JP6299949B2 - 内燃機関用ピストン - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関用ピストンに係り、特に燃焼圧により発生するスラスト力（横方向の力）を受ける内燃機関用ピストンに関する。

車両に搭載された内燃機関の構成部品の一つであるピストンは、シリンダ内に往復動（上下動）可能に設けられ、一般的に、アルミニウム製であって、鋳型を用いる鋳造法で製造される。この鋳型には、成型後に型が取り外し易いように、開口部側に向けて広がる勾配が付けられている。
このように成型されたピストンのピストンスカート部の側壁の肉厚は、ピストンスカート部の上端周辺では厚く形成されている一方、ピストンスカート部の下端周辺では薄く形成されている。
ピストンにおいて、燃焼圧によるスラスト力（横方向の力）で最も先に変形するのは、ピストンスカート部の下端である。このピストンスカート部の下端の肉厚が薄いと、排気側からスラスト力が負荷された際に、ピストンは、大きく変形して、下部が吸気側へ位置するとともに上部が排気側へ位置するように傾斜する。爆発初期におけるピストンの傾斜は、その後の膨張行程におけるピストンの姿勢を決定する。ピストンスカート部の下端の変形は、ピストンに傾斜を生み、ピストンスカート部の上端への集中的なスラスト力の負荷を助長する。このため、ピストンスカート部の上端の接触面圧はその周辺よりも高くなり、そして、高圧で潤滑油が追い出されると、潤滑状態が悪化して摩擦損失が増加する。
このような内燃機関のピストン構造としては、例えば、以下の先行技術文献がある。

特開平９−８９１０６号公報

特許文献１に係る内燃機関のピストン構造は、ピストンヘッド部と、ピストンヘッド部の下部でシリンダに摺接するよう設けられたピストンスカート部と、ピストンスカート部の内部に設けられたピストンサイドウォールと、ピストンサイドウォールに形成されたピストンピン孔とを備え、ピストンスカート部の外周を、ピストンピン孔の軸線方向を短径とするとともにピストンピン孔の軸線方向に対して直交する方向を長径とする楕円形の一部としているピストンであって、ピストンスカート部の少なくともスラスト側内面にピストンの上下方向のスラスト軸線上に沿って厚肉のリブを設け、且つこのリブの上端側に位置するオイルリング溝の底壁にピストンスカート部の外周方向に沿ったスリットを形成した構造である。

ところで、従来、内燃機関用ピストンにあっては、ピストンスカート部の下端の肉厚を厚くした場合に、ピストンの傾斜を抑えることができるが、ピストンスカート部のシリンダに倣った変形が難しくなるため、ピストンが傾斜してシリンダに点接触して、シリンダへの接触面圧が高くなり、このため、ピストンの円滑な往復動が妨げられ、いわゆるコッキングと呼ばれる偏った衝接を伴う摺動状態になるおそれがあった。また、ピストンスカート部の下端の肉厚を一様に同じくして傾斜を抑えるようにしたピストンでは、偏った衝接がないものの、シリンダ内を円滑に摺動する性能を十分に満足させることが困難であった。

そこで、この発明は、スラスト力によるピストンスカー卜部のシリンダに倣った変形域をピストンスカート部全域に拡張して、ピストンスカー卜部をシリンダに面接触させ、ピストンスカー卜部のシリンダへの接触面積を増加し、ピストンスカート部とシリンダとの接触面圧を低くして、ピストンの傾斜量を抑え、直立に近い良好な姿勢で摩擦損失を低減して円滑な往復動を可能とする内燃機関用ピストンを提供することを目的とする。

この発明は、ピストンヘッド部と、前記ピストンヘッド部の下部でシリンダに摺接するように設けられたピストンスカート部と、前記ピストンスカート部の内部に設けられた一対のピストンサイドウォールと、前記一対のピストンサイドウォールに形成されたピストンピン孔とを備え、前記ピストンスカート部の外周を、前記ピストンピン孔の軸線方向を短径とするとともに前記ピストンピン孔の軸線方向に対して直交する方向を長径とする楕円形の一部とした内燃機関用ピストンにおいて、前記ピストンスカート部には、前記一対のピストンサイドウォールに繋がる両端で外周方向に沿った第１の薄肉部と、前記外周方向で前記一対のピストンサイドウォール間の中央部位に配置された第２の薄肉部とを設け、前記第１の薄肉部は、燃焼圧によるスラスト力を受けて前記ピストンスカート部が前記シリンダに倣って変形するように他の箇所よりも薄く且つ所定幅に形成され、前記ピストンスカート部の下端から上方に延びて且つ前記ピストンピン孔の軸線よりも下方に配設され、前記第２の薄肉部は、前記ピストンピン孔の軸線よりも上方に上端が位置し且つ前記ピストンピン孔の軸線よりも下方に延びて配設され、他の箇所よりも薄く且つ所定幅に形成されたことを特徴とする。

この発明は、ピストンスカート部の内部の肉厚を適切に設定することで、スラスト力によるピストンスカー卜部のシリンダに倣った変形域をピストンスカート部全域に拡張して、ピストンスカー卜部をシリンダに面接触させ、ピストンスカー卜部のシリンダへの接触面積を増加し、ピストンスカート部とシリンダとの接触面圧を低くして、ピストンの傾斜量を抑え、直立に近い良好な姿勢で摩擦損失を低減して円滑なピストンの往復動を可能とする。

図１はピストンがシリンダ内に配置された内燃機関の断面図である。（実施例） 図２は図１のピストン周辺の平面図である。（実施例） 図３は図２のピストンのピストンスカート部周りの拡大図である。（実施例） 図４はピストンの正面図である。（実施例） 図５は吸気スカート部側からのピストンの側面図である。（実施例） 図６はピストンの平面図である。（実施例） 図７はピストンの底面図である。（実施例） 図８は図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線によるピストンの吸気スカート部側の断面図である。（実施例） 図９は図８のＩＸ−ＩＸ線によるピストンの断面図である。（実施例） 図１０は図８のＸ−Ｘ線によるピストンの断面図である。（実施例） 図１１は図７のＯ−ＸＩ線によるピストンの第１の薄肉部周辺の断面図である。（実施例） 図１２は図７のＯ−ＸＩＩ線によるピストンの第１の薄肉部と第２の薄肉部との間の断面図である。（実施例） 図１３は図７のＯ−ＸＩＩＩ線によるピストンの第２の薄肉部周辺の断面図である。（実施例） 図１４はピストンの断面斜視図である。（実施例） 図１５は膨張行程時にスラスト力によってピストンがシリンダ内で挙動した状態の内燃機関の断面図である。（実施例） 図１６は図１５のピストン周辺の平面図である。（実施例） 図１７は図１６のピストンのピストンスカート部の吸気側スカート部周辺の一部拡大断面図である。（実施例） 図１８は膨張行程時にスラスト力によって変形したピストンスカート部の第１の薄肉部周辺の水平方向での断面図である。（実施例） 図１９は膨張行程時にスラスト力によって変形したピストンスカート部の第１の薄肉部周辺の垂直方向での断面図である。（実施例） 図２０は膨張行程時にスラスト力によって変形したピストンスカート部の第２の薄肉部周辺の水平方向での断面図である。（実施例） 図２１は膨張行程時にスラスト力によって変形したピストンスカート部の第２の薄肉部周辺の垂直方向での断面図である。（実施例） 図２２はピストンスカート部の下端の変形量抑制効果を示すグラフ図である。（実施例） 図２３は従来品と本発明品との接触面積比を示すグラフ図である。（実施例） 図２４は吸気側スカート部の応力分布図である。（実施例） 図２５は従来における吸気側スカート部の応力分布図である。（従来例）

この発明は、スラスト力によるピストンスカー卜部のシリンダに倣った変形域をピストンスカート部全域に拡張して、ピストンスカー卜部をシリンダに面接触させ、ピストンスカー卜部のシリンダへの接触面積を増加し、ピストンスカート部とシリンダとの接触面圧を低くして、ピストンの傾斜量を抑え、直立に近い良好な姿勢で摩擦損失を低減して円滑なピストンの往復動を可能とする目的を、ピストンスカート部の内部の肉厚を適切に設定することによって実現するものである。

図１〜図２４は、この発明の実施例を示すものである。
図１、図２に示すように、車両に搭載された内燃機関１は、シリンダ２を備えている。このシリンダ２は、上下方向に延びる円筒形であって、内部でシリンダ内周面３によって真円形のシリンダボア４を形成している。
シリンダ２のシリンダボア４には、内燃機関１の構成部品として、上下方向で往復動するピストン５がシリンダ内周面３に摺接するように配設される。
このピストン５は、コネクティングロッド６を介してクランク軸７に連結し、このクランク軸７の回転によってシリンダ２内で往復動する。クランク軸７は、図１に示すように、時計方向Ｒに回転するものである。
シリンダ２にあっては、シリンダ中心軸線（ピストンストローク軸中心線）Ｙを挟んで、図１に示すように、左側が吸気側となり、右側が排気側となる。

図４〜図７に示すように、ピストン５は、アルミニウム製で、鋳型によって製造されるものであって、上下方向において、ピストンヘッド部（ピストンクラウン）８と、このピストンヘッド部８の下部に連設したピストンスカート部９とから構成される。
ピストンヘッド部８は、円形状に形成され、上面でピストン頂面１０を有するとともに、外周面で上下方向に三段になった第１〜第３ピストンリング溝１１Ａ〜１１Ｃを有する。この第１〜第３リング溝１１Ａ〜１１Ｃには、各種ピストンリングが嵌め込まれる。

図４〜図７に示すように、ピストンスカート部９は、筒状のスカート外周輪郭線１２と、このスカート外周輪郭線１２の内部で、ピストンサイドウォールとして、一側ピストンサイドウォール１３Ａ・他側ピストンサイドウォール１３Ｂとを備えている。
この一側ピストンサイドウォール１３Ａ・他側ピストンサイドウォール１３Ｂには、ピストンピン孔として、一側ピストンピン孔１４Ａ・他側ピストンピン孔１４Ｂが形成される。
この一側ピストンピン孔１４Ａ・他側ピストンピン孔１４Ｂの軸線Ｚ方向は、図６、図７に示すように、吸気側・排気側方向に対して直交する方向に向いている。軸線Ｚは、ピストン中心Ｏを通るものである。また、このピストン中心Ｏは、シリンダ中心軸線Ｙ上に位置するものである。
一側ピストンピン孔１４Ａ・他側ピストンピン孔１４Ｂには、ピストンピン１５が挿着される。このピストンピン１５には、図１に示すように、コネクティングロッド６が連結される。
図６、図７に示すように、一側ピストンサイドウォール１３Ａと他側ピストンサイドウォール１３Ｂとは、軸線Ｚに対して直交して且つピストン中心Ｏを通る水平方向の軸線Ｖを挟んで、一定の間隔で対称に配置されている。
ピストンスカート部９のスカート外周輪郭線１２は、図３に示すように、軸線Ｚ方向を短径Ｄ１とするとともに、軸線Ｚ方向に対して直交する軸線Ｖ方向を長径Ｄ２とする楕円形の一部として形成される。
また、ピストンスカート部９は、図４に示すように、正面視において、排気側スカート部１６と、吸気側スカート部１７と、スカート部上端１８と、スカート部下端１９とを備える。

図６〜図１４に示すように、ピストンスカート部９において、一側ピストンサイドウォール１３Ａの両端の一側接合部２０Ａ・２０Ａには、第１の一側薄肉部２１Ａ・２１Ａが設けられる。また、他側ピストンサイドウォール１３Ｂの両端の他側接合部２０Ｂ・２０Ｂには、第１の他側薄肉部２１Ｂ・２１Ｂが設けられる。一側接合部２０Ａ・２０Ａ及び他側接合部２０Ｂ・２０Ｂは、スカート外周輪郭線１２に接続している。また、第１の一側薄肉部２１Ａ・２１Ａ及び第１の他側薄肉部２１Ｂ・２１Ｂは、スカート外周輪郭線１２の一部を構成するものである。
第１の一側薄肉部２１Ａ・２１Ａ及び第１の他側薄肉部２１Ｂ・２１Ｂは、図８、図９、図１１、図１４に示すように、それぞれ溝状であって、ピストンスカート部９のスカート部下端１９から上方に高さＨ１だけ延びて、且つピストンピン孔１４Ａ・１４Ｂの軸線Ｚよりも下方に配設される。また、この第１の薄肉部２１Ａ・２１Ｂは、図８に示すように、幅Ｗ１・Ｗ１で形成される。
また、図６、図７に示すように、ピストンスカート部９には、第２の一側薄肉部２２Ａ・第２の他側薄肉部２２Ｂが設けられる。この第２の一側薄肉部２２Ａ・第２の他側薄肉部２２Ｂは、図８に示すように、ピストンピン孔１４Ａ・１４Ｂの軸線Ｚよりも上方に上端２３が位置し且つピストンピン孔１４Ａ・１４Ｂの軸線Ｚよりも下方に延びて配設される。なお、図８においては、第２の他側薄肉部２２Ｂについてのみ説明しているが、第２の一側薄肉部２２Ａも同様である。
また、第２の他側薄肉部２２Ｂについてのみ説明すると、第２の他側薄肉部２２Ｂは、溝状であり、図１４に示すように、ピストンスカート部９の外周方向で一側ピストンサイドウォール１３Ａと他側ピストンサイドウォール１３Ｂとの間の中央部位に配置される。また、第２の他側薄肉部２２Ｂの下端２４は、図８に示すように、軸線Ｚよりも下方に位置して、スカート部上端１８から下方へ高さＨ２で配設される。更に、第２の他側薄肉部２２Ｂは、図８に示すように、幅Ｗ２で形成される。
このような構造により、図８に示すように、第１の一側薄肉部２１Ａ・第１の他側薄肉部２１Ｂとは、ピストンスカート部９の外周方向に沿った面上で一部が高さＨ３で重なるように配設される。

また、図６、図７に示すように、ピストンスカート部９には、スカート部下端１９の周辺で、肉厚部として、一側肉厚部２５Ａ・他側肉厚部２５Ｂが設けられる。この一側肉厚部２５Ａ・他側肉厚部２５Ｂは、帯状で、軸線Ｚに対して対称であって、一側ピストンサイドウォール１３Ａ・他側ピストンサイドウォール１３Ｂの接合部２０Ａ・２０Ｂに連結するように向かって配設される。
図８に示すように、一側肉厚部２５Ａ・他側肉厚部２５Ｂは、第１の一側薄肉部２１Ａ・２１Ａ及び第１の他側薄肉部２１Ｂ・２１Ｂと同じ高さＨ１に形成されている。また、一側肉厚部２５Ａ・他側肉厚部２５Ｂは、図５〜図７に示すように、ピストン中心軸線Ｐ上のスカート部下端１９の一側中央部２６Ａ・他側中央部２６Ｂから一側ピストンサイドウォール１３Ａ・他側ピストンサイドウォール１３Ｂに向かって配設されている。ピストン中心軸線Ｐは、ピストン中心Ｏを通るものであり、且つシリンダ中心軸線Ｙと重なるものである。
なお、図６において、符号２７は、フロントマークである。

以下に、この実施例に係るピストン５について、より詳細に説明する。
一般的に、図１５、図１６に示すように、運転中のピストン５が膨張行程において、燃焼圧で発生する排気側（右側）からのスラスト力（横方向の力）Ｆを受けながらシリンダ中心軸線Ｙに沿って下降する際に、ピストン５が傾斜しつつシリンダ２に摺接することから、シリンダ２とピストンスカート部９との間に摩擦が発生する。このため、ピストンスカート部９が変形し、このピストンスカート部９の変形量が、ピストンスカート部９とシリンダ２との接触面積の大小に影響してしまい、接触面積が小さい場合には、接触面圧が高くなることから、摩擦損失の増加とピストンスカート部９の摩耗促進とを招くことが懸念される。
ピストンスカート部９とシリンダ２との接触面積を大きく採るには、できるだけピストン５を傾斜させることなく、ピストンスカート部９をシリンダ２に摺接させることが有効である。
内燃機関１が４サイクル内燃機関の場合に、ピストン５は、吸気行程−圧縮行程−膨張行程−排気行程の４つ行程を吸気側・排気側に傾斜しながら摺動する。そして、特に、膨張行程におけるスラスト力Ｆでは、ピストン５の傾斜量は、最大となる。
この運転中のピストン５において、スラスト力Ｆは、図１５、図１６に示すように、排気側（右側）から吸気側（左側）の方向で発生する。

また、ピストン５の傾斜が最大となるに伴い、膨張行程における摩擦損失は、上記の４つ行程中でも最も大きいものである。
接触面積と摩擦損失とは、強い関係がある。スラスト力Ｆが負荷されることで発生するピストンスカート部９のスカート部下端１９の変形は、スカート部下端１９の他側中央部２６Ｂから始まる。この際、変形部位の剛性が低い箇所がスカート部下端１９の他側中央部２６Ｂに存在し、シリンダ２との接触面圧は、その他側中央部２６Ｂに集中する。ここで、接触面圧＝スラスト荷重（スラスト力）／接触面積であるため、同じスラスト荷重が負荷された場合、接触面圧は、接触面積が小さい程、高くなる。
さらに、一般的に、油膜の厚さは、接触面圧の影響を受ける。油膜は、厚い程、磨耗や摩擦損失低減に有利とされ、周辺の接触面圧が高い程、薄くなる。また、摺速（ピストンがシリンダを摺動する速度）が遅い程、油膜形成が難くなるため、最大のスラスト力Ｆが負荷される上死点付近の低摺速域では、油膜形成が非常に困難となり、油膜は、薄くなる。このため、従来のピストンの傾斜抑制方法（ピストンスカート部のスカート外周輪郭線の下端の肉厚を一様に同じくする方法）を用いると、その接触面積が小さいことから、高いスラスト力が負荷された際、接触面圧の上昇とそれに伴う摩擦損失の増加が危惧される。
一方で、スカート部下端１９において、広い範囲（面接触）でスラスト力Ｆを受けるこの実施例に係る接触面圧は、従来のピストンに比べて低い。また、同じ運転条件下では、従来のピストンと比較して、本発明のピストン５は、潤滑境界の油膜形成としては有利になる。これにより、この実施例では、従来における摩擦損失の増加による燃費の悪化等の不具合を、回避させることができる。
また、摩擦損失は、ピストンスカート部９の変形の影響を受ける。スラスト力Ｆを受けたピストン５は、スカート部下端１９からシリンダ２に接触する。このとき、スカート部下端１９の変形量が大きい程、ピストン５が傾斜し、ピストン５の摺動は、スカート部上端１８の肉厚が存在して変形し難い部位で行われる。
ピストン５の傾斜では、スラスト力Ｆを受ける範囲をスカート部上端１８に限定し、スカート部上端１８の接触面圧が高くなる。このスカート部上端１８の高い接触面圧は、摩擦損失の増加と、ピストン５自体の摩耗と、焼付きとを招くおそれがある。

そこで、この実施例では、膨張行程におけるピストン５の傾斜をピストンスカート部９の内部の肉厚の変更によって抑制させ、ピストンスカート部９で発生する接触面圧を低下させ、摩擦力を低減させる。
このための構造として、この実施例では、先ず、図７、図９、図１１に示すように、ピストンスカート部９には、一対のピストンサイドウォール１３Ａ・１３Ｂに繋がる両端に第１の薄肉部２１Ａ・２１Ｂを設ける。また、この第１の薄肉部２１Ａ・２１Ｂは、溝状であって、スカート部下端１９から上方に延びて、且つピストンピン孔１４Ａ・１４Ｂの軸線Ｚよりも下方に配設される。
また、スカート部下端１９の周辺には、図６、図７に示すように、肉厚部２５Ａ・２５Ｂが、軸線Ｚに対して対称で且つピストンサイドウォール１３Ａ・１３Ｂに向かって配設される。

これにより、この実施例に係るピストン５にあっては、スカート部下端１９の肉厚を肉厚部２５Ａ・２５Ｂによって部分的に増やし、スカート部下端１９の他側中央部２６Ｂのみが変形せず、スカート部下端１９全体が変形する。さらに、スカート部下端１９の肉厚部２５Ａ・２５Ｂと接合部２０Ａ・２０Ｂ付近の肉厚を溝状の第１の薄肉部２１Ａ・２１Ｂによって減らし、一方で、極端に剛性が低い箇所では、スラスト力Ｆをピストンスカート部９に伝える役割を果たすピストンサイドウォール１３Ａ・１３Ｂの接合部２０Ａ・２０Ｂ付近で、肉厚部２５Ａ・２５Ｂを配設する。
これにより、スカート下端部１９全体が変形するため、結果的に、ピストンスカート部９とシリンダ２との接触面積を増やす効果が生まれ、できるだけピストン５を傾斜させることなく、ピストン５をシリンダ２に摺接させることができる。

また、膨張行程におけるピストン５において、スカート部下端１９は、スラスト力Ｆが負荷された後のピストン５がシリンダ２と最初に接触する部位である。ピストンスカート部９においては、スラスト力Ｆによって上部位が排気側に傾斜し、このため、スカート部下端１９からシリンダ２のシリンダ内周面３の吸気側内面部位と接触する。そして、この接触により、スカート部下端１９は、図１７に示すように、シリンダ中心軸線Ｙ方向に変形する。
この変形を抑えるために、この実施例では、第１の薄肉部２１Ａ・２１Ｂを設けて、ピストンサイドウォール１３Ａ・１３Ｂが突っ張らないようにし、ピストンスカート部９がシリンダ２に倣って変形し易くなるような構造としている。

即ち、この実施例においては、ピストンスカート部９の内部の肉厚形状を、以下のような第１〜第３の特徴的な構造に変更している。
先ず、第１の特徴的な構造について述べる。
ピストンスカート部９の内部のピストンサイドウォール１３Ａ・１３Ｂの接合部２０Ａ・２０Ｂには、第１の薄肉部２１Ａ、２１Ｂを連結する。つまり、最初にスラスト力を受けるピストン５のピストンスカート部９のスカート部下端１９付近に存在するピストンサイドウォール１３Ａ・１３Ｂの接合部２０Ａ・２０Ｂに隣接する位置に、第１の薄肉部２１Ａ・２１Ｂを配設する。
スカート部下端１９から始まる第１の薄肉部２１Ａ・２１Ｂのシリンダ中心軸線Ｙ方向の高さと肉厚部２５Ａ・２５Ｂの高さとは、図８に示すように、同じ高さＨ１に設定することが望ましい。
第１の薄肉部２１Ａ・２１Ｂの配設箇所は、ピストンスカート部９の応力分布により決定される。
図２５には、ピストンスカート部９の肉厚部２５Ａ・２５Ｂにより接触面圧を調整しない従来のピストンスカート部（吸気側スカート部）の応力分布を示し、ピストン応力分布測定装置で測定した結果である。
この図２５において、ピストンサイドウォールの接合部の位置で周辺よりも応力が高い箇所は、軸線Ｚよりも下方でスカート部下端１９までの高さＨ４に該当する部位である。
そこで、この実施例では、図２４に示すように、その部位のシリンダ中心軸線Ｙ側の隣で、内側に溝状の第１の薄肉部２０Ａ・２０Ｂを配設すると、図２２に示すように、スラスト力Ｆによってスカート部下端１９の他側中央部２６Ｂ付近のみが大きく変形することを抑制することができる。図２２では、従来品のピストンの変形量を破線で示し、本発明品のピストン５の変形量を実線で示している。
つまり、従来品のピストンでは、スカート部下端１９の他側中央部２６Ｂにスラスト力Ｆが集中していた。しかし、この実施例に係るピストン５の構造では、スラスト力Ｆを、スカート部下端１９で最も薄い溝状の第１の薄肉部２１Ａ・２１Ｂに分散させることができる。これにより、スカート部下端１９の他側中央部２６Ｂのシリンダ中心軸線Ｙ方向に向かう変形量は、小さくなる。ピストンスカート部９においては、スラスト力Ｆの負荷後、シリンダ２との接触によりスカート部下端１９の他側中央部２６Ｂから弾性変形が始まる。

次に、第２の特徴的な構造について述べる。
スカート部下端１９周辺には、帯状の肉厚部２５Ａ・２５Ｂが、軸線Ｚに対して対称にピストンサイドウォール１３Ａ・１３Ｂに向かって配設される。
肉厚部２５Ａ・２５Ｂは、図５〜図７に示すように、スカート部下端１９の他側中央部２６Ｂから始まり、ピストンサイドウォール１３Ａ・１３Ｂに向かって延びる。肉厚部２５Ａ・２５Ｂの高さは、ピストンスカート部９の応力分布を考慮して、接合部２０Ａ・２０Ｂの周辺の応力集中の箇所の高さ、つまり、第１の薄肉部２１Ａ・２１Ｂと同じ高さＨ１にする。これにより、ピストン５は、良好に機能する。
また、応力集中によるピストンスカート部９の損傷を回避するため、肉厚部２５Ａ・２５Ｂの変化点の端部は、曲面形状にするなどして、急激な肉厚の変化を避けることが望ましい。
従って、この実施例では、ピストンスカート部９の開放端であるスカート部下端１９に剛性を付与し、スラスト力Ｆによるスカート部下端１９の応力を溝状の第１の薄肉部２１Ａ・２１Ｂに効率よく伝播させることができる。
この結果、従来ではスカート部下端１９の他側中央部２６Ｂ周辺のみだった変形領域が、この実施例では、肉厚部２５Ａ・２５Ｂの存在により、第１の薄肉部２１Ａ・２１Ｂまで軸線Ｚ方向へ拡張することができる。

また、上記の第１の特徴的な構造と第２の特徴的な構造とを組み合わせることで、以下のような効果を奏する。
従来では、スカート部下端１９の他側中央部２６Ｂだけが大きく変形していたが、この実施例では、肉厚部２５Ａ・２５Ｂによりスカート部下端１９での変形をピストンサイドウォール１３Ａ・１３Ｂ付近の第１の薄肉部２１Ａ・２１Ｂまで拡張したことにより、肉厚部２５Ａ・２５Ｂの存在と、剛性の低い第１の薄肉部２１Ａ・２１Ｂとによってスカート部下端１９全体が変形領域となる。これにより、シリンダ中央軸線Ｙへ向かうピストンスカート部９の変形量の絶対量は、小さくなる。
この結果、図２２に示すように、上記の第１の特徴的な構造と第２の特徴的な構造とを組み合わせることにより、変形量抑制効果が得られる。つまり、ピストンスカート部９の面剛性を確保しつつ、ピストンスカート部９の面全体を内側へ倒れやすくすることができる。
図２２においては、シリンダ中央軸線Ｙへ向かう変形量が小さくなることは、ピストン５の傾斜が小さくなることを意味しており、これにより、従来と比べて、スカート部下端１９が大きく変形することによって、ピストンスカート部９をシリンダ２へ面接触させ、これにより、スラスト力を集中的に受けるスカート部上端１８近傍の接触面圧を低下させることができる。

次いで、第３の特徴的な構造について述べる。
ピストンスカート部９の内部のピストンサイドウォール１３Ａ・１３Ｂ間の中央部位には、溝状の第２の薄肉部２２Ａ・２２Ｂを配設する。
スカート部上端１８近傍の接触面圧は、第２の薄肉部２２Ａ・２２Ｂによっても低減される。スカート部上端１８の内側に位置する部位の肉厚を薄くすることによって、スラスト力の負荷によって変形する範囲を軸線Ｚ方向へ拡張させることができる。これにより、スカート部上端１８近傍の接触面圧は、低下する。
つまり、スカート部上端１８から軸線Ｚまでの箇所の接触面圧は、ピストンスカート部９で最も高くなる。この部位の内面のシリンダ中心軸線Ｙの投影線に沿った箇所に第２の薄肉部２２Ａ・２２Ｂを配設する。
この第２の薄肉部２２Ａ・２２Ｂの寸法は、応力分布から決定される。

図２３には、ピストン５の応力分布を示す。この図２３では、図２５の従来のピストンと比較して、平均応力の低下と応力分担領域の拡大が確認でき、また、ピストン応力分布測定装置を用いてスラスト力の負荷時のピストンスカート部９とシリンダ２との接触面積を計測した結果から、接触面積が増加していることが確認された。

この発明の実施例によれば、先ず、ピストン５のピストンスカート部９には、ピストンサイドウォール１３Ａ・１３Ｂに繋がる両端で外周方向に沿った第１の薄肉部２１Ａ・２１Ｂが設けられる。この第１の薄肉部２１Ａ・２１Ｂは、燃焼圧によるスラスト力を受けてピストンスカート部９がシリンダ２に倣って変形するように他の箇所よりも薄く且つ所定幅Ｗ１に形成され、ピストンスカート部９の下部から上方に延びて且つピストンピン孔１４Ａ・１４Ｂの軸線Ｚよりも下方に配設される。
このような構造により、ピストンスカート部９全体の面剛性を確保しつつ、ピストンサイドウォール１３Ａ・１３Ｂの接合部２０Ａ・２０Ｂの剛性を下げることで、ピストンスカート部９全体が内側に倒れやすくなり、弾性変形する。これにより、ピストンスカート部９の接触面積を増加することができ、ピストン５の傾斜量を抑制することができる。
また、ピストンスカート部９が内側に倒れることによって、図１７〜図１９に示すように、ピストンスカート部９が、楕円形からシリンダ２の真円形に倣うように広がって弾性変形し、これにより、ピストンスカート部９のシリンダ２への接触面積を増加し、ピストンスカート部９とシリンダ２との接触面圧を低減することができ、ピストン５の傾斜量を抑え、直立に近い良好な姿勢で摩擦損失を低減して円滑なピストン５の往復動を可能とする。この場合、暖機時には、熱膨張によりピストンスカート部９は真円形に近くなるので、特に効果が大きいのは、内燃機関１の始動時である。
更に、ピストンスカート部９には、ピストンピン孔１４Ａ・１４Ｂの軸線Ｚよりも上方に上端２３が位置して且つピストンピン孔１４Ａ・１４Ｂの軸線Ｚよりも下方に延びる第２の薄肉部２２Ａ・２２Ｂが設けられる。
つまり、ピストンピン孔１４Ａ・１４Ｂの軸線Ｚよりも上方では、ピストンサイドウォール１３Ａ・１３Ｂの剛性が効くため、変形し難い。そのため、上記のように、第２の薄肉部２２Ａ・２２Ｂを設けることにより、ピストンスカート部９の変形を容易とし、図１７〜図１９に示すように、ピストンスカート部９を、さらにシリンダ２の真円形に近づけることができる。
更にまた、第２の薄肉部２２Ａ・２２Ｂは、ピストンスカート部９の外周方向で一対のピストンサイドウォール１３Ａ・１３Ｂ間の中央部位に配設される。
このような構造により、第２の薄肉部２２Ａ・２２Ｂをピストンサイドウォール１３Ａ・１３Ｂ間で同じ距離とすることで、ピストンスカート部９の内側への変形量を大きくすることができる。
また、図８に示すように、第１の薄肉部２１Ａ・２１Ｂと第２の薄肉部２２Ａ・２２Ｂとは、ピストンスカート部９の外周方向に沿った面上で一部が重なるように配置される。
このような構造により、第１の薄肉部２１Ａ・２１Ｂと第２の薄肉部２２Ａ・２２Ｂとを長く確保することができ、さらに剛性を下げることができる。

なお、この発明においては、ピストンのピストンスカート部の内部に各種特徴的な肉厚分布を持たせることで、従来よりもピストンとシリンダとの摩擦力を低くすることを達成できる。また、ここでは、薄肉部と表記している部位は、相対的なものであり、薄肉部を、従来と同様、周辺を厚肉化する方策でも、同様の応力分布の達成と摩擦力の低減の達成とを果たすことが可能である。

この発明に係るピストンを、各種内燃機関に適用可能である。

１ 内燃機関
２ シリンダ
３ シリンダ内周面
４ シリンダボア
５ ピストン
６ コネクティングロッド
７ クランク軸
８ ピストンヘッド部
９ ピストンスカート部
１０ ピストン頂面
１１Ａ〜１１Ｃ 第１〜第３リング溝
１２ ピストンスカート部のスカート外周輪郭線
１３Ａ 一側ピストンサイドウォール
１３Ｂ 他側ピストンサイドウォール
１４Ａ 一側ピストンピン孔
１４Ｂ 他側ピストンピン孔
１５ ピストンピン
１６ 排気側スカート部
１７ 吸気側スカート部
１８ スカート部上端
１９ スカート部下端
２０Ａ 一側ピストンサイドウォールの一側接合部
２０Ｂ 他側ピストンサイドウォールの他側接合部
２１Ａ 第１の一側薄肉部
２１Ｂ 第１の他側薄肉部
２２Ａ 第２の一側薄肉部
２２Ｂ 第２の他側薄肉部
２３ 第２の薄肉部の上端
２４ 第２の薄肉部の下端
２５Ａ 一側肉厚部
２５Ｂ 他側肉厚部
２６Ａ スカート部下端の一側中央部
２６Ｂ スカート部下端の他側中央部
２７ フロントマーク
Ｈ１ 第１の薄肉部の高さ
Ｈ２ 第２の薄肉部の高さ
Ｈ３ 第１の薄肉部と第２の薄肉部とがピストンスカート部の外周方向に沿った面上で重なる高さ
Ｐ ピストン中心軸線
Ｖ ピストンピン孔の軸線に対して直交する方向の軸線
Ｙ シリンダ中心軸線
Ｚ ピストンピン孔の軸線

Claims (2)

1. ピストンヘッド部と、
   前記ピストンヘッド部の下部でシリンダに摺接するように設けられたピストンスカート部と、
   前記ピストンスカート部の内部に設けられた一対のピストンサイドウォールと、
   前記一対のピストンサイドウォールに形成されたピストンピン孔とを備え、
   前記ピストンスカート部の外周を、前記ピストンピン孔の軸線方向を短径とするとともに前記ピストンピン孔の軸線方向に対して直交する方向を長径とする楕円形の一部とした内燃機関用ピストンにおいて、
   前記ピストンスカート部には、前記一対のピストンサイドウォールに繋がる両端で外周方向に沿った第１の薄肉部と、前記外周方向で前記一対のピストンサイドウォール間の中央部位に配置された第２の薄肉部とを設け、
   前記第１の薄肉部は、燃焼圧によるスラスト力を受けて前記ピストンスカート部が前記シリンダに倣って変形するように他の箇所よりも薄く且つ所定幅に形成され、前記ピストンスカート部の下端から上方に延びて且つ前記ピストンピン孔の軸線よりも下方に配設され、
   前記第２の薄肉部は、前記ピストンピン孔の軸線よりも上方に上端が位置し且つ前記ピストンピン孔の軸線よりも下方に延びて配設され、他の箇所よりも薄く且つ所定幅に形成されたことを特徴とする内燃機関用ピストン。
2. 前記第１の薄肉部と前記第２の薄肉部とは、前記ピストンスカート部の前記外周方向に沿った面上で一部が重なるように配設されたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用ピストン。

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