JP6275151B2 - 異なる頂点ラインを有するピストンリング - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関又はコンプレッサ用のピストンリング、特に、周方向に延在する摺動面に配置され、かつ軸線方向において周期的に異なる頂点ラインを有するピストンリングに関する。

船舶用の最新かつ大容量エンジンには、依然として２ストロークディーゼルエンジンが使用されている。なぜならこのタイプのエンジンにおいては、速度が通常は約50rpm〜250rpmの範囲（基本的には100rpm未満）にあり、また気筒数に応じて出力が約100MWまで達し得るからである。好適には、このような大容量かつ低速動作の２ストロークエンジンは、プロペラシャフトに直接に作用するものである。これは、エンジンの回転速度に起因し、回転速度を減速させるための減速ギアが不要だからである。

このような大容量の２ストロークエンジンは、基本的に２つの油回路を有する。この場合、一方はエンジン潤滑用であり、他方はシリンダ潤滑用である。シリンダの潤滑により、十分な潤滑油が適切なタイミングで供給され、シリンダ表面及びピストンリングへの必要な潤滑が保証される。

シリンダ潤滑油は、機械の負荷に応じて、ライナを介してピストンチャンバ内に注入される。ピストンリングはこの潤滑膜、即ち支持面上を摺動するものである。この場合、注入される潤滑油を可及的に僅かとすることによりコストを抑えると共に、過度な潤滑を回避することが特に重要である。シリンダの潤滑は、例えば行程における上部３分の１において、潤滑油ポンプを使用することにより、例えばシリンダ壁の平面に設けられる潤滑油入口を介して供給されることで行われる。これにより、ピストン及びピストンリングの潤滑が可及的に最適化された状態で保証される。シリンダへのオイルの供給は通常、ガス・カウンタープレッシャー法を利用して行われる。

例えばこの場合、ノズルを介して正確な量の潤滑油をシリンダ内に注入する潤滑油注入システムを使用することができる。コンピュータ制御システムにより、ピストンの位置が記録された後、潤滑油がピンポイントで供給される。この場合の供給は高圧で行われることにより、潤滑油が極めて微細に噴射されるから、シリンダライナを可及的に均一に濡らしながらも、ピストンリングが配置された箇所及び摩擦が実際に生じる箇所をピンポイントで濡らすことができる。

最新かつ大容量の船舶用２ストロークエンジンが、2500mmまで達する行程で約50rpm〜250rpmの速度で動作することを考慮すれば、潤滑油の供給及び分布に利用できる時間は限られており、潤滑の質を保証する上で大きな問題である。例えば、シリンダの（内径）直径が900mmであり、オイルを供給するための入口がシリンダ壁の周方向に亘って均一に８個設けられている場合、供給されたオイルは、それぞれの入口を起点として、所定の時間内において周方向に約350mmの長さに亘って分布させる必要がある。

例えば特許文献１（米国特許第3851889号明細書）に既知のピストンリングでは、該リングの摺動面の一側に傾斜部分が設けられると共に、該傾斜部分内の周方向において延在する溝又は凹部が設けられることにより、オイルの流れに乱れを生じさせる構成としている。この場合に生じさせる乱流により、システムにおけるオイルの流れは、ピストン運動における好適な方向（下方）に主にガイドされる。特許文献２（独国特許第871390号明細書）に記載のピストンリングには、ポケット状の凹部が周方向における摺動面に設けられている。この場合にこれら凹部は、互いに摺動する２つの面間における中間スペースへのオイルの通過を容易にするものである。

これまでに判明したところによれば、従来の構成とした１個以上のピストンリングの場合、周方向における潤滑油の分布は、圧力勾配が不十分であるために、全く得られないか又は極めて僅かしか得られない（最大で約３％）。

本発明のピストンリングは、船舶だけでなく全ての内燃機関への使用を意図するものである。

米国特許第3851889号明細書 独国特許第871390号明細書

本発明の課題は、十分な潤滑条件において、オイル消費量が少ないのみならずブローバイが少なく、しかも安価に製造可能なピストンリングを提供することである。

この課題は、請求項１に記載の特徴を有するピストンリングによって解決される。好適な構成は、従属請求項に記載したとおりである。

本発明によれば、ピストンリング用の新規の摺動面プロファイルが提供される。ピストンリングにおけるこの摺動面は、ほぼ凸状に湾曲すると共に、頂点又はピボット点を含むプロファイルを有する。この場合に頂点又はピボット点は、軸線方向における位置が摺動面上で周方向に異なるものである。

ピストンリングの摺動面をこのように形成すれば、作動に際して、（特に、軸線方向における頂点位置に応じて異なる）流体力学的圧力が周方向に生じる。この流体学的圧力によって圧力勾配が生じ、潤滑油の流れ及び周方向における潤滑油の分布がもたらされる。周方向において、流体力学的にもたらされる潤滑油の分布により、必要な量が低減するだけでなく、周方向の溝に供給される潤滑油を更に均一に分布させることができる。

このようにして、均一な潤滑油による所望の支持面が周方向に得られる。これにより、十分な潤滑条件を保証してブローバイに対し可及的に均一な気密性を発揮する（又はブローバイを可及的に僅かにする）ことが可能になるだけでなく、潤滑油をピストンの作動方向に効果的に掻き落としてオーバーランが可能になる。

本発明の一態様における趣旨は、オイルが周方向に搬送されることで消費量が低減することである。この目的のために、頂点は、周方向において常に軸線方向高さに亘って異なるか又は変化するが、好適にはこの場合、従来技術とは異なり、摺動面に凹部又は孔又はスロットが設けられることはない。

好適には、少なくとも２個のピストンリングで構成されるシステムも提供される。この場合、ピストンリングの内の２個は、それぞれ本発明に従って形成されるものである。また本発明に係る２個のピストンリングの周期的に異なる軸線方向における頂点位置の変化は、システムにおいて互いに対して位相が180°ずれている。

好適には、ピストンリングは、軸線方向における頂点位置の変動が周方向において周期的であり、好適には、軸線方向における頂点位置の変化に関する周期数は整数とする。

更に、ピストンリングの軸線方向における頂点位置の変化は、ピストンリングの中心面に平行であるか又は同一である平面に関してほぼ対称的とするのが好適である。

更に、ピストンリングの軸線方向における頂点位置の変化は、ピストンリングの中心面に平行であるか又は同一である平面に関して非対称的とするのが好適である。

更に、ピストンリングの軸線方向における頂点位置は、ピストンリングの軸線方向における広がりに対して、約50％〜60％の総変動幅を有するのが好適である。

更に、ピストンリングの軸線方向における頂点位置の変化に関する周期数は、４〜36を含む範囲内とするのが好適である。

これに加えて、少なくとも２個のピストンリングで構成されるシステムにおいて、２個のピストンリングは、好適にはそれぞれ上述した構成とし、また少なくとも２個のピストンリングの周期的に異なる軸線方向における頂点位置の変化は、互いに対して位相が180°ずれている。

以下、本発明を添付図面の実施形態に基づいて詳述する。

本発明の実施形態に係るピストンリングにおける（半径方向への）第１断面図である。 第１断面図とは異なる角度位置を有する、本発明の実施形態に係るピストンリングにおける（半径方向への）第２断面図である。 第１及び第２断面図とは異なる角度位置を有する、本発明の実施形態に係るピストンリングにおける（半径方向への）第３断面図である。 図１に示すピストンリングの周方向に延在する摺動面の一部を示す平面図である。 周方向に延在する図２aのピストンリングにおける摺動面の一部に関して、該摺動面のプロファイルにおける頂点ラインの変化を示す説明図である。 本発明の他の実施形態に係るピストンリングの一部を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る摺動面のプロファイルに関して、関数に従って描いた頂点ラインの変化を例示する説明図である。

図１a〜図１cは、互いに対して周方向に離間させた本発明に係るピストンリングの半径方向断面図である。

図１に示すと共に、好適にはコンプレッションリング及びオイルリングとして同時に機能する本発明に係るピストンリング１は、燃焼室に対して離間すると共に輪郭が設けられた外側、換言すれば輪郭が設けられた摺動面３と、燃焼室31に対向する側面５と、油室32に対向する側面６と、内周面７を備える。

上述した点及び以下に記載の点は、内燃機関、特に２ストローク内燃機関のピストンに使用するためのピストンリング１に関連するものだが、当業者にとって、本発明の実施形態に係るピストンリングがコンプレッサにも使用できることは自明である。

摺動面３は、ほぼ凸状に湾曲したプロファイルと頂点B1とを有し、外周に延在する頂点ライン11を形成している。

周方向における頂点ライン11領域において、ピストンリング１は、シリンダライナなどの対抗摺動面30に対して、燃焼室31からのブローバイを回避するために気密性を発揮するものである。ピストン運動により、ピストンリング１及び対抗摺動面30の間に流体力学的油膜が生じ、これら部分間に十分な潤滑が保証される。断面図において、周方向に延在する頂点ライン11は、頂点B1として表している。

図１a〜図１cに示すように、摺動面３のプロファイルにおける頂点B1は、周方向に対する断面の位置に応じて、ピストンリング１の軸線方向において異なっている。図１bは、頂点B1の中央位置を概略的に示すのに対して、図１a及び図１cは、中央位置に対して、軸線方向における頂点B1の２つの最大変化位置を示す。

好適には、ピストンリング１の断面における重心は、軸線方向における最外側の２つの頂点B1位置間の平面に位置するものとする。これにより、静的状態にあるピストンリング１は、頂点ライン11の変化全体に亘って対抗摺動面30に当接し、場合によってはピストンリング１及び対抗摺動面30間の油膜（図示せず）により、対抗摺動面30から最小限に離間することが保証される。

図２aは、本発明に係るピストンリング１の周方向に延在する摺動面３の一部を示す平面図である。同図からは、頂点B1が軸線方向において周期的に異なるよう変化しているのがわかる。この場合に例示する変化は、ピストンリング１の中心面に対して対称的である。即ち、軸線方向におけるこの場合の頂点B1位置は、ピストンリング１の中心面に対して、最大振幅を伴って異なるものである。

図示の対称性は、本発明の好適な実施形態にすぎず、本発明を限定するものではないことに留意されたい。従って例えば、軸線方向における頂点B1位置の変化は、ピストンリング１の中心面に平行かつ距離を有する平面に関しても対称的とすることができる。軸線方向における頂点B1の変化は更に、非対称的であってもよい。即ちこの場合、軸線方向における頂点B1位置の変化の振幅は、ピストンリング１の中心面を起点として、軸線方向において２つの相反する側で異なる。

図２aは更に、切断位置Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤを示す。図１aの断面図は、位置Ａ又はＤを切断することで得られるのに対して、図１bの断面図は、位置Ｂを切断することで得られ、更に図１cの断面図は、位置Ｃを切断することで得られる。

図２bは、ピストンリング１の平面を示す。この場合、図２aに示す周方向位置及び切断位置Ａ〜Ｄは、ピストンリングの平面に表してある。軸線方向における頂点B1位置は、ピストンリング１の外周に亘って周期的に異なっている。図２bは、例示的に６の周期性を示す。このことは即ち、図示の例示的な実施形態において、ピストンリングの周方向における周期角がφ＝60°であることを意味する。好適には、軸線方向における頂点B1の変動の周期は、４（φ＝90°）〜36（φ＝10°）を含む範囲とする。好適には、この場合の周期は整数とし、特に同数とする。

この点に関して、周期数は、ガス・カウンタープレッシャー法によって潤滑油がシリンダ内に注入される入口又はノズルの個数に一致させられることに留意されたい。例えば、周期数は、入口又はノズルの個数に等しくするか、又はその整数倍とすることができる。

好適には、軸線方向における頂点B1位置は、ピストンリング１の軸線方向における広がりに対して、約50％〜60％の総変動幅（即ち、軸線方向における頂点B1位置が対称的な変化を示す場合に振幅の２倍）を有する。好適には、軸線方向における頂点B1位置は、軸線方向におけるピストンリング１の広がりに対して、約25％から75％の範囲で異なる。

図３は、本発明に係るピストンリング１の他の例示的な実施形態を斜視図で示す。同図に示すように、本発明に係る２個のピストンリングはシステムとして使用することができる。この場合のピストンリングにおいて、軸線方向におけるそれぞれの頂点位置の変化は、互いに対して位相が180°ずれるものとするのが好適である。

好適には、軸線方向における頂点B1位置の変化は一定であり、更に、周期的かつ一定の関数で表すことができる。特に、軸線方向における頂点B1位置の変化は、周期的かつ微分可能関数で表すことができる。このことは、軸線方向における頂点B1位置の変化が、例えば周方向角φ及び周期数kの関数として表すことができることを意味する。即ち、
P_axial＝A_max ・ cos(k・φ)である。

図４は、理解を容易にするために、上述した例示的な関数を示す。

本発明に係るピストンリングは、特に直径が400mmを超えるシステムにおけるピストンに使用されるものである。

好適には、本発明に従って構成されたピストンリングは、大容量の２ストロークエンジンなどの内燃機関又はコンプレッサ用のピストンにおけるピストンリング溝に使用することができる。本発明に関して判明したところによれば、既知の構成に比べて、オイル消費量のみならずブローバイも大幅に低減可能である。従って本発明により、構成及び製造に関して、十分な潤滑条件を保証しつつブローバイ及びオイル消費量の点に優れた、内燃機関又はコンプレッサ用のピストンにおけるピストンリングを得ることができる。

本発明の趣旨は、オイルを周方向に搬送することにより、オイル消費量を低減することである。この目的は、ピボット点又は頂点が周方向における軸線方向高さに亘って変化することにより達成される。この場合、従来技術とは異なり、摺動面に凹部又は孔又はスロットが設けられることはない。即ち、摺動面は、頂点以外には実質的に何らの変化を呈することもない。ピストンリングを側面から見れば、蛇行状又は正弦曲線状を呈する可視プロファイルが確認できる。

１ ピストンリング
３ ピストンリングの摺動面（燃焼室に対して離間している外側）又は外周面
５ 燃焼室に対向する側面
６ 油室に対向する側面
７ 内周面
10 凸状に湾曲した摺動面プロファイル
11 頂点ライン
B1 頂点ラインの頂点
30 対抗摺動面（例えばシリンダライナ）
31 燃焼室
32 油室

Claims (7)

1. 外側の摺動面（３）と、２つの側面（５，６）と、内周面（７）を備えるピストンリングであって、前記摺動面（３）は輪郭を有し、前記摺動面（３）のプロファイルは、ほぼ凸状に湾曲すると共に頂点（B1）を有しているピストンリングにおいて、
   軸線方向における前記頂点（B1）位置は、周方向に異なっていることを特徴とするピストンリング。
2. 請求項１に記載のピストンリングであって、軸線方向における前記頂点位置の変動は周期的であり、好適には、軸線方向における前記頂点（B1）位置の変化に関する周期数は、整数であることを特徴とするピストンリング。
3. 請求項１又は２に記載のピストンリングであって、軸線方向における前記頂点（B1）位置の変化は、前記ピストンリング（１）の中心面に平行であるか又は同一である平面に関して、ほぼ対称的であることを特徴とするピストンリング。
4. 請求項１又は２に記載のピストンリングであって、軸線方向における前記頂点（B1）位置の変化は、前記ピストンリング（１）の中心面に平行であるか又は同一である平面に関して、非対称的であることを特徴とするピストンリング。
5. 請求項１〜３の何れか一項に記載のピストンリングであって、軸線方向における前記頂点（B1）位置は、前記ピストンリング（１）の軸線方向における広がりに対して、約50％〜60％の総変動幅を有していることを特徴とするピストンリング。
6. 請求項１〜４の何れか一項に記載のピストンリングであって、軸線方向における前記頂点（B1）位置の変化に関する周期数は、４〜36を含む範囲にあることを特徴とするピストンリング。
7. 少なくとも２個のピストンリングで構成されるシステムであって、
   前記ピストンリングの内の２個は、それぞれ請求項１〜５の何れか一項に記載のピストンリングであり、また前記少なくとも２個のピストンリングの周期的に異なる軸線方向における前記頂点位置の変化は、互いに対して位相が180°ずれていることを特徴とするシステム。

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