JP2019173722A - 内燃機関用ピストン - Google Patents

Abstract

【課題】低剛性で上下方向及び幅方向の剛性の偏りが小さい内燃機関用ピストンを提供することにより，低フリクション，低燃費での運転を実現する。【解決手段】内燃機関用ピストン１のスカート部２０ａ，２０ｂの厚みδａ，δｂを，０．８〜１．８mmの薄肉に形成すると共に，該スカート部２０ａ，２０ｂ内面側における下端縁とサイドウォール３０，３０の内面側における下端縁の肉厚を，他の部分に比較して厚くしてリブ２１ａ，２１ｂ，３４ａ，３４ｂを形成し，ピンボス３２側からスカート部２０ａ，２０ｂの幅方向両端に向かって一対の前記サイドウォール３０，３０間の間隔が広がるように底面視において前記サイドウォール３０，３０を湾曲した形状に形成する。【選択図】図５

Description

本発明は，内燃機関で使用するピストンに関し，例えば電気自動車にレンジエクステンダーとして搭載される小型発電システムにおいて発電機の動力源として使用するエンジンのように，大出力を必要としないが低燃費であることが求められる内燃機関に使用するに適したピストンに関する。

図１２を参照して既知の一般的な内燃機関用ピストン１００の構成について説明する。なお，本明細書では，エンジンのヘッド側（燃焼室側）を「上」，これとは反対側（クランクケース側）を「下」として説明し，ここに記載する上下は，実際の使用状態におけるエンジンに搭載された際の上下とは必ずしも一致しない。

内燃機関に使用される一般的なピストン１００は，図１２に示すように，燃焼圧を受ける頂面１１１ａを有するクラウン部１１０と，このクラウン部１１０より下方側に突設されたスラスト側スカート部１２０ａ及び反スラスト側スカート部１２０ｂから成るスカート部１２０，ピン穴１３１やピンボス１３２，及びピンボス１３２をクラウン部１１０の裏面１１１ｂに連結するピンボスリブ１３３が形成されていると共に，前記スラスト側スカート部１２０ａと反スラスト側スカート部１２０ｂの両端間を連結するサイドウォール１３０を備え，クラウン部１１０の頂面１１１ａにおいて燃焼ガスのガス圧を受けてシリンダ１５０内を下降し，ピンボス１３２のピン穴１３１にピストンピン１４５及び連結棒１５１を介して連結されたクランク軸（図示せず）を回転させると共に，クランク軸の回転に伴いシリンダ１５０内を昇降して，４サイクルエンジンでは排気，吸入，圧縮，燃焼・膨張の各行程が行われる。

このピストン１００は，シリンダ１５０の内径に対し僅かに小径に形成されていることから，連結棒１５１の傾きに応じて上昇，下降の行程において首振りを起こすが，クラウン部１１０の下方に設けられている前述のスカート部１２０がシリンダ１５０の内壁と摺接することでピストン１００の首振りが抑制され，ピストン１００はシリンダ１５０内を円滑に上下運動することができるようになっている。

このように，内燃機関のピストン１００は，シリンダ１５０内を上下動することにより燃料の燃焼によって生じた燃焼ガス圧を機械的な運動に変換するものであることから，燃焼ガス圧を効率良く機械的な運動エネルギーに変換するためには，ピストン１００が軽量であることが望ましい。

そのため，このような軽量化を目的として，ピストン１００の材質として近年ではアルミニウム合金等の軽金属の使用が主流となっていると共に，ピストン１００各部の薄肉化が行われている。

また，ピストン１００は，前述したようにスカート部１２０をシリンダ１５０の内壁と摺接させた状態でシリンダ１５０内を上下動することから，スカート部１２０とシリンダ１５０内壁間の摩擦抵抗は，燃焼によって生じた燃焼ガス圧を機械的な運動に変換する際のエネルギー損失を生じさせると共に，高い摩擦抵抗は摺接部分に焼き付きを生じるおそれもあることから，摩擦抵抗を可及的に低減することが望ましい。

このような摩擦抵抗の低減方法としては，シリンダ１５０内壁面との接触面積を減少させる形状にスカート部１２０を設計する他，シリンダ１５０内壁と摺接する部分のスカート部１２０表面の摩擦係数を低下させる構成，シリンダ１５０内壁に対するスカート部１２０の面圧を低下させる構成等の採用も提案されている。

このうち，シリンダ内壁面との接触面積を減少させる方法としては，図１３に示すようにスカート部１２０を上部スカート部１２２と下部スカート部１２４とに分離したスケルトン構造と呼ばれる構造を採用することも提案されている（特許文献１，２参照）。

また，シリンダ１５０内壁と摺接する部分のスカート部表面の摩擦係数を低下させる構成としては，スカート部１２０の表面に潤滑性を有するコーティング層を所定のパターンで形成し，コーティング層の形成に伴う摩擦抵抗の低減と，コーティング層の非形成部に生じた凹部を，潤滑油を保持する油溜まりとして機能させることによって潤滑性の向上を図ったピストンも提案されている（特許文献３）。

さらに，シリンダ１５０内壁面に対するスカート部１２０（１２０ａ，１２０ｂ）の面圧を低減する方法としては，図１４に示すように，スカート部１２０（１２０ａ，１２０ｂ）の幅方向両端とサイドウォール１３０の幅方向両端間に，耐熱性樹脂，ゴム，バネ材，マグネ鋼等のピストンを構成する軽合金材料よりも弾性が高いダンパー材１６０を設けることで，シリンダ内壁面に対するスカート部１２０（１２０ａ，１２０ｂ）の幅方向両端部の接触圧力を低減することが提案されている（特許文献４）。

実開平３−１０４１４７号公報 特開２００４−３４００５４号公報 特開２００５−３２０９３４号公報 特開２００４−１５０３２６号公報

前掲の特許文献１，２として紹介したピストンのように，スカート部１２０を上部スカート部１２２と下部スカート部１２４とに分割したスケルトン構造と呼ばれる構成（図１３参照）では，シリンダ１５０の内壁と接触するスカート部１２０，１２０の接触面積を大幅に低減することができると共に，上部スカート部１２２と下部スカート部１２４間には金属材料が存在しないため，その分，ピストンを軽量化することができる。

しかし，このような構造のピストンでは，ピストンの下降時に上部スカート部１２２で掻き落とされたオイルが下部スカート部１２４の上端縁に滞留することで，シリンダ内壁に形成される油膜が厚くなりすぎる結果，オイルの引きずりが増加して，却ってフリクションを増大させてしまう場合があるだけでなく，オイルの消費量が増大するといった問題が発生する場合がある。

また，前述したスケルトン構造では，スカート部の強度不足が懸念されると共に，スカート部１２０が局部的に高い面圧を受けた状態でシリンダ１５０の内壁と摺接するため，焼き付き等も生じ易いものと考えられる。

これに対し，前掲の特許文献３として紹介したピストン１００のように，スカート部１２０（１２０ａ，１２０ｂ）の表面に潤滑性を有するコーティング層を形成する構成では，コーティング層の形成によってスカート部表面の摩擦係数が低下することで，効果的に低フリクション化を実現することができる。

しかし，この構成では，スカート部１２０（１２０ａ，１２０ｂ）の表面に形成されたコーティング層が経時によって摩滅等すると摩擦抵抗を低減する効果が失われてしまい，燃費の悪化や出力の低下，ひいては焼き付きが生じるおそれもある。

従って，コーティング層の形成による摩擦抵抗の低減は，シリンダ１５０内壁に対するスカート部１２０（１２０ａ，１２０ｂ）の面圧を低減する等の，他の方法と組み合わせて採用することが好ましい。

ここで，近年のピストン素材の主流となりつつあるアルミニウム合金等の軽金属材料は，鋼等の材料に比較して剛性（ヤング率）が低く，しかも，軽量化の要請より，ピストン１００各部の薄肉化が行われていることから，シリンダ１５０の内壁に高い面圧で摺接されるピストン１００のスカート部１２０（１２０ａ，１２０ｂ）はこの面圧によって変形し易くなっている。

このようなスカート部１２０（１２０ａ，１２０ｂ）の変形は，面圧を逃がして緩和する作用を有することでフリクションの低減に資するものの，スカート部１２０（１２０ａ，１２０ｂ）の剛性に偏りがあると，高剛性の部分は変形が生じ難い一方，低剛性の部分が大きく変形することで，剛性の高い部分の面圧が局部的に高くなることで摩擦抵抗が高まると共に，焼き付きが生じ易くなる。

従って，スカート部全体の剛性を均一に低下させて，スカート部に加わる面圧を変形によって逃がすことができるようにすると共に，局部的な面圧の上昇が発生することを抑制することができれば，フリクションの低減効果が期待できる。

ここで，スカート部１２０（１２０ａ，１２０ｂ）は，その上端がクラウン部１１０に連結されて支持されていると共に，幅方向の両端がサイドウォール１３０，１３０に連結されて支持されているため，図１５に示すように，スカート部１２０（１２０ａ，１２０ｂ）の高さ方向の剛性は，上端側に向かうに従い高く，下端側に向かうに従い低くなり，また，幅方向の剛性は，中央側において低く，幅方向両端側に向かうに従い高くなる。

従って，このような剛性の偏りにより，スカート部を高い面圧でシリンダ内壁に摺接させた場合，上下方向ではスカート部の上端側が，幅方向ではスカート部の両端側の面圧（接触圧力）が高くなる。

前掲の特許文献４に記載のピストン１００では，このようにして接触圧力が高まる部分のうち，前述したスカート部１２０（１２０ａ，１２０ｂ）の幅方向両端付近の接触圧力を低下させるべく，前述したようにスカート部１２０ａ，１２０ｂの幅方向両端とサイドウォール１３０，１３０間に耐熱性樹脂やゴム，バネ等の高弾性の材料によって形成されたダンパー材１６０を介在させる構成を採用する。

しかし，この構成では，スカート部１２０ａ，１２０ｂの幅方向両端側の剛性が低下することで，スカート部１２０ａ，１２０ｂの幅方向両端側における接触圧力を低下させることはできるが，依然としてスカート部１２０ａ，１２０ｂの上下方向に存在する剛性の偏りは改善されていないことから，スカート部１２０ａ，１２０ｂの高さ方向における局部的な接触圧力の上昇によって摩擦抵抗の増大や焼き付きが生じ得る。

また，特許文献４に記載の構成では，前述したダンパー材１６０の存在によりスカート部１２０ａ，１２０ｂの幅方向両端を支持する力が弱まることで，面圧を受けた際のスカート部全体の変形量，特に下端側の変形量が大きくなる。

その結果，このようなスカート部１２０ａ，１２０ｂの変形量の増大に伴い，ピストン１１０の首振り角が増大することとなるため，この首振りに伴う振動や騒音も増大する。

しかも，サイドウォール１３０，１３０によるスカート部１２０ａ，１２０ｂの幅方向両端側を支持する力が弱まることで，スカート部１２０ａ，１２０ｂに面圧が加わると，スカート部１２０ａ，１２０ｂの上端とクラウン部１１０の連結部分（肩部）に応力が集中することとなるため，この部分の強度が低いとピストン１００が破損する。

その結果，スカート部１２０ａ，１２０ｂとクラウン部１１０との連結部分を厚肉に形成する等して補強する必要が生じるが，このような補強は，ピストン１００の重量を増大させる点で軽量化の要求に反するだけでなく，スカート部１２０ａ，１２０ｂの上端側の剛性を高めることになるため，高さ方向におけるスカート部１２０ａ，１２０ｂの剛性の偏りをより一層助長することとなり，その結果，スカート部１２０ａ，１２０ｂに局部的な面圧の上昇が生じ易くなる。

更に，特許文献４に記載の構成では，スカート部１２０ａ，１２０ｂとサイドウォール１３０，１３０とを，耐熱性樹脂やゴム，バネ等のピストンを構成する金属材料とは異なるダンパー材１６０によって連結する複雑な構造であることや，これに伴う部品点数の増加，及び製造時の工程数の増加が製造コストを高めることとなり価格競争力を失わせる原因ともなる。

このように，スカート部を変形し易い構造とすることは，スカート部にかかる面圧を逃がして緩和することで摩擦抵抗を低減させる作用があるものの，過度な変形はピストンの首振りを助長して振動や騒音を発生させる原因となることから，変形は，適度に行われる必要がある。

また，スカート部の剛性に偏りがあり剛性の低い部分で局部的に変形が生じると，剛性の高い部分の面圧が局部的に上昇することで却って摩擦抵抗を上昇させたり焼き付きを発生させたりする原因となることから，スカート部は，上下方向及び幅方向のいずれの方向においても剛性が大きく偏ることなく分布していることが望ましい。

しかも，このようにスカート部の適度な変形性や，偏りのない剛性分布を実現しつつ，ピストン全体の軽量化や，応力が集中する部分に必要な強度を持たせるという，相反する要求をも同時に満足させる必要がある。

本発明は，スカート部の剛性を低下させて適度な変形性を付与すると共に，上下方向及び幅方向のいずれの方向においてもスカート部の剛性が大きく偏ることなく分布している内燃機関用ピストンを提供することにより，首振りによる騒音の悪化等を生じさせることなく，低フリクション，低燃費での運転を実現することができる内燃機関用ピストンを提供することを目的とする。

以下に，課題を解決するための手段を，発明を実施するための形態で使用する符号と共に記載する。この符号は，特許請求の範囲の記載と，発明を実施するための形態の記載との対応を明らかにするためのものであり，言うまでもなく，本願発明の技術的範囲の解釈に制限的に用いられるものではない。

上記目的を達成するために，本発明の内燃機関用ピストン１は，
燃焼圧を受ける頂面１１ａを有するクラウン部１０と，
上端を前記クラウン部１０に連結されたスラスト側スカート部２０ａ及び反スラスト側スカート部２０ｂと，
前記スラスト側スカート部２０ａの幅方向両端と前記反スラスト側スカート部２０ｂの幅方向両端間をそれぞれ連通する一対のサイドウォール３０，３０と，
前記両スカート部２０ａ，２０ｂ間の中間位置において前記サイドウォール３０，３０に設けられたピンボス３２を備え，
前記スカート部２０ａ，２０ｂの厚みδａ，δｂ（図５参照）を，０．８〜１．８mmの薄肉に形成すると共に，該スカート部２０ａ，２０ｂ内面側における下端縁と前記サイドウォール３０，３０の内面側における下端縁の肉厚を，他の部分に比較して厚くしてリブ２１ａ，２１ｂ，３４ａ，３４ｂを形成し，
ピンボス３２側からスカート部２０ａ，２０ｂの幅方向両端に向かって一対の前記サイドウォール３０，３０間の間隔が広がるように底面視において前記サイドウォール３０，３０を湾曲した形状に形成したことを特徴とする（請求項１）。

前記反スラスト側スカート部２０ｂに設けた前記リブ２１ｂの幅Ｗｂに対し，前記スラスト側スカート部２０ａに設けた前記リブ２１ａの幅Ｗａを広くすることが好ましい（請求項２）。

さらに，前記サイドウォール３０，３０の外面上端における前記クラウン部１０に肉抜き４１（図３及び図６参照）を設けるものとしても良い（請求項３）。

前記サイドウォール３０，３０の下端縁に設けた前記リブ３４ａ，３４ｂは，底面視（図３参照）においてピンボス３２側の厚みｔ１を薄く，スカート部２０ａ，２０ｂ側の厚みｔ２が厚く変化するよう，前記サイドウォール３０，３０の下端縁の輪郭線を成す曲線に変曲点ＩＰ１，ＩＰ２を設けた形状とすることができる（請求項４）。

前述のスカート部２０ａ，２０ｂは，それぞれ，平面視又は底面視した前記ピストン１のスラスト方向における直径を基準線ＬＳとし，該基準線ＬＳを０°として，ピストンピンの軸線ＬＣと前記基準線ＬＳとの交点Ｏを中心に，該基準線ＬＳに対し±４０°〜６０°の範囲に形成することが好ましい（請求項５）。

以上で説明した本発明の構成により，本発明の内燃機関用ピストン１では，以下の顕著な効果を得ることができた。

スカート部２０ａ，２０ｂの厚みδａ，δｂを０．８〜１．８mmという薄肉に形成すると共に，該スカート部２０ａ，２０ｂ内面側における下端縁と前記サイドウォール３０，３０の内面側における下端縁にリブ２１ａ，２１ｂ，３４ａ，３４ｂを設けた構成により，変形し易いものでありながら剛性の低い下端縁側を補強することができ，しかも，ピンボス３２側からスカート部２０ａ，２０ｂの幅方向両端に向かって一対の前記サイドウォール３０，３０間の間隔が広がるように底面視において前記サイドウォール３０，３０を湾曲させた形状に形成したことで，サイドウォール３０，３０の上記湾曲形状が，スカート部２０ａ，２０ｂの変形時にダンパーとして機能することで，スカート部２０ａ，２０ｂが適度な変形性を有すると共に，上下方向及び幅方向のいずれの方向においても剛性に大きな偏りを持たないスカート部２０ａ，２０ｂを備えた内燃機関用ピストン１を提供することができた。

その結果，本発明の内燃機関用ピストン１は，これを内燃機関に組み込んで使用した際，低フリクション，低燃費での運転を実現することができた。

特に，反スラスト側スカート部２０ｂに設けたリブ２１ｂの幅Ｗｂに対し，スラスト側スカート部２０ａに設けたリブ２０ａの幅Ｗａを広くした構成では，より大きな面圧がかかるスラスト側スカート部２０ａを好適に補強することができ，大幅な構造変化等を加えることなく必要な強度を確保することができた。

前記サイドウォール３０，３０の外面上端における前記クラウン部１０に肉抜き４１を設けた構成では，内燃機関用ピストン１の更なる軽量化が可能であり，これにより，より一層の低燃費を実現可能である。

なお，このような肉抜き４１を設けた場合，ピストン１の重心位置の調整を，前記リブ２１ａ，２１ｂ，３４ａ，３４ｂの厚みや形成幅等を変化させて行うものとしても良い。

前記サイドウォール３０，３０の下端縁に設けた前記リブ３４ａ，３４ｂが，底面視においてピンボス３２側の厚みｔ１を薄く，スカート部２０ａ，２０ｂ側の厚みｔ２が厚く変化するよう，前記サイドウォール３０，３０の下端縁の輪郭線を成す曲線に変曲点ＩＰ１，ＩＰ２を設けた構成では，サイドウォール３０，３０が持つ，前述したダンパーとしての機能を更に高めることができた。

スカート部を，該基準線ＬＳに対し±４０°〜６０°（図示の実施形態では±５０°）という比較的広い範囲に形成することで，前述したようにスカート部２０ａ，２０ｂの厚みδａ，δｂを薄く形成したこととも相俟ってスカート部２０ａ，２０ｂの剛性を低下させてより変形の生じ易い構造とすることができ，より一層の低フリクション化とこれに伴う低燃費性を実現することができた。

本発明のピストンの正面図。 本発明のピストンの平面図。 本発明のピストンの底面図。 本発明のピストンの側面図。 図２のV−V線断面図。 図２のVI−VI線断面図。 本発明のピストン（実施例１）のスカート部の剛性を測定した結果を示すグラフ。 既知のピストン（比較例１）のスカート部の剛性を測定した結果を示すグラフ。 実施例１及び比較例１〜３のピストンのフリクション（摩擦損失平均有効圧：FMEP）の測定結果を示すグラフ（正味平均有効圧：BMEP 650kPa時）。 フリクション（摩擦損失平均有効圧：FMEP）と剛性変化率［N/μm²］の相関図。 フリクション（摩擦損失平均有効圧：FMEP）とスカート部最大面圧［MPa］の相関図。 ピストンの説明図（従来一般）であり，（Ａ）はシリンダ内に装着した状態の正面要部断面図，（Ｂ）は底面図。 従来のピストン（特許文献１）の説明図。 従来のピストン（特許文献４）の説明図であり，（Ａ）は正面図，（Ｂ）は底面図。 従来のピストンにおけるスカート部の剛性分布の説明図。

次に，本発明の実施形態につき添付図面を参照しながら以下説明する。

本発明の対象である内燃機関用ピストン１は，内燃機関用のものであれば特に限定されず，ガソリンエンジン用，ディーゼルエンジン用のいずれのものであっても対象とすることができ，また，その用途も特に限定されるものではない。

また，本発明の対象である内燃機関用ピストン１は，その材質についても特に限定されるものではなく，内燃機関用ピストンの材質として一般的に使用されている既知の各種の材質のものを対象とすることができるが，以下の説明では，内燃機関用ピストンの材質として主流となりつつあるアルミ−珪素系合金製のピストンを例に取り説明する。

〔ピストンの全体構造〕
この内燃機関用のピストン１は，図１〜図６に示すように，燃焼ガスのガス圧を受ける頂面１１ａを備えたクラウン部１０と，このクラウン部１０より下方に伸びる，シリンダ内壁に摺接されるスラスト側スカート部２０ａ及び反スラスト側スカート部２０ｂから成るスカート部２０，及び前記スラスト側スカート部２０ａと反スラスト側スカート部２０ｂの幅方向における両端間を連結する一対のサイドウォール３０，３０を備え，スラスト側スカート部２０ａと反スラスト側スカート部２０ｂの中間位置における前記サイドウォール３０，３０に，ピン穴３１を備えたピンボス３２が一体的に形成された構造を有する。

〔クラウン部〕
図５に示すようにクラウン部１０は，燃焼ガス圧を受ける前述の頂面１１ａを有する円盤状の頂部１１と，この頂部１１の裏面１１ｂの周縁部より突出した円筒部１２を備え，この円筒部１２の外周にピストンリングが嵌合されるリング溝１３が形成されている。

前述の頂面１１ａには，必要に応じてバルブとの干渉を避けるためのバルブリセスや，ピストンボウル（窪み）１４を設けるものとしても良い。

〔スカート部〕
前述のクラウン部１０に設けられた円筒部１２の下端縁からは，図５に示すように前記円筒部１２と一体的にスラスト側スカート部２０ａと反スラスト側スカート部２０ｂがそれぞれ突出形成されている。

このスカート部２０は，図３の底面視に示すようにピストン１のスラスト方向における直径を基準線ＬＳとし，この基準線ＬＳを０°として，前記ピストンピンの軸線ＬＣと前記基準線ＬＳとの交点Ｏを中心に，該基準線ＬＳに対し＋θ゜〜−θ°の範囲に形成されており，スラスト側スカート部２０ａ及び反スラスト側スカート部２０ｂのいずれともに好適な変形性を得るために，本実施形態ではそれぞれ±５０°（計１００°）の範囲に形成している。

もっとも，スカート部２０ａ，２０ｂの形成範囲は，図示の実施形態に限定されず， ±４０°〜６０°の範囲で形成することにより変形性を付与可能である。

図５に示すように，スラスト側，反スラスト側のスカート部２０ａ，２０ｂのいずれとも，その厚みδａ，δｂを０．８〜１．８mmと薄肉に形成する一方，その内面側の下端縁の肉厚を厚くしてリブ２１ａ，２１ｂを形成することにより補強している。

このリブ２１ａ，２１ｂは，反スラスト側スカート部２０ｂのリブ２１ｂに対し，スラスト側スカート部２０ａのリブ２１ａの方が高強度となるように構成されており，図示の実施形態では，スラスト側スカート部２０ａに設けたリブ２１ａの幅Ｗａを，反スラスト側スカート部２０ｂに設けたリブ２１ｂの幅Ｗｂよりも幅広に構成することによりこれを実現している。

もっとも，反スラスト側スカート部２０ｂに設けたリブ２１ｂに対し，スラスト側スカート部２０ａに設けたリブ２１ａを高強度とする構成としては，上記構成と共に，あるいは上記構成に代え，反スラスト側スカート部２０ｂのリブ２１ｂに対し，スラスト側スカート部２０ａのリブ２１ａの肉厚を厚く形成するものとしても良い。

一例として，本実施形態では，スラスト側，反スラスト側のいずれのスカート部２０ａ，２０ｂ共にその厚みδａ，δｂを１．２mmとし，スラスト側スカート部２０ａのリブ２１ａの肉厚を２．５mm，リブ幅Ｗａを１０mmと成すと共に，反スラスト側スカート部２０ｂのリブ２１ｂの肉厚を２．５mm，リブ幅Ｗｂを７mmに形成した。

なお，スカート部２０ａ，２０ｂの外周面には，図４中に黒塗り部分で示すように，必要に応じて固体潤滑剤を含有する樹脂を付着させて潤滑性コーティング層２３を設けるものとしても良い。

〔サイドウォール〕
図３の底面図に示すように，スラスト側スカート部２０ａと反スラスト側スカート部２０ｂの幅方向両端間は，一対のサイドウォール３０，３０によって連結されている。

このサイドウォール３０，３０には，スラスト側スカート部２０ａと反スラスト側スカート部２０ｂ間の中間位置に，ピン穴３１を備えたピンボス３２を備えている。

このピンボス３２は，図５及び図６に示すようにその上部がピンボスリブ３３によって頂部１１の裏面１１ｂと一体的に連結されており，サイドウォール３０，３０に設けたピンボス３２，３２間に連結棒（図示せず）の小端部を挿入し，この小端部に設けた軸穴と，前記ピンボス３２，３２に設けたピン穴３１に，共にピストンピン（図示せず）を挿入することで，ピストン１に連結棒を連結することができるように構成されている。

スラスト側スカート部２０ａの幅方向の両端と，反スラスト側スカート部２０ｂの幅方向の両端間を連結する一対のサイドウォール３０，３０は，図３に示す底面視において前述したピンボス３２側からスカート部２０ａ，２０ｂに向かって，徐々に間隔を広げる形状に湾曲形成されていると共に，両サイドウォール３０，３０の内面側の下端縁は，他の部分に比較して肉厚に形成することで，図５に示すように前述したスカート部２０ａ，２０ｂに設けたリブ２１ａ，２１ｂと連続して形成されたリブ３４ａ，３４ｂが形成されている。

このようにサイドウォール３０，３０の下端縁に設けた前述のリブ３４ａ，３４ｂは，図３に示す底面視においてピンボス側の厚みｔ１が薄く，スカート部２０ａ，２０ｂ側の厚みｔ２が厚くなるよう，前記サイドウォール３０の下端縁の輪郭線を，変曲点ＩＰ１，ＩＰ２を備えた曲線によって形成している。

図示の実施形態では，変曲点ＩＰ１，ＩＰ２に対しピンボス３２側，スカート部２０ａ，２０ｂ側のいずれの曲線共に，外側の輪郭線を構成する曲線よりも内側の輪郭線を構成する曲線の曲率半径を大きくすることで，前述したようにピンボス側の厚みｔ１に対し，スカート部側の厚みｔ２が増大する形状に形成されている。

サイドウォール３０，３０を上記の通り構成したことで，±４０°〜６０°（実施形態において±５０°）という広い範囲に形成されたスカート部２０ａ，２０ｂの両端をサイドウォール３０，３０で支持することができると共に，前述した湾曲形状に形成されたサイドウォール３０，３０は，面圧を受けて変形するスカート部２０ａ，２０ｂの幅方向両端を適度に支持しつつその変形を許容するダンパーとして機能することで，スラスト側，反スラスト側いずれのスカート部２０ａ，２０ｂ共に幅方向の剛性の偏りが是正されて均一に変形することができるように構成されている。

〔肉抜き〕
サイドウォール３０，３０の外側上端とクラウン１０との連結部分には，図６に示すように肉抜き４１が設けられており，これによりピストン１の更なる軽量化が図られている。

なお，このような肉抜きを設けた場合，ピストン１の重心位置の調整を，前述のスカート部２０ａ，２０ｂに設けたリブ２１ａ，２１ｂやサイドウォール３０，３０に設けたリブ３４ａ，３４ｂの厚みや幅を変更することで調整等するものとしても良い。

〔作用等〕
以上のように構成された本発明の内燃機関用のピストン１では，スカート部全体の厚みδａ，δｂが０．８〜１．８mm（実施形態においてδａ，δｂ共に１．２mm）という薄肉に形成されていると共に，該スカート部２０ａ，２０ｂ内面側における下端縁と前記サイドウォールの内面側における下端縁にリブ２１ａ，２１ｂ，３４ａ，３４ｂを形成した構成により，変形し易いものでありながら剛性の低い下端縁側を補強することができ，しかも，ピンボス３２側からスカート部２０ａ，２０ｂの幅方向両端に向かって一対の前記サイドウォール３０，３０間の間隔が広がるように底面視において前記サイドウォール３０，３０を湾曲した形状に形成したことで，サイドウォール３０，３０の上記湾曲形状がスカート部の変形時にダンパーとして機能することで，スカート部が適度な変形性を有すると共に，上下方向及び幅方向のいずれの方向においてもスカート部２０ａ，２０ｂの剛性が大きく偏ることなく分布している内燃機関用ピストンを提供することができた。

しかも，前述したようにスカート部２０ａ，２０ｂの厚みδａ，δｂを薄肉とした構成は，ピストン１の軽量化にも貢献し得るものとなっている。

その結果，本発明の内燃機関用ピストン１では，スカート部２０ａ，２０ｂがシリンダ内壁に押圧されることにより生じた面圧は，スカート部２０ａ，２０ｂが全体的に変形することでこれを逃がすことができ，スカート部２０ａ，２０ｂの広い範囲が弱い面圧でシリンダ内壁と接触することで，低フリクションが実現され，低燃費での運転を実現することが可能となる。

次に，本発明の内燃機関用ピストンのスカート部の性能を評価した結果を以下に示す。

〔剛性の評価〕
（１）試験の目的
本発明の内燃機関用ピストンにおいて，スカート部の高さ方向及び幅方向のいずれの方向においても剛性の偏りが是正されていることを確認する。

（２）試験方法
図１〜６を参照して説明した本発明のピストン（実施例１），及び既知の一般的なピストン（比較例１）を使用して，スラスト側及び反スラスト側のスカート部それぞれの高さ方向〔ピストンピン中心に対応する高さ位置（ピンセンタ），上端，下端〕の剛性，及び，スカート部の幅方向〔幅方向中心（０°），１０°，２０°〕における剛性をそれぞれ測定した。

剛性は，各測定部位のスカート部の外壁面に対し内向き方向の荷重をかけてその変位量から１μmの変位を生じさせるために必要な荷重（N/μm）を算出して剛性として評価した。

（３）試験結果
実施例１及び比較例１のピストンの剛性を測定した結果を下記の表１に，これをグラフにまとめたものを図７（実施例１）及び図８（比較例１）にそれぞれ示す。

以上の結果から，本発明のピストン（実施例１）では，スラスト側及び反スラスト側のいずれにおいてもスカート部の剛性のばらつきが改善されており，しかも，全体的に低剛性となっていることが確認された。

〔摩擦抵抗の評価〕
（１）試験の目的
本発明の内燃機関用ピストンにおいてフリクションの低下が得られることを確認する。

（２）試験方法
浮動ライナー法によるフリクション測定装置を使用して，前掲の比較例１及び実施例１のピストンのフリクションを測定した。
また，参照のため，実施例１と比較例１の中間の剛性を示した２種類のピストン（比較例２，比較例３）についても，同様にフリクション試験を行った。

測定は，回転速度を１０００min^-1，１５００min^-1，２０００min^-1で変化させると共に，正味平均有効圧力（BMEP）を５００kPaと６５０kPaで変化させて測定した。

（３）試験結果
フリクションの測定結果を表２に示すと共に，これをグラフにまとめたものを図９（BMEP：650kPa）に示す。

表２及び図９に示したように，回転速度を１０００min^-1，１５００min^-1，及び２０００min^-1間で変化させた場合のいずれにおいても，実施例１のピストンは，比較例１〜３のピストンに比較して低い摩擦損失平均有効圧（FMEP）を示しており，この結果は，正味平均有効圧（BMEP）を変化させた場合においても同様であった。従って，本発明の内燃機関用ピストンでは，負荷を変化させた場合，及び回転速度を変化させた場合のいずれにおいてもフリクションの低減が得られることが確認された。

〔剛性変化率とフリクションの関係〕
表１及び図７，図８に示した剛性の測定結果に基づき，スラスト側スカート部の幅方向中心（０°位置）において，縦方向に１mm変位する毎に剛性（N/μm）がどの程度変化するかを『剛性変化率』として求めた。

具体的には，剛性変化率は，
剛性変化率(N/μm²)＝〔0°位置上端の剛性(N/μm)−0°位置下端の剛性(N/μm) 〕/上・下端間の距離(μm)
として計算した。

上記方法で求めた剛性変化率と，回転速度２０００min^-1，BMEP６５０kPaで測定した際の摩擦損失平均有効圧（FMEP）の相関関係をグラフにまとめたものを図１０に示す。

なお，参照のため，実施例１と比較例１の中間の剛性を示した前述の比較例２，比較例３のピストンについても同様の方法で剛性変化率と摩擦損失へ平均有効圧（FMEP）を測定し，図１０中に示した。

図１０に示したグラフより，剛性変化率が低い（剛性の偏りが少ない）程，摩擦損失平均有効圧（FMEP）が低下する（フリクションが低下する）傾向を示しており，本発明の内燃機関用ピストンでは，スカート部の剛性の均一化が，低フリクション化に寄与したものと考えられる。

〔面圧分布〕
本発明のピストン（実施例１），既知の一般的なピストン（比較例１）及び前掲の参照用ピストン（比較例２，比較例３）のそれぞれを，浮動ライナー試験機（２０００min^-1，BMEP６５０kPa）にかけて測定し，全行程においてスカート部に生じる最大面圧を計算した。
最大面圧の計算結果を表３に，最大面圧と摩擦損失平均有効圧（FMEP）の相関図を図１１にそれぞれ示す。

表３に示した最大面圧より，本発明のピストンではスカート部にかかる最大面圧が最も低くなっていることが確認された。

この結果から，スカート部の剛性を低下させると共に，剛性の分布が均一化された構造を採用することで，スカート部の面圧が低減することが確認された。

また，図１１に示したグラフより，スカート部の最大面圧の減少は，フリクションの低下に有効に作用することが判り，本発明のピストン（実施例１）のようにスカート部の剛性を低下させて変形し易くした構成の採用が，低フリクション化を実現する上で有利であることが確認された。

本発明の内燃機関用ピストンは，特に限定されることなく各種内燃機関用のピストンとして使用可能である。

特に，電気自動車に「レンジエクステンダー」として搭載される小型発電機のエンジンのように，エンジンで発生した回転力を，直接，車輪の駆動に使用せず，発電機の駆動にのみ使用するエンジンのように，走行状態等に対応して瞬間的に高い出力を発生することは求められていないが，一定の速度で，低燃費で安定して運転することが求められるようなエンジンのピストンとして使用するに好適である。

１ （内燃機関用）ピストン
１０ クラウン部
１１ 頂部
１１ａ 頂面
１１ｂ 裏面
１２ 円筒部
１３ リング溝
１４ ピストンボウル
２０ スカート部
２０ａ スラスト側スカート部
２０ｂ 反スラスト側スカート部
２１ａ リブ（スラスト側スカート部の）
２１ｂ リブ（反スラスト側スカート部の）
２３ 潤滑性コーティング層
３０ サイドウォール
３１ ピン穴
３２ ピンボス
３３ ピンボスリブ
３４ａ リブ（スラスト側スカート部側サイドウォールの）
３４ｂ リブ（反スラスト側スカート部側サイドウォールの）
４１ 肉抜き
１００ （内燃機関用）ピストン
１１０ クラウン部
１１１ａ 頂面
１１１ｂ 裏面
１２０ スカート部
１２０ａ スラスト側スカート部
１２０ｂ 反スラスト側スカート部
１２２ 上部スカート部
１２４ 下部スカート部
１３０ サイドウォール
１３１ ピン穴
１３２ ピンボス
１３３ ピンボスリブ
１４５ ピストンピン
１５０ シリンダ
１５１ 連結棒
１６０ ダンパー材
ＬＳ 基準線
ＬＣ ピストンピンの軸線
Ｏ 交点（基準線ＬＳとピストンピンの軸線ＬＣの）
δａ スラスト側スカート部の厚み
δｂ 反スラスト側スカート部の厚み
Ｗａ スラスト側スカート部のリブの幅
Ｗｂ 反スラスト側スカート部のリブ幅
ｔ１ リブ３４ａ，３４ｂの厚み（ボス側）
ｔ２ リブ３４ａ，３４ｂの厚み（スカート部側）
ＩＰ１ 変曲点（外側輪郭線の）
ＩＰ２ 変曲点（内側輪郭線の）

Claims (5)

1. 燃焼圧を受ける頂面を有するクラウン部と，
   上端を前記クラウン部に連結されたスラスト側スカート部及び反スラスト側スカート部と，
   前記スラスト側スカート部の幅方向両端と前記反スラスト側スカート部の幅方向両端間をそれぞれ連通する一対のサイドウォールと，
   前記両スカート部間の中間位置において前記サイドウォールに設けられたピンボスを備え，
   前記スカート部の厚みを，０．８〜１．８mmの薄肉に形成すると共に，該スカート部内面側における下端縁と前記サイドウォールの内面側における下端縁の肉厚を，他の部分に比較して厚くしてリブを形成し，
   前記ピンボス側から前記両スカート部の幅方向両端に向かって一対の前記サイドウォール間の間隔が広がるように底面視において前記サイドウォールを湾曲した形状に形成したことを特徴とする内燃機関用ピストン。
2. 前記反スラスト側スカート部に設けた前記リブの幅に対し，前記スラスト側スカート部に設けた前記リブの幅を広くしたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関用ピストン。
3. 前記サイドウォールの外面上端における前記クラウン部に肉抜きを設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関用ピストン。
4. 前記サイドウォールの下端縁に設けた前記リブが，底面視において前記ピンボス側の厚みを薄く，前記スカート部側の厚みが厚く変化するよう，前記サイドウォールの下端縁の輪郭線を成す曲線に変曲点を設けたことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の内燃機関用ピストン。
5. 前記スカート部を，それぞれ，平面視した前記ピストンのスラスト方向における直径を基準線とし，該基準線を０°として，ピストンピンの軸線と前記基準線との交点を中心に，該基準線に対し±４０°〜６０°の範囲に形成したことを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の内燃機関用ピストン。

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