JP2013181447A - ピストンの潤滑装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンの冷却目的で使用したオイルを潤滑油として利用することで、コストの上昇およびオイルポンプの吐出量増大を招かずにピストンの摺動抵抗を低減し得る、簡単な構成のピストン摺動部の潤滑装置を提供する。
【解決手段】シリンダボア２の下端近傍に設けられ、ピストン３の裏面３ｂに向けてオイルジェットを噴出するオイルジェットノズル１２を備えたエンジンＥにおいて、ピストン３の内部には、入口通路３１および出口通路３２を有するクーリングチャンネル３０が形成され、クーリングチャンネル３０の出口通路３２から排出されるオイルをシリンダボア２の出口通路３２側の面に向けて偏向する偏向手段として、例えばピストン３の頂面３ａに対して出口通路３２側に傾斜する傾斜面を有する突起４１をコネクティングロッド５に一体形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、レシプロエンジンにおけるピストンの潤滑装置に関する。

レシプロエンジンでは、ピストン−シリンダ間の摺動摩擦損失の割合が高速回転時でフリクション全体の約３割近くを占めている。そのため、ピストン−シリンダ間の摩擦低減には様々な工夫がなされている。例えば、摩擦力の発生要素の１つであるサイドフォース（スラスト力）を低減すべく、部品重量の低減や連桿比λの向上など、本体設計上の工夫は勿論のこと、潤滑状態を改善するために、ピストン側面に低摩擦係数素材をコーティングあるいはパターンコートするものや、シリンダ内面を高精度ホーニング加工（オイルポケットや鏡面仕上げ）したもの、ピストン−シリンダ間へ効果的に給油を行うなどの工夫がなされている。

シリンダ内面への給油方式としては、コネクティングロッドの大端部に形成した小孔からの間欠オイルジェットによるものや、大端部の軸受からの飛散によるもの、固定式オイルジェットによるものなど、飛散式のものが多い。なお、固定式オイルジェットは、ピストンの冷却を主目的としており、冷却効率を高めるために、冷却オイルを流通させるピストンクーリングチャンネルをピストンの内部に形成したもの（特許文献１）や、本願出願人が提案した、オイルジェットから噴射されたオイルをオイルジェットと相反する側へ案内するオイル案内路（クーリングチャンネル）を頂部の裏面に形成するとともに、サイドウォール部側に向かうオイルの流れを規制する肉盛り部をオイル案内路の両脇に沿って形成したもの（特許文献２）などが知られている。

実開平４−１２５６１８号公報 特開２００９−１９１７７９号公報

摩擦抵抗を低減する従来技術のうち、低摩擦係数素材をコーティングする技術は、初期なじみ性改善を主目的としており、持続的な摩擦低減効果の維持に課題が残る。一方、固定式オイルジェットによる強制給油方式は、上記したようにピストンの冷却を主目的としており、ピストン−シリンダ間の摩擦低減に最適な給油を行うのは困難である。ピストン冷却用のオイルジェットを備えている場合に、摩擦低減のみを目的として別途、固定式ジェットを設けることも可能ではあるが、コストの上昇を招くうえ、オイルポンプの吐出量が増大するため、実用的ではない。

本発明は、このような従来技術に含まれる課題を解消するべく案出されたものであり、ピストン冷却用のオイルジェット装置を備えた内燃機関において、ピストンの冷却目的で使用したオイルを潤滑油として利用することで、コストの上昇およびオイルポンプの吐出量増大を招かずにピストンの摺動抵抗を低減し得る、簡単な構成のピストン摺動部の潤滑装置を提供することをその目的とする。

このような課題を解決するために、本発明の一側面によれば、シリンダボア（２）に摺動可能に内装されたピストン（３）と、前記ピストンの下方に配置されるクランクシャフト（７）と、ピストンピン（４）を介して前記ピストンに連結される小端部（５ａ）およびクランクピン（６）を介して前記クランクシャフトに連結される大端部（５ｂ）を有するコネクティングロッド（５）と、前記シリンダボアの下端近傍に設けられ、前記ピストンの裏面（３ｂ）に向けてオイルジェットを噴出するオイルジェットノズル（１２）とを備えた内燃機関（Ｅ）において、前記ピストンの内部には、前記オイルジェットを受ける位置に配置された入口（３１）および前記ピストンピンに対して前記入口と相反する側に配置された出口（３２）を有するクーリングチャンネル（３０）が形成され、前記クーリングチャンネルの前記出口から排出されるオイルを前記シリンダボアの前記出口側の面に向けて偏向する偏向手段（４１・５１・６１）が、前記ピストンまたは前記コネクティングロッドに設けられた構成とする。

この構成によれば、クーリングチャンネルの出口から排出されたオイルの向きを、偏向手段により変更してシリンダボアの出口側の面に付着させることができる。また、持続的な摩擦低減効果が期待できるうえ、オイルポンプの吐出量を増大させることなくピストン−シリンダ間の摩擦を低減できる。

また、本発明の一側面によれば、前記偏向手段が、前記コネクティングロッドに一体形成され、シリンダ軸線（２Ｘ）に直交する上向き面に対して当該出口側に傾斜する傾斜面を有する凸部（４１）である構成とすることができる。

この構成によれば、クーリングチャンネルの出口から排出されるオイルを傾斜面に衝突させて飛散する向きを変更することができる。そして、コネクティングロッドに凸部を形成すればよいだけであるため、構成が簡単であり、コストの上昇や部品重量の増大を抑制できる。

また、本発明の一側面によれば、前記偏向手段が、前記クーリングチャンネルの前記出口に接続するように前記ピストンに取付けられたノズル（６１）である構成とすることができる。

この構成によれば、クーリングチャンネルの出口から排出されたオイルを所望の位置に供給することができる。

また、本発明の一側面によれば、前記オイルジェットノズル（１２）が前記シリンダボアの反スラスト側に設けられ、前記クーリングチャンネルの出口および前記偏向手段が前記シリンダボアのスラスト側に設けられた構成とすることができる。

この構成によれば、特に、クーリングチャンネル（ピストン）に対して相対移動するコネクティングロッドに偏向手段を設けた場合には、ピストンに偏向手段を設ける場合に比べ、クーリングチャンネルの出口から排出されたオイルを広範囲に飛散させやすい。

このように本発明によれば、ピストン冷却用のオイルジェットを備えた内燃機関において、ピストンの冷却目的で使用したオイルを潤滑油として利用することで、コストの上昇およびオイルポンプの吐出量増大を招かずにピストンの摺動抵抗を低減し得る、簡単な構成のピストン摺動部の潤滑装置を提供することができる。

第１実施形態に係る給油装置を適用したエンジンの要部断面図 図１に示したピストンの下面図 図２中のIII−III線に沿って示すエンジンの要部断面図 図１に示したピストンの作動状態ごとにオイルの流れを示す模式図 第２実施形態に係るピストンの下面図 図５中のVI−VI線に沿って示すエンジンの要部断面図 第３実施形態に係るエンジンの要部断面図

以下、図面を参照して、本発明に係る給油装置を自動車用ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンＥと記す。）に適用した実施の形態について詳細に説明する。

≪第１実施形態≫
図１〜図４に基づいて本発明の第１実施形態について説明する。図１に示すように、このエンジンＥでは、シリンダブロック１に円筒状のシリンダボア２が形成され、このシリンダボア２の内部にピストン３が摺動可能に収容されている。ピストン３には、ピストンピン４を介してコネクティングロッド５の上端の小端部５ａが連結され、コネクティングロッド５の下端の大端部５ｂはクランクピン６を介してクランクシャフト７に連結されている。クランクピン６に対してクランクシャフト７の回転軸（以下、クランク軸線７Ｘと記す。）方向の両側には、クランク軸線７Ｘに対してクランクピン６と相反する側に突出するカウンタウェイト８が設けられている。なお、ピストンピン４およびクランクピン６はクランク軸線７Ｘと平行に延在している。

シリンダブロック１の下側には、クランクケース９が結合され、このクランクケース９とシリンダブロック１の下部とで、クランクシャフト７を収容するクランク室１０が画成される。クランクケース９の下側には、上方から降下したオイルを受けるオイルパン（図示せず）が設けられる。シリンダブロック１の上側には、吸気バルブ及び排気バルブによりそれぞれ開閉される吸気ポート及び排気ポートが設けられたシリンダヘッド（図示せず）が結合される。

シリンダブロック１におけるシリンダボア２の下端近傍のクランク室１０側には、ピストン３の冷却のためのオイルを噴射するオイルジェット装置１１が配設されている。このオイルジェット装置１１は、先端を上方に向けたオイルジェットノズル１２を備え、下方からピストン３の裏面３ｂ（図３参照）、特にここでは高温となる排気側（図中右側）に向けてオイルが噴射されるようになっている。オイルジェット装置１１は、ここでは、エンジンＥの始動とともに連続的にオイルを噴射するものとして説明するが、制御弁を備え、クランク角に応じて間欠的にオイルを噴射するものであってもよい。

エンジンＥが始動すると、図１中に矢印で示すようにクランクシャフト７が時計回りに回転する。したがって、膨張行程においてピストン３からスラスト力を受ける図中左側がスラスト側となり、図中右側が反スラスト側となる。

図２および図３に併せて示すように、ピストン３は、シリンダ軸線２Ｘに直交する頂面３ａを画定し、燃焼ガスの圧力が作用する頂部２１と、頂部２１から垂下した態様で設けられた一対のスカート部２２・２３と、一対のスカート部２２・２３を互いに連結する態様で設けられた一対のサイドウォール部２４と、一対のサイドウォール部２４に設けられた一対のピンボス部２５とを有している。

頂部２１には、頂面３ａに開口するリエントラント型の燃焼室２６が形成されており、頂部２１近傍の外周には、トップリング、セカンドリング、及びオイルリング（図示せず）がそれぞれ取付けられるリング溝２７が形成されている。ピンボス部２５には、ピストンピン４が挿通されるピン挿通孔２８が形成され、ピストンピン４の両端が一対のピンボス部２５に保持される。

一対のスカート部２２・２３は、シリンダボア２の内周面に沿うように円弧状断面に形成され、スラスト側（吸気側、２２）及び反スラスト側（排気側、２３）にそれぞれ配置される。一対のサイドウォール部２４は、クランク軸線７Ｘに直交する向きに延在する。

頂部２１の内部には、トンネル状のクーリングチャンネル３０が形成されている。クーリングチャンネル３０は、反スラスト側のオイルジェットを受ける位置に配置された入口通路３１と、ピストンピン４に対して入口通路３１と相反するスラスト側に配置された出口通路３２と、入口通路３１および出口通路３２が接続し、燃焼室２６の外側で頂面３ａと平行に延在する円環状通路３３とから構成される。入口通路３１および出口通路３２は、それぞれシリンダ軸線２Ｘ方向に延在し、図２に示すように、ピストンピン４に直交してピストン３の中心を通る仮想面に対してクランク軸線７Ｘ方向の互いに異なる側にオフセットした位置に設けられており、オイルジェット装置１１から入口通路３１に向けて噴射されたオイルが円環状通路３３を通って出口通路３２から排出されるようになっている。

図３に示すように、コネクティングロッド５の小端部５ａには、ピストン３が上死点または下死点にある状態（図３の状態）で、スラスト側の面におけるピストンピン４の下端付近にてピストンピン４の軸線を通る径方向と同じ方向に延びるように突出する突起４１が一体形成されている。突起４１は偏光手段をなすものであり、その上面４１ａは、ピストン３の頂面３ａ（シリンダ軸線２Ｘに直交する上向き面）に対してスラスト側（出口通路３２側）に傾斜する傾斜面となっている。本実施形態では、この突起４１はコネクティングロッド５の鍛造時に成形される。突起４１の形状は、型抜き勾配を考慮しつつ、滑らかで軽量なものとなるようにするとよい。

次に、図４を参照して、オイルジェット装置１１から噴射されたオイルの流れについて説明する。図４は、ピストン３の作動状態ごとにオイルの流れを示す模式図であり、（Ａ）は、上死点を０度としたときにクランク角が９０度となるピストン下降時の状態を、（Ｂ）は、下死点（クランク角：１８０度）の状態を、（Ｃ）は、クランク角が２７０度となるピストン上昇時の状態を、（Ｄ）は、上死点（クランク角：０度）の状態をそれぞれ示している。なお、（Ｂ）および（Ｄ）に示されるように、このエンジンＥでは、クランク軸線７Ｘがシリンダ軸線２Ｘに対してスラスト側（図中左側）にオフセット配置されたオフセットクランクとされている。

（Ａ）に示すように、膨張行程および吸気行程におけるピストン下降時には、コネクティングロッド５がピストンピン４を中心にして大端部５ｂを反スラスト側へ位置させる向きに傾斜しており、突起４１のシリンダ軸線２Ｘからの離間距離が小さくなっている。この状態では、出口通路３２から排出されたオイルはコネクティングロッド５に衝突せずに下方へ落下し、オイルパンに戻る。落下中にクランクシャフト７（カウンタウェイト８など）に衝突するオイルは、クランク室１０内を飛散する。なお、膨張行程の場合には、ピストン３の頂部２１に燃焼ガスの圧力が作用し、コネクティングロッド５がクランクピン６を押し下げてクランクシャフト７を回転させるために、ピストン３にコネクティングロッド５からの反力がスラスト側に向くスラスト力となって作用する。

（Ｂ）に示すように、ピストン３が下死点に達すると、コネクティングロッド５がシリンダ軸線２Ｘに略平行な直立状態となり、突起４１がピストンピン４の中心よりも下側に位置するため、突起４１のシリンダ軸線２Ｘからの離間距離が大きくなる。したがって、出口通路３２から排出されて落下するオイルに突起４１が近づき、オイルが突起４１に衝突するようになる。突起４１の上面４１ａは上記したようにスラスト側へ傾斜した傾斜面であるため、衝突したオイルがスラスト側へ偏向される。

その後、排気行程または圧縮行程でピストン３が上昇すると、衝突によって向きを変えて飛散するオイルがシリンダボア２のスラスト側の面に付着するようになり、（Ｃ）に示す状態になると、コネクティングロッド５がピストンピン４を中心にして大端部５ｂをスラスト側へ位置させる向きに傾斜して、突起４１のシリンダ軸線２Ｘからの離間距離がさらに大きくなることで、出口通路３２から排出されたオイルの略すべてが突起４１に衝突する。なお、この状態でも突起４１の上面４１ａは、ピストン３の頂面３ａに対してスラスト側に傾斜している。

（Ｄ）に示すように、ピストン３が上死点に達すると、突起４１のシリンダ軸線２Ｘからの離間距離が（Ｂ）の状態と同一となり、一部のオイルのみが突起４１に衝突し、傾斜する上面４１ａによってスラスト側へ偏向される。したがって、この状態で、シリンダボア２のスラスト側の面には上下方向の略全域にわたってオイルが付着する。そのため、その後にピストン３が（Ａ）に示すように下降する際には、スラスト側のスカート部２２がスラスト力によってシリンダボア２に押し付けられても、十分なオイルよって流体潤滑状態が維持されるため、ピストン−シリンダ間の摩擦が低減される。

このように、コネクティングロッド５に突起４１が一体形成され、突起４１の上面４１ａがピストン３の頂面３ａに対してスラスト側に傾斜する傾斜面とされたことにより、クーリングチャンネル３０の出口通路３２から排出されたオイルを傾斜面に衝突させて飛散する向きを変更し、シリンダボア２のスラスト側の面に付着させることができる。また、コネクティングロッド５の製造時に突起４１を一体形成すればよいため、構成が簡単であり、コストの上昇や部品重量の増大を抑制できるとともに、持続的な摩擦低減効果を期待できる。さらに、冷却用のオイルジェットに用いたオイルを利用するため、オイルポンプの吐出量を増大させる必要もない。

本実施形態では、オイルジェットノズル１２が排気側であってシリンダボア２の反スラスト側に設けられ、スラスト側に設けられた突起４１がオイルをシリンダボア２のスラスト側の面に向けて偏向するため、ピストン３を効果的に冷却できるとともに、冷却目的を果たしたオイルをスラスト力が大きいスラスト側の面の潤滑油として利用できる。

なお、本実施形態では、クランク角が約９０度〜２７０度の範囲でオイルが衝突するように突起４１の突出量を設定しているが、突出量は、クランクシャフト７が１回転する間にオイルが衝突するものであれば足りる。他方、全回転角度範囲にわたってオイルが衝突するように突出量を設定してもよい。

≪第２実施形態≫
次に、図５および図６を参照して本発明の第２実施形態に係る給油装置について説明する。なお、上記実施形態と同様の部材や部位には同一の符号を付し、その構成および効果の説明は省略する。以下の実施形態でも同様とする。

本実施形態に係る給油装置では、コネクティングロッド５に突起４１が形成されておらず、偏光手段をなす別部材からなるガイド部材５１がピストン３のピンボス部２５に固設されている。ここではガイド部材５１は、ピストン３と同一の材料（例えば、アルミニウム合金）から形成された下面視（図６）でＬ字形をなす平板プレートとであり、ピンボス部２５から径方向に延びる基部５２と、基部５２の先端からピストン３の中心側へ屈曲する端部５３とを有し、下面視で端部５３クーリングチャンネル３０の出口通路３２に重なるように配置されて、基部５２が溶接によりピンボス部２５に接合されている。ガイド部材５１の上面５１ａは、クランクシャフト７の全回転角度域においてピストン３の頂面３ａに対してスラスト側に傾斜する傾斜面となっている。

このような構成とすることにより、出口通路３２から排出されたオイルは、クランクシャフト７の回転角度にかかわらずガイド部材５１に衝突し、ガイド部材５１の傾斜面によってスラスト側へ偏向されてシリンダボア２のスラスト側の面に付着し、第１実施形態と同様の効果が奏される。

なお、本実施形態では、出口通路３２がクランク軸線７Ｘ（ピストンピン４の軸線方向）について小端部５ａと重なる位置に設けられているため、ガイド部材５１をＬ字形にしているが、出口通路３２をクランク軸線７Ｘについて小端部５ａと重ならない位置に配置して、ガイド部材５１をより簡単な矩形（基部５２のみの構成）とすることもできる。或いは、出口通路３２の位置を変えずに、例えば矩形のガイド部材５１を、ピストン３ではなくコネクティングロッド５の小端部５ａに固設する形態とすることも可能である。

≪第３実施形態≫
次に、図５を参照して本発明の第３実施形態に係る給油装置について説明する。本実施形態では、偏光手段をなすノズル６１が出口通路３２に接続するようにピストン３の裏面３ｂに取付けられている。ノズル６１は、基端側に雄ねじが形成されており、出口通路３２に形成された雌ねじに螺着されて出口通路３２と同軸（シリンダ軸線２Ｘ方向）に延在している。ノズル６１の先端部６１ａはスラスト側に屈曲しており、出口通路３２から排出されるオイルは、ノズル６１を通ってその先端部６１ａにてスラスト側に偏向される。

このような構成とすることにより、上記実施形態と同様の効果に加え、クーリングチャンネル３０の出口通路３２から排出されたオイルを所望の位置に供給することができる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、シリンダ軸線２Ｘが鉛直となっているが、エンジンＥがシリンダ軸線２Ｘを傾斜させた状態で搭載されてもよい。また、上記実施形態では、ピストン３の内部にクーリングチャンネル３０が形成されているが、特許文献２に示されるようにピストン３の裏面３ｂにクーリングチャンネルとして溝状のオイル案内路が形成された内燃機関に適用することもできる。この他、各部材や部位の具体的構成や配置など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。一方、上記実施形態に示した本発明に係る給油装置の各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜取捨選択することが可能である。

２ シリンダボア
２Ｘ シリンダ軸線
３ ピストン
３ｂ 裏面
４ ピストンピン
５ コネクティングロッド
５ａ 小端部
５ｂ 大端部
６ クランクピン
７ クランクシャフト
１２ オイルジェットノズル
３０ クーリングチャンネル
３１ 入口通路（入口）
３２ 出口通路（出口）
４１ 突起（凸部）
５１ ガイド部材（偏向手段）
６１ ノズル（偏向手段）
Ｅ エンジン

Claims (4)

1. シリンダボアに摺動可能に内装されたピストンと、
   前記ピストンの下方に配置されるクランクシャフトと、
   ピストンピンを介して前記ピストンに連結される小端部およびクランクピンを介して前記クランクシャフトに連結される大端部を有するコネクティングロッドと、
   前記シリンダボアの下端近傍に設けられ、前記ピストンの裏面に向けてオイルジェットを噴出するオイルジェットノズルとを備えた内燃機関において、
   前記ピストンの内部には、前記オイルジェットを受ける位置に配置された入口および前記ピストンピンに対して前記入口と相反する側に配置された出口を有するクーリングチャンネルが形成され、
   前記クーリングチャンネルの前記出口から排出されるオイルを前記シリンダボアの前記出口側の面に向けて偏向する偏向手段が、前記ピストンまたは前記コネクティングロッドに設けられたことを特徴とするピストンの潤滑装置。
2. 前記偏向手段が、前記コネクティングロッドに一体形成され、シリンダ軸線に直交する上向き面に対して前記出口側に傾斜する傾斜面を有する凸部であることを特徴とする、請求項１に記載のピストンの潤滑装置。
3. 前記偏向手段が、前記クーリングチャンネルの前記出口に接続するように前記ピストンに取付けられたノズルであることを特徴とする、請求項１に記載のピストンの潤滑装置。
4. 前記オイルジェットノズルが前記シリンダボアの反スラスト側に設けられ、前記クーリングチャンネルの出口および前記偏向手段が前記シリンダボアのスラスト側に設けられたことを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のピストンの潤滑装置。

Images