JP3859769B2 - 往復動式内燃機関における液冷式ピストン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピストンロッド内に設けられた液体冷媒用戻り流路に接続されている冷却室を有する、往復動式内燃機関における液冷式ピストンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関におけるピストンの上部の摩耗等の材料損失は、高温が主たる原因である。近年における往復動式内燃機関において、ピストンの不十分な冷却は出力の限界をもたらす一要因となる。従って、ピストン冷却装置における効率の向上は、最高の出力性能及び使用信頼性を得るため、往復動式内燃機関において極めて重要なものである。
【０００３】
ピストンロッド内に設けられた冷却液用戻り流路から成る往復動式内燃機関冷却室を有する往復動式内燃機関における液冷式ピストンは、実願平第４ー３９３８４号に開示されている。該ピストンにおいて、燃焼室側のピストン端面近傍においてピストン上部内に冷却室が設けられ、噴射ノズルにより冷却室内に冷却用のオイルを噴射してピストンを冷却する。噴射されたオイルは、戻り流路を介し冷却室より排出される。戻り流路はピストンロッドの内部全長にわたって延び、冷却室から離間したピストンロッドの端部において、ピストンロッドに接続されたクロスヘッド内に設けられた別個のオイル流出路内に開口している。ピストンロッドが冷却室の下方において垂直に配置された状態で、戻り流路の勾配により、冷却室に回収されたオイルの比重の作用に従い、オイル戻り流が生じる。エンジン内の空気と冷却室を接続する通気管路を通じ冷却室に空気を供給し、これによりオイルが冷却室より流出する。この装置において、通気管路はオイル戻り流路内に設けられている。通気管路の一端は冷却室内に突出し、冷却室から離間した他端はクロスヘッド内においてオイル流出路と別個に設けられたオイル流路と合流して、空気と接触する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記装置によるピストン冷却における液体冷媒の最大流入量は過度に制限され、更に高い性能を目指す内燃機関の開発に限界をもたらすものであることが明らかにされている。
【０００５】
本発明の目的は、より優れた冷却作用を伴う冷却装置を備えた往復動式内燃機関における液冷式ピストンを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的を本発明の装置により達成する。本発明の装置は、ピストン側でピストン冷却室内に突出する戻り流路内に通気管路が設けられ、この通気管路がピストンロッド内において戻り流路の一部に収容されているという特徴を有する。請求項２以下は本発明において有効に作用する更なる特徴に関する。
【０００７】
本発明の液冷式ピストンは、冷却室に導入された冷媒のための戻り流路を備えた冷却室を有する。戻り流路はピストンロッド内に設けられており、戻り流路内に通気管路が設けられている。通気管路はピストン端部において冷却室に延び、ピストンロッド内において戻り流路の一部に設けられている。通気管路において、戻り流路内に延びる部分はピストンロッド内に終端を有する。即ち、通気管路はクロスヘッド内に開口することなく、戻り流路とは別個に空気と接触することはない。戻り流路内の冷媒の流れは、通気管路の機能に影響を受ける。即ち、戻り流路内の気体が通気管路に流入し、更に通気管路を介し冷却室に流入する。これにより、冷媒の戻り流路への流出を阻止してしまう冷却室内圧力低下は、防止される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明を図１を参照して説明する。本発明のピストンの一実施の形態を図１に示す。ピストンの主要な要素は、ピストン上部１、噴射プレート４及びピストンスカート３である。ピストン上部１は、内燃機関における燃焼室に面するピストンの上端部２５を有する。ピストンは軸線５０を挟んで対称となる形状を有する。ピストン上部１及び噴射プレート４は共に、ピストン冷却室１５に隣接する。ピストン上部１、ピストンスカート３及び噴射プレート４は、各々の周縁部においてピストンロッド５に接続されている。ピストン上部１には上端が塞閉された複数の冷却孔１７が形成され、各冷却孔１７は冷却室１５からピストン表面２５の方向、即ちピストン表面２５に指向している。ピストンロッド５は、ピストンから離間した端部においてクロスヘッド８に連結されている。
【０００９】
内燃機関の稼動中、ピストンは上部１がピストンロッド５の上部にある状態で、好ましくは地表にほぼ直交して延びる軸線５０に沿って運動する。
冷却室１５は冷却液回路の一部を成す。例えば、オイル、水等の冷却液は噴射装置により冷却室１５に流入する。冷却液はクロスヘッド８側においてピストンロッド５内に設けられた管路３０に流入する。次に、冷媒は管路３０より、断面視において環状を成す通路３１を通過し、噴射プレート４とピストンロッド５の間の空洞３２に至り、噴射プレート４にて支持された複数のノズル１８より噴射される。ピストン上部１においてピストン表面２５に最も近接する領域は、内燃機関稼動時に最も強い熱負荷を受ける。ノズル１８は、噴射された冷却液が領域に到達するように配置されることが望ましい。特に効果の高い冷却作用は、噴射冷却により、即ち冷却孔１７の壁、または冷却室１５の壁に冷却液を噴射することにより得られる。管路３０、通路３１、空洞３２、ノズル１８により本発明の噴射装置が構成されている。
【００１０】
前記した噴射は二通りに機能する。一機能として、冷却すべき面が冷媒と接触する。冷媒の温度は冷媒回路内の液温に一致し、冷媒は噴射のため乱流となる。これにより、冷却すべき面と冷媒間の熱伝導が最適な状態に向上される。その他の機能として、ピストン端面に冷媒を噴射することにより、多くの場合はクリーニング効果が得られる。例えば、冷媒用オイルは、稼動時にピストンが一定温度に達すると、ピストン端面に凝着する残留物を容易に形成する。残留物は端面と冷却液間の熱伝導率を低下させ、これによりさらにピストンの温度が上昇され、オイル残留物堆積作用が急速に促進される。冷却孔１７内における残留物堆積作用は特に不具合を生ずる。この堆積物を除去するためには、複雑にして費用を要する作業が必要になる。しかしながら、冷却すべき端面に冷媒を噴射すれば、残留物の堆積を阻止することができる。
【００１１】
冷媒用戻り流路（以下、「戻り流路」という）６は冷却室１５から冷媒を流出させるために設けられている。好ましくは、戻り流路６はピストンロッド５の中心軸線５０に沿って延び、冷却室１５内及び噴射プレート４の開口部２１に開口し、クロスヘッド８側で冷媒回路の戻り管路に接続される。戻り流路６への冷媒の流入を最も効率よく行うため、噴射プレート４は冷却室１５側において開口部２１に向かって傾斜している。更に、冷却室１５への開口部２１近傍において、戻り流路６は冷却室１５から離間するほど小径になるように設計されている。製造を簡単にする上で、戻り流路６は平断面視において円形であることが好ましい。しかしながら、平断面視においていかなる形状のものであっても、戻り流路６の機能は確実に保証される。
【００１２】
冷却室１５内における冷媒は、基本的に２つの冷却効果を発揮する。冷却効果の一つは、冷媒がノズル１８から冷却すべき面に対して直接に噴射される噴射冷却の効果である。その他の冷却効果を及ぼすはねかけ冷却は、噴射後に冷却室１５に回収された液体冷媒を、内燃機関稼動時にピストンの移動方向に沿って周囲にはねかけることにより行われる。冷却作用を最適化するには、一方では、可能な限り大量の冷媒が冷却室１５を通過するようにしなければならない。また他方では、冷却すべき面と冷媒との間の熱伝導を可能な限り良好に保持する必要がある。冷却室１５に過量の冷媒が存在すると、冷却作用の低下を招来する。例えば、噴射ノズル１８が冷媒で覆われると、冷媒の噴射効率が低下し、噴射作用、即ちスプレー冷却作用も低下する。更に、冷却室１５において冷媒の含有容積が過剰になると、はねかけ冷却作用が低下することが知られている。はねかけ冷却は、冷却室１５内に最小量の冷却液が回収された場合にのみ可能である。最適な冷却を行うべく、冷却室１５に部分的に回収される冷媒の量が所定の最大許容値及び最小許容値間の範囲から逸脱しないように、冷却室１５を通過する冷媒の流通を制御するように本発明のピストンは設計されている。従って、冷却室１５から流出する単位時間当たりの冷媒流量が規制され、最良の冷却を行うために適する量の冷媒が、前記した諸条件下で冷却室１５に噴射される。
【００１３】
金属板支持部材４０及び４１により、戻り流路６に対して所定位置に固定されている通気管路１０の設計は、冷却室１５から流出する冷媒の単位時間当たり流量を決定する重要な要素である。
【００１４】
本発明において、戻り流路６は通気管路１０と共に冷媒の流出を制御する。この制御は、冷却室１５及び戻り流路６、及びクロスヘッド８内で戻り流路６と隣接する冷媒回路の戻り管路内における気体の圧力を均等化することにより行われる。戻り流路６の容積を最適にするため、通気管路１０を設計する際に、個々のパラメータに相関して、互いに逆の傾向を示す種々の効果を考慮し、これら逆の効果を相殺させないように最適な妥協的結論を選択する必要がある。
【００１５】
戻り流路６内を延びる通気管路１０の長さの好適な範囲は、以下の互いに反する両作用を考慮して求める。その作用の一つは、通気管路１０の長さを増加させると戻り流路６の流体抵抗が増大するという作用である。即ち、冷媒は、主として通気管路１０の外周面と戻り流路６の内周面との間を通って流出し、通気管路１０の外周面との間の摩擦が生ずる。逆に、極端な例として通気管路１０が設けられていないと仮定すると、冷媒たまりが形成され噴射プレート４の開口部２１全域が覆われることになる。冷媒たまりが形成されると、戻り流路６から冷却室１５に気体が流入しなくなるため、冷却室１５と戻り流路６の圧力均等化が困難になる。この冷媒流出量を減少させる効果は、戻り流路６内を延びる通気管路１０の長さを増加させることにより減少し、更に開口部２１を覆って閉塞する冷媒たまりの形成も阻止される。通気管路１０は、クロスヘッド８と、冷却室１５から離間した通気管路１０の端部との間を流れる戻り流路６内の冷媒の流れを、気体の透過性を保証するよう決定する。両者を考慮して、戻り流路６内を延びる通気管路１０の長さについて最適な範囲を決定する。本願出願人は、実験の結果、以下の数値を得た。即ち、戻り流路６における通気管路１０の長さの最適範囲は、戻り流路６の長さの１０％から９０％までであり、好ましくは戻り流路６の長さの１５％から５０％までである。詳細な数値は通気管路１０の断面積または形状等、その他のパラメータに影響を受ける。
【００１６】
通気管路１０の断面積の理想範囲は、以下の両要件を考慮して決定する。即ち、第１の要件として、冷媒流出のために通気管路１０の外壁面と戻り流路６の内壁面との間の空間を可能な限り大きくすべく、通気管路１０の断面積を可能な限り小さくする必要がある。第２の要件として、冷却室１５への気体の流入効率を向上させるべく該断面積を可能な限り大きくする必要がある。これら二要件を考慮して、通気管路１０の断面積が決定される。これについても、本願出願人は、実験の結果、通気管路１０の最適な断面積は戻り流路６の断面積の２０％から７０％までの範囲であり、好ましくは戻り流路６の断面積の２５％から６０％までの範囲であるという結論を得た。詳細な数値は通気管路１０の長さまたは形状等、その他のパラメータに影響を受ける。
【００１７】
冷却室１５内に突出する通気管路１０の長さの好適な範囲は、以下の二つの要件を考慮して決定する。即ち、第１の要件として、通気管路１０の冷却室１５に突出した部分が短か過ぎる場合は、かなりの割合の冷媒が通気管路１０を介し流出し、これにより冷却室１５に供給される気体の量が減少する点が挙げられる。第二の要件は、通気管路１０の冷却室１５に突出した部分が長過ぎ、冷却室１５近傍の通気管路１０の端部が冷却室１５の壁に接近し過ぎる場合は、通気管路１０への冷媒の流入は明らかに阻止されるが、冷却室１５への気体の流入もまた制限されることである。本願出願人は、実験の結果、以下の結果を得た。即ち、冷却室１５の壁からの通気管路１０の冷却室１５側端部までの間の最適な長さ”ａ”は、冷却室１５内で通気管路１０の長さ方向における距離”ｈ”の１０％から９０％までの範囲であり、好ましくは”ｈ”の１５％から６５％までの範囲である。
【００１８】
戻り流路６を介して流出する冷媒の最大量は、上記のパラメータ以外にも、内燃機関稼動時に、ピストンのピストンロッド５の軸方向における運動周波数に影響を受ける。冷媒たまりがピストンロッド５の軸方向の周囲にはねかけるため、一定のピストン運動期間中、冷媒は専ら戻り流路６を介し流出する。本願出願人は、実験の結果、以下のことを発見した。即ち、冷却室１５からの冷媒流出量はピストンの運動のため明らかに減少する一方で、ピストンの運動に伴う戻り流路６の容量は、ピストンが静止している場合と比較してより敏感に通気管路１０の寸法に影響される。従って、ピストンの運動を鑑みて、通気管路１０を最適な状態に設計することは重要である。通気管路１０の寸法について前記した最適な範囲は、ピストンの運動に適合する。
【００１９】
通気管路１０の形状は本発明において重要ではなく、例えば通気管路１０の断面はあらゆる所望の形状、即ち輪郭を有し得る。断面が円形状を成す通気管路１０は、単に好適な実施の形態である。前記の管路１０は殆どの場合入手可能であり、特に製造する必要はない。また、前記管路１０は円形の流出路を備えたピストンに採用することにも適している。戻り流路６と同心状を成すように搭載された円形の通気管路１０は特に有効である。このように装置を戻り流路６と同心状に搭載する方法は、軸線５０を中心として対称的形状を成す冷却室１５内における冷媒の流れの形状に適合している。なお、通気管路１０の断面の形状は一定でなくてよい。
【００２０】
以上、説明したように、本発明の液冷式ピストンは供給経路３０、３１、３２及びノズル１８を介して冷却室１５に導入される冷媒のための戻り流路６を備えた冷却室１５を有する。戻り流路６はピストンロッド５内を延び、通気管路１０が戻り流路６内に設けられていることを特徴とする。通気管路１０はピストン側においてピストン冷却室１５内部に突出し、ピストンロッド５内において戻り流路６の一部のみに設けられている。通気管路１０の戻り流路６内に設けられた部分は、ピストンロッド５内に収容されており、戻り流路６とは別個に空気と接触することはない。戻り流路６内の気体が通気管路１０に流入し通気管路１０を介して冷却室１５に流入すると、戻り流路６からの冷却液流出を阻止してしまうような冷却室１５内の圧力低下が防止される。このように、通気管路１０は戻り流路６内の冷媒の流れを制御する。通気管路１０は、冷却室１５を経て流れる冷媒の流量を最適化すべく機能する。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように、本発明のピストンによれば、戻り流路内の気体が通気管路に流入し、更に通気管路を介し冷却室に流入することによって、冷媒の戻り流路への流出を阻止してしまうような冷却室内圧力低下が防止される。その結果、冷却装置における冷媒の流量を増加させて、同装置における冷却作用を向上させることができるとともに、その構成を簡単にすることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】冷却室、液体冷媒噴射装置、戻り流路及び通気管路を有するピストンの断面図。
【符号の説明】
５…ピストンロッド、６…冷媒用戻り通路、１０…通気管路、１５…冷却室、１７…冷却孔、１８…ノズル、３０…管路、３１…通路、３２…空洞（１８、３０〜３２により噴射装置が構成される）。

Claims (11)

1. ピストンロッド（５）中に冷媒用戻り流路（６）を有するとともに、冷却室（１５）を備えた、ピストン往復式内燃機関のための液冷式ピストンであって、前記戻り流路（６）内には、ピストン側に突出して同ピストンの冷却室（１５）内に延びる通気管路（１０）を備えたピストンにおいて、
   前記通気管路（１０）は、前記ピストンロッド（５）内において前記戻り流路（６）の一部のみに渡って延び、且つ、前記ピストンロッド（５）の内側において前記戻り流路（６）に合流することを特徴とする液冷式ピストン。
2. 前記通気管路（１０）を伴う戻り流路（６）のみが、前記冷却室（１５）から周囲の空気への連通路を構成することを特徴とする請求項１に記載のピストン。
3. 前記通気管路（１０）において戻り流路（６）内に延びる部分の長さは戻り流路（６）の長さの１０％〜９０％であり、好ましくは戻り流路（６）の長さの１５％〜５０％であることを特徴とする請求項１又は２に記載のピストン。
4. 前記通気管路（１０）の断面積は戻り流路（６）の断面積の２０％〜７０％であり、好ましくは戻り流路（６）の断面積の２５％〜６０％であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のピストン。
5. 前記通気管路（１０）の冷却室（１５）側の端と冷却室（１５）との間隔は、通気管路（１０）の長さ方向において冷却室（１５）が延びる距離の１０％〜９０％であり、好ましくは通気管路（１０）の長さ方向において冷却室（１５）が延びる距離の１５％〜６５％であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のピストン。
6. 前記戻り管路（６）は冷却室（１５）内に延びる開口部（２１）を有し、戻り管路（６）は冷却室（１５）から遠ざかると小径になることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のピストン。
7. 前記通気管路（１０）は戻り流路（６）内において同戻り流路（６）と同心状に配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のピストン。
8. 前記冷却室（１５）に冷媒を噴射するための噴射装置（３０，３１，３２，１８）を備えたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のピストン。
9. 前記冷却室（１５）は少なくとも１個の冷却孔（１７）を備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のピストン。
10. 前記噴射装置（３０，３１，３２，１８）は冷却孔（１７）及び冷却室（１５）の壁の少なくともいずれか一方に冷媒を噴射する少なくとも１個のノズルを有することを特徴とする請求項８又は９に記載のピストン。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載したピストンを備えてなる内燃機関。

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