KR20180112054A

KR20180112054A - 개선된 포켓 냉각을 갖는 갤러리리스 피스톤

Info

Publication number: KR20180112054A
Application number: KR1020187027310A
Authority: KR
Inventors: 토마스 쉬어바움; 스펜 운거만; 하랄트 메르글러; 요제프 하러; 미하엘 자이페르트; 게오르크 호프; 아른트 바베르크; 한노 넥커; 마이클 바이넨거; 제프리 엘. 리페
Original assignee: 페더럴-모걸 엘엘씨
Priority date: 2016-02-23
Filing date: 2017-02-22
Publication date: 2018-10-11
Also published as: US10428761B2; US20170241374A1; DE102016204830A1; WO2017147097A1; BR112018017109A2; EP3420216A1; CN109154252A; WO2017147097A8; JP2019506567A

Abstract

엔진 내에서의 작동 중에 감소된 온도를 갖는 갤러리리스 피스톤이 제공된다. 피스톤은 노출된 언더크라운 표면을 갖는 상부 벽을 포함한다. 링 벨트 및 핀 보스들이 상부 벽에서 아래로 뻗어 있고, 한 쌍의 스커트 패널이 링 벨트에서 아래로 뻗어 스트럿에 의해 핀 보스에 연결된다. 피스톤은 언더크라운 표면을 따라 연장된 내측 언더크라운 영역 및 외측 포켓을 포함한다. 내측 언더크라운 영역은 스커트 패널들, 스트럿들 및 핀 보스들에 의해 둘러싸여진다. 각각의 외측 포켓은 핀 보스들 중의 하나, 링 벨트의 일부분 및 하나의 핀 보스에 인접한 스트럿들에 의해 둘러싸여진다. 복수의 홀이 냉각 오일을 내측 언더크라운 영역으로부터 외측 포켓들까지 전달하기 위해 핀 보스들 및/또는 스트럿들을 통해 내측 언더크라운 영역으로부터 외측 포켓들 중의 하나까지 연장된다.

Description

개선된 포켓 냉각을 갖는 갤러리리스 피스톤

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 그 전체 내용이 여기에 참조되는 2016년 2월 23일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/298,952호, 2016년 3월 23일자로 출원된 독일 특허 출원 10 2016 204 830.9호 및 2017년 2월 21일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/437,631호에 대한 우선권을 주장한다.

발명의 기술분야

본 발명은 대체로 내연 엔진용 피스톤 및 그 피스톤을 제조하는 방법에 관한 것이다.

엔진 제조업체들은 연비 향상, 오일 소비 감소, 연료 시스템 개선, 실린더 보어 내에서의 압축 하중 및 작동 온도의 증가, 피스톤을 통한 열 손실 감소, 구성 부품들의 윤활 향상, 엔진 중량 감소 및 엔진 콤팩트화(이들에 한정되지 않음)를 포함하는 엔진 효율 및 성능을 향상시킴과 동시에 제조 비용을 절감시키는 것에 대한 증가하는 요구에 직면하고 있다.

연소 챔버 내에서의 압축 하중 및 작동 온도를 증가시키는 것이 바람직하지만, 피스톤의 온도를 작동 가능한 한계 내에서 유지시키는 것이 여전히 필요하다. 피스톤을 적절한 온도로 유지시켜 충분한 수명을 달성하기 위해, 피스톤은 예를 들어 냉각 채널 및/또는 크랭크 샤프트의 측면으로부터 피스톤에 분무(spray)하기 위한 냉매 노즐과 같은 냉각을 위한 다양한 피처(feature)를 갖고서 설계될 수 있다.

또한, 압축 하중 및 작동 온도의 증가를 달성하는 것은 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 낮추기 위해 폐쇄형 또는 부분 폐쇄형 냉각 갤러리(cooling gallery)를 갖는 전형적인 피스톤 구조에 특히 문제가 된다. 폐쇄형 또는 부분 폐쇄형 냉각 갤러리를 형성하기 위해 접합 조인트를 따라 함께 결합되는 상부 부분 및 하부 부분을 갖는 피스톤을 제조하는 비용은 일반적으로 상부 부분과 하부 부분을 함께 접합시키는 데 사용되는 결합 공정으로 인해 증가된다. 또한, 엔진 중량이 감소될 수 있는 정도는 피스톤에 부여되는 기계적 및 열적 하중을 견딜 수 있도록 전술한 "냉각 갤러리 포함" 피스톤을 스틸로 제작야 할 필요성에 의해 영향을 받는다.

종종, 피스톤을 가능한 한 경량으로 유지시키는 것이 바람직할 수도 있다. 최근에는, 냉각 갤러리가 없은 단일 피스 스틸 피스톤이 개발되었고, "갤러리리스(galleryless)" 피스톤으로 불릴 수 있다. 이러한 피스톤은 감소된 중량, 감소된 제조 비용 및 감소된 압축 높이를 제공한다. 갤러리리스 피스톤은 냉각 오일 노즐로 분무 냉각되거나, 윤활만을 위해 가볍게 분무되거나, 어떠한 오일도 분무되지 않는다. 냉각 갤러리의 부재로 인해, 이러한 피스톤은 일반적으로 종래의 냉각 갤러리를 갖는 피스톤보다 높은 온도를 경험한다. 고온은 스틸 피스톤의 상부 연소 표면의 산화나 과열을 야기할 수 있고, 이는 그 후에 피스톤 균열과 엔진 고장을 야기할 수 있다. 고온은 또한 예를 들어 냉각 또는 윤활 오일이 분무되는 곳인 연소 보울(combustion bowl) 바로 아래와 같은 피스톤의 언더크라운 영역(undercrown area)을 따라 오일 열화(degradation)를 야기할 수 있다. 고온으로 인해 발생할 수 있는 또 다른 잠재적인 문제점은 냉각 오일이 냉각 또는 윤활 오일이 피스톤 언더크라운과 접촉하는 영역에 두꺼운 탄소 층을 생성할 수 있다는 것이다. 이 탄소 층은 균열 및 엔진 고장 잠재성을 갖는 피스톤 과열을 야기할 수 있다.

본 발명의 하나의 양태는 내연 엔진 내에서의 작동 중에 감소된 온도를 가지며, 따라서 엔진의 개선된 열 효율, 연료 소비 및 성능에 기여하는 갤러리리스 피스톤을 제공한다. 충분한 냉각을 제공하는 것에 더하여, 피스톤은 또한 중량 최적화된다. 피스톤은 언더크라운 표면을 따라 폐쇄형 냉각 갤러리가 없으며, 따라서 폐쇄형 냉각 갤러리를 포함한 피스톤에 비해 감소된 중량 및 관련 비용을 가진다.

피스톤은 피스톤의 하측에서 노출된 언더크라운 표면을 포함하는 상부 벽을 포함한다. 링 벨트가 상부 벽에서 아래로 뻗어 피스톤의 중심 축 둘레로 원주방향으로 연장되어 있다. 한 쌍의 핀 보스가 상부 벽에서 아래로 뻗어 있고, 한 쌍의 스커트 패널이 링 벨트에서 아래로 뻗어 있고, 스커트들은 스트럿에 의해 핀 보스들에 연결된다. 피스톤은 언더크라운 표면을 따라 연장된 내측 언더크라운 영역 및 외측 포켓들을 포함한다. 내측 언더크라운 영역은 스커트 패널들, 스트럿들 및 핀 보스들에 의해 둘러싸여진다. 각각의 외측 포켓은 핀 보스들 중의 하나, 링 벨트의 일부분 및 하나의 핀 보스를 스커트 패널에 연결시키는 스트럿들에 의해 둘러싸여진다. 적어도 하나의 홀이 핀 보스들 중의 적어도 하나 및/또는 스트럿들 중의 적어도 하나를 통해 내측 언더크라운 영역으로부터 외측 포켓들 중의 하나까지 연장된다. 상기 홀은 오일이 내측 언더크라운 영역으로부터 외측 포켓들 중의 적어도 하나로 흐르는 것을 가능하게 해주며, 이것이 적어도 하나의 외측 포켓의 냉각을 향상시키고, 따라서 피스톤의 전체 온도를 감소시킨다.

본 발명의 또 다른 양태는 내연 엔진 내에서의 작동 중에 감소된 온도를 가지며, 따라서 엔진의 개선된 열 효율, 연료 소비 및 성능에 기여하는 중량 최적화된 갤러리리스 피스톤을 제조하는 방법을 제공한다. 이 방법은 피스톤의 하측에서 노출된 언더크라운 표면을 포함하는 상부 벽, 상부 벽에서 아래로 뻗어 피스톤의 중심 축 둘레로 원주방향으로 연장되어 있는 링 벨트, 링 벨트에서 아래로 뻗어 있는 한 쌍의 핀 보스, 링 벨트에서 아래로 뻗어 스트럿들에 의해 핀 보스들에 연결된 한 쌍의 스커트 패널, 언더크라운 표면을 따라 연장되고 스커트 패널들, 스트럿들 및 핀 보스들에 의해 둘러싸여진 내측 언더크라운 영역, 언더크라운 표면을 따라 연장되고 핀 보스들 중의 하나, 링 벨트의 일부분 및 하나의 핀 보스를 스커트 패널들에 연결시키는 스트럿들에 의해 둘러싸여진 한 쌍의 외측 포켓을 포함하는 바디를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 핀 보스들 중의 적어도 하나 및/또는 스트럿들 중의 적어도 하나를 통해 내측 언더크라운 영역으로부터 외측 포켓들 중의 하나까지 적어도 하나의 홀을 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명의 이러한 양태 및 그 밖의 양태, 특징 및 장점은 이하의 상세한 설명 및 여기에 간단히 설명되는 첨부 도면과 관련하여 고찰될 때 더욱 쉽게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 구성된 갤러리리스 피스톤의 정면도이다.
도 2는 내측 언더크라운 영역 및 외측 포켓으로 이루어진 언더크라운 표면을 도시하는 도 1의 갤러리리스 피스톤의 저면도이다.
도 3은 하나의 핀 보스를 통해 내측 언더크라운 영역으로부터 외측 포켓까지 연장된 홀을 도시하는 도 1의 피스톤의 사시도이다.
도 4는 도 1의 피스톤의 저면도이다.
도 5는 도 1의 피스톤의 또 다른 사시도이다.
도 6은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 피스톤의 핀 보스를 통해 연장된 홀들 중의 하나의 확대도이다.
도 7은 본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따라 구성된 갤러리리스 피스톤의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따라 구성된 갤러리리스 피스톤의 핀 보어 축을 통한 단면도이다.
도 9는 핀 보어 축의 방향에서의 도 8의 갤러리리스 피스톤의 정면도이다.
도 10은 디플렉터를 도시하는 도 8의 피스톤의 저면도이다.

도 1 내지 도 10은 예를 들어 현대의 콤팩트한 고성능 차량 엔진과 같은 내연 엔진의 실린더 보어 또는 챔버(도시되지 않음) 내에서 왕복운동하기 위한 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 구성된 피스톤(10)을 도시하고 있다. 피스톤(10)은 또한 디젤 엔진 및 가솔린 엔진에 사용될 수 있다. 피스톤(10)은 감소된 온도에서 작동하도록 설계되고, 따라서 엔진의 개선된 열 효율, 연료 소비 및 성능에 기여한다.

피스톤(10)은 스틸 또는 알루미늄계 재료와 같은 단일 피스의 금속 재료로 형성된 모놀리식 바디(monolithic body)를 갖는다. 모놀리식 바디는 기계 가공, 단조 또는 주조에 의해 형성될 수 있으며, 그후 필요한 경우 완전한 제조를 위해 마무리 가공이 실행될 수 있다. 따라서, 피스톤(10)은 냉각 갤러리 플로어(cooling gallery floor)에 의해 한정되거나 부분적으로 한정되는 폐쇄형 또는 부분 폐쇄형 냉각 갤러리들을 갖는 피스톤에 일반적인 서로 접합되는 상부 부분과 하부 부분과 같이 함께 접합된 복수의 부분을 갖지 않는다. 반면에, 피스톤(10)은 냉각 갤러리를 한정하거나 부분적으로 한정하는 냉각 갤러리 플로어 또는 다른 피처(feature)를 갖지 않는다는 점에서 "갤러리리스(galleryless)"이다.

스틸, 알루미늄 또는 또 다른 금속으로 제작된 바디 부분은 현대의 고성능 내연 엔진의 고성능 요건, 즉 증가된 온도 및 압축 하중을 충족시키도록 강하고 내구성이 있다. 바디를 제작하는데 사용되는 스틸 재료는 특정 엔진 용처에서의 피스톤(10)의 요건에 따라 SAE 4140 등급이나 다른 등급과 같은 합금일 수 있다. 피스톤(10)이 갤러리리스인 것으로 인해, 피스톤(10)의 중량 및 압축 높이가 최소화되고, 이에 따라 피스톤(10)이 배치되는 엔진이 감소된 중량을 달성하고 더 콤팩트하게 제작되는 것을 가능하게 해준다. 또한, 피스톤(10)이 갤러리리스임에도 불구하고, 피스톤(10)은 사용 중에 가장 가혹한 작동 온도를 견딜만큼 충분히 냉각될 수 있다.

피스톤(10)의 바디 부분은 상부 벽(12)을 제공하는 상부 헤드 즉 최상부 섹션을 갖는다. 상부 벽(12)은 내연 엔진의 실린더 보어 내의 연소 가스에 직접 노출되는 상부 연소 표면(14)을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 상부 연소 표면(14)은 연소 보울 또는 중심 축(A) 둘레의 비평면형, 오목형 또는 기복형 표면을 형성한다. 복수의 링 그루브(20)가 뒤따르는 톱 랜드(top land)(18)를 제공하는 링 벨트(16)가 상부 벽(12)에서 아래로 뻗어, 중심 축(A) 둘레로 그리고 피스톤(10)의 외경을 따라 원주방향으로 연장되어 있다. 도 1의 예시적인 실시예에서, 만곡형 프로파일을 갖는 적어도 하나의 밸브 포켓(22)이 피스톤(10)의 상부 벽(12) 내에 형성되어 있다.

도면에 도시된 바와 같이, 피스톤(10)은 또한 링 벨트(16)의 안쪽에서 대체로 상부 벽(12)에서 아래로 연장되어 한 쌍의 횡방향으로 이격된 핀 보어(26)를 제공하는 한 쌍의 핀 보스(24)를 포함한다. 핀 보어(26)는 핀 보어 축(B)을 둘러싼다. 피스톤(10)은 또한 링 벨트(16)에서 아래로 뻗어 서로 직경방향 반대편에 위치되는 한 쌍의 스커트 패널(28)을 포함한다. 스커트 패널(28)은 스트럿(30)에 의해 핀 보스(24)에 연결된다.

피스톤(10)은 또한 상부 벽(12)의 하측의 상부 연소 표면(14) 정반대편의 링 벨트(16) 반경방향 안쪽에 형성된 언더크라운 표면(32)을 포함한다. 언더크라운 표면(32)은 바람직하게는 연소 보울로부터 최소 거리에 위치되고, 실질적으로 연소 보울과 정반대측의 표면이다. 언더크라운 표면(32)은 여기서 바닥에서 피스톤(10)을 똑바로 관찰할 때 핀 보어(26)를 제외하고 볼 수 있는 표면으로 정의된다. 언더크라운 표면(32)은 일반적으로 상부 연소 표면(14)의 연소 보울에 대해 형상 맞춤된다. 언더크라운 표면(32)은 또한 피스톤(10)의 하측에서 보았을 때 개방되어 노출되며, 언더크라운 표면(32) 근방에서 오일 또는 냉각 유체를 보유하는 경향이 있는 폐쇄형 또는 부분 폐쇄형 냉각 갤러리 또는 임의의 다른 피처에 의해 한정되지 않는다.

피스톤(10)의 언더크라운 표면(32)은 폐쇄형 또는 부분 폐쇄형 냉각 갤러리를 갖는 비교 피스톤보다 더 큰 총 표면적(표면의 윤곽을 따르는 3차원 면적) 및 더 큰 투영 표면적(projected surface area)(평면도로 보았을 때의 평면적인 2차원 면적)을 갖는다. 피스톤(10)의 하측을 따르는 이 개방 영역은 오일이 크랭크케이스 내로부터 직접 언더크라운 표면(32) 상으로 비산(splashing)되거나 분무(spray)되는 직접적인 접근로를 제공함으로써, 전체 언더크라운 표면(32)에 클랭크케이스 내의 오일이 직접적으로 비산되는 것을 가능하게 해주는 동시에, 오일이 리스트 핀(도시 안됨) 주위로 자유롭게 비산되는 것을 가능하게 해주며, 또한 피스톤(10)의 중량을 현저하게 감소시킨다. 따라서, 일반적인 폐쇄형 또는 부분 폐쇄형 냉각 갤러리를 갖지 않음에도 불구하고, 전체적으로 개방된 형태의 갤러리리스 피스톤(10)은 언더크라운 표면(32)의 최적의 냉각 및 핀 보어(26) 내의 리스트 핀 조인트에 대한 윤활을 가능하게 해주는 동시에, 일정량의 오일이 표면 상에 남아 있는 시간인 연소 보울 근처의 표면 상에서의 오일 체류 시간을 감소시킨다. 감소된 체류 시간은 폐쇄형 또는 실질적 폐쇄형 냉각 갤러리를 갖는 피스톤에서 발생할 수 있는 것과 같은 원치 않는 코크스화된 오일(coked oil)의 축적을 감소시킬 수 있다. 이와 같이 하여, 피스톤(10)은 연장된 사용에 걸쳐 "깨끗한" 상태를 유지함으로써, 피스톤(10)이 코스스화된 오일의 축적 없이 유지되는 것을 가능하게 해준다.

예시적인 실시예의 피스톤(10)의 언더크라운 표면(32)은 도 2 및 도 10에 가장 잘 도시된 내측 언더크라운 영역(34) 및 외측 포켓(36)을 포함하는 피스톤(10)의 여러 영역에 의해 제공된다. 중심 축(A)에 위치되는 언더크라운 표면(32)의 제1 부분은 내측 언더크라운 영역(34)에 의해 제공된다. 내측 언더크라운 영역(34)은 핀 보스(24), 스커트 패널(28) 및 스트럿(30)에 의해 둘러싸여진다. 내측 언더 크라운 영역(34)에 의해 제공되는 2차원 및 3차원 표면적은 일반적으로 크랭크케이스로부터 노출된 표면에 대해 상방으로 비산되거나 분무되는 오일에 의해 유발되는 냉각이 향상될 수 있고, 그것에 의해 피스톤(10)의 탁월한 냉각을 제공할 수 있도록 최대화된다. 예시적인 실시예에서, 내측 언더크라운 영역(34)에 위치되는 언더크라운 표면(32)은 피스톤(10)의 일측으로부터 피스톤(10)의 반대측으로의 왕복운동 중에 오일이 채널링(channeling)될 수 있고, 그것에 의해 피스톤(10)의 냉각을 더욱 향상시키는 작용을 할 수 있도록 바닥에서 보았을 때 오목형이다.

언더크라운 표면(32)의 제2 영역은 핀 보스(24)의 바깥쪽에 위치된 외측 포켓(36)에 의해 제공된다. 각각의 외측 포켓(36)은 핀 보스(24) 중의 하나, 링 벨트(16)의 일부분 및 하나의 핀 보스(24)를 스커트 패널(28)에 연결시키는 스트럿(24)에 의해 둘러싸여진다. 외측 포켓(36)은 바닥 즉 크랭크샤프트측으로부터 언더크라운 표면(32)의 방향을 향하고 링 벨트(16)의 내부 표면까지 연장되는 중공부를 포함한다. 도 8 내지 도 10의 예시적인 실시예에서, 외측 포켓(36)은 중심 축(A)의 방향으로 링 벨트(16)의 높이의 적어도 50%에 걸쳐 확장된다. 외측 포켓(36)은 편리하게 피스톤(10)의 중량을 절감시킨다.

냉각 오일이 오일 제트가 일반적으로 냉각 오일을 분무하는 곳인 내측 언더크라운 영역(34)으로부터 외측 포켓(36)으로 흐르는 것을 가능하게 해주기 위해, 적어도 하나의 홀(38), 바람직하게는 복수의 홀(38)이 핀 보스(24) 및/또는 스트럿(30)을 통해 내측 언더크라운 영역(34)으로부터 외측 포켓(36)으로 연장된다. 도 3-6, 도 9 및 도 10은 핀 보스(24) 및/또는 스트럿(30)을 통해 외측 포켓(36)으로 연장되는 홀(38)의 예들을 도시한다. 홀(38)을 통해 외측 포켓(36)에 제공되는 냉각 오일의 공급은 외측 포켓(36)의 냉각을 향상시키고, 따라서 피스톤(10)의 전체 온도를 감소시킨다. 홀(38)의 존재로 인해, 일반적인 냉각 채널이 요구되지 않는다. 일반적으로, 냉각 오일은 리스트 핀에 인접한 영역에서 피스톤(10)의 바닥부에 분무되고, 홀(38)을 통해 전향되어 외측 포켓(36)으로 흘러 큰 면적에 걸쳐 원하는 냉각을 달성한다.

홀(38)은 내측 언더크라운 영역(34)으로부터 외측 포켓(36)으로의 연결을 제공하도록 언더크라운 표면(32), 핀 보스(24) 및/또는 스트럿(30)을 따라 다양한 상이한 위치들에 배치될 수 있다. 예시적인 실시 예에서, 홀(38)은 피스톤(10)의 최상부 근처 또는 예를 들어 언더크라운 표면(32)에 인접하여 더 높게 위치된다. 홀(38)은 도 1 내지 도 7에 도시된 실시예에서, 2개의 홀(38)은 내측 언더크라운 영역(34)과 제1 외측 포켓(36) 사이에 위치되고, 2개의 홀(38)은 내측 언더크라운 영역(34)과 제2 외측 포켓(36) 사이에 위치된다. 도 3에 가장 잘 도시된 바와 같이, 각각의 홀(38)은 제1 개구(40)로부터 제2 개구(42)까지 연장된다. 제1 개구(40)는 내측 언더크라운 영역(34) 내에서 스커트 패널(28)과 핀 보스(24) 사이의 스트럿(30) 중의 하나에 인접하여 위치된다. 홀(38)은, 특정 크랭크 각도로 오일 제트로부터 분무되는 냉각 오일이 제1 개구(40) 내로 안내되어 홀(38)을 통과하여 외측 포켓(36)에 도달하도록, 피스톤(10)의 중심 축(A)에 대해 그리고 핀 보어 축(B)에 대해 일정 각도로 위치될 수 있다. 각각의 홀(38)의 각도는 특정 엔진 설계, 오일 제트의 위치 및 크랭크 각도에 좌우된다. 일 실시예에 따라, 홀(38)은 내측 언더크라운 영역(34)으로부터 외측 포켓(36)으로 위쪽 방향으로 경사진다.

도 8 내지 도 10의 예시적인 실시예에서, 2개의 홀(38)이 각각의 핀 보스(24) 내에, 핀 보어(26)의 양쪽의 링 벨트(16)와 접경하는 상부 영역 내에 위치되어, 피스톤(10)의 하측에서 분무된 냉각 오일이 외측 포켓(36)에 접근하는 것을 가능하게 해준다. 대안적으로, 하나의 홀(38)이 각각의 스트럿(30) 내에 인접한 핀 보스(24)의 양쪽에 위치될 수 있다. 홀(38)은 냉각 오일의 양호한 유동을 가능하게 해주기 위해 외측 포켓(36)의 방향으로 연장된다. 이 실시예의 피스톤(10)은 전체적으로 실질적으로 접선 방향으로 연장되는 총 4개의 홀(38)을 포함한다. 도 10에서, 2개의 좌측 홀(38)은 근본적으로 스커트 패널(28)을 향해 원주방향으로 연장되는 각각의 외측 포켓(36)의 연장부에 있다.

홀(38)은 다양한 상이한 형상 및 크기를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 홀(38)은 원통형이며, 5mm 내지 10mm 범위 내의 직경을 갖는다. 하지만, 홀(38)의 직경은 4mm만큼 작은 값으로부터 설계상으로 허용하는 한으로 큰 값까지 가능할 것이다. 도 7은 내측 언더크라운 영역(34)을 외측 포켓(36)과 연결시키기 위해 스트럿(30) 내에 핀 보스(24)에 인접하여 형성된 큰 홀(38)을 갖는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 피스톤(10)을 도시한다.

홀(38)은 다양한 상이한 방법들로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 홀(38)은 피스톤의 모놀리식 바디로 주조되거나 단조된다. 다른 실시예에서, 홀(38)은 모놀리식 바디가 형성된 후에 내측 언더크라운 영역(34)과 외측 포켓(36) 사이에 천공된다.

도 8 내지 도 10의 실시예에 따르면, 피스톤(10)은 냉각 오일을 전향시키기 위해 내측 언더크라운 영역(34) 내에 배치된 적어도 하나의 디플렉터(deflector)(44)를 포함한다. 디플렉터(44)는 스커트 패널(28) 중의 하나의 내부 표면을 따라 그리고/또는 언더크라운 표면(32)을 따라 위치될 수 있다. 디플렉터(44)는 하나 이상의 리세스(46) 및/또는 하나 이상의 리브(rib)(48)를 포함하도록 설계될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 디플렉터는 예를 들어 한 쌍의 리세스(46) 사이에 배치된 적어도 하나의 리브(48), 또는 보다 구체적으로는 한 쌍의 리세스(46) 사이에 배치된 2개의 리브(48)와 같은 리브 형상 융기부(rib shaped elevation)를 포함한다. 또한, 또 다른 리세스(46)가 리브(48)의 반대편에 언더크라운 표면(32)을 따라 위치될 수 있다. 도 10에 도시된 예시적인 실시예에서, 피스톤(10)의 우측에 위치된 단일 리세스(46)의 길이는 피스톤(10)의 좌측의 리브(48)와 리세스(46)의 길이와 대략 동일하다. 냉각 오일이 리세스(46) 내로 분무되면, 오일은 수집되어 올바른 방향으로 안내될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 각각의 리세스(46)는 냉각 오일을 홀(38)의 방향으로 안내하기 위해 신장되어 대체로 피스톤(10)의 원주방향으로 연장된다. 선택적으로 또는 추가적으로, 리세스(46) 중의 하나는 도 10에 도시된 바와 같이 2개의 융기형 리브(48) 사이에서 대체로 반경방향으로 연장되어, 냉각 오일 빔 스플리터(cooling oil beam splitter)로서 작용할 수 있어, 냉각 오일이 적어도 어느 정도까지 핀 보스(24) 사이의 중심 축(A)를 향해 안내된다. 또한, 리브(48)는 냉각 오일 빔 스플리터로서 작용하여 분무된 냉매의 일부분를 2 이상의 방향으로 전향시킬 수 있다. 도 10의 예시적인 실시예에서, 한 쌍의 리브(48)는 양 핀 보스(24) 사이의 중심 지점에서, 스커트 패널(28) 중의 하나를 따라 위치되고, 리브(48)는 냉각 오일을 핀 보스(24) 사이의 언더크라운 표면(32)의 중심 축(A)을 향해 안내하도록 핀 보스(24)에 평행하게 연장된다. 이 실시예에서, 하나의 리세스(46)는 리브(48) 사이에 위치되고, 2개의 다른 리세스(46)는 리브 (48)의 양쪽에 스트럿(30)에 인접하여 위치된다. 보다 구체적으로는, 도 10의 이 실시예에서, 디플렉터(44)는 냉각 오일을 좌측 홀(38)을 통해 외측 포켓(36) 중의 하나 또는 양자 모두 내로 그리고 또한 핀 보스(24) 사이의 피스톤(10)의 중심 축(A)을 향해 안내한다. 이 경우, 냉각 오일은 피스톤(20)이 하사점에 있을 때 냉각 오일이 하나의 리세스(46)를 목표로 하도록 일정 각도로 편리하게 분무될 수 있다. 피스톤(10)이 하사점에서 상사점으로 상승함에 따라, 냉각 오일의 목표 위치는 피스톤(10)을 가로질러 2개의 리브(48) 반대편의 제2 리세스 쪽으로 이동할 것이다. 이 과정에서, 분무된 오일의 빔은 2개의 리브(48)를 가로질러 상기한 효과를 나타낼 것이다. 최종적으로, 피스톤(10)이 상사점에 도달할 때, 냉각 오일은 2개의 리브(48)에 반대편의 리세스(46)를 목표로 할 것이다.

대안적으로, 하나의 리세스(46)가 2개의 리브(48) 대신에 제공될 수 있으며, 또는 리세스(46)가 2개의 리브(48) 사이에만 제공될 수 있다. 각각의 리세스(46)는 바람직하게는 리세스(46)에 접근하는 오일이 핀 보스(24) 또는 스트럿(30) 내의 적어도 하나의 홀(38)의 방향으로 그리고 결과적으로 외측 포켓(36)으로 흐를 것을 편리하게 보장할 수 있도록 스트럿(30) 중의 하나와 접경한다. 적어도 하나의 디플렉터(44)를 사용할 때, 피스톤(10)을 냉각 오일을 피스톤의 중심 축(A)에 대해 비스듬한 각도로 분무하는 냉매 노즐(도시 안됨)과 조합하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 피스톤(10)의 위치에 따라, 피스톤(10)의 상이한 영역들이 그것의 행정을 따라 냉각될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태는 내연 엔진에 사용하기 위한 갤러리리스 피스톤(10)을 제조하는 방법을 제공한다. 일반적으로 스틸 또는 알루미늄으로 형성되는 피스톤(10)의 바디 부분은 단조 또는 주조와 같은 다양한 상이한 방법들에 의해 제조될 수 있다. 갤러리리스 피스톤(10)의 바디 부분은 또한 다양한 상이한 설계들을 포함할 수 있으며, 하나의 설계의 예가 도 1 내지 도 6에 도시되어 있다.

이 방법은 또한 피스톤(10) 내에 내측 언더크라운 영역(34)으로부터 외측 포켓(36)으로 연장되는 홀(38)을 제공하는 단계를 포함한다. 이 단계는 모놀리식 바디를 주조 또는 단조하는 공정 동안 홀(38)을 주조하는 과정 또는 모놀리식 바디를 제공한 후에 홀(38)을 천공하는 것과 같은 다른 적합한 공정을 포함할 수 있다. 홀(38)은 일반적으로 핀 보스(24) 및/또는 스트럿(30)을 통해 연장된다. 홀(38)은 또한 언더크라운 표면(32)의 작은 부분을 통해 연장될 수 있다. 디플렉터(44)도 주조 또는 단조 공정 중에 또는 적합한 공정을 거쳐 형성될 수 있다.

본 발명의 많은 수정 및 변형이 상기 교시에 비추어 가능하고, 이어지는 청구범위의 범주 내에서 특정적으로 상술한 것과 다른 방식으로 실시될 수 있다. 서로 상충하지 않는 한, 모든 청구항들 및 모든 실시예들의 모든 특징들이 서로 조합될 수 있는 것으로 고려된다.

Claims

피스톤에 있어서,
상기 피스톤의 하측에서 노출된 언더크라운 표면을 포함하는 상부 벽;
상기 상부 벽에서 아래로 뻗어 상기 피스톤의 중심 축 둘레로 원주방향으로 연장되어 있는 링 벨트;
상기 상부 벽에서 아래로 뻗어 있는 한 쌍의 핀 보스;
상기 링 벨트에서 아래로 뻗어 스트럿들에 의해 상기 핀 보스들에 연결된 한 쌍의 스커트 패널;
상기 언더크라운 표면을 따라 연장되어 상기 스커트 패널들, 상기 스트럿들 및 상기 핀 보스들에 의해 둘러싸여진 내측 언더크라운 영역;
상기 언더크라운 표면을 따라 연장된 한 쌍의 외측 포켓으로서, 각각의 외측 포켓이 상기 핀 보스들 중의 하나, 상기 링 벨트의 일부분 및 상기 하나의 핀 보스를 상기 스커트 패널들에 연결시키는 상기 스트럿들에 의해 둘러싸여진 한 쌍의 외측 포켓; 및
상기 핀 보스들 중의 적어도 하나 및/또는 상기 스트럿들 중의 적어도 하나를 통해 상기 내측 언더크라운 영역으로부터 상기 외측 포켓들 중의 하나까지 연장되는 적어도 하나의 홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서, 상기 홀 중의 2개는 상기 내측 언더크라운 영역과 상기 외측 포켓들 중의 제1 외측 포켓 사이에 위치되고, 상기 홀 중의 2개는 상기 내측 언더크라운 영역과 상기 외측 포켓들 중의 제2 외측 포켓 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서, 각각의 홀은 제1 개구로부터 제2 개구까지 연장되고, 상기 제1 개구는 상기 언더크라운 영역 내에 상기 스커트 패널과 핀 보스 사이의 상기 스트럿들 중의 하나에 인접하여 위치되고, 상기 제2 개구는 상기 외측 포켓 내에 상기 스트럿에 인접한 상기 핀 보스 측에 위치되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서, 상기 홀은 상기 언더크라운 표면에 인접하여 위치되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서, 상기 핀 보스들의 각각은 핀 보어 축을 둘러싸는 핀 보어를 제공하고, 상기 홀은 상기 중심 축에 대해 그리고 상기 핀 보어 축에 대해 일정 각도로 배치되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서, 4개의 상기 홀을 포함하고 있고, 상기 홀 중의 2개는 상기 핀 보스 내에 핀 보어의 양쪽에 위치되고, 상기 홀은 상기 링 벨트와 접경하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서, 상기 홀은 원통형이고, 적어도 4mm의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서, 상기 홀은 5mm 내지 10mm 범위 내의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서, 냉각 오일을 상기 중심 축 쪽으로 그리고/또는 상기 홀 쪽으로 안내하기 위한 디플렉터를 포함하고, 상기 디플렉터는 적어도 하나의 리세스 및/또는 적어도 하나의 리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 9 항에 있어서, 상기 디플렉터는 상기 핀 보스들 사이에 배치되는 2개의 리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서, 상기 피스톤은 단일 피스의 재료로 형성된 바디를 포함하고, 상기 바디는 상기 상부 벽, 상기 링 벨트, 상기 핀 보스들 및 상기 스커트 패널들을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 11 항에 있어서, 상기 바디의 재료는 스틸 또는 알루미늄인 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서, 상기 피스톤은 냉각 갤러리를 한정하거나 부분 한정하는 냉각 갤러리 플로어 또는 다른 피처를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서, 단일 피스의 재료로 형성된 바디를 포함하고,
상기 바디의 재료는 스틸 또는 알루미늄계이고,
상기 바디는 냉각 갤러리를 한정하거나 부분 한정하는 냉각 갤러리 플로어 또는 다른 피처를 갖지 않고,
상기 바디는 상부 연소 표면을 제공하는 상기 상부 벽을 포함하고,
상기 상부 연소 표면은 상기 중심 축 둘레의 비평면형 표면이고,
상기 링 벨트는 상기 중심 축 둘레로 그리고 상기 피스톤의 외경을 따라 원주방향으로 연장되어 있는 톱 랜드 및 복수의 링 그루브를 포함하고,
상기 핀 보스들은 상기 링 벨트의 안쪽에 배치되고, 핀 보어 축을 둘러싸는 한 쌍의 횡방향으로 이격된 핀 보어들을 제공하고,
상기 한 쌍의 스커트 패널은 서로 직경방향 반대편에 위치되고,
상기 언더크라운 표면은 상기 링 벨트의 반경방향 안쪽에 배치되고,
상기 언더크라운 표면은 유체를 보유하는 경향이 있는 폐쇄형 또는 부분 폐쇄형 냉각 갤러리 또는 임의의 다른 피처에 의해 한정되지 않고,
상기 언더크라운 표면의 제1 부분은 상기 언더크라운 영역에 의해 제공되고, 상기 언더크라운 표면의 제2 부분은 상기 외측 포켓에 의해 제공되고,
상기 내측 언더크라운 영역은 상기 중심 축에 위치되고, 상기 핀 보스들, 상기 스커트 패널들 및 상기 스트럿들에 의해 둘러싸여지고,
상기 내측 언더크라운 영역 내에 위치되는 상기 언더크라운 표면은 상기 피스톤의 바닥에서 보았을 때 오목형이고,
상기 외측 포켓들은 상기 핀 보스들의 바깥쪽에 위치되고,
복수의 상기 홀이 상기 핀 보스들 및/또는 상기 스트럿들을 통해 상기 내측 언더크라운 영역으로부터 상기 외측 포켓들로 연장되고,
상기 홀은 상기 언더크라운 표면에 인접하여 위치되고,
각각의 홀은 제1 개구로부터 제2 개구까지 연장되고,
상기 제1 개구는 상기 내측 언더크라운 영역 내에 위치되고, 상기 제2 개구는 상기 외측 포켓들 중의 인접한 하나의 외측 포켓 내에 위치되고,
상기 홀은 상기 피스톤의 중심 축 및 상기 핀 보어 축에 대해 일정한 각도로 위치되고,
상기 홀은 원통형이고, 5mm 내지 10mm 범위 내의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 14 항에 있어서, 상기 내측 언더크라운 영역 내에 상기 스커트 패널들 중의 하나의 내부 표면을 따라 그리고/또는 상기 언더크라운 표면을 따라 배치되는 적어도 하나의 디플렉터를 더 포함하고, 상기 디플렉터는 적어도 하나의 리브를 포함하고, 상기 적어도 하나의 리브는 한 쌍의 리세스 사이에 배치되고, 상기 적어도 하나의 리브는 상기 핀 보스들에 평행하게 연장되고, 상기 적어도 하나의 리브의 양쪽의 각각의 리세스는 신장되어 원주방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
피스톤을 제조하는 방법에 있어서,
상기 피스톤의 하측에서 노출된 언더크라운 표면을 포함하는 상부 벽; 상기 상부 벽에서 아래로 뻗어 상기 피스톤의 중심 축 둘레로 원주방향으로 연장되어 있는 링 벨트; 상기 상부 벽에서 아래로 뻗어 있는 한 쌍의 핀 보스; 상기 링 벨트에서 아래로 뻗어 스트럿들에 의해 상기 핀 보스들에 연결된 한 쌍의 스커트 패널; 상기 언더크라운 표면을 따라 연장되어 상기 스커트 패널들, 상기 스트럿들 및 상기 핀 보스들에 의해 둘러싸여진 내측 언더크라운 영역; 상기 언더크라운 표면을 따라 연장된 한 쌍의 외측 포켓으로서, 각각의 외측 포켓이 상기 핀 보스들 중의 하나, 상기 링 벨트의 일부분 및 상기 하나의 핀 보스를 상기 스커트 패널들에 연결시키는 상기 스트럿들에 의해 둘러싸여진 한 쌍의 외측 포켓을 포함하는 바디를 제공하는 단계; 및
상기 핀 보스들 중의 적어도 하나 및/또는 상기 스트럿들 중의 적어도 하나를 통해 상기 내측 언더크라운 영역으로부터 상기 외측 포켓들 중의 하나까지 적어도 하나의 홀을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 16 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 홀을 형성하는 단계는 상기 핀 보스들 중의 적어도 하나 및/또는 상기 스트럿들 중의 적어도 하나를 통해 상기 내측 언더크라운 영역으로부터 상기 외측 포켓들 중의 하나까지 적어도 하나의 홀을 천공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 16 항에 있어서, 상기 바디는 상기 핀 보스들 사이에 배치되는 2개의 리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 16 항에 있어서, 상기 바디는 단일 피스의 재료이고, 상기 바디를 제공하는 단계는 상기 바디를 단조 또는 주조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 홀은 상기 단조 또는 주조하는 단계 중에 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 16 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 홀을 형성하는 단계는 상기 내측 언더크라운 영역과 상기 외측 포켓들 중의 제1 외측 포켓 사이에 상기 홀 중의 2개를 형성하는 단계와, 상기 내측 언더크라운 영역과 상기 외측 포켓들 중의 제2 외측 포켓 사이에 상기 홀 중의 2개를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.