JP3553456B2 - ピストン内燃機関 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピストン内燃機関、特に好適に２サイクル大型ディーゼルエンジンの形態を有するクロスヘッド式ピストン内燃機関に関するものであり、供給装置を用いて冷媒が供給される少なくとも一つの内部中空空間を有する少なくとも一つのピストンを備え、前記供給装置が、冷媒源に接続された固定的な外管と、この外管に係合し、ピストンと共に移動可能でピストンの中空空間と連通した内管とを備えた加圧ユニットを有している。
【０００２】
【従来の技術】
現在用いられている垂直方向に上下移動可能なクロスヘッドを備えたこの種の装置においては、加圧ユニットを形成する伸縮装置の下端部はクロスヘッドに取付けられ、固定された外管に通じる上端部は開放されている。固定された外管の下端部は、上下移動可能な内管に対してシールされており、上端部は冷媒供給管と連通している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような周知の装置においては、ピストン及びピストンと共に移動する内管が上昇する際、内管と外管との間の空間が減少し、その結果、内管からピストン中空空間に至る冷媒管内の圧力が増大し、それによってピストンの内部空間に冷媒が供給される。ピストンがクランク軸回転の上部ほぼ１４０°に対応して運動する間は、ピストンは下向きに加速され、従って上方に向かって、ピストンの内部空間に液体を充填させる質量慣性力が生じる。その結果、ピストン移動のこの段階における液体の充填は、ピストン中空空間の上部壁体、すなわちピストンランド部の内側に当接するように行われる。それによってピストンランド部に向けられた噴射流の効果が損なわれる。従って実現される冷却は比較的弱いものである。
【０００４】
前記の理由から本発明の課題は、前記のような種類のピストン内燃機関を簡単かつ廉価な手段で改善し、ピストンランド部が確実かつ効率的に冷却されるようにすることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このような課題は本発明により、外管と内管との間に、内管に貫通された固定底部と内管上に設けられた密閉ピストンとによって軸方向端部が規定されかつピストン作動時に短縮される環状空間を設けることによって解決される。この環状空間は、該環状空間の底部側の端部領域に設けられ冷媒供給管と連通する少なくとも一つの入口と、該環状空間の他方の密閉ピストン側の端部領域に設けられ内管と連通する少なくとも一つの出口とを有している。
【０００６】
これらの手段により、ピストンの中空空間に至る管内の加圧サイクルは前記周知の装置に対して逆転される。すなわち今度は、ピストンが下降する際に圧力が増大する。ピストンがクランク軸の回転運動の下部およそ２２０°に対応して運動する間、下方に向かって、ピストンの中空空間に液体を充填させる質量慣性力が生じる。これに応じてピストンのこのような運動の段階においては、冷却液がピストンランド部から離れるように移動され、その結果ピストンランド部は開放される。従ってこのような状態では、ピストンに至る管内の圧力増大によってピストンランド部には長く持続的かつ直接的に新たな冷却液が供給される。この場合、ピストンランド部に供給され既に使用された冷却液によって噴射工程が減衰されたり、妨げられたりする恐れはない。従って本発明の手段によって、好適な方法でピストンランド部の冷却を非常に効率的に行うことが保証される。
【０００７】
上位の手段の好適な実施の形態及び目的に適ったさらなる形成は下位請求項に記載されている。すなわち密閉ピストン及び内管に貫通された底部には好適にそれぞれ少なくも一つの密閉リングが設けられている。これによって好適に漏損が防止され、それによって好適な方法ですぐれたポンプ効率が実現される。
【０００８】
さらなる好適な手段は、環状空間が、環状管の起点を成し底部に隣接する複数の入口と、密閉ピストンに隣接する複数の出口とを有する点である。これらの手段によって好適に大きな流れ断面が作られ、環状空間に充填される液体が環状空間全体に均一分布し、それは実現されるポンプ効率に対して同様に好適な作用を及ぼす。
【０００９】
上位の手段のさらなる形成においては、外管が、密閉ピストンの環状空間から離れた側に、さらなる冷媒供給管と連通しかつピストンの圧縮行程時に縮小される空間を有し、この空間が、密閉ピストンの少なくとも一つの軸方向通路を介して内管の内部空間と連通している。この構成によって、ピストンに設けられた冷媒供給装置において圧力が大きく変動することがなくなる。これによって同時に、下方に向かって冷却液に作用する質量慣性の力が発生するピストン上昇時の下部領域も、ピストンランド部に冷却液を供給するために好適に利用される。このように前記の手段によって、ピストンランド部に供給され既に使用された冷却液によって妨げられることなく、ピストンランド部に新鮮な冷却液を特に長く持続的かつ直接的に供給し、それによって特に優れた冷却効果を得ることができる。
【００１０】
密閉ピストンの各通路領域及び環状空間の内管に通じる各出口領域に好適にそれぞれ弁を設け、これらの弁を制御して、冷却液が内管から望ましくない漏れを起こさないようにすることができる。この構成によって特にすぐれた効率が得られ、比較的大きな流れ断面を利用することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
さらなる好適な実施の形態及び目的に適ったさらなる構成は、残りの下位請求項に記載され、図面に基づく以下の実施の形態の説明により詳しく述べられている。
【００１２】
本発明の主な応用分野は、２サイクル大型ディーゼルエンジンのようなクロスヘッド式エンジンである。図１に示す２サイクル大型ディーゼルエンジンは、前後に列をなして設けられている複数のシリンダ１を有し、これらのシリンダにはそれぞれピストン２が配設されている。各ピストン２は、ピストンロッド３を介して垂直方向に移動可能に軸受けされたクロスヘッド４に連結されている。各クロスヘッド４は、コンロッド５を介してクランク軸６と共働する。クランク軸６は、エンジンフレーム７の下部に軸受けされている。エンジンフレームの下部には、クロスヘッド４のためのガイドを有する横断壁が設けられている。横断壁の上にシリンダ１が設けられている。
【００１３】
ピストン２は中空体として形成されている。ピストンの中空空間８には冷却液としての潤滑油が供給される。燃焼室に面するピストンランド部９の半径方向外側の領域は特に冷却しなければならない。このような危険な領域を確実に冷却するために、これらの領域には図２から最もよくわかるように噴射ノズル１０が設けられ、これらの噴射ノズルによって危険領域に供給する噴射流が作られる。冷却液はピストンロッド３を介してピストン２に供給され、ピストンロッドには好適な供給通路１１及び戻り通路１２が設けられている。戻り通路１２は対応するクロスヘッド４の領域でギア空間に出る。
【００１４】
図３から分かるように、各ピストンロッド３の供給通路１１は、対応するクロスヘッド４を貫通する延長部１１ａを介して冷媒源、すなわちこの場合エンジンの潤滑油機構に接続された対応する加圧ユニット１３に連結されている。この加圧ユニットは、テレスコープ形装置として形成され、エンジンフレーム７に固定された固定的な外管１４と、外管内に配置され外管に対して伸縮自在に係合しかつ対応するクロスヘッド４に固定された内管１５とを有している。クロスヘッド４に固定された内管１５はクロスヘッド４によって移動され、従ってピストン２と共に上下に動く。外管１４の下端部はエンジンフレーム７に連結された固定的な底部１６に当接し、この底部は内管１５に貫通している。外管１４は、ほぼ半分の高さでエンジンフレーム７のブリッジ１７に固定されている。内管１５の下端部は、図に示す例ではクロスヘッドにフランジ連結された湾曲管１８に当接しているが、内管１５が湾曲管などの介在物なしに直接クロスヘッド４に当接されるように、通路の延長部１１ａを成すクロスヘッド４のボーリング機構を形成することも考えられる。内管１５の上端部には外管１４の内周と共働する密閉ピストン１９が設けられている。
【００１５】
外管１４の内径は内管１５の外径よりも大きい。従って、外管１４と内管１５との間には環状空間２０が形成されている。この環状空間の軸方向は、底部１６と密閉ピストン１９とによって規定されている。ピストン２の運動と同様に行われる内管１５の移動、及び内管に固定された密閉ピストン１９の移動によって、環状空間２０は、ピストン２が下降する際に縮小し、上昇する際に拡大する。環状空間２０をしっかり密閉するために、底部１６の穴部領域または密閉ピストン１９の外周領域に円環状の密閉リング２１を設けることもできる。
【００１６】
環状空間２０は、該環状空間の下端領域に外管１４の放射状穴部によって形成された複数の入り口２２を介して底部１６に隣接し、外管１４を包囲する環状管２３に連通し、環状管は、エンジンの潤滑油機構によって冷却液としての潤滑油を供給可能な冷媒供給管２４に連通している。環状空間２０の上端領域には、内管１５の内部空間２５に通じる複数の出口２６が設けられている。これらの出口は、密閉ピストン１９に隣接する内管１５のスリットとして形成される。
【００１７】
環状空間２０には、ピストン２が上昇する際、入口２２を介して冷媒が充填される。ピストン２が下降する際、環状空間２０の圧力が増大し、この増大した圧力は、環状空間２０に連通する内部空間、供給通路の延長部１１ａ、及び供給通路１１を介してピストン２の中空空間８の噴射ノズル１０にまで伝達され、強力な噴流を生じさせる。ピストン２が下降する際、ピストンはまず加速し、次いで減速する。ピストン２の減速は既に下死点の前から、通常は下死点の前のクランク軸６の回転運動のほぼ１１０°から開始されるが、このピストン２の減速の際、ピストン２の内部空間８に含まれる液体には下方に向いた質量慣性力が作用し、その力によって液体がピストンランド部９から離れる。この段階で噴射ノズル１０にも新たな冷却液が供給されるため、噴射ノズル１０によって作られる噴射流は長時間妨げられずにピストンランド部９のそれぞれ対応する領域に当てられる。従って確実な冷却効果が得られる。噴射ノズルへの周期的な冷却液供給は、例えば密閉ピストン１９及び／または配管１１，１１ａに設けられた制御可能な弁によって行われるが、通常はこのような周期的な供給は行われない。その理由は、下降運動の開始段階においてまず圧力を作り出さなければならず、従って、噴射は、上死点からある程度の距離を有して行われるからである。
【００１８】
通常は図３に示すような、ピストン２が下降するときだけ作動される一段階冷媒供給装置で間に合う。それでも、噴射は長く持続する。図４はピストン２の下降及び上昇の両方で作動される２段階冷媒供給装置を示している。図４に示す構成の下方領域は図３の構成に対応しているので、以下に相違点のみを詳細に説明する。
【００１９】
ピストン２の上昇運動の下部領域ではピストンは上方に向かって加速される。この場合もピストン２の内部空間８に含まれる液体に作用する下方に向いた質量慣性力が生じ、その慣性力によってピストン２の内部空間８に含まれる液体はピストンランド部９から離れる。下死点後のクランク軸６の回転運動のほぼ１１０°にまで及ぶこの領域をもピストンランド部９の冷却に利用するために、図４に示す装置では、密閉ピストン１９の上方に配置されピストン２が上昇する際に縮小する外管１４の空間２７が、さらなる冷媒供給管２４ａに連通し、この冷媒供給管を介して冷媒が供給される。図では、冷媒供給管２４ａは外管１４の上端にフランジ連結されている。噴射ノズルへの周期的な供給は、この場合も前記のように弁によって行われる。
【００２０】
空間２７は、密閉ピストン１９の軸方向の通路２８を介して内管１５の内部空間２５と連通している。通路２８には流れ制御弁が設けられ、この弁は、ピストン及び内管１５が下降する際に閉鎖され、ピストン２及び内管１５の上昇開始段階において開放される。開放段階は好適に前記のような下死点後のクランク角度およそ１１０°の領域にわたっており、この領域においてはピストン２の充填液に下方向の慣性力が作用する。同様に、弁装置２９ａが、環状空間２０から内部空間２５への冷媒の流れを好適に制御するように設けられている。この弁２９ａは、弁２９とは逆の動作をするように切り換えなければならない。すなわちピストン２が下降する際に開放され、上昇する際に閉鎖されなければならない。これらの弁によって、内管１５の内部空間２５から液体が望まない方向に漏れるのが防止される。
【００２１】
本発明の手段によって、ピストンランド部９を冷却するために、長く持続し、減衰されず、支障のない噴射流が得られる。その際、噴射の持続は実際に、ピストン２に充填された液体に下方向の慣性力が作用するクランク角領域全体、すなわちクランク軸６の回転運動の下方２２０°にまで及んでいる。クランク軸６の回転運動の上方１４０°以内だけは、ピストンランド部９に冷媒が供給されないが、いずれにしてもこの領域では上方に向かう慣性力によって優れた効果が得られない。ピストンランド部９を冷却するためにピストン２の下降運動を利用することのみで既に十分である場合が多い。このような場合は冷媒供給管２４ａ及び冷媒供給管の背後に設けられた装置は省略される。その場合むしろ、密閉ピストン１９を通過する漏損液は、ピストン２及びそれに応じて内管１５及び密閉ピストン１９が上昇する際に、エンジンのクランクケーシング内に進入する。図に示す実施の形態では、密閉ピストン１９の上方にとどまっている液柱は、上昇の際に潤滑油機構内に逆流し、下降の際に流入する。
【図面の簡単な説明】
【図１】冷却されたピストンを有する２サイクル大型ディーゼルエンジンの部分断面図である。
【図２】冷却用の噴射ノズルを備えたピストンの断面図である。
【図３】個々のピストンに設けられた本発明に係る第１実施形態の冷媒供給装置を示す部分断面図である。
【図４】本発明に係る第２実施形態の冷媒供給装置を示す部分断面図である。
【符号の説明】
２ ピストン
８ 中空空間
１１ 供給通路（供給管）
１１ａ 延長部（供給管）
１３ 加圧装置
１４ 外管
１５ 内管
１６ 固定底部
１９ 密閉ピストン
２０ 環状空間
２１ 円環状密閉リング
２２ 入口
２３ 環状管
２４，２４ａ 冷媒供給管
２５ 内部空間
２６ 出口
２７ 空間
２８ 軸方向通路
２９ 弁

Claims (8)

1. 好適に２サイクル大型ディーゼルエンジンの形態を有するピストン内燃機関、特にクロスヘッド式ピストン内燃機関であって、供給装置を用いて冷媒が供給される少なくとも一つの内部中空空間（８）を有する少なくとも一つのピストン（２）を備え、かつ前記供給装置が、冷媒源に接続された固定的な外管（１４）と該外管に対して伸縮自在に係合し前記ピストン（２）と共に移動可能で前記ピストンの前記中空空間（８）と連通する内管（１５）とを有している加圧装置（１３）を備えたピストン内燃機関において、
   前記外管（１４）と前記内管（１５）との間には、前記内管（１５）に貫通された固定底部（１６）と前記内管（１５）上に設けられた密閉ピストン（１９）とによって軸方向端部が規定されかつ前記ピストン（２）の作動時に短縮される環状空間（２０）が設けられ、該環状空間（２０）は、該環状空間の底部側の端部領域に設けられ冷媒供給管（２４）と連通する少なくとも一つの入口（２２）と、該環状空間の他方の密閉ピストン側の端部領域に設けられ前記内管（１５）と連通する少なくとも一つの出口（２６）と、を有していることを特徴とするピストン内燃機関。
2. 前記底部（１６）と前記密閉ピストン（１９）とがそれぞれ、少なくとも一つの円環状密閉リング（２１）を有していることを特徴とする請求項１に記載のピストン内燃機関。
3. 前記環状空間（２０）は、前記外管（１４）の放射状の凹所によって形成された複数の入口（２２）を有し、該入口は、前記冷媒供給管（２４）に連通された前記底部（１６）に隣接する環状管（２３）を起点としていることを特徴とする請求項１または２に記載のピストン内燃機関。
4. 前記環状空間（２０）は、前記密閉ピストン（１９）に隣接する前記内管（１５）の放射状の凹所によって形成された複数の出口（２６）を有していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のピストン内燃機関。
5. 前記外管（１４）は、前記密閉ピストン（１９）の前記環状空間（２０）から離れた側に、さらなる冷媒供給管（２４ａ）と連通しかつ前記ピストン（２）の圧縮行程時に縮小される空間（２７）を有し、該空間は、前記密閉ピストン（１９）の少なくとも一つの軸方向通路（２８）を介して前記内管（１５）の前記内部空間（２５）と連通していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のピストン内燃機関。
6. 前記密閉ピストン（１９）の前記各通路（２８）領域に弁（２９）が設けられ、該弁は、前記ピストン（２）の作動時には閉鎖され、少なくとも前記ピストン（２）の前記圧縮行程の開始段階には開放されることを特徴とする請求項５に記載のピストン内燃機関。
7. 前記内管（１５）の前記内部空間（２５）に通じる前記環状空間（２０）の各出口（２６）には弁が設けられ、該弁は前記ピストン（２）の作動時には開放され、少なくとも前記ピストン（２）の前記圧縮行程の開始段階には閉鎖されることを特徴とする請求項５または６に記載のピストン内燃機関。
8. 前記中空空間（８）への周期的な冷媒液供給を行うために、各ピストン（２）の前記中空空間（８）に配設された前記供給管（１１，１１ａ）にそれぞれ少なくとも一つの弁が設けられていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のピストン内燃機関。

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