JP6068629B2 - 内燃エンジン用ピストン - Google Patents

Description

本発明は、燃焼エンジンの分野に関し、より具体的には、１６０ｍｍ〜６５０ｍｍのピストン径を有する内燃機関ディーゼル・エンジン用のピストン組立体に関するものであり、ピストン組立体は、上部分と、本体部分と、互いに接続可能なガジオン・ピンとを備え、
− 上部分は、エンジンのシリンダに組み込まれたとき、燃焼室のピストン側を画定し、
− 本体部分は、ガジオン・ピン用の開口と、使用するときにピストンとガジオン・ピンの間で力を分散するためのボスと、内部と、外面と、動作可能な接続面とを有し、
− ガジオン・ピンは、ピストンをエンジンのコンロッドに回動可能に接続するためのものである。

本発明の一態様は、ピストン組立体用のガジオン・ピンに関する。

本発明の別の態様は、ピストン組立体用のピストン本体部分に関する。

本発明のさらに別の態様は、ピストン組立体を備えるエンジンに関する。

大型の内燃エンジンは、船推進システムなどの電源として、発電装置において動力供給を必要とする仕事に広く使用されている。

大型の内燃エンジンには、同一のシリンダ変位を有するエンジンから、より大きな電力を得る要求が増加している。目的の１つは、出力率を向上するのと同時に、エンジンに起因する排出物を低減することである。動作においては、これらの結果に向けた道筋の１つにはシリンダ圧力を増加することがある。他方では、これらの大型エンジンの信頼性も改善しなければならず、すなわち動作におけるいかなる障害も非常に好ましくない。このことによって、これらのエンジンのすべての部品（ピストンを含む）の進化が必要とされている。

本発明の目的は、１６０ｍｍ〜６５０ｍｍの範囲のピストン径を有する大型内燃機関ディーゼル・エンジン用のピストンを提供することである。本発明の目的は、動作において、高いシリンダ圧力に長期にわたって耐えることができるピストン及びガジオン・ピンの解決策を提供することである。

特に、高い出力率で疲労に耐える内燃機関ディーゼル・エンジンの能力は、本発明の目的の１つである。これらの増加した需要に対してピストンを開発するという難易度が高い技術的課題がある一方で、ピストン生産の経済面も考慮に入れる必要がある。ピストンは、好ましくは単価があまり高くならないように製作される。したがって、製造コストと技術的優越性のバランスを考慮に入れなければならない。現在の市場では、大型ピストンは、依然としてあまり高くつくべきでない製品であり、同時に、技術的にはできるだけ小さく、エンジンの全寿命でいかなる故障もなく正しく稼働すべきものである。

本発明の別の目的には、増加したシリンダ圧力に耐え得る上部分、本体部分及びガジオン・ピンを備えるピストン組立体を提供することがある。ピストン組立体は、ピストン温度を許容レベル内に効率よく維持するための冷却ギャラリーを内部に有するようにも構成される。本発明の目的は、ガジオン・ピンの耐疲労性を向上することである。目的には、本体部分とガジオン・ピンの間の面圧力を下げることもある。

本発明のピストン組立体は、冷却オイルを、コンロッドからガジオン・ピンを通してボスへ、さらには上部分と本体部分の間の冷却ギャラリーへと供給するためのコンジットが設けられるように、ガジオン・ピンが、組み立てられて、所与の回転方向で、本体部分の開口に対してロック手段によってロックされ得るように構成されていることによって特徴付けられ、前記コンジットは、断面が閉じたコンジットとしてガジオン・ピンを通って形成されている。本発明は、前記ピストン組立体又はその一部分と、前記ピストン組立体を使用するエンジンとに使用される、本体部分及びガジオン・ピンにも関する。

ガジオン・ピンが、本体部分に対して所与の回転方向にロック可能であれば、ガジオン・ピンを通してコンジットを設けることができる。したがって、コンジットが、ガジオン・ピンと本体部分の間の境界面のそばで、又はその境界面において、溝などの円弧上に形成されるのを回避することができる。この特徴の効果は、断面が閉じたコンジット又はボアを、ガジオン・ピンにおいて、且つ／又は本体部分に対して、好ましい位置に形成することができることである。この好ましい位置は、特に耐疲労性に関して、部品の特定の形状及び他の問題点を考慮に入れることができる。ガジオン・ピンには連続した交番荷重がかかるので、ピーク応力の領域よりも応力が小さい領域にコンジットを配置するようにガジオン・ピンを設計することができれば、大きな差が生じる。また、コンジットの断面積を、所望の流速に従って決定することができる。また、本体部分又はガジオン・ピン面において、いわゆるオイル溝としてのオイル・チャネルの形成が回避されると、ガジオン・ピンの軸受けの表面積がかなり増加される。軸受けの表面積が増加すると、面圧力が低下するように耐疲労性に直接影響を及ぼし、それに加えて、部品間の静止接点のために、利用可能な面圧力を増加することもできる。好ましくは、ガジオン・ピンの所与の回転方向の変動は、±１.０°以内、好ましくは±０.３°〜０.５°以内に制限される。さらに加えて、組み立てられた部品の幾何学的効率が、最終結果がその意味でも最適になるように形状を設計することによって改善され得る。

本体部分と上部分の間の冷却ギャラリーに冷却オイルを供給するために、コンジットは、必要とされるオイルの冷却能力に依拠して特定の直径又は断面積に設計する必要がある。コンジットでの流速を決定する要素の１つには、主オイル・ポンプの能力があるが、前記コンジットの方向及び動作中のエンジンにおけるピストンの往復運動に起因する加速度もその要素である。いくつかのエンジンでは、この加速度は２００Ｇ（１Ｇは９.８１ｍ／ｓ^２である）を上回ることがあり、したがって、加速度方向に対するコンジットの方向が、冷却オイルの流れに対してかなり影響を及ぼす。

定義
この文脈では、ピストン面（ＰＰ）は、ピストンの中心軸（（ＣＡ）すなわち使用においてピストンの進む方向）に対して垂直な面であり、ガジオン・ピン（又はガジオン・ピン用の開口）の中心軸に対して平行な面であると定義される。

この文脈では、冷却ギャラリーは、ピストンの上部分と本体部分の間の中空空間を意味し、シリンダ内の燃料の燃焼に起因する余分な熱を除去するために、ある量のピストン冷却流体（通常は潤滑オイル）が導かれ得る。

本発明が、添付図を参照しながら、以下で詳細に説明されることになる。

ピストン及びガジオン・ピンの組立体の断面図である。 ピストン及びガジオン・ピンの組立体の側面図である。 ピストン及びガジオン・ピンの組立体の一実施例の別の側面図である。 ガジオン・ピンのコンジット機構の一実施例を示す図である。 ロック手段の一実施例を、ガジオン・ピン及び本体部分と関連して示す図である。 ロック手段の一実施例を、ガジオン・ピン及び本体部分と関連して示す図である。 ロック手段の一実施例を、ガジオン・ピン及び本体部分と関連して示す図である。 ロック手段の一実施例を、ガジオン・ピン及び本体部分と関連して示す図である。 ロック手段の一実施例を、ガジオン・ピン及び本体部分と関連して示す図である。

図１には、ピストン及びガジオン・ピンの組立体の中心軸に沿った断面図が示されている。示されている内燃機関ディーゼル・エンジン用ピストン組立体１のピストン径Ｄは１６０ｍｍ〜６５０ｍｍであり、ピストン組立体１は、上部分２、本体部分３、及び互いに接続可能なガジオン・ピン４を備え、
− 上部分２は、エンジンのシリンダに組み込まれたとき、燃焼室のピストン１側を画定し、
− 本体部分３は、ガジオン・ピン４用の開口３０と、使用するときにピストン１とガジオン・ピン４の間で力を分散するためのボス３２と、内部３３と、外面３４と、（上部分と本体部分を分離している面などの）動作可能な接続面３５とを有し、
− ガジオン・ピン４は、ピストン１をエンジンのコンロッド５に回動可能に接続するためのものであり、
− ガジオン・ピン４は、冷却オイルを、コンロッド５からガジオン・ピン４を通してボス３２へ、さらには上部分２と本体部分３の間の冷却ギャラリー２３へと供給するためのコンジット５７、４７、３７が設けられるように、組み立てられて、所与の回転方向で、本体部分３の開口３０に対してロック手段６によってロックされ得るように構成されており、前記コンジット４７は、断面が閉じたコンジット４７としてガジオン・ピン４を通って形成されている。

図１の示すところによれば、本体部分３には、回転方向を決定するためのロック手段３６と、開口３０の中で、所定のクリアランスを伴って、組み立てられたガジオン・ピン４の軸方向の位置を決定するための軸方向のロック手段６０とが備わっている。ロック手段３６、６のこの実施例は、水平のピン／バータイプのロックを示す。また、ガジオン・ピン４の終端形状は、ロック手段６の対応する形状に対して適切なものである。ピンとスロットの間のクリアランスによって、ガジオン・ピンがそれ自体を所定の角度で位置決めすることができるように、ロック手段６は、ガジオン・ピンの終端のスロットに適合するように構成されている着脱式のピンを備えてよい。図１に示されている軸方向のロック手段６０の一実施例は、この分野で最も一般的な１つであるワッシャ状の止めリングである。

図１に示されている一実施例では、ガジオン・ピン４の両端には、円錐、切頭円錐、放物線状又は相当する形状の溝４９が備わっている。この形状の効果は、ガジオン・ピン４の重量を軽減するばかりでなく、所望のやり方で力を部分的に導くことである。大荷重の下ではガジオン・ピン３が変形するので、ガジオン・ピン３の内部の材料が、ガジオン・ピン３の楕円形化を防止する。しかしながら、ガジオン・ピンの終端では、力のフラックスがコンロッド５の中心ラインの方へわずかに曲がり、したがって、ガジオン・ピンの終端は、好ましくは面取りされている。

図２には、上部分２、本体部分３、ガジオン・ピン４及びコンロッド５を備えるピストン組立体１の側面図が示されている。ピストン組立体の中心軸ＣＡは、ピストンが使用されているときの移動方向を示す。前記部品５、４、３を通るコンジット５７、４７、３７を備えるコンジット経路も概略的に示されている。図２では、本体部分３とガジオン・ピン４の間のコンジットの入口／出口境界面４３は、コンジット３７が、本体部分のボス３２に対して、ガジオン・ピン開口３０の最高位置ＴＰから少なくとも４５°離れて構成されるように、ピストン面（ＰＰ）の上に０°〜４５°の角度αでガジオン・ピン４の周縁部に配置されている。それに対応して、コンロッド５とガジオン・ピン４の間のコンジットの入口／出口境界面４５は、ピストン面（ＰＰ）の下に０°〜４５°の角度αでガジオン・ピン４の周縁部に配置されている。しかしながら、コンロッド５がガジオン・ピン４に対して枢転可能な接続を有するので、前述の入口／出口境界面４５を設計するには、エンジン運転中のこの回転軸の移動を考慮に入れる必要がある。

図３には、図２のピストン組立体が反対方向から示されている。図２と同一の部分が参照されているので、別々の品目の寸法形状がより明瞭に見える。また、本体部分３には、回転方向を決定するためのロック手段３６と、開口３０の中で、所定のクリアランスを伴って、組み立てられたガジオン・ピンの軸方向の位置を決定するための軸方向のロック手段６０とが備わっている。一実施例によれば、ガジオン・ピン４は、ロック手段６の対応する形状に対して適切な終端形状を備え、好ましくは、回転方向の変動を、±１.０°以内、好ましくは±０.３°〜０.５°以内に制限するようにガジオン・ピンの所定の回転方向を限定する。

図１及び図２の実施例を検討すれば気付くことができるように、ガジオン・ピン４のコンジット４７は、とりわけＩ字形、Ｖ字形、Ｙ字形に形成されてよい（図１及び図２ではＩ字形に示されている）。ガジオン・ピン４の可能な実施例の１つが、図４（αの回転の面に対して垂直な視界）に示されており、ガジオン・ピン４には、２つの穿孔４７によってＶ字形に形成されたコンジット４７があり、コンジットは、ガジオン・ピンを直接通って半径方向に延在し、また、コンジット４７は軸方向では傾斜しており、その結果、入口４７０はコンロッドの領域にあって出口４７１は本体部分のボスの領域にある。したがって、冷却オイルが、コンロッド５のコンジット５７から、穿孔４７を通って、本体部分のボス３２のコンジット３７（図４には示されていない）へ流れることができる。

図５には詳細図が示されており、ガジオン・ピン４が組み立てられて、ロック手段６によって本体部分３の開口３０に所与の回転方向においてロックされている。ロック手段６は、ガジオン・ピンの終端においてスロットに適合するように構成された着脱式のピンを備え、ガジオン・ピンは、ピンとスロットの間のクリアランスによって、それ自体を所定の角度で位置決めすることが可能であり、また、所定のクリアランス内で回転方向に浮遊することができる。本体部分３には、回転方向を決定するための対応するロック手段３６も備わっている。

図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ及び図６Ｄには、図５に関連して説明されたようなロック手段の様々な実施例が示されている。
本発明の詳細な説明は、本発明のすべての可能な実施例を開示するようには意図されておらず、本発明は添付の特許請求の範囲の範囲内で変化し得る。

１ ピストン組立体
２ 上部分
２３ 冷却ギャラリー
３ 本体部分
３０ ガジオン・ピン用の開口
３２ ボス
３３ 本体部分の内部
３４ 外面
３５ 動作可能な接続面
３６ ロック手段
３７ （本体部分の）コンジット
４ ガジオン・ピン
４３ コンジットの入口／出口境界面（ガジオン・ピン／本体部分）
４５ コンジットの入口／出口境界面（ガジオン・ピン／コンロッド）
４７ コンジット（ガジオン・ピンを通る）
４７０ 入口
４７１ 出口
４９ 溝
５ コンロッド
５７ （コンロッドの）コンジット
６ ロック手段
６０ 軸方向のロック手段
α ＰＰからの回動角
ＣＡ ピストン組立体の中心軸
Ｄ 直径
ＰＰ ピストン面
ＴＰ 最高位置

Claims (11)

1. 上部分（２）、本体部分（３）、及び互いに接続可能なガジオン・ピン（４）を備え、ピストン径（Ｄ）が１６０ｍｍ〜６５０ｍｍである内燃機関ディーゼル・エンジン用ピストン組立体（１）であって、
   − 前記上部分（２）が、エンジンのシリンダに組み込まれたとき、燃焼室の前記ピストン（１）側を画定し、
   − 前記本体部分（３）が、ガジオン・ピン（４）用の開口（３０）と、使用するときに前記ピストン（１）と前記ガジオン・ピン（４）の間で力を分散するためのボス（３２）と、内部（３３）と、外面（３４）と、動作可能な接続面（３５）とを有し、
   − 前記ガジオン・ピン（４）が、前記ピストン（１）を前記エンジンのコンロッド（５）に回動可能に接続するためのものであり、
   − 冷却オイルを、前記コンロッド（５）から前記ガジオン・ピン（４）を通して前記ボス（３２）へ、さらには前記上部分（２）と前記本体部分（３）の間の冷却ギャラリー（２３）へと供給するためのコンジット（５７、４７、３７）が設けられるように、前記ガジオン・ピン（４）が、組み立てられて、所与の回転方向で、前記本体部分（３）の前記開口（３０）に対してロック手段（６）によってロックされ得るように構成されており、前記コンジット（４７）が、断面が閉じたコンジット（４７）として前記ガジオン・ピン（４）を通って形成され、
   前記コンジット（３７）が前記本体部分のボス（３２）に対して前記ガジオン・ピン開口（３０）の前記最高位置から少なくとも４５°離れて構成されるように、前記本体部分（３）と前記ガジオン・ピン（４）の間の前記コンジットの入口／出口境界面（４３）が、ピストン面（ＰＰ）の上に０°〜４５°で前記ガジオン・ピン（４）の周縁部に配置されていることを特徴とする、内燃機関ディーゼル・エンジン用ピストン組立体（１）。
2. 前記コンロッド（５）と前記ガジオン・ピン（４）の間の前記コンジットの入口／出口境界面（４５）が、ピストン面（ＰＰ）の下に０°〜４５°で前記ガジオン・ピン（４）の前記周縁部に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のピストン組立体。
3. ガジオン・ピン（４）の所与の回転方向の変動が、±１.０°以内、好ましくは±０.３°〜０.５°以内に制限されることを特徴とする、請求項１に記載のピストン組立体。
4. 前記本体部分（３）には、前記回転方向を決定するための水平のピン又はバータイプのロック（３６）と、前記開口（３０）の中で、所定のクリアランスを伴って、前記組み立てられたガジオン・ピンの軸方向の位置を決定するためのワッシャ状の止めリング（６０）とが備わっていることを特徴とする、請求項１に記載のピストン組立体。
5. 前記ガジオン・ピン（４）が、前記ロック手段（６）の対応する着脱式のピンに対して適切な終端スロットを備えることを特徴とする、請求項１に記載のピストン組立体用の、ガジオン・ピン（４）。
6. 前記ガジオン・ピン（４）の前記コンジット（４７）が、Ｉ字形、Ｖ字形又はＹ字形に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のピストン組立体用の、ガジオン・ピン（４）。
7. 前記ガジオン・ピン（４）の両端に、円錐、切頭円錐、放物線状又は相当する形状の溝（４９）が備わっていることを特徴とする、請求項１に記載のピストン組立体用の、ガジオン・ピン（４）。
8. 前記本体部分（３）には、前記回転方向を決定するための半径方向のロック手段（６）と、前記開口（３０）の中で、前記組み立てられたガジオン・ピン（４）の軸方向の位置を決定するための軸方向のロック手段（６０）とが備わっていることを特徴とする、請求項１に記載のピストン組立体用の、ピストン本体部分（３）。
9. 前記ピンと前記スロットの間の前記クリアランスによって、前記ガジオン・ピン（４）がそれ自体を所定の角度で位置決めすることができるように、前記ロック手段（６）が、前記ガジオン・ピン（４）の終端のスロットに適合するように構成されている着脱式のピンを備えることを特徴とする、請求項１に記載のピストン組立体用の、請求項８に記載のピストン本体部分（３）。
10. 請求項１に記載のピストン組立体を備えるエンジン。
11. 複数の前記ピストン組立体を備えることを特徴とする、請求項１０に記載のエンジン。

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