(57)【要約】【課題】ピストンの重量が重くなることを抑制しつつ、耐摩環の変形等を抑制することができる耐摩環、これが設けられたピストン及び同ピストンを有する内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関のピストンには、耐摩環３２が設けられる。耐摩環３２は、外周面３３に形成されるリング溝３４Ａを挟んで対向する一対の対向壁３５，３６とこれら対向壁３５，３６を内周側で接続する側壁３７とを有している。一対の対向壁３５，３６は、その厚さが周方向において相対的に厚い厚肉部３５Ａ，３６Ａと相対的に薄い薄肉部３５Ｂ，３６Ｂとを含んでいる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に形成されるリング溝を挟んで対向する一対の対向壁とこれら対向壁を内周側で接続する側壁とを有する耐摩環であって、前記一対の対向壁の少なくとも一方は、その厚さが周方向において相対的に厚い厚肉部と相対的に薄い薄肉部とを含む耐摩環。
【請求項２】
請求項１に記載の耐摩環が設けられたピストン。
【請求項３】
過給機を備える内燃機関であって、
請求項２に記載のピストンを有し、
前記耐摩環の厚肉部が吸気バルブ側に配置され、前記薄肉部が排気バルブ側に配置される内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐摩環、ピストン及び同ピストンを有する内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１に記載されるように、内燃機関用のピストンには、ピストン本体を形成する材料よりも耐摩耗性に優れた材料からなる耐摩環によって、ピストンリングが装着されるリング溝を形成するようにしたものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開平７−３８６４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、内燃機関の燃焼等によってピストン及び耐摩環が受ける荷重は、その全周に亘って均一ではなく、部位毎に異なっている。そして、荷重が相対的に大きい部位においては、耐摩環の変形やそれに起因するリング溝の変形や損傷が生じやすくなる。こうした変形等が生じると、燃焼圧を十分に高めることができず機関出力の低下を招くおそれがある。そこで、これを抑制すべく、荷重が相対的に大きい部位においても耐摩環の変形等が生じることのないように、耐摩環の厚さを大きくした場合には、耐摩環の重量が重くなり、これが設けられたピストン全体の重量も重くなることから、内燃機関の燃費を悪化させてしてしまうこととなる。
【０００５】
本発明はこうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ピストンの重量が重くなることを抑制しつつ、耐摩環の変形等を抑制することができる耐摩環、これが設けられたピストン及び同ピストンを有する内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する耐摩環は、外周面に形成されるリング溝を挟んで対向する一対の対向壁とこれら対向壁を内周側で接続する側壁とを有する耐摩環であって、前記一対の対向壁の少なくとも一方は、その厚さが周方向において相対的に厚い厚肉部と相対的に薄い薄肉部とを含むことを要旨とする。
【０００７】
また、こうした耐摩環をピストンに設けることが好ましい。
上記各構成によれば、耐摩環の一対の対向壁の少なくとも一方は、周方向において厚さが均一ではなく、厚肉部と薄肉部とを備えている。したがって、ピストンが受ける荷重が相対的に大きくなる部位に、厚肉部を配置することが可能となり、ピストンが受ける荷重が相対的に大きい部位における耐摩環の強度を相対的に高くすることができる。これにより、ピストンが受ける荷重が相対的に大きい部位においても、耐摩環の変形等を抑制することができる。一方、耐摩環の対向壁は、厚さが相対的に薄い薄肉部を備えているため、全周に亘って厚肉部と同じ厚さに形成した場合に比べて、耐摩環の軽量化を図ることができる。したがって、上記構成によれば、耐摩環、ピストンの重量が重くなることを抑制しつつ、耐摩環の変形等を抑制することができる。
【０００８】
また、過給機を備える内燃機関は、上記耐摩環が設けられたピストンを有し、前記耐摩環の厚肉部が吸気バルブ側に配置され、前記薄肉部が排気バルブ側に配置されることが好ましい。
【０００９】
過給機を備える内燃機関では、プレイグニッションの発生時に、排気バルブ側よりも吸気バルブ側のほうがピストンに作用する荷重（筒内圧）が大きくなることを本願発明者は実験により確認した。そこで、上記構成では、プレイグニッションが発生した際にピストンに作用する荷重が大きくなる吸気バルブ側に、耐摩環の厚肉部を配置させる一方、ピストンに作用する荷重が相対的に小さい排気バルブ側に薄肉部を配置させるようにしている。これにより、過給機を備える内燃機関のピストンにおいて、プレイグニッションの発生によりピストンが受ける荷重が相対的に大きくなる部位においても耐摩環の変形等を抑制することができるとともに、耐摩環において排気バルブ側に位置する部位を薄肉部とすることで、ピストンの重量が重くなることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関を示す模式図。
【図２】同実施形態におけるピストンの一部を断面で示す斜視図。
【図３】同実施形態における耐摩環の正面図。
【図４】図３の４−４線断面図。
【図５】本発明の他の実施形態に係る耐摩環の断面図。
【図６】本発明の他の実施形態に係る耐摩環の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る耐摩環、ピストン及び内燃機関を具体化した一実施形態について説明する。本実施形態の内燃機関はガソリンエンジンである。
図１に示すように、内燃機関１０の吸気通路１１には、スロットルバルブ１２が設けられている。内燃機関１０では、スロットルバルブ１２の開度調節を通じて、燃焼室１５内に吸入される空気の量が調節される。また、吸気通路１１には、燃料噴射弁１３が設けられている。燃料噴射弁１３は、その開弁駆動に伴って吸気ポートに向けて燃料を噴射する。
【００１２】
内燃機関１０のシリンダ１４内には、ピストン３０が設けられている。ピストン３０には、ピストンリング３０Ａが装着されている。
図２に示すように、ピストン３０には、ピストンリング３０Ａが装着されるリング溝３４が３つ形成されている。そして、ピストン３０では、ピストン本体３１に耐摩環３２が固定されている。耐摩環３２は、ピストン３０の３つのリング溝３４のうち燃焼室１５に最も近い最上段のリング溝３４に対応する部位に設けられており、耐摩環３２の外周面３３にはピストンリング３０Ａが装着されるリング溝３４Ａが形成されている。耐摩環３２は、ピストン本体３１よりも耐摩耗性に優れた材料で形成されている。例えば、耐摩環３２は鋳鉄、ピストン本体３１はアルミニウムからなり、耐摩環３２をアルミニウムの溶湯で鋳込むことにより、同耐摩環３２はピストン本体３１に固定される。
【００１３】
図１に示すように、内燃機関１０には、燃焼室１５を臨むように点火プラグ１７が設けられている。内燃機関１０では、燃料噴射弁１３から噴射された燃料が燃焼室１５内において燃焼することによってピストン３０が往復移動してクランクシャフト１８が回転する。そして、燃焼後のガスは排気として燃焼室１５から排気通路１９に送り出される。
【００１４】
吸気通路１１と燃焼室１５とは吸気バルブ２１の開閉により連通・遮断され、排気通路１９と燃焼室１５とは排気バルブ２２の開閉により連通・遮断される。なお、吸気バルブ２１及び排気バルブ２２は、各シリンダ１４に対応してそれぞれ２つずつ設けられている。
【００１５】
内燃機関１０には吸気通路１１内の吸入空気を圧送する過給機４０が設けられている。具体的には、吸気通路１１におけるスロットルバルブ１２の上流側の部分には、過給機４０のコンプレッサ４１が取り付けられている。また、内燃機関１０の排気通路１９には過給機４０のタービン４２が取り付けられている。なお過給機４０は、コンプレッサ４１の内部に設けられたコンプレッサホイール４１Ａとタービン４２の内部に設けられたタービンホイール４２Ａとが連結された排気駆動式のものである。排気通路１９において、タービン４２の上流側と下流側とはバイパス通路４３で接続されており、バイパス通路４３にはウエイストゲートバルブ４４が設けられている。ウエイストゲートバルブ４４の開度が調整されることにより、タービンホイール４２Ａに吹き付けられる排気の流量が変更されて、吸気の圧送量が調節される。
【００１６】
ところで、ガソリンエンジンにおいては、点火プラグによる点火に先だって混合気が燃焼するプレイグニッションが発生することがある。そして、本願発明者は、過給機を備えるガソリンエンジンでは、プレイグニッションの発生時に、排気バルブ側よりも吸気バルブ側のほうがプレイグニッションによる燃焼圧力が大きくなり、これにより排気バルブ側よりも吸気バルブ側のほうがピストンに作用する荷重が大きくなることを確認している。また、本願発明者は、過給機を有するガソリンエンジンでは、プレイグニッションの発生時の燃焼圧力が、点火プラグの点火による通常の燃焼による燃焼圧力よりも大きくなることを実験により確認している。
【００１７】
したがって、このようなガソリンエンジンでは、プレイグニッションの発生時にピストンに作用する荷重が相対的に大きい吸気バルブ側において耐摩環に作用するピストンリングの応力が大きくなる。そしてこれに起因して、耐摩環の変形やそれに起因するリング溝の変形や損傷が生じやすくなる。こうした変形等が生じると、燃焼圧を十分に高めることができず内燃機関の出力低下を招くおそれがある。
【００１８】
そこで、本実施形態の内燃機関１０では、ピストン３０に設けられる耐摩環３２が、プレイグニッションの発生時に荷重が相対的に大きい吸気バルブ２１側の部位においても変形等が生じることが抑制される形状に設定されている。以下、本実施形態に係る耐摩環３２について図３及び図４を参照して説明する。
【００１９】
図４に示すように、上記の通り、耐摩環３２の外周面３３には、リング溝３４Ａが形成されている。そして、耐摩環３２は、リング溝３４Ａを挟んで対向する一対の対向壁３５、３６と、これら対向壁３５、３６を内周側で接続する側壁３７とを有している。
【００２０】
一対の対向壁３５、３６の間の距離、すなわちリング溝３４Ａの幅は、耐摩環３２の周方向に亘って同じ長さｓ１である。また、側壁３７の厚さは、周方向に亘って同じ厚さｓ２に設定されている。
【００２１】
一方、一対の対向壁３５、３６のそれぞれは、対向しあう各部位における厚さは同じ厚さではあるものの、その周方向における厚さは均一ではなく、相対的に厚い部位と薄い部位とを備えている。具体的には、一対の対向壁３５、３６では、周方向の各部位の中で吸気バルブ２１側の部位（図３及び図４の紙面左側の部位）の厚さが最も厚く、厚さｔ１となっている。すなわち、一対の対向壁３５、３６における吸気バルブ２１側部位が、周方向において相対的に厚い厚肉部３５Ａ，３６Ａとなっている。なお、厚肉部３５Ａ，３６Ａの厚さｔ１は、厚肉部３５Ａ，３６Ａの厚さをこの厚さｔ１とすることで、プレイグニッションが発生しても耐摩環３２の変形等を抑制することができる強度を耐摩環３２が有することができるような厚さに設定されている。
【００２２】
一方、一対の対向壁３５、３６では、周方向の各部位の中で排気バルブ２２側の部位（図３及び図４の紙面右側の部位）の厚さが最も薄く、厚さｔ２となっている（ｔ１＞ｔ２）。すなわち、一対の対向壁３５、３６における排気バルブ２２側の部位が、周方向において相対的に薄い薄肉部３５Ｂ，３６Ｂとなっている。そして、図４に示すように、一対の対向壁３５，３６では、厚肉部３５Ａ，３６Ａから薄肉部３５Ｂ、３６Ｂにかけて、その厚さが漸次薄くなるように構成されている。なお対向壁３５，３６の径方向における長さは、周方向に亘り均一の長さｔ３となっている。
【００２３】
また、上記の通り、側壁３７の厚さｓ２と、一対の対向壁３５，３６の径方向における長さｔ３は、それぞれ耐摩環３２の周方向に亘ってそれぞれ均一となっているため、耐摩環３２に形成されるリング溝３４Ａの深さは、耐摩環３２の周方向に亘って均一となっている。これにより、リング溝３４Ａには、周方向に均一な形状のピストンリング３０Ａを嵌合させることができる。
【００２４】
本実施形態のピストン３０は、以上詳述した耐摩環３２を有しており、本実施形態の内燃機関１０には、こうした耐摩環３２を有するピストン３０が設けられている。
次に、本実施形態の作用を説明する。
【００２５】
図１に示す内燃機関１０において、プレイグニッションが発生すると、燃焼室１５内の燃焼圧力が、排気バルブ２２側よりも吸気バルブ２１側において高くなる。そのため、ピストン３０に作用する荷重は、排気バルブ２２側よりも吸気バルブ２１側のほうが大きくなる。本実施形態では、図４に示すように、ピストン３０の耐摩環３２における一対の対向壁３５，３６において、吸気バルブ２１側の部位が厚肉部３５Ａ，３６Ａとなっているため、耐摩環３２の吸気バルブ２１側の部位の強度が相対的に高くなっている。そのため、プレイグニッションの発生によって、ピストン３０における吸気バルブ２１側の部位に大きな荷重が作用しても、耐摩環３２が変形することが抑制される。また、耐摩環３２は、排気バルブ２２側が薄肉部３５Ｂ，３６Ｂとなっているため、ピストン３０の重量が重くなることを抑制される。
【００２６】
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）本実施形態のピストン３０は、耐摩環３２を備えている。そして、その耐摩環３２は、外周面３３に形成されるリング溝３４Ａを挟んで対向する一対の対向壁３５，３６とこれら対向壁３５，３６を内周側で接続する側壁３７とを有しており、一対の対向壁３５，３６は、その厚さが周方向において均一ではなく、相対的に厚い厚肉部３５Ａ，３６Ａと相対的に薄い薄肉部３５Ｂ，３６Ｂとを含んでいる。
【００２７】
これにより、ピストン３０が受ける荷重が相対的に大きくなる側、すなわち本実施例では吸気バルブ２１側に、厚肉部３５Ａ，３６Ａを配置することが可能となり、ピストン３０が受ける荷重が相対的に大きい部位における耐摩環３２の強度を相対的に高くすることができる。これにより、ピストン３０が受ける荷重が相対的に大きい吸気バルブ２１側においても、耐摩環３２の変形等を抑制することができる。一方、厚さが相対的に薄い薄肉部３５Ｂ，３６Ｂを備えているため、耐摩環３２を全周に亘って厚肉部３５Ａ，３６Ａと同じ厚さに形成した場合に比べて、耐摩環３２の軽量化を図ることができる。このようにして、ピストン３０の重量が重くなることを抑制しつつ、耐摩環３２の変形等を抑制することができる。
【００２８】
（２）本実施形態の内燃機関１０は、過給機４０を備えており、上記耐摩環３２を有するピストン３０を備えている。また、耐摩環３２の厚肉部３５Ａ，３６Ａが吸気バルブ２１側に配置され、薄肉部３５Ｂ，３６Ｂが排気バルブ２２側に配置されている。
【００２９】
本願発明者の実験により、過給機４０を備える内燃機関１０では、プレイグニッションの発生時に、排気バルブ２２側よりも吸気バルブ２１側のほうがピストン３０に作用する荷重（筒内圧）が大きくなることが確認されている。そこで、本実施形態では、プレイグニッションが発生した際にピストン３０に作用する荷重が大きくなる吸気バルブ２１側に、耐摩環３２の厚肉部３５Ａ，３６Ａを配置させる一方、ピストン３０に作用する荷重が相対的に小さい排気バルブ２２側に薄肉部３５Ｂ，３６Ｂを配置させるようにしている。これにより、過給機４０を備える内燃機関１０において、プレイグニッションの発生によりピストン３０が受ける荷重が相対的に大きくなる部位においても耐摩環３２の変形等を抑制することができる。また、耐摩環３２において排気バルブ２２側に位置する部位を薄肉部３５Ｂ，３６Ｂとすることで、ピストン３０の重量が重くなることを抑制することができる。
【００３０】
なお、本発明は、上記実施形態にて例示した態様に限られるものではなく、以下に示すように変更して実施することができる。
・耐摩環は、上記実施形態の構成に限定されず、一対の対向壁が、吸気バルブ側の部位の厚さが相対的に厚く、排気バルブ側の部位の厚さが相対的に薄く形成されていればよい。例えば、耐摩環は、図５及び図６に示すような形状であってもよい。
【００３１】
図５に示す耐摩環５０は、一対の対向壁５５，５６における吸気バルブ側の領域（図５に矢印Ａで示す範囲）が、対向壁５５，５６の周方向において厚さが相対的に厚い厚肉部５５Ａ，５６Ａとなっている。また、一対の対向壁５５，５６における排気バルブ側の領域（図５に矢印Ｂで示す範囲）が、対向壁５５，５６の周方向において厚さが相対的に薄い薄肉部５５Ｂ，５６Ｂとなっている。そして、厚肉部５５Ａ，５６Ａと薄肉部５５Ｂ，５６Ｂの間の領域（図５に矢印Ｃで示す範囲）は、厚肉部５５Ａ，５６Ａ側から薄肉部５５Ｂ，５６Ｂ側にかけて厚さが漸次薄くなるように構成されている。
【００３２】
また、図６に示す耐摩環６０は、一対の対向壁６５，６６における吸気バルブ側の領域（図６に矢印Ａで示す範囲）が、厚肉部６５Ａ，６６Ａとなっている。また、対向壁６５，６６における排気バルブ側の領域（図６に矢印Ｂで示す範囲）が、薄肉部６５Ｂ，６６Ｂとなっている。そして、厚肉部６５Ａ，６６Ａと薄肉部６５Ｂ，６６Ｂの間の一部の領域（図６に矢印Ｃで示す範囲）は、厚さが均一であり且つ厚肉部６５Ａ，６６Ａと薄肉部６５Ｂ，６６Ｂの中間の厚さである中肉部６５Ｃ，６６Ｃとなっている。厚肉部６５Ａ，６６Ａと中肉部６５Ｃ，６６Ｃとの間の領域は、厚肉部６５Ａ，６６Ａ側から中肉部６５Ｃ，６６Ｃ側にかけて厚さが漸次薄くなり、中肉部６５Ｃ，６６Ｃと薄肉部６５Ｂ，６６Ｂの間の領域は、中肉部６５Ｃ，６６Ｃ側から薄肉部６５Ｂ，６６Ｂ側にかけて厚さが漸次薄くなっている。このように、図６に示す実施形態では、対向壁６５，６６の厚さが、厚肉部６５Ａ，６６Ａから薄肉部６５Ｂ，６６Ｂにかけて段階的に薄くなっている。
【００３３】
このように、図５及び図６に示す耐摩環５０，６０においても、一対の対向壁５５，５６，６５，６６において吸気バルブ側に厚肉部５５Ａ，５６Ａ，６５Ａ，６６Ａが配置され、排気バルブ側に薄肉部５５Ｂ，５６Ｂ，６５Ｂ，６６Ｂが配置されている。したがって、プレイグニッションの発生によりピストンが受ける荷重が相対的に大きくなる吸気バルブ側の部位においても耐摩環５０，６０の変形等を抑制することができるとともに、耐摩環５０，６０において排気バルブ側に位置する部位を薄肉部５５Ｂ，５６Ｂ，６５Ｂ，６６Ｂとすることで、ピストンの重量が重くなることを抑制することができる。
【００３４】
・上記各実施形態では、一対の対向壁において、対向する各部位では各対向壁の厚さを同じ厚さとしている。しかしながら、一対の対向壁においては、排気バルブ側の部位の厚さよりも吸気バルブ側の部位の厚さのほうが厚ければよく、対向する各部位の厚さは同じ厚さでなくてもよい。すなわち、図４，５及び６に示した実施形態において、互いに対向する厚肉部３５Ａ，５５Ａ，６５Ａの厚さと厚肉部３６Ａ，５６Ａ，６６Ａの厚さとを異なる厚さとしてもよいし、互いに対向する薄肉部３５Ｂ，５５Ｂ，６５Ｂの厚さと薄肉部３６Ｂ，５６Ｂ，６６Ｂの厚さとを異なる厚さとしてもよい。また、上記各実施形態では、耐摩環の一対の対向壁の両方が厚肉部と薄肉部とを含むようにしているが、一対の対向壁の何れか一方が厚肉部と薄肉部とを含むようにしてもよい。また、上記各実施形態では、側壁の厚さが周方向に亘って均一な厚さであるが、側壁の厚さが周方向の部位毎に異なっていてもよい。例えば、側壁の厚さが、排気バルブ側よりも吸気バルブ側において厚くなっていてもよい。
【００３５】
・上記実施形態では、耐摩環の厚肉部が吸気バルブ側に配置され、薄肉部が排気バルブ側に配置されている。しかしながら、耐摩環の厚肉部及び薄肉部の配置位置は、上記実施形態と異なる位置であってもよい。例えば、プレイグニッションなどの異常燃焼時ではなく、通常の混合気の燃焼時において、ピストンに作用する荷重（燃焼圧力）がピストンの首振り等によって偏ることもある。そこで、耐摩環の一対の対向壁において、通常燃焼時にピストンに作用する荷重（燃焼圧力）が相対的に大きい部位の厚さを、対向壁の周方向において相対的に厚い厚肉部とし、通常燃焼時にピストンに作用する荷重（燃焼圧力）が相対的に小さい部位の厚さを、対向壁の周方向において相対的に薄い薄肉部としてもよい。これにより、通常燃焼時の燃焼圧力によって耐摩環が変形等することを抑制しつつ、耐摩環の軽量化を図ることでピストンの重量が重くなることを抑制することができる。
【００３６】
・上記実施形態では、過給機を備えるガソリンエンジンに、本発明に係る耐摩環及びピストンを適用するようにしている。しかしながら、本発明に係る耐摩環及びピストンをディーゼルエンジンや、過給機を有さないガソリンエンジンにも適用することもできる。また、ガソリンエンジンは、燃焼室内に燃料を直接する筒内噴射弁を有するものであってもよい。これらの内燃機関においても、耐摩環の対向壁が厚肉部と薄肉部とを含み、ピストンに作用する荷重が相対的に大きい部位に耐摩環の厚肉部が配置されるようにすれば、ピストンの重量が重くなることを抑制しつつ、耐摩環の変形等を抑制することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１０…内燃機関、１１…吸気通路、１２…スロットルバルブ、１３…燃料噴射弁、１４…シリンダ、１５…燃焼室、１７…点火プラグ、１８…クランクシャフト、１９…排気通路、２１…吸気バルブ、２２…排気バルブ、３０…ピストン、３０Ａ…ピストンリング、３１…ピストン本体、３２，５０，６０…耐摩環、３３…外周面、３４，３４Ａ…リング溝、３５，３６，５５，５６，６５，６６…対向壁、３５Ａ，３６Ａ，５５Ａ，５６Ａ，６５Ａ，６６Ａ…厚肉部、３５Ｂ，３６Ｂ，５５Ｂ，５６Ｂ，６５Ｂ，６６Ｂ…薄肉部、３７…側壁、４０…過給機、４１…コンプレッサ、４１Ａ…コンプレッサホイール、４２…タービン、４２Ａ…タービンホイール、４３…バイパス通路、４４…ウエイストゲートバルブ、６５Ｃ…中肉部、６６Ｃ…中肉部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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