JP2013160129A - 内燃機関のピストン及び内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンの周方向においてトップランドの剛性が部分的に低くなることを抑制することができる。
【解決手段】内燃機関は、筒内に燃料を直接噴射するインジェクタ５を備えている。内燃機関のピストン１は、同ピストン１の頂面に４つのバルブリセスが形成されている。ピストン１の外周面２０にはトップリングを収容するトップリング溝が形成されている。また、トップリング溝の底面２２ａからピストン１の外周面２０までの距離であるバッククリアランスは、４つのバルブリセスのうちインジェクタ５の噴孔５ａに最も近い吸気側バルブリセスに対応する位置において最も小さくされている。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関及びピストンに関する。

従来、ピストンの往復動によって機関出力軸が回転駆動される内燃機関が周知である（例えば特許文献１）。こうした内燃機関のピストンの外周面には３つのリング溝が形成されており、これらリング溝には燃焼室から近い順に、トップリング、セカンドリング、及びオイルリングが収容されている。ちなみに、ピストンにおいて頂面とトップリングを収容するトップリング溝との間の部位はトップランドと称される。

また、ピストンの頂面には、ピストンが変位する際に機関バルブとの接触を回避するための凹部であるバルブリセスが形成されている。

特開２０１０―１８０７２８号公報

ところで、トップランドにおいてバルブリセスが形成されている部位は他の部位に比べて薄いことから剛性が低くなる。そのため、このようにピストンの軸線方向における厚さが相対的に小さくされている部位に対して、過度に高い燃焼圧が繰り返し作用すると、当該部位に亀裂が生じるおそれがある。そこで、従来のピストンにあっては、トップランドの剛性を確保するために同トップランドの厚さを全周にわたって大きくしなければならず、ピストンの大型化を招くといった問題が生じる。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ピストンの周方向においてトップランドの剛性が部分的に低くなることを抑制することのできる内燃機関のピストン及び内燃機関を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
（１）請求項１に記載の発明は、内燃機関のピストンであって、同ピストンの頂面にバルブリセスが形成されるとともに同ピストンの外周面にトップリングを収容するリング溝が形成された内燃機関のピストンにおいて、前記リング溝の底面から前記ピストンの外周面までの距離をバッククリアランスとするとき、前記ピストンの周方向において前記バルブリセスが形成されている位置のバッククリアランスが同周方向における他の位置のバッククリアランスに比べて小さくされてなることをその要旨としている。

リング溝の底面からピストンの外周面までの距離であるバッククリアランスが小さいほど、トップランドの剛性が高くなる。上記構成によれば、ピストンの周方向においてバルブリセスが形成されている位置のトップランドの剛性が同周方向における他の位置におけるトップランドの剛性に比べて低くなることが、バッククリアランスが相対的に小さく設定されることにより抑制されるようになる。したがって、ピストンの周方向においてトップランドの剛性が部分的に低くなることを抑制することができるようになる。

（２）請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関のピストンにおいて、筒内に燃料を直接噴射するインジェクタを備える内燃機関に適用され、前記バルブリセスは前記ピストンの頂面に複数形成され、前記バッククリアランスは、前記複数のバルブリセスのうち前記インジェクタの噴孔に最も近いバルブリセスに対応する位置において最も小さくされてなることをその要旨としている。

インジェクタにより筒内に燃料が直接噴射される内燃機関にあっては、同インジェクタの噴孔から落下した燃料がシリンダのボア壁面に付着しているオイルに混入する、所謂オイルの燃料希釈が生じやすい。そして、ピストンの外周面とシリンダのボア壁面との間に、燃料が混入したオイルが存在していると、これが着火源となり異常燃焼が発生するおそれがある。そのため、着火源を中心に燃焼圧が過度に上昇し、トップランドにおいて着火源に近い部位ほど高い耐久性が求められる。

この点、上記構成によれば、複数のバルブリセスにおいてインジェクタの噴孔に最も近いバルブリセスが最も小さくされる。したがって、トップランドにおいて最も耐久性が求められる部位の剛性を的確に高めることができるようになる。

（３）請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関のピストンにおいて、前記リング溝の底面は断面円状をなし、前記複数のバルブリセスのうち前記インジェクタの噴孔に最も近いバルブリセスに対応する位置における前記バッククリアランスが前記ピストンの周方向において最も小さくなるように前記リング溝の底面がなす円が前記ピストンの外周面がなす円に対して偏心してなることをその要旨としている。

同構成によれば、リング溝の底面をピストンの外周面に対して偏心させることにより、複数のバルブリセスのうちインジェクタの噴孔に最も近いバルブリセスに対応する位置におけるバッククリアランスが最も小さくされる。このため、リング溝の加工を容易に行なうことができるようになる。

（４）請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の内燃機関のピストンを備え、同ピストンの往復動によって機関出力軸が回転駆動される内燃機関をその要旨としている。

同構成によれば、請求項１〜請求項４に記載の発明の作用効果に準じた作用効果を奏することができる。

本発明の一実施形態に係るピストンの平面構造及び断面構造を併せ示す図。 同実施形態におけるピストンの頂面の正面構造を示す正面図。 同実施形態におけるピストンについて、ピストンの外周面とトップリング溝の底面との関係を模式的に示す模式図。 本発明の変形例に係るピストンについて、ピストンの外周面とトップリング溝の底面との関係を模式的に示す模式図。

以下、図１〜図３を参照して、本発明を具体化した一実施形態について説明する。尚、本実施形態の内燃機関は過給機が搭載された筒内噴射式のガソリン機関である。また、内燃機関は複数のシリンダが直列に配置された直列式の内燃機関である。

図１に示すように、内燃機関のピストン１は有底の略円筒状をなしており、その外周面には燃焼室から近い順に、トップリング溝２２、セカンドリング溝２４、及びオイルリング溝２６が形成されている。これらリング溝２２、２４、２６はそれぞれ全周にわたって形成されている。これらリング溝２２、２４、２６にはそれぞれ略円環状をなすピストンリング（トップリング、セカンドリング、及びオイルリング）が収容される。

尚、ピストン１において、頂面１０とトップリング溝２２との間の部位をトップランド２１と称し、トップリング溝２２とセカンドリング溝２４との間の部位をセカンドランド２３と称し、セカンドリング溝２４とオイルリング溝２６との間の部位をサードランド２５と称する。

図２に示すように、ピストン１の頂面１０には、ピストン１が変位する際に吸気バルブや排気バルブとの接触を回避するための凹部である４つのバルブリセス１１〜１４が形成されている。具体的には、内燃機関の２つの吸気バルブに対応する２つの吸気側バルブリセス１１、１２と、２つの排気バルブに対応する２つの排気側バルブリセス１３、１４とが形成されている。これらバルブリセス１１〜１４の一部はピストン１の頂面１０の周縁までそれぞれ延びている。

また、内燃機関には筒内（シリンダ内）に燃料を直接噴射するインジェクタ５が設けられており、同インジェクタ５の噴孔５ａはピストン１の周方向において吸気側バルブリセス１１の位置と同一の位置に形成されている。

ここで、図１及び図３に併せ示すように、本実施形態では、トップリング溝２２の底面２２ａからピストン１の外周面２０までの距離（以下、バッククリアランス）がピストン１の周方向において可変設定されている。すなわち、ピストン１の外周面及びトップリング溝２２の底面２２ａは共に断面円状をなしている。また、４つのバルブリセス１１〜１４のうちインジェクタ５の噴孔５ａに最も近い吸気側バルブリセス１１に対応する位置におけるバッククリアランスがピストン１の周方向において最も小さくなるようにトップリング溝２２の底面２２ａがなす円がピストン１の外周面２０がなす円に対して偏心している。すなわち、トップリング溝２２の底面２２ａがなす円の中心Ｒは、ピストン１の外周面２０がなす円の中心Ｃよりも吸気側バルブリセス１１に近接している。これにより、バッククリアランスは、ピストン１の周方向において吸気側バルブリセス１１に対応する位置において最も小さくされている（Ｂｍｉｎ）。尚、図１の断面図は、図２のＡ−Ａ線に沿った断面構造を示している。

次に、本実施形態の作用について説明する。
前述したように、トップランド２１においてバルブリセス１１〜１４が形成されている部位は他の部位に比べて薄いことから剛性が低くなる。

ここで、筒内噴射式の内燃機関にあっては、インジェクタ５の噴孔５ａから落下した燃料がシリンダのボア壁面に付着しているオイルに混入する、所謂オイルの燃料希釈が生じやすい。そして、ピストンの外周面とシリンダのボア壁面との間に、燃料が混入したオイルが存在していると、これが着火源となり異常燃焼が発生するおそれがある。そのため、着火源を中心に燃焼圧が過度に上昇し、トップランドにおいて着火源に近い部位ほど高い耐久性が求められる。

本実施形態によれば、４つのバルブリセス１１〜１４においてインジェクタ５の噴孔５ａに最も近い吸気側バルブリセス１１に対応する位置のバッククリアランスが最も小さくされている。このため、ピストン１の周方向において吸気側バルブリセス１１が形成されている位置のトップランド２１の剛性が同周方向における他の位置におけるトップランド２１の剛性に比べて低くなることが、バッククリアランスが相対的に小さく設定されることにより抑制されるようになる。これにより、トップランド２１において最も耐久性が求められる部位の剛性が高められようになる。

以上説明した本実施形態に係る内燃機関のピストン及び内燃機関によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）内燃機関は、筒内に燃料を直接噴射するインジェクタ５を備えている。内燃機関のピストン１は、同ピストン１の頂面１０に４つのバルブリセス（２つの吸気側バルブリセス１１、１２、及び２つの排気側バルブリセス１３、１４）が形成されている。ピストン１の外周面２０にはトップリングを収容するトップリング溝２２が形成されている。また、バッククリアランスは、４つのバルブリセス１１〜１４のうちインジェクタ５の噴孔５ａに最も近い吸気側バルブリセス１１に対応する位置において最も小さくされている。こうした構成によれば、トップランド２１において最も耐久性が求められる部位の剛性を的確に高めることができるようになる。

（２）トップリング溝２２の底面２２ａは断面円状をなしている。また、４つのバルブリセス１１〜１４のうちインジェクタ５の噴孔５ａに最も近い吸気側バルブリセス１１に対応する位置におけるバッククリアランスがピストン１の周方向において最も小さくなるようにトップリング溝２２の底面２２ａがなす円がピストン１の外周面２０がなす円に対して偏心している。こうした構成によれば、トップリング溝２２の底面２２ａをピストン１の外周面２０に対して偏心させることにより、インジェクタ５の噴孔５ａに最も近い吸気側バルブリセス１１に対応する位置におけるバッククリアランスが最も小さくされる。したがって、トップリング溝２２の加工を容易に行なうことができるようになる。

尚、本発明に係る内燃機関のピストン及び内燃機関は、上記実施形態にて例示した構成に限定されるものではなく、これを適宜変更した例えば次のような形態として実施することもできる。

・上記実施形態では、過給機を搭載した内燃機関について例示したが、本発明はこれに限られるものではなく、過給機を搭載していない内燃機関に対しても本発明を適用することができる。

・上記実施形態では、ピストン１の外周面２０がなす円に対してトップリング溝２２の底面２２ａがなす円が偏心しているものとした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、ピストンの外周面がなす円に対してトップリング溝の底面がなす円が偏心しないものとすることもできる。すなわち、例えば図４に示すように、ピストン１０１の周方向においてバルブリセスが形成されている位置のバッククリアランスＢ１（トップリング溝の底面１２２ａからピストン１０１の外周面１２０までの距離）が同周方向における他の位置のバッククリアランスＢ２に比べて小さくなるようにトップリング溝の底面１２２ａに段差形状を設けるようにしてもよい。尚、このピストン１０１におけるバルブリセスは図２に示したピストン１のバルブリセス１１〜１４と同一の形状とされている。この場合、ピストン１０１の周方向においてバルブリセスが形成されている位置のトップランドの剛性が同周方向における他の位置におけるトップランドの剛性に比べて低くなることが、バッククリアランスが相対的に小さく設定されることにより抑制されるようになる。したがって、ピストン１０１の周方向においてトップランドの剛性が部分的に低くなることを抑制することができるようになる。

１，１０１…ピストン、１０…頂面、１１…吸気側バルブリセス、１２…吸気側バルブリセス、１３…排気側バルブリセス、１４…排気側バルブリセス、２０，１２０…外周面、２１…トップランド、２２…トップリング溝、２２ａ，１２２ａ…底面、２３…セカンドランド、２４…セカンドリング溝、２５…サードランド、２６…オイルリング溝、５…インジェクタ、５ａ…噴孔。

Claims (4)

1. 内燃機関のピストンであって、同ピストンの頂面にバルブリセスが形成されるとともに同ピストンの周面にトップリングを収容するリング溝が形成された内燃機関のピストンにおいて、
   前記リング溝の底面から前記ピストンの外周面までの距離をバッククリアランスとするとき、
   前記ピストンの周方向において前記バルブリセスが形成されている位置のバッククリアランスが同周方向における他の位置のバッククリアランスに比べて小さくされてなる
   ことを特徴とする内燃機関のピストン。
2. 請求項１に記載の内燃機関のピストンにおいて、
   筒内に燃料を直接噴射するインジェクタを備える内燃機関に適用され、
   前記バルブリセスは前記ピストンの頂面に複数形成され、
   前記バッククリアランスは、前記複数のバルブリセスのうち前記インジェクタの噴孔に最も近いバルブリセスに対応する位置において最も小さくされてなる
   ことを特徴とする内燃機関のピストン。
3. 請求項２に記載の内燃機関のピストンにおいて、
   前記リング溝の底面は断面円状をなし、
   前記複数のバルブリセスのうち前記インジェクタの噴孔に最も近いバルブリセスに対応する位置における前記バッククリアランスが前記ピストンの周方向において最も小さくなるように前記リング溝の底面がなす円が前記ピストンの外周面がなす円に対して偏心してなる
   ことを特徴とする内燃機関のピストン。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の内燃機関のピストンを備え、同ピストンの往復動によって機関出力軸が回転駆動される内燃機関。