JPS6118670B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は自動車用エンジンなどの多くの熱機関
（以下、単に「エンジン」とも称する）や圧縮機
などの主要部分をなす往復ピストンに関する。

従来公知のピストンは一般に第１ピストンリン
グの上側に位置する少なくとも１つの上部ビード
を有し、該ビードの側面あるいは周囲は平滑であ
るかまたは一般にはピストンの滑動運動を容易な
らしめる潤滑油を保持するために多少深い溝が切
つてある。これらのピストンにおいてはもしリン
グがあれば（圧縮機のピストンにはリングのない
ものがある）エンジンのリツター当りの出力の上
昇に伴なつて第１リングの位置での摩耗が増大す
ることがしばしば言及されている。この結果、現
代技術の発展にもかかわらず。大量生産自動車は
使用燃料の潜在出力の15〜20％だけを利用するよ
うな信頼性の高いエンジンを搭載している。レー
ス用自動車のエンジンの場合は最大で燃料出力の
35％を利用できる。このような実情は明らかにエ
ンジンの全体摩擦の半分にも相当する大きなピス
トン摩擦のためであり、この摩擦がまさに出力増
大における大きな障害となつている。

この望ましからざる大きな摩擦は、駆動流体が
ピストンの各リングに圧力を作用せしめてこの圧
力がリングをシリンダ内壁に非常に強く押圧させ
るという駆動流体の否定的作用によるものであ
る。

本発明の目的は、特に第１ピストンリングに作
用する駆動流体の交番の圧縮および減圧作用をか
なり低減せしめてこのリングのエンジン内壁との
摩擦を必然的に減少させるような非常に構造の簡
単なピストンを提供することによつて前述のよう
な欠点を除去することにある。

本発明はこの目的を達成するために、第１ピス
トンリングの上側に位置する少なくとも１つの上
部ビードを有し、該ビードの周囲に突出部および
溝部がピストンの長手方向軸線に沿つて交互に形
成された構造の特に熱機関や圧縮機用の往復ピス
トンにおいて、第一の特徴として、前記ビード周
囲の突出部のならし運転前の初期直径を該上部ビ
ード周囲とシリンダ間の冷間時の初期直径クリア
ランスが通常の上部ビードとシリンダ間に一般に
設定されるクリアランスの半分にほぼ等しくなる
ように設定し、ならし運転中に上部ビードの突出
部がシリンダ内壁に押圧されて緊縮して前記溝部
内に圧縮収容されるようにしたものである。

すなわち、シリンダ内でのピストンのならし運
転期間中は、最大膨張時にシリンダ内壁に押圧さ
れる上部ビードの周囲が緊縮し、溝部が突出部の
圧縮を収容すると共に溝部に保持された駆動流体
（燃料，ガス，潤滑油）でもつて突出部を潤滑す
る。

更に、本発明によるピストンの上部ビード周囲
は従来通常のピストンの上部部ビードの場合より
もシリンダ内壁に近接しているので、上部ビード
とシリンダ間の圧縮流体のグツシヨンの形成が促
進され、このクツシヨンがピストンの振動または
釣合い運動を非常に有効に制限することになる。
従つてピストンのスカートトツプはシリンダにほ
とんど押圧されず、従来のピストンにおいては特
にならし運転期間中にこの位置で頻繁に発生して
いた焼付き（膠着）の危険は解消される。ピスト
ンの振動の制限は同時にまた振動の結果生ずる騒
音を低減せしめる。ビードとシリンダとの接近は
またピストンヘツドの冷却を有効に増幅する一
方、第１ピストンリングより上側におけるピスト
ンとシリンダ間の駆動流体通路を狭くする。この
ため駆動流体はリング外周とシリンダ内壁間へあ
まり侵入しなくなり、リング，ピストンおよびシ
リンダ間の作用的クリアランスを通つて循環する
量はかなり少くなる。この結果特に、オイルケー
シング内への駆動流体の侵入の減少と同時に、特
に第１リングの後側における駆動流体の平均圧力
が低減し、これにより第１リングはシリンダ内壁
を小さな摩擦だけで滑動するのでピストンの制動
作用が小さくなる。従つてコネクチングロツド組
立体は新しい流体の吸入および圧縮行程ならびに
燃焼流体の排出行程では小さな応力を受け、一
方、燃焼にもとずく駆動行程では小さな抑止力を
受けるにすぎない。

また、爆発機関の場合は爆発行程において、加
速されたピストン運動ならびに第１リングの後側
の作用クリアランスのゆつくりした充填によつて
爆発時の流体の特にバルブへのはねかえり（衝撃
波）が弱められ、このために特に低速運転状態に
おけるバルブの無秩序な離脱が低減される。この
ようにしてバルブのノツキングならびにその結果
生ずる出力損失が少なくなる。

更に、第１ピストンリングの制動を伴なわない
滑動運動はエンジンのフレキシビリテイを保証し
て最終段歯車までの伝達機構に利をもたらすと共
に、手動操作車輌を非常に使用し易すくする。

本発明のもう一つの特徴として、ピストンはそ
れの第１ビードの周囲にて開放した少くとも１つ
の空所を有しており、該空所内に少なくとも１つ
の可動片を収納し、該可動片８がピストンの運動
にもとづいて該空所内を動き、他の不利益を伴う
ことなしにカラミン（異極鉱）の多量の堆積を防
止するようになつている。可動片の運動はまたベ
ンチレーシヨンをもたらし、該可動片周辺の冷却
効果が得られる。

ピストンの第１ビードに形成した空所は等温に
おいて一定体積の空間を維持可能とする。第１ビ
ード周辺の加圧された、または加圧されていない
駆動流体がこの一定体積空間に対し出入り可能で
ある。この結果、駆動流体は該空間内へ転向され
ることにより、第１リングに向かう、または第１
リングからの方向において減速された運動をす
る。この空間は第１リングにおける保護の要求の
程度に応じて大きくまたは小さくする。

本発明による熱機関よび他の往復ピストン機関
用のピストンは出力、燃費、フレキシビリテイ、
騒音、汚染および信頼性の点で非常な改善をもた
らすものである。

以下、本発明につき添付図面を参照し実施例に
もとずいて詳細に説明する。

第１図および第２図は本発明によるピストン１
を長いならし運転期間後の平均運転温度の状態で
部分的に示している。このピストンは圧縮工程の
終りの上死点から１cmの位置にある。ピストンは
それの第１または上部のビード３の部分だけを示
してあり、部分的に示したシリンダ２の内側を往
復運動する。第１上部ビード３の下側にピストン
の第１リング４を部分的に示してある。このリン
グは横断方向の環状溝５内に収納されている。本
発明によればピストン１の第１ビード３の周囲に
突出部６及び溝部７がピストン長手方向軸線に沿
つて交互に形成されている。突出部６は断面が台
形の細条からなり、溝部７は断面が三角形の溝か
らなる。カルミンは普通これらの溝内に堆積する
（図に点線で示す）。突出部６および溝部７は第１
ビード３の周囲に普通の溝切り加工をすることに
よつて成形することができる。

往復ピストンにおいてはビードはシリンダ内壁
と接触しないような寸法を有するが、本発明によ
るピストン１はならし運転前の上部ビード３の周
囲の冷間時における初期直径をピストンの上部ビ
ード３とシリンダとの間の直径クリアランスが従
来通常のピストンの場合に一致に設定されるクリ
アランスの半分にほぼ等しくなるように選んであ
る。第２図には冷間時のビード３の周囲の断面を
実線で示し、ビードの最大膨張状態の断面を破線
で示してある。第２図にはまたビード３の周囲の
ならし運転前の初期断面を破線で示してある。

第２図に示したビード３の周囲は第１ピストン
ビードの周囲であり、これは主にならし転期期間
中の第１ビードの複合膨張の間に特に歯の頂部６
ａが駆動流体によつてシリンダ２の内壁に押圧さ
れることによつて個別的に変形する。この結果、
台形の歯またはリブ６の頂部６ａとシリンダ２の
内壁間のクリアランス“ｅ”は平均運転温度にお
いて通常ピストンの第１ビードとシリンダ間の同
条件における通常のクリアランスの約1/3とな
る。例えば４サイクルエンジンに搭載される直径
75mmの往復ピストンの場合、本発明によるピスト
ンの第１の自己適合ビードの直径は通常ピストン
に比べて平均で0.2mmだけ大きい。すなわち、こ
の自己適合ビードの直径クリアランス“2e”は冷
間時の0.3mmとビードの最大膨張状態の０との間
にある。

２サイクルエンジンの場合は、以上に示した数
値を一般に２で割るがデイーゼルエンジンについ
ては同数値である。特に圧縮機などの他の機関用
の往復ピストンについては、自己適合ビード３の
冷間時の最大クリアランスはまた主にこれらの最
大膨張の関数である。（好ましくはならし運転時
のエンジンにおける）従来のピストンのビード３
とシリンダとの冷間時のクリアランスを知り且つ
ビードまたはシリンダ頂部におけるカルミンの堆
積量を予測できれば、第１自己適合ビードの初期
直径寸法を設定するのは容易である。実際にはこ
の寸法は対応する従来ピストンの第１ビードの直
径寸法に百分の数mmを加えて得られ、また前述し
たカルミン堆積の直径厚さだけ大きくする。新ら
しいビードはその周囲に空所を形成して緊縮の可
能性を持たせれば足りる。この空所が駆動流体
（燃料，ガス，潤滑剤）を収容することができる
と共に、主に機関の最高温度上昇時にシリンダに
押圧された（空所の周囲の）突出部の圧縮分が駆
動流体で潤滑されて（すなわち焼き付くことな
く）この空所内へ収容されるようになつている。
すなわち、本発明によるピストンはそれの第１リ
ング４の上側のピストン周囲とシリンダ内壁との
間の通路を提供する。この通路の小さな最大幅は
所望のならし運転速度にしたがい、多少大きな突
出部６の展性、抵抗等の関数として多少は迅速に
実現される。

図示のピストンの場合は冷間時の突出部６の頂
部６ａ間の周囲直径が問題であり、これはエンジ
ンの最大調整の後は冷間時の直径よりも0.05mmだ
け大きくなる。初期周囲は台形突出部６の頂部幅
ａが約0.3mmおよび溝部７の深さｂが約0.4mmとな
るような簡単な加工によつて得られた。従つて特
にかかる周囲のかなりの展性を考慮すると、その
位置決めは機関の最初の回転から開始して継続
し、すぐにそして段々にエンジンに出力、燃費、
フレキシビリテイ、汚染および信頼性の点で多く
の改善をもたらす。これらの有益な効果は主に突
出部６の頂部６ａとシリンダ２の内壁との間の通
路の幅ｅが狭いことによるものであると伝える。

つまりこの幅の狭い通路はリング４における駆
動流体の運動を相当に減速せしめ、従つて特にシ
リンダ２と接触しているリング４より上側の部分
において流通、圧縮あるいは減圧され、リングの
後側へ回り込む駆動流体の量を制限する。換言す
れば、リング４によつて生じる否定的現象はあま
り増幅されない。すなわちリング４はピストン１
およびシリンダ２との同時接触によつてシールの
役目をする点で有利であり、その摩擦の点で有害
である。実際にはエンジン摩擦の半分がシリンダ
とピストン間で発生することおよび摩擦は負荷と
共に増大し且つ運転速度の平方（自乗）に比例す
ることは周知である。

これに対して本発明によるピストンの利点はす
なわち、第１リングの摩擦を、それのシール性を
低減させることなしに、運転速度の上昇に伴つて
比例的にかなり低減させることができることであ
る。これはピストンとシリンダ間の通路の幅ｅが
負荷および運転速度上昇に直接依存するビード３
の周囲の最大膨張の関数として０（ゼロ）にまで
低減することによる。

更に、従来ピストンと比較して小さなピストン
とシリンダ間の通路の幅ｅはピストンのそれの軸
線まわりの振動と、主に駆動流体の爆発およびコ
ネクチングロツド組立体の衝撃変化に続いて起る
他の釣合い運動とを制限する。本発明によるピス
トンの周囲とシリンダ２の内壁との接近はまた両
者間に駆動流体からなるクツシヨンを生じせし
め、その圧力は両者の接近の程度に比例する。す
なわち前述した爆発および衝撃変化の際にシリン
ダに押圧されるピストンスカート頂部の応力は、
主に従来のピストンスカート頂部においてはなお
非常に頻繁に焼付きの危険のあるならし運転期間
中に最大限まで低減される。同様に一般に前述し
たような異常事態による運転騒音も小さくなる。

本発明のもう一つの特徴として、リング４の上
側の第１ビード３の周囲に減圧室または空所９が
形成してあり、この減圧室内に可動片８をピスト
ンの運動によつて自由に動けるように収納してあ
る減圧室９は横断方向の環状溝からなり、可動片
８はシムまたは弾性スクレーパのフラツト部分に
類似する割リングである。第１図では割リング８
は溝９の底面ならびに上面に当接した状態で示し
てある。符号１０はピストン１の第１ビード３と
リング８間の作用クリアランスを示す。

減圧室９は第１リング４へ至るまたはそれから
の方向における駆動流体路上に位置していて、第
１ビードにおける駆動流体の否定的作用を更に制
限する役目をする。リング８の往復運動によつて
他の特性の悪化を伴うことなしに減圧室９内のカ
ルミンの堆積が防止されることにより、減圧室の
体積が恒久的に不変となる。溝９の底面に当接し
たリング８の溝上面および溝下面間における往復
運動はピストンの運動と駆動流体の運動との結合
によつて生ずる。もちろん、ピストンとシリンダ
間のクリアランスｅの頻繁な変動に加えて更にエ
ンジン運転中は溝９の自由時間が調整器の役目を
なし、それの効能はエンジンの始動時、低温作動
時および全ての負荷変動時点において第１リング
に有利に作用する。なお、リング８の往復運動に
より小さくはあるがベンチレーシヨン作用が生じ
てリング周辺の冷却効果が得られる。

要するに新らしいピストンビード周囲とシリン
ダとを単純に接近させるだけでも相当な改善が得
られ、更にこれに適当な減圧室が組合わされるこ
とによつて上述した利点のいくつかは一層大きく
なり、最低負荷および最高負荷のいずれの状態な
らびに最低速度および最高速度のいずれにおいて
も作動の良好な精巧なエンジンが実現可能である
ことがわかる。

前述したような突出部６および溝部７からなる
ビード３の変形周囲は機械加工によつて成形可能
である。例えばフライス加工によつて円形溝を形
成し、通常の旋盤で所定寸法に仕上げる。このピ
ストンビード周囲はまた特に補強の点からその全
体あるいは一部を単層または多層のコーテイング
（電解物等）で構成するかまたはピストン鋳造時
に１つまたは複数の付加片をはめ込むか組み込ん
で構成することができる。

ビードの周囲はその全体または一部をクロムメ
ツキまたはユニツケルメツキまたは他の保護被膜
で保護し、特に精巧なエンジンにおける駆動流体
の腐食作用あるいはビード周囲のシリンダとの間
歇接触による摩耗を低減させることができる。

本発明によるピストンは製造工程およびコスト
価格が通常ピストンのそれと同様であるから工業
化が容易である。特に本発明のピストンは通常ピ
ストンの在庫品から所望部分をフライス加工し、
そして必要且つ可能ならば減圧室を旋盤加工して
作ることができる。

最後に、本発明によつて得られた全部の利点を
通じ、出力増大によつて気化器、フイルタおよび
他の触媒など熱機関の汚染対策に必要な出力消耗
機器の適用が簡便となる。更に本発明によれば他
の改造をしなくても現在の汚染排除調整機能が時
には向上し、しかも特に一層の安定が得られる。
これはかかる調整機能に影響を及ぼす或る要素の
最良の作用および良好な条件が本発明によつて保
証され且つ十分に発揮されるからである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるピストンをシリンダ内で
往復運動している状態で示す部分縦断面図、第２
図は第１図のピストンの周囲の一部を拡大して示
す縦断面図である。 図において、１はピストン、２はシリンダ、３
は第１ビードまたは上部ビード、４は第１リン
グ、５は環状溝、６は突出部、６ａは頂部、７は
溝部、８は可動片またはリング、９は減圧室また
は空所、１０は作用クリアランス、をそれぞれ示
す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１ピストンリング４の上側に位置する少な
   くとも１つの上部ビード３を有し、該ビードの周
   囲に突出部６および溝部７がピストンの長手方向
   溝線に沿つて交互に形成された構造の特に熱機関
   や圧縮機用の往復ピストンにおいて、 前記ビード周囲の突出部のならし運転前の初期
   直径を該上部ビード周囲とシリンダ２間の冷間時
   の初期直径クリアランスが通常の上部ビードとシ
   リンダ間に一般に設定されるクリアランスの半分
   にほぼ等しくなるように設定し、ならし運転中に
   上部ビードの突出部６がシリンダ内壁に押圧され
   て緊縮して前記溝部７内に圧縮収容されるように
   したこと、および ピストンの上部ビード３周囲に少なくとも１つ
   の開放した空所９を形成し、該空所内に少なくと
   も１つの可動片８を収納し、ピストンの運動にも
   とずいて該可動片が空所内を動くようにしたこ
   と、 を特徴とする往復ピストン。