JP2011117315A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの燃焼爆発時にピストンにかかる摩擦力を低減する。
【解決手段】ピストン３のスカート部２６においてスラスト側または反スラスト側の少なくとも一方の側に厚肉部２６ａと薄肉部２６ｂとを形成した。薄肉部２６ｂは、第１の薄肉部２６ｂ１と、第１の薄肉部２６ｂ１の領域の内側に配置された第２の薄肉部２６ｂ２とを有している。第２の薄肉部２６ｂ２は、第１の薄肉部２６ｂ１よりも薄く形成されており、薄肉部２６ｂは、シリンダ２のライナー部２ａへの衝突点に向かって階段状に薄くなるように形成されている。これにより、エンジン１の燃焼爆発時にピストン３にかかる摩擦力を低減できる。
【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関に関し、更に詳しくは、ピストンにかかる摩擦力を低減することが可能な内燃機関に関する。

一般的な直噴型のディーゼルエンジンにおいては、ピストンの並進運動をクランク軸の回転運動に変えるクランク機構を設けている。このピストンの主な役割は、燃焼爆発で受けた圧力をピストンピンおよびコネクティングロッドを介してクランク軸に伝達することであり、このような機構の特性上、ピストンはスラスト力を受ける。

このスラスト力は、ピストンのスカート部とシリンダのライナー部との間に生じるが、その間に油を介在させ油膜を保持することにより、ピストンが油膜の面上を摺動することになり、ピストンのスカート部が受ける摩擦力を大幅に低減することができる。

しかしながら、スラスト力は近年の燃焼爆発圧力の上昇を受けて強大になり、油膜だけでは支えきれなくなりつつある。このため、油膜が切れてスカート部とライナー部とが一部接触した状態で摺動する、いわゆる境界潤滑状態に陥るとスカート部とライナー部との間の摩擦力が増大する、という問題がある。そして、これが、ディーゼルエンジンの燃料消費率を増大させる要因となる。

なお、ピストンのスラスト側および反スラスト側のスカート部の裏面に、周方向に隣接する薄肉部との間で段差状の剛性変化が生じるように局部的に肉厚部を設けたピストンがある（例えば特許文献１参照）。この特許文献１には、ピストンがシリンダ壁から反力を受けると、ピストンの厚肉部がそのままの形で内側へ押される一方、厚肉部に隣接する部位が逆に外側に膨らむように変形する結果、ピストンがシリンダ壁に圧接する接触面積を低減できるので、ピストンの摩擦力を低減できることが開示されている。

また、ピストンの少なくともスラスト側のスカート部の内面において、薄肉部の周方向両側に薄肉部から遠ざかるに従って連続的に厚くなるような厚肉部を設けた構造のピストンがある（例えば特許文献２参照）。この特許文献２には、スカート部の過大な変形が防止され、ピストンの傾動量を可及的に小さくでき、ラップ発生の防止およびスカート部の摩耗発生の防止が可能であることが開示されている。

また、ピストンのスラスト側において、ピストンピンよりも上側のスカート部の内周に凹部を設けて、スカート部の肉厚を局部的に薄肉にし、剛性を弱くしたピストンがある（例えば特許文献３参照）。この特許文献３には、ピストンのスラスト側のスカート部の上端がシリンダ内面に衝突する際に、スカート部の変形が大きくなり、衝撃力が緩和されることが開示されている。

また、ピストンのスラスト側のスカート部の厚さを、下方に向かって漸次厚くしたピストンがある（例えば特許文献４参照）この特許文献４には、ピストンのスラスト側のスカート部の上端がシリンダ内面に衝突する際、スカート部の薄肉部が変形し、衝撃力が緩和されることやピストンの移動方向に対して交差する位置に厚肉部と薄肉部との境界部分が形成されないのでピストンの摩擦力を低減できることが開示されている。

特開平３−１７９１５４号公報 特開平６−１７３７５６号公報 実開昭６２−９２８６７号公報 特開平１０−１５９９７４号公報

本発明の目的は、ピストンのスカート部においてスラスト側または反スラスト側の少なくとも一方の側に厚肉部と薄肉部とを工夫して形成することによりピストンにかかる摩擦力を低減することができる内燃機関を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、内燃機関のピストンのスカート部においてスラスト側または反スラスト側の少なくとも一方の側に厚肉部と薄肉部とが形成されており、前記薄肉部は、前記スカート部の内周側においてピストンピンの径方向に対応する位置に配置された凹みにより形成されており、前記凹みは、前記スカート部の下端から前記ピストンの頂面に向かう方向に連続的に延在した状態で形成されており、前記スカート部の内周において前記スカート部の内周方向に沿って隣接する前記厚肉部と前記薄肉部との境界に段差部が形成されているものである。

また、上記の内燃機関において、前記薄肉部は、厚さの異なる複数の薄肉部を有しており、前記厚さの異なる複数の薄肉部は、シリンダへの衝突部に向かって階段状に薄くなるように配置されているものである。

また、上記の内燃機関において、前記薄肉部は、第１の薄肉部と、該第１の薄肉部の領域の内側に配置された第２の薄肉部とを有しており、前記第２の薄肉部の厚さが前記第１の薄肉部の厚さよりも薄く形成されているものである。

本発明の内燃機関によれば、ピストンのスカート部においてスラスト側または反スラスト側の少なくとも一方の側に厚肉部と薄肉部とを工夫して形成することにより、ピストンの摩擦力を低減することができる。これにより、内燃機関の燃料消費率を低減することができる。

本発明の実施の形態の内燃機関の要部断面図である。 図１の内燃機関のピストンの断面図である。 図２のピストンにピストンプロフィル等を付加して示したピストンの断面図である。 図２のピストンの裏面側を見た斜視図である。 図４のピストンの裏面の平面図である。 図４のピストンのコネクティングロッド等を削除して示した平面図である。 図６のピストンの裏面の破線で囲む領域の拡大平面図である。 図１の内燃機関の燃焼行程時におけるピストンの状態を示したピストンおよびシリンダの要部断面図である。 図８に続くピストンの状態を示したピストンおよびシリンダの要部断面図である。 図９に続くピストンの状態を示したピストンおよびシリンダの要部断面図である。 図１０に続くピストンの状態を示したピストンおよびシリンダの要部断面図である。 従来の内燃機関の燃焼行程時におけるピストンの状態を示したピストンおよびシリンダの部分断面図である。 図１の内燃機関のピストンの油膜形成状態を示すピストンの側面図である。 従来の内燃機関のピストンの油膜形成状態を示すピストンの側面図である。

以下、本発明の実施の形態の内燃機関について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に本発明の実施の形態の内燃機関の要部断面図を示す。本実施の形態の内燃機関は、例えば、トラックのような自動車に搭載される直列４気筒のコモンレール式のディーゼルエンジン１として構成される。なお、本発明はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等に適用することもできる。

このディーゼルエンジン（以下、エンジンという）１は、シリンダ（気筒）２内のピストン３の頂面に凹設されたキャビティ（燃焼室）４を有している。なお、図１はピストン３が上死点にある状態を示している。

シリンダ２の内周面にはライナー部２ａが設けられ、この外側の厚肉部分には、冷却通路２ｂが設けられている。このシリンダ２の上部のシリンダヘッド５には、直噴用のインジェクタ６が、ピストン３の頂面中央に対向する位置に設置されている。

また、シリンダヘッド５においてインジェクタ６の左右には、吸気ポート７ａおよび排気ポート７ｂが設置され、それぞれ吸気用のバルブ８ａと排気用のバルブ８ｂとが設置されている。なお、符号９はバルブスプリング、符号１０は回転カム、符号１１はカムシャフト、符号１２はロッカーアームをそれぞれ示している。

一方、シリンダ２内には、上記したピストン３が、シリンダ２の内周面のライナー部２ａに沿って往復運動が可能なように設置されている。ピストン３は、例えばアルミニウム合金等からなり、その内側下部には、ピストンピンボス１５が一体的に形成されている。

ピストン３は、ピストンピンボス１５のピストンピン穴１６に挿入されたピストンピン１７を介してコネクティングロッド（連接部）１８に接続され、さらにクランクピン１９を介して、クランク室２０内のクランクシャフト２１に接続されている。このクランクシャフト２１により、ピストン３の往復運動が回転運動に変換される。

次に、図２に図１のピストン３の断面図を示す。

ピストン３の外周上部に配置されているピストンリング装着部２５には、トップランド２５ａ、トップリング溝２５ｂ、セカンドランド２５ｃ、セカンドリング溝２５ｄ、サードランド２５ｅおよびオイルリング溝２５ｆが、ピストン３の上部から下部に向かって順に配置されている。トップリング溝２５ｂ、セカンドリング溝２５ｄおよびオイルリング溝２５ｆには、ピストン３の外周を一周するように図示しないメタルリングが装着される。

ピストン３においてピストンリング装着部２５の下部には、スカート部２６がピストン３と一体的に形成されている。スカート部２６は、ピストン３の首振りを抑えピストンスラップ現象を抑制または防止する機能、ピストン３の表面積を増やしてピストン３の熱をシリンダ２側に逃がし易くする機能および燃焼圧力をクランク室２０に逃がさないようにする機能等を有している。このスカート部２６の内側に上記したピストンピンボス１５等が設けられている。なお、符号２７は、冷却流体を流す冷却空洞を示し、符号２８はストラットを示している。

また、図３の右側に図２のピストン３の断面形状（プロフィル）等を示す。符号Ｒｓは、ピストン３の基本径（ボア）、符号ＰＦ１（実線）はピストンピン１７の軸に直角な方向のピストン３の断面形状、符号ＰＦ２（破線）はピストンピン１７の軸方向のピストン３の断面形状、符号Ｂは基本径Ｒｓからの減寸量をそれぞれ示している。

ピストン３のスカート部２６の径の方が、ピストンリング装着部２５の径よりも大きい。また、スカート部２６においては、ピストンピン１７の軸に直角な方向の径の方が、ピストンピン１７の軸方向の径よりも大きい。なお、符号Ｃはピストンピン１７の中心線、符号Ｄはピストン３の軸心Ａとピストンピン１７の中心線Ｃとのオフセット量、符号Ｅはコンプレッションハイトを示している。

次に、図２のピストン３について図４〜図７を参照しながら説明する。図４はピストン３の裏面側（ピストンピンボス１５の形成面）を見た斜視図、図５は図４のピストン３の裏面の平面図、図６は図５のピストン３からコネクティングロッド１８等を削除して示した平面図、図７は図６の破線で囲む領域Ｇの拡大平面図をそれぞれ示している。なお、図４〜図７において、符号Ｘはピストンピン１７の軸に直角な方向、符号Ｙはピストンピン１７の軸方向を示している。

本実施の形態のエンジン１（図１参照）においては、ピストン３のスカート部２６のスラスト側または反スラスト側の少なくとも一方の側（ここでは両方）の厚さが部分的に薄く形成されている。すなわち、スカート部２６に厚肉部２６ａと薄肉部２６ｂとが一体的に形成されている。

このうち、薄肉部２６ｂは、スカート部２６の内周においてピストンピン１７の径方向（ピストンピン１７の軸に直角なＸ方向）に対応する位置に配置された凹み３０により形成されている。この凹み３０は、スカート部２６の下端からピストン３の頂面に向かう方向に連続的に延在した状態で形成されている。

この薄肉部２６ｂ（凹み３０）の寸法は、スカート部２６の円周方向に関してはスラスト側、反スラスト側それぞれその円周の１／７〜１／９程度、好ましくは１／８の範囲であり、ピストン３の高さ方向に関してはスカート部２６の下端部から３／８〜５／８程度、好ましくは１／２の範囲とされている。

薄肉部２６ｂは、第１の薄肉部２６ｂ１と、その第１薄肉部２６１の領域の内側に隣接配置された第２の薄肉部２６ｂ２とを有している。第１の薄肉部２６ｂ１および第２の薄肉部２６ｂ２は、それぞれスカート部２６の内周に形成された第１の凹み３０ａおよび第２の凹み３０ｂにより形成されており、第２の薄肉部２６ｂ２（第２の凹み３０ｂ）は、第１の薄肉部２６ｂ１（第１の凹み３０ａ）よりも薄く（深く）形成されている。

このように薄肉部２６ｂは、シリンダ２のライナー部２ａへの衝突点に向かって、階段状に薄くなるように形成されている。燃焼爆発時においては、最も薄く剛性の弱い第２の薄肉部２６ｂ２がシリンダ２のライナー部２ａに最初に衝突し、続いて２番目に薄く剛性の弱い第１の薄肉部２６ｂ１がシリンダ２のライナー部２ａに衝突する。

また、凹み３０は、第１の段差部３０ｃ１と、第２の段差部３０ｃ２とを有している。第１の段差部３０ｃ１は、スカート部２６の内周面において厚肉部２６ａと第１の薄肉部２６ｂ１との境界（厚肉部２６ａと凹み３０ａとの境界）に形成されている。また、第２の段差部３０ｃ２は、スカート部２６の内周面において第１の薄肉部２６ｂ１と第２の薄肉部２６ｂ２との境界（第１の凹み３０ａと第２の凹み３０ｂとの境界）に形成されている。

第１、第２の段差部３０ｃ１，３０ｃ２において第１、第２の凹み３０ａ，３０ｂの底面に対する傾斜角度は９０度よりも小さくなるように形成されている。このため、その傾斜角度が９０度の場合に比べて、凹み３０は、なだらかな階段状に形成されている。

次に、このようなエンジン１の燃焼行程時のピストン３の挙動について図８〜図１２を参照しながら説明する。

図８〜図１１は燃焼行程時のピストン３のスカート部２６およびシリンダ２を軸心Ａ（図１等参照）に対して垂直に切断した箇所の要部断面図を示している。なお、図１１では図面を見易くするため、ライナー部２ａの図示を省略している。また、図１１および図１２のＦｎ、Ｆｔ，Ｐはスカート部２６ｂがシリンダ２を押圧する力を示している。

まず、図８に示すように、ピストン３は、そのスカート部２６の外周とシリンダ２のライナー部２ａの内壁との間に適度な距離を隔てた状態でシリンダ２内に収容されている。この状態でピストン３の上死点後にピストン３が爆発圧力を受けると、図９に示すように、ピストン３のスカート部２６の第２の薄肉部２６ｂ２がシリンダ２のライナー部２ａの内壁に押し付けられる。

このため、図１０に示すように、スカート部２６において他の部分よりも剛性の低い第２の薄肉部２６ｂ２は、ピストン３の内側に凹み始める。続いて、スカート部２６において２番目に薄く剛性の低い第１の薄肉部２６ｂ１がシリンダ２のライナー部２ａに衝突し、ピストン３の内側に凹む。すなわち、２段階で変形が進む。

その後、さらに変形が進むと、図１１に示すように、スカート部２６の厚肉部２６ａがシリンダ２のライナー部２ａの内壁に接触し始める。厚肉部２６ａでは剛性が相対的に高い上、スラスト力は円弧部分で加わるので力Ｐは接線成分の力Ｆｔと接線の直角成分の力Ｆｎとに分割される。この接線成分の力Ｆｔの反力はピストン３のスカート部２６の第２の薄肉部２６ｂ２をさらに変形させる。その結果、ピストン３のスカート部２６は、接線の直角成分の力Ｆｎがかかる箇所で油膜が形成され摺動することになる。

一方、図１２に従来のピストン５０の燃焼行程時におけるスカート部５１の状態を示す。この従来技術のピストン５０の場合、スカート部５１の厚さが一定であり、スカート部５１のシリンダ５２に対する衝突点５１ａの剛性が高い。このため、スカート部５１の変形は小さく、スラスト力２Ｐはスカート部５１の衝突点５１ａにかかり続ける。したがって、スカート部５１の衝突点５１ａでは、荷重が大きく、境界潤滑状態に陥り易い。このため、ピストン５０の摩擦力が増大する。

これに対して、本実施の形態のエンジン１のピストン３では、図１１に示すピストン３のスカート部２６からシリンダ２のライナー部２ａに作用する力Ｆｔが、図１２に示す従来の衝突点５１ａに作用する力（＝２Ｐ）よりも大幅に小さいため（Ｆｔ＜＜２Ｐ）、境界潤滑状態にはなり難い。このため、ピストン３のスカート部２６とシリンダ２のライナー部２ａとの間に発生する摩擦力を大幅に低減できる。

また、図１３はピストン３を用いた場合にスカート部２６の側面に形成される油膜形成面３１（斜線の領域）の状態を示し、図１４は図１２の従来技術のピストン５０を用いた場合にスカート部５１の側面に形成される油膜形成面５３（斜線の領域）の状態を示している。上記のようにピストン３は、スカート部２６に作用する力を従来技術のピストン５０よりも小さくすることができる上、図１３および図１４に示すように、油膜形成面３１の面積を従来技術のピストン５０よりも大きくすることができるので面圧を下げることができることから、ピストン３にかかる摩擦力を大幅に低減することができる。

したがって、本実施の形態のエンジン１においては、燃焼爆発時におけるピストン３にかかる摩擦力を低減することができるので、エンジン１の燃料消費率を低減することができる。

また、本実施の形態のエンジン１におけるピストン３のスカート部２６においてはシリンダ２のライナー部２ａに衝突する部分に薄肉部２６ｂを形成し剛性を下げたことにより、薄肉部２６ｂがライナー部２ａに衝突すると大きな衝撃も無く変形するので、ピストンスラップ現象を抑制または防止することができる。

また、ピストン３のスカート部２６とシリンダ２のライナー部２ａとの間での境界潤滑状態を低減することができるので、ピストン３のスカート部２６およびシリンダ２のライナー部２ａの摩耗を大幅に低減することができる。

また、スカート部２６の変形のみを考慮して第１の薄肉部２６ｂ１を無くし、第２の薄肉部２６ｂ２のみにしてしまうと、上記の厚肉部２６ａと薄肉部２６ｂとの厚さの差が急激になり、厚肉部２６ａと薄肉部２６ｂとの境界部での機械的強度が低下する。これに対して、本実施の形態におけるエンジン１のピストン３においては、薄肉部２６ｂの厚さを階段状に形成したことにより、厚肉部２６ａと薄肉部２６ｂとの境界部での機械的な強度を確保しつつ、燃焼爆発時にスカート部２６の第２の薄肉部２６ｂ２と第１の薄肉部２６ｂ１とで順次変形を行わせることで全体として要求通りの変形を生じさせることができる。

次に、特許文献１〜４のピストンとの構造および作用効果の差異を説明する。

まず、特許文献１の場合、燃焼爆発時にピストンのスカート部がシリンダ内壁に衝突すると、厚肉部はあまり変形せずピストンの内側に押し込まれる一方で、薄肉部のみが大きく撓み、薄肉部において厚肉部に隣接する部分が外側に膨らみシリンダ内壁を圧するようになる。しかし、特許文献１の場合、厚肉部と薄肉部との間で極端に剛性が変わるように構成されており、薄肉部において特に厚肉部との境界部分において大きな応力変化が発生するので、その境界部の薄肉部が劣化する虞がある。

これに対して、本実施の形態におけるエンジン１のピストン３においては、厚肉部２６ａと薄肉部２６ｂとの境界部に第１の段差部３０ｃ１を設け、薄肉部２６ｂの厚さを階段状に形成し、剛性の異なる部分を順次変形することにより、上記のように厚肉部２６ａと薄肉部２６ｂとの境界部分の機械的強度を高めることができる上、その境界部に大きな応力変化が発生しないようにすることができる。このため、厚肉部２６ａと薄肉部２６ｂとの境界部分での劣化を抑制することができる。

また、特許文献１の場合、燃焼爆発時にピストンのスカート部においてシリンダ内壁に衝突する部分が厚く形成され剛性が高くなっているので、ピストンとシリンダとの衝突により打音が鳴る、いわゆるピストンスラップ現象が生じる虞がある。これに対して、本実施の形態のエンジン１におけるピストン３においては、燃焼爆発時にスカート部２６の薄肉部２６ｂがシリンダ２のライナー部２ａに衝突するので、大きな衝撃も無く、ピストンスラップ現象を抑制または防止することができる。

また、特許文献３，４では共に、スカート部の横方向に帯状に薄肉部分を設けるものであるが、このように薄肉部を構成すると、ピストンスラップの低減には有効であるが、油膜形成部分は、図１４に示したものと同じになり、摩擦力の低減効果はあまり望めない。これに対して、本実施の形態のエンジン１におけるピストン３においては、図１３に示したような油膜形成状態になり、面圧が低下し、効果的に摩擦力を下げることができる。

本発明の内燃機関は、ピストンのスカート部においてスラスト側または反スラスト側の少なくとも一方の側に薄肉部と厚肉部とを工夫して形成したことにより、ピストンの摩擦力を低減することができるので、自動車等の内燃機関に利用できる。

１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
２ シリンダ（気筒）
２ａ ライナー部
３ ピストン
４ キャビティ（燃焼室）
１５ ピストンピンボス
１６ ピストンピン穴
１７ ピストンピン
２６ スカート部
２６ａ 厚肉部
２６ｂ 薄肉部
２６ｂ１ 第１の薄肉部
２６ｂ２ 第２の薄肉部
３０ 凹み
３０ａ 第１の凹み
３０ｂ 第２の凹み
３０ｃ１ 第１の段差部
３０ｃ２ 第２の段差部

Claims (3)

1. 内燃機関のピストンのスカート部においてスラスト側または反スラスト側の少なくとも一方の側に厚肉部と薄肉部とが形成されており、
   前記薄肉部は、前記スカート部の内周側においてピストンピンの径方向に対応する位置に配置された凹みにより形成されており、
   前記凹みは、前記スカート部の下端から前記ピストンの頂面に向かう方向に連続的に延在した状態で形成されており、
   前記スカート部の内周において前記スカート部の内周方向に沿って隣接する前記厚肉部と前記薄肉部との境界に段差部が形成されている内燃機関。
2. 前記薄肉部は、厚さの異なる複数の薄肉部を有しており、前記厚さの異なる複数の薄肉部は、シリンダへの衝突部に向かって階段状に薄くなるように配置されている請求項１記載の内燃機関。
3. 前記薄肉部は、第１の薄肉部と、該第１の薄肉部の領域の内側に配置された第２の薄肉部とを有しており、
   前記第２の薄肉部の厚さが前記第１の薄肉部の厚さよりも薄く形成されている請求項１または２記載の内燃機関。

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