JP3767200B2

JP3767200B2 - 内燃機関用ピストン

Info

Publication number: JP3767200B2
Application number: JP26323798A
Authority: JP
Inventors: 正彦渡辺; 聡杉崎
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1998-09-17
Filing date: 1998-09-17
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2018-09-17
Also published as: JP2000088104A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用ピストンに関し、特に排気中のＨＣ（炭化水素）低減を可能とする内燃機関用ピストンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の内燃機関用ピストンとして、例えば実開平５−４２６６１号公報に開示された技術がある。
ピストン本体のトップランド部外周とシリンダ内壁との間に所定幅の間隙を形成し、該間隙を跨ぐようにトップランド部に、断面コ字状の圧縮ピストンリングを嵌め込み、圧縮ピストンリングとシリンダ内壁のシール機能の向上、バッククリアランス部内への燃焼ガスの侵入防止を図ったものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、複雑なコ字状の圧縮ピストンリングでは、圧縮ピストンリングとシリンダ内壁とのシール性を確保することが困難であり、また、圧縮ピストンリングの摺動部分の耐磨耗性の信頼性も乏しく、さらに圧縮ピストンリング溝に応力集中が発生し、トップランド部が破損する可能性がある等の問題がある。
【０００４】
また、一般構造の圧縮ピストンリングをピストン冠面に近づけてクレビス部を縮小して未燃焼混合気体（以下、未燃ＨＣという。）の低減を図ることは、圧縮ピストンリングとシリンダ内壁との強い力で圧接している摺動面の油膜が燃焼火炎の侵入によって燃焼破壊され焼き付きを生じることとなるため限界がある。
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもので、補助ピストンリングを配設することにより、未燃ＨＣを燃焼させる内燃機関用ピストンを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、圧縮ピストンリングより弱い力でシリンダ壁に圧接する補助ピストンリングを、ピストン本体の圧縮ピストンリングの隣側で最もピストン冠面に近い側に形成した補助ピストンリング溝に嵌挿して配設すると共に、前記補助ピストンリングの内周側の少なくとも一部に凹凸状の切り欠きを形成し、少なくとも一部の切り欠きを、その最深部がピストン本体の補助ピストンリング溝両側のトップランド外周面より外側にしたことを特徴とする。
【０００７】
請求項２に係る発明は、前記補助ピストンリングは、トップランド外周面より外側にある切り欠きの最深部近傍の内周面から外周面までのリング幅がピストン冠面に向かって増大することを特徴とする。
請求項３に係る発明は、前記補助ピストンリングは、周方向への回り止め機構を有しており、前記切り欠きの深さが排気ポート側よりも吸気ポート側の方が大きいことを特徴とする。
【０００８】
請求項４に係る発明は、前記補助ピストンリングの排気ポート側にある部分は、その内周面全体がトップランド外周面より内側にあることを特徴とする。
請求項５に係る発明は、前記ピストン本体の補助ピストンリング溝は、前記補助ピストンリングを回り止めするように前記補助ピストンリングの切り欠きの凸部と嵌合する凹凸形状を有することを特徴とする。
【０００９】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、圧縮ピストンリングよりピストン冠面に近づけて配設した補助ピストンリングは、シリンダ壁と弱い力で圧接しつつ摺動するため、燃焼火炎にさらされても焼き付きを生じない。
また、弱い力で補助ピストンリングがシリンダ内壁に圧接して装着されているため、燃焼圧力が補助ピストンリングを越えて圧縮ピストンリング溝に到達し、背圧となって圧縮ピストンリングをシリンダ内壁に押し付けるため、該圧縮ピストンリングのシール力は確保しつつ、未燃ＨＣのクレビス部への侵入は抑制できる。そのため、クレビス部内に侵入し、そのまま排出される未燃ＨＣの量が減少し、最終的に未燃ＨＣの排出量を低減できる。
【００１０】
また、補助ピストンリングの内周側の少なくとも一部に凹凸状の切り欠きを有することにより、補助ピストンリング溝のばね定数が低減し、補助ピストンリングのシリンダ内壁への追従性が向上する。
また、少なくとも一部の切り欠きは、その最深部がピストン本体のトップランド外周面より外側にあることにより、該外側にある切り欠きを貫通してクレビス部でのガス流動が増大するので、膨張行程においてクレビス部内からの未燃ＨＣの排出が促進され、排気行程で未燃ＨＣがクレビス部内に留まることを抑制でき、その結果、未燃ＨＣの排出量をより低減できる。
【００１１】
また、未燃ＨＣが補助ピストンリングを介してクレビス部内に侵入する際も、シリンダ内壁とは離れた側から流入するので、低温のシリンダ内壁の消炎作用を受けにくく、未燃状態でクレビス部内に留まる未燃ＨＣの量を低減できる。
さらに、燃焼圧が補助ピストンリングに背圧となってかかることを抑制できるので、補助ピストンリングをより薄くしたり、よりピストン冠面に近づけて配設できるなど、設計の自由度が向上する。
【００１２】
また、請求項２に係る発明によれば、補助ピストンリングのリング幅が変化する円周部分の傾斜に案内されて、未燃ＨＣがシリンダ内壁から離れた方向に排出されるので、消炎作用を受けにくくなり、未燃ＨＣの低減効果が増大する。
また、請求項３に係る発明によれば、補助ピストンリングの周方向への回り止め機構を有しており、切り欠きの深さが排気ポート側よりも吸気ポート側の方が大きいことにより、貫通孔の大きさが排気ポート側よりも吸気ポート側の方が大きくなり、相対的にクレビス部内に流入し、排出する未燃ＨＣが吸気ポート側の方が排気ポート側より多くなる。この結果、排気ポート側のクレビス部から流出した未燃ＨＣがそのまま排気ポートから流出することが抑制される。一方、吸入ポート側のクレビス部から流出した未燃ＨＣは、排気ポートまで距離があるので、排出前に燃焼されるか、次の燃焼行程で燃焼されるので未燃ＨＣの排出量をより効果的に低減できる。
【００１３】
また、請求項４に係る発明によれば、補助ピストンリングの、排気ポート側にある部分は、その内周面全体がトップランド外周面より内側にあるため、排気ポート側の切り欠きには貫通孔が形成されず、未燃焼混合気体の排気ポート側のクレビス部への侵入、クレビス部から排出がなくなるので請求項５の効果をより高めることができる。
【００１４】
また、請求項５に係る発明によれば、ピストン本体の補助ピストンリング溝は前記補助ピストンリングの切り欠きの凸部と嵌合する凹凸形状を有するため、該補助ピストンリング溝がリング回り止め構造を兼ねるので、他の回り止め機構が不要となり、同時に補助ピストンリング溝の耐久強度が高くなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る内燃機関用ピストンの全体縦断面図である。
シリンダヘッド３ｂには、吸気ポート４と排気ポート６が連接されており、各々について吸気弁５及び排気弁７が配設されている。シリンダ３内を摺動自由なピストン１は、ピストン本体１ｃと、該ピストン本体１ｃの頂部外周壁に装着された複数のピストンリングとで構成されている。即ち、ピストン本体１ｃの外周壁には、オイルリング溝１１ａ及び圧縮ピストンリング溝１０ａが形成されており、それぞれオイルリング１１及び圧縮ピストンリング１０が嵌挿され、これらの外周部分はシリンダ内壁３ａに油膜を介して接している。
【００１６】
また、シリンダヘッド３ｂ下面と、シリンダ内壁３ａと、ピストン冠面１ａとによって囲まれた領域によって燃焼室２が形成されている。
なお、図１では圧縮ピストンリング１０は１個だけ備えているが、本実施の形態では複数個備えてもよい。
かかる基本的な構成を備えたピストン１において、本発明に係る構成として図２及び図３に示すように、トップランド１ｂに圧縮ピストンリング１０の隣側で最もピストン冠面１ａに近い側に補助ピストンリング溝９ａを形成し、該補助ピストンリング溝９ａに圧縮ピストンリング１０より弱い力でシリンダ内壁３ａと圧接する補助ピストンリング９を、嵌挿して装着する。
【００１７】
図１は、特に吸気ポート４から混合気が送られて、吸気弁５が閉じ、燃焼が進んだ状態（燃焼行程）を示しており、未燃ＨＣ８が燃焼室２の壁面部分近傍に相当する低温領域内（以下、クエンチ部１３という。）全域に存在している。燃焼が進むにつれ、燃焼ガスの体積は膨張するので、ピストン１を下方に摺動させる力が作用し、この力がクランク軸（図示せず）を回転させる。
【００１８】
このとき、燃焼圧によりクレビス部１２に燃焼火炎と一緒に未燃ＨＣ８が最上面の圧縮ピストンリング１０の上部とトップランド１ｂの外周側面とシリンダ内壁３ａで囲まれた領域（以下、クレビス部１２という。）内に侵入しようとするが、前記補助ピストンリング９があるため、未燃ＨＣ８のクレビス部１２への侵入が抑制される。そのため、クレビス部１２内に侵入し、そのまま排出される未燃ＨＣ８の量が減少し、最終的に未燃ＨＣ８の排出量を低減できる。
【００１９】
また、弱い力で補助ピストンリング９がシリンダ内壁３ａに圧接して装着されているため、燃焼圧力が補助ピストンリング９を越えて圧縮ピストンリング溝１０ａに到達し、背圧となって圧縮ピストンリング１０をシリンダ内壁３ａに押し付けるため、該圧縮ピストンリング１０のシール力は確保され、この部分からの未燃ＨＣ８の排出防止も確保される。
【００２０】
また、圧縮ピストンリング１０よりピストン冠面１ａに近づけて配設した補助ピストンリング９は、シリンダ内壁３ａと弱い力で圧接しつつ摺動するため、燃焼火炎にさらされても焼き付きを生じることもない。
次に、第２の実施の形態について説明する。
このものは図４に示すように、補助ピストンリング９の一部内周側に凹凸状の切り欠き１４を設けたものである。このように、補助ピストンリング９の内周側に凹凸状の切り欠き１４を有することにより、補助ピストンリング溝９ａのばね定数が低減し、補助ピストンリング９のシリンダ内壁３ａへの追従性が向上する。なお、切り欠き１４の形状は、図４に示すような波形である必要はなく、凹凸のある形状ならばどのような形状でもよい。
【００２１】
次に第３の実施形態について説明する。このものは前記補助ピストンリング９の内周に形成した凹凸の切り欠き１４の寸法関係を図５のように設定する。ここで、ΦＤは、補助ピストンリング９の外径であり、ピストン本体１ｃへの装着時はシリンダ内壁３ａの径と一致する。また、ΦＤ_Lはトップランド１ｂの外径である。また、Φｄは補助ピストンリング９の最小内径であり、前記トップランド外径ΦＤ_Lより小さく形成されて補助ピストンリング９を補助ピストンリング溝９ａ内に嵌合させる。また、ΦＤ_Kは補助ピストンリング９の最大内径であり、切り欠き１４の最深部における内径である。そして、前記切り欠き１４の最深部の内径ΦＤ_Kが前記トップランド外径ΦＤ_Lよりも大きく形成され、これにより切り欠き１４のトップランド１ｂより外周側にはみ出る部分に貫通孔１５が形成される。この貫通孔１５は、燃焼圧力は十分伝達させることができ、未燃ＨＣ８の通過は抑制できる大きさに設定される。したがって、この貫通孔１５により、補助ピストンリング９はクレビス部１２へ燃焼圧力は速やかに伝えて圧縮ピストンリング１０の背圧によるシール力は確保しつつ、未燃ＨＣ８のクレビス部１２への侵入は抑制できる。
【００２２】
また、前記貫通孔１５を貫通してクレビス部１２でのガス流動が増大するので、膨張行程においてクレビス部１２内からの未燃ＨＣ８の排出が促進され、排気行程で未燃ＨＣ８がクレビス部１２内に留まることを抑制でき、その結果、未燃ＨＣ８の排出量をより低減できる。
また、未燃ＨＣ８が補助ピストンリング９を介してクレビス部１２内に侵入する際も、シリンダ内壁３ａとは離れた側から流入するので、低温のシリンダ内壁３ａの消炎作用を受けにくく、未燃状態でクレビス部１２内に留まる未燃ＨＣ８の量を低減できる。
【００２３】
また、燃焼圧が補助ピストンリング９に背圧となってかかることを抑制できるので、補助ピストンリング９をより薄くしたり、よりピストン冠面１ａに近づけて配設できるなど、設計の自由度が向上する。
次に、第４の実施の形態について説明する。このものは、図６に示すように、補助ピストンリング９のトップランド１ｂより外周側にある切り欠き１４の最深部近傍の内周面から外周面までのリング幅がピストン冠面１ａに向かって増大するように形成されている。この構造によれば、補助ピストンリング９のリング幅が変化する内周部分の傾斜に案内されて、未燃ＨＣ８がシリンダ内壁３ａから離れた方向に排出されるので、消炎作用を受けにくくなり、未燃ＨＣ８の低減効果が増大する。
【００２４】
次に、第５の実施の形態について説明する。このものは、図７に示すように、合口をリング溝から突出するピンで係合するなどの周知のピストンリングの周方向への回り止め機構を備えると共に、前記補助ピストンリング９の切り欠き１４の深さが排気ポート６側よりも吸気ポート４側の方が大きくなるように設定したものである。ここで、切り欠き１４の深さは、吸気ポート４側及び排気ポート６側とでそれぞれ別けて一様に形成してもよく、また、最も吸気ポート４寄りの位置と最も排気ポート６寄りの位置とを比較して、切り欠き１４の深さの差が最大となるように、徐々に変化させてもよい。
【００２５】
このような構造であれば、貫通孔１５の大きさが排気ポート６側よりも吸気ポート４側の方が大きくなり、相対的にクレビス部１２内に流入し、排出する未燃ＨＣ８が吸気ポート４側の方が排気ポート６側より多くなる。この結果、排気ポート６側のクレビス部１２から流出した未燃ＨＣ８がそのまま排気ポート６から流出することが抑制される。一方、吸気ポート４側のクレビス部１２から流出した未燃ＨＣ８は、排気ポート６まで距離があるので、排出前に燃焼されるか、次の燃焼行程で燃焼されるので未燃ＨＣ８の排出量をより効果的に低減できる。
【００２６】
また、第６の実施の形態として、補助ピストンリング９の排気ポート６側にある部分において、その内周面全体がトップランド１ｂ外周面より内側にあれば、排気ポート６側の切り欠き１４には貫通孔１５が形成されず、未燃ＨＣ８の排気ポート６側のクレビス部１２への侵入、クレビス部１２からの排出をより少なくすることができ、前記第５の実施形態の効果がより強化される。
【００２７】
また、第７の実施の形態は、図８に示すように、トップランド１ｂの補助ピストンリング溝９ａと前記補助ピストンリング９の切り欠き１４とがゆるく嵌合する凹凸形状を有するようにしたものである。この場合、切り欠き１４の最大内径は、トップランド径ΦＤ_L以上として貫通孔１５が形成されるようにしてあり、該貫通孔１５が吸気ポート４側の方が、排気ポート６側より大きくなるように設定してあり、前記第５、第６の実施の形態と同様の効果が得られるようにしてある。
【００２８】
また、該補助ピストンリング溝９ａがリング回り止め構造を兼ねるので、他の回り止め機構が不要となり、同時に補助ピストンリング溝９ａの耐久強度が高くなる。
なお、切り欠き１４及び補助ピストンリング溝９ａの形状は、図７の通りでなくても、ピストン本体１ｃと補助ピストンリング９が略嵌合し、補助ピストンリング９の切り欠き１４と補助ピストンリング溝９ａとの間で、トップランド径ΦＤ_L以上の所に貫通孔１５が形成されればどのような形状でもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関用ピストンの全体縦断面図
【図２】本発明に係る内燃機関用ピストンに用いる補助ピストンリング近傍の拡大縦断面図
【図３】図２の補助ピストンリング近傍の拡大縦断面図
【図４】内周側に凹凸状の切り欠きを有する補助ピストンリングの拡大平面図
【図５】内周側に凹凸状の切り欠きを有する補助ピストンリングの平面図
【図６】トップランドより外周側にある切り欠きの最深部近傍の内周面から外周面までの肉厚がピストン冠面に向かって増大する補助ピストンリングの縦断面図
【図７】周方向への回り止め機構を有しており、切り欠きの深さが排気ポート側よりも吸気ポート側の方が大きい補助ピストンリングの平面図
【図８】ピストン本体の補助ピストンリング溝と前記補助ピストンリングの切り欠きとがゆるく嵌合する凹凸形状を有する補助ピストンリングとピストン本体との平面断面図
【符号の説明】
１ｃピストン本体８未燃ＨＣ
２燃焼室９補助ピストンリング
３シリンダ１０圧縮ピストンリング
３ａシリンダ内壁１１オイルリング
４吸気ポート１４切り欠き
６排気ポート ΦＤ_L トップランド径

Claims

圧縮ピストンリングより弱い力でシリンダ壁に圧接する補助ピストンリングを、ピストン本体の圧縮ピストンリングの隣側で最もピストン冠面に近い側に形成した補助ピストンリング溝に嵌挿して配設すると共に、前記補助ピストンリングの内周側の少なくとも一部に凹凸状の切り欠きを形成し、少なくとも一部の切り欠きを、その最深部がピストン本体の補助ピストンリング溝両側のトップランド外周面より外側にしたことを特徴とする内燃機関用ピストン。
前記補助ピストンリングは、トップランド外周面より外側にある切り欠きの最深部近傍の内周面から外周面までのリング幅がピストン冠面に向かって増大することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用ピストン。
前記補助ピストンリングは、周方向への回り止め機構を有しており、前記切り欠きの深さが排気ポート側よりも吸気ポート側の方が大きいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関用ピストン。
前記補助ピストンリングの排気ポート側にある部分は、その内周面全体がトップランド外周面より内側にあることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関用ピストン。
前記ピストン本体の補助ピストンリング溝は、前記補助ピストンリングを回り止めするように前記補助ピストンリングの切り欠きの凸部と嵌合する凹凸形状を有することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関用ピストン。