JP6093355B2 - 対向ピストンエンジンにおけるシリンダの衝突冷却 - Google Patents

Description

［関連出願］
本出願は、以下の係属中の米国特許出願の主題に関係する主題を含むものである。
「２サイクル対向ピストン内燃機関（Ｔｗｏ‐Ｃｙｃｌｅ，Ｏｐｐｏｓｅｄ‐Ｐｉｓｔｏｎ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ）」という名称で２００９年６月２２日に出願され、２００９年１２月３日に米国特許出願公開第２００９／０２９３８２０Ａ１号として公開された米国特許出願第１２／４５６，７３５号；
「複数シリンダ対向ピストンエンジン（Ｍｕｌｔｉ‐Ｃｙｌｉｎｄｅｒ Ｏｐｐｏｓｅｄ Ｐｉｓｔｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｓ）」という名称で２０１０年２月１２日に出願され、２０１０年８月２６日に米国特許出願公開第２０１０／０２１２６１３号として公開された米国特許出願第１２／６５８，６９６号；
「潤滑および冷却のための潤滑剤の制御供給を伴う対向ピストンエンジン（Ｏｐｐｏｓｅｄ Ｐｉｓｔｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｓ ｗｉｔｈ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｐｒｏｖｉｓｉｏｎ ｏｆ Ｌｕｂｒｉｃａｎｔ ｆｏｒ Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｏｌｉｎｇ）」という名称で２０１０年２月１２日に出願され、２０１０年８月２６日に米国特許出願公開第２０１０／０２１２６３８号として公開された米国特許出願第１２／６５８，６９７号；
「対向ピストンエンジン用のシリンダ・ピストンアセンブリ（Ｃｙｌｉｎｄｅｒ ａｎｄ Ｐｉｓｔｏｎ Ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ ｆｏｒ Ｏｐｐｏｓｅｄ Ｐｉｓｔｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｓ）」という名称で２０１０年２月１２日に出願され、２０１０年８月２６日に米国特許出願公開第２０１０／０２１２６３７号として公開された米国特許出願第１２／６５８，６９５号。

［技術分野］
本分野は、対向ピストンエンジン用のポート付きシリンダをカバーする。より詳細には本分野は、２ストローク対向ピストンエンジンにおけるポート付きシリンダの衝突冷却に関するものである。

２ストローク対向ピストンエンジンでは、２つのピストンが、細長いシリンダのボア内に対向配置される。排気ポートおよび吸気ポートは、シリンダのそれぞれの端部付近にシリンダ側壁を貫通して設けられる。エンジンが作動すると、ピストンは、シリンダボア内で互いに接近離間するように摺動する。ピストンが共に摺動するにつれ、ピストンの端面間で空気が圧縮され、圧縮空気中に燃料が噴射されると燃焼が生じる。ピストン端面は、シリンダボア内の比較的狭い円筒状の空間に燃焼を包含し、その空間の側面が、排気ポートと吸気ポートとの間の実質的に中央に位置するシリンダ側壁の外周部により画定される。この外周部は、シリンダの中央帯と称される。ピストンは、燃焼に応じて中央帯から離間するように摺動するときに、排気ポートおよび吸気ポートを開放して、吸気ポートを経てシリンダボア内に流入する加圧空気が排気ポートを通して燃焼生成物をボアの外へ追いやるユニフロー掃気を可能にする。

このような２ストローク対向ピストンエンジン用の冷却システムの構造は、４ストロークエンジンの冷却システムの構造と実質的に異なる。対向ピストンエンジンでは、燃焼により中央帯に熱負荷が集中し、掃気中の一方向の空気の流れの結果、中央帯からシリンダの端部にかけて非対称な熱分布が生じる。つまり、中央帯はシリンダの最も高温となる部分であるが、シリンダの排気端部は吸気端部よりも高温である。この非対称熱負荷は、シリンダの長手方向と円周方向の歪みの原因となる。シリンダの歪みは、ピストンとシリンダボアとの間の摩擦の増大、ボアの引掻き傷、エンジンの耐久性の低下につながる。

中央帯における高い熱集中は、エンジン寿命に対して別の脅威をもたらす。燃焼が生じると、対向ピストン（図示せず）は、上死点（ＴＤＣ）位置を通過する。ピストンＴＤＣ到達後、ピストンは、方向を反転し、燃焼圧力に応じて互いに離間するように移動し始める。反転が始まると、燃焼により、中央帯と重なるボア面域（「トップリング反転域」）に各ピストンのリングをしっかりと着座させる、中央帯での圧力の急激な上昇がもたらされる。リングとボアとの間の摩擦の急上昇（ｓｐｉｋｅ）は、ボア面の摩耗を増大させる原因となる可能性がある。したがって、中央帯が受ける熱負荷にもかかわらず、トップリング反転域における潤滑油膜が保持されることが、エンジンの耐久性にとって重要である。

２ストローク対向ピストンエンジン用の簡単な冷却構造は、液体冷却剤が吸気ポート付近の入口から排気ポート付近の出口へとシリンダ側壁に沿って軸方向に流れるジャケットを含む。例えば、特許文献１に記載のシリンダライナ冷却構造では、液体冷却剤が、吸気端部から排気端部へとシリンダハウジングの外面を流れる。しかしながら、この構造は、シリンダハウジングの長手方向と円周方向の両方で不均一な冷却を生じさせる。

冷却剤を中央帯付近に導入すること、および冷却剤を中央帯からシリンダの両端に向けて移送する手段を設けることにより、対向ピストンエンジン用のポート付きシリンダ内で熱応答の改善が達成された。冷却剤が中央帯におけるシリンダ側壁の一部の外面上の円周方向溝内に流入し、かつ中央溝の両側の、中央溝と液体連通した長手方向溝を通ってシリンダ構造体の吸気端部および排気端部に向かって流れる、特許文献２の図３Ｅを参照されたい。特許文献３の図１１Ａおよび図１１Ｂは、シリンダライナ側壁の３つの溝群を含むシリンダ冷却構造を示している。ある溝群は、シリンダライナの中央の円周方向に延在する。別の溝群は、中央の溝群の両側からそれぞれのポートに向かって長手方向に延びる。中央帯を覆うように配置されたスリーブは、各溝群に対して別々の入力ポートを提供する。

これらの両構造の中央帯では、中央帯におけるシリンダの構造的完全性をかなり危うくし、かつシリンダの信頼性と耐久性の問題を生じさせる円周方向溝および噴射器用の開口が存在する。更に、冷却剤表面流の熱伝達率は、冷却剤流速および局所的形状により制限され、その結果、中央帯での冷却能力はその効果が制限される。これにより、中央帯でのシリンダ構造体の温度がシリンダ素材の設計限界を超える可能性があり、ブローバイガスの漏れ（ｅｘｈａｕｓｔ ｂｌｏｗ‐ｂｙ）、シリンダへの応力集中、およびリングとシリンダボアの過度の摩耗の原因となるライナの過度の歪みが生じる。

米国特許第６１８２６１９号明細書 米国特許出願公開第２０１０／０２１２６１３号明細書 米国特許出願公開第２００９／０２９３８２０号明細書

これらの問題は、中央帯とポートとの間の側壁部分の流れによる冷却、ポート近傍の側壁部分のリザーバによる冷却、および中央帯の衝突冷却と中央帯の機械的補強とを組み合わせた２ストローク対向ピストンエンジン用のシリンダ冷却システムにより回避される。

このような冷却システムの１つの目的は、シリンダの直線性および真円度を維持するために、シリンダの長手寸法および円周寸法における熱変動（ｔｈｅｒｍａｌ ｖａｒｉａｎｃｅ）を低減することである。理想的には、この目的は、エンジン運転中に熱負荷される非対称な態様とは逆の非対称な態様でシリンダを冷却することにより達成される。

中央帯領域を強化することによりシリンダの構造的完全性を維持しつつ、このような冷却を行うことが目的である。１つの好ましい例では、シリンダの構造的完全性は、中央帯において円周方向溝を排除することにより維持される。

別の目的は、潤滑油膜の粘度低下および消散を防止または軽減するために、リング反転域におけるシリンダの温度を制限することである。この目的は、ピストンリングが最も高いレベルの熱やボアの歪みにさらされる中央帯またはその近傍の側壁に液体の衝突噴流を導くことにより達成される。

シリンダライナおよびピストンリングの信頼性と耐久性を向上させるために、このような中央帯の冷却および補強を、シリンダの全ストローク長にわたるのみならずボア円周の周囲での壁の温度および歪みを低減しかつ均一化しつつ行うことが目的である。

シリンダ冷却システムは、中央帯またはその近傍のシリンダ側壁に衝突する液体冷却剤の噴流を供給する。好ましくは、噴流は、側壁へシリンダの径方向に移動する。これにより、側壁に対して導入された液体冷却剤のそれぞれの部分は、中央帯から側壁に接触した状態でシリンダ構造体の排気ポートおよび吸気ポートに向かって流れる。これにより、側壁を冷却するためにポートの方向へ液体冷却剤を供給しつつも、衝突冷却噴流をその高い熱集中領域に集中させることで、中央帯への冷却効果を最大にする。

中央帯への液体冷却剤の送出は、中央帯に円周方向に延びる溝なしで行われ、これにより、シリンダの完全性における１つの欠陥を解消する。更に、中央帯におけるシリンダの構造は、中央部分において燃焼室を包囲する環状部材により機械的に補強される。いくつかの態様において、環状部材はシリンダ側壁の内側にあり、他の態様において、環状部材は側壁の外面上に配置される。

液体冷却剤は、中央帯から、側壁に接触させた状態で供給流路を通して、シリンダの排気ポートおよび吸気ポートに向けて移送される。液体冷却剤は、流路から、排気ポートおよび吸気ポート近傍に位置するそれぞれのリザーバ内に流入する。リザーバは、中央帯とポートに隣接するポートブリッジとの間の位置でボアの真円度を維持するために、液体冷却剤をポート近傍の側壁部に接触させた状態で蓄積する。液体冷却剤は、冷却のためにリザーバ外へ循環され、冷却機構に再び導入される。

いくつかの実施形態において、冷却システムは、中央帯の周囲に少なくとも１つの複数の衝突噴流ポートを含む。好ましくは、噴流ポートは、中央帯の円周方向に沿って延びる１つまたは複数の列で配設される。例えば、複数の噴流ポートは、１つまたは複数の噴射ポートと整列させた状態で、中央帯の周囲に環状に配設される。別の例において、複数の噴流ポートは、第１および第２の環状に配設され、複数の第１および第２の環（ａｎｎｕｌｕｓｅｓ）（噴流ポートの環状配列）は、１つまたは複数の噴射ポートを含む中央帯の円周方向リブのそれぞれの側に沿って配置される。

対向ピストンエンジン用のシリンダ冷却構造は、側壁を備えたシリンダライナと、側壁を貫通して開口する長手方向に離間された排気ポートおよび吸気ポートと、ボアと、側壁と共に形成され且つシリンダの中央帯から排気ポートおよび吸気ポートに向かって側壁に沿って延びる複数の供給流路とを有する。側壁を覆うスリーブは、中央帯の周囲に延びる少なくとも１つの列で配設され且つ複数の供給流路と液体連通した状態にある複数の衝突噴流ポートを含む。スリーブは、供給流路と液体連通した状態にある液体冷却剤リザーバをポート近傍で側壁と共に画定する離間された環状凹部を備えた内面を更に含む。好ましくは、排気ポートのブリッジを貫通する流路は、排気ポート近傍の冷却剤リザーバと液体連通した第１の端部と、シリンダの排気端部の一部を貫通して開口する第２の端部とを有する。スリーブは、中央帯における側壁を補強する環状部材を含む。

一実施形態において、冷却機構は、中央帯の周囲に、好ましくは中央帯の円周方向に、延びる列で配設された複数の衝突噴流ポートを含む。いくつかの態様において、複数の噴流ポートは、１つまたは複数の噴射ポートが整列されるシリンダの円周に整列させた状態で、中央帯の周囲に環状に配設される。各噴流ポートは、排気ポートと吸気ポートとの間にシリンダ側壁に沿って延びる供給流路内に開口している。供給流路の第１の端部は、排気ポート近傍で、シリンダライナの円周方向に延びる第１のリザーバ内に開口している。供給流路の第２の端部は、吸気ポート近傍で、シリンダライナの円周方向に延びる第２のリザーバ内に開口している。１つまたは複数のループ流路は、第１のリザーバから第２のリザーバに延びる。シリンダライナの中央帯で側壁表面にぶつかる液体冷却剤噴流は、液体冷却剤を第１および第２のリザーバへ移送する供給流路内に方向転換される。第２のリザーバに集められた液体冷却剤は、ループ流路を経て第１のリザーバへ移送される。液体冷却剤は、冷却のために少なくとも第１のリザーバ外へ循環され、それから冷却機構に再び導入される。いくつかの態様において、ポート流路は、第１のリザーバから排気ポートを通る液体冷却剤の通路用に排気ポートのブリッジを貫通して設けられる。隆起した中央路を有する環状帯材料は、衝突噴流ポートおよび噴射ポートの円周に整列させた状態でシリンダボア内に着座される。

第２の実施形態において、冷却機構は、１つまたは複数の噴射ポートが設けられる側壁の環状部材の両側に、中央帯の周囲に延びる列で配設された複数の噴流ポートを含む。好ましくは、各列は、シリンダライナの円周方向に延びる。第１の噴流ポートは、環状部材と排気ポートとの間にシリンダ壁に沿って延びる第１の供給流路内に開口している。第２の噴流ポートは、環状部材と吸気ポートとの間にシリンダ壁に沿って延びる第２の供給流路内に開口している。第１の供給流路は、排気ポートの近傍で、シリンダライナの円周方向に延びる第１のリザーバ内に開口している。第２の供給流路は、吸気ポートの近傍で、シリンダライナの円周方向に延びる第２のリザーバ内に開口している。シリンダライナの中央帯で側壁表面にぶつかる液体冷却剤噴流は、液体冷却剤を第１または第２のリザーバへ移送する供給流路内に方向転換される。液体冷却剤は、冷却のために第１および第２のリザーバ外へ循環され、それから冷却機構に再び導入される。いくつかの態様において、ポート流路は、第１のリザーバから排気ポートを通る液体冷却剤の通路用に排気ポートのブリッジを貫通して設けられる。

第１の衝突冷却構造を備えた対向ピストンエンジンのシリンダの一部切欠き斜視図である。 図１のシリンダの分解斜視図である。 図１の単一シリンダの側立面図である。 図１のシリンダにおける液体冷却剤の流れを示す図である。 図１のシリンダを実例として用いて、対向ピストンエンジンのシリンダを冷却する方法を説明する図である。 第２の衝突冷却構造を備えた対向ピストンエンジンのシリンダの一部切欠き斜視図である。 図６のシリンダの分解斜視図である。

図１および図３で分かるように、対向ピストンエンジンのシリンダアセンブリ１０は、側壁１１と、ボア１２と、長手方向に隔てられた排気ポート１３および吸気ポート１４とを有する。ポートの各々は、側壁の中実部で隔てられた、ライナを貫通する開口の１つまたは複数の列から構成される。これらの中実部は、「ブリッジ」と称される。シリンダの中央帯は、燃焼が起こるボア空間を取り囲む側壁の環状部分である。つまり、中央帯は、シリンダの排気ポートと吸気ポートとのほぼ中間に位置する領域を占める。図３に中央帯２０を破線で表すが、これは単なる説明のためであり、シリンダの個別の正確に寸法が定められた要素を示すように意図されていない。

中央帯に取り囲まれた空間内での燃焼に起因して、対向ピストンエンジンの熱負荷は、シリンダアセンブリの中央帯部分に非常に集中する。望ましくは、シリンダアセンブリの構造的完全性は、液体冷却剤を移送するための１つまたは複数の円周方向溝が存在しないことにより維持される。その上、シリンダの構造的完全性は、中央帯に配置され且つ中央帯を補強するように作用する補強用環状部材を設けることにより高められる。望ましくは、中央帯におけるボア面の温度は、シリンダライナの側壁の噴流ポートを通して噴射される液体冷却剤の噴流によって中央帯の衝突冷却を行うことにより制限される。衝突噴流と、側壁への冷却剤の送出のための多数の流路と、シリンダのポート近傍のリザーバとの組み合わせにより、シリンダアセンブリ全体に対して実質的に均一な温度プロファイルを達成するために、これらの領域が適切に冷却されることを確実にする。

（第１の実施形態）
図１〜４に示す第１の実施形態において、中央帯に向けて噴射された噴流は、シリンダ側壁にぶつかると、シリンダライナの軸方向に延びる冷却剤流路群内に方向転換される。冷却剤流路の一群は、排気ポート近傍の排気側冷却剤リザーバおよび吸気ポート近傍の吸気側冷却剤リザーバへ液体冷却剤を移送する。液体冷却剤は、バイパス孔を通って排気側冷却剤リザーバから出る。吸気側冷却剤リザーバに集められた液体冷却剤は、ループ流路群を通して排気側リザーバへ移送される。中央帯を貫通してシリンダボアに開口する１つまたは複数のポートは、燃料噴射ノズルを取り付けるために設けられる。他のそのようなポートを、ボアへのアクセスを必要とするセンサ、ブレーキ弁、および／または他の機構を取り付けるために設けてもよい。少なくとも１つの噴射ポートの近傍の別の噴流ポート群は、排気側冷却剤リザーバおよび吸気側冷却剤リザーバの一方または他方にのみ液体冷却剤を移送する別の冷却剤流路群と液体連通した状態にある。液体冷却剤は、排気ポートブリッジを貫通して排出マニホールド冷却剤ジャケットに延びる通路を通して排気側冷却剤リザーバから移送される。

図１および図２を参照するに、対向ピストンエンジンのシリンダアセンブリ１０は、３つの要素、すなわち、排気部１０Ｅ、吸気部１０Ｉ、およびスリーブ１０Ｓを含んでいる。排気部１０Ｅは、排気ポート１３の開口が形成される後方部分を含むように、鋳造および／または機械加工により形成される円筒状部品である。排気部１０Ｅの外径は、後方部分よりも前方側で、減少して側壁部１１ｅを画定し、かつ排気部１０Ｅの前端２５で再び減少する。同様に、吸気部１０Ｉは、吸気ポート１４の開口が形成される後方部分を含むように、鋳造および／または機械加工により形成される円筒状部品である。吸気部１０Ｉの外径は、後方部分よりも前方側で、減少して側壁部１１ｉを画定し、かつ吸気部１０Ｉの前端２７で再び減少する。シリンダスリーブ１０Ｓは、外表面２９と内表面３１とを含むように、鋳造および／または機械加工により形成される円筒状部品である。複数の衝突噴流ポート３３は、スリーブ１０Ｓの円周方向に延びる列で配設される。噴流ポート３３は、外表面２９から内表面３１にスリーブ１０Ｓを貫通して穿孔することにより形成される。好ましくは、噴流ポートの中心線は、スリーブ１０Ｓの半径と整列される。噴流ポート３３と同一の円周上に位置する少なくとも１つの噴射ポート３５は、スリーブ１０Ｓの径方向に穿孔することにより形成される。図１で最も良く分かるように、各噴射ポートは、着座および保持のための外側に張り出したカラー部を有するボス３６を含む。スリーブ１０Ｓの内面３１は、長手方向リブ３７の列が形成される中央部分を有する。リブ３７間の空間は、以下により詳細に記載する開放した供給流路３８を構成する。中央部分よりも外寄り、内面３１の各端部において、スリーブ１０Ｓの内径が増大し、これにより、シリンダアセンブリ１０の側壁上にそれぞれの液体冷却剤リザーバを画定する離間された環状凹部３９ｅおよび３９ｉを形成する。補強用環状部材は、隆起した中央路４２を有する材料のリング４１から構成される。リング４１は、衝突噴流ポート３３および噴射ポート３５の円周に整列させた状態で内面３１上に着座させる。リング４１は、要素１０Ｅ、１０Ｉ、および１０Ｓと同一の材料、またはこれらの要素と適合性のある材料から構成される。図１および図２のように、リング４１は、噴射ポート３５と同心をなす位置にて穿孔（ドリル）される。

図１〜図３のように、シリンダ１０は、金属製のシールリング４４ｅおよび４４ｉがそれらの間の空間を封止した状態で、前方部分２５および２７を隆起した中央路４２の側部に当接させるように、１０Ｅの側壁部１１ｅおよび１０Ｉの側壁部１１ｉをスリーブ１０Ｓのそれぞれの端部に挿入することにより組み立てられる。排気部１０Ｅおよび吸気部１０Ｉならびにスリーブ１０Ｓは、圧入、締り嵌め、焼き嵌め、溶接、およびはんだ付けの１つまたは複数、あるいは任意の同等手段により接合することができる。この構造は、ボア１２ならびにボアへのアクセスを必要とする燃料噴射ノズル、センサ、ブレーキ弁、および／または他の機構が取り付けられる１つまたは複数のポートを封止しつつ、シリンダアセンブリへの液体冷却剤の適用を可能にする。更に、シリンダの燃焼空間を包囲するリング４１は、点火が生じると燃焼圧力を受ける。リング４１は、シリンダの中央帯を補強すると共に、燃料噴射ノズル、センサ、ブレーキ弁、および／または他の機構が取り付けられるポートを含む。

シリンダアセンブリの要素は、鋳鉄、鋼、アルミニウム、青銅、および／または他の同等の材料などの金属材料から作ることができる。シリンダ構造体のマルチピース構造は、材料特性を動作要件と整合させる組み合わせを可能にする。例えば、スリーブは良好な高温特性を有する材料から作ることができる一方で、排気部１０Ｅおよび吸気部１０Ｉは、良好なトライボロジー特性を有する材料から作ることができる。

図１のように、記載の通りにシリンダ１０を組み立てると、離間された環状凹部３９ｅおよび３９ｉは、排気ポート１３および吸気ポート１４近傍にそれぞれ位置する液体冷却剤リザーバ５０ｅおよび５０ｉを側壁１１上に画定する。第１のリザーバ５０ｅは、排気ポート１３よりも僅かに中央寄りの環状空間であり、第２の液体リザーバ５０ｉは、吸気ポート１４よりも僅かに中央寄りの環状空間である。開放した供給流路３８は、側壁部１１ｅ、１１ｓ、および１１ｉにより覆われ、冷却剤リザーバ５０ｅと液体連通した第１の端部と、冷却剤リザーバ５０ｉと液体連通した第２の端部とを有する連続した供給流路を画定する。図１で最も良く分かるように、衝突噴流ポート３３の各々は、供給流路３８のそれぞれ１つと液体連通した状態にある。図１および図２のように、排気ポート１３のブリッジは、貫通穿孔されて、冷却剤リザーバ５０ｅと液体連通した第１の端部と、開口５４がシリンダ１０の排気端部近傍にある第２の端部とを備えた流路５２を形成する。スリーブ１０Ｓの径方向穿孔により形成された複数の液体冷却剤バイパスポート５６は、第１の冷却剤リザーバ５０ｅと液体連通した状態にある。スリーブ１０Ｓは、冷却剤リザーバ５０ｅおよび５０ｉとそれぞれ液体連通した状態にある、第１および第２の端部を有するリブ３７の長手方向穿孔により形成されたループ流路５８を更に含む。

図４を参照すると、衝突冷却システムは、衝突噴流ポート２４の各々に液体冷却剤を加圧下で供給することにより作動される。ポート３３内に形成された液体冷却剤の高速噴流は、シリンダアセンブリ１０内へ径方向に移動し、シリンダアセンブリ１０の側壁１１にぶつかる。これにより、シリンダアセンブリ１０に導入された液体冷却剤は、供給流路３８に流れ込み、供給流路３８の第１および第２の端部を通って冷却剤リザーバ５０ｅおよび５０ｉ内に流入する。冷却剤リザーバ５０ｉに集められた液体冷却剤は、ループ流路５８を通って冷却剤リザーバ５０ｅに戻る。液体冷却剤は、冷却剤リザーバ５０ｅから、排気ポート１３におけるブリッジ流路５２を通って流れるか、またはバイパスポート５６から流出することができる。バイパスポートは、シリンダアセンブリの排気端部にもたらされる冷却度合いを制御するために、冷却剤リザーバ５０ｅ内の圧力を調整する目的で設けられている。この点において、排気側ブリッジを通る液体冷却剤の流れがその時点でのエンジン運転状況に適したレベルを超える場合、ボア１２の排気端部が過剰に冷却される可能性があり、その結果、ボアの吸気端部よりも径方向断面が小さくなる。そのような状態を防止または軽減するために、バイパスポート５６からの流出を、排気ポートブリッジを通る液体冷却剤の流れを減少させるレベルに設定することができる。バイパスポートを適切に寸法決めすることにより、バイパスポート５６からの液体冷却剤の流出を、製造および組立時に一定流量に設定することができる。つまり、制御式弁装置によりエンジン運転状況に応じて、流出を動的に設定および変更することができる。

いくつかの態様において、例えば噴射ポートに関連する構造的な不連続性に起因して生じる中央帯の局所的なホットスポットを消散させるために、噴射ポート近傍に追加の冷却能力を提供することが望ましい。この点において、図１および図２を参照すると、補助噴流ポート６０は、ボス３６が保持される噴射ポートの側方に、スリーブ１０Ｓに形成されている。中央帯から冷却剤リザーバ５０ｅおよび５０ｉの一方または他方へ延びる補助供給流路６２は、スリーブの内面３１に形成される。

図２および図５のように、対向ピストンエンジンは、少なくとも１つのポート付きシリンダを含み、そのポート付きシリンダのボア内に、１対のピストンが対向して摺動移動するように配置される。エンジンは、液体冷却剤の１つまたは複数のリザーバと、ポンプアセンブリと、エンジン運転中に加圧された液体冷却剤をポート付きシリンダにおよびポート付きシリンダから移送する分配ネットワークとを含む。シリンダアセンブリ１０を実例として用いると、エンジンにおけるシリンダ冷却の方法は、加圧された液体冷却剤が衝突噴流ポート２４に進入するステップ７０を含む。７２において、液体冷却剤の噴流は、シリンダの側壁にぶつかる。これにより、側壁に適用された冷却剤は、７４において、側壁に沿って供給流路３８内へ移送される。７６において、供給流路内の液体冷却剤は、側壁に沿って排気ポート近傍の排気側リザーバ５０ｅへ移送される。７８において、供給流路内の液体冷却剤は、側壁に沿って吸気ポート近傍の吸気側リザーバ５０ｉへ移送される。液体冷却剤は、排気側リザーバおよび吸気側リザーバ内に蓄積され、ボアの構造的連続性がポートブリッジにより遮断される位置において熱応力を緩和する液体冷却剤の環状の集中をもたらす。７９において、吸気側リザーバ内に蓄積された液体冷却剤は、吸気側リザーバ５０ｉから、ループ流路５８を通して側壁に沿って排気側リザーバ５０ｅへ移送される。８０において、排気側リザーバ内に蓄積された液体冷却剤は、排気ポートのブリッジを通してシリンダの外へ移送される。８２において、排気側リザーバ内に蓄積された液体冷却剤は、排気ポートブリッジに、そして排気ポートブリッジを通して移送される液体冷却剤に作用する流体圧力を調節するために、バイパスポート５６を通して移送される。冷却方法のいくつかの態様において、シリンダから出た液体冷却剤は、冷却および再循環のために排出マニホールド冷却剤流路（図示せず）へ移送される。冷却方法の他の態様において、液体冷却剤の衝突噴流は、８４において補助液体冷却剤噴流ポートを通して１つまたは複数の噴射ポートに隣接して導入され、補助流路６２を通して側壁に沿って排気側リザーバ５０ｅおよび吸気側リザーバ５０ｉへ移送される。

（第２の実施形態）
図６、図７に示す第２の実施形態において、シリンダ構造体は、中央帯のほぼ中央に位置し且つ側壁の円周方向に延びる中央リブとして側壁上に構成された補強用環状部材を含む。好ましくは、中央リブは、連続しており途切れがない。中央リブは、それぞれの第１および第２の供給流路群が排気ポートおよび吸気ポートに向かって側壁に沿って延びる第１および第２の側を有する。衝突噴流ポートのそれぞれの円周方向の配列は、第１および第２の供給流路群と液体連通した状態にある。第１の供給流路群と液体連通した排気側冷却剤リザーバは、排気ポート近傍の側壁上に配置され、第２の供給流路群と液体連通した吸気側冷却剤リザーバは、吸気ポート近傍の側壁上に配置される。排気ポートのブリッジを貫通して延びるブリッジ流路は、排気側冷却剤リザーバに開口する第１の端部を有し、ライナの排気端部部分を貫通して開口する第２の端部を有する。出口ポートは、排気側冷却剤リザーバおよび吸気側冷却剤リザーバ用に設けられている。

図６および図７を参照するに、対向ピストンエンジンのシリンダアセンブリ１００は、２つの鋳造および／または機械加工要素、すなわち、ライナ部１００Ｌ、およびスリーブ１０Ｓを含んでいる。ライナ部１００Ｌは、側壁１１１と、排気ポート１１３の開口が形成される排気部と、吸気ポート１１４の開口が形成される吸気部と、排気部と吸気部との間の中央部１１５とを含むように、鋳造および／または機械加工により形成される円筒状部品である。中央部において、側壁１１１は、中央リブ１２０として構成された補強用環状部材を含むように形成される。中央リブ１２０は、中央帯のほぼ中央に位置し、ライナ部の円周方向にライナ部１００Ｌを囲む。中央リブ１２０の形状は、中央帯を貫通してシリンダボアに開口しかつ燃料噴射ノズルを取り付けるためのものである１つまたは複数のポート１２２を収容する。他のそのようなポートを、ボアへのアクセスを必要とするセンサ、ブレーキ弁、および／または他の機構を取り付けるために設けてもよい。リブ１３７の第１の列は、中央リブ１２０の一方側から形成される。リブ１３７間の空間は、第１の開放した供給流路１３８群を構成する。開放した供給流路１３８は、中央リブ１２０の一方側の第１の端部と、排気ポート１１３近傍のライナ部１００Ｌ上の溝１３９内に開口する第２の端部とを有する。リブ１４２の第２の列は、中央リブ１２０の一方側から形成される。リブ１４２間の空間は、第２の開放した供給流路１４３群を構成する。開放した供給流路１４３は、中央リブ１２０の他方側の第１の端部と、吸気ポート１１４近傍のライナ部１００Ｌ上の環状溝１４５内に開口する第２の端部とを有する。環状溝１４５の外寄りの壁１４６は、表面部分１４７を有するライナ部分に移行する。

更に図６、図７を参照するに、シリンダスリーブ１００Ｓは、外表面１５０と内表面１５１とを含むように、鋳造および／または機械加工により形成される円筒状部品である。第１の複数の衝突噴流ポート１５３は、スリーブ１００Ｓの円周方向に延びる第１の列で配設される。第２の複数の衝突噴流ポート１５５は、スリーブ１００Ｓの円周方向に延びる第２の列で配設される。噴流ポート１５３および１５５は、外表面１５０から内表面１５１にスリーブ１００Ｓを貫通して穿孔することにより形成される。好ましくは、噴流ポートの中心線は、スリーブ１０Ｓの半径と整列される。第１および第２の噴流ポートの列の円周間の中央に位置する円周上に位置する少なくとも１つの噴射ポート孔１５７は、スリーブ１００Ｓの径方向に穿孔することにより形成される。離間された円周方向溝１５９および１６１は、内面１５１のそれぞれの端部付近に形成される。溝１６１の外寄り側は、環状の位置合わせフランジ１６３に移行する。

図６、図７を更に参照すると、シリンダ１００は、位置合わせフランジ１６３をライナ部１００Ｌ上の溝１４５の外寄りの壁１４６に当接させるように、スリーブ１００Ｓをライナ部１００Ｌの排気端部を覆うように挿通することにより組み立てられる。スリーブ１００Ｓおよびライナ部１００Ｌは、噴流ポート１５３の第１の列を供給流路１３８の第１の端部と整列させ、噴流ポートの第２の列を供給流路１４３の第１の端部と整列させ、孔１５７をポート１２２と整列させるようにスリーブを回転させた状態で、圧入、締り嵌め、焼き嵌め、溶接、およびはんだ付けの１つまたは複数、あるいは任意の同等手段により接合することができる。この構造は、ボア１２ならびにボアへのアクセスを必要とする燃料噴射ノズル、センサ、ブレーキ弁、および／または他の機構が取り付けられる１つまたは複数のポートを封止しつつ、シリンダアセンブリへの液体冷却剤の適用を可能にする。更に、シリンダの中央部を囲む中央リブ１２０は、点火が生じると燃焼圧力を受ける。中央リブ１２０は、シリンダの中央帯を補強し、燃料噴射ノズル、センサ、ブレーキ弁、および／または他の機構が取り付けられるポートを含む。

シリンダアセンブリの要素は、鋳鉄、鋼、アルミニウム、青銅、および／または他の同等の材料などの金属材料から作ることができる。シリンダ構造体のマルチピース構造は、材料特性を動作要件と整合させる組み合わせを可能にする。例えば、スリーブ１００Ｓは良好な高温特性を有する材料から作ることができる一方で、ライナ部１００Ｌは、良好なトライボロジー特性を有する材料から作ることができる。

図６、図７のように、記載の通りにシリンダ１００を組み立てると、対向する環状溝１３９および１５９は、排気ポート１１３近傍で第１の冷却剤リザーバ１７０ｅを画定し、対向する環状溝１４５および１６１は、吸気ポート１１４近傍で第２の冷却剤リザーバ１７０ｉを画定する。第１のリザーバ１７０ｅは、排気ポート１１３よりも僅かに中央寄りの環状空間であり、第２の液体リザーバ１７０ｉは、吸気ポート１１４よりも僅かに中央寄りの環状空間である。開放した供給流路１３８および１４３は、スリーブ内面１５１により覆われ、中央リブ１２０のそれぞれの側における第１の端部と、冷却剤リザーバ１７０ｅおよび１７０ｉとそれぞれ液体連通した第２の端部とを有する連続した供給流路を画定する。図７で最も良く分かるように、衝突噴流ポート１５３の各々は、供給流路１３８のうちの１つのそれぞれの第１の端部と液体連通した状態にあり、衝突噴流ポート１５５の各々は、供給流路１４３のうちの１つのそれぞれの第１端部と液体連通した状態にある。図６および図７のように、排気ポート１１３のブリッジは、貫通穿孔されて、冷却剤リザーバ１７０ｅと液体連通した第１の端部と、開口１８４がシリンダ１００の排気端部近傍にある第２の端部とを備えた流路１８２を形成する。

図６および図７を参照すると、衝突冷却システムは、衝突噴流ポート１５３および１５５の各々に液体冷却剤を加圧下で供給することにより作動される。ポート１５３内に形成された液体噴流は、シリンダアセンブリ１００内へ径方向に移動し、シリンダアセンブリ１００の側壁１１１にぶつかる。これにより、シリンダアセンブリ１００に導入された液体冷却剤は、供給流路１３８に流れ込み、その第１端部から第２端部へ向けて冷却剤リザーバ１７０ｅ内に流入する。ポート１５５内に形成された液体噴流は、シリンダアセンブリ１００内へ径方向に移動し、シリンダアセンブリ１００の側壁１１１にぶつかる。これにより、シリンダアセンブリ１００に導入された液体冷却剤は、供給流路１４３に流れ込み、その第１端部から第２端部へ向けて冷却剤リザーバ１７０ｉ内に流入する。液体冷却剤は、冷却剤リザーバ１７０ｅから、排気ポート１１３におけるブリッジ流路１８２を通って流れるか、またはバイパスポート１９０から流出することができる。バイパスポートは、シリンダアセンブリの排気端部にもたらされる冷却度合いを制御するために、冷却剤リザーバ１７０ｅ内の圧力を調整する目的で設けられる。この点において、排気側ブリッジを通って流れる液体冷却剤がその時点でのエンジン運転状況に適したレベルを超える場合、ボア１１２の排気端部が過剰に冷却される可能性があり、その結果、ボアの吸気端部よりも径方向断面が小さくなる。そのような状態を防止または軽減するために、バイパスポート１９０からの流出を、排気ポートブリッジを通る液体冷却剤の流れを減少させるレベルに設定することができる。バイパスポートを適切に寸法決めすることにより、バイパスポート１９０からの液体冷却剤の流出を、製造および組立時に一定流量に設定することができる。つまり、制御式弁装置によりエンジン運転状況に応じて、流出を動的に設定および変更することができる。冷却剤リザーバ１７０ｉに集められた液体冷却剤は、出口ポート１９２から流出する。

いくつかの態様において、例えば噴射ポートに関連する構造的な不連続性に起因して生じる中央帯の局所的なホットスポットを消散させるために、噴射ポート近傍に追加の冷却能力を提供することが望ましい。この点において、図６および図７を参照すると、補助噴流ポート１９５が、噴射ポート孔１５７の側方にてスリーブ１００Ｓに形成されている。中央リブ１２０から冷却剤リザーバ１７０ｅおよび１７０ｉの一方または他方へ延びる補助供給流路１９４は、ライナ部１００Ｌの側壁上に形成される。

シリンダアセンブリ１００を実例として用いると、対向ピストンエンジンにおけるシリンダ冷却の方法は、加圧された液体冷却剤を衝突噴流ポート１５３および１５５の２つの列を通して供給することを含む。これらの噴流ポートから噴出する液体冷却剤の噴流は、（この場合、供給流路１３８および１４３の第１の端部において）シリンダライナの側壁にぶつかる。これにより、側壁に適用された冷却剤は、側壁に沿って供給流路１３８および１４３内へ移送される。供給流路１３８内の液体冷却剤は、側壁に沿って排気ポート近傍の排気側リザーバ１７０ｅへ移送され、排気側リザーバ１７０ｅ内に蓄積される。供給流路１４３内の液体冷却剤は、側壁に沿って吸気ポート近傍の吸気側リザーバ１７０ｉへ移送され、吸気側リザーバ１７０ｉ内に蓄積される。排気側リザーバ１７０ｅ内に蓄積された液体冷却剤は、排気ポート１１３のブリッジを通してシリンダの外へ移送される。排気側リザーバ１７０ｅ内に蓄積された液体冷却剤はまた、排気ポートブリッジに、そして排気ポートブリッジを通して移送される液体冷却剤に作用する流体圧力を調節するために、バイパスポート１９０を通して移送される。吸気側リザーバ１７０ｉ内に蓄積された液体冷却剤は、出口ポート１９２を経てシリンダから出る。冷却方法のいくつかの態様において、シリンダから出た液体冷却剤は、冷却および再循環のために排出マニホールド冷却剤流路（図示せず）へ移送される。冷却方法の他の態様において、液体冷却剤の衝突噴流は、補助液体冷却剤噴流ポート１９５を通して１つまたは複数の噴射ポートに隣接して導入され、補助流路１９４を通して側壁に沿って排気側リザーバ１７０ｅおよび吸気側リザーバ１７０ｉへ移送される。

新規な構造および方法を多数の実施形態を参照して説明してきたが、基本をなす原理の精神から逸脱することなく、種々の変更を加え得ることを理解すべきである。

Claims (14)

1. 対向ピストンエンジン用のシリンダ構造であって、側壁（１１，１１１）を備えたシリンダライナと、前記側壁を貫通して開口する長手方向に離間された排気ポート（１３，１１３）および吸気ポート（１４，１１４）と、ボア（１２，１１２）と、前記シリンダ構造の中央帯（２０，１２０）から前記排気ポートおよび吸気ポートに向かって前記側壁に沿って延びる複数の供給流路（３８，１３８）とを含んでなる対向ピストンエンジン用のシリンダ構造において、
   前記側壁を覆うスリーブ（１０Ｓ，１００Ｓ）が、
   前記中央帯の周囲に延びる少なくとも１つの列で配設され且つ前記複数の供給流路と液体連通した状態にある複数の衝突噴流ポートであって、各衝突噴流ポートの中心線が当該スリーブの半径と整列される、複数の衝突噴流ポート（３３；１５３，１５５）と、
   前記排気ポート及び吸気ポートの近傍で液体冷却剤を蓄積すると共に前記供給流路と液体連通した状態にある複数の液体冷却剤リザーバ（５０ｅ，５０ｉ；１７０ｅ，１７０ｉ）を前記側壁上に区画形成する互いに離間された複数の環状凹部（３９ｅ，３９ｉ；１５９，１６１）を備えた内面と、
   を含み、
   前記シリンダ構造の燃焼室を包囲して前記中央帯（２０，１２０）を機械的に補強する環状部材（４１，１２０）が、前記シリンダライナと前記スリーブとの間に配置されていることを特徴とする、対向ピストンエンジン用のシリンダ構造。
2. 前記液体冷却剤リザーバが、前記排気ポート近傍の第１の冷却剤リザーバ（５０ｅ，１７０ｅ）と、前記吸気ポート近傍の第２の冷却剤リザーバ（５０ｉ，１７０ｉ）とを含み、
   前記排気ポートが複数のブリッジを含み、
   前記シリンダ構造が更に、第１の冷却剤リザーバ（５０ｅ，１７０ｅ）と液体連通した第１の端部、及び、開口（５４，１８４）が前記シリンダ構造の排気端部近傍にある第２の端部を備えた、前記ブリッジを貫通する流路（５２，１８２）を含んでいる、請求項１に記載の対向ピストンエンジン用のシリンダ構造。
3. 前記スリーブが、前記第１の冷却剤リザーバと液体連通した複数の液体冷却剤出口ポート（５６，１９０）を更に含む、請求項２に記載の対向ピストンエンジン用のシリンダ構造。
4. 前記衝突噴流ポートの少なくとも１つの列が、噴射ポート（３６）と整列される前記シリンダライナの円周に沿った衝突噴流ポート（３３）の列を含む、請求項３に記載の対向ピストンエンジン用のシリンダ構造。
5. 前記スリーブの内面が、前記側壁により覆われる開放した供給流路（３８）を含む、請求項４に記載の対向ピストンエンジン用のシリンダ構造。
6. 前記スリーブが、前記第１および第２の冷却剤リザーバと液体連通した状態にあるループ流路（５８）を更に含む、請求項５に記載の対向ピストンエンジン用のシリンダ構造。
7. 前記環状部材が、前記スリーブの前記内面上に配置され且つ前記シリンダライナの円周を辿るリング材（４１）から構成されている、請求項４に記載の対向ピストンエンジン用のシリンダ構造。
8. 前記衝突噴流ポートの少なくとも１つの列が、
   前記スリーブ（１００Ｓ）の円周方向に沿って配置された複数の第１の衝突噴流ポート（１５３）からなる第１の列と、
   前記スリーブ（１００Ｓ）の円周方向に沿って配置された複数の第２の衝突噴流ポート（１５５）からなる第２の列と、を備えており、
   前記第１の列と前記第２の列が互いに離間されている、請求項３に記載の対向ピストンエンジン用のシリンダ構造。
9. 前記側壁（１１１）が、前記スリーブにより覆われる開放した供給流路（１３８）を有する外側面を含む、請求項８に記載の対向ピストンエンジン用のシリンダ構造。
10. 前記スリーブが、前記第２の冷却剤リザーバと液体連通した液体冷却剤出口ポート（１９２）を更に含む、請求項９に記載の対向ピストンエンジン用のシリンダ構造。
11. 前記環状部材が、前記側壁上の途切れのない円周方向リブ（１２０）から構成され、且つ、当該円周方向リブ（１２０）は、前記第１の衝突噴流ポート（１５３）の第１の列および前記第２の衝突噴流ポート（１５５）の第２の列にそれぞれ対応するところの、前記シリンダライナのそれぞれの円周の間に位置決めされている、請求項８に記載の対向ピストンエンジン用のシリンダ構造。
12. 請求項１に記載のシリンダ構造を有するシリンダであって、当該シリンダでは、
    前記衝突噴流ポート（３３）が前記中央帯の周囲に円周方向の列をなして配設され、
    前記液体冷却剤リザーバが、前記排気ポート（１３）近傍の前記側壁に隣接して配置される排気側冷却剤リザーバ（５０ｅ）を含み、
    前記液体冷却剤リザーバが、前記吸気ポート（１４）近傍の前記側壁に隣接して配置される吸気側冷却剤リザーバ（５０ｉ）を含み、
    前記供給流路が、前記側壁に沿って延び、且つ前記吸気側冷却剤リザーバ（５０ｉ）に開口する第１の端部と、前記排気側冷却剤リザーバ（５０ｅ）に開口する第２の端部とを有するループ流路を含み、
    前記排気ポート（１３）のブリッジを貫通して延びるブリッジ流路（５２）が、前記排気側冷却剤リザーバ（５０ｅ）に開口する第１の端部と、当該シリンダの排気端部部分（１０ｅ）を貫通して開口する第２の端部とを有し、
    前記環状部材は、前記中央帯（２０）を補強するところのリング材（４１）である、
    ことを特徴とするシリンダ。
13. 請求項１に記載のシリンダ構造を有するシリンダであって、当該シリンダでは、
    前記環状部材は、前記シリンダライナの中央帯を補強するところの前記側壁（１１１）における円周方向リブ（１２０）であり、
    第１の供給流路（１３８）群が、前記円周方向リブの第１の側から前記排気ポート（１３）に向かって前記側壁に沿って延び、
    第２の供給流路（１４３）群が、前記円周方向リブの第２の側から前記吸気ポート（１４）に向かって前記側壁に沿って延び、
    第１の衝突噴流ポート（１５３）が、前記第１の供給流路群と液体連通した前記第１の側に沿って第１の円周方向の列で配設され、
    第２の衝突噴流ポート（１５５）が、前記第２の供給流路群と液体連通した前記第２の側に沿って第２の円周方向の列で配設され、
    前記液体冷却剤リザーバが、前記排気ポート近傍の前記側壁に隣接して配置された排気側冷却剤リザーバ（１７０ｅ）を含み、
    前記液体冷却剤リザーバが、前記吸気ポート近傍の前記側壁に隣接して配置された吸気側冷却剤リザーバ（１７０ｉ）を含み、
    前記排気ポートのブリッジを貫通して延びるブリッジ流路（１８２）が、前記排気側冷却剤リザーバ（１７０ｅ）に開口する第１の端部と、当該シリンダの排気端部部分を貫通して開口する第２の端部とを有する、
    ことを特徴とするシリンダ。
14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載のシリンダ構造又はシリンダを使用して対向ピストンエンジンのシリンダを冷却する方法であって、
    前記中央帯における前記側壁の円周に沿った少なくとも１つの列で配される複数の液体冷却剤噴流を前記側壁にぶつけること（７２）、
    液体冷却剤を前記中央帯から前記側壁に沿って前記排気ポートおよび吸気ポートの各方向へ移送すること（７４）、
    移送された液体を前記排気ポート付近の前記側壁の周囲に蓄積すること（７６）、
    移送された液体を前記吸気ポート付近の前記側壁の周囲に蓄積すること（７８）、
    蓄積された液体冷却剤を前記排気ポートのブリッジを通して移送すること（８０）、および、
    蓄積された液体冷却剤をシリンダの外へ移送すること（８０，８２）、
    を含んでなるシリンダの冷却方法。

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