KR20180134938A - 비대칭 상부 연소 표면을 갖는 피스톤 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

갤러리리스 피스톤 및 제조 방법은 내연 엔진의 연소 챔버에 대해 노출되도록 피스톤이 왕복 운동하면서 따르게 되는 중심 길이방향 축 둘레로 연장되는 상부 연소 표면을 갖는 단일 피스의 재료로부터 단조된 피스톤 바디를 제공한다. 상부 연소 표면은 중심 길이방향 축을 따라 대체로 핀 보어 축에 대해 수직한 관계로 연장되는 중심 평면에 대한 비대칭 기하학적 형상을 갖는다.

Description

비대칭 상부 연소 표면을 갖는 피스톤 및 그 제조 방법

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 그 전체 내용이 여기에 참조되는 2016년 4월 21일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/325,704호 및 2017년 4월 20일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/493,025호에 대한 우선권을 주장한다.

발명의 기술분야

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

엔진 제조업체는 연비를 개선하고, 오일 소비를 감소시키고, 연료 시스템을 개선하고, 실린더 보어 내에서의 압축 부하 및 작동 온도를 증가시키고, 피스톤을 통한 열 손실을 감소시키고, 구성 부품의 윤활을 향상시키고, 엔진 중량을 감소시키고, 엔진을 보다 콤팩트하게 만드는 동시에 제조와 관련된 비용을 저감하는 것(이들에 한정되지 않음)을 포함하는 엔진 효율 및 성능을 개선할 것에 대한 증가하는 요구에 직면하고 있다.

연소 챔버 내에서의 실린더 압력 및 작동 온도를 증가시키는 것이 바람직하지만, 피스톤의 온도를 작동 가능한 한계 내에서 유지시키는 것이 필요하다. 또한, 실린더 압력 및 작동 온도의 증가를 달성하는 것은 일반적으로 이러한 바람직한 "증가"가 피스톤 압축 높이와 전체 피스톤 크기 및 질량이 감소될 수 있는 정도를 제한한다는 점에서 절충이 따른다. 이는 특히 피스톤의 작동 온도를 감소시키기 위해 오일이 순환하게 되는 폐쇄형 또는 부분 폐쇄형 냉각 갤러리(closed or partially closed cooling gallery)를 갖는 일반적인 피스톤 구조에서 특히 문젯거리이다. 폐쇄형 또는 부분 폐쇄형 냉각 갤러리를 형성하기 위해 접합 조인트를 따라 함께 결합된 상부 부분 및 하부 부분을 갖는 피스톤을 제조하는 비용은 대체로 적어도 상부 부분과 하부 부분을 함께 접합시키는 데 사용되는 결합 공정으로 인해 증가된다. 또한, 엔진 중량이 감소될 수 있는 정도는 피스톤에 가해지는 기계적 및 열적 부하의 증가를 견딜 수 있도록 전술한 "냉각 갤러리 포함" 피스톤을 스틸로 제작할 필요성에 의해 영향을 받는다. 또한, 피스톤이 2개의 피스를 함께 용접함으로써 형성될 때는, 일반적으로 상부 연소 표면은 피스톤이 왕복 운동하면서 따르게 되는 길이방향 중심 축을 따라 연장되는 중심 평면에 대해 대칭이 될 필요가 있다. 이것은 그렇지 않으면 상부 연소 표면이, 중심 길이방향 축을 따라 연장되는 중심 평면에 대해 비대칭인 경우, 마찰 용접 시에 2개의 부분을 서로에 대해 돌리고 멈추는 특성으로 인해 원하는 방위에 대해 오정렬되기 쉽기 때문이다. 따라서, 마찰 용접형 피스톤의 상부 연소 표면의 기하학적 형상은 일반적으로 대칭이다.

최근에, 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 제공할 수 있다. 갤러리리스 피스톤은 냉각 오일 노즐에 의해 분무(spray) 냉각되거나, 윤활을 위해서만 가볍게 분무되거나, 오일이 분무되지 않는다.

냉각 갤러리의 부재로 인해, 갤러리리스 피스톤은 일반적으로 통상적인 냉각 갤러리를 갖는 피스톤보다 더 높은 온도를 경험한다. 높은 온도는 스틸 피스톤의 상부 연소 표면의 산화나 과열을 유발할 수 있고, 이는 그 후 연이은 피스톤 균열 및 엔진 고장을 유발할 수 있다. 높은 온도는 또한 연소 보울 아래와 같은, 냉각 또는 윤활 오일이 분무되는 피스톤의 언더크라운 영역(undercrown area)을 따른 오일 열화를 유발할 수 있다. 높은 온도로 인해 유발되는 또 다른 잠재적인 문제점은 냉각 또는 윤활 오일이 피스톤 언더크라운과 접촉하는 영역에 축적된 탄소 층을 형성할 수 있다는 것이다. 이 탄소 층은 피스톤의 과열을 유발할 수 있고, 그 결과 전술한 균열 및 엔진 고장을 유발할 수 있다.

본 발명의 하나의 양태는 개선된 성능을 달성할 수 있는 갤러리리스 피스톤을 제공한다. 피스톤은 단일 피스의 스틸 재료로부터 단조되고, 내연 엔진의 연소 챔버에 노출되는 상부 연소 표면을 포함한다. 상부 연소 표면은 피스톤의 중심 평면에 대한 비대칭 기하학적 형상을 포함하도록 형성되고, 중심 평면은 중심 길이방향 축을 따라 대체로 추력 축(thrust axis)에 대해 수직한 관계로 또는 대체로 핀 보어 축에 대해 수직한 관계로 연장될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상부 연소 표면을 형성하는 상부 연소 벽의 반대편에 위치되어, 한 쌍의 핀 보스 사이 및 직경방향으로 대향하는 스커트 패널들 사이에서 연장되는 언더크라운 표면이 상부 연소 표면의 비대칭 윤곽(asymmetrical contour)을 따르거나 실질적으로 따르도록 단조될 수 있다. 이와 같이 하여, 상부 연소 벽은 대체로 또는 실질적으로 일정한 두께를 갖고서 단조될 수 있으며, 이는 결과적으로 상부 연소 표면의 개선된 냉각을 유발하고, 잠재적으로 언더크라운 표면 상의 코크스화된 오일(coked oil)의 축적을 감소시킬 것으로 생각되며, 그와 동시에 피스톤의 크기 및 중량을 감소시킨다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 비대칭 기하학적 형상은 복수의 경사형 및/또는 기복형(undulating) 연소 표면에 의해 제공될 수 있으며, 각각의 표면은 핀 보어 축의 양측에 형성된다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 비대칭 기하학적 형상은 추력 축의 방향을 따라 대체로 서로 정렬된 경사형 및/또는 기복형 상부 연소 표면들에 의해 제공될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 한 쌍의 포켓이 상부 연소 벽의 하측에 단조될 수 있고, 각각의 포켓은 개별 핀 보스로부터 반경방향 바깥쪽으로 형성된다.

피스톤이 단일 피스의 재료로부터 단조되는 것에 의해, 본 발명의 하나의 양태에 따라, 핀 보어 축과 소정의 중심 평면에 대한 특정적이고 정밀한 방위로 상부 연소 표면의 비대칭 기하학적 형상을 형성하는 것이 가능해진다. 따라서, 비대칭 기하학적 형상이 서로 용접되는 다수의 부분을 갖는 피스톤이 아닌 단일 피스 단조 피스톤 상에 형성될 때 제조 시간 및 스크랩(scrap)의 축소를 포함하는(이에 한정되지 않음) 관련 제조 비용이 감소될 수 있다. 또한, 단조는 과도한 양의 초과 재료를 제거하기 위해 고비용의 기계가공 작업을 수행해야 할 필요성을 없애고, 이는 제조 시간과 재료 낭비를 모두 감소시킨다. 또한, 비대칭 기하학적 형상의 적정하고 정밀한 정렬은 엔진의 개선된 성능 및 증가된 유효 수명에 크게 기여한다.

본 발명의 또 다른 양태는 갤러리리스 피스톤을 제조하는 방법을 포함한다. 상기 방법은 피스톤의 바디 전체를 형성하도록 단일 피스의 스틸 재료를 단조하는 단계를 포함한다. 단조 단계 동안, 본 방법은 피스톤의 핀 보어 축 및 중심 평면에 대한 의도한 방위의 비대칭 기하학적 형상을 포함하는 상부 연소 표면을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 중심 평면은 피스톤이 왕복 운동하면서 따르게 되는 중심 길이방향 축을 따라 대체로 추력 축에 대해 수직한 관계로 또는 대체로 핀 보어 축에 대해 수직한 관계로 연장될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 상부 연소 표면을 형성하는 상부 연소 벽의 반대편에 위치되어 한 쌍의 핀 보스 사이 및 직경방향으로 대향하는 스커트 패널들 사이에서 연장되고, 상부 연소 표면과 동일한 또는 실질적으로 동일한 윤곽을 갖는 언더크라운 표면을 단조하는 단계를 포함할 수 있다. 이와 같이 하여, 상기 방법은 대체로 또는 실질적으로 균일한 두께를 갖는 상부 연소 벽을 단조하는 것을 포함할 수 있으며, 이는 상부 연소 벽의 개선된 냉각을 유발할 수 있고, 또한 그 언더크라운 표면 상의 코크스화된 오일의 축적의 감소를 유발할 수 있으며, 그와 동시에 피스톤의 크기 및 중량을 감소시킨다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 추력 축을 따라 정렬된 적어도 하나의 경사형 및/또는 기복형 상부 연소 표면을 갖는 비대칭 기하학적 형상을 단조하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 각각이 핀 보어 축의 양측에 단조되는 한 쌍의 경사형 및/또는 기복형 상부 연소 표면을 갖는 비대칭 기하학적 형상을 단조하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 추력 축의 방향을 따라 대체로 서로 정렬된 경사형 및/또는 기복형 상부 연소 표면들을 갖는 비대칭 기하학적 형상을 단조하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 각각이 개별 핀 보스로부터 반경방향 바깥쪽으로 단조되는 한 쌍의 포켓을 상부 연소 벽의 하측에 단조하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 이러한 양태 및 그 밖의 양태, 특징 및 장점은 이하의 상세한 설명, 첨부의 청구범위 및 여기에 간단히 설명되는 첨부 도면과 관련하여 고찰될 때 더욱 쉽게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 하나의 양태에 따라 제조되는 갤러리리스 피스톤의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 양태에 따른 비대칭 연소 보울을 도시하는 도 1의 피스톤의 평면도이다.
도 3은 대체로 도 1의 피스톤의 핀 보어 축과 일치하는 도 2의 라인 3-3을 따라 취해진 측단면도이다.
도 4는 도 2의 라인 4-4를 따라 취해진 도 1의 피스톤의 단면 사시도이다.
도 5는 대체로 도 1의 갤러리리스 피스톤의 핀 보어 축을 따라 취해진 단면 저면도이다.

도면을 보다 상세하게 참조하면, 도 1-5는 예들 들어 현대의 콤팩트한 고성능 차량 엔진과 같은 내연 엔진의 실린더 보어 또는 챔버(도시되지 않음) 내에서 왕복 운동하기 위한 하나의 예시적인 실시예에 따라 구성된 갤러리리스 피스톤(10)을 도시하고 있다. "갤러리리스(galleryless)"인 피스톤(10)은 피스톤 크라운(16)의 영역(14) 내에 오일을 정지시키는 경향이 있은 냉각 갤러리 플로어(floor) 또는 다른 냉각 갤러리 피처(feature)를 갖지 않고, 따라서 냉각 갤러리를 형성하는데 필요한 추가 재료를 갖지 않으면서, 피스톤(10)은 상대적으로 감소된 크기 및 중량을 가지고, 상대적으로 감소된 온도에서 작동하며, 이는 엔진의 개선된 열 효율, 연료 소비 및 구동 성능에 기여한다.

도면에 도시된 바와 같이, 피스톤(10)은 알루미늄, 티타늄 또는 다른 구조 금속이 사용될 수 있겠지만 스틸과 같은 단일 피스의 금속 재료로 단조된, 이하 바디(11)로 지칭되는 모놀리식 바디(monolithic body)를 갖는다. 따라서, 피스톤(10)은 냉각 갤러리 플로어에 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.

스틸 또는 또 다른 금속으로 제작되는 바디(11)는 현대의 고성능 내연 엔진의 고성능 요건, 즉 증가된 온도 및 압축 부하를 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 냉각 갤러리를 갖는 피스톤에 비해 크게 감소될 수 있고, 그에 의해 피스톤(10)이 배치되는 엔진이 감소된 중량을 달성하고 더 콤팩트하게 제작되는 것을 가능하게 해주고, 그에 의해 엔진의 전체 외형 크기가 감소되는 것을 가능하게 해준다. 또한, 피스톤(10)이 갤러리리스임에도 불구하고, 피스톤(10)은 이후에 설명되는 구조상의 그리고 제조 방법상의 진보로 인해 사용 중에 가장 가혹한 작동 온도를 견딜 만큼 충분히 냉각될 수 있고, 적어도 부분적으로 언더크라운 표면(13) 상의 탄소 축적에 저항하는 피스톤의 능력으로 인해, 피스톤(10) 및 엔진의 성능을 더욱 향상시킨다.

피스톤(10)의 바디(11)는 피스톤이 왕복 운동하면서 따르게 되는 중심 길이방향 축(A) 둘레로 확장되는 상부 연소 표면(16)이라고도 지칭되는 상부 크라운(또는 단순히 크라운)(16)을 가지며, 상부 연소 표면(16)은 본 발명의 하나의 양태에 따라 엔진의 연소 보울(12) 및 연소 챔버 내의 연소 가스에 대한 최적의 노출 및 연소 가스의 최적의 순환/혼합을 위해 구성되어 있다. 상부 연소 표면(16)은 제1 부분 및 제2 부분을 가지며, 제1 부분(17)은 상부 연소 표면(16)의 외주에 인접하여 평면형으로 또는 대체로 평면형으로 환상으로 연장되고, 제2 부분은 제1 부분(17)에서 아래로 이어진 연소 보울(12)을 형성한다. 연소 보울(12)은 피스톤의 중심 평면에 대해 비대칭 기하학적 형상을 갖도록 단조되고, 도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 중심 평면은 중심 길이방향 축(A)을 따라 대체로 추력 축(TA)에 대해 수직한 관계로 또한 대체로 핀 보어 축(PA)을 따라 또는 핀 보어 축(PA)과 평행한 관계로 연장되는 중심 평면(CP-1)일 수 있으며 그리고/또는 중심 평면은 중심 길이방향 축(A)을 따라 대체로 핀 보어 축(PA)에 대해 수직한 관계로 또한 추력 축(TA)을 따라 또는 추력 축(TA)과 평행한 관계로 연장되는 중심 평면(CP-2)일 수 있다. 상부 연소 표면(16) 및 그 내부에 아래로 이어져 있는 연소 보울(12)의 비대칭 기하학적 형상으로 인해, 크라운 영역(14)의 특정 영역들이 피스톤(10)의 성능을 향상시키기 위해 다른 영역들보다 표면적 및 체적에 있어 더 많은 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상부 연소 표면(16) 중의 가장 마모되기 쉬운 영역들이 대체로 추력 축(TA)의 영역을 따르는 영역 등의 덜 마모되기 쉬운 다른 영역보다 더 많은 재료를 포함할 수 있다.

도 2-4에 도시된 바와 같이, 하나의 예시적인 실시예에서, 상부 연소 표면(16)은 중심 축(A) 및 연소 보울(12)을 둘러싸는, 이하 외측 림(18)이라 하는 환형의 외측 연소 보울 림(18)을 포함하고 있으며, 연소 보울(12)은 외측 림(18)에서 아래로 이어져 중심 축(A)을 향해 반경방향 안쪽으로 연장되어 있다. 연소 보울(12) 내의 상부 연소 표면(16)은 또한 상부 연소 표면(16)의 비대칭을 형성하고, 감소된 크기, 중량 및 증가된 온도와 연소력을 견디는 것을 포함하는 증가된 성능을 달성하는 데 기여하고, 더 나아가 피스톤(10) 상의 퇴적물의 축적을 방지하는 등에 의해 증가된 가용 수명에 기여하는 적어도 하나의 피처(feature)(22)(한 쌍의 피처(22)로서 도시되어 있지만 이에 한정되지 않음)를 포함한다. 피처(22)는 연소 보울(12)의 플로어(20)로부터 외측 림(18)까지(완만한 전이로) 또는 대체로 외측 림(18)까지(근접하게) 상향 연장되는, 이하 단순히 램프(ramp)(22)라 지칭되는 경사진 램프형 영역과 같은, 경사형 표면(경사형이란 표면이 중심 길이방향 축(A)에 대해 횡단방향으로 연장되는 평면에 대해 비스듬한 관계로 연장됨을 의미하도록 의도됨) 및/또는 기복형 표면(기복형이란 표면이 평탄하거나 편평한 것과 다를 수 있음을 의미하도록 의도됨)으로서 도시되어 있다(이는 예시로서 이에 한정되지 않음). 램프(22)는 아치형 경로로 연장되고, 외측 림(18)으로부터(완만한 전이로) 또는 실질적으로 외측 림(18)으로부터(경미하게 축방향 오프셋되어) 연소 보울(12)의 플로어(20)까지의 완만한(무단차식) 하강하는 형태로(예시로서 이에 한정되지 않음) 중심 길이방향 축(A)을 중심으로 적어도 부분적으로 원주방향으로 연장된 것으로서 도시되어 있다. 램프(22)는 상부 연소 표면(16)에 비대칭 기하학적 형상을 제공하며, 램프(22)가 없다면, 상부 연소 표면은 중심 평면(CP-1, CP-2)에 대해 대칭이 되고, 상술하고 또한 추가로 후술될 성능상의 이점을 유발하기 어려울 것이다. 도시된 것 이외의 피처(22)의 다른 형태들이 비대칭 기하학적 형상 및 그에 의해 제공되는 성능 향상을 달성하도록 사용될 수 있다는 것을 인식해야 한다. 예를 들어, 피스톤(10)은 연소 보울의 형태와 관련하여 여기에 참조로 포함되는 미국 특허 제 9,243,582 호에 개시된 임의의 연소 보울 디자인을 포함할 수 있으며, 이는 미국 특허 제9,243,582호에 개시된 연소 보울 디자인들 중의 임의의 것을 포함할 수 있을 것이다. 하지만, '582 특허의 피스톤과는 달리, 본 발명에 따른 피스톤(10)은 용접되지 않은 단일 피스의 재료로부터 단조되고, 언더크라운 표면(13)은 기계가공되지 않고 단조된다. 또한, 상술한 바와 같이, 본 발명의 피스톤(10)은 폐쇄형 또는 부분 폐쇄형 냉각 갤러리를 포함하지 않는다.

예시적인 실시예에 도시된 바와 같이, 피스톤(10)은 또한 상부 연소 표면(16)에서 아래로 이어져 피스톤(10)의 외경을 따라 원주방향으로 연장되는 링 벨트 영역(24)을 포함한다. 링 벨트 영역(24)은 링 그루브(28)에 의해 서로로부터 분리된 복수의 랜드(land)(26)를 포함한다. 피스톤(10)은 3개의 링 그루브(28)를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 본 발명에 따라 제조되는 피스톤(10)은 선택적으로 더 적거나 더 많은 링 그루브(28)를 포함할 수 있을 것이다.

피스톤(10)은 또한 링 벨트 영역(24)의 반경방향 안쪽에서 대체로 언더크라운 표면(13)에서 아래로 이어진 한 쌍의 핀 보스(30)를 포함한다. 핀 보스(30)는 언더크라운 표면(13)으로부터 수직방향으로 이격되고 핀 보어 축(PA)을 따라 동축으로 정렬된 한 쌍의 횡방향으로 이격된 핀 보어(32)를 제공한다. 피스톤(10)은 또한 링 벨트 영역(24)에서 아래로 이어져 핀 보어 축(PA)의 양측을 따라 서로 직경방향으로 대향하여 연장되는 한 쌍의 스커트 패널(36)을 포함한다.

도 5에 가장 잘 도시된 바와 같이, 도 2의 예시적인 피스톤(10)의 언더크라운 표면(13)은 크라운(16)의 정반대편이면서 링 벨트 영역(24)의 반경방향 안쪽인 상부 연소 벽(34)의 하측에 형성된다. 냉각 목적을 위해, 언더크라운 표면(13)은, 상부 크라운 벽(34)의 두께(t)가 연소력을 견딜만큼 충분해야 한다는 점이 인지되겠지만, 바람직하게는 연소 보울(12)로부터 최소 거리로 이격되고, 실질적으로 상부 연소 벽(34)의 연소 보울(12) 정반대측의 표면이다. 따라서, 상부 연소 벽(34)의 두께(t)는 단조 공정 중에 연소 보울(12)과 언더크라운 표면(13) 사이에 최소이면서도 충분한 대체로 일정한 또는 실질적으로 일정한 두께(t)를 제공하도록 최적화될 수 있음으로써(대체로 또는 실질적으로는 대체로 그리고 실질적으로 일정한 두께 영역들에 걸친 약 0-10% 사이, 바람직하게는 약 0-5% 사이, 보다 바람직하게는 약 0-2% 사이의 두께 편차와 같은 당업자에게 인지되어 있는 바와 같은 두께의 경미한 편차가 고려된다는 것을 의미하도록 의도된다), 사용 중에 언더크라운 표면(13)에 비산(splashing)하는 오일에 의한 상부 연소 벽(34)의 냉각 효과를 향상시키는 동시에 고성능 연소력을 견딜 수 있고 피스톤(10)의 중량을 최소화할 수 있다. 이와 같이 하여, 언더크라운 표면(13)은 '582 특허에 개시된 언더크라운 표면과 같이 상부 연소 표면(16)의 비대칭 기하학적 형상에 대응하는(따르는) 윤곽 형성된 비대칭 기하학적 형상을 갖고서 단조될 수 있다. 하지만, 기계가공을 필요로 하는 '582 특허와는 달리, 언더크라운 표면(13)의 윤곽은 상부 연소 표면(16)과 더불어 단조 공정 중에 정형(net shape)(최종 사용 형상)으로 형성된다. 언더크라운 표면(13)은 여기서 도 5에 도시된 바와 같이 바닥에서 똑바로 피스톤(10)을 관찰할 때 핀 보어(32)를 제외하고 볼 수 있는 표면으로 간주된다. 언더크라운 표면(13)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. 언더크라운 표면(13)은 비대칭 상부 연소 표면에 대해 유사하게 언급된 바와 같이, 본 출원의 도면에 개시된 것과 다른 다양한 형상들을 갖고서 형성될 수 있다.

예시적인 실시예에 따라, 피스톤(10)의 언더크라운 표면(13)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 "단조된 것으로서의" 언더크라운 표면(13) 상으로 비산되거나 분무되는 직접적인 접근로를 제공함으로써, 전체 언더크라운 표면(13)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, 갤러리리스 피스톤(10)의 핀 보스(30) 바로 위 이외의 상부 연소 벽(34)의 대체로 개방된 형상과 감소된 대체로 일정한 벽 두께(t)가 언더크라운 표면(13)의 최적의 냉각 및 핀 보어(32) 내의 리스트 핀 조인트에 대한 윤활을 가능하게 해주는 동시에, 오일 체류 시간(일정량의 오일이 연소 보울(12) 근처의 표면 상에 남아 있는 시간)을 크게 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 있음으로써, 실질적으로 코크스 축적 없이 유지되는 것을 가능하게 해 줌으로써, 최대의 냉각 효율을 유지한다.

도 4 및 도 5에 도시된 피스톤(10)의 언더크라운 표면(13)은 내측 언더크라운 영역(38) 및 외측 포켓(40)을 포함하는 여러 영역에 의해 제공된다. 중심 축(A)에 그리고 바로 인접하여 위치하는 언더크라운 표면(13)의 제1 부분은 내측 언더크라운 영역(38)에 의해 제공된다. 내측 언더크라운 영역(38)은 핀 보스(30), 스커트 패널(36) 및 스트럿(42) 사이에서 연장되어 이들에 의해 둘러싸여진다. 내측 언더크라운 영역(38)에 의해 제공되는 언더크라운 표면(13)의 2차원 및 3차원 표면적은 일반적으로 연소 보울(12)의 비대칭을 따르는 그것의 비대칭에 의해 최대화되어, 크랭크 케이스로부터 노출된 내측 언더크라운 영역(38)에 대해 상방으로 비산되거나 분무되는 오일에 의해 유발되는 냉각이 향상될 수 있고, 이에 의해 피스톤(10)의 탁월한 냉각에 기여한다. 도시된 예시적인 실시예에서, 언더크라운 표면(13)의 내측 언더크라운 영역(38)은 피스톤(10)의 일측으로부터 피스톤(10)의 반대측으로의 왕복 운동 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(13)의 제2 영역은 핀 보스(30)의 반경방향 바깥쪽에 위치된 외측 포켓(40)에 의해 제공된다. 각각의 외측 포켓(40)은 핀 보스(30) 중의 하나, 스커트 패널(36)을 핀 보스(30)에 연결시키는 스트럿(42)의 일부분 및 링 벨트 영역(24)의 일부분에 의해 둘러싸여진다.

본 발명의 또 다른 양태는 비대칭 연소 보울(12)을 갖는 갤러리리스 피스톤(10)을 제조하는 방법을 제공한다. 피스톤(10)의 바디 부분은 단일 피스의 스틸 재료를 단조함으로써 형성된다. 단조 단계는 연소 보울(12)의 선택 영역에 비대칭 기하학적 형상을 갖는 상부 연소 표면(16)을 포함하도록 상부 연소 벽(34)을 형성하는 단계를 포함한다. 다시 말해, 피스톤(10)은 후속 기계가공의 필요없이 단조 공정 중에 연소 보울(12) 내에 형성된 기하학적 형상을 가지고 예비 성형된다. 단조 단계는 또한 상술한 바와 같은 링 벨트 영역(24), 핀 보스(30), 스커트 패널(36), 내측 언더크라운 영역(38) 및 외측 포켓(40)을 포함하는 피스톤(10)의 다른 피처들을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 단조 단계는 2개의 피스의 재료를 용접하는 것보다 더 간단하고 효율적이다. 단일 피스의 스틸 재료를 단조한 후에, 상기 방법은 일반적으로 링 벨트 영역(24), 핀 보스(30) 및 스커트 패널(36)을 마무리 기계가공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 선택적으로 연소 보울(12)을 마무리 기계가공하는 단계를 포함할 수 있지만, 바람직하게는 연소 보울(12)은 단조 단계에서 완전히 정형으로 형성되고, 마무리 가공이 필요하지 않다.

상부 연소 표면(16) 상에 비대칭 기하학적 형상을 갖는 단일 피스 단조형 피스톤(10)은 용접형 피스톤을 능가하는 장점들을 제공한다. 일반적으로 상부 연소 표면(16) 상의 기복형/경사형 영역(22)에 의해 제공된 비대칭 기하학적 형상을 특정 위치에서 핀 보어 축(PA) 및 중심 평면(CP-1, CP-2)에 대해 정렬시키는 것이 중요하다. 특정 위치는 피스톤(10)이 사용되는 엔진의 디자인에 따라 변동된다. 피스톤이 2개의 피스를 함께 용접시킴으로써 형성되는 경우, 상부 연소 표면의 비대칭 기하학적 형상을 원하는 위치에서 중심 평면에 대해 정렬시키는 것은 잘한다 해도 어려우며, 불가능에 가깝다. 하지만, 본 발명의 개시에 따라 피스톤(10)이 단일 피스의 재료로부터 단조되면, 상부 연소 표면 상의 피처들의 비대칭 기하학적 형상을 정확한 위치에서 중심 평면(CP-1, CP-2)에 대해 정렬시키는 것이 가능할 뿐만 아니라 상대적으로 용이하다. 따라서, 용접형 피스톤이 가능하다 하더라도 용접형 피스톤에 비해 단일 피스 단조형 피스톤(10) 상에 비대칭 기하학적 형상이 제공될 때, 제조 시간 및 비용이 크게 감소될 수 있다. 본 명세서의 개시에 의해 제공되는 시간 및 비용 절감 이외에도, 그에 의해 달성되는 비대칭 기하학적 형상의 적정한 정렬은 엔진의 중량 및 크기 감소 및 엔진의 개선된 성능에도 크게 기여할 것이라 생각된다.

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 (19)

1. 내연 엔진용 갤러리리스 피스톤에 있어서,
   상기 피스톤이 내연 엔진의 실린더 보어 내에서 왕복 운동하면서 따르게 되는 중심 길이방향 축을 따라 뻗는 모놀리식 피스톤 바디를 포함하고, 상기 피스톤 바디는 상부 연소 표면을 형성하는 상부 연소 벽을 가지고, 환상의 링 벨트 영역이 적어도 하나의 피스톤 링의 수용을 위해 상기 상부 연소 표면에서 아래로 이어져 있고, 한 쌍의 스커트 패널이 실린더 보어 내에서 피스톤을 가이드하는 것을 용이하게 하도록 상기 링 벨트 영역에서 아래로 이어져 있고, 상기 피스톤 바디는 리스트 핀의 수용을 위해 핀 보어 축을 따라 정렬된 한 쌍의 횡방향으로 이격된 핀 보어를 제공하는 한 쌍의 핀 보스를 가지고, 상기 상부 연소 표면은 제1 부분 및 제2 부분을 가지고, 상기 제1 부분은 상기 상부 연소 벽의 외주를 따라 환상으로 연장되고, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분에서 아래로 이어진 연소 보울을 형성하고, 상기 상부 연소 벽은 상기 상부 연소 표면의 제2 부분의 정반대편인 상기 연소 보울의 하측에 형성된 언더크라운 표면을 가지고, 상기 상부 연소 표면의 상기 제2 부분은 상기 중심 길이방향 축을 따라 그리고 상기 핀 보어 축에 대해 횡단방향으로 연장되는 중심 평면에 대해 비대칭 기하학적 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 언더크라운 표면은 상기 중심 평면에 대해 비대칭 기하학적 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 피스톤.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 언더크라운 표면은 상기 연소 보울의 윤곽을 따르는 것을 특징으로 하는 피스톤.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 연소 벽은 실질적으로 일정한 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 피스톤.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 비대칭 기하학적 형상은 상기 핀 보어 축의 양측에 형성된 한 쌍의 경사형 상부 연소 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 경사형 상부 연소 표면들은 대체로 상기 핀 보어 축에 대해 횡단방향으로 연장되는 추력 축의 방향을 따라 서로 정렬되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 경사형 상부 연소 표면들은 상기 연소 보울의 플로어로부터 상기 상부 연소 표면의 상기 제1 부분까지 상향 연장되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 경사형 상부 연소 표면들은 상기 중심 길이방향 축에 대하여 원주방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 한 쌍의 경사형 상부 연소 표면은 상기 플로어로부터 상기 중심 길이방향 축에 대한 시계 방향 또는 반시계 방향 중의 하나의 방향으로 상승하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
10. 내연 엔진용 갤러리리스 피스톤을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 피스톤이 내연 엔진의 실린더 보어 내에서 왕복 운동하면서 따르게 되는 중심 길이방향 축을 갖는 모놀리식 피스톤 바디를 단조하는 단계로서,
    연소 가스에 대해 직접 노출되도록 구성된 상부 크라운 및 상기 상부 크라운 반대편의 언더크라운 표면을 형성하는 상부 연소 벽;
    상기 상부 연소 벽에서 아래로 이어지는 한 쌍의 스커트 패널;
    리스트 핀의 수용을 위해 핀 보어 축을 따라 정렬된 한 쌍의 횡방향으로 이격된 핀 보어를 갖는 한 쌍의 핀 보스를 가지는 모놀리식 피스톤 바디를 단조하는 단계; 및
    제1 부분 및 제2 부분을 갖는 상기 상부 크라운을 단조하는 단계로서, 상기 제1 부분이 상기 상부 연소 벽의 외주에 인접하여 환상으로 연장되고, 상기 제2 부분이 상기 제1 부분에서 아래로 이어진 연소 보울을 형성하고, 상기 제2 부분이 상기 중심 길이방향 축을 따라 그리고 상기 핀 보어 축에 대해 횡단방향으로 연장되는 중심 평면에 대해 비대칭 기하학적 형상을 갖고서 단조되도록 상기 상부 크라운을 단조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 중심 평면에 대해 비대칭 기하학적 형상을 갖도록 상기 언더크라운 표면을 단조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 연소 보울의 윤곽을 따르도록 상기 언더크라운 표면을 단조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제 10 항에 있어서, 실질적으로 일정한 두께를 갖도록 상기 상부 연소 벽을 단조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제 10 항에 있어서, 적어도 하나의 경사형 상부 연소 표면을 포함하도록 상기 비대칭 기하학적 형상을 단조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 핀 보어 축의 양측에 형성된 한 쌍의 경사형 상부 연소 표면을 포함하도록 상기 적어도 하나의 경사형 상부 연소 표면을 단조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제 15 항에 있어서, 대체로 상기 핀 보어 축에 대해 횡단방향으로 연장되는 추력 축의 방향을 따라 서로 정렬되도록 상기 경사형 상부 연소 표면들을 단조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제 14 항에 있어서, 상기 연소 보울의 플로어로부터 상기 상부 연소 표면의 상기 제1 부분까지 상향 연장되도록 상기 적어도 하나의 경사형 상부 연소 표면을 단조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 중심 길이방향 축을 중심으로 적어도 부분적으로 원주방향으로 연장되도록 상기 적어도 하나의 경사형 상부 연소 표면을 단조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제 18 항에 있어서, 상기 플로어로부터 상기 중심 길이방향 축에 대한 시계 방향 또는 반시계 방향 중의 하나의 방향으로 상승하도록 상기 적어도 하나의 경사형 상부 연소 표면을 단조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

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