JP2016521331A - 対向ピストンエンジンにおけるピストン熱管理 - Google Patents

Abstract

対向ピストン機関は、ピストンを含み、各ピストンが、ピストンの側壁内に環状空隙を有し、そのクラウンとリング溝との間に配置されて、クラウンからピストン本体への熱の伝達を遮断する。

Description

（関連出願への相互参照）
本出願は、２０１１年４月１８日に出願された共通所有米国特許出願第１３／０６６，５８９号「Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｃｈａｍｂｅｒ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｏｐｐｏｓｅｄ−Ｐｉｓｔｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｓ」および２０１１年８月１５日に出願された共通所有米国出願特許第１３／１３６，９５５号「Ｐｉｓｔｏｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｏｐｐｏｓｅｄ−Ｐｉｓｔｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｓ」の出願に関連する主題を含む。

本分野は、内燃機関（エンジン）に関する。特に、本分野は、ピストンの熱管理のための構造に関する。いくつかの態様において、本分野は、ピストンクラウンの端面がピストンのリングエリアから絶縁される内燃機関を含む。他のいくつかの態様において、本分野は、高圧縮ディーゼル機関、特に、対向ピストンディーゼル機関を含む。

内燃機関の動作中、空気／燃料混合物の燃焼が、シリンダ内で往復運動する少なくとも１つのピストンのクラウンの端面によって画定されるシリンダスペース内で発生する。例えば、対向ピストン機関では、燃焼は、シリンダ内の各上死点位置付近にある２つの対向ピストンのクラウンの端面の間で画定されるシリンダスペース内で発生する。クラウンの端面の間で圧縮された空気の発熱は、加熱空気に注入された燃料の燃焼を引き起こす。燃料を燃焼するシリンダスペースは、典型的に、「燃焼室」と呼ばれる。

燃焼によって放出されるエネルギーの運動への変換を最大にするために、熱が、ピストンを通って燃焼室から離れて伝わることを防ぐことが望ましい。ピストンを通り失われる熱を少なくすることで、機関の動作効率が高くなる。典型的に、ピストンを通る熱伝達は、ピストンの本体からピストンクラウンを絶縁することによって低減または遮断される。しかしながら、ピストンの端面での燃焼の熱を保持することによって、熱的損傷がピストンクラウンおよび付近のピストン要素に生じる可能性がある場合もある。

特に、負荷が増加し続けることが現代の内燃機関から予期されることから、ピストンの熱管理は継続的な問題である。典型的なピストンでは、熱管理に対して問題となる少なくとも４つの領域は、ピストンクラウン、リング溝、ピストンアンダークラウン、およびピストン／リストピン界面である。ピストンクラウンは、その温度がピストンクラウンの材料の酸化温度を上回った場合に、酸化により損傷する可能性がある。ピストン要素の機械的故障は、熱により引き起こされる材料の変化による可能性がある。リングならびにリング溝およびリング溝を境界づけるランドは、コークス化温度を超えて加熱された油に起因するカーボン堆積の影響を受けるであろう。リング溝と同様に、ピストンクラウンの底面もまた、油のコークス化の影響を受ける可能性がある。

最近の研究では、対向ピストン機関２ストロークサイクル機関は、従来の６シリンダ４サイクル機関と比較された場合に、高い熱効率を示すことが示されている（非特許文献：Ｈｅｒｏｌｄ，Ｒ．， Ｗａｈｌ， Ｍ．， Ｒｅｇｎｅｒ， Ｇ．， Ｌｅｍｋｅ， Ｊ． ｅｔ ａｔ．， 「Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ Ｂｅｎｅｆｉｔｓ ｏｆ Ｏｐｐｏｓｅｄ−Ｐｉｓｔｏｎ Ｔｗｏ−Ｓｔｒｏｋｅ Ｅｎｇｉｎｅｓ」 ＳＡＥ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒ ２０１１−０１−２２１６， ２０１１， ｄｏｉ：１０．４２７１／２０１１−０１−２２１６）。対向ピストン機関は、３つの効果、すなわち、より良好な燃焼室の面積／体積比による熱伝達の低減、２ストロークサイクルによって可能となるよりリーンな動作条件から比熱の比率の増加、および２ストローク機関の低エネルギー放出密度に起因する固定最大圧力上昇率で実現可能な燃焼期間の削減を組み合わせることによって、熱力学的利点を実現する。シリンダごとに２つのピストンを有する場合、対向ピストン機関は、ピストン熱管理を向上させたさらなる熱力学的利点を実現することができる。

対向ピストン機関のピストンの熱管理を向上させることは、一対の対向ピストンの各ピストンにおいて、ピストンのクラウンの端面とピストンのトップリング溝との間に位置づけられる環状空隙を配置することによって実現される。機関動作中、この空隙は、ピストンクラウンからピストン本体への熱の伝達を低減し、一方、同時に、リングへの熱的損傷およびリング溝における潤滑油のコークス化を低減または防止する。

ピストンの対の端面が、対向ピストン機関の燃焼室構造を画定するよう形成される一対のピストンの１つのピストンを示す立体斜視図である。

図１による一対のピストンを含む対向ピストン機関の動作順序を示す側面図である。 図１による一対のピストンを含む対向ピストン機関の動作順序を示す側面図である。 図１による一対のピストンを含む対向ピストン機関の動作順序を示す側面図である。

対向ピストン機関の一対のピストンの１つのピストンを示す立体斜視図である。

ピストンのクラウンの端面とピストンのトップリング溝との間に位置づけられた環状空隙を示す図５のピストンの第１の実施形態の横断面図である。

ピストンが軸の周りを９０°回転した場合の、図６のピストンの横断面図である。

図６のピストンの一部の拡大図である。

クラウンで受け取られ、ピストンの端面付近の定位置に設置され、環状空隙を閉じる管状部分、すなわち、スリーブを示す図５のピストンの第２の実施形態の分解横断面図である。 スリーブがクラウン上にある場合の、図５のピストンの第２の実施形態の横断面図である。 図９Ｂのピストンの一部の拡大図である。

図５のピストンの第３の実施形態の部分拡大図である。

図１から図４は、対向ピストン機関のポートシリンダに配置された対向ピストンの相補的な端面構造によって画定される燃焼室構造を示す。燃焼室構造は、スキッシュ面領域によって境界づけられる。同一の概ね対称的なボウルが対向ピストンの端面に形成され、ピストンが、対向してボウルの相補的湾曲面を配置するよう回転可能に配向されて、スキッシュゾーンのスキッシュ面領域を最大にする。

各ピストンの端面構造は、凹曲面を画定するボウルを取り囲む周縁部を有する。凹曲面は、ピストンの内側に向けて周縁部面を含む面から離れて湾曲する第１の部分と、第１の部分から離れて湾曲し、面から部分的に外側へ突出する第２の部分とを含む。ボウルと対向する凸曲面は、周縁部から離れて湾曲し、面から外側に突出する。凸曲面は、凹曲面の第２の部分と接触し、共にリッジ部を形成する。必須ではないが、ボウルは、半楕円体形状を有することが好ましい。端面構造は、両ピストンに設けられ、ピストンは、対向する端面構造の相補的な湾曲面を配置するよう配向された端面を有するポートシリンダのボアに配置され、燃焼室を画定する。必須ではないが、これら２つの端面の間に画定された燃焼室空間は、細長い楕円シリンダであるか、または細長い楕円シリンダに非常に近く、タンブル運動を補強および維持するために概ね対称的な形態をもたらすことが好ましい。この燃焼室構造は、燃焼室内の空気のバルク運動にタンブルを追加し、それにより、空気／燃料混合を向上する乱流を強める。

燃焼室を画定するピストン端面の構造は、互いに本質的に同一であり、したがって、図１に示すピストン２８０は、吸気ピストンおよび排気ピストンの両方を示す。ピストン２８０は、端面２８２を有する。ピストン２８０の長手方向軸を中心とする、平らな、放射状に延びる領域２８４が、端面２８２の周縁部を画定する。ボウル２８６が、周縁部内に形成される。ボウル２８６は、平らな周辺領域２８４を含む面から、ピストン２８０の内部に向けて、内側へ湾曲する第１の部分２９０と、面を通ってピストンの内部から外側に湾曲する第２の部分２９２とを有する凹曲面２８８を有する。さらに、端面２８２は、面から外側に湾曲する周縁部内に凸面部２９５を含む。凸面部２９５は、凹面部２８８の第２の部分２９２と接触し、端面２８２から外側に突出するリッジ部２９６を形成する。少なくとも１つのノッチ２９４が周縁部を通ってボウル２８６に延び、好ましくは、２つの整列ノッチ２９４が設けられる。

図２から図４を参照すると、図１のように形成された端面を有する２つのピストン２８０が、ポートシリンダ２２０内のそれぞれの下死点（ＢＤＣ）に、または下死点（ＢＤＣ）付近に示される。ピストンは、シリンダ２２０のボアに回転可能に配向され、相補的に端面を整列し、すなわち、一方のピストン２８０の凹曲面部分２９０は、他方のピストンの凸曲面２９５と対面する。空燃混合気は、吸気ポート２２４を通ってシリンダ内に流され、排気生成物をシリンダの外に排気ポート２２６を通じて流す。掃気および空気／燃料混合のために、空燃混合気は、吸気ポート２２４を通る時に旋回させられる。ピストン２８０が、図３のように上死点（ＴＤＣ）位置に向けてＢＤＣから移動する場合、吸気ポート２２４および排気ポート２２６は閉じ、旋回している空燃混合気は、端面２８２の間で徐々に圧縮される。ピストン２８０がＴＤＣに近づくと、圧縮空気が、端面の周縁部から、端面ボウルの間に画定された空隙を有する燃焼室に流れる。同時に、シリンダの長手方向軸により近い圧縮空燃混合気が、旋回し続ける。ピストン２８０が各ＴＤＣ位置を通って動くと、対向する凹曲面−凸曲面２９０、２９５が互いと噛み合い、燃焼室空隙を、細長い、ほぼ楕円形状にする。端面２８２におけるノッチ２９４（図１参照）の対向する対は、楕円形上の対向極位置で燃焼室内に開く導入ポートを画定する。

図５のように、ピストン端面２８２は、ピストン２８０の上端でクラウン２８１に形成される。１つまたは複数のリング溝３０２が、端面２８２の周縁部２８４の下に、ピストン２８０の本体２８５の側壁２８３に形成される。ピストンリング（図示せず）が、ピストンが完全に組み立てられた場合に、リング溝に設置される。ピストン側壁２８３の周縁に沿って形成される、円周溝、リセス、トレンチ、または空隙３００は、端面２８２とトップリング溝との間に位置づけられる。空隙３００は、クラウンからピストンの下部を通る熱の伝達を低減または遮断し、クラウン２８１とリング溝３０２との間の熱抵抗器として機能する。必須ではないが、空隙３００は、熱伝導率が低い材料を含むことが好ましい。熱伝導率が低い材料の例には、空気、セラミック、および／またはグラファイトがある。空隙３００は、環状チャンバを形成するために閉じられることが好ましい。例えば、空隙３００は、空隙の口に設置され、ピストン構造に固定される、薄く、平らな包囲帯、すなわち、バンド３０５によって閉じることができる。空隙３００を閉じることおよび／または空隙３００をセラミック、グラファイト、もしくは他の同等の材料で満たすことにより、ピストンに構造上の完全性を加える。空隙３００は、ピストンへの熱の伝達を減らす、クラウン２８１とリング溝３０２との間の熱抵抗をもたらし、それにより、燃焼エネルギーの運動への変換を高める。

空隙の熱抵抗により、クラウン２８１がより熱くなり、それにより、酸化の可能性が高まる。このことは、いくつかの方法で対処することができる。１つは、ステンレス鋼またはニッケル合金などの、酸化温度が高い材料でクラウンを製造することである。他には、標準的なピストン材料を使用して、材料の表面酸化温度を高める表面処理を施すことである。材質特性もまた、温度と共に劣化する。標準的なピストン材料を使用する場合、ピストンは、疲労限度をさらに満たすために応力が十分に低くなるよう設計することができる。

図６から図８は、図５のピストンの第１の実施形態を示す。環状空隙３００は、ピストンのクラウン２８１の端面と、ピストンのトップリング溝３０２との間に位置づけられる。必須ではないが、空隙は、断面がくさび形を有し、ピストン側壁を通って開いて、内側ノッチに向けて先細る広口を伴うことが好ましい。必須ではないが、側壁２８３およびクラウン２８１が、鍛造、鋳造、および／または機械加工によって１つの単一部品として形成されることが好ましい。代わりに、クラウンおよびピストン本体は、溶接、鑞付け、またはネジ状要素などの標準手段によって接合される別々の部品として形成することができる。空隙３００がバンド３０５で閉じられる場合、バンドは、取り付けられるピストン構造の材料と熱的に適合可能な材料から作られることが好ましい。例えば、熱膨張係数が等しいか、または実質的に等しい材料が、「熱的に適合可能」であると言える。ピストンおよびバンドのために標準材料を使用するとした場合、バンド３０５は、空隙３００の口に設置され、その位置に溶接することができる。クラウンおよびピストン本体が、単一部品として形成される場合、バンド３０５は、ギャップ３０７（図５で最もよく示される）を伴って製造することができ、それにより、わずかに拡張することが可能となり、クラウンの周囲に適合し、空隙３００の口に設置されるまで、それに沿って下方へ移動することが可能となる。バンドが設置されると、ギャップ３０７は、バンドがピストン本体に溶接されることによって同じ処理により閉じることができる。バンド３０５が、溶接または同等の処理によって定位置に設置および固定されると、２つの部分３００および３０５が協働し、実質的に気密性のあるチャンバを形成する。チャンバは、熱伝導率が低い、１つまたは複数の材料で満たすことができる。あるいは、溶接処理中に空隙から空気を導入することができ、チャンバは、ほぼ真空となり、すなわち、環状空間が、海面での大気圧未満の圧力を有する。

図９Ａから図９Ｃは、図５のピストンの第２の実施形態を示す。環状空隙３００は、ピストンのクラウン２８１の端面と、ピストンのトップリング溝３０２との間に位置づけられる。必須ではないが、空隙は、断面がくさび形を有し、ピストン側壁を通って開いて、内側ノッチに向けて先細る広口を伴うことが好ましい。必須ではないが、側壁２８３およびクラウン２８１が、鍛造、鋳造、および／または機械加工によって１つの単一部品として形成されることが好ましい。代わりに、クラウンおよびピストン本体は、溶接、鑞付け、またはネジ状要素などの標準手段によって接合される別々の部品として形成することができる。空隙３００は、放射方向に延びる上部フランジ３２６と、軸方向に下方へ延びる下部フランジ３２７とを有するスリーブ３２５で閉じられる。スリーブ３２５は、クラウン２８１の外周面３２８に組み立てられ、上部フランジ３２６が、周辺肩部３３０に対して保持され、下部フランジ３２７が、空隙３００の口に設置され、空隙３００の口をカバーする。図９Ａから図９Ｃのように、スリーブ３２５の上部フランジ３２６は、ピストンの端面の周縁部２８４を構成する。スリーブ３２５は、取り付けられるピストン構造の材料と熱的に適合可能な材料から作られることが好ましい。ピストンおよびスリーブのために標準材料を使用するとした場合、スリーブ３２５は、クラウン上に設置することができ、下部フランジは、空隙３００の口に設置され、溶接または同等の処理によって定位置に固定される。スリーブ３２５が定位置に設置および固定されると、下部フランジ３２７と空隙３００の口との間の接合部が、溶接または同等の処理によって閉じられ、２つの部分３００および３２７が、実質的に気密性のあるチャンバを形成する。チャンバは、熱伝導率が低い１つまたは複数の材料で満たすことができる。あるいは、溶接処理中に空隙から空気を導入することができ、チャンバは、ほぼ真空となり、すなわち、環状空間が、海面での大気圧未満の圧力を有する。

図１０は、図５のピストンの第３の実施形態を示す。この実施形態において、クラウン２８１およびピストン本体２８５は、別々に形成され、逆向きに、軸方向に延びるフランジ２８１ｆおよび２８５ｆを伴う。クラウン２８１およびピストン本体２８５は、位置合わせされたフランジ２８１ｆおよび２８５ｆの対で合わせられて、溶接線３７０および３７１に沿って溶接される。それにより形成される空隙３００は、フランジ２８１ｆ、２８５ｆの内部に空間を含む。電子ビーム溶接で処理する場合、その結果としてのチャンバ内にほぼ真空を作り出すことができる。２つの有用な大量生産方法には、イナーシャ溶接およびレーザ溶接があり、そのいずれかを使用して、クラウンおよび本体部分を接合することができる。

いくつかの態様において、ピストン内で、クラウンの裏側全体にわたり、ピストン本体の底まで循環する液体冷却剤によって各ピストンの内部を冷却することができる。例えば、図６を参照すると、液体冷却剤（例えば、潤滑油）が、環状ギャラリ２５６に流れる。液体冷却剤は、環状ギャラリの内面の最も高い地点２６０に衝突し、それにより、衝撃によってクラウンのその部分を冷却し、さらに、そこから、環状ギャラリ２５６全体にわたって流れる。環状ギャラリ２５６から、液体冷却剤は、中央ギャラリ２５７内を通って流れる。環状ギャラリ２５６の全体にわたって流れる液体冷却剤は、リング溝３０２を含むピストン側壁の環状部分を洗浄および冷却する。環状ギャラリ２５７を通って流れる液体冷却剤は、クラウン下面の内部を連続的に洗浄する。この点に関して、関連出願第１３／０６６，５８９号を参照。

クラウンからピストンの下部への熱の伝達を遮断するために空隙を有するピストンについて、好適な実施形態を参照して説明してきたが、さまざまな変形を、説明した原理の主旨から逸脱することなく行うことができることを理解すべきである。例えば、ピストンは、本明細書で説明し、図示したものとは異なるさまざまな他の形状のボウルを有することができる。したがって、本原理は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (12)

1. 一端にクラウンを有するピストン本体と、前記クラウンに形成される端面とを備え、前記端面が燃焼室を画定するために対向ピストン端面と協働する細長いボウルを含み、ピストンがさらに、前記クラウン付近の前記ピストン側壁に少なくとも１つのリング溝を備える、２ストローク内燃機関のためのピストンであって、
   環状熱抵抗空隙は、前記ピストン側壁に位置し、前記ピストン本体の周縁に沿って延在し、前記端面と前記少なくとも１つのリング溝との間に位置づけられることを特徴とする、ピストン。
2. 前記空隙をカバーする、バンド、フランジ、および一対の対向フランジの内の１つをさらに含む、請求項１に記載のピストン。
3. 前記空隙をカバーするギャップを有するバンドをさらに含む、請求項１に記載のピストン。
4. 前記ピストンの放射方向に延びる上部フランジと、前記ピストンの軸方向に下方に延びる下部フランジとを有するスリーブをさらに含み、前記スリーブは、前記クラウンの肩に対して保持される前記上部フランジと、前記空隙をカバーする前記下部フランジとを有する前記クラウンの外周面に設置される、請求項１に記載のピストン。
5. 前記クラウンの下の前記ピストン本体内に１つまたは複数の冷却ギャラリをさらに含む、請求項１に記載のピストン。
6. 前記空隙に配置される耐熱材をさらに含む、請求項１に記載のピストン。
7. 前記空隙をカバーする、バンド、フランジ、および一対の対向フランジの内の１つをさらに含む、請求項６に記載のピストン。
8. 前記空隙をカバーするギャップを有するバンドをさらに含む、請求項６に記載のピストン。
9. 前記ピストンの放射方向に延びる上部フランジと、前記ピストンの軸方向に下方に延びる下部フランジとを有するスリーブをさらに含み、前記スリーブは、前記クラウンの肩に対して保持される前記上部フランジと、前記空隙をカバーする前記下部フランジとを有する前記クラウンの外周面に設置される、請求項６に記載のピストン。
10. 前記クラウンの下の前記ピストン本体内に１つまたは複数の冷却ギャラリをさらに含む、請求項７に記載のピストン。
11. 前記空隙をカバーして、ほぼ真空を含むチャンバを形成する、バンド、フランジ、および一対の対向フランジの内の１つをさらに含む、請求項１１に記載のピストン。
12. 長手方向に分離した排気ポートおよび吸気ポートを有する少なくとも１つのシリンダと、前記シリンダのボアに互いに対向して配置される一対のピストンとを含み、各ピストンが、請求項１から１１のいずれか一項に従って構成される、内燃機関。

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