JP2006112309A

JP2006112309A - 内燃機関用ピストン

Info

Publication number: JP2006112309A
Application number: JP2004300274A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Nakamichi; 義弘中道; Masanori Hara; 雅徳原; Seiichi Endo; 誠一遠藤; Kimiteru Otsuka; 公輝大塚; Masaru Kijima; 賢貴島; Yasushi Horiuchi; 裕史堀内; Takashi Takakura; 隆高倉; Hiroyuki Sugihara; 啓之杉原
Original assignee: Hino Motors Ltd; Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd; Proterial Ltd
Priority date: 2004-10-14
Filing date: 2004-10-14
Publication date: 2006-04-27

Abstract

【課題】最大燃焼圧力が従来より上昇してもスカート下端部の内面側への変形を抑制できる内燃機関用ピストンを提供する
【解決手段】ピストン頭部の下部にピン孔が形成された一対のピンボス部と、該ピンボス部を挟んで一対のスカート部とを有し、前記ピンボス部と前記スカート部とは支持リブで連結され、前記支持リブとピストン頭部の間に開口孔を有するピストンにおいて、支持リブのピストン軸方向の高さの最小値は３ｍｍ以上であり、かつ、前記ピストン頭部の直径をＤとしたとき、前記支持リブのピストン軸方向の高さが０．２×Ｄ以下である部分の最短長さＬが０．１×Ｄ以上、０．２５×Ｄ以下とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に用いられるピストンの形状に関する。

内燃機関用のピストンは、燃焼圧やスラスト圧などに耐える剛性が必要である一方、エンジンの高回転化の要請から軽量化が必要であり、そのためピストンの形状は従来より種々の検討が行われてきた。例えば特許文献１には、スカート部にピン孔方向に平行な開口孔を設け、この開口孔の下方のスカート部内側にピンボス部下方と連結した補強リブを設け、ピストンを軽量化しながらスカート部の剛性を維持する発明が記載されている。

特開平０２−２０４６６５号公報

昨今地球環境保護を目的として内燃機関は、排気ガスのクリーン化と低燃費化のために爆発工程での最大燃焼圧力が上昇されてきている。最大燃焼圧力の上昇は下記のようにスカートの変形に影響を与える。すなわち図４に模式的に示すようにピストンは燃焼圧力によりスラスト方向および反スラスト方向のピストン頭部がピストン軸方向下方（図の下方）へ変形するため、スラスト方向および反スラスト方向のスカート下端部は内面側へ変形する。図４においてピストンの変形前の形状２１を破線で示しており、ピストンの変形後の形状２２を誇張して示している。スカート下端部が内面側に変形すると、シリンダボア内でのピストンピン軸を中心としたピストンの傾動運動が大きくなり、スラップ音の増大やピストンの異常磨耗を生じさせることとなる。特許文献１に記載の従来例にあっては、最大燃焼圧力が上昇した場合には、補強リブのピストン軸方向の高さによっては、あるいは開口孔下方のスカート部のピストン軸方向の高さによっては、スカート下端部の変形量が大きくなる場合があった。

したがって、本発明の目的は、最大燃焼圧力が従来より上昇してもスカート下端部の内面側への変形を抑制できる内燃機関用ピストンを提供することにある。

すなわち本発明の内燃機関用ピストンは、ピストン頭部の下部にピン孔が形成された一対のピンボス部と、該ピンボス部を挟んで一対のスカート部とを有し、前記ピンボス部と前記スカート部とは支持リブで連結され、前記支持リブとピストン頭部の間に開口孔を有するピストンにおいて、前記支持リブのピストン軸方向の高さの最小値は３ｍｍ以上であり、かつ、前記ピストン頭部のスラスト−反スラスト方向の直径をＤとしたとき、前記支持リブのピストン軸方向の高さが連続して０．２×Ｄ以下である部分の最短長さＬが０．１×Ｄ以上、０．２５×Ｄ以下であることを特徴とする。

本発明の内燃機関用ピストンは、図１に示すようにピストン頭部１７の下部にピン孔１２が形成された一対のピンボス部１６と該ピンボス部を挟んで一対のスカート部１８を有している。さらに、ピンボス部１６のピストン周方向側面とスカート部１８は支持リブ１５で連結されており、支持リブ１５とピストン頭部１７との間に開口孔１４を有してある。そして、前記ピストン頭部１７のスラスト−反スラスト方向（図１の左右方向）の直径をＤとしたとき、支持リブ１５のピストン軸方向の高さ（以下、「支持リブ高さ」と略す）Ｈが連続して０．２×Ｄ以下である部分の長さＬを０．１×Ｄ以上とし、支持リブをピストン軸方向へ撓みやすくすることにより、スカート下端部２３のピストン内側への変形を抑制する。この理由を以下に示す。

内燃機関の燃焼圧力によるピストン頭部１７の変形は、上記のようにスカート部１８を図４に示すように変形させるが、このときスカート部１８と支持リブ１５は、その連結部２４において、図５に示すスカート部１８と支持リブ１５とがなす交差角Ｔの角度を維持したまま変形しようとする。一方、支持リブ高さＨが大きいと、支持リブ１５とスカート部１８の連結部を示した図６（ａ）の模式図のように支持リブ１５が変形するため、角度Ｓが大きくなりスカート下端部の内側への変形量が大きくなる。反対に支持リブ高さＨが小さいと、図６（ｂ）の模式図のように支持リブ１５が変形し、角度Ｓが小さくなりスカート下端部の内側への変形量が小さくなる。

図７により更に詳細に説明する。図７のグラフは、支持リブ高さＨが異なる３つのピストンのピストン頭部へ同じ燃焼圧力を加えたときの、支持リブ１５のピンボス側連結部からスカート部側連結部までの任意の各部位のピストン軸下方への変形量を示す。図７に示すように支持リブの変形を表す各曲線は、支持リブの高さが中と小のものはＳ字状の曲線を描き、さらに支持リブ高さＨが小さいほうがＳ字状の曲線の曲率が大きくなり、角度Ｃが小さくなる。角度Ｃが小さいほど、図６に示す角度Ｓが小さくなり、すなわちスカート下端部の内側への変形量が小さくなるのである。

反対に支持リブ高さＨは大きいほど、スカート下端部の内側への変形量は大きくなり、ピストン頭部１７のスラスト−反スラスト方向の直径をＤとしたとき、支持リブ高さＨが０．２×Ｄより大きくなると本発明の効果は表れない。また、支持リブ高さＨが０．２×Ｄ以下の部分が支持リブ中に存在しても、その最短長さＬが０．１×Ｄより小さくなると、支持リブがＳ字状に変形せず、あるいはＳ字状に変形してもその曲率が小さくなるため本発明の効果は表れない。よって、支持リブ中１５に支持リブ高さＨが０．２×Ｄ以下の部分が存在し、かつその最短長さＬが０．１×Ｄ以上である必要がある。ここで、Ｌは図２で示すように支持リブ高さＨが０．２×Ｄ以下となる部分の内、ピンボス側の部分からスカート側の部分までの直線最短距離とする。

一方、支持リブ高さＨが過剰に小さくなり、３ｍｍ未満の部分が支持リブ中に存在すると、ピストン頭部１７の変形量が大きくなり、シリンダボアとの摩擦部分において異常摩耗が発生する場合もあるため、支持リブ高さＨの最小値は、３ｍｍ以上とする必要がある。また、支持リブ高さＨが０．２×Ｄ以下である部分の最短長さＬは、過剰に長くするとスカート部のピストン周方向の幅が小さくなり、シリンダよりスカート部が受けるスラスト圧力が大きくなり、スカート部の異常摩耗を発生することがあるので、０．２５×Ｄ以下とする。

また、支持リブ高さＨと直交方向となる支持リブの幅は、０．０３×Ｄ〜０．１５×Ｄであることが好ましい。支持リブの幅は０．１５×Ｄ以下と小さくすることにより上記の支持リブのＳ字状の曲率が大きくなるため本発明の効果がより大きく表れる。一方、０．０３×Ｄ以上とすることで支持リブがピストン内側へ撓みにくくなり、スラスト圧力によるスカート部のピストン内側への変形量を小さくでき好適である。さらに好ましい支持リブの幅は０．０５×Ｄ〜０．０８×Ｄである。

また、支持リブはピンボス部のピストン周方向側面にて連結するのが好ましい。これにより、図９のように支持リブをピンボス部の下端部と連結した場合よりもピストンの全高Ｙを小さくすることができ、ピストンの重量の低減に貢献する。

また、本発明の内燃機関用ピストンは、鋳鋼からなることが好ましい。内燃機関用ピストンを鋳鋼製とすることにより、鋳鉄製ピストンよりも剛性が高くなり、燃焼圧力によるスカート下端部の内側への変形量をさらに抑制することができる。特に疲労強度が４００℃にて３００ＭＰａ以上である鋳鋼を用いた場合には、燃焼温度が上昇し、ピストンの温度が４００℃を越える状態になっても、鋳鉄製ピストンよりも高い耐久性を有した内燃機関用ピストンを得ることが出来る。疲労強度が４００℃にて３００ＭＰａ以上である鋳鋼として、例えばＪＩＳＳＣＳ２４を鋳造後１０４０℃にて１時間保持し急冷する固溶化処理を行い、さらに６００℃にて４時間保持し空冷する時効処理を行うものや、ＪＩＳＳＣＭｎなどの構造用高張力炭素鋼および低合金鋼鋳鋼などを用いることができる。

以上、詳細に説明のとおり、本発明の内燃機関用ピストンによれば、最大燃焼圧力が従来より上昇してもスカート下端部の内面側への変形を抑制できる内燃機関用ピストンを提供することができる。

以下、本発明を具体化した内燃機関用ピストンの例について説明する。

（実施例１〜７、比較例１〜５）
本実施例は、排気量１０リッターの直列６気筒ディーゼル機関用に使用されるピストンに適用した例である。本発明のピストンをピン孔の軸方向からみた正面図を図１に示す。また、図１のＡ−Ａ線断面矢視図を図２に示し、図２のＢ−Ｂ線断面矢視図を図３に示す。ピストンの材料は球状黒鉛鋳鉄(ＪＩＳＦＣＤ６００)であり、縦弾性係数は１７０ＧＰａ、ピストン径Ｄは１２０ｍｍ、ピストン全高Ｙは１００ｍｍである。ピストン１１は、図１に示すようにピストン頭部１７の下部にピン孔１２が形成された一対のピンボス部１６と該ピンボス部を挟んで一対のスカート部１８を有している。さらに、ピンボス部１６のピストン周方向側面とスカート部１８は支持リブ１５で連結されており、支持リブ１５とピストン頭部１７との間に開口孔１４を有してある。また開口孔１４の最上部から支持リブ高さＨが最も小さい部位における支持リブ下辺までの高さを４０ｍｍ、支持リブの幅を６ｍｍとし、また支持リブ高さＨの最小値と、支持リブの両端のＲ形状部分を含んで支持リブの高さＨが０．２×Ｄ以下となる部分の長さＬを変化させて実施例１〜７のピストンを作成し、スカート下端部の内側への変形量を測定した。また、比較例１として実施例１の支持リブ高さＨを小さくしたもの、比較例２として実施例２のスカートのピストン周方向の幅を大きくして支持リブの長さを短くしたもの、比較例３として実施例１の開口孔のピストン軸方向高さを小さくして支持リブ高さＨを大きくしたもの、比較例４として実施例２のスカートのピストン周方向の幅を小さくして支持リブの長さを長くしたもの、及び比較例５として開口孔のないピストンをそれぞれ作成し、実施例１〜７と同様にスカート下端部の内側への変形量を測定した。

スカート下端部の変形量を測定するために、図８に示す試験を実施した。試験方法を図８により説明する。ピストン１１はピストンピン４２を介して治具４３に取り付け、ピストン頭部を圧力容器４４に挿入し、圧力容器内４４に最大燃焼圧力１５ＭＰａに相当する油圧４５を作用させ、スカート下端部のピストン内側への変形量をダイヤルゲージ４６で測定し評価した。評価にあたり、スカート下端部のピストン内側への変形量が１００μｍ以下を○、１００μｍを越え１３０μｍ未満を△、１３０μｍ以上を×とした。また、比較例５として開口部を有しないピストンのスカート下端部の内側への変形量も測定した。結果を表１に示す。

次に実施例１〜７と比較例１及び比較例４のピストンを実際にエンジンに組み込み、最大燃焼圧力が１５ＭＰａ、ピストンの最高温度３５０℃となる運転条件で連続４００時間の実機試験を行い、その後ピストンを取り外してピストン表面を観察した。その結果、実施例１〜７の各ピストンには異常はなかったが、比較例１のピストンはトップランド部にスカッフの発生が見られた。これはピストン頭部のピストン下方への変形量が大きくなり、シリンダボアとの摩擦が大きくなったために発生したものと思われる。また、比較例４ではスカート部にスカッフの発生が見られた。これはスカート部のピストン周方向の幅が小さいため、スカート部が受けるスラスト圧が大きくなり発生したものと思われる。

（実施例８〜１２）
実施例８、９、１０及び１１のピストンは、鋳鋼製とする以外はそれぞれ実施例１、２、３及び４と同様としたものである。ピストンの材質はＪＩＳＳＣＭｎ５Ｂ（Ｆｅ以外の主な成分組成（重量％）は、Ｃ：０．１１、Ｓｉ：０．４９、Ｍｎ：１．３７、Ｐ：０．０１、Ｓ：０．０２とした。）とし、鋳造後、９００℃での焼入れと６００℃での焼戻しの処理を行った。このピストンと同時に鋳造し、同じ熱処理を行ったテストピースの疲労強度は４００℃にて３００ＭＰａであった。次に得られたピストンを用いて、スカート下端部の変形量を、実施例１〜７と同じ方法により測定した。さらに実施例８〜１１のピストンをエンジンに組み込み、実施例１〜７と同じ実機試験を行った後、ピストン表面を観察し異常のないことを確認した。また、実施例１２として、実施例１０のピストンを用いて、スカート下端部の変形量を、油圧４５を１８ＭＰａに上昇させた以外は実施例１０と同じにして測定した。次に本実施例１２（実施例１０のピストンと同一）のピストンを実際にエンジンに組み込み、最大燃焼圧力を１８ＭＰａ、ピストンの最高温度４００℃とした以外は実施例１〜７と同じ運転条件で運転条件で連続４００時間の実機試験を行い、その後ピストンを取り外してピストン表面を観察し、異常のないことを確認した。

表１より、実施例１〜１２では、支持リブ高さＨの最小値が３ｍｍ以上であり、かつ、支持リブ高さＨが０．２×Ｄ以下となる部分の最短長さＬが０．１×Ｄ以上、０．２５×Ｄ以下であるため、スカート下端部の変形量は△または○の判定となり、また実機試験の判定は何れも○となり、総合判定は○または△となった。

一方、比較例１では、支持リブ高さＨが３ｍｍ未満となったため、実機試験にてトップランド部にスカッフが発生し×の判定となり、総合判定は×となった。また、比較例２では、支持リブにＨ≦０．２×Ｄとなる部分が存在するものの、その長さＬが小さくＬ／Ｄが０．１未満であるため、スカート下端部の変形量が×判定となり、比較例３では支持リブの長さは実施例１と同じであるものの、支持リブ高さＨが大きくＨ≦０．２×Ｄとなる部分が存在しない、すなわちＬ／Ｄが０となり、スカート下端部の変形量が×判定であり、総合判定は×となった。また、比較例４では、Ｌ／Ｄが０．２５を超えスカート部のピストン周方向の幅が小さいことより、実機試験の判定が×となり、総合判定は×となった。また比較例５の開口孔のないピストンではスカート下端部の変形量が×判定となり、総合判定は×となった。

本発明の実施例のピストンをピン孔軸方向からみた正面図である。図１のＡ−Ａ線断面矢視図である。図２のＢ−Ｂ線断面矢視図である。燃焼圧力が負荷されたときのピストンの変形の模式図である。ピストンスカート部と支持リブの接続部分の模式図である。支持リブの変形とスカート部の変形を表す模式図である。支持リブ高さの違いによる支持リブの変形の違いを表すグラフである。最大燃焼圧が作用したときのスカート下端部の変形量を確認するための試験の説明図である。本発明のピンボスと支持リブの連結と異なるピストンの正面図である。

符号の説明

１１：ピストン
１２：ピン孔
１４：開口孔
１５：支持リブ
１６：ピンボス部
１７：ピストン頭部
１８：スカート部
２０：ピストン軸
２３：スカート部下端
Ｄ：ピストン径
Ｙ：ピストン全高
Ｈ：支持リブ高さ

Claims

ピストン頭部の下部にピン孔が形成された一対のピンボス部と、該ピンボス部を挟んで一対のスカート部とを有し、前記ピンボス部と前記スカート部とは支持リブで連結され、前記支持リブとピストン頭部の間に開口孔を有するピストンにおいて、前記支持リブのピストン軸方向の高さの最小値は３ｍｍ以上であり、かつ、前記ピストン頭部のスラスト−反スラスト方向の直径をＤとしたとき、前記支持リブのピストン軸方向の高さが連続して０．２×Ｄ以下である部分の最短長さＬが０．１×Ｄ以上、０．２５×Ｄ以下であることを特徴とする内燃機関用ピストン。
前記ピストンは、鋳鋼からなることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用ピストン。