JP5997246B2 - 内燃機関のピストン - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のピストンに関する。詳しくは、気筒内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンや直噴式ガソリンエンジン等の筒内噴射式（直噴式）の内燃機関のピストンに関する。

従来例を説明する。図１１はディーゼルエンジンの燃焼室の周辺部を示す正断面図、図１２はピストン本体の平面図である。図１１に示すように、ディーゼルエンジン１００のピストン１０１は、ピストン本体１０２を備えている。ピストン本体１０２は、頂面に凹部１０５を有するヘッド部１０４と、ピンボス部１１０を有する一対のサイドウォール部１０９と、ピストンピン１０７の軸線に関しスラスト側及び反スラスト側に配置された一対のスカート部１１２とからなる。ピンボス部１１０には、ピストンピン１０７が支持されている。ピストン１０１の凹部１０５内へは、その上方に配置されたインジェクタ１１４から燃料が噴射される。なお、ピストン本体の頂面に凹部を有するピストン本体を備えるピストンは、例えば特許文献１に記載されている。

実開平６−４３４８号公報

ディーゼルエンジンの爆発工程で、ピストン１０１は高温高圧の燃焼ガスを受ける。このため、ピストン本体１０２のヘッド部１０４の凹部１０５の開口縁部いわゆるリップ部１１６のエンジンフロント方向（Ｆｒ方向）の端部及びエンジンリヤ方向（Ｒｒ方向）の端部には、エンジン左右方向に関し大きな引張応力がかかる（図１２中、矢印ｙ１参照）。また、リップ部１１６のスラスト方向（Ｔｈ方向）の端部及び反スラスト方向（ＡＴｈ方向）の端部には、エンジン前後方向に関し大きな圧縮応力がかかる（図１２中、矢印ｙ２参照）。また、リップ部１１６を含む周辺部は、最高温度になる部位のため、材料強度が低下しやすい。したがって、ピストン本体１０２の頂面に、リップ部１１６のエンジンフロント方向（Ｆｒ方向）の端部及びエンジンリヤ方向（Ｒｒ方向）の端部を起点とした亀裂１１８が発生するおそれがある。

また、特許文献１によると、フィンを下面に有する銅合金製の平板部材が、ピストン本体の内部空間の天井面に取付けられている。平板部材によりピストン本体を冷却することで、ピストン本体の頂部における亀裂の発生を防止するようにしている。しかしながら、ピストン本体の内部空間の天井面に取付けられた平板部材では、ヘッド部のスラスト方向及び反スラスト方向に関する曲げ剛性を高める効果は低く、ピストン本体の頂部における亀裂の発生の防止効果も低いといえる。

本発明が解決しようとする課題は、ピストン本体の頂面における亀裂の発生を抑制することのできる内燃機関のピストンを提供することにある。

第１の発明は、頂面に凹部を有するヘッド部と、ピストンピンを支持するピンボス部を有する一対のサイドウォール部と、前記ピストンピンの軸線に関しスラスト側及び反スラスト側に配置された一対のスカート部とからなるピストン本体を備える内燃機関のピストンであって、前記ピストン本体には、前記一対のスカート部に鋳包まれる一対の脚部と、両脚部の上端部を連結しかつ前記ヘッド部に鋳包まれる連結部とを有する補強部材が設けられている。この構成によると、ピストン本体に設けられた補強部材により、ヘッド部のスラスト方向及び反スラスト方向に関する曲げ剛性を高めることができる。これにより、ピストン本体の頂面のヘッド部のスラスト方向及び反スラスト方向に関する歪量を低減し、ピストン本体の頂面における亀裂の発生を抑制することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記補強部材は、前記ピストン本体の内部空間に少なくとも一部を露出する露出面を有し、前記補強部材の露出面には、複数のフィンが形成されている。この構成によると、補強部材の露出面に形成されたフィンにより、放熱面積が増大されるため、補強部材の冷却性能が向上される。これにより、ピストン本体の高温下での疲労強度の低下を抑制し、ピストン本体の頂面における亀裂の発生を抑制することができる。また、補強部材に形成されたフィンにより、断面係数が増大されるため、補強部材の剛性を向上することができる。

第３の発明は、第１の発明において、前記補強部材は、前記ピストン本体の内部空間に少なくとも一部を露出する露出面を有し、前記補強部材の露出面には、複数のディンプルが形成されている。この構成によると、補強部材の露出面に形成されたディンプルにより、オイル保持量が増大が増大されるため、補強部材の冷却性能が向上される。これにより、ピストン本体の高温下での疲労強度の低下を抑制し、ピストン本体の頂面における亀裂の発生を抑制することができる。

第４の発明は、第１〜３のいずれかの発明において、前記スカート部の外側面には、複数本の樹脂コート部が縦縞状に形成されている。この構成によると、スカート部の外側面に形成された複数本の樹脂コート部により、摩擦係数が低下されるため、摩擦損失を低減することができる。また、複数本の樹脂コート部が縦縞状に形成されているため、隣接する樹脂コート部の相互間からオイルを速やかに流下させることができる。これにより、オイル上がりを抑制し、オイル消費の悪化を抑制することができる。

第５の発明は、第４の発明において、前記樹脂コート部の下端部は、逆三角形状に形成されている。この構成によると、樹脂コート部の下端部が逆三角形状に形成されているため、隣接する樹脂コート部の相互間からオイルを速やかに排出させることができる。これにより、オイル上がりを一層抑制し、オイル消費の悪化を効果的に抑制することができる。

実施形態１にかかるディーゼルエンジンの燃焼室の周辺部を示す断面図である。 ピストンを示す断面図である。 図２のIII−III線矢視断面図である。 ピストンを示す下面図である。 高剛性部材を示す斜視図である。 実施形態２にかかる高剛性部材の一部を示す斜視図である。 実施形態３にかかる高剛性部材の一部を示す斜視図である。 実施形態４にかかるピストンを示す側面図である。 ディーゼルエンジンの圧縮工程でのオイル上がりを説明する図である。 図９のX部を示す拡大図である。 従来例にかかるディーゼルエンジンの燃焼室の周辺部を示す断面図である。 ピストン本体を示す平面図である。

以下、本発明を実施するための形態形態について図面を用いて説明する。

［実施形態１］本実施形態では、４サイクル直噴式のディーゼルエンジンのピストンを例示する。図１はディーゼルエンジンの燃焼室の周辺部を示す断面図である。図２はピストンを示す断面図、図３は図２のIII−III線矢視断面図、図４はピストンを示す下面図である。図１ではディーゼルエンジンの１つの気筒のピストンのみが示されている。本明細書では、ピストンピン及びクランクシャフトが延びる方向をエンジンフロント方向（Ｆｒ方向）及びエンジンリヤ方向（Ｒｒ方向）とし、それに直交する方向をスラスト方向（Ｔｈ方向）及び反スラスト方向（ＡＴｈ方向）とする。

図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、「エンジン」という）エンジン１０の各気筒を構成するシリンダ１２内には、ピストン１４が上下方向に往復移動可能に収容されている。各気筒毎のピストン１４には、ピストンピン１６を介してコネクティングロッド１８が回転可能に連結されている。コネクティングロッド１８は、不図示のクランクピンを介してクラックシャフトに回転可能に連結されている。シリンダ１２上にシリンダヘッド２０が結合されている。シリンダ１２、ピストン１４及びシリンダヘッド２０によって燃焼室２２が形成されている。シリンダヘッド２０には、燃焼室２２内に燃料を噴射するインジェクタ２４が装着されている。シリンダヘッド２０には、吸気ポート２６及び排気ポート２８が形成されている。吸気ポート２６の燃焼室２２側の端部には、吸気バルブ３０が設けられている。排気ポート２８の燃焼室２２側の端部には、排気バルブ３２が設けられている。

図２〜図４に示すように、ピストン１４は、ピストン本体３４とピストンリング３６と高剛性部材３８とを備えている。ピストン本体３４は、例えばアルミ合金製である。ピストン本体３４は、ヘッド部４０と一対のサイドウォール部４２と一対のスカート部４４とからなる。ヘッド部４０は、周縁部にランド部４６を有している。ピストンリング３６は、ランド部４６の外周面に複数個（図では３個）装着されている。上側の２個のピストンリング３６はコンプレッションリングであり、残りのピストンリング３６はオイルリングである。

図２及び図３に示すように、ヘッド部４０は、頂面に有底円筒状の凹部４８を有している。凹部４８内は、燃焼室２２（図１参照）に連通するキャビティとなっている。凹部４８の側壁面４８ａは、底面側に向かって拡径する円錐台筒状に形成されている。凹部４８の底面の中央部には、なだらかな円錐状の凸部５０が形成されている。凹部４８の側壁面４８ａの下端部と凸部５０の外周面の下端部とは、断面凹曲面を介してなだらかに連続されている。

図３及び図４に示すように、一対のサイドウォール部４２は、ヘッド部４０の下側にエンジン前後方向に並ぶように形成されている。両サイドウォール部４２は、平行状に形成されている。サイドウォール部４２は、ピストンピン１６（図１参照）を支持するピンボス部５２を有している。

図２に示すように、一対のスカート部４４は、ピストンピン１６の軸線に関しスラスト側及び反スラスト側に配置されている。スカート部４４は、ヘッド部４０のランド部４６の下側に部分円筒状に形成されている。スカート部４４の周方向の両端部と両サイドウォール部４２のエンジン左右方向の両端部とは相互に連続状に接続されている（図４参照）。両スカート部４４は、ピストンの上下運動にともないシリンダ１２（図１参照）の内周面に対して摺接する。ピストン本体３４には、ヘッド部４０、両サイドウォール部４２及び両スカート部４４により、下方に開口する内部空間５４が形成されている。

高剛性部材３８は、ピストン本体３４の材質（アルミ合金）よりもヤング率（剛性）の高い金属材料からなる。金属材料としては、例えば，高張力鋼、ステンレス鋼等の鉄系材料を用いることができる。図５は高剛性部材を示す斜視図である。図５に示すように、高剛性部材３８は、帯板状の金属材料を逆Ｕ字状に折り曲げることにより形成されている。高剛性部材３８は、一対の脚部５６と、両脚部５６の上端部を連結する連結部５８とを有している。連結部５８は、ピストン本体３４のヘッド部４０の内側面いわゆる天井面に倣うようになだらかな逆Ｖ字状に形成されている。

図２〜図４に示すように、高剛性部材３８の両脚部５６は、ピストン本体３４の両スカート部４４の内側面に鋳包まれている。また、連結部５８は、ピストン本体３４のヘッド部４０の内側面いわゆる天井面に鋳包まれている。高剛性部材３８の内側面すなわち両脚部５６の内側面及び連結部５８の下面は、ピストン本体３４の内部空間５４に露出されている。なお、高剛性部材３８は本明細書でいう「補強部材」に相当する。また、高剛性部材３８の両脚部５６の内側面、及び、連結部５８の下面は本明細書でいう「露出面」に相当する。

前記したピストン１４によると、ピストン本体３４に設けられた高剛性部材３８により、ヘッド部４０のスラスト方向及び反スラスト方向に関する曲げ剛性を高めることができる。これにより、ピストン本体３４の頂面のヘッド部４０のスラスト方向及び反スラスト方向に関する歪量を低減し、ピストン本体３４の頂面における亀裂（図１２中、１１８参照）の発生を抑制することができる。

［実施形態２］本実施形態は、実施形態１の一部に変更を加えたものであるから、その変更部分について説明し、重複する説明は省略する。図６は高剛性部材の一部を示す斜視図である。図６に示すように、本実施形態では、実施形態１の高剛性部材３８の連結部５８の下面に、その長手方向に延びるリブ状の複数本（例えば３本）のフィン６０が形成されている。フィン６０の断面は、例えば逆三角形状に形成されている。本実施形態のピストン１４によると、高剛性部材３８の連結部５８の下面に形成されたフィン６０により、放熱面積が増大されるため、高剛性部材３８の冷却性能が向上される。これにより、ピストン本体３４の高温下での疲労強度の低下を抑制し、ピストン本体３４の頂面における亀裂の発生を抑制することができる。また、高剛性部材３８に形成されたフィン６０により、断面係数が増大されるため、高剛性部材３８の剛性を向上することができる。

［実施形態３］本実施形態は、実施形態２の一部に変更を加えたものであるから、その変更部分について説明し、重複する説明は省略する。図７は高剛性部材の一部を示す斜視図である。図７に示すように、本実施形態では、実施形態２の高剛性部材３８の連結部５８の下面に、フィン６０に代えて、多数のディンプル６２が形成されている。ディンプル６２は、内面が半球状をなす凹形状に形成されている。本実施形態のピストン１４によると、高剛性部材３８の連結部５８の下面に形成されたディンプル６２により、オイル保持量が増大が増大されるため、高剛性部材３８の冷却性能が向上される。これにより、ピストン本体３４の高温下での疲労強度の低下を抑制し、ピストン本体３４の頂面における亀裂の発生を抑制することができる。

［実施形態４］本実施形態は、実施形態１の一部に変更を加えたものであるから、その変更部分について説明し、重複する説明は省略する。図８はピストンを示す側面図である。図８に示すように、本実施形態では、ピストン本体３４のスカート部４４の外側面に、複数本（例えば６本）の樹脂コート部６４が縦縞状に形成されている。樹脂コート部６４の下端部６４ａは、逆三角形状に形成されている。樹脂コート部６４は、例えば、モリブデンを含有する低摩擦係数の樹脂膜よりなる。樹脂コート部６４の膜厚は、例えば１０μｍ程度である。

本実施形態のピストン１４によると、ピストン本体３４のスカート部４４の外側面に形成された複数本の樹脂コート部６４により、摩擦係数が低下されるため、摩擦損失を低減することができる。また、複数本の樹脂コート部６４が縦縞状に形成されているため、隣接する樹脂コート部６４の相互間からオイルを速やかに流下させることができる（図８中、矢印Ｙ１参照）。これにより、オイル上がりを抑制し、オイル消費の悪化を抑制することができる。

さらに、樹脂コート部６４の下端部６４ａが逆三角形状に形成されているため、隣接する樹脂コート部６４の相互間からオイルを速やかに排出させることができる（図８中、矢印Ｙ２参照）。これにより、オイル上がりを一層抑制し、オイル消費の悪化を効果的に抑制することができる。

ここで、本実施形態のピストン１４の作用・効果について従来例のピストン１０１（図１１参照）と比較して説明する。図９はディーゼルエンジンの圧縮工程でのオイル上がりを説明する図、図１０は図９のX部を示す拡大図である。図９に示すように、エンジン１０の圧縮工程時（図９参照）において、ピストン本体３４が傾いて、反スラスト側のスカート部４４の下端部がシリンダ１２に押し付けられる。このため、反スラスト側のスカート部４４の下端部に弾性変形が生じる。

本実施形態のピストン本体３４は高剛性部材３８を備えているため、スカート部４４の弾性変形量が、従来例のピストン本体１０２のスカート部１１２（図１１参照）の弾性変形量と比べて低下する。すると、スカート部４４とシリンダ１２との間に、オイルが溜まる楔状の領域Ｒ（図１０における斜線部分及び網目部分参照）が形成される。領域Ｒは、従来例のピストン本体１０２のスカート部１１２とシリンダ１２との間に形成されるオイルが溜まる楔状の領域ｒ（図１０における網目部分参照）と比べて増大する。このため、オイル上がりが増加し、オイル消費が悪化することが予想される。なお、本実施形態のピストン１４の高さ位置と従来例のピストン１０１の高さ位置は同じとする。また、図９及び図１０では、ピストン１４の傾き量が誇張されている。

しかしながら、本実施形態のピストン１４によると、複数本の樹脂コート部６４が縦縞状に形成されているため、領域Ｒ内のオイルを速やかに流下させることができる（図８中、矢印Ｙ１参照）。さらに、樹脂コート部６４の下端部６４ａが逆三角形状に形成されているため、領域Ｒ内のオイルを速やかに排出させることができる（図８中、矢印Ｙ２参照）。したがって、高剛性部材３８によるピストン本体３４の高剛性化にともなうスカート部４４の弾性変形量の低下によるオイル上がりを抑制し、オイル消費の悪化を抑制することができる。

［他の実施形態］
本発明は実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更が可能である。例えば、本発明は、ディーゼルエンジン１０に限らず、筒内噴射式のガソリンエンジンに適用してもよい。また、高剛性部材３８は、鋳造によって形成してもよい。また、高剛性部材３８は、ピストン本体３４内に全面的に鋳包むことも可能である。また、高剛性部材３８の少なくとも一方の脚部５６は、ピストン本体３４内に全面的に鋳包んでもよい。また、高剛性部材３８の連結部５８及び／又は少なくとも一方の脚部５６の露出面の広さは適宜変更してもよい。また、高剛性部材３８のフィン６０又はディンプル６２は、連結部５８の下面及び／又は少なくとも一方の脚部５６の内側面に設けてもよい。また、高剛性部材３８の連結部５８の上面及び／又は少なくとも一方の脚部５６の外側面には、補強用の複数本のリブを形成してもよい。また、フィン６０の形状は、断面逆三角形状に限らず、断面四角形状、断面半円形状等、適宜変更してもよい。また、ディンプル６２の形状は、適宜変更してもよい。

１０…ディーゼルエンジン（内燃機関）
１４…ピストン
１６…ピストンピン
３４…ピストン本体
３８…高剛性部材（補強部材）
４０…ヘッド部
４２…サイドウォール部
４４…スカート部
４８…凹部
５２…ピンボス部
５４…内部空間
５６…脚部
５８…連結部
６０…フィン
６２…ディンプル
６４…樹脂コート部
６４ａ…下端部

Claims (6)

1. 頂面に凹部を有するヘッド部と、ピストンピンを支持するピンボス部を有する一対のサイドウォール部と、前記ピストンピンの軸線に関しスラスト側及び反スラスト側に配置された一対のスカート部とからなるピストン本体を備える内燃機関のピストンであって、
   前記ピストン本体には、前記一対のスカート部に鋳包まれる一対の脚部と、両脚部の上端部を連結しかつ前記ヘッド部に鋳包まれる連結部とを有する補強部材が設けられており、
   前記補強部材は、ピストン本体の材質よりもヤング率の高い材料からなり、
   前記一対のスカート部の外側面には、複数本の樹脂コート部が縦縞状に形成されており、
   隣り合う前記樹脂コート部における前記一対のスカート部の裾端部側の端部の相互間の間隔が前記ピストン本体のヘッド側から前記裾端部側に向かって次第に拡がるように、前記樹脂コート部の前記裾端部側の端部が先細りとなる形状に形成されている内燃機関のピストン。
2. 請求項１に記載の内燃機関のピストンであって、
   前記補強部材は、前記ピストン本体の内部空間に少なくとも一部を露出する露出面を有し、
   前記補強部材の露出面には、複数のフィンが形成されている内燃機関のピストン。
3. 請求項１に記載の内燃機関のピストンであって、
   前記補強部材は、前記ピストン本体の内部空間に少なくとも一部を露出する露出面を有し、
   前記補強部材の露出面には、複数のディンプルが形成されている内燃機関のピストン。
4. 頂面に凹部を有するヘッド部と、ピストンピンを支持するピンボス部を有する一対のサイドウォール部と、前記ピストンピンの軸線に関しスラスト側及び反スラスト側に配置された一対のスカート部とからなるピストン本体を備える内燃機関のピストンであって、
   前記ピストン本体には、前記一対のスカート部に鋳包まれる一対の脚部と、両脚部の上端部を連結しかつ前記ヘッド部に鋳包まれる連結部とを有する補強部材が設けられており、
   前記補強部材の前記両脚部及び前記連結部の内側面は、前記ピストン本体の内部空間に露出する露出面とされており、
   前記補強部材の露出面には、全面的に複数のディンプルが形成されている内燃機関のピストン。
5. 請求項４に記載の内燃機関のピストンであって、
   前記補強部材は、ピストン本体の材質よりもヤング率の高い材料からなり、
   前記一対のスカート部の外側面には、複数本の樹脂コート部が縦縞状に形成されており、
   隣り合う前記樹脂コート部における前記一対のスカート部の裾端部側の端部の相互間の間隔が前記ピストン本体のヘッド側から前記裾端部側に向かって次第に拡がるように、前記樹脂コート部の前記裾端部側の端部が先細りとなる形状に形成されている内燃機関のピストン。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の内燃機関のピストンであって、
   前記一対のスカート部に鋳包まれる一対の脚部の先端部は、該一対のスカート部の裾端部まで延びている内燃機関のピストン。

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