JP2009264145A - 内燃機関のピストン - Google Patents

Abstract

【課題】 スカートの永久変形を抑制することができるとともに、摺動部の摩耗低減や耐焼付き性の向上のほか、軽量化やフリクションの低減や騒音の低減を図ることができ、またオイル消費量やブローバイガスの低減等も図ることが可能な内燃機関のピストンを提供する。
【解決手段】 ヘッド２と、ヘッド２の下部に設けられた一対の第１のピンボスおよび第２のピンボス３、４と、第１のピンボス３の側方に設けられた第１のサイドウォールと、第２のピンボス４の側方に設けられた第２のサイドウォール５とを備える内燃機関のピストン１Ａであって、ヘッド２の周縁部から下方に延伸するスカート７Ａが、ヘッド２の周縁部下方のうち、第１および第２のサイドウォール５Ａ、６Ａの端部に相当する部分に部分的に設けられた構成となっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は内燃機関のピストンに関する。

図１６は従来の一般的なピストンの一例を模式的に示す図である。従来、内燃機関のピストンは部分円筒状のスカートをヘッドの周縁部下方に備えていることが一般的である。スカートは機関運転時に内燃機関のボアに摺接し、これによりシリンダ内を往復運動するピストンの姿勢が傾く（倒れる）ことが抑制される。
内燃機関のピストンにつき、本発明と関連性があると考えられる技術としてこのスカートに関連する技術が、例えば特許文献１から４までで提案されている。

特開２００１−８２２４６号公報 特開平６−５３７４３号公報 特開２０００−３３７２１２号公報 特開平９−３１７５５４号公報

図１６に示すように、従来の一般的なピストンにおいては、スカートがピンボスの側方（通常、両側）に設けられたサイドウォールと繋がっている。このためスカートの剛性は、円周方向におけるその中央部と両端部とで大きく異なる。すなわち、スカートの両端部は直接サイドウォールに支持されるため非常に剛性が高いのに対して、中央部は逆に剛性が低くなる。図１７はスカートの剛性分布の一例を示す図であり、図１７からスカートの両端部のほうが中央部よりも剛性値が高くなっていることがわかる。そして、スカートの中央部には最も大きいスラスト力が作用するため、永久変形が生じ易い。

これに対して、かかる永久変形の発生を抑制すべくスカート中央部の剛性を高めるためには、例えばスカートの肉厚を厚くすることが考えられる。しかしながら、この場合にはピストンの重量増大を招くことから、ピストンの往復運動性能が低下し、内燃機関の出力性能に悪影響が及ぶ虞があるとともに、スカート両端部の剛性が益々高くなってしまうことから、今度は両端部がボアとの接触で焼付きを起こす虞がある。
またスカート中央部の剛性を高めるためには、例えばスカート幅を小さくすることも考えられるが、この場合にはスカートの摺動面積縮小に伴い面圧が増加し、この結果、摺動部（具体的にはスカートやボアやピストンに組み付けられるピストンリング等）の摩耗増大や、焼付きの発生や、騒音の増大等が発生し易くなる虞がある。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、スカートの永久変形を抑制することができるとともに、摺動部の摩耗低減や耐焼付き性の向上のほか、軽量化やフリクションの低減や騒音の低減を図ることができ、またオイル消費量やブローバイガスの低減等も図ることが可能な内燃機関のピストンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、ヘッドと、該ヘッドの下部に設けられたピンボスと、該ピンボスの側方に設けられたサイドウォールとを備える内燃機関のピストンであって、前記ヘッドの周縁部から下方に延伸するスカートを、前記ヘッドの周縁部下方のうち、前記サイドウォールの端部に相当する部分に部分的に設けたことを特徴とする。

また本発明は前記スカートを上部と下部とに分離した構成であってもよい。

また本発明は前記サイドウォールが一対のサイドウォールであり、前記一対のサイドウォールのうち、前記スカートの下部を含む当該下部近傍の部分同士を前記ピンボスの側方同じ側において連結する連結部をさらに備えた構成であってもよい。

また本発明は前記連結部を内燃機関のボアと摺接するように設けた構成であってもよい。

また本発明はさらに前記連結部のうち、円周方向中央付近の部分を前記ボアと摺接しないように形成した構成であってもよい。

また本発明は前記連結部をストレートに延伸するように設けた構成であってもよい。

本発明によれば、スカートの永久変形を抑制することができるとともに、摺動部の摩耗低減や耐焼付き性の向上のほか、軽量化やフリクションの低減や騒音の低減を図ることができ、またオイル消費量やブローバイガスの低減等も図ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は本実施例に係る内燃機関のピストン（以下、単にピストンと称す）１Ａの斜視図である。また、図２はピン穴の軸線方向に沿って見た場合のピストン１Ａを模式的に示す図であり、図３はスラスト・反スラスト方向に沿って見た場合のピストン１Ａを模式的に示す図である。
ピストン１Ａはヘッド２と、ヘッド２の下部に設けられた一対の第１および第２のピンボス３、４と、第１のピンボスの両側に設けられた第１のサイドウォール５Ａと、第２のピンボスの両側に設けられた第２のサイドウォール６Ａと、スカート７Ａとを有して構成されている。
ヘッド２は円盤状に形成されている部分であり、その外周にはピストンリングおよびオイルリング（図示省略）を装着するためのリング溝２１が形成されている。なお、リング溝２１の本数は図示の２本に限定されるものではなく、例えば一般に採用されることが多い３本であってもよい。

ヘッド２Ａの下部には、第１および第２のピンボス３、４が設けられている。第１および第２のピンボス３、４にはピストンピン（図示省略）が装着される。
第１のピンボス３の両側に設けられた第１のサイドウォール５Ａは、第１のピンボス３の側部とヘッド２の下部にそれぞれ繋がっている。
第２のピンボス４の両側に設けられた第２のサイドウォール６Ａは、第２のピンボス４の側部とヘッド２の下部にそれぞれ繋がっている。

第１および第２のサイドウォール５Ａ、６Ａはピストン１Ａの中心軸線を含み、第１のピンボス３（または第２のピンボス４）のピン穴の中心軸線と略直交する平面を間に挟むように形成された一対のサイドウォールとなっており、第１および第２のサイドウォール５Ａ、６Ａは当該平面で対称な形状となるように形成されている。第１および第２のサイドウォール５Ａ、６Ａは、その間隔が第１または第２のピンボス３、４側から周縁側に向かうに従って次第に広がるように設定されている。第１および第２のサイドウォール５Ａ、６Ａにはそれぞれ壁面を貫く貫通穴Ｈが形成されている。

スカート７Ａは、ヘッド２の周縁部から下方に延伸して設けられている。さらにこのピストン１Ａでは、スカート７Ａは、ヘッド２の周縁部下方のうち、第１および第２のサイドウォール５Ａ、６Ａの端部に相当する部分のみに部分的に設けられている。スカート７Ａはその表面がヘッド２の外径と略同一の径によって形成される円筒面からなり、機関運転時に内燃機関のボア（図示省略）と摺接する。

このようなスカート７Ａを備えたピストン１Ａは設計上、剛性分布の均一化を図り易い構造となるため、ボアとの接触面圧分布が均一になるように面圧分布の適正化を図ることができる。このためピストン１Ａでは、スカート７Ａの永久変形が抑制されるとともに、摺動部の摩耗が低減され、また耐焼付き性も向上する。
またこのようなスカート７Ａを備えたピストン１Ａには、前述した従来の一般的なピストンのスカート中央部に相当する部分が存在しないため、ピストン１Ａの軽量化が図られるとともに、スカートの摺動面積低減による大幅なフリクション低減も実現することができる。またピストン１Ａでは、貫通穴Ｈによる肉抜きによっても軽量化が図られる。
さらにピストン１Ａでは、スカート中央部に相当する部分が存在しないため、ピストンリングで掻き落したオイルがそのまま下方へ戻されることとなり、これによりオイルの消費量も低減される。

また、機関運転時にボアはスラスト・反スラスト方向で大きく変形するため、前述した従来の一般的なピストンでは、スカート中央部とボアとのクリアランスが大きくなり、この結果、騒音（スラップ音）が増大する傾向があるところ、ピストン１Ａでは、スカート部７Ａが中央からずれた位置に形成されており、ボアの変形が比較的小さいところで摺動するため、このような騒音の増大も回避することができる。
そのほかピストン１Ａでは、ピストンの軽量化に伴い特に冷間始動時の機関始動性が向上し、また補機容量の低減により有害排気ガスの低減やコストの低減も可能になる。

図４は本実施例に係るピストン１Ｂの斜視図である。また、図５はスラスト・反スラスト方向に沿って見た場合のピストン１Ｂを模式的に示す図である。
本実施例に係るピストン１Ｂは、スカート７Ａの代わりにスカート７Ｂを備えている点と、これに伴いサイドウォール５Ａ、６Ａの代わりに、端部に相当する部分にスカート７Ｂが設けられたサイドウォール５Ｂ、６Ｂを備えている点以外、ピストン１Ａと実質的に同一のものとなっている。
スカート７Ｂは、スカート７Ａを上部と下部とに分離した構成となっている。具体的には、スカート７Ｂは分割部Ｂによって上部と下部とに分離されている。分割部Ｂはスカート７Ｂの上下方向中央の部分からスラスト・反スラスト方向に沿って第１および第２のサイドウォール５Ｂおよび６Ｂを切り欠くように形成されており、さらには貫通穴Ｈに連通している。

このようなスカート７Ｂを備えたピストン１Ｂでは、スカート７Ｂ下部への熱伝達が遮断されるため、その温度が低下する（ボア側の温度に近づく）。また熱の伝達は、貫通穴Ｈを備えるとともに、分割部Ｂを貫通穴Ｈに連通することで好適に遮断される。これにより、ボアとスカート７Ｂ下部とのクリアランスを極限まで小さくできるので、ピストン１Ｂでは、さらにピストン姿勢を良好にすることができる。
このためピストン１Ｂでは、更なる騒音の低減はもとより、更なるオイル消費量の低減やブローバイガスの低減を図ることができるほか、コンプハイト縮小による軽量化などを図ることも可能になる。
またピストン１Ｂでは、スカート７Ｂが受ける応力につき、ヘッド２からの応力と第１および第２のサイドウォール５Ｂ、６Ｂから受ける応力とを分離できるので、スカート７Ｂの上部下部各々について適正なプロフィルを設定することが可能になり、これにより更なる面圧分布の適正化を図ることができることから、極小のスカート摺動面積によるフリクションの低減が可能になる。

図６は本実施例に係るピストン１Ｃの斜視図である。また、図７はピン穴の軸線方向に沿って見た場合のピストン１Ｃを模式的に示す図である。
本実施例に係るピストン１Ｃは、貫通穴Ｈを備えていない点と、これに伴いサイドウォール５Ａ、６Ａの代わりに貫通穴Ｈが設けられていないサイドウォール５Ｃ、６Ｃを備えている点以外、ピストン１Ａと実質的に同一のものとなっている。

このピストン１Ｃによれば、極端に小さいスカート摺動面積でスカート７Ａの上下方向での剛性分布を均一にすることが可能となり、これにより面圧分布が均一になるように面圧分布の適正化を好適に図ることができる。
またピストン１Ｃは貫通穴Ｈを備えていないことから、第１および第２のサイドウォール５Ｃ、６Ｃの剛性が向上し、これにより燃焼荷重に対する応力振幅が減少するので、ヘッド２の肉厚の薄肉化などによる軽量化も可能になる。
さらにピストン１Ｃでは貫通穴Ｈを形成する必要がないことから、型費や加工費などを低減することができ、これによりコストを低減することもできる。

図８は本実施例に係るピストン１Ｄの斜視図である。また、図９はスラスト・反スラスト方向に沿って見た場合のピストン１Ｄを模式的に示す図であり、図１０はピストン１Ｄを下面視で模式的に示す図である。本実施例にかかるピストン１Ｄは、一対のサイドウォールである第１および第２のサイドウォール５Ａ、６Ａに係るスカート７Ａの下部同士を第１および第２のピンボス３、４の側方同じ側において連結する連結部８Ａをさらに備えている点以外、ピストン１Ａと実質的に同一のものとなっている。

ここで、前述のピストン１Ａでは図１１（ａ）に示すように、機関運転時にスカート７Ａが燃焼の爆発直後に発生するスラスト力によって変形し、ピン穴の軸線方向（ピン軸方向）へ倒されてしまうという問題が懸念される。或いは図１１（ｂ）に示すように一対の第１および第２のサイドウォール５Ａ、６Ａの間隔を第１および第２のピンボス３、４側から周縁側に向かって次第に狭まるように設定した場合にあっては、スラスト・反スラスト方向に沿ったピストン中心軸線方向（スラスト方向）へ倒されてしまうという問題が懸念される。
そしてこの場合には、設定プロフィルに応じたボア、スカート７Ａ間のクリアランスが変化し、偏摩耗や局部当たりによる応力集中で第１および第２サイドウォール５Ａ、６Ａに亀裂等が発生し易くなる虞がある。

これに対してピストン１Ｄでは、ピストン１Ａと一体的に形成された連結部８Ａがボアと摺接するように設けられている。具体的には図１０に示すように、連結部８Ａはその表面がピストン１Ｄの外径と略同一の径によって形成される円筒面からなり、この円筒面が機関運転時にボアと摺接するようになっている。このため連結部８Ａはスカートとしての機能も有する。
このピストン１Ｄよれば、図１１に示すようにスカート７Ａが変形し、倒されてしまうことを連結部８Ａの連結によって抑制できる。
またピストン１Ｄでは、連結部８Ａがスカートとしての機能も有することから、ピストン１Ｄの首振り（揺動）を抑制することもでき、さらに連結部８Ａをスカート７Ａの下部に設けたことで、その抑制効果を高めることができる。

このためピストン１Ｄは、ピストン１Ａと比較して更なる摺動部の摩耗低減や耐焼付き性の向上や騒音低減を図ることができるほか、ブローバイガスの低減も図られ、また連結部８Ａを含むスカート全体の面圧低下に伴う極小スカート摺動面積の成立が可能になる。
またピストン１Ｄでは、連結部８Ａとヘッド２の周縁部との間にスカートが存在しないため、前述の従来の一般的なピストンと比較して軽量化やフリクションの低減を図ることもできる。
またピストン１Ｄでは、機関運転時に連結部８Ａの上部にオイルが滞留するとともに、滞留したオイルが慣性力で上方に飛散し、結果として摺動部の潤滑が改善されることから、これによっても摺動部の摩耗低減が図られるとともに、ピストン１Ｄ全体の冷却効果も得ることができる。

図１２はスラスト・反スラスト方向に沿って見た場合の本実施例に係るピストン１Ｅを模式的に示す図であり、図１３はピストン１Ｅを下面視で模式的に示す図である。本実施例に係るピストン１Ｅは、連結部８Ａの代わりに連結部８Ｂを備えている点以外、ピストン１Ｄと実質的に同一のものとなっている。また連結部８Ｂは、肉抜きを施すことによって円周方向中央付近の部分Ｃがボアと摺接しないように形成されたものとなっている点以外、連結部８Ａと実質的に同一のものとなっている。

このピストン１Ｅによれば、ピストン１Ｄと比較してスカート摺動面積の低減によるフリクション低減を図ることができるほか、円周方向中央付近の部分Ｃにおいてボアとのクリアランスを得ることで、ピストンリングで掻き落したオイルを滞留させることなく下方へ落下させ、これによりオイル消費量の増大を抑制することができる。
また、円周方向中央付近の部分Ｃをボアと摺接しないように形成するとともに、残りの部分をボアと摺接するように残すことで、この分、面圧を分散させることが可能になり、これによりスカート７Ａの摩耗を低く抑制することができる。

なお、ピストン１Ｅの変形例として、連結部８Ａの円周方向中央付近の部分Ｃをボアと摺接するように残すとともに、残りの部分をボアと摺接しないように形成した連結部を連結部８Ｂの代わりに備えてもよい。
この場合には、ボアとの接触が連結部の両側にあるスカート７Ａと連結部とによる３点支持になるため、ピストン揺動を大幅に低減でき、非常に大きな騒音低減効果を得ることができる。
またこの場合には、連結部のうち、最も剛性が高くなるスカート７Ａ下部との結合部においてボアとの接触がなくなるため、焼付きの発生を回避することができる。

図１４は本実施例に係るピストン１Ｆを下面視で模式的に示す図である。本実施例にかかるピストン１Ｆは、一対のサイドウォールである第１および第２のサイドウォール５Ａ、６Ａのうち、スカート７Ａの下部近傍の部分同士を第１および第２のピンボス３、４の側方同じ側において連結する連結部８Ｃをさらに備えている点以外、ピストン１Ａと実質的に同一のものとなっている。
連結部８Ｃはストレートに延伸するように設けられており、このため連結部８Ｃはボアと摺接しないようになっている。また連結部８Ｃは第１および第２のサイドウォール５Ａ、６Ａと一体的に成型されている。

このピストン１Ｆによれば、連結部８Ｃがストレートに延伸するように設けられていることから、構造上、前述の図１１に示すようにスカート７Ａが変形により倒されることを好適に抑制することができ、このため例えば前述の連結部８Ａと比較してその断面積の縮小化を図ることが可能となる。このためピストン１Ｆは、連結部８Ａを備えるピストン１Ｄや連結部８Ｂを備えるピストン１Ｅと比較して、更なる軽量化を図ることが可能になる。

図１５は本実施例に係るピストン１Ｇを下面視で模式的に示す図である。本実施例にかかるピストン１Ｇは、前述した連結部８Ｃと同様に一対のサイドウォールである第１および第２のサイドウォール５Ａ、６Ａのうち、スカート７Ａの下部近傍の部分同士を第１および第２のピンボス３、４の側方同じ側において連結する連結部８Ｄをさらに備えている点以外、ピストン１Ａと実質的に同一のものとなっている。また連結部８Ｄは、連結部８Ｃと同様にストレートに延伸するように設けられており、このため連結部８Ｄはボアと摺接しないようになっている。
一方、この連結部８Ｄはピストン１Ｇの材質（例えばアルミニウム合金）よりも軽量な弾性部材（例えば樹脂や硬質ゴムなど）からなり、ピストン本体とは別個のものとして形成されている。連結部８Ｄは第１および第２のサイドウォール５Ａ、６Ａに例えば圧入や接着や拡散接合などの方法により組付けられる。

このピストン１Ｇによれば、軽量な弾性部材からなる連結部８Ｄを備えることにより、連結部８Ｃを備えたピストン１Ｆと比較して更なる軽量化を図ることができる。また連結部８Ｄは弾性部材からなるため、第１および第２のサイドウォール５Ａ、６Ａやスカート７Ａに作用する応力を吸収するようにして緩和することができ、これによってさらに亀裂の発生等を抑制することもできる。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。例えば上述した実施例ではヘッドの下部に一対のピンボスを備えたピストンの場合について説明したが、ピストンはヘッドの下部中央にピンボスを一体的に備えた所謂シングルピンボスタイプのピストンであってもよい。

ピストン１Ａの斜視図である。 ピン穴の軸線方向に沿って見た場合のピストン１Ａを模式的に示す図である。 スラスト・反スラスト方向に沿って見た場合のピストン１Ａを模式的に示す図である。 ピストン１Ｂの斜視図である。 スラスト・反スラスト方向に沿って見た場合のピストン１Ｂを模式的に示す図である。 ピストン１Ｃの斜視図である。 ピン穴の軸線方向に沿って見た場合のピストン１Ｃを模式的に示す図である。 ピストン１Ｄの斜視図である。 スラスト・反スラスト方向に沿って見た場合のピストン１Ｄを模式的に示す図である。 ピストン１Ｄを下面視で模式的に示す図である。 ピストン１Ａおよびピストン１Ａの変形例において、機関運転時にスカート７Ａが燃焼の爆発直後に発生するスラスト力によって変形する様子を模式的に示す図である。 スラスト・反スラスト方向に沿って見た場合の本実施例に係るピストン１Ｅを模式的に示す図である。 ピストン１Ｅを下面視で模式的に示す図である。 ピストン１Ｆを下面視で模式的に示す図である。 ピストン１Ｇを下面視で模式的に示す図である。 従来の一般的なピストンの一例を模式的に示す図である。 スカートの剛性分布の一例を示す図である。

符号の説明

１ ピストン
２ ヘッド
３ 第１のピンボス
４ 第２のピンボス
５ 第１のサイドウォール
６ 第２のサイドウォール
７ スカート
８ 連結部

Claims (6)

1. ヘッドと、該ヘッドの下部に設けられたピンボスと、該ピンボスの側方に設けられたサイドウォールとを備える内燃機関のピストンであって、
   前記ヘッドの周縁部から下方に延伸するスカートを、前記ヘッドの周縁部下方のうち、前記サイドウォールの端部に相当する部分に部分的に設けたことを特徴とする内燃機関のピストン。
2. 請求項１記載の内燃機関のピストンであって、
   前記スカートを上部と下部とに分離したことを特徴とする内燃機関のピストン。
3. 請求項１記載の内燃機関のピストンであって、
   前記サイドウォールが一対のサイドウォールであり、
   前記一対のサイドウォールのうち、前記スカートの下部を含む当該下部近傍の部分同士を前記ピンボスの側方同じ側において連結する連結部をさらに備えたことを特徴とする内燃機関のピストン。
4. 請求項３記載の内燃機関のピストンであって、
   前記連結部を内燃機関のボアと摺接するように設けたことを特徴とする内燃機関のピストン。
5. 請求項４記載の内燃機関のピストンであって、
   さらに前記連結部のうち、円周方向中央付近の部分を前記ボアと摺接しないように形成したことを特徴とする内燃機関のピストン。
6. 請求項３記載の内燃機関のピストンであって、
   前記連結部をストレートに延伸するように設けたことを特徴とする内燃機関のピストン。
   

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