JP2020148158A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】衝撃音を抑制しながらピストンとシリンダボアとの摩擦抵抗を低減することが可能な内燃機関を提供することを課題とする。【解決手段】上面視で円の複数の部位を外側に拡張した形状のシリンダボアが形成されたシリンダと、前記シリンダボアに沿って摺動するピストンとを有することを特徴とする内燃機関。【選択図】図４

Description

本発明は内燃機関に関する。

ピストンとシリンダボアとの間に潤滑オイルを積極的に供給することにより、ピストンとシリンダボアとの間の摩擦抵抗を低減する技術が提案されている（特許文献１など）。

特開平８−３３８３０２号公報

しかしながら、このように潤滑オイルを積極的に供給すると潤滑オイルの消費量が増加してしまう。これを避けるためにシリンダボアの直径を拡大することによりピストンとシリンダボアとの間のクリアランスを拡大し、ピストンとシリンダボアとの摩擦抵抗を低減することも考えられる。しかし、これでは膨張行程でシリンダボアにピストンが叩きつけられたときに大きな衝撃音が発生してしまう。
そこで、衝撃音を抑制しながらピストンとシリンダボアとの摩擦抵抗を低減することが可能な内燃機関を提供することを目的とする。

上記目的は、上面視で円の複数の部位を外側に拡張した形状のシリンダボアが形成されたシリンダと、前記シリンダボアに沿って摺動するピストンとを有する内燃機関によって達成できる。

衝撃音を抑制しながらピストンとシリンダボアとの摩擦抵抗を低減することが可能な内燃機関を提供できる。

図１は、本実施形態に係る内燃機関を例示する斜視図である。 図２は、本実施形態に係るピストンとシリンダの断面図である。 図３は、本実施形態に係るピストンのランド部の拡大断面図である。 図４は、本実施形態に係るピストンとシリンダボアの斜視図である。 図５（ａ）は本実施形態に係るピストンのランド部とシリンダボアの上面図であり、図５（ｂ）は本実施形態に係るコンプレッションリングからシリンダボアに作用する圧力を模式的に示す図であり、図５（ｃ）は本実施形態に係るスカート部の摺接面からシリンダボアに作用する圧力を模式的に示す図である。 図６は、本実施形態に係るシリンダボアの好適な大きさについて説明するための平面図である。 図７（ａ）は本実施形態の第１例に係るピストンのランド部とシリンダボアの上面図であり、図７（ｂ）は本実施形態の第１例においてコンプレッションリングからシリンダボアに作用する圧力を模式的に示す図であり、図７（ｃ）は本実施形態の第１例においてスカート部の摺接面からシリンダボアに作用する圧力を模式的に示す図である。 図８（ａ）は本実施形態の第２例に係るピストンのランド部とシリンダボアの上面図であり、図８（ｂ）は本実施形態の第２例においてコンプレッションリングからシリンダボアに作用する圧力を模式的に示す図であり、図８（ｃ）は本実施形態の第２例においてスカート部の摺接面からシリンダボアに作用する圧力を模式的に示す図である。 図９（ａ）は本実施形態の第３例に係るピストンのランド部とシリンダボアの上面図であり、図９（ｂ）は本実施形態の第３例においてコンプレッションリングからシリンダボアに作用する圧力を模式的に示す図であり、図９（ｃ）は本実施形態の第３例においてスカート部の摺接面からシリンダボアに作用する圧力を模式的に示す図である。 図１０（ａ）は本実施形態の第４例に係るピストンのランド部とシリンダボアの上面図であり、図１０（ｂ）は本実施形態の第４例においてコンプレッションリングからシリンダボアに作用する圧力を模式的に示す図であり、図１０（ｃ）は本実施形態の第１例においてスカート部の摺接面からシリンダボアに作用する圧力を模式的に示す図である。 図１１（ａ）は、比較例に係るピストンとシリンダボアの上面図であり、図１１（ｂ）は、比較例に係るピストンとシリンダの断面図である。

以下、図面を参照して本実施形態に係る内燃機関１０について説明する。図１は本実施形態に係る内燃機関１０を例示する斜視図である。

内燃機関１０は、例えば直列４気筒型のガソリンエンジンであって、例えばアルミニウム合金で形成されたシリンダブロック１１を有する。そのシリンダブロック１１には、ピストン１２が往復運動を行うシリンダ１３が設けられる。

図２は、ピストン１２とシリンダ１３の断面図である。図２に示すように、ピストン１２は、スカート部１２ａとランド部１２ｂとを有する。このうち、スカート部１２ａは、シリンダ１３に形成されたシリンダボア１３ａに沿って擦動するように設けられており、これによりシリンダ１３の内部でのピストン１２の姿勢が安定する。一方、ランド部１２ｂは、その外周にコンプレッションリング１５とオイルリング１６とが装着される部位である。

図３は、ランド部１２ｂの拡大断面図である。図３に示すように、ランド部１２ｂの外周には複数のリング溝１２ｘが形成されており、これらのリング溝１２ｘの各々に前述のコンプレッションリング１５とオイルリング１６が嵌着される。

コンプレッションリング１５は、自身の付勢力によってシリンダボア１３ａに密着してシリンダ１３の内部を気密に保つように機能する。また、オイルリング１６は、シリンダボア１３ａに残った余分な潤滑オイルを掻き落すためのリングである。

図４は、ピストン１２とシリンダボア１３ａの斜視図である。
図４に示すように、シリンダボア１３ａは、ピストン１２の往復方向を視線の方向とする上面視で視たときに、円Cの四つの部位Q1〜Q4を外側に拡張した角が丸い四角形状を有する。そして、そのシリンダボア１３ａの形状に追従するようにコンプレッションリング１５とオイルリング１６の各々が変形し、これらのリングもシリンダボア１３ａと同様の形状となる。

また、ピストン１２のスカート部１２ａは、摺接面１２ｃと壁面１２ｄとを有する。このうち、摺接面１２ｃは、シリンダボア１３ａに摺接する円筒面であり、ピストン１２の姿勢を安定させる役割を担う。一方、壁面１２ｄはシリンダボア１３ａから離間した平坦面である。

図５（ａ）は、ピストン１２のランド部１２ｂとシリンダボア１３ａの上面図である。

図５（ａ）に示すように、ランド部１２ｂは、シリンダボア１３ａに含まれる大きさの円形である。また、スカート部１２ａの摺接面１２ｃは、シリンダボア１３ａにおいて円から拡張した部位Q1、Q3に対向する位置に設けられる。

一方、図５（ｂ）はコンプレッションリング１５からシリンダボア１３ａに作用する圧力を模式的に示す図である。また、図５（ｃ）は、スカート部１２ａの摺接面１２ｃからシリンダボア１３ａに作用する圧力を模式的に示す図である。なお、図５（ｂ）、（ｃ）では、圧力の大きさを矢印の長さで表している。これについては後述の各例でも同様である。

図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、コンプレッションリング１５とスカート部１２ａのいずれにおいても、シリンダボア１３ａに近接している部位における圧力が高い。特に、この例のようにシリンダボア１３ａの形状を角が丸い四角形としたことで、スカート部１２ａの４点P1〜P4における圧力が高くなる。これにより、これらの４点P1〜P4においてスカート部１２ａがシリンダボア１３ａに支持されるため、ピストン１２の姿勢を安定させることが可能となる。

以上説明した本実施形態によれば、図４に示したように、シリンダボア１３ａの複数の部位Q1〜Q4を円から拡張し、上面視でシリンダボア１３ａを角が丸い多角形状とする。これにより、コンプレッションリング１５とオイルリング１６の各々がシリンダボア１３ａの各部位Q1〜Q4から離間し、各リング１５、１６とシリンダボア１３ａとの摩擦抵抗を低減することができる。同様に、各部位Q1〜Q4においてスカート部１２ａとシリンダボア１３ａとのクリアランスが拡大し、スカート部１２ａとシリンダボア１３ａとの摩擦抵抗も低減することができる。

しかも、図５（ｃ）に示したように、複数の点P1〜P4においてスカート部１２ａがシリンダボア１３ａによって支持されることで、シリンダ１３の内部におけるピストン１２の姿勢が安定する。そのため、膨張行程でシリンダボア１３ａにピストン１２に衝突する際に衝撃音が生じ難くなり、騒音が抑制された内燃機関１０を提供することができる。

次に、シリンダボア１３ａの好適な大きさについて説明する。
図６は、シリンダボア１３ａの好適な大きさについて説明するための平面図である。

図６においては、シリンダボア１３ａに内接する円Cとシリンダボア１３ａとの間隔の最大値をΔRとしている。

ΔRの値は特に限定されないが、min≦ΔR≦maxの範囲でΔRを設定するのが好ましい。この範囲の最小値minは、ピストン１２とシリンダボア１３ａとの摩擦を低減できるという効果を得るのに必要な最低限の値である。また、上記の範囲の最大値maxは、潤滑オイルの消費量を抑制するためのΔRの最大値である。例えば、最大値maxが大きすぎると、シリンダボア１３ａの形状にコンプレッションリング１５やオイルリング１６が追従し難くなり、潤滑オイルの消費量が増大することになる。

シリンダボア１３ａの形状は上記に限定されない。以下に、シリンダボア１３ａの形状の様々な例について説明する。

・第１例
図７（ａ）は、第１例に係るピストン１２のランド部１２ｂとシリンダボア１３ａの上面図である。

図７（ａ）に示すように、本例においても、シリンダボア１３ａを上面視で角が丸い四角形とする。但し、本例では、シリンダボア１３ａの相対する二辺S1、S2に対向するようにスカート部１２ａの摺接面１２ｃを設ける。

一方、図７（ｂ）は、本例においてコンプレッションリング１５からシリンダボア１３ａに作用する圧力を模式的に示す図である。また、図７（ｃ）は、本例においてスカート部１２ａの摺接面１２ｃからシリンダボア１３ａに作用する圧力を模式的に示す図である。

図７（ｃ）に示すように、この例ではスカート部１２ａの２点P1、P2における圧力が高くなり、これらの２点でスカート部１２ａがシリンダボア１３ａに支持される。

・第２例
図８（ａ）は、第２例に係るピストン１２のランド部１２ｂとシリンダボア１３ａの上面図である。

図８（ａ）に示すように、本例においては、シリンダボア１３ａの二つの部位Q1、Q2を外側に拡張することにより、シリンダボア１３ａを上面視で楕円状とする。

図８（ｂ）は、本例においてコンプレッションリング１５からシリンダボア１３ａに作用する圧力を模式的に示す図である。また、図８（ｃ）は、本例においてスカート部１２ａの摺接面１２ｃからシリンダボア１３ａに作用する圧力を模式的に示す図である。

図８（ｃ）に示すように、本例においてもスカート部１２ａの２点P1、P2における圧力が高くなり、これらの２点でスカート部１２ａがシリンダボア１３ａに支持される。

・第３例
図９（ａ）は、第３例に係るピストン１２のランド部１２ｂとシリンダボア１３ａの上面図である。

図９（ａ）に示すように、本例においては、シリンダボア１３ａの三つの部位Q1、Q2、Q3を外側に拡張することにより、シリンダボア１３ａを上面視で角が丸い三角形状とする。

図９（ｂ）は、本例においてコンプレッションリング１５からシリンダボア１３ａに作用する圧力を模式的に示す図である。また、図９（ｃ）は、本例においてスカート部１２ａの摺接面１２ｃからシリンダボア１３ａに作用する圧力を模式的に示す図である。

図９（ｃ）に示すように、本例においてはスカート部１２ａの３点P1、P2、P3における圧力が高くなり、これらの３点でスカート部１２ａがシリンダボア１３ａに支持される。

・第４例
図１０（ａ）は、第４例に係るピストン１２のランド部１２ｂとシリンダボア１３ａの上面図である。

図１０（ａ）に示すように、本例においては、シリンダボア１３ａの五つの部位Q1、Q2、Q3、Q4、Q5を外側に拡張することにより、シリンダボア１３ａを上面視で角が丸い五角形状とする。

図１０（ｂ）は、本例においてコンプレッションリング１５からシリンダボア１３ａに作用する圧力を模式的に示す図である。また、図１０（ｃ）は、本例においてスカート部１２ａの摺接面１２ｃからシリンダボア１３ａに作用する圧力を模式的に示す図である。

図１０（ｃ）に示すように、本例においてもスカート部１２ａの３点P1、P2、P3における圧力が高くなり、これらの３点でスカート部１２ａがシリンダボア１３ａに支持される。

（比較例）
次に、本実施形態の比較例について説明する。単にピストン１２とシリンダボア１３ａとの摩擦抵抗を低減するだけなら、シリンダボア１３ａを上面視で円形のままその直径を拡大すればよいとも考えられる。

図１１（ａ）は、このようにシリンダボア１３ａを円形のまま拡大した比較例に係るピストン１２とシリンダボア１３ａの上面図である。

このようにシリンダボア１３ａを円形のまま拡大すると、スカート部１２ａの全ての部位がシリンダボア１３ａから離間してしまい、シリンダ１３におけるピストン１２の姿勢が不安定になる。

図１１（ｂ）は、この比較例に係るピストン１２とシリンダ１３の断面図である。

前述のようにピストン１２の姿勢が不安定になると、膨張行程でシリンダ１３内の圧力が急激に増加したときにピストン１２がスラスト側のシリンダボア１３ａに叩きつけられる。これにより大きな衝撃音が発生し、内燃機関で生じる騒音が大きくなるという問題が発生してしまう。

これに対し、本実施形態では前述のようにシリンダボア１３ａの複数の部位を円から拡張してシリンダボア１３ａを角が丸い多角形又は楕円とし、スカート部１２ａの複数の点がシリンダボア１３ａで支持されるようにする。これによりシリンダ１３内でのスカート部１２ａの姿勢が安定し、比較例のような衝撃音が発生し難くなる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 内燃機関
１１ シリンダブロック
１２ ピストン
１２ａ スカート部
１２ｂ ランド部
１２ｃ 摺接面
１２ｄ 壁面
１２ｘ リング溝
１３ シリンダ
１３ａ シリンダボア
１５ コンプレッションリング
１６ オイルリング

Claims (1)

1. 上面視で円の複数の部位を外側に拡張した形状のシリンダボアが形成されたシリンダと、
   前記シリンダボアに沿って摺動するピストンと、
   を有することを特徴とする内燃機関。

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