JP7200794B2

JP7200794B2 - 内燃機関のシール構造

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Publication number: JP7200794B2
Application number: JP2019060333A
Authority: JP
Inventors: 卓央岩橋
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2023-01-10
Anticipated expiration: 2039-03-27
Also published as: JP2020159295A; WO2020194918A1

Description

本開示は、内燃機関のシール構造に関する。

従来、ロータリエンジンにおいて、回転軸と共に回転可能に設置された第１ロータおよび第２ロータそれぞれの基部の間の気密性を保つ、リング状のシール材が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開平６－２５５９号公報

上記文献には、リング状のシール材を第１ロータと第２ロータとの合わせ面に配置する構成が記載されている。回転軸を中心とする円環状の気筒室から径方向内側へのガス漏れを抑制するためには、シール材を第１ロータと第２ロータとの両方に確実に接触させる必要がある。しかしながら上記文献には、第１ロータと第２ロータとの両方にシール材を確実に接触させることへの言及はなく、必ずしも十分なシール性を確保できているとは言い難い。

本開示では、シール性を向上できる、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２ピストン部材は、燃焼室の径方向内側に、第１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環状のシール部材を備えている。シール部材は、拡径方向と縮径方向とのいずれか一方の方向に作用する自己張力を有している。第２ピストン部材の対向面には、第１ピストン部材に向かって開口する環状の溝が形成されている。シール部材は、溝内に一部が収容されて自己張力により溝の壁面に接触するように構成されている。シール部材の自己張力により溝の壁面に接触するシール部材の表面と、シール部材の自己張力によりシール部材に接触する溝の壁面との少なくともいずれか一方は、第１ピストン部材および第２ピストン部材の回転の軸方向に対して傾斜する傾斜面を有している。傾斜面は、シール部材の自己張力の作用する方向に向かうにつれて第１ピストン部材に近づくように延びている。傾斜面から軸方向の力を受けることで、シール部材は、第１ピストン部材に接触する。

係る構成によれば、シール部材を第１ピストン部材と第２ピストン部材との両方に確実に密着させることができ、第１ピストン部材と第２ピストン部材との合わせ面のシール性を向上することができる。

上記のシール構造において、傾斜面は、シール部材の表面と溝の壁面との少なくともいずれか一方の内周側の面に形成されていてもよい。

上記のシール構造において、傾斜面は、シール部材の表面と溝の壁面との少なくともいずれか一方の外周側の面に形成されていてもよい。

上記のシール構造において、シール部材の表面と溝の壁面との両方が傾斜面であってもよい。シール部材の表面の傾斜の角度と、溝の壁面の傾斜の角度とが、異なっていてもよい。

上記のシール構造において、第１ピストン部材は、軸方向に直交する環状平面を有し、シール部材は、環状平面に接触していてもよい。

本開示に係る内燃機関のシール構造に従えば、シール性を向上することができる。

実施形態の内燃機関の構成を示す斜視図である。エンジン内部に設けられるピストン部材の構成の一例を示す図である。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２ピストン部材およびシール構造の斜視図である。第一実施形態の合せ面シールとその周辺とを拡大して示す断面図である。第二実施形態の合せ面シールとその周辺とを拡大して示す断面図である。第三実施形態の合せ面シールとその周辺とを拡大して示す断面図である。第四実施形態の合せ面シールとその周辺とを拡大して示す断面図である。第五実施形態の合せ面シールとその周辺とを拡大して示す断面図である。

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。

［第一実施形態］
＜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＞
図２は、エンジン２内部に設けられるピストン部材の構成の一例を示す図である。図２を参照して、エンジン２の内部構造の一例について説明する。

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とを含む。

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、図２中に一点鎖線で図示される回転中心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ＡＸと平行な方向を軸方向と称し、回転中心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ＡＸに近い側を内側と称し、回転中心ＡＸから離れる側を外側と称する。

第１回転体２４ａは、その回転中心ＡＸを含む断面に斜面部分２４ｃを有するように形成される。第２回転体２８ａは、その回転中心ＡＸを含む断面に斜面部分２８ｃ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２４ｃ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２８ｃ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２８ｃ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２４ｃ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ＡＸについて互いに対称となる位置に配置されている。図２には、第２壁面部材２８ｂの２つの板状部材のうちの一方のみが図示されている。

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２４ｃ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２８ｃ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２８ｃ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２４ｃに対向している。

第１回転体２４ａには、回転中心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２２が設けられる。ワンウェイクラッチ２２は、第１回転体２４ａのハウジング４内における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回転体２８ａには、回転中心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２６が設けられる。ワンウェイクラッチ２６は、第２回転体２８ａのハウジング４内における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１壁面部材２４ｂおよび第２壁面部材２８ｂは、三角形の板状形状に限られず、たとえば円板形状など、任意の形状を有してもよい。

＜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および斜面部分２４ｃと、第２ピストン部材２８の第２壁面部材２８ｂおよび斜面部分２８ｃ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に示されるワンウェイクラッチ２２，２６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２２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。

＜シール構造の概略構成＞
以下、第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８との対向面間をシールするシール構造について説明する。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。第２ピストン部材２８は、燃焼室Ａ～Ｄの径方向内側に、第１ピストン部材２４に対向する環状の対向面を有している。

図４は、第２ピストン部材２８およびシール構造の斜視図である。第２ピストン部材２８と、図４には図示しない第１ピストン部材２４とは、軸方向に並んで配置されている。第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８とは、軸受１００を介して連結されており、互いに相対回転可能に構成されている。第２ピストン部材２８には、潤滑油路２８１が形成されている。第１ピストン部材２４には、潤滑油路２８１と連通する潤滑油路が形成されている。

図４に示されるように、第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８との間の気密性を保つシール構造は、合せ面シール４０と、ピストンシール５０，１５０と、コーナーシール６０，１６０とを含んでいる。

合せ面シール４０は、周方向の１箇所に合口部を有する環状の形状を有している。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、斜面部分２８ｃよりも径方向の内側に配置されている。合せ面シール４０は、第２壁面部材２８ｂよりも径方向の内側に配置されている。したがって合せ面シール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するガスシールである。

合せ面シール４０は、第２ピストン部材２８に保持されている。第２ピストン部材２８の、第１ピストン部材２４に対向する対向面には、環状溝２８Ｇが形成されている。環状溝２８Ｇは、第１ピストン部材２４に向かって開口している。環状溝２８Ｇ内に、合せ面シール４０の一部が収容されている。第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８との相対回転に伴い、合せ面シール４０は第１ピストン部材２４に対して摺動する。

ピストンシール５０は、第２ピストン部材２８の第２壁面部材２８ｂに保持されている。第２壁面部材２８ｂには収容溝２８５，２８８が形成されており、収容溝２８５，２８８内にピストンシール５０が収容されている。収容溝２８５は、第２壁面部材２８ｂの、第１ピストン部材２４の斜面部分２４ｃに対向する縁に形成されている。収容溝２８８は、第２壁面部材２８ｂの、ハウジング４の内周面に対向する外周縁に形成されている。

ピストンシール５０は、第１ピストン部材２４の斜面部分２４ｃに接触するシール面５１を有している。第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８との相対回転に伴い、シール面５１は第１ピストン部材２４に対して摺動する。ピストンシール５０は、ハウジング４の内周面に接触するシール面８１を有している。ハウジング４内で第２ピストン部材２８が回転することに伴い、シール面８１はハウジング４に対して摺動する。

ピストンシール５０は、第２ピストン部材２８の第２壁面部材２８ｂと第１ピストン部材２４の斜面部分２４ｃとの間をシールしており、かつ、第２ピストン部材２８の第２壁面部材２８ｂとハウジング４との間をシールしている。ピストンシール５０は、周方向に隣り合う２つの燃焼室間をシールしており、燃焼室Ａ～Ｄのうちの１の燃焼室から当該１の燃焼室の隣の燃焼室へのガスの漏れを抑制している。

ピストンシール１５０は、ピストンシール５０と同様の構造を有している。ピストンシール１５０は、図４には図示しない第１ピストン部材２４の第１壁面部材２４ｂに保持されている。ピストンシール１５０は、第２ピストン部材２８の斜面部分２８ｃに接触するシール面と、ハウジングに接触するシール面とを有している。ピストンシール１５０は、第１ピストン部材２４の第１壁面部材２４ｂと第２ピストン部材２８の斜面部分２８ｃとの間、および第１壁面部材２４ｂとハウジング４との間をシールしている。ピストンシール１５０は、周方向に隣り合う２つの燃焼室間をシールしており、燃焼室Ａ～Ｄのうちの１の燃焼室から当該１の燃焼室の隣の燃焼室へのガスの漏れを抑制している。

コーナーシール６０は、合せ面シール４０とピストンシール５０との交差部に配置されている。コーナーシール６０は、第２ピストン部材２８に保持されている。第２ピストン部材２８には収容凹部２８６が形成されており、収容凹部２８６内にコーナーシール６０が収容されている。収容凹部２８６は、第２壁面部材２８ｂの径方向内側の端部に形成されている。したがってコーナーシール６０は、第２壁面部材２８ｂの径方向内側の端部において、第２ピストン部材２８に保持されている。

コーナーシール６０は、第１ピストン部材２４に接触する。第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８との相対回転に伴い、コーナーシール６０は第１ピストン部材２４に対して摺動する。収容凹部２８６の底面にはばね部材７３が設けられており、ばね部材７３はコーナーシール６０を収容凹部２８６の外部へ向けて付勢している。これにより、コーナーシール６０の第１ピストン部材２４への密着性が確保されている。

コーナーシール１６０は、合せ面シール４０とピストンシール１５０との交差部に配置されている。コーナーシール１６０は、第１ピストン部材２４に保持されている。第１ピストン部材２４の第１壁面部材２４ｂの径方向内側の端部には、収容凹部が形成されており、この収容凹部内にコーナーシール１６０が収容されている。したがってコーナーシール１６０は、第１壁面部材２４ｂの径方向内側の端部において、第１ピストン部材２４に保持されている。

コーナーシール１６０は、第２ピストン部材２８に接触する。第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８との相対回転に伴い、コーナーシール１６０は第２ピストン部材２８に対して摺動する。コーナーシール１６０にはばね部材１７３が設けられており、ばね部材１７３はコーナーシール６０を第２ピストン部材２８へ向けて付勢している。これにより、コーナーシール１６０の第２ピストン部材２８への密着性が確保されている。

軸方向においてピストンシール５０に隣り合って、コーナーシール９０が設けられている。ばね部材９３は、コーナーシール９０を径方向外側へ付勢しており、コーナーシール９０をハウジング４の内周面へ密着させている。

＜合せ面シール４０の詳細＞
図５は、第一実施形態の合せ面シール４０とその周辺とを拡大して示す断面図である。図５および後続の断面図には、合せ面シール４０ならびにその周辺の第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８の、周方向に直交する断面（径方向および軸方向を含む断面）が図示されている。図中の上下方向が、径方向である。図中の上側が径方向の外側であり、図中の下側が径方向の内側である。図中の左右方向が、軸方向である。

合せ面シール４０は、不等辺六角形状の断面形状を有している。合せ面シール４０は、外周面４０Ｓ１と、内周面４０Ｓ２と、対向面４０Ｓ３と、シール面４０Ｓ４と、外傾斜面４０Ｓ５と、内傾斜面４０Ｓ６とを有している。外周面４０Ｓ１、内周面４０Ｓ２、対向面４０Ｓ３、シール面４０Ｓ４、外傾斜面４０Ｓ５および内傾斜面４０Ｓ６は、合せ面シール４０の外表面を構成している。

図４に示す断面視において、外周面４０Ｓ１と内周面４０Ｓ２とは、軸方向に延びている。対向面４０Ｓ３とシール面４０Ｓ４とは、径方向に延びている。外周面４０Ｓ１と内周面４０Ｓ２とは、互いに平行に延びている。対向面４０Ｓ３とシール面４０Ｓ４とは、互いに平行に延びている。

外傾斜面４０Ｓ５と内傾斜面４０Ｓ６とは、軸方向および径方向に対して傾斜して延びている。合せ面シール４０の断面は、矩形がその一方の長辺の両端において面取りされた形状を有している。合せ面シール４０の表面に、径方向に並ぶ２つの傾斜面が形成されており、外傾斜面４０Ｓ５は外周側の傾斜面であり、内傾斜面４０Ｓ６は内周側の傾斜面である。外傾斜面４０Ｓ５および内傾斜面４０Ｓ６の傾斜の角度は、たとえば、３０°以上６０°以下、好ましくは４０°以上５０°以下、好ましくは略４５°としてもよい。

外傾斜面４０Ｓ５は、外周面４０Ｓ１と対向面４０Ｓ３とをつなぐ面であり、外周面４０Ｓ１から対向面４０Ｓ３に近づくにつれて径方向内側へ延びるように、軸方向および径方向に対して傾斜している。外傾斜面４０Ｓ５は、径方向外側に向かうにつれて第１ピストン部材２４に近づくように延びている。

内傾斜面４０Ｓ６は、内周面４０Ｓ２と対向面４０Ｓ３とをつなぐ面であり、内周面４０Ｓ２から対向面４０Ｓ３に近づくにつれて径方向外側へ延びるように、軸方向および径方向に対して傾斜している。内傾斜面４０Ｓ６は、径方向内側に向かうにつれて第１ピストン部材２４に近づくように延びている。

第２ピストン部材２８には、環状溝２８Ｇが形成されており、合せ面シール４０は、環状溝２８Ｇ内に一部が収容されている。図５に示されるように、合せ面シール４０のうち、対向面４０Ｓ３、外傾斜面４０Ｓ５および内傾斜面４０Ｓ６を含む部分は、環状溝２８Ｇ内に配置されている。合せ面シール４０のうち、シール面４０Ｓ４を含む部分は、環状溝２８Ｇの外部に配置されている。

環状溝２８Ｇは、環状溝２８Ｇの壁面のうち径方向の外側の壁面をなす外周壁面２８Ｓ１と、環状溝２８Ｇの壁面のうち径方向の内側の壁面をなす内周壁面２８Ｓ５と、底面２８Ｓ３とを有している。図４に示す断面視において、外周壁面２８Ｓ１と内周壁面２８Ｓ５とは、軸方向に延びている。外周壁面２８Ｓ１と内周壁面２８Ｓ５とは、互いに平行に延びている。底面２８Ｓ３は、径方向に延びている。

外周壁面２８Ｓ１は、合せ面シール４０の外周面４０Ｓ１と向き合っており、外周壁面２８Ｓ１と外周面４０Ｓ１との間には隙間が形成されている。環状溝２８Ｇの外周壁面２８Ｓ１と、合せ面シール４０の外周面４０Ｓ１とは、互いに非接触である。外周壁面２８Ｓ１と外周面４０Ｓ１とは、平行に配置されている。

内周壁面２８Ｓ５は、合せ面シール４０の内周壁面２８Ｓ５と向き合っており、内周壁面２８Ｓ５と内周面４０Ｓ２との間には隙間が形成されている。環状溝２８Ｇの内周壁面２８Ｓ５と、合せ面シール４０の内周面４０Ｓ２とは、互いに非接触である。内周壁面２８Ｓ５と内周面４０Ｓ２とは、平行に配置されている。

底面２８Ｓ３は、合せ面シール４０の対向面４０Ｓ３と向き合っており、底面２８Ｓ３と対向面４０Ｓ３との間には隙間が形成されている。環状溝２８Ｇの底面２８Ｓ３と、合せ面シール４０の対向面４０Ｓ３とは、互いに非接触である。底面２８Ｓ３と対向面４０Ｓ３とは、平行に配置されている。

環状溝２８Ｇはさらに、外傾斜面２８Ｓ２と、内傾斜面２８Ｓ４とを有している。外傾斜面２８Ｓ２と内傾斜面２８Ｓ４とは、軸方向および径方向に対して傾斜して延びている。環状溝２８Ｇの壁面に、径方向に並ぶ２つの傾斜面が形成されており、外傾斜面２８Ｓ２は外周側の傾斜面であり、内傾斜面２８Ｓ４は内周側の傾斜面である。外傾斜面２８Ｓ２および内傾斜面２８Ｓ４の傾斜の角度は、たとえば、３０°以上６０°以下、好ましくは４０°以上５０°以下、好ましくは略４５°としてもよい。

外傾斜面２８Ｓ２は、外周壁面２８Ｓ１と底面２８Ｓ３とをつなぐ面であり、外周壁面２８Ｓ１から底面２８Ｓ３に近づくにつれて径方向内側へ延びるように、軸方向および径方向に対して傾斜している。外傾斜面２８Ｓ２は、径方向外側に向かうにつれて第１ピストン部材２４に近づくように延びている。

内傾斜面２８Ｓ４は、内周壁面２８Ｓ５と底面２８Ｓ３とをつなぐ面であり、内周壁面２８Ｓ５から底面２８Ｓ３に近づくにつれて径方向外側へ延びるように、軸方向および径方向に対して傾斜している。内傾斜面２８Ｓ４は、径方向内側に向かうにつれて第１ピストン部材２４に近づくように延びている。

外傾斜面２８Ｓ２は、合せ面シール４０の外傾斜面４０Ｓ５と向き合っている。環状溝２８Ｇの外傾斜面２８Ｓ２と、合せ面シール４０の外傾斜面４０Ｓ５とは、互いに面接触している。外傾斜面２８Ｓ２と外傾斜面４０Ｓ５との間に、隙間は形成されていない。外傾斜面２８Ｓ２と外傾斜面４０Ｓ５とは、同一面上に配置されている。

内傾斜面２８Ｓ４は、合せ面シール４０の内傾斜面４０Ｓ６と向き合っており、内傾斜面２８Ｓ４と内傾斜面４０Ｓ６との間には隙間が形成されている。環状溝２８Ｇの内傾斜面２８Ｓ４と、合せ面シール４０の内傾斜面４０Ｓ６とは、互いに非接触である。内傾斜面２８Ｓ４と内傾斜面４０Ｓ６とは、平行に配置されている。

合せ面シール４０のシール面４０Ｓ４は、第１ピストン部材２４と向き合っている。シール面４０Ｓ４は、第１ピストン部材２４に面接触している。シール面４０Ｓ４と第１ピストン部材２４との間に、隙間は形成されていない。シール面４０Ｓ４は、第１ピストン部材２４の表面と同一平面上に配置されている。シール面４０Ｓ４が接触する第１ピストン部材２４の表面は、軸方向に直交する環状の平面形状を有している。

実施形態の合せ面シール４０は、拡径方向に作用する自己張力を有している。上述したように合せ面シール４０は周方向の１箇所に合口部を有する略Ｃ字形状に形成されており、環状溝２８Ｇ内に合せ面シール４０を収容する際に、合口部を閉じて合せ面シール４０の径を縮小させた状態にする。これにより、合せ面シール４０には、径方向外側への付勢力が作用する。この付勢力が、拡径方向の自己張力として合せ面シール４０に付与される。

合せ面シール４０は、拡径方向の自己張力の作用によって、環状溝２８Ｇ内で径方向外側へと動き、合せ面シール４０の外傾斜面４０Ｓ５が環状溝２８Ｇの外傾斜面２８Ｓ２に接触する。これにより、外傾斜面４０Ｓ５の第２ピストン部材２８への密着性が確保されている。

合せ面シール４０がさらに拡径しようとする付勢力が、合せ面シール４０の外傾斜面４０Ｓ５から環状溝２８Ｇの外傾斜面２８Ｓ２に作用する。外傾斜面４０Ｓ５から、合せ面シール４０に対して、環状溝２８Ｇの外部へ向かう向きの軸方向の力が働く。この軸方向の力を受けることで、合せ面シール４０は第１ピストン部材２４に近づく向きへと動き、合せ面シール４０のシール面４０Ｓ４が第１ピストン部材２４の環状平面に接触する。これにより、シール面４０Ｓ４の第１ピストン部材２４への密着性が確保されている。

したがって、合せ面シール４０を第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８との両方に確実に密着させる構成を実現でき、第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８との合わせ面のシール性を向上することができる。燃焼室Ａ～Ｄから内周側へのガスの漏れ量を低減できることにより、エンジン２の燃焼効率を向上することができる。

合せ面シール４０が径方向外側へ移動して外傾斜面４０Ｓ５が環状溝２８Ｇの外傾斜面２８Ｓ２に接触し、かつシール面４０Ｓ４が第１ピストン部材２４に接触した状態で、合せ面シール４０の外周面４０Ｓ１と環状溝２８Ｇの外周壁面２８Ｓ１との間に隙間が確保されている。外傾斜面２８Ｓ２に沿った合せ面シール４０の移動が外周壁面２８Ｓ１によって妨げられない構成とされている。したがって、合せ面シール４０が第１ピストン部材２４に接触するまで、確実に合せ面シール４０を軸方向に移動させることができる。

相対回転移動する第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８との両方に合せ面シール４０を接触させるために、バネなどの他の部材を追加する必要がない。合せ面シール４０単体で、第１ピストン部材２４との接触面と、第２ピストン部材２８との接触面との２箇所のシールを実現できるので、部品点数を削減でき、構成を簡略化することができる。加えて、バネを配置するために確保される中空空間がガスの漏洩する経路となることを回避できる。合せ面シール４０と環状溝２８Ｇとの間に、寸法ばらつきを吸収するための最小限の隙間のみが形成されることになるので、ガスの漏洩する経路となり得る中空空間の容積が低減され、したがってガスの漏れ量を低減することができる。

合せ面シール４０が内周側の表面に内傾斜面４０Ｓ６を有し、環状溝２８Ｇが内周側の壁面に内傾斜面２８Ｓ４を有している。これにより、燃焼室Ａ～Ｄ内のガスの圧力によって合せ面シール４０が径方向内側へ移動した場合でも、内傾斜面４０Ｓ６から内傾斜面２８Ｓ４に作用する力が合せ面シール４０を第１ピストン部材２４に近づく向きへと移動させる。したがって、合せ面シール４０を第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８との両方に確実に密着させることができる。

合せ面シール４０が外周側の表面に外傾斜面４０Ｓ５を有し、環状溝２８Ｇが外周側の壁面に外傾斜面２８Ｓ２を有している。これにより、第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８の回転によって発生する遠心力で合せ面シール４０が径方向外側へ移動した場合に、外傾斜面４０Ｓ５から外傾斜面２８Ｓ２に作用する力が合せ面シール４０を第１ピストン部材２４に近づく向きへと移動させる。したがって、合せ面シール４０を第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８との両方に確実に密着させることができる。

合せ面シール４０の表面と環状溝２８Ｇの壁面との両方を傾斜面とすることで、合せ面シール４０の周辺に形成される隙間の寸法を低減でき、シール性をさらに向上することができる。

合せ面シール４０の表面の内周側と外周側との両方に傾斜面を形成し、環状溝２８Ｇの壁面の内周側と外周側との両方に傾斜面を形成する構成とすれば、合せ面シール４０の自己張力、ならびに合せ面シール４０に作用するガスの圧力および遠心力が、合せ面シール４０を径方向の内側と外側とのいずれの方向に移動させるように作用しても、シール性を確実に確保することができる。

合せ面シール４０が接触する第１ピストン部材２４の表面が環状平面であることにより、合せ面シール４０の周辺に形成される隙間の寸法を低減でき、シール性をさらに向上することができる。

［第二実施形態］
図５に示す第一実施形態では、合せ面シール４０の傾斜面が軸方向および径方向に対して傾斜する角度と、環状溝２８Ｇの傾斜面が軸方向および径方向に対して傾斜する角度とが等しい例について説明した。この例に限られず、合せ面シール４０の傾斜面の傾斜の角度と、環状溝２８Ｇの傾斜面の傾斜の角度とが、互いに異なっていてもよい。

図６は、第二実施形態の合せ面シール４０とその周辺とを拡大して示す断面図である。第二実施形態では、合せ面シール４０の外傾斜面４０Ｓ５および内傾斜面４０Ｓ６は、環状溝２８Ｇの外傾斜面２８Ｓ２および内傾斜面２８Ｓ４と、異なる角度で傾斜している。合せ面シール４０は、外傾斜面４０Ｓ５が環状溝２８Ｇの外傾斜面２８Ｓ２に面接触するのではなく、外周面４０Ｓ１と外傾斜面４０Ｓ５との境界をなす第一辺４０Ｅ１が環状溝２８Ｇの外傾斜面２８Ｓ２に接触するように、構成されている。

このようにすれば、第一辺４０Ｅ１において合せ面シール４０と第２ピストン部材２８との接触を確保でき、また第一実施形態と同様に合せ面シール４０のシール面４０Ｓ４と第１ピストン部材２４との接触を確保できる。したがって、合せ面シール４０を第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８との両方に密着させる構成を実現することができる。合せ面シール４０の表面のうち第２ピストン部材２８に接触する位置を第一辺４０Ｅ１と規定できるので、合せ面シール４０を第２ピストン部材２８に確実に接触させる品質管理を容易に行なうことができる。

［第三実施形態］
図７は、第三実施形態の合せ面シール４０とその周辺とを拡大して示す断面図である。第三実施形態においても、合せ面シール４０の外傾斜面４０Ｓ５および内傾斜面４０Ｓ６は、環状溝２８Ｇの外傾斜面２８Ｓ２および内傾斜面２８Ｓ４と、異なる角度で傾斜している。合せ面シール４０は、外傾斜面４０Ｓ５と対向面４０Ｓ３との境界をなす第二辺４０Ｅ２が環状溝２８Ｇの外傾斜面２８Ｓ２に接触するように、構成されている。

このようにすれば、第二辺４０Ｅ２において合せ面シール４０と第２ピストン部材２８との接触を確保でき、また第一実施形態と同様に合せ面シール４０のシール面４０Ｓ４と第１ピストン部材２４との接触を確保できる。したがって、合せ面シール４０を第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８との両方に密着させる構成を実現することができる。合せ面シール４０の表面のうち第２ピストン部材２８に接触する位置を第二辺４０Ｅ２と規定できるので、合せ面シール４０を第２ピストン部材２８に確実に接触させる品質管理を容易に行なうことができる。

［第四実施形態］
これまでの実施形態の説明では、合せ面シール４０の表面と環状溝２８Ｇの壁面との両方が傾斜面を有する例について説明した。この例に限られず、合せ面シール４０の表面と環状溝２８Ｇの壁面とのいずれか一方のみが傾斜面を有していてもよい。

図８は、第四実施形態の合せ面シール４０とその周辺とを拡大して示す断面図である。図８に示される合せ面シール４０は、矩形状の断面形状を有している。合せ面シール４０は、外周面４０Ｓ１、内周面４０Ｓ２、対向面４０Ｓ３およびシール面４０Ｓ４を有しているが、傾斜面を有しない。環状溝２８Ｇの壁面は、第一実施形態と同じ形状を有している。合せ面シール４０は、外周面４０Ｓ１と対向面４０Ｓ３との境界をなす第一辺４０Ｅ１が環状溝２８Ｇの外傾斜面２８Ｓ２に接触するように、構成されている。

このような構成としても、第一辺４０Ｅ１において合せ面シール４０と第２ピストン部材２８との接触を確保でき、また第一実施形態と同様に合せ面シール４０のシール面４０Ｓ４と第１ピストン部材２４との接触を確保できる。したがって、合せ面シール４０を第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８との両方に密着させる構成を実現することができる。

第２ピストン部材２８の環状溝２８Ｇに傾斜面を設け、合せ面シール４０を断面矩形状に形成することで、合せ面シール４０の形状を単純化することができる。したがって第四実施形態の合せ面シール４０は、製造が容易である。

［第五実施形態］
図９は、第五実施形態の合せ面シール４０とその周辺とを拡大して示す断面図である。図９に示される合せ面シール４０は、第一実施形態と同じ形状を有している。一方、環状溝２８Ｇの壁面は、外傾斜面２８Ｓ２に替えて、径方向に延びるスラスト面２８Ｓ２１と、軸方向に延びるラジアル面２８Ｓ２２とを有している。内傾斜面２８Ｓ４に替えて、径方向に延びるスラスト面２８Ｓ４１と、軸方向にのびるラジアル面２８Ｓ４２とを有している。

合せ面シール４０の外傾斜面４０Ｓ５は、スラスト面２８Ｓ２１とラジアル面２８Ｓ２２との境界をなす第一辺２８Ｅ１に接触している。合せ面シール４０の内傾斜面４０Ｓ６は、スラスト面２８Ｓ４１とラジアル面２８Ｓ４２との境界をなす第二辺２８Ｅ２と、隙間を空けて向き合っている。

このような構成としても、外傾斜面４０Ｓ５と第一辺２８Ｅ１との接触によって合せ面シール４０と第２ピストン部材２８との接触を確保でき、また第一実施形態と同様に合せ面シール４０のシール面４０Ｓ４と第１ピストン部材２４との接触を確保できる。したがって、合せ面シール４０を第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８との両方に密着させる構成を実現することができる。

なお、これまでの説明においては、合せ面シール４０が拡径方向に作用する自己張力を有している例について説明した。この例に限られず、合せ面シール４０は、縮径方向に作用する自己張力を有していてもよい。合口部を有する合せ面シール４０を環状溝２８Ｇ内に収容する際に、合口部を広げて合せ面シール４０の径を拡大させた状態にする。これにより、合せ面シール４０には、径方向内側への付勢力が作用する。この付勢力が、縮径方向の自己張力として合せ面シール４０に付与される。

合せ面シール４０は、縮径方向の自己張力の作用によって、環状溝２８Ｇ内で径方向内側へと動く。この場合においては、自己張力の作用する方向である合せ面シール４０の内周側の表面と、環状溝２８Ｇの内周側の壁面とのいずれか一方または両方が、傾斜面を有する構成とする。たとえば、図５に示される、合せ面シール４０が内傾斜面４０Ｓ６を有するとともに環状溝２８Ｇが内傾斜面２８Ｓ４を有する構成とし、合せ面シール４０の内傾斜面４０Ｓ６が環状溝２８Ｇの内傾斜面２８Ｓ４に接触するようにする。このようにすれば、上述した実施形態と同様に、合せ面シール４０を第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８との両方に密着させる構成を実現することができる。

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、２４第１ピストン部材、２４ａ第１回転体、２４ｂ第１壁面部材、２４ｃ，２８ｃ斜面部分、２８第２ピストン部材、２８Ｅ１，４０Ｅ１第一辺、２８Ｅ２，４０Ｅ２第二辺、２８Ｇ環状溝、２８Ｓ１外周壁面、２８Ｓ２，４０Ｓ５外傾斜面、２８Ｓ２１，２８Ｓ４１スラスト面、２８Ｓ２２，２８Ｓ４２ラジアル面、２８Ｓ３底面、２８Ｓ４，４０Ｓ６内傾斜面、２８Ｓ５内周壁面、２８ａ第２回転体、２８ｂ第２壁面部材、４０合せ面シール、４０Ｓ１外周面、４０Ｓ２内周面、４０Ｓ３対向面、４０Ｓ４シール面、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ燃焼室。

Claims

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２ピストン部材は、前記燃焼室の径方向内側に、前記第１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環状のシール部材を備え、
前記シール部材は、拡径方向と縮径方向とのいずれか一方の方向に作用する自己張力を有し、
前記対向面には、前記第１ピストン部材に向かって開口する環状の溝が形成されており、
前記シール部材は、前記溝内に一部が収容されて自己張力により前記溝の壁面に接触するように構成されており、
前記シール部材は、六角形状の断面形状を有し、
前記シール部材の表面は、前記第１ピストン部材および前記第２ピストン部材の回転の軸方向に延びる外周面および内周面と、前記第１ピストン部材および前記第２ピストン部材の回転の径方向に延びる対向面およびシール面と、前記軸方向および前記径方向に対して傾斜し前記シール部材の表面の内周側の面に形成され前記内周面と前記対向面とをつなぐ内傾斜面と、前記軸方向および前記径方向に対して傾斜し前記シール部材の表面の外周側の面に形成され前記外周面と前記対向面とをつなぐ外傾斜面とを有し、
前記内傾斜面と前記外傾斜面とのいずれか一方の面は、前記シール部材の自己張力の作用する方向に向かうにつれて前記第１ピストン部材に近づくように延び、前記内傾斜面と前記外傾斜面とのいずれか他方の面は、前記シール部材の自己張力の作用する方向とは反対方向に向かうにつれて前記第１ピストン部材に近づくように延び、
前記一方の面から前記軸方向の力を受けることで前記シール部材は前記第１ピストン部材に接触する、内燃機関のシール構造。
前記溝の壁面は、前記軸方向および前記径方向に対して傾斜し前記シール部材の前記内傾斜面と向き合う内側溝傾斜面と、前記軸方向および前記径方向に対して傾斜し前記シール部材の前記外傾斜面と向き合う外側溝傾斜面とを有する、請求項１に記載のシール構造。
前記シール部材の表面の傾斜の角度と、前記溝の壁面の傾斜の角度とが異なっている、請求項２に記載のシール構造。
前記第１ピストン部材は、前記軸方向に直交する環状平面を有し、
前記シール部材の前記シール面は、前記環状平面に接触する、請求項１～３のいずれか１項に記載のシール構造。