JP5582024B2 - 内燃機関のピストン構造 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に適用されるピストンの構造に関する。

一般に、自動二輪車や自動車等の車両に用いられる内燃機関では、シリンダ内に設けられたピストンの往復運動がコンロッドを介してクランクシャフトに伝達され、クランクシャフトが回転することで、車両の走行が可能となる。

上記のような内燃機関に用いられるピストン７１は、図６に示されるように、ピストン７１の頂面７２を構成するクラウン部７３と、このクラウン部７３の外周から下方に向かって延びるスカート部７４と、クラウン部７３の裏面７９に設けられて中央部にピン孔７５が設けられた一対のピンボス部７６（図６では、一方のピンボス部７６のみが表示されている。）と、を備えており、上記したピン孔７５に保持されるピストンピン７７によって、ピストン７１とコンロッドを連結できるように構成されている。

このような構成のピストン７１においては、膨張工程（燃料の爆発工程）においてシリンダから受ける反力によってピストン７１が変形する問題があった。また、上記したピストン７１の変形に伴ってピストンピン７７にも応力が生じ、ピストンピン７７が変形する問題があった。

上記のような問題に対し、従来は、図６に記載されるようにピストンピン７７の両側において一対のピンボス部７６間にブリッジリブ７８を架設することでピストン７１の強度を増加させ、ピストン７１及びピストンピン７７の変形を防止していた。

ところで、上記のような構成の内燃機関においては、前記した膨張工程において内燃機関に吸収される熱エネルギーにより内燃機関の各部が高温状態となり、ピストン７１も常に高温化する。このピストン７１の高温化を抑制するために、従来においては、エンジンオイルをピストン７１へ向けて吹き付けてピストン７１の冷却を行う所謂ピストンジェットが用いられてきた（例えば、特許文献１の「オイルジェット装置１１」）。

一般的にピストン７１の中で最も高温となり易い部位は、爆発の中心位置に近いクラウン部７３の中央部分である。従来のピストン構造では、クラウン部７３の中央を効率良く冷却するために、ピストンジェットのノズルに傾斜を付け、この傾斜を付けたノズルからクラウン部７３の裏面７９にエンジンオイルを吹き付けることで、ピストン７１とピストンピン７７の間にエンジンオイルを通過させていた。

特開２００９−１９１７７９号公報

しかしながら、上記したピストン７１とピストンピン７７の間にエンジンオイルを通過させる構成を、図６に示されるようなピストン７１に適用した場合、クラウン部７３の中央を冷却したエンジンオイルが、比較的冷却を必要としないスカート部７４にまで到達し（図６の一点鎖線矢印参照）、スカート部７４を伝ってシリンダに付着する。このシリンダに付着したエンジンオイルは、概ねピストン７１に取り付けられたピストンリング等によってクランクケース内に掻き落とされるが、僅かに残ったエンジンオイルがピストン７１の上方に形成される燃焼室内に侵入し、内燃機関からの排気ガスに含まれる炭化水素や窒素化合物などの有害物質を増加させる虞があった。

また、従来技術の構成では、ピストン７１の製造時において、型抜き後にブリッジリブ７８の上方部分（図６の二点鎖線参照）を斜めから切削する加工（窓抜き加工）が必要となり、コストアップにつながる。

そこで、本発明は上記の事情を考慮し、ピストンの十分な冷却を行うと共に、エンジンオイルが燃焼室内へ侵入することを防止することができるピストンの構造を提供することを目的とする。

本願第１発明は、シリンダ内に往復動可能に設けられるピストンと、該ピストンの下方にピストンピンを介して連結されるコンロッドと、を備えた内燃機関のピストン構造であって、前記ピストンの頂面を構成するクラウン部と、該クラウン部の外周から下方に向かって延びるスカート部と、を備え、前記クラウン部の裏面には、該クラウン部の中央よりも一方側のみにリブが形成され、該リブ形成側とは反対側の前記クラウン部の裏面に向かって、エンジンオイルを噴射可能なようにピストンジェットが設けられ、前記リブは、該リブ形成側の前記スカート部の下端と前記ピストンピンの外周面とを結ぶ上下２本の接線のうち上側の接線よりも、下方へ延出して形成されていることを特徴とする。

このような構成を採用することにより、ピストンのクラウン部の中央にエンジンオイルを通過させることが可能となり、ピストンの十分な冷却が可能となる。また、エンジンオイルがスカート部に付着するのをリブによって防止することができるため、これに伴ってエンジンオイルが燃焼室内に侵入するのを防止することが可能となる。また、クラウン部の裏面に衝突して飛散したエンジンオイルがスカート部に付着するのを確実に防止することができ、エンジンオイルが燃焼室内に侵入するのを一層効果的に抑制することが可能となる。

本願第２発明は、シリンダ内に往復動可能に設けられるピストンと、該ピストンの下方にピストンピンを介して連結されるコンロッドと、を備えた内燃機関のピストン構造であって、前記ピストンの頂面を構成するクラウン部と、該クラウン部の外周から下方に向かって延びるスカート部と、を備え、前記クラウン部の裏面には、該クラウン部の中央よりも一方側のみにリブが形成され、該リブ形成側とは反対側の前記クラウン部の裏面に向かって、エンジンオイルを噴射可能なようにピストンジェットが設けられ、前記リブは、前記スカート部よりも前記ピストンピン側に近接して形成され、且つ、前記ピストンピンの下端と同位置又は該下端より下方へ延出して形成されていることを特徴とする。

このような構成を採用することにより、ピストンのクラウン部の中央にエンジンオイルを通過させることが可能となり、ピストンの十分な冷却が可能となる。また、エンジンオイルがスカート部に付着するのをリブによって防止することができるため、これに伴ってエンジンオイルが燃焼室内に侵入するのを防止することが可能となる。また、クラウン部の裏面に衝突して飛散したエンジンオイルを、リブで再度跳ね返してピストンピンに付着させることができ、ピストンピンを良好に潤滑させることができる。

本発明によれば、ピストンの十分な冷却を行うと共に、エンジンオイルが燃焼室内へ侵入するのを防止することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る自動二輪車の左側面図である。 本発明の一実施形態に係るエンジンを示す左側面図である。 本発明の一実施形態に係るエンジンの要部を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係るピストンを示す底面図である。 図４のＡ−Ａ断面図である。 従来例に係るピストンを示す断面図である。

以下、図面に基づき、本発明の好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る内燃機関のピストン構造をオフロードタイプの自動二輪車１に適用した場合について説明する。以下、上下、左右、前後の方向は、自動二輪車１に乗車する運転者から見た方向を示す。

まず、図１を用いて、自動二輪車１の概要について説明する。自動二輪車１には、骨組を構成する車体フレーム２が設けられている。この車体フレーム２は、例えばツインチューブ型であり、車体フレーム２の前部上端に配置されたヘッドパイプ３と、ヘッドパイプ３から後下方に向かって延設された左右一対のメインフレーム４と、メインフレーム４の下方に設けられたクレードルフレーム５と、メインフレーム４の後部から後上方に向かって延設された左右一対のシートレール６と、を主体として構成されている。

ヘッドパイプ３には、左右一対のフロントフォーク７が左右に回転可能に支持されている。フロントフォーク７の下端には前輪８が軸支され、前輪８の上方にはフロントフェンダ１０が設けられている。フロントフォーク７の上端にはハンドルバー１１が左右方向に固定され、ハンドルバー１１の左右両端部にはハンドルグリップ１２が設けられている。

左右一対のメインフレーム４の間には燃料タンク１３が設けられ、燃料タンク１３の左右両側を覆うようにしてサイドカバー１４が設けられている。燃料タンク１３の後方には、左右一対のメインフレーム４の後部上方からシートレール６の上方に亘って運転者シート１５が設けられ、燃料タンク１３の下方にはエンジン（内燃機関）１６が搭載されている。

左右一対のメインフレーム４の後下部にはピボット軸１７が架設され、ピボット軸１７にはスイングアーム１８の前端部が上下方向揺動可能に支持されている。スイングアーム１８の後端部には後輪２０が軸支され、後輪２０の上方にはリヤフェンダ２１が設けられている。後輪２０とリヤフェンダ２１の間にはマフラー２２が設けられ、マフラー２２の左右両側を覆うようにしてリヤサイドカバー２３が設けられている。

次に、図２、図３を用いてエンジン１６の概要について説明する。エンジン１６は、例えばＤＯＨＣ式の水冷単気筒エンジンであり、図２に示されるように、上下二分割式のクランクケース２４と、クランクケース２４の前部に一体成型されて上方に延設されるシリンダ２５と、シリンダ２５の上方に設けられるシリンダヘッド２６と、シリンダヘッド２６の上面を被覆するシリンダヘッドカバー２７と、を備えている。

図３に示されるように、シリンダヘッド２６内には、シリンダ２５との間に燃焼室２８が設けられている。燃焼室２８の後側（図３では右側）には、吸気バルブ３０が取り付けられた吸気口３１が設けられている。吸気口３１は、シリンダヘッド２６の後部に設けられたインテークポート３２と連通しており、インテークポート３２にはスロットルボディ（図示せず）が接続されている。そして、スロットルボディからの混合気がインテークポート３２及び吸気口３１を介して燃焼室２８に供給されるようになっている。上記記載からも明らかなように、本実施形態では、エンジン１６の後側が吸気側になっている。

燃焼室２８の前側（図３では左側）には、排気バルブ３３が取り付けられた排気口３４が設けられている。排気口３４は、シリンダヘッド２６の前部に設けられたエキゾーストポート３５と連通している。エキゾーストポート３５は、排気管３６（図１参照）を介して前述のマフラー２２（図１参照）に接続されており、燃焼室２８からの排気を、排気口３４、エキゾーストポート３５、排気管３６及びマフラー２２を介して自動二輪車１の後方に排出できるようになっている。上記記載からも明らかなように、本実施形態では、エンジン１６の前側が排気側になっている。

シリンダ２５内にはピストン３７が往復動可能に収納され、ピストン３７の下方にピストンピン３８を介してコンロッド４０の小端部４１が連結されている（詳細は後述）。コンロッド４０の大端部４２には、ベアリング４３を介してクランクシャフト４４のクランクピン４５が連結されている。クランクシャフト４４の左端には、発電用のマグネト（図示せず）が設けられ、このマグネトを覆うようにして、マグネトカバー３９が設けられている（図２参照）。

次に、主に図４、図５を用いて、ピストン３７の構成について説明する。なお、図４における上方、下方、左方、右方がそれぞれ、ピストン３７の左方、右方、前方、後方に対応している。

ピストン３７は有底筒状であり、ピストン３７の上端に設けられたクラウン部４６と、クラウン部４６の外周から下方に向かって延びる前後一対のスカート部４７と、クラウン部４６の裏面４８の前後方向に設けられた左右一対のピンボス部５０と、を備えている。

クラウン部４６はピストン３７の頂面５１を構成しており、この頂面５１によって燃焼室２８の下端が仕切られている（図３参照）。クラウン部４６の外周には、環状のリング溝５２が複数設けられ、このリング溝５２にピストンリング（図示せず）が取り付けられるように構成されている。

一対のピンボス部５０の前端部は前側のスカート部４７の左右両端部とそれぞれ接続され、一対のピンボス部５０の後端部は後側のスカート部４７の左右両端部とそれぞれ接続されている。これにより、ピストン３７の左右方向中央部には、前後一対のスカート部４７と左右一対のピンボス部５０で囲まれた空間５３が形成されている。なお、空間５３の底面は開口されている。

空間５３は、クラウン部４６の裏面４８に形成されたリブ５４によって、前側部分５５と後側部分５６に区画されている。リブ５４は、クラウン部４６の中央よりも一方側（本実施形態では後側）のみに設けられており、一対のピンボス部５０間に架設されている。リブ５４は、リブ５４形成側のスカート部４７の下端とピストンピン３８の外周面とを結ぶ上下２本の接線Ｘ、Ｙのうち上側の接線Ｘよりも、下方へ延出して形成されている（図５の二点鎖線Ｘ、Ｙ参照）。更に、リブ５４は、スカート部４７よりもピストンピン３８側に近接して形成され、且つ、ピストンピン３８の下端より下方へ延出して形成されている（図５の二点鎖線Ｚ参照）。

一対のピンボス部５０の前後方向中央には、それぞれピン孔５７が左右方向に設けられている。そして、空間５３の前側部分５５にコンロッド４０の小端部４１を挿入した状態で、コンロッド４０の小端部４１に設けられた小端穴５８（図３参照）と各ピンボス部５０のピン孔５７にピストンピン３８を貫挿させることで、ピストン３７の下方にピストンピン３８を介してコンロッド４０が連結されるように構成されている。

ピストン３７の前部の下方には、ピストンジェット６０が設けられている。ピストンジェット６０は、図３に点線矢印で示されるように、リブ５４形成側とは反対側（本実施形態では前側）のクラウン部４６の裏面４８に向かって、エンジンオイルを噴射可能なように、ノズル６１の位置及び傾きが調節されている。

上述の如く構成されたものにおいて、燃焼室２８で混合気の爆発が起こると、この爆発の圧力（図３の矢印Ｐ参照）によりピストン３７が押し下げられ、ピストン３７にコンロッド４０を介して連結されたクランクシャフト４４が回転する。このクランクシャフト４４の回転が後輪２０に伝達されることで、自動二輪車１の走行が可能となる。

また、上記した爆発工程においてエンジン１６に吸収される熱エネルギーによりエンジン１６の各部が高温状態となり、ピストン３７も高温化する。そこで、このピストン３７の高温化を抑制するために、ピストンジェット６０からクラウン部４６の裏面４８に向かってエンジンオイルを噴出させ、ピストン３７を冷却する。

その際、クラウン部４６の裏面４８には後側のみにリブ５４が形成され、且つ、クラウン部４６の裏面４８の前側に向かってエンジンオイルを噴射可能なようにピストンジェット６０が設けられているため、エンジンオイルがクラウン部４６の裏面４８の中央を通過する（図５の一点鎖線矢印参照）。これにより、ピストン３７の十分な冷却が可能となる。

また、リブ５４によって、エンジンオイルが吸気側（後側）のスカート部４７に付着するのを防止することができるため、スカート部４７を伝ってエンジンオイルがシリンダ２５に付着し、燃焼室２８内に侵入するのを防止することが可能となる。また、吸気側（後側）に余分なエンジンオイルが供給されるのをリブ５４によって防止し、クラウン部４６の中央部や前部の冷却効果を向上させることが可能となる。

また、本実施形態では、上側の接線Ｘ（図５参照）よりも下方に延出してリブ５４が形成されているため、クラウン部４６の裏面４８に衝突して飛散したエンジンオイルが吸気側（後側）のスカート部４７に付着するのを確実に防止することができ、エンジンオイルが燃焼室２８内に侵入するのを一層効果的に抑制することが可能となる。

更に、本実施形態では、吸気側（後側）のスカート部４７よりもピストンピン３８側に近接してリブ５４が形成され、且つ、ピストンピン３８の下端より下方へ延出してリブ５４が形成されている（図５参照）。そのため、クラウン部４６の裏面４８に衝突して飛散したエンジンオイルを、リブ５４で再度跳ね返してピストンピン３８に付着させることができ、ピストンピン３８を良好に潤滑させることができる。

なお、本実施形態ではこのように、ピストンピン３８の下端より下方へ延出してリブ５４が形成されているが、ピストンピン３８の下端と同位置にリブ５４を設けても、上記したピストンピン３８の潤滑性能の向上効果を得ることができる。

また、上記の如くピンボス部５０間にリブ５４を架設することでピンボス部５０間の連結剛性を高めることが可能となり、ピストン３７の往復運動の慣性力や爆発圧力によるピンボス部５０の変形を効果的に抑制することができる。そのため、ピストン３７全体の剛性を飛躍的に高めることが可能となり、ピストン３７全体の変形量も低減させることが可能となる。

また、上記の如く燃焼室２８内で混合気を爆発させると、この爆発の圧力によってシリンダ２５からピストン３７に反力が生じ、後側（スラスト側）のスカート部４７に側圧がかかる（図４の矢印ａ参照）。これに伴って、空間５３の後側部分５６の左右両側のピンボス部５０を互いに離間させる方向の圧力が生じ（図４の矢印ｂ参照）、これによりピンボス部５０の変形が助長される虞がある。しかしながら、本実施形態では、上記した側圧がかかる後側にリブ５４が設けられているため、側圧に伴う圧力でピンボス部５０が変形するのを効果的に防止することが可能となる。このように、本実施形態では、側圧がかかりやすい後側（スラスト側）にリブ５４を設けることで、片側のリブ５４だけでも、ピンボス部５０の変形を確実に防ぐことを可能としている。

また、エンジン１６の排気側は、吸気側と比較して温度が高いのが通常である。この点、本実施形態では、吸気側である後側にのみリブ５４を設け、排気側である前側にはリブ５４を設けていない。そのため、高温になり易いクラウン部４６の中央部及び排気側にエンジンオイルを集中させることが可能となり、エンジンオイルによるピストン３７の冷却性能を一層高めることが可能となる。

また、本実施形態では、リブ５４をクラウン部４６の裏面４８に設けており、前記した従来技術において必要となっていた切削加工等の追加工が不要となる。そのため、簡易な製造工程によって、高強度及び高冷却性能を実現可能なピストン３７を提供することが可能となる。

本実施形態では図５に示されるように、ピンボス部５０の下端とリブ５４の下端が略同一の高さになっているが、他の異なる実施形態では、ピンボス部５０の下端よりもリブ５４の下端が高い位置に来るように設定することも可能である。

２５ シリンダ
３７ ピストン
３８ ピストンピン
４０ コンロッド
４６ クラウン部
４７ スカート部
４８ 裏面
５１ 頂面
５４ リブ
６０ ピストンジェット

Claims (2)

1. シリンダ内に往復動可能に設けられるピストンと、該ピストンの下方にピストンピンを介して連結されるコンロッドと、を備えた内燃機関のピストン構造であって、
   前記ピストンの頂面を構成するクラウン部と、該クラウン部の外周から下方に向かって延びるスカート部と、を備え、
   前記クラウン部の裏面には、該クラウン部の中央よりも一方側のみにリブが形成され、該リブ形成側とは反対側の前記クラウン部の裏面に向かって、エンジンオイルを噴射可能なようにピストンジェットが設けられ、
   前記リブは、該リブ形成側の前記スカート部の下端と前記ピストンピンの外周面とを結ぶ上下２本の接線のうち上側の接線よりも、下方へ延出して形成されていることを特徴とする内燃機関のピストン構造。
2. シリンダ内に往復動可能に設けられるピストンと、該ピストンの下方にピストンピンを介して連結されるコンロッドと、を備えた内燃機関のピストン構造であって、
   前記ピストンの頂面を構成するクラウン部と、該クラウン部の外周から下方に向かって延びるスカート部と、を備え、
   前記クラウン部の裏面には、該クラウン部の中央よりも一方側のみにリブが形成され、該リブ形成側とは反対側の前記クラウン部の裏面に向かって、エンジンオイルを噴射可能なようにピストンジェットが設けられ、
   前記リブは、前記スカート部よりも前記ピストンピン側に近接して形成され、且つ、前記ピストンピンの下端と同位置又は該下端より下方へ延出して形成されていることを特徴とする内燃機関のピストン構造。