JP2013174248A - 内燃機関のピストン - Google Patents

Abstract

【課題】各スカート部のシリンダ壁面に対する面圧の偏差を少なくすると共に、面圧荷重を低減して、フリクションの低減化を図り得るピストンを提供する。
【解決手段】アルミニウム合金材のピストン１は、燃焼室を画成する冠部７と、該冠部に一体に設けられ、シリンダ壁面３に摺動するスラスト側と反スラスト側の一対の円弧状のスカート部８，９と、該各スカート部の周方向の両側端に連結部位１０を介して連結され、ピンボス１３，１４を有する一対の湾曲状のエプロン部１１，１２と、を備えている。前記各連結部位は、内周部と外周部が円弧状に形成されていると共に、その曲率半径が上端部１６ａ、１７ａから下端部１６ｂ、１７ｂに向けて漸次大きくなるように連続して形成され、かつ、肉厚が前記上端部から下端部に向かって漸次厚くなるように形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車の部品である内燃機関のピストンの改良に関する。

周知のように、内燃機関のピストンにあっては、軽量化の要請からピストン本体をアルミニウム合金材によって形成しているが、このピストンに大きな燃焼圧力が掛かって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、スラスト側のスカート部とシリンダ壁面との間で大きなフリクションが発生している。

このため、特許文献１に記載された技術のように、スラスト側のスカート部と反スラスト側スカート部との間に一対のエプロン部が設けられ、該両エプロン部と前記両スカート部との接続領域に応力分散部を設けて、スカート部及びエプロン部の異なる熱膨張及び弾性変形に伴って前記接続領域に発生する応力を前記応力分散部によって分散させるようになっている。

特開２００８−１９０３５７号公報

しかしながら、前記従来の内燃機関のピストンにあっては、前述のように、各スカート部と各エプロン部との接続領域に、応力分散部を設けてスカート部に作用する応力を分散するようになってはいるものの、前記応力分散部が単にスカート部の下端部から外方へ突出した延在部によって構成されているだけであるから、スカート部の下端部の剛性のみが高くなってスカート部全体の剛性に偏りが発生する。したがって、スカート部のシリンダ壁面に対する面圧が局部的に大きくなって、フリクションを十分に低減させることができない。

請求項１に記載の発明は、燃焼室を画成する冠部と、該冠部に一体に設けられ、シリンダ壁面に摺動するスラスト側と反スラスト側の一対の円弧状のスカート部と、該各スカート部の周方向の両側端に連結部位を介して連結され、ピンボスを有する一対のエプロン部と、を備えた内燃機関のピストンであって、
前記各連結部位は、内周部と外周部が円弧状に形成されていると共に、肉厚がピストン軸方向の前記冠部側から下端部側に向かって漸次厚くなることを特徴としている。

本願請求項１に係る発明によれば、各連結部位の内周部と外周部の両方を円弧状に形成したことによってばね作用を効果的に働かせることができると共に、各連結部位の肉厚が前記冠部側から下端部側に向かって漸次厚くなるように形成したことによって、前記スカート部の剛性の偏りをピストン軸方向(上下方向)で少なくすることができる。

この結果、前記スカート部のシリンダ壁面に対する面圧の偏りが少なくなって接触面圧を低減させることができ、これによってフリクションを効果的に低減することが可能になる。

Ａは本発明の第１実施形態に係るピストンの底面側から視た斜視図、ＢはＡのＡ−Ａ線断面図である。 同ピストンの側面図である。 同ピストンの一部を断面して示す正面図である。 同ピストンの底面図である。 同ピストンのスカート部とエプロン部側を輪切りにして連結部位の外側を示す斜視図である。 同ピストンのスカート部とエプロン部側を輪切りにして連結部位の内側を示す斜視図である。 同ピストンがシリンダブロックのシリンダ壁面に摺動する状態を示す断面図である。 本実施形態のピストンと従来のピストンのスラスト側スカート部の位置に対応した変形量を比較して示すグラフである。 同じく本実施形態のピストンと従来のピストンのスラスト側スカート部のクランク角に対応した摩擦力を比較して示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係るピストンの底面側から視た斜視図である。 同第２実施形態に係るピストンの底面図である。 本発明の第３実施形態に係るピストンの底面側から視た斜視図である。 本実施形態のピストンの縦断面図である。 本実施形態のピストンのスカート部とエプロン部側を輪切りにして連結部位の内側を示す斜視図である。

以下、本発明に係る内燃機関のピストンの実施形態を図面に基づいて詳述する。なお、本実施形態に供されるピストンは、４サイクル・ガソリンエンジンに適用したものである。

〔第１実施形態〕
ピストン１は、図７に示すように、シリンダブロック２に形成されたほぼ円柱状のシリンダ壁面３に摺動自在に設けられ、該シリンダ壁面３と図外のシリンダヘッドとの間に燃焼室４を形成するようになっていると共に、ピストンピン５に連結されたコンロッド６を介して図外のクランクシャフトに連結されている。

前記ピストン１は、全体がＡＣ８Ａ Ａｌ−Ｓｉ系のアルミニウム合金によって一体に鋳造され、図１Ａ〜図４に示すように、ほぼ円筒状に形成されて、冠面７ａ上に前記燃焼室４を画成する冠部７と、該冠部７の下端外周縁に一体に設けられた円弧状の一対のスラスト側スカート部８及び反スラスト側スカート９と、該各スカート部８、９の円周方向の両側端に各連結部位１０を介して連結された一対のエプロン部１１，１２と、を備えている。

前記冠部７は、比較的肉厚に形成された円盤状を呈し、冠面７ａ上に吸排気弁との干渉を防止する図外のバルブリセスが形成されていると共に、外周部にプレッシャリングやオイルリングなどの３つのピストンリングを保持するリング溝７ｂ、７ｃ、７ｄが形成されている。

前記両スカート部８，９は、ピストン１の軸心を中心とした左右の対称位置に配置されて、横断面ほぼ円弧状に形成されていると共に、それぞれの肉厚はほぼ全体が比較的薄肉に形成されている。前記スラスト側スカート部８は、膨張行程時などにピストン１が下死点方向へストロークした際に、前記コンロッド６の角度との関係で前記シリンダ壁面３に傾きながら圧接するようになっている一方、反スラスト側のスカート部９は、圧縮行程時などにピストン１が上昇ストロークした際に、シリンダ壁面３に反対に傾きながら圧接するようになっている。前記各スカート部８，９のシリンダ壁面３に対する圧接荷重は、燃焼圧力を受けてシリンダ壁面３に圧接する前記スラスト側スカート部８の方が大きくなっている。

また、この各スカート部８，９は、スラスト側スカート部８側からみた図２に示すように、前記冠部７側の上端部８ａ(９ａ)から下端部８ｂ(９ｂ)方向に渡って傾斜拡径状に形成されて、縦断面ハ字形状に形成されていると共に、下端縁８ｃ(９ｃ)がほぼ水平状に切欠形成されている。

前記各エプロン部１１，１２は、上端縁が前記冠部７の下端に一体に結合されていると共に、前記各連結部位１０間の円周方向の全体が各スカート部８，９よりも大きな曲率半径で僅かに外側へ膨らんだ湾曲状に形成されていると共に、各スカート部８，９と同じく、ピストン１の軸方向の上端部から下端側に渡って傾斜拡径状に形成されて、縦断面ハ字形状に形成されている。前記湾曲状の曲率半径は、１５０ｍｍ〜３００ｍｍの範囲内に設定されて、壁部全体が比較的肉厚に形成されている。また、各エプロン部１１，１２は、円周方向のほぼ中央位置に、前記ピストンピン５の両端部をピン孔１３ａ、１４ａを介して支持するピンボス部１３、１４がそれぞれ形成されている。

前記各連結部位１０は、前記各スカート部８，９の各両側端からエプロン部１１，１２までの間で円周方向に沿って円弧状に形成され、かかる円弧状の各内周部１６と各外周部１７は、図１及び図５、図６の斜線で示すように、それぞれの曲率半径がピストン１の軸方向、つまり上端部１６ａ、１７ａから下端部１６ｂ、１７ｂまでに亘って漸次大きくなるように連続して形成されている。

すなわち、各内周部１６と外周部１７のそれぞれの曲率半径は、小さな各上端部１６ａ、１７ａ側から大きな各下端部１６ｂ、１７ｂまでが約１０ｍｍ〜３０ｍｍ程度の裾拡がり状に設定されて、その拡がりが比例的かつ連続的に大きくなっている。

また、前記各連結部位１０の内周部１６側と外周部１７側では、その円弧幅の長さＷ，Ｗ１と上下方向での円弧幅長さＷ，Ｗ１の変化率が相違している。すなわち、各外周部１７側では、円弧幅の長さＷは比較的小さく設定されていると共に、上端部１７ａから下端部１７ｂまでの円弧幅長さＷの変化率が小さく設定されている。一方、各内周部１６側では、円弧幅の長さＷ１は比較的大きく設定されていると共に、上端部１６ａから下端部１６ｂまでの円弧幅長さＷ１の変化率が前記外周部１７側よりも大きく設定されている。

このように、連結部位１０の内周部１６側の円弧幅長さＷ１を大きく、かつこの長さＷ１の変化率を外周部１７側よりも大きく設定したことによって、連結部位１０の肉厚を、冠部７側の上端部からピストン下端部まで漸次大きくすることができる。すなわち、連結部位１０の内周部１６は、円弧面がほぼ平坦面状に形成されていることにより、前記各スカート部８，９の周方向及び上下方向の剛性、つまり全体の剛性をほぼ均一にすることができる。

そして、前記各スカート部８，９と各連結部位１０及びエプロン部１１、１２の円弧状及び湾曲状の形状によって、底面からみた全体の形状が、図１及び図４に示すように、ほぼ楕円形状に形成されていると共に、全体が袴状に形成されている。

さらに、前記各連結部位１０の内周部１６の下端部１６ｂには、局部的に肉盛部１８がそれぞれ設けられている。この各肉盛部１８は、図１Ｂにも示すように、前記各連結部位１０の内周部１６の下端部１６ｂの内側に一体に設けられ、内面が円弧状に形成されていると共に、最も肉厚な下端部よりも下側の下端縁１８ｂが前記連結部位１０の内周部１６の下端縁と同一位置になっている。また、この肉盛部１８は、前記最も肉厚な部位から上方へ向かうにしたがって漸次薄肉に形成されて円弧状の上端部１８ａは前記連結部位１０の内周部１６の下端部１６ｂになだらかにかつ連続的に結合されている。

この肉盛部１８の存在により、前記両スカート部８，９のフリーな状態にある下端部側の剛性が高くなり、スカート部８，９全体の剛性をさらに均一化することができる。

以上のように、本実施形態によれば、前記各連結部位１０を円弧状に形成することによって、かかる各連結部位１０全体がばね作用として働くため、ピストン１の往復ストローク時における前記各スカート部８，９の外周面とシリンダ壁面３との接触時において、スラスト側スカート部８と反スラスト側スカート部９の大きな変形を抑制することができる。

しかも、本実施形態では、前記両エプロン部１１，１２も湾曲状に形成されていることから、かかる両エプロン部１１，１２も僅かながらも変形によるばね作用が働く。したがって、前記各連結部位１０のばね作用と相俟って各スカート部８，９のシリンダ壁面３に対する接触面積が大きくなって局所的な面圧の増加を抑制することができる。

つまり、前述のように、前記両スカート部８，９と、各連結部位１０及び両エプロン部１１，１２全体がほぼ楕円形状となっていることから、各スカート部８，９に作用する接触圧力が前記各連結部位部１０と各エプロン部１１，１２のばね作用によって吸収された状態になり、これによって、各スカート部８，９に掛かる面圧を分散化して過大な面圧の発生を抑制することができるのである。

また、前記各連結部位１０の曲率半径が、上端部１６ａ、１７ａ側から下端部１６ｂ、１７ｂ側に向かって漸次大きくなるように形成したことによって、前記スカート部８，９の両側端側の剛性、つまりエプロン部１１，１２側の剛性をピストン軸方向でほぼ均一にすることが可能になる。つまり、各連結部位１０の下端部１６ｂ、１７ｂ側は、自由端(フリーな状態)になっていることから、上端部１６ａ、１７ｂ側と同じ肉厚であればこれらの剛性は上端部１６ａ、１７ａ側に比較して低くなる。そこで、肉厚を上端部１６ａ、１７ａ側から下端部側１６ｂ、１７ｂに向かって漸次大きくすることにより、剛性が全体として均一化されるのである。

この結果、各スカート部８，９のシリンダ壁面３に対する面圧が均一化して接触面圧を低減させることができ、これによってフリクションを効果的に低減することが可能になる。

また、前記各連結部位１０の内周部１６の下端部１６ｂ内面に、それぞれ肉盛部１８を一体に設けたことから、前記両スカート部８，９の下端部側の剛性が高くなる。つまり、前述のように、各スカート部８，９の下端部９ｂは、フリーな状態にあることから、上端部９ａに比較して剛性が低下し易くなるが、各肉盛部１８によって前述した各連結部位１０の下端部１６ｂ、１７ｂ側の高剛性化と相俟って下端部９ｂの剛性が高くなり、スカート部８，９全体の剛性をさらに均一化することができる。

これによって、各スカート部８，９のシリンダ壁面３に対する接触面積が上下部位で均一化して、フリクションを低減化することが可能になる。

図８に示すグラフは、膨張行程時においてシリンダ壁面３に当接する同一荷重条件下で、スラスト側スカート部の上端部と下端部間の位置と、この位置に対応したスラスト側スカート部の変形量を、本実施形態のピストン１（実線）と従来のピストン（破線）を実験により比較した結果を示したものである。

これをみると、前記従来のピストンでは、上端部側よりも下端部側の変形量が急激に大きくなるが、本実施形態のピストン１では、上端部から僅かに下がった位置や最下端側で変形量が僅かに大きくなるものの、全体としては変形量が小さくなっていることが明らかである。

これは、本実施形態では、前述した各連結部位１０の特異な円弧形状や肉厚構造及び肉盛部１８の存在などによって、スラスト側スカート部８全体の剛性が均一化したことによるものである。

図９は本実施形態のピストン１と従来のピストンの数値解析により求めた摩擦力の時間履歴を示している。横軸がクランク角、縦軸が摩擦力を表しており、波形の振幅が大きいほど摩擦力が大きい。

この図から明らかなように、本実施形態のピストン１(実線)は、従来のピストン(破線)よりも行程中の摩擦力が低くなり、特にクランク角０〜９０°付近でその傾向が顕著になっている。これは、前述した本実施形態のピストン１の特異な構造によるものである。

〔第２実施形態〕
図１０及び図１１は第２実施形態を示し、この実施形態では、スラスト側スカート部８と反スラスト側スカート部９が、ピストン１の軸心を中心として左右非対称形状に形成され、反スラスト側スカート９の円周方向の長さＸがスラスト側スカート部８の円周方向長さＸ１よりも短く設定されている。これは、スラスト側スカート部８よりも反スラスト側スカート部９の方がシリンダ壁面３に対する当接荷重が小さいことから、その当接面積を小さく設定したものである。

また、前記各連結部位１０の曲率半径は、スラスト側スカート部８の両側端側では第１実施形態と同じに設定されているが、反スラスト側スカート部９の両側端側の各連結部位１０ａ、１０ａでは、スラスト側スカート部８側の各連結部位１０、１０よりも小さくなっている。

さらに、前記肉盛部１８も、前記第１実施形態と同じに設定されたスラスト側スカート部８側の肉盛部１８ａ、１８ａよりも反スラスト側スカート部９の肉盛部１８ｂ、１８ｂの方がその肉厚や円周方向の長さが小さく設定されている。

但し、前記両エプロン部１１，１２の湾曲形状は、第１実施形態と同じである。

したがって、この実施形態によれば、第１実施形態と同じ作用効果が得られると共に、シリンダ壁面３に対する当接荷重に応じて反スラスト側の構造を小さくしたことによって、ピストン１全体の軽量化を促進できる。

〔第３実施形態〕
図１２〜図１４は第３実施形態を示し、第１、第２実施形態の基本構造を前提として、前記各エプロン部１１，１２は、外方へ僅かに湾曲形成されていると共に、ピストン１の軸方向に沿って傾斜させずにほぼ垂直に形成したものである。つまり、第１実施形態のものとは異なり、縦断面ハ字形状の袴状ではなく両エプロン部１１，１２はほぼ平行に形成されている。

また、前記各連結部位１０は、外周部１７側の曲率半径が上下方向で変化することなくほぼ同一に形成されている一方、内周部１６側の曲率半径が上端部１６ａから下端部１６ｂに渡って漸次大きくなるように形成されている。

したがって、この実施形態では、前記エプロン部１１，１２の湾曲形状によってばね力が発揮されることは第１実施形態と同様であるが、特に各連結部位１０は、外周部１７では曲率半径が上下方向で殆ど変化なく、内周部１６の上下方向で大きく変化するようになっていることから、剛性が低下し易い下端部の肉厚が上端部よりも十分に大きくなって、スカート部８，９全体の剛性の均一化を促進できる。

よって、エプロン部１１，１２のばね作用及び各連結部位１０のばね作用と、該各連結部位１０の肉厚変化によって各スカート部８，９の剛性の偏りを抑制できることによって、該各スカート部８，９のシリンダ壁面３に対する面圧の偏りを十分に抑制することができる。

さらに、前記各エプロン部１１，１２を、湾曲形状ではなくほぼ平坦状に形成することも可能である。これによって、各スカート部８，９がシリンダ壁面３に圧接した際に、各エプロン部１１，１２でのばね作用はほとんど働かず、もっぱら各連結部位１０でのばね作用が働くことになる。

本発明は、前記実施形態の構成に限定されるものではなく、例えば、前記連結部位１０は、圧接荷重が大きくなるスラスト側スカート部８側のみ形成することも可能である。

また、前記各連結部位１０は、円弧状に形成することなく、例えば、面取り状のＲ形状であってもよい。

また、各スカート部８，９の外周面に、シリンダ壁面３とのフリクションを低減させるための、低摩擦材をコーティングすることも可能である。

さらに、ピストンの材質もアルミニウムだけではなく、鉄やマグネシウムなど様々な金属を採用することが可能である。

また、本発明のピストンを、Ｖ型、Ｗ型などの種々の内燃機関に適用することが可能であり、さらに単気筒型や多気筒型など種々の内燃機関に適用することが可能である。

１…ピストン
２…シリンダブロック
３…シリンダ壁面
４…燃焼室
５…ピストンピン
７…冠部
７ａ…冠面
８…スラスト側スカート部
９…反スラスト側スカート部
１０(１０ａ、１０ｂ)…連結部位
１１・１２…エプロン部
１３・１４…ピンボス部
１３ａ、１４ａ…ピン孔
１６…内周部
１７…外周部
１８…肉盛部

Claims (3)

1. 燃焼室を画成する冠部と、該冠部に一体に設けられ、シリンダ壁面に摺動するスラスト側と反スラスト側の一対の円弧状のスカート部と、該各スカート部の周方向の両側端に連結部位を介して連結され、ピンボスを有する一対のエプロン部と、を備えた内燃機関のピストンであって、
   前記各連結部位は、内周部と外周部が円弧状に形成されていると共に、肉厚がピストン軸方向の前記冠部側から下端部側に向かって漸次厚くなることを特徴とする内燃機関のピストン。
2. 前記一対のエプロン部は、前記各スカート部よりも大きな曲率半径で外側に膨らんだ湾曲状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のピストン。
3. 前記各連結部位の内周部の円弧幅の長さの変化率が、前記外周部の円弧幅の長さの変化率よりも大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のピストン。

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