KR20150056652A - 피스톤 - Google Patents

Abstract

눈물 형상의 스프링(6)을 포함하는 피스톤으로서, 상기 스프링은, 사용시 상기 피스톤의 최상부(2)로부터 커넥팅 로드(4)를 이격하도록 상기 피스톤과 상기 커넥팅 로드 사이에서 작동한다. 상기 스프링(6)은 지지 부재(7, 8)에 의해 지지되며, 실질적으로 상기 피스톤 최상부(2) 영역에 위치한다. 상기 피스톤(1) 내부에 캐리어(5)가 위치되며, 상기 캐리어는 상기 피스톤에 대하여 축방향 이동이 가능하도록 상기 피스톤에 슬라이딩 가능하도록 장착되며, 상기 스프링(6)이 상기 캐리어(5)를 상기 피스톤의 최상부(2)에 대하여 축방향으로 이동 가능하도록 상기 캐리어는 상기 커넥팅 로드(4)에 연결된다. 스프링(6)은 고무 금속과 같은 베타 타이타늄 합금으로 제조된다.

Description

피스톤{PISTON}

본 발명은 내연 기관용 피스톤에 관한 것이다.

종래 내연 기관은 피스톤의 왕복 운동을 차량을 발진하는 출력 토크 또는 다른 부하로 변환시키기 위해 크랭크 샤프트를 사용하였다. 크랭크 샤프트는 연료의 연소로부터 유용한 출력 토크로 동력을 변환하는 능력면에서 비효율적이다. 이는 엔진의 속도나 부하에 따라 연료/공기 혼합의 연소가 피스톤의 상사점(TDC) 이전에서 발생되기 때문이다. 피스톤이 상사점 이전 또는 상사점에 위치하는 경우, 커넥팅 로드와 크랭크핀이 상사점 이전에서 역방향 토크를 생성하고, 크랭크 원에 대한 수직 방향의 힘 성분이 존재하지 않도록 이들이 사실상 상사점에서 직선으로 존재하기 때문에, 점화된 연료/공기 압력은 출력 토크를 생성할 수 없다. 이러한 결과는 유용 가능한 에너지의 대부분이 열로 손실된다. 만일 점화가 일찍 일어나게 되면, 발생된 압력의 대부분이 엔진을 정지하는데 소모되며, 이는 이러한 압력이 압축 행정시 피스톤을 이동하는 방향의 반대 방향으로 힘을 가하기 때문이다. 또한, 점화가 지연되면, 피스톤 상부의 부피가 증가되기 때문에 압력이 감소되며, 폭발 행정을 위해 내려가기 시작한다. 최적의 최대 압력점은 엔진마다 다른데, 평균적으로 상사점 이후 12°지점이다.

본 출원인의 영국 특허 2 318 151호는 내연 기관용 피스톤 및 커넥팅 로드 조립체에 관한 것이다. 이 조립체는 피스톤, 커넥팅 로드, 스프링을 포함하고, 상기 커넥팅 로드는 피스톤의 이동을 위해 피스톤과 연결되어 작동하는 제1 단부와 회전 출력 샤프트에 연결될 수 있는 제2 단부를 갖는다. 상기 스프링은 피스톤과 커넥팅 로드 사이에서 작동하며, 피스톤의 최상부로부터 커넥팅 로드를 이격시킨다. 피스톤은 실질적으로 실린더 간극 용적 높이와 동일한 거리로 커넥팅 로드의 제2 단부를 향해 이동될 수 있다. 스프링을 사용하여, 상기 조립체는 공진 주파수를 갖게 되고, 이는 본 출원인의 국제특허출원 WO 00/77367에 그 이점이 기재되어 있다. 이러한 조립체는 본 명세서에서 에너지 저장 피스톤으로 참고된다.

사용시, 상사점 이전에서 예정된 시간에 종래의 타이밍 수단에 의해 점화가 시작되면, 폭발 행정 동안 점화 연소에 의해 형성된 팽창 가스는 실린더 내부에서 피스톤이 빠르게 내려가도록 힘을 가한다. 그러나, 상사점에 이르기 전에, 실린더 내부의 압력은 높은값으로 커지게되고, 피스톤은 스프링력에 대향하여 크랭크 핀을 향해 가압된다. 이는 스프링을 압축하고, 피스톤 상부의 부피를 증가시키며, 실린더 내부의 압력과 온도를 낮추게 된다. 낮아진 온도는 실린더 간극 용적과 스프링 사이에 압력이 균등하게 분배되면서, 복사 손실과 냉각수와 실질적으로 배기 가스에 대한 열 손실을 감소시킨다. 피스톤이 상사점을 통과하는 경우, 스프링에 저장된 에너지는 줄어들며, 증가된 출력 토크를 생성하게 된다. 스프링 압력이 상사점 이후의 실린더 압력과 연계되기 때문에 가능하다. 연료/공기 혼합체가 상사점 이전에서 연소되어야 하기 때문에, 이러한 저장된 에너지의 대부분은 열로 손실될 수 있으며, 최적의 성능을 위해 점화된 연료/공기가 상사점 이후 약 12°까지의 최대 압력에 이르도록 요구된 결과이다.

전술한 특허 문헌에 기재된 에너지 저장 피스톤 유형의 문제점은 커네팅 로드 소단부와 피스톤 최상부 사이의 상대 운동을 통해 이들 두 부품 사이에 장착된 스프링 연결에 에너지를 저장할 필요가 있다는 점이다. 이러한 문제점은 스프링 연결 및/또는 인접 부품의 마모에서 분명하게 나타나며, 이러한 마모는 가동되는 부품들 사이에서 강성의 축방향 배열을 유지하기 위한 조립체의 고장으로 인한 것이다. 이러한 어긋남은 높은 마모를 발생시킬 수 있고, 특히, 피스톤에 전부하가 걸린 경우, 인접한 부품들 사이의 시저(seizure) 현상을 일으키기도 한다.

본 출원인의 유럽 특허 1274927호는 개선된 배열 특성을 갖는 에너지 저장 피스톤을 개시한다. 이러한 피스톤은 피스톤과 일체로 형성된 스프링을 결합하고, 벨로우즈(bellows) 스프링 형태로 구성되며, 타이타늄으로 제조된다.

이러한 벨로우즈 스프링 피스톤의 단점은 제조하기 어려우며, 과하중이 걸린경우 과잉의 응력으로부터 손상될 수 있다. 따라서, 벨로우즈 스프링이 내외부의 슬롯을 기계 가공하여 타이타늄 환형 블록으로부터 제조되는 경우, 이들은 컴퓨터 수치 제어(CNC) 없이 실행될 수 없으며, 기능적 피스톤을 얻기 위해 벨로우즈의 정확한 단면을 생성하도록 상당한 시간 입력이 필요하기 때문에, 고가로 실행된다. 또한, 슬롯의 기계 가공은 고가의 타이타늄을 상당히 소비하여, 각각의 스프링은 주어진 피스톤과 용도에 따라 특별하게 고안되어야 할 것이다. 또한, 벨로우즈 스프링의 곡선의 내외부 부분과 응력의 집중을 분산하도록 스프링의 인접한 리프 반대면의 윤곽이 형성되어야 하므로, 인접한 리프 사이의 간격은 비교적 크고(약, 3mm), 이는 과하중이 걸리는 경우 과잉의 응력 문제를 초래한다. 따라서, 벨로우즈 스프링은 단위 길이당 비교적 작은 리프를 갖도록 제조되며, 이는 사용시 피스톤에 걸리는 대량의 응력을 모으게 된다. 따라서, 각 리프에 걸리는 응력은 비교적 크고, 이는 스프링의 조기 고장을 일으킬 수 있다. 이러한 유형의 벨로우즈 스프링의 단점은 요구되는 응력과 편향 수치를 얻기 위해, 비교적 큰 공간을 차지하고, 피스톤 설계가 어렵다. 따라서, 다른 피스톤 부품에 요구되는 공간은 벨로우즈 스프링이 차지하는 공간과 경합되어야 한다. 본 명세서에 있어서, "리프" 라는 용어는 주름 형태의 스프링을 형성하는 벨로우즈 스프링의 부품을 의미한다.

그러나, 만일 스프링의 개별 리프가 스탬핑을 통해 형성되고, 벨로우즈 스프링을 형성하도록 리프가 서로 확산 접합하는 경우, 좀 더 비용 효율적인 벨로우즈 스프링을 제조할 수 있지만, 곡선의 내외부 단부와 평행하지 않은 리프벽을 갖는 벨로우즈 스프링에 내재된 리프들 사이의 비교적 큰 간극으로 인하여 과잉의 응력 문제가 여전히 발생한다. 또한, 전술한 내용과 같은 이유로 공간 문제도 발생한다.

본 출원인의 영국 특허 출원 0216830.0호는 사용시 커넥팅 로드를 피스톤 최상부로부터 이격하여 기울어지도록 피스톤과 연계된 커넥팅 로드 사이에서 작동하는 스프링을 포함하는 에너지 저장 피스톤을 기재하고 있다. 이러한 스프링은 벨로우즈 스프링의 주름을 형성하는 복수의 실질적으로 평행한 리프를 갖는 벨로우즈 스프링으로 구성된다. 리프들을 연결하는 스프링의 내외부 단부는 직사각형으로 되어 있고, 인접한 리프 사이의 간극은 실질적으로 평행한 표면으로 형성된다.

이러한 스프링은 초기 유형의 벨로우즈 스프링보다 제조하기에 용이한 이점이 있고, 동일한 과잉의 응력으로부터 손상을 받지 않는다. 그러나, 여전히 피스톤 내부에서 많은 공간을 차지하여, 피스톤 설계가 어렵다.

본 출원인의 영국 특허 출원 0218893.6호는 사용시 커넥팅 로드를 피스톤 최상부로부터 이격하여 기울어지도록 피스톤과 연계된 커넥팅 로드 사이에서 작동하는 스프링 수단을 포함하는 피스톤을 기재하고 있다. 이러한 스프링 수단은 실질적으로 피스톤 최상부 영역에 위치되고, 실질적으로 피스톤의 단면을 완전하게 가로지르도록 연장하는 원형 쿠션 스프링으로 일반적으로 구성되며, 이러한 스프링 수단은 피스톤 최상부가 커넥팅 로드에 대하여 축방향으로 이동할 수 있도록 되어 있다.

이러한 쿠션 스프링의 단점은 그 모서리가 서로 접합되는 두 개의 동일한 부재로 제조될 필요가 있다는 점이다. 전자빔 용접은 바람직한 접합 방법이지만, 이는 용접 부분의 재료가 그 재료의 베타 트랜서스(transus) 온도를 초과하여, 재료가 깨지기 쉬우며, 작동 수명을 단축시킨다.

본 출원인의 유럽 특허 출원 1616090호는 피스톤 내부의 두 개의 디스크 스프링을 포함하는 피스톤을 기재하고 있으며, 이러한 디스크 스프링은 사용시 피스톤과 연계된 커넥팅 로드 사이에서 작동한다. 디스크 스프링의 주변 모서리부는 실질적으로 환형의 지지 부재를 통해 지지되고 분리되며, 스프링은 실질적으로 피스톤 최상부 영역에 위치하여 피스톤의 단면을 완전하게 가로지르도록 연장한다. 이러한 스프링을 통해 피스톤 최상부가 커넥팅 로드에 대하여 축방향으로 이동할 수 있다. 상기 지지 부재는 디스크 스프링의 원주 모서리에 고정된 각각의 링과, 상기 링과 롤링(rolling) 결합하기 위한 곡선의 지지면으로 형성된 환형의 밴드로 구성된다.

이러한 피스톤의 디스크 스프링은 타이타늄 10-2-3으로 제조된다. 이 재료의 단점은 소정의 편향을 이루기 위해 두 개 이상의 디스크가 요구되고, 전체 하중 응력이 피로 제한에 근사하다라는 점이다. 이는 스프링의 작동 수명을 비교적 단축시킨다.

본 출원인의 영국 특허 출원 2431451호는 니티놀(nitinol)과 같은 초탄성 재료로 제조된 디스크 스프링을 포함하는 피스톤을 기재한다. 이 스프링은 직사각형의 벨로우즈 스프링보다 매우 작고, 피스톤 최상부와 캐리어 상부 사이의 공간에 장착될 수 있다. 또한, 크기가 작을수록 금속의 사용량이 작아지고, 피스톤의 비용을 줄일 수 있다. 또한, 스프링은 피스톤의 최상 단부에 완전하게 위치되어, 직사각형 벨로우즈 스프링 설계를 향상할 수 있도록 타이타늄 보다는 알루미늄으로 캐리어를 제조할 수 있어, 추가적인 재료의 비용 절감이 가능하다.

또한, 그 구성이 간단하기 때문에, 이러한 스프링은 직사각형 벨로우즈 피스톤보다 경량이며, 그 제조 공정은 더욱 경제적이고, 빠르며, 간단하다. 또한, 다른 이점은 종래의 피스톤 설계가 이러한 유형의 스프링을 수용하기에 쉽게 변경될 수 있으므로, 종래의 내연 기관이 향상된 효율성과 에너지 저장 피스톤의 연료 보존 특성을 가질 수 있도록 변경될 수 있다.

그러나, 내연 기관에서의 니티놀 스프링의 시험은 작동시 내부적으로 가열되어 조기에 고장나는 것으로 밝혀졌다.

본 발명은 소위 고무(gum) 금속(TNTZ)으로 불리우는 베타 타이타늄 합금의 발견에서 기초하며, 이는 고탄성, 연성 및 항복 강도를 갖고, 54.3% 타이타늄, 23% 니오븀, 0.7% 탄탈룸, 21% 지르코늄 및 1% 산소의 조성으로 만들어지는 독특한 합금으로, 추가로 바나듐과 하프늄을 포함할 수도 있다. 고무 금속은 일반적인 금속 재료와 비교하여 탄성 변형면에서 몇 배 높은 고탄성 특성(2.5%)을 갖고, 고강도를 가지면서 매우 낮은 탄성 계수를 가지며, 실온에서 가공 경화를 하지 않고 냉간 플라스틱 가공을 99% 이상으로 할 수 있는 초소성을 갖고, 열처리를 통해 2000MPa 이상의 초강도를 가지며, 넓은 온도 범위에 걸쳐 0에 가까운 선형 팽창 계수(불변강 특성)와 일정한 탄성 계수(엘린바(elinvar) 특성)를 갖는다.

본 발명은 내연 기관용 피스톤을 제공할 수 있다.

본 발명은 스프링 수단을 포함하는 피스톤을 제공하며, 상기 스프링 수단은, 사용시 상기 피스톤의 최상부로부터 커넥팅 로드를 이격하도록 상기 피스톤과 상기 커넥팅 로드 사이에서 작동하고, 실질적으로 상기 피스톤 최상부 영역에 위치하며, 상기 피스톤 최상부가 상기 커넥팅 로드에 대하여 축방향으로 이동될 수 있도록 구성되고, 영계수가 75GPa 이하이고 인장 탄성 한계 강도가 700MPa 이상인 재료로 제조된다.

바람직하게, 스프링의 재료는 베타 타이타늄 합금이며, 좀 더 바람직하게 베타 타이타늄 합금은 고무 금속이다.

바람직한 실시 형태에 있어서, 상기 스프링 수단은 초탄성 재로 제조된 2개의 눈물 형상의 환형 스프링으로 구성되며, 상기 스프링 각각은 일반적으로 반구 형상인 내측 에지부와 상기 내측 에지부를 향해 가늘어지는 일반적으로 반구 형상인 외측 에지부를 갖고, 상기 내측 에지부와 외측 에지부는 평면으로 연결된다.

바람직하게, 상기 2개의 스프링의 외측 에지부는 서로 롤링 결합되고, 상기 내측 에지부는 상기 피스톤의 최상부에 형성된 제1 및 제2 지지 부재와 각각 롤링 결합된다.

피스톤은 상기 피스톤 내부에 위치하는 캐리어를 더 포함하고, 상기 캐리어는 상기 피스톤에 대하여 축방향 이동이 가능하도록 상기 피스톤에 슬라이딩 가능하도록 장착되며, 상기 스프링 수단이 상기 캐리어를 상기 피스톤의 최상부에 대하여 축방향으로 이동 가능하도록 상기 캐리어는 상기 커넥팅 로드에 연결된다.

유리하게, 상기 제1 지지 부재는 상기 피스톤의 최상부에 압입되며, 상기 제2 지지부재는 상기 캐리어의 일부를 형성한다.

유리하게, 상기 캐리어는 알루미늄으로 제조되며, 바람직하게 상기 캐리어는 케로나이트와 같은 마찰 저감 재료로 코팅된다.

또한, 상기 캐리어는 상기 피스톤의 원통형 벽 내부에 실질적으로 전체 길이만큼 슬라이딩 가능하게 장착된다.

스프링 재료는 소정의 작동 조건 온도 범위에서 유지된다. 소정의 온도 범위는 실질적으로 -25℃ 내지 300℃ 이다. 이를 통해 스프링 재료는 너무 무르거나 단단하지 않게 된다.

바람직하게, 베타 타이타늄 합금은 실질적으로 타이타늄, 니오븀, 탄탈륨, 지르코늄 및 산소를 혼합한 것이다.

바람직한 실시 형태에 있어서, 상기 캐리어의 주변부에 형성된 한 쌍의 수직 이격 오일 챔버를 더 포함하고, 각 오일 챔버는 상기 캐리어의 일부와 상기 피스톤의 내부 원통형 벽으로 규정되며, 상기 캐리어에 형성된 복수의 개구부를 통해 서로 연결되고, 상기 한 쌍의 오일 챔버 중 하나는 상기 스프링이 압축된 경우 최대 부피를 갖고, 상기 스프링이 팽창된 경우 최소 부피를 가지며, 상기 한 쌍의 오일 챔버 중 다른 하나는 상기 스프링이 압축된 경우 최소 부피를 갖고, 상기 스프링이 팽창된 경우 최대 부피를 가지며, 상기 캐리어가 상기 피스톤 최상부에 대하여 상부와 하부로 이동함에 따라 상기 피스톤의 내부를 윤활하기 위한 오일이 상기 오일 챔버로부터 주입된다.

바람직하게, 스프링 각각은

(a) 상기 베타 타이타늄 합금을 분말로 변환하고,

(b) 상기 분말 상태의 상기 베타 타이타늄 합금을 눈물 형상의 몰드에 주입하며,

(c) 상기 분말 상태의 베타 타이타늄 합금을 요구되는 형상으로 열간 등압 성형하고,

(d) 상기 성형된 베타 타이타늄 합금을 냉간 가공하며,

(e) 소정의 형상으로 기계 가공하여 형성된다.

각각의 스프링은 상기 냉간 가공 이후에 열처리될 수 있다.

또한, 본 발명은 스프링 수단을 포함하는 피스톤을 제공하며, 상기 스프링 수단은, 사용시 상기 피스톤의 최상부로부터 커넥팅 로드를 이격하도록 상기 피스톤과 상기 커넥팅 로드 사이에서 작동하고, 실질적으로 상기 피스톤 최상부 영역에 위치하며, 상기 피스톤 최상부가 상기 커넥팅 로드에 대하여 축방향으로 이동될 수 있도록 구성되고, 베타 타이타늄 합금재로 제조된 2개의 눈물 형상의 환형 스프링으로 구성된다.

또한, 본 발명은 전술한 피스톤용 스프링을 제조하는 방법을 제공하며, 상기 방법은

(a) 상기 베타 타이타늄 합금을 분말로 변환하는 단계;

(b) 상기 분말 상태의 상기 베타 타이타늄 합금을 눈물 형상의 몰드에 주입하는 단계;

(c) 상기 분말 상태의 베타 타이타늄 합금을 요구되는 형상으로 열간 등압 성형하는 단계;

(d) 상기 성형된 베타 타이타늄 합금을 냉간 가공하는 단계; 및

(e) 소정의 형상으로 기계 가공하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 방법은 냉간 가공 이후 상기 스프링 각각을 열처리하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 범위 내에서, 전술한 내용, 특허청구범위 및/또는 다음의 상세한 설명 및 도면, 특히, 개별적인 특징들을 통해 다양한 양태, 실시 형태, 실시예 및 변형례가 독립적으로 또는 조합되어 실시될 수 있음을 예상할 수 있다. 하나의 실시 형태와 연계되어 설명되는 특징들은 서로 상반되지 않는다면 모든 실시 형태에 적용될 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참고하여 실시예를 통해 좀 더 상세히 설명될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 에너지 저장 피스톤의 단면도로서, 피스톤은 제1 작동 조건에 놓여 있다.
도 2는 도 1의 에너지 저장 피스톤은 다른 단면도로서, 피스톤은 제1 작동 조건에 놓여 있다.
도 3은 도 1과 유사한 단면도로서, 피스톤은 제2 작동 조건에 놓여 있다.
도 4는 도 1 내지 도 3의 피스톤과 종래 피스톤의 압력, 토크 등을 비교하는 그래프이다.

도면들을 참고하면, 도 1은 내연 기관의 중공 피스톤(1)을 나타내며, 상기 피스톤은 가장자리가 주철, 강 또는 종래 방식에서 적절한 다른 재료로 되어 실린더(도시되지 않음) 내부에서 왕복 운동할 수 있다. 피스톤(1)의 재질은 알루미늄이고, 피스톤의 주변 원통면을 규정하며 아래 방향으로 매달린 환형 슬리브(2a)를 갖는 가 형성된 최상부(2)를 포함한다. 사용시, 피스톤(1)은 거전핀(3), 커넥팅 로드(4) 및 크랭크 핀(도시되지 않음)을 사용하여 크랭크 샤프트(도시되지 않음)를 회전시키며, 이들은 타이타늄, 알루미늄, 강, 마그네슘 합금, 탄성 재료 또는 적절한 재료로 제조될 수 있다. 거전핀(3)은 알루미늄 재질이며, 케로나이트 또는 마찰을 감소시키는 적절한 다른 재료로 코팅된 원통형 캐리어(5)에 형성된 원통형 개구부(5a) 내부에 결합된다. 거전핀(3)은 각 단부에 결합된 항회전 페그(3b) 또는 다른 적절한 수단을 통해 축 방향으로 유지된다. 이는 캐리어(5) 내부에서 거전핀(3)이 수평으로 이동되는 것을 방지한다. 캐리어(5)는 거전핀(3)을 통해 피스톤 내부에 유지된다.

도 2를 참고하면, 커넥팅 로드(4)는 캐리어(5)에 형성되며 일반적으로 직사각형인 개구부(5b)를 관통하여 거전핀(3)과 연결된다. 직사각형의 개구부(5b)는 원통형 개구부(5a)에 대하여 수직하게 형성된다. 한 쌍의 환형 스프링(6)은 피스톤 최상부(2) 근처에서 피스톤(1)에 압입(press-fit)되며 아래를 향하는 강 지지링(7)과 캐리어(5)의 일부를 형성하며 위를 향하는 지지링(8) 사이에 배치된다. 또는, 지지링(8)은 강으로 제조될 수 있으며, 캐리어 내부(5)에서 압입될 수 있다.

각 스프링(6)은 고무 금속 재질의 환형 디스크 스프링이고 눈물 모양의 단면을 갖는다. 즉, 내부를 향해 가늘어지는 일반적인 반구형의 외부 에지부(6a)를 갖고, 상기 내부는 평면(6c)을 통해 반구형의 에지부(6b)이다. 스프링(6)의 내부 에지부(6b)는 링의 하부면(7)과 상부면(8)에 각각 형성된 굴곡부(7a, 8a)와 롤링 결합되어 있다. 스프링(6)의 외부 에지부(6a)는 서로 롤링 결합되어 있다. 고무 금속은 75GPa 이하의 영 계수(Young's modulus)를 갖고, 700MPa 이상의 인장 탄성 한계 강도를 갖는다. 실제로, 영 계수는 실온에서 약 75GPa와 피스톤(1)의 작동 온도(일반적으로 200℃)에서 약 35GPa 사이에서 변경될 수 있다. 유사하게, 인장 탄성 한계 강도는 실온에서 약 700MPa와 피스톤(1)의 작동 온도에서 약 1200MPa 사이에서 변경될 수 있다.

각 스프링(6)을 제조하기 위해, 고무 금속은 분말로 변형되고, 눈물 형상의 몰드로 분말 형태로 부어지며, 소정의 형상으로 열간 등압 성형된다. 그 후, 보고된 전단 계수로 20GPa정도 낮게 탄성 계수를 감소시키기 위해 각 스프링(6)에 냉간 가공이 이루어진다. 또한, 냉간 가공은 각 스프링(6)의 항복 강도를 증가시킨다. 만일, 항복 강도를 더 높이고자 하는 경우, 소정의 탄성도가 줄어들긴 하겠지만 스프링(6)은 냉간 가공 이후에 열처리될 수 있다. 이러한 방식으로, 가장 높은 강도의 강과 동등한 수준의 2GPa 정도 높은 범위를 갖는 항복 계수를 얻을 수 있다. 열간 가공과 냉간 가공의 조합을 통해 초탄성 스프링은 소정의 특성을 얻을 수 있다.

캐리어(5)의 하단부는 거전핀(3)을 통해 커넥팅 로드(4)에 결합되고, 피스톤(1)은 캐리어에 대하여 축방향으로 움직일 수 있으며, 따라서, 피스톤(1)은 거전핀(3)과 크랭크 핀에 대하여 상대적으로 움직일 수 있다. 이러한 구성은 피스톤 최상부(2)가 크래크 핀을 향해 실린더 간극 용적 높이(피스톤 최상부(2)의 평균 높이와 연소 챔버의 상부 평균 높이의 거리)로 움직일 수 있음을 의미한다. 따라서, 스프링(6)은 피스톤 최상부(2)로부터 거전핀(3)을 치우치게 한다.

사용시, 종래의 타이밍 수단(도시되지 않음)을 통한 점화는 상사점 이전의 예정된 시간에서 이루어져, 점화 연소에 의해 형성된 팽창 가스는 동력 행정동안 실린더 내부에서 피스톤(1)이 아래로 급격하게 내려가도록 힘을 가한다. 그러나, 상사점에 이르기 전에 실린더 내부의 압력은 큰 부피로 커져, 피스톤(1)은 캐리어(5)어 대하여 스프링(6) 힘의 반대 방향인 크랭크 핀을 향해 힘이 가해진다. 이는 스프링(6)을 압축하고, 피스톤(1) 상부의 부피를 증가시켜, 실린더 내부의 압력과 온도를 감소시킨다.

피스톤은 간극 용적 높이가 표준 피스톤에서의 높이의 절반, 즉, 압력비가 2배가 되도록 한 쌍의 스프링(6)과 함께 구성된다. 표준 엔진에서의 압력비를 2배로 하는 경우, 엔진의 성능에 악영향을 끼칠 수 있다. 그러나, 점화가 일어나면, 팽창 가스는 피스톤 최상부(2)를 아래 방향으로 이동시켜 최초 압력비가 회복된다. 이는 스프링이 설치되지 않은 것과 비교하여 가스압을 회복하도록 스프링(6)에 하중을 가한다. 그 결과, 스프링력과 가스력의 합계는 피스톤 최상부(2)에 작용한다. 분명하게, 이는 대략적으로 피스톤 최상부(2)에 작용하는 힘의 2배이며, 두배의 동력을 얻을 수 있다. 따라서, 스로틀은 적절한 "공전" 속도를 얻도록 최초 개구량에 대하여 약 절반으로 설정된다.

또한, 스프링(6)은 점화 가스 에너지의 절반을 저장하고, 스프링에 저장된 에너지가 완전하게 방출될 때까지 피스톤이 압력 조정기로 작동하는 상사점 이후에만 이 에너지가 방출될 수 있다. 이러한 현상이 상사점 이후에 발생하고, 스프링(6)이 에너지를 방출하는데 시간이 걸리기 때문에, 종래의 엔진보다 스프링이 포함된 피스톤 엔진에서 토크가 크게 향상된다.

연소시 압력이 가해짐에 따라, 스프링(6)의 에지부(6b)는 서로를 향해 이동하며(도 1 및 도 2 참조), 스프링의 인접하믄 평면이 접촉할 때까지(도 3 참조) 에지부(6a)는 서로 적재된다. 스프링(6)의 이동을 통해 피스톤 최상부(2)는 커넥팅 로드(4)와 캐리어(5)에 대하여 내려가고, 피스톤(1) 상부의 실린더 용적은 최대 압력에서 2배가 된다. 따라서, 실린더 벽을 통해 열로서 손실될 수도 있는 스프링(6)의 에너지가 저장된다. 저장된 에너지는 크랭크가 추가적인 토크를 발생시키기 위해 좀 더 유리한 각도로 배치되는 경우 방출된다.

스프링(6)과 링(7, 8)은 연소 최대 압력에서 스프링(6)이 최대로 압축되어(도 3 참조), 이들의 인접한 평면(6c)이 서로 접촉하도록 구성되어, 스프링의 초과 하중을 방지하여, 결과적으로, 가능한 조기 고장을 방지한다. 최대 압축은 다음 연소 압력과 크랭크 샤프트의 이동에 좌우되며, 스프링(6)은 대략적으로 초과 하중이 발생하기 전에 소정의 최대 변형에 이를 수 있도록 구성된다.

스프링(6)이 압축된 경우, 스프링의 강성으로 인해 적용된 힘에 저항하고, 이러한 강성은 뉴톤/변위 미터량으로 계측된다. 스프링(6)의 압축으로 인한 낮아진 온도는 방사 손실과 냉각수와 배기 가스로 손실되는 열을 감소시키며, 상기 압력은 실린더 간극 용적과 스프링 사이에 균등하게 분배된다. 스프링(6)에 저장된 에너지는 피스톤(1)이 상사점을 통과하는 경우 방출되며, 출력 토크를 증가시킬 수 있다. 이는 스프링(6)에 의해 에너지가 방출되기 때문이며, 크랭크 아암이 토크를 생성하는데 좀 더 이로운 각도에 배치되는 경우, 상사점 이후의 실린더 압력과 연계된다. 그렇지 않다면, 연료/공기 혼합체가 상사점 이전에서 연소되어야 하기 때문에 이러한 저장된 에너지의 대부분은 열로서 손실될 것이며, 이는 최적의 성능을 위해 상사점 이후 약 12°의 최대 압력에 이르기 위해 연소된 연료/공기가 요구된 결과이다. 고무 금속의 기계적 특성과 초탄성 특성 때문에, 고무 금속(전술한 바와 같이 최적으로 처리됨)이 스프링(6)을 제조하는데 바람직한 재료이다.

이러한 구성의 작동은 엔진이 정상적으로 시동된 경우, 모든 동력 행정에서 커넥팅 로드(4)(즉, 크랭크 핀)에 대하여 피스톤(1)의 움직임이 있음을 의미한다. 엔진의 연소 시기는 엔진의 하중과 속도에 따라 상사점 이전의 대략 10°내지 40°사이에서 연소가 발생하도록 되어 있다.

고무 금속의 다용성을 통해 본 발명이 가능해진다. 또한, 스프링 구성은 두 개의 눈물 형상 스프링(6)이 이들의 외부 반경과 내부 반경이 지지링(7, 8)을 통해 서로 접촉하도록 구성되어 있다는 점에서 독특하다. 스프링의 외부 에지부(6a)에서 스프링(6)의 롤링 작용을 통해 마찰이 제거되고, 내부 에지부(6b)에서 제한된 마찰이 일어나도록 한정된다. 또한, 스프링(6)은 평면(6c)으로 최대 응력을 분산하도록 구성된다. 스프링(6)은 전체 하중에서 간극 용적 높이가 2배가 되도록 구성되어, 스프링의 작동이 전체 하중에서 간극 용적 높이의 절반으로 이동한다. 이는 피스톤(1)에 작용하는 힘이 2배가 됨을 의미하고, 스로틀 위치가 이전에 비하여 1/2 위치가 되도록 한다. 이러한 피스톤(1)이 장착된 오토바이에서 롤링 주행 시험 결과, 시험 기간 동안 연료 흐름이 25% 내지 40% 감소되어 나타났다.

에너지 저장 스프링(6)의 주요 효과는 동력 출력을 감소시키지 않고 엔진 연료의 소비를 현저하게 줄이는 것이다. 엔진의 효율이 향상될 뿐만 아니라, 배기 가스도 감소된다. 엔진의 효율을 향상시켜 질산화물의 배출도 현저히 감소되고, 미연소 탄화수소도 감소된다.

표준의 내연 기관에 있어서, 배기 밸브는 일반적으로 피스톤이 하사점(BDC)에 이르기 전에 개방되어 팽창 가스가 계속하여 배기되도록 하고, 밸브가 오버랩(overlap)되는 동안 실린더 내부로 새로운 연료가 공기가 흡입되도록 한다(즉, 흡입 밸브와 배출 밸브가 동시에 개방된다). 따라서, 배기 가스는 효율적으로 제거된다. 배기 밸브를 조기에 개방함으로써, 미연소 탄화수소의 배출이 촉진되고, 계속적인 팽창 가스가 크랭크 샤프트의 기계적 회전에 제공되는 것을 방지하여, 이러한 가스들이 대기로 배기된다. 스프링(6)을 사용하여 좀 더 효율적으로연료/공기 혼합체를 사용할 수 있다. 또한, 향상된 압축비를 사용하여, 하사점까지 배기 밸브가 폐쇄된 상태를 유지하고, 배기 밸브를 조기에 개방하여 실린더에서 압력을 줄일 필요 없이 연소 챔버로부터 배기 가스의 대부분을 효율적으로 제거할 수 있는 캠 샤프트를 사용할 수 있다. 배기 밸브를 늦게 개방하는 배기 밸브 캠 구성은 전술한 스프링(6)을 적용하는 어떠한 엔진에도 유리하게 적용될 수 있다.

엔진의 플라이 휠의 몸체와 결합된 스프링(6)을 사용하여, 전체 조립체에 공진하는 경우의 회전수(rpm)를 제공한다. 이는 엔진이 일정한 속도로 구동되도록 구성된 엔진을 사용하는 경우에 유용하도록 사용될 수 있으며, 대부분의 엔진이 이렇게 구성되어 있다.

엔진 효율을 향상하고, 배기 가스를 줄이는 원리는 본 출원인의 영국 특허 2318151호에 기재되어 있으며, 본 발명의 피스톤(1)은 전술한 특허의 피스톤의 이점을 모두 갖는다.

본 발명의 피스톤(1)은 본 출원인의 유럽 특허 출원 1274927호에 기재된 피스톤의 이점을 모두 갖는다. 이러한 피스톤은 본 출원인의 영국 특허 출원 0216830.0호에 기재된 향상된 직사각형의 벨로우즈 스프링과 비교하는 경우에도 이점을 갖는다. 특히, 본 발명의 스프링(6)은 직사각형의 벨로우즈 스프링에 비하여 크기가 매우 작고, 따라서, 피스톤 최상부(2)와 캐리어(5)의 상부 사이의 공간에 끼워질 수 있다. 또한, 크기가 작아질수록, 금속을 사용하는 양이 현저히 줄어들고, 따라서, 제조 비용이 낮은 피스톤을 제공할 수 있다. 또한, 피스톤의 최상부 단부에 전체가 위치하는 스프링(6)을 사용하는 경우, 캐리어(5)를 직사각형의 벨로우즈 스프링에 적용되는 타이타늄보다는 알루미늄으로 제조할 수 있으며, 이를 통해 제조 비용을 현저히 줄일 수 있다.

또한, 본 발명의 스프링(6)은 구성이 간단하기 때문에 직사각형 벨로우즈 피스톤보다 가볍고, 제조 공정도 더욱 경제적이며, 빠르고, 간단하다. 또 다른 이점은 종래의 피스톤 구성이 본 발명의 스프링(6)을 쉽게 적용할 수 있다는 점이며, 이는 종래의 내연 기관이 에너지 저장 피스톤의 향상된 효율성과 연료 보존 특성의 이점을 이용하도록 변경될 수 있다는 점이다.

피스톤(1) 내부의 캐리어(5)의 윤활은 한 쌍의 오일 챔버(9, 10) 내부의 오일을 통해 이루어지며, 상기 챔버(9)는 캐리어(5)의 베이스에 형성되고(도 3 참조), 캐리어의 상단부에 형성된다(도 2 참조). 두 개의 챔버(9, 10)는 캐리어(5)에 뚫린 12개의 구성(11)에 의해 서로 연결된다. 챔버(10)는 12개의 통로(12)를 이용하여 실린더의 내부에 존재하는 오일과 연통하며, 이들은 각각 대응하는 구멍(11)과 연계된다. 챔버(9)는 12개의 통로(13)를 통해 피스톤(1)의 내부와 연결되고, 이들은 각각 대응하는 구멍(11)과 연계된다. 스프링(6)이 압축되어 있을 때, 캐리어(5)는 피스톤 최상부(2)에 대하여 상부로 이동하고, 오일은 12개의 구멍(11)과 12개의 통로(13)를 통해 챔버(10)로부터 피스톤(1)의 내부로 주입되고, 이러한 오일은 통로(12)를 통해 실린더의 내부로부터 공급된다. 이는 오일 압력을 줄이고, 피스톤(1) 내부에서 캐리어(5)의 유체 고착 현상(hydraulic locking)을 방지한다. 스프링(6)이 팽창되어 있을 때, 캐리어(5)는 피스톤 최상부(2)에 대하여 하부로 이동하고, 오일은 챔버(9)로부터 챔버(10)로 이동되어, 스프링(6)을 윤활하도록 상부로 이동한다. 스프링(6)이 팽창되고 캐리어(5)가 가장 낮은 위치에 있는 경우, 챔버(9)의 부피는 최소가 되고, 챔버(10)의 부피는 최대가 된다. 스프링(6)이 압축되고 캐리어(5)가 가장 높은 위치에 있는 경우, 챔버(10)의 부피는 최소가 된다. 피스톤(1)이 작동하는 동안, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 캐리어(5)는 항상 "휴지" 위치에 있고, 금속과 금속의 접촉으로부터 방출되는 소음을 줄이며, 캐리어(5)가 정지되는 경우, 바이턴(Viton) 또는 칼레츠(Kalrez) 링(14)이 소음을 흡수하도록 제공되어 완충제로서 작용한다. 바이턴은 연소되는 경우 인체에 유해한 유독 가스를 배출하기 때문에 칼레츠가 바람직한 재료이다.

전술한 피스톤(1)의 추가적인 이점은 캐리어가 실질적으로 측면으로 이동되는 경우 캐리어(5)가 피스톤(1) 본체 내부에서 축방향 배열이 견고하게 유지된다는 점이다. 따라서, 커넥팅 로드(4)의 벗어남으로 인하여 비축 방향의 하중이 캐리어(5)에 부하되는 경우, 캐리어(5)는 피스톤 본체 내부에서 축방향 배열이 견고하게 유지된다. 결과적으로, 캐리어(5)는 실질적으로 향상된 내마모성을 갖고, 마손을 방지할 수 있는 적절한 재료로 코팅될 수 있다. 캐리어(5) 전체와 바이턴/칼레츠 링(17)은 고정링(5)을 통해 위치에 견고하게 고정된 피스톤(1)에 유지된다.

전술한 피스톤의 중요한 점은 스프링(6)을 통해 스프링 상수를 현저히 향상시키고, 따라서, 이와 비례하여 가벼운 하중에도 좀 더 변형이 가능해진다. 결과적으로, 이는 종래의 자동차 내연 기관의 피스톤의 정상 하중에 더욱 호환이 가능해져, 경제적 이점은 고하중이 걸리는 경우보다 저하중 또는 중하중에서 더욱 현저해진다. 또한, 필요하다면 스프링(6)은 고하중에 알맞게 구성될 수도 있다.

스프링(6)과 접촉하는 지지링(7)의 다른 이점은 피스톤(1)의 몸체 내에서 수직 공간을 좀 더 확보할 수 있으며, 이는 강도나 신뢰도를 훼손하지 않고 모든 필요한 부품들을 효율적으로 포함시킬 수 있다.

전술한 스프링(6)을 제조하는데 고무 금속과 같은 베타 타이타늄 합금을 사용하는 추가적인 이점은 아래와 같다.

1) 스프링은 내부식성을 갖는다.

2) 스프링은 낮은 영 계수를 갖는다.

3) 스프링은 높은 항복 강도를 갖는다.

4) 스프링은 초탄성 특성을 갖는다.

5) 스프링은 약 4%의 최대 변형률을 갖는다.

전술한 특징들을 통해, 이러한 재료들은 에너지 저장 피스톤에 피스톤 부재로서 사용하는데 이상적으로 적합해지며, 피스톤이 효율적으로 작동할 수 있도록 변형을 향상시키기 위해 더 많은 공간을 가질 수 있다.

피스톤(1)의 현재 구성은 압축비는 2배이다. 압축비를 2배로 설정하여 실린더 내부의 압력을 2배로 할 수 있다. 이는 심각한 연료의 폭발과 피스톤(1)의 손상을 야기할 수 있다. 그러나, 본 발명의 스프링(6)을 사용하여 이들이 스프링력의 최고값의 절반으로 압축되어 나머지 절반을 압축하려는 경우 압력이 떨어뜨릴 수 있다. 이는 엔진의 공회전 회전수를 유지하면서 스로틀을 50% 폐쇄할 필요가 있고, 50% 폐쇄는 새로운 스로틀 정지 위치가 되고 공회전 위치가 된다. 또한, 회전 아암이 올라감에 따라 토크를 현저하게 증가시키기 위해 피스톤이 이러한 크랭크 위치까지 이동할 때까지, 스프링(6)은 피스톤 상부에서 실질적으로 일정하게 압력을 유지하도록 에너지를 방출하는 압력 조정기로서 작동한다. 이는 종래의 엔진보다 합력을 높은 수치로 나타낼 수 있다.

A부터 F로 표시된 그래프(도 4)의 곡선은 본 발명의 피스톤(1)과 종래 피스톤의 압력과 토크를 나타낸다. 곡선 C 와 F 는 본 발명의 피스톤(1)이고, 곡선 A, B 및 E 는 종래 피스톤이다.

각 곡선들의 설명은 아래와 같다.

A. 종래 피스톤의 압력 곡선으로서, 정상 2배의 압축비를 갖고 있다. 피스톤에 가해지는 압력을 증가시켜 토크와 출력을 증가시킨 경우에, 증가된 압축비는 바람직하다. 실제로, "핑킹(pinking)" 현상 때문에, 2배의 압축비는 실현 불가능하다. 그러나, 이 곡선은 압력 곡선 C와 비교하기 위해 제공된다.

B. 정상 압축비와 1/2 스로틀 상태인 종래 피스톤의 압력 곡선이다.

C. 스프링이 조정된 압축비와 1/2 스로틀 상태인 본 발명의 피스톤(1)의 압력 곡선이다.

D. 아암이 회전하는 크랭크이다.

E. 정상 압축비와 1/2 스로틀 상태인 종래 피스톤의 토크를 나타내는 곡선이다.

F. 스프링이 조정된 압축비와 1/2 스로틀 상태인 본 발명의 피스톤(1)의 토크를 나타내는 곡선이다.

B 곡선과 C 곡선을 비교하면, 피스톤(1)은 상사점(TDC) 이후 약 40°로 상승된 압력이 상승되어, 실질적으로 토크가 증가된 것을 알 수 있다. 이는 크랭크 아암이 좀 더 토크를 생성할 수 있도록 효과적인 큰 각도에 위치하기 때문이다. 또한, E 곡선과 F 곡선을 비교하면, 피스톤(1)은 종래 피스톤보다 실제로 더 큰 토크를 생성함을 알 수 있다.

또한, 그래프로부터 1/2 스로틀 상태의 피스톤(1)을 가동함으로써 대부분의 연료 절약이 가능함을 알 수 있고, 이는 "스로틀 고정" 나사 또는 시동시 ECU 조절을 통해 설정되어야 한다.

전술한 에너지 저장 피스톤이 내연 기관의 부품을 형성하지만, 냉장고 또는 펌프용 압축기와 같은 다른 장치에서 유리하게 사용될 수 있음은 분명하다. 왕복 압축기의 작동은 압축 행정이 동력 행정이며, 에너지 입력은 일반적으로 전기 모터로 이루어진다. 예를 들어, 공기 압축기에 있어서, 최대 동력은 상사점 이전의 80°내지 100°주위에서 이루어지며, 크랭크 아암은 실질적으로 커넥팅 로드에 수직이다. 이러한 피스톤에 있어서, 압축 챔버의 부피가 여전히 비교적 높기 때문에, 압축된 가스 압력은 비교적 낮다(최대값의 50% 미만). 그러나, 피스톤이 상사점에 가까워지는 경우, 동작 능력은 현저히 낮아지지만, 압력과 온도는 최대값을 유지한다. 압축기의 출력 밸브는 상사점 이전에 개방되겠지만, 에너지는 실린더 벽에 열로써 손실될 것이다.

그러나, 전술한 유형의 스프링을 갖는 에너지 저장 피스톤이 이러한 압축기에 설치되는 경우, 에너지는 상사점 이전의 80°내지 100°주위의 스프링에 저장될 것이며, 가스의 온도와 압력을 감소시켜, 실린더 벽과 저장소로 열로써 손실되는 에너지를 줄일 수 있다. 크랭크 아암 압축 이동이 최소인 경우, 스프링은 가스를 상사점 주위의 저장소로 분출하여 그 에너지를 배출할 것이다.

또한, 회전하는 관성체(플라이 휠, 크랭크 등)와 작동하는 이러한 스프링이 공진하는 회전수(rpm)를 갖는다. 구동 모터의 회전수와 공진 회전수를 일치시켜, 조립체는 표준 압축기와 비교하여 30% 이상의 최적의 효율로 가동될 것이다.

본 발명의 피스톤(1)을 변경할 수 있음은 분명하다. 예를 들어, 고무 금속의 사용이 반드시 요구되지 않는다면, 요구되는 영 계수와 인장 탄성 한계 강도를 갖는 다른 적절한 베타 타이타늄 합금이 사용될 수 있다. 피스톤 최상부의 공간이 2쌍 이상의 스프링(6)을 사용하기에 적합한 곳에서도 가능하다. 적절한 방법으로 스프링(6)을 제조하는 것도 가능하다.

Claims (23)

1. 스프링 수단을 포함하는 피스톤으로서,
   상기 스프링 수단은 사용시 상기 피스톤의 최상부로부터 커넥팅 로드를 이격하도록 상기 피스톤과 상기 커넥팅 로드 사이에서 작동하고, 실질적으로 상기 피스톤 최상부 영역에 위치하며, 상기 피스톤 최상부가 상기 커넥팅 로드에 대하여 축방향으로 이동될 수 있도록 구성되고, 영계수가 75GPa 이하이며 인장 탄성 한계 강도가 700MPa 이상인 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 스프링의 재료는 베타 타이타늄 합금인 것을 특징으로 하는 피스톤.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 베타 타이타늄 합금은 고무 금속인 것을 특징으로 하는 피스톤.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 스프링 수단은 초탄성 재로 제조된 2개의 눈물 형상의 환형 스프링으로 구성된 것을 특징으로 하는 피스톤.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 스프링 각각은 내측 에지부와 상기 내측 에지부를 향해 가늘어지는 외측 에지부를 갖고, 상기 내측 에지부와 외측 에지부는 일반적으로 반구 형상이며, 상기 내측 에지부와 외측 에지부는 평면으로 연결되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 2개의 스프링의 외측 에지부는 서로 롤링 결합되고, 상기 내측 에지부는 상기 피스톤의 최상부에 형성된 제1 및 제2 지지 부재와 각각 롤링 결합되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 피스톤 내부에 위치하는 캐리어를 더 포함하고, 상기 캐리어는 상기 피스톤에 대하여 축방향 이동이 가능하도록 상기 피스톤에 슬라이딩 가능하도록 장착되며, 상기 스프링 수단이 상기 캐리어를 상기 피스톤의 최상부에 대하여 축방향으로 이동 가능하도록 상기 캐리어는 상기 커넥팅 로드에 연결되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 제1 지지 부재는 상기 피스톤의 최상부에 압입되며, 상기 제2 지지부재는 상기 캐리어의 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
   상기 캐리어는 알루미늄으로 제조되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 캐리어는 마찰 저감 재료로 코팅되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 마찰 저감 재료는 케로나이트인 것을 특징으로 하는 피스톤.
12. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐리어는 상기 피스톤의 원통형 벽 내부에 실질적으로 전체 길이만큼 슬라이딩 가능하게 장착되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스프링의 재료는 소정의 작동 조건 온도 범위에서 유지되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 소정의 온도 범위는 실질적으로 -25℃ 내지 300℃인 것을 특징으로 하는 피스톤.
15. 제 2 항, 제 3 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베타 타이타늄 합금은 실질적으로 타이타늄, 니오븀, 탄탈륨, 지르코늄 및 산소를 혼합한 것을 특징으로 하는 피스톤.
16. 제 7 항, 제 8 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐리어의 주변부에 형성된 한 쌍의 수직 이격 오일 챔버를 더 포함하고,
    각 오일 챔버는 상기 캐리어의 일부와 상기 피스톤의 내부 원통형 벽으로 규정되며, 상기 캐리어에 형성된 복수의 개구부를 통해 서로 연결되고,
    상기 한 쌍의 오일 챔버 중 하나는 상기 스프링이 압축된 경우 최대 부피를 갖고, 상기 스프링이 팽창된 경우 최소 부피를 가지며,
    상기 한 쌍의 오일 챔버 중 다른 하나는 상기 스프링이 압축된 경우 최소 부피를 갖고, 상기 스프링이 팽창된 경우 최대 부피를 가지고,
    상기 캐리어가 상기 피스톤 최상부에 대하여 상부와 하부로 이동함에 따라 상기 피스톤의 내부를 윤활하기 위한 오일이 상기 오일 챔버로부터 주입되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
17. 제 2 항, 제 3 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스프링은
    (a) 상기 베타 타이타늄 합금을 분말로 변환하고,
    (b) 상기 분말 상태의 상기 베타 타이타늄 합금을 눈물 형상의 몰드에 주입하며,
    (c) 상기 분말 상태의 베타 타이타늄 합금을 요구되는 형상으로 열간 등압 성형하고,
    (d) 상기 성형된 베타 타이타늄 합금을 냉간 가공하며,
    (e) 소정의 형상으로 기계 가공하여 형성되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 냉간 가공 이후에 상기 스프링 각각을 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
19. 스프링 수단을 포함하는 피스톤으로서,
    상기 스프링 수단은 사용시 상기 피스톤의 최상부로부터 커넥팅 로드를 이격하도록 상기 피스톤과 상기 커넥팅 로드 사이에서 작동하고, 실질적으로 상기 피스톤 최상부 영역에 위치하며, 상기 피스톤 최상부가 상기 커넥팅 로드에 대하여 축방향으로 이동될 수 있도록 구성되고, 베타 타이타늄 합금재로 제조된 2개의 눈물 형상의 환형 스프링으로 구성되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
20. 실질적으로 전술한 상세한 설명 및 도면에 기재된 피스톤.
21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 기재된 피스톤을 복수로 포함하는 내연 기관.
22. 제 2 항, 제 3 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 기재된 피스톤용 스프링을제조하는 방법으로서,
    (a) 상기 베타 타이타늄 합금을 분말로 변환하는 단계;
    (b) 상기 분말 상태의 상기 베타 타이타늄 합금을 눈물 형상의 몰드에 주입하는 단계;
    (c) 상기 분말 상태의 베타 타이타늄 합금을 요구되는 형상으로 열간 등압 성형하는 단계;
    (d) 상기 성형된 베타 타이타늄 합금을 냉간 가공하는 단계; 및
    (e) 소정의 형상으로 기계 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 방법.
23. 제 22 항에 있어서,
    상기 냉간 가공 이후 상기 스프링을 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

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