JP6514216B2 - ピストンリング溝、特にコンプレッション溝を有するピストン - Google Patents

Description

本発明は、内燃エンジンのためのピストンの外周面上のピストンリング溝、特にコンプレッション溝に関する。

現代の、しばしば過給式である内燃エンジンの増大する出力密度によって、ピストンは非常に高くかつ大きく上下動する熱的および圧力的負荷にさらされる。同じことがピストンリングに当てはまり、当該ピストンリングは、第一にピストンから各々の（冷却された）シリンダへの十分な熱流を保証しなければならず、第二にピストン外周面とシリンダとの間のギャップの良好なシーリングを保証しなければならない。いわゆるコンプレッションリングは、ピストンクラウンの近くに、したがってエンジンの燃焼室の近くに設けられていて、特に激しい負荷にさらされる。コンプレッションリングのシリンダ壁に対する接触圧はピストンリングの弾性歪みによって比較的小さな程度までしか生じない。コンプレッションリングは燃焼室に存在するガス圧力によって主にシリンダ壁に対して押さえつけられる。当該ガス圧力は、第一に、コンプレッションリングが収容されているピストン外周面のリング溝において、当該コンプレッションリングを（ピストンクラウンから離れた）下側の溝側面に対して軸方向に押し付けるという効果を有し、そして第二に、リング溝内に存在するガス圧力が、ピストンリングの内周面に作用するという効果を有し、そのため当該ピストンリングはその外周面によってシリンダ壁に対してそれ相応に高い圧力に耐える。

一般的に、内燃エンジンのピストンは２つのコンプレッションリングを有しており、ピストンクラウンから遠い方の第２コンプレッションリングは、特に、エンジンのクランクケースの方向への燃焼ガスのいわゆるブローバイを防止するかあるいは最小化するように意図されている。

ピストンリングを収容するのに役立つピストンの円環リング溝は、ピストン本体の外周面に必然的に切り欠きを構成し、よってピストン本体の不可避的な構造的な脆弱化をもたらす。したがって、ピストンの構造的強度の観点から最適化されたリング溝の形状を探る必要がある。ここで、しかしながら、リング溝の形状はピストンリングの機能の影響をまた有しているため設計自由度は限られており、当該ピストンリングは、上述したように、ピストン作動室に存在するガス圧力によってシリンダ壁に対して主に押さえつけられる。ここで、各ピストンリングのシーリング作用のために、可能な限り遅れのないピストンリングの内周面への圧力伝達が重要である。

本発明の目的は、ピストンのリング溝のために、ピストンの良好な構造的強度が保証されかつピストンへのガス圧力の伝達の最適化のための十分な設計自由度が提供される、最適な形状を提供することである。

この目的のために、本発明によると、少なくとも１つのピストンリング溝、好ましくはピストンクラウンに最も近い一番上のピストンリング溝の溝底面が、リング溝の（ピストンクラウンから離れた）下側の側面に比較的大きな曲率半径をもって移行し、かつリング溝の（ピストンクラウン側の）上側の側面に比較的小さな曲率半径をもって移行する。

本発明は、１つ以上のピストンリング溝の場合において、好ましくは少なくとも、第１コンプレッションリングを収容する最も高い負荷がかかるピストンリング溝の場合において、溝側面にかかる異なる動的負荷をリング溝の造形において考慮に入れるという一般的概念に基づいている。下側の溝側面は、膨張行程においてガス圧力によってあるいはガス圧力が作用するピストンリングによって特に高い負荷にさらされるものであって、比較的大きな曲率半径をもって溝底面に移行し、そのため移行部におけるクラックの形成が防止される。これに対し、あまり高くない負荷がかかる上側の溝側面の場合には、溝底面への移行部における小さな曲率半径が難なく実現可能である。

本発明の特に好ましい実施形態では、大きな曲率半径を有する領域はリング溝の中心面を横切って延びており、当該中心面は溝側面の間の中央をピストン軸に対して径方向に広がっている。よって、溝底面が、大きな曲率半径の領域と小さな曲率半径の領域との間に、ピストン軸に対して傾斜しかつ上側の溝側面に向かって広がる円錐状領域を有することが有利には実現可能である。

好ましい実施形態では、上側および下側の溝側面が横向きに広がる面、すなわちピストン軸に対して直角に広がる面であって、下側の溝側面に隣接しかつ大きな曲率半径を有する領域は９０°よりも大きな角度にわたって延び、すなわちピストン軸に平行な向きを越えている。小さな曲率半径を有する領域は、好ましくは、上側の溝側面に隣接しかつ９０°よりも小さな角度にわたって延びており、２つの丸みを帯びた領域の間に、ピストンクラウンに向かって広がる円錐状領域が有利には位置し、そのため溝の深さがピストンクラウンに向かって浅くなる。このように、丸み部分はそれぞれに好ましくは、ピストンリングによって必要とされるように、ピストン外周面に対しておおよそ同じ溝深さにおいて上側および下側の溝側面に隣接し得、溝底面の円錐状面は異なる曲率半径を全体的にまたは部分的に埋め合わせるという効果を有する。この領域は、溝底面の２つの丸み部分の一方にピストンリングが押し付けられることなく、ピストンリングの後ろの小さな死容積、およびよって未燃焼炭化水素の低い放出量の実現を可能とする。

溝側面、丸み部分および溝底面は、好ましくはそれぞれ互いに滑らかな態様で移行し、それにより応力ピークの発生が防止される。

このリング溝の造形は、ピストンリングの内周面において溝底面とピストンリングとの間に径方向において比較的小さなフリースペースのみが残るという利点をもたらす。このことは、ガス圧力によるピストンリングの内周面への遅れのない圧力の印加を促進する。さらに、リングの後ろの死容積は、その中で未燃混合物の残留物が捕集され得るものであって、低減される。このようにして、炭化水素の望ましくない放出が低減される。

寸法決めに関して、好ましくは、比較的大きな曲率半径の場合には、その寸法は第一に溝幅の寸法の４分の１よりも大きく、第二に溝幅の寸法の３分の１よりも小さい。

他の点について、本発明の好ましい特徴に関しては、特許請求の範囲および以下の図面の説明を参照されたく、当該図面に基づいて本発明の特に好ましい実施形態がより詳細に説明される。

例示される特徴が、それぞれに例示される他の特徴との組み合わせにおいてのみでなく単独でも本発明の本質的部分であり得ることは明らかである。

図１は、ピストンのうちピストンクラウンに近い部分と内燃エンジンの関連するシリンダとの詳細な軸方向断面図である。 図２は、図１の細部IIの拡大図である。

図１では、ピストン２が移動可能な態様で内燃エンジンのシリンダ１内に設けられており、ピストンは実質的にピストンクラウンの領域のみが図示され、当該ピストン２は、シリンダ内で、クランクケース領域Ｋから燃焼室領域Ｂを分けている。クランクケース領域Ｋに対して燃焼室領域Ｂをシールするために、ピストンの外周面あるいはスカートにはピストンリング４を収容する少なくとも１つのリング溝３が設けられており、図１では、いわゆるコンプレッションリング４のための一番上のリング溝３のみが図示されている。一般的に、内燃エンジンのピストンは、２つのコンプレッションリングと、ピストンクラウンからさらに離れた１つのオイルリングとを有している。

特に図２に見られるように、コンプレッションリング４は関連付けられたリング溝３内において軸方向および径方向のクリアランスを有する。内燃エンジンの作動中において、ピストンリングは燃焼室Ｂ内のガス圧力によって図中の下側の溝側面に対して軸方向に押し付けられる。さらに、ガス圧力はピストンリング４の内周面に作用し、その結果として当該ピストンリング４は対応する増大されたシリンダ壁に対する接触圧に耐える。

特に図２に見られるように、図中の（ピストンクラウンから離れた）下側の溝側面３’は、比較的大きな曲率半径をもって溝底面３’’へ移行している。これに対し、溝底面３’’と（ピストンクラウン側の）上側の溝側面３’’’との間の移行部分は、比較的小さな曲率半径を有している。大きな曲率半径を有する領域はピストン２の径方向中心面Ｍを横切って延びており、当該径方向中心面は溝側面３’と溝側面３’’’との間の中央を広がっている。大きな曲率半径の領域に隣接して、溝底面３’’は上方に向かって、すなわち燃焼室Ｂへ向かって広がる円錐状領域を有しており、当該円錐状領域は、小さな曲率半径をもって上側の溝側面３’’’へ移行する。

上記円錐状領域により、ピストンリング４の内周面と溝底面３’’との間に残るフリースペースの容積が望ましい態様で低減される。このことにより、燃焼室Ｂのガス圧力が実質的に遅れ無くピストンリング４の内周面に伝達されるという利点がもたらされる。

１ シリンダ
２ ピストン
３ リング溝
３’，３’’’ 溝側面
３’’ 溝底面
４ ピストンリング、コンプレッションリング
Ｂ 燃焼室
Ｋ クランクケース
Ｍ 中心面
ｂ 溝側面同士の間隔

Claims (3)

1. 内燃エンジンのためのピストン（２）であって、
   上記ピストンの外周面に設けられ、上記ピストンの軸方向において互いに離間した溝側面（３’，３’’’）を有し、かつ該溝側面の間を延びる溝底面（３’’）を有するピストンリング溝（３）を備えており、
   上記溝底面（３’’）は、相対的に大きな曲率半径をもってピストンクラウンとは反対側の上記溝側面（３’）に移行し、相対的に小さな曲率半径をもって上記ピストンクラウン側の上記溝側面（３’’’）に移行しており、
   大きな曲率半径を有する領域は、上記リング溝（３）の中心面（Ｍ）を横切って延び、
   上記中心面は、上記溝側面（３’，３’’’）の間の中央をピストン軸に対して径方向に広がっており、
   上記溝底面（３’’）が、大きな曲率半径の領域と小さな曲率半径の領域との間に、ピストン軸に対して傾斜しかつ上記ピストンクラウン側の溝側面（３’’’）に向かって広がる円錐状領域を有している
   ことを特徴とするピストン。
2. 請求項１において、
   上記大きな曲率半径が、上記溝側面（３’，３’’’）同士の間隔（ｂ）の３分の１よりも大きな寸法を有している
   ことを特徴とするピストン。
3. 請求項２において、
   上記大きな曲率半径が、０．４ｂ〜０．６ｂの寸法を有し、
   ｂは、上記溝側面（３’，３’’’）同士の間隔を意味している
   ことを特徴とするピストン。

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