JP7078907B2 - 内燃機関のシール構造 - Google Patents

Description

本開示は、内燃機関のシール構造に関する。

特表２００６－５２１４９０号公報（特許文献１）には、リーディング羽根を有する第１の回転部材と、トレイリング羽根を有する第２の回転部材とを備え、リーディング羽根とトレイリング羽根とは回転する毎に吸気行程、圧縮行程、仕事行程、排気行程を完成する、回転羽根式モータにおいて、第１の回転部材と第２の回転部材との間にはリングシールが設けられていると記載されている。

特表２００６－５２１４９０号公報

円形状のシール部材を回転部材の回転中心と同心に配置すると、シール部材は回転部材の同じ部位に対して摺動し続ける。そのため、シール部材に接触する回転部材の表面に摩耗が生じやすい懸念がある。

本開示では、摩耗量を低減できる、内燃機関のシール構造が提供される。

本開示に従うと、内燃機関に用いられるシール構造が提供される。内燃機関は、ハウジングと、ハウジング内に回転中心軸を中心に回転可能に支持される第１ピストン部材と、ハウジング内に回転中心軸を中心に回転可能に支持される第２ピストン部材と、を含んでいる。ハウジング、第１ピストン部材および第２ピストン部材によって、燃料を燃焼させるための燃焼室が形成される。第１ピストン部材は、燃焼室の径方向内側に、第２ピストン部材に対向する環状の対向面を有している。シール構造は、燃焼室の径方向内側に配置された円形状のシール部材を備えている。シール部材の中心を、回転中心軸に対して偏心させている。

第１ピストン部材および第２ピストン部材のいずれか一方に対してシール部材が摺り動く面積を増加させ、シール部材の摺動時に接触する面積が大きくされており、同じ部位が繰り返し摺動することが回避されている。したがって、シール部材の当たり面の摩耗量を低減することができる。

上記のシール構造において、シール部材は、潤滑油を封止するオイルシールである。オイルシールは、ガスシールよりも大きい力で第１ピストン部材および第２ピストン部材に押し付けられる。オイルシールの当たり面に、摩耗がより発生しやすいことになる。したがって、中心を回転中心軸からずらして配置する構成をオイルシールに適用することで、より効果的に摩耗を低減することができる。

本開示に係るシール構造に従えば、摩耗量を低減することができる。

実施形態の内燃機関の構成を示す斜視図である。 第１ピストン部材および第２ピストン部材の斜視図である。 燃焼室およびエンジンの動作を説明するための模式図である。 第１ピストン部材およびシール構造を軸方向に見た概略図である。 第１ピストン部材および第２ピストン部材とオイルシールとの接触状態の第一の例を示す模式的な断面図である。 第１ピストン部材および第２ピストン部材とオイルシールとの接触状態の第二の例を示す模式的な断面図である。 第２実施形態に係る第１ピストン部材およびシール構造を軸方向に見た概略図である。

以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号が付されている。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。

［第１実施形態］
＜エンジン２の概略構成＞
図１は、実施形態の内燃機関の構成を示す斜視図である。実施形態の内燃機関は、回転ピストン型のエンジン２である。エンジン２の燃料には、たとえば、ガスやガソリンや軽油等が用いられる。エンジン２は、ハウジング４と、吸気管６と、排気管８と、インジェクタ１０と、スロットルモータ１４と、第１出力軸１６と、第２出力軸１８とを含む。

吸気管６の一方端は、ハウジング４の吸気ポート（図示せず）に接続される。吸気管６の他方端には、たとえば、エアクリーナ（図示せず）が接続される。エアクリーナは、エンジン２の外部から吸入される空気から異物を除去する。エンジン２の作動中において、吸気管６には、エアクリーナから吸入された空気が流通する。吸気管６を流通する空気は、ハウジング４の吸気ポートに流通する。

吸気管６には、吸気管６を流通する空気の流量を制限するスロットルバルブが設けられている。スロットルモータ１４は、スロットルバルブの開度を調整する。

インジェクタ１０は、吸気管６のスロットルバルブよりも上流側に設けられ、燃料（たとえば、ガス）を吸気管６内に噴射する。噴射された燃料は、吸気管６内で空気と混合されてハウジング４の吸気ポートに流通する。

ハウジング４の外周部分は、図１に示すように円筒形状によって形成されており、その内周部分も円筒形状に形成されている。ハウジング４は、その内部に、第１出力軸１６に接続される第１ピストン部材と、第２出力軸１８に接続される第２ピストン部材とを収納する。

排気管８の一方端は、ハウジング４の排気ポート（図示せず）に接続される。排気管８の他方端には、たとえば、排気処理装置（図示せず）が接続される。エンジン２の作動中において、ハウジング４内での燃焼により生じた排気は、ハウジング４の排気ポートから排気管８に流通する。排気管に流通する排気は、排気処理装置によって浄化されて、エンジン２の外部に排出される。

第１出力軸１６および第２出力軸１８は、いずれもハウジング４内での燃料の燃焼によって回転する。第１出力軸１６および第２出力軸１８は、たとえば、モータジェネレータ（図示せず）の回転軸に接続される。このモータジェネレータは、たとえば、三相交流回転電機である。

＜エンジン２の内部構造＞
次に、エンジン２の内部構造の一例について説明する。図２は、第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８の斜視図である。図２に示すように、ハウジング４内には、第１ピストン部材２４と、第２ピストン部材２８とが組み合わされて収納される。第１ピストン部材２４は、第１回転体２４ａと、第１壁面部材２４ｂと、第１回転シャフト部２４ｓとを含む。第２ピストン部材２８は、第２回転体２８ａと、第２壁面部材２８ｂと、第２回転シャフト部２８ｓを含む。

第１回転シャフト部２４ｓと第２回転シャフト部２８ｓとは、ハウジング４に設けられた図示しない軸受に回転可能に支持されている。これにより第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８とは、ハウジング４によって回転可能に支持されている。第１回転体２４ａと第２回転体２８ａとは、回転中心軸ＡＸが一致している。第１回転体２４ａと第２回転体２８ａとは、回転中心軸ＡＸを中心に回転可能である。第１回転体２４ａと第２回転体２８ａとは、第１回転体２４ａの一方の端面と第２回転体２８ａの一方の端面とが軸方向に対向するように設けられる。

なお本明細書中の説明では、回転中心軸ＡＸと平行な方向を軸方向と称し、回転中心軸ＡＸを中心とする円周に沿う方向を周方向と称し、回転中心軸ＡＸと直交する方向を径方向と称する。径方向において、回転中心軸ＡＸに近い側を内側と称し、回転中心軸ＡＸから離れる側を外側と称する。

第１回転体２４ａおよび第２回転体２８ａは、回転中心軸ＡＸを含む断面に斜面部分を有するように形成される。これにより、第１回転体２４ａと第２回転体２８ａとが組み合わされた状態において、第１回転体２４ａと第２回転体２８ａとの間には、Ｖ字形状の断面を有する凹部が周方向に形成される。

第１壁面部材２４ｂは、第１回転体２４ａの斜面部分から、径方向外側に向けて延在し、第２回転体２８ａの斜面部分に向けて軸方向に延在するように、設けられている。第１壁面部材２４ｂは、２つの三角形の板状部材によって構成される。第１壁面部材２４ｂの２つの三角形の板状部材は、回転中心軸ＡＸについて互いに対称となる位置に配置されている。

第２壁面部材２８ｂは、第２回転体２８ａの斜面部分から、径方向外側に向けて延在し、第１回転体２４ａの斜面部分に向けて軸方向に延在するように、設けられている。第２壁面部材２８ｂは、上述の第１壁面部材２４ｂを構成する板状部材と同形状となる、２つの三角形の板状部材によって構成される。第２壁面部材２８ｂの２つの三角形の板状部材は、回転中心軸ＡＸについて互いに対称となる位置に配置されている。

第１壁面部材２４ｂおよび第２壁面部材２８ｂの三角形の板状部材は、いずれも、第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８がハウジング４に収納されている状態において第１回転体２４ａと第２回転体２８ａとの間のＶ字形状の凹部とハウジング４の内周面とによって形成される三角形の断面形状に合致するように、形成される。

第１壁面部材２４ｂは、三角形の一辺において、第１回転体２４ａの斜面部分に固定されている。第１壁面部材２４ｂの三角形の一辺は、ハウジング４の内周面に対向している。第１壁面部材２４ｂの三角形の一辺は、第２回転体２８ａの斜面部分に対向している。

第２壁面部材２８ｂは、三角形の一辺において、第２回転体２８ａの斜面部分に固定されている。第２壁面部材２８ｂの三角形の一辺は、ハウジング４の内周面に対向している。第２壁面部材２８ｂの三角形の一辺は、第１回転体２４ａの斜面部分に対向している。

第１ピストン部材２４の第１回転シャフト部２４ｓには、回転中心軸が一致するように第１出力軸１６が接続される。第１回転体２４ａとハウジング４との間には、ワンウェイクラッチが設けられる。このワンウェイクラッチは、ハウジング４内における第１ピストン部材２４の予め定められた回転方向へのみ回転を許容し、予め定められた回転方向とは逆方向への回転を抑制する。

第２ピストン部材２８の第２回転シャフト部２８ｓには、回転中心軸が一致するように第２出力軸１８が接続される。第２回転体２８ａとハウジング４との間には、ワンウェイクラッチが設けられる。このワンウェイクラッチは、ハウジング４内における第２ピストン部材２８の予め定められた回転方向へのみ回転を許容し、予め定められた回転方向とは逆方向への回転を抑制する。

＜燃焼室＞
図３は、燃焼室Ａ～Ｄおよびエンジン２の動作を説明するための模式図である。図３には、ハウジング４の中央部分（たとえば、第１回転体２４ａと第２回転体２８ａとの当接部分）における、回転中心軸ＡＸに直交する断面が模式的に示される。図３に示すように、ハウジング４内には、ハウジング４、第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８によって、燃料を燃焼させるための４つの燃焼室Ａ～Ｄが形成される。

燃焼室Ａ～Ｄは、各々、ハウジング４の内周面と、第１ピストン部材２４の第１壁面部材２４ｂおよび第１回転体２４ａの斜面部分と、第２ピストン部材２８の第２壁面部材２８ｂおよび第２回転体２８ａの斜面部分とによって、規定されている。第１壁面部材２４ｂおよび第２壁面部材２８ｂは、燃焼室Ａ～Ｄの周方向の壁面を構成している。周方向に隣り合う２つの燃焼室は、第１壁面部材２４ｂおよび第２壁面部材２８ｂによって仕切られている。

図２を参照して説明したワンウェイクラッチは、図３においては、第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８との反時計回りの回転を抑制し、時計回りの回転を許容する。

図３に示される燃焼室Ａでは、圧縮された空気と燃料との混合気が自着火によって着火する膨張行程となる。すなわち、燃焼室Ａで燃料が燃焼すると、第１ピストン部材２４の反時計回りの移動がワンウェイクラッチによって抑制されるため、第１ピストン部材２４の回転位置が維持されつつ、第２ピストン部材２８のみが破線矢印の方向に回転し、燃焼室Ａ内の気体の膨張とともに燃焼室Ａの容積が増加する。

図３に示される燃焼室Ｂでは、膨張した排気が排気管８から排出される排気行程となる。すなわち、燃焼室Ａでの燃料の燃焼によって、第２ピストン部材２８が破線矢印の方向に回転すると、第１ピストン部材２４の回転位置が維持されるため、燃焼室Ｂの容積が減少する。このとき、燃焼室Ｂは、排気管８と連通している。そのため、燃焼室Ｂ内の排気は、燃焼室Ｂの容積の減少とともに、排気管８に排出されていく。

図３に示される燃焼室Ｃでは、吸気管６から空気と燃料との混合気が吸入される吸気行程となる。すなわち、燃焼室Ａでの燃料の燃焼によって、第２ピストン部材２８が破線矢印の方向に回転すると、第１ピストン部材２４の回転位置が維持されるため、燃焼室Ｃの容積が増加する。このとき、燃焼室Ｃは、第２ピストン部材２８が破線矢印の方向に回転する途中で、吸気管６と連通する。そのため、燃焼室Ｃの容積の増加とともに、吸気管６から混合気が燃焼室Ｃ内に吸入される。

図３に示される燃焼室Ｄでは、吸気管６から吸入された混合気が圧縮される圧縮行程となる。すなわち、燃焼室Ａでの燃料の燃焼によって、第２ピストン部材２８が破線矢印の方向に回転すると、第１ピストン部材２４の回転位置が維持されるため、燃焼室Ｄの容積が減少する。このとき、燃焼室Ｄは、吸気管６および排気管８のいずれにも連通していないため、燃焼室Ｄの容積の減少によって燃焼室Ｄ内の混合気が圧縮される。

そして、燃焼室Ｄ内の圧力が上昇することによって第１ピストン部材２４に時計回りの力が作用すると、第１ピストン部材２４が回転し、第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８との位置関係が入れ替わることとなる。

このようにして、燃焼室Ａ～Ｄのうちのいずれかで燃焼する毎に、第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８とが交互に回転することによって、エンジン２が動作する。

＜シール構造＞
以下、エンジン２に用いられる、実施形態のシール構造について説明する。図４は、第１ピストン部材２４およびシール構造を軸方向に見た概略図である。第１ピストン部材２４は、燃焼室Ａ～Ｄの径方向内側に、第２ピストン部材２８に対向する環状の対向面を有している。

シール構造は、合せ面シール４０を含んでいる。合せ面シール４０は、環状の形状を有している。合せ面シール４０は、円形状を有している。合せ面シール４０は、第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８と同心に配置されている。合せ面シール４０は、第１回転体２４ａと第２回転体２８ａとの両方に接触している。合せ面シール４０は、燃焼室Ａ～Ｄよりも径方向の内側に配置されており、燃焼室Ａ～Ｄの内周部をシールしている。合せ面シール４０は、燃焼室Ａ～Ｄから内周側へのガスの漏れを抑制している。

シール構造は、外周シール９６を含んでいる。外周シール９６は、環状の形状を有している。外周シール９６は、円形状を有している。外周シール９６は、第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８と同心に配置されている。外周シール９６は、第１回転体２４ａと第２回転体２８ａとの両方に接触している。外周シール９６は、燃焼室Ａ～Ｄよりも径方向の外側に配置されており、燃焼室Ａ～Ｄの外周部をシールしている。外周シール９６は、燃焼室Ａ～Ｄから外周側へのガスの漏れを抑制している。

シール構造は、オイルシール７０を含んでいる。オイルシール７０は、燃焼室Ａ～Ｄの径方向内側に配置されている。オイルシール７０は、合せ面シール４０よりも径方向の内側に配置されている。オイルシール７０は、第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８を潤滑する潤滑油を封止しており、燃焼室Ａ～Ｄへの潤滑油の漏れを抑制している。

オイルシール７０は、環状の形状を有している。オイルシール７０は、円形状を有している。オイルシール７０は、その中心７０Ｃが、第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８の回転中心軸ＡＸに対して偏心している。オイルシール７０は、中心７０Ｃが回転中心軸ＡＸからオフセットするように配置されている。

図５は、第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８とオイルシール７０との接触状態の第一の例を示す模式的な断面図である。第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８との間には、中空の空間Ｓが形成されている。オイルシール７０は、空間Ｓ内に配置されており、第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８との間に配置されている。オイルシール７０は、第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８との両方に面接触している。第１ピストン部材２４の平坦面と第２ピストン部材２８の平坦面との間に空間Ｓが形成されており、オイルシール７０は両方の平坦面によって挟み持たれている。

図５に示されるオイルシール７０は、矩形状の断面を有している。オイルシール７０は、矩形に限られず任意の形状の断面形状を有していてもよい。

図６は、第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８とオイルシール７０との接触状態の第二の例を示す模式的な断面図である。図５に示される例と異なり、図６に示される第２ピストン部材２８には、空間Ｓに面する表面に溝２８Ｇが形成されている。溝２８Ｇは、第１ピストン部材２４に向かって開口している。オイルシール７０の一部分が、溝２８Ｇ内に収容されている。オイルシール７０は、溝２８Ｇの底面および側面において、第２ピストン部材２８に面接触している。

オイルシール７０は、周方向の１箇所に切欠き部を有するＣリングに形成されてもよい。オイルシール７０は、径方向の外側に向く張力を発生して、溝２８Ｇの径方向外側の側面に接触してもよく、または、径方向の内側に向く張力を発生して、溝２８Ｇの径方向内側の側面に接触してもよい。オイルシール７０は、ばねを有することで径方向の外側または内側に向く張力を発生して、溝２８Ｇの底面および／または側面に確実に接触するような構成としてもよい。

＜作用および効果＞
以上説明した実施形態のシール構造では、図４に示されるように、燃焼室Ａ～Ｄの径方向内側に配置された円形状のオイルシール７０の中心７０Ｃを、第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８の回転中心軸ＡＸに対して偏心させている。

エンジン２の動作時に、第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８とが交互に回転する。このときオイルシール７０は、偏心した状態で回転する。たとえば、図４に示される配置からオイルシール７０が図中の時計回り方向に回転する場合、オイルシール７０の中心７０Ｃは、回転中心軸ＡＸを中心とする円状の軌跡を描いて移動する。オイルシール７０の中心７０Ｃは、図４に示される回転中心軸ＡＸの左方の位置から、回転中心軸ＡＸの上方、回転中心軸ＡＸの右方、回転中心軸ＡＸの下方の位置の順に移動し、再び回転中心軸ＡＸの左方の位置に戻る。

このようにオイルシール７０が偏心した状態で回転するため、第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８のいずれか一方に対してオイルシール７０が摺り動く面積が増加されている。オイルシール７０の軌跡に、オイルシール７０自身の径方向寸法よりも大きい径方向の幅を持たせ、その幅の中でオイルシール７０の摺動が平均的に行なわれる構成とされている。オイルシール７０の摺動時に接触する面積が大きくされており、同じ部位が繰り返し摺動することが回避されている。したがって、シール性を阻害することなく、オイルシール７０の当たり面の摩耗量を低減することができる。

偏心して配置されたオイルシール７０により、油膜塗布効果を発生させることができる。たとえば図４に示す回転中心軸ＡＸの左方にオイルシール７０の中心７０Ｃがある状態で、回転中心軸ＡＸの右方におけるオイルシール７０よりも径方向外側の領域に潤滑油を供給すれば、次に中心７０Ｃが回転中心軸ＡＸの右方にあるようにオイルシール７０が移動したときに、全体に潤滑油を行き渡らせることができる。したがって、オイルシール７０の耐焼き付き性を向上することができ、必要な潤滑油量の低減も可能となる。

燃焼室Ａ～Ｄの気密性を確保するためのガスシール（合せ面シール４０）と比較して、潤滑油を封止するオイルシール７０は、より大きい力で第１回転体２４ａおよび第２回転体２８ａに押し付けられる。オイルシール７０の当たり面に、摩耗がより発生しやすいことになる。したがって、中心７０Ｃを回転中心軸ＡＸからずらして配置する本実施形態の構成をオイルシール７０に適用することで、より効果的に摩耗を低減することが可能になり、エンジン２の信頼性を高めることができる。

図６に示される溝２８Ｇを有さず、平坦面の間にオイルシール７０が挟まれる図５に示す構成の場合、空間Ｓの隙間寸法の管理が難しい。そのため、オイルシール７０の第１回転体２４ａおよび第２回転体２８ａへの押付荷重が大きくなり、摩耗がより発生しやすいことになる。したがって、図５に示される構成に、オイルシール７０の中心７０Ｃを回転中心軸ＡＸからずらして配置する本実施形態の思想を適用することで、より効果的に摩耗を低減することができる。

これまでの説明においては、オイルシール７０の中心７０Ｃを回転中心軸ＡＸからオフセットさせる例について説明した。中心を回転中心軸ＡＸからずらす実施形態の思想を、ガスシール（合せ面シール４０）に適用してもよい。

［第２実施形態］
図７は、第２実施形態に係る第１ピストン部材２４およびシール構造を軸方向に見た概略図である。図７に示すシール構造は、第１実施形態と同様の合せ面シール４０および外周シール９６を含んでいる。シール構造は、オイルシール７０を含んでいる。オイルシール７０は、第１実施形態と異なり、非円形状の形状を有している。オイルシール７０は、楕円形状を有している。オイルシール７０の中心７０Ｃは、第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８の回転中心軸ＡＸと一致している。

係る構成とすることにより、第１実施形態と同様に、オイルシール７０の摺動時に接触する面積を大きくすることができる。したがって、オイルシール７０の当たり面の摩耗を低減できる効果、および油膜塗布効果を、同様に得ることができる。

オイルシール７０は、図７に示される楕円形状に限られるものではない。オイルシール７０が非円形状であれば、オイルシール７０の摺動時に接触する面積を大きくできる効果が同様に奏され、たとえばオイルシール７０を長円形状などに形成してもよい。シール構造を非円形状にする第２実施形態の思想を、ガスシール（合せ面シール４０）に適用してもよい。

以上のように実施形態について説明を行なったが、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２ エンジン、４ ハウジング、１６ 第１出力軸、１８ 第２出力軸、２４ 第１ピストン部材、２４ａ 第１回転体、２４ｂ 第１壁面部材、２４ｓ 第１回転シャフト部、２８ 第２ピストン部材、２８Ｇ 溝、２８ａ 第２回転体、２８ｂ 第２壁面部材、２８ｓ 第２回転シャフト部、４０ 合せ面シール、７０ オイルシール、７０Ｃ 中心、９６ 外周シール、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ 燃焼室、ＡＸ 回転中心軸、Ｓ 空間。

Claims (4)

1. 内燃機関に用いられるシール構造であって、
   前記内燃機関は、ハウジングと、前記ハウジング内に回転中心軸を中心に回転可能に支持される第１ピストン部材と、前記ハウジング内に前記回転中心軸を中心に回転可能に支持される第２ピストン部材と、を含み、前記ハウジング、前記第１ピストン部材および前記第２ピストン部材によって燃料を燃焼させるための燃焼室が形成され、前記第１ピストン部材は、前記燃焼室の径方向内側に、前記第２ピストン部材に対向する環状の対向面を有し、
   前記シール構造は、前記燃焼室の径方向内側に配置された円形状のシール部材を備え、
   前記シール部材の中心を、前記回転中心軸に対して偏心させた、内燃機関のシール構造。
2. 前記シール部材は、潤滑油を封止するオイルシールである、請求項１に記載のシール構造。
3. 前記第１ピストン部材の平坦面と前記第２ピストン部材の平坦面との間に空間が形成されており、
   前記シール部材は、前記空間内に配置されており、両方の前記平坦面によって挟み持たれる、請求項１または２に記載のシール構造。
4. 前記第１ピストン部材と前記第２ピストン部材との間に空間が形成されており、
   前記第２ピストン部材には、前記空間に面する表面に、前記第１ピストン部材に向かって開口する溝が形成されており、
   前記シール部材の一部が前記溝内に収容される、請求項１または２に記載のシール構造。

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