JPWO2005078266A1 - 往復動エンジン - Google Patents

Abstract

エンジン（１）は、シリンダ（２）内を往復動するピストン（３）と、ピストン（３）に設けられたピストンリング（５、６）と、ピストンリング（５、６）間における環状空間（１１）をスラスト側（１２）の半環状空間（１３）及び反スラスト側（１４）の半環状空間（１５）に区画するようにピストン（３）の円周方向に移動自在であってシリンダ（２）の内面（３１）に接近自在に、ピストン（３）の窪み（１６）に収容されている区画部材（１８）と、スラスト側（１２）の半環状空間（１３）をガス燃焼室（２０）に連通させる連通手段（２１）とを具備している。

Description

本発明は、自動車等に用いる往復動エンジンに関する。

この種の往復動エンジンとしては、例えば、ピストンに設けられた第一及び第二のリング溝と、第一及び第二のリング溝に嵌着された第一のピストンリング（トップリング）及び第二のピストンリング（セカンドリング）と、第一のピストンリングと第二のピストンリングとシリンダの内面（側壁内面）とに囲まれてなる環状空間をガスが導かれるスラスト側の半環状空間と反スラスト側の半環状空間とに区画（画成）するように組込まれた区画部材（画成部材）とを具備しており、ピストン作用行程時に、スラスト側の半環状空間に導かれるガスの圧力（ガス圧）によりピストンに作用するスラスト側に向かう側圧に抗してピストンを支持して、ピストンとシリンダとの摺動摩擦抵抗の低減を図るようになっている往復動エンジンが特開平５−２６１０６号公報において提案されている。
ところで、斯かる往復動エンジンにおいては、区画部材による環状空間の区画は、ガス圧が導入されるスラスト側の半環状空間から反スラスト側の半環状空間へガス漏れが生じないように気密にしなければならない。
斯かる往復動エンジンに適用可能な区画部材の組込み構造としては、例えば、第一のピストンリング（トップリング）から第二のピストンリング（セカンドリング）までピストンの往復動方向に伸びた断面コ字状のコ字状溝を設け、このコ字状溝に板状の仕切りピースをシリンダの内面に向かって直線的に出入自在に収め、この仕切りピースの背面にスプリングを装置し、このスプリングによって仕切りピースを背面から弾性押圧することにより仕切りピースの頂面とシリンダの内面との気密の確保を図る区画部材の組込み構造が考えられる。
しかし、このような区画部材の組込み構造を有した往復動エンジンでは、往復動エンジンの運転中に、スラスト側の半環状空間にガスが導入された場合に、仕切りピースがコ字状溝の反スラスト側の片側面へ押付けられたり、また、斯かる押付け等に基づいて区画部材が傾けられたりする結果、仕切りピースとコ字状溝の壁面との摩擦抵抗が生じてしまい、仕切リピースのシリンダの内面に対する押圧が弱まる虞があり、而して、仕切りピースの頂面とシリンダの内面との気密が不完全となる虞がある。
更に、斯かる区画部材の組込み構造を有した往復動エンジンにおいては、コ字状溝の壁面と仕切りピースとの間隙には、燃焼生成物が付着し得、燃焼生成物が付着した場合には、仕切りピースが膠着して動き難くなる虞があり前記気密を確保することが困難である。
更にまた、斯かる区画部材の組込み構造を有した往復動エンジンでは、高温によるスプリングのヘタリ（劣化）等により仕切りピースの動きが悪くなり得て、前記気密は更に不完全となり易くなる虞がある。
従って、上述のような往復動エンジンでは、スラスト側の半環状空間から反スラスト側の半環状空間へのガス漏れを防ぎ難く、スラスト側の半環状空間におけるガス圧を十分に確保することが困難である。また、斯かる往復動エンジンでは、ピストンの作用行程中であってピストンがスラスト側に向かう側圧を受けたときに、当該側圧に抗してピストンをガス圧により支持（ガス圧支持）し難く、ピストンとシリンダとの摩擦抵抗の減少を図ることが困難である。
また、斯かる往復動エンジンでは、例えば第二のピストンリングが第二のリング溝に嵌着されているだけであるために、スラスト側に導入されたガスが第二のリング溝における底面とこれに対応する第二のピストンリングの内周面との隙間をつたって反スラスト側に漏洩する虞がある。
本発明は、前記諸点に鑑みてなされてものであり、その目的とするところは、区画部材による区画を簡単な構成で気密に行い得て、区画部材とシリンダの内面との隙間におけるガス漏れを低減させることができる往復動エンジンを提供することにある。また、本発明の他の目的とするところは、リング溝における底面とピストンリングとの隙間をつたうガスの漏洩を防ぎ得る往復動エンジンを提供することにある。

本発明の第一の態様の往復動エンジンは、シリンダ内を往復動するピストンと、ピストンに設けられた第一及び第二のピストンリングと、第一及び第二のピストンリング間における環状空間をスラスト側の半環状空間及び反スラスト側の半環状空間に区画するようにピストンの円周方向に移動自在であってシリンダの内面に接近自在に、ピストンの第一及び第二のピストンリング間における窪みに収容されていると共に第一及び第二のピストンリング間に配された区画部材と、スラスト側の半環状空間をガス燃焼室に連通させる連通手段とを具備しており、連通手段によりガス燃焼室からスラスト側の半環状空間に導入されたガスに基づいて、区画部材をピストンの円周方向に移動させると共にシリンダの内面に接近させてピストンの窪み面とシリンダの内面とに接触させることにより、スラスト側の半環状空間を反スラスト側の半環状空間に対して閉じるようになっている。
第一の態様の往復動エンジンによれば、特に、スラスト側の半環状空間に導入されたガスに基づいて、区画部材をピストンの円周方向に移動させると共にシリンダの内面に接近させるようになっているために、区画部材をピストンの窪み面及びシリンダの内面に気密に接触させることができ、而して、区画部材による区画を簡単な構成で気密に行い得て、区画部材とシリンダの内面との隙間を介するガス漏れを低減させることができる。
本発明の第二の態様の往復動エンジンでは、第一の態様の往復動エンジンにおいて、窪み面は、連通手段によりガス燃焼室からスラスト側の半環状空間に導入されたガスに基づいて区画部材が移動される場合には、区画部材をシリンダの内面に向かわせるように案内する案内面を有している。
本発明の第三の態様の往復動エンジンでは、第二の態様の往復動エンジンにおいて、区画部材は、案内面とシリンダの内面とに接触して環状空間を区画するようになっている。
本発明の第四の態様の往復動エンジンでは、第二又は第三の態様の往復動エンジンにおいて、窪み面は、案内面よりもスラスト側で区画部材に当接する当接面を有している。
本発明の第五の態様の往復動エンジンでは、第四の態様の往復動エンジンにおいて、案内面及び当接面は、互いに協働して断面略Ｖ状のＶ面を構成している。
本発明の第六の態様の往復動エンジンでは、第四の態様の往復動エンジンにおいて、案内面及び当接面は、互いに協働してシリンダの内面に対して凹となっている凹面を構成している。
本発明の第七の態様の往復動エンジンでは、第一から第六のいずれかの態様の往復動エンジンにおいて、ピストンピンの軸方向において互いに対向している一対の区画部材を具備している。
本発明の第八の態様の往復動エンジンでは、第一から第七のいずれかの態様の往復動エンジンにおいて、窪み面は、直線面を有している。
本発明の第九の態様の往復動エンジンでは、第一から第七のいずれかの態様の往復動エンジンにおいて、窪み面は、平坦面を有している。
本発明の第十の態様の往復動エンジンでは、第一から第七のいずれかの態様の往復動エンジンにおいて、窪み面は、円弧面を有している。
本発明の第十一の態様の往復動エンジンでは、第一から第七のいずれかの態様の往復動エンジンにおいて、窪み面は、曲面を有している。
本発明の第十二の態様の往復動エンジンでは、第十一の態様の往復動エンジンにおいて、窪み面は、凹曲面又は凸曲面を有している。
本発明の第十三の態様の往復動エンジンでは、第一から第十二のいずれかの態様の往復動エンジンにおいて、区画部材は、そのスラスト側の面からガス圧を受けることによりシリンダの内面に向かう移動力を生じるようになっている。
本発明の第十四の態様の往復動エンジンでは、第一から第十三のいずれかの態様の往復動エンジンにおいて、区画部材は、窪み面に転がり接触するようになっている。
本発明の第十五の態様の往復動エンジンでは、第一から第十三のいずれかの態様の往復動エンジンにおいて、区画部材は、窪み面に滑り接触するようになっている。
本発明の第十六の態様の往復動エンジンでは、第一から第十五のいずれかの態様の往復動エンジンにおいて、区画部材の往復動方向における両端部は、第一及び第二のピストンリングに滑り接触している。
本発明の第十七の態様の往復動エンジンでは、第一から第十六のいずれかの態様の往復動エンジンにおいて、区画部材は、楕円柱状体からなる。
本発明の第十八の態様の往復動エンジンでは、第一から第十六のいずれかの態様の往復動エンジンにおいて、区画部材は、多角形柱状体からなる。
本発明の第十九の態様の往復動エンジンでは、第一から第十六のいずれかの態様の往復動エンジンにおいて、区画部材は、四角柱状体からなる。
本発明の第二十の態様の往復動エンジンでは、第一から第十六のいずれかの態様の往復動エンジンにおいて、区画部材は、三角柱状体からなる。
本発明の第二十一の態様の往復動エンジンでは、第四から第六のいずれかの態様の往復動エンジンにおいて、三角柱状体は、シリンダの内面に対面している第一の面と第一の面に連接していると共に案内面に対面している第二の面とでシリンダの内面及び案内面に接触することにより環状空間を区画するようになっている。
本発明の第二十二の態様の往復動エンジンでは、第二十一の態様の往復動エンジンにおいて、三角柱状体は、第一の面と第一及び第二の面に連接していると共に当接面に対面している第三の面とでシリンダの内面及び当接面に接触することにより環状空間を区画するようになっている。
本発明の第二十三の態様の往復動エンジンでは、第二十から二十二のいずれかの態様の往復動エンジンにおいて、三角柱状体のシリンダの内面に対面する面は、シリンダの内面と同等の曲率又はシリンダの内面よりも小さい曲率を有している。
本発明の第二十四の態様の往復動エンジンでは、第一から第十六のいずれかの態様の往復動エンジンにおいて、区画部材は、円柱状体からなる。
本発明の第二十五の態様の往復動エンジンでは、第二十四の態様の往復動エンジンにおいて、窪み面は、円柱状体の中心からスラスト側の半環状空間におけるガス圧により円柱状体が移動されようとする方向に向かって伸びる線上に位置する円柱状体の円周面の反スラスト側における部位よりもシリンダの内面から離反している円柱状体の円周面の反スラスト側における部位に接触するようになっている。
第二十五の態様の往復動エンジンによれば、上述の構成を具備しているために、円柱状体が窪み面に沿ってシリンダの内面に向かって転動するように当該円柱状体に回転モーメントを生じさせ得、而して、円柱状体による環状空間の区画をより確実に行い得る。尚、第二十四の態様の往復動エンジンにおいては、円柱状体が窪み面に沿って転動すると共に滑動することをも含む。
本発明の第二十六の態様の往復動エンジンでは、第二十四又は第二十五の態様の往復動エンジンにおいて、シリンダの内面に最も近接している円柱状体の近接部及び円柱状体の中心を通る線と窪み面に反スラスト側で接触している円柱状体の円周面の部位に対する接線との交差角は、６０度以下である。
本発明の第二十七の態様の往復動エンジンでは、第二十四から第二十六のいずれかの態様の往復動エンジンにおいて、シリンダの内面に最も近接している円柱状体の近接部及び円柱状体の中心を通る線と窪み面に反スラスト側で接触している円柱状体の円周面の部位に対する接線の交差角は、４５度以下である。
第二十六又は第二十七の態様の往復動エンジンによれば、上述の構成を具備しているために、区画部材のシリンダの内面に対する過度の圧接を防止し得る。
本発明の第二十八の態様の往復動エンジンでは、第二十四又は第二十五の態様の往復動エンジンにおいて、窪み面は、シリンダの内面に最も近接している円柱状体の近接部及び円柱状体の中心を通る線と窪み面の反スラスト側における一の部位に接触する円柱状体の円周面の部位に対する接線との交差角が、シリンダの内面に最も近接している円柱状体の近接部及び円柱状体の中心を通る線と窪み面の前記一の部位よりも更に反スラスト側に位置する他の部位に接触する円柱状体の円周面の部位に対する接線との交差角よりも大きくなるように形成されている。
第二十八の態様の往復動エンジンによれば、上述の構成を具備しているために、例えば、区画部材のシリンダの内面に向かう移動を確実に開始させ得ると共に区画部材のシリンダの内面に対する過度の圧接を防止することができ、区画部材が窪み面とシリンダの内面との間に挟み込まれる虞をなくし得る。
本発明の第二十九の態様の往復動エンジンでは、第二十四から第二十八のいずれかの態様の往復動エンジンにおいて、シリンダの内面に最も近接している円柱状体の近接部及び円柱状体の中心を通る線と窪み面にスラスト側で接触している円柱状体の円周面の部位に対する接線との交差角は、４５度以上である。
本発明の第三十の態様の往復動エンジンでは、第二十四から第二十九のいずれかの態様の往復動エンジンにおいて、シリンダの内面に最も近接している円柱状体の近接部及び円柱状体の中心を通る線と窪み面にスラスト側で接触している円柱状体の円周面の部位に対する接線との交差角は、５０度以上である。
第二十九又は第三十の態様の往復動エンジンによれば、上述の構成を具備しているために、区画部材のシリンダの内面に向かう移動を確実に開始させ得る。
本発明の第三十一の態様の往復動エンジンは、第一から第三十のいずれかの態様の往復動エンジンにおいて、区画部材と窪み面とによって規定される空間が形成される場合には、当該空間とスラスト側の半環状空間とを連通させる連通路を規定する連通路規定面を有している。
第三十一の態様の往復動エンジンによれば、上述の構成を具備しているために、スラスト側の半環状空間におけるガスと区画部材及び窪み面によって規定される空間におけるガスとに基づいて区画部材をシリンダの内面に向かって好適に移動させ得る。
本発明の第三十二の態様の往復動エンジンは、第一から第三十一のいずれかの態様の往復動エンジンにおいて、第二のピストンリングが配されるようにピストンに設けられた第二のリング溝と、第二のリング溝における底面とこれに対応する第二のピストンリングの内周面との隙間を介するスラスト側の半環状空間と反スラスト側の半環状空間との連通を阻止するように第二のリング溝に備えられている阻止部材とを具備している。
本発明の第三十三の態様の往復動エンジンは、シリンダ内を往復動するピストンと、ピストンに設けられた第一及び第二のピストンリングと、第一及び第二のピストンリングが夫々配されるようにピストンに設けられた第一及び第二のリング溝と、第一及び第二のピストンリング間における環状空間をスラスト側の半環状空間及び反スラスト側の半環状空間に区画するように第一及び第二のピストンリング間に配された区画部材と、スラスト側の半環状空間をガス燃焼室に連通させる連通手段と、第二のリング溝における底面とこれに対応する第二のピストンリングの内周面との隙間を介するスラスト側の半環状空間と反スラスト側の半環状空間との連通を阻止するように第二のリング溝に備えられている弾性を有した波状の阻止部材とを具備している。
第三十二又は第三十三の態様の往復動エンジンによれば、上述の構成を具備しているために、阻止部材によってリング溝における底面とピストンリングの内周面との隙間を介するガスの漏洩を防ぎ得る。
本発明の第三十四の態様の往復動エンジンでは、第三十二又は第三十三の態様の往復動エンジンにおいて、阻止部材は、第二のピストンリングの内周面と第二のリング溝における底面とに弾性をもって面接触するようになっている。
尚、上述のような各態様の往復動エンジンは、４サイクルガソリンエンジン又はディーゼルエンジンとして具体化され、いずれのエンジンでも本発明による効果を好適に発揮し得る。
本発明によれば、区画部材による区画を気密に行い得て、区画部材とシリンダの内面との間におけるガス漏れを低減させることができ、更に、第二のリング溝における底面と第二のピストンリングの内周面との隙間をつたってのガスの漏洩をも防ぎ得、従って、スラスト側の半環状空間のガス圧を十分に保持でき、ピストンをガス圧支持してシリンダとピストンとの摩擦抵抗を低減し得る往復動エンジンを提供し得る。
次に、本発明の実施の形態の例を、図に示す好ましい例に基づいて更に詳細に説明する。尚、本発明はこれら例に何等限定されないのである。

図１は、本発明の実施の形態の例の正面説明図、
図２は、図１に示す例のＩＩ−ＩＩ線断面説明図、
図３は、図１に示す例のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図、
図４は、図１に示す例のＩＶ−ＩＶ線断面説明図、
図５は、図１に示す例の一部拡大説明図、
図６は、図１に示す例の一部拡大説明図、
図７は、図１に示す例の動作説明図、
図８は、本発明の実施の形態の他の例の一部拡大説明図、
図９は、図８に示す他の例の一部拡大説明図、
図１０は、本発明の実施の形態の他の例の一部拡大説明図、
図１１は、図１０に示す他の例の一部拡大説明図、
図１２は、図１０に示す他の例の一部拡大説明図、
図１３は、本発明の実施の形態の他の例の一部拡大説明図、
図１４は、図１３に示す他の例の一部拡大説明図、
図１５は、図１３に示す他の例の一部拡大説明図、
図１６は、本発明の実施の形態の他の例の正面説明図、
図１７は、図１６に示す他の例の横断面説明図、
図１８は、図１６に示す他の例の反スラスト側から見た断面説明図、そして、
図１９は、図１６に示す他の例の動作説明図である。

図１から図７には、第一の実施例の往復動エンジンとしての４サイクルガソリンエンジン１（以下、エンジン１と称する）が示してあり、図１６から図１９には、第二の実施例の往復動エンジンとしての４サイクルディーゼルエンジン２００が示してある。
まず、図１から図７に基づいてエンジン１について説明する。
３はピストン、２はシリンダである。ピストン３には、もちろんピストン３の側面（ランド部）４に、ピストンの頭部側から第一のピストンリング（トップリング）５、次に第二のピストンリング（セカンドリング）６、更にオイルリング７が設けられている。
さて、ピストン３には、ピストンピン４３の軸方向Ｙにおける両軸端側の夫々において、ピストンリング５が配されたピストン３の第一のリング溝８からピストンリング６が配されたピストン３の第二のリング溝９にまで至った窪み１６が形成されている。これらそれぞれの窪み１６は、その横断面形状が末広形状に形成されている。
そして、これらそれぞれの窪み１６には、軸方向Ｙで互いに対向している一対の区画部材１８が収めてある。
上記のように収められた区画部材１８は、その一方の端部６３がピストンリング５の下面５２に滑り接触し、その他方の端部６４がピストンリング６の上面５４に滑り接触している。
ピストン３がシリンダ２に組込まれた状態であるエンジン１においては、ピストンリング５とピストンリング６とシリンダ２の内面３１とにより囲まれて形成された環状空間１１がピストンピン４３の両軸端側において、上記区画部材１８によりスラスト側１２の半環状空間１３と反スラスト側１４の半環状空間１５とに区画されている。
区画部材１８は、ピストンリング５及び６間における窪み１６を画しているピストン３の窪み面１０とシリンダ２の内面３１とに間隙をもって囲まれており、ピストンリング５及び６間における環状空間１１を半環状空間１３及び１５に区画するようにピストン３の円周方向Ｚに移動自在であってシリンダ２の内面３１に接近自在に、窪み１６に収容されてピストンリング５及び６間に配されている。区画部材１８は、そのスラスト側１２の面からガス３９の圧力（ガス圧）Ｐを受けることによりシリンダ２の内面３１に向かう移動力を生じ得、また、後述の隙間６６を通過したガス３９に基づいて生じ得る揚力によってもシリンダ２の内面３１に向かう移動力を生じ得る。
窪み１６を画している窪み面１０は、半環状空間１３をガス燃焼室２０に連通させる連通手段２１によりガス燃焼室２０からスラスト側１２の半環状空間１３に導入されたガス３９に基づいて円柱状体６１からなる区画部材１８が移動される場合には、区画部材１８をシリンダ２の内面３１に向かわせるように案内する案内面５９と、案内面５９よりもスラスト側１２で区画部材１８に当接する当接面６０とを有している。案内面５９及び当接面６０は、互いに連接してピストン３に夫々設けられている。
当接面６０よりも反スラスト側１４に配された案内面５９は、本例ではスラスト側１２から反スラスト側１４に向かってシリンダ２の内面３１に漸次接近している平坦面又は直線面を有している。案内面５９よりもスラスト側１２に配された当接面６０は、円周方向Ｚで案内面５９に対面して配されていると共に案内面５９と同様に形成されている。案内面５９及び当接面６０は、本例では、特に図５及び図６に示すように、互いに協働して断面略Ｖ状のＶ面を構成している。
案内面５９は、図５に示すように、円柱状体６１の中心Ｃからスラスト側１２の半環状空間１３におけるガス圧Ｐにより円柱状体６１が移動されようとするＢ方向に向かって伸びる線７１上に位置する円柱状体６１の円周面６２の反スラスト側１４における部位７２よりもシリンダ２の内面３１から離反している円柱状体６１の円周面６２の反スラスト側１４における部位７３に接触するようになっている。
シリンダ２の内面３１に最も近接している円柱状体６１の近接部７４及び円柱状体６１の中心Ｃを通る線７５と案内面５９に接触している円柱状体６１の部位７３に対する接線７６との交差角θ１は、５０度程度であるが、例えば６０度以下であってもよく、また、４５度以下であってもよい。エンジン１では、交差角θ１を小さくすることにより区画部材１８のシリンダ２の内面３１に対する過度の圧接を防止することができる。また、エンジン１では、交差角θ１を大きくすることにより区画部材１８とシリンダ２との隙間６６を介するガス漏れを確実に防止することができる。交差角θ１は、環状空間１１の区画に必要とされる区画部材１８のシリンダ２に対する接触圧と区画部材１８とシリンダ２との滑動抵抗（摺動抵抗）との関係を考慮して適宜設定される。
線７５と当接面６０に当接している円柱状体６１の円周面６２の部位７７に対する接線７８との交差角θ２は、５０度程度であるが、例えば４５度以上であってもよく、また、５０度以上であってもよい。エンジン１では、交差角θ２を大きくすることにより円柱状体６１の中心Ｃよりもスラスト側１２でガス３９のガス圧Ｐを受圧する円周面６２の受圧面積を増して、区画部材１８のシリンダ２の内面３１に向かう移動を確実に開始させ得る。また、エンジン１では、交差角θ２を小さくすることにより円周方向Ｚにおける円柱状体６１の移動可能領域を減少させて、円周方向Ｚにおける円柱状体６１の揺動を低減させ得る。
区画部材１８は、主要部分が窪み１６に収容されていると共に、その頂部がピストン３の側面（ランド部）４からシリンダ２の内面３１に向かって突出している円柱状体６１からなる。具体的には、図５に示すように、例えば、ピストン３の外径が７５ｍｍであると共にシリンダ２の内径が７５．５ｍｍであるとき、即ち、ピストン３とシリンダ２との半径方向の間隙Ｆが０．２５ｍｍのとき、窪み１６に収容された状態で、円柱状体６１のシリンダ２の内面３１側における頂部のピストン３の側面４からの突出長さＧが０．１５ｍｍから０．２ｍｍとなるように窪み１６の深さ及び円柱状体６１の外径を形成すると気密形成に良好である。また、ピストン３とシリンダ２との半径方向の間隙が０．２５ｍｍ程度であれば、窪み１６に収容された状態の円柱状体６１の頂部のピストン３の側面４からの突出長さＧが例えば０．１ｍｍ程度から０．２ｍｍ程度、好ましくは０．１５ｍｍ程度となるように窪み１６の深さ及び円柱状体６１の外径を形成してもよく、斯かる場合には、円柱状体６１の直径は、例えば１ｍｍ程度から３ｍｍ程度、好ましくは１．５ｍｍ程度から２ｍｍ程度、より好ましくは１．５ｍｍ程度となっていてもよい。尚、エンジン１は、上記の各値に限定されず、これらの各値はエンジン１の具体化に伴って夫々適宜変更され得る。
往復動方向Ｘに伸びた円柱状体６１は、その円周面６２で案内面５９に接触していると共に当接面６０に当接している場合には、シリンダ２の内面３１から若干離反する程度の径を有している。円柱状体６１の円周面６２は、案内面５９に転がり接触及び滑り接触するようになっている。円柱状体６１の円周面６２は、当接面６０に転がり当接及び滑り当接するようになっている。円柱状体６１の円周面６２は、シリンダ２の内面３１に転がり接触及び滑り接触するようになっている。
区画部材１８は、円柱状体６１が案内面５９に接触していると共に当接面６０に当接している場合には、半環状空間１３に導入されたガス圧Ｐを円周面６２のスラスト側１２における部位で受圧することにより案内面５９に沿ってシリンダ２の内面３１に向かって移動され、円柱状体６１が当接面６０から離反した際に案内面５９、当接面６０及び円周面６２によって規定される空間６５に半環状空間１３から円柱状体６１と当接面６０との隙間を介してガス３９が導入されて生じる空間６５におけるガス圧Ｐと半環状空間１３におけるガス圧Ｐとによりシリンダ２の内面３１に向かって移動されて、案内面５９とシリンダ２の内面３１とに接触することにより環状空間１１を区画するようになっている。また、区画部材１８は、円柱状体６１と案内面５９とが接触していない場合には、半環状空間１３に導入されたガス圧Ｐを円周面６２のスラスト側１２における部位で受圧することにより反スラスト側１４に移動されるようになっており、このように移動される結果、案内面５９に接触して図６に示すＡ方向の回転モーメントを生じ得ることでシリンダ２の内面３１に向かって移動し始めて案内面５９とシリンダ２の内面３１とに接触することにより環状空間１１を区画するようになっている。
ピストンリング６の背面（内周面）２３とリング溝９における底面２２との間には、リング溝９の溝底をつたってのガス漏れを防ぐ一対の阻止部材２５が夫々介装してある。阻止部材２５は、往復動方向Ｘにおいて区画部材１８に隣接するように、ピストン３の軸方向Ｙにおける両側であって区画部材１８が夫々組込まれた位置の近傍に夫々配されている。
この阻止部材２５は、バネ弾性をもつ波状の本体部８１と、この本体部８１の一方端に形成した折曲げ部８２とからなり、この折曲げ部８２をリング溝９における底面２２に設けた穴に挿入した状態で阻止部材２５が円周方向Ｚに移動しないように組込まれている。このように組込まれた阻止部材２５は、ピストンリング６の背面（内周面）２３とリング溝９における底面２２とに弾性（反発弾性）をもって面接触して、溝底をつたってのガス漏れを防ぐようにしてある。尚、リング溝９の溝底は、ピストン３の底面２２によって規定されている。
連通手段２１は、シリンダ２の内面３１に設けられていると共にピストン３が上死点近傍に位置する際にスラスト側１２の半環状空間１３をガス燃焼室２０に連通させるガス通路９０を夫々規定している複数の凹所、本例では凹所９１、９２及び９３を具備している。
スラスト側１２の半環状空間１３は、燃焼行程において連通手段２１を介してガス燃焼室２０に連通し、これにより、半環状空間１３にはガス燃焼室２０からガス（高圧燃焼ガス）３９が導入される。
このように、半環状空間１３とガス燃焼室２０とを連通させるタイミング、つまり、連通手段２１による連通期間は、クランク角度において５度から３５度が好適である。
尚、連通手段２１により連通させるタイミングは、半環状空間１３の往復動方向Ｘにおける幅寸法、連通手段２１を構成する凹所の数、大きさやピストンリング５の厚さに応じて変化させてもよい。
内面３１に設けられた凹所９１、９２及び９３は、本例では、爆発行程（燃焼行程）において、往復動方向Ｘに関してピストン３がクランク角度で略５度から略３５度に相当する位置に存在する場合に半環状空間１３のみをガス燃焼室２０に夫々連通させるようにスラスト側１２に形成されている。凹所９２は、往復動方向Ｘ及び軸方向Ｙに直交する方向でシリンダボア３２の中心Ｄに対向するように配されており、凹所９１及び９３は、凹所９２に対して夫々等しい間隔をもって配されている。
以上の連通手段２１によれば、例えば、図１に示す燃焼行程において、ガス燃焼室２０で燃焼されて発生した燃焼ガス３９は、凹所９１、９２及び９３を介して半環状空間１３に満遍なく速やかに導入され得る。
本例のエンジン１の動作について説明すると、爆発行程において、図１に示すように、まず、ピストン３が上死点到達後であって上死点近傍に位置している際にガス燃焼室２０の燃焼ガス３９が凹所９１、９２及び９３に夫々規定されるガス通路９０を介して半環状空間１３に導入される。
次に、区画部材１８が半環状空間１３に導入された燃焼ガス３９に基づいて環状空間１１を上述のようにして区画する結果、半環状空間１３における燃焼ガス３９のガス圧Ｐが高まり、斯かるガス圧Ｐによりピストン３にスラスト側１２から反スラスト側１４に向かう支持力を与えることでピストン３をスラスト側１２においてガス圧支持する。
次に、ピストン３が図７に示すように往動により更に降下した場合には、連通手段２１による連通が解除されて半環状空間１３における燃焼ガス３９のガス圧Ｐは保持され、このようにガス圧Ｐが保持された状態でピストン３は作用行程を降下する。ピストン３は、ピストン３に反スラスト側１４からスラスト側１２に向かう側圧に抗して半環状空間１３におけるガス圧Ｐにより支持されており、従って、ピストン３にスラスト側１２に向かう側圧が作用してもピストン３とシリンダ２の内面３１との摩擦抵抗を軽減し得る。
以上のエンジン１は、連通手段２１によりガス燃焼室２０からスラスト側１２の半環状空間１３に導入されたガス３９に基づいて、区画部材１８をピストン３の円周方向Ｚに移動させると共にシリンダ２の内面３１に接近させることにより、スラスト側１２の半環状空間１３を反スラスト側１４の半環状空間１５に対して閉じるようになっている。
以上のエンジン１によれば、シリンダ２内を往復動するピストン３と、ピストン３に設けられたピストンリング５及び６と、ピストンリング５及び６間における環状空間１１をスラスト側１２の半環状空間１３及び反スラスト側１４の半環状空間１５に区画するようにピストン３の円周方向Ｚに移動自在であってシリンダ２の内面３１に接近自在に、ピストン３のピストンリング５及び６間における窪み１６に収容されていると共にピストンリング５及び６間に配された区画部材１８と、スラスト側１２の半環状空間１３をガス燃焼室２０に連通させる連通手段２１とを具備しており、連通手段２１によりガス燃焼室２０からスラスト側１２の半環状空間１３に導入されたガス３９に基づいて、区画部材１８をピストン３の円周方向Ｚに移動させると共にシリンダ２の内面３１に接近させてピストン３の窪み面１０とシリンダ２の内面３１とに接触させることにより、スラスト側１２の半環状空間１３を反スラスト側１４の半環状空間１５に対して閉じるようになっているために、区画部材１８をシリンダ２の内面３１に向かって移動させ得てシリンダ２の内面３１及び案内面５９に気密性をもって接触させることができる。
而して、エンジン１の運転中、特に、ピストン作用行程（燃焼行程）にスラスト側１２の半環状空間１３には、シリンダ２の内面３１に形成した連通手段２１から高圧のガス圧Ｐを導入させる一方、反スラスト側１４の半環状空間１５にはガス圧Ｐを生じさせない。このため、ピストン作用行程中には、スラスト側１２の半環状空間１３と反スラスト側１４の半環状空間１５とには圧力差が生じるが、スラスト側１２の半環状空間１３から反スラスト側１４の半環状空間１５へのガス漏れを低減させることができる。
従って、ピストン３は、スラスト側１２の半環状空間１３にガス圧Ｐを保持して作用行程を降下する。
エンジン１によれば、案内面５９は、円柱状体６１の中心Ｃからスラスト側１２の半環状空間１３におけるガス３９のガス圧Ｐにより円柱状体６１が移動されようとするＢ方向に向かって伸びる線７１上に位置する円柱状体６１の円周面６２の反スラスト側１４における部位７２よりもシリンダ２の内面３１から離反している円柱状体６１の円周面６２の反スラスト側１４における部位７３に接触するようになっているために、円柱状体６１が案内面５９に沿ってシリンダ２の内面３１に向かって転動するように当該円柱状体６１にＡ方向の回転モーメントを生じさせ得、而して、円柱状体６１による環状空間１１の区画をより確実に行い得る。
エンジン１によれば、リング溝９における底面２２とこれに対応するピストンリング６の内周面２３との隙間２４を介するスラスト側１２の半環状空間１３と反スラスト側１４の半環状空間１５との連通を阻止するようにリング溝９に備えられている阻止部材２５を具備しているために、阻止部材２５によってリング溝９の溝底をつたってのガス３９の漏洩を防ぎ得る。
尚、本例のエンジン１は、案内面５９に代えて、円弧面を有している案内面を有していてもよく、また、例えば図８、図９、図１３、図１４及び図１５に示すように、曲面を有している案内面１０１を有していてもよく、斯かる案内面１０１の曲面は、凹曲面や凸曲面であってもよい。また、エンジン１は、当接面６０に代えて、円弧面を有している当接面を有していてもよく、また、例えば図８、図９及び図１３に示すように、曲面を有している当接面１０２を有していてもよく、斯かる当接面１０２の曲面は、凹曲面や凸曲面であってもよい。円弧面を有している案内面及び当接面又は曲面を有している案内面１０１及び当接面１０２は、互いに協働してシリンダ２の内面３１に対して凹となっている一つの凹面を構成するようになっていてもよい。
案内面１０１を有したエンジン１では、例えば、シリンダ２の内面３１に最も近接している円柱状体６１の近接部７４及び円柱状体６１の中心Ｃを通る線７５と案内面１０１の一の部位１０３に接触する円柱状体６１の円周面６２の部位７３ａに対する接線７６との図１４に示す交差角θ１が、線７５と案内面１０１の前記部位１０３よりも反スラスト側１４に位置する他の部位１０４に接触する円柱状体６１の円周面６２の部位７３ｂに対する接線７６との図１５に示す交差角θ１よりも大きくなるように形成されていてもよく、斯かる案内面１０１は、区画部材１８が当接面１０２に当接し得るようにスラスト側１２に配されている場合に部位１０３で区画部材１８に接触する一方、区画部材１８がシリンダ２の内面３１に接触し得るように反スラスト側１４に配されている場合に部位１０４で区画部材１８に接触するようになっていてもよく、また、部位１０３及び１０４で区画部材１８に同時的に接触するようになっていてもよい。このように構成された案内面１０１を有したエンジン１によれば、例えば、区画部材１８のシリンダ２の内面３１に向かう移動を確実に開始させ得ると共に区画部材１８のシリンダ２の内面３１に対する過度の圧接を防止することができ、区画部材１８が案内面１０１とシリンダ２の内面３１との間に挟み込まれる虞をなくし得る。
また、エンジン１は、区画部材１８が案内面５９に接触していると共に当接面６０に当接している際に窪み面１０及び区画部材１８によって規定される空間６５が形成される場合には、空間６５とスラスト側１２の半環状空間１３とを連通させる連通路（図示せず）を規定する連通路規定面（図示せず）を更に有していてもよい。斯かる連通路を規定する連通路規定面を有している場合には、連通路を介して空間６５にガス３９を導入させることにより、当接面６０と区画部材１８とが当接している場合においても、半環状空間１３におけるガス３９を受圧する区画部材１８の受圧面積が前記当接によって狭められることなく、広い受圧面積をもって受圧することができ、而して、半環状空間１３及び空間６５におけるガス３９に基づいて区画部材１８をシリンダ２の内面３１に向かって好適に移動させ得る。
更に、エンジン１は、区画部材１８に代えて、例えば図８及び図９に示すように、環状空間１１を区画することができるように配された楕円柱状体１１１からなる区画部材１１３を具備していてもよく、区画部材１８に代えて、例えば図１０から図１２に示すように、環状空間１１を区画することができるように配された三角柱状体１１２からなる区画部材１１４を具備していてもよく、区画部材１８に代えて、環状空間１１を区画することができるように配された四角柱状体からなる区画部材を具備していてもよく、また、区画部材１８に代えて、環状空間１１を区画することができるように配された多角形柱状体からなる区画部材を具備していてもよい。エンジン１は、楕円柱状体１１１からなる区画部材１１３を具備している場合には、例えば、案内面５９及び当接面６０に代えて、互いに協働してシリンダ２の内面３１に対して凹となっている一つの凹面を構成している案内面１０１及び当接面１０２を具備していてもよい。エンジン１は、三角柱状体１１２からなる区画部材１１４を具備している場合には、三角柱状体１１２のシリンダ２の内面３１に対面する面１１５は、シリンダ２の内面３１と同等の曲率又はシリンダ２の内面３１よりも小さい曲率を有していてもよい。三角柱状体１１２は、図１２に示すように、シリンダ２の内面３１に対面している面１１５と面１１５に連接していると共に案内面５９に対面している面１１６とで案内面５９に接触することにより環状空間１１を区画するようになっていてもよく、また、図１１に示すように、面１１５と面１１５及び１１６に連接していると共に当接面６０に対面している面１１７とで当接面６０に当接することにより環状空間１１を区画するようになっていてもよい。エンジン１が三角柱状体１１２からなる区画部材１１４、四角柱状体からなる区画部材又は多角形柱状体からなる区画部材を具備している場合には、三角柱状体１１２、四角柱状体又は多角形柱状体の少なくとも一つの面（側面）は、凹曲面や凸曲面を有した曲面からなっていてもよく、また三角柱状体１１２、四角柱状体又は多角形柱状体のシリンダ２の内面３１に対面する面は、内面３１に面接触し得るように当該内面３１に対応する曲面からなっていてもよい。
更にまた、エンジン１は、阻止部材２５に代えて又は加えて、リング溝８に備えられていると共に阻止部材２５と同様に構成された阻止部材を具備していてもよい。
以上のように、本発明における往復動エンジンの一つの実施の形態をエンジン（４サイクルガソリンエンジン）１により説明したが、本発明は、斯かるエンジン１に限定されず、例えば図１６から図１９に示すように、エンジン１とほぼ同様の構成、特に、窪み１６を画する窪み面１０を有したピストン３、ピストンリング５及び６、リング溝８及び９、区画部材１８、連通手段２１並びに阻止部材２５と同様の構成を具備した４サイクルディーゼルエンジン２００によっても好適に動作するように具体化され得る。４サイクルディーゼルエンジン２００の上記各構成は、エンジン１における各構成と同様に適宜設計変更を行い得る。

Claims (34)

1. シリンダ内を往復動するピストンと、ピストンに設けられた第一及び第二のピストンリングと、第一及び第二のピストンリング間における環状空間をスラスト側の半環状空間及び反スラスト側の半環状空間に区画するようにピストンの円周方向に移動自在であってシリンダの内面に接近自在に、ピストンの第一及び第二のピストンリング間における窪みに収容されていると共に第一及び第二のピストンリング間に配された区画部材と、スラスト側の半環状空間をガス燃焼室に連通させる連通手段とを具備しており、連通手段によりガス燃焼室からスラスト側の半環状空間に導入されたガスに基づいて、区画部材をピストンの円周方向に移動させると共にシリンダの内面に接近させてピストンの窪み面とシリンダの内面とに接触させることにより、スラスト側の半環状空間を反スラスト側の半環状空間に対して閉じるようになっている往復動エンジン。
2. 窪み面は、連通手段によりガス燃焼室からスラスト側の半環状空間に導入されたガスに基づいて区画部材が移動される場合には、区画部材をシリンダの内面に向かわせるように案内する案内面を有している請求の範囲１に記載の往復動エンジン。
3. 区画部材は、案内面とシリンダの内面とに接触して環状空間を区画するようになっている請求の範囲２に記載の往復動エンジン。
4. 窪み面は、案内面よりもスラスト側で区画部材に当接する当接面を有している請求の範囲２又は３に記載の往復動エンジン。
5. 案内面及び当接面は、互いに協働して断面略Ｖ状のＶ面を構成している請求の範囲４に記載の往復動エンジン。
6. 案内面及び当接面は、互いに協働してシリンダの内面に対して凹となっている凹面を構成している請求の範囲４に記載の往復動エンジン。
7. ピストンピンの軸方向において互いに対向している一対の区画部材を具備している請求の範囲１から６のいずれか一つに記載の往復動エンジン。
8. 窪み面は、直線面を有している請求の範囲１から７のいずれか一つに記載の往復動エンジン。
9. 窪み面は、平坦面を有している請求の範囲１から７のいずれか一つに記載の往復動エンジン。
10. 窪み面は、円弧面を有している請求の範囲１から７のいずれか一つに記載の往復動エンジン。
11. 窪み面は、曲面を有している請求の範囲１から７のいずれか一つに記載の往復動エンジン。
12. 窪み面は、凹曲面又は凸曲面を有している請求の範囲１１に記載の往復動エンジン。
13. 区画部材は、そのスラスト側の面からガス圧を受けることによりシリンダの内面に向かう移動力を生じるようになっている請求の範囲１から１２のいずれか一つに記載の往復動エンジン。
14. 区画部材は、窪み面に転がり接触するようになっている請求の範囲１から１３のいずれか一つに記載の往復動エンジン。
15. 区画部材は、窪み面に滑り接触するようになっている請求の範囲１から１３のいずれか一つに記載の往復動エンジン。
16. 区画部材の往復動方向における両端部は、第一及び第二のピストンリングに滑り接触している請求の範囲１から１５のいずれか一つに記載の往復動エンジン。
17. 区画部材は、楕円柱状体からなる請求の範囲１から１６のいずれか一つに記載の往復動エンジン。
18. 区画部材は、多角形柱状体からなる請求の範囲１から１６のいずれか一つに記載の往復動エンジン。
19. 区画部材は、四角柱状体からなる請求の範囲１から１６のいずれか一つに記載の往復動エンジン。
20. 区画部材は、三角柱状体からなる請求の範囲１から１６のいずれか一つに記載の往復動エンジン。
21. 三角柱状体は、シリンダの内面に対面している第一の面と第一の面に連接していると共に案内面に対面している第二の面とでシリンダの内面及び案内面に接触することにより環状空間を区画するようになっている請求の範囲４から６のいずれか一つに記載の往復動エンジン。
22. 三角柱状体は、第一の面と第一及び第二の面に連接していると共に当接面に対面している第三の面とでシリンダの内面及び当接面に接触することにより環状空間を区画するようになっている請求の範囲２１に記載の往復動エンジン。
23. 三角柱状体のシリンダの内面に対面する面は、シリンダの内面と同等の曲率又はシリンダの内面よりも小さい曲率を有している請求の範囲２０から２２のいずれか一つに記載の往復動エンジン。
24. 区画部材は、円柱状体からなる請求の範囲１から１６のいずれか一つに記載の往復動エンジン。
25. 窪み面は、円柱状体の中心からスラスト側の半環状空間におけるガス圧により円柱状体が移動されようとする方向に向かって伸びる線上に位置する円柱状体の円周面の反スラスト側における部位よりもシリンダの内面から離反している円柱状体の円周面の反スラスト側における部位に接触するようになっている請求の範囲２４に記載の往復動エンジン。
26. シリンダの内面に最も近接している円柱状体の近接部及び円柱状体の中心を通る線と窪み面に反スラスト側で接触している円柱状体の円周面の部位に対する接線との交差角は、６０度以下である請求の範囲２４又は２５に記載の往復動エンジン。
27. シリンダの内面に最も近接している円柱状体の近接部及び円柱状体の中心を通る線と窪み面に反スラスト側で接触している円柱状体の円周面の部位に対する接線の交差角は、４５度以下である請求の範囲２４から２６のいずれか一つに記載の往復動エンジン。
28. 窪み面は、シリンダの内面に最も近接している円柱状体の近接部及び円柱状体の中心を通る線と窪み面の反スラスト側における一の部位に接触する円柱状体の円周面の部位に対する接線との交差角が、シリンダの内面に最も近接している円柱状体の近接部及び円柱状体の中心を通る線と窪み面の前記一の部位よりも更に反スラスト側に位置する他の部位に接触する円柱状体の円周面の部位に対する接線との交差角よりも大きくなるように形成されている請求の範囲２４又は２５に記載の往復動エンジン。
29. シリンダの内面に最も近接している円柱状体の近接部及び円柱状体の中心を通る線と窪み面にスラスト側で接触している円柱状体の円周面の部位に対する接線との交差角は、４５度以上である請求の範囲２４から２８のいずれか一つに記載の往復動エンジン。
30. シリンダの内面に最も近接している円柱状体の近接部及び円柱状体の中心を通る線と窪み面にスラスト側で接触している円柱状体の円周面の部位に対する接線との交差角は、５０度以上である請求の範囲２４から２９のいずれか一つに記載の往復動エンジン。
31. 区画部材と窪み面とによって規定される空間が形成される場合には、当該空間とスラスト側の半環状空間とを連通させる連通路を規定する連通路規定面を有している請求の範囲１から３０のいずれか一つに記載の往復動エンジン。
32. 第二のピストンリングが配されるようにピストンに設けられた第二のリング溝と、第二のリング溝における底面とこれに対応する第二のピストンリングの内周面との隙間を介するスラスト側の半環状空間と反スラスト側の半環状空間との連通を阻止するように第二のリング溝に備えられている阻止部材とを具備している請求の範囲１から３１のいずれか一つに記載の往復動エンジン。
33. シリンダ内を往復動するピストンと、ピストンに設けられた第一及び第二のピストンリングと、第一及び第二のピストンリングが夫々配されるようにピストンに設けられた第一及び第二のリング溝と、第一及び第二のピストンリング間における環状空間をスラスト側の半環状空間及び反スラスト側の半環状空間に区画するように第一及び第二のピストンリング間に配された区画部材と、スラスト側の半環状空間をガス燃焼室に連通させる連通手段と、第二のリング溝における底面とこれに対応する第二のピストンリングの内周面との隙間を介するスラスト側の半環状空間と反スラスト側の半環状空間との連通を阻止するように第二のリング溝に備えられている弾性を有した波状の阻止部材とを具備している往復動エンジン。
34. 阻止部材は、第二のピストンリングの内周面と第二のリング溝における底面とに弾性をもって面接触するようになっている請求の範囲３２又は３３に記載の往復動エンジン。

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