(57)【要約】【課題】中央が盛り上がったピストンクラウンもしくはドーム状に形成された冷却室を備えるピストンにおいて、ピストンクラウンの冷却を高い信頼性で行えるようにする。【解決手段】特に２サイクル大型ディーゼルエンジン用のピストンであって、ピストンロッド(1)の上フランジ(9)に取り付けられたピストン上部(2)を備え、このピストン上部は、その周囲を環状に囲むピストンスカート(4)につながるピストンクラウン(3)を備え、このクラウンは中央冷却室(8)を覆っており、この室には、ピストンロッド内に配置されたサプライライン(10)を介してクーラントを噴射することができ、このクーラントは、ライン(10)の半径方向外側に設けられたリターンライン(11)を介して運び去ることができるようになっているピストン。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クロスヘッドエンジン、特に２サイクル大型ディーゼルエンジン用のピストンであって、ピストンロッド(１)の上端部に取り付けられたピストン上部(２)を備え、このピストン上部は、その周囲を環状に囲むピストンスカート(４)につながるピストンクラウン(３)を備え、このピストンクラウンは中央冷却室(８)を覆っており、この中央冷却室には、ピストンロッド内に配置されたサプライライン(１０)を介してクーラントを噴射することができ、このクーラントは、サプライライン(１０)の半径方向外側に設けられたリターンライン(１１)を介して運び去ることができ、
ピストンロッド(１)の上端部には、中央が盛り上がった冷却室(８)内に設けられたプラグ(１７)が配置されており、このプラグは、サプライライン(１０)に連絡している、ピストンクラウン(３)の内側に向けた、それぞれピストンクラウン(３)の冷却対象の内側の一つのゾーンに割り当てられたノズル(２１)を備え、クーラント回収空間を形成するリング状空間(２２)に囲まれていることを特徴とするピストン。
【請求項２】
請求項１に記載のピストンであって、ピストンクラウン(３)の内側の全ての領域にノズル(２１)が割り当てられていることを特徴とするピストン。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のピストンであって、ピストンクラウン(３)の内側の単位面積当りにそれぞれ設けられているノズル(２１)の数が、それぞれの熱負荷に応じて選択されていることを特徴とするピストン。
【請求項４】
請求項３に記載のピストンであって、インジェクションの際に燃料噴射を受けるピストンクラウン(３)の領域は、その他の領域よりもノズル密度が高いことを特徴とするピストン。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のピストンであって、ノズル(２１)からの噴射を受けるピストンクラウン(３)の内側は、滑らかで分割されていない表面を持つことを特徴とするピストン。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のピストンであって、ノズル(２１)の軸が、向かい合うピストンクラウン(３)の内側表面に対して、それぞれ略直角に延びていることを特徴とするピストン。
【請求項７】
請求項６に記載のピストンであって、ノズル(２１)の軸が、向かい合うピストンクラウン(３)の内側表面に対して、９０°±１０°の角度をなして延びていることを特徴とするピストン。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のピストンであって、ノズル(２１)が、向かい合うピストンクラウン(３)の内側表面から、それぞれノズルの直径の４〜７倍の距離だけ離れていることを特徴とするピストン。
【請求項９】
請求項８に記載のピストンであって、ノズル(２１)と、向かい合うピストンクラウン(３)の内側表面との距離がそれぞれ２０〜３０ｍｍであることを特徴とするピストン。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のピストンであって、周囲を環状に囲むピストンスカート(４)には望ましくは軸に平行なピストンボア(１３)が設けられており、これらのピストンボアには、クーラント回収空間を形成しているリング状空間(２２)から出て、斜め上に向かう接続ボア(１４)を介して、クーラントを供給できるようになっていることを特徴とするピストン。
【請求項１１】
請求項１０に記載のピストンであって、各冷却ボア(１３)には少なくとも一つの接続ボア(１４)が割り当てられていることを特徴とするピストン。
【請求項１２】
請求項１０または請求項１１に記載のピストンであって、冷却ボア(１３)は、これら冷却ボアをつないでいる一つのリング状ダクト(１５)から上方に向かうが、このリング状ダクトはリターンライン(１１)に接続されていることを特徴とするピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クロスヘッドエンジン用の、特に２サイクル大型ディーゼルエンジン用のピストンに関するものであり、ピストンロッドの上端部に取り付けられたピストン上部を備え、このピストン上部は、その周囲を環状に囲むピストンスカートにつながる上ピストンクラウンを備え、この上ピストンクラウンは中央冷却室を覆っており、この中央冷却室には、ピストンロッド内に配置されたサプライラインを介してクーラントを噴射することができ、このクーラントは、サプライラインの半径方向外側に設けられたリターンラインを介して運び去られる。
【背景技術】
【０００２】
このような構造は特許文献１から知られている。この公知の構造においては、ピストンロッドの中央ボアにより形成されたサプライラインの上端から、クーラントジェットが出ており、このクーラントジェットは、ピストンクラウンの内側の中ほどの領域に噴射される。このピストンクラウンは中央が凹んでいる。そのため、冷却室の上部仕切りの輪郭は中央から半径方向外側に向かって高くなっている。このとき、ピストンクラウンの中央に噴射されたクーラントは、ピストンの上昇運動の減速の際に半径方向外側に向かって分配されるため、ピストンクラウン全体が冷却される。
【０００３】
また、中央が盛り上がったピストンクラウンを持つピストンも知られており、たとえば特許文献２に記載されている。ピストンクラウンの中央が盛り上がっているため、冷却室の上仕切りの輪郭は半径方向外側に向かって低くなっている。上述の方法と同じ方法で冷却する場合、クーラントは、ピストンの上昇運動の減速の際に、半径方向外側に向かって分配されるのではなく、中央が盛り上がったピストンクラウンにより形成されたドームの中央の領域に溜まる。しかし、この場合、ピストンクラウンの半径方向において、より外側の領域を高い信頼性で冷却することができないという危険性がある。
【０００４】
特許文献３には、ピストンクラウンの下にある冷却室を備えるピストンが記述されており、この冷却室の上仕切りも同様に中央で盛り上がっており、ドーム状に形成されている。ここでは冷却室を覆うピストンクラウンには冷却ボアが設けられているが、この冷却ボアはピストンクラウンの面全体に分配されており、冷却室から出て、ピストン軸に対して傾斜している。冷却室内にはプラグが設けられており、このプラグは、サプライラインと接続しているディストリビュータチャンバを仕切っており、またこのプラグには、ここから出てそれぞれ割り当てられた冷却ボアにつながるノズルが備わっており、このノズルから、それぞれ割り当てられた冷却ボアにクーラントが噴射される。ここで不利であるのは、ピストンの下降運動の際にクーラントが冷却ボア内に入り込んで、そこに留まって実質的に充填液を形成してしまい、この充填液のために、ノズルから噴射されるジェットにブレーキがかかり、このジェットの噴射が十分でないために冷却作用に悪影響を及ぼすことである。それとは別に、ここではノズルはボア軸に同軸には配置されておらず、ボア軸に向かって傾いているため、ここから出たジェットは、それぞれ割り当てられたボアの側壁に噴射され、そのためボアボトムの冷却に悪影響を与える。
【特許文献１】独国特許発明第199 62 325号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第198 15 919号明細書
【特許文献３】欧州特許第07 47 591号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そのため、本発明の課題は、上記構成を、簡単かつ低コストな方法で改善して、中央が盛り上がったピストンクラウンもしくはドーム状に形成された冷却室を備えるピストンにおいても、ピストンクラウンの冷却を高い信頼性で行えるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題は、本発明により、ピストンロッドの上端に、中央が盛り上がった冷却室内に置かれたプラグを配置し、このプラグに、ピストンクラウンの内側に向けられ、サプライラインに連絡するノズルを持たせ、プラグの周囲を、クーラント回収空間を構成するリング状空間で取り囲むことにより解決できる。
【０００７】
冷却対象のピストンクラウン内側のそれぞれ一つのゾーンに割り当てられたノズルにより、ピストンクラウンの内側表面全体にクーラントを十分に噴射することができる。ピストンクラウンの内側表面に噴射されるジェットは、好適な方法により強力であるため、その前の噴射によるクーラントの残留膜が除去され、新しいクーラントが、冷却対象のピストンクラウン内側表面に十分に接触できるため、それにより、クーラントの冷却能力がフルに利用される。ピストンクラウンの内側表面に噴射されたジェットは、ここでジェット軸に対して半径方向に延びる冷却ベールを形成し、この冷却ベールが隣の冷却ベールのゾーン境界に接するためにクーラントの乱流が生じ、この乱流により大きな熱移動が行われ、そのため層流の場合よりも冷却効果が高まる。ノズルにより噴射を受ける表面を流れ落ちるクーラントは、プラグを取り囲む回収空間に回収されるが、慣性力が働くために上死点の領域におけるピストン上昇運動の減速のたびに上方に飛ばされ、それにより追加的にピストンクラウンが噴射を受け、また、それによりピストンクラウンが追加的に冷却される。
【０００８】
上位の手段の好適な構成および目的にかなった発展形態は従属請求項から理解できる。
【０００９】
ノズルからの噴射を受けるピストンクラウンの内側は平滑で分割されていないことが目的にかなっている。このことは、半径方向に拡大する冷却ベールの形成およびクーラント乱流の発生にとって好都合である。
【００１０】
もう一つの好適な方法としては、ピストンクラウンの内側の単位面積当りに設けられるノズルの数を、それぞれの熱負荷に応じて選択することが挙げられる。たとえばインジェクション領域など、熱負荷が高い領域には、熱負荷が低い領域より多くのノズルが割り当てられている。それにより、好適な方法で、大きな局所的温度差をならすことができる。
【００１１】
上位の方法のもう一つの発展形態においては、ノズルの軸が、ピストンクラウンの内側のそれぞれ割り当てられた表面に、ほぼ直角に延びるようにすることも可能である。このことは、冷却ベールを半径方向に均一に拡大させ、それによりピストンクラウンの内側表面に高い信頼性で接触させるために有利である。
【００１２】
ノズルと、それぞれ割り当てられたピストンクラウンの内側表面との間隔は、ノズル直径の４〜７倍にすることが目的にかなっている。それにより、高い信頼性でジェットを円錐形に噴射することができ、このことはさらに、半径方向に拡大する冷却ベールの形成に役立つ。
【００１３】
上位の方法のもう一つの発展形によると、周囲を環状に囲むピストンスカートには、軸に平行に延びる冷却ボアを設けることができ、これらの冷却ボアには、クーラント回収空間から出て、上方に向かう接続ボアを介してクーラントを供給することができる。プラグを取り囲んでいる回収空間があるために、好適な方法で、追加的に冷却室の上部仕切りにクーラントが噴射されるだけでなく、冷却室の上部仕切りが縁に向かって下がっているにもかかわらず、冷却ボアに高い信頼性でクーラントを供給することができ、このクーラントは、その後、リターンラインを介して運び去ることができる。
【００１４】
上位の方法のもう一つの好適な実施形態および目的にかなった発展形態は、残りの従属請求項に記載されており、図を用いた以下の説明から、さらに詳しく理解できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の主な利用分野は、船舶の駆動などに用いられるクロスヘッド式２サイクル大型ディーゼルエンジンである。このようなエンジンの構造と動作方法自体は公知である。
【００１６】
図１に示されたピストンは、ピストンロッド１を介して、詳しく示していないクロスヘッドに連接されている。このピストンにはピストン上部２が備わっており、このピストン上部には、燃焼室の方を向いたピストンクラウン３、および周囲を環状に囲み、ピストンクラウン３の外側縁を支えているピストンスカート４が備わっており、このピストンスカートにはピストン下部５が取り付けられている。ピストン上部２は、ピストンロッド１の上端の領域に設けられたフランジ６に載せ置かれている。そのために、周囲を環状に囲むピストンスカート４には、半径方向内側に、シール２４の中間接続を介してフランジ６に載せられた、周囲を環状に取り囲むウェブ７が設けられており、このウェブはピストンクラウン３とともに、ピストンクラウン３に割り当てられた、ピストン上部２の中央冷却室８の仕切りを形成している。ピストンロッドには、フランジ６の上に延びるジャーナル９が含まれており、このジャーナルは冷却室８内に嵌められて、その下端を形成している。
【００１７】
冷却室８の領域において厚さがほぼ同じであるピストンクラウン３は、中央で盛り上がっているためにドーム状の形状をしている。そのため、ピストンクラウン３の内側に形成された冷却室８の上仕切りも同様の形状となっている。
【００１８】
冷却室８にはクーラントを噴射することができる。そのためにピストンロッド１には、冷却室８に割り当てられた、クーラント供給可能なサプライライン１０および、このサプライラインの外側に配置されたリターンライン１１が備わっている。サプライライン１０は、ピストンロッド１の中央ボア内に挿入されたパイプ１２により形成され、このパイプの周囲は、リターンライン１１を形成するリング状ダクトにより囲まれている。サプライライン１０に供給されたクーラントには一定の圧力をかけることができる。リターンライン１１には圧力はかかっていない。
【００１９】
ピストンスカート４の外側の領域には、その円周上に分配された、望ましくは軸に平行な冷却ボア１３が備わっており、これらのボアは、それぞれ割り当てられた接続ボア１４を介してクーラントが噴射される冷却室８に接続されている。各冷却ボア１３には少なくとも一つの接続ボア１４が割り当てられている。軸に平行な冷却ボア１３は、これら冷却ボアをつないでいる、ピストン下部５により下が塞がれているリング状ダクト１５から出ると、フランジ６内を半径方向に延びるブランチボア１６を介してリターンライン１１に連絡している。ブランチボア１６はリング状ダクト１５の底より少し上に配置されている。
【００２０】
ピストンロッド１の上端、つまり本図では冷却室８の下を仕切っているピストンロッド１のジャーナル９に、冷却室８に設置されたプラグ１７が載せられており、このプラグは、リターンライン１１を形成するリング状ダクトを、このリング状ダクトに嵌め込まれたリングジャーナル１８により閉じており、このリングジャーナルの中央ボア１９には、サプライライン１０を収めたパイプ１２が嵌め込まれている。ボア１９は、プラグ１７内に設けられたディストリビュータ室２０に連絡しており、このディストリビュータ室にはプラグ１７内に配置されたノズル２１が接続されており、これらのノズルは冷却室８内に突き出している。ノズル２１は、単純に、プラグ１７に取り付けられたパイプ部分として構成することもできる。
【００２１】
ノズル２１を形成する上記パイプ部分の端は、ピストンクラウンの内側、つまり、冷却室８の上の仕切りに向けられており、このとき、ノズル軸は、それぞれ割り当てられた噴射面に対してほぼ直角である。ノズル２１と、それぞれ割り当てられた噴射面との距離は２０〜３０ｍｍである。この距離は、通常、ノズル直径、つまりノズル２１を形成するパイプ部分の内法直径の４〜７倍である。
【００２２】
プラグ１７の直径は冷却室８の内法幅より小さい。そのため、プラグ１７の周囲にリング状空間２２が生じる。このリング状空間は、冷却室８の壁から流れ落ちるクーラントを回収する回収空間として機能する。接続ボア１４はリング状空間２２から出て、ここから斜め上に向かっている。リング状空間２２を完全に空にするために、このリング状空間は、底と同レベルから出る、比較的小さな断面を持つドレンライン２３により、リターンライン１１につながっている。ドレンライン２３の断面を小さくして、通常の運転中に、ここには大きなバイパス流が生じないよう、つまり、特筆すべきクーラント損失が生じないようすることができる。エンジンが停止した状態において、たとえば１時間単位という長めの時間内に、リング状空間２２の排液が行えれば十分である。したがって、４〜７ｍｍというドレンラインの内法幅は全く十分である。上述した方法により、保守作業中にピストン上部２を取り外しても、クーラントがリング状空間２２から溢れ出すことを確実に防ぐことができる。
【００２３】
サプライライン１０にクーラントが供給されると、サプライラインはノズル２１から、図２および図３において矢印で示されたクーラントジェットを噴射し、このクーラントジェットは、それぞれ向かい側にある、ピストンクラウン３の内側の壁領域に到達して、この領域を冷却する。ノズル２１はこのとき、各ノズル２１が、ピストンクラウン３の内側表面の割り当てられたゾーンに噴射するよう配置されている。このとき、ノズル２１の分布は、ピストンクラウン３の内側表面の全体に、クーラントが高い信頼性で噴射されるように選択されている。ピストンクラウン３内の温度差をできるだけ小さくするため、または温度差が生じるのを防ぐために、ノズル２１の分布は、熱負荷の高い表面領域により多くのノズル２１を割り当てるように選択することができる。そのため、たとえば噴射された燃料がかかるピストンクラウン３の領域には、同じ大きさのその他の領域よりもノズル２１の数を多く割り当てることができる。
【００２４】
既に述べたように、ノズル２１の軸は、それぞれ割り当てられたピストンクラウン３の内側表面の噴射面に対して、ほぼ直角、つまり９０°±１０°の角度で配置されている。ピストンクラウン３の内側表面に到達したジェットは、そこにまだ残っているクーラント膜を取り除き、それにより、冷却対象の表面とよく接触することができる。ジェットは、この表面上に、半径方向に大きく広がっていく冷却ベールを形成する。この冷却ベールが半径方向にうまく均一に拡大するのを助けるために、ピストンクラウン３の内側表面はできるだけ滑らかで、分割されていない構造になっている。半径方向に広がる冷却ベールが交差するところにおいては乱流が発生し、この乱流はピストンクラウン３からクーラントへの熱伝達に、そして冷却効果に役立つ。同じことが、上述のノズル距離についても言え、このノズル距離により、ジェットを効率的に円錐形に形成できる。
【００２５】
クーラントとしては、既知の方法では水または望ましくはオイルの形の冷却剤が使われる。ノズル２１を備えるプラグ１７により、冷やされた表面から戻ってきたクーラントがサプライライン１２に戻るのを防ぐことができる。そのため、常に新しいクーラントが準備されている。冷やされた表面から戻ってきたクーラントは、プラグ１７を取り囲むリング状空間２２に溜まり、このリング状空間は、したがってクーラント回収空間を形成している。
【００２６】
冷却室８内に存在するクーラントは、ピストンの運動により生じる慣性力の影響を受ける。そのためクーラントには、場合に応じて上もしくは下に向かう慣性力が作用し、そのため、ピストンが方向転換する際、もしくは方向転換の前に起こるピストン減速の際に、ピストンに対するクーラントの相対運動が起こる。
【００２７】
ピストンの下降の際に、下死点の領域において減速すると、冷却室８内に含まれているクーラントは、図２で暗い色で示したように、リング状空間２２により形成された回収空間内に押し込まれる。クーラントはリング状ダクト１５の底にも溜まる。上昇の際にも、ピストンの上方への正の加速が起こっている限り、同様のことが言える。回収空間内に押し込まれたクーラントは接続ボア１４を介して出すことができる。回収空間から出て斜め上方に延びる接続ボア１４は、このとき、図２に矢印で示すように、それぞれ、割り当てられた冷却ボア１３に入っていくクーラントジェットを発生させるノズルを実質的に形成する。このとき接続ボア１４は、接続ボアの軸およびこの場合は発生させたクーラントジェットも、割り当てられた冷却ボア１３の上ボア端の近くにおいて向かい合う壁に到達し、それにより、冷却ボア１３の上端領域においてクーラントの動きが起こり、それにともない良好な冷却効果が達成されるように配置されている。冷却ボア１４内に存在するクーラントも同様に、ピストン上昇運動の減速の際にも下に向かって動き、それによりリング状ダクト１５は、バイパスライン１６のオーバーフローエッジまでクーラントで満たされる。
【００２８】
ピストンが上昇中に上死点に近づく際に減速すると、リング状空間２２に存在するクーラントはここから勢いよく噴出して、向かい側にある、冷却室８の上仕切りに噴射される。このことは図３に基づいて説明している。このようにして、図３でも暗い色で示したように、冷却室８の上仕切りにはクーラントが噴射され、それにより追加的に冷却される。冷却ボア１３内においてもクーラントが吹き上げられ、図３で、やはり暗い色の面で示したように上ボア壁に到達する。接続ボア１４内に存在するクーラントは、上に向かう力により、接続ボア１４から上に向かって押し出され、それにより強力なジェットが発生する。このとき、冷却ボア１３内およびこれらをつなぐリング状ダクト１５内に存在するクーラントも同様に上に向かって噴出させられ、それにより、燃焼室に近い冷却ボア１３の端部を追加的に冷却することができる。クーラントに作用する、上に向かう力は、ピストンが下に向かって正の加速をしている限り、ピストンの下降時にも作用している。
【００２９】
ピストンの方向転換およびさまざまに異なる加速により、冷却室８および冷却ボア１３内に存在するクーラントは、ここで説明したように、上下に勢いよく動かされるため常に動いている状態にあり、そのために冷却効果が強化される。同時に、これにより一定のポンプ効果が発生し、このポンプ効果によりクーラントは、接続ボア１４を介してリング状空間２２から冷却ボア１３に供給され、この冷却ボアからリング状ダクト１５およびブランチボア１６を介してリターンライン１１内に排出される。したがって上述の力は、高い信頼性でクーラント循環を行うことに役立っている。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明のピストンの半径方向断面図であり、クーラントが入っていない状態を示している。
【図２】図１の構造体にクーラントが入っており、下死点に到達したところを示す断面図である。
【図３】図１の構造体にクーラントが入っており、上死点に到達したところを示す断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  ピストンロッド
２  ピストン上部
３  ピストンクラウン
４  ピストンスカート
５  ピストン下部
６  フランジ
７  ウェブ
８  冷却室
９  ジャーナル
１０  サプライライン
１１  リターンライン
１２  パイプ
１３  冷却ボア
１４  接続ボア
１５  リング状ダクト
１６  ブランチボア
１７  プラグ
１８  リングジャーナル
１９  ボア
２０  ディストリビュータ室
２１  ノズル
２２  リング状空間
２３  ドレンライン
２４  シール
【図１】
2007107525.tif 000003
【図２】
2007107525.tif 000004
【図３】
2007107525.tif 000005