JP2008248841A - 内燃機関のピストン - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンピン位置を頂面側に近づけつつ、ピストンの強度及び耐久性を確保することのできる内燃機関のピストンを提供すること。
【解決手段】頂面を有する円筒状のピストン本体(10)と、ピストンピン(12)を軸支するとともに主体部(62)上面及び支持腕部(64,64)の３点でピストン本体と当接する一対のピストンブラケット(14,14)とからピストン(1)を構成する。
【選択図】図１３

Description

本発明は、内燃機関のピストンに係り、詳しくはピストン本体とピン支持部材とが別体に形成されたピストンに関する。

内燃機関のピストンは、上死点近傍において、ピストンピン位置を中心にピストンの２次運動が発生し、ピストンがシリンダ壁面と衝突することでスラップ音等が発生するという問題がある。
また、特に膨張行程時においては、燃焼圧によりピストンが押圧されるとコンロッドとの角度に応じてサイドフォースが発生し、これによりピストンの一側、所謂スラスト側とシリンダ壁面との間でフリクションが上昇するという問題がある。

このような問題に対しては、ピストンピン位置をピストンの重心位置に近づけ、コンロッドとの角度を減少させるようコンロッド長さを長くする等して上記２次運動及びサイドフォースを抑制させることが有効である。
しかし、ピストンの重心は頂面側に位置しているのに対し、当該ピストンの頂面側にはコンプレッションリング溝やオイルリング溝等が形成されているため、頂面側にピストンピンを軸支するピン孔を形成することは困難である。

そこで、ピン孔を有するピン支持部材をピストン本体と別体に形成し、当該ピストン本体内にピン支持部材を組み付けることでピストンピン位置を頂面側に近づける技術が開発されている。
例えば、ピストン本体にピン枢支部材（ピン支持部材）を内嵌し、当該ピン枢支部材の被固定部を固定ボルトでピストン本体の固定座面に固定する構成のピストンが開示されている（特許文献１参照）
特開平１０−２９２８６３号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された技術では、固定ボルトをピストン本体のヘッド側（頂面側）からボルト挿通孔に挿通して、頂面裏側からナットで締結するように構成されているが、このようにピストン頂面を貫通する挿通孔を有する構成はピストンの強度や耐久性を低下させるため好ましくない。
また、当該特許文献１には、ピストン頂面の裏面に形成された半割り状ピン枢支孔と、当該半割り状ピン枢支孔に対応したピン枢支部材とによりピストンピンを支持する構成も開示されているが、このようにピストンピンを支持するピン枢支孔を分割した構成とするとピストン本体の熱変形等を考慮した高精度の成形が必要となるという問題がある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ピストンピン位置を頂面側に近づけつつ、ピストンの強度及び耐久性を確保することのできる内燃機関のピストンを提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１の内燃機関のピストンでは、内燃機関のシリンダ内をストロークするピストンであって、頂面を有した略円筒形状をなし、該頂面の裏面のスラスト側及び反スラスト側位置にストローク方向下死点側に突出した支持台部が形成されているとともに、該支持台部の下死点側の面にボルトのねじ部が螺合可能な螺合穴を有するピストン本体と、ピストンピンの端部を軸支するピン孔を有しストローク方向上死点側の面が前記ピストン本体の頂面の裏面と当接する主体部、及び、該主体部からスラスト方向両側に延び、一方の上死点側の面がスラスト側、他方の上死点側の面が反スラスト側の前記支持台部の下死点側の面と当接し且つそれぞれ前記ボルトのねじ部が貫通可能な貫通孔を有した一対の支持腕部を有し、前記ボルトのねじ部が該支持腕部の貫通孔を貫通し前記ピストン本体の螺合穴に螺合することで該ピストン本体に締結されたピン支持部材とを備えることを特徴としている。

請求項２の内燃機関のピストンでは、請求項１において、前記ピン支持部材は、前記ピストンピンの一端側及び他端側を別々に支持するよう別体に構成されていることを特徴としている。
請求項３の内燃機関のピストンでは、請求項１または２において、前記ピストン本体の頂面の裏面と前記ピン支持部材の主体部のストローク方向上死点側の面との間、及び、前記ピストン本体の支持台部の下死点側の面と前記ピン支持部材の支持腕部の上死点側の面との間の少なくともいずれか一方にシムが介装されていることを特徴としている。

上記手段を用いる本発明の請求項１の内燃機関のピストンによれば、ピストン本体とピン支持部材とを別体に形成することで、オイル溝の形成位置とピストンピン支持位置が干渉する等の制限を受けることなく、ピストンピンを頂面側に位置させることができる。これにより、スラップ音等の騒音やフリクションを軽減することができる。
そして、ピストンピンを支持するピン支持部材が、主体部及び支持腕部の３点においてピストン本体と当接して固定されていることから、ピストン本体からピン支持部材に伝達される力を十分に分散させることができ、当該ピストンの強度及び耐久性を向上させることができる。

請求項２の内燃機関のピストンによれば、ピン支持部材を別体とすることで、ピン支持部材の軽量化を図ることができる。
請求項３の内燃機関のピストンによれば、ピストン本体頂面裏面とピン支持部材の主体部との間、及び支持台部と支持腕部との間のうち少なくともいずれか一方にシムが介装されていることで、熱変形や成形誤差等による生じるピストン本体とピン支持部材との間隔をシムにより調整することができ、確実に３点で当接した構成とすることができる。

これにより、ガタツキ等なく確実にピストン本体にピン支持部材を固定することができ、騒音等の軽減や強度及び耐久性をより向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１乃至図８を参照すると、図１には本発明に係る内燃機関のピストンの分解斜視図が、図２乃至図５にはピストン本体の斜視図、正面図、下面図、断面図が、図６乃至図８にはピストンブラケットの斜視図、下面図、正面図がそれぞれ示されている。以下、これらの図に基づき説明する。

図１に示すように、ピストン１はコンロッド２を介して図示しない内燃機関のシリンダ内をストロークするピストンである。
当該ピストン１は、ピストン本体１０と、ピストンピン１２を軸支する一対のピストンブラケット１４、１４（ピン支持部材）とが別体に形成されている。そして、各ピストンブラケット１４、１４は、それぞれシム１６、１６、１６’、１６’、１６’、１６’を介装させつつ、ボルト１８、１８、１８、１８によりピストン本体１０内に締結されることで固定される。以下、当該ピストン１のストローク方向における上死点側を上側、下死点側を下側とし、当該上下方向に直交するピストンピン１２の軸方向をピン方向、さらに上下方向且つピン方向に直行する方向をスラスト方向として説明する。なお、当該スラスト方向において、膨張行程時においてコンロッドとの角度に応じて生じるサイドフォースを受けてピストン本体１０がシリンダ壁面に押圧される側をスラスト側とし、逆側を反スラスト側とする。

図２乃至図５に示すように、ピストン本体１０は、頂面をなすクラウン部２０からリングランド部２２、スカート部２４ａ、２４ｂ及びサイドウォール部２６、２６が下方に延びた略円筒形状をなしている。
クラウン部２０は平面視円形状をなしており、当該クラウン部２０の周縁から下方に向け円筒状にリングランド部２２が延びている。

当該リングランド部２２の外周面には周方向に延びるトップリング溝３０、セカンドリング溝３２、及びオイル溝３４がそれぞれ所定の間隔を有して並設されている。なお、オイル溝３４の直下がリングランド部２２の下端をなしている。
当該トップリング溝３０、セカンドリング溝３２、及びオイル溝３４には図示しないトップコンプレッションリング、セカンドコンプレッションリング、及びオイルリングが配設される。また、オイル溝３４にはピストン本体１０の内側まで貫通したオイル孔３６が複数穿設されている。

スカート部２４ａ、２４ｂは、リングランド部２２のスラスト側及び反スラスト側の外周面から下方に延びて形成されている。
サイドウォール部２６、２６は、リングランド部２２のピン方向両側部分の下面から下方且つスラスト方向にスカート部２４ａ、２４ｂの周方向の側端部分と連接するように延びている。そして、当該サイドウォール部２６、２６は、スラスト方向中央部分においてリングランド部２２近傍から下方に向け拡大しつつ開口した形状をなしている。

つまり、当該サイドウォール部２６、２６は、スカート部２４ａ、２４ｂの周方向側端部分との連接部分からスラスト方向中央側に向かい上方に傾斜した連接部４０ａ、４０ａ、４０ｂ、４０ｂ及びスラスト方向中央部分において上下方向に所定の厚みを有してリングランド部２２の下端と平行をなす中央部４２、４２から形成されている。
また、クラウン部２０の裏面、即ちピストン本体内側上面５０には、スラスト側及び反スラスト側のピン方向両端位置のそれぞれに、下方に突出した支持台部５２、５２、５２、５２が形成されている。詳しくは、図４に示すように、各支持台部５２、５２、５２、５２は、下面視におけるスカート部２４ａ、２４ｂとサイドウォール部２６、２６との境界部分に位置する四隅において、それぞれ内周面から中心側に膨出した形状をなしている。また、図５に示すように、各支持台部５２、５２、５２、５２の下面には上記ボルト１８が螺合可能な有底の螺合穴５４、５４、５４、５４がそれぞれ形成されている。

また、各支持台部５２、５２、５２、５２を除いたピストン本体内側上面５０は下面視十字形状をなしており、ピン方向の面の一部、もしくは全面において水平面をなしている。
一方、図６乃至図８に示すように、ピストンブラケット１４は、ピストンピン１２の一端側を軸支するピン孔６０が穿設された主体部６２と、当該主体部６２からスラスト方向に延びる一対の支持腕部６４、６４とから構成されている。なお、図６乃至図８には一方のピストンブラケット１４のみが図示されているが、他方のピストンブラケット１４も同様の構成とする。

主体部６２は、上面が水平面をなしており、下面はピン孔６０の形状に沿い滑らかに湾曲した形状をなしている。なお、当該主体部６２のスラスト方向長さは、上記ピストン本体内側上面５０のスラスト側の支持台部５２、５２と反スラスト側の支持台部５２、５２との間の間隔よりも小である。
支持腕部６４、６４は、主体部６２の両側面の下部から下面に沿ってスラスト方向両側に延びており、下面視においては先端に向かうにつれ外側面が内側面に近接するよう形成されている。また当該支持腕部６４、６４の端部には上記ボルト１８のねじ部１８ａが貫通可能に上下方向に貫通した貫通孔６６、６６が穿設されている。

また、シム１６、１６は、組み付け時に当該ピストンブラケット１４、１４の主体部６２、６２の上面及びピストン本体内側上面５０との間に介装される板部材である。当該シム１６、１６はピストンブラケット１４、１４の主体部６２、６２の上面よりも面積が大であり、各シムの材質は例えばステンレス等の金属である。
このようなシム１６とは別に、ピストン本体裏側の支持台部５２、５２、５２、５２とピストンブラケット支持腕部６４、６４、６４、６４の間に、それぞれシム１６’、１６’、１６’、１６’が介装される。図１６には当該シムの斜視図が示されており、同図に示すように、当該シム１６’、１６’、１６’、１６’は、例えばステンレス等の金属からなるワッシャ形状である。なお、図１４、１５に示すように、シム１６とシム１６’、１６’、１６’、１６’のいずれか一方を介装させたピストン１の構成とすることもできる。

以下、上記のように構成されたピストン本体１０及びピストンブラケット１４、１４を組み付けた状態におけるピストン１の構成を説明する。
図９乃至図１３を参照すると、ピストン組付状態時における斜視図、正面図、下面図、断面図が示されており、以下同図に基づき説明する。
ピストン組付状態においては、円筒状のピストンピン１２の端部がそれぞれピストンブラケット１４、１４のピン孔６０、６０に挿入されて軸支されている。なお、当該ピストンピン１２の中央部分はコンロッド２の一端部に軸支されており、当該コンロッド２を挟み込むようにピストンブラケット１４、１４は配設される。

また、各ボルト１８、１８、１８、１８のねじ部１８ａ、１８ａ、１８ａ、１８ａが各ピストンブラケット１４、１４の貫通孔６６、６６、６６、６６を貫通しピストン本体１０の支持台部５２、５２、５２、５２の螺合穴５４、５４、５４、５４に螺合され、当該ボルト１８、１８、１８、１８の頭部１８ｂ、１８ｂ、１８ｂ、１８ｂとピストン本体１０の支持台部５２、５２、５２、５２とに挟まれて当該ピストンブラケット１４、１４はピストン本体１０に締結されている。

このようなピストンブラケット１４、１４とピストン本体１０との締結により、ピストン本体内側上面５０とピストンブラケット１４、１４の主体部６２、６２上面とが当接するとともに、ピストン本体１０の支持台部５２、５２、５２、５２とピストンブラケット１４、１４の支持腕部６４、６４、６４、６４とが当接することとなる。そして、当該当接部分にはシム１６、１６及びシム１６’、１６’、１６’、１６’の少なくともいずれか一方が介装される。つまり、ピストンブラケット１４、１４はそれぞれ３点でピストン本体１０と当接している。

また、ピストンブラケット１４、１４の主体部６２、６２の支持腕部６４、６４、６４、６４より上側部分の側面は、近接するピストン本体１０の支持台部５２、５２、５２、５２とスラスト方向において所定の間隔を有している。
また、当該組付状態において、ピストンピン１２の軸中心はピストン１頂面の径中心よりスラスト方向にて僅かにスラスト側にオフセットされている。これにより、膨張行程時のピストン１に反スラスト方向の力を発生させ、サイドフォースを低減させることができる。

以上のように、ピストンブラケット１４、１４がそれぞれ支持腕部６４、６４、６４、６４及び主体部６２、６２上面の３点で当接していることで燃焼圧によりピストン本体１０から伝達される力を十分に分散させることができ、ピストン１の強度及び耐久性を向上させることができる。
また、ピストンブラケット１４、１４を別体に構成することで、一体構成のブラケットに比べて支持腕部６４、６４を繋ぐ部位等が不要となる分、小型化、軽量化を図ることができる。

また、ピストンブラケット１４、１４の主体部６２、６２上面とピストン本体内側上面５０との間にシム１６、１６、ピストンブラケット支持腕部６４、６４、６４、６４とピストン本体裏側の支持台部５２、５２、５２、５２との間にシム１６’、１６’、１６’、１６’を介装させていることで、熱変形や成形誤差等による生じるピストン本体１０とピストンブラケット１４、１４との間隔をシム１６、１６、もしくはシム１６’、１６’、１６’、１６’により調整することができ、確実に３点で当接した構成とすることができる。また、ピストンブラケット１４、１４の主体部６２、６２の側面は近接するピストン本体１０の支持台部５２、５２、５２、５２と所定の間隔を有していることから、スラスト方向における熱変形や成形誤差等の影響を軽減することができる。

これにより、ガタツキ等なく確実にピストン本体１０にピストンブラケット１４、１４を固定することができ、騒音等の軽減や強度及び耐久性をより向上させることができる。
そして、ピストン１はピストン本体１０とピストンブラケット１４、１４とが別体に形成されていることで、オイル溝の形成位置とピストンピン支持位置が干渉する等の制限を受けることなくピストンピン１２を頂面側に位置させることができる。これにより、ピストン１の重心位置とピストンピン１２の中心とを近づけて、ピストン１の小型化、軽量化を実現できるとともに、ピストン１の低重心化を図ることでストローク時の慣性モーメントを小さくすることが可能となり、スラップ音等の騒音を低減できる。さらに、ピストン１を低重心化することで、コンロッド２を長くし、連かん比を大きくすることができるので、サイドフォースやフリクションを軽減することができる。

このように、本発明に係る内燃機関のピストンでは、ピストンピン１２位置を頂面側に近づけつつ、ピストン１の強度及び耐久性を確保することができる。
以上で本発明に係る内燃機関のピストンの実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態では、シム１６、１６の材質はステンレスとしているが、当該シムの材質はこれに限られるものではない。

また、上記実施形態ではピストンブラケット１４、１４を互いに別体に構成しているが、当該ピストンブラケットは別体のものに限られるものではなく、例えば上記ピストンブラケットの支持腕部をピン方向に互いに連結し一体とした構成としても構わない。
また、上記実施形態では、ピストン本体１０の支持台部５２、５２、５２、５２を独立して４箇所に形成しているが、支持台部はこのような構成に限られるものではなく、例えば、上記スラスト側の支持台部間及び反スラスト側の支持台部間をピン方向に連結し一対の支持台部とした構成としても構わない。

また、上記実施形態では、ピストンピン１２はスラスト側にオフセットした構成であるが、特にこのようにオフセットした構成に限られるものではない。
また、上記実施形態では、シム１６が板部材、シム１６’がワッシャ形状をなしているが、当該シムの形状はこれに限られるものではなく、例えば、シム１６’をピストン本体裏側の支持台部の下面形状に合わせた形状としても構わない。

本発明に係る内燃機関のピストンの分解斜視図である。 ピストン本体の斜視図である。 ピストン本体の正面図である。 ピストン本体の下面図である。 図４のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 ピストンブラケットの斜視図である。 ピストンブラケットの正面図である。 ピストンブラケットの下面図である。 ピストン組付状態における斜視図である。 ピストン組付状態における斜視図である。 ピストン組付状態における正面図である。 ピストン組付状態における下面図である。 図１２のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 ピストン組付状態における他の例を示す断面図である。 ピストン組付状態における他の例を示す断面図である。 シムの斜視図である。

符号の説明

１ ピストン
１０ ピストン本体
１２ ピストンピン
１４ ピストンブラケット（ピン支持部材）
１６、１６′ シム
１８ ボルト
２０ クラウン部
２２ リングランド部
２４ａ、２４ｂ スカート部
２６ サイドウォール部
５０ ピストン本体内側上面
５２ 支持台部
５４ 螺合穴
６０ ピン孔
６２ 主体部
６４ 支持腕部
６６ 貫通孔

Claims (3)

1. 内燃機関のシリンダ内をストロークするピストンであって、
   頂面を有した略円筒形状をなし、該頂面の裏面のスラスト側及び反スラスト側位置にストローク方向下死点側に突出した支持台部が形成されているとともに、該支持台部の下死点側の面にボルトのねじ部が螺合可能な螺合穴を有するピストン本体と、
   ピストンピンの端部を軸支するピン孔を有しストローク方向上死点側の面が前記ピストン本体の頂面の裏面と当接する主体部、及び、該主体部からスラスト方向両側に延び、一方の上死点側の面がスラスト側、他方の上死点側の面が反スラスト側の前記支持台部の下死点側の面と当接し且つそれぞれ前記ボルトのねじ部が貫通可能な貫通孔を有した一対の支持腕部を有し、前記ボルトのねじ部が該支持腕部の貫通孔を貫通し前記ピストン本体の螺合穴に螺合することで該ピストン本体に締結されたピン支持部材と
   を備えることを特徴とする内燃機関のピストン。
2. 前記ピン支持部材は、前記ピストンピンの一端側及び他端側を別々に支持するよう別体に構成されていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関のピストン。
3. 前記ピストン本体の頂面の裏面と前記ピン支持部材の主体部のストローク方向上死点側の面との間、及び、前記ピストン本体の支持台部の下死点側の面と前記ピン支持部材の支持腕部の上死点側の面との間の少なくともいずれか一方にシムが介装されていることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関のピストン。

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