(57)【要約】【課題】ピストンの首振り運動の発生時にトップリング溝が下方に急激に移動する側での潤滑油の圧力低下や油膜切れおよびセカンドランド部への燃焼ガスの流入を抑制し、潤滑油の消費量を低く維持することができる内燃機関のピストン構造を提供する。【解決手段】釣鐘形ピストン２のトップリング溝２１に装着されるトップリングの合口部を、そのピストンに作用するスラスト力Ｆによってピストンピン２４回りにスラスト側に回転するピストンの回転方向とは逆位置となる反スラスト位置、つまりスラスト側と正対する位置に固定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のピストン構造において、
ピストンのトップリング溝に装着されるトップリングの合口部は、ピストンに作用するスラスト力によってシリンダライナとの衝突点を支点に回転すると同時にピストンピン回りに回転するピストンの回転方向とは逆方向の略１８０°の範囲に固定されていることを特徴とする内燃機関のピストン構造。
【請求項２】
上記請求項１に記載の内燃機関のピストン構造において、
トップリングの合口部は、ピストンに作用するスラスト力によってシリンダライナとの衝突点を支点に回転すると同時にピストンピン回りに回転するピストンの回転方向とは逆位置となるスラスト側または反スラスト側に固定されていることを特徴とする内燃機関のピストン構造。
【請求項３】
上記請求項１または請求項２に記載の内燃機関のピストン構造において、
トップリング溝は、ピストンの圧縮上死点でスラスト力が作用した際のピストン中心軸の倒れ量の略半分の角度に基づいてその倒れ方向とは反対側にピストン中心軸を傾けた仮想のピストン中心軸を中心にしたピストンに対し形成されていることを特徴とする内燃機関のピストン構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のピストン構造に関し、詳しくは、潤滑油の消費量を低く維持する対策に係わる。
【背景技術】
【０００２】
一般に、２サイクルの内燃機関にあっては、空気の給入、または空気の給入および燃焼ガスの排出を行うための開口部がシリンダライナの摺動面下部に設けられている。そのため、ピストンの上下運動時にピストンリングの合口部が開口部との接触によってピストンリングの損傷を招かないように、全てのピストンリングがピストンリング溝内で回り止めされて固定されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
【０００３】
これに対し、４サイクルの内燃機関にあっては、シリンダヘッドに設けた給排気弁を介して空気および燃焼ガスの給入排出を行うため、シリンダライナの摺動面には開口部がなく、ピストンリングの合口部が開口部で欠損することがないことから、全てのピストンリングがピストンリング溝内で固定されずに周方向に回るようになっている。
【特許文献１】特開平０８−６８４６７号公報
【特許文献２】特開２０００−３２８９１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ピストンリングのうち、ピストンの燃焼室側に位置するトップリングは、燃焼ガスをシールし、セカンドランド部（トップリング溝とその下のセカンドリング溝との間）での潤滑油温度の上昇を抑えると共にガス圧を低く維持することで、トップリングの挙動を安定化させ、潤滑油の消費量を低く押さえる機能を有している。
【０００５】
その場合、セカンドランド部に燃焼ガスが流入する通路は、トップリングの合口部によって構成されるため、図８に示すように、その合口部ｊの周方向の隙間ｇ、トップリングｈの面取り部の高さａ、トップリングｈの面取り部下端からシリンダライナｉの摺動面ｋまでの半径方向の距離ｂ、およびピストンｘの外面ｑからシリンダライナｉの摺動面ｋまでの半径方向の距離ｃにより形成される。つまり、この通路の面積ｆは、ｆ＝ｃｇ＋２ａｂ／２により求められる。なお、図８中に示す矢印は、燃焼ガスの流路を示している。
【０００６】
しかしながら、ピストンには、圧縮行程から膨張行程に移る上死点付近で大きなスラスト力が作用するため、該ピストンがスラスト力により横移動し、ピストンの外周部の一点がシリンダライナの摺動面に衝突するとともに、その衝突点を支点にしてピストンが回転する、所謂首振り運動が発生する。
【０００７】
このような首振り運動において、トップリング溝が下方に急激に移動する側（スラスト側または反スラスト側）では、トップリングの追随が遅れ、そのトップリング下面とトップリング溝との間に隙間ができるため、燃焼ガスの通路面積が増加するとともに、トップリングの合口部をシールしていた潤滑油の圧力低下や油膜切れを生じ、シール性低下を招いてセカンドランド部への燃焼ガスの流入が増し、トップリングの挙動を悪化させて潤滑油消費量を増大させることになる。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ピストンの首振り運動の発生時にトップリング溝が下方に急激に移動する側での潤滑油の圧力低下や油膜切れおよびセカンドランド部への燃焼ガスの流入を抑制し、潤滑油の消費量を低く維持することができる内燃機関のピストン構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に係わる発明が講じた解決手段は、内燃機関のピストン構造として、ピストンのトップリング溝に装着されるトップリングの合口部を、ピストンに作用するスラスト力によってシリンダライナとの衝突点を支点に回転すると同時にピストンピン回りに回転するピストンの回転方向とは逆方向の略１８０°の範囲に固定している。
【００１０】
この特定事項により、トップリングの合口部の周方向の隙間、トップリングの面取り部の高さ、トップリングの面取り部下端からシリンダライナの摺動面までの半径方向の距離、およびピストンの外面からシリンダライナの摺動面までの半径方向の距離により形成されるセカンドランド部への燃焼ガス流入通路の増加は、ピストンの首振り運動によるトップリング溝の下方への急激な移動がシール機能低下の主原因であることから、オフセットピストンの採用やピストンプロフィールの最適化によって、ピストンの首振り運動量を少なくすることができるものの、完全に回避するには至らない。
【００１１】
その場合、ピストンの首振り運動は、ピストンがスラスト力によりピストンピン回りに横移動してピストンの外周部の一点がシリンダライナの摺動面に衝突し、その衝突点を支点にしてピストンが回転する運動であることから、例えば、衝突点がピストンピンよりも下側にある所謂釣鐘形ピストンであればピストン頂部がピストンピン回りにスラスト側に回転する一方、衝突点がピストンピンよりも上側にある所謂樽形ピストンであればピストン頂部がピストンピン回りに反スラスト側に回転することになる。このことから、トップリングの合口部は、首振り運動時にスラスト力によってピストンピン回りに回転するピストンの回転方向とは逆方向の略１８０°の範囲つまりピストン溝がトップリングを押し上げる側の１８０°の範囲に固定されていればよく、これによって、トップリングの合口部からセカンドランド部への燃焼ガスの流入が低く維持され、潤滑油の消費量を低く維持することが可能となる。
【００１２】
また、請求項２記載の発明が講じた解決手段は、トップリングの合口部を、ピストンに作用するスラスト力によってシリンダライナとの衝突点を支点に回転すると同時にピストンピン回りに回転するピストンの回転方向とは逆位置となるスラスト側または反スラスト側に固定している。
【００１３】
この特定事項により、トップリングの合口部からセカンドランド部への燃焼ガスの流入がより低く維持され、潤滑油の消費量をより低く維持することが可能となる。
【００１４】
更に、請求項３記載の発明が講じた解決手段は、トップリング溝を、ピストンの圧縮上死点でスラスト力が作用した際のピストン中心軸の倒れ量の略半分の角度に基づいてその倒れ方向とは反対側にピストン中心軸を傾けた仮想のピストン中心軸を中心にしたピストンに対し形成している。
【００１５】
この特定事項により、スラスト側および反スラスト側のトップリング溝下面のシリンダライナ摺動面に対する角度がほぼ一定のものとなり、トップリングのシリンダライナ摺動面に対する摩耗角度にその全周に亘ってほぼ一定のテーパ角が確保され、長時間運転での潤滑油の消費量を低く維持することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
以上、要するに、本発明では、スラスト力によるピストンの回転方向とは逆方向の略１８０°の範囲つまりピストン溝がトップリングを押し上げる側の１８０°の範囲にトップリングの合口部を固定することで、トップリングの合口部からセカンドランド部への燃焼ガスの流入を低く維持し、潤滑油の消費量を低く維持することができる。
【００１７】
また、スラスト力によるピストンの回転方向と逆位置となるスラスト側または反スラスト側にトップリングの合口部を固定することで、トップリングの合口部からセカンドランド部への燃焼ガスの流入をより低く維持し、潤滑油の消費量をより低く維持することができる。
【００１８】
更に、スラスト力によるピストン中心軸の倒れ量の略半分の角度に基づいてその倒れ方向と反対側にピストン中心軸を傾けた仮想のピストン中心軸を中心にしたピストンに対しトップリング溝を形成することで、スラスト力作用時のスラスト側および反スラスト側のトップリング溝下面のシリンダライナ摺動面に対する角度をほぼ一定にし、トップリングのシリンダライナ摺動面に対する摩耗角度にその全周に亘ってほぼ一定のテーパ角を確保でき、長時間運転での潤滑油の消費量を低く維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１および図２は、本発明の実施例に係る４サイクル内燃機関のピストン構造を示すピストンのピストンピン方向の外形図であって、このピストンとしては、その下部のスカート部１０の外形を、ピストンリング溝側のスカート部１０上端から中途高さ部位までは下方に行くに従って徐々に張出し、中途高さ部位からスカート部１０下端にかけては下方に行くに従い徐々に張出し量が少なくなるような、いわゆる樽形に形成された樽形ピストン１と、下部のスカート部２０の外形を、ピストンリング溝側のスカート部２０上端からスカート部２０下端にかけて下方に行くに従い徐々に張出し量が多くなるような、いわゆる釣鐘形に形成された釣鐘形ピストン２とが適用されている。
【００２１】
これらのピストン１，２の上部には、トップリング溝１１，２１、セカンドリング溝１２，２２およびサードリング溝１３，２３が上から順にそれぞれ設けられている。
【００２２】
また、上記ピストン１，２の下部側には、図示しないクランク軸方向（図１では紙面手前奥方向）に延びるピストンピン１４，２４が設けられている。このピストンピン１４，２４は、図示しないコンロッドを介してクランク軸に連結されている。そして、図３および図４に示すように、上記樽形ピストン１（同一構成となるので、釣鐘形ピストン２の説明は省略する）の各リング溝１１〜１３には、合口部３１を有する有端環状のトップリング３、図示しない合口部を有する有端環状のセカンドリング４およびサードリング（図示せず）がそれぞれ嵌着されている。なお、１６，２６は、トップリング溝１１，２１とセカンドリング溝１２，２２との間に位置するピストン１，２のセカンドランド部である。
【００２３】
上記各ピストン１，２には、圧縮行程から膨張行程に移る上死点付近で大きなスラスト力Ｆが作用するため、該ピストン１，２がスラスト力Ｆにより、ピストンピン１４，２４回りに反スラスト側に回転（ピストン１，２の重心位置がピストンピン１４，２４よりも上にあるため）しながら、ピストン１，２はスラスト側に横移動し、ピストン１，２の外周部の一点がシリンダライナ５の摺動面５１に衝突し、その衝突点を支点にしてピストン１，２が矢印Ｎ，Ｍ方向に回転する、所謂首振り運動が発生するようになっている。この場合、樽形ピストン１は、図１に示すように、該ピストン１に作用するスラスト力Ｆによって衝突点がピストンピン１４よりも上側にあるため、ピストン１頂部がピストンピン１４回りに反スラスト側に回転、つまりピストン中心軸ｏが矢印Ｎ方向に傾斜角度αだけ傾斜することになる。一方、釣鐘形ピストン２は、図２に示すように、衝突点がピストンピン２４よりも下側にあるため、ピストン２頂部がピストンピン２４回りにスラスト側に回転、つまりピストン中心軸ｐが矢印Ｍ方向に傾斜角度βだけ傾斜することになる。
【００２４】
ここで、樽形ピストン１のトップリング３の合口部３１および釣鐘形ピストン２のトップリング３の合口部３１をクランク軸方向の反ギヤ側およびギヤ側、並びに首振り運動方向のスラスト側および反スラスト側においてそれぞれ固定した場合の潤滑油の消費率を図５に基づいて説明する。
【００２５】
まず、樽形ピストン１の場合、図５中一点鎖線で示すように、トップリング３の合口部３１がスラスト側の略１８０°の範囲に固定されていれば、潤滑油はほぼ一定の低い消費率であるものの、スラスト側と正対する反スラスト側では潤滑油の消費率が最も多く、この反スラスト側を最大消費率にして反スラスト側の略１８０°の範囲での潤滑油の消費率が多い傾向にあることが判る。
【００２６】
一方、釣鐘形ピストン２の場合、図５中二点鎖線で示すように、トップリング３の合口部３１が反スラスト側の略１８０°の範囲に固定されていれば、潤滑油はほぼ一定の低い消費率であるものの、反スラスト側と正対するスラスト側では潤滑油の消費率が最も多く、このスラスト側を最大消費率にしてスラスト側の略１８０°の範囲での潤滑油の消費率が非常に多い傾向にあることが判る。
【００２７】
そして、上記樽形ピストン１のトップリング３の合口部３１は、上述した潤滑油の消費率から、該ピストン１に作用するスラスト力Ｆによってピストン頂部がピストンピン１４回りに反スラスト側（矢印Ｎ方向）に回転するピストン１の回転方向とは逆位置となるスラスト位置（反スラスト側と正対する位置）に固定されている。一方、上記釣鐘形ピストン２のトップリング３の合口部３１は、上述した潤滑油の消費率から、該ピストン２に作用するスラスト力Ｆによってピストン頂部がピストンピン２４回りにスラスト側（矢印Ｍ方向）に回転するピストン２の回転方向とは逆位置となる反スラスト位置（スラスト側と正対する位置）に固定されている。また、図３および図４に示すように、樽形ピストン１（釣鐘形ピストン２）のトップリング３は、トップリング溝１１のスラスト位置（トップリング溝２１の反スラスト位置）に嵌挿されたノックピン３５によって回り止めされて固定されている。この場合、トップリング３の合口部３１の上部には、ノックピン３５に対し当接してトップリング３の回りを規制する略四分の一円弧状の切欠部３１ａ，３１ａが互いに対応して設けられている。
【００２８】
また、図６に示すように、上記樽形ピストン１のトップリング溝１１は、ピストン１の圧縮上死点でスラスト力Ｆが作用した際のピストン中心軸ｏの反スラスト側への倒れ量つまり倒れ角度αの略半分の角度α／２に基づいてその倒れ方向（反スラスト側）とは反対側（反スラスト側と正対するスラスト側）にピストン中心軸ｏを傾けた仮想のピストン中心軸ｏ′を中心にして治具（図示せず）により保持したオフセット状態のピストン１に対し加工されている。そして、上記トップリング溝１１は、図６中に二点鎖線で示すように、仮想のピストン中心軸ｏ′に対しスラスト側と反スラスト側とで互いに下向きに傾斜する傾斜角度線ｓ′（仮想のピストン中心軸ｏ′と直交する線に対し例えば約５／６０°下向きに傾斜する傾斜角度線）に沿って加工されている。この場合、仮想のピストン中心軸ｏ′に対するスラスト側の傾斜角度線ｓ′は、ピストン中心軸ｏに対するスラスト側の傾斜角度線ｓ、つまりピストン中心軸ｏと直交する水平線に対し約５／６０°下向きに傾斜するスラスト側の傾斜角度線ｓよりも傾斜角度が急となる反面、仮想のピストン中心軸ｏ′に対する反スラスト側の傾斜角度線ｓ′は、ピストン中心軸ｏに対する反スラスト側の傾斜角度線ｓ、つまりピストン中心軸ｏと直交する水平線に対し約５／６０°下向きに傾斜する反スラスト側の傾斜角度線ｓよりも傾斜角度が緩くなっている。
【００２９】
一方、図７に示すように、上記釣鐘形ピストン２のトップリング溝２１は、ピストン２の圧縮上死点でスラスト力Ｆが作用した際のピストン中心軸ｐのスラスト側への倒れ量つまり倒れ角度βの略半分の角度β／２に基づいてその倒れ方向（スラスト側）とは反対側（スラスト側と正対する反スラスト側）にピストン中心軸ｐを傾けた仮想のピストン中心軸ｐ′を中心にして治具（図示せず）により保持したオフセット状態のピストン２に対し加工されている。そして、上記トップリング溝２１は、図７中に二点鎖線で示すように、仮想のピストン中心軸ｐ′に対しスラスト側と反スラスト側とで互いに下向きに傾斜する傾斜角度線ｔ′（仮想のピストン中心軸ｐ′と直交する線に対し、例えば約５／６０°下向きに傾斜する傾斜角度線）に沿って加工されている。この場合、仮想のピストン中心軸ｐ′に対するスラスト側の傾斜角度線ｔ′は、ピストン中心軸ｐに対するスラスト側の傾斜角度線ｔ、つまりピストン中心軸ｐと直交する水平線に対し約５／６０°下向きに傾斜するスラスト側の傾斜角度線ｔよりも傾斜角度が緩くなる反面、仮想のピストン中心軸ｐ′に対する反スラスト側の傾斜角度線ｔ′は、ピストン中心軸ｐに対する反スラスト側の傾斜角度線ｔ、つまりピストン中心軸ｐと直交する水平線に対し約５／６０°下向きに傾斜する反スラスト側の傾斜角度線ｔよりも傾斜角度が急となっている。
【００３０】
したがって、上記実施例では、トップリング３の合口部３１の周方向の隙間ｇ、トップリング３の面取り部の高さａ、トップリング３の面取り部下端からシリンダライナ５の摺動面５１までの半径方向の距離ｂ、およびピストン１，２の外面からシリンダライナ５の摺動面５１までの半径方向の距離ｃにより形成されるセカンドランド部１７への燃焼ガス流入通路面積ｆの増加は、ピストン１，２の首振り運動によるトップリング溝１１，２１の下方への急激な移動がシール機能低下の主原因であることから、オフセットピストンの採用やピストンプロフィールの最適化によって、ピストン１，２の首振り運動量を少なくすることができるものの、完全に回避するには至らない。
【００３１】
その場合、ピストン１，２の首振り運動は、ピストン１，２がスラスト力Ｆにより、ピストンピン１４，２４回りに反スラスト側に回転（ピストン１，２の重心位置がピストンピン１４，２４よりも上にあるため）しながら、ピストン１，２はスラスト側に横移動し、ピストン１，２の外周部の一点がシリンダライナ５の摺動面５１に衝突し、その衝突点を支点にしてピストン１，２が回転する運動であることから、例えば、衝突点がピストンピン２４よりも下側にある釣鐘形ピストン２ではピストン２頂部がピストンピン２４回りにスラスト側に回転することになり、トップリング合口部３１がスラスト側の略１８０°の範囲にあると、ピストン２の首振り運動により、トップリング溝２１の下面がトップリング３から急激に離れるため、トップリング３が追随できず、燃焼ガスの流入通路面積ｆがｃｇ＋２ａｂ／２に加え、トップリング３のトップリング３の下面とトップリング溝２１の下面との間に新たに形成されるため、トップリング合口部３１周辺の燃焼ガスの流入通路面積ｆが増大することとなり、セカンドランド部２６ガス圧の増大やトップリング合口部３１周辺の潤滑油の温度上昇を招き、トップリング３の挙動悪化やシール性悪化を招き、潤滑油消費量の増大に至る。特に、トップリング合口部３１がスラスト側のピストンピン２４方向の直角方向位置にある場合はトップリング溝２１下面の移動量が最も大きくなるため、最も潤滑油消費率が多くなる。一方、衝突点がピストンピン１４よりも上側にある樽形ピストン１では、ピストン１頂部がピストンピン１４回りに反スラスト側に回転することになり、トップリング合口部３１が反スラスト側の略１８０°の範囲にあると、ピストン１の首振り運動により、トップリング溝１１の下面がトップリング３から急激に離れるため、トップリング３が追随できず、釣鐘形ピストン２の場合と同様に、トップリング合口部３１周辺の燃焼ガスの流入通路面積ｆが増大し、セカンドランド部１６のガス圧の増大やトップリング合口部３１周辺の潤滑油の温度上昇を招き、トップリング３の挙動悪化やシール性悪化を招き、潤滑油消費量の増大に至る。特に、トップリング合口部３１が反スラスト側のピストンピン１４方向の直角方向位置にある場合、最も潤滑油消費率が多くなる。このことから、トップリング３の合口部３１は、首振り運動時にスラスト力Ｆによってピストンピン１４，２４回りに回転するピストン１，２の回転方向とは逆方向の略１８０°の範囲つまりトップリング溝１１，２１がトップリング３を押し上げる側の反対側、つまり樽形ピストン１ではスラスト側の位置に、釣鐘形ピストン２では反スラスト側の位置にそれぞれ固定されていればよく、これによって、トップリング３の合口部３１からセカンドランド部１７への燃焼ガスの流入が低く維持され、潤滑油の消費量を低く維持することができる。
【００３２】
また、トップリング溝１１，２１は、樽形および釣鐘形ピストン１，２の圧縮上死点でスラスト力Ｆが作用した際のピストン中心軸ｏ，ｐの倒れ角度α，βの略半分の角度α／２，β／２に基づいてその倒れ方向とは反対側にピストン中心軸ｏ，ｐを傾けた仮想のピストン中心軸ｏ′，ｐ′を中心にして治具により保持したピストン１，２に対し形成されているので、スラスト側および反スラスト側のトップリング溝１１，２１下面のシリンダライナ５の摺動面５１に対する角度がそれぞれほぼ一定のものとなり、トップリング３のシリンダライナ５の摺動面５１に対する摩耗角度にその全周に亘ってほぼ一定のテーパ角が確保され、長時間運転での潤滑油の消費量を低く維持することができる。
【００３３】
なお、上記実施例では、樽形ピストン１のトップリング３の合口部３１をスラスト力Ｆによるピストンピン１４回りのピストン１の回転方向とは逆位置となるスラスト位置に、釣鐘形ピストン２のトップリング３の合口部３１をスラスト力Ｆによるピストンピン２４回りのピストン２の回転方向とは逆位置となる反スラスト位置にそれぞれ固定したが、樽形ピストンのトップリングの合口部がスラスト力によるピストンピン回りのピストンの回転方向とは逆方向となるスラスト側の略１８０°の範囲（図５に示すスラスト側でのギヤ側から反ギヤ側までの範囲）、釣鐘形ピストンのトップリングの合口部がスラスト力によるピストンピン回りピストンの回転方向とは逆方向となる反スラスト側の略１８０°の範囲（図５に示す反スラスト側でのギヤ側から反ギヤ側までの範囲）であればどこに固定されていても、ほぼ同様の作用効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施例に係わる樽形ピストンを模式的に示す外形図である。
【図２】釣鐘形ピストンを模式的に示す外形図である。
【図３】トップリングの合口部付近を示すピストンの外形図である。
【図４】トップリングの合口部で切断したピストンの断面図である。
【図５】樽形ピストンおよび釣鐘形ピストンのトップリングの合口部の固定位置に対する潤滑油の消費率の特性を示す特性図である。
【図６】トップリング溝を加工する場合の樽形ピストンのオフセット状態を示す図である。
【図７】トップリング溝を加工する場合の釣鐘形ピストンのオフセット状態を示す図である。
【図８】従来例に係わるセカンドランド部への燃焼ガスの流入通路を説明するトップリングの合口部付近の斜視図である。
【符号の説明】
【００３５】
１      樽形ピストン
１１    トップリング溝
１４    ピストンピン
２      釣鐘形ピストン
２１    トップリング溝
２４    ピストンピン
３      トップリング
３１    合口部
ｏ      ピストン中心軸
ｏ′    仮想のピストン中心軸
ｐ      ピストン中心軸
ｐ′    仮想のピストン中心軸
Ｆ      スラスト力
α      倒れ角度（倒れ量）
α／２  倒れ量の略半分の角度
β      倒れ角度（倒れ量）
β／２  倒れ量の略半分の角度
【図１】
2005155325.tif 000003
【図２】
2005155325.tif 000004
【図３】
2005155325.tif 000005
【図４】
2005155325.tif 000006
【図５】
2005155325.tif 000007
【図６】
2005155325.tif 000008
【図７】
2005155325.tif 000009
【図８】
2005155325.tif 000010