JP2013011205A - Reciprocating engine - Google Patents

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Shigeru Bando
茂 坂東
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a reciprocating engine for reducing frictional resistance of a piston and a cylinder, by supporting the piston by high pressure gas (floating by gas pressure), by restraining temperature lowering of high temperature-high pressure combustion gas introduced into a gas chamber, in its turn, reduction in the gas pressure.SOLUTION: This reciprocating engine 1 introduces the high temperature-high pressure combustion gas 12 above the piston 2 from a gas passage hole 21 arranged in an upper part 20 on the thrust side 10 of a cylinder inner surface 8 in the initial stage of an expansion stroke, to the gas chamber 4 formed by being surrounded by a top ring 5, a second ring 6 and second land 7 of the piston 2 and the cylinder inner surface 8, and supports the piston 2 from the thrust side 10 by this introduced high temperature-high pressure combustion gas 12, and forms a coating film layer 14 of high heat insulation performance on a surface 13 of the second land 7 of the piston 2.

Description

本発明は、爆発膨張行程において、ピストンに作用する側圧に対抗して、ピストンを高温高圧燃焼ガスによって支持(ガス圧フロート)し、ピストンとシリンダとの摩擦抵抗を減少させた往復動エンジンに関する。   The present invention relates to a reciprocating engine in which the piston is supported by high-temperature and high-pressure combustion gas (gas pressure float) against the side pressure acting on the piston in the explosion and expansion stroke, and the frictional resistance between the piston and the cylinder is reduced.

特許文献1から4には、ピストンのセカンドランド部にガス室を形成し、爆発膨張行程初期に、このガス室に、シリンダ内面に設けたガス通路穴から、ピストン上方の高温高圧燃焼ガスを導入、保持させ、この導入した高温高圧燃焼ガスによりピストンをスラスト側から支持し、ピストンとシリンダ内面との摩擦抵抗を減少する技術が記載されている。   In Patent Documents 1 to 4, a gas chamber is formed in the second land portion of the piston, and at the beginning of the explosion / expansion stroke, high-temperature and high-pressure combustion gas above the piston is introduced into this gas chamber from a gas passage hole provided in the cylinder inner surface. And a technique for reducing the frictional resistance between the piston and the inner surface of the cylinder by supporting the piston from the thrust side with the introduced high-temperature and high-pressure combustion gas.

国際公開第92/02722号International Publication No. 92/02722 国際公開第2004/079177号International Publication No. 2004/079177 欧州特許出願公開第1878901号European Patent Application Publication No. 1878901 国際公開第2008/047453号International Publication No. 2008/047453

しかし、上記技術においては、エンジン運転中、上記ガス室には、ピストン上方の高温高圧燃焼ガスの導入、保持、排出が繰り返されるが、ガス室は容積が小さい割にガス圧を囲む表面積が大きいため導入された高温高圧燃焼ガスは、ガス室に導入されると温度が下がり、ガス圧が下がるためピストンの支持力が下がる。   However, in the above technique, while the engine is running, the high-temperature and high-pressure combustion gas above the piston is repeatedly introduced, held, and discharged in the gas chamber, but the gas chamber has a large surface area surrounding the gas pressure for a small volume. Therefore, when the introduced high-temperature high-pressure combustion gas is introduced into the gas chamber, the temperature is lowered, and the gas pressure is lowered, so that the supporting force of the piston is lowered.

そこで、本発明は、ガス室に導入された高温高圧燃焼ガスの温度低下延いてはガス圧の低下を抑制し、高圧ガスによりピストンを支持(ガス圧フロート)し、ピストンとシリンダとの摩擦抵抗を減少させた往復動エンジンを提供するものである。   In view of this, the present invention suppresses the decrease in the temperature of the high-temperature and high-pressure combustion gas introduced into the gas chamber and thus the decrease in the gas pressure, supports the piston with the high-pressure gas (gas pressure float), and the friction resistance between the piston and the cylinder. It is intended to provide a reciprocating engine in which

本発明は、ピストンのトップリングとセカンドリングとセカンドランド及びシリンダ内面とにより囲まれて形成されたガス室に、膨張行程の初期において、シリンダ内面のスラスト側の上部位に設けたガス通路穴からピストン上方の高温高圧燃焼ガスを導入し、この導入した高温高圧燃焼ガスによってピストンをスラスト側から支持するようにした往復動エンジンにおいて、ピストンのセカンドランドの表面に、断熱性の高い皮膜層を形成した往復動エンジンである。   In the present invention, a gas chamber surrounded by a piston top ring, a second ring, a second land, and a cylinder inner surface is provided with a gas passage hole provided in an upper portion on the thrust side of the cylinder inner surface in the initial stage of the expansion stroke. In a reciprocating engine in which high-temperature high-pressure combustion gas above the piston is introduced and the piston is supported from the thrust side by the introduced high-temperature high-pressure combustion gas, a highly heat-insulating coating layer is formed on the surface of the second land of the piston Reciprocating engine.

上記皮膜層は、ステンレス鋼、セラミック等の熱伝導率の低い(断熱性の高い)材料を溶射して形成してよい。   The coating layer may be formed by thermal spraying a material having low thermal conductivity (high thermal insulation) such as stainless steel or ceramic.

上記皮膜層は、二層以上からなる多層皮膜層であってもよい。   The coating layer may be a multilayer coating layer composed of two or more layers.

本発明の往復動エンジンの運転によって、ガス室に導入された高温高圧燃焼ガスにさらされた皮膜層は、その断熱効果によって表面は高熱となるが、ピストン内部への熱移動(熱の逃げ)が小さい。即ち、ガス室内に導入された高温高圧燃焼ガスは、高温となった上記皮膜層の表面にさらされると共にこの皮膜層の断熱効果(低熱伝導率効果)によるピストン内部への熱の逃げが小さい。このため、導入された高温高圧燃焼ガスは、ガス室内での温度低下が抑制され、従って、高圧ガスを保ち、ピストンをスラスト側から十分に支持(ガス圧フロート)し続け、ピストンとシリンダ内面との摩擦抵抗を十分に減少させる。   Although the surface of the coating layer exposed to the high-temperature and high-pressure combustion gas introduced into the gas chamber by the operation of the reciprocating engine of the present invention becomes hot due to its heat insulation effect, heat transfer to the inside of the piston (heat escape) Is small. That is, the high-temperature and high-pressure combustion gas introduced into the gas chamber is exposed to the surface of the coating layer that has reached a high temperature, and heat escape into the piston due to the heat insulating effect (low thermal conductivity effect) of the coating layer is small. For this reason, the introduced high-temperature and high-pressure combustion gas is suppressed from lowering the temperature in the gas chamber. Therefore, the high-pressure gas is maintained and the piston is sufficiently supported from the thrust side (gas pressure float). The frictional resistance is sufficiently reduced.

図1は、本発明の一実施例往復動エンジンの断面説明図である。FIG. 1 is an explanatory cross-sectional view of a reciprocating engine according to an embodiment of the present invention. 図2は、図1に示すピストンの側面図である。FIG. 2 is a side view of the piston shown in FIG.

以下、本発明の実施形態を図面に示した実施例に基づいて説明する。なお、本発明はこれらの例に何等限定されないのである。   Embodiments of the present invention will be described below based on examples shown in the drawings. The present invention is not limited to these examples.

図1は、爆発膨張行程におけるピストン2の降下工程初期の様子を示す。   FIG. 1 shows an initial state of the lowering process of the piston 2 in the explosion / expansion stroke.

図1には、爆発膨張行程初期にある本実施例の往復動エンジン1が、図2には、図1の往復動エンジン1のピストン2が示されている。3はシリンダ、そして、4はガス室である。ガス室4は、ピストン2のトップリング5とセカンドリング6と、セカンドランド7とシリンダ内面8とにより囲まれて形成されている。ガス室4は上下方向巾9がスラスト側10で広く、反スラスト側11で狭くなっている。   FIG. 1 shows a reciprocating engine 1 of this embodiment in the initial stage of an explosion / expansion stroke, and FIG. 2 shows a piston 2 of the reciprocating engine 1 of FIG. 3 is a cylinder, and 4 is a gas chamber. The gas chamber 4 is formed by being surrounded by a top ring 5, a second ring 6, a second land 7, and a cylinder inner surface 8 of the piston 2. The gas chamber 4 has a vertical width 9 wide on the thrust side 10 and narrow on the anti-thrust side 11.

これは、ガス圧を受ける面積をスラスト側10において広くし、反スラスト側11で小さくし、導入、保持した高温高圧燃焼ガス12によってピストン2をスラスト側10から支持(ピストン側圧に対抗して)し、反スラスト側11からの押し返しをわずかにするためにある。   This is because the piston 2 is supported from the thrust side 10 by the high-temperature and high-pressure combustion gas 12 that is introduced and held by increasing the area receiving the gas pressure on the thrust side 10 and decreasing it on the anti-thrust side 11 (to oppose the piston side pressure). In order to minimize the push-back from the anti-thrust side 11.

セカンドランド7は、ピストン2の表面において、トップリング5の溝とセンカンドリング6の溝との間に配されており、上下方向巾9がスラスト側10で広く、反スラスト側11で狭くなっている。   The second land 7 is arranged on the surface of the piston 2 between the groove of the top ring 5 and the groove of the second ring 6, and the vertical width 9 is wide on the thrust side 10 and narrow on the anti-thrust side 11. Yes.

ピストン2のセカンドランド7の表面13には、熱伝導率の低い(断熱性の高い)皮膜層14が被覆形成されている。   On the surface 13 of the second land 7 of the piston 2, a coating layer 14 having low thermal conductivity (high thermal insulation) is formed.

上記皮膜層14は、ステンレス鋼、セラミック等の耐熱性及び断熱性の高い材料を溶射して形成されている。   The coating layer 14 is formed by spraying a material having high heat resistance and heat insulation such as stainless steel and ceramic.

図1に示されるように、本実施例の往復動エンジン1のピストン2について、ガス室4を形成するところのトップリング5は、ピストン頂面15と平行に設けられており、他方セカンドリング6はスラスト側10に向かって下り傾斜して設けられている。即ち、セカンドリング6はスラスト側10においてトップリング5から遠く離れ、反スラスト側11に近づくにつれて接近して設けられている。   As shown in FIG. 1, the top ring 5 that forms the gas chamber 4 of the piston 2 of the reciprocating engine 1 of the present embodiment is provided in parallel with the piston top surface 15, while the second ring 6. Is inclined downward toward the thrust side 10. That is, the second ring 6 is provided farther away from the top ring 5 on the thrust side 10 and closer to the anti-thrust side 11.

よって、トップリング5とセカンドリング6との間(距離)、即ちガス室4の上下方向巾9はスラスト側10において幅広く、反スラスト側11に近づくにつれて次第に幅狭になっている。   Therefore, the distance (distance) between the top ring 5 and the second ring 6, that is, the vertical width 9 of the gas chamber 4 is wide on the thrust side 10 and gradually becomes narrower as it approaches the anti-thrust side 11.

また、シリンダ内面8のスラスト側10の上部位20には、複数のガス通路穴21が設けられている。ピストン2の降下行程において、ピストン2のトップリング5がガス通路穴21上を通過するとき、このガス通路穴21の凹み22を介して、ピストン2上方の燃焼室23とピストン2のガス室4とが連通し、燃焼室23の高温高圧燃焼ガス12がガス室4に導入され保持される。   A plurality of gas passage holes 21 are provided in the upper portion 20 of the thrust side 10 of the cylinder inner surface 8. In the downward stroke of the piston 2, when the top ring 5 of the piston 2 passes over the gas passage hole 21, the combustion chamber 23 above the piston 2 and the gas chamber 4 of the piston 2 through the recess 22 of the gas passage hole 21. And the high-temperature and high-pressure combustion gas 12 in the combustion chamber 23 is introduced and held in the gas chamber 4.

即ち、爆発膨張行程の初期において、ピストン2のトップリング5がシリンダ内面8の上部位20のガス通路穴21を通過するとき、ピストン2の上方の燃焼室23とピストン2のガス室4とが通じ合い、高温高圧燃焼ガス12がガス室4に導入、保持される。   That is, when the top ring 5 of the piston 2 passes through the gas passage hole 21 in the upper portion 20 of the cylinder inner surface 8 in the initial stage of the explosion / expansion stroke, the combustion chamber 23 above the piston 2 and the gas chamber 4 of the piston 2 are separated. The high-temperature and high-pressure combustion gas 12 is introduced and held in the gas chamber 4.

このとき、ピストン2は、側圧の作用を受けスラスト側10にシリンダ内面8に押し付けられようとするが、ガス室4に導入、保持された高温高圧燃焼ガス12によってスラスト側10から支持(ピストン2に作用する側圧に対抗して)された状態で降下する。   At this time, the piston 2 tends to be pressed against the cylinder inner surface 8 against the thrust side 10 under the action of the side pressure, but is supported from the thrust side 10 by the high-temperature high-pressure combustion gas 12 introduced and held in the gas chamber 4 (piston 2 Descent in a counter-acting state).

本発明の往復動エンジン1は、ガス室4を形成するピストン2のセカンドランド7の表面13に熱伝導率の低い(断熱効果の高い)皮膜層14が形成されている。皮膜層14は、その断熱効果によって表面が高温となるが、ピストン2の内部への熱移動(熱の逃げ)が小さい。即ち、ガス室4内に導入された高温高圧燃焼ガス12は、高温となった皮膜層14の表面にさらされると共にこの皮膜層14の断熱効果(低熱伝導率効果)によるピストン内部への熱の逃げが小さい。このため、導入された高温高圧燃焼ガス12は、ガス室内での温度低下が抑制されて高温状態を保持する。従って、高圧ガスを保ち、ピストン2をスラスト側10から十分に支持(ガス圧フロート)を続け、ピストン2とシリンダ内面8との摩擦抵抗を十分に減少させる。   In the reciprocating engine 1 of the present invention, a coating layer 14 having a low thermal conductivity (high thermal insulation effect) is formed on the surface 13 of the second land 7 of the piston 2 forming the gas chamber 4. The surface of the coating layer 14 becomes hot due to its heat insulating effect, but heat transfer (heat escape) to the inside of the piston 2 is small. That is, the high-temperature and high-pressure combustion gas 12 introduced into the gas chamber 4 is exposed to the surface of the coating layer 14 that has reached a high temperature, and heat generated inside the piston due to the heat insulation effect (low thermal conductivity effect) of the coating layer 14. The escape is small. For this reason, the introduced high-temperature high-pressure combustion gas 12 is kept in a high-temperature state by suppressing a temperature drop in the gas chamber. Accordingly, the high pressure gas is maintained, the piston 2 is sufficiently supported from the thrust side 10 (gas pressure float), and the frictional resistance between the piston 2 and the cylinder inner surface 8 is sufficiently reduced.

1 往復動エンジン
2 ピストン
3 シリンダ
4 ガス室
5 トップリング
6 セカンドリング
7 セカンドランド
8 シリンダ内面
9 上下方向巾
10 スラスト側
11 反スラスト側
12 高温高圧燃焼ガス
13 表面
14 皮膜層
15 ピストン頂面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reciprocating engine 2 Piston 3 Cylinder 4 Gas chamber 5 Top ring 6 Second ring 7 Second land 8 Cylinder inner surface 9 Vertical width 10 Thrust side 11 Anti-thrust side 12 High temperature high pressure combustion gas 13 Surface 14 Film layer 15 Piston top surface

Claims (4)

ピストンのトップリングとセカンドリングとセカンドランド及びシリンダ内面とにより囲まれて形成されたガス室に、膨張行程の初期において、シリンダ内面のスラスト側の上部位に設けたガス通路穴からピストン上方の高温高圧燃焼ガスを導入し、この導入した高温高圧燃焼ガスによってピストンをスラスト側から支持するようにした往復動エンジンにおいて、ピストンのセカンドランドの表面に、断熱性の高い皮膜層が形成されている往復動エンジン。   In the gas chamber surrounded by the piston's top ring, second ring, second land, and cylinder inner surface, the high temperature above the piston from the gas passage hole provided in the upper part on the thrust side of the cylinder inner surface in the initial stage of the expansion stroke. In a reciprocating engine in which high-pressure combustion gas is introduced and the piston is supported from the thrust side by the introduced high-temperature and high-pressure combustion gas, a reciprocating coating layer is formed on the surface of the second land of the piston. Dynamic engine. 皮膜層は、ステンレス鋼、セラミック等の熱伝導率の低い材料からなる請求項1に記載の往復動エンジン。   The reciprocating engine according to claim 1, wherein the coating layer is made of a material having low thermal conductivity such as stainless steel or ceramic. 皮膜層は、溶射法によって形成されている請求項1又2に記載の往復動エンジン。   The reciprocating engine according to claim 1 or 2, wherein the coating layer is formed by a thermal spraying method. 皮膜層は、二層以上からなる多層皮膜層である請求項1から3のいずれか一項に記載の往復動エンジン。   The reciprocating engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the coating layer is a multilayer coating layer composed of two or more layers.
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