KR20180042258A - 연소 기관을 위한 강철 또는 알루미늄 피스톤 및 연소 기관을 위한 강철 또는 알루미늄 피스톤의 적어도 일부를 제조하기 위한 방법 - Google Patents

연소 기관을 위한 강철 또는 알루미늄 피스톤 및 연소 기관을 위한 강철 또는 알루미늄 피스톤의 적어도 일부를 제조하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 냉각 채널(14); 및/또는 언듈레이션(undulation)들, 넓어진(widened) 부분들, 및/또는 테이퍼링(tapering) 부분들을 포함하는 연소 기관을 위한 강철 또는 알루미늄 피스톤에 관한 것이며, 상기 냉각 채널(14) 내에서 핀들(16, 22)은 피스톤 샤프트 방향으로 실질적으로 연장(extend)하고 방사 방향으로 실질적으로 연장한다. 연소 기관을 위한 이러한 타입의 강철 또는 알루미늄 피스톤의 적어도 일부를 제조하기 위한 방법에서, 부가적인 제조 방법이 사용된다.

Description

연소 기관을 위한 강철 또는 알루미늄 피스톤 및 연소 기관을 위한 강철 또는 알루미늄 피스톤의 적어도 일부를 제조하기 위한 방법{STEEL OR ALUMINIUM PISTON FOR A COMBUSTION ENGINE, AS WELL AS METHOD FOR PRODUCING AT LEAST ONE PART OF A STEEL OR ALUMINIUM PISTON FOR A COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 연소 기관을 위한 강철 또는 알루미늄 피스톤뿐만 아니라 연소 기관을 위한 강철 또는 알루미늄 피스톤의 적어도 일부를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
연소 기관들의 피스톤들은 연소 챔버에 접하며 그 결과 이들은 매우 고온들 및 기계적 응력에 영향을 받는다. 피스톤으로부터 열을 분산시키기 위해, 기존에는 일반적으로 하나 이상의 환형(annular) 냉각 채널들이 피스톤 내에 형성되고, 냉각 오일이 피스톤 내에 주입되며, 냉각 오일은 다른 곳으로 냉각 채널을 벗어나기 전에 열을 흡수한다.
종래 기술
이와 관련하여, 예를 들어, WO 2014/059221은 핀들이 연장하는 냉각 채널을 설명한다.
또한, 금속 분말을 이용한 제조의 생성적(generative) 방법이 DE 10 2010 046 468 A1, DE 2013 205 244 A1 및 DE 10 2006 049 216 A1 각각에 제시되어 있다.
이러한 배경 하에서, 본 발명이 기반하는 과제는, 향상된 냉각 채널 설계를 가지며 효율적으로 생산될 수 있는 연소 기관을 위한 강철 또는 알루미늄 피스톤을 제공하는 것이다. 또한, 대응하는 제조 방법이 제시된다.
전술한 과제는, 한편으로는 적어도 하나의 냉각 채널을 포함하는 제1항에 기재된 피스톤에 의해 해결되며, 상기 냉각 채널 내에서 핀들은 피스톤 샤프트 방향으로 실질적으로 연장(extend)하고 방사 방향으로 실질적으로 연장한다. 또한 자신의 베이스 및/또는 팁에서 라운딩(rounded)되는 돌출하는 실린더들 또는 너브(nub)들로서 설명될 수 있는, 이러한 핀들은 바람직하게 열-전달 표면을 증가시키고, 또한 냉각 채널에서 피스톤을 안정화시키는데 사용될 수 있다. 실질적으로 서로에 대하여 수직으로 이어지는(run), 이러한 핀들의 설계는 본 발명에 따른 부가적(additive) 또는 생성적(generative) 제조 방법의 이용에 기인하여 가능해지며, 위에서 설명된 장점들이 결과로 나오게 된다.
위에서 그리고 아래에서 설명되는 핀들과 관련하여, 이들은 단지 본 발명에 따른 방법을 이용하여 제조될 수 있는 구조의 일례로서 제공되도록 상정되는 반면에, 기존의 제조 방법들을 통해서는 이러한 구조가 제조되기에 불가능하거나 또는 상당히 높은 비용으로만 제조될 수 있다는 것을 유의해야할 것이다. 대안으로서 또는 핀들에 부가하여, 예를 들어, 언듈레이션(undulation)들, 넓어진(widened) 부분들, 및/또는 테이퍼링(tapering) 부분들이 가능하다. 언듈레이션들은 바람직하게는 냉각 채널의 상부 및/또는 하부 경계에 부속한다. 넓어진 부분들은 바람직하게는 냉각 채널의 단면에 대한 증가들 또는 냉각 채널의 단면의 확대들을 의미하며, 이는 바람직하게는 부분들에서 제공될 수 있다. 이것은 냉각 채널의 단면의 테이퍼링 부분들에 유사하게 적용된다.
피스톤 샤프트 방향 및 방사 방향으로 연장하는 핀들이 교차하는 것이 일반적으로 바람직하며, 그 결과 실질적으로 십자형(cross-shaped) 배치가 형성된다. 이와 관련하여, 핀들의 중앙 축들은 또한 바람직하게는 교차한다.
또한, 방사 방향으로 이어지는 핀들은 바람직하게는 냉각 채널의 하나의 경계로부터 다른 경계로 연장한다. 이것은 바람직하게 방사 방향에서의 지지(support)를 제공할 수 있다. 피스톤 샤프트 방향으로 이어지는 핀들과 관련하여, 이들이 냉각 채널의 바닥(bottom)으로부터 연장하지만 ― 냉각 채널의 바닥은 추가적으로 냉각 채널의 상부측보다 피스톤 헤드로부터 옴 ―, 냉각 채널의 상부측에 도달하지 않는 것이 바람직하다.
위에서 설명된 과제는 추가적으로 제7항에 기재된 방법에 의해 해결된다.
이에 따르면, 연소 기관을 위한 강철 또는 알루미늄 피스톤의 적어도 일부는 부가적(additive) 또는 생성적(generative) 제조 방법을 이용하여 제조된다. 이러한 방법들의 예들은 3D 프린팅 및 선택적인 금속 레이저 용융(melting) 및 소결(sintering) 절차들을 포함한다. 이와 관련하여 위에서 언급된 종래 기술뿐만 아니라, DE112005002040 B4, DE102004042775 B4, DE102010026000 A1, US7942987 B2, EP1163999 B1, US6504127 B1, DE102004008122 B4, DE102006038858 A1, US5387380 A 및 US6676892 B2에 대한 참조가 이루어지며, 이들의 개시 내용은 본 출원의 내용을 형성한다.
본 발명에 따른 부가적 또는 생성적 제조 방법은 피스톤 블랭크(blank) 또는 피스톤 블랭크의 부분을 제조하는데 사용되며, 그 다음에 피스톤 블랭크 또는 피스톤 블랭크의 부분은, 적절한 곳에서, 피스톤의 추가 부분들에 연결된 후에 통상적인 방식으로 완성됨을 유의하도록 한다. 또한, 알루미늄 피스톤은 알루미늄 합금으로 이루어진 피스톤을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
부가적 또는 생성적 제조 방법들은 연소 기관들을 위한 피스톤들을 제조하기 위한 본 발명의 범위 내에서 제안된다; 이들은 지금까지 제조가 불가능하였던 설계들이 이제 만들어질 수 있는 상당한 장점을 제공한다. 다음에서 보다 상세하게 논의될 바와 같이, 냉각 채널 결합구조(geometry) 설계의 범위 내에서, 예를 들어, 이것은 설계 제약들없이 열-방출 표면을 확대함으로써 활용될 수 있으며, 그 결과 냉각 오일로의 열 전달이 향상되고 피스톤으로부터의 열분산이 또한 향상된다. 그러므로, 지금까지 제조하기 매우 어려웠던 또는 캐스팅(casting) 및/또는 머쉬닝(machining)의 복잡성에 기인하여 과도한 양의 노력 및/또는 비용으로 캐스팅 및/또는 머쉬닝에 의해서만 제조가능하였던 냉각 채널 설계들을 효율적으로 제조하는 것이 가능하다. 캐스팅의 경우에, 예를 들어, 필요한 손실된 모래 또는 소금 코어(core)들이 대응하는 형태를 가져야 하도록, 예컨대 이것은 언더컷(undercut)들을 포함하는 냉각 채널 설계들에 적용되고, 이들의 제조는 증가된 양의 노력 및/또는 비용과 연관된다.
그러므로 본 발명에 따른 방법을 이용하여 냉각 채널을 형성하는 강철 또는 알루미늄 피스톤의 부분이 적어도 일부 제조되는 것이 본 발명의 범위 내에서 바람직하다. 이것은 예컨대 마찰 용접(welding) 또는 인덕션 용접에 의해 피스톤의 다른 부분에 배치되고 그리고 피스톤의 다른 부분에 연결될 수 있다. 부가적 또는 생성적 제조 방법들이 더 높은 비용들과 연관되는한, 이들은 본 발명에 따라 강철 또는 알루미늄 피스톤의 일 부분으로 제한될 수 있다. 대안적으로, 피스톤의 부분들을 연결하기 위해 설명되는 방법들에 대한 비용들은, 본 발명의 범위 내에서 바람직한 바와 같이, 단조(forge)되거나 또는 주조(cast)된 피스톤과 같은 기존에 제조된 피스톤이 본 발명에 따른 부가적 또는 생성적 제조 방법을 이용하여 조립되는 경우에, 회피될 수 있다.
이와 관련하여, 강철 또는 알루미늄 피스톤의 상이한 부분들이 상이한 강철 또는 알루미늄 재료(material)들로부터 제조되는 것이 바람직하며, 그 결과 각각의 부분의 특성들은 각 부분에 대하여 정해지는 요구들에 대하여 적응(adapt)될 수 있다. 이들은, 예를 들어, 안정성(stability), 스케일링 레지스턴스(scaling resistance), 열 전도성 등을 포함한다. 특히 해당되는 요구들을 충족하는 재료가 각각의 부분에 대하여 바람직하게 선택될 수 있으며, 그 결과 전체적으로 향상된 피스톤이 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 방법과 관련하여 위에서 그리고 아래에서 설명되는 특징들 모두는 본 발명에 따른 강철 또는 알루미늄 피스톤에 적용되며, 그 반대도(vice versa) 그러하다.
본 발명의 실시예는 다음에서 보다 상세하게 설명될 것이다.
도면은 냉각 채널을 포함하는 본 발명에 따른 강철 또는 알루미늄 피스톤의 일 영역을 통한 단면을 도시한다.
도면으로부터 보여지는 바와 같이, 본 발명에 따른 피스톤은 피스톤 헤드(10)를 포함하며, 피스톤 헤드(10)는 연소 챔버에 접하고(abut), 피스톤 헤드(10) 내에 연소 보울(bowl)(12)이 형성된다. 피스톤 헤드(10) 아래에 피스톤 링 그루브(groove)들(12) 및 실질적으로 환형의 냉각 채널(14)이 존재한다.
본 발명에 따르면, (도면에서 수직인) 피스톤 샤프트의 방향으로 실질적으로 이어지는(run) 핀들(16)이 냉각 채널(14) 내에 형성되고, 도시된 경우에서, 이들은 라운딩되며(rounded), 여기서 이들은 냉각 채널(14)의 바닥(18)과 만나고, 이들의 상부에서, 자유 단부(free end)(20)와 만나게 된다. 도시된 경우에서, 실질적으로 원통형 핀들의 직경은 대략 (방사 방향에서 측정되는) 냉각 채널(14)의 폭의 1/3에 대응한다. 또한, 도시된 예에서 이들은 냉각 채널(14)의 바닥(18)에 형성되고 냉각 채널의 상부측까지 연장되지 않는다.
추가적인 핀들(22)은 실질적으로 방사 방향으로 제공되고, 샤프트 방향으로 연장하는 핀들(16)과 함께 십자형 배치를 형성하며, 도시된 경우에서 냉각 채널(14)의 일 측면 경계로부터 다른 경계로 연장한다. 핀들(22)이 이러한 경계들을 만나게 되며, 이들은 라운딩된다. 이것은 또한 사실이며, 이들이 피스톤 샤프트 방향으로 이어지는 핀들(16)과 만나게 된다. 도면에 도시되어 있지 않더라도, 도면에 도시된 바와 같은 상당하게 복잡한 배치들을 갖는 영역을 포함하는 피스톤의 부분은, 예를 들어, 부가적 또는 생성적 제조 방법을 이용하여 제조될 수 있고 상이한 방식으로 제조될 수 있는 제 2 부분에 연결될 수 있다.

Claims (10)

  1. 연소 기관을 위한 강철 또는 알루미늄 피스톤으로서,
    적어도 하나의 냉각 채널(14); 및/또는
    언듈레이션(undulation)들, 넓어진(widened) 부분들, 및/또는 테이퍼링(tapering) 부분들을 포함하며,
    상기 냉각 채널(14) 내에서 핀들(16, 22)은 피스톤 샤프트 방향으로 실질적으로 연장(extend)하고 방사 방향으로 실질적으로 연장하는,
    연소 기관을 위한 강철 또는 알루미늄 피스톤.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 피스톤 샤프트 방향으로 연장하는 핀들(16) 및 상기 방사 방향으로 연장하는 핀(22)들이 교차하는, 연소 기관을 위한 강철 또는 알루미늄 피스톤.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 방사 방향으로 연장하는 핀들(22)은 상기 냉각 채널(14)의 하나의 경계로부터 다른 경계로 이어지는(run), 연소 기관을 위한 강철 또는 알루미늄 피스톤.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피스톤 샤프트 방향으로 연장하는 핀들은 오직 상기 냉각 채널(14)의 바닥(18)으로부터 연장하는, 연소 기관을 위한 강철 또는 알루미늄 피스톤.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 채널의 상부 및/또는 하부 경계는 언듈레이션들을 가지는, 연소 기관을 위한 강철 또는 알루미늄 피스톤.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 채널의 단면은 부분들에서 넓어지고 그리고/또는 부분들에서 테이퍼링되는, 연소 기관을 위한 강철 또는 알루미늄 피스톤.
  7. 부가적(additive) 또는 생성적(generative) 제조 방법을 이용하여 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 연소 기관을 위한 강철 또는 알루미늄 피스톤의 적어도 일부를 제조하기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 강철 또는 알루미늄 피스톤의 상기 일부는 3D 프린팅 및/또는 선택적인 금속 레이저 용융(melting) 및/또는 소결(sintering)을 이용하여 제조되는, 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    부가적 또는 생성적 제조 방법을 이용하여 제조된 상기 강철 또는 알루미늄 피스톤의 상기 일부는 적어도 부분적으로 상기 피스톤의 냉각 채널을 형성하는, 방법.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    본 발명에 따른 상기 강철 또는 알루미늄 피스톤의 상이한 부분들은 상이한 강철 또는 알루미늄 재료(material)들로부터 제조되는, 방법.
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