JP4365257B2 - 内燃機関用ピストン - Google Patents

Description

本発明は内燃機関用ピストンに関する。

スラスト側スカート部と反スラスト側スカート部とをピンボス部が設けられたウォール部で連結し、ウォール部に形成された凹状部のコーナのＲを反スラスト側に対してスラスト側を大きくして膨張行程時にスラスト側スカート部にかかる荷重を分散させる内燃機関用ピストンが知られている（例えば、特許文献１参照）。その他、本発明に関する先行技術文献として特許文献２、３が存在する。

特開２００２−３１７６９３号公報 特開２００１−３４２８９５号公報 特開２００１−２８９１１７号公報

従来の内燃機関用ピストンでは、スカート部にかかるスラスト方向への荷重は分散されるが、ピストン頂部への燃焼荷重が適切に分散されない可能性がある。従って、ピストン頂部の薄肉化等ピストン上方部が軽量化し難い。そのため、動作時におけるピストンの姿勢が安定せず、例えばスラスト方向及び反スラスト方向にピストン頂部が動くいわゆるピストンの首振り現象、ピストンとシリンダ壁との衝突により発生するスラップ音、及びリング溝の磨耗等が改善されないおそれがある。

そこで、本発明は、ピストン頂部を軽量化するとともにピストン頂部にかかる荷重を分散させ、変形を抑えることが可能な内燃機関用ピストンを提供することを目的とする。

本発明の第１の内燃機関用ピストンは、ピストン頂部の裏面側にピンボス部が設けられた内燃機関用ピストンにおいて、前記ピンボス部と前記ピストン頂部の裏面とを連結するリブを備え、前記ピストン頂部の外周にリングベルト部が設けられ、前記リブは、前記ピンボス部と前記リングベルト部とを前記ピストン頂部の裏面を横切って延びて連結するとともに前記ピンボス部の中心線方向と交差する方向に延びており、前記リングベルト部の少なくとも一部から下方にスカート部が延ばして設けられ、前記ピンボス部と前記スカート部とが一対のサイドウォールにて連結され、かつ前記一対のサイドウォールが前記ピンボス部の中心線方向と交差する方向に延びており、前記一対のサイドウォールは、前記ピンボス部から前記スカート部に向かうに従って前記一対のサイドウォールの間の間隔が漸次大きくなるように並べて設けられ、前記リブは、前記一対のサイドウォールの外側に配置されるとともに前記ピンボス部から前記リングベルト部に向かうに従って前記サイドウォールに漸次近付くように設けられていることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明の第１の内燃機関用ピストンによれば、ピストン頂部が受けた燃焼荷重等の力をリブによって分散させることができる。そのため、ピストン頂部に発生する応力を低減させ、ピストン頂部の変形を抑えることができる。また、ピストン頂部への力が分散されるので、ピストン頂部を例えば薄肉化する等して軽量化することができる。

リブはピンボス部とリングベルト部を連結しているので、ピストン頂部が受けた力をリブによってピンボス部とリングベルト部とへ分散させることができる。また、リブによってピンボス部とリングベルト部とを連結したので、ピストン頂部の裏面とリブとをより強固に連結させてピストン頂部の変形を抑制することができる。そのため、ピストン頂部を軽量化することができる。

また、サイドウォールを備えることにより、ピストン頂部が受けた力をリブとサイドウォールとで分散させることができる。従って、さらにピストン頂部を薄肉化して軽量化することができる。また、サイドウォールとリブとの位置関係や形状等を調整することによって、例えば強度分布、スカート部の摺動面積及び重量などが所望の性能を有するピストンを設計することができる。第１の内燃機関用ピストンでは、ピンボス部の中心線方向のピストン頂部の変形はピンボス部により抑えることができる。そこで、リブやサイドウォールをピンボス部の中心線方向と交差する方向へ延ばし、この方向へのピストン頂部の変形をリブやサイドウォールによって抑える。

本発明の第２の内燃機関用ピストンは、ピストン頂部の裏面側にピンボス部が設けられた内燃機関用ピストンにおいて、前記ピンボス部と前記ピストン頂部の裏面とを連結するリブを備え、前記ピストン頂部の外周にリングベルト部が設けられ、前記リブは、前記ピンボス部と前記リングベルト部とを前記ピストン頂部の裏面を横切って延びて連結するとともに前記ピンボス部の中心線方向と交差する方向に延びており、前記リングベルト部の少なくとも一部から下方にスカート部が延ばして設けられ、前記ピンボス部と前記スカート部とがサイドウォールにて連結され、かつ前記サイドウォールが前記ピンボス部の中心線方向と交差する方向に延びており、前記ピストン頂部には、前記ピンボス部の中心線と平行に配置された一対の第１ストラットと、前記第１ストラットから分岐して前記ピンボス部の周囲を囲むように配置された第２ストラットと、が設けられている（請求項２）。

本発明によれば、リブ、サイドウォールによってピストン頂部への燃焼荷重等の力を分散させることができるので、ピストン頂部の剛性を維持しつつ薄肉化等によりピストン頂部を軽量化させることができる。また、ピストン頂部を薄肉化させてピストンの重心をピンボス部の中心線に近付けさせることができるので、動作時のピストンの姿勢を改善させ、首振り現象やスラップ音の抑制、リング溝の磨耗を低減させることができる。また、ピストン頂部の変形が抑えられて燃焼ガスのシール性を向上させることができるので、オイル消費を低減させるとともに燃費を向上させることができる。

図１１（ａ）及び図１２が本発明の実施の形態を示しており、図１〜図１０、図１１（ｂ）、図１３、及び図１４は本発明の実施の形態と共通部分を有する参考例を示している。まず、図１〜図１０に示した参考例を説明する。図１に第１の参考例に係る内燃機関用ピストンを示す。また、図２に図１のピストンを下側から見た場合の下面図を、図３に図２のIII−III線におけるピストンの縦断面図を、図４に図２のIV−IV線におけるピストンの縦断面図を、それぞれ示す。図１のピストン１は、頂部２と、頂部２の外周に設けられ、不図示のピストンリング等が取り付けられる複数のリング溝３ａを有するリングベルト部３と、図２の左右方向（ピストン１のスラスト方向及び反スラスト方向）においてリングベルト部３から下方に延ばして設けられたスカート部４、４と、頂部２の裏面２ａ側に設けられた一対のピンボス部５、５とを備えている。図３に示したように、頂部２の厚さｔ１はリングベルト部の高さｔ２に対して薄く形成されている。また、図３に示したようにピンボス部５、５は、ピストン１の中心線ＣＬ１を挟んで対称に設けられており、燃焼圧力を内燃機関のクランク軸へ伝達するためのコネクティングロッド（コンロッド）とピストン１とを接続するためのピストンピン（不図示）が挿入されるピン穴５ａを有している。

ピストン１には、ピンボス部５と裏面２ａとを連結するとともに裏面２ａを横切ってピンボス部５とリングベルト部３とを連結する複数（図１では４つ）のリブ６と、ピンボス部５とスカート部４とを連結する複数（図１では２面）のサイドウォール７とが設けられている。図１及び図３に示したように、リブ６はリングベルト部３と比較して薄い頂部２を横切ってリングベルト部３へ延びている。図２に示したように、リブ６とサイドウォール７とは、ピンボス部５の中心線ＣＬ２方向と交差する方向（図２の左右方向）へ延びている。サイドウォール７は、ピンボス部５とスカート部４の端部４ａとを連結している。図２に示したように各リブ６と各サイドウォール７とは、ピストン１のスラスト方向への中心線ＣＬ３（図２参照）を挟んで対称に配置される。図２に示したように、サイドウォール７はピンボス部５からリングベルト部３へ漸次中心線ＣＬ３に近づくように（サイドウォール７間の間隔を狭めつつ）延びている。図２及び図３から明らかなように、ピストン１においてサイドウォール７は、リブ６よりピストン１の中心寄りに設けられている。図４に示したように、リブ６は一端がピンボス部５と同じ高さに、他端がリングベルト部３と同じ高さになるように漸次高さを低くさせつつピンボス部５からリングベルト部３へ延びている。一方、サイドウォール７は、一端がピンボス部５と同じ高さに、他端がスカート部４と同じ高さになるように設けられるが、ピンボス部５からスカート部４までに頂部２方向へ凹状になるように設けられる。なお、凹状部のコーナはアール状（図４のＲ）に形成される。このようにサイドウォール７を凹状に設けて体積を低減させ、ピストン１を軽量化する。

ピストン１によれば、頂部２にかかる燃焼荷重等の力を頂部２の裏面２ａに設けたリブ６及びサイドウォール７によって分散させることができる。そのため、頂部２の厚さをリングベルト部３の高さより薄くしてピストン１を軽量化しつつ頂部２の剛性を維持することができる。また、リブ６にてピンボス部５とリングベルト部３とを、サイドウォール７にてピンボス部５とスカート部４とを、それぞれ連結させたので、燃焼荷重等の力による頂部２の変形を抑えることができる。サイドウォール７が間隔を狭めつつスカート部４に延びているので、スカート部４の摺動面積を縮小させ、且つスカート部４の剛性を向上させることができる。そのため、スカート部４の摺動抵抗を低減させて燃費を向上させることができる。また、頂部２を薄肉化できるので、ピストン１の頂部２の頂面２ｂとピンボス部５の中心との距離いわゆるコンプッレッションハイト（図４のＨの距離）を短縮する（低コンプレッションハイトにする）ことができる。そのため、動作時におけるピストン１の姿勢を改善させ、首振り現象を抑えて焼付きを抑制することができる。

ピストン１は、リブ６とサイドウォール７との互いの位置関係や形状等を調整することにより、例えば頂部２の強度分布、スカート部４の摺動面積及びピストン１の重量などを変化させることができる。そのため、リブ６とサイドウォール７とを調整して、所望の性能を有するピストンを設計することができる。

図５〜図７に第２の参考例を示す。図６は図５のピストン１を下からみた場合の下面図を、図７は図６のVII−VII線におけるピストン１の縦断面を図６の上側から見た場合の図をそれぞれ示している。なお、図５〜図７において図１〜図４と共通の部品には同一の参照符号を付し、説明を省略する。

図５及び図６から明らかなように、この参考例ではリブ６がサイドウォール７よりピストン１の中心寄り（中心線ＣＬ３寄り）に設けられている点が第１の参考例と異なる。なお、図７に示したようにサイドウォール７はピンボス部５からスカート部４へアールＲを描きつつ凹状に延びている。このようにサイドウォール７をピストン１の外周側に配置することによってスカート部４の摺動面積を増加させてスカート部４に掛かる面圧を抑え、スカート部４の焼付きを抑制する。また、この参考例においてもリブ６とサイドウォール７との互いの位置関係や形状等を調整することにより、頂部２の強度分布、スカート部４の摺動面積及びピストン１の重量などを変化させ、所望の性能を有するピストンを設計することができる。

図１１（ａ）に本発明の第１の実施形態に係るピストンを示し、図８〜図１０及び図１１（ｂ）に第３〜第９の参考例を示す。なお、各図は、第１の実施形態又は各参考例のピストン１の下面図を示している。図８〜図１１において図２と共通の部品には同一の参照符号を付し、説明を省略する。

図８（ａ）は、第３の参考例を示している。この参考例では、リブ６とサイドウォール７とがピンボス部５の中心線ＣＬ２に対して垂直にそれぞれリングベルト部３及びスカート部４へ延びている点が他の参考例と異なる。本参考例では、頂部２が受けた燃焼荷重等の力をリブ６とサイドウォール７とで支持するとともに分散させ、中心線ＣＬ２に対して垂直方向（図８（ａ）の左右方向）の頂部２の変形を抑えることができる。そのため、頂部２の応力を低減させ、ピストン１の耐久性を向上させることができる。

図８（ｂ）は、第４の参考例を示している。この参考例では、図８（ｂ）に示したようにリブ６がピンボス部５からリングベルト部３へサイドウォール７との間隔を漸次狭めつつ（中心線ＣＬ３へ近づきつつ）延びている点が他の参考例と異なる。なお、サイドウォール７は、図８（ａ）と同様に中心線ＣＬ２に対して垂直にスカート部４へ延びている。本参考例では、リブ６の体積増加によりリブ６の剛性が向上するので、リブ６と連結されている頂部２の圧縮応力を低下させることができる。そのため、リブ６の厚さを薄くしてピストン１を軽量化することができる。また、スカート部４の剛性を適正化できるので、スカート部４の磨耗や焼付きを抑制することができる。

図９（ａ）は、第５の参考例を示している。この参考例では、図９（ａ）に示したようにリブ６がピンボス部５からリングベルト部３へサイドウォール７との間隔を漸次拡げつつ延びている点が他の参考例と異なる。なお、サイドウォール７は、中心線ＣＬ２に対して垂直にスカート部４へ延びている。本参考例では、リブ６がピンボス部５寄りに配置されるので、中心線ＣＬ２方向の燃焼荷重をリブ６により支持させ、頂部２の応力を低減させることができる。そのため、頂部２の肉厚を薄くしてピストン１を軽量化させることができる。また、ピンボス部５の上方が軽くなるので、首振り現象など動作時のピストン１の姿勢が改善され、オイル消費、ブローバイガスの発生及び騒音を減少させることができる。

図９（ｂ）は、第６の参考例を示している。この参考例では、図９（ｂ）に示したようにサイドウォール７がピンボス部５からスカート部４の端部４ａへ漸次図９（ｂ）の上下方向へ拡がりつつ（リブ６との間隔を漸次狭めつつ）延びている点が他の参考例と異なる。なお、リブ６は、中心線ＣＬ２に対して垂直にリングベルト部３へ延びている。本参考例では、サイドウォール７の体積増加によりサイドウォール７の剛性が向上するので、サイドウォール７と連結されている頂部２の引張応力を低減させることができる。頂部２及びサイドウォール７の応力低減により、ピンボス部５のピン穴５ａの変形が抑制できるので、ピン穴５ａの磨耗を低減させることができる。また、ピン穴５ａの変形による抵抗増加を防止して燃費を向上させることができる。そして、頂部２及びサイドウォール７を薄肉化してピストン１の軽量化ができるので、動作時のピストン１の姿勢を改善して、オイル消費やブローバイガスの発生を減少させることができる。本参考例では、スカート部４の面積を拡大化させてピストンの姿勢を安定化させることもできる。また、スカート部４の摺動面積が増加するので、スカート部４の耐焼付き性能を向上させ、さらにスカート部４にかかる面圧を低減させて騒音を抑えることができる。スカート部４を薄肉化して軽量化させることもできる。

図１０（ａ）は、第７の参考例を示している。この参考例では、図１０（ａ）に示したようにリブ６及びサイドウォール７がピンボス部５からリングベルト部３及びスカート部４へそれぞれ漸次狭まりつつ（中心線ＣＬ３に近づきつつ）延びている点が他の参考例と異なる。本参考例では、リブ６及びサイドウォール７の体積増加によりリブ６及びサイドウォール７の剛性が向上するので、これらと連結されている頂部２の引張応力を低減させることができる。また、スカート部４の摺動面積が減少するので、スカート部４の摺動抵抗を低減させて燃費を向上させることができる。

図１０（ｂ）は、第８の参考例を示している。この参考例では、サイドウォール７がピンボス部５からスカート部４へ漸次狭まりつつ（中心線ＣＬ３に近づきつつ）延び、リブ６がピンボス部４からリングベルト部３へ漸次図１０（ｂ）の上下方向へ拡がりつつ延びている点が他の参考例と異なる。本参考例では、リブ６及びサイドウォール７の体積増加により、これらの剛性が向上するので、リブ６及びサイドウォール７と連結されている頂部２の引張応力を低減させることができる。また、リブ６がピンボス部５寄りに配置されているので、中心線ＣＬ２方向の燃焼荷重を支持させ、頂部２の応力を低減させることができる。そのため、頂部２を薄肉化させてピストン１を軽量化させ、オイル消費、ブローバイガスの発生及び騒音を減少させることができる。また、スカート部４の摺動面積を減少させてスカート部４の摺動抵抗を低減させ、燃費を向上させることができる。

図１１（ａ）は、本発明の第１の実施形態を示している。この第１の実施形態のピストン１では、サイドウォール７がピンボス部５からスカート部４へ漸次図１１（ａ）の上下方向へ拡がりつつ延び、リブ６がピンボス部４からリングベルト部３へ漸次狭まりつつ（中心線ＣＬ３に近づきつつ）延びている。本実施形態では、リブ６及びサイドウォール７の体積増加により、これらの剛性が向上するので、頂部２の引張応力を低減させることができ、また、リブ６及びサイドウォール７の圧縮応力を低減させる。そのため、頂部２、リブ６及びサイドウォール７を薄肉化させてピストン１を軽量化させることができる。また、スカート部４の剛性の適正化により磨耗を抑制することもできる。さらに本実施形態では、スカート部４の面積を拡大化させてピストンの姿勢を安定化させることもできる。また、スカート部４の摺動面積が増加するので、スカート部４の耐焼付き性能を向上させるとともに騒音を抑えることができる。

図１１（ｂ）は、第９の参考例を示している。この参考例では、リブ６及びサイドウォール７がピンボス部５からリングベルト部３及びスカート部４へそれぞれ漸次拡がりつつ延びている点が他の参考例と異なる。本参考例では、リブ６及びサイドウォール７の体積増加により、これらの剛性が向上するので、頂部２の引張応力を低減させることができ、また、リブ６及びサイドウォール７の圧縮応力を低減させる。そのため、ピン穴５ａの変形を抑えて磨耗を抑制し、燃費を向上させることができる。また、頂部２、リブ６及びサイドウォール７を薄肉化させてピストン１を軽量化させることができる。リブ６がピンボス部５寄りに配置されるので、中心線ＣＬ２方向の燃焼荷重をリブ６で支持させ、頂部２の応力を低減させることができる。さらに本参考例では、スカート部４の面積を拡大化させてピストンの姿勢を安定にさせることもできる。また、スカート部４の摺動面積が増加するので、スカート部４の耐焼付き性能を向上させるとともに騒音を抑えることができる。

図１２は、本発明の第２の実施形態を示している。図１２（ａ）は本実施形態のピストン１の下面図を、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のピストン１のXII−XII線における縦断面の拡大図を、それぞれ示している。この実施形態では、リブ６及びサイドウォール７の他に、ピンボス部５の中心線ＣＬ２方向と平行に一対の第一のストラット１０、１０を設け、さらに第一のストラット１０から分岐してピンボス部５の周囲を囲むように配置された一対の第二のストラット１１、１１を設けた点が第１の実施形態と異なる。本実施形態では、頂部２に燃焼ガスの圧力が作用し、リングベルト部３を下方へ押し下げて頂部２を撓ませる力（図１２（ｂ）の矢印Ｆ１の力）が発生した場合、この矢印Ｆ１の力による頂部２の変形を第一及び第二のストラット１０、１１で抑制することができる。また、ストラット１０、１１によって矢印Ｆ１の力によるピンボス部５の変形も抑制されるので、ピン穴５ａとピン穴５ａに挿入されたピストンピン２０との摩擦を抑制してピン穴５ａの焼付きを防止することができる。さらに、リング溝３ａの変形も抑制されるので、オイル消費を低減させるとともに燃焼ガスのシール性能を向上させることができる。

図１３は、第１０の参考例に係るピストンの要部を示している。このピストン１は、リブ６及びサイドウォール７を備えるとともに、ピンボス部５の一部５ｂをピストン１の外周方向（リングベルト部３側）へ延長し、スナップリング２１を装着するスナップリング溝５ｃをピン穴５ａの外に設けた点が他の参考例と異なる。この場合、ピン穴５ａとピストンピン２０との摺動面積が増加してピン穴５ａの単位面積当たりの面圧が低下するので、ピン穴５ａの磨耗を抑制することができる。ピン穴５ａの単位面積当たりの面圧を同じにした場合は、ピンボス部５の長さ（図１３のＷの長さ）を短縮してピストン１を軽量化することができる。また、スナップリング溝５ｃに装着したスナップリング２１によってピンボス部５の端部を支持させ、頂部２の変形を抑制することができる。そのため、リング溝３ａやピン穴５ａの磨耗が抑制できる。さらに、スナップリング２１で支持することにより、ピストン１の軽量化と強度向上の両立が可能となる。

図１４は、第１１の参考例を示している。この参考例では、図１４に示したようにリブ６及びサイドウォール７がピンボス部５からリングベルト部３及びスカート部４へ曲線で延びている。このように曲線にすることで、リブ６及びサイドウォール７の体積を増加させ、剛性を向上させることができる。スカート部４、４の幅はピストンのスラスト側と反スラスト側とで幅を変えてもよい。この場合、スカート部の体積を減少させてピストンを軽量化することができる。

本発明の実施形態に対する第１の参考例に係るピストンを示す図。 図１のピストンを下側から見た場合の下面図。 図２のIII−III線におけるピストンの縦断面を示す図。 図２のIV−IV線におけるピストンの縦断面を示す図。 本発明の実施形態に対する第２の参考例に係るピストンを示す図。 図５のピストンを下側から見た場合の下面図。 図６のVII−VII線におけるピストンの縦断面を示す図。 第３及び第４の参考例に係る内燃機関用ピストンの下面図。 第５及び第６の参考例に係る内燃機関用ピストンの下面図。 第７及び第８の参考例に係る内燃機関用ピストンの下面図。 本発明の第１の実施形態に係る内燃機関用ピストンの下面図、及び第９の参考例に係る内燃機関用ピストンの下面図。 本発明の第２の実施形態に係る内燃機関用ピストンを示す図。 第１０の参考例に係る内燃機関用ピストンの要部を示す図。 第１１の参考例に係る内燃機関用ピストンの下面図。

１ ピストン
２ 頂部
２ａ 裏面
３ リングベルト部
４ スカート部
５ ピンボス部
６ リブ
７ サイドウォール

Claims (2)

1. ピストン頂部の裏面側にピンボス部が設けられた内燃機関用ピストンにおいて、
   前記ピンボス部と前記ピストン頂部の裏面とを連結するリブを備え、
   前記ピストン頂部の外周にリングベルト部が設けられ、
   前記リブは、前記ピンボス部と前記リングベルト部とを前記ピストン頂部の裏面を横切って延びて連結するとともに前記ピンボス部の中心線方向と交差する方向に延びており、
   前記リングベルト部の少なくとも一部から下方にスカート部が延ばして設けられ、前記ピンボス部と前記スカート部とが一対のサイドウォールにて連結され、かつ前記一対のサイドウォールが前記ピンボス部の中心線方向と交差する方向に延びており、
   前記一対のサイドウォールは、前記ピンボス部から前記スカート部に向かうに従って前記一対のサイドウォールの間の間隔が漸次大きくなるように並べて設けられ、
   前記リブは、前記一対のサイドウォールの外側に配置されるとともに前記ピンボス部から前記リングベルト部に向かうに従って前記サイドウォールに漸次近付くように設けられていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
2. ピストン頂部の裏面側にピンボス部が設けられた内燃機関用ピストンにおいて、
   前記ピンボス部と前記ピストン頂部の裏面とを連結するリブを備え、
   前記ピストン頂部の外周にリングベルト部が設けられ、
   前記リブは、前記ピンボス部と前記リングベルト部とを前記ピストン頂部の裏面を横切って延びて連結するとともに前記ピンボス部の中心線方向と交差する方向に延びており、
   前記リングベルト部の少なくとも一部から下方にスカート部が延ばして設けられ、前記ピンボス部と前記スカート部とがサイドウォールにて連結され、かつ前記サイドウォールが前記ピンボス部の中心線方向と交差する方向に延びており、
   前記ピストン頂部には、前記ピンボス部の中心線と平行に配置された一対の第１ストラットと、前記第１ストラットから分岐して前記ピンボス部の周囲を囲むように配置された第２ストラットと、が設けられていることを特徴とする内燃機関用ピストン。

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