(57)【要約】【課題】新規且つ非自明のシリンダライナの冷却を向上させる交換可能なシリンダライナ装置及び方法を提供すること。【解決手段】内燃機関用の交換可能なシリンダライナ２０が提供される。ブロック２２内のライナ２０の位置が中間ストップ３６により確定される。該中間ストップ３６下方での締まり嵌めによりライナ２０の周りに伸長する冷却通路４４の底部端がシールされる。冷却通路４４の頂部端が０リング７０によりシールされ、エンジンが暖機されると締まり嵌めによってもシールされる。冷却通路４４の頂部はトップピストンリング２８の上死点位置の近傍にあり、該トップピストンリング２８の温度を低下させる。【選択図】図１
2006275057.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドとエンジンブロックとを備えた内燃機関、
前記エンジンブロック内に受入れられ、かつ、ファイヤデッキを有する交換可能なシリンダライナ、
前記シリンダヘッドに隣接した前記シリンダライナのリム部分、
該リム部分内の円筒形外面に画成された円周方向のシール溝、
前記シール溝内に組込まれたシールリング、および
前記エンジンブロック内の前記シリンダライナの軸方向位置を確定するため、該シール溝の下方に設けられた中間ストップ、
を備えた装置において、
前記内燃機関はクランクケースを含み、前記シリンダライナは前記ファイヤデッキの反対側に底部端を有し、前記エンジンブロックは前記シリンダライナの底部端の下方に該底部端に隣接する棚を有し、
該棚は前記シリンダライナの割れた部分が前記クランクケースの中に落下するのを阻止するようになされ、
前記エンジンブロックと前記シリンダライナとの間に、前記中間ストップの下方から前記シリンダライナの前記棚に隣接する底部まで間隙環が延在していることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記シールリングは、エラストマーから成り、前記エンジンブロックに接触している請求項１の装置。
【請求項３】
前記内燃機関は正味平均有効圧が２１ｋｇ／ｃｍ２（３００ｐｓｉ）より高いディーゼルエンジンである請求項２の装置。
【請求項４】
前記シリンダライナの一部を包囲する冷却通路を有し、該冷却通路が締まり嵌めにより封止される請求項１の装置。
【請求項５】
前記シリンダライナは前記シリンダヘッドに接する接触面を有し、前記シリンダヘッドは前記接触面と前記中間ストップとの間で前記シリンダライナを押圧固定する請求項１の
装置。
【請求項６】
シリンダヘッドとエンジンブロックとを備えた内燃機関、
前記エンジンブロック内に受入れられ、かつ、前記シリンダヘッドに隣接したファイヤデッキを有する交換可能なシリンダライナ、
前記シリンダライナの一部を包囲する冷却通路、および
前記エンジンブロック内の前記シリンダライナの軸方向位置を確定するため、前記冷却通路の下方に設けられた中間ストップ、
を備えた装置において、
前記内燃機関はクランクケースを含み、前記シリンダライナは前記ファイヤデッキの反対側に底部端を有し、前記エンジンブロックは前記シリンダライナの底部端の下方に該底部端に隣接する棚を有し、
該棚は前記シリンダライナの割れた部分が前記クランクケースの中に落下するのを阻止するようになされ、
前記エンジンブロックと前記シリンダライナとの間に、前記中間ストップの下方から前記シリンダライナの前記棚に隣接する底部まで間隙環が延在していることを特徴とする装置。
【請求項７】
前記冷却通路の底部が、前記中間ストップ付近における前記シリンダライナと前記エンジンブロックとの間の締まり嵌めにより封止される請求項６の装置。
【請求項８】
内燃機関のエンジンブロックの中に交換可能なシリンダライナを保持する方法において、
シリンダヘッド、中間ストップを有する交換可能なシリンダライナ、および孔と該孔の底部に設けられた棚とを有するエンジンブロックを用意すること、
前記エンジンブロック内の前記棚の上方に前記交換可能なシリンダライナを受入れること、
前記中間ストップにより、前記シリンダライナの軸方向位置を確定すること、
前記シリンダライナと前記エンジンブロックとの間の冷却通路に冷却液を流すこと、
前記エンジンブロック内で前記シリンダライナの割れた部分が落下するのを前記棚により阻止するようにすること、および
前記エンジンブロックと前記シリンダライナとの間に、前記中間ストップの下方から前記シリンダライナの前記棚に隣接する底部まで間隙環を延在させること、
を特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、正味平均有効圧が高い高効率ディーゼルエンジンを含んだ内燃機関用の交換可能なシリンダライナに関する。しかしながら、本発明の用途には本技術分野の範囲には入らないものもある。
【従来の技術】
【０００２】
交換可能なシリンダライナは内燃機関、特に、オーバホール間隔が非常に長くされたエンジンに多大な利点をもたらす。トラック用のディーゼルエンジン等のエンジンのオーバホール間隔は２００万時間に設計することが可能である。オーバホール時には斯かるエンジンのシリンダライナを取り外して別の組のライナと交換して、エンジンブロックを再使用することが可能となる。更に、製造時には、交換可能なライナを使用することからブロック内の長いボアの仕上げの精度を高くする必要がなくなり、個々のライナの仕上げ精度のみを高くするようにすれば良く、作業規模が一段と小規模で済み経済的にも節約が可能となる。
【０００３】
より熱効率の高いエンジンを求める声は引き続いて有り、これにより新たな要求がシリンダライナに対してもなされるようになってきた。エンジンの正味平均有効圧（ＢＭＥＰ）を増大させれば熱効率を増大することは可能である。先進技術を利用したディーゼルエンジンでは３００ｐｓｉ（２１ｋｇ/ｃｍ2）を超えるＢＭＥＰを達成できる。これらの高効率のエンジンでは燃焼温度が非常に高くなる。仕事に転換されないまたは排出ガスとして放出されない燃焼エネルギーの一部は、シリンダライナの壁を通って冷却装置内へ伝導する熱となって消散されなけらばならない。この熱がシリンダライナから適切に除外されなければ、数々の問題を生じることとなる。斯かる問題の１つはトップピストンリングのオーバヒートである。
【０００４】
ボトムピストンリング及びピストン自体とは異なり、トップピストンリングが供給エンジンオイルから受ける冷却はほんの限られたものである。ボトムピストンリングとは異なり、トップピストンリングは燃焼ガスに直接晒される。トップピストンリングがオーバヒートすると、シリンダ壁内径からトップピストンリングと接触しているオイルがコークスに変換され、その結果潤滑の喪失が生じる。この結果、リングやライナの摩耗が加速されて、リングの破損に繋がる可能性が一段と高くなる。
【０００５】
トップピストンリングから熱を排除する１つの方法は、シリンダライナの冷却を向上させることである。シリンダライナの温度が低ければ低い程トップピストンリングから伝導する熱は多くなる。交換可能なシリンダライナの冷却向上のために様々なアイデアが提案されてきた。これらのアイデア及び一般にシリンダライナに関するアイデアは下記の米国特許に見ることができる。
【０００６】
特許番号               特許権者                     発行日          
４，２４４，３３０      ボー（Ｂａｕｇｈ）その他            １／１３／８１
４，３０５，３４８      マーチン（Ｍａｒｔｉｎ）          １２／１５／８１
４，６１６，６０３      クビス（Ｋｕｂｉｓ）その他        １０／１４／８６
４，６３８，７６９      バルハイマ
（Ｂａｌｌｈｅｉｍｅｒ）            １／２７／８７
４，８６７，１１８      クビス（Ｋｕｂｉｓ）その他          ９／１９／８９
５，０４８，４６８      ブロートン
（Ｂｒｏｕｇｈｔｏｎ）その他        ９／１７／９１
５，１５０，６６８      ボック（Ｂｏｃｋ）                  ９／２９／９２
５，２９９，５３８      ケネディ（Ｋｅｎｎｅｄｙ）          ４／  ５／９４
５，３４３，８３７      ウォード（Ｗａｒｄ）その他          ９／  ６／９４
５，５７５，２５１      ボック（Ｂｏｃｋ）                １１／１９／９６
【解決しようとする課題】
【０００７】
シリンダライナの冷却向上に対する要求は引き続いてあり、本発明の目的は、新規且つ非自明のシリンダライナの冷却を向上させる装置及び方法を提供することである。
本発明の目的は、内燃機関用の改良された交換可能なシリンダライナを提供することである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１態様では、シリンダヘッド及びエンジンブロックを備えた内燃機関用交換可能なシリンダライナが提供される。該シリンダライナは、シリンダヘッドに隣接したライナのリム部分と、該リム部分内に画成された円周方向のシール溝と、該シール溝内に配置されたシールリングと、前記シール溝の下方のライナの中間ストップと、を含んでいる。
【０００９】
本発明の別の態様では、内燃機関のエンジンブロック内に交換可能なシリンダライナを配置し且つシールする方法が提供される。該方法は、交換可能なシリンダライナをエンジンブロック内に配置する段階と、中間ストップにより前記シリンダライナを前記エンジンブロック内で軸線方向に位置決めする段階と、前記シリンダライナと前記エンジンブロックとの間の冷却通路内へ冷却液を流し込む段階と、前記シリンダライナと前記エンジンブロックとの間を差し渡しの締まり嵌めにして前記冷却通路の底部をシールする段階と、を備えている。
【００１０】
本発明の関連した目的は好適な実施例の説明から明白となるものである。
【発明の実施の形態】
【００１１】
本発明の原理の理解を高めるために添付の図面に例示された実施例を参照すると共に、特定の用語を用いて例示の実施例を説明する。しかしながら、斯かる説明により本発明の範囲を限定するものではなく、斯かる例示した装置に変更及び修正を施すことが可能であり、且つ、本発明の原理を例示した用途以外にも適用可能なことは当業者には自明のことである。
【００１２】
本発明の好適な実施例を図１乃至図３に図示する。図１は、エンジンブロック２２内に収容された鋳造の交換可能なシリンダライナ２０を図示した断面図である。本発明は、正味平均有効圧（ＢＭＥＰ）が３００ｐｓｉ（２１ｋｇ/ｃｍ2）を超える非常に燃焼温度の高いディーゼルエンジンに有効である。本発明は、また、一般に、交換可能なシリンダライナを備えた任意の内燃機関に使用することも可能である。ライナ２０は鋳造されて、その後、摺動面、接触面及びシール面を機械加工するのが典型的ではあるが、本発明ではその他の組立方法の利用を考慮することも可能である。
【００１３】
ピストン２４はライナ２０のピストン摺動径２６内に摺動自在に収容される。トップピストンリング２８はトップリング溝３０内に配置されて、前記ピストン摺動径２６と接触して燃焼室３１の下部シールを画成する。リストピン３２はピストン２４を連接棒３４に回転自在に連結する。連接棒３４は従来の方法でクランクシャフトに連結される。
【００１４】
ライナ２０はブロック２２の頂面３５から摺動自在にブロック２２内へ挿入される。該頂面３５は、また、ブロック２２のファイヤデッキとも呼ばれる。ライナ２０は、ライナ中間ストップ３６がブロックレッジ（押縁）３８に接触するまで挿入される。中間ストップ３６はライナ２０の頂面と底面との中間位置、即ち、中心軸線Ｘの長さの中間点にある。中間ストップ３６はブロック２２内でライナ２０の軸線方向の位置を確定する。中間ストップ３６に隣接してブロック２２の締まり内径４２及びライナ２０の締まり外径４０が設けられている。締まり内径４２は締まり外径４０より約０．１５乃至０．２５ミリメートル（０．００６乃至０．１０インチ）小さくされている。ライナ２０がブロック２２内へ挿入されて行くに連れて、力がライナ２０に加えられて、締まり内径４２と締まり外径４０との間で設計された締まり嵌めを克服する。前記の力がライナ２０の中心線Ｘの回りに全体的に加えられると、ライナ２０がブロック２２内を摺動して、中間ストップ３６がブロックレッジ３８に接触する。
【００１５】
締まり内径４２内に締まり外径４０が締まり嵌めすると、ライナ２０と、該ライナ２０の回りに伸長するブロック２２との間の冷却液通路４４の底部がシールされる。この締まり嵌めの結果漏れ防止のシールが画成される。シールを画成するために締まり外径４０及び内径４２にまたはその近傍に硬化自在のプラスチック材料を使用する必要はない。締まり嵌めの直ぐ下方の溝４７内に挿入される０リング４６で余剰のシールが達成される。この下方と言う言葉はクランクシャフトの方向を示すものである。０リング４６の下にはライナ２０の底部とブロック２２の底部との間で間隙環４８が伸長している。この間隙環はライナ２０の底部長さに沿ってブロック２２の底部棚５０に隣接したライナ２０の底部まで伸長している。棚５０はライナ２０の割れた部分がエンジンのクランクケース内へ落下するのを防止するのに使用される。間隙環４８にはオイルまたはオイルミストが収容されて、ライナ２０の底部を冷却する一助とされている。
【００１６】
ライナ２０の頂部近傍ではリム部分５４が軸線方向に配置されている。リム部分５４の壁厚は厚くされて、ライナの頂部の強度及び安定度を高めている。ライナ２０がブロック２２内に挿入され、中間ストップ３６がレッジ３８に接触すると、リム部分５４の頂面５６（図２参照）がブロック２２の頂面３５と概ね面一になる。前記頂面３５及び５６はファイヤデッキと称され、シリンダヘッド６０に隣接する。シリンダヘッド６０はボルト（図示なし）によりブロック２２に取り付けられる。シリンダヘッド６０は接触面６２においてライナ２０を押圧して、ライナ２０を接触面６２と中間ストップ３６との間で軸線方向に圧縮固定する。双方の頂面５６及び３５はヘッドガスケット５８と接触する。ヘッドガスケット５８は頂面５６及び３５とシリンダヘッド６０との間で所定位置に保持される。ファイヤデッキシールリング５９はヘッド６０と頂面５６との間に配置されて、ライナ２０の周りで高温シールを画成する。
【００１７】
厚壁部分５４は第１の外径６４を含んでおり、該第１の外径６４は、ライナ２０がブロック２２内に挿入されると、ブロック２２の第１の内径６６内に取り囲まれる。第１の外径６４と第１の内径６６との間には約０．０２５４ミリメートル（０．００１インチ）の差し渡し間隙の遊び嵌めを設けることが可能である。また、ある条件下では、第１の外径６４と第１の内径６６との間に０．０２５乃至０．０５ミリメートル（０．００１乃至０．００２インチ）の軽い締まり嵌めを設けるようにしても良いが、必ずしも必要なことではない。例えば、製作許容差により、第１の外径６４と第１の内径６６の嵌まりを遊び嵌めにしたり、また、締まり嵌めにしたりすることが可能である。
【００１８】
第１の内径６６と第１の外径６４との間を遊び嵌めとする可能性から、円周方向のシール溝６８が厚壁部分５４内に配置される。該溝６８内にはエラストマーのシールリング７０が配置され、該シールリングにより頂面３５及び５６のファイヤデッキから冷却液通路４４までのシールが画成される。０リング７０は、エンジンが暖機されていない時には、主シールとして機能する。エンジンが作動されて、ライナ２０及びブロック２２が高温になってくると、第１の外径６４と第１の内径６６との間の間隙がなくなり、第１の外径６４が第１の内径６６内に締まり嵌めする。第１の内径６６及び第１の外径６４が接触するようになると、冷却通路４４とヘッドガスケット５８との間でシールが形成される。０リング７０は、エンジンが暖機されると、余剰シールとして機能する。好適な実施例では、シールリング７０はエラストマーであるが、当該技術分野で公知の材料をエラストマーに代えて使用することも可能である。
【００１９】
リム部分５４の厚さは第１の外径６４から移行部分７２を介してライナ２０のより壁厚の薄い、一定の壁厚部分７３まで減少するようにされている。移行部分７２は冷却液通路４４の境界を含んでおり、冷却液は移行部分７２とブロック２２との間を流れる。移行部分７２が一定の壁厚部分７３からエンジンブロック２２に向けて円滑に移行することが好ましい。移行部分７２のジオメトリの変化が急激であれば、その結果、冷却液通路４４の一部が該移行部分７２の近傍において上記で充満することになり、これにより冷却が低下するか、または、移行部分７２近傍において冷却液通路４４内でキャビテーションを発生させて、ライナ２０またはブロック２２が点食損傷を被る可能性がある。
【００２０】
冷却通路のジオメトリ及び冷却液流の進入点のために、冷却液通路４４の移行部分７２に隣接した部分に液相の冷却液よりは寧ろ気相の冷却液の循環ポケットが生じることがある。冷却液は冷却液通路４４を通って流れて、ライナ２０、ブロック２２、ピストンリング２８、０リング７０、ヘッドガスケット５８、ファイヤデッキシール５９、シリンダヘッド６０及びその他の構成部品の温度を許容温度に維持する。冷却液通路４４内の冷却液はライナ２０の中心線軸線Ｘに略垂直な方向に流れる。
【００２１】
本発明のある態様における大凡の寸法（図３参照）を表１に示す。
表１  
寸法     最小（ミリメートル）     最大（ミリメートル）  
Ａ                    １０                          １４
Ｂ                      １．６                        ５．５
Ｃ                      ４．３                        ４．５
Ｄ                      ２．０                        ２．２
Ｅ                    ２３                          ２４
Ｆ                      ３．６                        ４．４
Ｇ                      ７．５                        ９．５
【００２２】
本発明は、ライナ２０のリム部分の寸法とトップピストンリング２８の温度との関係に就いての新たな発見を含んでいる。寸法Ａが５ミリメートル低減すると、ピストンリング２８の上死点位置近傍のライナ２０の温度が華氏で約５０°下がることが判明した。寸法Ａが小さくなるに連れて、冷却液通路４４の頂部、即ち、移行部分７２により画成される部分がファイヤデッキ３５及び５８、及び、トップピストンリング２８の上死点に接近することになる。冷却液通路４４がファイヤデッキ３５及び５８とトップピストンリング２８とからより効率良く熱を除去することが可能となる。
【００２３】
前記の華氏で５０°の温度低下は、ピストン２４が上昇を停止して、下降を開始しようとするピストン逆転位置または上死点におけるピストンリングの温度を許容温度に維持する上で重要である。ディーゼルエンジンは熱効率及び正味平均有効圧（ＢＭＥＰ）を高めるように設計されていることから、前記ピストンの逆転位置または上死点での温度が高くなる。トップピストンリングの温度を約１７６℃（約３５０°Ｆ）以下に維持することが好ましい。この温度ではトップピストンリング２８のオイルがコークスに分解されて、この結果、摺動径２６への潤滑が低下して、摺動径２６及びトップピストンリング２８双方の摩耗が増大することとなる。本発明は、ＢＭＥＰが３００ｐｓｉ（２１ｋｇ/ｃｍ2）を超えるディーゼルエンジンで特に有効となる。
【００２４】
寸法Ａを小さくすると共に、移行部分７２をトップピストンリング２８及びファイヤデッキ５６へ向けて上昇させることにより０リング７０及びヘッドガスケット５８の温度を低下させる追加の利点を得ることが可能となる。厚壁部分５４の高さを５ミリメートル低くすると、ライナ２０近傍のヘッドガスケット５８の温度を華氏で約３０°低くすることが可能であり、また、シールリング７０の温度を華氏で約１９°低くすることが可能である。これらの温度低下の結果、ヘッドガスケット５８及びシールリング７０を従来の材料から構成することが可能となり、コスト削減に役立つ。好適な実施例では、０リング７０はエチレンコポリマーエラストマーから形成され、断面の径は約２．６ミリメートルである。
【００２５】
本発明によれば、追加の冷却スペーサデッキまたはスペーサプレートをシリンダヘッド６０とブロック２２との間に使用することなくエンジンの様々な部品の冷却を向上させることが可能となる。また、ライナ２０及びブロック２２との間に追加の冷却スリーブを必要とすることもない。斯かる冷却スリーブの通路は狭く、異物により閉塞されることがある。冷却スリーブ、スペーサデッキまたはスペーサプレートは、また、０リングやガスケット等のシール特徴を追加して使用して追加されるライナとブロックとの界面をシールすることが必要となる。
【００２６】
移行部分７２をトップピストンリング２８及びファイヤデッキ５６へ向けて上昇させることの別の利点は、移行部分７２から中間ストップ３６までの冷却通路４４の軸線方向の長さもまた短縮できることである。冷却液通路４４を短縮すると、冷却装置全体の重量を軽くすると共にコンパクトにすることができ、更に、ブロックの設計も単純化されると共に、ライナ２０の軽量化がなされる。
【００２７】
好適な実施例では、寸法Ａは約１０ミリメートルより大きくされることが好適であり、寸法Ｂは約１．６ミリメートルより大きくされるのが好適である。ライナ２０のピストン摺動径２６は約１３７ミリメートルである。ライナ２０の第１の外径６４は１６１ミリメートルである。寸法Ｅは約２３ミリメートルより大きくされるのが好適である。寸法Ａを寸法Ｅで除した縦横比は約０．４乃至０．６１の範囲にあるものとする。寸法Ｇは、ピストン２４が上死点位置にある時の冷却通路４４の頂部からリング溝３０の中心までの距離であり、約８乃至９ミリメートルであるのが好適である。
【００２８】
表１の寸法はピストン摺動径２６が１２５ミリメートル乃至１５０ミリメートルの範囲にあるときに有効である。斯かる範囲を超えた場合には、表１の寸法は、当業者に公知の従来の方法で摺動径２６の率に応じて決めることができる。このように、本発明を、特に、シリンダライナを約１６０万キロメートル（約１００万マイル）の走行距離に亘り使用する先進の、高効率、高性能ディーゼルエンジンに応用すれば、燃焼圧力負荷に対する十分な強度、固定荷重に対する波打ち防止特性及びリム部分５４の長期安定性を維持することが可能となる。
【００２９】
本発明を添付図面及び上記の説明中で詳細に例示及び説明してきたが、斯かる例示及び説明はあくまでも例示を目的としたものであって、それらに限定されるものではなく、単に好適な実施例を図示及び説明したものであり、本発明の趣旨の範疇に入る全ての変更及び修正が可能であることが当業者には自明のことである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】エンジンブロック内に収容された交換可能なシリンダライナを図示した、本発明の好適な実施例の正面断面図である。
【図２】ピストンを除き、ヘッドガスケット、ファイヤリング及びシリンダヘッドを含んだ図１のライナの一部の部分拡大正面図である。
【図３】図１のライナのリム部分近傍の一部の部分正面図である。
【符号の説明】
【００３１】
２０  シリンダライナ            ２２  エンジンブロック
２４  ピストン                  ２６  シリンダ摺動径
２８  トップピストンリング      ３０  トップリング溝
３４  連接棒                    ３５  頂面
３６  中間ストップ              ３８  ブロックレッジ（押縁）
４０  外径                      ４２  内径
４４  冷却液通路                ４７  溝
４８  間隙環                    ５０  底部棚
５４  リム部分                  ５６  頂面
６０  シリンダヘッド            ６４  第１の外径
６６  第１の内径                ６８  シール溝
７０  ０リング                  ７２  移行部分
７３  一定の壁厚部分
【図１】
2006275057.tif 000003
【図２】
2006275057.tif 000004
【図３】
2006275057.tif 000005