JP3887885B2 - ピストン構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関に使用されるピストンの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ピストンの頂面には、吸排気弁等との干渉を避けるための逃げが形成される場合がある。特に、ディーゼルエンジンに使用されるピストンの頂面には、燃焼室の一部を形成する燃焼室凹みが形成されている。これらは、ピストン中心に関して偏心して形成されることが多く、この場合には、ピストン重心がピストン中心線上から移動する。このようなピストンがシリンダ内で上下運動する場合には、ピストン中心線上にあるピストンピン中心に関して、ピストン上下死点位置近傍におけるピストン重心位置に作用する慣性によってモーメントが発生し、ピストンがシリンダ壁面に衝突してスラップ音を発生する問題点があった。
【０００３】
このスラップ音を低減するために、ピストンピン中心をピストン中心線上からスラスト側へオフセットしたピストンピンオフセットと呼ばれる技術が知られている。また、ピストンに一体に鋳込まれるとともに、リング溝を形成する鋳鉄製リングの断面積を変化させることにより、同鋳鉄製リングの重心位置を変化させて、ピストンの重心をピストン中心線上に修正する技術も知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のピストンピンオフセット技術や、ピストン重心をピストン中心線上に修正する技術では、スラップ音の十分な低減が困難であり、スラップ音による騒音が大きいという問題点がある。特に、燃焼圧力の影響が大きいアイドル状態（低回転時）と、慣性力の影響が大きい高回転・高負荷状態とでは、ピストンの上下死点近傍でのピストン重心に作用するモーメントが異なり、各状態において最適な重心位置が必要となる。したがって、アイドル状態と高回転・高負荷状態とにおける各スラップ音の低減の両立が困難であり、エンジンの全運転域に亘ってスラップ音の低減が望まれている。
【０００５】
よって、本発明の目的は、スラップ音を低減できるピストン構造を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、内燃機関用のピストン構造において、ピストンの基材よりも比重が大きいバランス部材をピストンスカート部のピストンピン中心よりも下方の位置に、前記ピストンの重心位置をスラスト側に移動させるように設けた構成であり、この構成によって、ピストンの重心が下がり、ピストンの重心がピストンピン中心に近づくと共に、ピストン重心がスラスト側に移動する。
【０００７】
また、バランス部材をピストン周方向に延在するリングにより構成するとともに、バランス部材のピストン中心線を含む縦断面において、スラスト側におけるバランス部材の断面積が反スラスト側の断面積よりも大きくなるように形成したことを特徴とした構成であり、この構成によって、ピストンの重心がピストンのスラスト側に移動する。
【０００９】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。図１において、符号１は、内燃機関としてのディーゼルエンジンに使用されるピストンを、符号２は、ピストン１を収容するシリンダをそれぞれ示す。ピストン１は、アルミニウム合金により鋳造され、ヘッド部３、スカート部４、ピストンリング５及びピストンピン６を支持するピンボス部７から主に構成されている。
【００１０】
ヘッド部３の頂面３ａには、燃焼室の一部を形成する燃焼室凹み８が形成されている。燃焼室凹み８は、図示しない燃料噴射ノズルが吸排気弁との干渉を避けて配置されるため、ピストン中心線Ａに対して図中、右側に偏心して設けられている。ヘッド部３の内部には、ピストン１、特にヘッド部３を冷却するための空間９が燃焼室凹み８の外周を覆うように円環状に形成されている。ピストンピン６の中心６ａは、ピストン中心線Ａ上に位置している。
【００１１】
スカート部４の下部外周には、バランス部材としての金属製のリング１０が設けられている。リング１０は、ピストン１の基材（アルミニウム合金）よりも比重が重い材質から形成されており、ピストン１の鋳造時に一体に鋳込まれる。本実施例では、リング１０がニッケル含有鋳鉄であるニレジストから形成されている。ニレジストの比重は、略９であり、アルミニウム合金の比重（略３）よりも大きい。
【００１２】
リング１０は、図中、右側の断面積よりも左側の断面積が大きくなるように、その断面積が漸次変化されて形成されている。すなわち、ピストン１のスラスト側に鋳込まれたリング１０の断面積が反スラスト側に鋳込まれたリング１０の断面積よりも大きくなっている。ここで、ピストン１のスラスト側とは、膨張行程にピストン１がシリンダ２の壁面２ａに接する側をいい、図中、ピストン１の左側である。
【００１３】
上述したように、空間９及びリング１０がピストン１にそれぞれ設けられているので、ピストン１の重心を下げること、すなわち、ピストン１の重心をピストンピン中心６ａに近づけることができ、また、リング１０の図中、左側の断面積が右側の断面積よりも大きいので、ピストン１の重心をピストン１の図中、左側（スラスト側）に移動することができる。
【００１４】
図１において、空間９及びリング１０がピストン１に設けられる前のピストン１の重心は、燃焼室凹み８が図中、右側に偏心しているために、ピストン中心線Ａに対して図中、左側に偏心している（符号Ｇ１で示す）。これに対して、空間９及びリング１０がピストン１にそれぞれ設けられた後のピストン１の重心は、図中、符号Ｇ２で示す位置に移動する。すなわち、ピストン１の上下方向をＸ方向、ピストン１のスラスト−反スラスト方向をＹ方向とすると、ピストン１の重心Ｇ１は、空間９及びリング１０がピストン１にそれぞれ設けられることによって、Ｘ方向に移動量Ｘ１で、Ｙ方向に移動量Ｙ１でそれぞれ移動して重心Ｇ２に移動する。なお、ピストン１の上下方向とは、ピストンピン中心６ａに直交し、かつ、ピストン中心線Ａに平行な方向であり、ピストン１のスラスト−反スラスト方向とは、ピストンピン中心６ａに直交し、かつ、ピストン１のスラスト側と反スラスト側を貫く方向である。
【００１５】
したがって、ピストン１の重心がピストンピン中心６ａに近づくことによって、ピストンピン中心６ａからピストン１の重心までの距離がＬ１からＬ２へと短くなるので、膨張行程時に、ピストン重心位置に作用するモーメント力が低減され、ピストン１がシリンダ壁面に衝突する衝突力も低減され、スラップ音を低減できる。特に、リング１０がピストン１の比重よりも大きい比重を有するニレジストからなるので、ピストン１の大型化を防止するとともに、ピストン１の重心を下げることができる。
【００１６】
上述の実施例では、ピストン１の重心を下げるため、すなわち、ピストン１の重心をピストンピン中心６ａに近づけるために、空間９をピストン１の上部に設けるとともに、リング１０をピストン１の下部に設けていた。しかし、ピストン１の重心を下げるために、空間９をピストン１の上部に設ける方法と、リング１０をピストン１の下部に設ける方法とのうち何れか一方の方法のみを用いても良い。どちらの方法によってもピストン１の重心を下がることができるが、空間９をピストン１の上部に設ける方法では、ヘッド部２の強度を維持する関係上、空間９の大きさ（容量）には限界があり、リング１０をピストン１の下部に設ける方法では、ピストン１の重量が増加する。そこで、上述した実施例のように、空間９及びリング１０を共にピストン１に設けることによって、ピストン１の重心を下げることができるとともに、ピストン１の重量増加を最小限に抑えることができる。
【００１７】
さらに、ピストン１の重心がスラスト側に移動することによって、ピストン１がシリンダ２の壁面２ａに衝突する直前のピストン速度が遅くなり、衝撃が緩和されて衝突力が低減されるので、スラップ音を低減できる。この衝突力の低減について図２を参照して説明する。同図において、図中、左側をピストン１のスラスト側とする。
【００１８】
図２（ａ）に示すように、圧縮行程では、ピストン１は、反スラスト側のシリンダ２の壁面２ａに接触しつつシリンダ２内を上昇する。
次に、図２（ｂ）に示すように、ピストン１が上死点に達した直後では、ピストン１の反スラスト側及びスラスト側の何れの側もシリンダ２の壁面２ａに押圧されない状態を保ちつつ下降し、図２（ｃ）に示すように、ピストン１がピストンピン中心６ａを中心として図中、矢印Ｂの向きに傾き、ピストン１のスラスト側のスカート部４の下端部が、シリンダ２の壁面２ａに衝突する。このとき、ピストン１とシリンダ２の壁面２ａとのなす角度θが小さいため、、ピストン１がシリンダ２の壁面２ａに衝突する直前のピストン速度が遅くなる。
【００１９】
さらに、図２（ｄ）に示すように、膨張行程時では、ヘッド部３の頂面３ａに加わる燃焼圧と、ピストン１のスラスト側の下端部がシリンダ２の壁面２ａに衝突した反動力とによって、ピストン１がピストンピン中心６ａを中心として図中、矢印Ｃの向きに傾き、ピストン１のスラスト側のスカート部４の上端部がシリンダ２の壁面２ａに衝突する。このとき、ピストン１がシリンダ２の壁面２ａに衝突する直前のピストン速度が遅くなり、ピストン１のシリンダ２の壁面２ａへの衝撃が緩和されて衝突力が低減されるので、スラップ音を有効に低減できる。なお、図中、符号１１はコネクティングロッドを示す。
【００２０】
図２では、膨張行程時（上死点）におけるピストン１のシリンダ２への衝突を説明したが、ピストン１が下死点（排気行程や圧縮行程の開始時）にあるときには、ピストン１のシリンダ２への衝突は、図２で説明した状態とは逆の状態となり、このときのスラップ音は、従来のスラップ音よりも大きくなる。しかしながら、ピストン１の膨張行程時におけるスラップ音と、下死点におけるスラップ音を比較すると、膨張行程時ではピストン１に燃焼圧が加わることによりピストン１のシリンダ２への衝突力は、下死点におけるその衝突力よりも大きく、膨張行程時におけるスラップ音は、下死点におけるスラップ音よりもはるかに大きい。よって、スラップ音を低減するためには、膨張行程時におけるスラップ音を低減することが最も有効である。
【００２１】
例えば、従来では膨張行程時におけるスラップ音が１００であり、下死点におけるスラップ音が６０であったとすると、本実施例の構成により、膨張行程時におけるスラップ音が８０に低減され、下死点におけるスラップ音が７０になったとしても、総合的には、従来のスラップ音を１００から８０に低減していることになるので、実質的にはスラップ音を低減できる。
【００２２】
次に、上述のピストン１の重心のＸ，Ｙ方向への各移動量Ｘ１，Ｙ１について説明する。ピストン１の重心の各方向へのそれぞれの移動量は、図３に示すシミュレーション解析により求められる。このシミュレーションは、エンジン運転状態がアイドル状態（低回転時）である場合と、エンジン運転状態が高回転・高負荷状態である場合とにおいて、ピストン１の重心を各方向へそれぞれの移動したときの、膨張行程時におけるピストン１のシリンダ２の壁面２ａへの衝突力を解析したものであり、この結果を図３（ａ），（ｂ）にそれぞれ示す。図３（ａ），（ｂ）において、Ｘ軸にピストン１の上下方向における重心移動量（ｍｍ）を、Ｙ軸にピストン１のスラスト−反スラスト方向における重心移動量（ｍｍ）を、Ｚ軸にピストン１がシリンダ２の壁面２ａに衝突したときの衝突力（ｋｇ）をそれぞれ示す。また、図３（ａ），（ｂ）のＸ，Ｙ軸において、空間９及びリング１０がピストン１に設けられる前のピストン１の重心位置をＧ１でそれぞれ示す。
【００２３】
図３（ａ），（ｂ）から明らかなように、ピストン１の重心位置を下げること、すなわち、ピストン１の重心位置をピストンピン中心６ａに近づけることによって、衝突力が小さくなる。また、図３（ｂ）から明らかなように、ピストン１の重心位置をスラスト側へ移動し、かつ、ピストン１の重心位置を下げることによって、衝突力が小さくなる。
【００２４】
以上のシミュレーション結果から、アイドル状態と高回転・高負荷状態とにおける各スラップ音を低減するためには、ピストン１の重心位置を下げること、すなわち、ピストン１の重心位置をピストンピン中心６ａに近づけることが有効であり、さらに、ピストン１の重心位置をスラスト側へ移動することも有効であることが明らかである。よって、シミュレーション結果に基づいて、空間９の大きさ（容量）、リング１０の重量及びリング１０の断面積がそれぞれ決定される。すなわち、ピストン１の重心がシミュレーション結果により求められる所定の重心位置に移動するように、空間９の大きさ（容量）、リング１０の重量及びリング１０の断面積がそれぞれ決定される。
【００２５】
図４（ａ），（ｂ）に、ピストン１の重心が、基準位置（図１における重心Ｇ１）にある場合と、この基準位置よりも上方にある場合と、基準位置よりも下方にある場合とにおいて、アイドル状態及び高回転・高負荷状態におけるスラップ音をそれぞれ測定した結果を示す。なお、スラップ音の測定は、エンジンから略１ｍ離れた位置で行った。図４（ａ），（ｂ）において、横軸にスラップ音の周波数（Ｈｚ）が、縦軸にスラップ音の騒音レベル（ｄＢ（Ａ））がそれぞれ設定されている。図中、一点鎖線Ｄ１がピストン１の重心が基準位置である場合の測定結果を、破線Ｄ２がピストン１の重心が基準位置よりも上方にある場合の測定結果を、実線Ｄ３がピストン１の重心が基準位置よりも下方にある場合の測定結果をそれぞれ示している。図４（ａ），（ｂ）から明らかなように、ピストン１の重心が基準位置よりも下方にある場合（Ｄ３）には、周波数略全域に亘ってスラップ音の騒音レベルが基準位置の騒音レベルよりも低減している。
【００２６】
図５に、ピストン１の重心を基準位置（図１における重心Ｇ１）から上下移動したときのスラップ音の変化を測定した結果を示す。なお、スラップ音の測定は、エンジンから略１ｍ離れた位置で行った。図５から明らかなように、ピストン１の重心が基準位置よりも下方にある場合には、スラップ音の騒音レベルが基準位置の騒音レベルよりも低減している。
【００２７】
図１において、リング１０の代わりに、符号１５で示すバランス部材をスカート部４のスラスト側のみに設けても良い。バランス部材１５には、上述の実施例と同様にピストン１の基材よりも比重が大きい材質を用いる。また、リング１０の代わりに、ピストンの基材よりも比重が大きいバランス部材を、スカート部のピストンピン中心線に関して対称位置にそれぞれ設けても良い。このとき、ピストンのスラスト側のバランス部材を大きくすることにより、ピストンの重心をスラスト側に移動することができる。
【００２８】
上述の実施例では、ピストン１の重心はピストンピン中心６ａと一致していないが、理論的には、ピストン１の重心がピストンピン中心６ａに一致することによって、ピストン１に作用するモーメントは最小になるので、ピストン１の重心は、ピストンピン中心６ａに一致することが望ましい。しかし、実際には、ピストン１の重量増加に限度があり、ピストン１の重心をスラスト側へ移動することによってもスラップ音の低減に効果があることからピストン１の重心はピストンピン中心６ａに必ずしも一致していない。
【００２９】
また、上述の実施例では、ピストン１の重心をピストンピン中心６ａよりもスラスト側に移動していたが、これとは逆に、ピストン１の重心をピストンピン中心６ａよりも反スラスト側に移動することによって、従来のスラスト側へのピストンピンオフセットに相当する状態も作り出せ、この場合には、従来のピストンピンオフセットと同様にスラップ音を低減することもできる。
【００３０】
さらに、本発明をディーゼルエンジンに用いられるピストンに適用した場合について説明したが、本発明をガソリンエンジンに用いられるピストンに適用した場合でも同様の効果を得ることができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１の発明によれば、ピストンの重心が下がり、ピストンの重心がピストンピン中心に近づくので、ピストンピン中心からピストンの重心までの距離が短くなり、膨張行程時に、ピストン重心位置に作用するモーメント力が低減されて、ピストンがシリンダ壁面に衝突する衝突力が低減され、スラップ音を低減できる。また、アイドル状態（低回転時）と高回転・高負荷状態とにおける各スラップ音も低減でき、エンジンの全運転域に亘ってスラップ音を低減できる。
【００３２】
請求項２の発明によれば、ピストンの重心がスラスト側に移動することによって、ピストンがシリンダ壁面に衝突する直前のピストン速度が遅くなり、ピストンのシリンダ壁面への衝突力が低減されるので、スラップ音を低減できる。
【００３３】
請求項３の発明によれば、ピストンの重心が下がるとともに、ピストンの重心がピストンのスラスト側に移動するので、膨張行程時に、ピストンがシリンダ壁面に衝突する直前のピストン速度が遅くなり、ピストンのシリンダ壁面への衝突力が低減されるので、効果的にスラップ音を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のピストン構造を示すピストンの縦断面図である。
【図２】ピストンのシリンダ壁面への衝突を説明するための概略図であり、（ａ）は圧縮行程時を、（ｂ）はピストンが上死点に達した直後を、（ｃ）はピストンがシリンダ壁面に衝突した状態を、（ｄ）は膨張行程時をそれぞれ示す。
【図３】最適なピストン重心を求めるためのシミュレーション解析による特性図であり、（ａ）はエンジン運転状態がアイドルである場合を、（ｂ）はエンジン運転状態が高回転・高負荷である場合をそれぞれ示す。
【図４】ピストン重心を基準位置から上下移動した場合における各スラップ音をそれぞれ測定した特性図であり、（ａ）はエンジン運転状態がアイドルである場合を、（ｂ）はエンジン運転状態が高回転・高負荷である場合をそれぞれ示す。
【図５】ピストン重心を基準位置から上下移動したときのスラップ音変化量の測定結果の説明図である。
【符号の説明】
１ ピストン
２ シリンダ
４ スカート部
６ ピストンピン
６ａ ピストンピン中心
９ 空間
１０ リング（バランス部材）
Ａ ピストン中心線
Ｇ１，Ｇ２ 重心

Claims (1)

1. 内燃機関用のピストン構造において、ピストンの基材よりも比重が大きいバランス部材をピストンスカート部のピストンピン中心よりも下方の位置に、前記ピストンの重心位置をスラスト側に移動させるように設け、
   前記バランス部材をピストン周方向に延在するリングにより構成するとともに、前記バランス部材のピストン中心線を含む縦断面において、スラスト側におけるバランス部材の断面積が反スラスト側の断面積よりも大きくなるように形成したことを特徴とするピストン構造。

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