KR20170107478A

KR20170107478A - 냉각 갤러리용 냉각 인서트를 보유한 피스톤 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20170107478A
Application number: KR1020177022528A
Authority: KR
Inventors: 프랭크 니
Original assignee: 페더럴-모걸 엘엘씨
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2016-02-01
Publication date: 2017-09-25
Also published as: JP2018508691A; WO2016123600A1; US10240556B2; US20160222912A1; BR112017016320A2

Abstract

내연 기관용 피스톤 및 그 제조 방법이 제공된다. 피스톤은 상부 및 하부를 포함한다. 상부는 안쪽이 리세스된 연소 보울이 있는 상부 표면을 포함하는 상부 연소 표면을 갖는다. 환형 연소 보울 림이 상부 표면과 연소 보울의 측벽 사이에서 연장된다. 하부는 하부 벽, 및 하부 벽에 달린 한 쌍의 핀 보스를 갖는다. 상부는 그 사이에 형성된 환형의 냉각 갤러리와 함께 하부에 고정된다. 연소 보울의 측벽은 냉각 갤러리의 일부를 경계 짓는 반경 방향 외향 측면을 가지며, 환형 리세스 채널이 연소 보울 림에 인접하여 그 내부에 형성된다. 냉각 링은 환형 채널 내에 배치된다. 냉각 링은 연소 보울 림에 인접하여 냉각제를 유동시킴으로써 연소 보울 림의 냉각을 용이하게 하도록 구성된다.

Description

냉각 갤러리용 냉각 인서트를 보유한 피스톤 및 그 제조 방법

상호 관련 참조

본 발명은 2015년 1월 30일 출원된 미국특허 가출원번호 62/110,083 호 및 2016년 2월 1일 출원된 미국특허 출원번호 15/011,784호를 우선권으로 주장하며, 그 전체 내용이 본원에 참조로 인용된다.

기술분야

본 발명은 일반적으로 내연 기관에 관한 것으로, 특히 내연 기관에 사용되는 피스톤에 관한 것이다.

내연 기관의 제조업자는 엔진의 성능 및 연비를 향상시킬 수 있는 방법을 지속적으로 찾고 있다. 연비를 개선하기 위해, 엔진 제조업체는 예컨대, 오일 펌프의 크기를 줄일 수 있는데, 이는 피스톤에 공급되는 냉각 오일의 양을 줄이게 됨으로써 피스톤 또는 피스톤의 적어도 일부, 즉 엔진 가동시 피스톤의 가장 뜨거운 영역에 속하는 것으로 알려진 연소 보울 림(combustion bowl rim)의 과열을 초래할 수 있다. 엔진의 성능과 연비는 실린더 보어 내의 압축 하중 및 온도의 증가에 의해 향상될 수 있지만, 피스톤의 경우는 특히, 오일이 고갈될 가능성이 있는 환경에서도 고장 없이 그러한 하중과 온도를 수용할 수 있도록 구성되어야 한다.

일반적으로, 피스톤의 상부 벽, 특히 연소 보울의 에지 또는 림은 피스톤의 임의의 다른 영역보다도 가장 높은 작동 온도를 겪도록 구성되는데, 그 이유는 인접한 연소 보울에서 연소가 시작될 때, 이러한 림은 일반적으로 반경 방향 내측으로 돌출된 다소 날카로운 에지로 제공되기 때문인데, 이러한 에지는 상대적으로 높은 표면적 대 체적비로 인해 주변 영역에 비해 급속 가열되기 쉽고 연소 열이 계속 잔존하게 되는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 상술한 문제점의 해결이 가능한 피스톤 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

내연 기관용 피스톤이 제공된다. 피스톤은 상부 및 하부를 포함하는 피스톤 본체를 갖는다. 상부는 실린더 보어 내의 연소 가스에 직접 노출되도록 구성된 상부 연소 표면을 갖는다. 상부 연소 표면은 안쪽으로 리세스된 연소 보울(combustion bowl)이 있는 상부 표면을 갖는다. 연소 보울은 플로어(floor), 및 상부 표면 쪽으로 상향 연장되는 환형 측벽을 갖는다. 환형 연소 보울 림은 상부 표면과 측벽 사이에서 연장된다. 하부는 하부 벽, 및 하부 벽에 달린 한 쌍의 핀 보스(pin boss)를 갖는데, 핀 보스는 축선 방향으로 정렬된 핀 보어를 갖고, 하부 벽은 오일 입구를 갖도록 구성된다. 상부는 상부와 하부의 사이에 형성된 환형의 냉각 갤러리와 함께 하부에 고정된다. 하부 벽은 냉각 갤러리의 안으로 연장되는 오일 입구와 더불어 냉각 갤러리의 일부를 형성하도록 구성된다. 측벽은 냉각 갤러리의 일부를 경계 짓는 반경 방향 외향 측면을 가지며, 환형 리세스 채널이 연소 보울 림에 인접하여 그 내부에 형성된다. 냉각 링은 환형 채널 내에 배치된다. 냉각 링은 연소 보울 림에 인접하여 내부에 냉각제를 보유하고 유동시킴으로써 연소 보울 림의 냉각을 용이하게 하도록 구성된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 냉각 링은 스프링 바이어스 핏(spring biased fit)에 체결됨으로써 냉각 채널 내에 배치되도록 구성된다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 냉각 링은 서로 이격된 상태로 스프링 바이어스된 대향 자유 단부를 갖는다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 냉각 링은 측 방향 단면에서 볼 때 원주 방향으로 불연속적인 벽을 가짐으로써, 이에 따라 오일이 반경 방향 외향 측벽과 직접 접촉하게 하여 연소 보울 림의 냉각을 더 촉진할 수 있도록 구성된다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 벽은 환형 갭에 의해 서로 이격된 아치형 자유 에지를 포함할 수 있는데, 환형 갭은 연소 보울 림의 냉각을 용이하게 하도록 환형 채널을 향하고, 아치형 자유 에지는 냉각 링 내에 오일을 저장하는 것을 용이하게 하도록 환형 채널과 접촉함으로써, 연소 보울 림의 영역에서 오일의 냉각 효과를 더욱 향상시키도록 구성된다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 대향 자유 단부는 오일을 냉각 링으로부터 외측으로 유동시키도록 개방 상태로 유지됨으로써, 연소 보울 림의 영역에서 오일의 냉각 효과를 더욱 향상시키도록 구성된다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 냉각 링의 벽은 하부 벽의 오일 입구와 축선 방향으로 정렬된 오일 입구 포트를 가지며 이에 의해 냉각 링 내로 신선한 오일의 공급을 용이하게 함으로써, 연소 보울 림의 영역에서 오일의 냉각 효과를 더욱 향상시키도록 구성된다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 냉각 링은 측 방향 단면에서 볼 때 원주 방향으로 연속적인 벽을 가질 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 냉각 링은 내부가 밀봉된 냉각 매체를 가질 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 내연 기관용 피스톤의 제조 방법이 제공된다. 상기 방법은 실린더 보어 내의 연소 가스에 직접 노출되도록 구성된 상부 연소 표면을 갖는 상부를 형성하는 단계; 상부 표면, 및 안쪽으로 리세스된 연소 보울을 갖는 상부 연소 표면을 형성하는 단계; 플로어 및 상부 표면 쪽으로 상향 연장되는 환형 측벽을 갖는 연소 보울을 형성하고 상부 표면과 측벽 사이에서 연장되는 환형 연소 보울 림을 형성하는 단계; 서로 반경 방향으로 이격된 상단 외부 환형 칼라(collar) 및 상단 내부 환형 칼라를 갖는 상부를 형성하여 냉각 갤러리의 상부를 구성하는 단계; 연소 보울 림에 인접한 냉각 갤러리의 상부에 환형 채널을 형성하는 단계; 하부 벽 및 하부 벽에 달린 한 쌍의 핀 보스를 갖는 하부를 형성하는 단계; 축선 방향으로 정렬된 핀 보어를 갖는 핀 보스를 형성하고 오일 입구를 갖는 하부 벽을 형성하는 단계; 환형 채널 내에 냉각 링을 배치하는 단계; 및 상부를 하부에 고정하여 그 사이에 환형 냉각 갤러리를 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 냉각 링을 스프링 바이어스 핏에 체결시켜 환형 채널 내에 배치시킴으로써, 제조 용이성을 향상시키는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 냉각 링의 대향 자유 단부를 서로로부터 멀리 벌림으로써, 환형 채널에 스프링 바이어스 핏을 제공하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 측 방향 단면에서 볼 때 원주 방향으로 불연속적인 벽을 갖는 냉각 링을 형성하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 환형 갭에 의해 서로 이격된 아치형 자유 에지를 갖는 벽을 형성하는 단계와, 환형 갭이 환형 채널을 향하도록 배향함으로써 아치형 자유 에지가 환형 채널과 접하도록 구성하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 오일을 냉각 링으로부터 외측으로 유동시키도록, 대향 자유 단부를 개방 상태로 형성하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 벽에 오일 입구 포트를 형성하고 오일 입구 포트를 하부 벽의 오일 입구와 축선 방향으로 정렬시키는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 측 방향 단면에서 보았을 때 원주 방향으로 연속적인 벽을 갖는 냉각 링을 형성하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 냉각 링 내의 냉각 매체를 밀봉하는 단계를 더 포함한다.

본 발명에 따라, 상술한 문제점의 해결이 가능한 피스톤 및 그 제조 방법이 제공된다.

본 발명의 이러한 및 다른 양태들, 특징들 및 이점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면들과 관련하여 고려될 때 더 쉽게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 양태에 따라 제조된 피스톤의 1/4 단면도이다.
도 2는 일반적으로 피스톤의 핀 보어 축선을 따라 취한 도 1의 피스톤의 단면도이다.
도 3은 일반적으로 피스톤의 핀 보어 축선에 대해 횡 방향으로 취한 도 1의 피스톤의 단면도이다.
도 4는 일반적으로 피스톤의 환형 냉각 갤러리를 통해 취한 도 1의 피스톤의 확대 부분 단면도로, 본 발명의 일 양태에 따른 채널과 맞물리도록 구성된 피스톤 냉각 링을 도시한다.
도 4a는 일반적으로 환형 냉각 갤러리의 입구 개구 및 피스톤 냉각 링을 통해 취한 도 4와 유사한 도면이다.
도 4b는 본 발명의 대안적인 일 양태에 따라 제조된 피스톤 및 냉각 링을 도시하는 도 4와 유사한 도면이다.
도 5는 도 3의 5-5 선을 따라 취한 하부 단면도이다.
도 5a는 본 발명의 대안적인 일 양태에 따라 제조된 피스톤 및 냉각 링을 도시하는 도 5와 유사한 도면이다.

도면을 더욱 상세히 참조하면, 도 1은 예컨대, 현대적이고 콤팩트한 고성능의 차량 엔진과 같은, 내연 기관(IC) 엔진의 실린더 보어 또는 챔버(도시 생략)에서 왕복 운동하도록 구성된, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 피스톤(10)의 부분 단면도를 도시한다. 피스톤(10)은 엔진 가동시 피스톤이 왕복 운동하는 종 방향 중심 축선(14)을 따라 연장되는 본체(12)를 포함한다. 본체(12)는 상부(16)라고도 불리는 상부 크라운과 하부(18)라고도 불리는 하부 크라운을 가지며, 이들은 헤드 영역(20) 내에서 서로 결합된다. 상부 및 하부(16, 18)는 주조, 단조 또는 기계 가공 공정 등에서 별도의 피스로 초기 제조된 후 서로 결합되며, 이 때 내부의 환형 외부 오일 냉각 갤러리(22)가 그 사이에 형성되고 이를 통해 오일이 유동함으로써 피스톤 헤드 영역(20)의 냉각을 용이하게 하도록 구성된다. 상부 및 하부(16, 18)는 유도 용접, 마찰 용접, 납땜 조인트, 전하 캐리어 광선, 레이저 또는 저항 용접과 같은 다양한 형태의 용접 공정(이러한 예로만 한정되지 않음)에 의해 서로 결합될 수 있다. 또한, 예시된 실시예의 경우 용접 조인트를 사용하여 상부(16)와 하부(18)를 결합하고 있으나, 상부(16) 및 하부(18)는 예시적이고 비제한적인 예로서 접착이나 기계적 패스너와 같은 다른 고정 방법 및 메커니즘에 의해 함께 결합할 수도 있다. 본원의 "상단", "하단", "상부" 및 "하부"와 같은 용어들에 대한 언급은 엔진 가동시 피스톤(10)이 왕복 운동하는 중심 축선(14)을 따라 배향된 피스톤(10)에 관련된다는 것이 인식되어야 한다. 이는 편의를 위한 것으로 본 발명의 내용을 제한하려는 의도는 없는데, 왜냐하면 피스톤(10)은 일반적으로 수직 이외의 각도로 설치되거나 작동할 수도 있기 때문이다. 본 발명의 일 양태에 따르면, 이하에서 간단히 냉각 링(24)으로서 언급되는 냉각 갤러리용 냉각 삽입 링이 냉각 갤러리(22) 내에 배치됨으로써, 피스톤(10)의 연소 보울 림(26)으로 인지되는 피스톤 헤드 영역(20)의 가장 뜨거운 부분의 냉각을 용이하게 하도록 구성된다.

피스톤(10)의 상부(16)는 상부 연소 표면(28)을 포함하며, 상부 연소 표면은 실질적으로 평평한 상태로 구성된 최상부의 환형 상부 표면(30)을 포함하는데, 환형 상부 표면은 환형 상부 표면(30)의 아래쪽으로 리세스되어 있는 연소 보울(32)을 둘러싸고 있다. 연소 보울(32)은 상부 연소 표면과 언더크라운 표면으로도 알려진 하부 표면 사이에서 연장되는 균일하거나 일정한 두께를 가질 수 있는 플로어(34)를 포함한다. 도시된 실시예의 플로어(34)는 균일한 두께를 가진 것으로 묘사되어 있을지라도, 본원에서 고려되는 다른 실시예들의 플로어(34)는 상부 연소 표면과 하부 표면 사이에서 변화하는 두께를 가질 수 있음이 인식될 것이다. 플로어(34)의 상부 연소 표면은 종종 "멕시코 모자"라고 불리는 볼록형 모자 형태로 구성되는데, 피스톤(10)의 중심 축선(14)을 따라 동축으로 배치된 중심 피크(36)를 제공한다. 중심 피크(36)는 본원에서 고려되는 다른 실시예들에서, 중심 축선(14)에 대해 반경 방향으로 오프셋될 수 있음이 이해되어야 한다. 연소 보울(32)의 플로어(34)는 피크(36)를 둘러싸는 환형의 골부(38)를 제공함으로써, 연소 보울(32)의 최하부를 형성하도록 구성된다. 플로어(34)의 하부 또는 언더크라운 표면은 연소 보울(32)의 상부 연소 표면의 윤곽을 따라가거나 실질적으로 따라감으로써, 피크(36)의 바로 아래에 배치되는 상승된 하부 피크(40)를 제공하도록 구성된다. 하부 피크(40)는 커넥팅로드(미도시)의 작은 단부를 수용하도록 구성된다.

상부(18)의 연소 보울(32)은 연소 보울의 플로어(34)를 둘러싸는 한편, 그로부터 위로 연장되는 환형 측벽(42)을 포함한다. 측벽(42)은 골부(38)에 인접하여 배치되고, 골부(38)로부터 상부 표면(30)까지 연장되며, 이 때 환형 연소 보울 림(26)은 측벽(42)과 상부 표면(30) 사이에 제공된다. 연소 보울 림(26)은 측벽(42)으로부터 반경 방향 내측으로 연장되도록 형성됨으로써, 필요시 측벽(42)에 언더컷 형태의 환형 오목 캐비티(cavity)를 제공할 수 있도록 구성된다. 도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 연소 보울(32)의 측벽(42)의 바깥쪽에 있는 반경 방향 외향 측면은 냉각 갤러리(22)의 내부 표면(44)의 일부를 형성하도록 구성된다. 내부 표면(44)은 연소 보울 림(26)에 인접하여 연소 보울(32)을 둘러싸는 환형 리세스 또는 채널(46)을 갖도록 구성되며, 이들은 냉각 갤러리(22)의 최상부 내부 표면(48)에 바로 인접한 것으로 도시된다. 환형 채널(46)은 스프링 바이어스 핏에 의해 냉각 링(24)을 체결할 수 있도록 구성되며, 냉각 링(24)의 체결을 용이하게 하기 위한 환형 하부 립(47)을 갖는다.

피스톤(10)의 상부(16)는 골부(38)에 인접한 연소 보울(32)의 플로어(34)의 하부 표면으로부터 상단 내부 접합면(50)까지 이어지는 적어도 하나의 상단 내부 환형 결합 리브 또는 칼라(49)를 더 포함한다. 상부(24)는 또한 상부 표면(30)으로부터 상단 외부 접합면(54)까지 이어지는 상단 외부 환형 결합 리브 또는 칼라 (52)를 포함하며, 이 때 상단 외부 환형 칼라(52)와 상단 내부 환형 칼라(49)는 냉각 갤러리(22)의 환형 상부 영역(56)에 의해 서로 반경 방향으로 이격 배치된다.

피스톤(10)의 하부(18)는 냉각 갤러리(22)의 플로어를 형성하는, 하부 벽(58)으로 지칭되는 환형 플로어를 포함한다. 피스톤(10)의 상부(16)와 결합될 때, 하부 벽(58)은 하부 벽(58)으로부터 하단 내부 접합면(61)까지 상향 연장되는 하단 내부 환형 결합 리브 또는 칼라(60)를 통해, 측벽(42)의 방사상 내측으로 연소 보울(32)의 플로어(34)로 병합된다. 하부(26)는 또한 하부 벽(58)으로부터 하단 외부 접합면(65)까지 상향 연장되는 하단 외부 환형 결합 리브 또는 칼라(64)를 포함하며, 이 때 하단 외부 환형 칼라(64) 및 하단 내부 환형 칼라(60)는 냉각 갤러리(22)의 환형 하부 영역(66)에 의해 서로 반경 방향으로 이격 배치된다.

하부(18)의 하단 외부 환형 칼라(62) 및 상부(16)의 상단 외부 환형 칼라(52)에 의해 상부 표면(30)으로부터 하향 연장되는 환형 외벽(68)을 형성한다. 외벽(68)에는 환형 링 벨트 영역(70)이 형성되고, 피스톤 링(도시 생략)을 수용하기 위해 링 벨트 영역(70) 내에 다수의 환형 링 그루브(72, 73, 74)가 형성된다. 예시적인 실시예에서, 링 그루브들(72, 73, 74)은 상부 표면(30)에 인접하고 압축 링(도시 생략)을 수용하기 위한 최상위 링 그루브(72); 최상위 링 그루브(72)의 아래쪽에 배치되고 중단 와이퍼 링(도시하지 않음)을 수용하기 위한 중단 링 그루브(73); 중단 링 그루브(73)의 아래쪽에 배치되고 최하위 오일 링(도시 생략)을 수용하기 위한 최하위 링 그루브(74)를 포함한다. 최하위 링 그루브(74)의 아래쪽에 오일 배출 그루브(75)가 형성됨으로써, 무게를 감소시키는 한편, 오일을 수집하여 이를 피스톤(10)의 하부(18)로 보낸 후 다시 오일 섬프(oil sump)로 되돌리도록 구성된다. 본 발명의 예시적인 실시예에서는 3개의 링 그루브(72, 73, 74)를 포함하고 있으나, 본 발명의 다른 실시예들의 경우 임의의 수의 링 그루브들을 포함할 수도 있다.

피스톤(10)의 하부(18)는 하부 벽(58)에 매달리는 한 쌍의 스커트 패널(76)을 더 포함한다. 스커트 패널(76)은 스트럿부(79)를 거쳐 종 방향으로 연장하는 측면을 따라 한 쌍의 핀 보스(78)에 직접 결합되며, 핀 보스(78)는 한 쌍의 측 방향으로 이격된 핀 보어(80)를 제공한다. 도 2에 가장 잘 도시된 바와 같이, 핀 보어(80)는 중심 축선(14)을 가로 질러 연장하는 핀 보어 축선(82)을 따라 동축으로 서로 이격되어 있다. 스커트 패널(76)은 일반적으로 핀 보스(78)의 대향 측면을 가로 질러 직경상에서 서로 정반대로 대향하여 배치된다. 스커트 패널(76)은 실린더 보어의 표면과 정합 공조하기 위해 볼록한 모자 형태로 표시된 볼록형 외표면을 포함함으로써, 피스톤이 실린더 보어를 통해 왕복 운동함에 따라 피스톤(10)을 원하는 방향으로 유지할 수 있도록 구성된다.

하부(18)의 하부 벽(58)은 상부 표면(30)으로부터 축선 방향으로 정렬되도록 축선상 이격 배치되고, 링 벨트 영역(70)의 외벽(68)은 연소 보울(32)의 측벽(42)으로부터 반경 방향 외측으로 이격됨으로써, 피스톤(10)의 헤드 영역(20) 내에 환형 오일 냉각 갤러리(22)를 형성하도록 구성된다. 예시적인 실시예의 오일 냉각 갤러리(22)는 환형의 토로이드(toroid)형 챔버로 되어 있으나, 오일 냉각 갤러리(22)는 연소 보울(32)과 하부 벽(58)의 상대적인 등고선 윤곽에 따라 원하는 대로 성형 될 수 있음이 이해되어야 한다. 하부 벽(58)은 피스톤(10)의 하부쪽으로 개방된 오일 입구(84)와 같은 적어도 하나의 관통 개구를 포함한다. 오일 입구(84)는 오일 냉각 갤러리(22)와 직접 유체 연통함으로써, 크랭크 섬프 공급원(예를 들어, 엔진의 오일 젯)으로부터 오일을 연속적으로 유동시키도록 구성된다. 또한, 하부 벽(58)은 오일 출구(86)와 같은 관통 개구를 적어도 포함함으로써, 피스톤(10)의 왕복 운동 중에, 냉각 갤러리(22) 전체에 걸쳐 오일의 연속적인 유동을 용이하게 하도록 구성된다. 오일 섬프부터 공급된 오일이 오일 입구(84)를 통해 오일 냉각 갤러리로 들어가고 오일 출구(86)를 통해 오일 냉각 갤러리를 빠져 나가는 방식으로, 오일 유동에 대한 유체 역학이 제공되는 것으로 인식되어야 한다.

냉각 링(24)은 상부 표면(30)에 인접하고 연소 보울 림(26)에 인접한 오일 냉각 갤러리(22)의 상부 영역에 고정됨으로써, 헤드 영역(20)의 림(26) 및 상부 표면(30)의 냉각을 용이하게 하도록 구성된다. 냉각 링(24)은 환형 채널(46) 내에서 연소 보울(32)의 측벽(42)에 대해 환상으로 연장되며, 이 때 채널(46)의 반경 방향 외측으로 연장된 하부 립(47)은 냉각 링(24)의 반경 방향 내측으로 가해지는 스프링 바이어스에 의한 체결식 핏(fit)을 통해 채널(46) 내의 냉각 링(24)을 유지시키도록 구성된다. 예시적인 실시예에서, 냉각 링(24)은 측 방향 단면에서 보았을 때 원주 방향으로 연장하는 불연속적인 벽(88)을 가지며, 이러한 벽(88)은 일반적으로 측 방향 단면에서 볼 때 예시적이고 비제한적인 예로서 C, U 또는 V 형으로 구성된다. 이와 같이, 도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 벽(88)은 냉각 링(24)의 대향 자유 단부들(92, 93)(도 5) 사이에서 환상으로 연장되는 아치형 자유 에지(90)를 갖는다. 자유 에지들(92, 93)은 환형 채널(46)을 향하도록 배향된 환형 갭(94)에 의해 서로 이격됨으로써, 오일이 이를 통해 내부를 통해 자유롭게 유동하여 냉각 갤러리(22)의 측벽(42) 및/또는 최상부 표면(48)과 유체 접촉하도록 구성된다. 따라서, 자유 에지들(92, 93)이 환형 채널(46)의 측벽 내부 표면(44) 및/또는 냉각 갤러리(22)의 최상부 표면(48)과 접하도록 함으로써, 냉각 링(24)을 통해 유동하는 오일이 갭(94)을 통해 유동하여 내부 표면들(44, 48)과 직접 접촉할 수 있고, 이에 따라 열을 측벽(42)으로부터 상부 표면(30)을 형성하는 최상위 벽으로 직접 전도시키는 한편, 바로 인접한 연소 보울 림(26)과 상부 표면(30)의 작동 온도를 감소시키도록 구성된다. 냉각 링(24)으로의 오일 침투를 용이하게 하기 위해, 벽(88)은 하부 벽(58)의 오일 입구(84)와 축선 방향으로 정렬되도록 구성된 입구 포트(95) (도 4a 및 도 5에 가장 잘 도시됨)를 가지며, 이에 따라 오일 입구(84)를 통해 분사되는 오일이 입구 포트(95)를 통해 냉각 삽입 링(24) 내로 적어도 부분적으로 직분사될 수 있도록 구성된다.

냉각 갤러리 링(24)은 실질적으로 폐쇄된 형태의 루프 구성을 취하도록 예비 성형되고, 리세스된 환형 채널(46) 내로 끼워지거나 체결될 수 있도록 환형으로 크기가 정해지며, 이 때 냉각 링(24)의 체결식 고정에 의해 자유 단부들(92, 93)이, 채널(46)에서 냉각 링(24)을 자동적으로 보유하게 하는 반경 방향 내측 클램핑 스프링력을 생성하는 스프링 바이어스 하에서 서로 약간 떨어져서 배치되게 하는 한편, 엔진 가동시 피스톤(10)의 왕복 운동 중에 냉각 링(24)과 피스톤 본체(12) 사이의 상대적인 이동을 방지하도록 구성된다. 스프링 바이어스 힘은, 냉각 링(24)이 구부러지거나 또는 그렇지 않을 경우 하부 립(47)의 외부 직경보다 작은, 바람직하게는 환형 채널(46)의 골부의 외경보다 적어도 약간 더 작은 소정의 내부 직경을 갖는 소정의 폐쇄된 또는 실질적으로 폐쇄된 루프 내에 형성되는 결과로서 확정된다는 것이 인식되어야 한다. 자유 단부들(92, 93)은 스프링 바이어스를 용이하게 하도록 작용함과 동시에, 개방된 형태의 자유 단부들에 의해 오일이 냉각 링(24) 밖으로 자유롭게 유동하게 할 수 있는 출구 포트(96)를 형성하도록 구성된다. 일반적으로 입구 포트(95) 및 출구 포트(96)는 직경 상에서 서로 대향하도록 구성됨으로써(본원에서는 약간의 각도 편차도 고려됨), 연소 보울 림(26) 전체에 대해 오일의 유동을 실질적으로 용이하게 하여 최적의 냉각을 제공한다.

예시적인 실시예의 피스톤(10)이 2개의 부품(16, 18)을 사용하여 제조된 결과, 냉각 링(24)은 상부(16)를 하부(18)에 결합하기 전에 상부(16)에 끼워지거나 또는 체결될 수 있음을 알 수 있다. 예시적인 실시예의 갤러리 냉각 링(24)은 바람직하게는 피스톤(10)에 부착되도록 구성되며, 주조로 성형할 필요가 없다. 따라서, 주조되는 경우 본 발명의 일 양태에 따른 피스톤(10)의 제조는 단순화된다. 비록 갤러리 냉각 링(24)이 예시적인 실시예의 채널(46)에서 끼워지거나 체결되도록 구성되어 있을지라도, 다른 실시예에서는 콜드 스프레이 용접, 압착 용접, 저항 용접(예시적인 것으로 이들로만 제한되지 않음)을 포함하는 다양한 유형의 용접 프로세스 및 다양한 종류의 금속 접합용 접착제를 사용하는 접착 방법을 포함하는 다양한 형태의 다른 방법으로 부착되거나 또는 기계적 파스너에 의해 부착되는 갤러리 냉각 링(24)을 포함할 수도 있다.

상기 관점에서, 냉각 링(24) 내를 유동하는 오일은 냉각을 필요로 하는 피스톤(10)의 영역, 즉 연소 보울 림(26) 및 피스톤(10)의 상부 연소 표면(28)에 보다 신속하고 직접적으로 및 효율적으로 분배될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 냉각 링(24)이 없을 경우에는, 연소 보울 림(26) 및 상부 연소 표면(28)에 가장 가까운 냉각 갤러리(22)의 상부 영역에 대한 오일 분배가 비효율적으로 수행될 수 있으며, 이들 영역에 도달하는 오일은 연소 보울 림(26) 및 상부 연소 표면(28)과 냉각 접촉 상태로 유지되지 않을 것이다. 이에 반해, 갤러리 냉각 링(24)은 연장된 시간 동안 냉각을 가장 필요로 하는 영역(즉, 연소 보울 림[26] 및 상부 연소 표면[28])에서 냉각 갤러리(22)의 상부 영역에 오일이 유지되도록 함으로써, 이들 영역에서 발생하는 열을 지속적으로 제거하도록 구성된다.

예시적인 실시예의 갤러리 냉각 링(24)은 최적의 전도성 열전달 기능을 제공할 수 있도록, 바람직하게는 구리 또는 알루미늄(이들로만 제한되지 않음)과 같은 높은 열전도성 재료로 제조된다. 연소 보울 림(26)은 피스톤(10) 상부의 다른 영역보다 약 150~200 ℃ 더 높은 온도를 가질 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 일반적으로, 엔진 작동시 연소 보울 림(26)의 온도를 약 520 ℃ 이하가 되도록 구성하는 것이 바람직하다. 연소 보울 림(26)에서 보다 낮은 온도를 제공함에 있어서, 엔진 제조업자는 냉각 링(24)의 존재로 인해, 예컨대 상부 연소 표면(28) 및 연소 보울 림(26)으로부터의 열 전달을 증가시킬 수 있으므로, 오일 펌프의 크기를 감소시킬 수 있다. 오일 펌프 크기를 감소시키면, 피스톤(10)이 작동하는 내연 기관의 연료 효율도 증가할 수 있다.

예시적인 실시예에서는 일반적으로 C, U 또는 V 형상(이들은 예시적인 것으로 이들로만 제한되지 않음)의 상술한 바와 같은 원주 방향으로 불연속인 형상을 갖는 갤러리 냉각 링(24)을 포함하고 있지만, 갤러리 냉각 링(124)은 도 4a에 도시 된 바와 같이, 횡단면에서 보았을 때 둥글거나 또는 원형 단면을 갖는 튜브 형태 등의 다른 형상을 가질 수도 있다는 것이 인식되어야 한다. 또한, 삽입 링은 정사각형 또는 직사각형 형상의 단면을 갖는 튜브(예시적인 것으로 이들로만 제한되지 않음)와 같이 원형이 아닌 다른 형태를 취할 수도 있다는 것이 추가로 인지되어야 한다. 냉각 링(124)은 도 5에 도시된 바와 같이, 아래에서 보았을 때 냉각 링(24)과 동일한 외관을 가지므로, 동일한 도면을 재도시할 필요는 없다고 여겨진다. 냉각 링(124)은 전술한 바와 같이 도시된 입구 포트(195) 및, 전술한 바와 유사하게 구성된 대향 자유 단부(192, 193)를 가지며, 이로써 출구 포트(196)를 제공하고, 서로 약간 분리될 수 있는 능력을 제공함으로써 환형 채널(46) 내에서 스프링 체결 부착 기능을 제공하도록 구성된다. 이와 같이, 원주 방향으로 연속적인 벽(188)을 갖는 것 이외에, 냉각 링(124)은 전술한 바와 동일하므로, 더 이상의 설명은 필요하지 않다고 여겨진다.

도 5a에 도시 된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 양태에 따라 제조된 냉각 링(224)은 또한 불활성 가스(예컨대, 아르곤) 및/또는 액체 냉각제 등의 대안적인 냉각 매체를 수용하도록 밀봉될 수 있다. 냉각 매체는 심지어 고체 물질일 수도 있다. 대안적인 냉각 매체는 피스톤(10)에 설치되기 전에 냉각 링(224) 내에 용이하게 밀봉될 수 있으며, 피스톤(10)의 전체 수명 동안 냉각 링(224)에서 활성 상태를 유지하도록 의도될 수 있고 또는 시간이 지남에 따라 소비되거나 분해될 수도 있도록 구성된다. 물론, 밀봉시에 냉각 링(224)은 전술한 바와 같은 입구 또는 출구 포트를 갖지 않으나, 밀봉제, 엔드 플러그 크림핑(end plugs crimping) 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 임의의 적절한 밀봉 메커니즘을 통해 냉각 링(224) 내에 필요한 냉각 매체를 배치하는 식으로 밀봉되는 자유 단부(292, 293)를 여전히 보유함으로써, 냉각 매체가 냉각 링(224) 내에서 기밀로 유지되도록 구성할 수 있다. 그렇지 않을 경우, 냉각 링은 상술한 바와 같은 환형 채널(46) 내에 조립된다.

명백하게, 본 발명의 많은 수정 및 변형이 상기 교시에 비추어 가능하다. 그러므로, 첨부된 청구항들의 범위 내에서, 본 발명은 구체적으로 기술되고 도시된 것과 다르게 실시될 수 있음을 이해되어야 한다.

Claims

내연 기관용 피스톤에 있어서,
피스톤은 상부와 하부로 구성된 피스톤 본체를 포함하며, 상부는 실린더 보어 내의 연소 가스에 직접 노출되도록 구성된 상부 연소 표면을 갖고, 상부 연소 표면은 안쪽으로 리세스된 연소 보울(combustion bowl) 및 상부 표면을 가지며, 연소 보울은 플로어(floor), 및 상부 표면 쪽으로 상향 연장되는 환형 측벽을 갖고, 환형 연소 보울 림(rim)이 상부 표면과 측벽 사이에서 연장되며,
하부는 하부 벽, 및 하부 벽에 달린 한 쌍의 핀 보스를 갖고, 핀 보스는 축선 방향으로 정렬된 핀 보어를 가지며, 하부 벽은 오일 입구를 갖고,
상부는 상부와 하부의 사이에 형성된 환형의 냉각 갤러리와 함께 하부에 고정되며, 하부 벽은 냉각 갤러리의 안으로 연장되는 오일 입구와 더불어 냉각 갤러리의 일부를 형성하고, 측벽은 냉각 갤러리의 일부를 경계 짓는 반경 방향 외향 측면을 가지며, 반경 방향 외향 측면은 연소 보울 림에 인접하여 그 내부에 형성된 환형 리세스 채널을 갖고,
냉각 링이 환형 채널 내에 배치되며, 냉각 링은 연소 보울 림에 인접하여 내부의 냉각제를 유동시키도록 구성된
내연 기관용 피스톤.
제1항에 있어서,
냉각 링은 스프링 바이어스 핏(spring biased fit)으로 체결됨으로써 냉각 채널 내에 배치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는
내연 기관용 피스톤.
제2항에 있어서,
냉각 링은 서로 이격된 상태로 스프링 바이어스된 대향 자유 단부를 갖는 것을 특징으로 하는
내연 기관용 피스톤.
제3항에 있어서,
냉각 링은 측 방향 단면에서 볼 때 원주 방향으로 불연속적인 벽을 갖는 것을 특징으로 하는
내연 기관용 피스톤.
제4항에 있어서,
벽은 측 방향 단면에서 볼 때 일반적으로 C자 형상으로 구성되는 것을 특징으로 하는
내연 기관용 피스톤.
제4항에 있어서,
벽은 환형 갭에 의해 서로 이격된 아치형 자유 에지를 포함하며, 환형 갭은 환형 채널을 향하고 아치형 자유 단부는 환형 채널과 접하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
내연 기관용 피스톤.
제6항에 있어서,
대향 자유 단부는, 오일을 냉각 링으로부터 외측으로 유동시키도록 개방 상태로 구성되는 것을 특징으로 하는
내연 기관용 피스톤.
제4항에 있어서,
벽은 하부 벽의 오일 입구와 축선 방향으로 정렬된 오일 입구 포트를 갖는 것을 특징으로 하는
내연 기관용 피스톤.
제3항에 있어서,
냉각 링은 측 방향 단면에서 볼 때 원주 방향으로 연속적인 벽을 갖는 것을 특징으로 하는
내연 기관용 피스톤.
제9항에 있어서,
벽은 하부 벽의 오일 입구와 축선 방향으로 정렬된 오일 입구 포트를 갖는 것을 특징으로 하는
내연 기관용 피스톤.
제10항에 있어서,
대향 자유 단부는, 오일을 냉각 링으로부터 외측으로 유동시키도록 개방 상태로 구성되는 것을 특징으로 하는
내연 기관용 피스톤.
제9항에 있어서,
냉각 링은 내부가 밀봉된 냉각 매체를 갖는 것을 특징으로 하는
내연 기관용 피스톤.
제2항에 있어서,
상부는 서로 반경 방향으로 이격된 상단 외부 환형 칼라(collar) 및 상단 내부 환형 칼라를 갖고, 하부는 서로 반경 방향으로 이격된 하단 외부 환형 칼라 및 하단 내부 환형 칼라를 가지며, 상단 외부 환형 칼라는 하단 외부 환형 칼라에 고정되고 상단 내부 환형 칼라는 하단 내부 환형 칼라에 고정되는 것을 특징으로 하는
내연 기관용 피스톤.
내연 기관용 피스톤의 제조 방법에 있어서, 상기 방법은:
실린더 보어 내의 연소 가스에 직접 노출되도록 구성된 상부 연소 표면을 갖는 상부를 형성하는 단계, 상부 표면 및 안쪽으로 리세스된 연소 보울을 갖는 상부 연소 표면을 형성하는 단계, 플로어 및 상부 표면 쪽으로 상향 연장되는 환형 측벽을 갖는 연소 보울을 형성하고 상부 표면과 측벽 사이에서 연장되는 환형 연소 보울 림을 형성하는 단계, 서로 반경 방향으로 이격된 상단 외부 환형 칼라 및 상단 내부 환형 칼라를 갖는 상부를 형성하여 냉각 갤러리의 상부를 구성하는 단계, 연소 보울 림에 인접한 냉각 갤러리의 상부에 환형 채널을 형성하는 단계;
하부 벽 및 하부 벽에 달린 한 쌍의 핀 보스를 갖는 하부를 형성하는 단계, 축선 방향으로 정렬된 핀 보어를 갖는 핀 보스를 형성하고 오일 입구를 갖는 하부 벽을 형성하는 단계;
환형 채널 내에 냉각 링을 배치하는 단계; 및
상부를 하부에 고정하여 그 사이에 환형 냉각 갤러리를 형성하는 단계;를 포함하는
내연 기관용 피스톤의 제조 방법.
제14항에 있어서,
냉각 링을 스프링 바이어스 핏에 체결시켜 환형 채널 내에 배치하는 단계를 더 포함하는
내연 기관용 피스톤의 제조 방법.
제15항에 있어서,
냉각 링의 대향 자유 단부를 서로로부터 멀리 벌림으로써 스프링 바이어스 핏을 제공하는 단계를 더 포함하는
내연 기관용 피스톤의 제조 방법.
제16항에 있어서,
측 방향 단면에서 볼 때 원주 방향으로 불연속적인 벽을 갖는 냉각 링을 형성하는 단계를 더 포함하는
내연 기관용 피스톤의 제조 방법.
제17항에 있어서,
환형 갭에 의해 서로 이격된 아치형 자유 에지를 갖는 벽을 형성하는 단계와, 환형 갭이 환형 채널을 향하도록 배향함으로써 아치형 자유 에지가 환형 채널과 접하도록 구성하는 단계를 더 포함하는
내연 기관용 피스톤의 제조 방법.
제18항에 있어서,
오일을 냉각 링으로부터 외측으로 유동시키도록 대향 자유 단부를 개방 상태로 형성하는 단계를 더 포함하는
내연 기관용 피스톤의 제조 방법.
제17항에 있어서,
벽에 오일 입구 포트를 형성하고 오일 입구 포트를 하부 벽의 오일 입구와 축선 방향으로 정렬시키는 단계를 더 포함하는
내연 기관용 피스톤의 제조 방법.
제16항에 있어서,
측 방향 단면에서 볼 때 원주 방향으로 연속적인 벽을 갖는 냉각 링을 형성하는 단계를 더 포함하는
내연 기관용 피스톤의 제조 방법.
제21항에 있어서,
벽에 오일 입구 포트를 형성하고 오일 입구 포트를 하부 벽의 오일 입구와 축선 방향으로 정렬시키는 단계를 더 포함하는
내연 기관용 피스톤의 제조 방법.
제22항에 있어서,
오일을 냉각 링으로부터 외측으로 유동시키도록 대향 자유 단부를 개방 상태로 형성하는 단계를 더 포함하는
내연 기관용 피스톤의 제조 방법.
제21항에 있어서,
냉각 링 내의 냉각 매체를 밀봉하는 단계를 더 포함하는
내연 기관용 피스톤의 제조 방법.
제14항에 있어서,
서로 반경 방향으로 이격된 하단 외부 환형 칼라 및 하단 내부 환형 칼라를 갖는 하부를 형성하고, 상단 외부 환형 칼라를 하단 외부 환형 칼라에 접합하는 한편 상단 내부 환형 칼라를 하단 내부 환형 칼라에 접합하는 단계를 더 포함하는
내연 기관용 피스톤의 제조 방법.