JP6852173B2

JP6852173B2 - 内燃機関のシリンダ

Info

Publication number: JP6852173B2
Application number: JP2019544037A
Authority: JP
Inventors: タラット・シェール; マルセル・モルゲンシュテルン; マルクス・バウアー
Original assignee: MAN Energy Solutions SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2017-02-16
Filing date: 2018-02-02
Publication date: 2021-03-31
Anticipated expiration: 2038-02-02
Also published as: JP2020507710A; CA3053653C; DE102017103159B4; KR20190108630A; CN110312858A; EP3583308A1; WO2018149444A1; US11982357B2; US20210381597A1; DE102017103159A1; CA3053653A1

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに記載の内燃機関のシリンダに関する。

内燃機関は、典型的には、複数のシリンダを備える。内燃機関の各シリンダは、シリンダのシリンダライナ内でガイドされるシリンダピストンを備える。稼働サイクル中、シリンダピストンは、それぞれのシリンダのシリンダライナ内で上下に移動できる。

シリンダピストンの半径方向外側表面によって、シリンダピストンは、シリンダライナの半径方向内側表面に接している。これらの表面の間には、走行ギャップが画定される。シリンダピストンは、その半径方向外側表面上に、複数のリング溝を備えており、当該リング溝は、リング山部によって境界を区切られており、かつ互いから分離されており、これらリング溝は、シリンダピストンの半径方向外側表面とシリンダライナの半径方向内側表面との間に形成された走行ギャップ内に突出するピストンリングを収容する。リング溝の各々は、圧縮リングまたはオイルスクレーパーリングのいずれかとして形成されたピストンリングを収容し、ピストンリングは、半径方向外側ピストンリング部分によってシリンダライナの半径方向内側走行面に接するよう配置される。

圧縮リングとして形成されたピストンリングは、シリンダピストンとシリンダライナとの間の走行ギャップを気密状態でシーリングするのに役立つ。オイルスクレーパーリングとして形成されたピストンリングは、過剰な量のオイルが走行ギャップを介してそれぞれのシリンダの燃焼室に入るのを防ぐために、シリンダライナの半径方向内側走行面からオイルを掻き取るのに役立つ。

内燃機関の適切な動作を保証するために、フレッシュガスつまり燃焼ガスと当該ガスに含まれるオイルとを用いて適切なフラッシングを可能にするべく、少なくとも圧縮リングは、各稼働サイクル中に一度、すなわち４ストロークエンジンの場合はエンジンのクランクシャフトが７２０°回転するたびごとに一度、それぞれのリング溝の下側溝側面との接触を避ける必要がある。リング溝の下側溝側面からの圧縮リングのこうした持ち上げは、動作中にそれぞれのピストンリングに作用する力によって決定される。それぞれのリング溝の下側溝側面からピストンリングを持ち上げる原因となるそれぞれのピストンリングに作用する力の平衡を調整するために、実際には、ギャップを形成することによってピストンの外周においてそれぞれのピストンを開放することが公知となっており、このギャップのサイズは、ピストンリング上に存在する力の均衡を決定する。それぞれのリング溝の下側溝側面からそれぞれの圧縮リングを持ち上げるのに必要な力を低減するために、少なくとも内燃機関のシリンダの圧縮リングの軸線方向の除荷が必要とされている。

これから出発して、本発明の目的は、新しいタイプの内燃機関のシリンダを作り出すことに基づく。この目的は、請求項１に記載のシリンダによって達成される。本発明によれば、凹部が、少なくとも圧縮リングとして形成されたピストンリングを収容するリング溝の下側溝側面に、かつ／または少なくとも圧縮リングとして形成されたピストンリングの下側リング側面に、導入される。リング溝の下側溝側面の領域および／またはピストンリングの下側リング側面の領域におけるそうした凹部によって、それぞれのピストンリングの軸線方向における除荷が可能となる。したがって、それぞれのピストンリングの上側リング側面と下側リング側面との間において、圧力補償をもたらすことができ、その結果、それぞれのリング溝の下側溝側面からピストンリングを持ち上げるのに必要な力が低減される。

本発明の有利なさらなる展開例によれば、それぞれの凹部は円周方向に循環するよう延在する。このさらなる展開例は、特に、それぞれのピストンリングの軸線方向の除荷に特に適している。

本発明の有利なさらなる展開例によれば、それぞれの凹部は、所定の半径方向幅を有しており、当該半径方向幅は、それぞれのリング溝の半径方向深さの０．０５倍から０．９倍の値、および／または、ゼロより大きくかつそれぞれのピストンリングの軸線方向厚さより小さい軸線方向深さ、に達する。凹部の半径方向中心とそれぞれのピストンリングのリング背面との間の距離は、優先的にはゼロより大きく、かつそれぞれのピストンリングの半径方向厚さから０．５ｍｍを引いた値より小さい。凹部の半径方向外側端部とそれぞれのリング溝の半径方向外側端部との間の距離は、優先的にはゼロより大きい。それぞれの凹部のこうした寸法は、特に好ましく、かつそれぞれのピストンリングの上側リング側面と下側リング側面との間の有利な圧力補償を保証し、それによってピストンリングを下側溝側面から持ち上げることが容易となる。

本発明の有利なさらなる展開例によれば、それぞれのピストンリングは少なくとも１つの通路を備えており、当該通路は、それぞれの凹部を、それぞれのリング溝の上側溝側面とそれぞれのピストンリングの上側リング側面との間のチャンバに接続するか、あるいはそれぞれのリング溝の溝底部とそれぞれのピストンリングのリング背面との間のチャンバに接続する。本発明のこのさらなる展開例によって、上側リング側面と下側リング側面との間の圧力補償をさらに改善することができる。

本発明の好ましいさらなる展開例は、従属請求項および以下の説明から得られる。本発明の例示的な実施形態は、これに限定されることなく、図面を用いてより詳細に説明される。

本発明に基づく第１のシリンダの概略断面図である。図１の詳細を示す図である。本発明に基づく第２のシリンダの概略断面図である。図２の詳細を示す図である。本発明に基づく第３のシリンダの概略断面図である。本発明に基づく第４のシリンダの概略断面図である。本発明に基づく第５のシリンダの概略断面図である。本発明に基づくさらなるシリンダの概略断面図である。

本発明は、内燃機関のシリンダに関する。図１は、内燃機関のシリンダ１０の概略断面図を示しており、図１では、シリンダ１０のシリンダライナ１１と、シリンダライナ１１内でガイドされるシリンダピストン１２と、が示されている。内燃機関またはシリンダ１０の動作中、シリンダピストン１２は、それぞれのシリンダ１０の稼働サイクル中にシリンダライナ１１内で上下に移動できる。シリンダピストン１２のいわゆるピストンクラウン１３は、一部においてそれぞれのシリンダ１０の燃焼室１４の境界を区切る。

シリンダピストン１２は、半径方向外側表面１５を有しており、当該半径方向外側表面１５は、シリンダライナ１１の半径方向内側走行面１６とともに走行ギャップ１７の境界を区切る。シリンダピストン１２のためのこの走行ギャップ１７は、一方では気密状態でシールする必要があり、他方ではオイルがこの走行ギャップ１７を介してシリンダの燃焼室１４に入ることを避ける必要がある。

互いから離間されるかまたはリング山部１９によって互いから分離されているリング溝１８が、シリンダクラウン１３に導入されている。各リング溝１８は、ピストンリング２０、すなわち圧縮リング２１として形成されたピストンリング２０またはオイルスクレーパーリング２２として形成されたピストンリング２０のいずれかを収容する。図示された例示的な実施形態では、圧縮リング２１は２つの上側リング溝１８にそれぞれ収容されており、オイルスクレーパーリング２２は下側リング溝１６に収容される。

各リング溝１８は、上側溝側面２３および下側溝側面２４によって、かつ半径方向内側においては溝底部２５によって、境界を区切られる。

リング溝１８に収容された各ピストンリング２０は、上側リング側面２６と、下側リング側面２７と、リング背面２８と、リング背面２８の反対側に位置する部分２９と、によって境界を区切られる。

ピストンリング２０の上側リング側面２６は、それぞれのリング溝１８の上側溝側面２３に向かい合うよう配置されている。それぞれのピストンリング２０の下側リング側面２７は、それぞれのリング溝１８の下側溝側面２４に向かい合うよう配置されている。それぞれのピストンリング２０のリング背面２８は、それぞれのリング溝１８のそれぞれの溝底部２５に向かい合うよう配置されている。ピストンリング２０のうちリング背面２８の反対側に配置される部分２９は、走行ギャップ１７内に突出しており、そのためそれぞれのピストンリング２０は、当該部分２９によって、シリンダライナ１１の走行面１６に接するよう配置される。

とりわけ図１ａ、図２ａに図示されるように、各リング溝１８は、半径方向深さＸ１および軸線方向幅Ｙ１を含む。さらに、図１ａは、ピストン１２の半径方向Ｒと軸線方向Ａとを示しており、これらの寸法は半径方向Ｒと軸線方向Ａとを参照する。各ピストンリング２０は、軸線方向高さＹ２と半径方向厚さＸ２とを有する。

ここで本発明の意味において、凹部３０および３１はそれぞれ、少なくとも圧縮リング２１として形成されたピストンリング２０を収容するリング溝１８の下側リング側面２４に、かつ／または少なくとも圧縮リング２１として形成されたピストンリング２０の下側リング側面２７に、導入される。したがって、図１および図１ａの例示的実施形態ならびに図５および図６の例示的な実施形態において、凹部３０の各々は、少なくとも圧縮リング２１を収容するリング溝１８の下側溝側面２４にのみ導入される。この凹部３０は、リング溝１８に向かって開口している。図２および図２ａの例示的な実施形態において、凹部３１が、圧縮リング２１として形成されたピストンリング２０の下側リング側面２７にのみ導入されており、当該凹部３１は、同様にそれぞれのリング溝１８へ向けて開口するよう形成される。図３および図４の例示的な実施形態では、圧縮リング２１を収容するリング溝１８の下側溝側面２４と、向かい合うよう配置された圧縮リング２１の下側リング側面２７との両方に凹部３０、３１が導入されている。図３および図４では、これら凹部３０、３１は、少なくとも部分的に互いに重なり、図３では完全に互いに重なっており、図４では部分的に互いに重なっている。半径方向に見た場合、凹部３０、３１を互いに重ならないよう実現することもできる。

優先的には、凹部３０、３１は、円周方向において循環して延在するよう具現化される。なお、凹部３０、３１を、規定の円周方向位置で中断するよう実現することもできる。

それぞれの凹部３０、３１は、半径方向幅Ｘ３および軸線方向深さＹ３を有する。それぞれの凹部３０、３１の軸線方向幅Ｘ３は、それぞれのリング溝１８の半径方向深さＸ１の０．０５倍から０．９倍に達する。好ましくは、それぞれの凹部３０、３１の半径方向幅Ｘ３は、それぞれのリング溝１８の半径方向深さＸ１の０．１倍から０．５倍、特に好ましくは０．２５倍から０．３５倍に達する。

それぞれの凹部３０、３１の軸線方向深さＹ３は、ゼロより大きく、かつそれぞれのピストンリング２０の軸線方向厚さＹ２よりも小さい。好ましくは、それぞれの凹部３０、３１のこの軸線方向深さＹ３は、０．１ｍｍから１．０ｍｍ、特に好ましくは０．３ｍｍから０．７ｍｍに達する。それぞれの凹部３０、３１の軸線方向深さＹ３は、少なくとも０．０１ｍｍ、好ましくは少なくとも０．０５ｍｍに達する。

さらに、それぞれの凹部３０、３１は、当該凹部３０、３１の半径方向中心からピストンリング２０のリング背面２８までの距離Ｘ４によって、かつそれぞれの凹部３０、３１の半径方向外側端部とそれぞれのリング溝１８の半径方向外側端部と間の距離Ｘ５によって、特徴付けられる。

それぞれの凹部３０、３１の半径方向中心とそれぞれのピストンリング２０のリング背面２８との間の距離Ｘ４は、ゼロより大きく、かつそれぞれのピストンリング２０の半径方向厚さＸ２から０．５ｍｍ引いた値より小さい。好ましくは、それぞれの凹部３０、３１の半径方向中心とそれぞれのピストンリング２０のリング背面２８との間のこの距離Ｘ４は、それぞれのピストンリング２０の半径方向厚さＸ２の０．３倍から０．７倍、特に好ましくは０．４５倍から０．５５倍に達する。

それぞれの凹部３０、３１の半径方向外側端部とそれぞれのリング溝１８の半径方向外側端部との間の距離Ｘ５は、ゼロよりも大きく、好ましくは０．０５ｍｍよりも大きく、特に好ましくは０．１ｍｍよりも大きい。

すべての例示的な実施形態において、それぞれのピストンリング２０の上側リング側面２６と下側リング側面２７との間の規定された圧力補償を、保証できる。したがって、それぞれのピストンリング２０を収容するリング溝１８のそれぞれの下側溝側面２４からそれぞれのピストンリング２０を持ち上げるためのサイクル中に必要とされる力を確実にかつ容易に低減できる。

従来技術において一般的であるように、ピストンリング２０は円周方向位置においてスリットが入れられている。

本発明のさらなる展開例が図５、図６に図示されている。そのため図５では通路３２が提供されており、当該通路３２は、ピストンリング２０にすなわちそれぞれの圧縮リング２１に導入されており、当該通路３２を介して、それぞれの凹部３０が、それぞれのピストンリング２０の上側リング側面２６と、それぞれのピストンリング２０を収容するリング溝１８の上側溝側面２３と、の間に形成されたチャンバに接続される。そうした通路３２は、少なくとも１つの円周方向位置、優先的には複数の円周方向位置でピストンリング２０に導入される。図６は、同様に通路３３がピストンリング２０すなわち圧縮リング２１に導入される本発明の実施形態を示しており、図６の通路３３は、それぞれの凹部３０を、それぞれのピストンリング２０のリング背面２８と、それぞれのピストンリング２０を収容するリング溝１８の溝底部２５と、の間に形成されたチャンバに接続する。図５および図６のこれらのさらなる展開例を通じて、それぞれのピストンリング２０の上側リング側面と下側リング側面との間の圧力補償も容易にかつ確実に提供することができる。図５、図６の通路はまた図２から図４の例示的な実施形態で利用することができ、図２から図４の例示的な実施形態では、そうした通路はとりわけ圧縮リング２１における凹部３１と連通する。

１０シリンダ
１１シリンダライナ
１２シリンダピストン
１３ピストンクラウン
１４燃焼室
１５表面
１６走行面
１７走行ギャップ
１８リング溝
１９リング山部
２０ピストンリング
２１圧縮リング
２２オイルスクレーパーリング
２３上側溝側面
２４下側溝側面
２５溝底部
２６上側リング側面
２７下側リング側面
２８リング背面
２９部分
３０凹部
３１凹部
３２通路
３３通路

Claims

シリンダライナ（１１）を有し、かつ前記シリンダライナ（１１）内でガイドされるシリンダピストン（１２）を有する、内燃機関のシリンダ（１０）であって、
前記シリンダピストン（１２）は、複数のリング溝（１８）を備えており、複数の前記リング溝（１８）は、リング山部（１９）によって境界を区切られかつ前記リング山部（１９）によって互いに分離されており、前記リング溝（１８）の各々は、圧縮リング（２１）としてまたはオイルスクレーパーリング（２２）として形成されたピストンリング（２０）を収容し、
前記リング溝（１８）の各々は、上側溝側面（２３）と、下側溝側面（２４）と、溝底部（２５）とによって境界を区切られており、
前記ピストンリング（２０）の各々は、それぞれの前記リング溝（１８）の前記下側溝側面（２４）に面する下側リング側面（２７）と、それぞれの前記リング溝（１８）の前記上側溝側面（２３）に面する上側リング側面（２６）と、それぞれの前記リング溝（１８）の前記溝底部（２５）に面するリング背面（２８）と、前記シリンダライナ（１１）の半径方向内側走行面（１６）に接して位置するように前記リング背面（２８）とは反対側に配置される部分（２９）と、を備えており、
凹部（３０）が、前記圧縮リング（２１）として形成される前記ピストンリング（２０）を収容する前記リング溝（１８）の少なくとも前記下側溝側面（２４）に導入され、かつ、
凹部（３１）が、前記圧縮リング（２１）として形成された前記ピストンリング（２０）の少なくとも前記下側リング側面（２７）に導入されることを特徴とするシリンダ（１０）。
それぞれの前記リング溝（１８）の前記下側溝側面（２４）とそれぞれの前記ピストンリング（２０）の前記下側リング側面（２７）とに形成された前記凹部（３０、３１）は、半径方向において互いに重なることを特徴とする請求項１に記載のシリンダ（１０）。
それぞれの前記リング溝（１８）の前記下側溝側面（２４）とそれぞれの前記ピストンリング（２０）の前記下側リング側面（２７）とに形成された前記凹部（３０、３１）は、半径方向において互いに重ならないことを特徴とする請求項１に記載のシリンダ（１０）。
それぞれの前記凹部（３０、３１）は、円周方向において循環するよう延在することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のシリンダ（１０）。
それぞれの前記凹部（３０、３１）は、それぞれの前記リング溝（１８）の半径方向深さ（Ｘ１）の０．０５倍から０．９倍までの範囲内にある特定値の半径方向幅（Ｘ３）を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のシリンダ（１０）。
それぞれの前記凹部（３０、３１）の前記半径方向幅（Ｘ３）は、それぞれの前記リング溝（１８）の半径方向深さ（Ｘ１）の０．１倍から０．５倍までの範囲内にあることを特徴とする請求項５に記載のシリンダ（１０）。
それぞれの前記凹部（３０、３１）は、ゼロよりも大きくかつそれぞれの前記ピストンリング（２０）の軸線方向厚さ（Ｙ２）よりも小さい軸線方向深さ（Ｙ３）を有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のシリンダ（１０）。
それぞれの前記凹部（３０、３１）の前記軸線方向深さ（Ｙ３）は、０．１ｍｍから１．０ｍｍまでの範囲内にあることを特徴とする請求項７に記載のシリンダ（１０）。
前記凹部（３０、３１）の半径方向中心とそれぞれの前記ピストンリング（２０）の前記リング背面（２８）との間の距離（Ｘ４）は、ゼロより大きくかつそれぞれの前記ピストンリング（２０）の半径方向厚さ（Ｘ２）から０．５ｍｍ引いた値より小さいことを特徴とする、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のシリンダ（１０）。
前記凹部（３０、３１）の前記半径方向中心とそれぞれの前記ピストンリング（２０）の前記リング背面（２８）との間の前記距離（Ｘ４）は、それぞれの前記ピストンリング（２０）の前記半径方向厚さ（Ｘ２）の０．３倍から０．７倍までの範囲内にあることを特徴とする請求項９に記載のシリンダ（１０）。
前記凹部（３０、３１）の半径方向外側端部とそれぞれの前記リング溝（１８）の半径方向外側端部との間の距離（Ｘ５）は、ゼロよりも大きいことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のシリンダ（１０）。
それぞれの前記ピストンリング（２０）は、少なくとも１つの通路（３２、３３）を備えており、
前記通路（３２、３３）は、それぞれの前記凹部（３０、３１）を、それぞれの前記リング溝（１８）の前記上側溝側面（２４）とそれぞれの前記ピストンリング（２０）の前記上側リング側面（２６）の間のチャンバと、またはそれぞれの前記リング溝（１８）の溝底部（２５）とそれぞれの前記ピストンリング（２０）の前記リング背面（２８）との間のチャンバと、接続することを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載のシリンダ（１０）。