JP2009127455A - Reciprocating engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、爆発、膨張行程において、コンロッドの傾きによりピストンに働くスラスト力(側圧)に対抗して、ピストン上方の高圧ガスによりピストンをスラスト側から反スラスト側に向かって支持することにより、スラスト側におけるピストンとシリンダとのフリクションロスの低減を図った往復動エンジンに関する。 In the explosion and expansion processes, the thrust is supported by the high pressure gas above the piston from the thrust side to the anti-thrust side against the thrust force (side pressure) acting on the piston due to the inclination of the connecting rod. The present invention relates to a reciprocating engine in which friction loss between a piston and a cylinder on the side is reduced.
本発明は、ピストンを、そのピストン上体部の外周面におけるトップランドにおいて、ガス圧によりピストンを支持するようにした往復動エンジンに関する。 The present invention relates to a reciprocating engine in which a piston is supported by gas pressure in a top land on an outer peripheral surface of a piston upper body.
更に、本発明は、ピストンの上面に近いトップリングを傾斜して設け、トップランドをスラスト側で広く、反スラスト側で狭くしたピストンを組込んだ往復動エンジンの改良に係る。 Furthermore, the present invention relates to an improvement in a reciprocating engine incorporating a piston in which a top ring close to the upper surface of the piston is inclined and a top land is wide on the thrust side and narrowed on the anti-thrust side.
もちろん、本発明は、4サイクルガソリンエンジン、2サイクルガソリンエンジン、ディーゼルエンジンとして使用できる往復動エンジンである。 Of course, the present invention is a reciprocating engine that can be used as a four-cycle gasoline engine, a two-cycle gasoline engine, or a diesel engine.
この特許文献1に記載の技術においては、ピストンのトップリングが、傾斜して設けられている。そして、このトップリングは、ピストンの上面からの距離が、反スラスト側で短く、スラスト側で長く、反スラスト側からスラスト側に向って次第に長くなるように配置されている。従って、ピストン上面とトップリングとの間の外周面、つまり、トップランドはスラスト側で広く、反スラスト側で狭くなっている。 In the technique described in Patent Document 1, the top ring of the piston is provided with an inclination. The top ring is disposed such that the distance from the upper surface of the piston is short on the anti-thrust side, long on the thrust side, and gradually longer from the anti-thrust side toward the thrust side. Therefore, the outer peripheral surface between the upper surface of the piston and the top ring, that is, the top land is wide on the thrust side and narrow on the anti-thrust side.
上記の構成になるピストンを組込んだ従来の往復動エンジンは、爆発、膨張行程で、ピストン上方の爆発・膨張の高圧ガスをトップランドのスラスト側に主に作用させ、ピストンに働くスラスト力(側圧)に対抗してピストンをスラスト側から反スラスト側に向かって、支持し、スラスト側でのピストンとシリンダとの摺動摩擦抵抗の低減を図ったものである。 The conventional reciprocating engine incorporating the piston having the above-described configuration is such that the high-pressure gas of the explosion / expansion above the piston mainly acts on the thrust side of the top land during the explosion and expansion strokes, and the thrust force acting on the piston ( The piston is supported from the thrust side to the anti-thrust side against the side pressure), and the sliding frictional resistance between the piston and the cylinder on the thrust side is reduced.
ところで、往復動エンジンのピストン上部体の径は、スカート部の最大径部に比べ小さく、ピストン全体として台形状になっている。即ち、ピストン上部体はシリンダ内径に対して隙間(クリアランス)をもってシリンダに組込まれている。即ち、ピストンのピストン上部体は、スラスト側及び反スラスト側の両方において、シリンダ内面との間に必ず隙間が存在する。 By the way, the diameter of the piston upper body of the reciprocating engine is smaller than the maximum diameter portion of the skirt portion, and the entire piston is trapezoidal. That is, the piston upper body is incorporated in the cylinder with a clearance (clearance) with respect to the cylinder inner diameter. That is, there is always a gap between the piston upper body of the piston and the cylinder inner surface on both the thrust side and the anti-thrust side.
このため、従来の技術のように、トップリング上方のトップランドをスラスト側で広く、反スラスト側で狭くし、高圧ガスを、主にトップランドのスラスト側に作用させることによりピストンを支持しても、上死点でのピストンの揺動現象は変わりない。即ち、上記隙間の存在のため、機関運転中、特に、上死点での反転時、モーメント荷重、スラスト力によりピストンは首振り、揺動を起す。ピストンのピストン上部体及びスカート部がシリンダに衝突する。このためピストンとシリンダ、ピストンリングとシリンダ、ピストンリングとピストンリング溝との間でフリクションロスを生じさせている。また、ピストンの振れにより、ブローバイガスの発生を起こしている。 Therefore, as in the prior art, the top land above the top ring is wide on the thrust side and narrow on the anti-thrust side, and the high pressure gas acts mainly on the thrust side of the top land to support the piston. However, the piston swinging phenomenon at the top dead center remains unchanged. That is, due to the presence of the gap, the piston swings and swings due to the moment load and thrust force during engine operation, particularly when reversing at top dead center. The piston upper body and skirt of the piston collide with the cylinder. For this reason, friction loss is generated between the piston and the cylinder, the piston ring and the cylinder, and the piston ring and the piston ring groove. In addition, blow-by gas is generated due to piston vibration.
そこで、本発明は、機関運転中、ピストンの首振り、揺動、横揺れ等ピストンの振れを抑え、ピストンとシリンダ、ピストンリングとピストン溝とのフリクションロスの低減、ブローバイガスの発生の低減を図ると共に、ピストン上部体の効果的な冷却、混合ガスの燃焼速度が高められる往復動エンジンの提供を図ったものである。 Therefore, the present invention suppresses piston vibration such as piston swinging, swinging, and rolling during engine operation, reducing friction loss between the piston and cylinder, piston ring and piston groove, and reducing generation of blow-by gas. In addition, the present invention aims to provide a reciprocating engine capable of effectively cooling the piston upper body and increasing the combustion speed of the mixed gas.
以下、トップリングを第1ピストンリングと称す。 Hereinafter, the top ring is referred to as a first piston ring.
本発明の往復動エンジンは、燃焼・膨張ガス圧力を受けるピストンの上面とピストンリングを装着したランド部とからなるピストン上部体と、このピストン上部体の下部に形成されたスカート部とを備えたピストンにおいて、上記ピストン上部体がピストン中心線に対して反スラスト側に偏心して形成され、反スラスト側において、ピストン上部体の外周面とスカート部の最大径部の外周面とが垂直線上にそろえて形成され、ピストンがシリンダに直立姿勢に収められた状態で、反スラスト側においてピストン上部体の外周面とスカート部の最大径部の外周面とがシリンダの内面に添い当り状態となり、かつ、スラスト側においてピストン上部体の外周面とシリンダの内面との間に隙間が形成され、ピストン上部体の外周面に装置された第1ピストンリングは、ピストン上面からの距離が反スラスト側からスラスト側に向かって次第に長くなるように、傾斜して配置され、トップランドがスラスト側で広く、反スラスト側に向かって次第に狭く形成されており、上死点、また上死点近傍において、ピストンの上方高圧ガスを反スラスト側のトップランドに回り込ませにくくすると共に、スラスト側のトップランドに主に作用させて、ピストンをスラスト側から支持し、かつ反スラスト側においてピストン上部体の外周面とスカート部がシリンダ内面に接して爆発、膨張行程を降下するようにしたものである。 A reciprocating engine according to the present invention includes a piston upper body including an upper surface of a piston that receives combustion / expansion gas pressure and a land portion on which a piston ring is mounted, and a skirt formed at a lower portion of the piston upper body. In the piston, the piston upper body is formed eccentric to the anti-thrust side with respect to the piston center line, and on the anti-thrust side, the outer peripheral surface of the piston upper body and the outer peripheral surface of the maximum diameter portion of the skirt portion are aligned on a vertical line. In the state where the piston is housed in an upright posture in the cylinder, the outer peripheral surface of the piston upper body and the outer peripheral surface of the maximum diameter portion of the skirt portion are in contact with the inner surface of the cylinder on the anti-thrust side, and A gap is formed between the outer peripheral surface of the piston upper body and the inner surface of the cylinder on the thrust side, and the first device installed on the outer peripheral surface of the piston upper body. The stone ring is inclined and arranged so that the distance from the piston upper surface gradually increases from the anti-thrust side toward the thrust side, and the top land is formed wide on the thrust side and gradually narrowed toward the anti-thrust side. In the vicinity of top dead center or near top dead center, the high pressure gas above the piston is made difficult to go around the top land on the thrust side, and it acts mainly on the top land on the thrust side to support the piston from the thrust side. In addition, on the anti-thrust side, the outer peripheral surface and the skirt portion of the piston upper body are in contact with the cylinder inner surface to explode and expand the expansion stroke.
上記の構成によれば、シリンダに組込まれたピストンは、直立姿勢で反スラスト側において、ピストン上部体の外周面とスカート部の最大径部の外周面とが、共にシリンダの内面に添い当り接している。他方、スラスト側においては、ピストン上部体の外周面とシリンダの内面との間に隙間が形成されている。しかも、ピストン上部体のトップランドは、スラスト側で広く、反スラスト側に向って次第に狭くなり、反スラスト側において、ピストン上部体の外周面はシリンダの内面に接した状態となっている。 According to the above configuration, the piston assembled in the cylinder is in the upright posture and on the side opposite to the thrust side, the outer peripheral surface of the piston upper body and the outer peripheral surface of the largest diameter portion of the skirt portion both abut against and contact the inner surface of the cylinder. ing. On the other hand, on the thrust side, a gap is formed between the outer peripheral surface of the piston upper body and the inner surface of the cylinder. Moreover, the top land of the piston upper body is wide on the thrust side and gradually narrows toward the anti-thrust side, and on the anti-thrust side, the outer peripheral surface of the piston upper body is in contact with the inner surface of the cylinder.
このため、ピストンが圧縮行程終期から爆発膨張行程初期、即ち上死点また上死点近傍に位置するとき、ピストンの上方の高圧ガスが、ピストンのスラスト側において、トップランドに広い面積で作用し、反スラスト側のトップランドにはその作用が非常に小さい。 For this reason, when the piston is located from the end of the compression stroke to the beginning of the explosion / expansion stroke, that is, at the top dead center or near the top dead center, the high-pressure gas above the piston acts on the top land over a wide area on the thrust side of the piston. The action on the top land on the anti-thrust side is very small.
よって、ピストンはスラスト側から主に押され、反スラスト側からの押し返しが生ぜず、ピストンはスラスト側からガス圧によって支持された状態が形成される。 Therefore, the piston is mainly pushed from the thrust side, and no push-back from the anti-thrust side occurs, and the piston is supported by the gas pressure from the thrust side.
燃焼・膨張行程を降下するピストンには、コンロッドのスラスト側の傾きにより、スラスト側に向って側圧(スラスト力)が働くが、上記ガス圧による支持によって対抗し、ピストンとシリンダの内面とフリクションが低減される。 Due to the inclination of the connecting rod on the thrust side, a side pressure (thrust force) acts on the piston that descends the combustion / expansion stroke. Reduced.
さらに、ピストンはスラスト側からの上記ガス圧の支持により反スラスト側において、ピストン上部体の外周面とスカート部の外周面とがシリンダの内面に添い当り接し状態を形成し、直立姿勢を保つため、ピストンは横振れ、揺動、シリンダとの衝突が抑えられる。このため、ピストンとピストンリングとのフリクションロスの低減、ピストンの振動によるブローバイガスの吹き抜け防止が得られる。 Furthermore, because the piston is supported by the above gas pressure from the thrust side, the outer peripheral surface of the piston upper body and the outer peripheral surface of the skirt portion touch the inner surface of the cylinder and form a contact state on the anti-thrust side to maintain an upright posture. The piston can be prevented from swinging, swinging and colliding with the cylinder. For this reason, the friction loss between the piston and the piston ring can be reduced, and blow-by gas can be prevented from being blown out by vibration of the piston.
更に、ピストンは、高温高圧のガス圧を受ける上面を有するピストン上部体が、反スラスト側において、シリンダに接しているため、従来のピストンリングのみのシリンダとの接触に比べ、シリンダとの接触面積が広く増加し、ピストンからシリンダへの熱の流れが大きく、ピストン上面の冷却が効果的に行われる。 Furthermore, since the piston upper body having an upper surface that receives high-temperature and high-pressure gas pressure is in contact with the cylinder on the anti-thrust side, the contact area with the cylinder is smaller than that with the conventional piston ring-only cylinder. Increases widely, the flow of heat from the piston to the cylinder is large, and the upper surface of the piston is effectively cooled.
これ故、異常燃焼が防止でき、またエンジン全体の熱上昇が低く吸収効率が良好に確保できる。 Therefore, abnormal combustion can be prevented, and the heat rise of the entire engine is low, so that the absorption efficiency can be secured well.
本発明によれば、機関運転中、ピストンの首振り、揺動等、ピストンの横振れを抑え、ピストンとシリンダ、ピストンリングとピストン溝とのフリクションロスの低減、ブローバイガス発生の低減を図ると共に、ピストン上部体の効果的な冷却、混合ガスの燃焼速度が高められる往復動エンジンを提供し得る。 According to the present invention, during engine operation, the lateral movement of the piston, such as the swinging and swinging of the piston, is suppressed, the friction loss between the piston and the cylinder, the piston ring and the piston groove, and the generation of blow-by gas are reduced. Further, it is possible to provide a reciprocating engine capable of effectively cooling the piston upper body and increasing the combustion speed of the mixed gas.
以下、本発明の実施形態を図面に示した実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to examples shown in the drawings.
第1図から第3図には、本発明の往復動エンジンの実施例が示してある。第4図には、本実施例の往復動エンジン1のピストン2が示してある。
1 to 3 show an embodiment of a reciprocating engine of the present invention. FIG. 4 shows the
さて、ピストン2は、燃焼・膨張ガス圧力を受けるピストンの頂面、つまりピストン2の上面3とピストンリング溝4、5、6を有するランド部7とからなるピストン上部体8と、このピストン上部体8の下側に形成したスカート部9と、ピストンピン10を支持するピストンボス部11とを備える。
The
上記ランド部7は上記ピストン上部体8の外周面16をも指す。以下、ランド部7をピストン上部体8の外周面16と称す。
The
上記ピストンリング溝4、5、6は、ピストン2の上面3に近い順に、第1ピストンリング溝4、第2ピストンリング溝5、オイルリング溝6である。
The
第1ピストンリング溝4には第1ピストンリング26が入れられ、第2ピストンリング溝5には第2ピストンリング27が入れられ、オイルリング溝6にはオイルリング28が入れられる。
A
もちろん、第1ピストンリング26はトップリング、第2ピストンリング27はセカンドリングである。
Of course, the
上記ピストン上部体8の外周面16において、ピストン2の上面3と第1ピストンリング4との間は、もちろんトップランド30であり、第1ピストンリング溝4と第2ピストンリング溝5との間がセカンドランドである。
In the outer
第1図から第4図において、12はスラスト側を示し、13は反スラスト側を示す。特に、第4図に示すように、ピストン2は、上記ピストン上部体8が、ピストン2の中心線14に対して、反スラスト側13に偏心して形成されている。15は上記ピストン上部体8の中心線を示す。
In FIGS. 1 to 4, 12 indicates the thrust side, and 13 indicates the anti-thrust side. In particular, as shown in FIG. 4, the
ピストン2は、直立姿勢で、反スラスト側13において、上記ピストン上部体8の外周面16とスカート部9の最大径部の外周面17とが垂直線18上にそろえられて、形成されている。
The
一方、スラスト側12において、ピストン上部体8の外周面16は、スカート部17の最大径部の外周面20を通る垂直線21から内側に位置し、隙間19がある。
On the other hand, on the
ピストン2は、上記の如く形状であるため、第1図に示すように、シリンダ23に組込まれ、直立姿勢にあるとき、反スラスト側13において、ピストン上部体8の外周面16とスカート部9の最大径部の外周面17とが同時に、共にシリンダ23の内面24に添い当り接している。
Since the
他方、スラスト側12においては、ピストン上部体8の外周面16とシリンダ23の内面24との間には隙間(クリアランス)25が存在する。
On the other hand, on the
また、ピストン2は、少なくとも上記第1ピストンリング溝4が、ピストン2の軸線29に直交する面に対して傾斜して設けられている。
The
さらに、その第1ピストンリング溝4の傾斜は、ピストン2の上面3からの距離Aが反スラスト側13からスラスト側12に向かうに従って、次第に長くなるように設けられている。
Further, the inclination of the first
このため、ピストン2の上面3と第1ピストンリング溝4との間の、トップランド30は、反スラスト側13で狭く、スラスト側12で広く、反スラスト側13からスラスト側12に向って次第に広くなっている。
For this reason, the
なお、本実施例において、第2ピストンリング溝5は、上記第1ピストンリング溝4に平行に設けられている。
In the present embodiment, the second
さて、第1図、第2図には、上記のようになるピストン2に、第1ピストンリング26、第2ピストンリング27、オイルリング28が装着されて、シリンダ23内に組込まれ、機関運転中の状態が示されている。
In FIGS. 1 and 2, the
シリンダ23に組込まれたピストン2は、直立姿勢で反スラスト側13において、ピストン上部体8の外周面16とスカート部9の最大径部の外周面17とが、共にシリンダ23の内面24に添い当り接している。
The
他方、スラスト側12においては、ピストン上部体8の外周面16とシリンダ23の内面24との間に隙間25が形成されている。
On the other hand, on the
しかも、ピストン上部体8のトップランド30は、スラスト側12で広く、反スラスト側13に向って次第に狭くなり、反スラスト側13において、ピストン上部体8の外周面16はシリンダ23の内面24に接した状態となっている。
Moreover, the
このため、ピストン2が圧縮行程終期から爆発、膨張行程初期、即ち上死点また上死点近傍に位置するとき、シリンダ23の内面24と、ピストン2のトップランド30との間の空間31はスラスト側12で大きく、ピストン2の上方の燃焼室32の燃焼・膨張ガス圧33に十分に通じており、かつガス圧を受けるトップランド30は広い。
For this reason, when the
他方、反スラスト側13においては、上記空間31が閉じられた状態にあり、このため、反スラスト側13においては、ピストン2のトップランド30には、上記の燃焼・膨張ガス圧33は回り込めない。
On the other hand, the
従って、燃焼・膨張ガス圧33はピストン2のスラスト側12においてトップランド30に広い面積で作用し、他方、反スラスト側13においては、トップランド30への作用は非常に小さい。
Therefore, the combustion /
よって、ピストン2は、スラスト側12から反スラスト側13に向って主に押され、反スラスト側13からの押し返し力は非常に小さく、ピストン2はスラスト側12において、トップランド30がガス圧支持(ガスフロート)され、反スラスト側13において、ピストン上部体8の外周面16とスカート部9の最大径部の外周面17がシリンダ23の内面24に添い接した状態となり、直立姿勢で、以降、燃焼膨張行程を下降する。
Therefore, the
なお、上死点また上死点近傍の位置にあるピストン2を上から見れば、第3図に示すように、反スラスト側13においてピストン上部体8の外周面16は円弧状にシリンダ23の内面24に接しており、スラスト側12において、外周面16とシリンダ23の内面24との間に円弧状の隙間25が存在する。
When the
上記の状態にあるピストン2の上面3に圧縮ガス圧、燃焼・膨張ガス圧33が作用すると、このガス圧33はスラスト側12のトップランド30に主に作用するが、反スラスト側13のトップランド30に回り込めない状態がよく判る。
When the compressed gas pressure and the combustion /
上記のようになる本実施例の往復動エンジン1によれば、燃焼・膨張行程中において、コンロッド22のスラスト側12への傾きによりピストン2をスラスト側12のシリンダ23の内面24に押付けようとする側圧(スラスト力)Fが、ピストン2に働いても、このピストン2はスラスト側12で、ピストン上部体8においてガス圧により支持されて下降するため、ピストン2とシリンダ23の内面24とのフリクションロスが低減される。また、ピストン2はスラスト側12からガス圧により反スラスト側13に押され、反スラスト側13においてピストン上部体8の外周面16とスカート部9の外周面17がシリンダ23の内面24の添い当り接して、直立姿勢を保つ。このため、ピストン2は横振れ、揺動、シリンダと衝突が抑えられる。よって、ピストン2とピストンリング4、5とのフリクションロスの低減、ピストン2の振動によるブローバイガスの吹き抜け防止が得られる。
According to the reciprocating engine 1 of the present embodiment as described above, the
更に、ピストン2は、高温高圧のガス圧を受ける上面3を有するピストン上部体8が、反スラスト側13において、シリンダ23の内面24に接しているため、従来のピストンリングのみのシリンダとの接触に比べ、シリンダ23の内面24の接触面積が広く増加し、ピストン2からシリンダ23への熱の流れが大きく、ピストン2の上面3の冷却が効果的に行われる。
Further, since the piston
これ故、異常燃焼が防止でき、またエンジン全体の熱上昇が低く吸収効率が良好に確保できる。 Therefore, abnormal combustion can be prevented, and the heat rise of the entire engine is low, so that the absorption efficiency can be secured well.
1 往復動エンジン
2 ピストン
8 ピストン上部体
9 スカート部
23 シリンダ
26 第1ピストンリング
27 第2ピストンリング
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
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