KR20160083067A

KR20160083067A - 모놀리식 갤러리리스 피스톤 및 그 제작 방법

Info

Publication number: KR20160083067A
Application number: KR1020167014845A
Authority: KR
Inventors: 제프 리페; 마이클 바이넨거
Original assignee: 페더럴-모걸 코오포레이숀
Priority date: 2013-11-07
Filing date: 2014-11-07
Publication date: 2016-07-11
Also published as: CN105940213B; JP2016537551A; CN105940213A; US20150122212A1; BR112016010181A2; US20190003418A1; US10202937B2; JP6618467B2; US9869268B2; US10968862B2; EP3071823A1; US20170321628A1; WO2015070035A1; US20160090939A1; EP3071823B1; BR112016010181A8; US10094327B2

Abstract

내연 엔진과 공법 용 갤러리리스 피스톤 이의 제공된다. 피스톤은 길이 방향의 중심 축을 따라 연장하는 모놀리식 피스톤 바디를 갖는다. 피스톤 엔진은 상기 제1 부분이 상부 벽의 외주와 연소 보울을 형성하는 제2 부분을 따라 환상으로 연장되는 제1 부분 및 제2 부분들과 상부 연소 표면을 형성하는 상부 벽을 갖는다. 상부 벽에 직접 상부 연소 표면의 제2 부분에 대향하는 연소 보울의 하부에 언더크라운 표면을 갖는다. 언더크라운 표면은 개방 노출된 2 차원 표면함으로써 오일이 끼얹어지거나되고있는 대해 광대 한 영역을 제공 피스톤 바디의 최대 외경에 의해 정해지는 영역에 대한 35-60% 사이의 길이 방향의 중심 축을 따라보고 보았습니다 자유롭게 피스톤을 냉각 문의 할 수 있습니다 분사.

Description

모놀리식 갤러리리스 피스톤 및 그 제작 방법{MONOLITHIC, GALLERYLESS PISTON AND METHOD OF CONSTRUCTION THEREOF}

본 발명은 대체로 내연 엔진에 관한 것이며, 보다 상세하게는 내연 엔진용 피스톤에 관한 것이다.

엔진 제조사들은 연비 향상, 오일 소모 저감, 연료 시스템 향상, 실린더 보어 내의 압축 하중 및 작동 온도의 증대, 피스톤을 통한 열손실의 저감, 구성요소 부품들의 윤활, 엔진 중량 감소 및 엔진의 컴팩트화를 포함하는(이들에 한정되는 것은 아님) 엔진 효율 및 성능을 향상시킴과 동시에 제조 관련 비용을 감소시키는 것에 대한 증가하는 요구에 직면하고 있다. 연소 챔버 내의 압축 하중 및 작동 온도를 증가시키는 것이 바람직하지만, 피스톤의 온도를 작동가능 한계 내에서 유지시키는 것이 필수적인 것은 그대로이다. 따라서, 연소 챔버 내의 압축 하중 및 작동 온도를 증가시키는 것이 바람직하지만, 이 목적의 달성은 이러한 바람직한 "증가"가 피스톤 압축 높이와 그에 따른 전체 피스톤 크기 및 질량이 감소될 수 있는 정도를 제한한다는 점에서 절충을 수반한다. 이는 피스톤의 작동 온도를 감소시키기 위해 필요한 것으로 간주되는 폐쇄형 또는 부분 폐쇄형 냉각 갤러리(cooling gallery)를 갖는 일반적인 피스톤 제작에 있어 특히 문제로 된다. 또한, 폐쇄형 또는 부분 폐쇄형 냉각 갤러리를 형성하기 위해 접합 조인트를 따라 함께 결합되는 상부 부분 및 하부 부분을 갖는 피스톤을 제조하기 위한 비용은 상부 부분과 하부 분을 함께 접합시키는 데 사용되는 결합 공정으로 인해 대체로 증가된다. 또한, 엔진 중량을 감소시킬 수 있는 정도는 피스톤 상에 부과되는 기계적 및 열적 하중의 증가를 견딜 수 있도록 상술한 "냉각 갤러리 포함(cooling gallery-containing)" 피스톤을 스틸로 제작해야 할 필요성에 의해 영향을 받는다.

본 발명에 따라 제작되는 피스톤은 상술한 공지 피스톤 제작의 단점 및 다른 단점을 극복하며, 이는 이하의 발명의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 당업자에 명백해질 것이다.

본 발명에 따라 제작되는 피스톤은 스틸제의 모놀리식 피스(monolithic piece)로 제작됨으로써, 최근의 고성능 엔진에서 보여지는 하중 및 온도와 같은 실린더 보어 내의 증가된 압축 하중 및 온도를 견디기 위한 향상된 강도 및 내구성을 피스톤에 제공한다. 또한, 피스톤의 신규한 단일 피스 구성으로 인해, 피스톤 상부 부분과 하부 부분을 함께 결합시키는 데 사용되는 일반적인 공정들이 채용되지 않는다는 점에서, 피스톤의 제조와 관련된 비용이 감소된다. 또한, 본 발명에 따라 제작되는 피스톤에 있어서는, 특히 피스톤이 냉각 갤러리를 형성하기 위해 공통적으로 사용되는 플로어가 존재하지 않아도 됨으로써 내부에 피스톤이 배치되는 엔진이 더욱더 컴팩트하고, 경량이면서 연료 효율적으로 제작되는 것을 가능하게 해주기 때문에, 피스톤의 압축 높이(CH) 및 중량이 폐쇄형 또는 부분 폐쇄형 냉각 갤러리 포함하는 피스톤에 비해 상당히 감소될 수 있다.

본 발명의 하나의 양태에 따라, 내연 엔진용 갤러리리스 피스톤이 제공된다. 상기 피스톤은 내연 엔진의 실린더 보어 내에서 상기 피스톤이 그것을 따라 왕복운동하게 되는 중심 종방향 축선을 따라 뻗어 있는 모놀리식 피스톤 바디를 가지고 있다. 상기 피스톤 바디는 상부 연소 표면과 함께 적어도 하나의 피스톤 링의 수용을 위해 상기 상부 연소 표면으로부터 아래로 이어지는 환형의 링 벨트 영역을 형성하는 상부 벽을 가지고 있다. 상기 피스톤 바디는 또한 실린더 보어 내에서 피스톤을 안내하는 것을 용이하게 해주도록 상기 링 벨트 영역으로부터 아래로 이어져 있는 한 쌍의 스커트 부분 및 리스트 핀의 수용을 위해 핀 보어 축선을 따라 정렬된 한 쌍의 횡방향으로 이격된 핀 보어를 제공하는 한 쌍의 핀 보스를 포함하고 있다. 상기 상부 연소 표면은 제1 부분 및 제2 부분을 가지고 있고, 상기 제1 부분은 상기 상부 벽의 외주를 따라 환형으로 연장되어 있고 상기 제2 부분은 상기 제1 부분으로부터 반경방향 내측으로 아래로 이어져 있는 연소 보울을 형성하고 있다. 상기 상부 벽은 상기 상부 연소 표면의 상기 제2 부분의 정반대편의 상기 연소 보울의 하부면에 형성된 언더크라운 표면(undercrown surface)을 가지고 있다. 상기 언더크라운 표면은 상기 중심 종방향 축선을 따라 보았을 때 상기 피스톤 바디의 최대 외경에 의해 정해지는 면적의 약 35-60% 사이의 개방 노출된 투영 2차원 표면적(projected 2-dimensional surface area)을 가지고, 이에 의해 끼얹어지거나 흩뿌려지는 오일이 자유롭게 접촉할 수 있는 확대된 영역을 제공하여 사용중에 있는 피스톤의 냉각을 향상시킨다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 언더크라운 표면은 상기 피스톤 바디의 면적의 40%보다 큰 총 3차원 표면적(total 3-dimensional surface area)을 가진다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 언더크라운 표면은 상기 피스톤 바디의 면적의 약 40-90% 사이에 있을 수 있는 총 3차원 표면적을 가진다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 언더크라운 표면은 상기 피스톤 바디의 최대 외경의 약 75-90% 사이의 직경을 가진다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 연소 보울은 최대 연소 보울 직경을 가지고, 상기 언더크라운 표면은 상기 최대 연소 보울 직경의 적어도 85%인 직경을 가진다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 언더크라운 표면은 상기 최대 연소 보울 직경의 100-140% 사이에 있는 직경을 가질 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 피스톤 바디는 상기 한 쌍의 핀 보스로부터 상기 핀 보어 축선을 따라 상기 링 벨트 영역까지 반경방향 외측으로 연장되어 있는 한 쌍의 포켓을 가지고, 상기 한 쌍의 포켓은 적어도 상기 언더크라운 표면의 일부분, 상기 제1 부분의 하부면의 일부분 및 상기 환형의 링 벨트 영역의 일부분을 한정하고, 상기 한 쌍의 포켓은 상기 피스톤 바디의 최대 2차원 면적의 약 45~85% 사이의 총 3차원 표면적을 가질 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 한 쌍의 포켓은 상기 피스톤 바디의 최대 2차원 면적의 약 60%보다 큰 총 3차원 표면적을 가질 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 한 쌍의 포켓은 상기 피스톤 바디의 최대 2차원 면적의 약 70%보다 큰 총 3차원 표면적을 가질 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 한 쌍의 핀 보스는 상기 핀 보어 축선을 따라 상기 피스톤 바디의 최대 외경의 60%보다 작은 제1 거리만큼 서로 이격된 반경방향 최외측 표면들을 가질 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따라, 내연 엔진용 갤러리리스 피스톤을 제작하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 상부 연소 표면과 상기 상부 연소 표면으로부터 아래로 이어지는 환형의 링 벨트 영역을 구비한 상부 벽을 가지고 있는 모놀리식 피스톤 바디를 기계가공 공정, 단조 공정 및 주조 공정 중의 하나의 공정으로 성형하는 과정을 포함한다. 상기 상부 연소 표면은 제1 부분 및 제2 부분을 가지고 형성되고, 상기 제1 부분은 상기 상부 벽의 외주를 따라 환형으로 연장되어 있고 상기 제2 부분은 상기 제1 부분으로부터 반경방향 내측으로 아래로 이어져 있는 연소 보울을 형성하고 있다. 상기 상부 벽은 상기 제2 부분의 정반대편의 상기 연소 보울의 하부면에 형성된 언더크라운 표면을 가지고 형성된다. 상기 피스톤 바디는 또한 상기 링 벨트 영역으로부터 아래로 이어져 있는 한 쌍의 스커트 부분과 리스트 핀의 수용을 위해 핀 보어 축선을 따라 정렬된 한 쌍의 횡방향으로 이격된 핀 보어를 가지고 형성된다. 상기 언더크라운 표면은 상기 중심 종방향 축선을 따라 보았을 때 상기 피스톤 바디의 최대 외경에 의해 정해지는 면적의 약 35-60% 사이의 개방 노출된 투영 2차원 표면적을 가지고 형성된다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 상기 피스톤 바디의 면적의 40%보다 큰 총 3차원 표면적을 가진 상기 언더크라운 표면을 형성하는 과정을 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 상기 피스톤 바디의 면적의 40-90% 사이인 큰 총 3차원 표면적을 가진 상기 언더크라운 표면을 형성하는 과정을 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 또한 상기 피스톤 바디의 면적의 50%보다 큰 총 3차원 표면적을 가진 상기 언더크라운 표면을 형성하는 과정을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 상기 피스톤 바디의 최대 외경의 약 75-90% 사이의 직경을 가진 상기 언더크라운 표면을 형성하는 과정을 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 또한 상기 연소 보울의 최대 직경의 적어도 85%인 직경을 가진 상기 언더크라운 표면을 형성하는 과정을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 또한 상기 최대 연소 보울 직경의 100-140% 사이에 있는 직경을 가진 상기 언더크라운 표면을 형성하는 과정을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 또한 한 쌍의 핀 보스로부터 상기 핀 보어 축선을 따라 상기 링 벨트 영역까지 반경방향 외측으로 연장되어 있는 한 쌍의 포켓으로서, 상기 한 쌍의 포켓은 적어도 상기 언더크라운 표면의 일부분, 상기 제1 부분의 하부면의 일부분 및 상기 환형의 링 벨트 영역의 일부분을 한정하고; 상기 한 쌍의 포켓은 상기 피스톤 바디의 최대 2차원 면적의 약 45~85% 사이의 총 3차원 표면적을 가지는 바의 한 쌍의 포켓을 기계가공 공정, 단조 공정 또는 주조 공정으로 성형하는 과정을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 또한 상기 핀 보어 축선을 따라 상기 피스톤 바디의 최대 외경의 60%보다 작은 제1 거리만큼 서로 이격된 반경방향 최외측 표면들을 가지고 있는 한 쌍의 핀 보스를 성형하는 과정을 포함할 수 있다.

본 발명의 이러한 양태 및 그 밖의 양태, 특징 및 장점은 현시점에서 바람직한 실시형태 및 최선의 모드의 이하의 상세한 설명, 첨부 청구범위 및 여기에 간단히 설명되는 첨부 도면과 관련하여 고찰될 때 더욱 쉽게 이해될 것이다.
도 1은 대체로 본 발명의 하나의 양태에 따라 구성된 피스톤의 핀 보어 축선을 따라 취해진 단면도이다.
도 2는 대체로 도 1의 피스톤의 핀 보어 축선에 대한 횡단방향으로 취해진 단면도이다.
도 3은 대체로 도 1의 피스톤의 중심 핀 보어 축선을 따라 취해진 하부 단면도이다.
도 4는 도 1의 피스톤의 부분 단면 사시도이다.
도 5는 대체로 본 발명의 또 다른 실시형태에 따라 구성된 피스톤의 핀 보어 축선을 따라 취해진 단면도이다.
도 6은 대체로 도 5의 피스톤의 핀 보어 축선에 대한 횡단방향으로 취해진 단면도이다.
도 7은 대체로 도 5의 피스톤의 중심 핀 보어 축선을 따라 취해진 하부 단면도이다.
도 8은 도 5의 피스톤의 부분 단면 사시도이다.
도 9는 대체로 본 발명의 또 다른 실시형태에 따라 구성된 피스톤의 핀 보어 축선을 따라 취해진 단면도이다.
도 10은 대체로 도 9의 피스톤의 핀 보어 축선에 대한 횡단방향으로 취해진 단면도이다.
도 11은 대체로 도 9의 피스톤의 중심 핀 보어 축선을 따라 취해진 하부 단면도이다.
도 12는 도 9의 피스톤의 부분 단면 사시도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따라 구성된 피스톤의 사시도이다.
도 14는 대체로 도 13의 피스톤의 핀 보어 축선에 대한 횡단방향으로 취해진 단면도이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따라 구성된 피스톤의 사시도이다.
도 16은 대체로 도 15의 피스톤의 핀 보어 축선에 대한 횡단방향으로 취해진 단면도이다.
도 17은 대체로 본 발명의 또 다른 실시형태에 따라 구성된 피스톤의 중심 핀 보어 축선에 대한 횡단방향으로 취해진 단면도이다.
도 18은 대체로 피스톤의 중심 핀 보어 축선을 따라 취해진 도 17의 피스톤의 단면도이다.
도 19a-19b는 냉각 갤러리를 포함하고 있는 종래기술의 피스톤의 실험 데이터의 도표이다.
도 19c는 도 1-12 및 15-18의 갤러리리스 피스톤의 실험 데이터의 도표이다.

도면을 보다 상세히 참조하면, 도 1-4는 예컨대 최신의 컴팩트한 고성능 차량 엔진과 같은 내연 엔진의 실린더 보어 즉 챔버(도시 생략) 내에서 왕복운동하는 현시점에서 바람직한 본 발명의 실시형태에 따라 구성된 피스톤(10)을 도시하고 있다. 피스톤(10)은 기계가공, 단조 또는 주조 등을 통해, 그 후 원하는 경우 제작을 완료하기 위해 가능한 마무리 가공을 거쳐, 단일 피스의 재료로부터 형성된 모놀리식 바디(12)를 가지고서 제작된다. 따라서, 피스톤(10)은 냉각 갤러리 플로어에 의해 한정되는 또는 부분 한정되는 폐쇄형 또는 부분 폐쇄형 냉각 갤러리를 갖는 피스톤들에서 아주 흔한, 서로 결합되는 상부 부분 및 하부 부분과 같은, 함께 결합되는 복수의 부분을 가지지 않는다. 반대로, 피스톤(10)은 냉각 갤러리를 한정 또는 부분 한정하는 냉각 갤러리 플로어 또는 다른 피처(feature)들을 갖지 않는다는 점에서 "갤러리리스(galleryless)"이다. 스틸로 제작되는 피스톤 바디(12)는 최근의 고성능 내연 엔진의 고성능 요건들 즉 증가된 온도 및 압축 하중을 만족시킬 만큼 강하고 내구성이 있다. 바디를 제작하는 데 사용되는 스틸(즉, 스틸 합금)은 특정 엔진 용처에서의 피스톤(10)의 요건에 따라 SAE 4140 등급이거나 다른 것일 수 있다. 갤러리리스인 피스톤(10)으로 인해, 이하에 기술되는 것들 중에서도 특히 바디(12)의 구성은 피스톤(10)의 중량 및 압축 높이(CH)를 최소화시키고, 이에 의해 감소된 중량을 달성하고 더 컴팩트해지도록 피스톤(10)이 배치되는 엔진을 가능하게 해준다. 또한, 갤러리리스임에도 불구하고, 이하에 기술되고 도면에 도시되는 신규한 구성은 피스톤(10)이 사용 중에 가장 가혹한 작동 온도를 견딜 만큼 충분히 냉각되는 것을 가능하게 해준다.

피스톤 바디(12)는 내연 엔진의 실린더 보어 내에서 연소 가스에 직접 노출되는 상부 연소 표면을 제공하는, 상부 벽(14)으로도 지칭되는 정상 벽을 제공하는 상부 헤드 즉 상부 섹션(13)을 가진다. 상부 연소 표면(16)은 상부 벽(14)의 외주를 따라 연장된 실질적으로 평탄한 표면으로서 형성된 환형의 제1 부분(18) 및 상부 벽(14)의 연소 보울 벽부에 의해 한정된 제2 부분(20)을 포함하고 있다. 제2 부분(20)은 평탄한 제1 부분(18)으로부터 아래로 이어져 연소 보울 벽부(21)의 최상부 표면을 따라 연장된 비평탄 기복형 표면(22)을 가진다. 언더크라운 표면(undercrown surface)(24)이 상부 연소 표면(16)의 제2 부분(20)의 정반대편의 연소 보울 벽부(21)의 하부면에 형성되어 있다. 언더크라운 표면(24)은 여기에서 바닥부로부터 수직으로 피스톤을 보았을 때 핀 보어(40)를 제외하고 볼 수 있는 표면으로 정의되며, 이 언더크라운 표면은 상부 연소 표면(16)의 제2 부분(20)의 범위로부터 벗어나 연소 보울 벽부(21)의 최소 두께(t)의 2배 이하의 거리까지 연장된다. 따라서, 언더크라운 표면(24)은 대체로 연소 보울(26)까지 최소 거리를 제공하도록 연소 보울(26)의 제2 부분(20)에 대해 형상 맞춤되어 있고, 실질적으로 연소 보울 벽부(21)의 기복형 표면(22)의 반대편 표면이다. 언더크라운 표면(24, 24', 24'', 24''', 24'''', 24''''')은 피스톤(10(도 1-4), 10'(도 5-8), 10''(도 9-12), 10'''(도 13-14), 10''''(도 15-16 ), 10'''''(도 17-18))의 하부로부터 보았을 때 개방 노출되고, 오일 또는 냉각 유체를 언더크라운 표면(24, 24', 24'', 24''', 24'''', 24''''') 근방에 유지시키는 것을 돕는 폐쇄형 또는 부분 폐쇄형 냉각 갤러리나 임의의 다른 피처(feature)에 의해 한정되지 않는다.

상부 벽(14)의 환형의 제1 부분(18)은 상부 벽(14)의 외주를 형성하고, 그로부터 아래로 이어지는 환형의 연소 보울(26)을 에워싸고, 따라서 연소 보울(26)은 상부 연소 표면(16)의 최상측 제1 부분(18) 아래에 오목하게 형성된다. 연소 보울(26)은 피스톤(10)의 중심 축선(30)을 따라 동축적으로 배치되거나 또는 피스톤 중심 축선(30)에 대해 반경방향으로 오프셋될 수 있는, 중심 피크(28)로도 지칭되는, 상부 정점부를 제공하도록 윤곽형성된 것으로서 도시되어 있다. 상부 섹션(13)은 또한 하나 이상의 대응하는 피스톤 링(도시 생략)의 수용을 위한 하나 이상의 링 그루브(34)를 제공하기 위해, 상부 연소 표면(16)으로부터 아래로 이어진 링 벨트 영역(32)을 형성하고 있다.

피스톤 바디(12)는 또한 하부 섹션(36)을 포함하고 있다. 하부 섹션(36)은 상부 섹션(13)으로부터 또한 대체로 상부 벽(14)으로부터 아래로 이어진 한 쌍의 핀 보스(38)를 포함하고 있다. 핀 보스(38) 각각은 바람직하게는 스틸제일 경우에 부시가 없는(bushless) 핀 보어(40)를 가지고, 이들 핀 보어(40)는 대체로 중심 종방향 축선(30)에 대해 횡단방향으로 연장되는 핀 보어 축선(42)을 따라 동축적으로 서로 횡방향으로 이격되어 있다. 핀 보스(38)는 핀 보어 축선(42)을 따라 서로 거리(PB)만큼 이격된, 대체로 서로 평행하게 도시된, 외면(43)으로도 지칭되는, 대체로 평탄한 반경방향 최외측 표면들을 가지고, PB 치수는 최소화됨으로써, 대체로 핀 보어 축선(42)을 따라 그리고 언더크라운(24)을 따라 상방으로 핀 보스(38)의 반경방향 외측으로 연장된, 이하 포켓(50)으로 지칭되는, 오목하게 형성된 대체로 컵형상 영역의 노출 면적을 최대화한다. 포켓(50)은 언더크라운(24)의 일부분을 형성하고, 언더크라운(24)의 범위를 넘어서 상부 연소 표면(16)의 환형의 제1 부분(18)의 하부 표면을 따라 반경방향 외측으로 연장되어, 상부 벽(14)으로부터 링 벨트 영역(32)의 내부 표면을 따라 아래로 이어져 있다. 이와 같이 하여, 적어도 일부분 최소화된 거리(PB)에 기인하는, 포켓(50)의 2차원적 및 3차원적 표면적이 최대화되는 것에 의해, 크랭크케이스로부터 포켓(50)의 노출 표면에 상방으로 끼얹어지거나 흩뿌려지는 오일에 의해 이루어지는 냉각이 향상되고, 이에 의해 상부 연소 표면(16), 언더크라운(24)과 더불어 링 벨트 영역(32)의 일부분의 한층 더한 냉각에 기여한다.

핀 보어(40) 각각은 링 벨트 영역(32)의 최하부 표면(46)과 수평으로 또는 실질적으로 수평으로 형성된, 이하 최상부 표면(44)으로 지칭되는, 오목한 최상부 하중 지지 표면을 가진다. 이와 같이 하여, 압축 높이(CH)가 최소화된다(압축 높이는 핀 보어 축선(42)으로부터 상부 연소 표면(16)까지 연장되는 치수이다). 핀 보스(38)는 스트럿(46)으로도 지칭되는 외측 패널을 통해 하부 섹션(36)의 스커트 패널(48)로도 지칭되는 직경방향으로 대향하는 스커트 부분에 연결되어 있다. 스커트 패널(48)과 스트럿(46)은 스트럿(46)과 스커트 패널(48)의 최하부 즉 하부 표면(51)으로부터 언더크라운 표면(24)까지 연장되는 개방 채널(49)을 한정한다. 개방 채널(49)은 크랭크케이스 내로부터 곧바로 언더크라운 표면(24)으로 끼얹어지거나 흩뿌려지는 오일에 대한 직접적인 통로를 제공함으로써, 전체 언더크라운 표면(24)이 크랭크케이스 내로부터의 오일이 직접적으로 끼얹어지는 것을 가능하게 해주는 동시에 오일이 리스트 핀(도시 생략) 주변에 자유롭게 흩뿌려지는 것도 가능하게 해주며, 또한 피스톤(10)의 중량을 상당히 감소시킨다. 따라서, 일반적인 폐쇄형 또는 부분 폐쇄형 냉각 갤러리를 가지지 않음에도, 갤러리리스 피스톤의 갤러리 개방형 구성이 언더크라운 표면(24)의 최적 냉각과 핀 보어(40) 내의 리스트 핀 조인트에 대한 윤활을 가능하게 해줌과 동시에, 연소 보울 근방의 표면들 상에서의 오일 체류 시간(일정량의 오일이 표면 상에 남아있는 시간)을 감소시킨다. 이는 폐쇄된 또는 실질적으로 폐쇄된 냉각 갤러리를 갖는 피스톤에서 발생할 수 있는 것과 같은 원치 않는 코크화된 오일(coked oil)의 축적을 감소시킬 수 있다. 이와 같이 하여, 피스톤(10)은 더 연장된 사용기간에 걸쳐 "깨끗한(clean)" 상태로 유지되고, 이에 의해 피스톤이 실질적으로 찌꺼기 축적이 없는 상태로 유지되는 것을 가능하게 해준다.

언더크라운 표면(24)의 최적의 냉각으로 인해, 상부 연소 표면(16) 바로 아래의 언더크라운 표면(24) 중의 크랭크케이스로부터 끼얹어지고 흩뿌려지는 오일에 직적접으로 노출되는 비율이 증가된다. 피스톤(10, 10', 10'', 10'''', 10''''')의 도 19c에 도표화된 실험 데이터와, 폐쇄형 또는 부분 폐쇄형 냉각 갤러리를 갖는 종래기술의 피스톤의 도 19a 및 19b에 도표화된 데이트와 함께하는 이하의 더 상세한 설명이 크랭크케이스로부터 직접적으로 끼얹어지는 오일에 대한 언더크라운 표면(24, 24', 24'', 24'''', 24''''')의 향상된 직접 노출을 입증하며, 데이터 중의 일부는 이하에 더 자세히 설명된다. 각각의 연소 보울 벽부(21', 21'', 21''', 21'''', 21''''')의 경미하게 수정된 형태들이 총 표면적(total surface area)(표면의 윤곽을 따른 3차원 면적)과 투영 표면적(projected surface area)(평면도에서 보이는 바와 같은 평면 2차원 면적)의 모두에 대한 피스톤(10', 10'', 10''', 10'''', 10''''')의 노출된 언더크라운 표면(24', 24'', 24''', 24'''', 24''''')과 결부된 데이터의 차이의 대부분을 제공한다는 이해와 더불어, 도 5-8, 9-12, 13-14, 15-16 및 17-18의 각각에 도시된 피스톤(10', 10'', 10''', 10'''', 10''''')은 피스톤(10)에 대해 상술한 것과 유사한 피처를 포함하고 있고, 따라서 이들에 대한 더 자세한 설명은 불필요할 것으로 생각된다는 점을 인지해야 한다. 피스톤(10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''')의 언더크라운 표면(24, 24', 24'', 24''', 24'''', 24''''')은 언더크라운 표면(24, 24', 24'', 24''', 24'''', 24''''')의 윤곽을 따른 3차원 면적으로서 정의되는, 실린더 보어의 면적의 40%보다 더 크고 실린더 보어 면적의 약 40-90% 사이이고 그에 따라 피스톤(10, 10', 10'', 10'''', 10''''')(도 3, 5, 9, 13, 15, 17)의 최대 외경(OD)에 의해 정해지는 2차원 면적의 약 40-90% 사이인 총 노출 표면적을 가진다. 한정되지 않는 예로, 도 1-4의 피스톤(10)은 107 mm 실린더 보어에서 약 6773 ㎟의 총 언더크라운 표면적을 갖고, 실린더 보어 면적의 약 75~80% 사이의 총 표면적을 가질 수 있고; 도 5-8의 피스톤(10')은 106.5 mm 실린더 보어에서 약 4613 ㎟의 총 언더크라운 표면적을 갖고, 실린더 보어 면적의 약 50~55% 사이의 총 표면적을 가질 수 있고; 도 9-12의 피스톤(10'')은 103 mm 실린더 보어에서 약 7060 ㎟의 총 언더크라운 표면적을 갖고, 실린더 보어 면적의 약 80-85% 사이의 총 표면적을 가질 수 있고; 도 15-16의 피스톤(10'''')은 110 mm 실린더 보어에서 약 3978 ㎟의 총 언더크라운 표면적을 갖고, 실린더 보어 면적의 약 40-45% 사이의 총 표면적을 가질 수 있고; 도 17-18의 피스톤(10''''')은 99 mm 실린더 보어에서 약 5630 ㎟의 총 언더크라운 표면적을 갖고, 실린더 보어의 약 70-75% 사이의 총 표면적을 가질 수 있다.

또한, 언더크라운 표면(24, 24', 24'', 24'''', 24''''')은 피스톤(10, 10', 10'', 10'''', 10''''')의 바닥부로부터 대체로 중심 종방향 축선(30, 30', 30'', 30'''', 30''''')을 따라 보았을 때의 2차원 면적으로서 정의되는, 실린더 보어 면적의 약 35-60% 사이이고 그에 따라 피스톤(10, 10', 10'', 10'''', 10''''')의 최대 외경(OD)에 의해 정해지는 면적의 약 35-60% 사이인 투영 표면적을 가진다. 한정되지 않는 예로, 도 1-4의 피스톤(10)은 107 mm 실린더 보어에서 약 3875 ㎟의 투영 언더크라운 표면적을 갖고, 실린더 보어 면적의 약 40~45% 사이의 투영 언더크라운 표면적을 가질 수 있고; 도 5-8의 피스톤(10')은 106.5 mm 실린더 보어에서 약 3621 ㎟의 투영 언더크라운 표면적을 갖고, 실린더 보어 면적의 약 40~45% 사이의 투영 언더크라운 표면적을 가질 수 있고; 도 9-12의 피스톤(10'')은 103 mm 실린더 보어에서 약 3814 ㎟의 투영 언더크라운 표면적을 갖고, 실린더 보어 면적의 약 45-60% 사이의 투영 언더크라운 표면적을 가질 수 있고; 도 15-16의 피스톤(10'''')은 110 mm 실린더 보어에서 약 3619 ㎟의 투영 언더크라운 표면적을 갖고, 실린더 보어 면적의 약 35-40% 사이의 투영 언더크라운 표면적을 가질 수 있고; 도 17-18의 피스톤(10''''')은 99 mm 실린더 보어에서 약 3436 ㎟의 투영 언더크라운 표면적을 갖고, 실린더 보어의 약 40-45% 사이의 투영 언더크라운 표면적을 가질 수 있다.

본 발명에 따라 구성되는 언더크라운 표면(24, 24', 24'', 24'''', 24''''')의 노출 영역은 실린더 보어의 직경의 약 75-90% 사이이고 그에 따라 피스톤(10, 10', 10'', 10'''', 10''''')의 최대 외경(OD)의 약 75~90%인 직경(D)을 가진다. 한정되지 않는 예로, 도 1-4의 피스톤(10)의 노출 언더크라운 표면(24)은 107 mm 실린더 보어에서 약 88 mm의 직경(D)(도 2)을 가지고; 도 5-8의 피스톤(10')의 노출 언더크라운 표면(24')은 106.5 mm 실린더 보어에서 약 88 mm의 직경(D)(도 6)을 가지고; 도 9-12의 피스톤(10'')의 노출 언더크라운 표면(24'')은 103 mm 실린더 보어에서 약 86 mm의 직경(D)(도 9)을 가지고; 도 15-16의 피스톤(10'''')의 노출 언더크라운 표면(24'''')은 110 mm 실린더 보어에서 약 89 mm의 직경(D)을 가지고; 도 17-18의 피스톤(10''''')의 노출 언더크라운 표면(24''''')은 99 mm 실린더 보어에서 약 83 mm의 직경(D)을 가진다.

또한, 본 발명에 따라 구성되는 언더크라운 표면(24, 24', 24'', 24'''', 24''''')의 노출 영역은 폐쇄형 또는 부분 폐쇄형 냉각 갤러리를 갖는 피스톤의 경우 최대 100%인 것과 대조적으로, 연소 보울(26, 26', 26'', 26'''', 26''''')의 직경(CD)의 약 85-140% 사이의 직경(D)을 가진다. 한정되지 않는 예로, 도 1-4의 피스톤(10)의 노출 언더크라운 표면(24)은 약 73 mm의 연소 보울 직경 대비 약 88 mm의 직경(D)을 가지고; 도 5-8의 피스톤(10')의 노출 언더크라운 표면(24')은 약 80 mm의 연소 보울 직경 대비 약 88 mm의 직경(D)을 가지고; 도 9-12의 피스톤(10'')의 노출 언더크라운 표면(24'')은 약 65 mm의 연소 보울 직경 대비 약 86 mm의 직경(D)을 가지고; 도 15-16의 피스톤(10'''')의 노출 언더크라운 표면(24'''')은 약 100 mm의 연소 보울 직경 대비 약 89 mm의 직경(D)을 가지고; 도 17-18의 피스톤(10''''')의 노출 언더크라운 표면(24''''')은 약 72 mm의 연소 보울 직경 대비 약 83 mm의 직경(D)을 가진다. 노출 언더크라운 표면(24, 24', 24'', 24'''', 24''''')의 상대 표면적들 및 상대 직경들은 공지의 피스톤을 훨씬 초과하고, 경우에 따라서는 3배 이상까지 증대된다. 이와 같이 하여, 상부 연소 표면(16, 16', 16'', 16'''', 16''''')은 크랭크케이스로부터 상방으로 끼얹어지는 오일을 통해 직접적으로 냉각될 수 있으며, 이는 원하는 경우 오일 제트의 지원과 결합될 수 있다.

또한, 피스톤(10, 10', 10'', 10'''', 10''''')은 전술한 바와 같이 각각의 포켓(50, 50', 50'', 50'''', 50''''')을 가진다. 포켓(50)은 107 mm 실린더 보어 면적의 약 74%이고, 따라서 상부 연소 표면(16)의 최대 외경(OD)에 의해 정해지는 2차원 면적의 약 70-80% 사이에서 구성될 수 있는 약 6693 ㎟의 표면적을 가진다. 포켓(50')은 106.5 mm 실린더 보어 면적의 약 80%이고, 따라서 상부 연소 표면(16')의 최대 외경(OD)에 의해 정해지는 2차원 면적의 약 75-85% 사이에서 구성될 수 있는 약 4777 ㎟의 표면적을 가진다. 포켓(50'')은 103 mm 실린더 보어 면적의 약 65%이고, 따라서 상부 연소 표면(16'')의 최대 외경(OD)에 의해 정해지는 2차원 면적의 약 60-70% 사이에서 구성될 수 있는 약 5400 ㎟의 표면적을 가진다. 포켓(50'''')은 110 mm 실린더 보어 면적의 약 57%이고, 따라서 상부 연소 표면(16'''')의 최대 외경(OD)에 의해 정해지는 2차원 면적의 약 50-60% 사이에서 구성될 수 있는 약 5392 ㎟의 표면적을 가진다. 포켓(50''''')은 99 mm 실린더 보어 면적의 약 49%이고, 따라서 상부 연소 표면(16''''')의 최대 외경(OD)에 의해 정해지는 2차원 면적의 약 45-55% 사이에서 구성될 수 있는 약 3757 ㎟의 표면적을 가진다. 이와 같이 하여, 포켓(50, 50', 50'', 50'''', 50''''')의 표면적들은 포켓(50, 50', 50'', 50'''', 50''''') 바로 위에 배치되는 상부 연소 표면(16, 16', 16'', 16'''', 16''''') 영역들의 냉각에 크게 기여할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따라, 대향하는 스커트 부분들 사이와 핀 보스들 사이에서 중심 핀 보어 축선에 대해 횡단방향으로 연장되는 피스톤(10''')의 언더크라운 표면(24''')은 오목한 형상이다. 이와 같이 하여, 오일은 피스톤(10''')의 왕복운동 중에 피스톤의 한쪽으로부터 피스톤의 반대쪽으로 채널 유동되고, 이에 의해 피스톤의 냉각을 더 한층 향상시키는 작용을 한다.

이상의 교시된 사항에 비추어, 본 발명의 수많은 수정 및 변경이 가능하다. 따라서, 본 발명은 특정적으로 설명된 것과 다르게 실시될 수 있으며, 본 발명의 범위는 최종적으로 특허결정된 청구범위에 의해 한정된다는 것을 이해해야 한다.

Claims

내연 엔진용 갤러리리스 피스톤에 있어서,
상기 피스톤이 내연 엔진의 실린더 보어 내에서 그것을 따라 왕복운동하게 되는 중심 종방향 축선을 따라 뻗어 있는 모놀리식 피스톤 바디로서, 상기 피스톤 바디는 상부 연소 표면과 함께 적어도 하나의 피스톤 링의 수용을 위해 상기 상부 연소 표면으로부터 아래로 이어지는 환형의 링 벨트 영역을 형성하는 상부 벽을 가지고 있고; 한 쌍의 스커트 부분이 실린더 보어 내에서 피스톤을 안내하는 것을 용이하게 해주도록 상기 링 벨트 영역으로부터 아래로 이어져 있고, 리스트 핀의 수용을 위해 핀 보어 축선을 따라 정렬된 한 쌍의 횡방향으로 이격된 핀 보어를 제공하는 한 쌍의 핀 보스를 가지고 있고; 상기 상부 연소 표면은 제1 부분 및 제2 부분을 가지고 있고, 상기 제1 부분은 상기 상부 벽의 외주를 따라 환형으로 연장되어 있고 상기 제2 부분은 상기 제1 부분으로부터 반경방향 내측으로 아래로 이어져 있는 연소 보울을 형성하고 있고; 상기 상부 벽은 상기 상부 연소 표면의 상기 제2 부분의 정반대편의 상기 연소 보울의 하부면에 형성된 언더크라운 표면을 가지고 있고, 상기 언더크라운 표면은 상기 중심 종방향 축선을 따라 보았을 때 상기 피스톤 바디의 최대 외경에 의해 정해지는 면적의 약 35-60% 사이의 개방 노출된 투영 2차원 표면적을 가지는 바의 모놀리식 피스톤 바디를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 갤러리리스 피스톤.
제 1 항에 있어서, 상기 언더크라운 표면은 상기 피스톤 바디의 면적의 40%보다 큰 총 3차원 표면적을 가지는 것을 특징으로 하는 갤러리리스 피스톤.
제 2 항에 있어서, 상기 언더크라운 표면은 상기 피스톤 바디의 면적의 50%보다 큰 총 3차원 표면적을 가지는 것을 특징으로 하는 갤러리리스 피스톤.
제 2 항에 있어서, 상기 언더크라운 표면은 상기 피스톤 바디의 면적의 60%보다 큰 총 3차원 표면적을 가지는 것을 특징으로 하는 갤러리리스 피스톤.
제 2 항에 있어서, 상기 언더크라운 표면은 상기 피스톤 바디의 면적의 70%보다 큰 총 3차원 표면적을 가지는 것을 특징으로 하는 갤러리리스 피스톤.
제 1 항에 있어서, 상기 언더크라운 표면은 상기 피스톤 바디의 최대 외경의 약 75-90% 사이의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 갤러리리스 피스톤.
제 1 항에 있어서, 상기 연소 보울은 최대 연소 보울 직경을 가지고, 상기 언더크라운 표면은 상기 최대 연소 보울 직경의 적어도 85%인 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 갤러리리스 피스톤.
제 7 항에 있어서, 상기 언더크라운 표면은 상기 최대 연소 보울 직경의 100-140% 사이에 있는 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 갤러리리스 피스톤.
제 1 항에 있어서, 한 쌍의 포켓이 상기 한 쌍의 핀 보스로부터 상기 핀 보어 축선을 따라 상기 링 벨트 영역까지 반경방향 외측으로 연장되어 있고, 상기 한 쌍의 포켓은 적어도 상기 언더크라운 표면의 일부분, 상기 제1 부분의 하부면의 일부분 및 상기 환형의 링 벨트 영역의 일부분을 한정하고; 상기 한 쌍의 포켓은 상기 피스톤 바디의 최대 2차원 면적의 약 45~85% 사이의 총 3차원 표면적을 가지는 것을 특징으로 하는 갤러리리스 피스톤.
제 9 항에 있어서, 상기 한 쌍의 포켓은 상기 피스톤 바디의 최대 2차원 면적의 약 60%보다 큰 총 3차원 표면적을 가지는 것을 특징으로 하는 갤러리리스 피스톤.
제 10 항에 있어서, 상기 한 쌍의 포켓은 상기 피스톤 바디의 최대 2차원 면적의 약 70%보다 큰 총 3차원 표면적을 가지는 것을 특징으로 하는 갤러리리스 피스톤.
제 1 항에 있어서, 상기 한 쌍의 핀 보스는 상기 핀 보어 축선을 따라 상기 피스톤 바디의 최대 외경의 60%보다 작은 제1 거리만큼 서로 이격된 반경방향 최외측 표면들을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 갤러리리스 피스톤.
내연 엔진용 갤러리리스 피스톤을 제작하는 방법에 있어서,
상부 연소 표면과 상기 상부 연소 표면으로부터 아래로 이어지는 환형의 링 벨트 영역을 구비한 상부 벽을 가지고 있는 모놀리식 피스톤 바디로서, 상기 상부 연소 표면은 제1 부분 및 제2 부분을 가지고 있고, 상기 제1 부분은 상기 상부 벽의 외주를 따라 환형으로 연장되어 있고 상기 제2 부분은 상기 제1 부분으로부터 반경방향 내측으로 아래로 이어져 있는 연소 보울을 형성하고 있고; 상기 상부 벽은 상기 제2 부분의 정반대편의 상기 연소 보울의 하부면에 형성된 언더크라운 표면을 가지고 있고; 상기 피스톤 바디는 상기 링 벨트 영역으로부터 아래로 이어져 있는 한 쌍의 스커트 부분과 리스트 핀의 수용을 위해 핀 보어 축선을 따라 정렬된 한 쌍의 횡방향으로 이격된 핀 보어를 가지고 있고; 상기 언더크라운 표면은 상기 중심 종방향 축선을 따라 보았을 때 상기 피스톤 바디의 최대 외경에 의해 정해지는 면적의 약 35-60% 사이의 개방 노출된 투영 2차원 표면적을 가지는 바의 모놀리식 피스톤 바디를 기계가공 공정, 단조 공정 및 주조 공정 중의 하나의 공정으로 성형하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 13 항에 있어서, 상기 언더크라운 표면은 상기 피스톤 바디의 면적의 40%보다 큰 총 3차원 표면적을 가지고 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 13 항에 있어서, 상기 언더크라운 표면은 상기 피스톤 바디의 면적의 50%보다 큰 총 3차원 표면적을 가지고 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 13 항에 있어서, 상기 언더크라운 표면은 상기 피스톤 바디의 최대 외경의 약 75-90% 사이의 직경을 가지고 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 13 항에 있어서, 상기 언더크라운 표면은 상기 연소 보울의 최대 직경의 적어도 85%인 직경을 가지고 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 17 항에 있어서, 상기 언더크라운 표면은 상기 최대 연소 보울 직경의 100-140% 사이에 있는 직경을 가지고 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 13 항에 있어서, 한 쌍의 핀 보스로부터 상기 핀 보어 축선을 따라 상기 링 벨트 영역까지 반경방향 외측으로 연장되어 있는 한 쌍의 포켓으로서, 상기 한 쌍의 포켓은 적어도 상기 언더크라운 표면의 일부분, 상기 제1 부분의 하부면의 일부분 및 상기 환형의 링 벨트 영역의 일부분을 한정하고; 상기 한 쌍의 포켓은 상기 피스톤 바디의 최대 2차원 면적의 약 45~85% 사이의 총 3차원 표면적을 가지는 바의 한 쌍의 포켓을 기계가공 공정, 단조 공정 또는 주조 공정으로 성형하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 13 항에 있어서, 상기 핀 보어 축선을 따라 상기 피스톤 바디의 최대 외경의 60%보다 작은 제1 거리만큼 서로 이격된 반경방향 최외측 표면들을 가지고 있는 한 쌍의 핀 보스를 성형하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.