드 외경의 2.5% 내지 4.0% 사이의 범위의 일정한 또는 실질적으로 일정한 두께를 가지는 상태에서, 바닥 표면(30)은 연소통 상부 표면(28)의 외형을 따라가거나 실질적으로 따라간다. 따라서, 상승된 하부 선단부 또는 첨단부(36)는 상부 선단부(32) 바로 밑에 있는 상태로 형성되어서, 커넥팅 로드(미도시)의 소단부(small end)라고도 지칭되는 리스트 핀 단부(wrist pin end)를 수용하는 최대 가용 공간을 제공한다. 따라서, 커넥팅 로드의 소단부는 왕복운동 동안 강화된 안내와 안정을 제공하는 크기로 증가될 수 있다.

도 3a와 도 4a에 가장 잘 나타나 있는 바와 같이, 피스톤(10)의 바닥 부분(16)은 노면(26) 및 그에 따른 연소통(22)의 골부(34)와 첨단부(32) 모두를 포함하도록 제조된다. 도 1, 도 3 및 도 4를 다시 참조하면, 연소통(22)은 외주방향 환형 직립 측벽(38)을 더 포함하는데, 이 측벽은 골부(34) 근처의 연소통(22)의 노면(26)으로부터 헤드 영역(14)의 정상 벽(20) 쪽으로 위쪽을 향하여 둘러싸면서 뻗어있다. 연소통 측벽(38)은 부분적으로는 피스톤(10)의 정상 부분(18)에 의하여 그리고 부분적으로는 바닥 부분(16)에 의하여 형성된다. 따라서, 측벽(38)은 바닥 부분(16)에 의해 제공되는 하부 측벽부(37)(도 3a 및 도 4a)와, 정상 부분(18)에 의해 제공되는 상부 측벽부(39)(도 1, 도 3 및 도 4)를 포함한다. 연소통 상부 측벽부(39)의 최상부 영역은 정상 부분(18)에 의해 전체적으로 형성되는 연소통(22)의 반경방향으로 안쪽을 향하여 돌출하는 환형 립 또는 림(40)을 제공해서, 연소통(22)의 측벽(38)은 언더컷되어 환형의 오목한 공동(42)을 피스톤(10)의 정상 부분(18)에 제공한다. 환형의 하부 측벽부(37)과 상부 측벽부(39) 각각은 하부 단부 접합 표면(41)과 상부 단부 접합 표면(43)을 각각 가지고, 이들은 피스톤(10)의 제작시 서로 용접된다. 하부 단부 접합 표면(41)은 예로써 제한 없이 연소통 노면(26)의 밑에 있는 첨단부(36)와 동일 평면 또는 실질적으로 동일 평면에 있는 것으로 나타나 있고, 그 결과 중심 첨단부(32)는 하부 단부 접합 표면(41)의 평면 위쪽으로 뻗어있다.

피스톤(10)의 헤드 영역(14)은 피스톤(10)의 환형의 외측벽(46)에 형성된 환형의 링 벨트(44)를 더 포함한다. 외측벽(46)은 정상 벽(20)으로부터 아래쪽을 향하여 뻗어있는데, 여기서 외측벽(46)의 상부는 피스톤(10)의 정상부(18)에 의해 제공되고, 외측벽의 남아있는 저면부는 바닥 부분(16)에 의해 제공된다. 외측벽(46)의 상부는 정상 벽(20)으로부터 환형의 외측 상부 접합 표면(76) 쪽으로 늘어져 있는 한편, 외측벽(46)의 하부는 환형의 외측 하부 접합 표면(74) 쪽으로 위쪽을 향하여 뻗어있다. 링 벨트(44)의 상부는 피스톤(10)의 정상 부분(18) 내부의 외부벽(46)의 상부에 형성되어 있는 바와 같이 나타나 있고, 링 벨트(44)의 하부는 피스톤(10)의 바닥 부분(16) 내부의 외측벽(46)의 바닥부에 형성되어 있는 바와 같이 나타나 있다. 링 벨트(40)는 복수 개의 환형의 외측 링 그루브(45)들을 가지는데, 이 그루브들 내에는 피스톤 링들(미도시)이 보통의 방식으로 수용되어 있다. 나타나 있는 링 그루브(45)는 피스톤 헤드 영역(14)의 정상 벽(20)에 인접한 최상부 링 그루브를 포함하는데, 여기서 최상부 링 그루브는 정상 부분(18)과 바닥 부분(16) 사이에서 전체적으로 정상 부분(18) 내부에 형성되거나 전체적으로 바닥 부분(16) 내부에 형성될 수 있고, 여기서 최상부 링 그루브(45)는 압축 링(미도시)을 수용하도록 제공된다. 더욱이, 최상부 링 그루브(45) 아래에는 한 쌍의 하부 링 그루브(45)들이 나타나 있고, 여기서 한 쌍의 하부 링 그루브(45)들은 중간 와이퍼 링과 최하부 오일 링(모두 미도시)을 수용하도록 바닥 부분(16) 내에 형성되는 것이 바람직하다. 또한 더욱이, 환형의 바닥(4 번째) 그루브 또는 리세스(45')는 최하부 오일 링 그루브(45) 아래에 형성되는데, 여기서 환형의 리세스(45')는 주로 중량 감소 부재와 같이 "주조된 그대로(as cast)" 형성된다. 바닥 벽(48)은 전체적으로 바닥 부분(16)의 재료로 형성된다. 바닥벽(48)은 연소통(22)의 측벽(38)의 반경방향 안쪽을 향하는 연소통(22)의 노면(26)속으로의 전이 영역(51) 전체에 걸쳐서 반경방향 안쪽을 향하여 전이한다.

피스톤(10)의 헤드 영역(14)은 중심축(A)을 향하여 링 벨트(44)의 하부 단부로부터 반경방향으로 안쪽을 향하여 뻗어있는 환형의 바닥 벽(48)을 더 포함한다. 바닥 벽(48)은 바닥 부분(16)의 재료로 완전히 형성된다. 바닥 벽(48)은 연소통(22)의 측벽(38)의 반경방향으로 안쪽을 향하여 연소통(22)의 저면(26) 속으로 전이 영역(51) 위에 반경방향으로 안쪽을 향하여 전이한다.

헤드 영역(14)의 환형 바닥 벽(48)은 정상 벽부(20)로부터 중심축(A)을 따라 축방향으로 정렬하여 이격되어 있고, 링 벨트(44)의 외측벽(46)은 내측 연소통 측벽(38)으로부터 반경방향 바깥쪽을 향하여 이격되어 있다. 따라서, 길이방향 단면에 나타나 있는 바와 같이, 이러한 벽(48, 20, 46, 38)들은 환형의 원뿔형상의 박스 구조체를 형성하고, 이 구조체는 피스톤 헤드 영역(14) 내부에서 실질적으로 둘러쌓인 원주방향으로 연속적인 오일 갤러리(50)를 획정한다. 오일 갤러리(50)의 상부 영역은 피스톤(10)의 정상 부분(18)에 의해 형성되고, 오일 갤러리(50)의 하부 영역은 피스톤(10)의 저면 부분(16)에 의해 형성된다. 노면(48)이라고도 지칭되는 오일 갤러리(50)의 바닥 벽은 적어도 하나의 오일 공급장치 또는 유입구(52)와 함께 형성되는데, 오일 공급장치 또는 유입구는, 그 내부에 피스톤(10)이 설치되어 있는 디젤 엔진의 작동 동안 오일 제트와 같은 공급원(미도시)으로부터의 냉각 오일의 유동을 안내하기 위하여, 피스톤(10)의 바닥 쪽으로 개방되어 있고 오일 갤러리(50)와 직접 유체연통한다. 피스톤의 바닥 부분(12)이 주조(예컨대, 주입식 주조)에 의해 제조되는 경우에는, 오일 유입구(52)는 그 다음에 기계가공 공정으로 형성되는 것이 아니라 "그 안에 주조된(cast-in)" 부재로서 형성될 수 있다. 바닥 벽(48)은 또한 적어도 하나의 오일 배출구 또는 유출구(54)를 포함할 수 있는데, 이 오일 배출구 또는 유출구는, 작동 동안 갤러리(50)로부터 다시 엔진의 크랭크실 속으로 오일을 배출하기 위해서, 피스톤(10)의 바닥 쪽으로 개방되어 있고 오일 갤러리(50)와 유체연통하도록 개방되어 있다. 적어도 하나의 오일 배출구(54) 역시 바닥 피스톤 부분(16)의 "그 안에 주조된" 부재일 수 있다. 바닥 부분(16) 내부에 직접 그것들을 주조함으로써 유입구(48)와 유출구(50)를 형성하는 제 2 또는 하류 공정을 피하는 것이 바람직한 반면에, 바람직하게는 그것들 또한 기계가공되거나 다른 방법으로 처리될 수 있다. 더욱이, 바닥 벽(48)은, 연소통(22) 상에서 냉각 갤러리(50) 내부에 오일의 냉각 효과를 최대화하기 위해서, 측벽(38)의 적어도 일 부분 밑에서 반경방향으로 안쪽을 향하여 뻗어있는 오일 갤러리(50)의 환형의 오목부(55)를 제공하는 환형의 언더컷 영역을 제공하는 "주조된 그대로" 형성될 수 있다.

바닥 부분(16)은 정상 부분(18)으로부터 늘어지도록 구성된 한 쌍의 핀 보스부(56)들을 더 포함한다. 핀 보스부(56)들은 각각 핀 보어(58), 바람직하게는 부시가 없는 상태로 주어진 스틸 구조체를 가지고, 여기서 핀 보어(58)들은 길이방향 중심축(A)에 대해 횡단방향으로 뻗어있는 핀 보어 축(B)을 따라 동축방향으로 서로 이격되어 있다. 핀 보어(58)들 각각은 최상부 접평면(57)과 접하여 뻗어있는 최상부 표면과, 최하부 접평면(59)와 접하여 뻗어있는 최하부 표면을 가지고, 여기서 접평면(57, 59)은 중심축(A)에 대해 횡단방향이면서 서로에 대해 평행하게 뻗어있다. 핀 보스부(56)들은 스커트 패널(60)들로도 지칭되는 스커트부들에 접합되는데, 이 스커트부들은 바닥 부분(16)을 가진 재료의 모놀리식 피스로서 형성되어서, 핀 보스부(56)들을 가진 재료의 모놀리식 피스로서 일체로 형성된다.

스커트 패널(60)들은 그 길이방향으로 뻗어있는 측면(61)들을 따라 버팀부(62)들로도 지칭되는 윈도우들을 통하여 직접 핀 보스부(56)들에 접합되어서, 스커트 패널(60)들은 핀 보스부(56)들의 양쪽 측면을 가로질러 직경방향으로 서로 마주하도록 배열된다. 하나 이상의 버팀부(62)들은 하나의 개구부(63)를 가지도록 형성될 수 있고, 여기서 개구부(63)들은 기다란 아치형 타원 또는 대체로 땅콩 형상의 개구부들로서 나타나 있고 중심축(A)을 따라 대체로 길이방향으로 뻗어있다. 개구부(63)들은 추가적인 중량 감축을 위하여 바람직하다면 주조공정 다음에 가공되거나 기계가공될 수 있을지라도, 바닥 부분(16)과 함께 "주조된 그대로" 형성되는 것이 바람직하다.

스커트 패널(60)들은 중심 영역(65)을 가로질러 각각의 측면(61)들 사이에 뻗어있는 볼록한 외측 표면들을 가지는데, 여기서 외측 표면들은 매끄러운 외형을 가지고, 실린더 보어를 통하여 왕복운동함에 따라 실린더 보어의 벽과 상호작동하도록 짝을 이루어 목표로 하는 배향으로 피스톤(10)을 유지한다. 스커트 패널(60)들은 피스톤 헤드 외경의 2.0% 내지 3.0% 사이의 범위의 두께를 가지도록 제작된다. 도 5에 가장 잘 나타나 있는 바와 같이, 실린더 라이너에 대하여 스커트 접촉 압력의 균일성과 강화된 스커트 강성을 제공하기 위하여 그리고 실린더 라이너 내부에서의 왕복운동 동안 피스톤의 강화된 안내를 제공하기 위하여, 스커트 패널(60)들의 외측 에지(61)들은 중심 영역(65)보다 약간 더 두껍고, 그 결과 스커트 패널(60)들은 한쪽 측면(61)으로부터 각각의 스커트 패널(60)의 반대편(61) 쪽으로 뻗어있는 연속적인 벽 두께 변화를 가진다. 측면(61)들은 동일하거나 실질적으로 동일한 두께를 가지는 한편, 중심 영역(65)은 측면(61)들에 대하여 약 5%정도의 감소된 두께를 가진다. 따라서, 스커트 패널들의 외측 표면은 일정하거나 실질적으로 일정한 곡률반경을 가지는 한편, 스커트 패널(60)들의 내측 표면은 변하는 곡률반경을 가진다.

스커트 패널(60)들은 그 상부 단부에서 각각 접합되고 링 벨트(44)의 하부와 함께 원 피스(예컨대, 주조물)로서 형성되는데, 여기서 환형 리세스(45')는 스커트 상부 단부들과 최하부 링 그루브(45) 사이에 뻗어있다. 스커트 패널(60)들은 링 벨트(44)로부터 바닥 또는 하부 단부(64)들 쪽으로 아래쪽을 향하여 중심축(A)과 길이방향으로 대체로 평행하게 뻗어있는데, 바닥 또는 하부 단부들은 핀 보어(58)들의 최하부 접평면(59)들 아래에서 이격되어 있다. 핀 보스부(56)들 중 적어도 하나는 정보 패드(66)가 형성되는데, 이 정보 패드는 제조시 사용되는 편평한 기준 표면(68)을 제공하는 핀 보스부(56)의 바닥으로부터 아래쪽을 향하여 돌출한다. 기준 표면(68)은 스커트 패널(60)들의 하부 단부(64)들과 동일 평면에 있다.

바닥 부분(16)의 반경방향 내측 환형의 하부 접합 표면(41)을 정상 부품(18)의 반경방향 내측 환형의 상부 접합 표면(43)에 용접할 때, 개별적으로 만들어진 피스톤(10)의 정상 부분(18)과 바닥 부분(16)을 결합시키는 용접 조인트(70)는 연소통(22)의 측벽(38)을 적어도 통과하여 뻗어있다. 따라서, 용접 조인트(70)는 연소통(22)의 림(40)과 중심 첨단부(32) 아래와 골부(34) 위에서 연소통(22)에 대해 개방되어 있다. 용접 조인트(70)는 또한 하부 벽(48)에 의해 형성된 오일 갤러리의 최하부 위에서 축방향으로 이격되어 있고, 이 하부 벽(48)은 연소통(22)의 골부(34) 아래에 그 스스로 이격되어 있다.

연소통 측벽(38)을 통과하여 뻗어있는 용접 조인트(70)에 더하여, 용접 조인트(72)는 헤드 영역(14)의 적어도 하나의 다른 벽을 통과하여 뻗어있다. 도시된 바와 같이, 용접 조인트(72)는 피스톤(10)의 외측 링 벨트(44)를 통과하여 뻗어있을 수 있다. 링 벨트 용접 조인트(72)의 위치는 링 벨트(44)의 길이를 따라 임의의 지점에 있을 수 있다. 도시된 바와 같이, 링 벨트 용접 조인트(72)는 연소실 측벽(38)의 용접 조인트(70)와 마찬가지로 중심축(A)에 대해 횡단방향으로 뻗어있는 동일한 평면에 있을 수 있다. 따라서 피스톤(10)의 바닥 부분(16)은 링 벨트(44)의 반경방향 외측으로 위쪽을 향하고 있는 미리 접합된 하부 접합 표면(74)을 포함할 수 있으므로, 정상 부분(18)은 링 벨트(40)의 반경방향 외측으로 아래쪽을 향하고 있는 미리 접합된 상부 접합 표면(76)을 포함할 수 있다. 결합식 하부 접합 표면과 상부 접합 표면(41, 43; 74, 76)은, 유도 용접, 마찰 용접, 저항 용접, 전하 운반체 광선, 전자 빔 용접, 납땜(brazing), 땝납(soldering), 열간 또는 냉간 확산(hot or cold diffusion) 등과 같이 선택된 접합 공정에 의하여 결합될 수 있다.

피스톤(10)은 경량의 최근의 고성능 차량용 디젤 엔진 적용처들에서 사용하는데 적합하고, 피스톤 헤드 외경 범위는 약 75mm 내지 105mm 정도이다. 스틸로 만들어졌지만, 피스톤(10)은, 알루미늄 피스톤과, 알루미늄 피스톤 조립체에서 사용되는 결합식 삽입 핀 보어 부싱들 등의 집합체를 고려할 때 그 알루미늄 대응물보다는 가볍지 않을지라도, 그 박벽 설계에 의해 매우 가볍다. 압축 높이는 중심 핀 보어 축(B)과 정상 벽부(20) 사이에 뻗어있는 거리로서 정의되는데, 스틸 피스톤(10)은 또한 그 알루미늄 대응 피스톤보다는 현저하게 더 작은 압축 높이를 가진다(즉 20~30% 더 작음). 비교할 만한 중량과 작은 압축 거리(CH)는, 엔진을 더 작고 더 컴팩트하게 하고, 또는 커넥팅 로드가 더 길어지게 하여 확대된 소단부를 가지게 하며, 연소통 벽(24)의 밑에 있는 첨단부(36)와 핀 보어 축(B) 사이에 제공되는 가용 공간이 증가되게 하여, 그 결과 작동 동안 피스톤 상의 측 하중을 감소시킨다.

언급한 바와 같이, 스틸 피스톤(10)은 매우 짧은 압축 높이(CH)를 가진다. 전형적인 대형 디젤 엔진 적용처의 오일 냉각 갤러리를 가지는 종래 기술의 투 피스형 피스톤과 비교하여, 핀 보스부(56)들 및 그에 따른 그 결합식 핀 보어(58)들이 피스톤 바디(12) 내에서 더 높이 위에 있다는 것(피스톤이 축방향으로 더욱 컴팩트함)을 알 수 있을 것이다. 도시된 피스톤(10)은 피스톤 헤드 영역 외경에 대해 약 40.9%의 비율의 압축 높이(CH)를 가진다. 더욱이, 핀 보어 축(B)으로부터 연소통 측벽 용접 조인트(70)까지의 거리는 약 27mm이다. 그에 비해, 유사한 적용처용의 알루미늄 피스톤은 피스톤 헤드 영역 외경에 대해 약 20 내지 30% 정도 더 큰 압축 높이(CH)를 가질 것이다.

도 6에는, 본 발명의 다른 양태에 따라 구성된 피스톤(110)이 나타나 있는데, 여기에서 위에서 사용된 참조 번호에 100이라는 숫자를 더한 것은 유사한 부재를 확인하는데 사용된다.

피스톤(110)은 위에서 설명된 피스톤(10)과 유사하고, 정상 부분(118)에 용접되는 바닥 부분(116)을 가지지만, 압축 높이(CH)는 바닥 부분(116)과 정상 부분(118) 사이에 형성된 오일 갤러리의 바닥부(50')의 구성에서의 차이 때문에 더 감소될 수 있다. 특히, 바닥 부분(116) 내부의 오일 갤러리의 바닥부(50')의 구성은 변경되고, 정상 부분(118) 내의 오일 갤러리의 바닥부는 동일하게 남아있다. 오일 갤러리가 대칭적으로 연속적인 환형의 구성을 가지도록 형성되는 것이 아니라, 바닥 부분(116) 내부의 오일 갤러리의 바닥부(50')가 파형 노면(148)을 가지도록 제조된다(도 9). 노면(148)은 도 7과 도 7a에 나타나 있는 바와 같이 스커트 패널(160)들로부터 반경방향으로 안쪽을 향하여 중심 핀 보어 축(B)을 직경방향으로 가로지르는 영역 위에서 동일한 깊이 또는 유사한 깊이를 유지하지만, 노면(148)은 도 8과 도 8a에 나타나 있는 바와 같이 측면방향으로 이격된 핀 보스부(156)들 위에 뻗어있는 영역들 내의 길이방향 중심축(A)에 대하여 매끄러운 파형으로 솟아오른다. 따라서, 핀 보스부(156)들 내에 형성된 핀 보어(158)들은 바닥 부분(116) 내부에서 축방향으로 위쪽을 향하여 이동할 수 있어서, 중심 핀 보어 축(B)을 피스톤(110)의 정상 벽부(120) 쪽으로 축방향으로 가깝게 가져온다. 따라서, 중심 핀 보어 축(B)으로부터 정상 벽부(120) 쪽으로 측정된 압축 높이(CH)는 더 감소되고, 이로써 엔진을 더욱 컴팩트하게 한다.

도 10 내지 도 13에 나타나 있는 바와 같이, 본 발명의 다른 양태에 따라 구성된 피스톤(210)이 나타나 있는데, 여기서 위에서 사용된 참조 번호에 100이라는 숫자를 더한 것은 유사한 부재를 확인하는데 사용된다.

피스톤(210)은 위에서 설명된 피스톤(10)과 유사하고, 정상 부분(218)에 용접되는 바닥 부분(216)을 가지지만, 연소통(222)이 길이방향 중심축(A) 둘레에서 동심방향으로 구성된 연소통을 가지는 것이 아니라 피스톤(210)의 길이방향 중심축(A)에 대하여 반경방향으로 오프셋 되어 있어서, 연소통(222)은 길이방향 중심축(A)에 대하여 동심에 있지 않다. 따라서, 반경방향으로 오프셋 되어 있는 연소통(222)에 대해 균일한 냉각을 제공하기 위하여, 냉각 갤러리(250)는 피스톤(10)의 냉각 갤러리와 비교하여 변경된다. 정상 부분(218)은 피스톤(10)의 정상 부분(18)과 마찬가지로 환형의 대칭적인 길이방향 중심축(A) 둘레에서 동심에 있는 냉각 갤러리(250)의 상부를 포함하지만, 바닥 부분(216)은 환형의 대칭적이면서도 길이방향 중심축(A)에 대하여 동심에 있지 않게 반경방향으로 오프셋 되어 있는 냉각 갤러리(250)의 하부 부분을 포함한다. 비대칭 구성을 가지는 이유는 피스톤(210)의 중량을 줄이기 위해서이고, 비동심 구성인 이유는 대칭적으로 균일하고 일정한 외주방향 두께를 가진 연소통(222)의 벽(224)을 제공하기 위해서이다. 따라서, 연소통(222)의 둘레는 균일하게 냉각이 된다.

냉각 갤러리(250)에 관하여 설명된 차이점에 더하여, 도 10과 도 12에 나타나 있는 바와 같이, "주조된 그대로"의 오일 유입구(252)는 확대된 아치형 땅콩형상의 구성을 가지도록 형성된다. 이는 그 면적을 통과하여 경사진 오일 제트(미도시)가 오일을 냉각 갤러리(250) 속으로 주입할 수 있는 증가된 면적을 가지는 표적을 제공한다. 확대된 크기의 개구부를 가지는 유입구(252)에 더하여, 오일 디플렉터(78)는 바닥 부분(216) 내에서 "주조된 그대로" 제공되어서, 냉각 갤러리(250)의 양쪽 측면을 통과하여 유동시키기 위한 디플렉터(78)의 양쪽 측면에 균일하게 주입된 오일을 굴절시킨다. 디플렉터(78)는 오일 유입구(252)의 대략적인 중간지점을 반경방향으로 횡단하여 뻗어있어서, 오일 유입구(252)를 실질적으로 분기시킨다. 디플렉터(78)는 대체로 삼각형이고, 디플렉터(78)의 첨단부(79)는 유입구(252)에 인접하여 아래쪽을 향하고 있으며 디플렉터(78)의 양쪽 측면(80)은 냉각 갤러리(250) 속으로 위쪽을 향하여 발산하고 있다. 따라서, 주입된 오일은 발산하는 양쪽 측면으로부터 이탈되어, 오일 유입구(252)의 직경방향으로 마주하는 "주조된 그대로" 형성된 오일 유출구(254) 쪽으로 냉각 갤러리(250)를 통과하여 대체로 동일한 부피로 유동한다. 따라서, 균일한 두께의 비동심 벽(224)은 균일하게 냉각되고, 피스톤(210)은 감소된 전체 중량이 제공된다.

도 14 내지 도 17에는 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있다. 피스톤(300)은 상부 피스톤 부분(302)과 하부 피스톤 부분(304)을 가지는 것으로 나타나 있다. 적어도 하부 피스톤 부분(304)은 철계 재료로 제조된다. 양 부분들(302, 304)은 철계 재료로 제조될 수 있다. 양 부분들(302, 304)은 동일하거나 다른 등급(예컨대, SAE 4140)의 스틸로 제조될 수 있다.

하부 부분(304)은 공통 핀 보어 축(A)을 따라 정렬된 결합식 핀 보어(308)들이 형성된 한 쌍의 핀 보스부(306)을 포함한다. 하부 부분(304)은 핀 보스부(306)들과 함께 원 피스로서 동일한 재료로 형성된 한 쌍의 스커트부 패널(310)들을 포함한다.

상부 부분(302)과 하부 부분(304) 각각은 환형의 외측 벽(312, 314)과 환형의 내측 벽(316, 318)을 각각 포함한다. 상부 부분(302)의 외측 벽(312)과 내측 벽(316)은 벽들 사이에 채널부(320)를 보유하고, 하부 부분(304)의 외측 벽(314)과 내측 벽(318) 역시 벽들 사이에 결합식 채널부(322)를 보유한다.

상부 피스톤 부분(302)과 하부 피스톤 부분(304)의 내측 벽(316, 318)과 외측 벽(312, 314)은 각각의 내측 용접 조인트(324)와 외측 용접 조인트(326)를 가로질러 단단히 접합되어서, 함께 접합되는 내측 벽과 외측 벽에 의해 제공되는 2개의 측벽들을 가지는 환형의 냉각 갤러리(328)를 상부 피스톤 부분(302)의 일부로써 형성되는 환형의 상부 벽부(330)와, 하부 피스톤 부분(304)의 부분으로서 형성된 바닥 벽부(332) 사이에 형성한다.

피스톤(300)은 연소통(334)을 더 포함하는데, 이 연소통은 부분적으로는 함께 접합되는 내측 벽들의 반경방향 내측 표면에 의해 형성되고 부분적으로는 대체로 돔 형상의 바닥 벽부(336)에 의해 형성되며, 하부 피스톤 부분(304)의 내측 벽에서 반경방향 안쪽을 향하여 뻗어있고 동일한 재료의 하부 피스톤 부분(304)과 함께 원 피스로서 만들어진다.

내측 용접 조인트(324)는 연소통(334)에 노출되어 있다. 환원하자면, 내측 용접 조인트(324)는, 내측 가장자리가 연소통 표면(334)에서 말단을 이루고 외측 가장자리가 냉각 갤러리(328)의 반경방향 내측 벽에서 말단을 이루도록, 위치된다. 내측 용접 조인트(324)는 정상 벽부(330) 아래에 이격되어 있지만 외측 용접 조인트(326) 위에 이격되어 있다. 용접 조인트들(324, 326) 중 하나 또는 모두는 마찰 용접 조인트일 수 있다.

피스톤(300)은 피스톤 높이(piston height; PH)를 가지는데, 이 치수는 핀 보스부(306)들의 바닥 에지로부터 상부 벽(330)의 정상면(338) 쪽으로 측정된다. 피스톤(300)은 피스톤 직경(piston diameter; PD)을 더 포함하는데, 이 피스톤 직경은 상부 벽(330)의 외경으로서 측정된다. 피스톤(300)은 또한 압축 높이(CH)를 가지는데, 이 높이는 핀 보어 축(A)으로부터 정상면(338)까지의 거리로서 측정된다. 이 실시예에 따르면, 컴팩트하고 강한 특정 피스톤은, 압축 높이(CH)가 약 40mm이고 직경(D)이 약 103mm이며 압축 높이(CH)/피스톤 높이(PH)의 비율이 약 2/3일때 달성된다. 압축 높이(CH)는 피스톤 직경(PD)의 38% 내지 45% 사이이다.

외측 벽들(312, 314)의 외측 표면은 그 내부에 링들(346, 348, 350)이 수용되어 있는 복수 개의 링 그루브들(340, 342 및 344)이 형성되어 있다. 도 15와 도 16에 가장 잘 나타나 있는 바와 같이, 냉각 갤러리(328)는 최상부 링 그루브(340)와 최하부 링 그루브(344)의 위와 아래 양쪽으로 뻗어있다. 이는 높은 수준의 냉각 성능을 매우 컴팩트한 피스톤에 제공한다.

냉각 갤러리(328)의 하부의 반경방향으로 최내측 코너(352)는 연소통(334)을 언더컷하고, 그 결과 이 코너(352)는 연소통(334)의 반경방향의 최외측 영역(354)을 넘어 반경방향으로 안쪽을 향하여 뻗어있다. 이는 연소통(334)의 냉각을 강화한다. 하부 코너(352)는 또한 냉각 갤러리(328)의 상부 반경방향 최내측 코너(356)의 안쪽을 향하여 반경방향으로 뻗어있어서, 냉각 갤러리는 정상 보다는 바닥에서의 폭이 더 넓다. 또한 최외측 영역(354)는 컴팩트한 설계로 냉각을 최적화하기 위하여 냉각 갤러리(328)의 하부 코너(352)와 상부 코너(356) 사이에 길이방향 및 반경방향으로 놓여있다. 내측 용접 조인트(324)와 외측 용접 조인트(326)는 또한 냉각 갤러리(328)의 하부 코너(352)와 상부 코너(356) 사이에 길이방향으로 놓여있다.

도 14, 도 16 및 도 17에 나타나 있는 바와 같이, 피스톤은 길이방향 중심축(B)을 포함고, 핀 보어들은 길이방향 축(C)을 포함한다. 축(C)은 축(A)에 대해 횡단방향이다. 축(C)은 또한 축(A)에 대해 평행하지만 축(A)으로부터 측면방향으로 오프셋 되어 있다. 이 실시예에서의 오프셋 거리는 약 0.5mm이다. 핀 보어들은 반 추력면보다 추력면에 대해 더 가깝게 오프셋 된다.

도 15에 가장 잘 나타나 있는 바와 같이, 핀 보스부(306)들은 그 길이를 따라 실질적으로 평평한 내측면(358)들을 가진다(코너에서의 라운드처리된 릴리프는 제외함). 이 내측면(358)들은 정상으로부터 바닥쪽으로 서로 멀어지는 방향으로 발산한다. 핀 보스부(306)들은 그 정상부가 저면(332)과 벽(336) 속으로 결합된다. 핀 보스부(306)들은 정상부에 가늘어지는 부분(thinning)이나 네킹(necking)이 없이 바닥으로부터 정상쪽으로 일정하게 증가하는 폭을 가진다. 핀 보스부(306)들 사이에서 정상부의 공간(360)은 냉각 갤러리(328)의 바닥 벽(332) 위쪽 및 연소통(334)의 최하부 영역(362)의 위쪽으로 뻗어있다. 이는 피스톤의 컴팩트한 설계에 기여한다.

바닥 벽(332)은 갤러리(328)로부터 오일을 안내하여 배출하는 한 쌍의 개구부(364, 366)가 형성되어 있다.

피스톤 스커트부(310)들은 흑연으로 코팅되어 있고, 핀 보어(308)들은 부싱이 없고 망간 인산염으로 코팅되어 있다.

명백하게도, 본 발명의 여러 가지 수정과 변경은 이상의 교시된 사항에 비추어 가능하다. 따라서, 본 발명이 첨부된 특허청구범위의 범위 내에서 특정하여 설명된 바와 다르게 실시될 수 있다는 것은 이해되어야 한다.

Claims (18)

1. 내연 기관용 피스톤으로서, 상기 피스톤은:
   상부 피스톤 부분; 및
   하부 피스톤 부분;을 구비하고,
   상기 하부 피스톤 부분은 적어도 철계 재료로 제조되고; 상기 하부 피스톤 부분은 핀 보어들을 따라 정렬된 결합식 핀 보어들이 형성된 한 쌍의 핀 보스부들을 가지고; 상기 하부 피스톤은 동일한 재료의 상기 핀 보스부들과 함께 원 피스로 형성되는 한 쌍의 피스톤 스커트부들을 더 포함하고;
   상기 상부 피스톤 부분과 하부 피스톤 부분은 각각 반경방향으로 서로 떨어져 이격되어 있는 환형의 내측 벽과 환형의 외측 벽을 포함하고 각각의 상기 내측 벽과 외측 벽 사이에 채널부를 보유하고; 상기 상부 피스톤 부분의 상기 내측 벽과 외측 벽은 내측 용접 조인트와 외측 용접 조인트를 가로질러 상기 하부 피스톤 부분의 각각의 상기 내측 벽과 외측 벽에 단단히 접합되어서, 함께 접합되는 내측 벽과 외측 벽에 의해 제공되는 2개의 측벽들을 가지는 환형의 냉각 갤러리를 상기 상부 피스톤 부분에 의해 형성된 환형의 정상 벽부와, 상기 하부 피스톤 부분에 의해 형성된 하부 벽부 사이에 형성하고;
   함께 접합되는 상기 상부 피스톤 부분과 하부 피스톤 부분은, 함께 접합되는 상기 내측 벽들의 내측 표면에 의해 부분적으로 형성된 연소통을 포함하고, 상기 하부 피스톤 부분의 상기 내측 벽으로부터 반경방향으로 안쪽을 향하여 뻗어있는 상기 연소통의 대체로 돔 형상의 바닥 벽을 더 포함하고;
   상기 내측 용접 조인트는 상기 연소통에 노출되고;
   함께 접합되는 상기 피스톤 부분들은 상기 핀 보스부의 바닥 에지로부터 상기 상부 벽의 정상면까지 측정되는 피스톤 높이(PH) 치수를 포함하고;
   함께 접합되는 상기 피스톤 부분들은 상기 핀 보어 축으로부터 상기 상부 벽의 상기 정상면까지 측정되는 압축 높이(CH) 치수를 포함하고;
   함께 접합되는 상기 피스톤 부분들은 상기 상부 벽의 외경으로서 측정되는 피스톤 직경(PD)을 포함하고; 그리고,
   직경(D)은 약 103mm이고, 압축 높이(CH)는 약 40mm이고, 압축 높이(CH)/피스톤 높이(PH)의 비율은 약 2/3인 것을 특징으로 하는 피스톤.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 상부 피스톤 부분과 하부 피스톤 부분은 스틸로 제조되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 용접 조인트들은 마찰 용접 조인트들인 것을 특징으로 하는 피스톤.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 상부 피스톤 부분과 하부 피스톤 부분의 상기 외측 벽들의 외측 표면은 복수 개의 링 그루브들이 형성되어 있고, 상기 냉각 갤러리는 상기 복수 개의 링 그루브들 위와 아래 양쪽으로 뻗어있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 내측 용접 조인트는 상기 외측 용접 조인트의 위에 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
6. 제 1 항에 있어서,
   함께 접합되는 상기 상부 피스톤 부분과 하부 피스톤 부분은 길이방향 중심 피스톤 축을 포함하고, 상기 핀 보어들은 상기 피스톤 축에 대해 평행하지만 상기 피스톤 축으로부터 측면방향으로 오프셋 되어 있는 길이방향 핀 축을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 오프셋은 약 0.5mm인 것을 특징으로 하는 피스톤.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 핀 보어들은 망간 인산염으로 코팅되고, 삽입 베어링들 또는 부싱들이 없는 것을 특징으로 하는 피스톤.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 스커트부들은 흑연으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 핀 보스부들은, 단면에서 볼 때 정상으로부터 바닥 쪽으로 단일의 고정 각도로 서로 떨어져 발산하고 그 길이를 따라 실질적으로 평평한, 내측면 표면들을 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 핀 보스부들 사이의 간격은 상기 갤러리의 바닥 벽 위쪽과 상기 연소통의 최하부 영역 위쪽으로 뻗어있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 갤러리의 하부의 반경방향 최내측 코너는 상기 연소통의 반경방향 최외측 영역을 넘어 반경방향으로 뻗어있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 냉각 갤러리의 상기 하부 코너는 상기 냉각 갤러리의 상부의 반경방향 최내측 코너를 넘어 반경방향으로 안쪽을 향하여 뻗어있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 연소통의 상기 반경방향 최외측 영역은 상기 냉각 갤러리의 상기 하부 코너와 상부 코너 사이에 반경방향으로 놓여 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 내측 용접 조인트는 상기 냉각 갤러리의 상기 상부 코너와 하부 코너 사이에 놓여 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 외측 용접 조인트는 상기 내측 용접 조인트 아래에 놓여 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
17. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 갤러리 속으로 냉각 오일을 안내하고 상기 냉각 갤러리 밖으로 냉각 오일을 제거하기 위하여 개방 통로들을 상기 냉각 갤러리 속에 제공하는 상기 바닥 벽 내의 한 쌍의 개구부들을 포함하는 피스톤.
18. 내연 기관용 피스톤으로서, 상기 피스톤은:
    반경방향으로 이격된 내측 접합 표면과 외측 접합 표면을 가지는 상부 피스톤 부분;
    철계 재료로 제조되고 반경방향으로 이격된 접합 표면들을 가진 하부 피스톤 부분;
    상기 상부 피스톤 부분과 하부 피스톤 부분의 상기 내측 접합 표면과 외측 접합 표면을 단단히 접합하고, 내측 접합 표면과 외측 접합 표면 사이에는 냉각 갤러리를 형성하고, 상기 피스톤의 정상 쪽으로 개방되어 있고 상기 냉각 갤러리의 안쪽에 있는 연소통을 형성하는 내측 용접 조인트와 외측 용접 조인트;를 구비하고,
    상기 내측 용접 조인트는 상기 냉각 갤러리와 상기 연소통 사이에 뻗어있고;
    상기 하부 피스톤 부분은 공통 핀 보어 축을 따라 정렬되는 결합식 핀 보어들 및 한 쌍의 핀 보스부들과, 동일한 재료의 상기 핀 보스부들과 함께 원 피스로서 형성된 한 쌍의 스커트부를 포함하고;
    상기 피스톤은 상기 핀 보어 축으로부터 상기 피스톤의 상기 정상면까지의 거리로서 측정된 압축 높이(CH)와 피스톤 외경(PD)을 가진 정상면을 가지고;
    상기 압축 높이(CH)는 피스톤 외경(PD)의 38% 내지 45% 사이인 것을 특징으로 하는 피스톤.

Images