JP2019167913A - 内燃機関用のピストン - Google Patents

Abstract

【課題】ピストン打音を低減するとともに、フリクションの増加を抑制する。【解決手段】内燃機関用のピストン２０は、ピストン本体２１と、ピストン本体２１に連続して設けられ、コネクティングロッド６を連結するためのピストンピン１７が挿入されるピストンピン孔２２が形成されたピストンボス部２３と、ピストン本体２１外周に沿って、ピストンボス部２３側に延在するスカート部２４ａ、２４ｂと、スカート部２４ａ、２４ｂとピストンボス部２３との間に湾曲して介在する梁部２５ａ、２５ｂとを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関用のピストンに関する。

内燃機関用のピストン（以下、単にピストンともいう）において、ピストンの首振りなどの挙動が原因で、ピストン打音が生じることが知られている。

例えば、特許文献１では、スカート部とピンボス部とを、ピストン母材より熱膨張率の小さい金属からなるストラット部材により連結する技術が開示されている。これにより、スカート部とシリンダボアとの間の暖機前後の熱膨張差を吸収するためのクリアランスを小さくすることが可能となり、ピストン打音を軽減することができる。

特開平０９−１００９１２号公報

しかしながら、スカート部とシリンダボアとの間のクリアランスを小さくすると、スカート部とシリンダボアとの間のフリクションが増加するおそれがある。

そこで、本発明は、ピストン打音を低減するとともに、フリクションの増加を抑制することができる内燃機関用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に、本発明の内燃機関用のピストンは、ピストン本体と、前記ピストン本体に連続して設けられ、コネクティングロッドを連結するためのピストンピンが挿入されるピストンピン孔が形成されたピストンボス部と、前記ピストン本体から、前記ピストン本体外周に沿って、前記ピストンボス部側に延在するスカート部と、前記スカート部と前記ピストンボス部との間に湾曲して介在する梁部とを備える。

前記梁部は、前記ピストン本体の軸方向における前記ピストン本体から離隔する方向に湾曲してもよい。

前記梁部は、前記ピストン本体の軸方向における前記ピストン本体に近接する方向に湾曲してもよい。

前記梁部における所定の位置に錘部材を備えてもよい。

本発明によれば、ピストン打音を低減するとともに、フリクションの増加を抑制することができる。

ピストンを備えたエンジンの構成を説明するための図である。 ピストンの構成を説明するための図である。 ピストンが上方向または下方向の加速度を有する場合を説明するための図である。 第１の変形例におけるピストンの構成を説明するための図である。 第２の変形例におけるピストンの構成を説明するための図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、ピストン２０を備えたエンジン１の構成を説明する図である。エンジン１は、例えば、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程および排気行程が繰り返し行われる４ストロークエンジンである。図１では、ピストン２０の位置が、上死点と下死点との間に位置している場合が示されている。

エンジン１は、シリンダブロック２と、シリンダブロック２と一体形成されたクランクケース３と、シリンダブロック２に固定されたシリンダヘッド４とが設けられている。

シリンダブロック２に形成されたシリンダボア５内には、ピストン２０が摺動自在に配される。ピストン２０はコネクティングロッド６に支持される。エンジン１では、シリンダヘッド４と、シリンダボア５と、ピストン２０の冠面２０ａとによって囲まれた空間が燃焼室７として形成される。

また、クランクケース３によって形成されたクランク室８内に、クランクシャフト９が回転自在に支持される。コネクティングロッド６は、クランクシャフト９に回転自在に支持される。これにより、ピストン２０は、コネクティングロッド６を介してクランクシャフト９に連結される。

シリンダヘッド４には、吸気ポート１０および排気ポート１１が燃焼室７に連通するように形成される。吸気ポート１０は、吸気の上流側に１つの開口が形成され、燃焼室７に臨む吸気の下流側に２つの開口が形成されており、上流から下流に向かう途中で流路が２つに分岐される。

排気ポート１１は、燃焼室７に臨む排気の上流側に２つの開口が形成され、排気の下流側に１つの開口が形成されており、上流から下流に向かう途中で流路が１つに合流する。

吸気ポート１０と燃焼室７との間には、吸気バルブ１２の傘部が位置し、排気ポート１１と燃焼室７との間には、排気バルブ１３の傘部が位置している。シリンダヘッド４およびヘッドカバー（不図示）に囲まれたカム室内には、カム１４ａが固定された吸気カムシャフト１４、および、カム１５ａが固定された排気カムシャフト１５が設けられている。吸気カムシャフト１４および排気カムシャフト１５は、タイミングチェーンを介してクランクシャフト９に連結されており、クランクシャフト９の回転に伴って回転する。

カム１４ａは、吸気バルブ１２の軸端が当接されており、吸気カムシャフト１４によって回転されることで吸気バルブ１２を軸方向に移動させる。これにより、吸気バルブ１２は、吸気ポート１０と燃焼室７との間を開閉する。カム１５ａは、排気バルブ１３の軸端が当接されており、排気カムシャフト１５によって回転されることで排気バルブ１３を軸方向に移動させる。これにより、排気バルブ１３は、排気ポート１１と燃焼室７との間を開閉する。

シリンダヘッド４には、先端が燃焼室７内に位置するように不図示の点火プラグが設けられており、吸気ポート１０を介して燃焼室７に流入した空気と燃料との混合気が、所定のタイミングで点火プラグに点火されて燃焼される。かかる燃焼により、ピストン２０がシリンダボア５内で往復運動を行い、その往復運動が、コネクティングロッド６を通じてクランクシャフト９の回転運動に変換される。ここで、ピストン２０の位置が上死点と下死点の中間位置よりも上死点側に位置している場合、ピストン２０には図１中における下方向の加速度が生じることとなる。この下方向の加速度は、ピストン２０が上死点に位置するときに最大となる。一方、ピストン２０の位置が上死点と下死点の中間位置よりも下死点側に位置している場合、ピストン２０には図１中における上方向の加速度が生じることとなる。この上方向の加速度は、ピストン２０が下死点に位置するときに最大となる。

ピストン２０は、主に、ピストン本体２１と、ピストンピン孔２２が形成されたピストンボス部２３と、一対のスカート部２４ａ、２４ｂと、一対の梁部２５ａ、２５ｂとを備える。

ピストンボス部２３は、ピストン本体２１に連続して設けられ、コネクティングロッド６を連結するためのピストンピン１７が挿入されるピストンピン孔２２が形成されている。

また、一対のスカート部２４ａ、２４ｂは、ピストン本体２１の外周に沿って、ピストンボス部２３側に延在するように形成されている。

また、一対の梁部２５ａ、２５ｂは、一対のスカート部２４ａ、２４ｂとピストンボス部２３との間に湾曲して介在するように設けられている。そして、一対の梁部２５ａ、２５ｂの長手方向における略中央部には、それぞれ、錘部材２６ａ、２６ｂが備えられている。

また、ピストン本体２１の側面には、ピストン本体２１の径方向に窪む３本のリング溝２７、２８、２９がそれぞれ離隔して形成されている。リング溝２７、２８、２９は、ピストン本体２１の周方向に沿って形成されている。リング溝２７、２８、２９は、ピストン本体２１の側面において、冠面２０ａ寄りに設けられている。

なお、ピストン２０の冠面２０ａに最も近いリング溝２７には、トップリング３７が収容される。トップリング３７が収容されるリング溝２７から見てコネクティングロッド６方向に隣接するリング溝２８には、セカンドリング３８が収容される。セカンドリング３８が収容されるリング溝２８から見てコネクティングロッド６方向に隣接するリング溝２９には、オイルリング３９が収容される。

トップリング３７、セカンドリング３８およびオイルリング３９は、リング溝２７、２８、２９に収容された状態でピストン本体２１の側面よりも突出し、シリンダボア５に接触する。トップリング３７およびセカンドリング３８は、シリンダボア５とピストン本体２１の側面との隙間を無くし、燃焼室７の気密を保つ。オイルリング３９は、シリンダボア５とピストン本体２１の側面との間に適度な油膜を形成し、ピストン本体２１の摺動を潤滑にする。以下、トップリング３７、セカンドリング３８およびオイルリング３９を総称して、ピストンリング３０ともいう。

図２は、ピストン２０の構成を説明するための図であり、図２（ａ）はピストン２０の断面図を示し、図２（ｂ）はピストン２０の底面図を示している。図２（ａ）に示すように、梁部２５ａ、２５ｂは、ピストン本体２１の軸方向Ｐａ（図２（ａ）中、上下方向）におけるピストン本体２１から離隔する方向、すなわち、図２（ａ）における下方向に向かって湾曲している。

また、図２（ｂ）に示すように、一対のスカート部２４ａ、２４ｂは、ピストン本体２１におけるピストンピン孔２２の軸方向Ｐｂ（図２（ｂ）中、上下方向）と直交する位置にそれぞれ設けられている。そして、錘部材２６ａを備えた梁部２５ａは、スカート部２４ａとピストンボス部２３との間に配置される。また、錘部材２６ｂを備えた梁部２５ｂは、スカート部２４ｂとピストンボス部２３との間に配置される。

梁部２５ａ、２５ｂの一端は、それぞれ、スカート部２４ａ、２４ｂの内周面において、軸方向Ｐｂにおける略中央部であって、軸方向Ｐａにおける下端付近に接続される。また、梁部２５ａ、２５ｂの他端は、ピストンボス部２３における、ピストンピン孔２２の軸方向Ｐｂに直交する側面２３ａ、２３ｂにおいて、軸方向Ｐｂにおける略中央部であって、軸方向Ｐａにおける下端付近に接続される。

図３（ａ）は、ピストン２０が上方向の加速度を有する場合を説明するための図である。上記したように、ピストン２０が、上死点と下死点の中間位置よりも下死点側に位置する場合、ピストン２０は上方向の加速度を有する。この場合、ピストン２０には、下向きの慣性力が生じる。そして、この慣性力によって、梁部２５ａ、２５ｂのたわみが大きくなるように、梁部２５ａ、２５ｂが図３（ａ）中における下方向へ変形する。このとき、錘部材２６ａ、２６ｂが備えられていることによって、梁部２５ａ、２５ｂの変形量がより大きくなることとなる。そして、この梁部２５ａ、２５ｂの変形に伴って、スカート部２４ａ、２４ｂが、それぞれ、ピストンボス部２３側に近づくように変形する。このようにして、スカート部２４ａ、２４ｂが、それぞれ変形することによって、スカート部２４ａ、２４ｂとシリンダボア５との間のクリアランスが拡大することとなる。そのため、ピストン２０の位置が下死点側である場合には、スカート部２４ａ、２４ｂとシリンダボア５との間のフリクションの増加を抑制することができ、さらには、燃費の悪化を抑制することもできる。

図３（ｂ）は、ピストン２０が下方向の加速度を有する場合を説明するための図である。上記したように、ピストン２０が、上死点と下死点の中間位置よりも上死点側に位置する場合、ピストン２０は下方向の加速度を有する。この場合、ピストン２０には、上向きの慣性力が生じる。そして、この慣性力によって、梁部２５ａ、２５ｂのたわみが小さくなるように、梁部２５ａ、２５ｂが図３（ｂ）中における上方向へ変形する。このとき、錘部材２６ａ、２６ｂが備えられていることによって、梁部２５ａ、２５ｂの変形量がより大きくなることとなる。そして、この梁部２５ａ、２５ｂの変形に伴って、スカート部２４ａ、２４ｂが、それぞれ、ピストンボス部２３から離間するように変形する。このようにして、スカート部２４ａ、２４ｂが、それぞれ変形することによって、スカート部２４ａ、２４ｂとシリンダボア５との間のクリアランスが縮小することとなる。

上記したように、ピストン２０が上死点の近傍（少なくとも中央位置よりも上死点側）において混合気が燃焼するため、ピストン２０の位置が上死点側であるときに、燃焼による圧力増加がピストン２０の冠面２０ａに加えられる。これにより、ピストン２０の首振りなどの挙動が原因で、ピストン２０の側面がシリンダボア５に当たることによるピストン打音が発生しやすくなる。

本実施形態では、このように、ピストン打音が発生しやすい上死点側にピストン２０が位置する場合においては、スカート部２４ａ、２４ｂとシリンダボア５との間のクリアランスが縮小することとなるので、ピストン打音の発生を効果的に抑制することができる。一方で、ピストン打音が比較的発生しにくい、下死点側においては、上記のように、スカート部２４ａ、２４ｂとシリンダボア５との間のクリアランスが拡大することとなるため、スカート部２４ａ、２４ｂとシリンダボア５との間のフリクションの増加に起因する燃費の悪化を抑制することができる。

ピストン２０のうち、例えば、ピストン本体２１、ピストンピン孔２２、ピストンボス部２３、スカート部２４ａ、２４ｂについては、軽量化を目的としてアルミニウム合金により鋳造で形成される。錘部材２６ａを備えた梁部２５ａ、および、錘部材２６ｂを備えた梁部２５ｂについては、アルミニウム合金により鋳造で形成されたものを用いてもよいし、梁部２５ａ、２５ｂと錘部材２６ａ、２６ｂをそれぞれ別体で用意したものを、溶接等によって取り付けて用いてもよい。そして、錘部材２６ａを備えた梁部２５ａ、および、錘部材２６ｂを備えた梁部２５ｂを、それぞれ、スカート部２４ａ、２４ｂおよびピストンボス部２３の所定の位置に、例えば、溶接によって、取り付けることができる。

ここで、錘部材２６ａ、２６ｂの材質は、ピストン本体２１等の材質（アルミニウム合金）よりも比重が大きいものが好ましい。

また、梁部２５ａ、２５ｂの材質は、湾曲させる加工のしやすさ、および、慣性力が生じた際の変形しやすさ等の観点から、適切な材料を選択することができる。例えば、主に、エンジンが高回転時の場合について、ピストン打音の低減の効果を出したい場合には、慣性力が生じた際に、比較的変形しにくい材料を選択することが好ましい。また、例えば、エンジンが低回転時〜高回転時の広い領域について、ピストン打音の低減の効果を出したい場合には、慣性力が生じた際に、比較的変形しやすい材料を選択することが好ましい。

図４は、第１の変形例におけるピストン１２０の構成を説明するための図である。第１の変形例は、ピストン１２０の梁部１２５ａ、１２５ｂが錘部材２６ａ、２６ｂを備えていないこと以外は、上記のピストン２０と同じ構成になっている。

第１の変形例においても、ピストン１２０が、上死点と下死点の中間位置よりも下死点側に位置する場合、ピストン１２０に生じる下向きの慣性力によって、梁部１２５ａ、１２５ｂのたわみが大きくなるように、梁部１２５ａ、１２５ｂが図４中における下方向へ変形する。同様に、ピストン１２０が、上死点と下死点の中間位置よりも上死点側に位置する場合、ピストン１２０に生じる上向きの慣性力によって、梁部１２５ａ、１２５ｂのたわみが小さくなるように、梁部１２５ａ、１２５ｂが図４中における上方向へ変形する。

第１の変形例においては、上記の錘部材２６ａ、２６ｂを備えるピストン２０に比べて、梁部１２５ａ、１２５ｂの変形量を小さくすることができるとともに、コストを抑制することが可能となる。このように、少なくとも、梁部１２５ａ、１２５ｂが湾曲していればよく、必要に応じて、錘部材２６ａ、２６ｂの有無を選択することが可能である。

また、上記実施形態におけるピストン２０の梁部２５ａ、２５ｂおよび、第１の変形例におけるピストン２０の梁部１２５ａ、１２５ｂでは、下方に湾曲した場合を示したが、梁部を湾曲させる方向については、特に限定されない。

図５は、第２の変形例におけるピストン２２０の構成を説明するための図である。図５に示すように、第２の変形例では、梁部２２５ａ、２２５ｂが、ピストン本体２１の軸方向におけるピストン本体２１に近接する方向（冠面２０ａ側）、すなわち、図５中における上方向へ湾曲している。

そのため、第２の変形例では、ピストン２２０が、上死点と下死点の中間位置よりも下死点側に位置する場合、ピストン２２０に生じる下向きの慣性力によって、梁部２２５ａ、２２５ｂのたわみが小さくなるように、梁部２２５ａ、２２５ｂが図５中における下方向へ変形する。すなわち、スカート部２４ａ、２４ｂが、それぞれ、ピストンボス部２３から離間するように変形する。このようにして、スカート部２４ａ、２４ｂが、それぞれ変形することによって、スカート部２４ａ、２４ｂとシリンダボア５との間のクリアランスが縮小することとなる。

一方、ピストン２２０が、上死点と下死点の中間位置よりも上死点側に位置する場合、ピストン２２０に生じる上向きの慣性力によって、梁部２２５ａ、２２５ｂのたわみが大きくなるように、梁部２２５ａ、２２５ｂが図５中における上方向へ変形する。すなわち、スカート部２４ａ、２４ｂが、それぞれ、ピストンボス部２３側に近づくように変形する。このようにして、スカート部２４ａ、２４ｂが、それぞれ変形することによって、スカート部２４ａ、２４ｂとシリンダボア５との間のクリアランスが拡大することとなる。

このような特徴を有する第２の変形例によるピストン２２０は、例えば、エンジンが高負荷時にシリンダボア５の内径が一定となるようにするために、エンジンが低負荷時におけるシリンダボア５の内径が上死点側へ向かって縮小するような形状の場合に有効的である。すなわち、シリンダボア５の内径が小さい箇所では、スカート部２４ａ、２４ｂが、それぞれ、ピストンボス部２３側に近づくように変形し、シリンダボア５の内径が大きい箇所では、スカート部２４ａ、２４ｂが、それぞれ、ピストンボス部２３から離間するように変形することとなる。これにより、スカート部２４ａ、２４ｂとシリンダボア５とのクリアランスを適切に制御することが可能となり、ピストン打音を低減するとともに、フリクションの増加を抑制することができる。なお、上記第２の変形例では、梁部２２５ａ、２２５ｂが錘部材を備えない構成としたが、梁部２２５ａ、２２５ｂが錘部材を備える構成としてもよい。

本発明は、内燃機関用のピストンに利用できる。

６ コネクティングロッド
２０ ピストン
２１ ピストン本体
２２ ピストンピン孔
２３ ピストンボス部
２４ａ、２４ｂ スカート部
２５ａ、２５ｂ 梁部
２６ａ、２６ｂ 錘部材

Claims (4)

1. ピストン本体と、
   前記ピストン本体に連続して設けられ、コネクティングロッドを連結するためのピストンピンが挿入されるピストンピン孔が形成されたピストンボス部と、
   前記ピストン本体から、前記ピストン本体外周に沿って、前記ピストンボス部側に延在するスカート部と、
   前記スカート部と前記ピストンボス部との間に湾曲して介在する梁部とを備える内燃機関用のピストン。
2. 前記梁部は、前記ピストン本体の軸方向における前記ピストン本体から離隔する方向に湾曲する請求項１に記載の内燃機関用のピストン。
3. 前記梁部は、前記ピストン本体の軸方向における前記ピストン本体に近接する方向に湾曲する請求項１に記載の内燃機関用のピストン。
4. 前記梁部における所定の位置に錘部材を備える請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関用のピストン。

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