JP2022522478A - A device for sealing the combustion chamber of an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
本発明は、内燃機関の燃焼室をシールするための装置であって、少なくとも1つのピストンと、このピストンを収容する円筒状の構成部材とを有し、ピストンは、構成部材の内部にて上側の終端位置と下側の終端位置との間で交互に運動可能であり、構成部材は、ピストンの上側の終端位置の領域において、溝内に挿入された、合口を備える少なくとも1つのシール要素に作用接続可能であり、シール要素は、緊縮式のシールリングとして形成されていて、ピストン側の内周面の領域に成形部を備え、ピストンは、成形部の高さの範囲内に上側の終端位置の領域を有する、装置に関する。
The present invention is a device for sealing a combustion chamber of an internal combustion engine, which has at least one piston and a cylindrical component for accommodating the piston, and the piston is on the upper side inside the component. It is movable alternately between the termination position of the piston and the lower termination position, and the component is attached to at least one sealing element having an abutment inserted in the groove in the region of the upper termination position of the piston. Action connectable, the sealing element is formed as a contraction sealing ring, with a molding in the region of the inner peripheral surface on the piston side, the piston is the upper end within the height of the molding. With respect to a device having a region of position.
Description
本発明は、内燃機関の燃焼室をシールするための装置に関する。 The present invention relates to a device for sealing a combustion chamber of an internal combustion engine.
コンプレッションピストンリングは、内燃機関の燃焼室に対して、クランクケースをガス流に対してシールする役割を有する。このことは、ピストンに装着される適切なピストンリングによって行われる。実際のシール作用は、摺動面の湾曲した形状と相応のピストン速度とによって生じる、ピストンリングとシリンダとの間の流体動力学的なオイル膜の形成によって生じる。この場合、オイル膜が破られると、流体動力学的な摩擦ならびに混合摩擦が生じる。ピストンリングの位置は、クーリングチャネルによるピストン強度に基づき、一般に、ピストンのピストンクラウンの数ミリメートル下方に設けられる。これによって、いわゆるデッドボリュームが生じる。このデッドボリュームは、圧縮およびガス/燃料混合に関して、システムの最善化された効率に不都合な影響を与える。 The compression piston ring serves to seal the crankcase against the gas flow with respect to the combustion chamber of the internal combustion engine. This is done by a suitable piston ring mounted on the piston. The actual sealing action is caused by the formation of a hydrodynamic oil film between the piston ring and the cylinder, which is caused by the curved shape of the sliding surface and the corresponding piston speed. In this case, breaking the oil film results in hydrodynamic friction as well as mixed friction. The position of the piston ring is generally located a few millimeters below the piston crown of the piston, based on the strength of the piston by the cooling channel. This creates a so-called dead volume. This dead volume adversely affects the optimized efficiency of the system with respect to compression and gas / fuel mixing.
自動車開発およびHD開発では、通常は3つのピストンリング、すなわち1つのオイルリングおよび2つのコンプレッションリングから成るシステムが使用される。これらのピストンリングは、行程中のピストンの位置に応じて、燃焼室からのガス流およびクランクケースからのオイル流に対してシステムをシールする。 Automotive development and HD development typically use a system consisting of three piston rings, one oil ring and two compression rings. These piston rings seal the system against gas flow from the combustion chamber and oil flow from the crankcase, depending on the position of the piston during the stroke.
独国特許発明第1930834号明細書は、多かれ少なかれ残渣形成の傾向が強い液状の燃料で運転される縦型のクロスヘッド式内燃機関において、オイル残渣および燃焼残渣を導出するための装置を開示している。この装置は、ピストンの下方の縁部を動力機構室に対してシールする中間底部であって、運転時に往復運動するピストンロッドに対してシールするスタッフィングボックスを備えたスタッフィングボックス支持体を保持している中間底部と、場合によっては、ピストン下面を掃気空気の圧縮のために使用する場合には中間底部のすぐ上方に配置されている弁ハウジングとを有する。突出したピストンホイールまたはシリンダの内壁の動力機構側の端区分と、これに対して平行に延びる環状空間の内側の壁面として働く、中間底部もしくはスタッフィングボックス支持体または場合によって存在する弁ハウジングにおける画定面とは、緊張式もしくは緊縮式のシールリングを備える。 German Patent Invention No. 1930834 discloses an apparatus for deriving oil residues and combustion residues in a vertical crosshead internal combustion engine operated on a liquid fuel that is more or less prone to residue formation. ing. The device holds a stuffing box support with a stuffing box that seals the lower edge of the piston to the power mechanism chamber and seals against the piston rods that reciprocate during operation. It has an intermediate bottom and, in some cases, a valve housing located just above the intermediate bottom when the lower surface of the piston is used for compression of scavenging air. A delimiter in a mid-bottom or stuffing box support or optionally existing valve housing that acts as a power mechanism side delimiter of a protruding piston wheel or cylinder inner wall and an inner wall surface of an annular space extending parallel to it. Is equipped with a tension type or contraction type seal ring.
欧州特許第2535540号明細書により、内燃機関のシリンダ用のインサートが公知になっている。このインサートは、シリンダ内でガイド可能なピストンのトップランドの領域の汚染物を、ピストンが上死点位置を経る際に除去する。インサートは、シリンダの半径方向の凹部内に固定的に取付け可能な少なくとも1つの第1の環状の要素と、この第1の環状の要素に形成された第1の環状の要素の半径方向の溝内に挿入可能な少なくとも1つの第2の環状の要素とを備える。この第2の環状の要素は、溝内で、第1の環状の要素に対して相対的に半径方向で可動であり、かつ軸線方向で実質的に不動である。 European Patent No. 2535540 discloses inserts for cylinders of internal combustion engines. This insert removes contaminants in the region of the topland of the piston that can be guided within the cylinder as the piston passes top dead center position. The insert has at least one first annular element that can be fixedly mounted within the radial recess of the cylinder and a radial groove of the first annular element formed in the first annular element. It comprises at least one second annular element that can be inserted therein. The second annular element is movable in the groove in the radial direction relative to the first annular element and is substantially immobile in the axial direction.
本発明の根底にある課題は、内燃機関の燃焼室をシールするための装置を改良して、冒頭で言及した、圧縮およびガス/燃料混合に関してシステムの最善化された効率に不都合な影響を与えるデッドボリュームを構造的に別の形態で構成することである。 The underlying challenges of the present invention are to improve the device for sealing the combustion chamber of an internal combustion engine and adversely affect the optimized efficiency of the system with respect to compression and gas / fuel mixing mentioned at the beginning. The dead volume is structurally configured in another form.
さらに、本発明の根底にある課題は、いわゆるデッドボリュームをその不都合な影響に関して最善化することができる、内燃機関の燃焼室をシールするためのシールリングを提供することである。 Further, an underlying task of the present invention is to provide a sealing ring for sealing the combustion chamber of an internal combustion engine, which can optimize the so-called dead volume with respect to its adverse effects.
上記課題は、内燃機関の燃焼室をシールするための装置であって、少なくとも1つのピストンと、このピストンを収容する円筒状の構成部材とを有し、ピストンは、構成部材の内部にて上側の終端位置と下側の終端位置との間で交互に運動可能であり、構成部材は、ピストンの上側の終端位置の領域において、溝内に挿入された、合口を備える少なくとも1つのシール要素に作用接続可能であり、シール要素は、緊縮式のシールリングとして形成されていて、ピストン側の内周面の領域に成形部を備え、ピストンは、成形部の高さの範囲内に上側の終端位置領域を有する、装置によって解決される。 The above object is a device for sealing a combustion chamber of an internal combustion engine, which has at least one piston and a cylindrical component for accommodating the piston, and the piston is on the upper side inside the component. It is movable alternately between the termination position of the piston and the lower termination position, and the component is attached to at least one sealing element having an abutment inserted in the groove in the region of the upper termination position of the piston. Action connectable, the sealing element is formed as a contraction sealing ring, with a molding in the region of the inner peripheral surface on the piston side, the piston is the upper end within the height of the molding. It is solved by a device that has a positional area.
本発明に係る装置の有利な改良形態は、対応する従属請求項から知ることができる。 Advantageous improvements to the apparatus of the present invention can be found in the corresponding dependent claims.
上記課題は、また、内燃機関の燃焼室をシールするためのシールリングであって、緊縮式のシールリングとして形成されていて、上側の側面および下側の側面と、外周面および内周面と、合口とを有し、内周面は、成形部を備える、シールリングによって解決される。 The above-mentioned problem is also a sealing ring for sealing the combustion chamber of an internal combustion engine, which is formed as a contraction type sealing ring, and has upper side surfaces and lower side surfaces, and an outer peripheral surface and an inner peripheral surface. The inner peripheral surface is settled by a seal ring, which comprises a molded portion.
本発明に係るシールリングの有利な改良形態は、対応する従属請求項に記載されている。 An advantageous improved form of the seal ring according to the present invention is described in the corresponding dependent claims.
付加的なシールリングが、ピストンを取り囲む構成部材、例えばライナ内に挿入されることによって、最大圧縮の時点におけるトップリングの一番上側の位置とピストンクラウンとの間のいわゆるデッドボリュームが閉鎖される。これによって、ガス/燃料混合気がデッドボリューム内に侵入し得ることが阻止される。オイル滴による早期着火も起こり得ない。 An additional seal ring is inserted into the component surrounding the piston, such as the liner, to close the so-called dead volume between the topmost position of the top ring and the piston crown at the time of maximum compression. .. This prevents the gas / fuel mixture from entering the dead volume. Early ignition due to oil droplets cannot occur.
シールリングは、有利にはライナ溝内に挿入され、内向きの力成分を有する。シールリングの合口隙間は、緊縮の時点で正確にゼロである。ピストンクラウンは上死点において、緊縮式のシールリングの中間で終端し、場合により両寸法がオーバラップしている場合には、シールリングをライナ溝の方向に拡開することができる。 The seal ring is advantageously inserted into the liner groove and has an inward force component. The gap between the seal rings is exactly zero at the time of austerity. The piston crown terminates at top dead center in the middle of the austerity seal ring, and optionally the seal ring can be expanded in the direction of the liner groove if both dimensions overlap.
本発明の対象によって、以下の利点:
- デッドボリュームの低減
- 最善化された燃焼による効率向上
- 逆流するガス流によるパーティクル形成の阻止
- 燃焼室の方向へのオイル滴の飛散の阻止
が得られる。
Depending on the subject of the invention, the following advantages:
-Reduction of dead volume-Improvement of efficiency by optimized combustion-Prevention of particle formation due to backflow gas flow-Prevention of oil droplets from scattering toward the combustion chamber.
ピストンはシールリングの傍らを通過するのではなく、最高でも上死点においてシールリング、特にシールリングの上側の側面で終端する。 The piston does not pass by the seal ring, but terminates at the top dead center at the seal ring, especially on the upper side surface of the seal ring.
有利には金属製のシールリングとして形成されたシールリングは、矩形の横断面を有する。この場合、ピストンに対する内周面に、種々異なる幾何学的な輪郭が与えられていてよい。テーパフェース状に形成された内周面または円錐状の構成形状が提供される。 Advantageously formed as a metal seal ring, the seal ring has a rectangular cross section. In this case, the inner peripheral surface with respect to the piston may be provided with various different geometric contours. An inner peripheral surface or a conical configuration shape formed in a tapered face shape is provided.
従来のピストンリングに類似して、ライナに組み込まれたシールリングも上側の側面と下側の側面とを有する。従来のピストンリングとは異なり、本発明に係るシールリングでは、確かに外周面は存在するが、成形された内周面は、ピストンに対する摺動面として形成されている。 Similar to conventional piston rings, the seal ring built into the liner also has an upper side surface and a lower side surface. Unlike the conventional piston ring, in the seal ring according to the present invention, the outer peripheral surface certainly exists, but the molded inner peripheral surface is formed as a sliding surface with respect to the piston.
シールリングは、幾何学的には、上側のリング側面の領域が、下側のリング側面の領域よりも小さな直径を有するように構成されている。したがって、ピストンが上昇行程時に、円錐状に延びる内周面(摺動面)に沿って滑動し、合口を備えたシールリングを押圧して拡開することが可能となる。この付加的なシール箇所に基づき、上述のデッドボリュームは低減され、上に挙げた有利な効果が得られる。 The seal ring is geometrically configured such that the area of the upper ring side surface has a smaller diameter than the area of the lower ring side surface. Therefore, during the ascending stroke, the piston slides along the inner peripheral surface (sliding surface) extending in a conical shape, and the seal ring provided with the abutment can be pressed and expanded. Based on this additional sealing location, the dead volume described above is reduced and the above-mentioned advantageous effects are obtained.
シールリングとピストンとの間の、選択された幾何学的な関係により、ピストンクラウンは、上側の終端点(死点)において、シールリングの内周面に接触する。 Due to the selected geometric relationship between the seal ring and the piston, the piston crown contacts the inner peripheral surface of the seal ring at the upper end point (dead center).
本発明の別の思想によれば、シールリングの内周面(摺動面)の領域に、摩擦を減じる摩耗保護層が設けられてよい。この摩耗保護層は、例えばCr、CKS、PVDまたはDGをベースとして形成されていてよい。 According to another idea of the present invention, a wear protection layer for reducing friction may be provided in the region of the inner peripheral surface (sliding surface) of the seal ring. The wear protection layer may be formed on the basis of, for example, Cr, CKS, PVD or DG.
付加的なシールリングは、ピストンに関して、独自の軸線方向運動を行わない。シールリングは、ライナ溝内では軸線方向でも半径方向でも自由に運動することができる。この場合、半径方向の方向成分は、組み込まれた状態でピストンによってのみ外方に向かって形成することができる。 The additional seal ring does not make its own axial motion with respect to the piston. The seal ring can move freely in the liner groove both in the axial direction and in the radial direction. In this case, the radial directional component can be formed outward only by the piston in the incorporated state.
シールリングを収容する溝は、ライナに加工形成されてもよいし、ライナに加工形成可能な別個のセグメントに設けられた凹部として設けられてもよい。ライナも付加的なセグメントも与えられていない場合には、シール要素を直接シリンダブロックに設けてもよい。 The groove accommodating the seal ring may be machined and formed in the liner, or may be provided as a recess provided in a separate segment that can be machined and formed in the liner. If neither liner nor additional segment is given, the sealing element may be provided directly on the cylinder block.
シールリングの壁はライナの肉厚によって制限されており、個別に設計されていてよい(0.5~100mm)。 The walls of the seal ring are limited by the wall thickness of the liner and may be individually designed (0.5-100 mm).
本発明の対象を実施例に基づき図示し、以下のように説明する。 The object of the present invention is illustrated based on examples and described as follows.
図1~図3は、単に略示された内燃機関の燃焼室をシールするための装置を示す。以下の構成部材、すなわち、それぞれ1つのピストンリング5,6,7を収容するための複数の溝2,3,4を有するピストン1が図示されている。ピストンリング7は従来のオイル掻取りリングであり、一方、ピストンリング5および6はコンプレッションリングとして形成されている。ピストン1は、単に略示されている終端位置o,uの間で交互に運動可能である。ピストン1は、円筒状の構成部材8内で、終端位置o,uの間でガイドされる。構成部材8は、本実施例ではライナとして形成されていることが望ましいが、従来のシリンダ壁によって形成されていてもよい。構成部材8は、上側の終端位置oの領域に収容溝9を備え、この収容溝9に、付加的なシール要素10が挿入されている。シール要素10は、矩形断面状に形成された緊縮式のシールリングとして形成されている。シールリング10は、上側の側面11と、下側の側面12と、外周面13と、内周面14とを有する。摺動面として形成された内周面14は、本実施例では、円錐状に拡大していく成形部を備えている。半径方向の力成分が矢印で示されている。ピストン1は燃焼室側(上側の終端位置o)に、ピストンクラウン15を有する。摺動面14(成形部)は、摩耗を減じる層14’、例えばCrをベースとする層14’を備えていてよい。CKS、PVD、DGをベースとする代替的な構成も同様に可能である。
1 to 3 show a device for sealing a combustion chamber of an internal combustion engine, which is simply shown. The following components, ie piston 1, having a plurality of grooves 2, 3, 4 for accommodating one piston ring 5, 6, 7 respectively are shown. The piston ring 7 is a conventional oil scraping ring, while the piston rings 5 and 6 are formed as compression rings. Piston 1 can move alternately between the simply outlined termination positions o, u. The piston 1 is guided between the terminal positions o and u in the cylindrical component 8. The component 8 is preferably formed as a liner in this embodiment, but may be formed by a conventional cylinder wall. The component 8 is provided with an accommodating groove 9 in the region of the upper end position o, and an
図1は、ピストン1が下側の終端位置uから、付加的なシール要素10の方向に運動しているものの、まだシール要素10との接触を有していない位置を示す。成形部14は、シール要素10の構造高さ全体にわたって延びている高さhを有する。円錐状の成形部のほか、曲線状の成形部または別の幾何学的な輪郭も可能である。
FIG. 1 shows a position where the piston 1 is moving in the direction of the
図2では、ピストンクラウン15が、シール要素10の高さhの範囲内にある領域16において、シール要素10の摺動面14(成形部)に接触していることを認めることができる。緊縮式のシール要素10は拡開され(矢印参照)、これによって、シール要素10と収容溝9の溝底17との間隔は減じられる。この最初の接触において、シール要素10の下側の側面12と、トップリングとして形成されたピストンリング5との間に、予め設定可能な間隔aが存在している。
In FIG. 2, it can be recognized that the
図3は、ピストン1の上側の終端位置oの領域にあるピストン1の位置を示す。ピストンリング5とシール要素10の下側のリング側面12との間の間隔aは、さらに減じられている。図3では認めることができないシール要素10の隙間は、ピストン1の上側の終端位置oで、その最大のクリアランスを有する。ピストンクラウン15と摺動面14(成形部)との接触領域16’は、ほぼシール要素10の上側のリング側面11の高さに位置している。
FIG. 3 shows the position of the piston 1 in the region of the upper end position o of the piston 1. The distance a between the piston ring 5 and the lower
図2および図3に示す接触領域16と16’との間では、ピストン1の上側の終端位置領域oで燃焼室の持続的なシールが行われるので、この領域に存在したデッドボリュームが低減されると同時に、最善化された燃焼による効率向上が得られる。逆流するガス流によるパーティクル形成は確実に阻止される。同じことが、燃焼室の方向へのオイル滴の飛散についても当てはまる。
Between the
図4および図5はシールリング10を示す。合口18を認めることができる。緊縮式のシールリングとして形成されたシール要素10は、図4では、(図4では認めることができない)ピストンに接触していない位置で図示されている。合口隙間FTは、その最小の寸法で図示されている。
4 and 5 show the
図5は、ピストンに接触しているシールリング10を示す。合口隙間FTは、図5では、その最大の開き幅で図示されている。
FIG. 5 shows a
1 ピストン
2 溝
3 溝
4 溝
5 ピストンリング
6 ピストンリング
7 ピストンリング
8 構成部材(ライナ)
9 収容溝
10 シール要素
11 上側の側面
12 下側の側面
13 外周面
14 内周面(摺動面)
14’ Cr層
15 ピストンクラウン
16 接触領域
16’ 接触領域
17 溝底
18 合口
o 上側の終端位置
u 下側の終端位置
h 高さ 成形部
FT 合口隙間
1 Piston 2 Groove 3 Groove 4 Groove 5 Piston ring 6 Piston ring 7 Piston ring 8 Components (liner)
9 Accommodating
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