JP2015007389A - エンジンの油供給構造 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの運転時に安定してピストンへの油の供給制御が可能な油供給構造を提供する。
【解決手段】エンジンのクランクシャフト２とピストンと１を連結するコネクティングロッド５内に油路２０及び分岐路３１を備えるとともに、クランクシャフト２内に油路２１を備え、油路２１、分岐路３１及び油路２０を介してピストン１に油を供給するエンジンの油供給構造であって、油路２１に弁体３２を備え、当該弁体３２はクランクシャフト２の回転による遠心力によって変位して分岐路３１を開閉する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コネクティングロッド内の油路を介してピストンに油を供給する構造に関する。

従来より、ピストンの冷却や潤滑は、例えば、クランクケース内で飛散するオイルミストが自然に到達することで行われていた。更に、近年では、冷却や潤滑の効率を向上させるために、特許文献１に記載されているように、バランスウエイトの回転によりバランスウエイトの外周面から潤滑油をピストン内に吹き付ける構成が提案されている。
また、特許文献２では、コネクティングロッド内に潤滑油の供給路を備え、コネクティングロッドとピストンとの連結部に潤滑油を供給する構造が提案されている。

更に、特許文献２では、コネクティングロッド内の供給路に弁体を設け、当該弁体がコネクティングロッドの揺動に伴う慣性力によってコネクティングロッドに対して移動して開弁する構造が開示されている。これにより、コネクティングロッドの揺動時にのみ潤滑油の供給が可能となり、潤滑油の消費が抑制される。

特開２０００−３５６１３０号公報 特開平５−２３１４１８号公報

上記特許文献１では、潤滑油を飛散させて供給する構造であるので、潤滑油の供給可能な場所がピストン下部の表面に限られてしまい、十分な冷却や潤滑が行われない虞がある。
また、近年では、可変圧縮比エンジンのように、ピストン内にアクチュエータを有するものがあり、ピストンの潤滑や冷却だけでなく、ピストン内のアクチュエータに作動油を供給可能にすることが要求されている。

これに対し、特許文献２では、コネクティングロッド内に設けた供給路を介して潤滑油を作動油としてピストンに供給可能であるが、コネクティングロッドの揺動によって弁体が開閉する構造であるので、断続的に油が供給される。したがって、潤滑や冷却を用途とする場合には問題ないものの、当該油によりピストン内のアクチュエータを油圧制御する場合には、正確な制御が困難となる虞がある。

本発明は、この様な問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、エンジンの運転時に安定してピストンへの油の供給制御が可能な油供給構造を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１のエンジンの油供給構造は、クランクシャフト内に第１の油路を備えるとともに、クランクシャフトとピストンとを連結するコネクティングロッド内に第２の油路を備え、第１の油路と第２の油路はクランクシャフトとコネクティングロッドの連結部に潤滑油を供給する潤滑油路によって連通し、第１の油路及び第２の油路を介してピストンに油を供給するエンジンの油供給構造であって、第１の油路に弁体を備え、当該弁体はクランクシャフトの回転による遠心力によって移動して第２の油路を開閉することを特徴とする。

また、請求項２のエンジンの油供給構造は、請求項１において、第１の油路は、潤滑油路から分岐して第２の油路に連通する分岐路を有し、弁体は、クランクシャフトの回転により分岐路を開閉することによって、第２の油路を開閉することを特徴とする。
また、請求項３のエンジンの油供給構造は、請求項２において、弁体は、クランクシャフトの径方向に移動可能であるとともに、付勢手段によりクランクシャフトの径方向内方に付勢されるように構成されていることを特徴とする。

また、請求項４のエンジンの油供給構造は、請求項２または３において、弁体は、両端が開口した筒状に形成され、分岐路との分岐位置に、潤滑油路と軸線が一致するように配置されることを特徴とする。
また、請求項５のエンジンの油供給構造は、請求項１から４のいずれか１項において、ピストンは、ピストン基部と、ピストン基部に対してピストン中心軸方向に移動可能なピストン移動部と、ピストン移動部に配置されピストン基部とピストン移動部を固定する固定手段と、ピストン移動部に配置され固定手段に油を供給する第３の油路と、を有し、第１の油路と第３の油路は第２の油路を通じて連通することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、クランクシャフトの第１の油路に設けられた弁体がクランクシャフトの回転による遠心力によって移動して第２の油路を開閉する構造であるので、クランクシャフトの回転速度に応じて弁体に一定の遠心力が作用して、第２の油路の開閉が制御される。これにより、クランクシャフトの回転速度に基づいてピストンへの油の供給を簡単な構成で自動的にかつ安定して制御することができる。

また、第１の油路と第２の油路はクランクシャフトとコネクティングンロッドの接続部に形成された潤滑油路を介して連通するので、潤滑油路を利用して簡単な構成でピストンに油を供給することができる。
請求項２の発明によれば、第１の油路が、クランクシャフトとコネクティングロッドとの連結部に潤滑油を供給する潤滑油路から分岐した分岐路によって第２の油路と連通するので、連結部への潤滑油の供給と、クランクシャフトの回転速度に応じた分岐路及び第２の供給路を介するピストンへの油の供給を行うことができる。

請求項３の発明によれば、弁体が第１の油路内でクランクシャフトの径方向に移動可能であるとともに、付勢手段によりクランクシャフトの径方向内方に付勢されるように構成されているので、クランクシャフトが回転することで弁体が遠心力を受けて付勢手段による付勢力を抗して径方向外方に移動する。したがって、クランクシャフトの回転速度に応じて弁体の移動位置が設定され、第２の油路を自動的に開閉する構造を簡単な構成で実現させることができる。

請求項４の発明によれば、弁体が両端が開口した筒状に形成され、分岐路との分岐位置に、潤滑油路と軸線が一致するように配置されるので、弁体の移動位置に拘わらず潤滑油が弁体内を通過して潤滑油路を流通可能であるとともに、弁体の外周壁によって分岐路を開閉することが可能となり、簡単な構成でクランクシャフトとコネクティングロッドとの連結部への潤滑油の常時供給と、ピストンへの油の供給制御を可能とすることができる。

請求項５の発明によれば、第１の油路及び第２の油路を介してピストンに供給された油が、燃焼室の容積を変化させることが可能なエンジンのピストン基部とピストン移動部を固定する固定手段に、第３の油路を介して油を供給することができる。これにより、燃焼室の容積の変更及び固定、即ち圧縮比の変更及び固定の切替え制御を、クランクシャフトの回転速度に基づいて自動的に、かつ簡単な構成で可能にすることができる。

本発明の一実施形態に係るピストンへの油供給構造を示す縦断面図である。 本実施形態のクランクシャフトの側面図である。 本実施形態のクランクピン内の油路の構造を示す拡大断面図である。 弁体の移動状態を示す説明図であり、（Ａ）は低回転状態、（Ｂ）は高回転状態を示す。 ピストン内部の一実施例の構造を示す縦断面図である。 図５におけるロアピストンの本体部内の油路を示す横断面図である。 ロック機構による相対移動規制時の状態を示すピストンの縦断面図である。 本発明の他の実施形態のクランクピン内の油路の構造を示す断面図であり、（Ａ）は低回転状態、（Ｂ）は高回転状態での弁体の移動状態を示す。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るピストン１への油供給構造を示す縦断面図である。図２は、本実施形態のクランクシャフト２の側面図である。なお、図２では、後述する油路２１の延びる面で一部断面している。
以降、１つの気筒について説明するが、多気筒エンジンでは各気筒に以下の油供給構造が同様に備わっている。

図１、２に示すように、本実施形態の油供給構造は、エンジンのオイルポンプ３によって油（潤滑油と作動油を兼ねる）が供給されるメインギャラリー４から、クランクシャフト２及びコネクティングロッド５の順番に、夫々設けられた油路を介して、ピストン１に油を供給する機能を有する。
クランクシャフト２は、クランクジャーナル６において、クランクシャフト２を収納する図示しないクランクケースに回転可能に支持されている。

クランクシャフト２には、バランスウェイト７と一体化したクランクアーム８が、気筒毎に２枚、軸線方向に互いに離間して設けられている。クランクアーム８は、クランクシャフト２から略半円状に径方向外方に突出しており、２枚の当該突出部の間をクランクシャフト２の軸線と平行に配置されたクランクピン９が連結した構造となっている。
クランクアーム８には、クランクピン９を介して、コネクティングロッド５の下部が回転可能に連結されている。コネクティングロッド５の上部は、ピストンピン１０を介して、ピストン１に回転可能に連結されている。

クランクシャフト２には、メインギャラリー４からの油をコネクティングロッド５と
クランクピン９との連結部に導入する油路２１（潤滑油路、第１の油路）が形成されている。油路２１の一端はクランクジャーナル６の外周面で開口し、他端はクランクピン９の外周面で開口している。油路２１は、クランクシャフト２内を軸方向で斜めにかつ直線的に延びるように形成されている。

コネクティングロッド５の下部にはクランクピン９を回転可能に支持するボス部２２が設けられている。コネクティングロッド５の上部には、ピストンピン１０を回転可能に支持するボス部２３が設けられている。コネクティングロッド５の内部には、油路２０(第２の油路)が設けられている。ボス部２２の内周面には、約８０度程度の範囲で周方向に延びる油溝２４が設けられており、油路２０の一端が当該油溝２４内で開口している。クランクピン９の外周面には、油溝２４と軸方向で一致する位置に周方向に延びる油溝２５が設けられている。

また、油路２０の他端は、ボス部２３の内周面に設けられた周方向に延びる油溝２６内で開口している。ピストンピン１０には、油路６５が設けられており、油路６５は、油溝２６に面して配置されており、コネクティングロッド５が揺動しても常に油路２０とピストンピン１０内の油路６５とが連通する構造となっている。
図３は、クランクピン９内の油路２１の構造を示す拡大断面図である。図４は、弁体３２の移動状態を示す説明図であり、（Ａ）は低回転状態、（Ｂ）は高回転状態を示す。

図３に示すように、油路２１には、クランクピン９の外周面の開口部３０の手前で分岐路３１（第１の油路）が形成されている。分岐路３１は、油溝２５で開口している。油溝２５は、クランクピン９の外周部内側に掘られ、コネクティングロッド５とクランクピン９との摺動のための軸受５に挟まれて形成されている。さらに、油溝２５は軸受５に開けられた孔３７と通じている。一方で、孔３７は油溝２４に開口しており、油路２１から供給された油がコネクティングロッド内の油路２０へと供給される。また、油路２１の開口部３０は軸受３７へ潤滑油を供給している。

油路２１には、分岐路３１との分岐位置に、分岐路３１を開閉する弁体３２が備えられている。弁体３２は、両端が開口した円筒状に形成され、油路２１内をその延長方向で移動可能に挿入されている。油路２１内の周壁には、弁体３２が内側（開口部３０とは反対側）に移動したときに分岐路３１を遮蔽する位置で停止するように段差３３が設けられている。

油路２１の開口部３０の内周面には、雌ねじ部が形成されており、当該雌ねじ部にナット３４が締結されている。ナット３４と弁体３２との間には、スプリング３６(付勢手段)が挿入されており、弁体３２を内側に向けて付勢するように構成されている。
そして、図４（Ａ）に示すように、クランクシャフト２の回転速度が所定値未満である低回転状態では、スプリング３６の付勢力により弁体３２は内側（開口部３０とは反対側）に押され、弁体３２によって分岐路３１が閉鎖される。これにより、油路２１から分岐路３１を介してコネクティングロッド５内の油路２０への油の流入が遮断される。

また、図４（Ｂ）に示すように、クランクシャフト２の回転速度が所定値以上である高回転状態では、弁体３２が遠心力によって油路２１内を開口部３０側に向けてスプリング３６の付勢力に抗して移動する。このとき、弁体３２は、分岐路３１との分岐点よりも外側に移動し、分岐路３１と油路２１とが連通するように、スプリング３６のばね係数、弁体３２の軸方向長さ、分岐路３１の位置が設定されている。これにより、油路２１から分岐路３１、油溝２５を介してコネクティングロッド５内の油路２０への油の導入が可能となる。

なお、弁体３２は両端が開口した筒体であり、またナット３４の中央部に小径の孔３５が設けられている。したがって、弁体３２の位置に拘わらず、油路２１は開口部３０と連通している。これにより、開口部３０から少量の油を潤滑油として、クランクンピン９の外周面と軸受３７の内周面の間に供給して潤滑が可能となっている。
次に、上記油供給構造を介してピストン１に供給した油の用途の一例について説明する。

図５は、ピストン内部の一実施例の構造を示す縦断面図である。図６は、図５におけるロアピストン４４の本体部５１内の油路を示す横断面図である。
図５に示すように、本実施形態では、上記油路２１、分岐路３１、油溝２５、油路２０を介して供給された油を、可変圧縮比エンジンにおけるピストン１に設けられた油圧アクチュエータの作動油として利用する。

本実施形態のピストン１は、アッパピストン４３（ピストン基部）と、アッパピストン４３に対してピストン１の中心軸方向に往復動可能なロアピストン４４（ピストン移動部）とを備える２重構造になっている。
アッパピストン４３は、上部を閉鎖した円筒状に形成されており、ピストン１の外形を成し、上部のピストンヘッド４５と側壁部４６により構成されている。ピストンヘッド４５は、円板状に形成され、上面４５ａが燃焼室４７に面している。側壁部４６は、ピストンヘッド４５の周縁部下面より下方（燃焼室４７とは反対側）に延びた円筒状に形成されている。

また、ピストンヘッド４５の下面中心部には、下方に突出する円柱状の凸部５０が設けられている。
ロアピストン４４は、アッパピストン４３内に収納されており、アッパピストン４３内を上下方向（ピストン２の中心軸方向）に移動可能に配置されている。ロアピストン４４は、円板状の本体部５１と、コネクティングロッド５とピストンピン１０を介して連結するピンボス５２と、円筒状の筒部５３とが備えられている。

本体部５１の外周端部とアッパピストン４３の内周壁３ａとの間に若干の隙間が設けられるように、本体部５１の直径が設定されている。
ピンボス５２は、本体部５１の下面から下方に突出するように設けられ、コネクティングロッド５の上部にピストンピン１０を介して回転可能に連結されている。
筒部５３は、本体部５１の上面中心部から上方に突出するように設けられ、上方からアッパピストン４３の凸部５０が略隙間なく滑らかに挿入されるように形成されている。凸部５０と筒部５３は、アッパピストン４３とロアピストン４４が上下方向に移動可能なようにガイドをする機能を有している。また、ロアピストン４４の本体部５１とアッパピストン４３のピストンヘッド４５とが近づく方向に移動したときに、ピストンヘッド４５とロアピストン４４の本体部５１との間に空間が形成されるように、筒部５３の突出長さが設定されている。

ピストンヘッド４５とロアピストン４４との間の空間である収納室５５には、皿ばね５６が収納されている。皿ばね５６は、アッパピストン４３のピストンヘッド４５とロアピストン４４の本体部５１とが離間する方向に付勢されるように配置されている。
アッパピストン４３の側壁部４６の内周面の上下方向略中央部には、リング溝５７が設けられている。そして、このリング溝５７には、ばね鋼により一部が開口した円環板状に形成されたスナップリング５８が嵌入されている。

スナップリング５８は、アッパピストン４３内に皿ばね５６とともにロアピストン４４が収納された際に、ロアピストン４４の本体部５１よりも下方に配置されており、ロアピストン４４の所定以上の下方への移動、即ちアッパピストン４３のピストンヘッド４５に対してロアピストン４４が離間する方向への所定以上の移動を規制するストッパとしての機能を有する。

これにより、本実施形態のエンジンは、ピストン１がアッパピストン４３とロアピストン４４に分割されており、更にロアピストン４４に対してアッパピストン４３がピストン１の摺動する方向である中心軸方向（上下方向）に移動可能である。アッパピストン４３のピストンヘッド４５とロアピストン４４とは皿ばね５６によって離間する方向に付勢されており、燃焼室４７内の圧力が高い状態では、アッパピストン４３が皿ばね４６の付勢力に抗して下方に移動する。また、燃焼室４７内の圧力が低い状態では、アッパピストン４３が上方へ移動する。

このように、アッパピストン４３が、コネクティングロッド５に連結されるロアピストン４４に対して、ピストン１の摺動方向に沿って移動可能であるので、アッパピストン４３とロアピストン４４との相対移動により燃焼室４７内の容積を変化させることができる。また、燃焼室４７内の圧力に応じて自動的にアッパピストン４３とロアピストン４４との相対移動が行われ、簡易な構成で圧縮比の制御が自動的に行われる。

更に、本実施形態では、ピストン１に、ロアピストン４４の本体部５１とアッパピストン４３のピストンヘッド４５とが最も近づく方向に移動したときに、アッパピストン４３とロアピストン４４との相対移動を規制するロック機構６１（固定手段）が備えられている。
ロック機構６１は、油圧によって作動するアクチュエータであり、ロアピストン４４の本体部５１の内部に、その外周面に沿って９０度おきに計４個設けられている。ロック機構６１は、ロアピストン４４の径方向に沿って移動可能に本体部５１に支持されているピン６２と、ピン６２をロアピストン４４の径方向内方に向けて付勢するスプリング６３を有している。

また、図６に示すように、ロアピストン４４の本体部５１には、ピストンピン１０の油路６５と連通する油路６６(第３の油路)が２個設けられている。油路６６は、隣合う２つのロック機構６１と夫々連通している。
したがって、４つのロック機構６１にはいずれも、コネクティングロッド５内の油路２０からピストンピン１０内の油路６５及び本体部５１内の油路６６を介して油を作動油として供給可能に構成されている。

ロック機構６１に作動油を供給しないと、図５、６に示すように、スプリング６３の付勢力によりピン６２が本体部５１の外周面から突出せず、アッパピストン４３はロアピストン４４に対して上下方向に移動可能である。
図７は、ロック機構６１による相対移動規制時の状態を示すピストン１の縦断面図である。

図７に示すように、ロック機構６１に油（作動油）を供給すると、ピン６２がロアピストン４４の外周面から突出する。アッパピストン４３の側壁部４６の内周面には、アッパピストン４３のピストンヘッド４５とロアピストン４４とが最も近づく方向に移動したとき、即ち筒部５３の上端がピストンヘッド４５の下面に当接したときにロック機構６１のピン６２が挿入可能な孔６７が夫々設けられている。したがって、ロック機構６１に作動油を供給した状態でアッパピストン４３のピストンヘッド４５とロアピストン４４とが最も近づく方向に移動すると、ロアピストン４４の外周面から突出したピン６２が孔６７に挿入され、ロアピストン４４とアッパピストン４３との相対的な移動が規制される。これにより、圧縮比が最も低い状態で固定することができる。

以上のような構成により、本実施形態では、ピストン１内の油圧アクチュエータであるロック機構６１に、クランクシャフト２内の油路２１及びコネクティングロッド５内の油路２０を介して作動油を供給することができる。
ここで、上記のように、本実施形態では、クランクシャフト２内の油路２１に弁体３２が設けられており、クランクシャフト２の回転速度が所定値以上になると、弁体３２が分岐路３１を開放し、油がクランクシャフト２内の油路２１から分岐路３１を介してコネクティングロッド５内の油路２０に供給可能となるので、高回転時に作動油がロック機構６１に供給され、自動的に低圧縮比状態に固定される。これにより、高回転時に低圧縮比状態を維持して温度上昇を抑えることができる。また、低回転時にはロック機構６１によりロックされないので、燃焼室４７内が低圧である場合に高圧縮比状態として、燃費を向上させることができる。そして、このような可変圧縮比制御を、新たに油圧制御バルブを必要とせずに、クランクシャフトとコネクティングンロッドの接続部に潤滑油を供給する潤滑油路を利用して、簡単な構成で行うことができるとともに、クランクシャフトの回転速度に応じて自動的にかつ安定して行うことができる。

なお、上記実施形態では、高回転時に油をピストン１内に供給可能とし、低回転時にピストン１内への分岐路３１を介した油の供給を規制する構造であるが、これとは逆に制御可能な構造とすることができる。
図８は、本発明の他の実施形態のクランクピン９内の油路２０の構造を示す断面図であり、（Ａ）は低回転状態、（Ｂ）は高回転状態での弁体の移動状態を示す。

図８に示す他の実施形態では、油路２１と分岐路３１との分岐位置と弁体３２との位置関係が上記図３、４に示す実施形態と異なっている。詳しくは、図８（Ａ）に示すように、所定回転速度未満の低回転時には、弁体３２は分岐路３１の分岐位置よりも径方向内方に移動して分岐路３１が開放し、油路２１から油が弁体３２内を通過して分岐路３１に流入可能に構成されている。また、図８（Ｂ）に示すように、所定回転速度以上の高回転時には、弁体３２は径方向外方に移動して分岐路３１を遮断するように構成されている。これにより、低回転時に油(作動油)をシリンダ１に供給可能とし、高回転時にシリンダ１への分岐路３１を介した作動油の供給を規制することができる。

よって、例えば上記のようにピストン１内に備えられたロック機構６１に、当該第２実施形態の構成の油路２１を介して作動油を供給すると、低回転時に低圧縮比状態に固定することができ、高回転時にはロック機構６１によるロックを解除して、燃焼室４７内が低圧である場合には高圧縮比状態にすることができる。
これにより、低回転時では低圧縮比状態に固定してノッキングを抑制することができ、高回転時では燃焼室７内が低圧である場合に高圧縮比状態にして出力を向上させることができる。

以上で発明の実施形態の説明を終えるが、発明の形態は本実施形態に限定されるものではない。
例えば、コネティングロッド５の油路２０を介して油を供給する対象が、上記実施形態ではロック機構６１であるが、シリンダ２やコネクティングロッド５に設けたその他の油圧アクチュエータでもよい。その他の油圧アクチュエータとして、例えば、アッパピストン４３とロアピストン４４との間の空間に、作動油を供給して圧縮比を制御するような構成のエンジンにも本願発明の油供給構造を採用することができる。

また、油路２０を介して供給された油を、ピストン１における潤滑や冷却に利用してもよい。
また、本願発明は、クランクシャフト２及びコネクティングロッド５に油路を設けたエンジンに広く適用することができる。

１ ピストン
２ クランクシャフト
５ コネクティングロッド
２０ 油路（第２の油路）
２１ 油路（潤滑油路、第１の油路）
２５ 油溝
３１ 分岐路（第１の油路）
３２ 弁体
３６ スプリング(付勢手段)
４３ アッパピストン（ピストン基部）
４４ ロアピストン（ピストン移動部）
６１ ロック機構（固定手段）
６６ 油路(第３の油路)

Claims (5)

1. クランクシャフト内に第１の油路を備えるとともに、前記クランクシャフトとピストンとを連結するコネクティングロッド内に第２の油路を備え、前記第１の油路と前記第２の油路は前記クランクシャフトと前記コネクティングロッドの連結部に潤滑油を供給する潤滑油路によって連通し、前記第１の油路及び前記第２の油路を介して前記ピストンに油を供給するエンジンの油供給構造であって、
   前記第１の油路に弁体を備え、当該弁体は前記クランクシャフトの回転による遠心力によって移動して前記第２の油路を開閉することを特徴とするエンジンの油供給構造。
2. 前記第１の油路は、前記潤滑油路から分岐して前記第２の油路に連通する分岐路を有し、
   前記弁体は、前記クランクシャフトの回転により前記分岐路を開閉することによって、前記第２の油路を開閉することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの油供給構造。
3. 前記弁体は、前記クランクシャフトの径方向に移動可能であるとともに、付勢手段により前記クランクシャフトの径方向内方に付勢されるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載のエンジンの油供給構造。
4. 前記弁体は、両端が開口した筒状に形成され、前記分岐路との分岐位置に、前記潤滑油路と軸線が一致するように配置されることを特徴とする請求項２または３に記載のエンジンの油供給構造。
5. 前記ピストンは、
   ピストン基部と、
   前記ピストン基部に対して前記ピストン中心軸方向に移動可能なピストン移動部と、
   前記ピストン移動部に配置され前記ピストン基部と前記ピストン移動部を固定する固定手段と、
   前記ピストン移動部に配置され前記固定手段に油を供給する第３の油路と、を有し、
   前記第１の油路と前記第３の油路は前記第２の油路を通じて連通することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のエンジンの油供給構造。

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