ピストン

ピストンは、往復動エンジン、往復動ポンプ、ガスコンプレッサー、油圧シリンダー、空気圧シリンダーなどの類似の機構のコンポーネントです。シリンダーに収められ、ピストンリングによって気密に保たれた可動部品です。エンジンでは、ピストンの目的は、シリンダー内の膨張ガスからの力をピストンロッドやコネクティングロッドを介してクランクシャフトに伝達することです。ポンプでは機能が逆転し、シリンダー内の流体を圧縮または排出する目的で、力がクランクシャフトからピストンに伝達されます。一部のエンジンでは、ピストンはシリンダーのポートを開閉することでバルブとしても機能します。

内燃機関は、シリンダー上部の燃焼室空間で膨張する燃焼ガスの圧力によって作動します。この力は、次にコネクティングロッドを通ってクランクシャフトに下向きに作用します。コネクティングロッドは、回転するガジョンピン(米国ではリストピン) によってピストンに取り付けられています。このピンはピストン内に取り付けられており、蒸気機関とは異なり、ピストンロッドやクロスヘッドはありません(大型の 2 ストローク エンジンを除く)。

典型的なピストンの設計は写真の通りです。このタイプのピストンは自動車のディーゼルエンジンで広く使用されています。目的、過給レベル、エンジンの動作条件に応じて、形状と比率を変更できます。

高出力ディーゼル エンジンは厳しい条件で作動します。燃焼室内の最大圧力は 20 MPa に達し、ピストン表面の最大温度は 450 °C を超えることもあります。特別な冷却キャビティを作成することで、ピストンの冷却を改善することができます。インジェクターは、オイル供給チャネル「B」を介してこの冷却キャビティ「A」にオイルを供給します。温度をより効果的に下げるには、構造を慎重に計算して分析する必要があります。冷却キャビティ内のオイル フローは、インジェクターを通過するオイル フローの 80% 以上である必要があります。

ピン自体は硬化鋼でできており、ピストンに固定されていますが、コネクティング ロッド内では自由に動きます。いくつかの設計では、両方のコンポーネントが緩い「完全フローティング」設計が使用されています。すべてのピンが横方向に動いたり、ピンの端がシリンダー壁に食い込んだりしないように、通常はサークリップで防ぐ必要があります。

ガスシールにはピストンリングを使用します。ピストンリングは、ピストンのクラウンのすぐ下にある溝に緩く取り付けられた、多数の細い鉄のリングです。リングはリムの一点で分割されており、軽いバネ圧でシリンダーに押し付けられます。2 種類のリングが使用されます。上部のリングは表面が硬く、ガスシールを提供します。下部のリングは、縁が狭く、U 字型の形状で、オイルスクレーパーとして機能します。ピストンリングには、独自の詳細な設計機能が多数あります。

ピストンは通常、アルミニウム合金から鋳造または鍛造される。強度と疲労寿命を向上させるため、一部のレーシングピストン^{[1]は代わりに}鍛造されることがある。ビレットピストンは、利用可能な鍛造品のサイズと構造に依存しないため、土壇場での設計変更が可能であるため、レーシングエンジンにも使用される。肉眼では通常見えないが、ピストン自体は、ある程度の楕円度とプロファイルテーパーで設計されており、完全な円形ではなく、スカートの底部近くの直径がクラウンよりも大きい。^[2]

初期のピストンは鋳鉄製でしたが、より軽い合金を使用できればエンジンのバランスをとる上で明らかに利点がありました。エンジンの燃焼温度に耐えられるピストンを製造するには、ピストン専用の Y 合金やヒドミニウムなどの新しい合金を開発する必要がありました。

初期のガスエンジン^[i]のいくつかは複動シリンダーを備えていましたが、それ以外は実質的にすべての内燃機関のピストンは単動です。第二次世界大戦中、米国の潜水艦ポンパノ^[ii]には、信頼性の低さで悪名高いHOR複動 2 ストローク ディーゼル エンジンのプロトタイプが搭載されていました。狭い潜水艦で使用するためにコンパクトでしたが、このエンジンの設計は繰り返されませんでした。

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トランクピストンは、直径に比べて長くなっています。ピストンと円筒形のクロスヘッドの両方の役割を果たします。コネクティングロッドは回転の大部分で角度が付いているため、ピストンの側面に沿ってシリンダー壁に作用する横方向の力も発生します。ピストンを長くすると、この力をサポートしやすくなります。

トランクピストンは、往復動内燃機関の初期の頃からピストンの一般的な設計でした。これらはガソリンエンジンとディーゼルエンジンの両方に使用されていましたが、現在では高速エンジンではより軽量なスリッパーピストンが採用されています。

ほとんどのトランクピストン、特にディーゼルエンジンのトランクピストンの特徴は、ガジョンピンとクラウンの間のリングに加えて、 ガジョンピンの下にオイルリング用の溝があることです。

「トランク ピストン」という名前は、船舶用蒸気エンジンの初期の設計である「トランク エンジン」に由来しています。トランク ピストンは、よりコンパクトにするために、蒸気エンジンの通常のピストン ロッドと別個のクロスヘッドを使用せず、代わりにピストン内に直接ガジョン ピンを配置した最初のエンジン設計でした。それ以外では、これらのトランク エンジン ピストンはトランク ピストンとほとんど似ていません。直径が非常に大きく、ダブル アクティング式です。「トランク」は、ピストンの中央に取り付けられた細いシリンダーです。

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大型の低速ディーゼル エンジンでは、ピストンにかかる横方向の力に対する追加のサポートが必要になる場合があります。これらのエンジンでは通常、クロスヘッドピストンが使用されます。メイン ピストンには、ピストンから下方に伸びて実質的に 2 番目の小径ピストンとなる部分まで伸びる大きなピストン ロッドがあります。メイン ピストンはガス シールの役割を果たし、ピストン リングを支えます。小さいピストンは純粋に機械的なガイドです。小さなシリンダー内でトランク ガイドとして動作し、ガジョン ピンも支えます。

クロスヘッドの潤滑は、トランクピストンに比べて、潤滑油が燃焼熱の影響を受けないため有利である。オイルは燃焼すす粒子によって汚染されず、熱によって分解されることもなく、より薄く粘性の低いオイルを使用できる。ピストンとクロスヘッドの摩擦は、トランクピストンの半分程度になる可能性がある。^[3]

これらのピストンは重量が増すため、高速エンジンには使用されません。

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スリッパーピストンは、ガソリンエンジン用のピストンで、サイズと重量を可能な限り削減しています。極端な場合、ピストンクラウン、ピストンリングのサポート、およびピストンがボア内で揺れないように2つのランドを残すだけのピストンスカートまで削減されます。ガジョンピンの周りのピストンスカートの側面は、シリンダー壁から離れて削減されています。主な目的は、往復運動する質量を減らしてエンジンのバランスを取りやすくし、高速を可能にすることです。^[4]レース用途では、スリッパーピストンスカートは、フルスカートの剛性と強度を維持しながら、非常に軽量になるように構成できます。^[5] 慣性が減少すると、エンジンの機械効率も向上します。往復運動する部品を加速および減速するために必要な力により、ピストンとシリンダー壁の摩擦がピストンヘッドの流体圧力よりも大きくなります。^[6]二次的な利点は、シリンダー内で上下にスライドするスカートの面積が半分に減少するため、シリンダー壁との摩擦がいくらか減少することです。しかし、摩擦のほとんどは、実際にはボアとリストピンのベアリング面内で最もしっかりとフィットする部品である ピストンリングによるものであり、そのため利点は減少します。

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デフレクターピストンは、クランクケース圧縮式の2ストロークエンジンで使用され、効率的な掃気を行うためにシリンダー内のガスの流れを注意深く方向付ける必要があります。クロス掃気では、トランスファー（シリンダーへの入口）ポートと排気ポートがシリンダー壁の向かい合う側面にあります。流入する混合気が一方のポートから他方のポートにまっすぐ通過するのを防ぐために、ピストンの頂部には隆起したリブが付いています。これは、流入する混合気を燃焼室の周囲に上向きに偏向させることを目的としています。^[7]

掃気性能の向上には多大な努力とピストンクラウンのさまざまなデザインが費やされた。クラウンは単純なリブから非対称の大きな膨らみへと発展し、通常は吸気側が急勾配で排気側が緩やかなカーブを描いている。それにもかかわらず、クロス掃気は期待したほど効果的ではなかった。今日のほとんどのエンジンは、代わりにシュニューレポートを使用している。これは、シリンダーの側面に一対の移送ポートを配置し、ガスの流れが水平軸ではなく垂直軸を中心に回転するようにする。^[8]

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レーシングエンジンでは、レースに必要な高いエンジン回転数を実現するために、ピストンの強度と剛性は通常、乗用車のエンジンよりもはるかに高く、重量ははるかに軽くなっています。^[9]

油圧シリンダーは、単動式と複動式の両方があります。油圧アクチュエーターは、ピストンの前後の動きを制御します。ガイド リングはピストンとロッドをガイドし、シリンダーに対して垂直に作用する半径方向の力を吸収して、スライドする金属部品間の接触を防ぎます。

蒸気エンジンは通常、複動式（つまり、蒸気圧がピストンの両側に交互に作用する）で、蒸気の吸入と放出はスライドバルブ、ピストンバルブ、またはポペットバルブによって制御されます。その結果、蒸気エンジンのピストンはほぼ常に比較的薄いディスクです。その直径は厚さの数倍です。（唯一の例外はトランクエンジンピストンで、これは現代の内燃機関のピストンに似た形をしています。）もう1つの要因は、ほぼすべての蒸気エンジンがクロスヘッドを使用して力を駆動ロッドに伝達するため、ピストンを「揺らす」ように作用する横方向の力がほとんどなく、円筒形のピストンスカートが必要ないことです。

ピストンポンプは液体を移動させたり、気体を圧縮したりするために使用できます。

空気砲に使用されるピストンには、狭公差ピストンとダブルピストンの 2 つの特殊なタイプがあります。狭公差ピストンではO リングがバルブとして機能しますが、ダブルピストン タイプでは O リングは使用されません。^{[引用が必要]}

• アーヴィング、PE (1967)。2ストロークパワーユニット。ニューネス。
• リカルド、ハリー(1922)。『内燃機関』第 1 巻: 低速エンジン (第 1 版)。ロンドン:ブラッキー。

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• ピストンエンジンに関するエッセイ
• 仕組み – 基本的なエンジン部品
• ピストン運動方程式