JP2000161137A - 内燃機関のピストン用熱膨張吸収装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピストン１のヘッド１１に円周方向に連続し
たスリット１５を設けることによって、ピストン外径と
シリンダ内径のクリアランスを小さくするといった技術
を実現するための熱膨張吸収装置４を提供する。 【解決手段】 熱膨張吸収装置４は、定着部４１がピス
トン１のヘッド１１側に定着され、密封部４２がスリッ
ト１５を塞ぐように外周側へ延びてスカート１２の上端
面１２ａに摺動自在かつ弾性的に密接される。これによ
って、燃焼ガスがスリット１５を通じて流出するのを防
止すると共に、ヘッド１１からスカート１２への放熱経
路を確保し、高温であるヘッド１１の熱膨張による拡張
力が、相対的に熱膨張の小さいスカート１１側に伝達さ
れない構成となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関のピスト
ンのスカート部とシリンダ内面とのクリアランスを適正
に保持して燃焼効率を向上させるための技術に属するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関は、その概略構成を図５に示す
ように、シリンダ１０１内にピストン１０２が軸方向往
復動自在に配置され、シリンダ１０１の燃焼室１０１ａ
内で、吸気マニホールド１０７からインテークバルブ１
０８を介して供給される燃料と空気の混合ガスをスパー
クプラグ１０６により燃焼させ、この時に発生する高温
の燃焼ガスの圧力によって与えられるピストン１０２の
直線運動を、ピストンピン１０３及びコネクティングロ
ッド１０４を介してクランクシャフト１０５の回転運動
に変換するようになっていることはよく知られている。
ピストン１０２は、燃焼室１０１ａ側に面したヘッド１
０２ａと、その外周から燃焼室１０１ａと反対側（クラ
ンク室側）へ向けて延びるスカート１０２ｂとを有し、
シリンダ１０１の内面との隙間を、前記スカート１０２
ｂの外周に装着したピストンリング１０２ｃ及びオイル
リング１０２ｄによりシールしている。なお、参照符号
１０９は燃料噴射装置、１１０は前記燃焼室１０１ａか
ら燃焼ガスを排出する排気マニホールド、１１１はエキ
ゾーストバルブである。

【０００３】ピストン１０２は、燃焼室１０１ａ内で混
合ガスが燃焼されることによって発生する燃焼ガスと接
触するので、加熱されて高温になる一方、シリンダ１０
１は、空冷式の場合は外周面に形成されたフィンを通る
空気によって、また水冷式の場合は外周に形成された冷
却ジャケット内を通る冷却水によって常時冷却されてい
る。しかも近年はシリンダ１０１は鋳鉄、ピストン１０
２はＡｌ合金で製作されるのが普通であり、Ａｌ合金の
線膨張係数は鋳鉄の２倍以上であるため、このような温
度差及び線膨張係数差によって、シリンダ１０１よりピ
ストン１０２の熱膨張が大きく、このため内燃機関の運
転中は、シリンダ１０１の内径とピストン１０２の外径
とのクリアランスが常温時に比較して小さくなる。した
がって高速・高負荷での運転によって最高温となった時
にシリンダ１０１の内面にピストン１０２が焼き付かな
いようにするために、前記クリアランスを、前記最高温
時の熱膨張差を見込んで大きく設定している。

【０００４】燃焼室１０１ａに吸入され圧縮される燃料
と空気の混合ガスは、シリンダ１０１の内径とピストン
１０２の外径とのクリアランスにも入り込むが、この部
分に入り込んだ混合ガスは燃焼されず、未燃ガスとして
排出される。したがって、前記クリアランスを最高温時
の熱膨張差を見込んで大きくすると、比較的低速運転の
際にはピストン１０２の温度がそれほど上昇しないこと
によってクリアランスの容積が大きくなり、燃焼されず
に排出される未燃ガスが多くなり、内燃機関の燃焼効率
が低下してしまうことになる。そこで従来は、混合ガス
の入り込むクリアランスの容積をなるべく小さくする目
的で、ピストンリング１０２ｃを可能な限りスカート１
０２ｂの上端近くに装着するように設計しているが、そ
れにも限界がある。

【０００５】図６は内燃機関の運転時におけるピストン
１０２の温度分布の例を示すものである。この図によれ
ば、温度はヘッド１０２ａの上面中央部付近で最も高
く、冷却されているシリンダと近接したスカート１０２
ｂ側で低く、燃焼ガスから受熱した熱量の大半は、ピス
トンリング１０２ｃ等を介してシリンダへ放熱されるた
め、その付近で温度傾度が高くなっていることがわか
る。そしてピストン１０２の熱膨張は高温となるヘッド
１０２ａの中央部付近で最も大きいため、この熱膨張に
よる拡径力がスカート１０２ｂへ及ばないように、例え
ばピストンリング装着溝等にスリットを形成すること
が、比較的低温時におけるシリンダ１０１の内径とピス
トン１０２の外径とのクリアランスを小さくするのに有
効であると考えられる。しかしながらこの場合は、スリ
ットによって放熱が阻害されてヘッド１０２ａが高温に
なるため、実現が困難である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な事情のもとになされたもので、その技術的課題とする
ところは、ピストンのヘッドにスリットを設けることに
よって、ピストン外径とシリンダ内径のクリアランスを
小さくするといった技術を実現するための熱膨張吸収装
置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述した技術的課題は、
本発明によって有効に解決することができる。すなわち
本発明に係る内燃機関のピストン用熱膨張吸収装置は、
内燃機関のシリンダ内の燃焼室に面したヘッドの外周部
に円周方向に連続したスリットが形成されたピストンに
装着され、前記スリットに沿って延びる金属環であっ
て、前記スリットの内周側及び外周側のうちいずれか一
方に全周が密接状態に定着される定着部と、前記スリッ
トを塞ぐように延びてその内周側及び外周側のうちいず
れか他方に全周が弾性的かつ摺動可能に密接される密封
部とからなるものである。

【０００８】ヘッドの外周部の円周方向に連続したスリ
ットは、中央部付近で最も高温となるヘッドの熱膨張に
よる拡張力が、外周のスカートに伝達されるのを遮断す
るために設けられたものである。本発明に係る熱膨張吸
収装置は、前記スリットを塞ぐように設けられることに
よって、燃焼ガスが前記スリットを通じて流出するのを
防止すると共に、スリットの内周のヘッド中央側から、
外周のスカート側への放熱経路を確保するものである。
また、燃焼ガスからの受熱によって高温となるヘッド
は、相対的に低温であるスカートよりも大きく熱膨張し
て、前記スリットの径方向幅を縮小させるが、これに伴
って熱膨張吸収装置は、前記スリットの内周側又は外周
側の端面に弾性的かつ摺動可能に密接されている密封部
の接触位置が相対的に変化するので、前記ヘッドの熱膨
張による拡張力をスカート側に対して絶縁する。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る熱膨張吸収
装置の一実施形態を内燃機関のピストン１への装着状態
で示すものである。ピストン１は、シリンダ内の燃焼室
に面するヘッド１１と、その外周から前記燃焼室と反対
側へ向けて延びるスカート１２と、前記ヘッド１１の下
面に一体的に突設され互いに軸心が同一の一対のボス１
３，１３と、各ボス１３と前記スカート１２の内面とを
前記軸心と直交する方向に一体的に連結しているアーム
１４とからなり、前記一対のボス１３，１３に跨がって
挿通されるピストンピン（図５の符号１０３参照）を介
してコネクティングロッド（図５の符号１０４参照）に
連結される。

【００１０】スカート１２における燃焼室側の端部近傍
の外周面には複数の環状溝が形成されており、そのうち
上側の二本の環状溝にはそれぞれピストンリング２が、
また最も下側の環状溝にはオイルリング３が装着されて
いる。ピストンリング２は、燃焼室内の混合ガスの入り
込むクリアランスの容積をなるべく小さくして未燃ガス
の排出量を減少させる目的で、可能な限りスカート１２
の上端近くに位置して装着される。

【００１１】ピストン１におけるヘッド１１の外周部に
は円周方向に連続したスリット１５が形成されており、
これによって、前記ヘッド１１の外周部とスカート１２
の上端部は、径方向に互いに分離している。常温時にお
けるこのスリット１５の径方向幅は、ピストン１が高速
・高負荷での運転によって最高温となった時の、ヘッド
１１の外径とスカート１２の上端部の径方向熱膨張差よ
りも大きく設定されている。

【００１２】ピストン１のスリット１５には、これを塞
ぐように本発明の熱膨張吸収装置４が装着されている。
この熱膨張吸収装置４は前記スリット１５に沿って環状
に連続して延びる金属板からなるものであって、図２に
拡大して示すように、円筒面をなす内周側の定着部４１
と、この定着部４１の一端からＲ状に屈曲して外周側へ
延びる密封部４２とからなり、すなわち断面略Ｌ字形を
呈するものである。

【００１３】スリット１５の内周側の内壁面をなすヘッ
ド１１の外周面の上部には、熱膨張吸収装置４の定着部
４１の肉厚に相当する分だけ小径の装着面１１ａが段付
き形成されており、前記定着部４１は、この装着面１１
ａに適当な締め代をもって密接した状態に圧入定着され
ている。また、熱膨張吸収装置４の密封部４２は、前記
スリット１５を燃焼室側から塞ぐと共に、その外周端４
２ａがスカート１２における燃焼室側の端面（上面）１
２ａと相対的に径方向摺動可能な状態で弾性的に密接さ
れている。

【００１４】なお、熱膨張吸収装置４の密封部４２のば
ね荷重は、内燃機関の吸入行程等におけるピストン１の
下降時の慣性力及び燃焼室内の負圧によって、前記外周
端４２ａがスカート１２の上面１２ａに対する密接状態
が損なわれない大きさに設定される。

【００１５】以上の構成において、ピストン１は円周方
向に連続したスリット１５によってヘッド１１の外周と
スカート１２の上端部とが径方向に分離しているが、こ
のヘッド１１とスカート１２は、ボス１３及びアーム１
４を介して一体化された構造となっている。シリンダの
燃焼室で発生する燃焼ガスの圧力によりヘッド１１の上
面に与えられる駆動力はボス１３を介して、また前記圧
力によりスカート１２の上面１２ａに与えられる駆動力
はアーム１４及びボス１３を介して、図示されていない
ピストンピンからコネクティングロッドへと伝達され
る。

【００１６】ピストン１のヘッド１１とスカート１２間
のスリット１５は熱膨張吸収装置４によって閉塞されて
いるので、シリンダの燃焼室で発生した燃焼ガスがピス
トン１の下側（クランク室）に流出して出力効率の低下
を来すことはない。そして、前記燃焼ガスの高い圧力
は、熱膨張吸収装置４の密封部４２をスカート１２の上
面１２ａに押し付けるように作用するため、高い密封性
能を奏する。なお、この熱膨張吸収装置４は、好ましく
は金、銀、ニッケル、銅、亜鉛等のめっきを施すことに
よって、密封性を一層向上させることができる。

【００１７】燃焼室の高温・高圧の燃焼ガスによって、
ピストン１はヘッド１１の上面中央部が最も高温とな
り、ピストンリング２等を介してシリンダ内壁に接触さ
れているスカート１２は相対的に低温となるため、ヘッ
ド１１はスカート１２より大きく熱膨張し、これに伴っ
て、その外周面上部の装着面１１ａに圧入された熱膨張
吸収装置４も拡径を受ける。しかし、ヘッド１１の外周
面とスカート１２の上端部はスリット１５により分離し
ており、しかも、ヘッド１１の熱膨張により拡径された
熱膨張吸収装置４の密封部４２はスカート１２の上面１
２ａに対して相対的に外径側へ摺動するため、ヘッド１
１の熱膨張による拡張力はスカート１２に伝達されず、
熱によるスカート１２の拡径が小さく抑えられる。した
がって、常温時におけるピストン１（スカート１２）の
外径とシリンダの内径とのクリアランスを、従来に比較
して小さく設定することができ、その結果、前記クリア
ランスにピストンリング２によるシール部まで入り込ん
だ燃料と空気の混合ガスが燃焼されないことによる未燃
ガスの排出量を低減することができる。

【００１８】燃焼室の高温の燃焼ガスから受熱されたヘ
ッド１１の熱は、熱膨張吸収装置４相対的に低温のスカ
ート１２へ伝熱され、またボス１３及びアーム１４から
も前記スカート１２へ伝熱され、シリンダへ放熱され
る。

【００１９】図３は本発明に係る熱膨張吸収装置の他の
実施形態を示すものである。すなわちこの実施形態によ
る熱膨張吸収装置４も、ピストン１のスリット１５に沿
って環状に連続して延びる金属板からなるものであっ
て、平板状をなす内周側の定着部４３と、この定着部４
３からテーパ状に屈曲して外周側へ延びる弾性を有する
密封部４４とからなる。スリット１５の内周側における
ヘッド１１の上面外周部には、前記定着部４３の肉厚に
相当する深さの装着面１１ｂが段付き形成されており、
前記定着部４３の内径が、この装着面１１ｂの内径段差
部に適当な締め代をもって密接した状態に圧入定着され
るか、あるいは溶接等の手段により一体的に接合されて
いる。また、熱膨張吸収装置４の密封部４４は、前記ス
リット１５を燃焼室側から塞ぐと共に、その外周端４４
ａがスカート１２における燃焼室側の端面（上面）１２
ａと相対的に径方向摺動可能な状態で弾性的に密接され
ている。

【００２０】この実施形態による熱膨張吸収装置４も、
先の図２に示すものとほぼ同様の作用・効果を奏するこ
とができる。

【００２１】図４は、本発明に係る熱膨張吸収装置４を
図１とは異なる形態のピストン１に装着した状態を示す
ものである。すなわちこのピストン１は、ヘッド１１の
外周のスリット１５によって分離した前記ヘッド１１と
スカート１２が、ボス１３から外周側へ突設されたアー
ム１６と、スカート１２の内周面に突設されたアーム１
７をピン１８で連結することによって互いに一体化され
た構造となっているものである。熱膨張吸収装置４は、
上述のいずれの実施形態も採用可能である。

【００２２】なお、本発明は、図示の実施形態によって
限定的に解釈されるものではない。例えば、図示の実施
形態では、内周側の定着部がヘッド１１の外周部に定着
され、外周側へ延びる密封部がスカート１２に摺動可能
に密接されるように構成されているが、これとは逆に、
定着部がスカート１２に定着され、この定着部から内周
側へ形成された密接部がヘッド１１の上面に摺動可能に
密接される構成としても、上述と同様の効果を奏するこ
とができる。

【００２３】

【発明の効果】本発明に係る内燃機関のピストン用熱膨
張吸収装置は、燃焼ガスからの受熱によって高温となる
ピストンのヘッドの熱膨張を、その外周のスカートに対
して遮断するために、円周方向に連続したスリットを形
成したピストンにおいて、前記スリットを塞ぐように装
着されるもので、燃焼ガスが前記スリットを通じて流出
するのを防止するものである。そして、前記ヘッドとス
カートの熱膨張差に追随して、ヘッド又はスカートと摺
動可能であるため、ヘッドの熱膨張による拡張力をスカ
ート側に対して絶縁することができ、しかもスリットの
内周のヘッド中央側から、外周のスカート側への放熱経
路を確保するものである。したがって、ピストンのヘッ
ドに円周方向に連続したスリットを形成することによっ
て、ピストン外径とシリンダ内径のクリアランスを小さ
くし、このクリアランスに入り込んで燃焼されずに排出
される未燃ガスを少なくして燃焼効率の向上を図るとい
った技術を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る熱膨張吸収装置を装
着したピストンを示すもので、（Ａ）はピストンピンの
軸心と直交する平面で切断した断面図、（Ｂ）は（Ａ）
におけるＢ−Ｂ’断面図である。

【図２】上記一実施形態による熱膨張吸収装置の装着状
態を拡大して示す要部断面図である。

【図３】本発明の他の実施形態による熱膨張吸収装置の
装着状態を拡大して示す要部断面図である。

【図４】本発明に係る熱膨張吸収装置を装着したピスト
ンの他の例を、ピストンピンの軸心と直交する平面で切
断して示す断面図である。

【図５】内燃機関の概略構成を示す説明図である。

【図６】内燃機関の運転時におけるピストンの温度分布
の例を示す説明図である。

【符号の説明】

１ ピストン １１ ヘッド １２ スカート １５ スリット ４ 熱膨張吸収装置 ４１，４３ 定着部 ４２，４４ 密封部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関のシリンダ内の燃焼室に面した
   ヘッド（１１）の外周部に円周方向に連続したスリット
   （１５）が形成されたピストン（１）に装着され、前記
   スリット（１５）に沿って延びる金属環であって、 前記スリット（１５）の内周側及び外周側のうちいずれ
   か一方に全周が密接状態に定着される定着部（４１，４
   ３）と、 この定着部（４１，４３）から前記スリット（１５）を
   塞ぐように延びてその内周側及び外周側のうちいずれか
   他方に全周が弾性的かつ摺動可能に密接される密封部
   （４２，４４）と、からなることを特徴とする内燃機関
   のピストン用熱膨張吸収装置。