JP2017089592A - エンジンのピストン構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】エンジンの燃焼圧力上昇率や燃焼圧力の最大値を高めても、NVHを抑制可能なエンジンのピストン構造を提供する。
【解決手段】ピストン外形形状に沿って形成され、予め設定された設定肉厚を有する外形周縁部6と、ピストンピンの両端部がそれぞれ挿入される挿入孔7aを有し、該挿入孔7aに挿入された該両端部をそれぞれ支持する所定肉厚の略円筒状の一対のピストンピン支持部7と、一対のピストンピン支持部7を、それぞれ外形周縁部6に連結する連結部8とを備え、外形周縁部6及びピストンピン支持部7の肉厚部分が中実であり、連結部8が、内部に中空部が形成された多孔質であり、外形周縁部6、ピストンピン支持部7及び連結部8が、金属部材で互いに一体形成されている。
【選択図】図2
【解決手段】ピストン外形形状に沿って形成され、予め設定された設定肉厚を有する外形周縁部6と、ピストンピンの両端部がそれぞれ挿入される挿入孔7aを有し、該挿入孔7aに挿入された該両端部をそれぞれ支持する所定肉厚の略円筒状の一対のピストンピン支持部7と、一対のピストンピン支持部7を、それぞれ外形周縁部6に連結する連結部8とを備え、外形周縁部6及びピストンピン支持部7の肉厚部分が中実であり、連結部8が、内部に中空部が形成された多孔質であり、外形周縁部6、ピストンピン支持部7及び連結部8が、金属部材で互いに一体形成されている。
【選択図】図2
Description
本発明は、エンジンのピストン構造に関する技術分野に属する。
従来より、エンジンの燃焼室の断熱性を高めることによって、冷却損失の低減によるエンジンの熱効率の向上を図ることが知られている。例えば特許文献1では、燃焼室を断熱するために、熱特性が一定のレベルの多孔質断熱材をエンジンの頂部に適用している。
ところで、エンジンの熱効率を非常に高いレベルにまで高めようとする場合には、クランク角の変化に対する燃焼圧力上昇の割合(以下、燃焼圧力上昇率という)を高めたり、燃焼圧力の最大値を高めるたりする必要がある。
しかし、このように燃焼圧力上昇率や燃焼圧力の最大値を高めた場合には、エンジンの振動や騒音といったNVH(Noise Vibration Harshness)の問題が顕著になってくるという問題がある。
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、エンジンの燃焼圧力上昇率や燃焼圧力の最大値を高めても、NVHを抑制可能なエンジンのピストン構造を提供することにある。
上記の目的を達成するために、本発明では、エンジンのピストン構造を対象として、ピストン外形形状に沿って形成され、予め設定された設定肉厚を有する外形周縁部と、ピストンピンの両端部がそれぞれ挿入される挿入孔を有し、該挿入孔に挿入された該両端部をそれぞれ支持する所定肉厚の略円筒状の一対のピストンピン支持部と、上記一対のピストンピン支持部を、それぞれ上記外形周縁部に連結する連結部とを備え、上記外形周縁部及び上記ピストンピン支持部の肉厚部分は、中実であり、上記連結部は、内部に中空部が形成された多孔質であり、上記外形周縁部、上記ピストンピン支持部及び上記連結部は、金属部材で互いに一体形成されたものである、という構成とした。
上記の構成により、連結部を多孔質にすることで、ピストンを軽量化することができるとともに、連結部の中空部により、ピストン作動時の振動及び騒音を吸収することができる。また、外形周縁部及びピストンピン支持部の肉厚を、ピストン形状を維持しかつピストンピンを支持しつつピストンを出来る限り軽量にすることが可能な肉厚にすることで、ピストンに必要な機能を維持しながらピストンを出来る限り軽量化することができる。さらに、ピストンを軽量化することで、共振周波数が高くなり、共振による振動や騒音の発生が生じ難くなる。よって、エンジンの燃焼圧力上昇率や燃焼圧力の最大値を高めても、エンジンのNVHを抑制することができる。
上記エンジンのピストン構造において、上記連結部は、中空ハニカム構造をなす中空ハニカム構造部を有する、ことが好ましい。
このことにより、連結部が多孔質であっても、連結部の強度及び剛性を高めることができて、ピストンピン支持部の外形周縁部に対する支持剛性を向上させることができ、この結果、ピストン全体の剛性を確保することができる。
上記のように連結部が中空ハニカム構造部を有する場合、上記各ピストンピン支持部を上記外形周縁部に支持する連結部は、該ピストンピン支持部から上記外形周縁部に向かって放射状に延びる複数の放射状延設部を含み、上記複数の放射状延設部のうちの少なくとも一部の放射状延設部が、上記中空ハニカム構造部を有し、上記放射状延設部の上記中空ハニカム構造部は、上記中空部としてのハニカム孔が当該放射状延設部の延設方向に延びるように配設されている、ことが好ましい。
このことで、中空ハニカム構造部が設けられた放射状延設部の強度及び剛性をより一層高めて、ピストンピン支持部の外形周縁部に対する支持剛性をより一層向上させることができる。また、放射状延設部の強度及び剛性を向上させながら、放射状延設部の軽量化、延いてはピストンの軽量化を図ることができる。
上記エンジンのピストン構造において、上記ピストンピン支持部及び連結部の下側に、中空部が体心立方格子状又は面心立方格子状に設けられた構造をなす吸音構造部が設けられている、ことが好ましい。
このことにより、ピストンを軽量化しながら、ピストン作動時の騒音をより一層低減することができる。
以上説明したように、本発明のエンジンのピストン構造によると、外形周縁部及びピストンピン支持部の肉厚部分が中実であり、連結部が、内部に中空部が形成された多孔質であり、上記外形周縁部、ピストンピン支持部及び連結部が、金属部材で互いに一体形成されていることにより、エンジンの燃焼圧力上昇率や燃焼圧力の最大値を高めても、エンジンのNVHを抑制することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
(実施形態1)
図1〜図9は、本発明の実施形態1に係るピストン構造が適用された、エンジンのピストン1を示す。このピストン1は、気筒サイクル(吸気行程、圧縮行程、燃焼行程(膨張行程)及び排気行程)を繰り返すことで、不図示のシリンダ内で、シリンダ軸心方向(ピストン1の中心軸方向(図5〜図9の上下方向)と一致する)に往復動するものである。
図1〜図9は、本発明の実施形態1に係るピストン構造が適用された、エンジンのピストン1を示す。このピストン1は、気筒サイクル(吸気行程、圧縮行程、燃焼行程(膨張行程)及び排気行程)を繰り返すことで、不図示のシリンダ内で、シリンダ軸心方向(ピストン1の中心軸方向(図5〜図9の上下方向)と一致する)に往復動するものである。
ピストン1の上部は、上記シリンダの内周壁面に対して摺動する円筒状部2と、この円筒状部2の上側の開口を塞ぐ頂部3とで形成されている。頂部3の外周部を除く部分は、燃焼室のペントルーフ形状に対応して上側に突出しており、頂部3の中央部には、キャビティ3aが形成されている。また、円筒状部2の外周面には、不図示のピストンリングが嵌められる複数(本実施形態では、3つ)の凹溝部2aがそれぞれ全周に亘って形成されている。
ピストン1の下部(円筒状部2の下側)には、2つのスカート部4が、ピストン径方向でかつ不図示のピストンピン(後述のピストンピン支持部7の中心軸)に対して垂直な方向に対向するように設けられている。
上記円筒状部2、頂部3及びスカート部4は、ピストン外形形状に沿って形成されかつ予め設定された設定肉厚を有する外形周縁部6とされている。外形周縁部6の肉厚部分は、中実である。
2つのスカート部4の間には、上記ピストンピンの両端部がそれぞれ挿入される挿入孔7aを有しかつ該挿入孔7aに挿入された該両端部をそれぞれ支持する所定肉厚の略円筒状の一対のピストンピン支持部7が設けられている。一対のピストンピン支持部7は、同軸にかつ該ピストンピン支持部7の中心軸方向に互いに所定間隔をあけて配置されている。一対のピストンピン支持部7の肉厚部分(ピストンピン支持部7の外周面と内周面との間の部分)も、外形周縁部6の肉厚部分と同様に、中実である。
外形周縁部6の肉厚(上記設定肉厚)及びピストンピン支持部7の肉厚(上記所定肉厚)は、ピストン1形状を維持しかつ上記ピストンピンを支持しつつピストン1を出来る限り軽量にすることが可能な肉厚にする。外形周縁部6及びピストンピン支持部7において、肉厚が一定である必要はなく、部分的に薄くなるか、又は厚くなってもよい。
上記ピストンピンの長さ方向中央部(一対のピストンピン支持部の間に相当する部分)は、不図示のコンロッドの一端部である小端部と連結される。このコンロッドの他端部である大端部は、不図示のクランクシャフトと連結される。ピストン1の往復動は、上記コンロッドを介して上記クランクシャフトに伝達されて該クランクシャフトが回転する。上記ピストンピンの中心軸方向(つまり、ピストンピン支持部7の中心軸方向)は、上記クランクシャフトの軸方向と一致している。
また、ピストン1には、上記一対のピストンピン支持部7を、それぞれ上記外形周縁部6に連結する連結部8が設けられている。連結部8は、中実ではなくて、内部に中空部が形成された多孔質である。本実施形態では、連結部8は、図10に示すような中空ハニカム構造をなす中空ハニカム構造部を有しており、この中空ハニカム構造部では、ハニカム孔10が上記中空部となる。このハニカム孔10の内接円の直径D(ハニカム孔10の周縁である正六角形の相対向する2つの辺の間の距離)は、1mm以上3mm以下であることが好ましい。また、相隣接する2つのハニカム孔10の間隔tは、0.2mm以上0.5mm以下であることが好ましい。
各ピストンピン支持部7を外形周縁部6に支持する連結部8は、該ピストンピン支持部7から外形周縁部6に向かって放射状に延びる複数の放射状延設部8aを含む(特にピストンピン支持部7の中心軸方向から見た図5〜図7参照)。本実施形態では、これら放射状延設部8aのピストンピン支持部7側の部分は、互いに結合されている。また、全ての放射状延設部8aが、上記中空ハニカム構造部を有する。各放射状延設部8aの中空ハニカム構造部は、ハニカム孔10が当該放射状延設部8aの延設方向に延びるように配設されている。各放射状延設部8aの中空ハニカム構造部は、当該放射状延設部8aの延設方向の全体に亘って設けられている。中空ハニカム構造部は、放射状延設部8aの強度及び剛性の向上と軽量化との両立を図ることができる点で優れた構造である。
また、本実施形態では、一部の放射状延設部8aのピストンピン支持部7側の部分とスカート部4の下端部とを連結する補強部15が設けられている。すなわち、上記クランクシャフトの回転方向との関係で、ピストンピン支持部7の位置を、ピストンピン支持部7の中心軸方向から見て、ピストン1の中心軸に対して僅かに左側又は右側(図6で、左側)にずらしているために、ピストンピン支持部7のスカート部4から遠くなる側(図6で、右側)の放射状延設部8aを補強するために、補強部15が設けられている。補強部15も、放射状延設部8aと同様に、中空ハニカム構造部を有し、そのハニカム孔10が、補強部15の延設方向に延びている。
外形周縁部6、ピストンピン支持部7、連結部8及び補強部15は、金属部材(本実施形態では、アルミニウム合金)で互いに一体形成されたものである。
上記のようなピストン1を製造するには、金属積層造型機(金属3Dプリンタ)を使用する。すなわち、例えばピストン1の頂部3側から層状に一層ずつ順に形成して、これらの層を積み重ねる。上記各層においては、粒径が例えば20μm以上125μm以下の金属粉末を一様に敷き、その敷いた金属粉末をレーザー光でスキャンすることにより焼結する。このとき、ハニカム孔10に相当する箇所においては、レーザー光を照射しないので、金属粉末がそのまま残る。この残った金属粉末は、別途設けた孔から最終的に取り除かれることになる。こうして、外形周縁部6、ピストンピン支持部7、連結部8及び補強部15が互いに一体形成されてなるピストン1が完成する。
したがって、本実施形態では、外形周縁部6及びピストンピン支持部7の肉厚部分が中実であり、連結部8が、内部に中空部(ハニカム孔10)が形成された多孔質であり、外形周縁部6、ピストンピン支持部7及び連結部8が、金属部材で互いに一体形成されたものであるので、ピストン1を軽量化することができるとともに、ハニカム孔10により、ピストン1作動時の振動及び騒音を吸収することができる。また、外形周縁部6及びピストンピン支持部7の肉厚を、ピストン1形状を維持しかつピストンピンを支持しつつピストン1を出来る限り軽量にすることが可能な厚みにすることで、ピストン1に必要な機能を維持しながらピストン1を出来る限り軽量化することができる。さらに、ピストン1を軽量化することで、共振周波数が高くなり、共振による振動や騒音の発生が生じ難くなる。よって、エンジン1の燃焼圧力上昇率や燃焼圧力の最大値を高めても、エンジン1のNVHを抑制することができる。
また、本実施形態では、連結部8が中空ハニカム構造部を有し、この中空ハニカム構造部が、連結部8の各放射状延設部8aの全体に、ハニカム孔10が当該放射状延設部8aの延設方向に延びるように設けられているので、放射状延設部8aの強度及び剛性を高めて、ピストンピン支持部7の外形周縁部6に対する支持剛性を向上させることができる。また、放射状延設部8aの強度及び剛性を向上させながら、放射状延設部8aの軽量化、延いてはピストン1の軽量化を図ることができる。
(実施形態2)
図11〜図15は、本発明の実施形態2を示し(図5〜図9と同じ部分については、同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する)、実施形態1に対して、吸音構造部(後述の下部吸音構造部20及び上部吸音構造部25)を追加したものであり、その他の構成は、上記実施形態1と同様である。
図11〜図15は、本発明の実施形態2を示し(図5〜図9と同じ部分については、同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する)、実施形態1に対して、吸音構造部(後述の下部吸音構造部20及び上部吸音構造部25)を追加したものであり、その他の構成は、上記実施形態1と同様である。
すなわち、本実施形態では、ピストンピン支持部7及び連結部8の下側に、下部吸音構造部20が設けられている。この下部吸音構造部20は、図16に示すように、球状の中空部21が体心立方格子状に設けられた構造をなす。立方体である単位格子の一辺の長さAは、1.5mm以上4mm以下であることが好ましく、中空部21の半径rは、上記長さAの値に応じて、0.5mm以上2mm以下であることが好ましい。
下部吸音構造部20は、一対のピストンピン支持部7の間を通りかつピストンピン支持部7の中心軸に垂直な方向に延びる空間(上記コンロッドの小端部が位置する空間を含む)を除いて、ピストンピン支持部7及び連結部8よりも下側の空間の略全体に亘って設けられている。
尚、下部吸音構造部20を、図17に示すように、球状の中空部21が体心立方格子状に設けられた構造をなすようにしてもよい。この場合も、単位格子の一辺の長さA及び中空部21の半径rは、上記体心立方格子状の場合と同様であればよい。
また、本実施形態では、一対のピストンピン支持部7の間を通りかつピストンピン支持部7の中心軸に垂直な方向に延びる空間の上部(上記コンロッドの小端部と干渉しない部分)に、上部吸音構造部25が設けられている(図14及び図15参照)。この上部吸音構造部25は、円筒状部2の内周面においてピストンピン支持部7の中心軸に垂直な方向に互いに対向する部分と頂部3の裏面(下面)とに一体的に固定されている。上部吸音構造部25も、下部吸音構造部20と同様に、中空部が体心立方格子状(又は面心立方格子状)に設けられた構造をなす。尚、上部吸音構造部25は、必ずしも必要なものではなく、なくてもよい。
下部吸音構造部20及び上部吸音構造部25は、外形周縁部6、ピストンピン支持部7、連結部8及び補強部15と共に、金属部材(アルミニウム合金)で互いに一体形成されたものである。本実施形態においても、金属積層造型機(金属3Dプリンタ)を使用してピストン1を製造することができる。
したがって、本実施形態では、中空部21が体心立方格子状に設けられた構造をなす下部吸音構造部20の該中空部21によって、ピストン1を軽量化しながら、ピストン1作動時の騒音をより一層吸収することができる。
本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。
例えば、上記各実施形態では、連結部8(全ての放射状延設部8a)が中空ハニカム構造部を有するものとしたが、中空ハニカム構造部に代えて,例えば、中空部が体心立方格子状又は面心立方格子状に設けられた構造をなす構造部、又は、中空部がランダムに配設された構造部を有していてもよい。或いは、全ての放射状延設部8aが、中空ハニカム構造部と、これとは別の構造部(例えば、中空部が体心立方格子状又は面心立方格子状に設けられた構造をなす構造部、又は、中空部がランダムに配設された構造部)とを有していてもよい。また、全ての放射状延設部8aが、中空ハニカム構造部を有している必要はなく、一部の放射状延設部8aのみが中空ハニカム構造部を有し、他の放射状延設部8aが、別の構造部を有していてもよい。
上述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
本発明は、エンジンのピストン構造に有用であり、特に、エンジンの燃焼圧力上昇率や燃焼圧力の最大値を高めて、エンジンの熱効率を非常に高いレベルにまで高める場合に有用である。
1 ピストン
6 外形周縁部
7 ピストンピン支持部
7a 挿入孔
8 連結部
8a 放射状延設部
10 ハニカム孔
20 下部吸音構造部
6 外形周縁部
7 ピストンピン支持部
7a 挿入孔
8 連結部
8a 放射状延設部
10 ハニカム孔
20 下部吸音構造部
Claims (4)
- エンジンのピストン構造であって、
ピストン外形形状に沿って形成され、予め設定された設定肉厚を有する外形周縁部と、
ピストンピンの両端部がそれぞれ挿入される挿入孔を有し、該挿入孔に挿入された該両端部をそれぞれ支持する所定肉厚の略円筒状の一対のピストンピン支持部と、
上記一対のピストンピン支持部を、それぞれ上記外形周縁部に連結する連結部とを備え、
上記外形周縁部及び上記ピストンピン支持部の肉厚部分は、中実であり、
上記連結部は、内部に中空部が形成された多孔質であり、
上記外形周縁部、上記ピストンピン支持部及び上記連結部は、金属部材で互いに一体形成されたものであることを特徴とするエンジンのピストン構造。 - 請求項1記載のエンジンのピストン構造において、
上記連結部は、中空ハニカム構造をなす中空ハニカム構造部を有することを特徴とするエンジンのピストン構造。 - 請求項2記載のエンジンのピストン構造において、
上記各ピストンピン支持部を上記外形周縁部に支持する連結部は、該ピストンピン支持部から上記外形周縁部に向かって放射状に延びる複数の放射状延設部を含み、
上記複数の放射状延設部のうちの少なくとも一部の放射状延設部が、上記中空ハニカム構造部を有し、
上記放射状延設部の上記中空ハニカム構造部は、上記中空部としてのハニカム孔が当該放射状延設部の延設方向に延びるように配設されていることを特徴とするエンジンのピストン構造。 - 請求項1〜3のいずれか1つに記載のエンジンのピストン構造において、
上記ピストンピン支持部及び連結部の下側に、中空部が体心立方格子状又は面心立方格子状に設けられた構造をなす吸音構造部が設けられていることを特徴とするエンジンのピストン構造。
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