JP2013530340A - 燃焼機関における装置 - Google Patents

Abstract

燃焼機関における装置は、シリンダ（１１）と、シリンダヘッド（１２）と、シリンダヘッドシール（１６）と、スクレーパリング（１７）とを備える。弾性スクレーパリングシール（２３、３０）は、スクレーパリングの端面２０、２１の一方または両方の近傍に設けられており、前記スクレーパリング近傍に形成される容積を燃焼室から隔離する。このような容積を燃焼空間から隔離することにより、このような容積内に不完全燃焼となった燃料の残渣が堆積することを回避可能とする。これにより、エンジン効率の向上、排出係数の低減、およびエンジン耐用年数の延長を可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は特許請求の範囲における請求項１のプリアンブルに記載の燃焼機関における装置に関する。

ピストンエンジン式燃焼機関は複数のピストンを備え、エンジンが作動すると、各ピストンがシリンダブロックに配置されたシリンダ内を往復する。シリンダの上端は、各シリンダのシリンダヘッドとピストンの上面との間に設けた空間内に燃焼室が形成されるように構成されたシリンダヘッドにより閉じられる。ピストンがシリンダヘッドの方向に移動する際に空気が燃焼室に供給され圧縮される。燃料の空気への混合は適切なときに行われ、シリンダ内においてピストンが上死点近くまで上がると燃料の発火、燃焼、膨張が生じ、その結果シリンダ内においてピストンが下降する。このピストンの運動が伝達されその後クランクシャフトの回転運動に変換される。効率的な燃焼を得るためには、ピストンの外面とシリンダ内面との間において良好な封止がなされていることが重要である。しかしながら、製造技術上の理由により、ピストン外面とシリンダ内面との間に所定のクリアランスを設けなければならない。このクリアランスは、ピストン外面の溝に配置されたピストンリングと潤滑油とを用いて封止される。さまざまな理由、例えば燃焼室近傍が高温になること等により、この溝はピストン上部のコーナー部のわずかに下に配置される。これは、所定の使用期間後、ピストン上端周辺の外面が燃焼室内における燃料燃焼時の不完全燃焼による残渣の副産物としてのいわゆるコークスにより被覆されてしまうことを意味する。このような被覆はエンジン効率および排出係数に影響する。

コークスによるピストンの被覆を抑制するための解決手段としては、シリンダの上端内側にシリンダ内半径より幾分小さな内半径を有するいわゆるスクレーパリングを用いることが挙げられる。その結果、ピストン外面が擦られピストンから被覆物が除去される。特許文献１はこのような方法を記載している。このようなスクレーパリングは除去リングとも呼ばれる。

燃焼プロセスにおいて良好な効率と低い排気ガス排出係数を得るためには、燃焼室の構成が重要である。所望の結果を達成するために、いくつかの異なる要求パラメータを満たすように燃焼室を構成する必要がある。重要なパラメータとして、供給された燃料が燃焼室内において可能な限り高比率で燃焼するように燃焼室を構成することが挙げられる。これを達成するために、燃焼室の中心に関連するが中心からはある程度離れて位置する容積は、このような容積内の燃料／空気の混合物は最適な燃焼を起こしにくいため、最小化することが重要である。スクレーパリングを備える燃焼機関において、このような容積の量は、燃焼効率の低下、排出係数の増加、およびエンジン耐用年数の減少の影響により増加してしまう。したがって、これらの欠点のない装置が要求されている。

米国特許第６１６４２６０号

本発明の目的は上記の要求に応えることにある。この目的は添付の特許請求の範囲における請求項１に記載の装置により達成される。

本発明の装置は、スクレーパリングシールを用いてスクレーパリング端部とシリンダまたはシリンダヘッドのリセスとの間に生じる空間を隔離することにより上述の要求を達成するものである。このように前記スクレーパリングの前記リセスを燃焼室内の容積から隔離することにより、容量増加が低減される。

前記シリンダヘッドを取り付けて前記シリンダを閉じる際に前記スクレーパリングシールを圧縮することにより前記スクレーパリングを収容する空間の部分が確実に封止されるように、前記スクレーパリングシールを構成する。前記スクレーパリング、シリンダ、およびシリンダヘッドの構成によっては、前記スクレーパリングシールは前記スクレーパリングの軸方向の一端または両端の近傍に設けてよい。

スクレーパリングシールは、前記スクレーパリングの一方端または両端の近傍に設けることができる。本発明の効果は、好ましくない容積の隔離可能な量の比率の程度に基づくものである。

一実施形態による装置において、前記スクレーパリングは略一定の内半径を有し、その第１端および第２端はそれぞれ縦軸に対し略直交している。前記スクレーパリングはさらに、前記シリンダのリセスの形状に適合する外面を有する。本実施形態は、前記スクレーパリング端部と前記リセスのエッジとの間に設けた前記スクレーパリングシールをシリンダ全体の周囲において圧縮することが可能であり前記スクレーパリング近傍のリセス内に形成される容積は前記シリンダの燃焼室を構成する空間から隔離されるという利点を有する。

一実施形態による装置において、前記スクレーパリングシールは、前記スクレーパリング端部と前記スクレーパリング端部に隣接する前記リセスの端部との間に設けた弾性シールリングとして、シリンダヘッドから遠い方の端部であるスクレーパリング第２端部近傍に設けられる。本実施形態により、比較的簡素な構造にてスクレーパリング周囲全体において良好な封止を可能としスクレーパリングを備えたエンジンにおいて生じる不都合の低減を可能とする装置を達成することができる。

各種実施形態による装置において、弾性繊維材料、弾性金属材料、弾性を呈する形状のメタルワッシャ、または硬化により弾性シールを形成する化学物質を前記スクレーパリングシールに用いる。これら各種材料を用いることにより、スクレーパリングのリセス近傍の容積を良好に封止することを可能としシリンダ室内における燃焼に関連および起因して生じる高温と高圧に対する耐性を有するスクレーパリングシールを達成することが可能となる。

一実施形態による装置において、前記スクレーパリングシールは、シリンダヘッドに近い方の端部であるスクレーパリングの第１端部近傍に前記シリンダヘッドシールと一体に形成した部分として設けられる。本実施形態はこれらの他の部分を一切含まないため、装置の製造および組立が容易であるという利点を有する。前記シリンダヘッドは、前記スクレーパリングの前記シリンダヘッドシールに近い方の端部上において前記シリンダヘッドが半径方向内向きに突出するように構成されている。しかしながら、取付時に前記シールが圧縮される際に前記スクレーパリング内部の中空部まで達して進入してしまわないようにする必要がある。

一実施形態による装置において、前記スクレーパリングシールおよび前記シリンダヘッドシールは、前記スクレーパリング第２端部に近い方のエッジが前記スクレーパリング第２端部に対する傾斜を有するエッジを形成しそれにより弾性を呈する金属材料により構成されている。前記傾斜エッジは前記スクレーパリング端部に当接し、特に固有弾性材料を用いずともそれ自体の形状により弾性特性を呈する。本実施形態は、前記シリンダヘッドシールが所望の封止を達成し前記シールが曝される高温高圧に対する耐性を有する材料により構成されていてよく、またスクレーパリングシールとして機能するために弾性を有することを必要としないという大きな利点を有する。

本発明はまた、上記実施形態のいずれかによる装置を少なくとも一つ備える燃焼機関に関する。

本発明の各種実施形態はその種々の組合せにより実施可能であることは言うまでもない。

以下において、下記の添付図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。
本発明の第１実施形態を示す図である。 本発明の第１実施形態を示す図である。 本発明の第２実施形態を示す図である。 図１および図２に示す実施形態ならびに図３に示す実施形態それぞれによるスクレーパリングシールの取付前の状態の断面を示す図である。 図１および図２に示す実施形態ならびに図３に示す実施形態それぞれによるスクレーパリングシールの取付前の状態の断面を示す図である。

各図面は燃焼機関の選択された部分を示す切開図である。本装置は、それぞれが不図示のエンジンブロック内に収容されるシリンダ内に縦軸Ａを基準に摺動可能に配置される一つまたは複数の不図示のピストンを備える燃焼機関およびディーゼルエンジンにおいて用いるためのものである。シリンダはエンジンブロック内の専用空間に取り付けるシリンダライナとして構成し得るという利点がある。あるいは、シリンダをエンジンブロックに直接構成してもよい。以下の説明において、シリンダとは、シリンダがエンジンブロックに一体の部分としての構成を備えるとエンジンブロックに取り付けるシリンダライナとしての構成を備えるとに関わらず、そこにピストンを設け動作させるための空間を指す。

図１および図２は、本発明の装置の第１実施形態を示す。シリンダ１１は、不図示のクランクケースの延長上にあり、シリンダヘッド１２により反対側の端部において閉じられる。シリンダヘッド１２は、空気と燃料の混合気を圧縮し燃焼するための燃焼室をピストンのシリンダヘッド１２に近い方の側とともに形成するリセス１３を備え、これによって爆発燃焼中に生じる膨張によってピストンがクランクケースの方向にシリンダヘッド１２から遠ざかることにより、ピストンの動作がクランクシャフトの回転運動に変換される。

シリンダヘッドは、リセス１３の近傍において、バルブシート１５と協働して上記燃焼室への空気の供給を制御し、燃焼室から燃焼ガスを排気するための複数のバルブ１４を収容する。エンジンが２本以上のシリンダを備える場合、いずれのシリンダもシリンダヘッドにより閉じられるという利点がある。

シリンダをしっかりと確実に閉じるため、シリンダヘッドシール１６をシリンダ１１とシリンダヘッド１２との間に設けている。シリンダヘッド１２は通常はねじ接続などによりエンジンブロックに固定される。

いわゆるスクレーパリング１７はシリンダ１１のシリンダヘッド１２に近い方の端部に設けられている。スクレーパリング１７は、シリンダ１１の内半径ＣＲより幾分小さい一定の内半径ＳＲを有する。これにより、不図示のピストンの外周がスクレーパリング１７を通過する際にピストンの外周がスクレーパリング１７により擦られ、被覆物がすべてピストンから除去される。これにより、時間の経過とともにピストンに堆積した被覆物を低減する。

スクレーパリング１７はシリンダ１１内の専用環状リセス１８に収容され、シリンダのシリンダヘッドに近い方の端部近傍のシリンダ内周の周囲まで延設されている。スクレーパリングの収容中はスクレーパリングの外周とリセスの構成とがいずれも変化しておりスクレーパリングはリセス１８に嵌入する。しかしながら、スクレーパリングをリセス１８に嵌入させるためには、スクレーパリングの外面とリセス１８との間に所定のクリアランスを設ける必要がある。このクリアランスにより空間が生じるが、この空間が燃焼室に連通していると燃焼室における燃焼に影響する。

本装置は、スクレーパリングに隣接して設けた弾性シールを用いてこの空間を燃焼室から隔離するためのものである。

図１および図２に示す実施形態において、スクレーパリングの上下端面２０および２１はそれぞれ中心線Ａに対し略直交している。スクレーパリングの下端面２１に当接するリセスのエッジ面１９も同様に中心線Ａに対し略直交している。弾性シールリング２３をスクレーパリング端面２１とリセスのエッジ面１９との間に設けている。組立前のスクレーパリング軸方向長ＳＬとシールリング軸方向長ＴＬとを併せた軸方向長（ＳＬ＋ＴＬ）をリセス軸方向長ＵＬとシリンダヘッドシール軸方向長ＣＬとを併せた軸方向長（ＵＬ＋ＣＬ）より長く構成することにより、組立後にシリンダヘッド１２に当接するスクレーパリング１７がシールリング２３を圧縮してスクレーパリング端面２１とリセスのエッジ面１９との間における良好な封止を得ることを可能としている。このように、スクレーパリング後方に存在する容積Ｖが燃焼室から隔離される。容易な組立を可能としかつ弾性シールリングのシリンダとスクレーパリングに対する位置がずれてしまう可能性を低減するために、小凹部２４をスクレーパリング端面に設けシールリングを所望の位置から外れないようにしている。図１には図示しないが、このリセスのエッジ面に溝を設けてもよい。

リセスとスクレーパリングの両方の構成に適合させるため、シールリング２３は図示とは異なる断面形状としてもよい。シールリングは均一な断面を有するかあるいはシールリングに設けたキャビティを有する。図４の断面図に示すシールリング２３はこのようなキャビティを設けた構成を有する。シールリングの材料が異なれば異なる構成が要求されるため、これらのパラメータを所望の弾性を有するスクレーパリングシールを達成するために用いることができる。

他の実施形態においては、この弾性は、弾性繊維材料、弾性金属材料、弾性を呈する形状のメタルワッシャ、または硬化により弾性シールを形成する化学物質により構成されるスクレーパリングシールにより達成可能である。図３は他の実施形態による装置を示す。本実施形態において、スクレーパリングシール３０は、スクレーパリング１７の上端部２０の近傍において、シリンダヘッドシール１６と一体に構成されている。スクレーパリングシール３０は、シリンダヘッドシール１６から突出しスクレーパリングの上端部２０の方向に下方に向けて延設した傾斜エッジを有する。これにより、スクレーパリングとシリンダと傾斜エッジとの間に結果的に残る容積Ｖが燃焼室から隔離される。図５は本実施形態におけるシールリング３０の断面を示す。

シリンダヘッドシールはスクレーパリングシールに要求されるような弾性を通常有しないが、傾斜エッジ３１を設けることによりスクレーパリングシール３０における所望の弾性を得る。

装置の組立前のスクレーパリング軸方向長ＳＬとシールリング軸方向長ＴＬとを併せた軸方向長（ＳＬ＋ＴＬ）をリセス軸方向長ＵＬとシリンダヘッドシール軸方向長ＣＬとを併せた軸方向長（ＵＬ＋ＣＬ）より長く構成することによって組立後にシリンダヘッドおよびスクレーパリングが傾斜エッジ３１を圧縮しスクレーパリング上端面と傾斜エッジとスクレーパリング上端面近傍に存在する容積Ｖとの間における良好な封止を得ることにより、隣接する燃焼室からリセスを隔離する。

図１および２に示す実施形態と、図３に示す実施形態とは、最大の効果を達成するために燃焼機関に組み込み可能であるという利点がある。

本発明は、２つの実施形態を例示して上記に説明した通りである。しかしながらそれらに限らない本発明は、添付の特許請求の範囲により定義される。また本装置はその構成要素となる部分間の内部関係が相互に対応する限り、異なる構成を備えてもよい。

Claims (7)

1. 縦軸（Ａ）を有する少なくとも一つのシリンダ（１１）を備える燃焼機関内の装置であって、前記シリンダの一端が、シリンダヘッド（２１）、シリンダとシリンダヘッドとの間に位置するシリンダヘッドシール（１６）、および第１の軸方向端面（２０）と第２の軸方向端面（２１）とを有して、前記シリンダヘッドシールに隣接するシリンダ内周面の周囲に設けたリセス（１８）内に配置されるスクレーパリング（１７）とにより閉じられる装置において、
   前記スクレーパリング（１７）の軸方向長（ＳＬ）が、前記リセス（１８）と前記シリンダヘッドシール（１６）とを併せた長さ（ＵＬ＋ＣＬ）より短いこと、および
   前記スクレーパリングの軸方向端面（２０、２１）の一方または両方の近傍に、組立前の状態におけるその一つまたは複数の前記シールの軸方向長（ＴＬ）と前記スクレーパリング（１７）の軸方向長（ＳＬ）とを併せた長さが、前記リセス（１８）と前記シリンダヘッドシール（１６）とを併せた軸方向長（ＵＬ＋ＣＬ）より長くなるような軸方向長（ＴＬ）を有する弾性スクレーパリングシールが設けられていること
   を特徴とする装置。
2. 前記スクレーパリング（１７）が略一定の内半径（ＳＲ）を有すること、
   前記スクレーパリングの第１の端面と第２の端面と（２０、２１）がそれぞれ縦軸（Ａ）とスクレーパリングの外面とに略直交すること、および
   前記リセス（１８）が前記スクレーパリング（１７）の外面に対応する形状を有すること
   を特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記スクレーパリングシール（２３）が、前記シリンダヘッド（１２）から遠い方の、前記スクレーパリングの端部近傍に設けられており、前記リセスのエッジ面（１９）と前記スクレーパリングの第２端面（２１）との間に配置される弾性シールリング（２３）として構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記一つまたは複数のスクレーパリングシール（２３）が、弾性繊維材料、弾性金属材料、弾性を呈する形状のメタルワッシャ、または硬化により弾性シールを形成する化学物質により構成されていることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記スクレーパリングシール（３０）が、前記シリンダヘッド（１２）と対向する前記スクレーパリング（１７）の第１端面（２０）の近傍に位置しており、前記シリンダヘッドシール（１６）と一体に形成された部分として構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
6. 前記スクレーパリングシール（３０）およびシリンダヘッドシール（１６）が金属材料により構成されており、金属材料の、前記スクレーパリング第１端部（２０）に近いエッジ（３１）が、前記スクレーパリングの第１端部（３０）に対して傾斜を有するエッジ（３１）を形成しており、それにより弾性を呈していることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか一項に記載の装置を少なくとも一つ備える燃焼機関。

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