JP2017089410A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】スクレーパリングの脱着を容易にする。【解決手段】本発明の一態様によれば、シリンダライナ２２と、シリンダライナの内周面３１かつ上端部３２に形成された段差部３３と、段差部に半径方向の隙間３４を隔てて配置されたスクレーパリング３５とを備えた内燃機関１であって、スクレーパリングが、シリンダライナより熱膨張係数の大きい材料で形成され、内燃機関の運転時における前記隙間３４が内燃機関の停止時における前記隙間３４より小さくなり、かつ、内燃機関の運転時に前記隙間３４が存するように構成されたことを特徴とする内燃機関が提供される。【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関に係り、特に、ピストンのトップランドに堆積した煤を掻き落とすためのスクレーパリングを備えた内燃機関に関する。

ピストンのトップランドに煤が堆積するとピストン昇降時に煤がシリンダライナ内周面を研磨し、その結果オイル消費量が増大する不具合が知られている。この不具合を解消するため、シリンダライナの内周面かつ上端部に段差部を形成すると共に、当該段差部にスクレーパリングを配置し、トップランドに堆積した煤をスクレーパリングにより掻き落とすことが知られている。

国際公開第２００５／０４５２２２号

スクレーパリングと段差部の間には半径方向の隙間が設けられ、スクレーパリングの段差部への配置を可能としている。しかし、内燃機関の運転中にその隙間に煤が堆積し、この煤を介してスクレーパリングが段差部に固着されてしまうことがある。こうなると、内燃機関のメンテナンス時等にスクレーパリングの脱着が困難になるという問題がある。

そこで本発明は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、スクレーパリングの脱着を容易にすることができる内燃機関を提供することにある。

本発明の一の態様によれば、
シリンダライナと、
前記シリンダライナの内周面かつ上端部に形成された段差部と、
前記段差部に半径方向の隙間を隔てて配置されたスクレーパリングと、
を備えた内燃機関であって、
前記スクレーパリングが、前記シリンダライナより熱膨張係数の大きい材料で形成され、
前記内燃機関の運転時における前記隙間が前記内燃機関の停止時における前記隙間より小さくなり、かつ、前記内燃機関の運転時に前記隙間が存するように構成された
ことを特徴とする内燃機関が提供される。

好ましくは、前記シリンダライナがスチールで形成され、前記スクレーパリングがステンレス、アルミニウム合金または真鍮で形成される。

本発明によれば、スクレーパリングの脱着を容易にすることができるという、優れた効果が発揮される。

本発明の実施形態の構成を示す断面図である。 図１の要部拡大断面図であり、エンジン運転前のエンジン停止時の状態を示す。 図１の要部拡大断面図であり、エンジン運転時の状態を示す。 図１の要部拡大断面図であり、エンジン運転後のエンジン停止時の状態を示す。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１に本実施形態に係る内燃機関を示す。内燃機関（エンジン）１は、多気筒のディーゼルエンジンであり、シリンダブロック２と、シリンダブロック２の上部に取り付けられたシリンダヘッド３と、シリンダブロック２およびシリンダヘッド３の間に介設されたヘッドガスケット４とを備える。シリンダブロック２には複数（一つのみ図示）のシリンダ５が設けられ、各シリンダ５内にはピストン６が往復動可能にかつ同軸に設けられている。

シリンダ５は、その中心線をなすシリンダ軸Ｃを有する。以下、シリンダ軸Ｃの方向を単に「軸方向」といい、シリンダ軸Ｃを基準とした半径方向および周方向を単に「半径方向」および「周方向」という。またシリンダ軸Ｃの方向における上死点側（図中上側）を「上」、下死点側（図中下側）を「下」とする。

ピストン６は、ピストン頂面７と、ピストン頂面７に凹設されたキャビティ８と、ピストン外周面９と、ピストン外周面９に貫通形成されたピストンピン穴１０とを有する。ピストンピン穴１０の中心を符号Ｘで示す。周知のように、ピストンピン穴１０にはピストンピン（図示せず）が嵌合され、ピストンピンはコンロッド（図示せず）の小端部にも嵌合され、コンロッドの大端部の大端穴がクランクシャフト（図示せず）のクランクピンに嵌合されることにより、ピストン６がクランクシャフトに動力伝達可能に連結される。

ピストン外周面９には複数のランドとリング溝が設けられる。図示例では、上方から順に、トップリング溝１１、セカンドリング溝１２およびサードリング溝１３が設けられる。そしてトップリング溝１１の上方のピストン外周面９、すなわちピストン外周面９のうちトップリング溝１１の上端縁からピストン頂面７までの部分が、トップランド１４となっている。同様に、トップリング溝１１とセカンドリング溝１２の間のピストン外周面９はセカンドランド１５となっており、セカンドリング溝１２とサードリング溝１３の間のピストン外周面９はサードランド１６となっている。

トップリング溝１１、セカンドリング溝１２およびサードリング溝１３にはそれぞれピストンリングであるトップリング１７、セカンドリング１８およびサードリング１９が嵌合挿入される。なお最も下側のサードリング１９はオイルリングであり、サードリング溝１３はオイルリング溝をなす。

シリンダ５に関し、シリンダブロック２には、シリンダ軸Ｃを中心としたシリンダボア２１が画成されており、このシリンダボア２１の内側にシリンダライナ２２が同軸かつ着脱可能に密着して嵌合されている。シリンダボア２１とシリンダライナ２２には半割状のウォータジャケット２３が画成され、ウォータジャケット２３内の冷却水がシリンダライナ２２に直接接触してシリンダライナ２２を冷却するようになっている。このような、冷却水がシリンダライナ２２に直接接触するタイプのシリンダライナ２２をウェットライナという。これに対し、冷却水がシリンダライナに接触しないタイプのシリンダライナをドライライナという。

シリンダボア２１とシリンダライナ２２の接触界面を通じて冷却水が漏れ出すのを防止すべく、シリンダボア２１とシリンダライナ２２には半割状のＯリング溝２４が画成され、Ｏリング溝２４内にＯリング２５が配置されている。これらＯリング溝２４およびＯリング２５はウォータジャケット２３の上下に近接して設けられる（上側のみ図示）。

図２にも詳細に示すように、シリンダライナ２２の内周面３１かつ上端部３２には段差部３３が形成されている。そして段差部３３には、半径方向の隙間３４を隔ててスクレーパリング（もしくはカーボンスクレーパリング）３５が配置されている。

段差部３３は、シリンダライナ２２の内周面３１かつ上端部３２に半径方向外側に向かって凹設されると共に、シリンダ軸Ｃに平行かつ同軸の段差部内周面３６と、シリンダ軸Ｃに垂直な段差部底面３７とから画成される。そして段差部３３の形成箇所においてシリンダライナ２２は薄肉化されている。段差部内周面３６と同じかやや半径方向外側の位置に、ヘッドガスケット４の内周端が位置される。

スクレーパリング３５は、概してシリンダ軸Ｃ周りに１周する断面矩形のリング状の部材である。スクレーパリング３５は、シリンダ軸Ｃと同軸に配置され、段差部底面３７上に着座される。スクレーパリング３５はシリンダライナ２２の内周面３１より半径方向内側に突出されている。スクレーパリング３５は段差部３３に対し相対移動可能であり、つまり所定の遊びを持って段差部３３に嵌合されている。スクレーパリング３５とシリンダヘッド３の間には軸方向の隙間３８が設けられ、スクレーパリング３５はエンジン運転時のピストン６の昇降動作に伴って若干上下動し得るようになっている。

スクレーパリング３５は、ピストン６が図１に示す如く上死点に位置されているとき、ピストン６のトップランド１４を半径方向外側から囲繞するように配置される。そしてスクレーパリング３５がシリンダライナ内周面３１より半径方向内側に突出されるのに対応して、ピストン６のトップランド１４の上端部にはトップランド段差部４１が形成され、あるいは凹設される。トップランド段差部４１は、シリンダ軸Ｃ（ピストン軸）に平行かつ同軸のトップランド段差部外周面４２と、シリンダ軸Ｃ（ピストン軸）に垂直なトップランド段差部底面４３とから画成される。トップランド段差部外周面４２は、スクレーパリング３５の内径Ｄ１より僅かに小さい外径Ｄ２を有する（図では誇張して描かれている）。トップランド段差部底面４３は、ピストン６が上死点に位置されているとき、スクレーパリング３５の下端面３９より若干下方に位置するよう配置されている。

なお図１に示すように、ピストン６が上死点に位置されているとき、スクレーパリング３５の上端面４０はピストン頂面７より若干上方に位置される。

シリンダブロック２、シリンダライナ２２およびピストン６は、比較的高い熱負荷に耐えられるよう、耐熱性の高いスチールで形成される。これに対し、本実施形態では特に、スクレーパリング３５がシリンダライナ２２より熱膨張係数の大きい材料で形成される。スクレーパリング３５は、例えばステンレス、アルミニウム合金または真鍮で形成される。

次に、本実施形態の作用効果を説明する。

エンジンが運転される前のエンジン停止時（冷間時）、図２に示すように、スクレーパリング３５と段差部３３（具体的には段差部内周面３６）との間の半径方向隙間３４は、所定の寸法Ｄ１を有している。この寸法Ｄ１は、スクレーパリング３５の段差部３３への嵌合配置を可能し、組立性を確保するのに必要にして十分な適度な大きさである。また寸法Ｄ１は、後述するエンジン運転時にゼロより大きい寸法の半径方向隙間３４を確保できるような大きさでもある。

次いでエンジン運転時（高温時）、燃料やオイルの燃焼に伴って発生する煤がピストン６のトップランド１４、特にトップランド段差部外周面４２に付着し、もしくは堆積するが、この煤はスクレーパリング３５によって掻き落とされる。具体的には、トップランド段差部外周面４２に堆積した煤が、ピストン６の上昇時に、シリンダライナ内周面３１より半径方向内側に突出したスクレーパリング３５の下端面３９の内周端縁部５０によって掻き落とされる。これにより、ピストン昇降時にトップランド１４に堆積した煤がシリンダライナ内周面３１を研磨し、オイル消費量を増大させるという不具合を解消できる。

このエンジン運転時、図３に示すように、シリンダ５内は高温となり、スクレーパリング３５はシリンダライナ２２より大きく半径方向外側に熱膨張（大径化）する。その結果、半径方向隙間３４はエンジン運転前の寸法Ｄ１より小さな寸法Ｄ２を有するようになる。しかしながら依然として半径方向隙間３４は存在し、寸法Ｄ２はゼロより大きい。この小さな半径方向隙間３４に、シリンダ５内で発生した煤が徐々に堆積していく。シリンダ５内の煤は、スクレーパリング３５の上方の軸方向隙間３８と、スクレーパリング３５およびヘッドガスケット４の間の隙間とを通過して半径方向隙間３４に浸入する。半径方向隙間３４が小さいので、堆積した煤の半径方向の厚さも当然に薄い。シリンダ５内の熱により、堆積した煤の一部ないし大部分が焼き固まって炭化し、これがスクレーパリング３５と段差部３３に固着し、両者を固着させることがある。

その後、エンジンが運転された後のエンジン停止時（冷間時）、図４に示すように、シリンダ５内温度が低下することにより、スクレーパリング３５はシリンダライナ２２より大きく半径方向内側に熱収縮（小径化）する。その結果、半径方向隙間３４は、エンジン運転前の寸法Ｄ１と同等の寸法Ｄ３に再度拡大する。このとき、焼き固まって炭化した煤が半径方向に破断される。エンジン運転時に半径方向隙間３４に形成された煤の厚さが薄いので、段差部内周面３６や、スクレーパリング３５の外周面５１に残存付着する煤の厚さも当然に薄い（図には後者の煤Ｓのみを示す）。

このように、エンジン運転時に形成された煤の厚さ（Ｄ２）よりも、エンジン停止時に形成される半径方向隙間３４の寸法Ｄ３を大きくし、エンジン停止時、スクレーパリング３５を段差部３３から半径方向内側に確実に引き剥がすことができる。本発明の着想前において、スクレーパリングはシリンダライナと同一の材料（典型的にはスチール材料）で形成されるのが一般的であった。しかしこれだと、エンジンの運転、停止に伴う熱膨張、熱収縮の量が両者同じであり、半径方向隙間の寸法は（例えばＤ１のまま）実質的に変化せず、本実施形態のような半径方向隙間の拡縮によりスクレーパリング３５を段差部３３から引き剥がすことはできなかった。しかし本実施形態では、こうした半径方向隙間の拡縮を利用してスクレーパリング３５を段差部３３から確実に引き剥がすことができる。

このように本実施形態によれば、エンジン運転時に半径方向隙間３４に堆積した煤によりスクレーパリング３５が段差部３３に固着されてしまうことを確実に抑制ないし防止し、エンジン１のメンテナンス時等におけるスクレーパリング３５の脱着を容易にすることができる。

なお、特許文献１には、エンジン運転時にライナー装着リング（本実施形態のスクレーパリング３５に相当）が熱膨張によって掛止用段付部（本実施形態の段差部３３に相当）に強固に固定され、ライナー装着リングのがたつきによるフレッチング摩耗が防止されることが記載されている。

しかし、特許文献１のものは、エンジン運転時にライナー装着リングの外周面を掛止用段付部の内周面に押し付け、両者間の半径方向隙間を無くし、ゼロにしているものと解される。従って、エンジン運転時にゼロより大きい寸法Ｄ２の半径方向隙間３４が存する本実施形態とは明らかに相違する。また、本実施形態において特許文献１の構成を採用すると次のような不具合が生じる。

すなわち、図３を参照して、エンジン運転時に半径方向隙間３４を無くしてスクレーパリング３５の外周面５１を段差部内周面３６に押し付けるようにすると、段差部内周面３６よりも上方に突出したスクレーパリング３５の上端部が、段差部内周面３６によって支えられないので、段差部内周面３６の上端の角部を中心とする曲げ力Ｍを受ける。スクレーパリング３５の上部ほど高温であり、熱膨張量が大きくなるので、こうした曲げ力Ｍも大きくなる傾向にある。すると、段差部内周面３６の上端角部に隣接した部位においてスクレーパリング３５に応力集中が発生する。こうした曲げ力Ｍや応力集中に耐えられるよう、スクレーパリング３５の厚さを厚くするなどして高剛性化する必要があるが、これは当然に、スクレーパリング３５の重量、寸法、コスト等を増加させる。なおスクレーパリング３５が曲がってヘッドガスケット４に接触すれば、ヘッドガスケット４に悪影響を及ぼす可能性もある。

本実施形態では、エンジン運転時に依然として半径方向隙間３４が存するので、こうした不具合を確実に解消でき、薄く、軽量でシンプル、低コストなスクレーパリング３５を採用可能である。

以上、本発明の実施形態を詳細に述べたが、本発明は他の実施形態も可能である。例えば内燃機関はディーゼルエンジンに限らずガソリンエンジン等であってもよい。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ 内燃機関
２２ シリンダライナ
３１ 内周面
３２ 上端部
３３ 段差部
３４ 隙間
３５ スクレーパリング

Claims (2)

1. シリンダライナと、
   前記シリンダライナの内周面かつ上端部に形成された段差部と、
   前記段差部に半径方向の隙間を隔てて配置されたスクレーパリングと、
   を備えた内燃機関であって、
   前記スクレーパリングが、前記シリンダライナより熱膨張係数の大きい材料で形成され、
   前記内燃機関の運転時における前記隙間が前記内燃機関の停止時における前記隙間より小さくなり、かつ、前記内燃機関の運転時に前記隙間が存するように構成された
   ことを特徴とする内燃機関。
2. 前記シリンダライナがスチールで形成され、前記スクレーパリングがステンレス、アルミニウム合金または真鍮で形成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。

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