JP2006112360A - ピストン装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 カーボンまたはデポジットの堆積を抑制することが可能なピストン装置を提供する。
【解決手段】 ピストン１０はトップランド部１５１、セカンドランド部１５２およびサードランド部１５３のいずれかに、張力を有する断面が略くの字状の山型リング１２１，１２２，１２３が装着されている。ピストン１０とボア壁２１との間の隙間が変化することによって、山型リング１２１，１２２，１２３のすそ野部の幅が変化する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ピストン装置に関し、特に内燃機関のピストン装置に関するものである。

従来、ピストンは、たとえば特開２０００−８８１０４号公報（特許文献１）または実開平６−１８６４３号公報（特許文献２）に開示されている。
特開２０００−８８１０４号公報 実開平６−１８６４３号公報

特許文献１では、内燃機関のピストンのトップランド上部に補助ピストンリングを設けることによってクエンチゾーンを低減し、未燃ガス（ＨＣ）の排出を低減する技術が開示されている。

特許文献２では、クエンチゾーンを低減する技術が開示されている。しかしながら、従来の技術では、各ランド部に付着するカーボンやデポジットの堆積防止技術はなく、その開示は存在しない。

そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、ランド部に付着するカーボンやデポジットの堆積を防止することが可能なピストン装置を提供することを目的とする。

この発明に従ったピストン装置は、表面にリング溝が形成され、その上部に各リング溝に対応した各ランド部が設けられ、各リング溝にピストンリングが嵌装されたピストン装置であって、各ランド部のいずれかに張力を有する断面が略くの字の山型リングが装着されている。

このように構成されるピストン装置では、ランド部のいずれかに張力を有する断面が略くの字の山型リングが装着されているため、この山型リングより下側へのカーボンやデポジットの堆積を防止することができる。

好ましくは、ランド部側に山型リングのすそ野部が位置し、シリンダ内面側に山型リングの頂部が位置する。

より好ましくは、ピストン装置とシリンダの隙間の変化によって山型リングのすそ野部の幅が変化する。

このように構成されたピストン装置では、ピストンの姿勢の変化によってピストンとシリンダの隙間が変化し、これによりランド部に付着し始めるカーボンの堆積を除去できる。その結果、硬質カーボンにより生じるシリンダ摺動面への傷を抑制できる。さらに、シリンダの傷から剥離カーボンを噛み込むことにより生じるピストンリング摺動面への傷付けを抑制できる。また、ピストンリング溝へのカーボンの侵入をも抑制できる。その結果、オイルの掻き上げを抑制できる。好ましくは、山型リングを装着したランド部は、山型リングのすそ野の広がりを規制する凹形状を有する。好ましくは、山型リングの張力はピストンリングの張力よりも低い。

この発明に従えば、ランド部に付着するカーボンやデポジットの堆積を防止することができる。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照番号を付し、その説明については繰返さない。

図１は、この発明に従ったピストンを有するエンジンの断面図である。図１を参照して、ピストン１０はシリンダブロック２０内に収納される。ピストン１０は略円筒形状であり、シリンダブロック２０の内部空間であるボア領域に収納されてボア領域を往復運動する。

ピストン１０はピストン本体１６およびピストン本体１６に連なるスカート部１３を有する。ピストン本体１６およびスカート部１３は、たとえばアルミニウム合金により構成される。スカート部１３の外周部には、摩擦を低下させるための樹脂コートが施されてもよい。

ピストン本体１６の頂面１７には、凹部である燃焼室１１が設けられる。燃焼室１１はピストン本体１６を抉り取った形となり、略左右対称形状とされる。燃焼室１１の上部がリップ部１４であり、リップ部１４はピストン本体１６の頂面１７と燃焼室１１との境界面となる。ピストン本体１６にはクーリングチャンネル１２が設けられている。ピストン本体１６の熱を奪うための流体がクーリングチャンネル１２に流される。

ピストン１０はコネクティングロッド６０によりクランクシャフト（図示せず）に取付けられる。ピストン１０の往復運動をコネクティングロッド６０が回転運動に変換する。

ピストン１０上にはインジェクタ４０が配置される。インジェクタ４０は燃料である軽油を燃焼室１１に向かって吹き付ける。インジェクタ４０としては、電磁式インジェクタ、ピエゾインジェクタなどさまざまなものを採用することができる。また、燃料噴射圧力は特に限定されず、高圧で燃料を噴射するコモンレールシステムを採用してもよい。

この実施の形態に従ったエンジンは、軽油を燃料とする、いわゆるディーゼルエンジンである。なお、燃料は軽油に限られず、灯油、重油などを採用することが可能である。インジェクタ４０の横には、エンジン始動時の燃焼室１１を急激に加熱するためのグロープラグ３０が配置される。グロープラグ３０と反対側には、バルブ５０が配置される。

この発明に従ったピストン１０は直列型、Ｖ型、またはＷ型などのさまざまなエンジンに適用することが可能である。また、ピストン１０の材質も、アルミニウムだけでなく、鉄、マグネシウムなど、さまざまな金属を採用することができる。また、エンジンの形状としては、単気筒エンジンだけでなく、複数のピストンを有する多気筒エンジンに本発明を適用することが可能である。

ピストン本体１６の外周には、トップリング溝１１１、セカンドリング溝１１２およびオイルリング溝１１３が設けられる。トップリング溝１１１、セカンドリング溝１１２およびオイルリング溝１１３はピストン本体１６を取囲むように配置される。トップリング溝１１１、セカンドリング溝１１２およびオイルリング溝１１３には、トップリング１３１、セカンドリング１３２およびオイルリング１３３が配置される。トップリング１３１およびセカンドリング１３２は、シリンダボア内壁２１と接触して、圧縮漏れを防ぐ働きをする。これに対し、オイルリング１３３は、ピストン下部からのオイル上がりを防止する働きを有する。

トップリング溝１１１、セカンドリング溝１１２およびオイルリング溝１１３上にはトップランド部１５１、セカンドランド部１５２、サードランド部１５３が設けられる。トップランド部１５１、セカンドランド部１５２、サードランド部１５３では凹形状１４１，１４２，１４３が設けられ、それぞれの凹形状１４１，１４２，１４３には、山型リング１２１，１２２，１２３が配置される。山型リング１２１，１２２，１２３は「くの字」であり、ばね材を折り曲げることで構成される。山型リング１２１，１２２，１２３の頂部はシリンダボア内壁２１側に位置し、すそ野部はトップランド部１５１、セカンドランド部１５２、サードランド部１５３側に位置する。

トップランド部１５１、セカンドランド部１５２、サードランド部１５３に幅広の浅溝としての凹形状１４１，１４２，１４３を掘り、そこにくの字型の山型リング１２１，１２２，１２３を挿入する。これにより、トップランド部１５１、セカンドランド部１５２、サードランド部１５３に付着するカーボンおよびデポジットを抑制する。

ピストン１０のスラップによりピストン１０の位置が変わることで、くの字型の山型リング１２１，１２２，１２３の位置が変わり、自動的に掃除をする。

燃焼室１１はピストン本体１６の中央部に設けられて、燃焼室１１の中央部がさらに高くなった形状とされる。ピストン１０の頂面１７の一部分が陥没して燃焼室１１が構成されている。ピストン１０の製造方法としては、鋳造、鍛造などさまざまな方法を採用することができる。鋳造を用いれば量産化に適している。リップ部１４は円形状であり、燃焼室１１を取囲むように位置する。

図２は、図１で示すピストンの斜視図である。図２を参照して、ピストン１０では、スカート部１３から近い側（下側）から順にオイルリング溝１１３、セカンドリング溝１１２およびトップリング溝１１１が配置される。それぞれのオイルリング溝１１３，セカンドリング溝１１２およびトップリング溝１１１は、ピストン本体１６の外表面を取囲むように、略平行に配置される。オイルリング溝１１３とセカンドリング溝１１２との間にはサードランド部１５３が配置される。サードランド部１５３には凹形状１４３が設けられる。

セカンドリング溝１１２とトップリング溝１１１との間にはセカンドランド部１５２が配置される。セカンドランド部１５２には凹形状１４２が配置される。トップリング溝１１１と頂面１７との間にはトップランド部１５１が設けられ、トップランド部１５１には凹形状１４１が配置される。図２では、トップリング溝１１１、セカンドリング溝１１２、オイルリング溝１１３などの構成要素が強調して記載されており、ピストン本体１６に対してこれらは大きく記載されている。

図３は、山型リングを詳細に示す断面図である。図３を参照して、山型リング１２１，１２２，１２３は図３の実線で示す位置から点線で示す位置まで移動可能である。すなわち、シリンダボア内壁２１とピストン本体１６との間の距離に応じて山型リング１２１，１２２，１２３の広がり具合が変化する。

なお、この実施の形態では、３つの山型リング１２１，１２２，１２３を設けているが、必ずしも３つの山型リングを設ける必要はなく、１つ以上の山型リングが存在していてもよい。またその山型リングも、トップランド部１５１、セカンドランド部１５２およびサードランド部１５３のいずれに設けてもよい。また、リング溝が３つ存在するピストンを示しているが、これに限定されるものではなく、より多くまたはより少ないリング溝を有するピストンに本発明を適用することが可能である。

図４は、山型リングの斜視図である。図４を参照して、山型リング１２１は、板ばねまたは耐熱性樹脂などの弾性力を有する材質により構成される。山型リング１２１は外側へ広がるような張力を有し、この張力によりシリンダボア内壁２１と接触する。他の山型リング１２２，１２３も同様に構成され、そのラジアル方向およびスラスト方向の幅が変化できるような構成とされる。

図５および図６は、山型リングの動作を説明するための図である。図５を参照して、トップランド部１５１とシリンダボア内壁２１との距離が小さい場合、山型リング１２１は自らの弾性力により、その厚みが小さくなる。これにより、山型リング１２１の先端部がシリンダボア内壁２１に接触する。ディーゼルエンジンの場合には、燃焼中の不完全燃焼で生じたカーボン２０１が凹形状１４１に付着する。シリンダボア内壁２１とトップランド部１５１との距離はＬである。

図６を参照して、距離Ｌが小さくなると、これに伴い山型リング１２１が変形する。具体的には、山型リング１２１のすそ野部が外側へ広がる。これにより、凹形状１４１内に堆積したカーボン２０１が山型リング１２１により掻き上げられて外部へ放出される。トップランド部１５１とシリンダボア内壁２１との距離はピストンの運転中絶えず変化する。具体的には、ピストン１０には、爆発によるスラスト力が加わり、シリンダボア内壁２１との距離は一定ではない。このようなピストンのスラップ、およびピストン１０の上下動を利用して、山型リング１２１，１２２，１２３を構成するばねによりデポジット（カーボンなど）を掻き落とす。ディーゼルエンジンの場合には、カーボンを掻き落とすことができ、これによりオイルの掻き上げを防止できる。ガソリンエンジンの場合には、デポジットの付着を防止でき、これによりオイルの掻き上げを防止することができる。

本発明に従ったピストン１０（ピストン装置）の表面には、トップリング溝１１１、セカンドリング溝１１２およびオイルリング溝１１３が形成される。それぞれの溝の上部には、各リング溝に対応したトップランド部１５１，セカンドランド部１５２およびサードランド部１５３が設けられる。トップリング溝１１１、セカンドリング溝１１２およびオイルリング溝１１３にはトップリング１３１、セカンドリング１３２およびオイルリング１３３が嵌め合わせられる。トップランド部１５１，セカンドランド部１５２およびサードランド部１５３のいずれかに、張力を有する断面が略くの字の山型リング１２１，１２２，１２３が配置される。山型リング１２１，１２２，１２３は、ピストン１０のランド部側に山型リング１２１，１２２，１２３のすそ野部が配置され、シリンダ内側（シリンダボア内壁２１）側に頂部が配置される。

ピストン１０とシリンダボア内壁２１との隙間の変化によって、山型リング１２１，１２２，１２３のすそ野部の幅が変化する。トップランド部１５１，セカンドランド部１５２およびサードランド部１５３は、山型リング１２１，１２２，１２３のすそ野部の広がりを規制する凹形状１４１，１４２，１４３を有する。山型リング１２１，１２２，１２３の張力はピストンリングとしてのトップリング１３１，およびセカンドリング１３２の張力よりも低い。

このように構成されたピストン１０では、ピストンリングとしてのトップリング１３１、セカンドリング１３２およびオイルリング１３３の機能を阻害することなく、ピストン１０の姿勢の変化によって図５および図６で示すようにカーボン２０１またはデポジットの堆積を除去することができる。これにより、硬質カーボンがシリンダボア内壁２１を傷付けることを抑制できる。

また、シリンダ壁から剥離カーボンを噛み込むことにより生じる、ピストンリングの摺動面への傷付きを防止できる。さらに、ピストンリング溝としてのトップリング溝１１１、セカンドリング溝１１２およびオイルリング溝１１３へのカーボンの侵入をも抑制できる。その結果、オイルの掻き上げを防止することができる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、ここで示した実施の形態はさまざまに変形することが可能である。まず、ピストンを構成する材質としては、上記した金属だけでなく、さらに別の材料を採用することも可能である。

また、ピストン１０の用途としては、内燃機関用のピストンであればよく、自動二輪車用、四輪者用に限られず、発電機などのエンジンに本発明を採用してもよい。

さらに、ピストン１０としては、直接噴射式のエンジンで用いられるピストンだけでなく、いわゆる副室型のエンジンに本発明を適用することも可能である。

また、燃焼室１１の形状としては、球形状（Ｍ型燃焼方式）、トロイダル型の燃焼室、皿型の燃焼室、リエントラント型の燃焼室などに本発明を採用してもよい。

また、リップ部１４は上記実施の形態では円形状であるものを示したが、四角形状、六角形状、五角形状などの多角形状のリップ部１４を採用してもよい。また、矩形でなく、楕円形状のリップ部１４を採用してもよい。

さらに、ガソリンエンジン用のピストン１０に本発明を適用することが可能である。この場合、ガソリンを燃焼室に直接噴射する、いわゆる筒内直接噴射型のエンジンに本発明を適用してもよい。さらに、直接噴射の場合であっても、点火プラグの近傍のみで混合気が濃くなる、いわゆる成層燃焼だけでなく、全体で均一な混合気が実現される、いわゆる均質燃焼（ストイキ燃焼）であってもよい。この場合、燃料はポート（インテークポート）で噴射されてもよい。

今回開示された実施の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。

この発明は、たとえば内燃機関の分野で用いることができる。

この発明に従ったピストンを有するエンジンの断面図である。 図１で示すピストンの斜視図である。 山型リングを詳細に示す断面図である。 山型リングの斜視図である。 山型リングの動作を説明するための図である。 山型リングの動作を説明するための図である。

符号の説明

１０ ピストン、１１ 燃焼室、１３ スカート部、１４ リップ部、１６ ピストン本体、１７ 頂面、１１１ トップリング溝、１１２ セカンドリング溝、１１３ オイルリング溝、１２１，１２２，１２３ 山型リング、１３１ トップリング、１３２ セカンドリング、１３３ オイルリング、１４１，１４２，１４３ 凹形状、１５１ トップランド部、１５２ セカンドランド部、１５３ サードランド部。

Claims (5)

1. 表面にリング溝が形成され、その上部に各リング溝に対応した各ランド部が設けられ、各リング溝にピストンリングが嵌装されたピストン装置であって、
   前記各ランド部のいずれかに張力を有する断面が略くの字の山型リングが装着されている、ピストン装置。
2. 前記ピストンのランド部側に前記山型リングのすそ野部が位置し、シリンダ内面側に前記山型リングの頂部が位置する、請求項１に記載のピストン装置。
3. 前記ピストン装置とシリンダの隙間の変化によって前記山型リングのすそ野部の幅が変化する、請求項１または２に記載のピストン装置。
4. 前記ランド部は、前記山型リングのすそ野部の広がりを規制する凹形状を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載のピストン装置。
5. 前記山型リングの張力はピストンリングの張力より小さい、請求項１から４のいずれか１項に記載のピストン装置。

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