JP2007023847A - 往復動ピストン型内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 摩擦抵抗及びピストン２次運動を低減した往復動ピストン型内燃機関を提供する。
【解決手段】 ピストン１１上部側面にトップリング溝１３を設けて前記トップリング溝１３にトップリング１２を設置し、前記トップリング溝１３の下方における前記ピストン１１上部側面にセカンドリング溝１５を設けてセカンドリング１４を設置し、前記トップリング１２と前記セカンドリング１４との間のランド部１６に、前記トップリング１２と前記セカンドリング１４との間の空間をスラスト側と反スラスト側とに区分けすると共に、前記ピストン１１の半径方向に動作可能に付勢された仕切り部材を設け、前記トップリング１２と前記セカンドリング１４との間のスラスト側の空間に燃焼室１７から燃焼ガスを導入する燃焼ガス通路２２を設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、往復動ピストン型内燃機関、特に、自動車に搭載する往復動ピストン型内燃機関に関する。

自動車等に搭載されている往復動ピストン型内燃機関のピストンとシリンダ内壁との間には摩擦抵抗が生じる。これは、ピストンに作用するシリンダ内の燃焼圧力と往復部の慣性力の合力が、傾斜したコンロッドで支えられることにより発生するピストン側圧によるものである。

また、膨張行程初期には、コンロッドの傾斜によりピストンにスラスト力が発生するが、コンロッドの傾斜角が小さいためスラスト力も小さい。このスラスト力により、ピストン下部（以下、スカート部）はシリンダのスラスト側に寄せられるが、ピストン上部はピストンリングとピストンリング溝の摩擦力に拘束され反スラスト側に留められる。

膨張行程中期には、燃焼ガスの膨張に伴い筒内圧が低下し、ピストンリングとピストンリング溝の摩擦力も減少し、ピストン上部の拘束も低減する。さらに、ピストンの下降に伴いコンロッドの傾斜角は増大し、筒内圧の減少にもかかわらず上死点後約３０度近辺でスラスト力は最大になる。

シリンダとスカート部の接触点を支点にしたスラスト力によるピストンのスラスト方向回りのモーメントが、同じ点を支点にしたピストンリングとピストンリング溝との摩擦による反スラスト側回りの拘束モーメントを上回ったとき、摩擦による拘束が開放されピストンは瞬時にスラスト側に頭を振る。このようなピストンの動きをピストン２次運動という。

これらのようなピストンとシリンダライナとの間の摩擦抵抗やピストンのピストン２次運動等が自動車に搭載される往復動ピストン型内燃機関の性能及び燃費の低下等の原因となっている。

シリンダとピストンとの間の摩擦抵抗を低減するため、シリンダの内面とこの内面に対面するピストンの側面との間に燃焼室からの燃焼ガスを導き蓄えるガス室を形成し、このガス室の燃焼ガスのガス圧により、燃焼行程においてピストンに与えられるスラスト方向に向かう側圧力に抗して、ピストンの側面との間の摩擦抵抗を低減する技術が下記特許文献１に開示されている。

特開平４−９１３５３号公報

上記特許文献１に開示されている技術は、燃料及び空気の混合気が燃焼する燃焼室を規定するピストン上面に隣接して配置された第１のピストンリングとこの第１のピストンリングに隣接して配置された第２のピストンリングとの間の環状空間を、スラスト側の反環状の空間と反スラスト側の半環状の空間とに区画し、ピストンが上死点近傍に位置する際に、スラスト側の半環状の空間を燃焼室に連通させるガス通路をシリンダ側壁に形成するというものである。

しかしながら、上記特許文献１に開示されている往復動ピストン型内燃機関では、区画シールをシール溝にバネ支持しているだけであったため、シール性が充分でなく、また、区画シールがピストン２次運動に応じて動作する性能も充分でないため、これらの性能の向上の余地が残されている。

このことから、本発明は、摩擦抵抗及びピストン２次運動を低減した往復動ピストン型内燃機関を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明（請求項１に対応）に係る往復動ピストン型内燃機関は、ピストン上部側面にトップリング溝を設けて前記トップリング溝にトップリングを設置し、前記トップリング溝の下方における前記ピストン上部側面にセカンドリング溝を設けてセカンドリングを設置し、前記トップリングと前記セカンドリングとの間のランド部に、前記トップリングと前記セカンドリングとの間の空間をスラスト側と反スラスト側とに区分けすると共に、ピストンの半径方向に動作可能に付勢された仕切り部材を設け、前記トップリングと前記セカンドリングとの間のスラスト側の空間に燃焼室から燃焼ガスを導入する燃焼ガス通路を設けたことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第２の発明（請求項２に対応）に係る往復動ピストン型内燃機関は、第１の発明に係る往復動ピストン型内燃機関において、前記トップリング溝と前記セカンドリング溝との間に、前記トップリング溝と前記セカンドリング溝とを連通するガイド溝を設け、前記ガイド溝に動作可能に前記仕切り部材を設置したことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第３の発明（請求項３に対応）に係る往復動ピストン型内燃機関は、第１の発明又は第２の発明に係る往復動ピストン型内燃機関において、前記ランド部に穴を開け、前記穴に動作可能に前記仕切り部材を嵌め込むことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第４の発明（請求項４に対応）に係る往復動ピストン型内燃機関は、第１の発明ないし第３の発明のいずれかに係る往復動ピストン型内燃機関において、前記仕切り部材の中にばね部材を収容し、前記仕切り部材を前記ピストン径方向に動作可能としたことを特徴とする。

第１の発明によれば、ピストン上部側面にトップリング溝を設けてトップリング溝にトップリングを設置し、トップリング溝の下方においてピストン上部側面にセカンドリング溝を設けてセカンドリングを設置し、トップリングとセカンドリングとの間のランド部に、トップリングとセカンドリングとの間の空間をスラスト側と反スラスト側とに区分けすると共に、ピストンの半径方向に動作可能に付勢された仕切り部材を設け、トップリングとセカンドリングとの間のスラスト側の空間に燃焼室から燃焼ガスを導入する燃焼ガス通路を設けたことにより、ピストンのスラスト側をシリンダからフロートさせることができる。これにより、ピストンとシリンダとの摩擦抵抗を低減することができる。

第２の発明によれば、トップリング溝とセカンドリング溝との間に、トップリング溝とセカンドリング溝とを連通するガイド溝を設け、ガイド溝に動作可能に仕切り部材を設置したことにより、ピストン２次運動が発生した場合、ピストン２次運動に応じて仕切り部材が動作することができるため、優れたシール性を実現することができる。

第３の発明によれば、ランド部に穴を開け、穴に動作可能に仕切り部材を嵌め込むことにより、ピストンの上下動に伴う仕切り部材の上下方向のばたつきを抑制することができるため、優れたシール性を実現することができる。

第４の発明によれば、仕切り部材の中にばね部材を収容し、仕切り部材をピストン径方向に動作可能としたことにより、ピストン２次運動が発生した場合、ピストン２次運動に応じて仕切り部材がピストン径方向に動作してシリンダ内壁との接触を常に維持することができるため、優れたシール性を実現することができる。

本発明に係る往復動ピストン型内燃機関について、図１から図５を用いて説明する。図１は実施例１に係るパーティションの側面図、図２は図１にＡ−Ａで示すパーティションの断面図、図３は実施例２に係る嵌め込み型パーティションの側面図、図４は図３にＢ−Ｂで示す嵌め込み型パーティションの断面図、図５は往復動ピストン型内燃機関の側面図である。

以下、本実施例に係る往復動ピストン型内燃機関の構造について図１、図２及び図５を用いて説明する。図５に示すように、自動車等に搭載されるエンジンには、混合気を燃焼させるための円筒状のシリンダ１０がある。シリンダ１０の内部には上下動が可能な円柱状のピストン１１がある。ピストン１１上方には燃料と空気の混合気を燃焼させるための燃焼室１７がある。

ピストン１１の上部側面には周方向に混合気燃焼時の燃焼ガスの漏れを防ぐため、２本のガスリングがピストン１１の側面の周方向に設けられた溝にそれぞれ嵌め込まれて設置されている。

このうち上方のガスリングをトップリング１２とし、トップリング１２が設置されている溝をトップリング溝１３とし、下方のガスリングをセカンドリング１４とし、セカンドリング１４が設置されている溝をセカンドリング溝１５とする。また、トップリング溝１３とセカンドリング溝１５との間の部分をセカンドランド１６とする。本実施例では、セカンドランド１６が課題を解決するための手段で言う所のランド部である。

セカンドリング１４の下方には、シリンダ１０内壁の余分なオイルを掻き落とすためのオイルリング１８がピストン１１の側面の周方向に設けられた溝に設置されている。オイルリング１８が設置されているピストン１１の側面の溝をオイルリング溝１９とする。

ピストン１１の下部内側にはコンロッド２０が取り付けられており、これらはピストンピン２１をエンジンの回転軸と同じ方向に貫通させて回転可能に支持している。ここで、ピストン１１が膨張した燃焼ガスにより押し下げられる際、ピストン１１をシリンダ１０内壁に押し付ける力であるスラスト力が加わる側のシリンダ１０の内壁をスラスト側とし、その反対側の内壁を反スラスト側とする。

ピストン１１には、ピストン１１の上面からピストン１１のスラスト側の側面に設けた燃焼ガス通路２２がある。この燃焼ガス通路２２は、燃焼ガスを燃焼室１７からピストン１１のスラスト側の側面へ導入するためのものである。

図１に示すように、トップリング１２とセカンドリング１４との間で、ピストン１１の側面とシリンダ１０の内壁との間で、かつ、スラスト側と反スラスト側との中間の位置にパーティション２３を設置する。パーティション２３はピストン１１を挟んで反対側の側面にも同様に設置される。

これにより、トップリング１２とセカンドリング１４との間の空間はスラスト側の区画と、反スラスト側の区画とに仕切られる。パーティション２３のシリンダ１０の内壁と接する側面の形状は四角形となっており、本実施例では、パーティション２３が課題を解決するための手段で言う所の仕切り部材である。

このパーティション２３を設置するために、セカンドランド１６にピストン１１の軸方向にトップリング溝１３とセカンドリング溝１５とをつなぎ、パーティション２３をガイドすることができるガイド溝２４を設ける。このガイド溝２４はパーティション２３と略同じ大きさか、又は、若干大きくしてもよい。

図２に示すように、パーティション２３のＡ−Ａ断面（図１参照）での断面は略コ字状となっている。パーティション２３の凹部２５には、コイルスプリング２６を挿入する。このコイルスプリング２６は凹部２５の深さよりも若干長いものを使用する。本実施例では、コイルスプリング２６が課題を解決するための手段で言う所のばね部材である。

コイルスプリング２６を挿入したパーティション２３をガイド溝２４に挿入し、パーティション２３がシリンダ１０内壁と接するように設置する。このとき、コイルスプリング２５は縮小され弾性エネルギーを蓄えた状態となり、図２の矢印Ｄに示すように、パーティション２３はシリンダ１０の内壁に押し付けられる。

図１の矢印Ｃに示すように、パーティション２３はスラスト側の区画に導入された燃焼ガスにより、反スラスト側に押し付けられる。これによりパーティション２３は充分なシール性を確保することができる。

また、本実施例ではスラスト側の区画と、反スラスト側の区画とを均等に区画したが、スラスト側の区画に導入された燃焼ガスにより、パーティション２３を反スラスト側に押し付ける力が十分に得られるのであれば、スラスト側の区画と、反スラスト側の区画とを均等に区画しなくともよい。

本実施例に係る往復動ピストン型内燃機関によれば、ピストン１１をスラスト側でシリンダ１０からフロートさせることができる。これにより、ピストン１１とシリンダ１０との摩擦抵抗を低減することができる。

また、パーティション２３の上下方向の大きさをトップリング１２とセカンドリング１４との間隔よりも若干小さくすることによりピストン２次運動発生時などにトップリング１２とセカンドリング１４の動きを妨げることが無い。

また、ピストン２次運動が発生した場合、ピストン２次運動に応じてパーティション２３が動作することができるため、優れたシール性を実現することができる。また、ガイド溝２４の大きさをパーティション２３よりも若干大きくした場合は組み付けが容易である。

以下、本実施例に係る往復動ピストン型内燃機関について図３及び図４を用いて説明する。実施例２では嵌め込み型パーティション２７をセカンドランド１６に嵌め込んで設置した。それ以外の構造については実施例１と同様である。

図３に示すように、嵌め込み型パーティション２７をトップリング１２とセカンドリング１４との間で、ピストン１１の側面とシリンダ１０の内壁との間で、かつ、スラスト側と反スラスト側との中間の位置に設置する。嵌め込み型パーティション２７はピストン１１を挟んで反対側の側面にも同様に設置される。

これにより、トップリング１２とセカンドリング１４との間の空間はスラスト側の区画と、反スラスト側の区画とに仕切られる。嵌め込み型パーティション２７のシリンダ１０の内壁と接する側面の形状は四角形となっており、本実施例では嵌め込み型パーティション２７が課題を解決するための手段で言う所の仕切り部材である。

この嵌め込み型パーティション２７を設置するために、セカンドランド１６に嵌め込み型パーティション２７を嵌め込むことができるガイド穴２８を設ける。このガイド穴２８は嵌め込み型パーティション２７の開口側の端部と略同じ大きさとする。

図４に示すように、嵌め込み型パーティション２７のＢ−Ｂ（図３参照）での断面は略コ字状となっており、開口側の端部は径が小さくなっている。嵌め込み型パーティション２７の凹部２９には、コイルスプリング３０を挿入する。このコイルスプリング３０は凹部２９の深さよりも若干長いものを使用する。本実施例では、コイルスプリング３０が課題を解決するための手段で言う所のばね部材である。

コイルスプリング３０を挿入した嵌め込み型パーティション２７をガイド穴２８に挿入し、嵌め込み型パーティション２７がシリンダ１０の内壁と接するように設置する。このとき、コイルスプリング３０は縮小され弾性エネルギーを蓄えた状態となり、図４の矢印Ｆに示すように、嵌め込み型パーティション２７はシリンダ１０内壁に押し付けられる。また、嵌め込み型パーティション２７がガイド穴２８の底部に熱膨張及び荷重等により底付きしないようにクリアランスを設ける。

また、本実施例ではスラスト側の区画と、反スラスト側の区画とを均等に区画したが、スラスト側の区画に導入された燃焼ガスにより、パーティション２７を反スラスト側に押し付ける力が十分に得られるのであれば、スラスト側の区画と、反スラスト側の区画とを均等に区画しなくともよい。

本実施例に係る往復動ピストン型内燃機関によれば、ピストン１１をスラスト側でシリンダ１０からフロートさせることができる。これにより、ピストン１１とシリンダ１０との摩擦抵抗を低減することができる。また、ピストン２次運動が発生した場合であっても、ピストン２次運動に応じて嵌め込み型パーティション２７が動作することができるため、優れたシール性を実現することができる。

また、ガイド穴２８の大きさを嵌め込み型パーティション２７の開口側の端部の大きさと略同じとすることにより、ピストン１１の上下動に伴う嵌め込み型パーティション２７の上下方向のばたつきを抑制することができる。

本発明は、往復動ピストン型内燃機関の摩擦抵抗及びピストン２次運動を低減する場合に有効である。

実施例１に係るパーティションの側面図である。 実施例１に係るパーティションの断面図である。 実施例２に係る嵌め込み型パーティションの側面図である。 実施例２に係る嵌め込み型パーティションの断面図である。 往復動ピストン型内燃機関の側面図である。

符号の説明

１０ シリンダ
１１ ピストン
１２ トップリング
１３ トップリング溝
１４ セカンドリング
１５ セカンドリング溝
１６ セカンドランド
１７ 燃焼室
１８ オイルリング
１９ オイルリング溝
２０ コンロッド
２１ ピストンピン
２２ 燃焼ガス通路
２３ パーティション
２４ ガイド溝
２５ パーティション凹部
２６ パーティションコイルスプリング
２７ 嵌め込み型パーティション
２８ ガイド穴
２９ 嵌め込み型パーティション凹部
３０ 嵌め込み型パーティションコイルスプリング

Claims (4)

1. ピストン上部側面にトップリング溝を設けて前記トップリング溝にトップリングを設置し、前記トップリング溝の下方における前記ピストン上部側面にセカンドリング溝を設けてセカンドリングを設置し、
   前記トップリングと前記セカンドリングとの間のランド部に、前記トップリングと前記セカンドリングとの間の空間をスラスト側と反スラスト側とに区分けすると共に、前記ピストンの半径方向に動作可能に付勢された仕切り部材を設け、
   前記トップリングと前記セカンドリングとの間のスラスト側の空間に燃焼室から燃焼ガスを導入する燃焼ガス通路を設けた
   ことを特徴とする往復動ピストン型内燃機関。
2. 前記トップリング溝と前記セカンドリング溝との間に、前記トップリング溝と前記セカンドリング溝とを連通するガイド溝を設け、
   前記ガイド溝に動作可能に前記仕切り部材を設置した
   ことを特徴とする請求項１に記載の往復動ピストン型内燃機関。
3. 前記ランド部に穴を開け、前記穴に動作可能に前記仕切り部材を嵌め込む
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の往復動ピストン型内燃機関。
4. 前記仕切り部材の中にばね部材を収容し、前記仕切り部材を前記ピストン径方向に動作可能とした
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の往復動ピストン型内燃機関。

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