(57)【要約】【課題】エンジンオイル消費を低減し、オイルリングデポジットの発生を抑える内燃機関を提供すること。【解決手段】オイル戻し孔１０２が閉じているときは、オイル戻し孔１０２が開いているときに比べて下降行程（吸気行程、膨張行程）におけるオイルリングの上下レールの挙動が抑制され、上レールはオイルリング溝１０１上面付近に位置し続け、下レールはオイルリング溝１０１下面付近に位置し続ける。そのためオイル戻し孔１０２を閉じることで、オイルリング溝１０１の上下面に対するオイルリングのシール性能が向上する。ピストン下降行程においてオイル戻し孔１０２を閉じることで、ピストン下降行程の間オイルリングのオイルリング溝上面に対するシール性を維持してオイルリング上下面経由のオイル上がりを低減することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内を往復運動するピストンを有する内燃機関であって、前記ピストンは、
前記ピストンの外周面にオイルリングを取り付ける溝と、
前記溝と前記ピストンの内側空間とを連通するオイル戻し孔と、
前記オイル戻し孔を開閉するシャッター、および前記シャッターを駆動して前記オイル戻し孔を開閉する駆動部を含む開閉機構と、
を備え、前記開閉機構は、少なくとも前記ピストンの下降行程時に前記シャッターで前記オイル戻し孔を閉じることを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オイルリングを有するピストンを備えた内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピストンがシリンダ内を往復運動するピストン往復運動機構が用いられた内燃機関では、ピストンの外周に形成された溝にピストンリングが装着されている。ピストンリングの１つであるオイルリングは、シリンダの壁面に供給された潤滑油としてのエンジンオイルの余剰分を掻き落とす機能を有している。
【０００３】
また、オイルリングが装着されるオイルリング溝には、シリンダ壁面側とピストン内側とを連通するオイル戻し孔が設けられたものもあり、オイルリングによって掻き落とされたオイルがオイル戻し孔を介してピストン内側にも排出可能にされている。特許文献１に記載の発明は、ピストン外周に設けられたオイルリングに加えて、ピストン内周側に設けられたコントロールリングを有し、重力およびピストン慣性力によって移動するコントロールリングによりオイル戻し孔を開閉する機構をさらに備えている。
【０００４】
この特許文献１に記載の発明では、ピストン下降時には、オイルリングがオイルリング溝の上部（燃焼室側）に移動すると同時に、コントロールリングがコントロールリング溝の上部に移動して戻し孔を開き、オイルリングで掻き落とされたシリンダ表面のオイルが戻し孔からピストンの内側空間へ誘導される。これに対し、ピストン上昇時には、オイルリングがオイルリング溝の下部（クランクケース側）に移動すると同時に、コントロールリングもコントロールリング溝の下部に移動して戻し孔を閉じ、クランク軸やコネクティングロッド等から飛散する飛沫油等がピストンの内側空間からオイル戻し孔を通ってシリンダ側へ流出することを防止する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開昭４９−７１６４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来技術では、高速運転時にエンジン回転が上昇すると、オイルリングに生じる慣性力が増加することでピストン下降中にオイルリングがオイルリング溝の上面（オイルリング溝の燃焼室側の側壁）から離れ、ピストン下降中のオイルリングのリング溝上面に対するシール性が失われるという課題がある。また、運転時、換気のためクランクケース内が負圧となるため、燃焼室側とクランクケース側との圧力差が大きいとオイルリングがクランクケース側に移動することでオイルリングのオイルリング溝上面に対するシール性が失われるという課題がある。その結果、ピストン下降中にオイルがリング溝上面からシリンダ表面に流出する、所謂オイル上がりが発生し、オイル消費量が増加する。
【０００７】
また、引用文献１に記載の従来技術では、エンジン停止中は重力によりコントロールリングが溝下面に接する位置にあるため、戻し孔が閉じられた状態になる。そのため、リング溝にオイルが溜まり、オイルリング周辺にオイル由来のデポジットが溜まり易いという課題もある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、エンジンオイル消費を低減し、デポジットの発生を抑え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】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明は、シリンダ内を往復運動するピストンを有する内燃機関であって、前記ピストンは、前記ピストンの外周面にオイルリングを取り付ける溝と、前記溝と前記ピストンの内側空間とを連通するオイル戻し孔と、前記オイル戻し孔を開閉するシャッター、および前記シャッターを駆動して前記オイル戻し孔を開閉する駆動部を含む開閉機構を備え、前記開閉機構は、少なくとも前記ピストンの下降行程時に前記シャッターで前記オイル戻し孔を閉じることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、ピストン下降行程時、又は軽負荷運転時にオイル戻し孔を閉じることにより燃焼室へのオイル上がりを抑制してオイル消費を低減することで信頼性を向上させ、エンジン停止中にオイルリング溝に溜まったオイルをオイル戻し孔からピストン内側に排出することでオイルリングデポジットの発生を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態１に係る内燃機関の構造を示す図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る内燃機関用ピストンの運転時の動作を説明する図であり、（ａ）はピストン下降行程時の様子を示す図であり、（ｂ）はピストン上昇行程時の様子を示す図である。
【図３】エンジン回転数が５０００ｒｐｍのときのオイル戻し孔が開いている場合および閉じている場合のオイルリング挙動を示す図であり、（ａ）はクランク角度に対するオイルリングの上レールの変位を示す図であり、（ｂ）はクランク角度に対するオイルリングの下レールの変位を示す図である。
【図４】本発明の実施形態１に係る内燃機関のオイル挙動を示す図であり、（ａ）はピストン下降行程時を示す図であり、（ｂ）は上昇行程時を示す図である。
【図５】本発明の実施形態２に係る内燃機関の構造を示す図であり、ランクケース内の気圧とばね圧力との合力が大気圧よりも大きい時、すなわち中高負荷運転およびエンジン停止時の様子を示す図である。
【図６】本発明の実施形態２に係る内燃機関の構造を示す図であり、クランクケース内の気圧とばね圧力との合力が大気圧よりも小さい時、すなわち軽負荷運転時の様子を示す図である。
【図７】本発明の実施形態３に係る内燃機関の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００１３】
（実施形態１）
図１に、本発明の実施形態１に係る内燃機関の構造を示す。尚、図１はエンジン停止中の状態を示している。ピストン１は、図１に示すように、不図示のシリンダブロックに形成された円筒状のシリンダ壁に対し摺動自在に設けられ、シリンダ壁とシリンダヘッドとの間に燃焼室を形成する。ピストン１は、ピストンピン３でピストン１に連結されたコネクティングロッド２を介して不図示のクランクシャフトに連係されている。
【００１４】
ピストン１は、ランド部１０と、ランド部１０の下端側外周に一体に設けられた一対のスカート部１１と、スカート部１１の周方向の両端部に接続された一対のエプロン部１２とを備えている。エプロン部１２はピストンピン３の端部が嵌合するピストンピン穴を有する。ランド部１０の外周部には、コンプレッションリングやオイルリングなどピストンリングの保持に供するリング溝１３が切欠形成されている。
【００１５】
ランド部１０には、リング溝１３の１つであるオイルリング溝１０１とピストン１の内側空間Ｓと連通するオイル戻し孔１０２が形成され、さらにオイル戻し孔１０２を横切るように案内溝１０３が形成されている。案内溝１０３にはシャッター４０４が設置されており、案内溝１０３内をシャッター４０４が移動することでオイル戻し孔１０２を開閉することができる。
【００１６】
シャッター４０４は、ピストン１の内側空間Ｓ側に固定された油圧シリンダ４０１内の油圧ピストン４０２と連結され、ばね４０３と油圧で戻し孔１０２を開閉するように駆動される。油圧シリンダ４０１は、油圧経路１０４を介してランド部１０下部の凸部１４に形成された油圧導入溝１０５に連通している。凸部１４には、コネクティングロッド２の小端部が摺動可能に当接されている。
【００１７】
コネクティングロッド２のオイル通路２０１は、図示しないオイルポンプに接続される。オイルポンプは、オイル通路２０１、小端部のオイル導入溝２０２、油圧導出孔２０３を介してピストン１の油圧導入溝１０５に連通している。
【００１８】
図１はエンジン停止時を示しており、図示しないオイルポンプによるオイル圧送が行われていないときの様子を示している。そのため、油圧シリンダ４０１に油圧が作用せず、油圧ピストン４０２およびシャッター４０４がばね４０３により油圧シリンダ４０１側に引き込まれ、オイル戻し孔１０２を開いている。エンジン停止時は、図１に示すようにオイル戻し孔１０２を開くことで、オイルリング溝１０１のオイルをピストン１の内側空間Ｓに排出し、エンジン停止中にオイルリング溝１０１内にデポジットが生成されるのを防止することができる。
【００１９】
図２（ａ）、（ｂ）は、本実施形態の実施形態１に係る内燃機関用ピストンの運転時の動作を説明する図である。本発明では、ピストン下降行程ではオイル戻し孔１０２を閉じ、ピストン上昇行程ではオイル戻し孔１０２を開けるようシャッター４０４が制御される。
【００２０】
図２（ａ）はピストン１の下降行程を示しており、コネクティングロッド２の揺動で油圧導出孔２０３が油圧導入溝１０５に連通し、図示しないオイルポンプによる油圧が油圧シリンダ４０１に作用して油圧ピストン４０２およびシャッター４０４が押し上げられ、シャッター４０４がオイル戻し孔１０２を閉じる。
【００２１】
図２（ｂ）はピストン１の上昇行程を示しており、コネクティングロッド２の揺動で油圧導出孔２０３が油圧導入溝１０５に連通しなくなると共に、油圧導入溝１０５がピストン１の内側空間Ｓに解放されることで、油圧シリンダ４０１内のオイルがピストン１の内側空間Ｓに排出され、シャッター４０４が下がってオイル戻し孔１０２を開く。
【００２２】
一対の上レールおよび下レールと、その上下レール間に設けられて上下レールをシリンダ内周面に押圧付勢するためのスペーサとで構成された所謂３ピースオイルリングを使用した場合のオイルリングの挙動は、図３に示すようにオイル戻し孔１０２の開閉で変化する。
【００２３】
オイル戻し孔１０２が閉じているときは、オイル戻し孔１０２が開いているときに比べて下降行程（吸気行程、膨張行程）におけるオイルリングの上下レールの挙動が抑制され、上レールはオイルリング溝１０１上面（オイルリング溝の燃焼室側の側壁）付近に位置し続け、下レールはオイルリング溝１０１下面（オイルリング溝のクランクケース側の側壁）付近に位置し続ける。そのためオイル戻し孔１０２を閉じることで、オイルリング溝１０１の上下面に対するオイルリングのシール性能が向上する。
【００２４】
本実施形態１では、ピストン下降行程においてオイル戻し孔１０２を閉じることで、ピストン下降行程の間オイルリングのオイルリング溝上面に対するシール性を維持してオイルリング上下面経由のオイル上がりを低減することができる。
【００２５】
図４（ａ）、（ｂ）に、本発明の実施形態１に係る内燃機関のピストン下降行程時、上昇行程時のオイル挙動をより詳細に示す。
【００２６】
下降行程では、図４（ａ）に示すようにシャッター４０４を上げてオイル戻し孔１０２を閉じることで、図３に示すようにオイルリング３０３の上下レール３０３ａ、３０３ｃがオイルリング溝の上下面に留まる。そのため、オイルリング溝１０１下面に位置するオイルリング３０３の下レール３０３ｃは、効果的にシリンダ表面のオイルを掻き落とし、下レール３０３ｃとオイルリング溝１０１下面との間からのオイルリング溝１０１へのオイル侵入も防止する。また、オイルリング溝１０１上面に位置するオイルリング３０３の上レール３０３ａは、下レール３０３ｃの掻き落とし残したオイルを掻き落としてオイルリング溝１０１内に導き、オイルリング溝１０１上面からのオイル上がりを防止する。
【００２７】
上昇行程では、図４（ｂ）に示すようにシャッター４０４を下げてオイル戻り孔１０２を開くことで、オイルリング３０３の上レール３０３ａはオイルリング溝１０１上面から離れる。そのため、上レール３０３ａがシリンダ表面のオイルを下から掻き落とすと、オイル３０３はオイルリング溝１０１内に誘導され、オイルリング溝１０１からオイル戻し孔１０２を介してピストン１の内側空間Ｓに排出される。
【００２８】
（実施形態２）
図５、６に、本発明の実施形態２に係る内燃機関の構造を示す。実施形態２では、オイルリング溝１０１とピストン１の内側空間Ｓを連通するオイル戻し孔１０２は、空気圧シリンダ５０１の空気圧ピストン５０２に連結されたシャッター５０４によって開閉される。
【００２９】
空気圧シリンダ５０１には、空気圧シリンダ５０１内で往復運動可能な空気圧ピストン５０２、空気圧ピストン５０２により仕切られる２つの気室の一方に配置された、空気圧ピストン５０２に弾性力を付与するばね５０３、ばね５０３が配置された気室に設けられた、クランクケースとの間で空気を出し入れ可能とする通気孔５０６が備わる。
【００３０】
空気圧ピストン５０２は、大気圧を封入した気室５０５の気圧と、ばね５０３のばね圧力に通気孔５０６を介して導かれるクランクケースの気圧を加えた圧力とのバランスで駆動される。空気圧ピストン５０２に連結されたシャッター５０４は、空気圧ピストン５０２の動きに連動して戻し孔１０２を開閉する。
【００３１】
クランクケースにはクランクケース内を換気するために、クランクケースと内燃機関に空気を供給する吸気通路とを連通する換気通路が設けられている。運転時は吸気通路を介して燃焼室への吸気が行われるので、吸気通路と連通するクランクケース内は負圧となる。一方でエンジン停止時は、クランクケースは換気通路、吸気通路を介して大気とつながるので、クランクケース内は大気圧と等しくなる。
【００３２】
但し、換気通路は、一般的にスロットル弁よりも下流側で吸気通路と接続されているため、スロットル弁の開度に応じて換気通路の気圧が変化し、それに応じてクランケース内の気圧も変化する。スロットル開度が小さい軽負荷運転時には、燃焼室につながっている吸気通路と換気通路の２つの通路のうち吸気通路が狭まるため、換気通路側の気圧が低下し、クランクケース内の気圧も低下する。一方、スロットル弁の開度が大きい中高負荷運転時には、吸気通路が広がることにより換気通路の負圧が低下することや、大きな爆発力によって燃焼室からピストンとシリンダとの隙間などからクランクケース内に漏れ出てくるガスの量が増加すること等により、クランクケース内の気圧が軽負荷運転時よりも高くなる。
【００３３】
中高負荷運転時および運転停止時には、ばね５０３のばね圧力とクランクケース内の気圧との合力が気室５０５の大気圧よりも大きくなって図５に示すようにシャッター５０４がシリンダ５０１内に引き込まれ、オイル戻し孔１０２を開くようばね５０３のばね圧力を設定する。
【００３４】
このように本実施形態２では、クランクケース内の負圧が大きいときに生じるオイル上がりを抑制するため、軽負荷運転時にオイル戻し孔１０２を閉じてオイルリング溝１０１の上下面に対するオイルリングのシール性能を向上させ、中高負荷運転時および運転停止時の負圧が小さいときにはオイル戻し孔１０２が開くようにする。
【００３５】
軽負荷運転時には、クランクケース圧が吸気負圧程度に低く、ばね圧力とクランクケース内の気圧の合力が気室５０５の大気圧よりも小さくなって図６に示すようにシャッター５０４が空気圧シリンダ５０１からせり出し、オイル戻し孔１０２を閉じるようばね５０３のばね圧力を設定する。
【００３６】
本実施形態２では、軽負荷運転時には吸気負圧によるオイルリング上下面経由のオイル上がりを低減し、運転停止時にはオイル戻し孔１０２からオイルリング溝１０１内のオイルをピストン１内側空間Ｓに排出することでオイルデポジットの発生を抑えることができる。
【００３７】
（実施形態３）
図７に、本発明の実施形態３に係る内燃機関の構造を示す。ピストン１のオイルリング溝１０１とピストン内側を連通するオイル戻し孔１０２は、シャッター６０２が案内溝１０３中を移動することで開閉される。シャッター６０２は電動アクチュエータ６０１に連結されており、ＥＣＵからの信号に基づき任意のタイミングで電動アクチュエータ６０１によってオイル戻し孔１０２を開閉することができる。
【００３８】
本実施形態３では、回転数や負荷状況に応じて、実施形態１のようにオイル戻し孔１０２を、ピストン１の下降工程で閉じ、上昇行程で開くように制御するか、実施形態２のようにオイル戻し孔１０２を、クランクケース圧が吸気負圧程度に低い場合に閉じ、クランクケース圧が大気圧程度に高い場合に開くように制御するかを切り替えることができる。また、エンジン停止時にはオイル戻し孔１０２を開くように制御する。
【００３９】
本実施形態３では、ピストン下降行程においてオイル戻し孔１０２を閉じることで、ピストン下降行程の間オイルリングのオイルリング溝上面に対するシール性を維持してオイルリング上下面経由のオイル上がりを低減し、軽負荷運転時には吸気負圧によるオイルリング上下面経由のオイル上がりを低減し、運転停止時にはオイル戻し孔１０２からオイルリング溝１０１内のオイルをピストン１内側空間Ｓに排出することでオイルデポジットの発生を抑えることができる。
【符号の説明】
【００４０】
１  ピストン
２  コネクティングロッド
３  ピストンピン
１０  ランド部
１１  スカート部
１２  エプロン部
１３  リング溝
１４  凸部
１０１  オイルリング溝
１０２  オイル戻り孔
１０３  案内溝
１０４  油圧経路
１０５  油圧導入溝
２０１  オイル通路
２０２  オイル導入溝
２０３  油圧通気孔
３０１、３０２  ピストンリング
３０３  オイルリング
３０３ａ  上レール
３０３ｂ  スペーサ
３０３ｃ  下レール
４０１  油圧シリンダ
４０２  油圧ピストン
４０３  ばね
４０４  シャッター
５０１  空気圧シリンダ
５０２  空気圧ピストン
５０３  ばね
５０４  シャッター
５０５  気室
５０６  通気孔
６０１  電動アクチュエータ
６０２  シャッター
【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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【図７】
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