JP2016211396A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】オイル消費発生のメカニズムを考慮してオイル消費を抑制することができる内燃機関を提供する。
【解決手段】シリンダブロック２内の円筒状のシリンダライナ５と、シリンダライナ内で摺動可能なピストン６と、を具備する内燃機関１であって、ピストンが、その外周にトップランド１５に隣接してリング溝１４を有し、リング溝内にピストンリング１８が配置され、シリンダライナは、ピストンが上死点にあるときにピストンのトップランドと対向する内周面の少なくとも一部に、内周面が拡径された拡径部３０を有し、拡径部の内周面の半径は、シリンダライナの拡径されていない内周面の半径よりも、シリンダの径方向外側に１００μｍから１０００μｍだけ大きい、内燃機関による。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関に関する。

従来から、内燃機関のピストンでは、その外周面に形成されたリング溝内にピストンリングが配置されている。斯かるピストンリングのうち最も下方に配置されたオイルリングは、ピストンの下降時にシリンダライナ壁面に付着した余剰のオイルを掻き落とすのに用いられる。しかしながら、多くの内燃機関においては、斯かるオイルリングを用いても、ピストンの往復運動に伴ってクランクケース内のオイルがピストン外周面に沿って、特にリング溝内を介して、燃焼室内へと流入することが知られている。このように、クランクケース内のオイルが燃焼室内に流入すると、燃焼室における燃焼に伴ってオイルが燃焼し、オイル消費が増大してしまう。

そこで、特許文献１では、ピストンリングの下面に全周に亘って凹部を形成するようにしている。特許文献１によれば、これにより、上死点においてピストンの運動方向が反転した際に、ピストンリングがリング溝下面に貼り付くことなくリング溝上面へと移動するため、リング溝内部のオイルが燃焼室内へと流入するのを防止することができるとされている。

特開２０１２−２４１８６１号公報 特開２００６−１１２３６０号公報 特開２０１０−１０６７１０号公報 特開平６−２２９３１５号公報

ところで、本願の発明者の研究により、オイル消費が発生するメカニズムが解明された。具体的には、オイル消費は以下のメカニズムで生じていると考えられる。まず、ピストンのトップランドの外周面と、これに対向するシリンダライナの内周面は、燃焼室内での混合気の燃焼時に火炎の伝播し難い領域に面する。このため、内燃機関の運転に伴ってこれらトップランドの外周面上及びこれに対向するシリンダライナの内周面上にはデポジットが堆積する。このようなデポジットの堆積量が多くなると、ピストンが上死点にあるときに、これらトップランドの外周面上及びこれに対向するシリンダライナの内周面上に堆積したデポジット同士が接触するようになる。

一方、上述したように、内燃機関においては、ピストンの往復運動に伴ってクランクケース内のオイルがピストン外周面に沿って燃焼室側へと移動する。燃焼室側へ移動したオイルは、ピストンのトップランドの外周面上に堆積したデポジットに付着する。その後、オイルは、デポジット同士が接触したときに、ピストンのトップランドの外周面上に堆積したデポジットからトップランドに対向するシリンダライナの内周面上に堆積したデポジットへと移動する。トップランドに対向するシリンダライナの内周面上に堆積したデポジットに付着したオイルは、ピストンが下降したときに燃焼室内での混合気の燃焼による高温に曝され、蒸発せしめられ、これによりオイルが消費されることになる。

そこで、本発明の目的は、このようなオイル消費発生のメカニズムを考慮して、オイル消費を抑制することができる内燃機関を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明では、シリンダブロック内の円筒状のシリンダライナと、シリンダライナ内で摺動可能なピストンと、を具備する内燃機関であって、ピストンが、その外周にトップランドに隣接してリング溝を有し、リング溝内にピストンリングが配置され、シリンダライナは、ピストンが上死点にあるときにピストンのトップランドと対向する内周面の少なくとも一部に、内周面が拡径された拡径部を有し、拡径部の内周面の半径は、シリンダライナの拡径されていない内周面の半径よりも、シリンダの径方向外側に１００μｍから１０００μｍだけ大きい、内燃機関が提供される。

また、上記課題を解決するために、第２の発明では、シリンダブロック内の円筒状のシリンダライナと、シリンダライナ内で摺動可能なピストンと、を具備する内燃機関であって、ピストンが、その外周にトップランドに隣接してリング溝を有し、リング溝内にピストンリングが配置され、シリンダライナは、ピストンが上死点にあるときにピストンのトップランドと対向する内周面の少なくとも一部に内周面が拡径された拡径部を有し、拡径部の内周面は、拡径部の内周面にデポジットが付着しても、付着したデポジットがシリンダライナの拡径されていない内周面よりも径方向内側にまで成長しないように拡げられている、内燃機関が提供される。

さらに、第３の発明では、第１又は第２の発明において、拡径部が、拡径された内周面と、拡径された内周面の下端からシリンダの径方向内側に延びる底面とによって画成され、底面は、ピストンが上死点にあるときに、シリンダの軸線方向においてピストンリングの上面と等しい位置又はピストンリングの上面よりも上方の位置にある、内燃機関が提供される。

さらに、第４の発明では、第３の発明において、底面は、ピストンが上死点にあるときに、シリンダの軸線方向においてリング溝の上面と等しい位置にある、内燃機関が提供される。

さらに、第５の発明では、第３の発明において、底面は、ピストンが上死点にあるときに、シリンダの軸線方向においてリング溝の上面より５００μｍ上方の位置よりも下方に位置する、内燃機関が提供される。

さらに、第６の発明では、第１から第５の発明のいずれかにおいて、ピストンが上死点にあるときの、ピストンとシリンダブロックとのシリンダの軸線方向における相対位置を変化させることによって機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を更に具備する内燃機関であって、ピストンが上死点にあるときとは、シリンダブロックに対するピストンの相対位置が最も燃焼室側に位置する状態でピストンが上死点にあるときである、内燃機関が提供される。

さらに、第７の発明では、第３から第５の発明のいずれかにおいて、拡径部がシリンダライナの上面まで延びており、拡径された内周面の上縁部、拡径された内周面と底面との接続部、及び、底面と拡径されていない内周面との接続部の少なくとも１つが、Ｒ形状とされた、内燃機関が提供される。

本発明によれば、オイル消費発生のメカニズムを考慮してオイル消費を抑制することができる内燃機関を提供することができる。

図１は、内燃機関の部分断面図である。 図２（Ａ）は、従来の内燃機関においてピストンが上死点にあるときのピストン及びシリンダライナの上部を示した断面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の内燃機関においてピストンが上死点よりも下方にあるときの図２（Ａ）と同様な断面図である。 図３は、運転時間の経過に伴いシリンダライナの内周面上に堆積するデポジットの高さを、内燃機関の種類ごとに示した図である。 図４は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関においてピストンが上死点にあるときのピストン及びシリンダライナの上部を示した断面図である。 図５（Ａ）は、ピストン上及びシリンダライナ上にデポジットが堆積した状態において、ピストンが上死点にあるときのピストン及びシリンダライナの上部を示す、図４と同様な断面図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）で示したピストンが上死点よりも下方にあるときの断面図である。 図６は、第一実施形態の第一変形例に係る内燃機関の図４と同様な断面図である。 図７は、第一実施形態の第二変形例に係る内燃機関の図４と同様な断面図である。 図８は、可変圧縮比機構を有する本発明の第二実施形態に係る内燃機関の、図１と同様な断面図である。 図９は、図８の可変圧縮比機構の分解斜視図である。 図１０は、図解的に表した図８の内燃機関の側面断面図である。 図１１（Ａ）は、機械圧縮比を最大にした状態において、ピストンが上死点にあるときの図４と同様な断面図であり、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）の内燃機関のピストン上及びシリンダライナ上にデポジットが堆積した状態を示した断面図である。 図１２は、図１０（Ａ）で示した状態、すなわち可変圧縮比機構による圧縮比が最小となる状態における、ピストンが上死点にあるときの断面図である。 図１３は、可変長コンロッドを概略的に示す断面側面図である。 図１４は、本発明の第三実施形態に係る内燃機関の、図４と同様な断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。全図面に亘り、対応する構成要素には共通の参照符号を付す。

＜内燃機関の構成＞
図１は本願発明に係る内燃機関１の部分断面図を示す。内燃機関１は、シリンダブロック２及びシリンダヘッド３を有する。シリンダヘッド３は、ガスケット（図示せず）を介してシリンダブロック２に固定されている。シリンダブロック２はその内部に円筒状のシリンダライナ５を有しており、シリンダライナ５の内周面は、シリンダ４を画成する。シリンダ４内には、ピストン６が摺動可能に配置される。ピストン６、シリンダライナ５及びシリンダヘッド３によって燃焼室７が形成され、燃焼室７の頂面中央部には点火プラグ８が配置される。燃焼室７には吸気ポート１０が連通しており、燃焼室７と吸気ポート１０との間には吸気弁９が設けられる。同様に、燃焼室７には排気ポート１２が連通しており、燃焼室７と排気ポート１２との間には排気弁１１が設けられる。吸気ポート１０内には、燃料を噴射するための燃料噴射弁１３が配置される。

ピストン６の外周面には、その周方向に延びる複数のリング溝が設けられており、各リング溝内にはピストンリングが配置される。本実施形態では、ピストン６の外周面にはピストン６の軸線方向に離間した三つのリング溝が設けられ、よってピストン６周りには三つのピストンリングが配置される。これらピストンリングは、一般に、上からトップリング１８、セカンドリング１９、オイルリング２０とそれぞれ称される。また、本明細書では、ピストン６のうち、トップリング１８が配置されるリング溝よりも上の部分をトップランド１５と称する。同様に、ピストン６のうち、トップリング１８が配置されるリング溝とセカンドリング１９が配置されるリング溝との間の部分をセカンドランド１６と称する。加えて、ピストン６のうち、セカンドリング１９が配置されるリング溝とオイルリング２０が配置されるリング溝との間の部分をサードランド１７と称する。なお、本明細書では、シリンダ４の軸線方向において、燃焼室７側方向を上とし、燃焼室７側とは反対の方向を下として説明するが、内燃機関は必ずしもシリンダ４の軸線が鉛直に延びるように配置される必要は無い。

＜オイル消費のメカニズム＞
ところで、上述したような構成を有する内燃機関では潤滑等に用いられるオイルが燃焼により消費されてしまうという問題があったが、そのメカニズムについては明確には解明されていなかった。本願の発明者は、これについて鋭意研究を行ったところ、オイル消費のメカニズムの一部を解明した。以下では、図２を参照して、オイル消費のメカニズムについて説明する。

図２（Ａ）は、従来の内燃機関においてピストン１０６が上死点にあるときのピストン１０６及びシリンダライナ１０５の上部を示した断面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の内燃機関においてピストン１０６が上死点よりも下方にあるときの図２（Ａ）と同様な断面図である。

図２に示したような従来の内燃機関において、ピストン１０６の上部に位置するトップランド１１５の外周面及びこれに対向するシリンダライナ１０５の内周面は、燃焼室における燃焼時に火炎が伝播し難い領域に面する。このため、トップランド１１５の外周面上及びこれに対向するシリンダライナ１０５の内周面上にはデポジット１２１及びデポジット１２２がそれぞれ堆積する。なお、デポジットとは、燃焼室内の燃料の不完全燃焼によって発生する固形状の堆積物である。

一方、シリンダライナ１０５の内周面のうちピストン１０６が上死点にあるときのトップリング１１８の上面よりも下方に位置する内周面上にデポジットが付着しても、ピストン１０６の摺動により、デポジットはトップリング１１８によって掻き取られる。したがって、斯かるシリンダライナ１０５の内周面上にも基本的にデポジットは堆積しない。したがって、シリンダライナ１０５の内周面におけるデポジット１２２が堆積する位置は、図２（Ａ）に示すように、ピストン１０６が上死点にあるときにトップランド１１５に対面する位置である。

トップランド１１５の外周面上に堆積するデポジット１２１は、内燃機関の運転に伴い、ピストン１０６の径方向外側へと徐々に成長する。同様に、シリンダライナ１０５の内周面上に堆積するデポジット１２２は、内燃機関の運転に伴い、シリンダライナ１０５の径方向内側へと成長する。このようなデポジット１２１、１２２の成長が続くと、やがてこれらデポジット１２１、１２２はピストン１０６が上死点にあるときに互いに接触することになる。

次に、シリンダ１０４内のオイルの移動について説明する。ピストン１０６が配置されるシリンダ１０４内には、摺動するピストンリングとシリンダライナ１０５との間の潤滑等のため、オイルが供給されている。特に、ピストン１０６の外周面上に付着したオイルは、ピストン１０６の往復動に伴って、ピストン１０６の外周面に沿って上方へと移動する。

具体的には、ピストン１０６のセカンドランド１１６の外周面上に付着したオイル（図２の１２３ａ）は、ピストン１０６の下降時に慣性によりピストン１０６の外周面に沿って上方に向かって移動する。このとき、トップリング１１８は、図２（Ｂ）に示したようにリング溝１１４の上面に接触するようにリング溝１１４内で移動するため、リング溝１１４の下面とトップリング１１８の下面との間には隙間ができる。このため、セカンドランド１１６の外周面上を上方に向かって移動してきたオイルは、１２３ｂで示すように、この隙間を通ってリング溝１１４内に侵入する。

その後、ピストン１０６が上昇すると、トップリング１１８は、図２（Ａ）に示したようにリング溝１１４の下面と接触するようにリング溝１１４内で移動する。このため、リング溝１１４の上面とトップリング１１８の上面との間には隙間ができる。このため、リング溝１１４内に溜まっていたオイルはこの隙間を通ってトップランド１１５の外周面上へと移動する。トップランド１１５の外周面に移動したオイル１２３は、トップランド１１５の外周面上に堆積しているデポジット１２１に付着する（１２３ｃ）。

なお、シリンダライナ１０５の内周面上に付着したオイル１２４は、基本的にピストン１０６の下降に伴ってピストンリングに掻き取られる。このため、シリンダライナ１０５に沿って上方に移動する量は極めて少なく、上述したピストン１０６の外周面に沿って上方に移動するオイル１２３の量と比較して無視できるものである。

上述したように、ピストン１０６のトップランド１１５の外周面上に堆積したデポジット１２１と、シリンダライナ１０５の内周面上に堆積したデポジット１２２とは、ピストン１０６が上死点に至る度に接触する。このようにデポジット１２１、１２２同士が互いに接触すると、トップランド１１５の外周面上に堆積したデポジット１２１に付着していたオイルの一部が、シリンダライナ１０５の内周面上に堆積したデポジット１２２上へ移動する。

その後、ピストン１０６が下降すると、図２（Ｂ）に示したように、シリンダライナ１０５の内周面上に堆積したデポジット１２２は、燃焼室に曝されることになる。このとき、このデポジット１２２は火炎には曝され難いものの高温の燃焼ガスに曝されることになる。このため、このデポジット１２２に付着していたオイル１２３ｄは蒸発し、消失せしめられる。一方、高温の燃焼ガスに曝されても、デポジット１２２自体は燃焼することなく、そのまま残る。これは、デポジット１２２に加えられた熱が比較的低温のシリンダライナ１０５に逃げるためであると考えられる。このため、デポジット１２１とデポジット１２２の接触は、ピストン１０６の摺動ごとに依然として繰り返されることとなり、オイル１２３は消失され続けることとなる。

なお、デポジット１２１、１２２同士が接触しても一部のオイルは移動せずにトップランド１１５の外周面上に堆積したデポジット１２１に付着したまま残る。しかしながら、残されたオイル１２３ｃは、ピストン１０６が下降する際に燃焼室の高温の燃焼ガスによってはほとんど蒸発されない。これは、トップランド１１５の外周面とシリンダライナ１０５の内周面との間の空間が狭く且つ低温のピストン１０６及びシリンダライナ１０５に囲まれているため、燃焼が起きてもこの空間内はオイル１２３ｃを蒸発させるほど高温にならないためと考えられる。また、下降しているピストン１０６のトップランド１１５の外周面は高温の燃焼ガスには曝され難いためオイル１２３ｃがほとんど蒸発されないと考えられる。したがって、オイル１２３の消失はもっぱらシリンダライナ１０５の内周面上に堆積したデポジット１２２から生じる。

＜デポジットの成長＞
ところで、上述したように、トップランド１１５の外周面上に堆積するデポジット１２１は、内燃機関の運転に伴ってピストン１０６の径方向外側へと徐々に成長していき、最大でシリンダライナ１０５の内周面に到達するまで成長する。このデポジット１２１がこれ以上成長することができないのは、デポジット１２１が成長してシリンダライナ１０５の内周面にまで到達すると、シリンダライナ１０５の内周面によって成長が阻まれるためである。

一方、シリンダライナ１０５の内周面上に堆積するデポジット１２２も、シリンダライナ１０５の径方向内側へと成長する。ここで、本願の発明者は、このデポジット１２２は一定の高さに至ると、ピストン１０６のトップランドの外周面に到達しなくともそれ以上は成長しなくなることを発見した。これは、以下のようなメカニズムによるものだと考えられる。

すなわち、シリンダライナ１０５は図示しないウォータージェケットを流れる冷却水により冷却されている。そのため、デポジット１２２の成長の初期段階においては、デポジット１２２は高温の燃焼ガスに曝されても、シリンダライナ１０５を介して冷却水により冷却されるため自己消滅するほど高温とはならない。しかしながら、デポジット１２２が成長していくと、デポジット１２２は熱伝導特性が低いため、デポジット１２２のシリンダライナから離れた部位はシリンダライナ１０５によって十分に冷却されなくなる。このため、デポジット１２２が一定の高さ以上にまで成長すると、この一定の高さ以上の領域では、デポジット１２２の表面温度が自己消滅するほど高温になる。このように、一定の高さ以上に堆積したデポジット１２２は燃焼室内の高温の燃焼ガスにさらされて自己消滅せしめられることになり、この結果、シリンダライナ１０５上に堆積したデポジット１２２は一定の高さ以上には成長しなくなると考えられる。

ここで、デポジット１２２が堆積する上記一定の高さは、条件により多少変化するものの、１３０〜２５０μｍであることが本願の発明者の研究によって確認された。これについて、図３を用いて説明する。

図３は、運転時間の経過に伴いシリンダライナの内周面上に堆積するデポジットの高さについて、内燃機関の種類ごとに複数回試験した結果を示した図である。図中のポイントの形状の違い（三角形、四角形等）は内燃機関の種類が異なることを示すものである。図３からわかるように、シリンダライナの内周面上に堆積するデポジットは、ほとんどの場合、運転開始から短時間で１００μｍ〜２００μｍほどの高さまで急速に成長する。その後、運転を継続して１００時間が経過すると、デポジットの高さは、ほとんどの場合、１３０μｍ〜２４０μｍほどの高さにまで成長する。しかしながら、それ以降は大きな変化がなく、デポジットの高さはほとんどの内燃機関においても約２５０μｍ以下に保持され、ほぼ全ての内燃機関において約３００μｍ以下に保持される。

＜第一実施形態におけるシリンダライナの構成＞
そこで、上述したようなオイル消費のメカニズム及びデポジットの成長を考慮して、本発明の第一実施形態に係る内燃機関は、図４に示すように、シリンダライナ５の内周面５ａが拡径された拡径部３０を有する。図４は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関１においてピストン６が上死点にあるときのピストン６及びシリンダライナ５の上部の断面図である。

拡径部３０は、シリンダライナ５の拡径されていない内周面５ａに対して拡径された内周面３０ａと、その拡径された内周面３０ａの下端からシリンダ４の径方向内側に延びる底面３０ｂとによって画成される。本実施形態では、内周面３０ａはシリンダライナ５の上面まで延びる。拡径部３０の内周面３０ａは、シリンダライナ５の拡径されていない内周面５ａよりも、シリンダ４の径方向外側に半径が拡径寸法ｅだけ拡がっている。具体的には、本実施形態において、拡径寸法ｅは、１００μｍ以上であって１０００μｍ以下とされる。拡径寸法ｅは、好ましくは、２００μｍ以上とされ、より好ましくは２５０μｍ以上とされ、さらに好ましくは３００μｍ以上とされる。加えて、拡径寸法ｅは、好ましくは８００μｍ以下とされ、より好ましくは６００μｍ以下とされ、さらに好ましくは５００μｍ以下とされる。

さらに、本実施形態において、拡径部３０は、その底面３０ｂが、ピストン６が上死点にあるときに、シリンダ４の軸線方向においてリング溝１４の上面１４ａと等しい位置に位置するように構成される。

＜第一実施形態の内燃機関における効果＞
図５（Ａ）は、図４のピストン６上及びシリンダライナ５上にデポジット２１、２２が堆積した状態を示した、ピストン６が上死点に位置するときの断面図であり、図５（Ｂ）はそのピストン６が上死点よりも下方に位置するときの断面図である。図５（Ａ）に示されるように、本発明においては、シリンダライナ５側のデポジット２２は、拡径部３０の内周面３０ａ上に堆積する。このデポジット２２は、上述したように、一定の高さまで成長するとそれ以上は成長しない。したがって、一例として、デポジット２２が最高で２８０μｍまで成長するような内燃機関の場合、拡径寸法ｅを３００μｍとすれば、拡径部３０の内周面３０ａ上に堆積したデポジットは、拡径されてない内周面５ａと同一平面まで径方向内側へは成長しない。

一方、上述したように、トップランド１５の外周面上のデポジット２１は、シリンダライナ５の拡径されていない内周面５ａよりも径方向外側へ成長することはない。このため、図５（Ａ）に示したように、ピストン６が上死点にあるときであっても、トップランド１５の外周面上のデポジット２１は拡径部３０の内周面３０ａ上に堆積したデポジット２２と接触しない。この結果、トップランド１５の外周面上のデポジット２１に付着したオイル２３ｃは、拡径部３０上のデポジット２２には移動せず、オイルの消失が低減される。

ここで、上述したように、ピストン６側のデポジット２１とシリンダライナ５側のデポジット２１が接触しなければ、オイルの消失を低減することができる。したがって、本実施形態では、拡径された内周面３０ａにデポジット２２が付着しても、付着したデポジット２２の内面が拡径されていない内周面５ａよりも径方向内側にまで成長しないように拡径部３０の内周面３０ａが拡げられる。すなわち、拡径寸法ｅは、上述したような数値範囲内であって、デポジット２２の最大成長高さよりも大きくされる。したがって、例えばシリンダライナ５の内周面上に堆積するデポジット２２が成長できる最大高さが１５０μｍである場合、拡径寸法ｅは１５０μｍよりも大きな値とされる。

なお、ガソリンエンジンの場合、拡径部３０に入り込んだ混合気は初期の燃焼に寄与し難いため、拡径部３０を大きくするほど燃焼室７内での混合気の燃焼悪化を招く。このため、拡径部３０の拡径寸法ｅは必要以上に大きくするべきではない。ディーゼルエンジンの場合においても、拡径部３０は空気が入り込む無駄な容積となるため、拡径寸法ｅを必要以上に大きくするべきではない。したがって上述したように、本実施形態では、拡径寸法ｅは、１０００μｍ以下、好ましくは８００μｍ以下、より好ましくは６００μｍ以下、さらに好ましくは５００μｍ以下とされる。このため、拡径部３０を設けることによる混合気の燃焼悪化を最小限に抑制することができる。

＜第一変形例＞
図６は、図４で示した第一実施例の第一変形例に係る内燃機関の図４と同様な断面図である。本変形例に係るピストン６及びシリンダライナ５の構成は、以下に説明する部分を除いて基本的に図４で説明した実施形態に係るピストン６及びシリンダライナ５の構成と同様である。

本変形例では、拡径部２３０は、その底面２３０ｂが、ピストン６が上死点にあるときに、シリンダ４の軸線方向においてトップリングの上面１８ａが等しい位置に位置するように構成される。このように構成されることによって、本変形例によれば、図６に示したように、シリンダライナ５の拡大されていない内周面５ａの最上端までトップリング１８が摺動することができる。これにより、シリンダライナ５の拡大されていない内周面５ａの最上端近傍にデポジットが仮に堆積したとしても、トップリング１８により完全に取り除くことが可能となる。

なお、図４を用いて示した第一実施形態では、拡径部３０の底面３０ｂの位置は、シリンダ４の軸線方向において、ピストン６が上死点にあるときのリング溝の上面１４ａの位置と等しい位置とされる。また、図６を用いて説明した本第一変形例では、拡径部２３０の底面２３０ｂの位置は、シリンダ４の軸線方向において、ピストン６が上死点にあるときのトップリングの上面１８ａの位置と等しい位置とされる。しかしながら、拡径部２３０の底面２３０ｂの位置は、これら両位置に限られず、これら図４に示した底面３０ｂの位置と図６に示した底面２３０ｂの位置との間の任意の位置に設定されてもよい。したがって、拡径部２３０の底面２３０ｂの位置は、シリンダ４の軸線方向において、ピストン６が上死点にあるときのリング溝の上面１４ａの位置とトップリングの上面１８ａの位置との間の任意の位置とされる。さらに、底面２３０ｂの位置は、トップリングの上面１８ａの位置より多少下方に設定されてもよい。したがって、拡径部２３０の底面２３０ｂの位置は、シリンダ４の軸線方向において、ピストン６が上死点にあるときのリング溝の上面１４ａの位置より多少下方の位置とされてもよい。

＜第二変形例＞
図７は、図４で示した第一実施形態の第二変形例に係る内燃機関の図４と同様な断面図である。本変形例に係るピストン６及びシリンダライナ５の構成は、以下に説明する部分を除いて基本的に図４で説明した実施形態に係るピストン６及びシリンダライナ５の構成と同様である。

ところで、トップリング１８が拡径部３３０の底面３３０ｂよりも上方に移動すると角部Ｅによってトップリング１８が拡径部３３０に引っかかり損傷してしまうおそれがある。そこで、図７に示す本変形例では、シリンダライナ５の拡径部３３０は、その底面３３０ｂの位置が、ピストン６が上死点にあるときに、シリンダ４の軸線方向においてリング溝の上面１４ａの位置よりも上方に位置するように構成される。具体的には、拡径部３３０は、その底面３３０ｂの位置が、ピストン６が上死点にあるときに、シリンダ４の軸線方向においてリング溝の上面１４ａよりもマージンＭだけ上方に位置するように構成される。このマージンＭは、例えば、０〜１０００μｍの値とされ、好ましくは０〜５００μｍとされる。

本変形例によれば、トップリング１８が拡径部３３０に入り込んで損傷するのを抑制することができる。

なお、上記第一実施形態、第一変形例及び第二変形例をまとめると、拡径部は、その底面が、シリンダ４の軸線方向において、ピストン６が上死点にあるときのトップリング１８の上面の位置とリング溝の上面１４ａからマージンＭだけ上方の位置との間の任意の位置となるように構成される。しかしながら、拡径部は、ピストン６が上死点にあるときにピストン６のトップランド１５と対向する内周面の少なくとも一部に設けられていればよい。拡径部がこのように設けられることによって、トップランド１５上及びシリンダライナ５上に堆積するデポジット同士の接触面積を減少させることができる。

＜第二実施形態＞
次に、図８を参照して、本発明の第二実施形態に係る内燃機関について説明する。本実施形態に係る内燃機関４０１の構成は、以下に説明する部分を除いて基本的に図４で説明した第一実施形態に係る内燃機関１の構成と同様である。

図８は、可変圧縮比機構Ａを有する本発明の第二実施形態に係る内燃機関４０１の、図１と同様な断面図である。図８を参照すると、４４０はクランクケース、４０２はシリンダブロックをそれぞれ示す。図８からわかるように、本実施形態の内燃機関４０１は、クランクケース４４０とシリンダブロック４０２との間の相対距離を変化させることによって機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構Ａを有する。

＜可変圧縮比機構＞
図９は、図８の可変圧縮比機構Ａの分解斜視図であり、図１０は図解的に表した図８の内燃機関４０１の側面断面図を示している。可変圧縮比機構Ａは、内燃機関４０１の負荷に応じて燃焼室７の容積を変化させて機械圧縮比を調整するための機構である。図９を参照すると、シリンダブロック４０２の両側壁の下方には互いに間隔を隔てた複数個の突出部５０が形成されており、各突出部５０内にはそれぞれ断面円形のカム挿入孔５１が形成されている。一方、クランクケース４４０の上壁面上には互いに間隔を隔ててそれぞれ対応する突出部５０の間に嵌合せしめられる複数個の突出部５２が形成されており、これらの各突出部５２内にもそれぞれ断面円形のカム挿入孔５３が形成されている。

図９に示したように一対のカムシャフト５４、５５が設けられており、各カムシャフト５４、５５上には一つおきに各カム挿入孔５３内に回転可能に挿入される円形カム５８が固定されている。これらの円形カム５８は各カムシャフト５４、５５の回転軸線と共軸をなす。一方、各円形カム５８の両側には図１０に示すように各カムシャフト５４、５５の回転軸線に対して偏心配置された偏心軸５７が延びており、この偏心軸５７上に別の円形カム５６が偏心して回転可能に取付けられている。図９に示したようにこれら円形カム５６は各円形カム５８の両側に配置されており、これら円形カム５６は対応する各カム挿入孔５１内に回転可能に挿入されている。

図１０（Ａ）に示すような状態から各カムシャフト５４、５５上に固定された円形カム５８を図１０（Ａ）において矢印で示したように互いに反対方向に回転させると偏心軸５７が互いに離れる方向に移動するために円形カム５６がカム挿入孔５１内において円形カム５８とは反対方向に回転し、図１０（Ｂ）に示したように偏心軸５７の位置が高い位置から中間高さ位置となる。次いで更に円形カム５８を矢印で示した方向に回転させると図１０（Ｃ）に示したように偏心軸５７は最も低い位置となる。

なお、図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）にはそれぞれの状態における円形カム５８の中心ａと偏心軸５７の中心ｂと円形カム５６の中心ｃとの位置関係が示されている。

図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）を比較するとわかるようにクランクケース４４０とシリンダブロック４０２の相対位置は円形カム５８の中心ａと円形カム５６の中心ｃとの距離によって定まり、円形カム５８の中心ａと円形カム５６の中心ｃとの距離が大きくなるほどシリンダブロック４０２はクランクケース４４０から離れる。すなわち、可変圧縮比機構Ａは回転するカムを用いたクランク機構によりクランクケース４４０とシリンダブロック４０２との相対位置を変化させていることになる。シリンダブロック４０２がクランクケース４４０から離れるとピストン６が圧縮上死点に位置するときの燃焼室７の容積は増大する。したがって各カムシャフト５４、５５を回転させることによってピストン６が圧縮上死点に位置するときの燃焼室７の容積を変更することができる。この結果、可変圧縮比機構によれば、ピストン６とシリンダブロック４０２とのシリンダ４の軸線方向における相対位置を変化させることが可能となり、内燃機関の圧縮比を変更することができる。

特に、図１０（Ａ）に示した状態では、上死点にあるときのピストン６の位置がシリンダブロック４０２に対して相対的に最も下方に位置する。このため、この状態では、圧縮比が最小となる。一方、図１０（Ｃ）に示した状態では、上死点にあるときのピストン６の位置がシリンダブロック４０２に対して相対的に最も上方に位置する。このため、この状態では、圧縮比が最大となる。

図９に示したように各カムシャフト５４、５５をそれぞれ反対方向に回転させるために駆動モータ５９の回転軸にはそれぞれ螺旋方向が逆向きの一対のウォーム６１、６２が取付けられており、これらウォーム６１、６２と噛合するウォームホイール６３、６４がそれぞれ各カムシャフト５４、５５の端部に固定されている。この実施形態では駆動モータ５９を駆動することによってピストン６が圧縮上死点に位置するときの燃焼室７の容積を広い範囲に亘って変更することができる。なお、図９及び図１０に示した可変圧縮比機構Ａは一例を示すものであって、いかなる形式の可変圧縮比機構でも用いることができる。

図１１（Ａ）は、図１０（Ｃ）で示した状態、すなわち可変圧縮比機構Ａによる圧縮比が最大となる状態における、ピストン６が上死点にあるときの図４と同様な断面図である。また、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）の内燃機関のピストン６上及びシリンダライナ５上にデポジットが堆積した状態を示した断面図である。

本実施形態では、図１１（Ａ）に示すように、拡径部４３０は、その底面４３０ｂの位置が、図１０（Ｃ）で示した状態でピストン６が上死点にあるときに、シリンダ４の軸線方向においてリング溝の上面１４ａの位置と等しくなるように構成される。したがって、底面４３０ｂの位置は、可変圧縮比機構Ａによる圧縮比が最小となる状態でピストン６が上死点にあるときに、シリンダ４の軸線方向においてリング溝の上面１４ａの位置と等しくなる。

拡径部４３０をこのように構成することで、可変圧縮比機構Ａによる圧縮比が最大となっている限り、上述した図５（Ａ）を用いて説明した第一実施形態と同様に、ピストン６側のデポジット２１とシリンダライナ５側のデポジット２２は接触しない。このため、デポジット２１、２２間でオイルは移動せず、オイルは消失が抑制される。

一方、例えば可変圧縮比機構Ａによる圧縮比が継続的に最小となっている場合を図１２に示す。図１２は、図１０（Ａ）で示した状態、すなわち可変圧縮比機構Ａによる圧縮比が最小となる状態における、ピストン６が上死点にあるときの断面図である。図１２に示したように、可変圧縮比機構Ａによる圧縮比が継続的に最小になっている場合には、デポジット２５がシリンダライナ５の拡径されていない内周面５ａ上に堆積しうる。しかしながら、仮に図１２に示したようにデポジット２５がシリンダライナ５の内周面５ａ上に堆積したとしても、可変圧縮比機構Ａによって圧縮比が大きくされると、上死点におけるピストン６の位置がシリンダライナ５に対して相対的に上昇する。この結果、シリンダライナ５の内周面５ａ上に堆積していたデポジット２５はピストン６の上昇時にピストン６によって掻き取られる。したがって、ピストン６のトップランド１５の外周面上のデポジット２１が継続的にシリンダライナ５の内周面５ａ上のデポジットに接触することはなく、オイルの消失は抑制される。

なお、上記実施形態では、拡径部の底面４３０ｂの位置は、図１１（Ａ）に示すように、可変圧縮比機構Ａによる圧縮比が最大の状態で、ピストン６が上死点にあるときにシリンダ４の軸線方向においてリング溝の上面１４ａと等しい位置とされる。しかしながら、底面４３０ｂの位置はこれに限定されるものではない。図６や図７に示した例のように、拡径部４３０は、その底面４３０ｂが、可変圧縮比機構Ａによる圧縮比が最大の状態で、ピストン６が上死点にあるときのトップリング１８の上面の位置とリング溝の上面１４ａからマージンＭだけ上方の位置との間の任意の位置となるように構成されてもよい。或いは、拡径部４３０は、可変圧縮比機構Ａによる圧縮比が最大の状態で、ピストン６が上死点にあるときにピストン６のトップランド１５と対向する内周面の少なくとも一部に設けられていればよい。

なお、上記実施形態では、ピストンが上死点にあるときのピストンとシリンダブロックとの相対位置を変更する装置として、上述した可変圧縮比機構Ａを用いている。しかしながら、斯かる装置は、これに限定されるものではなく、ピストンが上死点にあるときのピストンとシリンダブロックとの相対位置を変更することができれば如何なる装置を用いてもよい。

斯かる装置の例としては、例えば、図１３に示したように、ピストンのコンロッドの有効長さを変更する機構が挙げられる。ここで、コンロッドの有効長さとは、クランクピンを受容するクランク受容開口の中心とピストンを受容するピストンピン受容開口の中心との間の距離を意味する。

図１３に示したように、可変長コンロッドは、コンロッド本体の小径端部に回動可能に設けられた偏心部材３２と、コンロッド本体に設けられた第１ピストン機構３３と第２ピストン機構３４と、これら両ピストン機構への作動油の流れの切換を行う流れ方向切換機構３５とを具備する。偏心部材３２にはピストンピンを受容する受容開口３２ｄが設けられ、この受容開口３２ｄは偏心部材３２の回動軸線に対して偏心している。

このように構成された可変長コンロッドでは、流れ方向切換機構３５により第２ピストン機構３４から第１ピストン機構３３へ流れるように作動油の流れが切り替えられると、図１３（Ａ）に示したように、偏心部材３２が矢印で示した方向に回動せしめられる。この結果、コンロッドの有効長さが長くなり（図中のＬ１）、圧縮比が高められる。一方、流れ方向切換機構３５により第１ピストン機構３３から第２ピストン機構３４へ流れるように作動油の流れが切り替えられると、図１３（Ｂ）に示したように、偏心部材３２が矢印で示した方向に回動せしめられる。この結果、コンロッドの有効長さが短くなり（図中のＬ２）、圧縮比が低下せしめられる。

＜第三実施形態の説明＞
図１４は、本発明の第三実施形態に係る内燃機関の図４と同様な断面図である。本実施形態に係るピストン６及びシリンダライナ５の構成は、以下に説明する部分を除いて基本的に図４で説明した実施形態に係るピストン６及びシリンダライナ５の構成と同様である。

本実施形態においては、シリンダライナ５の上面５ｂと拡径された内周面３０ａ（拡径された内周面３０ａの上方に拡径されていない内周面５ａがある場合には、その拡径されていない内周面５ａ）との接続部、拡径された内周面３０ａと底面３０ｂとの接続部、及び、底面３０ｂと拡径されていない内周面５ａとの接続部が、Ｒ形状とされている。これにより、ピストン６を、シリンダ４内に、シリンダ４の軸線方向下方へと挿入する製造工程において、ピストン６及びトップリング１８の、シリンダライナ５の内部のエッジによる損傷が抑制され、組み立ても容易となる。図１４においては、シリンダライナ５の拡径された内周面３０ａの上縁部、拡径された内周面３０ａと底面３０ｂとの接続部、及び、底面３０ｂと拡径されていない内周面５ａとの接続部の全てがＲ形状とされている。しかしながら、これら全てがＲ形状とされている必要はなく、これらの少なくとも１つがＲ形状であれば上述した効果を得ることができる。

＜その他＞
本明細書におけるシリンダライナは、シリンダを画成する面であって、ピストンに配置されたトップリングが摺動する面を有する部分を意味するものである。したがって、本明細書におけるシリンダライナとは、シリンダブロックに対して別体として鋳込まれた筒状体であってもよく、或いはシリンダブロックと一体の部分であって、溶射被膜が形成されたシリンダボアの内面を有する部分であってもよい。

なお、本明細書において、デポジットの高さとは、ピストンの外周面又はシリンダライナの内周面に対して垂直な方向におけるデポジットの寸法を意味する。したがって、ピストンの外周面に付着したデポジットの高さは、シリンダの径方向において、そのピストンの外周面から、デポジットの最も外側の位置までの寸法を意味する。同様に、シリンダライナの内周面に付着したデポジットの高さは、シリンダの径方向において、そのシリンダライナの内周面から、デポジットの最も内側の位置までの寸法を意味する。

３ シリンダヘッド
５ シリンダライナ
５ａ 拡径されていない内周面
６ ピストン
１４ リング溝
１４ａ リング溝の上面
１５ トップランド
１８ トップリング
３０ 拡径部
３０ａ 拡径された内周面
３０ｂ 底面
ｅ 拡径寸法

ここで、上述したように、ピストン６側のデポジット２１とシリンダライナ５側のデポジット２２が接触しなければ、オイルの消失を低減することができる。したがって、本実施形態では、拡径された内周面３０ａにデポジット２２が付着しても、付着したデポジット２２の内面が拡径されていない内周面５ａよりも径方向内側にまで成長しないように拡径部３０の内周面３０ａが拡げられる。すなわち、拡径寸法ｅは、上述したような数値範囲内であって、デポジット２２の最大成長高さよりも大きくされる。したがって、例えばシリンダライナ５の内周面上に堆積するデポジット２２が成長できる最大高さが１５０μｍである場合、拡径寸法ｅは１５０μｍよりも大きな値とされる。

Claims (7)

1. シリンダブロック内の円筒状のシリンダライナと、該シリンダライナ内で摺動可能なピストンと、を具備する内燃機関であって、
   前記ピストンが、その外周にトップランドに隣接してリング溝を有し、
   前記リング溝内にピストンリングが配置され、
   前記シリンダライナは、前記ピストンが上死点にあるときに該ピストンの前記トップランドと対向する内周面の少なくとも一部に、内周面が拡径された拡径部を有し、
   前記拡径部の内周面の半径は、前記シリンダライナの拡径されていない内周面の半径よりも、前記シリンダの径方向外側に１００μｍから１０００μｍだけ大きい、内燃機関。
2. シリンダブロック内の円筒状のシリンダライナと、該シリンダライナ内で摺動可能なピストンと、を具備する内燃機関であって、
   前記ピストンが、その外周にトップランドに隣接してリング溝を有し、
   前記リング溝内にピストンリングが配置され、
   前記シリンダライナは、前記ピストンが上死点にあるときに該ピストンの前記トップランドと対向する内周面の少なくとも一部に内周面が拡径された拡径部を有し、
   前記拡径部の内周面は、前記拡径部の内周面にデポジットが付着しても、該付着したデポジットが前記シリンダライナの拡径されていない内周面よりも径方向内側にまで成長しないように拡げられている、内燃機関。
3. 前記拡径部が、前記拡径された内周面と、該拡径された内周面の下端から前記シリンダの径方向内側に延びる底面とによって画成され、
   前記底面は、前記ピストンが上死点にあるときに、前記シリンダの軸線方向において前記ピストンリングの上面と等しい位置又は前記ピストンリングの上面よりも上方の位置にある、請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 前記底面は、前記ピストンが上死点にあるときに、前記シリンダの軸線方向において前記リング溝の上面と等しい位置にある、請求項３に記載の内燃機関。
5. 前記底面は、前記ピストンが上死点にあるときに、前記シリンダの軸線方向において前記リング溝の上面より５００μｍ上方の位置よりも下方に位置する、請求項３に記載の内燃機関。
6. 前記ピストンが上死点にあるときの前記ピストンとシリンダブロックとの前記シリンダの軸線方向における相対位置を変化させることによって機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を更に具備する内燃機関であって、
   前記ピストンが上死点にあるときとは、前記シリンダブロックに対する前記ピストンの前記相対位置が最も燃焼室側に位置する状態で前記ピストンが上死点にあるときである、請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関。
7. 前記拡径部が、前記シリンダライナの上面まで延びており、
   前記拡径された内周面の上縁部、前記拡径された内周面と前記底面との接続部、及び、前記底面と前記拡径されていない内周面との接続部の少なくとも１つが、Ｒ形状とされた、請求項３から５のいずれか一項に記載の内燃機関。

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