(57)【要約】１６０〜６５０ｍｍの直径Ｄを有する内燃ディーゼル機関のピストン１アセンブリ。アセンブリは、頂部部分２、本体部分３、及び頂部部分２と本体部分３の間の冷却空洞２３を備え、頂部部分２は、シリンダＣ内に装着されると燃焼室のピストン１の側面を画定する。本体部分３は、ピストンピン４用の開口３０および使用中にピストン１とピストンピン４の間で力を分散させるボス３２を有し、本体部分３が、内部部分３３、およびボス３２の外面３４とシリンダＣの仮想境界により画定されるへこみ３４０を有する外面３４を有し、冷却空洞２３が、頂部部分２と本体部分３の間の中空空間であり、一定量のピストン冷却流体を導入でき、頂部部分２の内側は、ピストン冷却流体が頂部部分２の中央領域に沿って流れ中央領域を冷却するための内部冷却表面２５を形成し、本体部分が、冷却流体の導管３７を備え、導管３７が、へこみ３４０と冷却空洞２３との間に延びる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１６０〜６５０ｍｍのピストン直径（Ｄ）を有する内燃ディーゼル機関のピストン（１）アセンブリであって、該ピストン（１）アセンブリが、頂部部分（２）、本体部分（３）、および前記頂部部分（２）と前記本体部分（３）との間に配置された冷却空洞（２３）を備え、
前記頂部部分（２）は、前記内燃ディーゼル機関のシリンダ（Ｃ）内に装着されると、燃焼室の前記ピストン（１）の側面を画定するようになっており、
前記本体部分（３）が、ピストンピン（４）のための開口（３０）、および使用中に前記ピストン（１）と前記ピストンピン（４）との間で力を分散させるためのボス（３２）を有し、前記本体部分（３）が、内部部分（３３）、および前記ボス（３２）の外面（３４）と前記内燃ディーゼル機関の前記シリンダ（Ｃ）の仮想境界とによって画定されるへこみ（３４０）を有する外面（３４）を有し、
前記冷却空洞（２３）が、前記頂部部分（２）と前記本体部分（３）との間の中空空間として配置され、前記中空空間に、前記ピストンアセンブリ（１）から余分の熱を除去するための一定量のピストン冷却流体を導入することができるようになっており、
前記頂部部分（２）の内側は、ピストン冷却流体が前記頂部部分（２）の中央領域に沿って流れて該中央領域を冷却するための内部冷却表面（２５）を形成するように配置される、ピストン（１）アセンブリにおいて、
前記本体部分が、前記冷却流体の導管（３７）を備え、前記導管（３７）が、前記へこみ（３４０）と前記冷却空洞（２３）との間に延びることを特徴とするピストンアセンブリ。
【請求項２】
前記導管（３７）が、前記へこみ（３４０）の頂部壁（３４１）に配置された入口（３７１）を有することを特徴とする請求項１に記載されたピストンアセンブリ。
【請求項３】
前記導管入口（３７１）が、前記導管（３７）の前記冷却流体流取込み部分を形成するための受入要素（３７３）を備え、それにより注入される冷却流体の流れを前記導管（３７）に、さらには前記冷却空洞（２３）に取り込み導くようになっていることを特徴とする請求項１に記載されたピストンアセンブリ。
【請求項４】
前記受入要素（３７３）がじょうご形状を有するか、穴状開口であるか、又は他の形状を有することを特徴とする請求項３に記載されたピストンアセンブリ。
【請求項５】
導管出口（３７２）が、前記冷却空洞の前記本体部分（３）側部分が前記冷却流体のための容積部を有する鉢を形成する位置で、前記冷却空洞（２３）に配置されることを特徴とする請求項１に記載されたピストンアセンブリ。
【請求項６】
前記本体部分（３）、前記頂部部分（２）、又は前記本体部分と前記頂部部分との間の境界（３５）が、前記冷却流体を前記冷却空洞（２３）から前記内部冷却表面（２５）へ流出させるための流出導管（３８）を備えることを特徴とする請求項１に記載されたピストンアセンブリ。
【請求項７】
前記導管出口（３７２）及び前記流出導管（３８）は、定常状態で前記冷却空洞（２３）が前記冷却空洞（２３）の総容積に対して２５％〜６５％の範囲の充満度で冷却流体を収容できる鉢を形成する位置で前記冷却空洞（２３）に配置されることを特徴とする請求項５及び請求項６に記載されたピストンアセンブリ。
【請求項８】
前記導管出口（３７２）及び前記流出導管（３８）は、使用中の前記ピストンアセンブリ（１）の往復ストロークによって前記冷却空洞（２３）内で前記冷却流体に対する攪拌効果が生じ、１つの順方向ストローク及び１つの逆方向ストロークからなる１サイクルの間に一定量の冷却流体を前記冷却空洞（２３）に流入させ、且つ、流出させることができる位置で前記冷却空洞（２３）に配置されることを特徴とする請求項５及び請求項６に記載されたピストンアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃焼機関の分野に関するものであり、より詳細には、ピストンの直径が１６０ｍｍ〜６５０ｍｍの内燃ディーゼル機関用のピストンアセンブリに係るものである。このピストンアセンブリは、頂部部分、本体部分、および頂部部分と本体部分との間に配置された冷却空洞を備え、
頂部部分は、機関のシリンダ内に装着されると、燃焼室のピストン側面を画定し、
本体部分は、ピストンピンのための開口、および使用中にピストンとピストンピンとの間で力を分散させるためのボスを有し、本体部分は、内部部分、およびボスの外面と機関のシリンダの仮想境界とによって画定されるへこみを有する外面を有し、
冷却空洞は、頂部部分と本体部分との間の中空空間として配置され、この中空空間に、ピストンアセンブリから余分の熱を除去するための一定量のピストン冷却流体を導入することができ、
頂部部分の内側は、ピストン冷却流体が頂部部分の中央領域に沿って流れ、この中央領域を冷却するための内部冷却表面を形成するように配置される。
【背景技術】
【０００２】
大型内燃機関は、船舶推進システムなどの動力源として、発電装置における厳しい動力供給に広く使用されている。
【０００３】
大型内燃機関では、シリンダの排気量を変えずに機関からの出力を大きくすることが求められてきている。目的の１つは、出力率を高くし、その一方で機関によって生じる排出を低減させることである。この目的を達成する方法の１つは、動作中のシリンダ圧を高くすることである。一方、これらの大型機関の信頼性も同じく改善しなければならない。すなわち、動作中のどのような故障も極めて望ましくない。そのため、ピストンを始めとするこれらの機関のすべての部品の開発が必要となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的の１つは、ピストンの直径の範囲が１６０ｍｍ〜６５０ｍｍである大型内燃ディーゼル機関用のピストンを提供することである。本発明の目的は、長期間にわたって高い動作シリンダ圧に耐えることのできるピストンを提供することである。
【０００５】
とりわけ、内燃ディーゼル機関の高い出力率における疲労に耐える能力は、本発明の目的の１つである。この厳しい要求に応じたピストンを開発する技術的課題だけでなく、ピストン生産の経済的な面も同じく考慮しなければならない。ピストンは、ピストン１個当たりの単位価格が高すぎないように製造されることが好ましい。したがって、製造コストと技術的卓越性の均衡を考慮しなければならない。大型ピストンの現在の市場では、この製品は、高価すぎてはならず、それと同時に可能な限り技術的に知覚できない、すなわち、何の問題もなく機関の全寿命にわたって動作すべきものである。
【０００６】
本発明の他の目的は、通常は温度がより高いことを意味する増大したシリンダ圧に耐えることのできる頂部部分および本体部分を備えたピストンアセンブリを提供することである。ピストンアセンブリは、ピストン温度を許容可能な温度に効果的に維持するための冷却空洞を内部に有するように構成される。したがって目的の１つは、ピストンアセンブリを冷却するための有効な方法を提供することである。また、本発明の目的は、機関の内部工程で消費される動力を低減することによって機関の効率を改善することである。一般に、この目的は、製造コストを低減し、且つ、機関設計を単純化することであり、機関設計を単純にすることにより、ピストンアセンブリ、ピストンピン又は連接棒の耐疲労性を改善することも可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のピストンアセンブリは、本体部分が前記冷却流体を流す導管を備え、前記導管がへこみと冷却空洞との間に延在することを特徴としている。
【０００８】
冷却流体用の導管が提供される場合、導管は、へこみと冷却空洞との間に延び、ボスのためのへこみを介して、注入又はジェット式の構造によって、外部すなわちピストンの外側から冷却空洞に冷却流体を提供することができる。このへこみ型のピストンは、一般に箱型ピストンと呼ばれており、ピストン（又は本体部分）のスリーブが、従来の丸いスリーブ型よりも箱の形に似ている。へこみは、ピストンの仮想円筒形状からへこみ、ボスの外面と機関のシリンダによって形成される仮想境界とによって画定される。へこみは、注入される冷却流体のための空間を提供し、また、冷却流体を冷却空洞に送るためのこの経路は、ピストン設計及び同じく機関設計にいくつかの有効な効果を与える。先ず第１に、連接棒、ピストンピン及び本体部分を通して冷却流体を供給する通常の全ての導管を回避することができる。したがって、設計が単純化される。これらの可動部品は、運転中の機関のピストンの往復運動によって生じる加速度にさらされる。いくつかの機関では、この加速度は、場合によっては２００Ｇを超えることがある（１Ｇは９．８１ｍ／ｓ２）。冷却流体がこれらの部品を通して流される場合、冷却流体ポンプを設計する際に加速度を考慮しなければならない。これは、実際には、流体流に対する加速度の影響を克服するために冷却流体ポンプが余分のエネルギーを消費することを意味する。したがって、内部有効性を改善し、又は機関の内部工程によって消費される動力を低減するという目的が達成される。また、連接棒を介して、又は連接棒のすぐそば、すなわちピストンの内部又はドームに対して、連接棒と本体部分のスリーブとの間に注入することにより、冷却空洞又はピストンアセンブリの内部に冷却流体を送る必要がない場合、外部経路は、ピストンピン、連接棒及び本体部分の設計及び寸法の自由度が大きくなる。
【０００９】
導管は、へこみの頂部壁に配置された入口を有していることが好ましい。この位置を使用することにより、導管を極めて短くすることができ、また、注入される冷却流体を極めて容易に導管に取り込むことができる。導管入口は、導管の冷却流体流取込み部分を形成するための受入要素を備えることができ、それにより注入される冷却流体の流れを導管に、さらには冷却空洞に取り込み導くことができる。この受入要素は、じょうご形状に形成できるか若しくはじょうご形状を有することができ、あるいは穴のような開口であるか、又は他の対応する形を有する。このような形状にする目的は、注入される冷却流体が、へこみ又は可動ピストンとシリンダとの間の隙間にではなく、冷却空洞に流入することを保証することである。
【００１０】
ピストンアセンブリは、冷却空洞の本体部分側が冷却流体のための容積部を有する鉢を形成する位置で導管出口が冷却空洞に配置されるように設計されることが好ましい。また、本体部分、頂部部分、又は本体部分と頂部部分の間の境界は、冷却流体を冷却空洞から内部冷却表面、すなわちピストン内の内部部分又はドームへ流出させるための流出導管を備えていることが好ましい。この構造によって、流れが外部領域から流入し、且つ、ピストンアセンブリの内側に出て、連接棒、さらにはクランク軸ケーシングに向かうように、所定の方向の一定の流れが存在するように冷却流体流を決定することができる。
【００１１】
また、導管の断面積は、所望の流量に従って決定することが可能である。また、いわゆる油溝としての油通路の形成が本体部分又はピストンピン表面で回避される場合、ピストンピンの軸受表面積を広くすることができる。軸受表面積の増加は、表面圧力を小さくするように耐疲労性に直接影響を及ぼすが、それに加えて負荷を増加させることもできる。
【００１２】
本体部分と頂部部分との間の冷却空洞に冷却油を供給するためには、油の必要な冷却容量に応じて特定の直径又は断面積になるように導管を設計しなければならない。導管部分における流量を決定する要因の１つは、一次油ポンプなどの冷却流体ポンプの容量であるが、導管の方向及び運転中の機関のピストンの往復運動によって生じる加速度も同じく要因の１つである。いくつかの機関では、この加速度は、場合によっては２００Ｇを超えることがあり（１Ｇは９．８１ｍ／ｓ２）、加速度の方向に対する導管の方向は、冷却流体の流れに著しく影響を及ぼす。
【００１３】
この文脈では、冷却空洞は、ピストンの頂部部分と本体部分との間の中空空間を意味しており、シリンダ内の燃料の燃焼によって生じる余分の熱を除去するために一定量のピストン冷却流体（通常は潤滑油）を導入することができる。冷却空洞は、頂部部分と本体部分との間の境界に対して環状形状にされることが好ましい。冷却空洞は、冷却流体を冷却空洞に供給するための１つの導管のみを有することも、或いは多数の導管を有することも可能である。この数は、必要な冷却容量に基づいて決定することができる設計パラメータである。出口通路も同様である。導管出口及び流出導管は、定常状態では冷却空洞が冷却空洞の総容積に対して２５％〜６５％の範囲の充満度で冷却流体を収容することができる鉢を形成するような位置で冷却空洞に配置されることが好ましい。この範囲の冷却容量が極めて最適であり、ピストンアセンブリは、冷却空洞内で冷却流体を攪拌する作用を行い、且つ、極めて有効な方法で冷却作用を実施する。上記で言及した定常状態とは、機関が運転中であり（既にある時間にわたって運転中であり、したがって機関部品の温度が安定している）、ピストンアセンブリが運転中の機関の加速度にさらされ、頂部部分が上方を向き、ピストンアセンブリの中心軸線が鉛直方向に配向された状況を意味している。
【００１４】
以下、本発明について、添付の図を参照して詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ピストンアセンブリの概観を示す図。
【図２】冷却流体入口の位置のいくつかの選択肢が示されたピストンアセンブリの具体例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１には、１６０〜６５０ｍｍのピストン直径Ｄを有する内燃ディーゼル機関のピストン１のアセンブリが示されている。ピストン１のアセンブリは、頂部部分２及び本体部分３と、頂部部分２と本体部分３との間に配置された冷却空洞２３とを備える。
頂部部分２は、機関のシリンダＣ内に装着されると（機関が運転中の場合、ピストンアセンブリの運動の方向は、ピストンアセンブリの中心軸線ＣＡに沿う）、燃焼室のピストン１の側面を画定する。
本体部分３は、ピストンピン４のための開口３０と、使用中にピストン１とピストンピン４との間で力を分散させるためのボス３２とを有し、本体部分３は、内部部分３３を有し、ボス３２の外表面３４は、外部表面３４と機関のシリンダの仮想境界とによって画定されるへこみ３４０を有する。
冷却空洞２３は、頂部部分２と本体部分３の間の中空空間として配置され、この中空空間に、ピストンアセンブリから余分の熱を除去するための一定量のピストン冷却流体を導入することができる。頂部部分２の内部は、ピストン冷却流体が頂部部分２の中央領域に沿って流れ、この中央領域を冷却するための内部冷却表面２５を形成するように配置される。
本体部分は、冷却流体の導管３７を備え、この導管３７は、へこみ３４０と冷却空洞２３との間に延びている。
【００１７】
図１では、導管３７は、頂部部分２の側のへこみ３４０の壁３４１に配置された入口３７１を有している。導管入口３７１は、導管３７の冷却流体流取込み部分を形成するための受入要素３７３を備えており、それにより注入される冷却流体の流れが（機関のノズルＬから）導管３７に、さらには冷却空洞２３に取り込まれ導かれる。この受入要素３７３はじょうご形状を有しているか、穴のような開口であるか、或いは他の形状を有することができる。
【００１８】
図１では、さらに、導管出口３７２は、冷却空洞の本体部分側が冷却流体を入れるための容積部を有する鉢を形成する位置で冷却空洞に配置される。一例によれば、導管出口３７２及び流出導管は、定常状態（機関が通常モードで運転中である）では、冷却空洞の総容積の２５％〜６５％の冷却流体を冷却空洞が収容できる鉢を形成する位置で冷却空洞に配置される。この構成は、機関が運転中に、特定の量の冷却流体が冷却空洞２３の内部に存在すること、及び、冷却容量が適切であることを保証することを目的としている。
【００１９】
機関を運転している間、冷却流体の量は一定に維持される。すなわち、冷却空洞に流入する冷却流体の体積量は流出量と同じである。したがって導管出口３７２及び流出導管３８は、使用中、ピストンの往復ストロークによって冷却空洞内で冷却流体を攪拌する効果が生じ、１つの順方向ストローク及び１つの逆方向ストロークからなる１サイクルの間に一定量の冷却流体を冷却空洞に流入させ、且つ、流出させることができるような位置で冷却空洞に配置される。また、流れの方向が設計した方向を維持すること、すなわち、冷却流体が入口３７１から流入し、且つ、入口導管３７を介してではなく、流出導管３８から流出することを維持することも同様に有利である。
【００２０】
本体部分３、頂部部分２、又は本体部分と頂部部分との間の境界３５には、冷却流体を冷却空洞２３から内部冷却表面へ流出させるための流出導管３８が設けられる。この内部冷却表面は、ほとんどの例では頂部部分２の内部部分又はドーム部である。冷却空洞は、通常、環状リングの形状であるため、内部冷却表面は、頂部部分２の中央領域の冷却を引き受ける。
【００２１】
図２には、連接棒及びピストンピン（図には示されていないが垂直配向に配置されている）の方向から見たピストンアセンブリ１が示されている。図に示されているピストンアセンブリ１は、箱型ピストン構成のピストンアセンブリ１であり、締付けボルト２０で本体部分３に締め付けられた頂部部分２が存在している。本体部分３は、ピストンアセンブリ１から連接棒（図示せず）へ力を分散させるためのボス３２を備えている。ボス３２は、ピストンアセンブリ１の概ね円形の形状からへこんでいる３４０。箱型構成の本体部分３は、頂部部分２の近傍に円形の輪郭を有しているが、ボス３２によって、またスリーブ３６によってより方形の輪郭を有している。しかし、スリーブ３６の円周上では、ボス３２の近傍の領域は（箱のように）より平らであり、ピストンピンの方向に直角のスリーブ３６の領域は、通常の運転隙間の距離で機関のシリンダの形状を追従している。
【００２２】
図２に示されたピストンアセンブリは、連接棒の方向から見たものであるため、導管３７は、へこみ３４０と冷却空洞２３（図２には示されていない）との間に延在し、へこみ３４０の頂部（又はその近傍の）壁３４１に位置しており、この視点では図２の平面内に存在している。図２に示された３つの導管３７及び導管入口３７１は、同等な選択肢（オプション）として示されており、導管入口を配置することができる異なる可能位置のうちの３つのみが図示されている。実際の位置は機関の設計により決定される。したがって、その位置は本発明では議論しない。必要に応じて、例えば本体部分の他のへこみに複数の導管３７／導管入口３７１を配置させることも可能である。また、頂部壁は、ピストンアセンブリの中心軸線ＣＡに対して直角の平面に存在させることも、或いは何らかの方向に傾斜させることも可能である。導管入口３７１の直径は、冷却流体の流れを導管３７内に取り込むことができる十分な大きさであり、且つ、導管入口３７１が本体部分３の総合設計、強度、耐久性、機械加工性などに過剰な影響を及ぼさないように十分に小さくなる範囲内で選択することができる。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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