JP3636664B2 - 往復動ピストンエンジン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、往復動ピストンエンジンに関し、特に大型の２ストロークディーゼルエンジンに関するものである。この往復動ピストンエンジンは、少なくとも１つのシリンダを有し、このシリンダのシリンダライニングには、ピストンと対向する走行面の領域に、少なくとも１つの溝が設けられている。この溝にはそれぞれ充填材が設けられている。溝の充填材を形成する材料は、オイルポケットを形成する目的のためのものであり、シリンダライニングの基本材料よりも摩耗しやすいものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の装置は、基本材料を局所的に硝化すなわち局所的に硬化する別のものとしてスイス国特許第 4 93 738 号公開公報に開示されている。この文献で開示されている溝の充填材を形成するための開示された材料は、青銅、減摩金属すなわち硬いクロムである。溝の充填材の領域にオイルポケットを形成させるのは、このような材料では難しい。したがって、オイルポケットは比較的小さい容量のものとなってしまう。ここで提案されている溝の深さは、硬化すなわち硝化することのできる浸透領域のみである。その結果、先に述べた欠点がさらに悪化する。さらなる要因として、溝の深さが比較的小さいために、オイルポケットの形成に適している領域が比較的早くに摩耗してしまい、潤滑状態がさらに悪化することになる。前記公知の構成ではさらに、熱腐食などによりシリンダライニングから離脱した材料粒子が充填材材料内にほとんど押し込まない。すなわち、粒子の自由移動を停止させることがまったくできない。したがって、シリンダライニングとピストンとの間で砕かれたり押し潰された前記材料粒子が、損傷や極度の局所過熱を導き、かつそれにより熱腐食や焼き付きを促進させてしまうおそれがある。よって、公知の構成のものは不十分な運転信頼性しか有していないのである。
【０００３】
英国特許第 14 73 058 号公開公報は、シリンダライニングにオイルポケットを形成するような溝を備えた往復動ピストン内燃機関が開示されている。しかしながら、この文献に開示されている溝は、充填材を備えたものではない。溝の深さすなわち溝に形成されたオイルポケットの断面は、シリンダライニングの漸進的な摩耗とともに減少する。したがって、時が経つにつれて潤滑状態が悪化することになる。シリンダライニングから離脱した粒子を固定することは、すでに述べた欠点に導くおそれのある従来の構成では不可能である。したがって、従来の構成のものは不十分な運転信頼性しか有していないのである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこでこのような従来技術のものに対し、本発明の目的は、高い運転信頼性が長期間にわたって達成されるように最初に述べたタイプの構成を簡単かつ費用のかからない方法で改善することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的は、溝の充填材を形成する材料が、少なくとも部分的にアルミニウム青銅および／または少なくとも部分的にアルミニウムおよび／または少なくとも部分的に黒鉛を含み、かつ前記溝の深さが、シリンダライニングの最大摩耗厚さよりも大きいことを特徴とする本発明により達成される。
【０００６】
前記方策で、はじめに述べた公知の構成の欠点は回避される。好適に溝の充填材として設けられた材料は、オイルポケットが長期間にわたって所望の断面を有し、かつそれによりシリンダライニングの各関連した領域が長期間にわたって確実な潤滑がなされ、その結果として熱腐食および焼き付きが防止される。１つあるいは複数の進行中のオイルポケットの深さは、摩耗の強度と相関関係がある。摩耗が多ければ多いほど、オイルポケットは深くなる。すなわち、より集中的な潤滑が必要となる。その逆のことも言える。したがって、その結果は実質的に自己調整型となる。したがって、オイル消費量を減らすことも可能である。一方、本発明による方策の特に有利な点は、避けられない摩耗によりシリンダライニングから離脱した材料の粒子が、比較的柔らかい充填材材料内に押し込まれ、かつその充填材材料の中に固定されるということである。よって、材料粒子の自由な移動は溝に設けられた充填材によって阻止される。本発明により設けられた充填材を備える溝はまた、非常に効果的なストップ溝としても機能するものである。したがって、本発明による方策はまた、シリンダライニングからでる材料粒子、たとえば融解および／または固まった材料によって引き起こされるかもしれない、かつより促進した熱腐食および焼き付きに導かれる損傷や傷害を効果的に防止するものでもある。ゆえに本発明による方策によって、長い運用寿命が有利に保証される。
上述した方策の有利な改良および発展は、従属請求項に示している。したがって、溝の充填材を形成する材料は好適に、シリンダライニングの基本材料よりも大きい熱膨張を有している。それによって、過熱された場合に充填材が基本材料よりもより急速に膨張して、その結果ピストンを安定させかついわゆる焼き付きを防止するといった効果が得られる。このような有利な点は、充填材材料が好適に乾式潤滑性能を有すればさらに高められる。
【０００７】
上述した方策の有利な改良において、９−１１％のアルミニウム、０．５−２％の鉄、および残りが銅からなるアルミニウム青銅は、好適に溝を埋めるのに使用することができる。この種の材料は顕著な量だけ前述した所望の特性を備えている。一方、たとえば好ましくは１５−２５％黒鉛および７５−８５％アルミニウム青銅を含む黒鉛合金を使用することもできる。この材料はまた所望の性質を大いに備えるものでもある。
【０００８】
好適に少なくとも１つの螺旋状の溝を設けることができる。これは、シリンダライニングのより広い領域にわたってオイルの、特に良好な分配および特に良好な運搬を導くものであり、これにより信頼性がかなり向上されるという結果になる。
【０００９】
上述した方策のさらに有利な改良によれば、使用する材料の適合性により、充填材は溶接コーティングあるいは溶射コーティングの形態をとることができる。簡単な方法において、これは基本材料への確実な付着を有する孔自由な（pore-free）充填材を保証している。
【００１０】
上述した方策のさらに有利な改良および発展は、残りの従属項に示しており、かつ図面に基づく以下の実施形態の説明から明らかである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、往復動ピストンエンジン、特に往復動ピストン内燃機関、好適に低速の大型２ストロークディーゼルエンジンの形態を有するものに用いられるものである。このような装置の構造および運転形態は公知のものであるのでここでのさらなる説明は省略する。
【００１２】
図１に示した大型２ストロークディーゼルエンジンのシリンダは、シリンダライニング２を備えている。このシリンダライニング２には入口スロット１が形成されており、またシリンダライニング２の上部にはシリンダヘッド３が取り付けられている。ここでシリンダヘッド３は詳細に示していない出口装置を備えている。シリンダライニング２の内側は走行面４として構成されており、外周面に複数本のピストンリング５を有するピストン６が走行面４上を往復動する。走行面４には、潤滑油供給ライン７を介して潤滑油が供給される。
【００１３】
潤滑油の良好な分配、特に経験的に潤滑油が不足する領域（たとえば、走行面４の上部領域）への潤滑油の良好な供給を達成するため、走行面４には図１に簡単に示す適切な複数のオイルポケット８が設けられている。
【００１４】
前述した目的のため、図２に最も適したものを示す。走行面４の領域には少なくとも１つの刻み込まれた溝９が設けられている。この溝９内に、対応したオイルポケット８が形成されている。溝９はシリンダライニングの基本材料よりも摩耗しやすい材料からなる充填材１０を有している。シリンダライニングは通常、鋳鋼から作られている。充填材１０を形成させるのに有利なものとして、アルミニウム青銅を使用することができる。経験的に実証されているように、このアルミニウム青銅は、少なくとも２−２０％、好適に９−１１％のアルミニウム（Al）、０．５−８％、好適に０．５−２％の鉄（Fe）、および後の残りが銅（Cu）からなるものである。特有の組成は、各個々の場合の与えられた環境に適応される。ここで、鉄の割合が高くなればなるほど、材料の硬さが増す。大型２ストロークディーゼルエンジンのシリンダライニングの場合、以下の組成物を含むアルミニウム青銅で良好な結果が達成される。
２−２０％、好適に９−１１％のアルミニウム；
０．５−８％、好適に０．５−２％の鉄；
０．１−８％のマンガン（Mn）；
０．１−２％のケイ素（Si）；
０．１−１％のニッケル（Ni）；
０．１−２％の炭素（C）；
多くても５−２０％の、アンチモン（Sb）、コバルト（Co）、ベリリウム（Be）、クロム（Cr）、スズ（Sn）、カドミウム（Cd）、亜鉛（Zn）、鉛（Pb）の少なくとも１つを含む組成物；
後の残りが銅。
【００１５】
しかしながら、ニッケル・黒鉛やシリコン・黒鉛あるいはアルミニウム・黒鉛またはアルミニウム青銅・黒鉛など、それぞれの場合において５−６０％、好適に１５−２５％の黒鉛と、４０−９５％、好適に７５−８５％のその他の要素を含むような黒鉛合金を使用することも考えることができる。アルミニウム青銅・黒鉛合金では、特に良好な耐腐食性および焼き付き防止性能が達成され得る。アルミニウム青銅の組成は、上述した組成と一致させることができる。
【００１６】
充填材１０は有利には、プラズマ溶射技法のようなレーザ溶射技法あるいはアーク溶射技法によって与えられた溶射コーティングとして予め形成された溝９内に導かれ得るものである。もちろん、溝９の充填材１０は溶接コーティングとして形成させることもできる。９−１１％のアルミニウム、１−３％の鉄、４−６％のニッケル、１−２％のマンガン、および残りが銅からなるアルミニウム青銅は、前記目的のために特に適したものである。
【００１７】
前記の場合において溝９の充填材は、走行面４のレベルまで適切にその役割を果たす。また、走行面４は全体にわたって機械加工、たとえば砥石で研がれるようにすることもできる。なぜならば、慣らし運転段階の早い時期と同様に、充填材１０の摩耗がシリンダライニング２の摩耗よりも多くなるからである。充填材１０を形成する材料は、シリンダライニング２の基本材料よりも摩耗しやすく、摩滅した材料は、潤滑油によって洗い流される。したがってその結果、シリンダライニング２の運用寿命の全体にわたって所望のオイルポケット８が維持されることとなる。
【００１８】
それゆえに、図２に符号ｄで示した溝９の深さは、少なくともシリンダライニング２の摩耗厚さと一致し、好適にはシリンダライニング２の摩耗厚さよりもわずかに大きいことが望ましい。一方、この深い溝９にはシリンダライニング２の摩耗に応じて同様に摩耗する充填材１０が設けられている。充填材１０の摩耗はシリンダライニング２の摩耗よりもわずかに早い。その結果、オイルポケット８の断面形状は、シリンダライニング２の運用寿命の全体にわたって実質的に均一であるとともに、溝９自身の断面積とは異なる。
【００１９】
充填材１０を形成するために、材料は有利には、熱の影響を受けてシリンダライニングの基本材料よりも大きく膨張する性質を有する材料を使用することができる。前述した材料はこの性質を有している。したがって、局所的な加熱がある場合、充填材１０は図２に不連続な膨張線１１で示すように、シリンダライニング２の基本材料よりも大きく膨張することになる。その結果として、ピストン６は安定させられ得る。上述した充填材１０用の材料はまた、良好な乾式潤滑性能を有するものであっても良い。この乾式潤滑性能は、特に過熱の場合において有用な利点である。一方、充填材材料を、良好な乾式潤滑性能を有する別の材料と一体および／または良好な乾式潤滑性能を有する別の材料を充填材材料の中に埋め込むようにすることもできる。
【００２０】
１つまたは２つ以上の溝９を設けることができる。これらの溝９は好適な所定位置に配置されている。その所定位置では今までの経験によると不十分な潤滑およびそれによる熱腐食などの危険性がある。このことはとりわけ、走行面４の上部領域についていうことができる。図１で、上死点の位置にあるピストン６の第１ピストンリング５および第２ピストンリング５によって制限された走行面４の領域には、対応するオイルポケット８を有する円周方向に延在する溝が設けられている。関連したオイルポケット８を有するさらなる溝が、一番下に位置するピストンリング５のすぐ下の領域に設けられている。また同じ深さで配置されたさらなる複数のオイルポケット８を図示した実施形態に示している。
【００２１】
オイルポケット８の基礎を形成する複数の溝９は、周方向に延在しかつ半径方向に形成された溝の形態をとるようにすることもできる。一方、関連したオイルポケット８を有する１つまたは２つ以上の螺旋状に延在する溝９をさらに、あるいは別に設けることもできる。この螺旋状の溝は、走行面の全体長さ（ストローク長）の領域にわたってあるいはその全体長さよりも長く延在させることができる。
【００２２】
図２は螺旋状に延在する溝９を示す図である。この溝９の符号Ｐで示したリード（進み）は、走行面４の直径Ｄ（図１参照）の１．５％−２０％の長さとすることができる。リードＰは溝の全体長さにわたって一定とすることができる。一方リードは、特に脆弱な領域により多くオイルポケットが配置されるように可変リードとすることもできる。すでに前述した溝９の深さｄは、その領域で適切なものとなるように、直径Ｄの０．１％−０．４％の間に設定される。最初の幅ｗは好適に直径Ｄの１％−２％である。
【００２３】
図示した実施形態において、溝９は最初の幅ｗから内側に向けて狭くなる断面を有している。これは、摩耗の割合が時間が経つにつれ増加していくということを考慮したものである。図２において溝９は、この溝９の底面に対して傾斜した両側面を有する略Ｕ字形状の断面を有している。符号αで示す両側壁の傾斜角度は、３０゜−６０゜の範囲とすることができる。溝の底面から溝の両側面に移行する部分にはそれぞれ、その半径に相当する矢印で示すように、適切な丸みがつけられている。
【００２４】
上記の寸法データは、図３および図４に示す形状を有するさらなる変形実施形態のものにも適用することができる。図３は、オイルポケット８を備える関連した充填材１０を有する断面Ｖ字形状の溝９を示している。図４の基礎を形成する溝９は、断面が円の切片の形状を有するものである。ここでもまた、溝９の断面は内側に向かって狭くなっており、その結果、溝内に形成された充填材１０およびオイルポケット８の幅も内側に向かって減少していく。
【図面の簡単な説明】
【図１】 大型２ストロークディーゼルエンジンのシリンダを示す側面図であって、一部分が断面図とされた図である。
【図２】 本発明による溝を備えたシリンダライニングの走行面の一部領域を拡大した一部拡大図である。
【図３】 溝の他の実施形態を示す断面図である。
【図４】 溝の別の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
２ シリンダライニング
４ 走行面
５ ピストンリング
６ ピストン
８ オイルポケット
９ 溝
１０ 充填材

Claims (19)

1. 少なくとも１つのシリンダを有し、該シリンダのシリンダライニング（２）には、ピストン（６）に面する走行面（４）の領域に少なくとも１つの溝（９）が設けられており、該溝には充填材（１０）が設けられ、オイルポケット（８）形成する目的のために前記充填材（１０）を形成する材料は、前記シリンダライニング（２）の基本材料よりも早く摩耗する、往復動ピストンエンジン、特に大型の２ストロークディーゼルエンジンにおいて、
   前記溝（９）の前記充填材（１０）を形成する材料は少なくとも部分的にアルミニウム青銅を含み、かつ前記溝（９）の深さは前記シリンダライニング（２）の最大摩耗厚さよりも大きいことを特徴とする往復動ピストンエンジン。
2. 少なくとも１つのシリンダを有し、該シリンダのシリンダライニング（２）には、ピストン（６）に面する走行面（４）の領域に少なくとも１つの溝（９）が設けられており、該溝には充填材（１０）が設けられ、オイルポケット（８）形成する目的のために前記充填材（１０）を形成する材料は、前記シリンダライニング（２）の基本材料よりも早く摩耗する、往復動ピストンエンジン、特に大型の２ストロークディーゼルエンジンにおいて、
   前記溝（９）の前記充填材（１０）を形成する材料は少なくとも部分的にアルミニウムを含み、かつ前記溝（９）の深さは前記シリンダライニング（２）の最大摩耗厚さよりも大きいことを特徴とする往復動ピストンエンジン。
3. 少なくとも１つのシリンダを有し、該シリンダのシリンダライニング（２）には、ピストン（６）に面する走行面（４）の領域に少なくとも１つの溝（９）が設けられており、該溝には充填材（１０）が設けられ、オイルポケット（８）形成する目的のために前記充填材（１０）を形成する材料は、前記シリンダライニング（２）の基本材料よりも早く摩耗する、往復動ピストンエンジン、特に大型の２ストロークディーゼルエンジンにおいて、
   前記溝（９）の前記充填材（１０）を形成する材料は少なくとも部分的に黒鉛を含み、かつ前記溝（９）の深さは前記シリンダライニング（２）の最大摩耗厚さよりも大きいことを特徴とする往復動ピストンエンジン。
4. 前記溝（９）の前記充填材（１０）を形成する材料は、前記シリンダライニング（２）の基本材料よりも高い熱膨張を示すものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の往復動ピストンエンジン。
5. 前記溝（９）の前記充填材（１０）を形成する材料は、乾式潤滑性能を有するものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の往復動ピストンエンジン。
6. 前記溝（９）の前記充填材（１０）を形成するのに使用した前記アルミニウム青銅は、少なくともアルミニウム、鉄、および銅を含むことを特徴とする請求項１に記載の往復動ピストンエンジン。
7. 前記溝（９）の前記充填材（１０）を形成するのに使用した前記アルミニウム青銅は少なくとも、２−２０％、好適に９−１１％のアルミニウムと、０．５％−８％、好適に０．５−２％の鉄と、残りが銅からなる合金組成物を備えていることを特徴とする請求項６に記載の往復動ピストンエンジン。
8. 前記溝（９）の前記充填材（１０）を形成するのに使用した前記アルミニウム青銅は、２−２０％、好適に９−１１％のアルミニウム；０．５％−８％、好適に０．５−２％の鉄；０．１−８％のマンガン；０．１−２％のケイ素；０．１−１％のニッケル；０．１−２％の炭素；多くても５−２０％の、アンチモン（Sb）、コバルト（Co）、ベリリウム（Be）、クロム（Cr）、スズ（Sn）、カドミウム（Cd）、亜鉛（Zn）、鉛（Pb）の少なくとも１つを含む組成物；後の残りが銅からなる合金組成物を備えていることを特徴とする請求項６または７に記載の往復動ピストンエンジン。
9. 前記溝（９）の前記充填材（１０）を形成する材料は、５−６０％、好適に１５−２５％の黒鉛と、４０−９５％、好適に７５−８５％のアルミニウムおよび／またはアルミニウム青銅および／またはニッケルおよび／またはシリコンを含むものであることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の往復動ピストンエンジン。
10. 少なくとも１つの螺旋状の溝（９）が設けられていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の往復動ピストンエンジン。
11. 少なくとも前記シリンダライニング（２）の上部領域に、少なくとも１つの溝（９）が設けられていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の往復動ピストンエンジン。
12. 前記ピストン（６）が上死点に位置する場合に、少なくとも第１ピストンリング（５）および第２ピストンリング（５）によって制限された前記走行面（４）の領域に、少なくとも１つの溝（９）が設けられていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の往復動ピストンエンジン。
13. 前記ピストン（６）が上死点に位置する場合に、少なくとも一番下に位置するピストンリング（５）よりも下方の領域に、少なくとも１つの溝（９）が設けられていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の往復動ピストンエンジン。
14. 少なくとも１つの溝（９）が、前記走行面（４）の案内長さにわたって連続的に延在していることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の往復動ピストンエンジン。
15. 螺旋状の溝（９）のリードは、前記走行面（４）の直径の１．５％−２０％であることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の往復動ピストンエンジン。
16. 前記溝（９）の深さは、前記走行面（４）の直径の０．１％−０．４％であることを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の往復動ピストンエンジン。
17. 前記溝（９）の当初の幅は、前記走行面（４）の直径の１％−２％であることを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載の往復動ピストンエンジン。
18. 前記溝（９）は内側に向かって先細となる断面形状を有することを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載の往復動ピストンエンジン。
19. 前記溝（９）の前記充填材（１０）は、溶接コーティングあるいは溶射コーティングの形態をとるものであることを特徴とする請求項１から１８のいずれか１項に記載の往復動ピストンエンジン。

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