JP7201668B2 - 対向ピストンエンジンのための対向する噴射領域を備えるピストンアセンブリ - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本出願には、現在では２０１５年１０月２０日に発行された米国特許第９，１６３，５０５号明細書である「Ｐｉｓｔｏｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｏｐｐｏｓｅｄ－Ｐｉｓｔｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｓ（対向するピストンエンジンのピストン構造）」について、２０１１年８月１５日に提出された米国特許出願第１３／１３６，９５５号明細書、現在では２０１５年１１月３日に発行された米国特許第９，１７５，７２５号明細書である「Ｒｏｃｋｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｂｅａｒｉｎｇｓ ｆｏｒ Ｔｗｏ－Ｓｔｒｏｋｅ Ｃｙｃｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｓ（２ストロークサイクルエンジン用ロッキングジャーナルベアリング）」について、２０１３年２月２５日に提出された米国特許出願１３／７７６，６５６号明細書、現在では２０１５年５月２６日に発行された米国特許第９，０３８、５９３号明細書である「Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ Ｆｏｒ Ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ Ｗｒｉｓｔｐｉｎ Ｏｉｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｉｎ Ａ Ｔｗｏ－Ｓｔｒｏｋｅ Ｃｙｃｌｅ，Ｏｐｐｏｓｅｄ－Ｐｉｓｔｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ（２ストロークサイクル、対向ピストンエンジン内でリストピンの油圧を維持するための潤滑構成）」について、２０１３年１１月８日に提出された米国特許出願１４／０７５，９２６号明細書、および現在では２０１６年１０月１８日に発行された米国特許第９，４７０，１３６号明細書である「Ｐｉｓｔｏｎ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ Ｏｉｌ Ｆｒｏｍ ａ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｉｎ ａｎ Ｏｐｐｏｓｅｄ－Ｐｉｓｔｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ（対向ピストンエンジン内の軸受リザーバからの潤滑油を利用したピストン冷却構成）」について、２０１４年５月６日に提出された米国特許第１４／１９９，８７７号明細書の主題に関連する主題が含まれる。

本発明は、燃料の直接側部噴射を備える対向するピストン内燃機関エンジンでの使用に特に適した独特の端面構造を備えるピストンに関する。

より具体的には、ピストンは、ピストンのリストピンおよび結合ロッド特徴に対して噴射領域が独特の配向を有する端面構成を含む構造を備えており、これにより、静止オイルジェットが、小型エンジン構成を達成するために有利な位置からピストンの温度管理のために冷却剤を提供できるようになる。

本発明はまた、燃料噴射器を対向ピストンエンジン内で有利に配置することを可能にする、端面上の直径方向に対向する噴射領域の独特な配置を備えるピストン構造に関する。

関連する特許文献１は、ピストンスカートの内部に取り付けられたリストピン支持構造を含む、対向ピストンエンジン用に設計されたピストン構造を記載している。リストピン支持構造の上部は、内部環状冷却ギャラリの壁を提供する。壁の入口開口は、液体冷却剤の流れが環状冷却剤ギャラリに入ることを可能にする。直径方向に対向する燃料噴射器を通って放出された燃料が燃焼室に入るピストン端面の噴射溝に、冷却剤の流れが位置合わせされる場合、環状冷却ギャラリは最適な冷却効果を達成する。しかし、リストピン軸受支持構造をスカートの内部に取り付けるために必要な特徴は、冷却剤の流れを環状冷却ギャラリに配送する静止オイルジェットの配置の設計オプションを大幅に制限する。さらに、オイルジェットの配置の制限により、噴射溝および燃料噴射器を含む他の要素に関する一連の追加的な設計の制限が発生し、それにより小型対向ピストンエンジンでの良好なピストン温度管理の実現に向けた進捗を制限する。

個別のリストピン支持構造をピストンスカートと一体に形成されたリストピン穴に取り替えることによって、静止オイルジェットおよび燃料噴射器の配置を制限する取り付け特徴がなくなり、それにより、静止オイルジェットおよび燃料噴射器が対向ピストンエンジン内により有利に配置されることを可能にする直接側部噴射を有する対向ピストン用の独特のピストン構造が可能になる。

本発明の一態様では、対向ピストンの隣接する端面と協働して燃焼室を形成するようにボウルが構成されている端面を含むクラウンを有する、対向ピストンエンジン用のピストンが提供される。クラウンの略円周方向のトップランドが、略円形の周縁部で端面と接し、側壁を含むスカートは、略円周方向のトップランドから軸方向に離れて延在する。リストピン穴軸線を含むリストピン穴は、側壁の中に形成される。リストピン穴は、リストピン穴軸線に略直交するエンベロープ軸線により画定される運動のエンベロープ内で揺動する結合ロッドにピストンを連結するリストピンを受けるために設けられる。ピストンの端面には、１対の噴射領域が含まれ、その噴射領域を横切って燃料がボウル内に噴射される。噴射領域は、リストピン穴軸線と、エンベロープ軸線とによって画定される端面の略直径方向に対向する四分円内に配置される。各噴射領域は、略円形の周縁部と同心円の各弧に沿って延在する。場合によっては、各噴射領域の弧状範囲が約５０～７０°の角度に対応することができ、その角度の頂点が略円形の周縁部の中心にある。

好ましくは、リストピン穴が、側壁の第１の壁部分内の第１のピンボスに形成された第１の開口と、側壁の第２の壁部分内の第２のピンボスに形成された第２の開口とを備え、開口はリストピン穴軸線に沿って同軸に位置合わせされる。

いくつかの態様では、噴射溝が各噴射領域内に形成され、噴射溝は略円形の周縁部からボウルまで延在する。

他の態様において、端面が２つの直径方向に対向する噴射溝を有し、各噴射溝が各噴射領域に形成され、ボウル内に噴射された燃料の噴霧を導くように成形される。

本発明の別の態様では、対向ピストンエンジンは、シリンダブロックの長さに沿って一線に列をなして配置された複数のシリンダを備えるシリンダブロックを有する。１対のピストンが、各シリンダに対向して配置される。各ピストンは、リストピン軸線を含むリストピンを有し、リストピンは、ピストンを、エンベロープ軸線を有する結合ロッド運動エンベロープ内で揺動する結合ロッドに連結する。エンベロープ軸線は、リストピン軸線に略直交している。ピストンは、端面を含むクラウンと、対向するピストンの隣接する端面のボウルと協働して燃焼室を形成するように構成された、端面内のボウルとを有する。端面には、１対の噴射領域が含まれ、その噴射領域を横切って燃料がボウル内に噴射される。噴射領域は、リストピン軸線と、エンベロープ軸線とによって画定される端面の各直径方向に対向する四分円内に配置される。各噴射領域は、略円形の周縁部と同心円の各弧に沿って延在する。

本発明のこれらの特徴は、以下の本発明の詳細な説明が以下の図面と併せて考慮される場合に容易に理解されるという利点をもたらす。

対向ピストンエンジンを示す概略図であり、「従来技術」と適切に呼ばれる。

２ストロークサイクルの対向ピストンエンジン用のピストン／結合ロッドアセンブリの斜視側面図であり、「従来技術」と適切に呼ばれる。

図２に示されるピストンの軸受支持構造の分解図であり、「従来技術」と適切に呼ばれる。

対向ピストンエンジンのシリンダブロック内の図２および図３のピストンの部分的概略立面断面図であり、「従来技術」と適切に呼ばれる。

本発明による対向ピストンエンジンで使用するために構成されたピストンの等角図である。

ピストンのスカートを通過する直交する中央平面に沿って取られた、リストピン穴にリストピンが取り付けられていない、図５のピストンの側面断面図である。 ピストンのスカートを通過する直交する中央平面に沿って取られた、リストピン穴にリストピンが取り付けられていない、図５のピストンの側面断面図である。 リストピンがリストピン穴に取り付けられている、図６Ａに見られる図に対応する図５のピストンの側面断面図である。

端面特徴なしで、図５のピストンの端面を示す概略平面図である。

本発明による端面特徴を備えた、図５のピストンの端面を示す概略平面図である。

オイルジェット入口通路と噴射器溝との位置合わせを示すために、対向する噴射器溝を通過する中央平面に沿って取られた図５のピストンの側面断面図である。

シリンダが本発明によるピストンを装備するシリンダブロックを有する対向ピストンエンジンの中間の切断面を通る部分概略図である。

対向ピストンエンジン：背景として、対向ピストンエンジンは、２つのピストンがシリンダの穴の中に対向して配置されている内燃機関である。エンジンの作動中、ピストンが穴内の各上部中央位置を通って移動すると、２つのピストンの端面間で穴内に形成された燃焼室で燃焼が発生する。本明細書で使用する場合、「燃焼室」という用語は、エンジン作動の各サイクルの間にエンジンの作動中に、ピストンの端面と端面間の穴の環状部分とによって境界されるシリンダ内部の最小容積を指す。

図１に見られるように、対向ピストンエンジン１０は、少なくとも１つのポート付きシリンダ１２を有する。例えば、エンジンは、１つのポート付きシリンダ、２つのポート付きシリンダ、３つのポート付きシリンダ、または４つ以上のポート付きシリンダを有することができる。説明の目的のために、エンジン１０は、複数のポート付きシリンダを有すると想定される。各シリンダ１２は、穴１３を有する。排気ポート１４が吸気ポート１６から長手方向に分離されるように、排気ポート１４および吸気ポート１６は、シリンダの各端部の近傍に形成される。排気ポート１４および吸気ポート１６のそれぞれは、開口の１つまたは複数の円周方向のアレイを含む。排気ピストン１８および吸気ピストン２０は、それらの端面２２および２４が互いに対向する状態で、穴１３内に摺動可能に配置される。排気ピストン１８はクランクシャフト３０に連結され、吸気ピストン２０はクランクシャフト３２に連結されている。各ピストンは、リストピン２６および結合ロッド２８によって関連するクランクシャフトに連結される。この開示のために、シリンダは、シリンダブロック内の穿孔または形成された空間、またはシリンダブロック内のトンネル内に保持されたライナー（またはスリーブ）を備えることができる。

エンジン１０では、エンジン１０の可動部品を潤滑するためにオイルを供給する潤滑システムは、オイルリザーバ４４を含み、そこから加圧オイルがポンプ４２によってメインギャラリ４０に圧送される。メインギャラリ４０は、クランクシャフト３０および３２まで、典型的にはドリル３６を介して主軸受（図示せず）まで加圧オイルを供給する。主軸受の溝および／または通路から、結合ロッド２８の大端部内の軸受の溝に加圧オイルが供給される。そこから、加圧オイルが、結合ロッド２８内に形成された通路を通ってリストピン２６まで流れる。

ピストン１８および２０は、シリンダ１２の各端部近傍のエンジンに取り付けられた静止オイルジェット４６によって放出されるオイルの流れを提供することにより冷却される。各オイルジェット４６は、ピストンの環状冷却ギャラリの入口通路でシリンダ１２の開放端部を通って向けられたノズルを含む。

限定することを意図しない、いくつかの態様では、エンジン１０は、ターボチャージャ５２、スーパーチャージャ５４、およびＥＧＲチャネル５６のうちの１つまたは複数を含むことができる空気管理システム５０を備える。

図１による対向ピストンエンジンの作動サイクルをよく理解されたい。対向するピストン１８、２０は、それらの端面２２と２４との間で生じる燃焼に応答して、シリンダ内のそれぞれの上部中央（ＴＣ）位置から離れる方向に移動する。ＴＣから移動している間、ピストンはそれぞれの下部中央（ＢＣ）位置に接近するまで、関連するポートを閉じた状態に保つ。ピストンは同位相で移動することができ、その結果、排気ポート１４および吸気ポート１６が同時に開閉するが、別法として、一方のピストンが同位相で他方を先導することができ、この場合、吸気ポートおよび排気ポートは異なる開閉時間を有する。ピストンがＢＣ位置を移動するにつれて、排気ポート１４から流出する排気生成物は、吸気ポート１６を通ってシリンダ内に流入する給気に取り替えられる。ＢＣに到達した後、ピストンは方向を逆転させ、ポートは再びピストンによって閉じられる。ピストンがＴＣに向かって動き続ける間、シリンダ１２内の給気は端面２２と２４の間で圧縮される。各端面は、対向するピストンの隣接する端面と共に燃焼室を形成するように成形される。ピストンがシリンダ穴のそれぞれのＴＣ位置に進むと、燃料が、シリンダ１２の側壁の１つまたは複数の開口３８を通って給気内に直接噴射され（この工程は「直接側部噴射」と呼ばれる）、給気と燃料の混合物が、ピストン１８の端面２２とピストン２０の端面２４との間に形成された燃焼室内で圧縮される。圧縮により混合物が発火温度に達すると、燃料が発火する。燃焼が発生し、それぞれのＢＣ位置に向かって離れるようにピストンを駆動する。

ピストン構造：対向ピストンエンジンのピストン（「対向ピストン」）は、バルブ制御の吸気ポートおよび排気ポートが配置されているエンジンのシリンダヘッドに対して燃焼室を形成する従来のピストンとは異なって構成される。対向ピストンエンジンでは、ピストンはポート付きシリンダ内で一緒に移動して、それらの端面間に燃焼室を形成する。加えて、対向ピストンの移動によりシリンダポートの開閉が制御されて、エンジンのシリンダ内にから給気が流入し、エンジンのシリンダから排出することを可能にする。

第１の例では、従来のピストンの端面は、典型的には、ピストンが中で移動するシリンダの軸線に沿って噴射される燃料の噴霧と給気との混合を可能にする形状のボウルを含む。このようなボウルは、ピストンの軸線に対して対称な形状を有する。対照的に、対向ピストンの端面はボウルを有し、その特徴はシリンダの半径方向または接線方向、通常は直径方向に対向する一対の燃料噴射器からの燃料噴射を収容しなければならない。このようなボウルは、ピストンの軸線に対して対称ではない。

第２の例では、従来のピストンが１つのリングバンド領域およびリストピンを支持する。しかし、これらの特徴に加えて、対向ピストンは、ピストンが上部中央を通って移動する場合、シリンダ穴から余分なオイルを掻き取り、吸気ポートまたは排気ポートの封止を維持するために、ピストンの開放端部近傍の第２のリングバンド領域を支持しなければならない。第２のリングバンドは、従来のピストンよりも対向ピストンの方が長いピストンスカートを必要とする。

対向ピストンを特徴付ける第３の特徴は、エンジンの作動サイクル全体を通してリストピンが連続的な圧縮荷重を受ける環境で、結合ロッド、リストピンおよびピストンの相互作用を可能にするリストピン軸受支持を含む連結アセンブリである。米国特許９，４７０，１３６号明細書は、２軸リストピン／軸受界面が軸方向に分配された軸受セグメントの定期的な分離を誘発して、潤滑剤がリストピンおよび軸受の対向する外部表面に到達できるようにする、対向ピストンエンジンのピストン軸受アセンブリを説明し、かつ図示している。リストピンは、ピストンの内部に取り付けられた略立方体の構造内に支持されており、構造はピストンスカートに完全に取り囲まれている。

リストピンの支持構造はシリンダスカートから分離されているため、スカートの外側にはボスおよびリストピン穴がなく、シリンダ穴に連続的な円筒面を提供し、それによって２組のピストンリングしか装備していない場合、燃焼室とクランクケースとの間に非常に効果的な封止を提供する。しかし、支払われる価格は、複数の組み立てステップが必要であり、ピストンに重量を加える複雑で費用のかかる構造である。さらに、スカートの連続した円筒面により、燃焼室とクランクケースとの間の効果的な封止が可能になるが、スカートとシリンダ穴との間の界面に摩擦が発生する結果をもたらすことにもなる。

図２は、対向ピストンエンジン用の従来技術のピストンアセンブリの斜視図である。ピストン１００は、クラウン１０３と、概ね管状の側壁１０５を含むスカートとを有する。クラウンの端面１０７は、対向ピストンの端面ボウルと協働して燃焼室を形成するように構成されたボウル１０８を有する。燃料噴射器から放出された燃料をボウル内に導くように、対向する噴射溝が設けられている。そのような噴射溝１０９の１つが図中に見える。内側リングベルト領域１１０は、圧縮リングおよびオイル制御リングを着座させるためにクラウンの円周側面に設けられる。オイルスクレーパーリングを着座させるために、外側リングベルト領域１１２がスカートの側壁に設けられる。結合ロッド１２０は、クランクシャフト（図示せず）のクランクスローに結合するための大端部１２２と、側壁１０５によって画定される内部空間内に配置される小端部（図示せず）とを有する。大端部１２２の軸受面には、オイル溝１２４が形成されている。穿孔されたオイル供給通路（図示せず）は、オイル溝１２４から結合ロッドの小端部まで結合ロッド１２０内を長手方向に延在する。長い長手方向スロット１２５が、結合ロッドのシャフト１２６の対向する側に、大端部と小端部との間に形成されて、エンジンの作動中に結合ロッドが振り子のような運動で揺動するときに静止オイルジェット（図示せず）を収容する。

図３および図４を参照すると、ピストン１００は、クラウン下面に固定され、スカート１０５に囲まれた空間に配置されたリストピン軸受アセンブリ２００を含む。図３に示すように、リストピン支持構造は、上部支持部材２３０および下部支持部材２４０を含む。上部支持部材２３０は、ねじ付き締結具２１１によって結合ロッド１２０の小端部１２７に取り付けられたリストピン２１０を受ける軸受面２２０を含む。上部支持部材２３０および下部支持部材２４０は、リストピン２１０の周りで接合され、クラウン下面に形成された内部ボス（図示せず）に螺合可能に着座する４つの締結具２０２（そのうち３つが図３に見られる）によってクラウン下面に固定される。図３に見られるように、下部軸受支持部材２４０の開口２４２は、結合ロッド１２０を受ける。組み立てられると、リストピン支持構造は、開口２４２内の結合ロッド１２０の振り子のような振動によって生じる軸受面２２０上の振動に対してリストピン２１０を保持する。同様の単一ユニットリストピン軸受構造は、米国特許第９，０３８，５９３号明細書および米国特許第９，１７５，７２５号明細書に示されている。

図４は、ピストンが従来技術の対向ピストンエンジンのシリンダ２６１の穴内に配置された状態で、ピストン１００に取り付けられたリストピン軸受アセンブリ２００を示す。図示の方法で組み立てられる場合、上部支持部材２３０は、内部環状冷却ギャラリ２６５の底壁を提供する。図３および図４に示すように、上部支持部材２３０は、内部環状冷却ギャラリ２６５の底壁に入口開口２６９を含む入口通路２６７を備える。図４に示すように、静止オイルジェット２７０は、オイルの流れ２７２が入口通路２６７に導かれるように配置されており、その流れは入口通路２６７を通って、環状冷却ギャラリ２６５に入る。いくつかの例では、図に示すように、静止オイルジェットが入口通路と概ね位置合わせ可能であり、他の例では、静止ジェットによって放出されるオイルの流れは、入口通路に対して偏向可能である。静止オイルジェット２７０は、シリンダ間にエンジンスペースを設けことを必要とし、それによりシリンダ間の間隔およびエンジン長が増加するため、リストピン２１０の軸線に位置合わせして入口通路２６７を配置することは望ましくない。入口通路２６７は、図３に示される締結具２０２が占める位置に配置することはできない。その結果、図３および４に示されるリストピンアセンブリ２００の入口通路２６７に利用可能な最適な位置は、リストピン２１０に直交して位置合わせされる上部支持部材の直径方向に対向する部分である。しかし、これらの配置にも欠点がある。例えば、静止オイルジェット２７０の配置のために、シリンダ側壁２７１とシリンダブロック２７４の側面との間に隙間が設けられなければならず、それはエンジンの幅に下限を設ける。さらに、静止オイルジェット２７０は、結合ロッド１２０が移動する円グラフ扇型の運動エンベロープ２７３内に突出する。結合ロッド１２０と静止オイルジェット２７０との間の隙間は、結合ロッド１２０のシャフトに内細長い長手方向スロット１２５を形成することにより得られるが、それにより結合ロッド１２０を弱め、その製造コストを増大させる。米国特許第９，０３８，５９３号明細書および第９，１７５，７２５号明細書に示されている同様の単一部品リストピン軸受構造でも同じ欠点が明らかである。

リストピン支持構造の排除：対向ピストンエンジン用のより単純で軽いピストンの構造は、従来技術の内部リストピン支持構造を排除する。図５、図６Ａおよび図６Ｂは、図３および図４に示されているようなリストピンアセンブリに関連する構造上の制限のない対向ピストンエンジン用のピストン３００の例を示している。ピストン３００は、長手方向軸線３０２、端面３１１を含むクラウン３１０、およびクラウンに取り付けられ、またはクラウンと一体に形成されたスカート３２０を有する。クラウン３１０は、長手方向軸線３０２を中心とする略円形の周縁部３１３で端面３１１に接する略円周方向ランド３１２（端面３１１に近接しているため「トップランド」と呼ばれる）を含む円筒形側壁を有する。クラウン上の略円周方向の内側リングベルト領域３１４は、スカート３２０の方向にランド３１２から離れて延在する。スカート３２０は、クラウン３１０から離れてスカートの開いた外側端部３２１まで延在する側壁３２２を備える。端面３１１は、対向ピストンエンジン内の対向ピストンの隣接する端面と共に燃焼室を形成するように形成されている。端面３１１の形状は、シリンダヘッドとではなく、対向ピストンの端面内のボウルと共に燃焼室を画定するように構成されたボウル３１６を含む。端面３１１の図５に示す形状は、対向ピストンの端面と協働して対向ピストンエンジンの燃焼室を形成する程度にのみ本発明の範囲を限定する。端面が同じ形状を有することは可能であるが、必要ではない。そのような多くの端面形状が可能であり、例えば、米国特許８，８００，５２８号明細書、米国特許第２０１３／０２１３３４２号明細書、国際公開第２０１２／１５８７５６号、米国公開特許第２０１４／００１４０６３号明細書、米国公開特許第２０１５／０１２２２２７号明細書、米国公開特許第２０１６／０２９０２２４号明細書、および米国出版物２０１７／００３０２６２号に説明され、図示されているピストン端面構造を参照されたい。

外側リングベルト領域３２３は、ピストンの外側端部３２１の近傍の側壁３２２の円周部分３２５に形成される。側壁３２２には、２つの対向する箱壁部分３２８によって互いに分離された２つの対向する湾曲した側壁部分３２７が形成されている。湾曲した側壁部分３２７は、クラウン３１０から離れて開放端部３２１に向かって延在する。長手方向軸線３０２に対して、湾曲した側壁部分３２７は、クラウン３１０および側壁の円周部分３２５と同じ半径を有することができる。他の例では、湾曲した側壁部分は、エンジン作動中に経験される推力差に適応するように適合された形状および寸法を有することができる。箱壁部分３２８は、湾曲した側壁部分３２７からはめ込まれ、内側リングベルト領域３１４と外側リングベルト領域３２３との間の側壁３２２の部分に長手方向に延びる。箱壁部分３２８はリストピンボス３３３を有し、リストピンボス３３３内には直径方向に対向する横方向に離隔配置されたリストピン穴開口３３５が、リストピン穴３３６のそれぞれの端部に形成される。リストピン穴開口３３５は、リストピン穴軸線３３７に沿って同軸に位置合わせされている。次に、特定のピストン軸受の実施形態について説明するが、この実施形態は、例示のみを目的として提示されている。他の軸受構造も考えられるが、すべてが横方向に離隔配置されたリストピン穴開口３３５を利用する。

図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃを参照すると、ピストン３００は、リストピン軸線３５２を含むリストピン３５０が受けられ、保持されるリストピン穴３３６の一部を画定する内壁３４０を含む。内壁３４０の片側は、リストピン穴開口３３５の間に延在する。図示の例では、軸受スリーブ３５４は、片側の凹部３４１に受けられ、着座する。スリーブ３５４およびリストピン穴開口３３５とが一体になって、この実施例のリストピン穴３３６を画定する。図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃによると、内部環状冷却ギャラリ３４２は、略円周方向トップランド３１２の内面によって少なくとも部分的に画定される。内壁３４０は、エンジン作動中にランド３１２および内側リング領域３１４の冷却を可能にするためにクラウン３１０内に位置する内部環状冷却ギャラリ３４２の底壁としてもまた機能する。

図６Ｃは、リストピン３５０がピストン３００のリストピン穴内に取り付けられているピストンアセンブリを示す。リストピン３５０は２つの端部３５０ｅを有し、これらはリストピン穴開口３３５に受けられ、支持される。リストピン３５０は、軸受スリーブ３５４および２つの端部３５０ｅの対向面に対して回転するジャーナル面を有する。リストピン３５０は、ねじ付き締結具３６２によって結合ロッド３６０の小端部３５９に取り付けられ、それにより、結合ロッドの大端部３６１がクランクシャフトのクランクピンに連結されている図１に示される方法で、対向ピストンエンジン内に設置するためのピストンを構成する。リストピン３５０は、溝、圧入などの標準的特徴によってボス３３３内に保持されたディスク形状のキャップ３６３によってリストピン穴内の横方向の移動に対して固定されている。

対向する噴射領域：これまでに説明したピストン構造は、図２～図４の従来技術のピストンのリストピン支持構造の必要性を排除する。この改善により、ピストンに冷却剤および燃料を供給する要素の配置の制限が大幅に緩和される。有益な結果は、図７～図９を参照して理解されよう。

図７は、ピストン３００のクラウン３１０の端面３１１には表面特徴がなく、ピストン３００がエンジンの作動中にＴＣ位置とＢＣ位置との間を往復するにつれて、結合ロッドの大端部３６１（図６Ｃ）が移動する３６０°の運動円形通路を示す運動エンベロープ４００と共に、平面で見られる概略図である。運動エンベロープ４００の外縁４０５および４０６は、ピストン３００がエンジン作動の連続するストロークでＴＣとＢＣとの中間にある場合、大端部３６１の外縁が到達する極限位置を表す。運動エンベロープ４００は、図６Ｃに示されるようにリストピン３５０および結合ロッド３６０がピストンに組み立てられる場合、エンベロープ軸線４１０によって画定されることができ、エンベロープ軸線４１０はリストピン軸線３５２に略直交しており、リストピン３５０およびピストンに連結された結合ロッド３６０がなければ（図６Ａおよび図６Ｂ）、同じ関係が、リストピン穴軸線３３７とリストピン穴軸線３３７に直交する略円形の周縁部３１３の直径とによって与えられる。

図３および図４に示された従来技術のリストピン支持構造によって制約される入口通路の通常の従来技術の位置は、図７に参照番号２６７で示されている。しかし、図５および図６Ａから図６Ｃに示すピストン３００の内部に取り付ける別個のリストピン支持構造はないため、入口通路は、リストピン３５０に直交して位置合わせされる直径方向に対向する位置に配置されることに限定されない（図４に例示されている従来技術の構成の場合によって示されている）。その代わり、入口通路は、リストピン３５０と運動のエンベロープ４００との間で弓形にオフセットされた位置に自由に配置でき、その結果、独特のピストン構成が可能になる。これらの場所は、図７の「入口通路の配置のための追加スペース」と呼ばれる影付きの領域によって示される。

図８は、略円形の周縁部３１３、ボウル３１６およびピストンの長手方向軸線３０２が見られる状態のクラウン３１０の端面３１１を示す。内部環状冷却ギャラリ３４２は、破線で示されている。本発明の態様を説明するために、従来の２次元グリッドが端面に重ね合わされている。２次元グリッドは、第１の軸線４２０と、第１の軸線４２０に直交する第２の軸線４２２とを有する。ピストン３００が完全に組み立てられていない場合（図６Ａおよび６Ｂに見られるように）、ピストン３００であれば、軸線４２０、４２２の一方はリストピン穴軸線３３７に対応し、軸線４２０、４２２の他方は略円形の周縁部３１３の直径であるが、そうではなく、図６Ｃに示すようにピストンが完全に組み立てられている場合、軸線の一方はリストピン軸線３５２に対応し、他方の軸線はエンベロープ軸線４１０に対応する。直交軸線４２０および４２２は、端面３１１の４つの四分円を画定する。説明のために、これらの四分円は通常の方法でＩ、ＩＩ、ＩＩＩ、およびＩＶとして表示される。端面３１１は、１対の噴射領域４３０および４３２を含み、噴射領域を横切って燃料が、ボウル３１６によって少なくとも部分的に形成された燃焼室内に、燃料噴射器（図示せず）によって直接噴射される。内部環状冷却ギャラリ３４２内へのオイルの流れの流入を可能にするための入口通路４３３は、噴射領域４３０および４３２と概ね位置合わせして内壁３４０内に位置する。

噴射領域４３０および４３２は、端面３１１の各直径方向に対向する四分円内に配置される。この図は、四分円ＩおよびＩＩＩに配置された噴射領域４３０および４３２を示しているが、それらは別法として、入口通路４３３と共に、四分円ＩＩおよびＩＶ内にあってもよいので、これは制限することを意図していない。噴射領域４３０および４３２のそれぞれは、略円形の周縁部３１３の各弧状部分に沿って延在し、略円形の周縁部と同心円をなす。噴射領域４３０および４３２は、直径方向に対向して位置合わせ可能であり、または位置合わせされない可能性がある。好ましくは、噴射領域４３０および４３２のそれぞれの弧状範囲が約５０～７０°の角度αに対応し、その角度の頂点が略円形の周縁部の中心にあり、それは長手方向軸線３０２と完全に一致する。

図８に示すように、ほとんどの場合、噴射溝４３５は、燃料噴射器ノズルからボウル３１６内への燃料噴射を収容するために、端面３１１の周縁部のクラウン３１０に形成される。各噴射溝４３５は、噴射領域４３０および４３２のそれぞれ１つに位置する。各噴射溝が、略円形の周縁部３１３からボウル３１６まで延在する。噴射溝４３５は、燃料噴射器によって所定の方向に放出された燃料噴霧を、ボウル３１６によって部分的に形成された燃焼室内の乱流給気内に導く形状を有する。好ましくは、端面３１１は、１対の噴射溝４３５を有する。図８は、ボウル３１６を横切って概ね直径方向に対向して位置合わせされた２つの噴射溝４３５を示す。しかし、これは限定することを意図しない。噴射領域に溝がない場合もあり得るが、特定の燃料噴霧パターンを収容するために何らかの方法で輪郭形成することができる。例えば、噴射領域は、特定の燃料噴霧パターンを収容するために形成された滑らかに湾曲したやや浅い窪みを有することができる。さらに、溝の相対的な配置は、エンジンの構造および燃焼性能に関する設計上の考慮事項に従って、直径方向の対向位置から逸脱することができる。

噴射溝の形状は、燃焼中にピストン端面にホットスポットが発生する縁部およびその他の表面の不規則性を提示することが多い。ホットスポットは、非対称の熱応力、摩耗、および場合によってはピストンクラウンの破損につながる。溝がないなど、表面の輪郭がそれほど強調されていない場合でも、噴射領域は、ボウルの内部に近い方の端面領域よりも高い熱負荷に耐えることができる。いずれにせよ、噴射領域の下にあるクラウン下面の部分に向けられた冷却を提供することが望ましい。したがって、図８および図８Ａに示す例では、入口通路４３３は、溝４３５と略円周方向に位置合わせされ、それにより、静止ジェットによって放出されるオイルのそれぞれの流れを環状冷却ギャラリ３４２内に導くように配置され、流れは溝４３５に最も近い環状冷却ギャラリの表面部分上に衝突することができる。オイルの流れを衝突させることにより、噴射領域に関連するホットスポットが発生するクラウンの領域に比較的高い熱伝達特徴を提供できる。

ピストン３００の材料および構成方法は、軽負荷、中負荷、および／または高負荷の使用について、または大口径用途について従来のものであってよい。例えば、クラウンおよびスカート部分は、適合する材料および／または補完的な材料（例えば、鍛造スチールクラウン、鋳鉄スカート部分）から別々に形成され、溶接またはろう付けによって接合され得る。追加的または代替的に、印刷技術を含む形成技術を使用して、ピストン３００およびその構成要素の一部または全部を形成することができる。材料には、遮熱コーティング、セラミック－金属複合材（例えばサーメットなど）、高温金属合金、およびレーザアブレーションされた表面／構造化された表面などを含む、積層構造、ハイブリッド構造、複合構造などが含まれ得る。

エンジンの応用：図９は、図５～図６Ｃに示された独特のピストン構造によって作製可能になったエンジン構成を示す。図９は、シリンダブロックの長さに沿って一列の配列で配置された複数のシリンダ５０２を含むシリンダブロック５００を有する対向ピストンエンジンの中間切断面を通して取られた部分概略図である。各シリンダの半分と、シリンダごとに１つのみのピストンが見られるが、当業者は、１対のピストンが各シリンダ５０２に対向して配置されることを理解するであろう。各ピストン５０４は、図６Ｃおよび図８に従って構成されたピストンアセンブリを備え、これは、リストピン軸線に概ね直交するエンベロープ軸線を有する結合ロッドの運動エンベロープ内で揺動する結合ロッド５１０にピストンを連結する、リストピン軸線を含むリストピン５０６を含む。各対のピストンの各ピストン５０４は、端面を含むクラウンと、対向するピストンのボウルと協働して燃焼室を形成するように構成された、端面内のボウル５１８と有する。端面には、１対の噴射領域５２０が含まれ、その噴射領域を横切って燃料がボウル内に噴射される。噴射領域５２０は、図８に示すように、リストピン軸線と、エンベロープ軸線とによって画定される端面の各直径方向に対向する四分円内に配置される。図８に示すように、各噴射領域は、クラウンの略円形の周縁部と同心円の各弧に沿って延在する。この構成により、静止オイルジェットをクランクケースの側壁の内側に移動させることができ、燃料噴射器５２２をシリンダブロックの長さに対して斜めに取り付けることができる、したがってよりコンパクトなエンジン輪郭形状が得られるので、エンジンのコンパクトな構造が可能になる。さらに、この構成により、静止オイルジェットを収容する必要のない結合ロッド５１０の構造を簡素化および強化することができる。

当業者は、本明細書に記載された特定の実施形態が本発明の単なる例示であり、本発明の範囲から逸脱することなく様々な修正形態が可能であり、それらに対して作製され得ることを理解するであろう。

米国特許第９，１７５，７２５号明細書

Claims (8)

1. 対向ピストンエンジン用のピストンであって、
   対向するピストンの隣接する端面と協働して燃焼室を形成するように構成されたボウルを含む端面を備えるクラウンと、
   略円形の周縁部で該端面に接する、前記クラウンの略円周方向のトップランドと、
   前記クラウンから離れて延在する側壁を含むスカートと、
   前記側壁を通って開いているリストピン穴であって、リストピン穴軸線を有するリストピン穴と、を備え、
   前記リストピン穴が、運動のエンベロープ内で揺動する結合ロッドに前記ピストンを連結するリストピンを受けるように構成され、前記運動のエンベロープは、エンジン作動中に前記ピストンが往復するにつれて前記結合ロッドの大端部が移動する円形通路を示しており、
   前記端面が、１対の噴射領域を含み、該噴射領域を横切って燃料が該ボウルの中に噴射され、
   前記噴射領域が、前記端面の各直径方向に対向する各四分円内に配置され、該直径方向に対向する四分円が、前記リストピン穴軸線および前記リストピン穴軸線に略直交する略円形の周縁部の直径によって画定され、
   各噴射領域が、前記略円形の周縁部と同心円の各円弧に沿って延在し、
   前記端面が１対の噴射溝をさらに備え、各噴射溝が、各噴射領域に形成されるとともに、前記略円形の周縁部から前記ボウルまで延在し、
   前記クラウンは、前記略円周方向のトップランドの内面によって少なくとも部分的に画定される内部環状冷却ギャラリと、前記噴射溝に概ね位置合わせする前記内部環状冷却ギャラリ内に配置されるオイルジェット入口通路とをさらに備えることを特徴とするピストン。
2. 前記噴射溝が、直径方向に対向した位置に配置されている、請求項１に記載のピストン。
3. 各噴射領域の弧状範囲が約５０～７０°の角度に対応し、その角度の頂点が前記略円形の周縁部の中心にある、請求項１に記載のピストン。
4. 対向ピストンエンジン用のピストンアセンブリであって、
   対向するピストンの隣接する端面と協働して燃焼室を形成するように構成されたボウルを含む端面を備えるクラウンと、
   略円形の周縁部で該端面に接する、前記クラウンの略円周方向のトップランドと、
   前記クラウンから離れて延在する側壁を含むスカートと、
   前記側壁内のリストピン穴と、
   前記リストピン穴内に受けられるリストピンであって、リストピン軸線を有するリストピンと、
   運動のエンベロープ内で揺動するために該リストピンに連結された結合ロッドであって、前記運動のエンベロープは、エンジン作動中に前記ピストンが往復するにつれて前記結合ロッドの大端部が移動する円形通路を示している、結合ロッドと、
   前記略円形の周縁部で前記端面内の１対の噴射溝であって、該噴射溝を通って燃料が該ボウルの中に噴射される、１対の噴射溝と、を備え、
   前記クラウンは、前記略円周方向のトップランドの内面によって少なくとも部分的に画定される内部環状冷却ギャラリと、前記噴射溝に概ね位置合わせする前記内部環状冷却ギャラリ内に配置されるオイルジェット入口通路とをさらに備え、
   前記噴射溝は、前記リストピン軸線および前記リストピン軸線に略直交する略円形の周縁部の直径によって画定された、前記端面の直径方向に対向する各四分円内に配置されることを特徴とするピストンアセンブリ。
5. 前記噴射溝が前記略円形の周縁部の各弧状部分に沿って配置され、各弧状部分が約７０°に広がり、直径方向に対向する四分円の１つの略中心にある、請求項４に記載のピストンアセンブリ。
6. シリンダブロックの長さに沿って一線に列をなして配置された複数のシリンダを含むシリンダブロック、および、
   各シリンダ内に対向して配置された１対のピストンを備える対向ピストンエンジンであって、
   各ピストンが、リストピン軸線を含むリストピンを備え、該リストピンが、結合ロッドの運動エンベロープ内で揺動する結合ロッドに前記ピストンを連結し、前記運動エンベロープは、エンジン作動中に前記ピストンが往復するにつれて前記結合ロッドの大端部が移動する円形通路を示しており、前記ピストンが、端面と、対向するピストンの隣接する端面のボウルと協働して燃焼室を形成するように構成された該端面内のボウルとを含むクラウンをさらに備え、前記端面が、一対の噴射領域を含み、該噴射領域を横切って燃料が前記ボウル内に噴射され、
   前記噴射領域が、前記端面の直径方向に対向する各四分円内に配置され、該直径方向に対向する四分円が、前記リストピン軸線および前記リストピン軸線に略直交する略円形の周縁部の直径によって画定され、
   各噴射領域が、略円形の周縁部と同心円の各円弧に沿って延在し、
   前記端面が１対の噴射溝をさらに備え、各噴射溝が、各噴射領域に形成されるとともに、前記略円形の周縁部から前記ボウルまで延在し、
   前記クラウンは、前記略円周方向のトップランドの内面によって少なくとも部分的に画定される内部環状冷却ギャラリと、前記噴射溝に概ね位置合わせする前記内部環状冷却ギャラリ内に配置されるオイルジェット入口通路とをさらに備えることを特徴とする対向ピストンエンジン。
7. 前記噴射溝が、直径方向に対向した位置に配置されている、請求項６に記載のエンジン。
8. 各噴射領域の弧状範囲が約５０～７０°の角度に対応し、その角度の頂点が前記略円形の周縁部の中心にある、請求項６に記載のエンジン。

Images