JP2002317695A - ピストン - Google Patents

ピストン

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JP2002317695A
JP2002317695A JP2001121637A JP2001121637A JP2002317695A JP 2002317695 A JP2002317695 A JP 2002317695A JP 2001121637 A JP2001121637 A JP 2001121637A JP 2001121637 A JP2001121637 A JP 2001121637A JP 2002317695 A JP2002317695 A JP 2002317695A
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piston
cylinder
wall
ring
piston body
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JP2001121637A
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Takao Suzuki
孝男 鈴木
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃費を向上可能なピストンを提供する。 【解決手段】 内のバルブや点火プラグ等の記載は省略
する。ピストンPは、シリンダヘッドCHとの間に燃焼
室CCを形成する頂面TSを含むピストン本体PBを有
し、シリンダCLR内を往復運動するピストンPにおい
て、ピストンPの往復運動方向Zの回りを囲むように、
ピストン本体PBに対して一体的に形成され、シリンダ
CLRの内壁に接触する環状部RG1、RG2、RG3
を有する。環状部RG1、RG2、RG3は、燃焼室C
C側の気体シール機能と燃焼室CC側へのオイルシール
機能を達成する。環状部RG1、RG2、RG3はピス
トン本体PBに対して一体的に形成されているので、シ
リンダCLRの内壁との間の摩擦を低減することができ
る。また、従来のようなピストンリングの嵌め込み工程
を省略できるという利点もある。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ピストンに関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来のピストンは、特開平11−325
248号公報に記載されている。このようなピストンに
おいては、ピストンの外周に、ピストンリングが嵌め込
まれている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
構造においては、ピストンとシリンダ内壁との間の摩擦
力が高く、燃費の更なる向上が期待できない。本発明
は、このような課題に鑑みてなされたものであり、燃費
を向上可能なピストンを提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明に係るピストンは、シリンダヘッドとの間に
燃焼室を形成する頂面を含むピストン本体を有し、シリ
ンダ内を往復運動するピストンにおいて、ピストンの往
復運動方向の回りを囲むように、ピストン本体に対して
一体的に形成され、シリンダの内壁に接触する環状部を
有することを特徴とする。
【0005】環状部は、燃焼室側の気体シール機能と燃
焼室側へのオイルシール機能を達成するが、本発明にお
いては、環状部はピストン本体に対して一体的に形成さ
れているので、シリンダ壁との間の摩擦を低減すること
ができる。また、従来のようなピストンリングの嵌め込
み工程を省略できるという利点もある。
【0006】また、本発明のピストンは、ピストン本体
の下部を構成する円筒状のスカート部を備え、前記スカ
ート部は、その厚み方向に貫通する第1オイル通路を備
えていることを特徴とする。
【0007】この場合、オイルが第1オイル通路を介し
てシリンダ壁面に供給され、また、排出される。
【0008】また、環状部の数は複数であることが好ま
しく、この場合、上記シール機能を向上させることがで
きる。
【0009】環状部の数が複数である場合、ピストン
は、環状部間にピストンの下側からのオイルを通過させ
る第2オイル通路を備えていることが好ましく、この場
合、当該第2オイル通路を介して環状部とシリンダ内壁
との間にオイルが供給され、また、排出される。
【0010】環状部の前記シリンダの内壁との接触部は
前記往復運動方向に沿って湾曲した曲面であることが好
ましく、この場合、環状部とシリンダ内壁との間の摩擦
を低減することができる。
【0011】接触部と前記頂面との間の表面は、これに
垂直な気体圧力が、前記接触部の当接するシリンダの内
壁に垂直な方向からずれた方向に加わるような形状を構
成していることが好ましい。この場合、ピストンの内壁
からの離隔を抑制することができる。この場合、ピスト
ンの内壁からの離隔を抑制することができる。例えば、
この形状としては、ピストンの軸から等距離に位置す
る、シリンダ内壁方向へ凸な線分の集合体からなる曲面
とすることができる。
【0012】また、それぞれの環状部とシリンダの内壁
との間のそれぞれの最短距離は、前記頂面から離隔する
ほど大きくなることとしてもよく、この場合、頂面側の
環状部が磨耗しても、頂面から離隔した側の環状部がシ
リンダ内壁に近接することとなるため、上述のシール機
能を十分に達成することができる。
【0013】また、それぞれの環状部の体積は、前記頂
面から離隔するほど小さくなることが好ましく、この場
合、当該往復運動方向を含む平面内において所定の角度
で揺動するピストンの慣性モーメントが大きくなり、ピ
ストン内壁との摩擦を小さくすることができると共に、
環状部間の空間の体積を適当に設定することにより、そ
の姿勢を制御することができる。
【0014】また、前記頂面側の環状部のシリンダの内
壁との接触部は前記往復運動方向に沿って湾曲した曲面
であり、これから離隔した環状部のシリンダの内壁との
接触部は前記往復運動方向に沿って折れ曲がったエッジ
面であることとしてもよい。この場合、頂面側の環状部
は摩擦を低減しつつ気体シールとしての機能が強調さ
れ、離隔した側の環状部は摩擦はあるもののオイル掻き
用のシールとしての機能が強調される。
【0015】また、スカート部は、ピストンの往復運動
方向の回りを囲むように、スカート部に対して一体的に
形成され、シリンダの内壁に接触するオイル掻き用環状
部を有する。
【0016】この場合、オイル掻き用環状部はオイル側
に近い位置、すなわち、スカート部に設けられているの
で、オイル掻き用のシールとして十分に機能すると共
に、スカート部に対して一体的に形成されているため、
シリンダ内壁との間の摩擦を低減することができる。
【0017】また、環状部はピストン本体の外周面を切
削加工することによって形成されることとしてもよい
が、リングをピストン本体内に鋳込むことによって形成
されることとしてもよい。
【0018】このリングの材料がピストン本体の材料と
同一である場合には、これらの間の熱膨張係数を揃える
ことができるため、両者の分離を抑制し、耐久性を向上
させることができる。
【0019】リング及ピストン本体の材料はアルミニウ
ムを含むことが好ましく、この材料は軽量且つ熱伝導率
に優れる。
【0020】リングの材料は前記ピストン本体の材料と
異なり、ピストン本体よりも熱伝導率を高くすることも
できる。この場合、シリンダの内壁と接触するのはリン
グであるため、その熱伝導率が高ければ、効率的にピス
トン本体の熱をシリンダ側に逃がすことができる。
【0021】この場合、ピストン本体の材料はアルミニ
ウムを含み、リングの材料は銅を含むことが好ましい。
なお、鋳鉄等を選択することもできる。
【0022】また、リングの材料はシリンダの内壁の材
料と同一であることとしてもよく、この場合、リングと
シリンダの内壁との間の熱膨張による距離変化を抑制す
ることができる。リング及シリンダの材料は鋳鉄である
ことが好ましい。
【0023】更に、リングが複数であり、これらのリン
グのうち、前記頂面に最も近いものの材料は、ピストン
本体の材料と異なり、ピストン本体よりも熱伝導率が高
いことが好ましい。すなわち、熱の影響を最も受けるの
は、燃焼室に近い側のリングであるため、これの熱伝導
率を上げることにより、効率的にピストン本体の熱をシ
リンダ側に逃がすことができる。この場合、ピストン本
体の材料はアルミニウムを含み、リングの材料は銅を含
むことができる。
【0024】
【発明の実施の形態】以下、実施の形態に係るピストン
について説明する。同一要素には同一符号を用い、重複
する説明は省略する。
【0025】図1は、実施形態のピストンPを含むシリ
ンダ近傍部位の縦断面図である。円筒面を内周面として
有する内壁からなるシリンダCDR内に、円筒面を外周
面として有するピストンPが位置し、シリンダCDRを
含むシリンダブロックCBの上にはシリンダヘッドCH
が取り付けられている。なお、シリンダヘッドCH内の
バルブや点火プラグ等の記載は省略する。
【0026】本ピストンPは、シリンダヘッドCHとの
間に燃焼室CCを形成する頂面TSを含むピストン本体
PBを有し、シリンダCLR内を往復運動するピストン
Pにおいて、ピストンPの往復運動方向Zの回りを囲む
ように、ピストン本体PBに対して一体的に形成され、
シリンダCLRの内壁に接触する環状部RG1、RG
2、RG3を有する。
【0027】環状部RG1、RG2、RG3は、燃焼室
CC側の気体シール機能と燃焼室CC側へのオイルシー
ル機能を達成する。環状部RG1、RG2、RG3はピ
ストン本体PBに対して一体的に形成されているので、
シリンダCLRの内壁との間の摩擦を低減することがで
きる。また、従来のようなピストンリングの嵌め込み工
程を省略できるという利点もある。
【0028】ピストンPは、ピストン本体PBの下部を
構成する円筒状のスカート部SKを備えている。スカー
ト部SKは、その厚み方向に貫通する第1オイル通路O
P1を備えている。ピストンPのスカート部SKには、
コンロッドCRが接続されているが、コンロッドCR側
からオイルが第1オイル通路OP1を介してシリンダ壁
面に供給され、また、排出される。なお、供給及び排出
にあたっては、ピストンPの内部空間を介することとな
る。また、第1オイル通路OP1の形成位置は特に限定
されないが、本例ではスカート部SKのZ方向中央に設
けられている。
【0029】ここで、説明される環状部RG1、RG
2、RG3の数は複数である。この場合、上記シール機
能を向上させることができる。
【0030】ピストンPは、環状部RG1、RG2、R
G3間にピストンPの下側からのオイルを通過させる第
2オイル通路OP2を備えている。第2オイル通路OP
2を介して環状部RG1、RG2、RG3とシリンダ内
壁との間にオイルが供給され、また、排出される。
【0031】図2は、図1に示した領域Aの拡大図であ
る。環状部RG1、RG2、RG3のシリンダCLRの
内壁との接触部CT1、CT2、CT3は往復運動方向
Zに沿って湾曲した曲面であることが好ましく、この場
合、環状部RG1、RG2、RG3とシリンダCLRの
内壁との間の摩擦を低減することができる。なお、接触
部CT1における内壁との接触点Oよりも頂面TS側の
接触部CT1のZ方向長ZUは、この点Oよりも下側の
Z方向長ZLよりも長く設定され、他の接触部CT2,
CT3においても同様である。
【0032】本例においては、接触部CT1、CT2、
CT3と頂面TSとの間の表面は、これに垂直な気体圧
力PRSが、接触部CT1、CT2、CT3の当接する
シリンダCLRの内壁に垂直な方向Xからずれた方向に
加わるような形状を構成していることが好ましい。本例
の形状は、ピストンPの軸から等距離に位置する、シリ
ンダCLR内壁方向へ凸な曲線の集合体からなる曲面で
ある。
【0033】図3は、図1に示した領域Aの部分を変更
したものの拡大図である。本例においては、それぞれの
環状部RG1、RG2、RG3とシリンダの内壁との間
のそれぞれの最短距離X1、X2、X3は、頂面TSか
ら離隔するほど大きくなる。この場合、頂面TS側の環
状部RG1が磨耗しても、頂面TSから離隔した側の環
状部RG2がシリンダ内壁に近接することとなるため、
上述のシール機能を十分に達成することができる。
【0034】図4は、図1に示した領域Aの部分を変更
したものの拡大図である。それぞれの環状部RG1、R
G2、RG3の体積S1,S2,S3は、頂面TSから
離隔するほど小さくなる。この場合、ピストンPの往復
運動方向Zを含む平面内において所定の角度で揺動する
ピストンPの慣性モーメントが大きくなり、ピストン内
壁との摩擦を小さくすることができると共に、環状部R
G1、RG2、RG3間の空間の体積を適当に設定する
ことにより、その姿勢を制御することができる。
【0035】図5は、図1に示した領域Aの部分を変更
したものの拡大図である。頂面TS側の環状部RG1の
シリンダCLRの内壁との接触部CT1は往復運動方向
Zに沿って湾曲した曲面であり、これから離隔した環状
部RG2のシリンダCLRの内壁との接触部CT2は往
復運動方向Zに沿って折れ曲がったエッジ面である。こ
の場合、頂面側の環状部RG1は摩擦を低減しつつ気体
シールとしての機能が強調され、離隔した側の環状部R
G2は摩擦はあるもののオイル掻き用のシールとしての
機能が強調される。
【0036】図6は、別の実施形態のピストンPを含む
シリンダ近傍部位の縦断面図である。スカート部SK
は、ピストンPの往復運動方向Zの回りを囲むように、
スカート部SKに対して一体的に形成され、シリンダC
LRの内壁に接触するオイル掻き用環状部RGOを有す
る。
【0037】この場合、オイル掻き用環状部RGOはオ
イル側(コンロッドCR側)に近い位置、すなわち、ス
カート部SKに設けられているので、オイル掻き用のシ
ールとして十分に機能すると共に、スカート部SKに対
して一体的に形成されているため、シリンダCLRの内
壁との間の摩擦を低減することができる。
【0038】上述の環状部RG1、RG2、RG3はピ
ストン本体PBの外周面を切削加工することによって形
成されることとしてもよい。
【0039】図7は、別の実施形態のピストンPを含む
シリンダ近傍部位の縦断面図である。本例においては、
上述の環状部RG1、RG2、RG3が、ピストン本体
PBとは別体のリングRG1’、RG2’、RG3’を
ピストン本体PB内に鋳込むことによって形成される。
【0040】これらのリングRG1’、RG2’、RG
3’の材料がピストン本体PBの材料と同一である場合
には、これらの間の熱膨張係数を揃えることができるた
め、両者の分離を抑制し、耐久性を向上させることがで
きる。リングRG1’、RG2’、RG3’及ピストン
本体PBの材料はアルミニウムを含むことが好ましく、
この材料は軽量且つ熱伝導率に優れる。
【0041】リングRG1’、RG2’、RG3’の材
料はピストン本体PBの材料と異なり、ピストン本体P
Bよりも熱伝導率を高くすることもできる。シリンダC
LRの内壁と接触するのはリングRG1’、RG2’、
RG3’であるため、その熱伝導率が高ければ、効率的
にピストン本体PBの熱をシリンダCLR側に逃がすこ
とができる。この場合、ピストン本体PBの材料はアル
ミニウムを含み、リングRG1’、RG2’、RG3’
の材料は銅を含むことが好ましい。なお、これらの材料
として鋳鉄等を選択することもできる。
【0042】リングRG1’、RG2’、RG3’の材
料はシリンダCLRの内壁の材料と同一であることとし
てもよく、この場合、リングRG1’、RG2’、RG
3’とシリンダCLRの内壁との間の熱膨張による距離
変化を抑制することができる。リングRG1’、RG
2’、RG3’及シリンダCLRの材料は鋳鉄であるこ
とが好ましい。
【0043】本例では、リングRG1’、RG2’、R
G3’は複数である。これらのリングRG1’、RG
2’、RG3’のうち、頂面TSに最も近いものの材料
は、ピストン本体PBの材料と異なり、ピストン本体P
Bよりも熱伝導率が高いこととしてもよい。すなわち、
熱の影響を最も受けるのは、燃焼室CCに近い側のリン
グRG1’であるため、これの熱伝導率を上げることに
より、効率的にピストン本体の熱をシリンダCLR側に
逃がすことができる。この場合、ピストン本体PBの材
料はアルミニウムを含み、リングの材料は銅を含むこと
ができる。
【0044】また、上側の環状部RG1’としては金属
を用いると共に、下側の環状部RG2’、RG3’には
シリンダCLRの内壁との密着性が高い材料、ゴムや樹
脂を用いることもできる。ゴムや樹脂は、これらの原材
料を硬化させることにより取り付ける。その他、セラミ
ック等を用いることもできる。
【0045】図8は、別の実施形態のピストンPを含む
シリンダ近傍部位の縦断面図である。本例においては、
図7に示したピストンPにおいて、図6に示したように
スカート部SKにオイル掻き用環状部RGOを設けたも
のであり、それぞれの構成は上述の通りである。
【0046】図9は、従来のピストンPを含むシリンダ
近傍部位の縦断面図である。ピストンリングRG1”、
RG2”、RG3”が、ピストン本体PBに嵌め込まれ
ており、これらは鋳込まれているわけではないので、そ
の微妙な移動によって摩擦力が増大する。ピストンリン
グによる摩擦損失は全体の摩擦損失の10%を超えるた
め、上述の実施形態のピストン構造においては、その摩
擦損失を低減し、燃費を向上させることができる。な
お、このような構造においても、上述の材料の関係は適
用できる。
【0047】なお、上述のピストンにおいて、環状部R
G1、RG2、RG3(RG1、RG2、RG3、RG
1”、RG2”、RG3”)の表面にメッキ処理を行
い、磨耗を抑制してもよい。また、シリンダヘッドとシ
リンダブロックとを一体化したものや、これらの間にガ
スケットを用いない構造のものにも、本発明は適用でき
る。
【0048】
【発明の効果】以上、説明したように、本発明に係るピ
ストンを用いれば、燃費を向上させることが可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態のピストンPを含むシリンダ近傍部位
の縦断面図である。
【図2】図1に示した領域Aの拡大図である。
【図3】図1に示した領域Aの部分を変更したものの拡
大図である。
【図4】図1に示した領域Aの部分を変更したものの拡
大図である。
【図5】図1に示した領域Aの部分を変更したものの拡
大図である。
【図6】別の実施形態のピストンPを含むシリンダ近傍
部位の縦断面図である。
【図7】別の実施形態のピストンPを含むシリンダ近傍
部位の縦断面図である。
【図8】別の実施形態のピストンPを含むシリンダ近傍
部位の縦断面図である。
【図9】従来のピストンPを含むシリンダ近傍部位の縦
断面図である。
【符号の説明】
CB…シリンダブロック、CC…燃焼室、CDR…シリ
ンダ、CH…シリンダヘッド、CLR…シリンダ、CR
…コンロッド、CT1…接触部、CT2…接触部、CT
3…接触部、O…接触点、OP1…オイル通路、OP2
…オイル通路、P…ピストン、PB…ピストン本体、P
RS…気体圧力、RG1,RG2,RG3…環状部、R
G1’,RG2’,RG3’…リング、SK…スカート
部、TS…頂面。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F01M 1/06 F01M 1/06 C F16J 1/00 F16J 1/00 1/08 1/08 9/00 9/00 Z 9/12 9/12 9/26 9/26 Z 10/00 10/00 A

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリンダヘッドとの間に燃焼室を形成す
    る頂面を含むピストン本体を有し、シリンダ内を往復運
    動するピストンにおいて、前記ピストンの往復運動方向
    の回りを囲むように、前記ピストン本体に対して一体的
    に形成され、前記シリンダの内壁に接触する環状部を有
    することを特徴とするピストン。
  2. 【請求項2】 前記ピストン本体の下部を構成する円筒
    状のスカート部を備え、前記スカート部は、その厚み方
    向に貫通する第1オイル通路を備えていることを特徴と
    する請求項1に記載のピストン。
  3. 【請求項3】 前記環状部の数は複数であることを特徴
    とする請求項1に記載のピストン。
  4. 【請求項4】 前記環状部間に前記ピストンの下側から
    のオイルを通過させる第2オイル通路を備えていること
    を特徴とする請求項3のピストン。
  5. 【請求項5】 前記環状部の前記シリンダの内壁との接
    触部は前記往復運動方向に沿って湾曲した曲面であるこ
    とを特徴とする請求項1に記載のピストン。
  6. 【請求項6】 前記接触部と前記頂面との間の表面は、
    これに垂直な気体圧力が、前記接触部の当接する前記シ
    リンダの内壁に垂直な方向からずれた方向に加わるよう
    な形状を構成していることを特徴とする請求項5に記載
    のピストン。
  7. 【請求項7】 それぞれの前記環状部と前記シリンダの
    内壁との間のそれぞれの最短距離は、前記頂面から離隔
    するほど大きくなることを特徴とする請求項3に記載の
    ピストン。
  8. 【請求項8】 それぞれの前記環状部の体積は、前記頂
    面から離隔するほど小さくなることを特徴とする請求項
    3に記載のピストン。
  9. 【請求項9】 前記頂面側の前記環状部の前記シリンダ
    の内壁との接触部は前記往復運動方向に沿って湾曲した
    曲面であり、これから離隔した環状部の前記シリンダの
    内壁との接触部は前記往復運動方向に沿って折れ曲がっ
    たエッジ面であることを特徴とする請求項3に記載のピ
    ストン。
  10. 【請求項10】 前記スカート部は、前記ピストンの往
    復運動方向の回りを囲むように、前記スカート部に対し
    て一体的に形成され、前記シリンダの内壁に接触するオ
    イル掻き用環状部を有することを特徴とする請求項2に
    記載のピストン。
  11. 【請求項11】 前記環状部は前記ピストン本体の外周
    面を切削加工することによって形成されることを特徴と
    する請求項1に記載のピストン。
  12. 【請求項12】 前記環状部はリングを前記ピストン本
    体内に鋳込むことによって形成されることを特徴とする
    請求項1に記載のピストン。
  13. 【請求項13】 前記リングの材料は前記ピストン本体
    の材料と同一であることを特徴とする請求項12に記載
    のピストン。
  14. 【請求項14】 前記リング及前記ピストン本体の材料
    はアルミニウムを含むことを特徴とする請求項13に記
    載のピストン。
  15. 【請求項15】 前記リングの材料は前記ピストン本体
    の材料と異なり、前記ピストン本体よりも熱伝導率が高
    いことを特徴とする請求項12に記載のピストン。
  16. 【請求項16】 前記ピストン本体の材料はアルミニウ
    ムを含み、前記リングの材料は銅を含むことを特徴とす
    る請求項15に記載のピストン。
  17. 【請求項17】 前記リングの材料は前記シリンダの内
    壁の材料と同一であることを特徴とする請求項12に記
    載のピストン。
  18. 【請求項18】 前記リング及前記シリンダの材料は鋳
    鉄であることを特徴とする請求項17に記載のピスト
    ン。
  19. 【請求項19】 前記リングは複数であり、これらのリ
    ングのうち、前記頂面に最も近いものの材料は、前記ピ
    ストン本体の材料と異なり、前記ピストン本体よりも熱
    伝導率が高いことを特徴とする請求項12に記載のピス
    トン。
  20. 【請求項20】 前記ピストン本体の材料はアルミニウ
    ムを含み、前記リングの材料は銅を含むことを特徴とす
    る請求項19に記載のピストン。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007085190A (ja) * 2005-09-20 2007-04-05 Toyota Motor Corp 内燃機関のピストン
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