JP2011038414A

JP2011038414A - 内燃機関用ピストン

Info

Publication number: JP2011038414A
Application number: JP2009184101A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Ono; 泰小野
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2009-08-07
Filing date: 2009-08-07
Publication date: 2011-02-24

Abstract

【課題】ピストンとシリンダとの間を良好に潤滑するとともにオイル消費増加及び燃焼ガスの吹き抜けを防止した内燃機関用ピストンを提供する。
【解決手段】レシプロ内燃機関のシリンダＣ内に挿入される内燃機関用ピストン１を、外周面部の一部を内径側へ凹ませかつ周方向に延びて形成され、ピストンリングＲを収容するリング溝４０と、オイルジェットから噴射されるオイルを、リング溝におけるピストンリングのクランク側の面部と対向する面部４２に設けられたオイル供給孔１０１に供給する油路１００とを備える構成とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、レシプロ内燃機関のシリンダ内に挿入される内燃機関用ピストンに関し、特にピストンとシリンダとの間を良好に潤滑するとともにオイル消費増加及び燃焼ガスの吹き抜けを防止したものに関する。

シリンダ内を往復するピストンを有するレシプロ内燃機関においては、ピストンとシリンダとの間の摩擦抵抗は、機関の総摩擦抵抗のうち約２〜３割を占めることから、その低減を図ることが要望されている。
このような摩擦抵抗を低減するためには、ピストンとシリンダとの間の潤滑状態を適正化して油膜切れを防止することが重要となる。

ピストンとシリンダとの間の潤滑に関する従来技術として、例えば特許文献１には、オイルジェットからピストンの内面側空洞部に噴射されるオイルを、ピストンの外周面側へ供給する給油孔を設けることによって、ピストンとシリンダとの間の潤滑を改善することが記載されている。この給油孔のシリンダ側の端部は、例えば、リング溝の間隔におけるピストンの外周面（ランド部）や、リング溝内の溝底部、シリンダヘッド側の面部等に配置されている。

特開平１０−１０３０３８号公報

上述した従来技術においては、油路が常時開放状態であることから、シリンダへのオイル供給量が過多となってオイル消費量が増大してしまう。また、燃焼ガスや未燃ガスの一部が油路に侵入することによって、オイルが逆流して油膜切れを生じさせ、フリクションを増大させたり、ブローバイガス量が増加することが懸念される。さらに、油路部分が常時高温高圧の燃焼ガスに接触するため、ピストンの耐久性に問題が生ずることが懸念される。
本発明の課題は、ピストンとシリンダとの間を良好に潤滑するとともにオイル消費増加及び燃焼ガスの吹き抜けを防止した内燃機関用ピストンを提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１の発明は、レシプロ内燃機関のシリンダ内に挿入される内燃機関用ピストンであって、外周面部の一部を内径側へ凹ませかつ周方向に延びて形成され、ピストンリングを収容するリング溝と、オイル噴射手段から噴射されるオイルを、前記ピストンリングのクランク側の面部と対向する前記リング溝の内面部に設けられたオイル供給孔に供給する油路とを備えることを特徴とする内燃機関用ピストンである。

請求項２の発明は、前記オイル供給孔は、前記ピストンの下死点側から上死点側への移動時、及び、前記ピストンリングへの燃焼ガス圧力の負荷時に、前記ピストンリングが当接することによって実質的に閉塞されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用ピストンである。
請求項３の発明は、前記オイル供給孔が設けられるリング溝は、前記ピストンに形成される複数のリング溝のうち、シリンダヘッド側から２番目に配置されたセカンドリング溝であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関用ピストンである。

本発明によれば、ピストンの往復運動に起因してピストンリングに作用する慣性力、シリンダ内ガス圧力、ピストンリングとシリンダとの摺動抵抗等によって、ピストンリングがリング溝内のオイル供給孔を開閉する。すなわち、ピストンが下死点側から上死点側への移動速度を低下させ、さらに上死点側から下死点側への移動に転じるときには、ピストンリングは慣性力によってリング溝のシリンダヘッド側の面部に押し付けられた状態となっており、このとき、ピストンリングとオイル供給孔との間に隙間が形成されることによって、オイル供給孔からシリンダ壁面へのオイル供給が可能となる。
また、エンジンの吸気行程において、自然吸気エンジンや過給器付きエンジンの過給圧が比較的低い場合には、ピストンリングとシリンダ壁面との摺動抵抗によってピストンリングはリング溝のシリンダヘッド側の面部に押付けられ、オイル供給孔は開放される。

一方、ピストンが上死点側から下死点側への移動速度を低下させ、さらに下死点側から上死点側への移動に転じるときには、ピストンリングは慣性力によってリング溝のオイル供給孔が設けられた面部に押し付けられた状態となっており、このとき、オイル供給孔は実質的に閉塞され、オイル供給孔からシリンダ壁面へのオイル供給は中止される。
また、エンジンの膨張行程においては、ピストンリングに作用する燃焼ガス（既燃ガス）の圧力によって、ピストンリングはリング溝のオイル供給孔が設けられた面部に押し付けられた状態となっており、オイル供給が中止されると同時に燃焼ガスのオイル供給孔への侵入が防止される。
さらに、排気工程においても、既燃ガス圧力及びピストンリングとシリンダ壁面との摺動抵抗によって、ピストンリングはリング溝のオイル供給孔が設けられた面部に押付けられ、オイル供給孔は閉塞される。

以上の作用によって、本発明によれば、オイル消費量の増大を抑制しつつピストンとシリンダとの間に適量のオイルを供給して潤滑状態を改善し、エンジンのフリクションを低減することができる。また、燃焼ガスや未燃ガスの油路への吹き抜けを防止してブローバイの増加やピストンの耐久性低下を防止することができる。
また、オイル供給孔をセカンドリング溝に設けることによって、トップリング溝に設けた場合に対して、オイル供給孔や油路に作用する燃焼ガス圧力が低くなることから、ピストンの耐久性を向上することができる。

本発明を適用した内燃機関用ピストンの実施例を中心軸を含む平面で切って見た断面図である。図１の内燃機関用ピストンのリング溝近傍を示す断面図であって、セカンドリングを組み込んでシリンダ内に挿入した状態を示す図である。図１の内燃機関用ピストンのオイル供給孔が閉塞された状態を示す図である。図１の内燃機関用ピストンのオイル供給孔が開放された状態を示す図である。

本発明は、ピストンとシリンダとの間を良好に潤滑するとともにオイル消費増加及び燃焼ガスの吹き抜けを防止した内燃機関用ピストンを提供する課題を、オイルジェットからピストン内面部に噴射されるオイルをセカンドリング溝のクランク側の内面部に設けられたオイル供給孔に供給する油路を設け、オイル供給孔を慣性力等に起因するセカンドリングのピストンに対する相対変位によって開閉することによって解決した。

以下、本発明を適用した内燃機関用ピストンの実施例について説明する。
実施例の内燃機関用ピストン（以下単に「ピストン」と称する。）は、例えば自動車等の車両の走行用動力源として用いられるディーゼルエンジン等の筒内噴射エンジンのシリンダ内に挿入され、コンロッドを介してクランクシャフトに接続されている。

ピストン１は、例えばアルミニウム系合金を鍛造又は鋳造によって成型した後に、所定の機械加工を施すことによって製作されている。ピストン１は、冠部１０、スカート２０、トップリング溝３０、セカンドリング溝４０、サードリング溝５０、トップリングランド６０、セカンドリングランド７０、サードリングランド８０、クーリングチャンネル９０、油路１００等を備えて一体に形成されている。

冠部１０は、ピストン１における図示しないシリンダヘッド側の部分である。シリンダヘッドは、シリンダのクランクシャフト側とは反対側の端部に設けられ、燃焼用空気を導入する吸気ポート、既燃ガスを排出する排気ポート、各ポートを開閉するバルブ及びその駆動機構、コモンレール（蓄圧室）に貯留された燃料を噴射するインジェクタ等を備えている。
冠部１０は、冠面１１、燃焼室１２等を備えている。
冠面１１は、ピストン１０のシリンダヘッド側の端面であって、ほぼ平面状に形成されている。
燃焼室１２は、冠面１１の中央部をクランク側へ凹ませて形成されている。燃焼室１２は、図示しないインジェクタから噴射される燃料が自己着火して燃焼を開始する部分である。

スカート２０は、冠部１０の外周縁部から、クランク側へ張り出して形成され、シリンダＣ（図２等参照）の内面と摺動する面部である。スカート２０の内径側には、空洞部が形成されている。
また、ピストン１の側面部の一部に設けられたスカート２０の切欠部には、ピストン１と図示しないコンロッドとを揺動可能に接続する図示しないピストンピンが挿入されるピストンピンボス２１が形成されている。

トップリング溝３０、セカンドリング溝４０、サードリング溝５０は、冠部１０における外周面を、内径側に凹ませて形成した周方向溝であって、シリンダヘッド側（冠面１１側）から順次配列されている。
トップリング溝３０には、図示しないトップリングが収容される。
セカンドリング溝４０には、図２乃至図４に示すセカンドリングＲ（本発明にいうピストンリング）が収容される。セカンドリング溝４０には、図２に示すように、ヘッド側面部４１、クランク側面部４２が設けられる。ヘッド側面部４１及びクランク側面部４２は、ほぼ平面状に形成されるとともに、平行に配置され相互に対向している。ヘッド側面部４１とクランク側面部４２との間隔は、セカンドリングＲの厚みよりも大きく設定され、その結果セカンドリングＲは、ピストン１に対してその往復方向（各図における上下方向）にほぼ沿って相対変位が可能となっている。
また、クランク側面部４２には、後述する油路１００のオイル供給孔１０１が設けられる。
サードリング溝５０には、図示しないオイルリング（サードリング）が収容される。

トップリングランド６０は、冠部１０の外周面部におけるトップリング溝３０よりも冠面１１側の部分である。
セカンドリングランド７０は、冠部１０の外周面部におけるトップリング溝３０とセカンドリング溝４０との間の部分である。
サードリングランド８０は、冠部１０の外周面部におけるセカンドリング溝４０とサードリング溝５０との間の部分である。

クーリングチャンネル９０は、冠部１０の内部に形成され、ピストン１のクランク側に設けられた図示しないオイルジェット（オイル噴射手段）から噴射される潤滑用のオイルが流されるオイル流路である。クーリングチャンネル９０は、ピストン１の周方向にほぼ沿って伸びるとともに、オイルジェットから噴射されるオイルが吹き込まれる図示しない開口が設けられている。
クーリングチャンネル９０は、図２等に示すように、セカンドリング溝４０の溝底部と隣接して配置されている。

油路１００は、クーリングチャンネル９０の下部から、セカンドリング溝４０の内部にオイルを供給する通孔である。
油路１００は、クーリングチャンネル９０の下部からピストン１の径方向にほぼ沿って外径側へ伸び、中間に設けられた屈曲部からシリンダヘッド側へ立ちあげられ、その上端部に設けられたオイル供給孔１０１によってセカンドリング溝４０と連通している。
油路１００のセカンドリング溝４０側の端部であるオイル供給孔１０１は、セカンドリング溝４０のクランク側面部４２に設けられている。
図２に示すように、ピストン１にセカンドリングＲを組み込んでシリンダＣ内に挿入した状態において、リングＲの内径側の端部（内周縁部）は、オイル供給孔１０１のピストン１内径側の端部に対して、距離ＤだけシリンダＣの中心側に配置されるようになっている。

次に、実施例のピストン１における油路１００を用いたピストン−シリンダ間へのオイル供給について説明する。
ピストン１が上死点側から下死点側へ移動する速度が低下して下死点において一旦停止し、その後上死点側への移動を開始する際には、図３に示すように、セカンドリングＲは、慣性力によってセカンドリング溝４０のクランク側面部４２に押し付けられ、はり付いた状態となっている。このとき、油路１００のオイル供給孔１０１は、セカンドリングＲによって実質的に閉塞された状態となっている。

また、エンジンの膨張行程において、燃焼ガス圧力が高まっている場合にも、セカンドリングＲのシリンダヘッド側の面部に作用する燃焼ガスの圧力によって、セカンドリングＲは図３に示すようにセカンドリング溝４０のクランク側面部４２に押し付けられた状態となっている。このときも油路１００のオイル供給孔１０１は、セカンドリングＲによって実質的に閉塞された状態となっている。
さらに、エンジンの圧縮工程及び排気工程においても、燃焼用空気又は既燃ガスの圧力及びセカンドリングＲとシリンダＣ壁面との摺動抵抗によってセカンドリング溝４０のクランク側面部４２に押し付けられ、オイル供給孔１０１は閉塞される。

一方、ピストン１が下死点側から上死点側へ移動する速度が低下して上死点において一旦停止し、その後下死点側への移動を開始する際には、図４に示すように、セカンドリングＲは、慣性力によってセカンドリング溝４０のヘッド側面部４１に押し付けられ、はり付いた状態となっている。このとき、セカンドリングＲとオイル供給孔１０１との間には隙間が形成され、オイルジェットからクーリングチャンネル９０を経由して油路１００に流入したオイルは、図４に破線矢印で図示したように、オイル供給孔１０１からセカンドリング溝４０を経てピストン１の外周面とシリンダＣの内面との間に供給される。
また、過給器による過給圧が比較的低い場合における吸気行程においても、セカンドリングＲは、シリンダＣ壁面との摺動抵抗によってセカンドリング溝４０のヘッド側面部４１に押し付けられ、オイル供給孔１０１は開放されオイルの供給が行われる。

以上説明した実施例によれば、オイルジェットからのオイルをセカンドリング溝４０内に供給するオイル供給孔１０１は、ピストン１が上死点近傍にある場合や、比較的低過給圧での吸気行程等の所定の時期にのみ開放され、それ以外の時期にはセカンドリングＲによって実質的に閉塞されるため、ピストン１とシリンダＣの間へのオイル供給量が過大とならず、潤滑状態を改善するとともに、シリンダヘッド側へのオイル上がりを抑制してエンジンのオイル消費を抑制することができる。
また、燃焼ガスの圧力が高い場合には、セカンドリングＲがオイル供給孔１０１を実質的に閉塞することによって、高温高圧の燃焼ガスや同伴する未燃ガスが油路１００に侵入し、さらにクーリングチャンネル９０を経てクランクケース側へ吹き抜けることが防止され、ブローバイの増加やピストン１の耐久性低下を防止することができる。

さらに、実施例においては、オイル供給孔１０１を３本のリング溝のうち中間に配置されたセカンドリング溝４０に設けたことによって、例えばトップリング溝３０に設けた場合に対して、オイル供給孔１０１部に作用する燃焼ガス圧力を抑制してピストン１の耐久性を確保することができ、また、３本のピストンリングとシリンダＣとの摺動箇所に適切にオイルを供給することができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
（１）上述した実施例の内燃機関用ピストンは、例えば自動車用のディーゼルエンジンに適用されるものであったが、本発明はこれに限らず、例えばガソリンエンジン等の他種類のレシプロ内燃機関や、自動車用以外の内燃機関にも適用することができる。
（２）実施例の内燃機関用ピストンでは３本のピストンリング溝を有し、セカンドリング溝にオイル供給孔を設けているが、ピストンリング溝の本数やどのピストンリング溝にオイル供給孔を設けるかは適宜変更することができる。
（３）油路、オイル供給孔、クーリングチャンネル等の形状を含むピストンの形状は、上述した実施例の構成に限らず適宜変更することができる。
（４）各図面は便宜上ピストンの中心軸方向を鉛直として図示しているが、本発明はピストンの中心軸方向が鉛直方向に対して傾斜して配置されるエンジンや水平に配置されるエンジンにも適用することができる。

１ピストン１０冠部
１１冠面１２燃焼室
２０スカート２１ピストンピンボス
３０トップリング溝４０セカンドリング溝
４１ヘッド側面部４２クランク側面部
５０サードリング溝６０トップリングランド
７０セカンドリングランド８０サードリングランド
９０クーリングチャンネル１００油路
１０１オイル供給孔Ｃシリンダ
Ｒセカンドリング

Claims

レシプロ内燃機関のシリンダ内に挿入される内燃機関用ピストンであって、
外周面部の一部を内径側へ凹ませかつ周方向に延びて形成され、ピストンリングを収容するリング溝と、
オイル噴射手段から噴射されるオイルを、前記ピストンリングのクランク側の面部と対向する前記リング溝の内面部に設けられたオイル供給孔に供給する油路と
を備えることを特徴とする内燃機関用ピストン。
前記オイル供給孔は、前記ピストンの下死点側から上死点側への移動時、及び、前記ピストンリングへの燃焼ガス圧力の負荷時に、前記ピストンリングが当接することによって実質的に閉塞されること
を特徴とする請求項１に記載の内燃機関用ピストン。
前記オイル供給孔が設けられるリング溝は、前記ピストンに形成される複数のリング溝のうち、シリンダヘッド側から２番目に配置されたセカンドリング溝であること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関用ピストン。