JP2004353773A - Piston - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はエンジンや往復動圧縮機、流体圧シリンダなどのシリンダ内を往復動し、シリンダ内面との間に圧縮室を区画するピストンに関する。
【0002】
【従来の技術】
図13に、ピストンの軸方向断面図を示す(例えば、特許文献1参照)。ピストン100は、シリンダ101内に往復動可能に配置されている。ピストン100頂面は、シリンダ101内面との間に、燃焼室102を区画している。ピストン100の外周面には、三列のリング溝103が形成されている。このうち、上段および中段の二列のリング溝103には、それぞれ炭素鋼製のコンプレッションリング104が環装されている。コンプレッションリング104の外周面は、シリンダ101内周面に当接している。
【0003】
図14に、図13円B内の拡大図を示す。圧縮行程および燃焼行程においては、図中白抜き矢印で示すように、燃焼室からの圧力がコンプレッションリング104に作用する。すなわち、燃焼室からの圧力により、コンプレッションリング104はシリンダ101内周面に押し付けられる。これに対して、排気行程および吸入行程においては、燃焼室からの圧力がコンプレッションリング104に作用しない。したがって、圧縮行程および燃焼行程においては、排気行程および吸入行程と比較して、シリンダ101内周面に対するコンプレッションリング104の当接力が大きくなる。圧縮行程および燃焼行程においては、この当接力により、燃焼室102のシール性が確保されている。
【0004】
図13に戻って、下段のリング溝103には、オイルリング105が環装されている。オイルリング105は、シリンダ101内周面からオイルの余剰分を掻き落としている。そして、シリンダ101内周面に適切な厚さのオイル膜を形成している。
【0005】
【特許文献1】
特開2002−115759号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来は、圧縮行程および燃焼行程におけるコンプレッションリング104の当接力は、排気行程および吸入行程におけるコンプレッションリング104の当接力よりも、さほど大きくならなかった。その理由は、前出図14に示すように、燃焼室からの圧力により、コンプレッションリング104は、シリンダ101内周面のみならず、リング溝下面106にも押し付けられるからである。すなわち、コンプレッションリング104は、リング溝下面106と摺動しながら、シリンダ101内周面に当接していた。したがって、リング溝下面106との摺動抵抗の分だけ、シリンダ101内周面に対する当接力が小さくなっていた。
【0007】
シリンダ101内周面に対する当接力が小さいと、コンプレッションリング104とシリンダ101内周面とのシール性が悪化し、この隙間からブローバイガスが漏れるおそれがある。
【0008】
そこで、従来は、ピストン100をシリンダ101に組み付ける当初から、比較的大きい力でコンプレッションリング104をシリンダ101内周面に当接させていた。そして、圧縮行程および燃焼行程におけるコンプレッションリング104の当接力を確保していた。
【0009】
しかしながら、こうすると、排気行程および吸入行程におけるコンプレッションリング104の当接力も大きくならざるを得なかった。すなわち、圧縮−燃焼−排気−吸入の全行程において、シリンダ101内周面に対するコンプレッションリング104の当接力は比較的大きかった。ピストン100がシリンダ101内を往復動する際、コンプレッションリング104はシリンダ内周面101に摺接している。この際の摺動抵抗は、コンプレッションリング104の当接力に比例する。したがって、従来は、コンプレッションリング104の摺動抵抗が大きかった。このため、コンプレッションリング104やシリンダ101内周面が摩耗しやすかった。また、エンジンの出力が低下するおそれがあった。
【0010】
本発明のピストンは上記課題に鑑みて完成されたものである。したがって、本発明は、圧縮行程および燃焼行程など圧縮室(前出図13の燃焼室102に相当)が高圧になる場合は高いシール性を確保でき、かつ排気行程および吸入行程など圧縮室が低圧になる場合は小さい摺動抵抗を確保できるピストンを提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
(1)上記課題を解決するため、本発明のピストンは、シリンダ内を往復動し該シリンダ内面との間に圧縮室を区画するピストン本体と、該ピストン本体の頂部に配置される圧受け部と、該圧受け部に隣接して配置され該シリンダ内周面に当接するシール部と、を備え、前記圧受け部は前記圧縮室からの圧力を受けて変形または移動し、前記シール部は該圧受け部の変形または移動により前記シリンダ内周面方向に付勢されシール性を確保することを特徴とする。
【0012】
つまり、本発明のピストンは、圧受け部とシール部とを備えるものである。圧縮室内の圧力が高圧になる場合(例えばエンジンにおいては圧縮行程および燃焼行程)、圧縮室からの圧力を圧受け部がシール部に伝達する。シール部は、シリンダ内周面に当接している。シール部は、圧受け部から伝達された圧力を、シリンダ内周面に対する当接力に変換する。この変換分が加えられることにより、シール部のシリンダ内周面に対する当接力は比較的大きくなる。一方、圧縮室内の圧力が低圧になる場合(例えばエンジンにおいては排気行程および吸入行程)、圧縮室の圧力は圧受け部に作用しにくい。このため、シール部のシリンダ内周面に対する当接力は比較的小さくなる。
【0013】
このように、本発明のピストンによると、圧縮室が高圧になる場合におけるシール部の当接力と、圧縮室が低圧になる場合におけるシール部の当接力と、の較差を大きくすることができる。したがって、圧縮室が高圧になる場合において高いシール性を確保しつつ、圧縮室が低圧になる場合においてシリンダ内周面に対する摺動抵抗を小さくすることができる。このため、本発明のピストンによると、シール部やシリンダ内周面が摩耗しにくい。
【0014】
(2)好ましくは、前記ピストン本体の頂部外周縁には、リング段差が形成されており、前記圧受け部は、内周縁が該リング段差縁に固定され、該リング段差との間にリング溝を区画する圧受けリングであり、前記シール部は、該リング溝に環装され前記シリンダ内周面に当接する弾性シールリングであり、前記圧受けリングは前記圧縮室からの圧力を受けて前記リング溝内方向に弾性変形し、前記弾性シールリングは該圧受けリングの弾性変形で該リング溝の溝幅が小さくなることにより前記シリンダ内周面方向に付勢されシール性を確保する構成とする方がよい。
【0015】
圧受けリングの内周縁は、リング段差縁に固定されている。一方、圧受けリングの外周縁は、開放されている。すなわち、圧受けリングは、断面片持ち梁状に固定されている。圧受けリングとリング段差との間には、リング溝が区画されている。このリング溝には、弾性シールリングが環装されている。弾性シールリングは、シリンダ内周面に当接している。
【0016】
圧縮室が高圧になる場合、圧縮室からの圧力により圧受けリングがリング溝内方向に撓む。この撓みにより、リング溝の溝幅は小さくなる。溝幅が小さくなると、弾性シールリングはちょうどリング溝からはみ出すように変形する。この変形により、弾性シールリングのシリンダ内周面に対する当接力は比較的大きくなる。一方、圧縮室が低圧になる場合、圧縮室からの圧力が圧受けリングに作用しにくい。このため、リング溝の溝幅は狭くなりにくい。したがって、弾性シールリングのシリンダ内周面に対する当接力は比較的小さくなる。
【0017】
本構成によると、比較的簡単な構造により、圧縮室が高圧になる場合における高いシール性と、圧縮室が低圧になる場合における小さい摺動抵抗と、を両立することができる。
【0018】
また、弾性シールリングには、合口隙間が形成されていない。したがって、コンプレッションリングの少なくとも一つが不要となる。このため、ピストンの部品点数が少なくなる。また、組み付け工数が少なくなる。
【0019】
(3)好ましくは、前記シール部の外周縁には、前記シリンダ内周面に当接するシール凸部が配置されている構成とする方がよい。本構成によると、圧縮室が低圧になる場合において、シール凸部がシリンダ内周面に線接触する。このため、さらに摺動抵抗が小さくなる。一方、圧縮室が高圧になる場合において、シール凸部は、ちょうどつぶれるように変形し、シリンダ内周面に押し付けられる。すなわち、シリンダ内周面に対するシール凸部の当接状態は、線接触から面接触に変わる。このため、シリンダ内周面に対するシール凸部の当接力が大きくなるだけでなく、接触面積つまりシール面積も大きくなる。したがって、よりシール性が向上する。
【0020】
(4)好ましくは、前記シール部は、前記ピストン本体の頂部を覆う弾性シール板であり、前記圧受け部は、該弾性シール板を覆い、該ピストン本体に対してピストン往復動方向にスライド移動可能に係止された圧受け板であり、前記圧受け板は前記圧縮室からの圧力を受けて前記ピストン本体方向にスライド移動し、前記弾性シール板は該圧受け板のスライド移動で該圧受け部と前記ピストン本体との隙間幅が小さくなることにより前記シリンダ内周面方向に付勢されシール性を確保する構成とする方がよい。
【0021】
つまり、本構成は、ピストン本体頂部に、弾性シール板と圧受け板とを積層状に搭載するものである。圧縮室が高圧になる場合において、圧受け板に圧縮室からの圧力が加わると、圧受け板はピストン本体方向にスライド移動する。このため、圧受け板とピストン本体との隙間幅が狭くなる。この隙間には、弾性シール板が介挿されている。したがって、弾性シール板は、シリンダ内周面に押し付けられる。
【0022】
本構成によると、ピストン本体頂部を覆って圧受け板が搭載されている。このため、圧受け板の受圧面積(圧縮室からの圧力を受ける面積)が比較的大きい。したがって、より効率良く圧縮室からの圧力を利用することができる。
【0023】
また、本構成によると、圧受け板自身がスライド移動することにより弾性シール板を付勢している。このため、圧受け板自身には、可撓性が要求されない。したがって、圧受け板の材料選択の自由度が比較的高い。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のピストンをエンジンに用いた実施の形態について説明する。
【0025】
(1)第一実施形態
まず、本実施形態のピストンの構成について説明する。図1に、本実施形態のピストンの組み付け図を示す。図2に、本実施形態のピストンの斜視図を示す。図3に、本実施形態のピストンの分解斜視図を示す。
【0026】
これらの図に示すように、ピストン1は、エンジンのシリンダ5内に配置されている。ピストン1頂面とシリンダ5内面との間には、燃焼室7が区画されている。燃焼室7は、本発明の圧縮室に含まれる。ピストン1は、コンロッド6の上端に枢支されている。コンロッド6の下端は、クランクピン(図略)に枢支されている。ピストン1は、ピストン本体2と圧受けリング3と弾性シールリング4とを備えている。ピストン本体2は、アルミニウム合金製であって、下方に開口する有底円筒状つまりカップ状を呈している。ピストン本体2の胴部には、内周側に突出するボス部21が形成されている。このボス部21が、前記コンロッド6上端に枢支されている。
【0027】
図4に、図2のI−I断面図を示す。図5に、図4円A内の拡大図を示す。なお、図5に示すのは、吸入行程および排気行程のピストンの状態である。
【0028】
これらの図に示すように、ピストン本体2の頂部外周縁には、断面L字状のリング段差20が形成されている。圧受けリング3は、ばね鋼製である。圧受けリング3の内周縁は、リング段差20縁に溶接されている。圧受けリング3は、リング段差20を上方から覆っている。圧受けリング3下面とリング段差20との間には、外周側に向かって開口するリング溝22が区画されている。弾性シールリング4は、シリコンゴム製である。弾性シールリング4は、リング溝22にアウトサート成形により環装されている。弾性シールリング4の外周面は、シリンダ5内周面に当接している。
【0029】
次に、本実施形態のピストンの動きについて説明する。図6に、圧縮行程および燃焼行程における弾性シールリング付近の拡大図を示す。図中、白抜き矢印Cで示すように、燃焼室7からの圧力(圧縮行程においてはピストン上昇に伴う圧縮圧力、燃焼行程においては混合気燃焼による燃焼圧力)は、上方から圧受けリング3に加わる。圧受けリング3の内周縁は固定されている。一方、圧受けリング3の外周縁は、断面片持ち梁状に開放されている。このため、圧受けリング3の外周側部分は、固定された内周縁を支点に、下方に撓む。圧受けリング3が撓むと、リング溝22の上下方向溝幅が小さくなる。このため、溝幅いっぱいに配置されていた弾性シールリング4は、白抜き矢印Dで示すように、リング溝22内から外周側つまりシリンダ5内周面方向に、ちょうど押し出されるように変形する。弾性シールリング4の変形により、弾性シールリング4のシリンダ5内周面に対する当接力は大きくなる。
【0030】
このように、圧縮行程および燃焼行程においては、圧受けリング3および弾性シールリング4により、上→下方向の圧力が、内周→外周方向の当接力に変換される。そして、この変換分だけ、弾性シールリング4のシリンダ5内周面に対する当接力が大きくなる。
【0031】
これに対し、前出図5に示すように、排気行程および吸入行程においては、燃焼室7から圧受けリング3に、上→下方向の圧力が加わらない。このため、圧縮行程および燃焼行程において変形していた弾性シールリング4は、自身の持つ弾性復元力により復元する。具体的には上方に膨張する。この膨張と圧受けリング3自身の持つ弾性復元力とが相俟って、圧受けリング3も復元する。具体的には圧受けリング3の外周部分が上昇する。また、弾性シールリング4が膨張する分、弾性シールリング4のシリンダ5内周面に対する当接力は小さくなる。したがって、排気行程および吸入行程における弾性シールリング4のシリンダ5内周面に対する当接力は、圧縮行程および燃焼行程における弾性シールリング4のシリンダ5内周面に対する当接力よりも、小さくなる。
【0032】
このように、本実施形態のピストン1においては、圧受けリング3撓む→弾性シールリング4変形→弾性シールリング4復元→圧受けリング3復元という動きが繰り返し行われる。
【0033】
次に、本実施形態のピストンの効果について説明する。本実施形態のピストン1によると、圧縮行程および燃焼行程における弾性シールリング4の当接力と、排気行程および吸入行程における弾性シールリング4の当接力と、の較差を大きくすることができる。したがって、圧縮行程および燃焼行程において高いシール性を確保しつつ、排気行程および吸入行程においてシリンダ5内周面に対する摺動抵抗を小さくすることができる。このため、本実施形態のピストン1によると、弾性シールリング4やシリンダ5内周面が摩耗しにくい。また、エンジンの出力が低下するおそれが小さい。
【0034】
また、本実施形態のピストン1によると、圧受けリング3および弾性シールリング4により、圧縮行程および燃焼行程における高いシール性と、排気行程および吸入行程における小さい摺動抵抗と、を両立することができる。すなわち、比較的簡単な構造により、高いシール性と小さい摺動抵抗とを両立することができる。
【0035】
また、本実施形態のピストン1によると、前出図13のコンプレッションリング104、オイルリング105が不要である。すなわち、弾性シールリング4は、シール性を確保するというコンプレッションリングの機能、および適切なオイル膜を形成するというオイルリングの機能を併有している。このため、ピストン1の部品点数が少なくなる。また、組み付け工数が少なくなる。
【0036】
また、弾性シールリング4は、金属製ではなくシリコンゴム製である。このため、弾性シールリング4は軽量であり、弾性シールリング4の慣性力は小さい。したがって、ピストン1がシリンダ5内を高速で往復動する場合であっても、リング溝22に対する弾性シールリング4の追従性が高い。
【0037】
(2)第二実施形態
本実施形態と第一実施形態との相違点は、弾性シールリングの外周縁にシール凸部が配置されている点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。
【0038】
図7に、排気行程および吸入行程における弾性シールリング付近の拡大図を示す。なお、図5と対応する部位については同じ符号で示す。図に示すように、弾性シールリング4の外周面は、下→上方向に向かって狭まるテーパ状を呈している。すなわち、弾性シールリング4の外周下端には、シール凸部40が形成されている。排気行程および吸入行程においては、シール凸部40の先端のみがシリンダ5内周面に当接している。すなわち、シール凸部40は、シリンダ5内周面に線接触している。
【0039】
図8に、圧縮行程および燃焼行程における弾性シールリング付近の拡大図を示す。なお、図6と対応する部位については同じ符号で示す。圧縮行程および燃焼行程においては、圧受けリング3および弾性シールリング4により、燃焼室7からの圧力の向きが、上→下方向から内周→外周方向に変換される。この変換された圧力により、シール凸部40は、ちょうどつぶれるように変形し、シリンダ5内周面に押し付けられる。
【0040】
本実施形態のピストン1は、第一実施形態のピストンと同様の効果を有する。また、本実施形態のピストン1によると、排気行程および吸入行程において、シール凸部40がシリンダ5内周面に線接触している。このため、さらに摺動抵抗が小さくなる。また、シール凸部40は、下→上方向に向かって狭まるテーパ状を呈している。このため、シリンダ5内周面から、オイルの余剰分を、比較的簡単に掻き落とすことができる。したがって、シリンダ5内周面に適切な厚さのオイル膜を形成することができる。
【0041】
また、本実施形態のピストン1によると、圧縮行程および燃焼行程において、シール凸部40が、ちょうどつぶれるように変形し、シリンダ5内周面に押し付けられる。すなわち、シリンダ5内周面に対するシール凸部40の当接状態が、線接触から面接触に変わる。このため、シリンダ5内周面に対するシール凸部40の当接力が大きくなるだけでなく、接触面積つまりシール面積も大きくなる。したがって、よりシール性が向上する。
【0042】
(3)第三実施形態
本実施形態と第二実施形態との相違点は、リング段差縁に面取り部が形成されている点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。
【0043】
図9に、排気行程および吸入行程における弾性シールリング付近の拡大図を示す。なお、図7と対応する部位については同じ符号で示す。図10に、圧縮行程および燃焼行程における弾性シールリング付近の拡大図を示す。なお、図8と対応する部位については同じ符号で示す。これらの図に示すように、リング段差20縁には、面取り部23が形成されている。
【0044】
本実施形態のピストン1は、第二実施形態のピストンと同様の効果を有する。また、本実施形態のピストン1のリング段差20縁には、面取り部23が形成されている。圧縮行程および燃焼行程において、圧受けリング3は面取り部23の曲率半径に沿って撓む。このため、圧受けリング3がより下方に撓みやすくなる。したがって、弾性シールリング4のシール凸部40がより大きく変形する。このように、本実施形態のピストン1によると、圧縮行程および燃焼行程におけるシール凸部40の当接力およびシール面積が、さらに大きくなる。このため、さらにシール性が向上する。
【0045】
(4)第四実施形態
本実施形態と第一実施形態との相違点は、ピストン本体にオイルリングが環装されている点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。
【0046】
図11に、本実施形態のピストンの軸方向断面図を示す。なお、図4と対応する部位については同じ符号で示す。図に示すように、ピストン本体2の胴部には、オイルリング用溝24が形成されている。このオイルリング用溝24には、オイルリング8が環装されている。
【0047】
本実施形態のピストン1は、第一実施形態のピストンと同様の効果を有する。また、本実施形態のピストン1は、オイルリング8を備えている。このため、シリンダ5内周面から、オイルの余剰分を、より確実に掻き落とすことができる。したがって、シリンダ5内周面に適切な厚さのオイル膜を形成することができる。
【0048】
(5)第五実施形態
本実施形態と第一実施形態との相違点は、圧受け部リングの代わりに圧受け板が配置されている点である。また、燃焼室からの圧力により、この圧受け板が変形ではなく移動する点である。また、弾性シールリングの代わりに弾性シール板が配置されている点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。
【0049】
図12に、本実施形態のピストンの軸方向断面図を示す。なお、図4と対応する部位については同じ符号で示す。図に示すように、ピストン本体2の頂部には、圧受け板30と弾性シール板41とが積層されている。圧受け板30は、ばね鋼製であって円板状を呈している。圧受け板30の下面からは、ボルト部300が突設されている。
【0050】
弾性シール板41は、シリコンゴム製であって円板状を呈している。弾性シール板41のほぼ中央には、通孔410が穿設されている。弾性シール板41の外周面は、シリンダ5内周面に当接している。また、ピストン本体2の頂部には、ボルト部係止孔200が穿設されている。
【0051】
ボルト部300は、通孔410およびボルト部係止孔200を貫通している。ボルト部300の先端には、アルミニウム合金製のナット301が螺着されている。
【0052】
圧縮行程および燃焼行程においては、燃焼室7からの圧力により、圧受け板30全体が下方にスライド移動する。このスライド移動により、弾性シール板41はちょうどつぶれるように変形し、シリンダ5内周面に押し付けられる。
【0053】
一方、排気行程および吸入行程においては、圧受け板30に、上→下方向の圧力が加わらない。このため、圧縮行程および燃焼行程において変形していた弾性シール板41は、自身の持つ弾性復元力により復元する。具体的には、上方に膨張する。この膨張により、圧受け板30はスライド上昇する。また、弾性シール板41が膨張する分、弾性シール板41のシリンダ5内周面に対する当接力は小さくなる。
【0054】
このように、本実施形態のピストン1においては、圧受け板30スライド下降→弾性シール板41変形→弾性シール板41復元→圧受け板30スライド上昇という動きが繰り返し行われる。
【0055】
本実施形態のピストン1は、第一実施形態のピストンと同様の効果を有する。また、本実施形態のピストン1によると、ピストン本体2頂部全面に亘って圧受け板30が搭載されている。このため、圧受け板30の受圧面積(燃焼室7からの圧力を受ける面積)は、前出図4の圧受けリング3の受圧面積よりも大きい。したがって、本実施形態のピストン1によると、より効率良く燃焼室7からの圧力を利用することができる。
【0056】
また、本実施形態のピストン1によると、前出図3のようにピストン本体2にリング段差20を形成する必要がない。このため、ピストン本体2の製造コストが低くなる。
【0057】
また、本実施形態のピストン1によると、弾性シール板41が、ボルト部300により、径方向ほぼ中央にて係止されている。このため、ピストン1往復動時にピストン本体2から弾性シール部40が脱落するおそれが小さい。
【0058】
また、本実施形態のピストン1によると、圧受け板30がナット301により係止されている。このため、ピストン1往復動時にピストン本体2から圧受け板30が脱落するおそれが小さい。
【0059】
また、本実施形態のピストン1によると、圧受け板30自身がスライド移動する。このため、圧受け板30に可撓性が要求されない。したがって、前出図4の圧受けリング3よりも圧受け板30の方が、材料選択の自由度が高い。
【0060】
(6)その他
以上、本発明のピストンの実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。
【0061】
例えば、上記実施形態においては、アルミニウム合金製のピストン本体2を用いたが、例えばPI(ポリイミド)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)製のピストン本体を用いてもよい。こうすると、ピストン本体2を軽量化することができる。
【0062】
また、上記実施形態においては、ばね鋼製の圧受けリング3、圧受け板30を用いたが、例えば炭素鋼製やステンレス鋼製などの圧受けリング、圧受け板を用いてもよい。
【0063】
また、上記実施形態においては、シリコンゴム製の弾性シールリング4、弾性シール板41を用いたが、例えば変性PPS製やフッ素ゴム製などの弾性シールリング、弾性シール板を用いてもよい。
【0064】
なお、圧受けリング3の材質と弾性シールリング4の材質との組み合わせは、圧縮室(燃焼室7)からの圧力を、シリンダ5内周面に対する当接力に変換する際の変換効率を決定付ける一因となる。このため、所望の当接力に応じて、圧受けリング3の材質と弾性シールリング4の材質とを組み合わせればよい。また、同様に、圧受け板30の材質と弾性シール板41の材質とを組み合わせればよい。
【0065】
また、第二、第三実施形態においては、テーパ状のシール凸部40を配置したが、段差状、曲面状のシール凸部を配置してもよい。また、複数のシール凸部を配置してもよい。
【0066】
また、上記実施形態においては、本発明のピストンをエンジンに用いたが、例えば往復動圧縮機、流体圧シリンダなどに用いてもよい。こうすると、ピストンに要求される耐熱性が、比較的低くなる。このため、ピストンの材料選択の自由度が高くなる。
【0067】
【発明の効果】
本発明によると、圧縮室が高圧になる場合は高いシール性を確保でき、かつ圧縮室が低圧になる場合は小さい摺動抵抗を確保できるピストンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第一実施形態のピストンの組み付け図である。
【図2】第一実施形態のピストンの斜視図である。
【図3】第一実施形態のピストンの分解斜視図である。
【図4】図2のI−I断面図である。
【図5】図4円A内の拡大図である。
【図6】第一実施形態のピストンの圧縮行程および燃焼行程における弾性シールリング付近の拡大図である。
【図7】第二実施形態のピストンの排気行程および吸入行程における弾性シールリング付近の拡大図である。
【図8】第二実施形態のピストンの圧縮行程および燃焼行程における弾性シールリング付近の拡大図である。
【図9】第三実施形態のピストンの排気行程および吸入行程における弾性シールリング付近の拡大図である。
【図10】第三実施形態のピストンの圧縮行程および燃焼行程における弾性シールリング付近の拡大図である。
【図11】第四実施形態のピストンの軸方向断面図である。
【図12】第五実施形態のピストンの軸方向断面図である。
【図13】従来のピストンの軸方向断面図である。
【図14】図13円B内の拡大図である。
【符号の説明】
1:ピストン、2:ピストン本体、20:リング段差、200:ボルト部係止孔、21:ボス部、22:リング溝、23:面取り部、24:オイルリング用溝、3:圧受けリング、30:圧受け板、300:ボルト部、301:ナット、4:弾性シールリング、40:シール凸部、41:弾性シール板、410:通孔、5:シリンダ、6:コンロッド、7:燃焼室(圧縮室)、8:オイルリング。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a piston that reciprocates in a cylinder such as an engine, a reciprocating compressor, a fluid pressure cylinder, and defines a compression chamber between the cylinder and an inner surface of the cylinder.
[0002]
[Prior art]
FIG. 13 shows an axial cross-sectional view of the piston (for example, see Patent Document 1). The
[0003]
FIG. 14 shows an enlarged view of circle B in FIG. In the compression stroke and the combustion stroke, the pressure from the combustion chamber acts on the
[0004]
Returning to FIG. 13, an
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-115759
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, conventionally, the contact force of the
[0007]
If the contact force against the inner peripheral surface of the
[0008]
Therefore, conventionally, the
[0009]
However, in this case, the contact force of the
[0010]
The piston of the present invention has been completed in view of the above problems. Therefore, according to the present invention, when the compression chamber (corresponding to the
[0011]
[Means for Solving the Problems]
(1) In order to solve the above problems, a piston according to the present invention reciprocates in a cylinder to partition a compression chamber between the piston and an inner surface of the piston, and a pressure receiving portion disposed on the top of the piston body. And a seal portion disposed adjacent to the pressure receiving portion and abutting on the inner peripheral surface of the cylinder, wherein the pressure receiving portion deforms or moves by receiving a pressure from the compression chamber, and the seal portion is The pressure receiving portion is urged in the direction of the inner peripheral surface of the cylinder by the deformation or movement of the pressure receiving portion to secure the sealing property.
[0012]
That is, the piston of the present invention includes the pressure receiving portion and the seal portion. When the pressure in the compression chamber becomes high (for example, in a compression stroke and a combustion stroke in an engine), the pressure receiving portion transmits the pressure from the compression chamber to the seal portion. The seal portion is in contact with the inner peripheral surface of the cylinder. The seal portion converts the pressure transmitted from the pressure receiving portion into a contact force on the inner peripheral surface of the cylinder. By adding this conversion, the contact force of the seal portion on the inner peripheral surface of the cylinder becomes relatively large. On the other hand, when the pressure in the compression chamber becomes low (for example, in an engine, an exhaust stroke and a suction stroke), the pressure in the compression chamber hardly acts on the pressure receiving portion. For this reason, the contact force of the seal portion on the inner peripheral surface of the cylinder becomes relatively small.
[0013]
As described above, according to the piston of the present invention, it is possible to increase the difference between the contact force of the seal portion when the compression chamber has a high pressure and the contact force of the seal portion when the compression chamber has a low pressure. Therefore, it is possible to reduce the sliding resistance against the inner peripheral surface of the cylinder when the pressure in the compression chamber is low, while ensuring high sealing performance when the pressure in the compression chamber is high. Therefore, according to the piston of the present invention, the seal portion and the inner peripheral surface of the cylinder are less likely to be worn.
[0014]
(2) Preferably, a ring step is formed on an outer peripheral edge of a top portion of the piston body, and an inner peripheral edge of the pressure receiving portion is fixed to the ring step edge, and a ring groove is formed between the inner peripheral edge and the ring step. Wherein the seal portion is an elastic seal ring which is mounted in the ring groove and abuts on the inner peripheral surface of the cylinder, wherein the pressure receiving ring receives the pressure from the compression chamber and receives the pressure. A configuration in which the elastic seal ring is elastically deformed in an inward direction of the ring groove, and the elastic seal ring is urged in the inner circumferential surface direction of the cylinder by the elastic deformation of the pressure receiving ring to reduce the groove width of the ring groove, thereby ensuring sealing performance It is better to do.
[0015]
The inner peripheral edge of the pressure receiving ring is fixed to the ring step edge. On the other hand, the outer peripheral edge of the pressure receiving ring is open. That is, the pressure receiving ring is fixed in a cantilever cross section. A ring groove is defined between the pressure receiving ring and the ring step. An elastic seal ring is mounted in the ring groove. The elastic seal ring is in contact with the inner peripheral surface of the cylinder.
[0016]
When the pressure in the compression chamber becomes high, the pressure receiving ring bends in the ring groove direction due to the pressure from the compression chamber. Due to this bending, the groove width of the ring groove is reduced. When the groove width is reduced, the elastic seal ring is deformed just to protrude from the ring groove. Due to this deformation, the contact force of the elastic seal ring against the inner peripheral surface of the cylinder becomes relatively large. On the other hand, when the pressure in the compression chamber becomes low, the pressure from the compression chamber hardly acts on the pressure receiving ring. For this reason, the groove width of the ring groove does not easily become narrow. Therefore, the contact force of the elastic seal ring against the inner peripheral surface of the cylinder becomes relatively small.
[0017]
According to this configuration, with a relatively simple structure, it is possible to achieve both high sealing performance when the compression chamber is at high pressure and small sliding resistance when the compression chamber is at low pressure.
[0018]
Further, no abutment gap is formed in the elastic seal ring. Therefore, at least one of the compression rings becomes unnecessary. For this reason, the number of parts of the piston is reduced. Also, the number of assembling steps is reduced.
[0019]
(3) Preferably, a configuration is adopted in which a seal convex portion that is in contact with the inner peripheral surface of the cylinder is disposed on an outer peripheral edge of the seal portion. According to this configuration, when the pressure in the compression chamber becomes low, the seal projection makes line contact with the inner peripheral surface of the cylinder. For this reason, the sliding resistance is further reduced. On the other hand, when the pressure in the compression chamber is high, the seal convex portion is deformed so as to be crushed and pressed against the inner peripheral surface of the cylinder. That is, the state of contact of the seal projection with the inner peripheral surface of the cylinder changes from line contact to surface contact. For this reason, not only does the contact force of the seal projection against the cylinder inner peripheral surface increase, but also the contact area, that is, the seal area increases. Therefore, the sealing performance is further improved.
[0020]
(4) Preferably, the seal portion is an elastic seal plate covering a top portion of the piston main body, and the pressure receiving portion covers the elastic seal plate and slides in the piston reciprocating direction with respect to the piston main body. The pressure receiving plate is slidably moved in the direction of the piston body by receiving the pressure from the compression chamber, and the elastic seal plate is moved by the sliding movement of the pressure receiving plate. It is preferable that the clearance between the receiving portion and the piston main body is reduced so as to be urged toward the inner peripheral surface of the cylinder to secure the sealing property.
[0021]
That is, in this configuration, the elastic seal plate and the pressure receiving plate are mounted on the top of the piston main body in a stacked manner. When the pressure from the compression chamber is applied to the pressure receiving plate when the pressure in the compression chamber becomes high, the pressure receiving plate slides toward the piston body. For this reason, the width of the gap between the pressure receiving plate and the piston body is reduced. An elastic seal plate is interposed in this gap. Therefore, the elastic seal plate is pressed against the inner peripheral surface of the cylinder.
[0022]
According to this configuration, the pressure receiving plate is mounted so as to cover the top of the piston body. Therefore, the pressure receiving area of the pressure receiving plate (the area receiving the pressure from the compression chamber) is relatively large. Therefore, the pressure from the compression chamber can be used more efficiently.
[0023]
Further, according to this configuration, the pressure receiving plate itself slides to urge the elastic seal plate. Therefore, the pressure receiving plate itself is not required to have flexibility. Therefore, the degree of freedom in selecting the material of the pressure receiving plate is relatively high.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment using a piston of the present invention for an engine will be described.
[0025]
(1) First embodiment
First, the configuration of the piston of the present embodiment will be described. FIG. 1 shows an assembly diagram of the piston of the present embodiment. FIG. 2 shows a perspective view of the piston of the present embodiment. FIG. 3 shows an exploded perspective view of the piston of the present embodiment.
[0026]
As shown in these figures, the
[0027]
FIG. 4 is a sectional view taken along line II of FIG. FIG. 5 shows an enlarged view of circle A in FIG. FIG. 5 shows the state of the piston in the suction stroke and the exhaust stroke.
[0028]
As shown in these figures, a
[0029]
Next, the movement of the piston according to the present embodiment will be described. FIG. 6 is an enlarged view of the vicinity of the elastic seal ring in the compression stroke and the combustion stroke. In the figure, as indicated by a white arrow C, the pressure from the combustion chamber 7 (compression pressure accompanying the rise of the piston in the compression stroke, combustion pressure due to mixture combustion in the combustion stroke) is applied to the
[0030]
As described above, in the compression stroke and the combustion stroke, the pressure from the upper direction to the lower direction is converted by the
[0031]
On the other hand, as shown in FIG. 5 described above, in the exhaust stroke and the suction stroke, no upward-downward pressure is applied to the
[0032]
As described above, in the
[0033]
Next, effects of the piston of the present embodiment will be described. According to the
[0034]
Further, according to the
[0035]
Further, according to the
[0036]
The
[0037]
(2) Second embodiment
The difference between this embodiment and the first embodiment is that a seal projection is arranged on the outer peripheral edge of the elastic seal ring. Therefore, only the differences will be described here.
[0038]
FIG. 7 is an enlarged view of the vicinity of the elastic seal ring in the exhaust stroke and the suction stroke. Parts corresponding to those in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals. As shown in the figure, the outer peripheral surface of the
[0039]
FIG. 8 is an enlarged view of the vicinity of the elastic seal ring in the compression stroke and the combustion stroke. Parts corresponding to those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals. In the compression stroke and the combustion stroke, the direction of the pressure from the
[0040]
The
[0041]
Further, according to the
[0042]
(3) Third embodiment
The difference between the present embodiment and the second embodiment is that a chamfered portion is formed at the step edge of the ring. Therefore, only the differences will be described here.
[0043]
FIG. 9 is an enlarged view of the vicinity of the elastic seal ring in the exhaust stroke and the suction stroke. Parts corresponding to those in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals. FIG. 10 is an enlarged view of the vicinity of the elastic seal ring in the compression stroke and the combustion stroke. Parts corresponding to those in FIG. 8 are denoted by the same reference numerals. As shown in these figures, a chamfered
[0044]
The
[0045]
(4) Fourth embodiment
The difference between the present embodiment and the first embodiment is that an oil ring is mounted around the piston body. Therefore, only the differences will be described here.
[0046]
FIG. 11 shows an axial sectional view of the piston of the present embodiment. Parts corresponding to those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals. As shown in the figure, an
[0047]
The
[0048]
(5) Fifth embodiment
The difference between the present embodiment and the first embodiment is that a pressure receiving plate is disposed instead of the pressure receiving portion ring. Another point is that the pressure receiving plate moves, not deforms, due to the pressure from the combustion chamber. Another difference is that an elastic seal plate is provided instead of the elastic seal ring. Therefore, only the differences will be described here.
[0049]
FIG. 12 shows an axial sectional view of the piston of the present embodiment. Parts corresponding to those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals. As shown in the figure, a
[0050]
The elastic seal plate 41 is made of silicone rubber and has a disk shape. At substantially the center of the elastic seal plate 41, a through
[0051]
The
[0052]
In the compression stroke and the combustion stroke, the pressure from the
[0053]
On the other hand, in the exhaust stroke and the suction stroke, no upward-downward pressure is applied to the
[0054]
As described above, in the
[0055]
The
[0056]
Further, according to the
[0057]
Further, according to the
[0058]
Further, according to the
[0059]
Further, according to the
[0060]
(6) Other
The embodiment of the piston of the present invention has been described above. However, the embodiments are not particularly limited to the above embodiments. Various modifications and improvements that can be made by those skilled in the art are also possible.
[0061]
For example, in the above embodiment, the
[0062]
Further, in the above embodiment, the
[0063]
In the above embodiment, the
[0064]
The combination of the material of the
[0065]
In the second and third embodiments, the tapered
[0066]
Further, in the above-described embodiment, the piston of the present invention is used for an engine. In this case, the heat resistance required for the piston is relatively low. Therefore, the degree of freedom in selecting the material of the piston is increased.
[0067]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a piston that can secure a high sealing property when the compression chamber has a high pressure and can secure a small sliding resistance when the compression chamber has a low pressure.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an assembly diagram of a piston according to a first embodiment.
FIG. 2 is a perspective view of a piston according to the first embodiment.
FIG. 3 is an exploded perspective view of a piston according to the first embodiment.
FIG. 4 is a sectional view taken along a line II of FIG. 2;
FIG. 5 is an enlarged view of circle A in FIG. 4;
FIG. 6 is an enlarged view of the vicinity of an elastic seal ring in a compression stroke and a combustion stroke of the piston of the first embodiment.
FIG. 7 is an enlarged view of the vicinity of an elastic seal ring in an exhaust stroke and a suction stroke of the piston according to the second embodiment.
FIG. 8 is an enlarged view of the vicinity of an elastic seal ring in a compression stroke and a combustion stroke of the piston according to the second embodiment.
FIG. 9 is an enlarged view of the vicinity of an elastic seal ring in an exhaust stroke and a suction stroke of the piston according to the third embodiment.
FIG. 10 is an enlarged view of the vicinity of an elastic seal ring in a compression stroke and a combustion stroke of the piston according to the third embodiment.
FIG. 11 is an axial sectional view of a piston according to a fourth embodiment.
FIG. 12 is an axial sectional view of a piston according to a fifth embodiment.
FIG. 13 is an axial sectional view of a conventional piston.
FIG. 14 is an enlarged view of FIG.
[Explanation of symbols]
1: piston, 2: piston body, 20: ring step, 200: bolt locking hole, 21: boss, 22: ring groove, 23: chamfered part, 24: oil ring groove, 3: pressure receiving ring, 30: pressure receiving plate, 300: bolt portion, 301: nut, 4: elastic seal ring, 40: seal convex portion, 41: elastic seal plate, 410: through hole, 5: cylinder, 6: connecting rod, 7: combustion chamber (Compression chamber), 8: oil ring.
Claims (4)
前記圧受け部は前記圧縮室からの圧力を受けて変形または移動し、前記シール部は該圧受け部の変形または移動により前記シリンダ内周面方向に付勢されシール性を確保することを特徴とするピストン。A piston body reciprocating in a cylinder and defining a compression chamber between the cylinder and an inner surface of the cylinder, a pressure receiving portion disposed at the top of the piston body, and an inner periphery of the cylinder disposed adjacent to the pressure receiving portion; And a seal portion abutting the surface,
The pressure receiving portion is deformed or moved by receiving a pressure from the compression chamber, and the seal portion is urged in the direction of the inner circumferential surface of the cylinder by the deformation or movement of the pressure receiving portion to secure the sealing property. And the piston.
前記圧受け部は、内周縁が該リング段差縁に固定され、該リング段差との間にリング溝を区画する圧受けリングであり、
前記シール部は、該リング溝に環装され前記シリンダ内周面に当接する弾性シールリングであり、
前記圧受けリングは前記圧縮室からの圧力を受けて前記リング溝内方向に弾性変形し、前記弾性シールリングは該圧受けリングの弾性変形で該リング溝の溝幅が小さくなることにより前記シリンダ内周面方向に付勢されシール性を確保する請求項1に記載のピストン。A ring step is formed on the top outer peripheral edge of the piston body,
The pressure receiving portion is a pressure receiving ring having an inner peripheral edge fixed to the ring step edge and defining a ring groove with the ring step,
The seal portion is an elastic seal ring that is mounted in the ring groove and abuts on the inner peripheral surface of the cylinder,
The pressure receiving ring is elastically deformed inwardly of the ring groove by receiving pressure from the compression chamber, and the elastic seal ring is elastically deformed by the pressure receiving ring so that the groove width of the ring groove is reduced. The piston according to claim 1, wherein the piston is urged in an inner circumferential direction to secure a sealing property.
前記圧受け部は、該弾性シール板を覆い、該ピストン本体に対してピストン往復動方向にスライド移動可能に係止された圧受け板であり、
前記圧受け板は前記圧縮室からの圧力を受けて前記ピストン本体方向にスライド移動し、前記弾性シール板は該圧受け板のスライド移動で該圧受け部と前記ピストン本体との隙間幅が小さくなることにより前記シリンダ内周面方向に付勢されシール性を確保する請求項1に記載のピストン。The seal portion is an elastic seal plate that covers a top portion of the piston body,
The pressure receiving portion is a pressure receiving plate that covers the elastic seal plate and is slidably engaged with the piston body in a reciprocating direction of the piston.
The pressure receiving plate slides in the direction of the piston body under the pressure from the compression chamber, and the elastic seal plate has a small gap width between the pressure receiving portion and the piston body due to the sliding movement of the pressure receiving plate. The piston according to claim 1, wherein the piston is urged in the direction of the inner circumferential surface of the cylinder to secure sealing properties.
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