JP2010223005A - 内燃機関用ピストン及び内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストン重量の増加を抑えつつ、セカンドリング溝とオイルリング溝との間のサードランド部に溜まるオイルを低減することで、燃焼室でのオイル消費を低減する。
【解決手段】サードランド部４３には、ピストン外側からピストン内側に貫通し、オイルをピストン内側へ逃がすためのオイル戻し孔４６がピストン内壁面６２よりピストン内側へ突出して設けられている。エンジンが動力を発生する燃焼運転時には、サードランド部４３上に溜まったオイルがブローバイガスとともにオイル戻し孔４６を通ってピストン内側空間６３に流出する。一方、エンジンがほとんど動力を発生しておらず、クランクケース内のガスがオイル戻し孔４６を通って燃焼室１３内へ逆流する際には、ピストン内壁面６２に付着したオイルがオイル戻し孔４６を通ってサードランド部４３上に逆流するのが防止される。
【選択図】図２

Description

本発明は、シリンダ内を往復運動する内燃機関用ピストン、及びピストンを備える内燃機関に関する。

４サイクルエンジンのピストン系では、オイル（潤滑油）がピストンを経て燃焼室で消費されるオイル消費が問題になる。ピストン系オイル消費は、ピストンリングがシリンダ壁面に拭き残した油膜が燃焼室内で蒸発するものと、ピストンリング背面及びピストンリング合口からピストントップランド〜ピストン頂部に流出するものとに大別される。前者は、ピストンとシリンダ間の潤滑に使用したオイルに起因するものであるため、必要最小限にとどめることはできても、なくすことはできない。一方、後者は、本来潤滑に必要のないオイルが流出しているものであり、極力低減することが求められる。後者によるオイル消費を低減するために、ピストン外側からピストン内側に貫通するオイル戻し孔をセカンドリング溝とオイルリング溝との間のサードランド部に形成した内燃機関用ピストンが下記特許文献１，２に開示されている。特許文献１，２においては、サードランド部上に溜まったオイルがオイル戻し孔を通ってピストン内側に流出することで、サードランド部上に溜まったオイルが燃焼室に流出するのが抑えられ、燃焼室でのオイル消費の低減が図られる。

特開平７−１３９４２３号公報 特開平７−２７９７５２号公報

特許文献１，２のようにサードランド部にオイル戻し孔を設けた場合は、燃焼室内の平均圧力がクランクケース内の平均圧力より高くなるときに、燃焼室内のガスがクランクケース内に流出するブローバイが生じるため、サードランド部上に溜まったオイルがブローバイガスとともにオイル戻し孔を通ってピストン内側に流出する。ただし、エンジン低負荷時やエンジンブレーキ時等、エンジンがほとんど動力を発生していないときは、燃焼室内の圧力が低くなったり負圧となるため、クランクケース内のガスがオイル戻し孔を通って燃焼室へ逆流しやすくなる。ピストン内壁面には、クランクシャフトからの跳ねかけや、ピストン潤滑もしくは冷却を目的としたオイルジェットにより、オイルが付着するため、クランクケース内のガスが燃焼室へ逆流する際には、ピストン内壁面に付着したオイルがクランクケース内のガスとともにオイル戻し孔を通ってサードランド部上（ピストン外側）に逆流して燃焼室に流出する。ピストン内壁面に付着したオイルがオイル戻し孔を通って燃焼室に流出した分、燃焼室でのオイル消費が増加する。

特許文献１においては、ピストン内側におけるオイル戻し孔より下方の位置にカバーを設けることで、クランクシャフトや、コネクティングロッド大端部に設けたオイルジェットから供給されたオイルがオイル戻し孔に流入するのを遮蔽している。しかし、回転体からのオイル供給は広範囲に飛散することから、飛散したオイルがオイル戻し孔に流入するのを十分に抑制するためには、ピストン下部の広範囲に渡ってカバーを設ける必要がある。その結果、カバー付与によるピストン重量の増加が問題になる。また、ピストンへのオイル供給は、摺動面への潤滑の目的以外にピストン冷却の目的があることから、カバーの付与によって、ピストン頂部内側へのオイル供給を十分に行うことが困難となる。

本発明は、ピストン重量の増加を抑えつつ、セカンドリング溝とオイルリング溝との間のサードランド部に溜まるオイルを低減することで、燃焼室でのオイル消費を低減することを目的とする。

本発明に係る内燃機関用ピストン及び内燃機関は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る内燃機関用ピストンは、シリンダ内を往復運動する内燃機関用ピストンであって、ピストン外周面には、トップリングが装着されるトップリング溝と、トップリング溝よりピストン下方に位置し、セカンドリングが装着されるセカンドリング溝と、セカンドリング溝よりピストン下方に位置し、オイルリングが装着されるオイルリング溝と、が互いに間隔をおいて形成されており、セカンドリング溝とオイルリング溝との間のサードランド部に、オイルをピストン内側へ逃がすためのオイル戻し孔が設けられており、オイル戻し孔がピストン内壁面よりピストン内側へ突出していることを要旨とする。

本発明の一態様では、サードランド部に、ピストン外側からピストン内側に貫通する貫通孔が設けられ、貫通孔にパイプがピストン内壁面よりピストン内側へ突出する状態で装着されていることで、サードランド部にオイル戻し孔が設けられていることが好適である。

本発明の一態様では、パイプを構成する材料の熱膨張率が、サードランド部を構成する材料の熱膨張率と同等、もしくはそれより大きいことが好適である。

本発明の一態様では、ピストン内壁面及びパイプのいずれか１つ以上に撥油性処理が施されていることが好適である。

本発明の一態様では、オイル戻し孔においては、ピストン内側へ突出した部分が他の部分に対してピストン上方へ曲げられていることが好適である。

本発明の一態様では、オイル戻し孔においては、ピストン内側へ突出した部分がピストン上方に開口していることが好適である。

また、本発明に係る内燃機関は、シリンダ内を往復運動するピストンを備える内燃機関であって、前記ピストンが、本発明に係る内燃機関用ピストンであることを要旨とする。

本発明によれば、ピストン重量の増加を抑えつつ、セカンドリング溝とオイルリング溝との間のサードランド部に溜まるオイルを低減することができ、燃焼室でのオイル消費を低減することができる。

本発明の実施形態に係る内燃機関用ピストンを備える内燃機関の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る内燃機関用ピストンの概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る内燃機関用ピストンの概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る内燃機関用ピストンの概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る内燃機関用ピストンの他の概略構成を示す図である。 ピストン外周部にオイルが溜まる様子を説明する図である。 本発明の実施形態に係る内燃機関用ピストンの作用を説明する図である。 本発明の実施形態に係る内燃機関用ピストンの作用を説明する図である。 本発明の実施形態に係る内燃機関用ピストンの他の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る内燃機関用ピストンの他の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る内燃機関用ピストンの他の概略構成を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１〜３は、本発明の実施形態に係る内燃機関用ピストン１２を備える内燃機関の概略構成を示す図である。図１はクランクシャフトの軸線方向から見た内燃機関の内部構成の概略を示す図であり、図２はクランクシャフトの軸線方向から見たピストン１２の概略構成を示す断面図（ピストンスラスト方向の断面図）であり、図３はクランクシャフトの軸線方向及びシリンダ１１の軸線方向と直交する方向から見たピストン１２の概略構成を示す外観図（ピストンピンボス方向の外観図）である。図１，２では、ピストン１２及びシリンダ１１の構成を部分的に図示しているが、図示を省略している部分の構成は図示している部分と同様の構成である。図１では、コネクティングロッドやクランクシャフトや動弁機構等の具体的構成の図示を省略しているが、公知の構成で実現可能である。本実施形態に係るピストン１２は、４サイクルエンジンにて用いられ、シリンダ１１内をその軸線方向に沿って往復運動するものである。

シリンダ内周壁１１ａに面するピストン１２の外周面には、トップリング溝２１、セカンドリング溝２２、及びオイルリング溝２３がピストン周方向に沿って形成されている。トップリング溝２１及びセカンドリング溝２２には、コンプレッションリングとしてトップリング３１及びセカンドリング３２がそれぞれ装着されており、オイルリング溝２３には、オイルリング３３が装着されている。トップリング３１、セカンドリング３２、及びオイルリング３３は、ピストン１２の往復運動の際に、シリンダ内周壁１１ａに対して摺動し、シリンダ内周壁１１ａには、潤滑のためのエンジンオイル（潤滑油）が供給される。トップリング溝２１、セカンドリング溝２２、及びオイルリング溝２３は、ピストン上下方向（ピストン往復運動方向）に関して互いに間隔をおいて設けられており、セカンドリング溝２２（セカンドリング３２）がトップリング溝２１（トップリング３１）よりピストン下方に位置し、オイルリング溝２３（オイルリング３３）がセカンドリング溝２２（セカンドリング３２）よりピストン下方に位置する。ピストン上下方向に関して、トップリング溝２１（トップリング３１）よりピストン上方にはトップランド部４１が設けられ、トップリング溝２１（トップリング３１）とセカンドリング溝２２（セカンドリング３２）との間にはセカンドランド部４２が設けられ、セカンドリング溝２２（セカンドリング３２）とオイルリング溝２３（オイルリング３３）との間にはサードランド部４３が設けられている。トップランド部４１、セカンドランド部４２、及びサードランド部４３は、シリンダ内周壁１１ａに面する。ピストン内壁面６２はピストン内側空間６３に面し、ピストン内側空間６３はクランクケース内に連通する。

本実施形態では、図４に示すように、サードランド部４３には、シリンダ内周壁１１ａに面するピストン外側からクランクケース内と連通するピストン内側に貫通する貫通孔４４が設けられている。そして、この貫通孔４４にパイプ４５が装着されていることで、ピストン外側からピストン内側に貫通し、オイルをピストン内側へ逃がすためのオイル戻し孔４６がサードランド部４３に設けられている。さらに、図１，２に示すように、パイプ４５がピストン内壁面６２よりピストン内側へ突出した状態で貫通孔４４に装着されていることで、オイル戻し孔４６がピストン内壁面６２よりピストン内側へ突出して設けられている。これによって、パイプ４５（オイル戻し孔４６）におけるピストン内側への開口部がピストン内壁面６２よりピストン内側へ突出した位置に配置される。パイプ４５を貫通孔４４に装着する際には、ピストン１２の熱膨張によってパイプ４５の嵌め込みが緩んで脱落することがないように、パイプ４５は貫通孔４４に締まり嵌めで装着される。また、パイプ４５を構成する材料の熱膨張率を、ピストン１２のサードランド部４３を構成する材料の熱膨張率と同等にする、もしくはそれより大きくすることも好ましい。例えば、ピストン１２（サードランド部４３）を構成する材料がピストン用アルミニウム合金である場合は、パイプ４５を構成する材料を、線膨張係数（熱膨張率）が同等もしくは大きくなるように、アルミニウム合金または銅合金にすることが好ましい。

図１〜４に示す例では、シリンダ内周壁１１ａに面するピストンスカート部１６の上方に、複数のオイル戻し孔４６（パイプ４５）がピストン周方向に関して互いに間隔をおいて配置されている。ただし、ピストンピンが嵌入されるピストンピン孔１９が形成されたピストンピンボス部１８に、オイル戻し孔４６（パイプ４５）を設けることも可能である。また、例えば図５に示すように、ピストン上下方向に関してオイルリング溝２３が形成された位置に、ピストン外側からピストン内側に貫通し、オイルリング３３が掻き落としたオイルをピストン内側へ排出するためのオイル排出孔５６をさらに設けることも可能である。

内燃機関のピストンは、ピストンリングによってオイルの燃焼室内への漏洩を抑制している。ただし、ピストンリングの合口やエンジン実働時におけるピストンリングの挙動によってピストンリングとピストンとの間に隙間が生じることで、オイルが漏洩しやすくなる。例えば図６に示すように、サードランド部４３上やセカンドランド部４２上に溜まったオイル３５がトップリング溝２１を通してトップランド部４１上へ流出する。トップランド部４１上に流出したオイルは、燃焼室１３内に漏洩することで燃焼室１３内で消費される。

現行のレシプロ内燃機関では、動力を発生する燃焼運転時に、燃焼室１３内の平均圧力がクランクケース内の平均圧力より高くなるため、燃焼室１３内のガスがクランクケース内に流出するブローバイが生じる。本実施形態では、図７に示すように、エンジンが動力を発生する燃焼運転時に、サードランド部４３上（サードランド部４３とシリンダ内周壁１１ａとの間）に溜まったオイル３５がブローバイガスとともにオイル戻し孔４６を通ってピストン内側空間６３に流出する。これによって、サードランド部４３上に溜まったオイル３５がトップランド部４１上へ流出するのが抑えられ、燃焼室１３内へのオイル３５の流出が抑えられる。特に、燃焼室１３内の平均圧力とクランクケース内の平均圧力との差が大きくなるエンジン高負荷時に、サードランド部４３上のオイル３５がオイル戻し孔４６を通ってピストン内側に流出しやすくなる。

一方、例えばエンジン低負荷時やエンジンブレーキ時等、エンジンがほとんど動力を発生していないときは、燃焼室１３内の圧力が低くなったり負圧となるため、クランクケース内のガスがオイル戻し孔４６を通って燃焼室１３内へ逆流しやすくなる。ピストン内壁面６２には、クランクシャフトからの跳ねかけや、ピストン潤滑もしくは冷却を目的としたオイルジェットにより、オイル３５が付着するため、クランクケース内のガスが燃焼室１３内へ逆流する際に、ピストン内壁面６２に付着したオイル３５がクランクケース内のガスとともにオイル戻し孔４６を通ってサードランド部４３上（ピストン外側）に逆流すると、燃焼室１３内へ流出しやすくなる。ただし、本実施形態では、パイプ４５（オイル戻し孔４６）が、オイル３５の付着しているピストン内壁面６２よりピストン内側空間６３へ突出しているため、図８に示すように、クランクケース内のガスがオイル戻し孔４６を通って燃焼室１３内へ逆流する際には、パイプ４５の先端部に付着したオイル３５はクランクケース内のガスとともにオイル戻し孔４６を通ってサードランド部４３上に逆流するものの、ピストン内壁面６２に付着したオイル３５がオイル戻し孔４６を通ってサードランド部４３上に逆流するのを防ぐことができる。したがって、サードランド部４３上に溜まるオイル３５を低減することができ、サードランド部４３上から燃焼室１３内へのオイル３５の流出を抑えることができる。その結果、燃焼室１３内でのオイル消費を低減することができる。

さらに、本実施形態では、小部品（パイプ４５）の追加によってサードランド部４３上に溜まるオイルを低減することができるので、ピストン重量の増加を最小限にとどめながら燃焼室１３内でのオイル消費を低減することができる。ピストン重量は、エンジン回転数が高くなった際のピストン慣性力に影響があり、ピストン慣性力が大きいほどエンジンの摩擦損失及び振動が増大するが、本実施形態の構成によれば、エンジンの摩擦損失及び振動の増大を招くことなく燃焼室１３内でのオイル消費を低減することができる。

次に、本実施形態の他の構成例について説明する。

図９に示す構成例では、パイプ４５（オイル戻し孔４６）におけるピストン内壁面６２よりピストン内側空間６３へ突出した部分が、他の部分（貫通孔４４内に位置する部分）に対してピストン上方へ湾曲している（曲げられている）ことで、パイプ４５（オイル戻し孔４６）の先端部が、貫通孔４４に対してピストン上方へ傾斜した状態でピストン内側空間６３に開口している。パイプ４５を湾曲させる工程については、パイプ４５を貫通孔４４に装着した後に行うことが可能である。ピストン１２へのオイル供給はピストン下方から行われるため、パイプ４５（オイル戻し孔４６）をピストン上方へ曲げることで、パイプ４５の先端部（ピストン内側空間６３への開口部）にオイル３５が直接かかることを抑制することができる。したがって、サードランド部４３上へのオイル３５の逆流をさらに抑制することができる。

また、図１０に示す構成例では、パイプ４５（オイル戻し孔４６）におけるピストン内壁面６２よりピストン内側空間６３へ突出した部分が、ピストン内側空間６３に対しピストン上方に開口している。つまり、パイプ４５（オイル戻し孔４６）におけるピストン内側空間６３への開口部がピストン上方に設けられている。この構成例においても、パイプ４５におけるピストン内側空間６３への開口部にオイル３５が直接かかることを抑制することができ、サードランド部４３上へのオイル３５の逆流をさらに抑制することができる。さらに、この構成例によれば、パイプ４５を貫通孔４４に装着した後にパイプ４５を湾曲させる工程を省略することができる。

また、図１１に示す構成例では、ピストン内壁面６２及びパイプ４５に撥油性の膜６６が形成されていることで撥油性処理が施されている。撥油性処理については、例えばフッ素系のコーティング材を使用することが可能である。撥油性処理によって、ピストン内壁面６２及びパイプ４５にオイル３５が付着し難くなるとともに、付着したオイル３５は油滴状になるために、サードランド部４３上へのオイル３５の逆流を効果的に抑制することができる。なお、ピストン内壁面６２及びパイプ４５のうち、ピストン内壁面６２だけに撥油性処理を施すことも可能であるし、パイプ４５だけに撥油性処理を施すことも可能である。また、ピストン内壁面６２やパイプ４５への撥油性処理については、図９，１０に示す構成例に対しても適用可能である。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１１ シリンダ、１１ａ シリンダ内周壁、１２ ピストン、１３ 燃焼室、１６ ピストンスカート部、１８ ピストンピンボス部、１９ ピストンピン孔、２１ トップリング溝、２２ セカンドリング溝、２３ オイルリング溝、３１ トップリング、３２ セカンドリング、３３ オイルリング、３５ オイル、４１ トップランド部、４２ セカンドランド部、４３ サードランド部、４４ 貫通孔、４５ パイプ、４６ オイル戻し孔、６２ ピストン内壁面、６３ ピストン内側空間、６６ 撥油性の膜。

Claims (7)

1. シリンダ内を往復運動する内燃機関用ピストンであって、
   ピストン外周面には、トップリングが装着されるトップリング溝と、トップリング溝よりピストン下方に位置し、セカンドリングが装着されるセカンドリング溝と、セカンドリング溝よりピストン下方に位置し、オイルリングが装着されるオイルリング溝と、が互いに間隔をおいて形成されており、
   セカンドリング溝とオイルリング溝との間のサードランド部に、オイルをピストン内側へ逃がすためのオイル戻し孔が設けられており、
   オイル戻し孔がピストン内壁面よりピストン内側へ突出している、内燃機関用ピストン。
2. 請求項１に記載の内燃機関用ピストンであって、
   サードランド部に、ピストン外側からピストン内側に貫通する貫通孔が設けられ、
   貫通孔にパイプがピストン内壁面よりピストン内側へ突出する状態で装着されていることで、サードランド部にオイル戻し孔が設けられている、内燃機関用ピストン。
3. 請求項２に記載の内燃機関用ピストンであって、
   パイプを構成する材料の熱膨張率が、サードランド部を構成する材料の熱膨張率と同等、もしくはそれより大きい、内燃機関用ピストン。
4. 請求項２または３に記載の内燃機関用ピストンであって、
   ピストン内壁面及びパイプのいずれか１つ以上に撥油性処理が施されている、内燃機関用ピストン。
5. 請求項１〜４のいずれか１に記載の内燃機関用ピストンであって、
   オイル戻し孔においては、ピストン内側へ突出した部分が他の部分に対してピストン上方へ曲げられている、内燃機関用ピストン。
6. 請求項１〜５のいずれか１に記載の内燃機関用ピストンであって、
   オイル戻し孔においては、ピストン内側へ突出した部分がピストン上方に開口している、内燃機関用ピストン。
7. シリンダ内を往復運動するピストンを備える内燃機関であって、
   前記ピストンが、請求項１〜６のいずれか１に記載の内燃機関用ピストンである、内燃機関。

Images