JP2021032253A - 内燃機関のピストンおよびシリンダならびに内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】新しいタイプの内燃機関のシリンダのピストンと、内燃機関のシリンダと、内燃機関とを作り上げること。【解決手段】内燃機関のシリンダ（１０）のピストン（１２）は、上方つまり前方のピストンクラウン（１４）と、半径方向外側表面（１３）と、を有し、半径方向外側表面（１３）には、溝（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ）が形成されており、溝（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ）には、ピストンリング（１７ａ、１７ｂ、１７ｃ）が配置され、ピストンクラウン（１４）とピストン（１２）の最上つまり最前の溝（１６ａ）との間において、半径方向外側表面（１３）が上側山部（１８）を形成しており、上側山部（１８）は、耐摩耗性のないコーティング（２２）を担持する。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のシリンダのピストンと、内燃機関のシリンダと、内燃機関と、に関する。

特許文献１から、内燃機関のシリンダのピストンが公知となっており、当該ピストンは、シリンダライナ内で上下に移動可能にガイドされる。シリンダライナの凹部には、フレームリング（flame ring）が配置される。ピストンの半径方向外側表面には、ピストンリングを収容する溝が導入されている。ピストンの前方つまり上方ピストンクラウンとピストンの最上つまり最前の溝との間で、ピストンの半径方向外側表面が、いわゆる上側山部を形成しており、シリンダライナのフレームリングは、とりわけ上側山部の領域おいて、特にピストンの半径方向外側表面から堆積物をこそげ落とすのに役立つ。

ピストンの半径方向外側表面すなわち上側山部とフレームリングとの間には、シリンダライナ内のピストンの乱れのない移動を可能にするために、間隙が必要とされている。ピストンとフレームリングとの間のこの間隙には、いわゆる無駄な容積が形成され、当該容積には、非効率的にしか燃焼に関与しない燃料混合物が集まることがある。無駄な容積を低減し、ひいてはエンジンの効率性を高めるために、従来技術によれば、ピストンとフレームリングとの間の間隙は、できる限り小さくなるように選択されてきた。これは、高い製造公差を必要とする。

特許文献１から、無駄な容積を低減するために、ピストンクラウンを、半径方向外側縁部で軸線方向において後方に引き下げることが公知となっている。

独国特許出願公開第１０ ２０１３ ００９ ４１５号明細書

これから始まり、本発明は、新しいタイプの内燃機関のシリンダのピストンと、内燃機関のシリンダと、内燃機関とを作り上げるという目的に基づいている。

この目的は、請求項１に記載のピストンによって達成される。本発明によれば、当該ピストンの上側山部は、耐摩耗性のない（non-abrasion-proof）コーティングを担持する。

本発明によって、ピストンが、上側山部の領域において軟質の耐摩耗性のないコーティングを備えるつまり担持することが提案される。ピストンとフレームリングとの間に作動に必要な間隙を正確にすなわち高い製造公差を損なうことなく設定するよう、作動中に展開されるピストンの上側山部とフレームリングとの局所的な接触中にコーティングを局所的に除去することができる。耐摩耗性のないコーティングを用いることで、ピストンとフレームリングとの間の無駄な容積を最小化でき、かつエンジンの効率性が高められる。

優先的には、耐摩耗性のないコーティングは、樹脂結合グラファイトから構成される。そうしたコーティングは、エンジン作動中にコーティングの局所的な摩耗によってピストンとフレームリングとの間に作動に必要な間隙を設定するのに特に好ましい。

本発明のさらなる展開例によれば、耐摩耗性のないコーティングは、０．０２ｍｍから０．２ｍｍの間の厚さ、優先的には０．０５ｍｍから０．１５ｍｍの間の厚さを有する。耐摩耗性のないコーティングのこうした厚さは、エンジン作動中にピストンとフレームリングとの間に作動に必要な間隙を設定するのに特に好ましい。

本発明に基づくシリンダは請求項１０で規定されており、かつ本発明に基づく内燃機関は請求項１１で規定されている。

本発明の好ましいさらなる展開例は、従属請求項および以下の説明から得られる。本発明の例示的な実施形態が、図面を用いてより詳細に説明されるが、これに限定されない。

本発明に基づく内燃機関の、本発明に基づく第１のシリンダを抜粋形態で示す断面図である。 本発明に基づく内燃機関の、本発明に基づく第２のシリンダを抜粋形態で示す断面図である。

本発明は内燃機関に関し、内燃機関は少なくとも１つのシリンダを備える。

図１は、シリンダライナ１１の領域と当該シリンダライナ１１内で上下に移動可能にガイドされるピストン１２の領域とにおける、本発明の第１の例示的な実施形態による本発明に基づく内燃機関のシリンダ１０の抜粋を示す。ピストン１２は、半径方向外側表面１３と、前方つまり上方のピストンクラウン１４とを有する。ピストンクラウン１４には中央に谷部１５を導入可能である。その半径方向外側表面１３上にピストン１２は溝１６ａ、１６ｂおよび１６ｃを備える。ピストンリング１７ａ、１７ｂ、１７ｃが、ピストン１２のこれら溝１６ａ、１６ｂおよび１６ｃに挿入される。２つの上側ピストンリング１７ａ、１７ｂは圧縮リングと称され、かつ下側ピストンリング１７ｃはオイルスクレーパリングと称される。

ピストン１２のうち、ピストンクラウン１４とピストン１２の最上溝つまり最前溝１６ａとの間に延在する部分は、上側山部１８と称される。ピストン１２の最上溝つまり最前溝１６ａとピストンクラウン１４ｃとの間の距離は、上側山部１８の上側山部高さ１８ｈと称される。

シリンダライナ１１はフレームリング１９を収容する。フレームリング１９は、シリンダライナ１１の凹部２０に挿入される。作動中、ピストン１２は、フレームリング１９の助けを借りて、その上側山部１８の領域で汚れを落とされる。とりわけ、フレームリング１９は、例えば上側山部１８の領域においてひいては上側山部高さ１８ｈの領域においてピストン１２の半径方向外側表面１３からコークスなどの堆積物をこそげ落とすのに役立つ。

図１に示される例示的な実施形態において、半径方向外側表面１３の外径は、最前溝つまり最上溝１６から見てピストンクラウン１４の方向において上側山部１８の領域内で、少なくとも所定の領域内で、円錐状に減少している。上側山部１８とフレームリング１９との間には、フリースペース２１が形成されており、当該フリースペース２１は、フレームリング１９とピストン１２の上側山部１８との間の間隙を画定する。このフリースペース２１内には、エンジンの作動中、非効率的にしか燃焼されない燃料が集まることがある。こうした理由により、このフリースペース２１は、無駄な容積とも称される。

製造公差を低くしかつ内燃機関の効率性を高めるとともにさらに無駄な容積２１をできる限り小さく保つために、上側山部１８は、半径方向外側において耐摩耗性のないコーティング２２を担持する。

この相対的に軟質の、耐摩耗性のないコーティング２２は、エンジンの作動中にピストン１２の上側山部１８とフレームリング１９との間における作動に必要な間隙を最小に設定するために、上側山部１８とフレームリング１９との間の局所的な接触中に除去可能である。これは、エンジンの効率性を高める。

耐摩耗性のないコーティング２２は、優先的には、樹脂結合グラファイトからなるコーティングである。

ピストン１２は、優先的には、図示されないピストン下方部分と、ピストン上方部分とから組み立てられたピストンであり、ピストン下方部分およびピストン上方部分は、両方ともスチールまたは鋳鉄、とりわけ球状黒鉛鋳鉄から構成できる。軽金属を利用することも可能である。

耐摩耗性のないコーティング２２は、ピストン下方部分およびピストン上方部分の材料よりも軟質の材料から構成される。さらに、耐摩耗性のないコーティング２２は、フレームリング１９およびシリンダライナ１１よりも軟質の材料から構成される。

さらに、耐摩耗性のないコーティング２２の特性は、最大で２５０℃までの温度耐性と、燃料および潤滑油による衝撃に対する耐性と、良好な接着性／結合性と、である。コーティング２２の硬度は、好ましくは、１０〜５０ＨＢ（ブリネル）の硬度範囲にある。例えば樹脂結合グラファイトまたは耐熱プラスチックなどの軟質材料は、これら特性要件を満たしている。

優先的には樹脂結合グラファイトからなる耐摩耗性のないコーティング２２は、優先的には、０．０２ｍｍから０．２ｍｍの間の厚さ、好ましくは０．０５ｍｍから０．１５ｍｍの間の厚さを有する。

図１の例示的な実施形態では、耐摩耗性のないコーティング２２は、上側山部１８のうち、最上溝つまり最前溝１６ａから始まってピストンクラウン１４の方向に円錐状に先細となる領域に付与されている。コーティング２２は、当該領域の軸線方向の広がり全体にわたってあるいはその軸線方向の長さ全体にわたって、この領域に付与される。それにより、図１におけるコーティング２２は、ピストンクラウン１４の領域で終端している。

これに対して、図２は、耐摩耗性のないコーティング２２がより短くなるよう設計されかつピストンクラウン１４から所定の距離をおいて終端している本発明の変形例を示す。

優先的には、本発明に基づくピストン１２は、オイル冷却ピストンである。

本発明は、そうしたピストン１２に関するだけでなく、シリンダライナ１１と本発明に基づくピストン１２とを備えるシリンダ１０と、さらに少なくとも１つ以上の、優先的にはそうしたシリンダ１０を複数有する内燃機関にも関する。

本発明を用いて、すなわちフレームリング１９と上側山部１８との間の無駄な容積を低減することによって、エンジンの効率性を向上させることが可能である。

本発明は、ディーゼル内燃機関、火花点火ガスエンジンおよび二元燃料エンジンのいずれにも使用でき、すなわち２ストローク内燃機関およびさらに４ストローク内燃機関のいずれにも使用できる。本発明は、とりわけ、ディーゼルエンジンまたはガスエンジンもしくは船舶におけるディーゼル−ガスエンジンなどの大型エンジンのピストンで使用でき、その外径は、とりわけ、１００ｍｍから６００ｍｍの範囲にある。

１０ シリンダ
１１ シリンダライナ
１２ ピストン
１３ 表面
１４ ピストンクラウン
１５ ピストン谷部
１６ａ 溝
１６ｂ 溝
１６ｃ 溝
１７ａ ピストンリング
１７ｂ ピストンリング
１７ｃ ピストンリング
１８ 上側山部
１８ｈ 上側山部高さ
１９ フレームリング
２０ 凹部
２１ フリースペース／無駄な容積
２２ コーティング

Claims (11)

1. 内燃機関のシリンダ（１０）のピストン（１２）であって、
   上方つまり前方のピストンクラウン（１４）と、半径方向外側表面（１３）と、を有しており、
   前記半径方向外側表面（１３）には、溝（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ）が形成されており、前記溝（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ）には、ピストンリング（１７ａ、１７ｂ、１７ｃ）が配置され、
   前記ピストンクラウン（１４）と前記ピストン（１２）の最上つまり最前の前記溝（１６ａ）との間において、前記半径方向外側表面（１３）が上側山部（１８）を形成しており、
   前記上側山部（１８）は、耐摩耗性のないコーティング（２２）を担持することを特徴とするピストン（１２）。
2. 前記耐摩耗性のないコーティング（２２）は、樹脂結合グラファイトから構成されることを特徴とする請求項１に記載のピストン（１２）。
3. 前記耐摩耗性のないコーティング（２２）は、０．０２ｍｍから０．２ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のピストン（１２）。
4. 前記耐摩耗性のないコーティング（２２）は、０．０５ｍｍから０．１５ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項３に記載のピストン（１２）。
5. 前記耐摩耗性のないコーティング（２２）は、前記上側山部（１８）の軸線方向の長さ全体にわたって延在することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のピストン（１２）。
6. 前記耐摩耗性のないコーティング（２２）は、前記上側山部（１８）の軸線方向の長さの一部の領域にわたって延在することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のピストン（１２）。
7. 前記耐摩耗性のないコーティング（２２）は、
   前記上側山部（１８）の前記軸線方向の長さの一部の領域にわたって、前記上側山部（１８）のうち前記ピストンクラウン（１４）から離れる端部から見て、前記ピストンクラウン（１４）の長さ方向に延在し、かつ、
   前記ピストンクラウン（１４）から所定の距離をおいて終端することを特徴とする請求項６に記載のピストン（１２）。
8. 前記ピストンは、ピストン下方部分と、前記ピストン下方部分に接続されるピストン上方部分とを備えており、前記上側山部（１８）は、前記ピストン上方部分に形成されており、前記ピストン上方部分は、スチールまたは鋳鉄から構成されることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のピストン（１２）。
9. 前記ピストンは、オイル冷却されるものであることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のピストン（１２）。
10. 内燃機関のシリンダ（１０）であって、
    シリンダライナ（１１）であって、前記シリンダライナ（１１）の凹部（２０）は、フレームリング（１９）を収容する、シリンダライナ（１１）と、
    前記シリンダライナ（１１）内で上下に移動可能にガイドされるピストン（１２）と、
    を有しており、
    前記ピストン（１２）は、請求項１から請求項９のいずれか一項に基づくことを特徴とするシリンダ（１０）。
11. 請求項１０に記載のシリンダ（１０）を少なくとも１つ有することを特徴とする内燃機関。

Images