JP2008248842A - 内燃機関のピストン - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンピン支持の強度を低下させることなく、スカート部における接触面積を増加させ且つ接触面圧を均一化させることができ、シリンダ壁面とのフリクションを低減させ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】ピストン(1)をピストン本体(10)と一対のピストンブラケット(14)とにより構成し、当該ピストン本体のサイドウォール部(26)をスラスト方向中央部(42)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とする。
【選択図】図１１

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では、膨張行程時に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サイドフォースに応じてフリクションが増加するという問題がある。
当該フリクションの低減には、シリンダ壁面と接触するピストンのスラスト側のスカート部の接触面圧を低減させることが有効である。

しかし、ピストンは軽量化の観点からスカート部の面積を大幅に拡大する等は困難である。
そして、当該スカート部は、周方向両端がサイドウォール部と連接していることから当該周方向両端部分の剛性が比較的高く、自由端である下死点側部分の剛性が比較的低いという構成をなしている。このため、当該スカート部とシリンダ壁面との接触面圧は高剛性側に集中し接触面圧が偏り、接触面積も減少するため、フリクションが増加しやすい。

そこで、スラスト側のスカート部の面積を反スラスト側のスカート部の面積より大きくし、且つエプロン部（サイドウォール部）の下側先端縁である凹状部においてスラスト側のコーナーの曲率（Ｒ）を反スラスト側より大きくした構成のピストンが開発されている（特許文献１参照）。
特開２００２−３１７６９３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、エプロン部にピンボス部が設けられており、ピンボス部の強度を確保するために凹状部をより頂面側に形成することは困難であり、スカート部の周方向両端部分の剛性の低減や軽量化等の効果を十分に得ることはできないという問題がある。
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、ピストンピン支持の強度を低下させることなく、スカート部における接触面積を増加させ且つ接触面圧を均一化させることができ、シリンダ壁面とのフリクションを低減させ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、頂面の周縁から円筒状にストローク方向下死点側に延びたリングランド部、該リングランド部のスラスト側及び反スラスト側から下死点側に延びた一対のスカート部、及び、前記リングランド部から下死点側且つスラスト方向に該スカート部の周方向側端部と連接するよう延び、スラスト方向中央部が前記リングランド部の下死点側端縁または該下死点側端縁の近傍から下死点側に開口した形状をなすサイドウォール部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、前記ピストン本体内に締結手段により締結されたピン支持部材とを備えた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、前記サイドウォール部のスラスト方向中央部の下死点側端縁は少なくともピストンピンの軸中心位置よりもストローク方向上死点側に位置し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、少なくとも前記スラスト側のスカート部には、ストローク方向下死点側部分の内周面に周方向に延びたリブが形成されていること特徴としている。

請求項４の内燃機関のピストンでは、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記スラスト側のスカート部の外周面積は前記反スラスト側のスカート部の外周面積より大であ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とすることで、ピストンピン位置をピストン頂面に近接させることができる上、ピストンピン支持の強度を低下させることなくサイドウォール部の形状の自由度を拡大させることができる。
そして、当該サイドウォール部のスラスト方向中央部をリングランド部の下死点側端縁からまたは当該下死点側端縁の近傍から下死点側に開口させた形状とすることで、ピストン本体を軽量化することができるとともに、当該サイドウォール部と連接されたスカート部の周方向両端部分の剛性を低下させることができ、当該スカート部の剛性の偏りを低減させることができる。

これにより、特に膨張行程時においてサイドフォースによりシリンダ壁面に押圧されるスラスト側スカート部の接触面積を増加させ且つ接触面圧を均一化させることで、当該シリンダ壁面にフリクションを低減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、サイドウォール部のスラスト方向中央部の下死点側端縁を少なくともピストンピンの軸中心よりもストローク方向上死点側に位置させることで、スカート部の周方向両端部分の剛性を大幅に低下させることができ、より確実にスカート部とシリンダ壁面とのフリクションを低減させることができる。

請求項３の内燃機関のピストンによれば、少なくともスラスト側のスカート部のストローク方向下死点側の内周面に周方向に延びるリブを形成することで、当該スカート部の下死点側の剛性を上げ当該スカート部全体としてより均一な剛性に調整することができ、さらにフリクションを低減させることができる。
特に、従来はピストン本体を平面視でスラスト方向に３分割し中央部分をさらに３分割した計５分割の型で成形していたのに対し、サイドウォール部のスラスト方向中央部が下死点側に開口したピストン本体とすることで、少なくとも平面視においてスラスト方向に３分割した型でピストン本体を成形可能であり、当該３分割した型であってもスカート部の内周面にリブを容易に形成することができる。

請求項４に内燃機関のピストンによれば、スラスト側の外周面積を大とすることでシリンダ壁との接触面積を増加させることができ、より一層フリクションを低減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。リングランド部２２は、ピストン本体１０において、上側がクラウン部２０、下側がオイル溝３４を含む部分までの範囲を指す。より具体的に述べると、図３、図５にわかり易く示すように、オイル溝３４は上端面３４ａ、奥底面３４ｂ及び下端面３４ｃで構成されるが、リングランド部２２の下側は、オイル溝３４の下端面３４ｃの下側近傍部分を指す。
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。なお、スラスト側のスカート部２４ａは反スラスト側のスカート部２４ｂよりも外周表面積が大となるよう形成されている。
また、各スカート部２４ａ、２４ｂの下部の内周面にはピストン１の内側に膨出し周方向に延びたリブ部２５、２５がそれぞれ形成されている。

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。なお、スラスト側の連接部４０ａ、４０ａは反スラスト側の連接部４０ｂ、４０ｂよりも表面積が大となるよう形成されている。

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、下方に膨出した支持台部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、当該各支持台部５２、５２、５２、５２は、上下方向においてサイドウォール部２６、２６の中央部４２、４２より下方の位置まで膨出している。そして、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、ピン方向の面においては水平面をなしている。
なお、当該ピストン本体１０については、上記構造により、従来平面視５分割の型で成形していたのに対し、リブ部２５、２５を含め、平面視においてスラスト方向に３分割した型で成形されている。

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。

ピン孔６０は、ピン方向において内側から外側に向けピストンピン１２の端部が挿入可能に形成されている。
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。
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。

当該締結により、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上面とがシム１６、１６を介して当接するとともに、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。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に反スラスト側の力を発生させ、サイドフォースを低減させることができる。

さらに、サイドウォール部２６、２６の中央部４２、４２の下端縁はピストンピン１２の軸中心よりも上側に位置している。
以上のように、ピストン本体１０とピストンブラケット１４、１４とを別体とすることで、ピストンピン１２位置をピストン頂面側に近接させることができる上、ピストンピン１２を支持する強度を低下させることなくサイドウォール部２６、２６の形状の自由度を拡大させることができる。

そして、当該サイドウォール部２６、２６の中央部４２、４２を、リングランド部２２の近傍であってピストンピン１２の軸中心位置より上側位置を下端縁として下側に開口した形状とすることでピストン本体の軽量化することができるとともに、当該サイドウォール部２６、２６と連接されたスカート部２４ａ、２４ｂの周方向両端部分の剛性を低下させることができ、当該スカート部２４ａ、２４ｂの剛性の偏りを低減させることができる。

さらに、当該スカート部２４ａ、２４ｂの下部の内周面にリブ部２５、２５が形成されていることで、比較的剛性の低い当該スカート部２４ａ、２４ｂの下部の剛性を上げ、当該スカート部２４ａ、２４ｂ全体としてより均一な剛性に調整することができる。なお、当該リブ部２５、２５については、上述したように平面視３分割の型で容易に形成可能である。

また、スラスト側のスカート部２４ａを反スラスト側のスカート部２４ｂよりも外周表面積が大となるよう形成することで、特に膨張行程時にサイドフォースによりシリンダ壁面に押圧される当該スラスト側のスカート部２４ａにおいて当該シリンダ壁面との接触面積を十分に確保することができる。
これらのことから、特に膨張行程時におけるシリンダ壁面とスラスト側のスカート部との接触面積を増加させ且つ当該接触面圧を均一化させることができ、当該シリンダ壁面とスラスト側のスカート部２４ａとのフリクションを低下させることができる。

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、サイドウォール部２６、２６の中央部４２、４２は上下方向に所定の厚みを有しておりその下端縁から開口しているが、サイドウォール２６、２６部の中央部４２、４２をリングランド部下端から開口させ、連接部が完全に分割されたような構成としても構わない。

また、上記実施形態ではピストンブラケット１４、１４を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。

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。

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 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
２５ リブ部
２６ サイドウォール部
４０ａ、４０ｂ 連接部
４２ 中央部

Claims (4)

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、
   頂面の周縁から円筒状にストローク方向下死点側に延びたリングランド部、該リングランド部のスラスト側及び反スラスト側から下死点側に延びた一対のスカート部、及び、前記リングランド部から下死点側且つスラスト方向に該スカート部の周方向側端部と連接するよう延び、スラスト方向中央部が前記リングランド部の下死点側端縁または該下死点側端縁の近傍から下死点側に開口した形状をなすサイドウォール部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、前記ピストン本体内に締結手段により締結されたピン支持部材とを備えたことを特徴とする内燃機関のピストン。
2. 前記サイドウォール部のスラスト方向中央部の下死点側端縁は少なくともピストンピンの軸中心位置よりもストローク方向上死点側に位置し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. 少なくとも前記スラスト側のスカート部には、ストローク方向下死点側部分の内周面に周方向に延びたリブが形成されていること特徴とする請求項１または２記載の内燃機関のピストン。
4. 前記スラスト側のスカート部の外周面積は前記反スラスト側のスカート部の外周面積より大であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の内燃機関のピストン。

Images