JP3191642B2 - 内燃機関のピストン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は内燃機関に適用さ
れるピストンに係る。詳しくは、ヘッドの下側に設けら
れたピンボスとスカートとの間をつなぐサイドウォール
に孔を有する内燃機関のピストンに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の内燃機関において、シリンダボア
の中で高速で往復運動するピストンは燃焼室で発生する
高熱を受けて膨張する。一方、内燃機関が停止すること
により、過熱状態のピストンは冷やされて収縮する。こ
のように、ピストンは加熱及び冷却の条件に周期的にさ
らされて膨張・収縮を繰り返す。従って、ピストンに対
して基本的に要求されることは、高速運動や熱変形に耐
え得る剛性を有することである。加えて、高速運動性能
を確保するために軽量なことである。

【０００３】ところで、軽量化を図るために、ある種の
ピストンはスカートに複数のくり抜き孔を有する。しか
し、単に複数のくり抜き孔を有するだけではスカートの
剛性が低く、ピストンの耐久性が低い。

【０００４】そこで、特開平２−２０４６６５号公報は
スカートの剛性を維持しつつ軽量で高い剛性を有するピ
ストンを開示する。図６に示すように、この公報のピス
トン３１はヘッド３２の下側においてピンボス３３及び
スカート３４と、それら両者３３，３４をつなぐサイド
ウォール３５とを有する。軽量化を図るために、サイド
ウォール３５はピンボス３３を中心に開けられたくり抜
き孔３６を有する。ピンボス３３の下方においてピンボ
ス３３とスカート３４との間を連結するリブ３７はスカ
ート３４の剛性を補強する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記従来の
ピストン３１では、リブ３７によってスカート３４の中
間部の剛性が高くなると推測される。しかしながら、そ
のスカート３４の端部、特にはくり抜き孔３６の周縁で
は、シリンダボアから受ける側圧力に起因して応力集中
が発生し易くなる。このため、ピストン３１が長期間に
渡って使用された場合に、くり抜き孔３６の周縁が応力
集中に起因して損傷するおそれがある。

【０００６】この発明は前述した事情に鑑みてなされた
ものであって、その目的は、ピンボスとスカートとの間
をつなぐサイドウォールに設けられた孔の周縁における
応力集中を緩和することにより、その周縁の損傷を防止
することを可能にした内燃機関のピストンを提供するこ
とにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に記載の第１の発明では、内燃機関のシ
リンダボアの中で往復運動するピストンであって、ヘッ
ドの下側に設けられたピンボスと、ヘッドの下側におい
てピンボスの軸線を中心に対称に設けられた一対のスカ
ートと、それら各スカートとピンボスとをつなぐサイド
ウォールとを備え、サイドウォールはその外側と内側と
を連通する孔を有し、外型と中子との協働により鋳造さ
れるピストンにおいて、孔の周縁に鋳造のために設定さ
れる外型と中子との型割線の位置を、孔の周縁端部から
所定値だけスカートの内側寄りに配置したことを趣旨と
する。

【０００８】この第１の発明の構成によれば、孔の周縁
において、ピン角となる型割線が周縁端部よりもスカー
トの内側寄りに位置する。従って、孔において応力を受
け易い周縁端部での応力集中が緩和され、ピン角となる
型割線における応力集中が緩和される。

【０００９】上記の目的を達成するために、請求項２に
記載の第２の発明では、内燃機関のシリンダボアの中で
往復運動するピストンであって、ヘッドの下側に設けら
れたピンボスと、ヘッドの下側においてピンボスの軸線
を中心に対称に設けられた一対のスカートと、それら各
スカートとピンボスとをつなぐサイドウォールとを備
え、サイドウォールはその外側と内側とを連通する孔を
有するピストンにおいて、孔の周縁部であり且つスカー
トの周方向端部であるところの肉厚をスカートのその他
の部位の肉厚よりも大きく設定したことを趣旨とする。

【００１０】この第２の発明の構成によれば、スカート
の周方向端部における肉厚が相対的に大きくなり、スカ
ートのリブとして作用することになる。従って、スカー
トの変形が抑えられ、孔の周縁における変形が抑えられ
ることになり、孔の周縁における応力集中が緩和され
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、この発明に係る内燃機関の
ピストンを具体化した一つの実施の形態を図面を参照し
て詳細に説明する。

【００１２】図１はこの実施形態のピストン１１を示す
正面図であり、図２は図１の２−２線に沿った断面図で
あり、図３は図２の主要部を示す拡大図であり、図４は
図３の４−４線に沿った断面図である。ピストン１１は
ほぼ円盤状をなすヘッド１２と、そのヘッド１２の下側
に設けられたピンボス１３とを有する。ヘッド１２はそ
の外周に、互いに平行に延びる三つのリング溝１４，１
５，１６を有する。各リング溝１４〜１６にはピストン
リング及びオイルリング（図示しない）がそれぞれ装着
される。

【００１３】ピンボス１３はピストン１１の前後方向へ
向かって開口する。このピンボス１３にはピストンピン
が装着される。ヘッド１２の下側において、ピンボス１
３の軸線Ｌ１を中心に対称に配置された一対のスカート
１７は、ヘッド１２の外周に沿って延び、且つ下方へ延
びる。両スカート１７は同じ形状を有する。ヘッド１２
の下側において、ピンボス１３の両端に位置するサイド
ウォール１８は両スカート１７とピンボス１３とをつな
ぐ。サイドウォール１８はその外側と内側とを連通する
孔１９を有する。ピンボス１３の両端に位置する二つの
孔１９は互いに連通する。

【００１４】このピストン１１は内燃機関（エンジン）
に適用される。図５に示すように、ピストン１１はクラ
ンクシャフト２０に連結されたコンロッド２１に対して
ピストンピン２２を介して連結される。この連結状態に
おいて、ピストン１１はエンジンに設けられたシリンダ
ボア２３に組み付けられる。エンジンの運転時にピスト
ン１１はシリンダボア２３の中を往復運動する。コンロ
ッド２１に設けられたオイルノズル２４は、エンジンの
運転時にクランクシャフト２０のオイル通路２５に圧送
される潤滑オイルをピストン１１及びシリンダボア２３
に向けて噴射する。ピストン１１へ向けて噴射されたオ
イルは両スカート１７の間においてヘッド１２の下面１
２ａに吹き付けられる。

【００１５】図２，３に示すように、上記下面１２ａは
潤滑オイルを受けるための凹部２６を有する。この凹部
２６は軸線Ｌ１を中心に対称な形状を有する。この凹部
２６はオイルノズル２４から噴射されたオイルを受けて
四方へ飛散させる。図４に示すように、凹部２６はヘッ
ド１２の下面の一部を肉抜きすることにより得られる。
凹部２６の周縁は凹状に滑らかに湾曲した断面形状を有
する。

【００１６】図３に示すように、このピストン１１は外
型２７と中子２８との協働により鋳造される。ここで、
孔１９の周縁の形状には凸状の湾曲Ｃ１が付与され、そ
の周縁には鋳造のために外型２７と中子２８との型割線
ＰＬが設定される。この型割線ＰＬの位置は、孔１９の
周縁端部１９ａから所定値αだけスカート１７の内側寄
りに配置される。ここで、所定値αとして、例えば「２
〜５ｍｍ」の値を当てはめることができる。

【００１７】図３，４に示すように、ヘッド１２に対す
るスカート１７の付け根部分で、孔１９の周縁端部１９
ａ及び型割線ＰＬの各々がヘッド１２に対して凹状に湾
曲して連続する。ここで、型割線ＰＬに係る湾曲の半径
Ｒ１は周縁端部１９ａに係る湾曲の半径Ｒ２と同じ大き
さか、それよりも大きく設定される。

【００１８】更に、図３に示すように、このピストン１
１では、孔１９の周縁部であり、且つスカート１７の周
方向端部であるところの、即ち型割線ＰＬの近傍の部位
において、スカート１７の肉厚βがスカート１７のその
他の部位の肉厚よりも大きく設定される。ここで、肉厚
βとは、ピストン１１の半径方向における厚みを意味す
る。この肉厚βを、例えば、スカート１７の中央部位に
おける肉厚γの「１．５〜３．０」倍の大きさに設定す
ることができる。

【００１９】次に、この実施形態の構成による作用及び
効果について説明する。エンジンの運転時にピストン１
１がシリンダボア２３の中で上下運動することにより、
オイルノズル２４からピストン１１へ向けて潤滑オイル
が噴射される。このオイルはヘッド１２の下面１２ａの
凹部２６に当たって四方へ飛散する。このとき、凹部２
６の湾曲面２６ａによりオイルを凹部２６の外方へ効率
良く飛散させることができる。飛散したオイルはピンボ
ス１３に当たり、その軸線Ｌ１に平行に飛んで孔１９を
通じてシリンダボア２３に当たり、或いはスカート１７
の内側面に当たる。このように凹部２６によって飛散し
たオイルがヘッド１２の下側でピストン１１の各部に効
率良く当たることから、ピストン１１が効率良く冷却さ
れる。

【００２０】ここで、このピストン１１では、孔１９の
周縁において、ピン角となる型割線ＰＬが周縁端部１９
ａよりもスカート１７の内側寄りに位置する。従って、
シリンダボア２３でピストン１１が作動するときに、孔
１９で応力を受け易い周縁端部１９ａでの応力集中が緩
和され、ピン角となる型割線ＰＬにおける応力集中が緩
和される。このため、孔１９の周縁が応力集中に起因し
て損傷することを防止することができる。ここで、応力
集中による損傷の一つとして「亀裂」が考えられる。従
って、このピストン１１では、孔１９の周縁における亀
裂等の発生を抑えることができ、ピストン１１の耐久性
を高めることができる。特に、この実施形態では、孔１
９の周縁形状に凸状の湾曲Ｃ１が付与されていることか
ら、孔１９の周縁における応力集中が更に緩和され、孔
１９の周縁における損傷をより効果的に抑えることがで
きる。

【００２１】このピストン１１では、スカート１７の付
け根部分において、型割線ＰＬに係る湾曲の半径Ｒ１が
周縁端部１９ａに係る湾曲の半径Ｒ２と同じ大きさか、
それよりも大きく設定される。従って、スカート１７の
付け根部分でも型割線ＰＬにおける応力集中が緩和さ
れ、その意味からも孔１９の周縁の損傷を防止すること
ができる。

【００２２】このピストン１１では、スカート１７の周
方向端部における肉厚βがスカート１７のその他の部位
の肉厚γよりも大きいことから、その肉厚βの部位がス
カート１７のリブとして作用することになる。従って、
スカート１７の円周方向端部における剛性が向上する。
よって、シリンダボア２３から受ける側圧力に対してス
カート１７の変形が抑えられ、孔１９の周縁における変
形が抑えられることになり、孔１９の周縁における応力
集中が緩和される。この意味からも、孔１９の周縁が応
力集中に起因して損傷することを防止することができ、
延いてはピストン１１の耐久性を高めることができる。
加えて、スカート１７の周方向端部における剛性が大き
い分だけ、スカート１７がシリンダボア２３に当たると
きの当たり幅を小さく抑えることができる。その意味か
ら、シリンダボア２３に対するスカート１７のフリクシ
ョンを抑えることができる。

【００２３】併せて、このピストン１１では、スカート
１７の円周方向端部の肉厚βだけを相対的に大きく設定
することにより、スカート１７の剛性を高めている。従
って、スカート１７のその他の部位を薄肉化することが
可能となり、ピストン１１の軽量化を図ることが可能と
なる。更に、軽量化の意味で、このピストン１１では、
サイドウォール１８が孔１９を有することに加え、ヘッ
ド１２がその下面１２ａに凹部２６を有する。このた
め、孔１９と凹部２６の分だけピストン１１を軽量化す
ることができる。

【００２４】尚、この発明は次の別の実施形態に具体化
することもできる。以下の別の実施形態でも前記実施形
態と同等の作用及び効果を得ることができる。 （１）前記実施形態では、孔１９の周縁の形状に凸状の
湾曲Ｃ１を付与したが、その湾曲Ｃ１を省略して平坦な
面にしてもよい。

【００２５】（２）前記実施形態では、両スカート１７
を互いに同一の形状を有するものとしたが、それらを互
いに非対称な形状を有するものとしてもよい。 （３）前記実施形態では、ヘッド１２の下面１２ａに凹
部２６を設けたが、その凹部２６を省略することもでき
る。

【００２６】（４）前記実施形態では、三つのリング溝
１４〜１６を有するピストン１１に具体化したが、三つ
以外の数のリング溝を有するピストンに具体化してもよ
い。更に、上記各実施形態には、特許請求の範囲に記載
した技術的思想に係る次のような各種の実施態様が含ま
れることを、以下にその効果と共に記載する。

【００２７】（イ）請求項１又は２に記載の発明におい
て、前記孔の周縁の形状に凸状の湾曲を付与する。この
構成によれば、孔の周縁における応力集中がその湾曲形
状により更に緩和され、孔周縁の損傷をより効果的に防
止することができる。

【００２８】（ロ）請求項１に記載の発明において、前
記ヘッドに対する前記スカートの付け根部分で、前記孔
の周縁端部及び前記型割線の各々を前記ヘッドに対して
凹状に湾曲して連続させると共に、前記型割線に係る湾
曲の半径を前記周縁端部に係る湾曲の半径と同じ大きさ
かそれよりも大きく設定する。

【００２９】この構成によれば、スカートの付け根部分
においても型割線における応力集中が緩和され、その意
味から孔の周縁の損傷を防止することができる。

【００３０】

【発明の効果】請求項１に記載の第１の発明によれば、
ヘッドの下側において各スカートとピンボスとをつなぐ
サイドウォールの孔の周縁において、鋳造のために設定
される外型と中子との型割線の位置を、その孔の周縁端
部からスカートの内側寄りに配置している。従って、孔
の周縁端部での応力集中が緩和され、ピン角となる型割
線における応力集中が緩和される。その結果として、孔
の周縁の損傷を防止することができるという効果を発揮
する。

【００３１】請求項２に記載の第２の発明によれば、ヘ
ッドの下側において各スカートとピンボスとをつなぐサ
イドウォールの孔の周縁部であり且つスカートの周方向
端部であるところの肉厚をスカートのその他の部位の肉
厚よりも大きく設定している。従って、スカートの周方
向端部における肉厚がスカートのリブとして作用して孔
の周縁の変形が抑えられ、孔の周縁における応力集中が
緩和される。その結果として、孔の周縁の損傷を防止す
ることができるという効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 一実施形態に係るピストンを示す正面図。

【図２】 図１の２−２線に沿った断面図。

【図３】 図２の主要部を示す拡大図。

【図４】 図３の４−４線に沿った断面図。

【図５】 シリンダボアにおけるピストンの組付図。

【図６】 従来のピストンを示す正面図。

【符号の説明】

１２…ヘッド、１２ａ…下面、１３…ピンボス、１７…
スカート、１８…サイドウォール、１９…孔、１９ａ…
周縁端部、２３…シリンダボア、２７…外型、２８…中
子、ＰＬ…型割線、α…所定値、β…肉厚。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関のシリンダボアの中で往復運動
   するピストンであって、ヘッドの下側に設けられたピン
   ボスと、前記ヘッドの下側において前記ピンボスの軸線
   を中心に対称に設けられた一対のスカートと、それら各
   スカートと前記ピンボスとをつなぐサイドウォールとを
   備え、前記サイドウォールはその外側と内側とを連通す
   る孔を有し、外型と中子との協働により鋳造されるピス
   トンにおいて、 前記孔の周縁に鋳造のために設定される前記外型と前記
   中子との型割線の位置を、前記孔の周縁端部から所定値
   だけ前記スカートの内側寄りに配置したことを特徴とす
   る内燃機関のピストン。
2. 【請求項２】 内燃機関のシリンダボアの中で往復運動
   するピストンであって、ヘッドの下側に設けられたピン
   ボスと、前記ヘッドの下側において前記ピンボスの軸線
   を中心に対称に設けられた一対のスカートと、それら各
   スカートと前記ピンボスとをつなぐサイドウォールとを
   備え、前記サイドウォールはその外側と内側とを連通す
   る孔を有するピストンにおいて、 前記孔の周縁部であり且つ前記スカートの周方向端部で
   あるところの肉厚を前記スカートのその他の部位の肉厚
   よりも大きく設定したことを特徴とする内燃機関のピス
   トン。