(57)【要約】【課題】シリンダの全長にわたって潤滑剤を均一に分配すると同時に、潤滑剤の消費量を低減させる手段を提供すること。【解決手段】本願発明によれば、ピストンエンジン用のシリンダ１が、潤滑剤を受け入れる手段５を含む。シリンダは、ピストン２のための摺動面７であって、上死区域８とシリンダ上に配置された掃気スロット６の列とを有する摺動面７を含む。この摺動面７は、所定の長さ９、幅１０、および０．４ｍｍ超に達する深さ１１を有する複数のスロット状陥凹部５を有している。スロット状陥凹部５は、上死区域８から測定した摺動面７の長さ１３の１５％までの長さを有するシリンダ面のリング状領域１２より下に設けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
潤滑剤を受け入れる手段（５）を含むピストンエンジン用のシリンダ（１）であって、該シリンダはピストン（２）のための摺動面（７）を含み、該摺動面は、上死区域（８）と、前記シリンダ上に配置された掃気スロット（６）の列とを有し、また前記摺動面（７）は、所定の長さ（９）、幅（１０）および深さ（１１）を有する複数のスロット状陥凹部（５）を有し、前記深さ（１１）は、０．４ｍｍ超であるピストンエンジン用のシリンダ（１）において、
前記スロット状陥凹部（５）が、前記上死区域（８）から測定して前記摺動面（７）の長さ（１３）の１５％までの長さを有するシリンダ面のリング状区域より下に設けられることを特徴とするシリンダ。
【請求項２】
前記スロット状陥凹部が、前記掃気スロットの領域内およびその下にもまた設けられている請求項１に記載のシリンダ。
【請求項３】
前記スロット状陥凹部の前記幅（１０）が、０．５〜３ｍｍの間である請求項１に記載のシリンダ。
【請求項４】
前記スロット状陥凹部の前記長さ（９）が、１０〜１００ｍｍの間、好ましくは１０〜５０ｍｍの間、特に好ましくは１０〜３０ｍｍの間である請求項１に記載のシリンダ。
【請求項５】
複数のスロット状陥凹部が列として配置されている請求項１に記載のシリンダ。
【請求項６】
前記列が傾斜している請求項５に記載のシリンダ。
【請求項７】
前記スロット状陥凹部の前記傾斜の角度が最大１°である請求項６に記載のシリンダ。
【請求項８】
隣接する列の前記スロット状陥凹部が、互いにオフセットして配置されている請求項５から請求項７までのいずれか一項に記載のシリンダ。
【請求項９】
異なる列の前記スロット状陥凹部の数、および／または前記スロット状陥凹部の前記深さ（１１）および／または前記長さ（９）および／または前記幅（１０）が、互いに異なる請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載のシリンダ。
【請求項１０】
前記スロット状陥凹部の数が、前記摺動面１ｍ２あたり３００個以上である請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載のシリンダ。
【請求項１１】
前記摺動面１ｍ２あたりの前記スロット状陥凹部の数が不定である請求項８に記載のシリンダ。
【請求項１２】
前記シリンダが１９０ｍｍより大きい直径を有している請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載のシリンダ。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２までのいずれか一項に記載のシリンダ内に、潤滑剤を受け入れる手段を製造するための方法であって、前記スロット状陥凹部が機械的なマシニング工程によって製造される方法。
【請求項１４】
大型ディーゼルエンジンにおける請求項１から請求項１３までのいずれか一項に記載のシリンダの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、潤滑剤を受け入れる手段を含むピストンエンジン用のシリンダに関する。
【背景技術】
【０００２】
大型の２行程エンジンにおいて、あるいは大型の４行程エンジンにおいても、濡らさなければならないその広い表面の結果として、潤滑剤の分配が重要であることが分かっている。潤滑剤は、シリンダの周縁部にシリンダの内部空間内へ向けて配置された限られた数の送り込み開口部を通過する。液体の潤滑剤をシリンダの内壁全体に均一に分配するためには、例えば仏国特許出願公開第１１７４５３２号明細書に示されるように、周縁に延びる溝が設けられる。しかし、長期にわたるエンジンの動作において、特にシリンダの、一番上のピストン・リングの上死点からピストンの下死点の方向へ最大約１５％に及ぶ高い負荷を受ける部分では、溝が著しい摩耗を受けることが示されている。この領域で支配的な２００バールまで達する可能性のある高い圧力、および３００℃超に達する可能性のある高い温度により、ピストンの断面およびピストン・リングの断面が熱膨張によって増大する。緩く配置されたピストン・リングが、この圧力によってシリンダの内壁に向かう方向に押される。これは、燃焼空間で圧力を高めることにとっては望ましいが、剪断力によるシリンダの内壁の厳しい負荷も伴う。長期の動作では、こうした剪断力によって、周縁に延びる溝で形成されたプロファイルが摩耗または平坦化される。このことから必然的に、長期の動作では、もはや潤滑剤の均一な分配が保証されないことになる。潤滑剤の均一な分配が行われない場合、少なくとも局所的に硬質材料の摩擦、すなわちピストン・リングの外面とシリンダ壁の間で直接接触が生じ、それによって摺動特性が損なわれるだけではなく、前述のシリンダの内壁の摩耗、さらには損傷をまねく可能性もある。この問題を解決するために、国際公開第９８／５３１９２号パンフレットでは、シリンダの高い負荷を受ける部分に、シリンダの周縁に配置したリング状の溝または溝部分として設計された陥凹部を設けることが提唱されている。こうして、シリンダ壁の高負荷領域において、潤滑剤をより均一に分配することが実際に可能になる。しかしこの改良は、先に述べた一番上のピストン・リングの上死点を起点として１５％までの長さ領域に限定される。さらに、リング状の溝は他の短所を有している。ピストン・リングの縁部が溝の縁部に係合され、その結果、これらの縁部が強い摩耗を受け、それが縁部の損傷を引き起こす恐れがある。
【０００３】
こうしたすべての理由から、実際の潤滑剤の消費量は、摺動する対のピストンとシリンダの潤滑に必要な潤滑剤の量より多くなる。大型ディーゼルエンジンではそのコストは相当なものであるが、それに加えて、潤滑剤の消費は環境負荷にもなる。放出される排気ガス粒子の多くの部分が、潤滑剤から発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって本発明の目的は、少なくとも一番上のピストン・リングの上死点から下方へ向かって下死点まで、シリンダの全長にわたって潤滑剤を均一に分配すると同時に、潤滑剤の消費量を低減させることである。この点に関して、送り込み開口部の数および位置については変更する必要がない。特に２行程エンジンに対する潤滑剤の役割は、適切なピストンの潤滑を確保するだけではなく、硫黄を含む燃料の燃焼によって燃焼空間に入る硫酸を中和することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この問題は、潤滑剤を受け入れる手段を含むピストンエンジン用のシリンダであって、ピストンのための摺動面を含み、この摺動面が上死区域と、シリンダ内に配置された掃気スロットの列とを有しているシリンダによって解決される。上死区域は、一番上のピストン・リングの死点が位置する面として定義される。この摺動面は、複数のスロット状陥凹部を有している。スロット状陥凹部は、所定の長さ、幅、および０．４ｍｍ超に達する深さを有している。スロット状陥凹部は、上死区域から測定した摺動面の長さの１５％までの長さを有する、シリンダ面のリング状区域より下に設けられる。意外にも、シリンダの最も高い負荷を受ける区域にはスロット状陥凹部を設ける必要はなく、むしろ最高負荷区域、すなわち先に言及した上死区域より下の摺動面の１５％の区域の外側に、複数のスロット状陥凹部を配置すると有利であることが示された。ピストン・リングは潤滑剤を引き込み、最高負荷区域に至る過程で潤滑剤を運ぶ。潤滑剤を均一に分配するために、この最高負荷区域にスロット状陥凹部が存在しないようにすることが実際に有利であり得る。
【０００６】
有利な実施例によれば、スロット状陥凹部は、フラッシング用スロットの領域内およびその下にも設けられる。
【０００７】
スロット状陥凹部の幅は０．５〜３ｍｍの間であるが、いずれの場合も、最も狭いピストン・リングの幅の８０％、好ましくは７０％、特に好ましくは６０％より小さくすべきである。こうして、ピストン・リングが傾くことなく、陥凹部の上を接触せずに摺動することが保証される。
【０００８】
スロット状陥凹部の長さは、１０〜１００ｍｍの間、好ましくは１０〜５０ｍｍの間、特に好ましくは１０〜３０ｍｍの間である。
【０００９】
複数のスロット状陥凹部を列として配置することが可能である。列中のスロット状陥凹部の数は、スロット状陥凹部の長さおよび隣接する２つのスロット状陥凹部の間隔に応じて、１０〜１５０個であることが好ましい。スロット状陥凹部の長さおよび間隔は、スロット状陥凹部によって生じる切り欠き効果が、許容されるシリンダの脆弱化より低くなるように選択されることが好ましい。特定の有利な実施例によれば、間隔の長さは、スロット状陥凹部の長さより大きい。
【００１０】
列は傾斜すなわち勾配を有し、その勾配は、ピストン・リングの高さに対応する勾配より小さいことが好ましい。したがって、列中のスロット状陥凹部の勾配の角度は最大で１°である。この寸法はまた、ピストン・リングの走行時の滑らかさを高めるのに役立つ。すなわち、スロット状陥凹部の縁部とピストン・リングとの間の接触は、常に１点のみで生じる。その結果、勾配の角度により、ピストン・リングの縁部のスロット状陥凹部の縁部に対する面接触が防止され、それによって、スロット状陥凹部の縁部に剪断力が加えられなくなり、縁部での材料の摩耗がほとんど生じなくなる。したがって勾配を維持することによってシリンダの動作寿命を高めることができる。
【００１１】
例えばシリンダの直径が１９０ｍｍである場合、ピストン・リングは５〜１０ｍｍの幅を有し、その場合、勾配の最大角度は０．９６°になる。
【００１２】
シリンダの直径が４００ｍｍ、ピストン・リングの幅が１０〜１５ｍｍである場合、勾配の最大角度は０．６８°になる。
【００１３】
スロット状陥凹部の数および／または深さおよび／または長さおよび／または幅は、互いに異なっていてもよい。隣接する列のスロット状の寸法が、互いにオフセットするように構成されると有利である。オフセットにより、シリンダ・ジャケットの脆弱化をできるだけ小さくしながら、シリンダ壁の内壁を潤滑剤で理想的に濡らすことができるようになる。
【００１４】
スロット状陥凹部の数は、摺動面１ｍ２あたり３００個以上である。摺動面の各部分は異なる負荷に耐えなければならないため、摺動面１ｍ２あたりのスロット状陥凹部の数は一定ではない。
【００１５】
前述の実施例によるシリンダ内に潤滑剤を受け入れる手段を製造するための方法は、機械的な処理方法によってスロット状陥凹部を製造するステップを含む。
【００１６】
シリンダは、大型ディーゼルエンジン、例えば２行程エンジンまたは４行程エンジンで用いられる。
【００１７】
以下では、添付図面を参照して本発明をより正確に説明する。
【実施例】
【００１８】
図１は、ピストンエンジン内に配置されたシリンダ１を通る断面図を示している。ピストンエンジンは、２行程エンジンまたは４行程エンジン、特に大型ディーゼルエンジンである。そうした大型ディーゼルエンジンは一般に、概して内径が１９０ｍｍより大きいシリンダを備えている。典型的な直径は２５０〜１０００ｍｍの間である。ピストンは、シリンダの内部で往復運動し、コネクティングロッドを介して回転可能なドライブ・シャフトに接続される。ピストンの往復運動は、上死点と下死点の間で行われる。図１は、上死点の位置におけるピストンを示している。一番上のピストン・リングの上死点を通り、シリンダの軸線に垂直な切断面を考えた場合、その面は、以下では上死区域８と呼ぶ線に沿ってシリンダの内壁と交差する。シリンダを垂直に配置した場合、上死区域８は摺動面７の一番上の境界を形成する。一番下のピストン・リングの下死点を通る同様の切断面を考えた場合には、同じように下死区域１５が得られる。長さＬ（１３）は、上死区域８と下死区域１５の間の距離を示し、摺動面の長さに相当する。摺動面は、１ｍ〜約４ｍの長さを有することができる。摺動面の幅は、上死区域８の周縁部および下死区域１５の周縁部によって形成される。シリンダの内部空間は、一般的には円筒形ではなくわずかに円錐形になっているため、上死区域８における摺動面の幅は下死区域１５における摺動面の幅より大きい。このように円錐形であるのは、摺動面のそれぞれ異なった区域に出現する様々な温度のためである。下死区域の領域では環境から空気が吸引され、その結果、この領域では、エンジン・スペース内の空気の環境温度とあまり違わない動作温度が支配的になる。しかし上死区域の領域では、３００℃を上回る温度が支配的になる可能性がある。こうしたかなりの温度差のために、特にピストン２の上に設けられたピストン・リング３の膨張をもたらす熱膨張が生じる可能性があり、下死区域の領域では、ピストン・リング３が、許容できないほどシリンダの内壁に押し付けられ、その結果、潤滑剤の薄膜の形成を妨げることになる。シリンダの内壁とピストン・リングの間の望ましくない硬質材料の摩擦に対してとるべき手段はもちろん、潤滑剤の薄膜として摺動面７の領域内のシリンダの内壁を覆う潤滑剤を導入することである。潤滑剤は、潤滑剤の供給路４を介してシリンダの空間に送り込まれる。複数の送り込み開口部１６を、シリンダの周縁部に分散させて設けることができる。流路１７が、送り込み開口部から始まってシリンダの内壁に沿って延びており、それを用いて潤滑剤の運搬および分配が行われる。シリンダが垂直方向を向いている場合、潤滑剤は流路より下の摺動面全体を濡らす。膨張フェーズでピストン２が移動して送り込み開口部を通り過ぎると、シリンダの内壁上を摺動するピストン・リング３によって潤滑剤が運ばれ、次の潤滑に利用することができる潤滑剤はもはや存在しなくなる。こうして潤滑剤の消費量が増え、そうした潤滑剤で濡らすべき表面が広い場合には、それが無視できないコスト要因となる。
【００１９】
シリンダ１は、ピストン２のために摺動面７上に配置された、潤滑剤を受け入れる手段５を含んでいる。摺動面は、上死区域８と下死区域１５の間に延びている。垂直方向に配置した場合、下死区域１５は、シリンダ上に配置された掃気スロット６の列より下に位置する。複数のスロット状陥凹部５が、摺動面７の上に配置されている。スロット状陥凹部は、潤滑剤のポケットとして働く。潤滑剤が送り込み開口部１６を介して供給された場合、潤滑剤はシリンダ壁に沿って下方へ流れ、潤滑剤の保存場所を形成するスロット状陥凹部に流入する。送り込み開口部より上に位置するスロット状陥凹部は、ピストン・リングが摺動してそれらのスロット状陥凹部を通り過ぎると潤滑剤で満たされる。ピストン・リングはその移動中に潤滑剤を運び、ピストン・リングがそうしたスロット状陥凹部を過ぎると、潤滑剤がそれてスロット状陥凹部に入り、スロット状陥凹部を満たす。スロット状陥凹部は、長さｌ（９）、幅ｂ（１０）および深さｔ（１１）を有し、それをシリンダ面の展開による断面図として図２に詳しく示す。深さ１１は０．４ｍｍ超に達するが、これによって、内側のシリンダ壁が摩耗する場合にも、数年間の動作期間にスロット状陥凹部が損なわれないままであることが保証される。スロット状陥凹部の深さが大きいと、ピストン・リングによって押し込まれた潤滑剤が、次の行程全体を通してシリンダの内壁上へ流れ、内壁を潤滑剤の薄膜で濡らすという別の利点がある。複数のスロット状陥凹部を配置することによって、そうしたスロット状陥凹部を備える摺動面全体または少なくともその一部が、確実に濡らされるようになる。スロット状陥凹部５は特に、上死区域８から測定した摺動面７の長さＬ（１３）の１５％までの長さを有する、シリンダ面のリング状領域（１２）の下に設けられる。この配置によって、潤滑剤の消費量が著しく低減されるだけではなく、シリンダ面の動作寿命が増す。潤滑剤の消費量が低減する主な理由は、潤滑剤がスロット状陥凹部の中に蓄えられることにある。したがって潤滑剤は作動サイクル後も流失せず、すなわちピストン・リングによって排出されずに、大部分がスロット状陥凹部の中にとどまる。その結果、潤滑剤を次の作動サイクルに利用することができる。シリンダ面の動作寿命が増すのは、最高負荷区域にはスロット状陥凹部が設けられず、あるいはかなり低減された数のスロット状陥凹部しか設けられず、したがってこのシリンダの内壁の最高負荷区域が、複数の小さい切り欠きすなわちスロット状陥凹部によって、あるいは従来技術により周知の周縁に延びる溝によって脆弱化されないためである。
【００２０】
先に除外された、上死区域から測定した摺動面の１５％までの領域、すなわち最高負荷区域では摩耗が非常に激しく、０．４ｍｍ超の深さを有するスロット状陥凹部でもシリンダの動作寿命の終わりに達する前に消滅してしまうため、スロット状陥凹部の利用が制限される。とりわけ先に挙げた理由により、特にこの最高負荷区域では、シリンダの内壁を脆弱化させないために、スロット状陥凹部を省くと有利にすることができる。しかし意外にも、この領域の外側の区域に陥凹部を設け、そこで利用される潤滑剤を、複数のピストン・リングのうちの１つによって最高負荷区域に運ぶようにするとさらに有利であることが示された。特にスロット状陥凹部を設ける区域１は、２５％まで、好ましくは１０〜２５％、特に好ましくは１５％〜２０％までである。図１では、最高負荷区域、すなわちリング状領域１２は、スロット状陥凹部を含まないように示されている。ピストンの下に３列のスロット状陥凹部が示してあるが、見やすくするために、潤滑剤の供給路４までの他の列に関するより詳細な表示は省いてある。潤滑剤の適切な供給を確実に行うためには、最高負荷区域を除く面７の全体にスロット状陥凹部を設けると有利である。特にスロット状陥凹部を、掃気スロット６の領域内およびその下にも設けることができる。この領域でも、過去に摩耗による損傷が見つかっている。この摩耗もやはり、潤滑剤の供給が均一ではなく不適切であることに起因していた。潤滑剤の供給路４によって導入される潤滑剤は、便宜上、図１に示したピストンの位置において周期的に供給されるが、それは、この位置では潤滑剤を加圧下で供給する必要がないためである。潤滑剤はシリンダの内壁に沿って下方へ流れ、次いで膨張フェーズにあるピストンのピストン・リング３によって移動される。潤滑剤の一部は、確かに掃気スロット６に達するが、そこに潤滑剤を蓄えることができるのは、掃気スロットの領域内において、ピストンが下死点にあるときの一番下のピストン・リングの最低位置まで、スロット状陥凹部もまた設けられている場合のみである。こうしたスロット状陥凹部が存在しない場合には、ピストン・リングは残りの量の潤滑剤を放出し、この量の潤滑剤は、もう次の潤滑に利用することができなくなる。さらに、ピストンが圧縮行程を開始するとき、まさに掃気スロットの領域には潤滑剤がそれ以上存在しないという不都合が生じる。したがって圧縮行程の開始時には、ピストン・リング３が乾燥し始める。一方、スロット状陥凹部内に蓄えられた潤滑剤は、掃気スロットの領域でシリンダの内壁全体に分散することが可能であり、したがって圧縮行程に対して適切な潤滑が確実に行われる。
【００２１】
図２ａは、実施可能なスロット状陥凹部の他の配置でのシリンダの展開図を示し、図２ｂには、この種のスロット状陥凹部５が拡大した形で示されている。スロット状陥凹部は、長さｌ（９）、幅ｂ（１０）および深さｔ（１１）によって画定される。有利な態様では、スロット状陥凹部の幅は０．５〜３ｍｍの間である。幅ｂは、適切な量の潤滑剤を陥凹部内に蓄えることができるのに十分な大きさでなければならない。一方、ピストン・リングがスロット状陥凹部の縁部によってかみこまれないように、また圧縮空間からのガスがスロット状陥凹部を通って吸引空間に達しないように、幅ｂはピストン・リングの幅より小さくなければならない。そうした陥凹部を介したガスの漏洩流が生じた場合には、圧縮空間内の圧力増加が変化し、それに応じてエンジンの効率が低下する。スロット状陥凹部の長さは、１０〜１００ｍｍの間、好ましくは１０〜５０ｍｍの間、特に好ましくは１０〜３０ｍｍの間である。複数のスロット状陥凹部を列として配置すると有利であり、その列は勾配を有することができる。勾配は、陥凹部の幅に関連して挙げた理由のために、ピストン・リングの幅より小さい寸法に制限される。スロット状陥凹部の勾配の角度１８は、最大で１°である。列中のスロット状陥凹部の数は、隣接する列のスロット状陥凹部の数と異なっていてもよい。スロット状陥凹部の数および／または深さｔ（１１）および／または長さｌ（９）および／または幅ｂ（１０）は、互いに異なっていてもよい。
【００２２】
図１〜３のすべてにおいて、隣接する列のスロット状陥凹部は、少なくとも部分的に互いに対してオフセットして配置されている。こうして、摺動面１ｍ２あたりのスロット状陥凹部の数を増加させることが可能であり、実施可能である最も均一な潤滑剤の分配が保証される。スロット状陥凹部の数は、摺動面１ｍ２あたり３００個以上であることが好ましい。動作時に潤滑剤の必要量が増加または減少する摺動面の領域が見出される可能性があるときには、摺動面１ｍ２あたりのスロット状陥凹部の数を可変的に選択することができる。図２において明らかであるように、例えばスロット状陥凹部の数を減らすこと、またはスロット状陥凹部の隣接する列の間隔を広げることが可能である。
【００２３】
図３は、前述の実施例のための、摺動する対のピストン・リングとシリンダの内壁の図を示している。この場合、摺動面の最大１５％であり、且つ上死区域８の直下に配置されたリング状領域１２には、スロット状陥凹部が設けられていない。ピストン２は、リング状領域１２より低い位置にある。領域１２を、摺動面の２５％まで増大させると特に有利にすることができる。特にその場合、領域１２は１０〜３０％、好ましくは１５〜３０％であり、領域が２５％超、３０％以下であることが特に好ましい。
【００２４】
スロット状陥凹部は、機械的なマシニング工程によって製造される。これには、例えばフライス加工のようなチップ成形工程（ｃｈｉｐ−ｆｏｒｍｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ）が含まれるが、例えばレーザを用いた構造化（ｓｔｒｕｃｔｕｒｉｎｇ）のように熱の影響下で処理する方法は含まれない。レーザ構造化法は、特にマイクロメートル範囲の溝の製造に用いられ、ミリメートル範囲の深さを有するスロット状陥凹部の製造には適していない。
【００２５】
既に使用されているシリンダには、定期的な点検作業および修理において、それぞれ遡及してスロット状陥凹部を設けることができる。特に大型ディーゼルエンジンに使用されるシリンダでは、スロット状陥凹部を計画的に、それぞれ遡及して設けることによって、潤滑剤の必要量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】シリンダを通る断面図である。
【図２ａ】シリンダの展開図である。
【図２ｂ】スロット状の配置を詳細に示す図である。
【図３】摺動する対のピストン・リングとシリンダの内壁の図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  シリンダ
２  ピストン
３  ピストン・リング
４  潤滑剤の供給路
５  スロット状陥凹部
６  掃気スロット
７  摺動面
８  上死区域
９  スロット状陥凹部の長さ
１０  スロット状陥凹部の幅
１１  スロット状陥凹部の深さ
１２  リング状領域
１３  摺動面の長さ
１５  下死区域
１６  送り込み開口部
１７  流路
１８  スロット状陥凹部の勾配の角度
【図１】
2009097514.tif 000003
【図２ａ】
2009097514.tif 000004
【図２ｂ】
2009097514.tif 000005
【図３】
2009097514.tif 000006