雨だったり 台風だったり・・・風邪ひいたり
バイクがまったく乗れません・・・
9月後半から土日毎に雨ふられたら
本当に心がすさんで来ます。

そして、バイクの季節の秋が終わろうとしております。


でもバイクにかける思いは変わらず・・・

というわけで コラムを書きつつ
勉強していきたいと思います。

前置きはさておき、今回は【ピストン】についてです



ピストンの構造と条件




理想の4サイクルピストン条件ってなんだろう?
箇条書きで書いていきます。

図や掲示物は、転用禁止と致します。
私の個人資料になります。
  • 質量は限りなく0に近い
  • 高圧縮比でもノッキングが起こさないまでの、必用最低限の放射性能があり熱だまりがすくない
  • ピストンとシリンダーの間の油膜を保つ事が可能になる
  • ピストンとシリンダーのクリアランスは油膜厚さと同一でそれ以上のクリアランスはない
  • 低温でも高温でもピストンとシリンダーのクリアランスは一定になる
  • 燃焼室にオイルをあげるのを防ぐ
  • ピストンとシリンダーヘッドで形成される燃焼室形状は完全球形
  • リング溝にはカーボンが着かず、装着されたピストンリングがスムーズに上下運動をし、又ゆっくり回転をする。
  • 運転中はピストンからの受ける曲げ荷重、圧縮荷重による弾性変形と油膜切れがない
  • 耐久運転後でもピストン変形が無い

ピストンの質量を軽くすると、以下の様なグラフになります


ピストン

質量は限りなく0に近い方が良い!


ピストンを軽量化すればするほど
生み出される力が強くなります。

最近はピストン軽量化といって、スカート部を
短くし、質量を減らしパワーをかせいでいる
ピストンを見かける様になりました。

スカットモデル 確かに・・名前の通りですね(^^;





ノッキングをおこさせない構造



単気筒 エンジンのピストン回り往復部(ピストン・ピストンピン・コンロッド小端部)
質量によるエンジン出力損失の土合をし示しています。
回転が上がるにつれ、急激に出力損失は大きくなります。
往復部質量が少なければ少ないほど、この出力損失は急激に下がります。
ピストンを軽くすればそれだけ 出力アップが可能になります。

往復部質量が少ないということは、コンロッド大端ベアリングの耐久寿命を
向上させる事が可能になります。

排気行程では急激に持ち上がるピストンをコンロッド大端ベアリングが引っ張って
止めようとします。高回転エンジンになると、この力は燃焼室の燃焼圧力より
大きくなってしまう可能性があります。 ピストンの質量軽量はこの力を
小さくしてくれます。


ピストン2

図は排気量 250ccを参考となります。



高圧縮比でも、ノッキングを起こさないまでの必要最小限の放熱性能があり
熱溜まり箇所が無い

ガソリンエンジンのピストン頭部を含む燃焼室壁面からはある程度の放熱性が必要になります。
一見セラミックなどで、全面を断熱すれば燃焼エネルギーを効率良く動力エネルギーに変換
出来ると思われがちです。

ところが、そう上手くはいきません

燃焼室内の温度が上昇しすぎてノッキングが押さえきれなくなってしまいます。

逆に過大なエネルギーを捨てているだけのエンジンになってしまいます。


熱だまり箇所があると、そこに混合気の予期せぬ異常着火箇所(ヒートスポット)になってしまったり
ピストンが均一な熱膨張により異常形状をおこしま
す。


たとえノッキングがおきても材料が融けない


万が一にも、ノッキングが起きた途端にピストン頭頂部に穴が開いたり
ピストントップリング装着部付近が融け出してしまっては
使い物にならない為、素早い放熱性と耐熱性能の高い
部材が必要不可欠になります。


ピストンとシリンダーの間に常に油膜を保つ事が出来る


運転中にピストンとシリンダーと直接接触する事があってはいけません。
あっという間に金属同士が焼き付きをおこし、エンジンがとまります。
金属同士は油膜で浮いた状態を常に保つ必要があります。

一見こすられているように思うのですが、実はホバークラフトのように
浮きながら動作しております。

鏡面のような表面同士にしてしまうと、油が剥離してしまい
金属接触をおこしやすくなる為、現状では表面とシリンダー表面に
微細な凹凸が施されて油膜を保持されております。



ピストン4



低温・高温関係なく、ピストンとシリンダーのクリアランスかわらない

ピストンとシリンダーのクリアランスは
寒い時期 (朝の始動時)熱間時(エンジン暖気後・全負荷で運転時)では
クリアランスが異なります。

これは「アルミ材」ピストンと「鋳鉄材・ちゅうてつざい」シリンダースリーブで
熱による線膨張率が異なる為です。

アルミは鋳鉄に比べ2倍程度膨張しやすい
熱間時はクリアランスが最適になるように設計する為
寒い時は、クリアランスは大きくなってしまいます。

従って、ピストンスラップ音は冷間時はアイドル運転の時に耳につきやすくなります。
もし、このクリアランスが熱によって、変化しなければ
大変静かなエンジンが出来ると思います。


ピストン5
この隙間が熱膨張で変化がおこります。


燃焼室へオイルは上がっていかない


ピストンとシリンダーの間にはオイル潤滑が必要不可欠という事は
上記で書いております。

オイルが更に這い上がって、間違って燃焼室に入り混むと
燃料と共に燃えて無くなってしまいます。

運転中にオイルが減ってくるのは、この為です。
オイルがなくなるだけならまだ良いのですが、その量が多くなると
マフラーから白煙を出します。最悪はピストンリングの回りにカーボンが
推積されリングが固着させたりします。

潤滑に使ったオイルはピストンとリングでなるべく多くクランクケース側に
戻す事が必要となります。

ピストン6


ピストンリング固着せずに潤滑に回る事で
オイルを戻す役割をしております。



今回のコラムではピストンって何だろう?
という事を掘り下げてみました。

又面白いコラムを書ければと思います。




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