JP6771480B2 - 対向ピストン型エンジン用のシリンダライナ - Google Patents

Description

［関連出願／優先権］
この出願は、２０１５年３月３１日に米国特許商標庁に出願された米国特許出願第１４／６７５，３４０号明細書に対する優先権を主張する。この開示は、現時点で米国特許第８，８５１，０２９号である２０１２年２月２日に出願された「トップリング反転領域に固体潤滑を伴う対向ピストンシリンダボア構造（”Ｏｐｐｏｓｅｄ−Ｐｉｓｔｏｎ Ｃｙｌｉｎｄｅｒ Ｂｏｒｅ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ Ｗｉｔｈ Ｓｏｌｉｄ Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｉｎ Ｔｈｅ Ｔｏｐ Ｒｉｎｇ Ｒｅｖｅｒｓａｌ Ｚｏｎｅｓ”）」と題される所有者が共通の米国特許出願第１３／３８５，１２７号明細書の開示に関連する材料を含む。

この分野は対向ピストン型エンジンを含む。特に、この分野は、一対の対向するピストンの摺動動作を支持するように構成されるシリンダライナに関する。

対向ピストン型エンジンのシリンダの構造はよく理解されている。シリンダは、シリンダブロックに形成されるシリンダトンネル内に保持されるライナ（時として「スリーブ」と呼ばれる）から構成される。対向ピストン型エンジンのライナは、第２のライナ端部付近のシリンダ排気ポートを含む環状の排気部から長手方向に離間される第１のライナ端部付近のシリンダ吸気ポートを含む環状の吸気部を有する。吸気部と排気部との間のライナの中間部は、１つ以上の燃料噴射ポートを含む。２つの向き合う対向移動ピストンは、それらの端面が互いに向き合った状態でライナのボア内に配置される。動力行程の開始時に、対向ピストンは、ライナの中間部でそれぞれのトップセンタ（ＴＣ）位置に達し、この位置で、それらのピストンは、互いにシリンダ内で相互に最も近接する。動力行程中、ピストンは、それらが互いから最も遠く離れるライナの端部にあるそれぞれのボトムセンタ（ＢＣ）位置に近づくまで、互いから離間して移動する。圧縮行程では、ピストンが方向を反転してＢＣからＴＣへ向けて移動する。

ピストンとシリンダライナ（ｌｉｎｅｒ）との間の周方向隙間空間は、熱膨張を可能にするために設けられる。長時間の動作後、ピストンのトップランドで、この隙間空間内に炭素が蓄積する。この空間内で移動するピストンのトップランドに蓄積される炭素は、摩擦及びリング摩耗の増大をもたらす可能性があり、最悪の場合には、それにより、リングジャッキが生じる可能性がある。従来の４ストロークシングルピストンエンジンにおいて、トップランドからの炭素除去は、一般に、シリンダライナの上端とシリンダヘッドとの間に装着されるスクレーパリングハードウェアによって行なわれる。対向ピストン型エンジンでは、炭素を除去できる部位が限られる。対向ピストン型エンジンは、炭素スクレーパ装置を配置できるシリンダヘッドを含まない。ライナ構造がその可能性を更に減少させる。ポートが配置されるピストンのＢＣ位置付近で炭素除去が発生しないことが好ましい。吸気ポート付近の炭素残渣は、ボアに入る給気を汚染し、それにより、燃焼を悪化させる可能性がある。排気ポートの近傍の炭素残渣は、燃焼後にシリンダから出るガス流中に混入する可能性があり、それにより、排気物質が増大する。したがって、吸気ポート及び排気ポートから離れた位置でライナ内のピストントップランドから炭素を除去することが望ましい。

対向ピストン型エンジンの動作サイクル全体にわたってエンジン性能を低下させる他の要因は、シリンダライナを通じた熱の損失に関連する。燃焼は、ピストンが互いに近接しているときにピストン端面間で圧縮される空気中へ燃料が噴射される際に起こる。ライナを通じた燃焼熱の損失は、動力行程でピストンを離間駆動させるために利用できるエネルギの量を減少させる。この熱損失を制限することにより、燃料効率が高められて、クーラントに対する熱除去が減少され、それにより、より小さな冷却システムの使用が可能になるとともに、より高い排気温度を実現でき、その結果、ポンプ損失が低減される。したがって、シリンダ内に可能な限り多くの燃焼熱を保持することが望ましい。

本開示にしたがって構成される対向ピストン型エンジンシリンダライナは、炭素除去の目的を満たし、それにより、従来技術の対向ピストンと比較してエンジンの耐久性が向上する。本開示に係る対向ピストンライナ構造は、熱封じ込めの目的を満たし、それにより、対向ピストン型エンジンが従来技術の対向ピストン型エンジンよりも高い熱保持を行なうことができるようにする。幾つかの態様では、本開示に係る対向ピストンライナ構造がこれらの目的の両方を同時に満たす。

本開示にしたがって構成される対向ピストン型エンジン用のシリンダライナは、ライナに含まれる対向ピストンのトップランド（ｔｏｐ ｌａｎｄ）上に蓄積される炭素を減少させる又は排除することによって対向ピストン型エンジンの耐久性を向上させる。シリンダライナは、ライナの長手方向軸上に中心があるボアを画定する内面を伴う円筒壁を有する。ボアは第１の直径を有する。吸気ポート及び排気ポートがライナのそれぞれの両端付近で円筒壁に形成される。ライナの中間部は、端部間で延在するとともに、環状ライナ部を含み、この環状ライナ部内でピストンがそれらのＴＣ位置に達する。環状ライナ部は、長手方向軸と直交する第１及び第２のトップリング反転面間に画定される。第１のトップリング反転面は、ピストンがそのＴＣ位置にあるときに第１のピストンの最上リングが配置される第１の軸方向位置にある。第２のトップリング反転面は、ピストンがそのＴＣ位置にあるときに第２のピストンの最上リングが配置される第２の軸方向位置にある。ライナリングは、環状ライナ部に含まれるボアの部分に装着される。ライナリングは、第１の直径よりも僅かに小さい第２の直径を伴う内部環状面を有する。したがって、ライナリングは、ライナボアとピストンのトップランドとの間の隙間を僅かに減少させる。ライナリングはシリンダボアのＴＣ位置を含むため、各ピストンのトップランドは、ピストンがＴＣに近づいてＴＣから離れるときにライナリングを横切るにすぎない。そのため、ライナリングは、トップランドがライナリングを通り越す際に過剰な炭素を除去するように炭素が集まる隙間を減少させる。

シリンダ内の最も高い熱の集中は、燃焼が起こるピストンのＴＣ位置間のライナの環状部において発生する。ライナ内への全熱流束の略半分がこの環状部で生じる。したがって、高い熱抵抗をもたらすようにライナリングを構成することにより、環状ライナ部を通じた熱流束が減少する。

ボトムセンタ位置とトップセンタ位置との間でシリンダのボア内に配置される一対の対向ピストンを示すために断面が除去された、本開示に係るシリンダの斜視図である。

図１のシリンダのボア内に装着されるライナリングを示すために断面が除去された、図１のシリンダの斜視図である。

ライナリングをより詳細に示す、図１及び図２のシリンダライナの環状ライナ部の拡大側断面図である。

図３から軸方向に９０°回転された図である。

本開示に係る第１の代替的なシリンダライナ構造の拡大側断面図である。

本開示に係る第２の代替的なシリンダライナ構造の拡大側断面図である。

この明細書に係る１つ以上のシリンダライナを伴う対向ピストン型エンジン１００の概略図である。

図面を参照すると、図１、図２、及び、図３は、本開示にしたがって構成されるシリンダライナ１０を示し、この場合、ボトムセンタ位置とトップセンタ位置との間でシリンダライナ内に配置される一対の対向ピストン１２，１４を示すために断面が除去されている。図示しないが、ピストンを内部に伴うシリンダライナは、例えば、「スプリットシリンダブロックを伴う対向ピストン型エンジン構造（”Ｏｐｐｏｓｅｄ−Ｐｉｓｔｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｗｉｔｈ Ａ Ｓｐｌｉｔ Ｃｙｌｉｎｄｅｒ Ｂｌｏｃｋ”）」に関する２０１４年８月４日に出願された所有者が共通の米国特許出願第１４／４５０，５７２号明細書に記載されて例示される態様で、対向ピストン型エンジンのシリンダトンネル内に保持される。シリンダライナ１０は、ライナの仮想長手方向軸（線２４で表わされる）上に中心があるボア２２を画定する内面を伴う円筒壁２０を有する。ボア２２は第１の直径Ｄ_１を有する。長手方向に離間される吸気ポート２８及び排気ポート３０は、円筒壁２０のそれぞれの端部３２，３３付近に形成され又は機械加工される。吸気ポート２８及び排気ポート３０のそれぞれは、１つ以上の周方向の開口又は穿孔の配列を含む。幾つかの他の説明では、各開口が「ポート」と称されるが、そのような「ポート」の１つ以上の周方向配列の構成は、図１及び図２に示されるポート構成とは異ならない。

一般に、ピストン１２は、ピストンリング４２が内部に保持される少なくとも１つの環状リング溝４０を含む。ピストン１２は円形の外周縁４３を有し、この外周縁４３でピストンクラウン４５がピストンの端面４６と接触する。リング溝４０の上面４８と外周縁４３との間でピストンの環状の最上トップランド４７が延在する。ボア２２の周りで長手方向軸２４と略直交して延びる仮想環状トップリング反転面（円形線４９により表わされる）は、ピストン１２が方向を反転させてＴＣから離れるように移動し始めるときにトップリング溝４０の上面４８が瞬間的に静止する（軸２４に対する）軸方向位置を示す。同様に、ピストン１４は、ピストンリング５２が内部に保持される少なくとも１つの環状リング溝５０を含む。ピストン１４は円形の外周縁５３を有し、この外周縁５３でピストンクラウン５５がピストンの端面５６と接触する。リング溝５０の上面５８と外周縁５３との間でピストンの環状の最上トップランド５７が延在する。ボア２２の周りで長手方向軸２４と略直交して延びる仮想環状トップリング反転面（円形線５９により表わされる）は、ピストン１４が方向を反転させてＴＣから離れるように移動し始めるときにトップリング溝５０の上面５８が瞬間的に静止する（軸２４に対する）軸方向位置を示す。

ライナの中間部６０は、端部３２，３３間で延在するとともに、シリンダ壁２０の環状ライナ部６２を含み、この環状ライナ部６２内でピストン１２，１４がそれらのＴＣ位置に達する。環状ライナ部６２は第１及び第２のトップリング反転面４９，５９間に画定される。図２、図３、及び、図４のように、少なくとも１つの燃料噴射器ポート６３が環状ライナ部６２を貫通して設けられ、エンジンが組み立てられるときに燃料噴射器ポート６３内に燃料噴射器ノズル（図示せず）が装着される。これらの図に示される例において、環状ライナ部６２には２つの燃料噴射器ポート６３が径方向に対向する位置に設けられる。ライナリング７０が環状ライナ部６２に含まれるボアの部分に装着される。ライナリング７０は、ボア２２の直径Ｄ_１よりも僅かに小さい第２の直径Ｄ_２を有する内部環状面７２を有する。したがって、ライナリング７０は、ライナボア２２とピストン１２，１４のトップランド４９，５９との間の隙間を僅かに減少させる。ライナリング７０はトップリング反転面間で延在するため、各ピストンのトップランドは、ピストンがＴＣに近づいてＴＣから離れるときにライナリングを横切るにすぎない。そのため、ライナリングは、トップランド４９，５９がライナリング７０を通り越す際に過剰な炭素を除去するように炭素が集まる隙間を減少させる。図３及び図４において分かるように、ライナリング７０は、ボア内への燃料の通過のための１つ以上のポート７１も含む。ポート７１は、環状ライナ部６２における燃料噴射器ポート６３と位置合わせされる。ライナリング７０をボア２２内に装着するための好ましい構成において、ライナ１０は、環状ライナ部６２に含まれるボア２２の部分に環状溝７３を含む。ライナリング７０は環状溝７３内に受けられて保持される。

環状ライナ部６２は、燃焼が生じるボアの内側の空間を画定する。ライナ１０のこの部分の熱抵抗を高めるために、ライナリング７０は、ライナ自体の熱抵抗に対するその熱抵抗を高めることによって環状ライナ部６２を通過する熱流束を減少させるようにすることができる。これに関して、ライナリング７０を形成する材料は、ライナを形成する材料よりも高い熱抵抗を有するように選択されてもよい。或いは、図２及び図３に示されるように、ライナリング７０には、その外側環状面に、１つ以上の環状空気充填チャンバ（「空気抵抗器」）７５をボア２２と共に形成するための１つ以上の溝７４が設けられてもよい。勿論、ライナリング７０を構成する際に両方の熱管理オプションが使用されてもよい。結果として、ピストンがシリンダライナの環状ライナ部におけるそれぞれのトップセンタ位置付近にあるときに、シリンダライナの残りの部分におけるよりも環状ライナ部において抵抗が高い状態でシリンダライナを通じた熱の流れを妨げることによって、シリンダライナ内に配置される一対のピストンの端面間の燃料と空気との混合物の燃焼中に熱管理が可能になる。

このシリンダライナ構造は、最大圧縮及びピークシリンダ圧が生じる付加的な構造要素を与えることができ、したがって、このサポートを与えるための付加的な外部ライナスリーブの必要性を排除できる。更に、ピストントップランドから炭素を掻き取ることにより、リングジャッキングの発生が低減され、それにより、対向ピストン型エンジンの耐久性が向上する。最後に、ライナリングは、ライナ中へと失われる熱全体の略半分が生じるトップリング反転位置間で、シリンダライナを通じた熱流を減少させることができる。

シリンダライナの本体は、鋳鉄又は他の適切な材料から形成されてもよい。ライナリング７０をスチール、チタン、又は、インコネルなどの他の適切な材料から形成して、燃焼中に最大圧の領域でシリンダライナの構造的完全性を確保してもよい。

図１〜図３に示されるライナは、機械的な締結具又は締まり嵌めのいずれかを用いてライナリング７０をライナ１０に取り付けることによって組み立てられてもよい。締まり嵌めに関して、以下のステップは、この開示に係るシリンダライナを構成する好ましい方法を例示する。
１．ライナには吸入ポート及び排気ポートが構成され、ボア２２が最初に仕上げられる。
２．環状溝７３は、環状ライナ部６２のボア部を機械加工又はエッチングすることによって形成される。
３．環状溝７３が形成された後にボア２２が仕上げられる。
４．ライナは加熱されて内径Ｄ_１が増大され、ライナリング７０は加熱されてその成形性が高められる。
５．ライナリング７０は、環状溝６６を覆ってシリンダライナの中心に配置される。
６．ライナリング７０は、ライナリング７０を環状溝６６内へと拡張させるようにライナリング７０の中心を通じてテーパ状のマンドレルを推し進めることによって、環状溝７３内へ加締め込まれる。
７．ライナ１０及びリング７０が冷却される。
８．ライナ１０の両端から、ピストントップランド輪郭のおおよその形状を有するパンチがライナリング７０へ推し進められる。これは以下の３つの目的を達成する。
ａ．加締めプロセスを完了する。
ｂ．ライナリング７０を環状溝６６内へ完全に埋め込む。
ｃ．ライナリング７０の内径を適切に寸法付ける。
９．環状ライナ部６２及びライナリング７０を貫通する１つ以上の噴射ポートを形成する。

或いは、ライナリング７０がセラミック材料から形成される場合には、インサートの外端がインサートの本体よりも僅かに高く、その結果、インサート端部とピストンランドとの間に擦れ干渉が生じるようになる。

この開示に係る第１の代替的なシリンダライナ構造が図５に示される。この構造において、ライナボア直径は、ライナの一端から環状ライナ部６２へと機械加工することによって僅かに拡大される。これにより、ボアよりも僅かに小さい外径でライナリングを製造する必要なくライナリング７０をシリンダの一端から直接に取り付けることができ、その後、ライナリング７０を環状ライナ部の溝に嵌まり込むようにマンドレルによって拡大させることができる。ライナリング７０がライナ環状ライナ部６２の内部に固定された時点で、シリンダの残りの部分の内径と等しい内径を有する内側ライナスリーブ９０がライナリング７０に至るまで取り付けられてライナリング７０で固定される。ライナリングは、機械的な締結具を用いてシリンダライナに取り付けることができ、又は、締まり嵌めによってシリンダライナ内に装着することができる。締まり嵌めは、スリーブを拡大されたボア部内に配置する前にスリーブを（一例として液体窒素を使用して）超冷却してスリーブの外径を収縮させた後にスリーブを室温に至らせることによって達成できる。或いは、ライナは、スリーブを挿入する前にその内径を増大させるために加熱することができ、その後、ライナ及び挿入されたスリーブの両方が冷却される。

この開示に係る第２の代替的なシリンダライナ構造が図６に示される。この構造において、ライナボア直径Ｄ_１は、ライナ部分の一端から環状ライナ部６２へと機械加工することによってＤ_３まで僅かに拡大される。ボア直径は、環状ライナ部６２の残りの部分に関してはＤ_４まで増大する。図６から分かるように、Ｄ_１＜Ｄ_３＜Ｄ_４である。ライナリング７０ａは、図６に示されるように、Ｄ_２からＤ_３へと階段状の外径を伴って形成されて、環状ライナ部６２内に取り付けられる。この構造は、不等な直径を有するピストンを必要とするとともに、ライナリング７０ａが第１の部分において内径を第１のピストンのトップランドの直径と等しくし又それよりも僅かに大きくし且つ第２の部分において内径を第２のピストンのトップランドの直径と等しくし又はそれよりも僅かに大きくするように段付きの内径を有することを必要とする。ライナリング７０ａの外表面部分とボア２２のそれぞれの対向する部分との間に１つ以上の空気抵抗器が形成されてもよい。

図７は、３つのシリンダ１０１を有する対向ピストン型エンジン１００を示し、この場合、各シリンダは、シリンダブロック１０５内のシリンダトンネル１０３と、シリンダトンネル内に装着される、この明細書に係るシリンダライナ１０７とを備える。勿論、シリンダの数は限定しようとするものではない。実際には、エンジン１００は、３つよりも少ない又は多いシリンダを有してもよい。

本開示に係る対向ピストン型エンジンの耐久性及び熱抵抗の目的の１つ以上を達成するこれら及び他のシリンダライナ実施形態を与える特許保護の範囲は、最終的に許容される特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (7)

1. シリンダライナの長手方向軸上に中心があるボアを画定する内面を有し、前記ボアが前記長手方向軸に対して第１の直径を有する、円筒壁と、
   前記シリンダライナのそれぞれの両端部付近で前記円筒壁に形成される吸気ポート及び排気ポートと、
   前記端部間で延在するとともにピストントップセンタ（ＴＣ）位置がある環状ライナ部を含む前記シリンダライナの中間部と、
   前記長手方向軸と直交して延在する第１及び第２のトップリング反転面間に画定される前記環状ライナ部であって、前記第１のトップリング反転面は、第１のピストンの最上リングが該ピストンがそのＴＣ位置にあるときに配置される第１の軸方向位置にあり、前記第２のトップリング反転面は、第２のピストンの最上リングが該ピストンがそのＴＣ位置にあるときに配置される第２の軸方向位置にある、前記環状ライナ部と、
   前記環状ライナ部に含まれる前記ボアの部分にある環状溝と、
   前記環状溝内に装着され、前記第１の直径よりも小さい前記長手方向軸に対する第２の直径を伴う内部環状面を有するライナリングと、
   を備え、
   前記ライナリングの外側環状面上の溝は、前記ライナリングと前記ボアの間で作用する、前記ボアを有する１つ以上の空気抵抗器を形成し、
   前記ライナリングは、第１の熱抵抗を有する材料から形成され、前記シリンダライナは、前記第１の熱抵抗よりも小さい第２の熱抵抗を有する材料から形成され、
   前記ライナリングは、前記環状溝内に加締め込まれている、対向ピストン型エンジン用のシリンダライナ。
2. １つ以上のシリンダを含む対向ピストン型エンジンであって、前記各シリンダは、シリンダブロック内のシリンダトンネルと、前記シリンダトンネル内に装着される請求項１に記載のシリンダライナとを備える、対向ピストン型エンジン。
3. 対向ピストン型エンジン用のシリンダライナを製造する方法であって、
   対向ピストン型エンジン用のシリンダライナを用意するステップであって、前記シリンダライナがそのそれぞれの端部付近に吸気ポート及び排気ポートを含む、ステップと、
   第１の直径Ｄ_１を有する、前記シリンダライナのボアを前記シリンダライナに仕上げるステップと、
   ピストントップセンタ（ＴＣ）位置を含む環状ライナ部で前記ボア内に環状溝を形成するステップと、
   内径Ｄ_２を有する環状リングを用意するステップであって、Ｄ_１＞Ｄ_２であるステップと、
   前記シリンダライナを加熱して直径Ｄ_１を増大させるステップと、
   前記環状リングを加熱するステップと、
   前記環状溝を覆って前記環状リングを前記ボア内に配置するステップと、
   前記環状リングを前記環状溝内へ加締め込むステップと、
   前記シリンダライナ及び前記環状リングを冷却するステップと、
   を含む方法。
4. 前記シリンダライナの両端から、ピストントップランドのおおよその形状を有するパンチを前記環状リングへ推し進めるステップを更に含む請求項３に記載の方法。
5. 前記環状ライナ部及び前記環状リングを貫通する１つ以上の燃料噴射器ポートを形成するステップを更に含む請求項４に記載の方法。
6. 前記環状溝を形成した後に前記ボアを仕上げるステップを更に含む請求項５に記載の方法。
7. 前記環状リングを前記環状溝内へ加締め込む前記ステップは、ライナリングを前記環状溝内へと拡張させるように前記環状リングの中心を通じてテーパ状のマンドレルを推し進めることを含む請求項６に記載の方法。

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