JP2002371912A - 可変圧縮比ピストン及びその製造方法 - Google Patents

可変圧縮比ピストン及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧縮比を変化可能にされた往復動機関のピス
トンにおいて、外部からの制御手段を一切必要とせず簡
単かつ低コストの構造で機関の負荷変化に正しく追従し
て圧縮比を変化せしめることにより、高負荷運転時にお
けるシリンダ内最高圧力を低下させつつ起動時及び低負
荷運転時において白煙の発生を低減し得る可変圧縮比ピ
ストン及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 頂部に燃焼室が凹設された往復動機関用
可変圧縮比ピストンにおいて、前記ピストンは、前記燃
焼室の少なくとも底面に弾性を有する薄板材からなる被
覆板をその上面を該燃焼室に臨ませて固着し、該被覆板
の下面に対向する前記底面の一部を窪ませて該被覆板の
変形を受け入れる空所を形成してなることを特徴とす
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、内燃機関、往復動
圧縮機等の往復動機関のピストンに適用され、頂部に燃
焼室が凹設された往復動機関用ピストンであって圧縮比
を変化可能にされた可変圧縮比ピストン及びその製造方
法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ディーゼル機関においては、高負荷運転
時における発生量の抑制とともに、起動時や低負荷運転
時における白煙排出量の抑制が排ガス浄化の重要項目と
して挙げられ、多くの解決手段が提案されている。前記
白煙の排出量を抑制する手段として、機関の圧縮比
（ε）を大きくして起動時や低負荷運転時における燃焼
を良化することは広く知られているが、該圧縮比を大き
くするとシリンダ内最高圧力が上昇し、燃焼室周りの熱
負荷が増大してピストン、シリンダヘッド、シリンダラ
イナ等、燃焼室構成部材の耐久性が低下するという問題
が発生する。かかる問題点に対処する手段の一つとし
て、機関の圧縮比（ε）を機関の運転条件によって変化
させる手段が提供されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】かかる圧縮比を可変と
する手段としては、ピストン頂面とシリンダヘッド下面
との距離を機械的に変化させる手段、ピストンとコネク
ティングロッドとの連結部に油圧により高さが変化する
油圧室を設けて該高さを自動的に変化させることにより
圧縮比を調整する手段等が提供されている。
【０００４】しかしながら、かかる従来技術の中の前者
にあっては、機関の負荷変化に正しく追従して圧縮比を
変化させることは実用上不可能であり、また後者にあっ
てはピストンとコネクティングロッドとの相対位置を変
化させる油圧駆動装置を必要とするため、構造が複雑か
つ高コストとなる。また前記２つ手段とも、燃焼室内の
圧力変化に正確に追従して圧縮比を変化させるのは困難
を伴う。等の問題点を有している。
【０００５】本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、圧
縮比を変化可能にされた往復動機関のピストンにおい
て、外部からの制御手段を一切必要とせず簡単かつ低コ
ストの構造で機関の負荷変化に正しく追従して圧縮比を
変化せしめることにより、高負荷運転時におけるシリン
ダ内最高圧力を低下させつつ起動時及び低負荷運転時に
おいて白煙の発生を低減し得る可変圧縮比ピストン及び
その製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明はかかる課題を解
決するため、請求項１記載の発明として、頂部に燃焼室
が凹設された往復動機関用ピストンにおいて、前記ピス
トンは、前記燃焼室の少なくとも底面に弾性を有する薄
板材からなる被覆板をその上面を該燃焼室に臨ませて固
着し、該被覆板の下面に対向する前記底面の一部を窪ま
せて該被覆板の変形を受け入れる空所を形成してなるこ
とを特徴とする可変圧縮比ピストンを提案する。
【０００７】請求項２ないし４記載の発明は前記被覆板
の具体的構成に係り、請求項２の発明は請求項１におい
て、前記被覆板を、ピストン頂面を除き前記燃焼室の底
面及び側面を含む全面に固着してなることを特徴とす
る。請求項３記載の発明は請求項１において、前記被覆
板を、円板状に形成して前記燃焼室の底面外周部に固着
してなることを特徴とする。請求項４記載の発明は請求
項１において、前記被覆板を中心部が上に凸の円錐形状
に形成するとともに、前記燃焼室の底面の中央部に上方
に突出した突起部を形成し、前記被覆板の中央部を前記
突起部に外周部を前記底面の外周部に夫々固着してなる
ことを特徴とする。
【０００８】請求項５記載の発明は、請求項１ないし４
に係る可変圧縮比ピストンの製造方法に係り、頂部に燃
焼室が凹設された往復動機関用ピストンであって圧縮比
を変化可能にされた可変圧縮比ピストンの製造方法にお
いて、弾性を有する薄板材からなる被覆板を所定形状に
成形して製作し、前記ピストンの、前記燃焼室の該被覆
板下面に対向する前記底面の一部を窪ませて該被覆板の
変形を受け入れる空所を形成し、少なくとも前記底面に
前記被覆板をその上面を該燃焼室に臨ませて鋳包みにて
固着することを特徴とする。
【０００９】かかる発明によれば、機関の起動時及び低
負荷運転時においては、弾性を有する薄板材からなる被
覆板は変形せず、機関の燃焼室の容積は最小容積となり
圧縮比は最大圧縮比となる。これにより起動時及び低負
荷運転時においては、燃焼室内の圧力及び温度が上昇し
て燃焼が良化し、該燃焼室内の圧力及び温度の低下に伴
う白煙の発生が回避される。また機関の高負荷運転時に
おいては、前記被覆板がガス圧力により変形してピスト
ンの空所内に押し込まれることにより、前記燃焼室の容
積は前記最小容積よりも大きくなって圧縮比は前記最大
圧縮比よりも小さくなる。これにより高負荷運転時にお
いて、シリンダ内最高圧力の上昇が抑制されて燃焼室周
りの熱負荷が低減され、ピストン、シリンダヘッド、シ
リンダライナ等、燃焼室構成部材の耐久性が向上する。
【００１０】また前記白煙の発生を防止するため、低負
荷運転時に機関負荷を増大するとシリンダ内最高圧力が
上昇するため給気の過給圧力を低下せしめざるを得ず、
これにより燃料消費率の上昇をみるが、かかる発明によ
れば、前記のように低負荷運転時に圧縮比を大きくでき
るため過給圧力を低下させることを要さず、これによっ
て白煙発生の防止に伴う燃料消費率の増大を回避でき
る。
【００１１】従ってかかる発明によれば、燃焼室の少な
くとも底面に弾性材からなる薄い被覆板を該燃焼室に臨
ませて固着するとともに、前記底面の一部を窪ませて該
被覆板の変形を受け入れる空所を形成する、というきわ
めて簡単かつ低コストの構造で以って、機関の負荷変化
に正しく追従して圧縮比を変化させる圧縮比を変化せし
め、これにより機関の高負荷運転時におけるシリンダ内
最高圧力を低下させつつ起動時及び低負荷運転時におい
て燃料消費率の増大を伴うことなく白煙の発生を低減す
ることができる。
【００１２】また請求項３のように構成すれば、前記被
覆板を円板状に構成しているため該被覆板の構造が簡単
で切断加工のみで製作でき、プレス成形等の成形加工が
不要となって加工工数及び加工コストが低減される。さ
らに請求項４のように構成すれば、前記ピストンの突起
部にて被覆板の中央部を支持するので、該被覆板の支持
剛性が大きくなり該被覆板の耐久性が向上する。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示した実施例
を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載され
ている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置など
は特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれ
のみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎな
い。
【００１４】図１は本発明に係る可変圧縮比ピストンを
備えたディーゼル機関の燃焼室周りの要部断面図で、
（Ａ）は被覆板が変形しないとき、（Ｂ）は被覆板の変
形時を示す。図２は可変圧縮比ピストンの第１実施例を
示し、（Ａ）は被覆板が変形しないとき、（Ｂ）は被覆
板の変形時を示す。図３は可変圧縮比ピストンの第２実
施例を示す図２（Ａ）対応図、図４は可変圧縮比ピスト
ンの第３実施例を示す図２（Ａ）対応図である。
【００１５】本発明に係る可変圧縮比ピストンを備えた
ディーゼル機関の燃焼室周りの構造を示す図１におい
て、１０はシリンダヘッド、５はシリンダ、６は該シリ
ンダの内部に固挿されたシリンダライナ、１は該シリン
ダライナ６の内面を往復摺動するアルミニウム鋳物から
なるピストンである。７はコネクティングロッド、９は
ピストンピン、８はコネクティングロッド軸受である。
１２はピストンリングである。２は該ピストンの頂部に
凹設された燃焼室、１１は前記シリンダヘッドの中央部
に固着されて前記燃焼室２内に燃料を噴射する燃料噴射
弁である。以上の構成は、一般の直接噴射式ディーゼル
機関と同様である。本発明においては、前記ピストン１
の燃焼室２部を改良している。
【００１６】即ち該ピストン１の第１実施例を示す図１
ないし図２において、３は被覆板で、前記ピストン１に
形成された燃焼室２と同形の深い椀状に形成され、上面
を該燃焼室２に臨ませて該燃焼室２の底面１ｂ及び側面
１ａに沿って固着されている。該被覆板３は弾性を有す
るとともに前記燃焼室２内の高温ガスに対して十分な耐
久性を有する材料からなる薄板にて構成され、ステンレ
ス鋼鈑（ＪＩＳ−ＳＵＳ材等）が好適であるが、高過給
機関でなければ炭素鋼板でもよい。また、該被覆板３は
前記ピストン１の鋳造時に鋳包みによって該ピストン１
に固着される。
【００１７】４は前記ピストン１に凹設された空所で、
前記燃焼室２の底面１ｂ中央部の、前記被覆板３の下面
に対向する部位の一部を窪ませて形成されている。そし
て前記被覆板３の厚さは、機関の起動時及び低負荷運転
時を含む燃焼室２内のガス圧力が一定圧力以下のときに
は該ガス圧力による変形を起こさず、前記一定圧力を超
えると該ガス圧力により変形を起こすような厚さに設定
される。
【００１８】かかるピストン１を製造するにあたって
は、ステンレス鋼鈑の薄板からなる前記被覆板３をプレ
ス成形によって前記燃焼室２と同形の深い椀状に前記ピ
ストン１とは別個に製作し、アルミニウム鋳物からなる
ピストン１の鋳造時に、前記燃焼室２の底面１ｂとの間
に前記空所４を形成して該燃焼室２に鋳包むことによっ
て固着する。
【００１９】かかる構成からなる可変圧縮比ピストンを
備えたディーゼル機関の起動時及び低負荷運転時におい
ては、前記燃焼室２内のガス圧力が前記被覆板３の変形
を起こさない前記一定圧力以下の圧力Ｐａであるため、
図１及び図２の（Ａ）に示すように、前記被覆板３は変
形せず、前記燃焼室２の容積は最小容積Ｖａ、また前記
空所４は大きな間隙容積Ｖｃ１となり、 圧縮比ε１＝（Ｖａ+Ｖｓ）／Ｖａ＝１+（Ｖｓ／Ｖａ） ただしＶｓ＝行程容積 と、最大圧縮比となる。
【００２０】次に、ディーゼル機関の高負荷運転時にお
いては、前記燃焼室２内のガス圧力が前記被覆板３を変
形せしめる前記一定圧力を超える圧力Ｐｂであるため、
図１及び図２の（Ｂ）に示すように、該ガス圧力Ｐｂに
より前記被覆板３が変形して前記空所４内に押し込ま
れ、該空所４の間隙容積はＶｃ２（あるいはゼロ（＝
０））と前記起動時及び低負荷運転時の間隙容積はＶ
ｃ１よりも小さくなる。従って、前記燃焼室２の容積Ｖ
ｂ＝Ｖａ+（Ｖｃ１―Ｖｃ２）となり、 圧縮比ε２＝（Ｖｂ+Ｖｓ）／Ｖｂ＝１+（Ｖｓ／Ｖｂ）
＝１+（Ｖｓ／（Ｖａ+（Ｖｃ１―Ｖｃ２）） ただしＶｓ＝行程容積 となり、前記最大圧縮比ε１よりも小さくなる。
【００２１】従って、かかる実施例によれば、ディーゼ
ル機関の起動時及び低負荷運転時においては、前記被覆
板３は変形せず、前記燃焼室２の容積は最小容積Ｖａと
なり圧縮比は最大圧縮比ε１となる。これにより起動時
及び低負荷運転時においては、燃焼室２内の圧力及び温
度が上昇して燃焼が良化し、燃焼室２内の圧力及び温度
の低下に伴う白煙の発生が回避される。
【００２２】またディーゼル機関の高負荷運転時におい
ては、被覆板３がガス圧力により変形して前記空所４内
に押し込まれることにより、前記燃焼室２の容積Ｖｂは
前記最小容積Ｖａよりも大きくなって圧縮比ε２は前記
最大圧縮比ε１よりも小さくなる。これにより高負荷運
転時において、シリンダ内最高圧力の上昇が抑制され
て、燃焼室周りの熱負荷が低減され、ピストン１、シリ
ンダヘッド１０、シリンダライナ６等、燃焼室２構成部
材の耐久性が向上する。
【００２３】図３に示されるピストンの第２実施例にお
いては、前記被覆板３１を円板状に形成して前記燃焼室
２の底面１ｂ外周部に鋳包みにより固着している。この
場合は、前記被覆板３１が円板状であるため該被覆板３
１の構造が簡単で切断加工のみで製作でき、プレス成形
等の成形加工が不要となって加工工数及び加工コストが
低減される。その他の構成は前記第１実施例と同様であ
り、これと同一の部材は同一の符号で示す。
【００２４】図４に示されるピストンの第３実施例にお
いては、前記被覆板３２を中心部が上に凸の円錐形状に
形成するとともに、前記燃焼室２の底面１ｂの中央部に
上方に突出した突起部１ｄを形成している。そして、前
記被覆板３２の中央部を前記突起部１ｄに固着するとと
もに外周部を前記底面１ｂの外周部に固着して、前記突
起部１ｄの外側に環状の空所４を形成している。この場
合は、前記ピストン１の突起部１ｄにて被覆板３２の中
央部を支持するので、該被覆板３２の支持剛性が大きく
なり該被覆板３２の耐久性が上昇する。その他の構成は
前記第１実施例と同様であり、これと同一の部材は同一
の符号で示す。尚、前記ピストン１は、以上の実施例の
ようなアルミニウム鋳物に限られることなく、鋳鉄等の
鋼材を用いてもよい。
【００２５】
【発明の効果】以上記載の如く本発明によれば、燃焼室
の少なくとも底面に弾性材からなる薄い被覆板を該燃焼
室に臨ませて固着するとともに、前記底面の一部を窪ま
せて該被覆板の変形を受け入れる空所を形成する、とい
うきわめて簡単かつ低コストの構造で以って、機関の負
荷変化に正しく追従して圧縮比を変化させる圧縮比を変
化せしめ、これにより機関の高負荷運転時におけるシリ
ンダ内最高圧力を低下させつつ起動時及び低負荷運転時
において燃料消費率の増大を伴うことなく白煙の発生を
低減することができる。
【００２６】また請求項３のように構成すれば、前記被
覆板を円板状に構成しているため該被覆板の構造が簡単
で切断加工のみで製作でき、プレス成形等の成形加工が
不要となって加工工数及び加工コストが低減される。さ
らに請求項４のように構成すれば、前記ピストンの突起
部にて被覆板の中央部を支持するので、該被覆板の支持
剛性が大きくなり該被覆板の耐久性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る可変圧縮比ピストンを備えたデ
ィーゼル機関の燃焼室周りの要部断面図で、（Ａ）は被
覆板が変形しないとき、（Ｂ）は被覆板の変形時を示
す。
【図２】 可変圧縮比ピストンの第１実施例を示し、
（Ａ）は被覆板が変形しないとき、（Ｂ）は被覆板の変
形時を示す。
【図３】 可変圧縮比ピストンの第２実施例を示す図２
（Ａ）対応図である。
【図４】 可変圧縮比ピストンの第３実施例を示す図２
（Ａ）対応図である。
【符号の説明】
１ ピストン １ａ 側面 １ｂ 底面 ２ 燃焼室 ３ 被覆板 ４ 空所 ５ シリンダ ６ シリンダライナ １０ シリンダヘッド １１ 燃料噴射弁

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 頂部に燃焼室が凹設された往復動機関用
    ピストンにおいて、前記ピストンは、前記燃焼室の少な
    くとも底面に弾性を有する薄板材からなる被覆板をその
    上面を該燃焼室に臨ませて固着し、該被覆板の下面に対
    向する前記底面の一部を窪ませて該被覆板の変形を受け
    入れる空所を形成してなることを特徴とする可変圧縮比
    ピストン。
  2. 【請求項２】 前記被覆板を、ピストン頂面を除き前記
    燃焼室の底面及び側面を含む全面に固着してなることを
    特徴とする請求項１記載の可変圧縮比ピストン。
  3. 【請求項３】 前記被覆板を、円板状に形成して前記燃
    焼室の底面外周部に固着してなることを特徴とする請求
    項１記載の可変圧縮比ピストン。
  4. 【請求項４】 前記被覆板を中心部が上に凸の円錐形状
    に形成するとともに、前記燃焼室の底面の中央部に上方
    に突出した突起部を形成し、前記被覆板の中央部を前記
    突起部に外周部を前記底面の外周部に夫々固着してなる
    ことを特徴とする請求項１記載の可変圧縮比ピストン。
  5. 【請求項５】 頂部に燃焼室が凹設された往復動機関用
    ピストンであって圧縮比を変化可能にされた可変圧縮比
    ピストンの製造方法において、弾性を有する薄板材から
    なる被覆板を所定形状に成形して製作し、前記ピストン
    の、前記燃焼室の該被覆板下面に対向する前記底面の一
    部を窪ませて該被覆板の変形を受け入れる空所を形成
    し、少なくとも前記底面に前記被覆板をその上面を該燃
    焼室に臨ませて鋳包みにて固着することを特徴とする可
    変圧縮比ピストンの製造方法。
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