JP2001140694A - 内燃機関のピストン構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ノッキングによる激しい圧力振動が生じた場
合でも、前記ピストン周部のオイル油膜が剥がれる油膜
切れを抑制して摩擦抵抗を小さいまま維持し、ピストン
の往復摺動抵抗による焼き付きを抑制して機関の損傷し
難い内燃機関のピストン構造を提供する。 【解決手段】 シリンダ室３内に往復摺動自在にピスト
ン８を内装し、前記ピストン８の往復動をクランク軸１
１に伝達するクランクアーム１０を、ピストンピン９を
介して前記ピストン８に枢支連結してある内燃機関のピ
ストン構造において、ピストン周部８ａの少なくとも前
記ピストンピン９よりも下部にオイル保持層２を設け
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、シリンダ室内に往
復摺動自在にピストンを内装し、前記ピストンの往復動
をクランク軸に伝達するクランクアームを、ピストンピ
ンを介して前記ピストンに枢支連結してある内燃機関の
ピストン構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関であるエンジンは、空気（酸素
含有ガスの一例）と燃料との予混合気を燃焼室へ供給
し、ピストンを上昇させて圧縮した後に点火プラグより
火花点火して運転する火花点火式エンジン（オットーサ
イクルエンジン）と、圧縮空気中に液体燃料を噴射して
自着火燃焼させて運転するディーゼルエンジンに大きく
分けられるが、天然ガス等の気体燃料を利用するガスエ
ンジンでは、従来型のディーゼルエンジンを構成する場
合、気体燃料を圧縮して噴射するために大きな動力が必
要となり、機構も複雑になる為、圧倒的多数は、火花点
火式エンジンとされている。最近、自然着火を積極的に
利用する予混合圧縮自着火エンジンのコンセプトが話題
になっている。これは、元々、燃料噴射ディーゼルのパ
ティキュレートを防止する目的で考え出されたものであ
るが、圧縮された空気中に燃料を噴射して着火させるデ
ィーゼルエンジンとは異なり、主には、火花点火式エン
ジンの様に空気と燃料の予混合気をシリンダに供給し、
予混合気を高圧縮して昇温させて自着火燃焼させるよう
に構成され、圧縮比を増加させて高率の向上が可能であ
ると共に、当量比が小く希薄状態の予混合気を燃焼させ
低ＮＯｘ化を図ることが可能となる。ところで、エンジ
ンは、圧縮比を増大させる程効率が増大することが分か
っているが、火花点火式エンジンでは、圧縮比を増大さ
せると、ノッキングが発生し、その為、通常、圧縮比は
１０程度に抑えられている。ノッキングとは、火花点火
された燃焼波が、燃焼室全域に拡がる前に、未燃部が自
然発火して、圧力波を発生する現象である。圧縮比を増
大させると、ノッキングが発生し易くなるのは、圧縮比
増大とともに、火花点火時の未燃部の温度が増大するた
めである。また、予混合圧縮自着火エンジンは、断熱圧
縮による予混合気の自然着火を利用するもので、着火状
態は多数の部分で着火する多点着火である。このような
予混合圧縮自着火エンジンにおいて出力を上げたい場
合、予混合気の濃度を濃くする必要があるが、予混合気
の濃度を濃くすると圧縮自着火直後に、予混合気の圧縮
自着火燃焼によって発生する圧力波が燃焼室内の未燃焼
部に急激に伝播し易くなる虞がある。この急激な圧力波
によってノッキングが発生し、激しい圧力振動を生じる
ことがある。従来、この種の内燃機関のピストン構造
は、シリンダ室内に往復摺動自在にピストンを内装し、
前記ピストンの往復動をクランク軸に伝達するクランク
アームを、ピストンピンを介して前記ピストンに枢支連
結してあり、ピストン周部の表面にオイル油膜を形成す
ることによって前記ピストンの往復動による前記シリン
ダ内壁とピストンとが接触したときの接触抵抗を小さく
してピストンの往復摺動を行い易くしていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、燃焼室
内でノッキングによる激しい圧力振動が生じた場合、こ
の圧力振動によってピストンがピストンピンを軸芯とし
て揺れを生じ、前記ピストンピンよりも下部の前記ピス
トン周部（ピストンスカート部）がシリンダ内壁に接触
する。この接触による接触抵抗がよりひどい場合には前
記ピストン周部のオイル油膜が剥がれて油膜切れを起こ
すため、ピストンの往復摺動時の摩擦抵抗が大きくな
り、焼き付きを起こして機関が損傷し易いものとなって
いた。例えば、予混合圧縮自着火エンジンでは激しい圧
力振動を生じるため、この問題が特に著しい。

【０００４】従って、本発明の目的は、上記問題点を解
消し、ノッキングによる激しい圧力振動が生じた場合で
も、前記ピストン周部のオイル油膜が剥がれる油膜切れ
を抑制して摩擦抵抗を小さいまま維持し、ピストンの往
復摺動抵抗による焼き付きを抑制して機関の損傷し難い
内燃機関のピストン構造を提供するところにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】〔構成〕請求項１の発明
の特徴構成は図１に例示するごとく、シリンダ室３内に
往復摺動自在にピストン８を内装し、前記ピストン８の
往復動をクランク軸１１に伝達するクランクアーム１０
を、ピストンピン９を介して前記ピストン８に枢支連結
してある内燃機関のピストン構造において、ピストン周
部８ａの少なくとも前記ピストンピン９よりも下部にオ
イル保持層２を設けてあるところにある。

【０００６】請求項２の発明の特徴構成は図１に例示す
るごとく、前記内燃機関が、燃焼室４内にて燃料を燃焼
用酸素含有ガスとの予混合気を吸気して圧縮自着火燃焼
させる予混合圧縮自着火エンジン１であるところにあ
る。

【０００７】請求項３の発明の特徴構成は図１に例示す
るごとく、前記オイル保持層２が、炭素繊維を含んだ複
合炭素材料又は多孔質のセラミック溶射層のうちの何れ
かにより形成されているところにある。

【０００８】尚、上述のように、図面との対照を便利に
するために符号を記したが、該記入により本発明は添付
図面の構成に限定されるものではない。

【０００９】〔作用及び効果〕請求項１の発明により、
シリンダ室内に往復摺動自在にピストンを内装し、前記
ピストンの往復動をクランク軸に伝達するクランクアー
ムを、ピストンピンを介して前記ピストンに枢支連結し
てある内燃機関のピストン構造において、ピストン周部
の少なくとも前記ピストンピンよりも下部にオイル保持
層を設けてあるから、ノッキング発生時にピストンの揺
れが生じても、前記ピストン周部のオイル油膜の油膜切
れを抑制することができる。つまり、ノッキングによる
激しい圧力振動によってピストンがピストンピンを軸芯
として揺れを生じ、前記ピストンピンよりも下部の前記
ピストン周部がシリンダ内壁に接触した場合、ピストン
周部の表面にオイル油膜を形成した従来の構成だとピス
トンのシリンダ内壁に対する接触による接触抵抗によっ
てオイル油膜が剥がれ、ピストンの往復摺動抵抗が増大
して焼き付きを起こし易くなり、機関を損傷する可能性
があるが、本件のものだと、ピストン周部の少なくとも
ピストンピンよりも下部に、オイル保持層を設けてある
から、ノッキング発生時の急激な圧力上昇に伴う圧力振
動により、ピストンがピストンピンを軸芯として揺れを
生じてシリンダに接触したとしてもオイル油膜は保持さ
れたままとなるから、油膜切れを抑制することができ
る。その結果、油膜切れが抑制されるため、ノッキング
限界を延長することができる。

【００１０】請求項２の発明によれば、請求項１の発明
による作用効果を叶えることができるのに加えて、前記
内燃機関が、燃焼室内にて燃料を燃焼用酸素含有ガスと
の予混合気を吸気して圧縮自着火燃焼させる予混合圧縮
自着火エンジンであるから、低Ｎｏｘ高効率の予混合圧
縮自着火エンジンにおいて、ノッキング限界を延長する
ことができるので、予混合気の濃度を濃い側に拡大し、
出力の範囲を拡大することができる。つまり、予混合圧
縮自着火エンジンの出力を上げたい場合、予混合気の濃
度をある程度濃くすることがあるが、予混合気の濃度を
濃くすると圧縮自着火直後の圧力波の伝播が一層急激に
発生するのでノッキングを起こし、このノッキング発生
時の急激な圧力上昇に伴う圧力振動によって、ピストン
がピストンピンを軸芯として揺れを生じ、シリンダ内壁
に接触した部分のオイル油膜が剥がれて焼き付きを生じ
易くなるから、予混合気の高濃度運転は行い難いもので
あったが、本件のものだとオイル油膜は保持されたまま
となるので、ノッキング発生時においても油膜切れを抑
制することができる。その結果、ノッキング限界を延長
することができ、高圧縮比化による効率の改善が図れる
ようになった。

【００１１】請求項３の発明によれば、請求項１又は２
の発明による作用効果を叶えることができるのに加え
て、前記オイル保持層が、炭素繊維を含んだ複合炭素材
料又は多孔質のセラミック溶射層のうちの何れかにより
形成されているから、オイル油膜が保持され易くなる。
つまり、従来のピストン周部にはオイル油膜を保持する
ための構成は何ら採られていないため、接触によってオ
イル油膜が剥がれ易いものであったが、本件の様に炭素
繊維を含んだ複合材料又は多孔質のセラミックによりオ
イル保持層を形成すると、炭素繊維の繊維間やセラミッ
クの孔にオイル油膜が保持されてピストンの摺動摩擦抵
抗を小さくできる。その結果、油膜切れが抑制されるた
め、ノッキング限界を延長することができるようになっ
た。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に本発明の内燃機関のうち、
予混合圧縮自着火エンジン１の実施の形態について説明
する。

【００１３】本願における予混合圧縮自着火エンジン１
は、図１に示すように、吸気弁５及び排気弁６を備えた
シリンダ７と、このシリンダ７内に収納されるピストン
８を備えて構成されている。このシリンダ７とピストン
８との間に形成されている空間が、本願にいう燃焼室４
である。ピストン８の往復動をクランク軸１１に伝達す
るクランクアーム１０が、ピストンピン９を介して前記
ピストン８に枢支連結されており、このピストン８の往
復動がクランクアーム１０によってクランク軸１１の回
転運動として得られる。この構成により、予混合気は、
吸気路１２、吸気弁５を介し、燃焼室４内へ導かれ、圧
縮、膨張行程を経た後、排気弁６、排気路１３を介して
排気側へ排気される。

【００１４】エンジンの動作サイクルは、吸気行程、圧
縮行程、膨張行程、排気行程を経て一サイクルを完了す
る。通常、前記吸気行程においては、吸気弁５のみが開
状態とされて、予混合気の吸気が行われる。圧縮行程に
おいては、吸気弁５及び排気弁６が共に閉状態とされピ
ストン８が燃焼室内空間を減少させる方向に移動し、燃
焼室４内のガスの圧縮が起こる。この圧縮が完了する状
態におけるピストンの位置が、上死点と呼ばれ、予混合
圧縮自着火エンジン１における予混合気の圧縮自着火
は、この位置の近傍にピストン８があるタイミングで起
こる。膨張行程は、燃焼によって発生する高圧ガスによ
りピストン８がシリンダ内空間を増加する方向に移動す
る行程である。この行程にあっても、吸気弁５及び排気
弁６が共に閉状態とされる。さらに、排気行程において
は、排気弁６のみが開状態とされ、ピストン８の燃焼室
４内空間を減少させる方向への移動に伴って燃焼室４内
の排ガスが排出される。以上の行程は、４サイクルエン
ジンが普通に備える行程であり、基本的に予混合圧縮自
着火エンジン１も、着火が、断熱圧縮に伴って発生され
る熱による予混合気の自然着火である以外、他のエンジ
ンと変わるところはない。

【００１５】前記ピストン８の上部には、シリンダ側の
ピストン周部８ａよりもわずかにシリンダ内壁３ａ側に
飛び出す状態で複数のピストンリング１４が嵌められて
いる。このピストンリング１４がシリンダ内壁３ａに接
当したまま摺動することによって、燃焼室４内の気密を
保つことができると共に、前記ピストン周部８ａとシリ
ンダ内壁３ａには前記ピストンリング１４の突出量だけ
隙間Ｓが形成される。これは、燃焼室４内の気密を保ち
ながらピストン８の往復動の摺動摩擦抵抗を小さくする
ためである。また、前記ピストン周部８ａの少なくとも
前記ピストンピン９よりも下部に、炭素繊維を含んだ複
合材料又はセラミックの粒子を溶射して形成した多孔質
のセラミック溶射層をピストン周部８ａにネジ等で取り
付けて形成した炭素繊維層のうちの何れかにより形成さ
れたオイル保持層２を設けてある。そして、この予混合
圧縮自着火エンジン１を運転中に前記燃焼室４内でノッ
キングによる激しい圧力振動が生じた場合、この圧力振
動によって前記ピストン８が前記ピストンピン９を軸芯
として揺れを生じることになる。これは、前記シリンダ
内壁３ａとピストン周部８ａとの間に前記隙間Ｓが形成
されているからであり、この揺れによってピストン周部
８ａでも、特に、前記ピストンピン９よりも下方にある
ピストン周下部がシリンダ内壁３ａに接触する。このと
き、ピストン８は往復動を行っているのでシリンダ内壁
３ａに接触したままの移動が起こることになり、前記ピ
ストン周部８ａに形成のオイル油膜が剥がれて油膜切れ
を起こし、さらに、前記油膜切れを起こした部分の接触
が起こる度に摩擦抵抗が増大することになり、焼き付き
を起こして機関が損傷するのであるが、オイル保持層２
を設けているから接触が起こったとしてもセラミックの
孔や炭素繊維の繊維間にオイル油膜を保持した状態を維
持できるので、オイル油膜が剥がれることがないから、
繰り返し接触が起こったとしても摩擦抵抗が増大するの
を抑制することができるから、ノッキング限界を延長す
ることが可能となる。

【００１６】〔別実施形態〕以下に他の実施形態を説明
する。 〈１〉 オイル保持層は、上記の実施形態例における多
孔質のセラミック溶射層又は炭素繊維を含んだ複合炭素
材料から形成されるものに限らず、耐熱性、耐摩耗性を
備えると共に、ピストンがシリンダ内壁に接触したとき
においてもオイルを保持することができるものであるな
らその材質及び、その形状は任意である。 〈２〉 本願の予混合圧縮自着火エンジンに使用できる
燃料としては、天然ガス、ガソリン、プロパン、メタノ
ール、水素、軽油等、任意の炭化水素系燃料を使用する
ことができる。 〈３〉 予混合気を生成するにあたっては、燃料とこの
燃料の燃焼のための酸素を含有するガスとを混合すれば
よいが、例えば、燃焼用酸素含有ガスとして空気を使用
することが一般的である。しかしながら、このようなガ
スとしては、例えば、酸素成分含有量が空気に対して高
い酸素富化ガス等を使用することが可能である。 〈４〉 上記の実施の形態例においては、所謂、４サイ
クルエンジンに関連して、説明したが、本願は、２サイ
クルエンジンにおいても適応可能である。 〈５〉 上記の実施の形態例においては、燃料と空気と
の混合気である吸気をシリンダ内に吸気する構造のもの
を示したが、燃料及び空気を別々に、例えば、吸気路か
ら空気のみを吸気し、燃焼室に燃料を直接噴射して予混
合気を形成し、その予混合気を圧縮自着火させるように
構成するエンジンにおいても、本願の発明は適応でき
る。 〈６〉 上記の実施の形態例においては、予混合圧縮自
着火エンジンに関連して説明したが、本願は、火花点火
式エンジンにおいても適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願の一実施形態である予混合圧縮自着火エン
ジンの構成を示す図

【符号の説明】

１ 予混合圧縮自着火エンジン ２ オイル保持層 ３ シリンダ室 ４ 燃焼室 ８ ピストン ９ ピストンピン １０ クランクアーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 守家 浩二 大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者 佐古 孝弘 大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者 西垣 雅司 大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪瓦斯株式会社内 Ｆターム(参考） 3G013 AA00 BA01 BC04 CA14 3G023 AA11 AC06 AC07 AD03 AE03 AE04 AE06

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダ室内に往復摺動自在にピストン
   を内装し、前記ピストンの往復動をクランク軸に伝達す
   るクランクアームを、ピストンピンを介して前記ピスト
   ンに枢支連結してある内燃機関のピストン構造におい
   て、ピストン周部の少なくとも前記ピストンピンよりも
   下部にオイル保持層を設けてある内燃機関のピストン構
   造。
2. 【請求項２】 前記内燃機関が、燃焼室内にて燃料を燃
   焼用酸素含有ガスとの予混合気を吸気して圧縮自着火燃
   焼させる予混合圧縮自着火エンジンである請求項１記載
   の内燃機関のピストン構造。
3. 【請求項３】 前記オイル保持層が、炭素繊維を含んだ
   複合炭素材料又は多孔質のセラミック溶射層のうちの何
   れかにより形成されている請求項１又は２に記載の内燃
   機関のピストン構造。