KR20170076734A

KR20170076734A - 피스톤

Info

Publication number: KR20170076734A
Application number: KR1020177013760A
Authority: KR
Inventors: 앤드류 제이 밀러; 브루스 인우드; 마르크 브랜트
Original assignee: 페더럴-모걸 엘엘씨
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2017-07-04
Also published as: US20160123274A1; BR112017008960A2; EP3212917A1; WO2016070031A1; CN107110063B; JP6640216B2; US20180355819A1; US10473056B2; US10087881B2; CN107110063A; JP2017535714A

Abstract

감소된 크기와 향상된 성능을 달성하는 치수를 가진 가솔린 엔진용 철제 피스톤이 제공된다. 피스톤 크라운은 4mm보다 얇은 두께를 가지고 있으며 밸브 포켓을 포함하고 있고 이 밸브 포켓과 최상부 링 홈의 사이에 1.5mm보다 작은 축방향의 클리어런스가 있다. 핀 보스는 핀 보어를 형성하는 내측 면으로부터 1mm에서 크라운과 핀 보어의 사이에서 측정된 피스톤의 최대 외측 직경인 보어 직경의 3.7%보다 작은 축방향의 두께를 가지고 있다. 각각의 핀 보스는 핀 보어와 핀 보스의 하부 단부 사이에서 측정된 보어 직경의 3%보다 작은 반경방향의 두께를 가지고 있다. 언더크라운 표면은 총 피스톤 보어 면적의 45%보다 작은 투영 면적을 제공하고, 상기 총 피스톤 보어 면적은 πBD²/4이고, BD는 보어 직경이다.

Description

피스톤{PISTON}

본 발명은 내연기관용 피스톤에 관한 것이고, 특히 철계 재료로 된 내연기관용 피스톤에 관한 것이다.

승용차와 경량 및 중량 트럭에 사용되는 가솔린 엔진용 피스톤은 통상적으로 알루미늄으로 만들어진다. 알루미늄은 가볍고, 주조하기가 비교적 쉬우며, 대용량으로 만드는 것이 비교적 저렴하다. 차량 제조업계는 동일하거나 보다 작은 크기의 엔진으로 보다 큰 동력과 향상된 연비를 요구하고 있다. 통상적인 알루미늄 피스톤으로 달성될 수 있는 것에 대해 현재 여러가지 제한이 있기 때문에 이러한 요구 사항은 피스톤 제품에 대해 어려운 문제를 제시한다. 예를 들면, 알루미늄 피스톤은 보다 높은 출력과 연비를 달성하기 위해서 사용된 첨단 기술에 의해 유발된 증가된 온도와 압력하에서 적절하게 작동하지 못할 수 있다. 증가된 연소 온도와 압력을 견디고 증가된 연소 온도와 압력하에서 작동하기 위해서, 몇몇 피스톤 제품은 강 피스톤을 이용하는 방식을 취하였다. 이러한 강 피스톤은 종종 연소실의 높은 온도와 압력에 직접적으로 노출되는 상부 크라운을 냉각시키는 냉각유를 유지하기 위해 하나 이상의 폐쇄 냉각 통로를 포함하고 있다.

내연기관용 피스톤은 철계 재료(ferrous material)로 제작되어 있으며 상기 피스톤이 가솔린 엔진을 이용하는 승용차와 경량/중량 트럭에 대해 증가하는 요구를 충족시킬 수 있게 하고 나아가서 상기 요구를 넘어설 수 있게 하는 특정의 치수 관계(dimensional relationship)를 가지고 있다. 상기 피스톤의 치수는 향상된 성능뿐만 아니라 크기와 비용의 전반적인 감소를 제공한다. 상기 피스톤은 또한 어떠한 폐쇄 오일 냉각 통로 없이 제작되고, 이는 크기와 비용을 더욱 감소시킨다.

한 실시형태에 따르면, 상기 피스톤은 피스톤 본체와 한 쌍의 피스톤 스커트 부분의 최대 외측 직경 치수에 해당하는 보어 직경(BD)을 가지고 있다. 상기 스커트 부분은 각각 피스톤의 핀 보어 축에 수직인 평면에서의 각각의 스커트 부분의 투영면에 해당하는 스커트 투영 면적을 가지고 있다. 상기 스커트의 통합된 투영 면적 SA는 πBD²/4의 40%보다 작고, 여기서 πBD²/4는 총 피스톤 보어 면적이다. 이러한 비교적 작은 피스톤 스커트 투영 면적(SA)은 동일한 보어 직경(BD)의 알려진 알루미늄 피스톤의 피스톤 스커트 투영 면적보다 작으며, 감소된 마찰과 크기를 가진 철제 피스톤에 대한 필요한 지침을 제공한다.

다른 실시형태에 따르면, 핀 보어 투영 면적(PBA)이 총 피스톤 보어 면적의 10%보다 작다. 다시 말해서, PBA가 πBD²/4의 10%보다 작고, 여기서 PBA는 핀 보어 축을 포함하고 피스톤의 중심축에 수직인 평면상에 투영된 핀 보어 면의 상반부의 면적이다. 총 피스톤 보어 면적의 크기에 비하여 비교적 작은 핀 보어 투영 면적(PBA)은 피스톤의 저마찰, 작은 크기 그리고 작은 포장에 기여한다.

다른 실시형태에 따르면, 상기 피스톤은 4mm보다 얇은 벽 두께를 가진 크라운을 가지고 있다. 비교 대상인 알루미늄 피스톤의 크라운 두께는 4.5mm보다 두껍다. 본 철제 피스톤의 상대적으로 얇은 크라운은 피스톤의 전체적인 크기 감소와 성능 향샹에 기여한다.

다른 실시형태에 따르면, 상기 피스톤은 πBD²/4의 45%보다 큰 크라운 표면으로 4mm보다 작은 거리에서 측정된 언더크라운 투영 면적(UA)을 가지고 있다.

다른 실시형태에 따르면, 상기 피스톤은 핀 보스의 하부에 얇은 벽 단면을 가지고 있다. 특히, 핀 보스의 하부에서 측정된 핀 보스의 반경방향의 두께는 보어 직경(BD)의 3%보다 얇다. 비교적 얇은 핀 보스 하부 벽 부분은 피스톤의 크기의 감소와 전체 높이의 감소에도 기여한다.

다른 실시형태에 따르면, 핀 보스는 금속 베어링 삽입물(또는 셸(shell))이 전혀 없고 핀 보스의 축방향으로 내측 에지 상부 구역은 하중을 받는 상태에서 핀 보스의 굴곡을 가능하게 할 정도로 충분히 얇다. 피스톤 역학관계(dynamics)는 핀 보스의 상부 부분이 하부 부분보다 작동하는 동안 더 큰 하중을 받도록 되어 있다는 것이다. 상기 상부 구역의 핀 보어 표면이 상기 피스톤 또는 핀에 과도하게 응력이 작용하거나 손상이 발생하지 않도록 하기 위해서 하중을 받는 상태에서 피스톤 핀의 굴곡을 수용하도록 축방향으로 형성되어 있는 것은 통상적인 것이다. 본 실시형태에 따르면, 철제 피스톤의 상부 핀 보스 벽을 얇게 하는 것에 의해 많은 비용이 들고 많은 시간이 소요되는 핀 보어의 윤곽 가공에 대한 필요성을 없앨 수 있다. 특히, 핀 보스의 축방향으로 내측면으로부터 안쪽으로 1mm의 거리에서 측정된 핀 보스의 상부 내측 에지 부분의 반경방향의 두께가 보어 직경(BD)의 3.7%보다 작으면, 리테이너 클립 홈(retainer clip groove)과 통상적인 챔퍼(standard chamfer)를 제외하고 축방향의 윤곽이 없는 직선형 보어가 사용될 수 있다.

다른 실시형태에 따르면, 핀 보어와 언더크라운 사이의 핀 보스의 상부 부분의 내부가 파내어져 있다. 상기 내부는 깊은 리세스(recess) 또는 완전히 개방된 창문의 형태를 취할 수 있다. 상기 내부 구조는 피스톤 크기의 감소와 성능의 향상에 기여하고, 완전히 개방된 창문형상부 또는 관통 통로를 제공하는 것에 의해 핀 보스들 사이의 중앙 언더크라운 공간으로부터 핀 보스의 바깥쪽의 두 개의 측면 방향의 언더크라운 공간까지 유동하는 냉각유를 위한 통로를 제공하는 추가적인 잇점을 가진다. 이러한 외부 구역(outboard area)에 대해 추가적인 냉각을 하는 것에 의해 불충분한 냉각에 대한 염려없이 이러한 구역의 크기를 더 크게 되도록 할 수 있다.

다른 실시형태에 따르면, 깊은 리세스의 형태로 된 상기 내부 구조는 그 깊이가 핀 보스의 내측면에서 시작하여 2mm보다 더 깊다.

다른 실시형태에 따르면, 완전히 개방된 창문의 형태로 된 상기 내부 구조는 보어 직경(BD)의 9.5%보다 작은 두께를 각각 가지고 있는 한 쌍의 핀 보스 벽을 가진 핀 보스를 각각 제공한다. 이러한 비교적 얇은 벽 부분은 철계 재료에 의해 가능하며 피스톤의 질량(mass)의 감소에 기여한다.

다른 실시형태에 따르면, 내부가 파내진 패널 창문형상부는 피스톤의 언더크라운 표면과 같은 높이에서 적어도 2mm 내로 뻗어 있는 상부 에지를 가지고 있다. 이러한 높은 창문형상부(high window)는 노출된 언더크라운 표면을 최대화하고 열을 보유할 수 있는 언더크라운에 인접한 두꺼운 부분을 최소화한다.

다른 실시형태에 따르면, 얇은 피스톤 크라운 부분, 피스톤 스커트, 및/또는 패널은, 필요하다면 전체 크라운, 패널, 및/또는 스커트의 두께를 증가시키기 않고 부가된 강도와 강성을 제공하도록 배치되어 있는 리브를 구비할 수 있다. 크라운의 보강 리브는, 제공되는 경우, 보어 직경(BD)의 4%보다 작은 두께를 가진다.

다른 실시형태에 따르면, 피스톤의 크라운은 최상부 링 홈의 위에 형성된 밸브 포켓을 포함한다. 상기 밸브 포켓과 최상부 링 홈 사이의 축방향의 간격은 약 1.5mm 이하이고, 이는 소형 피스톤 구성에 기여한다.

다른 실시형태에 따르면, 상부 랜드(top land)는 보어 직경(BD)의 3%보다 작은 축방향의 두께를 가지고 있고, 이 또한 피스톤의 소형 구성에 기여한다.

다른 실시형태에 따르면, 상기 피스톤은 제1 링 홈과 제2 링 홈을 분리시키는 제2 랜드를 포함하고 있고, 상기 제2 랜드는 보어 직경(BD)의 3.5%보다 작은 축방향의 두께를 가지고 있고, 이 또한 피스톤의 소형 구성에 기여한다.

다른 실시형태에 따르면, 본 철제 피스톤의 압축 높이(CH)는 비교적 작다. 특히, 상기 압축 높이(CH)는 보어 직경(BD)의 30%보다 작다. 이러한 작은 압축 높이는 피스톤 크기의 감소와 소형 피스톤 구성에도 기여한다.

다른 실시형태에 따르면, 링 벨트와의 경계부에서 스커트의 코드 폭은 보어 직경(BD)의 30% 내지 60%이어야 한다. 이러한 스커트 코드 폭 관계는 링 랜드(ring land)가 낮은 링 홈 파형 변형(low ring groove wave distortion)과 작은 질량(low mass)을 가지는 상태로 지지되는 것을 가능하게 하고, 상기 낮은 링 홈 파형 왜곡과 작은 질량은 피스톤 성능에 이익이 된다.

다른 실시형태에 따르면, 상기 피스톤은 핀 보스와 스커트의 사이에 뻗어 있으며 핀 보스와 스커트를 연결하는 스커트 패널을 포함하고 있다. 상기 스커트 패널은 얇고 유연하여, 마찰의 감소, 크기의 감소 및 성능의 향상을 초래한다. 각각의 상기 패널은 2.2mm보다 얇은 두께를 가지고 있는 반면에, 대응하는 알루미늄 피스톤은 2.5mm보다 두꺼운 패널 두께를 가지고 있다. 상기 스커트 패널은 핀 축과 평행하게 보았을 때 상기 패널이 안쪽 또는 바깥쪽으로 휘도록 바람직하게는 평면으로부터 0.7mm보다 더 크게 안쪽 또는 바깥쪽으로 만곡되어 있다. 만곡된 패널은 패널에 강성을 부여하고 피스톤 구조에 지지를 제공하여 크기를 감소시킨다.

다른 실시형태에 따르면, 상기 스커트는 각각 핀 보어 축의 높이에서 1mm보다 많이 스커트 패널의 측면방향으로 바깥쪽으로 돌출되어 있는 날개부(wing)를 가지고 있다. 이러한 크기의 날개부는 스커트 에지 하중을 감소시키는데 유리하다.

예시적인 실시례가 도면에 도시되어 있으며 첨부된 상세한 설명에 아래와 같이 기술되어 있다.
도 1은 예시적인 한 실시례에 따른 피스톤의 상부 사시도이고;
도 2는 도 1의 피스톤의 하부 사시도이고;
도 3은 핀 보어 축을 통과하여 도시한 도 1의 피스톤의 단면도이고;
도 4는 스커트 패널을 통과하여 도시한 도 3과 유사한 단면도이고;
도 5는 핀 보어 축을 따라서 도시한 도 1의 피스톤의 단면도이고;
도 6은 도 1의 피스톤의 다른 단면도이고;
도 7은 도 1의 피스톤의 또 다른 단면도이고;
도 8은 도 1의 피스톤의 정면도이고;
도 9는 도 2와 유사한 하부 사시도이고;
도 10은 도 5와 유사한 하부 단면 사시도이고;
도 11은 도 1의 피스톤의 측면도이고; 그리고
도 12는 다른 예시적인 실시례에 따른 피스톤의 단면도이다.
아래의 상세한 설명을 첨부된 도면과 관련하여 고려하면 본 발명의 다른 장점을 보다 잘 이해할 수 있으므로, 본 발명의 상기 장점을 용이하게 알 수 있을 것이다.

본 발명의 한 실시례에 따른 피스톤이 도 1 및 도 2에 참고 번호 10으로 도시되어 있고 철계 재료로 된 단일편으로 제조된 피스톤 본체(12)를 포함하고 있다. 강이 SAE 4140 합금과 같은 바람직한 철계 재료이다. 피스톤(10)은 주조되거나, 단조되거나, 분말 금속으로 이루어지거나 빌릿(billet)으로부터 기계가공될 수 있다.

피스톤(10)은 피스톤(10)의 상부 부분인 피스톤 크라운(14)을 포함하고 있다. 도 3에 도시되어 있는 것과 같이, 피스톤 크라운(14)은 작동하는 동안 연소 가스에 노출되는 상부 표면(16)과 작동하는 동안 냉각유에 노출되는 반대쪽 하부 표면 또는 언더크라운 표면(18)을 가진 중실체인 크라운 벽(15)을 포함하고 있다. 크라운 벽(15)은 밸브 포켓(19)과 같은 구조를 포함하도록 형성될 수 있다. 본 실시례에서는, 도 3에 도시되어 있는 것과 같이, 크라운 벽(15)이 전체에 걸쳐서 매우 얇고 대체로 일정한 두께로 되도록 설계되어 있다. 크라운 벽 두께(t_c)가 4mm보다 작은 것이 바람직하다. 이러한 얇은 크라운 벽(15)은 피스톤(10)의 질량을 감소시키고 언더크라운 표면(18)에 냉각유가 접촉할 때 연소열이 상부 표면(16)으로부터 언더크라운 표면(18)으로 신속하고 비교적 일정하게 전도되어 소실되게 한다.

피스톤(10)은, 도 1에 도시되어 있는 것과 같이, 피스톤 본체(12)의 최대 외측 직경 치수에 해당하는 보어 직경(BD)을 가지고 있다. 도시된 실시례에서, 피스톤(10)은 92.5mm의 보어 직경(BD)을 가지고 있다. 이러한 보어 직경(BD)이 승용 자동차와 경량 및 중량 픽업 트럭에 대해 통상적인 것이다.

피스톤 크라운(14)은 상부 크라운 표면(16)을 둘러싸고 있으며 상부 크라운 표면(16)으로부터 아래쪽으로 돌출되어 있는 금속띠의 형태로 된 링 벨트(20)를 포함하고 있다. 링 벨트(20)는 피스톤 본체(12)와 일체로 제작되어 있으며 제1 링 홈 또는 최상부 링 홈(22), 제2 링 홈 또는 중간 링 홈(24) 및 제3 링 홈 또는 하부 링 홈(26)을 포함하고 있다. 상부의 두 개의 링 홈(22, 24)은 압축 링(도시되어 있지 않음)을 수용하도록 구성되어 있고, 하부 링 홈(26)은 오일 조절 링(도시되어 있지 않음)을 수용하도록 구성되어 있다. 링 벨트(20)의 상부 랜드(land)(28)는 제1 링 홈(22)을 제2 링 홈(24)으로부터 분리시킨다. 제2 랜드(30)는 제1 링 홈(22)과 제2 링 홈(24)을 분리시키고, 제3 랜드(32)는 제2 링 홈(24)과 제3 링 홈(26)을 분리시킨다. 하부 랜드(34)는 하부 링 홈(26)에 대한 하부 지지 벽을 형성한다. 도시된 실시례에서는, 상부 랜드(28)가 피스톤(10)의 보어 직경(BD)의 3%보다 작은 축방향의 두께(t_L1)를 가지는 반면에, 제2 랜드(30)는 보어 직경(BD)의 3.5%보다 작은 축방향의 두께(t_L2)를 가지고 있다. 이러한 작은 랜드 치수는 소형(짧은) 피스톤 설계에 기여하고, 결과적으로 크기의 감소와 성능의 향상에 기여한다.

도 1, 도 2 및 도 8에 가장 잘 도시되어 있는 것과 같이, 밸브 포켓(19)이 크라운(14)에 제공될 수 있다. 밸브 포켓(19)이 제공되는 경우, 밸브 포켓(19)과 최상부 링 홈(22) 사이의 축방향의 간격(C)은 1.5mm보다 작다. 이와 같이 밸브 포켓(19)을 피스톤 크라운(14)에 깊게 형성하는 것이 피스톤(10)의 전반적인 소형 설계형태에 기여할 뿐만 아니라 크기의 감소와 성능의 향상에도 기여한다.

피스톤(10)은 피스톤 본체(12)와 일체로 형성되어 있는 한 쌍의 핀 보스(36)를 포함하고 있다. 상기 핀 보스(36)는 피스톤(10)의 언더크라운 표면(18)으로부터 아래쪽으로 돌출되어 있으며 피스톤 본체(12)의 중심의 세로 축(B)과 수직으로 배치되어 있는 핀 보어 축(A)을 따라서 축방향으로 정렬되어 있는 핀 보어(38)를 가지는 형태로 형성되어 있다. 핀 보어(38)는 무베어링 활주면(bearingless running surface)을 제공하고, 이는 핀 보어(38)는 금속 베어링 슬리브가 없다는 것을 의미한다. 핀 보어(38)는 피스톤(10)이 작동하는 동안 피스톤 핀(도시되어 있지 않음)을 수용하고 지지하기 위해, 바람직하게는 인산망간(manganese phosphate)과 같은 저마찰 친유성 코팅 물질(oleophilic coating material)로 코팅되어 있다. 링 홈(22, 24, 26)을 제외하고, 피스톤(10)의 전체 표면이 인산망간으로 코팅되는 것이 바람직하며, 상기 링 홈(22, 24, 26)은 코팅되거나 코팅되지 않을 수 있다. 핀 보스(36)는 내측 핀 보스 표면(40)을 가지고 있고, 상기 내측 핀 보스 표면들은 서로 대향하고 있으며 알려진 방식으로 피스톤 핀과 연결되도록 언더크라운 구역에 인접해 있는 커넥팅 로드(도시되어 있지 않음)를 수용하기에 충분히 이격되어 있다. 도 10에 가장 잘 도시되어 있는 것과 같이, 핀 보어(38)는 πBD²/4인 총 피스톤 보어 면적의 10%보다 작은 핀 보어 투영 면적(PBA)을 가지는 상반부 표면(핀 보어 축(A)의 상부)을 가지고 있다. 핀 보어 투영 면적(PBA)은 핀 보어 축(A)을 포함하는 평면에 놓여 있으며 세로 축(B)과 수직이다. 이러한 작은 핀 보어 투영 면적(PBA)은 피스톤(10)의 크기뿐만 아니라 대응하는 피스톤 핀이 작은 직경을 가지기 때문에 전체 피스톤 조립체의 크기를 감소시킨다.

핀 보스(36)는 각각 원주방향으로 연속인 벽을 가지고 있고, 이 벽의 내측면(40)이 핀 보어(38)를 형성한다. 도 3에 가장 잘 도시되어 있는 것과 같이, 적어도 상기 내측면(40)에 인접한 핀 보스 벽의 최상부 부분(42)은 바람직하게는 연소 싸이클의 일부분 동안 작동중인 피스톤 핀의 하중을 받는 상태에서 상기 벽 부분(42)의 탄성적인 굴곡 또는 만곡을 가능하게 할 정도로 충분히 얇다. 내측면(40)으로부터 안쪽으로 1mm의 거리에서 측정한 상기 벽 부분(42)의 축방향의 두께(t_a)는 보어 직경(BD)의 3.7%보다 작다. 이러한 얇은 벽 부분(42)은 바람직하게는 핀 보어(38)의 직선형 보어 윤곽(straight bore profile)을 동반한다. 통상적으로 동일한 구역에서, 핀 보어(38)는 피스톤 핀의 굴곡을 위한 릴리프 구역을 제공하도록 축방향으로 형성된다. 본 실시례에 따른 얇은 벽 부분(42)은 릴리프 구역의 특별한 기계가공에 대한 필요성을 없애고 대신에 직선형 보어와 피스톤 핀과 함께 상기 벽 부분(42)의 굴곡을 가능하게 한다. 이것은 피스톤을 제작하는 공정을 단순화하고 피스톤 제작 비용을 감소시킨다. 이것은 크기를 감소시키는데도 기여한다.

도 3에 가장 잘 도시되어 있는 것과 같이, 핀 보스 벽의 하부 부분(44)(핀 보스의 하부 부분)도 얇고 바람직하게는 보어 직경(BD)의 3%보다 작은 반경방향의 두께(t_r)를 가지고 있다. 이러한 얇은 하부 부분(44)은 피스톤(10)의 크기와 전체 높이를 감소시키는데 기여한다.

도 2, 도 3, 도 4, 도 6, 도 7, 도 9, 도 10 및 도 12에 도시되어 있는 것과 같이, 핀 보스(36)의 상부 부분(42)은 하부 크라운 표면(18)으로부터 이격되어 있다. 이로 인한 공간(46)이 핀 보스(36)의 내측면(40)에서 시작하여 축방향 바깥쪽으로 적어도 2mm 뻗어 있고 핀 보스(36)의 위와 언더크라운 표면(18)의 아래에 중공 구역(46)을 제공한다. 이러한 중공 구역(46)은 재료를 없앰으로써 피스톤(10)의 질량을 감소시키고 열을 보유할 수 있는 재료 덩어리(material mass)를 없앰으로써 피스톤(10)의 냉각능력도 향상시킨다. 중공 구역(46)은 핀 보스(36)의 폭 전체에 걸쳐서 완전히 형성될 수 있고, 그 결과 핀 보어(38)의 위에 핀 보스(36) 전체에 걸친 유동 통로를 제공하는 완전히 개방된 창문의 형태로 된다. 도 12가 언더컷 중공 구역(undercut hollow region)(46')을 나타내는 반면에, 나머지 도면들은 완전히 개방된 창문 형태의 중공 구역(46)인 공간을 나타낸다. 상기 창문 형태의 중공 구역(46)은 보다 많은 재료가 제거되기도 하지만, 아래로부터 핀 보스(36)들 사이의 언더크라운 구역으로 유입된 냉각유가 냉각유의 직접적인 흐름을 핀 보스(36)의 바깥쪽에 있는 축방향 바깥쪽의 언더크라운 구역(48)으로 제공하도록 상기 창문 형태의 중공 구역(46)을 통하여 핀 보스(36)를 가로지를 수 있다는 점에서 유리하다. 창문 형태의 중공 구역(46)이 없으면, 이러한 바깥쪽의 언더크라운 구역(48)이 핀 보스(36)에 의해 냉각유의 직접적인 흐름으로부터 차단된다. 오일 흐름을 향상시키고 질량을 감소시키기 위해 상기 창문 형태의 중공 구역(46)의 상부 단부는 언더크라운 표면(18)의 2mm 내로 뻗어 있고 이상적으로는 개구의 면적과 높이를 최대화하기 위해 언더크라운 표면(18)과 같은 높이로 된다.

도 2, 도 9 및 도 10에 가장 잘 도시되어 있는 것과 같이, 상기 창문 형태의 중공 구역(46)은 각각 단면이 비교적 얇은 한 쌍의 핀 보스 벽(pin boss pier)(50)에 의해서 연결되어 있다. 상기 핀 보스 벽(50)은 핀 보스(36)와 언더크라운 표면(18) 사이에 축방향으로 배치되어 있다. 바람직하게는, 각각의 핀 보스 벽(50)이 보어 직경(BD)의 9.5%보다 작은 두께를 가지고 있고, 이는 피스톤(10)의 내측 언더크라운 구역과 외측 언더크라운 구역 사이의 최대 오일 흐름을 제공하면서 질량의 감소에 기여한다.

피스톤(10)은 세로 방향(높이)으로 매우 작다. 도 3에 가장 잘 도시되어 있는 것과 같이, 압축 높이(CH)는 핀 보어 축(A)으로부터 링 벨트(20)에 인접한 상부 크라운 표면(16)까지 측정되고 보어 직경(BD)의 30%보다 작다. 이것은 동일한 가솔린 엔진에 적합한 동일한 보어 직경(BD)의 알루미늄 피스톤에 비해서 적어도 20%의 압축 높이의 감소를 나타낸다. 압축 높이(CH)에 있어서 최소의 감소량도 해당 산업에서는 대단한 것으로 간주되는데, 그 이유는 엔진의 전체 높이가 감소될 수 있다는 것을 의미하기 때문이다. 그리고 피스톤(10)이 강인 경우, 압축 높이(CH)의 감소는 피스톤(10)이 연장된 기간 동안 보다 높은 압축 부하를 받으면서 작동할 수 있기 때문에 성능 향상의 추가적인 이익을 동반한다. 다시 말해서, 본 피스톤(10)에 의해 크기의 축소, 동력 증대 그리고 연비 향상이 실현된다.

첨부 도면에 도시되어 있는 것과 같이, 피스톤(10)은 만곡된 외측 표면과 내측 표면(56, 58) 그리고 양쪽 스커트 에지(60, 62)를 가지고 있는 한 쌍의 피스톤 스커트(52)를 포함하고 있다. 스커트(52)는 피스톤 본체(12)와 일체로 형성되어 있고 외측 표면(54)은 맨 위에서 링 벨트(20)의 제4 랜드(34)로 통합된다. 외측 표면(54)들은 함께 πBD²/4의 40%보다 작은(다시 말해서, 총 피스톤 보어 면적의 40%보다 작은) 통합된 스커트 투영 면적(SA)을 제공한다. 한 쌍의 스커트(52) 중의 하나에 대한 스커트 투영 면적(A_l)이 도 2에 표시되어 있으며 핀 보어 축(A)과 평행하고 피스톤(10)의 세로 축(B)에 수직인 평면에 투영된 외측 표면(54)의 면적이다. 이러한 작은 스커트 투영 면적(SA)은 피스톤(10)의 전체적인 작은 크기, 질량의 감소 그리고 성능 향상에 기여한다. 이것은 또한 마찰을 감소시킨다. 더욱더 바람직하게는, 통합된 스커트 투영 면적(SA)이 총 피스톤 보어 면적, πBD²/4의 27% 내지 34%이다. 도 11에 가장 잘 도시되어 있는 것과 같이, 스커트(52)는 코드 폭(chord width)(w_c)을 가지고 있고, 이 코드 폭에서 스커트의 폭이 넓어지기 시작하고 보어 직경(BD)의 30% 내지 60%인 링 벨트(20)로 된다. 이러한 가는 허리부를 가진(small waisted) 스커트(52)가 낮은 링 홈 파형(ring groove wave)을 위해 충분한 지지를 제공하면서 저마찰에 기여한다.

상기 스커트(52)는 각각 스커트 패널(64)에 의해 핀 보스(36)에 직접 연결되어 있다. 스커트 패널(64)은 핀 보스(36) 및 스커트(52)와 일체로 형성되어 있으며 핀 보스(36)의 축방향 외측면의 안쪽에 배치되어 있다. 각각의 스커트 패널(64)은 2.2mm보다 얇은 두께(t_pa)를 가지는 반면에, 대응하는 알루미늄 피스톤은 2.5mm보다 두꺼운 패널 두께를 가진다.

패널(64)은, 핀 보스(36)와 함께, 언더크라운 표면(18)을 핀 보스(36)와 스커트(52)/링 벨트(20) 그리고 패널(64)의 내측 표면에 의해 경계를 이루는 내측 구역과, 핀 보스(36)의 바깥쪽에 있으며 핀 보스(36)의 외측면, 패널(64) 그리고 링 벨트(20)의 내측 표면에 의해 경계를 이루는 언더크라운 표면(18)의 외측 구역으로 분할한다. 상기 창문 형태의 중공 구역(46)은 내측 언더크라운 구역 및 외측 언더크라운 구역과 연결되어 있고 냉각유가 내측 언더크라운 구역과 외측 언더크라운 구역의 사이를 통행할 수 있게 해준다. 도 9에 가장 잘 도시되어 있는 것과 같이, 통합된 언더크라운 구역은 총 피스톤 보어 면적 πBD²/4의 45%보다 큰 언더크라운 표면(18)으로부터 4mm보다 작은 거리에서 측정된 언더크라운 투영 면적(UA)을 제공한다. 상기 투영 면적은 핀 보어 축(A)과 평행하고 피스톤 축(B)과 수직인 평면에 투영된 것이다. 이러한 큰 언더크라운 면적(UA)은 피스톤(10)의 냉각능력을 높이고 질량을 최소화한다.

도 4에 가장 잘 도시되어 있는 것과 같이, 상기 패널(64)은 평면으로부터 적어도 (안쪽 또는 바깥쪽으로) 0.7mm 만큼 안쪽 또는 바깥쪽으로 만곡되어 있으며 필요한 경우에 패널(64)에 그리고 결과적으로 스커트(52)에 강성을 제공한다.

도 5와 도 10에 가장 잘 도시되어 있는 것과 같이, 각각의 스커트(52)는 1mm보다 많이 패널(64)을 넘어서 돌출되어 있는 한 쌍의 스커트 날개부(66)를 가지고 있다. 이러한 크기의 날개부(66)는 피스톤(10)이 작동하는 동안 스커트 에지 부하(skirt edge loading)를 감소시킨다.

언더크라운 표면(18), 피스톤 스커트(52) 및 스커트 패널(64)은 보어 직경(BD)의 4%보다 작은 두께(t_r)를 가진 하나 이상의 보강 리브(68)를 구비할 수 있다. 상기 보강 리브(68)는 전체 크라운(14), 스커트(52), 또는 패널(64)의 두께를 증가시키지 않고 필요한 경우 추가 강도와 강성을 제공한다. 상기 리브(68)는 도 5, 도 7 및 도 10에 가장 잘 도시되어 있다. 예시적인 실시례에서, 리브(68)가 핀 보스 벽(50)의 각각으로부터 반경방향 바깥쪽으로 뻗어 있다. 상기 리브(68)는 크라운(14)에 강성을 제공하고, 핀 보스(36)로부터 언더크라운 표면(18)까지 부하를 분산시키고, 랜드(28, 30, 32, 34)가 처지는 것(drooping)을 방지하기 위해서 사용될 수 있다.

명백히, 상기의 개시내용에 기초하여 본 발명의 다양한 변형 및 수정이 가능하며 첨부된 청구항의 범위 내에서 상기한 것과 다르게 실시될 수 있다. 추가적으로, 청구항에 기재된 참고 번호는 단지 편의를 위한 것이며 결코 제한적인 것으로 이해되어서는 안된다.

Claims

피스톤으로서,
철계 재료로 형성된 피스톤 본체와 피스톤 크라운을 포함하고 있고;
상기 피스톤 크라운은 작동하는 동안 연소 가스에 노출되는 상부 표면과 냉각유에 노출되는 언더크라운 표면을 제공하는 크라운 벽을 포함하고 있고, 상기 크라운 벽은 상기 상부 표면에서부터 상기 언더크라운 표면까지의 크라운 벽 두께를 가지고 있고, 상기 크라운 벽 두께는 4mm보다 작고;
상기 피스톤 크라운은 상기 크라운 벽에 형성된 적어도 하나의 밸브 포켓을 포함하고 있고; 그리고
상기 피스톤 크라운은 상기 상부 표면으로부터 뻗어 있는 링 벨트를 포함하고 있고, 상기 링 벨트는 복수의 링 홈을 포함하고 있고, 상기 밸브 포켓과 상기 복수의 링 홈 중의 최상부 링 홈 사이의 축방향의 간격이 1.5mm보다 작은 것을 특징으로 하는 피스톤.
제1항에 있어서, 상기 피스톤 본체가 상기 피스톤 본체의 최대 외측 직경인 보어 직경을 가지고 있고, 상기 복수의 링 홈은 랜드에 의해 서로 이격되어 있고, 상기 랜드는 상기 상부 표면으로부터 아래로 뻗어 있으며 상기 보어 직경의 3%보다 작은 축방향의 두께를 가지고 있는 상부 랜드와, 상기 복수의 링 홈 중의 하나의 링 홈만큼 상기 상부 랜드로부터 이격되어 있으며 상기 보어 직경의 3.5%보다 작은 축방향의 두께를 가지고 있는 제2 랜드를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제1항에 있어서, 상기 피스톤 본체가 상기 피스톤 본체의 최대 외측 직경인 보어 직경을 가지고 있고, 상기 언더크라운 표면이 총 피스톤 보어 면적의 45%보다 작은 언더크라운 투영 면적을 가지고 있고, 상기 총 피스톤 보어 면적은 πBD²/4이고, BD는 상기 보어 직경인 것을 특징으로 하는 피스톤.
제3항에 있어서, 상기 피스톤 본체가 상기 피스톤 크라운으로부터 뻗어 있는 한 쌍의 핀 보스를 포함하고 있고, 상기 한 쌍의 핀 보스의 각각이 핀 보어를 형성하는 내측면을 포함하고 있고, 상기 핀 보어가 핀 보어 축을 둘러싸고, 상기 한 쌍의 핀 보스의 각각이 상기 핀 보어를 형성하는 상기 내측면으로부터 1mm에서 상기 핀 보어와 상기 피스톤 크라운의 사이에서 측정된 상기 보어 직경의 3.7%보다 작은 축방향의 두께를 가지고 있고, 그리고 상기 한 쌍의 핀 보스의 각각이 상기 핀 보어와 상기 핀 보스의 하부 단부의 사이에서 측정된 상기 보어 직경의 3%보다 작은 반경방향의 두께를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
피스톤으로서,
철계 재료로 형성된 피스톤 본체와 피스톤 크라운을 포함하고 있고;
상기 피스톤 본체는 상기 피스톤 본체의 최대 외측 직경인 보어 직경을 가지고 있고,
상기 피스톤 본체는 상기 피스톤 크라운으로부터 뻗어 있는 한 쌍의 핀 보스를 포함하고 있고, 상기 한 쌍의 핀 보스의 각각은 핀 보어 축을 둘러싸는 핀 보어를 형성하는 내측면을 포함하고 있고;
상기 한 쌍의 핀 보스의 각각은 상기 핀 보어를 형성하는 상기 내측면으로부터 1mm에서 상기 핀 보어와 상기 피스톤 크라운의 사이에서 측정된 상기 보어 직경의 3.7%보다 작은 축방향의 두께를 가지고 있고; 그리고
상기 한 쌍의 핀 보스의 각각은 상기 핀 보어와 상기 핀 보스의 하부 단부의 사이에서 측정된 상기 보어 직경의 3%보다 작은 반경방향의 두께를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제5항에 있어서, 상기 핀 보어는 각각 상기 핀 보어 축으로부터 위쪽으로 뻗어 있는 상반부 표면을 가지고 있고, 상기 상반부 표면은 총 피스톤 보어 면적의 10%보다 작은 핀 보어 투영 면적을 가지고 있고, 상기 총 피스톤 보어 면적은 πBD²/4이고, BD는 상기 보어 직경인 것을 특징으로 하는 피스톤.
제6항에 있어서, 상기 핀 보어를 형성하는 상기 내측면이 직선형 윤곽을 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제5항에 있어서, 상기 피스톤 크라운이 작동하는 동안 연소 가스에 노출되는 상부 표면과 냉각유에 노출되는 언더크라운 표면을 제공하는 크라운 벽을 포함하고 있고, 상기 한 쌍의 핀 보스의 각각이 상기 핀 보어와 상기 언더크라운 표면의 사이에 상부 부분을 포함하고 있고, 상기 상부 부분이 중공 구역에 의해 상기 언더크라운 표면으로부터 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제8항에 있어서, 상기 중공 구역이 상기 언더크라운 표면의 2mm 내로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제8항에 있어서, 상기 중공 구역이 냉각유를 위한 유동 통로를 제공하기 위해서 상기 핀 보스를 완전히 통과하여 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제10항에 있어서, 상기 중공 구역의 각각이 한 쌍의 핀 보스 벽에 의해 연결되어 있으며, 상기 한 쌍의 핀 보스 벽의 각각이 상기 보어 직경의 9.5%보다 작은 두께를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제5항에 있어서, 상기 피스톤 크라운이 작동하는 동안 연소 가스에 노출되는 상부 표면과 냉각유에 노출되는 언더크라운 표면을 제공하는 크라운 벽을 포함하고 있고, 상기 피스톤이 상기 핀 보어 축으로부터 상기 상부 표면까지 측정된 상기 보어 직경의 30%보다 작은 압축 높이를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제5항에 있어서, 상기 피스톤 크라운으로부터 아래로 뻗어 있으며 상기 핀 보스에 의해 서로 이격된 한 쌍의 스커트를 포함하고 있고, 상기 한 쌍의 스커트의 각각이 스커트 투영 면적을 제공하는 외측 표면을 가지고 있고, 상기 한 쌍의 스커트의 통합된 스커트 투영 면적이 총 피스톤 보어 면적의 40%보다 작고, 상기 총 피스톤 보어 면적은 πBD²/4이고, BD는 상기 보어 직경인 것을 특징으로 하는 피스톤.
제13항에 있어서, 상기 통합된 스커트 투영 면적이 상기 총 피스톤 보어 면적의 27% 내지 34%인 것을 특징으로 하는 피스톤.
제13항에 있어서, 상기 한 쌍의 스커트의 각각이 상기 보어 직경의 30% 내지 60%의 코드 폭을 포함하고 있고, 상기 스커트는 상기 코드 폭으로부터 상기 피스톤 크라운까지 폭이 증가하고, 상기 스커트는 상기 코드 폭으로부터 상기 스크트의 하부 단부까지 폭이 증가하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제13항에 있어서, 상기 스커트가 평면으로부터 적어도 0.7mm만큼 안쪽 또는 바깥쪽으로 만곡되어 있는 패널을 포함하고 있고, 스커트 날개부가 1mm보다 많이 상기 패널을 지나서 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제13항에 있어서, 상기 피스톤 크라운의 언더크라운 표면, 및/또는 상기 한 쌍의 스커트 중의 하나를 따라서 배치된 적어도 하나의 보강 리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제5항에 있어서, 상기 피스톤 크라운이 작동하는 동안 연소 가스에 노출되는 상부 표면과 냉각유에 노출되는 언더크라운 표면을 제공하는 크라운 벽을 포함하고 있고, 상기 크라운 벽은 상기 상부 표면에서부터 상기 언더크라운 표면까지의 크라운 벽 두께를 가지고 있고, 상기 크라운 벽 두께는 4mm보다 작고;
상기 피스톤 크라운이 상기 크라운 벽에 형성된 적어도 하나의 밸브 포켓을 포함하고 있고; 그리고
상기 피스톤 크라운이 상기 상부 표면으로 뻗어 있는 링 벨트를 포함하고 있고, 상기 링 벨트는 복수의 링 홈을 포함하고 있고, 상기 밸브 포켓과 상기 복수의 링 홈 중의 최상부 링 홈 사이의 축방향의 간격이 1.5mm보다 작은 것을 특징으로 하는 피스톤.
제18항에 있어서, 상기 언더크라운 표면이 총 피스톤 보어 면적의 45%보다 작은 언더크라운 투영 면적을 가지고 있고, 상기 총 피스톤 보어 면적은 πBD²/4이고, BD는 상기 보어 직경이고;
상기 핀 보어는 각각 상기 핀 보어 축으로부터 위쪽으로 뻗어 있는 상반부 표면을 가지고 있고, 상기 상반부 표면은 상기 총 피스톤 보어 면적의 10%보다 작거나 같은 핀 보어 투영 면적을 가지고 있고;
상기 핀 보스의 상기 핀 보어를 형성하는 상기 내측면은 직선형 윤곽을 가지고 있고;
상기 한 쌍의 핀 보스의 각각이 중공 구역에 의해 상기 언더크라운 표면으로부터 이격된 상부 부분을 포함하고 있고;
상기 피스톤이 상기 핀 보어 축으로부터 상기 상부 표면까지 측정된 상기 보어 직경의 30%보다 작은 압축 높이를 가지고 있고; 그리고
상기 피스톤 크라운으로부터 아래로 뻗어 있으며 상기 핀 보스에 의해 서로 이격된 한 쌍의 스커트를 더 포함하고 있고, 상기 한 쌍의 스커트의 각각이 스커트 투영 면적을 제공하는 외측 표면을 가지고 있고, 상기 한 쌍의 스커트의 통합된 스커트 투영 면적이 총 피스톤 보어 면적의 40%보다 작은 것을 특징으로 하는 피스톤.
제19항에 있어서, 상기 복수의 링 홈이 랜드에 의해 서로 이격되어 있고, 상기 랜드는 상기 상부 표면으로부터 아래로 뻗어 있으며 상기 보어 직경의 3%보다 작은 축방향의 두께를 가지고 있는 상부 랜드와, 상기 복수의 링 홈 중의 하나의 링 홈만큼 상기 상부 랜드로부터 이격되어 있으며 상기 보어 직경의 3.5%보다 작은 축방향의 두께를 가지고 있는 제2 랜드를 포함하고 있고;
상기 중공 구역이 냉각유를 위한 유동 통로를 제공하기 위해서 상기 핀 보스를 통과하여 뻗어 있고, 상기 중공 구역이 상기 언더크라운 표면의 2mm 내로 뻗어 있고;
상기 중공 구역의 각각이 한 쌍의 핀 보스 벽에 의해 연결되어 있으며, 상기 한 쌍의 핀 보스 벽의 각각이 상기 보어 직경의 9.5%보다 작은 두께를 가지고 있고;
상기 스커트 투영 면적이 상기 총 피스톤 보어 면적의 27% 내지 34%이고;
상기 한 쌍의 스커트의 각각이 상기 보어 직경의 30% 내지 60%의 코드 폭을 포함하고 있고, 상기 스커트는 상기 코드 폭으로부터 상기 피스톤 크라운까지 폭이 증가하고, 상기 스커트는 상기 코드 폭으로부터 상기 스크트의 하부 단부까지 폭이 증가하고;
상기 스커트가 평면으로부터 적어도 0.7mm만큼 안쪽 또는 바깥쪽으로 만곡되어 있는 패널을 포함하고 있고, 스커트 날개부가 1mm보다 많이 상기 패널을 지나서 돌출되어 있고; 그리고
상기 피스톤 크라운의 언더크라운 표면, 및/또는 상기 한 쌍의 스커트 중의 하나를 따라서 배치된 적어도 하나의 보강 리브; 및
상기 핀 보어를 형성하는 상기 핀 보스의 상기 내측면에 배치된 인산망간으로 형성된 코팅을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.