(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復ピストン式機関、とりわけ２サイクル大型ディーゼルエンジンであって、少なくとも一つのピストン（５）を有し、このピストン（５）には、前記ピストン（５）の対応するピストンリングノッチ（７）内に少なくとも一つのピストンリング（６）が配設され、前記ノッチは支持面（８）を有し、この支持面（８）は、前記ピストンリングに対応させて設けられているとともに、少なくとも半径方向外側の部分においてクロムのコーティング（１２）により強化されている往復式ピストン機関において、
前記ピストンリング（６）は、少なくとも前記支持面（８）に対向する下側の半径方向外側の部分に、オイルポケット（１３）と該オイルポケット（１３）に隣接する支え領域（１８）が形成されるように、複数の凹部（１４）が設けられてなり、これらの凹部（１４）に充填部材（１６）が配設され、前記充填部材（１６）は、前記ピストンリングの基材よりも低い耐摩耗性を有するアルミニウム青銅から成っており、該アルミニウム青銅は、９〜１１％のアルミニウム、０．５〜２％の鉄、及び残余分に銅を含有していることを特徴とする往復ピストン式機関。
【請求項２】
請求項１に記載の往復ピストン式機関において、
前記オイルポケット（１３）を形成するために設けられた複数の前記凹部は、少なくとも部分的に、互いに離間された複数の溝部（２０）から形成されていることを特徴とする往復ピストン式機関。
【請求項３】
請求項１または２に記載の往復ピストン式機構において、
前記オイルポケット（１３）を形成するために設けられた複数の前記凹部は、少なくとも部分的に、互いに離間された複数の止まり穴（２１）の形状を有し、これらの止まり穴（２１）は、配設された表面にわたって均一に分散されていることを特徴とする往復ピストン式機関。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の往復ピストン式機構において、
前記ピストンリング（６）の下側の半径方向内側の部分は、前記凹部が設けられていないことを特徴とする往復ピストン式機関。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の往復ピストン式機構において、
一つ又は複数のピストンリング（６）には、その外周側摺動面の部分に、一周する方向に延びる少なくとも一つの溝（２２）が設けられ、該溝（２２）は、配設された前記ピストンリング（６）の全周に沿ってオイルポケット（２３）を形成するように、シリンダヘッド（３）に臨む前記ピストンリング上側の面から、連続的に一周するウェブ（２４）によって分離されていることを特徴とする往復ピストン式機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも一つのピストンを有し、このピストンには、ピストンの対応するピストンリングノッチ内に少なくとも一つのピストンリングが配設され、このノッチは支持面を有し、この支持面は、前記ピストンリングに対応させて設けられているとともに、好ましくは少なくとも半径方向外側の部分においてクロムのコーティングにより強化されている往復ピストン式機関、とりわけ２サイクル大型ディーゼルエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ピストンリングに作用する力は、ピストンの上下動によってその方向が変化する。したがって、ピストンリングには、上下動が励起される。このため、ピストンリングノッチの支持面の半径方向外側の角部が非常に強く圧迫される結果となり、潤滑膜が損なわれかねない。こうして、滑らかさが失われ、著しい損耗が発生する。この問題を解決するために、これまで、特に半径方向外側の部分において支持面に強化膜を設ける試みが行なわれてきた。このとき、通常はクロムが用いられている。しかしながら、この場合ですら、上述したような損耗は発生し、このときクロムが用いられることが特にひどく不利に作用する。これについては、つまり、望むらくはクロム層の表面にクロムよりもはるかに高い硬度を有する薄いCrO層が形成されると考えられるものの、このCrO層が損なわれるや否や、遥かに柔らかいクロムが剥き出しとなり、さらに速い速度で摩耗が進行しうるのである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の事情に鑑み、本発明の課題は、ピストンリングノッチの支持面の部分の強い圧迫にもかかわらず、摩耗を低減した運転と、長い寿命とが得られるように、簡単でコストのかからない方法によって冒頭に述べた構成を改善することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明により、ピストンリングに、少なくとも支持面に対向する下側の半径方向外側の部分において、オイルポケットと該オイルポケットに隣接する支え領域を形成するように、複数の凹部が設けられ、これらの凹部に充填部材が配設され、この充填部材が、少なくとも部分的に、前記ピストンリングの基材の耐摩耗性とは異なった耐摩耗性を有するアルミニウム青銅から形成されることにより解決される。
【０００５】
新品の状態では、これらの凹部は、配設された充填部材によって完全に塞がれていてもよい。これにより、表面の加工が行ない易い滑らかで断面形状を持たない表面が得られることになる。しかしながら、柔らかい方の材料がより速く摩耗するので、すでに慣らし運転の間の初動動転時から、所望のオイルポケットが形成されていく。このとき、オイルポケットの深さは、所望の方法では非常に小さいものであるが、ピストンリングの摩耗が進行するにつれて、この摩耗に依存した範囲でオイルポケットが形成されて行き、これにより、全使用期間にわたって所望のオイルポケットが存在することになる。このオイルポケット内には、潤滑油を蓄えることができ、この潤滑油が、衝撃的に起きる圧迫の際に、オイルポケットを取り囲むピストンリングノッチの支持面とピストンリングの支え面との間のギャップに押し込まれる。オイルポケットは、比較的浅い深さを有し、したがって比較的小さい容量を有しているので、実際、薄い油膜がピストンリング表面全体にわたって広がる結果となり、これにより表面圧力が局所的に増加することがなくなる。以上述べてきたことから、本発明に係る解決手段によって冒頭に述べた問題が極めて簡単でコストのかからない方法によって解決されることが分かる。
【０００６】
上位請求項に係る解決手段による有用な実施形態、ならびに好適な発展態様は、下位従属項に記載されている。しかして、凹部の充填部材を形成する材料は、ピストンリングの基材より低い耐摩耗性、あるいは高い耐摩耗性を有することができる。前者の場合、オイルポケットは、充填部材が設けられる凹部の領域に形成されて行く。後者の場合、オイルポケットは、充填部材が設けられる凹部同志の間の領域に形成されて行く。前者の場合、支持面から脱落した材料は、比較的柔らかい充填材料の中に押し込まれ、その結果、そこに固定することができる。この方法によれば、斯かる材料片が動き回ることを阻止することができ、かくして動く材料片によって引き起こされる破損を防ぐことができる。後者の場合、ピストンリングの基材よりも遥かに硬い材料を選ぶことができて、その結果、摩耗の進行が非常にゆっくりとした速度でのみ進行するようになる。
【０００７】
ピストンリングの基材よりも柔らかい充填材料として、アルミニウム、鉄、及び銅を含有しているアルミニウム青銅を好適に用いることができる。ピストンリングの基材よりも硬い充填材料を形成するには、アルミニウム、鉄、マンガン、シリコン、炭素、及び銅を含有しているアルミニウム青銅を好適に用いることができる。
【０００８】
上述の特徴のさらなる実施形態において、複数の上記凹部は、少なくとも部分的に、互いに離間された複数の溝部、及び／又は、配設される表面にわたって均一に分散された複数の止まり穴から形成されている。前者の場合、比較的容易に形成され、後者の場合、配設された表面毎にわたってとりわけ良好な分散が達成される。
【０００９】
さらに有用な解決手段によれば、ピストンリング下側の半径方向内側の部分に、凹部を設けないようにできる。ガスの通り抜けを防ぐような効果は、ピストンリング下側の半径方向内側の部分では外側の部分におけるよりもより遅く摩耗するような凹部の充填部材によっても得られるが、上記の方法により、望まずしてガスが通り抜けてしまうのを特に確実に防ぐことが可能となる。
【００１０】
上位請求項に係る解決手段のさらなる有用な実施形態、及び好適な発展態様は、他の下位請求項に与えられており、図面を参照した以下の実施形態から理解することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、往復ピストン式機関、とりわけ、往復ピストン式内燃機関に用いられ、クロスヘッド型の構成による低速の２サイクル大型ディーゼルエンジンに好適に用いられる。斯かる装置の構造や仕組みは、それ自体周知なので、ここではこれ以上説明する必要はない。
【００１２】
図１に示される２サイクル大型ディーゼルエンジンのシリンダは、吸気スロット１が設けられたシリンダライナ２を有し、このシリンダライナ２の上には、一部のみ図示されたシリンダヘッド３が、ここでは図示されない排気装置を有して設けられている。このシリンダヘッドによって燃焼室４の上限が形成され、また、燃焼室４の下限がピストン５によって形成されている。このピストン５は、上記シリンダ内に配置され、上下動可能とされていて、図には示されていないが、ピストンロッドによってクロスヘッドに連結されている。このクロスヘッドは、コネクチングロッドを介してクランクシャフトと連動している。
【００１３】
ピストン５には、四つのピストンリング６を有してなるピストンリングのセットが設けられている。これらのピストンリング６は、図２からも分かるように、それぞれに対応させてピストンスカートに設けられたピストンリングノッチ７に配設されている。このとき、これらのピストンリング６の下側は、対応したピストンリングノッチ７の底部の支持面８上に載置されている。これらのピストンリング６の外周側の表面が摺動面として形成され、同じく摺動面とされたシリンダライナ２の内面にぴったり合わせられている。
【００１４】
複数のピストンリング６の各摺動面ならびにシリンダライナ２の摺動面に潤滑油を供給するとともに、これら複数のピストンリング６ならびにそれぞれに対応させて設けられたピストンリングノッチ７の相互の接触面に潤滑油を供給するため、シリンダライナ２は、図１に示されるように、半径方向の潤滑油穴部９を備えることができ、この潤滑油穴部９に、エンジンのストロークの間、ここでは図示されぬ装置によって潤滑油を充填することができる。
【００１５】
ピストンリングノッチ７は、それぞれ、対応するピストンリング６に比べると大きくなっているので、ピストンリング７の上側、かつ半径方向内側には、図２から分かるようなギャップ１０が形成されている。このギャップ１０は、ピストン５とシリンダライナ２との間のギャップ１１を介して燃焼室４に連通しており、したがって、稼動中に燃焼ガスが充填される。その結果、半径方向外側に向かう半径方向の力と下側に向かう軸方向の力とがピストンリングに作用する。この半径方向の力が、シリンダライナ２に向けてピストンリング６を押し付ける。上記軸方向の力によって、ピストンリング６は、その下側の所で個々に対応する支持面８に向けて押し付けられる。ピストン５が上向きに動く間は下向きに、そしてピストンが下向きに動く間は上向きに働く摩擦力が、燃焼室４内の圧力によって生じる軸方向の力に重ね合わせられる。
【００１６】
この下向きの力によって、ピストンリング６の下側と、それぞれに対応して設けられたノッチの支持面８との間が、極めて強く圧迫されることになる。そのため、支持面８は、好ましくはクロムのコーティング１２によって強化されている。クロムは、確かに約３００ＨＶの強度しか有さない。しかしながら、クロム層の表面では薄いCrO層が形成され、それより遥かに高い約８００HVの強度が達成されるため、優れた耐久特性が得られることになる。
【００１７】
ピストン５の上下動の間に力の方向が変化するため、ピストンリング６は、僅かに上下に振動するように振舞う。それによって、支持面８の半径方向外側の部分における圧が特に高くなる。この部分は、支持面８の約三分の一の幅を有している。何らかの追加的な処置を講じないと、斯かる強い圧迫によって油膜が壊れかねず、これにより、硬いCrO層が非常に速く失われ、その後、比較的柔らかいクロムが露出して、さらに速い速度で摩耗が進行することになる。
【００１８】
上記の問題を克服するために、ピストンリング６には、少なくとも、支持面８の半径方向外側の部分に対向したピストンリング６の下側の部分に、複数のオイルポケット１３が設けられている。これらのオイルポケット１３は、図２では単に指し示されているだけで見えないが、図３および図４に図示された支え領域１８に隣接している。これらのオイルポケット１３は、オイルタンクとして機能する。
【００１９】
上記オイルポケット１３を形成するため、ピストンリング６には、図３および図４に示すように、その下側の部分に、凹部１４及び／又は凹部１５が設けられ、これらの凹部に、ピストンリング６の基材の耐摩耗性とは異なった耐摩耗性を有する充填部材１６及び／又は充填部材１７が配設されている。
【００２０】
図３に示された実施形態において、凹部１４の充填部材１６は、ピストンリングの基材の耐摩耗性よりも低い耐摩耗性を有している材料を基に形成されている。この充填部材１６を形成するには、アルミニウム、鉄、及び銅を含有しているアルミニウム青銅を用いることができる。このとき、２〜２０％、特に９〜１１％のAl、０．５〜８％、特に０．５〜２％のFe、そして、残りにCuを含有していることが望ましい。
【００２１】
新品の状態では、これらの凹部は、配設された充填部材によって完全に塞がれていてもよい。これにより、表面の加工が行ない易い滑らかで断面形状を持たない表面が得られることになる。その一方で、基材に比べて速く摩耗する充填部材の材料によって、すでに慣らし運転の間の初動動転時から、所望のオイルポケット１３が形成されていく。このオイルポケットは、比較的浅い深さを有しており、したがって比較的底の浅いオイルタンクとして機能する。
【００２２】
凹部１４の外側に存在するピストンリング下側の部分は、既に上述したように、支え領域１８を形成している。衝撃的に生じる圧迫によって、オイルポケット１３に蓄えられたオイルは、側方に押しやられ、このとき、強制的にピストンリングノッチの支持面８とピストンリングの支え面１８との間のギャップ１９に押し込まれる。オイルの体積が比較的小さく、また、オイルポケット１３の深さが比較的浅いので、このとき、支持面８全体にわたって、連続的な薄いオイルの膜が形成されることになる。このオイルの膜は、支持面８全体に均一に広がり、これにより、オイルポケット１３が設けられているにもかかわらず、支え面１８の部分での表面圧力が局所的に増加しない。
【００２３】
図４に示された実施形態において、凹部１５の充填部材１７を形成する材料は、ピストンリングの基材の耐摩耗性よりも高い耐摩耗性を有している。このとき、新品の状態では、これらの凹部は、やはり同様に完全に塞がれていえてもよい。これにより、表面の加工が行ない易い滑らかで形状を持たない表面が得られることになる。ここで、充填部材の材料に比べて速く摩耗するピストンリングの基材によって、すでに慣らし運転の間の初動動転時から、所望のオイルポケット１３が、複数の凹部１５の複数の充填部材１７の間に形成されていく。充填部材１７は、このとき、そのまま、ないしは、極めてゆっくりと摩耗し、オイルポケット１３を画成することになる。
【００２４】
ここで、適した材料として、少なくともアルミニウム、鉄、マンガン、シリコン、炭素、及び銅を含んだアルミニウム青銅を用いることができる。この材料は、２〜２０％のAl、０．５〜１０％のFe、０．１〜８％のMn、＝．１％〜２％のSi、０．１〜１０％のNi、＝．１％〜２％のC、及び Sb、Co、Be、Cr、Sn、Cd、Zn、Pbの成分の少なくとも一つをそれぞれの場合で最大５〜２０％、さらに、残りの成分としてCuを含有していることが望ましい。特に好ましい場合には、１４〜１７％のAl、３〜５％のFe、１〜３％のMn、０．１〜２％のSi、最大０．３％のC、及び残りの成分としてCuを有している。
【００２５】
そのまま残る充填剤１７の下側は、ここで、ピストンリングの支え面１８を形成する。その働きは、既に図３において示された場合と同じである。いずれの場合も、ピストンリングの摩耗が進行するに従って、その摩耗に依存した範囲で形成されていく深さの浅いオイルポケット１３が生じることになる。衝撃的に生じる圧迫の際に、オイルポケット１３に蓄えられたオイルは、ピストンリングノッチの支持面８とピストンリングの支え面１８との間のギャップ１９の中に、フィルム状になって押し込まれる。オイルポケット１３の深さが浅いので、支持面８全体に均一に広がる薄いオイルの膜が生じる。
【００２６】
上述した複数の凹部１４及び／又は凹部１５は、いかなる所望の形状を有していてもよい。すなわち、これらの凹部は、図５に示すような溝部２０として形成されていてもよいし、あるいは、図６に示すような止まり穴２１として形成されていてもよい。互いに離間された複数の溝部２０は、半径方向に延在する形状、または、図示されるような曲がった形状とすることができる。図５の右側に示すように、溝部２０は、ピストンリング６の全幅にわたって延びていてもよいし、あるいは、図５の左側に示すように、外側の部分に限定されていてもよい。後述の、溝部が外側の部分に限定されて形成されるという実施形態によれば、ピストンリング６の下側に望まずしてガスが通り抜けてしまわないよう防ぐことがより容易になる。
【００２７】
複数の止まり穴２１は、それが設けられる表面全体にわたって均一に分散されていることが好ましく、このとき、図６の左側に示すように、ピストンリングの幅全体にわたって分散させることもできるし、図６の右側に示すように、半径方向外側にわたって分散させることもできる。オイルポケット１３は、本実施形態においては、支え面１８によって囲まれるいわば孤島を形成し、望ましからぬガスの通り抜けが常に良好に防止される。
【００２８】
ピストンリング６の外周側摺動面の部分でのオイルの良好な配分を確実にするため、ピストンリング６には、図２からも明らかなように、その外周側摺動面の部分に、この外周を一周する方向に延びる少なくとも一つの溝２２が設けられていてもよい。この溝２２は、配設されたピストンリング６の全周に沿ってオイルポケット２３を形成するように、連続的に一周するウェブ２４によってシリンダヘッド３に臨むピストンリング上側の面から分離されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ２サイクル大型ディーゼルエンジンのシリンダの一部断面図である。
【図２】  ピストンリングを、それに対応させて設けられたピストンリングノッチとともに示す断面図である。
【図３】  凹部に柔らかい充填部材が配設された実施形態におけるピストンリング及びピストンリングノッチの互いに接触する部分を拡大して示す図である。
【図４】  凹部に硬い充填部材が設けられた実施形態における図３と同様の図である。
【図５】  溝部の形状の凹部を有したピストンリングの下側の面を示す平面図である。
【図６】  止まり穴の形状の凹部を有したピストンリングの下側の面を示す平面図である。
【符号の説明】
３・・・シリンダヘッド
５・・・ピストン
６・・・ピストンリング
７・・・ピストンリングノッチ
８・・・支持面
１２・・・クロムのコーティング
１３・・・オイルポケット
１４，１５・・・凹部
１６，１７・・・充填部材
１８・・・支え領域
２０・・・溝部
２１・・・止まり穴
２３・・・オイルポケット
２４・・・ウェブ
【図１】
0003931964.tif 000002
【図２】
0003931964.tif 000003
【図３】
0003931964.tif 000004
【図４】
0003931964.tif 000005
【図５】
0003931964.tif 000006
【図６】
0003931964.tif 000007