JP2004340054A - 内燃機関用ピストン - Google Patents

Abstract

【課題】オイル消費を低減し、且つ、フリクションを低減することが可能な内燃機関用ピストンを提供する。
【解決手段】有蓋円筒状のピストン上部体３の外周部の一部においてピストン頂面７とは反対側に向かって延設される上部スカート５ａと、該上部スカート５ａとは周方向にずれた位置であって上記ピストン上部体３の中心軸線に沿った方向に関して上記上部スカート５ａよりも上記ピストン頂面７から離れた位置に設けられる下部スカート８ａ、８ｂと、を有する内燃機関用ピストンを提供する。本ピストンでは、上部スカートと下部スカートが、周方向の位置が重ならないように配置されるので、掻き落とされたオイルが下部スカート上に滞留することがない。このため、油膜の厚さが厚くなりすぎず、オイルの引き摺りが低減されて、オイル消費の低減及びフリクションの低減を図ることができる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関用ピストンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関用ピストンとして、外周部にリング溝を有する有蓋円筒状のピストン上部体の下側の形状を骨格構造とし、軽量化及びスカートの摺動面面積の減少を図った、いわゆるスケルトン型ピストンが公知である。そして、このようなスケルトン型ピストンには、スカートがピストン頂面側の上部スカートとクランク軸側の下部スカートとに分割されたものが知られており、特に、特許文献１には、潤滑用のエンジンオイルを有効に作用させるべく上記下部スカートの上端面にオイル溜め用凹部を設けた構成が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
実開平３−１０４１４７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成のピストンでは、実際には、ピストン下降時に上部スカートで掻き落とされたオイルが下部スカートの上端面に滞留することでシリンダボア内面に形成される油膜が厚くなりすぎてしまい、オイルの引き摺りが増加して、オイル消費量の増加やフリクションの増加等の不都合が生じる場合がある。
【０００５】
このようなオイル消費量の増加はエミッションの悪化や排気浄化触媒の被毒の原因となる場合がある。また、フリクションの増加については、オイル粘度が高くなる低温時や、オイルの引き摺りによる摺動抵抗が大きくなる高回転時に影響が大きく、フリクションの増加に起因して燃費悪化や機関の始動性の悪化を生じる場合がある。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的はオイル消費を低減し、且つ、フリクションを低減することが可能な内燃機関用ピストンを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載された内燃機関用ピストンを提供する。
１番目の発明は、有蓋円筒状のピストン上部体の外周部の一部においてピストン頂面とは反対側に向かって延設される上部スカートと、該上部スカートとは周方向にずれた位置であって上記ピストン上部体の中心軸線に沿った方向に関して上記上部スカートよりも上記ピストン頂面から離れた位置に設けられる下部スカートと、を有する内燃機関用ピストンを提供する。
【０００７】
１番目の発明においては、上記上部スカートと上記下部スカートとが周方向の位置が重ならないように配置されるので、上記上部スカートやピストンリングによって掻き落とされたオイルは下部スカート上に滞留することなく、速やかにピストン下方（クランクケース内）へ流れて行くことになる。これによりシリンダボアと上部スカートの摺動面との間に形成される油膜の厚さが厚くなりすぎず、上記上部スカートやピストンリングによって充分にオイルを掻くことができるようになるので、オイル消費を低減することができる。また、同時にオイルの引き摺りが低減されフリクションも低減することができる。更に、掻き落とす必要のあるオイル量が減るためにオイルリングの張力を小さく設定することができるので、更なるフリクションの低減を図ることが可能である。
【０００８】
２番目の発明では１番目の発明において、上記上部スカートは、ピストンのスラスト側と反スラスト側の両外周部から延設されていて、上記下部スカートは、それぞれの上記上部スカートの周方向両側の位置に設けられている。
２番目の発明によれば、１番目の発明と同様の作用及び効果が得られると共に、ピストンの姿勢を良好に維持することが可能となる。すなわち、２番目の発明のような構成とすることで、上記下部スカートが上記スラスト側と反スラスト側とにおいて周方向に比較的離れた位置でシリンダボアと接触することになるので、ピストンの姿勢を良好に維持することが可能となる。これにより、シリンダボアへのスラスト力が低減されて発生する面圧（単位面積に作用する力）の低減が図られ、焼付きの発生が抑制される。また、いわゆるピストンの首振り現象によるスラップ音の発生も低減されるので騒音も抑制される。
【０００９】
３番目の発明では２番目の発明において、上記スラスト側に設けられた上部スカートの摺動面面積が上記反スラスト側に設けられた上部スカートの摺動面面積より大きい。
４番目の発明では２番目または３番目の発明において、上記スラスト側に設けられた下部スカートの摺動面面積の合計が上記反スラスト側に設けられた下部スカートの摺動面面積の合計より大きい。
【００１０】
一般に上記反スラスト側には上記スラスト側程大きなスラスト力はかからないため、反スラスト側に設けられた各スカートの摺動面面積をスラスト側に設けられた対応する各スカートの摺動面面積より小さくしても、各スカートにおいて生ずる面圧を同程度とすることができ、同程度の焼付き抑制効果等を得ることが可能である。したがって、３番目または４番目の発明によれば、各スカートの摺動面面積を所望する面圧低減効果に必要な最小面積とすることができ、各スカートにおいて所望する面圧の低減を実現しつつ、フリクションの更なる低減及びピストンの軽量化を図ることができる。
【００１１】
５番目の発明では１番目から４番目の何れかの発明において、上記上部スカートよりも周方向の幅が小さい補助スカートが、上記ピストン上部体の中心軸線に沿った方向に関して上記上部スカートよりも上記ピストン頂面から離れた位置において、上記上部スカートと周方向の位置が重なるように配設されている。
【００１２】
５番目の発明によれば、上記補助スカートによってオイル掻きが補助されるので、更なるオイル消費の低減及びフリクションの低減が図られる。なお、上記補助スカートは、上記上部スカートと周方向の位置が重なるように配設されているが、その周方向の幅が上記上部スカートよりも小さいので、上記上部スカートやピストンリングによって掻き落とされたオイルが上記補助スカート上に滞留することはなく、速やかにピストン下方（クランクケース内）へ流れて行く。このため、上記補助スカートの存在によりシリンダボアと上部スカートの摺動面との間に形成される油膜の厚さが厚くなりすぎてしまうといった不都合は生じない。
【００１３】
６番目の発明では５番目の発明において、上記下部スカートが、上記ピストン上部体の中心軸線に沿った方向に関して上記補助スカートよりも上記ピストン頂面から離れた位置に設けられる。
本発明のようにすることによって、上記ピストン上部体の中心軸線に沿った方向に関する上記上部スカートと上記下部スカートとの間隔が比較的大きくなることになるので、上述のピストンの姿勢を良好に維持する効果が向上される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、図面において、同一又は類似の構成要素には共通の参照番号を付す。
図１は本発明の第一実施形態の内燃機関用ピストン１０のスラスト側から見た場合の側面図であり、図２は図１の場合から周方向に９０°ずれた方向、すなわち、ピストンピン（図示なし）を挿入するピン穴１１の軸線方向に見た場合の側面図である。また、図３は、ピストン１０を図１及び図２における下方から見た場合の図である。なお、ここでスラスト側とは内燃機関の膨張行程において最も大きなスラスト力の加わる側を意味し、その反対側は反スラスト側と称する。通常、上記ピン穴１１の開口側から９０°をなす側がスラスト側及び反スラスト側に該当し、より詳細には、そのうちの内燃機関の膨張行程においてコンロッドが傾く側が反スラスト側であり、他方がスラスト側である。
【００１５】
図１から図３に示したようにピストン１０は、外周部にリング溝１を有する有蓋円筒状のピストン上部体３の下側の形状を骨格構造とした、いわゆるスケルトン型ピストンである。そして、本実施形態のピストン１０においては、上部スカート５ａ、５ｂが、ピストン上部体３の外周部のスラスト側と反スラスト側においてピストン頂面７とは反対側に向かって延設されている。この上部スカート５ａ、５ｂは、そのシリンダボアとの摺動面面積をそこに生じる面圧（単位面積に作用する力）が焼付きを起こす面圧に達しない範囲でできるだけ小さくするように構成されることが好ましく、また、その円周方向の幅が比較的小さくなるように構成されることが好ましい。但し、本実施形態のピストン１０においては、二つの上部スカート５ａ、５ｂは、その摺動面面積が同じになるように構成されている。
【００１６】
また、本実施形態のピストン１０においては、上記上部スカート５ａ、５ｂとは周方向にずれた位置であって上記ピストン上部体３の中心軸線に沿った方向に関しては上記上部スカート５ａ、５ｂよりも上記ピストン頂面７から離れた位置に下部スカート８ａ及び９ａ、８ｂ及び９ｂが設けられている。より詳細には、これら下部スカート８ａ及び９ａ、８ｂ及び９ｂは、各上部スカート５ａ、５ｂの周方向両側の位置に設けられている。また、これら下部スカート８ａ及び９ａ、８ｂ及び９ｂは、図２及び図３に示されているように、ピンボス１３から延設される支持部１５ａ及び１６ａ、１５ｂ及び１６ｂによって支持されている。
【００１７】
そして、このような構成のピストン１０を用いることにより、オイル消費を低減し、且つ、フリクションを低減することが可能となる。すなわち、本実施形態のピストン１０では、上述したように上部スカート５ａ、５ｂと下部スカート８ａ及び９ａ、８ｂ及び９ｂとが周方向の位置が重ならないように配置されている。つまり、上部スカート５ａ、５ｂの周方向の幅Ｗ１は、その上部スカート５ａ、５ｂを挟んで配置された下部スカート８ａ及び９ａ、８ｂ及び９ｂの間の周方向の間隔Ｗ２よりも小さくされている（図１参照）。このため、本実施形態のピストン１０では、上部スカート５ａ、５ｂやピストンリング等によって掻き落とされたオイルは下部スカート８ａ及び９ａ、８ｂ及び９ｂ上に滞留することなく、速やかにピストン１０の下方（クランクケース内）へ流れて行くことになる。
【００１８】
そして、このことによってシリンダボアと上部スカート５ａ、５ｂの摺動面との間に形成される油膜の厚さが厚くなりすぎることが防止され、上部スカート５ａ、５ｂやピストンリングによって充分にオイルを掻くことができるようになる。そしてその結果、オイル消費を低減することができると共に、オイルの引き摺りが低減されフリクションも低減することができる。更に、掻き落とす必要のあるオイル量が減るためにオイルリングの張力を小さく設定することができるので、更なるフリクションの低減を図ることが可能である。そしてこのようなフリクションの低減によって燃費及び出力の向上を図ることができる。
【００１９】
更に、本実施形態のピストン１０では、下部スカート８ａ及び９ａ、８ｂ及び９ｂが、上部スカート５ａ、５ｂよりもピストン頂面７から離れた位置において、各上部スカート５ａ、５ｂの周方向両側の位置に設けられている。このような構成とすることで、下部スカート８ａ及び９ａ、８ｂ及び９ｂが上記スラスト側と反スラスト側とにおいて周方向に比較的離れた位置でシリンダボアと接触することになり、ピストンの姿勢を良好に維持することが可能となる。これにより、シリンダボアへのスラスト力が低減されて発生面圧の低減が図られ、焼付きの発生を抑制することができる。また、いわゆるピストンの首振り現象によるスラップ音の発生も低減されるので騒音を抑制することができる。
【００２０】
更に、上記スラスト側と反スラスト側とにおいて各上部スカート５ａ、５ｂの周方向両側に分割されて設けられる下部スカート８ａ及び９ａ、８ｂ及び９ｂの構成は、ピストンの姿勢維持機能を損なわずに下部スカートのシリンダボアとの摺動面面積を小さくすることができるので、この構成によってピストンの姿勢維持機能とフリクションの低減との両立を図ることができる。
【００２１】
次に図４及び図５を参照しつつ、本発明の第二実施形態の内燃機関用ピストン２０について説明する。図４はピストン２０をピン穴１１の軸線方向に見た場合の側面図であり、ピストン上部体３の一部が切除されてその内部が示されている。図５はピストン２０を図４における下方から見た場合の図である。ピストン２０の構成は、基本的には第一実施形態のピストン１０と同様であり、共通する部分については説明を省略する。
【００２２】
第一実施形態のピストン１０の構成とピストン２０の構成との主な相違点は、ピストン１０においては上部スカート及び下部スカートの摺動面面積がスラスト側と反スラスト側とで同じであるのに対して、ピストン２０においては上部スカート及び下部スカートの摺動面面積がスラスト側と反スラスト側とで異なっている点である。より詳細には、本実施形態のピストン２０においては、上記スラスト側に設けられた上部スカート５ａの摺動面面積が上記反スラスト側に設けられた上部スカート５ｂの摺動面面積よりも大きく構成され、上記スラスト側に設けられた下部スカート８ａ及び９ａの摺動面面積の合計が上記反スラスト側に設けられた下部スカート８ｂ及び９ｂの摺動面面積の合計よりも大きく構成されている。
【００２３】
この構成は、フリクションを低減すべく、各スカートの摺動面面積を、そこで生じる面圧が焼付きを起こす面圧に達しない範囲でできるだけ小さくするようにした結果である。すなわち、上記反スラスト側には上記スラスト側程大きなスラスト力はかからないため、反スラスト側に設けられた各スカート５ｂ、８ｂ及び９ｂの摺動面面積をスラスト側に設けられた対応する各スカート５ａ、８ａ及び９ａの摺動面面積より小さくしても、各スカートにおいて生ずる面圧を同程度とすることができ、同程度の焼付き抑制効果等を得ることが可能となる。
【００２４】
そして、本実施形態のピストン２０によっても、上述の第一実施形態のピストン１０の場合と同様の原理により、オイル消費量及びフリクションの低減、ピストンの姿勢維持等の作用及び効果を得ることができる。また、上述したようにスラスト側と反スラスト側とで各スカートの摺動面面積を異ならせて、各スカートの摺動面面積を所望する面圧低減効果に必要な最小面積とすることにより、各スカートにおいて所望する面圧の低減を実現しつつ、フリクションの更なる低減及びピストンの軽量化を図ることが可能となる。
【００２５】
次に図６を参照して本発明の第三実施形態の内燃機関用ピストン３０について説明する。図６は本実施形態のピストン３０をスラスト側から見た場合の側面図であり、第一実施形態のピストン１０についての図１に対応する図である。ピストン３０の構成も、基本的には第一実施形態のピストン１０と同様であり、共通する部分については説明を省略する。
【００２６】
ピストン３０の構成を第一実施形態のピストン１０の構成と比較すると、その主たる相異点は、補助スカート１７ａ、１７ｂ（反スラスト側の補助スカート１７ｂは不図示）の有無である。すなわち、ピストン３０は補助スカート１７ａ、１７ｂを有している。
図６に示されているように、この補助スカート１７ａは、上記ピストン上部体３の中心軸線に沿った方向に関して上部スカート５ａよりもピストン頂面７から離れた位置において、上部スカート５ａと周方向の位置が重なるように配設されている。本実施形態のピストン３０において、補助スカート１７ａは、各下部スカート８ａ、９ａから延設される支持部１８ａ、１９ａによって支持されている。また、補助スカート１７ａは、その周方向の幅Ｗ３が上部スカート５ａの周方向の幅Ｗ１よりも小さくなるように構成されている。なお、図６にはピストン３０のスラスト側の構成のみが示されているが、反スラスト側についても同様の構成を有している。
【００２７】
以上のような構成を有するピストン３０によれば、上記補助スカート１７ａ、１７ｂによってオイル掻きが補助されるので、更なるオイル消費の低減及びフリクションの低減が図られる。なお、上記補助スカート１７ａ、１７ｂは、上部スカート５ａ、５ｂと周方向の位置が重なるように配設されているが、その周方向の幅Ｗ３が上部スカート５ａ、５ｂの幅Ｗ１よりも小さいので、上部スカート５ａ、５ｂやピストンリングによって掻き落とされたオイルが上記補助スカート１７ａ、１７ｂ上に滞留することはなく、速やかにピストン下方（クランクケース内）へ流れて行く。このため、上記補助スカート１７ａ、１７ｂの存在によりシリンダボアと上部スカート５ａ、５ｂの摺動面との間に形成される油膜の厚さが厚くなりすぎてしまうといった不都合は生じない。
【００２８】
次に図７を参照して本発明の第四実施形態の内燃機関用ピストン４０について説明する。図７は本実施形態のピストン４０をスラスト側から見た場合の側面図であり、第一実施形態のピストン１０についての図１及び第３実施形態についての図６に対応する図である。ピストン４０の構成は、基本的には第三実施形態のピストン３０と同様であり、共通する部分についての説明は省略する。
【００２９】
ピストン４０の構成は、第三実施形態のピストン３０の構成と比較すると、下部スカート８ａ及び９ａ、８ｂ及び９ｂ（反スラスト側の下部スカート８ｂ及び９ｂは不図示）が上記ピストン上部体３の中心軸線に沿った方向に関して補助スカート１７ａ、１７ｂ（反スラスト側の補助スカート１７ｂは不図示）よりも上記ピストン頂面７から離れた位置に設けられている点で異なっている。
【００３０】
つまり、図７に示されているように、本実施形態のピストン４０においては、下部スカート８ａ、９ａが同下部スカート８ａ、９ａに連結される支持部２１ａによって支持される補助スカート１７ａよりも下方に位置している。そしてその結果、上記ピストン上部体３の中心軸線に沿った方向に関する上部スカート５ａと下部スカート８ａ及び９ａとの間隔が図６に示した第三実施形態のピストン３０の場合に比べて大きくなっている。また、本実施形態のピストン４０においては、図６に示された第三実施形態のピストン３０と比較して、各スカートの摺動面面積が小さくなっている。なお、図７にはピストン４０のスラスト側の構成のみが示されているが、反スラスト側についても同様の構成を有している。
【００３１】
上述したように本実施形態のピストン４０においては、上部スカート５ａ、５ｂと下部スカート８ａ及び９ａ、８ｂ及び９ｂとのピストン上部体３の中心軸線に沿った方向の間隔が大きくなっているので、ピストン４０の姿勢をより良好に維持することが可能となる。そして、このようにピストンの姿勢を良好に維持する効果が向上されると、シリンダボアへのスラスト力が低減されるため、各スカートの摺動面面積をより小さくすることが可能になる。本実施形態のピストン４０において、第三実施形態のピストン３０よりも各スカートの摺動面面積が小さくなっているのは、このためである。各スカートの摺動面面積をより小さくすることによって更なるフリクションの低減を図ることができる。
【００３２】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、オイル消費を低減し、且つ、フリクションを低減することが可能な内燃機関用ピストンが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第一実施形態の内燃機関用ピストンをスラスト側から見た場合の側面図である。
【図２】図２は、第一実施形態の内燃機関用ピストンを図１の場合から周方向に９０°ずれた方向、すなわち、ピストンピン（図示なし）を挿入するピン穴の軸線方向に見た場合の側面図である。
【図３】図３は、第一実施形態の内燃機関用ピストンを図１及び図２における下方から見た場合の図である。
【図４】図４は、本発明の第二実施形態の内燃機関用ピストンをピン穴の軸線方向に見た場合の側面図である。
【図５】図５は、第二実施形態の内燃機関用ピストンを図４における下方から見た場合の図である。
【図６】図６は、本発明の第三実施形態の内燃機関用ピストンをスラスト側から見た場合の側面図である。
【図７】図７は、本発明の第四実施形態の内燃機関用ピストンをスラスト側から見た場合の側面図である。
【符号の説明】
１０、２０、３０、４０…内燃機関用ピストン
１…リング溝
３…ピストン上部体
５ａ、５ｂ…上部スカート
７…ピストン頂面
８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂ…下部スカート
１１…ピン穴
１３…ピンボス

Claims (6)

1. 有蓋円筒状のピストン上部体の外周部の一部においてピストン頂面とは反対側に向かって延設される上部スカートと、
   該上部スカートとは周方向にずれた位置であって上記ピストン上部体の中心軸線に沿った方向に関して上記上部スカートよりも上記ピストン頂面から離れた位置に設けられる下部スカートと、を有する内燃機関用ピストン。
2. 上記上部スカートは、ピストンのスラスト側と反スラスト側の両外周部から延設されていて、上記下部スカートは、それぞれの上記上部スカートの周方向両側の位置に設けられている、請求項１に記載の内燃機関用ピストン。
3. 上記スラスト側に設けられた上部スカートの摺動面面積が上記反スラスト側に設けられた上部スカートの摺動面面積より大きい、請求項２に記載の内燃機関用ピストン。
4. 上記スラスト側に設けられた下部スカートの摺動面面積の合計が上記反スラスト側に設けられた下部スカートの摺動面面積の合計より大きい、請求項２または３に記載の内燃機関用ピストン。
5. 上記上部スカートよりも周方向の幅が小さい補助スカートが、上記ピストン上部体の中心軸線に沿った方向に関して上記上部スカートよりも上記ピストン頂面から離れた位置において、上記上部スカートと周方向の位置が重なるように配設されている、請求項１から４の何れか一項に記載の内燃機関用ピストン。
6. 上記下部スカートが、上記ピストン上部体の中心軸線に沿った方向に関して上記補助スカートよりも上記ピストン頂面から離れた位置に設けられる、請求項５に記載の内燃機関用ピストン。

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