JP4361899B2 - 往復式機関およびピストンリング - Google Patents

Description

本発明は、1つの気筒内に収容されるピストンを少なくとも1つ有しており、このピストンに、1つの対応するピストンリング溝内に配置されるピストンリングが少なくとも1つ備えられており、このピストンリングが、その下面の、押圧力が負荷される接触面により、対応するピストンリング溝の下側内面上に載置されている往復式機関、特に好ましくは2サイクル大型ディーゼルエンジンとして構成される往復式内燃機関に関する。

ピストンリングを収容するピストンリング溝の下側の内面は、必然的に摩耗を受ける。耐用期間および必要な保守間隔の長さは、その摩耗率により左右されてしまう。摩耗率が高いほど保守間隔は短くなる。短い保守間隔は経済性に関して不利に作用する。特許文献1には、ピストンとシリンダライナ間の隙間から辿り着くことができる、掻き落とされた潤滑剤を受け容れて貯蔵するために利用される1つの環状溝を、半径方向内側の周縁部付近の下面に備えたピストンリングが示されている。しかしながら、これは、対応するピストンリング溝の下側担持面の摩耗率の低下を意図したものではない。
米国特許出願公開第2002/0033579号明細書

このような背景から本発明が解決しようとする課題は、冒頭に記した種類の往復式機関を、それぞれ対応するピストンリングを収容する各ピストンリング溝の下側内面の高寿命化が達成されるように、簡単かつ安価な手段により改良することにある。

この課題は、本発明に従って、ピストンリング溝の下側内面と接触するピストンリングの下面の押圧力が負荷される接触面積を、ピストンリングの半径方向内側の周縁部とピストンリング溝の半径方向外側の周縁部とによって限定されるオーバーラップ面積よりも小さく構成すること、またその際にはピストンリングの下面に、その有効接触面積を限定する複数の表面リセスを備え、これらのリセス間にウェブを備えることによって解決される。

表面擦過が生じ、それにより摩耗が生じ得るのは、ピストンリングの下面が、対応するピストンリング溝の下側内面と接触するところだけ、すなわち接触面の領域だけに限られる。ピストンリング下面の接触面積がオーバーラップ面積よりも小さいこと、またピストンリングが運転中に運動することから、ピストンリング溝の下側内面の、ピストンリングとの接触面に生じる摩耗は、オーバーラップ面全体に分散されるようになる。その結果、オーバーラップ面全体で見た摩耗率が比較的僅かとなり、またそれにより耐用期間が相応に延長されるようになる。そのため本発明に従った諸対策により、長い保全間隔が達成され、またそれにより傑出した経済性が達成される。

上位の各対策の有利な形態および好適な展開形態は、各従属請求項に記載される。

ピストンリングの有効接触面積とピストンリングの下面の総面積との比は、1:1.5から1:3までの範囲内にあると好適である。好ましい比は、1:2である。これにより発生する面圧と大面積への摩耗の分散との間で、有利な妥協策が得られるようになる。

上位の各対策の更に別の展開形態においては、対応するピストンリングを収容するピストンリング溝の下側内面が、1つの連続した表面を有するようになっている。これにより製造が簡単になる。

ピストンリング溝の下側内面の表面は、耐摩耗性の材料から成ると有利である。それにより耐用期間が延長されるようになる。

更にもう1つの有利な対策として、有効接触面積を限定する各リセスが、ピストンリングの半径方向内側の周縁部から始まるように構成することができる。これにより、ピストンリングの内周側に到達する排出ガスが、これらのリセス内に侵入できるようになり、それによりピストンリングの負荷軽減、およびそれに伴う有効接触面領域における面圧低下を達成可能となることが保証される。これは摩耗の低減に有利に作用する。

有効接触面積を限定する各リセスが、ピストンリングの半径方向外側の周縁部領域に対して割り当てられた1つの密着領域のところで終わるように構成されると有利である。密着領域をこのように連続的に構成することにより、ガスをシールする密着部が有利な形で実現されるようになる。

この密着領域には、ピストンリングの半径方向内側の周縁部から始まる1つのリセスと連通する1つの漏れ通路を形成する中断部が少なくとも1つ備えられると好適である。この対策により、特にピストンの上側に位置する各ピストンリングに関して所望されるところの、それぞれのピストンリングの下に位置するピストンリングへの高信頼度でのガス圧の負荷を保証するための管理下に置かれた漏れが実現されるようになる。

上位の各対策の更に別の好ましい形態においては、有効接触面積を限定する各リセスを、ピストンリングの半径方向内側の周縁部から始まり、好適には半径方向に対して斜めに延びながら、密着領域まで達する溝として構成することができる。この対策により、ピストンリングの回転運動が支援され、それによりオーバーラップ面全体にわたり摩耗が良好に分散されるようになる。

有効接触面積を限定する各リセスを互いに切り離しているそれぞれのウェブの幅が、ピストンリングのこれに対して横向きの移動量よりも小さく構成されると有利である。これもまた、オーバーラップ面全体への摩耗の均等な分散に有利に作用する。

上位の各対策のその他の有利な形態および好適な展開形態は、残りの従属請求項に記載される。また、図面に基づく以下の実施例の説明からも、これらを認識することができる。

本発明の主な適用部門は、大型往復式内燃機関、特に例えば船舶の動力源として使用されるような2サイクル大型ディーゼルエンジンであるが、このようなエンジンの構造および作動様式については、それ自体周知であるため、本発明との関係で詳細に説明するには及ばない。

図1に示される、2サイクル大型ディーゼルエンジンの、1つの燃焼室1を有する気筒は、シリンダライナ2、およびその上に取り付けられる、1つの弁3により制御可能な1つの排気口と1つの噴射弁4とを有するシリンダヘッド5により構成される。燃焼室1の下側可動限界は、シリンダライナ2の内部を案内される、図示されないピストンロッドに取り付けられた1つの下側部材とその上に取り付けられたピストンクラウン7とを有する1つのピストン6によって構成されている。ピストンクラウン7には、ピストンリング一式が配置されるが、これは図示の例においては外周部に設けられた四つのピストンリング溝8に嵌まり込む四つのピストンリング9により構成される。これらピストンリングは、いわゆるガスシール式のものであっても、または合い口部を有するものであってもかまわない。

通常は、ピストンリング一式のうち、少なくとも最上部のピストンリングは、出力損失を回避するために、その外周部の全体にわたり合い口間隙なしで連続的に延びた、シリンダライナ2の摺動面と協働する外周面を有している、合い口部のないピストンリングとして構成される。その下側に位置するそれぞれのピストンリングは、一定の角度で面取りされた両端部の間にスリット、すなわち合い口間隙が形成された、合い口部を有するピストンリングとして構成することができる。本発明は、そのいずれの場合にも有利に適用できるものである。

各ピストンリング9の下面は、それぞれ対応するピストンリング溝8の下側内面上に載置される。運転中には各ピストンリング9に燃焼室8内に発生するガス圧が負荷される。この負荷は、それぞれ対応するピストンリング溝の下側内面に伝達され、必然的にその摩耗をもたらしてしまう。摩耗が一定の値に達すると直ちに、これらピストンリング溝8を有しているピストンクラウン7を交換しなければならないが、それには高いコストが要求される。

ピストンクラウン7の耐用期間を延長し、それにより保守間隔を延長するために、各ピストンリング9の下面には、例えば図2から明らかであるように表面リセス10が備えられる。これらのリセス10により、それぞれ対応するピストンリング溝8の下側内面と実際に接触する、押圧力が負荷されるピストンリング9の接触面積が、最大限可能な接触面積に対して低減されるようになっている。したがってこの接触面積は、ピストンリング下面と対応するピストンリング溝8の下側内面とが互いに重なり合っているオーバーラップ面積よりも小さくなっている。すなわちこの接触面積は、ピストンリング9の半径方向内側の境界とピストンリング溝8の半径方向外側の境界とに挟まれた面積に対して縮減されている。この縮減率は、ピストンリング9の下面有効接触面積とその下面総面積との比が1:1.5から1:3の範囲内となるように選定される。好ましい一実施形態においては、ピストンリング9の有効接触面積と下面総面積との比が1:2となるように、この縮減率がピストンリング9の下面の概ね二分の一に等しくなっている。これにより実験では極めて優れた結果を達成することができた。

ピストンリング9の運動の結果、その有効接触面は、対応するピストンリング溝8の下側内面の、これと対向する支持面11の全体と次第に接触し、それによりピストンリング9の下面と支持面11間の実際の接触領域に発生する摩耗は、支持面11全体に分散されるようになる。したがって結果として生じる摩耗率は、この面全体で見ると比較的僅かなものとなる。

ピストンリング溝8の下側内面には、連続した支持面11を有している、耐摩耗性材料から成る1つの保護皮膜12が設けられると好適である。保護皮膜12を形成するために、クロムやクロム合金等の安価な材料が使用されるとよい。支持面全体の摩耗率が低減する結果、このような安価な材料を使用した場合にも、比較的長い運用寿命を達成することができる。

ピストンリング下面の有効接触面積を限定する各リセス10は、図2ないし図4から読み取れるように、これらが備えられるピストンリング9の半径方向内側の周縁部から始まっており、またそれにより、図2に最も良く示されているように、ピストンリング溝8の半径方向内側の境界と、間隔をおいてこれと対向するピストンリング9の半径方向内側の境界とによって限定された1つの環状空間13と連通している。ピストンリング9の高さは、対応するピストンリング溝8の内法高さよりも若干小さくなっている。これによりピストンリング9の上側には1つの間隙14が生じており、環状空間13はこれを介して、ピストンクラウン7とシリンダライナ2間の間隙15と連通され、これを介してさらに燃焼室1と連通されている。

したがって排出ガスは、図4に矢印16で示されるようにピストンリング9の周囲に流れて、それぞれのリセス10内に侵入することができる。これによりピストンリング9に作用する上向きの力が発生し、この力により有効接触面積に作用する押圧力が低減される。すなわち接触面の負荷が軽減されるが、これは既に言及した支持面11全体への摩耗の分散と並び、支持面11の運用寿命の延長に有利に作用する。

図2から図4に示される実施例においては、各リセス10が、図3に具体的に示されているように、ピストンリング9の半径方向内側の周縁部から始まり、ピストンリング9の半径方向外側の周縁部から距離を隔てたところで終わる溝として構成されている。その結果、ピストンリング9の下面と、対応するピストンリング溝8の下側内面の支持面11との、ガスをシールする密着状態を実現する、ピストンリング9の半径方向外側の周縁部と隣接した平坦な密着領域17が成立している。この密着領域17は、その最小幅とピストンリング9の全幅の比が1:3から1:5、好ましくは例えば1:4となるような幅を有していると好適である。

密着領域17に、図3および図4に示されるように、ピストンリング9の外周部と交差する1つの漏れ通路18を形成する中断部を少なくとも1つ備え、この中断部が、ピストンリング9の半径方向内側の周縁部から始まる1つのリセス10と連通することによって、排出ガスがピストンリング9の上側の領域から、図4に矢印16aで示されるように、ピストンリング9の下側の領域に到達できるようにすると好適である。流路18の内法断面積は、図3および図4から明らかであるように、これと連通する溝状のリセス10の内法断面積よりも小さくなっている。そのために流路18を形成する中断部の深さは、各表面リセス10の深さよりも浅くなっている。流路18の深さは、各リセス10の深さの四分の一(1/4)であれば十分であり、またリセス10の深さ自体は、ピストンリング9の幅の五十分の一(1/50)から二十分の一(1/20)、好ましくは三十分の一(1/30)であると好適である。

図2から図4に示される実施例においては、各リセス10が既述のようにピストンリング9の半径方向内側の周縁部から始まる溝として構成されている。これらの溝は、略正方形に近い面構造が成立するように構成されると好適である。各リセスの様態は、それぞれのリセスの両側面のうちの少なくとも一方が半径方向と角度αで交わるように選定されると有利である。他方の側面は、これと同じ角度αか別の角度βで半径方向と交わってもよいし、半径方向に延びていてもよい。流路18の両側面は、互いに平行に、半径方向に対して斜めに、好ましくはリセス10の半径方向に対してより大きな角度で傾斜している側面と同じ角度で延びていると好適である。

リセス10および場合によっては流路18の少なくとも一方の側面が半径方向に対して斜めに延びることによって、ピストンリング9の回転運動が支援されるようになるが、これは発生する摩耗の支持面11全体への分散に有利に作用する。

各リセス10の両側面の少なくともいずれか一方または両方の上述の傾斜角は、0°と60°の間であると好適である。図3に示される実施例においては、両側面が異なる角度αおよびβで半径方向に対して傾斜しており、そこでは角度αが好ましくは50°、角度βが好ましくは25°となっている。これによりピストンリング9の良好な回転挙動が達成される。流路18の傾きは、より大きな角度αで傾斜した側面と平行になっている。

各リセス10を形成するそれぞれの溝は、図3にさらに示されているように、複数のウェブ19により互いから切り離されており、これらのウェブは、ここでは密着領域17とつながっている。各ウェブ19の幅は、これに対して横向きのピストンリング9の回転移動の量よりも小さいと好適であり、これもまた支持面11全体への摩耗の均等な分散に有利に作用する。

角度αおよびβが異なるために、それぞれのウェブ19の幅は、半径方向内側の方が密着領域と対向した端部の方よりも広くなっている。これによりピストンリング9は、図3に明確に示されるように、その半径方向内側の周縁部と隣接した領域において、ピストンリング溝8の支持面11と、リセス10の両側面が互いに平行に延びている場合に比べて、より大面積で密着するようになる。その結果、ピストンリング9の半径方向内側の密着部と半径方向外側の密着部間の釣り合いが良くなると共に、それにより高信頼度のシール効果が達成される。

図5および図6に示される実施例においては、ピストンリング9の有効接触面積を低減する各リセスに別の構成形状が与えられている。しかしながらその摩耗低減効果は、上述の実施例と同一である。そのため、ここでも同じ部材には同じ参照符号が付されている。図5、図6に示される実施形態においては、ピストンリング9の下面に、接触面積を低減する各リセスを形成するために、その半径方向内側ならびに半径方向外側の周縁部と同心円を描く複数の環状溝20が備えられており、これらの溝20は、ピストンリング9の半径方向内側の周縁部から始まり半径方向に延びている少なくとも1つのステッチ状の溝21と連通している。ピストンリング9の全周にわたり、複数のステッチ状の溝21が備えられてもかまわない。半径方向に幾重にも並べて配置されるそれぞれの溝21の間には、これらと同心のウェブ22が備えられる。各ウェブ22の半径方向の幅は、ピストンリング9の半径方向の移動量よりも小さいと好適である。

ピストンリング9の半径方向外側の周縁部のところから、ガスをシールする密着状態を実現する幅が比較的広い1つの密着領域17が備えられている。これは、1つのステッチ状の溝21から延びている少なくとも1つの流路18により中断されている。深さの比ならびに面積の比については、図5および図6に示される実施例においても、上述の図2から図4に関する説明がそのまま当てはまる。

以上の説明から、本発明が、有効接触面積を低減する各リセスの図示の構成形状に限定されず、むしろ実際にはどのような形状も可能であることが明らかである。

2サイクル大型ディーゼルエンジンの1つの気筒の部分縦断面図である。 図1から1つのピストンリングを含む部分を切り取って示した拡大図である。 図2のピストンリングの下面の平面図である。 ガス流と共に示した図2のピストンリングの半径方向断面図である。 ピストンリングの別の実施形態の平面図である。 図5のピストンリングの半径方向断面図である。

符号の説明

1 燃焼室
2 シリンダライナ
3 弁
4 噴射弁
5 シリンダヘッド
6 ピストン
7 ピストンクラウン
8 ピストンリング溝
9 ビストンリング
10,20,21 リセス
11 支持面
12 保護皮膜
13 環状空間
14,15 間隙
16,16a 排出ガス流
17 密着領域
18 漏れ通路
19,22 ウェブ
20 溝
21 ステッチ状の溝

Claims (18)

1. 往復式機関であって、1つの気筒内に収容されるピストン(6)を少なくとも1つ有しており、前記ピストン(6)に、1つの対応するピストンリング溝(8)内に配置されるピストンリング(9)が少なくとも1つ備えられており、前記ピストンリング(9)が、その下面の、押圧力が負荷される接触面により、前記対応するピストンリング溝(8)の下側内面上に載置されている2サイクル大型エンジンとして構成される往復式内燃機関において、
   前記ピストンリング溝(8)の前記下側内面と接触する前記ピストンリング(9)の下面の前記押圧力が負荷される接触面積が、前記ピストンリング(9)の半径方向内側の周縁部と前記ピストンリング溝(8)の半径方向外側の周縁部とによって限定されるオーバーラップ面積よりも小さく、またその際には前記ピストンリング(9)の下面に、その有効接触面積を限定する複数の表面リセス(10;20,21)が備えられ、前記各リセス(10;20,21)の間にウェブ(19,22)が備えられ、
   前記ピストンリング(9)の前記下面有効接触面積を低減する前記各リセス(10;20,21)が、前記ピストンリング(9)の下面の半径方向外側の周縁部領域に対して割り当てられた1つの密着領域(17)のところで終わり、
   前記密着領域(17)に、前記ピストンリング(9)の半径方向内側の周縁部から始まる1つのリセス(10;20,21)と連通する1つの漏れ通路(18)を形成する中断部が少なくとも1つ備えられ、
   前記漏れ通路(18)の内法断面積が、前記ピストンリング(9)の前記下面有効接触面積を低減する前記各リセス(10;20,21)の内法断面積よりも小さいことを特徴とする往復式機関。
2. 請求項1に記載の往復式機関において、
   前記ピストンリング(9)の下面の有効接触面積と前記ピストンリング(9)の下面の総面積との比が、1:1.5から1:3の範囲内にあることを特徴とする往復式機関。
3. 請求項2に記載の往復式機関において、
   前記ピストンリング(9)の前記下面有効接触面積と前記ピストンリング(9)の前記下面総面積との比が、1:2であることを特徴とする往復式機関。
4. 請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の往復式機関において、
   前記各リセス(10;20,21)が、前記ピストンリング(9)の半径方向内側の周縁部から始まることを特徴とする往復式機関。
5. 請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の往復式機関において、
   前記ピストンリング溝(8)の前記下側内面が、1つの連続した支持面(11)を有することを特徴とする往復式機関。
6. 請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の往復式機関において、
   前記ピストンリング溝(8)の前記下側内面に、耐摩耗性材料から成る1つの皮膜(12)が形成されることを特徴とする往復式機関。
7. 請求項6に記載の往復式機関において、
   前記皮膜(12)がクロムまたはクロム合金から成ることを特徴とする往復式機関。
8. 請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の往復式機関において、
   前記密着領域(17)の最小幅と前記ピストンリング(9)の全幅の比が1:4であることを特徴とする往復式機関。
9. 請求項1ないし請求項8のいずれか一項に記載の往復式機関において、
   前記ピストンリング(9)の前記下面有効接触面積を低減する前記各リセス(10;20,21)の深さと前記ピストンリング(9)の幅との比が、1:50から1:20の範囲内にあり、好ましくは1:30であることを特徴とする往復式機関。
10. 請求項1ないし請求項9のいずれか一項に記載の往復式機関において、
    前記ピストンリング(9)の前記下面有効接触面積を低減する前記各リセスが、複数のウェブ(19;22)により互いに切り離されており、前記各ウェブ(19;22)の幅が、それに対して横向きの前記ピストンリング(9)の移動量よりも小さいことを特徴とする往復式機関。
11. 請求項1ないし請求項10のいずれか一項に記載の往復式機関において、
    前記ピストンリング(9)の前記下面有効接触面積を低減する前記各リセス(10)が、前記ピストンリング(9)の半径方向内側の周縁部から始まる溝として構成されることを特徴とする往復式機関。
12. 請求項11に記載の往復式機関において、
    前記各リセス(10)を形成する前記各溝の少なくとも一方の側面が、半径方向に対して角度αで傾斜していることを特徴とする往復式機関。
13. 請求項12に記載の往復式機関において、
    前記各リセス(10)を形成する前記各溝の両側面が、半径方向に対して傾斜していることを特徴とする往復式機関。
14. 請求項13に記載の往復式機関において、
    前記各リセス(10)を形成する前記各溝の両側面が、半径方向に対して異なる角度で傾斜していることを特徴とする往復式機関。
15. 請求項12ないし請求項14のいずれか一項に記載の往復式機関において、
    前記両側面の傾斜角が最大で60°であることを特徴とする往復式機関。
16. 請求項14または請求項15に記載の往復式機関において、
    一方の側面の傾斜角が25°であり、他方の側面の傾斜角が50°であることを特徴とする往復式機関。
17. 請求項1ないし請求項10のいずれか一項に記載の往復式機関において、
    前記ピストンリング(9)の前記下面有効接触面積を低減する前記各リセスが、前記ピストンリング(9)の内外の周縁部と同心である複数の溝(20)を有しており、前記各溝(20)が、前記ピストンリング(9)の半径方向内側の周縁部から始まり半径方向に延びている少なくとも1つのステッチ状の溝(21)と連通することを特徴とする往復式機関。
18. 2サイクル大型エンジンのピストンの半径方向に延在する支持面に当接するための、少なくとも1つのその面を有するピストンリングであって、ピストンリングの内側軸方向面に対する開放接続部を備えたリセスが設けられており、
    前記リセスが支持面に面するようピストンリングが配置されたとき、各リセスは、ピストンリングの軸方向外周面近傍で流動バリアを形成するようになっており、
    前記リセスは、ピストンリングの軸方向外周面とつながる流動制限チャネルを有し、前記チャネルの流動面積は、すぐ上流の前記リセスの流動面積の最大1/5であることを特徴とするピストンリング。

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