(57)【要約】  径方向および軸方向に遊びを有して、往復動内燃機関のピストン（１）の対応するピストンリング溝（５）に設けられているピストンリング（６）は、傾くことと、前記ピストンリング溝（５）の径方向外縁に当接することとに対して、安定化される。当該安定化は、以下のように行われる。すなわち、前記ピストンリング（６）および／または前記ピストンリング溝（５）の断面の形成が、前記ピストンリング（６）の下側と、対応する前記ピストンリング溝（５）の下方支持面との間に、径方向において径方向外側に向かって、高さ方向において開いてゆく間隙が形成されるように行われ、前記ピストンリング（６）に上側の圧力が加えられていない限り、前記間隙は、ピストンリング（６）に負荷がかけられていない状態で、前記ピストン（１）の温度に関わらず、外側に向かって開かれたままである。これによって、運転中に熱の作用で変形されたピストン（１）において、前記ピストンリング（６）の下側と、前記ピストンリング溝（５）の対向する前記下方支持面との最初の接触は、少なくとも前記ピストンリング（６）の下側の、ピストン軸に対向する領域において開始され、前記ピストンリング溝（５）の径方向外縁において前記ピストンリング（６）が擦れることが防止される。
2011523004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンリング（６）を安定させるための方法であって、
当該ピストンリングは、径方向および軸方向に遊びを有して、往復動内燃機関のピストン（１）の、対応するピストンリング溝（５）に受容可能であり、
前記ピストンリング（６）の径方向外側の周面は、前記ピストン（１）を収容するシリンダライナー（９）の摺動面に当接させることができ、前記ピストンリングの内側の周面には、前記ピストンリングの上側に滞留するガス圧を加えることができ、
前記ピストンリング（６）および／または前記ピストンリング溝（５）の断面の形成は、前記ピストンリング（６）に対して負荷のない状態、あるいは上側のガス圧による負荷がほとんどない状態であり、かつ、前記ピストンリングが比較的冷たい状態において、当該ピストンリングの下側が、対応する前記ピストンリング溝（５）の対向する下方支持面に、前記ピストンリング（６）の下側のピストン軸に対向する領域において接触するとともに、当該領域を起点として、前記ピストンリング（６）の下側と、前記ピストンリング溝（５）の前記対向する下方支持面との間に、径方向において外側に向かって、高さ方向において開いてゆく間隙が形成される、ように行われる方法において、
ピストン（１）において、上側にガス圧が加えられていない状態で、冷たい周囲の状態から運転運度まで温度が上昇することによって、少なくとも一つのピストンリング溝（５）の、下方支持面の径方向外側であり、かつ、軸から離れた領域は、径方向内側であり、かつ、軸に近い領域に対して、高さがずらされており、
このとき前記ピストンリング溝（５）の前記下方支持面と、対応する前記ピストンリング（６）の下側との間で、径方向において径方向外側に向かって開いてゆく前記間隙の高さは、当該間隙の冷たい状態における高さに対して減少しており、
前記ピストンリング（６）および前記ピストンリング溝（５）の断面は、運転条件に応じた高い温度において、前記ピストンリング溝（５）を含むピストン領域に生じる熱変形を補償するために、相応に形成されており、それによって、前記間隙は、前記ピストンリング（６）が上側からガス圧を加えられない状態で、前記ピストンの温度が上昇した場合でも、径方向において外側に向かって開かれており、
前記ピストンリング溝（５）の断面は、前記間隙を確定する形状を備える要素がいかなる温度であり、かつ、いかなる変形を生じても、前記ピストンリング（６）は、当該ピストンリングの径方向内側の周面において、当該ピストンリングの上側に滞留するガス圧が加えられるように形成されていることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記安定させるべきピストンリング（６）は、往復動内燃機関のピストン（１）に配設されており、当該往復動内燃機関は、通常運転時に、前記ピストン（１）が長手方向にいかなる運動を行う間も、当該ピストンの上側にガス圧が加えられているように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
単独かつ同一のピストン（１）の複数のピストンリング（６）が安定化されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ピストン（１）の、一部の数の前記ピストンリング（６）のみが安定化され、前記ピストン（１）は少なくともさらに一つの他のピストンリングを有していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも一つの安定させるべきピストンリング（６）は、ピストン（１）の独自の部材のピストンリング溝（５）に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記少なくとも一つの安定させるべきピストンリング（６）は、比較的高いピストン頂部（４）を有するピストン（１）に配設されており、当該ピストン頂部は当該ピストン頂部の下方縁部領域に設けられた少なくとも一つのピストンリング溝（５）を有しており、当該ピストンリング溝は前記ピストン（１）が運転温度に加熱されるとき変形され、それによって、前記ピストンリング溝の下方支持面の径方向外側であり、かつ、軸から離れた領域は、前記ピストンリング溝の径方向内側であり、かつ、軸に近い領域に対して、高さがずらされていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも一つの安定させるべきピストンリング（６）の断面は、軸対称な矩形断面とは異なるように形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも一つの安定させるべきピストンリング（６）に対応するピストンリング溝（５）の断面は、軸対称な矩形断面とは異なるように形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも一つの安定させるべきピストンリング（６）と、対応するピストンリング溝（５）との断面は、軸対称な矩形断面とは異なるように形成されることを特徴とする請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
請求項１１から２４のいずれか一項に記載の少なくとも一つのピストンリング（６）と、請求項２５から３３のいずれか一項に記載のピストンおよび／または請求項３４から３９のいずれか一項に記載の部材とが用いられることを特徴とする請求項１または４に記載の方法。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法を実施するための装置であって、
少なくとも一つのピストンリング溝（５）であり、前記ピストン（１）が運転温度に加熱されることにより、前記ピストン（１）が変形される場合、前記ピストンリング溝は変形され、それによって前記ピストンリング溝の下方支持面の、径方向外側であり、かつ、軸から離れた領域は、前記ピストンリング溝の径方向内側であり、かつ、軸に近い領域に対して、高さがずらされている、ピストンリング溝と、
当該ピストンリング溝（５）に配設されているピストンリング（６）と、を有するピストン（１）を有して成る装置において、
前記ピストンリング（６）の下側は、前記ピストンリング（６）の下側と、対応する前記ピストンリング溝（５）の前記下方支持面との間に、径方向において径方向外側に向かって高さ方向において開いてゆく間隙が形成されるように、径方向内側から径方向外側に向かって延在し、前記間隙は、ピストンリング（６）に負荷がかかっていないとき、前記ピストン（１）の温度に関わらず、外側に向かって開かれたままであることを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の装置であり、前記ピストン（１）が運転温度に加熱されることにより、前記ピストン（１）が変形される場合、前記少なくとも一つのピストンリング溝（５）は、径方向内側から径方向外側に向かって上昇するように延在する装置において、
少なくとも前記ピストンリング（６）の下側の径方向内側領域は、径方向内側から径方向外側に向かって上昇しており、それによって、前記ピストンリング（６）の下側と、前記対応するピストンリング溝（５）の前記下方支持面との間に、径方向において径方向外側に向かって高さ方向において開いてゆく間隙が形成され、前記間隙は、ピストンリング（６）に負荷がかかっていないとき、前記ピストン（１）の温度に関わらず、外側に向かって開かれたままであることを特徴とする装置。
【請求項１３】
少なくとも前記ピストンリング（６）の下側の径方向内側領域は、運転条件の下で、少なくとも、前記対応するピストンリング溝（５）の前記下方支持面と同一の、径方向内側から径方向外側に向かう相対的な勾配を有していることを特徴とする請求項１１または１２に記載の装置。
【請求項１４】
少なくとも前記ピストンリング（６）の下側の径方向内側領域は、運転条件の下で、前記対応するピストンリング溝（５）の前記下方支持面よりも強い、径方向内側から径方向外側に向かう相対的な勾配を有していることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記ピストンリング（６）の下側は、径方向内側縁部から径方向外側縁部に至るまで一貫して、径方向内側から径方向外側に向かって上昇することを特徴とする請求項１１または１２に記載の装置。
【請求項１６】
前記ピストンリングは、前記ピストンリングの径方向内側縁部領域において、前記ピストンリングの径方向外側縁部領域におけるよりも厚いことを特徴とする請求項１１または１２に記載の装置。
【請求項１７】
前記ピストンリングは、前記ピストンリングの径方向内側縁部領域において、前記ピストンリングの径方向外側縁部領域におけるよりも、１から２パーセント厚いことを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記ピストンリングは、四辺形の断面を有しており、当該断面の下縁は少なくとも前記ピストンリングの径方向内縁に対して斜めに延在することを特徴とする請求項１１または１２に記載の装置。
【請求項１９】
前記ピストンリングは、高いピストン頂部（４）を有するピストン（１）に配設されており、当該ピストン頂部は、少なくとも当該ピストン頂部の下方縁部領域において、前記少なくとも一つの安定させるべきピストンリング（６）に対応する、少なくとも一つのピストンリング溝（５）を有しており、当該ピストン頂部の周面は、温度が運転温度に上昇するとき、径方向内側に向かって凹面形状をなすことを特徴とする請求項１１または１２に記載の装置。
【請求項２０】
前記ピストンリングはピストンリングパケットの一部であることを特徴とする請求項１１または１２に記載の装置。
【請求項２１】
前記ピストンリング（６）の下側には、補強部（１９）が設けられており、当該補強部は少なくとも前記ピストンリング（６）の下側の前記径方向内側領域にわたって延在することを特徴とする請求項１１または１２に記載の装置。
【請求項２２】
前記ピストンリングは、ピストンリング側に設けられるとともに、好適に無線自動識別マーキングとして形成されている少なくとも一つのマーキングであって、前記ピストンリング（６）を一義的に特定するために保存されているデータを含むマーキングの、非接触式に検出可能なデータを用いて、同定可能であることを特徴とする請求項１１から２１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２３】
少なくとも一つのピストンリング側のマーキングは、データを備えており、当該データは該当する前記ピストンリング（６）を認識するための特定的な詳細を含んでおり、当該認識データは好適に、製造データと、試験データと、以前の使用および、可能な使用または計画されている将来の使用に関するデータと、をも含んでいることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
少なくとも一つのマーキングは前記ピストンリング（６）の下側に、当該マーキングが前記ピストンリング（６）の下側に対して、下方に向かって突出せず、かつ、径方向内側であって、前記対応するピストンリング溝（５）の前記支持面に対向する、円周上の接触領域の中断が生じないように、配置されていることを特徴とする請求項２２または２３に記載の装置。
【請求項２５】
請求項１に記載の方法を実施するためのピストンであって、安定させるべきピストンリング（６）に対応する少なくとも一つのピストンリング溝（５）を有するピストンにおいて、前記少なくとも一つのピストンリング溝（５）は、当該ピストンリング溝の上方支持面領域においても、当該ピストンリング溝の下方支持面領域においても、拡張されていないことを特徴とするピストン。
【請求項２６】
請求項１に記載の方法を実施するためのピストンであって、安定させるべきピストンリング（６）に対応する少なくとも一つのピストンリング溝（５）を有するピストンにおいて、前記少なくとも一つのピストンリング溝（５）は、前記ピストン（１）の運転温度を下回る温度のとき、軸対称な矩形とは異なる断面を有していることを特徴とするピストン。
【請求項２７】
前記少なくとも一つのピストンリング溝（５）は、当該ピストンリング溝の径方向外側縁部領域において、前記ピストンリング溝の径方向内側縁部領域におけるよりも大きなクリアランスを有していることを特徴とする請求項２６に記載のピストン。
【請求項２８】
前記ピストンリング溝（５）の、当該ピストンリング溝の径方向外側縁部領域におけるクリアランスが、前記ピストンリング溝の径方向内側縁部領域におけるクリアランスに対して有する差は、１％〜２％であることを特徴とする請求項２７に記載のピストン。
【請求項２９】
ピストンリング溝（５）の構成を有していることを特徴とする請求項２５または２６に記載のピストンであって、当該ピストンリング溝のうち少なくとも一つのピストンリング溝（５）は、前記ピストン（１）が運転温度に加熱される際に変形され、それによって、前記ピストンリング溝の下方支持面の径方向外側であり、かつ、軸から離れた領域は、前記ピストンリング溝の下方支持面の、径方向内側であり、かつ、軸に近い領域に対して、高さがずらされる、ピストン。
【請求項３０】
安定させるべきピストンリング（６）に対応する、個々のピストンリング溝（５）には、少なくとも当該ピストンリング溝の下方支持面の、径方向内側縁部領域において、補強部（１８）が設けられていることを特徴とする請求項２５または２６に記載のピストン。
【請求項３１】
ピストン側に設けられるとともに、好適に無線自動識別マーキングとして形成されている少なくとも一つのマーキングであって、前記ピストン（１）を一義的に特定するために保存されているデータを含むマーキングの、非接触式に検出可能なデータを用いて、同定可能であることを特徴とする請求項２５から３０のいずれか一項に記載のピストン。
【請求項３２】
少なくとも一つのピストン側のマーキングは、データを備えており、当該データは該当する前記ピストン（１）を認識するための特定的な詳細を含んでおり、当該認識データは、好適に製造データと、試験データと、以前の使用および、可能な使用または計画されている将来の使用に関するデータと、をも含んでいることを特徴とする請求項３１に記載のピストン。
【請求項３３】
少なくとも一つのマーキングは前記ピストン（１）の下側に配置されており、当該配置は好適に、前記マーキングが、前記ピストン（１）に対応するシリンダの、シリンダライナー（９）における掃気スリットを介して通過可能な認識装置および／またはマーキング機器を用いて、非接触式に読み取り可能および／または取り付け可能であるように選択されていることを特徴とする請求項３１または３２に記載のピストン。
【請求項３４】
請求項１に記載の方法を実施するための、複数の部材から構成されたピストン（１）の部材において、当該部材は、少なくとも一つの前記安定させるべきピストンリング（６）に対応する少なくとも一つのピストンリング溝（５）を含んでおり、当該ピストンリング溝は前記部材が運転温度に加熱される際に変形され、それによって前記ピストンリング溝の下方支持面の、径方向外側であり、かつ、軸から離れた領域は、前記ピストンリング溝の径方向内側であり、かつ、軸に近い領域に対して、高さがずらされることを特徴とする部材。
【請求項３５】
安定させるべきピストンリング（６）に対応する、個々のピストンリング溝（５）には、少なくとも当該ピストンリング溝の下方支持面の、径方向内側縁部領域において、補強部（１８）が設けられていることを特徴とする請求項３４に記載の部材。
【請求項３６】
請求項２１から２６のいずれか一項に記載のピストン（１）を構成するための部材を形成するとともに、請求項１１から２０のいずれか一項に記載のピストンリング（６）を受容するために好適であることを特徴とする請求項３４に記載の部材。
【請求項３７】
部材側に設けられるとともに、好適に無線自動識別マーキングとして形成されている少なくとも一つのマーキングであって、該当する前記部材を一義的に特定するために保存されているデータを含むマーキングの、非接触式に検出可能なデータを用いて、同定可能であることを特徴とする請求項３４から３６のいずれか一項に記載の部材。
【請求項３８】
少なくとも一つの部材側のマーキングは、データを備えており、当該データは該当する前記部材を認識するための特定的な詳細を含んでおり、当該認識データは、好適に製造データと、試験データと、以前の使用および、可能な使用または計画されている将来の使用に関するデータと、をも含んでいることを特徴とする請求項３７に記載の部材。
【請求項３９】
少なくとも一つのマーキングは、当該マーキングが、該当する前記ピストン（１）に対応する前記シリンダの、シリンダライナー（９）における掃気スリットを介して通過可能な認識装置および／またはマーキング機器を用いて、非接触式に読み取り可能および／または取り付け可能であるように、部材側に配置されていることを特徴とする請求項３４から３８のいずれか一項に記載の部材。
【請求項４０】
エンジンの運転時における、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法の使用であって、当該エンジンに、請求項１１から２０のいずれか一項に記載の少なくとも一つのピストンリング（６）および／または請求項２１から２８のいずれか一項に記載の対応するピストン（１）および／または請求項２９から３９のいずれか一項に記載の対応するピストン部材が組み込まれている、使用。
【請求項４１】
新しいエンジンに、請求項１１から２０のいずれか一項に記載の少なくとも一つの新しいピストンリング（６）および／または請求項２１から２８のいずれか一項に記載の対応する新しいピストン（１）および／または請求項２９から３９のいずれか一項に記載の対応する新しいピストン部材が組み込まれている、請求項４０に記載の使用。
【請求項４２】
使用されたエンジンに、請求項１１から２０のいずれか一項に記載の少なくとも一つの新しいピストンリング（６）および／または請求項２１から２８のいずれか一項に記載の対応する新しいピストン（１）および／または請求項２９から３９のいずれか一項に記載の対応する新しいピストン部材が組み込まれている、請求項４０に記載の使用。
【請求項４３】
請求項１１から２０のいずれか一項に記載の少なくとも一つのピストンリング（６）および／または請求項２１から２８のいずれか一項に記載の対応するピストン（１）および／または請求項２９から３９のいずれか一項に記載のピストン部材が、旧式のエンジンの部材として組み込まれている、請求項４０に記載の使用。
【請求項４４】
請求項１１から２０のいずれか一項に記載の少なくとも一つのピストンリング（６）および／または請求項２１から２８のいずれか一項に記載の対応するピストン（１）および／または請求項２９から３９のいずれか一項に記載の対応するピストン部材が設けられており、当該ピストンリングおよび／またはピストンおよび／またはピストン部材は少なくとも保守整備工程または修理工程以来、組み込まれている、請求項４０に記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第一の発明の思想では、少なくとも一つのピストンリングを安定させるための方法に関する。当該ピストンリングは、径方向および軸方向に遊びを有して、往復動内燃機関のピストンの、対応するピストンリング溝に受容可能であり、当該ピストンリングの径方向外側の周面は、ピストンを収容するシリンダライナーの摺動面に当接させることができ、当該ピストンリングの径方向内側の周面には、当該ピストンリングの上側に滞留するガス圧を加えることができる。当該ピストンリングおよび／またはピストンリング溝の断面の形成は、負荷のない状態、あるいは上側のガス圧による負荷がほとんどない状態であって、比較的冷たい状態において、ピストンリングの下側が、対応するピストンリング溝の対向する下方支持面に、当該ピストンリングの下側のピストン軸に対向する領域において接触するとともに、当該領域を起点として、当該ピストンリングの下側と、ピストンリング溝の対向する下方支持面との間に、径方向において径方向外側に向かって、高さ方向において開いてゆく間隙が形成されるように行われる。
【０００２】
本発明はさらに、それぞれ少なくとも一つのピストンリング溝を有してなる、ピストンリング、ピストンおよび／またはピストンを作製するための部材として、前記の方法を実施するための手段と、前記の方法の使用とに関する。
【背景技術】
【０００３】
往復動内燃機関のピストンには、運転中に、当該ピストンの外側であって燃焼室に隣接する表面領域において熱が供給され、当該ピストンは、当該ピストンの内側の表面領域において、循環する冷却媒体によって冷却される。このとき異なる温度の領域が生じる。当該温度差によってピストンの熱変形が生じ、周囲壁が内側に凹面形に変形され、それによってピストンの下部領域に配置されている個々のピストンリング溝は、シリンダ壁に向かって斜め上方に延在することになる。このとき従来のピストンリングおよびピストンリング溝の構成方法では、すなわち、ピストンリングおよびピストンリング溝の断面が矩形である場合、外側に向かって斜め上方に傾斜するピストンリング溝に配設されるピストンリングは、当該ピストンリング溝の、シリンダ壁に隣接する縁部を形成する材料に当接し、それによって、ピストンリングの下側の比較的大きい部分に、当該ピストンリングの径方向内側の周面に滞留するガス圧が加えられるという状況が生じる。このような理由から、ピストンリングは当該ピストンリングの上側かつ径方向内側の周面に滞留するガス圧によっては、安定化されない。その理由は、当該ピストンリングの下側の比較的大きい部分もまた、当該ガス圧に曝されているからである。ピストンリングの下側に支持がないことによって、ピストンリングとシリンダライナーの表面との摩擦の結果、ピストンリングの捩れもしくはひねりが生じる。当該捩れもしくはひねりは、前記の摩擦力に比例する。当該捩れもしくはひねりの結果、ピストンリング溝の磨耗が早まり、それに応じてピストンの寿命が短くなる。それによって、保守整備コストが嵩むことになる。
【０００４】
特許文献１から知られているピストンリング構造体においては、負荷のない状態で、ピストンリングの下側とピストンリング溝の下方支持面との間に、径方向外側に向かって、高さ方向において開いてゆく間隙が設けられている。このとき、当該間隙は、ピストンが熱い場合も、冷たい状態の場合と同様に存在することが前提となっている。しかしながら、上記のように熱変形によってピストンの変形が引き起こされることを考慮すると、この前提は成り立たない。むしろ、冷たい状態で存在する間隙は、ピストンが運転温度に加熱されると、消失する恐れがある。それによって、ピストンリングは上方から行われる圧力供給によって、まずピストンリング構の径方向外縁に当接し、それによって前記の不利点が生じる。さらにこの場合、ピストンリングの開きが妨げられるとともに、後続のピストンリングへの圧力供給が妨げられる恐れがある。従って、全体として磨耗の恐れが大きくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０１１８９１０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明は前記の不利点を回避するとともにピストンの長い寿命を保証することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、以下のような提案がなされる。すなわち、上側にガス圧が加えられていないピストンの温度が、冷たい周囲の状態から運転運度まで上昇するとき、ピストンの少なくとも一つのピストンリング溝の、下方支持面の径方向外側であり、かつ、軸から離れた領域は、径方向内側であり、かつ、軸に近い領域に対して、高さがずらされているピストンであって、ピストンリング溝の下方支持面と、対応するピストンリングの下側との間で、径方向において径方向外側に向かって開いてゆく間隙の高さが、当該間隙の冷たい状態における高さに対して減少しているピストンにおいて、ピストンリングおよびピストンリング溝の断面は、運転条件に応じた高い温度において、ピストンリング溝を含むピストン領域に生じる熱変形を補償するために、相応に形成されており、それによって、前記間隙は、ピストンリングが上側からガス圧を供給されない状態で、温度が上昇した場合でも、径方向においてピストン軸に向かって開いてゆかず、ピストンリング溝の断面は、前記間隙を確定する形状を備える要素がいかなる温度であり、かつ、いかなる変形を生じても、ピストンリングの、径方向内側の周面において、当該ピストンリングの上側に滞留するガス圧が加えられるように構成される。
【０００８】
上記の処置によって、以下の点が確実になる。すなわち、不都合な基本条件においても、例えば、高いピストン頂部を備えるとともに、ピストン裾部の下縁部にピストンリング溝が設けられているピストンであって、当該ピストンリング溝は熱い状態で、熱変形のために、径方向外側に向かって上昇するように延在するピストンにおいて、ピストンリングに上方から圧力が加えられる場合、ピストンリングの下側とピストンリング溝の対向する下方支持面との最初の接触は、少なくともピストンリングの下側の、ピストン軸に対向する領域において開始され、ピストンリングが、ピストンリング溝の下方支持面の径方向外縁に乗ることは避けられる。従って上方からガス圧が加えられるピストンリングは、最初の接触箇所を起点として、徐々にピストンリング溝の下方支持面に当接するので、温度にかかわらず、上方からのガス圧が圧力面全体に作用し、それによって、ピストンリング溝の下方支持面に対して、ピストンリングの下側が安定させられる。ピストンリングの下側と、対応するピストンリング溝の対向する下方支持面との間に形成される間隙が、いかなる状況においても径方向内側に向かって開かないように、常に径方向外側に向かって開いてゆくように配慮することによって、ピストンリング溝は好適に、軸方向においても十分な大きさになり得る。それによっていかなる場合でも、ピストンリングの径方向内側の周面に対して、当該ピストンリングの上側に滞留する圧力を加えることが確実に行われ、それによって、ピストンリングを確実に開くことが保証される。
【０００９】
ピストンリングの下側とピストンリング溝の対向する下方支持面との最初の接触は、好適に、ピストンリングの径方向内縁領域において行われる。これによって確実となるのは、ピストンリングの下側のどの部分にも、上側および径方向内側の周面に滞留するガス圧が加えられないことであり、それによってピストンリングの安定化は極めて確実に行われる。
【００１０】
さらなる有利な処置は以下の通りである。すなわち、ピストンリングの下側の勾配は、変形したピストンの対応するピストンリング溝の下方支持面の、上方に向かって傾斜する勾配よりも大きい。これによって確実となるのは、ピストンリングの下側と、対応するピストンリング溝の下方支持面との最初の接触が、常に望むように行われることである。
【００１１】
上位の処置のさらなる有利な構成は、以下のようなものである。すなわち、ピストンリングの下側と、好適にピストンリング溝の下方支持面とが、少なくとも当該ピストンリング溝の、単独もしくは複数の径方向内縁領域において、補強されている。
【００１２】
図面に基づいて、上位の処置のさらなる有利な構成と、目的に適ったさらなる形成とを、以下、実施形態の説明に記載する。図面に示されているのは以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】高いピストン頂部を備えるピストンの図である。
【図２】図１に示すピストンのピストン頂部の断面図である。
【図３】図２の詳細部ＩＩＩを拡大して示す図である。
【図４】既知の構成方法によるシリンダ・ピストン集成装置であって、ピストンが変形されていない装置の部分図である。
【図５】図４に示す集成装置の、ピストンが変形されているものを示す。
【図６】本発明に係るシリンダ・ピストン集成装置であって、ピストンが変形されていない装置の部分図である。
【図７】図６に示す集成装置の、ピストンが変形されているものを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の主な応用分野は、大型エンジン、特に２サイクル大型ディーゼルエンジンであって、通常は船舶駆動装置あるいは大型の定置式発電所の駆動装置として用いられる。しかしながら本発明はこれに限定されるものではない。前記の種類のエンジンは通常、複数のシリンダを含んでおり、当該シリンダのそれぞれがピストンを有している。当該ピストンは対応する燃焼室を画定し、当該燃焼室は通常、下方から上方に向かって軸方向に掃気される。このときピストンには下降行程時に燃焼圧力が、上昇行程時に圧縮圧力が、上方から加えられるため、ピストンが長手方向にいかなる運動を行っても、その間、当該ピストンには上側にガス圧が供給されている。
【００１５】
このとき、ピストンは、多くの場合において、高いピストン頂部を有している（ハイトップランド型式）。このようなピストン１が図１に示されている。図に示す実施例では、ピストン１は、ピストンロッド３の上端部に設けられている下部２と、ピストン頂部４として表されるとともに、当該下部２に固定されている上部とを含んでいる。「ハイトップランド」とは、ピストン頂部４が下部２に対して比較的高いことを意味する。図に示す例において、ピストン頂部４は一つの部材から成っているが、ピストン頂部４を形成するために複数の部材を連続的に載置することも考えられる。ピストン頂部４には少なくとも一つのピストンリング溝５が設けられており、当該ピストンリング溝は対応するピストンリング６に対する支持部として用いられている。図に示す例では、複数のピストンリング溝５と、相応の数のピストンリング６とを備える構成が示されており、当該ピストンリングはいわゆるピストンリングパケットを形成している。単独もしくは複数のピストンリング溝５は、ピストン裾部の下方領域に、すなわち、ピストン頂部４の下縁に隣接する領域に設けられている。ピストン頂部４が複数の構成部材から構成されている限りにおいて、ピストンリング溝５は、単独の部材または複数の部材に対して設けられ得る。
【００１６】
図１に示されるピストン１はクロスヘッド型エンジンに属し、ピストン１はピストンロッド３を介して対応するクロスヘッドに連結されており、当該クロスヘッドは、コンロッドを介してクランク軸と協働する。本発明の主な応用分野は当該構成にあるが、本発明は当該構成に限定されるものではない。本発明に係る処置は、連結されたコンロッドを介してクランク軸と直接的に協働するピストンにおいて用いることもできる。
【００１７】
運転中、ピストン頂部４の上側には、ピストン頂部４によって画定されている燃焼室内で行われている燃焼によって、熱が供給される。同時にピストン頂部４は内側から冷却される。ピストン頂部４の内側には、このために熱を奪う冷却媒体が供給される。このために、ピストン１には冷却装置７が設けられていてよく、図１では、当該冷却装置が、例えばオイルや水のような好適な循環する冷却媒体のための、供給管および排出管によって示されている。
【００１８】
このように熱と冷却媒体とを供給することによって、ピストン頂部４を形成する材料内に、異なる温度を有する領域が生じる。その結果、図２に示されるように、ピストン頂部４の熱変形が生じる。このとき、ピストン頂部４は、当該ピストン頂部の周囲壁８が内側に凹面形状に湾曲するように変形されている。これによって、ピストン頂部４の下方領域に設けられている単独のピストンリング溝５もしくは複数のピストンリング溝５の、ピストン軸に比較的近い領域は、ピストン軸から径方向において遠く離れた溝領域に比べて、低い位置にあるという結果になる。これは、ピストンリング溝５の下方支持面の、径方向において外側、かつ、軸から遠い領域は、ピストンリング溝５の下方支持面の、径方向において内側、かつ、軸に近い領域に対して、高くずらされた位置にあることを意味する。このような理由から、ピストン頂部４の下方領域に設けられている単独のピストンリング溝５もしくは複数のピストンリング溝５、およびそれとともに特に当該ピストンリング溝の単独の下方支持面、もしくは複数の下方支持面は、図３において角βによって示されているように配向されている。すなわち、当該下方支持面が径方向内側から径方向外側に向かって上昇するように傾斜している。
【００１９】
単独のピストンリング溝５もしくは複数のピストンリング溝５の断面の形成は以下のように行われている。すなわち、それぞれ対応するピストンリング６に対して、協働する部材がいかなる温度あるいはいかなる歪みを有しているかに関わらず、当該ピストンリングの径方向内側の周面に、当該ピストンリングの上側に滞留するガス圧が加えられるように形成されている。それによって、当該ピストンリングの外側の周面は、シリンダライナー９の内側に確実に接触する。図４から７から明らかなように、ピストンリング６はこのために、径方向および軸方向の遊びを有して、それぞれ対応するピストンリング溝５内に設けられている。個々のピストンリング６の上方および背面側には、相応に間隙１０，１１が設けられており、当該間隙は互いに、かつ、ピストン頂部４の周面とシリンダライナー９の摺動面との間に設けられている周面側の間隙１２と連通している。間隙１２はピストン１の上側によって画定されている燃焼室と連通しており、それによって、燃焼室内の圧力は、間隙１２に形成され、また、間隙１０，１１にも形成される。このときピストンリングパケットのうち、最下のピストンリングは、端部が互いに重なり合う気密なピストンリングとして形成されていてよい。当該最下のピストンリングの上方に設けられているピストンリングは、好適に、スリット入りのピストンリングとして形成されている。
【００２０】
図４および図５に示されている周知の構成において、ピストンリング６は軸対称な矩形の断面を有している。同じことは、周囲温度、すなわち、運転温度を下回る温度にあるピストンリング溝５にも当てはまる。このときピストン頂部４は、図４に示されているように、変形されていない。
【００２１】
図５は、運転温度において変形されたピストン頂部４を示している。このときピストンリング溝５は、すでに述べた通り、径方向内側から径方向外側に向かって上昇するように傾斜している。このような状況において、上側に圧力が加えられた際に下方に移動されたピストンリング６は、まず、対応するピストンリング溝５の、シリンダライナー９に対向する縁１３によって支持される。すなわち、このとき、ピストンリング６はピストンリング溝５の径方向外縁１３に載置され、ピストンリング６の下側の下方に間隙１４が生じ、当該間隙は間隙１１，１０，１２と連通するので、ピストンリング６の下側の比較的大きな部分は、燃焼室内の圧縮圧力または燃焼圧力に曝されている。ピストンリング６の下側の支持が欠落していることによって、図５において二重矢印によって示されているように、ピストンリング６の捩れもしくはひねりが生じる。当該捩れもしくはひねりは、ピストンリング溝５の縁１３を形成する材料を速やかに磨耗させる。
【００２２】
上記のような現象を回避するために、ピストンリング６とピストンリング溝５とに対して、以下のような幾何学的な条件が設定される。すなわち、温度が上昇しても、ピストンリング溝５の下方支持面と、対向するピストンリング６であって、上側にガス圧が加えられていないピストンリングの下側との間に、上記のような間隙１４が生じず、図６および７に示されるように、ピストンリング６が上側のガス圧を加えられているとき、ピストンリング６の下側とピストンリング溝５の下方支持面との最初の接触は、常にまず、ピストン軸から比較的小さな距離を有しているピストンリング６の領域において行われるように、幾何学的な条件が設定される。いずれにしても、ピストン１の温度に関わらず、上方から圧力が加えられないピストンリング６において、径方向において内側のピストン軸に向かって開いてゆく間隙が生じてはならない。この点は特に、ピストン１の温度が運転温度に一致している場合に当てはまる。
【００２３】
図６および図７に示す実施形態において、ピストンリング６は台形状の断面を有している。当該台形状の断面は、軸対象の矩形断面と異なり、ピストンリング６の断面の下縁１６の少なくとも径方向内側の領域は、径方向内縁１７に対して斜めに延在し、このときピストンリング溝５の下方支持面に対して、角αの分だけ傾斜しており、それによって、図６から分かるように、径方向外側に向かって、本実施形態においては径方向内縁を起点として径方向外側に向かって、斜めの勾配が生じる。図に示す実施形態において、下縁１６の傾斜した領域は、ピストンリング６の全幅にわたって延在しており、それによって、ピストンリング６の下側は、径方向内側から径方向外側に向かって、常に上昇してゆく。従って、本発明に係るピストンリング６は、当該ピストンリングの径方向内縁領域が、当該ピストンリングの径方向外縁領域よりも厚い。このような厚みの差は１％〜５％の大きさであってよい。通常は、１％〜２％の厚みの差で十分であるため、１％〜２％の厚みの差が好ましい。
【００２４】
いずれにしても、ピストンリング６の下側の前記の勾配は、変形したピストン頂部４のピストンリング溝５の下方支持面の勾配よりも小さくはなく、好適にピストンリング溝５の下方支持面の勾配よりも大きい。この目的のために、通常、図６に示される角αは、図３に示される角βよりも大きく、それによって、運転条件においても、すなわち、ピストン頂部４が変形されていても、ピストンリング６の傾斜する下側とピストンリング溝５の傾斜する下方支持面との最初の接触は、常に、図７に示されるように、ピストン軸から比較的小さな距離を有しているピストンリング６の領域において、好ましくはピストンリング６の径方向内縁において、開始する。前記のような構成によって、ピストンリング６の下側と、ピストンリング溝５の対向する下方支持面との間に、径方向において径方向外側に向かって開いてゆく間隙が形成され、当該間隙のクリアランスは、図６と図７とを比較すると分かるように、ピストン温度が周囲温度から運転温度に上昇する際に減少するものの、当該クリアランスはピストンリング６に負荷がかかっていないとき、完全に消失してはいけない。
【００２５】
図６および図７に示す実施形態において、ピストンリング６のみが、傾斜した下側を備えており、従って台形状の断面を有している。ピストンリング溝５の断面は、本実施形態の場合、図６に示されるように、ピストン頂部４の運転温度を下回る周囲温度においては矩形であって、すなわち拡張が生じていない。ピストンリング６を、径方向外側領域よりも径方向内側領域における厚みが大きくなるように形成する代わりに、ピストンリング溝５の形成を以下のように行ってもよい。すなわち、当該ピストンリング溝のクリアランスは、運転温度を下回る周囲温度において、当該ピストンリング溝の径方向内縁領域よりも、径方向外縁領域における方が大きいようにピストンリング溝を形成する。クリアランスの差も、ピストンリング６の厚みの差に関して述べたように、１％〜５％、好ましくは１％〜２％の大きさであってよい。当然ながら、二つの手段、すなわち、径方向内側から径方向外側に向かって、ピストンリング６の厚みが減少することと、ピストンリング溝５のクリアランスが増大することとが実施されてもよい。このとき、ピストンリング溝５は、下方支持面のみが径方向外側に向かって下降するように傾斜しているか、あるいは、両方の支持面（上方および下方）が反対に傾斜しており、それによって下方の拡張と上方の拡張が生じるように形成されていてよい。
【００２６】
図６および図７において明らかな通り、ピストンリング溝５の下方支持面には好適に外装部もしくは補強部１８が設けられていてよい。図に示す実施形態においては、ピストンリング６の下側にも、外装部もしくは補強部１９が設けられている。これらの補強部のそれぞれは、ピストンリング溝５もしくはピストンリング６の全幅にわたって延在し得るが、通常は、図６および図７に示すように、ピストンリング溝５および／またはピストンリング６の単独の径方向内側領域もしくは複数の径方向内側領域のみが補強されていれば十分である。
【００２７】
複数のピストンリング６を有するピストンリングパケットにおいて、一つまたは複数の、あるいは好適に全てのピストンリング６は、上記の本発明に係る方法で安定させることができる。しかしながら、ピストンリングパケットのピストンリング６の一部または一つのみを本発明に係る方法で安定させ、残りの複数のピストンリング６もしくは残りの単独のピストンリング６は本発明に係る方法で安定させないことも考えられる。当然ながら、組み立て式ピストンにおいて、一つの部材が複数のピストンリング溝５を有している場合にも、同様のことが当てはまる。
【００２８】
経験上、異なるピストンリングの断面は、極めて類似している可能性があり、そのため、視覚的な方法で区別することは非常に困難であるか、むしろ、全く不可能である。従って、選択が必要な場合は、間違った選択が行われる恐れがある。しかしながら誤ったピストンリングの選択は深刻な結果をもたらし得る。同様のことは、ピストンもしくはピストンリング溝を有するピストン部材に当てはまる。ピストンもしくはピストンリング溝を有するピストン部材においても、異なるピストンリング溝の断面は非常に似ているので、同様に視覚による選択は困難であり、それによって誤った選択を行う危険がある。従って、好適に、ピストンリング側および／またはピストン側および／またはピストン部材側に付けられたマーキングが設けられていてよい。当該マーキングは、ピストンリングおよび／またはピストンおよび／またはピストン部材を一義的に同定するために記憶されたデータを含んでいる。この場合、好適に無線自動識別マーキングであってよい。
【００２９】
船級協会あるいは他の組織、例えば国際海事機関によって行われる、ピストンリングおよび／またはピストンおよび／またはピストン部材の受け入れ検査に関連して、環境保護規則などに関して蓄積されてゆくデータの量は、経験上、増大の一途をたどっている。それによって、刻印などを介して設けることは、極めて面倒であろうし、もしくは、実際には不可能である。従ってマーキングは好適に、非接触式に取り付け可能および／または読み取り可能なマーキングとして形成されている。
【００３０】
マーキングは、好適には、運転条件下で温度が１８０℃またはそれを下回る温度に保持され得る領域に設けられる。当該温度は、経験上、ピストンリングおよび／またはピストンの下側で行われる、対応するピストンリング溝もしくは下方のピストン領域の支持面の集中的な冷却の結果として、当該ピストンリングおよび／またはピストンの下側におけるものと予想される。従って、マーキングは、好適には、ピストンリングもしくはピストンの下側に設けられている。マーキングを含んでいるデータ媒体は、好適には、平坦かつ細長い外形を有しており、それによってピストンリングもしくはピストンの平坦かつ閉鎖された縁部の凹所内に設けることが可能である。それによって、互いに接触する部材が相互に当接することおよび密閉すること、および柔軟性が妨げられない。マーキングをピストンの下側に設けることは、さらに、データを設けるもしくは補足するために、またはデータを読み取るために、対応するシリンダライナーの掃気スリットを介して通過可能なマーキング機器および／または読み取り機器が使用できるという有利点を有する。このように、データの補足は、例えば検査の後に容易に行うことができる。
【００３１】
通常は、新たなエンジンを製造する際にすでに、本発明に係るピストンリング溝を有する、本発明に係る新しいピストンリングおよび／またはピストンもしくはピストン部材が用いられるが、このような部材を、使用されたエンジンに、例えば保守整備および／または修理などの際に組み込み、それによって品質を向上させることも想定される。
【００３２】
以上は、本発明の好適な実施形態を詳しく述べたものであるが、すでに示されたように、本発明は当該実施形態に限定されるものではない。本発明は以下の請求の範囲において特定されている。
【符号の説明】
【００３３】
１  ピストン
２  下部
３  ピストンロッド
４  ピストン頂部
５  ピストンリング溝
６  ピストンリング
７  冷却装置
８  周囲壁
９  シリンダライナー
１０  上方間隙
１１  背面側間隙
１２  周面側間隙
１３  径方向外縁
１４  下方間隙
１５  捩れ方向もしくはひねり方向
１６  下縁
１７  径方向内縁
１８  補強部
１９  補強部
【図１】
2011523004.tif 000003
【図２】
2011523004.tif 000004
【図３】
2011523004.tif 000005
【図４】
2011523004.tif 000006
【図５】
2011523004.tif 000007
【図６】
2011523004.tif 000008
【図７】
2011523004.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成21年11月18日(2009.11.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第一の発明の思想では、少なくとも一つのピストンリングを安定させるための方法に関する。当該ピストンリングは、径方向および軸方向に遊びを有して、往復動内燃機関のピストンの、対応するピストンリング溝に受容可能であり、当該ピストンリングの径方向外側の周面は、ピストンを収容するシリンダライナーの摺動面に当接させることができ、当該ピストンリングの径方向内側の周面には、当該ピストンリングの上側に滞留するガス圧を加えることができる。当該ピストンリングおよび／またはピストンリング溝の断面の形成は、負荷のない状態、あるいは上側のガス圧による負荷がほとんどない状態であって、比較的冷たい状態において、ピストンリングの下側が、対応するピストンリング溝の対向する下方支持面に、当該ピストンリングの下側のピストン軸に対向する領域において接触するとともに、当該領域を起点として、当該ピストンリングの下側と、ピストンリング溝の対向する下方支持面との間に、径方向において径方向外側に向かって、高さ方向において開いてゆく間隙が形成されるように行われる。
【０００２】
本発明はさらに、それぞれ少なくとも一つのピストンリング溝を有してなる、ピストンリング、ピストンおよび／またはピストンを作製するための部材として、前記の方法を実施するための手段と、前記の方法の使用とに関する。
【背景技術】
【０００３】
往復動内燃機関のピストンには、運転中に、当該ピストンの外側であって燃焼室に隣接する表面領域において熱が供給され、当該ピストンは、当該ピストンの内側の表面領域において、循環する冷却媒体によって冷却される。このとき異なる温度の領域が生じる。当該温度差によってピストンの熱変形が生じ、周囲壁が内側に凹面形に変形され、それによってピストンの下部領域に配置されている個々のピストンリング溝は、シリンダ壁に向かって斜め上方に延在することになる。このとき従来のピストンリングおよびピストンリング溝の構成方法では、すなわち、ピストンリングおよびピストンリング溝の断面が矩形である場合、外側に向かって斜め上方に傾斜するピストンリング溝に配設されるピストンリングは、当該ピストンリング溝の、シリンダ壁に隣接する縁部を形成する材料に当接し、それによって、ピストンリングの下側の比較的大きい部分に、当該ピストンリングの径方向内側の周面に滞留するガス圧が加えられるという状況が生じる。このような理由から、ピストンリングは当該ピストンリングの上側かつ径方向内側の周面に滞留するガス圧によっては、安定化されない。その理由は、当該ピストンリングの下側の比較的大きい部分もまた、当該ガス圧に曝されているからである。ピストンリングの下側に支持がないことによって、ピストンリングとシリンダライナーの表面との摩擦の結果、ピストンリングの捩れもしくはひねりが生じる。当該捩れもしくはひねりは、前記の摩擦力に比例する。当該捩れもしくはひねりの結果、ピストンリング溝の磨耗が早まり、それに応じてピストンの寿命が短くなる。それによって、保守整備コストが嵩むことになる。
【０００４】
特許文献１から知られているピストンリング構造体においては、負荷のない状態で、ピストンリングの下側とピストンリング溝の下方支持面との間に、径方向外側に向かって、高さ方向において開いてゆく間隙が設けられている。このとき、当該間隙は、ピストンが熱い場合も、冷たい状態の場合と同様に存在することが前提となっている。しかしながら、上記のように熱変形によってピストンの変形が引き起こされることを考慮すると、この前提は成り立たない。むしろ、冷たい状態で存在する間隙は、ピストンが運転温度に加熱されると、消失する恐れがある。それによって、ピストンリングは上方から行われる圧力供給によって、まずピストンリング構の径方向外縁に当接し、それによって前記の不利点が生じる。さらにこの場合、ピストンリングの開きが妨げられるとともに、後続のピストンリングへの圧力供給が妨げられる恐れがある。従って、全体として磨耗の恐れが大きくなる。
【０００５】
特許文献２にはピストンが開示され、当該ピストンの上部ピストンリング構は運転温度に加熱されると変形し、それによって、ピストンリング溝の下方支持面の径方向外側であり、かつ、軸から離れた領域は、径方向内側であり、かつ、軸に近い領域に対して、下方に向かってずらされており、その結果、径方向において外側に向かって、ピストンリング溝の下方支持面の下方に向けられた斜面が生じる。ピストンのこのような熱変形の調整は、当該文献において、ピストンリング下側が、加熱されたピストンのピストンリング溝の対応する支持面の斜面と一致する傾斜を有しており、それによって、ピストンが熱いとき、隙間を有さずに対応する支持面に当接することによって行われる。
【０００６】
同様のことは、特許文献３に記載の構成にも当てはまる。当該文献に記載されたピストンにおいて、運転温度に加熱された際の熱変形によって、ピストンリング溝の下方支持面の径方向外側であり、かつ、軸から離れた領域は、ピストンリング溝の径方向内側であり、かつ、軸に近い領域に対して、高さがずらされているが、当該文献においても、熱変形は、対応するピストンリングの下側が傾斜しており、それによって、運転温度に加熱されたピストンにおいて、ピストンリングが隙間を有さずに対応する支持面に当接することによって補償される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０１１８９１０号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第６１３１５０３号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００６／０２６６３２２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、本発明は前記の不利点を回避するとともにピストンの長い寿命を保証することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、以下のような提案がなされる。すなわち、上側にガス圧が加えられていないピストンの温度が、冷たい周囲の状態から運転運度まで上昇するとき、ピストンの少なくとも一つのピストンリング溝の、下方支持面の径方向外側であり、かつ、軸から離れた領域は、径方向内側であり、かつ、軸に近い領域に対して、高さがずらされているピストンであって、ピストンリング溝の下方支持面と、対応するピストンリングの下側との間で、径方向において径方向外側に向かって開いてゆく間隙の高さが、当該間隙の冷たい状態における高さに対して減少しているピストンにおいて、ピストンリングおよびピストンリング溝の断面は、運転条件に応じた高い温度において、ピストンリング溝を含むピストン領域に生じる熱変形を補償するために、相応に形成されており、それによって、前記間隙は、ピストンリングが上側からガス圧を供給されない状態で、温度が上昇した場合でも、径方向においてピストン軸に向かって開いてゆかず、ピストンリング溝の断面は、前記間隙を確定する形状を備える要素がいかなる温度であり、かつ、いかなる変形を生じても、ピストンリングの、径方向内側の周面において、当該ピストンリングの上側に滞留するガス圧が加えられるように構成される。
【００１０】
上記の処置によって、以下の点が確実になる。すなわち、不都合な基本条件においても、例えば、高いピストン頂部を備えるとともに、ピストン裾部の下縁部にピストンリング溝が設けられているピストンであって、当該ピストンリング溝は熱い状態で、熱変形のために、径方向外側に向かって上昇するように延在するピストンにおいて、ピストンリングに上方から圧力が加えられる場合、ピストンリングの下側とピストンリング溝の対向する下方支持面との最初の接触は、少なくともピストンリングの下側の、ピストン軸に対向する領域において開始され、ピストンリングが、ピストンリング溝の下方支持面の径方向外縁に乗ることは避けられる。従って上方からガス圧が加えられるピストンリングは、最初の接触箇所を起点として、徐々にピストンリング溝の下方支持面に当接するので、温度にかかわらず、上方からのガス圧が圧力面全体に作用し、それによって、ピストンリング溝の下方支持面に対して、ピストンリングの下側が安定させられる。ピストンリングの下側と、対応するピストンリング溝の対向する下方支持面との間に形成される間隙が、いかなる状況においても径方向内側に向かって開かないように、常に径方向外側に向かって開いてゆくように配慮することによって、ピストンリング溝は好適に、軸方向においても十分な大きさになり得る。それによっていかなる場合でも、ピストンリングの径方向内側の周面に対して、当該ピストンリングの上側に滞留する圧力を加えることが確実に行われ、それによって、ピストンリングを確実に開くことが保証される。
【００１１】
ピストンリングの下側とピストンリング溝の対向する下方支持面との最初の接触は、好適に、ピストンリングの径方向内縁領域において行われる。これによって確実となるのは、ピストンリングの下側のどの部分にも、上側および径方向内側の周面に滞留するガス圧が加えられないことであり、それによってピストンリングの安定化は極めて確実に行われる。
【００１２】
さらなる有利な処置は以下の通りである。すなわち、ピストンリングの下側の勾配は、変形したピストンの対応するピストンリング溝の下方支持面の、上方に向かって傾斜する勾配よりも大きい。これによって確実となるのは、ピストンリングの下側と、対応するピストンリング溝の下方支持面との最初の接触が、常に望むように行われることである。
【００１３】
上位の処置のさらなる有利な構成は、以下のようなものである。すなわち、ピストンリングの下側と、好適にピストンリング溝の下方支持面とが、少なくとも当該ピストンリング溝の、単独もしくは複数の径方向内縁領域において、補強されている。
【００１４】
図面に基づいて、上位の処置のさらなる有利な構成と、目的に適ったさらなる形成とを、以下、実施形態の説明に記載する。図面に示されているのは以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】高いピストン頂部を備えるピストンの図である。
【図２】図１に示すピストンのピストン頂部の断面図である。
【図３】図２の詳細部ＩＩＩを拡大して示す図である。
【図４】既知の構成方法によるシリンダ・ピストン集成装置であって、ピストンが変形されていない装置の部分図である。
【図５】図４に示す集成装置の、ピストンが変形されているものを示す。
【図６】本発明に係るシリンダ・ピストン集成装置であって、ピストンが変形されていない装置の部分図である。
【図７】図６に示す集成装置の、ピストンが変形されているものを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の主な応用分野は、大型エンジン、特に２サイクル大型ディーゼルエンジンであって、通常は船舶駆動装置あるいは大型の定置式発電所の駆動装置として用いられる。しかしながら本発明はこれに限定されるものではない。前記の種類のエンジンは通常、複数のシリンダを含んでおり、当該シリンダのそれぞれがピストンを有している。当該ピストンは対応する燃焼室を画定し、当該燃焼室は通常、下方から上方に向かって軸方向に掃気される。このときピストンには下降行程時に燃焼圧力が、上昇行程時に圧縮圧力が、上方から加えられるため、ピストンが長手方向にいかなる運動を行っても、その間、当該ピストンには上側にガス圧が供給されている。
【００１７】
このとき、ピストンは、多くの場合において、高いピストン頂部を有している（ハイトップランド型式）。このようなピストン１が図１に示されている。図に示す実施例では、ピストン１は、ピストンロッド３の上端部に設けられている下部２と、ピストン頂部４として表されるとともに、当該下部２に固定されている上部とを含んでいる。「ハイトップランド」とは、ピストン頂部４が下部２に対して比較的高いことを意味する。図に示す例において、ピストン頂部４は一つの部材から成っているが、ピストン頂部４を形成するために複数の部材を連続的に載置することも考えられる。ピストン頂部４には少なくとも一つのピストンリング溝５が設けられており、当該ピストンリング溝は対応するピストンリング６に対する支持部として用いられている。図に示す例では、複数のピストンリング溝５と、相応の数のピストンリング６とを備える構成が示されており、当該ピストンリングはいわゆるピストンリングパケットを形成している。単独もしくは複数のピストンリング溝５は、ピストン裾部の下方領域に、すなわち、ピストン頂部４の下縁に隣接する領域に設けられている。ピストン頂部４が複数の構成部材から構成されている限りにおいて、ピストンリング溝５は、単独の部材または複数の部材に対して設けられ得る。
【００１８】
図１に示されるピストン１はクロスヘッド型エンジンに属し、ピストン１はピストンロッド３を介して対応するクロスヘッドに連結されており、当該クロスヘッドは、コンロッドを介してクランク軸と協働する。本発明の主な応用分野は当該構成にあるが、本発明は当該構成に限定されるものではない。本発明に係る処置は、連結されたコンロッドを介してクランク軸と直接的に協働するピストンにおいて用いることもできる。
【００１９】
運転中、ピストン頂部４の上側には、ピストン頂部４によって画定されている燃焼室内で行われている燃焼によって、熱が供給される。同時にピストン頂部４は内側から冷却される。ピストン頂部４の内側には、このために熱を奪う冷却媒体が供給される。このために、ピストン１には冷却装置７が設けられていてよく、図１では、当該冷却装置が、例えばオイルや水のような好適な循環する冷却媒体のための、供給管および排出管によって示されている。
【００２０】
このように熱と冷却媒体とを供給することによって、ピストン頂部４を形成する材料内に、異なる温度を有する領域が生じる。その結果、図２に示されるように、ピストン頂部４の熱変形が生じる。このとき、ピストン頂部４は、当該ピストン頂部の周囲壁８が内側に凹面形状に湾曲するように変形されている。これによって、ピストン頂部４の下方領域に設けられている単独のピストンリング溝５もしくは複数のピストンリング溝５の、ピストン軸に比較的近い領域は、ピストン軸から径方向において遠く離れた溝領域に比べて、低い位置にあるという結果になる。これは、ピストンリング溝５の下方支持面の、径方向において外側、かつ、軸から遠い領域は、ピストンリング溝５の下方支持面の、径方向において内側、かつ、軸に近い領域に対して、高くずらされた位置にあることを意味する。このような理由から、ピストン頂部４の下方領域に設けられている単独のピストンリング溝５もしくは複数のピストンリング溝５、およびそれとともに特に当該ピストンリング溝の単独の下方支持面、もしくは複数の下方支持面は、図３において角βによって示されているように配向されている。すなわち、当該下方支持面が径方向内側から径方向外側に向かって上昇するように傾斜している。
【００２１】
単独のピストンリング溝５もしくは複数のピストンリング溝５の断面の形成は以下のように行われている。すなわち、それぞれ対応するピストンリング６に対して、協働する部材がいかなる温度あるいはいかなる歪みを有しているかに関わらず、当該ピストンリングの径方向内側の周面に、当該ピストンリングの上側に滞留するガス圧が加えられるように形成されている。それによって、当該ピストンリングの外側の周面は、シリンダライナー９の内側に確実に接触する。図４から７から明らかなように、ピストンリング６はこのために、径方向および軸方向の遊びを有して、それぞれ対応するピストンリング溝５内に設けられている。個々のピストンリング６の上方および背面側には、相応に間隙１０，１１が設けられており、当該間隙は互いに、かつ、ピストン頂部４の周面とシリンダライナー９の摺動面との間に設けられている周面側の間隙１２と連通している。間隙１２はピストン１の上側によって画定されている燃焼室と連通しており、それによって、燃焼室内の圧力は、間隙１２に形成され、また、間隙１０，１１にも形成される。このときピストンリングパケットのうち、最下のピストンリングは、端部が互いに重なり合う気密なピストンリングとして形成されていてよい。当該最下のピストンリングの上方に設けられているピストンリングは、好適に、スリット入りのピストンリングとして形成されている。
【００２２】
図４および図５に示されている周知の構成において、ピストンリング６は軸対称な矩形の断面を有している。同じことは、周囲温度、すなわち、運転温度を下回る温度にあるピストンリング溝５にも当てはまる。このときピストン頂部４は、図４に示されているように、変形されていない。
【００２３】
図５は、運転温度において変形されたピストン頂部４を示している。このときピストンリング溝５は、すでに述べた通り、径方向内側から径方向外側に向かって上昇するように傾斜している。このような状況において、上側に圧力が加えられた際に下方に移動されたピストンリング６は、まず、対応するピストンリング溝５の、シリンダライナー９に対向する縁１３によって支持される。すなわち、このとき、ピストンリング６はピストンリング溝５の径方向外縁１３に載置され、ピストンリング６の下側の下方に間隙１４が生じ、当該間隙は間隙１１，１０，１２と連通するので、ピストンリング６の下側の比較的大きな部分は、燃焼室内の圧縮圧力または燃焼圧力に曝されている。ピストンリング６の下側の支持が欠落していることによって、図５において二重矢印によって示されているように、ピストンリング６の捩れもしくはひねりが生じる。当該捩れもしくはひねりは、ピストンリング溝５の縁１３を形成する材料を速やかに磨耗させる。
【００２４】
上記のような現象を回避するために、ピストンリング６とピストンリング溝５とに対して、以下のような幾何学的な条件が設定される。すなわち、温度が上昇しても、ピストンリング溝５の下方支持面と、対向するピストンリング６であって、上側にガス圧が加えられていないピストンリングの下側との間に、上記のような間隙１４が生じず、図６および７に示されるように、ピストンリング６が上側のガス圧を加えられているとき、ピストンリング６の下側とピストンリング溝５の下方支持面との最初の接触は、常にまず、ピストン軸から比較的小さな距離を有しているピストンリング６の領域において行われるように、幾何学的な条件が設定される。いずれにしても、ピストン１の温度に関わらず、上方から圧力が加えられないピストンリング６において、径方向において内側のピストン軸に向かって開いてゆく間隙が生じてはならない。この点は特に、ピストン１の温度が運転温度に一致している場合に当てはまる。
【００２５】
図６および図７に示す実施形態において、ピストンリング６は台形状の断面を有している。当該台形状の断面は、軸対象の矩形断面と異なり、ピストンリング６の断面の下縁１６の少なくとも径方向内側の領域は、径方向内縁１７に対して斜めに延在し、このときピストンリング溝５の下方支持面に対して、角αの分だけ傾斜しており、それによって、図６から分かるように、径方向外側に向かって、本実施形態においては径方向内縁を起点として径方向外側に向かって、斜めの勾配が生じる。図に示す実施形態において、下縁１６の傾斜した領域は、ピストンリング６の全幅にわたって延在しており、それによって、ピストンリング６の下側は、径方向内側から径方向外側に向かって、常に上昇してゆく。従って、本発明に係るピストンリング６は、当該ピストンリングの径方向内縁領域が、当該ピストンリングの径方向外縁領域よりも厚い。このような厚みの差は１％〜５％の大きさであってよい。通常は、１％〜２％の厚みの差で十分であるため、１％〜２％の厚みの差が好ましい。
【００２６】
いずれにしても、ピストンリング６の下側の前記の勾配は、変形したピストン頂部４のピストンリング溝５の下方支持面の勾配よりも小さくはなく、好適にピストンリング溝５の下方支持面の勾配よりも大きい。この目的のために、通常、図６に示される角αは、図３に示される角βよりも大きく、それによって、運転条件においても、すなわち、ピストン頂部４が変形されていても、ピストンリング６の傾斜する下側とピストンリング溝５の傾斜する下方支持面との最初の接触は、常に、図７に示されるように、ピストン軸から比較的小さな距離を有しているピストンリング６の領域において、好ましくはピストンリング６の径方向内縁において、開始する。前記のような構成によって、ピストンリング６の下側と、ピストンリング溝５の対向する下方支持面との間に、径方向において径方向外側に向かって開いてゆく間隙が形成され、当該間隙のクリアランスは、図６と図７とを比較すると分かるように、ピストン温度が周囲温度から運転温度に上昇する際に減少するものの、当該クリアランスはピストンリング６に負荷がかかっていないとき、完全に消失してはいけない。
【００２７】
図６および図７に示す実施形態において、ピストンリング６のみが、傾斜した下側を備えており、従って台形状の断面を有している。ピストンリング溝５の断面は、本実施形態の場合、図６に示されるように、ピストン頂部４の運転温度を下回る周囲温度においては矩形であって、すなわち拡張が生じていない。ピストンリング６を、径方向外側領域よりも径方向内側領域における厚みが大きくなるように形成する代わりに、ピストンリング溝５の形成を以下のように行ってもよい。すなわち、当該ピストンリング溝のクリアランスは、運転温度を下回る周囲温度において、当該ピストンリング溝の径方向内縁領域よりも、径方向外縁領域における方が大きいようにピストンリング溝を形成する。クリアランスの差も、ピストンリング６の厚みの差に関して述べたように、１％〜５％、好ましくは１％〜２％の大きさであってよい。当然ながら、二つの手段、すなわち、径方向内側から径方向外側に向かって、ピストンリング６の厚みが減少することと、ピストンリング溝５のクリアランスが増大することとが実施されてもよい。このとき、ピストンリング溝５は、下方支持面のみが径方向外側に向かって下降するように傾斜しているか、あるいは、両方の支持面（上方および下方）が反対に傾斜しており、それによって下方の拡張と上方の拡張が生じるように形成されていてよい。
【００２８】
図６および図７において明らかな通り、ピストンリング溝５の下方支持面には好適に外装部もしくは補強部１８が設けられていてよい。図に示す実施形態においては、ピストンリング６の下側にも、外装部もしくは補強部１９が設けられている。これらの補強部のそれぞれは、ピストンリング溝５もしくはピストンリング６の全幅にわたって延在し得るが、通常は、図６および図７に示すように、ピストンリング溝５および／またはピストンリング６の単独の径方向内側領域もしくは複数の径方向内側領域のみが補強されていれば十分である。
【００２９】
複数のピストンリング６を有するピストンリングパケットにおいて、一つまたは複数の、あるいは好適に全てのピストンリング６は、上記の本発明に係る方法で安定させることができる。しかしながら、ピストンリングパケットのピストンリング６の一部または一つのみを本発明に係る方法で安定させ、残りの複数のピストンリング６もしくは残りの単独のピストンリング６は本発明に係る方法で安定させないことも考えられる。当然ながら、組み立て式ピストンにおいて、一つの部材が複数のピストンリング溝５を有している場合にも、同様のことが当てはまる。
【００３０】
経験上、異なるピストンリングの断面は、極めて類似している可能性があり、そのため、視覚的な方法で区別することは非常に困難であるか、むしろ、全く不可能である。従って、選択が必要な場合は、間違った選択が行われる恐れがある。しかしながら誤ったピストンリングの選択は深刻な結果をもたらし得る。同様のことは、ピストンもしくはピストンリング溝を有するピストン部材に当てはまる。ピストンもしくはピストンリング溝を有するピストン部材においても、異なるピストンリング溝の断面は非常に似ているので、同様に視覚による選択は困難であり、それによって誤った選択を行う危険がある。従って、好適に、ピストンリング側および／またはピストン側および／またはピストン部材側に付けられたマーキングが設けられていてよい。当該マーキングは、ピストンリングおよび／またはピストンおよび／またはピストン部材を一義的に同定するために記憶されたデータを含んでいる。この場合、好適に無線自動識別マーキングであってよい。
【００３１】
船級協会あるいは他の組織、例えば国際海事機関によって行われる、ピストンリングおよび／またはピストンおよび／またはピストン部材の受け入れ検査に関連して、環境保護規則などに関して蓄積されてゆくデータの量は、経験上、増大の一途をたどっている。それによって、刻印などを介して設けることは、極めて面倒であろうし、もしくは、実際には不可能である。従ってマーキングは好適に、非接触式に取り付け可能および／または読み取り可能なマーキングとして形成されている。
【００３２】
マーキングは、好適には、運転条件下で温度が１８０℃またはそれを下回る温度に保持され得る領域に設けられる。当該温度は、経験上、ピストンリングおよび／またはピストンの下側で行われる、対応するピストンリング溝もしくは下方のピストン領域の支持面の集中的な冷却の結果として、当該ピストンリングおよび／またはピストンの下側におけるものと予想される。従って、マーキングは、好適には、ピストンリングもしくはピストンの下側に設けられている。マーキングを含んでいるデータ媒体は、好適には、平坦かつ細長い外形を有しており、それによってピストンリングもしくはピストンの平坦かつ閉鎖された縁部の凹所内に設けることが可能である。それによって、互いに接触する部材が相互に当接することおよび密閉すること、および柔軟性が妨げられない。マーキングをピストンの下側に設けることは、さらに、データを設けるもしくは補足するために、またはデータを読み取るために、対応するシリンダライナーの掃気スリットを介して通過可能なマーキング機器および／または読み取り機器が使用できるという有利点を有する。このように、データの補足は、例えば検査の後に容易に行うことができる。
【００３３】
通常は、新たなエンジンを製造する際にすでに、本発明に係るピストンリング溝を有する、本発明に係る新しいピストンリングおよび／またはピストンもしくはピストン部材が用いられるが、このような部材を、使用されたエンジンに、例えば保守整備および／または修理などの際に組み込み、それによって品質を向上させることも想定される。
【００３４】
以上は、本発明の好適な実施形態を詳しく述べたものであるが、すでに示されたように、本発明は当該実施形態に限定されるものではない。本発明は以下の請求の範囲において特定されている。
【符号の説明】
【００３５】
１  ピストン
２  下部
３  ピストンロッド
４  ピストン頂部
５  ピストンリング溝
６  ピストンリング
７  冷却装置
８  周囲壁
９  シリンダライナー
１０  上方間隙
１１  背面側間隙
１２  周面側間隙
１３  径方向外縁
１４  下方間隙
１５  捩れ方向もしくはひねり方向
１６  下縁
１７  径方向内縁
１８  補強部
１９  補強部
【国際調査報告】
2011523004.tif 000010
2011523004.tif 000011
2011523004.tif 000012
2011523004.tif 000013