JP6650777B2 - エンジン - Google Patents

Description

本発明は、コンロッドを介してピストンの往復運動を回転運動に変換するエンジンに関する。

車両用エンジンを構成するピストンにおいて、ヘッド部にクーリングチャネルを備えたものがある。
たとえば、特許文献１のピストンにおけるクーリングチャネルは、ヘッド部内に形成される円環状の空間で構成されている。そして、クランクケース側からクーリングチャネルの導入口に向かって潤滑油が吹き付けられ、吹き付けられた潤滑油は、導入口からクーリングチャネル内を巡りつつ、ヘッド部を冷却し、クーリングチャネルの排出口からクランクケース内に滴下する。
このように、クーリングチャネルに潤滑油を循環させることで、エンジン運転時に高温化するピストンを冷却し、ノッキングを抑制するとともに、ピストンの耐久性を向上している。

特表２０１４−５１８９７９号公報

ところで、クーリングチャネルは、高温になるヘッド部を冷却することを意図して設けられているが、特許文献１の構成では、ピストンピンとコンロッドとの間に潤滑手段を備えていないため、ピストンの温度上昇に伴い、ピストンピンとコンロッドとの間で潤滑不良を起こし、コンロッドが焼き付いてしまうおそれがある。

本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、ピストンピンとコンロッドの焼き付きを防止することができるエンジンを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係るエンジンは、ヘッド部内に形成される空間からなるクーリングチャネルと、該クーリングチャネルに連通しつつ、該ヘッド部に開口する排出口と、該ヘッド部上に間隔を空けて対向して立設される一対のボス部と、該一対のボス部に挿嵌されるピストンピンと、一対のボス部の端部間を繋ぎつつ、前記ヘッド部上に立設される一対の摺壁部と、を具備するピストンと、該ピストンピンに揺動可能に連結されるコンロッドと、を備えたエンジンにおいて、前記排出口は、該排出口と前記ピストンピンの軸中心とを結ぶ直線と、該排出口と前記コンロッドのヘッド側縁部とを結ぶ直線と、の間に位置する該ピストンピン、および該コンロッドに向かって開口し、該摺壁部は、前記排出口の同軸線延長上に位置する部位を貫通する連通孔を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、排出口とピストンピンの軸中心とを結ぶ直線と、排出口とコンロッドのヘッド側縁部とを結ぶ直線と、の間に位置するピストンピン、およびコンロッドに向けて潤滑油が吹き付けられることで、排出口から見てピストンピンの裏側にも潤滑油が、コンロッドやピストンピンを伝って流れる。これによって、ピストンピンとコンロッドの焼き付きを防止することができる。
また、このような構成によれば、排出口の同軸線延長上に連通孔が開口することで、ピストンピンやコンロッドに吹き付けられて摺壁部内面に跳ね返った潤滑油を効率的に摺壁部外面側へ流すことができる。

また、前記エンジンは、前記連通孔は、前記摺壁部における前記一対のボス部の中間に位置する部位に開口することが好ましい。

このような構成によれば、ピストンが首振り揺動した場合、摺壁部の周方向の中央部が、シリンダ内面に衝突するため、摺壁部外面の中央部に連通孔が開口することで、衝突部位付近に集中して潤滑油が供給されるため、焼き付きを防止することができる。
また、摺壁部外面の中央部に連通孔が開口することで、摺壁部の周方向に対して、潤滑油供給量の偏りを抑制することができる。
さらに、排出口の同軸線延長上に連通孔が開口することで、排出口からコンロッド等に吹き付けられて摺壁部の内周面に跳ね返った潤滑油を効率的に摺壁部の外周面側へ流すことができる。

また、前記エンジンは、前記摺壁部の基端側となる前記ヘッド部から先端までの寸法を全高とし、前記連通孔は、該摺壁部の先端から該全高の２０％の位置よりも該ヘッド部側に開口することが好ましい。

このような構成によれば、シリンダ内でピストンが首振り揺動し、摺壁部の先端側がシリンダ内面に衝突した場合、摺壁部の先端から２０％程度までの範囲の面圧が上昇する。面圧が高いと、摺壁部外面とシリンダ内面とが密着して、連通孔から潤滑油が供給されないおそれがある。そこで、この領域を避けることによって、連通孔を通じて潤滑油が、摺壁部外面とシリンダ内面との間に効果的に供給され、焼き付きを防止することができる。

また、前記エンジンは、前記摺壁部の基端側となる前記ヘッド部から先端までの寸法を全高とし、前記連通孔は、該ヘッド部から該全高の２０％の位置よりも該摺壁部の先端側に開口することが好ましい。

このような構成によれば、シリンダ内でピストンが首振り揺動し、摺壁部の基端側がシリンダ内面に衝突した場合、摺壁部の基端から２０％程度までの範囲の面圧が上昇する。面圧が高いと、摺壁部外面とシリンダ内面とが密着して、連通孔から潤滑油が流れ出ないおそれがある。そこで、この領域を避けることによって、連通孔を通じて潤滑油が、摺壁部外面とシリンダ内面との間に効果的に供給され、焼き付きを防止することができる。

また、前記エンジンは、前記ピストンがスチール合金材で形成されることが好ましい。

このような構成によれば、アルミニウム合金材よりも熱を貯めやすいスチール合金材で、ピストンを形成することによって、焼き付き防止効果をより強く発揮することができる。

本発明によれば、ピストンピンとコンロッドの焼き付きを防止することができる内燃機関用ピストンを提供することができる。

本実施形態に係るエンジンを示す断面図である。 本実施形態に係るピストンを示す断面図である。 本実施形態に係るピストンを示す斜視図である。

本発明の一実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示すように、本実施形態のエンジン１は、所謂ディーゼルエンジンで、シリンダブロック１１に開口する筒孔からなるシリンダ１２と、シリンダ１２内を筒軸方向に移動可能に配置されたピストン２１と、ピストン２１に揺動可能に連結されるコンロッド１３と、クランクケース１４に支持されつつ、コンロッド１３を介して、ピストン２１の往復移動を回転運動に変換するクランクシャフト１５とを備えている。
また、クランクケース１４には、ピストン２１の下死点近傍に位置する部位に、潤滑油を噴射する噴射ノズル１６が配置されている。噴射ノズル１６は、後述する導入口２６ａに向かって開口し、噴射ノズル１６からは、オイルポンプ（図示せず）で昇圧された潤滑油が、導入口２６ａに向けて噴射される。

ピストン２１は、図２、図３に示すように、スチール合金材からなり、シリンダ１２内に配置された状態で、シリンダヘッド１７側に位置するヘッド部２２と、クランクケース１４側に位置するスカート部２３と、によって構成されている。
ヘッド部２２は、シリンダ１２の筒孔よりも僅かに小さい直径を有し、直径よりも軸方向の寸法が短い略円柱形状を備えている。なお、ヘッド部２２のシリンダヘッド１７に対向する面を頂面２２ａ、クランクケース１４に対向する面を裏面２２ｂ、シリンダ１２の筒孔に対向する面を外周面２２ｃとする。
ヘッド部２２の頂面２２ａには、その中央部に、円形の窪みからなるキャビティ２４が形成されている。また、キャビティ２４を囲む環状枠部２５の内部には、クーリングチャネル２６が形成されている。
ヘッド部２２の裏面２２ｂには、一対のボス部２７と、ボス部２７から延設される延壁部２７ａと、摺壁部２８が立設されるとともに、導入口２６ａ、排出口２６ｂが開口している。
ヘッド部２２の外周面２２ｃには、リング溝２２ｃａが形成され、このリング溝２２ｃａに、ピストンリング２２ｃｂが嵌め込まれる

キャビティ２４は、中央部が浅く、周縁部が深く窪みつつ、頂面２２ａ付近が底部よりも狭まるようにくびれている。なお、キャビティ２４の形状は、本実施形態の形状に限らず、要求される燃焼室（図示せず）の形状に応じて、様々な形状に設定される。
クーリングチャネル２６は、キャビティ２４を囲む環状枠部２５の内部に、キャビティ２４の形状、および環状枠部２５の形状に倣った円環状の空間で構成されている。つまり、クーリングチャネル２６は、頂面２２ａ付近で、中間部分よりも径方向に空間が拡がるように設定されている。なお、クーリングチャネル２６の形状は、本実施形態の形状に限らず、キャビティ２４の形状に応じて様々な形状に設定される。

一対のボス部２７は、それぞれが平板形状を有し、板面が対向するように、平行に立設されている。また、一対のボス部２７の間隔は、コンロッド１３の一端が配置可能な寸法に設定されている。そして、一対のボス部２７のそれぞれには、ピン孔２７ｂが開口している。
ピン孔２７ｂは、一対のボス部２７を同一の孔径で同一直線上に沿って貫通している。そして、各ピン孔２７ｂには、コンロッド１３の一端を貫通するピストンピン２７ｃの両端が、それぞれ挿嵌される。つまり、ピストンピン２７ｃは、コンロッド１３を揺動可能に軸支することで、コンロッド１３をピストン２１に連結している。
延壁部２７ａは、各ボス部２７の板面に沿って延設される板状部材で、ボス部２７よりも薄板に設定されている。

摺壁部２８は、ヘッド部２２の裏面２２ｂ上に、延壁部２７ａの端部間を繋ぎつつ、立設される一対の円弧壁で構成されている。つまり、摺壁部２８は、一対のボス部２７の端部間を繋いでいる。摺壁部２８は、その円弧がヘッド部２２の外周面２２ｃと同じ曲率を備えている。
つまり、ピストン２１の裏面２２ｂ側には、一対のボス部２７、延壁部２７ａ、および摺壁部２８によって、断面略楕円形の筒形状を有するスカート部２３が形成されている。
連通孔２８ｃは、後述する排出口２６ｂの同軸線延長上に位置する摺壁部２８の部位に開口する貫通孔で構成されている。連通孔２８ｃは、摺壁部２８の円弧の中央部分に開口している。つまり、連通孔２８ｃは、一対のボス部２７の中間に位置する摺壁部２８の部位に開口している。
なお、摺壁部２８の基端側となる前記ヘッド部２２の裏面２２ｂから先端までの寸法を全高Ｈ２８と設定すると、連通孔２８ｃは、摺壁部２８の先端から全高Ｈ２８の２０％の位置よりもヘッド部２２側、且つヘッド部２２の裏面２２ｂから全高Ｈ２８の２０％の位置よりも摺壁部２８の先端側の範囲内に開口するように配置されている。

導入口２６ａは、図３に示すように、ボス部２７と延壁部２７ａと摺壁部２８とに囲まれた裏面２２ｂの周縁部分に、噴射ノズル１６に向かって開口している。導入口２６ａは、クーリングチャネル２６に連通し、噴射ノズル１６から噴出される潤滑油をクーリングチャネル２６に供給する。また、導入口２６ａは、その形状が、噴射ノズル１６から噴射される潤滑油をクーリングチャネル２６内に導きやすいように設定されている。そして、導入口２６ａに対して、ヘッド部２２の円の中心を挟んだ反対側に位置しつつ、ボス部２７と延壁部２７ａと摺壁部２８とに囲まれた裏面２２ｂの周縁部分に、補助排出口２６ｆが開口している。また、補助排出口２６ｆに隣接して、排出口２６ｂが開口する排出突部２６ｃが突設されている。

排出突部２６ｃは、ヘッド部２２の裏面２２ｂの摺壁部２８の内面側近傍、且つ対向する延壁部２７ａ間の中間部分に配置されている。また、排出突部２６ｃは、裏面２２ｂから略円錐状に突出しており、排出突部２６ｃの円錐面部分に、排出口２６ｂが開口している。
排出口２６ｂは、排出流路２６ｄを通じて、クーリングチャネル２６に連通している。
補助排出口２６ｆは、円形の貫通孔からなり、クーリングチャネル２６に連通している。
つまり、排出口２６ｂは、補助排出口２６ｆの近傍に隣接しつつ、一対のボス部２７の中間に位置するヘッド部２２の裏面２２ｂの部位に突出する排出突部２６ｃに開口している。
なお、裏面２２ｂに略円錐状の排出突部２６ｃを突設し、排出突部２６ｃの円錐面に排出口２６ｂを開口することで、排出口２６ｂを所望する方向に向けて開口することができる。そして、排出口２６ｂは、排出流路２６ｄとともに、排出口２６ｂとピストンピン２７ｃの軸中心Ｃ２７ｃとを結ぶ直線Ｌ２７ｃと、排出口２６ｂとコンロッド１３のヘッド側縁部１３ａとを結ぶ直線Ｌ１３（接線）と、の間に位置するピストンピン２７ｃ、およびコンロッド１３に向かって、クーリングチャネル２６内を流通した潤滑油を吹き付け可能に開口している。
また、連通孔２８ｃは、排出口２６ｂの同軸線延長上に位置する摺壁部２８の部位に開口する貫通孔で構成されていることから、連通孔２８ｃを穿孔する工程で、排出口２６ｂ、および排出流路２６ｄを合わせて穿孔してもよい。これにより、一度の位置合わせで、２箇所の孔加工を行えるため、加工時間を短縮することも可能となる。

次に、噴射ノズル１６から噴射される潤滑油の作用について説明する。
噴射ノズル１６から噴射された潤滑油は、導入口２６ａからクーリングチャネル２６内に流入する。なお、導入口２６ａへ流入しなかった潤滑油は、導入口２６ａの周辺、および摺壁部２８の内周面２８ａに当たり、当たった部位を冷却するとともに、シリンダ１２の内面に当たり、摺壁部２８とシリンダ１２との間の潤滑を行う。
導入口２６ａへ流入した潤滑油は、クーリングチャネル２６内を通過する間に、キャビティ２４を囲む環状枠部２５の熱を奪い、冷却する。
そして、クーリングチャネル２６内を通過した潤滑油は、後からクーリングチャネル２６内に導入された潤滑油に押し出されて、排出口２６ｂから吐出される。

排出口２６ｂから吐出された潤滑油は、吐出の勢いで、コンロッド１３、およびピストンピン２７ｃに吹き付けられる。なお、排出口２６ｂとピストンピン２７ｃの軸中心Ｃ２７ｃとを結ぶ直線Ｌ２７ｃと、排出口２６ｂとコンロッド１３のヘッド側縁部１３ａとを結ぶ直線Ｌ１３と、の間に位置するピストンピン２７ｃ、およびコンロッド１３に向けて潤滑油が吹き付けられることで、排出口２６ｂから見てピストンピン２７ｃの裏側にも潤滑油が、コンロッド１３やピストンピン２７ｃを伝って流れる。
コンロッド１３、およびピストンピン２７ｃに吹き付けられた潤滑油は、隙間に入り込んで、コンロッド１３とピストンピン２７ｃとの間の潤滑、およびピストンピン２７ｃとピン孔２７ｂとの間の潤滑を行う。

また、コンロッド１３、およびピストンピン２７ｃに吹き付けられ、跳ね返った潤滑油は、ヘッド部２２の裏面２２ｂ、および摺壁部２８の内周面２８ａに跳ね返る。
そして、ヘッド部２２の裏面２２ｂに跳ね返った潤滑油は、キャビティ２４の底部２４ａを冷却する。
また、摺壁部２８の内周面２８ａに跳ね返った潤滑油は、連通孔２８ｃを通じて摺壁部２８の外周面２８ｂに流出し、摺壁部２８とシリンダ１２との間の潤滑を行う。

次に、本実施形態に係るエンジン１の作用効果について説明する。
排出口２６ｂとピストンピン２７ｃの軸中心Ｃ２７ｃとを結ぶ直線Ｌ２７ｃと、排出口２６ｂとコンロッド１３のヘッド側縁部１３ａとを結ぶ直線Ｌ１３と、の間に位置するピストンピン２７ｃ、およびコンロッド１３に向けて潤滑油が吹き付けられることで、排出口２６ｂから見てピストンピン２７ｃの裏側にも潤滑油が、コンロッド１３やピストンピン２７ｃを伝って流れる。これによって、ピストンピン２７ｃとコンロッド１３の間の潤滑をより効果的に行うことができ、焼き付きを防止することができる。

排出口２６ｂの同軸線延長上に連通孔２８ｃが開口することで、ピストンピン２７ｃやコンロッド１３に吹き付けられて摺壁部２８の内周面２８ａに跳ね返った潤滑油を効率的に摺壁部２８の外周面２８ｂ側へ流すことができる。

ピストン２１がシリンダ１２内で首振り揺動した場合、摺壁部２８の周方向の中央部が、シリンダ１２の内面に衝突する。このため、摺壁部２８の外周面２８ｂの中央部に連通孔２８ｃが開口することで、衝突部位付近に集中して潤滑油が供給されるため、焼き付きを防止することができる。
また、摺壁部２８の外周面２８ｂの中央部に連通孔２８ｃが開口することで、摺壁部２８の外周面２８ｂの周方向に対して、潤滑油供給量の偏りを抑制することができる。
排出口２６ｂの同軸線延長上に連通孔２８ｃが開口することで、排出口２６ｂからコンロッド１３等に吹き付けられて摺壁部２８の内周面２８ａに跳ね返った潤滑油を効率的に摺壁部２８の外周面２８ｂ側へ流すことができる。

シリンダ１２内でピストン２１が首振り揺動し、摺壁部２８の先端側がシリンダ１２の内面に衝突した場合、摺壁部２８の先端から２０％程度までの範囲の面圧が上昇することが、実験結果から明らかになっている。また、シリンダ１２内でピストン２１が首振り揺動し、摺壁部２８の基端側がシリンダ１２の内面に衝突した場合、摺壁部２８の基端から２０％程度までの範囲の面圧が上昇することが、実験結果から明らかになっている。
上記の面圧が高い領域では、摺壁部２８の外周面２８ｂとシリンダ１２の内面とが密着し、連通孔２８ｃから潤滑油が供給されないおそれがある。そこで、この領域を避けることによって、連通孔２８ｃを通じて潤滑油が、摺壁部２８の外周面２８ｂとシリンダ１２の内面との間に効果的に供給され、焼き付きを防止することができる。
そこで、摺壁部２８の基端側となる前記ヘッド部２２の裏面２２ｂから先端までの寸法を全高Ｈ２８と設定すると、連通孔２８ｃは、摺壁部２８の先端から全高Ｈ２８の２０％の位置よりもヘッド部２２側、且つヘッド部２２の裏面２２ｂから全高Ｈ２８の２０％の位置よりも摺壁部２８の先端側の範囲Ａ２８内に開口するように配置されている。

アルミニウム合金材よりも熱を貯めやすいスチール合金材で、ピストン２１を形成することによって、上記の焼き付き防止効果をより強く発揮することができる。

１ エンジン
１３ コンロッド
１３ａヘッド側縁部
２１ ピストン
２２ ヘッド部
２６ クーリングチャネル
２６ｂ 排出口
２７ ボス部
２７ｃ ピストンピン
２８ 摺壁部
Ｃ２７ｃ 軸中心
Ｈ２８ 全高
Ｌ２７ｃ 直線
Ｌ１３ 直線

Claims (5)

1. ヘッド部内に形成される空間からなるクーリングチャネルと、
   該クーリングチャネルに連通しつつ、該ヘッド部に開口する排出口と、
   該ヘッド部上に間隔を空けて対向して立設される一対のボス部と、
   該一対のボス部に挿嵌されるピストンピンと、
   一対のボス部の端部間を繋ぎつつ、前記ヘッド部上に立設される一対の摺壁部と、
   を具備するピストンと、
   該ピストンピンに揺動可能に連結されるコンロッドと、
   を備えたエンジンにおいて、
   前記排出口は、
   該排出口と前記ピストンピンの軸中心とを結ぶ直線と、該排出口と前記コンロッドのヘッド側縁部とを結ぶ直線と、の間に位置する該ピストンピン、および該コンロッドに向かって開口し、
   該摺壁部は、
   前記排出口の同軸線延長上に位置する部位を貫通する連通孔を備える
   ことを特徴とするエンジン。
2. 前記連通孔は、
   前記摺壁部における前記一対のボス部の中間に位置する部位に開口することを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
3. 前記摺壁部の基端側となる前記ヘッド部から先端までの寸法を全高とし、
   前記連通孔は、
   該摺壁部の先端から該全高の２０％の位置よりも該ヘッド部側に開口することを特徴とする請求項１、または請求項２に記載のエンジン。
4. 前記摺壁部の基端側となる前記ヘッド部から先端までの寸法を全高とし、
   前記連通孔は、
   該ヘッド部から該全高の２０％の位置よりも該摺壁部の先端側に開口することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のエンジン。
5. 前記ピストンは、
   スチール合金材で形成されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のエンジン。

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