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技術 空洞を有しない鋼鉄ピストン上の断熱層

出願人 テネコ・インコーポレイテッド
発明者 シュナイダー,ノーバート・ジィ
出願日 2017年2月21日 (4年3ヶ月経過) 出願番号 2018-544249
公開日 2019年2月28日 (2年3ヶ月経過) 公開番号 2019-505729
状態 未査定
技術分野 燃焼機関のピストン
主要キーワード 鋼鉄材料 結合継手 頂部セクション 底部セクション 勾配構造 熱障壁層 ジェットタービン 中心長手方向軸
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2019年2月28日)のものです。
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図面 (5)

課題・解決手段

熱効率燃料消費およびエンジンの性能を向上させるために設計される空洞なしの鋼鉄ピストン(10,1)が提供される。ピストン(10,1)は、鋼鉄本体部分と、燃焼室から本体部分まで伝えられる熱の量を低減するために上部燃焼表面(16)および/またはリングベルト(32)に適用される熱障壁層(12,32)とを含む。熱障壁層(12,32)は、鋼鉄本体部分の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する。熱障壁層(12,32)は、典型的には、セラミック材料の総重量に基づいて90〜100重量%の量で、セラミック材料、たとえば、セリア、セリア安定化ジルコニア、および/またはセリア安定化ジルコニアとイットリア安定化ジルコニアの混合物を含む。熱障壁層(12,32)は、100重量%の金属結合材料から100重量%のセラミック材料まで徐々に遷移する勾配構造も有し得る。

概要

背景

2.関連技術
エンジン製造者は、限定されないが、燃料経済を向上させること、オイル消費を低減すること、燃料システムを向上させること、圧縮負荷およびシリンダボア内動作温度を上昇させること、ピストンを通じた熱損失を低減すること、構成部品潤滑を向上させること、エンジン重量を減らすこと、およびエンジンをよりコンパクトにすることと同時に、製造に関わるコストを減らすことなど、エンジンの効率および性能を向上させるための増加する要求に直面している。

概要

熱効率燃料消費およびエンジンの性能を向上させるために設計される空洞なしの鋼鉄ピストン(10,1)が提供される。ピストン(10,1)は、鋼鉄本体部分と、燃焼室から本体部分まで伝えられる熱の量を低減するために上部燃焼表面(16)および/またはリングベルト(32)に適用される熱障壁層(12,32)とを含む。熱障壁層(12,32)は、鋼鉄本体部分の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する。熱障壁層(12,32)は、典型的には、セラミック材料の総重量に基づいて90〜100重量%の量で、セラミック材料、たとえば、セリア、セリア安定化ジルコニア、および/またはセリア安定化ジルコニアとイットリア安定化ジルコニアの混合物を含む。熱障壁層(12,32)は、100重量%の金属結合材料から100重量%のセラミック材料まで徐々に遷移する勾配構造も有し得る。

目的

このようなピストンは、低減された重量、低減された製造コスト、および低減されたコンプレッションハイトを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

空洞なしのピストンであって、鋼鉄で形成される本体部分を備え、前記本体部分は、下方クラウン表面を含む上壁を含み、前記下方クラウン表面は、前記ピストンの下側から見たときに露出しており、前記上壁は、前記下方クラウン表面の反対側の上部燃焼表面を含み、前記空洞なしのピストンは、前記上壁から垂下し、前記ピストンの中心長手方向軸周り周方向に延在するリングベルトと、前記上壁から垂下する一対のピンボスと、前記リングベルトから垂下し、前記ピンボスに連結される一対のスカートパネルと、前記上部燃焼表面の少なくとも一部および/または前記リングベルトの少なくとも一部に適用される熱障壁層とを備え、前記熱障壁層は、前記本体部分の前記鋼鉄の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する、空洞なしのピストン。

請求項2

前記熱障壁層は、セラミック材料を含む、請求項1に記載の空洞なしのピストン。

請求項3

前記熱障壁層の前記セラミック材料は、セリア、セリア安定化ジルコニア、およびセリア安定化ジルコニアとイットリア安定化ジルコニアの混合物のうちの少なくとも1つを含む、請求項2に記載の空洞なしのピストン。

請求項4

前記熱障壁層の前記セラミック材料は、前記セラミック材料の総重量に基づいて90〜100重量%の量のセリアを含む、請求項3に記載の空洞なしのピストン。

請求項5

前記セラミック材料の前記セリアは、21℃で10E−6〜11E−6の範囲にある熱膨張係数を有し、前記本体部分の前記鋼鉄は、21℃で11E−6〜14E−6の範囲にある熱膨張係数を有する、請求項4に記載の空洞なしのピストン。

請求項6

前記熱障壁層の前記セラミック材料は、前記セラミック材料の総重量に基づいて90〜100重量%の量のセリア安定化ジルコニアを含む、請求項3に記載の空洞なしのピストン。

請求項7

前記熱障壁層の前記セラミック材料は、前記セラミック材料の総重量に基づいて90〜100重量%の量のセリア/イットリア安定化ジルコニアを含む、請求項3に記載の空洞なしのピストン。

請求項8

前記セラミック材料は、1W/m・K未満の熱伝導率を有する、請求項3に記載の空洞なしのピストン。

請求項9

前記熱障壁層は、勾配構造を有する、請求項1に記載の空洞なしのピストン。

請求項10

前記熱障壁層は、前記上部燃焼表面および/または前記リングベルトに適用される金属結合材料を含み、前記熱障壁層は、前記熱障壁層の総重量に基づいて100重量%の前記金属結合材料から100重量%のセラミック材料まで徐々に遷移し、前記熱障壁層の最も上側の部分は、全体的に前記セラミック材料で形成されている、請求項9に記載の空洞なしのピストン。

請求項11

前記セラミック材料は、セリア、セリア安定化ジルコニア、およびセリア安定化ジルコニアとイットリア安定化ジルコニアの混合物のうちの少なくとも1つを含み、前記金属結合材料は、鋼鉄または超合金を含む、請求項10に記載の空洞なしのピストン。

請求項12

前記金属結合材料は、前記金属結合材料の総重量に基づいて100重量%の量の金属からなり、前記セラミック材料は、前記セラミック材料の総重量に基づいて100重量%の量のセラミックからなり、前記熱障壁層は、前記金属結合材料および前記セラミック材料のみからなる、請求項10に記載の空洞なしのピストン。

請求項13

前記熱障壁層は、500ミクロン未満の厚さを有する、請求項1に記載の空洞なしのピストン。

請求項14

前記本体部分は、前記鋼鉄の単一片で形成されており、複数のストラットが前記スカートパネルを前記ピンボスに連結し、前記本体部分は、前記下方クラウン表面に沿って延在し、かつ前記スカートパネルおよび前記ストラットおよび前記ピンボスに取り囲まれる内側下方クラウン領域提示し、一対の下方クラウンポケットが前記下方クラウン表面に沿って延在し、各下方クラウンポケットは、前記ピンボスのうちの1つおよび前記スカートパネルのうちの1つおよび1つの前記ピンボスを1つの前記スカートパネルに連結する前記ストラットに取り囲まれ、前記本体部分は、冷却空洞床、または前記下方クラウン表面に沿って冷却空洞を画定するまたは部分的に画定する他の構成を有しない、請求項1に記載の空洞なしのピストン。

請求項15

前記本体部分は、前記鋼鉄の単一片で形成されており、前記鋼鉄は、21℃で11E−6〜14E−6の範囲にある熱膨張係数を有し、複数のストラットが前記スカートパネルを前記ピンボスに連結し、前記本体部分は、前記下方クラウン表面に沿って延在し、かつ前記スカートパネルおよび前記ストラットおよび前記ピンボスに取り囲まれる内側下方クラウン領域を提示し、一対の下方クラウンポケットが前記下方クラウン表面に沿って延在し、各下方クラウンポケットは、前記ピンボスのうちの1つおよび前記スカートパネルのうちの1つおよび1つの前記ピンボスを1つの前記スカートパネルに連結する前記ストラットに取り囲まれ、前記本体部分は、冷却空洞床、または前記下方クラウン表面に沿って冷却空洞を画定するまたは部分的に画定する他の構成を有さず、前記上部燃焼表面は、前記上壁の外周に沿って延在する実質的に平面の表面として形成される環状の第1部分と、燃焼ボウルを形成する第2部分とを含み、前記上部燃焼表面の前記第2部分は、前記第1部分から垂下する非平面の、凹状のまたは波状の表面を有し、前記リングベルトは、上部ランドと、1つ以上の対応するピストンリング受容のための複数のリング溝とを含み、前記上部ランドは、前記上部燃焼表面から前記リング溝の最も上側のものまで延在し、前記ピンボスは各々、ピンボアを有し、前記ピンボアは各々、凹状である最上面を有し、前記下方クラウンポケットは、前記ピンボスの径方向外側に位置し、各下方クラウンポケットの少なくとも一部は、前記下方クラウン表面の一部を形成し、前記ピンボスおよび前記スカートパネルおよび前記ストラットは、前記ストラットの最も下側の表面および前記スカートパネルから前記下方クラウン表面まで延在する前記内側下方クラウン領域を画定し、対向する前記スカートパネルと対向する前記ピンボスとの間に配置される前記下方クラウンの少なくとも中央部分は、前記ピストンの前記下側から見たときに凹状であり、前記熱障壁層は、前記上部燃焼表面のすべて、および前記リングベルトの前記上部ランドに適用され、前記熱障壁層は、500ミクロン未満の厚さを有し、前記熱障壁層は、セラミック材料を含み、前記熱障壁層の前記セラミック材料は、前記セラミック材料の総重量に基づいて90〜100重量%の量で、セリア、セリア安定化ジルコニア、およびセリア安定化ジルコニアとイットリア安定化ジルコニアの混合物のうちの少なくとも1つを含み、前記セラミック材料は、1W/m・K未満の熱伝導率を有し、前記セラミック材料の前記セリアは、21℃で10E−6〜11E−6の範囲にある熱膨張係数を有し、前記熱障壁層は、勾配構造を有し、前記熱障壁層は、前記上部燃焼表面および前記上部ランドに適用される金属結合材料を含み、前記金属結合材料は、鋼鉄または超合金を含み、前記熱障壁層は、前記熱障壁層の総重量に基づいて100重量%の前記金属結合材料から100重量%の前記セラミック材料まで徐々に遷移し、前記熱障壁層の最も上側の部分は、全体的に前記セラミック材料で形成されている、請求項1に記載の空洞なしのピストン。

請求項16

熱障壁層を上部燃焼表面の少なくとも一部および/またはピストンの本体部分のリングベルトの少なくとも一部に適用することを備え、前記ピストンの前記本体部分は、鋼鉄で形成され、前記熱障壁層は、前記本体部分の前記鋼鉄の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有し、前記本体部分は、前記上部燃焼表面と、前記ピストンの下側から露出する下方クラウン表面とを含む上壁を含み、前記リングベルトは、前記上壁から垂下し、前記ピストンの中心長手方向軸の周りに周方向に延在し、一対のピンボスが前記上壁から垂下し、一対のスカートパネルが前記リングベルトから垂下し、前記ピンボスに連結される、空洞なしのピストンを製造する方法。

請求項17

前記熱障壁層を適用するステップは、溶射、めっき、または鋳造を含む、請求項16に記載の方法。

請求項18

前記熱障壁層を適用するステップは、熱溶射を含む、請求項17に記載の方法。

請求項19

前記熱溶射のステップは、プラズマ溶射または高速酸素燃料HVOF)溶射を含む、請求項18に記載の方法。

請求項20

前記熱障壁層を適用するステップは、前記熱障壁層を前記上部燃焼表面のすべてに、および前記リングベルトの上部ランドに適用することを含み、前記熱障壁層を適用するステップは、熱溶射を含み、前記熱溶射のステップは、プラズマ溶射または高速酸素燃料(HVOF)溶射を含み、前記熱溶射のステップは、まず前記上部燃焼表面上の前記熱障壁層の総重量に基づいて100重量%の量の金属結合材料および0重量%の量のセラミック材料を溶射し、次いで前記熱障壁層の組成が前記熱障壁層の総重量に基づいて100重量%のセラミック材料になり、前記熱障壁層の最も上側の部分が全体的に前記セラミック材料で形成されるまで、前記金属結合材料に対して増加する量で前記セラミック材料を溶射することによって、勾配構造を形成することを含み、前記熱溶射のステップは、500ミクロン未満の厚さまで前記熱障壁層を適用することを含み、前記方法は、前記熱障壁層を適用する前に、前記上部燃焼表面および/または前記上部ランドの少なくとも一部を加工してポケット、凹部、丸みを帯びた縁部および/または面取り部を形成することをさらに含み、前記方法は、21℃で11E−6〜14E−6の範囲にある熱膨張係数を有する前記鋼鉄の単一片で形成される前記本体部分を提供することをさらに含み、前記本体部分は、前記スカートパネルを前記ピンボスに連結する複数のストラットを含み、前記本体部分は、前記下方クラウン表面に沿って延在し、かつ前記スカートパネルおよび前記ストラットおよび前記ピンボスに取り囲まれる内側下方クラウン領域を提示し、一対の下方クラウンポケットが前記下方クラウン表面に沿って延在し、各下方クラウンポケットは、前記ピンボスのうちの1つおよび前記スカートパネルのうちの1つおよび1つの前記ピンボスを1つの前記スカートパネルに連結する前記ストラットに取り囲まれ、前記本体部分は、冷却空洞床、または前記下方クラウン表面に沿って冷却空洞を画定するまたは部分的に画定する他の構成を有さず、前記上部燃焼表面は、前記上壁の外周に沿って延在する実質的に平面の表面として形成される環状の第1部分と、燃焼ボウルを形成する第2部分とを含み、前記上部燃焼表面の前記第2部分は、前記第1部分から垂下する非平面の、凹状のまたは波状の表面を有し、前記リングベルトは、1つ以上の対応するピストンリングの受容のための複数のリング溝を含み、前記上部ランドは、前記上部燃焼表面から前記リング溝の第1のものまで延在し、前記ピンボスは各々、ピンボアを有し、前記ピンボアは各々、凹状である最上面を有し、前記下方クラウンポケットは、前記ピンボスの径方向外側に位置し、各下方クラウンポケットの少なくとも一部は、前記下方クラウン表面の一部を形成し、前記ピンボスおよび前記スカートパネルおよび前記ストラットは、前記ストラットの最も下側の表面および前記スカートパネルから前記下方クラウン表面まで延在する前記内側下方クラウン領域を画定し、対向する前記スカートパネルと対向する前記ピンボスとの間に配置される前記下方クラウン表面の少なくとも中央部分は、前記ピストンの前記下側から見たときに凹状であり、前記本体部分を提供するステップは、鍛造または鋳造によって材料の前記単一片を形成することを含み、前記熱障壁層の前記セラミック材料は、前記セラミック材料の総重量に基づいて90〜100重量%の量で、セリア、セリア安定化ジルコニア、およびセリア安定化ジルコニアとイットリア安定化ジルコニアの混合物のうちの少なくとも1つを含み、前記セラミック材料は、1W/m・K未満の熱伝導率を有し、前記セラミック材料の前記セリアは、21℃で10E−6〜11E−6の範囲にある熱膨張係数を有し、前記熱障壁層の前記金属結合材料は、鋼鉄または超合金を含む、請求項16に記載の方法。

技術分野

0001

関連出願の相互参照
この出願は、2016年2月22日に提出された米国仮特許出願第62/298,024号および2017年2月20日に提出された米国特許出願第15/436,966号の利益を主張し、参照によりその内容全体がここに組み込まれる。

0002

本発明の背景
1.技術分野
この発明は、概して、内燃機関のためのピストン、およびピストンを製造する方法に関する。

背景技術

0003

2.関連技術
エンジン製造者は、限定されないが、燃料経済を向上させること、オイル消費を低減すること、燃料システムを向上させること、圧縮負荷およびシリンダボア内動作温度を上昇させること、ピストンを通じた熱損失を低減すること、構成部品潤滑を向上させること、エンジン重量を減らすこと、およびエンジンをよりコンパクトにすることと同時に、製造に関わるコストを減らすことなど、エンジンの効率および性能を向上させるための増加する要求に直面している。

発明が解決しようとする課題

0004

圧縮負荷および燃焼室内の動作温度を上昇させることが望ましい一方、運転可能な限度内でピストンの温度を維持することは重要であり続ける。したがって、圧縮負荷および燃焼室内の動作温度を上昇させることが望ましいが、この目的を達成することは、これらの望ましい「上昇」がピストンのコンプレッションハイト、ひいてはピストン全体の大きさおよび質量が減らされ得る程度を制限するという点において、トレードオフを伴う。これは、特に、ピストンの動作温度を低減するために閉じられたまたは部分的に閉じられた冷却空洞を有する典型的なピストン構成で厄介である。結合継手に沿ってともに接合されて閉じられたまたは部分的に閉じられた冷却空洞を形成する上部および下部を有するピストンを製造するためのコストは、一般に、上部と下部とをともに結合するために用いられる接合プロセスによって増加される。さらに、エンジン重量が低減され得る程度は、鋼鉄から前述の「冷却空洞を含む」ピストンを作製する必要性によって与えられ、それらはピストン上に加えられる機械的および熱的な負荷の増加に耐え得る。

0005

現在では、冷却空洞を有しない単一片の鋼鉄ピストンが開発されており、「空洞なしの」ピストンとも呼ばれ得る。このようなピストンは、低減された重量、低減された製造コスト、および低減されたコンプレッションハイトを提供する。空洞なしのピストンは、冷却オイルノズルによってスプレー冷却される、潤滑のみのために軽くスプレーされる、またはいかなるオイルでもスプレーされない。冷却空洞がないことによって、このようなピストンは、典型的には、従来の冷却空洞を有するピストンよりも高い温度を経験する。高い温度は、その後連続的なピストンクラッキングを引き起こし得、エンジン不良を引き起こすことがある、鋼鉄ピストンの上部燃焼表面の酸化または過熱を引き起こし得る。高い温度は、たとえば冷却オイルまたは潤滑油がスプレーされる燃焼ボウルの下で、ピストンの下方クラウン領域に沿ったオイル変質も引き起こし得る。高い温度によって生じる別の起こり得る問題は、冷却オイルまたは潤滑油がピストン下方クラウンに接触する領域において冷却オイルが炭素の厚い層を生成し得るということである。この炭素層は、起こり得るクラッキング、ひいては可能性のあるエンジン不良を伴うピストンの過熱を引き起こし得る。しかしながら、ピストンの高い表面温度はエンジンの熱効率を増加させることができ、エンジンのより良好な燃料消費を可能にすることも認められる。

課題を解決するための手段

0006

本発明の概要
本発明の1つの局面は、熱効率、燃料消費、およびエンジンの性能を向上させるために設計される内燃機関のための空洞なしの鋼鉄ピストンを提供する。ピストンは、鋼鉄で形成される本体部分を含む。本体部分は下方クラウン表面を含む上壁を含み、下方クラウン表面はピストンの下側から見たときに露出しており、上壁は下方クラウン表面の反対側の上部燃焼表面を含む。リングベルトは、上壁から垂下し、ピストンの中心長手方向軸周り周方向に延在し、一対のピンボスは上壁から垂下し、一対のスカートパネルは、リングベルトから垂下し、ピンボスに連結される。熱障壁層は、上部燃焼表面の少なくとも一部および/またはリングベルトの少なくとも一部に適用されて燃焼室からの熱がピストンの鋼鉄本体部分に入るのを防止し、熱障壁層は本体部分の鋼鉄の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する。

0007

本発明の別の局面は、空洞なしのピストンを製造する方法を提供する。当該方法は、熱障壁層を上部燃焼表面の少なくとも一部および/またはピストンの本体部分のリングベルトの少なくとも一部に適用することを含む。ピストンの本体部分は鋼鉄で形成され、熱障壁層は本体部分の鋼鉄の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する。本体部分は、上部燃焼表面と、ピストンの下側から露出する下方クラウン表面とを含む上壁を含む。リングベルトは、上壁から垂下し、ピストンの中心長手方向軸の周りに周方向に延在し、一対のピンボスが上壁から垂下し、一対のスカートパネルが、リングベルトから垂下し、ピンボスに連結される。

0008

本発明のこれらのおよび他の局面、特徴ならびに利点は、以下の詳細な説明および添付の図面と結びつけて考慮されたとき、より容易に理解されるであろう。

図面の簡単な説明

0009

本発明の例示の実施形態に従って構築されるピストンの底部斜視図である。
本発明の例示の実施形態に従うピストンのピンボア軸に対して概ね横方向の断面図である。
ピストンの上部燃焼表面に適用される熱障壁層を図示する図2の一部の拡大図である。
本発明の別の実施形態に従って構築されるピストンの例であって、ピストンは下方クラウンポケットを含まない。

実施例

0010

例示の実施形態の詳細な説明
図1および図2は、たとえば現代のコンパクトな高性能車両エンジンなどの内燃機関のシリンダボアまたはチャンバ(図示せず)における往復運動のための、本発明の例示の実施形態に従って構築されるピストン10の図を示す。図3に示されるように、断熱層とも呼ばれる熱障壁層12は、ピストン10の上部燃焼表面16に適用されて熱効率、燃料消費およびエンジンの性能を向上させる。

0011

ピストン10は、機械加工鍛造または鋳造を介し、必要であればその後行われる可能な仕上げ加工を伴うなどして鋼鉄材料の単一片から形成される一体の本体を有して構築されて構築を完了する。したがって、ピストン10は、冷却空洞床によって画定されるまたは部分的に画定される囲まれたまたは部分的に囲まれた冷却空洞を有するピストンでは当たり前である、互いに接合される上部および下部などの、ともに接合される複数の部品を有しない。対照的に、ピストン10は、冷却空洞床、または冷却空洞を画定するまたは部分的に画定する他の構成を有しないという点で、「空洞なし」である。鋼鉄で作製される本体部分は、高性能要求、すなわち現代の高性能内燃機関の上昇した温度および圧縮負荷を満たすために、強固かつ夫ある。本体を構築するのに用いられる鋼鉄材料は、特定のエンジン用途におけるピストン10の要求に応じて、SAE4140級などの合金であってもよく、または異なってもよい。ピストン10が空洞なしであることにより、ピストン10の重量およびコンプレッションハイト(CH(compression height))は最小化され、これによりピストン10が配置されるエンジンが低減された重量を達成し、よりコンパクトにされることを可能にする。さらに、ピストン10が空洞なしであったとしても、ピストン10は、使用の間に十分に冷却されて最も過酷な動作温度に耐え、またはそうでなければ、オイル冷却なしで用いられることができる。

0012

ピストン10の本体部分は、ピストン10の下側からの内燃機関のシリンダボア内の燃焼ガスに直接曝される上部燃焼表面16を提供する、上壁14を提供する上頭部または頂部セクションを有する。例示の実施形態では、上部燃焼表面16は、上壁14の外周に沿って延在する実質的に平面の表面として形成される環状の第1部分18と、燃焼ボウルを形成する第2部分20とを含む。燃焼ボウルを形成する、上部燃焼表面16の第2部分20は、典型的には、平面の第1部分18から垂下する、非平面の、凹状のまたは波状の表面を有する。

0013

ピストン10は、また、上部燃焼表面16の第2部分20の正反対かつリングベルト32の径方向内側に、上壁14の下側に形成される下方クラウン表面24を含む。下方クラウン表面24は、好ましくは燃焼ボウルから最小距離に位置し、実質的に燃焼ボウルから正反対側の表面である。下方クラウン表面24は、ここで、ピストン10を底部からまっすぐ観察したときにピンボア40を除いて見える表面であると規定される。下方クラウン表面24は、また、ピストン10の下側から露出する。下方クラウン表面24は、上部燃焼表面16の燃焼ボウルに対して概ねぴったり合っている。下方クラウン表面24は、また、ピストン10の下側から見ると開かれて露出しており、囲まれたもしくは部分的に囲まれた空洞、またはオイルもしくは冷却流体を下方クラウン表面24付近に留めやすい任意の他の構成によって画定されていない。ピストン10は下方クラウン表面24に沿った冷却空洞を有していないため、閉じられた冷却空洞を含むピストンに対して、ピストン10の重量および関連するコストは低減される。

0014

例示の実施形態では、ピストン10はディーゼルエンジンのために設計され、上壁14の環状の第1部分18は、上壁14の外周を形成し、そこから垂下する燃焼ボウルを形成する第2部分を取り囲む。このため、例示の実施形態では、燃焼ボウルを含む第2部分20は、上部燃焼表面16の最も上側の第1部分18より下に凹んでいる。第2部分20の燃焼ボウルは、また、環状の第1部分18の対向する側の間で、中心軸30を通って周方向に、かつピストン10の直径全体にわたって延在する。例示の実施形態では、燃焼ボウルは、環状の第1部分18の対向する側の間で周方向に延在する凹状表面を備える。代替的には、燃焼ボウル壁は、たとえばピストン10の中心軸30に沿って同心的に存在し得る、またはピストン中心軸30に対して軸方向にずらされ得る中心ピーク(図示せず)とも呼ばれる上部頂点を提供するように構成されてもよい。別の実施形態によれば、第1部分18は第2部分20より下にあり、第2部分20は上方向に隆起され、凸状である。この設計は、本来のガスエンジンまたは任意の他のタイプのエンジンにおいて用いられ得る。

0015

ピストン10の頂部セクションは、上部燃焼表面16から垂下して上部ランド17を提供するリングベルト32と、1つ以上の対応するピストンリング(図示せず)の受容のための1つ以上のリング溝34とをさらに含む。上部ランド17は、上部燃焼表面16からリング溝34の最も上側のものまで延在する。例示の実施形態では、湾曲したプロファイルを有する少なくとも1つのバルブポケット29が上壁14の環状の第1部分18に形成される。

0016

ピストン10は、概ね上壁14から垂下する一対のピンボス38を含む底部セクションをさらに含む。ピンボス38は各々、鋼鉄構成の場合好ましくはブッシングレスの、ピンボア40を有する。ピンボア40は、中心長手方向軸30に対して概ね横方向に延在するピンボア軸42に沿って同心的に互いから横方向に離間される。ピンボス38は、互いに概ね平行であるように示される、ピンボア軸42距離PBに沿って互いから離間される、外面43とも呼ばれる概ね平らな径方向に最も外側の表面を有する。PB寸法が最小化されることにより、以下で下方クラウンポケット50とも呼ばれる、凹んだ概ねカップ状の領域の露出するエリアを最小化する。下方クラウンポケット50はピンボス38の径方向外側に位置し、各ポケット50の少なくとも一部は下方クラウン表面24の一部を形成する。例示の実施形態では、下方クラウン表面24の一部を形成する下方クラウンポケット50の一部は、上部燃焼表面16の第2部分20の反対側かつリングベルト32の径方向内側に位置する。下方クラウンポケット50は、また、上部燃焼表面16の環状の第1部分18の下側表面に沿って下方クラウン表面24を超えて径方向外側に延在し、リングベルト32の内面に沿って上壁14から垂下する。

0017

ポケット50の2次元および3次元の表面エリアが最小化されることから、少なくとも部分的に、最小化された距離PBによって、下方クラウンポケット50の露出面に対してクランク室から上方向に飛散するまたはスプレーされるオイルによって生じる冷却が強化され得、これにより上部燃焼表面16、下方クラウン表面24、およびリングベルト32の一部のさらなる冷却を与える。

0018

図1および図2の例示の実施形態のピストン10は下方クラウンポケット50を含むが、ピストン10は、代替的には、下方クラウンポケット50なしで設計されてもよい。下方クラウンポケット50のないピストン10の例は、図4に示される。

0019

ピンボア40は各々、リングベルト32の付近に配置される、以下で最上面44とも呼ばれる凹状の最も上側の耐荷重面を有する。このように、コンプレッションハイトCHは最小化される(コンプレッションハイトとは、ピンボア軸42から上部燃焼表面16の環状の第1部分18まで延在する寸法である。)。ピンボス38は、スカートパネル48とも呼ばれるスカートパネルに直径方向に対向して、ストラット46とも呼ばれる外側パネルを介して接合される。

0020

ピンボス38、スカートパネル48およびストラット46は、下方クラウン表面24に沿って、かつストラット46の最も下側の表面または底部面51およびスカートパネル48から下方クラウン表面24まで延在する、内側下方クラウン領域を画定する。図1および図2の例示の実施形態では、リブは、下方クラウン表面24に沿って、ピンボス38に沿って、スカートパネル48に沿って、または開口領域のストラット46に沿って位置しない。加えて、閉じられたまたは部分的に閉じられた冷却空洞は開口領域に形成されない。しかしながら、ピストン10は、図1および図2において特定されるように、下方クラウン表面24に隣接する各スカートパネル48の最も上側の縁部に沿って段差領域54を含んでもよい。

0021

ピストン10の下方クラウン表面24は、閉じられたまたは部分的に閉じられた冷却空洞を有する比較対象のピストンよりも、より大きな総表面エリア(表面の外形に従う3次元エリア)およびより大きな投影された表面エリア(平面図に示されるような、2次元エリア、平面)を有する。ピストン10の下側に沿ったこの開口領域は、下方クラウン表面24の真上のクランク室内から飛散するまたはスプレーされるオイルに対し直接のアクセスを提供し、これにより下方クラウン表面24全体がクランク室内からのオイルによって直接吹きかけられることを可能にするとともに、オイルがリストピン(図示せず)の周りに自由に飛散することも可能にし、さらに、ピストン10の重量を大幅に低減させる。したがって、空洞なしのピストン10の概ね開かれた構成は、典型的な閉じられたまたは部分的に閉じられた冷却空洞を有しないが、下方クラウン表面24の最適な冷却およびピンボア40内のリストピン接合に対する潤滑を可能にすると同時に、ある体積のオイルが表面上に残る時間である燃焼ボウル付近の表面上のオイル残留時間を低減する。低減された残留時間は、閉じられたまたは実質的に閉じられた冷却空洞を有するピストンにおいて起こり得るような、コークス化されたオイルの望ましくない蓄積を低減し得る。このように、特定の用途において、ピストン10は、延長された使用にわたって「きれい」であり続けることができ、これによりそれが実質的に蓄積しないままであることを可能にする。

0022

図1および図2に示される例示のピストン10の別の重要な局面は、ピストン10の底部から見たときに、対向するスカートパネル48と対向するピンボス38との間に配置されるピストン10の下方クラウン表面24の少なくとも中央部分52が凹状の形態であるということである。このように、オイルはピストン10の片側からピストン10の反対側までのピストン10の往復の間に流され得、これによりピストン10の冷却をさらに強化するようにはたらく。代替的には、ピストン10は、冷却オイルの使用のない内燃機関において用いられるとき、許容される温度で維持されてもよい。

0023

ピストン10は、また、上部燃焼表面16および/または上部ランド17まで、最高で最も上側のリング溝34の手前まで適用される熱障壁層12を含む。熱障壁層12が適用される上部燃焼表面16および上部ランド17は、いずれもエンジンの燃焼室に曝される。熱障壁層12は、図1に示されるように、上部燃焼表面16および上部ランド17の全体、または上部燃焼表面16の特定のエリアおよび/または上部ランド17の特定のエリアのみを被覆し得る。熱障壁層12は、上部燃焼表面16の酸化、ならびに、下方クラウン表面24または下方クラウンポケット50のエリアに沿ったオイル変質および炭素の厚い層を低減し得る。熱障壁層12は下方クラウンポケット50のエリアの温度にも影響を及ぼすことが留意される。熱障壁層12は、ピストン10の熱効率も増加させ、エンジンのより良好な燃料消費を提供し得る。

0024

熱障壁層12の少なくとも一部は、ピストン10の本体部分を形成するのに用いられる鋼鉄の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する。様々な異なる組成が熱障壁層12を構成するために用いられてもよい。

0025

1つの例示の実施形態では、熱障壁層12は、セラミック材料、特に、セリア、セリア安定化ジルコニア、およびセリア安定化ジルコニアとイットリア安定化ジルコニアの混合物のうちの少なくとも1つを含む。セラミック材料は、1W/m・K未満など、低い熱伝導率を有する。セラミック材料に用いられるセリアは、高い温度、圧力および他のエンジンの過酷な状況の下で、層12をより安定にする。セラミック材料の組成は、また、ディーゼル燃焼エンジンにおける熱的影響および化学腐食を通した不安定化を受け得るイットリア安定化ジルコニアで形成されるコーティングなどの他のセラミックコーティングよりも、化学腐食に対して影響を受けにくくする。セリアおよびセリア安定化ジルコニアは、このような熱的および化学的な条件下ではるかにより安定である。セリアは、ピストン本体部分を形成するのに用いられる鋼鉄材料に近い熱膨張係数を有する。室温(21℃)におけるセリアの熱膨張係数は10E−6〜11E−6の範囲であり、室温(21℃)における鋼鉄の熱膨張係数は11E−6〜14E−6の範囲である。近い熱膨張係数は、応力亀裂を生み出す熱的不一致を回避するのを助ける。

0026

1つの実施形態では、熱障壁層12を形成するのに用いられるセラミック材料は、セラミック材料の総重量に基づいて90〜100重量%の量のセリアを含む。別の例示の実施形態では、セラミック材料は、セラミック材料の総重量に基づいて90〜100重量%の量のセリア安定化ジルコニアを含む。さらに別の例示の実施形態では、セラミック材料は、セラミック材料の総重量に基づいて90〜100重量%の量のセリア/イットリア安定化ジルコニアを含む。この実施形態では、セラミック材料の総重量に基づいて、約50重量%のジルコニアがセリアによって安定化され、約50重量%のジルコニアがイットリアによって安定化される。

0027

熱障壁層12は、別個の金属/セラミック界面を回避するために、勾配構造に適用され得る。勾配構造は、熱的不一致によって蓄積される応力を緩和するのを助け、結合材料/セラミック界面における連続的な弱い酸化物境界層を形成する傾向を低減する。言い換えれば、勾配構造はシャープな界面を回避する。このため、熱障壁層12は使用の間に剥離しにくい。

0028

熱障壁層12の勾配構造は、まず金属結合材料を上部燃焼表面16および/または上部ランド17に適用することによって形成される。金属結合材料の組成は、たとえば鋼鉄粉末などのピストン本体部分を形成するのに用いられる材料と同一であってもよい。代替的には、金属結合材料は、ジェットタービンのコーティングにおいて用いられるような高性能超合金を備えてもよい。勾配構造は、100%金属結合材料から100%セラミック材料まで徐々に遷移することによって形成される。熱障壁層12は、上部燃焼表面16および/または上部ランド17に適用される金属結合材料、続いて増加する量のセラミック材料および低減された量の金属結合材料を含む。熱障壁層12の最も上側の部分は、全体的にセラミック材料で形成される。金属結合材料は、典型的には、金属結合材料の総重量に基づいて100重量%の量の金属からなり、セラミック材料は、典型的には、セラミック材料の総重量に基づいて100重量%の量のセラミックからなる。典型的には、熱障壁層12が勾配構造を含むとき、層12は金属結合材料およびセラミック材料のみからなる。

0029

熱障壁層12は、鋼鉄ピストン本体部分に良好に接着するように見出された。しかしながら、追加の機械的なアンカリングのために、ポケット、凹部、丸みを帯びた縁部、および/または面取り部などの欠けた縁部が上部燃焼表面16および/または上部ランド17の少なくとも一部に沿って加工されてもよい。このような構成は、熱障壁層12における応力集中を回避し、層12の不良を引き起こすことがある鋭い角部または縁部を回避するのを助ける。加工されたポケットまたは凹部は、所定の位置で熱障壁層12を機械的に固定し、さらに剥離不良の可能性を低減する。

0030

本発明の別の局面は、内燃機関における使用のためのコーティングされた空洞なしのピストン10を製造する方法を提供する。典型的には鋼鉄で形成されるピストン10の本体部分は、鍛造または鋳造などの様々な異なる方法に従って製造され得る。空洞なしのピストン10の本体部分は、様々な異なる設計を備えてもよく、設計の例は図に示される。

0031

当該方法は、熱障壁層12を上部燃焼表面16の少なくとも一部および/またはピストン10の上部ランド17の少なくとも一部に適用することをさらに含む。様々な異なる方法が熱障壁層12を適用するのに用いられてもよい。たとえば、熱障壁層12は、スプレーコーティングされ、めっきされ、鋳造され、または任意の方法でピストン10の鋼鉄本体部分に永続的に取り付けられ得る。

0032

1つの実施形態では、熱障壁層12は、熱溶射によって適用される。たとえば、当該方法は、金属結合材料およびセラミック材料をプラズマ溶射などの熱溶射技術によって適用することを含んでもよい。高速酸素燃料HVOF(High velocity Oxy-Fuel))溶射は高密度な層12を与える代替法であるが、より費用のかかるプロセスである。ピストン10に熱障壁層12を適用する他の方法も用いられてもよい。

0033

例示の方法は、層12の総重量に基づいて100重量%の量の金属結合材料および0重量%の量のセラミック材料を溶射することによって始まる。溶射プロセスを通して、増加する量のセラミック材料は組成に加えられるが、金属結合材料の量は低減される。このため、熱障壁層12の組成は、層12の最も外側の表面において、熱障壁層12の総重量に基づいてピストン本体部分における100重量%の金属結合材料から100重量%のセラミック材料まで徐々に変化する。典型的には、複数の電力供給部が熱障壁層12を適用するのに用いられ、それらの供給速度は勾配構造を達成するように調節される。熱障壁層12は、好ましくは、500ミクロン未満の厚さまで適用される。熱障壁層12の勾配構造は、熱溶射プロセスの間に達成される。

0034

熱障壁層12を適用する前に、欠けた縁部、または機械的なロックの助けとなり、応力上昇を低減する構成が、たとえば旋削(turning)、ミリング(milling)、または他の適切な手段によって、ピストン10の鋼鉄本体部分の中へ加工される。上部燃焼表面16および/または上部ランド17は、その後、汚れを取り除くために溶媒洗浄される。当該方法は、ピストン本体部分の表面をグリットブラストして熱障壁層12の接着を向上させることも含んでもよい。

0035

本発明の多くの修正および変更が、上記の教示に照らせば可能であり、請求項の範囲内で特定的に記載された以外の方法で実施され得る。すべての請求項のおよびすべての実施形態のすべての構成は、そのような組み合わせが互いに矛盾し得ない限り、互いに組み合わせられることができることが理解される。

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