JP2011069447A

JP2011069447A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2011069447A
Application number: JP2009221621A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Yamashita; 健一山下
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2011-04-07

Abstract

【課題】シリンダの内周面に対するピストンリングの接触圧をピストンリングに加わる燃焼ガスの圧力に応じて適正に保ちつつ、燃焼室の気密性を確保することが可能な内燃機関を提供する。
【解決手段】ピストンリング２５ａを第１、第２リング２５ａ１，２５ａ２により構成し、燃焼ガスＧの圧力により第２リング２５ａ２がピストンの中心に向かって動くと、第１リング２５ａ１がシリンダ２の内周面に向かって動くようにした。これにより、シリンダ２の内周面に対するピストンリング２５ａ（第１リング２５ａ１）の接触圧をピストンリング２５ａに加わる燃焼ガスＧの圧力に応じて適正に保ちつつ、燃焼室の気密性を確保することができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、内燃機関に関し、更に詳しくは、シリンダの内周面に対するピストンリングの接触圧をピストンリングに加わる燃焼ガスの圧力に応じて適正に保ちつつ、燃焼室の気密性を確保することが可能な内燃機関に関する。

内燃機関のピストンの外周には、燃焼室の気密性の確保、エンジンオイルのシリンダ内への混入防止およびピストンからシリンダへの熱伝導等の観点から、ピストンリングが装着されている。

図７は、上死点直後の膨張行程時のピストンリング５０（圧力リング５０ａ，５０ｂ）の状態を示している。また、図８は、図７の時のトップの圧力リング５０ａに加わる燃焼ガスＧの圧力（上面圧Ｐｕ、背面圧Ｐｓ）を示している。

エンジンの燃焼室でガス爆発が生じ、シリンダ５１内のピストン５２が図７の矢印Ａで示すように下降し始めている時、ピストンリング５０は、その上面からの燃焼ガスＧの圧力（図８の上面圧Ｐｕ）を受けてピストンリング溝（以下、リング溝という）５３の下面に押し付けられる。また、ピストンリング５０の自己張力と、ピストンリング５０の背面からの燃焼ガスＧの圧力（図８の背面圧Ｐｓ）との複合力によりシリンダ５１の内周面に押し付けられる。これにより、燃焼室内の燃焼ガスＧがクランク室に漏れるのを防止するようになっている。

ところで、内燃機関は燃焼室での燃焼によるガス圧力をピストンの往復運動に変換することで動力を取り出しているため、燃焼室の気密性を高めることが重要である。しかしながら、気密性を高めるためにピストンリングの張力を高め過ぎると、ピストンリングとシリンダのライナ部との間の摩擦力が大きくなり、エンジンの動力性能が低下する、という問題がある。また、ピストンリングとシリンダとの接地面を広くするためにピストンリングを厚くすると、図９のシリンダ５１上面およびピストン５２の頂面の部分平面図に示すように、シリンダ５１のライナ部の変形（一点鎖線が通常時、実線が変形時）に対するピストンリングの追従性が低下し、かえって燃焼ガスの漏れの原因となる、という問題もある。

一方、ピストンリングによる燃焼室の気密性を高める構造として、キーストンリングと呼ばれる構造がある。これは、図１０に示すように、リング溝５３の下面５３ａ（下面５３ａおよび上面５３ｂ）に傾斜を持たせ、ピストンリング５０とリング溝５３の傾斜面（下面５３ａ）との接触面の反力により、シリンダ５１のライナ部に対するピストンリング５０の接触圧を上げて気密性を高くするというものである。

しかしながら、このキーストンリングにおいてもリング溝５３の傾斜面（下面５３ａ）の角度を大きく設計すると、シリンダ５１のライナ部に対するピストンリング５０の接触圧が高くなりピストンリング５０とシリンダ５１のライナ部との間の摩擦が大きくなる、という問題がある。また、ピストンリング５０の挙動が不安定になり、ピストンリング５０がリング溝５３内で持ち上がる、いわゆるフローティング＆フラッタリング現象が生じ、燃焼室の気密性が低下する、という問題がある。

なお、キーストンリングの構造例として、１つのリング溝内に２つのピストンリングを積み重ねて配置する構造がある（例えば特許文献１，２参照）。

特開２００５−２８２３７０号公報特表２００３−５０１５９４号公報

本発明の目的は、シリンダの内周面に対するピストンリングの接触圧をピストンリングに加わる燃焼ガスの圧力に応じて適正に保ちつつ、燃焼室の気密性を確保することが可能な内燃機関を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、シリンダ内に往復運動可能な状態で設けられたピストンの外周に形成されたピストンリング溝内に、燃焼室側からクランク室側へ燃焼ガスが流れるのを遮るピストンリングが装着された内燃機関において、前記ピストンリング溝は、前記ピストンの外周面に対して交差し、互いに対向する位置に形成された第１面および第２面を有しており、前記第１面は、前記第１面と前記第２面との対向距離が前記ピストンの中心に向かって近づくように前記ピストンの外周面に対して傾斜しており、前記ピストンリングは、前記クランク室側に設けられた第１リングと、前記燃焼室側に設けられた第２リングとを各々のリングの厚さ方向に重ねた状態で備えており、前記第１リングにおいて前記第１面に接する面は、前記第１面の傾斜に合わせて傾斜しており、前記第１リングの外径は、前記ピストンリング溝に収めた場合に前記第１リングの外周面が前記シリンダの内周面に接する大きさに設定されており、前記第２リングの外径は、前記第１リングの外径よりも小さくなるように形成されており、前記第１リングおよび前記第２リングは、前記ピストンリングの径方向であって互いに逆方向に移動可能とされており、前記第２リングが前記燃焼室側からの燃焼ガスの圧力に押されて前記ピストンの中心方向に動くと、前記第１リングが前記第２リングに押されて前記シリンダの内周面の方向に動く構成とされているものである。

また、上記した内燃機関において、前記第２面は、前記第１面と第２面との対向距離が前記ピストンの中心に向かって近づくように前記ピストンの外周面に対して傾斜しており、前記第２リングにおいて、前記第２面に接する面は、前記第２面に合わせて傾斜している。

本発明の内燃機関によれば、ピストンリングを第１、第２リングにより構成し、燃焼ガスの圧力により第２リングがピストンの中心に向かって動くと、第１リングがシリンダの内周面に向かって動くように構成したことにより、シリンダの内周面に対するピストンリングの接触圧をピストンリングに加わる燃焼ガスの圧力に応じて適正に保ちつつ、燃焼室の気密性を確保することができる。

本発明の実施の形態における内燃機関の要部の構成図である。図１の内燃機関の領域ＲＡの要部拡大断面図である。図２のピストンリングの全体斜視図である。図３のピストンリングの分解斜視図である。図２のピストンリングにおいて燃焼ガス圧がかかっていない状態でのシリンダ、ピストンおよびピストンリングの要部拡大断面図である。図２のピストンリングにおいて燃焼ガス圧がかかっている状態でのシリンダ、ピストンおよびピストンリングの要部拡大断面図である。上死点直後の膨張行程時のピストンリングの状態を示すシリンダ、ピストンおよびピストンリングの部分断面図している。図７のトップのピストンリングに加わる燃焼ガスの圧力を示すシリンダ、ピストンおよびピストンリングの部分断面図である。シリンダライナの変形を説明するためのシリンダ上面およびピストン頂面の部分平面図である。キーストンリングの一例を示すシリンダ、ピストンおよびピストンリングの部分断面図である。

以下、本発明の実施の形態の内燃機関について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本実施の形態の内燃機関の要部断面図を示している。本実施の形態の内燃機関は、例えばトラックのような自動車に搭載されるコモンレール式の直列４気筒のディーゼルエンジン１として構成されている。なお、本発明はディーゼルエンジンに限定されるものではなく、ガソリンエンジン等に適用することもできる。

このディーゼルエンジン（以下、エンジンという）１は、シリンダ２内のピストン３の頂面に凹設されたキャビティ（燃焼室）４内において圧縮されて高温になった空気に燃料を供給して自己着火させ、この時の自己着火による燃焼で生じる膨張ガスによってピストン３を駆動させる構成を有している。なお、図１はピストン３が上死点にある状態を示している。

シリンダ２の内周面にはライナ（図示せず）が設けられている。また、シリンダ２においてライナの外側の肉厚部分には、シリンダ冷却用の冷却媒体が流れる冷却通路２ａが設けられている。

このシリンダ２の上部のシリンダヘッド５には、燃料をキャビティ４内に直接噴射するためのインジェクタ６が、その軸心Ｃをシリンダ２の軸心Ｃに設計上一致させた状態でピストン３の頂面中央に対向する位置に設置されている。噴射角度θは、インジェクタ６から噴射された燃料の噴射軸Ｊと軸心Ｃとの成す角度を示しており、燃料噴射期間の全期間に亘って燃料がキャビティ４内に収まる角度に設定されている。

また、シリンダヘッド５においてインジェクタ６の左右には、吸気ポート７ａおよび排気ポート７ｂが設置されている。吸気ポート７ａには吸気用のバルブ８ａが設置され、排気ポート７ｂには排気用のバルブ８ｂが設置されている。なお、符号９はバルブスプリング、符号１０は回転カム、符号１１はカムシャフト、符号１２はロッカーアームをそれぞれ示している。

一方、シリンダ２内には、上記したピストン３が、その軸心Ｃをシリンダ２の軸心Ｃに設計上一致させた状態でシリンダ２の内周面のライナに沿って往復運動が可能なように設置されている。このピストン３の下部は、ピストンピン１５を介してコネクティングロッド１６に接続され、さらにクランクピン１７を介して、クランク室１８内のクランクシャフト１９に接続されている。このクランクシャフト１９により、ピストン３の往復運動が回転運動に変換される。

また、ピストン３の外周面（側面）には、その外周を一周するように、例えば金属製のピストンリング２５が装着されている。ピストンリング２５は、シリンダ２の内周面とピストン３の外周面との間の隙間を無くし、キャビティ４からクランク室１８に燃焼ガスＧが流れるのを遮る部品である。

ここで、図１の破線で示す領域ＲＡの拡大断面図を図２に示す。なお、図２は、上死点直後の膨張行程時のピストンリング２５の状態を示している。また、図２の符号Ｇは高圧の燃焼ガスを示し、符号Ａはピストン３の動作方向を示している。

ピストン３の外周面には、例えば３本のピストンリング２５（２５ａ〜２５ｃ）が、ピストン３の外周面の各々のピストンリング溝（以下、リング溝という）２６ａ〜２６ｃ内に装着されている。このうち、上の２つのピストンリング２５ａ，２５ｂは、主としてシール機能を備える圧力リングであり、上から３つ目のピストンリング２５ｃは、主としてオイルコントロール機能を備えるオイルリングである。シール機能は、高圧の燃焼ガスＧが、図１に示したキャビティ４からクランク室１８に流れる現象（ブローバイ）を防止する機能である。また、オイルコントロール機能は、シリンダ２の内周面に適量（必要最小限）の潤滑油を残し、余分な潤滑油を掻き下げることにより、シリンダ２の内周面の余分な潤滑油が、図１に示したクランク室１８からキャビティ４へ侵入し消費される現象（オイルアップ）を抑制する機能である。

ピストンリング２５ａ〜２５ｃは、この他に、ピストン３の熱をシリンダ２の内周面に逃がす熱伝導機能を有している。また、ピストンリング２５ｂの外周面（シリンダ２の内周面に接する摺動面）は、例えばテーパ状（テーパフェース型）に形成されており、潤滑油の膜厚を調整する機能も有している。なお、ピストンリング２５ｂの摺動面の形状はテーパ状に限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばシリンダ２の内周面に対して水平（平坦：ストレートフェース型）に形成しても良いし、凸球面状（バレルフェース型）に形成しても良い。

次に、トップのピストンリング２５ａの構成について図２〜図４を参照しながら詳細に説明する。なお、図３はピストンリング２５ａの全体斜視図を示し、図４は図３のピストンリング２５ａの分解斜視図を示している。

ピストンリング２５ａは、図２および図３に示すように、第１リング２５ａ１と、その上（リングの厚さ方向）に積み重ねられた第２リング２５ａ２とを有している。なお、第１リング２５ａ１は、図１のクランク室１８側に設けられ、第２リング２５ａ２は、図１のキャビティ４側に設けられている。

また、図２に示すように、ピストンリング２５ａを装着するリング溝２６ａは、ピストン３の外周面に対して交差する方向に延びる第１面２６ａ１および第２面２６ａ２と、これら第１、第２面２６ａ１，２６ａ２に対して交差する第３面２６ａ３とを有している。この第１面２６ａ１と第２面２６ａ２とは、互いに向かい合う位置に形成され、第１面２６ａ１と第２面２６ａ２との対向距離がピストン３の中心に向かって近づくようにピストン３の外周面に対して傾斜するように形成されている。

ここで、下側の第１リング２５ａ１の外径は、リング溝２６ａに収めた場合に第１リング２５ａ１の外周面がシリンダ２の内周面に接する大きさに設定されている。

この第１リング２５ａ１の外周面（すなわち、シリンダ２の内周面に接する摺動面）は、例えばシリンダ２の内周面に対して水平（平坦：ストレートフェース型）に形成されている。ただし、第１リング２５ａ１の外周面は、凸球面状（バレルフェース型）に形成しても良いし、勾配を持たせテーパ状（テーパフェース型）に形成しても良い。

また、第１リング２５ａ１においてリング溝２６ａの第１面２６ａ１に接する面は、第１面２６ａ１の傾斜に合わせて傾斜するように形成されている。また、第１リング２５ａ１の内周面は、リング溝２６ａの第３面２６ａ３から離れている。

一方、上側の第２リング２５ａ２の外径は、第１リング２５ａ１の外径よりも小さくなるように形成されている。このため、第２リング２５ａ２の外周面は、シリンダ２の内周面に接しない。また、第２リング２５ａ２は、その全体がリング溝２６ａ内に収められている。その上、第２リング２５ａ２の外周面は、ピストン３の外周面から離れた位置で終端しており、ピストン３の外周面と第２リング２５ａ２の外周面との間にリング溝２６ａの空間が残されている。

また、第２リング２５ａ２においてリング溝２６ａの第２面２６ａ２に接する面は、第２面２６ａ２の傾斜に合わせて傾斜するように形成されている。また、第２リング２５ａ２において第１リング２５ａ１の上面に接する面は、第１リング２５ａ１の上面に合わせて水平（平坦）に形成されている。さらに、第２リング２５ａ２の内径は、第１リング２５ａ１の内径とほぼ同一であり、第２リング２５ａ２の内周面は、リング溝２６ａの第３面２６ａ３から離れている。

このような第１リング２５ａ１および第２リング２５ａ２には、図３および図４に示すように、合い口３０ａ，３０ｂが形成されている。第１リング２５ａ１および第２リング２５ａ２は、合い口３０ａ，３０ｂが閉じた状態でピストン３のリング溝２６ａに装着されるため、第１リング２５ａ１および第２リング２５ａ２には外側に開こうとする力（自己張力）が働いている。このため、第１リング２５ａ１の外周面がシリンダ２の内周面に密着する。ここでは合い口３０ａ，３０ｂとして直角合い口を例示したが、これに限定されるものではなく種々変更可能であり、例えば斜め合い口や段付き合い口としても良い。

そして、このような第１リング２５ａ１および第２リング２５ａ２は、リング溝２６ａ内において、ピストンリング２５ａの径方向（中心から外周に拡大する方向および外周から中心に縮小する方向）であって互いに逆方向に移動可能とされており、第２リング２５ａ２がキャビティ４側からの燃焼ガスＧの圧力に押されてピストン３の中心方向に動くと、第１リング２５ａ１が第２リング２５ａ２に押されてシリンダ２の内周面の方向に動く構成とされている。

次に、ピストンリング２５ａの動作について図５および図６を参照しながら説明する。なお、図６の符号Ｐｕは燃焼ガスＧによる上面圧、符号Ｐｓは燃焼ガスによる背面圧を示している。

まず、図５に示すように、ピストンリング２５ａに燃焼ガスの圧力がかからない状態では、通常のピストンリングと同様に、第１リング２５ａ１の外周面（摺動面）が第１リング２５ａ１の自己張力によりシリンダ２の外周面に密着する。これにより、図１に示したキャビティ４の気密性を確保することができる。この時、第２リング２５ａ２は燃焼ガスからの圧力を受けていないので他に影響を与えない。

一方、図６に示すように、燃焼ガスＧの圧力がピストンリング２５ａの上方から下方に向かってかかると、第１リング２５ａ１はその反力をリング溝２６ａの傾斜した第１面２６ａから垂直に受ける。その反力のうち、シリンダ２の内周面へ垂直な分力と、第１リング２５ａ１の自己張力との複合力により、第１リング２５ａ１の外周面がシリンダ２の内周面に密着する。これにより、シリンダ２の内周面に対する第１リング２５ａ１の接触圧（シリンダ２の内周面に作用する第１リング２５ａ１の径方向の圧力）を向上させることができる。

また、燃焼ガスＧの圧力は、第２リング２５ａ２をピストン３の中心方向に押し狭める。その力は、リング溝２６ａの上側の第２面２６ａ２を介して、下方の第１リング２５ａ１を押し下げる。その結果、第１リング２５ａとシリンダ２の内周面およびリング溝２６ａの第１面２６ａ１との接触圧を共に向上させることができる。

このようにピストンリング２５ａにおいては、第１リング２５ａ１と、シリンダ２の内周面およびリング溝２６ａの第１面２６ａとの接触圧を、燃焼ガスＧの圧力の大きさに応じて適正な圧力に設定することができる。このため、キャビティ４の気密性を確保することができる上、ピストンリング２５ａ（第１リング２５ａ１）の外周面とシリンダ２の内周面との摩擦力（摩擦抵抗）を通常のピストンリングよりも低減することができる。

また、ピストンリング２５ａ（第１リング２５ａ１）とシリンダ２の内周面との接触圧を燃焼ガスの圧力に応じて適正な圧力に保つことができるので、ピストンリング２５ａ（シリンダ２の内周面と接触する第１リング２５ａ１）を薄くすることができる。このため、図９で説明したシリンダライナの変形に対するピストンリング２５ａ（第１リング２５ａ１）の追従性を向上させることができる。その結果、キャビティ４の気密性を向上させることができる。

また、ピストンリング２５ａの構造では、ピストンリング２５ａとリング溝２６との接触面積を増大できる上、第１、第２リング２５ａ１，２５ａ２がリングの厚さ方向への動きを互いに抑制し合い楔のような働きをするので、フローティング＆フラッタリング現象を抑制または防止することができる。その結果、キャビティ４の気密性を向上させることができる。

さらに、ピストンリング２５ａ（第１リング２５ａ１）の外周面とシリンダ２の内周面との接触圧を燃焼ガスＧの圧力に応じて適正な圧力に保つことができるので、その接触圧により決定されていたピストンリングの各部の寸法、材料および表面状態の制限を緩和することができる。また、ピストンリング２５ａの張力を低く設計できることから摩擦力を低減することができる。

本発明の内燃機関は、ピストンリングを第１、第２リングにより構成し、燃焼ガスの圧力により第２リングがピストンの中心に向かって動くと、第１リングがシリンダの内周面に向かって動くようにしたことにより、シリンダの内周面に対するピストンリングの接触圧をピストンリングに加わる燃焼ガスの圧力に応じて適正に保ちつつ、燃焼室の気密性を確保することができるので、自動車等の内燃機関に利用できる。

１ディーゼルエンジン（内燃機関）
２シリンダ
３ピストン
４キャビティ（燃焼室）
５シリンダヘッド
１８クランク室
２５ピストンリング
２５ａピストンリング
２５ａ１第１リング
２５ａ２第２リング
２５ｂピストンリング
２５ｃピストンリング
２６ピストンリング溝
２６ａピストンリング溝
２６ａ１第１面
２６ａ２第２面
２６ａ３第３面
２６ｂピストンリング溝
２６ｃピストンリング溝

Claims

シリンダ内に往復運動可能な状態で設けられたピストンの外周に形成されたピストンリング溝内に、燃焼室側からクランク室側へ燃焼ガスが流れるのを遮るピストンリングが装着された内燃機関において、
前記ピストンリング溝は、前記ピストンの外周面に対して交差し、互いに対向する位置に形成された第１面および第２面を有しており、
前記第１面は、前記第１面と前記第２面との対向距離が前記ピストンの中心に向かって近づくように前記ピストンの外周面に対して傾斜しており、
前記ピストンリングは、前記クランク室側に設けられた第１リングと、前記燃焼室側に設けられた第２リングとを各々のリングの厚さ方向に重ねた状態で備えており、
前記第１リングにおいて前記第１面に接する面は、前記第１面の傾斜に合わせて傾斜しており、
前記第１リングの外径は、前記ピストンリング溝に収めた場合に前記第１リングの外周面が前記シリンダの内周面に接する大きさに設定されており、
前記第２リングの外径は、前記第１リングの外径よりも小さくなるように形成されており、
前記第１リングおよび前記第２リングは、前記ピストンリングの径方向であって互いに逆方向に移動可能とされており、前記第２リングが前記燃焼室側からの燃焼ガスの圧力に押されて前記ピストンの中心方向に動くと、前記第１リングが前記第２リングに押されて前記シリンダの内周面の方向に動く構成とされている内燃機関。
前記第２面は、前記第１面と第２面との対向距離が前記ピストンの中心に向かって近づくように前記ピストンの外周面に対して傾斜しており、
前記第２リングにおいて、前記第２面に接する面は、前記第２面に合わせて傾斜している請求項１記載の内燃機関。