JP2006513358A - 内燃機関用ピストンアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関用のピストンアセンブリとシリンダの間の間隙を密封する機構が提供される。
【解決手段】 密封部材は、間の間隙を塞ぐように、オイルリングを保持する溝の上壁面に挿入されている。オイルリングは、外周面に２つのレールを有する。上部レールは、下部レールより径方向が大きく、シリンダの形状により良く適合する。オイルリングは、オイルリングをシリンダに対して押し付ける押圧部材を保持するように、内周面にリセスを有する。リセスは、押圧部材を越えて延びており、オイルリングと溝の間のより大きな接触面積を提供する。

Description

本発明は、内燃機関用ピストンアセンブリに関する。より詳細には、本発明は、空気清浄機又はターボ過給機などの内燃機関用空気源からの空気がピストンアセンブリの内側に漏れるのを防ぎ、クランクケースからエンジンの燃焼室内への潤滑油の漏れを防ぎ、それによって潤滑油の損失及び不完全燃焼を少なくする内燃機関用ピストンピストンアセンブリに関する。

内燃機関は、１つ又は複数のシリンダ、及びシリンダ内を往復動するピストンを備えている。例えば図１に示すように、２サイクル内燃機関は、ピストンアセンブリ１０と、ピストンアセンブリ１０を囲むシリンダライナ１２を含み、シリンダ（図示せず）内に嵌合する。シリンダライナ１２の中間部には、吸気ポート１４が形成されている。
ピストンアセンブリ１０は、ピストン１６と、ピストン１６の上部の外周面に形成された複数の溝１８と、ピストン１６とシリンダライナ１２の間の密封を保持するように溝１８に挿入された圧縮リング１７とを含んでいる。ピストンアセンブリ１０はまた、ピストン１６の下部の外周面に形成された２つの溝２０、２２と、溝２２に挿入されたオイルリング２４及び別のオイルリング、又は溝２２の上部に設けられる溝２０に挿入されたオイル拭取リング２６を有する。

オイルリング２４は、潤滑油を集め、それをエンジンのクランクケースに戻す。オイル拭取リング２６は、シリンダライナ１２上に広がる潤滑油を取り除く。オイル拭取リング２６の外周面全体又は周面の一部は、シリンダライナ１２に接触し、余分なオイルを取り除くことによって潤滑油フィルムの厚さを調節する。オイル通路２８が、ピストン１６の内側及びピストン１６の外側円周壁面とシリンダライナ１２のライナ壁面の間の間隙を連通させるように、溝２０と２２の間に形成される。

図２乃至４は、オイル拭取リング２６を示している。オイル拭取リング２６は、上部レール３０及び下部レール３２を有する。レールの直径は同じである。均一に間隔を置いて配置された複数のスカロップ３４は、下部レール３２に形成される。スカロップ３４は、上部レール３０によってオイル通路２８を介してクランクケースに収集されたオイルを通過させる。
ピストンの往復動の下降ストロークでは、空気圧はピストン、シリンダ、及びクランクケースによって制限された空間内で増加する。圧力は、ピストン１６の内側からの一部のオイルをシリンダライナ１２又はシリンダの内壁とピストン１６の間の間隙内に漏洩させる。漏洩したオイルは、吸気ポート１４に均一に到達し、燃焼室に流入して、不完全燃焼を引き起こす。

この現象の原因を、図５を参照して説明する。半真空状態が、ピストンの往復動の上昇ストロークでピストンの下の空間に形成され、下降ストロークで、吸気ポート１４を介して流入する空気の一部は、シリンダライナ１２とオイル拭取リング２６の間の間隙、又はオイル拭取リング２６と溝２０の間の間隙を通過する。漏洩した空気は、スカロップ３４及びオイル通路２８を介してピストン１６の内部に流入する。ピストン１６が更に下に移動すると、ピストン１６の下の空間内の空気は圧縮されて、空間内の空気圧が増加する。圧力が増加したことにより、上に説明した経路を介して空気の逆流が起こる。この逆流により、シリンダライナ１２上、又はピストン１６の外壁上に広がるオイルを吸気ポート１４の近くでシリンダライナ１２の一部の上に噴霧させる。噴霧されたオイルは、吸気と共に燃焼室に流入し、燃料と共に燃焼する。

オイルの点火温度は燃料の点火温度より高いので、オイル及び燃料の混合物のこのような燃焼は、不完全燃焼、燃焼効率の低下、燃料の過剰消費、及び排気煙を引き起こす。別の問題は、圧力増加がピストンの下降ストローク運動を妨害し、エンジン効率の低下又は雑音を引き起こすことである。更に別の問題は、漏洩したオイルの燃焼による潤滑油の過剰消費である。

このような問題は、従来技術のオイルリング、シリンダ、及びシリンダライナの構成特有のものである。吸気ポートの周りのシリンダの部分は、熱膨張を考慮した大きな寸法を有するように機械加工されている。しかし、オイル拭取リングのレールの直径は同じであるので、ピストンが上死点又は下降ストロークにある場合、下部レール３２はシリンダライナに接触するが、上部レール３０はシリンダライナに接触しない。それゆえ、シリンダライナとオイル拭取リングの間に間隙が形成されて、漏洩経路が設けられる。
従って、ピストンアセンブリのオイルリングと内燃機関のシリンダライナの間の改良型の密封機構に対する需要があった。

本発明は、従来の欠点を克服するためになされたもので、本発明の目的は内燃機関用ピストンアセンブリの改良型密封機構を提供することである。
本発明の別の目的は、ピストンアセンブリの内部への空気の漏れを防ぐことである。
本発明の更に別の目的は、エンジンの燃焼室内へのオイルの漏れを防ぐことである。
本発明の更に別の目的は、エンジンのクランクケースの過剰な圧力上昇を防ぐことである。
本発明の更に別の目的は、組立状態でオイルリングの周りの間隙の形成を防ぐことである。

上記目的を達成するため、本発明の実施形態により、本発明はシリンダの形をしており、外側円筒壁面及び上部をシリンダの一端部に有するピストンと、内燃機関のシリンダライナに対して押し付けられるオイルリングと、ピストンの外側円筒壁面に形成され、オイルリングを保持する円形溝とを備える内燃機関用ピストンアセンブリを提供する。
溝は、上壁面、側壁面、及び下壁面を有し、上壁面はピストンの上部に向かって位置決めされている。ピストンアセンブリはさらに、溝の上壁面に形成される円形リセスと、リセスに挿入され、オイルリングと接触する密封部材とを含んでいる。
密封部材は弾性部材でもよく、組立状態では円形溝の中で、密封部材は圧縮されて、溝とオイルリングの間に密封を提供する。密封部材はＯリングであることが好ましい。

別の実施形態によると、本発明は、シリンダの形をしており、外側円筒壁面及び上部をシリンダの一端部に有するピストンと、オイルリングの外周面に形成された上部突起及び下部突起と、ピストンの外周面に形成され、オイルリングを保持する円形溝とを備える内燃機関用ピストンアセンブリを提供する。
オイルリングの上部突起は、ピストンの上部に向かって位置決めされている。オイルリングの突起は両方とも、テーパ状縁部を有し、上部突起の外径は下部突起の外径より大きい。
溝は、上壁面、側壁面、及び下壁面を有し、上壁面はピストンの上部に向かって位置決めされている。ピストンアセンブリは更に、溝の上壁面に形成された円形リセスと、リセスに挿入され、オイルリングに接触する密封部材とを含んでいる。
上部突起と下部突起の外径の違いは、約０．２ｃｍから約０．６ｃｍである。違いは約０．４ｃｍであることがより好ましい。

上部突起の縁部の厚さは、下部突起の縁部の厚さより大きいことが好ましい。
本発明の別の実施形態によると、本発明はシリンダの形をし、外側円筒壁面及び上部をシリンダの一端部に有するピストンと、オイルリングと、ピストンの外側円筒壁面に形成され、オイルリングを保持する円形溝とを備える内燃機関用ピストンアセンブリを提供する。
オイルリングは、外周面と、内周面と、上部と、下部と、内周面に沿って形成されたリセスと、上部及びリセスを連結させる上縁部と、下部及びリセスを連結させる下縁部と、オイルリングのリセスに挿入され、オイルリングを内燃機関のシリンダライナに対して押し付ける弾性部材とを有する。オイルリングの上下縁部の半径は、弾性部材の内側半径より小さい。
オイルリングの上下縁部とオイルリングの弾性部材の内側半径の差は、約０．５ｍｍであることが好ましい。

本発明の利点は、（１）オイルリングとオイルリングを保持する溝の間の間隙を通したオイルの漏れ又は空気の漏れが、溝の壁面のリセスに設けられた密封部材によって防がれること、（２）オイルリングと溝の間の密封は、オイルリングの延長された上下縁部でさらに改善されること、及び（３）ピストンアセンブリとシリンダライナの間の間隙を通したオイルの漏れ又は空気の漏れは、オイルリングの上下突起によって防がれ、上部突起の直径は下部突起の直径より大きく、上部突起の縁部は下部突起の縁部より厚い。

以下の図面、詳細な説明によって、本発明のより完全な理解が得られる。

図６に示すように、本発明による内燃機関用ピストンアセンブリ４０は、ピストン４２と、ピストン４２の上部の外周面に形成された複数の溝４４と、ピストン４２及びシリンダライナ（１１２、図７参照）の間の密封を保持するために溝４４に挿入された圧縮リング４６とを備えている。ピストンアセンブリ４０は更に、ピストン４２の下部の外周面に形成された２つの溝４８、５０と、溝４８に挿入されたオイルリング５２及び別のオイルリング、又は溝４８の上に位置決めされ、溝５０に挿入されたオイル拭取リング５４とを有する。

図７に示すように、オイルリング５４を保持する溝５０は、上壁面５６と、側壁面５８と、下壁面６０とを有する。円形リセス６２が、溝５０の上壁面５６に形成されている。密封部材６４は、オイルリング５４に接触するように、リセス６２に挿入される。密封部材６４は、溝５０の上壁面５６とオイルリング５４の上表面の間の間隙を塞ぎ、オイル又は空気の漏れがない堅固な密封が確保できる。密封部材６４は弾性部材でできており、それによってオイルリング５４の上表面に対して圧縮される。
密封部材６４はＯリングであることが好ましい。

図８〜１０はオイルリング５４を詳細に示している。リセス６６が、オイルリング５４の内周面に沿って形成されている。弾性部材又は押圧部材６８はリセス６６に挿入されて、オイルリング５４を径方向外側に、即ちシリンダライナ１１２に向かって押す。押圧部材６８はコイルばねでできている。押圧部材６８がオイルリング５４の外周面をシリンダライナに対して押すので、オイルリングの外表面はシリンダライナに密着して接触し、間の間隙がなくなる。オイルリング５４は更に、上部７０と、下部７２と、上部７０及びリセス６６を連結させる上縁部７４と、下部７２及びリセス６６を連結させる下縁部７６とを有する。リセス６６は、縁部の半径が押圧部材６８の内側半径より小さいように、縁部７４、７６まで延びている。全ての半径は、オイルリング５４の中心から測定されている。これにより、オイルリング５４が溝５０に接触する面積が増加し、それによって密封効果が良くなる。縁部の半径と押圧部材の内側半径の差は０．５ｍｍであることが好ましい。

オイルリング５４はさらに、上部突起又はレール７８と、オイルリングの外周面に形成された下部突起又はレール８０とを有する。上部レール７８の外径は下部レール８０の外径より大きい。均一に間隔を置いて配置された複数のスカロップ８２が、下部レール８０の周面に形成されて、上部レール７８によって拭き取られたオイルを溝４８と５０の間に位置決めされたオイル通路８４を介してクランクケースまで通過させる。上部レール７８はテーパ状になっており、テーパの端部に縁部８６を有する。下部レール８０はテーパ状をしており、テーパの端部に縁部８８を有する。

上部レール７８は下部レール８０より大きく形成されており、吸気ポートの周りのシリンダの部分が機械加工されて、熱膨張を補償するような大きな寸法を有すると考えられる。上部レール７８及び下部レール８０の外径の差は、０．２ｃｍから０．６ｃｍの範囲であることが好ましく、約０．４ｃｍであることがより好ましい。従って、上部レール７８の縁部８６の半径と下部レール８０の縁部８８の半径の差は、０．１ｃｍから０．３ｃｍの範囲内であり、より好ましくは約０．２ｃｍである。半径は、オイルリング５４の中心から測定されている。上部レール７８の縁部８６の厚さｔ１は、下部レール８０の縁部８８の厚さｔ２より大きいことが好ましい。

上記構成で、吸気ポート１１４を介して空気清浄機又はターボ過給機（図示せず）から供給される空気は、ピストン４２の内側に漏れるのが防止される。密封部材６４が間隙を密封するので、シリンダライナ１１２とピストンアセンブリ４０の間を流れる空気が、オイルリング５４と溝５０の間の間隙を介してピストンアセンブリの内側に漏れるのが防止される。間隙の密封度は、オイルリング５４及びオイルリング５４の延長された縁部７４、７６によって得られる溝５０の大きな接触面積によって更に良くなる。

加えて、押圧部材６８がオイルリング５４をシリンダライナ１１２に対して押し、上部レール７８の直径は下部レール８０よりも大きいため、オイルリング５４とシリンダライナ１１２の間の間隙がなくなる。これにより、空気が間隙を介してピストンアセンブリ４０の内側に漏れるのを防ぐ。
オイルの漏れは空気の漏れの逆経路で起こるため、上記密封効果は、内燃機関の燃焼室内のオイルの漏れでも同様に得られる。
ピストンアセンブリの内側への空気の漏れが防止されるので、下降ストローク中の空気圧の増加が軽減され、ピストン又はシリンダ内の空気圧は適当なレベルに保たれる。その後、空気圧が小さくなるので、オイルの漏れも少なくなる。
その結果、ピストンアセンブリの下降ストローク運動はより円滑になり、潤滑油の消費が少なくなり、不完全燃焼による空気汚染が少なくなる。

本発明をかなり詳細に説明したが、上記構成を変えることによって、他の変形形態も可能である。それゆえ、本発明の範囲は、上記で特定した明細書及び添付の特許請求の範囲によって限定されるものではない。

本発明のこれら及び他の特徴、性状、及び利点は、添付の図面を参照してより良く理解されるだろう
従来技術によるピストンアセンブリ及びシリンダライナを示す断面図である。 従来技術によるオイルリングの平面図である。 図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図である。 図２の線ＩＶ−ＩＶに沿った断面図である。 従来技術によるピストン、オイルリング、及びシリンダライナを示す断面図である。 本発明によるピストンアセンブリを示す断面図である。 本発明によるピストン、オイルリング、及びシリンダライナを示す断面図である。 本発明によるオイルリングを示す平面図である。 図８の線ＩＸ−ＩＸに沿った断面図である。 図８の線Ｘ−Ｘに沿った断面図である。

符号の説明

１０、４０ ピストンアセンブリ
１２ シリンダライナ
１４ 吸気ポート
１６、４２ ピストン
１７、４６ 圧縮リング
１８、２０、２２、４４、４８、５０ 溝
２４、５２、５４ オイルリング
２６、５４ オイル拭取リング
２８ オイル通路
３０ 上部レール
３２ 下部レール
３４、８２ スカロップ
５６ 上壁面
５８ 側壁面
６０ 下壁面
６２ 円形リセス
６４ 密封部材
６６ リセス
６８ 押圧部材
７０ 上部
７２ 下部
７４、７６、８６、８８ 縁部
７８ 上部レール
８０ 下部レール
１１２ シリンダライナ
１１４ 吸気ポート

Claims (20)

1. シリンダライナを有する内燃機関用ピストンアセンブリであって、
   シリンダの形をしており、外側円筒壁面及び上部をシリンダの一端部に有するピストンと、
   シリンダライナに対して押し付けられたオイルリングと、
   ピストンの外側円筒壁面に形成され、オイルリングを保持し、上壁面、側壁面、及び下壁面を有する円形溝であって、上壁面はピストンの上部に向かって位置決めされている円形溝と、
   溝の上壁面に形成された円形のリセスと、
   リセスに挿入され、オイルリングに接触する密封部材と、
   を備えることを特徴とするピストンアセンブリ。
2. 密封部材はＯリングであることを特徴とする請求項１に記載のピストンアセンブリ。
3. 密封部材は弾性を有することを特徴とする請求項１に記載のピストンアセンブリ。
4. 密封部材が圧縮されることを特徴とする請求項３に記載のピストンアセンブリ。
5. オイルリングは、外周面と、内周面と、上部と、下部と、内周面に沿って形成されたリセスと、上部とリセスを連結する上縁部と、下部とリセスを連結する下縁部と、オイルリングのリセスに挿入され、オイルリングをシリンダライナに対して押し付ける弾性部材とを有することを特徴とする請求項１に記載のピストンアセンブリ。
6. オイルリングの上下縁部の半径は、弾性部材の内側半径より小さいことを特徴とする請求項５に記載のピストンアセンブリ。
7. オイルリングの上下縁部の半径とオイルリングの弾性部材の内側半径の差は、約０．５ｍｍであることを特徴とする請求項６に記載のピストンアセンブリ。
8. シリンダライナを有する内燃機関用ピストンアセンブリであって、
   シリンダの形をしており、外側円筒壁面及び上部をシリンダの一端部に有するピストンと、
   外周面、上部突起、及び下部突起を有するオイルリングであって、突起は外周面上に形成され、上部突起はピストンの上部に向かって位置決めされ、突起はテーパ状縁部を有し、上部突起の外径は下部突起の外径より大きいオイルリングと、
   ピストンの外側円筒壁面に形成され、オイルリングを保持し、上壁面、側壁面、及び下壁面を有する円形溝であって、上壁面はピストンの上部に向かって位置決めされている円形溝と、
   溝の上壁面に形成されている円形のリセスと、
   リセスに挿入され、オイルリングに接触する密封部材と、
   を備えるピストンアセンブリ。
9. 上部突起及び下部突起の外径の差は、約０．２ｃｍから約０．６ｃｍである、請求項５に記載のピストンアセンブリ。
10. 上部突起及び下部突起の外径の差は、約０．４ｃｍであることを特徴とする請求項９に記載のピストンアセンブリ。
11. 上部突起の縁部の厚さは、下部突起の縁部の厚さより大きいことを特徴とする請求項８に記載のピストンアセンブリ。
12. 密封部材はＯリングであることを特徴とする請求項８に記載のピストンアセンブリ。
13. 密封部材は弾性を有することを特徴とする請求項８に記載のピストンアセンブリ。
14. 密封部材が圧縮されることを特徴とする請求項１３に記載のピストンアセンブリ。
15. シリンダライナを有する内燃機関用ピストンアセンブリであって、
    シリンダの形をしており、外側円筒壁面及び上部をシリンダの一端部に有するピストンと、
    外周面、内周面、上部、下部、内周面に沿って形成されたリセス、上部及びリセスを連結する上縁部、下部及びリセスを連結する下縁部、及びオイルリングのリセスに挿入され、オイルリングをシリンダライナに対して押し付ける弾性部材を有するオイルリングであって、オイルリングの上下縁部の半径は弾性部材の内側半径より小さいオイルリングと、
    ピストンの外側円筒壁面に形成され、オイルリングを保持する円形溝と、
    を備えることを特徴とするピストンアセンブリ。
16. オイルリングの上下縁部の半径とオイルリングの弾性部材の内側半径の差は、約０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１５に記載のピストンアセンブリ。
17. オイルリングは更に、外周面に形成された上部突起及び下部突起を有し、上部突起はピストンの上部に向かって位置決めされ、突起はテーパ状縁部を有し、上部突起の外径は下部突起の外径より大きいことを特徴とする請求項１５に記載のピストンアセンブリ。
18. 上部突起及び下部突起の外径の差は、約０．２ｃｍから約０．６ｃｍであることを特徴とする請求項１７に記載のピストンアセンブリ。
19. 上部突起及び下部突起の外径の差は、約０．４ｃｍであることを特徴とする請求項１８に記載のピストンアセンブリ。
20. 上部突起の縁部の厚さは、下部突起の縁部の厚さより大きいことを特徴とする請求項１７に記載のピストンアセンブリ。

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