JP2013164020A - 内燃機関のピストン - Google Patents

Abstract

【課題】異常燃焼による局所的な筒内圧の上昇に対する耐性を確保しつつも、オイル消費の抑制を図ることのできる内燃機関のピストンを提供する。
【解決手段】トップリング溝５、セカンドリング溝６間のセカンドランド９の外周におけるピストンの排気側の部分にのみ、凹部１１を形成することで、異常燃焼により局所的に上昇した筒内圧の作用を受けることの多いピストンの吸気側の部分におけるセカンドランド９の剛性を保持したまま、ランド空間の容積を拡大するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のピストンにかかり、詳しくはオイル消費の抑制のためのピストンランド形状の改良に関する。

内燃機関のピストンには、複数のリング溝がその側周に形成されている。そして、それらのリング溝にピストンリングがそれぞれ装着されている。
こうしたピストンでは、ピストンリング間に形成されるランド空間の圧力が燃焼室内の圧力よりも高くなると、燃焼室へのオイルの吸い上げが生じて、オイル消費量が増加する。そこで従来、特許文献１には、リング溝間に形成される帯状のピストンランドの外周に、断面楔形状の凹部をその全周に渡って形成することで、ランド空間の容積を拡大して、その圧力変動を抑えることで、オイル消費を低減する技術が開示されている。

特開平０６−２４９０６２号公報

ところで、内燃機関では、異常燃焼によって筒内圧が局所的に高くなることがある。しかしながら、上記のような従来のピストンでは、凹部の形成によりピストンランドの剛性が低下してしまうため、こうした異常燃焼による筒内圧の局所的な上昇に対してのピストンランドの剛性を十分に確保できない虞がある。因みに、こうした問題は、筒内圧が高くなることから、異常燃焼が生じ易い過給ガソリン機関において、特に顕著なものとなっている。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、異常燃焼による局所的な筒内圧の上昇に対する耐性を確保しつつも、オイル消費の抑制を図ることのできる内燃機関のピストンを提供することにある。

つぎに、本発明の上記課題の解決にかかる手段及びその作用効果を説明する。
シリンダーボアの吸気側では、排気側に比べて壁温が低く、燃料が気化し難いため、オイルの燃料希釈が生じ易い。また、筒内噴射式の内燃機関では、通常、インジェクターが吸気側に配設されており、シリンダーボアの吸気側でのオイルの燃料希釈が進行し易くなっている。

燃料希釈によってオイルの粘度が低下すると、シリンダーボアの壁面に付着したオイルの飛散が生じ易くなる。そして、その飛散したオイルが着火することで、異常燃焼が生じて、筒内圧の局所的な上昇を招く。そのため、異常燃焼による局所的な筒内圧の上昇は、燃焼室の吸気側において生じることが多くなる。

その点、本発明では、側周に少なくとも２本のリング溝が形成された内燃機関のピストンにおいて、リング溝間のピストンランドの外周における当該ピストンの排気側の部分にのみ、凹部が形成されている。そのため、凹部の形成によりランド空間の容積を拡大しつつも、ピストンの吸気側の部分におけるピストンランドの剛性は維持されるようになる。したがって、異常燃焼による局所的な筒内圧の上昇に対する耐性を確保しつつも、オイル消費の抑制を図ることができる。

こうした内燃機関のピストンにおいて、当該ピストンの中心軸に直交する平面において、同ピストンの中心軸から同ピストンの吸気側に偏心した位置を中心とする円弧上に凹部の底が形成されていれば、旋盤加工により凹部を形成することが可能となる。そのため、ピストンランドに凹部の形成されたピストンの製造が容易となる。

なお、凹部は、例えばピストンランドのピストン下側の部分を段状に切り欠くことで形成することができる。こうした場合、当該ピストンの排気側から吸気側に向うにつれて、凹部の幅を小さくするようにすれば、凹部のピストン上側の側壁が、ピストンの排気側から吸気側に向うにつれてピストン上側に向って傾斜した形状となる。そのため、燃焼室側への吸い上げに際して、その傾斜に沿ってオイルが、ランド空間の断面積が拡大されたピストンの排気側に移動するようになる。したがって、オイル消費をより効果的に抑制することができるようになる。

なお、ピストンランドのピストン下側の部分を段状に切り欠くことで凹部が形成されていない場合にも、凹部のピストン上側の側壁が、当該ピストンの排気側から吸気側に向うにつれてピストン上側に向う傾斜面とされていれば、オイル消費をより効果的に抑制することが可能である。

本発明の第１の実施の形態にかかる内燃機関のピストンの側面構造を示す側面図。 本発明の第２の実施の形態にかかる内燃機関のピストンの側面構造を示す側面図。 図２のIII−III線に沿ったピストンの断面構造を示す断面図。 本発明の第３の実施の形態にかかる内燃機関のピストンの側面構造を示す側面図。 同実施の形態の内燃機関のピストンにおけるオイル吸い上げ時のオイルの移動態様を示す図。 本発明の他の実施の形態にかかる内燃機関のピストンの側面構造を示す側面図。 本発明の更なる他の実施の形態にかかる内燃機関のピストンの側面構造を示す側面図。 本発明のもう一つの他の実施の形態にかかる内燃機関のピストンの側面構造を示す側面図。 本発明の更にもう一つの他の実施の形態にかかる内燃機関のピストンの側面構造を示す側面図。

（第１の実施の形態）
以下、本発明の内燃機関のピストンを具体化した第１の実施の形態を、図１を参照して詳細に説明する。なお、本実施の形態のピストンは、筒内噴射式の過給ガソリン機関に適用されるものとなっている。

まず、本実施の形態にかかるピストンの構成を説明する。図１に示すように本実施の形態のピストンは、略円筒形状に形成され、その頂面は、燃焼室に面するクラウン部２となっている。また、ピストンの中央には、コネクティングロッド連結用のピストンピンが取り付けられるピストンピン穴３が形成されている。さらに、ピストンの下部には、同ピストンがシリンダー内部で傾倒するのを防止するスカート４が形成されている。なお、このピストンは、図中左側が吸気側、すなわち燃焼室の吸気ポート側となり、図中右側が排気側、すなわち燃焼室の排気ポート側となるように、内燃機関のシリンダーに配設される。

こうしたピストンの上部側周には、上方から順に、トップリング溝５、セカンドリング溝６及びオイルリング溝７の、３本のリング溝が形成されている。このうち、トップリング溝５及びセカンドリング溝６には、燃焼室の気密を保つためのコンプレッションリングが、オイルリング溝７には、シリンダー内壁面についている余分なエンジンオイルをかき落とすオイルリングが、それぞれ装着される。

なお、ピストンの側周におけるトップリング溝５よりも上側の帯状の部分は、トップランド８となっている。また、ピストンの側周におけるトップリング溝５とセカンドリング溝６との間の帯状の部分はセカンドランド９となっており、ピストンの側周におけるセカンドリング溝６とオイルリング溝７との間の帯状の部分は、サードランド１０となっている。

さて、本実施の形態では、こうしたピストンのセカンドランド９の外周に、凹部１１が形成されている。この凹部１１は、セカンドランド９のピストン下側の部分を段状に切り欠くことで形成されている。ただし、本実施の形態では、こうした凹部１１が、セカンドランド９の外周におけるピストンの排気側の部分にのみ形成されている。そして、その幅及び深さは、その全長に亘って一定とされている。

なお、以上のように構成された本実施の形態では、トップリング溝５及びセカンドリング溝６が、本発明における２本のリング溝に相当する構成となっている。また本実施の形態では、セカンドランド９が、本発明におけるリング溝間のピストンランドに相当する構成となっている。

続いて、本実施の形態の内燃機関のピストンの作用を説明する。
内燃機関の運転中、シリンダーボアの吸気側では、排気側に比べて壁温が低く、燃料が気化し難いため、オイルの燃料希釈が生じ易い。また、筒内噴射式の内燃機関では、通常、インジェクターが吸気側に配設されており、シリンダーボアの吸気側でのオイルの燃料希釈が進行し易くなっている。

燃料希釈によってオイルの粘度が低下すると、シリンダーボアの壁面に付着したオイルの飛散が生じ易くなる。そして、その飛散したオイルが着火することで、異常燃焼が生じて、筒内圧の局所的な上昇を招く。そのため、異常燃焼による局所的な筒内圧の上昇は、燃焼室の吸気側において生じることが多くなる。

その点、本実施の形態の内燃機関のピストンでは、セカンドランド９の外周におけるピストンの排気側にのみ、凹部１１が形成されている。そのため、このピストンでは、異常燃焼により局所的に上昇した筒内圧が作用することの多いピストンの吸気側の部分におけるセカンドランド９の剛性を維持したまま、その外回りに形成されるランド空間の容積が拡大されている。ちなみに、ここで言うランド空間とは、トップリング溝５に装着されるトップコンプレッションリング、セカンドリング溝６に装着されるセカンドコンプレッションリング、セカンドランド９の外周、及びシリンダーボアの内壁によって囲繞されることで形成された空間である。

こうしてランド空間の容積が拡大されると、その内部の圧力変動が抑えられる。そしてその結果、ランド空間の圧力上昇による燃焼室へのオイルの吸い上げが抑制され、オイル消費が低減されるようになる。

以上の本実施の形態の内燃機関のピストンによれば、以下の効果を奏することができる。
（１）本実施の形態では、セカンドランド９の外周におけるピストンの排気側にのみ、凹部１１が形成されている。そのため、異常燃焼による高い圧力が作用することの多いピストン吸気側におけるセカンドランド９の剛性を維持したまま、ランド空間の容積を拡大することができる。したがって、本実施の形態によれば、異常燃焼による局所的な筒内圧の上昇に対する耐性を確保しつつも、オイル消費の抑制を図ることができる。

（２）本実施の形態では、ピストン下側の部分を段状に切り欠くことで凹部１１を形成している。そのため、凹部１１が形成された部分においても、セカンドランド９のピストン上側の部分は残されることになり、トップリング溝５に装着されるトップコンプレッションリングの燃焼圧による押圧に対する剛性を好適に確保することができる。

（第２の実施の形態）
つぎに、本発明の内燃機関のピストンを具体化した第２の実施の形態を、図２及び図３を併せ参照して詳細に説明する。なお本実施の形態及び後述の各実施の形態にあって、上述の実施の形態と共通する構成については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

図２に示すように、本実施の形態にかかる内燃機関のピストンにも、第１の実施の形態のものと同様に、セカンドランド９の外周のピストンの排気側の部分に、同セカンドランド９のピストン下側の部分を段状に切り欠くことで形成された凹部２０が設けられている。この凹部２０は、全長に亘りその幅が一定とされている。ただし、その深さは、ピストンの吸気側に向うほど、浅くされている。より詳細には、図３に示すように、凹部２０は、その底２０ａが、ピストン中心軸Ａに直交する平面において、同ピストン中心軸Ａから同ピストンの吸気側に偏心した位置Ｏ’を中心とする円弧上に位置するように形成されている。

以上のように構成された本実施の形態の内燃機関のピストンによれば、上記（１）及び（２）に記載のものに加え、更に以下の効果を奏することができる。
（３）本実施の形態では、ピストン中心軸Ａに直交する平面において、同ピストン中心軸Ａから同ピストンの吸気側に偏心した位置Ｏ’を中心とする円弧上に凹部２０の底２０ａが形成されている。そのため、ＮＣ（数値制御）加工ではなく、旋盤加工によって凹部２０を形成することが可能となり、製造性を向上することができる。

（第３の実施の形態）
つぎに、本発明の内燃機関のピストンを具体化した第３の実施の形態を、図４及び図５を併せ参照して詳細に説明する。

図４に示すように、本実施の形態にかかる内燃機関のピストンにも、セカンドランド９の外周のピストンの排気側の部分に、同セカンドランド９のピストン下側の部分を段状に切り欠くことで形成された凹部３０が設けられている。この凹部３０は、全長に亘りその深さは一定とされているが、その凹部幅は、ピストンの排気側から吸気側に向うにつれて小さくされている。そのため、こうした凹部３０のピストン上側の側壁３０ａは、ピストンの排気側から吸気側に向うにつれてピストン上側に向う傾斜面となっている。

つぎに、こうした本実施の形態の内燃機関のピストンの作用を説明する。こうしたピストンが配設された内燃機関では、燃焼室内の圧力が低下したときに、オイルの吸い上げが生じることがある。このとき、本実施の形態のピストンでは、同ピストンの吸気側において吸い上げられたオイルが、図４に矢印で示すように、排気側に向って上方に傾斜した凹部３０のピストン上側の側壁３０ａに沿って排気側に移動する。そのため、凹部３０が形成されていない吸気側においても、オイルの吸い上げが抑えられるようになる。

以上説明した本実施の形態の内燃機関のピストンによれば、上記（１）及び（２）のものに加え、更に次の効果を奏することができる。
（４）本実施の形態では、セカンドランド９のピストン下側の部分を段状に切り欠くことで形成された凹部３０の切り欠き幅を、ピストンの排気側から吸気側に向うにつれて小さくすることで、凹部３０のピストン上側の側壁３０ａを、排気側から吸気側に向うにつれてピストン上側に向う傾斜面としている。そのため、凹部３０が形成されていない吸気側においても、オイルの吸い上げを抑えることが可能となる。

（その他の実施の形態）
なお、上記実施の形態は以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施の形態では、セカンドランド９のピストン下側の部分を段状に切り欠くことで、ランド空間の容積を拡大するための凹部を形成するようにしていた。燃焼圧によるトップコンプレッションリングの押圧に対する剛性を十分に確保できるのであれば、それとは異なる態様で凹部を形成するようにしても良い。例えば、図６に示されるピストンでは、セカンドランド９のピストン上下方向中央の部分を断面矩形の溝状に切り欠くことで、凹部４０が形成されている。こうした場合にも、そうした凹部４０を、ピストンの排気側にのみ形成すれば、ランド空間の容積の拡大を図りながらも、吸気側の部分のセカンドランド９の剛性を保持して異常燃焼による局所的な筒内圧の上昇に対する耐性を確保することができる。

・上記実施の形態では、凹部を断面矩形状に形成していたが、ランド空間の容積を拡大するための凹部を、矩形以外の断面形状に形成するようにしても良い。例えば図７に示されるピストンでは、Ｖ字溝形状に形成された凹部５０がセカンドランド９に形成されている。こうした場合にも、そうした凹部５０を、ピストンの排気側にのみ形成すれば、ランド空間の容積の拡大を図りながらも、吸気側の部分のセカンドランド９の剛性を保持して異常燃焼による局所的な筒内圧の上昇に対する耐性を確保することができる。

・上記のように、セカンドランド９のピストン上下方向中央の部分を溝状に切り欠くことで凹部を形成する場合にも、次のようにすることで、凹部の形成されていない吸気側でのオイルの吸い上げを抑えることができる。すなわち、凹部のピストン上側の側壁を、排気側から吸気側に向うにつれてピストン上側に向う傾斜面とすれば、吸気側で吸い上げられたオイルがその傾斜面に沿って排気側に移動され、凹部の形成されていない吸気側においてもオイルの吸い上げが抑えられる。図８には、ピストン上側の側壁６０ａが排気側から吸気側に向うにつれてピストン上側に向う傾斜面とされた溝状の凹部６０が、セカンドランド９の外周におけるピストンの排気側に設けられたピストンの構成例が示されている。なお、図８の構成例では、ピストンの排気側から吸気側に向うほど、凹部６０の溝幅を小さくすることで、そのピストン上側の側壁６０ａが傾斜面とされている。尤も、例えば図９に示すように溝状の凹部７０を形成れば、凹部７０の幅を全長に亘り一定としつつも、そのピストン上側の側壁７０ａを、排気側から吸気側に向うにつれてピストン上側に向う傾斜面とすることが可能である。

・上記実施の形態では、側周に３本のリング溝が形成されたピストンに本発明を適用した場合を説明したが、２本、あるいは４本以上のリング溝を備えるピストンにも、本発明は同様に適用することが可能である。

・上記実施の形態では、過給ガソリン機関用のピストンに本発明を適用した場合を説明したが、本発明は、それ以外の内燃機関に使用されるピストンにも同様に適用することが可能である。

１…ピストン、２…クラウン部、３…ピストンピン穴、４…スカート、５…トップリング溝（リング溝）、６…セカンドリング溝（リング溝）、７…オイルリング溝、８…トップランド、９…セカンドランド（ピストンランド）、１０…サードランド、１１，２０，３０，４０，５０，６０，７０…凹部、２０ａ…凹部の底、３０ａ，６０ａ，７０ａ…凹部のピストン上側の側壁、Ａ…ピストン中心軸、Ｏ’…ピストン中心軸からピストンの吸気側に偏心した位置。

Claims (5)

1. 側周に少なくとも２本のリング溝が形成された内燃機関のピストンにおいて、
   リング溝間のピストンランドの外周における当該ピストンの排気側の部分にのみ、凹部が形成されてなる
   ことを特徴とする内燃機関のピストン。
2. ピストン中心軸に直交する平面において、同ピストン中心軸から同ピストンの吸気側に偏心した位置を中心とする円弧上に前記凹部の底が形成されてなる
   請求項１に記載の内燃機関のピストン。
3. 前記ピストンランドのピストン下側の部分を段状に切り欠くことで前記凹部が形成されてなる
   請求項１又は２に記載の内燃機関のピストン。
4. 当該ピストンの排気側から吸気側に向うにつれて、前記凹部の幅が小さくされてなる
   請求項３に記載の内燃機関のピストン。
5. 前記凹部のピストン上側の側壁が、当該ピストンの排気側から吸気側に向うにつれてピストン上側に向う傾斜面とされてなる
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関のピストン。