JP2017096177A - Piston structure of internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃焼室内の温度分布のばらつきを低減できる内燃機関のピストン構造に関する。 The present invention relates to a piston structure of an internal combustion engine that can reduce variations in temperature distribution in a combustion chamber.
内燃機関に備わるピストンは、その上面が燃焼室の一部を構成し、燃焼室内での燃料及び空気からなる混合気の燃焼により、シリンダ内を往復動する。燃焼室内での混合気の燃焼により生じる熱は、ピストンに直接伝達されるため、ピストンには大きな熱負荷がかかる。このピストンにかかる熱負荷を低減するために、冷却空洞を備えるピストンが知られている(特許文献1)。特許文献1に記載のピストンは、その頂面中央に燃焼室となるキャビティを備え、このキャビティとピストンリング溝との間に冷却空洞を備える。
The piston of the internal combustion engine has an upper surface that constitutes a part of the combustion chamber, and reciprocates in the cylinder by the combustion of a mixture of fuel and air in the combustion chamber. Since heat generated by combustion of the air-fuel mixture in the combustion chamber is directly transmitted to the piston, a large heat load is applied to the piston. In order to reduce the thermal load applied to the piston, a piston having a cooling cavity is known (Patent Document 1). The piston described in
ピストンは、周方向に均一的に冷却されることが望まれる。ピストンの冷却度合いは、燃焼室内の温度分布に影響を及ぼすからである。特許文献1では、燃料が衝突することによる冷却効果を加味し、燃焼室の壁面のうち燃料が衝突する部位では、冷却空洞による冷却効果を小さくし、燃焼室の壁面のうち燃料が衝突しない部位では、冷却空洞による冷却効果を大きくすることで、ピストンの周方向の温度分布のばらつきを低減している。具体的には、燃料が衝突する部位における燃焼室の壁面と冷却空洞の壁面との間隔が、燃料が衝突しない部位における燃焼室の壁面と冷却空洞の壁面との間隔よりも大きくなるような異形状の冷却空洞を備えるピストンとしている。
It is desirable that the piston be uniformly cooled in the circumferential direction. This is because the cooling degree of the piston affects the temperature distribution in the combustion chamber. In
特許文献1のピストンは、ピストン内に異形状の冷却空洞を設けるために、製造過程において複雑な中子を用いる必要があり、生産性が悪く、コスト高も招く。
The piston of
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的の一つは、簡易な構成で燃焼室内の温度分布のばらつきを低減できる内燃機関のピストン構造を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and one of its purposes is to provide a piston structure for an internal combustion engine that can reduce variations in temperature distribution in the combustion chamber with a simple configuration.
本発明の一態様に係る内燃機関のピストン構造は、シリンダ内を往復動し、上面が燃焼室の一部を構成するピストンと、前記ピストンの外周に装着されて前記シリンダの内周面に密接する複数のピストンリングとを備える。前記複数のピストンリングのうち少なくとも前記燃焼室側に配置されるピストンリングは、前記燃焼室の吸気側から排気側に向かうに従って前記燃焼室側に近付くように傾斜している。 A piston structure of an internal combustion engine according to an aspect of the present invention includes a piston that reciprocates in a cylinder, an upper surface constituting a part of a combustion chamber, and an outer periphery of the piston that is in close contact with the inner peripheral surface of the cylinder. And a plurality of piston rings. Of the plurality of piston rings, at least a piston ring arranged on the combustion chamber side is inclined so as to approach the combustion chamber side as it goes from the intake side to the exhaust side of the combustion chamber.
上記の内燃機関のピストン構造は、ピストンリングを介してピストンの熱をシリンダに効率的に伝達することができ、簡易な構成で燃焼室内の温度分布のばらつきを低減できる。内燃機関の駆動時、燃焼室内の温度は、吸気側よりも排気側で高くなる傾向にある。ピストンリングが、燃焼室の吸気側から排気側に向かうに従って燃焼室側に近付くように傾斜していることで、燃焼室の一部を構成するピストンの上面とピストンリングとの距離が、燃焼室の吸気側から排気側に向かうに従って短くなり、燃焼室内の温度が高い側でより早くシリンダへ熱を伝達することができる。一方、燃焼室の排気側から吸気側に向かうに従って上記距離が長くなるため、燃焼室内の温度が低い側ではシリンダへの熱の伝達が遅くなる。よって、燃焼室内において温度が低い吸気側の放熱性よりも、温度が高い排気側の放熱性を高めることで、吸気側における放熱効果と、排気側における放熱効果に偏りが生じることを抑制でき、燃焼室内の温度分布のばらつきを低減できる。燃焼室内の温度分布のばらつきを低減できることで、燃焼室内で燃料の一部が異常高温化することを抑制でき、早期着火に起因したノッキングを抑制できる。 The piston structure of the internal combustion engine can efficiently transfer the heat of the piston to the cylinder via the piston ring, and can reduce variations in temperature distribution in the combustion chamber with a simple configuration. When the internal combustion engine is driven, the temperature in the combustion chamber tends to be higher on the exhaust side than on the intake side. The piston ring is inclined so as to approach the combustion chamber side as it goes from the intake side to the exhaust side of the combustion chamber, so that the distance between the upper surface of the piston constituting a part of the combustion chamber and the piston ring is As the temperature increases from the intake side to the exhaust side, the heat becomes shorter and heat can be transferred to the cylinder more quickly on the higher temperature side of the combustion chamber. On the other hand, since the distance increases as it goes from the exhaust side to the intake side of the combustion chamber, the transfer of heat to the cylinder is delayed on the side where the temperature in the combustion chamber is low. Therefore, by increasing the heat dissipation on the exhaust side where the temperature is higher than the heat dissipation on the intake side where the temperature is low in the combustion chamber, it is possible to suppress the occurrence of bias in the heat dissipation effect on the intake side and on the exhaust side, Variations in temperature distribution in the combustion chamber can be reduced. By reducing the variation in temperature distribution in the combustion chamber, it is possible to suppress a part of the fuel from being abnormally heated to a high temperature in the combustion chamber and to suppress knocking due to early ignition.
本発明の内燃機関のピストン構造の実施形態を以下に図面を参照しつつ説明する。図中、同一符号は同一名称物を示す。 An embodiment of a piston structure of an internal combustion engine of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the figure, the same reference numerals indicate the same names.
≪実施形態1≫
・全体構成
実施形態1の内燃機関のピストン構造100は、自動車に搭載される内燃機関の構成要素に利用される。内燃機関は、代表的には、オイルパン、シリンダブロック、シリンダヘッド、シリンダヘッドカバーが下から順に組み付けられた積層構造体を主体とする(いずれも図示せず)。シリンダブロックは、図1に示すようにシリンダ1を有し、シリンダ1内で往復動するピストン2などの主運動系を収納する。シリンダヘッドは、空気を導入する吸気ポート6と、吸気ポート6から導入した空気と燃料とを含む混合気を燃焼する燃焼室5と、燃焼室5で生じた排気ガスを排気する排気ポート7を有し、各ポート6,7と燃焼室5との境界に配置されて、燃焼室5を開閉する吸気バルブ60及び排気バルブ70などの動弁系を収納する。内燃機関は、吸気ポート6から導入された空気と、インジェクタ(図示せず)から噴射された燃料とを用いて、吸気、圧縮、燃焼、排気の4サイクル運転などを行う。燃料は、インジェクタから燃焼室5に直接噴射したり、吸気ポート6に噴射したりする。燃料をガソリンとする場合、内燃機関は、燃焼室5内に点火プラグ9を備える。
-Whole structure The
実施形態1の内燃機関のピストン構造100は、図1に示すように、ピストン2と、ピストン2の外周に装着される複数のピストンリング3と、を備える。ピストン2は、ピストンピンを介してコンロッドに連結され、燃焼室5内での混合気の燃焼により、シリンダ1内を往復動する。ピストン2は、その上面2uが燃焼室5の一部を構成している。ピストンリング3は、シリンダ1とピストン2との隙間(ピストンクリアランス)を埋めるように、シリンダ1の内周面に密接して配置される。本例では、三つのピストンリング31,32,33を配置している。本実施形態1の内燃機関のピストン構造100の主たる特徴とするところは、複数のピストンリング3のうち少なくとも燃焼室5側に配置されるピストンリングは、燃焼室5の吸気側から排気側に向かうに従って燃焼室5側に近付くように傾斜していることにある。以下、詳細を説明する。なお、以下の説明では、ピストン2の軸方向と直交する方向で吸気ポート6と排気ポート7とが左右に配置される向きから見ていることを前提とし、燃焼室5における吸気ポート6が配置される側(図1の左側)を吸気側、排気ポート7が配置される側(図1の右側)を排気側とする。
As shown in FIG. 1, the
・ピストン
ピストン2は、上面2uのピストンヘッドが燃焼室5の底部を構成する。本例では、ピストンヘッド(上面2u)を平坦面としているが、吸気バルブ60や排気バルブ70との接触を避けるために凹部(バルブリセス)を設けたピストンヘッドとすることもできる。ピストン2は、シリンダ1内を往復動できるように、その外径がシリンダ1の内径よりも僅かに小さく、シリンダ1との間に隙間(ピストンクリアランス)が設けられている。そのため、ピストン2の外周には、後述するピストンリング3が装着される。
Piston In the
ピストン2の外周面には、ピストンリング3が装着されるリング溝20が上面2u近傍に形成されている。本例では、三つのピストンリング3が装着されるため、上面2u側から順に第一リング溝21、第二リング溝22、第三リング溝23を備える。各リング溝21,22,23は、後述するピストンリング3の配置形態に対応して設ければよい。そのため、各リング溝21,22,23については、後述するピストンリング3の説明で詳述する。
On the outer peripheral surface of the
ピストン2は、一般的に、軽量で熱伝導性が高いアルミニウム合金で構成される。
The
・ピストンリング
ピストンリング3は、一般的に、主に燃焼室5の気密性を保つコンプレッションリングと、主にシリンダ1の内壁の潤滑油をかき落とすオイルリングと、を備える。本例では、二つのコンプレッションリング31,32と、一つのオイルリング33と、を備える。三つのピストンリング3はそれぞれ、第一コンプレッションリング31が第一リング溝21に、第二コンプレッションリング32が第二リング溝22に、オイルリング33が第三リング溝23に装着される。各リング31,32,33は、それぞれの張力でシリンダ1の内周面に密接する。
Piston ring The piston ring 3 generally includes a compression ring that mainly maintains the airtightness of the
複数のピストンリング3のうち少なくとも燃焼室5側に配置されるピストンリングは、吸気側から排気側に向かうに従って燃焼室5側に近付くように傾斜している。本例では、三つのピストンリング3のうち燃焼室5側にある第一コンプレッションリング31及び第二コンプレッションリング32が傾斜している。第一コンプレッションリング31(第二コンプレッションリング32)が傾斜することで、燃焼室5の一部を構成するピストン2の上面2uと第一コンプレッションリング31(第二コンプレッションリング32)との距離が、吸気側から排気側に向かうに従って短くなる。
Of the plurality of piston rings 3, at least the piston ring disposed on the
複数のピストンリング3のうち傾斜しないピストンリングは、従来と同様に、ピストン2の軸方向と直交する直交面と平行に配置されている。本例では、オイルリング33は傾斜していない。
The piston ring which does not incline among the plurality of piston rings 3 is arranged in parallel with an orthogonal plane orthogonal to the axial direction of the
複数のピストンリング3のうち傾斜するピストンリング31,32は、ピストン2の軸方向と直交する直交面に対して傾斜しておればよく、その傾斜度合いは、適宜選択できる。また、少なくとも燃焼室5側に配置されるピストンリングが傾斜すればよく、傾斜するピストンリング3の個数も適宜選択できる。例えば、本例のように三つのピストンリング3を設ける場合、燃焼室5側にある第一コンプレッションリング31のみを傾斜させたり、第一コンプレッションリング31に加えて第二コンプレッションリング32も傾斜させたり(図1を参照)、全てのピストンリング31,32,33を傾斜させたりしてもよい。本例では、コンプレッションリングを二つ設けたが、一つであってもよい。
The piston rings 31 and 32 that are inclined among the plurality of piston rings 3 may be inclined with respect to the orthogonal plane orthogonal to the axial direction of the
ピストン2に形成される各リング溝21,22,23は、ピストンリング3の配置形態に対応して形成される。本例では、第一コンプレッションリング31が装着される第一リング溝21と、第二コンプレッションリング32が装着される第二リング溝22と、が吸気側から排気側に向かうに従って燃焼室5側に近付くように傾斜している。つまり、ピストン2の上面2uと第一リング溝21(第二リング溝22)との距離が、吸気側から排気側に向かうに従って短くなる。
Each
図1に、ピストンリング3のシリンダ1との密接部分(点線で囲んだ部分)の部分拡大断面図を示す。図1の部分拡大断面図に示すように、傾斜せずに配置されたオイルリング33は、ほぼ矩形の横断面形状を有するが、傾斜して配置された第一コンプレッションリング31及び第二コンプレッションリング32は、ほぼ平行四辺形の横断面形状を有する。それは、各リング31,32,33は、シリンダ1と密接する必要があるためである。傾斜して配置される第一コンプレッションリング31及び第二コンプレッションリング32の横断面形状を平行四辺形とすることで、各リング31,32とシリンダ1との接触面積を、傾斜しない場合の各リング31,32とシリンダ1との接触面積と同等とでき、燃焼室5の気密性を保つことができる。
FIG. 1 shows a partially enlarged cross-sectional view of a close contact portion (portion surrounded by a dotted line) of the piston ring 3 with the
ピストンリング3は、高温・高圧の条件下で高速に動くため、耐摩耗性に優れると共に、張力の減退が少なく、シリンダ1も摩耗させ難い材料で構成される。ピストンリング3は、一般的に、特殊鋳鉄や炭素鋼で構成される。 Since the piston ring 3 moves at high speed under high temperature and high pressure conditions, the piston ring 3 is made of a material that is excellent in wear resistance, has little decrease in tension, and is hard to be worn out. The piston ring 3 is generally made of special cast iron or carbon steel.
・効果
本実施形態1の内燃機関のピストン構造100は、ピストンリング3を介してピストン2の熱をシリンダ1に効率的に伝達することができる。一般的に、ピストンリング3は、ピストン2の熱をシリンダ1に伝える役割を有する。本実施形態1の内燃機関のピストン構造100は、上記ピストンリング3の伝熱機能を応用し、ピストンリング3の配置形態を適正に選択することで、簡易な構成で燃焼室5内の温度分布のばらつきを低減できる。内燃機関の駆動時、燃焼室5内の温度は、吸気側よりも排気側で高くなる傾向にある。そこで、ピストンリング3を、燃焼室5の吸気側から排気側に向かうに従って燃焼室5側に近付くように傾斜させることで、排気側で燃焼室5の一部を構成するピストン2の上面2uからピストンリング3までの距離を短くできる。よって、排気側でピストンリング3を介した燃焼室5からシリンダ1への放熱経路を短くできるため、燃焼室5内の温度が高い側でより早くシリンダ1へ熱を伝達することができる。排気側でピストン2の上面2uからピストンリング3までの距離を短くできることに対して、吸気側ではピストン2の上面2uからピストンリング3までの距離は長くなる。つまり、吸気側ではピストンリング3を介した燃焼室5からシリンダ1への放熱経路が長くなるため、燃焼室5内の温度が低い側ではシリンダ1への熱の伝達が、排気側に比較して遅くなる。温度が高い側(排気側)の熱の伝達を早くすることに加え、温度が低い側(吸気側)の熱の伝達を遅くすることで、排気側における放熱効果と、吸気側における放熱効果と、に偏りが生じることを抑制でき、燃焼室5内の温度分布のばらつきを低減できる。
Effect The
本実施形態1の内燃機関のピストン構造100は、ピストンリング3の伝熱機能を応用しているため、従来技術のように複雑形状の冷却空洞を設ける必要がなく、生産性に優れる。
Since the
本発明の内燃機関のピストン構造は、ピストンの上面が燃焼室の一部を構成するピストンにおいて、燃焼室内の温度分布のばらつきを低減するのに好適に利用できる。 The piston structure of the internal combustion engine of the present invention can be suitably used to reduce variation in temperature distribution in the combustion chamber in a piston whose upper surface constitutes a part of the combustion chamber.
100 内燃機関のピストン構造
1 シリンダ
2 ピストン 2u 上面
20 リング溝
21 第一リング溝 22 第二リング溝 23 第三リング溝
3 ピストンリング
31 第一コンプレッションリング 32 第二コンプレッションリング
33 オイルリング
5 燃焼室
6 吸気ポート 60 吸気バルブ
7 排気ポート 70 排気バルブ
9 点火プラグ
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記ピストンの外周に装着されて前記シリンダの内周面に密接する複数のピストンリングとを備える内燃機関のピストン構造であって、
前記複数のピストンリングのうち少なくとも前記燃焼室側に配置されるピストンリングは、前記燃焼室の吸気側から排気側に向かうに従って前記燃焼室側に近付くように傾斜している内燃機関のピストン構造。 A piston that reciprocates in the cylinder and whose upper surface forms part of the combustion chamber;
A piston structure of an internal combustion engine comprising a plurality of piston rings attached to an outer periphery of the piston and in close contact with an inner peripheral surface of the cylinder;
A piston structure of an internal combustion engine, wherein a piston ring arranged at least on the combustion chamber side among the plurality of piston rings is inclined so as to approach the combustion chamber side from the intake side to the exhaust side of the combustion chamber.
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