JP2022528678A - ピストン冷却空洞を有する船舶用船外機 - Google Patents

Abstract

内燃機関１００用のピストン２００を提供する。ピストンは、上側燃焼面２１１を有するピストン本体２１０と、リングベルト領域２１４を有する環状側壁２１３と、流体入口２４３を有するピストン本体内に位置する冷却空洞２４０とを有する。ピストンリング２２２はリングベルト領域の周りのリング溝２１６内に位置し、位置合わせピン２３０はピストン側壁の穴２３１内に固定されてピストンリングの周方向変位を制限する。ピストン本体は、穴と位置合わせピンが延びている冷却空洞内にボス２５０を更に有する。ボスは、流体入口に対向して冷却空洞内に突出し、使用中に流体入口を流れる冷却流体を第１の流体流れと第２の流体流れに分割し、第１の流体流れと第２の流体流れを冷却空洞の周りで反対方向に方向付けるように構成された流れ分割表面２５１を提供するように整形されている。【選択図】図８

Description

本発明は、ピストン本体の内部に位置する冷却空洞と、ピストン本体の周囲に延びているピストンリングの周方向変位を制限するように構成された位置合わせピンとを有する、ピストンを備える内燃機関を備えた、船舶用船外機に関する。

エンジン性能を維持しかつピストンの早期磨耗を避けるためには、動作中にピストン温度が過剰にならないようにすることが重要である。現代のディーゼルエンジンでは、これは、しばしばピストン本体内に冷却空洞を組み込むことによって達成される。動作中、クランクケースオイルなどの冷却流体が冷却空洞の周りに循環させられ、ピストンの上側燃焼面の温度を下げる。冷却流体は、ピストンロッドに沿った空洞入口に供給することができ、又は、ピストン本体の下に位置するオイル噴流からピストン本体の下面に対して噴霧されうる。上記冷却空洞は、ディーゼル内燃機関で特に有効であり、燃焼面は典型的にはボウル形状であり、最高温度は中心ではなく燃焼面のリムの周りで生じる。これは、ボウル形状の燃焼面を有する直噴ガソリンエンジンの場合にも当てはまりうる。リングベルトの内側のピストン本体内に冷却空洞を有することにより、燃焼面のリムの周りの温度を効果的に低下させることができ、それに応じてピストンの最高温度を低下させることができる。

冷却空洞に隣接しかつピストン本体の環状側壁の外側には、通常、リングベルトは、ピストンリングがその中に配置されているいくつかの環状リング溝を有している。ピストンリングは、通常、その対向する２つの端部の間にリング間隙を有する分割リングである。ピストンリングの適切な機能を維持するために、リング溝内のピストンリングの周方向変位を制限することが有益となりうる。これにより、リング隙間の周方向位置を千鳥状配置に維持して、十分かつ均一な潤滑を確保することができ、リング隙間が位置合わせされていれば生じる可能性のある過剰なオイル消費及びブローバイガスの増大を避けることができる。これは、シリンダボアが水平に位置合わせされかつ重力効果が隙間位置合わせを更に促進することができる、船舶用船外機にしばしば使用されるような、垂直軸線のエンジンで特に重要であり得る。

リング溝内のピストンリングの回転を制限するために、所与のリング溝内の穴に位置合わせピンを固定し、その位置合わせピンがリング溝内に突出し、その溝内のピストンリングと係合するようにすることが知られている。典型的には、位置合わせピンは、位置合わせピンによってピストンリングの周方向の動きが妨げられるように、リング隙間内に受け入れられる。位置合わせピンが冷却空洞と組み合わせて使用される場合、位置合わせピンは、通常、リング溝から冷却空洞内に延びる貫通穴内に固定される。しかしながら、この配置により、動作中に位置合わせピンが冷却空洞内に落下しうる。これは、冷却空洞の周りの冷却流体の流れを妨げる原因となり、したがって、冷却性能に有害となりうる。さらに、位置合わせピンがリング溝の中の穴に正しく配置されなくなると、リング溝の中の穴を介してリングベルトに冷却流体が過剰に流れ、その結果、排出が悪くなり、冷却流体の消費速度が高くなる可能性がある。

本発明は、従来技術に関連する１つ又は複数の課題を克服又は緩和する、改良された船舶用船外機を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様によれば、内燃機関を有する船舶用船外機であって、内燃機関は、
少なくとも１つのシリンダを画定するエンジンブロックと、
少なくとも１つのシリンダの中に配置されているピストンであって、上側燃焼面と、リングベルト領域を有する環状側壁と、前記リングベルト領域から半径方向内方において前記ピストン本体の中に位置する冷却空洞であって、動作中に冷却流体が前記冷却空洞に供給される流体入口を有する、冷却空洞とを有する、ピストン本体を備えるピストンと、
前記リングベルト領域の周りのリング溝の中に位置するピストンリングと、
前記ピストン側壁の穴に固定されておりかつ前記ピストンリングの周方向の変位を制限するために前記リング溝の中に突出する位置合わせピンとを備え、
前記ピストン本体は、前記穴及び前記位置合わせピンが延びる前記冷却空洞内にボスをさらに備え、
前記ボスは、前記流体入口に対向して前記冷却空洞の中で突出し、前記ボスは、使用中に前記流体入口を通って流れる冷却流体を第１の流体流れと第２の流体流れに分割し、前記第１の流体流れと前記第２の流体流れを前記冷却空洞の周りで反対方向に方向付けるように構成された流れ分割表面を提供するように整形されている、内燃機関を有する船舶用船外機が提供される。

この構成により、ボスは、ピストン本体の側壁の厚さの局所的な増加を形成し、それにより、穴が設けられる付加的な材料を提供する。これにより、位置合わせピン、すなわち「回転防止ピン」をより確実に所定位置に保持することができ、動作中に位置合わせピンが冷却空洞内に落下し、それによって冷却空洞の周りの冷却流体の流れを妨げるリスクを防止することができる。加えて、ボスはまた、冷却空洞の周りの冷却流体の循環を改善し、それによってピストンの最大動作温度を低下させるように、流れ分割器として作用する。このように、本発明によれば、ボスは、位置合わせピン保持の改善とピストン冷却性能の改善との両方の二重の機能を果たす。

冷却空洞は、部分環状としうる。冷却空洞は弓形（アーチ状）としうる。好ましくは、冷却空洞は環状である。

ボスは、冷却空洞の全長の一部のみに沿って冷却空洞内に突出する。好ましくは、ボスは、冷却空洞の全長の２０％未満、より好ましくは１０％未満に沿って冷却空洞内に突出する。冷却空洞が環状である場合、好ましくは、ボスは、７０度未満の角度範囲、より好ましくは３５度未満の角度範囲を有する環状の冷却空洞の一区分にわたって冷却空洞内に突出する。

冷却空洞が環状である場合、好ましくは、流れ分割表面は、環状の冷却空洞の周りの第１の流体流れを第１の周方向に方向付け、環状の冷却空洞の周りの第２の流体流れを第１の周方向とは反対の第２の周方向に方向付けるように構成される。このようにして、燃焼面をより効果的かつ均等に冷却することができる。

好ましくは、流れ分割表面は、実質的に対称である。これにより、冷却流体の流れの均等な分割及び流れ分割器の両側における一貫した冷却性能を促進することができる。他の例では、冷却流体の流れが不均一に分割されるように、流れ分割表面は非対称としうる。これは、冷却空洞の冷却要件が流れ分割表面の両側で異なる場合に有益となりうる。

好ましくは、流れ分割表面は、湾曲した形状を有する。すなわち、流れ分割表面は、少なくとも１つの湾曲部を有する形状を有する。これにより、冷却流体の流れの円滑な分割と、入口方向から冷却流路の周りの流れ方向への円滑な移行を促進することができる。例えば、ボスは、アーチの形態の断面形状を有しうる。他の例では、流れ分割表面は、三角形状などの角形状を有しうる。特定の実施形態では、流れ分割表面は、湾曲したピークと、湾曲したピークから離れて延びる側面と、側面と冷却空洞の隣接する表面との間の移行を形成する湾曲した傾斜部分とを有する。側面は線形としうる。側面は湾曲していてもよい。

好ましくは、流れ分割表面は、流体入口と位置合わせされる。このような配置では、流れ分割表面は、流体入口の中心軸線と位置合わせされた中心軸線を有する。これにより、冷却流体の流れの均等な分割及び流れ分割器の両側において一貫した冷却性能を促進することができる。他の例では、流れ分割器は、流体入口から半径方向及び／又は軸線方向に偏倚されうる。

好ましくは、位置合わせピンが固定されるリング溝内の穴は、ボス内に延びる止まり穴である。これにより、位置合わせピンが穴から冷却空洞内に落下する可能性が排除される。他の例では、穴は、ボスを貫通して延びる貫通穴としうる。例えば、穴は、位置合わせピンの直径よりも小さい直径を有しかつ位置合わせピンがその中で動かないようにされた、半径方向内側部分を有しうる。

ボスは、流体入口とは反対の位置で冷却空洞内に突出する。好ましくは、流体入口は冷却空洞の下面に位置し、ボスは冷却空洞の上面から突出する。このような実施形態では、冷却流体の流れは、ピストン本体の下から冷却空洞に入り、反対側の上面上の流れ分割器によって分割される。他の例では、流体入口及びボスは、冷却空洞の他の部分に配置されうる。例えば、流体入口は、冷却空洞の半径方向内側面上にあり、ボスは、冷却空洞の半径方向外側面から突出しうる。

好ましくは、冷却空洞は、動作中に冷却流体の流れが冷却空洞から出る、流体入口とは別個の流体出口をさらに備える。他の例では、冷却空洞は、流体入口と流体出口の両方として作用する単一のポートを備えることができ、その結果、冷却流体は、同じ場所で冷却空洞に入り、そこから排出されうる。

好ましくは、流体出口は、冷却空洞が流体入口及び出口によって第１及び第２の冷却空洞半分部に分割されるように、冷却空洞の流体入口とは反対側の端部に配置される。冷却空洞が環状である場合、流体出口は、好ましくは、流体入口とは直径方向に対向している。

好ましくは、流体出口は、冷却空洞の下面に配置される。このような構成により、冷却流体は、ピストン本体の下側から冷却空洞から排出される。特定の実施形態では、流体入口及び流体出口の両方は、冷却空洞の下面に位置する。

冷却空洞は、単一の流体入口又は複数の流体入口を有しうる。

冷却空洞は、単一の流体出口又は複数の流体出口を有しうる。

ピストンは、各々がリングベルト領域内のリング溝内に配置される複数のピストンリングを備えうる。ピストンは、複数の位置合わせピンを備えることができ、各位置合わせピンは、複数のリング溝の異なる１つに突出し、複数のリング溝内に位置する複数のピストンリングの周方向変位を制限する。

好ましくは、ピストンリングは、その対向する２つの端部の間にリング隙間を有する分割リングであり、位置合わせピンはリング隙間の中に受け入れられる。他の例では、位置合わせピンは、ピストンリングの半径方向内側上のブラインドキャビティ内に受け入れてもよく、又は、単にピストンリングの半径方向内側に押圧しうる。

好ましくは、ピストンリングは、オイル制御リング又はスクレーパリングである。

好ましくは、内燃機関は、垂直軸線の内燃機関(vertical axis internal combustion engine)である。上記の内燃機関では、クランク軸は、内燃機関内に垂直に取り付けられる。内燃機関はガソリンエンジンとしうる。好ましくは、内燃機関はディーゼルエンジンである。内燃機関は、ターボチャージャ付きのディーゼルエンジンとしうる。

冷却流体は、任意の適切な冷却流体としうる。冷却流体は、内燃機関で使用される潤滑剤としうる。冷却液はオイルとしうる。冷却流体は、動作中に内燃機関のクランクケースから吸い上げられるクランクケースオイルとしうる。冷却流体は、ピストンのピストンロッドに沿って、冷却空洞の流体入口に供給されうる。内燃機関は、ピストン本体に向かって冷却流体の噴流を噴霧するように構成された冷却流体ノズルをさらに備えうる。冷却流体ノズルは、冷却流体の噴流を、流体入口を通して冷却空洞内に直接的に噴霧するように構成することができる。エンジンが複数のシリンダを備える場合、主オイル空洞などのエンジンの主冷却流体空洞からピストン本体に向かって冷却流体を噴霧するように冷却流体ノズルを各シリンダ内に設けることができる。

本明細書で用いる「エンジンブロック」という用語は、エンジンの少なくとも１つのシリンダが設けられた中実構造を指す。この用語は、シリンダヘッドとクランクケースを備えたシリンダブロックの組み合わせ、又はシリンダブロックのみを指す場合がある。エンジンブロックは、単一のエンジンブロック鋳造物から形成することができる。エンジンブロックは、例えばボルトを用いて互いに接続される複数の別々のエンジンブロック鋳造物から形成されうる。

エンジンブロックは、単一のシリンダを備えうる。好ましくは、エンジンブロックは、複数のシリンダを備える。

エンジンブロックは、単一のシリンダバンクを備えうる。

エンジンブロックは、第１シリンダバンク及び第２シリンダバンクを備えうる。第１シリンダバンクと第２シリンダバンクは、Ｖ字の構成で配置されうる。

エンジンブロックは、３つのシリンダバンクを備えうる。これらの３つのシリンダバンクは、扇形の構成で配置されうる。エンジンブロックは、４つのシリンダバンクを備えうる。これらの４つのシリンダバンクは、Ｗ字の構成又は２つのＶ字の構成で配置されうる。

本明細書で使用される、「上側(upper)」、「下側(lower)」、「下(underneath)」、「下(below)」、及び、類似の用語は、ピストンが実質的に水平である動作中に配向される場合ではなく、図４に示されるように燃焼面がその上端にあるようにピストンが配向される場合のピストンの構成要素の相対位置を指す。

本発明の第２の態様によれば、内燃機関であって、内燃機関は、
少なくとも１つのシリンダを画定するエンジンブロックと、
前記少なくとも１つのシリンダ内に配置されたピストンとを備え、
ピストンは、上側燃焼面と、リングベルト領域を有する環状側壁と、ピストン本体内で前記リングベルト領域から半径方向内方に位置しかつ動作中に前記冷却流体が前記冷却空洞に供給される流体入口を有する、冷却空洞とを有する、ピストン本体と、
前記リングベルト領域の周囲のリング溝内に位置する、ピストンリングと、
ピストン側壁の穴内に固定されかつ前記ピストンリングの周方向変位を制限するようにリング溝内に突出する、位置合わせピンと、を備え、
前記ピストン本体は、前記穴と前記位置合わせピンが延びる前記冷却空洞内にボスをさらに備え、
前記ボスは、前記流体入口に対向して前記冷却空洞の中に突出し、かつ、使用中に前記流体入口を通って流れる冷却流体を第１の流体流れと第２の流体流れに分割し、第１の流体流れと第２の流体流れが冷却空洞の周りを反対方向に流れるように方向付けるように整形されている、内燃機関が提供される。

本発明の第３の態様によれば、内燃機関のためのピストンであって、該ピストンは、
上側燃焼面と、リングベルト領域を有する環状側壁と、該リングベルト領域から半径方向内方に位置しかつ動作中に冷却流体が該冷却空洞に供給される流体入口を有する冷却空洞とを有する、ピストン本体と、
リングベルト領域の周囲のリング溝内に位置するピストンリングと、
ピストン側壁の穴内に固定されかつ前記ピストンリングの周方向変位を制限するようにリング溝内に突出する、位置合わせピンと、を備え、
前記ピストン本体は、前記穴と前記位置合わせピンが延びる前記冷却空洞内にボスをさらに備え、
前記ボスは、前記流体入口に対向して前記冷却空洞の中に突出し、かつ、使用中に前記流体入口を通って流れる冷却流体を第１の流体流れと第２の流体流れに分割し、第１の流体流れと第２の流体流れが冷却空洞の周りを反対方向に流れるように方向付けるように整形されている、内燃機関のためのピストンが提供される。

本発明の第４の態様によれば、第１の態様に係る船舶用船外機を備える船舶が提供される。

本出願の範囲内において、特許請求の範囲及び／又は以下の説明及び図面における、先の段落に示された様々な態様、実施形態、実施例、及び、代替案、特にその個々の特徴は、独立に又は任意の組合せで理解されることが明確に意図されている。すなわち、全ての実施形態及び／又は任意の実施形態の特徴は、組み合わされる特徴が不適合でない限り、任意の方法及び／又は組み合わせで組み合わせることができる。本出願人は、最初に提出された請求項を変更又は新たな請求項を提出する権利を留保する。この権利には、最初に請求項されたものではないが、他の請求項の任意の特徴に依存するようにかつ／又は組み込むように、最初に提出された請求項を補正する権利が含まれる。

本発明のさらなる特徴及び利点は、以下に、単なる例として、添付図面を参照してさらに説明される。

図１は船舶用船外機を備える小型船舶の概略側面図である。 図２ａは、傾斜位置における船舶用船外機の模式図を示す。 図２ｂは、船舶用船外機の様々な位置調整された位置の一つと、水域内の船舶の対応する向きを示す。 図２ｃは、船舶用船外機の様々な位置調整された位置の一つと、水域内の船舶の対応する向きを示す。 図２ｄは、船舶用船外機の様々な位置調整された位置の一つと、水域内の船舶の対応する向きを示す。 図３は、本発明による船舶用船外機の概略断面を示す図を示す。 図４は図３の船舶用船外機のピストンの斜視側面図を示す。 図５は、図４の線Ｖ－Ｖに沿って見た図４のピストンの軸線方向断面図を示す。 図６は、図４のピストンの下面図を示す。 図７は、図５の線ＶＩＩ－ＶＩＩに沿って見た図４のピストンの横断面図を示す。 図８は、図５の線ＶＩＩＩ－ＶＩＩＩに沿って見た図４のピストンの軸線方向断面図を示す。 図９は、図８の線ＩＸ－ＩＸに沿って見た図４のピストンの横方向断面図を示す。

図１は、船舶用船外機２を備えた船舶１の概略側面図を示す。船舶１は、連絡船やスキューバダイビングボートなどの、船舶用船外機と共に使用するのに適した任意の種類の船舶とすることができる。図１に示す船舶用船外機２が船舶１の船尾部に取り付けられている。船舶用船外機２は、通常、船舶１の船体内に受け入れられている燃料タンク３に接続されている。リザーバ又は燃料タンク３からの燃料は、燃料ライン４を介して船舶用船外機２に供給される。燃料ライン４は、燃料タンク３と船舶用船外機２との間に配置された、１つ又は複数のフィルタと低圧ポンプと（水が船舶用船外機２に入るのを防止するための）分離器タンクを集合的に配置したものとしうる。

以下にさらに詳細に説明するように、船舶用船外機２は、概ね、上側部分２１と、中間部分２２と下側部分２３の３つの部分に分割されている。中間部分２２及び下側部分２３は、しばしば、集合的に脚部として知られ、この脚部は、排気システムを収容する。プロペラ８は、船舶用船外機２のギアボックスとも呼ばれる、下側部分２３において、プロペラシャフト上に回転可能に配置されている。当然のことながら、作動中、プロペラ８は、少なくとも部分的には水中に沈められており、船舶１を推進するために、様々な回転速度で作動させることができる。

典型的には、船舶用船外機２は、ピボットピンによって、船舶１の船尾部に回動可能に接続されている。ピボットピンの回りの回動により、操作者が公知の方法で水平軸線の回りで船舶用船外機２を傾斜させて位置調整することができる。更に、当技術分野でよく知られているように、船舶用船外機２は、船舶１の船尾部にも回動可能に装着されており、これにより、略直立軸線を中心に回動して、船舶１を操縦することができる。

傾斜とは、船舶用船外機２全体が完全に水中から出て上昇することができるように、船舶用船外機２を十分に上昇させる動きである。船舶用船外機２の傾斜動作は、船舶用船外機２の電源を切った状態又は中立状態で行うことができる。しかしながら、いくつかの例では、船舶用船外機２は、浅い海域での作動を可能にするように、傾斜範囲での船舶用船外機２の限定的な運転を可能にするように構成されうる。従って、船舶用エンジンアセンブリは、主に、脚部の長手軸線が実質的に垂直方向にある状態で作動させられる。船舶用船外機２の脚部の長手軸線と実質的に平行である船舶用船外機２のエンジンのクランク軸は、船舶用船外機２の通常作動中では概ね垂直方向に配向されるであろうが、特定の作動条件下、特に浅い水中で船舶で作動させられる場合には、非垂直方向に配向させることもできる。また、エンジンアセンブリの脚部の長手軸線に実質的に平行に配向されている船舶用船外機２のクランク軸は、垂直クランク軸配置と呼ぶこともできる。また、エンジンアセンブリの脚部の長手軸線に対して実質的に垂直に配向された船舶用船外機２のクランク軸は、水平クランク軸配置と呼ぶこともできる。

前述したように、適切に作動するためには、船舶用船外機２の下側部分２３が水中に延びる必要がある。しかし、極めて浅い海域では、又は、トレーラーから船舶を進水させる際、船舶用船外機２の下側部分２３が下方に傾斜した位置にある場合に、海底で引きずられたり、ボートが傾斜したりすることがある。船舶用船外機２を傾斜させて図２ａに示す位置のように上方に傾斜した位置に傾けることによって、下側部分２３及びプロペラ８の損傷を防止する。

対照的に、位置調整は、図２ｂ～図２ｄの３つの例に示すように、船舶用船外機２を完全に下降した位置から数度上方への比較的に小さな範囲にわたって移動させる機構である。位置調整は、船舶１の燃費と加速と高速作動の最良の組合せを提供する方向にプロペラ８の推力を方向付けるのに役立つ。

船舶１が平面上にある場合（船舶１の重量が、静水揚力ではなく、流体力学的揚力によって主に支持される場合）、船首上げ構成は、抗力が比較的少なく、比較的大きな安定性及び効率をもたらす。これは、例えば図２ｂに示すように、ボート又は船舶１の中心線が約３度～５度で上向きである場合に一般的に当てはまる。

傾斜が多すぎると、図２ｃに示す位置などのように、水中で船舶１の船首が高すぎる状態になる。この形態では、船舶１の船体が水を押しており、その結果、より多くの空気抵抗が生じるので、性能と経済性は減少する。上方への傾斜が大きすぎると、プロペラが通気し、性能がさらに低下することもある。さらに厳しい場合には、船舶１が水中を飛び跳ね、操作者と乗客がボード外に投げ出されてしまう可能性がある。

下方に傾斜すると、船舶１の船首が下がり、立ち上がりからの加速に役立つ。図２ｄに示すように、下方への傾斜が多すぎると、船舶１が水中を「かきわけ（plough）」、燃費が落ちて速度が上がりにくくなる。高速では、下方への傾斜により船舶１が不安定になることさえある。

図３を参照すると、本発明の一実施形態による船舶用船外機２の概略断面が示されている。船舶用船外機２は、前述した傾斜及び位置調整作動を行うための傾斜及び位置調整機構１０を備えている。この実施形態では、傾斜及び位置調整機構１０は、電気制御システムを介して船舶用船外機２を傾斜させ位置調整するように作動させることができる流体圧アクチュエータ１１を有する。あるいは、操作者が手で船舶用船外機を回動させる、手動の傾斜及び位置調整機構を提供することも実現可能である。

以上のように、船舶用船外機２は、概ね３つの部分に分割されている。発動機としても知られる上側部分２１は、船舶１に動力を供給するための内燃機関１００を有する。カウリング部２５が内燃機関３０の周囲に配置される。上側部分２１又は発動機に隣接して下方に延びている、中間部分２２及び下側部分２３が設けられている。下側部分２３は、中間部分２２に隣接して下方に延びており、中間部分２２は、上側部分２１を下側部分２３に接続している。中間部分２２は、内燃機関３０とプロペラシャフト２９との間に延びている駆動軸２７を収容し、フローティング・コネクタ３３（例えばスプライン接続部）を介して内燃機関のクランク軸３１に接続されている。駆動軸２７の下側端部には、駆動軸４１の回転エネルギーを水平方向にプロペラ８に供給するギアボックス又は伝達装置（変速機）が設けられている。より詳細には、駆動軸２７の底端部は、プロペラ８のプロペラシャフト２９に回転接続可能な一対のかさ歯車３７、３９に接続されたかさ歯車３５を有しうる。中間部分２２及び下側部分２３は、排気システムを形成し、これは、内燃機関１００の排気ガス出口からの排気ガス及び船舶用船外機２からの排気ガスを輸送するための排気ガス流路を画定する。

内燃機関１００は、４ストロークＶ８ディーゼルエンジンの１つのバンクとして概略的に示されている。Ｖ字形シリンダバンクには、任意の他の量のシリンダを採用しうることが理解されるであろう。また、当業者は、インライン（直列）配置などの任意の他の配置を代替的に利用することができることを理解するであろう。本発明のエンジンは、均等的に、２ストローク型燃焼エンジンとして構築することができる。

内燃機関１００は、シリンダブロック１２０と、シリンダヘッド１３０と、クランクケース１４０とを備えるエンジンブロック１１０を有する。シリンダブロックは複数のシリンダ１２２を画定し、各シリンダはピストン２００を収容しており、ピストン２００は、それぞれのシリンダ１２２内を往復運動し、ピストンロッド１２４又は「コネクティングロッド」によってクランク軸３１に接続されている。クランク軸３１は、垂直クランク軸の軸線３２を中心として回転するためにクランクケース１４０内に取り付けられている。内燃機関１００は、空気の流れをエンジンブロックのシリンダに送り出すための吸気マニホールド１５０と、排気ガスの流れをシリンダから方向付けるように構成された排気マニホールド１６０とを有している。内燃機関１００は、選択的な排気ガス再循環システム（図示せず）を更に有することができ、このシステムは、排気マニホールド１６０からの排気ガスの流れの一部分を吸気マニホールド１５０に再循環させるように構成されており、かつ、再循環された排気ガスを冷却するための熱交換器又は「ＥＧＲ冷却器」を有する。

図４は、本発明によるピストン２００の斜視側面図を示す。ピストン２００は、燃焼ボウル２１２を有する上側燃焼面２１１を有するピストン本体２１０と、リングベルト領域２１４を有する環状側壁２１３とを有する。リングベルト領域２１４は、環状側壁２１３の周囲に周方向に延在する複数のリング溝内に位置する複数のピストンリングを備える。この例では、リングベルト領域２１４は、上リング溝２１５内の圧縮リング２２１と第２のリング溝２１６内のスクレーパリング２２２と第３のリング溝２１７内のオイル制御リング２２３の形態の３つのピストンリングを有する。しかしながら、任意の適切な数及び配置のピストンリングを使用しうることが理解されるであろう。そのリング溝内のピストンリングの周方向変位を制限するために、リング溝２１５～２１７の内の１つに位置合わせピン２３０が固定される。この例では、位置合わせピン２３０は、第２のリング溝２１６内に突出し、それにより、スクレーパリング２２２の回転を制限する。代替的に、位置合わせピンは、第１又は第３のリング溝内に突出しうる。さらなる位置合わせピンは、他のピストンリングの回転を制限するために、同様に設けられうる。

図５～図９を参照すると、ピストン本体２１０は、リングベルト部２１４の半径方向内側にピストン本体内に形成されておりかつ燃焼ボウル２１２のリムに隣接する、環状の冷却空洞２４０を更に有する。冷却空洞２４０は、上面２４１及び下面２４２を有する。流体入口２４３及び流体出口２４４は、それぞれ、冷却空洞２４０の下面２４２に設けられており、ピストンの軸線方向に延びている。したがって、流体入口２４３及び流体出口２４４は、図５及び図６に最もよく見られるように、ピストン本体２１０の下側に開口している。この例では、冷却空洞２４０は、環状の冷却空洞２４０の互いに直径方向に対向する２つの端部に配置された、単一の流体入口２４３と単一の流体出口２４４を有する。流体入口２４３及び流体出口２４４は、冷却空洞２４０を第１の冷却空洞半分部２４５と第２の冷却空洞半分部２４６に分割し、第１の冷却空洞半分部は、第１の周方向において流体入口２４３から流体出口２４４まで延び、第２の冷却空洞半分部は、第１の周方向とは反対の第２の周方向において流体入口２４３から流体出口２４４まで延びる。

位置合わせピン２３０は、中央リング溝２１６において開口部を有しかつピストン本体２１０の側壁２１３内に延びる、穴２３１内に固定される。穴２３１は、好ましくは、ドリル加工された穴である。環状の冷却空洞２４０は、ピストン本体２１０の上端部に近接して配置され、効果的な冷却のために燃焼ボウル２１２に密接していることを保証する。しかしながら、これは、環状の冷却空洞２４０がリングベルト領域２１４の半径方向内側に直接的に位置し、従って、位置合わせピン２３０が保持され得る側壁２１３の半径方向の厚さを制限することを意味する。これに対処するために、ピストン本体２１０は、さらに、上面２４１から冷却空洞２４０内に下方に突出するボス２５０を有する。ボス２５０は、ピストン本体の延伸部分であり、穴２３１が延びることができる付加的な材料を提供する。これにより、位置合わせピン２３０が穴２３１に確実に保持される度合が改良される。この例では、穴２３１は、リング溝２１６内の半径方向外側の開放端部からボス２５０内の半径方向内側の閉鎖端まで途切れることなく延びる、止まり穴である。したがって、穴２３１はボス２５０で終わる。このようにして、位置合わせピン２３０が冷却空洞２４０内に落下するのを防止し、さもなければ、冷却流体の流れを妨げ、ピストンの冷却性能に影響を及ぼす可能性がある。図７に示すように、スクレーパリング２２２は分割リングであり、位置合わせピン２３０は、分割リングの対向する２つの端部の間のリング隙間２２４内に受け入れられるようにリング溝内に突出する。これにより、ピストン本体２１０に対するスクレーパリング２２２の周方向の回転を防止する。

図８に最もよく示されているように、ボス２５０は冷却空洞２４０の高さの局所的な減少を引き起こすが、本発明者らは、ボス２５０を流体入口２４３に直接的に対向して位置決めし、ボス２５０を、冷却空洞２４０の周りの冷却剤流れを改善する流れ分割表面を画定するように整形することによって、ボス２５０を上手く用いてきた。流れ分割表面は湾曲した形状をしている。すなわち、流れ分割表面は、少なくとも１つの湾曲部を有する形状を有する。この例において、流れ分割表面は、湾曲したピーク２５１と、湾曲したピーク２５１から離れて延びている側面２５２と、側面２５２と冷却空洞２４０の上面２４１の隣接する部分との間の移行を形成する湾曲した傾斜部分２５３とを有する。この例では、流れ分割表面は、その中心軸線２５４を中心として対称である。流れ分割表面の中心軸線２５４は、図８に示されるように、流体入口２４３の中心軸線２４５と位置合わせすることができ、又は、半径方向及び／又は周方向に偏倚されうる。

動作中、冷却流体は、ピストン本体２１０の下面に向かって方向付けられ、流体入口２４３を通る冷却流体の流れとして軸線方向に冷却空洞２４０に入る。例えば、各シリンダは、主オイル空洞から供給されかつピストン本体の下面に向かってオイルを噴霧する、流体ノズルを備えうる。冷却流体の流れは、冷却空洞２４０に入ると、流体入口２４３に直接的に対向して配置されたボス２５０の流れ分割表面に衝突し、それによって、冷却流体の流れは、流れ分割表面の両側に第１の流体と第２の流体とに分割される。第１の流体流れは、第１の冷却空洞半分部２４５の周りの第１の周方向において、流れ分割表面によって方向付けられる。第２の流体流れは、第２の冷却空洞半分部２４６の周りの第２の周方向において、流れ分割表面によって方向付けられる。冷却流体は、冷却空洞の周りを通過することによって、燃焼面２１１及び燃焼ボウル２１２から熱を奪い、ピストン２００の最大動作温度を低下させる。次いで、第１及び第２の流体は、流体出口２４４を介して冷却空洞２４０から流出する。

追加の側壁厚さを提供しかつ流れ分割表面として構成されるボスを、冷却空洞内に設けることによって、位置合わせピン保持とピストン冷却性能の両方を本発明のピストンで改善することができる。

本発明は、１つ以上の好ましい実施形態を参照して上述したが、添付の特許請求の範囲に規定されているように、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更又は修正を行いうることが理解されよう。

Claims (17)

1. 内燃機関用のピストンにおいて、前記ピストンは、
   上側燃焼面と、リングベルト領域を有する環状側壁と、前記リングベルト領域から半径方向内方においてピストン本体の中に位置する冷却空洞であって、動作中に冷却流体が前記冷却空洞に供給される流体入口を有する、冷却空洞とを有する、ピストン本体と、
   前記リングベルト領域の周りのリング溝の中に位置するピストンリングと、
   前記ピストンの前記環状側壁の穴に固定されておりかつ前記ピストンリングの周方向の変位を制限するために前記リング溝の中に突出する位置合わせピンとを備え、
   前記ピストン本体は、前記穴及び前記位置合わせピンが延びる前記冷却空洞内にボスをさらに備え、
   前記ボスは、前記流体入口に対向して前記冷却空洞の中で突出し、前記ボスは、使用中に前記流体入口を通って流れる冷却流体を第１の流体流れと第２の流体流れに分割し、前記第１の流体流れと前記第２の流体流れを前記冷却空洞の周りで反対方向に方向付けるように構成された流れ分割表面を提供するように整形されている、内燃機関用のピストン。
2. 前記冷却空洞は環状である、請求項１に記載の内燃機関用のピストン。
3. 前記流れ分割表面は、環状の前記冷却空洞の周りの前記第１の流体流れを第１の周方向に方向付けるように、かつ、環状の前記冷却空洞の周りの前記第２の流体流れを、第１の周方向とは反対の第２の周方向に方向付けるように構成される、請求項２に記載の内燃機関用のピストン。
4. 前記流れ分割表面は、実質的に対称である、請求項１～３のいずれか一項に記載の内燃機関用のピストン。
5. 前記流れ分割表面は、湾曲した形状を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の内燃機関用のピストン。
6. 前記流れ分割表面は、前記流体入口と位置合わせされている、請求項１～５のいずれか一項に記載の内燃機関用のピストン。
7. 前記穴は、前記ボスの中で終わる止まり穴である、請求項１～６のいずれか一項に記載の内燃機関用のピストン。
8. 前記流体入口は前記冷却空洞の下面に位置し、前記ボスは前記冷却空洞の上面から突出する、請求項１～７のいずれか一項に記載の内燃機関用のピストン。
9. 前記冷却空洞は、動作中に前記冷却流体の流れが前記冷却空洞を出る流体出口をさらに有し、前記流体出口は前記流体入口とは別個である、請求項１～８のいずれか一項に記載の内燃機関用のピストン。
10. 前記流体出口は、前記冷却空洞が前記流体入口及び前記流体出口によって第１の冷却空洞半分部及び第２の冷却空洞半分部に分割されるように、前記冷却空洞の前記流体入口とは反対側の端部に配置されている、請求項９に記載の内燃機関用のピストン。
11. 前記流体出口は、前記冷却空洞の下面に位置する、請求項９又は１０に記載の内燃機関用のピストン。
12. 前記ピストンリングは、その対向する２つの端部の間にリング間隙を有する分割リングであり、前記位置合わせピンが前記リング間隙の中に受け入れられる、請求項１～１１のいずれか一項に記載の内燃機関用のピストン。
13. 前記ピストンリングは、オイル制御リング又はスクレーパリングである、請求項１～１２のいずれか一項に記載の内燃機関用のピストン。
14. 内燃機関を有する船舶用船外機において、前記内燃機関は、
    少なくとも１つのシリンダを画定するエンジンブロックと、
    前記少なくとも１つのシリンダの中に配置されている、請求項１～１３のいずれか一項に記載の内燃機関用のピストンとを備えている、船舶用船外機。
15. 前記内燃機関は、垂直軸線の内燃機関である、請求項１４に記載の船舶用船外機。
16. 内燃機関において、前記内燃機関は、
    少なくとも１つのシリンダを画定するエンジンブロックと、
    前記少なくとも１つのシリンダの中に配置されている、請求項１～１３のいずれかに記載の内燃機関用のピストンとを備える、内燃機関。
17. 請求項１４又は１５に記載の船舶用船外機を備える船舶。

Images