JP2009156179A - ピストン装置 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば、ピストン打音を低減すると共に、ピストンの摩耗及びエンジンオイルの消費量を低減し、且つエンジンの焼き付きを防止する。
【解決手段】ピストン装置１０は、ピストン１の上端部１ａの周面に設けられた溝部７、溝部７に配置されたピストンリング２、ロッド３、収容室６、壁部９、本発明の「弾性体」の一例であるバネ５、オイル供給路１５、及びオイル供給部１６を備えている。ピストンリング２は、ロッド３を介してバネ５から付勢力を付与され、エンジンの運転時に溝部７からスラスト側に押し出される。スラスト側に押し出されたピストンリング２は、シリンダ１１内におけるピストン装置１０の姿勢を安定させることが可能であり、エンジンの運転時にピストン装置１０が、回転することによってボアに衝突することを低減できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えば、車両に搭載されるエンジン等の内燃機関が備えるピストン装置の技術分野に関する。

この種のピストン装置では、エンジンの運転状態を良好に維持するためにオイルリングの張力を調整する調整装置（例えば、特許文献１参照。）や、ピストンリング及びシリンダライナ間の焼き付き低減及びオイル消費量の低減が可能になるピストン装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００４−３３９９７６号公報 実開平６−１２３３５７号公報

この種のピストン装置は、コンロッド（Con rod）等の連接棒に機械的に接続されているため、燃料の燃焼に応じてピストン装置がシリンダ内を往復する往復運動が軸回転運動に変換可能になる。この際、ピストン装置の側面がシリンダの内壁に押しつけられることによって，コンロッドが傾く方向が変化する。シリンダ内壁（以下、ボアと称する。）及びピストン装置間には隙間があり、内燃機関の運転時に、ピストン装置が当該シリンダの左右のボアに繰り返し衝突し、ピストン打音が発生する。このようなスラスト打音は、内燃機関の回転数が低い段階で、より具体的には、車両がアイドル状態にある段階で、内燃機関で発生する機械騒音の大半を占めるため、何ら対策を講じないままでは、内燃機関から発生する騒音を低減することは困難である。

加えて、内燃機関が高回転で運転される際には、ピストン装置がシリンダのボアに衝突することによってシリンダ内におけるピストンの挙動が不安定になり、ピストン及びシリンダの夫々において部分的な摩耗が発生すると共にエンジンオイルの消費量の増大を招いてしまう。また、シリンダのボアにピストンが部分的に衝突することによって、内燃機関の焼き付きが生じる虞もあり、内燃機関の動作性能を低下させてしまう虞もある。

よって、本発明は上記問題点等に鑑みてなされたものであり、例えば、シリンダのボアにピストンが衝突することによって生じるピストン打音を低減すると共に、シリンダ等の摩耗及びオイル消費量を低減し、且つ内燃機関の焼き付きを低減できるピストン装置を提供することを課題とする。

本発明に係るピストン装置は上記課題を解決するために、内燃機関が有するシリンダ内において、燃料の燃焼に応じて前記シリンダ内を往復するピストン装置であって、ピストンと、前記ピストンのうち前記シリンダ内の燃焼室に臨む上端部の周面に設けられた溝部に配置されたピストンリングと、前記内燃機関の運転状態に応じて、前記溝部から前記ピストンのスラスト側に前記ピストンリングを押し出す付勢力を前記ピストンリングに付与する付勢機構とを備える。

本発明に係るピストン装置によれば、ピストンは、シリンダ内で燃料の燃焼に応じて当該シリンダ内を往復し、ピストンに接続されたコンロッド等の連接棒を介して当該往復運動が回転運動に変換される。

ピストンリングは、前記ピストンのうち前記シリンダ内の燃焼室に臨む上端部の周面に設けられた溝部に配置されており、シリンダ内の混合気、燃焼ガス、及び排気ガスをシールする目的で、或いは、シリンダのボアに残るオイルをかき落とすために設けられている。

付勢機構は、内燃機関の運転時において、内燃機関の運転状態に応じて、前記溝部から前記ピストンのスラスト側に前記ピストンリングを押し出す付勢力を前記ピストンリングに付与する。溝部からスラスト側に押し出されたピストンリングによれば、当該ピストン装置の一部がボアに衝突しないように、ピストン装置の挙動及び姿勢を安定させることが可能であり、ピストン打音を低減できる。

加えて、本発明に係るピストン装置によれば、ピストン及びボアの衝突を低減できることにより、ピストン及びシリンダの夫々において生じる部分的な摩耗が低減できると共に、エンジンオイルの消費量を低減できる。また、内燃機関の焼き付きを低減することも可能であり、焼き付きによる内燃機関の動作性能の低下を抑制できる。

本発明に係るピストン装置の一の態様では、前記付勢機構は、前記内燃機関がアイドル状態にある場合に前記付勢力を前記ピストンリングに付与してもよい。

この態様によれば、内燃機関が車両に搭載されている場合に、アイドル時に内燃機関から発生する騒音の大部分を占めるピストン打音を低減できるため、アイドル時に内燃機関から発生する騒音を効果的に低減できる。

本発明に係るピストン装置の他の態様では、前記付勢機構は、前記ピストンリングに接続されたロッドと、前記ロッドに前記付勢力を付与する弾性体と、前記付勢力を調整する付勢力調整手段とを備えていてもよい。

この態様によれば、付勢力を調整可能であり、ピストン打音を低減可能なように、或るいは摩耗及びオイル消費量を低減可能なように、シリンダ内におけるピストン装置の姿勢を適切な状態に維持することが可能である。

この態様では、前記付勢力調整手段は、流体を収容する収容室と、前記収容室内における前記流体の圧力を調整する圧力調整手段とを備え、前記弾性体は、前記収容室の壁部を介して前記ロッドに前記付勢力を付与し、前記圧力調整手段は、前記圧力を調整することによって前記付勢力を調整してもよい。

この態様によれば、例えばオイル等の流体が収容室に供給される供給量や、収容室から排出されるオイルの排出量が圧力調整手段によって調整され、収容室内における流体の圧力が調整される。収容室の壁部を介してロッドに付勢力を付与する弾性体は、流体の圧力に応じて壁部から力を受ける。したがって、弾性体が前記収容室の壁部を介して前記ロッドに付与する付勢力の大きさは、弾性体の弾性力がそのままロッドに付与されるのではなく、弾性体の弾性力が、流体の圧力に応じて壁部から弾性体に加わる力によって調整され、付勢力は、適切な大きさに調整される。圧力調整手段は、例えば、内燃機関の運転状態を制御するＥＣＵ等の制御回路の制御下で動作するオイル供給装置であり、ＥＣＵ等の制御装置が内燃機関の運転状態を常時把握しつつ、把握された運転状態に応じて収容室に供給されるオイルの供給量、及び収容室から排出されるオイルの排出量を調整する。

したがって、この態様によれば、収容室内における流体の圧力の微調整が可能であり、弾性体の弾性力を直接調整する場合に比べてより適切な付勢力をロッドに付与することが可能である。よって、ピストンリングを溝部から張り出させる張り出し量も、内燃機関の運転状態に応じて、より正確に調整できる。

本発明のこのような作用及び他の利得は次に説明する実施形態から明らかにされる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係るピストン装置の一実施形態を説明する。

先ず、図１及び図２を参照しながら、ピストン打音が発生する理由を詳細に説明する。図１は、エンジンの運転時におけるピストン装置のシリンダ内における挙動状態を図式的に示した状態図である。図２は、エンジンの動作時間を横軸とし、ピストン装置及びボアのスラスト側におけるギャップ、反スラスト側におけるギャップ、及びピストン装置に発生する振動及びシリンダ内圧力の変化の夫々を縦軸にとったチャートである。尚、図２における（Ａ）及び（Ｂ）の夫々で示した範囲、並びに（Ｃ）及び（Ｄ）で示した時点は、図１における（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）の夫々で示したピストン１００の状態に対応している。図２（ａ）は、ピストン１００のうちスラスト側上部及び下部の夫々とボアとのギャップを示しており、図２（ｂ）は、ピストン１００のうち反スラスト側上部及び下部の夫々とボアとのギャップを示している。図２（ｃ）は、シリンダ１１０内の筒内圧と共に、ピストン１００に生じる振動を示すＲＨマウントＢＫＴを示している。

図１において、シリンダ１１０内で燃料がピストン１００によって圧縮される圧縮工程の途中から、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）の順でシリンダ１１０内におけるピストン１００の状態をクランク角θと共に示している。より具体的には、例えば、状態（Ａ）は、クランク角θａが下死点クランク角θａ＝６０°までのピストン１０ａの状態を示している。

図１（Ａ）に示すように、エンジンの運転時において、ピストン１０ａは、クランク角θａまでは、スラスト側のボアに沿ってシリンダ１１０内を上昇する。続いて、図１（Ｂ）に示すように、ピストン１００は、クランク角θが、クランク角θａからクランク角θｂ進角した状態で、図中矢印ｄ１で示すように、そのスカート下端を左回りに振りながら上昇を続ける。その際、ピストン１００の中止位置は、矢印ｄ２で示すように、急激にスラスト側から反スラスト側に移動する。

続いて、図１（Ｃ）に示すように、クランク角θがクランク角θｃに更に進角すると、ピストン１００のスカート下端のうち反スラスト側に臨む部分が、反スラスト側のボアに衝突する（衝突Ｉ）。衝突Ｉが発生した時点からピストン１００に振動が発生し始める。続いて、更にクランク角θがクランク角θｄに進角すると、ピストン１００は、矢印ｄ１で示すように、ピストン１００及び不図示のコンロッドを相互に接続するピン１１１を中心にして急激に右回りに傾く。このようにピストン１００が傾くと、ピストン１００のうちスラスト側に臨む下端と、反スラスト側の臨む上端との夫々が、スラスト側のボア及び反スラスト側のボアの夫々に衝突し（衝突ＩＩ、ＩＩＩ）、ピストン１００に発生する振動が最大となる。

図２において、上述の衝突Ｉ、ＩＩ及びＩＩＩの夫々の発生タイミングをより詳細に説明する。

図２に示すように、範囲（Ａ）では、ピストン１００及びスラスト側のギャップは、ピストン１００の上端及び下端の夫々で確保されており、ピストン１００及びボアの衝突は発生していない。同様に、反スラスト側でも、ピストン１００及びボア間のギャップは確保されており、ピストン１００及びボアの衝突は発生していない。範囲（Ａ）で発生する振動は微小であるため、騒音の原因とならない。

範囲（Ｂ）では、ピストン１００が矢印ｄ１に沿って回転すると共に、その中心が矢印ｄ２に沿ってスラスト側から反スラスト側に移動するため、ピストン１００のうちスラスト側の下端及び上端の夫々と、スラスト側のボアとのギャップは急激に増大する。一方、ピストン１００の反スラスト側の下端及び上端と、反スラスト側のボアとのギャップは、急激に減少し、タイミング（Ｃ）でピストン１００の反スラスト側の下端がボアに衝突し、衝突Ｉが発生する。衝突Ｉが発生したタイミング（Ｃ）からエンジンに振動が発生し始める。クランク角θが、クランク角θｄ＝３７°の下死点に到達したタイミング（Ｄ）では、衝突ＩＩ及びＩＩＩが同時に発生するため、エンジンの振動は最大値をとる。

以上説明したプロセスで発生する衝突Ｉ、ＩＩ、及びＩＩＩによれば、エンジンの運転時における騒音の増大を招く。より具体的には、衝突Ｉ、ＩＩ、及びＩＩＩに起因して生じる騒音は、エンジンのアイドル時に発生する機械騒音の大部分を占めるため、何ら対策を講じないままでは、特に、アイドル時においてエンジンから発生する騒音を低減することは困難になる。

加えて、エンジンが高回転で運転される際には、ピストンがシリンダのボアに衝突することによってシリンダ内におけるピストンの挙動が不安定になり、ピストン及びシリンダの夫々において部分的な摩耗が発生すると共にエンジンオイルの消費量の増大を招いてしまう。また、シリンダのボアにピストンが部分的に衝突することによって、エンジンの焼き付きが生じる虞もあり、エンジンの動作性能を低下させてしまう。

そこで、以下で説明するように、本実施形態に係るピストン装置に特有の構成により、アイドル時における騒音を低減すると共に、ピストンの挙動を安定させ、ピストン及びシリンダの夫々における部分的な摩耗の低減及びエンジンオイルの消費量の低減を可能にする、加えて、シリンダのボアにピストンが部分的に衝突することによって、エンジンの焼き付きが生じることを低減する。

次に、図３及び図４を参照しながら、本実施形態に係るピストン装置１０の詳細な構成を説明する。図３は、本実施形態に係るピストン装置がシリンダ内に配置された状態を示した外観図である。図４は、図３に示したピストン装置の一部を拡大して示した拡大断面図である。より詳細には、図４は、図３の範囲Ｃ１を拡大して図示的に示している。

図３において、ピストン装置１０は、シリンダ１１と共に、車両のエンジンの一部を構成しており、シリンダ１１内の燃焼室における燃料の燃焼に応じて、シリンダ１１内を図中上下方向に沿って往復する。ピストン装置１０は、不図示のコンロッド等の連接棒とピン１２を介して相互に接続されており、エンジンの運転時において、シリンダ１１内におけるピストン装置１０の往復運動がコンロッドを介して回転力に変換され、該回転力によって車両が駆動される。

ピストン装置１０は、ピストン１、及びピストンリング２を備えている。ピストン１の上端部１ａは、ピストン装置１０から見てシリンダ１１内の上側の空間である燃焼室に臨んでいる。

ピストンリング２は、上端部１ａの周面に設けられた溝部（図４参照。）に配置されており、エンジンの運転時において、シリンダ１１内の混合気、燃焼ガス、及び排気ガスをシールすると共に、シリンダ１１のボアに残るオイルをかき落とすことが可能である。尚、本実施形態では、説明の便宜上、図３においてピストン装置１０の左側をスラスト側と定義し、右側を反スラスト側と定義している。

図４において、ピストン装置１０は、ピストン１の上端部１ａの周面に設けられた溝部７、溝部７に配置されたピストンリング２、ロッド３、収容室６、壁部９、本発明の「弾性体」の一例であるバネ５、オイル供給路１５、及びオイル供給部１６を備えている。オイル供給路１５及びオイル供給部１６が、本発明の「圧力調整手段」の一例を構成している。オイル供給路１５、オイル供給部１６、及び収容室６が、本発明の「付勢力調整手段」の一例を構成している。オイル供給路１５、オイル供給部１６、収容室６は、バネ５、ロッド３、及び壁部９と共に、本発明の「付勢機構」の一例を構成している。

ピストンリング２は、ロッド３を介してバネ５から付勢力を付与され、エンジンの運転時に溝部７からスラスト側に押し出される。スラスト側に押し出されたピストンリング２は、シリンダ１１内におけるピストン装置１０の姿勢を安定させることが可能であり、エンジンの運転時にピストン装置１０が、回転することによってボアに衝突することを低減できる。

収容室６は、本発明の「流体」の一例であるオイルを収容する。より具体的には、流体としてエンジンオイル等のオイルを用いることによって、エンジンオイルとは別に流体を用意する場合に比べて、エンジンの構成を簡便化でき、且つエンジンを運転させる際に生じるランニングコストを低減できる。

オイル供給部１６は、例えば、エンジンの運転状態を制御するＥＣＵ等の制御回路の制御下で動作するオイル供給装置であり、ＥＣＵ等の制御装置がエンジンの運転状態を常時把握しつつ、把握された運転状態に応じて収容室６に供給されるオイルの供給量、及び収容室６から排出されるオイルの排出量を調整する。

より具体的には、収容室６へのオイル供給量、及び収容室６から排出されるオイルの排出量がエンジンの運転状態に応じて調整されることによって、収容室６の壁部９に加わるオイルの圧力を調整できる。

収容室６の壁部９を介してロッド３に付勢力を付与するバネ５は、収容室６内のオイルの圧力に応じて壁部９から力を受けるため、バネ５からロッド３に付与される付勢力の大きさは、バネ５の弾性力がそのままロッド３に付与されるのではなく、バネ５の弾性力が、収容室６内のオイルの圧力に応じて壁部９からバネ５に加わる力によって調整される。これにより、ロッド３を介してピストンリング２に付与される付勢力は、適切な大きさに調整される。

したがって、ピストン装置１０によれば、オイルの供給量及び排出量が調整されることによって、収容室６内におけるオイルの圧力の微調整が可能であり、バネ５の弾性力を直接調整する場合に比べてより適切な付勢力をロッド３に付与することが可能である。よって、ピストンリング２を溝部７から張り出させる張り出し量も、付勢力を調整することによって、エンジンの運転状態に応じて、より正確に調整できる。

特に、オイル供給部１６によれば、収容室６内のオイルの圧力を調整することが可能である。特に、本実施形態では、ピストン装置１０を備えたエンジンによって動力が供給される車両がアイドル状態にある場合に、収容室６内のオイルの圧力を下げ、バネ５から壁部９を介してロッド３に適切な付勢力を付与することによって、ピストンリリング２がスラスト側に適切な長さだけ押し出され、シリンダ１１内におけるピストン装置１０の姿勢を安定させることが可能である。これにより、図１及び図２で説明した衝撃Ｉ、ＩＩ及びＩＩＩを低減することが可能であり、アイドル状態に発生する機械騒音の大部分を占める騒音を低減することが可能である。

また、ピストン装置１０によれば、車両のアイドル時だけでなく、低回転数から高回転数の広いエンジン回転数の範囲に渡って、付勢力を調整し、ピストン装置１０のシリンダ１１内における姿勢制御を正確に行うことが可能であるため、ピストン装置１０がシリンダ１１のボアに衝突する衝突回数を低減できる。したがって、衝突に起因して生じるピストン１及びシリンダ１１の摩耗、及び、衝突を回避するためにシリンダ１１内に供給されるエンジンオイルの消費量を低減できる。

加えて、ピストン装置１０によれば、ピストン１及びシリンダ１１間の衝突を低減できるため、エンジンの焼き付きも低減することが可能であり、エンジンの動作性能の低下を抑制することも可能である。

本実施形態に係るピストン装置がシリンダ内に配置された状態を示した外観図である。 図１に示したピストン装置の一部を拡大して示した拡大断面図である。 内燃機関の運転時におけるピストン装置のシリンダ内における挙動状態を図式的に示した状態図である。 内燃機関の動作時間を横軸とし、（ａ）ピストン装置及びボアのスラスト側におけるギャップ、（ｂ）スラスト側におけるギャップ、及び（ｃ）ピストン装置に発生する振動及びシリンダ内圧力の変化の夫々を縦軸にとったチャートである。

符号の説明

１・・・ピストン、１ａ・・・上端部、２・・・ピストンリング、５・・・バネ、６・・・収容室、７・・・溝部、９・・・壁部、１０，１１０・・・ピストン装置、１１，１１０・・・シリンダ、１５・・・オイル供給路、１６・・・オイル供給部

Claims (4)

1. 内燃機関が有するシリンダ内において、燃料の燃焼に応じて前記シリンダ内を往復するピストン装置であって、
   ピストンと、
   前記ピストンのうち前記シリンダ内の燃焼室に臨む上端部の周面に設けられた溝部に配置されたピストンリングと、
   前記内燃機関の運転状態に応じて、前記溝部から前記ピストンのスラスト側に前記ピストンリングを押し出す付勢力を前記ピストンリングに付与する付勢機構と
   を備えたことを特徴とするピストン装置。
2. 前記付勢機構は、前記内燃機関がアイドル状態にある場合に前記付勢力を前記ピストンリングに付与すること
   を特徴とする請求項１に記載のピストン装置。
3. 前記付勢機構は、前記ピストンリングに接続されたロッドと、前記ロッドに前記付勢力を付与する弾性体と、前記付勢力を調整する付勢力調整手段と
   を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のピストン装置。
4. 前記付勢力調整手段は、流体を収容する収容室と、前記収容室内における前記流体の圧力を調整する圧力調整手段とを備え、前記弾性体は、前記収容室の壁部を介して前記ロッドに前記付勢力を付与し、前記圧力調整手段は、前記圧力を調整することによって前記付勢力を調整すること
   を特徴とする請求項３に記載のピストン装置。

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