(57)【要約】【課題】燃焼室の未燃混合気が異常高圧化してノッキングが発生することを、複雑な制御を要することなく簡単な構造で実現する。【解決手段】ピストンリング（コンプレッションリング）２０のうち例えば合口部２３を挟んだ両端部に、異常高圧化した未燃混合気で曲がり変形する変形許容部２５を設ける。変形許容部２５はピストン４の外側に位置しており、ピストンリング２０のうちリング溝１７に嵌まった部分とは切り込み２６で分断されている。また、変形許容部２５の付け根には、曲がりを容易化するための弱化溝２８を形成している。弱化溝２８の深さを調整することで、個々のピストンリング２０における変形許容部２５の曲げ強度を均一化できる。変形許容部２５の箇所を通過した未燃混合気は、隙間２４（又はピストン４に開けた逃がし穴）を通ってクランク室２９に排出され、ブローバイガス通路を介して吸気系にリターンする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンの外周に複数本又は１本のリング溝を形成し、前記リング溝にピストンリングを嵌め込んでいる構成であって、
少なくとも前記ピストンの頂面側に位置したピストンリングに、燃焼室の圧力が設定圧を超えると曲がり変形して燃焼室のガスをクランク室の方に逃がす変形許容部が設けられている、
内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、ノッキング対策を有する内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ピストンがシリンダボアを摺動するレシプロ式の内燃機関では、ピストンの外径はシリンダボアの内径より若干小径になっており、ピストンの外周に複数本（一般には３本）のリング溝を形成して、このリング溝にピストンリングを嵌め込むことで、ピストンとシリンダボアとの隙間を塞いでいる。なお、ピストンリングは、燃焼ガスの圧力を受けるコンプレッションリングとオイルの掻き落とし機能を有するオイルリングとに分けられるが、本願発明では両方ともピストンリングと呼んでいる。
【０００３】
レシプロ式内燃機関において生じる問題の１つに、未燃混合気が異常高圧して自己着火することに起因したノッキングがある。ノッキング防止手段としては、ノッキングセンサや気筒内圧力センサを設けて、これらのセンサの検出値に基づいて点火タイミングを遅らせることが行われているが、これではコストが嵩むと共に、点火タイミングを遅らせると出力が低下して燃費悪化を招来する問題がある。
【０００４】
他方、特許文献１では、ピストンリングが合口部を有していることと、混合気が排気弁の近傍部で高温化して自己着火しやすい現象がある点とに着目し、ピストンリングを、その合口部が常に排気弁の近傍部に位置するように、ピストンリングをピストンに対して回転不能に保持し、異常高圧化した未燃混合気をブローバイガスとしてピストンリングの合口部からクランク室に逃がすことが開示されている。この構成は、センサを使用した制御ではないため、コスト悪化を防止できる利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開平２−６３０５４号のマイクロフィルム
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
さて、燃焼ガスをピストンリングの合口部から有効に逃がすには、シリンダボア及びピストンの軸線方向から見た合口部の面積はできるだけ大きいほうがよいが、かくすると、ノッキングの発生がない通常状態においても、大量の燃焼ガス又は未燃混合気がクランク室に吹き抜けてしまうため、正常運転時（非ノッキング時）の出力低下と燃費悪化とを招来するおそれがある。
【０００７】
また、燃焼ガスの圧力が高くなると合口部を吹き抜けるに際しての抵抗も大きくなるため、ノッキングを招来する未燃混合気が合口部から的確に逃げ出るか否かも疑問であり、圧力が異常に高くない正常運転時には燃焼ガスが合口部から大量に逃げて、ノッキングが発生し得る異常高温になると抵抗によって未燃混合気は逃げないという由々しき事態も予想される。
【０００８】
本願発明はこのような現状を改善すべく成されたものであり、正常運転時のブローバイガスは極力抑制しつつ、ノッキング防止を図ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願発明は、ピストンの外周に複数本又は１本のリング溝を形成し、前記リング溝にピストンリングを嵌め込んでいる内燃機関において、少なくとも前記ピストンの頂面側に位置したピストンリングに、燃焼室の圧力が設定圧を超えると曲がり変形して燃焼室のガスをクランク室の方に逃がす変形許容部が設けられている。
【００１０】
本願発明においてピストンリングに変形許容部を設ける手段としては、ピストンには加工を加えずにピストンリング事態を加工することで形成する方法と、ピストンのみに加工を加えてピストンの一部を変形許容部と成す方法と、ピストンリングとピストンとの両方に加工を加えてピストンリングの一部を変形許容部と成す方法との３つの方法がある。
【発明の効果】
【００１１】
本願発明によると、燃焼室の圧力がノッキングが発生する圧力になったらピストンリングの変形許容部が曲がり変形するように設定しておくことにより、異常高圧化した未燃混合気又は燃焼ガスをクランク室に逃がして、ノッキングの発生を防止又は著しく抑制できる。
【００１２】
そして、本願発明は、センサ類を使用するものではないためそれだけコストを抑制できると共に、ノッキングが生じない通常の圧力ではピストンリングは変形していないため、非ノッキング状態でのガスのシール機能は確保することができて、出力低下・燃費悪化を招来することはない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る内燃機関を部分的に模式化した要部断面図である。
【図２】第１実施形態を示す図で、（Ａ）は図１のIIA-IIA 視断面図：（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ視図、（Ｄ）は作用を示す図である。
【図３】ガスの逃がし手段を示す図である。
【図４】第２実施形態を示す図で、（Ａ）は要部の側面図、（Ｂ）は作用を示す図、（Ｃ）は（Ａ）（Ｂ）と本体側の部分の平断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
(1).第１実施形態
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１〜３に基づいて第１実施形態を説明する。内燃機関の基本構成は従来と同じであり、図１に示すように、シリンダボア２を有するシリンダブロック１と、シリンダブロック１に重ね固定されたシリンダヘッド３と、シリンダボア２に摺動自在に嵌まったピストン４とを有している。
【００１５】
ピストン４には、ピストンピン５を介してコンロッド６の上端が相対動自在に連結されており、コンロッド６の下端は、ピストンピン５と平行に延びるクランクシャフト７のクランクピン８に相対動自在に連結されている（クランクシャフト７は、模式的に表示している。）。クランクシャフト７の軸心９はシリンダボア２の軸心１０に対して若干の寸法Ｅだけずらしており、このため、クランクシャフト７は矢印Ａ方向に回転すると共に、爆発行程でピストン４は矢印Ｂ方向に付勢される。従って、ピストン４の外周のうち、ピストンピン５を挟んでクランクシャフト７の軸心９と反対側の部分が、シリンダボア２に強く押され勝手となる強圧部４ａになっている。
【００１６】
シリンダヘッド３は、台錘状（屋根型）の燃焼室（凹所）を有しており、燃焼室の上底面には点火プラグ１１が露出している。また、シリンダヘッド３のうちクランクシャフト７の軸心を挟んだ両側に、吸気バルブ１２が開閉される吸気通路１３と、排気バルブ１４で開閉される排気通路１５とが一対ずつ形成されている。
【００１７】
ピストン４の外周のうち頂面寄りの部位には３本のリング溝１７，１８，１９が形成されており、上段及び中段のリング溝１７，１８にはコンプレッションリング２０，２１が嵌まって、下段のリング溝１９にはオイルリング２２が嵌まっている。
【００１８】
図２に示すように、各リング２０，２１，２２は合口部２３を有するが、合口部２３は、ピストン４の軸心を挟んで強圧部４ａと反対側に位置している。そして、上段のコンプレッションリング２０のうち合口部２３を挟んだ両端のある程度の範囲に、ピストン４の外側に露出した（ピストン４とシリンダボア２との間の隙間２４に露出した）変形許容部２５を形成している。
【００１９】
変形許容部２５は、合口部２３から周方向に切り込み２６を入れることで、リング溝１７に隠れた部分と分断されて舌状の形態になっており、従って、変形許容部２５のみがその付け根を支点にして曲がり変形することが許容されている。また、変形許容部２５の付け根の上下両面（表裏両面）には、曲がり変形を容易化するため、放射方向に延びる弱化溝２８が付け根を横断するように形成されている。更に、変形許容部２５の先端側の部分の表裏両面を同じ角度の傾斜面と成すことにより、変形許容部２５の先端側の部位を、最先端に行くに従って厚さが薄くなるテーパ部２５ａと成している（テーパ部２５ａの先端は、図２（Ｃ）の状態で丸みを持たせてもよい。）。
【００２０】
切り込み２６はスリットと成すことも可能ではあるが、基本的には隙間が存在しない態様であるのが好ましい。従って、機械加工の場合はせん断加工によって形成するのが好ましいが、放電加工やレーザー加工で形成することも可能である。
【００２１】
上下のコンプレッションリング２０，２１及びオイルリング２２は、ピストン４に対して回転不能に保持されている。この回り止め手段として本実施形態では、リング溝１７の内面に，各リング２０，２１，２２の合口部２３に嵌まるストッパー２７を設けている。この場合、図２（Ａ）に一点鎖線で示すように、各リング２０，２１，２２においてリング溝１７に嵌まった部分でかつ合口部２３を挟んだ部位に切欠き２８を形成することにより、ストッパー２７を設けつつ、各リング２０，２１，２２の両端面が密着又は密接可能となることを許容してもよい。
【００２２】
以上の構成において、上段のコンプレッションリング２０のうち合口部２３の近傍部に変形許容部２５を設けたことにより、燃焼室の混合気が自己着火するほどの異常高圧になった場合は、図２（Ｄ）に示すように、未燃混合気の圧力で変形許容部２５が押し曲げられることで、未燃混合気をクランク室２９に向けて逃がすことができる。その結果、一々複雑な制御を行うことなく、ノッキングの発生を防止又は著しく抑制できる。
【００２３】
リング２０，２１，２２は固体毎に弾性強度にバラツキがあるのが普通である一方、ノッキングが発生する筒内圧力は計測できるので、個々のリング２０，２１，２２ごとに弱化溝２８の深さを研磨等で調節することにより、個々のリング２０，２１，２２がバラツキ無く設定圧を超えると曲がるように設定することができる。
【００２４】
また、各リング２０，２１，２２はその端面が互いに当接した状態になり得るが、この場合でも、実施形態のように変形許容部２５の少なくとも先端部をテーパ部２５ａに形成しておくと、端面同士がつかえて曲がらなくなる現象を防止できる利点がある。この端面同士のつかえ防止は、テーパ部２５ａを設けることに代えて又はこれに加えて、変形許容部２５の端面に丸みを持たせることによっても実現できる。また、変形許容部２５の全長をテーパ状に形成することも可能である。
【００２５】
さて、合口部２３をピストン４の強圧部４ａの箇所に位置させると、コンプレッションリング２０の両端がシリンダボア２に押されることで合口部２３の間隔が開き勝手になり、このため、ブローバイガスが増えるおそれがある。これに対して本実施形態のように、合口部２３をピストン４の強圧部４ａと反対側に位置させると、コンプレッションリング２０は窄まり勝手になるため、ブローバイガスの量を抑制できる利点がある。
【００２６】
実施形態のコンプレッションリング２０は上下（表裏）対称の形状になっているので、表裏の方向性はない。このため、ピストン４への組み付けの手間が増えることはない。
【００２７】
上段のコンプレッションリング２０の合口部２３から逃げた未燃混合気はクランク室２９に排出させて、還流通路から吸気系に戻す必要がある。上段のコンプレッションリング２０から逃げた未燃混合気をクランク室２９に戻す１つの方法として、図３に実線で示すように、中段のコンプレッションリング２１及び下段のオイルリング２２にも変形許容部２５を形成して、未燃混合気を上段のリング２０から下段に向けて順番に逃がすことが考えられる。この場合は、未燃混合気の圧力は徐々に低下すると考えられるので、変形許容部２５の曲げ強度を、上段のコンプレッションリング２０からオイルリング２２に向けて徐々に小さくするのが好ましいと言える。
【００２８】
上段のコンプレッションリング２０から逃げた未燃混合気をクランク室２９に逃がす他の方法としては、図３に一点鎖線で示すように、ピストン４に、ピストン４の外側の隙間２４のうち上下のコンプレッションリング２０，２１の間の部位とクランク室２９とを連通させる逃がし穴３１を開けることが考えられる。この実施形態では、逃がし穴３１は横穴と３１ａと縦穴３１ｂとで構成されているが、条件が許せば斜めの方向の１本の穴とすることも可能である（高圧流体は直進性が高いので、未燃混合気の流れ抵抗を抑制するという観点からは、逃がし穴３１は傾斜しているのが好ましいと言える。）。
【００２９】
２本のコンプレッションリング２０，２１のみに変形許容部２５を形成して、逃がし穴３１を、隙間２４のうち、中段のコンプレッションリング２１と下段のオイルリング２２との間に開口させることも可能である。
【００３０】
上記の実施形態では、変形許容部２５を各リング２０，２１，２２の両端部に設けた場合であったが、変形許容部２５は各リング２０，２１，２２の片方の端部のみに形成することも可能である。また、変形許容部２５は、リング２０，２１，２２の合口部２３の箇所（すなわち端部）に設けることに代えて又はこれに加えて、外周に沿って合口部２３とは別の部位に設けることも可能である。
【００３１】
(2).第２実施形態
第１実施形態は変形許容部２５をピストン４の外側に配置したが、図４に示す第２実施形態では、少なくとも上段のコンプレッションリング２０の両端部のある程度の範囲をそのまま変形許容部２５と成している。そして、変形許容部２５が未燃混合気の圧力で的確に曲がることを許容するため、ピストン４のリング溝１７に逃がし凹所３３を形成している。変形許容部２５の付け根部には、表裏一対の弱化溝２８を形成しており、これにより、方向性を無くすことと曲がり強度の均一化とを図っている。
【００３２】
本実施形態では、変形許容部２５がある程度曲がると、弾性変形範囲内で先端がピストン４の逃がし凹所に３３の底に当接するように設定している。これにより、変形許容部２５が過度に曲がり過ぎて塑性変形したり折損したりすることを防止できる。本実施形態でも、変形許容部２５は、コンプレッションリング２０の両端部のうち片方だけに設けてもよい。
【００３３】
本実施形態では、変形許容部２５を設けたコンプレッションリング２０の回り止め手段として、ピストン４のリング溝１７の内周面のうちピストン４の強圧部４ａに位置した部位に円弧状等の位置決め凹所３４を形成する一方、上段のコンプレッションリング２０には、位置決め凹所３４に嵌まる位置決め突起３５を潰し加工によって内向きに突設している。位置決め凹所３４は、例えばフライス加工によって簡単に形成できる。
【００３４】
位置決め凹所３４と位置決め突起３５の周方向の巾寸法は、できるだけ小さいのが好ましいかもしれない。位置決め突起３５がダボ状の巾狭である場合は、位置決め凹所３４はドリル加工によっても形成可能である。図４では上段のコンプレッションリング２０しか表示していないが、中段のコンプレッションリング２１及び下段のオイルリング２２も変形許容部２５を有する形態とすることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本願発明は、ガソリン機関等の内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。
【符号の説明】
【００３６】
１  シリンダブロック
２  シリンダボア
３  シリンダヘッド
４  ピストン
６  コンロッド
７  クランクシャフト
１７〜１９  リング溝
２０  コンプレッションリング
２１，２２  オイルリング
２３  合口部
２４  隙間
２５  変形許容部
２６  切り込み
２７  回り止め用のストッパー
２８  弱化溝
２９  クランク室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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