JP6242693B2

JP6242693B2 - 内燃機関のピストン

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Publication number: JP6242693B2
Application number: JP2014005524A
Authority: JP
Inventors: 俊幸舟橋; 隆井出; 俊郎伏見
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2014-01-16
Filing date: 2014-01-16
Publication date: 2017-12-06
Anticipated expiration: 2034-01-16
Also published as: US20150198112A1; CN104791126A; DE102015200314A1; US9739233B2; JP2015132248A; CN104791126B

Description

本発明は、例えば自動車用内燃機関のピストンの改良に関する。

従来の内燃機関のピストンとしては、例えば以下の特許文献１に記載されているものがある。

このピストンは、アルミニウム合金材によって一体に形成され、燃焼室を画成する冠部と、該冠部に一体に設けられ、シリンダ壁面に摺動するスラスト側と反スラスト側の一対の円弧状のスカート部と、該各スカート部の周方向の両側端に連結され、ピンボス部を有する一対の湾曲状のエプロン部と、を備えている。該エプロン部の上端部内に凹部が形成され、この凹部の下部にくびれ部が設けられている。このくびれ部によって、前記各スカート部の冠部側の少なくとも一部の剛性を低下させて、該冠部側のシリンダ壁との強い当りを抑制してフリクションの低減化を図るようになっている。

特開２０１１−１３２８０９号公報

しかしながら、前記従来の内燃機関のピストンは、前記エプロン部にくびれ部を設けることによって該くびれ部から前記スカート部の上方へ行くにしたがって対向するエプロン部間のスパンが長くなるようになっている。このため、前記各スカート部の冠部側の剛性を低減させることはできるものの、冠部の裏面側の肉厚(体積)、つまり冠部の裏面に結合された各エプロン部の基端部側の体積を十分に小さくすることができない。この結果、ピストンの軽量化を十分に図ることができなくなるおそれがある。

しかも、各エプロン部の基端部側の体積が大きくなっていることから、該各エプロン部と各スカート部の連結箇所(冠部側)の剛性の低下も制限されて、該各スカート部の前記シリンダ壁に対する冠部付近での接触面圧を十分に低減させることができない。この結果、シリンダ壁面とスカート部との間に発生するフリクションを十分に低減させることができない。

本発明は、前記従来のピストンの技術的課題に鑑みて案出されたもので、ピストンの軽量化と、ピストンの作動中における各スカート部のシリンダ壁面に対する接触面圧を低下させることにより、フリクションを低減させることのできる内燃機関のピストンを提供する。

請求項１に記載の発明は、とりわけ、各エプロン部の上端壁が結合された冠部の裏面側に、前記上端壁の外面に臨む第１凹部を形成すると共に、
該第１凹部の内面側に位置する前記各エプロン部は、各ピンボス部の両側面から前記各ピンボス部の軸線と直交する線に沿って延出して、互いに内方へ傾斜した第１傾斜部と、各スカート部の周方向側端と結合されて、互いに外側へ傾斜した第２傾斜部と、前記第１傾斜部及び第２傾斜部を連結する連結部と、を有し、
前記第１傾斜部と前記連結部の各外面と前記ピンボス部の外面によって隔成されて、前記第１凹部に臨む第２凹部を形成したことを特徴としている。

本発明によれば、ピストン全体の軽量化が図れると共に、ピストン作動中における各スカート部のシリンダ壁面に対する接触面圧を低下させて、フリクションを低減することが可能になる。

本発明に係る内燃機関のピストンの第１実施形態を示す正面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。図１のＢ−Ｂ線断面図である。本実施形態のピストンの底部側からみた斜視図である。同ピストンの冠部側からみた斜視図である。同ピストンの冠部側の一部を切り欠いて示す斜視図である。同じくピストンの冠部側の一部を切り欠いて示す側面側の斜視図である。図２のＣ−Ｃ線断面図である。図２のＤ−Ｄ線断面図である。本実施形態のピストンと従来のピストンの質量比と、本実施形態のピストン１と従来のピストンの数値解析により求めたスカート部の上端部の同一荷重条件下での変形量の比較を示すグラフである。本実施形態のピストン１と従来ピストンの数値解析により求めた摩擦損失を示すグラフである。

以下、本発明に係る内燃機関のピストンの実施形態を図面に基づいて詳述する。なお、本実施形態に供されるピストンは、１気筒当たりそれぞれ２つ吸気弁と排気弁を備えた直列４気筒ガソリンエンジンに適用したものである。

〔第１実施形態〕
ピストン１は、図外のシリンダブロックに形成されたほぼ円柱状のシリンダ壁面に摺動自在に設けられ、該シリンダ壁面とのシリンダヘッドとの間に燃焼室を形成するようになっていると共に、ピストンピンに連結されたコンロッドを介してクランクシャフトに連結されている。

前記ピストン１は、全体がＡＣ８ＡＡｌ−Ｓｉ系のアルミニウム合金によって一体に鋳造され、図１、図４、図５に示すように、ほぼ円筒状に形成されて、冠面２ａ上に前記燃焼室を画成する冠部２と、該冠部２の下端外周縁に一体に設けられた円弧状の一対のスラスト側スカート部３及び反スラスト側スカート４と、該各スカート部３、４の円周方向の両側端３ｄ、４ｄに連結された一対のエプロン部５，６と、を備えている。

前記冠部２は、比較的肉厚に形成された円盤状を呈し、冠面２ａ上に吸気弁と排気弁との干渉を防止するバルブリセス７ａ，７ｂ、８ａ，８ｂが形成されていると共に、外周部にプレッシャリングやオイルリングなどの３つのピストンリングを保持するリング溝９ａ、９ｂ、９ｃが形成されている。

前記両スカート部３，４は、図１及び図４に示すように、ピストン１の軸線Ｐを中心とした左右の対称位置に配置されて、横断面ほぼ円弧状に形成されていると共に、それぞれの肉厚はほぼ全体が比較的薄肉に形成されている。前記スラスト側スカート部３は、膨張行程時などにピストン１が下死点方向へストロークした際に、前記コンロッドの角度との関係で前記シリンダ壁面に傾きながら圧接するようになっている一方、反スラスト側のスカート部４は、圧縮行程時などにピストン１が上昇ストロークした際に、シリンダ壁面に反対に傾きながら圧接するようになっている。前記各スカート部３，４のシリンダ壁面に対する圧接荷重は、燃焼圧力を受けてシリンダ壁面に圧接する前記スラスト側スカート部３の方が大きくなっている。

また、この各スカート部３，４は、図４、図６、図７などに示すように、前記冠部２側の上端部３ａ、４ａから下端部３ｂ、４ｂ方向に渡って僅かに傾斜拡径状に形成されて、縦断面ハ字形状に形成されていると共に、下端縁３ｃ、４ｃがほぼ水平状に切欠形成されている。

前記各エプロン部５，６は、図１及び図４、図８、図９に示すように、上端壁５ａ、６ａが前記冠部２の下端部２ｂに一体に結合されていると共に、該上端壁５ａ、６ａの一部を除く円周方向の全体が各スカート部３，４よりも大きな曲率半径で僅かに外側へ膨らんだ湾曲状に形成されている。また、この各エプロン部５，６は、各スカート部３，４と同じく、ピストン１の軸方向の上端壁５ａ、６ａから下端部５ｂ、６ｂ側に渡って傾斜拡径状に形成されて、縦断面ハ字形状に形成されている。

また、前記冠部２の裏面側、つまり下端部２ｂの各エプロン部５，６の上端壁５ａ、６ａが結合された結合部位には、各エプロン部５，６の上端壁５ａ、６ａ外面に沿った第１凹部である横断面ほぼ円弧状の第１肉抜き部１４ａ、１４ｂがそれぞれ形成されている。

また、各エプロン部５，６は、円周方向のほぼ中央位置に、前記ピストンピンの両端部をピン孔１０ａ、１１ａを介して支持する円筒状の一対のピンボス部１０、１１がそれぞれ形成されている。

さらに、両エプロン部５，６は、図２、図６、図７に示すように、冠部２との結合部位である上端壁５ａ、６ａの一部がクランク状に屈曲された屈曲部１２、１３として構成されている。

具体的に説明すれば、前記各屈曲部１２、１３は、図２に示すように、両ピンボス部１０，１１の軸線Ｐ１と直交する交線Ｐ２を中心とした左右対称に設けられ、各ピンボス部１０，１１の上壁１０ｂ、１１ｂのそれぞれ両側縁から前記各スカート部３，４の両側端３ｄ、３ｅ、４ｄ、４ｅまで段階状に拡がったクランク状に屈曲形成されている。

この各屈曲部１２，１３は、前記各ピンボス部１０、１１の上壁１０ｂ、１１ｂ両側面に一端縁が結合された第１傾斜部である基端部１２ａ，１２ａ、１３ａ，１３ａと、前記各スカート部３，４の両側端３ｄ、３ｅ、４ｄ、４ｅに一端縁が結合された第２傾斜部である先端部１２ｂ，１２ｂ、１３ｂ，１３ｂと、前記各基端部１２ａ〜１３ａの他端縁と各先端部１２ｂ〜１３ｂの他端縁とを結合する連結部１２ｃ、１２ｃ、１３ｃ、１３ｃと、から構成されている。

また、この各屈曲部１２，１３は、図６に示すように、ピストン１軸方向の長さが冠部２の下面から各エプロン部５，６の中央よりも僅かに下側まで傾斜状に延設されて、各下端縁１２ｄ〜１３ｄが前記各下端部５ｂ、６ｂのそれぞれの上端縁に連続的に結合された形になっている。

前記各基端部１２ａ〜１３ａは、図２に示すように、前記第１肉抜き部１４ａ，１４ｂの内側よりもさらにピストン１の内側において前記両ピンボス部１０，１１の軸線Ｐ１に対してほぼ直角方向に延出していると共に、各他端縁側がピストン１の内方へ僅かに傾斜状に形成されている。

前記各先端部１２ｂ〜１３ｂは、前記各基端部１２ａ〜１３ａよりも外側に配置されて、前記両ピンボス部１０，１１の軸線Ｐ１に対してほぼ直角方向に延出していると共に、各連結部１２ｃ〜１３ｃに結合された各他端縁側から各一端縁側に掛けて外側へ僅かに傾斜状に形成されている。

前記連結部１２ｃ〜１３ｃは、前記各基端部１２ａ、１２ａ、１３ａ、１３ａの他端縁に結合された一端縁から各先端部１２ｂ、１２ｂ、１３ｂ、１３ｂの他端縁に結合された他端縁に掛けて外側へ拡がるように傾斜状に形成されている。つまり、前記各ピンボス部１０，１１の軸線Ｐ１に対してやや拡がりまたはそれよりも拡がる方向へ傾斜状に形成されている。

そして、前記各屈曲部１２，１３が段階状のクランク状に屈曲形成されていることから前記各基端部１２ａ、１２ａ、１３ａ、１３ａの外面側には、図２及び図８に示すように、前記第１肉抜き部１４ａ，１４ｂの臨む位置に第２凹部である４つの第２肉抜き部１５ａ〜１５ｄが形成されている。

この第２肉抜き部１５ａ〜１５ｄは、前記各基端部１２ａ〜１３ａの外面と前記各連結部１２ｃ〜１３ｃ及び各ピンボス部１０，１１の両側面との間に隔成されて、横断面ほぼ矩形状に形成されている。また、この第２肉抜き部１５ａ〜１５ｄは、その横断面積が前記各基端部１２ａ〜１３ａの傾斜形状に沿って上端側から下端側に向かって漸次小さくなっている。

また、前記各基端部１２ａ〜１３ａと各連結部１２ｃ〜１３ｃとの連結箇所、並びに該各連結部１２ｃ〜１３ｃと各先端部１２ｂ〜１３ｂとの連結箇所のそれぞれの外面は面取り状のＲ面である円弧面に形成されている。

なお、この実施形態では、前記各基端部１２ａ〜１３ａと連結部１２ｃ〜１３ｃの肉厚がほぼ同一に形成されているが、各先端部１２ｂ〜１３ｂの肉厚はそれよりも薄肉に形成されている。
〔本実施形態の作用効果〕
したがって、本実施形態によれば、前記エプロン部５，６の上端壁５ａ、６ａの一部をクランク状に屈曲された屈曲部１２，１３によって形成したことによって、第１肉抜き部１４ａ、１４ｂの他に、前記凹状の各基端部１２ａ〜１３ａを介して第２肉抜き部１５ａ〜１５ｄが形成されているので、ピストン１全体の軽量化を図ることができる。特に、前記第２肉抜き部１５ａ〜１５ｄは、ピストン１の軸線Ｐ側、つまり内側へ大きく切欠形成されていることから、ピストン１の軽量化を一層促進できる。

なお、前記第１肉抜き部１４ａ、１４ｂと第２肉抜き部１５ａ〜１５ｄは、冠部２の強度に影響を与えない位置に形成されているので、燃焼圧により前記冠部２が下方へ撓み変形することはない。

また、前記屈曲部１２，１３は、クランク状に屈曲形成されていることから、例えば前記従来技術のように直線状に形成されて場合に比較して、前記各スカート部３，４の冠部２側の支持剛性が低下している。このため、ピストン１の往復ストローク時において、各スカート部３，４の外周面とシリンダ壁面とが接触してスラスト側及び反スラストの荷重が作用した場合に、各スカート部３，４の冠部２側上端部のシリンダ壁面に対する接触面圧を低下させることができる。

すなわち、前記各屈曲部１２，１３は、各スカート部３，４側から幅方向への所定以上の荷重が作用すると、各連結部１２ｃ〜１３ｃを中心として各ピンボス部１１，１２側へアコーデオン状態に僅かに撓み変形して前記スラスト側、反スラスト側の荷重を吸収することから、冠部２側(上端部３ａ、４ａ)での接触面圧を低下させることができるのである。この結果、両者間のフリクションを効果的に低下させることが可能になる。

図１０に示すグラフは、本実施形態のピストン１と前記従来のピストンの質量比と、本実施形態のピストン１と前記従来のピストンの数値解析により求めたスカート上端部の同一荷重条件下での変形量の比較を示すグラフである。

これをみると、前記従来のピストンに対して本実施形態のピストン１は、ピストン質量が約３％低減されており、この実施形態のピストン１では十分に軽量化が図られていることがわかる。これは、特に前記第２肉抜き部１５ａ〜１５ｄを形成したことによるものである。

また、この実施形態のピストン１は、スカート部３の上端部３ａの変形量が前記従来のピストンよりも大きくなっている、つまり剛性が低下していることが明らかである。

これは、前述した各屈曲部１２，１３を形成したことによって、第２肉抜き部１５ａ〜１５ｄを形成したことにより、前記従来のピストンに比較して軽量化が図れたものであり、また、前記各屈曲部１２，１３の特異な形状に基づく撓み変形が有効に作用したことにより、各スカート部３，４の冠部２側上端部３ａ、４ａのシリンダ壁面との接触面圧を低下させることができたのである。

また、本実施形態のピストン１では、前記各基端部１２ａ〜１３ａが内側に僅かに傾斜していると共に、各連結部１２ｃ〜１３ｃが外側へ僅かに傾斜状に形成されていることから、各スカート部３，４からの入力荷重に対して撓み変形し易いことから、前記荷重の吸収性が良好になり、シリンダ壁面との接触面圧をさらに低下させることにより、フリクションを低減させることが可能になる。

さらに、前記各連結部１２ｃ〜１３ｃの両端縁に連結箇所外面が円弧面状に形成されていることから、前記各屈曲部１２，１３の撓み変形時において前記連結箇所の応力集中を回避することができる。このため、前記連結箇所での亀裂や破断などの発生を十分に抑制することができ、耐久性の向上が図れる。

図１１に示すグラフは、本実施形態のピストン１と、前記従来のピストンを数値解析により求めたクランクシャフト回転角に対する摩擦損失を比較した結果を示したものである。

これを見ると、従来のピストンの摩擦損失(破線)に対して本実施形態のピストン１は摩擦損失(実線)が低減されていることがわかる。

この結果を、摩擦損失をエンジン工程容積で割った摩擦損失平均有効圧力としてまとめると、前記従来のピストンを１とした場合に対して本実施形態のピストン１は、摩擦損失平均有効圧力が約５％低減されており、この実施形態のピストン１では十分にフリクションが低減されていることがわかる。

前記各屈曲部１２，１３は、各エプロン部５，６の軸方向(上下)全体ではなく、冠部２側の領域のみ形成されて、その下端部５ｂ、６ｂは前述のように、湾曲状に形成されていることから、該下端部５ｂ、６ｂ側での剛性の過度な低下を抑制できる。つまり、各エプロン部５，６の下端部５ｂ、６ｂは、下端縁が何ら支持されておらずフリーな状態になっていることから、もともと剛性は上端部５ａ、６ａ側よりも低くなっているが、各屈曲部１２，１２によって上端部５ａ、６ａ側の剛性も低くなって下端部５ｂ，６ｂ側に近い剛性となる。したがって、各スカート部３，４に対する支持剛性が上下方向でほぼ同じ状態になることから、各スカート部３，４のシリンダ壁面に対する接触面圧を全体的にほぼ同じ大きさにすることが可能になる。

また、前記両エプロン部５，６も全体に湾曲状に形成されていることにより、かかる両エプロン部５，６も僅かながらも変形によるばね作用が働くことから各スカート部３，４のシリンダ壁面３に対する接触面積が大きくなって局所的な面圧の増加を抑制することもできる。

つまり、前記両スカート部３，４と両エプロン部５，６全体がほぼ楕円形状となっていることから、各スカート部３，４に作用する接触圧力が前記各連結部位部１０と各エプロン部５，６のばね作用によって吸収された状態になり、これによって、各スカート部３，４に掛かる面圧を分散化して過大な面圧の発生を抑制することができるのである。

この結果、各スカート部３，４のシリンダ壁面に対する面圧が均一化して接触面圧を低減させることができ、これによってフリクションを効果的に低減することが可能になる。

また、他例としては、前記各基端部１２ａ〜１３ａの肉厚を最大として、これよりも連結部１２ｃ〜１３ｃの肉厚を薄肉に形成し、さらにこれよりも各先端部１２ｂ〜１３ｂの肉厚をよりも薄肉に形成することも可能である。このようにすれば、各スカート部３，４の作用した荷重によって各屈曲部１２，１３がさらに撓み変形し易くなり、各スカート部３，４の上端部とシリンダ壁面との接触面圧を一層低下させることが可能になる。

さらに異なる他例としては、前記エプロン部５，６の屈曲部１２，１３を、ピンボス部１０，１１の軸線Ｐ１を中心として左右非対称に形成し、ピストンに対する荷重の当り方及びスラスト側・反スラスト側かによっても適宜変更が可能になる。ピストンに要求される性能によっては、例えば荷重のかかるスラスト側の片側のみであっても良い。

本発明は、前記実施形態の構成に限定されるものではなく、前記エプロン部５，６の屈曲部１２，１３の形成範囲や軸方向長さなどは、ピストン１の仕様や大きさなどによって任意に設定することが可能である。

また、各スカート部３，４の外周面に、シリンダ壁面とのフリクションを低減させるための、低摩擦材をコーティングすることも可能である。

また、本発明のピストンを、Ｖ型、Ｗ型などの種々の内燃機関に適用することや、さらに単気筒型など種々の内燃機関に適用することが可能である。

前記実施形態から把握される前記請求項以外の発明の技術的思想について以下に説明する。
〔請求項ａ〕請求項７に記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記各ピンボス部の軸線に直交する線を中心とした左右対称のエプロン部のそれぞれの前記各第１傾斜部は、各先端側が互いに近づく方向に傾斜している一方、前記各第２傾斜部は、各スカート部側の各先端側が互いに離間する方向に傾斜していることを特徴とする内燃機関のピストン。
〔請求項ｂ〕請求項７またはａに記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記各連結部は、前記ピンボス部の軸線に対して僅かに外側に傾斜した直線状に形成されていることを特徴とする内燃機関のピストン。
〔請求項ｃ〕請求項７に記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記第１傾斜部の肉厚に対して前記連結部の肉厚を小さく形成すると共に、前記連結部の肉厚に対して第１傾斜部の肉厚を小さく形成したことを特徴とする内燃機関のピストン。

この発明によれば、それぞれの肉厚を第１傾斜部から第２傾斜部に掛けて漸次小さくしたことから、それぞれの強度が第２傾斜部に行くにしたがって小さくなる。この結果、シリンダ壁から各スカート部にスラスト方向及び反スラスト方向に作用する荷重を効果的に吸収することが可能になる。
〔請求項ｄ〕請求項７に記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記第１傾斜部と第２傾斜部は、前記連結部との連結箇所が曲面状に滑らかに連結されていることを特徴とする内燃機関のピストン。

前記連結箇所を曲面状の滑らかに形成することによって、かかる部位の集中荷重の発生を抑制できると共に、ピストン鋳造時の型割り作業が容易になる。
〔請求項ｅ〕
請求項３に記載の内燃機関のピストンであって、
前記各連結部は、前記各基端部の先端からほぼ直角外側へ屈曲形成されている一方、前記各先端部は、前記各連結部の各先端から前記各スカート部の両側端に向かってほぼ直角に屈曲形成されてことを特徴とする内燃機関のピストン。

１…ピストン
２…冠部
２ａ…冠面
３…スラスト側スカート部
４…反スラスト側スカート部
５・６…エプロン部
５ａ・６ａ…上端壁
５ｂ・６ｂ…下端部
１０・１１…ピンボス部
１２・１３…屈曲部
１２ａ・１３ａ…基端部
１２ｂ・１３ｂ…先端部
１２ｃ・１３ｃ…連結部
１４ａ・１４ｂ…第１肉抜き部
１５ａ〜１５ｄ…第２肉抜き部
Ｐ…ピストン軸線
Ｐ１…ピンボス部軸線
Ｐ２…交線

Claims

燃焼室を画成する冠面を有する冠部と、
該冠部の裏面側に一体に結合され、シリンダ壁面に摺動するスラスト側と反スラスト側の一対の円弧状のスカート部と、
前記冠部の裏面側に一体に結合され、前記各スカート部の周方向両側端に連結されると共に、それぞれピンボス部を有する一対のエプロン部と、
を備え、
前記各エプロン部の上端壁が結合された前記冠部の裏面側に、前記上端壁の外面に臨む第１凹部を形成すると共に、
該第１凹部の内面側に位置する前記各エプロン部は、前記各ピンボス部の両側面から前記各ピンボス部の軸線と直交する線に沿って延出して、互いに内方へ傾斜した第１傾斜部と、前記各スカート部の周方向側端と結合されて、互いに外側へ傾斜した第２傾斜部と、前記第１傾斜部及び第２傾斜部を連結する連結部と、を有し、
前記第１傾斜部と前記連結部の各外面と前記ピンボス部の外面によって隔成されて、前記第１凹部に臨む第２凹部を形成したことを特徴とする内燃機関のピストン。
請求項１に記載の内燃機関のピストンであって、
前記第１傾斜部と前記連結部の結合部の内外面及び、前記第２傾斜部と前記連結部の結合部の内外面を円弧状に形成したことを特徴とする内燃機関のピストン。