KR20180120733A

KR20180120733A - 오일 드레인 피처를 갖는 갤러리리스 피스톤

Info

Publication number: KR20180120733A
Application number: KR1020187028637A
Authority: KR
Inventors: 마이클 바이넨거; 제프리 엘. 리페
Original assignee: 페더럴-모걸 엘엘씨
Priority date: 2016-03-07
Filing date: 2017-03-03
Publication date: 2018-11-06
Also published as: BR112018067913A2; EP3426903A1; JP2019509425A; US20170254289A1; US20170254292A1; CN108884781A; WO2017155807A1

Abstract

내연 엔진용 갤러리리스 스틸 피스톤이 제공된다. 피스톤은 노출된 언더크라운 표면, 링 그루브들을 갖는 링 벨트, 핀 보스들, 스커트 패널들 및 스트럿들을 포함하다. 피스톤은 또한 내측 언더크라운 영역 및 언더크라운 표면을 따라 연장된 외측 포켓들을 포함한다. 내측 언더크라운 영역은 스커트 패널들, 스트럿들 및 핀 보스들에 의해 둘러싸여져 있고, 각각의 외측 포켓은 링 벨트의 일부분, 핀 보스들 중의 하나 및 스트럿들 중의 2개에 의해 둘러싸여져 있다. 피스톤은 냉각 오일의 배유를 가능하게 해주기 위해, 링 그루브들 중의 하나의, 일반적으로는 제3 링 그루브의 후방 벽을 통해 내측 언더크라운 영역까지 그리고/또는 외측 포켓들까지 연장되는 복수의 오일 슬롯을 포함한다. 각각의 오일 슬롯은 일반적으로 링 그루브의 축방향 폭의 30% 내지 100% 범위 내의 직경을 갖는다.

Description

오일 드레인 피처를 갖는 갤러리리스 피스톤

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 그 전체 내용이 여기에 참조되는 2016년 3월 7일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/304,501호 및 2017년 3월 2일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/448,522호에 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. 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 일반적인 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" 피스톤을 스틸로 제작해야 할 필요성에 의해 영향을 받는다.

최근에는, 냉각 갤러리가 없는 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 엔진용 피스톤을 제공한다. 이 피스톤은 피스톤의 하측에서 노출된 언더크라운 표면을 포함하는 상부 벽, 및 상부 벽에서 아래로 뻗어 피스톤의 중심 축 둘레로 원주방향으로 연장되어 있는 링 벨트를 포함한다. 링 벨트는 중심 축 둘레로 원주방향으로 연장되어 있는 복수의 링 그루브를 포함하고, 상기 복수의 링 그루브의 각각이 후방 벽에 의해 서로 이격된 상부 벽 및 하부 벽에 의해 형성되어 있다. 한 쌍의 핀 보스가 상부 벽에서 아래로 뻗어 있고, 한 쌍의 스커트 패널이 링 벨트에서 아래로 뻗어 스트럿들에 의해 핀 보스들에 연결되어 있다. 피스톤은 또한 언더크라운 표면을 따라 연장된 내측 언더크라운 영역을 포함하고 있고, 내측 언더크라운 영역은 스커트 패널들, 스트럿들 및 핀 보스들에 의해 둘러싸여져 있다. 한 쌍의 외측 포켓이 언더크라운 표면을 따라 연장되고, 각각의 외측 포켓은 링 벨트의 일부분, 핀 보스들 중의 하나 및 하나의 핀 보스를 스커트 패널들에 연결시키는 스트럿들에 의해 둘러싸여져 있다. 링 그루브들 중의 적어도 하나는 후방 벽을 통해 피스톤의 내측 언더크라운 영역 및/또는 외측 포켓들 중의 적어도 하나까지 연장되는 적어도 하나의 오일 슬롯(oil slot)을 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태는 피스톤을 제조하는 방법을 제공한다. 이 방법은 피스톤의 하측에서 노출된 언더크라운 표면을 포함하는 상부 벽, 상부 벽에서 아래로 뻗어 상기 피스톤의 중심 축 둘레로 원주방향으로 연장되어 있는 링 벨트로서, 중심 축 둘레로 원주방향으로 연장되어 있는 복수의 링 그루브를 포함하고, 복수으 링 그루브의 각각이 후방 벽에 의해 서로 이격된 상부 벽 및 하부 벽에 의해 형성되어 있는 링 벨트, 상부 벽에서 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 연장된 한 쌍의 외측 포켓으로서, 각각이 링 벨트의 일부분, 핀 보스들 중의 하나 및 하나의 핀 보스를 스커트 패널들에 연결시키는 스트럿들에 의해 둘러싸여져 있는 한 쌍의 외측 포켓을 포함하는 바디를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 링 그루브들 중의 적어도 하나의 후방 벽을 통해 내측 언더크라운 영역 및/또는 외측 포켓들 중의 적어도 하나까지 연장되는 적어도 하나의 오일 슬롯을 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 하나의 예시적인 실시예에 따라 링 그루브를 통해 연장되는 오일 슬롯을 포함할 수 있는 갤러리리스 피스톤의 저면도이다.
도 2는 하나의 예시적인 실시예에 따라 제3 링 그루브를 통해 내측 언더크라운 영역 내로 연장되는 오일 슬롯을 포함하는 갤러리리스 피스톤의 측면도이다.
도 2a는 도 2의 일부분의 확대도이다.
도 3은 도 2의 피스톤의 저면도이다.
도 4는 또 다른 실시예에 따라 제3 링 그루브를 통해 외측 포켓들 내로 연장되는 오일 슬롯들을 포함하는 갤러리리스 피스톤의 저면도이다.

도 1 내지 도 4는 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 감소된 중량을 가지고, 내엔 엔진 내에서의 작동 중에 감소된 온도로 작동하며, 이는 엔진의 개선된 열 효율, 연료 소비 및 성능에 기여한다. 피스톤(10)은 또한 폐쇄형 냉각 갤러리가 없고, 이는 폐쇄형 냉각 갤러리를 포함하는 피스톤에 비해 감소된 중량 및 관련 비용에 기여한다.

도면에 도시된 바와 같이, 피스톤(10)은 스틸과 같은 단일 피스의 금속 재료로 형성된 모놀리식 바디(monolithic body)를 갖는다. 모놀리식 바디는 기계가공, 단조 또는 캐스팅(casting)에 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. 갤러리리스 피스톤(10)의 저면도가 도 1에 도시되고, 또 다른 실시예에 따른 갤러리리스 피스톤(10)의 저면도가 도 2 및 도 3에 도시되어 있으며, 또 다른 실시예에 따른 갤러리리스 피스톤의 저면도가 도 4에 도시되어 있다.

스틸 또는 또 다른 금속으로 제작되는 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.

링 벨트(16)는 상부 벽(12)에서 아래로 뻗어 피스톤(10)의 외경을 따라 원주방향으로 연장되어 있다. 링 벨트(16)는 링 그루브(20)에 의해 서로 이격된 복수의 랜드(land)(18)를 포함한다. 도 2a에 가장 잘 도시된 바와 같이, 각각의 링 그루브(20)는 후방 벽(25)에 의해 서로 이격된 상부 벽(21)과 하부 벽(23) 사이에 형성된다. 후방 벽(25)은 대체로 피스톤(10)의 중심 축(A)에 평행하게 즉 피스톤(10)의 중심 축(A)을 따라 길이방향으로 연장되고, 상부 벽(21) 및 하부 벽(23)은 중심 축(A)에 대해 수직하게 또는 일정 각도로 연장된다. 링 그루브(20)는 여러 가지 상이한 치수를 가질 수 있지만, 예시적인 실시예에서, 각각의 링 그루브(20)의 후방 벽(25)은 피스톤(10)의 길이의 일정 분량인 길이(l)을 가지고, 각각의 링 그루브(20)의 후방 벽(25)은 인접한 랜드(18)로부터 일정 거리(d)에 위치된다. 링 그루브(20)의 거리(d)는 피스톤(10)의 직경의 일정 분량이다. 피스톤(10)의 후방 벽(25)의 인접한 랜드(18)로부터의 길이(l) 및 거리(d)는 일반적으로 피스톤(10)의 전체 원주 둘레에서 일정하다. 또한, 각각의 링 그루브(20)는 도 2a에 도시된 바와 같이 상부 벽(21)으로부터 하부 벽(23)까지 연장되는 축방향 폭(w)을 가지며, 이 축방향 폭(w)은 후방 벽(25)의 길이(l)와 동일하거나 상이할 수 있다. 예시적인 실시예들의 피스톤(10)은 3개의 링 그루브(20)를 포함하고 있지만, 피스톤(10)은 선택적으로 또 다른 개수의 링 그루브(20)를 포함할 수도 있을 것이다.

피스톤(10)은 또한 링 벨트(16)의 안쪽에 대체로 언더크라운 표면(32)에서 아래로 연장된 한 쌍의 핀 보스(24)를 포함한다. 핀 보스(24)는 언더크라운 표면(32)으로부터 수직방향으로 이격된 한 쌍의 횡방향으로 이격된 핀 보어(26)를 제공한다. 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)의 언더크라운 표면(32)은 상부 벽(12)의 하측의 상부 연소 표면(14) 정반대편의 링 벨트(16) 반경방향 안쪽에 형성된다. 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 갤러리나 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 크랭크케이스 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 유지할 수 있고, 이에 이해 피스톤(10)이 코스스화된 오일의 축적 없이 유지되는 것을 가능하게 해준다.

예시적인 실시예의 피스톤(10)의 언더크라운 표면(32)은 도 1에 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 실시예들에서, 내측 언더크라운 영역(34)의 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 및 하나의 핀 보스(24)를 스커트 패널(28)에 연결시키는 스트럿(30)의 부분들 및 링 벨트(16)의 일부분에 의해 둘러싸여진다.

작동 중의 내측 언더크라운 영역(34) 및/또는 외측 포켓(36)의 냉각을 개선시키고 그리고 그에 따른 피스톤(10)의 전체 온도를 감소시키기 위해, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 오일 슬롯(38)이 링 그루브(20) 중의 적어도 하나의 후방 벽(25)을 통해 연장된다. 오일 슬롯(38)은 후방 벽(25)을 통해 반경방향으로 연장될 수 있다. 오일 슬롯(38)은 또한 슬롯(38)을 통한 축이 피스톤(1)의 중심 축(A)을 통과하지 않도록 핀 보어(26)의 축에 평행하거나 수직하게 후방 벽(25)을 통해 연장될 수도 있을 것이다.

각각의 오일 슬롯(38)은 스커트 패널(28) 중의 하나 위에 그리고/또는 핀 보스(24) 중의 하나 위에 위치된다. 하나의 실시예에 따라, 오일 슬롯(38)은 링 그루브(20)로부터 내측 언더크라운 영역(34)으로의 냉각 오일의 배유(drainage)를 가능하게 해준다. 또 다른 실시예에 따라, 오일 슬롯(38)은 피스톤(10)의 링 그루브(20)로부터 외측 포켓(36) 중의 적어도 하나로의 냉각 오일의 냉각 오일의 배유를 가능하게 해준다. 따라서, 이 실시예에서, 배유되는 냉각 오일은 외측 포켓들 중의 적어도 하나(36)로의 냉각 오일의 공급원으로서 기능하여, 냉각 오일이 부족한 경향이 있는 적어도 하나의 외측 포켓(36)의 냉각을 돕는다. 상술한 바와 같이, 내측 언더크라운 영역(34) 및/또는 외측 포켓(36)에 제공되는 추가적인 냉각 오일은 작동 중의 피스톤(10)의 냉각을 돕고, 따라서 작동 중의 피스톤(10)의 전체 온도를 감소시킨다.

도 2 및 도 3의 예시적인 실시예의 피스톤(10)에서, 피스톤은 4개의 오일 슬롯(28)을 포함하고, 2개의 오일 슬롯(38)이 각각의 스커트 패널(28)의 위에서 제3 링 그루브(20) 내에 위치된다. 도 4의 실시예에서, 피스톤은 4개의 오일 슬롯을 포함하고, 2개의 오일 슬롯(38)이 각각의 핀 보스(24) 위에서 제3 링 그루브(20) 내에 위치된다. 오일 슬롯(38)은 스커트 패널(28) 위에서 그리고 핀 보스(24) 위에서 제3 링 그루브(20) 내에 위치될 수 있을 것이다. 오일 슬롯(38)은 선택적으로 링 그루브(20) 중의 또 다른 하나 내에 또는 2개 이상의 링 그루브(20) 내에 위치될 수 있을 것이다. 또한, 오일 슬롯(38)의 개수와 더불어 피스톤(10)의 원주 둘레의 오일 슬롯(38)의 위치는 변동될 수 있다.

오일 슬롯(38)은 다양한 방법에 따라 피스톤(10) 내에 형성될 수 있다. 도 2 및 도 3의 예시적인 실시예에서, 오일 슬롯(38)은 모놀리식 바디를 캐스팅한 후에 제3 링 그루브(20) 내로 천공된다. 도 4의 예시적인 실시예에서는, 오일 슬롯(38)은 모놀리식 바디에 단조된다.

각각의 오일 슬롯(38)은 일반적으로 오일 슬롯(38)이 형성되는 링 그루브(20)의 축방향 폭(w)의 30% 내지 100% 범위 내의 직경(D)을 갖는다. 오일 슬롯(38)이 원형이 아닌 경우, 오일 슬롯(38)은 각각 링 그루브의 축방향 폭의 30% 내지 200% 범위 내에 있는 길이 및 폭을 가진다. 하지만, 오일 슬롯(38)의 치수는 변동될 수 있다. 각각의 오일 슬롯(38)은 또한 링 그루브(20)의 후방 벽(25)으로부터 외측 포켓(36) 중의 하나 및/또는 내측 언더크라운 영역(34)까지 연장되는 피스톤(10)의 전체 두께를 통해 연장된다. 따라서, 각각의 오일 슬롯(38)은 외측 포켓(36) 중의 하나까지 그리고/또는 내측 언더크라운 영역까지의 개구를 제공하고, 이는 오일이 오일 슬롯(38)으로부터 배유되는 것을 가능하게 해준다.

본 발명에 따라 설계된 피스톤(10)은 링 그루브(20)로부터 이탈되어 내측 언더크라운 영역(34) 내로 그리고/또는 외측 포켓(36) 중의 적어도 하나 내로 유입되는 오일의 배유의 증가를 가능하게 해 줌으로써, 링 벨트(16)에 오일 슬롯(38)이 없는 갤러리리스 피스톤에 비해 내측 언더크라운 영역 및/또는 외측 포켓(36)의 개선된 냉각을 성취하는 것이 가능하다.

본 발명의 또 다른 양태는 내연 엔진에 사용하기 위한 갤러리리스 피스톤(10)을 제조하는 방법을 제공한다. 일반적으로 스틸로 형성되는 피스톤(10)의 바디 부분은 단조 또는 주조와 같은 여러 가지 상이한 방법들에 의해 제조될 수 있다. 갤러리리스 피스톤(10)의 바디 부분은 또한 여러 가지 상이한 설계들을 포함할 수 있으며, 가능한 설계의 예들이 도 1 내지 도 4에 도시되어 있다.

이 방법은 또한 링 벨트(16)의 링 그루브(20) 중의 적어도 하나에 오일 슬롯(38) 중의 적어도 하나를 제공하는 단계를 포함한다. 오일 슬롯(38)은 피스톤(10)의 모놀리식 바디 부분을 캐스팅 한 후에 링 벨트(16) 내로 천공하는 것에 의해 또는 피스톤(10)의 모놀리식 바디 부분과 함께 단조 또는 캐스팅하는 것에 의해 형성될 수 있다. 하지만, 오일 슬롯(38)은 다른 방법들에 의해 형성될 수 있을 것이다.

본 발명의 많은 수정 및 변형이 상기 교시에 비추어 가능하고, 본 발명의 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 것 또한 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 벨트로서, 상기 중심 축 둘레로 원주방향으로 연장되어 있는 복수의 링 그루브를 포함하고, 상기 복수의 링 그루브의 각각이 후방 벽에 의해 서로 이격된 상부 벽 및 하부 벽에 의해 형성되어 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 링 벨트의 일부분, 상기 핀 보스들 중의 하나 및 상기 하나의 핀 보스를 상기 스커트 패널들에 연결시키는 상기 스트럿들에 의해 둘러싸여져 있는 한 쌍의 외측 포켓을 포함하고 있고,
상기 링 그루브들 중의 적어도 하나는 상기 후방 벽을 통해 상기 피스톤의 내측 언더크라운 영역 및/또는 상기 외측 포켓들 중의 적어도 하나까지 연장되는 적어도 하나의 오일 슬롯을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서, 상기 링 그루브들의 각각은 상기 상부 벽으로부터 상기 하부 벽까지 연장되는 축방향 폭을 가지고, 상기 오일 슬롯의 각각은 상기 링 그루브의 상기 축방향 폭의 30% 내지 100% 범위 내의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서, 상기 링 그루브들의 각각은 상기 상부 벽으로부터 상기 하부 벽까지 연장되는 축방향 폭을 가지고, 상기 오일 슬롯의 각각은 상기 링 그루브의 상기 축방향 폭의 30% 내지 200% 범위 내의 길이 및 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서, 상기 링 벨트의 상기 링 그루브들은 제1 링 그루브, 제2 링 그루브 및 제3 링 그루브를 포함하고, 상기 제1 링 그루브, 상기 제2 링 그루브 및 상기 제3 링 그루브는 상기 피스톤 내에 존재하는 링 그루브들의 전부이고, 상기 제3 링 그루브는 복수의 상기 오일 슬롯을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 4 항에 있어서, 단지 4개의 상기 오일 슬롯을 포함하고, 2개의 상기 오일 슬롯이 각각의 상기 스커트 패널 위에서 상기 제3 링 그루브를 통해 연장되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 4 항에 있어서, 단지 4개의 상기 오일 슬롯을 포함하고, 2개의 상기 오일 슬롯이 각각의 상기 핀 보스 위에서 상기 제3 링 그루브를 통해 연장되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 오일 슬롯은 상기 링 그루브로부터 상기 내측 언더크라운 영역까지 그리고/또는 상기 외측 포켓들 중의 적어도 하나까지 연장되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서, 상기 링 그루브들 중의 하나에 복수의 상기 오일 슬롯을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서, 상기 링 그루브들의 각각의 상기 후방 벽은 상기 상부 벽으로부터 상기 하부 벽까지 연장되는 길이를 가지며, 상기 후방 벽의 길이는 상기 피스톤의 원주 둘레에서 일정하고, 상기 링 그루브들의 각각의 상기 후방 벽은 상기 상기 링 벨트의 인접한 랜드들로부터 반경방향으로 일정 거리에 위치되고, 상기 거리는 상기 피스톤의 원주 둘레에서 일정한 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서, 단일 피스의 스틸 재료로 형성된 바디 부분을 포함하고, 상기 바디 부분은 상기 상부 벽, 상기 링 벨트, 상기 핀 보스들 및 상기 스커트 패널들을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서, 상기 언더크라운 표면은 유체를 보유하는 경향이 있는 폐쇄형 또는 부분 폐쇄형 냉각 갤러리 또는 임의의 다른 피처에 의해 한정되지 않는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서, 상기 내측 언더크라운 영역은 상기 중심 축에 위치되고, 상기 핀 보스들, 상기 스커트 패널들 및 상기 스트럿들에 의해 둘러싸여지고, 상기 외측 포켓들은 상기 핀 보스들의 바깥쪽에 위치되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 1 항에 있어서, 단일 피스의 스틸 재료로 형성된 바디 부분을 포함하고,
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 피스톤의 원주 둘레에 연장되고,
상기 링 벨트는 상기 링 그루브들을 서로 이격시키는 복수의 랜드를 포함하고,
상기 핀 보스들은 상기 링 벨트의 안쪽에 배치되고, 핀 보어 축을 둘러싸고 상기 언더크라운 표면으로부터 길이방향으로 이격된 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 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 하측에서 보았을 때 오목형이고,
상기 외측 포켓들은 상기 핀 보스들의 바깥쪽에 위치되고,
상기 링 그루브는 제1 링 그루브, 제2 링 그루브 및 제3 링 그루브를 포함하고,
상기 제1 링 그루브, 상기 제2 링 그루브 및 상기 제3 링 그루브는 상기 피스톤 내에 존재하는 링 그루브들의 전부이고,
상기 제1 링 그루브는 상기 상부 연소 표면에 가장 가깝게 배치되고, 상기 제3 링 그루브는 상기 상부 연소 표면으로부터 가장 멀리 배치되고,
상기 링 그루브들의 상기 후방 벽들은 상기 피스톤의 상기 중심 축에 평행하게 그리고 상기 피스톤의 상기 중심 축을 따라 길이방향으로 연장되고,
상기 링 그루브들의 상기 상부 벽들 및 하부 벽들은 상기 피스톤의 상기 중심 축에 대해 수직하게 또는 일정 각도로 연장되고,
상기 링 그루브들의 각각의 상기 후방 벽은 상기 상부 벽으로부터 상기 하부 벽까지 상기 피스톤의 상기 중심 축에 대해 평행하게 연장되는 길이를 가지고,
상기 후방 벽들의 각각의 상기 길이는 상기 피스톤의 원주 둘레에서 일정하고,
상기 링 그루브들의 각각의 상기 후방 벽은 상기 인접한 랜드들로부터 반경방향으로 일정 거리에 위치되고,
상기 거리는 상기 피스톤의 원주 둘레에서 일정하고,
상기 링 그루브들의 각각은 상기 상부 벽으로부터 상기 하부 벽까지 연장되는 축방향 폭을 가지고,
상기 링 벨트의 상기 제3 링 그루브는 상기 후방 벽을 통해 연장되는 복수의 상기 오일 슬롯을 포함하고,
상기 제3 링 그루브는 상기 링 그루브들 중의 상기 오일 슬롯을 포함하는 단지 하나의 링 그루브이고,
상기 오일 슬롯은 상기 스커트 패널들 중의 적어도 하나 위에 그리고/또는 상기 핀 보스들 중의 적어도 하나 위에 위치되고,
상기 오일 슬롯은 상기 제3 링 그루브로부터 상기 내측 언더크라운 영역까지 그리고/또는 상기 외측 포켓들 중의 적어도 하나까지 연장되고,
상기 오일 슬롯의 각각은 상기 제3 링 그루브의 상기 축방향 폭의 30% 내지 100%의 범위 내의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 13 항에 있어서, 단지 4개의 상기 오일 슬롯을 포함하고, 2개의 상기 오일 슬롯이 각각의 상기 스커트 패널 위에서 상기 제3 링 그루브를 통해 연장되고, 상기 오일 슬롯의 각각이 상기 제3 링 그루브로부터 상기 내측 언더크라운 영역까지 연장되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제 13 항에 있어서, 단지 4개의 상기 오일 슬롯을 포함하고, 2개의 상기 오일 슬롯이 각각의 상기 핀 보스 위에서 상기 제3 링 그루브를 통해 연장되고, 상기 오일 슬롯의 각각이 상기 제3 링 그루브로부터 상기 외측 포켓까지 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 벨트로서, 상기 중심 축 둘레로 원주방향으로 연장되어 있는 복수의 링 그루브를 포함하고, 상기 복수의 링 그루브의 각각이 후방 벽에 의해 서로 이격된 상부 벽 및 하부 벽에 의해 형성되어 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 링 벨트의 일부분, 상기 핀 보스들 중의 하나 및 상기 하나의 핀 보스를 상기 스커트 패널들에 연결시키는 상기 스트럿들에 의해 둘러싸여진 한 쌍의 외측 포켓을 포함하는 바디를 제공하는 단계; 및
상기 링 그루브들 중의 하나의 상기 후방 벽을 통해 상기 내측 언더크라운 영역 및/또는 상기 외측 포켓들 중의 적어도 하나까지 연장되는 적어도 하나의 오일 슬롯을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 16 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 오일 슬롯을 형성하는 단계는 상기 링 벨트 내로 천공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 16 항에 있어서, 상기 바디는 단일 피스의 재료이고, 상기 바디를 제공하는 단계는 상기 바디를 기계가공, 단조 및/또는 캐스팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 18 항에 있어서, 상기 바디를 제공하는 단계는 단조 또는 캐스팅하는 단계를 포함하고, 상기 적어도 하나의 오일 슬롯을 형성하는 단계는 상기 단조 또는 캐스팅하는 단계 중에 발생하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 16 항에 있어서, 상기 링 벨트의 상기 링 그루브들은 제1 링 그루브, 제2 링 그루브 및 제3 링 그루브를 포함하고, 상기 제1 링 그루브, 상기 제2 링 그루브 및 상기 제3 링 그루브는 상기 피스톤 내에 존재하는 링 그루브들의 전부이고, 상기 제3 링 그루브는 상기 오일 슬롯을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.