JP2017509823A - 対向ピストンエンジンにおける軸受油溜りからの潤滑油を利用するピストン冷却構成 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2014年3月6日に出願された米国特許出願第14/199,877号による優先権を主張し、かつその一部継続出願である。
本願は、米国特許出願公開第2012/0073526号および米国特許公開第2014/0238360号の対象に関連する対象を含む。
本分野は、内燃機関のピストン熱管理である。さらに詳しくは、本願は、アンダークラウン―燃焼が作用するクラウン端面の後ろまたは下に位置するピストンクラウンの部分―が、ピストンの軸受機構の油溜りから供給される潤滑油を1つ以上の噴射に用いることによって冷却される、対向ピストンエンジンのピストン冷却構成の実現に関する。
現代のエンジンに要求される負荷の増大のため、ピストンの熱管理はピストンの完全性への継続課題を提起する。典型的なピストンにおいて、熱的損傷を特に受け易い4つの領域は、ピストンクラウン、リング溝、ピストン/リストピン界面、およびピストンアンダークラウンである。クラウン端面が感知する燃焼温度がクラウンの材料の酸化温度を超えると、酸化が発生し得る。クラウンは、酸化部位の応力/疲労によって機械的故障を生じ易くなる。ピストンのリング、リング溝、およびランドは、潤滑油がそのコークス化温度を超えて加熱されることによるカーボン堆積を呈することがある。高温のピン穴は結果的に、ピストン軸受の負荷容量を低下させるおそれがある。リング溝と同様に、ピストンアンダークラウンもまた油のコークス化を招く傾向がある。
潤滑のために油をピストンに輸送するシステムの複雑さおよびコストを増大することなく、ピストンの動作サイクル中ずっと加圧潤滑油によりピストンのアンダークラウンを冷却するために、油は、ピストンの軸受にある軸受の潤滑用の油溜りに圧送される。油溜りから、加圧油はまた、軸受に設けられかつアンダークラウンに向けられた1つ以上の冷却噴射口にも提供される。
2サイクルエンジン(two−stroke cycle engine)は、クランクシャフトの完全な1回転およびクランクシャフトに接続されたピストンの2行程によりパワーサイクルが完了する内燃機関である。2サイクルエンジンの一例は、1対のピストンがシリンダのボア内に対向して配置される対向ピストンエンジンである。エンジンの動作中に、ピストンの端面間に形成される燃焼室で燃焼が起こる。
図2は、ピストンが同一端面を有する対向ピストンエンジンで使用されるピストン組立体の斜視図である。この場合、説明は単一のピストンに向けられているが、それは対向する相手ピストンにも適用されることを理解されたい。ピストン組立体はピストン200およびその関連接続ロッド210を含む。ピストン200はクラウン203およびスカート205を有する。クラウンの端面206は、同一形状の対向するピストンの端面と協働して燃焼室を形成するように構成される。クラウンの側壁にはランドおよびリング溝207が設けられる。図2、図3、および図4を参照すると、ピストンは、燃焼が作用する端面206の後ろまたは下に位置するピストンクラウン203の部分であるアンダークラウン208を含む。接続ロッド210は、クランクシャフト(図示せず)のクランクスローに連結するための大端部211を有する。大端部211の軸受面に油溝212が形成される。油送達通路213(図5Bに最もよく示される)は、油溝212から小端部215まで接続ロッド210に長手方向に延びる。
図4、図5A、および図5Bに関連して、ピストン200は、アンダークラウン208に固定されかつスカート205によって囲まれた空間に配置された軸受217を含む。図4および図5Bの通り、軸受構造は軸受支持部材219aおよび219bを含む。軸受支持部材219aは、ねじ式締結具によって小端部215に取り付けられたリストピン221(「ジャーナル」または「ガジオンピン」とも呼ばれる)を受容する軸受面220を含む。場合によっては、軸受支持部材219aおよび219bはリストピン221を中心に接合され、アンダークラウン208の内部構造に螺合着座する締結具218によってアンダークラウンに固定される。図4に示す通り、軸受支持部材219bの開口223は接続ロッド210を受容する。組み立てられたときに、軸受支持部材219a、219bは、開口223内の接続ロッド210の円弧状揺動によって引き起こされる軸受面220上での揺動ができるようにリストピン221を保持する。
図3、図4、および図5Aに最もよく示される通り、アンダークラウン208は、クラ
ウン203の内部の1つ以上のギャラリを流れる潤滑油によって冷却される。好ましくは、ギャラリは、軸受支持部材219aの上面に床が設けられた、アンダークラウン208内の畏敬空間を含む。例えば、環状ギャラリ256はクラウン203の外周をたどり、中央ギャラリ257を取り囲む。環状ギャラリ256は穴258を介して中央ギャラリ257と連通する。環状ギャラリ256は、***209の下で260のように立ち上がる非対称なプロファイルを有する。中央ギャラリ257は端面206の最深部に当接する。アンダークラウンを冷却するための潤滑油は、加圧油の高速噴射を介してギャラリに提供される。噴射は環状ギャラリの内面の最高位置260にぶつかり、***209の下のアンダークラウン208の部分を衝突により冷却する。噴射によって運ばれた油はそこから環状ギャラリ256全体に流れる。環状ギャラリ256から潤滑油は中央ギャラリ257内に流入し、そこで***209の内側に沿ってアンダークラウンの中央部分に連続的に灌注する。環状ギャラリ256全体を流れる潤滑油は、ランドおよびリング溝207に当接するアンダークラウン208の環状部分を洗浄かつ冷却する。ピストンの往復運動は潤滑油を撹拌し、それは潤滑油を環状ギャラリ256内で循環させる。撹拌およびピストン運動に応答して、油は環状ギャラリ256から中央ギャラリ257内へも流入する。ピストンの往復運動はまた、中央ギャラリ257に集まりまたは蓄積した油をも撹拌して、端面206の中央部分の下のアンダークラウン208を冷却する。油は、中央ギャラリ257の底部から軸受構造内の1つ以上の通路を介して、スカート205の内部に流入する。そこから油はスカート205の開口端から外に流れ出る。
これまで記載したピストン潤滑構造に関連して、潤滑のために軸受油溜りに送達される加圧油は同時に、対向ピストンエンジンのアンダークラウンの冷却に使用することができる。一部の態様では、軸受油溜りから得られる加圧油は、ピストンアンダークラウンを冷却するために高速の流れまたは噴射の形で提供される。以下、そのような噴射を便宜上かつ簡潔を期すために、「冷却噴射」と呼ぶ。冷却噴射は、軸受油溜りと流体連通した冷却噴射口から提供される。受け取った加圧潤滑油から構成される少なくとも1つの冷却噴射は、衝突によってアンダークラウンの一部分を冷却するように、各ピストン軸受から提供される。噴射された油は、アンダークラウンの残部を衝突によって冷却する冷却材が絶えず補充されるように、アンダークラウン部分からピストン冷却ギャラリ内に流入する。冷却噴射は固定することができ、あるいは揺動運動により掃射することができる。
引き続き図4および図5Aに示す例示的ピストン構造に関連して、第1冷却噴射口の実施形態は、軸受支持部材219aに穿孔または形成された通路270から構成される。通路270の一端は、給油溝227を介して油溜り222と連通する。油溜りで受け取った加圧油が給油溝227に入ると、油の一部分は通路270内に流入し、そこから油は冷却材噴射272の形で放出される。通路270は、アンダークラウン部分260を標的にするように配置されかつ方向付けられる。その結果、冷却材噴射272は、***209に関連付けられるクラウン203におけるホットスポットに方向付けられる。図から明らかな通り、軸受支持部材219aはアンダークラウンに固定される。部材219aとアンダークラウン208との間の相対運動がないので、噴射272はアンダークラウン208に対して固定的である。
代替的な冷却材噴射出口は図4および図5Bに最もよく示されており、ここでノズル278は、油出口280を介して油溜り222と流体連通するようにリストピン221に取り付けられている。図示される実施例では、油出口280はフランジ252に形成され、ノズル278は油出口に受容されたエルボ継手281によってこのフランジに取り付けられる。ノズル278は環状ギャラリ256内に延び、アンダークラウン部分260に向けられる。油溜り222に受け取られた加圧油は、油出口280およびエルボ継手281を介してノズル内に流入する。ノズル278から、加圧油は冷却材噴射284の形で放出される。図から明らかな通り、リストピン221はアンダークラウン208に対して揺動運動を受ける。その結果、冷却材噴射284はアンダークラウン部分260全体を往復して掃射する。
一部の態様では、図2のピストンより複雑な輪郭を有する端面構造のピストンのアンダークラウンに対し2つ以上の冷却噴射を提供することが望ましい。例えば、出願人の国際公開第2012/158756号に記載されかつ図示された対向ピストンエンジン用の第1燃焼室構造は、各々が関連ホットスポットを持つ2つの対向する***を備えたピストン端面を含む。そのようなピストンを図6に示す。そこでピストン300は、端面306およびアンダークラウン308を備えたクラウン303を有する。端面は、対向する***309の間に画定される、ピストン300の直径方向に延びる細長い割れ目307を含む。図7Aおよび図7Bに最もよく示される通り、アンダークラウン308は環状および中央冷却ギャラリを含み、ピストンは、第1および第2冷却噴射実施形態が各々2つの噴射出口を含み各冷却噴射口がアンダークラウンのそれぞれのホットスポット部分に向けられることを除いては、軸受217の構造と同一の軸受構造を含む。
図3および図8を参照して、一部の態様では、ピストン200のアンダークラウン208を、潤滑油の中央ギャラリ257への流れおよび中央ギャラリ内の流れによって冷却することが望ましい。そのような場合、冷却噴射口の実施形態は、軸受支持部材219aに穿孔または形成された通路275から構成される。通路275の一端は給油溝227を介して油溜りと流体連通する。油溜りに受け取られた加圧油が給油溝227に入ると、その一部分は通路275内に流入し、そこから冷却材噴射の形で放出される。通路275は、中央ギャラリ257を標的にするように配置され、かつ方向付けられる。その結果、冷却材噴射は、窪み214の最深部に関連付けられるクラウン203の部分に方向付けられる。部材219aとアンダークラウン208との間の相対運動がないので、通路から放出される噴射はアンダークラウン208に対し固定的である。一部の態様では、2つ以上の冷却材噴射を中央ギャラリ257に向けることが望ましい。これは、図8に点線で示す第2通路275によって達成される。図6および図7Aに関連して、割れ目307の最深部の下にある下面部に液体冷却材を送達するクラウン303の中央冷却ギャラリ内に、潤滑油の1つ以上の冷却噴射を注入できるように、ピストン300に同じ装備を設けることができることは明らかである。
図に関連して、エンジン49のような対向ピストンエンジンは、少なくとも1つのシリンダ50と、本書に記載した軸受構造を備えた1対のピストン200とを含む。ピストンはシリンダのボア52内に相互に対向して配置され、各ピストンは軸受217によってそれぞれの接続ロッド210に接続される。エンジンは、各軸受217に加圧油の流れを提供することを含む方法によって動作する。各軸受217への加圧油の流れは、軸受のリストピン222に受け取られる。リストピンにおける加圧油に応答して、受け取られた加圧油の各リストピンからの複数の流れは、それぞれの軸受界面を潤滑するために提供され、受け取られた加圧油の少なくとも1つの噴射は各軸受の固定部および運動部の1つから提供され、各噴射はそれぞれのピストンアンダークラウン部分を標的とする。この方法では、加圧油の流れはリストピンの油溜りに受け取られる。この方法で、各軸受の可動部から噴射を提供することは、リストピンから噴射を提供することを含む。この方法で、各軸受の可動部から噴射を提供することは、それぞれのピストンアンダークラウン部分全体に噴射を掃射することを含む。
Claims (15)
- 対向ピストンの端面により燃焼室を形成するように形作られた端面(206、306)を有するクラウン(203、303)を備えたピストン(200、300)と、
アンダークラウン(208、308)を含む前記クラウンと、
前記アンダークラウンと接続ロッド(210)の小端部(215)との間で前記ピストンに取り付けられた軸受(217)と、
リストピン(221)を含む前記軸受と、
前記リストピンを介して前記リストピンと軸受面との間の潤滑界面内に油を通過させるように配置された1つ以上のリストピン油出口通路(225)と流体連通する前記リストピンの油溜り(222)と、
前記油溜りと流体連通するリストピン油入口通路(224)、および
前記軸受の固定部(219a)および前記軸受の可動部(221)のうちの1つにおける少なくとも1つの冷却噴射口(270、275、278)と、
を含み、
前記冷却噴射口が前記油溜りと流体連通し、かつアンダークラウン部分に向けられる、
対向ピストンエンジン用のピストン冷却構成。 - 前記リストピンは前記接続ロッドの前記小端部に受容される、請求項1に記載のピストン冷却構成。
- 前記軸受の前記固定部は、前記ピストンの運動に応答して前記アンダークラウンに対して回転揺動できるように前記リストピンを支持する軸受部材を含み、かつ
前記冷却噴射口は前記軸受部材における油出口通路を含む、
請求項2に記載のピストン冷却構成。 - 前記接続ロッドは前記リストピン油入口通路と流体連通する油路を含み、
前記軸受部材における前記油出口通路は、前記リストピンと前記軸受面との間の前記界面からの加圧油を受け取る、
請求項3に記載のピストン冷却構成。 - 前記リストピンおよび前記軸受面は揺動軸受を形成する、請求項4に記載のピストン冷却構成。
- 前記リストピンおよび前記軸受面は二軸軸受を形成する、請求項4に記載のピストン冷却構成。
- 前記軸受の前記可動部は、前記ピストンの運動に応答して前記アンダークラウンに対して回転揺動する前記リストピンを含み、かつ
前記冷却噴射口は前記リストピンに取り付けられたノズルを含む、
請求項2に記載のピストン冷却構成。 - 前記接続ロッドは前記リストピン油入口通路と流体連通する油路を含む、請求項7に記載のピストン冷却構成。
- 前記リストピンおよび前記軸受面は、揺動軸受または二軸軸受を形成する、請求項8に記載のピストン冷却構成。
- 長手方向に間隔をおいて配置された排気ポートおよび吸気ポートを持つ少なくとも1つのシリンダと、前記シリンダのボア内に相互に対向して配置された1対のピストンと、1対の接続ロッドとを含み、各ピストンが軸受によってそれぞれの接続ロッドに連結され、かつ少なくとも1つのピストンが請求項1〜9のいずれか一項に記載のピストン冷却構成を含む、対向ピストンエンジン。
- 加圧油の流れを軸受のリストピンに提供するステップと、
前記加圧油の流れを前記リストピンで受け取るステップと、
受け取った加圧油の複数の流れを前記リストピンから提供して軸受界面を潤滑するステップと、
前記受け取った加圧油の少なくとも1つの噴射を、前記軸受の固定部および可動部のうちの1つから提供するステップと、
を含み、
前記噴射がそれぞれのピストンアンダークラウン部分に向けられる、
請求項11に記載の対向ピストンエンジンを動作させるための方法。 - 受け取るステップは、前記加圧油の流れを前記リストピンの油溜りで受け取ることを含む、請求項11に記載の方法。
- 前記軸受の可動部から噴射を提供するステップは、前記リストピンから前記噴射を提供することを含む、請求項12に記載の方法。
- 前記軸受の可動部から噴射を提供するステップは、前記それぞれのピストンアンダークラウン部分全体に前記噴射を掃射することを含む、請求項12に記載の方法。
- 前記軸受の固定部から噴射を提供するステップは、前記固定部に形成された通路から前記噴射を提供することを含む、
請求項12に記載の方法。
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