JPH07107370B2 - トランクピストン形ディーゼル機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、舶用に適した低回転型
のロングストロークの４サイクルトランクピストン形デ
ィーゼル機関に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】現
在、舶用ディーゼル機関には、ピストンとクランク軸間
の連結形式により、大別して、連接棒の小端部がピスト
ンに直接連結された所謂「トランクピストン形ディーゼ
ル機関」と、シリンダとクランク室がスタフィングボッ
クスにより隔離されるとともに連接棒の小端部がクラン
ク室に設けられたクロスヘッドガイドに沿って往復動す
るクロスヘッドに連結され且つ該クロスヘッドがピスト
ンロッドを介してシリンダ内を往復動するピストンに連
結された所謂「クロスヘッド形のディーゼル機関」があ
る。

【０００３】上記トランクピストン形のディーゼル機関
は、一般的に、その構成上の特徴に起因して、機関出力
が同じ場合、クロスヘッド形のディーゼル機関に比べて
機関の全高を低くできるという特長を有する。このよう
に、機関の全高が低くなるということは、船舶のデッド
スペースが減少し、運搬有効容積が増加するという、船
舶の運用効率にとって極めて重要なメリットとなる。

【０００４】一方、クロスヘッド形のディーゼル機関
は、一般に大型のディーゼル機関に採用され、側圧力を
別途設けたクランク室内のクロスヘッドガイドに沿って
往復するクロスヘッドで受け、連接棒の傾斜によってシ
リンダの側部に作用する上記側圧力を該クロスヘッドに
よって負担できるという特長を有する。

【０００５】ところで、船舶は、近年、プロペラの推進
効率向上の見地から、プロペラの回転数を従前のものに
比べて著しく低下させて使用する傾向にあり、このた
め、舶用の主機関は定格回転数の低いものが求められ
る。

【０００６】この要求に対して機関出力を低下させるこ
となく対応するためには、ピストン行程のロングストロ
ーク化を計る必要がある。

【０００７】上記クロスヘッド形のディーゼル機関は、
クロスヘッドを有することに起因して、ピストンのロン
グストローク化を計ることは機構上容易であり、現在、
Ｓ／Ｄ比（ストローク／ボアの比をいう）≒3 .8のロン
グストロークタイプのものが実用化されている。

【０００８】一方、上記トランクピストン形のディーゼ
ル機関は、上述した構成上の特徴より、Ｓ／Ｄ比＝２.0
程度が実際上の限度となっている。この分野の研究者と
して著名なG.Wolf氏等によって指摘されているように、
トランクピストン形のディーゼル機関のＳ／Ｄ比を大き
く (ロングストローク化) しようとすると、図６に示す
ように、Ｓ／Ｄ比に対し連接棒の長さが二次曲線的に増
加し、かかる場合には、図７の破線ｅ′と細線ｆで対比
して示すように、Ｓ／Ｄ比が2.5 程度を境にして機関の
全高がクロスヘッド形のディーゼル機関よりむしろ増加
して、上述したトランクピストン形ディーゼル機関の特
長，メリットを損なわせることになる。

【０００９】さらに、座屈強度を上げるため連接棒の横
断面を非常に大きくしなければならず、その結果、機関
全長も増大し、運用効率の低下を意味する機関占有容積
（機関外形）、重量の増加等の新たな問題を惹起するこ
ととなる。

【００１０】このため、Ｓ／Ｄ比2.0 以上のロングスト
ローク化は実現していないトランクピストン形ディーゼ
ル機関の場合には、価格的に高価で且つ重量的にも重い
減速機を機関に付設することにより、上記要望に対応し
ているのが現状である。

【００１１】本発明は、上述のような状況のもとになさ
れたものであって、上述のような問題を伴わない、ロン
グストローク４サイクルトランクピストン形ディーゼル
機関を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本第１の発明にかかる４
サイクルトランクピストン形ディーゼル機関は、上部ピ
ストン部下端に下部ピストン部を少なくともシリンダ径
以上に長さにわたって延設するとともに、シリンダ部分
を少なくとも上記下部ピストン部の長さ分だけ寸法的に
長く延設し、このシリンダ部分に上記上部ピストン部と
下部ピストン部を往復動可能に配置し、上記シリンダ部
分の下部における内周面の、下部ピストン部が爆発行程
においてシリンダ部分に作用する側圧力が顕著に低下す
る領域に相当する部位に、ピストン摺接面を残して少な
くとも連接棒の厚み以上の幅の干渉防止用の凹部を形成
したことを特徴とする。

【００１３】本第２の発明にかかる４サイクルトランク
ピストン形ディーゼル機関は、シリンダ部分を少なくと
も上部ピストンの下端より下部ピストンの下端までの長
さ分だけ寸法的に長く延設し、このシリンダ部分に上部
ピストンと下部ピストンを間に空隙を介して一体的に往
復動可能に連結・配置し、該下部ピストンに連接棒の小
端部を回動自在に連結するととにも、上記シリンダ部分
の下部における内周面の、下部ピストンが爆発行程にお
いてシリンダ部分に作用する側圧力が顕著に低下する領
域に相当する部位に、ピストン摺接面を残して少なくと
も連接棒の厚み以上の幅の干渉防止用の凹部を形成した
ことを特徴とする。

【００１４】

【作用】しかして、本第１の発明にかかるトランクピス
トン形ディーゼル機関は、シリンダ部分を上記長さにわ
たって延設（形成）してこの中を上部ピストン部と下部
ピストン部が往復動するが、シリンダ下部に干渉防止用
の凹部を形成していることよりストロークの長さに比し
て連接棒の長さを短くできるため、ピストン行程をロン
グストロークにしても、図７の太線ｅと細線ｆに図示す
るように、クロスヘッド形ディーゼル機関に比して、機
関の全高を低くすることができる。

【００１５】そして、ピストン全体の長さが上部ピスト
ンの長さに加えて少なくともシリンダ径以上の長さにわ
たって延設されているため、該ピストンの単位面積当た
りの側圧力が低減され、機関の全高の低減に寄与するシ
リンダの凹部の形成を可能にする。

【００１６】また、本第２の発明にかかるトランクピス
トン形ディーゼル機関は、シリンダ部分を上記長さに延
設（形成）してこの中を上部ピストンと下部ピストンが
一体的に往復動しこの下部ピストンに連接棒の小端部を
連結するとともに、シリンダ下部に上記干渉防止用の凹
部を形成しているため、連接棒とシリンダ部分が干渉す
ることがないことより、ピストン行程をロングストロー
クにしても機関の全高を低くすることができる。即ち、
本第２の発明にかかるトランクピストン形ディーゼル機
関によれば、機関をロングストローク化しても、図７の
太線ｅと細線ｆに図示するように、クロスヘッド形ディ
ーゼル機関に比して、同一のシリンダ内を上部ピストン
と下部ピストンが部分的に重複した部位を往復するた
め、且つ干渉防止用の凹部によりストロークの長さに比
して連接棒の長さを短くできるため、機関の全高を低く
することができる。

【００１７】そして、本第２の発明にかかるトランクピ
ストン形ディーゼル機関によれば、上部ピストンと下部
ピストンを空隙を介して連結しているため、上部ピスト
ンと下部ピストン間の熱応力および機械応力にもとづく
変形の相互影響が緩和され、機関のエンジン出力率の増
大（正味平均有効圧力と平均ピストン速度の積；機関の
高出力化）が可能となる。

【００１８】しかも、本第１および第２の発明にかか
る、トランクピストン形ディーゼル機関では、上記干渉
防止用の凹部が、ピストンの側圧力が低くなるシリンダ
部分の部位に形成されているため、また上述したように
ピストン全体の長さが長く構成されていることに起因し
て該ピストンの単位面積当たりの側圧力が低減されるた
め、通常の運転期間にわたって、機関の円滑な運転に支
障をきたすことはない。

【００１９】

【実施例】以下、本発明にかかる実施例を図面を参照し
ながら説明する。

【００２０】図１(a) は本発明の実施例にかかるトラン
クピストン形ディーゼル機関の要部の構成を示す、ピス
トンが上死点位置での断面図、図１(b) はシリンダライ
ナのスリットの幅を示す図１(a) のＡ−Ａ矢視図、図２
は同ピストンが下死点位置での断面図である。

【００２１】図において、１は上部ピストン、２は下部
ピストン、３はピストンピン、４はロッド、５は連接
棒、６はクランク軸、７はシリンダ、８はシリンダライ
ナである。

【００２２】本実施例では、上記シリンダ７およびシリ
ンダライナ８は通常のトランクピストン形ディーゼル機
関のものより少なくとも上部ピストン１の下端より下部
ピストン２の下端までの長さｘ分だけ寸法的に長く構成
されている。そして、このシリンダライナ８内には、上
部ピストン１とその下方に下部ピストン２が配設され、
これらはロッド４で一体的に往復動可能に、且つ下部ピ
ストン２と上部ピストン１はロッド４下端の連結部で回
動可能に構成されている。従って、上部ピストン１と下
部ピストン２との間（ロッド４の中間部の周囲）には空
隙Ｋが形成される。また、上記上部ピストン１には、圧
縮リングＲとその下方に油掻きリングｒが配設され、ま
た、上記下部ピストン２には、油掻きリングｒが配設さ
れるとともにその下方に油溝Ｑが形成されている。

【００２３】そして、上記下部ピストン２と連接棒５の
小端部5aはピストンピン３で回動可能に連結され、連接
棒５の大端部5bはクランク軸６に回動自在に連結されて
いる。

【００２４】そして、本実施例では、上記シリンダ７の
下部の、機関の爆発行程におけるピストン１，２のシリ
ンダライナ８に対する側圧が小さくなっている部位、つ
まりクランク角で90°付近から270 °付近にかけて下部
ピストン２が当接する部分に、幅が上記連接棒５の厚み
よりやや広い凹部7aが形成されている。そして、上記シ
リンダ７の凹部7aに対応するシリンダライナ８には、略
同じ幅のスリット8aが形成されている。つまり、上記シ
リンダ部分 (シリンダ７とシリンダライナ８）の下部
に、連接棒５が干渉することを防止するための干渉防止
用の凹部（凹部7a,スリット8a) が形成されている。し
たがって、図１(b) に示すように凹部の部分を除いたシ
リンダ内周面部分は下部ピストン２が摺接するピストン
ガイド面となる。

【００２５】また、本実施例では、上記連接棒５は、機
関のオーバーホールの際のピストン抜き出し高さを減少
するため、上部にフランジ部分5cを設けて脱着自在に連
結することにより、分解可能に構成されている。

【００２６】そして、図４(a) に図示するように、上記
シリンダライナ８の下端8bは、シリンダ７側に押さえ金
具９で固定され、上記スリット8a形成による強度低下を
補うよう構成されている。この押さえ金具９は、図４
(b) に図示するように、シリンダライナ８の下端下方に
隙間（ぬすみ）15を備え、シリンダライナ８の熱膨張に
対処可能に構成されている。また、押さえ金具９のシリ
ンダ７側への取着孔9a表面がシリンダ７側で浅くなった
傾斜面（テーパ面）に形成されるとともに、これに対応
するテーパ座金（こうばい付座金）14を介して、シリン
ダライナ８の下端が、取着ボルト10によって、シリンダ
７側に引っ張り勝手に取着されている。

【００２７】また、上記構成に代えて、押さえ金具は、
図５(a),(b),(c) に図示するよう、シリンダライナ８の
スリット8a側面およびシリンダ７の凹部7aの側面に、押
さえ金具11配設用の凹部7b,8c が形成され、この凹部7
b,8c に別の押さえ金具11がボルト12により取着され、
シリンダライナ８のスリット8aの側端面がシリンダ７の
凹部7aの側端面と一致した状態でシリンダ７側に保持さ
れるよう構成されていてもよい。そして、この押さえ機
構は、また、図５(c) に図示するように、押さえ金具11
のシリンダ７側の端部11a が突出状に形成され、この突
出状の端部11a を支点として、下方に隙間13を有する状
態で螺着されたボルト12による押圧力が、シリンダライ
ナ８と当接する押さえ金具11のシリンダライナ８側の端
部11b に作用するよう構成されている。従って、この構
成の場合にも、シリンダライナ８の熱膨張に対処可能な
構成となる。

【００２８】しかして、このように構成された本トラン
クピストン形ディーゼル機関は、以下のように作用す
る。

【００２９】即ち、このディーゼル機関は、図１(a) に
示す上部ピストン１と下部ピストン２がシリンダ７の上
部に位置する圧縮状態 (上死点位置) から、図３に示す
上記各ピストン１，２がシリンダ７の中間に位置する膨
張状態を経て、図２に示す上記各ピストン１，２がシリ
ンダ７の下部に位置する状態 (下死点位置) まで、上部
ピストン１と下部ピストン２は、シリンダライナ８内を
互いの行程 (シリンダ部分の長さ方向の摺動領域) が部
分的に重複して一体的に往復動するため、ピストンのス
トローク量のわりにはシリンダ７（シリンダライナ８）
の寸法が短くなり、またシリンダライナ８にはスリット
8aが、シリンダ７には凹部7aが形成されているため、連
接棒５を短くしてシリンダ７の長手方向に対して該連接
棒５の傾斜角度を大きくしても、連接棒５がシリンダ７
及びシリンダライナ８と干渉することはない。

【００３０】このため、本ディーゼル機関は、ロングス
トロークになっても、クロスヘッド形ディーゼル機関に
比して、図７の本ディーゼル機関とクロスヘッド形ディ
ーゼル機関のそれぞれの全高を示す太線ｅと細線ｆに示
すように、機関の全高を低くすることが可能となり、従
来のトランクピストン形ディーゼル機関の特長を損なう
ことなくロングストロークタイプ（Ｓ／Ｄ比≒４程度）
のディーゼル機関を提供することができる。

【００３１】そして、本ディーゼル機関は、シリンダラ
イナ８にスリット8aを形成しているが、図４，図５の各
図に図示するように、上記押さえ金具９、11によって下
端部が強固な構造を有するシリンダ７側に保持（取着）
されているため、且つ、下部ピストンがシリンダライナ
８の上記スリット8a部分を通過する際（クランク角で90
°〜270 °の領域) の側圧力が図９に図示するように、
顕著に低下しているため、上記スリット8aの形成にかか
わらず従来の機関に比べて受圧面積当たりの側圧力は変
化（増大）することなく、またシリンダとシリンダライ
ナの密着性も低下することはない。従って、従来の機関
と同じように、長時間にわたって円滑な運転を維持する
ことができる。

【００３２】また、本実施例にかかるディーゼル機関で
は、上部ピストン１の下方に下部ピストン２が位置して
いるため、またそれらピストン１，２の中間に空隙Ｋが
設けられているため、圧縮リングＲ等に異常が生じ、燃
焼室から燃焼ガスの一部がクランク室側に漏洩しようと
する際にも、この洩出ガスは上記空隙Ｋで一旦膨張した
後クランク室側に入るため、従来生じていた火炎の吹き
抜けによる機関の爆発事故等が防止できるという大きな
二次的効果を生じさせる。

【００３３】さらに、このディーゼル機関では、上部ピ
ストン１はシリンダ注油器（図示せず）によって潤滑さ
れるが、連接棒５内の通路（図示せず）を通って供給さ
れる上部ピストン１の冷却用（潤滑用）油の一部が、下
部ピストン２の油溝Ｑより供給されて、下部ピストン側
面を潤滑する。下部ピストン２を潤滑した潤滑油は、該
下部ピストン２の油掻きリングｒ及び空隙Ｋによって、
さらには上部ピストン１の油掻きリングｒにより燃焼室
側への上昇が阻止されるため、下部ピストン２の十分な
潤滑を行うにも係らず、過剰な潤滑油消費を生ずること
はない。

【００３４】ところで、上記実施例では、上部ピストン
と下部ピストンの変形の相互の影響を緩和するため、上
部ピストン１と下部ピストン２をロッド４の下端で回動
自在に連結しているが、高いエンジン出力率が求められ
ない場合には、固定的に連結してもよい。

【００３５】図８は縦軸にスリットの長さｂと最大深さ
（シリンダ下端での深さ）ａ（図２参照）をボア径Ｄを
単位にして表し横軸にストローク・ボア比（Ｓ／Ｄ）を
とって、これらの関係を示した図である。

【００３６】上記実施例では、専ら上部ピストン１と下
部ピストン２を別体に構成しこれらをロッド４で連結し
たものについて説明しているが、図10に図示するよう
に、上部ピストン部１′の下端に下部ピストン部２′を
延設した長さの長いピストンに形成しても、本発明の基
本的な作用効果である「機関の全高を無用に高くするこ
となくピストン行程をロングストロークにする」ことが
でき、かかる場合には、上述の実施例の場合よりピスト
ンの構造をより簡単にすることができる。

【００３７】

【発明の効果】しかして、本第１および第２の発明によ
れば、機関の全高を高くすることなく、トランクピスト
ン形ディーゼル機関のロングストローク化が可能とな
り、従来不可能であった定格回転数の低いトランクピス
トン形ディーゼル機関を提供することができる。即ち、
本ディーゼル機関は、従来定格回転数を低くすることが
可能であった２サイクルクロスヘッド形ディーゼル機関
に比べて、クロスヘッド，スタフィンボックス，掃気用
補助ブロア等が不用となること等に起因して構成が大幅
に簡単にでき、安価に提供できるとともに、低負荷運
転，負荷追従性，燃料消費の点等諸性能に優れたディー
ゼル機関となる。

【００３８】また、本第１および第２の発明によれば、
上述のようにクロスヘッド形ディーゼル機関に比べて、
機関の全高が低くできることより、船舶にこの機関を搭
載した場合には、船舶の運行にとって非常に重要な要素
である船舶の運搬有効容積が大きくなり該船舶の運用効
率を向上させることができる。

【００３９】さらに、本第２の発明によれば、シリンダ
内に二つの別体状のピストンが配設されるため、燃焼室
からクランク室への火炎の吹き抜けによる機関の引火爆
発事故等が防止できることより安全性が向上するととも
に、潤滑油の燃焼室への侵入が防止できるため、潤滑油
の消費量を削減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 (a) は第２の本発明の実施例にかかるトラン
クピストン形ディーゼル機関の要部の構成を示すピスト
ンが上死点位置での断面図、(b) はシリンダライナのス
リットの幅を示す(a) のＡ−Ａ矢視断面図である。

【図２】 図１の実施例にかかるトランクピストン形デ
ィーゼル機関の要部の構成を示すピストンが下死点位置
での断面図である。

【図３】 図１の実施例にかかるトランクピストン形デ
ィーゼル機関の要部の構成を示すピストンが上死点と下
死点の中間位置での断面図である。

【図４】 (a) はシリンダライナの下端部分での押さえ
金具の取着構造を示す斜視図、(b) は同じく取着構造を
示す(a) のＢ−Ｂ矢視断面図である。

【図５】 (a) はシリンダライナの下端のスリット部分
での押さえ金具の取着構造を示す斜視図、(b) は同じく
取着構造を示す(a) の押さえ金具表面から見たスリット
側壁表面の図、(c) は(a) のＣ−Ｃ矢視断面図である。

【図６】 縦軸に連接棒長さをボア径で除した数値で連
接棒長さをとり、横軸にストローク（Ｓ）・ボア径
（Ｄ）比をとって、連接棒の長さとストローク・ボア径
比の関係を示す表図である。

【図７】 縦軸に機関高さＨをボア径Ｄで除した数値で
機関高さをとり、横軸にストローク（Ｓ）・ボア径
（Ｄ）比をとって、機関高さとストローク・ボア径比の
関係を示す表図である。

【図８】 縦軸に下部ピストンのスリット部分を通過す
る行程（長さ）をボア径Ｄで表し、横軸にストローク
（Ｓ）・ボア径（Ｄ）比をとって、図１に示すスリット
の長さｂと深さａの寸法とストローク・ボア径比の関係
を示す表図である。

【図９】 縦軸にシリンダに作用する側圧力をとり、横
軸に機関のクランク角をとって、側圧力とクランク角と
の関係を示した表図である。

【図１０】 本第１の発明の実施例にかかるトランクピ
ストン形ディーゼル機関の要部の構成を示すピストンが
上死点位置での断面図である。

【符号の説明】

１…上部ピストン ２…下部ピストン ７…シリンダ（シリンダ部分） ８…シリンダライナ（シリンダ部分） 7a…凹部 (干渉防止用の凹部) 8a…スリット (干渉防止用の凹部) Ｋ…空隙

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上部ピストン部下端に下部ピストン部を
   少なくともシリンダ径以上の長さにわたって延設すると
   ともに、シリンダ部分を少なくとも上記下部ピストン部
   の長さ分だけ寸法的に長く延設し、このシリンダ部分に
   上記上部ピストン部と下部ピストン部を往復動可能に配
   置し、上記シリンダ部分の下部における内周面の、下部
   ピストン部が爆発行程においてシリンダ部分に作用する
   側圧力が顕著に低下する領域に相当する部位に、ピスト
   ン摺接面を残して少なくとも連接棒の厚み以上の幅の干
   渉防止用の凹部を形成したことを特徴とする４サイクル
   トランクピストン形ディーゼル機関。
2. 【請求項２】 シリンダ部分を少なくとも上部ピストン
   の下端より下部ピストンの下端までの長さ分だけ寸法的
   に長く延設し、このシリンダ部分に上部ピストンと下部
   ピストンを、間に空隙を介して一体的に往復動可能に連
   結・配置し、該下部ピストンに連接棒の小端部を回動自
   在に連結するととにも、上記シリンダ部分の下部におけ
   る内周面の、下部ピストンが爆発行程においてシリンダ
   部分に作用する側圧力が顕著に低下する領域に相当する
   部位に、ピストン摺接面を残して少なくとも連接棒の厚
   み以上の幅の干渉防止用の凹部を形成したことを特徴と
   する４サイクルトランクピストン形ディーゼル機関。