JPH0210268Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案はシリンダにシール用空気給排機構を有
する内燃機関に係り、詳しくは、ピストンの上死
点でシリンダ内にシール用の高圧空気を供給する
ようにした内燃機関に関するものである。これ
は、トツプリングおよびトツプリングより上のピ
ストンとシリンダライナとの間隙に存在する触媒
粒子や燃焼残渣および燃焼ガスを燃焼室へ押し戻
して、ピストンリング摺動面へのそれらの侵入を
防止し、ピストンリングとシリンダライナとの摩
耗を軽減する分野で利用されるものである。

〔従来の技術〕

近年、舶用デイーゼル機関で使用される燃料油
が粗悪化してきており、その中でもFCC油と呼
ばれる硬質の触媒粒子を含有する燃料油がしばし
ば使用されるようになつてきている。このような
燃料油を使用すると、触媒粒子や燃料残渣によ
り、常時摺動しているシリンダライナとピストン
リングが摩耗し、機関に重大なトラブルを発生さ
せることになる。

これを解決するために、本出願人は特公昭62−
42138号公報において、第１図に示すようなピス
トン１に嵌着されたトツプリング２とセカンドリ
ング３との間の全周にわたり、環状のポケツト部
４をピストン１に穿設すると共に、高圧空気供給
装置５からの空気を、ピストン１の上死点付近で
供給するようにした内燃機関用ピストンを提案し
た。

これによれば、ピストン１が上死点に近づいた
ときに、上述の二つのリング間に、シリンダ内圧
力よりも高い圧力のシール用空気を空気供給孔６
から供給するので、燃焼行程においてトツプリン
グ２を通してシリンダ内に清浄な空気が流れ、ト
ツプリング２およびトツプリング２より上のピス
トン１とシリンダライナ７との間隙８に存在する
触媒粒子や燃焼残渣および燃焼ガスが燃焼室９に
押し戻され、ピストンリング摺動面への触媒粒子
などの侵入を防止することができるようになつて
いる。

〔考案が解決しようとする課題〕

ところで、上述した高圧の空気は、シリンダラ
イナ７に設けられた空気供給孔６をピストン１の
動作に応じて開閉させるためにシリンダ外に別途
設けられている弁開閉制御装置１０および高圧空
気圧縮機１１を有する高圧空気供給装置５によ
り、供給されるようになつているが、その供給さ
れた空気はそのままシリンダ内で消失する。すな
わち、トツプリング２とセカンドリング３との間
のポケツト部４に供給された高圧空気の大半、例
えば約８割が、セカンドリング３以下のピストン
リングを通つてクランク室側へ漏れる。残りの空
気はトツプリング２を通つて燃焼室９側へ漏れ
る。そして、トツプリング２とセカンドリング３
との間へ供給された空気は、ピストン１が膨張行
程で下死点に向うにしたがつて、徐々に上記のよ
うにして漏れるため、ポケツト部４の圧力は下が
る。しかし、例えば４サイクル機関では、ピスト
ン１が膨張行程で下死点へ移動してから排気行程
で再び上死点へ向い、さらに給気行程で下死点へ
向う全行程がほぼ完了する時点で、供給された空
気が消失する。

そのために、高圧空気供給装置の空気圧縮機で
次のサイクルの高圧空気を生成する際、外気をと
り込んで圧縮しなければならず、その動力源とし
て機関出力の３〜５％が消費されることになる。
したがつて、上述した摩耗を軽減するための高圧
空気を得るために、機関出力の低下が余儀なくさ
れる欠点があり、その改善が強く望まれる。

本考案は上述の欠点を解決するためになされた
もので、その目的は、高圧空気供給装置で高圧空
気を発生させる際、シリンダ内に供給されている
シール用の空気を回収し、これを再度圧縮するこ
とにより、空気圧縮機の圧力段数を減らしてその
動力消費量を低減し、機関出力の向上を図ること
ができるようにしたシリンダにシール用空気給排
機構を有する内燃機関を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本考案のシリンダにシール用空気給排機構を有
する内燃機関は、ピストンの上死点の位置におけ
るトツプリングとセカンドリングの間に位置する
シリンダライナ面に空気供給孔が設けられている
と共に、この空気供給孔から前記両リング間にシ
リンダ内圧力より高いシール用空気を供給する高
圧空気供給装置を備えた内燃機関に適用される。

その特徴とするところは、第２図を参照して、
上記の空気供給孔１９に、シール用空気を断続的
に供給する空気供給弁２３が接続される。一方、
ピストン１６の下死点付近の位置におけるトツプ
リング１８Ａとセカンドリング１８Ｂとの間に位
置するシリンダライナ面に、空気排出孔２７が穿
設される。そして、その空気排出孔２７を介し
て、シリンダ外に排出された空気を、高圧空気供
給装置２０の高圧空気圧縮機３３の一次側へ導入
させることができるようにしている。

〔作用〕

燃焼前の段階でピストン１６が上死点に近づく
き、トツプリング１８Ａとセカンドリング１８Ｂ
とが空気供給孔１９を挟むような位置に至る。こ
のとき、空気供給弁２３が開口して、空気供給孔
１９から、高圧空気供給装置２０に貯留されてい
るシリンダ内最高圧力より高いシール用空気が、
シリンダ内へ供給される。このときの両リング間
の圧力は、シリンダ内圧力を越えてさらに上昇
し、トツプリング１８Ａおよびセカンドリング１
８Ｂを通つてシール用空気が漏れる。セカンドリ
ング１８Ｂから下の他のピストンリング１８へ高
圧空気が流れても、それらのリング間圧力はほと
んど低下しない。

このシール用空気の供給は燃焼が開始された後
も持続され、シリンダ内圧力が最大に達したとき
空気供給弁２３が閉止され、シール用空気の供給
が停止される。燃焼ガスの膨張によりピストン１
６が降下し、シリンダ内圧力もリング間圧力も下
降する。ピストン１６が下死点付近の状態となる
と、トツプリング１８Ａとセカンドリング１８Ｂ
とが、空気排出孔２７を挟むような位置に至る。
そして、両リング間の空気が、空気排出孔２７よ
り高圧空気供給装置２０へ戻され、リング間圧力
はシリンダ内圧力に接近する。

回収された空気はかなりの残圧を保有してお
り、三段ないし四段で構成される高圧空気圧縮機
３３における一段目が不要となり、もしくは、そ
の圧縮動力が著しく軽減される。

高圧空気圧縮機３３で加圧された空気は、以後
断続的に開口される空気供給弁２３から空気供給
孔１９を経て、再びリング間に供給される。

ちなみに、４サイクル機関の場合には空気排出
孔２７に逆止弁２８が付設されており、回収すべ
き空気の圧力が高圧空気供給装置２０における高
圧空気圧縮機３３の一次側圧力から低くなると
き、高圧空気供給装置２０からの空気の逆流が防
止される。

〔考案の効果〕

本考案によれば、ピストンの上死点付近で供給
された高圧空気は下死点付近で回収されるので、
シリンダ内へ供給された高圧空気が消失する前
に、高圧空気供給装置に帰還させることができ
る。その結果、高圧空気供給装置における高圧空
気圧縮機の一次側圧縮段における消費動力を著し
く低減させることができる。それによつて、機関
出力の低下を少なくできると共に、ピストンリン
グとシリンダライナ間に付着または滞留する燃焼
残渣などの除去が行われ、ピストンリングやシリ
ンダライナの摩耗を回避することができる。

上記した空気排出孔に連なる通路に逆止弁を設
けている場合には、空気排出孔におけるリング間
圧力が高圧空気供給装置の吐出圧力より低くなつ
たときの空気の逆流を、防止することができる。

〔実施例〕

以下、本考案をその実施例に基づいて詳細に説
明する。

第２図はシリンダにシール用空気給排機構を有
する内燃機関１５の実施例で、図中、１６はシリ
ンダライナ１７内を往復運動するピストン、１８
はピストン１６に嵌着されたピストンリングであ
る。そして、ピストンリング１８のうち１８Ａは
トツプリング、１８Ｂはセカンドリングである。
１９はシリンダライナ１７に開口された空気供給
孔で、高圧空気供給装置２０からの高圧空気をピ
ストン１６に向けてシリンダ内に供給するための
ものである。

この空気供給孔１９は、ピストン１６の上死点
の位置におけるトツプリング１８Ａとセカンドリ
ング１８Ｂの間に位置するシリンダライナ１７に
設けられる。空気供給弁２３を介して空気供給孔
１９から供給された高圧の空気により、燃焼行程
においてトツプリング１８Ａを通してシリンダ内
に清浄な空気が流される。トツプリング１８Ａお
よびトツプリング１８Ａより上のピストン１６の
側面とシリンダライナ１７の内面との間隙２１に
存在する触媒粒子や燃焼残渣および燃焼ガスは燃
焼室２２に押し戻され、ピストンリング摺動面へ
の触媒粒子などの侵入が防止されるようになつて
いる。なお、上記の空気供給弁２３は、空気供給
孔１９へ断続的に空気を供給するように制御され
る。そして、２４は空気供給弁２３を開閉するた
め作動油の給排を切り換える電磁弁、２５は作動
油圧を発生させる油圧発生装置、２６はピストン
１６の往復運動に伴つて或るタイミングで電磁弁
２４を切り換える弁開閉制御装置である。

一方、ピストン１６の下死点付近の位置におけ
るトツプリング１８Ａとセカンドリング１８Ｂと
の間に位置するシリンダライナ１７に、空気排出
孔２７が穿設されている。この空気排出孔２７に
は、設定圧力以上の空気を上述の両リング間より
排出させる逆止弁２８が付設される。この逆止弁
２８はなくてもよいが、空気排出孔２７より導出
される空気圧力が、後述する高圧空気圧縮機３３
の一次側圧力より低くなる場合に、設定された圧
力以上の空気のみを帰還させることができるよう
に、介在させておくことが好ましい。

高圧空気供給装置２０は、２９の低圧空気圧縮
機、３０の低圧空気貯留タンク、３１の空気冷却
器、３２の圧力調整弁、３３の高圧空気圧縮機、
３４の空気冷却器、３５の圧力調整弁、３６の高
圧空気貯留タンク、３７の安全弁、３８の潤滑装
置などからなり、圧縮された空気を空気供給弁２
３を介して空気供給孔１９に供給し、一方、空気
排出孔２７からの使用済みシール用空気を回収す
る。その回収された空気は、高圧空気圧縮機３３
の一次側へ戻される。すなわち、低圧空気圧縮機
２９により加圧されて貯留状態にある低圧空気貯
留タンク３０に導入されるようになつている。

上述のような構成例によれば、次のようにして
空気供給孔１９よりシール用空気を供給し、ま
た、空気排出孔２７からそれを回収して高圧空気
圧縮機３３における動力消費量を低減することが
できる。

順を追つて説明すると、圧縮行程では、第３図
ａのように、トツプリング１８Ａがリング溝１６
Ａの下側に着いており、空気供給孔１９は空気供
給弁２３により閉止されている。燃焼前の段階で
ピストン１６が上死点に近づくと、第３図ｂに示
すように、トツプリング１８Ａとセカンドリング
１８Ｂとが空気供給孔１９を挟むような位置に至
る。この状態に至るまでのシリンダ内圧力は第４
図の領域Ａの実線で示すように上昇する。この時
点で、弁開閉制御装置２６からの電流により電磁
弁２４のポートをＴに切り換えるべくソレノイド
２４Ｔが励磁され、油圧発生装置２５の作動油が
空気供給弁２３に供給され、空気供給孔１９が開
口する。

高圧空気貯留タンク３６に貯留されている空気
圧力は、シリンダ内最高圧力より高められている
ので、上死点まで上昇してきているピストン１６
に嵌着されたトツプリング１８Ａとセカンドリン
グ１８Ｂとの間に、空気供給孔１９から高圧空気
が供給される。そして、トツプリング１８Ａは、
第３図ｃに示すように、リング溝１６Ａの上側に
着く。このときの両リング間の圧力は、第４図の
破線で示すように、領域Ｂにおいてシリンダ内圧
力を越えてさらに上昇する。その間、トツプリン
グ１８Ａおよびセカンドリング１８Ｂを通つてシ
ール用空気が漏れるが、セカンドリング１８Ｂか
ら他のピストンリング１８Ｃ，１８Ｄ，１８Ｅに
流れても、それらのリング間圧力はほとんど低下
しない。

このシール用空気の供給は燃焼が開始された後
も持続され、シリンダ内圧力が最大に達したとき
弁開閉制御装置２６の指令により、電磁弁２４の
ポートがＳに切り換えられて、空気供給弁２３が
閉止され、高圧空気の供給が停止される。燃焼ガ
スの膨張によりピストン１６が降下すると、シリ
ンダ内圧力もリング間圧力も、第４図の領域Ｃに
示すように下降し、第３図ｄに示す下死点付近の
状態となると、トツプリング１８Ａとセカンドリ
ング１８Ｂとが、空気排出孔２７を挟むような位
置に至る。そして、両リング間の空気が、空気排
出孔２７より低圧空気貯留タンク３０へ、第４図
の領域Ｄに示すようにして導出され、シリンダ内
圧力に接近する。

この空気圧力が高圧空気圧縮機３３の一次側圧
力、すなわち、低圧空気圧縮機２９の吐出圧力よ
り高い場合は問題ないが、４サイクル機関の排気
行程の場合などでは、リング間圧力がそれより低
くなるので、この空気排出孔２７に逆止弁２８を
付設しておいて、低圧空気貯留タンク３０内の空
気の逆流を防止しておくようにした方がよい。

回収された空気は、低圧空気圧縮機２９が外気
に新たに加圧した圧力よりも高いので、通常、三
段ないし四段で構成される高圧空気圧縮機３３に
おける一段目が不要となり、もしくは、その圧縮
動力が著しく軽減される。なお、導出される空気
の不足分は低圧空気圧縮機２９で補なわれ、低圧
空気貯留タンク３０内で混合された後、空気冷却
器３１で冷却され、圧力調整弁３２で或る圧力に
整定されて、高圧空気圧縮機３３の一次側へ導入
される。

高圧空気圧縮機３３で加圧された空気は空気冷
却器３４で冷却され、圧力調整弁３５で一定圧に
調整されて高圧空気貯留タンク３６に貯留され
る。そして、断続的に開口する空気供給弁２３か
ら空気供給孔１９を経て、再び、トツプリング１
８Ａとセカンドリング１８Ｂとの間に供給され
る。

ところで、上述したセカンドリング１８Ｂに
は、給気行程および排気行程中も比較的高い圧力
が加わり、リングの負荷を大きくすることになる
が、上述のように、リング間の空気が空気排出孔
２７からシリンダ外へ排出されて、リング間圧力
が降圧すると、各リングの負荷を小さくすること
ができる効果も発揮される。

以上の実施例は主として４サイクル機関で説明
したが、２サイクル機関にも同様に適用すること
ができる。また、上述した空気供給孔１９や空気
排出孔２７を、シリンダライナ１７の周囲に適宜
必要数設けても、その作動は異なるところがな
い。さらに、空気排出孔２７に逆止弁２８を付設
する場合に、逆止弁に代えて機械的なカム機構や
電気的制御により、シリンダ外へ排出される空気
の圧力を調整するようにしてもよい。

以上詳細に説明したように、ピストンの上死点
付近で供給された高圧のシール用空気を、下死点
付近で回収するようにしたので、シリンダ内に供
給されたシール用空気がそのまま消失することな
く、高圧空気供給装置へ帰還させることができ
る。すなわち、供給さた高圧空気の大部分がセカ
ンドリング以下のリングを通つてクランク室側へ
漏れ、また、残りの空気がトツプリングを通つて
燃焼室側へ漏れるが、機関の給気、圧縮、膨張、
排気の四行程を経る間に各リングを通つて消失す
る前に、シール用空気を回収することができる。

その結果、高圧空気供給装置における高圧空気
圧縮機の一次側圧縮段における消費動力をなくし
たり低減させることができる。したがつて、機関
出力の低下を少なくでき、また、ピストンリング
とシリンダライナ間に付着したり滞留する燃焼残
渣などの除去が行われ、ピストンリングやシリン
ダライナの摩耗を回避することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は先行技術である内燃機関用ピストンの
概略系統図、第２図は本考案のシリンダにシール
用空気給排機構を有する内燃機関の系統図、第３
図ａ〜ｄは各行程におけるピストンリングと空気
供給孔または空気排出孔との位置関係を示す配設
図、第４図はシリンダ内圧力とリング間圧力を比
較した圧力線図である。 １６……ピストン、１７……シリンダライナ、
１８……ピストンリング、１８Ａ……トツプリン
グ、１８Ｂ……セカンドリング、１９……空気供
給孔、２０……高圧空気供給装置、２３……空気
供給弁、２７……空気排出孔、２８……逆止弁、
３３……高圧空気圧縮機。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) ピストンの上死点の位置におけるトツプリン
   グとセカンドリングの間に位置するシリンダラ
   イナ面に空気供給孔が設けられていると共に、
   この空気供給孔から前記両リング間にシリンダ
   内圧力より高いシール用空気を供給する高圧空
   気供給装置を備えた内燃機関において、 上記空気供給孔にはシール用空気を断続的に
   供給する空気供給弁が接続され、 ピストンの下死点付近の位置における前記両
   リング間に位置するシリンダライナ面に空気排
   出孔が穿設され、 その空気排出孔を介してシリンダ外に排出さ
   れた空気を、前記高圧空気供給装置の高圧空気
   圧縮機の一次側へ導入させることができるよう
   にしたことを特徴とするシリンダにシール用空
   気給排機構を有する内燃機関。 (2) 前記空気排出孔には、設定圧力以上の空気を
   前記両リング間より排出させる逆止弁が付設さ
   れていることを特徴とする実用新案登録請求の
   範囲第１項に記載のシリンダにシール用空気給
   排機構を有する内燃機関。