JP5261463B2 - 内燃機関のためのピストン - Google Patents

Description

引用によりここに組み入れられる欧州特許公開番号第ＷＯ９５／０８０５５号明細書の開示において、燃焼室内のピボット点の周りに揺動するピボットピストンを利用した内燃機関が説明される。ピストンは、ピボット点から遠い方のピストン端に隣接した、クランク軸を駆動する連接棒に接続される。ピストンは、燃焼室の壁に対してシールするための弧状の第一シール面と、ピストンの床部によって弧状の第一シール面に連結される第二シール面とを有する。両シール面は、ピストンのピボット点から一定の半径方向の寸法を有する。
弧状の第一シール面は、弧状のシール面の壁の一部が燃焼室の壁とガスシールを形成するようなスカートを形成する。スカートはまた、ピストンの熱を放散させるのを助ける。熱膨張によって起こることがある歪みを補償するために、ピストンの外面と燃焼室の壁との間に十分な隙間が維持されなければならない。

ピストンはまた、燃焼室の壁に向かってピストンの側面をシールする手段を含み、このために種々の形態のシールが利用される。これらは通常、シールが配置されるシール溝によって、ピストンの上か又は燃焼室の壁のいずれかの適当な位置に保持される。更に、シールが溝に正しく配置されることを保障する手段も提供される。
従来技術のピストンは、通常は一体型に製造され、ピストンの前縁及びピストンの側部のシール溝と、燃焼室の壁に対するピストンの適切なシールが得られるようにする、ＷＯ９５／０８０５５号に開示される手段とを含む。
本発明の目的は、ピボットピストンを用いるＷＯ９５／０８０５５号に記載されるようなピボットピストン式の内燃機関に利用可能な、改良されたピストン及び／又はピストンの部品を提供することである。

従って、本発明の一形態は、それによりピストンが内燃機関の燃焼室内でピボット運動することができるピボット軸線と、該ピボット軸線から間隔をおいて配置され、ピボット軸線の周りに円周方向の経路を描く弧状の第一シール面と、該弧状の第一シール面から半径方向にずらされ、ピストンの床部によって弧状の第一シール面に接続された弧状の第二シール面とを有し、該弧状の第二シール面は、少なくとも二つの部品を含み、該部品の各々は、ピストンの一部を形成するシールベッド上に、一方の部品の縁が第二の部品の縁と嵌合する状態で隣接して配置され、該部品の嵌合する縁の間にガスシールを形成するための手段が設けられた、内燃機関のピボットピストンから構成されると言える。

好ましくは、弧状の第二シール面は、縦方向端と横方向縁とを有する少なくとも二つのほぼ長方形の部品を含み、該部品の各々は、チャンバの壁に向かってシールするようになった弧状のシール面と、ピストンのシールベッド上に支持されるようになった後面とを有し、該部品の各々は、一方の部品の内側横方向縁が第二の部品の横方向縁と隣接し且つ嵌合する手法で配置され、該部品の各々の外側横方向縁がチャンバの壁とのシール接触を維持できるように、シールベッド上での該部品の各々の移動が制限されることになる。
部品の縦方向端は、ピストンのシールベッドに形成された溝の上に配置されるようになっていることが好ましい。
部品は外向きにばね付勢されることが好ましい。
部品の隣接する縁は、嵌合してシールベッドと共にガスシールを形成することが好ましい。
部品の隣接する縁は、互いにかみ合う形に形成されることが好ましい。

本発明の別の形態は、それによりピストンが内燃機関の燃焼室内でピボット運動することができるピボット軸線と、該ピボット軸線から間隔をおいて配置され、ピボット軸線の周りに円周方向の経路を描く弧状の第一シール面と、該弧状の第一シール面から半径方向にずらされ、ピストンの床部によって弧状の第一シール面に接続された弧状の第二シール面とを有し、弧状の第一シール面が、ピボット軸線から遠い方のピストンの縁に配置される取り外し可能なスカートを備えた、内燃機関のためのピボットピストンから構成されると言える。
スカートは、ピストンのピボット軸線から円周方向の経路を描く外面を有することが好ましい。
スカートは、本質的に長方形であり、二つの縦方向縁と二つの側縁とを有し、縦方向縁は、スカートの外面が内燃機関の燃焼室の壁に向かってシールできるように、該スカートをピストン上に配置可能な手法に形成されることが好ましい。
縦方向縁の一つは、ピストンに形成された溝の中に配置されるようになった舌部を備えることが好ましい。
スカートの第二の縦方向縁は、それによりピストンに固定することができるフランジをもつロール構成を備えることが好ましい。

本発明の更に別の形態は、両方ともピストンのピボット軸線の周りに円周方向の経路を描く弧状の第一シールと弧状の第二シールとを有し、弧状の第一シールは弧状の第二シールから半径方向にずらされ、該ピストンは、弧状の第一及び第二シールの間に延びる床部を有し、且つ該ピストンの側部のシール溝に配置された側部シールを含み、該側部シールは、該ピストンの側部と燃焼室の壁との間にガスシールを維持するようになっており、該側部シールの各々は、位置決めピンによってシール溝内に配置される、内燃機関のためのピボットピストンから構成されると言える。
位置決めピンは、シール溝の壁に形成された穴の中に維持され、且つ側部シールに形成された相補的なカットアウトと係合することが好ましい。

本発明のさらに別の形態は、両方ともピストンのピボット軸線の周りに円周方向の経路を描く弧状の第一シールと弧状の第二シールとを有し、弧状の第一シールは弧状の第二シールから半径方向にずらされ、該ピストンは、弧状の第一及び第二シールの間に延びる床部を有し、該ピストン内に冷却媒体のための冷却通路が設けられた、内燃機関のためのピボットピストンから構成される。
冷媒通路は、ピボットピンからの入口と、ピストンに形成されたギャラリを通る、ピボットピンからの出口とを含むことが好ましい。

ＷＯ９５／０８０５５号の開示に基づくピボットピストンの部分側面略図である。 図１に示されたものと類似であるが、本発明の幾つかの完全体が組み入れられたピストンの側面図である。 滑りシールが付いているがスカートが付いていない図２のピストンを表す、スウェプト端から見た横向き斜視図である。 図３に示されたピストンのピボット端の下から見た横向き斜視図である。 図３に示されたピストンのピボット端の上から見た横向き斜視図である。 本発明のピストンに組み入れられた滑りシールの一形態の正面から見た図である。 滑りシールの隣接する部品間の接合部の改良例の一つが示され、更に予荷重ばねが示された、図６の滑りシールの後部の図である。 図７に示された滑りシールの正面図である。 ピストンに組み入れられた滑りシールの位置と先行ばねの位置とを表す、本発明に基づくピストンのピボット端から見た図である。 スカートが付いているが滑りシールが付いていない本発明のピストンのスウェプト端から見た横向き斜視図である。 図１０に示されたピストンの、ピストンのピボット端の上から見た横向き斜視図である。 図１０に示されたピストンの下から見た横向き斜視図である。 本発明のスカートの一形態の後部から見た横向き斜視図である。 図１３ａに示されたスカートの下から見た横向き斜視図である。 図１３ａに示されたスカートの前面から見た横向き斜視図である。 シールの位置決めピンを詳細に表す部分的な概略図である。

次に、本発明を、添付の図面を用いて説明する。
ＷＯ９５／０８０５５号に開示された、図１に表される従来技術のピストン１０は、ピボットピン１４によって燃焼室（図示せず）内でピボット運動し、ピストンにスカートを形成する弧状の第一シール面１２を有する。従来技術のピストンは更に、スカート１２から半径方向にオフセットされた弧状の第二シール面１３を含み、スカートの表面と弧状の第二シール面との両方は、ピボットピン１４の周りに円周方向の経路を描く。このピストンは、連接棒の端（図示せず）を受けるピストンピン１１を含み、これによりエンジンのクランク軸が回転される。図１に表されるピストンは更に、弧状面１２が燃焼室（図示せず）の壁に向かってガスシールできるようにするシール手段を受けるために、弧状面１２に組み入れられたシール溝１５を含む。弧状の第二シール面１３も、同じく図示されていない対応する第二チャンバの壁に向かってガスシールを形成する。ピストンは、燃焼室の側面に向かってシールすることになるシールを受け入れるために、側部の溝１６を含む。

特に図２から図８までに示されるような改良されたピストンは、燃焼ガスの気密性を助けると同時に製造過程を単純化する改良されたシール設計を提供する。特に図１に表される従来技術のピストンは、通常は、ピストンの両側に配置される側部シールと、第一弧状面の前縁に配置されるシールと共に、一体型に製造されていた。これらシールは、ピストンの半径方向内側面１３より引っ込んだシールスロット１５（図１参照）と、ピストンの両側にあるシールスロット１６に保持されていた。このシール設計は、シールスロット１５が、ヘッドの側面からピストンの側部の中に延びてヘッドに配置されたシールと合流し、さらに、ピストンの半径方向内側面の外縁の周りに延びてサイドシールと合流することを必要とする。
燃焼室の壁に対するピストンの上記のシール形態には、種々の製造上の問題があり、シールスロット１５がピストン部品の側部からその横側の内側プレート面の中に延びるための必要条件を克服するには、ピストンの半径方向の表面と側面が交差することにより形成された角部においてチャンバをシールすることが必要である。

図２から図９までに示されるように、図１のシール面１３の構造が修正されてきた。特に図３、図６、図７及び図８を参照すると、シールは、滑り面で構成されている。シール面は、ピストンの床部２１からピボット軸線１４まで半径方向に延びるベッド２０を備える。ベッドは、構造体に十分な剛性を与えるために、ガセット１７（図４参照）によって適切に強化される。ベッド２０には、ブリッジ３２によって分離されたカットアウト２３（図９及び図１０参照）が含まれることが好ましい。

図示された形態において、滑りシール（特に図７及び図８参照）は、実質的に同じものとすることができる二つの弧状シール部品２４を備える。この部品は、シール面のベッド２０に形成された溝２６に配置可能な舌部２５を含む。部品２４の後面は、ベッド２０の上に密接に接触する形状にされ、さらに、部品が溝２６に保持されるが溝２６内での該部品の横方向移動を制限することができるように、舌部２５が溝２６に配置されることになる。
弧状のシール部品の各々は、図７及び図８の２８で表されるようなかみ合わせ面の形状であることが好ましい嵌合面を有する。図示されたかみ合わせ面の好ましい形態の一つは、互にかみ合う正弦波の形状である。かみ合わせ面の目的は、二つのシール部品がシールベッド２０上で独立して横方向移動できるようにし、しかし該二つの部品の接合部において、嵌合面を通る燃焼ガスの経路に制限を設けることである。他の形状のかみ合わせ面を用いることもでき、図示された特定の形状は、かみ合わせ面の一つの形態の例として提供されているに過ぎないことが理解されるであろう。

シール部品２４は、耐磨耗性の高い材料で形成されるか、又は耐磨耗性の高い表面をもち、特にシール部品の側縁３０は、燃焼室の側面に対するシール面が設けられるように形成される。十分なシールを保証するには、部品は、燃焼室の壁に向かって部品２４の縁３０を付勢するために、ばね負荷されることが好ましい。この目的を達成する好ましい形態の一つは、引張ばね３１を用いるものであり、特に図７及び図９を参照されたい。ばね３１は、本質的にＵ字型のばね鋼で形成され、ピストンのブリッジ３２の後ろにあるガセット１５に形成された穴に配置される。ばねの脚部をシール部品に固定する種々の方法が利用可能である。極めて好ましい形態の一つは、図面に表されるように、シール部品２４の後面に形成された穴に、ばねの脚部の端を係合させることである。

滑りシールは、二つの部品で構成されるように示されるが、これは好ましい構成に過ぎず、各々の部品の間の適切なシール面２８に関する必要に応じて、二つ以上の部品を利用可能であることが理解されるであろう。構成部品の熱膨張によって、圧力漏れが起こることのある破断線に過度の隙間が生じないことを保障するために、二つの部品の間の破断線は、互いにかみ合う面に形成される。この互いにかみ合う面の形態は好ましい構成に過ぎず、接合部を通るガスシールを与えるという所望の目的が達成される種々の形態が意図されていることが当業者には明らかであろう。
引張ばね３１の目的は、滑りシールの部品に外向きに予荷重を加え、それにより燃焼室の両側面に対するシール部品の両側面の間のシール接触を維持するのを助けることである。

滑りシール部品の使用から生じる別の利点は、シール面１３が、ピストンの部品とは別の部品で構成され、これにより、ピストンとは別に製造可能なことである。この部品は、ピストンのベッド２０の保持溝２６を使用して、遠心力の下で動くことを制限される。滑りシール部品の表面上で磨耗が起こった場合に、部品を取り外し、及び取り替えるのは簡単な事となる。
修正から生じる別の利点は、同様のシール部品が、ヘッドに配置されるシールと側壁プレートの内面との両方に合わさることである。ピストンの周りのチャンバのシールラインは、半径方向内側シール面がチャンバの側壁と合わさる点で交差する。従って、ピストンの半径方向内側面の二つの側部にあるピストンのシーリングが、該ピストンの半径方向内側面より引っ込んでいないことから、シールハウジングは、チャンバの側壁プレートの内面には必要とされない。
さらに別の利点は、シール手段の弧状面は、ピストンと一体の部分ではなく、それゆえ均等に膨張可能であることから、該弧状面が熱膨張によって変形されないことである。これにより、一直線のシール面が保持されることが保証され、したがって、シールが、チャンバの壁との良好なシール接触を維持できるようになる。
更なる利点は、滑りシール部品が、取り替え可能な部品であることである。この部品が、回転するマンドリル上で表面研削されることから、ピストンの内側弧状面を研削する困難が克服されるので、これによりピストンの製造が容易になる。

本改良にはピストンのための修正されたスカートも含まれており、その好ましい実施形態は、図１０から図１３までに示される。
スカート４０は、該スカート４０がピストンに取り付けられた時に、ピボット軸線１４から円周方向の経路を描く外面４１をもつように成形される。スカート（特に図１３ａ、図１３ｂ、及び図１３ｃ参照）は、本質的に長方形であり、横方向縁の一つに舌部４２が形成され、該舌部４２は、ピストンの床部２１の下にあるピストンの前壁に形成された位置決め溝４３（図３参照）に、適切に嵌合される。スカートの第二横方向縁は、ピストンのラグ４７（同様に図３及び図４参照）の上に寄り掛かるフランジ４６を設けるために、ロール構成４５に成形されることが好ましい。フランジ４４は、リベット（図示せず）によってラグ４７に取り付けられ、スカートの下縁がピストンにしっかりと配置される。ロール構成４５の可撓性により、スカートは、位置決め溝４３から部分的に浮動可能であり、これにより燃焼室の壁との良好なシール接触が可能になる。何らかの理由によりスカートの取替えが必要とされる場合に、リベットを取り外し、位置決め溝４３の外に舌部を持ち上げるのは簡単な事である。

欧州特許公開番号ＷＯ９５／０８０５５号明細書に開示されるようなエンジンの形状において、ピストンのスカートの主な機能は、ピストンが上死点位置にある時に、一次誘導チャンバから排気ポートを封鎖することである。スカートはまた、ピストンのクラウン領域から熱を放散させるのに効果的である。周知の円形ピストンのスカートの主要な機能は、スラスト荷重を抑制することであるが、これは、欧州特許公開番号ＷＯ９５／０８０５５号明細書に開示されたピストンの必要条件ではなく、従って、別個の本質的に浮動する部品としてスカートを形成することができる。ここに開示されるようにスカートを別個の部品として形成する利点は、ピストン部品から外向きに燃焼室の表面に合わさるまで移動し、ピストンが高温であるのか又は低温であるのかに関わらず、一定の接触を保持するように該スカートを形成することができることである。これにより、ピストンの膨張が補償され、排気ポートからの一次誘導チャンバの良好なシーリングが保証される。熱は、ピストンの前縁から浮動する半径方向外側のスカートを通って燃焼室に移送される。これが達成されるのは、浮動するスカートにより、ピストンの熱膨張範囲全体にわたって、ピストンと燃焼室の冷えた表面の両方との直接的な接触が保持されるためである。更に、スカートは、取り替え可能な部品とすることができるので、ピストンの製造が簡単化される。

スカート４０は、舌部４２が形成された一つの横方向縁と、ロール構成４５が形成された第二横方向縁とを有するように記載されるが、これらはスカートをピストンに取り付けるのに極めて好ましい方法であることが理解されるであろう。当業者には明らかであるような、スカートをピストンに取り付けるその他の方法も利用可能であり、その主要な必要条件は、スカートがピストンにしっかりと取り付けられることであり、更に、ピストンに対して所望の浮動度をもち、直ちに取り外し及び取り替え可能であることが必要とされる。

また、ピボット軸を通る冷却液通路を形成することにより、ピストンを液体冷却することも可能である。冷却液は、ピボット軸を経由してピストンの中に循環され、次いでピストン冷却ギャラリを通り抜けて、ピボット軸の別の端から排出されることになる。液体冷却は、エンジンを長時間にわたって高荷重で作動可能にする速度でピストンから熱を取り去ることができるという重要な利点を有する。液体冷却の付随的な利点は、航空機作動用に設計されたエンジンにあり、それは、液体冷却により、良好な余裕安全率を安全な全負荷運転のタイムリミットにすることができるためである。更に、ピストンをエンジンに嵌める時に、熱膨張に必要とされる隙間が減ることになる。

ピストンのさらに別の変更は、ピストンの側部シールの位置である。例えば、ピストンリングが溝の中で回動しないことを保証するために、従来のピストンの溝に、ピンを使用することが知られている。これは、燃焼室の壁に吸気ポート又は排気ポートが形成される時に、ピストンリングがリング溝の中で、該ピストンリングのギャップが燃焼室の壁のポートに合わさる位置まで移動する可能性を防ぐのに特に重要である。図２及び図１４により詳細に示された本発明の場合には、弧状のピストン経路によって生じた遠心力の作用下で、水平側シール６２が移動するのを制限するために、制限ピン６０が使用される。水平側シール６２の中の制限ピン６０は、前方シールの外端に側部シールの遠心負荷がかかるのを制限するために、シールの内縁上に形成された整合溝６３に逆らって立つ。側部シールの制限ピン６０の別の機能は、水平側シールの後ろから圧力の逃げ路を閉鎖することである。ピン６０がこのように作用するのは、燃焼室のシーリング領域のピボット側にあるシール溝６３の後方に配置されているためである。従って、水平側シール６２が制限ピン６０の周りにぴったりと嵌るので、シールの後ろのガス漏れ通路が遮断される。
本明細書を読むことで、本発明の構造に様々な修正及び追加を行うことができ、それでもなお本発明の一般的概念に入ることが、当業者には明らかとなるであろう。かかる全ての修正及び変更は、本発明の範囲内に含まれることが意図される。

Claims (11)

1. ピボット軸線まわりに揺動するように拘束された内燃機関のためのピボットピストンであって、
   前記ピボット軸線を有するピボット軸と、
   前記ピボット軸線の周りに円周方向の第１の経路を描く弧状の第一シール面と、
   シールベッドと、
   前記弧状の第一シール面から半径方向にずらされ、前記ピボット軸線の周りに円周方向の第２の経路を描く弧状の第二シール面と、
   を有し、
   前記弧状の第二シール面が、シールベッド上に並んで配置された少なくとも二つの部品を含み、該部品は、該部品が前記シールベッド上で独立に横方向運動をすることができるようにする、かみ合わせ面の形状の嵌合縁を形成する縁を有し、該嵌合縁の該かみ合わせ面の形状は、該嵌合縁に沿って該二つの部品の間を燃焼ガスが通り抜けるのを制限するものであり、
   前記弧状の第一シール面と前記弧状の第二シール面との間に延びるように、床が形成され、
   該ピストン内に冷却媒体のための冷却液通路が設けられ、該冷却通路は、前記ピボット軸を通るピボット軸内通路と、該ピストン冷却ギャラリとからなる
   ことを特徴とするピストン。
2. 前記部品がほぼ長方形であり、前記部品の各々が、縦方向端と、横方向の外縁と、燃焼室の壁をシールするための弧状のシール面と、前記シールベッドに支持された後面とを有することを特徴とする請求項１に記載のピストン。
3. 前記シールベッドが溝を有し、前記部品の縦方向端が、前記溝内に配置されたことを特徴とする請求項２に記載のピストン。
4. 前記部品は前記シールベッドに密接に接触しており、この密接接触によって、前記嵌合縁が、前記シールベッドと共にガスシールを形成することを特徴とする請求項１に記載のピストン。
5. 前記部品の隣接する縁が、互いにかみ合う形状に形成されたことを特徴とする請求項２に記載のピストン。
6. 前記弧状の第一シール面が、前記弧状の第二シール面よりも前記ピボット軸線から遠い位置にあり、前記第一のシール面は、取り外し可能なスカートを備えたことを特徴とする請求項１に記載のピストン。
7. 前記スカートが本質的に長方形であり、燃焼室の壁にシール係合することを特徴とする請求項６に記載のピストン。
8. 前記スカートが舌部を備える第一の縦方向縁を有し、前記ピストンが該舌部を受ける溝を有し、前記舌部が該溝の中に挿入できるようになったことを特徴とする請求項６に記載のピストン。
9. 前記床に対して半径方向にずれた位置に半径方向に延びる壁構造が形成され、前記スカートが第二の縦方向縁を有し、該第二の縦方向縁が、前記壁構造に固定することができるフランジを有するロール構成を備えたことを特徴とする、請求項６に記載のピストン。
10. 前記壁構造は、少なくとも一つのラグであることを特徴とする請求項９に記載のピストン。
11. 側部にシール溝を有し、
    ピストンの側部と燃焼室の壁との間にガスシール状態を維持するための複数の側部シールが前記シール溝内に配置され、
    前記側部シールの各々を前記シール溝内に保持するための位置決めピンが前記シール溝内に延びている
    ことを特徴とする請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載のピストン。

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