JP5640706B2 - ピストンおよび内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用のピストン、および、それを備えた内燃機関に関する。

内燃機関用のピストンの形状を種々改良することが提案されている。例えば、その一例が特許文献１に開示されている。特許文献１の内燃機関用ピストンは、ピストン頂部と、火炎ウェブと、リング溝を有する環状のリング部分と、ピストンのスラスト側と反スラスト側とに配置された２つのスカートと、リング部分に対して後退させられていてそれら２つのスカートを結合する２つのボックス壁とを有している。そして、該ピストンは、スラスト側に配置されたスカートがピストンの周方向において反スラスト側に配置されたスカートに比べて短いとの特徴を備え、これによりピンボスの領域もしくはピストン頂部の下面におけるボックス壁の支持部の領域に亀裂が生じないようにするものである。そして、さらに、特許文献１のピストンでは、ピンボスを反スラスト側に配置されたスカートと結合するボックス壁区分の間隔が、ピンボスの領域において、反スラスト側におけるスカートの領域におけるよりも小さくされ、この場合、反スラスト側に配置されたスカートへのボックス壁区分の結合部は円弧状、直線、Ｓ字形、Ｕ字形、凸面状または凹面状に形成される。

特表２０１０−５２５２２０号公報

ところで、近年、内燃機関の高出力化、燃費向上などが望まれていて、ピストンの剛性や変形をより好適にすることが望まれている。しかし、上記特許文献１では、スカートとピンボスとの間のボックス壁つまり接続壁における変形や剛性が十分に考慮されておらず、それらに関して改良の余地がある。

そこで、本発明はかかる点に鑑みて創案されたものであり、その目的は、内燃機関用のピストンにおいて、スカートとピンボスとの間の接続壁における変形や剛性を好適にすることにある。

本発明の一態様によれば、内燃機関用のピストンであって、スカートとピンボスとの間に延在する接続壁は、該ピストンの外方に向けて凸形状であり、前記スカート側に位置して第１曲率半径の湾曲形状を有するように形成されたスカート側壁部と、前記スカート側壁部よりも前記ピンボス側に位置して前記第１曲率半径よりも小さな第２曲率半径の湾曲形状を有するように形成されたピンボス側壁部とを有する、ピストンが提供される。

前記ピストンの下面視で、前記スカート側壁部は前記第１曲率半径の湾曲形状を有するように形成され、前記ピンボス側壁部は前記第２曲率半径の湾曲形状を有するように形成されているとよい。

ピストン中心線に略直交すると共に前記接続壁を貫いて延びる第１平面を定義するとき、該第１平面において、前記スカート側壁部は前記第１曲率半径の湾曲形状を有するように形成され、前記ピンボス側壁部は前記第２曲率半径の湾曲形状を有するように形成されているとよい。

前記ピンボスのピストンピン孔の中心線とピストン中心線とを含む第２平面を定義し、前記第２平面に直交すると共に前記ピストン中心線を含む第３平面を定義するとき、前記スカート側壁部と前記ピンボス側壁部との結合部は前記接続壁のうちで前記第３平面から最も離れて位置するように、前記接続壁は形成されているとよい。

前記ピンボスのピストンピン孔の中心線とピストン中心線とを含む第２平面を定義し、該第２平面と平行であってスラスト側スカートの外周面に接するように延びる第４平面を定義し、該第２平面と該第４平面との間の領域を２等分するように前記第２平面に平行に延びる第５平面を定義するとき、前記スラスト側スカートと前記ピンボスとの間に延在するスラスト側接続壁において、前記スカート側壁部と前記ピンボス側壁部との結合部は前記第２平面と前記第５平面との間に位置するとよい。

スラスト側スカートと前記ピンボスとの間に延在するスラスト側接続壁のうちのスカート側壁部の曲率半径は、反スラスト側スカートと前記ピンボスとの間に延在する反スラスト側接続壁のうちのスカート側壁部の曲率半径よりも大きいとよい。

また、本発明の他の態様によれば、上記したようなピストンを備えた、内燃機関が提供される。

本発明の第１実施形態に係る内燃機関用のピストンの正面図（ａ）および下面図（ｂ）である。 図１のピストンの一部の拡大下面図であり、（ａ）はスラスト側接続壁におけるスカート側壁部の形状を説明するための図、（ｂ）はスラスト側接続壁におけるピンボス側壁部の形状を説明するための図である。 図１のピストンのシリンダ内での膨張行程における状態を表した模式図である。 （ａ）は図１のピストンと異なるピストンの一部の拡大下面図であり、（ｂ）は図１のピストンの一部の拡大下面図である。 本発明の第２実施形態に係る内燃機関用のピストンの正面図（ａ）および下面図（ｂ）である。

以下、添付の図面に基づき、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。なお、記載された説明および図面を通して、同一機能部位には同一符号が用いられている。

本発明の第１実施形態に係る内燃機関用のピストン１０の全体構成の概要が、図１（ａ）、（ｂ）に示される。

ピストン１０は略カップ状に形成され、一端に頂面１２が構成されたヘッド部１４を有している。そして、側部に、ピストンピン孔１６を有する一対のピストンピンボス（以下、ピンボスという。）１８がヘッド部１４と連続して形成されている。ピンボス１８の両側には、それぞれ、スラスト側に位置するスカート（以下、スラスト側スカートという。）２０と反スラスト側に位置するスカート（以下、反スラスト側スカートという。）２２とが設けられている。スラスト側スカート２０の両端とピンボス１８とはスラスト側に位置する接続壁（以下、スラスト側接続壁という。）２４で、反スラスト側スカート２２の両端とピンボス１８とは反スラスト側に位置する接続壁（以下、反スラスト側接続壁という。）２６で、それぞれ、連結されている。接続壁２４、２６は、それぞれヘッド部１４に対して後退させられている。そして、スラスト側スカート２０および反スラスト側スカート２２は、ヘッド部１４の周面の曲率とほぼ同様の、各々その横断面形状が所定のオーバリティの楕円形状に形成されている。

ピストン１０は、図１（ｂ）に示されるように、その下面視で、ピストン中心線Ｏの周りに１８０°の回転対称性を実質的に有するように形成されている。図１（ｂ）では、ピストン中心線Ｏを通ると共にピストンピン孔１６の中心線１６Ｏに略平行な線Ｘが示され、該線Ｘに直交すると共にピストン中心線Ｏを通る線Ｙが示されている。図１（ｂ）において、線Ｘより図中左側にスラスト側スカート２０およびスラスト側接続壁２４が位置し、線Ｘより図中右側に反スラスト側スカート２２および反スラスト側接続壁２６が位置する。また、線Ｙは、図１（ｂ）において、スラスト側スカート２０の外周面の外端部２０ａと反スラスト側スカート２２の外周面の外端部２２ａとを通る。

このようなピストン１０では、スラスト側スカート２０と反スラスト側スカート２２とは略同じ形状および大きさを有し、スラスト側接続壁２４と反スラスト側接続壁２６とは略同じ形状および大きさを有する。それ故、以下では、スラスト側接続壁２４に関して説明し、反スラスト側接続壁２６に関する実質的に重複する説明を省略する。

スラスト側接続壁２４は、スラスト側スカート２０とピンボス１８との間に延在し、ピストン１０の外方に向けて凸形状である、つまりピストン外方に向けて膨らんでいる（図１（ｂ）参照）。そして、接続壁２４は、スカート２０側に位置するスカート側壁部２４ｓと、スカート側壁部２４ｓよりもピンボス１８側に位置するピンボス側壁部２４ｐとを有する。ただし、ここでは、スカート側壁部２４ｓは直接的にスカート２０につながり、ピンボス側壁部２４ｐは直接的にピンボス１８につながり、そして、スカート側壁部２４ｓは直接的にピンボス側壁部２４ｐにつながる。しかし、これらの間に他の壁部が介在してもよい。なお、スカート側壁部２４ｓとピンボス側壁部２４ｐとの境界は明瞭である必要は無い。

このような接続壁２４は、所定の湾曲形状を実質的に有するように形成されている。具体的には、スカート側壁部２４ｓは、第１曲率半径Ｒ１の湾曲形状を有するように形成されている。これに対して、ピンボス側壁部２４ｐは、第１曲率半径Ｒ１と異なる第２曲率半径Ｒ２の湾曲形状を有するように形成されている。そして、このような特徴が特に接続壁２４の外面２４ａに現れるように接続壁２４は形成される。

図２は、ピストン１０の一部の下面視である。接続壁２４の外面２４ａにおいて、スカート側壁部２４ｓは、外方に向けて凸形状つまり弧状を有する。スカート側壁部２４ｓの外面２４ｓａの領域は、図２（ａ）のＡ−Ｂ区画に実質的に相当し、第１曲率半径Ｒ１の湾曲形状を有する。つまり、ピストン１０の下面視で、接続壁２４のスカート側壁部２４ｓは、第１曲率半径Ｒ１の湾曲形状を有するように形成されている。

他方、接続壁２４の外面２４ａにおいて、ピンボス側壁部２４ｐも、スカート側壁部２４ｓと同様に、外方に向けて凸形状つまり弧状を有する。ピンボス側壁部２４ｐの外面２４ｐｓの領域は、図２（ｂ）のＢ−Ｃ区画に実質的に相当し、第２曲率半径Ｒ２の湾曲形状を有する。第２曲率半径Ｒ２は第１曲率半径Ｒ１と異なり、ここでは第１曲率半径Ｒ１よりも小さい。このように、ピストン１０の下面視で、接続壁２４のピンボス側壁部２４ｐは、第２曲率半径Ｒ２の湾曲形状を有するように形成されている。

そして、このような形状における特徴は、ピストン中心線Ｏに略直交すると共に接続壁２４を貫いて延びる第１平面（不図示）を定義するとき、当該第１平面上においても成立するように、接続壁２４は形成されている。換言すると、第１平面（での断面）において、スカート側壁部２４ｓが第１曲率半径Ｒ１の湾曲形状を有し、かつ、ピンボス側壁部２４ｐが第２曲率半径Ｒ２の湾曲形状を有するように、接続壁２４は形成されている。これは、接続壁２４の形状が、ピストン中心線Ｏの方向において、実質的に変化しないことを意味する。なお、例えば、第１平面は、ピストンピン孔１６の中心線１６Ｏを含むように定められることができる。

さらに、接続壁２４は、スカート側壁部２４ｓとピンボス側壁部２４ｐとの結合部（または境界部）２４ｃが接続壁２４のうちで最も外側に位置するように形成されている。ここで、ピストンピン穴１６の中心線１６Ｏとピストン中心線Ｏとを含むように延びる第２平面を定義する。この第２平面は、図１（ｂ）の下面視において、線Ｘに一致する。加えて、第２平面に直交すると共にピストン中心線Ｏを含むように延びる第３平面を定義する。この第３平面は、図１（ｂ）の下面視において、線Ｙに一致する。このように定めた第３平面を基準にすると、スカート側壁部２４ｓとピンボス側壁部２４ｐとの結合部２４ｃは接続壁２４のうちで第３平面から実質的に最も離れて位置する。スカート側壁部２４ｓとピンボス側壁部２４ｐとの結合部２４ｃは、ピストン１０の下面視である図１および図２における点Ｂに相当する。したがって、第３平面に平行であって接続壁２４の外面２４ａに接する接平面を定めるとき、該接平面は図１における線Ｙ１に一致し、点Ｂで実質的に接続壁２４と接する。

そして、このようなスカート側壁部２４ｓとピンボス側壁部２４ｐとの結合部２４ｃは、スカート２０側よりもピンボス１８側に位置するように位置付けられている。ここで、第４平面と第５平面とを定義する。第４平面は、上記第２平面と平行であってスラスト側スカート２０の外周面２０ｃに接するように延びるように定義される。この第４平面は、図１（ｂ）の下面視において、線Ｘ１に一致する。また、第５平面は、上記第２平面と第４平面との間の領域を２等分するように第２平面に平行に延びるように定義される。この第５平面は、図１（ｂ）の下面視において、線Ｘ２に一致する。こうして平面を定めるとき、このようなスカート側壁部２４ｓとピンボス側壁部２４ｐとの結合部２４ｃは、第２平面と第５平面との間に位置する。したがって、図１において、結合部２４ｃに相当する点Ｂは、線Ｘと線Ｘ２との間に位置する。

上記したように構成されたピストン１０の作用効果が以下に説明される。

ピストン１０では、接続壁２４、２６が、第１曲率半径Ｒ１の湾曲形状を有するように形成されたスカート側壁部２４ｓ、２６ｓと、第１曲率半径Ｒ１よりも小さな第２曲率半径Ｒ２の湾曲形状を有するように形成されたピンボス側壁部２４ｐ、２６ｐとを有するので、内燃機関での該ピストン１０の変形および剛性を好適にすることができる。なお、スカート側壁部２４ｓ、２６ｓの曲率半径が相対的に大きいので、スカート側壁部２４ｓ、２６ｓはピンボス側壁部２４ｐ、２６ｐに比べて高剛性で変形し難い。

図３に、内燃機関のシリンダＣｙ内を摺動するピストン１０が概念的に示されている。ピストン１０のスラスト側スカート２０には、図３に示すように、膨張行程で、燃焼圧力荷重による大きなスラスト力が作用する。高負荷運転時には、低負荷運転時に比べて、そのスラスト力が大きくなる。

高負荷運転時、スラスト力は、スラスト側スカート２０につながる、相対的に大きな曲率半径を有するスカート側壁部２４ｓにより適切に受けられ得、スラスト側接続壁２４は高負荷運転時に大きくなるスラスト力を適切にピンボス側へ分散することができる。したがって、スカート側壁部２４ｓへの応力集中が緩和可能になる。それ故、高負荷運転時におけるピストン１０の強度信頼性を高めることができる。なお、これは低負荷運転時でも同様である。

さらに、低負荷運転時には、相対的に小さな曲率半径を有するピンボス側壁部２４ｐにより相対的に小さなスラスト力が適切に受けられ得る。したがって、スラスト力によるスカート２０のシリンダに対する変形を抑制制御できる。これは、スカート２０の摺動面積を所定量以下に抑制することを可能にすると共に、スカート２０のシリンダに対する面圧が大きくなることを抑制することを可能にすることを意味する。したがって、ピストン１０とシリンダＣｙとの間の摩擦が大きくなることを防ぐことができる。

また、膨張行程の中ほどまたはそれ以外の吸入、圧縮および排気行程では、反スラスト側スカート２２に力が作用し得るが、その力は反スラスト側接続壁２６のうちの特にピンボス側壁部２６ｐにより適切に制御され得る。したがって、この場合にも、スカート２２の摺動面積およびその面圧の増加を抑制することができ、よってピストン１０とシリンダＣｙとの間の摩擦が大きくなることを防ぐことができる。

このようにスカート側壁部２４ｓ、２６ｓの曲率半径とピンボス側壁部２４ｐ、２６ｐの曲率半径とを異ならせることで、ピストン１０の接続壁２４、２６の剛性と変形とを好適に制御することができる。上記したように、スカート側壁部２４ｓは特にピストン１０の強度信頼性を高めることに貢献し、ピンボス側壁部２４ｐ、２６ｐは特にピストンの摩擦増加を抑制することに貢献することができる。

また、ピストン１０では、上記したように、スカート側壁部２４ｓとピンボス側壁部２４ｐとの結合部２４ｃがスカート２０側よりもピンボス１８側に位置するように接続壁２４は形成されている。これは、結合部２４ｃに相当する点Ｂが、ピンボス１８と接続壁２４との結合部に実質的に相当する点Ｃに近いということを意味する。ここで、図４に基づいて説明する。図４（ａ）のピストン１０´は、図４（ｂ）に示された上記ピストン１０に対して、主に、点Ｂの位置の点で相違する。ピストン１０における点Ｂは、ピストン１０´における点Ｂよりも、点Ｃに近い。ピンボス１８と接続壁２４との結合部つまり点Ｃ近傍には、ピストンにスラスト力が作用するとき、応力が集中し易い。図４には、ピストン１０´およびピストン１０のそれぞれに同じ大きさのスラスト力を作用させたときのそれらの変形が点線で模式的に表されている。なお、図４における矢印ｍ、ｍ´は、それぞれ、ピンボス１８と接続壁２４との結合部に相当する点Ｃを基準として、結合部２４ｃに相当する点Ｂに作用するモーメントの向きおよび大きさを概念的に表す。図４から理解できるように、点Ｂを点Ｃに近づけることで、スラスト力によるピストンの接続壁の外方への変形を抑制でき、これにより点Ｃ近傍での応力集中を抑制できる。

ただし、このように、点Ｂを点Ｃに近づけて接続壁を形成することは、スラスト力に対するピストンの変形を制御することに特に寄与するので、結合部２４ｃのスカート２０側よりもピンボス１８側への位置付けは、スラスト側接続壁２４のみに適用されることが可能である。つまり、反スラスト側接続壁２６において、結合部２６ｃは、積極的に、スカート２２側に位置付けられることも可能である。

次に、本発明の第２実施形態に係る内燃機関用のピストン１００の全体構成の概要が、図５（ａ）、（ｂ）に示される。以下でピストン１００について説明するが、以下では上記ピストン１０に対する相違点のみ説明する。

上記ピストン１０では、スラスト側接続壁２４と反スラスト側接続壁２６とは実質的に同じであったが、ピストン１００では、それらに違いがある。具体的には、スラスト側接続壁２４のスカート側壁部２４ｓの曲率半径は、反スラスト側接続壁２６のスカート側壁部２６ｓの曲率半径よりも大きい。つまり、スラスト側接続壁２４の第１曲率半径Ｒ１１が反スラスト側接続壁２６の第１曲率半径Ｒ２１よりも大きいという関係を満たすように、スラスト側接続壁２４および反スラスト側接続壁２６は形成されている。そして、これに伴い、ピストン１００では、スラスト側スカート２０よりも反スラスト側スカート２２は小さくされ、また、スラスト側接続壁２４のピンボス側壁部２４ｐの曲率半径は反スラスト側接続壁２６のピンボス側壁部２６ｐの曲率半径よりも大きくされている。しかし、スカートの大きさおよび／またはピンボス側壁部の曲率半径はこの関係を満たさなくてもよい。

ピストン１００は、このような特徴を備えるので、以下の作用効果を奏する。

高負荷運転時には膨張行程でより大きなスラスト力がスラスト側スカート２０に作用するが、スラスト側接続壁２４のスカート側壁部２４ｓは上記したように相対的に大きな曲率半径の湾曲形状を有するように形成されているので、そのスラスト力をより適切に受けて分散させることが可能になる。故に、上記したように応力集中を抑制し、ピストン１００の信頼性を高めることができる。

また、膨張行程の中ほど、例えば上死点後９０°のクランク角度（ＡＴＤＣ９０°ＣＡ）に相当する位置にピストン１００が位置しているとき、または、吸気行程、排気行程および圧縮行程で、ピストン１００の反スラスト側スカート２６はシリンダに押し付けられて力を受け得る。しかし、反スラスト側接続壁２６のスカート側壁部２６ｓは上記したようにスカート側壁部２４ｓに対して相対的に小さな曲率半径の湾曲形状を有すると共にピンボス側壁部２６ｐに対して相対的に大きな曲率半径の湾曲形状を有するように形成されている。したがって、その反スラスト側スカート２２および反スラスト側接続壁２６の変形は制御し易くなると共に、反スラスト側接続壁２６の変形は適切に抑制される。したがって、反スラスト側スカート２２のシリンダに対する摺動面積の増加は抑制され、それらの間の面圧の上昇は抑制され得る。故に、ピストン１００のシリンダに対する摩擦の増加を抑制することができる。

以上、本発明を上記第１および第２実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されない。

例えば、結合部２４ｃつまり上記点Ｂは、図１の下面視において、線Ｘ１と線Ｘ２との間に位置してもよい。ただし、上記したように、結合部２４ｃつまり上記点Ｂは、図１の下面視において、好ましくは、線Ｘ２上または線Ｘ２と線Ｘとの間に位置するとよい。換言すると、結合部２４ｃは、第５平面上または第５平面と第２平面との間に位置するとよい。

なお、本発明に係るピストンは、種々の内燃機関に適用され得る。例えば、火花点火式内燃機関、圧縮着火式内燃機関に、本発明に係るピストンは適用され得る。また、ピストンのヘッド部の形状は種々定められ得る。

本発明には、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１０、１００ ピストン
１４ ヘッド部
１６ ピストンピン孔
１８ ピンボス
２０ スラスト側スカート
２２ 反スラスト側スカート
２４ スラスト側接続壁
２６ 反スラスト側接続壁
２４ｓ、２６ｓ スカート側壁部
２４ｐ、２６ｐ ピンボス側壁部

Claims (6)

1. 内燃機関用のピストンであって、
   スカートとピンボスとの間に延在する接続壁は、
   該ピストンの外方に向けて凸形状であり、
   前記スカート側に位置して第１曲率半径の湾曲形状外面を有するように形成されたスカート側壁部と、
   前記スカート側壁部よりも前記ピンボス側に位置して前記第１曲率半径よりも小さな第２曲率半径の湾曲形状外面を有するように形成されたピンボス側壁部と
   を有し、
   スラスト側スカートと前記ピンボスとの間に延在するスラスト側接続壁のうちのスカート側壁部の曲率半径は、反スラスト側スカートと前記ピンボスとの間に延在する反スラスト側接続壁のうちのスカート側壁部の曲率半径よりも大きい、
   ピストン。
2. 前記ピストンの下面視で、前記スカート側壁部は前記第１曲率半径の湾曲形状外面を有するように形成され、前記ピンボス側壁部は前記第２曲率半径の湾曲形状外面を有するように形成されている、請求項１に記載のピストン。
3. ピストン中心線に直交すると共に前記接続壁を貫いて延びる第１平面を定義するとき、
   該第１平面において、前記スカート側壁部は前記第１曲率半径の湾曲形状外面を有するように形成され、前記ピンボス側壁部は前記第２曲率半径の湾曲形状外面を有するように形成されている、請求項１または２に記載のピストン。
4. 前記ピンボスのピストンピン孔の中心線とピストン中心線とを含む第２平面を定義し、
   前記第２平面に直交すると共に前記ピストン中心線を含む第３平面を定義するとき、
   前記スカート側壁部と前記ピンボス側壁部との結合部は前記接続壁のうちで前記第３平面から最も離れて位置するように、前記接続壁は形成されている、請求項１から３のいずれかに記載のピストン。
5. 前記ピンボスのピストンピン孔の中心線とピストン中心線とを含む第２平面を定義し、
   該第２平面と平行であってスラスト側スカートの外周面に接するように延びる第４平面を定義し、
   該第２平面と該第４平面との間の領域を２等分するように前記第２平面に平行に延びる第５平面を定義するとき、
   前記スラスト側スカートと前記ピンボスとの間に延在するスラスト側接続壁において、前記スカート側壁部と前記ピンボス側壁部との結合部は前記第２平面と前記第５平面との間に位置する、請求項１から４のいずれかに記載のピストン。
6. 請求項１から５のいずれかに記載のピストンを備えた、内燃機関。

Images