(57)【要約】内燃機関のシリンダ内で往復するように構成されたピストンアセンブリを開示する。ピストンアセンブリは、頂面、円筒壁、第１のリング、第２のリング、および少なくとも１つの通路を備える。円筒壁は、頂面から延在し、かつ第１のリング溝、第２のリング溝、および第１のリング溝と第２のリング溝との間の第１のランドを含む。第１のリングは、第１のリング溝内に受容される。第２のリングは、第２のリング溝内に受容される。第２のリングは、シリンダに係合するように構成された外側表面と、外側表面に対向する内側表面とを含む。少なくとも１つの通路は、外側表面が曝されている第１の容積部を、内側表面が曝されている第２の容積部に流体連結する。
2012513571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のシリンダ内で往復するように構成されたピストンであって、ピストンは：
頂面と；
頂面から離れるように延在する円筒壁と；
を備え、円筒壁は：
第１のリングを受容するように構成された第１のリング溝と；
第２のリングを受容するように構成された第２のリング溝と；
第３のリングを受容するように構成された第３のリング溝と；
頂面と第１のリング溝との間の第１のランドと；
第１のリング溝と第２のリング溝との間の第２のランドと；
第２のリング溝と第３のリング溝との間の第３のランドと；
第２のランドと第２のリング溝との間に延在する少なくとも１つの通路と；
を含み、
少なくとも１つの通路は、第２のリング溝を、第２のランドを取り囲む容積部に流体連結するように構成されている、ピストン。
【請求項２】
通路は略円筒状のボアである、請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
通路は、第２のランドおよび第２のリング溝内に延在する切り欠きである、請求項１に記載のピストン。
【請求項４】
第１のリング溝および第２のリング溝は、各々、圧縮リングを受容するように構成されている、請求項１に記載のピストン。
【請求項５】
第３のリング溝は、オイルリングアセンブリを受容するように構成されている、請求項４に記載のピストン。
【請求項６】
第１のリング溝および第２のリング溝は、異なる断面形状を有する、請求項４に記載のピストン。
【請求項７】
第１のリング溝は実質的に楔形状であり、第２のリング溝は実質的に矩形状である、請求項６に記載のピストン。
【請求項８】
第２のリング溝内に位置決めされた第２のリングをさらに備え、第２のリングは、径方向内側の表面と、シリンダに係合するように構成された径方向外側の表面とを含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項９】
通路は、第２のリングの径方向内側の表面よりも径方向内方にある第２のリング溝の少なくとも一部分に延在する、請求項８に記載のピストン。
【請求項１０】
少なくとも１つの通路は２つ以上の通路である、請求項１に記載のピストン。
【請求項１１】
少なくとも１つの通路は、約０．５ｍｍ〜約２．５ｍｍの直径を有する円筒状ボアである、請求項１に記載のピストン。
【請求項１２】
少なくとも１つの通路の総面積は、約０．２ｍｍ2〜約４．９ｍｍ2である、請求項１に記載のピストン。
【請求項１３】
ピストンは関節式ピストンであり、頂面および円筒壁はピストンヘッドを形成し、ピストンは、さらに、ピストンヘッドに連結されたピストンスカートを備える、請求項１に記載のピストン。
【請求項１４】
内燃機関のシリンダ内で往復するように構成されたピストンアセンブリであって、
頂面と；
頂面から延在し、かつ第１のリング溝、第２のリング溝、および第１のリング溝と第２のリング溝との間の第１のランドを含む円筒壁と；
第１のリング溝内に受容された第１のリングと；
第２のリング溝内に受容され、かつシリンダに係合するように構成された外側表面と、外側表面に対向する内側表面とを含む、第２のリングと；
外側表面が曝されている第１の容積部と、内側表面が曝されている第２の容積部とを流体連結する少なくとも１つの通路と；
を備える、ピストンアセンブリ。
【請求項１５】
少なくとも１つの通路は円筒壁に形成されている、請求項１４に記載のピストンアセンブリ。
【請求項１６】
少なくとも１つの通路は、第１のランドと第２のリング溝との間に延在する、請求項１５に記載のピストンアセンブリ。
【請求項１７】
少なくとも１つの通路は、約０．５ｍｍ〜約２．５ｍｍの直径を有する円筒状ボアである、請求項１６に記載のピストンアセンブリ。
【請求項１８】
少なくとも１つの通路は第２のリングに形成されている、請求項１４に記載のピストンアセンブリ。
【請求項１９】
少なくとも１つの通路の総面積は、約０．２ｍｍ2〜約４．９ｍｍ2である、請求項１４に記載のピストンアセンブリ。
【請求項２０】
内燃機関であって：
第１の端部および第２の端部を有する少なくとも１つの円筒状ボアを含むブロックと；
ブロックに連結され、かつ円筒状ボアの第１の端部を実質的に包囲するシリンダヘッドと；
ブロック内に回転可能に受容されたクランク軸と；
円筒状ボア内に受容され、かつ円筒状ボア内で往復するように構成されたピストンアセンブリであって、クランク軸に連結され、かつピストンが円筒状ボア内で往復する際にクランク軸を回転させるように構成されている、ピストンアセンブリと；
を備え、ピストンアセンブリは：
頂面と；
頂面から離れるように延在し、かつ第１のリング溝、第２のリング溝、第３のリング溝、第１のリング溝と第２のリング溝との間の第１のランド、および第１のランドと第２のリング溝との間に延在する少なくとも１つの通路を含む円筒壁と；
第１のリング溝内に受容された第１の圧縮リングと；
第２のリング溝内に受容された第２の圧縮リングと；
第３のリング溝内に受容されたオイルリングアセンブリと；
を備え、
少なくとも１つの通路は、第２のリング溝を、第１のランドを取り囲む容積部に流体連結するように構成されている、内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ピストンアセンブリに関し、より詳細には、内燃機関用のピストンアセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
往復式内燃機関は、一般に、シリンダ内で往復することで、燃焼プロセス中に放出されたエネルギーを有用な回転エネルギーに変換するピストンアセンブリを利用している。この変換を遂行するため、ピストンアセンブリは、一般に、シリンダライナ（またはエンジンブロックにおけるシリンダ）およびヘッドと協働して、容積を変更可能な燃焼室を形成する。燃焼プロセス中に放出されたエネルギーにより、燃焼室内に著しい圧力が生じ、ピストンアセンブリをシリンダ内で運動させる。ピストンアセンブリは、ピストンアセンブリの直線運動がクランク軸の回転運動に変換されるように、クランク軸に連結されている。従って、燃焼圧がピストンアセンブリをシリンダ内で運動させる際、ピストンアセンブリもクランク軸を回転させる。燃焼室内の圧力が大きいほど、より大きい力がピストン、最終的にはクランク軸に加えられる。従って、ピストンアセンブリを通るガスの漏洩を最小化することで、最大の圧力がピストンアセンブリに作用することを保証することが有益である。また、ピストンアセンブリがシリンダ内で往復する際にピストンアセンブリを十分に潤滑することで、ピストンアセンブリの適正な機能を保証することを助けることも望ましい。しかし、オイルがピストンアセンブリを通過し、燃焼室に進入して燃焼プロセス中に燃焼させないことが、ますます重要になりつつあり、それは、オイルの消費が最小化されるためだけでなく、煤煙やＮＯｘ等の規制対象排出成分を最低レベルに保つことが助けられるためでもある。排出規制により特定の排気成分の許容レベルが低下され続けているため、一般に燃料の燃焼よりも規制対象排出成分のレベルを高める結果となる燃焼プロセス中に燃焼されるオイルの量を最小化することは、規制対象排出成分の発生を最小化することを助ける１つの方法である。
【０００３】
ピストンアセンブリを通って漏洩または移動することが可能な加圧ガスおよび潤滑剤の量を低減するため、多くの現代のピストンアセンブリは、ピストンリングの組を含んでいる。ピストンリングの数および構成は変化し得るが、１つの一般的な構成は、上ピストンリング、中間ピストンリング、および下ピストンリングの３つのピストンリングを有する。上ピストンリングの主たる目的は、ピストンアセンブリを通る燃焼ガスの漏洩を最小化することである。下ピストンリングの主たる目的は、シリンダ壁上に存在し得る余剰オイルを掻き落とすことである。中間ピストンリングは、通常、追加のガスシールを提供することにより上ピストンリングを支援し、かつシリンダ壁上の残留油膜を掻き落とすことにより下ピストンリングを支援する役に立つ。一般に、ピストンリングは、共に作働することで所望される封止作用を果たす。１つのリングが適正に機能しなければ、大抵、適切な封止作用が達成されないだろう。
【０００４】
４ストロークエンジンサイクル内の異なる点において、３つのピストンリングの各々は、異なる圧力に曝されるかもしれず、特定のピストンリングの異なる部分は、異なる圧力に曝されるかもしれず、各ピストンリングは、それぞれのリング溝内で軸方向と径方向との両方において異なる位置に移動するかもしれない。これらの圧力および位置は、他の可能性のある要因の中でも、ピストンアセンブリが４ストロークサイクル内でどこにあるか、ピストンアセンブリの加速または減速、燃焼圧、およびピストンリングとシリンダ壁との間の摩擦レベルに依存するであろう。
【０００５】
いくつかの環境下では、中間ピストンリングが、そのリング溝の上部に対して押圧され（これにより、中間ピストンリングの表面が上ピストンリングと中間ピストンリングとの間の圧力に曝され、中間ピストンリングの裏側（または径方向内側）が下ピストンリングと中間ピストンリングとの間の圧力に曝されるという状況が生じる）、リングの表面とリングの裏側との間の圧力差が、中間ピストンリングを「潰れさせる」または本質的にシリンダ壁から離れるように移動させるために十分なものである、という状況を経験し得る。これが起こると、中間ピストンリングは、そのオイル掻き落とし機能を行うことが不可能であり、オイルが中間ピストンリングを通過して燃焼プロセス中に消費されてしまうかもしれない。これにより、オイルが消費されるだけでなく、望まれないエンジン排出物を増加させる傾向がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
開示のピストンアセンブリは、上記の問題の１つ以上または他の問題を克服することを対象とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一例示的実施形態によれば、内燃機関のシリンダ内で往復するように構成されたピストンは、頂面および円筒壁を備える。円筒壁は、頂面から離れるように延在し、かつ第１のリング溝、第２のリング溝、第３のリング溝、第１のランド、第２のランド、および第３のランドを含む。第１のリング溝は、第１のリングを受容するように構成されている。第２のリング溝は、第２のリングを受容するように構成されている。第３のリング溝は、第３のリングを受容するように構成されている。第１のランドは、頂面と第１のリング溝との間にある。第２のランドは、第１のリング溝と第２のリング溝との間にある。第３のランドは、第２のリング溝と第３のリング溝との間にある。少なくとも１つの通路が、第２のランドと第２のリング溝との間に延在する。少なくとも１つの通路は、第２のリング溝を第２のランドを取り囲む容積部に流体連結するように構成されている。
【０００８】
別の例示的実施形態によれば、内燃機関のシリンダ内で往復するように構成されたピストンアセンブリは、頂面、円筒壁、第１のリング、第２のリング、および少なくとも１つの通路を備える。円筒壁は、頂面から延在し、かつ第１のリング溝、第２のリング溝、および第１のリング溝と第２のリング溝との間の第１のランドを含む。第１のリングは、第１のリング溝内に受容される。第２のリングは、第２のリング溝内に受容される。第２のリングは、シリンダに係合するように構成された外側表面と、外側表面に対向する内側表面とを含む。少なくとも１つの通路は、外側表面が曝されている第１の容積部を、内側表面が曝されている第２の容積部に流体連結する。
【０００９】
別の例示的実施形態によれば、内燃機関は、ブロック、シリンダヘッド、クランク軸、およびピストンアセンブリを備える。ブロックは、第１の端部および第２の端部を有する少なくとも１つの円筒状ボアを含む。シリンダヘッドは、ブロックに連結され、かつ円筒状ボアの第１の端部を実質的に包囲する。クランク軸は、ブロック内に回転可能に受容される。ピストンアセンブリは、円筒状ボア内に受容され、かつ円筒状ボア内で往復するように構成されている。ピストンアセンブリは、クランク軸に連結され、かつピストンが円筒状ボア内で往復する際にクランク軸を回転させるように構成されている。ピストンアセンブリは、頂面、円筒壁、第１の圧縮リング、第２の圧縮リング、およびオイルリングアセンブリを含む。円筒壁は、頂面から離れるように延在し、かつ第１のリング溝、第２のリング溝、第３のリング溝、第１のリング溝と第２のリング溝との間の第１のランド、および第１のランドと第２のリング溝との間に延在する少なくとも１つの通路を含む。第１の圧縮リングは、第１のリング溝内に受容される。第２の圧縮リングは、第２のリング溝内に受容される。オイルリングアセンブリは、第３のリング溝内に受容される。少なくとも１つの通路は、第２のリング溝を、第１のランドを取り囲む容積部に流体連結するように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一例示的実施形態によるエンジンの部分断面図である。
【図２】一例示的実施形態によるピストンアセンブリの部分断面図である。
【図３】別の例示的実施形態によるピストンアセンブリの部分断面図である。
【図４】図３のピストンアセンブリの部分斜視図である。
【図５】別の例示的実施形態によるピストンアセンブリの部分断面図である。
【００１１】
図面は本開示の例示的な実施形態または特長を示すが、図面は必ずしも縮尺通りではなく、より良好な図示および説明を提供するため特定の特長が誇張されているかもしれない。本明細書に記載の例示は、例示的な実施形態または特長を示し、かかる例示は、本発明の範囲を何ら制限するものではないと解釈すべきである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、特定の実施形態または特長を詳細に参照し、それらの例を添付図面において示す。一般に、同じまたは対応する部品を参照する際は、同じまたは対応する参照番号を、図面を通して用いる。用語「上部」、「下部」、「頂部」、「底部」、「上方」、「下方」、および配向に関わる他の用語は、物体を図面に示す際にそれらの説明を容易化するためにのみ用いられているものと理解すべきであり、本説明の範囲をこれらの用語の各々に関連付けられた配向に制限するものと解するべきではない。
【００１３】
図１を全体的に参照すると、一例示的実施形態による内燃機関１０が示されている。エンジン１０は、化学エネルギー（ディーゼル燃料、バイオディーゼル、ガソリン等の燃料からのもの）を回転機械エネルギーに変換し、かつ車両、機関車、機械等の多くの異なる用途において動力源として用いられ得る装置である。一例示的実施形態によれば、エンジン１０は、ブロック１２、ヘッドアセンブリ１６、ピストンアセンブリ１８、連接棒２０、およびクランク軸２２を含む。
【００１４】
ブロック１２は、ヘッドアセンブリ１６、ピストンアセンブリ１８、連接棒２０、およびクランク軸２２を受容および支持するように構成された略剛性の構造体またはハウジングである。一例示的実施形態によれば、ブロック１２は、クランク軸２２を受容する略円筒状のチャンバ２４と、チャンバ２４から径方向外方に延在する１つ以上の円筒状ボア２６とを画成している。円筒状ボア２６の各々は、ピストンアセンブリ１８を直接受容するように構成してもよいし、または、シリンダライナ２８を受容するように構成し、かかるシリンダライナ２８を、次いで、ピストンアセンブリ１８を直接受容するように構成してもよい。各シリンダライナ２８は、円筒状ボア２６内に受容され、かつピストンアセンブリ１８が往復する際に沿うピストンボア３４を画成する略筒状の部材である。ブロック１２は、また、ヘッドアセンブリ１６のブロック１２への連結を容易化するように構成された、各円筒状ボア２６の遠端に配置された略平坦面３０を画成している。
【００１５】
ヘッドアセンブリ１６は、シリンダライナ２８、ブロック１２、およびピストンアセンブリ１８と協働して実質的に包囲された燃焼室３２を画成し、かつ燃焼室３２に対する空気および他のガスの流出入と燃焼室３２への燃料の噴射とを制御する機構を含むコンポーネントのアセンブリである。一例示的実施形態によれば、ヘッドアセンブリ１６は、ヘッドアセンブリ１６の全体構造を形成し、かつヘッドアセンブリ１６のその他のコンポーネントを受容および支持するように構成されたハウジング３５を含む。ハウジング３５は、ブロック１２の平坦面３０に対して接合することでヘッドアセンブリ１６とブロック１２との間に略封止された界面を形成する下面を含む。ブロック１２に連結されると、ハウジング３５は、ピストンボア３４の各々を覆うまたは包囲するために役立つ。ハウジング３５は、また、燃焼室３２に空気を方向付ける吸気ポート３６と、燃焼室３２から出るように排気を方向付ける排気ポート４０と、燃料を対応する燃焼室３２に噴射する燃料噴射器４６を受容するように各々が構成されたボア４４（通常、燃焼室３２につき１つ）とを含む。ヘッドアセンブリ１６は、また、吸気ポート３６に対応しかつ各燃焼室３２への空気の流入を制御するために役立つ吸気バルブ３４と、排気ポート４０に対応しかつ各燃焼室３２からの排気の流出を制御するために役立つ排気バルブ４２とを含む。様々な代替的および例示的な実施形態によれば、ヘッドアセンブリは、種々の異なる構成の１つを取ってもよく、吸気バルブ３８および排気バルブ４２の作動を制御する様々な機構（例えば、カム、ロッカーアーム、エンジンブレーキ、可変バルブ作動システム等）等の他の様々なコンポーネントを含んでもよく、ヘッドアセンブリのハウジングは、共に連結された１つ以上の個々の部分で提供されてもよく、ヘッドアセンブリは、当該技術において既知の種々の他の実施形態の１つを取ってもよい。
【００１６】
以下でより詳細に説明するピストンアセンブリ１８は、ピストンボア３４内に受容され（各ピストンボア３４に１つのピストンアセンブリ１８）、一般に、シリンダライナ２８およびヘッドアセンブリ１６と協働して燃焼室３２を形成する役に立つ。各ピストンアセンブリ１８は、各エンジンサイクル（例えば、４ストロークエンジンサイクルまたは２ストロークエンジンサイクル）を完了させる際に対応するピストンボア３４内で往復するように構成され、エンジン１０が動作している限りエンジンサイクルを繰り返し続ける。連接棒またはピストンロッド２０は、ピストンアセンブリ１８をクランク軸２２に連結する剛性のロッドまたは部材である。クランク軸２２は、軸心周りを回転しかつエンジン１０の回転動力出力を提供する軸である。クランク軸２２は、連接棒２０の一端が連結された径方向にオフセットされた「クランクピン」を含む。各ピストンアセンブリ１８がピストンボア３４内で線形に往復する際、対応する連接棒２０がクランク軸２２を回転させる。
【００１７】
図１および図２を参照して、ピストンアセンブリ１８は、シリンダライナ２８のピストンボア３４に沿って摺動するかまたはピストンボア３４内で移動することで、燃焼室３２の容積の変更を可能にする剛性装置である。一例示的実施形態によれば、ピストンアセンブリ１８は、ピストン５０、ピストンリングの組５２、およびピン５４を含む。
【００１８】
一例示的実施形態によれば、ピストン５０は、関節式ピストンアセンブリであり、ヘッドまたはクラウン５６およびスカート５８を含む。
【００１９】
一例示的実施形態によれば、ヘッド５６は、頂面６０、ボウル６２、円筒状の側壁またはスカート６４、冷却ギャラリ６６、およびピンボス６８を有する略円筒状の部材である。頂面６０は、シリンダライナ２８の軸心に対して垂直な平面に配置された実質的に平坦な環状領域である。ボウル６２は、頂面６０により定義される平面内に延在する凹状領域であり、燃焼効率を改善することを意図している。様々な例示的および代替的な実施形態によれば、ボウル６２は、燃焼に影響を及ぼす特定の特性（例えば、噴射圧、噴射噴霧角度、シリンダ径等）に依存して種々の異なる形状およびサイズの１つを取り得る。
【００２０】
側壁６４は、頂面６０の外側縁から垂直に延在する。一例示的実施形態によれば、側壁６４は、頂面６０から開始して離れる方向に、第１または上のランド７０、第１または上のリング溝７２、第２または上の中間のランド７４、第２のまたは中間のリング溝７６、第３または下の中間のランド７８、第３または下のリング溝８０、および第４または下のランド８２を含む。上リング溝７２は、側壁６４内に径方向内方に延在する略楔形状または要石形状の環状凹部であり、組をなすピストンリング５２の１つを受容するように構成されている。中間リング溝７６は、側壁６４内に径方向内方に延在する略矩形状の環状凹部であり、組をなすピストンリング５２の別の１つを受容するように構成されている。中間リング溝７６は、頂面６０に対して実質的に平行な２つの実質的に平行な辺８４および８６と、辺８４および８６の間に延在する内側辺８８とにより画成されている。下リング溝８０は、側壁６４内に径方向内方に延在する略矩形状の環状凹部であり、組をなすピストンリング５２のさらに別の１つを受容するように構成されている。様々な代替的および例示的な実施形態によれば、リング溝７２、７６、および８０の各々は、それらが用いられるエンジンに適した種々の異なる構成の１つを取り得る。
【００２１】
冷却凹部６６は、ピストンアセンブリ１８からの除熱を容易化するためにエンジンオイル等の冷却流体を受容するように構成されたキャビティまたはチャンバである。一例示的実施形態によれば、冷却凹部６６は、ヘッド５６の底面９０内に軸方向に延在する環状凹部により定義される。冷却凹部６６は、ヘッド５６の側壁６４から径方向内方に、およびボウル６２の軸方向下方に離間されるように構成されている。様々な代替的および例示的な実施形態によれば、冷却凹部は、特定のピストンアセンブリ１８およびエンジン１０の動作特性に依存して、種々の異なる形状およびサイズの１つを取ってもよく、側壁６４およびボウル６２に対して異なる径方向および軸方向の位置に設けてもよい。
【００２２】
ピンボス６８は、ヘッド５６のピン５４およびスカート５８への連結を容易化する突起または構造体である。一例示的実施形態によれば、２つのピンボス６８が、ヘッド５４の底面９０から下方に延在し、連接棒２０の一部分がそれらの間に受容され得るように離間されている。各ピンボス６８は、ピン５４を受容するように構成されたボアを含む。
【００２３】
一例示的実施形態によれば、スカート５８は、ピン５４を介してヘッド５６に連結された略筒状の部材である。スカート５８は、径方向にスカート５８を通じて延在するボアを含む。スカート５８がヘッド５６に組み付けられると、スカート５８のボアがヘッド５６のピンボス６８におけるボアと位置合わせされ、ピン５４がすべてのボアを通じて挿入される。このようにして、ピン５４は、スカート５８およびヘッド５６を共に連結するのに役立つ。
【００２４】
ピストンリングの組５２とは、ピストン５０のリング溝７２、７６、および８０内に受容されたピストンリングをいう。一例示的実施形態によれば、ピストンリングの組５２は、上リング溝７２内に配置されるように構成された第１の圧縮リング９２と、中間リング溝７６内に配置されるように構成された第２の圧縮リング９４と、下リング溝８０内に配置されるように構成されたオイルリングアセンブリ９６とを含む。第１の圧縮リング９２および第２の圧縮リング９４は、一般に、ピストンアセンブリ１８を通るクランクケースへの燃焼ガスおよび未燃焼燃料の通過（「ブローバイ」として知られる現象）を低減、最小化、または実質的に排除するために役立つ。この機能では、リング９２および９４が、防止または低減されなければピストンアセンブリ１８ひいてはクランク軸２２の駆動を助けるために用いられる可能性がある、ピストンアセンブリ１８を通るガスの漏洩を防止または低減することにより、エンジン１０の効率を維持することを助ける。リング９２および９４は、また、少なくとも部分的に、（クランクケースから）燃焼室へのオイルの通過を低減、最小化、または実質的に排除するためにも役立つ。この後者の機能では、燃焼室へのオイルの通過を低減または排除することが、排出物を少なく保つことを助け、また、エンジン１０によるオイルの消費を防止または低減することを助ける。一例示的実施形態によればコイル状の伸張ばねにより径方向外方に付勢される「Ｍ」字状のリングまたはレールを含み得る、オイルリングアセンブリ９６は、一般に、ピストンボア３４上のオイルの層を制御するために役立つ。３つのリング９２、９４、および９６の各々は、一般に、ブローバイを低減し、オイルの消費を低減し、ピストン５０からシリンダライナ２８に熱を伝達するシステムとして共に作働する。様々な例示的および代替的な実施形態によれば、３つのリングの各々は、特定の用途に適した種々の異なる構成の１つ、例えば、当該技術において現在既知の多くの構成または将来設計されうる他の構成の１つ等を取り得る。
【００２５】
一例示的実施形態によれば、第２の圧縮リング９４は、径方向外方に面する表面１００と、径方向内方に面する表面１０２と、軸方向上方に面する表面１０４と、軸方向下方に面する表面１０６とを含む。表面１００は、封止および拭払機能を行うためにピストンボア３４に係合するように構成されている。軸方向上方に面する表面１０４および軸方向下方に面する表面１０６は、互いに略平行であり、それぞれリング溝７６の辺８４および辺８６と協働するように構成されている。径方向内方に面する表面１０２は、略軸方向領域１０７およびテーパ領域１０８を含む。様々な例示的および代替的な実施形態によれば、第２の圧縮リングは、第１の圧縮リング９２およびオイルリングアセンブリ９６の性能および動作特性に少なくとも部分的に依存して、種々の異なる断面形状のいずれか１つを取り得る。
【００２６】
リストピンまたはガジオンピンとしても知られるピン５４は、スカート５８におけるボア、ヘッド５６のピンボス６８におけるボア、および連接棒２０の一端におけるボアを通って延在することで、スカート５８およびヘッド５６を共に連結しかつピストンアセンブリ１８を連接棒２０に連結するように構成されている。様々な例示的および代替的な実施形態によれば、ピンは、当該技術において現在既知の構成の１つ等の種々の異なる構成のいずれか１つを取り得る。
【００２７】
様々な例示的実施形態によれば、ピストン５０のヘッド５６の側壁６４は、また、第１の圧縮リング９２、第２の圧縮リング９４、第２のランド７４、およびピストンボア３４の間に形成されたキャビティ９８を第２のリング溝７６の辺８４、８６、および８８ならびに第２の圧縮リング９４の径方向内方に面する表面１０２の間に形成されたキャビティ９９と流体連結するために役立つ通路を（エンジン１０の動作中に第２のリング溝７６の辺８４と第２の圧縮リング９４の軸方向上方に面する表面１０４との間に形成され得るいずれかの間隙以外に）含む。この通路は、キャビティ９８からの加圧ガスをキャビティ９９に通過させ、かかるガスは、次いで、第２の圧縮リング９４の径方向内方に面する表面１０２に対して作用して、第２の圧縮リング９４をピストンボア３４に対して径方向外方に付勢する力を加える。一般に、通路の適切なサイズ、形状、構成、および数は、ピストンアセンブリ１８が曝される圧力、ピストンアセンブリ１８のサイズ、ピストンアセンブリ１８が用いられるエンジンの速度範囲、および他の要因に少なくとも部分的に依存し得る。
【００２８】
図２に示す一例示的実施形態によれば、通路は、第２のランド７４からキャビティ９９の境界を形成するリング溝７６の辺８４の一部分に対角線状に延在する円筒状のボア１０８により形成される。一実施形態では、ボア１０８の直径は、約０．５ミリメートル以上であり得る。別の実施形態では、ボア１０８の直径は、約０．７５ミリメートル以上であり得る。別の実施形態では、ボア１０８の直径は、約１ミリメートル以上であり得る。別の実施形態では、ボア１０８の直径は、約２．５ミリメートル以上であり得る。さらなる実施形態では、ボア１０８の直径は、約０．５〜１．０ミリメートルの範囲、例えば約０．７５ミリメートルであり得る。様々な例示的および代替的な実施形態によれば、ピストン５０は、ただ１つのボア１０８を含んでもよいし、または、ピストン５０の円周の周りで離間された複数のボア１０８を含んでもよい。他の実施形態によれば、ボアは、例えば穴、スロット、またはスリット等のいずれかの種類の開口であってもよく、円筒形状以外の形状を有してもよい。例えば、ボアは、第２のランド７４からリング溝７６に延在する際に直径が徐々に増加または減少するテーパ状であってもよく、シャンパングラス形状を有してもよく、樽形状であってもよく、または種々の他の形状の１つを有してもよい。他の例示的および代替的な実施形態によれば、ボアは、ドリル加工、フライス加工、ボーリング、レーザドリル加工、または他の好適な工程または手法を含む、いずれかの好適な製造工程を用いてピストン５０に形成し得る。
【００２９】
図３および図４に示すさらに別の例示的実施形態によれば、通路は、キャビティ９９およびキャビティ９８を流体連結するように第２のランド７４内に軸方向上方に、および第２のリング溝７６の辺８４内に径方向内方に延在する切り欠き１１０により形成される。様々な例示的および代替的な実施形態によれば、ピストン５０は、ただ１つの切り欠き１１０を含んでもよいし、または、ピストン５０の円周の周りで離間された複数の切り欠き１１０を含んでもよい。他の例示的および代替的な実施形態によれば、各切り欠きは、種々の異なる構成のいずれか１つを取り得る。例えば、切り欠きは、凹部、溝、デテント、または種々の他の構成のいずれか１つであってもよく、部分的な円筒、球体、矩形の形状、もしくは他の形状を取ってもよく、またはＶ字形もしくは他のいずれかの好適な形状もしくは構成であってもよい。他の例示的および代替的な実施形態によれば、切り欠きは、ドリル加工、フライス加工、ボーリング、レーザドリル加工、または他の好適な工程または手法を含む、いずれかの好適な製造工程を用いてピストン５０に形成し得る。
【００３０】
ピストン５０内に設けられた通路の総面積は、各通路の形状および構成ならびに設けられた通路の総数に依存する。一実施形態では、総面積は、約０．２ｍｍ2以上であり得る。別の実施形態では、総面積は、約０．４４ｍｍ2以上であり得る。別の実施形態では、総面積は、約０．７９ｍｍ2以上であり得る。別の実施形態では、総面積は、約４．９１ｍｍ2以上であり得る。さらなる実施形態では、総面積は、約０．２ｍｍ2〜約０．７９の範囲、例えば約０．４４ｍｍ2であり得る。
【００３１】
図５に示す別の代替的な実施形態によれば、通路は、ピストン５０ではなく、第２の圧縮リング９４の軸方向上方に面する表面１０４に設けられた切り欠き１１２の形態であり得る。様々な例示的および代替的な実施形態によれば、第２の圧縮リング９４は、ただ１つの切り欠き１１２を含んでもよいし、または、第２の圧縮リング９４の円周の周りで離間された複数の切り欠き１１２を含んでもよい。様々な例示的および代替的な実施形態によれば、各切り欠きは、種々の異なる構成のいずれか１つを取り得る。例えば、切り欠きは、凹部、溝、デテント、または種々の他の構成のいずれか１つであってもよく、部分的な円筒、球体、矩形の形状、もしくは他の形状を取ってもよく、またはＶ字形もしくは他のいずれかの好適な形状もしくは構成であってもよい。他の例示的および代替的な実施形態によれば、切り欠きは、ドリル加工、フライス加工、ボーリング、レーザドリル加工、または他の好適な工程または手法を含む、いずれかの好適な製造工程を用いて第２の圧縮リング９４に形成し得る。
【００３２】
上記の説明は関節式ピストンに関連して行ったが、通路連結キャビティ９８および９９は、また、一体成形ピストンまたは他のピストン構成においても設け得る。同様に、ディーゼルエンジンに関連して説明したが、キャビティ９８および９９を連結する通路は、ガソリンエンジンまたは他の種類の内燃機関（例えば、ガス燃料エンジン等）用のピストンに関連して用い得る。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
典型的な４ストロークエンジンサイクル中、ピストンアセンブリ１８は、爆発または動力行程、排気行程、吸気行程、および圧縮行程を経るだろう。ピストンアセンブリ１８がピストンボア３４内で往復する際、第１の圧縮リング９２、第２の圧縮リング９４、およびオイルリングアセンブリ９６の各々は、それぞれ第１のリング溝７２、第２のリング溝７６、および第３のリング溝８０内で移動し得る。第２の圧縮リング９４の第２のリング溝７６内での移動に影響を及ぼす少なくとも３つの要因が存在する。これらの３つの要因は、第２の圧縮リング９４とピストンボア３４との間の摩擦、ピストンアセンブリ１８の加速または減速、および第２の圧縮リング９４に作用するガスの異なる圧力を含む。これらの３つの要因は、状況に依存して共に連携してまたは互いに反抗して作働することで、第２の圧縮リング９４を第２のリング溝７６内で移動させる。
【００３４】
圧縮行程中、ピストンアセンブリ１８は、下死点位置において開始し、上死点位置に移動する。ピストンアセンブリ１８の下死点位置から上死点位置への移動は、クランク軸２２の１８０度の回転にわたり発生するだろう。この１８０度において、ピストンアセンブリ１８は、概ね最初の約１１０度で加速し、次いで、ピストンアセンブリ１８が上死点位置に到達するまで残りの７０度で減速するだろう。減速が始まる正確な位置は、連接棒２０の長さおよびクランク軸２２のストロークに依存し、異なるエンジンの構成で変化し得る。しかし、多くのエンジン構成について、この位置は、上死点位置の概ね７０度手前である。ピストンアセンブリ１８が下死点位置から上死点位置に移動する際、燃焼室３２の容積が減少するだろう。圧縮行程中、吸気バルブ３８および排気バルブ４２は概ね閉じているため、ピストンアセンブリ１８により生じる容積低減により、燃焼室３２内の圧力が増加するだろう。この圧力の一部は、第１の圧縮リング９２を通って漏洩し、第２の圧縮リング９４に作用する可能性がある。
【００３５】
ピストンアセンブリ１８または第２の圧縮リング９４に通路（例えば、ボア１０８、切り欠き１１０、または切り欠き１１２）が存在しなければ、いくつかの状況では、圧縮行程中に、第２の圧縮リング９４に作用する摩擦力および圧力がピストンアセンブリ１８の減速の効果に勝るほど十分でなく、ピストンアセンブリ１８が上死点位置に到達するときに第２の圧縮リング９４が第２のリング溝７６の辺８４（上側）に対して付勢される位置にある、という状況が生じる可能性があると思われる。次いで、少なくとも動力行程の開始中、第２の圧縮リング９４に作用する摩擦力と組み合わせられたピストンアセンブリ１８の加速が、第２の圧縮リング９４を第２のリング溝７６の辺８４に対して付勢された状態に維持するために十分である。この状況では、第１の圧縮リング９２を通る燃焼により生成されたガス圧が、第２の圧縮リング９４を第２のリング溝７６の辺８６（下側）に向けて付勢しているが、第２の圧縮リング９４に作用する圧力による力は、第２の圧縮リング９４を第２のリング溝７６の頂部におけるその位置から移動させるために十分ではない。しかし、第２の圧縮リング９４は依然として第２のリング溝７６の辺８４（上側）に対して押圧されているため、第２の圧縮リング９４の上方のキャビティ９８における圧力に曝される径方向外方に面する表面１００と、キャビティ９９における圧力（第２の圧縮リング９４の下方のキャビティ１１４における圧力に略等しい）に曝される第２の圧縮リング９４の径方向内方に面する表面１０２との間に圧力差が生じ得る。いくつかの状況では、この圧力差が第２の圧縮リング９４を潰れさせる（またはピストンボア３４から離れるように移動させる）と思われる。動力行程中に第２の圧縮リング９４が潰れると、第２の圧縮リング９４は、もはや、ピストンボア３４からオイルを掻き落とす機能を行うことが不可能である。このため、より多くのオイルがピストンボア３４上に残留し、ピストンアセンブリ１８が下方に移動し続ける際、その残留オイルが燃焼プロセスの一部として燃焼させられる。オイルの燃焼により、オイルが消費されるだけでなく、特定の望まれない排気ガス成分を増加させる影響を有するかもしれず、ますます厳しくなる排出規制を満たすことがより困難になる。
【００３６】
ピストンアセンブリ１８および／または第２の圧縮リング９４に通路（例えば、ボア１０８、切り欠き１１０、または切り欠き１１２）を追加することが、第２の圧縮リング９４の潰れを低減または排除するために役立ち得ると思われる。通路は、内部の圧力が径方向外方に面する表面１００に作用するキャビティ９８と、内部の圧力が径方向内方に面する表面１０２に作用するキャビティ９９とを流体連結することにより、第２の圧縮リング９４の径方向外方に面する表面１００と径方向内方に面する表面１０２との間の圧力差の大きさを低減するか、またはかかる圧力差を排除することにより、これを遂行すると思われる。第２の圧縮リング９４の対向面に作用する圧力が等しいか、またはほとんど等しいときは、第２の圧縮リング９４が潰れる可能性は低い。
【００３７】
例示的および他の代替的な実施形態に示すピストンアセンブリの要素の構成および編成は、説明のみのためのものであることに留意することが重要である。本開示ではピストンアセンブリのいくつかの実施形態のみを詳細に説明したが、本開示を閲覧する当業者は、記載の主題の新規の教示および利点から著しく逸脱することなく、多くの修正が可能である（例えば、様々な要素のサイズ、寸法、構造、形状、および割合、パラメータの値、取り付け編成、材料の使用、配向、コンポーネント位置の変更等）ことを容易に理解するであろう。例えば、一体形成されるものとして示した要素を複数の部品で構成してもよく、複数の部品として示した要素を一体形成してもよく、界面の動作を反転またはその他変更してもよいし、ならびに／または、構造体および／もしくは部材もしくはコネクタもしくはシステムの他の要素の長さ、幅、もしくは他の寸法を変更してもよい。ピストンアセンブリの要素および／またはアセンブリは、十分な強度または耐久性を提供する幅広い材料のいずれかから、ならびに幅広い組織および組み合わせのいずれかにおいて構成し得ることに留意すべきである。また、ピストンアセンブリは、幅広い用途のいずれかにおける幅広いエンジンのいずれかに関連して用い得ることにも留意すべきである。そのため、すべてのかかる修正は、本開示の範囲内に含まれることを意図する。例示的および他の代替的な実施形態の設計、動作条件、および編成において、他の置換、修正、変更、および省略を、本開示の精神から逸脱することなく行い得る。
【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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【国際調査報告】
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