JP6666533B2

JP6666533B2 - 往復動エンジンのシリンダライナおよびピストンの堆積物を制御するためのシステム

Info

Publication number: JP6666533B2
Application number: JP2015160008A
Authority: JP
Inventors: リチャード・ジョン・ドナヒュー; マーク・ジェームズ・レムケ
Original assignee: エーアイアルパインユーエスビドゥコインコーポレイテッド
Priority date: 2014-08-21
Filing date: 2015-08-14
Publication date: 2020-03-18
Anticipated expiration: 2035-08-14
Also published as: EP2987990A1; CN105386887B; EP2987990B1; US9359971B2; BR102015020090A2; KR20160023556A; JP2016044679A; CN105386887A; US20160053710A1

Description

本明細書で開示される主題は一般に往復動エンジンに関し、より詳細には、往復動エンジンのシリンダライナおよびピストンの表面仕上げに関する。

往復動エンジン（例えば、内燃エンジン）は、燃料を酸化剤（例えば、空気）で燃焼させて高温燃焼ガスを発生させ、シリンダライナ内のピストン（例えば、往復動ピストン）を駆動する。具体的には、高温燃焼ガスは膨張してピストンに圧力を加え、シリンダライナ内のピストンを膨張行程（例えば、下降行程）において直線運動させる。ピストンは、燃焼ガスによって加えられた圧力、そしてピストンの直線運動を、（例えば、ピストンに連結した連接棒およびクランク軸を介して）回転運動に変換して、軸を駆動して１つまたは複数の負荷（例えば、発電機）を回転させる。ピストンおよびシリンダライナの設計および構成は、オイル消費と同様、エミッション（例えば、窒素酸化物、一酸化炭素など）に大きな影響を及ぼす場合がある。さらに、ピストンおよびシリンダライナの設計および構成は、往復動エンジンの構成部品間の摩擦、および往復動エンジンの構成部品の寿命に大きな影響を及ぼす場合がある。残念ながら、ピストンに形成される堆積物は、シリンダライナの摩耗を増大させる、あるいはエミッションに影響を及ぼす場合がある。

米国特許第８４５９１７５号明細書

本来、特許請求される発明の範囲に相応する特定の実施形態を、以下に要約する。これらの実施形態は、特許請求される本発明の範囲を限定することを意図するものではなく、むしろこれらの実施形態は、本発明の可能な形態の簡潔な概要を提供することのみを意図する。実際、本発明は、下記に説明する実施形態と同様のもの、または異なるものとすることができる様々な形態を含むことができる。

第１の実施形態では、往復動エンジンは、シリンダライナと、空洞内に配置されたピストンとを含む。シリンダライナは、内壁を含み、空洞の周りを延在する。内壁は、第１の軸方向端、第２の軸方向端、ピストン移動部、および上部を含む。上部は、シリンダライナの第２の軸方向端よりもシリンダライナの第１の軸方向端に近く、上部は、約２μｍより大きな第１の平均粗さ（Ｒａ₁）、および約０．１ｍｍより小さな全うねり（Ｗｔ）を有する第１の表面仕上げを有し、Ｒａ₁およびＷｔは約０．８ｍｍの代表長さに基づく。ピストンは、シリンダライナ内を往復動式に動くように構成される。ピストンは、ピストンが上死点位置にあるとき、シリンダライナの内壁の上部と半径方向に向かい合うように構成されたトップランドを含む。

第２の実施形態では、システムは、シリンダライナと、空洞内に配置されたピストンとを有する往復動エンジンを含む。シリンダライナは、内壁を含み、空洞の周りを延在する。シリンダライナは、シリンダライナの内壁の上部で第１の半径を含み、上部は、第１の平均粗さ（Ｒａ₁）および約０．１ｍｍよりも小さい全うねり（Ｗｔ）を有する第１の表面仕上げを含む。ピストンは、シリンダライナ内を往復動式に動くように構成される。ピストンは、ピストンの周りを周方向に延在する少なくとも１つの環状溝と、少なくとも１つの環状溝のトップの環状溝に隣接するトップランドとを含む。トップランドは、第２の半径および第２の表面仕上げを含む。第１の半径と第２の半径との間の半径隙間は、往復動エンジンの運転中、約２５μｍより小さい。第２の表面仕上げは、約２μｍより小さな第２の平均粗さ（Ｒａ₂）を有し、Ｒａ₂はＲａ₁より小さい。Ｒａ₁、Ｗｔ、およびＲａ₂は約０．８ｍｍの代表長さに基づく。

第３の実施形態では、システムは、シリンダライナと、空洞内に配置されたピストンとを有する往復動エンジンを含む。シリンダライナは、内壁を含み、空洞の周りを延在する。内壁は、第１の軸方向端、第２の軸方向端、ピストン移動部、および上部を含む。シリンダライナは内壁の上部で第１の半径を含み、上部は、シリンダライナの第２の軸方向端よりもシリンダライナの第１の軸方向端に近い。上部は第１の表面仕上げを備え、第１の表面仕上げは、約２μｍより大きな第１の平均粗さ（Ｒａ₁）、および約０．１ｍｍより小さな全うねり（Ｗｔ）を有する。ピストンは、シリンダライナ内を往復動式に動くように構成される。ピストンは、ピストンが上死点位置にあるとき、シリンダライナの内壁の上部と半径方向に向かい合うように構成されたトップランドを含む。ピストンは、トップランドで第２の半径を含み、ピストンのトップランドは、Ｒａ₁より小さな第２の平均粗さ（Ｒａ₂）を有する第２の表面仕上げを有する。往復動エンジンの運転中、第１の半径と第２の半径との間の半径隙間は約２５μｍより小さく、Ｒａ₁とＲａ₂との差は約０．５μｍより大きい。Ｒａ₁、Ｗｔ、およびＲａ₂は約０．８ｍｍの代表長さに基づく。

本発明のこれらの、および他の特徴、態様、および利点は、図面全体を通して同様の符号が同様の部品を表わす添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより、よりよく理解されるであろう。

エンジン駆動の動力発生システムの一部分の実施形態の概略ブロック図である。エンジンのシリンダライナ内に配置されたピストンの実施形態の断面図である。ピストンが上死点位置にあるときのエンジンのピストンおよびシリンダライナの実施形態の図２の線３−３内を見た部分断面図である。エンジンのピストンおよびシリンダライナの実施形態の図２の線３−３内を見た部分断面図である。

以下に、本発明の１つまたは複数の具体的な実施形態を説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するために、実際の実施態様の特徴すべてを本明細書で説明しない場合がある。いかなるこうした実際の実施態様の開発に際しても、あらゆるエンジニアリングプロジェクトまたは設計プロジェクトと同様に、システム関連およびビジネス関連の制約を遵守することなど、実施態様ごとに変わる場合がある開発者の特定の目標を達成するために、実施態様特有の多くの決定を行われなければならないことを理解されたい。さらに、このような開発の取り組みは、複雑であり時間を要する場合があるが、それにもかかわらず、この開示の恩恵を受ける当業者にとっては、設計、製作、および製造の定常作業であることを認識されたい。

本発明の様々な実施形態の要素を導入するときに、冠詞「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、要素の１つまたは複数があることを意味することが意図される。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包括的であることを意図し、列挙した要素以外に追加の要素があり得ることを意味する。

本開示による往復動エンジン（例えば、内燃エンジン）は、１つまたは複数のピストン組立体を含むことができ、各ピストン組立体は、シリンダライナ内を（例えば、軸方向に）直線運動して、燃焼ガスによって加えられた圧力、そしてピストンの直線運動を回転運動に変換して、１つまたは複数の負荷に動力を供給するように構成されたピストンを有する。シリンダライナの上部の表面仕上げは、約０．８ｍｍの代表長さに対して、約１、２、３、４、５、１０、または１５μｍより大きい平均粗さ（Ｒａ）、および約０．１、０．０５、または０．０３ｍｍより小さい全うねり（Ｗｔ）とする場合がある。認識されるように、ＲａおよびＷｔは代表長さが異なると（例えば、０．０８、０．２５、２．５、および８ｍｍ）、変わる場合がある。これに加えて、またはその代わりに、シリンダライナ内のピストンのトップランドの表面仕上げは、約２、１、０．８、０．５、または０．３μｍより小さい平均粗さとする場合がある。ピストンのトップランドとシリンダライナの上部との間の半径隙間は、室温で隙間比がボア直径の約０．５％より小さいときでは、運転温度では約２５μｍより狭い場合があり、これを、本明細書では密接トップランド（ＴＴＬ：ＴｉｇｈｔＴｏｐＬａｎｄ）状態と規定する。本明細書で使用するとき、隙間比は、シリンダボア直径に対するトップランドの隙間の比として定義することができ、トップランド隙間は、シリンダボア直径とピストントップランド直径との間の差として定義することができる。シリンダライナの上部の粗さがピストンのトップランドより粗いので、シリンダライナにはより多くの堆積物が溜まる場合があり、かつ／またはトップランドには堆積物がより少ない場合がある。いくつかの実施形態では、シリンダライナに付着した堆積物は、トップランドから堆積物を掻き落とし（例えば、取り除き）、それによってピストンのトップランドの堆積物が減少する場合がある。さらに、シリンダライナの上部の表面仕上げは、ピストン組立体のクレビス体積に影響を及ぼさない場合がある。例えば、別体の研磨防止リング（例えば、カーボンスクレーパ）は、ピストン組立体のクレビス体積を増やす場合があり、かつ／またはピストン組立体の構成部品の量を増やす場合があるが、本明細書で説明するシリンダライナの上部の表面仕上げは、上部に付着した堆積物を、ピストンに対する研磨防止リングとして機能させることができる。さらに、トップランドに付着した堆積物を減らせば、シリンダライナの摩耗を減らし、かつ／またはピストンの摩擦熱を減らすことができる。ピストンのトップランドに付着した堆積物から生じるシリンダライナとピストンとの間の摩擦は、トップランドとシリンダライナの内壁との間に摩耗を生じさせ（例えば、カーボンによる引っ掻き、およびボアの研磨）、それによって、オイル消費を増大させ、未燃炭化水素がシールを通過するブローバイを増大させ、またはエミッションを増大させ、あるいはこれらの組み合わさったことになる場合がある。したがって、ピストンのトップランドの堆積物を減らすことによって、シリンダライナとピストンとの間の摩擦を減らすと、オイル消費を減少させ、シリンダライナとピストンとの間の未燃炭化水素のブローバイを減少させ、またはエミッションを減少させ、あるいはこれらの組み合わさったことになる場合がある。好都合なことに、ピストンのトップランドから堆積物を取り除くために用いられる堆積物を保持するシリンダライナの上部の表面仕上げが、ピストン組立体のクレビス体積に大きく追加される可能性はない。

図を参照すると、図１は、エンジン駆動の動力発生システム１０の一部分の実施形態のブロック図を示す。以下で詳細に説明するように、システム１０は、１つまたは複数の燃焼室１４（例えば、１、２、３、４、５、６、７，８、１０、１２、１４、１６、１８、２０の、またはそれより多い燃焼室１４）を有するエンジン１２（例えば、往復動内燃エンジン）を含む。各燃焼室１４は、シリンダ３０、およびシリンダ３０内で往復運動するピストン２４によって画定される。空気供給部１６は、各燃焼室１４に、空気、酸素、酸素富化空気、低酸素空気、またはこれらの任意の組合せなどの加圧酸化剤１８を供給するように構成される。燃焼室１４はまた、燃料供給部２２から燃料２０（例えば、液体および／または気体燃料）を受け入れるように構成される。酸化剤１８と燃料２０の混合物（例えば、燃料−空気混合物）は、各燃焼室１４内で点火し燃焼する。高温の加圧燃焼ガスによって、各燃焼室１４に隣接するピストン２４はシリンダ３０内で直線運動し、ガスによって加えられた圧力を回転運動に変換し、それによって軸２６を回転させる。さらに、軸２６は負荷２８に連結される場合があり、軸２６の回転によって負荷２８に動力を与える。例えば、負荷２８は、システム１０の回転出力によって動力を発生することができる、発電機などの任意の適切な装置とすることができる。別の例として、負荷２８はエンジン１２によって駆動される車両とすることができる。さらに、以下の考察では、空気を酸化剤１８と呼んでいるが、本開示の実施形態では、任意の適切な酸化剤を用いることができる。同様に、燃料２０は、例えば、天然ガス、石油随伴ガス、水素、プロパン、ガソリン、バイオガス、消化ガス、合成ガス、埋立地ガス、炭鉱ガス、ディーゼル、灯油、または燃料油などの任意の適切な燃料とすることができる。

本明細書で開示されるシステム１０は、定置用途（例えば、産業用発電エンジン）または移動用途（例えば、自動車または航空機）に使用するように構成することができる。エンジン１２は、２ストロークエンジン、３ストロークエンジン、４ストロークエンジン、５ストロークエンジン、または６ストロークエンジンとすることができる。いくつかの実施形態では、シリンダ３０はエンジンブロックと一体でないシリンダライナを含むことができる。例えば、鋼製のシリンダライナはアルミニウム製エンジンブロックとともに使用することができる。エンジン１２はまた、任意の数の燃焼室１４、ピストン２４、および関連するシリンダ３０またはシリンダライナを（例えば１〜２４）含むことができる。例えば、システム１０は、シリンダ３０内を往復動する４、６、８、１０、１６、２４、またはそれより多いピストン２４を有する大型産業用往復動エンジンを含むことができる。シリンダライナおよび／またはピストン２４の直径は、約１０〜３４センチメートル（ｃｍ）の間、１２〜２０ｃｍの間、または約１５ｃｍとすることができる。ある特定の例では、ピストン２４は、ピストン２４のトップリング溝にニレジスト製リングインサートを有する鋼製ピストンまたはアルミニウム製ピストンとすることができる。いくつかの実施形態では、システム１０は１０ｋＷから１０ＭＷの範囲の発電をすることができる。これに加えて、またはその代わりに、エンジンの運転速度は約１８００、１５００、１２００、１０００、９００、８００、または７００ＲＰＭより遅い速度とすることができる。

図２は、往復動エンジン１２のシリンダライナ４２（例えば、エンジンシリンダ３０）内に配置されたピストン２４を有するピストン組立体４０の実施形態の側面断面図である。シリンダライナ４２は、円筒状の空洞４６を画定する内側環状壁４４を有する。エンジン１２に対する方向は、軸方向軸または方向４８、半径方向軸または方向５０、および周方向軸または方向５２を参照して説明することができる。ピストン２４は、トップランド５４、およびピストン２４の周りを周方向に（例えば、周方向５２に）延在する第１の環状溝５６（例えば、トップの環状溝またはトップの環状リング溝）を含む。第１の環状リング５８（例えば、トップの環状リングまたはトップピストンリング）は、トップの環状溝５６に配置することができる。トップの環状リング５８は、システム１０の運転中にトップの環状リング５８が受ける高温および高圧の燃焼ガスに対応して拡大および収縮するように構成することができる。図示のように、ピストン２４は、ピストン２４の周りを周方向に延在し、軸方向軸４８に沿ってトップの環状溝５６から間隔を置いて配置された１つまたは複数の追加の環状溝６０（例えば、追加の環状リング溝）を含むことができる。追加の環状ピストンリング６２は、追加の環状溝６０のそれぞれに配置することができる。複数の追加の環状溝６０およびそれに対応する追加の環状ピストンリング６２は、様々な構成のうちの任意の構成とすることができることを理解されたい。例えば、複数の追加の溝６０および／またはそれに対応する追加のリング６２のうちの１つまたは複数は、例えば、異なる構成、形状、寸法、および／または機能を有することができる。

図示のように、ピストン２４は、連接棒６６およびピン６８を介してクランク軸６４に取付けられる。クランク軸６４は、ピストン２４の軸方向軸４８に沿った往復直線運動を回転運動７０に変える。燃焼室１４は、ピストン２４のトップランド５４に隣接して配置される。１つまたは複数の燃料噴射器７２は燃焼室１４に燃料２０を供給し、１つまたは複数の弁７４は燃焼室１４への空気１８の供給を制御する。排気弁７６は、エンジン１２からの排気ガス７８の排出を制御する。しかしながら、燃料２０および空気１８を燃焼室１４に供給するために、および／または排気ガス７８を排出するために任意の適切な要素および／または技法を使用することができることを理解されたい。

運転時、燃料２０は空気１８とともに燃焼室１４内で燃焼し、それによって、ピストン２４はシリンダライナ４２の空洞４６内で軸方向４８に往復動式（例えば、前後）に動く。上記したように、ピストン２４が動くと、クランク軸６４は回転して負荷２８（図１に示す）に動力を与える。隙間８０（例えば、環状空間を画定する半径隙間）がシリンダライナ４２の内壁４４とピストン２４の外面８２との間に設けられる。トップの環状リング５８およびすべての追加の環状リング６２は、シリンダライナ４２の内壁４４に接触して、燃料２０、空気１８、および燃料−空気混合物８４を燃焼室１４内に保持することができる。これに加えて、またはその代わりに、トップの環状リング５８および任意の追加の環状リング６２は、燃焼室１４内の圧力を適切に維持することを容易にして、高温の燃焼ガス７８を膨張させて、ピストン２４を軸方向軸４８に沿って動かすことを可能にする。トップの環状リング５８および／またはすべての追加の環状リング６２は、シリンダライナ４２の内壁４４にわたって潤滑剤（例えば、オイル）を分布させて、エンジン１２内で、摩擦を減らし、かつ／または熱発生を減らすことができる。

ピストン２４は、シリンダライナ４２の第１の軸方向端８６と第２の軸方向端８８との間を軸方向軸４８に沿って往復動して、矢印７０に示すようにクランク軸６４を回転させる。ピストン２４のトップランド５４は、往復運動のほとんどで、シリンダライナ４２の内壁４４の移動部９０を通って往復動する。ピストン２４がシリンダライナ４２内で上死点位置にあるとき、ピストンのトップランド５４はシリンダライナ４２の上部９２と半径方向に向かい合っている。認識されるように、ピストン２４の上死点位置は、ピストン２４の頂面９４が頂点９６にあるときに一致する。いくつかの実施形態では、連接棒６６の軸９８は、上死点位置では、シリンダライナ４２の軸１００と実質的に位置が合っている。例えば、連接棒６６が図２の破線で示す位置１０２にあるとき、ピストン２４は上死点位置にある。認識されるように、ピストン２４が上死点位置にあるとき、燃焼室１４の容積は最小値になる。上死点位置で、ピストン２４の動きは、軸方向軸４８に沿って逆方向になる。いくつかの実施形態では、連接棒６６の軸９８が、シリンダライナ４２の軸１００の約１５度以下、１０度以下、または５度以下の範囲内にあるとき、シリンダライナ４２の上部９２は、トップランド５４と半径方向に向かい合っている内壁４４の部分を含む。これに加えて、またはその代わりに、ピストン２４が上死点位置にあるとき、シリンダライナ４２の上部９２は、ピストン２４のトップランド５４の上方にある内壁４４の部分を含む。いくつかの実施形態では、シリンダライナ４２の上部９２の直径は、シリンダライナ４２の移動部９０の直径と実質的に等しくすることができる。

図３は、エンジン１２のピストン２４およびシリンダライナ４２の図２の線３−３内を見た部分断面図である。図３は、ピストン２４のトップランド５４がシリンダライナ４２の上部９２と半径方向に向かい合っている、上死点位置のピストン２４を示す。燃料２０および空気１８は、ピストン２４が上死点位置に近づく前、またはほぼ近づくときに、燃焼室１４内で燃焼を始めることができる。燃焼室１４内の燃料２０および空気１８の部分は、ピストン２４のいくつかの燃焼サイクルで完全には反応しない場合がある。不完全燃焼生成物は、エミッションならびに／あるいはシリンダライナ４２またはピストン２４での堆積物（例えば、カーボン堆積物）の形成の原因となる場合がある。これに加えて、またはその代わりに、コークス化した潤滑剤（例えば、オイル）は、ピストン２４のトップランド５４および／またはシリンダライナ４２の上部９２などの燃焼室１４の表面にカーボン堆積物を形成する場合がある。特定の寸法より大きな燃焼室１４の近くの隙間またはクレビスは、ピストン組立体４０のクレビス体積を増やす場合がある。クレビスは、１つのピストンサイクルから別のサイクルまで、排気ガス７８または燃料−空気混合物８４の部分を保持し、それによって燃焼効率を下げる場合がある。これに加えて、またはその代わりに、クレビスは、あるピストンサイクルで燃料２０または空気１８の部分を保持し、それによって、ピストンサイクルで不完全反応となって、燃焼効率を下げる場合がある。

したがって、ピストン組立体４０のピストン２４およびシリンダライナ４２の形状を密接トップランド（ＴＴＬ）設計にすれば、それによってピストン組立体４０のクレビス体積が減り、エミッションが減り、燃焼効率を上げることができる。本明細書で規定するように、ＴＴＬ設計では、エンジン１２が定格温度（例えば、約４８０°から８１５℃、約５４０°から７６０℃、または約５９０°から７００℃の間の燃焼温度）で運転されるとき、運転隙間は半径方向で約２５μｍより小さい。例えば、ＴＴＬ設計では、エンジン１２が定格温度で運転されるとき、シリンダライナ４２の上部９２の第１の表面１２０とピストン２４のトップランド５４の第２の表面１２２との間の運転隙間（例えば、隙間８０）は半径方向で約３５、３０、２５、２０、または１５μｍより小さくすることができる。いくつかの実施形態において、ピストン組立体４０のＴＴＬ設計では、ピストン２４のトップランド５４周りのトップランド半径隙間は、室温（約２０℃）で、アルミニウム製ピストンに対して、公称ボア直径の約０．３６％から０．４６％とすることができる。ＴＴＬ設計の別の材料（例えば、鉄鋼）のピストンに対するトップランド５４周りのトップランド半径隙間は、アルミニウム製ピストンのトップランド半径隙間に他の材料（例えば、鉄鋼）とアルミニウムとの熱膨張係数の比を掛けることによって決めることができる。例えば、１３．２（１０^-6ｍ／ｍ・Ｋ）の熱膨張係数の４２ＣｒＭｏ４Ｖ鋼および２１（１０^-6ｍ／ｍ・Ｋ）の熱膨張係数のＭ１２４Ｇアルミニウムに対しては、４２ＣｒＭｏ４Ｖ鋼のピストンに対するトップランド５４周りのトップ半径隙間は、４２ＣｒＭｏ４Ｖ鋼のピストンの公称ボア直径の約０．２３％から０．２９％の間である（例えば、０．３６％×（１３．２／２１）＝０．２３％、０．４６×（１３／２１）＝０．２９％）。

排気ガス７８または潤滑剤からのカーボン堆積物は、燃焼室１４の周りの表面に形成する場合がある。カーボン堆積物がトップランド５４の第２の表面１２２に形成する場合、カーボン堆積物は、シリンダライナ４２の内面４４の移動部９０での摩擦および摩耗（例えば、カーボンによる引っ掻き、およびボアの研磨）を増大させる場合がある。シリンダライナ４２の内面４４での摩耗は、隙間８０が増大することによってオイル消費を増大させる場合がある。これに加えて、またはその代わりに、内面４４での摩耗が増大すると、トップの環状リング５８または追加の環状リング６２を通過する燃料２０、空気１８、および／または燃焼生成物７８のブローバイが増加する場合がある。

ピストン２４に向かって半径方向内向きに延在するシリンダライナ４２の上部９２の研磨防止リングは、トップランド５４と相互作用して、第２の表面１２２から堆積物を取り除くことができる。研磨防止リングとともに使用されるピストン２４のトップランド５４は、本明細書で説明する研磨防止リングなしで使用される所与のシリンダライナ４２とともに使用されるピストン２４のトップランド５４よりも、所与のシリンダライナ４２に対して小さい（例えば、直径が小さい）。研磨防止リングを有するピストン組立体４０で、より小さいトップランド５４を使用すると、ピストン２４の第２の表面１２２とシリンダライナ４２の内側環状壁４４との間の隙間８０が増大する。研磨防止リングでは隙間８０がより大きいので、本明細書で説明する研磨防止リングなしのピストン組立体４０の実施形態に対して、クレビス体積が増大し、エンジン効率が下がる場合がある。さらに、研磨防止リングを有するピストン組立体４０は、研磨防止リングなしのピストン組立体４０に対して、トップランド５４およびシリンダライナ４２の温度を上昇させる場合がある。トップランド５４およびシリンダライナの温度が低いピストン組立体４０では、エミッションが減り、ピストン２４の疲労寿命が延び、潤滑剤の使用可能な寿命が延び、潤滑剤交換間隔の頻度が減り、またはそれらが任意に組み合わさる。

いくつかの実施形態では、上部９２の第１の表面１２０は、燃焼室１４のクレビス体積には大きく影響せずに、トップランド５４に対する上部９２でのカーボン堆積物の形成を促進する表面仕上げにする。すなわち、第１の表面１２０の「巨視的な」表面仕上げはクレビス体積を増大させる場合があるのに反して、本明細書で説明する第１の表面仕上げの実施形態は、ＴＴＬ設計の隙間に比べてクレビス体積には実質的に大きな影響を及ぼさない「微視的な」表面仕上げを含む。例えば、第１の表面１２０の第１の表面仕上げの平均粗さ（Ｒａ）は、エンジン１２の運転時、ＴＴＬ隙間（約２５μｍ）より小さい。上部９２の第１の表面１２０のカーボン堆積物は、隙間８０に少なくとも部分的に延在して、ピストン２４のトップランド５４の第２の表面１２２に形成する場合があるカーボン堆積物を掻き落とす、または取り除くことができる。認識されるように、表面仕上げは、少なくとも表面粗さパラメータおよびうねりパラメータによって定義することができ、表面粗さパラメータは、細かな間隔での表面の不規則性の尺度であり、うねりパラメータは、代表長さにわたって表面粗さパラメータの間隔よりも長い間隔での表面の不規則性の尺度である。本明細書で考察する表面粗さパラメータは平均粗さ（Ｒａ）パラメータである。Ｒａは、輪郭に沿う絶対値の算術平均に相当するパラメータである。本明細書で考察する表面うねりパラメータは、全うねり（Ｗｔ）パラメータであり、Ｗｔは、輪郭の最大輪郭山高さと最大輪郭谷深さの和である。認識されるように、ＷｔおよびＲａは、約０．５、０．８、または１．０ｍｍなどの代表長さで明示される。第１の表面１２０の平均粗さＲａ₁は約１、２、３、４、５、１０、１５、または２０μｍより大きくすることができる。いくつかの実施例では、第１の表面１２０のＲａ₁は、約２０μｍなど、約２５μｍより小さくすることができる。第１の表面のＷｔは、約０．１、０．０５、または０．０３ｍｍより小さくすることができる。例えば、第１の表面仕上げは、約１μｍより大きい平均粗さＲａ₁、かつ約０．１ｍｍより小さい全うねりＷｔとすることができる。「巨視的な」表面仕上げは、限定するものではないが、ピストン組立体４０のクレビス体積を大きく増大させない、２５μｍより小さいＲａ₁および０．１ｍｍより小さいＷｔの第１の表面１２０の実施形態を含むことは理解される。いくつかの実施形態では、第１の表面１２０の第１の表面仕上げは、限定するものではないが、穴あけ、フライス削り、中ぐり、ブローチ削り、リーマ仕上げ、研削、ホーニング、電解研磨、研磨、またはラッピング、あるいはこれらの任意の組合せを含む工程によって形成することができる。

いくつかの実施形態では、ピストン組立体４０のＴＴＬ設計の半径隙間は、上部９２およびトップランド５４でのカーボン堆積物の形成を低減することができる。しかしながら、隙間８０がエンジン１２の運転中にボアが変形することによって増大する場合でも、上部９２の第１の表面１２０で形成するカーボン堆積物は、トップランド５４の第２の表面１２２でのカーボン堆積物の形成を抑制することができる。トップランド５４の第２の表面１２２でのカーボン堆積物の形成が低減されると、内壁４４の摩耗が減り、ピストン２４とシリンダライナ４２との間のシールの寿命が延び、トップランド５４およびシリンダライナ４２の温度が、所望の動作温度の範囲内に（例えば、２５０℃より低く）保たれ、またはこれらのことが任意に組み合わさる。シールの寿命が延び、かつ／あるいはピストン２４またはシリンダライナ４２の摩耗が減ると、メンテナンス間隔に関係する休止時間を減らすことができ、それによって、エンジン１２が、より長期間、負荷２８に動力を与え続けることができる。カーボン堆積物が形成されると、構成部品（例えば、ピストン２４、シリンダライナ４２）の温度が上昇する場合がある。したがって、トップランド５４の第２の表面１２２でのカーボン堆積物の形成を減らせば、ピストン２４からシリンダライナ４２への熱伝達が増え、それによって、トップランド５４の温度が下がり、さらにトップランド５４の第２の表面でカーボン堆積物が形成される可能性が減る場合がある。

いくつかの実施形態では、トップランド５４の第２の表面１２２の第２の表面仕上げは、トップランド５４でのカーボン堆積物の形成を抑制するように構成される。トップランド５４の第２の表面１２２の平均粗さＲａ₂は２、１、０．８、０．５、または０．３μｍより小さくすることができる。いくつかの実施形態では、第２の表面１２２の第２の表面仕上げは、限定するものではないが、穴あけ、フライス削り、中ぐり、ブローチ削り、リーマ仕上げ、研削、ホーニング、電解研磨、研磨、またはラッピング、あるいはこれらの任意の組合せを含む工程によって形成することができる。これに加えて、またはその代わりに、２μｍより大きな平均粗さのトップランド５４にコーティングを施すことができ、その結果、コーティングを施した第２の表面１２２のＲａ₂は、約２、１、０．８，０．５、または０．３μｍより小さい。コーティングには、限定するものではないが、クロム、グラファイト、モリブデン、鋳鉄、およびシリコンなどが含まれる。トップランド５４の第２の表面１２２の表面仕上げは、シリンダライナ４２の上部９２の第１の表面１２０よりも滑らかな場合（例えば、Ｒａ₂＜Ｒａ₁）、カーボン堆積物は、トップランド５４の第２の表面１２２よりも上部９２の第１の表面１２０に保持されやすい。すなわち、第１の表面１２０の表面粗さは、カーボン堆積物を機械的に強く固定して保持し、第２の表面１２２の表面粗さはカーボン堆積物を機械的に弱く固定して保持する場合がある。いくつかの実施形態では、第１の表面１２０の平均粗さパラメータＲａ₁と第２の表面１２２の平均粗さパラメータＲａ₂との間の差は、値の差よりも大きい場合がある。値の差は、約０．５、０．７、１、２、３、４、５μｍ、またはそれより大きい場合がある。いくつかの実施形態では、Ｒａ₁はＲａ₂より、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、またはそれより大きな倍率で、大きい場合がある。Ｒａ₁とＲａ₂との間の差が大きくなると、ピストン組立体４０に形成されるカーボン堆積物がシリンダライナ４２の上部９２の第１の表面１２０に形成される確率が高くなる場合がある。

シリンダライナ４２のトップリング反転部１２４の下方で、内壁４４の移動部９０の第３の表面仕上げの平均粗さ（Ｒａ₃）は、約１、０．８、または０．５μｍより小さくすることができる。認識されるように、シリンダライナ４２のトップリング反転部１２４は、上死点位置において、トップランド５４の底部と半径方向に向かい合っている。したがって、シリンダライナ４２の上部９２は、トップリング反転部１２４の軸方向４８の上の部分として定義することができる。平均粗さＲａ₃は、平均粗さＲａ₁より小さくする（例えば、より滑らかにする）ことができ、それによって、内壁４４の移動部９０でのカーボン堆積物の形成を抑制することができる。いくつかの実施形態では、トップランド５４の第２の表面１２２の平均粗さＲａ₂は、内壁４４の移動部９０の平均粗さＲａ₃とほぼ同じかまたは小さくすることができる。例えば、移動部９０の平均粗さＲａ₃は、第２の表面１２２の平均粗さＲａ₂より約０、１０、２５、５０、１００、２００、３００、または４００パーセント大きくすることができる。内壁４４の移動部９０の第３の表面仕上げは、限定するものではないが、穴あけ、フライス削り、中ぐり、ブローチ削り、リーマ仕上げ、研削、ホーニング（例えば、プラトーホーニング）、電解研磨、研磨、またはラッピング、あるいはこれらの任意の組合せを含む工程によって形成することができる。

図４は、エンジン１２のピストン２４およびシリンダライナ４２の図２の線３−３内を見た部分断面図である。図４は、上死点位置に向かって軸方向４８に動くピストン２４を示す。シリンダライナ４２の上部９２の第１の表面１２０の第１の付着した堆積物１３０は、ピストン２４とシリンダライナ４２との間の環状隙間８０内に延在する。ピストン２４が上死点位置の方へ動くと、第１の表面１２０の第１の付着した堆積物１３０は、ピストン２４のトップランド５４の第２の表面１２２の第２の付着した堆積物１３２と相互作用する場合がある。第１の表面１２０の第１の表面仕上げが第１の付着した堆積物１３０を上部９２に固定することの方が、第２の表面１２２の第２の表面仕上げが第２の付着した堆積物１３２をピストン２４のトップランド５４に固定することよりも強い。したがって、上部９２の第１の付着した堆積物１３０がトップランド５４から取り除く第２の付着した堆積物１３２の方が、第２の付着した堆積物１３２が上部９２から取り除く第１の付着した堆積物１３０よりも多い。したがって、ピストン２４のトップランド５４は、第１の表面１２０の第１の付着した堆積物１３０によってきれいにされ、それによって、トップランド５４の第２の表面１２２とシリンダライナ４２の移動部９０との間の摩擦が減る。いくつかの実施形態では、第１の表面１２０の第１の表面仕上げが、第２の表面１２２の第２の表面仕上げより多くの潤滑剤（例えば、オイル）を集めて保持することに少なくともある程度基づいて、第１の表面１２０は第２の表面１２２よりも速い割合で堆積物を蓄積する場合がある。保持された潤滑剤は燃焼中にコークス化し、それによって、堆積物１３０を形成する場合がある。

本明細書で考察した実施形態の技術的効果として、クレビス体積を減らし、エンジン運転中に燃焼室内でのカーボン堆積物の形成を減らすことが挙げられる。これに加えて、またはその代わりに、本明細書で考察した実施形態の技術的効果として、ピストンの温度を下げ、燃焼効率を改善し、オイル消費を減らし、シリンダライナの摩耗を減らし、ブローバイを減らし、ピストン周りのシールリングの寿命を延ばす、またはそれらのことが任意に組み合わされることが挙げられる。シリンダライナの上部の表面仕上げがトップランドの表面仕上げに対して粗いことによって、シリンダライナの上部で堆積物がより形成しやすくなる。さらに、カーボン堆積物がシリンダライナおよびピストンに形成される限りでは、シリンダライナの上部の表面仕上げがトップランドの表面仕上げよりも粗いことによって、ピストンがシリンダライナ内を往復運動している間、上部の付着した堆積物が、ピストンのトップランドから堆積物を取り除くことができる。

本明細書では、最良の態様を含む例を用いて本発明を開示し、さらに、任意の装置またはシステムの作製および使用、ならびに任意の組み入れられた方法の実施を含め、当業者が本発明を実施できるように本発明を開示している。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の例も含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と相違ない構成要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を有する場合、特許請求の範囲内であることを意図している。

１０動力発生システム
１２エンジン
１４燃焼室
１６空気供給部
１８酸化剤、空気
２０燃料
２２燃料供給部
２４ピストン
２６軸
２８負荷
３０シリンダ
４０ピストン組立体
４２シリンダライナ
４４内壁
４６空洞
４８軸方向
５０半径方向
５２周方向
５４トップランド
５６トップの環状溝
５８トップの環状リング
６０追加の環状溝
６２追加の環状リング
６４クランク軸
６６連接棒
６８ピン
７０回転方向
７２燃料噴射器
７４弁
７６排気弁
７８排気ガス
８０隙間
８２ピストンの外面
８６シリンダライナの第１の軸方向端
８８シリンダライナの第２の軸方向端
９０シリンダライナの内壁の移動部
９２シリンダライナの上部
９４ピストンの頂面
９６頂点
９８連接棒の軸
１００シリンダライナの軸
１０２ピストンが上死点位置にあるときの連接棒の位置
１２０シリンダライナの上部の第１の表面
１２２ピストンのトップランドの第２の表面
１２４シリンダライナのトップリング反転部
１３０第１の堆積物
１３２第２の堆積物

Claims

内壁（４４）を有し、空洞（４６）の周りを延在するシリンダライナ（４２）であって、前記内壁（４４）が、第１の軸方向端（８６）、第２の軸方向端（８８）、ピストン移動部（９０）、および上部（９２）を備え、前記上部（９２）が、前記シリンダライナ（４２）の前記第２の軸方向端（８８）よりも前記シリンダライナ（４２）の前記第１の軸方向端（８６）に近く、前記上部（９２）が第１の表面仕上げを備え、前記第１の表面仕上げが、約２μｍより大きいが約２０μｍより小さい第１の粗さ（Ｒａ_１）、および約０．１ｍｍより小さな全うねり（Ｗｔ）を備え、Ｒａ_１およびＷｔが約０．８ｍｍの代表長さに基づく、シリンダライナと、
前記空洞（４６）内に配置され、前記シリンダライナ（４２）内を往復動式に動くように構成されたピストン（２４）であって、前記ピストン（２４）が上死点位置にあるとき、前記シリンダライナ（４２）の前記内壁（４４）の前記上部（９２）と半径方向に向かい合うように構成されたトップランド（５４）を備えるピストン（２４）とを備える往復動エンジン（１２）。
Ｒａ_１が約５μｍより大きい、請求項１記載の往復動エンジン（１２）。
Ｒａ_１が約２５μｍより小さい、請求項１記載の往復動エンジン（１２）。
Ｗｔが約０．０５ｍｍより小さい、請求項１記載の往復動エンジン（１２）。
前記ピストン（２４）の前記トップランド（５４）の第２の表面仕上げが、約２μｍより小さな第２の平均粗さ（Ｒａ_２）を備え、Ｒａ_２がＲａ_１より小さく、Ｒａ_２が約０．８ｍｍの代表長さに基づく、請求項１記載の往復動エンジン（１２）。
前記ピストン（２４）の前記トップランド（５４）が第２の表面仕上げを備え、前記第２の表面仕上げが第２の平均粗さ（Ｒａ_２）を備え、前記内壁（４４）の前記上部（９２）の前記第１の表面仕上げのＲａ_１がＲａ_２より少なくとも２倍大きい、請求項１記載の往復動エンジン（１２）。
前記ピストン（２４）の前記トップランド（５４）が第２の表面仕上げを備え、前記第２の表面仕上げが第２の平均粗さ（Ｒａ_２）を備え、Ｒａ_１とＲａ_２との差が約０．５μｍより大きい、請求項１記載の往復動エンジン（１２）。
前記上部（９２）が第１の直径を備え、前記ピストン移動部（９０）が第２の直径を備え、前記第１の直径が前記第２の直径と等しい、請求項１記載の往復動エンジン（１２）。
前記シリンダライナ（４２）が前記内壁（４４）の前記上部（９２）で第１の半径を備え、前記ピストン（２４）が前記トップランド（５４）で第２の半径を備え、前記第１の半径と前記第２の半径との間の半径隙間が、前記往復動エンジン（１２）の運転中、約２５μｍより小さい、請求項１記載の往復動エンジン（１２）。
前記シリンダライナ（４２）が前記内壁（４４）の前記上部（９２）で第１の半径を備え、前記ピストン（２４）が前記トップランド（５４）で第２の半径を備え、前記第１の半径と前記第２の半径との間の隙間比が、室温で、前記内壁（４４）の前記上部（９２）のボア直径の約０．５％より小さく、前記ボア直径が前記第１の半径の２倍である、請求項１記載の往復動エンジン（１２）。
前記往復動エンジン（１２）の運転中、前記第１の表面仕上げが、前記内壁（４４）の前記上部（９２）でカーボン堆積物を保持するように構成され、前記上部（９２）の前記保持されたカーボン堆積物が、研磨防止リングなしで、前記トップランド（５４）のカーボン堆積物を減らすように構成される、請求項１記載の往復動エンジン（１２）。
内壁（４４）を有し、空洞（４６）の周りを延在するシリンダライナ（４２）であって、前記シリンダライナ（４２）が、前記シリンダライナ（４２）の前記内壁（４４）の上部（９２）で第１の半径を備え、前記上部（９２）が、約２μｍより大きいが約２０μｍより小さい第１の平均粗さ（Ｒａ_１）および約０．１ｍｍよりも小さい全うねり（Ｗｔ）を有する第１の表面仕上げを備える、シリンダライナ（４２）と、
前記空洞（４６）内に配置され、前記シリンダライナ（４２）内を往復動式に動くように構成されたピストン（２４）であって、
前記ピストン（２４）の周りを周方向に延在する少なくとも１つの環状溝と、
前記少なくとも１つの環状溝のトップの環状溝（５６）に隣接するトップランド（５４）であって、前記トップランド（５４）が第２の半径および第２の表面仕上げを備え、前記第１の半径と前記第２の半径との間の半径隙間が、前記往復動エンジン（１２）の運転中、約２５μｍより小さく、前記第２の表面仕上げが、約２μｍより小さな第２の平均粗さ（Ｒａ_２）を備え、Ｒａ_２がＲａ_１より小さく、Ｒａ_１、Ｗｔ、およびＲａ_２が約０．８ｍｍの代表長さに基づく、トップランド（５４）とを備えるピストン（２４）とを備える往復動エンジン（１２）。
前記内壁（４４）の前記上部（９２）のＲａ_１が前記ピストン（２４）の前記トップランド（５４）のＲａ_２より少なくとも２倍大きい、請求項１２記載の往復動エンジン（１２）。
前記シリンダライナ（４２）が、前記上部（９２）の下方にピストン移動部（９０）を備え、前記内壁（４４）の前記上部（９２）が第１の直径を備え、前記ピストン移動部（９０）が第２の直径を備え、前記第１の直径が前記第２の直径に等しい、請求項１２記載の往復動エンジン（１２）。
Ｒａ_１とＲａ_２との差が約０．５μｍより大きい、請求項１２記載の往復動エンジン（１２）。
Ｒａ_２が約０．５μｍより小さい、請求項１２記載の往復動エンジン（１２）。
内壁（４４）を有し、空洞（４６）の周りを延在するシリンダライナ（４２）であって、前記内壁（４４）が、第１の軸方向端（８６）、第２の軸方向端（８８）、ピストン移動部（９０）、および上部（９２）を備え、前記シリンダライナ（４２）が前記内壁（４４）の前記上部（９２）で第１の半径を備え、前記上部（９２）が、前記シリンダライナ（４２）の前記第２の軸方向端（８８）よりも前記シリンダライナ（４２）の前記第１の軸方向端（８６）に近く、前記上部（９２）が第１の表面仕上げを備え、前記第１の表面仕上げが、約２μｍより大きいが約２０μｍより小さい第１の平均粗さ（Ｒａ_１）、および約０．１ｍｍより小さな全うねり（Ｗｔ）を備える、シリンダライナ（４２）と、
前記空洞（４６）内に配置され、前記シリンダライナ（４２）内を往復動式に動くように構成されたピストン（２４）であって、前記ピストン（２４）が上死点位置にあるとき、前記シリンダライナ（４２）の前記内壁（４４）の前記上部（９２）と半径方向に向かい合うように構成されたトップランド（５４）を前記ピストン（２４）が備え、前記ピストン（２４）が前記トップランド（５４）で第２の半径を備え、前記ピストン（２４）の前記トップランド（５４）が、Ｒａ_１より小さな第２の平均粗さ（Ｒａ_２）を有する第２の表面仕上げを備える、ピストン（２４）と
を備える往復動エンジン（１２）であって、
前記往復動エンジン（１２）の運転中、前記第１の半径と前記第２の半径との間の半径隙間が約２５μｍより小さく、Ｒａ_１とＲａ_２との差が約０．５μｍより大きく、Ｒａ_１、Ｗｔ、およびＲａ_２が約０．８ｍｍの代表長さに基づく、往復動エンジン（１２）。
Ｒａ_１が約５μｍより大きい、請求項１７記載の往復動エンジン（１２）。
前記シリンダライナ（４２）が前記内壁（４４）の前記上部（９２）で第１の半径を備え、前記ピストン（２４）が前記トップランド（５４）で第２の半径を備え、前記第１の半径と前記第0２の半径との間の隙間比が、室温で、前記内壁（４４）の前記上部（９２）のボア直径の約０．５％より小さく、前記ボア直径が前記第１の半径の２倍である、請求項１７記載の往復動エンジン（１２）。
Ｒａ_２が約０．８μｍより小さい、請求項１７記載の往復動エンジン（１２）。