(57)【要約】【課題】簡易な構成で燃焼室内の温度分布のばらつきを低減できる内燃機関のピストン構造を提供する。【解決手段】シリンダ１内を往復動し、上面２ｕが燃焼室５の一部を構成するピストン２と、前記ピストン２の外周に装着されて前記シリンダ１の内周面に密接する複数のピストンリング３とを備える内燃機関のピストン構造１００であって、前記複数のピストンリング３のうち少なくとも前記燃焼室５側に配置されるピストンリング３１，３２は、前記燃焼室５の吸気側から排気側に向かうに従って前記燃焼室５側に近付くように傾斜している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内を往復動し、上面が燃焼室の一部を構成するピストンと、
前記ピストンの外周に装着されて前記シリンダの内周面に密接する複数のピストンリングとを備える内燃機関のピストン構造であって、
前記複数のピストンリングのうち少なくとも前記燃焼室側に配置されるピストンリングは、前記燃焼室の吸気側から排気側に向かうに従って前記燃焼室側に近付くように傾斜してい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、燃焼室内の温度分布のばらつきを低減できる内燃機関のピストン構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関に備わるピストンは、その上面が燃焼室の一部を構成し、燃焼室内での燃料及び空気からなる混合気の燃焼により、シリンダ内を往復動する。燃焼室内での混合気の燃焼により生じる熱は、ピストンに直接伝達されるため、ピストンには大きな熱負荷がかかる。このピストンにかかる熱負荷を低減するために、冷却空洞を備えるピストンが知られている（特許文献１）。特許文献１に記載のピストンは、その頂面中央に燃焼室となるキャビティを備え、このキャビティとピストンリング溝との間に冷却空洞を備える。
【０００３】
ピストンは、周方向に均一的に冷却されることが望まれる。ピストンの冷却度合いは、燃焼室内の温度分布に影響を及ぼすからである。特許文献１では、燃料が衝突することによる冷却効果を加味し、燃焼室の壁面のうち燃料が衝突する部位では、冷却空洞による冷却効果を小さくし、燃焼室の壁面のうち燃料が衝突しない部位では、冷却空洞による冷却効果を大きくすることで、ピストンの周方向の温度分布のばらつきを低減している。具体的には、燃料が衝突する部位における燃焼室の壁面と冷却空洞の壁面との間隔が、燃料が衝突しない部位における燃焼室の壁面と冷却空洞の壁面との間隔よりも大きくなるような異形状の冷却空洞を備えるピストンとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１４１１３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のピストンは、ピストン内に異形状の冷却空洞を設けるために、製造過程において複雑な中子を用いる必要があり、生産性が悪く、コスト高も招く。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的の一つは、簡易な構成で燃焼室内の温度分布のばらつきを低減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】
【０００７】
本発明の一態様に係る内燃機関のピストン構造は、シリンダ内を往復動し、上面が燃焼室の一部を構成するピストンと、前記ピストンの外周に装着されて前記シリンダの内周面に密接する複数のピストンリングとを備える。前記複数のピストンリングのうち少なくとも前記燃焼室側に配置されるピストンリングは、前記燃焼室の吸気側から排気側に向かうに従って前記燃焼室側に近付くように傾斜している。
【発明の効果】
【０００８】
上記の内燃機関のピストン構造は、ピストンリングを介してピストンの熱をシリンダに効率的に伝達することができ、簡易な構成で燃焼室内の温度分布のばらつきを低減できる。内燃機関の駆動時、燃焼室内の温度は、吸気側よりも排気側で高くなる傾向にある。ピストンリングが、燃焼室の吸気側から排気側に向かうに従って燃焼室側に近付くように傾斜していることで、燃焼室の一部を構成するピストンの上面とピストンリングとの距離が、燃焼室の吸気側から排気側に向かうに従って短くなり、燃焼室内の温度が高い側でより早くシリンダへ熱を伝達することができる。一方、燃焼室の排気側から吸気側に向かうに従って上記距離が長くなるため、燃焼室内の温度が低い側ではシリンダへの熱の伝達が遅くなる。よって、燃焼室内において温度が低い吸気側の放熱性よりも、温度が高い排気側の放熱性を高めることで、吸気側における放熱効果と、排気側における放熱効果に偏りが生じることを抑制でき、燃焼室内の温度分布のばらつきを低減できる。燃焼室内の温度分布のばらつきを低減できることで、燃焼室内で燃料の一部が異常高温化することを抑制でき、早期着火に起因したノッキングを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態１に係る内燃機関のピストン構造を備える内燃機関の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の内燃機関のピストン構造の実施形態を以下に図面を参照しつつ説明する。図中、同一符号は同一名称物を示す。
【００１１】
≪実施形態１≫
・全体構成
実施形態１の内燃機関のピストン構造１００は、自動車に搭載される内燃機関の構成要素に利用される。内燃機関は、代表的には、オイルパン、シリンダブロック、シリンダヘッド、シリンダヘッドカバーが下から順に組み付けられた積層構造体を主体とする（いずれも図示せず）。シリンダブロックは、図１に示すようにシリンダ１を有し、シリンダ１内で往復動するピストン２などの主運動系を収納する。シリンダヘッドは、空気を導入する吸気ポート６と、吸気ポート６から導入した空気と燃料とを含む混合気を燃焼する燃焼室５と、燃焼室５で生じた排気ガスを排気する排気ポート７を有し、各ポート６，７と燃焼室５との境界に配置されて、燃焼室５を開閉する吸気バルブ６０及び排気バルブ７０などの動弁系を収納する。内燃機関は、吸気ポート６から導入された空気と、インジェクタ（図示せず）から噴射された燃料とを用いて、吸気、圧縮、燃焼、排気の４サイクル運転などを行う。燃料は、インジェクタから燃焼室５に直接噴射したり、吸気ポート６に噴射したりする。燃料をガソリンとする場合、内燃機関は、燃焼室５内に点火プラグ９を備える。
【００１２】
実施形態１の内燃機関のピストン構造１００は、図１に示すように、ピストン２と、ピストン２の外周に装着される複数のピストンリング３と、を備える。ピストン２は、ピストンピンを介してコンロッドに連結され、燃焼室５内での混合気の燃焼により、シリンダ１内を往復動する。ピストン２は、その上面２ｕが燃焼室５の一部を構成している。ピストンリング３は、シリンダ１とピストン２との隙間（ピストンクリアランス）を埋めるように、シリンダ１の内周面に密接して配置される。本例では、三つのピストンリング３１，３２，３３を配置している。本実施形態１の内燃機関のピストン構造１００の主たる特徴とするところは、複数のピストンリング３のうち少なくとも燃焼室５側に配置されるピストンリングは、燃焼室５の吸気側から排気側に向かうに従って燃焼室５側に近付くように傾斜していることにある。以下、詳細を説明する。なお、以下の説明では、ピストン２の軸方向と直交する方向で吸気ポート６と排気ポート７とが左右に配置される向きから見ていることを前提とし、燃焼室５における吸気ポート６が配置される側（図１の左側）を吸気側、排気ポート７が配置される側（図１の右側）を排気側とする。
【００１３】
・ピストン
ピストン２は、上面２ｕのピストンヘッドが燃焼室５の底部を構成する。本例では、ピストンヘッド（上面２ｕ）を平坦面としているが、吸気バルブ６０や排気バルブ７０との接触を避けるために凹部（バルブリセス）を設けたピストンヘッドとすることもできる。ピストン２は、シリンダ１内を往復動できるように、その外径がシリンダ１の内径よりも僅かに小さく、シリンダ１との間に隙間（ピストンクリアランス）が設けられている。そのため、ピストン２の外周には、後述するピストンリング３が装着される。
【００１４】
ピストン２の外周面には、ピストンリング３が装着されるリング溝２０が上面２ｕ近傍に形成されている。本例では、三つのピストンリング３が装着されるため、上面２ｕ側から順に第一リング溝２１、第二リング溝２２、第三リング溝２３を備える。各リング溝２１，２２，２３は、後述するピストンリング３の配置形態に対応して設ければよい。そのため、各リング溝２１，２２，２３については、後述するピストンリング３の説明で詳述する。
【００１５】
ピストン２は、一般的に、軽量で熱伝導性が高いアルミニウム合金で構成される。
【００１６】
・ピストンリング
ピストンリング３は、一般的に、主に燃焼室５の気密性を保つコンプレッションリングと、主にシリンダ１の内壁の潤滑油をかき落とすオイルリングと、を備える。本例では、二つのコンプレッションリング３１，３２と、一つのオイルリング３３と、を備える。三つのピストンリング３はそれぞれ、第一コンプレッションリング３１が第一リング溝２１に、第二コンプレッションリング３２が第二リング溝２２に、オイルリング３３が第三リング溝２３に装着される。各リング３１，３２，３３は、それぞれの張力でシリンダ１の内周面に密接する。
【００１７】
複数のピストンリング３のうち少なくとも燃焼室５側に配置されるピストンリングは、吸気側から排気側に向かうに従って燃焼室５側に近付くように傾斜している。本例では、三つのピストンリング３のうち燃焼室５側にある第一コンプレッションリング３１及び第二コンプレッションリング３２が傾斜している。第一コンプレッションリング３１（第二コンプレッションリング３２）が傾斜することで、燃焼室５の一部を構成するピストン２の上面２ｕと第一コンプレッションリング３１（第二コンプレッションリング３２）との距離が、吸気側から排気側に向かうに従って短くなる。
【００１８】
複数のピストンリング３のうち傾斜しないピストンリングは、従来と同様に、ピストン２の軸方向と直交する直交面と平行に配置されている。本例では、オイルリング３３は傾斜していない。
【００１９】
複数のピストンリング３のうち傾斜するピストンリング３１，３２は、ピストン２の軸方向と直交する直交面に対して傾斜しておればよく、その傾斜度合いは、適宜選択できる。また、少なくとも燃焼室５側に配置されるピストンリングが傾斜すればよく、傾斜するピストンリング３の個数も適宜選択できる。例えば、本例のように三つのピストンリング３を設ける場合、燃焼室５側にある第一コンプレッションリング３１のみを傾斜させたり、第一コンプレッションリング３１に加えて第二コンプレッションリング３２も傾斜させたり（図１を参照）、全てのピストンリング３１，３２，３３を傾斜させたりしてもよい。本例では、コンプレッションリングを二つ設けたが、一つであってもよい。
【００２０】
ピストン２に形成される各リング溝２１，２２，２３は、ピストンリング３の配置形態に対応して形成される。本例では、第一コンプレッションリング３１が装着される第一リング溝２１と、第二コンプレッションリング３２が装着される第二リング溝２２と、が吸気側から排気側に向かうに従って燃焼室５側に近付くように傾斜している。つまり、ピストン２の上面２ｕと第一リング溝２１（第二リング溝２２）との距離が、吸気側から排気側に向かうに従って短くなる。
【００２１】
図１に、ピストンリング３のシリンダ１との密接部分（点線で囲んだ部分）の部分拡大断面図を示す。図１の部分拡大断面図に示すように、傾斜せずに配置されたオイルリング３３は、ほぼ矩形の横断面形状を有するが、傾斜して配置された第一コンプレッションリング３１及び第二コンプレッションリング３２は、ほぼ平行四辺形の横断面形状を有する。それは、各リング３１，３２，３３は、シリンダ１と密接する必要があるためである。傾斜して配置される第一コンプレッションリング３１及び第二コンプレッションリング３２の横断面形状を平行四辺形とすることで、各リング３１，３２とシリンダ１との接触面積を、傾斜しない場合の各リング３１，３２とシリンダ１との接触面積と同等とでき、燃焼室５の気密性を保つことができる。
【００２２】
ピストンリング３は、高温・高圧の条件下で高速に動くため、耐摩耗性に優れると共に、張力の減退が少なく、シリンダ１も摩耗させ難い材料で構成される。ピストンリング３は、一般的に、特殊鋳鉄や炭素鋼で構成される。
【００２３】
・効果
本実施形態１の内燃機関のピストン構造１００は、ピストンリング３を介してピストン２の熱をシリンダ１に効率的に伝達することができる。一般的に、ピストンリング３は、ピストン２の熱をシリンダ１に伝える役割を有する。本実施形態１の内燃機関のピストン構造１００は、上記ピストンリング３の伝熱機能を応用し、ピストンリング３の配置形態を適正に選択することで、簡易な構成で燃焼室５内の温度分布のばらつきを低減できる。内燃機関の駆動時、燃焼室５内の温度は、吸気側よりも排気側で高くなる傾向にある。そこで、ピストンリング３を、燃焼室５の吸気側から排気側に向かうに従って燃焼室５側に近付くように傾斜させることで、排気側で燃焼室５の一部を構成するピストン２の上面２ｕからピストンリング３までの距離を短くできる。よって、排気側でピストンリング３を介した燃焼室５からシリンダ１への放熱経路を短くできるため、燃焼室５内の温度が高い側でより早くシリンダ１へ熱を伝達することができる。排気側でピストン２の上面２ｕからピストンリング３までの距離を短くできることに対して、吸気側ではピストン２の上面２ｕからピストンリング３までの距離は長くなる。つまり、吸気側ではピストンリング３を介した燃焼室５からシリンダ１への放熱経路が長くなるため、燃焼室５内の温度が低い側ではシリンダ１への熱の伝達が、排気側に比較して遅くなる。温度が高い側（排気側）の熱の伝達を早くすることに加え、温度が低い側（吸気側）の熱の伝達を遅くすることで、排気側における放熱効果と、吸気側における放熱効果と、に偏りが生じることを抑制でき、燃焼室５内の温度分布のばらつきを低減できる。
【００２４】
本実施形態１の内燃機関のピストン構造１００は、ピストンリング３の伝熱機能を応用しているため、従来技術のように複雑形状の冷却空洞を設ける必要がなく、生産性に優れる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の内燃機関のピストン構造は、ピストンの上面が燃焼室の一部を構成するピストンにおいて、燃焼室内の温度分布のばらつきを低減するのに好適に利用できる。
【符号の説明】
【００２６】
１００  内燃機関のピストン構造
１  シリンダ
２  ピストン  ２ｕ  上面
２０  リング溝
２１  第一リング溝    ２２  第二リング溝    ２３  第三リング溝
３  ピストンリング
３１  第一コンプレッションリング    ３２  第二コンプレッションリング
３３  オイルリング
５  燃焼室
６  吸気ポート    ６０  吸気バルブ
７  排気ポート    ７０  排気バルブ
９  点火プラグ
【図１】
2017096177.tif 000003