JP6256453B2 - エンジンのピストン構造 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンのピストン構造に関する技術分野に属する。

従来より、エンジンの燃焼室の断熱性を高めることによって、冷却損失の低減によるエンジンの熱効率の向上を図ることが知られている。例えば特許文献１では、燃焼室を断熱するために、熱特性が一定のレベルの多孔質断熱材をエンジンの頂部に適用している。

特開２０１３−１６４０２８号公報

ところで、エンジンの熱効率を非常に高いレベルにまで高めようとする場合には、クランク角の変化に対する燃焼圧力上昇の割合（以下、燃焼圧力上昇率という）を高めたり、燃焼圧力の最大値を高めるたりする必要がある。

しかし、このように燃焼圧力上昇率や燃焼圧力の最大値を高めた場合には、エンジンの振動や騒音といったＮＶＨ（Noise Vibration Harshness）の問題が顕著になってくるという問題がある。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、エンジンの燃焼圧力上昇率や燃焼圧力の最大値を高めても、ＮＶＨを抑制可能なエンジンのピストン構造を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明では、エンジンのピストン構造を対象として、ピストン外形形状に沿って形成され、予め設定された設定肉厚を有する外形周縁部と、ピストンピンの両端部がそれぞれ挿入される挿入孔を有し、該挿入孔に挿入された該両端部をそれぞれ支持する所定肉厚の略円筒状の一対のピストンピン支持部と、上記一対のピストンピン支持部を、それぞれ上記外形周縁部に連結する連結部とを備え、上記外形周縁部及び上記ピストンピン支持部の肉厚部分は、中実であり、上記連結部は、内部に中空部が形成された多孔質であり、上記外形周縁部、上記ピストンピン支持部及び上記連結部は、金属部材で互いに一体形成されたものである、という構成とした。

上記の構成により、連結部を多孔質にすることで、ピストンを軽量化することができるとともに、連結部の中空部により、ピストン作動時の振動及び騒音を吸収することができる。また、外形周縁部及びピストンピン支持部の肉厚を、ピストン形状を維持しかつピストンピンを支持しつつピストンを出来る限り軽量にすることが可能な肉厚にすることで、ピストンに必要な機能を維持しながらピストンを出来る限り軽量化することができる。さらに、ピストンを軽量化することで、共振周波数が高くなり、共振による振動や騒音の発生が生じ難くなる。よって、エンジンの燃焼圧力上昇率や燃焼圧力の最大値を高めても、エンジンのＮＶＨを抑制することができる。

上記エンジンのピストン構造において、上記連結部は、中空ハニカム構造をなす中空ハニカム構造部を有する、ことが好ましい。

このことにより、連結部が多孔質であっても、連結部の強度及び剛性を高めることができて、ピストンピン支持部の外形周縁部に対する支持剛性を向上させることができ、この結果、ピストン全体の剛性を確保することができる。

上記のように連結部が中空ハニカム構造部を有する場合、上記各ピストンピン支持部を上記外形周縁部に支持する連結部は、該ピストンピン支持部から上記外形周縁部に向かって放射状に延びる複数の放射状延設部を含み、上記複数の放射状延設部のうちの少なくとも一部の放射状延設部が、上記中空ハニカム構造部を有し、上記放射状延設部の上記中空ハニカム構造部は、上記中空部としてのハニカム孔が当該放射状延設部の延設方向に延びるように配設されている、ことが好ましい。

このことで、中空ハニカム構造部が設けられた放射状延設部の強度及び剛性をより一層高めて、ピストンピン支持部の外形周縁部に対する支持剛性をより一層向上させることができる。また、放射状延設部の強度及び剛性を向上させながら、放射状延設部の軽量化、延いてはピストンの軽量化を図ることができる。

上記エンジンのピストン構造において、上記ピストンピン支持部及び連結部の下側に、中空部が体心立方格子状又は面心立方格子状に設けられた構造をなす吸音構造部が設けられている、ことが好ましい。

このことにより、ピストンを軽量化しながら、ピストン作動時の騒音をより一層低減することができる。

以上説明したように、本発明のエンジンのピストン構造によると、外形周縁部及びピストンピン支持部の肉厚部分が中実であり、連結部が、内部に中空部が形成された多孔質であり、上記外形周縁部、ピストンピン支持部及び連結部が、金属部材で互いに一体形成されていることにより、エンジンの燃焼圧力上昇率や燃焼圧力の最大値を高めても、エンジンのＮＶＨを抑制することができる。

本発明の実施形態１に係るピストン構造が適用された、エンジンのピストンを示す斜視図である。 上記ピストンを図１とは異なる方向から見た斜視図である。 上記ピストンを図１及び図２とは異なる方向から見た斜視図である。 上記ピストンを下側から見た底面図である。 図１のＶ−Ｖ線断面図である。 図１のVI−VI線断面図である。 図１のVII−VII線断面図である。 図１のVIII−VIII線断面図である。 図１のIX−IX線断面図である。 ハニカム構造部の構造を示す斜視図である。 実施形態２を示す図５相当図である。 実施形態２を示す図６相当図である。 実施形態２を示す図７相当図である。 実施形態２を示す図８相当図である。 実施形態２を示す図９相当図である。 中空部が体心立方格子状に設けられた構造をなす吸音構造部の格子構造を示す斜視図である。 中空部が面心立方格子状に設けられた構造をなす吸音構造部の格子構造を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施形態１）
図１〜図９は、本発明の実施形態１に係るピストン構造が適用された、エンジンのピストン１を示す。このピストン１は、気筒サイクル（吸気行程、圧縮行程、燃焼行程（膨張行程）及び排気行程）を繰り返すことで、不図示のシリンダ内で、シリンダ軸心方向（ピストン１の中心軸方向（図５〜図９の上下方向）と一致する）に往復動するものである。

ピストン１の上部は、上記シリンダの内周壁面に対して摺動する円筒状部２と、この円筒状部２の上側の開口を塞ぐ頂部３とで形成されている。頂部３の外周部を除く部分は、燃焼室のペントルーフ形状に対応して上側に突出しており、頂部３の中央部には、キャビティ３ａが形成されている。また、円筒状部２の外周面には、不図示のピストンリングが嵌められる複数（本実施形態では、３つ）の凹溝部２ａがそれぞれ全周に亘って形成されている。

ピストン１の下部（円筒状部２の下側）には、２つのスカート部４が、ピストン径方向でかつ不図示のピストンピン（後述のピストンピン支持部７の中心軸）に対して垂直な方向に対向するように設けられている。

上記円筒状部２、頂部３及びスカート部４は、ピストン外形形状に沿って形成されかつ予め設定された設定肉厚を有する外形周縁部６とされている。外形周縁部６の肉厚部分は、中実である。

２つのスカート部４の間には、上記ピストンピンの両端部がそれぞれ挿入される挿入孔７ａを有しかつ該挿入孔７ａに挿入された該両端部をそれぞれ支持する所定肉厚の略円筒状の一対のピストンピン支持部７が設けられている。一対のピストンピン支持部７は、同軸にかつ該ピストンピン支持部７の中心軸方向に互いに所定間隔をあけて配置されている。一対のピストンピン支持部７の肉厚部分（ピストンピン支持部７の外周面と内周面との間の部分）も、外形周縁部６の肉厚部分と同様に、中実である。

外形周縁部６の肉厚（上記設定肉厚）及びピストンピン支持部７の肉厚（上記所定肉厚）は、ピストン１形状を維持しかつ上記ピストンピンを支持しつつピストン１を出来る限り軽量にすることが可能な肉厚にする。外形周縁部６及びピストンピン支持部７において、肉厚が一定である必要はなく、部分的に薄くなるか、又は厚くなってもよい。

上記ピストンピンの長さ方向中央部（一対のピストンピン支持部の間に相当する部分）は、不図示のコンロッドの一端部である小端部と連結される。このコンロッドの他端部である大端部は、不図示のクランクシャフトと連結される。ピストン１の往復動は、上記コンロッドを介して上記クランクシャフトに伝達されて該クランクシャフトが回転する。上記ピストンピンの中心軸方向（つまり、ピストンピン支持部７の中心軸方向）は、上記クランクシャフトの軸方向と一致している。

また、ピストン１には、上記一対のピストンピン支持部７を、それぞれ上記外形周縁部６に連結する連結部８が設けられている。連結部８は、中実ではなくて、内部に中空部が形成された多孔質である。本実施形態では、連結部８は、図１０に示すような中空ハニカム構造をなす中空ハニカム構造部を有しており、この中空ハニカム構造部では、ハニカム孔１０が上記中空部となる。このハニカム孔１０の内接円の直径Ｄ（ハニカム孔１０の周縁である正六角形の相対向する２つの辺の間の距離）は、１ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましい。また、相隣接する２つのハニカム孔１０の間隔ｔは、０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることが好ましい。

各ピストンピン支持部７を外形周縁部６に支持する連結部８は、該ピストンピン支持部７から外形周縁部６に向かって放射状に延びる複数の放射状延設部８ａを含む（特にピストンピン支持部７の中心軸方向から見た図５〜図７参照）。本実施形態では、これら放射状延設部８ａのピストンピン支持部７側の部分は、互いに結合されている。また、全ての放射状延設部８ａが、上記中空ハニカム構造部を有する。各放射状延設部８ａの中空ハニカム構造部は、ハニカム孔１０が当該放射状延設部８ａの延設方向に延びるように配設されている。各放射状延設部８ａの中空ハニカム構造部は、当該放射状延設部８ａの延設方向の全体に亘って設けられている。中空ハニカム構造部は、放射状延設部８ａの強度及び剛性の向上と軽量化との両立を図ることができる点で優れた構造である。

また、本実施形態では、一部の放射状延設部８ａのピストンピン支持部７側の部分とスカート部４の下端部とを連結する補強部１５が設けられている。すなわち、上記クランクシャフトの回転方向との関係で、ピストンピン支持部７の位置を、ピストンピン支持部７の中心軸方向から見て、ピストン１の中心軸に対して僅かに左側又は右側（図６で、左側）にずらしているために、ピストンピン支持部７のスカート部４から遠くなる側（図６で、右側）の放射状延設部８ａを補強するために、補強部１５が設けられている。補強部１５も、放射状延設部８ａと同様に、中空ハニカム構造部を有し、そのハニカム孔１０が、補強部１５の延設方向に延びている。

外形周縁部６、ピストンピン支持部７、連結部８及び補強部１５は、金属部材（本実施形態では、アルミニウム合金）で互いに一体形成されたものである。

上記のようなピストン１を製造するには、金属積層造型機（金属３Ｄプリンタ）を使用する。すなわち、例えばピストン１の頂部３側から層状に一層ずつ順に形成して、これらの層を積み重ねる。上記各層においては、粒径が例えば２０μｍ以上１２５μｍ以下の金属粉末を一様に敷き、その敷いた金属粉末をレーザー光でスキャンすることにより焼結する。このとき、ハニカム孔１０に相当する箇所においては、レーザー光を照射しないので、金属粉末がそのまま残る。この残った金属粉末は、別途設けた孔から最終的に取り除かれることになる。こうして、外形周縁部６、ピストンピン支持部７、連結部８及び補強部１５が互いに一体形成されてなるピストン１が完成する。

したがって、本実施形態では、外形周縁部６及びピストンピン支持部７の肉厚部分が中実であり、連結部８が、内部に中空部（ハニカム孔１０）が形成された多孔質であり、外形周縁部６、ピストンピン支持部７及び連結部８が、金属部材で互いに一体形成されたものであるので、ピストン１を軽量化することができるとともに、ハニカム孔１０により、ピストン１作動時の振動及び騒音を吸収することができる。また、外形周縁部６及びピストンピン支持部７の肉厚を、ピストン１形状を維持しかつピストンピンを支持しつつピストン１を出来る限り軽量にすることが可能な厚みにすることで、ピストン１に必要な機能を維持しながらピストン１を出来る限り軽量化することができる。さらに、ピストン１を軽量化することで、共振周波数が高くなり、共振による振動や騒音の発生が生じ難くなる。よって、エンジン１の燃焼圧力上昇率や燃焼圧力の最大値を高めても、エンジン１のＮＶＨを抑制することができる。

また、本実施形態では、連結部８が中空ハニカム構造部を有し、この中空ハニカム構造部が、連結部８の各放射状延設部８ａの全体に、ハニカム孔１０が当該放射状延設部８ａの延設方向に延びるように設けられているので、放射状延設部８ａの強度及び剛性を高めて、ピストンピン支持部７の外形周縁部６に対する支持剛性を向上させることができる。また、放射状延設部８ａの強度及び剛性を向上させながら、放射状延設部８ａの軽量化、延いてはピストン１の軽量化を図ることができる。

（実施形態２）
図１１〜図１５は、本発明の実施形態２を示し（図５〜図９と同じ部分については、同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する）、実施形態１に対して、吸音構造部（後述の下部吸音構造部２０及び上部吸音構造部２５）を追加したものであり、その他の構成は、上記実施形態１と同様である。

すなわち、本実施形態では、ピストンピン支持部７及び連結部８の下側に、下部吸音構造部２０が設けられている。この下部吸音構造部２０は、図１６に示すように、球状の中空部２１が体心立方格子状に設けられた構造をなす。立方体である単位格子の一辺の長さＡは、１．５ｍｍ以上４ｍｍ以下であることが好ましく、中空部２１の半径ｒは、上記長さＡの値に応じて、０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。

下部吸音構造部２０は、一対のピストンピン支持部７の間を通りかつピストンピン支持部７の中心軸に垂直な方向に延びる空間（上記コンロッドの小端部が位置する空間を含む）を除いて、ピストンピン支持部７及び連結部８よりも下側の空間の略全体に亘って設けられている。

尚、下部吸音構造部２０を、図１７に示すように、球状の中空部２１が体心立方格子状に設けられた構造をなすようにしてもよい。この場合も、単位格子の一辺の長さＡ及び中空部２１の半径ｒは、上記体心立方格子状の場合と同様であればよい。

また、本実施形態では、一対のピストンピン支持部７の間を通りかつピストンピン支持部７の中心軸に垂直な方向に延びる空間の上部（上記コンロッドの小端部と干渉しない部分）に、上部吸音構造部２５が設けられている（図１４及び図１５参照）。この上部吸音構造部２５は、円筒状部２の内周面においてピストンピン支持部７の中心軸に垂直な方向に互いに対向する部分と頂部３の裏面（下面）とに一体的に固定されている。上部吸音構造部２５も、下部吸音構造部２０と同様に、中空部が体心立方格子状（又は面心立方格子状）に設けられた構造をなす。尚、上部吸音構造部２５は、必ずしも必要なものではなく、なくてもよい。

下部吸音構造部２０及び上部吸音構造部２５は、外形周縁部６、ピストンピン支持部７、連結部８及び補強部１５と共に、金属部材（アルミニウム合金）で互いに一体形成されたものである。本実施形態においても、金属積層造型機（金属３Ｄプリンタ）を使用してピストン１を製造することができる。

したがって、本実施形態では、中空部２１が体心立方格子状に設けられた構造をなす下部吸音構造部２０の該中空部２１によって、ピストン１を軽量化しながら、ピストン１作動時の騒音をより一層吸収することができる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。

例えば、上記各実施形態では、連結部８（全ての放射状延設部８ａ）が中空ハニカム構造部を有するものとしたが、中空ハニカム構造部に代えて，例えば、中空部が体心立方格子状又は面心立方格子状に設けられた構造をなす構造部、又は、中空部がランダムに配設された構造部を有していてもよい。或いは、全ての放射状延設部８ａが、中空ハニカム構造部と、これとは別の構造部（例えば、中空部が体心立方格子状又は面心立方格子状に設けられた構造をなす構造部、又は、中空部がランダムに配設された構造部）とを有していてもよい。また、全ての放射状延設部８ａが、中空ハニカム構造部を有している必要はなく、一部の放射状延設部８ａのみが中空ハニカム構造部を有し、他の放射状延設部８ａが、別の構造部を有していてもよい。

上述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

本発明は、エンジンのピストン構造に有用であり、特に、エンジンの燃焼圧力上昇率や燃焼圧力の最大値を高めて、エンジンの熱効率を非常に高いレベルにまで高める場合に有用である。

１ ピストン
６ 外形周縁部
７ ピストンピン支持部
７ａ 挿入孔
８ 連結部
８ａ 放射状延設部
１０ ハニカム孔
２０ 下部吸音構造部

Claims (4)

1. エンジンのピストン構造であって、
   ピストン外形形状に沿って形成され、予め設定された設定肉厚を有する外形周縁部と、
   ピストンピンの両端部がそれぞれ挿入される挿入孔を有し、該挿入孔に挿入された該両端部をそれぞれ支持する所定肉厚の略円筒状の一対のピストンピン支持部と、
   上記一対のピストンピン支持部を、それぞれ上記外形周縁部に連結する連結部とを備え、
   上記外形周縁部及び上記ピストンピン支持部の肉厚部分は、中実であり、
   上記連結部は、内部に中空部が形成された多孔質であり、
   上記外形周縁部、上記ピストンピン支持部及び上記連結部は、金属部材で互いに一体形成されたものであることを特徴とするエンジンのピストン構造。
2. 請求項１記載のエンジンのピストン構造において、
   上記連結部は、中空ハニカム構造をなす中空ハニカム構造部を有することを特徴とするエンジンのピストン構造。
3. 請求項２記載のエンジンのピストン構造において、
   上記各ピストンピン支持部を上記外形周縁部に支持する連結部は、該ピストンピン支持部から上記外形周縁部に向かって放射状に延びる複数の放射状延設部を含み、
   上記複数の放射状延設部のうちの少なくとも一部の放射状延設部が、上記中空ハニカム構造部を有し、
   上記放射状延設部の上記中空ハニカム構造部は、上記中空部としてのハニカム孔が当該放射状延設部の延設方向に延びるように配設されていることを特徴とするエンジンのピストン構造。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載のエンジンのピストン構造において、
   上記ピストンピン支持部及び連結部の下側に、中空部が体心立方格子状又は面心立方格子状に設けられた構造をなす吸音構造部が設けられていることを特徴とするエンジンのピストン構造。

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