JP2020143583A - エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構造でエンジンの膨張比を圧縮比よりも大きくする。【解決手段】ピストン２０に、圧縮行程で内径側へ押し込まれ、膨張行程で燃焼室１１ａ内の圧力によって外径側へ押し出されるピストンリング３１を備える構成を採用することで、膨張比が圧縮比より大きなものとすることができる。【選択図】図２

Description

この発明は、エンジンに関する。

エンジンは、シリンダ内での燃料の燃焼による膨張圧によりピストンを往復運動させ、運動エネルギーを取り出している。例えば、特許文献１には、エンジン本体に形成されたシリンダの内部に、上下動自在に配置されたピストンが設けられたエンジンが開示されている。シリンダ内のピストンの上方には、燃焼室が形成されている。

燃焼室には、吸気ポートと排気ポートがそれぞれ接続されている。吸気行程では、吸気ポートを開弁し、ピストンを上死点から下死点まで降下させ、その負圧によって混合気を燃焼室に導入する。圧縮行程では、吸気ポート及び排気ポートを閉弁しつつ、ピストンを下死点から上死点まで上昇させて混合気を圧縮する。圧縮された混合気中の燃料が燃焼した後は、膨張行程において、ピストンが上死点から下死点まで下降する。この行程の繰り返しにより、燃焼室内で生じた熱エネルギーを運動エネルギーへと変換している。

ところで、エンジンは、圧縮比（圧縮行程の燃焼室の容積の変化率。）より膨張比（膨張行程の燃焼室の容積の変化率。）が高くなると、排気損失が低減し、燃焼効率の良いものとなる傾向がある。このような高膨張比運転を実現するため、近年では、吸気行程での吸気バルブの閉弁のタイミングを通常のエンジンよりも遅く、又は早くするよう設定されたいわゆるミラーサイクルエンジンがある。このようなエンジンは、吸気バルブの開閉弁のタイミングを変更することで、吸気行程で燃焼室に導入される混合気の質量を低減している。そのため膨張比が圧縮比より大きなものとなっている。

特開２０１１−６９４４７号公報

しかしながら、上述のように吸気バルブの開閉弁を通常のエンジンとは異なる態様で行うエンジンは、バルブの開閉構造や制御の複雑化を招き、製造コストの増大やメンテナンスの煩雑化の虞がある。

そこで、本願発明の解決すべき課題は、簡素な構造でエンジンの膨張比を圧縮比よりも大きくすることである。

上記の課題を解決するため、この発明は、エンジン本体に形成されたシリンダと、前記シリンダ内に上下動自在に配置されたピストンと、前記ピストンの上方に形成された燃焼室と、前記ピストンの外周に形成されたリング溝と、前記リング溝内に収容される環状部と、前記リング溝から外径側へ突出する突出部とを有するピストンリングと、前記ピストンリングを前記リング溝内の上部内面に押圧する付勢部と、を備え、前記リング溝内の前記上部内面は、内径側に向かうにつれて前記燃焼室へ近づく傾斜面であり、前記ピストンリングは、前記付勢部により前記上部内面に押し付けられると前記傾斜面に沿って内径側に押し込まれた状態と、前記燃焼室内の圧力が前記突出部の上面に作用することによって前記ピストンリングは押し下げられて前記傾斜面に沿って外径側へ押し出された状態を取り得る構成を採用した。

また、前記ピストンリングは、圧縮行程において前記傾斜面に沿って内径側に押し込まれる構成を採用することができる。

また、前記ピストンリングは、膨張行程において前記傾斜面に沿って外径側へ押し出される構成を採用することができる。

また、膨張行程での前記燃焼室内の膨張圧力は、前記付勢部の前記ピストンリングを押圧する押圧力よりも大きく、圧縮行程での前記燃焼室内の圧縮圧力は、前記付勢部の前記ピストンリングを押圧する押圧力よりも小さい構成を採用することができる。

また、前記付勢部は、金属製のばねである構成を採用することができる。

また、前記付勢部は、高温時に収縮し、低温時に膨張する材料から形成される構成を採用することができる。

この発明は、ピストンに、内径側へ押し込まれた状態と、外径側へ押し出された状態の２つの状態を取り得るピストンリングを備える構成を採用することで、エンジンの膨張比を圧縮比よりも大きくすることができる。

この発明の第１実施形態に係るエンジンの断面図である。 エンジンのピストンリングを示す部分拡大図である。 エンジンのピストンリングを示す部分拡大図である。 この発明の第２実施形態に係るエンジンのピストンリングを示す部分拡大図である。 第２実施形態に係るエンジンのピストンリングを示す部分拡大図である。

以下、図面を参照しつつ、この発明の第１実施形態について説明する。

図１のように、エンジン１は、円柱状のシリンダ１０ａを備えたシリンダブロック１０と、シリンダ１０ａの上方を塞ぐように配置されたシリンダヘッド１１と、シリンダ１０ａ内に上下動自在に配置されたピストン２０と、ピストン２０の上方に形成された燃焼室１１ａを備える。ピストン２０は、コンロッド２０ａを介してクランク軸に連結されている。そのため、ピストン２０の往復運動はコンロッド２０ａを介して、クランク軸に回転運動を伝達可能になっている。燃焼室１１ａは、シリンダ１０ａの内周面１０ｂ、ピストン２０のシリンダヘッド１１に対向する頂面２１、及びシリンダヘッド１１の下面１１ｃによって形成されている。燃焼室１１ａの容積は、ピストン２０の上下動に伴って変動する。

シリンダヘッド１１は、燃焼室１１ａに接続された吸気ポート１２及び排気ポート１３と、燃焼室１１ａ内の混合気に着火可能な点火プラグ１１ｂとを備える。吸気ポート１２内には、その吸気ポート１２内に燃料を噴射する燃料噴射装置（図示省略）が設けられる。燃料噴射装置は、吸気ポート１２内の吸入空気に燃料を噴射して混合気を形成する。形成された混合気は燃焼室１１ａへと移動し、燃焼室１１ａ内で燃焼した後、その排気ガスは、排気ポート１３を通じて外部へ排出される。

吸気ポート１２と燃焼室１１ａとの間には、吸気ポート１２を開閉弁可能な吸気バルブ１２ａが設けられる。吸気バルブ１２ａの開弁時には、吸気ポート１２から燃焼室１１ａへと気体の流動経路が形成される。吸気バルブ１２ａの閉弁時には、吸気ポート１２と燃焼室１１ａとの間が密閉される。

排気ポート１３と燃焼室１１ａとの間には、排気ポート１３を開閉弁可能な排気バルブ１３ａが設けられる。排気バルブ１３ａの開弁時には、燃焼室１１ａから排気ポート１３へと気体の排出経路が形成される。排気バルブ１３ａの閉弁時には、排気ポート１３と燃焼室１１ａとの間が密閉される。

吸気バルブ１２ａ、及び排気バルブ１３ａがともに閉弁すると、燃焼室１１ａは密閉状態になる。圧縮行程では、燃焼室１１ａを密閉しつつピストン２０が上方へ移動し、膨張行程では、燃料の燃焼に伴いピストン２０が下方へ移動する。そのため、圧縮行程及び膨張行程での燃焼室１１ａ内の圧力は随時変化する。圧縮行程では、燃焼室１１ａ内に圧縮圧力が生じ、膨張行程では燃焼室１１ａ内に膨張圧力が生じる。

図１、２のようにピストン２０は、上述した頂面２１と、その頂面２１の周縁から下方に立ち上がった周壁部２２とを備える。頂面２１の周縁は、シリンダ１０ａの内周面１０ｂに沿った円形状をなす。周壁部２２は、内周面１０ｂと径方向に対向する。

周壁部２２は、その外周から径方向に窪む環状のリング溝２３、２４を備える。リング溝２３は、最も上方に位置するリング溝２４の図示下方側に複数設けられる。最も上方に位置するリング溝２４の上面は、内径側に向かうにつれて上方へ近づく傾斜面２４ａをなす。リング溝２４の下面は、頂面２１に平行な面をなす。

下方に位置する各リング溝２３には、合い口を備えた金属製の環状体であるピストンリング３０がそれぞれ収容されている。ピストンリング３０の周面は、シリンダ１０ａの内周面１０ｂに面接触している。ピストンリング３０とシリンダ１０ａの内周面１０ｂとの間は、エンジンオイルによる油膜によって気密が確保されている。これにより、ピストンリング３０を挟んだ上下の空間が閉鎖される。

リング溝２４には、金属製の環状体であるピストンリング３１と、ピストンリング３１の下面とリング溝２４の下面との間に設けられる付勢部４０と、が収容されている。ピストンリング３１とピストンリング３０との間に空間Ｌが形成される。

ピストンリング３１は、合い口を備えた金属製の環状体であり、その弾性変形によって径方向への拡径、縮径が可能な復元力Ｗを備える。ピストンリング３１は、リング溝２４内に収容されている環状部３１ａと、環状部３１ａに隣接しリング溝２４から外径側に突出する突出部３１ｂとを備える。環状部３１ａの上面は、内径側に向かうにつれて上方へ近づく傾斜面３１ｃであり、リング溝２４の傾斜面２４ａに対向する。環状部３１ａの下面は、頂面２１と平行な面をなし、リング溝２４の下面に対向する。その環状部３１ａの下面には、上方に窪む環状の収容溝３１ｄが設けられる。突出部３１ｂの上面は、内径側に向かうにつれて上方へ近づく傾斜面をなし、傾斜面３１ｃに平滑に連続する。突出部３１ｂの外周面は、シリンダ１０ａの内周面１０ｂに沿う円筒面をなす。

付勢部４０は、金属製のばね部材であり、ピストンリング３１をリング溝２４の傾斜面２４ａに押し付け可能な押圧力（以下「付勢力Ｆ」と称する。）を備える。付勢部４０は、例えばコイルばね、板ばね、皿ばね、波ばね等を採用することができる。付勢部４０は、その少なくとも一部を収容溝３１ｄに収容されている。付勢部４０の一端は、収容溝３１ｄの上面に当接し、他端はリング溝２４の下面に当接する。なお、コイルばねや板ばねを採用する場合には、複数の付勢部４０を、ピストン２０の周方向に並列するように、収容溝３１ｄ内に設ける態様とすることができる。

突出部３１ｂの上面には、燃焼室１１ａ内の圧縮圧力又は膨張圧力に応じた押圧力Ｓが作用する。押圧力Ｓは、付勢力Ｆに対向し、ピストンリング３１を押し下げる方向に作用する。上述の通り、圧縮行程及び膨張行程での燃焼室１１ａ内の圧力は随時変化する。しかし、圧縮行程での押圧力Ｓは、付勢力Ｆよりも常に小さいものとなっている。一方、膨張行程での押圧力Ｓは、混合気の膨張によって一時的に付勢力Ｆよりも大きくなる。しかし、ピストン２０が押し下げられて燃焼室１１ａ内の圧力が低下すると、押圧力Ｓも漸次低下し、付勢力Ｆより小さくなる。

図２は、押圧力Ｓが付勢力Ｆよりも小さいときのピストンリング３１の態様を示している。このとき、付勢部４０は押圧力Ｓに抗してピストンリング３１を傾斜面２４ａに押圧している。付勢力Ｆは、傾斜面３１ｃ及び傾斜面２４ａを介して分解され、復元力Ｗに抗してピストンリング３１を内径側に押し込む分力Ｆ１が生じる。分力Ｆ１により、突出部３１ｂの外周面はシリンダ１０ａの内周面１０ｂから離れる。そのため、ピストンリング３１を挟んだ上下の空間が連通し、燃焼室１１ａと空間Ｌが一体の空間になる。

図３は、押圧力Ｓが付勢力Ｆより大きいときのピストンリング３１の態様を示している。このとき、押圧力Ｓが、付勢力Ｆに抗して、当接している傾斜面２４ａと傾斜面３１ｃとを離すように、ピストンリング３１を押し下げる。傾斜面２４ａから傾斜面３１ｃが離れると、分力Ｆ１は解消される。そのため、復元力Ｗが、ピストンリング３１を外径側に押し出す。そのため、突出部３１ｂの外周面がシリンダ１０ａの内周面１０ｂに面接触する。すると、ピストンリング３１を挟んだ上下の空間が密閉されるため、燃焼室１１ａから空間Ｌが分離する。

ここで、上述の通り圧縮行程での押圧力Ｓは、付勢力Ｆよりも常に小さい。そのため、圧縮行程では、燃焼室１１ａと空間Ｌが一体の空間になっている。一方、膨張行程での押圧力Ｓは、一時的に付勢力Ｆよりも大きくなるが、その後、付勢力Ｆより小さくなる。そのため、一時的に燃焼室１１ａから空間Ｌが分離し、燃焼室１１ａの容積が減少するが、その後、膨張行程の後期では、燃焼室１１ａと空間Ｌは一体の空間になる。よって、膨張行程での燃焼室１１ａの容積の変化率は、圧縮行程の容積の変化率よりも大きなものとなる。

このように、圧縮行程で燃焼室１１ａ内の圧力によって内径側へ押し込まれ、膨張行程で外径側へ押し出されるピストンリング３１を備える構成を採用することで、エンジン１の膨張比が圧縮比より大きなものとすることができる。

次に、この発明の第２実施形態を図４から図５に示す。

図４のように、ピストンリング３２は、リング溝２４内に位置する環状部３２ａと、環状部３２ａに隣接しリング溝２４から外径側に突出する突出部３２ｂと、突出部３２ｂの外径側端部に連結された付勢部４１と、を備える。環状部３２ａは、合い口を備えた環状の板状体である。環状部３２ａの上面は、内径側に向かうにつれて上方へ近づく傾斜面３２ｃであり、リング溝２４の傾斜面２４ａに対向する。突出部３２ｂの上面は、内径側に向かうにつれて上方へ近づく傾斜面をなし、傾斜面３２ｃに平滑に連続する。突出部３２ｂの上面には、燃焼室１１ａ内の圧縮圧力又は膨張圧力に応じた押圧力Ｓが作用する。突出部３２ｂの外周面は、シリンダ１０ａの内周面１０ｂに平行な面をなす。

付勢部４１は、内径側の端部に屈曲箇所を備える板ばねである。付勢部４１は、ピストンリング３２の外周に沿って一体に設けられる。付勢部４１は、外径側端部の上部において、突出部３２ｂの外径側端部に連結する。付勢部４１の外径側端面は、シリンダ１０ａの内周面１０ｂに面接触可能なものである。付勢部４１は、環状部３２ａを、リング溝２４の傾斜面２４ａに押し付け可能な付勢力Ｆを備える。第１実施形態では、付勢部４０はピストンリング３１とは別の部材で構成していたが、第２実施形態では、付勢部４１はピストンリング３２と一体の部材で構成されている。

図４は、押圧力Ｓが付勢力Ｆよりも小さいときのピストンリング３２の態様を示している。このとき、付勢部４１は押圧力Ｓに抗して環状部３２ａを傾斜面２４ａに押圧している。付勢力Ｆは、傾斜面３２ｃ及び傾斜面２４ａを介して分解され、復元力Ｗに抗して環状部３２ａを内径側に押し込む分力Ｆ１が生じる。分力Ｆ１により、突出部３２ｂの外周面はシリンダ１０ａの内周面１０ｂから離れる。従って、ピストンリング３２を挟んだ上下の空間が連通し、燃焼室１１ａと空間Ｌが一体の空間になる。

図５は、押圧力Ｓが付勢力Ｆより大きいときのピストンリング３２の態様を示している。このとき、押圧力Ｓが、付勢力Ｆに抗して、当接している傾斜面２４ａと傾斜面３２ｃとを離すように、ピストンリング３２を押し下げる。傾斜面２４ａから傾斜面３２ｃが離れると、分力Ｆ１は解消される。そのため、復元力Ｗが、ピストンリング３２を外径側に押し出す。そのため、突出部３２ｂの外周面がシリンダ１０ａの内周面１０ｂに面接触する。突出部３２ｂの外周面と内周面１０ｂとが面接触すると、ピストンリング３２を挟んだ上下の空間が密閉されるため、燃焼室１１ａから空間Ｌが分離する。

本実施形態においても第１実施形態と同様に燃焼室１１ａ内の圧力が変化する。そのため、圧縮行程では、燃焼室１１ａと空間Ｌが一体の空間になる。また、膨張行程では一時的に燃焼室１１ａから空間Ｌが分離されて燃焼室１１ａの容積が減少し、その後、燃焼室１１ａと空間Ｌは一体の空間になる。従って、膨張行程での燃焼室１１ａの容積の変化率は、圧縮行程の容積の変化率よりも大きなものとなる。

なお、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形例が適用可能である。

第１実施形態では、付勢部４０として、コイルばね、板ばね、皿ばね、波ばねを例示しているが、例えば、シリンダ１０ａ内の温度によって上下方向に伸縮可能な直方体状等の材料（形状記憶合金等）を採用することもできる。圧縮行程において燃焼室１１ａ内で燃料が燃焼していない状態では、燃焼室１１ａ内が比較的低温なので、付勢部４０は上下方向に伸張し、その一端は収容溝３１ｄの上面に当接し、他端がリング溝２４の下面に当接する。そのため、付勢部４０とピストンリング３１との間に付勢力Ｆが発生し、ピストンリング３１が傾斜面２４ａに押し付けられる。燃焼室１１ａ内での燃料の燃焼により燃焼室１１ａ内の温度が上昇すると、付勢部４０は、上下方向に収縮する。すると、付勢部４０の一端が、収容溝３１ｄの上面から離れる。すると、付勢力Ｆは解消し、ピストンリング３１は傾斜面２４ａから離れる。なお、上述の第１実施形態のコイルばね、板ばね、皿ばね、波ばねを、上記作用を伴う形状記憶合金としてもよい。

第１実施形態に係る下方に位置するリング溝２３、及びそれに収容されるピストンリング３０は、上下方向に３個所並列する態様が図示されているが、その数は３個所に限られない。また、そのうちの一箇所を付勢部４０を伴う本発明のリング溝２４、及びピストンリング３１に置き換えることも可能である。すなわち、リング溝２４、及びピストンリング３１の数も、図２のように１個所に限られず複数設けられていてもよい。また、第２実施形態に係るリング溝２３、２４及びピストンリング３０、３２においても同様である。

各実施形態の突出部３１ｂ、３２ｂの上面は、傾斜面２４ａから平滑に連続する傾斜面である。しかし、例えば、突出部３１ｂ、３２ｂの上面を頂面２１と平行な面としても構わない。このように頂面２１に平行な面とすると、突出部３１ｂ、３２ｂに作用する押圧力Ｓが大きくなる。

１ エンジン
１０ａ シリンダ
１１ａ 燃焼室
２０ ピストン
２４ リング溝
２４ａ 傾斜面
３１ ピストンリング
３１ｂ 突出部
３１ｃ 傾斜面
４０ 付勢部

Claims (6)

1. エンジン本体に形成されたシリンダと、
   前記シリンダ内に上下動自在に配置されたピストンと、
   前記ピストンの上方に形成された燃焼室と、
   前記ピストンの外周に形成されたリング溝と、
   前記リング溝内に収容される環状部と、前記リング溝から外径側へ突出する突出部とを有するピストンリングと、
   前記ピストンリングを前記リング溝内の上部内面に押圧する付勢部と、
   を備え、
   前記リング溝内の前記上部内面は、内径側に向かうにつれて前記燃焼室へ近づく傾斜面であり、
   前記ピストンリングは、前記付勢部により前記上部内面に押し付けられると前記傾斜面に沿って内径側に押し込まれた状態と、
   前記燃焼室内の圧力が前記突出部の上面に作用することによって前記ピストンリングは押し下げられて前記傾斜面に沿って外径側へ押し出された状態を取り得るエンジン。
2. 前記ピストンリングは、圧縮行程において前記傾斜面に沿って内径側に押し込まれる請求項１に記載のエンジン。
3. 前記ピストンリングは、膨張行程において前記傾斜面に沿って外径側へ押し出される請求項１又は２に記載のエンジン。
4. 膨張行程での前記燃焼室内の膨張圧力は、前記付勢部の前記ピストンリングを押圧する押圧力よりも大きく、
   圧縮行程での前記燃焼室内の圧縮圧力は、前記付勢部の前記ピストンリングを押圧する押圧力よりも小さい請求項１から３の何れか１項に記載のエンジン。
5. 前記付勢部は、金属製のばねである請求項１から４の何れか１項に記載のエンジン。
6. 前記付勢部は、高温時に収縮し、低温時に膨張する材料から形成される請求項１から５の何れか１項に記載のエンジン。

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