特開 2024-50163 ピストン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024050163

(43)【公開日】2024-04-10

(54)【発明の名称】ピストン

(51)【国際特許分類】

   F02F 3/00 20060101AFI20240403BHJP

   F16J 1/00 20060101ALI20240403BHJP

【ＦＩ】

F02F3/00 E

F02F3/00 301Z

F16J1/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022156838

(22)【出願日】2022-09-29

(71)【出願人】

【識別番号】000005348

【氏名又は名称】株式会社ＳＵＢＡＲＵ

(74)【代理人】

【識別番号】110002066

【氏名又は名称】弁理士法人筒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】永洞 真康

【テーマコード（参考）】

3J044

【Ｆターム（参考）】

3J044AA20

3J044CA18

3J044CA25

3J044DA09

(57)【要約】

【課題】燃焼室内のガス流動を強化する。
【解決手段】ピストンは、冠面側に開口する収容凹部が形成される中央本体部と、前記収容凹部の開口部を囲むフランジおよび環状冠面が形成される外周本体部と、を備えるピストン本体を有する。前記ピストンは、前記収容凹部に収容され、前記開口部から露出する中央冠面を備え、前記フランジに接触する第１位置と前記フランジから離れる第２位置とに移動可能である可動部材を有する。前記ピストンは、前記ピストン本体と前記可動部材との間に設けられ、前記可動部材を前記第１位置に向けて付勢するバネ部材を有する。前記可動部材が前記第１位置に移動した状態のもとで、前記環状冠面と前記中央冠面とは互いに連続している。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

エンジンに組み付けられるピストンであって、
冠面側に開口する収容凹部が形成される中央本体部と、前記収容凹部の開口部を囲むフランジおよび環状冠面が形成される外周本体部と、を備えるピストン本体と、
前記収容凹部に収容され、前記開口部から露出する中央冠面を備え、前記フランジに接触する第１位置と前記フランジから離れる第２位置とに移動可能である可動部材と、
前記ピストン本体と前記可動部材との間に設けられ、前記可動部材を前記第１位置に向けて付勢するバネ部材と、
を有し、
前記可動部材が前記第１位置に移動した状態のもとで、前記環状冠面と前記中央冠面とは互いに連続している、
ピストン。

【請求項2】

請求項１に記載のピストンにおいて、
前記環状冠面および前記中央冠面は、バルブリセスが形成されていない平面である、
ピストン。

【請求項3】

請求項１に記載のピストンにおいて、
前記環状冠面および前記中央冠面は、バルブリセスが形成されていない曲面である、
ピストン。

【請求項4】

請求項１に記載のピストンにおいて、
前記バネ部材は、圧縮行程の筒内圧力が前記中央冠面に作用しても前記可動部材を前記第１位置に保持する、
ピストン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エンジンに組み付けられるピストンに関する。

【背景技術】

【0002】

エンジンのシリンダには、燃焼室を区画するピストンが組み付けられている（特許文献１～４参照）。また、燃焼室において混合気を良好に燃焼させるためには、燃焼室内にタンブル流等のガス流動を発生させることが重要となっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０００－１３６７２４号公報

【特許文献2】特開２００７－２２４７８７号公報

【特許文献3】特開２０１３－４４２７８号公報

【特許文献4】特開２０１４－４３８３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、燃焼室内にタンブル流等のガス流動を発生させることにより、混合気の燃焼期間を短縮してエンジン熱効率を高めることが可能であるが、このエンジン熱効率については更なる向上が求められている。つまり、エンジン熱効率の更なる向上を達成するため、燃焼室内のガス流動についても更なる強化が求められている。

【0005】

本発明の目的は、燃焼室内のガス流動を強化することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

一実施形態に係るピストンは、エンジンに組み付けられるピストンであって、冠面側に開口する収容凹部が形成される中央本体部と、前記収容凹部の開口部を囲むフランジおよび環状冠面が形成される外周本体部と、を備えるピストン本体と、前記収容凹部に収容され、前記開口部から露出する中央冠面を備え、前記フランジに接触する第１位置と前記フランジから離れる第２位置とに移動可能である可動部材と、前記ピストン本体と前記可動部材との間に設けられ、前記可動部材を前記第１位置に向けて付勢するバネ部材と、を有し、前記可動部材が前記第１位置に移動した状態のもとで、前記環状冠面と前記中央冠面とは互いに連続している。

【発明の効果】

【0007】

本発明の一態様によれば、可動部材が第１位置に移動した状態のもとで、環状冠面と中央冠面とは互いに連続している。これにより、燃焼室内のガス流動を強化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】エンジンが搭載された車両の一例を示す図である。

【図2】エンジンの一例を示す図である。

【図3】エンジンの燃焼室およびその近傍を示す図である。

【図4】図３の矢印α方向からピストンを示す図である。

【図5】ピストンを示す断面図である。

【図6】ピストンを示す断面図である。

【図7】ピストンの分解状態を示す断面図である。

【図8】圧縮行程および膨張行程における可動ヘッドの位置を示す図である。

【図9】燃焼室内における吸入空気の流れ方向の一例を示す図である。

【図10】燃焼室内における吸入空気の流れ方向の一例を示す図である。

【図11】ピストンに対して吸気バルブや排気バルブが接触する状況の一例を示す図である。

【図12】異常燃焼が発生する状況の一例を示す図である。

【図13】他の実施形態１として、圧縮行程および膨張行程における可動ヘッドの位置を示す図である。

【図14】他の実施形態２であるピストンを示す断面図である。

【図15】他の実施形態３であるピストンを示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一または実質的に同一の構成や要素については、同一の符号を付して繰り返しの説明を省略する。

【0010】

［車両］
図１はエンジン１０が搭載された車両１１の一例を示す図である。図１に示すように、車両１１には、エンジン１０を備えたパワーユニット１２が搭載されている。パワーユニット１２の出力軸１３には、プロペラ軸１４およびデファレンシャル機構１５を介して車輪１６が連結されている。図示するパワーユニット１２は、後輪駆動用のパワーユニットであるが、これに限られることはなく、前輪駆動用や全輪駆動用のパワーユニットであっても良い。また、後述するように、図示するエンジン１０は、水平対向エンジンであるが、これに限られることはなく、例えば、直列エンジン、Ｖ型エンジン或いは単気筒エンジンであっても良い。

【0011】

［エンジン］
図２はエンジン１０の一例を示す図である。図２に示すように、エンジン１０は、一方のシリンダバンクを構成するシリンダブロック２０と、他方のシリンダバンクを構成するシリンダブロック２１と、一対のシリンダブロック２０，２１に支持されるクランク軸２２と、を有している。各シリンダブロック２０，２１には、動弁機構２３等を備えたシリンダヘッド２４が取り付けられている。これらのシリンダヘッド２４には、燃焼室２５に連通する吸気ポート２６が形成されるとともに、吸気ポート２６を開閉する吸気バルブ２７が組み付けられている。また、シリンダヘッド２４には、燃焼室２５に連通する排気ポート２８が形成されるとともに、排気ポート２８を開閉する排気バルブ２９が組み付けられている。なお、シリンダヘッド２４には、燃焼室２５内の混合気に点火する図示しない点火プラグが設けられており、吸入空気に向けて燃料を噴射する図示しないインジェクタが設けられている。

【0012】

各シリンダブロック２０，２１にはシリンダボア３０が形成されており、各シリンダボア３０にはピストン３１が収容されている。このように、エンジン１０のシリンダブロック２０，２１には、本発明の一実施形態であるピストン３１が組み付けられている。このピストン３１にはピストンピン３２が取り付けられており、ピストンピン３２にはコネクティングロッド３３の小端部３４が連結されている。また、クランク軸２２にはクランクジャーナル３５に対して偏心するクランクピン３６が設けられており、クランクピン３６にはコネクティングロッド３３の大端部３７が連結されている。このように、クランク軸２２とピストン３１とは、コネクティングロッド３３を介して互いに連結されている。

【0013】

［ピストン］
図３はエンジン１０の燃焼室２５およびその近傍を示す図であり、図４は図３の矢印α方向からピストン３１を示す図である。また、図５および図６はピストン３１を示す断面図であり、図７はピストン３１の分解状態を示す断面図である。図５および図６には、図４のＡ１－Ａ１線に沿うピストン３１の断面と、図４のＡ２－Ａ２線に沿うピストン３１の断面と、が示されている。なお、図５には可動ヘッド４２を前進位置に移動させた状態が示されており、図６には可動ヘッド４２を後退位置に移動させた状態が示されている。

【0014】

図３に示すように、シリンダボア３０、ピストン３１およびシリンダヘッド２４によって、燃焼室２５が区画されている。図４～図７に示すように、ピストン３１は、収容凹部４０が形成されるピストン本体４１と、ピストン本体４１の収容凹部４０に収容される可動ヘッド（可動部材）４２と、を有している。また、ピストン本体４１の収容凹部４０には皿バネ（バネ部材）４３が収容されており、この皿バネ４３はピストン本体４１と可動ヘッド４２との間に配置されている。なお、収容凹部４０に対して可動ヘッド４２および皿バネ４３を収容するため、ピストン本体４１は所定部位で分割される分割構造を有している。例えば、図５に破線βで示した部位において、ピストン本体４１を２つに分割することにより、ピストン本体４１の収容凹部４０に対して可動ヘッド４２および皿バネ４３を収容することが可能である。

【0015】

図７に示すように、ピストン本体４１は、ピストン中央に設けられる中央本体部４４と、中央本体部４４の径方向外側に設けられる外周本体部４５と、によって構成されている。ピストン本体４１の中央本体部４４には、ピストン冠面（冠面）４６側に開口する収容凹部４０が形成されており、ピストンピン３２を挿入するためのピンボス部４７が形成されている。また、ピストン本体４１の外周本体部４５には、収容凹部４０の開口部４０ｏを囲む内フランジ（フランジ）４８および環状冠面４９が形成されている。さらに、ピストン本体４１の外周本体部４５には、ピストンリング５０が取り付けられるランド部５１が形成されており、シリンダボア３０の内周面に摺動自在に接触するスカート部５２が形成されている。なお、外周本体部４５の内フランジ４８は、ランド部５１から径方向内側に延びて形成されている。また、ピストン冠面４６は、ピストン頂面、ピストン上面或いはピストンヘッドとも呼ばれている。

【0016】

ピストン３１の可動ヘッド４２は、中央冠面６０が形成される円盤状のヘッド本体６１と、ヘッド本体６１から径方向外側に拡がる外フランジ６２と、を有している。可動ヘッド４２はピストン本体４１の収容凹部４０に収容されており、可動ヘッド４２の中央冠面６０は収容凹部４０の開口部４０ｏから露出している。また、ヘッド本体６１の外周面６１ａには環状シール６３が取り付けられており、ヘッド本体６１の外周面６１ａとこれに対向する内フランジ４８の内周面４８ａとの隙間は環状シール６３によって密閉されている。さらに、収容凹部４０に収容される可動ヘッド４２は、ピストン中心線ＣＬに沿って移動可能となっている。つまり、可動ヘッド４２は、図５に示すように、外フランジ６２が内フランジ４８に接触する前進位置（第１位置）と、図６に示すように、外フランジ６２が内フランジ４８から離れる後退位置（第２位置）と、に移動可能となっている。

【0017】

図５に示すように、ピストン本体４１と可動ヘッド４２との間に皿バネ４３が設けられることから、可動ヘッド４２は皿バネ４３のバネ力によって前進位置に付勢される。一方、図６に示すように、可動ヘッド４２に対して所定値を超えた推力Ｆａが作用すると、可動ヘッド４２は皿バネ４３のバネ力に抗して後退位置に移動する。ここで、図８は圧縮行程および膨張行程における可動ヘッド４２の位置を示す図である。図８に示すように、圧縮行程および膨張行程の双方において、可動ヘッド４２が前進位置を保持するように、皿バネ４３のバネ力が設定されている。すなわち、圧縮行程の筒内圧力が可動ヘッド４２に作用する場合、つまり吸入空気の圧縮によって上昇する筒内圧力が可動ヘッド４２に作用する場合であっても、可動ヘッド４２は皿バネ４３のバネ力によって前進位置に保持されている。また、膨張行程の筒内圧力が可動ヘッド４２に作用する場合、つまり混合気の燃焼によって上昇する筒内圧力が可動ヘッド４２に作用する場合であっても、可動ヘッド４２は皿バネ４３のバネ力によって前進位置に保持されている。

【0018】

図４および図５に示すように、ピストン３１の可動ヘッド４２が前進位置に移動した状態のもとでは、ピストン本体４１の環状冠面４９と可動ヘッド４２の中央冠面６０とは互いに連続している。つまり、環状冠面４９と中央冠面６０との間には段差が無く、環状冠面４９と中央冠面６０とは滑らかに連なっている。換言すれば、環状冠面４９と中央冠面６０とは、段差の無い面一になっている。また、環状冠面４９および中央冠面６０は、バルブリセスが形成されていない平面である。このように、ピストン３１の可動ヘッド４２が前進位置に移動した状態のもとでは、環状冠面４９および中央冠面６０からなるピストン冠面４６が凹凸の無い滑らかな平面となっている。なお、バルブリセスとは、吸気バルブ２７や排気バルブ２９との接触を回避するため、ピストン冠面に形成される凹みである。

【0019】

［ガス流動］
続いて、燃焼室２５における混合気のガス流動について説明する。図９および図１０は燃焼室２５内における吸入空気の流れ方向の一例を示す図である。図９に矢印Ｆａで示すように、エンジン１０の吸気行程においては、吸入空気の多くが吸気ポート２６と吸気バルブ２７との隙間Ｇに流れ込み、シリンダボア３０内に縦渦状のガス流動であるタンブル流Ｆｔが生成される。そして、図１０に示すように、ピストン３１が上死点近傍に到達する圧縮行程の終盤においても、燃焼室２５内にはタンブル流Ｆｔが維持されている。

【0020】

ここで、前述したように、圧縮行程の終盤においても、ピストン３１の可動ヘッド４２は前進位置に保持され、ピストン冠面４６は凹凸の無い滑らかな平面となっている。これにより、図９および図１０に符号Ｘ１，Ｘ２で示すように、タンブル流Ｆｔがピストン冠面４６に接触する場合であっても、ピストン冠面４６がバルブリセスの無い平面であることから、タンブル流Ｆｔの勢いを維持することができる。これにより、圧縮行程の終盤においても、燃焼室２５内に強力なタンブル流Ｆｔを生成することができ、混合気の燃焼効率を高めてエンジン１０の熱効率を高めることができる。

【0021】

［フェイルセーフ］
前述したように、環状冠面４９および中央冠面６０からなるピストン冠面４６は、バルブリセスが形成されていない平面であることから、タンブル流等のガス流動を強化することが可能である。しかしながら、ピストン冠面４６からバルブリセスを削減することは、吸気バルブ２７や排気バルブ２９に対してピストン３１を接近させる要因である。このため、万一、可変動弁機構の誤動作によってバルブタイミングにズレが生じた場合には、ピストン３１に対して吸気バルブ２７や排気バルブ２９が接触する虞がある。しかしながら、ピストン３１には可動ヘッド４２が移動可能に設けられることから、ピストン３１に対して吸気バルブ２７や排気バルブ２９が接触した場合であっても、エンジン１０の過度な損傷を防止することが可能である。

【0022】

図１１はピストン３１に対して吸気バルブ２７や排気バルブ２９が接触する状況の一例を示す図である。図１１に符号Ｘ３で示すように、ピストン３１の可動ヘッド４２に対して吸気バルブ２７が接触した場合であっても、吸気バルブ２７によって可動ヘッド４２が押し込まれることから、吸気バルブ２７やピストン３１の過度な損傷を防止することができる。また、図１１に符号Ｘ４で示すように、ピストン３１の可動ヘッド４２に対して排気バルブ２９が接触した場合であっても、排気バルブ２９によって可動ヘッド４２が押し込まれることから、排気バルブ２９やピストン３１の過度な損傷を防止することができる。

【0023】

［異常燃焼］
また、ピストン３１には可動ヘッド４２が移動可能に設けられるため、ノッキングやプレイグニッション等の異常燃焼が発生したとしても、これらの異常燃焼によるエンジン部品の損傷を回避することができる。ここで、図１２は異常燃焼が発生する状況の一例を示す図である。図１２に符号Ｘ５で示すように、ノッキング等の異常燃焼によって筒内圧力が急激に上昇した場合には、上昇した筒内圧力によって可動ヘッド４２が後退位置に押し込まれる。これにより、燃焼室２５の容積を拡大して筒内圧力を下げることができるため、ノッキング等の異常燃焼によるエンジン部品の損傷を回避することができる。

【0024】

［他の実施形態１］
前述の説明では、圧縮行程および膨張行程の双方において可動ヘッド４２を前進位置に保持しているが、これに限られることはなく、膨張行程において可動ヘッド４２を後退位置に移動させても良い。ここで、図１３は、他の実施形態１として、圧縮行程および膨張行程における可動ヘッド４２の位置を示す図である。なお、図１３において、図８に示した部位や部材と同様の部位や部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。

【0025】

図１３に示すように、圧縮行程において可動ヘッド４２を前進位置に保持し、膨張行程において可動ヘッド４２を後退位置に移動させるように、バネ部材である皿バネ７０のバネ力を設定しても良い。すなわち、圧縮行程の筒内圧力が可動ヘッド４２に作用する場合、つまり吸入空気の圧縮によって上昇する筒内圧力が可動ヘッド４２に作用する場合に、可動ヘッド４２は皿バネ７０のバネ力によって前進位置に保持される。また、膨張行程の筒内圧力が可動ヘッド４２に作用する場合、つまり混合気の燃焼によって上昇する筒内圧力が可動ヘッド４２に作用する場合に、可動ヘッド４２は皿バネ７０のバネ力に抗して前進位置から後退位置に移動する。

【0026】

このように、膨張行程で可動ヘッド４２を後退位置に移動させる場合であっても、圧縮行程で可動ヘッド４２は前進位置に保持されることから、燃焼室２５内のタンブル流を強化することができる。つまり、図９および図１０に示すように、圧縮行程の終盤においても燃焼室２５内に強力なタンブル流Ｆｔを維持することができ、混合気の燃焼効率を高めてエンジン１０の熱効率を高めることができる。

【0027】

［他の実施形態２，３］
図５に示した例では、環状冠面４９および中央冠面６０を平面に形成しているが、これに限られることはなく、環状冠面４９および中央冠面６０を曲面に形成しても良い。ここで、図１４は他の実施形態２であるピストン８０を示す断面図であり、図１５は他の実施形態３であるピストン９０を示す断面図である。なお、図１４および図１５には、図５と同様の部位で切断した断面が示されている。また、図１４および図１５において、図５に示した部位や部材と同様の部位や部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。

【0028】

図１４に示すように、ピストン８０は、収容凹部４０が形成されるピストン本体８１と、ピストン本体４１の収容凹部４０に収容される可動ヘッド（可動部材）８２と、を有している。また、ピストン本体８１の環状冠面８３と可動ヘッド８２の中央冠面８４とは、バルブリセスを備えていない凸状の曲面に形成されている。図示するように、ピストン８０の可動ヘッド８２が前進位置に移動した状態のもとでは、ピストン本体８１の環状冠面８３と可動ヘッド８２の中央冠面８４とは互いに連続している。つまり、環状冠面８３と中央冠面８４との間には段差が無く、環状冠面８３と中央冠面８４とは滑らかに連なっている。換言すれば、環状冠面８３と中央冠面８４とは、段差の無い面一になっている。このように、ピストン８０の可動ヘッド８２が前進位置に移動した状態のもとでは、環状冠面８３および中央冠面８４からなるピストン冠面（冠面）８５が凹凸の無い滑らかな曲面となっている。

【0029】

このように、環状冠面８３および中央冠面８４からなるピストン冠面８５が、バルブリセスの形成されていない曲面であっても、燃焼室２５内のタンブル流を強化することができる。つまり、タンブル流がピストン冠面８５に接触する場合であっても、ピストン冠面８５がバルブリセスの無い曲面であることから、タンブル流の勢いを維持することができる。これにより、圧縮行程の終盤においても燃焼室２５内に強力なタンブル流を生成することができ、混合気の燃焼効率を高めてエンジン１０の熱効率を高めることができる。

【0030】

図１５に示すように、ピストン９０は、収容凹部４０が形成されるピストン本体９１と、ピストン本体４１の収容凹部４０に収容される可動ヘッド（可動部材）９２と、を有している。また、ピストン本体９１の環状冠面９３と可動ヘッド９２の中央冠面９４とは、バルブリセスを備えていない凹状の曲面に形成されている。図示するように、ピストン９０の可動ヘッド９２が前進位置に移動した状態のもとでは、ピストン本体９１の環状冠面９３と可動ヘッド９２の中央冠面９４とは互いに連続している。つまり、環状冠面９３と中央冠面９４との間には段差が無く、環状冠面９３と中央冠面９４とは滑らかに連なっている。換言すれば、環状冠面９３と中央冠面９４とは、段差の無い面一になっている。このように、ピストン９０の可動ヘッド９２が前進位置に移動した状態のもとでは、環状冠面９３および中央冠面９４からなるピストン冠面（冠面）９５が凹凸の無い滑らかな曲面となっている。

【0031】

このように、環状冠面９３および中央冠面９４からなるピストン冠面９５が、バルブリセスの形成されていない曲面であっても、燃焼室２５内のタンブル流を強化することができる。つまり、タンブル流がピストン冠面９５に接触する場合であっても、ピストン冠面９５がバルブリセスの無い曲面であることから、タンブル流の勢いを維持することができる。これにより、圧縮行程の終盤においても燃焼室２５内に強力なタンブル流を生成することができ、混合気の燃焼効率を高めてエンジン１０の熱効率を高めることができる。

【0032】

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。図示するエンジン１０は、車両１１に搭載されるエンジンであるが、これに限られることはなく、他の装置等に動力源として用いられるエンジンに対し、本発明の実施形態であるピストン３１，８０，９０を適用しても良い。また、図示するエンジン１０は、燃料としてガソリンを用いたガソリンエンジンであるが、これに限られることなく、燃料として軽油や水素等を用いたエンジンに対し、本発明の実施形態であるピストン３１，８０，９０を適用しても良い。また、燃焼室２５内におけるタンブル流を更に強化するため、吸入空気の流れ方向を制御するタンブルバルブをシリンダヘッド２４に取り付けても良い。

【0033】

前述の説明では、ガス流動として、シリンダボア中心軸に直交する軸まわりの旋回流であるタンブル流を強化しているが、これに限られることはなく、シリンダボア中心軸まわりの旋回流であるスワール流を強化しても良い。また、図示する例では、２つの皿バネ４３を用いているが、これに限られることはなく、１つの皿バネを用いても良く、３つ以上の皿バネを用いても良い。また、前述の説明では、バネ部材として皿バネ４３を用いているが、これに限られることはなく、バネ部材として圧縮コイルバネを用いても良い。

【符号の説明】

【0034】

１０ エンジン
３１ ピストン
４０ 収容凹部
４０ｏ 開口部
４１ ピストン本体
４２ 可動ヘッド（可動部材）
４３ 皿バネ（バネ部材）
４４ 中央本体部
４５ 外周本体部
４６ ピストン冠面（冠面）
４８ 内フランジ（フランジ）
４９ 環状冠面
６０ 中央冠面
７０ 皿バネ（バネ部材）
８０ ピストン
８１ ピストン本体
８２ 可動ヘッド（可動部材）
８３ 環状冠面
８４ 中央冠面
８５ ピストン冠面（冠面）
９０ ピストン
９１ ピストン本体
９２ 可動ヘッド（可動部材）
９３ 環状冠面
９４ 中央冠面
９５ ピストン冠面（冠面）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】