JP3846061B2 - 内燃機関用ピストン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用ピストンに関し、特に、シリンダブロックの振動の抑制とピストン本体の軽量化を図る技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関用ピストンは、ピストン本体にピンボス部を形成し、このピンボス部に、ピストンピンが嵌挿されるピストンピン孔を形成すると共に、ピストン本体のランド部の外周部にはオイルリング溝を形成した構成となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のピストンにおいては、ピストン本体に作用する燃焼圧力や慣性力に対し、連接棒（コネクティングロッド）が揺動によって傾くことにより、スラスト方向と反スラスト方向の力（以下、スラスト力）が発生し、このスラスト力によってシリンダブロックへの起振力が発生する結果、内燃機関の運転時に機関本体からの放射音が大きくなるという問題を生起させている。
【０００４】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、ピストン本体構造の改善によって、ピストン本体強度を維持しつつ、ピストン本体に作用する燃焼圧力や慣性力に対し、コネクティングロッドが揺動によって傾くことにより発生するスラスト力によるシリンダブロックへの起振力を減衰し、同時にピストン本体の軽量化を図るようにした内燃機関用ピストンを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、ピストン本体のピンボス部に形成されるピストンピン孔とピストン冠面との間の部位であって、該ピストン冠面に対するピストンピン孔の投影部分に少なくとも一部が重なる部位に空洞部を設け、前記空洞部には、該空洞部内を満たすように、粉体若しくは液体が封入されることを特徴とする。
【０００６】
請求項２に係る発明は、
前記空洞部は、該空洞部内面とピストンピン孔内面との間の該ピン孔径方向の肉厚が、該ピストンピン孔の周方向に沿って略一定となるような形状に形成されたことを特徴とする。
請求項３に係る発明は、
前記空洞部は、該空洞部内面とピストンピン孔内面との間の該ピン孔径方向の肉厚が、該ピストンピン孔の周方向に沿う方向の略中間部において厚くなるような形状に形成されたことを特徴とする。
【０００７】
請求項４に係る発明は、
前記空洞部は、ピストンピン端部側の部分における空洞部内面とピストンピン孔内面との間の該ピン孔径方向の肉厚が、他部分よりも厚くなるような形状に形成されたことを特徴とする。
請求項５に係る発明は、
前記ピストン冠面に凹凸部が形成され、
前記空洞部は、該空洞部内面と凸部外面との間の肉厚が、空洞部内面と凹部内面との間の肉厚よりも厚くなるような形状に形成されたことを特徴とする。
【０００８】
請求項６に係る発明は、
前記内燃機関は、筒内に燃料を直接噴射する直噴式内燃機関であり、
前記ピストン冠面の燃料噴霧の衝突位置の肉厚を他部よりも薄く形成したことを特徴とする。
かかる本発明の作用について説明する。
【０００９】
ピストン本体に作用する燃焼圧力や慣性力に対し、コネクティングロッドが揺動によって傾くことにより、スラスト方向と反スラスト方向の力、即ち、スラスト力が発生し、このスラスト力によってシリンダブロックへの起振力が発生する結果、内燃機関の運転時に機関本体からの放射音が大きくなる。
請求項１に係る発明においては、ピストン本体のピストンピン孔とピストン冠面との間の部位であって、該ピストン冠面に対するピストンピン孔の投影部分に少なくとも一部が重なる部位に空洞部を設けたことによって、シリンダブロックへの起振力を減衰でき、機関運転時の機関本体からの放射音を低減させることができる。
【００１０】
即ち、ピストンピンからシンンダボア壁に伝達されるスラスト力の伝達経路は、ピストンピン→ピンボス部→ピストン冠面→スカート部→シリンダボア壁である。
かかるスラスト力の伝達経路におけるピンボス部の付け根部は、前記空洞部を設けたことによって、その剛性が低下するため、伝達されたスラスト力によって変形し、この結果、スラスト力が減衰される。
【００１１】
ピンボス部においてスラスト力が減衰される結果、最終的にシリンダボア壁に入力されるスラスト力は低減される。
又、高い周波数で入力されるスラスト力成分は、付け根部の剛性が低下したピンボス部において減衰され、シリンダボア壁に伝達される振動入力が減衰される。
【００１２】
この結果、機関運転時の機関本体からの放射音を低減させることができ、騒音低減効果を得ることができ、静粛性を向上させることができる。
ここで、単に空洞部を設けただけでは、燃焼圧力等のピストン上下方向入力、即ち、圧縮力によって、空洞部の周辺部の応力上昇が避けられず、強度的に問題がある。
【００１３】
請求項１に係る発明においては、空洞部内を満たすように粉体若しくは液体を封入した結果、空洞部は、前記燃焼圧力等のピストン上下方向入力、即ち、圧縮力による変形が小さく、空洞部の周辺部の応力上昇が抑制される。又、空洞部の形成によって、ピンボス部の付け根部の軽量化、即ち、ピストン本体の軽量化を同時に図れ、ピストン慣性力の低減を図れるため、音振性の向上を図れるという効果がある。
【００１４】
請求項２に係る発明において、ピン孔径方向の肉厚を所定の一定の肉厚に設定して、ピストンピン孔への引っ張り荷重の入力時におけるピストンピン孔の強度を確保した上で、空洞部の容積を拡大できるため、ピストン本体の軽量化を図ることができる。
請求項３に係る発明において、ピストンピンへの圧縮荷重入力時には、ピストンピンがつぶれ、即ち、ピストンピンが圧縮荷重入力方向と直交する方向に径が大となるようにつぶれ、これによって、ピストンピン孔が拡大されて、該ピストンピン孔のピストン冠面側に亀裂が生じるおそれがあるが、ピストンピン孔の周方向に沿う方向の略中間部における空洞部内面とピストンピン孔内面との間の該ピン孔径方向の肉厚を所定の肉厚に設定することによって、前記亀裂の発生を防止でき、同時に極力空洞部の容積を拡大できることで、ピストン本体軽量化を図ることができる。
【００１５】
請求項４に係る発明において、ピストンピンへの引っ張り荷重入力時には、ピストンピンに、該ピンの軸方向中央部が下側に凸となるような曲がりが発生し、これによって、ピストンピン孔の端部側の部分における強度に支障を来すが、本実施形態においては、ピストンピン端部側の部分における空洞部内面とピストンピン孔内面との間の該ピン孔径方向の肉厚が厚く形成される結果、ピストンピン孔の端部側の部分における強度を確保でき、同時に空洞部の容積を極力拡大できるため、ピストン本体の軽量化を図ることができる。
【００１６】
請求項５に係る発明において、ピストン冠面の凸部は凹部と比較して温度が高くなり、材料強度が低下して、高い応力が発生するが、空洞部内面と凸部外面との間の肉厚を厚くすることによって、応力低減を図りつつ、凹凸部全体における肉厚を厚くする場合と比較して、空洞部の容積を極力拡大できるため、ピストン本体の軽量化を図ることができる。
【００１７】
請求項６に係る発明において、ピストン冠面の燃料噴霧の衝突位置は、燃料の気化熱で他部よりも温度が低下する。
従って、このピストン冠面の燃料噴霧の衝突位置の肉厚を他部よりも薄く形成しても材料強度低下の問題がなく、肉厚を薄く形成することで、空洞部の形成によるピストン本体軽量化に加え、更にピストン本体の軽量化を図ることができる。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、ピンボス部の強度的な問題を解決しつつ、コネクティングロッドが揺動によって傾くことにより発生するスラスト力の減衰に繋がるピンボス部の付け根部の剛性低下を図って、シリンダブロックへの起振力を減衰でき、機関運転時の機関本体からの放射音を低減させて、騒音低減効果を得ることができ、静粛性の向上を図れる同時に、ピストン本体の軽量化によるピストン慣性力の低減効果によって、音振性の向上を図れる。
【００１９】
請求項２及び４に係る発明によれば、ピストンピン孔への引っ張り荷重の入力時におけるピストンピン孔の強度を確保しつつ、空洞部の容積の拡大によるピストン本体軽量化を図ることができる。
請求項３に係る発明によれば、ピストンピンへの圧縮荷重入力時においてピストンピン孔のピストン冠面側に亀裂が発生するのが防止され、同時に空洞部の容積を極力拡大できるため、ピストン本体の軽量化を図ることができる。
【００２０】
請求項５に係る発明によれば、高温のピストン冠面の凸部に発生する応力低減を図りつつ、空洞部の容積を極力拡大できるため、ピストン本体の軽量化を図ることができる。
請求項６に係る発明によれば、ピストン冠面の燃料噴霧の衝突位置の肉厚を薄く形成することで、空洞部の形成によるピストン本体軽量化に加え、更にピストン本体の軽量化を図ることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１及び図２において、内燃機関用ピストン１のピストン本体２のピストン冠面３には、スカート部４とピンボス部５が連接され、該ピンボス部５にはピストンピン６が嵌挿されるピストンピン孔７が形成されている。
【００２２】
ここで、ピストン本体２のピストンピン孔７とピストン冠面３との間の部位であって、該ピストン冠面３に対するピストンピン孔７の投影部分に少なくとも一部が重なる部位に空洞部８が設けられている。そして、前記空洞部８には、該空洞部８内を満たすように、塩化ナトリウム等の粉体若しくは金属ナトリウム等の液体９が封入されている。
【００２３】
次に、かかる構成の作用について説明する。
図２に示すように、ピストン本体２に作用する燃焼圧力や慣性力に対し、コネクティングロッド１０が揺動によって傾くことにより、スラスト方向と反スラスト方向の力、即ち、スラスト力が発生し、このスラスト力によってシリンダブロック１１への起振力が発生する結果、内燃機関の運転時に機関本体からの放射音が大きくなる。
【００２４】
本実施形態の構成においては、ピストン本体２のピストンピン孔７とピストン冠面３との間の部位であって、該ピストン冠面３に対するピストンピン孔７の投影部分に少なくとも一部が重なる部位に空洞部８を設けたことによって、シリンダブロック１１への起振力を減衰でき、機関運転時の機関本体からの放射音を低減させることができる。
【００２５】
即ち、ピストンピン６からシンンダボア壁１２に伝達されるスラスト力の伝達経路は、ピストンピン６→ピンボス部５→ピストン冠面３→スカート部４→シリンダボア壁１２である。
かかるスラスト力の伝達経路におけるピンボス部５の付け根部は、前記空洞部８を設けたことによって、その剛性が低下するため、伝達されたスラスト力によって変形し、この結果、スラスト力が減衰される。
【００２６】
ピンボス部５においてスラスト力が減衰される結果、最終的にシリンダボア壁１２に入力されるスラスト力は低減される。
又、高い周波数で入力されるスラスト力成分は、付け根部の剛性が低下したピンボス部５において減衰され、シリンダボア壁１２に伝達される振動入力が減衰される。
【００２７】
この結果、機関運転時の機関本体からの放射音を低減させることができ、騒音低減効果を得ることができ、静粛性の向上を図ることができる。
ここで、単に空洞部８を設けただけでは、燃焼圧力等のピストン上下方向入力、即ち、圧縮力によって、空洞部８の周辺部の応力上昇が避けられず、強度的に問題がある。
【００２８】
本実施形態の構成においては、空洞部８に粉体若しくは液体９を封入した結果、空洞部８は、前記燃焼圧力等のピストン上下方向入力、即ち、圧縮力による変形が小さく、空洞部８の周辺部の応力上昇が抑制される。
又、空洞部８の形成によって、ピンボス部５の付け根部の軽量化、即ち、ピストン本体２の軽量化を同時に図れ、ピストン慣性力の低減を図れるため、音振性の向上を図れるという効果がある。
【００２９】
次に、本発明の他の実施形態について図３〜図７を参照して説明する。
図３の実施形態において、空洞部８は、該空洞部８内面とピストンピン孔７内面との間の該ピン孔径方向の肉厚ｔ１が、該ピストンピン孔７の周方向に沿って略一定となるような形状に形成される。
この場合、空洞部８のピストンピン孔７に対応する内面が略円弧状に形成される。
【００３０】
かかる実施形態においては、ピン孔径方向の肉厚ｔ１を所定の一定の肉厚に設定して、ピストンピン孔７への引っ張り荷重の入力時におけるピストンピン孔７の強度を確保した上で、空洞部８の容積を拡大できるため、ピストン本体２の軽量化を図ることができる。
図４の実施形態において、空洞部８は、該空洞部８内面とピストンピン孔７内面との間の該ピン孔径方向の肉厚ｔ２が、該ピストンピン孔７の周方向に沿う方向の略中間部において厚くなるような形状に形成される。
【００３１】
この場合、空洞部８のピストンピン孔７に対応する内面が略円弧状に形成される。
ピストンピン６への圧縮荷重入力時には、ピストンピン６がつぶれ、即ち、ピストンピン６が圧縮荷重入力方向と直交する方向に径が大となるようにつぶれ、これによって、ピストンピン孔７が拡大されて、該ピストンピン孔７のピストン冠面３側に亀裂が生じるおそれがあるが、かかる実施形態においては、ピストンピン孔７の周方向に沿う方向の略中間部における空洞部８内面とピストンピン孔７内面との間の該ピン孔径方向の肉厚ｔ２を所定の厚い肉厚に設定することによって、前記亀裂の発生を防止でき、同時に空洞部の容積を極力拡大できることで、ピストン本体２の軽量化を図ることができる。
【００３２】
図５の実施形態において、空洞部８は、ピストンピン６端部側の部分における空洞部８内面とピストンピン孔７内面との間の該ピン孔径方向の肉厚ｔ３が、他部分よりも厚くなるような形状に形成される。
図５に示すように、ピストンピン６への引っ張り荷重入力時には、ピストンピン６に、該ピン６の軸方向中央部が下側に凸となるような曲がりが発生し、これによって、ピストンピン孔７の端部側の部分における強度に支障を来すが、本実施形態においては、ピストンピン６端部側の部分における空洞部８内面とピストンピン孔７内面との間の該ピン孔径方向の肉厚ｔ３が厚く形成される結果、ピストンピン孔７の端部側の部分における強度を確保でき、同時に空洞部８の容積を極力拡大できるため、ピストン本体の軽量化を図ることができる。
【００３３】
図６の実施形態は、例えば、筒内噴射ガソリン内燃機関等、筒内に燃料を直接噴射する直噴式内燃機関等において、ピストン冠面３に凹凸部が形成されている場合の実施形態であり、空洞部８は、該空洞部８内面と凸部１３外面との間の肉厚ｔ４が、空洞部８内面と凹部１４内面との間の肉厚ｔ５よりも厚くなるような形状に形成される。
【００３４】
ピストン冠面３の凸部１３は凹部１４と比較して温度が高くなり、材料強度が低下して、高い応力が発生するが、かかる実施形態によれば、空洞部８内面と凸部１３外面との間の肉厚を厚くすることによって、応力低減を図りつつ、凹凸部全体における肉厚を厚くする場合と比較して、空洞部８の容積を極力拡大できるため、ピストン本体２の軽量化を図ることができる。
【００３５】
図７の実施形態は、上記のような、例えば、筒内噴射ガソリン内燃機関等、筒内に燃料を直接噴射する直噴式内燃機関において、ピストン冠面３のインジェクタ１５による燃料噴霧１６の衝突位置の肉厚を他部よりも薄く形成するようにしたものである。
ピストン冠面３の燃料噴霧の衝突位置は、燃料の気化熱で他部よりも温度が低下する。
【００３６】
従って、このピストン冠面３の燃料噴霧の衝突位置の肉厚を他部よりも薄く形成しても材料強度低下の問題がなく、肉厚を薄く形成することで、空洞部８の形成によるピストン本体２の軽量化に加え、更にピストン本体２の軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の内燃機関用ピストンの一実施形態を示す図で、（Ａ）は概略正面断面図、（Ｂ）は（Ａ）中Ａ−Ａ矢示断面図
【図２】 同上の内燃機関用ピストンの作用を説明する正面図
【図３】 他の実施形態を示すピンボス部の概略正面図
【図４】 更に他の実施形態を示すピンボス部の概略正面図
【図５】 更に他の実施形態を示すピストンの概略正面断面図
【図６】 更に他の実施形態を示すピストンの概略正面断面図
【図７】 更に他の実施形態を示すピストンの概略正面断面図
【符号の説明】
１ 内燃機関用ピストン
２ ピストン本体
３ ピストン冠面
５ ピンボス部
６ ピストンピン
７ ピストンピン孔
８ 空洞部
９ 粉体若しくは液体

Claims (6)

1. ピストン本体のピンボス部に形成されるピストンピン孔とピストン冠面との間の部位であって、該ピストン冠面に対するピストンピン孔の投影部分に少なくとも一部が重なる部位に空洞部を設け、
   前記空洞部には、該空洞部内を満たすように、粉体若しくは液体が封入されることを特徴とする内燃機関用ピストン。
2. 前記空洞部は、該空洞部内面とピストンピン孔内面との間の該ピン孔径方向の肉厚が、該ピストンピン孔の周方向に沿って略一定となるような形状に形成され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. 前記空洞部は、該空洞部内面とピストンピン孔内面との間の該ピン孔径方向の肉厚が、該ピストンピン孔の周方向に沿う方向の略中間部において厚くなるような形状に形成され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。
4. 前記空洞部は、ピストンピン端部側の部分における空洞部内面とピストンピン孔内面との間の該ピン孔径方向の肉厚が、他部分よりも厚くなるような形状に形成されたことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の内燃機関用ピストン。
5. 前記ピストン冠面に凹凸部が形成され、
   前記空洞部は、該空洞部内面と凸部外面との間の肉厚が、空洞部内面と凹部内面との間の肉厚よりも厚くなるような形状に形成されたことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の内燃機関用ピストン。
6. 前記内燃機関は、筒内に燃料を直接噴射する直噴式内燃機関であり、
   前記ピストン冠面の燃料噴霧の衝突位置の肉厚を他部よりも薄く形成したことを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の内燃機関用ピストン。

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