(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動空間(5)の画定部として、割り当てられたられたシリンダライナー(3)内に配置された、ピストン内燃機関用の、とりわけ2サイクル大型ディーゼル機関用のピストンであって、前記ピストン(2)と前記シリンダライナー(3)との間の隙間(13)が、並べて配置された複数のピストンリング(6、7、8)を備えるピストンリングパッケージ(9)によって覆われており、前記ピストンリング(6、7、8)が前記ピストン(2)のそれぞれ1つのピストンリング溝(10、11、12)に配されており、かつ前記作動空間から到来するガスに曝され得るピストンにおいて、
前記作動空間(5)から最も離れたピストンリング(8)だけが漏れ手段のない気密なピストンリングとして構成されており、前記作動空間(5)のより近くに配置された他の各ピストンリング(6、7)に、前記作動空間(5)から到来するガスの漏れを制御する手段が配されており、前記ピストンリングパッケージ(9)の並べて配置された少なくとも2つのピストンリングの間に、到来する漏れガスを追加的に膨張させるための少なくとも1つの膨張空間(17)が設けられていることを特徴とするピストン。
【請求項２】
前記膨張空間(17)の収容体積が、追加の膨張空間なしに並べて配置された2つのピストンリング(6、7)によって画定されるリング空間(18)の体積を上回ることを特徴とする請求項1に記載のピストン。
【請求項３】
少なくとも気密な前記ピストンリング(8)の直前に、少なくとも1つの膨張空間(17)が前置されていることを特徴とする請求項1または2に記載のピストン。
【請求項４】
前記膨張空間(17)が、少なくとも1つのピストン側の切欠部を備えることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のピストン。
【請求項５】
前記膨張空間(17)に所属する前記ピストン側の切欠部が溝形に構成されていることを特徴とする請求項4に記載のピストン。
【請求項６】
前記膨張空間(17)に所属する前記溝が、ピストンリングが配置されないピストンリング溝の形に構成されていることを特徴とする請求項5に記載のピストン。
【請求項７】
2つのピストンリング間に設けられた各膨張空間(17)の収容体積が、少なくとも1つのピストンリング溝(10、11、12)の体積に相当することを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載のピストン。
【請求項８】
前記膨張空間の収容体積が、1つのピストンリング溝(10、11、12)の体積の1倍から3倍の範囲にあることを特徴とする請求項7に記載のピストン。
【請求項９】
前記ピストンリングパッケージ(9)が、少なくとも1つの気密なピストンリング(8)と、前記気密なピストンリング(8)とともに膨張空間(17)の側面を形成する、漏れが制御された少なくとも1つの別のピストンリング(7)とを有することを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載のピストン。
【請求項１０】
それぞれ1つのピストンリング(6、7、8)を収容するのに適した3つのピストンリング溝(10、11、12)と、膨張空間(17)として用いられ、かつ最後と最後から2番目のピストンリング溝(11、12)の間に配置された別の溝とが設けられていることを特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載のピストン。
【請求項１１】
膨張空間(17)の側面を形成する前記ピストンリング溝(11、12)間の間隔が、他のピストンリング溝(10、11)間の間隔より大きいことを特徴とする請求項1から10のいずれか一項に記載のピストン。
【請求項１２】
気密な前記ピストンリング(8)が、溝とバネの形で互いに耐密に係合する端部を有することを特徴とする請求項1から11のいずれか一項に記載のピストン。
【請求項１３】
気密な前記ピストンリング(8)に前置された各ピストンリング(6、7)も同様に、溝とバネの形で互いに耐密に係合する端部を有し、漏れを制御するための切欠部が追加的に設けられていることを特徴とする請求項1から12のいずれか一項に記載のピストン。
【請求項１４】
気密な前記ピストンリング(8)に前置された各ピストンリング(6、7)に外周側の溝(16)が設けられており、前記溝(16)の深さ(t)は、寿命中に許容されるピストンリング厚の磨耗を加味して、ピストン(2)とシリンダライナー(3)との間の隙間(13)の幅(b)より大きいことを特徴とする請求項13に記載のピストン。
【請求項１５】
溝(16)が設けられたピストンリング(6、7)の前記外周側の溝(16)の有効全流れ断面積に対応する漏れ断面積が、スリット入りピストンリングの端部間の断面積より小さいことを特徴とする請求項14に記載のピストン。
【請求項１６】
ピストン内燃機関、とりわけ2サイクル大型ディーゼル機関の駆動方法であって、作動空間(5)が、シリンダライナー(3)内に配置されたピストン(2)によって画定されており、前記ピストン(2)と前記シリンダライナー(3)との間の隙間(13)が、並べて配置され前記ピストン(2)のそれぞれ1つのピストンリング溝(10、11、12)に配された複数のピストンリング(6、7、8)を備えるピストンリングパッケージ(9)によって覆われており、かつ前記作動空間(5)から到来するガスに曝され得る方法において、
ピストン(2)とシリンダライナー(3)との間の隙間(13)が、前記作動空間(5)から最も離れたピストンリング(8)により下方に向かって気密に閉鎖されており、前記作動空間(5)から最も離れた前記ピストンリング(8)に前置された各ピストンリング(6、7)において、漏れの制御が許容され、漏れガスの圧力が、前記作動空間(5)から最も離れた前記ピストンリング(8)に達する前に、そのために設けられた少なくとも1つの膨張空間(17)での膨張によって低下されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストン内燃機関の駆動方法、ならび作動空間の画定部として、割り当てられたシリンダライナー内に配置された、この種のピストン内燃機関用の、とりわけ2サイクル大型ディーゼル機関用のピストンに関するものであり、このピストンにおいては、ピストンとシリンダライナーとの間の隙間が、並べて配置された複数のピストンリングを備えるピストンリングパッケージによって覆われており、これらのピストンリングはピストンのそれぞれ1つのピストンリング溝に配されており、作動空間から到来するガスに曝され得る。
【背景技術】
【０００２】
この形式の実際に使用される装置では、すべてのピストンリングにガス漏れ部が設けられている。このためにスリット入りピストンリングがしばしば使用され、ピストンリングの端部は、上から下に貫通し、漏れガスのための流路を形成するスリットを形成しながら、互いに離隔されている。しかしこのスリットの横断面は、所属のピストンリングの拡幅の増大につれて、すなわち磨耗の増大につれて大きくなる。
【０００３】
欧州特許第0742875号から、冒頭に述べた形式のピストンであって、少なくとも最上部のピストンリングが気密なピストンリングとして構成されており、このピストンリングには、漏れの制御を可能にするために外周側の溝が設けられているピストンが公知である。ピストンリングパッケージの複数のまたはすべてのピストンリングを、漏れの制御を可能にするために、外周側の溝を備える気密なピストンリングとして構成できることも言及されている。したがっていずれの場合でも、ピストンリングパッケージの各ピストンリングにおいて漏れが可能であり、そのため作動空間から漏れたガスの、ある程度強い漏れ流が生じ、ひいてはそれに起因する出力損失が生じる。経験的に、前記形式の装置では、ピストンリングパッケージのピストンリングが異なると、寿命が非常に異なることも勘案すべきであり、このことは高い点検保守コストを意味する。
【０００４】
日本特許第2048737号は、すべてのピストンリングが気密なピストンリングとして構成されたピストンであって、これらのピストンリングに割り当てられ、上下に配置されたピストンリング溝が、漏れの制御を可能にするために、ピストン側に設けられ、穿孔等として構成された流通路によって互いに接続されているピストンを開示している。すなわちここでは漏れの流れが、最下部のピストンリングで停止される。しかし最下部のピストンリングは各仕事工程で比較的強く負荷され、したがってその上のピストンリングよりも経験的に急速に磨耗の影響を受ける。
【０００５】
公知のどちらの装置でも、ピストンリングパッケージ内に比較的多数のピストンリングが必要なことが明らかである。しかし運転中に発生する摩擦およびそれに起因する出力損失は、ピストンリングの数とともに増大する。したがって公知の装置は、その点でも最適の動作モードを可能にしない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】欧州特許第0742875号
【特許文献２】日本特許第2048737号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、上記のことから出発して、本発明の課題は、冒頭に述べた従来技術を、簡単で安価な手段によって、すべてのピストンリングにおいてできるだけ均衡のとれた耐用寿命が達成され、出力損失が最小化されるように改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、上記形式のピストンと関連して、本発明によれば、作動空間から最も離れたピストンリングだけが、漏れる可能性のない気密なピストンリングとして構成されており、作動空間のより近くに配置された他の各ピストンリングには、作動空間から到来するガスの漏れを制御する手段が配されており、並べて配置された少なくとも2つのピストンリングの間に、到来する漏れガスを追加的に膨張させるための少なくとも1つの膨張空間が設けられており、このため膨張空間の収容体積が、追加の膨張空間なしで並べて配置された2つのピストンリングによって画定されるリング空間の体積を上回ることにより解決される。
【０００９】
この方策により、公知の装置の欠点が確実に回避される。本発明に従って設けられた膨張空間により、到来する漏れガスが、通常の程度を超えて、すなわち、それぞれ2つのピストンリングによって画定されたリング空間内で同じように膨張する公知の装置において可能である程度を超えて膨張することが可能となり、したがって有利には減衰機構および遅延機構として作用し、これによって、気密なピストンリングに作用する圧力負荷が、ピストンの各作業行程中に減衰され、遅延される。これにより有利には、ピストンリングパッケージによって吸収すべき燃焼圧がすべてのピストンリングに、かつ比較的長い行程領域に最適に分散されるようになり、このことは、すべてのピストンリングに対して均衡のとれた耐用寿命を達成するのに有利であり、使用可能なエネルギーの良好な利用が得られる。本発明による方策は、ピストンリングパッケージのピストンリングの数を公知の装置に比べて低減する有利な手段を提供し、このことは摩擦損失の低下をもたらすだけでなく、動的力の減少を、したがって公知の装置に対する格段の出力利得をもたらす。本発明の方策のさらなる利点は、本発明のピストンが、その膨張空間に基づき容易に識別可能でもあること、およびピストン側に設けられた膨張空間が、たとえばシリンダライナーの掃気ポートの領域で容易に点検可能でもあることであり、このことはメンテナンスを容易にする。
【００１０】
この上位概念の方策の有利な形態および有用な発展形態は、従属請求項に記載されている。
【００１１】
有利には、少なくとも気密なピストンリングの直前に、少なくとも1つの膨張空間が前置されている。この方策がとくに好都合であるのは、発生する負荷を最下部の気密なピストンリングのところで減衰および遅延させるのが、このリングではさらなる漏れが発生しないため、とくに重要だからである。
【００１２】
さらなる有利な方策は、膨張空間として少なくとも1つのピストン側の切欠部が設けられることにある。この場合、有利には、膨張空間の体積の寸法設定に関して構造的に大きな自由度が得られる。加えて、ピストン側の切欠部として構成された膨張空間の体積は、駆動中に実質的に一定に留まることを前提にすべきである。したがってこの場合は、ピストンとシリンダライナーとの間の隙間の幅およびシリンダライナーの変形から生じる運転中の制限を懸念する必要がない。
【００１３】
好都合には、膨張空間として機能するピストン側の切欠部が、溝状に周りを取り囲むように構成することができる。これにより製造が簡単になるだけでなく、有利にはピストン周囲全体への均等な作用が得られる。
【００１４】
この上位概念の方策のさらなる発展形態では、2つのピストンリング間に設けられた各膨張空間の吸収体積が、ピストンリング溝の体積に少なくとも相当し、好ましくはやや上回るようにすることができる。上記の方策に基づき、有利には、ピストンリング溝よりも少数のピストンリングを備えるピストンリングパッケージを使用のために設け、ピストンリング溝を単にピストンリングに配置しないようにすることが可能である。そのようにすればもちろん、この溝は、ピストンリング溝で通例、設けられる装甲板を必要とせず、したがって横断面からややずれてもよくなる。上記の利点に加えて、ここでは非常にコンパクトな装置が得られる。ピストンリングを減らすと、上にすでに述べたように、摩擦の減少が、したがってこれに起因する出力損失の減少がもたらされる。上記の空溝によって有利には、これに隣接するピストンリングの間隔が比較的大きくなり、このことが膨張空間の体積の拡大に寄与する。
【００１５】
上位概念の手段のさらなる形態および有用な発展形態は、他の従属請求項に記載されており、図面に基づく以下の例による説明からより詳細に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ピストン内燃機関のシリンダピストンアセンブリの上部領域の縦断面図である。
【図２】気密なピストンリングの斜視図である。
【図３】外周側に漏れ溝を備える気密なピストンリングの展開図である。
【図４】図3の基礎となる形式のピストンリングの、組み込まれた状態での断面図であって、表されたピストンリングの、外周側の溝は、図を簡略化するために、垂直に延在して示されている。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の主要な適用分野は、大型機関として構成されたピストン内燃機関、とりわけ海洋駆動に使用される2サイクル大型ディーゼル機関である。この種の装置の基本的構造および動作方式はそれ自体公知であり、したがってそれに関してはこれ以上詳細に説明しない。
【００１８】
図1の基礎となるシリンダピストンアセンブリは、2サイクル大型ディーゼル機関の一部である。図示のシリンダピストンアセンブリは、1つのシリンダ1と、これに収容されるピストン2からなる。シリンダ1は、周りを取り囲むシリンダライナー3と、この上に収容されるシリンダカバー4を含む。シリンダ1内には作動空間5が設けられており、その下方境界は、シリンダライナー3内を案内される上下に運動可能なピストン2によって形成される。作動空間5内には、運転時に、シリンダライナー3の下方領域に設けられた、ここには詳細に図示しないインレットスリットを介して実質的に空気からなるガス充填体が装入され、同様に詳細に図示しない、通例はシリンダカバー4の領域に設けられた噴射装置を介して燃料が装入される。ここに示す形式の大型機関では、ピストン2が、ここには詳細に図示しないピストンロッドを介してクロスヘッドと結合されており、このクロスヘッドはコネクティングロッドを介して機関のクランクシャフトと共働する。
【００１９】
機関の正常な運転を可能にするために、すなわち燃焼ガスが作動空間5から、ピストンの下方に設けられた掃気ガスボックスに強く漏れるのを回避するために、ピストン2上に収容され、シリンダライナー3に接し、ピストンの運動方向に並べて配置されたピストンリング6、7、8が設けられている。これらのピストンリングは全体で、図示の例ではピストン2の運動方向に並べて配置された3つのピストンリング6、7、8を含む、いわゆるピストンリングパッケージ9を形成する。これより多数のまたは少数の、少なくとも2つのピストンリングが考えられる。各ピストンリング6、7、8は、ピストン2の割り当てられたピストンリング溝10、11、12に収容されている。ピストンは、図示の例では、3つのピストンリング6、7、8に割り当てられた、周りを取り囲むピストンリング溝10、11、12を有する。
【００２０】
ピストンリングパッケージ9のピストンリングは、径方向外側の周囲領域において、ピストン2の外周面とシリンダライナー3の内周面との間の隙間13を覆い、それに対応して作動空間5の下方へのシーリングを形成する。
【００２１】
ピストンリング6、7、8は、ピストン2に取り付けるため、またシリンダライナー3に径方向で確実に当接するようにするために、広がらなければならない。このために周りを取り囲むピストンリングは、互いに可動な端部を有する。その際、これらの端部は、作動空間5から到来するガスの漏れが生じ得る、上から下へ貫通するスリットを画定するように構成することができる。周りを取り囲む、閉じたスリットなしの構造の別の形式が図2に示されている。図2の基礎となるピストンリングは、溝とバネの形で互いに係合する端部領域を有する。ここで、図2の左にある端部領域には、径方向外側および下方に開いたチャンバ状の切欠部14が設けられている。図2で右にある他方の端部領域には、周方向に突き出たフィンガ15が設けられており、このフィンガは、断面が切欠部14の断面に適合していて、これに係合する。ここで、切欠部14とフィンガ15の互いの係合長さは、ピストンリングが磨耗の結果広がった場合でも、互いの係合が完全になくなることが決してないように寸法設定されている。
【００２２】
図1のピストンリングパッケージ9は、最も下の、すなわち作動空間5から最も離れたピストンリング8が隙間13を気密に閉鎖するように構成されている。したがって、この最も下のピストンリング8は、図2で表された構造の基本方針に対応する気密なピストンリングとして形成されている。これに対して、前置された2つのピストンリング6、7には、作動空間5から到来するガスの漏れを制御する手段が配されている。この手段は上記の形式の隙間であってよく、またピストンリング溝10、11、12を互いに接続する、ピストン側に設けられた穿孔等の形の流れチャネルでもよく、またピストン側の切欠部などでもよい。いずれの場合でも流路が形成され、この流路を介して、第1のピストンリング6に、すなわち作動空間5に最も近く配置されたピストンリング6に後置されたピストンリング7、8が、作動空間5から到来するガスに曝され得る。ピストンリング6、7、8はそれに所属するピストンリング溝10、11、12よりやや低いのが適切であり、これにより隙間13からピストンリング溝10、11、12の径方向内側の領域に至る流路が形成され、それに対応して、ピストンリング6、7、8は、拡張するための径方向内側の周面の領域で、作動空間5から到来するガスに曝される。
【００２３】
図示の例では、ガス漏れの生じる上方の2つのピストンリング6、7も同様に気密なピストンリングの形式で構成されているが、漏れの制御を可能にするために、少なくとも1つの、好ましくは複数の外周側の溝16が設けられている。図示の例では、図3から識別できるように、ピストンリング6、7が、周囲全体に分散された複数の、ここでは4つの外周側の溝16を有する。これらの溝はリング面に対して斜めに配置するのが適切であり、こうすると割り当てられたピストンリングの回転運動に好都合である。外周側の溝16の深さtは、図4から最も良く分かるように、隙間13の幅bより大きい。この場合、運転時に有効な溝16の通過断面は、ピストン2によって覆われていない溝領域、すなわちピストン2の外周面から突き出た溝領域に対応し、したがってその面積が隙間の幅b×平行する溝側面の距離として図3に示された溝16の幅cから得られる、流れ断面が形成される。溝の深さtは隙間幅bより大きいので、当該のピストンリング6または7が磨耗した場合でも上記の断面は変化しない。肉眼で把握されるピストンリングの寿命中に許容される、配列された割り当てられたピストンリングの磨耗厚を加味して、深さtは隙間幅bより大きいのが適切であり、これにより上記の通過断面が全寿命にわたり存在するようになる。外周側の溝16により、ピストンリング6、7における制御される漏れを低いレベルで狭い範囲に抑えることが可能になる。
【００２４】
溝16によって形成される流路を貫流する漏れガスは、2つのピストンリングによって画定されたそれぞれのリング空間に達し、そこで圧力緩和されることができる。しかし隙間13の幅は比較的小さいので、この圧力緩和は追加の措置なしでは非常に小さい。したがって気密な下方のピストンリング8を負荷軽減するために、このピストンリング8の上方の領域に、膨張空間17が、すなわち自由区間または体積の拡大部であって、この拡大部がない場合に存在する自由区間または体積に比べて広くなった拡大部が設けられている。膨張空間17は、漏れガスに対して追加的な圧力緩和手段を提供する。すなわち規則的に配置された、すなわちピストンリング6、7の形で配置された2つのピストンリングの間のリング空間、または冒頭に述べた公知の装置において配置され、18で示された形のピストンリングによって画定されたリング空間において可能であるよりも大きな圧力緩和手段を提供する。
【００２５】
図1の例では、膨張空間17が気密なピストンリング8の直前に前置されており、これにより直接的な動作結合が得られる。到来するガスが膨張空間17で圧力緩和可能なため、下方のピストンリング8に作用するガス圧が低減され、ならびにその負荷が遅延され、それに対応してこの負荷は、前置されたピストンリング7の負荷に対して時間的間隔をおいて初めて生じる。これにより、ピストン行程の比較的長い範囲にわたって、使用可能なエネルギーの良好な利用が可能になる。加えて、下方の気密なピストンリング8の最大負荷が発生する際には、シリンダライナー3との接触領域にすでに油膜が形成されていることを前提にすべきである。
【００２６】
膨張空間17の体積は、前にすでに述べたように、上方の2つのピストンリング6、7の間のリング空間18、または到来するガスが追加的に膨張するための膨張空間が設けられていない公知の装置のピストンリング間のリング空間18の体積よりも大きい。
【００２７】
図1に示した例示的実施形態では、膨張空間17がピストン側の切欠部によって形成される。これはたとえば径方向の穿孔等でよい。しかし図示の例のように、膨張空間17を形成するために、周りを取り囲む溝が設けられていると好都合である。この溝は、図1に実線で示したように、ピストンリング溝に類似の形状を有することができる。しかし図1に破線で示したように、別の横断面も考えられよう。
【００２８】
膨張空間17の上方に配置された、ピストンリング7を支持するピストン2の領域の支持能力が、膨張空間17によって脅かされないようにするために、下方のピストンリング8に配され膨張空間17が前置されたピストンリング溝12と、第2のピストンリング7に配された隣接するピストンリング溝11との間の間隔が、第1および第2のピストンリング6、7に配されたピストンリング溝10、11の間の通常の溝間隔よりも拡大されている。これにより、ピストンリグ7、8によって画定されるリング空間が拡大され、それにより自由区間の拡大、ひいては膨張空間17の拡大がもたらされる。多くの場合、状況によっては、追加的な膨張のための膨張空間を形成するためには、この種の拡大されたリング空間ですでに十分であり、したがって追加のピストン側の切欠部を省略することができる。しかし通例、望まれる追加的な膨張は、ピストン側の切欠部なしでは望む程度に達成できない。
【００２９】
膨張空間17の所要の体積は、前置されたピストンリング、ここではピストンリング7の領域において予想される漏れに適合される。漏れが弱い場合には、膨張空間17の体積は、通常のピストンリング溝の体積の1倍から2倍まででよい。漏れが強い場合には、たとえばピストンリング溝の体積の2〜3倍の大きな体積が考えられる。図示の例は、漏れの弱い場合が基礎となっている。したがって膨張空間17は、ピストンリング溝の形に形成することができる。ここでピストンとピストンリングパッケージの組合せに対しては、所定数のピストンリングに対して1つだけ多い数のピストンリング溝を設けるべきであることが当てはまり得る。すなわち、3つのピストンリング(気密なピストンリング8と、漏れを制御する2つのピストンリング6、7)しか備えていないピストンパッケージ9についての図示の例では、4つのピストンリング溝を備えるピストン2が使用され、ここで1つのピストンリング溝、すなわち上から3番目は空のままであり、ピストンリングが設けられない。したがってこのピストンリング溝は通例の装甲板等を必要としない。別の数のピストンリングももちろん考えられる。簡単な場合、ピストンリングパッケージ9に2つのピストンリング、すなわち隙間13を気密に閉鎖する下方のピストンリングと、漏れの制御を可能にする上方のピストンリングだけと、これらピストンリング間に配置された膨張空間17を設けることができる。
【００３０】
気密なピストンリング8に前置された膨張空間17内で可能な、すでに示したような、到来するガスの追加的膨張により、下方の気密なピストンリング8が著しく負荷軽減される。このことは、このピストンリング8の耐用寿命に有利に作用する。前置されたピストンリング6、7は、この場合は漏れの制御が許容されるので負荷軽減される。これらのリングは、ピストンリングパッケージ9のすべてのピストンリング6、7、8の寿命がほぼ同じになるように構成することができる。このために、ピストンリング6、7における許容される漏れの制御は、たとえば制御された漏れのための流路として設けられる溝16の数および/または幅を対応して設定することにより、個別に設定することができる。したがって、上方のピストンリング6、7の溝16の全断面積はたとえば異なっていてよく、たとえば第1のピストンリング6が、気密なピストンリング8に前置されたピストンリング7よりも制御される漏れに対してより大きな流れ断面を有するように、段階的に減らしていく。漏れが制御されるピストンリング6、7の間の領域に、到来するガスの追加的な膨張のための手段をも設けることも考えられよう。
【００３１】
上記の構成は、本発明が図示の例示的実施形態に限定されるものではないことを認識させる。
【図１】
0005851718.tif 000002
【図２】
0005851718.tif 000003
【図３】
0005851718.tif 000004
【図４】
0005851718.tif 000005