内燃機関

【課題】ピストンのスカートとシリンダのライナとの対向面間の摩擦損失を低減する。
【解決手段】ディーゼルエンジン１におけるシリンダ２のライナ２ａの下端内壁面にテーパ部２ｃを形成した。このテーパ部２ｃは、ピストン３がライナ２ａの内壁面に対して傾斜した状態（ピストン３の軸心がシリンダ２の軸心Ａに対して傾斜した状態）でスカート３ａの下端がライナ２ａの下端に達した場合にスカート３ａの下端とライナ２ａの下端との対向面間での摩擦損失が低減するように形成されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関し、更に詳しくは、ピストンのスカートとシリンダのライナとの対向面間の摩擦損失を低減することが可能な内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピストン−クランク機構を用いた内燃機関では、シリンダ内におけるピストンの往復運動をクランク軸の回転運動に変換して動力を発生させる。この時、ピストンには往復運動だけではなく、コンロッドの揺動角により往復運動に対して直交する方向に力（側圧）が作用することにより、ライナとの隙間において往復運動と直交する方向の並進運動と、ピストンピン周りの回転運動とを行う。
【０００３】
ここで、スカートは、ライナと接触して上記の側圧を負担する機能と、ピストンの姿勢を保持する機能とを有しているが、その一方で、ライナに対して摺動することで摩擦損失を引き起こす部分でもあり、摩擦抵抗を考慮した設計が必要とされている。このため、スカートは、ライナとの接触状態を適正に保ち、上記の要求性能を確保するために、ピストンの高さ方向で異なる直径となるように形状（プロフィール）が設定されている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
ところで、エンジンによっては、下死点付近においてスカートの下端が、ライナの下端から下方に突出する構造を採用している場合がある。このようなエンジンでは、図５に示すように、実働運転後のピストン５０のスカート５１の下端外周面において、ライナから突出する位置と一致する部分（破線で囲む領域）に強い摺動の痕跡５２が見られる場合があり、このような痕跡５２が付くような接触の仕方をすることはスカート５１とライナとの間の摩擦損失を増加させる大きな原因になっている。
【０００５】
図６に示すように、スカート５１の突出部のプロフィールが、ライナ５３の内壁と平行で、かつ、ピストン５０が直立した状態で摺動していれば、スカート５１がライナ５３の下端から突出しても、ピストン５０の姿勢が安定し、ライナ５３との面接触が保たれる。しかし、図７に示すように、下死点付近でピストン５０がピストンピン周りの回転によって傾斜した状態では、ライナ５３の下端のエッジ部とスカート５１が線状あるいは点状に接触し、接触面積が減少して局部的に高い面圧が作用する。図５で示した痕跡５２は、図７で示したピストン５０の挙動によって発生したと考えられる。
【０００６】
運転後に摺動痕が認められたエンジンに対して、実働運転時のピストンの挙動を測定して現象の確認を行った。図８はエンジン前から見たピストン５０の側面図、図９〜図１２は図８のピストン５０のスカート５１上の４箇所（ｘ１，ｘ２，ｘ３，ｘ４）においてピストン５０とライナとの間のクリアランスを測定した結果である。
【０００７】
下死点であるクランク角度＝１８０ｄｅｇ（吸入下死点）および５４０ｄｅｇ（膨張下死点）において、図９に示すように、スラスト側のクリアランスが広く、図１１に示すように、反スラスト側のクリアランスが狭いことが分かり、ピストン５０が反スラスト側に傾いていると考えられる。この時、図１０に示すように、スラスト側のスカート５１の下端はライナ５３に押しつけられることになり、図５に示した痕跡５２がスラスト側に発生する現象とも符合する。
【０００８】
また、スカートとライナとの対向面間の摩擦損失を低減する別の方法として、スカートがライナの下端から突出しないように、ライナの長さを延長することやスカートを短くする方法がある。しかし、ライナを長くすると重量が増加する問題がある。一方、スカートを短くすると、上述の側圧を負担する面積が小さくなるのでピストンの強度が低下する問題がある上、ピストンの姿勢が不安定になりピストンスラップ等の振動騒音が大きくなる問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平６−１８５４０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、ピストンのスカートとシリンダのライナとの対向面間の摩擦損失を低減することができる内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、下死点付近でピストンのスカートの下端がシリンダのライナの下端から突出する構造の内燃機関において、前記ピストンが前記ライナの内壁面に対して傾斜した状態で前記スカートの下端が前記ライナの下端に達した場合に前記スカートの下端と前記ライナの下端との対向面間での摩擦損失が低減するように前記ライナの下端の内壁面にテーパ部を設けたものである。
【００１２】
また、上記した内燃機関において、前記テーパ部の傾斜角度は、前記ピストンの実動時の傾斜角度と一致するものである。
【００１３】
また、上記した内燃機関において、前記テーパ部は、前記下死点付近での前記スカートの下端側面に平行になるように形成されているものである。
【００１４】
また、上記した内燃機関において、前記ライナの内壁面において前記テーパ部が形成された面と前記テーパ部が形成されてない面との境界部分と、前記テーパ部が形成された面と前記ライナの下面との境界部分との少なくとも一方を曲線形状にしたものである。このため、ライナとスカートとの接触部分を滑らかにすることができるので、さらに、スカートとライナとの対向面間の摩擦損失を低減することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ピストンのスカートの下端とシリンダのライナの下端との対向面間での摩擦損失が低減するようにライナの下端の内壁面にテーパ部を設けたことにより、スカートとライナとの対向面間の摩擦損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態の内燃機関のピストン下死点時の要部断面図である。
【図２】図１の内燃機関のピストン上死点時の要部断面図である。
【図３】図１の内燃機関の領域Ｒの拡大断面図である。
【図４】図３の内燃機関のライナの要部拡大断面図である。
【図５】ピストンのスカートに形成された痕跡を示すピストンの斜視図である。
【図６】ピストン直立時のピストンのスカートとシリンダのライナとの対向部の要部拡大断面図である。
【図７】ピストン傾斜時のピストンのスカートとシリンダのライナとの対向部の要部拡大断面図である。
【図８】エンジン前から見た測定用のピストンの側面図である。
【図９】図８のｘ１の位置におけるピストン−ライナ間のクリアランスを示すグラフ図である。
【図１０】図８のｘ２の位置におけるピストン−ライナ間のクリアランスを示すグラフ図である。
【図１１】図８のｘ３の位置におけるピストン−ライナ間のクリアランスを示すグラフ図である。
【図１２】図８のｘ４の位置におけるピストン−ライナ間のクリアランスを示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態の内燃機関について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
図１および図２に示す本実施の形態の内燃機関は、例えばトラックのような自動車に搭載されるディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１等として構成されている。なお、本発明はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等に適用することもできる。
【００１９】
このエンジン１は、シリンダ２の燃焼室内において圧縮されて高温になった空気に燃料を供給して自己着火させ、この時の自己着火をもとにした膨張でシリンダ２内のピストン３を押し出す構成を有している。なお、図１はピストン３が下死点にある時を示し、図２はピストン３が上死点にある時を示している。また、図１および図２において左側をスラスト側、右側を反スラスト側とする。
【００２０】
シリンダ２は、ピストン３の往復運動を支持するとともに燃料ガスを収める円筒状の部品であり、その内壁にはライナ２ａが設けられている。このライナ２ａは、ピストン３の往復運動を滑らかに行わせるための円筒状の部品である。ライナ２ａはシリンダ２と別体の場合もあるが、ライナ２ａがシリンダブロックに直接加工され一体になっている場合もある。シリンダ２においてライナ２ａの外側の肉厚部分には冷却通路２ｂが設けられている。この冷却通路２ｂは、シリンダ冷却用の冷却媒体が流れる通路である。
【００２１】
このシリンダ２の上部には、図２に示すように、シリンダヘッド４が設置されている。このシリンダヘッド４には、燃料をシリンダ２の燃焼室内に直接噴射するインジェクタ（燃料噴射部）７が、シリンダ２の軸心Ａに一致するようにピストン３の頂面中央に対向する位置に設置されている。インジェクタ７には、コモンレール（図示せず）に貯留された高圧燃料が常時供給される。
【００２２】
インジェクタ７においてシリンダ２内に突出されているノズル７ａの突出先端部には、複数の微細な噴孔が形成されており、その複数の微細な噴孔から燃料が放射状に同時に噴射される。このノズル７ａ先端の各噴孔から噴射される燃料の噴射軸Ｂは、上記した軸心Ａに対してそれぞれ所定の噴射角度θ１だけ傾けられている。この噴射角度θ１は、燃料が燃料噴射期間の全期間に亘ってシリンダ２内の後述のキャビティ（燃焼室）８内に収まるような角度に設定されている。
【００２３】
また、上記のシリンダヘッド４には、吸気ポート９ａおよび吸気弁１０ａと、排気ポート９ｂおよび排気弁１０ｂとが、インジェクタ７を挟むように、インジェクタ７の左右に設置されている。吸気ポート９ａは吸気管１２ａに接続され、排気ポート９ｂは排気管１２ｂに接続されている。吸気弁１０ａはシリンダ２内と吸気管１２ａとの間の開閉を行い、排気弁１０ｂはシリンダ２内と排気管１２ｂとの間の開閉を行う。
【００２４】
また、シリンダ２内には、図１および図２に示すように、ピストン３が、その軸心をシリンダ２の軸心Ａに設計上一致させ、シリンダ２の内壁のライナ２ａに沿って往復運動が可能な状態で設置されている。
【００２５】
ピストン３の頂面中央には、上記したキャビティ８が凹設されている。特に限定されないが、キャビティ８の底面の中央には、上方に隆起する凸部が形成されており、キャビティ８の深さが中央に向かって次第に浅くなるように形成されている。
【００２６】
また、ピストン３の下部には、ピストン３がシリンダ２の内部で傾倒するのを防止するスカート３ａが設けられている。本実施の形態のエンジン１においては、下死点付近でピストン３のスカート３ａの下端が、図１に示すように、シリンダ２のライナ２ａの下端２ａ１から突出する構造となっている。
【００２７】
このようなピストン３は、コネクティングロッド１５を通じてクランクシャフト１６に接続されており、ピストン３の往復運動がクランクシャフト１６により回転運動に変換されるようになっている。なお、矢印Ｄはクランクシャフトの回転方向を示している。
【００２８】
次に、図３は図１の領域Ｒの拡大断面図を示し、図４は図３の拡大断面図を示している。
【００２９】
本実施の形態のエンジン１においては、ライナ２ａの下端２ａ１の内壁面にテーパ部２ｃが形成されている。すなわち、ライナ２ａの下端２ａ１の内壁面に、上死点から下死点に向かう方向に沿って次第にライナ２ａの径が広くなるような傾斜面が形成されている。
【００３０】
このテーパ部２ｃは、ピストン３がライナ２ａの内壁面に対して傾斜した状態（ピストン３の軸心がシリンダ２の軸心Ａに対して傾斜した状態）でスカート３ａの下端がライナ２ａの下端２ａ１に達した場合にスカート３ａの下端とライナ２ａの下端２ａ１との対向面間での摩擦損失が低減するように形成されている。
【００３１】
このように、本実施の形態のエンジン１においては、ライナ２ａの下端２ａ１の内壁面にテーパ部２ｃを設けたことにより、スカート３ａとライナ２ａとの対向面間の摩擦損失を低減することができる。その結果、エンジン１の燃費を低くすることができる。また、ピストン３の寿命を向上させることができるので、エンジン１の寿命を向上させることができる。
【００３２】
また、本実施の形態のエンジン１においては、ライナ２ａを長くしないので重量増加の問題が生じない。また、スカート３ａを短くしないので、側圧を負担する面積の縮小を招かないのでピストン３の強度を確保できる。また、ピストン３の姿勢が不安定になることもないので、ピストンスラップ等の振動騒音を低減でき、また、エンジン１の動作安定性を確保できる。
【００３３】
また、ピストン３側のみにテーパ部を設ける構造もあるが、その場合、上死点（３００ｄｅｇ）付近でピストン３がスラップ（紙面の反時計回りに回転）する際に、スカート３ａの下部のクリアランスが大きくなり、回転角が増加してスラップ音が増大する場合があるが、本実施の形態のエンジン１のようにライナ２ａにテーパ部２ｃを設けた場合、そのような不具合も生じない。
【００３４】
また、ピストン３がアルミニウムで形成され、ライナ２ａがスチールで形成されている場合、スチールの方が、熱膨張が小さく形状変化が少ないので、ライナ２ａにテーパ部２ｃを形成した方が、より安定した効果を得ることができる。
【００３５】
このようなテーパ部２ｃは、図３の破線に示す円筒プロフィール（ピストン３が直立した状態でライナ２ａと平行になる範囲ｈ１）が、図４に示すように、下死点においてライナ２ａと重なる高さｈ２の部分をテーパ状に加工することで形成されている。
【００３６】
テーパ部２ｃの傾斜角度θ２は、ピストン３の実動時の傾斜角度（ピストン３の実動時におけるライナ２ａの内壁面（テーパ２ｃが形成されていない面）に対する傾斜角度またはシリンダ２の軸心Ａに対する傾斜角度）と一致する。このため、テーパ部２ｃは、図３に示すように、下死点付近でのスカート３ａの範囲ｈ１の下端側面部分に平行になるように形成されている。このような下死点付近でのピストン３の傾斜角度は、実測あるいは数値シミュレーションによって求めることができる。
【００３７】
また、ライナ２においてテーパ部２ｃと他の面との境界部分（ライナ２ａの内壁面においてテーパ部２ｃが形成された面とテーパ部２ｃが形成されてない面との境界部分Ｅ１と、テーパ部２ｃが形成された面とライナ２ａの下面との境界部分Ｅ２との少なくとも一方）は、ライナ２ａとスカート３ａとの接触部分に鋭い角部が形成されないように曲線形状に形成されている。これにより、ライナ２ａとスカート３ａとの接触部分を滑らかにすることができるので、スカート３ａとライナ２ａとの対向面間の摩擦損失をさらに低減することができる。
【００３８】
また、テーパ部２ｃは、上記の摩擦損失を低減する観点からはスラスト側だけに設ければ良いが、テーパ部２ｃの加工容易性の観点や軽量化促進の観点からライナ２ａの下端２ａ１の内壁全周にわたって形成しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の内燃機関は、ピストンのスカートの下端とシリンダのライナの下端との対向面間での摩擦損失が低減するようにライナの下端の内壁面にテーパ部を設けたことにより、スカートとライナとの対向面間の摩擦損失を低減することができるので、自動車等の内燃機関およびその制御方法に利用できる。
【符号の説明】
【００４０】
１ディーゼルエンジン（内燃機関）
２シリンダ
２ａライナ
２ｃテーパ部
２ａ１下端
３ピストン
３ａスカート
４シリンダヘッド

【特許請求の範囲】
【請求項１】
下死点付近でピストンのスカートの下端がシリンダのライナの下端から突出する構造の内燃機関において、前記ピストンが前記ライナの内壁面に対して傾斜した状態で前記スカートの下端が前記ライナの下端に達した場合に前記スカートの下端と前記ライナの下端との対向面間での摩擦損失が低減するように前記ライナの下端の内壁面にテーパ部を設けた内燃機関。
【請求項２】
前記テーパ部の傾斜角度は、前記ピストンの実動時の傾斜角度と一致する請求項１記載の内燃機関。
【請求項３】
前記テーパ部は、前記下死点付近での前記スカートの下端側面に平行になるように形成されている請求項１または２記載の内燃機関。
【請求項４】
前記ライナの内壁面において前記テーパ部が形成された面と前記テーパ部が形成されてない面との境界部分と、前記テーパ部が形成された面と前記ライナの下面との境界部分との少なくとも一方を曲線形状にした請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。

【図１】