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