JP2010112324A - Piston of internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関のピストンに関するものである。 The present invention relates to a piston of an internal combustion engine.
内燃機関のピストンにおいては、ガスシールやオイルシールを目的としたピストンリングが設けられており、このピストンリングは、シリンダボア内に収容されることで縮径方向に弾性変形した際の張力(弾性変形力)によりシリンダボアに圧接するようになっており、シリンダボアに対するピストンリングの面圧を確保すると共に、ピストンリングの動きが過度に拘束されないように、ピストンリングがピストンの外周に凹設されたリング溝に遊嵌されている。 The piston of an internal combustion engine is provided with a piston ring for the purpose of a gas seal or an oil seal, and this piston ring is accommodated in a cylinder bore so as to be elastically deformed in the direction of diameter reduction (elastic deformation). The ring groove is recessed in the outer periphery of the piston so that the piston ring is pressed against the cylinder bore and the piston ring surface pressure is secured against movement. Are loosely fitted.
このようにピストンリングが遊嵌されるリング溝は、深さ(径方向幅)が全周に渡って均一となるように形成されたものが一般的であるが、リング溝の底面の外形を、ピストン軸方向視でスラスト・反スラスト方向に長い楕円形状とした技術が知られている(特許文献1)。これによると、シリンダ側への放熱が促進されるスカート部が存在しない側で生じる大きな熱膨張によりピストンリングとリング溝の底面とが干渉することを避けることができる利点が得られる。
しかるに、内燃機関のピストンでは、膨張行程時に燃焼圧力によりピストンが押圧された際に、コネクティングロッドの傾斜により、ピストンをシリンダボアに押し付ける向きのスラスト荷重(横力)が発生し、このスラスト荷重を受ける側、いわゆるスラスト側において、シリンダボアに対するピストンリングの面圧が高くなって過大な摺動抵抗が発生するという問題がある。 However, in the piston of an internal combustion engine, when the piston is pressed by the combustion pressure during the expansion stroke, a thrust load (lateral force) in the direction of pressing the piston against the cylinder bore is generated due to the inclination of the connecting rod, and this thrust load is received. On the other hand, on the so-called thrust side, there is a problem that the surface pressure of the piston ring against the cylinder bore increases and excessive sliding resistance occurs.
このような問題に対して、前記の従来技術のように、リング溝の底面の外形を、スラスト・反スラスト方向に長い楕円形状とすると、スラスト側においてリング溝が浅くなるため、スラスト荷重によりピストンリングがリング溝に押し込まれた際に、容易にピストンリングがリング溝の底面に突き当たって、シリンダボアに対するピストンリングの面圧が増大することから、逆効果となり、望ましくない。 To solve this problem, if the outer shape of the bottom surface of the ring groove is an ellipse that is long in the thrust / anti-thrust direction as in the prior art, the ring groove becomes shallow on the thrust side. When the ring is pushed into the ring groove, the piston ring easily abuts against the bottom surface of the ring groove, and the surface pressure of the piston ring against the cylinder bore increases.
本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、スラスト側においてシリンダボアに対するピストンリングの面圧が高くなって過大な摺動抵抗が発生することを避けることができるように構成された内燃機関のピストンを提供することにある。 The present invention has been devised to solve such problems of the prior art, and its main purpose is to increase the surface pressure of the piston ring against the cylinder bore on the thrust side, resulting in excessive sliding resistance. An object of the present invention is to provide a piston for an internal combustion engine configured so as to avoid occurrence.
このような課題を解決するために、本発明においては、請求項1に示すとおり、ピストン(3)の外周にピストンリング(15)が嵌挿されるリング溝(23)が設けられ、このリング溝が、スラスト側の部分において、少なくともスラスト・反スラスト方向に直交するクランク軸方向に位置する部分より深さが大きくなるように形成されたものとした。
In order to solve such a problem, in the present invention, as shown in
これによると、スラスト側において、ピストンリングとリング溝の底面との隙間の幅(径方向寸法)が大きくなるため、ピストンに対するピストンリングの移動量を大きく確保することができ、これによりシリンダボアに対するピストンリングの面圧が高くなることが抑制されるため、過大な摺動抵抗が発生することを避けることができる。 According to this, on the thrust side, the width (diameter dimension) of the gap between the piston ring and the bottom surface of the ring groove is increased, so that a large amount of movement of the piston ring relative to the piston can be ensured, and thereby the piston relative to the cylinder bore. Since an increase in the surface pressure of the ring is suppressed, the occurrence of excessive sliding resistance can be avoided.
前記内燃機関のピストンにおいては、請求項2に示すとおり、前記リング溝は、ピストン軸方向視における底面の外形が、スラスト・反スラスト方向を短径とした略楕円形状をなすように形成された構成とすることができる。
In the piston of the internal combustion engine, as shown in
これによると、製造が容易であり、製造コストの上昇を抑えることができる。 According to this, manufacture is easy and an increase in manufacturing cost can be suppressed.
前記内燃機関のピストンにおいては、請求項3に示すとおり、前記リング溝は、スラスト側の部分において、反スラスト側の部分より深さが大きくなるように形成された構成とすることができる。
In the piston of the internal combustion engine, as shown in
これによると、スラスト側において過大な摺動抵抗が発生することをより一層確実に抑制することができる。 According to this, generation | occurrence | production of excessive sliding resistance on the thrust side can be suppressed further reliably.
前記内燃機関のピストンにおいては、請求項4に示すとおり、前記ピストンリングは、シリンダボア(2a)に摺接するアウタリング(21)と、このアウタリングと前記リング溝の底面との間に介装されて前記アウタリングを外向きに付勢するエキスパンダ(22)とからなる構成とすることができる。 In the piston of the internal combustion engine, as shown in claim 4, the piston ring is interposed between an outer ring (21) slidably contacting the cylinder bore (2a), and the outer ring and the bottom surface of the ring groove. And an expander (22) for urging the outer ring outward.
これによると、エキスパンダが挟み込まれるアウタリングの内周面とリング溝の底面との隙間の幅に応じてエキスパンダの撓み変形量が変化することから、リング溝の深さによってエキスパンダの張力を調整することができる。このため、周方向位置に応じてリング溝の深さを変えることで、エキスパンダの付勢力を全周に渡って最適化することができる。 According to this, since the amount of deformation of the expander changes depending on the width of the gap between the inner peripheral surface of the outer ring and the bottom surface of the ring groove where the expander is sandwiched, the tension of the expander depends on the depth of the ring groove. Can be adjusted. For this reason, the urging force of the expander can be optimized over the entire circumference by changing the depth of the ring groove in accordance with the circumferential position.
このように本発明によれば、スラスト側において、ピストンリングとリング溝の底面との隙間の幅(径方向寸法)が大きくなるため、ピストンに対するピストンリングの移動量を大きく確保することができ、これによりシリンダボアに対するピストンリングの面圧が高くなることが抑制されるため、過大な摺動抵抗が発生することを避けることができる。 Thus, according to the present invention, on the thrust side, since the width (diameter dimension) of the gap between the piston ring and the bottom surface of the ring groove is increased, it is possible to ensure a large amount of movement of the piston ring relative to the piston, As a result, an increase in the surface pressure of the piston ring with respect to the cylinder bore is suppressed, so that an excessive sliding resistance can be avoided.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明によるピストンが適用される内燃機関の要部を示す断面図である。この内燃機関では、シリンダブロック1にシリンダボア2aを形成する円筒状のスリーブ2が設けられ、このスリーブ2の内部にピストン3が摺動可能に収容されている。ピストン3には、ピストンピン4を介してコネクティングロッド5の上端が連結され、コネクティングロッド5の下端はクランクピン6を介してクランクシャフト7に連結されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a main part of an internal combustion engine to which a piston according to the present invention is applied. In this internal combustion engine, a
シリンダブロック1の上側には、吸気バルブ及び排気バルブによりそれぞれ開閉される吸気ポート及び排気ポートが設けられたシリンダヘッド(図示せず)が結合され、このシリンダヘッドの内壁面とピストン3の上面とシリンダボア2aとで燃焼室9が画成される。
A cylinder head (not shown) provided with an intake port and an exhaust port that are opened and closed by an intake valve and an exhaust valve, respectively, is coupled to the upper side of the
ピストン3は、燃焼ガスの圧力が作用する頂部11と、この頂部11から垂下した態様で設けられた一対のスカート部12と、この一対のスカート部12を互いに連結する態様で設けられた一対のサイドウォール部13と、この一対のサイドウォール部13に設けられた一対のピンボス部14とを有している。頂部11の外周には、ピストンリング15〜17がそれぞれ取り付けられている。なお、ピストンリング15・16はコンプレッションリングであり、ピストンリング17はオイルリングである。
The
このような内燃機関においては、膨張行程時に燃焼圧力によりピストン3が押圧された際に、コネクティングロッド5の傾斜により、ピストン3をシリンダボア2aに押し付ける向きのスラスト荷重(横力)が発生し、このスラスト荷重を受ける側、いわゆるスラスト側において、シリンダボア2aに対するピストンリング15〜17の面圧が高くなって摺動抵抗が大きくなる。
In such an internal combustion engine, when the
図2は、図1に示したピストンをその中心線に直交し且つリング溝を通る平面で切断して示す横断面図である。図3は、図2に示したピストンのスラスト側の要部をピストンの中心線に沿う平面で切断して示す縦断面図である。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing the piston shown in FIG. 1 cut along a plane perpendicular to the center line and passing through the ring groove. FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a main part on the thrust side of the piston shown in FIG. 2 cut along a plane along the center line of the piston.
ピストンリング15は、ピストン3の外周面に環状に凹設されたリング溝23に嵌挿されており、シリンダボア2aに摺接するアウタリング21と、このアウタリング21とリング溝23の底面との間に介装されてアウタリング21を径方向外向きに付勢するエキスパンダ22とからなっている。アウタリング21及びエキスパンダ22は共に、一部が切り欠かれたC字形状をなしている。
The
エキスパンダ22は、折曲部22aが所定の間隔をおいて複数形成された多角形状をなしており、アウタリング21とリング溝23の底面との間に挟み込まれることで弾性変形して、アウタリング21をシリンダボア2aに圧接させる向きに付勢する張力(ばね付勢力)を発生し、シリンダボア2aに収容されることで縮径方向に弾性変形するアウタリング51自身が発生する張力と協働して、シリンダボア2aに対するアウタリング21の面圧が確保される。
The
このようにアウタリング21は、アウタリング21自身の張力とエキスパンダ22の張力とによりシリンダボア2aに圧接するが、ピストン3にスラスト荷重が作用する場合に、スラスト側では、アウタリング21及びエキスパンダ22の張力にスラスト荷重が加算されるため、シリンダボア2aに対するアウタリング21の面圧が高くなる。
In this way, the
図4は、図2に示したリング溝の底面の外形を示す模式的な横断面図である。リング溝23は、スラスト側の部分において、少なくともスラスト・反スラスト方向に直交するクランクシャフト7の軸方向に位置する部分より深さが大きくなるように形成されている。特にここでは、ピストン軸方向視におけるリング溝23の底面の外形が、スラスト・反スラスト方向を短径とした略楕円形状をなすように形成されており、さらにここでは、ピストン3の中心Oを中心とした略楕円形状をなし、リング溝23の深さが、スラスト側の部分と反スラスト側の部分とで同一となっている。なお、ピストン軸方向とは、ピストン3が摺動する方向であり、シリンダボア2aの軸線方向である。
4 is a schematic cross-sectional view showing the outer shape of the bottom surface of the ring groove shown in FIG. The
したがって、リング溝23の深さdは、スラスト方向の角度位置(α=0°)で最大となり、この角度位置を中心にして、ここから離れる、すなわちスラスト方向とのなす角度αが大きくなるのにしたがって小さくなり、スラスト方向と直交するクランクシャフト7の軸方向の角度位置(α=90°)で最小となる。そして、アウタリング21は、周方向に均一な断面をなし、幅(径方向寸法)が周方向に均一となっていることから、リング溝23の深さdに応じて、スラスト側においてアウタリング21とリング溝23の底面との隙間が大きくなり、図2に示したように、アウタリング21の内面とリング溝23の底面との隙間間隔(径方向寸法)は、スラスト方向及び反スラスト方向の角度位置で最大値Cmaxとなり、ここから離れるのにしたがって小さくなり、スラスト方向と直交するクランクシャフト7の軸方向の角度位置で最小値Cminとなる。
Therefore, the depth d of the
図5は、図2に示した本発明によるピストンのスラスト側の要部と従来構成による比較例とを示す横断面図であり、(A)に本発明による場合を、(B)に従来構成による場合を、それぞれ示している。 FIG. 5 is a cross-sectional view showing the main part on the thrust side of the piston according to the present invention shown in FIG. 2 and a comparative example according to the conventional configuration. FIG. 5A shows the case according to the present invention, and FIG. Each case is shown.
エキスパンダ22は、多角形の辺に相当する真直部22bの内面がリング溝23の底面に当接すると共に、多角形の頂点に相当する折曲部22aの外面がアウタリング21の内面に当接し、アウタリング21の内面とリング溝23の底面とに挟まれることで撓み変形して、アウタリング21を外向きに付勢する張力を発生し、リング溝23の底面とアウタリング21の内面との隙間間隔(径方向寸法)Cが大きくなるのに応じて、エキスパンダ22の撓み変形量が小さくなり、これに伴ってエキスパンダ22の張力が小さくなる。
In the
図5(B)に示すように、従来構成によるピストン51では、リング溝52の深さd、及びリング溝52の底面とアウタリング21の内面との隙間間隔Cが全周に渡って均一であるのに対して、図5(A)に示すように、本発明によるピストン3では、スラスト側において、リング溝23の深さdが大きくなるように形成され、アウタリング21とリング溝23の底面との隙間間隔Cが大きくなっており、これによりスラスト側においてエキスパンダ22の撓み変形量が小さくなり、エキスパンダ22の張力が小さくなる。このため、スラスト側において、シリンダボア2aに対するアウタリング21の面圧が低くなり、過大な摺動抵抗が発生することを避けることができる。
As shown in FIG. 5 (B), in the
そして、前記のように、略真円形状をなすアウタリング21と略楕円形状をなすリング溝23の底面との隙間の幅が、短径方向、すなわちスラスト・反スラスト方向の中心位置で最大となり、ここから離れるのにしたがって狭くなる状態となるため、隙間の幅に応じて変化する面圧分布が滑らかになり、スリーブ2に対するアウタリング21の摺動抵抗が局所的に高くなることを避けることができる。
As described above, the width of the gap between the
図6は、本発明によるリング溝の底面の外形に関する別の例を示す模式的な横断面図である。図4に示した例では、リング溝23の底面の外形が、スラスト・反スラスト方向を短径とした略楕円形状に形成され、リング溝23の深さがスラスト側の部分と反スラスト側の部分とで同一となっていたが、図6(A)に示す例では、リング溝23の底面の外形が、ピストン3の中心Oから反スラスト側にずれた中心O1を中心とした略楕円形状をなし、リング溝23の深さdは、スラスト側の部分で反スラスト側の部分より大きく、スラスト側から反スラスト側へかけて漸減する。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing another example of the outer shape of the bottom surface of the ring groove according to the present invention. In the example shown in FIG. 4, the outer shape of the bottom surface of the
図6(B)に示す例では、リング溝23の底面の外形が、スラスト側の半分の領域で、ピストンの中心Oを中心とし、且つスラスト・反スラスト方向を短径とした略半楕円形状をなし、反スラスト側の半分の領域で、ピストンの中心Oを中心とした略半真円形状をなしており、α=0〜90°のスラスト側半面では、リング溝23の深さdがスラスト側から反スラスト側へかけて漸減するとともに、α=90〜180°の反スラスト側半面では、リング溝23の深さdが一定である。
In the example shown in FIG. 6B, the outer shape of the bottom surface of the
以上の例では、リング溝の底面の外形を略楕円形状としたが、これに限定されるものではない。ここでは、シリンダボア2aに対するアウタリング21の面圧がスラスト側で過大とならないようにリング溝23をスラスト側で深くすると共に、その面圧が周方向位置に応じて急激に変化しないようにリング溝23の深さが徐々に変化するようにすれば良く、種々の曲線が可能である。
In the above example, the outer shape of the bottom surface of the ring groove is substantially elliptical, but the present invention is not limited to this. Here, the
図7は、本発明によるピストンの別の例と従来構成による比較例とを示す模式的な要部縦断面図であり、(A−1)・(A−2)は本発明による場合であり、(A−1)に通常の状態を、(A−2)にスラスト荷重が作用した状態をそれぞれ示している。(B−1)・(B−2)は従来構成による場合であり、(B−1)に通常の状態を、(B−2)にスラスト荷重が作用した状態をそれぞれ示している。 FIG. 7 is a schematic longitudinal sectional view of a main part showing another example of a piston according to the present invention and a comparative example according to a conventional configuration, and (A-1) and (A-2) are cases according to the present invention. , (A-1) shows a normal state, and (A-2) shows a state in which a thrust load is applied. (B-1) and (B-2) are cases according to the conventional configuration, and (B-1) shows a normal state and (B-2) shows a state in which a thrust load is applied.
前記の例では、アウタリング21とエキスパンダ22とからなる組合せピストンリングとしたが、ここでは、エキスパンダを有さない構成となっている。このような構成では、ピストン71に形成されたリング溝72の底面とピストンリング73との隙間の空気層74が空気ばねとして機能し、ピストン71にスラスト荷重が作用すると、ピストンリング73は内側に押し込まれ、これに応じて空気層74が圧縮されるため、空気ばねによる圧縮反力を生じる。
In the above example, the combination piston ring including the
ここで、図7(B−1)に示すように、ピストン75に形成されたリング溝77の底面とピストンリング78との隙間が小さい従来の構成では、リング溝77の底面とピストンリング78との隙間の空気層79が小さいため、図7(B−2)に示すように、スラスト荷重によりピストンリング78が内側に押し込まれると、空気ばねによる圧縮反力が急激に大きくなり、ピストンリング78とシリンダボア2aとの間に高い面圧が生じて、過大な摺動抵抗が発生する。
Here, as shown in FIG. 7 (B-1), in the conventional configuration in which the gap between the bottom surface of the
一方、図7(A−1)に示すように、本発明による構成では、ピストンリング73とリング溝72の底面との隙間の空気層74が大きいため、図7(A−2)に示すように、スラスト荷重によりピストンリング73が内側に押し込まれた場合、図7(B−2)の例と同じだけピストンリング73が動いても、図7(B−2)の例より体積の減少割合が小さいので、空気ばねによる圧縮反力も小さくなり、ピストンリング73とシリンダボア2aとの間の面圧は低く、過大な摺動抵抗が発生することを避けることができる。
On the other hand, as shown in FIG. 7A-1, in the configuration according to the present invention, the
以上、ピストンに装着されるピストンリングのうち、燃焼室側のコンプレッションリングであるトップリングに関する例について説明したが、セカンドリングについても同様の構成を採用することが可能である。 As mentioned above, although the example regarding the top ring which is a compression ring by the side of a combustion chamber among piston rings with which a piston is mounted was demonstrated, the same structure can be employ | adopted also about a second ring.
2 スリーブ、2a シリンダボア
3 ピストン
4 ピストンピン
7 クランクシャフト
15〜17 ピストンリング
21 アウタリング
22 エキスパンダ、22a 折曲部、22b 真直部
23 リング溝
2 Sleeve, 2a Cylinder bore 3 Piston 4
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CN102261290A (en) * | 2010-05-27 | 2011-11-30 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司 | piston assembly |
WO2021078800A1 (en) * | 2019-10-22 | 2021-04-29 | Mahle International Gmbh | Piston for an internal combustion engine |
CN115306578A (en) * | 2022-08-17 | 2022-11-08 | 马勒汽车技术(中国)有限公司 | Elliptical ring groove piston and engine |
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